DE60027014T2

DE60027014T2 - Kupferabscheidungsverfahren

Info

Publication number: DE60027014T2
Application number: DE60027014T
Authority: DE
Inventors: W. Gary Half Moon Bay FERRELL
Original assignee: SEZ AG
Current assignee: Lam Research AG
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: ATE322081T1; DE60027014D1; US20010019888A1; JP4416978B2; EP1214739A4; US6180524B1; AU6532100A; KR20020038723A; CN1168125C; EP1214739A2; CN1382306A; WO2001011098A3; KR100641891B1; CA2381503A1; US7078340B2; JP2003511552A; EP1214739B1; WO2001011098A2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Erzeugung und Ablagerung eines Kupfermetalls auf einer ausgewählten Oberfläche, etwa einem Halbleitersubstrat.
Hintergrund der Erfindung
Das Ersetzen von Aluminiumoberflächen und Kontakten in einem Halbleiterschaltkreis durch Kupferoberflächen und Kontakte ist aus mehreren Gründen attraktiv. Kupfer besitzt einen nahezu gleich hohen relativen elektrischen Leitfähigkeitskoeffizienten wie Silber (100 vs. 106) und einen wesentlich höheren als Gold (65), Aluminium (59) oder jedes andere Metall. Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient für Kupfer ist ebenfalls wesentlich höher als der entsprechende Wert für Aluminium. Kupfer hat eine höhere Schmelztemperatur als Aluminium (660°C vs. 1083°C). Kupfer bildet eine oxidierte Oberfläche, wenn es an Sauerstoff exponiert wird, nicht aber die unerwünschten Oberflächenkontaminanten, die Aluminium unter ähnlichen Bedingungen ausbildet. Die Verwendung eines Metalls mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit erlaubt die Verwendung geringerer Steuerspannungen, beispielsweise 1,8 Volt und möglicherweise noch geringer, die wiederum nicht so viel Hitze erzeugen, um vom Chip oder einer anderen Halbleitervorrichtung abgestrahlt zu werden. Die Verwendung eines Metalls mit höherer elektrischer Leitfähigkeit und höherer Wärmeleitfähigkeit ermöglicht auch die Auswahl einer größeren Bandbreite von Leadframe-Materialien zur Verwendung mit diesen Vorrichtungen.
Allerdings ist die Generierung und kontrollierbare Ablagerung eines Kupfermetalls in bestimmter Stärke auf einer Halbleiteroberfläche oder einem elektrischen Kontakt problematisch, teilweise deswegen, weil solche Kupferverfahren nicht so gründlich entwickelt worden sind wie die entsprechenden Aluminiumverfahren. Cu hat ein bescheidenes Elektroden- oder Reduktionspotenzial bei T = 25°C (E⁰ = 0,32–0,34 Volt) im Vergleich zu Ag, Au und Pt, bei denen E⁰ in der Größenordnung von 1 Volt liegt, und Al, bei dem E⁰ ca. –1,7 Volt ist. Cu hat mehrere Oxidationszustände, ebenso wie Al.
Was Not tut, ist eine Methode zur Generierung und kontrollierten, in einer bestimmten Dicke erfolgenden Ablagerung von Kupfermetall auf einer exponierten Oberfläche, etwa einem Halbleitermaterial, eines Werkstücks unter Anwendung von Drücken, die vom normalen atmosphärischen Druck bis zu mehreren Hundert psig reichen können, und unter Temperaturen, die von etwa –78°C bis etwa 100°C reichen können. Vorzugsweise sollte die Methode die Kontrolle der Ablagerungsrate von Kupfer und der Gesamtdicke des aufgetragenen Kupfers durch die Steuerung von Parametern wie Umgebungstemperatur, Ablagerungsintervall und der verwendeten Galvanisierungsspannung ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Bedürfnisse werden durch die Erfindung erfüllt, die eine Methode zur Generierung und kontrollierten Ablagerung einer bestimmten Dicke von Kupfermaterial auf einer exponierten Oberfläche schafft und dazu ein Fluid benützt, das eine Mischung von Flüssigammoniak (NH₃) und einem Kupferhalid (CuCl_a, CuBr_b, Cul_c, wobei a, b, c ≈ 1–2) oder einem Kupferamin (NCuR₁R₂) enthält, die unter einem Druck gehalten wird, der ausreicht, um den Ammoniak in flüssiger Form zu halten.
