-
HINTERGRUND
DER VOLIEGENDEN ERFINDUNG
-
Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten,
die gut leitfähige
Metalle, etwa Kupfer, aufweisen, die in einem dielektrischen Material eingebettet
sind.
-
BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
-
In
modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge von
Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen hinsichtlich der
Geschwindigkeit und/oder der Leistungsaufnahme ständig verbessert wurden.
Wenn die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich verringert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird,
wird auch der verfügbare Platz
für Verbindungsleitungen,
die elektrisch die einzelnen Schaltungselemente verbinden, ebenso
reduziert. Folglich müssen
auch die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verkleinert werden,
um dem verringerten Anteil an verfügbarem Platz und der erhöhten Anzahl
an Schaltungselementen, die pro Chip vorgesehen sind, Rechnung zu
tragen. In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von
ungefähr
100 nm oder weniger ist ein begrenzender Faktor für die Bauteilleistungsfähigkeit
die Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen
wird. Wenn die Kanallänge
dieser Transistorelemente kleiner als 100 nm ist, stellt sich jedoch
heraus, dass die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren
begrenzt ist, sondern dass diese auf Grund der erhöhten Schaltungsdichte
durch den geringen Abstand der Verbindungsleitungen beschränkt ist,
da die Kapazität
von Leitung zu Leitung erhöht
und die Leitfähigkeit
dieser Leitungen auf Grund der reduzierten Querschnittsfläche, die
durch den verringerten verfügbaren
Platz erzwungen wird, verringert ist. Die parasitären RC-Zeitkonstanten
erfordern daher die Einführung
neuer Arten von Materialien für
die Herstellung von Metallisierungsschichten.
-
Herkömmlich wurden
Metallisierungsschichten aus einem dielektrischen Schichtstapel
mit beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid gebildet,
wobei Aluminium als typisches Metall verwendet wurde. Da Aluminium
eine merkliche Elektromigration bei höheren Stromdichten aufweist,
die bei integrierten Schaltungen mit äußerst größenreduzierten Strukturelementen
erforderlich sind, wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt,
das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand und eine höhere Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration aufweist.
-
Die
Einführung
von Kupfer zieht jedoch gewisse Problem nach sich, die es zu lösen gilt.
Beispielsweise kann Kupfer nicht in größeren Mengen in effizienter
Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa die chemische
oder physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden. Des weiteren
kann Kupfer nicht in wirksamer Weise durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden, und daher wird die sogenannte Damaszener-Technik
bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen
eingesetzt. Typischerweise wird bei der Damaszener-Technik die dielektrische
Schicht zuerst abgeschieden und anschließend mit Gräben und Kontaktöffnungen
strukturiert, die nachfolgend mit Kupfer durch Galvanisierungsverfahren,
etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, gefüllt werden.
-
Ein
weiteres Problem bei der Kupfertechnologie ist die Fähigkeit
des Kupfers, gut in Siliziumdioxid zu diffundieren. Daher kann die
Kupferdiffusion das Bauteilverhalten negativ beeinflussen oder kann selbst
einen vollständigen
Ausfall des Bauteils hervorrufen. Es ist daher notwendig, eine Diffusionsbarrierenschicht
zwischen den Kupferoberflächen
und den benachbarten Materialien vorzusehen, um im Wesentlichen
zu vermeiden, dass Kupfer in empfindliche Bauteilgebiete wandert.
Dabei kann die Diffusionsbarrierenschicht auch dazu dienen, die
Haftung zu verbessern und der Struktur eine verbesserte mechanische
Stabilität
zu verleihen.
-
Siliziumnitrid
ist als wirksame Kupferdiffusionsbarriere bekannt und wird daher
häufig
als dielektrisches Barrierenmaterial verwendet, das eine Kupferoberfläche von
einer dielektrischen Zwischenschicht, etwa Siliziumdioxid, trennt.
Wie zuvor angemerkt ist, ist das Bauteilverhalten von äußert größenreduzierten
integrierten Schaltungen im Wesentlichen durch die parasitären Kapazitäten benachbarter Verbindungsleitungen
begrenzt, die durch Verringern des Widerstands und durch Reduzieren
der kapazitiven Ankopplung reduziert werden können, indem die gesamte dielektrische
Konstante so klein wie möglich gehalten
wird. Da Siliziumnitrid eine relativ hohe dielektrische Konstante ε von ungefähr 7 im
Vergleich zu Siliziumdioxid (ε < 4) oder anderen
dielektrischen Materialien mit kleinem ε auf Siliziumdioxidbasis (ε < 4) aufweist, werden
häufig
Barrierenschichten auf der Basis von Siliziumkarbid verwendet. Ferner
kann Siliziumkarbid eine erhöhte
Bindungsfähigkeit
an der Grenzfläche
zu Materialien mit kleinem ε im
Vergleich zu Siliziumnitrid bereitstellen.
