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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung einer Verbindung,
die das Bereitstellen einer Barrierenschicht zwischen einem Volumenmetall
und einem Dielektrikum, in welchem die Verbindung eingebettet ist,
erfordert.
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In
einer integrierten Schaltung sind eine große Anzahl von Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in oder
auf einem geeigneten Substrat für
gewöhnlich in
einer im Wesentlichen ebenen Anordnung gebildet. Auf Grund der großen Anzahl
von Schaltungselementen und der erforderlichen komplexen Ausgestaltung
vieler moderner integrierter Schaltungen können im Allgemeinen die elektrischen
Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente nicht in der gleichen
Ebene hergestellt werden, in der die Schaltungselemente hergestellt
sind, sondern derartige elektrische Verbindungen werden in einer
oder mehreren zusätzlichen "Verdrahtungs"-Schichten gebildet,
die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten
umfassen im Wesentlichen Metallleitungen, die die elektrische Verbindung
innerhalb der Ebene liefern, und umfassen ferner mehrere Verbindungen
zwischen den Ebenen, die auch als Kontaktdurchführungen bezeichnet werden,
wobei die Metallleitungen und die Kontaktdurchführungen auch gemeinsam hierin
als Verbindung bezeichnet sind.
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Auf
Grund der ständigen
Verringerung der Strukturgrößen von
Schaltungselementen in modernen integrierten Schaltungen steigt
die Anzahl der Schaltungselemente für eine gegebene Chipfläche, d.
h. die Packungsdichte, ebenso an, wodurch für gewöhnlich ein noch größerer Zuwachs
in der Anzahl der elektrischen Verbindungen erforderlich ist, um
die gewünschte
Schaltungsfunktionalität
bereitzustellen. Daher steigt die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten
für gewöhnlich an,
wenn die Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche größer wird. Da
die Herstellung einer Vielzahl von Metallisierungsschichten die Lösung herausfordernder
Aufgaben erfordert, etwa die mechanische, thermische und elektrische
Zuverlässigkeit
von bis zu 12 gestapelten Metallisierungsschichten, die beispielsweise
für hochentwickelte
Mikroprozessoren auf Aluminiumbasis erforderlich sind, gehen Halbleiterhersteller
zunehmend dazu über,
das gut bekannte Metallisierungsmetall Aluminium durch ein Metall
zu ersetzen, das höhere
Stromdichten und damit das Reduzieren der Abmessungen der Verbindungen
ermöglicht.
Beispielsweise ist Kupfer ein Metall, das im Allgemeinen als aussichtsreicher
Kandidat zum Ersetzen von Aluminium betrachtet wird auf Grund seiner überlegenen Eigenschaften
hinsichtlich der höheren
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration und dem deutlich geringeren elektrischen Widerstand
im Vergleich zu Aluminium.
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Trotz
dieser Vorteile zeigt Kupfer eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich
der Verarbeitung und Handhabung von Kupfer in einer Halbleiterfabrik. Beispielsweise
kann Kupfer nicht effizient in größeren Mengen durch gut etablierte
Abscheideverfahren, etwa die chemische Dampfabscheidung (CVD) auf
ein Substrat aufgebracht werden und kann ferner ebenso wenig effektiv
durch überlicherweise
verwendete anisotrope Ätzprozeduren
strukturiert werden. Bei der Herstellung von Metallisierungsschichten
mit Kupfer wird daher die sogenannte Damaszener-Technik vorzugsweise
verwendet, wobei eine dielektrische Schicht zunächst ganzflächig abgeschieden und anschließend strukturiert
wird, um Gräben und
Kontaktdurchführungen
zu definieren, die anschließend
mit Kupfer gefüllt
werden. Ein weiterer großer
Nachteil von Kupfer ist seine Fähigkeit,
leicht in Siliziumdioxid und anderen Dielektrika mit kleinem ε zu diffundieren.
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Es
ist daher notwendig, ein sogenanntes Barrierenmaterial in Kombination
mit einer Metallisierung auf Kupferbasis zu verwenden, um damit
im Wesentlichen die Diffusion von Kupfer in das umgebende dielektrische
Material zu verringern, da Kupfer leicht in sensible Halbleiterbereiche
wandern kann, wodurch deutlich deren Eigenschaften verändert werden.
Das zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorgesehene
Barrierenmaterial sollte jedoch zusätzlich zu den erforderlichen
Barriereneigenschaften eine gute Haftung zu dem dielektrischen Material
sowie zu dem Kupfer aufweisen und sollte ferner einen möglichst
geringen elektrischen Widerstand besitzen, um nicht unnötig die
elektrischen Eigenschaften der Verbindung zu beeinträchtigen.
In typischen Anwendungen auf Kupferbasis werden Tantal und Tantalnitrid,
einzeln oder in Kombination, sowie Titan und Titannitrid, einzeln
oder in Kombination, erfolgreich als Barrierenschichten eingesetzt.
Es können
jedoch belie bige andere Barrierenschichtstrukturen verwendet werden,
solange die erforderlichen elektrischen, diffusionsbehindernden und
Haft-Eigenschaften erreicht werden.
