DE10223957B4

DE10223957B4 - Ein verbessertes Verfahren zum Elektroplattieren von Kupfer auf einer strukturierten dielektrischen Schicht

Info

Publication number: DE10223957B4
Application number: DE10223957A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bonkass; Axel Preusse; Markus Nopper
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-06-01
Also published as: US20030221966A1; DE10223957A1

Abstract

Verfahren zum Elektroplattieren eines Metalls auf einem Substrat mit einem Oberflächenbereich mit einer strukturierten dielektrischen Schicht mit einer Öffnung mit kleinem Durchmesser und einer Öffnung mit großem Durchmesser, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines Elektrolytbads mit einer 2-Komponenten-Beschleuniger-Suppressor-Additivchemie für nichtkonformes Füllen der Öffnung mit kleinem Durchmesser;
Anordnen des Substrats in dem Elektrolytbad;
Ausführen einer Pulsinversionsplattierungssequenz, um die Öffnung mit kleinem Durchmesser im Wesentlichen zu füllen; und
Anlegen eines Gleichstromes mit einer vordefinierten Höhe für eine vordefinierte Zeitdauer, um die Öffnung mit großem Durchmesser vollständig zu füllen.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten, wobei ein Metall auf einer strukturierten dielektrischen Schicht abgeschieden und überschüssiges Metall anschließend durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) entfernt wird.
In jeder neuen Generation von integrierten Schaltungen sind die Strukturgrößen weiter reduziert, wohingegen die Komplexität der Schaltungen ständig zunimmt. Reduzierte Strukturgrößen erfordern nicht nur weiter entwickelte fotolithografische Verfahren und fortgeschrittene Ätztechniken, um die Schaltungselemente geeignet zu strukturieren, sondern stellen auch ständig steigende Anforderungen an die Abscheideverfahren. Gegenwärtig nähert sich die minimale Strukturgröße der 0.1 μm Marke an, die die Herstellung schnell schaltender Transistorelemente ermöglicht, die lediglich eine minimale Oberfläche beanspruchen. Aufgrund der verringerten Strukturgrößen reduziert sich jedoch auch der verfügbare Raumbereich für die benötigten Metallverbindungen, während die Anzahl der notwendigen Verbindungen zwischen den einzelnen Schaltungselementen ansteigt. Eine kleiner werdende Querschnittsfläche der Metallverbindungen macht es jedoch erforderlich, das allgemein verwendete Aluminium durch ein Metall zu ersetzen, das eine höhere Stromdichte bei einem verringerten elektrischen Widerstand erlaubt, um zuverlässige Chipverbindungen mit hoher Qualität zu erhalten. In dieser Hinsicht hat sich Kupfer als ein aussichtsreicher Kandidat aufgrund seiner Vorteile erwiesen, beispielsweise geringer Widerstand, hohe Zuverlässigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, relativ preiswert und eine kristalline Struktur, die steuerbar ist, um relativ große Korngrenzen zu erhalten. Ferner zeigt Kupfer einen deutlich größeren Widerstand gegenüber der Elektromigration und erlaubt daher höhere Stromdichten, wobei der elektrische Widerstand gering ist, wodurch das Einführen geringerer Versorgungsspannungen möglich ist.
Trotz der vielen Vorteile von Kupfer im Vergleich zu Aluminium verhielten sich die Halbleiterhersteller in der Vergangenheit aus folgenden Gründen abwartend, Kupfer in das Herstellungsverfahren einzuführen. Ein wesentliches Problem in der Kupferverarbeitung in einer Halbleiterlinie liegt in der Fähigkeit des Kupfers, bei erhöhten Temperaturen leicht in Silizium und Siliziumdioxid zu diffundieren. Kupfer, das im Silizium diffundiert ist, kann zu einem deutlichen Anstieg des Leckstromes von Transistorelementen führen, da Kupfer als ein tiefes Einfangzentrum in der Siliziumbandlücke wirkt. Ferner kann Kupfer, das in Siliziumdioxid diffundiert ist, die isolierenden Eigenschaften des Siliziumdioxid beeinträchtigen und damit zu höheren Leckströmen zwischen benachbarten Metallleitungen oder gar zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten Metallleitungen führen. Daher muss eine große Sorgfalt aufgewendet werden, um eine Kontamination von Siliziumscheiben mit Kupfer während des gesamten Fertigungsvorganges zu vermeiden.
Ein weiteres Problem entsteht aus der Tatsache, dass Kupfer nicht in effizienter Weise in größeren Mengen durch Abscheideverfahren aufgebracht werden kann, etwa durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) und chemische Dampfabscheidung (CVD), die gut bekannt und gut eingeführte Verfahren beim Abscheiden anderer Materialien, etwa von Aluminium, sind. Folglich wird Kupfer nunmehr hauptsächlich durch einen Nassvorgang aufgetragen, das Elektroplattieren, das gegenüber dem elektrolosen Plattieren die Vorteile einer höheren Abscheiderate und eines weniger komplexen Elektrolytbads aufweist. Obwohl auf einen ersten Blick das Elektroplattieren ein relativ einfaches und gut etabliertes Abscheideverfahren zu sein scheint, macht die Anforderung des zuverlässigen Auffüllens von Öffnungen mit hohem Aspektverhältnis mit Abmessungen von 0.1 μm sowie von breiten Gräben mit einer seitlichen Ausdehnung im Bereich von einigen Mikrometern das Elektroplattieren von Kupfer sowie anderer Metalle, die in Metallisierungsschichten verwendbar sind, zu einem äußerst komplexen Abscheideverfahren, insbesondere da nachfolgende Prozessschritte, etwa das chemisch mechanische Polieren und Messprozesse direkt von der Qualität des Elektroplattierungsvorganges abhängen.
