EP1482073A2 - Verfahren zur Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten Download PDF

Info

Publication number
EP1482073A2
EP1482073A2 EP04011671A EP04011671A EP1482073A2 EP 1482073 A2 EP1482073 A2 EP 1482073A2 EP 04011671 A EP04011671 A EP 04011671A EP 04011671 A EP04011671 A EP 04011671A EP 1482073 A2 EP1482073 A2 EP 1482073A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal layer
metal
layer
ultra
deposition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04011671A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerneot Dr. Steinlesberger
Manfred Dr. Engelhardt
Eugen Dr. Unger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1482073A2 publication Critical patent/EP1482073A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/31—Coating with metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C23C28/023—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material only coatings of metal elements only

Definitions

  • the present invention relates to a method for training an ultra-thin homogeneous metal layer, which in particular is able to form as a basic metallization Contact points or contact pads or wiring on one integrated electronic component such as microchips or Serve microarrays, wherein at least on a substrate (10) a first metal layer (20) is deposited in regions and then a second one at least in some areas Metal layer (30) is produced, the component (s) of the second metal layer (30) has a more positive redox potential than the component (s) of the first metal layer (20) (t / en) and the ultra-thin homogeneous deposition of the second Metal layer (30) by means of wet chemical, electroless, electrochemical redox processes, if necessary under simultaneous activation of the surface of the first Metal layer (20), by element exchange of one or several metal salts as an oxidizing agent with at least the uppermost metal atom layer of the first metal layer (20) as Reducing agent takes place.
  • Base metallization (seed layer) on the corresponding Substrate are applied.
  • the specific resistance and the The morphology of the base metallization determines the properties which then for the formation of appropriate contact points or contact pads or rewiring electrochemically deposited copper layer.
  • a barrier layer between the Base metallization and the insulator for example Lower silica or dielectrics Dielectric constant
  • Barrier layer and base metallization are usually in two independent steps using physical Vapor deposition or chemical deposition ("Chemical Vapor Deposition ", CVD).
  • CVD chemical Vapor Deposition
  • a method to solve the problems described above is the introduction of another Process step in which a non-homogeneous Base metallization is optimized ("seed repair"). Such a additional process step is always costly.
  • a method for Formation of an ultra-thin homogeneous metal layer is particularly capable of forming as a basic metallization of contact points or contact pads or wiring an integrated electronic component, such as one Microchip to serve provided, wherein on a substrate (10) at least in some areas a first metal layer (20) is deposited and then at least subsequently a second metal layer (30) is produced in regions, wherein the component (s) of the second metal layer (30) more positive redox potential than the component (s) of the first Metal layer (20) exhibit (t / en) and the ultra-thin homogeneous Deposition of the second metal layer (30) by means of wet chemical, electroless, electrochemical redox processes, if necessary with simultaneous activation of the surface the first metal layer (20), by exchanging elements from one or more metal salts as an oxidizing agent with at least the uppermost metal atom layer of the first metal layer (20) as Reducing agent takes place.
  • the method according to the invention is generally the generation of ultra-thin homogene
  • the first metal layer is used in the method according to the invention even as a reducing agent.
  • This first layer of metal is made by a corresponding precursor compound (s), i.e. (A) Oxidizing agent (s) such as metal salt (s), the second metal layer to be deposited at least in the top metal atom layer oxidized, the corresponding from ions formed in the first metal layer go into solution and simultaneously depositing the second metal layer the corresponding precursor compound (s) by reduction he follows.
  • Redox process can usually take place on the surface activated the first metal layer at the same time. This can for example when removing a passivating oxide layer done on the first metal layer.
  • Such activation can, for example, in the process according to the invention
  • Treatment with hydrofluoric acid (HF) can be achieved, which in corresponding concentration in addition to the above-mentioned Precursor compound (s) of the second metal layer in the solution for the wet chemical, currentless, electrochemical Redox processes according to the method of the present invention is available.
  • HF hydrofluoric acid
  • Wet chemical deposition of the second metal layer requires a chemical potential gradient between one Metal salt of the metal forming the second metal layer and the metal of the previously applied first metal layer, the serves as a barrier layer.
  • the interaction of kinetics and Thermodynamics is an essential factor, which is this Influenced by the redox reaction, the base metal of the Barrier layer oxidized, while the metal cations from the Metal salt of the metal forming the second metal layer be reduced and thus by exchanging at least the topmost metal atom layer of the first metal layer thereon form an ultra-thin metal layer (second metal layer).
  • the first Metal layer preferably made of at least one component, selected from tantalum, titanium or aluminum or their Alloys with e.g. Magnesium, built up, their production by means of physical vapor deposition or chemical Deposition (CVD) can take place.
  • CVD chemical Deposition
  • Elements or alloys can be used, provided that they are Fulfill the barrier function and a correspondingly more negative one Redox potential than that forming the second metal layer Have metal.
