DE102006056624A1 - Verfahren zur Herstellung einer selbstjustierten CuSiN-Deckschicht in einem Mikrostrukturbauelement - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer selbstjustierten CuSiN-Deckschicht in einem Mikrostrukturbauelement Download PDF

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Abstract

Durch Herstellen einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung in einem Oberflächenbereich eines kupferenthaltenden Gebiets auf der Grundlage einer Vorstufenmaterialschicht werden gut steuerbare und zuverlässige Prozessbedingungen geschaffen. Die Vorstufenmaterialschicht kann auf der Grundlage einer flüssigen Vorstufenlösung gebildet werden, die ein im Wesentlichen selbstjustierendes und selbstbegrenzendes Abscheideverhalten zeigt.

Description

  • Gebiet der vorliegenden Erfindung
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer, die in ein dielektrisches Material eingebettet sind, wobei das kupferbasierte Metall einen stickstoffenthaltende Kupfersilizid-(CuSiN)Oberflächenanteil zur Verbesserung des Elektromigrationsverhaltens des Metalls erhält.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • In modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen in Bezug auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme ständig verbessert wurde. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente deutlich reduziert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird, wird auch der verfügbare Raum für Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden, ebenso verringert. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen ebenso reduziert werden, um dem geringeren Anteil an verfügbarer Fläche und der erhöhten Anzahl an Schaltungselementen pro Chip Rechnung zu tragen.
  • In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von ungefähr 0,35 μm und darunter ist ein begrenzender Faktor des Bauteilleistungsverhaltens die Signalausbreitungsverzögerung, die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen wird. Da nunmehr die Kanallänge dieser Transistorelemente 50 nm und weniger beträgt, ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren begründet, sondern wird auf Grund der erhöhten Schaltungsdichte durch die Verbindungsleitungen begrenzt, da die Kapazität (C) zwischen den Leitungen ansteigt und ferner auch der Widerstand (R) der Leitungen auf Grund der geringeren Querschnittsfläche erhöht ist. Die parasitären RC-Zeitkonstante erfordern daher das Verwenden einer neuen Art von Material zur Herstellung der Metallisierungsschicht.
  • Üblicherweise werden Metallisierungsschichten, d. h. Verdrahtungsschichten mit Metallleitungen und Kontaktdurchführungen für das Erstellen der elektrischen Verbindung der Schaltungselemente gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau, mittels einem dielektrischen Schichtstapels gebildet, der beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid aufweist, wobei Aluminium das typische Metall repräsentiert. Da Aluminium eine deutliche Elektromigration bei höheren Stromdichten zeigt, die in integrierten Schaltungen mit äußerst größenreduzierten Strukturelementen erforderlich sind, wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand und auch eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration aufweist. Für modernste Anwendungen werden zusätzlich zur Verwendung von Kupfer und/oder Kupferlegierungen die gut etablierten und gut bekannten dielektrischen Materialien Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2) und Siliziumnitrid (ε größer 5) durch sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt. Der Übergang von der gut verstandenen und gut etablierten Metallisierungsschicht mit Aluminium/Siliziumdioxid zu einer kupferbasierten Metallisierungsschicht möglicherweise in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε ist mit einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu lösen gilt.
  • Beispielsweise kann Kupfer nicht in größeren Mengen in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische und physikalische Dampfabscheidung, aufgebracht werden. Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch etablierte anisotrope Ätzprozesse strukturiert werden. Daher wird die sogenannte Damaszener- oder Einlegetechnik häufig eingesetzt, um Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen zu bilden. Typischerweise wird in der Damaszener-Technik die dielektrische Schicht abgeschieden und anschließend so strukturiert, dass Gräben und Kontaktlochöffnungen vorhanden sind, die nachfolgend mit Kupfer mittels Plattierungsverfahren, etwa Elektroplattieren oder stromlosen Plattieren, gefüllt werden. Da Kupfer gut in einer Vielzahl von Dielektrika, etwa Siliziumdioxid und vielen Dielektrika mit kleinem ε, diffundiert, ist die Herstellung einer Diffusionsbarrierenschicht an Grenzflächen zu benachbarten dielektrischen Materialien erforderlich. Des weiteren muss auch die Diffusion von Feuchtigkeit und Sauerstoff in das kupferbasierte Metall unterdrückt werden, da Kupfer unter Ausbildung oxidierter Bereiche reagiert, wodurch möglicherweise die Eigenschaften der kupferbasierten Metallleitung in Bezug auf die Haftung, die Leitfähigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration beeinträchtigt werden. Um die Gesamtleitfähigkeit des Metallge biets nicht unnötig zu reduzieren, werden häufig leitende Barrierenmaterialien zur Abdeckung innerer Seitenwandbereiche der Gräben verwendet, während dielektrische Barrierenmaterialien als Deckschicht verwendet werden, während dielektrische Barrierenmaterialien als Deckschicht verwendet werden, die auch als ein wirksames Ätzstoppmaterial dienen, wenn das Metallgebiet mittels einer Kontaktdurchführung von einem Metallgebiet einer nächsthöheren Metallisierungsebene kontaktiert wird. Beispielsweise ist Siliziumnitrid als eine effektive Kupferdiffusionsbarriere bekannt und kann beispielsweise als Deckschicht verwendet werden. In anderen Fällen wird, wenn die moderat hohe Permittivität des Siliziumnitrids als ungeeignet erachtet wird, häufig stickstoffangereichertes Siliziumkarbid (SiCN) als Kupferdiffusionsbarriere eingesetzt. Trotz des diffusionsbehindernden Effekts der Siliziumnitriddeckschichten und der siliziumkarbidbasierten Deckschichten zeigt es sich, dass der Widerstand des Kupfers gegen strominduzierte Materialtransporteffekte (Elektromigration) oder andere durch Belastung hervorgerufene Materialtransporteffekte deutlich von den Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem kupferbasierten Metall und der benachbarten Deckschicht abhängt. Daher ist es in modernen integrierten Schaltungen, in denen hohe Stromdichten auftreten, im Allgemeinen wichtig, die Grenzfläche zwischen dem kupferbasierten Metall und der Deckschicht so zu gestalten, dass eine gewünschte hohe Haftung und damit ein gutes Leistungsverhalten im Hinblick auf Elektromigration oder belastungsinduzierte Materialtransportphänomene erreicht wird. In dieser Hinsicht wurde stickstoffenthaltendes Kupfersilizid (CuSiN) als eine effiziente Legierung erkannt, die zu einer äußerst stabilen Grenzfläche führt, wodurch dem entsprechenden Metallgebiet eine erhöhte Widerstandsfähigkeit und damit Zuverlässigkeit in Bezug auf Elektromigration und andere belastungsinduzierte Materialtransporteffekte verliehen wird. Somit wird in einigen konventionellen Lösungsansätzen die Kupferoberfläche einer reaktiven Gasumgebung ausgesetzt, etwa einer Gasumgebung auf Plasmabasis, die Silan (SiH4) als ein siliziumenthaltendes Vorstufenmaterial und ein stickstoffenthaltendes Gas enthält, wodurch das Kupfersilizid mit einem speziellen Anteil an Stickstoff geschaffen wird. Für gewöhnlich wird der Prozess des Herstellens des CuSiN-Materials auf der freiliegenden Kupfergrenzfläche unmittelbar vor einer plasmaunterstützten CVD (chemische Dampfabscheidung) des Barrierenmaterials, etwa Siliziumnitrid, stickstoffangereichertes Siliziumkarbid, oder Kombinationen davon, durchgeführt, wobei entsprechende Reinigungsprozesse, etwa plasmagestützte Prozesse, und dergleichen ausgeführt werden, um die Kupferoberfläche für die nachfolgende Ausbildung der CuSiN-Legierung und das Abscheiden des Barrieren/Ätzstopp-Materials vorzubereiten. Somit sind eine Reihe komplexer Prozesse beteiligt, die mit der Kupferoberfläche wechsel wirken und daher zu komplexen Oberflächenbedingungen führen können, die daher genau gesteuerte Prozessbedingungen während der Herstellung des CuSiN-Materials erfordern. Es zeigt sich, dass selbst geringe Abweichungen in den Prozessbedingungen zu deutlichen Unterschieden der Zusammensetzung des resultierenden CuSiN-Materials führen können, wodurch die Eigenschaften des Kupfers in der Nähe der Oberfläche sogar beeinträchtigt werden. Obwohl daher CuSiN ein vielversprechender Kandidat zur Verbesserung des Leistungsverhaltens von kupferbasierten Metallisierungsstrukturen ist, ist der Prozess nur schwer zu steuern, da beispielsweise eine geringfügige Fehlanpassung der Vorstufenmaterialien zu nicht vorhersagbaren Leistungseigenschaften der Metallleitung führen kann.
