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Gebiet der
vorliegenden Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Überwachung
von Hohlräumen
in Damaszener- und Dual-Damaszener-Strukturen.
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Der
Bedarf an leistungsfähigen
Halbleiterchips ist in den vergangenen Jahren ständig angestiegen, während gleichzeitig
die Funktionalität
der Schaltung komplexer und der Flächenbedarf pro Chip geringer
geworden ist. Eine Möglichkeit,
die Geschwindigkeit und die Leistungsfähigkeit des Halbleiterchips
zu erhöhen,
besteht darin, die Größe der einzelnen
integrierten Schaltungskomponenten zu verringern. In modernen integrierten
Schaltungen wird die Kanallänge
und damit die Gate-Länge
eines typischen Feldeffekttransistors (FET) auf eine Größe von 0,2 μm und weniger
verkleinert, um die Schaltgeschwindigkeit des FET-Elements genügend zu
reduzieren, um es zu ermöglichen,
beispielsweise eine zentrale Rechnereinheit (CPU) mit Taktfrequenzen von
1 GHz und darüber
zu betreiben. Bei kleinen Strukturgrößen ist die Leistungsfähigkeit
der Halbleiterchips nicht nur durch die Schaltgeschwindigkeit einzelner
FET-Elemente beschränkt,
sondern ebenfalls durch die elektrische Leitfähigkeit der Metallverbindungen,
die die diversen einzelnen Komponenten verbinden, und durch die
parasitären
Kapazitäten, die
mit den Metallverbindungen verknüpft
sind. Um die Vorteile von Transistorelementen, die in der Lage sind,
bei hohen Geschwindigkeiten betrieben zu werden und kleinere Strukturgrößen aufweisen,
vollständig
auszuschöpfen,
müssen
die Metallverbindungen sehr gut leitend und/oder parasitären Kapazitäten zwischen
benachbarten Verbindungsleitungen oder Durchführungen müssen so gering wie möglich gehalten
werden.
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Ein
typisches Verfahren zur Oberflächenverdrahtung
der einzelnen Komponenten einer integrierten Schaltung, das ebenfalls
als "Metallisierung" bezeichnet wird,
ist der sogenannte Damaszener Prozess, in dem Gräben und/oder Durchführungen
in einer isolierenden Schicht gebildet und anschließend mit
einem leitenden Material gefüllt
werden, um die leitfähigen
Leitungen zu bilden, die die einzelnen Komponenten der integrierten
Schaltung verbinden. Gegenwärtig
weisen die meisten der Silicium-basierten Halbleiterchips eine Metallisierungsschicht
auf, die Siliciumdioxid als ein dielektrisches Material und Aluminium
als das leitfähige
Material aufgrund der ausgezeichneten Haftung des Aluminiums zu
dem umgebenden Siliciumdioxid ohne Neigung zur Diffusion in das
Siliciumdioxid verwenden. Bei integrierten Schaltungen mit kritischen
Strukturgrößen von
0,5 μm und
weniger beginnt die Verbindungsleitungsverzögerung, die durch die begrenzte
Leitfähigkeit
der Metallleitungen und die relativ hohe dielektrische Konstante
des Siliciumdioxids verursacht wird, die Schaltgeschwindigkeit der
einzelnen Halbleiterelemente zu dominieren. Somit wurden große Anstrengungen
unternommen, um das Metall und/oder das Dielektrikum durch ein geeignetes
Material zu ersetzen, um die RC-Konstante,
die durch den Widerstand der leitfähigen Leitungen und die parasitäre Kapazität zwischen
benachbarten Leitungen definiert wird, zu verringern.
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Aus
den diversen Materialien hat sich Kupfer als ein vielversprechender
Kandidat für
das Ersetzen des Aluminiums aufgrund des geringeren spezifischen
Widerstands erwiesen, der ungefähr
um eine Größenordnung
kleiner als derjenige von Aluminium ist. Ferner zeigt im Gegensatz
zu Aluminium Kupfer keine eutektischen Reaktionen und thermisch
induzierte Elektromigration, wenn dieses in Halbleiterchips mit
Integration in großem
Maßstab
("VLSI") und mit Integration
in extrem großem
Maßstab
("ULSI") verwendet wird.