Mit Bezug zu den 1a-1f wird nun eine typische Prozesssequenz zum Herstellen einer Metallisierungsschicht beschrieben.
Gemäß 1a umfasst ein Halbleiterelement 100 ein Substrat 101 mit Schaltungselementen, etwa Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und dergleichen, die der Einfachheit halber in 1a nicht gezeigt sind. Eine erste dielektrische Schicht 102 ist über dem Substrat 101 gebildet und ist durch eine Ätzstopschicht 103 von einer zweiten dielektrischen Schicht 104 getrennt. Beispielsweise können die erste und die zweite dielektrische Schicht 102, 104 aus Siliziumdioxid hergestellt sein, wohingegen die Ätzstopschicht 103 Siliziumnitrid aufweisen kann. In der zweiten dielektrischen Schicht 104 ist eine Öffnung 105 mit den Abmessungen einer Kontaktdurchführung, die nachfolgend in der ersten dielektrischen Schicht 102 zu bilden ist, vorgesehen.
Die Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelements 100, wie es in 1a gezeigt ist, sind im Stand der Technik gut etabliert und eine Beschreibung wird daher weggelassen.
1b zeigt schematisch das Halbleiterelement 100 mit der Kontaktöffnung 105, die in der ersten dielektrischen Schicht 102 gebildet ist, und einem darüber liegenden Graben 106, der in der zweiten dielektrischen Schicht gebildet ist. Ferner ist ein breiter Graben 107 in der zweiten dielektrischen Schicht 104 ausgebildet, der eine deutlich größere laterale Abmessung als die Kontaktöffnung 105 und der Graben 106 aufweist. Die inneren Oberflächen der Kontaktöffnung 105, des Grabens 106 und des breiten Grabens 107 sind von einer Barrierendiffusionsschicht 108 gefolgt von einer Kupfersaatschicht 109 bedeckt.
Die Kontaktöffnung 105, der Graben 106 und der breite Graben 107 werden durch anisotopes Ätzen gebildet, wobei der Ätzvorgang an der Ätzstoppschicht 103, die in der Kontaktöffnung 105 in einem vorhergehenden separaten Ätzschritt entfernt worden ist, anhält. Üblicherweise wird die Barrierendiffusionsschicht 108, etwa in Form von Tantalnitrid oder Titannitrid, durch chemische Dampfabscheidung gebildet, gefolgt von einer Sputter-Abscheidung zur Herstellung der Saatschicht 109, die als Stromverteilungsschicht für den anschließenden Elektroplattierungsvorgang dient.
1c zeigt das Halbleiterelement 100 mit einer Kupferschicht 110, die in die Kontaktöffnung 105, den Graben 106 und den breiten Graben 107 eingefüllt ist, wobei die Kupferschicht eine überschüssige Dicke aufweist, um den breiten Graben 107, über dem die Topologie der Kupferschicht 110 deutlich durch den darunter liegenden breiten Graben 107 bestimmt ist, vollständig zu füllen.
Nach Abscheiden der Kupferschicht 110 kann ein Ausheizschritt ausgeführt werden, um eine erforderliche kristallinähnliche Struktur in der Kupferschicht 110 zu erhalten. Anschließend wird das Halbleiterelement 100 einem CMP-Vorgang unterzogen, um das überschüssige Kupfer zu entfernen und um eine ebene Oberfläche zu schaffen, die die Herstellung einer weiteren Metallisierungsschicht ermöglicht. Da das CMP selbst ein äußerst komplexer Vorgang ist, hängt das Ergebnis des Poliervorgangs stark von den Eigenschaften der Kupferschicht 110 ab. Beispielsweise kann bereits eine geringe Ungleichförmigkeit der Kupferschicht 110 an unterschiedlichen Stellen auf dem Wafer zu einer nicht akzeptablen Schwankung der resultierenden Kupferleitungen führen, da in einem Gebiet mit einer erhöhten Kupferdicke noch das überschüssige Metall entfernt wird und damit die darunter liegenden Gräben noch intakt sind, während in einem Gebiet mit einer verringerten Kupferdicke, der darunter liegende Kupfergraben, beispielsweise der Graben 106, bereits freigelegt sein kann und einem ungewünschten Poliervorgang unterzogen wird, woraus ein Verlust an Kupfer in dem Graben folgt, der dessen Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann. Somit können Ungleichförmigkeiten, die durch den Kupferplattierungsvorgang erhalten werden, erhöhte Anforderungen an den CMP-Vorgang stellen, wodurch die Qualität der Metallleitungen gefährdet ist.
1d zeigt schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach Vollendung des CMP-Vorganges, wobei das überschüssige Kupfer sowie Bereiche der Diffusionsbarrierenschicht 108 an freigelegten Oberflächenbereichen der zweiten dielektrischen Schicht 104 entfernt sind. Somit werden Metallleitungen 106 und 107 erhalten, die elektrisch voneinander isoliert sind. Für gewöhnlich wird eine weitere dielektrische Diffusionsbarrierenschicht auf dem Halbleitersubstrat 100 nach Beendigung der Metallisierungssequenz abgeschieden, um die freigelegte Kupferoberfläche der Metallleitungen 106 und 107 zu passivieren und um ein Herausdiffundieren von Kupfer in die darüber liegenden Dielektrika und Metalle zu vermeiden.
