DE10306314B3 - Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen mit Submikrometerabmessungen mittels elektrochemischer Abscheidung - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen mit Submikrometerabmessungen mittels elektrochemischer Abscheidung Download PDFInfo
- Publication number
- DE10306314B3 DE10306314B3 DE2003106314 DE10306314A DE10306314B3 DE 10306314 B3 DE10306314 B3 DE 10306314B3 DE 2003106314 DE2003106314 DE 2003106314 DE 10306314 A DE10306314 A DE 10306314A DE 10306314 B3 DE10306314 B3 DE 10306314B3
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- substrate
- trench
- dielectric coating
- conductive
- side walls
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 82
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 13
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910005091 Si3N Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000007704 wet chemistry method Methods 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 17
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 13
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 11
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N Cu2+ Chemical compound [Cu+2] JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910001431 copper ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 239000005749 Copper compound Substances 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001880 copper compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000005246 galvanizing Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
- H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
- H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
- H01L21/76877—Filling of holes, grooves or trenches, e.g. vias, with conductive material
- H01L21/76879—Filling of holes, grooves or trenches, e.g. vias, with conductive material by selective deposition of conductive material in the vias, e.g. selective C.V.D. on semiconductor material, plating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
- H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
- H01L21/76801—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the dielectrics, e.g. smoothing
- H01L21/76829—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the dielectrics, e.g. smoothing characterised by the formation of thin functional dielectric layers, e.g. dielectric etch-stop, barrier, capping or liner layers
- H01L21/76831—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the dielectrics, e.g. smoothing characterised by the formation of thin functional dielectric layers, e.g. dielectric etch-stop, barrier, capping or liner layers in via holes or trenches, e.g. non-conductive sidewall liners
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
- H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
- H01L21/76801—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the dielectrics, e.g. smoothing
- H01L21/76829—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the dielectrics, e.g. smoothing characterised by the formation of thin functional dielectric layers, e.g. dielectric etch-stop, barrier, capping or liner layers
- H01L21/76834—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the dielectrics, e.g. smoothing characterised by the formation of thin functional dielectric layers, e.g. dielectric etch-stop, barrier, capping or liner layers formation of thin insulating films on the sidewalls or on top of conductors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
- H01L21/283—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current
- H01L21/285—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation
- H01L21/28506—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers
- H01L21/28512—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers on semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L21/28556—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers on semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table by chemical means, e.g. CVD, LPCVD, PECVD, laser CVD
- H01L21/28562—Selective deposition
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
Abstract
Zur Erzeugung einer leitfähigen Struktur (9) in einem Substrat (1) wird zunächst ein Graben (5) in das Substrat (1) eingebracht und anschließend ganzflächig eine elektrisch leitende Initialschicht (2) als Seed-Layer auf dem Substrat (1) vorgesehen. Vor eine elektrochemischen Abscheidung eines Füllmaterials (4) werden die Substratoberfläche (12) außerhalb des Grabens (5) sowie Seitenwände (52) des Grabens (5) mit einer durch eine nichtkonforme sequentielle Gasphasenabscheidung erzeugten dielektrischen Beschichtung (3) abgedeckt, so dass bei der folgenden elektrochemischen Abscheidung das Füllmaterial (4) ausschließlich von einem Grabenboden (51) her gerichtet und ohne Fehlstellen wie Hohlräume (7) oder Nahtflächen (8) aufwächst und den Graben (5) füllt. Eine solcherart erzeugte leitfähige Struktur (9) weist eine hohe Qualität und einen niedrigen ohmschen Widerstand auf.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer leitfähigen Struktur in einem Substrat, bei dem von einer Substratoberfläche her ein Graben mit zur Substratoberfläche vertikale und/oder geneigte Abschnitte aufweisenden Seitenwänden und einem einer Grabenöffnung in der Substratoberfläche gegenüberliegenden Grabenboden in das Substrat eingebracht wird, auf dem Substrat eine leitfähigen Initialschicht vorgesehen wird und die leitfähige Struktur durch Füllen des Grabens mittels elektrochemischer Abscheidung eines Füllmaterials auf der leitfähigen Initialschicht erzeugt wird.
- In einem Halbleitersubstrat ausgebildete Halbleiterbauelemente weisen in der Regel mehrere Verdrahtungsebenen zur Verbindung funktionaler Strukturen auf. Die Verdrahtungsebenen sind untereinander und/oder mit leitfähigen Halbleiterstrukturen mittels zu den Verdrahtungsebenen vertikalen Kontaktstrukturen (via, plug) aus einem leitfähigen Material verbunden. In den Verdrahtungsebenen selbst sind Leiterbahnen aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet.