Ferner kann Kupfer bei niedrigen Temperaturen mit einem hohen Aspektverhältnis abgeschieden
werden, wodurch eine gute Stufenbedeckung erreicht wird.
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Wie
zuvor erwähnt
ist, muss zur Bereitstellung einer äußerst zuverlässige integrierte
Schaltung das Metall der Verbindungsleitungen ausreichend an dem
umgebenden dielektrischen Material anhaften und eine Diffusion der
Metallatome in das dielektrische Material muss soweit wie möglich reduziert
werden. Somit kann in vielen Fällen
das Metall nicht direkt auf dem dielektrischen Material abgeschieden werden.
Statt dessen wird eine Barrierenmetallschicht auf der Oberfläche der
dielektrischen Schicht vor der Abscheidung des Metalls aufgebracht.
Beispielsweise diffundiert Kupfer schnell in Siliciumdioxid hinein
und haftet nicht ausreichend auf Siliciumdioxid. Folglich wird eine
dünne Barrierenmetallschicht abgeschieden,
um eine ausreichende Haftung des Kupfers zu gewährleisten, um ein Diffundieren
des Kupfers in das Siliciumdioxid zu verhindern.
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Tantal
ist ein attraktives Barrierenmaterial aufgrund seines hohen Schmelzpunktes
und seiner Unvermischbarkeit mit Kupfer. Ferner liefert es Kontakte
mit geringem ohmschen Widerstand und eine ausgezeichnete Haftung
zu Kupfer. Ein Dotieren des Tantals mit Stickstoff verhindert Diffusionswege
an den Korngrenzen. Daher kann Tantalnitrid, das beispielsweise
durch reaktives Sputtern von Tantal in Anwesenheit von Stickstoff
abgeschieden wird, ebenfalls als eine Barrierenmetallschicht verwendet werden.
Daher ist Tantalnitrit ein sehr geeignetes Barrierenmaterial. Diese
Schichten können
durch Sputtern oder CVD (chemische Dampfabscheidung) abgeschieden
werden.
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Im
Damaszener-Prozess zur Bildung einer Metallisierungsschicht mit
beispielsweise Siliciumdioxid und Kupfer ist die Erzeugung von Hohlräumen an
der Grenzfläche
des Dielektrikums und des leitenden Materials, insbesondere an der
Unterseite von in dem Dielektrikum auf einer vorhergehenden Metallisierungsschicht
gebildeter Durchgangsöffnungen
ein besonders ernst zu nehmendes Problem. Ferner wurde durch verschiedene
Untersuchungen bestätigt,
dass Grenzflächenhohlräume zwischen
dem Barrierenmaterial, beispielsweise Tantal oder Tantalnitrid,
und dem darunter liegenden Kupfer gebildet werden. Derartige Grenzflächenhohlräume können ein
Ergebnis einer unzureichenden Wärmeabfuhr während des
Sputterns sein und können
sich bilden, wenn sich das Kupfer thermisch beim Abkühlen nach der
Abscheidung zusammenzieht. Somit muss der Damaszener-Prozess ständig überwacht
werden, um ein ausreichendes Niveau an Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung
zu erreichen.
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Mit
Bezug zu 1 wird ein typischer Damaszener-Prozess
und ein Verfahren zur Überwachung
von Hohlräumen
in Durchgangsöffnungen
gemäß dem Stand
der Technik kurz erläutert.
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In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 1 eine standardmäßige Damaszener-Struktur. Ein
Substrat 2, etwa ein Siliciumsubstrat oder ein anderes
Substrat, das für
Halbleiter- oder integrierte Schaltungstechnologie geeignet ist,
kann diverse Schichten beinhalten, die Halbleiterelemente definieren,
etwa Feldeffekttransistoren (FET) (nicht gezeigt). Das Substrat 2 ist
zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material, etwa Siliciumdioxid
(SiO2) als einer ersten Isolationsschicht 3 bedeckt.
In der Isolationsschicht 3 sind Öffnungen 9 ausgebildet.