Für zuverlässige Metallverbindungen ist es nicht nur wichtig, dass Kupfer so gleichförmig als möglich auf der gesamten Oberfläche eines Substrats mit 200 oder 300 mm Durchmesser abzuscheiden, sondern es ist auch wichtig, zuverlässig Kontaktöffnungen mit einem Aspektverhältnis von ungefähr 10:1 ohne Hohlräume oder Defekte zu füllen. Folglich ist es daher wesentlich, dass Kupfer in einer höchst nicht-konformen Art und Weise abzuscheiden, wie dies mit Bezug zu den 1e und 1f, die schematisch die Kontaktöffnung 105 in vergrößerter Form darstellen, erläutert wird.
In 1e ist das Auffüllen der Kontaktöffnung 105 in einem anfänglichen Zustand gezeigt, wobei sich Kupfer mit einer gewissen Dicke an horizontalen Bereichen 111, d.h. an der Unterseite des Grabens 106 (vgl. 1d) angesammelt hat, wobei die Dicke an einer Ecke 112 eine maximale Kupferansammlung aufweist. An den unteren Ecken 113 ist die Kupfermenge minimal, wohingegen in der Mitte der Kontaktöffnungsunterseite 114 eine erhöhte Menge an Kupfer angesammelt ist, jedoch in deutlich geringerer Menge als an dem horizontalen Bereich 111 und an der Ecke 112. Die Kupferverteilung in 1e entspricht einer "normalen" Kupferelektroplattierungsabscheidung, in der ein Gleichstrom zu dem Elektrolytbad mit einer sauren kupferenthaltenden Lösung zugeführt wird. Die Diskrepanz in der Kupferverteilung wird hauptsächlich durch eine variierende Dichte von Kupferionen an den diversen Gebieten hervorgerufen, da in Gebieten mit Submikrometerabmessungen die Anzahl der verfügbaren Kupferionen im Wesentlichen durch Diffusion anstatt durch den Elektrolytfluss bestimmt ist. Da die Anzahl der Kupferionen pro Einheitsfläche im Wesentlichen gleich ist, müssen die Zahl der an der Oberseite der Kontaktöffnung 105 eintreffenden Ionen über die gesamte (große) innere Oberfläche verteilt werden, wodurch eine deutlich verringerte Abscheiderate im Vergleich zu dem horizontalen Bereich 111 erzielt wird. Ferner kann in einem anfänglichen Stadium die Abscheiderate auch von dem elektrischen Widerstand der darunter liegenden Barrierendiffusionsschicht und der Kupfersaatschicht 108, 109 abhängen, so dass eine Ungleichförmigkeit dieser Schichten sich ebenfalls auf eine Nichtgleichförmigkeit der Volumenkupferschicht 110 überträgt. Typischerweise kann die Sputter-Abscheidung der Kupfersaatschicht in die Kontaktöffnung 105 mit dem großen Aspektverhältnis zu einem Schichtdickenprofil führen, das sehr ähnlich zu dem Profil der anfänglichen Kupferschicht ist, das in 1e gezeigt ist, und das damit das Abscheideverhalten verstärkt. Die rechte Seite aus 1e zeigt einen Hohlraum 115, der sich während eines Elektroplattierungsvorganges aufgrund der erhöhten Kupferakkumulation an den Ecken 112 bilden kann. Da der Hohlraum 115 deutlich die Stromleitungsfähigkeit der Kontaktöffnung 105 verringern kann, kann ein entsprechendes Schaltungselement eine verrin gerte Zuverlässigkeit aufweisen oder kann einem vorzeitigen Ausfall aufgrund der erhöhten Stromdichte in dem verbleibenden Kupfer der Kontaktöffnung 105 unterliegen.
Es werden daher große Anstrengungen unternommen, um ein Elektroplattierungsverfahren einzurichten, das eine höchst nicht konforme Abscheidung eines Metalls, etwa von Kupfer, ermöglicht, wobei die Kontaktöffnung 105 im Wesentlichen von unten nach oben gefüllt wird.
1f zeigt schematisch einen anfänglichen Zustand eines gewünschten Kupferauffüllverfahrens, in dem die Kontaktöffnung 105 im Wesentlichen von unten nach oben aufgefüllt wird, wobei ebenfalls die Abscheiderate an den Seitenwänden 116 der Kontaktöffnung 105 erhöht ist. Im Gegensatz zu der "normalen" Abscheidung, ist die Abscheiderate in den horizontalen Bereichen 111 und den Ecken 112 deutlich reduziert, so dass schließlich eine vollständig gefüllte Kontaktöffnung erhalten wird, die von einer im Wesentlichen gleichförmigen "Überschuss"-Schicht 110 bedeckt ist, wie dies auf der rechten Seite von 1f gezeigt ist.