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Unabhängig von
dem für
die Barrierenschicht verwendeten Material sind Prozessingenieure
bei der ständig
abnehmenden Strukturgröße zunehmend
mit der herausfordernden Aufgabe konfrontiert, eine äußerst dünne Barrierenschicht
innerhalb von Gräben
und Kontaktdurchführungen
mit einem äußerst hohen
Aspektverhältnis
von ungefähr fünf oder
mehr für
eine Grabenbreite oder einen Kontaktführungsdurchmesser von ungefähr 0.2 μm oder sogar
darunter abzuscheiden. Die Dicke der Barrierenschicht muss dabei
so dünn
wie möglich
gewählt werden,
um nicht unnötigerweise "wertvollen" Platz für die Verbindung
zu verschwenden, der mit dem leitfähigeren Kupfer gefüllt werden
sollte, wobei dennoch die Diffusion des Kupfers in das benachbarte Dielektrikum
unterdrückt
oder verhindert werden soll. Das Abscheiden des Barrierenmaterials
in Kontaktdurchführungen
mit großem
Aspektverhältnis,
insbesondere an Seitenwänden
der unteren Bereiche der Kontaktdurchführungen, erfordert verbesserte
Techniken für
physikalische Dampfabscheidungs(PVD)prozesse, die häufig beim
Abscheiden von leitenden Materialien auf einem Substrat verwendet
werden, da für
gewöhnlich
eine verbesserte Ausrichtung der Targetatome, die von einem geeigneten Target
herausgeschlagen werden, erforderlich ist, um die Targetatome zu
der Unterseite der Kontaktdurchführungen
zu lenken.
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Beispielsweise
ist in "Thin, High
Atomic Weight Refractory Film Deposition for Diffusion Barrier,
Adhesion Layer and Seed Layer Applications ", von M. Rossnagel et al., J. Vac. Sci.
Technol. B 14(3), Mai/Juni 1996, ein Verfahren offenbart, um Tantalatome
auf steilen Seitenwänden
von Kontaktdurchführungen
und Gräben
abzuscheiden, wobei eine konventionelle Sputter-Abscheidung ohne
Kollimator bei sehr geringem Druck angewendet wird, um damit das verbesserte
Richtungsverhalten der Tantalatome zu erreichen.
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Im
US-Patent 6306732 von D. D. Brown wird ein Verfahren zum Verbessern
der Richtungseigenschaften der Targetatome vorgeschlagen, wobei
ein ionisierter PVD(IPVD)Prozess in Verbindung mit einem nachfolgenden
Rück-Sputter-Schritt
angewendet wird. In dem ionisierten Sputter-Prozess wird ein spezifizierter
Teil der Targetatome (und der Träger- und
Vorstufengase, wenn diese vorgesehen sind) mittels geeigneter Einrichtungen
ionisiert, und es wird eine Vorspannung zwischen den ionisierten
Atomen und dem Substrat angelegt, um die Atome zu dem Substrat zu
lenken, wobei ein Abstand zwischen dem Target und dem Substrat im
Vergleich zu konventionellen Sputter-Anlagen größer sein kann. Auf Grund der
verbesserten Ausrichtung der Targetatome ist die Unterseitenbedeckung
selbst sehr enger und steiler Kontaktdurchführungen ausgezeichnet, wohingegen
die Seitenwandbedeckung insbesondere in der Nähe der unteren Ecken mäßig ist.
Der anschließende
Rück-Sputter-Schritt
erlaubt es, einen Teil oder im Wesentlichen das gesamte an der Unterseite
gebildete Material zu entfernen und das Material vorzugsweise auf
die unteren Seitenwandbereiche umzuverteilen.
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Obwohl
diese Verfahren eine deutliche Verbesserung gegenüber standardmäßigen Sputter-Prozessen zeigen,
weist das erstgenannte Verfahren eine reduzierte Barrierenschichtdicke
an den Seitenwänden
der Kontaktdurchführung
auf, wodurch eine ungebührlich
lange Abscheidezeit erforderlich ist, wodurch somit eine unverhältnismäßig große Dicke
an der Unterseite geschaffen wird, wohingegen das zuletzt genannte
Verfahren eine deutliche Empfindlichkeit auf selbst geringe Variationen
in der Struktur der Kontaktdurchführungen oder der Gräben zeigt.
Beispielsweise können
variierende Abmessungen, unterschiedliche Seitenwandwinkel oder,
bei extremen Strukturunregelmäßigkeiten,
geringe Erhebungen im Graben zu einer reduzierten und damit nicht
ausreichenden Abdeckung an gewissen Bereichen innerhalb des Grabens
oder der Kontaktdurchführungen
führen.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
100 14 917 A1 offenbart ein Verfahren zum Bilden einer
zweilagigen Kontaktschicht, z. B. zum Herstellen von elektrischen Kontakten
in Kontaktöffnungen.
Die Kontaktschicht wird in zwei Schritten hergestellt, wobei, gemäß einer ersten
Ausführungsform,
der Druck in der Sputter-Kammer im ersten Schritt niedriger ist
als im zweiten. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird während
des zweiten Schrittes eine Wechselspannung angelegt. Die Wechselspannung
dient dem Rücksputtern
von abgeschiedenem Material und führt zu einer verbesserten Bedeckung
des Grabenbodens. Durch das Rücksputtern
können
jedoch Strukturen mit Unregelmäßigkeiten,
wie z. B. geringen Erhebungen, eine unzureichende Abdeckung erfahren.
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Die
Patentschrift
US 6
380 058 B2 offenbart ein Verfahren, wobei eine Barrierenschicht
in einem Bodenbereich einer Durchkontaktierung gebildet wird. Die
Barrierenschicht wird in einem Zweischrittprozess abgeschieden,
wobei in dem zweiten Schritt der Abstand zwischen dem Substrat und
dem Target reduziert wird, wodurch die Dicke der Barrierenschicht
im oberen Bereich der Durchkontaktierung gleichmäßiger gemacht werden kann.
Das Bil den von zuverlässigen
Barrierenschichten in winzigen Öffnungen,
auch wenn diese Oberflächen
mit Unregelmäßigkeiten,
wie kleine Erhebungen, aufweisen, wird nicht offenbart.
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Die
Patentschrift
US 5 963 827 offenbart
ein Verfahren zum Herstellen von Durchkontaktierungen in einem Halbleiterbauteil.
