DE102007053600B4

DE102007053600B4 - Verfahren zur Herstellung eines Metalls direkt auf einer leitenden Barrierenschicht durch elektrochemische Abscheidung unter Anwendung einer sauerstoffarmen Umgebung

Info

Publication number: DE102007053600B4
Application number: DE102007053600A
Authority: DE
Inventors: Axel Preusse; Charlotte Emnet; Susanne Wehner
Original assignee: AMD Fab 36 LLC and Co KG; Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2027-11-10
Also published as: US20090061629A1; US7981793B2; US20090061621A1; DE102007053600A1

Abstract

Verfahren mit:
Bilden einer leitenden Barrierenschicht (213) auf einer strukturierten Schicht (211) eines Halbleiterbauelements (200);
Behandeln einer nasschemischen Reinigungslösung (221) zum Reinigen der Barrierenschicht (213) derart, dass zumindest ein Teil des in der nasschemischen Reinigungslösung (221) gelösten Sauerstoffs entfernt wird;
Reinigen der Barrierenschicht (213) unter Anwendung der nasschemischen Reinigungslösung (221) in einer Reinigungsumgebung (231), die gestaltet ist, die Einwirkung von Sauerstoff auf die nasschemische Reinigungslösung (221) und auf die Barrierenschicht (213) zu unterdrücken; und
direktes Abscheiden eines Metalls (214, 215) auf der Barrierenschicht (213) durch einen elektrochemischen Abscheideprozess (240) in einer Abscheideumgebung (241), die gestaltet ist, die Einwirkung von Sauerstoff während des Abscheideprozesses (240) zu unterdrücken.

Description

Gebiet der vorliegenden Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung einer Verbindungsstruktur, in der eine Barrierenschicht erforderlich ist, die zwischen einem Volumenmetall und einem Dielektrikum ausgebildet ist, wobei das Metall direkt auf der Barrierenschicht durch elektrochemische Abscheideverfahren aufgebracht wird.
Beschreibung des Stands der Technik
In einer komplexen integrierten Schaltung werden eine Vielzahl von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondenstoren, Widerständen und dergleichen in oder auf einem geeigneten Substrat typischerweise in einer im Wesentlichen ebenen Konfiguration ausgebildet wird. Auf Grund der Anzahl an Schaltungselementen und dem erforderlichen komplexen Aufbau der integrierten Schaltungen können im Allgemeinen die elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente nicht direkt innerhalb der gleichen Ebene hergestellt werden, auf der die Schaltungselemente ausgebildet sind, sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche „Verdrahtungsschichten” erforderlich, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten enthalten im Allgemeinen Metallleitungen, die die schichtinterne elektrische Verbindung herstellen, und enthalten auch mehrere Zwischenschichtverbindungen, die auch als Kontaktdurchführungen bezeichnet werden, wobei die Metallleitungen und die Kontaktdurchführungen gemeinsam auch als Verbindungsstruktur bezeichnet werden.
Auf Grund der stetigen Verringerung der Strukturgrößen von Schaltungselementen in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der Schaltungselemente pro gegebener Chipfläche, d. h. die Integrationsdichte, an, wodurch ein noch stärkerer Anstieg in der Anzahl der elektrischen Verbindungen erforderlich ist, um die gewünschte Schaltungsfunktion zu ermöglichen. Daher steigt die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten typischerweise mit der Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche an. Da die Herstellung einer Vielzahl von Metallisierungsschichten äußerst herausfordernde Probleme mit sich bringt, die es zu lösen gilt, etwa die mechanische, thermische und elektrische Zuverlässigkeit der Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten, die beispielsweise in modernen Mikroprozessoren erforderlich sind, gehen die Hersteller von Halbleitern zunehmend dazu über, ein Metall zu verwenden, das hohe Stromdichten und geringere Abmessungen der Verbindungsstrukturen ermöglicht. Beispielsweise wird Kupfer als ein Metall erachtet, das ein aussichtsreicher Kandidat auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf den höheren Widerstand gegenüber Elektromigration und auf Grund des deutlich geringeren elektrischen Widerstandes ist, wenn es mit anderen Metallen, etwa Aluminium, verglichen wird, das über die letzten Jahrzehnte verwendet wurde. Trotz dieser Vorteile zeigt Kupfer eine Reihe von Nachteilen im Hinblick auf die Bearbeitung und die Handhabung von Kupfer in einer Halbleiterfertigungsstätte. Beispielsweise kann Kupfer nicht effizient auf ein Substrat in größeren Mengen durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische Dampfabscheidung (CVD) aufgebracht werden und kann auch nicht in effizienter Weise durch typischerweise eingesetzte anisotrope Ätzprozeduren auf Grund der mangelnder Ausbildung flüchtiger Ätznebenprodukte wirksam strukturiert werden. Bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupfer wird daher die sogenannte Damaszener-Technologie vorzugsweise eingesetzt, wobei eine dielektrische Schicht zunächst aufgebracht und anschließend strukturiert wird, so dass diese Gräben und Kontaktöffnungen erhält, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden. Ein weiterer großer Nachteil von Kupfer ist dessen Fähigkeit, gut in dielektrische Materialien mit kleinem ε, in Silizium und in Siliziumdioxid zu diffundieren, die gut etablierte und bewährte dielektrische Materialien bei der Herstellung integrierter Schaltungen sind.
Es ist daher notwendig, ein sogenanntes Barrierenmaterial in Verbindung mit einer kupferbasierten Metallisierung vorzusehen, um im Wesentlichen ein Herausdiffundieren von Kupfer in das umgebende dielektrische Material zu verhindern, da Kupfer dann zu empfindlichen Halbleiterbereichen wandern kann, wodurch deren Eigenschaften deutlich verändert werden. Andererseits kann das Barrierenmaterial die Diffusion von reaktiven Komponenten in das Metallgebiet unterdrücken. Das zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorgesehene Barrierenmaterial sollte jedoch zusätzlich zu den erforderlichen Barriereneigenschaften auch eine gute Haftung zu dem dielektrischen Material sowie zum Kupfer aufweisen und sollte ferner einen möglichst geringen elektrischen Widerstand besitzen, um damit in nicht unerwünschter Weise die elektrischen Eigenschaften der Verbindungsstruktur zu beeinträchtigen. Ferner kann die Barrierenschicht auch als eine „Schablone” für das nachfolgende Abscheiden des Kupfermaterials im Hinblick auf das Erzeugen einer gewünschten Kristallkonfiguration dienen, da zu einem gewissen Grade Information über den Oberflächenaufbau der Barrierenschicht in das Kupfermaterial übertragen werden kann, um damit eine gewünschte Korngröße und Konfiguration zu erreichen. Es zeigt sich jedoch, dass ein einzelnes Material in der Regel nicht die Erfordernisse erfüllen kann, die an eine gewünschte Barrierenmaterialschicht gestellt werden. Somit wird häufig eine Mischung aus Materialien eingesetzt, um die gewünschten Barriereneigenschaften zu schaffen. Z. B. wird häufig eine Doppelschicht aus Tantal und Tantalnitrid als ein Barrierenmaterial in Verbindung mit einer Kupfermetallisierungsschicht gemäß dem Damaszener-Verfahren eingesetzt. Tantal, das in wirksamer Weise eine Diffusion von Kupferatomen in ein benachbartes Material unterdrückt, selbst wenn es in sehr dünnen Schichten vorgesehen ist, zeigt jedoch eine geringe Haftung zu einer Vielzahl dielektrischer Materialien, etwa Dielektrika auf Siliziumdioxidbasis, so dass eine Kupferverbindungsstruktur mit einer Tantalbarrierenschicht unter Umständen eine geringere mechanische Stabilität insbesondere während des chemisch-mechanischen Polierens der Metallisierungsschicht aufweisen kann, wobei überschüssiges Kupfer abgetragen und die Oberfläche für das Aufbringen einer weiteren Metallisierungsschicht eingeebnet wird. Die geringere mechanische Stabilität während des CMP kann jedoch zu großen Problemen hinsichtlich der Zuverlässigkeit in Bezug auf die thermische und elektrische Leitfähigkeit der Verbindungsstrukturen führen. Andererseits weist Tantalnitrid eine ausgezeichnete Haftung zu Dielektrika auf Siliziumdioxidbasis, besitzt jedoch eine geringe Haftung an Kupfer. Folglich wird in modernen integrierten Schaltungen mit einer kupferbasierten Metallisierungsschicht typischerweise ein Barrierendoppelschicht aus Tantalnitrid/Tantal eingesetzt. Die Forderung nach einem geringen Widerstand der Verbindungsstruktur zusammen mit der ständigen Verringerung der Abmessungen der Schaltungselemente und damit verknüpft der Abmessungen der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, muss auch die Dicke der Barrierenschicht verringert werden, wobei dennoch die erforderliche Barrierenwirkung zu erreichen ist. Es wurde erkannt, dass Tantalnitrid ausgezeichnete Barriereneigenschaften aufweist, selbst wenn es mit einer Dicke von lediglich einigen wenigen Nanometern oder weniger aufgebracht wird. Daher wurden anspruchsvolle Abscheideverfahren entwickelt, um dünne Tantalnitridschichten mit hoher Konformität selbst in Öffnungen mit großem Aspektverhältnis zu schaffen, etwa in den Kontaktdurchführungen moderner Metallisierungsstrukturen, wobei auch die gewünschte Oberflächentextur im Hinblick auf die weitere Bearbeitung erreicht wird.