  • Angesichts der zuvor beschriebenen Situation besteht ein Bedarf für eine verbesserte Technik, die die Herstellung von kupferbasierten Metallisierungsschichten mit einer effizienten Deckschicht auf der Grundlage von CuSiN ermöglicht, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
  • Überblick über die Erfindung
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zur Herstellung einer Kupferlegierung oder einer Verbindung mit Stickstoff und in anschaulichen Ausführungsformen einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung (CuSiN) in selbstjustierter Weise innerhalb eines kupferenthaltenden Metallgebiets, wobei ein höheres Maß an Prozesssteuerbarkeit erreicht wird. Zu diesem Zweck werden geeignete Konzentrationen an Stickstoff und anderen Sorten, etwa Silizium, über einer freiliegenden Oberfläche des kupferenthaltenden Gebiets vorgesehen, indem ein entsprechendes Vorstufenmaterial darauf ausgebildet wird, das nachfolgend einem geeigneten Zerfallsprozess unterworfen wird, um damit den entsprechende Stickstoff und andere Komponenten für eine weitere Reaktion mit dem Kupfer bereitzustellen, um damit eine gut definierte stickstoffenthaltende Legierung, etwa eine Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung zu bilden, die dann für die verbesserten Eigenschaften im Hinblick auf die Elektromigration und andere belastungsinduzierte Materialtransportwirkungen in modernen Kupferleitungen von Halbleiterbauelementen sorgt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das entsprechende Vorstufenmaterial auf der Grundlage einer chemischen Verbindung gebildet, die für eine im Wesentlichen selbstbegrenzende Oberflächenreaktion mit freiliegenden Kupferbereichen sorgt, wodurch genau steuerbare Prozessbedingungen für die nachfolgende eigentliche Bildung der Legierung, etwa die Kup fer/Silizium/Stickstoff-Legierung, geschaffen werden. Folglich wird ein gewünschtes Maß an Konzentration des Vorstufenmaterials, etwa Silizium- und Stickstoffkonzentrationen, vorgesehen, indem vordefinierte Vorstufenverbindungen vorbereitet werden, wobei die präzise Steuerung der entsprechenden Konzentrationen tatsächlich während des selbstbegrenzenden Abscheideprozesses erreicht wird, wodurch in „automatischer Weise" vorhersagbare und gut definierte Prozessbedingungen während des nachfolgenden Prozesses zum in Gang setzen einer chemischen Reaktion geschaffen werden, um damit die kupfer- und stickstoffenthaltende Legierung zu bilden. Somit können durch spezielles Gestalten der entsprechenden Vorstufenverbindung die Eigenschaften der schließlich erhaltenen Legierung, etwa der Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, während die entsprechende Prozesssteuerung weniger kritisch im Vergleich zu konventionellen Strategien zur Herstellung von CuSiN ist, in der typischerweise die entsprechenden Vorstufenmaterialien in einer Gasumgebung, beispielsweise auf Grundlage eines plasmaunterstützten Prozesses, zugeführt werden.
  • Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Aufbringen eines Vorstufenmaterials auf eine freiliegende Oberfläche eines kupferenthaltenden Metallgebiets, das in einer ersten dielektrischen Schicht eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist, wobei das Vorstufenmaterial Silizium und Stickstoff enthält und eine selbstjustierte Vorstufenmaterialschicht auf der freiliegenden Oberfläche bildet. Das Verfahren umfasst ferner das Aktivieren einer chemischen Reaktion von Silizium und Stickstoff, die in der Vorstufenmaterialschicht enthalten sind, um eine selbstjustierte Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung in dem kupferenthaltenden Metallgebiet an dessen Oberfläche zu bilden.
  • Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Vorstufenmaterials mit Triazol und das Bilden einer Vorstufenmaterialschicht aus dem Vorstufenmaterial auf einer freiliegenden Oberfläche eines kupferenthaltenden Gebiets, das in einer dielektrischen Schicht eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist. Schließlich umfasst das Verfahren das in Gang setzen einer Zerfallsreaktion der Vorstufenmaterialschicht, um eine Deckschicht auf der Oberfläche zu bilden.
  • Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden eines kupferenthaltenden Gebiets in einer dielektrischen Schicht eines Halbleiterbauelements, wobei das kupferenthaltende Gebiet eine freigelegte Oberfläche aufweist. Des weiteren wird eine Vorstufenmaterialschicht selektiv auf der freigelegten Oberfläche hergestellt, indem eine Vorstufenmateriallösung auf die freigelegte Oberfläche aufgebracht wird, wobei die Vorstufenmateriallösung eine vordefinierte Konzentration an Silizium und Stickstoff aufweist. Schließlich wird der Zerfall der Vorstufenmaterialschicht in Gang gesetzt, um Silizium und Stickstoff in die Oberfläche einzubringen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
  • 1a bis 1c schematisch Querschnittsansichten eines Mikrostrukturbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer selbstjustierten Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung auf einer freigelegten Oberfläche eines kupferenthaltenden Metallgebiets gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 1d und 1e schematisch einen entsprechenden Mechanismus zur Bildung einer im Wesentlichen selbstbegrenzenden Vorstufenmateralschicht auf einer Kupferoberfläche mit einem nachfolgenden Zerfall der Vorstufenmaterialschicht gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
  • 1f schematisch eine chemische Formel für das Darstellen geeigneter Basismaterialien zur Herstellung von Vorstufenmaterialschichten gemäß noch anderer anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
  • 1g schematisch die chemische Darstellung einer geeigneten Verbindung zur Herstellung eines Vorstufenmaterials und zum Einstellen der entsprechenden Eigenschaften der Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
  • 1h schematisch eine entsprechende Vorstufenmaterialschicht unter Anwendung der Verbindung aus 1g zeigt; und
  • 2a bis 2e schematisch Querschnittsansichten diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer kupferbasierten Metallisierungsstruktur für ein modernes Halbleiterbauelement mit verbessertem Elektromigrationsverhalten gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen gezeigt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
  • Im Allgemeinen löst die vorliegende Erfindung das Problem einer reduzierten Prozesssteuerbarkeit bei der Ausbildung äußerst effizienter stickstoffenthaltender Kupferverbindungen, etwa von Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierungen, in kupferenthaltenden Metallgebieten moderner Halbleiterbauelemente, indem das „Zuführen" der gewünschten Sorten, etwa Silizium, und der Stickstoffkomponente auf der Grundlage des Ausbildens eines selbstjustierten Vorstufenmaterials bewerkstelligt wird, in welchem diese Komponenten enthalten sind, wobei verbesserte Steuerungsmöglichkeiten zur Bildung der entsprechenden Vorstufenmaterialschicht somit für gut definierte Reaktionsbedingungen während des nachfolgenden eigentlichen Ausbildens der Legierung sorgen. Somit können die entsprechenden Reaktionspartner unmittelbar an der kupferenthaltenden Oberfläche bereitgestellt werden, wodurch das Erzeugen der entsprechenden Gasphasen zum Einführen der entsprechenden Silizium- und/oder Stickstoffverbindungen gemäß konventioneller Strategien zur Herstellung von CuSiN nicht mehr erforderlich ist. Vielmehr kann durch das Vorsehen der Vorstufenmaterialschicht, die damit die entsprechenden Komponenten während eines spezifizierten Aktivie rungsschrittes freisetzt, gut definierte Bedingungen für die Diffusion der reaktiven Komponenten in das Kupfermaterial erzeugt werden, wobei auch die entsprechenden Konzentrationen im Wesentlichen durch die Zusammensetzung der Vorstufenmaterialschicht festgelegt sind, wodurch stabile Reaktionsbedingungen geschaffen werden, selbst wenn Schwankungen in Bezug auf die Temperatur, die Dauer und dergleichen auftreten. In einigen anschaulichen Ausführungsformen beruht der Prozess des Herstellens der entsprechenden Vorstufematerialschicht auf einer speziellen chemischen Verbindung, die eine chemische Bindung mit dem Kupfer der freigelegten Oberfläche eingeht, wodurch ein im Wesentlichen selbstbegrenzendes Abscheideverhalten erreicht wird. Durch geeignetes Gestalten oder Auswählen der entsprechenden chemischen Verbindungen kann somit das Ausmaß der Oberflächenabdeckung und die Materialkonzentration der entsprechenden Komponenten, etwa Silizium und Stickstoff, eingestellt werden, wobei auch andere Komponenten in effizienter Weise in das kupferenthaltende Material eingeführt werden können, indem die gewünschte Sorte in die chemische Verbindung eingebaut wird, die zur Herstellung des Vorstufenmaterials verwendet wird. Somit können entsprechende Oberflächeneigenschaften des metallenthaltenden Gebiets in geeigneter Weise auf der Grundlage gut definierter Prozessbedingungen eingestellt werden, wobei die Möglichkeit des Einbaus gewünschter legierungsbildender Sorten und Dotierstoffsorten in das Vorstufenmaterial ein hohes Maß an Flexibilität bietet, wobei unerwünschte Prozesseinschränkungen während des eigentlichen Prozesses zum in Gang setzen der entsprechenden Reaktion vermieden werden.
  • Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung äußerst vorteilhaft im Zusammenhang mit modernen Mikrostrukturbauelementen ist, etwa modernen integrierten Schaltungen, in denen kupferbasierte Metallisierungsstrukturen erforderlich sind, wobei zumindest einige Grenzflächen des kupferenthaltenden Metalls mit einem umgebenden dielektrischen Material verbesserte Oberflächeneigenschaften im Hinblick auf belastungsinduzierten Materialtransport, etwa Elektromigration erfordern, um damit die Zuverlässigkeit der Metallisierungsstruktur zu verbessern, wodurch auch die Möglichkeit für eine weitere Verringerung der Abmessungen des Bauelements geschaffen wird. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere Prozesse zur Herstellung von Mikrostrukturbauelementen angewendet werden, in denen der Einbau entsprechender Atomsorten in eine freigelegte Kupferoberfläche in einer weitestgehend selbstjustierten und präzisen Weise erforderlich ist. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht auf Metallisierungsstrukturen von Halblei terbauelementen eingeschränkt gesehen werden, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen aufgeführt sind.
  • Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
  • 1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100, das ein Substrat 101 aufweist, das ein geeignetes Trägermaterial zur Herstellung von Mikrostrukturbauelementen repräsentiert, in denen kupferenthaltende Metallgebiete erforderlich sind. Beispielsweise kann das Mikrostrukturbauelement 100 ein Halbleiterbauelement repräsentieren, das über dem Substrat 101 ausgebildet ist, wobei das Substrat ein Trägermaterial repräsentieren kann, das darauf ausgebildet eine geeignete Halbleiterschicht zur Bildung entsprechender Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen aufweist. Das Bauelement 100 umfasst eine dielektrische Schicht 102, die aus geeigneten Materialien aufgebaut sein kann, wie sie typischerweise für die Herstellung von Mikrostrukturbauelementen verwendet werden. Z. B. kann die dielektrische Schicht 102 Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid und dergleichen aufweisen, wobei in anschaulichen Ausführungsformen die dielektrische Schicht 102 ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist, beispielsweise wenn moderne integrierte Schaltungen betrachtet werden. Die dielektrische Schicht 102 enthält ein kupferenthaltendes Metallgebiet 103 mit einer oder mehreren freigelegten Oberflächen 103s, d. h. entsprechenden Oberflächen, die nicht von dem dielektrischen Material oder anderen Materialien mit einem deutlichen Anteil an nicht-Kupferatomen bedeckt sind. Wie beispielsweise zuvor erläutert ist, kann Kupfer effizient in einer Vielzahl an dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid, und auch in einer Vielzahl an dielektrischen Materialien mit kleinem ε diffundieren, wodurch entsprechende Barrierenmaterialien zum zuverlässigen Einschließen des Kupfers in dem Metallgebiet 103 erforderlich sind. Somit werden an einer Grenzfläche des Metallgebiets 103 zu dem dielektrischen Material der Schicht 102 geeignete leitende Barrierenschichten häufig vorgesehen, die der Einfachheit halber in 1a nicht gezeigt sind.
