DE112006001199T5 - Kompositmetallschicht, die unter Verwendung von metallischen nanokristallinen Partikeln in einem Elektroplattierungsbad geformt ist - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren mit:
Schaffen von nanokristallinen Partikeln eines ersten Metalls;
Hinzugeben der nanokristallinen Partikel zu einem Plattierungsbad zum Bilden einer kolloidartigen Suspension, wobei das Plattierungsbad Ionen eines zweiten Metalls aufweist;
Eintauchen eines Substrats in das Plattierungsbad; und
Verursachen einer gemeinsamen Ablagerung des zweiten Metalls und der nanokristallinen Partikel des ersten Metalls auf einem Substrat zum Bilden einer Kompositmetallschicht.

Description

  • Hintergrund
  • Während der Herstellung von Halbleiterwafern kann ein Elektroplattierungsvorgang verwendet werden, um Metallschichten abzulagern. Die Metallschichten können sodann zur Bildung von Bauelementen und/oder Verbindungen für eine Mehrzahl von integrierten Schaltungen, die auf einem Halbleiterwafer ausgebildet werden geätzt oder poliert werden. Beispielsweise können Kerben und Durchkontaktierungen in die dielektrische Schichten unter Verwendung von üblichen Maskierungs- und photolithographischen Techniken geätzt werden und diese Kerben und Durchleitungen können mit Metall über einen Elektroplattierungsvorgang gefüllt werden, um Verbindungen zu bilden. Im Allgemeinen wird Kupfer in Kerben und Durchleitungen verwendet, um Verbindungen in den integrierten Schaltungen zu bilden.
  • Während des Vorgangs der Elektroplattierung ist es schwierig, eine gleichmäßige Stromverteilung in dem Elektroplattierungsbad über die Fläche des Halbleiterwafers beizubehalten. Dies gilt insbesondere bei High-Aspect Kerben und -Durchkontaktierungen. Zusätzlich neigt Kupfer dazu, sich einem Selbstaushärtungsvorgang zu unterziehen, nachdem es durch einen Elektroplattierungsprozess in einer Durchkontaktierung abgelagert ist. Diese Faktoren führen zu einem übermäßigen Kornwachstum, was dazu führt, dass die Durchkontaktierungen mit Kupfer mit einer zufälligen Verteilung der Kristallgröße gerollt sind. Die zufällige Kristallgrößenverteilung verursacht Änderungen, die in den Eigenschaften der Plattierungen auftreten. 1 zeigt eine Durchkontaktierung mit einer dielektrischen Schicht 102, die unter Verwendung eines üblichen Plattierungsvorgangs mit Kupfer gefüllt ist. Das Kupfer ist gezeigt, nachdem es einen Selbsthärtungsvorgang unter Bildung von Kupferkristallen 104 von unterschiedlicher Größeausgeführt hat.
  • Es wurde bereits versucht, die Korngröße der Kupferkristalle durch die Hinzufügung von verschiedenen organischen Zuschlägen zu dem Elektroplattierungsbad zu steuern. Es gab auch Ansätze zum Steuern der Kupferkristallkorngröße oder -Ausrichtung durch Steuern der Plattierungsleistung oder der Plattierungsrate. Diese Ansätze waren nicht erfolgreich und das Vorhandensein von Kupferkristallen mit einer zufälligen Metallgrößenverteilung ist noch heute ein Problem, das die Eigenschaften von plattierten Kontaktierungen berührt.
  • Kurze Erläuterung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Durchkontaktierung, die unter Verwendung eines Plattierungsvorgangs gefüllt ist.
  • 2 zeigt eine Durchkontaktierung, die unter Verwendung eines Elektroplattierungsvorgangs entsprechend einer Implementation der Erfindung gefüllt ist.
  • 3 ist ein Verfahren zum Herstellen von metallischen nanokristallinen Partikeln.
  • 4 ist ein Verfahren zum Plattieren von Metall in eine Durchkontaktierung in Übereinstimmung mit einer Implementation der Erfindung.
  • Eingehende Beschreibung
  • Es werden hier Systeme und Verfahren des Plattierens eines Metalls auf ein Substrat, etwa einem Halbleiterwafer beschrieben, und insbesondere das Plattieren von Metall in High Aspect Kerben oder -Durchkontaktierungen, die sich auf einem Substrat finden. In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Aspekte der illustrativen Implementationen unter Verwendung von allgemein benutzten Begriffen verwendet, die es dem Fachmann erlauben, das Ergebnis ihrer Arbeit auf andere Fachleute zu übertragen. Es ergibt sich jedoch für den Fachmann, dass die vorliegende Erfindung ohne einige der beschriebenen Aspekte verwirklicht werden kann. Zum Zwecke der Erläuterung werden bestimmte Ziffern, Materialien und Ausbildungen angegeben, um ein vollständiges Verständnis der illustrativen Implementationen zu erlauben. Der Fachmann versteht jedoch, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen Beispielen wird auf allgemein bekannte Merkmale verzichtet oder sie werden vereinfacht, um die illustrativen Implementationen nicht unklar zu machen.