  • the method according to the invention is based on the generation of a ultra-thin metal layer or base metallization Element exchange using a wet chemical, electroless, electrochemical redox process.
  • the second metal layer is by exchanging the top metal atom layers of the as Barrier layer serving first metal layer with metal atoms of the metal forming the second metal layer. Consequently becomes the separate separation conventionally provided of two metal layers (diffusion barrier and Base metallization) by only one deposition of the Barrier layer and a subsequent wet chemical Exchange reaction to form the ultra-thin, homogeneous second metal layer as the actual base metallization replaced.
  • the method according to the invention requires in advantageously no additional "seed repair" process step.
  • conventional deposition of a base metallization replaced an inexpensive wet chemical process.
  • the first metal layer which acts as a barrier layer, can for example in a thickness of 5 nm to 100 nm, preferred from 10 to 50 nm and more preferably from 10 to 20 nm, be applied.
  • the second metal layer which is used as the basic metallization for the subsequent electrochemical metal deposition for filling the trenches and holes to form contact points or Contact pads on, for example, a microchip is used preferably copper, silver, gold, platinum or nickel or corresponding alloys thereof.
  • the second metal layer can are contiguous or island-like.
  • wet chemical Deposition of this second metal layer can be done within the inventive method for the aforementioned metals conventionally used metal salts or Electrolyte compositions are used.
  • the second Metal layer can be deposited in such a way that it is only one or more layers of metal atoms. she can thus for example in a thickness of 0.5 nm to 10 nm, in particular 1 nm to 10 nm.
  • the substrate materials are not specifically limited.
  • the dielectrics such as SiO 2
  • the substrates can be unstructured. Usually, however, they are structured with the trenches or holes customary in the context of microchip production, for example by means of appropriate lift-off techniques or lithography techniques.
  • a first layer of metal made of tantalum, which serves as a barrier layer, and then one second metal layer made of copper, which in particular as Base metallization can serve.
  • the Base metallization by exchanging the top Ta atoms Atomic layers by copper atoms, which together form one for the subsequent electrochemical deposition of corresponding Suitable contact points or pads or wiring Form basic metallization.
  • first 20% hydrofluoric acid (HF) with 20 g / l CuSO 4 .5H 2 O can be prepared at room temperature, with which a substrate with a barrier layer already deposited thereupon takes a few seconds until a layer appears Darkening (copper deposition) is treated.
  • HF hydrofluoric acid
  • the wet chemical process can be divided into the following reaction steps within the scope of the process according to the invention: First the native, passivating tantalum oxide layer is removed with hydrofluoric acid according to the following reaction equations: Ta 2 O 5 + 10HF + 2F - ⁇ 5H 2 O + 2TaF 6 - Ta 2 O 5 + 10HF + 4F - ⁇ 5H 2 O + 2TaF 7 2- (both reactions are in balance)
  • copper is generated according to the invention: 2Ta + 5Cu 2+ ⁇ 2Ta 5+ + 5Cu (Redox potentials: Ta ⁇ Ta 2 O 5 : -0.75 V and Cu ⁇ Cu 2+ : +0.34 V)
  • the advantages of the method according to the invention are in the Saving costs through expensive process steps and Saving additional process steps to a faulty one Optimize base metallization.
  • Advantageously can in particular very much by the inventive method thin base metallizations for those to be applied subsequently Metallization systems are generated.
  • the thickness of the barrier or the barrier-to-base metallization ratio is over the concentration of the corresponding solutions in wet chemical Process and the parameters of the chemical reaction such as time and temperature adjustable.
  • a liability between the first Metal layer and the second metal layer favors what conducive to the reliability of Metallization systems and thus on the lifespan of corresponding, from the inventive method resulting products such as microchips or microarrays effect.
  • Figure 1a shows schematically one in the context of the invention Process used substrate with trench structure.
  • Figure 1b shows schematically the substrate of Figure 1a, on the the first metal layer has been applied.
  • Figure 1c shows schematically the substrate of Figure 1b, with on the first metal layer a homogeneous ultra-thin second Metal layer has been created.
  • FIG. 2 shows light micrographs in the upper row of a substrate (SiO 2 ) provided with a tantalum barrier layer before and after production of a thin copper layer, and enlarged scanning electron microscope photos of the corresponding tantalum and copper surfaces in the lower row.
  • FIG. 1a schematically shows a substrate (10) with a trench or contact hole structure. That in the method according to the invention
  • the substrate (10) used can be an insulator, for example (e.g. silicon dioxide or dielectrics with lower Dielectric constant) as part of an integrated electronic Component like a microchip or microarray.
  • Figure 1b shows schematically the substrate (10) with the on it deposited first metal layer (20), which as Serves as a barrier layer.
