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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Halbleiterherstellung
und insbesondere auf ein Verfahren zum Galvanisieren von Kupfer
auf einem Halbleitersubstrat, um Inlay-Kupfer-Interconnects bzw.
eingelegte Kupferzwischenverbindungen auszubilden.
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Hintergrund der Erfindung
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Gegenwärtige Halbleiterbauteile
erfordern höhere
Stromdichten, um eine höhere
Leistungsfähigkeit
zu erlangen. Zusätzlich
werden Bauteilabmessungen zu Geometrien geschrumpft, die zunehmend
problematisch werden, wenn diese höheren Stromdichten geleitet
werden. Die höheren
Stromdichten und geschrumpften Geometrien müssen in die Technologie aufgenommen
werden, während gleichzeitig
angemessene Widerstandsniveaus gegenüber Elektromigration (EM),
eine verringerte Metallhohlraumbildung und ein verbesserter Wafer-Herstellungsdurchsatz
beibehalten werden sowie andere übliche
Zuverlässigkeitsprobleme
vermieden werden. Während
Aluminium ein ausgereiftes IC-Interconnect-Material (IC = "integrated circuit"/integrierter Schaltkreis)
ist, ist Kupfer ein relativ neues Material für die Verwendung in IC-Interconnects.
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Eines
der erfolgversprechendsten Verfahren zum Abscheiden von Kupfer (Cu)
auf einem Substrat ist jenes unter Verwendung von Überzugsverfahren, wie
beispielsweise Galvanisieren. Galvanisiertes Kupfer stellt zahlreiche
Vorteile gegenüber
Aluminium bereit, wenn bei IC-Anwendungen (IC = "integrated circuit"/integrierter Schaltkreis) verwendet,
wobei ein Hauptvorteil ist, dass Kupfer einen geringeren Widerstand
als Aluminium-basierte Materialien hat und deshalb für viel höhere Betriebsfrequenzen
geeignet ist. Zusätzlich
ist Kupfer gegenüber
herkömmlicher Probleme,
die mit Elektromigration (EM) verbunden sind, widerstandsfähiger als
Aluminium. Der erhöhte Widerstand
gegenüber
Elektromigration der vorliegt, wenn Kupfer verwendet wird, stellt
eine Gesamtverbesserung in der Zuverlässigkeit von Halbleiterbauteilen
bereit, weil Schaltkreise, welche höhere Stromdichten und/oder
einen geringeren Widerstand gegenüber EM aufweisen, mit der Zeit
die Tendenz aufweisen, Hohlräume
oder Leiterbahnunterbrechungen in ihren metallischen Interconnects
zu entwickeln. Diese Hohlräume
oder Leiterbahnunterbrechungen können
das Bauteil dazu veranlassen, im Einsatz oder während des Einbrennvorgangs
vollständig auszufallen.
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Jedoch
führt die
Integration von Kupfer in den IC-Herstellungsprozess auch zu neuen
Problemen und ist hinsichtlich Zuverlässigkeit oder Massenproduktion
keineswegs vollständig
optimiert. Beispielsweise wurde herausgefunden, dass wenn Kupfer
zu schnell in Öffnungen
mit hohem Streckungsverhältnis
unter Verwendung eines Galvanisierbads abgeschieden wird, an welches
ein sehr hoher Strom oder ein sehr hohes Potential im Wesentlichen
nur im DC-Modus (DC = "direct
current"/Gleichstrom)
angelegt wird, Probleme mit Hohlraumbereichen oder Aussparungen
auftreten, die in dem Kupfer-Interconnect ausgebildet werden. Bei
diesen Überzugsbedingungen
schnürt
das abgeschiedene Kupfer schließlich
den oberen Abschnitt der Öffnung
ab, um einen im Kupfer eingekapselten Luftbereich oder Hohlraum in
dem schrittweise abgeschiedenen Kupferfilm zu erzeugen. Außerdem resultiert
das Kupferüberziehen
mit hoher Stromdichte im DC-Modus in hohen Abscheidungsraten und
erzeugt einen Kupferfilm, der aufgrund schlechter Einbringung von
Galvanisierfremdstoffen in den durch Überziehen ausgebildeten Cu-Film,
einen verschlechterten Widerstand gegenüber Elektromigration (EM) hat.
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Zusätzlich ist
effektives Galvanisieren von Kupfer stark abhängig von der Qualität des darunter liegenden
Films. Wenn der darunter liegende Kupferkeimfilm nicht gleichmäßig abgeschieden
wird oder Bereiche mit unzureichendem Keimmaterial enthält, wird
das Kupfer in diesen Bereichen nicht gleichmäßig abgeschieden und kann zu
einer Verschlechterung hinsichtlich IC-Ausbeute und/oder IC-Zuverlässigkeitsaspekten
führen.
Typischerweise ist die Empfindlichkeit des Kupferüberziehens
gegenüber
der darunter liegenden Keimschichtqualität erhöht, wenn Überzugsmethoden mit niedrigem
Gleichstrom mit geringem Durchsatz verwendet werden. Deshalb erscheinen
unberücksichtigt
dessen, ob Verfahren mit hohem oder niedrigem Gleichstrom ver wendet
werden, eines oder mehr ernste Kupferüberzugsprobleme in der Endstruktur
unvermeidbar.
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Deshalb
ist in der Halbleiterindustrie ein Verfahren zum Galvanisieren von
Kupfer-Interconnects mit angemessenem Herstellungsdurchsatz erforderlich,
während
gleichzeitig eine verringerte oder eliminierte Hohlraumausbildung
mit verbessertem Widerstand gegenüber Elektromigration (EM),
eine verbesserte Gleichmäßigkeit
und/oder ähnlichen
Vorteilen sichergestellt werden.
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Zusätzlich zu
Galvanisierzuverlässigkeits-, -güte- und
-ausbeuteproblemen, erfordern herkömmliche Verfahren zum Abscheiden
von Kupfer im Allgemeinen, dass das Kupfer unter Verwendung einer Festzeitabscheidung
auf das Substrat galvanisiert wird. Typischerweise wird unter spezifizierten
Bedingungen ein Testwafer durch die Galvanisierkammer verarbeitet,
um zu bestimmen, ob der Prozess innerhalb der Spezifikation oder
den Steuergrenzen durchgeführt
wird. Wenn das System innerhalb seiner Grenzen betrieben wird, kann
der Festzeitabscheidungsprozess nachfolgender Produktwafer für eine gewisse
Zeitspanne beginnen. Dieses Testwafer-Prozesssteuerverfahren geht
davon aus, dass nachfolgende Produktwafer aufgrund der Annahme, dass
die Abscheidungsbedingungen hoffentlich über die Zeit unverändert bleiben,
innerhalb der Spezifikation oder innerhalb Steuergrenzen sind.
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Das
gesamte Verfahren des Verarbeitens von Testwafern, des Bestimmens
von statischen Bedingungen, bei denen die Testwafer gute Ergebnisse erlangen,
und des folgenden statischen Verarbeitens der Wafer unter diesen
Bedingungen, in der Hoffnung des andauernden Erfolgs ist sowohl
zeitraubend und unzuverlässig
als auch teuer. Deshalb wäre
es vorteil haft, Kupfergalvanisiersysteme bereitzustellen, welche
in-situ den Endpunkt
der Galvanisiervorgänge
bestimmen, oder diese in Echtzeit überwachen könnten, so dass Galvanisiervorgänge während dem Überziehen
dynamisch computergesteuert werden können, wobei die Testwafer-Verwendung
und der Wafer-Ausschuss verringert wird, der Durchsatz weiter optimiert
wird und die Filmgüte
verbessert wird.
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US 5,273,642 offenbart ein
Gerät und
ein entsprechendes Verfahren zum Galvanisieren von Wafern einschließlich des
Abstützens
einer Vielzahl von Wafern auf einer Stützplatte im Galvanisierbehälter, so
dass eine Fläche
von jedem Wafer von der elektrolytischen Reaktion mit einer Maske
versehen wird. Eine programmierbare Steuerung wird verwendet, um
die Wellenform, Frequenz und Zeitdauer des Stromes zu steuern, der
während
dem Galvanisierprozess zwischen jedem einzelnen Wafer und einer entsprechenden
Anodenelektrode fließt.
Die Spannung wird zwischen den Wafern und der Anodenelektrode überwacht,
um sicherzustellen, dass während dem
Galvanisierprozess eine passende elektrische Verbindung mit jedem
einzelnen Wafer aufrechterhalten wird.
US 5,273,642 offenbart nicht die Verwendung
von negativem Pulsieren, das eine zeitweilige Galvanisierprozessumkehr
verursacht.
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GB-A-2
214 520 offenbart die Anwendung von zumindest zwei unabhängig gesteuerten
Spannungen im Wechsel, wobei die Einrichtung zumindest zwei unabhängig gesteuerte
elektrische Stromversorgungen und Schalteinrichtungen aufweist,
um sie abwechselnd an eine Zelle anzulegen, in der ein Werkstück und eine
andere Elektrode aufgehängt sind.
Eine der Spannungen kann umgekehrt werden und eine kann gepulst
werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Ausbilden einer Kupferschicht über einem Wafer gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Weitere
Aspekte sind in den abhängigen
Ansprüchen
beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Figuren
leichter verständlich,
wobei sich in den Figuren gleiche Bezugszeichen auf ähnliche
oder entsprechende Bauteile beziehen und wobei in den Figuren folgendes
dargestellt ist:
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1 veranschaulicht
in einem gemischten Querschnitts- und Elektro-Blockschaubild eine
Galvanisierkammer und ihr zugehöriges
Computersteuersystem, das verwendet wird, um Kupfermaterial auf einen
Halbleiter-Wafer zu galvanisieren.
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2 veranschaulicht
in einer Draufsicht die Kathodenbaugruppe (d.h. Wafer, Drehtisch
und Klemmen) aus 1.
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3–7 veranschaulichen
in Querschnittsschaubildern ein Verfahren zum schrittweisen Galvanisieren
von Kupfer innerhalb einer Doppel-Inlay-Struktur unter Verwendung
des Systems aus 1–2.
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3–13 veranschaulichen
mit verschiedenen X-Y-Zeitverläufen
verschiedene Verfahren, durch welche die Kathodenbaugruppe der Galvanisierkammer
aus 1 während
dem Galvanisieren von Kupfer gesteuert werden kann, um die Qualität der Kupfer-Interconnects
gegenüber
dem, was im Stand der Technik gelehrt wird, zu verbessern.
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Detaillierte Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Allgemein
offenbart ist ein Verfahren zum Steuern einer Kathode und/oder Anode
einer Kupfergalvanisierkammer zum Verbessern der Qualität eines
Kupfer(Cu oder Cu-Legierung)-Interconnect, das auf einem Halbleiter-Wafer
mittels Kupfergalvanisiervorgängen
ausgebildet wird. Es wurde herausgefunden, dass verschiedene Sequenzen
an gepulsten positiven und/oder negativen Strom-Wellenformen zusammen
mit dem Einbezug von verschiedenen optionalen DC-Vorspannungszeitspannen
(DC = "direct current"/Gleichstrom), die
an eine Kathode und/oder Anode einer Kupfergalvanisierkammer zugeführt werden,
einen nachteiligen Effekt auf eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften
haben kann: Kupfergleichmäßigkeit,
Kupferwiderstand gegenüber Elektromigration
(EM), Überzugsdurchsatz,
Kupferhohlraumbildung, Kupferkornstruktur und/oder ähnlichen.