  • Verschiedene Operationen werden als mehrere diskrete Operationen beschrieben, wiederum in einer Weise, die das Verständnis der Erfindung erleichtern, die Reihenfolge der Beschreibung sollte jedoch nicht dahingehend angesehen werden, dass diese Operationen notwendigerweise von dieser Reihenfolge abhängen. Insbesondere müssen diese Operationen nicht in der Reihenfolge der Darstellung ausgeführt werden.
  • Es wurde oben erwähnt, dass die bekannten Elektroplattierungsvorgänge und die Neigung zum Selbsthärten von Kupfer Metallkristalle von zufälliger Größe erzeugen, die die elektrischen und physikalischen Eigenschaften der High Aspect Durchkontaktierungen negativ beeinflussen.
  • In Übereinstimmung mit einer Implementation der Erfindung können metallischen Nanokristallpartikel einem Bad hinzugefügt werden, das zum Elektroplattieren von Metall auf ein Substrat und/oder in einer High Aspect Kerbe oder -Durchleitung verwendet werden. Bei einer alternativen Implementation können Nanokristallpartikel zu einem Bad für einen elektrofreien Plattierungsvorgang hinzugefügt werden, der verwendet wird, um ein Metall und/oder eine High Aspect Kerbe oder -Durchleitung verwendet wird.
  • Das Vorhandensein von metalllischen nanokristallinen Partikeln in dem Plattierungsbad erschwert oder verhindert das abgelagerte Metall an dem Bilden von Kristallen mit zufälliger Größe innerhalb der Kerbe oder der Durchleitung. Dieses führt zu einer homogeneren Plattierung des Metalls und verbessert damit sowohl die elektrischen als auch die physikalischen Eigenschaften des Grabens oder der Durchleitung. Die metallischen nanokristallinen Partikel, die bei der Verwirklichtung der Erfindung verwendet werden, sind im Wesentlichen defektfrei und im Wesentlichen homogen (die Partikel haben eine enge Korngrößenverteilung).
  • 2 zeigt eine Durchkontaktierung 200 in einer dielektrischen Schicht 202, wobei die Durchkontaktierung 200 mit einem zusammengesetzten elektroplattierten Metall 204 gefüllt ist unter Verwendung eines Elektroplattierungsvorgangs entsprechend einer Verwirklichung der Erfindung. Das zusammengesetzte elektroplattierte Metall 204 besteht aus einem plattierten Metall, das aus Metallionen in einem Plattierungsbad ausgebildet ist, das mit einer Mehrzahl von metallischen Nanokristallpartikeln eingebettet ist. Das Vorhandensein von metallischen nanokristallinen Partikeln verteilt in dem zusammengesetzten elektroplattierten Metall 204 verursacht, dass die Mikrostruktur des zusammengesetzten Metalls 204 sehr granular ist. Diese Granularität ist abhängig von der Menge und der Verteilung von nanokristallinen Partikeln in dem zusammengesetzten elektroplattiertem Metall 204. Die gemeinsame Ablagerung von nanokristallinen Partikeln verursacht, dass die Korngröße des zusammengesetzten elektroplattierten Metalls 204 in der Durchkontaktierung 200 erhalten bleibt und ein übermäßiges Kornwachstum daran hindert stattzufinden, da das Kupferkrsitallwachstum durch die nanokristallinen Partikel begrenzt wird. Wie in 2 gezeigt ist, bewirkt dies, dass die Metallablagerung homogener ist verglichen mit dem konventionellen Prozess, der in 1 gezeigt ist.
  • In dem Stand der Technik ist bekannt, dass metallische nanokristalline Partikel unter Verwendung verschiedener Quellen und Prozesse geschaffen werden können. Beispielsweise ist 1 ein bekanntes Verfahren 300 zum Erzeugen von metallischen nanokristallinen Partikeln. Ein mechanisches Mahlen bekannt auch als mechanischer Abrieb oder Kugelmahlen, wurde zum Synthetisieren nanostrukturierter Partikel mit einer Korngröße von weniger als 100 nm vielfältig verwendet. Dieser mechanische Malvorgang wird allgemein bei Raumtemperatur durchgeführt und in bestimmten Fällen bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff, das bekannt ist als kryogenes mechanisches Mahlen oder Kryomahlen. In machen Fällen wird dieser Prozess als Kaltdeformation angesehen.