  • This first metal layer (20) is According to the invention from at least one metal, such as Tantalum, titanium or aluminum, preferably built up tantalum, their generation by physical vapor deposition or chemical deposition (CVD).
  • Figure 1c shows schematically the substrate (10) with the deposited first Metal layer (20) and the wet chemical applied thereon second metal layer (30).
  • the second metal layer (30) can for example made of copper, silver, gold, platinum or nickel, preferably copper, be built up and coherent or island-like.
  • Figure 2 shows light microscope images of the invention a tantalum barrier layer (40) coated substrates and a copper layer partially deposited on it like an island (50).
  • FIG. 2 shows Scanning electron microscope images of the tantalum layer (40a) and the copper layer (50a) is shown.
  • the different components the first metal layer (20) and the second metal layer (30) are different due to their Different surface morphologies.
  • the inventive method enables the otherwise usual, complex process steps of a separate Base metallization on, for example, integrated electronic components can be avoided.
  • the inventive method is not only for applications in Framework of the metallization of structured substrates limited, but is for all applications where thin Metal layers for further processes - but above all electrochemical deposition of various metals - are needed, usable and expandable.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Chemically Coating (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer ultradünnen homogenen Metallschicht, die insbesondere befähigt ist, als Grundmetallisierung zur Bildung von Kontaktstellen bzw. Kontaktpads bzw. Verdrahtungen auf einem integrierten elektronischen Bauelement zu dienen, worin auf einem Substrat (10) mindestens bereichsweise eine erste Metallschicht (20) abgeschieden wird und darauf anschließend mindestens bereichsweise eine zweite Metallschicht (30) erzeugt wird, wobei die Komponente(n) der zweiten Metallschicht (30) ein positiveres Redox-Potential als die Komponente(n) der ersten Metallschicht (20) aufweis(t/en) und die ultradünne homogene Abscheidung der zweiten Metallschicht (30) mittels naßchemischer, stromloser, elektrochemischer Redoxprozesse, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Aktivierung der Oberfläche der ersten Metallschicht (20), durch Elementaustausch von einem oder mehreren Metallsalzen als Oxidationsmittel mit mindestens der obersten Metallatomlage der ersten Metallschicht (20) als Reduktionsmittel erfolgt. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer ultradünnen homogenen Metallschicht, die insbesondere befähigt ist, als Grundmetallisierung zur Bildung von Kontaktstellen bzw. Kontaktpads bzw. Verdrahtungen auf einem integrierten elektronischen Bauelement wie Mikrochips bzw. Mikroarrays zu dienen, worin auf einem Substrat (10) mindestens bereichsweise eine erste Metallschicht (20) abgeschieden wird und darauf anschließend mindestens bereichsweise eine zweite Metallschicht (30) erzeugt wird, wobei die Komponente(n) der zweiten Metallschicht (30) ein positiveres Redox-Potential als die Komponente(n) der ersten Metallschicht (20) aufweis (t/en) und die ultradünne homogene Abscheidung der zweiten Metallschicht (30) mittels naßchemischer, stromloser, elektrochemischer Redoxprozesse, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Aktivierung der Oberfläche der ersten Metallschicht (20), durch Elementaustausch von einem oder mehreren Metallsalzen als Oxidationsmittel mit mindestens der obersten Metallatomlage der ersten Metallschicht (20) als Reduktionsmittel erfolgt.
Die Einführung von Kupfer als Metallisierungsmaterial in integrierten Schaltkreisen, d.h. zur Bildung entsprechender Kontaktstellen bzw. Kontaktpads bzw. Umverdrahtungen bei der Mikrochipfertigung, hat eine Reihe von Änderungen in der Prozeßtechnologie in den verschiedenen Verdrahtungsebenen mit sich gebracht. Die derzeit übliche Methode zur Herstellung von Kupferbahnen ist die sogenannte "damascene"-Technologie. Im Gegensatz zur Strukturierung der Metallschichten durch Trockenätzverfahren werden bei dieser Technologie die Grabenund Kontaktlochstrukturen zuerst in den Isolator übertragen und anschließend mit dem gewünschten Metall, üblicherweise Kupfer, gefüllt. Für diesen Abscheideprozeß wird eine elektrochemische Abscheidung, d.h. eine Elektroplattierung, aufgrund der besseren Fülleigenschaften und wegen seiner mikrostrukturellen und elektrischen Vorteile bevorzugt. Für eine solche Elektroplattierung muß jedoch zuvor eine elektrisch leitende Grundmetallisierung ("seed layer") auf das entsprechende Substrat aufgebracht werden. Der spezifische Widerstand und die Morphologie der Grundmetallisierung bestimmen die Eigenschaften der anschließend zur Bildung von entsprechenden Kontaktstellen bzw. Kontaktpads bzw. Umverdrahtungen elektrochemisch abgeschiedenen Kupferschicht. Um die Haftung zu verbessern und die Diffusion von Kupfer in den Isolator zu verhindern und daraus resultierende Ausfälle von Transistoren zu vermeiden, ist der Aufbau einer Barriereschicht zwischen der Grundmetallisierung und dem Isolator (beispielsweise Siliciumdioxid oder Dielektrika mit niedrigerer Dielektrizitätszahl) notwendig.