-
Obwohl
Kupfer bessere Eigenschaften hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration im Vergleich zu beispielsweise Aluminium zeigt,
führt die
weitergehende Reduzierung der Strukturgrößen zu einer weiteren Abnahme
der Größe von Kupferleitungen
und damit zu erhöhten Stromdichten
in diesen Leitungen, wodurch wiederum ein nicht akzeptables Maß an Elektromigration trotz
der besseren Eigenschaften des Kupfers hervorgerufen wird. Elektromigration
ist ein Diffusionsphänomen,
das unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes auftritt und zu
einer Metalldiffusion in Richtung der sich bewegenden Ladungsträger führt, wodurch
letztlich Hohlräume
in den Metallleitungen erzeugt werden, die einen Bauteilausfall
verursachen können.
Im Falle von Kupfer hat sich bestätigt, dass diese Hohlräume typischerweise
an der Grenzfläche des
Kupfers und der Diffusionsbarriere entstehen und einen der wichtigsten
Diffusionswege in Kupfermetallisierungsstrukturen darstellen. Es
ist daher von großer
Bedeutung, Grenzflächen
hoher Qualität
zwischen dem Kupfer und der Diffusionsbarriere, etwa der Siliziumnitridschicht
oder Siliziumkarbidschicht, herzustellen, um die Elektromigration
auf ein akzeptables Maß zu
reduzieren.
-
Es
stellt sich jedoch heraus, dass unabhängig von dem verwendeten Barrierenmaterial
eine deutliche Elektromigration in modernen integrierten Schaltungen
beobachtet werden kann, wobei dieser Effekt sich bei Vorhandensein
von erhöhten
Temperaturen, von mechanischen Spannungen und dergleichen, die typische
Betriebsbedingungen moderner integrierter Schaltungen repräsentieren,
noch verstärkt.
Daher kann eine weitere Größenreduzierung des
Bauteils zu einem beeinträchtigten
Bauteilverhalten oder zu einem vorzeitigem Bauteilausfall auf Grund
der erhöhten
Metalldiffusion entlang der Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht
und der Metallleitung führen.
Angesichts der Probleme in Bezug auf die Elektromigration von Metallen,
etwa von Kupfer, an Grenzflächen
zu darüber
liegenden Flächen
einer Barrierenschicht ist eine verbesserte Technik erforderliche,
die einige der oben erkannten Probleme eliminieren oder zumindest
verringern kann.
-
ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
-
Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik, um
wirksam die Diffusionsaktivität einer
Metallleitung an einer Grenzfläche
zu einer dielektrischen Deckschicht zu reduzieren, wobei die Tendenz
des Metalls für
Elektromigration während erhöhter Stromdichten
innerhalb der Metallleitung deutlich verkleinert wird. Zu diesem
Zwecke wird ein geeignetes Material durch die Deckschicht oder zumindest
einen Teil davon in das Metallgebiet in der Nähe der Grenzfläche so eingeführt, um
wirksam Hohlräume
aufzufüllen
und/oder um Korngrenzen des Metalls zu blockieren.
-
Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Herstellen
eines Metallgebiets über
einem Substrat, wobei das Metallgebiet einen ersten Oberflächenbereich
und einen zweiten Oberflächenbereich
aufweist, wobei der zuletzt genannte gegenüberliegend zu dem ersten Oberflächenbereich
angeordnet ist. Anschließend
wird eine Deckschicht auf dem ersten Oberflächenbereich gebildet und ein
diffusionshinderndes oder eine diffusionsratereduzierendes Material
wird in das metallenthaltende Gebiet implantiert.
-
Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiterstruktur eine
dielektrische Schicht und ein Metallgebiet, das in der dielektrischen
Schicht gebildet ist und das einen ersten Oberflächenbereich und einen zweiten
Oberflächenbereich,
die zueinander gegenüberliegend
angeordnet sind, aufweist. Eine dielektrische Deckschicht ist auf dem
ersten Oberflächenbereich
des Metallgebiets so ausgebildet, um mit diesem eine Grenzfläche zu bilden.
Eine Konzentration eines diffusionshindernden oder diffusionsratenreduzierenden
Materials in dem Metallgebiet ist an dem ersten Oberflächenbereich höher als
dem zweiten Oberflächenbereich.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere
Vorteile, Aufgaben und 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 bis 1d schematisch Querschnittsansichten
eines Halbleiterbauelements während
diverser Stadien bei der Bildung einer Metallleitung und einer entsprechenden
Deckschicht mit verbesserten Eigenschaften in Hinblick auf die Elektromigration gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung; und
-
2a und 2b anschauliche Beispiele einer Simulationsberechnung
zum Abschätzen
der Konzentration eines diffusionshindernden oder diffusionsratenreduzierenden
Materials in der Nähe
einer Grenzfläche
zwischen einer Metallleitung und einer entsprechenden Deckschicht
gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
-
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, 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.
