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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von
Mikrostrukturen, etwa von modernen integrierten Schaltungen, und
betrifft insbesondere die Herstellung und die Untersuchung von leitenden
Strukturen, etwa Metallgebieten und deren Eigenschaften während Belastungsbedingungen.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Bei
der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter Schaltungen,
gibt es ein ständiges
Bestreben, die Strukturgrößen von
Mikrostrukturelementen ständig
zu verringern, um damit die Funktion dieser Strukturen zu verbessern.
Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen
Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge
von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter einem Mikrometer
erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick
auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme verbessert wurde.
Wenn die Größe der einzelnen
Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration verringert
wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente
verbessert wird, wird auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen,
die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch verbinden, ebenso
verringert. Folglich müssen
die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verringert werden, um
dem kleineren verfügbaren
Platz und der erhöhten
Anzahl an Schaltungselementen, die pro Einheitschipfläche vorgesehen
sind, Rechnung zu tragen. Die geringere Querschnittsfläche der
Verbindungsleitungen, möglicherweise
in Verbindung mit einer Zunahme der statischen Leistungsaufnahme
von äußerst größenreduzierten
Transistorelementen, kann eine Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten
erforderlich machen, um die Erfordemisse im Hinblick auf eine tolerierbare
Stromdichte in den Metallleitungen zu erfüllen.
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Moderne
integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen
Abmessung von 0,13 μm
oder deutlich weniger erfordern jedoch deutlich größere Stromdichten
in den einzelnen Verbindungsleitungen, trotz des Vorsehens einer
relativ großen
Anzahl an Metal lisierungsschichten, auf Grund der großen Anzahl
an Schaltungselementen pro Einheitsfläche. Das Betreiben der Verbindungsleitungen
bei erhöhten
Stromdichten kann jedoch zu einer Vielzahl von Problemen führen, die
ihre Ursache in einer durch Belastung hervorgerufene Beeinträchtigung
der Leitungen besitzt, was schließlich zu einem vorzeitigen
Ausfall der integrierten Schaltung führen kann. Ein wichtiges Phänomen in
dieser Hinsicht ist der strominduzierte Materialtransport in Metallgebieten,
d. h. in Leitungen und Kontaktlöchern, was
auch als „Elektromigration" bezeichnet wird,
die zu der Herstellung von Hohlräumen
innerhalb und von Materialansammlungen oder Ausbuchtungen neben
dem Metallgebieten führen
kann, wodurch sich ein beeinträchtigtes
Leistungsverhalten und eine geringere Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall des
Bauelements ergibt. Beispielsweise werden Aluminiumleitungen und
Kontaktdurchführungen,
die in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet sind,
häufig
als Metall für
Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist,
in modernen integrierten Schaltungen mit kritischen Abmessungen
von 0,18 μm
oder weniger, deutlich kleinere Querschnittsflächen der Metallleitungen und
damit erhöhte
Stromdichten erforderlich sein können,
wodurch Aluminium kein geeigneter Kandidat für die Herstellung von Metallisierungsschichten
ist.
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Daher
wird Aluminium häufig
durch Kupfer ersetzt, da Kupfer einen deutlich geringen Widerstand
zeigt und wesentliche Elektromigrationswirkungen erst bei deutlich
höheren
Stromdichten im Vergleich zu Aluminium aufweist. Das Einführen von Kupfer
in die Herstelldung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen
geht mit einer Vielzahl schwieriger Probleme einher, die in der
Eigenschaft des Kupfers begründet
sind, gut in Siliziumdioxid und einer Vielzahl von dielektrischen
Materialien mit kleinem ε zu
diffundieren. Um die erforderliche Haftung bereitzustellen und um
die unerwünschte
Diffusion von Kupferatomen in empfindliche Bauteilgebiete zu vermeiden,
ist es daher für
gewöhnlich
erforderlich, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen
Material, in welchem die Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen
eingebettet sind, vorzusehen. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material
ist, das effizient die Diffusion von Kupferatomen verhindert, ist
die Verwendung von Siliziumnitrid als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial
wenig wünschenswert,
da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitäre Kapazität zwischen
benachbarten Kupferleitungen erhöht wird.
Daher wird eine dünne
leitende Barrierenschicht, die auch die erforderliche mechanische
Stabilität
für das
Kupfer mit sich bringt, so gebildet, dass der Hauptanteil des Kupfers
von dem umgebenden dielektrischen Material getrennt wird und lediglich eine
dünne Siliziumnitridschicht oder
Siliziumkarbidschicht oder eine stickstoffenthaltende Siliziumkarbidschicht
in Form einer Deckschicht üblicherweise
in Metallisierungsschichten auf Kupferbasis eingesetzt wird. Gegenwärtig sind
Tantal, Titan, Wolfram, Wolfram/Kobalt/Phosphor-Verbindungen, Wolfram/Kobalt/Bor-Verbindungen
und deren Verbindungen mit Stickstoff und Silizium und dergleichen
bevorzugte Kandidaten für
eine leitende Barrierenschicht, wobei die Barrierenschicht zwei
oder mehr Unterschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen kann,
um damit die Erfordernisse im Hinblick auf die Eigenschaften zur
Diffusionsunterdruckung und der Haftung zu erfüllen.
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Eine
weitere Eigenschaft des Kupfers unterscheidet es deutlich von Aluminium
und beruht auf der Tatsache, dass Kupfer nicht effizient in größere Mengen
durch chemische und physikalische Dampfabscheideverfahren aufgebracht
werden kann. Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise
durch anisotrope Trockenätzprozesse
strukturiert werden, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich
ist, die üblicherweise
als Damaszener-Technik oder Einlegetechnik bezeichnet wird. In dem
Damaszener-Prozess wird zunächst
eine dielektrische Schicht gebildet, die anschließend so
strukturiert wird, dass diese Gräben
und Kontaktlöcher
aufweist, die nachfolgend mit Kupfer oder Kupferlegierungen gefüllt werden, wobei,
wie zuvor erwähnt
ist, vor dem Einfüllen
des kupferbasierten Metalls eine leitende Barrierenschicht in den
Gräben
und Kontaktlöchern
hergestellt wird. Das Abscheiden des Hauptanteils des Kupfermaterials
in die Gräben
und Kontaktlöcher
wird üblicherweise
durch nasschemische Abscheideprozesse bewerkstelligt, etwa Elektroplattieren
und stromloses Plattieren, wobei das zuverlässige Auffüllen von Kontaktlöchern mit
einem Aspektverhältnis
von 5 und höher
mit einem Durchmesser von 0,1 μm
oder sogar weniger in Verbindung mit Gräben erforderlich ist, die eine
Breite im Bereich von 0,1 μm
oder weniger bis mehrere Mikrometer aufweisen. Obwohl elektrochemische
Abscheideprozesse für
Kupfer auf dem Gebiet der Leiterplattenherstellung gut bekannt sind,
ist das im Wesentlichen hohlraumfreie Auffüllen von Kontaktlöchern mit
großem
Aspektverhältnis
eine äußerst komplexe
und herausfordemde Aufgabe, wobei die Eigenschaften des schließlich erhaltenen
Kupfermetallgebiets deutlich von Prozessparametern, Materialien
und der Geometrie der interessierenden Struktur abhängen. Da
die Abmessungen von Verbindungsstrukturen durch Entwurfserfordernisse
bestimmt sind und daher nicht deutlich für eine gegebene Mikrostruktur
geändert
werden können,
ist es von großer
Wichtigkeit, den Einfluss von Materialien, etwa leitende und nicht
leitende Barrierenschichten, und ihre wechselseitige Beeinflussung
der Eigenschaften der Verbindungsstruktur abzuschätzen und zu
steuern, um somit eine hohe Ausbeute und auch die erforderliche
Produktzuverlässigkeit
sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig, Mechanismen für die Beeinträchtigung
und den Ausfall von Verbindungsstrukturen für diverse Konfigurationen zu
erkennen, um damit die Bauteilzuverlässigkeit für jede neue Bauteilgeneration
oder jeden Technologiestandard beizubehalten.
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Es
wurde ein großer
Aufwand in den vergangenen Jahren beim Untersuchen der Beeinträchtigung
von Kupferleitungen und Kontaktlöchern
betrieben, insbesondere im Hinblick auf die Elektromigration, um
neue Materialien und Prozessstrategien zur Herstellung von kupferbasierten
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen zu finden. Obwohl der
genaue Mechanismus der Elektromigration in Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen
noch nicht vollständig
verstanden ist, so zeigt sich doch, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und
Grenzflächen
liegen, und Hohlräume
und Reste an der Unterseite von Kontaktlöchern einen deutlichen Einfluss auf
die Produktionsausbeute und Zuverlässigkeit ausüben. Mit
Ausnahme von großflächigen Fehlern, können derartige
Defekte in Kontaktlöchern,
die in Form von Kontaktlochketten als Überwachungsstrukturen in Scheibenschneidelinien
vorgesehen sind, in den standardmäßigen elektrischen Testprozeduren nur
schwer erkannt werden. Daher werden große Anstrengungen unternommen,
um geeignet konfigurierte Teststrukturen zu entwerfen, um damit
das Elektromigrationsverhalten von Kontaktlöchern und Leitungen abzuschätzen, um
damit auch die erwartete Zeit bis zum Ausfall der Kontaktlöcher und
Metallleitungen zu ermitteln, wobei die Ergebnisse auch für die Gegebenheiten
tatsächlicher
Metallisierungsstrukturen nur dann kennzeichnend sind, wenn gut
definierte Bedingungen in der Teststruktur eingerichtet sind. Ansonsten
können
die entsprechenden Testergebnisse zu im Wesentlichen bedeutungslosen
Aussagen im Hinblick auf die tatsächlichen Schaltungsstrukturelemente
führen.