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Das
verbesserte Kupfergalvanisierverfahren das hier gelehrt wird, kann
hierbei besser mit spezifischer Bezugnahme auf 1–13 verstanden werden.
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1 veranschaulicht
eine Schnittdarstellung eines Galvanisiersystems oder einer Galvanisierkammer 10.
Die Kammer 10 ist an eine Blockdiagrammdarstellung eines
Computersteuersystems 34 gekoppelt, das verwendet wird,
um den Betrieb der Kammer 10 elektrisch, chemisch und mechanisch
zu steuern. Das System 10 umfasst eine Kammerbaugruppe
oder ein Gehäuse 11.
Das Gehäuse 11 hat eine
oder mehr Auslassöffnungen 22,
um mit der Zeit überschüssiges Galvanisierfluid
aus der Kammer 10 abzulassen. Das System 10 hat
des Weiteren einen inneren Becher 12, der eine Einlassöffnung 24 zur Aufnahme
von eintretendem Überzugfluid 19 hat, welches
ein oder mehrere Elemente aus den folgenden Elementen enthalten
kann: Elementenaufheller, Träger,
Nivellierer und/oder ähnliche Überzugadditive.
Der Becher 12 kann einen Zentraldiffusor 13 enthalten.
Der Diffusor 13 wird im Allgemeinen verwendet, um irgendeine
elektrische Isolation zwischen einer Anode 14 und einem
Wafer 20 oder einer Kathodenbaugruppe der Kammer 10 vorzusehen.
Die Kathode in 1 umfasst insgesamt eines oder
mehrere Elemente aus: dem Wafer 20, den Klemmen 18 und/oder
dem Drehtisch 16. Zusätzlich
kann der Diffusor 13 verwendet werden, um Fluidturbulenzen
gegen den Wafer 20 zu verringern und um die Verunreinigungs-/Konzentrationsgleichmäßigkeit
oder Verteilung in der Lösung 19 zu
verbessern.
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Die
Anode 14 liegt zwischen den Bodenabschnitten des Bechers 12 und
dem Diffusor 13 und wird von einer Stromversorgung, die
in 1 nicht spezifisch dargestellt ist, energiebeaufschlagt.
Zu beachten ist, dass die Steuerung sowohl der Kathode als auch
der Anode in 1 vom gleichen Computer 34 oder
von verschiedenen Computern durchgeführt werden kann. Während die
Anode 14 im Allgemeinen während den Überziehvorgängen durch statisches DC-Vorspannen
gesteuert wird, kann die Anode 14 auch durch gepulsten Gleichstrom
(DC) gesteuert werden oder kann im Zeitverlauf während den Galvanisierzeitspannen
auch zwischen DC und/oder gepulstem Strom (I) oder gepulster Spannung
(V) verändert
werden, um die Galvanisierraten (d.h. den Durchsatz) zu verändern, Kupferfilmkerngröße zu beeinflussen
und/oder andere Eigenschaften des galvanisierten Kupferfilms oder
Prozesses abzuändern.
Zu beachten ist, dass DC-Leistung,
Spannung und Strom hierin abwechselnd verwendet werden können, da
all diese Faktoren irgendwie mit Leistung verbunden sind.
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Deshalb
ist es wichtig zu beachten, dass obwohl hier hauptsächlich die
elektrische Steuerung der Kathode gelehrt wird (siehe 8–13),
solche Techniken generell unter gewissen Umständen auch bei der Anode aus 1 angewendet
werden können.
Das System 10 enthält
des Weiteren einen Kopf 15, der einen Drehtisch 16 und
einen oder mehrere Klemmfinger oder Ringe 18 enthält. Die
gesamte Baugruppe (einschließlich
einem oder mehrerer Elemente aus: Wafer 20, Klemmen 18,
und/oder Tisch 16) wird im System 10 als Kathode
energiebeaufschlagt. Komponenten von Kathodenbaugruppen sind typischerweise,
wo immer möglich,
für solche Vorspannungszwecke
aus Platin oder platiniertem Titan hergestellt. Der Drehtisch 16 ist
im Allgemeinen maschinen-, computer- und/oder motorgesteuert, um während dem Überziehen
eine Waferdrehung zuzulassen, aber solch eine Drehung ist während einiger Überziehvorgänge nicht
immer erforderlich.
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Die
Kathode (d.h. eines oder mehrere Elemente aus: Wafer 20,
Klemmen 18 und/oder Drehtisch 16) wird unter Verwendung
des Steuersystems 34 aus 1 energiebeaufschlagt
und/oder elektrisch überwacht.
Das Steuersystem 34 ist irgendeine Art an Computer-Steuervorrichtung,
aber enthält
im Allgemeinen eine zentrale Recheneinheit (CPU) 26 irgendeiner
Art. Die CPU 26 steuert die Schalt- oder Logikeinheit 32,
welche wiederum steuert wie und wann Strom und/oder Spannung (d.h.
Leistung) von einer oder mehreren Stromversorgungen 28 an
die Kathode geliefert wird. Die Stromversorgungen 28 (welche
eine oder mehrer Versorgungen sein können) können DC-Niveaus (DC = "direct current"/Gleichstrom) an
Leistung oder gepulste DC-Wellenformen über einen breiten Bereich an Strom-
und/oder Spannungsniveaus liefern. Zusätzlich können die Stromversorgungen 28 so
entworfen sein, dass sie AC-Wellenformen (AC = "alternating current"/Wechselstrom) einschließlich (aber
nicht auf diese begrenzt) Sägezahn-Wellenformen,
Sinus-Wellenformen, logarithmische Wellenformen, exponentielle Wellenformen
oder jede andere Art an Leistungs-/Zeit-Steuerung, an die Kathode
aus 1 liefern. Zusätzlich
können
die Versorgungen 28 Rechteck-Wellenformen liefern, die
Ein-Zeiten und Aus-Zeiten
verschiedener Leistungsbeträge und/oder
verschiedener Tastverhältnisse
haben. Des Weiteren kann die Versorgung 28 jedes) dieser
Wellenformen oder Strom-/Spannungs-/Leistungs-Niveaus in entweder einer
negativen oder positiven Polarität
oder einer Kombination daraus liefern. Solch eine Leistung wird über die
Versorgungen 28 an die Klemmen 18 aus 1 geliefert.
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Die
selben Klemmen 18, welche verwendet werden, um Leistung
zuzuführen,
können
auch die selben Klemmen sein, welche gelegentlich an die Endpunkt-Erfassungssensoren
gekoppelt sind, um eine Galvanisierüberwachung durchzuführen. In
einer anderen Form können
bestimmte Endpunkt-Klemmen oder -Sonden 18 verwendet werden, die
zur Steuerung nur mit dem Schaltkreis 30 und nicht mit
den Versorgungen 28 gekop pelt sind, um periodisch oder
kontinuierlich eine elektrische Eigenschaft des Wafers 20 zu überwachen,
so dass eine In-situ-Galvanisiersteuerung bereitgestellt wird, während andere
Klemmen 18, welche an die Versorgungen 28 gekoppelt
sind, um die Galvanisier-Vorspannung des Wafers 20 durchführen.
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Als
ein Beispiel wie die Vorrichtung 30 über die Klemmen 18 oder
einen anderen Kontaktmechanismus fungiert, können beispielsweise die Sensoren 30 oder
die dabei gesteuerten Versorgungen eine feste Spannung an den Wafer 20 anlegen
und einen resultierenden Strom messen. Die daraus resultierenden
I-V-Daten können
verwendet werden, um den Widerstand R des schrittweise abgeschiedenen Cu-Films
zu bestimmen, wobei R-Schätzungen über R =
l/A in Beziehung mit der Dicke des Cu-Films gesetzt werden können. Da
I und V verwendet werden können,
um R zu bestimmen, weil die Leitfähigkeit oder die Umkehrfunktion
des spezifischen Widerstands Cu bekannt ist, und da die effektive
Länge (l) zwischen
irgendwelchen zwei Endpunkt-Messklemmen 18 durch die Kammerkonstruktion
festgelegt ist, ist A die einzige Variable. A ist der Querschnittsbereich
durch den der Strom strömen
wird und ist eine direkte Funktion der Dicke (t) des abgeschiedenen Cu-Films.
Wenn A ansteigt, ist solch ein Anstieg daher durch eine entsprechende
Erhöhung
der Dicke bedingt, wobei R mit A und dann gegenüber mit der Dicke (t) in Zusammenhang
gebracht werden kann, um eine Endpunkterfassung zu verwirklichen.
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In
einer anderen Form können
die Schaltkreise 30 einen festgelegten Strom (I) an die
Wafer 20 anlegen und eine resultierende Spannung (V) messen.
Solche I-V oder V-I-Prozesse
können
mit der Stromversorgung 28 in einige Klem men 18 gemultiplext
werden oder können
gegenüber
bestimmten separaten Endpunktklemmen 18 festgelegt sein.
Durch Messen einiger elektrischer Eigenschaften des Wafers 20 im
Zeitverlauf kann die Einheit 30 exakt bestimmen, wann der
Endpunkt des Galvanisierprozesses zu setzen ist, da die Dicke des
leitenden abgeschiedenen Cu-Films auf dem Wafer mit der Zeit leicht
mit dem gemessenen Wafer-Widerstand oder anderen gemessenen elektrischen
Eigenschaften in Verbindung gebracht werden kann. Zusätzlich kann der
Wafer 20 aus verschiedenen Richtungen quer über die
Oberfläche
des Wafers oder zwischen mehreren verschiedenen Paaren an separat
angeordneten Klemmen 18 überwacht werden, wobei eine
zweidimensionale Widerstandstabelle (und folglich eine 2-D-Tabelle der galvanisierten
Dicke) mittels des Computers quer über den Wafer erlangt werden kann,
um während
dem Cu- oder Cu-Legierungsgalvanisieren
Echtzeit-Gleichmäßigkeitsdaten
zu erzeugen. Solche Gleichmäßigkeitsinformationen
können von
der CPU 26 verwendet werden, um die Leistung 28 in-situ
zur Abscheidung zu optimieren, um die Gleichmäßigkeit zu verbessern, oder
die Gleichmäßigkeitsdaten
können
verwendet werden, um bei einer Maschine anzuzeigen, dass bei Gelegenheit
eine Wartung oder technische Reparatur erforderlich ist.
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Deshalb
tritt während
des Betriebs des Systems 10, die Überzugslösung 19 durch die
Einlassöffnung 24 in
den Becher 12 ein und über
die Auslassöffnung 22 aus.
Die Anode 14 wird oxidiert und die Kathode wird durch Signale,
die vom Steuersystem 34 geliefert werden, mit Kupfer überzogen.
Während dem Überziehen
steuert das Steuersystem 34 die Kathoden- und/oder Anodenleistung
(d.h. durch wahlweises Ändern
der Zufuhr von Strom und/oder Spannung im Zeitablauf), um die Qualität und Eigenschaften
des abgeschiedenen Kupfers auf dem Wafer 20 zu verbessern.
Die Endpunkterfassung und weitere Steuerung des Überziehprozesses kann auch
in einer In-situ-Weise unter Verwendung der Endpunkt-Sensoren und
des Schaltkreises 30 durchgeführt werden.