-
Es
sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung insbesondere
vorteilhaft ist für
die Herstellung moderner integrierter Schaltungen mit Kupferleitungen
in entsprechenden Metallisierungsschichten, wobei die lateralen
Abmessungen der Kupferleitungen in der Größenordnung von 130 nm oder
sogar darunter liegen können,
da dann die erforderlichen Stromdichten in diesen Kupferleitungen
zu einer erhöhten
Elektromigration des Kupfers führen können, woraus
ein vorzeitiger Bauteilausfall oder eine reduzierte Bauteilleistungsfähigkeit
resultieren kann. Somit ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine weitere Bauteilgrößenreduzierung von Halbleiterbauelementen
auf Kupferbasis, wobei die Erfindung auch auf Halbleiterbauelemente
mit größeren lateralen
Abmessungen, wie sie oben spezifiziert sind, angewendet werden kann,
womit ein Beitrag zu einer erhöhten
Zuverlässigkeit
derartiger Halbleiterbauelemente geleistet wird. Des weiteren können die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ebenso vorteilhaft in Kombination mit
anderen Metallen, die für
die Herstellung von Metallleitungen in Halbleiterbauelementen als
geeignet erachtet werden, angewendet werden. Zum Beispiel kann die
vorliegende Erfindung vorteilhaft mit Kupferverbindungen, Aluminium und
dergleichen eingesetzt werden. Es sollte daher beachtet werden,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf Bauteilabmessungen und
Materialien eingeschränkt
gesehen werden soll, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den
angefügten
Patentansprüchen
aufgeführt
sind.
-
Mit
Bezug zu den 1a bis 1d und den 2a und 2b werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detaillierter beschrieben.
-
In 1a umfasst ein Halbleiterbauelement 100 ein
Substrat 101, das ein oder mehrere Schaltungselemente auf
Halbleiterbasis, etwa Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, und dergleichen, aufweisen
kann, wobei die Art des Halbleitermaterials, das in oder auf dem
Substrat 101 vorgesehen ist, ein beliebiges Halbleiterelement
oder eine Halbleiterverbindung aufweisen kann, die für die Herstellung integrierter
Schaltungen geeignet ist. Da der überwiegende Teil der integrierten
Schaltungen als Bauteile auf Siliziumbasis hergestellt wird, kann
das Substrat 101 ein Siliziumsubstrat oder ein SOI-(Silizium auf
Isolator)Substrat repräsentieren,
auf dem eine Vielzahl von Schaltungselementen gebildet sind, die miteinander
entsprechend dem Schaltungsaufbau mittels einer noch zu bildenden
Metallleitung verbunden sind. Der Einfachheit halber sind derartige
Schaltungselemente in dem Substrat 101 nicht gezeigt. Eine
dielektrische Schicht 102, die aus einem beliebigen geeigneten
dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid,
oder einem dielektrischen Material mit kleinem ε, etwa SiCOH, und dergleichen
aufgebaut sein kann, ist über
dem Substrat 101 gebildet. Die dielektrische Schicht 102 enthält eine Öffnung,
die mit einem äußerst leitfähigen Material
so gefüllt
ist, um ein Metallgebiet 103 mit einem ersten Oberflächenbereich 105 und
einem zweiten Oberflächenbereich 106,
die einander gegenüberliegende
angeordnet sind, zu bilden.
-
Wie
zuvor erläutert
ist, kann das Metallgebiet 103 Kupfer, Kupferverbindungen,
Aluminium, Aluminiumverbindungen, oder ein anderes Material, das als
geeignet erachtet wird, die geforderte Leitfähigkeit des Metallgebiets 103 bereitzustellen,
aufgebaut sein. Vorzugsweise weist das Metallgebiet 103 im Wesentlichen
Kupfer auf, da Kupfer gegenwärtig
als der am vielversprechendste Kandidat für die Herstellung äußerst leitfähiger Metallisierungsschichten
erachtet wird. Die Seitenwand 103a des Metallgebiets und
der zweite Oberflächenbereich 106 können von einer
leitenden Barrierenschicht 104 bedeckt sein, um im Wesentlichen
die Diffusion von Metall in das benachbarte Dielektrikum der Schicht 102 zu
verhindern und/oder um dem Metallgebiet 103 die erforderliche
Haftungsfähigkeit
zu verleihen. Eine entsprechende leitfähige Barrierenschicht 104 ist
vorzugsweise in Kombination mit Kupfer oder Verbindungen auf Kupferbasis
vorzusehen, da Kupfer leicht in vielen dielektrischen Materialien,
etwa Siliziumdioxid und Dielektrika mit kleinem ε diffundieren kann. Die leitfähige Barrierenschicht 104 kann
aus zwei oder mehreren Teilschichten aufgebaut sein, um damit die Erfordernisse
in Hinblick auf diffusionsverhindernde Eigenschaften und Adhäsionseigenschaften
zu erfüllen.
-
Eine
dielektrische Deckschicht 107 ist über der dielektrischen Schicht 102 und
dem Metallgebiet 103 ausgebildet, wodurch eine Grenzfläche 105a mit dem
ersten Oberflächenbereich 105 gebildet
wird. Die Deckschicht 107 kann aus einem geeigneten Material
aufgebaut sein, das primär
wirksam die Diffusion des Metalls des Metallgebiets 103 in
benachbarte Bauteilgebiete, beispielsweise weitere Metallisierungsschichten,
die noch über
der Deckschicht 107 zu bilden sind, unterdrückt. Des
weiteren kann die Deckschicht 107 zusätzlich als eine Ätzstoppschicht in
einem nachfolgenden Strukturierungsprozess zur Herstellung von Kontaktdurchführungen
dienen, die eine Verbindung zu noch zu bildenden darüber liegenden
Metallisierungsschichten herstellen. Die Deckschicht 107 kann
aus zwei oder mehreren Teilschichten aufgebaut sein, um somit den
diversen Erfordernissen in Hinblick auf die diffusionsblockierende
Wirkung und die Ätzselektivität und dergleichen
zu erfüllen.