Beispielsweise wird zum Abschätzen
der mittleren Zeit bis zum Ausfall eines Kontaktloches und damit
verbundenen Leitungen, die gemäß einem
speziellen Prozessablauf auf der Grundlage spezifizierter Materialien,
etwa Kupfer, Aluminium, Silber, und dergleichen mit speziellen Barrierenmaterialien
hergestellt werden, eine Teststruktur auf der Grundlage des speziellen
Prozessablaufs hergestellt, wobei die Gestaltung der Teststruktur
so ausgewählt
ist, dass ein durch Elektromigration hervorgerufener Fehler, d.
h. eine entsprechende Flussdivergenz das Materialflusses in der
Leitung oder dem Kontaktloch, nur in einem spezifizierten Abschnitt
der Teststruktur hervorgerufen wird. Somit kann durch das Ausüben gut
definierter Belastungsbedingungen, etwa der Temperatur, und eines
eingeprägten
Stromes, der entsprechende Abschnitt im Hinblick auf eine Widerstandserhöhung überwacht werden,
die eine durch Elekt romigration hervorgerufene Hohlraumbildung und
damit ein Leitungs- oder Kontaktlochfehlverhalten angeben kann.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1c wird nunmehr
eine typische konventionelle Teststruktur zum Abschätzen von
Elektromigrationswirkungen in Metallisierungsschichten von Halbleiterbauelementen
detaillierter beschrieben, um die Prinzipien und die mit konventionellen
Testschemata verknüpften Problemen
zu demonstrieren.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils einer Teststruktur 100 mit
einem Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Substrat zur
Herstellung von Halbleiterbauelementen oder anderen Mikrostrukturelementen,
die eine Metallisierungsschicht zur Bereitstellung elektrischer
Verbindungen gemäß einem
spezifizierten Schaltungsaufbau erfordern, repräsentieren kann. Beispielsweise kann
das Substrat 101 ein Halbleitersubstrat repräsentieren,
etwa ein Siliziumsubstrat, auf welchem eine entsprechende Halbleiterschicht
ausgebildet ist, die für
die Herstellung von Schaltungselementen, etwa von Transistoren,
Kondensatoren, und dergleichen geeignet ist. Eine erste dielektrische
Schicht 102, die aus einem geeigneten dielektrischen Material
aufgebaut sein kann, wie es in der betrachteten Metallisierungsschicht
verwendet wird, ist über
dem Substrat 101 ausgebildet und kann das dielektrische Material
einer entsprechenden Metallisierungsschicht repräsentieren. Beispielsweise kann
die dielektrische Schicht 102 auf der Grundlage der gleichen
Prozesstechniken und Materialien hergestellt werden, wie sie für Metallisierungsschichten
in anderen Substraten verwendet werden oder die Schicht 102 kann
einen Teil einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements
repräsentieren,
das die Teststruktur 100 an einer speziellen Substratposition enthält. Ferner
ist eine Metallleitung 103 in der dielektrischen Schicht 102 ausgebildet
und besitzt spezielle Abmessungen und Eigenschaften, um damit eine geringere
Wahrscheinlichkeit zu besitzen, dass Elektromigrationswirkungen
auftreten, d. h. eine Metalldiffusion, wenn vordefinierte Testbedingungen
angelegt werden. Die Metallleitung 103 ist von einer leitenden Barrierenschicht 104,
die beispielsweise aus Tantal und dergleichen aufgebaut ist, und
einer dielektrischen Deckschicht 109, die aus einem geeigneten Material
aufgebaut ist, etwa Siliziumnitrid, und dergleichen, eingeschlossen.
Des weiteren sind entsprechende Metallleitungen 106 in
einer nächsten Metallisierungsebene,
die eine weitere dielektrische Schicht 108 mit einer Deckschicht 110 aufweist,
vorgesehen, wobei die Metallleitungen 106 mit der Metallleitung 103 durch
entsprechende Kontaktdurchführungen 105 verbunden
sind. Ähnlich
zu der Metallleitung 103 enthalten auch die Leitungen 106 und
die Kontaktdurchführungen
eine leitende Barrierenschicht 107.
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Die
Teststruktur 100 repräsentiert
eine Teststruktur zum Bewerten der Zuverlässigkeit der Metallisierungsebene,
die die Metallleitungen 106 und die Kontaktdurchführungen 105 enthält. Wie
zuvor erläutert
ist, waren Elektromigrationswirkungen der Gegenstand intensiver
Untersuchungen über
mehrere Jahrzehnte, wobei erkannt wurde, dass Elektromigration,
die sich aus der Wechselwirkung der bewegenden Elektronen mit den
diffundierenden Metallatomen ergibt, wodurch eine resultierende
Kraft auf die diffundierenden Metallatome bei hohen Ladungsträgerdichten
ausgeübt
wird, ein wesentlicher Grund für
den vorzeitigen Bauteilausfall sein kann, wodurch effiziente Mechanismen
zum Erkennen und Vermeiden oder Verringern der die Leistungsfähigkeit
der Metallleitung und Kontaktlöcher
beeinträchtigen
Mechanismen erforderlich sind. Da die Elektromigration eine Wechselwirkung
zwischen Elektronen und diffundierenden Metallatomen ist, etwa einer
erhöhten Diffusionsaktivität beispielsweise
auf Grund einer erhöhten
Temperatur, größeren Gitterdefekten
oder im Allgemeinen auf Grund des Vorhandenseins ausgeprägterer Diffusionspfade,
etwa Korngrenzen, entsprechende Grenzflächen, und dergleichen, ist
die Elektromigration stark von speziellen Fertigungstechniken und
verwendeten Materialien abhängig.
In modernen Halbleiterbauelementen besitzen auch die Abmessungen
der entsprechenden Kontaktlöcher und
Metallleitungen einen deutlichen Einfluss auf das schließlich erreichte
Maß an
Materialtransport innerhalb der Metallleitungen. Obwohl in modernen
Halbleiterbauelementen häufig
Kupfer und Kupferlegierungen eingesetzt werden, die einen deutlich
höheren
Widerstand gegen Elektromigration und einen wesentlich geringen
elektrischen Widerstand aufweisen, führt die zunehmende Verringerung
der Leitungsbreite zu moderat hohen Stromdichten, wodurch ein hohes
Maß an
Elektromigration in kupferbasierten Metallisierungsschichten vorhanden
ist. Da eine Vielzahl komplexer Mechanismen einen deutlichen Einfluss
auf das Elektromigrationsverhalten ausüben, etwa die Korngröße, die
Kornorientierung, die Art der verwendeten Barrierenmaterialien,
die Art der dielektrischen Barrierenmaterialien, und dergleichen,
ist es äußerst wichtig,
in effizienter Weise Fertigungsverfahren zu überwachen, um damit die Produktzuverlässigkeit
zu steuern und zu verbessern. Somit werden speziell gestaltete Teststrukturen,
etwa die Struktur 100, entwickelt, die relevante Abschätzungen über die
Elektromigrationseigenschaften ermöglichen. Wenn die Eigenschaften
der Leitungen und Kontaktdurchführungen 106 und 105 zu
untersuchen sind, ist die Metallleitung 103 typischerweise
so ausgebildet, dass im Hinblick auf die entsprechen den Elektromigrationsbedingungen
ein entsprechender Materialtransport im Wesentlichen nicht auftritt.
Zu diesem Zweck wird in konventionellen Techniken die Leitung 103 mit
einer deutlich geringeren Länge
im Vergleich zu den Leitungen 106 vorgesehen, die typischerweise
auf der Grundlage von Entwurfsregeln für entsprechende Bauelemente
hergestellt werden.
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1b zeigt
schematisch eine Draufsicht der Teststruktur 100, wie sie
in 1a gezeigt ist, wobei Spannungsabgriffe 111 gezeigt
sind, die mit der Leitung 106 verbunden sind, die als ein
Bauelement im Test (DUT) betrachtet werden kann. Somit ermöglichen
es die Spannungsabgriffe 111 Messwerte in Bezug auf die
Widerstandszunahme der Leitung 106 während eines Elektromigrationstest
zu erhalten.
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1c zeigt
schematisch eine Draufsicht der Struktur 100 gemäß einer
platzsparenden Implementierung, wobei mehrere Leitungen 106 mittels der
Kontaktdurchführungen 105 und
entsprechender kurzer Metallleitungen 103 verbunden sind.
Die Testkette der Struktur 100 ermöglicht eine verbesserte Messgenauigkeit
und größere statistische
Signifikanz auf Grund der mehreren Metallleitungen 106, wobei
die Messdaten durch geeignet positionierte Spannungsabgriffe, etwa
die Abgriffe 111, erhalten werden.
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Die
Teststruktur 100 kann auf der Grundlage gut etablierter
Verfahren hergestellt werden, wobei die Einweletechnik oder Damaszener-Technik
verwendet wird, wobei, wie zuvor erläutert ist, die leitende Barrierenschicht 107 vorgesehen
wird, um damit die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf
das Unterdrücken
der Diffusion von Kupfer in das dielektrische Material und der Diffusion
reaktiver Komponenten in die kupferbasierten Metallgebiete zu erreichen,
wobei zusätzlich
die Eigenschaften der Barrierenschicht 107 deutlich das
Elektromigrationsverhalten beeinflussen können.
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Während des
Betriebs der Teststruktur 100 wird ein entsprechender Strom
in die Leitungen 106 eingeprägt, um damit einen Elektronenfluss
von einer der Leitungen 106 zu einer weiteren Leitung 106 über die
Metallleitung 103 und die Kontaktdurchführungen 105 zu schaffen.