Das Verfahren umfasst das Bilden von ersten und zweiten Kontaktschichten in
einer Durchkontaktierungsöffnung,
wobei der Gasdruck in der Sputter-Kammer zum Bilden der zweiten Schicht
erhöht
wird. Der Zweischichtprozess wird verwendet, um eine Nitridierung
einer darunter liegenden leitenden Schicht zu vermeiden, um den Kontaktwiderstand
zu reduzieren. Das Bilden von zuverlässigen Barrierenschichten in
winzigen Öffnungen,
auch wenn diese Oberflächen
mit Unregelmäßigkeiten, wie kleine Erhebungen, aufweisen, wird nicht
offenbart.
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Die
Veröffentlichung,
Zhong G. und Hopwood J.: Ionized titanium deposition into high aspect ratio
vias and trenches. In: J. Vac. Sci. Technol. B, ISSN 0734-211X,
1999, Vol. 17, No. 2, S. 405–409, bezieht
sich auf eine Abscheidung von Titan in Öffnungen mit hohem Aspektverhältnis. Es
werden die Parameter, die die Bodenbedeckung von Öffnungen mit
hohem Aspektverhältnis
bestimmen, diskutiert. Die Veröffentlichung
bezieht sich nicht auf das Abscheiden konformer Schichten in ausgebildeten Öffnungen.
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Die
Veröffentlichung
der Patentanmeldung WO 03/001590 A2 offenbart ein Verfahren zum
Bilden von Schichtstapeln, wobei sequenzielle Abscheidtechniken,
wie z. B. CVD-Atomlagenabscheidprozesse,
eingesetzt werden. Die Dicke der gebildeten Schicht kann dabei unter
Verwendung elektrischer Schichtwiderstandsmessungen gesteuert werden.
Die Veröffentlichung
bezieht sich nicht auf einen Sputter-Abscheidprozess.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten, die sich aus den bekannten
Verfahren ergeben, ist es daher eine Aufgabe, eine Technik bereitzustellen,
die eines oder mehrere der zuvor genannten Probleme verhindern oder
zumindest deutlich reduzieren kann.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein verbessertes
Abscheideverfahren zum Herstellen einer dünnen leitenden Schicht in Öffnungen
mit großem
Aspektverhältnis
durch Sputter-Abscheidung, wobei ein erster Abscheideschritt eine
ausreichende Bede ckung oberer Bereiche einer Kontaktdurchführung gewährleistet,
wohingegen in einem zweiten Abscheideschritt das Abscheiden vorzugsweise
an den unteren Bereichen verbessert wird, indem die allgemeine Ausrichtung
der Targetatome und der Ionen vergrößert wird, während auch das
Streuen der Targetatome und Ionen durch beispielsweise Erhöhen eines
Druckes in der Abscheideatomsphäre
vergrößert wird.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Abscheiden
einer ersten Schicht eines leitenden Materials auf einem Substrat
mit einer darin gebildeten Öffnung
in einer Sputter-Abscheideatmosphäre mit einem ersten Zustand
mit einem Druck eines ersten Wertes und einer Vorspannungsleistung mit
einem ersten Wert zum Beschleunigen von Targetionen in Richtung
des Substrats. Ferner wird ein zweiter Zustand für die Sputter-Abscheideatmosphäre erzeugt,
indem die Vorspannungsleistung und der Druck auf einen zweiten Wert
erhöht
wird, wobei eine plasmaerzeugende Leistung oder ein Anteil der ionisierten
Partikel der Sputter-Abscheideatmosphäre im Wesentlichen konstant
gehalten wird. Eine zweite Schicht aus leitendem Material wird in
der Sputter-Abscheideatmosphäre
abgeschieden, wenn die Sputter-Abscheideatmosphäre sich im zweiten Zustand
befindet.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Abscheiderate in einem ionisierten
Sputter-Abscheideprozess die folgende Sequenz: a) Bereitstellen
eines Substrats mit mindestens einer darauf ausgebildeten Kontaktdurchführungsöffnung mit
einem oberen Bereich und einem unteren Bereich; b) Erzeugen einer
Abscheideatmosphäre
um das Substrat herum mit einem spezifizierten Druck und einer spezifizierten
Vorspannungsleistung zum Lenken von Targetionen in Richtung auf
das Substrat; c) Bestimmen einer Dicke einer abgeschiedenen Schicht
an dem oberen Bereich und dem unteren Bereich der Kontaktdurchführungsöffnung;
und d) Erhöhen
der Vorspannungsleistung und/oder des Druckes, wenn ein Absolutbetrag
einer Differenz der Dicke an dem unteren Bereich und dem oberen
Bereich kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden mittels
Sputter-Abscheidung einer leitenden Materialschicht über einer
Verbindungsöffnung,
die in einem Substrat gebildet ist, wobei eine Vorspannungsleistung
zum Erhöhen
einer Ausrichtung von Abscheidepartikeln und ein Druck so gewählt sind, um
eine größere Dicke
der leitenden Materialschicht an einem oberen Bereich der Verbindungsöffnung im Vergleich
zu einem unteren Bereich bereitzustellen. Danach werden die Vorspannungsleistung
und der Druck erhöht
und das Herstellen der leitenden Materialschicht wird fortgesetzt,
um im Wesentlichen die leitende Materialschicht an dem unteren Bereich
abzuscheiden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen studiert
wird; es zeigen:
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1a bis 1c schematisch
Querschnittsansichten einer Metallisierungsstruktur während diverser
Herstellungsphasen gemäß anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in Zeichnungen
dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende
detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen,
die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten
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.