Üblicherweise werden Barriereschicht und Grundmetallisierung in zwei unabhängigen Schritten mittels physikalischem Aufdampfverfahren oder chemischer Abscheidung ("Chemical Vapor Deposition", CVD) hergestellt. Für die Abscheidung von beispielsweise Kupfer-Grundmetallisierungen, die homogen und frei von Fehlstellen sein müssen, sind spezielle physikalische oder chemische Abscheideprozesse entwickelt worden. Bei CVD-Methoden zur Metallabscheidung tritt dabei jedoch generell das Problem auf, daß die abgeschiedenen Metallschichten Anteile von Fremdatomen (d.h. Precursor-Verunreinigungen) aufweisen. Dies hat einen unerwünschten Anstieg des spezifischen Widerstandes der Grundmetallisierung zur Folge.
Aufgrund von immer kleiner werdenden Strukturen ist zudem die Reduzierung der Schichtdicken aller Metallschichten im Rahmen der Herstellung derartiger integrierter elektronischer Bauelemente bzw. Mikrochips notwendig. Im Hinblick auf die Prozeßentwicklung und -optimierung ist dies aber meist mit großem Aufwand verbunden. Zusätzlich kommen mit kleineren Strukturgrößen und somit größeren Aspektverhältnissen (Grabenhöhe zu Grabenbreite) weitere Probleme wie beispielsweise eine unvollständige Seitenwandbedeckung bei Sputterprozessen hinzu. Eine Abscheidung von dünnen, nur einige Metallatomlagen dicken Metallschichten ist zwar für künftige Technologien eine mögliche, jedoch sehr kostenintensive Technik.
Eine Methode zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme ist beispielsweise die Einführung eines weiteren Prozeßschrittes, in welchem eine nicht-homogene Grundmetallisierung optimiert wird ("seed repair"). Ein solcher zusätzlicher Prozeßschritt ist jedoch immer kostenaufwendig.
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im Rahmen der Herstellung integrierter elektronischer Bauelemente, wie z.B. Mikrochips, die gezielte Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten, insbesondere solchen, die als Grundmetallisierung für die nachfolgende elektrochemische Metallabscheidung zum Füllen von Gräben bzw. Löchern unter Bildung von entsprechenden Kontaktstellen bzw. Kontaktpads dienen, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung einer ultradünnen homogenen Metallschicht, die insbesondere befähigt ist, als Grundmetallisierung zur Bildung von Kontaktstellen bzw. Kontaktpads bzw. Verdrahtungen auf einem integrierten elektronischen Bauelement, wie einem Mikrochip, zu dienen, bereitgestellt, worin auf einem Substrat (10) mindestens bereichsweise eine erste Metallschicht (20) abgeschieden wird und darauf anschließend mindestens bereichsweise eine zweite Metallschicht (30) erzeugt wird, wobei die Komponente(n) der zweiten Metallschicht (30) ein positiveres Redox-Potential als die Komponente(n) der ersten Metallschicht (20) aufweis(t/en) und die ultradünne homogene Abscheidung der zweiten Metallschicht (30) mittels naßchemischer, stromloser, elektrochemischer Redoxprozesse, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Aktivierung der Oberfläche der ersten Metallschicht (20), durch Elementaustausch von einem oder mehreren Metallsalzen als Oxidationsmittel mit mindestens der obersten Metallatomlage der ersten Metallschicht (20) als Reduktionsmittel erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird generell die Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten vereinfacht.
Im erfindungsgemäßen Verfahren dient die erste Metallschicht selbst als Reduktionsmittel. Diese erste Metallschicht wird von (einer) entsprechenden Vorläuferverbindung(en), d.h. (einem) Oxidationsmittel(n) wie beispielsweise Metallsalz(e), der abzuscheidenden zweiten Metallschicht mindestens in der obersten Metallatomlage oxidiert, wobei die entsprechend aus der ersten Metallschicht gebildeten Ionen in Lösung gehen und gleichzeitig eine Abscheidung der zweiten Metallschicht aus de(r/n) entsprechenden Vorläuferverbindung(en) durch Reduktion erfolgt. Damit im erfindungsgemäßen Verfahren der vorstehende Redoxprozess ablaufen kann, wird üblicherweise die Oberfläche der ersten Metallschicht gleichzeitig aktiviert. Dies kann beispielsweise beim Entfernen einer passivierenden Oxidschicht auf der ersten Metallschicht erfolgen. Eine solche Aktivierung kann im erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise durch Behandlung mit Flußsäure (HF) erreicht werden, welche in entsprechender Konzentration neben de(r/n) vorstehend genannten Vorläuferverbindung(en) der zweiten Metallschicht in der Lösung für die naßchemischen, stromlosen, elektrochemischen Redoxprozesse gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorhanden ist.