Mittels der Spannungsabgriffe 111 wird ein entsprechender
Widerstandsanstieg erkannt, der eine entsprechende Hohlraumausbildung in
der Kontaktdurchführung 105 und/oder
der Metallleitung 106 anzeigt, da diese Komponente als
die „schwächsten" Glieder des gesamten
Leitungspfades erwartet werden. Folglich kann die Widerstandsänderung als
eine Angabe für
das Elektromigrationsverhalten des Verbindungssystems mit der Kontaktdurchführung 105 und
der Metallleitung 106 verwendet werden. Z. B. können entsprechende
mittlere Zeiten bis zum Ausfall auf der Grundlage der Widerstandsmessergebnisse
abgeschätzt
werden. In der Praxis kann die entsprechende Zeit bis zum Ausfall und
die Zuverlässigkeitsmaßzahlen,
die aus der Teststruktur 100 hergeleitet werden, in einigen
Fällen
zu unrealistischen Vorhersagen für
tatsächliche
Bauelemente führen,
insbesondere wenn äußert größenreduzierte
Metallisierungsstrukturen betrachtet werden, in denen die Herstellung
entsprechender Barrierenschichten vorgesehen ist. Beispielsweise
kann die entsprechende Barrierenschicht 107 mit geringerer
Dicke oder Abdeckung an der Unterseite einer oder mehrerer der Kontaktdurchführungen 105 auf Grund
von prozessabhängigen
Ungleichmäßigkeiten während des
physikalischen Dampfabscheideprozesses gebildet worden sein, wie
er typischerweise zum Aufbringen der Barrierenschicht 107 eingesetzt wird.
Auf Grund der Ungleichmäßigkeit
der Barrierenschicht 107 an der Unterseite des Kontaktloches, kann
ein deutlicher Massenfluss auch in der Metallleitung 103 während des
Belastungstests auftreten, wodurch diese als Reservoir für Kupfer
für die
Metallleitung 106 dient, die nach der Metallleitung 103 angeordnet
ist, die wiederum das betrachtete Bauelement repräsentiert.
Somit kann eine reguläre
Hohlraumausbildung, die den aktuell eingerichteten Elektromigrationsbedingungen
entspricht, in der betrachteten Metallleitung 106 deutlich
auf Grund des Nachlieferns des verlorengegangenen Kupfers durch
den Massenfluss durch die Leitung 103 reduziert werden, die
eigentlich keinen deutlichen Massenfluss aufweisen soll. Auf der
Grundlage des Elektromigrationstest kann daher die betrachtete Leitung 106 eine
lange Lebensdauer und damit eine hohe Zuverlässigkeit der entsprechenden
tatsächlichen
Metallisierungsstrukturen anzeigen, während gleichzeitig die Teststruktur 100 selbst
fehlerhaft sein kann, wodurch die Messergebnisse der Teststruktur 100 weniger
zuverlässig
sind.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe, das Testen
von Metallisierungsstrukturen, die Barrierenschichten enthalten,
zu verbessern, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme
vermieden oder zumindest in ihrer Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die
Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zum
Bewerten von Materialwandereffekten unter Belastung, etwa Elektromigration
in komplexen Metallisierungsstrukturen mit Kontaktdurchführungen
und Metallleitungen, die auf der Grundlage einer Barrierenschicht
hergestellt werden, wobei die Eigenschaften der Barrierenschicht
zumindest innerhalb spezieller Testkontaktdurchführungen nicht negativ die Messergebnisse
beeinflussen, die auf der Grundlage einer entsprechenden Teststruktur gewonnen
wurden. Wie zuvor erläutert
ist, kann in konventionellen Teststrukturen zum Abschätzen von Elektromigrationswirkungen
die Signifikanz eines entsprechenden Messergebnisses von den Eigenschaften
der Barrierenschicht an der Unterseite der entsprechenden Testkontaktdurchführungen
abhängen,
da eine reduzierte Abdeckung der Unterseite der Kontaktdurchführung zu
einem deutlichen Materialfluss innerhalb eines Leitungssegments
führen kann,
von dem eigentlich nicht erwartet wird, dass es wesentlich zu dem
Elektromigrationsverhalten beiträgt.
Beispielsweise kann das Vorhandensein von porösen Bereichen oder Löchern innerhalb
der Barrierenschicht an der Unterseite der Kontaktdurchführung zu
einem Materialfluss führen,
wodurch der Elektromigrationsfehler von den eigentlichen betrachteten
Leitungs/Kontaktdurchführungspaar
zu anderen Bereichen der Teststruktur verschoben wird, wodurch längere Lebensdauern
des betrachteten Leitungs/Kontaktdurchführungspaares im Vergleich zum
tatsächlichen
Elektromigrationsverhalten impliziert werden können. Um die nachteiligen Auswirkungen
von Ungleichmäßigkeiten
der Barrierenschichten in den Unterseiten von Kontaktdurchführungen
von entsprechenden Teststrukturen in Bezug auf das Bewerten von
Elektromigrationseffekten oder anderen belastungsinduzierten Materialwanderungseffekten deutlich
zu reduzieren, stellt die vorliegende Erfindung eine Technik bereit,
in der gut definierte Positionen innerhalb von Teststrukturen vorgesehen
werden, die eine hohe Blockierfähigkeit
in Bezug auf einen belastungsinduzierten Materialfluss bieten. Auf diese
Weise kann die Relevanz entsprechender Messergebnisse und damit
die Abschätzung
des Leistungsverhaltens von Metallisierungsstrukturen verbessert
werden, indem in effizienter Weise eine Unabhängigkeit des Messergebnisses
von den Eigenschaften der Barrierernschicht insbesondere an den Unterseiten
von Kontaktdurchführungen
in der Teststruktur geschaffen wird.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
umfasst eine Kettenstruktur für
Elektromigrationsprüfungen
ein erstes Leitungssegment und ein zweites Leitungssegment, die
in einer ersten Metallisierungsschicht ausgebildet sind, die über einem Substrat
angeordnet ist, das für
die Herstellung von Halbleiterbauelementen für eine integrierte Schaltung
geeignet ist.
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Die
Kettenstruktur umfasst ferner eine erste Kontaktdurchführung, die
mit dem ersten Leitungssegment verbunden ist und eine Barrierenschicht
an einer unteren Fläche
aufweist, wobei die Barrierenschicht eine erste Materialflussblockierungsfähigkeit aufweist.
Ferner ist eine zweite Kontaktdurchführung vorgesehen und mit einem
zweiten Leitungssegment verbunden und besitzt die Barrierenschicht
mit einer zweiten Massenflussblockierfähigkeit, wobei die erste Massenflussblockierfähigkeit
kleiner ist als die zweite Massenflussblockierfähigkeit. Schließlich ist ein
drittes Leitungssegment in einer zweiten Metallisierungsschicht
ausgebildet und ist mit der ersten und/oder zweiten Kontaktdurchführung verbunden.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
wird eine Teststruktur zum Abschätzen
von Elektronswirkungen in einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements
bereitgestellt. Die Teststruktur umfasst ein erstes Leitungssegment
mit einer ersten Breite, wobei das erste Leitungssegment in einer
ersten Metallisierungsschicht ausgebildet ist. Des weiteren ist
ein zweites Leitungssegment mit einer zweiten Breite, die größer als
die erste Breite ist, in der ersten Metallisierungsschicht ausgebildet.
Eine erste Kontaktdurchführung,
die mit dem ersten Leitungssegment verbunden ist, und eine zweite
Kontaktdurchführung,
die mit dem zweiten Leitungssegment verbunden ist, sind vorgesehen. Schließlich ist
ein drittes Leitungssegment in einer zweiten Metallisierungsschicht
ausgebildet und ist mit der ersten Kontaktdurchführung und/oder der zweiten
Kontaktdurchführung
verbunden.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
umfasst ein Verfahren das Bilden eines Grabens und einer Kontaktlochöffnung,
die mit dem Graben verbunden ist, für ein erstes Leitungssegment
und eine erste Kontaktdurchführung
einer Teststruktur in einer ersten Metallisierungsschicht, die über einem
Substrat ausgebildet ist, wobei das Substrat mehrerer Halbeleiterbauelement
aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines Grabens
und einer Kontaktlochöffnung
für ein
zweites Leitungssegment und eine zweite Kontaktdurchführung der
Teststruktur. Es wird eine leitende Barrerenschicht in den Gräben und
Kontaktlochöffnungen
gebildet, in dem eine erste Abscheiderate in dem ersten Kontaktloch
und eine zweite Abscheidrate in dem zweiten Kontaktloch erzeugt
wird, wobei die erste Abscheiderate kleiner ist als die zweite Abscheiderate.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden Beschreibung hervor, wenn
diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in
denen:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht einer konventionellen Teststruktur zum
Abschätzen
von Elektromigrationswirkungen zeigt, wobei die Signifikanz von
Messergebnissen von Eigenschaften der Barrierenschicht an den entsprechenden
Unterseiten von Kontaktdurchführungen
abhängen
kann;
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1b schematisch
eine Draufsicht eines Teils der Teststruktur aus 1a zeigt;
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1c schematisch
eine Draufsicht einer typischen Implementierung einer konventionellen
Kettenstruktur zeigt;
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2a schematisch
eine Querschnittsansicht eines Teils einer Teststruktur gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
zeigt, wobei Unterseiten von Kontaktdurchführungen mit unterschiedlicher Massenflussblockierfähigkeit
vorgesehen sind;
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2b schematisch
eine Draufsicht einer Ausführungsform
der Struktur aus 2a zeigt;
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2c schematisch
entsprechende Querschnittsansichten mit Leitungssegmenten mit unterschiedlicher
Breite gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigt;
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2d und 2e schematisch
Draufsichten entsprechender Bereiche zeigen, um ein unterschiedliches
Maß an
Abdeckung an entsprechenden Kontaktlochunterseiten gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zu erhalten;
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2f und 2g schematisch
Draufsichten entsprechender Kettenstrukturen mit mehreren Kontaktlochführungen
mit größeren Blockierfähigkeiten
in Bezug auf einen Massenfluss gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen
zeigen;
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3a schematisch
einen Teil einer Teststrukturen mit Kontaktdurchführungen
mit einer erhöhten
Massenflussblockierfähigkeit
zeigt, wobei entsprechende Testleitungen in einer tieferliegenden Metallisierungsebene
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
gebildet sind; und
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3b und 3c schematisch
Draufsichten von Leitungssegmenten zeigen, die in der gleichen Metallisierungsebene
ausgebildet sind und direkt miteinander verbunden sind, um massenflussblockierende
Bereiche an den entsprechenden Kontaktdurchführungen gemäß noch weiterer anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt 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.