- Ein bevorzugtes Material zur Ausbildung von vertikalen Kontaktstrukturen und Leiterbahnen in Halbleiterbauelementen ist für Strukturgrößen kleiner 180 Nanometer Kupfer, das eine um etwa 40 % höhere Leitfähigkeit aufweist als das für größere Strukturgrößen übliche und relativ einfach zu prozessierende Aluminium. Darüber hinaus weist Kupfer eine um den Faktor 10 geringere Neigung zur Elektromigration auf.
- Die Abscheidung von Kupfer mittels chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) erfordert gegenwärtig die Verwendung von teuren, instabilen und relativ aufwändig zu prozessierenden organischen Kupferverbindungen, während mit einer Abscheidung von Kupfer mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD) auf reliefartig strukturierten Substraten im Relief ausgebildete Gräben nur unzureichend gefüllt werden können.
- Nach einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer leitfähigen vertikalen Kontaktstruktur insbesondere bei Strukturgrößen unter 200 Nanometern wird Kupfer daher auf elektrochemischen Weg bzw. galvanisch abgeschieden (electro plating). Dabei wird zunächst am Ort der in einem Substrat zu prozessierenden vertikalen Kontaktstruktur ein Graben in das Substrat eingebracht, der mindestens eine unter der Oberfläche des Substrats ausgebildete leitfähige Flächenstruktur schneidet oder berührt. Da die elektrochemische Abscheidung eine leitfähige Oberfläche des Substrats voraussetzt, wird anschließend auf der Oberfläche des Substrats zunächst auf herkömmliche Weise eine Initialschicht (seed layer) vorgesehen. Die Beschichtung erfolgt in der Regel unmaskiert. Die Initialschicht bedeckt daher die gesamte Oberfläche des Substrats. Dem Aufbringen der Initialschicht kann das Aufbringen einer Barriereschicht vorausgehen.
- Anschließend erfolgt die eigentliche elektrochemische Abscheidung (Galvanisierung), für die das Substrat in einem Elektrolyt als Katiode betrieben wird. Das elektrochemisch abgeschiedene Kupfer ordnet sich ganzflächig auf der Oberfläche des Substrats an.
- Im in das Substrat eingebrachten, zur Ausbildung einer vertikalen Kontaktstruktur vorgesehenen Graben wächst dabei das abgeschiedene Kupfer sowohl vom Grabenboden als auch von den Grabenwänden her auf.
- Eine lokale Abscheidungsrate des Kupfers hängt z.B. von einer lokalen Feldstärke des zur Galvanisierung erzeugten elektrischen Feldes oder einer lokalen Konzentration von Kupferionen ab. Da die lokale Feldstärke des während der Abscheidung aktivierten elektrischen Feldes im Bereich von Ecken und Kanten eines Reliefs höher ist als etwa in glatten, unstrukturierten Bereichen, kommt es zu einer stärkeren Abscheidung etwa im Bereich einer Grabenöffnung.
- Abhängig von einem Querschnitt des Grabens nimmt eine Konzentration der abzuscheidenden Kupferionen im Elektrolyt zum Grabenboden hin ab.
- Aus diesen Gründen entstehen daher in durch elektrochemische Abscheidung mit einem Metall gefüllten Gräben oft vorwiegend in einem unteren Grabenbereich zunächst mit dem Elektrolyt gefüllte Hohlräume (voids), die den elektrischen Widerstand der vertikalen Kontaktstruktur deutlich erhöhen. Dies führt in besonders nachteiliger Weise zu einer Signalverzögerung eines über die Kontaktstruktur geführten elektrischen Signals im fertigen Halbleiterbauelement.
- In der
1 ist eine leitfähige Struktur9 dargestellt, die aus dem Füllen eines Grabens5 mit einem Metall als Füllmaterial4 mittels eines herkömmlichen elektrochemischen Verfahren hervorgegangen ist. Der Graben5 ist dabei zum Anschluss einer leitfähigen Flächenstruktur110 in einer Arbeitsschicht11 des Substrats1 vorgesehen und in eine Isolatorstruktur10 eingebracht. Das Aufwachsen des Metalls4 erfolgte bevorzugt in einem zu einer Grabenöffnung orientierten oberen Grabenbereich von den mit der Initialschicht2 bedeckten Grabenwänden52 her, so dass im unteren Grabenbereich ein Hohlraum7 ausgebildet wurde. - Bei einer gleichmäßigen oder konformen Abscheidung (conformal deposition) des Metalls vom Grabenboden und von den Grabenwänden her bildet sich in der Grabenmitte in nachteiliger Weise eine Nahtfläche (seam) zwischen zwei aufgewachsenen Kupferschichten. Die Nahtfläche bildet eine Störstelle, in deren Bereich Elektrolyt eingeschlossen werden kann. Der elektrische Widerstand der Kontaktstruktur ist in diesem Bereich in nachteiliger Weise erhöht.