  • Das Mikrostrukturbauelement 100, wie es in 1a gezeigt ist, kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, wobei z. B. die dielektrische Schicht 102 auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik hergestellt und nachfolgend auf Grundlage von Lithographie, etwa Photolithographie in Verbindung mit geeigneten Ätzver fahren strukturiert werden kann, um eine entsprechende Öffnung zu bilden, die in modernen Anwendungen laterale Abmessungen von 100 nm und weniger aufweist. Beispielsweise kann ein Graben in der dielektrischen Schicht 102 mit einer Breite von 100 nm oder weniger gebildet werden, während eine Länge des entsprechenden Grabens im Bereich von mehreren 10 μm liegen kann. Danach werden Barrierenschichten gebildet, beispielsweise auf der Grundlage gut etablierter Abscheideverfahren, etwa CVD (chemische Dampfabscheidung), PVD (physikalische Dampfabscheidung), ALD (Atomlagenabscheidung), elektrochemische Abscheideverfahren, und dergleichen, wobei die entsprechenden Materialzusammensetzungen des Barrierenmaterials in Bezug auf gute Haftung und Barriereneigenschaften ausgewählt werden. Anschließend wir das kupferenthaltende Metall beispielsweise auf der Grundlage einer nasschemischen Abscheidetechnik aufgebracht, wobei typischerweise eine im Wesentlichen nicht ebene Oberflächentopographie erzeugt wird, die in einem nachfolgenden Prozessschritt eingeebnet werden muss. Beispielsweise wird CMP (chemisch-mechanisches Polieren) häufig eingesetzt, um überschüssiges Material der vorhergehenden Prozesse zu entfernen, etwa Barrierenmaterial, kupferenthaltendes Metall, und dergleichen. Während des entsprechenden Einebnungsprozesses wird die Oberfläche 103s freigelegt.
  • Das metallenthaltende Gebiet 103 kann eine Metallleitung eines modernen Halbleiterbauelements repräsentieren, wie dies zuvor erläutert ist, und somit können relativ hohe Stromdichten während des Betriebs des Bauelements 100 auftreten, die in Verbindung mit Wärmeverspannungen, die durch die Wärmeabfuhr erzeugt werden, zu einem belastungsinduzierten Materialtransport in dem Gebiet 103 führen können. Elektromigration, das ein wichtiger Aspekt des belastungsinduzierten Materialtransports in Metallleitungen darstellt, kann als das Wandern von Atomen in einem metallenthaltenden Gebiet verstanden werden, wobei die Wanderung der Metallatome durch den Impulsübertrag von Leitungselektronen hervorgerufen wird. In einem kupferbasierten Metallgebiet wird die Elektromigration im Allgemeinen durch Grenzflächendiffusion und Oberflächendiffusion begünstigt. Es ist daher von großer Wichtigkeit, verbesserte Oberflächeneigenschaften vorzusehen, um damit die Grenzfläche zwischen dem Metallgebiet 103 und einem dielektrischen Material, das darauf gemäß den Bauteilerfordernissen herzustellen ist, zu verbessern. In dieser Hinsicht wurde erkannt, dass der Einbau von speziellen Dotierstoffsorten in die freigelegte Oberfläche 103s deutlich das Gesamtelektromigrationsverhalten ändern kann, nachdem das Metallgebiet 103 von einem geeigneten dielektrischen Material umgeben ist. Das Bilden einer stickstoff enthaltenden Kupferverbindung, etwa einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung (CuSiN) auf der Oberfläche 103s kann deutlich die Materialdiffusion an der entsprechenden Grenzfläche verringern, wodurch das entsprechende Elektromigrationsverhalten auf der Grundlage des stöchiometrischen Verhältnisses der diversen Komponenten der Legierung und dergleichen eingestellt werden kann. Das Ausbilden einer entsprechenden Verbindung oder Legierung mit einer deutlich geringeren Leitfähigkeit oder mit einer isolierenden Eigenschaft kann einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtleitfähigkeit des Gebiets 103 ausüben, wenn eine deutliche Menge an Kupfer während des entsprechenden Prozesses zur Herstellung der entsprechenden Legierung in der Nähe der Oberfläche 103s verbraucht wird. Somit ist eine präzise Steuerung des entsprechenden Prozesses erforderlich, da beispielsweise selbst geringe Schwankungen in der entsprechenden Schichtdicke zu sehr variablen Leitfähigkeitsbedingungen führen und damit das Gesamtelektromigrationsverhalten beeinflussen können. Folglich wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die freigelegte Oberfläche 103s einer Behandlung 104 unterzogen, die das Aufbringen eines geeigneten Vorstufenmaterials 105 beispielsweise in Form einer Flüssigkeitslösung umfasst, in der die erforderlichen Sorten eingebaut sind, um damit eine die Elektromigration verbessernde Legierung an der Oberfläche 103s in einer späteren Fertigungsphase zu bilden. In einer anschaulichen Ausführungsform weist das Vorstufenmaterial 105 darin eingebaut Silizium und Stickstoff auf, um die erforderlichen Komponenten für die Herstellung einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung bereitzustellen. Das Vorstufenmaterial 105 kann ferner so gestaltet sein, dass eine Oberflächenreaktion mit Kupfermaterial in äußerst selektiver Weise auftritt, während das Material der Schicht 102 im Wesentlichen nicht beeinflusst wird. Auf diese Weise kann ein hohes Maß an Selektivität erreicht werden, so dass die Behandlung 104 ein selbstjustierendes Verhalten zeigt.
