DE19920757B4 - Verfahren zum Bilden eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung und elektrische Zwischenverbindungsstruktur - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Bilden eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten
Schaltung, aufweisend die Schritte:
a) Aufbringen einer leitfähigen Diffusionssperrschicht auf ein Substrat;
b) Ablagern einer Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht; und
c) Bilden einer Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht.
a) Aufbringen einer leitfähigen Diffusionssperrschicht auf ein Substrat;
b) Ablagern einer Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht; und
c) Bilden einer Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht.
Description
- Hintergrund der Erfindung
- In der Vergangenheit waren Kupfer-Zwischenverbindungen auf integrierten Schaltungen wegen der Diffusion von Kupfer in das Siliciumsubstrat nicht möglich, das die elektrischen Eigenschaften von Silicium derart verändert, dass ein Funktionieren der Transistoren in den integrierten Schaltungen verhindert wird. Jüngste Entwicklungen haben sich beim Vorsehen einer Diffusionssperrschicht zwischen der Kupferzwischenverbindung und dem Substrat als erfolgreich erwiesen. Beispielsweise hat IBM ein Damaszierungsverfahren entwickelt, um eine Diffusionssperrschicht in Siliciumwafern zusammen mit Kupfer abzulagern; siehe IEEE Spectrum, Januar 1998 vol. 35, Seite 23 und IBM Research vol. 35, Nummer 4, 1997, Seite 17. Diese Entwicklungen erlauben erstmals den kommerziellen Einsatz von Kupfer in integrierten Schaltungen.
- Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung und eine entsprechende elektrische Zwischenverbindungsstruktur.
- Wesen der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung stellt nicht-lineare Schaltelemente auf Kupferbasis auf integrierten Schaltungen bereit. Nicht-lineare Schaltelemente wie Kupferoxid-Gleichrichter sind wegen früher ungelöster Probleme, nämlich dass Kupfer das Siliciumsubstrat verunreinigt, in integrierten Schaltungen nicht verwendet worden. Aufgrund jüngster Erfolge in der Entwicklung effizienter Diffusionssperrschichten zwischen Kupfer und dem Siliciumsubstrat ist die Plazierung nicht-linearer Schaltelemente auf Kupferbasis auf integrierten Schaltungen jetzt möglich.
- Kupferoxid-Gleichrichter werden für verschiedene Zwecke eingesetzt, u. a. zur Vorsehung eines Spannungsabfalls und Verhütung von Schaden an empfindlichen Geräten durch Spannungsspitzen. Diese Gleichrichter basieren auf dem Wissen, dass eine Schicht Kupferoxid auf der Oberfläche eines Kupferleiters den Durchtritt von Elektronen aus dem Kupfer in das Oxid erlaubt, aber den Durchtritt von Elektronen aus dem Oxid in das Kupfer verhindert.
- Hierin wird eine Reihe von Wegen zur Herstellung nicht-linearer Schaltelemente auf Kupferbasis auf integrierten Schaltungen offenbart. Ein Verfahren zum Bilden eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung umfasst die Schritte:
- a) Aufbringen einer leitfähigen Diffusionssperrschicht auf ein Substrat;
- b) Ablagern einer Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht; und
- c) Bilden einer Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht.
- Die Zusammensetzung der Kupferoxidschicht besteht überwiegend aus Cu2O. Schritt c) erfolgt vorzugsweise durch Ablagern einer Schicht Kupferoxid oder durch Oxidieren wenigstens eines Teils der Kupferschicht. Insbesondere kann Schritt c) die Schritte umfassen: Aufbringen einer dielektrischen Schicht auf die Schicht aus eingeschlossenem Kupfer, Aufbringen eines Resistmaterials zur Definierung der Diodenregion, Aufbringen eines Musters auf das Resistmaterial, Durchätzen der dielektrischen Schicht dort, wo das Resistmaterial nicht vorhanden ist, bis zumindest ein Abschnitt des Kupfers freigelegt ist, Abtragen des Resistmaterials, Ablagern einer Diffusionssperrschicht auf dem freigelegten Kupfer und der verbleibenden dielektrischen Schicht, Ätzen zur selektiven Abtragung der Diffusionssperrschicht auf dem Kupfer, und Aufbringen einer Kupferoxidschicht auf das freigelegte Kupfer.
