DE10360206B4

DE10360206B4 - Verfahren zum selektiven galvanischen Abscheiden in einer integrierten Schaltungsanordnung, insbesondere auf Kupfer, und integrierte Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10360206B4
Application number: DE2003160206
Authority: DE
Inventors: Johann Helneder; Holger Torwesten
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-12-13
Filing date: 2003-12-13
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2023-12-14
Also published as: WO2005057643A1; DE10360206A1

Abstract

Verfahren zum selektiven galvanischen Abscheiden in einer integrierten Schaltungsanordnung (10), mit den Schritten:
Ausbilden eines ersten Materials (22) an einem Substrat (12, 16, 18) in einer integrierten Schaltungsanordnung (10),
Ausbilden eines zweiten Materials (52) an dem Substrat (12), wobei sowohl das erste Material (22) als auch das zweite Material (52) elektrisch leitfähig sind,
Durchführen eines selektiven galvanischen Verfahrens, bei dem das erste Material (22) und das zweite Material (52) einer Elektrolytlösung ausgesetzt und als Kathode geschaltet werden,
bei dem als Abscheidematerial ein Material verwendet wird, das kein Kupfer enthält oder dessen Kupferanteil kleiner als fünf Atomprozent ist,
und bei dem zwischen einer Anode und der Kathode eine Abscheidespannung mit einem Wert angelegt wird, der eine Abscheidung des Abscheidematerials (54) auf dem zweiten Material bewirkt,
und wobei als erstes Material (22) mindestens ein Material gewählt wird, auf dem bei der angelegten Abscheidespannung und der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden auf Kupfer oder einer Kupferlegierung, insbesondere in integrierten Schaltungsanordnungen. Das Kupfer bzw. die Kupferlegierung wird bspw. mit einem galvanischen Verfahren in Öffnungen einer Maske strukturiert aufgebracht. Anschließend soll auf das Kupfer eine elektrisch leitfähige Hilfsschicht aufgebracht werden, bspw. um das Kupfer vor der Oxidation an der Luft zu schützen oder um eine elektrisch leitende Verbindung besser befestigen zu können.
Würde man die Hilfsschicht bei noch vorhandener Maske mit einem galvanischen Verfahren aufbringen, so wären nur die freiliegenden Deckflächen des Kupfers bedeckt, nicht aber dessen Seitenwände bzw. Seitenflanken. Wird dagegen die Maske vor dem Aufbringen der Hilfsschicht entfernt und wird die elektrisch leitfähige Hilfsschicht ohne weitere Maßnahmen, bspw. bei ganzflächigen Abscheidung, aufgebracht, so muss die Hilfsschicht mit einem zusätzlichen fotolithografischen Schritt strukturiert werden, um Kurzschlüsse zwischen den Kupferbereichen zu vermeiden.
Aus der US 2003/0134510 A1 ist ein Verfahren zum selektiven Galvanisieren unter Verwendung einer elektrisch isolierenden Oxidmaske bekannt. Die US 2001/0013617 A1 , drittes Ausführungsbeispiel und viertes Ausführungsbeispiel, zeigt eine unselektive galvanische Abscheidung einer Tantalnitridschicht bzw. einer Rhodiumschicht auf Kupferbereichen und auf Barriereschichtbereichen. Die WO 03/095707 A2 betrifft Verfahren zum Erzeugen von 3D-Strukturen. Dabei wird unter Verwendung von elektrisch isolierenden Maskenschichten Material selektiv durch außenstromlose Verfahren oder durch Verfahren mit Außenstrom aufgebracht. Die US 6,111,317 zeigt Verfahren zum Galvanisieren unter Verwendung einer Fotomaske.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Abscheiden, insbesondere auf Kupfer, in einer integrierten Schaltungsanordnung anzugeben, das insbesondere keine zusätzlichen fotolithografischen Schritte erfordert und mit dem sich das Abscheidematerial in hoher Qualität und mit im Vergleich zu außenstromlosen Abscheideverfahren hoher Abscheidegeschwindigkeit abscheiden lässt. Außerdem soll eine integrierte Schaltungsanordnung angegeben werden.
Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die folgenden Schritte ausgeführt:

– Ausbilden eines bei einem selektiven Abscheiden mit einem Abscheidematerial nicht zu beschichtenden ersten Materials an einem Substrat,
– Ausbilden eines bei dem selektiven Abscheiden mit dem Abscheidematerial zu beschichtenden zweiten Materials an dem Substrat,
– wobei sowohl das nicht zu beschichtende Material als auch das zu beschichtende Material elektrisch leitfähig sind,
– Durchführen eines selektiven galvanischen Verfahrens,
– bei dem das nicht zu beschichtende Material und das zu beschichtende Material einer Elektrolytlösung ausgesetzt werden,
– bei dem das nicht zu beschichtende Material und das zu beschichtende Material als Kathode geschaltet werden,
– bei dem als Abscheidematerial ein Material verwendet wird, das kein Kupfer enthält oder dessen Kupferanteil kleiner als fünf Atomprozent ist,
– und bei dem zwischen mindestens einer Anode und der Kathode eine Abscheidespannung mit einem Wert angelegt wird, der eine Abscheidung des Abscheidematerials auf dem zu beschichtenden Material bewirkt,