Beispielsweise ist bei Temperaturen von T = –33°C und T = 20°C der Mindestdruck zur Erhaltung von Ammoniak in flüssiger Form 0 bzw. 115 psig. Zunächst wird Kupfer in Saatstärke auf einem oder mehreren exponierten Wafern oder Werkstückoberflächen aufgetragen. Die chemische und/oder galvanische Ablagerung von Kupfer aus einer Kupfersalz-/Flüssigammoniaklösung wird dann ausgeführt, um die gewünschte Kupfer-Gesamtstärke auf die kupferbesäte(n) Werkstückoberfläche(n) aufzubringen. Das Ammoniakfluid (flüssige und/oder gasförmig) wird eingebracht und auf Wunsch zur Wiederverwertung rezykliert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1, 2 und 3 sind Fließdiagramme zur Illustration der Praxis der Erfindung.
4 ist eine grafische Darstellung des annähernden Drucks, der zur Erhaltung des Ammoniaks in flüssiger Form erforderlich ist, als Funktion der Umgebungstemperatur.
5 ist eine schematische Ansicht der zur praktischen Ausführung der Erfindung geeigneten Vorrichtung.
Beschreibung des besten Ausführungsmodus der Erfindung
In einem ersten Verfahren gemäß Darstellung in einem Fließdiagramm in 1 beginnt das Verfahren in Schritt 11 durch die Positionierung eines Werkstücks, etwa eines Wafers, auf dem eine Kupferoberfläche abgelagert werden soll, in einer Prozesskammer. In Schritt 13 wird die Kammer evakuiert (vorzugsweise auf ein Vakuum von mindestens 1,33 × 10^–2 Pa (10^–4 Torr) und bei adäquater Temperatur und Druck mit flüssigem NH₃ befüllt. In Schritt 15 wird der flüssige Ammoniak getrocknet, und die Kammer wird mit N₂ oder einem anderen Edelgas gereinigt, das vorzugsweise keinen freien Sauerstoff schafft.
In Schritt 17 wird die Kammer teilweise oder gänzlich mit einem ausgewählten chemischen Elektrolyt, der Kupfer enthält (z.B. CuCl_a, CuBr_b, Cul_c, wobei a, b, c ≈ 1–2, oder ein Kupferamin NCuR₁R₂), befüllt, und in Schritt 19 wird ein ausgewähltes Reduktionsmittel hinzugefügt, um freie Elektronen zu erzeugen, die Verbindungen mit Cu-Ionen eingehen, um Cu-Metallpartikel zu bilden. In Schritt 21 wird den Cu-Metallpartikeln erlaubt, aus der Lösung zu kommen und sich in Schritt 23 auf einer exponierten Oberfläche des Werkstücks abzulagern oder zu galvanisieren und vorzugsweise mit dieser zu verbinden. Schritt 21 und/oder 23 werden vorzugsweise bei einer ausgewählten Temperatur T1 im Bereich von –78°C ≤ T1 ≤ 90°C durchgeführt. Die Werkstückoberfläche(n) wird (werden) nach Wunsch um eine Achse gedreht, die quer zu der exponierten Werkstückoberfläche in der Kammer steht, um nach Bedarf die Gleichmäßigkeit der Dicke des aufgebrachten Kupfers zu erhöhen. Das Cu-Metall kann einer chemischen Ablagerung unterzogen werden, um eine Oberfläche aus Cu-Metall mit einer Dicke Δh = 0,1–2 μm (oder bei Bedarf höher) auf der exponierten Oberfläche des Werkstücks zu produzieren.
In Schritt 25 werden der Elektrolyt und das Reduktionsmittel aus der Kammer abgelassen, und das Werkstück sowie die Kammer werden mit Flüssigammoniak gespült, um den Großteil oder den gesamten restlichen kupferhaltigen Elektrolyt und/oder organische Substanzen und/oder Dämpfe zu entfernen, die allenfalls noch vorhanden sind. In Schritt 27 wird der Flüssigammoniak aus der Kammer abgelassen und die Kammer mit einem ausgewählten Edelgas gereinigt. In Schritt 29 (optional) wird die Kammer trockengeblasen, vorzugsweise unter Verwendung eines sauerstofffreien Gases. In diesem Alternativverfahren kommt die chemische Ablagerung zur Anwendung, um im Wesentlichen das gesamte Cu-Metall auf dem Werkstück abzulagern.
In einem zweiten, in 2 dargestellten Alternativverfahren werden die Schritte 11, 13, 15, 17, 19 und 21 so wie in 1 durchgeführt. In Schritt 23' wird die chemische Kupferablagerung nach Erreichen einer bestimmten Kupferdicke Δh = 0,01–0,1 μm als Kupfersaat oder Substrat auf der Werkstückoberfläche beendet. Die Bereitstellung einer Saatoberfläche aus Cu-Metall ist aus mindestens zwei Gründen bevorzugt: (1) die elektrische Bahnleitfähigkeit der Saatoberfläche wird bis zu einem Punkt erhöht, an dem bei Bedarf Galvanisieren möglich ist, um die Cu-Dicke der Oberfläche weiter zu erhöhen; und (2) die Saat-Oberfläche des Cu schafft eine besser geeignete Oberfläche, an die sich die Cu-Partikel anschließend binden können. Schritt 25, 27 und 29 werden so wie im ersten Verfahren ausgeführt.