Es wurde erkannt, dass ein Füllverhalten, wie es in 1f beschrieben ist, erreicht werden kann, indem die Abscheidekinematik in der Kontaktöffnung 105 und auf den horizontalen Bereichen und den Rändern 111 und 112 gesteuert wird. Dies kann erreicht werden, indem Additive in das Elektrolytbad eingebracht werden, um die Rate der Kupferionen, die sich an den entsprechenden Stellen ablagern, zu beeinflussen. Beispielsweise kann ein organisches Mittel mit relativ großen langsam diffundierenden Molekülen, etwa Polyethylenglykol, zu dem Elektrolyt hinzugefügt werden, das dann vorzugsweise auf der flachen Oberfläche und den Eckenbereichen 111 und 112 haftet. Folglich ist der Kontakt von Kupferionen an diesen Gebieten reduziert und somit wird die Abscheiderate verringert. Ein entsprechend wirkendes Mittel wird oft auch als "Suppressor" bezeichnet. Andererseits kann ein weiteres Additiv mit kleineren und schneller diffundierenden Molekülen verwendet werden, das vorzugsweise innerhalb der Kontaktöffnung 105 haftet und die Abscheiderate durch Aufheben der Wirkungen der Suppressor-Additive verstärkt. Ein entsprechendes Additiv wird oft auch als ein "Beschleuniger" bezeichnet. Zusätzlich zur Verwendung eines Beschleunigers und eines Suppressors hat sich herausgestellt, dass eine einfache Gleichstromabscheidung, d.h. eine Abscheidung durch Zuführen eines im Wesentlichen konstanten Gleichstromes, nicht notwendiger weise zu dem erforderlichen Abscheideverhalten führt, trotz der Verwendung von Beschleuniger- und Suppressoradditiven. Stattdessen wurde die sogenannte Pulsinversionsabscheidung ein bevorzugter Betriebsmodus beim Abscheiden von Kupfer. Bei dem Pulsinversionsabscheideverfahren werden Stromimpulse mit abwechselnder Polarität an das Elektrolytbad angelegt, um Kupfer auf dem Substrat während der Vorwärtsstromimpulse abzuscheiden, und um eine gewisse Menge von Kupfer während der invertierten Stromimpulse freizusetzen, um damit das Füllvermögen des Elektroplattierungsvorganges zu verbessern. Typischerweise ist der Strom und/oder die Dauer der Vorwärtsstromimpulse gleich oder höher als bei den invertierten Impulsen, um eine Nettoabscheidewirkung zu erreichen.
2a zeigt qualitativ ein Strom-Zeit-Diagramm für das Ausführen einer Kupferabscheidung mit einem Elektrolytbad mit einem Suppressor- und einem Beschleunigeradditiv, wobei im Wesentlichen die vollständige Füllung der Kontaktöffnungen 105 und der Gräben 106 sowie der breiten Gräben 107, die in 1 gezeigt sind, möglich ist. Obwohl die Qualität des in die Kontaktöffnungen und Gräben abgeschiedenen Kupfers in Hinsicht auf die Anzahl der Defekte und Hohlräume deutlich durch die Zusammenstellung des Elektrolytbads beeinflusst ist und damit eine genaue Kontrolle der darin enthaltenen Additive erfordert, ist das Vorsehen eines Beschleunigers und eines Suppressors nunmehr gut etabliert und gut steuerbar, so dass eine Langzeitstabilität eines Elektrolytbades mit einer derartigen 2-Komponenten-Chemie leicht sichergestellt werden kann.
Das Elektroplattierungsrezept einschließlich des Elektrolytbades mit einem Suppressor und einem Beschleuniger mit der Pulsinversionsbetriebsweise weist, obwohl es das zuverlässige Füllen von Kontaktöffnungen mit hohem Aspektverhältnis zulässt, einen wesentlichen Nachteil hinsichtlich des Füllens der breiten Gräben 107 auf.
2b zeigt schematisch ein typisches Ergebnis des Elektroplattierens von Kupfer mit dem oben erläuterten Rezept, wobei deutliche Erhebungen 120 an den Rändern des breiten Grabens 107 gebildet sind. Die Bildung der Erhebungen 120 kann vermieden werden, wenn ein hohes Maß an "Überdeposition" ausgeführt wird, wobei jedoch die Oberflächenrauigkeit der Kupferschicht 110 deutlich ansteigt und wobei – höchst bedeutsam – der nachfolgende CMP-Prozess große Mengen an Überschussmetall entfer nen muss, wobei die Prozesszeit und daher das Maß an Kupfererosion, das durch den CMP-Prozess erzeugt wird, vergrößert wird.
Es ist somit allgemeine Praxis geworden, das Elektrolytbad durch Hinzufügen eines weiteren Mittels, eines sogenannten Niveauregulierers, in äußerst geringer Dosis zu ergänzen, um die Kupferabscheidungsgeschwindigkeit an den Rändern des breiten Grabens 107 zu verringern. Wenn eine derartige 3-Komponenten-Chemie in dem Elektrolytbad verwendet wird, d.h. ein Elektrolytbad mit einem Suppressor, einem Beschleuniger und einem Niveauregulierer, um das erforderliche Abscheideverhalten zu erreichen, ist es wesentlich, in zuverlässiger Weise die geringe Konzentration des Niveauregulierers innerhalb strikt festgelegter Toleranzen zu kontrollieren, um stabile Elektroplattierungsbedingungen zu schaffen. Das Messen einer geringen Konzentration eines Niveauregulierers in einer konzentrierten Suppressor- und Beschleunigerumgebung ist jedoch äußerst komplex und erfordert einen großen Aufwand an Zeit und Technik.

Die internationale Patentanmeldung WO 01/83854 A2 offenbart eine Elektroplattierbadkomposition und ein Verfahren zum Verwenden des Bades zur Herstellung von Verbindungsstrukturen in Halbleiterbauteilen, sodass die Häufigkeit des Auftretens von Hohlstellen in der Verbindungsstruktur reduziert wird. Zweikomponenten-Additive, wie Beschleuniger und Suppressoren, können verwendet werden. Ferner wird ein Mehrschritt DC-Plattierprozess angewendet, der einen Füll- und einen Volumenfüllschritt umfasst. In einer Ausführungsform werden zusätzliche Inversionspulse vor dem Volumenfüllschritt eingefügt, wobei die Inversionspulsstromdichte größer ist als die Vorwärtspulsstromdichte.