Die naßchemische Abscheidung der zweiten Metallschicht erfordert ein chemisches Potentialgefälle zwischem einem Metallsalz des die zweite Metallschicht bildenden Metalls und dem Metall der zuvor aufgebrachten ersten Metallschicht, die als Barriereschicht dient. Bei entsprechend ausreichendem Potentialgefälle, wobei das Zusammenspiel von Kinetik und Thermodynamik ein wesentlicher Faktor ist, welcher diese Redoxreaktion beeinflusst, wird das unedlere Metall der Barriereschicht oxidiert, während die Metallkationen von dem Metallsalz des die zweite Metallschicht bildenden Metalls reduziert werden und somit unter Austausch von mindestens der obersten Metallatomlage der ersten Metallschicht darauf eine ultradünne Metallschicht (zweite Metallschicht) bilden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Metallschicht vorzugsweise aus mindestens einer Komponente, ausgewählt aus Tantal, Titan oder Aluminium bzw. deren Legierungen mit z.B. Magnesium, aufgebaut, wobei ihre Erzeugung mittels physikalischem Aufdampfverfahren oder chemischer Abscheidung (CVD) erfolgen kann. Es sind aber auch andere Elemente bzw. Legierungen einsetzbar, soweit sie eine Barrierefunktion erfüllen und ein entsprechend negativeres Redox-Potential als das die zweite Metallschicht bildende Metall aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erzeugung einer ultradünnen Metallschicht bzw. Grundmetallisierung durch Elementaustausch mittels eines naßchemischen, stromlosen, elektrochemischen Redoxprozesses. Die zweite Metallschicht wird durch Austausch der obersten Metallatomlagen der als Barriereschicht dienenden ersten Metallschicht mit Metallatomen des die zweite Metallschicht bildenden Metalls gebildet. Somit wird die herkömmlicherweise vorgesehene, separate Abscheidung von zwei Metallschichten (Diffusionsbarriere und Grundmetallisierung) durch nur eine Abscheidung der Barriereschicht und eine anschließende naßchemische Austauschreaktion unter Bildung der ultradünnen, homogenen zweiten Metallschicht als eigentliche Grundmetallisierung ersetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert in vorteilhafter Weise keinen zusätzlichen "seed repair"-Verfahrensschritt. Somit wird erfindungsgemäß eine konventionelle Abscheidung einer Grundmetallisierung durch einen kostengünstigen naßchemischen Prozeß ersetzt.
Die erste Metallschicht, welche als Barriereschicht wirkt, kann beispielsweise in einer Dicke von 5 nm bis 100 nm, bevorzugt von 10 bis 50 nm und mehr bevorzugt von 10 bis 20 nm, aufgebracht werden.
Die zweite Metallschicht, welche als Grundmetallisierung für die nachfolgende elektrochemische Metallabscheidung zum Füllen der Gräben und Löcher unter Bildung von Kontaktstellen bzw. Kontaktpads auf beispielsweise einem Mikrochip dient, umfasst vorzugsweise Kupfer, Silber, Gold, Platin oder Nickel oder entsprechende Legierungen davon. Die zweite Metallschicht kann zusammenhängend oder inselartig vorliegen. Zur naßchemischen Abscheidung dieser zweiten Metallschicht können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die für die vorgenannten Metalle herkömmlicherweise eingesetzten Metallsalze bzw. Elektrolytzusammensetzungen verwendet werden. Die zweite Metallschicht kann dergestalt abgeschieden werden, daß sie lediglich eine oder mehrere Metallatomlagen dick ist. Sie kann somit beispielsweise in einer Dicke von 0,5 nm bis 10 nm, insbesondere 1 nm bis 10 nm, gebildet werden.
Die Substratmaterialien unterliegen keiner spezifischen Beschränkung. So können beispielsweise die im Rahmen der Mikrochipfertigung üblicherweise eingesetzten Dielektrika, wie z.B. SiO2, eingesetzt werden. Die Substrate können unstrukturiert sein. Üblicherweise sind sie jedoch mit den im Rahmen der Mikrochipfertigung üblichen Gräben bzw. Löcher, z.B. mittels entsprechenden Lift-Off-Techniken bzw. Lithographie-Techniken, strukturiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine erste Metallschicht aus Tantal, die als Barriereschicht dient, und darauf anschließend eine zweite Metallschicht aus Kupfer, die insbesondere als Grundmetallisierung dienen kann, erzeugt. Dabei wird die Grundmetallisierung durch Austausch von Ta-Atomen der obersten Atomlagen durch Kupferatome, die zusammen eine für die nachfolgende elektrochemische Abscheidung von entsprechenden Kontaktstellen bzw. -pads bzw. Verdrahtungen geeignete Grundmetallisierung bilden, erzeugt.