Die Öffnungen 9 sind
mit einem Metall, etwa Kupfer, Wolfram oder Aluminium gefüllt. Die Öffnungen 9 sind
voneinander getrennt und können
einzelne Metallinseln und/oder Metallleitungen einer ersten Metallisierungsschicht
bilden. Die Metallleitungen und/oder Inseln werden gemeinsam als
Metallgebiete 4 bezeichnet. Über der ersten Isolierschicht 3 und
den Metallgebieten 4 ist eine zweite Isolierschicht 5 angeordnet, die
Durchführungen
bzw. Durchgangsöffnungen 7 in ausgerichteterweise
zu den Metallgebieten 4 umfasst. Eine Barrierenmetallschicht 6 mit
beispielsweise Tantal oder Tantalnitrid ist auf der zweiten Isolierschicht 5 abgeschieden
und definiert eine Grenzfläche 8 zwischen
der Barrierenmetallschicht 6 und den Metallgebieten 4.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Damaszener-Struktur 1 aus 1 kann
umfassen: Abscheiden der ersten Isolationsschicht 3 durch einen
geeigneten Abscheidevorgang, der im Stand der Technik bekannt ist,
Bilden der Öffnungen
mittels Lithographie und Ätzen,
Füllen
der Öffnungen 9 mit einem
Metall wie etwa Kupfer, beispielsweise durch Elektroplattieren,
wobei vor dem Abscheiden des Kupfers eine Barrierenmetallschicht
(nicht gezeigt) und eine Kupfersaatschicht (nicht gezeigt) abgeschieden
werden kann, und wobei die resultierende Struktur mittels chemisch-mechanischen
Polierens (CMP) eingeebnet wird. Anschließend wird die zweite Isolierschicht 5 beispielsweise
Siliciumdioxid (SiO2) abgeschieden und strukturiert,
um die Durchgangsöffnungen 7 zu
bilden. Als Nächstes
wird die Barrierenmetallschicht 6 durch Sputterabscheidung auf
der zweiten Isolierschicht 5 abgeschieden, wobei sich Hohlräume (nicht
gezeigt), wie zuvor erläutert wurde,
insbesondere an der Grenzfläche 8,
d.h. zwischen dem darunter liegenden Metallgebiet 4 und
der Barrierenmetallschicht 6 bilden können, verursacht durch die
thermische Spannung aufgrund der bei der Abscheidung der Barrierenmetallschicht 6 erzeugten Wärme und
dem anschließenden
Abkühlen
des Kupfer-Barrierenmetallschicht-Stapels.
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Im
Allgemeinen sind Grenzflächenhohlräume klein
im Vergleich zur unteren Fläche
der Durchgangsöffnung
und es ist daher schwer, diese durch elektrische Tests zu detektie ren.
Um die Prozess-Qualität
der Barrierenmetallschichtabscheidung zu überwachen, wird ein Wafer,
der die Damaszener-Struktur 1 trägt, in Stücke geschnitten, um eine Probe
für eine
Querschnittsanalyse mittels eines Transmissionselektronenmikroskops
zu präparieren, wobei
die Probe die Grenzfläche 8 zwischen
der Barrierenmetallschicht 6 und dem Metallgebiet 4 umfasst.
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Dazu
wird ein einzelnes Stück,
das die Damaszener-Struktur 1 enthält, gedünnt, beispielsweise durch Präparierung
mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB), um die benötigte Dicke
für die
Querschnittsanalyse zu erhalten, die für die Untersuchung mit der
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) geeignet ist. Die Präparierung
von Proben für
die Querschnittsanalyse ist jedoch sehr kosten- und zeitaufwendig.
Das Präparieren
der Probe kann bis zu einige Stunden erfordern und wird für gewöhnlich außerhalb
des eigentlichen Produktionsbereichs ausgeführt. Somit muss die in Betracht
kommende Sputter- oder CVD-Anlage im Stillstand bleiben, bis die Testergebnisse
erhalten werden, wodurch sich der Durchsatz der Maschine beträchtlich
verringert, oder diese kann auf Risiko hin freigegeben werden, wodurch
sich die Produktionsausbeute möglicherweise verringert.
Ferner ist es im Allgemeinen sehr schwierig, mehrere geeignete Proben
aus dem gleichen Test-Wafer zu präparieren, so dass es äußerst kompliziert
und kostenintensiv ist, Durchgangsöffnungshohlräume über die
gesamte Wafer-Fläche
zu überwachen.