Die internationale Patentanmeldung WO 01/21294 A2 offenbart einen Prozess zum Abscheiden von Kupferverbindungsleitungen auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers, die eine Vielzahl von Mikrostrukturvertiefungen aufweist. Organische Additive, die Beschleuniger, Suppressoren und Niveauregulierer umfassen, werden eingesetzt. Tabelle 4 zeigt eine geeignete Plattierbadlösung, die nur Suppressor-Additive in einer Konzentration von 3 ml/l aufweist. Für eine Konzentration von Beschleunigern wird keine Angabe gemacht. Ein Vorwärtselektroplattierstrom wird für eine bestimmte Zeitdauer angelegt, so dass Kupferionen auf der Oberfläche abgeschieden werden und zumindest teilweise die Mikrostrukturvertiefungen füllen. Pulsinversion wird verwendet, um das übermäßige Abscheiden von Kupfer über Mikrostrukturen zu unterbinden.

Die Patentschrift US 5 972 192 offenbart ein Verfahren zum gepulsten Plattieren von Kupfer in Öffnungen mit hohem Aspektverhältnis, wie z. B. Gräben oder Kontaktlöchern. Die Öffnungen werden unter Verwendung von Puls- oder Pulsinvers- oder DC-Verfahren gefüllt. Das verwendete Elektrolytbad weist u. a. einen Niveauregulierer auf. Die Verwendung einer 2-Komponenten-Beschleuniger-Suppresser-Additivchemie wird nicht offenbart.

Die Patentanmeldung US 2001/0015321 A1 offenbart einen Elektroplattierprozess, der zum Vermeiden von Defekten an Metallstrukturen von integrierten Schaltkreisen geeignet ist, wobei ein Elektrolytbad eingesetzt wird, das Metallionen, einen Suppressor, einen Beschleuniger und einen Niveauregulierer aufweist. In dem vorgeschlagenen Prozess werden zunächst DC-Ströme angelegt, um ein "bottom-up"-Füllen, vorzugsweise in Strukturen mit den größten Aspektverhältnissen, durchzuführen und ein konformes Plattieren von allen Strukturen und den umliegenden Feldgebieten vorzusehen.

Angesichts des dargelegten Standes der Technik wäre es daher äußerst wünschenswert, einen Elektroplattierungsprozess bereitzustellen, der die Anforderungen an den nachfolgenden CMP-Prozess minimiert, während eine einfache Steuerung der Elektrolytbedingungen möglich ist.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Verfahren, das es erlaubt, eine Elektroplattierungssequenz mit einer 2-Komponenten-Chemie in dem Elektrolytbad zu schaffen, wobei die Anforderungen für unterschiedliche Produkte (d.h. unterschiedliche Layouts), unterschiedliche Technologien (d.h, unterschiedliche minimale Strukturgrößen) und unterschiedliche Metallschichten (d.h. variierende Größe und Dichte der Metallleitungen) in einfacher Weise erfüllt werden können und wobei gleichzeitig die Anforderung an dem Elektroplattieren nachgeschaltete Prozesse verringert sind. Dazu schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen zusätzlichen Gleichspannungs-Elektroplattierungsschritt anzuwenden, nachdem der Pulsinversionseinfüllschritt für kleine Kontaktöffnungen und Gräben im Wesentlichen abgeschlossen ist.

Insbesondere wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
1a-1f schematisch Querschnittansichten eines Halbleiterelements während diverser Herstellungsschritte, wenn eine Kupfermetallisierungsschicht gebildet wird;
2a ein Diagramm, das in schematischer Weise den Strom gegenüber der Zeit in einem typischen Pulsinversionselektroplattierungsprozess zeigt;
2b schematisch das Ergebnis des Elektroplattierens von Kupfer über einem breiten Graben unter Anwendung einer 2-Komponenten-Chemie und dem konventionellen Pulsinversionsrezepts;
3 schematisch einen idealisierten Elektroplattierungsreaktor in stark vereinfachter Weise;
4a schematisch ein Diagramm, das eine Stromform in Abhängigkeit der Zeit gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4b schematisch das Ergebnis einer anschaulichen Ausführungsform der 2-Komponenten-Chemie in Verbindung mit einer Abscheidestromsignalform, wie sie in 3a gezeigt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, ist es selbstverständlich, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten anschaulichen Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Erfinder, dass die überlegenen Eigenschaften eines Elektrolytbades mit einer 2-Komponenten-Chemie hinsichtlich der Steuerbarkeit und der Oberflächenqualität der fertiggestellten Metallschicht im Vergleich zu einer 3-Komponenten-Chemie beibehalten werden können, wobei gleichzeitig eine zuverlässige und im Wesentlichen konforme Auffüllung breiter Gräben mit einer lateralen Ausdehnung in der Größenordnung von einem bis einige Mikrometer gewährleistet ist, indem ein abschließender Gleichstromschritt ausgeführt wird, um eine "Deck"-Schicht abzuscheiden, die zur vollständigen Füllung der breiten Gräben erforderlich ist. Aufgrund der relativ einfachen Zusammensetzung des Elektrolytbades können reproduzierbare Elektroplattierungsbedingungen während der Verarbeitung einer großen Anzahl von Substraten beibehalten werden. Ferner kann durch Variieren der Dauer und/oder der Strommenge, die während der Gleichstrom-Deckschichtabscheidung zugeführt wird, das Verhältnis der Dicke der Deckschicht, d.h. der Teil der während des abschließenden Gleichstromabscheideschritts abgeschiedenen Metalls zu der Gesamtschichtdicke in einfacher Weise eingestellt werden, wodurch die Anpassung des Prozessrezepts an unterschiedliche Metalle, unterschiedliche Layouts der Metallisierungsschichten, unterschiedliche minimale Strukturgrößen und auf eine variierende Dichte von Metallleitungen auf unterschiedlichen Metallisierungsschichten möglich ist.
