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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von
Mikrostrukturen, etwa hoch entwickelte integrierte Schaltungen,
und betrifft insbesondere die Herstellung leitender Strukturen,
etwa von Verbindungsleitungen auf Kupferbasis, und Techniken, um
ihrer Alterung während
Belastungsbedingungen zu reduzieren.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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Bei
der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa von integrierten
Schaltungen, gibt es ein ständiges
Bemühen,
die Strukturgrößen von
Mikrostrukturelementen ständig
zu verringern, um damit die Funktionalität dieser Strukturen zu verbessern. Beispielsweise
haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge
von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf
die Geschwindigkeit und/oder die Leistungsaufnahme verbessert wird.
Wenn die Größe der einzelnen
Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration verringert
wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente
erhöht
wird, verringert sich auch der verfügbare Raum für Verbindungsleitungen,
die die einzelnen Schaltungselemente miteinander verbinden. Folglich
müssen
die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen auch reduziert werden,
um dem geringeren Anteil an verfügbaren
Raum und einer erhöhten
Anzahl von Schaltungselementen, die pro Einheitschipfläche vorgesehen
sind, Rechnung zu tragen, da typischerweise die Anzahl der erforderlichen
Verbindungen schneller ansteigt als die Anzahl der Schaltungselemente.
Daher wird für
gewöhnlich
eine Vielzahl gestapelter "Verdrahtungsschichten", die auch als Metallisierungsschichten
bezeichnet werden, vorgesehen, wobei die einzelnen Metallleitungen
einer einzelnen Metallschicht mit einzelnen Metallleitungen einer
darüber
liegenden oder darunter liegenden Metallisierungsschicht mittels
sogenannter Durchkontaktierungen verbunden sind. Trotz des Bereitstellens einer
Vielzahl von Metallisierungsschichten sind geringere Abmessungen
der Verbindungsleitung erforderlich, um der enormen Komplexität von beispielsweise
modernen CPU's,
Speicherchips, ASIC's
(anwendungsspezifische IC's)
und dergleichen Rechnung zu tragen. Die reduzierte Querschnittsfläche der
Verbindungsstrukturen kann, möglicherweise
in Verbindung mit einem Anwachsen der statischen Leistungsaufnahme äußerst größenreduzierter
Transistorelemente zu beträchtlichen
Stromdichten in den Metallleitungen führen.
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Moderne
integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen
Abmessung von 0.13 μm
und darunter, können
daher deutlich erhöhte Stromdichten
bis zu einigen kA pro cm2 in den einzelnen
Verbindungsstrukturen trotz des Vorsehens einer relativ großen Anzahl
von Metallisierungsschichten auf Grund der beträchtlichen Anzahl an Schaltungselementen
pro Einheitsfläche
erforderlich machen. Das Betreiben der Verbindungsstrukturen bei
erhöhten
Stromdichten kann jedoch eine Vielzahl von Problemen nach sich ziehen,
die mit einer belastungshervorgerufenen Leitungsbeeinträchtigung
in Beziehung stehen, was schließlich
zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltung führen kann.
Ein bekanntes Phänomen
in dieser Hinsicht ist der durch den Stromfluss hervorgerufene Materialtransport
in Metallleitungen und Durchkontaktierungen, was auch als "Elektromigration" bezeichnet wird,
das zur Ausbildung von Hohlräumen
innerhalb und Materialanhäufungen
in der Nähe
der Metallverbindung führen kann,
woraus sich eine reduzierte Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit
und u. U. ein vollständiger
Ausfall des Bauteils ergibt. Beispielsweise werden in Siliziumdioxid
und/oder Siliziumnitrid eingebettete Aluminiumleitungen häufig als
Metall für
Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist,
in modernen integrierten Schaltungen mit kritischen Abmessungen
von 0.18 μm
oder weniger deutlich kleinere Querschnittsflächen der Metallleitungen und
damit erhöhte
Stromdichten erforderlich sind, die Aluminium zu einem wenig attraktiven
Kandidaten für
die Herstellung von Metallisierungsschichten machen.
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Daher
wird Aluminium zusehens durch Kupfer ersetzt, das ein Material mit
deutlich geringem Widerstand und erhöhter Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration selbst bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich
zu Aluminium ist. Die Einführung von
Kupfer bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten
Schaltungen wird von einer Vielzahl von ernsthaften Problemen begleitet,
die in der Eigenschaft des Kupfers begründet liegen, leicht in Siliziumdioxid
und einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu diffundieren.