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zum
Verbessern der Eigenschaften von Belastungsmaterialwanderungstestverfahren,
um damit eine Bewertung der betrachteten Teststruktur mit erhöhter Zuverlässigkeit
und Signifikanz zu erreichen. Wie zuvor erläutert ist, ist ein belastungsinduzierter
Materialtransport, etwa Elektromigration, ein äußerst komplexer dynamischer
Prozess, in welchem der Impulsaustausch zwischen Ladungsträgern, etwa
Elektronen in Metallen, und diffundierenden Metallatomen zu einer
gerichteten Bewegung der diffundierenden Atome führt, wenn entsprechende hohe
Stromdichten erreicht werden. Auf Grund der reduzierten Querschnittsflächen von
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen in modernsten integrierten
Schaltungen und auf Grund der Tatsache, dass im Prinzip die entsprechenden
Metallleitungen in einem entsprechenden dielektrischen Material
eingebettet sind, das einen effizienten Wärmetransfer in den umgebenden
Chipbereich ermöglicht,
können äußerst hohe
Stromdichten von ungefähr
106 Ampere pro cm2 erreicht
werden, wodurch auch merkliche Elektromigrationseffekte hervorgerufen
werden. Daher kann aus praktischen Gründen die Metallisierungsstruktur
entsprechender Halbleiterbauelemente nicht so gestaltet und hergestellt
werden, dass entsprechende hohe Stromdichten zuverlässig in
jedem Metallgebiet des Halbleiterbauelements vermieden werden können, und
daher tritt eine merkliche Elektromigration während des Betriebs der entsprechenden
Halbleiterbauelemente auf. Eine entsprechende Gestaltung von Halbleiterbauelementen,
die darauf abgestellt ist, im Wesentlichen Elektromigrationseffekte
zu vermeiden, würde
merklich die Entwurfsflexibilität
verringern und würde
auch zu deutlich geringeren Packungsdichten führen, wodurch das Leistungsverhalten
und die Kosteneffizienz der entsprechenden Halbleiterbauelemente
beeinträchtigt
würde.
Daher wird typischerweise ein Kompromiss zwischen dem Leistungsverhalten
und Packungsdichte im Hinblick auf die Elekgromigration dahingehend gemacht,
dass die Entwurfs- und Fertigungskriterien so gewählt werden,
dass eine gewünschte
Lebenszeit unter spezifischen Betriebsbedingungen erreicht wird,
anstatt im Wesentlichen „unsterbliche" Metallisierungsstrukturen
herzustellen. Daher ist es äußerst wichtig,
in zuverlässiger
Weise die erwartete Lebensdauer von Metallisierungsstrukturen von
Halbleiterbauelementen abzuschätzen,
was typischerweise auf der Grundlage entsprechender Teststrukturen
bewerkstelligt wird, die auf der Grundlage von Belastungsbedingungen
betrieben werden, die hohe Stromdichten und hohe Temperaturen beinhalten, wobei
die Zeitdauer bis zum Ausfall eine Angabe für die tatsächliche Lebensdauer der entsprechenden Metallisierungsstrukturen
unter realen Betriebsbedingungen liefern kann. Obwohl gewisse theoretische Modelle
der Elektromigrationseigenschaften entwickelt wurden, wie beispielsweise
unter den Namen Blacks Gesetz bekannt sind, das eine Abhängigkeit zwischen
einer typischen Zeit bis zum Ausfall und dem umgekehrten Quadrat
der Stromdichte angibt, wodurch quantitativ die Auswirkung von Elektromigration
auf gewisse Klassen von Bedingungen beschrieben wird, beispielsweise
von Metallleitungen ohne einschließende Barrierenschichten und
dergleichen, und wobei eine gewisse Genauigkeit erreicht wird, zeigt
es sich dennoch, dass auf Grund des deutlichen Einflusses von Diffusion
auf die Elektromigrationwirkungen eine theoretische Vorhersage der schließlich erreichten
Zeit bis zum Ausfall äußerst komplex
ist und nicht ausreichend ist, um in zuverlässiger Weise die Eigenschaften
komplexer Metallisierungsstrukturen abzuschätzen, wie sie typischerweise
in modernste integrierten Schaltungen eingesetzt werden. Selbst
die Eigenschaften der entsprechenden Teststrukturen können eine
deutlichen Einfluss auf das Ergebnis der entsprechenden Lebensdauerprüfungen ausüben, wobei
beispielsweise eine nicht korrekte vorhergesagte Zeit bis zum Ausfall
während entsprechender
Elektromigrationsprüfungen
zu einer falsch vorhergesagten Lebensdauer der tatsächlichen
Halbleiterbauelemente führen
kann, wodurch zu einer geringeren Zuverlässigkeit der entsprechenden
Produkte beigetra gen wird, was zu einem enormen ökonomischen Risiko für den Halbleiterhersteller
führen
kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die starke Abhängigkeit
von Barriereneigenschaften an der Unterseite von Kontaktdurchführungen
entsprechender Elektromigrationsteststrukturen verringert werden,
indem geeignet positionierte Bereiche mit erhöhter Massenflussblockierfähigkeit
in der Teststruktur vorgesehen werden, um damit den Materialstrom
in den Teststrukturbereich zu reduzieren, der als ein Bauelement
im Test (DUT) zum Abschätzen des
entsprechenden Elektromigrationsverhalten betrachtet werden kann.
Somit kann durch Reduzieren und ein im Wesentlichen vollständiges Vermeiden
eines Massenflusses in die entsprechende Testsegmente der Teststruktur
die Wahrscheinlichkeit eines nicht korrekten Bewertens der Beeinträchtigung
innerhalb des betrachteten Testbereichs deutlich verringert werden.
Wie zuvor mit Bezug zu 1a erläutert ist, kann die untere
Fläche
der entsprechenden Kontaktdurchführungen 105 einen
Bereich repräsentieren,
der Prozessschwankungen während
der Herstellung entsprechender Barrierenschichten unterworfen ist,
wobei eine nicht korrekt hergestellte Barrierenschicht an der Unterseite
der Kontaktdurchführung
zu einem deutlichen Massenfluss durch die untere Fläche führen kann,
wodurch diese als Quelle für zusätzliches
leitendes Material dient. Dieses zusätzliche Metall kann das Elektromigrationsverhaltens
eines Teststrukturbereichs beeinflussen, der der entsprechenden
Unterseitenfläche
der Kontaktdurchführung
nachgeordnet ist. Somit kann, wie dies hierin beschrieben ist, eine
Unterseite einer Kontaktdurchführung
die in Stromrichtung vor einem entsprechenden Leitungssegment angeordnet
ist, mit einer erhöhten
Massenflussblockierfähigkeit
versehen werden, um damit einen unerwünschten Metalltransport in
das betrachtete Leitungssegment zumindest zu verringern. In einigen
anschaulichen Ausführungsformen
kann die erhöhte
Blockierfähigkeit
der unteren Fläche
erreicht werden, indem eine größere Dicke und/oder
eine größere Gleichmäßigkeit
des Barrierenmaterials an der Unterseite der Kontaktdurchführung bereitgestellt
wird. Die Vergrößerung der
Dicke oder die Verbesserung der Gleichmäßigkeit des entsprechenden
Barrierenmaterials kann selektiv in einigen anschaulichen Ausführungsformen
erreicht werden, indem eine Abscheiderate während des Herstellens der Barrierenschicht
entsprechend eingestellt wird. In anderen Fällen können andere Ascheideparameter,
etwa die Abscheidezeit, und dergleichen selektiv eingestellt werden,
um damit lokal Massenstromblockierbereiche vor dem eigentlichen
Testsegmenten der entsprechenden Teststruktur bereitzustellen.
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Es
sollte beachtet werden, dass der Gegenstand der vorliegenden Erfindung äußerst vorteilhaft im
Zusammenhang mit modernen Halbleiterbauelementen ist, in denen Metallisierungsstrukturen,
beispielsweise auf Kupfer, Kupferlegierungen und anderen gut leitenden
Metallen basierend in Kombination mit Schaltungselementen mit kritischen
Abmessungen von 100 nm und deutlich weniger erforderlich sind, da
hier äußerst komplexe
Fertigungsprozeduren, etwa Einlegetechniken in Form von dualen Damaszener-Prozessen,
typischerweise während
der Herstellung von Metallisierungsschichten eingesetzt werden.