Mit Bezug zu den 3 und 4 werden nunmehr anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei der Einfachheit halber auf 1 Bezug genommen wird, und wobei die gleichen Bezugszeichen für entsprechende Teile in den 3 und 4 verwendet werden und die detaillierte Beschreibung dieser entsprechenden Teile weggelassen wird.
Ferner ist in den folgenden anschaulichen Ausführungsformen Bezug genommen auf Kupfer als das durch Elektroplattieren abzuscheidende Metall, da erwartet wird, dass Kupfer, wie zuvor angemerkt wurde, hauptsächlich in künftigen fortschrittlichen integrierten Schaltungen verwendet wird, und die im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen sind insbesondere vorteilhaft beim Elektroplattieren von Kupfer. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf andere Metalle und Metallverbindungen und Metalllegierungen anwendbar.
3 zeigt eine schematische und stark vereinfachte Ansicht eines Elektroplattierungsreaktors 300, der zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann. Im Allgemeinen hängt das Ergebnis eines Elektroplattierungsvorganges von der Kinematik in dem Elektroplattierungsreaktor ab, das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung kann jedoch auf einen beliebigen Typ eines Elektroplattierungsreak tors angewendet werden, der gegenwärtig bei der Herstellung integrierter Schaltungen mit einer Kupfermetallisierungsschicht verwendet wird. Es sollte daher beachtetet werden, dass der Elektroplattierungsreaktor 300 in der Praxis zusätzliche Einrichtungen zum Erhalten des gewünschten Elektrolytflusses innerhalb des Reaktors, etwa Schilde, Zufuhrleitungen und Vorrichtungen zum Drehen des Wafers und/oder der Abschirmungen, und dergleichen aufweist. In einer Ausführungsform kann ein Elektroplattierungsreaktor verwendet werden, der von Semitool Inc. unter dem Namen LT210C^TM erhältlich ist. Zu beachten ist, dass die vorliegende Erfindung auf jeden beliebigen Elektroplattierungsreaktor anwendbar ist.
Der Reaktor 300 umfasst ferner eine Elektrode 301, die mit einer Stromversorgung 302 gekoppelt ist, die in der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, um einen Ausgangsstrom mit einer vordefinierten Stärke, Dauer und Polarität zu liefern. Gegenüberliegend zu der Elektrode 301 ist ein Substrat 100 positioniert, etwa das Halbleiterelement 100 aus 1, mit strukturierten dielektrischen Schichten 102 und 104 mit der Barrierendiffusionsschicht 108 und der Kupfersaatschicht 109. Der Reaktor 300 umfasst ferner einen Elektrolyt 303, dessen Hauptkomponente ein Kupfersulfat ist, das mittels Schwefelsäure zu einer Säure ergänzt ist. Der Elektrolyt 303 umfasst ferner ein Suppressoradditiv 304 und ein Beschleunigeradditiv 305, deren Konzentration in einfacher Weise beispielsweise durch Polarisationsmessungen auf einer Kupferschicht, die auf einem zuvor bearbeiteten Test- oder Produktsubstrat abgeschieden worden ist, kontrollierbar ist. Die Kupferschicht enthält eine gewisse geringfügige Menge an Suppressor 304 und dem Beschleuniger 305, die die optischen Eigenschaften der Kupferschicht modifizieren, wenn ein einfallender Lichtstrahl reflektiert wird. Derartige Elektrolytbäder mit zwei Komponenten sind gut verfügbar, beispielsweise von Shiply mit den Namen Nanoplate. Der Beschleuniger kann Propan-Sulfonsäure aufweisen. Eine typische Konzentration des Beschleunigers liegt im Bereich von ungefähr 1 bis 10 ml/l. Der Suppressor kann aus polyalkylenglykolartigen Polymeren aufgebaut sein. Eine typische Konzentration des Suppressors liegt im Bereich von ungefähr 1 bis 30 ml/l.
Anzumerken ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen speziellen Elektrolyten eingeschränkt ist und mit beliebigen gegenwärtig erhältlichen Elektrolyten oder Elektrolyten, die in der Zukunft verfügbar sind, ausgeführt werden kann.
Bei Anlegen von Spannungsimpulsen mit abwechselnder Polarität mit einer ersten Polarität, d.h. einer Polarität, die die Elektrode 301 zu der Anode macht, und das Substrat 100 zu der Kathode, wird ein Strom hervorgerufen, der zu einer Wanderung der Kupfer Ionen zu der Oberfläche des Substrats 100 führt. Dabei wird der Spannungsimpuls mit der ersten Polarität so gewählt, dass ein im Wesentlichen konstanter Strom mit einer vordefinierten Höhe erzeugt wird, was im Weiteren als ein Vorwärtsstromimpuls bezeichnet wird. Die entsprechende Wanderung der Kupferionen ist durch Pfeile 306 angedeutet. Jedem Spannungspuls der ersten Polarität folgt ein Spannungspuls mit einer zweiten Polarität, d.h. einer Polarität, die die Elektrode 301 zur Kathode und das Substrat 100 zur Anode macht, und die so angelegt und eingestellt ist, um einen im Wesentlichen konstanten Strom mit einer vordefinierten Höhe (in der Gegenrichtung) zu erzeugen, wie dies durch die Pfeile 307 angedeutet ist. Der durch die Spannung mit der zweiten Polarität erzeugte Strom wird auch als Inversionsstrompuls bezeichnet. Wie zuvor erläutert, führt das abwechselnde Anlegen von Vorwärtsstromimpulsen und Inversionsstromimpulsen zu einer zuverlässigen Abscheidung von Kupfer in Öffnungen mit geringem Durchmesser, etwa den Kontaktöffnungen 105 und dem Graben 106 in den dielektrischen Schichten 104 und 102.
