DE60036052T2

DE60036052T2 - Verbesserung der Qualität einer in einem Plattierungsbad abgeschiedenen metallhaltigen Schicht

Info

Publication number: DE60036052T2
Application number: DE2000636052
Authority: DE
Inventors: Sywert H. Brongersma; Emmanuel Richard; Iwan Vervoort; Karen Maex
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: JP2001118848A; ATE371266T1; JP4937437B2; DE60036052D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Halbleiterverarbeitung und insbesondere ein Verfahren zum Verbessern der Qualität einer metallhaltigen Schicht, die von einem Plattierungsbad aufgetragen wurde.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Momentan wird Kupfer bei ULSI Metallisierungssystemen auf Grund seines niedrigeren Leitungswiderstands und seines besseren Elektromigrationswiderstands als ein Ersatz für Aluminium eingeführt. Kupfer wird als Leiterbahn verwendet. Es sind mehrere Methoden für die Auftragung von Kupfer bekannt, zu denen die stromlose Kupferplattierung, die elektrochemische Kupferplattierung und die chemische Gasphasenabscheidung von Kupfer gehören.
Obwohl Al und SiO₂ immer noch weit verbreitet in der Verbindungstechnologie verwendet werden, werden Kupfer und neue Low-K Materialien (z.B. Polymere) mit großer Geschwindigkeit in der Mikroelektronik implementiert, da sie nun als die bevorzugten Materialien der Zukunft akzeptiert werden. Die Notwendigkeit dieser gewaltigen Veränderung wurde durch die stets abnehmenden Einrichtungsgrößen hervorgerufen, welche angezeigt haben, dass die RC-Verzögerungszeit der begrenzende Faktor der nächsten Generation von Mikroprozessoren sein wird. Durch die Verwendung von Kupfer wird ein niedrigerer Widerstand erhalten, welcher, in Abhängigkeit von vielen Verarbeitungsparametern, mit einem besseren Elektromigrationswiderstand kombiniert werden kann. Zur gleichen Zeit wurde vor kurzem die Verwendung von Damascene-Strukturen als ein Mittel zur Herstellung sehr schmaler Strukturen (weniger als 0,25 μm) eingeführt. Bei diesem System werden zunächst schmale Furchen oder Bohrungen in das Low-K Material geätzt, welche anschließend mit Cu gefüllt werden. Mit zunehmendem Tiefen-/Breitenverhältnis dieser Strukturen wird das Füllen ohne das Schaffen von Hohlräumen oder sogar das Schließen der Struktur an ihrer Oberseite zunehmend schwieriger. Daher werden Glanzbildner und Suppressoren zu der Plattierungslösung hinzugefügt. Die Begriffe Glanzbildner und Suppressoren sind dem Fachmann bekannt (vgl. unten). Zum Auftragen einer Kupferschicht von einem Kupferplattierungsbad sind Methoden, wie zum Beispiel elektrochemische Plattierung oder stromlose Plattierung von Kupfer im Moment die bevorzugten Verfahren. Normalerweise wird nach dem Auftragen der Kupferschicht ein Thermal Annealing-Schritt durchgeführt.
Es treten jedoch immer noch Probleme bezüglich der Qualität des aufgetragenen Metallüberzugs auf.
Wenn Strukturen, welche ausgedehntere Öffnungen (wie zum Beispiel breite Furchen und Bond-Pads oder Kondensatoren; typische Linienbreite größer als 3 μm) und schmalere Öffnungen (wie zum Beispiel Furchen und Bohrungen) umfassen, gefüllt werden müssen, bilden sich kleine Erhebungen (Hillocks) über den schmaleren Öffnungen, während die breiteren Öffnungen gleichmäßig gefüllt werden. Dieses führt zu dem häufig angetroffenen Phänomen des Überfüllens, was zu Hillocks über den Furchen führt, die verursachen, dass der so aufgetragene Überzug lokal eine bis zum doppelten der normalen Dicke aufweist. Dies verursacht ernste Probleme für den folgenden Schritt der chemisch-mechanischen Verarbeitung (CMP), die am besten bei planaren Überzügen funktioniert. Neben CMP sind Dickevariationen des Überzugs ein zusätzlicher Faktor, der die Korngrenzenbewegung behindert.
Obwohl die negativen Auswirkungen auf die Topografie der aufgetragenen Kupferschicht bekannt sind, ist das Auftragen von Kupferschichten von einem Plattierungsbad gegenwärtig die am meisten verwendete Methode. Andere Methoden, wie zum Beispiel die chemische Gasphasenabscheidung führen zu weniger zuverlässigen Schichten und sind teurer.
