DE112011101750T5 - Verfahren und Struktur zur Verbesserung der Leitfähigkeit enger kupfergefüllter Durchkontaktierungen - Google Patents

Verfahren und Struktur zur Verbesserung der Leitfähigkeit enger kupfergefüllter Durchkontaktierungen Download PDF

Info

Publication number
DE112011101750T5
DE112011101750T5 DE112011101750T DE112011101750T DE112011101750T5 DE 112011101750 T5 DE112011101750 T5 DE 112011101750T5 DE 112011101750 T DE112011101750 T DE 112011101750T DE 112011101750 T DE112011101750 T DE 112011101750T DE 112011101750 T5 DE112011101750 T5 DE 112011101750T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
nanometers
copper
deposited
diffusion barrier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE112011101750T
Other languages
English (en)
Inventor
Fenton Read McFeely
Chih-Chao Yang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GlobalFoundries Inc
Original Assignee
International Business Machines Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by International Business Machines Corp filed Critical International Business Machines Corp
Publication of DE112011101750T5 publication Critical patent/DE112011101750T5/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76841—Barrier, adhesion or liner layers
    • H01L21/76843—Barrier, adhesion or liner layers formed in openings in a dielectric
    • H01L21/76846—Layer combinations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76841—Barrier, adhesion or liner layers
    • H01L21/76853—Barrier, adhesion or liner layers characterized by particular after-treatment steps
    • H01L21/76861—Post-treatment or after-treatment not introducing additional chemical elements into the layer
    • H01L21/76864—Thermal treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76841—Barrier, adhesion or liner layers
    • H01L21/76871—Layers specifically deposited to enhance or enable the nucleation of further layers, i.e. seed layers
    • H01L21/76873—Layers specifically deposited to enhance or enable the nucleation of further layers, i.e. seed layers for electroplating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76877—Filling of holes, grooves or trenches, e.g. vias, with conductive material
    • H01L21/76883—Post-treatment or after-treatment of the conductive material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/522—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body
    • H01L23/532—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body characterised by the materials
    • H01L23/53204—Conductive materials
    • H01L23/53209—Conductive materials based on metals, e.g. alloys, metal silicides
    • H01L23/53228—Conductive materials based on metals, e.g. alloys, metal silicides the principal metal being copper
    • H01L23/53238—Additional layers associated with copper layers, e.g. adhesion, barrier, cladding layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2221/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof covered by H01L21/00
    • H01L2221/10—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device
    • H01L2221/1068—Formation and after-treatment of conductors
    • H01L2221/1073—Barrier, adhesion or liner layers
    • H01L2221/1084—Layers specifically deposited to enhance or enable the nucleation of further layers, i.e. seed layers
    • H01L2221/1089—Stacks of seed layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/49126—Assembling bases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/49155—Manufacturing circuit on or in base
    • Y10T29/49165—Manufacturing circuit on or in base by forming conductive walled aperture in base