Zur Bildung der zweiten Metallschicht kann gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise zunächst 20 %ige Flußsäure (HF) mit 20 g/l CuSO4•5H2O bei Raumtemperatur angesetzt werden, womit anschließend ein Substrat mit bereits darauf abgeschiedener Barriereschicht einige Sekunden bis zum Erscheinen einer Dunkelfärbung (Kupferabscheidung) behandelt wird.
Nachdem in einem ersten Schritt zunächst beispielsweise eine Tantalschicht mittels PVD- oder CVD-Verfahren auf ein bereits strukturiertes Substrat aufgebracht worden ist, kann sich der naßchemische Prozeß im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in folgende Reaktionsschritte aufteilen:
Zunächst wird die native, passivierende Tantaloxidschicht mit Flußsäure gemäß folgenden Reaktionsgleichungen entfernt: Ta2O5 + 10HF + 2F- → 5H2O + 2TaF6 - Ta2O5 + 10HF + 4F- → 5H2O + 2TaF7 2-    (beide Reaktionen stehen im Gleichgewicht)
Im anschließenden Schritt wird erfindungsgemäß Kupfer generiert: 2Ta + 5Cu2+ → 2Ta5+ + 5Cu (Redox-Potentiale: Ta → Ta2O5: -0,75 V und Cu → Cu2+ : +0,34 V)
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in der Einsparung von Kosten durch teure Prozeßschritte sowie der Ersparung von zusätzlichen Prozeßschritten, um eine fehlerhafte Grundmetallisierung zu optimieren. In vorteilhafter Weise können durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere sehr dünne Grundmetallisierungen für nachfolgend aufzubringende Metallisierungssysteme erzeugt werden. Die Dicke der Barriere bzw. das Barriere-zu-Grundmetallisierungs-Verhältnis ist über die Konzentration der entsprechenden Lösungen im naßchemischen Verfahren und die Parameter der chemischen Reaktion wie Zeit und Temperatur einstellbar. Darüber hinaus wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Haftung zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht begünstigt, was sich förderlich auf die Zuverlässigkeit von Metallisierungssystemen und somit auf die Lebensdauer von entsprechenden, aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierenden Produkten wie Mikrochips bzw. Mikroarrays auswirkt.
Die Figuren zeigen:
Figur 1a zeigt schematisch ein im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetztes Substrat mit Grabenstruktur.
Figur 1b zeigt schematisch das Substrat aus Figur 1a, auf dem die erste Metallschicht aufgebracht worden ist.
Figur 1c zeigt schematisch das Substrat aus Figur 1b, wobei auf der ersten Metallschicht eine homogene ultradünne zweite Metallschicht erzeugt worden ist.
Figur 2 zeigt in der oberen Reihe Lichtmikroskopaufnahmen eines mit einer Tantal-Barriereschicht versehenen Substrats (SiO2) vor und nach Erzeugung einer dünnen Kupferschicht sowie in der unteren Reihe vergrößerte Rasterelektronenmikroskopaufnahmen der entsprechenden Tantal- und Kupferoberflächen.
Figur 1a zeigt schematisch ein Substrat (10) mit einer Graben- bzw. Kontaktlochstruktur. Das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Substrat (10) kann dabei beispielsweise ein Isolator (beispielsweise Siliciumdioxid oder Dielektrika mit niedrigerer Dielektrizitätszahl) als Teil eines integrierten elektronischen Bauelements wie ein Mikrochip bzw. Mikroarray sein. Figur 1b zeigt schematisch das Substrat (10) mit der darauf abgeschiedenen ersten Metallschicht (20), die als Barriereschicht dient. Diese erste Metallschicht (20) ist erfindungsgemäß aus mindestens einem Metall, wie beispielsweise Tantal, Titan oder Aluminium, vorzugsweise Tantal aufgebaut, wobei ihre Erzeugung mittels physikalischem Aufdampfverfahren oder chemischer Abscheidung (CVD) erfolgen kann. Figur 1c zeigt schematisch das Substrat (10) mit der abgeschiedenen ersten Metallschicht (20) und der darauf naßchemisch aufgebrachten zweiten Metallschicht (30). Die zweite Metallschicht (30) kann beispielsweise aus Kupfer, Silber, Gold, Platin oder Nickel, vorzugsweise Kupfer, aufgebaut sein und zusammenhängend oder inselartig vorliegen.