Da die Abmessungen der Gräben und Kontaktdurchführungen gegenwärtig eine Breite oder einen Durchmesser von ungefähr 0,1 μm oder weniger bei einem Aspektverhältnis der Kontaktdurchführungen von ungefähr 5 oder mehr erreicht haben, ist das Abscheiden einer Barrierenschicht in zuverlässiger Weise auf allen Oberflächen der Kontaktdurchführungen und der Gräben und das nachfolgende Einfüllen von Kupfer ohne das Erzeugen von Hohlräumen eine äußerst herausfordernde Aufgabe bei der Herstellung moderner integrierter Schaltungen. Gegenwärtig wird die Herstellung einer kupferbasierten Metallisierungsschicht erreicht, indem eine geeignete dielektrische Schicht strukturiert und die Barrierenschicht, die beispielsweise aus Tantal (Ta) und/oder Tantalnitrid (TaN) aufgebaut ist, durch moderne PVD-(physikalische Dampfabscheide-)Technik, etwa die Sputter-Abscheidung, aufgebracht wird. Danach wird das Kupfer in die Kontaktöffnungen und Gräben eingefüllt, wobei sich das Elektroplattieren als ein zuverlässiger Prozess erwiesen hat, da es damit möglich ist, die Kontaktöffnungen und die Gräben mit hoher Abscheideraten im Vergleich zu CVD-(chemische Dampfabscheide-) und PVD-Raten in einer Weise von unten nach oben zu füllen, wobei die Öffnungen beginnend an der Unterseite in einer im Wesentlichen hohlraumfreien Weise aufgefüllt werden. Wenn ein Metall durch Elektroplattieren aufgebracht wird, wird im Allgemeinen ein externes elektrisches Feld zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Plattierungslösung angelegt. Da Substrate für die Halbleiterherstellung lediglich an nur wenigen Bereichen kontaktiert werden können, d. h. für gewöhnlich am Rand des Substrats, muss eine leitende Schicht, die ein Metall erhalten sollen und die das Substrat und die Oberflächenbedecken, vorgesehen werden. Obwohl die zuvor über dem strukturierten Dielektrikum abgeschiedene Barrierenschicht als eine Stromverteilungsschicht dienen kann, zeigt es sich, dass im Hinblick auf die Kristallqualität, die Gleichmäßigkeit und die Haftungseigenschaften vorzugsweise eine sogenannte Saatschicht in dem nachfolgenden Elektroplattierungsprozess zu verwenden ist, um Kupfergräben und Kontaktdurchführungen zu erhalten, die die erforderlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften besitzen. Die Saatschicht, die typischerweise aus Kupfer aufgebaut ist, wird für gewöhnlich durch Sputter-Abscheidung unter Anwendung im Wesentlichen der gleichen Prozessanlage aufgebracht, wie sie auch für die Abscheidung der Barrierenschicht eingesetzt werden, wobei diese Abscheideverfahren die gewünschte Textur der Saatschicht in Verbindung mit dem zuvor abgeschiedenen Barrierenmaterial ergeben, wodurch geeignete Bedingungen für das nachfolgende Einfüllen des Hauptteils des Metalls geschaffen werden.
Für Abmessungen der Kontaktdurchführungen in künftigen Bauteilgenerationen von 0,1 μm oder weniger kann die Sputter-Abscheidung extrem dünner Metallschichten mit einem hohen Maß an konformen Verhalten, wie es für die Barrierenschicht und die Saatschicht erforderlich ist, ein begrenzender Faktor werden, da die Stufenbedeckungseigenschaften der zuvor beschriebenen modernen Sputter-Anlagen unter Umständen nicht weiter verbessert werden können, ohne dass deutliche Modifizierungen dieser Anlagen erforderlich sind, was gegenwärtig als eine schwierige Entwicklung erscheint. Obwohl das Abscheiden der Barrierenschicht auf der Grundlage anderer sehr konformer Abscheideverfahren ausgeführt werden kann, etwa durch ALD (Atomlagenabscheidung), das ein gut steuerbarer selbstbeschränkender CVD-artiger Prozess ist, zeigt sich, dass die Eigenschaften der Saatschicht nur schwer durch diese modernen Verfahren erhalten werden, wobei auch der Durchsatz beeinträchtigt ist, wodurch diese Verfahren wenig attraktiv für das Abscheiden des Saatmaterials sind. Da das Abscheiden der Saatschicht nicht in einer nahe liegenden Weise durch PVD ausgeführt werden kann und auf Grund der Tatsache, dass die PVD-Verfahren zur Erzeugung äußerst dünner Schichten für Barrierenschicht zu einem erhöhten elektrischen Widerstand führen können, wenn es für die Herstellung von Saatschichten angewendet werden, kann das Leistungsverhalten des schließlich erhaltenen Metallgebiets sowie anfängliche Abscheiderate des nachfolgenden Elektroplattierungsprozesses negativ beeinflusst werden. D. h., insbesondere Saatschichten, die durch moderne CVD-Verfahren hergestellt werden, können eine schlechtere Qualität im Vergleich zu üblicherweise verwendeten PVD-Saatschichten auf Grund eines merklichen Einbaus von Kontaminationsstoffen aufweisen, woraus sich ein höherer elektrischer Widerstand und ein schwache Oberflächenbeschaffenheit ergeben, woraus sich wiederum nahezu zufällig oberflächenstrukturierte Metallschichten ergeben können.
Es wurde daher vorgeschlagen, eine Kupfersaatschicht durch elektrochemische Abscheideverfahren aufzubringen in dem Versuch, die Stufenbedeckung und die Qualität des Saatmaterials zu verbessern, und dabei gleichzeitig einen erhöhten Durchsatz zu erreichen. Beispielsweise sind entsprechende Elektrolytlösungen verfügbar, die für ein direktes elektrochemisches Aufbringen von Kupfer auf einer tantalbasierten Barrierenschicht verwendet werden können, wobei vorgeschlagen wird, einen nasschemischen Reinigungsprozess auf der Grundlage von wässriger Flusssäure (HF) vor dem Beginn des Plattierungsprozesses auszuführen, um damit unerwünschte Kontaminationsstoffe zu entfernen und die tantalenthaltende Oberfläche der Barrierenschicht zu aktivieren. Obwohl das direkte elektrochemische Aufbringen ein vielversprechender Ansatz ist, insbesondere mit der Aussicht auf die weitere Bauteilskalierung, zeigt es sich, dass das Leistungsverhalten der endgültig erhaltenen Metallleitungen und Kontaktdurchführungen beispielsweise im Hinblick auf das Elektromigrationsverhalten, die Kristallqualität und somit die elektrischen Eigenschaften im Vergleich zu Bauelementen beeinträchtigt ist, die ein durch PVD abgeschiedenes Saatmaterial aufweisen, wodurch diese Lösung wenig attraktiv für die Anwendung in der Massenherstellung moderner Halbleiterbauelemente ist.
Kim, S.; Duquette, D. J.: Effect of Chemical Composition on Adhesion of Directly Electrodeposited Copper Film on TiN. In: Journal of the Electrochemical Society ISSN 0013-4651, 2006, Vol. 153, No. 6, C417–C421 offenbart ein Verfahren zum direkten elektrochemischen Abscheiden von Kupfer auf Titannitridschichten. Auf einem TiN/SiO₂/Si-Schichtstapel, der eine natürliche Oxidschicht aufweist, wird Kupfer aus einem Elektrolyten abgeschieden, während gleichzeitig die Oxidschicht durch die Wahl eines geeigneten Potenzials und eines geeigneten pH-Wertes des Elektrolyten entfernt wird.