- In der
2 ist eine leitfähige Struktur9 dargestellt, die im Unterschied zur leitfähigen Struktur9 der1 durch eine konforme Abscheidung eines Metalls als Füllmaterial4 auf der Initialschicht2 hervorgeht. Da das Metall4 von einander gegenüberliegenden Grabenwänden52 des Grabens5 her in Richtung Grabeninneres aufwächst, ergibt sich im Bereich der Grabenmitte eine von Korngrenzen des Metalls4 gebildete Nahtfläche8 . - Es ist bekannt, dem Elektrolyt daher Zusätze (Additive) beizugeben bzw. das elektrische Feld während der Abscheidung zu variieren, um ein gerichtetes Anwachsen des abgeschiedenen Materials vom Grabenboden her zu steuern (bottom-up fill). Dabei werden Akzeleratoren und Inhibitoren eingesetzt, wobei die Akzeleratoren bevorzugt im Bereich des Grabenbodens adsorbieren und die elektrochemische Abscheidung lokal beschleunigen und Inhibitoren bevorzugt auf der Substratoberfläche und im oberen Grabenbereich adsorbieren und die Abscheidung dort lokal hemmen oder verlangsamen.
- Es ist auch bekannt, das elektrische Feld während der Galvanisierung veränderlich zu halten, um etwa die Abscheidungsra te im Bereich von Ecken und Kanten selektiv zu flachen Abschnitten des Reliefs zu verändern.
- Nachteilig an den bekannten Verfahren ist insbesondere, dass die chemische Zusammenstellung des Elektrolyts von der jeweilige Anwendung abhängig ist. Für das Elektrolyt ist abhängig sowohl von den absoluten Abmessungen als auch insbesondere von einem Aspektverhältnis von in das Substrat eingebrachten Gräben jeweils eine neue Zusammenstellung der Zusätze erforderlich.
- Darüber hinaus sind die eingesetzten Zusätze kostenintensiv in der Anschaffung und der Entsorgung. Da sich die Additive verbrauchen, ist oft auch eine relativ komplexe Überwachung und Steuerung der Zusammensetzung des Elektrolyts während der elektrochemischen Abscheidung erforderlich.
- Ferner wächst das abgeschiedene Material auch auf der Substratoberfläche selbst auf, von wo es anschließend in einem aufwändigen Ätz- oder Polierschritt, etwa mittels eines chemisch mechanischen Polierprozesses (chemical mechanical polishing, CMP), wieder zu entfernen ist.
- In der
US 6,391,785 wird ein Kontaktloch zu einer unterliegenden Metallstruktur durch elektrochemische Abscheidung gefüllt. Die unterliegende Metallstruktur ist durch ein dielektrisches Material abgedeckt, in das ein Kontaktgraben eingebracht wird. Auf den durch das dielektrische Material gebildeten Seitenwänden des Kontaktlochs wird eine Barrierenschicht aufgebracht. Ist die Barrierenschicht aus einem dielektrischen Material vorgesehen, so wird das Kontaktloch in der anschließenden elektrochemischen Abscheidung gerichtet vom Grabenboden her gefüllt. Das beschriebene Verfahren setzt eine bereits vorhandene unterliegende Metallstruktur voraus. - Ist keine unterliegende metallische oder leitfähige Struktur vorgesehen, etwa bei in eine dielektrische Schicht eingebetteten Leiterbahnen, so setzt die elektrochemische Abscheidung das Abscheiden einer Initialschicht bzw. eines Seed-Layers voraus.
- Ein solches Verfahren ist in der
US 6,410,418 B1 angegeben. Um ein gerichtetes Aufwachsen vom Boden her sicher zu stellen, wird dort vorgeschlagen, den Seed-Layer mittels eines gerichteten Teilchenstrahls an der Substratoberfläche und in einem Mündungsbereich der zu füllenden Gräben mindestens oberflächlich abschnittsweise zu oxidieren. Alternativ wird eine dielektrische oxidische Schicht abschnittsweise auf den Seed-Layer aufgebracht. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen mit Submikrometerabmessungen mittels elektrochemischer Abscheidung in einem Substrat zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache Weise und ohne die Zugabe von Additiven zum Elektrolyt Fehlstellen in den leitfähigen Strukturen vermieden werden können.
- Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Zur Erzeugung einer leitfähigen Struktur in einem Substrat wird also zunächst in bekannter Art von einer Substratoberfläche her ein Graben in das Substrat eingebracht. Der Graben weist Seitenwände mit zur Substratoberfläche vertikalen und/oder geneigten Abschnitten sowie einen Grabenboden auf, der einer Grabenöffnung in der Substratoberfläche gegenüberliegt. Auf dem Substrat wird die für eine elektrochemische Abscheidung notwendige leitfähige Initialschicht vorgesehen. Die Initialschicht ist Voraussetzung für die Verwendung des Substrats als Kathode während der folgenden galvanischen Abscheidung eines Füllmaterials. Die leitfähige Struktur geht aus dem Füllen des Grabens mit dem Füllmaterial mittels der elektrochemischer Abscheidung hervor, während der das Füllmaterial auf leitfähige Abschnitte des Substrats abgeschieden wird.
- Vor der elektrochemischen Abscheidung des Füllmaterials wird mindestens auf Abschnitten der Seitenwände des Grabens eine dielektrische Beschichtung vorgesehen. Ein Füllen des Grabens erfolgt dann im Wesentlichen in einer gerichteten Weise vom Grabenboden her (bottom-up fill).
- Durch das gerichtete Aufwachsen des Füllmaterials vom Grabenboden her wird eine Ausbildung sowohl von Hohlräumen wie auch von Nahtflächen in der leitfähigen Struktur vermieden. Dabei bedarf das Elektrolyt keiner Zusätze, die ein Aufwachsen des Füllmaterials lokal hemmen oder fördern. Eine aufwändige Kontrolle bzw. Nachregelung der Zusammensetzung des Elektrolyts während der Abscheidung erübrigt sich. Die Zusammensetzung des Elektrolyts ist weit gehend unabhängig von den absoluten Abmessungen der leitfähigen Struktur und von einem Aspektverhältnis des Grabens.
- Bevorzugt wird die dielektrische Beschichtung so vorgesehen, dass sie sich auch über die Substratoberfläche außerhalb des Grabens erstreckt. In diesem Fall wächst das Füllmaterial nur in den Gräben, nicht aber auf der Substratoberfläche auf. Da die Abscheidung des Füllmaterials erst beendet wird, wenn der Graben sicher gefüllt ist, wächst das Füllmaterial etwa bei einer konform gesteuerten elektrochemischen Abscheidung auf der Substratoberfläche mit einer Schichtdicke von mindestens der halben Weite der Öffnung des Grabens auf. Da das Füllmaterial ein Metall oder eine Metalllegierung, in der Regel aber Kupfer ist, erfordert ein Abtrag des auf der Substratoberfläche abgeschiedenen Füllmaterials einen aufwändigen Rückbildungsschritt, etwa einen chemisch-mechanischen Polierprozess (chemical mechanical polishing, CMP). Dieser Rückbildungsschritt entfällt bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Abhängig vom Anwendungsfall kann auch auf die Entfernung der dielektrischen Beschichtung nach der elektrochemischen Abscheidung in vorteilhafter Weise verzichtet werden, wenn die dielektrische Beschichtung auf Isolatorabschnitten einer Verdrahtungsebene des Substrats ausgebildet ist.
- Bevorzugt wird die dielektrische Beschichtung in Zuge eines gemeinsamen Prozessschritts gleichzeitig auf der Substratoberfläche und den Seitenwänden des Grabens angeordnet.
- Eine solche gleichzeitige Ausbildung der dielektrischen Beschichtung auf der Substratoberfläche und den Seitenwänden des Grabens ergibt sich etwa bei einer nicht konformen sequentiellen Gasphasenabscheidung (non-conformal atomic layer deposition, non-conformal ALD) der dielektrischen Beschich tung. Gegenüber einer herkömmlichen sequentiellen Gasphasenabscheidung wird eine nicht konforme sequentielle Gasphasenabscheidung in einer Weise gesteuert, dass die jeweils zyklusweise abgeschiedenen Teillagen gerichtet von der Substratoberfläche her in Richtung des Grabenbodens aufwachsen und die Zyklen der sequentiellen Gasphasenabscheidung dabei so gesteuert werden, dass die Abscheidung innerhalb jedes Zyklus jeweils vor dem Beginn einer Bedeckung des Grabenbodens abgebrochen wird.