  • Es hat sich gezeigt, dass nanokristallinie Kupferpartikel unter Verwendung einer Kombination aus Kryomahlen und Raumtemperaturmahlen (RT-Mahlen) erzeugt werden können. Bei einem bekannten Verfahren wird ein Kupferpuder als Ausgangsmaterial (302) eingesetzt. Ein Kryomahlverfahren wird an dem Kupferpuder angewendet, bis das Kupferpuder ausgeflacht ist und zusammengeschweißt ist unter Bildung dünner abgerundeter Flocken (304). Diese Kupferflocken können 1 mm im Durchmesser betragen. Die Kupferflocken sind eine erste Kombination aus einem Kryomahlen und einem RT-Mahlen ausgesetzt zur Erzeugung von Kupferkugeln (306). Diese erste Malkombination kann die in situ Konsolidation von Kupferflocken in die Kupferkugeln aufweisen, die einen Größenbereich von 5 mm bis 8 mm haben.
  • Sodann werden die Kupferkugeln einer zweiten Kombination aus Kryomahlen und RT-Mahlen zur Erzeugung von nanokristallinen Kupferpartikeln unterworfen (308). Beispielsweise kann ein Nanobohrvorgang verwendet werden unter Verwendung eines fokussierten Innenstrahls, der auf die Kupferkugel gerichtet ist, verwendet werden, um die nanokristallinen Kupferpartikel zu erzeugen. Die sich ergebenden nanokristallinen Kupferpartikel haben eine durchschnittliche Korngröße von 25 nm mit einer relativ engen Korngrößenverteilung. Im Allgemeinen wird keine Korngröße 50 nm übersteigen. Es hat sich weiter gezeigt, dass die nanokristallinen Kupferpartikel, die so hergestellt worden ist, im Wesentlichen frei von jedweden Kristalleffekten sind. Bei der Verwirklichung der Erfindung können die nanokristallinen Metallpartikel, die ausgelegt worden sind zur Verwendung in dem Platinbad, in dem Bereich von 0 nm bis 100 nm, werden im Allgemeinen aber im bereich von 0 nm bis 50 nm liegen. Bei einigen Verwirklichungen können die nanokristallinen Metallpartikel, die zur Verwendung in dem Platinbad verwendet werden, von 20 nm bis 50 nm reichen.
  • Andere Verfahren zum Herstellen von nanokristallinen Metallpartikeln ist die Rückgewinnung von bei dem Verarbeiten von Halbleitern anfallenden Abfall. Beispielsweise neigt ein üblicher chemisch/mechanischer-Poliervorgang dazu, nanokristalline Metallpartikel zu erzeugen, die als ein Strom eines Abfalls verworfen werden. Es sind Verfahren bekannt, wo dieser Abfall verarbeitet oder gefiltert werden kann, um nanokristalline Metallpartikel zu gewinnen. Diese gewonnenen nanokristallinen Metallpartikel können bei der Verwirklichung dieser Erfindung verwendet werden. Beispielsweise vermarktet BOC Edwards of the United Kingdom ein Verfahren, das ein oder zwei Ionenaustauschharzbetten verwendet, um Kupfer aus Kupfer CMP Polituren zu gewinnen. Im Stand der Technik ist bekannt, dass dieses extrahierte Kupfer verarbeitet werden kann unter Verwendung von hydrothermischen Verfahren, Chemoreduktionsverfahren, Pyrolyse und anderen Prozessen zum Erzeugen von nanokristallinen Kupferpartikeln.
  • 4 ist ein Elektroplattierungsvorgang 400, der in Übereinstimmung mit einer Implementation der Erfindung ausgeführt wird. Der Elektroplattierungsvorgang 400 kann zum Plattieren einer zusammengesetzten Metallschicht auf ein Substrat, etwa einen Halbleiterwafer ausgeführt werden. Das Substrat oder der Halbleiterwafer hat eines oder mehrere Merkmale, die High Aspect Kerben und High Aspect Durchkontaktierungen einschließen, nicht aber darauf begrenzt sind auf. Es ist zu beachten, dass das Substrat etwas anderes sein kann als ein Halbleiterwafer, die Verfahren nach der Erfindung, die hier beschrieben sind, sind nicht auf Verfahren zum Herstellen von Halbleitern beschränkt. Bei einer Implementation besteht die zusammengesetzte Metallschicht aus Metall, das aus einem Plattierungsbad, das eingebettet ist mit einer Mehrzahl von nanokristallinen Metallpartikeln heraus elektroplattiert ist.