Die Höhe der Vorwärtsstrompulse und der Inversionsstrompulse hängt von der Größe des Substrats 100 und der Struktur der strukturierten dielektrischen Schicht 104 und 102 ab. Typischerweise wird ein Strom von ungefähr 1 bis 20 Ampere für eine Substratoberfläche mit Kontaktöffnungen und Gräben mit bis zu 0.1 μm und darunter für die Vorwärtsstrompulse gewählt. Die entsprechenden Inversionspulse können im Bereich von ungefähr 1 bis 20 Ampere liegen. Typischerweise kann eine Dauer T₁ eines einzelnen Vorwärtsstrompulses im Bereich von ungefähr 1 Nanosekunde bis 100 Sekunden liegen. Die Dauer T₂ eines einzelnen Inversionsstrompulses kann ungefähr im Bereich von 1 Nanosekunde bis 100 Sekunden liegen. Während des Anlegens der abwechselnden Vorwärtspulse und der Inversionspulse für eine vordefinierte Zeitdauer T_s, die im weiteren als Pulsinversionssequenz bezeichnet wird, werden Öffnungen mit kleinem Durchmesser, d.h. Kontaktöffnungen 105 und möglicherweise die darüber liegenden Gräben 106 im Wesentlichen gefüllt, wohingegen die im Wesentlichen konforme Abscheidung über den breiten Graben 107 einen zusätzlichen Abscheideschritt erfordert, um zuverlässig vollständig den breiten Graben 107 zu füllen. Im Gegensatz zu dem konventionellen Prozessrezept, in der die Pulshöhe, die Dauer (T₁, T₂) der einzelnen Pulse und die Zeitdauer T_S so gewählt sind, um die erforderliche Überdeposition zu erreichen, was in dem vorliegenden Beispiel in einer 2-Komponenten-Chemie zu zusätzlichen Erhebungen 120 führt, wie sie in 2 gezeigt sind, wird in der vorliegenden Erfindung die Überabscheidung erreicht durch einen abschließenden Gleichstromabscheideschritt, wobei die Höhe des Stromes und/oder die Dauer des Gleichspannungsstromes so gewählt ist, um das erforderliche Maß an Überdeposition zur zuverlässigen Füllung des Grabens 107 zu erreichen.
4a zeigt qualitativ die Zeitabhängigkeit der dem Substrat 100 zugeführten Ströme. Während der Pulsinversionssequenz wird Kupfer auf dem Substrat 100 in den Vorwärtspulsen mit der Dauer T₁ entsprechend zu T₁ und der Größe des Stromes abgeschieden. Während der Inversstrompulse findet ein gewisses Maß an Umverteilung des Kupfers abhängig von der Periode T₂ und der Größe des "inversen" Stromes statt. Nach der Pulsinversionssequenz T_S wird der Gleichstromschritt für eine Zeitdauer T₃ mit einer vordefinierten Höhe des Gleichstromes durchgeführt. Zu beachten ist, dass im Prinzip das Strom-Zeit-Integral der diversen Strompulse ein Maß für die auf dem Substrat 100 abgeschiedene Kupfermenge ist. Somit kann in einigen Ausführungsformen, in denen ein hoher Durchsatz erforderlich ist, die Größe des Stromes während des Gleichstromschrittes angehoben werden, um ein gewünschtes Maß an hoher Gesamtabscheidungsrate zu erreichen, wodurch die Oberflächenqualität der Kupferschicht 100 geringfügig beeinträchtigt sein kann. Ferner kann durch geeignetes Wählen von T_S und/oder von T₃ oder des Verhältnisses von T_S:T₃, d.h. durch Auswählen des Verhältnisses von "Einfüllvermögen für Öffnungen" zu dem "Gleichstrom"-"Konformabscheidevermögen", die endgültige Oberflächenqualität der Kupferschicht und damit die "Belastung" für das nachfolgende CMP eingestellt werden.
4b zeigt schematisch die Struktur 100 nach Anwenden einer Prozesssequenz, wie sie in 4a gezeigt ist, wobei die Kupferschicht 110 über den breiten Graben 107 mit einer Dicke abgeschieden ist, die das vollständige Füllen des breiten Grabens 107 nach dem anschließenden CMP-Vorgang gewährleistet. Ferner können Erhebungen, etwa jene, wie sie in 2b gezeigt sind, zuverlässig vermieden werden, wodurch eine Kupferschicht 110 mit höherer Qualität erzeugt wird, ohne dass die Notwendigkeit besteht, ein äußerst komplexes 3-Komponenten-Elektrolytbad mit einem Niveauregulierer bereitzustellen.
Nach dem Abscheiden des Kupfers kann die Struktur 100 ausgeheizt werden, um die endgültige Korngröße der Kupferschicht 110 einzustellen, die deutlich die Eigenschaften der fertiggestellten Kupferleitungen hinsichtlich der Elektromigration beeinflusst.