In einigen Ausführungsformen
kann die Deckschicht 107 im Wesentlichen aus Siliziumnitrid aufgebaut
sein, das eine ausgezeichnete diffusionsbehindernde Wirkung für eine Vielzahl
von Materialien einschließlich
Kupfer und Verbindungen auf Kupferbasis aufweist. Des weiteren sind Ätzrezepte,
die eine moderate Selektivität
in Bezug auf Siliziumdioxid zeigen, gut bekannt und auf diesem Gebiet
gut etabliert, so dass Siliziumnitrid häufig in Kombination mit Siliziumdioxid
für die
Herstellung von Metallisierungsschichten verwendet wird. In anderen
Fällen, wenn
die Permittivität
des Dielektrikums, das die einzelnen Metallleitungen und Metallgebiete
trennt, wichtig ist, können
Materialien auf der Grundlage von Siliziumkarbid zur Herstellung
der Deckschicht 107 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann
das Vorsehen unterschiedlicher Materialien entlang der Dicke der
Deckschicht 107 geeignet sein, oder die Materialzusammensetzung
kann variiert werden, um damit unterschiedliche Eigenschaften an dem
ersten Oberflächenbereich 105 im
Vergleich zu der freigelegten Oberfläche 107a der Deckschicht 107 zu
erhalten. Eine Dicke der Deckschicht 107 kann von den Eigenschaften,
d. h. von der Materialzusammensetzung und/oder dem Herstellungsverfahren
zur Bildung der Deckschicht 107 abhängen, und kann in einigen Ausführungsformen
zwischen ungefähr
10 nm und 70 nm liegen.
-
Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauteiles 100,
wie es in 1a gezeigt ist,
kann die folgenden Prozesse umfassen. Nach dem Bereitstellen des
Substrats 101, das die Herstellung diverser Schaltungselemente
entsprechend gut etablierter Herstellungsprozesse beinhalten kann, wird
die dielektrische Schicht 102 über dem Substrat 101 durch
gut etablierte Prozesse hergestellt, die entsprechend den Eigenheiten
der dielektrischen Schicht 102 ausgewählt werden. Beispielsweise kann
die dielektrische Schicht 102 einen Siliziumdioxid/Siliziumnitrid/Schichtstapel
mit einer dünnen
Siliziumnitridschicht (nicht gezeigt), gefolgt von einer dicken
Siliziumdioxidschicht aufweisen, wobei diese Schichten durch gut
etablierte plasmaunterstützte chemische
Dampfabscheide(CVD)techniken mit einer erforderlichen Dicke abgeschieden
werden können,
wobei die Siliziumnitridschicht als eine Ätzstoppschicht in einem nachfolgenden
Strukturierungsprozess dienen kann. In anderen Ausführungsformen
kann die dielektrische Schicht 102 durch Aufschleuderverfahren
gebildet werden, wenn die dielektrische Schicht 102 im
Wesentlichen aus einem Polymermaterial mit kleinem ε aufgebaut
ist.
-
Danach
wird die Öffnung
in der dielektrischen Schicht 102 durch moderne Photolithographie- und
ansiotrope Ätztechniken
gebildet, wobei, wie zuvor erläutert
ist, eine entsprechende Ätzstoppschicht beim
zuverlässigen
Anhalten des anisotropen Ätzprozesses
auf oder in der Ätzstoppschicht,
die nachfolgend an entsprechenden Gebieten zur Herstellung von Verbindungen
zu in dem Substrat 101 enthaltenen Schaltungselementen
geöffnet
werden kann, hilfreich ist. Anschließend wird die leitende Barrierenschicht 104 durch
moderne physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische Dampfabscheidung, Atomlagendampfabscheidung
und dergleichen abgeschieden. Wenn z. B. Kupfer verwendet wird,
kann eine Tantal/Tantalnitriddoppelschicht mit einer Dicke im Bereich
von ungefähr
5 bis 50 nm gebildet werden. Abhängig
von dem Abscheideprozess zum Aufbringen des Metalls des Metallgebiets 103 kann
eine Saatschicht (nicht gezeigt) auf der leitenden Barrierenschicht 104 abgeschieden
werden, um die Metallabscheidung in einem nachfolgenden Plattierungsprozess
zu fördern.
Wenn z. B. Kupfer durch Elektroplattierung abzuscheiden ist, kann
eine dünne
Kupfersaatschicht durch Sputter-Abscheidung
aufgebracht werden. Danach wird eine Metallschicht, beispielsweise
mit Kupfer, Kupferverbindungen und dergleichen durch beispielsweise
Elektroplattieren, stromloses Plattieren und dergleichen abgeschieden, um
die Öffnung
in der dielektrischen Schicht 102 zuverlässig zu
füllen.