Die durch Plattierung aufgetragenen Kupferüberzüge können außerdem eine hohe Spannung in der Schicht aufzeigen. Sie können durch die Plattierung auch einen hohen Flächenwiderstand besitzen.
Ein weiteres Problem, welches auftritt, ist, dass die aufgetragene Kupferschicht eine schädliche Anhaftung an der darunter liegenden Schicht aufzeigt, wie zum Beispiel eine Sperrschicht gegen Kupferdiffusion oder eine dielektrische Schicht.
Die oben erwähnten Probleme beschränken sich nicht auf die Auftragung einer Kupferschicht, sondern treten auch bei anderen Metallschichten auf, zum Beispiel bei einer Kobaltschicht. Wird eine Kobaltschicht von einem Plattierungsbad aufgetragen, dann zeigt die Kobaltschicht die schädlichen Charakteristiken auf, wie sie oben erwähnt sind.
ZIELE DER ERFINDUNG
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat zum Ziel, die Probleme zu lösen, welche mit den Verfahren für die Auftragung einer metallhaltigen Schicht von einem Plattierungsbad in Zusammenhang stehen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Lösung der Probleme bereit zu stellen, welche mit den Eigenschaften einer metallhaltigen Schicht, die von einem Plattierungsbad aufgetragen wurde, bei ULSI Metallisierungsstrukturen in Zusammenhang stehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auftragen eines metallhaltigen Überzugs von einem Metallplattierungsbad auf ein Substrat beschrieben. Dieses Verfahren umfasst die Merkmale aus Anspruch 1.
Dieses Durchführen einer Erwärmung und/oder dieses Durchführen eines Vakuums oder dieses Auftragen der metallhaltigen Schicht kann mehrere Male in verschiedenen Abfolgen wiederholt werden. Dass Durchführen einer Erwärmung und/oder eines Vakuums geschieht zur Entfernung von Verunreinigungen, welche in dieser aufgetragenen metallhaltigen Schicht inkorporiert sind, und Verunreinigungen, welche an der Oberfläche der aufgetragenen metallhaltigen Schicht anhaften.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird dieses Durchführen eines Vakuums als ein Luft/Vakuumzyklus ausgeführt. Der Luft/Vakuumzyklus wird definiert als das abwechselnde Aussetzen der aufgetragenen metallhaltigen Schicht an eine Atmosphäre von Luft oder einem anderen Gas, wie zum Beispiel N₂, H₂, Ar, He, Kr, NH₃ oder einer beliebigen, eines oder mehrere dieser Gase enthaltende, Mischung, unter atmosphärischem Druck und das Aussetzen der aufgetragenen metallhaltigen Schicht an eine Atmosphäre von Luft oder einem anderen Gas, wie zum Beispiel N₂, H₂, Ar, He, Kr, NH₃ oder einer beliebigen Mischung aus diesen oder Vakuum unter unteratmosphärischem Druck. Der Druck bei unteratmosphärischen Druck befindet sich typischerweise in dem Bereich zwischen atmosphärischem Druck und 10^–2 bis 10^–4, 10^–6 und 10^–8 Torr (1 Torr = 133 Pa), ist jedoch nicht beschränkt auf diesen. Somit wird ein Vakuumschritt definiert als das Aussetzen des aufgetragenen Überzugs an eine Umgebung mit niedrigerem als atmosphärischem Druck.
Bei einer Ausführungsform dieses ersten Aspekts der Erfindung kann diese metallhaltige Schicht eine Kupferschicht oder eine Kobaltschicht sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieses ersten Aspekts der Erfindung wird diese metallhaltige Schicht in mindestens einer schmalen Öffnung in einer umgebenden Isolierungsschicht aufgetragen, wobei die schmale Öffnung Teil einer ULSI Metallisierungsstruktur ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieses ersten Aspekts der Erfindung kann diese schmale Öffnung eine Furche, ein Kontaktloch oder eine Bohrung, wie in der Halbleiterverarbeitung bekannt, sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieses ersten Aspekts der Erfindung wird die metallhaltige Schicht auf einer Metallimpfschicht aufgetragen. Diese Metallimpfschicht kann von einem Plattierungsbad oder durch Metall-PVD aufgetragen sein. Alternativ dazu wird die metallhaltige Schicht auf einer Sperrschicht aufgetragen.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieses ersten Aspekts der Erfindung wird diese metallhaltige Schicht von einem stromlosen Plattierungsbad oder von einem Elektroplattierungsbad aufgetragen.
Demgemäß ist ein Verfahren zum Auftragen eines metallhaltigen Überzugs von einem Metallplattierungsbad auf einem Substrat, welches mindestens eine Öffnung in einer Isolierungsschicht aufweist, offenbart, welches folgende Schritte umfasst:

– Auftragen einer metallhaltigen Schicht von dem Metallplattierungsbad auf das Substrat, um eine aufgetragene metallhaltige Schicht in mindestens einer Öffnung aufzuweisen.