Die Patentanmeldung EP 1 496 542 A2 behandelt die Herstellung von Deckschichten auf Kupferleitungen mittels stromloser Abscheidung bei einer geringen Sauerstoffkonzentration.
Die Patentanmeldung US 2002/0027082 A1 offenbart ein Verfahren zum elektrochemischen Abscheiden von Kupfer auf Kupfersaatschichten, wobei zum Schutz der Saatschicht der Sauerstoffgehalt reduziert wird.
Die Patentschrift DE 102 28 998 B4 offenbart einen Kupfergalvanisierprozess, der in einer inerten Gasatmosphäre ausgeführt wird, um die Oxidation der Oberfläche des abgeschiedenen Kupfers zu reduzieren.
Kwon, D.; Park, H.; Lee, C.: Electromigration resistance-related microstructural change with rapid thermal annealing of electroplated copper films. In: Thin Solid Films, ISSN 0040-6090, 2005, Vol. 475, 58–62 befasst sich mit der Elektromigration in Kupferstrukturen, die bei unterschiedlichen Temperaturen wärmebehandelt wurden.
Angesichts der zuvor erläuterten Situation ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren und Techniken bereitzustellen, die es ermöglichen, eines oder mehrere der zuvor genannten Probleme zu vermeiden oder in ihrer Auswirkung zu verringern.
Überblick über die vorliegende Offenbarung
Im Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand eine Technik, die die Herstellung metallgefüllter Öffnungen in einer strukturierten dielektrischen Schicht ermöglicht, wobei elektrochemische Abscheideprozesse auf der Grundlage einer zuvor ausgebildeten Barrierenschicht eingesetzt werden. Entsprechend diesem direkten Abscheiden eines gewünschten Metalls, etwa Kupfer, direkt auf dem Barrierenmaterialien können die Beschränkungen physikalischer Dampfabscheideverfahren, etwa der Sputter-Abscheidung zur Bereitstellung von Saatschichten für eine nachfolgende elektrochemische Abscheidung überwunden werden, wobei gleichzeitig die erforderlichen Eigenschaften der Saatschicht oder eines anfänglich abgeschiedenen Teils des betrachteten Metalls erreicht werden, um damit das gewünschte Leistungsverhalten der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen im Hinblick auf die Elektromigration, die Leitfähigkeit, die mechanische Stabilität, und dergleichen zu erreichen. Zu diesem Zweck wurde vorgeschlagen, dass eine Grenzfläche zwischen dem Barrierenmaterial und dem elektrochemisch abgeschiedenen Metall einen sehr kritischen Bereich repräsentiert, an welchem eine Reaktion des Barrierenmaterials mit Sauerstoff zu unterdrücken ist, um die Ausbildung von sauersoffenthaltenden Komponenten, etwa Oxiden und dergleichen, im Wesentlichen zu vermeiden, die einen starken Einfluss auf die Gesamteigenschaft des einzufüllenden Metalls ausüben können, da, wie zuvor erläutert ist, die Kristallqualität, d. h. die Kornorientierung, deren Größe und dergleichen, entscheidend von den Abscheidebedingungen an der Grenzfläche zwischen Barrierenmaterial und Metall abhängen. Auf der Grundlage der Erkenntnis, dass das Vorhandensein selbst geringer Mengen von Sauerstoff deutlich die elektrochemische Abscheidung des betrachteten Materials beeinflussen können, werden folglich Verfahren offenbart, in denen eine Prozesssequenz mit einer deutlich geringeren Reaktionsrate zwischen Sauerstoff und der Barrierenoberfläche erreicht wird. Auf diese Weise können gegenwärtig verfügbare Prozessverfahren zum direkten Abscheiden eines Kupfermaterials auf Barrierenschichten, etwa auf tantalbasierten Barrierenschichten, deutlich verbessert werden, wodurch derartige „direkt auf Barriere”-Plattierungstechniken aussichtsreiche Kandidaten für zuverlässige Fertigungsprozesse zur Herstellung von Metallisierungsstrukturen von modernen Mikrostrukturbauelementen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1, 16 und 23 gelöst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung 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 schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einem kupferbasierten Metallgebiet zeigt, das auf der Grundlage von Abscheideverfahren mit einem PVD-Prozess zum Herstellen einer Saatschicht auf einer Barrierenschicht gebildet ist, woran sich ein elektrochemischer Abscheideprozess gemäß gut etablierter Techniken anschließt, wodurch eine qualitativ gute Grenzfläche zwischen dem Barrierenmaterial und dem eigentlichen Metall geschaffen wird;
1b schematisch eine Querschnittsansicht eines vergleichbaren Halbleiterbauelements, in welchem ein Metallgebiet durch direktes Plattieren auf einem Barrierenmaterial gebildet wurde, wobei beeinträchtigte Grenzflächeneigenschaften entsprechend dem hierin offenbarten Gegenstand erkannt wurden, wobei die beeinträchtigte Grenzflächenqualität zu einem geringeren Widerstand im Hinblick auf Elektromigration und zu einer beeinträchtigten Kristallstruktur führen kann;
2a schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements während eines Prozesses zur Herstellung einer Barrierenschicht mit einer Öffnung gemäß anschaulicher Ausführungsformen;
2b schematisch eine Behandlung zum Entfernen oder zum Verringern des Sauerstoffanteils einer nasschemischen Reinigungslösung und/oder einer Plattierungslösung gemäß anschaulicher Ausführungsformen;
2c bis 2g schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements aus 2a während diverser Fertigungsphasen, wobei Reinigungsprozesse und elektrochemische Abscheideprozesse und zugehörige Prozessschritte auf der Grundlage von Prozessbedingungen ausgeführt werden, die ein Unterdrücken eines Kontakts zwischen Sauerstoff und freiliegenden Metalloberflächen gemäß anschaulicher Ausführungsformen ermöglichen; und
3a und 3b schematisch eine Prozesssequenz zeigen, die auf der Grundlage einer sauerstoffverarmten Prozessumgebung ausgeführt wird, wobei die Prozesssequenz auch Transportaktivitäten gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen beinhalten kann.
Detaillierte Beschreibung
Obwohl die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, den hierin offenbarten Gegenstand auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Im Allgemeinen stellt der hierin offenbarte Gegenstand Techniken bereit, die ein elektrochemisches Plattieren auf üblicherweise verwendete Barrierenmaterialien, etwa tantalbasierte Materialien mit Tantal, Tantalnitrid, und dergleichen ermöglichen oder unterstützen, wobei eine Beeinträchtigung der Grenzflächenqualität verringert wird, die ansonsten zu einem schlechteren Leistungsverhalten in konventionell hergestellten Metallgebieten auftreten können, die durch ein direktes Plattieren von Kupfer auf ein Barrierenmaterial hergestellt werden. Wie beispielsweise zuvor erläutert ist, sind Elektrolytlösungen für die stromlose Abscheidung von Kupfermaterial direkt auf eine tantalbasierte Barrierenschicht oder Barrierenmaterialien auf Basis von Ruthenium und dergleichen verfügbar, wobei vor dem eigentlichen elektrochemischen Abscheiden ein nasschemischer Reinigungsprozess auf der Grundlage einer wässrigen Flusssäure (HF) auszuführen ist, um damit die tantalbasierte Barrierenschicht zu präparieren und zu aktivieren. Jedoch sind derartige Techniken unter Umständen nicht kompatibel mit den Vorgaben, die durch moderne Massenproduktionsverfahren für moderne Halbleiterbauelemente auferlegt werden. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien wurde erkannt, dass eine Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht und dem direkt abgeschiedenen Metall einen deutlichen Einfluss auf das Gesamtleistungsverhalten des schließlich erzeugten Metallgebiets besitzen kann. Gemäß Untersuchungen, die von den Erfindern ausgeführt wurden, wie dies nachfolgend auch detaillierter beschrieben ist, kann eine Zwischenschicht oder Bereiche davon, die einen merklichen Anteil an Sauerstoff besitzen, während und nach dem nasschemischen Reinigungsprozess und auch vor und während einer anfänglichen Phase des elektrochemischen Abscheideprozesses geschaffen werden. Folglich werden in anschaulichen hierin offenbarten Aspekten Prozessverfahren bereitgestellt, in denen die Anwesenheit von Sauerstoff während der diversen Fertigungsphasen deutlich unterdrückt wird, wodurch geeignete Prozessbedingungen geschaffen werden, um eine Grenzfläche mit guter Qualität zwischen dem Barrierenmaterial und dem darauf durch elektrochemische Prozesse abgeschiedenen Metalls zu bilden. Folglich kann gemäß diesem Verfahren eine Saatschicht in einer sehr konformen Weise bereitgestellt werden, selbst für stark größenreduzierte Halbleiterbauelemente mit Transistorelementen der 32 nm-Technologie und darunter, wobei die Saatschicht als ein anfängliches Material für das abschließende Auffüllen der entsprechenden Öffnungen verwendet werden kann, oder als eine Saatschicht für einen nachfolgenden elektrochemischen Abscheideschritt, der auf gut etablierten Elektroplattierungsprozessen oder stromlosen Plattierungsrezepten beruhen kann. Da ferner die anfängliche Schicht, die direkt auf das Barrierenmaterial aufgebracht wird, die gewünschte Textur und mechanische Festigkeit besitzt, kann die hierin offenbarte Technologie zuverlässig in die Massenproduktion integriert werden, während andererseits der Durchsatz erhöht wird, da anspruchsvolle Abscheideverfahren, etwa ALD, moderne PVD-Prozesse, und dergleichen, unter Umständen nicht mehr erforderlich sind, um eine geeignete Anfangschicht für den elektrochemischen Abscheideprozess bereitzustellen.