  • 1b zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, wobei eine entsprechende Vorstufenmaterialschicht 105a auf der Oberfläche 103s gebildet ist. Die Vorstufenmaterialschicht 105a kann zusätzlich zu einer spezifizierten Materialzusammensetzung eine gut definierte Dicke 105t aufweisen, die von der Art des verwendeten Vorstufenmaterials abhängt, wie dies später detailliert beschrieben wird, während die entsprechenden Prozessbedingungen während der Behandlung 104 zum Erhalten der gut definierten Eigenschaften der Schicht 105a weniger kritisch sind. Folglich kann eine gut definierte Menge der erforderlichen Vorstufenmaterialien für die eigentliche Herstellung der spezifizierten elektromigrationsverbessernden Verbindung durch die Vor stufenmaterialschicht 105a bereitgestellt werden, so dass gut definierte Reaktionsbedingungen in einem nachfolgenden Prozessschritt geschaffen werden können. Beispielsweise kann die Dicke 105t im Wesentlichen eine Monoschicht des entsprechenden Vorstufenmaterials repräsentieren und die Größe der entsprechenden Moleküle in dem Vorstufenmaterial bestimmt eine physikalische Dicke der Schicht 105a, wie dies nachfolgend gezeigt ist. In diesem Falle ist die schließlich erreichte Konzentration der entsprechenden legierungsbildenden Sorten oder Dotierstoffsorten auch durch die Größe der einzelnen „Trägermoleküle" und durch die Anzahl der Atome der entsprechenden Sorten, die in jedem der entsprechenden Trägermoleküle vorgesehen sind, bestimmt, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
  • 1c zeigt schematisch das Bauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem die entsprechenden Sorten, die in einer „deaktivierten" Form in der Vorstufenmaterialschicht 105a vorgesehen sind, durch einen entsprechenden Aktivierungsprozess 106 „aktiviert" werden, wobei der Prozess als ein beliebiger geeigneter Prozess gestaltet ist, um eine wesentliche Zerfallsreaktion in der Vorstufenmateralschicht 105a in Gang zu setzen. Beispielsweise kann der Aktivierungsprozess 106 eine Wärmebehandlung umfassen, um damit einen chemisch aktivierten Zerfall der Schicht 105a hervorzurufen, wodurch eine entsprechende Sorte freigesetzt wird, die dann in das kupferenthaltende Material über die Oberfläche 103s diffundiert, um die gewünschte Legierung oder Verbindung, etwa eine Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung, zu bilden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen umfasst die Aktivierungsbehandlung 106 eine plasmagestützte Umgebung, um damit den Zerfall der Vorstufenmaterialschicht 105a in Gang zu setzen. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird eine strahlungsinduzierte Zerfallsreaktion während der Behandlung 106 bewirkt, etwa in Form einer UV-Strahlung, die ausreichend Energie zuführt, um damit einen deutlichen Zerfall der Schicht 105a hervorzurufen. Wie zuvor erläutert ist, können auch gut definierte Bedingungen für die nachfolgende chemische Reaktion geschaffen werden, da eine gut definierte Konzentration der entsprechenden legierungsbildenden Sorte in der Vorstufenmaterialschicht 105a eingebaut ist und der Aktivierungsprozess 106 im Wesentlichen gleichförmige Prozessbedingungen über die gesamte Oberfläche 103s hinweg schafft, wodurch ein hohes Maß an Gleichförmigkeit für eine sich ergebende Deckschicht 107 geschaffen wird, die auf der Grundlage der entsprechenden Sorten gebildet wird, die in der Vorstufenmaterialschicht 105a enthalten sind. Somit können entsprechende Eigenschaften der Deckschicht 107, etwa die Schichtdicke, die Grenzflä chengleichmäßigkeit, die Gleichmäßigkeit einer Konzentration der entsprechenden Sorten innerhalb der Schicht 107, im Wesentlichen durch die Vorstufenmaterialschicht 105 definiert werden, wodurch ein hohes Maß an Prozessgleichmäßigkeit und Stabilität geboten wird.
  • Es sollte beachtet werden, dass die Prozesssequenz mit den Prozessen 104 und 106 dazwischenliegende Prozesse beinhalten kann, die in unterschiedlichen Prozessanlagen ausgeführt werden können. Beispielsweise kann die Vorstufenmaterialschicht 105a während einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase gebildet werden, beispielsweise unmittelbar nach dem Freilegen der Oberfläche 103s oder nach anderen Prozessen, etwa einem Ausheizprozess zum Einstellen der Kristallstruktur des Metallgebiets 103, wobei der Prozess 104 nach einem entsprechenden Reinigungsprozess stattfinden kann, um Kontaminationsstoffe bei Bedarf zu entfernen. Danach wird das Bauelement 100 entsprechend den Erfordernissen bearbeitet, wobei die Vorstufenmaterialschicht 105a auch für ein gewünschtes Maß an Passivierung sorgen kann, wodurch tendenziell das Erzeugen zusätzlicher Korrosionsstoffe auf der freigelegten Oberfläche 103s verringert wird. Während eines geeigneten Fertigungsstadiums, beispielsweise unmittelbar vor dem Abscheiden eines weiteren dielektrischen Materials, wird der Prozess 106 in der entsprechenden Prozesssequenz ausgeführt, in einigen anschaulichen Ausführungsformen ohne Unterbrechen der Vakuumbedingungen, wodurch weiter zur Prozesseffizienz beigetragen wird. In anderen Fällen wird der Aktivierungsprozess 106 in Verbindung mit einem entsprechenden Ausheizprozess ausgeführt, der zum Einstellen der Kristallstruktur in dem Gebiet 103 erforderlich ist. Somit kann das Unterteilen des Prozesses zur Herstellung der Deckschicht 107 in zwei relativ unabhängige Prozessschritte für eine verbesserte Prozessgleichförmigkeit sorgen, wie dies zuvor erläutert ist, und wie dies auch nachfolgend detaillierter erklärt ist, und damit wird auch eine erhöhte Prozessflexibilität des Gesamtfertigungsprozesses geschaffen, wodurch die Prozesskomplexität im Vergleich zu konventionellen Ansätzen zur Herstellung einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Deckschicht reduziert wird.
  • 1d zeigt schematisch die Situation an der Oberfläche 103s nach dem Bilden der Vorstufenmaterialschicht 105a. Wie gezeigt ist die Vorstufenmaterialschicht 105a aus entsprechenden Molekülen 105b aufgebaut, die als Träger für entsprechende Sorten 105c dienen, die zur Herstellung des gewünschten Materials in der Deckschicht 107 erforderlich sind. In anschaulichen Ausführungsformen umfassen die Sorten 105c zumindest Silizium/Stickstoff, um damit Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierungen zu erhalten. Die Moleküle 105b sind so gestaltet, dass eine chemische Bindung 105d mit einem Kupferatom, das an der Oberfläche 103s verfügbar ist, erzeugt wird, während die Moleküle 105b im Wesentlichen „inert" in Bezug auf Nichtmetallsorten sind, wie sie in den entsprechenden Oberflächenbereichen der dielektrischen Schicht 102 angetroffen werden. Folglich können die Eigenschaften der Moleküle 105b für die gewünschte Selbstjustierung und auch für die Selbstbegrenzung des entsprechenden Abscheideprozesses sorgen, da die Moleküle 105b nicht in der Lage sind, in die Oberfläche 103s zu diffundieren, wodurch verfügbare Reaktionspartner auf entsprechende Kupferatome beschränkt sind, die an der Oberfläche 103s verfügbar sind. Ferner kann der Grad an Abdeckung oder Sättigung der Schicht 105a dann von der Größe der einzelnen Moleküle 105b abhängen, so dass für eine vorgegebene Anzahl an Atomsorten 105c die entsprechende Konzentration durch geeignetes Modifizieren der Größe der Moleküle 105b eingestellt werden kann.
  • 1e zeigt schematisch die Situation während des Aktivierungsprozesses 106, wobei die Aktivierungsenergie, die während des Prozesses 106 erhalten wird, zu einem Zerfall der entsprechenden Moleküle 105b führt, wodurch die Sorten 105c freigesetzt werden, die nunmehr in die Oberfläche 103s diffundieren und eine entsprechende chemische Reaktion mit den Kupferatomen durchlaufen, wodurch die gewünschte Legierung oder Verbindung, etwa eine Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung, gebildet wird. Folglich wird während des Aktivierungsprozesses 106 eine gut definierte Konzentration der Sorten 105c unmittelbar an der Oberfläche 103s geschaffen, wodurch der entsprechende Prozess zur Herstellung der Deckschicht 107 relativ unempfindlich ist für Prozessschwankungen. D. h., in dem ersten Schritt zur Herstellung der Vorstufenmaterialschicht 105a wird die Konzentration der Sorten 105c im Wesentlichen durch die Eigenschaften der Moleküle 105b bestimmt, die innerhalb gut steuerbarer Prozessbedingungen bereitgestellt werden können. Der Vorgang des Anhaltens der Moleküle 105b an der Oberfläche 103s kann dann in einem gut steuerbaren Prozessfenster stattfinden. Schließlich verläuft die eigentliche chemische Reaktion der Sorten 105c mit dem Kupfer in der Nähe der Oberfläche 103s in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Form mit einem deutlich weniger eingeschränkten Prozessfenster im Vergleich zu konventionellen Verfahren, in denen die entsprechende Deckschicht auf der Grundlage einer oder mehrerer reaktiver Gasumgebungen gebildet wird, in der eine präzise Steuerung der entsprechenden Prozessparameter, etwa der Durchflussraten, Temperatur, dem Druck, und dergleichen, erforderlich ist.