Abstract

Es werden Techniken zur Verbesserung der Leitfähigkeit von mit Kupfer (Cu) gefüllten Durchkontaktierungen bereitgestellt. In einem Aspekt wird ein Verfahren zur Fertigung einer Cu-gefüllten Durchkontaktierung bereitgestellt. Das Verfahren schließt die folgenden Schritte ein. Eine Durchkontaktierung wird in ein Dielektrikum geätzt. Die Durchkontaktierung wird mit einer Diffusionsbarriere ausgekleidet. Eine dünne Ruthenium(Ru)-Schicht wird konform auf der Diffusionsbarriere abgeschieden. Eine dünne Cu-Keimschicht wird auf der Ru-Schicht abgeschieden. Ein erstes Glühen wird durchgeführt, um eine Korngröße der Cu-Keimschicht zu erhöhen. Die Durchkontaktierung wird mit zusätzlichem Cu gefüllt. Ein zweites Glühen wird durchgeführt, um die Korngröße des zusätzlichen Cu zu erhöhen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verdrahtungsstrukturen und insbesondere Techniken zur Verbesserung der Leitfähigkeit von mit Kupfer (Cu) gefüllten Durchkontaktierungen.
  • Stand der Technik
  • Die Leitfähigkeit von engen mit Kupfer (Cu) gefüllten Durchkontaktierungen in der gegenwärtigen Verdrahtungstechnologie hoher Dichte wird durch die kleine Korngröße des Cu in Durchkontaktierungen dieser Größe verschlechtert. Konventionelle Techniken beinhalten das Glühen der Cu-haltigen Struktur, um die Korngröße wachsen zu lassen und dadurch die Leitfähigkeit zu erhöhen.
  • Zum Beispiel beinhalten konventionelle Techniken zur Fertigung einer Cu-gefüllten Durchkontaktierung typischerweise erstens das Bilden eines Durchkontaktlochs in einem dielektrischen Grundmaterial, in welchem die Verdrahtungsstruktur eingebettet ist. Zweitens wird das Durchkontaktloch mit einer Diffusionsbarriere ausgekleidet, um die Diffusion des Cu in das Dielektrikum zu verhindern. Diese Diffusionsbarriere schließt typischerweise Tantalnitrid (TaN), das direkt auf dem Dielektrikum abgeschieden wird, und Tantal (Ta) ein, das auf dem TaN abgeschieden wird. Drittens wird eine dünne Cu-Keimschicht durch Sputtern auf der freiliegenden Ta-Oberfläche abgeschieden, um die Durchkontaktierung für die Elektroplattierung vorzubereiten. Viertens wird ein Elektroplattierungsprozess verwendet, um die Durchkontaktierung mit Cu zu füllen. Fünftens wird die resultierende Struktur geglüht, um die Cu-Körner in der Durchkontaktierung wachsen zu lassen und die Leitfähigkeit zu verbessern. Im Hinblick auf die Verbesserung der Leitfähigkeit dieser Cu-Durchkontaktierungsstrukturen hat sich die Wirksamkeit dieses Ansatzes jedoch als beschränkt erwiesen.
  • Ein limitierender Faktor für das Wachstum großer Cu-Körner ist die Größe der Körner in der Cu-Keimschicht. Diese Körner im Keim-Cu bilden eine Schablone, auf welcher das elektroplattierte Cu danach abgeschieden wird, und die Korngröße des zuerst elektroplattierten Cu reflektiert daher die kleine Korngröße der Cu-Keimschicht. Das Glühen nach der Cu-Elektroplattierung zur Überwindung der anfänglich kleinen Kornstruktur ist nur von beschränkter Wirksamkeit. Die kleine Korngröße der Cu-Keimschicht ist zum Großteil das Ergebnis der Dünnheit dieser Schicht, zusammen mit dem Benetzungsgrad der darunterliegenden Diffusionsbarriere-Oberfläche durch das Cu. Die Dicke der Cu-Keimschicht kann nicht erhöht werden, um dieses Problem zu überwinden, da das Keim-Cu, das durch einen Sputterprozess gebildet wird, nicht konform abgeschieden wird. Wenn das Keim-Cu im Bemühen, dessen Korngröße zu erhöhen, zu dick gemacht wird, neigt es deshalb dazu, die Öffnungen zur Durchkontaktierung in der Verdrahtungsstruktur abzuschnüren, wodurch die nachfolgende erfolgreiche Elektroplattierung unmöglich wird.
  • Deshalb besteht auf diesem Gebiet ein Bedarf, die Leitfähigkeit von Cu-gefüllten Durchkontaktierungen zu verbessern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt Techniken zur Verbesserung der Leitfähigkeit mit Kupfer (Cu) gefüllter Durchkontaktierungen bereit. In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Cu-gefüllten Durchkontaktierung bereitgestellt. Das Verfahren schließt die folgenden Schritte ein. Eine Durchkontaktierung wird in ein Dielektrikum geätzt. Die Durchkontaktierung wird mit einer Diffusionsbarriere ausgekleidet. Eine dünne Ruthenium(Ru)-Schicht wird konform auf der Diffusionsbarriere abgeschieden. Eine dünne Cu-Keimschicht wird auf der Ru-Schicht abgeschieden. Ein erstes Glühen wird durchgeführt, um eine Korngröße der Cu-Keimschicht zu erhöhen. Die Durchkontaktierung wird mit zusätzlichem Cu gefüllt. Ein zweites Glühen wird durchgeführt, um die Korngröße des zusätzlichen Cu zu erhöhen.