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In
den folgenden anschaulichen Ausführungsformen
wird auf eine Barrierenschicht auf der Grundlage von Tantal und/oder
Tantalnitrid verwiesen, da diese Materialien gegenwärtig als
die am vielversprechendsten Kandidaten zur Herstellung von Metallisierungsschichten
auf Kupferbasis erscheinen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
können
jedoch auf andere Barrierenmaterialien, etwa auf Barrierenschichten
auf Grundlage von Titan/Titannitrid, oder auf Barrierenschichten,
die die Aufnahme dreier oder mehrerer Komponenten erfordern, wenn Bauteilerfordernisse
Barrieren- und Hafteigenschaften notwendig machen, die sich von
jenen unterscheiden, die von einer Barrierenschicht auf Grundlage
von Tantal/Tantalnitrid hervorgerufen, angewendet werden. Obwohl
ferner die vorliegende Erfindung insbesondere vorteilhaft ist, wenn
diese auf Metallisierungsschichten auf Kupferbasis angewendet wird, die
häufig
dielektrische Materialien mit kleinem ε anstelle des gut etablierten
Siliziumdioxid/Siliziumnitrid-Schichtstapels aufweisen, können andere
Metalle ver wendet werden, falls diese für spezielle Anwendungen geeignet
sind. Ferner sind die hierin gezeigten und beschriebenen Metallisierungsstrukturen
lediglich anschaulicher Natur und können eine beliebige Form und
Gestalt annehmen, wie dies in modernen integrierten Schaltungen
mit Öffnungen
in Form von Kontaktdurchführungen
und Gräben
mit einem Aspektverhältnis
von ungefähr
fünf und
mehr angemessen ist. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht
auf eine spezielle offenbarte Ausführungsform eingeschränkt betrachtet
werden, sofern derartige Einschränkungen
nicht ausdrücklich
in den angefügten
Patentansprüchen
aufgeführt
sind.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1c werden nun
weitere anschauliche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In 1a umfasst
eine Halbleiterstruktur 100, die hier in Form einer Dual-Damaszener-Metallisierungsstruktur
präsentiert
ist, ein Substrat 101, das diverse Materialschichten (nicht
gezeigt) sowie Schaltungselemente (nicht gezeigt) aufweisen kann, wobei
zu zumindest einigen ein elektrischer Kontakt geschaffen werden
soll durch Verbindungen, die in der Halbleiterstruktur 100 herzustellen
sind. Für
eine technisch sehr fortgeschrittene Halbleiterstruktur 100 kann
das Substrat 101 eine darauf ausgebildete Isolierschicht 102 aufweisen,
die aus einem dielektrischen Material mit kleinem ε aufgebaut
ist, d. h. aus einem Material mit einer geringen Permittivität, etwa aus
Siliziumkarbidhydroxid (SiCOH), und dergleichen. Metallgebiete 103 sind
in der Isolierschicht 102 gebildet, wobei abhängig von
der Art des Materials der Isolierschicht 102 und der Art
des Metalls in den Metallgebieten 103 eine oder mehrere
Barrierenschichten, die gemeinsam als 104 bezeichnet sind, vorgesehen
sein können.
Zum Beispiel kann die Barrierenschicht 104 Tantal und/oder
Tantalnitrid aufweisen, wenn die Metallgebiete 103 Kupfer
enthalten, da Tantal und Tantalnitrid gegenwärtig als die am vielversprechendsten
Kandidaten für
eine effektive Barrieren- und Haftschicht in Metallisierungsschichten auf
Kupferbasis erachtet werden. Eine zweite Isolierschicht 105 ist über der
Isolierschicht 102 und teilweise über den Metallgebieten 103 gebildet,
wobei typischerweise eine dünne
dielektrische Ätzstop-
und Barrierenschicht 106 zwischen den Isolierschichten 102 und 105 vorgesehen
ist. Beispielsweise kann die zweite Isolierschicht 105 SiCOH
aufweisen und die Ätzstopschicht 106 kann
stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid aufweisen. Es können jedoch
auch andere Materialzusammensetzungen verwendet werden. Beispielsweise
können
in Bauteilen mit weniger kritischen Anforderungen hinsichtlich der
Signalausbreitungsverzögerung
auf Grund der hohen Kopplungskapazität benachbarter Metallgebiete
die zweite Isolierschicht 105 und die Ätzstopschicht 106 Siliziumdioxid
bzw. Siliziumnitrid aufweisen. Kontaktdurchführungsöffnungen 107 und eine
Grabenöffnung 108 sind
in der zweiten Isolierschicht 105 und der Ätzstopschicht 106 gebildet.
Eine Breite des Grabens 108 kann im Bereich von ungefähr 0.2 bis
2.0 μm in technisch
fortschrittlichen Bauteilen liegen, und ein Durchmesser der Kontaktdurchführungsöffnungen kann
im Bereich von ungefähr
0.1 μm bis
0.3 μm liegen,
wobei eine Tiefe der Kontaktdurchführungsöffnungen 107 im Bereich
von ungefähr
0.5 μm bis
1,5 μm oder
noch mehr liegen kann. Somit kann das Aspektverhältnis der Kontaktdurchführungsöffnungen 107 ungefähr fünf oder
größer sein.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
auf Halbleiterstrukturen anwendbar sind, die Gräben und Öffnungen in den oben spezifizierten
Bereichen aufweisen. Es sind jedoch auch beliebige andere Bauteilabmessungen
zum Ausführen
der vorliegenden Erfindung geeignet. Insbesondere sind der Graben
und die Kontaktdurchführungsöffnungen 108, 107 lediglich
anschaulicher Natur und typischerweise kann die Halbleiterstruktur 100 ebenso
gering beabstandete Gräben
und Kontaktdurchführungen
und/oder isolierte Gräben
und Kontaktdurchführungen
sowie Kontaktdurchführungen
ohne einen umgebenden Graben aufweisen.
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Die
Kontaktdurchführungs-
und Grabenöffnungen 107, 108 weisen
einen oberen Bereich 110 und einen unteren Bereich 111 auf,
wobei der obere Bereich 110 die Seitenwand der Grabenöffnung 108 enthält und der
untere Bereich 111 die Unterseite der Kontaktdurchführungsöffnungen 107 und
die Seitenwände
benachbart zu der Unterseite der Kontaktdurchführungsöffnungen 107 beinhaltet.