Ferner erfordert die Querschnittsanalyse die Zerstörung der
Proben und verhindert daher eine weitere Verwendung dieser Proben.
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Die
Patentschrift
US 5 693
563 A offenbart eine Kupferdamaszenerstruktur, die eine
strukturierte leitende Barrierendeckschicht aufweist. Das Problem der
Hohlraumbildung an der Grenzschicht zwischen dem Kupferleiter und
der Barrierendeckschicht und deren Überwachung wird nicht erwähnt
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Die
Druckschrift: Shacham-Diamand, Y.; In: Journal of Electronic Materials,
April 2001 Seiten 336–344,
Vol. 30, Nr. 4 offenbart eine Barrierenschicht für Kupfermetallisierungen in
ULSI-Bauteilen. Die Probleme beim Abscheiden der Barrierenschicht in
Gräben
werden beschrieben und eine Ausführungsform,
bei der der Kupferleiter vollständig
von einer leitenden Barrierenschicht umgeben ist, wobei die Deckschicht
selektiv auf dem Kupferleiter abgeschieden wird, offenbart. Zur Überwachung
der Barrierenschicht wer den verschiedene SEM und TEM-Verfahren eingesetzt.
Das Problem der Hohlraumbildung an der Grenzschicht zwischen dem
Leiter und der Barrierenschicht und deren Überwachung wird nicht erwähnt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Überwachung
von Hohlräumen
in Damaszener-Anwendungen zu entwickeln, das den Überwachungsvorgang
bei einem hohen Grad an Zuverlässigkeit
und vorzugsweise ohne Probenzerstörung vereinfacht.
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Überblick über die
Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird insbesondere durch ein Verfahren
gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und werden durch die folgende detaillierte Beschreibung deutlich,
wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird.
Es zeigen:
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1 schematisch
einen anschaulichen Prozessablauf für Damaszener-Anwendungen; und
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2 schematisch
den Prozessablauf zur Überwachung
von Hohlräumen
in Damaszener-Anwendungen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Zu
erwähnen
ist, dass die in den Figuren dargestellten Abmessungen nicht maßstabsgetreu
sind.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den in der folgenden detaillierten
Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
beschrieben ist, ist es selbstverständlich, dass die folgende detaillierte
Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende
Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen illustrativen Ausführungsformen stellen lediglich
in beispielhafter Weise die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung
dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Erfindungsgemäß wird ein
effizientes und schnelles Verfahren zur Präparierung von Testsubstraten
bereitgestellt, das verwendet werden kann, um die Eigenschaften
der Grenzfläche
zwischen einer Barrierenmetallschicht und einer darunter liegenden Metallisierungsstruktur
zu bestimmen. Obwohl die Barrierenmetallschicht ein Nichtmetall
umfassen kann, etwa Tantalnitrid, Titannitrid, und dergleichen, wird
der Begriff "Barrierenmetallschicht" durchgängig in
dieser Anmeldung in Übereinstimmung
mit der üblichen
Halbleiter-Terminologie verwendet. Der Begriff Barrierenmetallschicht
umschließt
somit ein beliebiges geeignetes Material, etwa Tantal und/oder Tantalnitrid
und/oder Titan und/oder Titannitrid. Durch Untersuchungen der Erfinder
wurde bestätigt,
dass die Wechselwirkung der Barrierenmetallschichtabscheidung mit
dem Metall, etwa Kupfer, das unterhalb der Barrierenmetallschicht,
der kritischste Teil ist und den wesentlichen Grund für die Erzeugung
von Hohlräumen
an der Grenzfläche
darstellt. Folglich wird entsprechend dem Verfahren zur Überwachung der
Grenzflächenhohlraumbildung
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Barrierenmetallschicht direkt auf dem Metall abgeschieden,
beispielsweise auf dem Kupfer, um damit die zusätzlichen Schritte wie etwa
Oxiddeposition und Graben – oder
Durchgangsöffnungsätzung zu
umgehen, um somit die kürzeste Prozess-Überwachungsschleife
mit der höchsten Metallflächensensitivität für die Grenzflächenhohlraumdetektion
zu erreichen.