Um die erforderliche Haftung bereitzustellen und um die ungewünschte Diffusion
von Kupferatomen in sensible Bauteilgebiete zu vermeiden, ist es
daher für
gewöhnlich
erfor derlich, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem
dielektrischen Material, in dem die Verbindungsstrukturen auf Kupferbasis
eingebettet sind, vorzusehen. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches
Material ist, das in wirksamer Weise die Diffusion von Kupferatomen
verhindert, ist die Verwendung von Siliziumnitrid als ein dielektrisches
Zwischenschichtmaterial wenig wünschenswert,
da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitären Kapazitäten benachbarter Kupferleitungen
ansteigen, was zu nicht akzeptablen Signalausbreitungsverzögerungen
führen
kann. Daher wird eine dünne
leitende Barrierenschicht, die dem Kupfer die erforderliche mechanische
Stabilität verleiht,
gebildet, um den Hauptanteil des Kupfers von dem umgebenden dielektrischen
Material zu trennen, und lediglich eine dünne Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid
oder Siliziumkohlenstoffnitridschicht in Form einer Deckschicht
wird häufig
in Metallisierungsschichten auf Kupferbasis verwendet. Z. Z. sind Tantal,
Titan, Wolfram und deren Verbindungen mit Stickstoff und Silizium
und dergleichen bevorzugte Kandidaten für eine leitende Barrierenschicht,
wobei die Barrierenschicht zwei oder mehr Teilschichten mit unterschiedlicher
Zusammensetzung aufweisen kann, um den Anforderungen in Hinblick
auf das Unterdrücken
der Diffusion und die Eigenschaften beim Haften zu genügen.
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Eine
weitere Eigenschaft des Kupfers, die es deutlich von Aluminium unterscheidet,
ist die Tatsache, dass Kupfer nicht in einfacher Weise in größeren Mengen
durch chemische und physikalische Dampfabscheidetechniken abgeschieden
werden kann, in Verbindung mit der Tatsache, dass Kupfer nicht in
effizienter Weise durch anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert werden
kann, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich ist, die im Allgemeinen
als Damaszener- oder Einlagerungstechnik bezeichnet wird. In dem
Damaszener-Prozess wird zunächst
eine dielektrische Schicht gebildet, die dann strukturiert wird, so
dass diese Gräben
und Durchführungen
aufweist, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden, wobei, wie zuvor
dargestellt ist, vor dem Einfüllen
des Kupfers eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der Gräben und
der Kontaktdurchführungen
gebildet wird. Das Abscheiden des Hauptanteils des Kupfermaterials
in die Gräben
und die Kontaktdurchführungen
wird für
gewöhnlich
durch nasschemische Abscheideprozesse, etwa das Elektroplattieren
und das stromlose Plattieren, erreicht, wobei das zuverlässige Auffüllen von
Kontaktdurchführungen
mit einem Aspektverhältnis
von 5 oder höher
mit einem Durchmesser von 0.3 μm
oder sogar darunter und von Gräben
mit einer Breite im Bereich von 0.1 μm bis einige Mikrometer erforderlich
ist. Elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer sind auf dem Gebiet
der Platinenherstellung gut bekannt. Jedoch das hohlraumfreie Auffüllen von
Durch gangsöffnungen
mit hohem Aspektverhältnis
ist eine äußerst komplexe und
herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen
Verbindungsstruktur auf Kupferbasis deutlich von Prozessparametern,
den Materialien und der Geometrie der betrachteten Struktur abhängen. Da
die Geometrie der Verbindungsstrukturen durch die Entwurfserfordernisse
festgelegt ist und daher nicht deutlich für eine gegebene Mikrostruktur
geändert
werden kann, ist es von großer
Bedeutung, den Einfluss der Materialien, etwa leitender und nicht
leitender Barrierenschichten, der Kupfermikrostruktur und deren
gegenseitige Wechselwirkung auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur
abzuschätzen
und zu steuern, um sowohl eine hohe Ausbeute als auch die erforderliche Produktzuverlässigkeit
sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig Alterungs- und Ausfallmechanismen in
Verbindungsstrukturen für
diverse Konfigurationen zu erkennen, zu überwachen und zu reduzieren,
um die Bauteilzuverlässigkeit
für jede
neue Bauteilgeneration oder Technologie beizubehalten.