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Insgesamt
werden die Anode 14, die Klemmfinger 18 und der
Substrat-Wafer 20 (d.h. Kathode) unter Verwendung eines
oder mehrerer Steuersysteme 34 vorgespannt, um das Substrat 20 mit
Kupfer zu überziehen,
wobei das Verfahren zum Vorspannen der Elemente 14, 18 und/oder 20 mittels
des Computersystems 34 eine signifikante Auswirkung auf
eine oder mehrere Eigenschaften aus: Wafer-Durchsatz, Verringerung
oder Eliminierung von Kupferhohlraumbildung, Verringerung von Cu-Abschnürungen,
verbesserte Filmgleichmäßigkeit und/oder
verbesserten Widerstand gegenüber
Elektromigration (EM). Im Allgemeinen wurde herausgefunden, dass
verbesserte Filmeigenschaften, verbesserte Zuverlässigkeit
und/oder erhöhte
Leistungsfähigkeit
das Ergebnis waren, wenn eine oder mehrere der Galvanisierkathoden-Vorspannungstechniken verwendet
wurden, die hier nachfolgend mittels der 8–13 erläutert werden.
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2 veranschaulicht
eine Draufsicht einer Kathodenbaugruppe, die zuvor in 1 in
einer geschnittenen Weise dargestellt wurde. 2 zeigt
den Wafer 20, den Drehtisch/die Kopfplatte 16 und
sechs Klemmen 18. Während 2 sechs
Klemmen darstellt, sollte ersichtlich sein, dass es möglich ist,
einen einzigen großen
Klemmring anstatt der sechs Fingerklemmen aus 2 zu
verwenden. Es ist auch möglich,
jegliche Anzahl an Fingerklemmen (z.B. drei, zehn, vierzehn, einhundert,
usw.) um eine Umfangfläche
des Wafers 20 aus 2 zu verwenden. 2 zeigt,
dass Endpunkt- Elektrodaten
zwischen zwei oder mehr beliebigen der sechs Klemmen aus 2 erlangt
werden können,
um eine zweidimensionale Überzugsgleichmäßigkeitstabelle
abzuleiten, die repräsentativ
für die
Dicke des Kupfers ist, welches an verschiedenen Punkten oder Bahnen
entlang des Wafers 20 über
die Zeit ausgebildet wird. Es ist verständlich, dass je mehr Klemmen
an verschiedenen Positionen verwendet werden, desto höher die
Auflösung
ist, die von der Gleichmäßigkeitszuordnung
erzeugt werden kann. 1–2 veranschaulichen eine
Bauart eines Galvanisiersystems, wobei viele verschiedene Aufbauten
oder Elemente zu dem System aus 1–2 hinzugefügt oder
von diesem entfernt werden können,
während
die 1–2 immer
noch in Verbindung mit der Lehre der 3–13 angemessen
verwendet werden können.
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Im
Allgemeinen kann das System, welches mittels der 1–2 dargestellt
ist, verwendet werden, Kupfer oder ein anderes metallisches Material
mit der Zeit auf den Wafer 20 zu galvanisieren, wie in
den 3–7 dargestellt.
Solch ein Kupfer- oder Metallüberziehen
kann verwirklicht werden, indem die Kathode aus 1 (und/oder
selbst die Anode 14 aus 1) unter
Verwendung einer oder mehrerer der Techniken, die hier bezüglich der 8–13 beschrieben
werden, energiebeaufschlagt wird. Ein spezifisches Verfahren, welches verwendet
werden kann, um verbesserte, Einzel-Inlay- und/oder Doppel-Inlay-Kupfer-Interconnects über einen
Halbleiter-Wafer auszubilden, kann des Weiteren unter folgender
detaillierter Bezugnahme auf die 3–13 verstanden
werden.
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Die 3–7 veranschaulichen
in Schnittschaubildern einen Doppel-Inlay-IC-Aufbau (IC = "integrated circuit"/integrierter Schaltkreis),
der im Zeitablauf durch Kupfer galvanisiermaterial ausgebildet wird.
Solches Galvanisieren wird durch Verwenden des Gerätes, das
in den 1 oder 2 veranschaulicht ist oder in
einem ähnlichen
Gerät verwirklicht. 3 veranschaulicht
einen Halbleiteraufbau 100 (z.B. welcher lediglich ein
Aufbau aus vielen ist, die über
einen größeren Wafer 20 ausgebildet werden).
Der Halbleiteraufbau 100 umfasst eine oder mehrere Basisschichten 102.
Die Basisschichten 102 enthalten typischerweise ein Substrat,
das bevorzugter Weise ein Halbleiter-Wafer ist. Das Substratmaterial,
welches als Boden- oder Basisabschnitt der Schicht 102 aus 3 vorgesehen
ist, ist im Allgemeinen eines oder mehrere Materialien aus: Silizium, Germanium-Silizium,
Galliumarsenid, Germanium, andere III-V-Zusammensetzungen, Siliziumkarbid, SOI-Materialien
(SOI = "silicon
on insulator"/Silizium-auf-Isolator)
oder ähnliche
Substratmaterialien.
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Über dieses
Substratmaterial ist ein Bereich ausgebildet, der typischerweise
eine Mischung aus leitfähigen,
halbleitfähigen
und/oder elektrischen Schichten umfasst, welche photolithographisch
mit einem Muster versehen sind und wahlweise geätzt sind, um Halbleiterbauteile über und/oder
in dem Substratmaterial auszubilden. Beispielsweise kann der Bereich
eine oder mehrere verschiedene Oxid- und/oder Nitridschichten umfassen,
wie beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, TEOS-Glas (TEOS
= tetraethylorthosilicate"/Tetraethylorthosilicat),
Borophosphorsilicat-Glas (BPSG), Spin-on-Glases (SOGs), Material
mit niedrigem k, Xerogel und/oder Ähnliche. Der Bereich kann auch
Halbleiterschichten umfassen, wie beispielsweise Germaniumsilizium, Polysilizium,
amorphes Silizium, dotiertes Polysilizium und ähnliche Materialien. Zusätzlich zu
diesen potentiellen Schichten, kann der Mehrschichten-Bereich ebenso
leitende oder metallische Schichten umfassen, wie beispielsweise
refraktäres
Silizium, refraktäre
Metalle, Aluminium, Kupfer, Wolfram, Legierungen dieser Materialien,
leitende Nitride, leitende Oxide, oder ähnliche Metallstrukturen.
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Zwei
solcher metallischer Interconnect-Strukturen 104 sind in 3 über der
Schicht 102 angeordnet veranschaulicht. In einer Form sind die
Bereiche 104 Inlay-Kupfer-Interconnects,
die für die
Vorrichtung 100 aus 3 eine leitende
Verbindung ausbilden. In anderen Formen kann die Schicht 104 ein
oder mehrere Bereiche aus Aluminium und/oder Wolfram sein. Im Allgemeinen
sind die Interconnects 104 so positioniert, dass sie verschiedene
aktive und/oder passive elektrische Komponenten elektrisch verbinden,
die innerhalb oder unterhalb der Schichten 102 aus 3 ausgebildet
sind.
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Über den
Schichten 102 und 104 ist eine Ätzstoppschicht 106.
Die Ätzstoppschicht
ist im Allgemeinen eine Siliziumnitridschicht, eine Oxinitridschicht
oder eine siliziumreiche Siliziumnitridschicht. Über der Ätzstoppschicht 106 ist
ein ILD-Abschnitt 108 (ILD = "interlevel dielectric"/dazwischen befindlich
und dielektrisch), der im Allgemeinen ausbildet ist aus einem oder
mehreren Materialien aus: TEOS-Glas (TEOS = tetraethylorthosilicate"/Tetraethylorthosilicat),
fluordotiertes TEOS (f-TEOS), Ozon-TEOS, Phosphorsilicat-Glas (PSG),
Borophosphorsilicat-Glas
(BPSG), dielektrische Materialien mit niedrigem k, Nitride, Spin-On-Gläser (SOG),
oder Zusammensetzungen davon. Über
der Schicht 108 ist eine zweite Ätzstoppschicht 110,
die auch als Anti-Reflektions-Beschichtung (ARC) fun gieren kann und
im Allgemeinen aus dem gleichen Material hergestellt ist, wie vorstehend
für Schicht 106 beschrieben.
In einer Form sind die Schichten 106 und 110 eine
Zusammensetzung aus Silizium-Oxinitrid, Siliziumnitrid, siliziumreiches
Siliziumnitrid und/oder ähnliches
dielektrisches Material. Über
der Schicht 110 ist eine andere ILD-Schicht 112, die ähnlich zur
Schicht 108 ist, die vorstehend beschrieben wurde.
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3 veranschaulicht,
dass die Schichten 106 bis 112 lithographisch
mit Mustern versehen sind und durch einen oder mehrere lithographische
Musterausbildungs- und Ätzprozesse
geätzt
werden, um eine Inlay- oder Doppel-Inlay-Struktur auszubilden. 3 veranschaulicht
insbesondere eine Doppel-Inlay-Struktur, in der zumindest zwei Vias
durch die Schicht 108 ausgebildet sind und eine oder mehrere Grabenbereiche
durch die Schicht 112 ausgebildet sind, wobei der Grabenbereich
in der Schicht 112 die Verbindung zwischen den zwei Vias
in der Schicht 108 aus 3 herstellt.
Die Doppel-Inlay-Grabenstruktur aus 3 hat eine
untere Grabenfläche 117, eine
obere dielektrische Fläche 115,
welche eine obere Fläche
der dielektrischen Schicht 112 ist, und eine untere Via-Fläche 119,
welche eine freigelegte obere Fläche
der Metall-Interconnect-Bereiche 104 ist.
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3 veranschaulicht,
dass eine Barriereschicht 114 innerhalb der Doppel-Inlay-Grabenstruktur
und über
der oberen dielektrischen Fläche 115 ausgebildet
ist. Im Allgemeinen ist die Schicht 114 eine Schicht mit
einer Dicke, die kleiner als 1000 Angströms (1 Å = 0,1 nm) ist und im Allgemeinen
aus irgendeinem Material hergestellt ist, welches Kupfer daran hindern
kann, nachteilig in die benachbarten die lektrischen Bereiche 112 und 108 zu
diffundieren. Insbesondere wurden Materialien als Kupferbarriereschichten
einschließlich
Tantalnitrit (TaN), Titannitrid (TiN), Titanwolfram (Ti/W), und
Zusammensetzungen davon und/oder ähnliche Materialien verwendet.
In einigen Fällen
können
die dielektrischen Materialien 108 und 112 so
ausgewählt
und oberflächenverarbeitet
werden, dass überhaupt
keine Barriereschicht erforderlich ist oder dass ein Oberflächenabschnitt
der Schichten 108 und 112 selbst als eine Barriere
fungiert.
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3 veranschaulicht,
dass eine Kupfer-, Metall- oder Kupferlegierungskeimschicht 116 über einer
Oberseite der optionalen Barriereschicht 114 ausgebildet
ist. In einer Form kann die Schicht 116 eine Kupferschicht
sein, die durch Zerstäuben
oder physikalische Dampfabscheidung (PVD) ausgebildet wird. In einer
anderen Form kann die Schicht 116 unter Verwendung von
chemischer Dampfabscheidung (CVD) ausgebildet werden. In einigen
Fällen
kann eine Kombination aus einem PVD-Prozess und einem CVD-Prozess
verwendet werden. In einigen Fällen
ist die Schicht 116 im Allgemeinen eine Schicht, welche
Kupfer aufweist und typischerweise eine Dicke von weniger als 2500
Angströms
hat. Zu beachten ist, dass andere Techniken, wie beispielsweise stromloses Überziehen,
verwendet werden können, um
die Keimschicht 116 aus 3 auszubilden.
