DE102012111831B4

DE102012111831B4 - Integrierte Schaltung und Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE102012111831B4
Application number: DE102012111831.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Detzel; Johann Gross; Robert Illing; Maximilian Krug; Sven Gustav Lanzerstorfer; Michael Nelhiebel; Werner Robl; Michael Rogalli; Stefan Wöhlert
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: DE102012111831A1; CN103165574B; CN103165574A; US9418937B2; US10446469B2; US20130147047A1; US20160329263A1

Abstract

Integrierte Schaltung, umfassend:
ein Basiselement (6) mit einer Vielzahl von Komponenten elektronischer Schaltungen in einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats (1) und
ein Kupferelement (2) aufweisend Kupferkörner (2a) über dem Basiselement (6),
wobei das Kupferelement (2) eine Dicke von wenigstens 5 pm hat und das Verhältnis der mittleren Korngröße der Kupferkörner (2a) des Kupferelements (2) zur Dicke des Kupferelements (2) kleiner als 0,7 ist, und
wobei der Modalwert der Korngrößenverteilung der Kupferkörner (2a) des Kupferelements (2) größer als 2 pm und kleiner als 5 pm ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung.
HINTERGRUND
Auf dem Gebiet von Halbleitervorrichtungen werden dünne Metallschichten, wie beispielsweise Aluminium- oder Kupferschichten verbreitet verwendet, um Verdrahtungsschichten von integrierten Schaltungen zu bilden.
Auf dem Gebiet von Leistungsvorrichtungen werden vergleichsweise dicke Metallschichten, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, verwendet. Dicke Metallschichten können wirksam verwendet werden, um große Ströme zu entladen oder eine große Wärmemenge abzuführen, die beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses erzeugt sein kann.
Beispielsweise werden für so genannte Leistungsmetallisierungen Dicken der Verdrahtung von mehr als 2 pm und selbst mehr als 5 pm eingesetzt. Dennoch wird in integrierten Schaltungen mit einer Verdrahtung mit einer derart großen Dicke eine Ermüdung zunehmend beobachtet. Insbesondere wurde beobachtet, dass Metallverdrahtungen dazu neigen, von dem Basiselement zu entlaminieren und zunehmend Risse zu zeigen, so dass diese integrierten Schaltungen während einer thermischen oder elektrischen Belastung eine Verschlechterung aufweisen.
Halbleiterbauelemente mit Kupfer-Metallisierungsschichten sind beispielsweise aus der Druckschrift US 2005 / 0 014 355 A1 bekannt. Aus Druckschrift JP 2007- 317 782 A ist eine flexible Leiterplatte mit Kupferschichten bekannt.
Es besteht demgemäß ein Bedarf, integrierte Schaltungen zu verbessern, die ein Kupferelement aufweisen, das die oben aufgezeigten Probleme überwindet.
Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung anzugeben, die diesen Forderungen genügt; auch soll ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen integrierten Schaltung geschaffen werden. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine integrierte Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 16 vor. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
ZUSAMMENFASSUNG
Erfindungsgemäß umfasst eine integrierte Schaltung ein Basiselement mit einer Vielzahl von Komponenten von elektronischen Schaltungen in einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats und ein Kupferkörner aufweisendes Kupferelement über dem Basiselement. Das Kupferelement hat eine Dicke von wenigstens 5 µm, und das Verhältnis der mittleren Korngröße der Kupferkörner des Kupferelements zur Dicke des Kupferelements ist kleiner als 0,7. Dabei ist der Modalwert der Korngrößenverteilung der Kupferkörner des Kupferelements größer als 2 pm und kleiner als 5 µm.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung das Bilden eines Kupferkörner aufweisenden Kupferelements über einem Basiselement mit einer Vielzahl von Komponenten von elektronischen Schaltungen in einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats, so dass das Kupferelement eine Dicke von wenigstens 5 pm hat und das Verhältnis der mittleren Korngröße der Kupferkörner zur Dicke des Kupferelements weniger als 0,7 ist und ein Modalwert der Korngrößenverteilung der Kupferkörner des Kupferelements größer als 2 pm und kleiner als 5 pm ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung umfasst diese ein Basiselement und ein Kupferelement über dem Basiselement, wobei das Kupferelement einen Schichtstapel mit wenigstens zwei Kupferschichten und wenigstens einer Zwischenleiterschicht aus einem Material, das von Kupfer verschieden ist, hat, wobei die Kupferschichten und die Zwischenleiterschichten abwechselnd übereinander gestapelt sind.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen liefern ein weiteres Verständnis der Ausführungsbeispiele der Erfindung und sie sind in die Offenbarung eingeschlossen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort ersichtlich, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser zu verstehen sind. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen geben entsprechend ähnliche Teile an.

1A zeigt eine Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1B ist eine weitere Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3A ist ein Diagramm, das eine mittlere Korngröße in Abhängigkeit von der Schichtdicke des Kupferelements zeigt, dass eine Komponente einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
3B ist ein Diagramm, das ein Verhältnis einer mittleren Korngröße zur Schichtdicke in Abhängigkeit von der Schichtdicke des Kupferelements zeigt, das eine Komponente einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
4 ist ein Diagramm, das eine mittlere Korngröße in Abhängigkeit von der Schichtdicke des Kupferelements vor und nach einem Glühen zeigt, wobei das Kupferelement eine Komponente einer integrierten Schaltung gemäß einem Beispiel ist; und
5 zeigt eine Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel.

DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie, wie „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorderseite“, „Hinterseite“, „vorne“, „hinten“ usw. im Hinblick auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figuren benutzt. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Veranschaulichung eingesetzt und ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele eingesetzt werden können und strukturelle oder logische Änderungen durchgeführt werden können.
Es ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen beispielhaften Ausführungsbeispiele, die hier beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, wenn nicht speziell etwas anderes angegeben ist.
Begriffe wie „umfassen“, „enthalten“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe, sind offene Begriffe, d.h., neben den „umfassten“ Elementen können weitere Elemente vorliegen. Mit bestimmten und unbestimmten Artikeln gekennzeichnete Elemente können sowohl im Singular oder auch im Plural vorliegen, sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben ist. Die hierin verwendeten Ausdrücke „gekoppelt“ und/oder „elektrisch gekoppelt“ erfordern keine direkte Kopplung, sondern lassen Elemente zwischen den „gekoppelten“ oder „elektrisch gekoppelten“ Elementen zu. Der Ausdruck „elektrisch verbunden“ soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Elementen angeben.
Die Begriffe „Wafer“, „Substrat“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter basierende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sollen so verstanden werden, dass Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von Silizium, die durch eine Basishalbleiterunterlage getragen sind, und andere Halbleiterstrukturen umfasst sind. Der Halbleiter muss nicht auf Silizium beruhen. Der Halbleiter kann ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Weitere Beispiele von Halbleitermaterialien umfassen Galliumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid, Indiumnitrid, Indiumgalliumnitrid, Indiumaluminiumnitrid, Indiumaluminiumgalliumnitrid, Siliziumcarbid, jegliche andere III-V- oder II-VI-Halbleiter oder jegliche andere Verbindungshalbleiter entweder als Grundkörpermaterial oder auf einem Substrat aufgewachsen.
1A veranschaulicht eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer integrierten Schaltung 100.
In einem Halbleitersubstrat 1 kann eine Vielzahl von Komponenten von elektronischen Schaltungen gebildet sein, um ein Basiselement 6 zu bilden. Beispielsweise kann, wie in 1A gezeigt ist, eine integrierte Schaltung, die in oder auf einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats 1 gebildet ist, einen ersten Bereich 120 und einen zweiten Bereich 110 umfassen. Beispielsweise kann der erste Bereich 120 verschiedene Komponenten eines DMOS-(doppeldiffundierter Metall-Oxid-Halbleiter)-Gebiets oder eines Leistungsvorrichtungs-Gebiet umfassen, und der zweite Bereich 110 kann verschiedene Komponenten eines logischen Gebietes einer Leistungsvorrichtung umfassen. Beispielsweise können diese Komponenten Transistoren und andere Bauelemente aufweisen, wie diese allgemein in der Technik bekannt sind. Beispielsweise können Leistungstransistoren oder Leistungsvorrichtungen in dem ersten Bereich 120 angeordnet sein. Die Komponenten des ersten und des zweiten Bereiches 120, 110 können dotierte Halbleiterteile, undotierte Halbleiterteile, dielektrische Teile und leitende Teile einschließlich Metallteilen umfassen.
Über einem Teil des Halbleitersubstrats 1 ist ein Kupferelement 2, das aus Kupfer (Cu) hergestellt ist, gebildet. Beispielsweise kann das Kupferelement 2 eine Schicht oder ein Teil einer Schicht sein. Beispielsweise kann das Kupferelement 2 eine gemusterte Kupferschicht sein, die eine Verdrahtungsleitung oder jegliche andere gemusterte Struktur aufweist. Das Kupferelement 2 kann eine Dicke d haben. Die Dicke d der Kupferschicht braucht nicht gleichmäßig zu sein, sondern kann variieren. In dem Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung soll sich die Dicke d auf die maximale Dicke der Kupferschicht beziehen.