Das Abscheiden einer über einer Waferhauptfläche geschlossenen Schicht soll möglichst vermieden werden. Entsteht aber bspw. zum Ende oder während des selektiven Galvanisierens hin, in mindestens einem Teilbereich eine geschlossene in ihrer Dicke im Vergleich zu der auf dem zu beschichtenden Material abgeschiedenen Schicht stark reduzierte Schicht, so wird diese durch einen nasschemischen oder trockenchemischen Rückätzschritt ohne Verwendung eines fotolithografischen Verfahrens entfernt. Beim Rückätzen wird das Abscheidematerial vollständig von dem nicht zu beschichtenden Material entfernt. Die abgeschiedene Schicht auf dem zu beschichtenden Material wird beim Rückätzen etwas gedünnt, verbleibt im Übrigen aber auf dem zu beschichtenden Material.
Werden zwar Ablagerungen aber keine geschlossene Schicht auf den nicht zu beschichtenden Bereichen gebildet, so können die Ablagerungen bspw. beim Entfernen der nicht zu beschichtenden. Schicht entfernt werden. Die Ablagerungen haben bspw. eine größte Ausdehnung kleiner als 1 Mikrometer oder kleiner als 200 Nanometer, so dass keine Kurzschlüsse zwischen den zu besichtenden Materialstrukturen gebildet werden.
Weil als Abscheidematerial ein Material verwendet wird, das kein Kupfer enthält oder dessen Kupferanteil kleiner als fünf Atomprozent ist unterliegt dieses Material selbst zunächst nicht den Angriffen, denen Kupfer, ausgesetzt ist. Als Abscheidematerial lässt sich insbesondere ein chemisch passivierendes und ein leicht bondbares Material wählen. Die Passivierung bzw. die leichte Bondbarkeit ergeben sich bspw. durch eine nur geringe Oxid oder Schutzschicht, die insbesondere auch elektrisch isolierend sein kann, auf einem im übrigen elektrisch leitfähigen Abscheidematerial.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass jede elektrochemische Reaktion mit Außenstrom aus mehreren Teilvorgängen besteht, die auch die Ursache einer Überspannung an einer Elektrode ist, an der nur eine elektrochemische Reaktion ablauft. Laufen an der Elektrode mehrere elektrochemische Reaktionen ab, so wird an Stelle einer Überspannung von Polarisation gesprochen. Vor dem Erreichen der Überspannung tritt kein Stromfluss und damit auch keine kontinuierliche Abscheidung auf. Die Überspannung ergibt sich aus der Differenz von angelegter Spannung beim Einsetzen eines Stromflusses und der Gleichgewichtsgalvanospannung bzw. der Galvanospannung ohne äußeren Stromfluss. Im Folgenden wird nicht mehr zwischen Überspannung und Polarisation unterschieden.
Die mit den Teilvorgängen verbundenen Überspannungen lassen sich abhängig von dem am stärksten gehemmten Teilvorgang bspw. einteilen in:

– eine Konzentrationsüberspannung, die sich nochmals in eine Diffusionsüberspannung und eine Reaktionsüberspannung einteilen lässt, wobei die Diffusionsüberspannung dem Antransport von Kationen entgegenwirkt und wobei die Reaktionsüberspannung bspw. durch der eigentlichen elektrochemischen Reaktion vorgelagerte Reaktionen entsteht, z.B. eine Aufspaltung einer Komplexverbindung,
– eine Durchtrittsüberspannung, verursacht durch eine elektrische Doppelschicht an der Kathode, wobei die Doppelschicht bei der eigentlichen elektrochemischen Reaktion von Kationen durchdrungen werden muss,
– eine Kristallisationsüberspannung, hervorgerufen durch Oberflächendiffusion und den Einbau des Abscheidematerials in das Kristallgitter an der Kathode und
– eine Widerstandsüberspannung, verursacht durch einen ohmschen Spannungsabfall in der Elektrolytlösung.