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Wie
in 3 veranschaulicht ist es wahrscheinlich, dass
ein gängiger
PVD-Prozess eine Keimschicht 116 ausbildet, welche nicht
vollständig gleichmäßig oder
konform über
alle freigelegten Flächen
und Ecken der Doppel-Inlay-Interconnect-Struktur
ist. Experimentieren hat gezeigt, dass eine PVD-Keimschicht 116 typischerweise
Keim verarmungsbereiche 116a, wie in 3 veranschaulicht,
enthält.
Diese Verarmungsbereiche 116a sind Bereiche der freigelegten
Interconnect-Fläche,
welche wenig oder kein Keimmaterial enthalten. Wenn der Bereich 116a kein
Keimmaterial enthält,
gibt es typischerweise diskontinuierliche Knötchen oder Inseln an Kupfer,
die zumindest teilweise voneinander segmentiert sind. Die Erfahrung
hat gezeigt, dass die Keimverarmungsbereiche 116a am wahrscheinlichsten
an einer Seitenwand auftreten, die zwischen der unteren Grabenfläche 117 und
der unteren Via-Fläche 119 angeordnet
ist, wie in 3 dargestellt.
-
3 veranschaulicht
auch dünnere Keimabschnitte 116b.
Die dünneren
Keimbereiche 116b sind im Allgemeinen Bereiche der Keimschicht, welche
kontinuierliche Filme sind (keine Inseln oder Knötchen wie im Bereich 116a),
aber dünner
als die meisten Abschnitte der Keimschicht über der oberen dielektrischen
Fläche 115.
Die Bereiche 116b treten im Allgemeinen an Seitenwandabschnitten
der Grabenstruktur zwischen der dielektrischen oberen Fläche 115 und
der unteren Via-Fläche 119 und/oder
an Seitenwandabschnitten zwischen der unteren Grabenfläche 117 und
der unteren Via-Fläche 119 auf. Zusätzlich wurde
herausgefunden, dass der Keimschichtabschnitt, der die untere Bodenfläche 119 bedeckt,
typischerweise dünner
als die Dicke der Keimschicht ist, die über der oberen dielektrischen
Fläche 115 ausgebildet
ist. 3 veranschaulicht ebenso, dass dickere Keimabschnitte
und dicke Eckabschnitte 116c in der PVD-Keimschicht 116 ausgebildet
werden können.
-
Im
Allgemeinen kann die Ausbildung der Bereiche 116a, 116b und 116c nachfolgende
Galvanisierverarbeitungen verkomplizieren, wie nachfolgend hier
mittels der 4-7 dargestellt
wird. Es wurde herausgefunden, dass unterschiedliche Verfahren zum
Vorspannen der Kathode eines Galvanisiersystems die verschiedenen
nachteiligen Folgen verhindern können,
die aus dem Vorhandensein dieser Bereiche 116a, 116b und 116c aus 3 resultieren können. Die
spezifischen Strom-, Spannungs- und/oder Leistungs-Wellenformen,
die aufgezeigten, dass sie die Beschichtungsnachteile verringern,
die aus den Bereichen 116a, 116b und 116c resultieren, werden
nachfolgend insbesondere veranschaulicht und bezüglich der 8–13 beschrieben.
-
Nach
dem Ausbilden der Struktur 100, die in 3 veranschaulicht
ist, wird der Wafer 20 (welcher die Struktur 100 aufweist)
in dem System 10 angeordnet, welches in den 1 und 2 dargestellt ist.
Dieser Wafer 20 wird dann der Galvanisierlösung 19 ausgesetzt,
wie in 1 dargestellt. Während dem Aussetzen an die
Lösung
steuert das Steuersystem 34 (über eine oder mehrere Klemmen 18)
den Betrag der Leistung, des Stroms oder der Spannung, die/der zum
Wafer 20 zugeführt
wird, wie in einer oder mehreren aus den 8–13 oder
irgendeiner Kombination dieser dargestellt wird, um die Qualität des galvanisierten
Kupferfilms zu verbessern, der während
der 4–7 stufenweise über dem Wafer 20 ausgebildet
wird.
-
Insbesondere
veranschaulicht 4 die Anfangsphasen eines Kupfergalvanisiervorgangs
der über
die Oberflächen
der Doppel-Inlay-Grabenstruktur hinweg durchgeführt wird, welche in 3 veranschaulicht
ist. In 4 wurde ein Galvanisierprozess mit
hoher Leistungszufuhr verwendet, um eine Cu-Zuwachsschicht (Cu =
Kupfer) 118a auf den Wafer 20 zu galvanisieren.
Der Galvanisierprozess mit hoher Leistungszufuhr erlangt die Ergebnisse,
wenn 4 ein relativ hohes Leistungsniveau an die Kathode
(Wafer 20) des Systems 10 aus den 1–2 für eine Anfangszeitspanne,
während dem
Galvanisieren, liefert. Der Galvanisierprozess mit hoher Leistungszufuhr
hat eine hohe Kupferabscheidungsrate auf eine Fläche der Keimschicht 116, wie
in 3 dargestellt, zur Folge. Zusätzlich zu hohen Abscheidungsraten
erleichtert der Abscheidungsprozess mit hoher Leistungszufuhr das Überziehen
auf den Keimverarmungsbereichen 116a (siehe 3),
an denen keine Keimschicht oder ein wesentlich verringerter Keimschichtgehalt
vorhanden ist. Es wurde experimentell gezeigt, dass ein Galvanisierprozess
mit niedriger Leistungszufuhr diese Keimverarmungsbereiche 116a aus 3 nicht
angemessen überzieht
(d.h. niedrig Überziehen
mit niedriger Leistungszufuhr überzieht
diese Bereiche nicht in einer akzeptablen Rate), wobei Hohlräume in den
Kupfer-Interconnects
ausgebildet werden. Deshalb werden hier anfängliche Galvanisierzeitspannen mit
hoher Leistungszufuhr verwendet, um die Qualität der Kupfer-Interconnects
bei der Anwesenheit der Keimverarmungsbereiche 116a aus 3 zu
verbessern, sowie den Durchsatz über
höhere
Raten an anfänglicher
Cu-Abscheidung zu verbessern. Zu beachten ist, dass die Keimschicht 116 und
die neu galvanisierte Kupferschicht 118a durch eine gestrichelte Linie
getrennt sind, die anzeigt, dass die Verbindungsstelle zwischen
der Keimschicht und der darüber
befindlichen Galvanisierschicht manchmal in einem SEM-Querschnitt
(SEM = "scanning
electron microscope"/Scanelektronenmikroskop)
nicht identifizierbar ist, insbesondere wenn die Keimschicht 116 Kupfer
und die galvanisierte Schicht 118 ebenfalls Kupfer ist.
-
Trotz
der vorstehenden Vorteile von Galvanisierzeitspannen mit hoher Leistungszufuhr
bringen die Überzug-Zeitspannen
mit hoher Leistungszufuhr nicht genügend Fremdstoffe, wie beispielsweise Stickstoff,
Kohlenstoff und Schwefel in den Cu-Film ein, um ein Widerstandniveau
gegenüber
Elektromigration (EM) zu verbessern oder ein angemessenes Widerstandsniveau
gegenüber
Elektromigration (EM) bereitzustellen. Deshalb ist der Bereich 118a aus 4 wahrscheinlich
nicht so widerstandsfähig gegenüber EM wie
gewünscht.
Zusätzlich
wird, wie in 4 veranschaulicht, wenn eine Überzugs-Zeitspanne
zu lange aufrechterhalten wird, führt die Anwesenheit der dickeren
Bereiche 116c aus 3 schließlich in
Abschnürungen
oder in Hohlräumen
innerhalb der Kupfer-Interconnect-Struktur. Mit anderen Worten ausgedrückt, zeigte
das Galvanisieren mit hoher Leistungszufuhr, dass es auf den Oberflächen 116c so
schnell eine Überzug
ausbildet, dass die zwei benachbarten Bereiche 116c in 3 zusammengeführt werden
bevor die Vias gefüllt
werden, wodurch Abschnürungen
auftreten. Abschnürungen
erzeugen Luftspalten oder Hohlräume
in der Interconnect-Struktur nahe der Via-Bereiche. Deshalb wurde
bestimmt, dass Galvanisieren von Kupfer unter Verwendung von Zyklen
mit hoher Leistungszufuhr, während
die Tendenz bestand den Durchsatz zu verbessern und die Anwesenheit
von Keimverarmungsbereichen 116a zu kompensieren, an den
Abschnürungen
und Hohlräumen
sowie verringertem EM-Widerstand litt, wenn solch ein Prozess mit
hoher Leistungszufuhr für
eine zu lange Anfangszeitspanne aufrechterhalten wurde.
-
Da
man die Erfahrung gemacht hat, dass man mit dem Galvanisierprozess
mit höherer
Leistungszufuhr auf Problem stößt, wurde
Galvanisieren mit niedriger Leistungszufuhr untersucht, um zu bestimmen,
ob dies die vorstehenden Probleme lösen kann. Es wurde experimentell
herausgefunden, dass die Galvanisierprozesse mit niedriger Leistungszufuhr,
die am Anfang des Galvanisierprozess verwendet wurden (als Initiierungsschritt
bezeichnet) nicht in der Lage waren, die Keimverarmungsbereiche 116a aus 3 angemessen
zu überziehen,
aber die Fremdstoffeinbringung (z.B. Schwefel, Stickstoff, Kohlenstoff,
usw.) in den Kupferfilm verbessern, wodurch der Widerstand gegenüber Elektromigration (EM)
im endgültigen
Kupferfilm verbessert wird. Deshalb kann der Anfangsprozess mit
niedriger Leistungszufuhr vorteilhaft sein, wenn die Anwesenheit von
Verarmungsbereichen 116a bei der Keimsausbildung vollständig vermieden
werden kann. Solche Bereiche 116a können vollständig vermieden werden, wenn
die Keimschicht 116 keine PVD-Schicht, sondern eher eine
PVD-Keimschicht ist. Deshalb sind Galvanisierinitiierungsvorgänge mit
niedriger Leistungszufuhr in einigen Fällen vorteilhaft, insbesondere
wenn CVD-Keimschichten verwendet werden, bei denen die Verarmungsbereiche 116a aus 3 stark verringert
auftreten.