Beispielsweise werden gut leitende Metalle, etwa Kupfer und Kupferlegierungen
und dergleichen mit geeigneten Barrierenschichten versehen, die
auf der Grundlage moderner Abscheideverfahren, etwa der physikalischen
Dampfabscheidung, eingefüllt werden.
Während
des Abscheidens des Barrierenmaterials können Prozessungleichmäßigkeiten,
insbesondere an den entsprechenden Unterseiten der Kontaktlöcher, eine
kritische Phase des gesamten Fertigungsprozesses repräsentieren,
da diese Bauteilbereiche zu einer unrealistischen Lebensdauerabschätzung führen können, wie
dies zuvor erläutert
ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die hierin offenbarten
Prinzipien auch in effizienter Weise auf eine beliebige Art einer
Metallisierungsschicht angewendet werden können, unabhängig von den Gegebenheiten
der verwendeten Materialien der eingesetzten Fertigungstechnik,
solange Metallkontaktdurchführungen
bereitgestellt werden, in denen eine Barrierenschicht erforderlich
ist, deren Eigenschaften deutlich das Gesamtelektromigrationsverhalten
beeinflussen können.
Sofern somit nicht in der Beschreibung oder in den angefügten Patentansprüchen andere
Angaben gemacht sind, sollte die vorliegende Erfindung nicht als
auf Metallisierungsstrukturen auf Kupferbasis, die auf Grundlage
von Einlege-Verfahren hergestellt sind, eingeschränkt erachtet werden.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 3c werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils einer Teststruktur 200,
die ausgebildet ist, Elektromigrationseffekte oder andere belastungsinduzierte
Materialtransporteffekte von Metallisierungsstrukturen, die für Halbleiterbauelemente verwendet
werden, etwa moderne kupferbasierte integrierte Schaltungen, abzuschätzen. Die
Teststruktur 200 ist über
einem Substrat 201 ausgebildet, das ein beliebiges geeignetes
Trägermaterial
repräsentieren
kann, um darin und darauf entsprechende Schaltungselemente, etwa
Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen zu bilden, die zusätzliche
Verdrahtungsebenen, d. h.
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Metallisierungsschichten
erfordern, um die einzelnen Schaltungselemente gemäß einem
spezifizierten Schaltungsbild miteinander zu verbinden. Beispielsweise
kann das Substrat 201 ein Halbleitervollsubstrat, etwa
ein Siliziumsubstrat, ein SOI-Substrat (Halbleiter auf Isolator)
und dergleichen repräsentieren.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
repräsentiert
das Substrat 201 ein spezielles Testsubstrat, das auf einem
spezifizierten Substratbereich die Teststruktur 200 aufweist.
In anderen Fällen
besitzt das Substrat 201 mehrere Halbleiterbauelemente,
etwa integrierte Schaltungschips, wobei die Teststruktur 200 an
entsprechenden Substratbereichen vorgesehen ist, etwa chipinternen
Bereichen, Schneidelinien, zugewiesene Testchips, und dergleichen.
In diesem Falle kann die Teststruktur 200 zum Abschätzen des
Leistungsverhaltens entsprechender Metallisierungsstrukturelemente
tatsächlicher Produktbauelemente
eingesetzt werden, die zusammen mit der Teststruktur 200 in
einer gemeinsamen Fertigungssequenz über dem Substrat 201 hergestellt
werden.
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Eine
erste Metallisierungsschicht 202a ist über dem Substrat 201 ausgebildet,
wobei die erste Metallisierungsschicht 202a eine dielektrische Schicht 202 aufweist,
die aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein kann,
wie es typischerweise für
entsprechende Metallisierungsschichten tatsächlicher Halbleiterbauelemente
verwendet wird. Z. B. kann in anspruchsvollen Anwendungen die dieletrische
Schicht 202 ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweisen,
möglicherweise
in Verbindung mit anderen dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und dergleichen. Ferner ist ein entsprechendes
Metallgebiet, das in Form eines Leitungssegments vorgesehen sein
kann, in der dielektrischen Schicht 202 ausgebildet, wobei
typischerweise eine geeignete Barrierenschicht 204 vorgesehen
ist, um damit eine unerwünschte
Wechselwirkung des Materials des Leitungssegments 203 mit
dem Material der Schicht 202 zu unterdrücken. In anspruchsvollen Anwendungen enthält das Leitungssegment 203 Kupfer,
möglicherweise
in Verbindung mit anderen Metallsorten, während die Barrierenschicht 204 ein
beliebiges geeignetes Material enthält, etwa Tantal, Tantalnitrid,
Titan, Titannitrid, Wolfram, Bor, Phosphor oder Kombinationen davon.
Die erste Metallisierungsschicht 202a kann ferner eine
entsprechende Deckschicht 209 aufweisen, die Ätzstoppeigenschaften
aufweisen kann und die auch für
einen effizienten Einfluss des Metalls in dem Leitungssegment 203 sorgen
kann. Beispielsweise werden Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertes
Siliziumkarbid und dergleichen häufig
in entsprechenden Metallisierungsschemata eingesetzt, um damit geeignete
Grenzflächeneigenschaften
mit dem darunter liegenden kupferbasier ten Metallgebieten bereitzustellen,
um damit eine ungeeignete Wechselwirkung mit benachbarten dielektrischen
Materialien zu vermeiden und ein gewünschtes Elekgromigrationsverhalten
zu erreichen.
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Eine
zweite Metallisierungsschicht 208a ist über der ersten Metallisierungsschicht 202a ausgebildet
und enthält
eine dielektrische Schicht 208, die aus einem geeigneten
dielektrischen Material hergestellt sein kann, wie dies durch die
Entwurfsregeln für entsprechende
Halbleiterbauelemente vorgegeben ist. Beispielsweise kann die dielektrische
Schicht 208 ein dielektrisches Material mit kleinem ε enthalten, wobei
die Konfiguration der Schicht 208 gleich oder unterschiedlich
sein kann im Vergleich zum Aufbau der Schicht 202. Des
weiteren umfasst die Metallisierungsschicht 208a entsprechende
Leitungssegmente 206a, 206b, wovon mindestens
eines als „Bauteil
im Test" in Bezug
auf das belastungsinduzierte Materialtransportverhalten betrachtet
werden kann, und das entsprechende Leistungsverhalten entsprechender Produktbauelement
abzuschätzen,
die an entsprechenden Bauteilbereichen der Metallisierungsschicht 208 vorgesehen
sein können.
In der gezeigten Ausführungsform
repräsentiert
das Leitungssegment 206b ein entsprechenden Testleitungssegment
und kann daher gemäß geeigneten
Entwurfskriterien hergestellt sein, um damit ein hohes Maß an Authentizität in Bezug
auf tatsächliche
Produktmetallisierungsstrukturen zu bieten. Die entsprechenden Leitungssegmente 206a, 206b sind
mit entsprechenden Kontaktdurchführungen 205a, 205b verbunden,
die in der gezeigten Ausführungsform
mit dem Leitungssegment 203 verbunden sind, das in der
ersten Metallisierungsschicht 202a ausgebildet ist. Die
Leitungssegmente 206a, 206b und die entsprechenden
Kontaktdurchführungen 205a, 205b enthalten
eine Barrierenschicht 207a, 207b, die aus einem
geeigneten Material aufgebaut ist, wie dies durch die Entwurfsregeln
für ein
entsprechendes betrachtetes Halbleiterbauelement erforderlich ist.
D. h., zumindest in der Kontaktdurchführung 205b und dem
Leitungssegment 206b besitzt die Barrierenschicht 207b eine ähnliche
Konfiguration wie in tatsächlichen
Schaltungselementen, die in der Metallisierungsschicht 208a ausgebildet
sind oder die in anderen Produktsubstraten ausgebildet sind, die
darauf eine entsprechende Metallisierungsschicht 208a aufweisen.
Somit wird an einer entsprechenden unteren Fläche 205c der Kontaktdurchführung 205b die
Barrierenschicht 207b in im Wesentlichen identischer Weise wie
tatsächliche
Produktbauelemente bereitgestellt auf Grund der Ähnlichkeit der entsprechenden
Entwurfsabmessungen und der Prozessbedingungen während der entsprechenden Fertigungssequenz
im Vergleich zu tatsächlichen
Halbleiterbauelementen. Andererseits unterscheidet sich die Barrierenschicht 207a in
der Kontakt durchführung 205a zumindest
an der entsprechenden unteren Fläche 205c in
Bezug auf ihre Blockierfähigkeit
für einen
belastungsinduzierten Materialfluss durch die untere Fläche 205c der
Kontaktdurchführung 205a.
In der gezeigten Ausführungsform
ist eine Dicke der Barrierenschicht 207a zumindest an der
unteren Fläche 205c deutlich größer im Vergleich
zu der entsprechenden Dicke der Schicht 207b (an der Unterseitenfläche 205c der Kontaktdurchführung 205b),
wodurch eine im Wesentlichen kontinuierliche und damit zuverlässige Abdeckung
der unteren Fläche 205c der
Kontaktdurchführung 205a geschaffen
wird, unabhängig
von der tatsächlichen
Konfiguration der Barrierenschicht 207b, insbesondere an
der entsprechenden Unterseite der Kontaktdurchführung 205b. Beispielsweise kann
in anspruchsvollen Anwendungen das Barrierenmaterial an der unteren
Fläche 205c der
Kontaktdurchführung 205b und
damit in tatsächlichen
Halbleiterbauelementen eine Dicke im Bereich von wenigen Nanometern
bis 10 oder mehr Nanometern aufweisen, wobei die schließlich erreichte
Dicke und die Abdeckung deutlich von Prozessvariationen, den Abmessungen
der Kontaktdurchführung 205b,
und dergleichen abhängen
können.