Die Erfindung geht weiterhin von der Überlegung aus, dass bei gleichen Galvanisierbedingungen für zwei unterschiedliche Materialien die Kristallisationsüberspannung den maßgeblichen Einfluss auf die Übergangsspannung hat. Die Kristallisationsüberspannung steigt u.a. mit:

– der Unterschiedlichkeit der Kristallgitter zwischen Kathodenmaterial und Abscheidungsmetall, bspw. einerseits zwischen dem Barrierenmaterial und dem Abscheidematerial, z.B. Zinn, Silber oder Gold, sowie andererseits zwischen dem Leitbahnmaterial Kupfer und dem Abscheidematerial,
– mit der Feinkörnigkeit der Unterlage, wobei eine große Rauhigkeit zu vermeiden ist,
– der Zugabe von Inhibitoren zum Elektrolyten, d.h. durch die Wahl geeigneter Additivsysteme.

Damit lassen sich die unterschiedlichen Kristallisationsüberspannungen zweier voneinander verschiedener Kathodenmaterialien für eine selektive Abscheidung nutzen. Die zwischen Anode und Kathode angelegte Galvanisierungsspannung muss für eine Abscheidung gleich der Summe oder größer als die Summe der Überspannung des einen Kathodenmaterials und dessen Gleichgewichtsgalvanospannung sein. Die angelegte Galvanisierungsspannung muss zur Unterbindung einer Abscheidung dagegen kleiner als die Summe der Überspannung des anderen Kathodenmaterials und dessen Gleichgewichtsgalvanospannung sein.
So findet eine Abscheidung auf der nach einer Kupferkeimbildungsschichtätzung freiliegenden Barriereschicht aus bspw. Tantal (Ta) oder Tantalnitrid (TaN) oder Wolframtitan (WTi) nicht statt, weil der Wert der Kristallisationsüberspannung des abzuscheidenden Metalls, z.B. Zinn, zur Barriere höher ist als der Wert der Kristallisationsüberspannung des abzuscheidenden Materials zu Kupfer und weil der Wert der angelegten Galvanisierungsspannung zwischen den maßgeblich durch die beiden Kristallisationsüberspannungen bestimmten Überspannungswerten liegt.
Auf Grund der selektiven Abscheidung werden auch die Seitenflanken des Kupfers mit dem Abscheidematerial bedeckt. Eine galvanische Abscheidung mit Außenstrom ist außerdem in einer vergleichsweise kurzen Abscheidezeit durchführbar. Außerdem ist die Prozessstabilität hoch, weil Elektrolytlösungen ohne Reduktionsmittel nutzbar sind.
Bei einer Ausgestaltung sind das nicht zu beschichtende Material und das zu beschichtende Material elektrisch leitfähig untereinander verbunden. Beispielsweise grenzen beide Materi alien aneinander an. Beide Materialien können bspw. mit gleichem Abstand zum Substrat in einer Ebene angeordnet sein. Alternativ liegt ein Material auf einem Teilbereich des anderen Materials unmittelbar angrenzend auf.
Bei einer Weiterbildung führt das nicht zu beschichtende Material den Galvanisierungsstrom, insbesondere den gesamten Galvanisierungsstrom. Damit lässt sich der Galvanisierungsstrom auf einfache Art von dem zu beschichtenden Material wegführen. Eine im Vergleich zu Kupfer geringere elektrische Leitfähigkeit des nicht zu beschichtenden Materials ist insbesondere dann hinnehmbar, wenn nur eine dünne Schicht abgeschieden werden soll, bspw. eine Schicht mit einer Schichtdicke kleiner als zwei Mikrometer.
Bei einer Weiterbildung wird als Anode eine Elektrode geschaltet, die das Abscheidematerial enthält oder aus dem Abscheidematerial besteht. Alternativ wird als Anode eine inerte Elektrode geschaltet, d.h. eine Elektrode, die sich beim Galvanisieren nicht zersetzt, wobei das Abscheidematerial als Salz oder als Salzlösung der Elektrolytlösung zugesetzt wird.
Bei einer nächsten Weiterbildung wird das zu beschichtende Material nach dem Ausbilden des nicht zu beschichtenden Materials ausgebildet. Bspw. wird das zu beschichtende Material nach einer Abscheidung des nicht zu beschichtenden Materials abgeschieden.
Bei einer anderen Weiterbildung wird das zu beschichtende Material unter Verwendung einer Maske galvanisch abgeschieden. Anschließend wird die Maske entfernt. Erst danach wird das selektive galvanische Verfahren ohne Maske durchgeführt.
Bei einer Weiterbildung werden die folgenden Schritte ausgeführt:

– Ausbilden einer ganzflächigen elektrisch leitfähigen Wachstumskeimbildungsschicht, die insbesondere aus Kupfer besteht oder mindestens vierzig Atomprozent Kupfer enthält, nach dem Ausbilden des nicht zu beschichtenden Materials und vor dem Ausbilden des zu beschichtenden Materials,
– Entfernen der Wachstumskeimbildungsschicht in Bereichen, die nicht von dem zu beschichtenden Material bedeckt sind, nach dem Entfernen der Maske, wobei das nicht zu beschichtende Material freigelegt wird.