Mit Bezug zu den 1a bis 1b werden schematisch Halbleiterbauelemente beschrieben, um damit die Schwierigkeiten aufzuzeigen, die sich aus konventionellen Prozessverfahren zum direkten Plattieren eines Metalls, etwa von Kupfer, auf eine freiliegende Barrierenschicht ergeben. Nachfolgend werden mit Bezug zu den 2a bis 2g und den 3a bis 3b weitere anschauliche Ausführungsformen der Prozesstechniken zum direkten Bilden eines Metalls auf einer Barrierenschicht durch elektrochemische Prozesse beschrieben.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100, das ein beliebiges Mikrostrukturbauelement repräsentieren kann, in welchem die Herstellung anspruchsvoller Metallleitungen und Kontaktdurchführungen erforderlich ist. In dieser Hinsicht ist der Begriff „Halbleiterbauelement” als ein Überbegriff zu verstehen, um damit beliebige Bauelemente zu bezeichnen, die gemäß Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt werden. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein Substrat 101, das beliebige Halbleiterelemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen aufweisen kann, wie sie typischerweise in modernsten integrierten Schaltungen vorgesehen sind, etwa in Mikroprozessoren, Speicherschaltungen, und dergleichen. Zu diesem Zweck kann das Substrat 101 ein geeignetes Material enthalten, um darin oder darauf entsprechende Schaltungselemente zu bilden. In anderen Fällen repräsentiert das Substrat 101 ein beliebiges geeignetes Trägermaterial, um darauf eine Metallisierungsstruktur 110 entsprechend den Bauteilerfordernissen herzustellen, wobei nicht notwendigerweise Schaltungselemente in dem Substrat 101 enthalten sein müssen. Die Metallisierungsstruktur 110 umfasst ein dielektrisches Material 111, das in anspruchsvollen Anwendungen ein dielektrisches Material mit geringerer Permittivität aufweist, wobei eine Dielektrizitätskonstante einen Wert von 3,0 und deutlich weniger besitzen kann. In anderen Fällen werden konventionellere dielektrische Materialien, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, und dergleichen in der dielektrischen Schicht 111 verwendet. Die Metallisierungsstruktur 110 umfasst ferner ein Metallstrukturelement, etwa eine Metallleitung 112, die laterale Abmessungen, d. h. in 1a die horizontale Abmessung, von ungefähr 100 nm oder weniger aufweisen kann bei tieferliegenden Metallisierungsebenen moderner Halbleiterbauelemente. Beispielsweise kann die Metallisierungsstruktur 110 die erste Metallebene oder die Kontaktebene repräsentieren, um damit einen direkten elektrischen Kontakt zu Schaltungselementen herzustellen, etwa zu Transistoren und dergleichen, wobei die lateralen Abmessungen des Metallgebiets 112 an die jeweiligen Kontaktbereiche der Schaltungselemente angepasst sind. Wie zuvor erläutert ist, sind aktuell Transistorelemente mit einer Gatelänge von 30 nm oder weniger verfügbar, wobei die Aussicht auf weitere Größenreduzierungen in künftigen Bauteilgenerationen besteht. Das Metallgebiet 112 umfasst eine Barrierenschicht 113, um damit ein Metall 114, etwa Kupfer, von dem umgebenden dielektrischen Material der Schicht 111 zu trennen. In vielen konventionellen Strategien ist die Barrierenschicht 113 aus einem oder mehreren Materialzusammensetzungen aufgebaut, etwa Tantal und Tantalnitrid, um damit die gewünschten Eigenschaften im Hinblick auf das elektrische und mechanische Verhalten zu erreichen, wie dies zuvor erläutert ist. Somit kann die Barrierenschicht 113, die aus zwei oder mehr Teilschichten aufgebaut sein kann, die gewünschte Unterdrückung der Kupferdiffusion des Metalls 114 in das dielektrische Material der Schicht 111 ermöglichen und kann ferner einen unerwünschten Kontakt von reaktiven Komponenten, etwa von Fluor, Sauerstoff, und dergleichen mit dem Metall 114 unterdrücken. Des weiteren kann die Barrierenschicht 113 als eine Haftschicht für das Metall 114 dienen.
In gut etablierten Prozessverfahren wird das Halbleiterbauelement 100, wie es in 1a gezeigt ist, auf der Grundlage geeigneter Prozesstechniken hergestellt, um das Substrat 101 bereitzustellen, das darauf ausgebildet Schaltungselemente aufweisen kann oder auch nicht, abhängig von den jeweiligen Umständen, wobei die Metallisierungsstruktur 110 gebildet wird, indem das dielektrische Material der Schicht 111 durch eine geeignete Abscheidetechnik, etwa CVD, Aufschleudern, und dergleichen aufgebracht wird. Danach werden moderne Strukturierungsschemata, beispielsweise mit Photolithographie und anisotropen Ätzverfahren eingesetzt, um eine entsprechende Öffnung zu schaffen, etwa einen Graben oder eine Kontaktöffnung mit geeigneten lateralen Abmessungen, wie dies durch die Bauteilerfordernisse vorgegeben ist. Als nächstes wird das Barrierenmaterial abgeschieden, wobei beispielsweise moderne Abscheideverfahren, etwa PVD, ALD und dergleichen eingesetzt werden, um die gewünschte Materialzusammensetzung zu erhalten und um auch die gewünschte Oberflächentextur zu erreichen, wie sie vorteilhaft für die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 erachtet wird. Zum Beispiel können moderne PVD-Verfahren möglicherweise in Verbindung mit geeigneten Rück-Sputter-Prozessen und Sputter-gestützten Reinigungsprozessen ausgeführt werden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Danach kann eine Saatschicht, etwa eine Kupferschicht, gebildet werden, wobei für das Bauelement 100 in 1a eine gut etablierte PVD-Prozesssequenz eingesetzt werden kann, um damit eine gründliche Untersuchung einer Grenzfläche 113a zwischen dem Metall 114 und dem Barrierenmaterial 113 in einer späteren Phase zu ermöglichen, um damit Unzulänglichkeiten konventioneller Verfahren zum direkten Plattieren des Metalls 114 auf die Barrierenschicht 113 zu ermitteln. Nach dem Abscheiden einer entsprechenden Saatschicht (nicht gezeigt) wird ein Elektroplattierungsprozess ausgeführt, um die Öffnung mit Kupfer 114 entsprechend gut etablierter Rezepte einschließlich des Anlegens gepulster Ströme auf Grundlage einer geeigneten Elektrolytlösung und dergleichen zu füllen. Es sollte beachtet werden, dass das Halbleiterbauelement 110 aus 1a somit mit entsprechenden Prozessstrategien hergestellt ist, die zu einem geeigneten Leistungsverhalten des Bauelements 100, d. h. des Metallgebiets 112, im Hinblick auf elektrische und Elektromigrationsaspekte führen. D. h., das Metall 114 besitzt eine geeignete Kristallstruktur, die möglicherweise nach dem Ausführen einer thermischen Behandlung erreicht wird, wodurch die gewünschte Leitfähigkeit geschaffen wird. Ferner können Elektromigrationswirkungen, d. h. eine durch Strom oder andere Belastungen hervorgerufene Kupferdiffusion in dem Metallgebiet 112, innerhalb eines akzeptablen Bereichs gehalten werden.