  • In einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Cu-gefüllte Durchkontaktierung bereitgestellt, die in einem Dielektrikum ausgebildet ist, aufweisend eine Durchkontaktierung, eine Diffusionsbarriere, mit welcher die Durchkontaktierung ausgekleidet ist, eine dünne Ru-Schicht, die konform auf der Diffusionsbarriere abgeschieden ist, eine dünne Cu-Keimschicht, die auf der Ru-Schicht angeordnet ist, und zusätzliches Cu, das auf die dünne Cu-Keimschicht in der Durchkontaktierung plattiert ist, um die Cu-gefüllte Durchkontaktierung zu ergeben. Das zusätzliche Kupfer weist eine durchschnittliche Kornbreite von mindestens dem 0,5-fachen einer Breite der Durchkontaktierung auf. Die Breite der Durchkontaktierung kann von etwa 20 Nanometer bis etwa 50 Nanometer betragen.
  • Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen erhalten.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsformen Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 ein Querschnittsdiagramm ist, das ein Dielektrikum zeigt, das über ein Substrat abgeschieden wurde, und eine Durchkontaktierung, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß in das Dielektrikum geätzt wurde;
  • 2 ein Querschnittsdiagramm ist, das die Durchkontaktierung zeigt, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß mit einer Diffusionsbarriere ausgekleidet wurde;
  • 3 ein Querschnittsdiagramm ist, das das eine Ruthenium(Ru)-Schicht zeigt, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß auf der Diffusionsbarriere abgeschieden wurde;
  • 4 ein Querschnittsdiagramm ist, das eine Kupfer(Cu)-Keimschicht zeigt, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß auf der Ru-Schicht abgeschieden wurde, um die Durchkontaktierung für die Elektroplattierung vorzubereiten;
  • 5 ein Querschnittsdiagramm ist, das die Durchkontaktierung zeigt, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß mit Cu gefüllt wurde; und
  • 6 ein Querschnittsdiagramm ist, das eine Cu-gefüllte Durchkontaktierung zeigt, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß mit den vorliegenden Techniken hergestellt wurde.
  • Ausführliche Beschreibung
  • 1 bis 5 sind Diagramme, die ein beispielhaftes Verfahren zur Fertigung einer mit Kupfer (Cu)-gefüllten Durchkontaktierung veranschaulichen. Vorteilhafterweise weisen Cu-gefüllte Durchkontaktierungen, die mit den vorliegenden Techniken gebildet werden, im Vergleich zu Strukturen, die mit konventionellen Techniken hergestellt werden, eine beständige Abnahme im Widerstand um 10 bis 15% auf. Am Anfang des Prozesses wird ein Dielektrikum über einem Substrat gebildet.
  • 1 ist ein Querschnittsdiagramm, das ein Dielektrikum 120 zeigt, das auf einem Substrat 100 abgeschieden wurde. Das Dielektrikum 120 kann jedes geeignete dielektrische Material aufweisen, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, eines oder mehreres von Siliciumdioxid (SiO2), Silicium-Kohlenstoff-Sauerstoff-Wasserstoff-Materialien (z. B. SICOH) und organischen Polymeren, und kann mit jedem geeigneten Abscheidungsprozess wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), Verdampfen, Sputtern oder lösungsbasierten Techniken wie Aufschleuderbeschichtung mit einer Dicke von etwa 10 Nanometer (nm) bis etwa 1.000 nm abgeschieden werden. Das Substrat 100 kann allgemein jede Verdrahtungs- oder Kontaktschicht in einer ein- oder mehrschichtigen Verdrahtungsanordnung sein. Dann wird mithilfe eines geeigneten Ätzprozesses wie z. B. reaktives Ionenätzen (RIE) eine enge Durchkontaktierung 101 in das Dielektrikum 120 geätzt. Der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform gemäß wird die Durchkontaktierung 101 mit einer Breite w von etwa 20 nm bis etwa 50 nm gebildet.
  • Als nächstes wird die Durchkontaktierung mit einer Diffusionsbarriere ausgekleidet. 2 ist ein Querschnittsdiagramm, das die Durchkontaktierung 101 zeigt, die mit einer Diffusionsbarriere 202 ausgekleidet wurde. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß besteht die Diffusionsbarriere 202 aus zwei Schichten. Die erste Schicht, eine Tantalnitrid(TaN)-Schicht 202a, wird mit einer Dicke von etwa 5 nm bis etwa 15 nm, z. B. von etwa 8 nm bis etwa 12 nm auf das Dielektrikum 120 abgeschieden, um die Durchkontaktierung auszukleiden. Die zweite Schicht, eine Tantal(Ta)-Schicht 202b, wird mit einer Dicke von etwa 5 nm bis etwa 15 nm, z. B. von etwa 8 nm bis etwa 12 nm, auf der TaN-Schicht 202a abgeschieden. Die Diffusionsbarriere 202 verhindert die Diffusion von Cu (siehe weiter unten) in das Dielektrikum.