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Anschließend können Eigenschaften
der Grenzfläche,
die mit der Anwesenheit von Hohlräumen verknüpft sind, an einer im Wesentlichen
ebenen großflächigen Oberfläche der
Barrierenmetallschicht ohne die Störung einer zusätzlichen
auf der Barrierenmetallschicht gebildeten Struktur bestimmt werden,
was in der herkömmlichen
Grenzflächenüberwachung
eine komplexe Querschnittsanalyse einschließlich des Dünnens und somit der Zerstörung der
Probe erfordert. Die Bestimmung der Eigenschaften der Grenzfläche hinsichtlich
des Vorhandenseins von Hohlräumen
kann mit einem Elektronenmikroskop bei Betrieb im Rückstreumodus
durchgeführt werden,
wobei Elektronen durch die Barrierenmetallschicht in die Grenzfläche zwischen
der Barrierenmetallschicht und dem darunter liegenden Metall und in
den oberen Teil des Metalls eindringen können. Wenn sich Hohlräume in dieser
Grenzfläche
während des
betrachteten Abscheidevorgangs gebildet haben, zeigen die eingedrungenen
Elektronen ein unterschiedliches Rückstreuungsverhalten im Vergleich zum
Rückstreuungsverhalten
bei fehlenden Hohlräumen.
Dies führt
beispielsweise zu einer unterschiedlichen Energie- und Winkelverteilung
der rückgestreuten
Elektronen.
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Im
Allgemeinen sind Elektronenmikroskope eine Standardeinrichtung in
der Halbleiter-Industrie und
daher kann das erfindungsgemäße Verfahren
in einfacher Weise in einen konventionellen Herstellungsvorgang
implementiert werden. Ferner ist erfindungsgemäß eine komplexe FIB-Proben-Präparierung
nicht mehr notwendig und die Notwendigkeit, die Proben außerhalb
des Reinraumes zu behandeln, ist ebenfalls beseitigt. Als Folge
kann eine Hohlraumüberwachung
in einer relativ einfacher Weise innerhalb relativ kurzen Zeitspanne
erreicht werden. Somit können
die Messergebnisse innerhalb weniger Minuten im Vergleich zu mehreren
Stunden bei Anwendung des herkömmlichen
Verfahrens erhalten werden. Dies erlaubt bei Bedarf eine rasche
und effiziente Neueinstellung der Prozess-Parameter, um zuverlässig eine
Hohlraumbildung zu vermeiden.
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Mit
Bezug zu 2 wird im Folgenden eine anschauliche
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In 2 bezeichnen
die gleichen Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten und Teile
wie in 1.
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2 zeigt
schematisch eine Barrierenmetallschicht-Überwachungsstruktur (BM-Struktur) 11 gemäß einer
anschaulichen erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Die BM-Struktur 11 umfasst
ein Substrat 2, das diverse Schichten mit Halbleiterelementen
einschließt,
die in Halbleiter oder integrierten Schaltungstechnologien verwendet
werden. Ein dielektrisches Material 3, das zumindest teilweise
das Substrat 2 bedeckt, enthält Öffnungen 9, die mit
Metall 4 gefüllt
sind. Eine Barrierenmetallschicht (nicht gezeigt) kann in den Öffnungen 9 vor
der Formierung des Metalls 4 in der Öffnung 9 gebildet
sein. Das Metall 4 bildet Inseln und/oder leitfähige Leitungen,
die in dem dielektrischen Material 3 eingebettet sind.
Das Metall 4 und das dielektrische Material 3 bilden
eine näherungsweise
ebene Oberfläche 12.
Auf der Oberfläche 12 ist
eine Barrierenmetallschicht 6 mit einem Barrierenmaterial,
beispielsweise Tantal und/oder Tantalnitrid, ausgebildet.