Andererseits wird die Barrierenschicht 207a an der unteren
Fläche 205c der
Kontaktdurchführung 205a mit
einer erhöhten
Dicke beispielsweise mit einer zusätzlichen Dicke von mehreren
Nanometern im Vergleich zu der Schicht 207b vorgesehen,
wodurch eine kontinuierliche Schicht an der unteren Fläche 205c geschaffen
wird, um damit eine Metalldiffusion durch die Schicht 207a während des
Betriebs der Teststruktur 200 zu reduzieren oder im Wesentlichen
zu vermeiden.
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Ferner
umfassen die Leitungssegmente 206a, 206b und die
Kontaktdurchführungen 205a, 205b ein
geeignetes Metall, etwa Kupfer, Kupferlegierungen, wie dies durch
die Bauteilerfordernisse vorgegeben ist. Schließlich kann eine geeignete Deckschicht 210 in
der Metallisierungsschicht 208 vorgesehen sein, um in effizienter
Weise das Metall in den Leitungssegmenten 206a, 206b einzuschließen, wie
dies zuvor mit Bezug zu der Deckschicht 209 erläutert ist.
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Die
Teststruktur 200 kann auf der Grundlage von Prozessverfahren
hergestellt werden, wie sie nachfolgend detaillierter beschrieben
werden, wenn auch die 2b bis 2e verwiesen
wird.
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Während es
Betriebs wird die belastungsinduzierte Beeinträchtigung des Leistungssegments 206b in
Verbindung mit der Kontaktdurchführung 205b untersucht,
um das Leis tungsverhalten der eigentlichen Metallisierungsstrukturen
entsprechender Halbleiterbauelemente abzuschätzen. Zu diesem Zweck wird
ein Strom in die Teststruktur 200 eingeprägt, beispielsweise
wird ein Elektronenstromfluss erzeugt, der von dem Leitungssegment 206a durch die
Kontaktdurchführung 205a,
das Leitungssegment 203 zu der Kontaktdurchführung 205b und
schließlich
zu den Leitungssegment 206b fließt, wie dies durch den Pfeil 212 angegeben
ist. Der entsprechende Stromfluss 212 kann erzeugt werden,
indem ein spezifizierter Strom in die Struktur 200 eingeprägt wird,
wodurch eine spezifizierte Stromdichte in der Kontaktdurchführung 205b und
dem Leitungssegment 206b hervorgerufen wird, wie dies durch
die entsprechenden Abmessungen dieser Komponenten bestimmt ist.
Es werden typischerweise spezifizierte Belastungsbedingungen, etwa
eine erhöhte
Temperatur, angelegt, um die Leistungsverschlechterung in dem Leitungssegment 206b zu
beschleunigen. Wie zuvor erläutert
ist, kann ein merklicher Elektromigrationseffekt in dem Leitungssegment 206b oder
der Kontaktdurchführung 205 auftreten,
wodurch sich eine deutliche Ausbildung entsprechender Hohlräume ergibt,
die im Wesentlichen nicht „wieder
aufgefüllt" werden durch Material
des Leitungssegments 206a und der Kontaktdurchführung 205a auf
Grund des verbesserten Massenflussblockiervermögens der Barrierenschicht 207a an
der Unterseite 205c, die eine Diffusion von Metallatomen
in das Leitungssegment 203 und weiter in die Kontaktdurchführung 205b im
Wesentlichen verhindert oder reduziert, selbst wenn die Kontaktdurchführung 205b keine
effizienten Massenstromblockiereigenschaften auf Grund einer nicht
ausreichenden Abdeckung oder Dicke der Barrerenschicht 207b an
der Oberfläche 205 aufweist.
Des weiteren kann ein merklicher Massenfluss, der von dem Leitungssegment 203 herrührt, im Wesentlichen
auf Grund der Größeneigenschaft
des Segments 203 unterdrückt werden, etwa dessen Menge,
die in Bezug auf die maximale Stromdichte während des Test ausgewählt sein
kann, um damit in zuverlässiger
Weise Elektromigrationswirkungen innerhalb des Segments 203 zu
vermeiden. Folglich kann das Leitungssegment 206b in Verbindung
mit der Kontaktdurchführung 205b in
Bezug auf eine Beeinträchtigung
der Leitung oder einen Anstieg des Widerstands auf der Grundlage
eines realistischen Elektromigrationsverhaltens des Leitungssegments 206b und
der Kontaktdurchführung 205b beurteilt werden.
Andererseits bietet der Zustand der Barrierenschicht 207b,
obwohl gesamt gesehen das Gesamtverhalten des Paares aus Leitungssegment
und Kontaktdurchführung 206b, 205b beeinflusst
wird, dennoch aussagekräftige
Messergebnisse auf Grund der Verringerung oder der Vermeidung einer
Metalldiffusion aus den Leitungssegmenten 206a, 203 und der
Kontaktdurchführung 205a in
das interessierende Leitung/Kontaktdurchführungs-Paar. Folglich wird eine
erhöhte
Robustheit der Teststruktur 200 in Bezug auf Variationen
der Eigenschaften der Barrierenschicht 207b an der Unterseite 205c erreicht.
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2b zeigt
schematisch eine Draufsicht der Teststruktur 200 gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform,
wobei der Einfachheit halber die entsprechenden dielektrischen Materialien
der Schichten 201, 208, 209 und 202 nicht
sichtbar sind. In der gezeigten Ausführungsform besitzt das Leitungssegment 206a eine
Breite, die als Wa angegeben ist, und die
größer ist
als eine entsprechende Leitungsbreite Wb des
Leitungssegments 206b. Somit kann die Breite Wb die
lateralen Abmessungen entsprechender Metallleitungen für Produktbauelemente
repräsentieren,
deren Elektromigrationsverhalten auf der Grundlage der Teststruktur 200 zu
untersuchen ist, wohingegen die größere Breite Wa des
Leitungssegments 206a verbesserte Abscheidebedingungen
bietet, um damit eine erhöhte
Barrierendicke und damit eine erhöhte Massenstromblockierfähigkeit
der Kontaktdurchführung 205a bereitzustellen. Beispielsweise
kann die Breite Wa zwei mal so groß sein wie
die Breite Wb oder kann größer sein,
abhängig
von dem Maß an
gewünschter
Massenstromblockierfähigkeit
der Kontaktdurchführung 205a.
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2c zeigt
schematisch Querschnittsansichten der Segmente 206a, die
mit den entsprechenden Kontaktdurchführungen 205a, und
dem Leitungssegment 206b verbunden sind, das mit der Kontaktdurchführung 205b verbunden
ist, in einer frühen
Fertigungsphase, d. h. vor dem Abscheiden der Barrierenschichten 207a, 207b.
Der Einfachheit halber sind auch die entsprechenden Gräben und Kontaktlochöffnungen
durch die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Leitungssegmente
und Kontaktdurchführungen
nach dem Füllen
mit den entsprechenden Barrierenmaterialien 207a, 207b und den
entsprechenden Metallkomponenten bezeichnet.
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Die
Teststruktur 200 entsprechend dem in 2c gezeigten
Fertigungsstadium kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse
hergestellt werden. Nach dem Bereitstellen des Substrats 201 und dem
Ausbilden der entsprechenden Schaltungselemente in einer spezifizierten
Halbleiterschicht, wenn das Substrat 201 ein Substrat mit
der Teststruktur 200 und entsprechenden tatsächlichen
Halbleiterbauelementen repräsentiert,
wird die erste Metallisierungsschicht 202a gebildet, indem
ein geeignetes dielektrisches Material aufgebracht wird, um damit
die dielektrische Schicht 202 zu schaffen. Beispielsweise können gut
etablierte Abscheideverfahren für
diesen Zweck eingesetzt werden. Danach wird die dielektri sche Schicht 202 so
strukturiert, dass entsprechende Gräben mit den entsprechenden
gewünschten
Abmessungen der Leitungsebene 203 gebildet werden. Zu diesem
Zweck können
geeignet konfigurierte Lithographiemasken verwendet werden, um damit
eine entsprechende Lackmaske zu bilden, die zum Strukturieren der
dielektrischen Schicht 202 auf der Grundlage gut etablierter
anisotroper Ätzverfahren eingesetzt
werden kann. Danach wird die Barrierenschicht 204 auf der
Grundlage geeigneter Abscheideverfahren ausgebildet, etwa physikalische
Dampfabscheidung, beispielsweise in Form einer Sputter-Abscheidung,
und dergleichen. Als nächstes kann
eine Saatschicht (nicht gezeigt) vorgesehen werden, beispielsweise
in Form einer Kupferschicht, die auf der Grundlage einer geeigneten
Abscheidetechnik hergestellt werden kann, etwa Sputter-Abscheidung,
und dergleichen. Nachfolgend wird ein geeignetes Metall, etwa Kupfer,
Kupferlegierungen, und dergleichen in die entsprechenden Öffnungen auf
der Grundlage nasschemischer Abscheideverfahren eingefüllt, woran
sich das Entfernen von überschüssigem Material
der Barrierenschicht 204, der Saatschicht und des restlichen
Metalls anschließt.