- Das Erzeugen der dielektrischen Beschichtung mittels einer in dieser Weise gesteuerten nicht konformen sequentiellen Gasphasenabscheidung ist besonders vorteilhaft, weil sowohl die Substratoberfläche als auch die vertikalen Grabenwände in einem Zug auf einfache Weise, unaufwändig und schnell dielektrisch zu beschichten sind und die so erzeugte dielektrische Beschichtung eine gute Uniformität und Geschlossenheit aufweist sowie mit einer sehr geringen Schichtdicke vorgesehen werden kann.
- Bevorzugt wird als Material der dielektrischen Beschichtung Al2O3, ZrO2, HfO2, SiO2 oder Si3N4 vorgesehen.
- Die dielektrische Beschichtung kann mit Hilfe der nicht konformen sequentiellen Gasphasenabscheidung mit einer Schichtdicke zwischen 2 und 100 Nanometern, besonders bevorzugt mit einer Schichtdicke zwischen 5 und 12 Nanometern, vorgesehen werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich prinzipiell zur Erzeugung beliebiger leitfähigen Strukturen aus einem auf elektrochemischem Wege abscheidbaren Füllmaterial.
- Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die leitfähige Struktur als vertikale Kontaktstruktur zwischen einer in einer Arbeitsschicht des Substrats angeordneten leitfähigen Flächenstruktur etwa einer Gateelektrode eines Transistors aus dotiertem Polysilizium, einem Source/Drain-Bereich eines Transistors oder einer Leiterbahn aus einem Metall oder einer Metalllegierung einerseits und einer in einer Verdrahtungsebene des Substrats vorgesehenen Leiterbahn andererseits ausgebildet.
- Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die leitfähige Struktur als Leiterbahn innerhalb einer Verdrahtungsebene des Substrats ausgebildet.
- Auch eine gleichzeitige Ausbildung von Leiterbahnen und zugeordneten vertikalen Kontaktstrukturen nach einem so genannten Dual-Damascene-Prozessschema ist möglich, wobei die Grabenwände auch horizontale Abschnitte aufweisen.
- Sofern die dielektrische Beschichtung nach der elektrochemischen Abscheidung zu entfernen ist, wird die dielektrische Beschichtung nach der elektrochemischen Abscheidung des Füllmaterials bevorzugt nasschemisch entfernt.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert, wobei für einander entsprechende Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
-
1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste fehlerhafte vertikale Kontaktstruktur, -
2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite fehlerhafte vertikale Kontaktstruktur und -
3 bis6 schematische Querschnitte durch eine gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens prozessierte vertikale Kontaktstruktur in verschiedenen Phasen. - Die
1 und2 wurden bereits eingangs erläutert. - Das in den
3 bis6 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine als vertikale Kontaktstruktur ausgebildete leitfähige Struktur9 , die einen elektrischen Anschluss einer in einem Substrat1 ausgebildeten leitfähigen Flächenstruktur110 zu einer über der Oberfläche des Substrats1 vorzusehenden Leiterbahn vermittelt. - Dabei ist in einem Substrat
1 eine Arbeitsschicht11 angeordnet, in der abschnittsweise eine leitfähige Flächenstruktur110 ausgebildet ist. Auf der Arbeitsschicht11 ist im Substrat1 eine Isolatorstruktur10 vorgesehen, die etwa weitere in der Arbeitsschicht11 angeordnete leitfähige Flächenstrukturen110 von einer auf der Isolatorstruktur10 vorzusehenden Verdrahtungsebene trennt. Die vertikale Kontaktstruktur9 ist in der Folge von der Verdrahtungsebene zur leitfähigen Flächenstruktur110 auszubilden. - Dazu wird zunächst in die Isolatorstruktur
10 des Substrats1 von einer Substratoberfläche12 her ein Graben5 eingebracht, der die leitfähige Flächenstruktur110 mindestens erreicht oder sich bis in die leitfähige Flächenstruktur110 fortsetzt. Der Graben5 weist in diesem Ausführungsbeispiel zur Substratoberfläche12 vertikale Grabenwände52 und einen einer Grabenöffnung in der Substratoberfläche12 gegenüberliegenden Grabenboden51 auf. Danach wird nach bekannter Art eine Initialschicht2 auf der Oberfläche des Substrats1 abgeschieden. - In der
3 ist die auf dem Substrat1 abgeschiedene Initialschicht2 dargestellt, die die Oberfläche des Substrats1 innerhalb und außerhalb des Grabens5 bedeckt. - Danach wird auf Abschnitten der Initialschicht