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Ein
anschaulicher Prozessablauf zur Herstellung der BM-Struktur 11,
die zur Überwachung von
Einzel- und Dual-Damaszener-Prozessen Verwendung findet, kann die
folgenden Schritte umfassen. Zunächst
wird das dielektrische Material, etwa Siliciumdioxid, mittels chemischer
Dampfabscheidung bei geringem Druck (LPCVD) oder einem anderen geeigneten
Depositionsverfahren abgeschieden, so dass die Einstellung der Dicke des
dielektrischen Materials 3 genau steuerbar ist. Anschließend wird eine
Fotolackschicht (nicht gezeigt) abgeschieden und mittels bekannter
Fotolithographietechniken strukturiert, um nachfolgend das dielektrische
Material mittels bekannter Ätzprozesse
zur Erzeugung der Öffnungen 9 darin
zu strukturieren. Anschließend wird
auf dem dielektrischen Material das Metall 4 abgeschieden,
wodurch zumindest die Öffnungen 9 in dem
dielektrischen Material 3 gefüllt werden. Das Metall 4 kann
mittels CVD oder einem physikalischen Dampfabscheidungsvorgang (PVD),
möglicherweise unter
mit Einbeziehung der Abscheidung einer Barrierenmetallschicht und
einer Saatschicht (nicht gezeigt) abgeschieden werden. Obwohl in
der vorliegenden Ausführungsform
Kupfer als das Metall 4 verwendet wird, ist es ebenfalls
möglich,
beispielsweise Wolfram oder Aluminium zu verwenden.
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Anschließend wird
das Metall 4 eingeebnet, beispielsweise mittels eines CMP-Prozesses. In diesem
Prozess wird das Metall 4 bis zu einem Plateau gedünnt, an
dem die Oberfläche 12 des
dielektrischen Materials 3 und die eingeebnete Oberfläche des
Metalls 4 im Wesentlichen auf einem gleichen Pegel liegen.
Dieser Vorgang erzeugt eine glatte und ebene Oberfläche insbesondere
auf dem Metall 4. Ebenfalls möglich ist es, die Oberfläche lediglich
auf einzelnen Metallinseln einzuebnen. Anschließend wird die Barrierenmetallschicht 6,
beispielsweise mit Tantal und/oder Tantalnitrid mittels beispielsweise
einer Sputter-Abscheidung direkt auf dem eingeebneten Metall 4 abgeschieden,
um eine Dicke zu erhalten, die im Wesentlichen durch die Abscheide-Parameter vorgegeben
ist, die durch das Prozess-Rezept für die eigentlichen Produktsubstrate
gegeben sind. Auf diese Weise kann eine ebene großflächige Barrierenmetallschichtoberfläche 10 erzeugt
werden, die weiteren detaillierten Untersuchungen und der Bestimmung
von Eigenschaften hinsichtlich der Hohlraumerzeugung an der Grenzfläche 8 zugänglich ist.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform wird
ein Strahl aus beschleunigten Elektronen, die beispielsweise mittels
eines Elektronenmikroskops erzeugt werden, auf die Oberfläche 12 gerichtet,
um in die Barrierenmetallschicht 6, die Oberfläche 12 und
die darunter liegende Grenzfläche 8 einzudringen.
Sodann werden die von der Oberfläche 12 und der
Grenzfläche 8 zurückgestreuten
Elektronen detektiert. Dafür
kann die BM-Struktur 11 unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops
analysiert werden, um die Intensität und die Winkelverteilung der
zurückgestreuten
Elektronen zu beobachten.
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Anders
als in der Damaszener-Struktur 1 aus 1 enthält die BM-Struktur 11 keine
Durchgangsöffnung 7 und
enthält
nicht die zweite Isolationsschicht 5. Im Allgemeinen erlaubt
das hohe Aspektverhältnis
der Durchgangsöffnungen 7 es
nicht, dass Elektronen in die Grenzfläche 8 eindringen und
nach dem Zurückstreuen
in einfacher Weise in einer ausreichenden Anzahl zur Bestätigung des
Vorhandenseins oder des Nichtvorhandenseins von Hohlräumen an
der Grenzfläche 8 detektierbar
sind. Erfindungsgemäß erfahren
die zurückgestreuten
Elektronen keine Behinderung, die durch Seitenwände der Durchgangsöffnungen 7 verursacht
ist, und somit enthält
ein von den zurückgestreuten
Elektronen erhaltenes Signal Informationen über die Struktur der Barrierenmetallschicht 6,
der Grenzfläche 8 und
eines Teils des Metalls 4, aus denen Eigenschaften hinsichtlich
des Vorhandenseins von Hohlräumen
an der Grenzfläche 8 bestimmt
werden können.