  • Dann wird eine dünne Ruthenium(Ru)-Schicht konform auf der Diffusionsbarriere abgeschieden. 3 ist ein Querschnittsdiagramm, das Ru-Schicht 302 zeigt, die auf der Diffusionsbarriere 202 (d. h., auf der Ta-Schicht 202b) abgeschieden wurde. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß wird die Ru-Schicht 302 mit einer Dicke von etwa 1 nm bis etwa 10 nm, z. B. von etwa 2 nm bis etwa 5 nm durch CVD oder ALD mit Rutheniumcarbonyl als Vorläufersubstanz konform auf der Diffusionsbarriere 202 abgeschieden. CVD oder ALD gewährleistet die einheitliche, konforme Bedeckung der Diffusionsbarriere mit Ru (es ist nicht wünschenswert, dass Ta aus der Diffusionsbarriere während der nachfolgenden Schritte des Prozesses freiliegt). Alternativ dazu kann die Ru-Schicht 302 durch einen Sputterabscheidungsprozess auf der Diffusionsbarriere 202 abgeschieden werden.
  • Die Ru-Schicht 302 dient zwei Zwecken. Erstens wirkt die Ru-Schicht 302 als ein Benetzungsmittel für eine Cu-Keimschicht (siehe unten), um die Bildung größerer Keimkörner zu erleichtern. Zweitens wirkt die Ru-Schicht 302, um die darunterliegende Diffusionsbarriere 202 während eines Glühschritts, der verwendet wird, um die Korngröße der Cu-Keimschicht zu erhöhen (siehe ebenfalls unten), vor Oxidation zu schützen. Daher ist die einheitliche Bedeckung durch das Ru wichtig.
  • Eine dünne Cu-Keimschicht wird auf der Ru-Schicht abgeschieden. 4 ist ein Querschnittsdiagramm, das die Cu-Keimschicht 402 zeigt, die auf der Ru-Schicht 302 abgeschieden wurde, um die Durchkontaktierung für die Elektroplattierung vorzubereiten. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß wird die Cu-Keimschicht 402 mit einer Dicke von etwa 20 nm bis etwa 100 nm, z. B. von etwa 25 nm bis etwa 35 nm durch einen Sputterabscheidungsprozess auf der Ru-Schicht 302 abgeschieden.
  • Dann wird ein Glühvorgang durchgeführt, um die Korngröße der Cu-Keimschicht 402 zu erhöhen. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß wird das Glühen bei einer Temperatur von etwa 150 Grad Celsius (°C) bis etwa 350°C, z. B. etwa 250°C, in Formiergas (z. B. Wasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff mit einem Gas, mit welchem das Substrat nicht reagiert, z. B. Stickstoff oder ein Edelgas) durchgeführt. Es ist anzumerken, dass dieser Schritt des Glühens der Cu-Keimschicht vor der Elektroplattierung zum Füllen der Durchkontaktierung (siehe unten) durchgeführt wird. Dies erzeugt größere Keimkörner, die nach der elektrochemischen Cu-Füllung die Bildung größerer Körner in der Durchkontaktierung fördern. Zudem wäre dieses Glühen der Cu-Keimschicht ohne die Einführung der Ru-Schicht 302 aus zwei Gründen nicht wirksam. Erstens würde die Cu-Keimschicht auf einer Ta-Oberfläche (der Diffusionsbarriere) abgeschieden, die schlecht mit Cu benetzt ist. Das Glühen würde daher bewirken, dass die Cu-Keimschicht sich zusammenballt, statt die gewünschten einheitlich flachen Körner zu bilden. Zweitens würde das freiliegende Ta aufgrund der fehlenden Kontinuität der Cu-Keimschicht auf der Ta-Schicht (der Diffusionsbarriere) oxydieren (es sei denn, wenn das Glühen in einer Ultrahochvakuumumgebung durchgeführt wird, was mit prohibitiven Kosten verbunden wäre). Die Oxidation des Ta würde die Elektromigrationsleistung der Struktur verschlechtern. Wegen des hohen chemischen Affinitätsgrads von Ta zu Sauerstoff wäre es nicht praktikabel, Ta nach seiner Oxidation durch einen nachfolgenden Reduktionsprozess wieder in den metallischen Zustand zu versetzen. Durch Bedecken des Ta mit einer einheitlichen, konformen Ru-Schicht, einem oxidationsbeständigen Edelmetall, wird dieses Problem in der vorgeschlagenen Struktur vermieden.