  • Die metallischen nanokristallinen Partikel sind vorgesehen für den Elektroplattierungsvorgang (402). Bei manchen Implementationen können die nanokristallinen Partikel geschaffen sein durch Erzeugen der Partikel durch einen Malvorgang, wobei der Mahlvorgang ein Kryomahlen und/oder RT-Mahlen und/oder ein Nanobohren aufweist. Bei manchen Verwirklichungen können die nanokristallinen Partikel durch Rückgewinnen der Partikel aus einem Abfallstrom, der bei der Halbleiterbearbeitung anfällt, gewonnen sein. Bei anderen Implementationen können die nanokristallinen Partikel beispielsweise durch kaufen der nanokristallinen Partikel von einem Händler erhalten werden. Andere in dem Stand der Technik, hier jedoch nicht offenbarte Verfahren können weiter verwendet werden, um die nanokristallinen Metallpartikel zu gewinnen.
  • Die vorgesehenen nanokristallinen Metalllpartikel können einem Plattierungsbad für den Elektroplattierungsvorgang (404) zugegeben werden. Bei Zugabe neigen die nanokristallinen Metallpartikel dazu, in dem Plattierungsbad in einer kolloidalartigen Suspension suspendiert zu werden. Ihre relativ geringe Größe hindert die nanokristallinen Metallpartikel daran, sich aus dem Plattierungsbad abzusetzen. Zusätzlich können intramolekulare Kräfte zwischen den nanokristallinen Partikeln und den Plattierungsbadkomponenten weiter die nanokristallinen Partikel daran hindern, sich aus der Flüssigkeit abzusetzen. Die nanokristallinen Metallpartikel neigen daher dazu, in dem Plattierungsbad suspendiert zu bleiben und die kolloidartige Suspension zu bilden, in der Industrie auch als Nanofluid bekannt. Bei einigen Implementationen können Zusätze wie organische Substanzen in das Plattierungsbad eingesetzt werden, um die nanokristallinen Metallpartikel weiter daran zu hindern, sich aus dem Plattierungsbad abzusetzen. Bei manchen Implementationen können organische Stoffe und Polyethylenglukol verwendet werden.
  • Die nanokristallinen Metallpartikel, die in dem Plattierungsbad verwendet werden können, wie oben erwähnt, eine Größe von 0 nm bis 100 nm haben, es ist jedoch jeder Bereich mit einer relativ engen Korngrößenverteilung möglich, dass die nanokristallinen Partikel in einer kolloidartigen Suspension hält. Nanokristalline Metallpartikel, die zu groß sind, beispielsweise größer als 100 nm, können nicht verwendet werden, wenn sie nicht in dem Plattierungsbad suspendiert bleiben.
  • Bei Verwirklichungen sollte der Betrag an nanokristallinen Metallpartikeln, die dem Platinbad zugefügt werden, ausgreichend sein, um eine Konzentration von 0% bis 25% in der zusammengesetzten Metallschicht, die auf das Substrat zu plattieren ist, zu erzeugen. Bei manchen Verwirklichtungn kann die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel 1% bis 10% und bei manchen Verwirklichungen kann die Konzentration 2% bis 3% sein. Wenn die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel zu hoch ist, beispielsweise größer als 25 %, können die nanokristallinen Metallpartikel dazu unfähig sein, eine kolloidartige Suspension in dem Platinbad beizubehalten. Wenn die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel in der schließlichen plattierten Metallschicht über 25% zunimmt, werden die positiven Effekte, die die nanokristallinen Metallpartikel haben, im Hinblick des Ertrags und der Duktilität Beschränkungen haben.
  • Bei manchen Verwirklichungen der Erfindung kann das Metallbad, das in den nanokristallinen Partikeln verwendet wird, mit dem Metall übereinstimmen, das von dem Platinbad abgelagert wird. Beispielsweise können nanokristalline Kupferpartikel zu dem Platinbad hinzugefügt werden, das Kupferionen beinhaltet. Bei anderen Verwirklichungen der Erfindung kann das Metall, das in den nanokristallinen Partikeln verwendet wird, unterschiedlich sein von dem Metall, das durch das Platinbad abgelagert wird. Beispielsweisse können nanokristalline Zinnpartikel dem Platinbad zugefügt werden, das Kupferionen beinhaltet. Metalle, die verwendet werden können, um die nanokristallinen Partikel zu bilden, weisen, ohne darauf begrenzt zu sein, Kupfer, (Cu) Zinn (Sn), Aluminium (Al), Gold (Au), Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Osmium (Os), Silber (Ag), Iridium (Ir), Titan (Ti) und Legierungen aus einigen oder allen dieser Metalle auf. Entsprechend können die Metallionen, die in dem Platinbad verwendet werden können, einschließt, ohne darauf begrenzt zu sein, Ionen von Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir oder Ti.