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Die
Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops wird so eingestellt,
um insbesondere die Grenzfläche 8 zwischen
dem eingeebneten Metall 4 und der Barrierenmetallschicht 6 zu
untersuchen, wo mögliche
Hohlräume
vorzugsweise während
des Abscheiden der Barrierenmetallschicht 6 gebildet werden.
Die Beschleunigungsspannung kann im Bereich von ungefähr 8 bis
20 kV variiert werden. Mit diesem Bereich an Beschleunigungsspannungen
kann eine Eindringtiefe der einfallenden Elektronen bis zu einer
Tiefe von ungefähr
150 nm für einen
Kupfer/Tantal-Schichtstapel eingestellt werden. Folglich kann das
gesamte zu interessierende Gebiet, d.h. die Grenzfläche 8 analysiert
werden. Beispielsweise kann die Beschleunigungsspannung für eine ungefähr 40 nm
dicke Tantalschicht zu ungefähr 10
kV gewählt
werden, wobei ein großer
Teil der einfallenden Elektronen ebenfalls in das Kupfer 4 bis
zumindest ungefähr
60 nm eindringt.
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Gemäß einer
illustrativen Ausführungsform kann,
um quantitative Ergebnisse zu erhalten und um die Einstellung der
Elektronenmikroskop-Parameter zu erleichtern, eine Simulationsrechnung
ausgeführt werden,
die die elektromagnetische Wechselwirkung der Elektronen mit der
Materie, die den Schichtstapel bildet, d.h. der Barrierenmetallschicht 6 und
dem Metall 4, repräsentiert.
Entsprechende Algorithmen zur Simulierung von elektromagnetischen
Ereignissen sind im Stand der Technik bekannt und erlauben eine schnelle
Justierung der Testparameter hinsichtlich der Geometrie, der Art
des Materials, der Temperatur, der Elektronenergie, des Einfallswinkels,
der Art des in dem Elektromikroskop verwendeten Detektors und dergleichen.
Ferner können
für einen
gegebenen Parametersatz des Elektronenmikroskops, der durch Simulation
und/oder durch Experiment gewonnen wurde, die aus der BM-Struktur 11 erhaltenen
Signale mit Simulationsergebnissen verglichen werden, um eine quantitative
Information hinsichtlich des Hohlraum-Durchmessers und/oder dem
Ort der Hohlräume
und/oder der Anzahl der Hohlräume
zu erhalten. Entsprechende Simulationen können im Voraus für mehrere
tatsächliche
Prozess-Parameter durchgeführt
und in einer Bibliothek gespeichert werden, um eine rasche Reihenuntersuchung
mehrerer Testbereiche für
unterschiedliche Prozess-Bedingungen zu ermöglichen. Im Gegensatz zur konventionellen Querschnittsanalyse,
wobei die Überwachungsaktivität auf einige
wenige Proben beschränkt
ist, erlaubt es die vorliegende Erfindung, Information an mehreren
Stellen an der BM-Struktur 11 und/oder
von mehreren unterschiedlichen Testsubstraten aufgrund der raschen
und zerstörungsfreien
Proben-Präparation zu
sammeln. Ferner können
die Substrate erneut bearbeitet und für ein weiteres Prozessieren
verwendet werden.
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In
einer weiteren anschaulichen Ausführungsform können die
Messergebnisse, die durch Elektronenmikroskopie im Rückstreumodus
erhalten werden, mit Querschnittsanalyse-Ergebnissen von Proben
verglichen werden, die für
eine Querschnittsanalyse präpariert
worden sind, nachdem diese der Grenzflächen-Hohlraumüberwachung unter Anwendung
des Rückstreumoduses
unterzogen worden sind. Die Querschnittsanalyse liefert Fotografien
einschließlich
der Grenzfläche 8,
die eine oder mehrere Hohlräume
zeigen können.
Die Erscheinung dieser Hohlräume
kann mit den elektrischen Signalen verglichen werden, die aus der
Rückstreuanalyse
erhalten werden, wobei die Signale einer speziellen Hohlraum-Eigenschaft
zugeordnet werden können.