  • Dann wird die Durchkontaktierung mit zusätzlichem Cu gefüllt. 5 ist ein Querschnittsdiagramm, das die mit Cu 502 gefüllte Durchkontaktierung 101 zeigt. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß wird das Cu 502 durch einen Elektroplattierungsprozess in die Durchkontaktierung 101 plattiert. Wie in 5 gezeigt, ist es wahrscheinlich, dass die Durchkontaktierung mit Cu 502 überfüllt wird, das abgeschliffen werden kann, um mit der Oberseite der Cu-Keimschicht 402 auf einer Ebene zu liegen, wenn gewünscht. Die Cu 502-Überfüllung kann alternativ dazu auf der Oberseite der Cu-Keimschicht 402 gelassen werden. Siehe zum Beispiel 6, weiter unten beschrieben. Ein erneuter Glühvorgang wird durchgeführt, diesmal, um die Korngröße des Cu 502 zu erhöhen. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß wird das Glühen bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C, z. B. etwa 250°C in einem Formiergas durchgeführt.
  • Durch Erhöhen der Korngröße des Cu 502 wird auch die Leitfähigkeit der Durchkontaktierung erhöht. Das heißt, Durchkontaktierungen, die mit den vorliegenden Techniken gebildet wurden, wiesen im Vergleich zu konventionell hergestellten Strukturen eine beständige Abnahme im Widerstand von 10 bis 15% auf. Im Test wurden die vorliegenden Strukturen und die konventionellen Strukturen außerdem beide weiteren zyklischen Wärmebehandlungen ausgesetzt, um die Fertigung von sechs aufeinanderfolgenden Verdrahtungsschichten zu simulieren. Nach dieser Behandlung blieb der Leistungsvorteil von 10% bis 15% der vorliegenden Strukturen erhalten.
  • Das Erhöhen der Korngröße der Cu-Keimschicht fördert die Bildung größerer Körner in der Durchkontaktierung nach der elektrochemischen Cu-Füllung. Dieser Vorteil der vorliegenden Techniken ist in 6 schematisch dargestellt. 6 ist ein Querschnittsdiagramm, das eine Cu-gefüllte Durchkontaktierung zeigt, die mit dem oben beschriebenen Fertigungsprozess hergestellt wurde. Cu 602 stellt das zusätzliche Cu dar, das z. B. durch den Schritt, der oben in Verbindung mit der Beschreibung von 5 beschrieben wurde, in die Durchkontaktierung gefüllt wurde. Die verschiedenen Schichten, die vor der Cu-Füllung abgeschieden wurden, z. B. die Diffusionsbarriere, die Ru-Schicht und die Cu-Keimschicht (siehe zum Beispiel 5, oben beschrieben), wurden der Einfachheit und Klarheit halber nicht dargestellt, es versteht sich aber, dass diese Schichten in diesem Beispiel vorhanden sind. Im Gegensatz zum Cu 502 von 5 ist die Durchkontaktierung mit der zusätzlichen Cu-Füllung in 6, d. h., mit dem Cu 602 überfüllt. Wie oben hervorgehoben, kann ein optionaler Abschleifschritt verwendet werden, um die Überfüllung zu entfernen, wenn gewünscht.
  • 6 stellt die vorteilhaften Korneigenschaften der vorliegenden Techniken heraus. Das heißt, indem zuerst die Korngröße der Cu-Keimschicht erhöht wird, siehe oben, werden nach der zusätzlichen Cu-Füllung und dem Endglühen größere, einheitlichere Körner in der Durchkontaktierung erreicht, siehe auch oben. Beispielsweise entspricht die im Cu 602 erreichte Korngröße g mindestens etwa dem 0,5-fachen der Strukturgröße. Die Korngröße g kann als eine lineare Abmessung quantitativ bestimmt werden, die als Querschnittsbreite des Korns gemessen wird (siehe 6). Die Strukturgröße kann als Querschnittsbreite der Struktur (in diesem Beispiel der Durchkontaktierung) quantitativ bestimmt werden (siehe 1). Daher haben die Körner des zusätzlichen Cu 602 (nach dem Endglühen) in diesem Fall eine Querschnittsbreite, die mindestens dem 0,5-fachen der Querschnittsbreite der Durchkontaktierung entspricht. Mit den vorliegenden Techniken ist es möglich, in der zusätzlichen Cu-Füllung Körner mit einer Querschnittsbreite zu erreichen, die der Querschnittsbreite der Durchkontaktierung entspricht. Siehe 6.
  • Es ist auch anzumerken, dass die Korngröße in den vorliegenden Strukturen ziemlich einheitlich ist. Beispielsweise variiert die Korngröße (z. B. auf der Basis der Querschnittsbreite des Korns gemessen, wie oben beschrieben) innerhalb der Durchkontaktierung um nicht mehr als 25 Prozent.
  • Zum Vergleich würden mit konventionellen Techniken uneinheitliche Korngrößen innerhalb der Durchkontaktierung erzeugt, wobei auf der Oberseite größere Körner und auf der Unterseite der Durchkontaktierung (wo das Cu räumlich stärker eingeschränkt ist) kleinere Körner entstehen würden. Die Querschnittsbreite dieser kleineren Körner entspricht typischerweise dem 0,2-fachen der Querschnittsbreite der Durchkontaktierung, eine Größenordnung, die kleiner ist als jene, die mit den vorliegenden Techniken erhalten wird.
  • Auch wenn hierin veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt, und dass von einem Fachmann verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (26)