Figur 2 zeigt Lichtmikroskopaufnahmen von erfindungsgemäß mit einer Tantal-Barriereschicht (40) beschichteten Substraten und einer teilweise inselartig darauf abgeschiedenen Kupferschicht (50). Darüberhinaus sind vergrößerte Rasterelektronenmikroskopaufnahmen der Tantalschicht (40a) und der Kupferschicht (50a) gezeigt. Die verschiedenen Komponenten der ersten Metallschicht (20) und der zweiten Metallschicht (30) sind aufgrund ihrer unterschiedlichen Oberflächenmorphologien voneinander unterscheidbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, daß die sonst üblichen, aufwändigen Prozeßschritte einer separaten Grundmetallisierung auf beispielsweise integrierten elektronischen Bauelementen vermieden werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur auf Anwendungen im Rahmen der Metallisierung von strukturierten Substraten beschränkt, sondern ist für alle Anwendungen, bei denen dünne Metallschichten für weitere Prozesse - vor allem aber elektrochemische Abscheidungen von diversen Metallen - gebraucht werden, einsetzbar und erweiterbar.
Bezugszeichenliste
10
Substrat
20
erste Metallschicht
30
zweite Metallschicht
40
erste Metallschicht aus Tantal
40a
erste Metallschicht aus Tantal (vergrößert)
50
zweite Metallschicht aus Kupfer
50a
zweite Metallschicht aus Kupfer (vergrößert)

Claims (7)

  1. Verfahren zur Ausbildung einer ultradünnen homogenen Metallschicht, die insbesondere befähigt ist, als Grundmetallisierung zur Bildung von Kontaktstellen bzw. Kontaktpads bzw. Verdrahtungen auf einem integrierten elektronischen Bauelement zu dienen, worin auf einem Substrat (10) mindestens bereichsweise eine erste Metallschicht (20) abgeschieden wird und darauf anschließend mindestens bereichsweise eine zweite Metallschicht (30) erzeugt wird, wobei die Komponente(n) der zweiten Metallschicht (30) ein positiveres Redox-Potential als die Komponente(n) der ersten Metallschicht (20) aufweis(t/en) und die ultradünne homogene Abscheidung der zweiten Metallschicht (30) mittels naßchemischer, stromloser, elektrochemischer Redoxprozesse, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Aktivierung der Oberfläche der ersten Metallschicht (20), durch Elementaustausch von einem oder mehreren Metallsalzen als Oxidationsmittel mit mindestens der obersten Metallatomlage der ersten Metallschicht (20) als Reduktionsmittel erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Metallschicht (20) aus mindestens einer Komponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Titan und Aluminium, aufgebaut ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die zweite Metallschicht (30) aus mindestens einer Komponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Platin und Nickel, aufgebaut ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die erste Metallschicht aus Tantal und die zweite Metallschicht aus Kupfer aufgebaut ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die erste Metallschicht mittels physikalischem Aufdampfverfahren oder chemischer Abscheidung (CVD) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die erste Metallschicht in einer Dicke von 5 nm bis 100 nm aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die zweite Metallschicht in einer Dicke von 0,5 nm bis 10 nm gebildet wird.
EP04011671A 2003-05-26 2004-05-17 Verfahren zur Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten Withdrawn EP1482073A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10323905A DE10323905A1 (de) 2003-05-26 2003-05-26 Verfahren zur Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten
DE10323905 2003-05-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1482073A2 true EP1482073A2 (de) 2004-12-01

Family

ID=33103595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04011671A Withdrawn EP1482073A2 (de) 2003-05-26 2004-05-17 Verfahren zur Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten

Country Status (3)

Country Link
US (1) US6946386B2 (de)
EP (1) EP1482073A2 (de)
DE (1) DE10323905A1 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6696746B1 (en) * 1998-04-29 2004-02-24 Micron Technology, Inc. Buried conductors
KR100574560B1 (ko) * 2004-12-31 2006-04-27 동부일렉트로닉스 주식회사 반도체 소자의 금속배선 형성 방법
EP1909320A1 (de) * 2006-10-05 2008-04-09 ST Microelectronics Crolles 2 SAS Kupferdiffusions-Barriere
US7759241B2 (en) * 2006-09-15 2010-07-20 Intel Corporation Group II element alloys for protecting metal interconnects
KR101516215B1 (ko) 2013-11-15 2015-05-04 한국지질자원연구원 장력계를 포함하는 시추시스템 및 이를 이용한 정확한 시추의 판단방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5824599A (en) * 1996-01-16 1998-10-20 Cornell Research Foundation, Inc. Protected encapsulation of catalytic layer for electroless copper interconnect