Die Wachstumskeimbildungsschicht hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, so dass auch Schichten des zu beschichtenden Materials mit einer großen Schichtdicke unter Verwendung von hohen Stromdichten schnell abgeschieden werden können. Außerdem erhöht sie die mechanische Haftung der zu beschichtenden Schicht.
Bei einer Weiterbildung wird eine weitere beim selektiven Galvanisieren nicht zu beschichtenden, Materialschicht nach dem Ausbilden des zu beschichtenden Materials und des nicht zu beschichtenden Materials ausgebildet, vorzugsweise mit einem galvanischen Verfahren. Damit wird bspw. auf einem Vorsprung des zu beschichtenden Materials eine Deckfläche abgeschieden. Nur die Seitenflächen des Vorsprungs werden dann beim selektiven Galvanisieren beschichtet.
Bei einer Weiterbildung bildet das zu beschichtende Material einen Vorsprung, der über das nicht zu beschichtende Material hinausragt. Alternativ liegen das zu beschichtende Material und das nicht zu beschichtende Material in einer Ebene. Bei einer dritten Alternative ist das zu beschichtende Material etwas zurückgesetzt, z.B. um höchstens 200 Nanometer. Bei der zweiten Alternative und der dritten Alternative wird das zu beschichtende Material vorzugsweise chemisch mechanisch poliert, wobei das nicht zu beschichtende Material als Polierstoppschicht dient.
Bei einer anderen Weiterbildung ist das Abscheidematerial ein das zu beschichtende Material chemisch passivierendes Material. Besonders geeignete Abscheidematerialien sind Edelmetalle oder Metalle die eine passivierende Oxidschicht an der Luft bilden.
Andere Weiterbildungen betreffen das nicht zu beschichtende Material, das bei einer Weiterbildung aus Tantal oder aus Tantalnitrid besteht oder mindestens vierzig Atomprozent Tantal enthält. Bei einer alternativen Weiterbildung besteht das nicht zu beschichtende Material aus Wolfram oder Wolframtitan bzw. enthält mindestens vierzig Prozent Wolfram. Bei einer Ausgestaltung ist der Titananteil kleiner fünfzehn Prozent, bspw. zehn Atomprozent. Die genannten Materialien lassen sich für die Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen gut prozessieren und haben eine Barrierewirkung gegen Kupferdiffusion.
Andere Weiterbildungen betreffen das Abscheidematerial. So gilt alternativ:

– dass das Abscheidematerial Zinn ist oder Zinn enthält,
– dass das Abscheidematerial Silber ist oder Silber enthält,
– dass das Abscheidematerial Gold ist oder Gold enthält,
– dass das Abscheidematerial Nickel oder Nickelphosphor ist

– dass das Abscheidematerial Palladium ist oder Palladium

Bei einer nächsten Weiterbildung wird nach dem selektiven galvanischen Abscheiden des Abscheidematerials mindestens ein weiteres selektives galvanisches Abscheideverfahren mit einem anderen Abscheidematerial durchgeführt. Beispielsweise werden zwei weitere selektive galvanische Abscheideverfahren durchgeführt. Bei einer Ausgestaltung wird eine Schichtenfolge aus oben für das Abscheidematerial genannten Materialien erzeugt, insbesondere nacheinander die folgenden Schichten:

– eine Nickelschicht oder eine nickelhaltige Schicht, z.B. eine Nickelphosphorschicht, auf Kupfer, wobei sich eine dünne terniäre Grenzschicht ergibt, die gute Eigenschaften bzgl. der Verhinderung von Elektromigration bzw. Diffusion hat,
– danach eine Palladiumschicht oder eine palladiumhaltige Schicht,
– danach eine Goldschicht oder eine goldhaltige Schicht. Durch die Verwendung einer Schichtfolge werden auch die positiven Eigenschaften verschiedener Materialien kombiniert.

Bei einer anderen Weiterbildung wird als nicht zu beschichtendes Material ein Material gewählt, an dem sich das Ab scheidematerial bei der gewählten Elektrolytlösung erst bei einer solchen Abscheidespannung als geschlossene Schicht. abscheiden würde, die die angelegte Galvanisierungsspannung um mehr als 100 Millivolt oder um mehr als 200 Millivolt überschreitet, insbesondere betragsmäßig.
Metalle lassen sich generell in die folgenden drei Gruppen einteilen:

– normal reaktive Metalle mit sehr geringen Überspannungen kleiner als 10 Millivolt: Cadmium Cd, Quecksilber Hg, Blei Pb, Zinn Sn, Thallium Tl
– gehemmt reaktive Metalle mit mittleren Überspannungen zwischen 10 Millivolt und 100 Millivolt: Silber Ag, Gold Au, Wismut Bi, Kupfer Cu, Antimon Sb
– träge Metalle mit hohem Überspannungen zwischen 100 Millivolt und 1 Volt: Kobalt Co, Eisen Fe, Nickel Ni, Palladium Pd, Platin Pt, Titan Ti, Rhenium Re.