-
Unter
gewissen Umständen
liefern, im Gegensatz zu den vorstehenden Vorteilen des Galvanisierens
mit niedriger Leistungszufuhr, Zeitspannen mit niedriger Leistungszufuhr
innerhalb der Anfangsstadien des Galvanisierens keinen angemessenen Wafer-Durchsatz
durch das System aus 1. Obwohl darüber hinaus
die Abscheidungsrate des Prozesses mit niedriger Leistungszufuhr
niedriger ist als die eines Prozesses mit hoher Leistungszufuhr,
ist die Abscheidungsgleichmäßigkeit über die
Bereiche 116c nicht über
das hinaus verbessert, was in 4 veranschaulicht
ist. Deshalb können
sowohl die Galvanisierprozessschritte mit niedriger Leistungszufuhr als
auch jene mit hoher Leistungszufuhr, aufgrund der Anwesenheit der
Bereiche 116c in
-
3 gelegentlich
in Abschnürungen
und Hohlräumen
innerhalb des Inlay-Via-Bereichs resultieren. Daher wurde herausgefunden,
dass ein Galvanisierprozess, der Galvanisierprozesse mit niedriger
Leistungszufuhr und mit hoher Leistungszufuhr während der Abscheidung abwechselt,
die Vorteile der hohen Leistungszufuhr, nämlich die des Überwindens
der Verarmungsbereiche 116a und des Verbesserns des Durchsatzes,
als auch die Vorteile der niedrigen Leistungszufuhr, nämlich der
Eigenschaften eines verbesserten Widerstandes gegenüber EM,
aufweist. Jedoch führen
die Interconnects, die durch kombinierte Galvanisierprozesse mit
niedriger/hoher Leistungszufuhr ausgebildet wurden, potentiell immer
noch zu Abschnürungen.
Es wurde somit erkannt, dass eine verbesserte Kupfer-Interconnect-Struktur
durch Kombinieren verschiedener Zyklen hoher Leistung mit verschiedenen
Zyklen niedriger Leistung ausgebildet werden kann, wodurch der Durchsatz,
der Widerstand gegenüber
Keimverarmungsbereichshohlräumen
und der EM-Widerstand (EM = "electromigration"/Elektromigration)
im Zeitablauf ausbalanciert oder optimiert werden kann, während die
Hohlraumbildung immer noch problematisch war. Deshalb wurde erkannt,
dass weitere Modifikationen beim Überziehprozess erforderlich
sind, um die Probleme der Hohlraumbildung, die selbst nach dem Anwenden
eines gemischten Hoch-/Niederleistungs-Überziehzyklus
aus dem Abschnüren
resultieren, zu lösen.
-
4 veranschaulicht,
dass obwohl abwechselnde, positive Hoch- und Niederleistungszyklen
verwendet werden, um das Galvanisieren zu initiieren, immer noch
die Wahrscheinlichkeit besteht, dass Hohlräume über den Bereichen 116c auftreten. Um
solche Hohlraumbildungen zu eliminieren oder zu verringern, wurde
herausgefunden, dass negativ gepulste Leistung (entweder über Wechselstrom (AC),
gepulsten Gleichstrom (DC) oder Gleichstrom (DC)) einmal oder öfters mit
verschiedenen Intervallen zwischen den vorstehend beschriebenen
positiven Hoch- und Niederleistungszyklen an den Wafer 20 aus 1 angelegt
werden sollten. Durch periodisches oder gelegentliches Anlegen irgendeines
negativen Leistungszykluses an den Wafer 20 wurde herausgefunden,
dass abschnürungsgefährdete Bereiche
der Schicht 118a, die in 4 dargestellt
ist, effektiv von der Struktur entfernt werden können. Solch eine negative Leistungszykluskorrektur
der Bereiche 116c ist durch die resultierende Schicht 118b in 5 dargestellt.
Im Allgemeinen wird durch Anlegen einer negativen Leistung an die
Kathode des Systems 10 aus 1 der Galvanisierprozess
umgekehrt und zuvor auf den Wafer abgeschiedenes, galvanisiertes
Material wird vom Wafer entfernt oder zerstäubt. Während dieses Entfernungsschrittes
mit negativer Leistung wird galvanisiertes Material von den dickeren
(höhere
Stromdichte) Bereichen der Schicht 118a (z.B. Bereiche 116c)
vom Wafer 20 mit höherer
Rate entfernt als von den dünneren
Bereichen (Bereiche mit niedrigerer Stromdichte), die mittels Überziehen
auf den Bereichen 116a und/oder 116b ausgebildet
wurden. Das Gesamtergebnis ist eine auf dem Keim 116 ausgebildete
Zuwachsschicht 118b, die konform ist, wie in 5 veranschaulicht. Deshalb
kann ein negativer Leistungszyklus, der in Verbindung mit den positiven
Hoch- und/oder Niederleistungs-Zyklen von 4 verwendet
wird, das Potential zum Erzeugen von Hohlräumen in einer Interconnect-Öffnung stark
minimieren, indem der Vorteil der Umkehrüberzieheigenschaften ergriffen
wird, der die Anwesenheit der dicke ren Bereiche 116c kompensiert.
In anderen Worten ausgedrückt,
hat sich gezeigt, dass die negative Leistung, die während dem
Abscheiden von Kupfer in bestimmten Intervallen angelegt wird, die
Galvanisiergleichmäßigkeitseigenschaften
verändert
und potentiell die Hohlraumbildung in einer Interconnect-Öffnung verringern kann,
wenn dies in angemessener Sequenz durchgeführt wird (siehe 8–13 für verschiedene
geeignete Sequenzen).
-
6 veranschaulicht,
dass positive AC- und/oder DC-Zyklen
mit hoher Leistung abwechselnd mit positiven AC- und/oder DC-Zyklen mit niedriger Leistung
und/oder mit gelegentlichen, korrigierenden negativen AC- und/oder
DC-Zyklen schließlich in
einer optimalen Art und Weise die Interconnect-Struktur aus 3 galvanisieren
und füllen.
Solch eine optimale Füllung
ist somit durch die Kupferschicht 118c aus 6 veranschaulicht.
Durch das spezifische Entwickeln verschiedener Zyklen mit positiver,
hoher Leistung, positiver, niedriger Leistung und negativer Leistung
und verschiedener Polaritäten
während
der Kupferabscheidung, wurde herausgefunden, die Interconnect-Qualität zu optimieren,
wie nachfolgend im Detail in den 8–13 beschrieben
wird. Im Allgemeinen bilden die hier gelehrten Verfahren zur Leistungszufuhr
des Systems 10 durch Überziehen ein
Interconnect mit verbessertem Ertrag und verbesserter Qualität aus dem
Keim 116 aus, welcher einen oder mehrere verschiedene Bereiche 116a, 116b, 116c aufweist.
Deshalb kann durch Steuern und Abwechseln des Potentials, der Leistung
oder des Stromwertes sowie der Polarität (d.h. negativ oder positiv)
an die Kathode des Systems 10 aus 1 im Zeitverlauf
die gesamte durch Überziehen
ausgebildete Schicht 118 aus 7 mit verbessertem
Widerstand gegen über
Elektromigration (EM), verbesserter Gleichmäßigkeit, verringertem oder
eliminiertem Abschnüren,
verbessertem Wafer-Durchsatz und einer Abwesenheit von Hohlräumen ausgebildet
werden.
-
7 veranschaulicht,
dass an irgendeinem Punkt während
dem Galvanisierprozess das Kupfer 118c die Interconnect-Öffnung vollständig füllt. Nach dem
Punkt, wenn kein Hohlraumbildungsrisiko mehr vorhanden ist, kann
ein schneller DC-Galvanisierzyklus mit hoher Leistungszufuhr beginnen,
wodurch der Durchsatz verbessert wird. Deshalb wird das Kupfermaterial 118d,
das in 7 über
existierendem Kupfermaterial 118c abgeschieden wird, mit schneller
Rate unter Verwendung eines positiven DC-Galvanisierprozesses mit
hoher Leistungszufuhr oder anderen Wellenformen hohen Durchsatzes
abgeschieden. Das Ergebnis ist ein Kupferfilm, der die Interconnect-Öffnung vollständig füllt und
der für
eine Großserien-
und Massenproduktionsverwendung in der IC-Industrie (IC = "integrated circuit"/integrierter Schaltkreis) optimiert
und verbessert wurde. Zusätzlich
ist es möglich,
hierbei als einen oder als mehrere Prozesszyklen einen Füllprozess
zu verwenden, der von unten nach oben innerhalb der Vias mit einer
höheren
Rate abscheidet und mit einer niedrigen oder nicht existierenden
Rate auf der oberen dielektrischen Fläche 115 abscheidet.
Solch ein Füllzyklus, der
von unten nach oben abscheidet, wäre auch bei der Herstellung
einer verbesserten Kupferschicht, wie hier gelehrt, hilfreich.
-
Die 3–7 veranschaulichen,
dass ein Kupfer-Interconnect
auf einem Halbleiter-Wafer mit verbessertem EM-Widerstand (EM = "electromigration"/Elektromigration),
angemessenem Wafer-Durchsatz und signifikant verringerter Hohlraumbildung und
Abschnürung
ausgebildet werden kann, indem die Art, das Wert und die Polarität der an
die Kathode und/oder Anode der Kammer 10 aus 1 während dem
Galvanisieren angelegten Leistung gesteuert wird.
-
Die 8–13 veranschaulichen
spezifische Leistungssequenzen, welche über das Steuersystem 34 an
die Kathode aus 1 angelegt werden können, um
eines oder mehrere der verschiedenen verbesserten Ergebnisse zu
erlangen, die vorstehend bezüglich
der 3–7 diskutiert
wurden.
-
Insbesondere
veranschaulicht 8 eine mögliche Sequenz mit der die
Kathode (d.h. der Wafer 20) aus 1 elektrisch
gesteuert werden kann, damit das verbesserte Kupfer-Interconnect
ausgebildet wird, das vorstehend bezüglich der 3–7 beschrieben
wurde. 8 ist ein Graph, in dem die vertikale Y-Achse
den Strom (I) in Ampere und die horizontale X-Achse die Zeit in
Sekunden kennzeichnet. Während 8 Strom
auf einer vertikalen Achse kennzeichnet, ist es wichtig zu erwähnen, dass
irgendeines aus Strom, Stromdichte, Spannung oder Leistung in den 3–13 als
Y-Achse veranschaulicht werden kann. Mit anderen Worten ausgedrückt sind
Strom, Stromdichte, Spannung oder Leistung im Allgemeinen miteinander
austauschbare Größen oder
Begriffe, wenn hier verwendet.
-
8 veranschaulicht
eine Kathodenleistungssequenz, die am besten mit einer CVD-Keimschicht 116 (CVD
= "chemical vapor
deposition"/chemische
Dampfabscheidung) verwendet wird, welche die in 3 dargestellten
Keimverarmungsbereiche 116a nicht aufweist. Es wurde experimentell
gezeigt, dass CVD-abgeschiedene Keimschichten, vergleichen mit Keimschichten
die unter Verwendung von physikalischer Dampfabscheidung (PVD) oder
Zerstäubungsprozessen
ausgebil det werden, weniger wahrscheinlich zu Keimverarmungsbereichen 116a führen. Da
diese Verarmungsbereiche 116a wahrscheinlich nicht vorliegen,
kann ein DC-Initiierungsschritt/-zyklus 201 mit
niedriger positiver Spannung verwendet werden, wie links in 8 veranschaulicht.
Die Niederspannungsinitiierungsphase 210 ist für die CVD-Keime
vorteilhaft, da sie eine größere Menge
an Fremdstoffen in den galvanisierten Kupferfilm einbringt, wodurch
EM-Widerstand (EM = "elektromigration"/Elektromigration)
verbessert wird.