  • Bei verschiedenen Verwirklichungen der Erfindung können alle der oben erwähnten nanokristallinen Metallpartikel in einem der oben erwähnten Elektroplatinbäder verwendet werden. Beispielsweise können nanokristalline Goldpartikel oder Zinnpartikel in einem Elektroplattierungsbad verwendet werden, das Kupferionen aufweist. Die nanokristallinen Goldpartikel oder Zinnpartikel werden dann zusammen mit dem Kupfermetall abgesetzt. Entsprechend können nanokristalline Kupfer-, Gold- oder Zinnpartikel in Elektroplattierungsbädern verwendet werden, die Goldionen oder Zinnionen aufweisen.
  • Bei Verwirklichungen der Erfindung kann das Elektroplattierungsbad weiter eine Säure, Wasser und eine oder mehrere Additive wie Tenside, Reduzierungswirkstoffe und organische Bestandteile beinhalten. Beispielsweise kann eine saure Kupferelektroplattierungslösung Wasser, Schwefelsäure, Kupfersulfad und Hydrochlorsäure aufweisen. Die saure Kupferelektroplattierungslösung kann weiter eine Anzahl von organischen Bestandteilen aufweisen, die zum Regulieren und Verteilen der Lieferung von Kupfer zu dem Substrat, das plattiert wird, dienen. Organische Bestandteile weisen typischerweise Suppressoren (beispielseise Polymere wie Polyethylenglykole) Beschleuniger (beispielsweise Schwefel beinhaltende Verbindungen) und Ausgleicher (beispielsweise Sekondärsuppressoren).
  • Das Platinbad kann zum Erzeugen eines Fluidstroms über das Substrat, das plattiert wird und in den High Aspect Kerben, Durchkontaktierungen und anderen Merkmalen, die sich auf dem Substrat finden (406), gerührt werden. Dieser Fluidstrom erlaubt ein größeres Verhältnis von Metallionen und suspendierten nanokristallinen Metallpartikeln, die in Berührung mit einem größeren Teil der Oberfläche des Substrats kommen. Der Fluidstrom unterstützt weiter das Einbringen des Platinbades in die High Aspect Kerben und -Durchkontaktierungen. Bei manchen Implementationen kann das Platinbad bei einer Temperatur gehalten werden, das von 15°C bis 50°C und einem pH-Wert, der von pH 0 bis pH 2 reicht.
  • Das plattierte Substrat erhält eine negative Vorspannung und wird in das Platinbad (408) eingetaucht. Das Substrat wirkt als eine Kathode bei dem Plattierungsvorgang 400. Ein elektrischer Strom wird an das Platinbad angelegt, wodurch eine positive Ladung auf die Metallionenlösung und auf die nanokristallinen Metallpartikel (410) aufgebracht wird. Bei einigen Implementationen kann der elektrische Strom eine Stromdichte haben, die in Ampere pro Quadratdezimeter (ASD) gemessen wird, von 0 ASD bis 10 ASD. Die positiv vorgespannten Metallionen und nanokristallinen Metallpartikel werden in Richtung auf das negativ vorgespannte Substrat getrieben. Das „Kathoden"-Substrat bewirkt, dass die Elektroden die positiv geladenen Metallionen in metallische Formen, wodurch die Metallionen auf dem Substrat als ein platiertes Metall (412) abgelagert werden. Die nanokristallinen Partikel werden auch an dem „Kathoden"-Substrat abgelagert und werden in dem plattierten Metall (414) eingebettet.
  • Die nanokristallinen Metallpartikel neigen dazu, proportional zu ihrer Konzentration in dem Platinbad mit abgelagert zu werden. Bei Verwirklichungen der Erfindung können die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel in dem Plattierungsbad durch Rühren des Platinbades, Variieren der organischen Konzentrantion und Variieren des aufgebrachten elektrischen Stroms eingestellt werden. Eine Erhöhung der Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel in dem Platinbad erhöht direkt die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel, die in dem plattierten Badmetall eingebettet sind. Das Nettoergebnis ist eine Erhöhung in der Gesamtplattierungsdicke für eine gegebene Zeitdauer, die proportional zu dem Volumen der mitabgelagerten nanokristallinen Metallpartikel zunimmt.
  • Das Schlussergebnis ist ein plattiertes Metall, etwa ein Kupfermetall, das zusammen mit den nanokristallinen Metallpartikeln abgelagert ist. Dies wird hier als eine Kompositmetallschicht bezeichnet. Wie oben beschrieben, zeigt die Kompositmetallschicht einen hohen Ertrag mit guter Duktilität. Das Vorhandensein der nanokristallinen Metallpartikel in der Kompositmetallschicht neigt zum Vermindern oder sogar physikalischen Verhindern eines übermäßigen Kornwachstums der metallischen Kristalle, wodurch die zufällige Kristallgrößenverteilung reduziert oder vermieden wird, die allgemein bei derartigen Metallen wie Kupfer, die durch übliche Verfahren abgelagert werden, auftreten. Der Einschluss von nanokristallinen Metallpartikeln kann weiter eine bessere Fehlerkontrolle in den plattierten Merkmahlen ermöglichen. High Aspect Kerben und -Durchkontaktierungen sind daher mit verhältnismäßig mehr homogener Kompositmetallschicht gefüllt.
  • Die Größe des Effekts, den die nanokristallinen Metallpartikel bezüglich der Kompositmetallschicht haben, ist im Wesentlichen proportional zu der Konzentration und der Größe der nanokristallinen Metallpartikel in der Kompositmetallschicht. In einem bestimmten Ausmaß wird, wenn die Menge und/oder die Größe der nanokristallinen Partikel in der Kompositmetallschicht zunimmt, der Ertrag und die Duktilität der Kompositmetallschicht zunehmen. Die Selbsthärtungseigenschaften des Metalls werden reduziert, wenn mehr nanokristalline Partikel zu der Kompositmetallschicht hinzugefügt werden. Dieser Effekt ist jedoch begrenzt, da bei einem Punkt die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel zu hoch wird und beginnt, einen entgegengesetzten Effekt auf die Kompositmetallschicht zu haben. Bei einigen Verwirklichungen liegt die Konzentrationsgrenze bei etwa 25%. Bei dieser Höhe einer Konzentration können die nanokristallinen Partikel beginnen, sich aus dem Plattierungsbad abzusetzen, die physikalischen Eigenschaften der Kompositmetallschicht können beginnen, beeinträchtigt zu werden und die nanokristallinen Partikel beginnen, Bereiche des Substrats zu durchdringen, wo sie Zerstörungen oder Kurzschlüsse verursachen. Bei Verwirklichungen der Erfindungen bleibt die Konzentration der eingebettenen nanokristallinen Metallschichten in der Kompositmetallschicht bei oder unter 25%.
  • Bei einer Implementation der Erfindung kann der aufgebrachte elektrische Strom zum Variieren der Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel in der schließlichen Kompositmetallschicht manipuliert werden. Es wurde gezeigt, dass eine Zunahme des aufgebrachten Stroms tendenziell einen größeren Effekt auf die Metallionen in Lösung hat als auf die nanokristallinen Metallpartikel. Wenn der aufgebrachte Strom zunimmt, nimmt die Ablagerungsrate der Metallionen schneller zu als die Ablagerungsrate der nanokristallinen Metallpartikel. Wenn, mit anderen Worten, der aufgebrachte Strom zunimmt, nimmt das Verhältnis der Metallionen zu den nanokristallinen Partikeln in der Kompositmetallschicht zu. Die Konzentration der eingebetteten nanokristallinen Partikel in der Kompositmetallschicht kann daher durch Erhöhung des aufgebrachten Stroms verringert werden. Ähnlich kann die Konzentration der eingebrachten nanokristallinen Partikel in der Kompositmetallschicht durch Verringern des aufgebrachten Stroms erhöht werden. Entsprechend kann eine Manipulation des aufgebrachten Stroms zum Erzeugen eines Gradienten von eingebetteten nanokristallinen Metallpartikeln in der Kompositmetallschicht verwendet werden. Bei manchen Implementationen kann die Stromdichte zwischen 1 ASD und 10 ASD manipuliert werden, um den Gradienten zu erzeugen.
  • Bei einer anderen Verwirklichung der Erfindung können Metalllegierungen auf einem Substrat abgelagert sein einschließlich High Aspect Kerben und -Durchkontaktierungen. Bei üblichen Elektroplattierungsvorgängen können Legierungen nicht plattiert werden, da ein aufgebrachter Strom im Wesentlichen die Metallionen eines aber nicht beider Metalle in Lösung bewegen wird. In manchen Situationen ist es schwierig, ein Platinbad mit Metallionen aus zwei unterschiedlichen Metallen zu erzeugen. Bei Verwirklichungen der Erfindung dagegen können Legierungen gebildet werden durch Erzeugen eines Platinbads mit Ionen eines zu legierenden Metalls und das verbleibenden Metalls, das zu legieren ist, kann als nanokristalline Metallpartikel vorgesehen sein. Alle zu legierende Metalle werden gemeinsam während des Elektroplattierungsvorgangs abgelagert. Die gemeinsam abgelagerten Metalle können auch gehärtet werden bei manchen Implementationen, um die Metalle weiter miteinander zu verbinden. Die Verwendung dieser Verwirklichung erlaubt die Bildung von Zinn-Gold-Legierungen und Zinn-Silber-Legierungen.