-
Typischerweise
muss während
des Abscheidevorganges überschüssiges Metall
abgeschieden werden, um die Öffnung
zuverlässig
zu füllen,
wobei die Metallreste dann durch beispielsweise chemisch-mechanisches
Polieren (CMP) und/oder elektrochemisches Ätzen und/oder chemisches Ätzen entfernt
werden müssen.
Entsprechende Prozesse zum Entfernen von überschüssigem Metall von der dielektrischen
Schicht 102 sind im Stand der Technik gut etabliert. Durch
Entfernen des überschüssigen Metalls
wird das Metallgebiet 103 mit seiner endgültigen Größe gebildet,
wobei der erste Oberflächenbereich 105 durch
den Abtragsprozess freigelegt wird. Anschließend kann die Deckschicht 107 gebildet werden,
wobei entsprechende Reinigungsprozesse vor der Herstellung der Deckschicht 107 ausgeführt werden
können,
insbesondere, wenn das metallenthaltende Gebiet 103 Kupfer
oder Verbindungen auf Kupferbasis aufweist, da der Oberflächenbereich 105 stark
mit der Umgebung oder etwaigen reaktiven Komponenten, die noch auf
dem Oberflächenbereich 105 nach
dem Abtragsprozess vorhanden sind, reagiert. Selbst während des
Entfernens des überflüssigen Metalls
kann der freigelegte Oberflächenbereich 105 mit
reaktiven Inhaltsstoffen beim CMP- und/oder dem Ätzprozess reagieren, oder kann
einfach durch Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre während des CMP-Prozesses oxidieren.
Insbesondere Kupfer neigt zur Ausbildung von Verfärbungen
und Erosion an dem freigelegten Oberflächenbereich 105, weshalb
daher ein Reinigungsprozess zum deutlichen Entfernen ungewünschter
verfärbter
und/oder oxidierter Bereiche erforderlich ist. Typischerweise wird der
Abscheideprozess zur Bildung der Deckschicht 107 mit einem
vorhergehenden Reinigungsprozess so kombiniert, dass der gereinigte
Oberflächenbereich 105 unmittelbar
von der Deckschicht 107 bedeckt wird, wodurch der Oberflächenbereich 105 passiviert
und die erneute Bildung oxidierter Bereiche während der weiteren Herstellungsschritte
reduziert oder vermieden wird. Die Deckschicht 107 kann durch
plasmaunterstützte
chemische Dampfabscheidung aus geeigneten Vorstufenmaterialien hergestellt
werden, um die erforderliche Materialzusammensetzung der Deckschicht 107 zu
erhalten. Wie zuvor erläutert
ist, kann die Zusammensetzung der Abscheideatmosphäre so variiert
werden, um in entsprechender Weise die Materialzusammensetzung zu
variieren, um damit den Erfordernissen in Hinblick auf die diffusionsblockierende
Fähigkeit
und/oder die Ätzselektivität der Deckschicht 107 zu
genügen.
In anderen Ausführungsformen
kann die Deckschicht 107 in zwei oder mehr separaten Abscheideschritten ausgebildet
werden, wie dies detailliert mit Bezug zu 1c beschrieben ist.
-
Nach
Bildung der Deckschicht 107 wird ein Implantationsprozess,
der als 108 bezeichnet ist, durchgeführt, um die Eigenschaften des
Metallgebiets 103 in der Nähe des ersten Oberflächenbereichs 105 zu
modifizieren. Die Implantation 108 kann mit einem beliebigen
geeigneten Material ausgeführt
werden, das eine deutliche Reduzierung der Diffusionsrate für das Material
des Metallgebiets 103 entlang der Grenzfläche 105a,
die durch den Oberflächenbereich 105 und
die Deckschicht 107 definiert ist, ermöglicht. Beispielsweise können sich
kleine Hohlräume
in dem Oberflächenbereich 105 während der
Herstellung der Deckschicht 107 bilden, die einen Weg für einen
deutlichen Materialtransport und damit Elektromigration bei Einprägung einer
hohen Stromdichte bilden können.
Durch Implantieren eines entsprechenden Materials in das Metallgebiet 103,
können
diese kleinen Hohlräume
zumindest teilweise gefüllt
werden und damit diese Diffusionswege wirksam blockiert werden.
Ferner wird angenommen, dass Korngrenzen des Metallgebiets 103,
etwa Kupferkorngrenzen, als Diffusionswege dienen, die ebenso wirksam
durch Implantation eines entsprechenden Materials blockiert werden
können.
Des weiteren kann der Ionenbeschuss durch die Implantation 108 in
wirksamer Weise die Kornstruktur in der Nähe des Oberflächenbereichs 105 zerstören, wodurch
eine im Wesentlichen amorphe Schicht gebildet wird, um damit die
Neigung zur Metalldiffusion zu reduzieren, da Korngrenzen als gute
Diffusionswege bekannt sind. Ohne die vorliegende Erfindung auf
eine der obigen Erläuterungen
einschränken
zu wollen, können
die Implantationsparameter für
die Implantation 108, etwa die Art des implantierten Materials,
die Implantationsenergie, die Implantationsdosis und dergleichen
so gewählt
werden, um in wirksamer Weise den Oberflächenbereich 105 zu
modifizieren, um damit eine reduzierte Elektromigrationstendenz
des Metallgebiets 103 zu erreichen. Diese Implantationsparameter
können
durch entsprechende Messungen der Elektromigration unter spezifizierten
Betriebsbedingungen für
eine Vielzahl unterschiedlicher Parametereinstellungen ermittelt
werden.