Verschiedene Zwischenschichten können zwischen dem Kupferelement 2 und dem Halbleitersubstrat 1 angeordnet sein. Beispielsweise können weitere Metallisierungsschichten zwischen dem Kupferelement 2 und dem Halbleitersubstrat 1 liegen. Darüber hinaus können zusätzliche Metallisierungsschichten über dem Kupferelement 2 angeordnet sein. Diese Metallisierungsschichten können jedes geeignete Material umfassen. Weiterhin können eine Keimschicht 7b und/oder eine Barriereschicht 7a, wie diese allgemein verwendet werden, zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und dem Kupferelement 2 angeordnet sein. Beispiele der Barriereschicht 7a umfassen eine TiW-Schicht mit beispielsweise einer Dicke von 50 bis 300 nm, und Beispiele der Keimschicht 7b umfassen eine dünne Kupferschicht mit einer Dicke von 50 bis 300 nm. Alternativ kann die Keimschicht 7b ein anderes geeignetes Keimmaterial für einen Galvanisierprozess, wie beispielsweise Palladium (Pd) umfassen. Über dem Kupferelement 2 kann eine harte Schicht 3, die NiP, NiMoP, Ni, Ni(X)P, Ni(X,Y)P oder jegliche Kombination hiervon aufweisen kann, gebildet sein. Beispielsweise bezieht sich Ni(X)P auf ein beliebiges Ternärsystem, wie beispielsweise NiWP, und Ni(X,Y)P bezieht sich auf ein ein beliebiges Quaternärsystem, wobei X und Y beliebige Elemente bezeichnen. Beispielsweise kann die harte Schicht 3 einen Schichtstapel aufweisen, der irgendein Material von diesen Materialien umfasst. Auf der Oberseite der harten Schicht 3 kann eine Pd-Schicht aufgetragen sein. Die Pd-Schicht kann eine Dicke von ungefähr 100 bis 500 nm haben. Die harte Schicht 3 einschließlich der Pd-Schicht kann eine Dicke von ungefähr 500 nm bis 5 µm, beispielsweise 1 µm, haben. Die harte Schicht 3 einschließlich der Pd-Schicht schützt das Kupferelement 2 vor Korrosion und kann als eine Bondzwischenfläche dienen. Wie in 1A gezeigt ist, kann die harte Schicht 3 gebildet sein, um die gesamte Oberfläche sowie die Seitenwände des Kupferelements 2 zu bedecken.
Alternativ kann, wie in 1B gezeigt ist, die harte Schicht 3 über einem Teil des Kupferelements 2 angeordnet sein. 1B zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer integrierten Schaltung 101 mit den gleichen Elementen wie bei der integrierten Schaltung 100, die in 1A veranschaulicht ist. Dennoch bedeckt in 1B die harte Schicht 3 lediglich einen Teil des Kupferelements 2. Demgemäß sind ein Teil der Oberfläche des Kupferelements 2 sowie die Seitenwände hiervon unbedeckt oder in Berührung mit einem Material, das von der harten Schicht 3 verschieden ist. Dennoch umfassen, wie sofort zu verstehen ist, Ausführungsbeispiele der Anmeldung auch integrierte Schaltungen ohne eine harte Schicht.
In den Ausführungsbeispielen von 1A und 1B können Teile einer Passivierungsschicht 4 über Teilen des Kupferelements 2 und über Teilen der harten Schicht 3 angeordnet sein. Die Passivierungsschicht 4 kann beispielsweise isolierende Materialien, wie beispielsweise Imid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid und andere sowie Kombinationen von diesen Materialien umfassen. In dem Ausführungsbeispiel von 1B ist ein Teil des Kupferelements 2 in Berührung mit der Passivierungsschicht 4. In dem Ausführungsbeispiel von 1A berührt das Kupferelement 2 nicht die Passivierungsschicht 4, sondern stattdessen ist eine harte Schicht 3 zwischen dem Kupferelement 2 und der Passivierungsschicht 4 angeordnet.
Wenn eine Kupfermetallisierungsschicht mittels beispielsweise der Elektronenrückstreubeugung-(EBSD)-Technologie analysiert wird, werden Korngrenzen und entsprechende Körner 2a der Kupferschicht erfasst. Im Allgemeinen wurde beobachtet, dass mit zunehmenden Schichtdicken der Kupferschicht auch die Korngröße des Kupfers anwächst. Wie durch die Erfinder festgestellt wurde, hängt die Zuverlässigkeit des Kupferelements 2 von der Korngröße der Kupferkörner 2a ab. Das heißt, es wurde beobachtet, dass in einem Bereich der Dicke von mehr als etwa 5 µm die Zuverlässigkeit des Kupferelements 2 verbessert ist, wenn die Korngröße der Kupferschicht viel kleiner als die Schichtdicke des Kupferelements 2 ist. Bei Betrachtung einer Korngrößenverteilung von Kupferkörnern in einem Kupferfilm mit einer Dicke von wenigstens 5 pm gibt es gewöhnlich einzelne Körner, die eine Korngröße haben, die ungefähr gleich zu der Dicke des Kupferfilms ist und die die gesamte Filmdicke durchdringen. Es wurde beobachtet, dass die mechanische Stabilität von diesen Kupferschichten verschlechtert ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Anmeldung sind selbst die größten Körner immer kleiner als die Filmdicke. Beispielsweise ist die mittlere Größe der Körner 2a des in den 1A und 1B veranschaulichten Kupferelements 2 so eingestellt, dass das Verhältnis der größten Kornabmessung und der Schichtdicke d kleiner ist als 0,7 oder kleiner als 0,55. Darüber hinaus beträgt die Dicke des Kupferelements 2 wenigstens 5 µm, beispielsweise wenigstens 7,5 pm und sogar mehr als 10 oder 20 µm. Die Dicke des Kupferelements 2 kann auf weniger als 100 µm eingestellt sein. Die in den 1A und 1B gezeigte integrierte Schaltung 100, 101 umfasst ein Kupferelement 2 mit vergleichsweise kleinen Korngrößen oder -abmessungen. Beispielsweise ist die Korngröße kleiner als 4 µm oder sogar kleiner als 3,5 µm. In dieser Hinsicht bezieht sich die Korngröße auf den Durchmesser der Körner 2a. Beispielsweise kann die Korngröße mittels einer EBSD-(Elektronen-Rückstreu-Beugung-)Technik gemessen werden, wie diese allgemein eingesetzt wird. Um die Korngrößen mittels der EBSD-Technik einzuschätzen, wurden EBSD-Messungen in einem Abtast-Elektronenmikroskop des Typs Leo Gemini durchgeführt, das eine Beschleunigungsspannung von 20 kV einsetzt. Alle Linien in den EBSD-Bildern der Oberfläche der Proben wurden als Korngrenzen festgelegt, welche eine Änderung in der Kornausrichtung von mehr als 3° einschlossen. Von dem Gebiet dieser Körner wird ein Kreis (Scheibe) mit einem äquivalenten Gebiet bestimmt. Der Durchmesser dieses Gebiets des äquivalenten Kreises (Scheibe) wird als Korngröße definiert. Doppel- oder Zwillingskorngrenzen sind in die Korngrenzenstatistik eingeschlossen. Die mittlere Korngröße wird aus der lognormalen Verteilung der einzelnen Korngrößen bestimmt.
Wie im Folgenden erläutert werden wird, weist diese integrierte Schaltung verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst der Kupferfilm Chlorid, Schwefel und weitere Einschlüsse oder Beimischungen, wie beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff, und die Menge an Chlorid ist größer als jegliche Menge der anderen Zusätze. Beispielsweise kann die Menge an Chlorid mittels TOF-SIMS („Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie“) bestimmt werden. Beispielsweise kann das auf das Kupfersignal normierte Signal von Chlorid mehr als 1,25 % oder selbst mehr als 1,5 % sein. In dieser Hinsicht bedeutet der Ausdruck „auf Kupfersignal normiertes Signal von Chlorid“ das Verhältnis des TOF-SIMS-Signals von Chlorid und des TOF-SIMS-Signals von Kupfer. Das auf das Kupfersignal normierte TOF-SIMS-Signal von Schwefel kann mehr als 0,075 % oder selbst mehr als 0,1 % sein.
Es wurden Versuche durchgeführt, um die Eigenschaften einer integrierten Schaltung mit einer Filmdicke des Kupferelements 2 von 5 µm, 10 pm und 20 pm zu bewerten. Die mittlere Korngröße in allen diesen Beispielen war kleiner als 3,5 µm. Beispielsweise war die mittlere Korngröße eines 5 µm dicken Films 2,4 µm, die mittlere Korngröße eines 10 pm dicken Filmes war 2,6 µm, und die mittlere Korngröße eines 20 pm Filmes war 3,1 µm. Darüber hinaus war die mittlere Korngröße der Körner des Kupferelements 2 ungefähr unabhängig von der Filmdicke des Kupferelements 2. Beispielsweise ist die Steigerung der mittleren Korngröße mit zunehmender Filmdicke kleiner als 10 %. In der Verteilung der Korngröße, die für verschiedene Dicken des Kupferelements 2 gemessen wurde, wurde bestimmt, dass ein Modus oder ein Modalwert, d.h. der Wert, der in der Korngrößenverteilung am häufigsten auftritt, 2 pm für eine Dicke von 5 µm, 3 µm für eine Dicke von 10 µm und etwa 3 µm für eine Dicke von etwa 20 µm beträgt. Mit anderen Worten, dieser Wert verschiebt sich nicht bedeutsam mit zunehmenden Dicken des Kupferelements 2. Dagegen wächst in herkömmlichen Kupferelementen der Modus mit steigender Filmdicke des Kupferelements. Für diese Beispiele hat sich gezeigt, dass Risse weniger wahrscheinlich auftreten, und dass eine Endlaminierung des Kupferelements 2 von der Barriereschicht 7a und der Keimschicht 7b und somit vom Basiselement 6 verhindert werden konnte. Insbesondere hat sich gezeigt, dass selbst nach einem thermischen Stress und einem Stromstress die Leistungsmetallisierung hervorragend an der Barriereschicht 7a haftet. Als eine Folge wird ein guter elektrischer und thermischer Kontakt zwischen dem Basiselement 6 und dem Kupferelement 2 erreicht. Aufgrund des verbesserten Kontakts kann Strom und Wärme sehr wirksam von der integrierten Schaltung 100, 101 übertragen werden. Als eine Folge kann der erste Bereich 120 im Vergleich mit herkömmlichen integrierten Schaltungen vermindert werden, d.h., mit einer integrierten Schaltung, in der das Verhältnis der mittleren Korngröße zur Dicke der Kupferkörner/Kupferschicht nicht auf einen Wert, der kleiner als 0,7 ist, gesteuert wurde.
Eine weitere Metallisierungsschicht 5 kann auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 1 angeordnet sein. Beispielsweise kann diese Metallisierung 5 in der gleichen Weise wie das Kupferelement 2 gebildet werden und die gleiche Struktur haben.
2 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. In einem Schritt S1 werden verschiedene Komponenten von elektronischen Schaltungen auf einem Halbleitersubstrat 1 vorgesehen. Beispielsweise können die in dem ersten Bereich 120 und in dem zweiten Bereich 110 in den 1A und 1B gezeigten verschiedenen Vorrichtungen durch herkömmliche Prozesse gebildet werden. Metallisierungsschichten können über dem Halbleitersubstrat 1 gebildet werden. Danach kann in einem Schritt S2 eine Barriereschicht 7a, die aus TiW hergestellt sein kann, gebildet werden, woran sich eine Keimschicht 7b anschließt, die aus Kupfer mit einer Dicke von ungefähr 150 nm hergestellt sein kann. Diese Schichten 7a, 7b können durch PVD (physikalische Dampfabscheidung) gebildet werden, wie diese üblich ist. Das Bilden der Barriereschicht 7 und der Keimschicht 7b kann optional sein.
Danach kann in einem Schritt S3 eine Kupferschicht 2 beispielsweise durch Galvanisierung gebildet werden. Beispielsweise kann ein Elektrolyt mit 100 g/l H₂SO₄, 50 g/l Cu und als ein Zusatz 50 ppm Chlorid verwendet werden. Wie durch einen Schritt S5 angezeigt ist, können weitere Zusätze beigefügt werden. Beispielsweise können die Zusätze ein Aufhellungsmittel umfassen, das ein SPS (Bis(Natrium-3-sulfopropyl) -disulfid) (S(CH₂)₃SO₃Na)₂ sein kann. Ein weiteres Beispiel umfasst MPSA/MPS (Mercapto-1-Propansulfonsäure, HS(CH₂)₃SO₃. Weiterhin kann ein so genannter Träger verwendet werden, der PEG (PolyethylenGlycol) (HO[C₂H₄O]_nH) oder PPG (Polypropylen-Glycol (HO[C₃H₆O]_nH) umfassen kann. Weiterhin können die Zusätze einen so genannten Gleichmacher umfassen, der JGB (Janus Grün B (C₃₀H₃₁N₆Cl)), DB (Diacin-Schwarz (C₂₈H₂₆ON₅Cl)) oder BTA (Benzotriazol (C₆H₅N₃)) aufweisen kann. Das Chlorid kann beispielsweise aus der Gruppe genommen werden, die aus KCl, NaCl, HCl besteht. Typischerweise kann die Menge an Chlorid 30 bis 100 ppm sein. Die Galvanisierung wird mittels herkömmlicher Prozesse vorgenommen. Beispielsweise kann eine Abscheidungsrate von ungefähr 0,2 bis 2 µm/min, insbesondere 0,6 bis 1,3 µm/min sein. Beispielsweise können die Zusätze und der Inhalt der Zusätze so gewählt werden, dass ein Wachstum der Kupferkörner erreicht wird, so dass die sich ergebenden Korngrößen vorliegen, wie dies oben anhand der 1A und 1B besprochen ist. Mit anderen Worten, die Zusätze und der Inhalt der Zusätze sind so gewählt, dass ein Wachstum der Körner unterdrückt ist. Weiterhin können Dispersionsschichten oder Dispersionssubstanzen eingesetzt werden, um diese Korngrößen zu erreichen. Beispiele von geeigneten Dispersionssubstanzen umfassen Kohlenstoff-Nanorohre, Diamant-(Nano-)Partikel und Aluminiumoxid-(Nano-)Partikel oder SiC-(Nano-)Partikel. Gemäß einer weiteren Modifikation können Legierungskomponenten gewählt werden, um diese Korngrößen zu erreichen. Beispiele von geeigneten Legierungskomponenten umfassen Fe, Ni, Mn, Ag, Ce, Mg und andere. Beispielsweise kann ein Gleichstrom zum Durchführen des Galvanisierens benutzt werden.
Beispielsweise kann ein Galvanisieren mittels eines Elektrolyten, beispielsweise eines wässrigen oder eines nicht wässrigen Elektrolyten durchgeführt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Elektrolyt Kupfersulfat, Schwefelsäure, Salzsäure und wenigstens einen organischen Zusatz umfassen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Elektrolyt Kupfersulfat, MSA (Methylsulfonsäure), Salzsäure und wenigstens einen organischen Zusatz umfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Galvanisieren mittels ionischer Flüssigkeiten durchgeführt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Kupferelement stromlos abgeschieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Galvanisieren mittels eines Elektrolyten mit Kupfer, wenigstens einem organischen Zusatz und einer Beimischung durchgeführt, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Chlor (Cl), Schwefel (S) und wenigstens einem organischen Zusatz besteht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Strom während eines Galvanisierens ein gepulster Strom sein, der durch kathodisches Pulsieren des Stromes gebildet sein kann, oder er kann ein kathodisch gepulster Strom mit kurzen anodischen Impulsen sein. Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Strom während eines Galvanisierens auch eine Kombination von allen Stromformen sein, wie ein gepulster Strom, um eine bestimmte Dicke aufzubauen, woran sich ein Gleichstrom oder ein gepulster Sperrstrom anschließt, oder er kann mit einem gepulsten Sperrstrom bis zu einer gewissen Dicke beginnen und mit einem Gleichstrom oder gepulstem Strom enden, und er kann alle Kombinationen von Pulsformen umfassen. Wie herausgefunden wurde, können ein Impulsstrom und ein Impulssperrstrom während eines Galvanisierens in der Beifügung von mehr Zusätzen resultieren, die das Kornwachstum während eines Glühens behindern. Als Ergebnis sind kleine Körner selbst nach einem Glühen vorhanden. Mit anderen Worten, durch geeignetes Wählen einer Wellenform der Impulse können die Beifügung von Zusätzen und die Korngröße der Kupferschicht beeinflusst werden.
Das Galvanisieren wird durchgeführt, bis die Kupferschicht eine Dicke von 5 bis 30 pm hat. Dennoch kann, wie klar zu verstehen ist, die Kupferschicht auch aufgetragen oder abgeschieden werden, um eine größere Dicke aufzuweisen. Darüber hinaus kann das Kupferelement 2 gebildet werden, so dass es in Berührung mit verschiedenen Verdrahtungsschichten darunter ist.
Beispielsweise können diese Verdrahtungsschichten in dem Halbleitersubstrat 1 vergraben sein. Danach kann eine harte Schicht über dem Kupferelement 2 gebildet werden. Beispielsweise kann die harte Schicht NiP, NiMoP, Ni oder eine Kombination hiervon umfassen, wobei eine dünne Pd-Schicht auf der Oberseite eingeschlossen ist. Die Kupferschicht kann auch gemustert sein, wie dies üblich ist. Beispielsweise kann eine Damascene-Technik benutzt werden, welche ein Mustern einer dielektrischen Schicht, um eine Aussparung zu bilden, und ein Abscheiden der Kupferschicht in der Aussparung, die in der dielektrischen Schicht gebildet ist, umfasst, worauf ein CMP (chemisch-mechanischer Polierschritt) folgt. Alternativ kann die Kupferschicht auch durch Ätzen gemustert sein, wie dies üblich ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Muster-Galvanisiertechnik verwendet werden. Die Muster-Galvanisiertechnik benutzt eine Resistmaske, und Kupfermaterial wird lediglich in Resistöffnungen abgeschieden, d.h. in denjenigen Teilen, die nicht durch ein Resistmaterial bedeckt sind. Danach kann in einem Schritt S4 eine weitere Schutzschicht über der integrierten Schaltung gebildet werden. Beispielsweise kann die Schutzschicht aus Imid 4 hergestellt sein, wie dies üblich ist. Das Bilden der Schutzschicht ist optional.
Obwohl in den 1A und 1B gezeigt wurde, dass das Kupferelement 2 auf der Oberseite des Halbleitersubstrats 1 gebildet ist, in welchem die elektronischen Komponenten ausgeführt sind, ist es selbstverständlich, dass das Kupferelement 2 auch auf der Rückseite der integrierten Schaltung gebildet sein kann. Wenn beispielsweise das Kupferelement auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 1 vorgesehen ist, kann die Dicke sogar größer als 20 pm bis beispielsweise zu einer Dicke von 200 pm sein. Die sich ergebende elektrisch leitende Rückseite ist mit dem aktiven Gebiet auf der Vorderseite entweder durch Silizium-Vias, die mit einem leitenden Material, wie beispielsweise dotiertem Polysilizium, Cu oder W gefüllt sein können, oder mit einem Metall, wie beispielsweise Al oder Ti, das einen ohmschen Kontakt mit dem Silizium bildet, kontaktiert.
3A ist ein Diagramm, das die mittlere Korngröße des Kupferelements 2 in Abhängigkeit von der Schichtdicke veranschaulicht. In herkömmlichen integrierten Schaltungen steigt die mittlere Korngröße mit zunehmender Schichtdicke an. Während beispielsweise der Herstellung der herkömmlichen integrierten Schaltungen werden keine Maßnahmen ergriffen, um das Wachstum der Korngrenzen zu unterdrücken. 3A veranschaulicht die mittlere Korngröße des Kupferelements 2 im Vergleich mit der Schichtdicke in einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie in 3A gezeigt ist, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel die mittlere Korngröße näherungsweise unabhängig von der Schichtdicke. Die mittlere Korngröße ist kleiner als 3,5 µm, und in dem Ausführungsbeispiel von 3A ist die Dicke des Kupferelements mehr als 5 µm. Die Korngröße wurde nach Glühen der Proben bei 400°C während 30 min in einer reduzierenden Atmosphäre gemessen. Es wurde beobachtet, dass die Korngröße nicht wesentlich anwächst, wenn die Probe geglüht wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren weiterhin ein Glühen des Kupferelements 2, wobei aufgrund des Glühens die Korngröße um weniger als 10 %, beispielsweise weniger als 5 %, anwächst. Die in 3A gezeigte mittlere Korngröße wurde mittels des EBSD-Verfahrens gemessen, das oben erläutert wurde. In 3A beträgt die mittlere Korngröße 2,4 µm bei einem 5 pm dicken Film, die mittlere Korngröße beträgt 2,6 pm bei einem 10 pm dicken Film, und die mittlere Korngröße beträgt 3,1 pm bei einem 20 pm dicken Film. Darüber hinaus ist die Steigerung der mittleren Korngröße mit zunehmender Filmdicke kleiner als 5 %. Die Standardabweichung der mittleren Korngröße für eine Filmdicke von 5 pm beträgt etwa 0,8 µm, die Standardabweichung für eine Filmdicke von etwa 10 pm beträgt 0,8 µm, und die Standardabweichung für eine Filmdicke von 20 pm beträgt 1,0 µm. Wenn demgemäß diese Werte mit herkömmlichen Kupferelementen verglichen werden, steigt die Standardabweichung nicht wesentlich mit der Filmdicke an. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass der Modus, d.h. der Wert, der am häufigsten in der Verteilung der Korngrößen in Abhängigkeit von der Dicke auftritt, etwa 2 pm für eine Filmdicke von 5 µm, der Modus für eine Filmdicke von 10 µm etwa 3 pm und der Modus für eine Filmdicke von 20 pm zwischen 2 und 3 pm beträgt. Im Vergleich steigt bei herkömmlichen Kupferelementen der Modus mit wachsender Filmdicke an. Weiterhin ist für alle analysierten Filmdicken das Verhältnis der Korngrößen größer als 4 µm sehr klein im Vergleich zu Körnern mit einer Korngröße von weniger als 4 µm. In ähnlicher Weise ist das Verhältnis der Körner mit einer Größe, die größer als 5 pm ist, viel kleiner als das Verhältnis der Körner mit einer Größe, die kleiner als 5 pm ist.
3B zeigt das Verhältnis der Korngröße zu der Kupferfilmdicke, berechnet aus den Messwerten, die in 3A gezeigt sind, wobei das Verhältnis in Abhängigkeit von der Filmdicke aufgetragen ist. Wie dies gezeigt ist, nimmt mit zunehmender Filmdicke dieses Verhältnis ab.
BEISPIEL:
Dicke Kupferfilme für Leistungsanwendungen werden mittels Muster-Galvanisier-Technologie aufgetragen. Nach Sputtern einer Barriere (beispielsweise TiW) und einer Keimschicht (beispielsweise Cu) wird ein Resist auf den Wafer angewandt. Das Resist wird gemustert, und Kupfer wird in die Resistmaske galvanisiert. In den nächsten Prozessschritten wird das Resist entfernt, und die Keimschicht sowie die Barriereschicht werden nasschemisch geätzt, um Kupferlinien bzw. -leitungen und -gebiete zu bilden. Das Kupfer wird aus einem Kupferbad auf wässriger Basis galvanisiert, das Schwefelsäure, Kupfersulfat und Salzsäure enthält. Um die Oberflächenrauhigkeit und Dickengleichmäßigkeit zu verbessern, werden organische Zusätze zu der Galvanisierlösung beigefügt. Drei Typen eines Zusatzes werden dem Galvanisierbad beigegeben: ein Beschleuniger (Aufhellungsmittel), beispielsweise SPS, das Schwefel enthält, ein Suppressor (Träger), beispielsweise PEG, das einen Komplex mit dem Chlorin und den Kupfer-Ionen aufbaut, und ein Gleichmacher, beispielsweise Janus-Grün. Da der Beschleuniger Schwefel enthält und der Suppressor einen Komplex mit dem Chlorin in dem Bad aufbaut, kann die Menge an Schwefel und Chlorin ein Maßstab für den Einbau des Beschleunigers oder Suppressors in den Kupferfilm sein.
Der Einbau der Zusätze wird mittels TOF-SIMS-(„Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie“-)Analyse gemessen. Aus dieser Analyse kann gesehen werden, dass ungefähr 19 x mehr Schwefel und 55 x mehr Chlorin in den Kupferfilm als in herkömmlichen Kupferfilmen, die mittels Standard-Elektrolyten hergestellt sind, eingebaut bzw. enthalten sind. Dies ist ein starkes Anzeichen dafür, dass viel mehr Beschleuniger (dargestellt durch S) und Suppressor (dargestellt durch Cl) in dem Kupfer eingebaut oder enthalten sind, das mit dem neuen Elektrolyten abgeschieden bzw. aufgetragen ist.
Es wurde bestimmt, dass der Einbau oder Einschluss eines Beschleunigers und eines Suppressors die Korngröße der Kupferfilme beeinflusst. Danach wird ein Glühen in einem Ofen bei 400°C für 30 min in einer Formiergasatmosphäre, d.h. einer Gasatmosphäre, die Wasserstoff- und StickstoffGas einschließt, durchgeführt.
4 veranschaulicht die Korngröße des Beispiels vor und nach dem Glühen in beliebigen Einheiten, wobei die Strichlinie die Korngröße nach dem Glühen und die Volllinie die Korngröße vor dem Glühen angeben. Die Korn- oder Kristallitgrößen von 4 sind mittels XRD (Röntgenstrahlbeugung) gemessen.
Wie aus 4 ersehen werden kann, ist in Ausführungsbeispielen, in denen Kupferfilme mit dem Elektrolyten gemäß dem oben beschriebenen Beispiel abgeschieden oder aufgetragen sind, die Kristallit-Größe ungefähr konstant über allen gemessenen Cu-Dicken, und ein Glühen vergrößert die Cu-Korngröße lediglich marginal oder geringfügig um einen Betrag von weniger als 4 %.
Zusammenfassend wird in Kupfer, das mit dem herkömmlichen Elektrolyten aufgetragen ist, ein geringer Zusatz-Einschluss beobachtet. Kristallite können ohne ernsthafte Hindernisse wachsen. Mittels des Elektrolyten gemäß dem oben beschriebenen Beispiel wird eine signifikante oder merkliche Menge an Zusätzen in den Film eingebracht. Dies führt zu einer konstanten Kristallit-Größenverteilung über allen betrachteten Cu-Dicken. Ein Kornwachstum wird verhindert, und die beigefügten oder eingeschlossenen Zusätze behindern das Kornwachstum selbst während eines Glühens der Proben.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der integrierten Schaltung 102. Die in 5 dargestellte integrierte Schaltung 102 enthält die gleichen Komponenten wie die in den 1A und 1B dargestellte integrierte Schaltung. Dennoch umfasst das Kupferelement 2 verschiedene Einzelschichten 21, die aus Kupfer (Cu) hergestellt sein können, und weitere leitende Zwischenschichten 22, die beispielsweise aus TiN sein können, wobei die Zwischenschichten 22 zwischen den Kupferschichten 21 angeordnet sind. Beispielsweise kann die Dicke der einzelnen Kupferschichten 21 etwa 300 nm bis 5 µm, beispielsweise 400 nm betragen. Beispielsweise kann die Dicke der einzelnen Kupferschichten 21 nicht weniger als ungefähr 50 nm sein. Weiterhin kann die Dicke der Zwischenschichten 22 ungefähr 10 bis 20 nm, jedoch nicht weniger als 3 nm sein. Beispielsweise können drei oder vier Einzelschichten aus Kupfer 21 abwechselnd angeordnet sein, um das Kupferelement 2a zu bilden.
Es ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, wenn nicht speziell Anderes festgestellt ist.

Claims

Integrierte Schaltung, umfassend: ein Basiselement (6) mit einer Vielzahl von Komponenten elektronischer Schaltungen in einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats (1) und ein Kupferelement (2) aufweisend Kupferkörner (2a) über dem Basiselement (6), wobei das Kupferelement (2) eine Dicke von wenigstens 5 pm hat und das Verhältnis der mittleren Korngröße der Kupferkörner (2a) des Kupferelements (2) zur Dicke des Kupferelements (2) kleiner als 0,7 ist, und wobei der Modalwert der Korngrößenverteilung der Kupferkörner (2a) des Kupferelements (2) größer als 2 pm und kleiner als 5 pm ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis der mittleren Korngröße der Kupferkörner (2a) zur Dicke des Kupferelements (2) kleiner als 0,55 ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Dicke des Kupferelements (2) mehr als 5 pm ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die mittlere Korngröße der Kupferkörner (2a) ungefähr unabhängig von der Dicke des Kupferelements (2) ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Kupferelement (2) eine Schicht, eine gemusterte Schicht oder eine Verdrahtung ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die mittlere Korngröße der Kupferkörner (2a) des Kupferelements (2) kleiner als 4,0 µm ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die mittlere Korngröße der Kupferkörner (2a) des Kupferelements (2) kleiner als 3,5 pm ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Modalwert der Korngrößenverteilung der Kupferkörner des Kupferelements (2) kleiner als 4 pm ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Kupferelement (2) Kupfer und wenigstens einen Zusatz aufweist, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Chlorid (Cl), Schwefel (S) und wenigstens einem organischen Zusatz besteht.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 9, bei der das Kupferelement (2) Chlorid und Schwefel als Beimischungen aufweist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 10, bei der das Kupferelement (2) weitere Beimischungen aufweist, wobei die Menge an Chlorid größer ist als irgendeine Menge der anderen Beimischungen.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend eine harte Schicht (3), die wenigstens eine Verbindung aus NiP, NiMoP, NiPd, Ni(X)P und Ni(X,Y)P aufweist, wobei die harte Schicht (3) über dem Kupferelement (2) angeordnet ist und X und Y weitere Elemente bedeuten.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das Kupferelement (2) Chlorid als eine Beimischung aufweist, wobei ein Verhältnis eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie-Signals von Chlorid bezüglich eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie-Signals von Kupfer größer als 1,25 % ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das Kupferelement (2) Schwefel als eine Beimischung aufweist, wobei ein Verhältnis eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie-Signals von Schwefel bezüglich eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie-Signals von Kupfer größer als 0,075 % ist.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Komponenten von elektronischen Schaltungen Komponenten von Leistungshalbleitervorrichtungen umfassen.
Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung, umfassend: Bilden eines Kupferelements (2) aufweisend Kupferkörner (2a) über einem Basiselement (6) mit einer Vielzahl von Komponenten elektronischer Schaltungen in einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats (1), so dass das Kupferelement (2) eine Dicke von wenigstens 5 pm hat und das Verhältnis der mittleren Korngröße der Kupferkörner (2a) zur Dicke des Kupferelements (2) weniger als 0,7 ist und ein Modalwert der Korngrößenverteilung der Kupferkörner (2a) des Kupferelements (2) größer als 2 pm und kleiner als 5 pm ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Bilden des Kupferelements (2) ein Galvanisieren unter Bedingungen aufweist, die so eingestellt sind, dass das Verhältnis der mittleren Korngröße der Kupferkörner (2a) zur Dicke des Kupferelements (2) kleiner als 0,7 ist.