2 eine nicht konforme dielektrische Beschichtung3 vorgesehen. Dazu wird eine sequentielle Gasphasenabscheidung etwa von Al2O3 in einer Weise gesteuert, dass die Abscheidung für jede im Verlauf der Gasphasenabscheidung erzeugte Teillage gerichtet von der Substratoberfläche12 des Substrats1 her in die Tiefe des im Substrat1 ausgebildeten Reliefs erfolgt, und die Erzeugung der Teillagen jeweils abgebrochen wird, sobald die gerichtet aufgewachsene Teillage die Grabenwände52 nahezu vollständig, den Grabenboden51 aber noch nicht bedeckt. Die Gesamtdicke der dielektrischen Beschichtung beträgt zwischen 2 und 100 Nanometer und ist abhängig von einer Strukturgröße des Grabens5 . - In der
4 ist der mit der nicht konformen dielektrischen Beschichtung3 an den vertikalen Gräbenwänden52 ausgekleidete Graben5 dargestellt. Am Grabenboden51 liegt die Initialschicht2 frei. Die dielektrische Beschichtung3 bedeckt die Initialschicht2 auch auf der Substratoberfläche12 . - Nachfolgende erfolgt die elektrochemische Abscheidung eines Metalls als Füllmaterial
4 der vertikalen Kontaktstruktur9 , zu der das Substrat1 in ein Elektrolyt verbracht und als Kathode angesteuert wird. Das Metall4 wird lediglich auf leitfähigen Abschnitten des Substrats1 , also auf den nicht abgedeckten Abschnitten der Initialschicht2 am Grabenboden51 abgeschieden. Der Graben5 wird daher in vorteilhafter Weise ausschließlich vom Grabenboden51 her gefüllt. Auf der Substratoberfläche12 oberhalb der Grabenöffnung wachsen abgese hen von einer Überfüllung6 des Grabens5 in vorteilhafter Weise keine Anteile von Metall4 auf, die in der Folge in aufwändiger Weise wieder entfernt werden müssten. - In der
5 ist der mit dem Metall4 gefüllte Graben5 nach der Abscheidung des Metalls4 dargestellt. - Anschließend werden, wie in der
6 gezeigt, in diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die auf der Substratoberfläche12 abgeschiedenen Abschnitte der Initialschicht2 sowie der dielektrischen Beschichtung3 durch einen Ätzschritt oder einen chemisch-mechanischen Polierprozess entfernt. Im Innern des Grabens5 wird durch das Füllmaterial4 die vertikale Kontaktstruktur9 ausgebildet . Danach wird über der Substratoberfläche12 eine Verdrahtungsebene vorgesehen. - Die Erfindung wurde im Vorausgegangenen am Beispiel einer vertikalen Kontaktstruktur erläutert, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Herstellung solcher Kontaktstrukturen beschränkt. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die Ausbildung von Leiterbahnen einer Verdrahtungsebene und die gleichzeitige Ausbildung von Leiterbahnen und vertikalen Kontaktstrukturen gemäß dem bekannten Dual-Damascene-Prozessschema.
-
- 1
- Substrat
- 10
- Isolatorstruktur
- 11
- Arbeitsschicht
- 110
- leitfähige Flächenstruktur
- 12
- Substratoberfläche
- 2
- Initialschicht (seed layer)
- 3
- dielektrische Beschichtung
- 4
- Füllmaterial
- 5
- Graben
- 51
- Grabenboden
- 52
- Grabenwand
- 6
- Überfüllung (overfill)
- 7
- Hohlraum (void)
- 8
- Nahtfläche (seam)
- 9
- leitfähige Struktur
Claims (8)
- Verfahren zur Erzeugung einer leitfähigen Struktur (
9 ) in einem Substrat (1 ), bei dem – von einer Substratoberfläche (12 ) her ein Graben (5 ) mit zur Substratoberfläche (12 ) vertikale und/oder geneigte Abschnitte aufweisenden Seitenwänden (52 ) und einem einer Grabenöffnung (50 ) in der Substratoberfläche (12 ) gegenüberliegenden Grabenboden (51 ) in das Substrat (1 ) eingebracht wird, – auf dem Substrat (1 ) eine leitfähigen Initialschicht (2 ) vorgesehen wird, die den Grabenboden (51 ) und die Seitenwände (52 ) bedeckt, und – die leitfähige Struktur (9 ) durch Füllen des Grabens (5 ) mittels elektrochemischer Abscheidung eines Füllmaterials (4 ) auf der leitfähigen Initialschicht (2 ) erzeugt wird, wobei – vor dem Füllen des Grabens (5 ) eine dielektrische Beschichtung (3 ) auf der Initialschicht (2 ) mindestens auf Abschnitten der Seitenwände (51 ) vorgesehen wird und während der elektrochemischen Abscheidung der Graben (5 ) im Wesentlichen gerichtet vom Grabenboden (51 ) her mit dem Füllmaterial (4 ) gefüllt wird, und wobei – die dielektrische Beschichtung (3 ) mittels einer sequentiellen Gasphasenabscheidung vorgesehen wird, bei der zyklusweise abgeschiedene Teillagen jeweils gerichtet von der Substratoberfläche (12 ) her in Richtung des Grabenbodens (51 ) aufwachsen und die Zyklen der sequentiellen Gasphasenabscheidung so gesteuert werden, dass die Abscheidung von Teillagen jeweils vor einem Bedecken des Grabenbodens (51 ) abgebrochen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Beschichtung (