  • Bei einer Implementation der Erfindung können nanokristalline Metallpartikel dem Platinbad zugefügt werden für einen elektrofreien Legierungsvorgang. Ein derartiges Legierungsbad kann weiter ein Quellenmetall (gewöhnlich ein Salz), einen Reduzierer, einen Komplexbildner zum Halten des Metalls in Lösung und verschiedene Puffer und andere Chemikalien, die ausgebildet sind um die Badstabilität zu halten und die Badlebensdauer zu erhöhen, aufweisen. Aufgrund des chemischen Mechanismus für einen elektrolosen Plattierungsvorgang sollte das Metall, das für die nanokristallinen Metallpartikel gewählt wird, die Metallionen in dem Plattierungsbad entsprechen. Es sollten daher nanokristalline Kupferpartikel in einem Kupferplattierungsbad verwendet werden, nanokristalline Goldpartikel sollten in einem Goldplattierungsbad verwendet werden usw.
  • Die obige Beschreibung und die dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung einschließlich dessen, was in der Zusammenfassung beschrieben ist, soll nicht die Erfindung in den offenbarten Formen einschränken. Während bestimmte Verwirklichungen von und Beispiele für die Erfindung hier zur Erläuterung beschrieben worden ist, sind verschiedene äquivalente Abwandlungen innerhalb des Grundgedankens der Erfindung möglich, wie dem Fachmann erkennbar ist.
  • Diese Abwandlungen können ausgeführt werden bei der Erfindung im Licht der obigen eingehenden Beschreibung. Die in den nachfolgenden Ansprüchen verwendeten Begriffe sollten die Erfindung nicht auf bestimmte Anwendungen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart worden sind, beschränkt werden. Der Grundgedanke der Erfindung ist vollständig durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt, die in Übereinstimmung mit den anerkannten Grundsätzen der Anspruchsinterpretation auszulegen sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verfahren zum Bilden einer Kompositmetallschicht auf einem Substrat weist das Bilden von nanokristallinen Partikeln eines ersten Metalls, Hinzugeben der nanokristallinen Partikel zu einem Plattierungsbad, das Ionen eines zweiten Metalls zum Bilden einer kolloidartigen Suspension aufweist, das Eintauchen des Substrats in das Plattierungsbad und Verursachen einer gemeinsamen Ablagerung des zweiten Metalls und der nanokristallinen Partikel des ersten Metalls auf dem Substrat zum Bilden der Kompositmetallschicht auf. Das gemeinsame Ablagern kann durch Induzieren einer negativen Vorspannung an dem Substrat und Aufbringen eines elektrischen Stroms auf das Plattierungsbad zum Induzieren eines Elektroplattierungsvorgangs verursacht werden. Bei dem Elektroplattierungsvorgang werden die Ionen des zweiten Metalls von dem Substrat reduziert und werden gemeinsam auf dem Substrat mit den nanokristallinen Partikeln des ersten Metalls unter Bildung der Kompositmetallschicht abgelagert.

Claims (39)

  1. Ein Verfahren mit: Schaffen von nanokristallinen Partikeln eines ersten Metalls; Hinzugeben der nanokristallinen Partikel zu einem Plattierungsbad zum Bilden einer kolloidartigen Suspension, wobei das Plattierungsbad Ionen eines zweiten Metalls aufweist; Eintauchen eines Substrats in das Plattierungsbad; und Verursachen einer gemeinsamen Ablagerung des zweiten Metalls und der nanokristallinen Partikel des ersten Metalls auf einem Substrat zum Bilden einer Kompositmetallschicht.
  2. Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Verursachen der gemeinsamen Disponierung aufweist: Aufbringen einer negativen Vorspannung auf das Substrat; und Aufbringen eines elektrischen Stroms auf das Plattierungsbad zum Induzieren eines Elektroplattierungsvorgangs, wobei die Ionen des zweiten Metalls von dem Substrat reduziert werden und gemeinsam mit den nanokristallinen Partikeln des ersten Metalls auf dem Substrat abgelagert werden zur Bildung der Kompositmetallschicht.
  3. Das Verfahren von Anspruch 2, wobei der aufgebrachte elektrische Strom eine Stromdichte zwischen 0 und 10 ASD hat.
  4. Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Herstellen der nanokristallinen Partikel ein Mahlen eines Metalls zum Erzeugen von nanokristallinen Partikeln beinhaltet.
  5. Das Verfahren von Anspruch 4, wobei das Mahlen das Kryomahlen und/oder das Mahlen bei Raumtemperatur und/oder ein Nanobohren aufweist.
  6. Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Zugeben der nanokristallinen Partikel das Hinzugeben eines ausreichenden Anteils an Nanopartikeln zum Erzeugen einer nanokristallinen Nanopartikelstruktur von zwischen 0% und 25% in dem Platinbad aufweist.
  7. Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Zugeben von nanokristallinen Partikeln das Zugeben eines ausreichenden Betrags von nanokristallinen Partikeln zum Erzeugen einer nanokristallinen Partikelkonzentration zwischen 1% und 5% in dem Platinbad. aufweist.