– Durchführen einer Erwärmung und/oder eines Vakuums an der aufgetragenen metallhaltigen Schicht,
– Auftragen einer metallhaltigen Schicht von dem Plattierungsbad auf die aufgetragene metallhaltige Schicht, wobei der Erwärmungsschritt oder der Vakuumschritt durchgeführt werden, um Verunreinigungen, welche in der aufgetragenen metallhaltigen Schicht inkorporiert sind, und Verunreinigungen, welche an der Oberfläche der aufgetragenen metallhaltigen Schicht anhaften, zu beseitigen. Die Qualität der aufgetragenen metallhaltigen Schicht wird verbessert. Vorzugsweise wird der Schritt des Auftragens einer metallhaltigen Schicht von dem Plattierungsbad auf das Substrat durchgeführt, bis mindestens eine Öffnung wesentlich mit der metallhaltigen Schicht gefüllt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 repräsentiert ein REM-Querschnittsbild von elektrochemisch aufgetragenem Cu in verschiedenen Stufen der Überfüllungsbildung, um den Zustand der Cu-Auftragung gemäß dem Stand der Technik zu zeigen.
2 repräsentiert ein REM-Querschnittsbild von ECD Cu unter Verwendung der Vorgehensweise gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt, dass keine Überfüllung über dichten 0,25 μm Linien bei einer 3-stufigen Vorgehensweise gemäß einer besten Art von Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhanden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung können die Probleme verhindert werden, die mit den Eigenschaften einer metallhaltigen Schicht in Zusammenhang stehen, welche durch ein Plattierungsverfahren bei ULSI Metallisierungssystemen, wie bei dem Stand der Technik der Erfindung erwähnt, aufge tragen wird, indem Verunreinigungen, welche in dem Metallplattierungsbad vorhanden sind und welche an der Oberfläche des Substrats anhaften, beseitigt werden. Dieser Aspekt des Verfahrens der Erfindung ist nicht auf die Beseitigung von Verunreinigungen in einer aufgetragenen Kupferschicht begrenzt, sondern kann für eine Vielzahl von metallhaltigen Schichten gelten, welche unter Verwendung eines Metallplattierungsbads aufgetragen werden. Zum Zweck dieser Erfindung können Verunreinigungen als Verbindungen definiert werden, die in einem Plattierungsbad vorhanden sind, außer den Molekülen (oder Ionen) und Verbindungen aus Metallquellen, welche an der Oberfläche des Substrats anhaften. Die Verunreinigungen können Zusatzstoffe sein, welche der Plattierungslösung hinzugefügt werden, um die Plattierung des Metalls zu verbessern, oder können Verbindungen sein, welche unbeabsichtigt in dem Plattierungsbad vorhanden sind.
Es ist auf dem Gebiet bekannt, dass das Bottom-Up Füllen von Öffnungen mit einem hohen Seitenverhältnis durch das Hinzufügen mehrerer organischer Zusatzstoffe zu der Plattierungsbadlösung erreicht werden kann. Typische Zusatzstoffe sind so genannte Suppressoren und so genannte Glanzbildner, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Ein Suppressor ist einem Fachmann als ein Tensidpolymer bekannt, welches einen Adsorbat-Polymer-Überzug auf der Metalloberfläche bildet, so dass freie Stellen wirksam reduziert werden für andere Badbestandteile. Folglich wird die Zunahme unterdrückt. Typische, jedoch nicht sich auf diesen beschränkende, Beispiele sind Polymere, welche aus Polyethylenglykol (PEG), Polypropylenglykol (PPG) und vielen hoch verzweigten Derivaten von diesen formuliert sind. Ein Glanzbildner (auch Beschleuniger oder Antisuppressor genannt) fördert die Cu-Auftragung, wirkt dem Einfluss des Suppressors entgegen und reduziert die Metallkorngröße. Typische Beispiele sind organische Disulfide, Alkylierungsderivative von Polyethyleniminen, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Eine andere Klasse von Zusatzstoffen sind so genannte Nivellierer. Diese Klasse von Zusatzstoffen stellt eine planarere metallhaltige Schicht mit weniger deutlich hervortretenden Hillocks bereit.