In Schritt 31 des zweiten Alternativ-Verfahrens wird das Werkstück in der Kammer in eine in Flüssigammoniak gelöste und auf einer Temperatur T2 im Bereich von –78°C ≤ T2 ≤ 90°C gehaltene Galvanisier-Kupferlösung eingetaucht oder mit einer solchen in Kontakt gebracht. In Schritt 33 wird das Kupfer in der Galvanisierlösung dazu gebracht, sich auf einer oder mehreren exponierten Oberflächen des kupferbesäten Werkstücks abzulagern, wofür elektrische Kontakte benützt werden, die mit dem Werkstück (Kathode) und einer in die Galvanisierlösung getauchten, elektrisch leitenden Platte (Anode) verbunden sind. Die für diesen Galvanisierschritt verwendete Galvanisierspannung ist vorzugsweise 0,32 Volt oder für Kupfer vorzugsweise höher. Die Gesamtdicke des auf der Werkstückoberfläche aufgebrachten Kupfers ist durch die Variation der Anoden-Kathoden-Spannung und die Variation des Zeitintervalls dieses Galvanisierungsschritts kontrollierbar. Eine geeignete Dicke Δh des auf der Werkstückoberfläche aufgebrachten Kupfers ist Δh = 0,1–2 μm, kann auf Wunsch aber auch größer oder kleiner sein. Die Geschwindigkeit r, mit der die Kupferablagerung stattfindet, variiert mit der Galvanisierspannung V und der Galvanisiertemperatur T3. Ein geeigneter Bereich von Galvanisierspannung V(galv) ist 0,3 Volt ≤ V(galv) ≤ 1 Volt, kann aber auch höher sein, wenn eine höhere Ablagerungsrate gewünscht wird. Die Dauer des Galvanisierintervalls Δt kann im Bereich von 15 Sek. ≤ Δt ≤ 300 Sek. liegen.
Die restliche Galvanisierlösung wird in Schritt 35 aus der Kammer abgelassen, und das Werkstück und die Kammer werden in Schritt 37 mit Flüssigammoniak gespült. Der Flüssigammoniak und allfällig vorhandene restliche Dämpfe werden abgelassen oder sonst wie aus der zweiten Kammer entfernt und aufgefangen, um in Schritt 39 den flüssigen und gasförmigen Ammoniak zu einzubringen. Dieses Verfahren liefert eine Galvanisierung von Cu-Metall auf einer „Saat"-Oberfläche aus Cu, die durch chemische Ablagerung aufgebracht wurde.
In einem dritten, in 3 dargestellten Alternativ-Verfahren werden die Schritte 11, 13, 15, 31, 33, 35, 37 und 39 so wie im ersten oder zweiten Verfahren durchgeführt. In diesem dritten Verfahren wird mittels eines Galvanisierverfahrens im Wesentlichen das gesamte Cu-Metall auf die Werkstückoberfläche(n) aufgetragen. Dieses dritte Verfahren erfordert für bescheidene Kupfer-Dicken oftmals mehr Zeit als das erste oder zweite Verfahren. Wenn die Werkstückoberfläche Plastik oder ein ähnliches Polymer ist, kann die vorgängige Ablagerung von Graphit auf der exponierten Oberfläche die Cu-Ablagerung in einem Nur-Galvanisierungsverfahren verbessern.
4 ist eine grafische Darstellung des annähernden Mindestdrucks p(min), der erforderlich ist, um den Ammoniak in flüssiger Form zu erhalten. Der Kammerdruck p zur Erhaltung des Ammoniak in flüssiger Form ist von der Temperatur T abhängig und steigt mit dieser. Für den Temperaturbereich T1 variiert der Druck von etwa 0 psig bis etwa 350 psig. Durch die Verwendung einer Lösungstemperatur T, die nicht mehr als –66°C beträgt, können die Verfahrensschritte 31, 33 und 35 bei normalem atmosphärischem Druck oder darunter ausgeführt werden.
Das Verfahren findet in einem komplett abgeschlossenen System innerhalb der Prozesskammer statt, und der im Verfahren benützte flüssige Ammoniak wird im Wesentlichen vollständig zur Wiederverwertung zurückgewonnen. Die aus der Kammer entfernten Kupfersalze und organischen Substanzen können wie gewünscht rezykliert oder entsorgt werden. Der Wafer oder das andere Werkstück bleibt während des gesamten Prozesses in der Kammer, so dass hier keine Bewegung und kein Transport des Werkstücks notwendig ist, bis die Kupferablagerung abgeschlossen ist. Zudem benützt dieses Verfahren nur Flüssigammoniak, kein Wasser, so dass wenig oder kein Sauerstoff vorhanden ist, um sich mit dem Kupfermetall zu verbinden, so dass eine schwächere, oxidierte Form von Kupfer mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit und anderen Materialeigenschaften entstünde.
In 5 ist schematisch eine Vorrichtung 51 dargestellt, die zur Ausführung der Erfindung geeignet ist. Die Vorrichtung umfasst eine geschlossene Prozesskammer 61, eine Quelle von Cu-haltiger Elektrolytflüssigkeit 53 (optional), eine Quelle 59 von Edelgas zur Kammerreinigung, eine Quelle 63 von Flüssigammoniak, eine Quelle 65 (optional) einer ausgewählten Kupfer-Galvanisierlösung (die mit der Quelle 53 identisch sein kann oder nicht), eine oder mehrere Anoden 67 (vorzugsweise Kupfer, Platin oder ein anderes Metall, das der Auflösung in der Galvanisierlösung widersteht), die in der Kammer 61 untergebracht sind. Die Vorrichtung 51 umfasst auch ein Ammoniakfluid-Rezyklier- und Rückgewinnungssystem 69, das Ammoniakfluid, Metallsalze und organische Substanzen aus der Kammer 61 aufnimmt und den Ammoniak einbringt (und auf Wunsch die Metall-Elektrolyte und organischen Substanzen).
Dieses Ablagerungsverfahren kann angewendet werden, um andere Metalle abzulagern, die sich in der Periodentabelle an ähnlichen Positionen befinden, einschließlich Cu (E⁰ = 0,32 Volt bei 25°C), Ag (E⁰ = 0,8 Volt), Au, Ni, Pd, Pt, Fe (E⁰ = –0,44 Volt), Co, Zn (E⁰ = –0,76 Volt) und Cd (E⁰ ≈ 0,9 Volt), alle mit ähnlichen Reaktionen in Anwesenheit von (flüssigem) Ammoniak. Die Wahl der Galvanisierlösung und auch die Wahl der Anode variieren mit dem Metall, das zur Ablagerung auf der exponierten Werkstückoberfläche ausgewählt wurde.

Claims

Methode zur kontrollierten Ablagerung eines Metalls auf der Oberfläche eines Objekts, wobei das Verfahren in dieser Reihenfolge Folgendes umfasst: Spülen einer exponierten Oberfläche eines Werkstücks in einer sauerstofffreien Lösung mit Flüssigammoniak und Ablassen der Lösung; Unter Anwendung einer chemischen Ablagerung eine Stärke im Bereich von 0,1–2 μm eines ausgewählten Metalls auf der exponierten Oberfläche schaffen, wobei das Metall aus einer Gruppe von Metallen bestehend aus Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, Fe, Co, Zn und Cd ausgewählt ist; und Spülen der exponierten Oberfläche in Flüssigammoniak.
Methode nach Anspruch 1, des weiteren die Wahl von Cu als das ausgewählte Metall umfassend.
Methode nach Anspruch 1, des weiteren umfassend: Ausführen des chemischen Ablagerungsverfahrens bei einer Temperatur T im Bereich von –78°C ≤ T ≤ 90°C.
Methode nach Anspruch 1, wobei das Verfahren der chemischen Ablagerung des Metalls auf der exponierten Oberfläche Folgendes umfasst: Kontaktieren der exponierten Oberfläche mit einem Fluid, das mindestens eines aus Kupfersalz oder Kupferamin enthält; Ablagern lassen eines Teils des Kupfers im Kupfersalz oder Kupferamin auf der exponierten Oberfläche; Kontaktieren der exponierten Oberfläche mit dem darauf abgelagerten Kupfer mit Flüssigammoniak und den Flüssigammoniak mit mindestens einem aus Kupfersalz und einer anwesenden organischen Substanz in Reaktion treten lassen; und Entfernen des Flüssigammoniaks und des mindestens einen Anteils aus Kupfersalz oder organischer Substanz, der mit dem Flüssigammoniak in Reaktion getreten ist.
Methode nach Anspruch 1, des weiteren das Drehen des Werkstücks während mindestens eines Teils des chemischen Ablagerungsverfahrens um eine Achse umfassend, die quer zu der exponierten Oberfläche steht.