-
Im
Allgemeinen verwendet der Initialisierungsschritt 201 in
einem typischen Galvanisierprozess einen positiven DC-Strom zwischen
ungefähr 0,5
A und 3 A. 8 veranschaulicht, dass der
Strom während
der Zeitspanne von Schritt 201 auf 1 A gesetzt wird. Im
Allgemeinen kann dieser Initialisierungsschritt 201 von
einigen Sekunden bis zu ungefähr
einer Minute andauern.
-
Nach
der Fertigstellung des Initialisierungsschrittes 201, in
dem einiges an Kupfermaterial auf dem Wafer 20 abgeschieden
wird, beginnt ein Schritt 212 mit positiv gepulster Leistung. 8 veranschaulicht,
dass abwechselnde Zeitspannen mit angeschaltetem positiven Strom 202 (Ein-Zeitspanne) und abgeschaltetem
Strom 204 (Aus-Zeitspanne) in der Zeitspanne 212 durch
die Steuerung 34 aus 1 an den
Wafer 20 geliefert werden. Die Zeitspanne kann eine oder
mehrere Ein- oder Aus-Impulse enthalten und dauert im Allgemeinen
von ungefähr einer
Millisekunde (ms) bis zu einer Sekunde. In einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel
ist die Ein-Zeitspanne 202 des positiven Impulses 202 in der
Zeitspanne 212 ungefähr
7,5 ms während
die Aus-Zeitspanne 204 in der Zeitspanne 212 ungefähr 0,5 ms
ist. Es ist er wähnenswert,
dass andere Zeitdauern oder andere Tastverhältnisse für den (die) Ein-Impuls(e) 202 und
den(die) Aus-Impuls(e) 204 in 8 verwendet
werden können. 8 veranschaulicht,
dass das Strom- oder Leistungsniveau, welches während der Ein-Zeitspanne 202 des
Zyklus 212 geliefert wird, ungefähr 6 A ist. Im Allgemeinen
sollte das Leistungsniveau während
der Ein-Zeitspannen 202 der Zeitspanne 212 höher sein
als das Leistungsniveau während
der Zeitspanne 201. Diese höhere Leistung lässt zu,
dass die Additive in der Lösung 19 aus 1 während dem Überziehen
angemessen aktiviert werden. Jedoch sollte das Leistungsniveau während der
Ein-Zeitspanne 202 nicht so groß sein, dass die vorteilhaften
Funktionen, die durch die Additive bereitgestellt werden, unterdrückt werden.
Aus diesem Grund können
die Leistungsniveaus aus 8 in der Zeitspanne 212 entsprechend der
Zusammensetzung der Lösung 19 und
der Bauart des verwendeten Galvanisiersystems variieren.
-
Nach
dem Initialisierungsschritt 201 und dem Schritt 212 mit
positiv gepulster Leistung wird der Wafer 20 ähnlich zu
dem, der in 4 dargestellt ist, aussehen,
wie in 8 gekennzeichnet. Deshalb wird das Kupfer oder
Kupferlegierungsmaterial, welches bisher abgeschieden wurde, im
Allgemeinen mit einer hohen Gesamtabscheidungsrate abgeschieden,
aber wahrscheinlich so abgeschieden, dass der zusammengesetzte Keim
und die darüber
befindliche galvanisierte Schicht nicht konform innerhalb der Interconnect-Öffnung abgeschieden wird. Wie
vorstehend diskutiert, macht die Fortführung dieser unregelmäßigen Abscheidung
unter positiver Leistung das Kupfer-Interconnect viel anfälliger für Probleme der
Hohlraumbildung, die mit Abschnürungen
zusammenhängen.
Zusätzlich
wird der Initialisierungsschritt 201 mit niedrigerer Leistung
Schwierigkeiten haben, die Verarmungsbereiche 116a zu überziehen, wenn
diese vorhanden sind (was bei einer PVC-Keimschicht sehr wahrscheinlich
ist). Wenn die Bereiche 116a nicht existieren, kann die
Zeitspanne 212 alternativ am Anfang verwendet werden, um
die Bereiche 116a zu überziehen,
anstatt den Zyklus 201 zu verwenden. Weil jedoch das Einbringen
von Fremdstoffen unter Verwendung von Prozessen niedrigerer Leistung
im Allgemeinen verbessert wird, wird der Widerstand gegenüber Elektromigration (EM)
unter Verwendung des Initialisierungsschrittes 201, wenn
durchführbar,
verbessert.
-
Um
die Hohlraumbildung im Einklang mit dem Langzeiteinwirken der Zeitspannen 201 und/oder 212 zu
minimieren, wird die positive Impulszeitspanne 212 schließlich beendet
und eine negative Impulszeitspanne 214 begonnen (siehe
Mitte von 8). Die Gesamtzeitdauer der
negativen Impulszeitspanne 214 liegt im Allgemeinen irgendwo
zwischen ungefähr
0,2 ms und 1 Sekunde. In 8 trennt oder entfernt die negative
Impulszeitspanne 214 Kupfer von der Wafer-Oberfläche. Kupfer
wird mit einer höheren
Rate von Bereichen der Kupferschicht auf den Wafer mit hoher Stromdichte
(dickere) entfernt. Diese Entfernung von Kupfer ebnet das Seitenwandprofil
des zusammengesetzten Keims und scheidet den Kupferfilm ab, verringert
das "Abschnürungs"-Risiko, welches in 4 veranschaulicht
ist, und erzeugt ein gleichmäßigeres
Galvanisierkupferfilmprofil; welches vorstehend bezüglich 7 veranschaulicht
und beschrieben wurde.
-
Damit
sich mit der Zeit insgesamt eine positive Dicke an Kupfer auf dem
Wafer 20 ausbildet, sollte die Menge an während der
Zeitspanne 12 abgeschiedenem Kupfer im Allge meinen größer sein
als die Menge an Kupfermaterial, welches während der Zeitspanne 214 entfernt
wird. Deshalb sollte die Zeitspanne 212 entweder von längerer Zeitdauer
als die Zeitspanne 214 sein und/oder die Zeitspanne 212 sollte
einen höheren
durchschnittlichen Absolutwert an Leistung an den Wafer liefern
als der Absolutwert der Leistung, die in der Zeitspanne 214 geliefert
wird. Für
die Zeitspanne 214 ist die gesamte Ein-Zeit 206 der
Zeitspanne 214 ungefähr
0,5 ms während
die Aus-Zeitspanne 208 ungefähr 0,5 ms ist. Jedoch kann
bei der Zeitspanne 214 irgendein Tastverhältnis oder
irgendeine Zeitdauer der Impulse verwendet werden, vorausgesetzt,
dass die Gesamtmenge an abgeschiedenem Kupfer die Menge an Kupfer übersteigt,
welches im Zeitablauf entfernt wird.
-
Zusätzlich veranschaulicht 8,
dass der Wert der negativen Impulse während der Einschaltzeitspanne 206 ungefähr negative
4 A beträgt
und so groß sein
kann, wie es die Stromversorgung zulässt, vorausgesetzt, das abgeschiedene
Kupfer übersteigt die
Menge an während
dieser Zeitspanne entferntem Kupfer. Im Allgemeinen kann jeder Wert
an negativ gepulstem Strom verwendet werden, solange er in der Lage
ist, das Kupfer zu entfernen und das Profil zu erzeugen, welches
allgemein in 5 veranschaulicht ist. Deshalb
können
andere Tastverhältnisse,
andere Schaltfrequenzen, andere synchrone oder asynchrone Ein-/Aus-Impulse,
andere Impulse mit variabler Zeitdauer und variablen Leistungsniveaus,
usw. während
der gepulsten Zeitspannen, die hier in den 8–13 gelehrt
wurden, verwendet werden.
-
Nachdem
die negativ gepulste Zeitspanne 214 abgeschlossen ist,
liegt in dem System aus 1 eine Interconnect-Öffnung vor,
die ähnlich
zu dem in 5 veran schaulichten aussieht.
Nach der zumindest einen positiv gepulsten Zeitspanne 212 und
einer negativ gepulsten Zeitspanne 214 kann das Steuersystem 34 aus 1 damit
fortfahren, beliebig oft und in beliebig vielen synchronen oder
asynchronen Reihenfolgen, zwischen den Zyklen 212 und 214 abzuwechseln.
Deshalb kann jede Kombination, Reihenfolge und/oder Anzahl an positiv
und negativ gepulsten Zyklen 212 und 214 verwendet
werden, um die hierin gelehrte Interconnect-Öffnung zu füllen. Im Allgemeinen werden
genügend
positiv und negativ gepulste Zyklen 212 und 214 durchgeführt, so dass
sicher gestellt wird, dass der Aufbau von 6 in einer
angemessenen, hohlraumfreien Art und Weise bis zu einer Zieldicke
ausgebildet wird, wie vorstehend beschrieben.
-
Nachdem
die Interconnect-Öffnung
aus 6 angemessen gefüllt ist, indem irgendeine Kombination
der Zeitspannen 201, 212 und 214 aus 8 verwendet
wird, kann es unter Erwägungen hinsichtlich
Durchsatz wünschenswert
sein, dem Wafer 20 mit einem hohen DC-Potential Leistung
zuzuführen,
wie durch die Zeitspanne 210 auf der rechten Seite von 8 veranschaulicht.
Durch Verwenden eines DC-Potentials mit hoher Leistung während der Zeitspanne 210 können die
obersten Abschnitte der Kupferschicht (z.B. Bereich 118b aus 7)
mit einer hohen Rate, ohne die Risiken der Hohlraumbildung, abgeschieden
werden, wodurch der Durchsatz verbessert wird.
-
Nachdem
die Zeitspanne 210 aus 8 abgeschlossen
ist, kann der Wafer 20 aus dem System von 1 entfernt
und zu einem CMP-Vorgang (CMP = "chemical
mechanical polishing"/chemisch-mechanisches
Polieren) befördert
werden, um das Ausbilden der Doppel-Inlay-Interconnect-Struktur
mit verringerter oder eliminierter Hohlraumbildung, verbesser ter
Zuverlässigkeit
und/oder verbesserter Leistungsfähigkeit
fertig zu stellen. Der Prozess aus 8, sowie
andere hier gelehrte Prozesse können
gegenwärtig
sequentiell bei mehreren verschiedenen und gestapelten Metallurgieschichten über einem
Substrat eines integrierten Schaltkreises (IC) ausgeführt werden
(z.B. sind sieben oder mehr Schichten an Kupfer-Interconnects über einem
IC unter Verwendung der gegenwärtigen
Technologie möglich).
-
Im
Prozess aus 8 wurde entdeckt, dass die Initiierungszeitspanne 201,
welche eine lang andauernde DC-Zeitspanne
mit niedriger Leistung ist, nicht immer angemessen war, um die Keimverarmungsbereiche 116a zu überziehen,
welche wahrscheinlich vorhanden sind, wenn PVD-Prozesse zum Ausbilden
der Keimschicht 116 verwendet werden. Wenn die Bereiche 116a der
Keimschicht 116 nicht geeignet galvanisiert werden, können sich
ungewollte Seitenwandhohlräume
in den Via-Abschnitten der Interconnect-Struktur aus den 3–7 ausbilden.
Da die Bereiche 116a bei PVD-abgeschiedenen Keimschichten
wahrscheinlich auftreten, ist die Leistungssequenz von 9 für gewöhnlich besser
geeignet als die von 8, wenn in Verbindung mit PVD-Keimschichten 116 verwendet.