-
Das
während
der Implantation 108 eingebrachte Material kann ein beliebiges
geeignetes Material sein, das eine reduzierte Diffusion im Vergleich zu
dem Metall in dem Gebiet 103 aufweist, so dass dieses als
ein diffusionshinderndes oder ein diffusionsratenreduzierendes Material
wirken kann, wodurch eine Metalldiffusion entlang der Grenzfläche 105a zwischen
dem Oberflächenbereich 105 und
der Deckschicht 107 deutlich reduziert wird. In einer speziellen
Ausführungsform
wird das diffusionshindernde Material so ausgewählt, um nicht unnötig die
Eigenschaften der Deckschicht 107 zu ändern, da ein deutlicher Anteil
an Atomen in der Deckschicht 107 verbleiben kann. Wenn
beispielsweise die Deckschicht 107 Siliziumnitrid und/oder
Siliziumkarbid aufweist, sind geeignete Kandidaten für das implantierte
Material Silizium, Kohlenstoff oder Stickstoff. Die Verwendung eines
dieser Materialien wird dabei nicht wesentlich die Eigenschaften
der Deckschicht 107 beeinflussen, d. h. die chemische Zusammensetzung
und die Phasenausbildung davon. Die Implantationsenergie der Implantation 108 kann
auf der Grundlage der Dicke der Deckschicht 107 sowie auf der
Grundlage der Materialzusammensetzung der Deckschicht 107 und
jener des Metallgebiets 103 für ein ausgewähltes diffusionshinderndes
Material ausgewählt
werden. Eine entsprechende Abschätzung der
Eindringtiefen, d. h. des vertikalen Implantationsprofils in der
Deckschicht 107 und dem Metallgebiet 103, kann
durch gut etablierte Simulationsmodelle ermittelt werden.
-
2a und 2b zeigen schematisch entsprechende Rechenergebnisse
für die
Implantation 108 mit jeweils Silizium- und Stickstoffionen,
wenn die Deckschicht 107 aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von
30 nm aufgebaut ist und Kupfer das Material des Metallgebiets 103 ist.
-
2a zeigt die Berechnungsergebnisse
für die
Siliziumimplantation bei Implantationsenergien von 30 keV, 40 keV
und 50 keV, die jeweiligen projizierten Eindringtiefen von 30 nm,
36 nm und 41 nm entsprechen. Die Kurve A repräsentiert die Implantation 108 mit
einer Energie von 30 keV, wobei die Kurve A andeutet, dass eine
maximale Konzentration des Siliziums sehr nahe an der Grenzfläche 105a zwischen
der Deckschicht 107 und dem Oberflächenbereich 105 liegt.
Die Siliziumkonzentration fällt deutlich
innerhalb einer Strecke von ungefähr 55 nm in dem Kupfer ab.
In ähnlicher
Weise zeigt die Kurve B, die einer Implantationsenergie von 40 keV
entspricht, eine maximale Konzentration des Siliziums in dem Kupfer
bei einem Abstand von weniger als ungefähr 10 nm, wobei eine deutliche
Abnahme der Siliziumkonzentration in dem Kupfer bei ungefähr 65 nm erreicht
wird. Die Kurve C repräsentiert
die Implantation mit 50 keV, wobei die maximale Konzentration ungefähr bei 10
nm entfernt von der Grenzfläche
angeordnet ist, und wobei ein merklicher Abfall der Siliziumkonzentration
bei einem Abstand von mehr als ungefähr 70 nm erreicht wird.
-
2b zeigt schematisch entsprechende Kurven
A', B' und C', die sich auf Implantationsenergien
für Stickstoff
von 15 keV, 20 keV und 25 keV entsprechend einer projizierten Eindringtiefe
von 28 nm, 34 nm und 39 nm beziehen. 2b zeigt
ebenso, dass die Implantationsenergie geeignet auf der Grundlage
des implantierten Materials, der Dicke und der Zusammensetzung der
Deckschicht und der Zusammensetzung des Metallgebiets 103 so
gewählt werden
kann, um die maximale Konzentration des diffusionshindernden Materials
dicht an der Grenzfläche 105a zwischen
der Deckschicht 107 und dem Oberflächenbereich 105 anzuordnen.
Die entsprechenden Implantationsdosen, die zum Erreichen der dargestellten
maximalen Konzentrationen erforderlich sind, sind ebenso in 2a und 2b dargestellt.
-
In
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die maximale Konzentration für die diversen
Materialien variiert werden, um die diffusionsblockierende Wirkung
der diversen implantierten Materialien abzuschätzen. Dazu können eine Reihe
von Testsubstraten hergestellt werden und es kann das entsprechende
Maß an
Elektromigration in Bezug auf die entsprechende maximale Konzentration
einer Vielzahl unterschiedlicher implantierter Materialien bestimmt
werden. Aus diesen Messergebnissen können entsprechende Implantationsparameter,
etwa die Implantationsdosis und die Implantationszeit bestimmt werden,
um damit die geforderte diffusionsbehindernde Wirkung zu erreichen.