Insbesondere kann es schwierig sein, den unteren Bereich 111 mit
einer Barrierenschicht zuverlässig
abzudecken, wie dies detaillierter im Weiteren erläutert ist.
Die Grabenöffnung 108 kann
an ihrer Unterseite eine Erhebung 109 auf Grund prozessspezifischer
Variationen aufweisen, wie dies nachfolgend erläutert ist. Die Erhebung 109 kann
eine beliebige typische Variation in der Struktur moderner integrierter
Halbleiterbauelemente repräsentieren
und derartige strukturelle Variationen können die Bauteilzuverlässigkeit
gefährden,
wenn diese nicht in geeigneter Weise in nachfolgenden Prozessen
berücksichtigt
werden, etwa bei der Ausbildung einer Barrierenschicht, die zuverlässig die
gesamte Oberfläche
der dielektrischen Schicht 105 abdeckt. Wie zuvor erläutert ist,
können insbesondere
strukturelle Variationen, etwa wie die Erhebung 109, die
sich in diversen Konfigurationen in Abhängigkeit von Prozessfluktuationen
und strukturellen Be sonderheiten ausbilden, nicht in ausreichender
Weise durch die zuvor beschriebenen Abscheide- und Rück-Sputter-Verfahren
bedeckt werden.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 100,
wie sie in 1 gezeigt ist, kann die
folgenden Prozesse umfassen. Nach der Herstellung der Isolierschicht 102 durch
gut etablierte Abscheidetechniken, etwa die plasmaunterstützte chemische
Dampfabscheidung (PECVD), werden die Metallgebiete 103 durch Ätz-, Abscheide-
und Plattierungsprozesse gebildet, die ähnlich sind zu jenen, die im
Folgenden mit Bezug zu der zweiten Isolierschicht 105 und
den Kontaktdurchführungs-
und Grabenöffnungen 107, 108 beschrieben
sind. Folglich ist eine Beschreibung dieser Schritte weggelassen.
Anschließend
werden die Ätzstop/Barrierenschicht 106 und
zweite Isolierschicht 105 durch geeignete Herstellungstechniken
(PECVD) für
Siliziumkarbid und SiCOH, oder Siliziumnitrid und Siliziumdioxid
gebildet. In anderen Ausführungsformen
kann ein Material mit kleinem ε für die Isolierschicht 105 vorgesehen sein
und kann durch Aufschleudern aufgebracht werden. Anschließend wird
ein Photolithographieschritt, der das Anwenden einer antireflektierenden
Beschichtung (ARC) und einer Lackschicht (beide Schichten sind nicht
gezeigt) beinhaltet, gefolgt von der Belichtung und der Entwicklung
der Lackschicht ausgeführt.
Danach werden Öffnungen
in einen oberen Bereich der Isolierschicht 105 gemäß dem angewendeten
Damaszener-Verfahren geätzt.
Beispielsweise können
die Kontaktdurchführungsöffnungen 107 zuerst
definiert werden und in einem nachfolgenden Photolithographieschritt
wird die Grabenöffnung 108 zusammen
mit den Kontaktdurchführungsöffnungen 107 in
dem unteren Bereich der Isolierschicht 105 gebildet. Es
können
jedoch auch andere Photolithographie- und Ätzsequenzen angewendet werden. Die
Erhebung 109 kann während
des Grabenätzprozesses
auf Grund von beispielsweise unvollständiger Lackentwicklung, die
durch innerhalb des Materials mit kleinem ε der Isolierschicht 105 diffundierenden Stickstoffverbindungen
hervorgerufen wird, was auch als Lackvergiftung bezeichnet wird,
gebildet werden. Das Vorhandensein von Strukturunregelmäßigkeiten, etwa
der Erhebung 109, kann stark von den verwendeten Materialien,
den Abmessungen der Öffnungen 107, 108,
Prozessfluktuationen und dergleichen abhängen und kann dem nachfolgenden
Abscheideprozess zur Herstellung einer leitenden Barrierenschicht auf
allen freigelegten dielektrischen Oberflächen ohne eine unmäßige Überschussdicke
zu erfordern, um die minimale erforderliche Dicke an den kritischen Bereichen,
etwa den unteren Bereichen 111 und der Erhebung 109 bereitzustellen,
eine große „Bürde" auferlegen.
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1b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 109, die einer Abscheideatmosphäre 120 ausgesetzt
ist. Die Abscheideatmosphäre 120 soll alle
Parameter beschreiben, die eine Sputter-Abscheidung eines leitenden
Materials auf der Halbleiterstruktur 100 beeinflussen.
Somit repräsentiert
die Abscheideatmosphäre 120 eine
gasförmige
Umgebung mit Targetatomen und Ionen 121 und Trägergasatomen
und Ionen 122, die mit einem spezifizierten Druck, der
durch P1 bezeichnet ist und der in einer Ausführungsform im Bereich von ungefähr 1 mTorr bis
5 mTorr liegen kann, bereitgestellt werden. Ferner kann eine Vorspannung,
die durch V1 bezeichnet ist, in der Abscheideatmosphäre 120 erzeugt
werden, indem eine entsprechende Vorspannungsleistung der Abscheideatmosphäre 120 zugeführt wird.