US6268289B1 (en) * 1998-05-18 2001-07-31 Motorola Inc. Method for protecting the edge exclusion of a semiconductor wafer from copper plating through use of an edge exclusion masking layer
US6479902B1 (en) * 2000-06-29 2002-11-12 Advanced Micro Devices, Inc. Semiconductor catalytic layer and atomic layer deposition thereof
JP2002053971A (ja) * 2000-08-03 2002-02-19 Sony Corp めっき方法及びめっき構造、並びに半導体装置の製造方法及び半導体装置
US6511912B1 (en) * 2000-08-22 2003-01-28 Micron Technology, Inc. Method of forming a non-conformal layer over and exposing a trench
US20020064592A1 (en) * 2000-11-29 2002-05-30 Madhav Datta Electroless method of seed layer depostion, repair, and fabrication of Cu interconnects
ATE466975T1 (de) * 2000-12-13 2010-05-15 Imec Verfahren zur herstellung eines elektroplattierungsbad und zugehöriges kupfer- plattierungsverfahren
US6977224B2 (en) * 2000-12-28 2005-12-20 Intel Corporation Method of electroless introduction of interconnect structures

Also Published As

Publication number Publication date
DE10323905A1 (de) 2005-01-05
US20040253806A1 (en) 2004-12-16
US6946386B2 (en) 2005-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012216153B4 (de) Halbleiterbauelemente mit Kupferverbindungen und Verfahren zu deren Herstellung
DE102006001253B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht über einem strukturierten Dielektrikum mittels einer nasschemischen Abscheidung mit einer stromlosen und einer leistungsgesteuerten Phase
DE102005057075B4 (de) Halbleiterbauelement mit einer Kupferlegierung als Barrierenschicht in einer Kupfermetallisierungsschicht und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102008016431B4 (de) Metalldeckschicht mit erhöhtem Elektrodenpotential für kupferbasierte Metallgebiete in Halbleiterbauelementen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
DE10296935T5 (de) Barrierenverstärkungsprozess für Kupferdurchkontaktierungen(oder Zwischenverbindungen)
DE102015219012B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, die eine Schicht aus einem ersten Metall zwischen einer Diffusionsbarrierenschicht und einem zweiten Metall umfasst
DE102006056624B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer selbstjustierten CuSiN-Deckschicht in einem Mikrostrukturbauelement
WO2004099467A1 (de) Zusammensetzungen zur stromlosen abscheidung ternärer materialien für die halbleiterindustrie
DE112011101750T5 (de) Verfahren und Struktur zur Verbesserung der Leitfähigkeit enger kupfergefüllter Durchkontaktierungen
DE10341059B4 (de) Integrierte Schaltungsanordnung mit Kondensator und Herstellungsverfahren
DE69832380T2 (de) Herstellungsmethode für die verdrahtung von halbleiteranordnungen
DE102007053600B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Metalls direkt auf einer leitenden Barrierenschicht durch elektrochemische Abscheidung unter Anwendung einer sauerstoffarmen Umgebung
DE102007004884A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht über einem strukturierten Dielektrikum durch stromlose Abscheidung unter Anwendung einer selektiv vorgesehenen Aktivierungsschicht
DE10319135B4 (de) Verfahren zum Elektroplattieren von Kupfer über einer strukturierten dielektrischen Schicht, um die Prozess-Gleichförmigkeit eines nachfolgenden CMP-Prozesses zu verbessern
DE3815569A1 (de) Verfahren zum selektiven abscheiden eines leitenden materials bei der herstellung integrierter schaltungen
DE10339990B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Metallleitung mit einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration entlang einer Grenzfläche einer dielektrischen Barrierenschicht mittels Implantieren von Material in die Metalleitung
EP1482073A2 (de) Verfahren zur Erzeugung von ultradünnen homogenen Metallschichten
DE10351005B4 (de) Barrierenschicht mit einer Titannitridbeschichtung für eine Kupfermetallisierungsschicht, die ein Dielektrikum mit kleinem ε aufweist
DE10327618B4 (de) Verfahren zur Ausbildung von Aluminiummetallverdrahtungen
DE10152202B4 (de) Optimierte Dünnfilmdiffusionssperre aus TaCN für Kupfermetallisierung
DE112004001684T5 (de) Seed-Reparatur tiefer Kontaktlöcher (Via) unter Verwendung stromloser Beschichtungschemie
DE10240116A1 (de) Verfahren zur Herstellung lokaler Verbindungsbarrierenschichten
DE60036052T2 (de) Verbesserung der Qualität einer in einem Plattierungsbad abgeschiedenen metallhaltigen Schicht
EP2028686B1 (de) Verfahren zum galvanischen Aufbringen eines Metalls, insbesondere von Kupfer, und Verwendung dieses Verfahrens
DE112004002156T5 (de) Verfahren zum Verhindern der Vergrößerung einer Kontaktlochbreite während der Kontaktherstellung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL HR LT LV MK

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20061201