Bei der Einteilung ist zu beachten, dass die angegebenen Überspannungen nur die Größenordnung und nicht die genauen Werte betreffen, da nur die Größenordnung der Überspannung von dem Metall bestimmt wird, an dem abgeschieden wird. Der genaue Wert der Überspannung hängt u.a. vom Elektrolyten und vom Abscheidematerial ab. Damit können insbesondere Metalle an den Grenzen eines Bereiches auch dem angrenzenden Bereich zugeordnet werden.
Eine große Selektivität lässt sich dann erreichen, wenn das zu beschichtende Material und das nicht zu beschichtende Material aus verschiedenen Gruppen gewählt werden. Wird sowohl als zu beschichtendes Material als auch als nicht zu beschichtendes Material ein träges Metall gewählt, d.h. Metalle der dritten Gruppe, so sollte zwischen den Überspannungen der gewählten Metalle eine möglichst große Überspannungsdifferenz bestehen.
Bei einer nächsten Weiterbildung besteht die Elektrolytlösung aus einer neutralen Lösung, einer sauren Lösung oder aus einer basischen Lösung, insbesondere aus einer abgesehen von Lösungsmittel zusatzstofffreien Lösung. Alternativ enthält die Elektrolytlösung Zusätze, die insbesondere mindestens eine der folgenden Eigenschaften beeinflussen:

– die Oberflächenrauheit des abgeschiedenen Materials,
– die Geschwindigkeit der Abscheidung,
– die Abscheidung an Feldspitzen an dem nicht zu beschichtenden Material.

Bei einer Ausgestaltung ist die Elektrolytlösung frei von einem Reduktionsmittel.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, die in der folgenden Reihenfolge mit zunehmendem Abstand von einem Substrat enthält:

– eine elektrisch leitfähige Leitbahn oder Anschlussplatte,
– eine elektrisch leitfähige Grundschicht,
– eine Kupferleitbahn, die aus Kupfer besteht oder mindestens vierzig Prozent Kupfer enthält.