3 ) sich über die Substratoberfläche (12 ) außerhalb des Grabens (5 ) erstreckend vorgesehen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Beschichtung (
3 ) gleichzeitig auf der Substratoberfläche (12 ) und den Seitenwänden (51 ) des Grabens (5 ) angeordnet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Beschichtung (
3 ) aus Al2O3, ZrO2, HfO2, Si02 oder Si3N4 vorgesehen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Beschichtung (
3 ) mit einer Schichtdicke zwischen 2 und 100 Nanometern vorgesehen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur (
9 ) als vertikale Kontaktstruktur zwischen einer in einer Arbeitsschicht (11 ) eines Substrats (1 ) angeordneten leitfähigen Flächenstruktur (110 ) und einer in einer Verdrahtungsebene des Substrats (1 ) vorgesehenen Leiterbahn ausgebildet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur (
9 ) als Leiterbahn innerhalb einer Verdrahtungsebene des Substrats (1 ) ausgebildet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Beschichtung (
3 ) nach der elektrochemischen Abscheidung des Füllmaterials (4 ) nasschemisch entfernt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2003106314 DE10306314B3 (de) | 2003-02-14 | 2003-02-14 | Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen mit Submikrometerabmessungen mittels elektrochemischer Abscheidung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2003106314 DE10306314B3 (de) | 2003-02-14 | 2003-02-14 | Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen mit Submikrometerabmessungen mittels elektrochemischer Abscheidung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10306314B3 true DE10306314B3 (de) | 2004-10-28 |
Family
ID=33038719
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2003106314 Expired - Fee Related DE10306314B3 (de) | 2003-02-14 | 2003-02-14 | Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen mit Submikrometerabmessungen mittels elektrochemischer Abscheidung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10306314B3 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007004884A1 (de) * | 2007-01-31 | 2008-08-14 | Advanced Micro Devices, Inc., Sunnyvale | Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht über einem strukturierten Dielektrikum durch stromlose Abscheidung unter Anwendung einer selektiv vorgesehenen Aktivierungsschicht |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5904565A (en) * | 1997-07-17 | 1999-05-18 | Sharp Microelectronics Technology, Inc. | Low resistance contact between integrated circuit metal levels and method for same |
EP1081753A2 (de) * | 1999-08-30 | 2001-03-07 | Applied Materials, Inc. | Verfahren zur verbesserten Elektoplattierungsfüllung von Kontaktlöchern |
US6391785B1 (en) * | 1999-08-24 | 2002-05-21 | Interuniversitair Microelektronica Centrum (Imec) | Method for bottomless deposition of barrier layers in integrated circuit metallization schemes |
US6410418B1 (en) * | 1999-08-18 | 2002-06-25 | Advanced Micro Devices, Inc. | Recess metallization via selective insulator formation on nucleation/seed layer |
US20030194850A1 (en) * | 2002-04-16 | 2003-10-16 | Applied Materials, Inc. | Method and apparatus for improved electroplating fill of an aperture |
-
2003
- 2003-02-14 DE DE2003106314 patent/DE10306314B3/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5904565A (en) * | 1997-07-17 | 1999-05-18 | Sharp Microelectronics Technology, Inc. | Low resistance contact between integrated circuit metal levels and method for same |
US6410418B1 (en) * | 1999-08-18 | 2002-06-25 | Advanced Micro Devices, Inc. | Recess metallization via selective insulator formation on nucleation/seed layer |
US6391785B1 (en) * | 1999-08-24 | 2002-05-21 | Interuniversitair Microelektronica Centrum (Imec) | Method for bottomless deposition of barrier layers in integrated circuit metallization schemes |
EP1081753A2 (de) * | 1999-08-30 | 2001-03-07 | Applied Materials, Inc. | Verfahren zur verbesserten Elektoplattierungsfüllung von Kontaktlöchern |