In ähnlicher
Weise kann die Wirkung der implantierten Konzentration eines diffusionshindernden
oder diffusionsratereduzierenden Materials auf die Leitfähigkeit des
Metallgebiets 103 untersucht werden, indem die Konzentration
und/oder die Implantationsenergie für eine Vielzahl von Materialien
variiert wird, um die Wirkung unterschiedlicher Eindringtiefen und
unterschiedlicher Konzentrationen auf den endgültigen elektrischen Widerstand
des Metallgebiets 103 zu bestimmen. Auf der Grundlage dieser
Messergebnisse und auf der Grundlage der vorhergehenden Messergebnisse,
die die Wirkungen des Reduzierens der Elektromigration in Bezug
auf die Konzentration und die Art des implantierten diffusionshindernden
Materials quantitativ repräsentieren,
kann dann die Implantation 108 speziell so gestaltet werden,
um eine gewünschte
Wirkung zu erreichen. Ferner kann eine Kontaminierung der Implantationsanlage,
beispielsweise mit Kupfer, was ein ernstes Problem darstellt auf
Grund der Fähigkeit
des Kupfers leicht in empfindliche Bauteilgebiete zu diffundieren,
in wirksamer reduziert oder eliminiert werden, da die Deckschicht 107 das
Herausschlagen von Kupfer in die Prozesskammer der Implantationsanlage
unterdrücken
kann. Gleichzeitig verhindert die Deckschicht 107 wirksam eine
weitere Reaktion des ersten Oberflächenbereichs 105 mit
reaktiven Mitteln oder der umgebenden Atmosphäre.
-
1b zeigt schematisch das
Halbleiterbauelement 100 nach Beendigung des zuvor beschriebenen
Ionenimplantationsprozesses 108. Somit weisen die Deckschicht 107,
das Metallgebiet 103 und die dielektrische Schicht 102 Bereiche
mit einem nicht vernachlässigbaren
Anteil eines diffusionshindernden Materials, etwa Silizium, Stickstoff,
Kohlenstoff, und dergleichen auf, wobei eine vertikale Ausdehnung
der dotierten Bereiche dieser Bauteilgebiete durch die Implantation 108 und
die Eigenschaften der Deckschicht 107, der dielektrischen
Schicht 102 und des metallenthaltenden Gebiets 103 bestimmt ist.
Wie in 1b angedeutet
ist, kann sich ein dotierter bzw. implantierter Bereich 109 des
Metallgebiets 103 in der Nähe des Oberflächenbereichs 105 von
einer entsprechenden Eindringtiefe in der dielektrischen Schicht 102 auf
Grund der sehr unterschiedlichen Materialien dieser Gebiete unterscheiden.
Als Folge der Implantation 108 liefert das Gebiet 109 modifizierte
Diffusionseigenschaften und damit Elekromigrationseigenschaften
in dem Oberflächenbereich 105 und
insbesondere an der Grenzfläche 105a.
Auf Grund des nahezu vollständigen
Fehlens eines diffusionshindernden Materials an dem Oberflächenbereich 106,
d. h. an der Grenzfläche
des metallenthaltenden Gebiets 103 mit der darunter liegenden
leitenden Barrierenschicht 104, falls diese vorgesehen
ist, ist das Metallgebiet 103 durch eine hohe Konzentration
des diffusionshindernden Materials an dem Oberflächenbereich 105, wodurch
sich das Elektromigrationsverhalten deutlich ändert, und durch eine vernachlässigbare
Konzentration dieses Materials an dem Oberflächenbereich 106 gekennzeichnet,
wodurch die Leitfähigkeitseigenschaften
des Metallgebiets 103 in einem wesentlichen Teil davon
beibehalten bleiben. In einigen Ausführungsformen kann eine maximale
Konzentration des diffusionshindernden Materials in dem Gebiet 109 innerhalb
einer Stärke von
ungefähr
20 nm bezüglich
der Grenzfläche 105a angeordnet
werden. In anderen Ausführungsformen kann
die maximale Konzentration des diffusionshindernden Materials in
dem Metallgebiet 103 innerhalb einer Stärke von 10 nm in Bezug auf
die Grenzfläche 105a,
die durch den Oberflächenbereich 105 und
die Deckschicht 107 gebildet ist, liegen. Es sollte beachtet
werden, dass die gesamte maximale Konzentration eines diffusionshindernden
Materials, das durch die Implantation 108 eingeführt wird,
nicht notwendigerweise in dem Metallgebiet 103 liegen muss,
sondern in der Deckschicht 107 angeordnet sein kann (siehe
die Kurven A' und
B' in 2b).
-
Wie
zuvor erläutert
ist, kann es vorteilhaft in einigen Ausführungsformen sein, die Eigenschaften der
Deckschicht 107 durch die Implantation 108 nicht unnötig zu beeinflussen,
indem kompatible Materialien implantiert werden. In anderen Ausführungsformen
kann jedoch die Art des durch die Implantation 108 eingebrachten Materials
so gewählt
werden, um bewusst der Deckschicht 107 gewünschte Eigenschaften
zu verleihen oder um das Verhalten der Deckschicht 107 in
gewünschter
Weise zu ändern. Beispielsweise
kann es vorteilhaft sein, einen erhöhten Anteil an Stickstoff in
der Nähe
des Oberflächenbereichs 105 vorzusehen,
um beispielsweise die diffusionsblockierende Wirkung der Deckschicht 107 zu verbessern,
unabhängig
von der anfänglichen
Zusammensetzung der Deckschicht 107. D. h., die Implantationsparameter
können
so gewählt
werden, dass eine entsprechende Änderung
der Deckschicht 107 erreicht wird, wobei dennoch die Eigenschaften des
Metallgebiets 103 in dem Bereich 109 ausreichend
modifiziert sind, um die gewünschte
erhöhte Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration zu erreichen.
-
In
anderen Ausführungsformen
kann die Deckschicht 107 oder ein Teil davon nach der Implantation 108 entfernt
werden, wenn der implantationsinduzierte Schaden als unakzeptabel
für die
Eigenschaften der Deckschicht 107 für die weitere Bearbeitung des
Halbleiterbauelements 100 erachtet wird. Nach dem Entfernen
der Deckschicht 107 – entweder teilweise
oder vollständig – kann die
Deckschicht erneut mit einer erforderlichen Dicke abgeschieden werden,
wobei die Eigenschaften der neu abgeschiedenen Schicht oder des
Schichtbereichs nicht durch die zuvor ausgeführte Implantation 108 beeinflusst sind.
Zum Beispiel können
schwere Ionenarten während
der Implantation 108, etwa Germanium, Xenon, Argon und
dergleichen, verwendet werden, die in wirksamer Weise die Eigenschaften
des Metallgebiets 103 in dem Bereich 109 mit einer
Ausdehnung von weniger als 10 nm modifizieren können, während gleichzeitig jedoch beträchtlicher
Schaden an der Deckschicht 107 hervorgerufen wird. In anderen
Ausführungsformen
können
Metallionen, beispielsweise Tantal, Titan und dergleichen in das
Gebiet 103 implantiert werden, die für die dielektrische Schicht 107 als
ungeeignet erachtet werden, und daher kann ein Teil oder im Wesentlichen
die gesamte Schicht 107 entfernt werden und kann durch
eine neu abgeschiedene Deckschicht ersetzt werden. Das Abtragen kann
durch CMP und/oder reaktives Ionenätzen erreicht werden.
-
1c zeigt schematisch das
Halbleiterbauelement 100 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Bauteil 100 ist ähnlich zu
dem Bauteil, wie es in 1b gezeigt
ist, wobei eine Deckschicht 107b mit einer deutlich geringeren
Dicke vorgesehen ist. Die reduzierte Dicke der Deckschicht 107b kann
so gewählt
werden, um im Wesentlichen eine Oxidation des Oberflächenbereichs 105 während und
nach der Implantation 108 zu vermeiden und um ferner eine Kontamination
der Implantationsanlage während
der Implantation 108 im Wesentlichen zu vermeiden. Die Implantationsparameter
zum Erzeugen des dotieren Gebiets 109 können entsprechend an die reduzierte Dicke
der Deckschicht 107b angepasst werden. Nach der Implantation 108 (siehe 1a) kann der Abscheideprozess
zur Herstellung der Deckschicht wieder fortgesetzt werden, um die
gewünschte
endgültige
Dicke zu erreichen.
-
1c zeigt schematisch das
Halbleiterbauelement 100, wobei die Deckschicht 107 die
gewünschte
Dicke und die gewünschte
Materialzusammensetzung aufweist. Wie aus 1d ersichtlich ist, hat lediglich der
Bereich 107b die Implantation 108 „erfahren", während der
verbleibende Teil der Deckschicht 107 keine implantationsinduzierten
Schäden aufweist.
-
Es
gilt also, die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit,
die die Herstellung einer Deckschicht auf einem Metallgebiet ermöglicht,
wobei die Eigenschaften des Metallgebiets in der Nähe der Grenzfläche zwischen
der Deckschicht und dem Metallgebiet so modifiziert werden, um verbesserte
Eigenschaften in Hinblick auf die Elektromigration bereitzustellen.
Die Modifizierung wird durch einen Implantationsprozess durch eine
Deckschicht oder zumindest einen Teil davon hindurch erreicht, um
im Wesentlichen eine Oberflächenreaktion
des Metallgebiets mit reaktiven Stoffen oder der Umgebungsatmosphäre zu vermeiden,
während
gleichzeitig eine Kontaminierung der Implantationsanlage durch Material
aus dem Metallgebiet im Wesentlichen vermieden wird. Der Implantationsprozess
kann zu einem Auffüllen
von Hohlräumen
führen,
wodurch eine wirksame Blockierung von Korngrenzen möglich ist.
Des weiteren wird ein verbesserter Einschluss des Metallmaterials
durch die Deckschicht erreicht.
-
Weitere
Modifizierungen 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.