Außerdem enthält die Schaltungsanordnung eine die Kupferleitbahn an der vom Substrat abgewandten Seite und an mindestens einer Seitenfläche bedeckende elektrisch leitfähige Hilfs schicht aus einem anderen Material als die Leitbahn und die Grundschicht. Die Grundschicht ragt über die Seitenfläche hinaus, insbesondere verursacht durch ein nachträgliches Strukturieren der Grundschicht nach dem Aufbringen der Hilfsschicht. Eine solche Schaltungsanordnung entsteht auch bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, so dass die oben genannten technischen Wirkungen auch für die Schaltungsanordnung gelten.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Figuren erläutert. Darin zeigen:
1A und 1B Herstellungsstufen bei der Herstellung einer integrierten Schaltungsanordnung.
Das Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltungsanordnung 10 beginnt ausgehend von einem Substrat 12, das z.B. mehrere nicht dargestellte Metallisierungslagen und einen halbleitenden Hauptkörper aus z.B. Silizium enthält. Die Metallisierungslagen enthalten jeweils eine Vielzahl von Leitbahnen und Vias, die innerhalb einer Metallisierungslage durch ein Intralagendielektrikum und zwischen benachbarten Metallisierungslagen durch ein Interlagendielektrikum isoliert sind. Auf dem Hauptkörper aus Silizium sind eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen ausgebildet, z.B. Feldeffekttransistoren einer Speicherschaltung oder eines Prozessors.
Wie in 1A dargestellt ist, wird auf das Substrat 12 eine obere Aluminiumschicht 14 aufgebracht und unter Verwendung eines fotolithografischen Verfahrens strukturiert, wobei ein Anschlusspad 16 erzeugt wird. Die Aluminiumschicht 14 und auch das Anschlusspad 16 haben bspw. eine Dicke im Bereich von 500 Nanometern bis zu zwei Mikrometern, im Ausführungsbeispiel von 500 Nanometern. Das Anschlusspad 16 hat bspw. eine rechteckige oder quadratische Grundfläche. Eine Abmessung des Anschlusspads 16 beträgt bspw. etwa 80 Mikrometer.
Nach dem Strukturieren der Aluminiumschicht 14 wird eine Passivierungsschicht 18 abgeschieden. Die Passivierungsschicht 18 hat bspw. eine Schichtdicke im Bereich von 500 Nanometern bis zu zwei Mikrometern, im Ausführungsbeispiel von 500 Nanometern. Die Passivierungsschicht 18 enthält bspw. eine Oxidschicht und eine darüber liegende Nitridschicht. Mit Hilfe eines fotolithografischen Verfahrens werden in die Passivierungsschicht 18 für eine obere Kupferlage 19 eine Vielzahl von Aussparungen eingebracht, von denen in 1A eine Aussparung 20 dargestellt ist. Die Kupferlage 19 dient bspw. der Umverdrahtung von jeweils einem zentralen Anschluss auf mehrere Anschlussplatten 16. Die Kupferlage 19 ist bspw. in einer Leistungsschaltanwendung mit Schaltströmen größer 1 Ampere pro integriertem Schaltkreis enthalten. Die Aussparung 20 hat bspw. ebenfalls einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Jedoch hat die Aussparung 20 einen kleineren Durchmesser als das Anschlusspad 16. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Aussparung 20 etwa 60 Mikrometer.
Nach dem Erzeugen der Aussparung 20 wird ganzflächig eine Tantal-Barrierenschicht 22 alternativ eine Tantalnitridschicht aufgebracht, deren Schichtdicke bspw. im Bereich von 20 Nanometern bis zu 200 Nanometern liegt. Im Ausführungsbeispiel hat die Barriereschicht 22 eine Schichtdicke von 50 Nanometern. Die Barriereschicht 22 wird bspw. aufgesputtert.
Nach dem Aufbringen der Barriereschicht 22 wird ganzflächig eine Kupferschicht 24 aus reinem Kupfer aufgebracht, z.B. mit einem Kupferanteil größer als 98 Atomprozent. Die Dicke der Kupferschicht 24 liegt bspw. im Bereich von 80 Nanometern bis 150 Nanometern. Im Ausführungsbeispiel hat die Kupferschicht 24 eine Dicke von 100 Nanometern. Beispielsweise wird die Kupferschicht 24 aufgesputtert.
Wie weiter in 1A dargestellt ist, wird anschließend auf die Kupferschicht 24 eine Resistschicht 26 aufgebracht, z.B. eine Fotoresistschicht mit einer Schichtdicke von dreißig Mikrometern. Die Resistschicht 26 wird belichtet und entwi ckelt, wobei oberhalb der Aussparung 20 eine Aussparung 28 für eine Leitbahn entsteht.
Wie weiter in 1A gezeigt ist, wird anschließend eine Leitbahn 52 galvanisch abgeschieden, wobei gleich zu Beginn eine hohe Stromdichte verwendet wird. Das Material der Leitbahn 52 ist im Ausführungsbeispiel Kupfer alternativ eine Kupferlegierung, die mit einer Schichtdicke im Bereich von bspw. fünf bis zwanzig Mikrometern abgeschieden wird. Im Ausführungsbeispiel hat die Leitbahn 52 eine Schichtdicke von zwanzig Mikrometern.
1B zeigt, dass nach dem Abscheiden der Kupferleitbahn 52 die Resistschicht 26 wieder entfernt wird, so dass die Kupferleitbahn 52 frei liegt. Nasschemisch oder trockenchemisch werden anschließend die freiliegenden Bereiche der Kupferschicht 24 von der Barriereschicht 22 entfernt, wobei zwischen der Leitbahn 52 und der Barriereschicht 22 ein Kupferbereich 24a entsteht.
Nach dem Entfernen der freiliegenden Bereiche der Kupferschicht 24 wird ein selektives Galvanisieren durchgeführt, bei dem die ganzflächige Barriereschicht 22 vorzugsweise am Waferrandbereich mit einem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden wird. Das Substrat 12 wird in ein Elektrolytbad getaucht, bspw. in ein sauren Bad, z.B. MSA (methane sulphonic acid). Im Elektrolytbad befindet sich beispielsweise im Abstand von weniger als 10 Zentimetern, z.B. im Abstand von fünf Zentimetern eine Anodenplatte aus Zinn. Das Galvanisieren wird bspw. bei einer Badtemperatur von 25 Grad Celsius durchgeführt. Die Galvanisierungsspannung muss empirisch ermittelt werden und hängt bspw. ab von:

– der Leitfähigkeit des Bades, die z. B. von der Ionen- bzw. Anionenkonzentrationen bestimmt wird,
– den oben genannten Überspannungen,
– der Temperatur.