US20030194850A1 (en) * | 2002-04-16 | 2003-10-16 | Applied Materials, Inc. | Method and apparatus for improved electroplating fill of an aperture |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007004884A1 (de) * | 2007-01-31 | 2008-08-14 | Advanced Micro Devices, Inc., Sunnyvale | Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht über einem strukturierten Dielektrikum durch stromlose Abscheidung unter Anwendung einer selektiv vorgesehenen Aktivierungsschicht |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102009023377B4 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Mikrostrukturbauelements mit einer Metallisierungsstruktur mit selbstjustiertem Luftspalt | |
DE102008063430B4 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Metallisierungssystem eines Halbleiterbauelements mit zusätzlich verjüngten Übergangskontakten | |
DE69834868T2 (de) | Verfahren zum Herstellen von Kontakten mit niedrigem Widerstand zwischen Metallisierungsschichten eines integrierten Schaltkreises und dadurch hergestellte Strukturen | |
DE102005039323B4 (de) | Leitbahnanordnung sowie zugehöriges Herstellungsverfahren | |
DE102005052052B4 (de) | Ätzstoppschicht für Metallisierungsschicht mit verbesserter Haftung, Ätzselektivität und Dichtigkeit und Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Schichtstapels | |
DE68923305T2 (de) | Elektrische Leitungen für elektronische Bauelemente. | |
DE102006035645B4 (de) | Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Leitung in einem integrierten Schaltkreis | |
DE102007004860B4 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Kupfer-basierten Metallisierungsschicht mit einer leitenden Deckschicht durch ein verbessertes Integrationsschema | |
DE102007020268B3 (de) | Halbleiterbauelement und Verfahren zum Verhindern der Ausbildung von elektrischen Kurzschlüssen aufgrund von Hohlräumen in der Kontaktzwischenschicht | |
DE102004037089A1 (de) | Technik zur Herstellung einer Passivierungsschicht vor dem Abscheiden einer Barrierenschicht in einer Kupfermetallisierungsschicht | |
DE102006056626A1 (de) | Verfahren zum selektiven Herstellen einer leitenden Barrierenschicht durch ALD | |
DE19752637B4 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Leitungsanordnung einer Halbleitereinrichtung | |
DE10140754A1 (de) | Leiterbahnanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Leiterbahnanordnung | |
DE102007009912A1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer kupferbasierten Metallisierungsschicht mit einer leitenden Deckschicht durch ein fortschrittliches Integrationsschema | |
DE102009039421A1 (de) | Doppelkontaktmetallisierung mit stromloser Plattierung in einem Halbleiterbauelement | |
DE102008044964B4 (de) | Verringerung der Leckströme und des dielektrischen Durchschlags in dielektrischen Materialien von Metallisierungssystemen von Halbleiterbauelementen durch die Herstellung von Aussparungen | |
DE102009055433B4 (de) | Kontaktelemente von Halbleiterbauelementen, die auf der Grundlage einer teilweise aufgebrachten Aktivierungsschicht hergestellt sind, und entsprechende Herstellungsverfahren | |
DE102004039803A1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Leitbahnanordnung mit erhöhter kapazitiver Kopplung sowie zugehörige Leitbahnanordnung | |
DE10319135B4 (de) | Verfahren zum Elektroplattieren von Kupfer über einer strukturierten dielektrischen Schicht, um die Prozess-Gleichförmigkeit eines nachfolgenden CMP-Prozesses zu verbessern | |
DE102006025405A1 (de) | Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements mit unterschiedlich dicken Metallleitungen und Verfahren zur Herstellung | |
DE10306314B3 (de) | Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen mit Submikrometerabmessungen mittels elektrochemischer Abscheidung | |
DE112013001383T5 (de) | Verfahren zur Herstellung von Halbleiterwafern | |
DE10339990A1 (de) | Metalleitung mit einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration entlang einer Grenzfläche einer dielektrischen Barrierenschicht mittels Implantieren von Material in die Metalleitung | |
DE102007020269A1 (de) | Halbleiterstruktur mit einer elektrischen Verbindung und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
DE102006015096B4 (de) | Verfahren zur Verringerung der durch Polieren hervorgerufenen Schäden in einer Kontaktstruktur durch Bilden einer Deckschicht |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |