DE10346026B4

DE10346026B4 - Verfahren zum Steuern der Herstellung leitender Strukturen in einer dielektrischen Schicht eines Mikrostrukturbauteils

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Publication number: DE10346026B4
Application number: DE10346026A
Authority: DE
Inventors: Moritz Andreas Meyer; Ehrenfried Zschech; Eckhard Langer
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: DE10346026A1; US20050072919A1; US6953755B2

Abstract

Verfahren zum Steuern der Herstellung leitender Strukturen in einer dielektrischen Schicht eines Mikrostrukturbauteiles mit den Schritten:
Variieren eines oder mehrerer Prozessparameter für mehrere Testproben;
Herstellen mehrerer Testproben eines Bereichs der leitenden Struktur, derart, dass der Bereich in der dielektrischen Schicht eingebettet bleibt, wobei die leitende Struktur entsprechend einer vordefinierten Herstellungssequenz für das Mikrostrukturbauteil hergestellt wird;
Erhalten von Querschnittsanalysemessdaten der mehreren Testproben durch Elektronenmikroskopie und/oder Röntgenstrahlmikroskopie, während der Bereich der leitenden Struktur einer spezifizierten Belastungsbedingung ausgesetzt ist;
Erstellen einer Korrelation zwischen dem mindestens einen Prozessparameter der Testproben und den Querschnittsanalysemessdaten;
Herstellen einer weiteren Testprobe eines Bereichs einer leitenden Struktur, die in einem Dielektrikum eines Mikrostrukturbauelements eingebettet ist, derart, dass der Bereich in dem Dielektrikum eingebettet bleibt;
Erhalten weiterer Querschnittsanalysemessdaten von der weiteren Testprobe, während der Bereich der leitenden Struktur einer spezifizierten Belastungsbedingung ausgesetzt ist; und
Steuern des mindestens einen Prozessparameters auf der Grundlage der...

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von Mikrostrukturen, etwa von modernen integrierten Schaltungen, und betrifft insbesondere die Herstellung und Prüfung leitender Strukturen, etwa von Metallgebieten, und deren Eigenschaften unter Belastungsbedingungen.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Bei der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter Schaltungen, gibt es ein ständiges Bestreben, die Strukturgrößen der Mikrostrukturelemente stetig zu verringern, um damit die Funktionalität dieser Strukturen zu verbessern. Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen hinsichtlich der Geschwindigkeit und/oder der Leistungsaufnahme verbessert ist. In dem Maße, wie sich die Größe der einzelnen Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration verringert und damit beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert, wird auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch verbinden, ebenso reduziert. Daher müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verringert werden, um dem reduzierten Platzangebot und einer erhöhten Anzahl von Schaltungselementen, die pro Chipeinheitsfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen. Die reduzierte Querschnittsfläche der Verbindungsleitungen kann, möglicherweise in Verbindung mit einem Zuwachs des statischen Leistungsverbrauchs von äußerst größenreduzierten Transistorelementen, eine Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten erfordern, um die Anforderungen hinsichtlich einer tolerierbaren Stromdichte in den Metallleitungen zu erfüllen.
Moderne integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen Abmessung von 0.13 μm und weniger, können jedoch deutlich höhere Stromdichten in den einzelnen Verbindungsleitungen, trotz des Vorsehens einer relativ großen Anzahl von Metallisierungsschichten auf Grund der hohen Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche erfordern. Das Betreiben der Verbindungsleitungen mit erhöhten Stromdichten zieht jedoch eine Reihe von Problemen nach sich, die mit einer durch die Belastung hervorgerufenen Leitungsbeeinträchtigung verknüpft sind, was schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltung führen kann. Ein wichtiges Beispiel in dieser Hinsicht ist der stromverursachte Materialtransport in Metallleitungen, was auch als „Elektromigration” bezeichnet wird, die zu der Ausbildung von Hohlräumen innerhalb und zu Materialanhäufungen neben der Metallleitung führen kann, woraus ein reduziertes Leistungsverhalten und eine verringerte Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall des Bauteils resultieren kann. Beispielsweise werden häufig Aluminiumleitungen, die in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet sind, als Metall für Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist, moderne integrierte Schaltungen mit kritischen Abmessungen von 0.18 μm oder weniger deutlich reduzierte Querschnittsflächen der Metallleitungen und damit erhöhte Stromdichten erfordern, so dass Aluminium sich als wenig attraktiv für die Herstellung dieser Metallisierungsschichten erweist.
Daher wird Aluminium häufig durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren Widerstand aufweist und merklich Elektromigrationseffekte bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich zu Aluminium zeigt. Die Einführung von Kupfer bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen geht einher mit einer Vielzahl schwieriger Probleme, die auf die Eigenschaft des Kupfers zurückgehen, leicht in Siliziumdioxid und in einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu diffundieren. Um die erforderliche Haftung bereitzustellen und um eine ungewünschte Diffusion von Kupferatomen in sensible Bauteilgebiete zu vermeiden, ist es daher für gewöhnlich erforderlich, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material, in welchem die Kupferleitungen eingebettet sind, vorzusehen. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material ist, das die Diffusion von Kupferatomen wirksam unterdrückt, ist die Auswahl von Siliziumnitrid als ein Material für ein Zwischenschichtdielektrikum wenig wünschenswert, da Siliziumnitrid eine relativ hohe relative Permittivität aufweist, wodurch die parasitären Kapazitäten zu benachbarten Kupferleitungen erhöht werden. Daher wird eine dünne leitende Barrierenschicht, die dem Kupfer auch die erforderliche mechanische Stabilität verleiht, so gebildet, um den Hauptteil des Kupfers von dem umgebenden dielektrischen Material zu trennen und es wird lediglich eine dünne Siliziumnitridschicht, oder eine Siliziumkarbidschicht oder eine Siliziumkarbidnitridschicht in Form einer Deckschicht typischerweise in Metallisierungsschichten auf Kupferbasis verwendet. Gegenwärtig sind Tantal, Titan, Wolfram und deren Verbindungen mit Stickstoff und Silizium und dergleichen bevorzugte Kandidaten für eine leitende Barrierenschicht, wobei die Barrierenschicht zwei oder mehrere Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen kann, um den Anforderungen hinsichtlich der Diffusionsunterdrückung und den Hafteigenschaften zu genügen.
Eine weitere Eigenschaft des Kupfers, die es von Aluminium deutlich unterscheidet, ist die Tatsache, dass Kupfer nicht in einfacher Weise in großen Mengen durch chemisch und physikalische Dampfabscheidungsverfahren aufgebracht werden kann zusammen mit der Tatsache, das Kupfer nicht effizient durch anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert werden kann, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich ist, die häufig als Damaszener- oder Einlagetechnik bezeichnet wird. In dem Damaszener-Prozess wird zunächst eine dielektrische Schicht gebildet, die dann so strukturiert wird, um Gräben und Kontaktdurchführungen zu erhalten, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden, wobei vor dem Auffüllen des Kupfers, wie dies zuvor dargestellt ist, eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der Gräben und der Kontaktdurchführungen gebildet wird. Das Abscheiden des wesentlichen Teils des Kupfermaterials in die Gräben und die Kontaktdurchführungen wird für gewöhnlich durch nasschemische Abscheideprozesse, etwa das Elektroplattieren und das stromlose Plattieren, erreicht, wobei das zuverlässige Auffüllen von Kontaktdurchführungen mit einem Aspektverhältnis von 5 oder größer mit einem Durchmesser von 0.3 μm oder weniger zusammen mit dem Auffüllen von Gräben mit einer Breite im Bereich von 0.1 μm bis einige Mikrometer erforderlich ist. Obwohl elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer im Bereich der Herstellung elektronischer Leiterplatten gut etabliert sind, ist ein im Wesentlichen hohlraumfreies Auffüllen von Kontaktdurchführungen mit hohem Aspektverhältnis eine äußerst komplexe und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen Kupfermetallleitung deutlich von den Prozessparametern, Materialien und der Geometrie der interessierenden Struktur abhängen. Da die Geometrie der Verbindungsstrukturen durch Entwurfserfordernisse festgelegt ist und daher nicht wesentlich für eine gegebene Mikrostruktur geändert werden kann, ist es von großer Bedeutung, den Einfluss der Materialien, etwa leitender und nicht leitender Barrierenschichten, der Kupfermikrostruktur und deren gegenseitige Wechselwirkung auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur abzuschätzen und zu steuern, um sowohl eine hohe Ausbeute als auch die erforderliche Produktzuverlässigkeit sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig, Ausfallmechanismen und Mechanismen für die Beeinträchtigung von Verbindungsstrukturen für diverse Konfigurationen zu erkennen und zu überwachen, um die Bauteilzuverlässigkeit für jede neue Bauteilgeneration oder für jede neue Technologie zu bewahren.
Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die Leistungsabnahme von Kupferleitungen zu untersuchen, insbesondere in Hinblick auf die Elektromigration, um neue Materialien und Prozessstrategien zur Herstellung von Kupfermetallleitungen zu finden. Obwohl der exakte Mechanismus der Elektromigration in Kupferleitungen noch nicht vollständig verstanden ist, zeigt es sich, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und Grenzflächen, in großvolumigen Hohlräumen und Resten an der Unterseite der Kontaktdurchführungen angeordnet sein, einen deutlichen Einfluss auf die Produktionsausbeute und die Zuverlässigkeit ausüben können. Mit Ausnahme großer Ausfälle, können derartige Defekte in Kontaktdurchführungen, die in Form von Kontaktketten als Überwachungsstrukturen in den Trennlinien der Halbleiterscheiben vorgesehen sein können, nur schwer mittels standardmäßiger elektrischer Testverfahren erkannt werden.
M. A. Meyer et al., Microelectronic Engineering, Vol. 64, Nr. 1–4, S. 375–382, Okt. 2002 offenbart die in-situ SEM-Überwachung von Elektromigrationsphänomenen in vollständig eingebetteten Kupferverbindungsstrukturen. Die verwendeten Strukturen ermöglichen das Bestimmen des Elektromigrationsverhaltens während die Struktur bestimmten Stressbedingungen (Hitze, hohe Stromdichte) unterworfen ist. Querschnittsproben von eingebetteten Strukturen, deren elektrische Funktionalität erhalten bleibt, wurden für die SEM-Überwachung hergestellt. Eine Vielzahl von Bildern wurde während eines Elektromigrationsprozesses aufgenommen und zu einer Videosequenz zusammengefügt, die eine gute Visualisierung der Bildung, des Wachstums und der Verschiebung von Hohlräumen in den beanspruchten Verbindungsleitungen ermöglicht. Vorherrschende Diffusionspfade konnten damit identifiziert werden. Geeignete Teststrukturen werden verwendet, um den Effekt von Prozessänderungen auf die Zuverlässigkeit von mikroelektronischen Produkten zu überwachen. Eine Gruppe von Proben wurde unter beschleunigten Bedingungen getestet und mittlere Ausfallraten wurden bestimmt.
G. Schneider et al., Journal of Vacuum Science & Technology B, Vol. 20; Nr. 6, S. 3089–3094, Nov. 2002 bezieht sich auf die Untersuchung der Elektromigration in passivierten Kupferverbindungsleitungen mittels Röntgenstrahlmikroskopie. Querschnittsproben können dabeiverwendet werden.
J. T. Lau et al., Applied Physics Letters, Vol. 76, Nr. 2, S. 164–166, Jan. 2000 bezieht sich auf die Verwendung der in-situ Elektronenmikroskopie zum Untersuchen von Elektromigration in gestapelten Al(Cu)/TiN-Verbindungen. Die Al(Cu)-Leitungen werden gemeinsam mit einer darunter liegenden 20 nm dicken TiN-Schicht, die auf einer transparenten TEM-Membrane abgeschieden wurden, strukturiert. Ferner wurde eine Siliziumdioxidpassivierungsschicht von 100 nm auf den strukturierten Leitungen abgeschieden. In-situ TEM-Experimente werden zum Überwachen und Untersuchen der Entwicklung von Elektromigrationsschäden in Echtzeit eingesetzt.
G. Xu et al., Applied Physics Letters, Vol. 78, Nr. 6, S. 820–822, Feb. 2001 bezieht sich auf die Untersuchung von Cu/SiO₂ Verbindungsstrukturen unter Verwendung von Fluoreszenzröntgenstrahlmikroskopie. Durch Verwendung der Röntgenstrahlscanningmikroskopie im Nanometerbereich ist es möglich, die Strukturen von IC-Verbindungsleitungen, einschließlich einer in-situ-Messung von Veränderungen in Abhängigkeit der Zeit, der Stromdichte, der Temperatur, etc., zerstörungsfrei zu bestimmen.
US 5 124 645 A offenbart eine Transimissionselektronenmikroskopsonde zur in-situ Überwachung von Elektromigrationsprozessen und der Funktion von integrierten Schaltungen. Ein zu testendes Exemplar, z. B. eine Komponente einer integrierten Schaltung, kann in einem Elektronenmikroskop beobachtet werden, während die logischen Gatter oder andere Komponenten aktiviert werden.
Die WO 02/04886 A1 offenbart Verfahren zum Steuern der Herstellungsprozesse von Mikroelektronikbauteilen auf der Grundlage von Messdaten.
Da moderne Mikrostrukturen, etwa schnelle Mikroprozessoren, eine erhöhte Komplexität der Verbindungsstruktur mit dichtliegenden Metallstrukturen bei äußerst reduzieren Abmessungen erfordern und da viele Inspektionsverfahren bereits bis an ihre Grenzen ausgereizt sind, besteht ein Bedarf für verbesserte oder alternative Techniken, um Materialien und Prozesstechnologien, die bei der Herstellung komplexer Verbindungsstrukturen beteiligt sind, zu untersuchen, zu überwachen und zu steuern.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik, die es ermöglicht, eine oder mehrere Eigenschaften einer leitenden Verbindungsstruktur während des Ausübens spezifizierter Belastungsbedingungen zu untersuchen. Dazu wird ein interessierender Teil einer Mikrostruktur unter Anwendung einer kurzwelligen Strahlung, etwa von Elektronen und Röntgenstrahlen, untersucht, wobei eine Änderung mindestens einer Eigenschaft effizient visualisiert wird und/oder die Untersuchung ausgeführt wird, indem eine geeignet präparierte Probe verwendet wird, in der der interessierende Teil voll funktionsfähig gehalten wird, indem alle Grenzflächen vorgesehen werden, wie sie auch im tatsächlichen Bauteil vorhanden sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Verfahren der Ansprüche 1, 16 und 17 gelöst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
1a bis 1c schematisch eine Draufsicht und zwei Querschnittsansichten eines Bereichs einer Verbindungsstruktur;
2 schematisch ein Messsystem zum Bewerten von Eigenschaften einer vollständig eingebetteten Verbindungsstruktur, wie sie in den 1a bis 1c gezeigt ist;
3a bis 3d schematisch ein typisches Messergebnis in Form von Querschnittsbildern einer Verbindungsstruktur zu verschiedenen Zeiten während des Ausübens einer spezifizierten Belastungsbedingung; und
4 schematisch eine Prozesssequenz zur Herstellung einer Verbindungsstruktur auf der Grundlage eines in-situ-Belastungstests gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Verbindungsstrukturen auf Kupferbasis ist, da diese Strukturen vorzugsweise in modernen Mikrostrukturen, etwa schnellen Mikroprozessoren, verwendet werden, wobei insbesondere das Problem der Elektromigration merklich weitere Entwicklungen bei der Herstellung moderner integrierter Schaltungen beeinflussen kann. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können jedoch auch in einfacher Weise auf eine beliebige interessierende Mikrostruktur angewendet werden, in der belastungsinduzierte Materialtransportphänomene deutlich den Betrieb und die Zuverlässigkeit der Mikrostruktur beeinflussen können. Daher können belastungsinduzierte Transportprobleme effizient für eine beliebige Art eines interessierenden leitfähigen Materials, etwa Metalle, Metalllegierungen oder Metallverbindungen, die in gegenwärtigen oder künftigen Mikrostruktursystemen verwendet werden, untersucht werden. Die vorliegende Erfindung sollte daher nicht auf Verbindungsstrukturen auf Kupferbasis eingeschränkt betrachtet werden, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den angefügten Patentansprüchen aufgeführt sind.