Typischerweise sind die Zusatzstoffe organische Moleküle, organische Polymermoleküle und kleinere Moleküle, welche in elektrochemischen Plattierungsbädern auftreten. Diese Moleküle können Schwefel, Kohlenstoff, Wasserstoff oder Chlor enthalten. Diese Zusatzstoffe können in die aufgetragene metallhaltige Schicht inkorporiert sein, oder können auf der Oberfläche der aufgetragenen metallhaltigen Schicht vorhanden sein. Überraschenderweise hat man beobachtet, dass, wenn diese Materialien in der metallhaltigen Schicht während der Auftragung des Metalls von einem Plattierungsbad inkorporiert wurden, oder auf der Oberfläche der aufgetragenen metallhaltigen Schicht nach der Auftragung von einem Plattierungsbad vorhanden waren, diese Zusatzstoffe eine negative Auswirkung auf die Qualität der aufgetragenen Schicht haben. Die Zusatzstoffe sind Teil der Verunreinigungen in oder auf der Oberfläche des so aufgetragenen Überzugs und haben eine große Auswirkung sowohl auf die Auftragung selbst als auch auf das anschließende Kornwachstum und die Verarbeitung. Die negativen Auswirkungen der Verunreinigungen beeinflussen die Qualität der aufgetragenen metallhaltigen Schicht. Zum Beispiel können sich Hillocks über Furchen oder Bohrungen bilden, da sich die kleineren Moleküle unter den Zusatzstoffen im Plattierungsbad in den Furchen und Bohrungen anhäufen, die eine beschleunigende Auswirkung auf das Kornwachstum über diesen Strukturen haben, sogar nachdem sie vollständig gefüllt wurden. Folglich wird die CMP (Chemical Mechanical Planarization) der Metallüberzugsschicht behindert. Andere Probleme, die beobachtet wurden, sind: schlechtes Anhaften an der unter dem Metallüberzug liegenden Schicht, eine hohe Spannung und ein hoher Flächenwiderstand in dem aufgetragenen Metallüberzug.
Dies kann durch die Beseitigung der Verunreinigungen gemildert werden. Die Beseitigung der Verunreinigungen kann zum Beispiel durch einen Thermal Annealing-Schritt oder durch das Aussetzen der aufgetragenen Schicht an mehrere Luft/Vakuumzyklen oder beides erfolgen. Ein Thermal Annealing-Schritt kann in einem Temperaturbereich über Raumtemperatur durchgeführt werden. Die Temperaturbereiche sind typischerweise, jedoch nicht beschränkt auf, 30–600 °C, 50–500 °C, 80–400 °C, 100–300 °C und vorzugsweise zwischen 300 und 400 °C. Die Zeitspanne für das Annealing liegt typischerweise zwischen 5 Sek und 10 Min, 5 Sek und 5 Min, 10 Sek und 2 Min und vorzugsweise zwischen 20 Sek und 90 Sek. Die Annealing-Schritte können durchgeführt werden in einem Rapid Thermal Processing-Ofen oder einem herkömmlichen Ofen bei einer Inertgas-Umgebung (N₂, Ar, Kr, He,...) oder einer H₂/N₂-Umgebung oder einer NH₃-Umgebung oder irgendeiner anderen Annealing-Umgebung, welche allgemein bei der Verarbeitung von Halbleitervorrichtungen verwendet wird. Der Luft/Vakuumzyklus ist so definiert, dass er abwechselnd die aufgetragene metallhaltige Schicht einer Luft- oder anderen Gasatmosphäre, wie zum Beispiel N₂, H₂, Ar, He, Kr, NH₃ oder irgendeiner Mischung aus diesen aussetzt unter atmosphärischem Druck und die aufgetragene metallhaltige Schicht einer Luft- oder anderen Gasatmosphäre, wie zum Beispiel N₂, H₂, Ar, He, Kr, NH₃ oder irgendeiner Mischung aus diesen oder einem Vakuum aussetzt unter unteratmosphärischem Druck. Der unteratmosphärische Druck liegt typischerweise in dem Bereich zwischen atmosphärischem Druck und 10^–2 bis 10^–4, 10^–6 und 10^–8 Torr, ist jedoch nicht beschränkt auf diesen. Die Beseitigung der Verunreinigungen kann auch bei Raumtemperatur in einer H₂-Umgebung durchgeführt werden.
Wenn Strukturen in ULSI Metallisierungssystemen gefüllt werden müssen, wie Strukturen, die Verbindungsbahnen (typischerweise mit einer Linienbreite von mehr als 5 μm) umfassen, und Strukturen mit einem hohen Seitenverhältnis, wie Furchen und Bohrungen, so werden Hillocks über den Strukturen mit einem hohen Seitenverhältnis gebildet, während die Verbindungsbahnen einheitlich gefüllt werden (siehe 1). Wahrscheinlich werden diese Hillocks über Furchen und Bohrungen gebildet, weil sich die kleineren Moleküle unter den Zusatzstoffen in den Furchen und Bohrungen und auf der Oberfläche des aufgetragenen Metallüberzugs anhäufen. Die Verunreinigungen haben weiterhin eine beschleunigende Auswirkung auf das Kornwachstum über diesen Strukturen, sogar nachdem sie vollständig gefüllt wurden.