  1. Verfahren zur Herstellung einer kupfergefüllten Durchkontaktierung, aufweisend die Schritte: Ätzen einer Durchkontaktierung in ein Dielektrikum; Auskleiden der Durchkontaktierung mit einer Diffusionsbarriere; konformes Abscheiden einer Rutheniumschicht auf der Diffusionsbarriere; Abscheiden einer Kupferkeimschicht auf der Rutheniumschicht; Durchführen eines ersten Glühens, um eine Korngröße der Kupferkeimschicht zu erhöhen; Füllen der Durchkontaktierung mit zusätzlichem Kupfer; und Durchführen eines zweiten Glühens, um eine Korngröße des zusätzlichen Kupfers zu erhöhen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Auskleidens der Durchkontaktierung mit der Diffusionsbarriere die Schritte aufweist: Abscheiden einer Tantalnitridschicht auf dem Dielektrikum, um die Durchkontaktierung auszukleiden; und Abscheiden einer Tantalschicht auf der Tantalnitridschicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Tantalnitridschicht mit einer Dicke von etwa 5 Nanometer bis etwa 15 Nanometer abgeschieden wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Tantalnitridschicht mit einer Dicke von etwa 8 Nanometer bis etwa 12 Nanometer abgeschieden wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Tantalschicht mit einer Dicke von etwa 5 Nanometer bis etwa 15 Nanometer abgeschieden wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Tantalschicht mit einer Dicke von etwa 8 Nanometer bis etwa 12 Nanometer abgeschieden wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Rutheniumschicht mit einer Dicke von etwa 1 Nanometer bis etwa 10 Nanometer abgeschieden wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Rutheniumschicht mit einer Dicke von etwa 2 Nanometer bis etwa 5 Nanometer abgeschieden wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Rutheniumschicht durch chemische Gasphasenabscheidung auf der Diffusionsbarriere abgeschieden wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Rutheniumcarbonyl als eine Vorläufersubstanz für die chemische Gasphasenabscheidung verwendet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Rutheniumschicht durch Atom lagenabscheidung auf der Diffusionsbarriere abgeschieden wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Rutheniumcarbonyl als eine Vorläufersubstanz für die Atomlagenabscheidung verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Rutheniumschicht durch einen Sputterabscheidungsprozess auf der Diffusionsbarriere abgeschieden wird.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kupferkeimschicht mit einer Dicke von etwa 20 Nanometer bis etwa 100 Nanometer abgeschieden wird.
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kupferkeimschicht mit einer Dicke von etwa 25 Nanometer bis etwa 35 Nanometer abgeschieden wird.
  16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kupferkeimschicht durch einen Sputterabscheidungsprozess abgeschieden wird.
  17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Glühen bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C in Formiergas durchgeführt wird.
  18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, außerdem aufweisend den Schritt: Plattieren des zusätzlichen Kupfers in die Durchkontaktierung.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das zusätzliche Kupfer in die Durchkontaktierung elektroplattiert wird.
  20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Glühen bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C in Formiergas durchgeführt wird.
  21. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt des Füllens der Durchkontaktierung mit zusätzlichem Kupfer auf den Schritt des Durchführens des ersten Glühens folgt.
  22. Kupfergefüllte Durchkontaktierung, ausgebildet in einem Dielektrikum, aufweisend: eine Durchkontaktierung; eine Diffusionsbarriere, mit der die Durchkontaktierung ausgekleidet ist; eine Rutheniumschicht, die konform auf der Diffusionsbarriere angeordnet ist; eine Kupferkeimschicht, die auf der Rutheniumschicht angeordnet ist; und zusätzliches Kupfer, das auf der Kupferkeimschicht plattiert ist und die Durchkontaktierung füllt, um die kupfergefüllte Durchkontaktierung zu bilden, wobei das zusätzliche Kupfer eine durchschnittliche Kornbreite von mindestens dem 0,5-fachen einer Breite der Durchkontaktierung hat.
  23. Kupfergefüllte Durchkontaktierung nach Anspruch 22, wobei die Durchkontaktierung eine Breite von etwa 20 Nanometer bis etwa 50 Nanometer hat.
  24. Kupfergefüllte Durchkontaktierung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, wobei die Diffusionsbarriere aufweist: eine Tantalnitridschicht, mit der die Durchkontaktierung ausgekleidet ist; und eine Tantalschicht auf der Tantalnitridschicht.
  25. Kupfergefüllte Durchkontaktierung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Rutheniumschicht eine Dicke von etwa 1 Nanometer bis etwa 10 Nanometer hat.
  26. Kupfergefüllte Durchkontaktierung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei die Kupferkeimschicht eine Dicke von etwa 20 Nanometer bis etwa 100 Nanometer hat.
DE112011101750T 2010-07-19 2011-07-13 Verfahren und Struktur zur Verbesserung der Leitfähigkeit enger kupfergefüllter Durchkontaktierungen Ceased DE112011101750T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/838,597 2010-07-19
US12/838,597 US8661664B2 (en) 2010-07-19 2010-07-19 Techniques for forming narrow copper filled vias having improved conductivity
PCT/EP2011/061959 WO2012010479A1 (en) 2010-07-19 2011-07-13 Method and structure to improve the conductivity of narrow copper filled vias