Bekanntlich steht die Leistungsabnahme eingelegter, d. h. eingebetteter, Metallleitungen, mit dem gerichteten Materialtransport in der Leitung im Zusammenhang. Der Gradient des elektrischen Potentials verleiht wandernden Atomen eine Vorzugsrichtung zur Anode. Lokale Temperaturhöhepunkte, die durch erhöhte elektrische Stromdichten verursacht werden, führen zu Temperaturgradienten während des Betriebs eines Mikrostrukturbauteils und daher ist zusätzlich die thermische Wanderung eng mit der Elektromigration verknüpft. Es wurde vorgeschlagen, dass mechanische Spannungsgradienten vorzugsweise für Kontaktdurchführungs-/Leitungsstrukturen zu erwarten sind, die daher einen erhöhten Aufwand bei der Untersuchung belastungsinduzierter Materialtransporteffekte erfordern, da zusätzlich in den Kontaktdurchführungen die Herstellung von Barrierenschichten und das Einfüllen von Kupfer eine äußerst kritische Prozesssequenz ist und daher merklich zum Verhalten der Verbindungsstruktur beitragen kann. Daher ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine sensitive Prozesssteuerung oder Überwachung auf der Grundlage einer großen Anzahl von Daten bereitzustellen, um statistisch relevante Rückschlüsse zu ermöglichen und um festkörperphysikalische Leistungsabfallmechanismen für repräsentative Proben zu studieren, um damit das Verständnis der Schwächen in der Verbindungstechnologie zu verbessern und um mit der Zuverlässigkeit in Beziehung stehende Ausfälle in Verbindungsstrukturen zu reduzieren. Dazu werden vollständig eingebettete Verbindungsstrukturen spezifizierten Stress- bzw. Belastungsbedingungen unterworfen, während mindestens eine Eigenschaft der Verbindungsstruktur überwacht wird. In anderen Fällen werden wirksame Mittel bereitgestellt, um effizient subtile Änderungen einer Metallverbindungsstruktur während des Betriebs zu visualisieren.
Mit Bezug zu den 1 bis 3 werden nunmehr erläuternde Beispiele der Herstellung und Messung von Querschnittsproben detaillierter beschrieben.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Schnittprobe 100, die einen interessierenden Bereich einer Mikrostruktur repräsentiert. Wie zuvor erläutert ist, kann die Probe 100 einen Bereich einer leitenden Struktur, die auf einer Kupfermetallisierung beruht, repräsentieren, wie dies in modernen integrierten Schaltungen der Fall ist. Die Probe 100 umfasst ein Substrat 101, das eine beliebige Art eines geeigneten Substrats, etwa ein Siliziumsubstrat, ein SOI-(Silizium auf Isolator)-Substrat, ein Glassubstrat oder ein anderes geeignetes Substrat, das die Herstellung einer Mikrostruktur mit einer Metallverbindungsstruktur ermöglicht, sein kann. Beispielsweise kann die Probe 100 einen Bereich eines Substrats zum Herstellen von Halbleiterbauelementen repräsentieren, das eigentlich nicht für Produktbauteile verwendet wird. In einem Beispiel kann die Probe 100 in einem Teil einer Scheibentrennlinie hergestellt sein.
Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „Schnitt” als ein Schnitt durch ein interessierendes Gebiet einer Mikrostruktur zu verstehen ist, wobei eine Richtung des Schneidens des interessierenden Gebiets in ausreichender Weise entlang einer Richtung ausgerichtet ist, in der ein wesentlicher belastungsinduzierter Materialtransport erwartet wird, um somit eine Analyse mittels Elektronenmikroskopie oder Röntgenmikroskopie oder anderen Abbildungstechniken zu ermöglichen. Somit ist in Bezug auf die Elektromigration eine Schnittprobe ein geschnittenes interessierendes Gebiet, in der eine gewisse Länge einer Metallleitung entlang der Stromrichtung beobachtet werden kann.
Das Substrat 101 kann darauf eine oder mehrere Materialschichten und/oder Mikrostrukturelemente (nicht gezeigt) ausgebildet aufweisen, wie sie während vorhergehender Herstellungsprozesse entstehen. Eine erste dielektrische Schicht 102 ist über dem Substrat 101 gebildet und kann aus einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder beliebigen dielektrischen Materialien mit kleinem ε, wie etwa SICOH, Siliziumkarbid mit Wasserstoff oder anderen Polymermaterialien mit kleinem ε hergestellt sein. Eine Metallleitung 103 ist in der ersten dielektrischen Schicht 102 gebildet, wobei die Metallleitung 103 im Wesentlichen Kupfer oder ein anderes geeignetes Metall aufweist. Ferner kann die Metallleitung 103 eine leitende Barrierenschicht 104 aufweisen, insbesondere, wenn die Metallleitung 103 eine Metallleitung auf Kupferbasis ist, wobei die Barrierenschicht 104 eine einzelne Schicht sein kann oder aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein kann, die entsprechend den Prozess- und Bauteilerfordernissen hergestellt und ausgewählt sind. Z. B. sind gegenwärtig Tantal- und Tantalnitrid bevorzugte Materialien für die Barrierenschicht 104 in Metallisierungsstrukturen auf Kupferbasis. Es sollte jedoch beachtet werden, dass andere gegenwärtig bekannte Materialien oder Materialzusammensetzungen oder künftige Materialzusammensetzungen für die Barrierenschicht 104 gewählt werden können, wobei die vorliegende Erfindung die Möglichkeit bietet, diese Materialien zusammen mit ihren Herstellungsprozessen in Hinblick auf deren Einfluss auf belastungsinduzierte Materialtransporteffekte in Metallleitungen zu studieren. Die Probe 100 umfasst ferner eine zweite dielektrische Schicht 105, die im Wesentlichen aus den gleichen Materialien aufgebaut sein kann, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der ersten dielektrischen Schicht 102 aufgeführt sind. Eine leitende Struktur 106, beispielsweise in Form einer Verbindungsstruktur, mit einer Metallleitung 107 und einer metallgefüllten Kontaktdurchführung 111 ist in der zweiten dielektrischen Schicht 105 ausgebildet, wobei die leitende Struktur 106 eine Barrierenschicht 108 aufweisen kann, die mit der zweiten dielektrischen Schicht 105 in Kontakt ist. Hinsichtlich der Materialzusammensetzung der Barrierenschicht 108 gelten im Wesentlichen die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu der Barrierenschicht 104 erläutert sind.
In einem speziellen Beispiel besitzt zumindest die leitende Struktur 106 eine geometrische Anordnung, d. h. Abmessungen und Lage, die im Wesentlichen einem spezifizierten in Betracht gezogenen Mikrostrukturentwurf entsprechen. Beispielsweise können die Metallleitung 107 und die Kontaktdurchführung 111 Kupfer aufweisen, wobei eine Breite der Metallleitung 107, d. h. in 1a die horizontale Ausdehnung der Metallleitung 107 (in der durch den Doppelpfeil 150 gekennzeichneten Richtung), von 0.1 μm oder weniger bis zu 1 μm oder mehr reichen kann, wohingegen eine Tiefe, d. h. in 1a die vertikale Ausdehnung der Metallleitung 107 (die durch den Doppelpfeil 151 gekennzeichnete Richtung), in einem Bereich von ungefähr 0.1 μm bis 0.5 μm oder mehr liegen kann. Die Kontaktdurchführung 111 kann eine Tiefe von mehreren 100 nm aufweisen, wobei eine laterale Abmessung, d. h. ein Durchmesser, wenn eine kreisförmige Geometrie betrachtet wird, von einigen 100 nm bis sogar weniger als 100 nm in modernen Mikroprozessoren vorgesehen sein kann. Es sollte beachtet werden, dass die erste Metallleitung 103 einen Metallleitung repräsentieren kann, die eine Konfiguration und Abmessungen aufweist, so dass diese den spezifizierten Mikrostrukturentwurf entsprechen, wohingegen in anderen Beispielen die Metallleitung 103 so konfiguriert sein kann, um den Betrieb der leitenden Struktur 106 bei einer erhöhten Stromdichte zu ermöglichen, während die Stromzufuhr zu der Verbindungsstruktur 106 im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.
Des weiteren umfasst die Probe 100 eine dielektrische Deckschicht 109 mit einem Material, das die erforderliche Haftung liefert und das ein wirksames Unterdrücken der Diffusion von Metall von der Metallleitung 107 in benachbarte Materialgebiete ermöglicht. Beispielsweise kann die Deckschicht 109 Siliziumnitrid, stickstoffreiches Siliziumkarbid und dergleichen aufweisen. Über der Deckschicht 109 kann eine dritte dielektrische Schicht 110 gebildet sein, die aus einem beliebigen Material aufgebaut sein kann, wie es zuvor mit Bezug zu den dielektrischen Schichten 102 und 105 beschrieben ist.
Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung der in 1a gezeigten Probe 100 kann die folgenden Prozesse umfassen. Zunächst wird die Metallleitung 103 mit der Barrierenschicht 104 in der ersten dielektrischen Schicht 102 entsprechend den Prozesstechniken hergestellt, die detaillierter mit Bezug zu der leitenden Struktur 106 beschrieben werden. Nach der Fertigstellung der Metallleitung 103 wird eine Deckschicht 109a, die auch als eine Ätzstoppschicht während der Herstellung der leitenden Struktur 106 dient, beispielsweise in Form einer Siliziumnitridschicht abgeschieden. Danach kann die zweite dielektrische Schicht 105 mittels einem geeigneten Abscheideverfahren, etwa der chemischen Dampfabscheidung, mittels geeigneter Vorstufengase, etwa TEOS oder Silan, wenn die zweite dielektrische Schicht 105 im Wesentlichen aus Siliziumdioxid aufgebaut ist, aufgebracht werden. In anderen Fallen kann die zweite dielektrische Schicht 105 durch Aufschleuderverfahren gebildet werden, wenn die zweite dielektrische Schicht 105 ein Polymermaterial mit kleinem ε repräsentiert. Anschließend wird die zweite dielektrische Schicht 105 durch moderne Photolithographie- und Ätztechniken strukturiert, wobei gemäß einem Verfahren der Damaszener-Technik die Kontaktdurchführung 111 durch die gesamte dielektrische Schicht 105 geätzt wird, wobei der Ätzprozess durch die Deckschicht 109a gestoppt wird. Anschließend wird ein weiterer Photolithographieprozess und ein weiterer Ätzprozess ausgeführt, um einen Graben für die Metallleitung 107 in den oberen Bereich der dielektrischen Schicht 105 zu ätzen. Danach kann die Kontaktdurchführung 111 vollständig geöffnet werden, um eine Verbindung zu der darunter liegenden Metallleitung 103 herzustellen, und die Barrierenschicht 108 kann beispielsweise durch chemische Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung, etwa Sputter-Abscheidung, Atomschichtabscheidung, und dergleichen aufgebracht werden. Abhängig von der Geometrie der leitenden Struktur 106, d. h. abhängig von den Abmessungen und abhängig von der Art der verwendeten Materialien, kann eine entsprechende Abscheidetechnik in Verbindung mit geeigneten Prozessparameter angewendet werden. Z. B. kann eine Tantal/Tantalnitridschicht durch Sputter-Abscheidung gebildet werden, um die Barrierenschicht 108 bereitzustellen, wobei die Prozessparameter, etwa Druck, Vorspannung, und dergleichen innerhalb der Sputter-Atmosphäre so gewählt werden, um zuverlässig alle inneren Oberflächen der Verbindungsstruktur 106 mit einer erforderlichen minimalen Dicke des Barrierenmaterials zu bedecken. Da die zuverlässige Bedeckung von Öffnungen mit großem Aspektverhältnis, etwa der Kontaktdurchführung 111, mit einer dünnen Materialschicht ein äußerst komplexer Prozess ist, ist eine präzise Steuerung und Überwachung des Abscheidevorganges erforderlich, insbesondere da, wie zuvor erläutert ist, die Eigenschaften einer Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht 108 innerhalb der Kontaktdurchführung 111 und der Metallleitung 107 und der Grenzfläche zu dem umgebenden Dielektrikum deutlich das Verhalten der leitenden Struktur 106 während des Betriebs beeinflussen können. Nach der Herstellung der Barrierenschicht 108 kann, abhängig von der Art des Metalls, das in die Verbindungsstruktur 106 einzufüllen ist, eine Saatschicht abgeschieden werden, um die Metallabscheidung während eines nachfolgenden Plattierungsprozesses zu fördern. Eine entsprechende Saatschicht kann durch chemische oder physikalische Dampfabscheidung, durch stromloses Plattieren und dergleichen aufgebracht werden. Danach wird Metall in die Kontaktdurchführung 111 und den Graben eingefüllt, um die Verbindungsstruktur 106 mit der Metallleitung 107 und der metallgefüllten Kontaktdurchführung 111 zu bilden. Ein gegenwärtig bevorzugtes Abscheideverfahren für Kupfer ist das Elektroplattieren, wobei die Zusammensetzung der Plattierungslösung, die Signalformen des dem Plattierungsreaktor zugeführten Stromes und dergleichen so gesteuert werden, um einen Abscheideprozess zu erreichen, der im Wesentlichen die Verbindungsstruktur 106 von unten nach oben auffüllt. Danach wird in einigen Prozessstrategien ein Ausheizprozess ausgeführt, um die kristalline Struktur des Kupfers einzustellen. Als nächster Schritt wird überschüssiges Metall, beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) und/oder durch Elektropolieren entfernt, wobei auch die Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht 105 eingeebnet wird. In einigen Prozessabläufen kann ein Ausheizprozess nach dem CMP-Prozess ausgeführt werden. Da die obere Oberfläche der Metallleitung 107 während und nach des Einebnungsprozesses freigelegt ist, was zu Korrosion und Verfärbung auf der Oberfläche führen kann, wird ein Reinigungsprozess mit einem anschließenden Abscheidevorgang ausgeführt, um die Deckschicht 109 zu bilden. Wie zuvor erläutert ist, findet ein belastungsinduzierter Materialtransport, etwa Elektromigration, vorzugsweise an Grenzflächen in der Verbindungsstruktur 106 statt. Daher können das ausgewählte Material und die Abscheideparameter zur Herstellung der Deckschicht 109 deutlich das Leistungsverhalten der Verbindungsstruktur 106 während des Betriebs beeinflussen. Schließlich wird die dielektrische Schicht 110 durch ein geeignetes Verfahren in Abhängigkeit von der für die dielektrische Schicht 110 verwendeten Materialart abgeschieden.
Es sollte beachtet werden, dass der zuvor beschriebene Prozess zur Herstellung der Verbindungsstruktur lediglich anschaulich ist und von den Gesamtprozessstrategien abhängt. Die folgenden Prozesse und Vorgehensweisen sind für eine beliebige Prozesstechnik geeignet, unabhängig von dem Prozessablauf, der tatsächlich verwendet wird.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird, sind eine Reihe von Prozessen und Materialien bei der Herstellung der Verbindungsstruktur 106 beteiligt, wobei zumindest einige deutlich die Eigenschaften, etwa die Mikrostruktur des Metalls, die Ausbildung von inneren Grenzflächen in Form von Hohlräumen, die Art und Qualität der Grenzflächen zwischen dem Metall und der Barrierenschicht 108, sowie die Grenzflächen und deren Qualität zwischen dem Metall und der Deckschicht 109 beeinflussen können.
1b zeigt schematisch eine Draufsicht eines Teils der Probe 100. Der Einfachheit halber sind die dielektrische Schicht 110, die Deckschicht 109, die dielektrische Schicht 105, die Deckschicht 109a und die dielektrische Schicht 102 als durchsichtig gezeigt, wobei die Metallleitung 103, die unter der leitenden Struktur 106 liegt, in gestrichelten Linien gezeigt ist. Wie in 1b gezeigt ist, ist die Metallleitung 103 mit einer Kontaktfläche verbunden, die schematisch durch 112 repräsentiert ist und die lediglich andeuten soll, dass die Metallleitung 103 mit einer externen Stromquelle verbunden werden kann. In ähnlicher Weise ist die Metallleitung 107 so ausgebildet, dass diese mit der externen Stromquelle verbunden werden kann, wobei die Verbindung in Form einer weiteren Verbindungsstruktur in der Art der Struktur 106, die mit einer entsprechenden darunter liegenden Metallleitung (nicht gezeigt) verbunden sein kann, die wiederum die gleiche Struktur wie die Metallleitung 103 aufweisen kann, vorgesehen sein kann. In anderen Beispielen kann die Metallleitung 107 mit einer Kontaktfläche oder einer weiteren Metallleitung innerhalb der gleichen Metallisierungsschicht verbunden sein. Ferner können mehrere Verbindungsstrukturen 106 vorgesehen sein, um die Präparation der Probe 100 in einem nachfolgenden Probenpräparierungsprozess unter Anwendung einer FIB-(fokussierter Ionenstrahl)Anlage zu erleichtern.
Wie zuvor erläutert ist, ist es für gegenwärtige und künftige Bauteilgenerationen wichtig, den Leistungsabfallmechanismus von Verbindungsstrukturen zu untersuchen, da diese Leistungsabfälle eine wesentliche Quelle für Bauteilausfälle in modernen Mikrostrukturen, die bei hohen Stromdichten betrieben werden, darstellen können. Da beliebige Grenzflächen zwischen dem Metall und benachbarten Materialien als Materialstransportwege erkannt wurden, wird die Probe 100 gemäß der vorliegenden Erfindung so präpariert, dass alle Grenzflächen der Verbindungsstruktur 106 intakt bleiben, wobei dennoch die Möglichkeit gegeben ist, den Zustand der leitenden Struktur 106 während des Betriebs typischerweise mittels beispielsweise einer kurzwelligen Strahlung, etwa einem Elektronenstrahl oder einem Röntgenstrahl, zu überwachen. Dazu wird das Substrat 101 so geschnitten, dass zumindest einige der Verbindungsstrukturen 106 (siehe 1b) in der Nähe der Schneidelinie liegen und die endgültige Probenpräparation wird mittels eines Prozesses mit einem fokussierten Ionenstrahl so ausgeführt, dass ein Schnitt entlang einer Linie ausgeführt wird, wie sie durch Ic in 1b bezeichnet ist. Beim Schneiden des Substrats 101 mittels des fokussierten Ionenstrahls wird der Strahl so positioniert, dass die Verbindungsstruktur 106 vollständig in der dielektrischen Schicht 105 eingebettet bleibt, um somit die Grenzfläche der Barrierenschicht 108 mit dem umgebenden Dielektrikum der Schicht 105 beizubehalten, da die leitende Barrierenschicht 108 auch zu dem Stromtransport in der Verbindungsstruktur 106 beiträgt. Die verbleibende Schicht des dielektrischen Materials „vor” der Verbindungsstruktur 106 ist mit 105a bezeichnet.
Für die nachfolgenden Studien unter Verwendung der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) wird in einigen Beispielen der fokussierte Ionenstrahl so positioniert, dass eine Dicke 113 der dielektrischen Schicht 105, die bewahrt wird, 100 nm oder weniger beträgt. In anderen Beispielen liegt die Dicke 113 im Bereich von ungefähr 50 nm bis 100 nm, wohingegen in anderen Beispielen eine Dicke von weniger als 50 nm erhalten werden kann, abhängig von der Positioniergenauigkeit, die durch die verwendete FIB-Anlage erreichbar ist. In dem in 1b gezeigten Beispiel können die Metallleitung 107 und die darunter liegende Metallleitung 103 einen merklichen Überlapp an beiden Seiten des Schnittes 1c abhängig von der Gestaltung der Probe 100 aufweisen. Wenn die Metallleitung 103 lediglich als eine Versorgungsleitung für die Verbindungsstruktur 106 aufgefasst wird, kann der Schnitt Ic durch die Metallleitung 103 im Wesentlichen durchgeführt werden, ohne die nachfolgende Überwachung des Leistungsabnahmeprozesses der Verbindungsstruktur 106 zu beeinflussen. Somit kann die Dicke 113 auf den zuvor genannten Bereich eingestellt werden unabhängig von dem Grad der Justierung der Ränder der Metallleitungen 107 und 103 an der Seite des Schnittes Ic. In anderen Fällen, wie dies in 1b gezeigt ist, kann die Leitung 103 ebenso in der dielektrischen Schicht 105 eingebettet bleiben.
In einem erläuternden Beispiel soll die Schnittprobe 100 für oberflächen- und grenzflächenempfindliche Messungen mittels Elektronenmikroskopie verwendet werden und daher stellt der Schnitt Ic eine Oberfläche für den eintreffenden Elektronenstrahl dar, wobei die reduzierte Dicke 113 des bewahrten dielektrischen Materials der Schicht 105, d. h. die Schicht 105a, gewährleistet, dass die eintreffenden Elektronen durch das verbleibende dielektrische Material selbst bei moderaten Elektronenenergien hindurchgehen. In einem weiteren erläuternden Beispiel wird die Schnittprobe 100 so präpariert, dass auf das Volumen empfindliche Messdaten mittels Röntgenstrahlmikroskopie erhalten werden können. Dazu wird die Schnittprobe 100 als eine Lammelle mit einer Dicke von ungefähr 1 bis 2 μm, abhängig von der Primärenergie der Strahlung, präpariert, indem die Probe 100, wie sie in 1b gezeigt ist, zusätzlich entlang dem Schnitt 114 mittels eines fokussierten Ionenstrahls geschnitten wird.
1c zeigt schematisch die Schnittprobe 100, wenn diese senkrecht zu der durch die verbleibende dielektrische Schicht 105a (siehe 1b) bereitgestellte Oberfläche betrachtet wird, wobei angenommen ist, dass die dielektrische Schicht 105a vor der Verbindungsstruktur 106 durchsichtig ist. Folglich ermöglicht die Schnittprobe 100 die Untersuchung der Leistungsabnahmemechanismen der Verbindungsstruktur 106 während des Betriebs unter im Wesentlichen „realen” Bedingungen, da die Verbindungsstruktur 106 vollständig in das dielektrische Material wie bei der Verwendung in der interessierenden Mikrostruktur eingebettet ist. Es sollte beachtet werden, dass die Verbindungsstruktur 106 lediglich anschaulicher Natur ist und dass eine beliebige andere interessierende Verbindungsstruktur hergestellt und als Schnittprobe in der oben beschriebenen Weise vorgesehen werden kann. Wenn beispielsweise der Leistungsabnahmemechanismus in einer einzelnen Metallleitung mit speziellem Aufbau zu untersuchen ist, kann ein entsprechender Leitungsbereich hergestellt werden, wobei entsprechende Stromzufuhrleitungen dann mit dem Metallleitungsbereich verbunden werden. In der gleichen Weise können eine Vielzahl gestapelter Verbindungsstrukturen entsprechend einem interessierenden Mikrostrukturaufbau hergestellt werden, wodurch die Möglichkeit geboten wird, die Eigenschaften derartiger Verbindungsstrukturen auf einem mehr „globaleren” Maßstab zu untersuchen.
Mit Bezug zu 2 werden nunmehr weitere erläuternde Beispiele hinsichtlich des Überwachens und Untersuchens von Eigenschaften der Verbindungsstruktur 106 detaillierter beschrieben.
In 2 umfasst ein System 200 eine Quelle kurzwelliger Strahlung 201 und einen Detektor 202, der ausgebildet ist, Sekundärstrahlung zu detektieren, die durch die einfallende kurzwellige Strahlung erzeugt wird, und der ausgebildet ist, Querschnittsmessdaten in Form entsprechender Signale an eine Signalverarbeitungseinheit 203 bereitzustellen. Das System 200 umfasst ferner einen Probenhalter 205, der so gestaltet ist, um eine geeignete Schnittprobe, etwa die Probe 100, wie sie mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben ist, aufzunehmen und in Position zu halten. Wie zuvor dargestellt ist, können oberflächen- und grenzflächenempfindliche Messungen mittels eines Elektronenstrahls durchgeführt werden, so dass die Elektronenquelle 201, der Detektor 202 und die Signalverarbeitungseinheit 203 in Form eines Rasterelektronenmikroskops bereitgestellt werden können. Z. B. kann ein LEO Gemini 1550 Elektronenmikroskop für diesen Zweck verwendet werden. In anderen Beispielen kann der Detektor 202 so gestaltet sein, um das Erfassen von Strahlung zu ermöglichen, die durch die Probe 100 hindurchgeht. Beispielsweise können die Strahlungsquelle 201, der Detektor 202 und die Signalverarbeitungseinheit 203 ein Röntgenstrahltransmissionsmikroskop repräsentieren, das die Erfassung des Materialtransports innerhalb der gesamten Verbindungsstruktur 106 ermöglicht. Geeignete Röntgenstrahlenmikroskope sind im Stand der Technik bekannt. Wie der Fachmann nach einem kompletten Studium dieser Anmeldung erkennt, kann die vorliegende Erfindung mit einer Vielzahl unterschiedlicher Systeme und Techniken ausgeführt werden, die es ermöglichen, die Verbindungsstruktur 106 visuell zu beobachten, um eine Leistungsabnahme der Verbindungsstruktur auf Grund beispielsweise von Elektromigration zu detektieren oder untersuchen, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Typischerweise umfasst das System 200 eine Prozesskammer und eine Einrichtung zur Errichtung erforderlicher Druckbedingungen darin, die der Einfachheit halber nicht gezeigt sind.