1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100, wenn es gemäß konventioneller Prozessverfahren zum direkten Plattieren des Metalls 114 auf die Barrierenschicht 113 gebildet wird. Zu diesem Zweck wird nach dem Abscheiden der Barrierenschicht 113, was auf der Grundlage der gleichen Prozesse erreicht werden kann, wie sie zuvor beschrieben sind, wodurch ein hohes Maß an Ähnlichkeit der Prozessbedingungen geschaffen wird, die Barrierenschicht 113 einem nasschemischen Reinigungsprozess auf der Grundlage verdünnter Flusssäure (HF) unterzogen, um Kontaminationsstoffe zu entfernen und die Oberfläche der Barrierenschicht 113 für den nachfolgenden stromlosen Abscheideprozess zu „aktivieren”. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Elektrolytlösung, wie sie beispielsweise von Semitool Inc. erhältlich ist, mit geeigneten Prozessbedingungen vorgesehen, d. h. bei erhöhten Temperaturen im Bereich von ungefähr 85 bis 95 Grad C, um damit eine selbstkatalysierende Abscheidung von Kupfer auf der freiliegenden Oberfläche der Barrierenschicht 113 zu initiieren. Nach dem Abscheiden einer gewünschten Schichtdicke, beispielsweise im Bereich von 40 von 100 nm, wird das Bauelement 100 in einer Elektroplattierungsprozessanlage weiter bearbeitet, wie dies zuvor beschrieben ist, wodurch die entsprechende Öffnung vollständig mit Metall 114 gefüllt wird. Es sollte beachtet werden, dass, obwohl dies in den 1a und 1b gezeigt ist, das Entfernen von überschüssigem Material, beispielsweise auf der Grundlage elektrochemischer Ätztechniken und CMP und dergleichen für einige der Untersuchungsprozesse im Hinblick auf die Qualität der entsprechenden Grenzfläche 113a nicht ausgeführt werden.
Wie zuvor angegeben ist, wurde gemäß den hierin offenbarten Prinzipien insbesondere die Grenzfläche 113a als ein kritischer Bereich erkannt, der das schließlich erreichte Leistungsverhalten der Metallgebiete 112 beeinflussen kann. Um einen Unterschied der jeweiligen Grenzflächen 113a und damit der Metallgebiete 112 insgesamt, erkennen zu können, wurde eine Vielzahl von Analyseprozessen durchgeführt, wodurch sich das Vorhandensein von sauerstoffenthaltenden Verbindungen 113b an der Grenzfläche 113a des Bauelements aus 1b ergab. Auf der Grundlage von Elektronenmikroskopie unter Anwendung von Querschnittsproben wurde ein deutlicher Hinweis auf eine zusätzliche dazwischenliegende Schicht, d. h. die Kontaminationsstoffe 113b mit einem hohen Anteil an Sauerstoff erhalten. Beispielsweise wurde in Proben des Bauelements 100, die gemäß jenen mit Bezug zu 1b beschriebenen Prozessablauf hergestellt werden, Tantaloxid an der Grenzfläche 113 mit einer Dicke von ungefähr 2 bis 3 nm bei einer Dicke der Barrierenschicht 113 im Bereich von ungefähr 30 bis 50 nm festgestellt. Um die Art des Materials der Kontaminationsstoffe 113b deutlicher zu erkennen, wurde eine energiedispergierende Röntgenanalyse (EDX) und Elektronenenergieverlustspektroskopiemessung (EELS) ausgeführt, wodurch das Vorhandensein von Sauerstoff, beispielsweise in Form von Tantaloxid festgestellt wurde. Durch das Vorhandensein des Tantaloxids an der Grenzfläche 113a kann die Eigenschaften der gesamten Saatschicht beeinflusst werden, die durch einen direkten stromlosen Abscheideprozess geschaffen wurde, wie dies zuvor beschrieben ist, so dass auch die Eigenschaften des Großteils des Metalls 114 durch das Tantaloxid beeinflusst werden kann. Es wurde ein starker Hinweis für einen entsprechenden Einfluss durch das Ausführen der jeweiligen Röntgenbeugungsanalyse (XRD) erhalten, um die Oberflächentextur der entsprechenden Kupfergebiete 114 zu bestimmen. Im Vergleich zu dem Gebiet 114 des Bauelements 100 in 1a, das auf der Grundlage einer PVD-Saatschicht hergestellt wurde, wurde eine im Wesentlichen zufällige Verteilung der Kornorientierungen für das Bauelement 100 mit der Kontaminationsgrenzflächenschicht 113b beobachtet, wodurch ein Verlust an „Texturinformationsübertragung” von der Barrierenschicht zu dem Metall 114 über die entsprechende Saatschicht angezeigt wird.
Ferner wurden in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Bauelemente 100, d. h. entsprechende Repräsentanten davon vor dem Abscheiden des Metalls 114 untersucht, bevor eine entsprechende Saatschicht abgeschieden wurde. Auch in diesem Falle wurden eine deutliche Diskrepanz im Hinblick auf die Oberflähenrauhigkeit beobachtet, wobei die direkt durch Plattierung abgeschiedene Saatschicht eine sehr inhomogene Oberfläche mit einer deutlichen Schwankung in der Korngröße und der Rauheit zeigt. Beispielsweise wurden Löcher in der auf der Grundlage der direkten Plattierungsverfahren hergestellten Saatschicht erkannt, wodurch eine beeinträchtigte Haftung zu der Barrierenschicht oder eine verhinderte Kornwachstumsaktivität angezeigt wird, wobei beide durch das Vorhandensein der sauerstoffenthaltenden Schicht an der Grenzfläche 113 hervorgerufen werden. Selbst abgelöste Bereiche wurden in dem Metallgebiet 112 der 1b erkannt, woraus sich ein geschwächter Grenzflächenbereich ergibt, was zu einer geringeren mechanischen Festigkeit und auch zu erhöhten Elektromigrationseffekten beitragen kann, wodurch eine deutlich geringere Zuverlässigkeit der entsprechenden Metallisierungsschicht 110 hervorgerufen wird.
Folglich werden auf der Grundlage der zuvor angegebenen Erkenntnis effiziente Verfahren offenbart, um deutlich das Vorhandensein von Sauerstoff in kritischen Prozessphasen bei der Herstellung einer Saatschicht oder eines anfänglichen Bereichs eines gut leitenden Metalls, etwa von Kupfer direkt auf einer Barrierenschicht auf der Grundlage elektrochemischer Abscheidetechniken zu reduzieren.
2a zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement mit einem Substrat 201 mit einer Metallisierungsstruktur 210, die darauf ausgebildet ist. Im Hinblick auf das Substrat 201 und die Metallisierungsstruktur 210 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 angegeben sind. Ferner umfasst die Metallisierungsstruktur 210 eine dielektrische Schicht 211, die aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein kann, wie dies zuvor erläutert ist, wobei die Schicht 211 strukturiert ist, so dass diese eine Öffnung 217 aufweist, etwa eine Kontaktlochöffnung, einen Graben oder dergleichen. Des weiteren ist eine Barrierenschicht 213 auf der strukturierten dielektrischen Schicht 211 ausgebildet, wobei die Barrierenschicht 213 aus einem beliebigen geeigneten Materialaufbau hergestellt sein kann, der für das Erreichen der gewünschten elektrischen, mechanischen, chemischen und anderen Eigenschaften geeignet ist, wie dies für Metallgebiete erforderlich ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist die Barrierenschicht 213 eine Schicht auf Tantalbasis, d. h., zumindest ein Oberflächenbereich davon umfasst Tantal, wobei andere Komponenten, etwa Stickstoff, Kohlenstoff, und dergleichen vorhanden sein können. Es sollte ferner beachtet werden, dass die Barrierenschicht 213 auch aus anderen Materialien, etwa Titan, Titannitrid, Kobalt, Wolfram und dergleichen aufgebaut sein kann. Wie ferner zuvor erläutert ist, kann ein beliebiger geeigneter Schichtstapel eingesetzt werden, um die gewünschten Barriereneigenschaften zu erhalten. Beispielsweise kann der Oberflächenbereich der Barrierenschicht 213 eine gewünschte Textur aufweisen, die die Kornorientierung und die Größe für das Material, das in die Öffnung 217 einzufüllen ist, beeinflusst.
Im Hinblick auf eine Prozesssequenz zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200, wie es in 2a gezeigt ist, gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Bauelementen 100 beschrieben sind. D. h., nach dem Strukturieren der dielektrischen Schicht 211 wird das Barrierenmaterial 213 in einem oder mehreren Prozessschritten eines Abscheideprozesses 202 vorgesehen, der selbstbegrenzende CVD-Techniken (d. h. ALD), PVD, stromlose Plattierungsprozesse oder eine Kombination davon umfassen kann.
Als nächstes wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Bauelement 200 für einen nachfolgenden elektrochemischen Abscheideprozess vorbereitet, indem ein Reinigungsprozess beispielsweise auf der Grundlage eines nasschemischen Reinigungsrezepts ausgeführt wird. Im Gegensatz zu konventionellen Strategien wird jedoch der Reinigungsprozess in einer geeigneten Umgebung ausgeführt, um die Anwesenheit von Sauerstoff zu unterdrücken, wodurch die Wahrscheinlichkeit reduziert wird, sauerstoffbasierte Kontaminationsprodukte, etwa die Grenzflächenschicht 113b zu erzeugen.
2b zeigt schematisch einen Prozess zum geeigneten Vorbereiten einer nasschemischen Reinigungslösung gemäß einer anschaulichen Ausführungsform. Wie gezeigt, wird eine nasschemische Reinigungslösung 221, die in einem geeigneten Behälter 222 aufbewahrt wird, einer Behandlung 220 unterzogen, um den Anteil an Sauerstoff zu verringern, der in der Lösung 221 gelöst sein kann. In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Lösung 221 aus wässriger Flusssäure (DHF) aufgebaut, die einer geeigneten Umgebung ausgesetzt wird, um in aktiver Weise die Lösung 221 zu entgasen, beispielsweise durch Erzeugen geeigneter Druckbedingungen und durch Bereitstellen von im Wesentlichen inerten Gasen, etwa Stickstoff, Argon, Krypton, und dergleichen. In einigen Fällen wird die Temperatur der Lösung 221 in geeigneter Weise erhöht, beispielsweise bis zu 60 bis 90 Grad C, um damit das Austreiben des Sauerstoffs zu verbessern. In anderen Fällen wird ein inertes Gas in die Lösung 221 eingetrieben, wodurch ebenfalls die Effizienz des Entfernens von Sauerstoff aus der Lösung 221 verbessert wird. Beispielsweise wird die Behandlung 220 so durchgeführt, dass der Anteil an Sauerstoff auf 5 ppm oder weniger verringert wird. Es sollte beachtet werden, dass der Behälter 222 einen beliebigen geeigneten Behälter repräsentiert, der in einer entsprechenden Prozessanlage angeordnet werden kann oder dieser kann ein Transportbehälter sein, um die Lösung 221 zu einer geeigneten Prozessanlage zur Reinigung des Halbleiterbauelements 200 zu transportieren. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird eine entsprechende Zufuhrleitung zum Zuführen der Lösung 221 zu dem Bauelement 200 auf der Grundlage einer im Wesentlichen inerten Umgebung betrieben, wodurch der Wiedereintritt von Sauerstoff in die Lösung 221 reduziert wird.
2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines Reinigungsprozesses 230, der in einer anschaulichen Ausführungsform einen nasschemischen Reinigungsprozess beispielsweise unter Anwendung der Lösung 221 repräsentiert, die auf Grund der Behandlung 220 einen deutlich geringeren Sauerstoffanteil aufweist. Ferner kann der Reinigungsprozess 230 in einer Umgebung 231 ausgeführt werden, die so gestaltet ist, dass ein Kontakt von Sauerstoff mit der freiliegenden Barrierenschicht 213 und der Reinigungslösung 221, wenn ein nasschemischer Reinigungsprozess betrachtet wird, unterdrückt wird. Beispielsweise wird die Prozessumgebung 231 in einer geeigneten Prozesskammer eingerichtet, indem geeignete Druckbedingungen erzeugt werden und indem eine im Wesentlichen inerte Atmosphäre geschaffen wird, wobei der Sauerstoffanteil ungefähr 5 ppm oder weniger beträgt. Im Falle eines nasschemischen Prozesses wird die Umgebung 231 durch die Reinigungslösung 221 geschaffen, die somit das Bauelement 200 umgibt, um damit die Umgebung 231 mit dem reduzierten Sauerstoffanteil zu bilden, da die Lösung 221 als eine sauerstoffverarmte Lösung bereitgestellt wird, wie dies zuvor beschrieben ist. Des weiteren kann eine im Wesentlichen sauerstofffreie Gasatmosphäre geschaffen werden, selbst wenn das Bauelement 200 im Wesentlichen vollständig in die entsprechende Reinigungslösung 221 eingetaucht wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen können geeignete Sauerstoffeinfangsubstanzen oder Sauerstoffeinfänger 232 in die Umgebung 231 eingeführt werden, beispielsweise durch Einbau der Substanzen 232 in die Lösung 221 und/oder durch Bereitstellen dieser Materialien während des Reinigungsprozesses 230 und/oder durch Aufbringen der Substanzen 232 auf die freiliegende Oberfläche der Barrierenschicht 213. Beispielsweise können Substanzen, etwa Benzoesäure und deren Derivate, etwa 3, 4, 5 Hydrooxybenzoesäure, Hydrazin, Hydroxylamin, und dergleichen als Materialien 232 verwendet werden, wobei beispielsweise eine Konzentration von ungefähr 0,5 bis 1 Vol% (Volumenprozent) verwendet werden kann, wenn das Material in der Lösung 221 vorgesehen ist. Auf Grund des Vorhandenseins der Sauerstoffeinfangmaterialien 232 in der Umgebung 231 kann somit ein Kontakt freier Sauerstoffatome oder Moleküle mit den freiliegenden Oberflächenbereichen der Schicht 213 deutlich reduziert werden. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein reduzierendes Mittel 233 während des Prozesses 230 angewendet, indem beispielsweise die Substanz 233 in die Lösung 221 eingebracht wird oder indem die Substanz 233 anderweitig während des Reinigungsprozesses 230 angewendet wird. Beispielsweise kann Dimethylaminobenzoat (DMAB) verwendet werden. Somit kann durch Bereitstellen einer Kombination des reduzierenden Mittels 233 und des Sauerstoffeinfangmaterials 232 eine verbesserte kombinierte Wirkung erreicht werden.
In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein Oberflächenmittel 234 ebenfalls zugeführt, wobei die Art des entsprechenden Oberflächenreaktionsmittels oder Oberflächenmittels 234, das vorteilhaft im Hinblick auf das Benetzen der freiliegenden Oberfläche sein kann, auf der Grundlage der Substanzen 232, 233 so ausgewählt wird, dass eine entsprechende Wirkung dieser Kombination im Hinblick auf das Erzeugen unerwünschter Kontaminationsstoffe abgeschätzt wird. Eine geeignete Auswahl der Oberflächenreaktionskomponente 234 kann effizient auf der Grundlage von Experimenten bestimmt werden, um damit die Auswirkung des Vorhandenseins von Sauerstoff zu untersuchen, wobei das Bereitstellen des Oberflächenmittels 234 die Gesamteffizienz der Umgebung 231 oder einer nachfolgenden Umgebung zum direkten Abscheiden eines Metalls verbessern kann, wie dies nachfolgend mit 2d beschrieben ist.
2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es einem elektrochemischen Abscheideprozess 240 unterzogen wird, etwa einem stromlosen Abscheideprozess, um damit zunächst einen Bereich 215 eines Metalls zu bilden, das in die Öffnung 217 einzufüllen ist. Der anfangs gebildete Bereich 215 kann auch als eine Saatschicht für den nachfolgenden Einfüllschritt dienen, der auf der Grundlage anderer Prozessparameter im Vergleich zu dem elektrochemischen Abscheideprozess 240 ausgeführt wird. Während des Prozesses 240 wird eine geeignete Elektrolytlösung dem Bauelement 200 zugeführt, das für die Abscheidung von Kupfer EDTA, NaOH, HCHO oder andere gut etablierte Rezepte aufweisen kann, wobei beispielsweise in einer anschaulichen Ausführungsform eine Elektrolytlösung von Semitool Inc. verwendet werden kann. Des weiteren wird der Abscheideprozess 240 auf der Grundlage einer Prozessumgebung 241 ausgeführt, die gestaltet ist, die Anwesenheit von Sauerstoff zu unterdrücken, um damit die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von sauerstoffbasierten Kontaminationsstoffen zu reduzieren. Beispielsweise kann die Umgebung 241 auf der Grundlage einer Gasatmosphäre eingerichtet werden, in der inerte Gase, etwa Stickstoff, Argon, und dergleichen enthalten sind, wobei der Sauerstoffanteil bei ungefähr 5 ppm oder weniger liegt. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die sauerstoffunterdrückende Umgebung 241 zusätzlich in Form einer geeigneten Gasatmosphäre eingerichtet, indem die Sauerstoffeinfangsubstanzen 232 und/oder die reduzierenden Mittel 233 zugeführt werden, was bewerkstelligt werden kann, indem die Substanzen 232 und/oder 232 in die jeweilige Elektrolytlösung des Abscheideprozesses 240 eingebracht werden. Wie zuvor erläutert ist, kann während des Beginns des eigentlichen Abscheideprozesses 240 ein Oberflächenmittel 234 aufgebracht werden, dessen Wirkung in Verbindung mit den Substanzen 232 und 233 ermittelt wird, um damit eine gewünschte kombinierte Wirkung zu erreichen.