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112011101750T5 true DE112011101750T5 (de) 2013-07-18

Family

ID=44561392

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112011101750T Ceased DE112011101750T5 (de) 2010-07-19 2011-07-13 Verfahren und Struktur zur Verbesserung der Leitfähigkeit enger kupfergefüllter Durchkontaktierungen

Country Status (7)

Country Link
US (2) US8661664B2 (de)
JP (1) JP2013535820A (de)
CN (1) CN103003939A (de)
DE (1) DE112011101750T5 (de)
GB (1) GB2495451B (de)
TW (1) TWI513378B (de)
WO (1) WO2012010479A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9558997B2 (en) * 2012-12-28 2017-01-31 Globalfoundries Inc. Integration of Ru wet etch and CMP for beol interconnects with Ru layer
US9685371B2 (en) 2013-09-27 2017-06-20 Applied Materials, Inc. Method of enabling seamless cobalt gap-fill
KR20170029637A (ko) * 2014-08-27 2017-03-15 울트라테크 인크. 개선된 스루 실리콘 비아
CN104465507A (zh) * 2014-12-26 2015-03-25 上海集成电路研发中心有限公司 一种铜互连的形成方法
CN106158733A (zh) * 2015-04-22 2016-11-23 中国科学院微电子研究所 一种铜互连结构及其制造方法
US10396012B2 (en) 2016-05-27 2019-08-27 International Business Machines Corporation Advanced through substrate via metallization in three dimensional semiconductor integration
US10312181B2 (en) 2016-05-27 2019-06-04 International Business Machines Corporation Advanced through substrate via metallization in three dimensional semiconductor integration

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7244677B2 (en) 1998-02-04 2007-07-17 Semitool. Inc. Method for filling recessed micro-structures with metallization in the production of a microelectronic device
KR100404649B1 (ko) 1998-02-23 2003-11-10 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼 반도체장치 및 그 제조방법
US6368967B1 (en) 2000-05-04 2002-04-09 Advanced Micro Devices, Inc. Method to control mechanical stress of copper interconnect line using post-plating copper anneal
US7264846B2 (en) * 2002-06-04 2007-09-04 Applied Materials, Inc. Ruthenium layer formation for copper film deposition
US7074719B2 (en) 2003-11-28 2006-07-11 International Business Machines Corporation ALD deposition of ruthenium
US20060113675A1 (en) 2004-12-01 2006-06-01 Chung-Liang Chang Barrier material and process for Cu interconnect
US7265048B2 (en) 2005-03-01 2007-09-04 Applied Materials, Inc. Reduction of copper dewetting by transition metal deposition
JP4540504B2 (ja) * 2005-03-03 2010-09-08 富士通セミコンダクター株式会社 半導体装置の製造方法
US7449409B2 (en) * 2005-03-14 2008-11-11 Infineon Technologies Ag Barrier layer for conductive features
US7666787B2 (en) * 2006-02-21 2010-02-23 International Business Machines Corporation Grain growth promotion layer for semiconductor interconnect structures
EP1845554A3 (de) 2006-04-10 2011-07-13 Imec Verfahren zur Erzeugung von supersekundärem Kornwachstum in schmalen Gräben
JP4498391B2 (ja) * 2006-07-21 2010-07-07 株式会社東芝 半導体装置の製造方法
TW200814156A (en) * 2006-07-21 2008-03-16 Toshiba Kk Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device
US20080296768A1 (en) 2006-12-14 2008-12-04 Chebiam Ramanan V Copper nucleation in interconnects having ruthenium layers
US7786006B2 (en) 2007-02-26 2010-08-31 Tokyo Electron Limited Interconnect structures with a metal nitride diffusion barrier containing ruthenium and method of forming
US20080242088A1 (en) 2007-03-29 2008-10-02 Tokyo Electron Limited Method of forming low resistivity copper film structures
US7704879B2 (en) 2007-09-27 2010-04-27 Tokyo Electron Limited Method of forming low-resistivity recessed features in copper metallization
JP2009105289A (ja) * 2007-10-24 2009-05-14 Tokyo Electron Ltd Ｃｕ配線の形成方法
US7727890B2 (en) * 2007-12-10 2010-06-01 International Business Machines Corporation High aspect ratio electroplated metal feature and method
US8247030B2 (en) * 2008-03-07 2012-08-21 Tokyo Electron Limited Void-free copper filling of recessed features using a smooth non-agglomerated copper seed layer
JP2009231497A (ja) * 2008-03-21 2009-10-08 Toshiba Corp 半導体装置及び半導体装置の製造方法
US7964497B2 (en) 2008-06-27 2011-06-21 International Business Machines Corporation Structure to facilitate plating into high aspect ratio vias
US20100084766A1 (en) 2008-10-08 2010-04-08 International Business Machines Corporation Surface repair structure and process for interconnect applications
US7956463B2 (en) * 2009-09-16 2011-06-07 International Business Machines Corporation Large grain size conductive structure for narrow interconnect openings
US8076241B2 (en) * 2009-09-30 2011-12-13 Tokyo Electron Limited Methods for multi-step copper plating on a continuous ruthenium film in recessed features