In dieser Erfindung wird ein Verfahren offenbart, um einen metallhaltigen Überzug von einem Metallplattierungsbad auf einem Substrat aufzutragen, welches mindestens eine Öffnung in einer Isolierungsschicht aufweist. Die Öffnung kann eine Furche, Bohrung, ein Kontaktloch, eine Verbindungsbahn oder ein Kondensator sein, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Auftragens einer metallhaltigen Schicht von dem Metall plattierungsbad auf dem Substrat, bis mindestens eine Öffnung im Wesentlichen mit der metallhaltigen Schicht gefüllt ist, des Durchführens einer Erwärmung und/oder eines Vakuums auf der aufgetragenen metallhaltigen Schicht und des Auftragens einer weiteren metallhaltigen Schicht auf der aufgetragenen metallhaltigen Schicht, wie in Anspruch 1 definiert. Die Schritte des Durchführens einer Erwärmung und/oder Vakuums und/oder das Auftragen der zweiten metallhaltigen Schicht können anschließend mehrere Male in unterschiedlichen Abfolgen wiederholt werden, bis alle Öffnungen wesentlich mit der metallhaltigen Schicht gefüllt sind. Der Erwärmungs- oder Vakuumschritt wird durchgeführt, um Verunreinigungen, die in der aufgetragenen metallhaltigen Schicht inkorporiert sind, oder Verunreinigungen, die auf der Oberfläche der aufgetragenen metallhaltigen Schicht vorhanden sind, zu beseitigen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Bildung dieser Hillocks verhindert werden, indem man die Öffnung zuerst mit einem Metall füllt bis zu einer Dicke, die ausreicht, um die Bottom-Up Füllung der Strukturen mit dem höchsten Seitenverhältnis zu vervollständigen. Danach werden die Verunreinigungen, die in oder auf der ersten metallhaltigen Schicht vorhanden sind, durch einen Thermal Annealing-Schritt, oder indem man die aufgetragene Schicht mehreren Luft/Vakuumzyklen aussetzt, oder beidem beseitigt. In einem folgenden Schritt wird zur weiteren Auftragung bis zu einer Dicke durchgeführt, die zur Planarisierung ausreicht. Auf diese Weise wird die Bildung von Hillocks verhindert (siehe 2) und die CMP kann leicht durchgeführt werden.
Ein weiteres Problem, welches bei der Verarbeitung auf dem Stand der Technik auftritt, besteht darin, dass die aufgetragenen Kupferüberzüge eine hohe Spannung aufweisen können. Das Aussetzen der aufgetragenen metallhaltigen Schicht an einen Thermal Annealing-Schritt oder an mehrere Luft/Vakuumzyklen oder beides wird die Verunreinigungen beseitigen und reduziert dadurch die Spannung.
Schließlich zeigt die so gemäß der Verarbeitung auf dem Stand der Technik aufgetragene Kupferschicht eine schlechte Anhaftung an die darunter liegende Schicht, wie zum Beispiel eine Sperrschicht gegen Kupferdiffusion oder eine dielektrische Schicht. Zusatzstoffe, wie kleine Moleküle, die Schwefel, Kohlenstoff oder Wasserstoff enthalten, können zu der Grenzfläche der metallhaltigen Schicht und der umgebenden Schichten migrieren und folglich die Anhaftungseigenschaften reduzieren. Die Beseitigung dieser Zusatzstoffe (Verunreinigungen) durch Aussetzen der aufgetragenen metallhaltigen Schicht an einen Thermal Annealing-Schritt oder mehrere Luft/Vakuumzyklen oder beides wird das Anhaftungsproblem lösen.
In einer Beschreibung einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Cu-Sperrschicht, eine Cu-Impfschicht oder eine andere metallhaltige Schicht in einer Öffnung in einer Isolierungsschicht aufgetragen (Schritt 0). Die Öffnung in der Isolierungsschicht kann eine Öffnung mit einem hohen Seitenverhältnis sein, d.h. ein Seitenverhältnis von 1/2 oder 1/5 oder 1/10. Diese Öffnung kann auch eine Öffnung mit einer Linienbreite von mehr als 5 μm sein, d.h. eine Verbindungsbahn oder ein Kondensator. Die Kupfersperrschicht kann Co, Ta, Ti, TiN, TaN, Si₃N₄, W_xN oder Verbindungen davon sein. Die metallhaltige Schicht kann eine Kobaltschicht sein. In einem nächsten Schritt schreitet während des elektrochemischen Auftragens (ECD) von Kupfer (Schritt 1 genannt) die Aufragung bis zu einer Dicke fort, die ausreicht, um die Bottom-Up Füllung der engen Strukturen zu vervollständigen.