  • 1f zeigt schematisch die Moleküle 105b gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, beruhen die Moleküle 105b auf einer Triazol-Komponente, die in diversen Kombinationen beispielsweise in Form von Benzentriazol (BTA), und dergleichen, eingesetzt werden kann. Die entsprechenden Teile der Moleküle 105b, die für das Erzeugen entsprechender Bindungen mit dem Kupfer verantwortlich sind, sind als 105e dargestellt. Somit können diese Moleküle in effizienter Weise eingesetzt werden, um das gewünschte Maß an Selektivität in Bezug auf eine kupferenthaltende Oberfläche zu schaffen, da bekanntlich beispielsweise BTA und Triazol-Verbindungen monomolekulare Schichten auf freigelegten Kupferoberflächen bilden. Somit kann dieser Mechanismus vorteilhaft in anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die entsprechende Vorstufenmaterialschicht 105a zu bilden, wobei die entsprechenden Moleküle in geeigneter Weise gestaltet sind, dass die die gewünschten Sorten 105c enthalten.
  • 1g zeigt schematisch eines der Moleküle 105b gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt enthält das Molekül 105b entsprechende Komponenten X, Y, die mit entsprechenden Stickstoffatomen des Basistriazolmolekül verbunden sind. Diese Komponenten X, Y können in einfacher Weise durch Kohlenstoff oder Silizium abhängig von den Prozesserfordernissen ersetzt werden. Wenn beispielsweise eine moderat hohe Siliziumkonzentration in der Vorstufenmaterialschicht 105a erwünscht ist, können beide Komponenten X und Y durch ein Siliziumatom ersetzt werden. Des weiteren kann das Molekül 105b entsprechende Gruppen R1 und R2 aufweisen, die entsprechende Moleküle für „Sorten" sein können, die ein geeignetes Material enthalten, etwa Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Wasserstoffe, Phosphor, und dergleichen. Durch Vorsehen eines entsprechenden Moleküls der gewünschten Sorte kann somit ein geeignetes Material in die Kupferoberfläche eingebaut werden. Wenn beispielsweise eine spezielle Dotierstoffgattung in die Kupferoberfläche 103s einzubinden ist, können R1 oder R2 oder beide durch ein entsprechendes Molekül ersetzt werden. Die funktionalen Gruppen R1 und R2 können auch Metallkomplexe repräsentieren, wenn eine entsprechende Anwesenheit einer Metallsorte im Hinblick auf die Oberflächeneigenschaften wünschenswert ist. In einem anderen Fall, wie zuvor erläutert ist, kann die individuelle Größe des Moleküls 105b in geeigneter Weise auf der Grundlage der entsprechenden Gruppen R1 und R2 gestaltet werden, die dann nicht notwendigerweise die Funktion zur Bereitstellung entsprechender Sorten besitzen, die in die Kupferoberfläche 103s eingebaut werden sollen, sondern die das Maß an Abdeckung oder Konzentration entsprechender Moleküle 105b einstellen, die mit der Oberfläche 103s eine Verbindung eingehen. Somit kann selbst mit einem relativ einfachen Molekül, etwa dem Molekül 105b auf Triazolbasis, wie es in 1g gezeigt ist, eine breite Fülle unterschiedlicher Moleküle 105d gestaltet werden und somit kann eine entsprechende Vielzahl an Vorstufenmaterialschichten 105a auf der Grundlage gut steuerbarer Prozessbedingungen erzeugt werden. Wie zuvor erläutert ist, kann das Wasserstoffatom in dem Molekül 105b durch Kupfer ersetzt werden, wenn das entsprechende Vorstufenmaterial während des Prozesses 104 aufgebracht wird, wodurch das selbstjustierende und selbstbegrenzende Abscheideverhalten geschaffen wird. Wenn andererseits erhöhte Konzentrationen entsprechender Sorten wünschenswert sind oder wenn mehrere identische Schichten in der Vorstufenmaterialschicht 105a erforderlich sind, kann die Gruppe R1 geeignet so gestaltet werden, dass diese eine chemische Bindung mit einem weiteren der Moleküle 105b eingeht.
  • 1h zeigt schematisch die Vorstufenmaterialschicht 105a, wenn diese auf der Grundlage der Moleküle 105b gebildet ist, die in 1g gezeigt sind. Wie dargestellt, kann eine im Wesentlichen monomolekulare Schicht auf der Grundlage entsprechender chemischer Bindungen gebildet werden, in welchem das Wasserstoffatom durch ein entsprechendes Kupferatom in der Oberfläche 103 ersetzt wird. Des weiteren bestimmt die Größe der Moleküle 105b, die beispielsweise durch die Gruppen R1 und R2 eingestellt wird, im Wesentlichen die Konzentration oder das Ausmaß an Abdeckung der Oberfläche 103s, wobei auch der pH-Wert der entsprechenden Flüssigkeitslösung 105 einen Einfluss auf die schließlich erreichte Konzentration an Molekülen 105b ausüben kann. Somit können die entsprechenden Parameter zum Bestimmen der Eigenschaften der Vorstufenmaterialschicht 105a durch gut steuerbare Parameter, etwa die Art der Moleküle der Gruppen R1 und R2 und der lokale pH-Wert definiert werden. Auch die schließlich erreichte Dicke der Deckschicht 107 kann auf der Grundlage dieser Prozessparameter somit erhalten werden, wobei moderate Prozessfluktuationen während des Aktivierungsprozesses 106 weniger kritisch sind.
  • Wie zuvor erläutert ist, kann ein anderes Material, etwa eine Dotierstoffgattung, die in die Oberfläche 103s einzubauen ist, mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit vorgesehen werden, da auch die Konzentration dieser Komponenten im Wesentlichen durch die Eigenschaften der Vorstufenmaterialschicht 105a bestimmt ist. Durch das Vorsehen einer Prozesstechnik zur Herstellung einer Vorstufenmaterialschicht in einer gut steuerbaren Weise, beispielsweise in einem selbstbegrenzenden Abscheideprozess auf der Grundlage einer geeigneten Flüssigkeitslösung, können die entsprechenden Reaktionsbedingungen des nachfolgenden Einbaus der entsprechenden Sorten in die kupferenthaltende Oberfläche mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit und Steuerbarkeit geschaffen werden.
  • Mit Bezug zu den 2a bis 2e werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben, wobei ein kupferenthaltendes Metallgebiet eine verbesserte Grenzflächeneigenschaft auf der Grundlage eines zweistufigen Prozesses unter Anwendung einer Vorstufenmaterialschicht, wie sie zuvor beschrieben ist, erhält.