  8. Das Verfahren von Anspruch 1, weiter mit Erhöhen des Verhältnisses des zweiten Metalls zum ersten Metall in der Kompositmetallschicht durch Erhöhen des aufgebrachten elektrischen Stroms.
  9. Das Verfahren von Anspruch 1, weiter mit Verringern des Verhältnisses des zweiten Metalls zu dem ersten Metall in der Kompositmetallschicht durch Verringern des aufgebrachten elektrischen Stroms.
  10. Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Substrat einen Halbleiterwafer aufweist.
  11. Das Verfahren von Anspruch 20, wobei der Halbleiterwafer eine High Aspekt Durchkontaktierung aufweist.
  12. Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das erste Metall Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir oder Ti beinhaltet.
  13. Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das zweite Metall Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir oder Ti beinhaltet.
  14. Das Verfahren von Anspruch 2, wobei das zweite Metall dasselbe ist wie das erste Metall.
  15. Das Verfahren von Anspruch 1, wonach das zweite Metall unterschiedlich von dem ersten Metall ist.
  16. Das Verfahren von Anspruch 1, weiter mit Hinzugeben eines organischen Additivs zu dem Platinbad zur Unterstützung der Bildung der kolloidartigen Suspension.
  17. Das Verfahren von Anspruch 1, weiter mit Rühren des Platinbads zum Erzeugen eines Fluidstroms über das Substrat.
  18. Das Verfahren von Anspruch 1, weiter mit Beibehalten der Temperatur des Platinbads zwischen 15°C und 50°C.
  19. Das Verfahren von Anspruch 1, weiter mit Beibehalten des pH-Werts des Platinbades in einem Bereich, der zwischen pH 0 und pH 2 liegt.
  20. Ein Plattierungsbad mit: Wasser; einer Mehrzahl von Ionen eines ersten Metalls; einer Säure; und einer Mehrzahl von nanokristallinen Partikeln eines zweiten Metalls.
  21. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, wobei die Mehrzahl von Ionen des ersten Metalls vorgesehen sind durch Hinzugeben eines Salzes des ersten Metalls zu dem Platinbad.
  22. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, wobei das erste Metall Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir oder Ti beinhaltet.
  23. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, wobei das zweite Metall Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir oder Ti beinhaltet.
  24. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, wobei das erste Metall dasselbe ist wie das zweite Metall.
  25. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, wobei das erste Metall unterschiedlich von dem zweiten Metall ist.
  26. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, wobei die nanokristallinen Partikel im Wesentlichen frei von jedweden Kristalldefekten sind und eine relativ enge Korngrößenverteilung haben.
  27. Das Plattierungsbad von Anspruch 26, wobei die nanokristallinen Partikel im Bereich einer Größe von 0 nm bis 70 nm sind.
  28. Das Plattierunsbad von Anspruch 26, wobei die nanokristallinen Partikel im Bereich einier Größe von 20 nm bis 50 nm sind.
  29. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, weiter mit: einem Tensid; einem reduzierenden Wirkstoff; und einem organischen Bestandteil.
  30. Das Plattierungsbad von Anspruch 20, wobei die Säure Schwefelsäure und Salzsäure aufweist und wobei die Mehrzahl von Ionen des ersten Metalls durch Kupfersulfat vorgesehen sind.
  31. Das Plattierungsbad von Anspruch 30, weiter mit wenigstens einem organischen Bestandteil.
  32. Das Plattierungsbad von Anspruch 31, wobei das organische Bestandteil Polyethylenglykol aufweist.
  33. Eine Vorrichtung mit: Durchkontaktierung, die mit einem Substrat gebildet ist; und einer Kompositmetallschicht, die die Durchleitung füllt.
  34. Die Vorrichtung von Anspruch 33, wobei die Durchleitung eine Hochaspektdurchleitung ist.
  35. Die Vorrichtung von Anspruch 34, wobei die Kompositmetallschicht eine Mehrzahl von nanokristallinen Partikeln eines ersten Metalls, das in einem zweiten Metall eingebettet ist, aufweist.
  36. Die Vorrichtung von Anspruch 35, wobei die nanokristallinen Partikel des ersten Metalls im Wesentlichen frei sind von jeglichen Kristalldefekten und eine relativ engen Korngrößenverteilung haben.
  37. Die Vorrichtung von Anspruch 36, wobei die nanokristallinen Partikel des ersten Metalls in der Größe zwischen 0 nm bis 70 nm liegen.
  38. Die Vorrichtung von Anspruch 35, wobei das erste Metall Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir oder Ti beinhaltet.
  39. Die Vorrichtung von Anspruch 35, wobei das zweite Metall Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ag, Ir oder Ti beinhaltet.
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