In einer Ausführungsform
kann die Vorspannungsleistung, die der Abscheideatmosphäre 120 zugeführt wird,
im Bereich von ungefähr
0 bis 300 Watt liegen, wohingegen in anderen Ausführungsformen
die Vorspannungsleistung im Bereich von ungefähr 0 bis 50 Watt gewählt werden
kann. Die die Abscheideatmosphäre 120 in 1b definierenden
Parameter, insbesondere die Werte des Drucks P1 und der Vorspannung
V1, repräsentieren
einen ersten Zustand der Abscheideatmosphäre 120. In einer Ausführungsform
kann die Abscheideatmosphäre 120 Tantal
in atomarer und ionischer Form als das Targetmaterial, d. h. als
das abzuscheidende Material, und Argon in atomarer und ionischer
Form als ein inertes Material, das zur Freisetzung der Targetatome
aus einem geeigneten Sputter-Target (nicht gezeigt) erforderlich
ist, aufweisen. Auf Grund der Kinetik innerhalb der Abscheideatmosphäre 120 können Atome
und Ionen des inerten Materials ebenso mit einer gewissen Menge
auf der Halbleiterstruktur 100 abgeschieden werden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann die Abscheideatmosphäre 120 zusätzlich Stickstoffatome und
Ionen (nicht gezeigt) – zumindest
zeitweilig – aufweisen,
um eine Metallnitridverbindung kontinuierlich oder periodisch oder
zeitweilig abzuscheiden, indem entsprechend Stickstoff der Abscheideatmosphäre 120 zugeführt wird.
In anderen Ausführungsformen kann
die Abscheideatmosphäre 120 Titanionen
und Atome aufweisen und in einer noch weiteren Variante kann zusätzlich Stickstoff
kontinuierlich, periodisch oder zeitweilig vorhanden sein.
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Das
Verhältnis
von ionisierten Partikeln zu atomaren Partikeln in der Abscheideatmosphäre 120 kann
durch eine Ionisierungsleistung oder eine Plasmaerzeugungsleistung,
die der Abscheideatmosphäre 120 zugeführt wird,
bestimmt werden und kann im Bereich von ungefähr 1 bis 40% liegen. In einer
Ausführungsform
kann eine plasmaerzeugende Leistung von ungefähr 15 bis 25 Kilowatt geeignet
sein, um eine gewünschte
Atom- und Ionendichte innerhalb der Abscheideatmosphäre 120 für überlicherweise verwendete
Sputter-Abscheideanlagen
zu erzeugen. Die Abscheideatmosphäre 120 kann durch
eine beliebige geeignete Sputter-Abscheideanlage errichtet und eingeschlossen
werden, die in der Lage ist, einen ionisierten Sputter-Abscheideprozess
auszuführen.
Beispielsweise kann eine SIP-Anlage,
die von der Firma Applied Materials Inc. beziehbar ist, als eine
Einrichtung zum Erzeugen und Einschließen der Abscheideatmosphäre 120 verwendet
werden.
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1b zeigt
ferner eine erste Barrierenschicht 112, die im Wesentlichen
die in der Abscheideatmosphäre 120 vorhandenen
Materialien aufweist, wobei die Menge der inerten Komponente 122, etwa
das Argon, typischerweise deutlich geringer als die Menge der Target
und/oder Zusatzkomponente aufgrund der sputterspezifischen Kinetik
in der Abscheideatmosphäre 120 ist.
Eine Dicke der ersten Barrierenschicht 112 an dem oberen
Bereich 110, die als 113 bezeichnet ist, ist größer als
die Dicke an dem unteren Bereich 111 auf Grund der Parametereinstellung,
die den ersten Zustand der Abscheideatmosphäre 120 definiert.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der ersten Barrierenschicht 112 und
zum Erzeugen der Abscheideatmosphäre 120 mit dem ersten
Zustand kann die folgenden Schritte aufweisen. Zunächst wird
das Substrat in eine geeignete Sputter-Anlage (nicht gezeigt) mit
einem festen Targetmaterial, beispielsweise in Form einer Elektrodenplatte, eingeführt. Durch
Einspeisen eines inerten Trägergases,
etwa Argon, und Zuführen
elektrischer Leistung, etwa als DC-Leistung, zu dem Bereich der
Anlage in der Nähe
des Sputter-Targets wird ein Plasma erzeugt, das einen Beschuss
mit geladenen Partikeln hervorruft, wodurch wiederum Targetatome
aus dem Sputter-Target herausgelöst
werden. Der Druck P1 wird eingestellt, indem eine Durchflussrate
des inerten Trägergases
und das Abführen
gasförmiger
Komponenten aus der Sputter-Anlage gesteuert wird. Durch Zuführen einer
Vorspannungsleistung zu der Abscheideatmosphäre 120, d. h. es wird
eine Gleichspannung zwischen dem Target und der Halbleiterstruktur 100 angelegt,
kann ein Teil der Targetatome und typischerweise ein kleinerer Teil
des inerten Gases auf Grund des höheren Ionisierungspotenzials des
inerten Gases ionisiert und Richtung der Struktur in stärker gerichteter
Weise als die verbleibenden nicht ionisierten Partikel beschleunigt
werden. In anderen Sputter-Anlagen kann der Teil der ionisierten Target-
und Inertgasatome durch die Leistung bestimmt werden, die der Plasmaerzeugungseinrichtung
zugeführt
wird und die Vorspan nungsleistung, die die Vorspannung V1 im Wesentlichen
bestimmt, steuert die Beschleunigung der geladenen Teilchen in Richtung
auf die Struktur 100, wodurch die wesentliche Richtung
bzw. Ausrichtung der Teilchen bestimmt ist. Die Bahnen der Teilchen,
die sich in Richtung der Struktur bewegen, hängt ferner von dem Abstand
des Sputter-Targets von der Struktur 100 und dem Druck
P1 ab, da diese Größen die
Anzahl der Streuereignisse bestimmen, die ein Teilchen auf seinem
Weg zu der Struktur 100 ausführt. Somit kann für einen
gegebenen Abstand die Ausrichtung auch durch den Druck in der Abscheideatmosphäre 120 beeinflusst
werden. Mit den zuvor spezifizierten Bereichen für den Druck P1 und die Vorspannung
V1 mit einem Abstand von ungefähr
20 bis 40 cm, wie dies in verfügbaren
ionisierenden Sputter-Anlagen üblicherweise
der Fall ist, werden die Targetatome und die Ionen 121,
die sich zu der Struktur 100 bewegen, hauptsächlich an
horizontalen Bereichen und an den oberen Bereichen 110 abgeschieden,
wobei die Zusammensetzung der ersten Barrierenschicht 112 von
dem Targetmaterial und den zusätzlichen
Vorstufengasen, die der Abscheideatmosphäre 120 zugeführt werden,
abhängt.