- Nach Bildung der Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht kann eine chemisch-mechanische Planarisierung der Kupferoxidschicht durchgeführt werden. Alternativ kann eine anisotrope Ätzung, beispielsweise eine Plasmahinterätzung der Kupferoxidschicht durchgeführt werden. Dann wird eine Einlage oder Diffusionssperrschicht abgelagert. Zum Schluss kann eine dielektrische Schicht aufgebracht werden. Die Zusammensetzung der Einlage und Diffusionssperrschicht kann Tantal, Tantalnitrid, Titannitrid, Wolframnitrid, Titan-Siliciumnitrid, Molybdännitrid, Tantal-Siliciumnitrid, Siliciumnitrid, Cux, Gey, oder CuAl-Legierung sein; siehe Jackson, Broadbent et al., Solid State Technology Vol. 41, Bd. 3, März 1998; S.C. Sun, 1997 IEDM;
US-Patente 5,420,069 und5,430,258 , welche durch Querverweis alle hierin mit aufgenommen werden. - Das Substrat kann durch Aufbringen eines bemusterten Resistmaterials, Ätzen der dielektrischen Schicht, wo das Resistmaterial nicht vorhanden ist und dann Abtragen des Resistmaterials vorgeformt werden. Auf dem Substrat wird eine Einlage abgelagert. Dann wird Kupfer auf der Einlage abgelagert, welches enge Gräben vollständig ausfüllt, aber weitere Flächen nur teilweise füllt. Danach wird Kupferoxid abgelagert, das die Resttiefe der weiteren Flächen ausfüllt. Die Herstellung eines derartigen Schaltelementes umfasst die folgenden Schritte:
- a) Ablagern einer dielektrischen Schicht auf ein Substrat,
- b) Aufbringen eines bemusterten Resistmaterials auf die dielektrische Schicht,
- c) Ätzen der dielektrischen Schicht, wo das Resistmaterial nicht vorhanden ist,
- d) Abtragen des Resistmaterials,
- e) Aufbringen einer leitfähigen Diffusionssperrschicht auf das Substrat,
- f) Ablagern einer Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht,
- g) Bilden einer Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht,
- h) Durchführen einer chemischen oder mechanischen Planarisierung der Kupferoxidschicht zur Bildung einer planarisierten Oberfläche, und
- i) Ablagern einer nicht-leitfähigen Diffusionssperrschicht-Lage auf der planarisierten Oberfläche.
- In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird auch eine elektrische Zwischenverbindungsstruktur bereitgestellt, die umfasst:
- a) eine Substratschicht;
- b) eine leitfähige Diffusionssperrschicht auf der Substratschicht;
- c) eine Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht; und
- d) eine Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht.
- Eine derartige elektrische Zwischenverbindungsstruktur kann zusätzlich eine Diffusionssperrschicht auf der Kupferoxidschicht aufweisen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
1(a–e) ist eine Verfahrensdarstellung der Herstellung eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung. -
2(a–d) ist eine Verfahrensdarstellung einer zweiten Art der Herstellung eines nichtlinearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung. - Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
- Ein Verfahren zur Bildung eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung ist in
1(a–e) gezeigt. Zuerst wird eine Diffusionssperrschicht1 auf ein Substrat2 aufgebracht. Dann wird eine Kupferschicht3 auf der Diffusionsschicht abgelagert, gefolgt von der Aufbringung einer Sperrschicht und einer dielektrischen Schicht4 . Danach wird ein bemustertes Resistmaterial5 auf der Oberseite der dielektrischen Schicht gebildet, gefolgt von einem Ätzschritt, der einen Abschnitt des Kupfers6 freilegt, wo das Resistmaterial nicht vorhanden ist. Dann wird das Resistmaterial abgetragen. Auf die freigelegten Abschnitte des Kupfers sowie die dielektrische Schicht4 wird dann noch eine Diffusionssperrschicht7 aufgelegt. Vorzugsweise ist die Diffusionssperrschicht1 elektrisch leitend. Die Diffusionssperrschicht7 muss ein elektrischer Isolator sein. Eine anisotrope Ätzung trägt die Diffusionssperrschicht ab, die die freigelegten Abschnitte des Kupfers bedeckt, während sie die Diffusionssperrschicht auf den Seitenwänden der dielektrischen Schicht8 belässt. Auf den freigelegten Abschnitten des Kupfers6 und der dielektrischen Schicht4 wird dann Kupferoxid9 abgelagert. Eine chemische und mechanische Planarisierung trägt das Kupferoxid9 auf der Oberseite der dielektrischen Schicht4 ab, während das an das Kupfer3 angrenzende Kupferoxid10 festgehalten wird. Zum Schluss wird eine Diffusionssperrschicht-Lage10a auf der Oberfläche abgelagert. Die Diffusionssperrschicht-Lage10a ist vorzugsweise ein elektrischer Isolator, wie z. B. Siliciumnitrid. - Zur Bildung der notwendigen elektrischen Verbindung mit dem nicht-linearen Schaltelement werden dann die folgenden herkömmlichen Schritte durchgeführt. Auf der Oberseite der Diffusionssperrschicht-Lage