Bei Versuchen zur Abscheidung von Zinn auf Kupfer wurden Galvanisierungsspannungen im Bereich von 0,5 bis 1,5 Volt gewählt.
Beim selektiven Galvanisieren wird bspw. eine lötfähige Passivierungsschicht 54 aus Zinn oder einer Zinnlegierung mit gleichmäßiger Schichtdicke nur an der Kupferleitbahn 52 und nicht auf der Barriereschicht 22 abgeschieden. Die Dicke der Passivierungsschicht 54 liegt bspw. zwischen 10 Nanometern und drei Mikrometern. Die Passivierungsschicht 54 passiviert die Kupferleitbahn 52 insbesondere gegen Oxidation.
Danach wird die Barriereschicht 22 in Bereichen 56 entfernt, die nicht von der Passivierungsschicht 54 und damit nicht von der Leitbahn 52 bzw. dem Kupferbereich 24a bedeckt sind. Dabei wird bspw. nasschemisch oder trockenchemisch geätzt. Es entsteht aus der Barriereschicht 22 ein Barriereschichtbereich 22a zwischen dem Kupferbereich 24a und dem Anschlusspad 16. Der Barriereschichtbereich 22a ragt lateral über die Aussparung 20, den Kupferschichtbereich 24a und über die Leitbahn 52 hinaus. In Normalenrichtung des Substrats 12 betrachtet liegt ein Vorsprung 58 des Barriereschichtbereiches 24a zwischen dem am nächsten zum Substrat 12 angeordneten Bereich der Passivierungsschicht 54 und der Passivierungsschicht 18 bzw. dem Substrat 12. Der Vorsprung 58 läuft um die gesamte Leitbahn 52 herum, in einer Ebene, die parallel zum Substrat 12 liegt.
Mit Hinblick auf das Entfernen der Kupferschicht 24 und der Barriereschicht 22 werden möglichst kleine Schichtdicken für die Kupferschicht 24 und für die Barriereschicht 22 gewählt, ohne jedoch deren eigentliche Stromzuführfunktion bzw. Barrierefunktion zu stark zu beeinträchtigen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass nach der galvanischen Kupferabscheidung der Kupferstrukturen die Masken- bzw. Resistschicht entfernt wird. Danach wird eine gegebenen falls vorhandene Wachstumskeimbildungsschicht entfernt. Optional werden Reinigungsverfahren bzw. Verfahrensschritte zur Vorbereitung der Abscheidung ausgeführt. Unmittelbar danach werden die Kupferstrukturen mit einem geeigneten Material wie Zinn (Sn), Silber (Ag), Gold (Au) oder ähnlichen Materialien unter geeigneten Prozessbedingungen selektiv beschichtet.

10: Schaltungsanordnung
12: Substrat
14: Aluminiumschicht
16: Anschlusspad
18: Passivierungsschicht
19: Kupferlage
20: Aussparung
22: Barriereschicht
22a: Barriereschichtbereich
24: Kupferschicht
24a: Kupferschichtbereich
26: Resistschicht
28: Aussparung
52: Kupferleitbahn
54: Passivierungsschicht
56: Bereich
58: Vorsprung
60: Deckfläche

Claims

Verfahren zum selektiven galvanischen Abscheiden in einer integrierten Schaltungsanordnung (10), mit den Schritten: Ausbilden eines ersten Materials (22) an einem Substrat (12, 16, 18) in einer integrierten Schaltungsanordnung (10), Ausbilden eines zweiten Materials (52) an dem Substrat (12), wobei sowohl das erste Material (22) als auch das zweite Material (52) elektrisch leitfähig sind, Durchführen eines selektiven galvanischen Verfahrens, bei dem das erste Material (22) und das zweite Material (52) einer Elektrolytlösung ausgesetzt und als Kathode geschaltet werden, bei dem als Abscheidematerial ein Material verwendet wird, das kein Kupfer enthält oder dessen Kupferanteil kleiner als fünf Atomprozent ist, und bei dem zwischen einer Anode und der Kathode eine Abscheidespannung mit einem Wert angelegt wird, der eine Abscheidung des Abscheidematerials (54) auf dem zweiten Material bewirkt, und wobei als erstes Material (22) mindestens ein Material gewählt wird, auf dem bei der angelegten Abscheidespannung und der gewählten Elektrolytlösung kein Abscheidematerial (54) oder keine geschlossene Schicht des Abscheidematerials (54) oder nur eine Schicht mit einer Schichtdicke abgeschieden wird, die kleiner als 20 Prozent der Schichtdicke der auf dem zweiten Material (52) abgeschiedenen Schicht aus Abscheidematerial (54) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (22) den Galvanisierungsstrom führt, und/oder dass als Anode eine Elektrode geschaltet wird, die das Abscheidematerial (54) enthält oder aus dem Abscheidematerial besteht, oder dass als Anode eine inerte Elektrode geschaltet wird, wobei das Abscheidematerial als Salz oder als Salzlösung der Elektrolytlösung zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (52) nach dem Ausbilden des ersten Materials (22) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Ausbilden des zweiten Materials (52) durch eine strukturierte galvanische Abscheidung unter Verwendung einer Maske (28), Entfernen der Maske (28) nach dem Ausbilden des zweiten Materials (52) und vor dem Durchführen des selektiven galvanischen Verfahrens.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Schritte: Ausbilden einer ganzflächigen elektrisch leitfähigen Wachstumskeimbildungsschicht (24), die insbesondere aus Kupfer besteht oder mindestens vierzig Atomprozent Kupfer enthält, nach dem Ausbilden des ersten Materials (22) und vor dem Ausbilden des zweiten Materials (52), Entfernen der Wachstumskeimbildungsschicht (24) in Bereichen, die nicht von dem zweiten Material (52) bedeckt sind, nach dem Entfernen der Maske (28), wobei das erste Material (22) freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnetdurch die Schritte: Ausbilden einer weiteren Materialschicht nach dem Ausbilden des zweiten Materials (52) und des ersten Materials (22), vorzugsweise mit einem galvanischen Verfahren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Merkmale gegeben ist: als Abscheidematerial wird ein anderes Material verwendet als das zu beschichtende Material, als zu beschichtendes Material (52) wird Kupfer oder eine mindestens vierzig Atomprozent Kupfer enthaltende Kupferlegierung oder Gold oder eine mindestens vierzig Atomprozent Gold enthaltende Goldlegierung oder Palladium oder eine mindestens vierzig Atomprozent Palladium enthaltende Palladiumlegierung oder Silber oder eine mindestens vierzig Atomprozent enthaltende Silberlegierung gewählt, das zweite Material bildet einen Vorsprung, der über das erste Material hinausragt, oder das zweite Material ist bezogen auf das erste Material planar oder um höchstens 200 Nanometer zurückgesetzt, wobei das zweite Material vorzugsweise chemisch mechanisch poliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (22) aus Tantal oder aus Tantalnitrid besteht oder mindestens vierzig Atomprozent Tantal enthält, oder dass das erste Material (22) aus Wolfram oder Wolframtitan besteht oder mindestens vierzig Prozent Wolfram enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidematerial (54) Zinn ist oder mindestens vierzig Atomprozent Zinn enthält, oder dass das Abscheidematerial (54) Silber ist oder mindestens vierzig Atomprozent Silber enthält, oder dass das Abscheidematerial (54) Gold ist oder mindestens vierzig Atomprozent Gold enthält, oder dass das Abscheidematerial (54) Nickel oder Nickelphosphor ist oder mindestens vierzig Atomprozent Nickel enthält, oder dass das Abscheidematerial (54) Palladium ist oder mindestens vierzig Atomprozent Palladium enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem selektiven galvanischen Abscheiden des Abscheidematerials (54) mindestens ein weiteres selektives galvanisches Abscheideverfahren mit einem anderen Abscheidematerial durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Material (22) ein Material gewählt wird, an dem sich das Abscheidematerial (54) bei der, gewählten Elektrolytlösung erst bei einer solchen Abscheidespannung als geschlossene Schicht abscheiden würde, die die angelegte Galvanisierungsspannung um mehr als 100 Millivolt oder um mehr als 200 Millivolt überschreitet, insbesondere betragsmäßig.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytlösung aus einer sauren Lösung oder aus einer basischen Lösung besteht, insbesondere aus einer abgesehen von der Base oder der Säure zusatzstofffreien Lösung, oder dass die Elektrolytlösung Zusätze enthält, die mindestens eine der folgenden Eigenschaften beeinflussen: die Oberflächenrauheit des abgeschiedenen Materials (54), die Geschwindigkeit der Abscheidung, die Unterdrückung der Abscheidung an Feldspitzen an dem nicht zu beschichtenden ersten Material (22).
Integrierte Schaltungsanordnung (10), die, in der folgenden Reihenfolge mit zunehmendem Abstand von einem Substrat (12) enthält: eine elektrisch leitfähige erste Leitbahn oder Anschlussplatte (16), eine elektrisch leitfähige erste Schicht (22a), eine zweite Leitbahn (52), und mit einer die zweite Leitbahn (52) an mindestens einer Seitenfläche bedeckenden elektrisch leitfähigen zweiten Schicht (54) aus einem anderen Material als die zweite Leitbahn (52) und die erste Schicht (22a), wobei die erste Schicht (22a) über die Seitenfläche hinausragt.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (58) der ersten Schicht (22a) um mindestens zehn Nanometer oder um mindestens fünfzig Nanometer über die Seitenfläche hinausragt, und/oder dass der Vorsprung um die Dicke der zweiten Schicht (54) über die Seitenfläche hinausragt, und/oder dass die zweite Schicht (54) an der am weitesten vom Substrat entfernten Seite des Vorsprungs (58) der ersten Schicht (22a) auf Stoß angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine elektrisch isolierende Isolierschicht (18) mit mindestens einer Aussparung (20), in der zumindest ein Teil der ersten Schicht (22a) angeordnet ist, wobei vorzugsweise auch ein Teil der Leitbahn (52) in der Aussparung (20) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (10) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt worden ist.