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Es
wurde daher viel Aufwand zur Untersuchung der Alterung bzw. Leistungsabnahme
von Kupferverbindungen, insbesondere im Hinblick auf die Elektromigration,
aufgewendet, um neue Materialien und Prozessstrategien zur Herstellung
von Metallleitungen und Durchkontaktierungen zu finden. Obwohl der
genaue Mechanismus der Elektromigration in Kupferleitungen noch
nicht vollständig
verstanden ist, so zeigt es sich dennoch, dass Hohlräume, die
in und an Seitenwänden
und insbesondere an Grenzflächen
zu benachbarten Materialien angeordnet sind, einen deutlichen Einfluss
auf die schließlich
erzielte Leistungsfähigkeit
und Zuverlässigkeit der
Verbindungen ausüben.
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Ein
Ausfallmechanismus, von dem angenommen wird, dass dieser deutlich
zu einem vorzeitigen Bauteilausfall beiträgt, ist der durch die Elektromigration
hervorgerufene Materialtransport insbesondere entlang einer zwischen
dem Kupfer und einer ausgebildeten dielektrischen Deckschicht, die
als eine Ätzstoppschicht
während
der Herstellung von Durchkontaktierungen in dem Zwischenschichtdielektrikum
dient. Häufig
verwendete Materialien sind z. B. Siliziumnitrid und mit Stickstoff
angereichertes Siliziumkarbid, das eine moderat hohe Ätzselektivität für typisch
verwendete Zwischenschichtdielektrika, etwa Siliziumdioxid und eine
Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zeigt, und
auch die Diffusion von Kupfer in das Zwischenschichtdielektrikum
unterdrückt.
Jüngere
Forschungsergebnisse scheinen jedoch anzudeuten, dass die zwischen
dem Kupfer und der Ätzstoppschicht
aus gebildete Grenzfläche
ein wesentlicher Diffusionsweg für
den Materialtransport während
des Betriebs der Metallverbindung ist.
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Für die konventionellen
Verbindungsstrukturen ist die Anzahl und die Stärke der Verbindungen zwischen
dem Kupfer und dem Material der Ätzstoppschicht
kleiner im Vergleich zu der Stärke
und der Anzahl der Bindungen, die zwischen dem Kupfer und der leitenden
Barrierenschicht ausgebildet sind, die die Seitenwände und
die untere Fläche
der Metallverbindung bedeckt. Folglich scheint die Aktivierungsenergie,
die zum Hervorrufen eines belastungsinduzierten Materialtransports,
beispielsweise in Form von Elektromigration, erforderlich ist, am
geringsten an der Grenzfläche
zwischen der Ätzstoppschicht
und dem Kupfer für
die konventionelle Kupferverbindungsstruktur zu sein, wodurch diese Grenzfläche zur
Hauptursache für
den vorzeitigen Ausfall der Verbindungsleitung und die verringerte Zuverlässigkeit
wird. Daher wurden große
Anstrengungen unternommen, um neue Techniken zu entwickeln, die
eine Stärkung
dieser Grenzfläche
ermöglichen,
um damit die Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration zu erhöhen.
Beispielsweise ist in
WO 02/050882 ,
McGregor et al, ein Verfahren beschrieben, um eine Kupferlegierung
durch Abscheiden einer Dotierstoffschicht über einer Kupferleitung zu
bilden, wobei dann die Dotierstoffe in die Leitung getrieben werden.
In alternativen Verfahren wird ein Dotierstoff in die Kupferleitung
mittels Ionenimplantation eingebracht oder das Dotierstoffmaterial
wird in die Kupfersaatschicht eingeführt und wird in das Kupfer nach
dem Abscheiden des Hauptanteils des Kupfers getrieben. Während die
ersten beiden Verfahren die Herstellung einer Kupferlegierung in
der Nähe
der Grenzfläche
zu der Ätzstoppschicht
ermöglichen, was
Elektromigrationseffekte verringern kann, kann die zuletzt genannte
Alternative eine beträchtliche Menge
der Kupferlegierung über
die gesamte Kupferleitung hinweg erzeugen. Während die zuerst genannten
Alternativen zusätzliche
Prozessschritte erfordern, wodurch jedoch die vorgeschlagene Vorgehensweise
kostenintensiv und weniger zuverlässig wird, kann die zuletzt
genannte Alternative zu einem erhöhten elektrischen Widerstand
der Kupferleitung auf Grund des Vorhandenseins einer moderat großen Menge
an Kupferlegierung, die einen deutlich höheren elektrischen Widerstand
im Vergleich zu reinem Kupfer aufweist, beitragen.