Die Qualität der Oberfläche der Kupferschicht 110 kann auf der Grundlage der reflektierten Lichtintensität eines einfallendes Lichtstrahls abgeschätzt werden, da eine rauere Oberfläche einen größeren Anteil des einfallendes Lichtstrahls streut und damit die Intensität des reflektierten Lichtstrahls verringert. Es wurden eine Vielzahl von Halbleitersubstraten 100 mit einer Kupferschicht 110, die gemäß einem typischen standardmäßigen 2-Komponenten-Plattierungsrezept gebildet wurde, und eine Vielzahl von Halbleitersubstraten 100 mit einer Kupferschicht, die gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen gebildet wurde, untersucht und es stellte sich heraus, dass die Reflektivität der gemäß dem standardmäßigen Prozessrezept prozessierten Substrate eine Reflektivität von ungefähr 3% zeigen, wohingegen die gemäß der vorliegenden Erfindung prozessierten Substrate eine Reflektivität von ungefähr 32% zeigen. Die deutliche Verbesserung in der Reflektivität entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt nicht nur eine glattere Oberfläche der Kupferschicht 110 an, sondern ermöglicht ein zuverlässigeres Ermitteln von optischen Messergebnissen aus entsprechend prozessierten Substraten. Beispielsweise wird allgemein der CMP-Prozess optisch überwacht, um das Ende des Poliervorganges zu detektieren, wobei ein Lichtstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird, während poliert wird, und die Intensität des reflektierten Lichtstrahls wird detektiert. Folglich führt eine erhöhte anfängliche Reflektivität zu einem zuverlässigeren und weniger verrauschten Endpunktsignal. Insbesondere zeigt das Endpunktdetektionssignal der gemäß der vorliegenden Erfindung prozessierten Substrate ein im Wesentlichen flaches Plateau mit einer scharten abfallenden Flanke, die das Ende des Prozesses deutlicher kennzeichnet, wohingegen die gemäß dem standardmäßigen Inverspulsrezept prozessierten Substrate ein variierendes Plateau mit einem verrauschten Signal an der abfallenden Flanke des Endpunktdetektionssignals aufweisen. Somit kann der Endpunkt des CMP-Prozesses präziser bestimmt werden, indem das Prozessrezept gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Ferner ist, wie bereits durch die hohe Reflektivität der Kupferschicht 110 angedeutet wird, der CMP-Prozess für die Kupferschicht 110 weniger kritisch und erfordert deutlich weniger Polierzeit. Untersuchungen, die an den obigen zubereiteten Substraten durchgeführt wurden, ergaben eine Polierzeitverringerung von ungefähr 23%. Die Reduzierung der Polierzeit trägt ebenso deutlich zu einer Verbesserung der Kupferoberflächenqualität aufgrund der verringerten Bildung von Kupfererosion und Verfärbung bei. Eine weitere vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfindung betrifft die Einkerbung und die Erosion, die während des chemisch mechanischen Polierens der Kupferschicht 110 auftreten. Die Einkerbung von Kupfergräben, d.h. die raschere Entfernung von Kupfer im Vergleich zu dem benachbarten Dielektrikum, und die Erosion, d.h. die Entfernung von dielektrischen Material im Vergleich zur anfänglichen Schichtdicke, ist ebenso aufgrund der reduzierten Polierzeit, der verbesserten Detektion des Endpunktes und der hohen Oberflächenqualität des abgeschiedenen Kupfers verringert. Ferner ist der Defektgrad deutlich reduziert.
Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung einen verbesserten Prozess und eine verbesserte Steuerbarkeit im Vergleich zu einer standardmäßigen 3-Komponenten-Chemie ohne die überlegenen Eigenschaften des Inverspulselektroplattierens bei Verwendung einer 2-Komponenten-Chemie, etwa verbesserter Widerstand gegenüber Elektromigration der fertiggestellten Kupferleitungen aufgrund einer erhöhten Korngröße des Kupfers, das zuverlässige Auffüllen von Öffnungen mit kleinem Durchmesser, etwa von Kontaktöffnungen im Bereich von 0.1 μm und von Öffnungen mit großem Durchmesser, etwa von breiten Gräben in der Größenordnung von einigen Mikrometern, zu beeinträchtigen.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung lediglich als anschaulich und für den Zweck gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Elektroplattieren eines Metalls auf einem Substrat mit einem Oberflächenbereich mit einer strukturierten dielektrischen Schicht mit einer Öffnung mit kleinem Durchmesser und einer Öffnung mit großem Durchmesser, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Elektrolytbads mit einer 2-Komponenten-Beschleuniger-Suppressor-Additivchemie für nichtkonformes Füllen der Öffnung mit kleinem Durchmesser; Anordnen des Substrats in dem Elektrolytbad; Ausführen einer Pulsinversionsplattierungssequenz, um die Öffnung mit kleinem Durchmesser im Wesentlichen zu füllen; und Anlegen eines Gleichstromes mit einer vordefinierten Höhe für eine vordefinierte Zeitdauer, um die Öffnung mit großem Durchmesser vollständig zu füllen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Zeitdauer der Pulsinversionsplattierungssequenz gesteuert wird, um eine Oberflächenqualität der endgültigen Metallschicht einzustellen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vordefinierte Höhe und/oder die vordefinierte Zeitdauer des Gleichstromes ausgewählt wird, um eine Oberflächenqualität der endgültigen Metallschicht einzustellen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Höhe und eine Dauer von Vorwärtsstrompulsen und inversen Strompulsen in der Pulsinversionsplattierungssequenz ausgewählt wird, um die Öffnung mit kleinem Durchmesser im Wesentlichen vollständig zu füllen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei: eine Höhe und eine Dauer von Vorwärtsstrompulsen und inversen Strompulsen in der Pulsinversionsplattierungssequenz und/oder eine Zeitdauer der Pulsinversionsplattierungssequenz und/oder die vordefinierte Höhe des Gleichstromes und/oder die vordefinierte Zeitdauer des Gleichstromes gesteuert werden, um eine Oberflächenqualität der endgültigen Metallschicht einzustellen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall Kupfer aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Ausheizen des Substrates umfast, um eine Korngröße in der Metallschicht einzustellen.