Jedoch kann entweder der Prozess aus 8 oder der
aus 9 mit jeder Keimschicht 116, die auf
irgendeine Art und Weise ausgebildet ist, verwendet werden.
-
9 veranschaulicht
die Verwendung eines Initialisierungsschrittes 252 welcher
positiv gepulste Zyklen mit hoher Leistung verwendet, bevor sich
erhöhende
Gleichstromzyklen 254 und 256 verwendet werden,
um die Kupferschicht abzuscheiden. Es wurde herausgefunden, dass
eine Initiierungszeitspanne 252 von positiv gepulsten Zyklen
mit hoher Leistung effektiv verwendet werden kann, um über den
Keim verarmungsbereichen 116a aus 3 zu galvanisieren.
Diese Zeitspanne 252 dient als Keimbildungsschritt für ein Kupferanwachsen
auf den verarmten Keimbereichen 116a und 116b,
wie in 3 dargestellt. Nach einer Zeitspanne von einigen
Millisekunden bis einigen Sekunden, können optional negativ gepulste
Zeitspannen 214, wie vorstehend in 8 veranschaulicht,
in einer unterbrochenen Art und Weise verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit
von Hohlraumbildung in der positiv gepulsten Zeitspanne 252 zu
verringern. Nachdem der positiv gepulste Vorgang mittels Schritt 252 auftrat
(einschließlich
irgendeines optionalen dazwischen gemischten negativen Impulses),
wird für
eine Zeitspanne 254 ein positiver Gleichstrom niedriger
Leistung an den Wafer 20 angelegt, der als Filmanwachsschritt
dient und ähnlich
zum Initialisierungsschritt 201 aus 8 wirkt.
-
Es
wurde herausgefunden, dass die Niederleistungs-Galvanisierzeitspannen,
wie beispielsweise die Zeitspanne 254 aus 9 erhöhte Mengen
an Fremdstoffen (z.B. Schwefel, Kohlenstoff und Stickstoff) in den
Kupferfilm einbringt, wodurch der Widerstand gegenüber Elektromigration
(EM) verbessert wird. Obwohl positive DC-Prozesse mit niedriger Leistung
als nicht angemessen zum Überziehen
der Keimverarmungsbereiche 116a und in einigen Fällen als
Hohlraum bildend dargestellt wurden, ist die Verwendung einer oder
mehrerer Zeitspannen positiver DC-Verarbeitungszeitspannen 254 mit
niedriger Leistung zum Überziehen
der Struktur aus 5 (welche durch eine oder mehrere
positive Steuersequenzen mit gepulster Leistung ausgebildet wird)
vorteilhaft, da sie im Allgemeinen den Elektromigrationswiderstand
verbessern. Hohlräume
und Verarmungsbereiche werden während
der Zeitspanne 254 nicht nachteilig auftreten, da solch
ein Risiko an Hohlräumen und
Kupferverarmungsbereichen zuvor mittels der gepulsten, zeitlich
festgelegten Sequenzen 252 bewältigt wurde.
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Während jedoch
das Galvanisieren während der
Zeitspanne 254 den EM-Widerstand (EM = "electromigration"/Elektromigration) verbessern kann, überzieht
das Galvanisieren während
der Zeitspanne 254 mit einer sehr geringen Rate die Oberfläche des Wafers 20 mit
Kupfer. Damit der Durchsatz verbessert wird, schreitet der Prozess
aus 9 deshalb schließlich zu einem positiven DC-Verarbeitungsschritt
mit hoher Leistungszufuhr fort, der durch die Zeitspanne 256 in 9 gekennzeichnet
ist, wodurch der Wafer-Durchsatz kompensiert werden kann während immer
noch vom Vorteil der Elektromigration profitiert wird, der aus der
Zeitspanne 254 resultiert. Zusätzlich können diese Fremdstoffe nach dem
Abscheiden im Kupferfilm ionenimplantiert und thermisch ausgeglüht ("annealed") werden, wenn nach
dem Galvanisieren eine größere Fremdstoffkonzentration
erforderlich ist. Deshalb resultiert der in 9 veranschaulichte
Prozess, bei dem das Steuersystem 35 aus 1 die
Kathode und/oder Anode aus 1 steuert,
in einer verbesserten Doppel-Inlay-Kupfer-Interconnect-Struktur
auf einem Halbleiter-Wafer, ähnlich zu
dem, der in 7 veranschaulicht ist. Noch
einmal, es ist erwähnenswert, dass
die spezifischen Ströme,
Spannungen, Zeitspannen und die Breiten und die Gleichmäßigkeit
der Ein-/Aus-Tastverhältnisimpulse
usw., die in 9 veranschaulicht sind, eingestellt
werden können,
um veränderte Überzugsbadzusammensetzungen
und Ausstattungen abzudecken und/oder um veränderte Prozessergebnisse zu
erzeugen.
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10 veranschaulicht
eine gepulste Zeitsequenz 268, die verwendet werden kann,
um irgendeine der gepulsten Zeitsequenzen 252, 212, 214,
usw., welche vorstehend bezüglich
der 8–9 veranschaulicht
wurden, zu ersetzen. Zusätzlich
kann hierbei die Zeitsequenz 268 in Verbindung mit irgendeiner
anderen Art an DC- und/oder AC-Zeitsequenz mit positiver und/oder
negativer Leistung zum Galvanisieren verwendet werden. 10 veranschaulicht,
dass die Sequenz 268 Ein-Impulse variierender Zeitdauer
und/oder variierendem Stromwerts aufweist. Wie vorstehend beschrieben
unterscheiden sich Impulse mit hoher Leistungszufuhr und Impulse
mit niedriger Leistungszufuhr in ihrem Vermögen Material angemessen zu überziehen
oder Keimbildung und nachfolgendes laterales Filmanwachsen über den
Bereichen 116a, 116b und 116c in 3 zu
bewirken, und sie haben unterschiedliche Effekte auf Durchsatz,
EM-Widerstand (EM = "electromigration"/Elektromigration), Verringerung
der Hohlraumbildung, Kornstruktur und dergleichen. Deshalb wurde
entdeckt, dass die Kombination aus kürzeren Ein-Impulsen 262 mit
hoher Leistungszufuhr und längeren
Ein-Impulsen 266 mit niedriger Leistungszufuhr, die durch
Aus-Zeitspannen 264 voneinander getrennt sind, in einigen
Anwendungen vorteilhaft ist. Die Leistungssequenz, die in 10 veranschaulicht
ist, kann mit negativen Impulssequenzen, DC-Sequenzen, AC-Sequenzen, gepulsten
DC-Sequenzen oder irgendwelchen anderen möglichen Sequenzen kombiniert
werden, um eine Doppel-Inlay-Interconnect-Öffnung in
einer verbesserten Art und Weise mit Kupfer zu überziehen. Noch einmal, wie
anhand der anderen Figuren hierin gelehrt, variieren die spezifischen
Tastverhältnisse, Spannungsbereiche,
zeitlich festgelegte Zeitdauern und dergleichen von Maschine zu
Maschine oder von Prozess zu Prozess.
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11 veranschaulicht
noch eine andere Leistungssequenz, die mit dem System aus 1 verwendet
werden kann. 11 veranschaulicht, dass eine
positiv gepulste Zeitspanne 302 mit hoher Leistungszufuhr
verwendet werden kann, um anfänglich
effektiv die Keimverarmungsbereiche 116a mit einer hohen
Abscheidungsrate zu überziehen.
Nach einer oder mehreren Zeitspannen 302 werden optional positiv
gepulste Zeitspannen 306 mit niedrigerer Leistung zwischen
negativ gepulsten Zeitspannen, ähnlich
zur in 11 veranschaulichten Zeitspanne 304,
verwendet, um das Überziehen
mit einer niedrigeren Rate fortzusetzen, während eine erhöhte Menge
an Fremdstoffen (wie beispielsweise Kohlenstoff, Stickstoff und/oder
Schwefel) in das Kupfermaterial eingebracht werden, um den EM-Widerstand
(EM = "electromigration"/Elektromigration)
zu verbessern.
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Wie
in 11 gekennzeichnet, können die positiv gepulsten
Zeitspannen 302 mit hoher Leistung und die positiv gepulsten
Zeitspannen 306 mit niedriger Leistung durch äquivalente
oder verschiedene gepulste Sequenzen 304 oder 308 mit
niedriger Leistungszufuhr getrennt sein, wie in 11 veranschaulicht.
Im Allgemeinen ist die negative Leistungssequenz 308, welche
der positiven Leistungssequenz 306 folgt von kürzerer Dauer
und/oder geringerer, insgesamt integrierter Leistung als solche Zeitspannen 304,
welche den positiven Zeitspannen 302 mit höherer Leistungszufuhr
folgen. Dies liegt daran, dass die Zeitspannen 306 weniger
Material auf der Oberfläche
des Wafers 20 abscheiden, als die Zeitspannen 302,
wobei selbstverständlich
in den nachfolgenden negativ bestromten Zeitspannen weniger Material entfernt
werden muss, um eine verringerte Hohlraumbildung und/oder verbesserte
Gleichmäßigkeit
zu erlangen. Außerdem
können
die Zeitspannen 302 einen oder mehrere Vorwärtsimpuls(e) aufweisen,
die mit negativen Impulse(n) durchmischt sind, und die Zeitspannen 304 können ebenso
eine oder mehrere Umkehr-Zeitspannen umfassen. Zusätzlich veranschaulicht 11,
wie in 8 dargestellt, dass ein DC-Vorgang mit hoher Leistung nahe dem
Ende des Galvanisiervorgangs beginnen kann, um den Wafer-Durchsatz
des Systems 10 zu verbessern. Deshalb wird die DC-Zeitspanne 310 mit
hoher Leistungszufuhr aus 11, am
Ende des Galvanisiervorgangs verwendet (siehe 8).
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12 veranschaulicht
eine andere Leistungszeitspanne 352, welche für jede der
Zeitspannen verwendet werden kann, die vorstehend in den 8–11 veranschaulicht
wurden. Die Aus-Zeitspannen 356 aus 12 und
tatsächlich
alle Aus-Zeitspannen, die in den 8–11 veranschaulicht
sind, werden bereitgestellt, um der Lösung 19 aus 1 zu
erlauben, sich zu regenerieren, nachdem die Galvanisiervorgänge stattfanden.
Mit anderen Worten ausgedrückt,
werden die Ein-Impulse verschiedener Zeitspannen dazu führen, dass
das Kupfer, welches sich in der näheren Umgebung (der Grenzschicht)
zum Wafer 20 in der Lösung 19 befindet,
auf den Wafer abgeschieden wird. Dies erzeugt in der Lösung 19 Bereiche
in der Nähe
der überzogenen
Oberfläche,
welche frei von Überzugsmaterial und
Additiven sind. Damit dieser Verminderungsbereich (d.h. Konzentrationsgradient
im Bad 19) nahe der Überzugsfläche mit
Kupfer, Additiven und anderen Fremdstoffen aufgefrischt werden kann,
wird der Aus-Zyklus
dazu verwendet, eine Diffusion der Materialien in der Lösung von
Bereichen mit hoher Konzentration ("bulk") zu
Bereichen mit geringer Konzentration (Wafer-Oberfläche oder
Grenzschichten) zuzulassen. Dies ist besonders wichtig, wenn in Öffnungen
mit hohem Streckungsgrad ein Überzug
ausgebildet wird, wie nachfolgend erklärt wird.