  • 2a zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 200 mit einem Substrat 201, das darauf ausgebildet eine entsprechende Materialschicht 210 aufweist, in der entsprechende Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen hergestellt sind. Der Einfachheit halber sind derartige Schaltungselemente in 2a nicht gezeigt. Die Materialschicht 210 weist ein leitendes Gebiet 211 auf, das ein metallenthaltendes Gebiet einer Metallisierungsschicht, einen Kontaktbereich eines Halbleiterbauelements, und dergleichen repräsentieren kann. Das Bauelement 200 umfasst ferner eine Metallisierungsstruktur mit einer dielektrischen Schicht 203, die ein kupferenthaltendes Metallgebiet 203 aufweist. In der in 2a gezeigten Ausführungsform repräsentiert das Metallgebiet 203 eine Metallleitung mit einer entsprechenden Kontaktdurchführung 203v, die eine Verbindung mit dem leitenden Gebiet 211 herstellt. Des weiteren umfasst das Metallgebiet 203 an Seitenwände ein Barrierenmaterial 203b mit einer geeigneten Zusammensetzung, um damit die gewünschten Hafteigenschaften und Barriereneigenschaften bereitzustellen, wie dies zuvor erläutert ist. In dieser Fertigungsphase ist auch überschüssiges Material 203a über der dielektrischen Schicht 203 ausgebildet.
  • Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200, wie es in 2a gezeigt ist, kann die folgenden Prozesse umfassen. Nach der Herstellung von Schaltungselementen in der Schicht 210, beispielsweise durch gut etablierte Halbleiterbearbeitungstechniken, wird die dielektrische Schicht 203 über der Schicht 210 auf der Grundlage einer geeigneten Herstellungstechnik gebildet. Beispielsweise können in anspruchsvollen Anwendungen dielektrische Materialien mit kleinem ε, beispielsweise in Verbindung mit konventionellen Dielektrika, fluordotiertem Siliziumdioxid, und dergleichen, angewendet werden, um die Schicht 203 zu bilden. Es sollte beachtet werden, dass auch zusätzliche Ätzstoppschichten in der Schicht 203 eingebaut sein können, falls dies erforderlich ist. Danach wird das dielektrische Material der Schicht 203 auf der Grundlage geeigneter Verfahren strukturiert, zu denen beispielsweise Lithographie- und anisotrope Ätzprozesse gehören. Es sollte beachtet werden, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Fertigungsschemata im Stand der Technik bekannt sind und für das geeignete Strukturieren der dielektrischen Schicht 203 eingesetzt werden können. Danach wird die Barrierenschicht 203b, falls diese erforderlich ist, auf der Grundlage eines geeigneten Abscheideverfahrens gebildet, woran sich das Abscheiden des kupferenthaltenden Materials anschließt, um damit das Gebiet 203 zuverlässig aufzufüllen, wodurch auch das überschüssige Material 203a gebildet wird. Das Material 203a kann zumindest teilweise durch einen geeignet gestalteten CMP-Prozess entfernt werden, wobei während dieses Prozesses auch die Oberflächentopographie eingeebnet und eine freiliegende Oberfläche des Gebiets 203 erhalten werden kann. Während und nach dem CMP-Prozess werden entsprechende Materialreste entfernt, beispielsweise auf der Grundlage eines geeignet gestalteten Spülprozesses, wobei in einer anschaulichen Ausführungsform das Aufbringen einer entsprechenden Spüllösung das Vorsehen eines geeignet gestalteten Vorstufenmaterials umfasst, wie dies beispielsweise mit Bezug zu den 1d bis 1h beschrieben ist, wodurch eine entsprechende Vorstufenmaterialschicht auf der freigelegten Oberfläche des Gebiets 203 in einer selbstjustierten Weise geschaffen wird. Danach kann ein weiterer Spülprozess auf der Grundlagen von beispielsweise deionisiertem Wasser durchgeführt werden, um Reste der Vorstufenlösung und möglicherweise andere Kontaminationsstoffe zu entfernen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Entfernen des überschüssigen Materials 203a gemäß einem konventionellen Prozessablauf ausgeführt und danach wird das Metallgebiet 203 in geeigneter Weise ausgeheizt, um die Kristallstruktur darin einzustellen. Nach dem CMP-Prozess wird eine Passivierungsschicht auf der freigelegten Kupferoberfläche gebildet, falls dies erforderlich ist.
  • 2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während einer Behandlung 204, in der eine Vorstufenmateriallösung 205 auf die freigelegte Oberfläche 203s des Gebiets 203 aufgebracht wird. Wie zuvor beschrieben ist, kann die entsprechende Behandlung 204 unmittelbar nach dem Ende des Einebnungsprozesses ausgeführt werden, beispielsweise auf der Grundlage eines entsprechenden Spülprozesses, oder kann während einer späteren Phase durchgeführt werden, beispielsweise nach einem entsprechenden Ausheizprozess zum Einstellen der Kristallqualität des Metallgebiets 203. In einer anschaulichen Ausführungsform enthält das Vorstufenmaterial Silizium und Stickstoff auf Grundlage eines geeigneten Trägermoleküls, wie dies beispielsweise mit Bezug zu den 1d bis 1h beschrieben ist. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen enthält das Vorstufenmaterial 205 zusätzlich zu Stickstoff eine geeignete Dotierstoffspezies oder Metallsorte, abhängig von den gewünschten Eigenschaften der Oberfläche 203s.
  • 2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer Vorstufenmaterialschicht 205a, die selektiv auf der freigelegten Oberfläche 203s ausgebildet ist, wobei die Vorstufenmaterialschicht 205a gut definierte Eigenschaften im Hinblick auf die Dicke, Konzentration der oberflächenverbessernden Sorten, oder dergleichen aufweist, wie dies zuvor mit Bezug zu der Vorstufenmaterialschicht 105 erläutert ist.
  • 2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem ein Aktivierungsprozess ausgeführt wird, um den Zerfall der Vorstufenmaterialschicht 205a in Gang zu setzen, wie dies zuvor beschrieben ist. In einer anschaulichen Ausführungsform wird der Aktivierungsprozess 206 auf der Grundlage von Prozessparametern, etwa Temperatur und Reaktionsdauer, ausgeführt, wie dies zum Erhalten der gewünschten Kristallstruktur in dem Metallgebiet 203 erforderlich ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Aktivierungsprozess 206 als ein unabhängiger Prozessschritt unter Anwendung erhöhter Temperaturen und/oder energetischer Strahlung, etwa UV-Strahlung und/oder einer reaktiven Gasumgebung, die auf Grundlage eines Plasmas erstellt werden kann, ausgeführt, um in effizienter Weise den Zerfall der Vorstufenmaterialschicht 205a zu bewirken und geeignete Prozessbedingungen für das in Gang setzen einer entsprechenden chemischen Reaktion zwischen den in den Molekülen enthaltenen Sorten und der freigelegten Kupferoberfläche zu definieren.
  • 2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, wobei eine gut definierte Deckschicht 207, wie sie während des Prozesses 206 geschaffen wurde, in dem metallenthaltenden Gebiet 203 gebildet ist, wodurch der Oberfläche 203s verbesserte Oberflächeneigenschaften im Hinblick auf beispielsweise die Elektromigration verliehen werden. Ferner ist in dieser Fertigungsphase eine dielektrische Schicht 212 über der Schicht 202 und auf der Deckschicht 207 gebildet. Beispielsweise ist die dielektrische Schicht 212 aus etablierten Barrieren- und Ätzstoppmaterialien auf gebaut, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem Siliziumkarbid oder einer Kombination davon. Somit sorgt die dielektrische Schicht 212 für das gewünschte Maß an Kupfereinschluss des kupferenthaltenden Gebiets 203 und die Deckschicht 207 bietet die verbesserten Grenzflächeneigenschaften, um damit die verbesserten Grenzflächeneigenschaften, um damit Elektromigration in dem kupferenthaltenden Gebiet 203 deutlich zu reduzieren. Des weiteren kann das Bauelement 200 eine weitere Materialschicht, etwa eine dielektrische Schicht 213 aufweisen, die für weitere Metallisierungsebenen verwendet werden kann, abhängig von den Bauteilerfordernissen.
  • Folglich kann die Herstellung der Deckschicht 207 in einem zweistufigen Prozess ausgeführt werden, wobei jeder Schritt während einer geeigneten Fertigungsphase ausgeführt wird, wodurch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Herstellung des Bauelements 200 geschaffen wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der letzte Schritt, d. h. der Aktivierungsprozess 206, mit einer Prozesssequenz zur Herstellung der dielektrischen Schicht 212 kombiniert, wodurch ein äußerst effizienter Prozessablauf mit einem hohen Maß an Kompatibilität mit konventionellen Strategien bereitgestellt wird, wobei jedoch die Steuerung der Eigenschaften der Deckschicht 207 im Vergleich zu konventionellen Strategien deutlich verbessert werden kann. In ähnlicher Weise kann der erste Schritt in standardmäßige Prozessschritte zum Behandeln der Kupfergebiete 203 durch beispielsweise Ausheizen, und dergleichen integriert werden, wodurch ebenso effizient eine mögliche zusätzliche Prozesskomplexität verringert wird. Auf Grund des hohen Maßes an Steuerbarkeit und des weiten Bereichs an Anpassbarkeit der Prozesssequenz bei der Herstellung der Deckschicht 207 können geeignete Kupferlegierungen, etwa Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierungen in effizienter Weise verwendet werden, um das Elektromigrationsverhalten in äußerst stabiler und steuerbarer Weise zu verbessern.
  • Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims (20)

  1. Verfahren mit: Aufbringen eines Vorstufenmaterials auf eine freigelegte Oberfläche eines kupferenthaltenden Metallgebiets, das in einer ersten dielektrischen Schicht eines Halbleiterbauelements gebildet ist, wobei das Vorstufenmaterial Stickstoff enthält und eine selbstjustierte Vorstufenmaterialschicht auf der freigelegten Oberfläche bildet; und Aktivieren einer chemischen Reaktion von Stickstoff, der in der Vorstufenmaterialschicht enthalten ist, um eine selbstjustierte Kupferverbindung in dem kupferenthaltenden Metallgebiet an der Oberfläche zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Bereitstellen des Vorstufenmaterials auf der Grundlage von Triazol und/oder einer Verbindung davon umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorstufenmaterial mindestens eine Dotierstoffsorte zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des kupferenthaltenden Metallgebiets in Bezug auf belastungsinduzierte Materialtransporteffekte umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorstufenmaterial Silizium umfasst, um die kupferenthaltende Verbindung in Form einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung zu bilden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden der freigelegten Oberfläche durch einen chemisch-mechanischen Polier-(CMP)Prozess, wobei das Vorstufenmaterial beim Entfernen von Resten des CMP-Prozesses aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfasst: Ausheizen des kupferenthaltenden Gebiets zum Einstellen einer Kristallstruktur in dem kupferenthaltenden Gebiet, wobei das Ausheizen in Anwesenheit der Vorstufenmaterialschicht ausgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Ausheizen des kupferenthaltenden Gebiets zum Einstellen einer Kristallstruktur vor dem Aufbringen des Vorstufenmaterials.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Aktivieren der chemischen Reaktion Ausführen einer Plasmabehandlung und/oder einer Wärmebehandlung und/oder einer Behandlung auf Strahlenbasis umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Aktivieren der chemischen Reaktion und Bilden der zweiten dielektrischen Schicht als in-situ-Prozesse ausgeführt werden.
  10. Verfahren mit: Bereitstellen eines Vorstufenmaterials mit Triazol und einer Legierungsatomsorte; Bilden einer Vorstufenmaterialschicht aus dem Vorstufenmaterial auf einer freigelegten Oberfläche eines kupferenthaltenden Gebiets, das in einer dielektrischen Schicht eines Halbleiterbauelements gebildet ist; und in Gang setzen eines Zerfalls der Vorstufenmaterialschicht, um eine Deckschicht auf der Oberfläche auf der Grundlage der Legierungsatomsorte zu bilden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Vorstufenmaterial mindestens eine Dotierstoffsorte aufweist, die in die Deckschicht einzubauen ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst: Bilden der freigelegten Oberfläche durch einen CMP-Prozess, wobei das Vorstufenmaterial während des Spülens der Oberfläche zum Entfernen von Resten des CMP-Prozesses aufgebracht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Legierungssorte Silizium umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in Gang setzen des Zerfalls des Vorstufenmaterials und Bilden mindestens einer Schicht der dielektrischen Schicht als ein in-situ-Prozess ausgeführt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst: Ausheizen des kupferenthaltenden Gebiets zum Einstellen einer Kristallstruktur, wobei das Ausheizen in Anwesenheit der Vorstufenmaterialschicht ausgeführt wird, um deren Zerfall in Gang zu setzen.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, das ferner Ausheizen des kupferenthaltenden Gebiets vor dem Bilden der Vorstufenmaterialschicht umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das in Gang setzen des Zerfalls der Vorstufenmaterialschicht eine Wärmebehandlung und/oder einen plasmagestützten Prozess und/oder einen strahlungsgestützten Prozess umfasst.
  18. Verfahren mit: Bilden eines kupferenthaltenden Gebiets in einer dielektrischen Schicht eines Halbleiterbauelements, wobei das kupferenthaltende Gebiet eine freigelegte Oberfläche aufweist; selektives Bilden einer Vorstufenmateralschicht auf der freigelegten Oberfläche durch Aufbringen einer Vorstufenlösung auf die freigelegte Oberfläche, wobei die Vorstufenlösung eine vordefinierte Konzentration aus Siliziumstickstoff aufweist; und in Gang setzen des Zerfalls der Vorstufenmaterialschicht, um Silizium und Stickstoff in die Oberfläche einzubauen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Aufbringen der Vorstufenlösung Aufbringen der Lösung in zwei oder mehr einzelnen Prozessschritten umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Vorstufenlösung auf der Grundlage eines Materials hergestellt wird, das eine Verbindung auf Kupfer in selbstbegrenzender Weise bildet.
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