Zu diesem Zweck können Ätz- und/oder CMP-(chemisch-mechanische
Polier-)Techniken eingesetzt werden. Nachfolgend kann die Deckschicht 209 auf der
Grundlage gut etablierter Rezepte abgeschieden werden. Als nächstes wird
das dielektrische Material für
die Schicht 208 gemäß den Bauteilerfordernissen auf
der Grundlage gut etablierter Verfahren hergestellt, zu denen das
Abscheiden unterschiedlicher Arten dielektrischer Materialien gehören kann,
etwa dielektrische Materialien mit kleinem ε, und dergleichen. Danach wird
die dielektrische Schicht 208 auf der Grundlage eines geeigneten
Lithographieprozesses strukturiert, wobei der entsprechende Lithographieprozess
ausgebildet ist, um den Unterschied in der Dicke der Leitungssegmente 206a der
Leitungssegmente 206b zu schaffen. Wenn beispielsweise ein
Photolithographieprozess angewendet wird, wird eine entsprechende
Lithographiemaske so vorgesehen, dass die Leitungssegmente 206a, 206b mit
der entsprechenden Linienbreite Wa und Wb in eine entsprechende Lackschicht abgebildet
werden, die dann für
das eigentliche Strukturieren des dielektrischen Materials der Schicht 208 verwendet
wird. Abhängig von
der Prozessstrategie können
die Öffnungen
für die
Kontaktdurchführungen 205a und 205b vor
dem eigentlichen Vorsehen der Öffnungen
für die
entsprechende Leitungssegmente 206a, 206b gebildet
werden, oder die Kontaktdurchführungen 205a, 205b können nach
dem Strukturieren der Gräben
für die Leitungssegmente 206a, 206b gebildet
werden. Entsprechende Strukturierungsschemata sind im Stand der
Technik gut etabliert und können
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Als
nächstes
wird die Struktur 200 möglicherweise
in Verbindung mit anderen Metallisierungsstrukturen eigentlicher Halbleiterbauelemente,
die in anderen Teilen des Substrats 201 gebildet sind,
einer Abscheideumgebung 213 ausgesetzt, um ein Barrierenmaterial in
den entsprechenden Öffnungen
in der Schicht 208 gemäß den Entwurfsregeln
zu bilden. In einer anschaulichen Ausführungsform repräsentiert
die Abscheideumgebung 213 einen physikalischen Dampfabscheideprozess,
etwa ein Sputterabscheideprozess, wobei die entsprechenden Abscheidebedingungen
für das
Leitungssegment 206b und die Kontaktdurchführung 205b ähnlich sind
zu den entsprechenden Bedingungen in tatsächlichen Bauteilstrukturelementen
auf Grund der Ähnlichkeit
der entsprechenden lateralen Abmessungen der Leitungssegmente 206b und
der Kontaktdurchführung 205b im Vergleich
zu Entwurfsabmessungen der tatsächlichen
Bauelementen. Andererseits können
die entsprechenden Abscheidebedingungen lokal deutlich unterschiedlich
sein für
die Kontaktdurchführung 205a auf
Grund der deutlich größeren Breite
Wa, was zu einer erhöhten Abscheiderate in der Kontaktdurchführung 205a im
Vergleich zu der Kontaktdurchführung 205b führt, wodurch
eine erhöhte
Dicke an der Unterseite der Kontaktdurchführung 205a geschaffen
wird. Somit kann durch Erzeugen einer erhöhten Dichte an Barrierenmaterial
in der Nähe
der Kontaktdurchführung 205a während der
Abscheidung 213 die Massenstromblockierfähigkeit
der Kontaktdurchführung 205a deutlich
verbessert werden, ohne dass im Wesentlichen zusätzliche Prozesse oder Behandlungen
erforderlich sind, wodurch ein hohes Maß an Kompatibilität mit konventionellen Prozessstrategien
geschaffen wird und wodurch eine deutliche Verringerung an Metalldiffusion
von den Leitungssegment 206a und der Kontaktdurchführung 205a in
das Leitungssegment 203 erreicht wird. Andererseits entsprechen
die Abscheidebedingungen des Prozesses 213 an dem Segment 206 und
der Kontaktdurchführung 205b im
Wesentlichen den Bedingungen für
tatsächliche
Bauelemente, wodurch für
das gewünschte
hohe Maß an
Authentizität
des Leitungssegments 206b und der Kontaktdurchführung 205b gesorgt
wird, die die eigentlichen Teststrukturelemente der Struktur 200 repräsentieren. Nach
dem Bilden der Barrierenschichten 207a, 207b auf
der Grundlage des Prozesses 213 wird die weitere Bearbeitung
fortgesetzt, indem eine Saatschicht (nicht gezeigt) bei Bedarf gebildet
wird und in dem die Metallkomponenten auf der Grundlage nasschemischer
Abscheideverfahren aufgebracht werden, wie dies zuvor mit Bezug
zu dem Leitungssegment 203 beschrieben ist. Danach kann
die sich ergebende Oberflächentopographie
eingeebnet werden, indem überschüssiges Material
entfernt wird, und die Deckschicht 210 kann auf der Grundlage
von Bauteilerfordernissen gebildet werden, um damit die Teststruktur 200 fertigzustellen,
wie sie in 2a gezeigt ist.
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Wie
zuvor erläutert
ist, entsprechen das Leitungssegment 206b und die Kontaktdurchführung 205b,
die damit verbunden ist, im Wesentlichen den tatsächlichen
Bauteilstrukturen, während
das Leitungssegment 206a deutlich größere Abmessungen aufweist,
um damit unterschiedliche, d. h. verbesserte Abscheidebedingungen
an der Kontaktdurchführung 205a zu
erhalten, die im Wesentlichen die gleichen Abmessungen wie die Kontaktdurchführung 205b aufweisen
kann. Es sollte beachtet werden, dass die lokale Änderung
der Abscheideraten während
des Prozesses 213 auf der Grundlage anderer Strategien
erreicht werden kann, beispielsweise indem die lateralen Abmessungen
der Kontaktdurchführung 205a möglicherweise
in Verbindung mit einer Variierung der Breite Wa verändert werden.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
kann die Menge des an der Unterseite 205c der Kontaktdurchführung 205a abgeschiedenen
Barrierenmaterials auf der Grundlage einer lokalen Veränderung
der entsprechenden Abscheidezeit möglicherweise in Verbindung
mit einer lokal angepassten Breite Wa bestimmt
werden, indem beispielsweise die Barrierenschicht 207b auf
der Grundlage von Prozessparametern abgeschieden wird, wie sie durch
die Bauteilerfordernisse vorgegeben sind, und indem nachfolgend das
Leitungssegment 206b durch eine geeignet gestaltete Lackmaske
abgedeckt wird, während
Barrierenmaterial weiterhin in das Leitungssegment 206a und
damit in die Kontaktdurchführung 205a abgeschieden
wird.
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2d zeigt
schematisch eine Draufsicht der Teststruktur 200 gemäß einer
Ausführungsform, in
der die lateralen Abmessungen der Leitungssegmente 206a im
Wesentlichen identisch sind zu den Abmessungen des Leitungselements 206b,
während die
Kontaktdurchführung 205a einen
deutlich größeren Durchmesser
Da im Vergleich zu einem Durchmesser Db der
Kontaktdurchführung 205b aufweist. Z.
B. kann der Durchmesser Da zwei mal so groß oder größer sein
im Vergleich zu den Durchmesser Db. Auf Grund
des größeren Durchmessers
Da wird die Bedeckung der Unterseite der Kontaktdurchführung 205a während des
Abscheideprozesses 213 (siehe 2c) deutlich
verbessert, wodurch auch eine größere Dicke
der Barrierenschicht 207a geschaffen wird, was zu einer
erhöhten
Massenstromblockierfähigkeit
führt.
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2e zeigt
schematisch die Teststruktur 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
in denen die Breite Wa sowie der Durchmesser
Da des Leitungssegments 306a und der Kontaktdurchführung 205a beide
in Bezug auf die entsprechenden lateralen Abmessungen des Leitungssegments 206b und
der Kontaktdurchführung 205b vergrößert sind. In
diesem Fal le wird die Effizienz des Vergrößerns der resultierenden Barrierenmaterialdicke
an der Unterseite der Kontaktdurchführung 205a noch weiter verbessert,
wobei die entsprechende Zunahme der lateralen Abmessung für das Leitungssegment 206a und
die Kontaktöffnung 205a weniger
ausgeprägt
ist im Vergleich zu den Ausführungsformen,
wie sie in den 2b und 2d gezeigt
sind, da die kombinierte Wirkung dennoch für die gewünschte erhöhte Abscheiderate sorgt. Folglich
kann in diesem Falle die Teststruktur 200 mit einem geringen
Platzbedarf gebildet werden, wobei dennoch die hohe Blockierfähigkeit
an der Kontaktdurchführung 205a bereitgestellt
wird.
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2f zeigt
schematisch die Teststruktur 200 in Form einer Kettenstruktur
mit mehreren Leitungssegmenten 206a und mehreren Leitungssegmenten 206b (wovon
lediglich eines gezeigt ist), die in der gleichen Metallisierungsschicht 208a gebildet sind,
während
mehrere Leitungssegmente 203 in der Metallisierungsschicht 202a ausgebildet
sind und mit den entsprechenden Segmenten 206a, 206b durch die
entsprechenden Kontaktdurchführungen 205a, 205b verbunden
sind. Folglich wird eine effiziente Teststruktur mit mehreren DUT's (Bauteil im Test),
d. h. einer Kombination aus Kontaktdurchführungen 205b und Leitungssegmenten 206b,
bereitgestellt, wobei jedes Leitungssegment 206b zwischen
entsprechenden Kontaktdurchführungen 205a mit
einer hohen Massenstromblockierfähigkeit,
wie dies zuvor beschrieben ist, angeordnet ist.