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12 veranschaulicht,
dass das Tastverhältnis
der Leistungssequenz 352 derart sein kann, dass die Ein-Zeitspanne 354 gleich
oder kürzer
als der Aus-Zyklus 356 ist. Diese Art an Tastverhältnis kann
in extrem kleinen Vias (z.B. kleiner als 0,2 Mikrometer) oder in
Vias mit extrem großem
Streckungsverhältnis
(wie beispielsweise ein Graben-Kondensator
mit einer Grabentiefe von 8 Mikrometern und einer Grabenbreite von
0,5 Mikrometern) erforderlich sein. Aufgrund der Größe und/oder
dem Streckungsverhältnis
der Öffnung
kann es mehr Zeit in Anspruch nehmen, bis die Fremdstoffe, Additive oder
Kupfer durch die Lösung
zu den Bereichen diffundieren, wo diese Materialien in Folge des Überziehprozesses
dezimiert wurden. In diesen Fällen wird
eine längere
relative Aus-Zeit 356 vorgesehen, um bei Öffnungen
mit extrem kleiner Geometrie oder großem Streckungsverhältnis zuzulassen,
dass sich diese Spezies von der Verminderung regenerieren, ohne
die Qualität
des Kupferfilms signifikant zu beeinflussen. Es ist vorweggenommen,
dass der Prozess aus 12 in einer oder mehreren Anwendungen
verwendet werden kann, wo hoch entwickelte Lithographie, wie beispielsweise
Röntgenlithographie, Phasenverschiebung,
SCALPAL oder E-Strahl-Lithographie in Verbindung mit dem Ausbilden
von Kupfer-Interconnects oder Kupferelektroden verwendet werden.
Es wird davon ausgegangen, dass dieser periodische Zyklus mit "langer Aus-Zeit" insbesondere für Vias mit
0,1 Mikrometern oder für
Vias unter 0,1 Mikrometern und/oder irgendeiner Streckungsverhältnis-Öffnung mit
einem Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis
von 6:1 oder größer, erforderlich
ist.
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13 veranschaulicht
den Betrieb von zwei möglichen
Galvanisiersystemen (System A und System B). Entweder System A oder
B (oder ein anderes System das entsprechend dem in 13 dargelegten
Konzept ausgebildet ist) kann verwendet werden, um Kupfer auf dem
Wafer mit In-situ-Endpunkterfassung
oder In-situ-Prozessteuerung zu galvanisieren. Diese Endpunkt-Methodik
und das System können
in Verbindung mit irgendwelchen Wellenformen, die in den 8–12 dargestellt
sind, verwendet werden, und sie können unter Verwendung des Systems 10 aus 1 durchgeführt werden.
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Insbesondere
ein oberer Abschnitt von 13 veranschaulicht
ein System A. System A ist ähnlich
zu System 10, welches in 1 dargestellt ist,
wobei die Leistung zum Wafer 20 mittels der selben Klemmen 18 zugeführt wird,
welche für
die Endpunkterfassung, Datenakquisition und In-situ-Steuerung verwendet werden. Mit
anderen Worten ausgedrückt,
können
einer oder mehrere Zyklen 201, 212, 214, 210, 252, 254, 256, 268,
usw. aus den 8–12 oder
einige Abschnitte dieser Sequenzen, an einen Wafer 20 angelegt
werden und dann in einer unterbrochenen Art und Weise unterbrochen werden,
wobei dann Endpunkterfassungsvorgänge an den selben Klemmen 18 begonnen
werden. Deshalb wird System A als ein zeitunterteiltes Endpunkterfassungssystem
bezeichnet, bei dem bestimmte Klemmen 18 sowohl für die Leistung
während
dem Galvanisieren als auch für
die In-situ-Endpunkt-/Prozesserfassung
verwendet werden.
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Als
ein Beispiel für
den Betrieb solch eines zeitunterteilten Systems, ist System A in 13 veranschau licht,
während
es eine positiv gepulste Leistungssequenz 502 durchführt, der
sofort eine negativ gepulste Leistungssequenz 504 folgt.
Diese Leistungssequenzen werden über
eine oder mehrere Klemmen 18 durchgeführt, wie in 1 und 2 veranschaulicht.
Nach dem Durchführen
eines oder mehrerer Zyklen 502 und 504 werden
die Stromversorgungen 28 mittels der Schalter 32 von
den Klemmen 18 aus 1 getrennt.
An diesem Punkt werden die Endpunkt-Sensoren 30 durch die
Schalter 32 mit den Klemmen 18 verbunden. Diese
Verbindung, welche unter Steuerung der CPU 26 mittels der
Schalter 32 ermöglicht
wird, erlaubt, dass in 13 ein Endpunkterfassungsvorgang 506 stattfindet.
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In
Zeitspanne 506 wird eine Spannung und/oder ein Strom geliefert
und/oder über
eine oder mehrere Klemmen hinweg erfasst, um zu bestimmen, ob der
Widerstand des Kupferüberzugs
auf den Wafer 20 anzeigt, dass eine angemessene Dicke an Kupfer
auf den Wafer 20 ausgebildet worden ist. Zusätzlich können in
der Zeitspanne 206 mehrdirektionales und zweidimensionales
Prüfen über viele Prüf-/Kontaktpunkte
quer über
die Oberfläche
des Wafers 20 stattfinden. Deshalb kann die Zeitspanne 506 die
Gleichmäßigkeit
oder Dicke von Material zwischen verschiedenen Endpunkten auf den
Wafer bestimmen, und so können
Daten für
die Datenbankerzeugung gespeichert werden oder zweidimensional aufgezeichnet
werden um Gleichmäßigkeitsaspekte auf
einer Wafer-zu-Wafer-Basis
nachzuvollziehen. Außerdem
können
diese Gleichmäßigkeitsdaten durch
die CPU 26 verarbeitet werden, um nachfolgend die Leistung
zu verändern,
die durch die Stromversorgung 28 auf einer Klemme-zu-Klemme-Basis an
den Wafer geliefert wird, wobei die Gleichmäßigkeit in einer In-situ-Weise beim Galvanisiervorgang verbessert
werden kann.
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Zusätzlich muss
die Endpunkterfassung der Zeitspanne 506 nicht darauf gerichtet
sein, zu erfassen, wann die Galvanisiervorgänge zu beenden sind, sondern
kann verwendet werden, um zu erfassen, wann der Galvanisiervorgang
einen Ablauf beenden soll und einen anderen Ablauf beginnen soll.
Beispielsweise kann die Endpunkterfassung der Zeitspanne 506 verwendet
werden, um zu bestimmen, wann die iterativen Zyklusdurchläufe der
zwei Zeitspannen 502 und 504, zu Zyklusabläufen von
anderen Zeitspannen 508 und 510 verändert werden
soll, welche unterschiedliche Tastverhältnisse oder Spannungs-/Stromniveaus
aufweisen. Zusätzlich
kann die Endpunkterfassung 512 verwendet werden, um zu bestimmen,
wann vom gepulsten Betrieb zum DC-Betrieb 516 umgeschaltet
werden soll, wie in 13 veranschaulicht. Mit anderen
Worten ausgedrückt,
kann die Zeitspanne 512 aus 13 verwendet
werden, um zu erfassen, wann der Wafer 20 an dem in 6 dargestellten
Punkt angekommen ist, und um den Prozess zur Zeitspanne 516 aus 13 zu
verändern,
so dass schnell Material abgeschieden wird, um bei der in 7 dargestellten
Struktur anzugelangen. Des Weiteren kann die Endpunkterfassung verwendet
werden, um zu bestimmen, wann neue Additive zur Lösung 19 hinzuzufügen sind
oder wann andere Bedingungen des System 10 oder der Lösung 19 verändert werden
sollten. Beispielsweise kann der Durchfluss mehrerer Aufheller,
Hemmstoffe oder Additive erhöht
werden, der Durchfluss verringert werden oder deren Bereitstellung
im Bad 19 kann insgesamt eliminiert werden, und zwar basierend
auf den Daten, die in den Fenstern 506 und 512 erlangt
wurden. Natürlich
können
die Endpunkterfassungsfenster, wie beispielsweise 506 und 512,
in ihrer nützlichsten
Weise am Ende jedes Galvanisierprozesses verwendet werden, um zu bestimmen, wann
die Galvanisiervorgänge
beendet werden sollten (z.B. am Ende der Zeitspanne 516).
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13 veranschaulicht
ebenso ein System B ähnlich
zu dem, welches auch in 1 veranschaulicht ist, aber
dennoch unterschiedlich zu dem vorstehend beschriebenen System A.
Im System B aus 13 ist beabsichtigt, dass einige
Klemmen 18 permanent mit einer Art geschalteter Steuerung
der Stromversorgung 28 gekoppelt sind, während beabsichtigt
ist, dass andere Klemmen 18 permanent mit einer Steuerung
der Endpunktsteuerung 30 gekoppelt sind. Wenn das System
B verwendet wird (welches als kontinuierliches Überwachungssystem bezeichnet
wird), können
gepulste Vorgänge 522–534 begonnen
werden und DC-Vorgänge,
wie beispielsweise der Vorgang 536 aus 13,
können
in einer ununterbrochenen Art und Weise über die mit der Stromversorgung 28 verbundenen
Klemmen 18 fortgesetzt werden. Zeitparallel zur Leistungszufuhr
zum Wafer 20 über
die Klemmen 18 mittels der Wellenformen 522, 524, 526, 528, 530, 532, 534 und 536,
können
in 1 andere Klemmen 18 verwendet werden, um
die Gleichmäßigkeit,
die Abscheidungsraten, die Fremdstoffniveaus und/oder die Endpunktparameter über die
in 13 veranschaulichte Zeitspanne 520 zu überwachen.
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Deshalb
kann die Endpunkterfassung für
das System 10 aus 13 kontinuierlich
sein, wie über die
Zeitspanne 520 aus 13 veranschaulicht,
oder sie kann auf einer zeitunterteilten oder unterbrochenen Basis
durchgeführt
werden, wie jene, die über die
Endpunkt-Zeitspannen 506 und 512 aus 13 veranschaulicht
ist, oder sie kann beides sein. Es ist erwähnenswert, dass die Endpunkterfassungsvorgänge irgendwo
in irgendeiner der vorstehend in den 8-12 veranschaulichten
Wellenformen oder zwischen irgendeiner der in den 8–12 veranschaulichten
Wellenformen angeordnet werden können.
Die Endpunkterfassung kann auch automatisch mittels Niedrigstrom-
und Niedrigspannungserfassung während "Aus"-Zyklen verschiedener
gepulster Zyklen durchgeführt
werden. Zusätzlich
kann, obwohl in 13 oder 1 nicht
spezifisch dargestellt, die Endpunkterfassung wie hier beschrieben,
in einem Zweikammernsystem unter Robotersteuerung durchgeführt werden.
Galvanisieren kann in einem ersten System ähnlich zu System 10 erfolgen.
Jedoch wird das System 10 eine andere Kammer in der nähren Umgebung
der Galvanisierkammer aufweisen, wobei ein Roboter den Wafer zwischen
der Galvanisierkammer und der Endpunkterfassung (eine Vier-Punkt-Prüfkammer
oder Ähnliches)
hin und her bewegt, bis in der zweiten Kammer ein Endpunktzustand
erfasst wird.