Das System 200 umfasst ferner eine einstellbare Stromquelle 204, die mit der Verbindungsstruktur mittels beispielsweise den Kontaktflächen 112 (siehe 1b) und entsprechenden Drähten, die an den Kontaktflächen und einem Testgehäuse angebracht sind, das wiederum in einen geeigneten Testsockel eingefügt ist, verbunden sein kann. In einem speziellen Beispiel umfasst das System 200 eine Heizung 206, die ausgestaltet ist, die Probe 100 mittels des Probenhalters 205 einstellbar zu erhitzen. Abhängig von den Gegebenheiten der Prozesskammer, die den Probenhalter 205 beherbergt, kann das System 200 ferner Einrichtungen aufweisen, um die Umgebungsbedingungen der Probe 100 einzustellen. Beispielsweise kann der umgebende Druck, der um die Probe 100 herum vorherrscht, mittels einer entsprechenden Pumpquelle einstellbar sein und/oder mechanische Belastungen bzw. Spannungen können extern auf die Probe 100 einwirken durch beispielsweise lokales Ausüben einer Kraft auf die Probe 100, und/oder die Feuchtigkeit der Atmosphäre kann gesteuert werden, und dergleichen.
Das System 200 umfasst ferner eine Speichereinheit 210, die ausgebildet ist, entsprechende Signale von der Signalverarbeitungseinheit 203 beispielsweise in Form von Bildern, z. B. zweidimensionalen Bildern, eines interessierenden Gebiets der Probe 100 zu empfangen. In einem speziellen Beispiel umfasst die Speichereinheit 210 einen Prozessorabschnitt, der ausgebildet ist, mindestens einige der gespeicherten zweidimensionalen Bilder in einer Schnelldurchlaufdarstellung bereitzustellen. In einigen Beispielen kann das System 200 einen Bildprozessor 220 aufweisen, der ausgebildet ist, die prozessierten Signale von der Signalverarbeitungseinheit 203 zu empfangen und eine Datenmanipulation an diesen Signalen, etwa eine Kontrastverbesserung, die Auswahl eines interessierenden Gebietes und dergleichen, auszuführen, bevor die Bilder der Speichereinheit 210 zugeführt werden.
Während des Betriebs des Systems 200 kann die Probe 100 auf dem Probenhalter 205 montiert werden und spezifizierte Belastungsbedingungen können der Probe 100 auferlegt werden. Da die Untersuchung der Elektromigration von größtem Interesse für die Entwicklung von Verbindungsstrukturen äußerst komplexer integrierter Schaltungen ist, umfasst vorzugsweise die Belastungsbedingung das Anlegen eines spezifizierten Stromes mittels der einstellbaren Stromquelle 204, um somit eine spezifizierte anfängliche Stromdichte in der Verbindungsstruktur 106 zu erzeugen. Ferner kann die Probe 200 auf eine spezifizierte Temperatur aufgeheizt werden, oder Bereiche der Probe 100 können auf eine spezifizierte Temperatur erwärmt werden, um somit einen Temperaturgradienten innerhalb der Probe 100 zu erzeugen. Beispielsweise kann in einem erläuternden Beispiel die angelegte Stromdichte in der Größenordnung von ungefähr 20 MA/cm² liegen, und die Probe 200 kann auf eine Temperatur in der Größenordnung von ungefähr 250°C erwärmt werden. Wie zuvor dargelegt ist, können abhängig von den Möglichkeiten des Systems 200 beim Errichten spezifizierter Umgebungsbedingungen für die Probe 200 zusätzlich oder alternativ andere Belastungsbedingungen eingeführt werden, etwa mechanische Spannungen, spezieller Umgebungsdruck, und dergleichen. Beispielsweise kann die Leistungsabnahme der Verbindungsstruktur 106 unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen untersucht werden, selbst wenn die Verbindungsstruktur 106 nicht betrieben wird oder nur zeitweilig betrieben wird, um den Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Gesamtzuverlässigkeit und das Leistungsverhalten der Verbindungsstruktur 106 abzuschätzen. Selbstverständlich können die geschaffenen Belastungsbedingungen zeitlich variiert werden oder die Größe der Belastungsbedingung kann bei Bedarf variiert werden.
Während des Ausübens einer spezifizierten Belastungsbedingung auf die Probe 100 wird die kurzwellige Strahlung auf die Probe 100 gerichtet, etwa kontinuierlich oder in unterbrochener Weise mit vordefinierten Zeitintervallen, und die entsprechende Primär- oder Sekundärstrahlung wird von dem Detektor 202 empfangen. Wenn z. B. die Strahlungsquelle 201, der Detektor 202 und die Signalverarbeitungseinheit 203 in Form eines Röntgenstrahlmikroskops vorgesehen sind, kann die Probe 100 in Form einer Lammelle bereitgestellt werden, und die durchgelassene oder gestreute Röntgenstrahlung kann detektiert und verarbeitet werden, um entsprechende Bilder der Verbindungsstruktur 106 zu erzeugen, die eine Sichtbarkeit des Materialtransports im Wesentlichen durch die gesamte Verbindungsstruktur hindurch liefern. Danach können von der Signalverarbeitungseinheit 203 gelieferte Bilder weiter bearbeitet werden mittels des Bildprozessors 220 und werden dann in der Speichereinheit 210 gespeichert. Schließlich können zumindest einige der in der Speichereinheit 210 gespeicherten Bilder in einer Form zusammengestellt werden, die für eine Darstellung in einem Schnelldurchlaufmodus geeignet ist. Dazu kann die Speichereinheit 210 in einem Personalcomputer oder einer anderen geeigneten Einrichtung, die das Speichern der mehreren Bilder ermöglicht und ferner die Möglichkeit zum geeigneten Darstellen der mehreren Bilder in Form eines „Films” bietet, implementiert werden. Es sollte beachtet werden, dass der Bildprozessor 220, falls dieser vorgesehen ist, ebenso in dem Personalcomputer implementiert sein kann, so dass eine gewünschte Bildverarbeitung durchführbar ist, um die Schnelldurchlaufdarstellung in Übereinstimmung mit einer interessierenden Eigenschaft geeignet anzupassen. D. h., subtile Bereiche innerhalb eines Bildes, das möglicherweise Schattierungen oder andere Merkmale aufweist, können ausgewählt und so manipuliert werden, um diese Merkmale zu verstärken oder abzuschwächen. Die entsprechende Bildverarbeitung kann dann in automatisierter Weise auf die verbleibenden Bilder angewendet werden, wodurch die Möglichkeit geboten wird, eine Änderung in den Bildern in Form eines Filmes unter verschiedenen Kriterien zu visualisieren. Die bewegte Darstellung oder die Filmdarstellung der Messergebnisse, die von dem System 200 erhalten werden, liefert die Möglichkeit, in effizienter Weise eine Änderung einer oder mehrerer Eigenschaften der Verbindungsstruktur 106 durch visuelle Beobachtung des Filmes zu identifizieren.
3a bis 3d zeigen schematisch Bilder, die mittels Rasterelektronenmikroskopie zu verschiedenen Phasen von Testdurchläufen erhalten wurden, wenn eine Verbindungsstruktur, etwa die Struktur 106 einer Belastungsbedingung unterzogen war, wobei das Ausheizen auf ungefähr 150°C und das Anlegen einer Stromdichte von ungefähr 30 MA/cm² (Megaampere pro Quadratzentimeter) innerhalb der Kontaktdurchführung 111 mit eingeschlossen waren.