Danach muss ein weiterer Schritt (Schritt 2) eingeschlossen werden, um lokale Variationen in den Konzentrationen von inkorporierten und an der Oberfläche anhaftenden Arten zu beseitigen. Dies kann entweder durch Thermal Annealing oder durch Führung der Probe durch mehrere Luft/Vakuumzyklen ausgeführt werden (wie jeweils als Schritt 2a beziehungsweise 2b definiert). Dies bedeutet, dass die Plattierung unterbrochen werden sollte. Zum Beispiel sollte die Probe aus der Plattierungskammer genommen werden, was das Auftreten einer anfänglichen Top-Down Kristallisierung verursacht. Das Thermal Annealing Verfahren (Schritt 2a) verursacht eine Reinigung eines großen Teils des Materials, induziert jedoch auch thermale Spannung und sekundäres Kornwachstum.
Der Luft/Vakuumzyklus (Schritt 2b) entfernt das unerwünschte Material ohne sekundäres Kornwachstum zu Verursachen und reduziert sogar die Spannung auf Werte, die fast bei Null liegen. Es reduziert bekannterweise Konzentrationen in großem Ausmaß. Zusätzlich kann es möglicherweise die Anhaftung verbessern, da die induzierte Diffusion in eine Richtung gerichteter ist (zur Oberfläche hin) als im Thermal Annealing.
In einem nächsten Verarbeitungsschritt (Schritt 3) wird der Wafer wieder in die ECD-Kammer (Elektrochemische Auftragung) zur weiteren Auftragung zurück gebracht, um große Strukturen zu einer ausreichenden Dicke für die Planarisierung zu füllen. Dies ist notwendig, denn große Strukturen zeigen eher konforme Füllungen als Bottom-Up Füllungen auf. Die in diesem Schritt erhaltene Zunahme wird davon abhängen, welche der zwei Möglichkeiten in Schritt 2 gewählt wurde, da die eine große Körner und thermale Spannung in dem Material verursacht (gemäß Schritt 2a), während in dem anderen Verarbeitungsmodus (Schritt 2b) die Körner relativ klein bleiben.
Vor dem Übergehen zum CMP-Schritt (Schritt 5 genannt) kann hier ein weiteres Annealing (Schritt 4) eingeschlossen werden, um große Körner zu erhalten, die den CMP-Vorgang beschleunigen. Es würde selbstverständlich hilfreich sein, die Struktur zu stabilisieren, indem man Selbst-Annealing verhindert, wodurch man den CMP-Vorgang hinsichtlich der Auftragung unabhängig von der zeitlichen Regelung des Vorgangs selbst macht. Außerdem kann in Abhängigkeit davon, welcher Vorgang in Schritt 2 gewählt wurde, die endgültige Korngröße in den Furchen und Bohrungen davon abhängen, ob ein Annealing vor oder nach der CMP gemacht wird, da die Kernbildung für die Zunahme vor und nach der Entfernung der oberen Schicht unterschiedlich ist.
Ein endgültiges Annealing (Schritt 6) kann möglicherweise notwendig sein, um die Kornstruktur zu stabilisieren/optimieren.
In einer Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird eine Cu-Sperrschicht, eine Cu-Impfschicht oder eine andere metallhaltige Schicht in einer Öffnung in einer Isolierungsschicht unter Verwendung eines Metallplattierungsbades aufgetragen (Schritt 0). Die Öff nung in der Isolierungsschicht kann eine Öffnung mit einem hohen Seitenverhältnis sein, d.h. einem Seitenverhältnis von 1/2 oder 1/5 oder 1/10. Diese Öffnung kann auch eine Öffnung mit einer Linienbreite von mehr als 5 μm sein, d.h. eine Verbindungsbahn oder ein Kondensator. Die Kupfersperrschicht kann auf Co, Ta und Ti basieren. Die metallhaltige Schicht kann eine Kobaltschicht sein. Eine der Schichten aus der Gruppe Cu-Sperrschicht, Cu-Impfschicht oder einer anderen metallhaltigen Schicht wird auf der Öffnung in der Isolierungsschicht aufgetragen und füllt die Öffnung nicht vollständig (Schritt 1).
Ein weiterer Schritt muss eingeschlossen werden, um lokale Variationen bei den Konzentrationen inkorporierter (Verunreinigungen) und den an der plattierten Oberfläche anhaftenden Arten zu entfernen. Dies kann entweder durch Thermal Annealing geschehen, oder indem man die Probe durch mehrere Luft/Vakuumzyklen führt (jeweils als Schritt 2a beziehungsweise 2b definiert). Dies bedeutet, dass die Plattierung unterbrochen werden sollte. Zum Beispiel muss die Probe aus der Kammer genommen werden, was das Auftreten einer anfänglichen Top-Down Kristallisation verursacht.
In einem folgenden Schritt (als Schritt 3 definiert) schreitet die Auftragung von Kupfer von einem Plattierungsbad zu einer Dicke fort, welche ausreicht, um die Bottom-Up Füllung der engen Strukturen zu vervollständigen.
Es kann wiederum ein weiterer Schritt (Schritt 4) eingeschlossen werden, um lokale Variationen bei den Konzentrationen inkorporierter und an der Oberfläche haftenden Arten zu beseitigen. Dies kann entweder durch Thermal Annealing geschehen oder indem die Probe durch mehrere Luft/Vakuumzyklen geführt wird (jeweils als Schritt 4a und 4b definiert). Für beide Möglichkeiten muss die Probe aus der Kammer genommen werden, was das Auftreten einer anfänglichen Top-Down Kristallisation verursacht. Der erste Verarbeitungsmodus (Schritt 4a) verursacht eine Reinigung eines großen Teils des Materials, schließt jedoch auch thermale Spannung und sekundäres Kornwachstum ein. Der zweite Verarbeitungsmodus (Schritt 4b) entfernt das nicht erwünschte Material ohne ein sekundäres Kornwachstum zu verursachen und reduziert die Spannung sogar auf Werte, die fast bei Null liegen. Es reduziert Konzentrationen bekannterweise in großem Ausmaß. Zusätzlich kann es die Anhaftung verbessern, da die induzierte Diffusion in eine Richtung gerichteter ist (zur Oberfläche hin) als bei einem Thermal Annealing.
Danach wird der Wafer zur weiteren Auftragung in die ECD-Kammer zurück gebracht (als Schritt 5 definiert), um große Strukturen zu einer ausreichenden Dicke für Planarisierung aufzufüllen. Dies ist notwendig, denn große Strukturen zeigen eher konforme Füllungen als Bottom-Up Füllungen auf. Die in diesem Schritt erhaltene Zunahme wird davon abhängen, welche der zwei Möglichkeiten in den Schritten 2 und 4 gewählt wurde, da die eine große Körner und thermale Spannung in dem Material verursacht (Schritt 2a, 4a), während in dem anderen (Schritt 2b, 4b) die Körner relativ klein bleiben.
Vor dem Übergehen zum CMP-Schritt kann hier ein weiteres Annealing (Schritt 4 bis) eingeschlossen werden, um große Körner zu erhalten, die den CMP-Vorgang beschleunigen. Es würde selbstverständlich hilfreich sein, die Struktur zu stabilisieren, indem man Selbst-Annealing verhin dert, wodurch man den CMP-Vorgang hinsichtlich der Auftragung unabhängig von der zeitlichen Regelung des Vorgangs selbst macht. Außerdem kann in Abhängigkeit davon, welcher Vorgangsmodus in Schritt 2 oder 4 gewählt wurde, die endgültige Korngröße in den Furchen und Bohrungen davon abhängen, ob ein Annealing vor oder nach der CMP gemacht wird, da die Kernbildung für die Zunahme vor und nach der Entfernung der oberen Schicht unterschiedlich ist.
Ein abschließendes Annealing kann erforderlich sein, um die Kornstruktur zu stabilisieren/optimieren (Schritt 6).
Beschreibung der besten Ausführungsform
Es wurden Experimente an 6 und 8 Zoll Siliziumwafern unter Verwendung eines im Handel erhältlichen auf Kupfersulfat basierten Plattierungsbads und organischen Zusatzstoffen, die für IC-Füllung entwickelt wurden und im Handel von Shipley erhältlich sind, durchgeführt. Die Wafer erhielten eine TaN-Sperrschicht und eine Cu-Impfschicht, welche auf dielektrisch gemusterten Substraten Plasma gesputtert sind. Es werden zwei Arten von organischen Zusatzstoffen verwendet: Einer wird „Glanzbildner" (Brightener) und ein anderer „Suppressor" genannt, wie im Handel von der Firma Schipley erhältlich. Die Suppressorkonzentration wird konstant gehalten. Die Analyse dieser Zusatzstoffe in dem Plattierungsbad basiert auf der CVS-Methode (Cyclic Voltametric Stripping). Die Kupfer-ECD-Schichten (Electron Capture Dissociation) werden unter Verwendung eines Semitool Equinox^® Fountain Platers aufgetragen. Ein Hochauflösungs-Profilometer HRP220 von KLA wird verwendet, um die Oberflächentopographie der Gitterquadrate der Cu-ECD-Schicht zu messen. Strukturen mit verschiedenen Linienbreiten werden für diese Auswertung gewählt. Für Focused Ion Beam (FIB) Imaging und REM-Bilder werden ein FEI200 beziehungsweise ein Philips XL30 verwendet. Typische daraus hervorgehende Strukturen sind in 2 gezeigt.
Die Abfolge, welche für die beste Ausführungsform verwendet wurde, besteht in dem Einführen einer Annealing-Behandlung nach dem Füllen der Furchen, um die gleiche Oberflächenkorngröße zu erhalten und die Desorption zu fördern. Diese Abfolge behält eine hohlraumfreie Auftragung bei und begrenzt die für den CMP-Vorgang unerwünschte zunehmende Stufenhöhe.
3 zeigt die Kupferschicht, die über der dichten Furchenstruktur liegt, gemäß der besten Verarbeitung. Eine 3-Schritt-Vorgehensweise wurde als Weg gewählt. Sie zeigt deutlich, dass keine „Überfüllung" mehr beobachtet wurde. Die im Detail verwendete Verarbeitungsabfolge ist wie folgt:

– Schritt 1: Elektrochemische Auftragung von Cu,
– Schritt 2: Unterbrechen des Auftragungsvorgangs und Annealing bei 120 °C in einem herkömmlichen Ofen in einer Stickstoff (N2)-Umgebung,
– Schritt 3: weiteres Füllen der Öffnung durch elektrochemische Auftragung.

Claims

Verfahren für die Auftragung eines metallhaltigen Überzugs von einem Metallplattierungsbad auf einem Substrat, das mindestens eine Öffnung in einer Isolierungsschicht aufweist, welches mindestens folgende Schritte umfasst: – Auftragen einer metallhaltigen Schicht von dem Metallplattierungsbad auf dem Substrat, um eine aufgetragene metallhaltige Schicht in mindestens einer Öffnung aufzuweisen, – Durchführen eines Erwärmungsschritts und/oder eines Vakuumeinwirkungsschritts an der aufgetragenen metallhaltigen Schicht, – Auftragen einer weiteren metallhaltigen Schicht von dem Metallplattierungsbad auf der aufgetragenen metallhaltigen Schicht, wobei der Schritt des Durchführens einer Erwärmung und/oder der Schritt des Durchführens einer Vakuumeinwirkung ausgeführt werden, um die Beseitigung von Verunreinigungen, die in der aufgetragenen metallhaltigen Schicht inkorporiert sind, oder von Verunreinigungen, welche an der Oberfläche der aufgetragenen metallhaltigen Schicht anhaften, zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner, um die Öffnung zu füllen, den Schritt des erneuten Wiederholens in irgendeiner Abfolge von mindestens einem der Schritte des Auftragens einer metallhaltigen Schicht, des Durchführens einer Erwärmung und/oder Durchführens einer Vakuumeinwirkung einige Male, umfasst, bis zum erreichen, dass alle Öffnungen in der Isolierungsschicht im Wesentlichen mit der aufgetragenen metallhaltigen Schicht gefüllt sind.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die metallhaltige Schicht eine Kupferschicht oder eine Kobaltschicht ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Durchführens einer Vakuumeinwirkung ausgeführt wird, indem die aufgetragene metallhaltige Schicht einem Luft/Vakuumzyklus ausgesetzt wird, indem man die aufgetragene metallhaltige Schicht einer Atmosphäre von Luft oder einem anderen Gas, wie zum Beispiel N₂, H₂, Ar, He, Kr, NH₃ oder einer beliebigen Mischung, welche eines oder mehrere dieser Gase enthält, bei atmosphärischem Druck aussetzt, und indem man die aufgetragene metallhaltige Schicht einer Atmosphäre von Luft oder einem anderen Gas, wie zum Beispiel N₂, H₂, Ar, He, Kr, NH₃ oder einer beliebigen Mischung aus diesen oder einem Vakuum bei einem Druck unter atmosphärischem Druck aussetzt.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnung eine schmale Öffnung in einer Isolierungsschicht, welche Teil einer ULSI-Metallisierungsstruktur ist, ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die schmale Öffnung der Gruppe einer Furche, eines Kontaktlochs oder einer Bohrung in der ULSI Metallisierungsstruktur angehört.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei vor dem Schritt des Auftragens einer metallhaltigen Schicht von dem Metallplattierungsbad auf dem Substrat ein Schritt des Auftragens einer metallhaltigen Impfschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Metallplattierungsbad ein stromloses metallhaltiges Plattierungsbad oder ein elektrolytisches metallhaltiges Plattierungsbad ist.