Methode nach Anspruch 1, des weiteren die Auswahl eines Werkstücks umfassend, das ein Halbleitermaterial enthält.
Methode zur kontrollierten Ablagerung eines Metalls auf der Oberfläche eines Objekts, wobei die Methode Folgendes umfasst: Spülen einer exponierten Oberfläche eines Werkstücks in einer sauerstofffreien Lösung, die Flüssigammoniak enthält, und Ablassen der Lösung; Nach dem Spülen Kontaktieren der exponierten Oberfläche mit einer Galvanisierlösung, die ein ausgewähltes Metall und Flüssigammoniak enthält, wobei das Metall aus einer Gruppe von Metallen bestehend aus Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, Fe, Co, Zn und Cd ausgewählt ist; Das ausgewählte Metall in der Galvanisierlösung dazu veranlassen, sich auf der exponierten Oberfläche mit einer bestimmten Geschwindigkeit abzulagern; und nachdem sich eine bestimmte Dicke des ausgewählten Metalls auf der exponierten Oberfläche abgelagert hat, Entfernen der restlichen Galvanisierlösung und Spülen der exponierten Oberfläche in Flüssigammoniak.
Methode nach Anspruch 7, des weiteren die Wahl von Cu als das ausgewählte Metall umfassend.
Methode nach Anspruch 7, wobei das Verfahren des Ablagerns des ausgewählten Metalls auf der exponierten Oberfläche Folgendes umfasst: Ausführung des Galvanisierverfahrens bei einer Temperatur im Bereich von –78°C ≤ T1 ≤ 90°C; Bereitstellung einer elektrisch leitenden Platte in der Galvanisierlösung; und Erzeugen einer Spannungsdifferenz ΔV zwischen der exponierten Werkstückoberfläche und der elektrisch leitenden Platte von mindestens etwa 0,3 Volt während eines Zeitintervalls Δt im Bereich von 15 Sek. ≤ Δt ≤ 300 Sek.
Methode nach Anspruch 7, des weiteren das Drehen des Werkstücks während mindestens eines Teils des Galvanisierverfahrens um eine Achse umfassend, die quer zu der exponierten Oberfläche steht.
Methode nach Anspruch 7, des weiteren die Wahl eines Werkstücks umfassend, das ein Halbleitermaterial umfasst.
Methode nach Anspruch 7, des weiteren Folgendes umfassend: Unter Anwendung der chemischen Ablagerung eine Saatdicke von nicht mehr als etwa 0,1 μm des ausgewählten Metalls auf der exponierten Oberfläche schaffen.
Methode nach Anspruch 12, des weiteren die Wahl von Cu als ausgewähltes Metall umfassend.
Methode nach Anspruch 12, des weiteren Folgendes umfassend: Durchführen von mindestens einem der Verfahren Chemische Ablagerung und Galvanisierungsablagerung bei einer Temperatur T im Bereich von –78°C ≤ T1 ≤ 90°C; Bereitstellen einer elektrisch leitenden Platte in der Galvanisierlösung; und Erzeugen einer Spannungsdifferenz ΔV zwischen der exponierten Oberfläche und der elektrisch leitenden Platte von mindestens etwa 0,3 Volt während eines Zeitintervalls Δt im Bereich von 15 Sek. ≤ Δt ≤ 300 Sek.
Methode nach Anspruch 12, wobei das Verfahren der chemischen Ablagerung des Metalls auf der exponierten Oberfläche Folgendes umfasst: Kontaktieren der exponierten Oberfläche mit einem Fluid, das mindestens eines aus Kupfersalz oder Kupferamin enthält; Ablagern lassen eines Teils des Kupfers im Kupfersalz oder Kupferamin auf der exponierten Oberfläche; Kontaktieren der exponierten Oberfläche mit dem darauf abgelagerten Kupfer mit Flüssigammoniak und den Flüssigammoniak mit mindestens einem von Kupfersalz und einer anwesenden organischen Substanz in Reaktion treten lassen; und Entfernen des Flüssigammoniaks und des mindestens einen Anteils von Kupfersalz oder organischer Substanz, der mit dem Flüssigammoniak in Reaktion getreten ist.
Methode nach Anspruch 12, des weiteren das Drehen des Werkstücks während mindestens eines Teils von mindestens einem von Chemischem Ablagerungsverfahren und Galvanisierablagerungsverfahren um eine Achse umfassend, die quer zu der exponierten Oberfläche steht.
Methode nach Anspruch 12, des weiteren die Auswahl eines Werkstücks umfassend, das ein Halbleitermaterial enthält.