Also Published As

Publication number Publication date
TWI513378B (zh) 2015-12-11
US8661664B2 (en) 2014-03-04
JP2013535820A (ja) 2013-09-12
WO2012010479A1 (en) 2012-01-26
GB2495451B (en) 2016-03-02
GB2495451A (en) 2013-04-10
US20120012372A1 (en) 2012-01-19
US9392690B2 (en) 2016-07-12
CN103003939A (zh) 2013-03-27
GB201301210D0 (en) 2013-03-06
US20140151097A1 (en) 2014-06-05
TW201223358A (en) 2012-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015107271B4 (de) Zwei- oder mehrteilige Ätzstoppschicht in integrierten Schaltungen
DE112011101750T5 (de) Verfahren und Struktur zur Verbesserung der Leitfähigkeit enger kupfergefüllter Durchkontaktierungen
DE102012216153B4 (de) Halbleiterbauelemente mit Kupferverbindungen und Verfahren zu deren Herstellung
DE102008059650B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur mit einer Metallisierungsstruktur mit selbstjustierten Luftspalten zwischen dichtliegenden Metallleitungen
DE102013220852B4 (de) Integrierte Schaltungen und Verfahren zum Herstellen von integrierten Schaltungen mit Metall-Gate-Elektroden
DE102014111780B4 (de) Verfahren zum Ausbilden von leitenden Strukturen in Vertiefungen
DE102019212488B4 (de) Verbindungen gebildet durch eine Metallverdrängungsreaktion
DE102007004860B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Kupfer-basierten Metallisierungsschicht mit einer leitenden Deckschicht durch ein verbessertes Integrationsschema
DE102019112891A1 (de) Techniken für die Verbindung einer oberen MRAM-MJT-Elektrode
DE102005039323A1 (de) Leitbahnanordnung sowie zugehöriges Herstellungsverfahren
DE112005001489T5 (de) Atomlagenabgeschiedene Tantal enthaltende Haftschicht
DE102007046846A1 (de) Seitenwandschutzschicht
DE102017208466B4 (de) Verfahren zum Bilden einer niederohmschen Edelmetallzwischenverbindung
DE102010063780A1 (de) Halbleiterbauelement mit einer Kontaktstruktur mit geringerer parasitärer Kapazität
DE112021000239T5 (de) Verbindungsstrukturen mit rutheniumauskleidung mit kobaltinfusion und einer kobaltabdeckung
DE102008029792A1 (de) NOR-flash-Bauelement und Verfahren zur Herstellung des Bauelementes
DE102014109352B4 (de) Zusammengesetzte kontaktstöpsel-struktur und verfahren zur herstellung
DE102007009912B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer kupferbasierten Metallisierungsschicht mit einer leitenden Deckschicht durch ein fortschrittliches Integrationsschema
DE10103340A1 (de) Verfahren zum Wachsen von Kohlenstoff-Nanoröhren oberhalb einer elektrisch zu kontaktierenden Unterlage sowie Bauelement
DE102012111702A1 (de) Elektroplattierungs-Verfahren zum Herstellen von integrierten Halbleiterschaltungs-Vorrichtungen und damit hergestellte Vorrichtungen
DE102004003863B4 (de) Technik zur Herstellung eingebetteter Metallleitungen mit einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegen durch Belastung hervorgerufenen Materialtransport
DE102012105304A1 (de) Vorrichtung zur Spannungsreduzierung
DE102007035837A1 (de) Halbleiterbauelement mit einer Kornorientierungsschicht
DE102007053600A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Metalls direkt auf einer leitenden Barrierenschicht durch elektrochemische Abscheidung unter Anwendung einer sauerstoffarmen Umgebung
DE102007020252A1 (de) Technik zur Herstellung von Metallleitungen in einem Halbleiter durch Anpassen der Temperaturabhängigkeit des Leitungswiderstands

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: GLOBALFOUNDRIES INC., KY

Free format text: FORMER OWNER: INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION, ARMONK, N.Y., US

R082 Change of representative

Representative=s name: RICHARDT PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: GLOBALFOUNDRIES INC., KY

Free format text: FORMER OWNER: GLOBALFOUNDRIES US 2 LLC (N.D.GES.DES STAATES DELAWARE), HOPEWELL JUNCTION, N.Y., US

R082 Change of representative

Representative=s name: RICHARDT PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE

R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final