Danach sind die zeitraubenden Präparierungen
von Querschnittsproben nicht mehr notwendig. Auf diese Weise können die
im Rückstreumodus
gewonnenen Signale entsprechend den Querschnittsanalyse-Resultaten
kalibriert werden. Entsprechende Kalibriervorgänge können regelmäßig wiederholt werden, um eine
Langzeitstabilität
des Hohlraum-Überwachungsvorganges
zu erreichen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können alternativ
oder zusätzlich
die Querschnittsanalyse-Ergebnisse mit Ergebnissen von Simulationsberechnungen
verglichen werden, um die Gültigkeit
der Simulationsergebnisse zu verifizieren, die dann als zuverlässige Referenzdaten
für die
Rückstreuanalyse
ohne weiteren Bezug zur Querschnittsanalyse verwendbar sind. Wie
in der zuvor beschriebenen Ausführungsform
kann der Vergleich regelmäßig ausgeführt werden.
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In
einer weiteren anschaulichen Ausführungsform können ein
oder mehrere spezifizierte Testbereiche auf der BM-Struktur 11 zur
Bestimmung von Eigenschaften der Grenzfläche 8 definiert werden.
Diese Testbereiche können
einerseits ausreichend groß ausgebildet
sein, um eine geeignete ebene Oberfläche für die Elektronenmikroskopanalyse mit
Rückstreumodus
zu liefern, aber andererseits können
diese lediglich einen kleinen Teil der gesamten Substratfläche belegen.
Beispielsweise könnte eine
einzelne Chipfläche
als ein Testbereich präpariert
werden. Das Bereitstellen derartiger Testbereiche macht das Präparieren
separater Test-Wafer für die
Hohlraum-Überwachung
unnötig.
Die einen oder mehreren Testbereiche können an spezifizierten Stellen
an entsprechenden gekennzeichneten Produkt-Wafern vorgesehen sein.
Die Hohlraum-Überwachung
an derartigen Testbereichen beeinflusst die verbleibenden Wafer-Bereiche
nicht und ermöglicht somit,
dass der für
die Messung verwendete Wafer weiter prozessiert werden kann.
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Obwohl
anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung mit Bezug zur Elektronenmikroskopie im Rückstreumodus
beschrieben worden sind, können
andere Verfahren, die vorteilhaft die großflächige Oberfläche 12 zum
Bestimmen von Eigenschaften der Grenzfläche 8 im Hinblick
auf Hohlraumerzeugung nutzen, verwendet werden. Beispielsweise können in
einer Ausführungsform
entsprechende Bereiche an der Oberfläche 12 und an dem
Metall 4 mit einer externen Testeinheit, die beispielsweise
eine Stromquelle, einen Frequenzgenerator, eine Spannungsversorgung
und dergleichen aufweist, in Kontakt gebracht werden, um elektrische Eigenschaften
der Grenzfläche,
etwa den Widerstand, Kapazität
und dergleichen zu bestimmen, die auf die Hohlraumerzeugung in der
Grenzfläche 8 sensitiv
sein können.
Aufgrund der großflächigen Oberfläche 12,
die durch das erfindungsgemäße Verfahren
erhalten wird, ist das Bereit stellen von elektrischen Kontakten
zu externen Messgeräten
deutlich vereinfacht und die Wirkung der Hohlräume in der Grenzfläche kann
im Vergleich zu standardmäßigen elektrischen
Tests, die mit Substraten ausgeführt werden,
die entsprechend dem konventionellen Verfahren hergestellt sind,
präziser
bestimmt werden. Somit ist die Empfindlichkeit für elektrische Tests, die durch
das erfindungsgemäße Verfahren
geliefert wird, ausreichend, um eine Hohlraumdetektion an der Grenzfläche 8 zu
ermöglichen.
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Weitere
Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann auf diesem Gebiet aufgrund dieser Beschreibung offenkundig.
Die Beschreibung ist daher als lediglich illustrativ zu verstehen
und dient dem Zwecke, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise
des Ausführens
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich repräsentieren
die Formen der hierin gezeigten und beschriebenen Erfindung die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen.