DE10208166B4 - Verfahren zur Herstellung von Metallleitungen mit verbesserter Gleichförmigkeit auf einem Substrat - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Metallleitungen mit:
Bereitstellen eines Substrats mit einem zentralen Gebiet und einem Randgebiet, wobei das zentrale Gebiet und das Randgebiet jeweils einen vertieften Bereich aufweisen, der eine Höhendimension definiert;
Abscheiden einer Metallschicht auf dem Substrat, wobei eine mittlere Schichtdicke des Randgebietes unterschiedlich zu einer mittleren Schichtdicke des zentralen Gebiets ist;
Entfernen von Überschussmetall von dem Substrat durch chemisch-mechanisches Polieren, wobei der Unterschied der gemittelten Schichtdicke des Randgebiets und des zentralen Gebiets während des Abscheidens des Metalls so eingestellt wird, dass die Höhe des Metalls in den vertieften Bereichen nach dem Entfernen des Überschussmetalls in einem vordefinierten Toleranzbereich liegt, und unterschiedliche Abtragsraten des chemisch-mechanischen Polierens zwischen dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet kompensiert werden, und
Einstellen des Unterschieds der mittleren Schichtdicke auf der Grundlage von Messergebnissen wenigstens eines zuvor prozessierten Substrats, um das Steuern der Schichtdicke in dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet zu...

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Verbindungsleitungen, die in diversen Metallisierungsschichten von integrierten Schaltungen, etwa von CPUs, Speicherchips und dergleichen erforderlich sind.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei der Herstellung integrierter Schaltungen, etwa CPUs, Speicherchips, anwenderspezifische Schaltungen und dergleichen, ist es im Allgemeinen notwendig, eine oder mehrere Metallschichten, so genannte Metallisierungsschichten, auf dem Schaltungssubstrat bereitzustellen, die zur elektrischen Verbindung der einzelnen Elemente, etwa Transistorelemente, Kondensatoren und dergleichen, dienen. Abhängig von der Komplexität der betrachteten Schaltung, der Art des für die Metallisierung verwendeten Materials und den Abmessungen der Metallisierungsleitungen, die wiederum teilweise durch die Art des Materials und den verfügbaren Platz auf dem Substrat bestimmt sind, kann eine Vielzahl von Metallisierungsschichten erforderlich sein, um die benötigte Funktionalität bereitzustellen. Das reproduzierbare Herstellen der einzelnen Metallisierungsschichten ist für die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung von großer Bedeutung, wobei die Eigenschaft jeder Metallisierungsleitung in jeder Metallisierungsschicht vorhersagbar innerhalb spezifizierter Toleranzen liegen muss, da bereits die Fehlfunktion einer einzelnen Leitung die komplette Schaltung gefährden kann.
  • Da Halbleiterhersteller nicht nur die Anforderungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Zuverlässigkeit der integrierten Schaltungen, sondern auch hinsichtlich minimaler Produktionskosten berücksichtigen müssen, werden die Substrate, auf denen die integrierten Schaltungen hergestellt werden, im Durchmesser ständig vergrößert, da die Mehrzahl der Prozessschritte während des Herstellens der integrierten Schaltung auf Substratbasis und nicht so sehr auf Chipbasis ausgeführt werden, so dass eine große Anzahl von Chips in einem einzelnen Prozessschritt gleichzeitig bearbeitet werden kann. Zu nehmende Substratdurchmesser erfordern jedoch eine präzise Steuerung der Prozessparameter, um Strukturelemente über das gesamte Substrat hinweg zu erzeugen, die möglichst gleichförmige Eigenschaften unabhängig von ihrer Position auf dem Substrat aufweisen.
  • Herkömmlicherweise wurde Aluminium für Metallisierungsschichten verwendet, jedoch haben Halbleiterhersteller kürzlich damit begonnen, Kupfer als die Metallisierungsschicht aufgrund der überlegenen Eigenschaften von Kupfer hinsichtlich der Leitfähigkeit und der Elektromigration zu verwenden, die äußerst wichtige Gesichtspunkte für die Herstellung integrierter Schaltungen mit geringen Strukturgrößen sind. Ein häufig angewendeter Prozess zum Herstellen von Metallisierungsschichten ist der so genannte Damaszenerprozess, in dem Löcher – die auch als Durchgangsöffnungen oder Kontaktöffnungen bezeichnet werden – Gräben und/oder andere vertiefte Bereiche in einer Isolierschicht, z.B. einer Siliziumdioxidschicht, erzeugt werden und anschließend mit dem Metall, etwa Kupfer, gefüllt werden. Eine bevorzugte Technik zum Einbringen des Kupfers in die Kontaktöffnungen und Gräben ist das Elektroplattieren, da Elektroplattieren moderate Abscheideraten bei einer ansprechenden Gleichförmigkeit über große Substratflächen im Vergleich zu anderen Abscheideverfahren erlaubt, wodurch eine hohe Kosteneffizienz sichergestellt ist. Das Elektroplattieren erfordert vor der Abscheidung des Volumenmaterials die Bereitstellung einer metallischen Saatschicht, die verwendet wird, um elektrischen Strom während der Volumenabscheidung zu leiten. In einigen Fällen kann die Saatschicht auch als eine Diffusionsbarrierenschicht und/oder eine Adhäsionsschicht für das Volumenmaterial, beispielsweise für Kupfer, dienen, das in die Kontaktöffnungen und Gräben eingefüllt wird. Im Allgemeinen ist die Saatschicht eine sehr dünne Schicht aus Metall mit einer Dicke von ungefähr 100 nm und kann durch ein beliebiges bekanntes Verfahren abgeschieden werden, etwa die physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder die chemische Dampfabscheidung (CVD). Nach der Abscheidung der Saatschicht wird das Substrat in Kontakt mit einem Elektrolytbad gebracht, das ionische Verbindungen einschließlich der Metallionen des erforderlichen Typs enthält, und eine Spannung wird zwischen einer Anode in dem Elektrolytbad und dem Substrat, das als eine Katode fungiert, angelegt, wobei die Saatschicht dazu dient, den Strom über die gesamte Substratfläche zu verteilen. Die Metallschicht wird bis zu einem Grade abgeschieden, um eine deckende Schicht zu bilden, wodurch eine Metallschicht bereitgestellt wird, die die Gräben und die Kontaktöffnungen füllt und sich leicht über diese Struktur merkmale hinaus erstreckt. Typischerweise ist die Dicke der Metallschicht in der Größenordnung von 1 μm.
  • Nach der Abscheidung der Metallschicht wird Überschussmetall entfernt, um die Strukturierung der Metallleitungen abzuschließen. In dem Damaszenerprozess hat sich das chemisch mechanische Polieren als die bevorzugte Technik zum Entfernen des Überschussmetalls erwiesen. Während des chemisch mechanischen Polierens (CMP) wird die kombinierte Wirkung eines chemischen Ätzmittels und eines Schleifmittels angewendet, um gemeinsam die exponierte Metalloberfläche durch Reaktion, Schleifen und Polieren abzutragen, wodurch die verbleibende Substratoberfläche eingeebnet wird. Obwohl CMP sehr erfolgreich bei der Herstellung von Metallierungsschichten angewendet wird, hat sich das Erstellen einer CMP-Technik, die eine minimale Ungleichförmigkeit über die gesamte Substratfläche bewirkt, als eine herausfordernde Aufgabe für Prozessingenieure erwiesen, insbesondere wenn Substrate mit großem Durchmesser betrachtet werden. Bei der Bereitstellung einer gleichförmigen eingeebneten Oberfläche nach dem Entfernen des Überschussmetalls ist es nicht nur wichtig während eines CMP-Prozesses, das Abtragen des Metalls und des umgebenden dielektrischen Materials, was auch als Einkerbung und Erosion bezeichnet wird, innerhalb spezifizierter Toleranzen für die diversen Elementstrukturen auf einem einzelnen Chip zu halten, sondern diese spezifizierten Toleranzen in Hinblick auf die Einkerbung und die Erosion ebenso an Stellen einzuhalten, die weiter voneinander entfernt sind, beispielsweise in der Mitte und am Rand des Substrats.
  • Mit Bezug zu den 1a und 1b ist ein typisches Metallisierungsmuster schematisch dargestellt, um die Wirkungen von der Einkerbung und der Erosion während des CMP zu demonstrieren. In 1a umfasst eine Metallisierungsstruktur 100 eine Isolierschicht 101 mit einer darin ausgebildeten einzelnen Metallleitung 102 und mehreren eng benachbarten Metallleitungen 103. Die Isolierschicht 101 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid hergestellt sein und die Metallleitungen 102 und 103 können im Wesentlichen Kupfer aufweisen. Die Metallisierungsstruktur 100 kann beispielsweise an einer zentralen Stelle des Substrats angeordnet sein. Während die Metallisierungsstruktur 100 dem CMP-Prozess unterzogen wird, wird isolierendes Material von der anfänglichen Isolierschicht 101 entfernt, wie dies durch die Pfeile E dargestellt ist. Dieser Abtrag von Material im Vergleich zur Anfangsmaterialschicht wird als Erosion bezeichnet und kann von der Art der Elementstruktur, die in der Isolierschicht 101 gebildet ist, abhängen. Beispielsweise kann die Erosion in der Nähe der einzelnen Metallleitung 102 deutlich kleiner sein als in der Nähe der mehreren Metallleitungen 103. Zusätzlich wird Kupfer in den Metallleitungen 102 und 103 stärker abgetragen als Material der umgebenden Isolierschicht 101. Dieser Vorgang des übermäßigen Materialabtrags in den Metallleitungen 102 und 103 wird als „Einkerbung" bezeichnet und ist durch D in 1a gekennzeichnet.
  • 1b zeigt schematisch eine Metallisierungsstruktur 150 mit einer Isolierschicht 151 und Metallleitungen 152 und 153, die in der Isolierschicht 151 gebildet sind. Prinzipiell entspricht die Metallisierungsstruktur 150 der Struktur 100, ist jedoch am Rand des Substrats angeordnet. Da in dem betrachteten CMP-Prozess die Abtragsrate am Rand des Substrats kleiner ist als im Vergleich zu einer zentralen Position, sind die Erosion und die Einkerbung in der Metallisierungsstruktur 150 im Vergleich zu der Struktur 100 reduziert. Folglich zeigen die Metallisierungsleitungen 152, 153 einen größeren Querschnitt und damit eine verbesserte Leitfähigkeit im Vergleich zu den Metallleitungen 102, 103. Um die Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit über die gesamte Substratfläche hinweg erzeugter integrierter Schaltungen zu gewährleisten, müssen die Entwurfsregeln die oben dargestellten Ungleichförmigkeiten der Metallleitungen in unterschiedlichen Substratgebieten berücksichtigen. Dies trägt zur Prozesskomplexität und somit zu den Produktionskosten bei.
  • Die Patentschrift US 6,107,186 A offenbart ein Verfahren zum Bilden von Metallisierungsschichten mit Strukturen mit hoher Dichte (Metall-Strukturen die mit kleinem Abstand angeordnet sind) und hoher Planarität mittels eines Damaszener-CMP-Prozesses. Die im Bereich dieser Strukturen beim CMP-Prozess auftretende Erosion wird durch eine größere Dicke der elektroplattierten Schicht in diesem Bereich kompensiert.
  • Die Patentschrift US 6 319 834 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Planarität einer Metallisierungsschicht beim Elektroplattieren und beim CMP. Vertiefungen, die in der Oberfläche des Substrates gebildet sind, werden zunächst durch selektives Elektroplattieren mit einem Metall gefüllt. Nachfolgend wird nur noch eine dünne ebene Deckschicht abgeschieden, so dass im anschließenden CMP- Prozess lediglich eine dünne Metallschicht abgetragen werden muss. Eine eventuelle strukturunabhängige Ungleichförmigkeit von CMP-Abtragsraten an unterschiedlichen Positionen des Substrats wird dadurch jedoch nicht kompensiert.
  • Angesichts der obigen Problematik gibt es daher einen Bedarf für eine verbesserte Prozesssequenz zur Herstellung von Metallisierungsschichtungen, die ein höheres Maß an Gleichförmigkeit an unterschiedlichen Positionen des Substrats zeigen.
  • Überblick über die Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich im Allgemeinen an ein Verfahren, das es ermöglicht, in effizienter Weise Prozessschwankungen während der Herstellung von Metallisierungsschichten zu kompensieren, indem die Abscheidung einer Metallschicht in Übereinstimmung mit Prozessschwankungen des CMP-Prozesses gesteuert wird. Somit kann eine unterschiedliche Abtragsrate in mehreren unterschiedlichen Bereichen eines Substrats kompensiert werden, indem die Abscheiderate an jedem der mehreren Berei che so gesteuert wird, um entsprechend die Schichtdicke in einem Bereich mit einer höheren Abtragsrate zu vergrößern oder entsprechend die Schichtdicke in einem Bereich mit einer reduzierten Abtragsrate zu verringern. Auf diese Weise können sogar komplexe Polierschwankungen, d.h. Schwankungen mit einem komplexen Profil, etwa M-förmige oder W-förmige Profile entlang des Substratdurchmessers, korrigiert werden.
  • Insbesondere wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
  • 1a und 1b schematisch eine Querschnittsansicht einer typischen Metallisierungsstruktur an unterschiedlichen Stellen auf einem Substrat;
  • 2 ein Diagramm, das einen typischen Prozessablauf einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3a schematisch einen beispielhaften Reaktor zur Elektroplattierung, um eine Metallisierungsschicht mit einem gewünschten Profil gemäß einer Ausführungsform zu bilden;
  • 3b schematisch eine Ausführungsform unter Anwendung eines Verteilungselements, um ein gewünschtes Metallprofil zu erhalten;
  • 3c eine Draufsicht auf das Verteilungselement aus 3b;
  • 4 schematische eine Prozesskammer einer Sputteranlage, um eine Saatschicht mit einem gewünschten Dickenprofil gemäß einer weiteren Ausführungsform zu erzeugen; und
  • 5a5e Diagramme, die Messergebnisse diverser Metallschichtprofile im Hinblick auf die erhaltene Erosion in einem nachfolgenden CMP-Prozess zeigen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Anzumerken ist, dass, obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den in der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellten Ausführungsformen beschrieben ist, diese Beschreibung nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist, dar.
  • Wie im einleitenden Teil der Anmeldung bereits herausgestellt ist, sind CMP und das Elektroplattieren die bevorzugten Techniken zur Bildung von Metallisierungsschichtungen, insbesondere zur Bildung einer Kupfermetallisierung, wobei gegenwärtig große Anstrengungen unternommen werden, um die einzelnen Prozessschritte hinsichtlich der Gleichförmigkeit über die Substratoberfläche hinweg zu optimieren. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannten, dass die den einzelnen Prozesse innewohnenden Unzulänglichkeiten vorteilhaft in Kombination ausgenützt werden können, um eine verbesserte Metallisierungsstruktur, wie sie hierin beschrieben ist, zu erhalten.
  • 2 zeigt im Wesentlichen den Prozessablauf gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 201 werden Abtragsraten und/oder Parameter, die Abtragsraten während eines CMP-Prozesses kennzeichnen, an zumindest zwei unterschiedlichen Gebieten nämlich in einem zentralen und einem Randgebiet auf einem Substrat bestimmt. Die Bestimmung der Abtragsraten und/oder der Parameterwerte, die die Abtragsraten kennzeichnen, kann erreicht werden, indem entsprechende Testscheiben präpariert werden, die einem CMP-Prozess, wie er bei der Verarbeitung von Produktscheiben durchgeführt wird, unterzogen werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform können die Testscheiben Gräben, Kontaktöffnungen und vertiefte Bereiche aufweisen, die den Elementstrukturen der Produktscheiben entsprechen. Wie im Schritt 204 angezeigt ist, kann die Messung von Eigenschaften von Metallleitungen, beispielsweise der Erosion und der Einkerbung ausgewählter Linien, durchgeführt werden, und die erhaltenen Ergebnisse können für die Bestimmung der Abtragsraten und/oder der Parameterwerte, die die Abtragsrate kennzeichnen, verwendet werden. Beispielsweise kann die Erosion einen Parameter repräsentieren, der quantitativ die Qualität und damit die Abtragsratengleichförmigkeit des CMP beschreibt. Gemäß dieser Ausführungsform können ebenso die Produktscheiben oder zumindest einige der Produktscheiben als die Testscheiben dienen, wodurch die Anzahl der Testscheiben deutlich verringert wird oder wodurch die Verwendung von Testscheiben sogar vollkommen hinfällig wird. Durch Bestimmen der Abtragsraten und/oder der Parameterwerte, die diese kennzeichnen, etwa die Erosion und/oder die Einkerbung und/oder die endgültige Schichtdicke, auf der Grundlage der Messergebnisse von Produktscheiben kann ferner die Qualität des CMP-Prozesses ständig überwacht werden, so dass unterschwellige Änderungen der CMP-Parameter aufgrund beispielsweise der Verschlechterung des Polierkissens, etc., detektiert und für die Bestimmung der entsprechenden Abtragsraten und/oder der Parameterwerte berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann eine Zeitabhängigkeit der Abtragsraten und/oder der Pa rameterwerte berücksichtigt werden, nachdem eine anfängliche Abtragsrate und/oder Parameterwert für die betrachtete CMP-Station erstellt worden ist.