10a wird eine dielektrische Schicht abgelagert. Ein Photoresistmaterial wird abgelagert und dann bemustert. Das Photoresistmaterial wird bis zur Diffusionssperrschicht-Lage10a hinunter geätzt, wobei die Diffusionssperrschicht-Lage10a selektiv dort abgetragen wird, wo das Photoresistmaterial nicht vorhanden ist. Dann wird eine elektrisch leitende Einlage abgelagert. Zum Schluss wird eine Kupferschicht abgelagert, um einen elektrischen Kontakt mit der Kupferoxidschicht10 herzustellen. - Ein zweites Verfahren zur Bildung eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung ist in
2(a–d) gezeigt. Ein Resistmaterial11 wird auf das Substrat12 aufgebracht und dann bemustert. Dann wird das Substrat dort, wo es durch das Resistmaterial hindurch freigelegt ist, bis zu der Ätzungsunterbrechungsschicht12a hinunter geätzt. Danach wird das Resistmaterial abgetragen. Es wird eine Diffusionssperrschicht oder Einlage13 abgelagert. Dann wird eine Kupferschicht14 aufgebracht. In engen Ätzungsregionen oder Gräben füllt das Kupfer die Ätzungsregionen vollständig. Auf der Kupferschicht14 wird Kupferoxid15 gebildet und/oder abgelagert. Die chemische und mechanische Planarisierung trägt dann das Kupfer und Kupferoxid auf der Oberseite der dielektrischen Schicht ab, während das an das Substrat12 angrenzende Kupfer und Kupferoxid/Kupferabschnitte16 festgehalten werden. In weiteren Regionen verbleibt das Kupferoxid nach der Planarisierung. Zum Schluss wird eine Diffusionssperrschicht-Lage17 , d. h. ein elektrischer Isolator, auf der planarisierten Oberfläche abgelagert. - Die Struktur kann dann mit einer unteren Leitschicht
18 und einer oberen Leitschicht19 elektrisch verbunden werden. Ein Durchgang20 stellt den elektrischen Kontakt mit dem Kupferoxid15 her. - Zwar sind vorstehend verschiedenartige Verfahren und Vorrichtungen in Übereinstimmung mit der Erfindung beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt worden, es wird jedoch verständlich sein, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern alle internen Formen und Modifikationen einschließt, die unter den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen.
Claims (10)
- Verfahren zum Bilden eines nicht-linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung, aufweisend die Schritte: a) Aufbringen einer leitfähigen Diffusionssperrschicht auf ein Substrat; b) Ablagern einer Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht; und c) Bilden einer Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt c) durch Ablagern einer Kupferoxidschicht durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt c) durch Oxidieren zumindest eines Teils der Kupferschicht durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt c) die Schritte umfasst: Aufbringen einer dielektrischen Schicht auf die Kupferschicht, Aufbringen eines bemusterten Resistmaterials, Durchätzen der dielektrischen Schicht dort, wo das Resistmaterial nicht vorhanden ist, bis zumindest ein Abschnitt des Kupfers freigelegt ist, Abtragen des Resistmaterials, Ablagern einer nicht-leitfähigen Diffusionssperrschicht auf dem freigelegten Kupfer und der verbleibenden dielektrischen Schicht, Ätzen zur selektiven Abtragung der nicht-leitfähigen Diffusionssperrschicht auf dem Kupfer, und Aufbringen einer Kupferoxidschicht auf das freigelegte Kupfer.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt d) einer chemisch-mechanischen Planarisierung der Kupferoxidschicht umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt d) einer anisotropen Hinterätzung der Kupferoxidschicht umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat durch Aufbringen eines bemusterten Resistmaterials, Ätzen der dielektrischen Schicht, wo das Resistmaterial nicht vorhanden ist, und Abtragen des Resistmaterials gebildet wird.
- Verfahren zum Bilden eines nicht linearen Schaltelementes auf einer integrierten Schaltung, umfassend die Schritte: a) Ablagern einer dielektrischen Schicht auf ein Substrat, b) Aufbringen eines bemusterten Resistmaterials auf die dielektrische Schicht, c) Ätzen der dielektrischen Schicht, wo das Resistmaterial nicht vorhanden ist, d) Abtragen des Resistmaterials, e) Aufbringen einer leitfähigen Diffusionssperrschicht auf das Substrat, f) Ablagern einer Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht, g) Bilden einer Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht, h) Durchführen einer chemischen oder mechanischen Planarisierung der Kupferoxidschicht zur Bildung einer planarisierten Oberfläche, und i) Ablagern einer nicht-leitfähigen Diffusionssperrschicht-Lage auf der planarisierten Oberfläche.
- Elektrische Zwischenverbindungsstruktur umfassend: a) eine Substratschicht; b) eine leitfähige Diffusionssperrschicht auf der Substratschicht; c) eine Kupferschicht auf der leitfähigen Diffusionssperrschicht; und d) eine Kupferoxidschicht auf der Kupferschicht.
- Elektrische Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 9, welche ferner eine nicht-leitfähige Diffusionssperrschicht auf der Kupferoxidschicht umfasst.
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