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1c zeigt
schematisch die Struktur 100, wenn diese der Abscheideatmosphäre 120 in
einem zweiten Zustand ausgesetzt ist, der durch einen zweiten Druck
P2 und eine zweite Vorspannung V2 definiert ist, wobei der zweite
Druck und die zweite Vorspannung höher als der erste Druck P1
und die erste Vorspannung V1 sind. Die Bewegung der Targetionen 121 und
des ionisierten inerten Gases 122 ist im Allgemeinen stärker gerichtet
auf Grund der erhöhten
Vorspannung V2, d. h. ein größerer Anteil
an ionisierten Partikel bewegt sich unter der Kontrolle der erhöhten Vorspannung
V2 im Vergleich zu dem ersten Zustand der Abscheideatmosphäre 120,
der in 1b gezeigt ist. Um eine breitere
Verteilung der sich im Wesentlichen in Richtung auf den unteren
Bereich 111 zu bewegenden Ionen zu erreichen, kann der
Druck P2 im Vergleich zu dem Druck P1 erhöht werden, um die Anzahl der
Streuereignisse zu vergrößern, die
insbesondere innerhalb der "Fein"-struktur auftreten,
die durch die Kontaktdurchführungsöffnungen 107 gebildet
ist, wodurch ein Abscheiden von Targetmaterial vorzugsweise an den
unteren Bereichen 111 erreicht wird. Somit wird der zweite
Zustand der Abscheideatmosphäre 120 so
gewählt,
um die Anzahl der Streuereignisse auf kleinem Maßstabe zu erhöhen, während die
erhöhte
Vorspannung V2 eine verstärkte
Bewegung in Richtung auf die Struktur 100 erzeugt. Ohne
die vorliegende Erfindung darauf einzuschränken, wird angenommen, dass
die mittlere freie Weglänge
der Partikel während
dieser Streuereignisse auf kleinem Maßstab von der Größenordnung
der strukturellen Abmessungen von Kontaktdurchführungsöff nungen 107 ist,
woraus sich eine verbesserte Abscheiderate an dem unteren Bereich 111 ergibt.
In einer Ausführungsform
ist der zweite Zustand durch die Vorspannung V2, die durch eine Vorspannungsleistung
im Bereich von ungefähr
400 bis 600 Watt erzeugt wird, definiert. In einer weiteren Ausführungsform
beträgt
die zur Erzeugung der zweiten Vorspannung V2 zugeführte Vorspannungsleistung
ungefähr
500 Watt oder mehr. Es sollte beachtet werden, dass die zuvor spezifizierte
Vorspannungsleistung sich auf geometrische und strukturelle Besonderheiten
von gegenwärtig
erhältlichen
ionisierenden Sputter-Anlagen
bezieht. In künftigen
Gerätegenerationen
können
jedoch unterschiedliche Anlagenkonfigurationen eine Anpassung der
Parameterweite erfordern, die den zweiten Zustand der Abscheideatmosphäre 120 spezifizieren.
Eine entsprechende Prozedur wird später erläutert.
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In
einer speziellen Ausführungsform
liegt der Druck P2 der Abscheideatmosphäre 120 in einem Bereich
von ungefähr
8 bis 15 mTorr, wohingegen in anderen Ausführungsformen der Druck P2 ungefähr 10 mTorr
oder höher
beträgt.
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1c zeigt
ferner die Struktur 100 mit einer zweiten Barrierenschicht 115,
die über
der ersten Barrierenschicht 112 gebildet ist. Eine Dicke
der zweiten Barrierenschicht 115 an dem oberen Bereich 110,
die als 116 bezeichnet ist, ist geringer als eine Dicke
an dem unteren Bereich 111, die als 117 bezeichnet
ist. Die zweite Barrierenschicht 115 kann Tantal und/oder
Tantalnitrid, Titan und/oder Titannitrid und andere geeignete Materialien
aufweisen.
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Ein
typischer Prozessablauf zum Erzeugen des zweiten Zustandes der Abscheideatmosphäre 120 und
zur Herstellung der zweiten Barrierenschicht 115 kann die
folgenden Schritte aufweisen. Der zweite Druck P2 und die zweite
Vorspannung V2 sowie die Materialzusammensetzung innerhalb der Abscheideatmosphäre 120 kann
in ähnlicher
Weise erreicht werden, wie dies bereits in Bezug auf den ersten
Zustand beschrieben ist, wobei jedoch Parameterwerte verwendet werden,
wie sie zuvor für
P2 und V2 spezifiziert sind. In einer Ausführungsform können, beginnend
von dem ersten Zustand, die restlichen Parameter im Wesentlichen
konstant gehalten werden, während
der Druck und die Vorspannung auf die Werte P2 und V2 eingestellt
werden. Zum Beispiel kann die plasmaerzeugende Leistung im Wesentlichen
konstant gehalten werden, um eine ähnliche Materialzusammensetzung
der Abscheideatmosphäre 120 im
ersten und im zweiten Zustand bereitzustellen, oder der Teil der
ionisierten Partikel im Vergleich zu den nicht ionisierten Partikel
kann im Wesentlichen konstant gehalten werden. In einer weiteren
Ausführungsform
kann ein zusätzliches
Vorstufengas, etwa Stickstoff, der Abscheideatmosphäre 120 kontinuierlich,
periodisch oder zeitweilig zugesetzt werden, um eine gewünschte Zusammensetzung
der Barrierenschicht 115 zu erreichen. Die Materialzusammensetzung
der ersten Barrierenschicht 112 und der zweiten Barrierenschicht 115 kann
im Wesentlichen die gleiche sein, oder entsprechend einer weiteren
Ausführungsform
unterschiedlich zueinander sein. Zum Beispiel kann die erste Barrierenschicht 112 Tantalnitrid
aufweisen, um verbesserte Hafteigenschaften an dem oberen Bereich 110 zu
erhalten, während
die zweite Barrierenschicht 115 mit der größeren Dicke 117 an
dem unteren Bereich 112 im Wesentlichen Tantal aufweisen
kann, um den elektrischen Kontaktwiderstand zu den darunter liegenden
Metallgebieten 103 zu verringern. In anderen Variationen
kann jedoch die Zusammensetzung der ersten und der zweiten Barrierenschicht 112 und 115 entsprechend
den Bauteilerfordernissen ausgewählt werden.
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Obwohl
es in den meisten Anwendungen vorteilhaft sein kann, von dem ersten
Zustand in den zweiten Zustand überzugehen,
ohne die wesentlichen Bedingungen der Abscheideatmosphäre 120 zu ändern, d.
h. beispielsweise ohne die Unterdruckbedingung zu unterbrechen,
kann es in manchen Ausführungsformen
als geeignet erachtet werden, einen Übergangsschritt zwischen dem
ersten und dem zweiten Zustand durchzuführen, um gewisse Prozessreste
zu entfernen, oder um sogar eine unterschiedliche Umgebung zu schaffen,
möglicherweise durch
Anwendung einer anderen Anlage, um Material abzuscheiden oder anderweitig
die Struktur 100 zu behandeln, die die darauf ausgebildete
Barrierenschicht 112 aufweist. Anschließend kann die zweite Barrierenschicht 115 durch
Erzeugen der Abscheideatmosphäre 120 mit
dem zweiten Zustand gebildet werden.
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Nach
der Abscheidung der zweiten Barrierenschicht 115 enthält die Struktur 100 einen
kombinierten Barrierenschichtstapel 112, 115,
der eine kombinierte Dicke aufweist, die im Vergleich zu konventionellen
Barrierenabscheidetechniken gleichförmig ist und ausreicht, die
geforderten Barrieren- und Hafteigenschaften bereitzustellen, aber
dennoch dünn
genug ist, um nicht unnötig
Platz für
das hochleitende Material zu "verschwenden", das in die Graben-
und Kontaktdurchführungsöffnungen 108, 107 einzufüllen ist.
Messungen zeigten, dass auch an strukturellen Unregelmäßigkeiten,
etwa der Erhebung 109, eine zuverlässige Bedeckung erreicht wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können eine
oder mehrere Teststrukturen mit einer Konfiguration, die jener einer
interessierenden tatsächlichen Produktstruktur ähnlich ist,
vorbereitet und gemäß den mit
Bezug zu 1c beschriebenen Schritten, die
den zweiten Zustand der Abscheideatmosphäre 120 darstellen,
bearbeitet werden. Da die Parametereinstellung, die das Streuen
im kleinen Maßstab
innerhalb der Abscheideatmosphäre 120 definiert,
von Anlageneigenheiten abhängen
kann, können
der Druck und/oder die Vorspannungsleistung, d. h. die Vorspannung,
variiert werden, um optimale Werte für die entsprechenden Parameter
zu ermitteln. Dazu kann die Dicke der Barrierenschicht, etwa der
zweiten Barrierenschicht 115, beispielsweise durch Rastelektronenmikroskopie,
oder durch Leitfähigkeitsmessungen
bestimmt werden, um geeignete Werte für Druck und Vorspannungsleistung
für eine
gegebene Abscheideanlage zu erhalten. Für eine gewünschte Differenz der Dicke
an einem oberen Bereich, etwa dem Bereich 110, und einem
unteren Bereich, etwa dem Bereich 111, die eine gewünschte Differenz
der Abscheiderate an diesen Bereichen kennzeichnet, kann dann die
entsprechende Parametereinstellung aus den Messdaten bestimmt werden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann die Teststruktur mehrere Öffnungen
mit unterschiedlichen Abmessungen aufweisen, um eine Abhängigkeit
zwischen den Anlagenparametern, der Schichtdicke und den strukturellen
Eigenheiten der Teststruktur zu erhalten. Aus dieser Abhängigkeit
können dann
geeignete Parameterwerte für
mehrere unterschiedliche Abscheideanlagen und mehrere Strukturarten
bestimmt werden.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zum Herstellen
einer dünnen
leitfähigen Schicht
in Öffnungen
mit großem
Aspektverhältnis bei
minimalen Anlagenkosten in zuverlässiger und reproduzierbarer
Weise bereit, indem in einem ersten Schritt eine Abscheidung mit
reduzierter Ausrichtung der Targetpartikel ausgeführt wird,
um ein vermehrtes Abscheiden an oberen Bereichen der Öffnungen zu
erzielen. In einem nachfolgenden Abscheideschritt wird die Abscheideatmosphäre so eingestellt, dass
ein Gleichgewicht zwischen der größeren übergeordneten Ausrichtung und
einer reduzierten mittleren freien Weglänge so erreicht wird, um vorzugsweise
Material an unteren Bereichen der Öffnungen abzuscheiden. Folglich
kann ein Abscheideverhalten ähnlich
zu konventionellen Abscheide/Rück-Sputter-Techniken
erreicht werden, wobei jedoch teuere Anlagenmodifikationen in der
Sputter-Anlage vermieden werden können und, was wichtiger ist,
wobei die Empfind lichkeit für
strukturelle Unregelmäßigkeiten deutlich
reduziert wird. Somit werden die Zuverlässigkeit und die Kosteneffizienz
verbessert.
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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 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.