  • Ferner kann die Bestimmung der Abtragsraten und/oder der dafür kennzeichnenden Parameterwerte auf der Grundlage eines theoretischen Modells des CMP-Prozesses ausgeführt werden. Das heißt, es können Berechnungen für Erosionsraten und Einkerbungsraten während des Betriebs oder im Voraus durchgeführt werden, und die Ergebnisse daraus können für die weitere Bearbeitung verwendet werden. In einem Beispiel wird eine Reihe von Testmessungen durchgeführt und es können Abtragsraten und/oder entsprechende Parameterwerte ohne weitere Messungen erhalten werden, sobald entsprechende Modelldaten aus den empirischen Daten ermittelt worden sind.
  • Gemäß Schritt 202 wird ein Produktsubstrat, etwa eine Siliziumscheibe, die Metallisierungsstrukturen an einem ersten und einem zweiten Gebiet trägt, etwa die Metallisierungsstrukturen 100 und 150 aus den 1a und 1b (selbstverständlich ohne Metall), dem Elektroplattierungsvorgang unterzogen, wobei Prozessparameter des Elektroplattierungsprozesses so gesteuert werden, um eine Metalldicke in dem ersten und dem zweiten Gebiet zu erhalten, die mit den Abtragsraten und/oder den Parameterwerten, die im Schritt 201 bestimmt wurden, korreliert ist. Zum Beispiel kann, wie zuvor erläutert wurde, die Abtragsrate von Kupfer in einem typischen Kupfermetallisierungsprozess in dem zentralen Bereich des Substrats höher sein als am Rand. Folglich werden die Prozessparameter des Elektroplattierungsvorgangs so gesteuert, um eine erhöhte Metalldicke im zentralen Gebiet zu erhalten, so dass der tatsächliche Abtrag in dem zentralen Gebiet und in dem Randgebiet innerhalb spezifizierter Toleranzen liegen, wenn die Abtragsraten und/oder die Parameterwerte, die im Schritt 201 bestimmt wurden, als Grundlage verwendet werden. Insbesondere können die Erosion- und Einkerbungswerte für das Abschätzen der Abtragsraten angewendet werden, oder diese können direkt als die Steuerparameter verwendet werden.
  • Das Steuern der Abscheidedicke in den ersten und zweiten Gebieten, d.h. das Steuern der Prozessparameter des Elektroplattierungsprozesses wird nun mit Bezug zu den 3 und 4 beschrieben.
  • 3a zeigt schematisch ein Elektroplattierungsreaktor 300 zum Abscheiden einer Metallschicht auf einem Substrat 301. Das Substrat 301 umfasst eine Arbeitsfläche 302, auf der das Metall, beispielsweise Kupfer, abzuscheiden ist. Das Substrat 301 wird von einem Substrathalter 303 gehalten, der auch ausgebildet ist, eine elektrische Verbindung zu einer in 3 nicht gezeigten Spannungsquelle herzustellen. Der Reaktor 300 umfasst ferner einen Reaktorhohlraum 304, der ein Elektrolyt mit Metallionen enthält, die auf der Arbeitsfläche 302 abzuscheiden sind. Das Elektrolyt kann in dem Reaktorhohlraum 304 mittels einer Fluidleitung 305 eingeführt werden, die auch mit einer vertikalen Hebeleitung 306 verbunden ist, die ihrerseits angeordnet ist, um Elektrolyt zu dem zentralen Bereich der Substratoberfläche 302 zuzuführen. Eine Fluidverteilungseinrichtung 307 ist in dem Reaktorhohlraum 304 angeordnet und umfasst zwei oder mehr Blätter oder Flügel 308, die wiederum einen Fluiddurchlass 309 und eine Abschirmung 310 aufweisen. Die Fluidverteilungseinrichtung 307 ist um die zentrale Hebeleitung 306 durch geeignete Antriebsmittel, die in der Figur nicht gezeigt sind, drehbar. Eine großflächige Anode 311 ist an der Unterseite des Reaktorhohlraums 304 angeordnet und ist mit dem Elektrolyt in Kontakt.
  • Im Betrieb dreht sich die Fluidverteilungseinrichtung 307 und es wird Elektrolyt zu der Arbeitsfläche 302 zugeführt, die nunmehr als eine Kathode fungiert, so dass sich Metall auf der Arbeitsfläche 302 abscheidet. Die Fluidverteilungseinrichtung 307 kann mittels eines beliebigen geeigneten Antriebssystems in Drehung versetzt werden, etwa einem Elektromotor, durch Ankopplung an ein drehendes Magnetfeld, und dergleichen. Da das an der Oberfläche 302 vorherrschende elektrische Feld merklich von der Form der Abschirmungen 310 abhängt – da diese den Ionenausbreitungspfad bestimmen – ist die Abscheiderate an spezifischen Gebieten auf der Substratoberfläche 302 durch die Form der Abschirmungen 310 beeinflusst. Folglich kann durch geeignetes Wählen der Form der Abschirmungen 310 das Dickenprofil der schließlich erhaltenen Metallschicht eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Form der Abschirmungen 310 so gewählt werden, um ein „kuppelartiges" Dickenprofil zu erhalten, wobei die Arbeitsfläche 302 im zentralen Gebiet eine gemittelte größere Metalldicke annimmt. Alternativ und abhängig von dem anschließenden CMP-Prozess kann ein Dickenprofil erreicht werden, in dem das zentrale Gebiet eine reduzierte Metalldicke aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann in einer Ausführungsform das Strömen des Elektrolyts zu der Arbeitsfläche 302 so gesteuert werden, um das gewünschte Dickenprofil zu erreichen. Diesbezüglich können die Ab schirmungen 310 oder zusätzliche Abschirmungen so angeordnet sein, um die Fluidströmung des Elektrolyts in Substratgebiete zu behindern, in denen eine reduzierte Metalldicke gewünscht ist. Beispielsweise können zusätzliche Abschirmungen am Rand des Substrats 301 vorgesehen werden, um die Fluidströmung in diesen Gebieten einzuschränken. Die Abschirmungen 310 und die zusätzlichen Abschirmungen können aus einem nicht leitenden, vorzugsweise inerten Material, etwa Teflon, hergestellt sein, um somit nicht mit dem Elektrolyt zu reagieren. Ferner ist durch die Beeinflussung der Fluidströmung das elektrische Feld in diesen Gebieten ebenso beeinflussbar.
  • 3b zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, die ähnlich zu der in 3a dargestellten Ausführungsform ist, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Zwischen der Fluidverteilungseinrichtung 307 und dem Substrat 301 ist ein Verteilungselement 312 vorgesehen, das ein darin ausgebildetes Muster aus Öffnungen 313 aufweist, das das elektrische Feld und/oder die Fluidströmung zu den entsprechenden Gebieten auf dem Substrat 301 steuert, um damit die Abscheiderate und damit das endgültige erhaltene Dickenprofil zu steuern. In 3b ist das Muster 313 im Wesentlichen durch gleich große Öffnungen gebildet, die im zentralen Bereich dichter als am Rand vorgesehen sind. Das dargestellte Muster 313 ist lediglich beispielhafter Natur und kann eine beliebige geeignete Form und eine Anzahl an Öffnungen kann vorgesehen sein, um die gewünschte Strömungsverteilung zu erhalten. Zum Beispiel können die Öffnungen am Rand dichter vorgesehen sein, wenn in diesem Gebiet eine höhere Abscheiderate notwendig ist. Ferner kann das Material des Verteilungselements 312 leitend sein, so dass das dem Weg der Ionen beeinflussende elektrische Feld in der Fluidströmung auch steuerbar ist.
  • 3c zeigt das Verteilungselement 312 detaillierter. Wie zu erkennen ist, bilden die Öffnungen 313 ein Muster, das eine erhöhte Fluidströmung im zentralen Gebiet des Substrats 301 zulässt.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Anode 311 aus einer Vielzahl einzelner Anodenelemente hergestellt sein, die so angeordnet sind, um eine benötigte elektrische Feldverteilung zum Erhalten des gewünschten Dickenprofils bereitzustellen. In einer Ausführungsform sind Anodenelemente mit im Wesentlichen gleicher Größe unterhalb des Substrats vorgesehen, wobei in einem Gebiet, das dem zentralen Gebiet des Sub strats entspricht, deutlich mehr Anodenelemente angeordnet sind, als in einem Gebiet, das dem Rand des Substrats entspricht. Daher kann eine höhere Stromdichte und damit Abscheiderate im zentralen Gebiet des Substrats erreicht werden.
  • Anzumerken ist, dass die zuvor erläuterten Verfahren zum Erhalten des gewünschten Dickenprofils auch in Kombination verwendbar sind. Ferner werden auf dem Gebiet des Elektroplattierens große Anstrengungen unternommen, um eine gleichförmige Metallschicht zu erhalten, wobei eine Vielzahl von Parameter, die das endgültig erhaltene Profil der Metallschicht beeinflussen, untersucht worden sind. Die entsprechenden Ergebnisse können somit angewendet werden, um die entsprechenden Parameter so einzustellen, dass die Metallschicht „deformiert" wird, um ein Dickenprofil zur Kompensation der unterschiedlichen Abtragsraten während eines CMP-Prozesses zu erhalten.
  • Mit Bezug zu 4 wird eine weitere Ausführungsform beschrieben, in der Prozessparameter zum Abscheiden einer Metallschicht auf einem Substrat so gesteuert werden, um ein erforderliches Dickenprofil zu erreichen. In 4 umfasst eine Sputteranlage 400 eine Reaktionskammer 401 mit mehreren Magneten 402, einer Plasmaabschirmung 403 und einem Sputterabscheidematerial 404. Auf einer Substrathalterung 405 ist ein Substrat 406 vorgesehen, das ein erstes Substratgebiet 407 und ein zweites Substratgebiet 408 aufweist. Ein Kollimator 409 ist zwischen dem Sputterabscheidematerial 404 und der Substrathalterung 405 angeordnet. Der Kollimator 409 umfasst Öffnungen 410, deren Durchmesser sich entlang dem Radius des Kollimators 409 so ändert, dass die Öffnungen 410, die dem ersten Gebiet 407 entsprechen, einen größeren Durchmesser aufweisen als die Öffnungen 410, die dem zweiten Gebiet 408 entsprechen. Der Einfachheit halber sind in 4 weitere Mittel, die zum Betrieb der Sputteranlage 400 erforderlich sind, etwa Zufuhrleitungen, Plasmaanregungseinrichtungen, Radiofrequenzgenerator, eine Vorspannungsquelle und dergleichen, weggelassen.
  • Wie zuvor erläutert ist, wird beim Abscheiden einer Metallschicht mittels Elektroplattierens eine dünne Saatschicht benötigt, die als eine Stromverteilungsschicht dient. Bekanntlich hängt die Abscheiderate des Elektroplattierens u.a. von der Stromdichte an den entsprechenden Stellen auf dem Substrat ab. Wenn daher die anfängliche Leitfähigkeit für den Stromtransport der Saatschicht so gestaltet ist, dass diese ein benötigtes Profil aufweist, kann die anfängliche Abscheiderate während des Elektroplattierens und damit die Abscheiderate während näherungsweise des gesamten Abscheidevorganges nach Bedarf erhöht oder verringert werden. Insbesondere kann die anfänglich verringerte Abscheiderate im zentralen Gebiet des Substrats, die durch den erhöhten elektrischen Widerstand verursacht wird, wirksam durch die in 4 gezeigte Sputteranlage kompensiert werden.
  • Während des Betriebs werden Zielatome aus dem Sputterabscheidematerial 404 durch ankommende geladene Partikel des Plasmas (nicht gezeigt) herausgelöst und bewegen sich in Richtung des Kollimators 409. Aufgrund des Profils der Öffnungen 410 trifft eine größere Menge Zielatome das Substrat 406 in dem ersten Gebiet 407 im Vergleich zu dem zweiten Gebiet 408. Das endgültig erhaltene Dickenprofil der Saatschicht entspricht im Wesentlichen dem Profil der Öffnungen 410. In der vorliegenden Ausführungsform zieht das Dickenprofil der Saatschicht das kuppelartige Dickenprofil der endgültigen Metallschicht nach sich, das durch das anschließende Elektroplattieren erhalten wird. Gemäß dieser Ausführungsform können herkömmliche Elektroplattierungsreaktoren verwendet werden, da keine weitere Steuerung von Prozessparametern mit Ausnahme der konventionellen Prozesssteuerung für die Bildung einer gleichmäßigen Metallschicht während des Elektroplattierens erforderlich ist. In weiteren Ausführungsformen können jedoch zusätzliche Prozessparameter des Elektroplattierens in der zuvor mit Bezug zu 3 dargestellten Weise gesteuert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Dickenprofil der Saatschicht durch Variieren der Plasmaform, beispielsweise durch Einführen entsprechend geformter Plasmaabschirmungen, und/oder durch Beeinflussen der Abscheiderate mittels Steuern der Temperatur des Substrats 406 gesteuert werden. Anzumerken ist, dass die Prozessparameter anderer Abscheideverfahren zur Bildung der Saatschicht gesteuert werden können, um das gewünschte Dickenprofil zu erhalten. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das chemische Dampfabscheiden angewendet werden, wobei eine entsprechend geformte Abscheidemaske vorgesehen ist, die in effizienter Weise die Abscheiderate auf dem Substrat steuert. Ferner kann die Substrattemperatur zur Modifizierung der Abscheiderate gesteuert werden.
  • Wieder mit Bezug zur 2 wird nach dem Abscheiden der Metallschicht das Substrat dem CMP-Prozess unterzogen, indem eine Endpunktdetektion ausgeführt wird, um die Metallfreiheit der Substratoberfläche zu bestimmen. In einer speziellen Ausführungsform wird die Endpunktdetektion in dem ersten und dem zweiten Gebiet ausgeführt, und die Messergebnisse werden für das Bestimmen der Abtragsraten und/oder der die Abtragsraten kennzeichnenden Parameterwerte verwendet. Zum Beispiel kann der Zeitunterschied zwischen dem Auftreten der Metallfreiheit in den ersten und zweiten Gebieten als ein Maß für die Differenz der Abtragsraten dieser Gebiete verwendet werden und ein entsprechender Korrekturwert für das Abscheiden der Metallschicht in einem nachfolgenden Substrat kann erhalten werden. Dieses Vorgehen ist vorteilhaft, wenn das Elektroplattieren und das CMP im Wesentlichen zur gleichen Zeit stattfinden, so dass Korrekturen, die zur Formung des Profils der Metallschicht erforderlich sind, unmittelbar an die Elektroplattierstation weitergeleitet werden, um die Abscheiderate entsprechend zu ändern. In den meisten Fällen findet jedoch das Elektroplattieren für ein Los von Substraten statt, bevor das Los den CMP-Prozess durchläuft und Abweichungen der Abtragsraten und/oder der dafür kennzeichnenden Parameterwerte können beispielsweise auf einer Los-Basis gewonnen werden und für den Abscheideprozess nachfolgend bearbeiteter Substratlose verwendet werden. Eine systematische Parameterverschiebung während des CMP-Prozesses kann daher auf Los-Basis erfasst und berücksichtigt werden.
  • In einer Ausführungsform kann eine „Vorwärts"-Korrektur von „tatsächlichen" CMP-Schwankungen ausgeführt werden, selbst wenn die Metallabscheidung abgeschlossen ist. Dazu kann ein Modell des CMP Simulationsergebnisse für anfänglich profilierte Substrate erzeugen und deren Entwicklung während des „Ablaufs" des (simulierten) CMP-Vorganges „vorhersagen". Das modellierte CMP kann durch Erosionswerte, Einkerbungswerte, Schichtdicke und dergleichen dargestellt werden.
  • Die Berechnungen können auf der Basis einzelner (Modell-) Wafer durchgeführt werden, und die Simulationsergebnisse können unmittelbar in die Prozesssteuerung des tatsächlichen Elektroplattierungsprozesses eingeführt werden. Wenn z.B. im Wesentlichen ein „kuppelartiges" Profil erforderlich ist, kann die maximale Kuppelhöhe individuell auf der Grundlage der Simulationsergebnisse, die aus dem CMP-Modell dieses Substrat erhalten worden sind, fein eingestellt werden. Um die Genauigkeit dieses Prozesses weiterhin zu verbessern, können tatsächliche Messergebnisse, die auf einer Los-Basis des eigentlichen CMPs gewonnen werden, in das CMP-Modell rückgekoppelt werden, um geringe Diskrepanzen zwischen dem Modell und dem tatsächlichen Prozess zu kompensieren.
  • Nachdem das CMP abgeschlossen ist, kann gemäß Schritt 204 eine Messung von Eigenschaften der Metallleitungen durchgeführt werden, um beispielsweise die Erosion und die Einkerbung in den ersten und zweiten Gebieten zu bestimmen. Die entsprechenden Messergebnisse können auch verwendet werden, um die Abtragsraten und/oder andere Parameterwerte zu bestimmen. In einer speziellen Ausführungsform werden diese Messergebnisse zur Etablierung eines Modells, beispielsweise in der Form von Tabellen mit Erosions- und/oder Einkerbungswerten, um Parameterwerte, die mit dem Steuern des Elektroplattierungsprozesses in Beziehung stehen, bearbeitet. Somit kann das Bestimmen von Abtragsraten und/oder beliebigen dafür kennzeichnenden Parameter für eine Vielzahl von Substraten erreicht werden, sobald anfängliche Abtragsraten zu Beginn eines neuen Prozesszyklus aufgestellt worden sind. Zum Beispiel wird ein erstes Los von Substraten gemäß dem Ablauf aus 2 bearbeitet, wobei die anfänglichen Abtragsraten im Voraus bestimmt worden sind, um die Abscheidung und damit die Dickenprofile während des Elektroplattierens zu steuern. Im Schritt 204 werden Erosions- und Einkerbungswerte erhalten und unmittelbar in die Elektroplattierungsstation rückgespeist, um Korrekturen, die zum Einhalten der erforderlichen Toleranzen notwendig sind, zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird eine Art geschlossener Rückkopplungsschleife erstellt, in der mögliche Änderungen beim Elektroplattieren und dem CMP-Prozess kompensiert werden können.
  • Mit Bezug zu den 5a5e wird nun eine weitere anschauliche Ausführungsform beschrieben. Mehrere Substrate in Scheibenform mit einem Durchmesser von ungefähr 300 mm sind vorbereitet worden, so dass jede der Scheiben mehrere Kontaktöffnungen und Gräben aufweist, die in einer Isolierschicht gebildet sind, beispielsweise in der Art, wie es in 1 gezeigt ist. Jede Scheibe umfasst ein zentrales Gebiet, das in der Mitte der Scheibe angeordnet ist und sich über zumindest mehrere Millimeter erstreckt, und ein Randgebiet, das an dem Rand der Scheibe angeordnet ist und sich um zumindest einige Millimeter nach innen erstreckt, zumindest eine Metallleitung, die für Messungen verwendbar ist, um Abtragsraten und/oder für die Abtragsraten kennzeichnende Parameter, etwa die Erosion und/oder die Einkerbung, zu bestimmen. Eine erste Scheibe erhält eine Kupfermetallschicht mit ungefähr 1 μm Dicke gemäß standardmäßigen Pro zessparametern, d.h. die Elektroplattierparameter sind so eingestellt, um eine möglichst gleichförmige Kupferoberfläche zu erhalten. Eine zweite Scheibe wird mit einer profilierten Kupferschicht vorbereitet, wobei die Scheibe ein kuppelartiges Profil mit einer maximalen Dicke in der Mitte des zentralen Gebiets aufweist, die die Metalldicke am Rand um ungefähr 50 nm übersteigt. Eine dritte Scheibe wurde mit einer Dicke in der Mitte des zentralen Gebiets, die den Rand um ungefähr 80 nm übersteigt, und eine vierte und eine fünfte Scheibe wurden in der gleichen Weise vorbereitet mit einer Überschussdicke von 100 nm und 150 nm. Die ersten bis fünften Scheiben werden dann einem CMP-Prozess unter ähnlichen Bedingungen unterzogen, wobei das Ende des CMP-Schritts mittels Endpunktdetektion in den Rand- und zentralen Gebieten bestimmt wird. In darauffolgenden Messungen werden die Erosion der zumindest einer Metallleitung in jeweils dem zentralen und den Randgebieten der ersten bis fünften Scheiben an sieben in radialer Richtung beabstandeten Punkten bestimmt. In 5a5e ist die Erosion in den zentralen Gebieten durch Kreise und die Erosion in den Randgebieten durch Quadrate gekennzeichnet.
  • In 5a ist die Erosion in dem zentralen Gebiet deutlich größer als in dem Randgebiet, wodurch angedeutet wird, dass die Abtragsrate in dem zentralen Gebiet größer als die Abtragsrate in dem Randgebiet ist. Der CMP-Prozess wurde 99 Sekunden lang durchgeführt und erforderte eine Poliernachlaufzeit von 18 Sekunden, bis das Randgebiet vollständig freigelegt war.
  • In 5b, das das kuppelartige Profil mit 50 nm Überschusshöhe repräsentiert, ist angedeutet, dass die Abtragsraten in dem zentralen und dem Randgebiet sehr ähnlich sind, da die in dem zentralen Gebiet gemessene Erosion lediglich geringfügig größer ist als die in dem Randgebiet gemessene Erosion. Der Endpunkt wurde im zentralen Gebiet bei 109 Sekunden detektiert und eine Poliernachlaufzeit von 18 Sekunden wurde hinzugefügt.
  • 5c zeigt das Ergebnis für die kuppelartige Struktur mit einer Überschusshöhe von 80 nm und deutet an, dass die Abtragsraten in dem zentralen und dem Randgebiet im Wesentlichen gleich sind. Ferner setzte gemäß der Endpunktdetektion die Freilegung in dem Randgebiet und dem zentralen Gebiet im Wesentlichen gleichzeitig nach 86 Sekunden ein, und es wurde eine Poliernachlaufzeit von 18 Sekunden verwendet.
  • 5d zeigt die Ergebnisse der kuppelartigen Struktur mit einer Überschusshöhe von 100 nm. Die erhöhte Erosion des Randgebietes zeigt, dass nun die Abtragsrate in dem Randgebiet höher als in dem zentralen Gebiet ist. Ferner war eine Polierzeit von 111 Sekunden mit einer Poliernachlaufzeit von 18 Sekunden erforderlich.
  • 5e zeigt deutlich, dass die Abtragsrate in dem Randgebiet nunmehr deutlich größer als in dem zentralen Gebiet ist, da die Erosion des Randgebiets deutlich erhöht ist.
  • Aus den obigen Ergebnissen wird das kuppelartige Profil mit einer Überschusshöhe von 80 nm ausgewählt und dieses liefert eine minimale Abweichung der Erosion der Metallleitungen im Vergleich zum herkömmlich verwendeten Prozess (5a), und liefert zusätzlich eine reduzierte Prozesszeit.
  • Anzumerken wäre, dass in den bislang beschriebenen Ausführungsformen das Substrat in ein erstes und ein zweites Gebiet unterteilt ist, es kann jedoch auch ein komplexeres Profil in Übereinstimmung mit Prozessanforderungen angewendet werden. Beispielsweise kann für gegenwärtige Strukturgrößen und Liniendichten die oben ermittelte 80 nm Kuppelhöhe erfolgreich in den Prozess implementiert werden, aber für andere Schaltungen, Strukturgrößen, Metall/Kontaktöffnungsschichten und Technologien können andere Werte erforderlich sein. Abhängig von künftigen Technologien kann ein vollständig umgekehrte Form (Schüsselform) notwendig sein. Ferner können komplexere oder fortgeschrittenere Polierprozesse komplexere Profile, etwa W-Formen oder M-Formen und dergleichen erforderlich machen.
  • Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke, dem Fachmann die allgemeine Art des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln, gedacht. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von Metallleitungen mit: Bereitstellen eines Substrats mit einem zentralen Gebiet und einem Randgebiet, wobei das zentrale Gebiet und das Randgebiet jeweils einen vertieften Bereich aufweisen, der eine Höhendimension definiert; Abscheiden einer Metallschicht auf dem Substrat, wobei eine mittlere Schichtdicke des Randgebietes unterschiedlich zu einer mittleren Schichtdicke des zentralen Gebiets ist; Entfernen von Überschussmetall von dem Substrat durch chemisch-mechanisches Polieren, wobei der Unterschied der gemittelten Schichtdicke des Randgebiets und des zentralen Gebiets während des Abscheidens des Metalls so eingestellt wird, dass die Höhe des Metalls in den vertieften Bereichen nach dem Entfernen des Überschussmetalls in einem vordefinierten Toleranzbereich liegt, und unterschiedliche Abtragsraten des chemisch-mechanischen Polierens zwischen dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet kompensiert werden, und Einstellen des Unterschieds der mittleren Schichtdicke auf der Grundlage von Messergebnissen wenigstens eines zuvor prozessierten Substrats, um das Steuern der Schichtdicke in dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet zu aktualisieren.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen des Unterschieds der mittleren Schichtdicke ausgeführt wird, indem vor dem Abscheiden der Metallschicht die Höhe des Metalls in dem vertieften Bereich in dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet eines vorher prozessierten Substrats erhalten wird.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Einstellen des Unterschieds der mittleren Schichtdicke auf der Grundlage von Endpunktdetektionsergebnissen eines oder mehrerer vorprozessierter Substrate ausgeführt wird.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht durch Elektroplattieren abgeschieden wird und Einstellen des Unterschieds der mittleren Schichtdicke das Steuern eines elektrischen Feldes und/oder einer Elektrolytströmung während des Elektroplattierens miteinschließt.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das elektrische Feld so gesteuert wird, dass dieses in dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet unterschiedlich ist, indem mehrere entsprechend angeordnete Anodenelemente in dem Elektroplattierungsbad vorgesehen werden.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das elektrische Feld so gesteuert wird, dass dieses in dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet unterschiedlich ist, indem eine leitende Abschirmung zwischen einer Anode und dem Substrat während des Elektroplattierens vorgesehen wird.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das elektrische Feld so gesteuert wird, dass dieses in dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet unterschiedlich ist, indem eine nichtleitende Abschirmung zwischen der Anode und dem Substrat während des Elektroplattierens vorgesehen wird.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Verteilungselement mit einem darin ausgebildeten Verteilungsmuster zwischen einer Anode und dem Substrat während des Elektroplattierens vorgesehen wird.
  9. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Elektrolytströmung zu dem Randgebiet während des Elektroplattierens begrenzt wird.
  10. Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Abscheiden einer Saatschicht vor dem Abscheiden der Metallschicht umfasst, wobei eine mittlere Dicke der Saatschicht in dem zentralen Gebiet sich von jener in dem Randgebiet unterscheidet, so dass während des Elektroplattierens eine Abscheiderate des zentralen Gebiets sich von der des Randgebiets unterscheidet.
  11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Saatschicht durch chemische Dampfabscheidung oder physikalische Dampfabscheidung abgelagert wird, wobei eine Plasmaform und/oder eine Form des Abscheidematerials und/oder eine Fluidströmung zu dem Substrat und/oder eine Wärmeverteilung auf dem Substrat so gesteuert wird, um eine unterschiedliche Saatschichtdicke in dem zentralen Gebiet und dem Randgebiet zu erhalten.
  12. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine maximale Schichtdicke in dem zentralen Gebiet um 50 nm bis 120 nm größer als eine Schichtdicke an dem Rand des Substrats ist.
  13. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein drittes Gebiet aufweist, wobei das dritte Gebiet eine durchschnittliche Abtragsrate während eines chemisch-mechanischen Polierens zeigt, die sich von jenen des zentralen Gebiets und des Randgebiets unterscheidet, und wobei eine Abscheidedicke in dem dritten Gebiet der Abtragsrate des dritten Gebiets entspricht, so eingestellt wird, dass die unterschiedlich Abtragsrate kompensiert wird.
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