3a repräsentiert ein sichtbares Bild der Struktur 106, nachdem die Struktur 106 der Stressbedingung für mehrere Stunden ausgesetzt war. Wie darin beschrieben ist, tritt ein Wanderungsprozess, der durch die Nummer 120A gekennzeichnet ist, an der Grenzfläche 119 zwischen der Metallleitung 107, d. h. dem Kupfer, und der Deckschicht 109 auf, die in dem vorliegenden Beispiel aus Siliziumnitrid aufgebaut ist. Die Intensität des Wanderungsprozesses 120A hängt von der Stromdichte und der Temperatur sowie von der Dauer der Belastungsbedingungen ab.
3b ist ein sichtbares Bild der Struktur 106, nachdem eine Belastungsbedingung ähnlich zu jener in 3a für mehrere Stunden angelegt war. Wie gezeigt, tritt eine Wanderung des Kupfers entlang der Deckschicht 109 und entlang der inneren Oberfläche des Hohlraumes, der bei 120B dargestellt und durch den Materialtransport geschaffen ist, auf.
3c ist ein sichtbares Bild der Struktur 106, wobei die mehrere Stunden lang anhaltende Belastungsbedingung zu einer Diffusion in Korngrenzenbereiche und einer Hohlraumansammlung in der Kontaktdurchführung 111, wie dies durch 120C bezeichnet ist, führt.
3d ist ein sichtbares Bild der Struktur 106, nachdem die Belastungsbedingung einige Stunden lang angelegt und zu einem Wachstum des Hohlraumes, der durch 120D bezeichnet ist, geführt hat, wobei dies hauptsächlich durch einen atomaren Transport entlang innerer Oberflächen hervorgerufen wird, was zu einer erneuten Kupferablagerung führt.
Wie zuvor erläutert ist, können eine Vielzahl von Bildern erhalten werden, die in einem Schnelldurchlaufmodus dargestellt werden können, um somit selbst subtile Änderungen innerhalb der Verbindungsstruktur 106 besser sichtbar zu machen. Beispielsweise kann ein entsprechender Film mit den Bildern hergestellt werden, die eine Messperiode von einigen Stunden bis einige Tage repräsentieren. Abhängig von der ausgewählten kurzwelligen Strahlung, d. h. Elektronen in einem Energiebereich von 10 bis 30 keV oder Röntgenstrahlen, können grenzflächenempfindliche oder volumenempfindliche Messergebnisse erhalten werden.
Auf Grund der Darstellung der Messergebnisse in Form einer „Film-”ähnlichen Darstellung können selbst subtile Änderungen der Messergebnisse unterschiedlicher Verbindungsstrukturen in effizienter Weise erkannt werden. Somit können die diversen Beiträge der Material- und/oder Prozessparameter der Herstellungssequenz zu dem Leistungsabnahmeprozess so verglichen werden, um eine Korrelation zwischen einem oder mehreren Materialien, Prozessparametern und Belastungsbedingungen, die den Testproben auferlegt wurden, zu erhalten.
4 zeigt schematisch eine Prozesssequenz 400 zur Herstellung einer Metallleitung oder einer Verbindungsstruktur, wie sie beispielsweise mit Bezug zu den 1a bis 1cbeschrieben ist. Das Feld 410 repräsentiert Prozesse, die mit der Herstellung einer Barrierenschicht und möglicherweise einer Saatschicht verknüpft sind, wobei diese Prozesse die chemische und physikalische Dampfabscheidung, die Atomschichtabscheidung, stromlose Plattierungsprozesse und dergleichen mit einschließen können. Das Feld 420 repräsentiert beliebige Inspektionsprozesse, die nach dem Herstellen der Barrierenschicht ausgeführt werden. Das Feld 430 repräsentiert den Plattierungsprozess, etwa einen Elektroplattierungsprozess zum Abscheiden großer Mengen von Kupfer, wie dies zuvor beschrieben ist. Das Feld 430 soll auch beliebige dem Plattieren nachgeschaltete Prozesse, etwa das CMP, das Elektropolieren und dergleichen zum Entfernen überschüssigen Materials sowie beliebige Ausheizzyklen, die vor und/oder nach einem CMP-Prozess ausgeführt werden, repräsentieren. Ein nächster Schritt der Prozesssequenz 400 ist durch das Feld 440 repräsentiert, das die Abscheidung einer Deckschicht, etwa der Deckschicht 109, kennzeichnet. Danach repräsentiert das Feld 450 beliebige Inspektions- und Messverfahren nach der Fertigung der betrachteten Verbindungsstruktur. In den Prozessschritten 410, ... 450 können sich Materialien und Prozessparameter entsprechend den Bauteil- und Prozesserfordernissen für die interessierende Mikrostruktur ändern, da beispielsweise die Barrieren- und Haftfunktion für die korrekte Funktion der Verbindungsstruktur essentiell ist, was sogar noch wichtiger wird, wenn die Strukturgrößen reduziert werden. Wie zuvor erläutert ist, kann eine komplexe gegenseitige Wechselwirkung der Materialien und der Prozessparameter signifikant das schließlich erhaltene Leistungsabnahmeverhalten der interessierenden Verbindungsstruktur beeinflussen. Daher wird gemäß einer anschaulichen Ausführungsform ein in-situ-Leistungsabnahmetest, der durch das Bild 460 repräsentiert ist, in ähnlicher Weise durchgeführt, wie dies mit Bezug zu 2 beschrieben ist, wodurch eine sensitive Überwachung der beteiligten Materialien und Prozessparameter ermöglicht wird. Beispielsweise kann eine Änderung der Geometrie, d. h. der Abmessungen der Kontaktdurchführungen und/oder der Metallleitungen, zu subtilen Änderungen der Eigenschaften der schließlich erhaltenen Verbindungsstruktur führen, obwohl im Wesentlichen die gleichen Prozessparameter und Materialien in der Herstellungssequenz 410, ... 450 wie in einer zuvor hergestellten Verbindungsstruktur, die zufriedenstellende Ergebnisse zeigt, angewendet wurden. Auf der Grundlage des in-situ-Leistungsabnahmetests 460 können dann ein oder mehrere Materialien oder Prozessparameter als die Hauptursache der beobachteten Leistungsabnahme identifiziert werden, indem ein oder mehrere Prozessparameter und Materialien für mehrere Testproben entsprechend variiert werden.
Ferner ermöglicht es der in-situ-Leistungsabnahmetest 460, Prozessschwankungen innerhalb der Sequenz 410, ... 450 effizient zu überwachen, die ansonsten in den einzelnen Prozessen nicht erkannt worden sind. Beispielsweise können entsprechend den Ergebnissen, die von den Inspektionsprozessen 420 und 450 und zusätzlichen Messprozessen geliefert werden, die einzelnen Prozesse 410, 430, 440 innerhalb der individuell definierten Prozessgrenzen liegen, während dennoch die schließlich erhaltene Verbindungsstruktur den Leistungsabnahmetest nicht bestätigen. Gemäß der Erfindung wird eine Korrelation, wie sie durch 470 bezeichnet ist, erstellt, die zumindest einen Prozessparameter und/oder ein Material mit den aus dem Leistungsabnahmetest 460 gewonnenen Messergebnissen in Beziehung setzt, so dass eine „Langzeit Prozesssteuerung erreicht wird. Beispielsweise kann aus zuvor ausgeführten Referenzmessungen der Einfluß beispielsweise von Prozessmaterialien und Parametern des Barrieren/Saat-Abscheideprozesses 410 für eine Vielzahl von Materialien und Prozessparameterwerten bestimmt worden sein. Beim Erfassen einer Abweichung in periodisch ausgeführten Leistungsabnahmetests 460 kann dann eine entsprechende Neueinstellung von Prozessparametern und/oder Materialien ausgeführt werden. Daraufhin können die Prozesse an einem oder mehreren nachfolgend prozessierten Substraten unter Anwendung der eingestellten Parameter und/oder eingestellten Materialien ausgeführt werden. Das gleiche gilt für die weiteren Prozessschritte 420, ... 450. Zum Beispiel können Messergebnisse der Inspektionsschritte 420 und 450 effizient mit den Ergebnissen des in-situ-Leistungsabnahmetests 460 korreliert werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, relevante Testschwankungen in einer frühen Phase der Prozesssequenz 410, ... 450 zu detektieren. Beispielsweise können Messergebnisse in Hinblick auf die Oberflächenstruktur, die Korngröße, oder die mechanische Spannung des eingelegten Kupfers nach dem Plattierungsprozess 430 mit in dem Leistungsabnahmetest 460 erkannten Leistungsbeeinträchtigungsmechanismen in Beziehung gesetzt werden, wobei mittels der Korrelation 470 und entsprechend routinemäßig ausgeführten Messungen eine Prozessschwankung erkannt werden kann, die ansonsten als vernachlässigbar eingeschätzt wird. Auf diese Weise kann die „Empfindlichkeit° einer oder mehrerer Inspektionsprozesse, die in der Sequenz 410, ... 450 beteiligt sind, in Bezug auf die schließlich erreichte Zuverlässigkeit der Verbindungsstrukturen verbessert werden. Ferner liefert die wirksame Visualisierung subtiler Änderungen in der Verbindungsstruktur in Form einer Schnelldurchlaufdarstellung die Möglichkeit, diverse Einflüsse auf die Leistungsbeeinträchtigungsmechanismen von Verbindungsstrukturen unter einer großen Bandbreite von Belastungsbedingungen wirksam zu untersuchen.
Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zum visuellen Untersuchen der Beeinträchtigung von leitenden Strukturen bereit, etwa von Metallleitungen und Metallverbindungsstrukturen, insbesondere von Verbindungsstrukturen auf Kupferbasis, indem vollständig eingebettete Metallleitungsbereiche unter diversen Belastungsbedingungen mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht werden, wobei Testergebnisse auch durch Röntgenstrahlstreuung erhalten werden und diese werden in äußerst effizienter Weise visualisiert, indem eine Vielzahl von Bildern in einem bewegten Modus dargestellt wird, wodurch das Erfassen selbst subtiler Änderungen mindestens einer Eigenschaft der Verbindungsstruktur ermöglicht wird, um eine verbesserte Steuerung des Herstellungsprozesses der Metallleitungen und Metallverbindungsstrukturen zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zum Steuern der Herstellung leitender Strukturen in einer dielektrischen Schicht eines Mikrostrukturbauteiles mit den Schritten: Variieren eines oder mehrerer Prozessparameter für mehrere Testproben; Herstellen mehrerer Testproben eines Bereichs der leitenden Struktur, derart, dass der Bereich in der dielektrischen Schicht eingebettet bleibt, wobei die leitende Struktur entsprechend einer vordefinierten Herstellungssequenz für das Mikrostrukturbauteil hergestellt wird; Erhalten von Querschnittsanalysemessdaten der mehreren Testproben durch Elektronenmikroskopie und/oder Röntgenstrahlmikroskopie, während der Bereich der leitenden Struktur einer spezifizierten Belastungsbedingung ausgesetzt ist; Erstellen einer Korrelation zwischen dem mindestens einen Prozessparameter der Testproben und den Querschnittsanalysemessdaten; Herstellen einer weiteren Testprobe eines Bereichs einer leitenden Struktur, die in einem Dielektrikum eines Mikrostrukturbauelements eingebettet ist, derart, dass der Bereich in dem Dielektrikum eingebettet bleibt; Erhalten weiterer Querschnittsanalysemessdaten von der weiteren Testprobe, während der Bereich der leitenden Struktur einer spezifizierten Belastungsbedingung ausgesetzt ist; und Steuern des mindestens einen Prozessparameters auf der Grundlage der Korrelation und der weiteren Querschnittsanalysemessdaten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vordefinierte Herstellungssequenz einen Barrierenschichtherstellungsprozess und/oder einen Saatschichtherstellungsprozess und/oder einen Plattierprozess einschließlich nachgeschalteter Prozesse und/oder einen Deckschichtherstellungsprozess und/oder mindestens einen Inspektionsprozess und/oder mindestens einen Messprozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitende Struktur ein Metall aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitende Struktur Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsanalysemessdaten in Form eines Bildes erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner Bewerten der vordefinierten Herstellungssequenz auf der Grundlage des mindestens einen Bildes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die spezifizierte Belastungsbedingung das Erzeugen einer vordefinierten anfänglichen Stromdichte in der Metallleitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die spezifizierte Belastungsbedingung das Aufheizen der Schnittprobe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Erhalten mehrerer Bilder der Testprobe und Darstellen der mehreren Bilder in bewegter Weise, um Abnutzungseffekte der leitenden Struktur unter der spezifizierten Belastungsbedingung zu visualisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Herstellen der Testprobe umfasst: Bilden einer ersten Metallleitung, einer zweiten Metallleitung und einer Verbindung in dem Mikrostrukturbauelement, wobei die Verbindung die erste und die zweite Metallleitung verbindet; und Schneiden des Mikrostrukturbauelements und Dünnen eines geschnittenen Bereichs, um die Probe zu erhalten, wobei die Probe die in einem Dielektrikum eingebettete Verbindung enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden der ersten und der zweiten Metallleitung und der Verbindung umfasst: Bilden der ersten Metallleitung in einer ersten Metallisierungsschicht und Bilden der zweiten Metallleitung und der Verbindung gemeinsam in einer zweiten Metallisierungsschicht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Metallleitung und die Verbindung Kupfer und eine leitende Barrierenschicht aufweisen, die mindestens einige der Seitenwände der ersten und der zweiten Metallleitung und der Verbindung von dem benachbarten dielektrischen Material trennt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die leitende Struktur eine dielektrische Barrierenschicht aufweist, die eine Grenzfläche mit Kupfer bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Dicke von dielektrischem Material, das eine Oberfläche über der ersten und der zweiten Metallleitung und der Verbindung bildet und einer kurzwelligen Strahlung während des Erhaltens der Querschnittsanalysedaten ausgesetzt ist, ungefähr 100 nm oder kleiner ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Energie der kurzwelligen Strahlung so gewählt wird, dass diese zumindest durch die Dicke des dielektrischen Materials hindurchgeht.
Verfahren zum Steuern der Herstellung leitender Strukturen in einer dielektrischen Schicht eines Mikrostrukturbauteiles mit den Schritten: Herstellen mehrerer Testproben eines Bereichs der leitenden Struktur, derart, dass der Bereich in der dielektrischen Schicht eingebettet bleibt, wobei die leitende Struktur entsprechend einer vordefinierten Herstellungssequenz für das Mikrostrukturbauteil hergestellt wird, wobei mindestens eine Eigenschaft eines Materials der vordefinierten Herstellungssequenz variiert wird; Erhalten von Querschnittsanalysemessdaten der mehreren Testproben, während der Bereich der leitenden Struktur einer spezifizierten Belastungsbedingung ausgesetzt ist; Erstellen einer Korrelation zwischen der mindestens einen Eigenschaft des Materials der vordefinierten Herstellungssequenz und den Querschnittsanalysemessdaten; Herstellen einer weiteren Testprobe eines Bereichs der leitenden Struktur, die in einem Dielektrikum eines Mikrostrukturbauelements eingebettet ist, derart, dass der Bereich in dem Dielektrikum eingebettet bleibt; Erhalten zweiter Querschnittsanalysemessdaten von der weiteren Testprobe, während der Bereich der leitenden Struktur einer spezifizierten Belastungsbedingung ausgesetzt ist; und Einstellen der mindestens einen Eigenschaft des Materials auf der Grundlage der Korrelation und der zweiten Querschnittsanalysemessdaten.
Verfahren zum Steuern der Herstellung leitender Strukturen in einer dielektrischen Schicht eines Mikrostrukturbauteiles mit den Schritten: Herstellen mindestens einer Testprobe eines Bereichs der leitenden Struktur, derart, dass der Bereich in der dielektrischen Schicht eingebettet bleibt, wobei die leitende Struktur entsprechend einer vordefinierten Herstellungssequenz für das Mikrostrukturbauteil hergestellt wird; Erhalten von Querschnittsanalysemessdaten der zumindest einen Testprobe, während der Bereich der leitenden Struktur einer spezifizierten Belastungsbedingung ausgesetzt ist; und Erstellen einer Korrelation zwischen den Querschnittsanalysemessdaten und Messergebnissen von mindestens einem Inspektionsprozess der vordefinierten Herstellungssequenz.