2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform, in der das Bauelement 200 einem Reinigungsprozess 250 unterzogen wird, nachdem eine spezifizierte Dicke des anfänglichen Schichtbereichs oder der Saatschicht 215 erreicht ist. Beispielsweise wird nach dem Abscheiden von ungefähr 10 bis 80 nm auf der Grundlage des Abscheideprozesses 240 die Oberfläche der Schicht 215 auf der Grundlage geeignete Substanzen gereinigt, etwa mit deionisiertem Wasser und dergleichen, wobei der Prozess 250 ebenfalls auf der Grundlage einer Prozessumgebung 251 ausgeführt werden kann, die so gestaltet ist, dass das Vorhandensein von freiem oder reaktivem Sauerstoff unterdrückt ist, was erreicht werden kann, indem eine entsprechende Reinigungssubstanz, etwa das deionisierte Wasser, in geeigneter Weise durch aktives Entgasen der Substanz vorbereitet wird, wie dies beispielsweise mit Bezug zu der Lösung 221 erläutert ist. Ferner kann eine geeignete Gasatmosphäre eingerichtet werden, beispielsweise auf der Grundlage eines inerten Gases oder einer Gasmischung, wobei der Anteil an Sauerstoff auf ungefähr 5 ppm oder weniger eingestellt wird. Im Hinblick auf das Zuführen von Reinigungssubstanzen während des Prozesses 250 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Reinigungsprozess 221 erläutert sind.
2f zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform, in der eine thermische Behandlung 260 ausgeführt wird, um die Kristallkonfiguration des Bereichs oder der Saatschicht 215 zu verbessern, wobei die thermische Behandlung 260 ebenfalls in einer geeigneten Prozessumgebung 261 ausgeführt werden kann, die gestaltet ist, um die Anwesenheit von Sauerstoff zu unterdrücken. Ferner wird in einer anschaulichen Ausführungsform die Umgebung 261 auf Grundlage einer reduzierenden Atmosphäre eingerichtet, die Stickstoff oder in anderen Fällen ein Formierungsgas, d. h. eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff, aufweist. In anderen Fällen enthält die Umgebung 261 Argon. Folglich können selbst geringe Mengen an Sauerstoff, die mit der freiliegenden Oberfläche der Schicht 215 reagieren können oder die durch die Grenzfläche 213 diffundieren können, in effizienter Weise neutralisiert werden, wodurch die eigentliche Reaktionsrate von freiem Sauerstoff mit freiliegenden Oberflächen auf einem sehr geringen Niveau gehalten wird, durch das die Eigenschaften des endgültigen Metalls nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Die thermische Behandlung 260 kann beispielsweise bei Temperaturen von ungefähr 100 Grad C bis 300 Grad C für eine Zeitdauer von mehreren Minuten bis mehreren Stunden ausgeführt werden.
2g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines weiteren elektrochemischen Abscheideprozesses 270, um eine Metallschicht 214 zu bilden, die die Öffnung 217 vollständig füllt. Der elektrochemische Abscheidprozess 270 kann einen Elektroplattierungsprozess oder einen stromlosen Abscheideprozess oder eine Kombination davon repräsentieren, wobei geeignete Prozessparameter, etwa die Anwendung geeigneter Pulse, wenn ein Elektroplattierungsprozess betrachtet wird, eine entsprechende Elektrolytlösung, Kollimatoren zum Steuern des Elektrolytstromes und dergleichen, so ausgewählt sind, dass ein gewünschtes Füllverhalten von unten nach oben erreicht wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Prozess 270 in einer Prozessumgebung 271 ausgeführt, die gestaltet ist, das Vorhandensein von freiem oder reaktivem Sauerstoff zu unterdrücken, indem beispielsweise eine Gasatmosphäre auf der Grundlage inerte Gase, etwa Stickstoff und dergleichen, eingerichtet wird, wie dies auch zuvor erläutert ist. Zusätzlich oder alternativ kann die sauerstoffunterdrückende Umgebung 271 auch durch Hinzufügen geeigneter Sauerstoffeinfangmaterialien, etwa die Substanzen 232, durch Hinzufügen von reduzierenden Mitteln 233 und dergleichen eingerichtet werden, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Abscheideprozess 240 und der verwendeten Elektrolytlösung beschrieben ist.
Nach dem Abscheideprozess 270 wird die weitere Bearbeitung des Bauelements 200 auf der Grundlage gut etablierter Techniken fortgesetzt, indem beispielsweise überschüssiges Material der Schicht 214 entfernt wird, möglicherweise in Verbindung mit einer thermischen Behandlung, und dergleichen. Danach können weitere Metallisierungsstrukturen hergestellt werden, wobei im Wesentlichen der gleiche Prozessablauf eingesetzt werden kann, wie dies mit Bezug zu den 2a bis 2g beschrieben ist.
3a zeigt schematisch eine Prozesssequenz 390 zur Herstellung einer Metallisierungsstruktur auf der Grundlage eines gut leitenden Metalls, etwa Kupfer, Silber, Legierungen davon, und dergleichen, und einem Barrierenmaterial, wobei das gut leitende Metall direkt auf dem Barrierenmaterial mittels eines elektrochemischen Abscheideprozesses abgeschieden wird, wie dies zuvor erläutert ist. Zu diesem Zweck umfasst die Prozesssequenz 390 einen Reinigungsprozess 330 zum Reinigen einer freiliegenden Oberfläche einer Barrierenschicht, etwa der Barrierenschicht 213 des Bauelements 200, und einen direkten elektrochemischen Abscheideprozess 340 zur Herstellung eines geeigneten Anteils oder einer Saatschicht, etwa der Saatschicht 215, direkt auf der gereinigten Barrierenschicht. Die Prozesssequenz 390 umfasst ferner mindestens eine Substrattransportaktivität 380, die den Transport des entsprechenden Substrats von einer Prozesskammer für den Prozess 330 zur einer Prozesskammer oder einem Reaktor für den Prozess 340 enthalten kann. Die Prozesssequenz 390 wird in einer geeigneten Prozessumgebung 391 ausgeführt, die als eine sauerstoffunterdrückende Umgebung gestaltet ist, was als eine Umgebung verstanden werden kann, in der eine freiliegende Oberfläche eines die Sequenz 390 durchlaufenden Substrats der Einwirkung von Fluiden oder Gasen oder anderen Materialien ausgesetzt wird, die einen Anteil an freien Sauerstoff von höchstens 5 ppm oder weniger aufweisen. Beispielsweise können für die Transportaktivität 380 entsprechende Schleusen und Transportbehälter vorgesehen werden, in denen eine Gasatmosphäre so eingerichtet wird, dass ein reduzierter Sauerstoffanteil aufrecht erhalten wird. In anderen Fällen werden die Transportaktivitäten 380 auf de Grundlage anlageninterner Transportwege durchgeführt, die entsprechende Prozesskammer miteinander verbinden, ohne dass ein Einladen oder Ausladen von Substraten in und aus Transportbehältern erforderlich ist.
3b zeigt schematisch die Prozesssequenz 390 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die jeweilige Prozessumgebung 391 für mehrere Prozessschritte zusätzlich zu den Schritten 330 und 340 eingerichtet ist, wobei beispielsweise die Schritte 350, 360, 370 zum Reinigen einer Saatschicht, zum thermischen Behandeln der Saatschicht und zum Abscheiden des Volumenmetalls enthalten sind, wobei entsprechende Transportaktivitäten 382, 383, 384 ausgeführt werden, abhängig von der Konfiguration der jeweiligen Prozessanlagen. Es sollte beachtet werden, dass einige der Transportaktivitäten 380 bis 384 unnötig sind, wenn nachfolgende Prozessschritte in der gleichen Prozesskammer ausgeführt werden. Da die Umgebung 391 jeden der Prozessschritte 330, ..., 370 und jede entsprechende Transportaktivität 380, 384 mit einschließt, kann die Anwesenheit von Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen einer Barrierenschicht und einem gut leitendem Metall auf einem sehr geringen Niveau gehalten werden, wodurch die Eigenschaften des schließlich erhaltenen Metalls verbessert werden.
Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung bietet ein Konzept, um eine Verschlechterung einer Grenzfläche zwischen einem Barrierenmaterial und einem Metall zu erkennen, das direkt darauf durch elektrochemische Abscheideprozesse abgeschieden wurde, und es wird ferner ein Konzept bereitgestellt, um die Qualitätsbeeinträchtigung der Grenzfläche zu reduzieren. Dazu wird die Anwesenheit von freiem oder reaktivem Sauerstoff während kritischer Prozessschritte unterdrückt, indem geeignete Prozessbedingungen geschaffen werden. Beispielsweise werden Sauerstoffeinfangsubstanzen, reduzierende Mittel und dergleichen in nasschemischen Prozessschritten zusätzlich zu einer im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre vorgesehen. Andererseits können auch andere Prozesse in einer inerten oder reduzierenden Gasumgebung ausgeführt werden, wodurch ein adäquates Leistungsverhalten moderner Metallstrukturen im Hinblick auf Elektromigration und das mechanische und elektrische Verhalten erreicht wird. Daher können Plattierungsschemata mit „Plattieren direkt auf einem Barrierenmaterial” gemäß den hierin offenbarten Prinzipien in der Massenproduktion moderner Metallisierungsstrukturen eingesetzt werden, wobei den strikten Rahmenbedingungen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit Rechnung getragen wird, während andererseits auch der Durchsatz im Vergleich zu anspruchsvollen nicht-elektrochemischen Saatschichtabscheidetechnik erhöht wird.
Weitere Modifizierungen und Variationen des hierin offenbarten Gegenstandes 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 als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Verfahren mit: Bilden einer leitenden Barrierenschicht (213) auf einer strukturierten Schicht (211) eines Halbleiterbauelements (200); Behandeln einer nasschemischen Reinigungslösung (221) zum Reinigen der Barrierenschicht (213) derart, dass zumindest ein Teil des in der nasschemischen Reinigungslösung (221) gelösten Sauerstoffs entfernt wird; Reinigen der Barrierenschicht (213) unter Anwendung der nasschemischen Reinigungslösung (221) in einer Reinigungsumgebung (231), die gestaltet ist, die Einwirkung von Sauerstoff auf die nasschemische Reinigungslösung (221) und auf die Barrierenschicht (213) zu unterdrücken; und direktes Abscheiden eines Metalls (214, 215) auf der Barrierenschicht (213) durch einen elektrochemischen Abscheideprozess (240) in einer Abscheideumgebung (241), die gestaltet ist, die Einwirkung von Sauerstoff während des Abscheideprozesses (240) zu unterdrücken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Behandeln der nasschemischen Reinigungslösung (221) umfasst: Ausgasen der nasschemischen Reinigungslösung (221) in Anwesenheit einer inerten Gasumgebung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nasschemische Reinigungslösung (221) Flusssäure (HF) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Einbringen eines Sauerstoffeinfangmaterials (232) in die nasschemische Reinigungslösung (221) zumindest, wenn diese zum Reinigen der Barrierenschicht (213) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Sauerstoffeinfangmaterial (232) 3, 4, 5 Hydroxybenzoesäure und/oder Hydrazin und/oder Hydroxylamin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst: Verwenden eines reduzierenden Mittels (233) in Kombination mit der nasschemischen Reinigungslösung (221), zumindest, wenn die Barrierenschicht (213) gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei direktes Abscheiden eines Metalls auf der Barrierenschicht (213) umfasst: Bilden einer Saatschicht (215), und wobei das Verfahren ferner umfasst: Reinigen der Saatschicht (215) in einer zweiten Reinigungsumgebung, die gestaltet ist, die Einwirkung von Sauerstoff auf die Saatschicht (215) zu unterdrücken.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst: Ausführen einer Wärmebehandlung (260) nach dem Reinigen der Saatschicht (215), wobei die Wärmebehandlung (260) in einer Umgebung (261) ausgeführt wird, in der die Einwirkung von Sauerstoff auf die Saatschicht (215) unterdrückt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner Einrichten einer reduzierenden Atmosphäre in der Umgebung (261) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die reduzierende Atmosphäre Wasserstoff und/oder Argon und/oder eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Einrichten einer Transportumgebung, die gestaltet ist, die Einwirkung von Sauerstoff zu unterdrücken, wenn das Halbleiterbauelement (200) vor und während des dritten Abscheidens des Metalls (214) auf der Barrierenschicht (213) transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bereitstellen eines chemischen Mittels in einer Elektrolytlösung des elektrochemischen Abscheideprozesses (240), wobei das chemische Mittel eine Oxidation der Barrierenschicht (213) unterdrückt.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst: Ausführen eines elektrochemischen Füllabscheideprozesses (270) auf der Grundlage der Saatschicht (215), wobei der elektrochemische Füllabscheideprozess (270) gestaltet ist, Öffnungen (217) in der strukturierten Schicht (211) zu füllen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Barrierenschicht (213) Tantal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall Kupfer aufweist.
Verfahren mit: Bilden einer Barrierenschicht (213) auf einem Oberflächenbereich einer Öffnung (217), die in einer dielektrischen Schicht (211) eines Halbleiterbauelements (200) gebildet ist; Entgasen einer Plattierungslösung in Anwesenheit einer inerten Gasumgebung; und Ausführen einer Prozesssequenz zum direkten Abscheiden eines Metalls (214, 215) auf der Barrierenschicht (213) unter Verwendung der entgasten Plattierungslösung in einem elektrochemischen Abscheideprozess (240) in einer Prozessumgebung (241), die gestaltet ist, den Kontakt der Barrierenschicht (213) mit Sauerstoff während der Prozesssequenz zu unterdrücken.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Prozesssequenz umfasst: Reinigen der Barrierenschicht (213) durch einen nasschemischen Prozess (230) unter Anwendung eines Sauerstoffeinfangmaterials (232).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Prozesssequenz umfasst: Behandeln der Barrierenschicht (213) mit einem Oberflächenmittel zum Benetzen einer Oberfläche der Barrierenschicht (213) vor dem Bilden eines Metalls auf der Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Prozesssequenz umfasst: Bilden einer Saatschicht (215) durch einen ersten elektrochemischen Abscheideschritt (240) und Füllen der Öffnung auf der Grundlage der Saatschicht (215) durch einen zweiten elektrochemischen Abscheideschritt (270), wobei der erste und der zweite Schritt auf Grundlage unterschiedlicher Prozessparameter ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Prozesssequenz ferner Reinigen der Saatschicht (215) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Prozesssequenz ferner Ausführen einer Wärmebehandlung (260) der Saatschicht (215) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Barrierenschicht (213) Tantal aufweist.
Verfahren zum direkten Abscheiden eines Metalls (214, 215) auf einer Barrierenschicht (213) durch einen elektrochemischen Abscheideprozess (240), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats (201) mit einer strukturierten Schicht (211), auf der die Barrierenschicht (213) ausgebildet ist; Einrichten einer Prozessumgebung (231) zum Unterdrücken einer Reaktion der Barrierenschicht (213) mit Sauerstoff; Reinigen der Barrierenschicht (213) in der Prozessumgebung (231) vor dem Abscheiden des Metalls auf der Barrierenschicht (213); und Abscheiden zumindest eines Teils des Metalls (214, 215) auf der Barrierenschicht (213) in der Prozessumgebung (241).
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Barrierenschicht (213) unter Anwendung einer nasschemischen Behandlung (230) auf der Grundlage verdünnter Flusssäure gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei Einrichten der Prozessumgebung (231) umfasst: Entgasen durch Eintreiben eines inerten Gases und/oder Verwenden eines Sauerstoffeinfangmaterials (232) während des Reinigens der Barrierenschicht (213), und Abscheiden des zumindest einen Teils des Metalls (214, 215).
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner umfasst: Ausführen einer Substrattransportaktivität in der Prozessumgebung (391) zwischen dem Reinigen der Barrierenschicht (213) und dem Abscheiden des zumindest einen Teils des Metalls (214, 215).
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner Ausführen einer Wärmebehandlung nach dem Reinigen der Barrierenschicht (213) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Barrierenschicht (213) Tantal aufweist.