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2g zeigt
schematisch eine weitere Konfiguration einer Kettenstruktur der
Teststruktur 200, wodurch eine erhöhte Raumeffizienz zumindest
in der horizontalen. Richtung erreicht wird, indem die Leitungssegmente 206a, 206b in
einer im Wesentlichen meanderartigen Konfiguration vorgesehen sind. Auch
in diesem Falle werden die entsprechenden Leitungssegmente 206b von
entsprechenden Kontaktdurchführungen 205a mit
der erhöhten
Blockierfähigkeit „eingeschlossen". Es sollte beachtet
werden, dass die entsprechenden linearen und gefalteten Konfigurationen
der Teststruktur 200, wie sie in den 2f und 2g gezeigt
sind, lediglich anschaulicher Natur sind und dass andere geometrische
Konfigurationen ausgewählt
werden können, solange
ein entsprechendes Leitungssegment 206b in Bezug auf die
Stromflussrichtung davor eine entsprechende Kontaktdurchführung aufweist,
die die verbesserte Massenstromblockierfähigkeit aufweist, d. h. eine
der Kontaktdurchführungen 205a.
Es sollte ferner beachtet werden, dass die zuvor mit Bezug zu den 2a bis 2g beschriebenen
Ausführungsformen
sich auf eine Teststruktur beziehen, in der das DUT, d. h. die Leitungssegmente 206b,
in der oberen Metallisierungsschicht vorgesehen sind, während entsprechende
Anschlussleitungssegmente, etwa das Leitungssegment 203,
die typischerweise deutlich kürzer
sind als die entsprechenden Leitungssegmente 206b, in der
unteren Metallisierungsschicht vorgesehen sind. Dieser Aufbau kann
bei Bedarf auch umgekehrt werden.
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Mit
Bezug zu den 3a und 3b werden
nunmehr weitere Ausführungsformen
beschrieben, in denen die interessierenden Leitungssegmente in der
darunter liegenden Metallisierungsschicht vorgesehen sind, während die
obere Metallisierungsschicht die entsprechenden Verbindungsleitungssegmente
aufweist.
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3a zeigt
schematisch einen Teil einer Teststruktur 300 mit einem
Substrat 301, über
welchem eine erste Metallisierungsschicht 302a und eine
zweite Metallisierungsschicht 308 ausgebildet sind. Die
Metallisierungsschicht 202a weist eine dielektrische Schicht 302 auf,
in der Leitungssegmente 306a, 306b gebildet sind,
die ein entsprechendes Barrierenmaterial 304 aufweisen.
Ferner ist eine entsprechende Deckschicht 209 vorgesehen.
In ähnlicher
Weise umfasst die Metallisierungsschicht 308a eine dielektrische
Schicht 308 mit einem darin ausgebildeten Leitungssegment 303,
das mit den Leitungssegmenten 306a, 306b mittels
entsprechender Kontaktdurchführungen 305a, 305b verbunden
ist. Ein entsprechendes Barrierenmaterial 307b kann in
den Segmenten 303 und den Kontaktdurchführungen 305a, 305b vorgesehen
sein. In der gezeigten Ausführungsform
besitzt die Kontaktdurchführung 305a eine
erhöhte
Blockierfähigkeit
in Bezug auf einen Massenstrom, wie dies durch den Pfeil 312 angedeutet
ist, was auf der Grundlage einer verbesserten Gleichmäßigkeit
und/oder einer größeren Dicke
des Barrierenmaterials 307a an der Unterseite 305c der Kontaktdurchführung 305 im
Vergleich zu dem Barrierenmaterial 307 an der Unterseite 305c der
Kontaktdurchführung 305b erreicht
werden kann. Ferner kann eine entsprechende Deckschicht 310 vorgesehen
sein, um die Leitungssegmente 303 einzuschließen. In
Bezug auf die bislang beschriebenen Komponenten, mit Ausnahme der
lateralen Konfiguration des Leitungssegments 303 und des
Leitungssegments 306a gelten im Wesentlichen die gleichen
Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu der Teststruktur 200 beschrieben
sind. In der Teststruktur 300 sind jedoch die Leitungssegmente 306a, 306b in
der erste Metallisierungsschicht 302a ausgebildet und können individuell
oder zusammen als DUT's
verwendet werden, während
die elektrisch Verbindung durch das Leitungssegment 303 geschaffen
wird, die in der ersten Metallisierungsschicht 308a ausgebildet
ist. Folglich kann während
des Betriebs der Teststruktur 300 die erhöhte Massenstromblockierfähigkeit
in der Kontaktdurchführung 305 zuverlässige Elektromigrationsabschätzungen
auf der Grundlage der Leitungssegmente 306a und/oder 306b ermöglichen,
da die Kontaktdurchführung 305 einen
unerwünschten
Materialtransport von dem Leitungssegment 306a in das Leitungssegment 306b deutlich
unterdrückt.
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3b zeigt
schematisch eine Draufsicht der Teststruktur 300 gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform,
in der das Leitungssegment 303 einen Bereich 303a mit
größerer Breite,
der die Kontaktdurchführung 305a umgibt,
und einen Bereich 303b mit lateralen Abmessungen gemäß den Bauteilerfordernissen
tatsächlicher
Halbleiterbauelement aufweist. Während
der Fertigungssequenz zur Herstellung der Metallisierungsschicht 308a wird
daher das Barrierenmaterial 307a in der Kontaktdurchführung 305a auf
der Grundlage einer anderen Abscheiderate im Vergleich zu der Kontaktdurchführung 305b hergestellt,
wodurch eine erhöhte
Dicke geschaffen wird, wie dies zuvor erläutert ist. Folglich kann das
Elektromigrationsverhalten der Leitungssegmente 306a, 306b,
die in der „vergrabenen" Metallisierungsebene 302a gebildet
sind, ebenso effizient bewertet werden.
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3c zeigt
schematisch eine Draufsicht der Teststruktur 300 gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform,
in der das Leitungssegment 303 in der unteren Metallisierungsschicht 302a gebildet
ist, ähnlich
zu den Segmenten 203, und das Leitungssegment 306 ist
in der oberen Metallisierungsschicht 308a gebildet und
umfasst das Leitungssegment 306b, das direkt mit dem Leitungssegment 306a mit
der größeren Breite
in Kontakt ist, um damit die gewünschte
erhöhte
Abscheiderate während
des Herstellens der Barrierenschichten 307a, 307b zu schaffen.
In der gezeigten Ausführungsform
repräsentiert
die Teststruktur 300 eine Kettenstruktur mit einer platzsparenden
Konfiguration, wobei eine entsprechende Kombination der Kontaktdurchführung 305b und
der Leitungssequenz 306b entsprechende DUT's repräsentiert,
während
die Kontaktdurchführung 305a,
die unter dem Leitungssegeent 306a mit der größeren Breite,
für die
erforderliche Massenstromblockierfähigkeit vor. Bei einer Stromflussrichtung,
wie sie durch den Pfeil 312 angegeben ist, kann jedes der
Leitungssegmente 306b zum Bewerten des Elektromigrationsverhaltens
eingesetzt werden, wobei die entsprechenden Leitungselemente 306a mit
der größeren Breite
dennoch für
eine laterale Abmessung sorgen, um damit nicht in das Gesamtwiderstandsverhalten
der Segmente 306b zu beeinflussen. D. h., die entsprechende
Größe des Leitungssegments 306a kann
auf die Prozessbedingungen während
der Herstellung der Barrierenschicht 307 so angepasst werden,
dass eine zuverlässige
Bedeckung der Unterseite der Kontaktdurchführung 305a erreicht
wird, ohne dass wesentlich zum Gesamtleitungswiderstand der kombinierten
Leitung 306b und 306a beigetragen wird. In anderen
anschaulichen Ausführungsformen
repräsentiert
das Leitungssegment 306a einen oberen Bereich einer Kontaktdurchführung mit
einem größeren Durchmesser,
um damit eine bessere Abdeckung während des Abscheidens der Barrierenschicht 307a zu
schaffen. Folglich können
aussagekräftige
Elektromigrationsmessdaten auf der Grundlage mehrerer Leitungssegmente 306b gewonnen
werden, wobei der erforderliche Flächenbedarf in dem Substrat 201 verringert
wird.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung betrifft eine Teststruktur
und Verfahren zur Herstellung dieser Struktur, um damit die Zuverlässigkeit
und Signifikanz der Bewertung von Elektromigration oder anderen
belastungsinduzierten Materialwanderungseffekten zu verbessern,
was in konventionellen Strategien auf Grund von Ungleichmäßigkeiten
eines Barrierenmaterials an entsprechenden Unterseiten von Kontaktdurchführungen
beeinträchtigt
sein kann. Zu diesem Zweck werden Kontaktdurchführungen mit erhöhter Massenstromblockierfähigkeit
angrenzend zu entsprechenden Testleitungssegmenten vorgesehen, wodurch
das Migrationsverhalten von vorhergehenden Teststrukturbereichen
von dem Verhalten der eigentlichen Testbauelemente entkoppelt wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird die verbesserte Massenstromblockierwirkung erreicht, indem
in selektiver Weise die Abscheidebedingungen während des Herstellens der Barrierenschicht modifiziert
werden, indem beispielsweise geeignete laterale Abmessungen der
Kontaktdurchführung und/oder
des entsprechenden Grabens des damit verbundenen Leitungssegments
ausgewählt
werden. In diesem Falle bietet das Abscheideverfahren eine höhere Abscheiderate,
wodurch auch eine größere Menge
an Barrierenmaterial an der entsprechenden Unterseite der Kontaktdurchführung gebildet
wird, wodurch dann in effizienter Weise ein Massenstrom durch die
Kontaktdurchführung
während
eines Elektromigrationstestverfahrens unterdrückt wird.
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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.