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Die
Patentschrift
US 6
309 959 B1 offenbart das Bilden einer selbstausrichtenden
Passivierung für
Verbindungsleitungen, um die Elektromigration zu minimieren. Eine
Verbindungsleitung wird mittels einer kupferenthaltenden Saatschicht
und einer kupferenthaltenden Volumenschicht gebildet, wobei zumindest
eine der kupferenthaltenden Schichten einen Legierungsdotierstoff
aufweist, der nachfolgend an der Deckfläche der Volumenschicht "abgesondert" wird, um eine intermetallische
Verbindung zwischen der leitenden Füllung und ei nem Passivierungsmaterial,
das über
der leitenden Füllung
gebildet wird, zu formen. Die Dotierstoffkonzentration in den kupferenthaltenden
Schichten muss deshalb höher
sein als an der Deckflächengrenzschicht
damit eine Diffusion der Dotierstoffe zur Grenzschicht stattfindet.
Ein Ausheizprozess wird durchgeführt,
um die Saatschicht und die Volumenschicht in eine Einkornstruktur
zu rekristallisieren. Dabei wird auch der Legierungsdotierstoff "abgesondert".
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Die
Patentschrift
US 6 130
161 A offenbart ein Verfahren zum Bilden von Kupferverbindungsleitungen
mit verbesserten Elektromigrationseigenschaften. Die obere Oberfläche der
Verbindungsleitung kann durch eine Kupferintermetallverbindung bedeckt
sein, die durch Abscheiden einer Deckschicht aus einem intermetallische
Verbindungen bildenden Element (z. B. Hafnium, Lanthan, Zirkonium, Titan
oder Zinn) und durch eine abschließende Wärmebehandlung gebildet wird.
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Die
Patentschrift
US 6
268 291 B1 offenbart ein Verfahren zum Bilden von elektromigrationsresistenten
Strukturen durch Einbringen von Dotierstoffen in eine Saatschicht.
Die Dotierstoffe können
direkt in die Saatschicht implantiert werden oder unter Anwenden
einer Wärmebehandlung
durch Diffusion in die Saatschicht eingebracht werden.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Probleme besteht dennoch ein Bedarf für eine Technik,
die eine Verringerung der Elektromigration in Kupferverbindungsstrukturen
ermöglicht,
ohne in unangemessener Weise die Herstellungskosten zu erhöhen und die
elektrische Leitfähigkeit
der Metallverbindung zu beeinflussen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik,
die es ermöglicht,
ein Dotierstoffmaterial, das mit Kupfer eine Legierung bildet, an
einer schwachen Grenzfläche
anzuordnen, d. h. an einer Grenzfläche, die eine geringere Aktivierungsenergie
für den
belastungsinduzierten Materialtransport erfordert, um damit diese
Grenzfläche
gegen den belastungsinduzierten Materialtransport, etwa die Elektromigration,
widerstandsfähiger
zu machen. Das legierungsbildende Element kann vor dem Abscheiden
von Kupfer abgeschieden werden und kann zu der Grenzfläche durch
einen thermisch induzierten Diffusionsprozess gebracht werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 14
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 gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird;
es zeigen:
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1a bis 1f schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements mit einer Verbindungsleitung
auf Kupferbasis, wobei eine Kupferlegierung an einer Grenzfläche ausgebildet
ist, während
diverser Herstellungsschritte entsprechend anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
offenbarten anschaulichen Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem Konzept, dass ein Dotierstoffmaterial,
beispielsweise Aluminium, das eine Legierung mit Kupfer bildet,
vor dem Abscheiden des Kupfers bereitgestellt werden kann und dann
in Richtung auf eine schwache Grenzfläche mittels eines Diffusionsprozesses
geführt
werden kann, wobei vorteilhafterweise eine höchst nicht-konforme Verteilung des legierungsbildenden Elements
innerhalb des Kupfers auftritt. Ohne die vorliegende Erfindung auf
die folgende Erläuterung einschränken zu
wollen, wird angenommen – und jüngere Messungen,
die von den Erfindern ausgeführt
wurden, scheinen dies zu bestätigen – dass der Diffusionsprozess
eines legierungsbildenden Elements im Wesentlichen innerhalb von
Korngrenzgebieten stattfindet, während
die Konzentration der Legierung innerhalb der Kupferkristallkörner deutlich geringer
ist. Durch in Gang setzen eines Diffusionsprozesses bei einer Temperatur,
die ausreicht, um eine erhöhte
Mobilität
des legierungsbildenden Elements hervorzurufen, wird folglich die
Gesamtkonzentration des Dotierstoffmaterials innerhalb der Legierung
des Kupferhauptanteils auf einem relativ geringen Pegel gehalten,
wobei ein effizienter Diffusionsweg zu schwachen Grenzflächen durch
die Korngrenzen bereitgestellt wird. Somit wird eine Kupfer/Dotierstofflegierung
vorzugsweise an der schwachen Grenzfläche gebildet, wodurch die Elektromigration
und andere belastungsinduzierte Materialtransporteffekte deutlich
modifiziert werden. Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen wird
nun das grundlegende Konzept mittels weiterer anschaulicher Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 während eines
moderat fortgeschrittenen Herstellungsstadiums. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst
ein Substrat 101, das ein beliebiges Substrat repräsentieren kann,
das zur Herstellung von Halbleiterbauelementen darauf geeignet ist.
Zum Beispiel kann das Substrat 101 ein Halbleitersubstrat,
ein isolierendes Substrat mit einem darauf ausgebildeten kristallinen Halbleitergebiet,
etwa ein kristallines Siliziumgebiet und dergleichen, sein. Typischerweise
kann das Substrat 101 einen Träger repräsentieren, der darauf eine
große
Anzahl von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren,
Widerstände,
und dergleichen ausgebildet aufweist, wie sie für integrierte Schaltungen erforderlich
sind. Diese Schaltungselemente können
elektrisch entsprechend dem Schaltungskonzept mittels einer oder
mehrerer Metallisierungsschichten verbunden sein, wobei der Einfachheit
halber die Herstellung einer einzelnen Metallisierungsschicht mit
einer einzelnen Metallleitung hierin beschrieben ist. Es ist jedoch
leicht zu erkennen, dass das Konzept zur Herstellung einer Kupferlegierung
in einer Verbindungsleitung oder Durchkontaktierung und das Ausnutzen
der erhöhten
Diffusionsaktivität
von legierungsbildenden Elementen innerhalb von Kupferkorngrenzgebieten
auch auf eine beliebige komplexe Bauteilkonfiguration angewendet werden
kann, die eine Vielzahl von Metallisierungsschichten und eine große Anzahl
von Verbindungsleitungen und Durchkontaktierungen aufweist. Obwohl ferner
die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft für äußerst größenreduzierte
Halbleiterbauelemente ist, da hier, wie zuvor erläutert ist,
moderat hohe Stromdichten für
gewöhnlich
während
des Betriebs des Bauelements anzutreffen sind, ist die vorliegende
Erfindung aber auch für
moderat größenreduzierte
Bauteile anwendbar und vorteilhaft auf Grund der deutlich erhöhten Zuverlässigkeit
und Lebensdauer, die durch das weitere Verringern der Elektromigration
und anderer belastungsinduzierter Materialtransportphänomene erreichbar
ist.
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Das
Halbleiterbauelement 100 umfasst ferner eine erste Ätzstoppschicht 103,
die beispielsweise aus Siliziumnitrid, Stickstoff angereichertes
Siliziumkarbid und dergleichen hergestellt ist, die verwendet werden
kann bei der Herstellung von Durchkontaktierungen (nicht gezeigt)
zu einem darunter liegenden Schaltungselement oder einer darunter
liegenden Metallisierungsschicht (nicht gezeigt). Eine dielektrische
Schicht 102, die auch als Zwischenschichtdielektrikum bezeichnet
wird, ist über
der Ätzstoppschicht 103 gebildet
und kann ein beliebiges geeignetes Material aufweisen, etwa Siliziumdioxid
oder dielektrische Materialien mit einer kleinen dielektrischen
Konstante, wie dies typischerweise in modernen Halbleiterbauelementen
erforderlich ist, um die parasitäre
Kapazität
zwischen benachbarten Metallleitungen zu reduzieren. Ein Graben 104 ist
in der dielektrischen Schicht 102 ausgebildet und besitzt
Abmessungen, d. h. eine Breite (in 1a die
horizontale Richtung), eine Tiefe (die vertikale Richtung) und eine
Länge (die
Abmessung senkrecht zur Zeichenebene der 1)
entsprechend den Entwurfserfordernissen. Eine untere Fläche 104b,
oder zumindest Teile davon, und Seitenwandflächen 104a des Grabens 104 sind
von einer leitenden Barrierenschicht 105 bedeckt, die ein
Material aufweist, das deutlich eine Diffusion von Kupferatome in
die dielektrische Schicht 102 unterdrückt. Die Barrierenschicht 105 kann
beispielsweise Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid, Wolfram,
Wolframnitrid, Silizium, Kobalt oder Verbindungen davon aufweist.
In einer speziellen Ausführungsform
umfasst die Barrierenschicht 105 zusätzlich ein Dotierstoffmaterial,
das bei Kombination mit Kupfer eine Legierung bildet. Zum Beispiel
kann das Dotierstoffmaterial Zinn, Magnesium, Kobalt und dergleichen
aufweisen. In einer speziellen Ausführungsform weist die Barrierenschicht 105 Aluminium
als das Dotierstoffmaterial auf. Das Dotierstoffmaterial kann in
die Barrierenschicht 105 oder spezifizierte Bereiche davon
in einer Menge von ungefähr
1 bis 100 Atomprozent eingebaut sein, während in anderen Ausführungsformen
der Anteil im Bereich von ungefähr
1 bis 30 Atomprozent liegen kann. Es sollte beachtet werden, dass
die zuvor spezifizierten Bereiche für die Dotierstoffkonzentration
sich auf die obere Fläche 105c der
Barrierenschicht 105 beziehen, und die Konzentration des
Dotierstoffmaterials kann über die
Dicke der Barrierenschicht 105 hinweg variieren, wobei
vorteilhafterweise die Spitzenkonzentration an oder in der Nähe der oberen
Fläche 105c liegt.
Sofern dies nicht anderweitig spezifiziert ist, soll somit eine
Bezugnahme auf die Dotierstoffkonzentration der Barrierenschicht 105,
unabhängig
davon, ob die Schicht 105 als eine einzelne Schicht oder
ein Stapel aus mehreren Teilschicht betrachtet wird, wie dies später beschrieben
ist, auf die Dotierstoffkonzentration beziehen, die an der obersten
Fläche
der Barrierenschicht 105 vorherrscht. Es sollte beachtet
werden, dass beliebige Positionsangaben, etwa obere, untere, über, unter
und dergleichen relativ zu dem Substrat 101 zu sehen sind.
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In
einer Ausführungsform
kann das Dotierstoffmaterial, etwa das Aluminium im Wesentlichen auf
eine Tiefe von ungefähr
0 bis 15 Angstrom in Bezug auf die Oberfläche 105c beschränkt sein.
In anderen Ausführungsformen
kann die Barrierenschicht 105 im Wesentlichen kein Dotierstoffmaterial
aufweisen, das dann in einer zusätzlichen
Schicht bereitgestellt werden kann, die trotzdem als eine Teilschicht der
Barrierenschicht 105 betrachtet werden kann, wie dies mit
Bezug zu 1b beschrieben ist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100,
wie es in 1a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse aufweisen. Nach Fertigstellung von Schaltungselementen,
die in dem Substrat 101 angeordnet sind, wird die Oberfläche des
Substrats 101 eingeebnet, beispielsweise durch Bereitstellen
einer dielektrischen Schicht (nicht gezeigt) und durch das Ausführen eines
chemisch-mechanischen Polierprozesses (CMP). Daraufhin wird die
erste Ätzstoppschicht 103 beispielsweise
durch gut etablierte plasmaunterstützte chemische Dampfabscheideprozesse
(CVD) aufgebracht. Anschließend
wird die dielektrische Schicht 102 durch eine beliebige
geeignete Technik gebildet, die von der Materialzusammensetzung
und der erforderlichen Struktur für die Schicht 102 abhängt. Beispielsweise
können
Siliziumdioxid und gewisse Materialien mit kleinem ε, die auf
Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff basieren, etwa SiCOH, durch
gut etablierte plasmaunterstützte
CVD-Techniken abgeschieden werden. Andere Materialien mit kleinem ε erfordern moderne
Aufschleudertechniken, um die Schicht 102 mit der erforderlichen
Dicke zu bilden. Danach wird der Graben 104 mittels moderner
und gut etablierter Photolithographie- und anisotroper Ätzverfahren
hergestellt, wobei, abhängig
von der Prozessstrategie, entsprechende Durchkontaktierungen (nicht
gezeigt) vor oder nach der Herstellung des Grabens 104 gebildet
werden können.
Anschließend
wird die Barrierenschicht 105 gebildet, wobei in Ausführungsformen,
die das Einbringen eines Dotierstoffmaterials zumindest in den Oberflächenbereich 105c der
Barrierenschicht 105 erfordern, die angewendeten Abscheideverfahren
entsprechend so modifiziert werden, um den Einbau eines gewünschten
Dotierstoffmaterials zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform weist
die Barrierenschicht 105 im Wesentlichen Tantal mit einem
Dotierstoffmaterial zumindest an der Oberfläche 105c, etwa Aluminium
mit dem zuvor genannten Prozentanteil, auf. Die Barrierenschicht 105 kann
dann durch etablierte Sputter-Abscheidetechniken gebildet werden,
wobei in einer Ausführungsform die
Sputter-Anlage so modifiziert sein kann, dass diese ein Aluminiumtarget
oder ein kombiniertes Tantal- und Aluminiumtarget enthält, um die
gleichzeitige Abscheidung von Tantal und Aluminium zu ermöglichen, oder
um eine nacheinander erfolgende Abscheidung von Tantal und Aluminium
zu ermöglichen.
Dabei kann das entsprechende Vorbereiten und/oder Aktivieren der
entsprechenden Metalltargeteinheiten zur Steuerung des Anteils des
Dotierstoffmaterials und dessen Position innerhalb der Barrierenschicht 105 ausgenutzt
werden. Wenn z. B. das Dotierstoffmaterial im Wesentlichen auf die
Oberfläche 105c zu
beschränken
ist, kann das Aluminiumtarget während
einer Schlußphase
des Abscheideprozesses aktiviert werden. In anderen Ausführungsformen
kann das Substrat 101 von einer Prozesskammer in eine weitere
Prozesskammer transportiert werden, um das Dotierstoffmaterial in
gewünschter
Menge in die Barrierenschicht 105 einzubauen.
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In
anderen Ausführungsformen
wird die Barrierenschicht 105 durch eine chemische Dampfabscheidung
gebildet, wobei die Abscheideatmosphäre entsprechend so modifiziert
werden kann, um eine gewünschtes
Dotierstoffmaterial einzubauen. Z. B. sind chemische Dampfabscheideprozesse
für Titan, Titannitrid,
Aluminium und dergleichen im Stand der Technik gut bekannt und können in
der vorliegenden Erfindung wirksam angewendet werden, um die Barrierenschicht 105 mit
einem gewünschten
Anteil an Dotierstoffmaterial zu bilden.
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In
anderen Ausführungsformen,
die das zuverlässige
Abscheiden des Barrierenmaterials in dem Graben 104, der
extrem reduzierte Abmessungen und ein hohes Aspektverhältnis aufweisen
kann, erfordern, kann die sogenannte Atomlagenabscheidung (ALD)
als geeignet erachtet werden, um die Barrierenschicht 105 herzustellen.
Die Atomlagenabscheidung ist ein selbstbegrenzender Prozess, in dem
eine Monoschicht nach der anderen in höchst konformer und gesteuerter
Weise abgeschieden wird. Z. B. sind entsprechende Techniken für Tantal und
Tantalnitrid gut etabliert, so dass äußerst dünne Barrierenschichten mit
einer ausgezeichneten Stufenabdeckung gebildet werden können. Ein
Dotierstoffmaterial, etwa Aluminium, kann dann in die Barrierenschicht 105 durch
entsprechendes Modifizieren der Atomlagenabscheidung eingebracht
werden, oder durch nachfolgendes Einbringen der Barrierenschicht 105 in
eine entsprechende Abscheideatmosphäre, um das Dotierstoffmaterial
auf oder in der Barrierenschicht 105 abzuscheiden oder
in diese einzubauen. Dabei ist es nicht kritisch, dass das Dotierstoffmaterial
in zuverlässiger
Weise die gesamten inneren Oberflächen des Grabens 104 abdeckt,
solange ausreichend Dotierstoffmaterial für einen nachfolgenden Diffusionsprozess
vorhanden ist.
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Es
sollte beachtet werden, dass eine Kombination zweier oder mehrerer
der zuvor beschriebenen Abscheidetechniken angewendet werden kann, wenn
eine äußerst komplexe
Barrierenschichtkonfiguration erforderlich ist. Des weiteren kann
das Dotierstoffmaterial auch in die Barrierenschicht 105 durch
Ionenimplantation oder mittels einer Plasmaatmosphäre, die
das Dotierstoffmaterial oder ein Vorstufenmaterial davon enthält, eingebracht
werden kann.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 entsprechend einer
weiteren Alternative. In dieser Ausführungsform weist die Barrierenschicht 105 zwei
oder mehr Teilschichten, die beispielsweise als die Teilschichten 105a und 105b gezeigt
sind, auf, die eine unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen
können,
um damit das Verhalten der Barrierenschicht 105 zu verbessern. Beispielsweise
kann die Teilschicht 105a aus einem Material aufgebaut
sein, das in wirksamer Weise eine Diffusion von Kupfer und die Diffusion
eines Dotierstoffmaterials, etwa Aluminium, in die dielektrische Schicht 102 unterdrückt, wobei
das Dotierstoffmaterial in größeren Mengen
in der Teilschicht 105b vorhanden ist. Z. B. kann die Teilschicht 105a aus
Tantalnitrid aufgebaut sein, wohingegen die Teilschicht 105b aus
einer Tantal/Aluminiumlegierung oder einer anderen geeigneten Barrierenmaterial/Dotierstoffmaterial-Legierung
aufgebaut sein kann. In anderen Ausführungsformen kann die Teilschicht 105a mehrere
Schichten repräsentieren,
die die erforderliche diffusionsblockierende Wirkung bereitstellen,
während
die Teilschicht 105b eine oder mehrere Schichten repräsentieren
kann, die als Dotierstoffspeiseschicht für den Diffusionsprozess, der
später
durchzuführen
ist, dienen.
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In
einer Ausführungsform
kann die Teilschicht 105b das Dotierstoffmaterial in Form
eines katalytischen Materials enthalten, oder kann katalytisches
Material zusätzlich
aufweisen, das in der Lage ist, eine elektrochemische Abscheidung
von Kupfer in einem nachfolgenden Herstellungsprozess für eine Kupfersaatschicht
in Gang zu setzen. Z. B. kann die Teilschicht 105b Kobalt
aufweisen, das als ein legierungsbildendes Element und als ein katalytisches Material
dient, und/oder die Teilschicht 105b kann zusätzlich Platin,
Palladium und dergleichen aufweisen, die in wirksamer Weise eine
Kupferabscheidung in einem stromlosen Plattierungsprozess beschleunigen.
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Die
Teilschichten 105a und 105b können durch eine beliebige Technik
der zuvor mit Bezug zu 1a beschriebenen Abscheidetechniken
gebildet werden, wobei ein gemeinsamer Abscheideprozess, d. h. ein
Abscheideprozess ohne Unterbrechung des Vakuums während des
Prozesses, angewendet werden kann, oder wobei eine Sequenz aus nachfolgenden
Abscheideschritten, wobei möglicherweise
unterschiedliche Abscheidetechniken angewendet werden, ausgeführt werden
kann. Wie zuvor mit Bezug zu 1a dargelegt
ist, können
die Anforderungen in Hinblick auf die Stufenabdeckung der Teilschicht 105b weniger
kritisch im Vergleich zu der Teilschicht 105a sein, da
die Teilschicht 105b lediglich als eine speisende und optional
als eine katalytische Materialschicht für nachfolgende Prozesse dient.
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In
der weiteren Beschreibung wird auf die Barrierenschicht 105 Bezug
genommen, wobei zu Bedenken ist, dass eine einzelne Schicht oder
ein Schichtstapel gemeint sein kann, wobei nicht notwendigerweise
alle Schichten effiziente kupferblockierende Materialien sein müssen.
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1c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 mit einer darauf
ausgebildeten Kupfersaatschicht 106. Wie zuvor dargelegt
ist, kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch physikalische
und chemische Dampfabscheidetechniken aufgebracht werden und daher
wird in einer anschaulichen Ausführungsform
der Hauptanteil des Kupfers mittels elektrochemischer Plattierungstechniken
aufgebracht, wobei das Elektroplattieren gegenwärtig die bevorzugte Technik
ist, da diese es gegenwärtig
ermöglicht,
Kupfer von unten nach oben selbst in Gräben und Durchkontaktierungen
mit hohem Aspektverhältnis
im Wesentlichen ohne Hohlräume
zuverlässig
einzufüllen.
Das Elektroplattieren erfordert es typischerweise, aber nicht notwendigerweise,
dass eine Saatschicht bereitgestellt wird, um eine effektive anfängliche
Materialabscheidung in Gang zu setzen und zudem eine wirksame Stromverteilung über das Substrat 101 hinweg
bereitzustellen. Daher wird die Kupfersaatschicht 106 abgeschieden – häufig durch Sputter-Abscheidung – mit einer
Dicke von mehreren zig Angstrom bis mehreren hundert Angstrom.
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Wie
zuvor erläutert
ist, kann es in einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung vorteilhaft sein hinsichtlich der Konformtreue,
der Effizienz und der Kristallstruktur der Saatschicht 106,
ein stromloses Plattierungsverfahren anzuwenden, wobei die anfängliche
Materialabscheidung durch ein katalytisches Material, das in die
Barrierenschicht 105 eingebaut ist, oder das in Form einer
separaten Schicht, etwa der Teilschicht 105b bereitgestellt
ist, in Gang gesetzt wird. Somit kann das katalytische Material
zusätzlich
zu dem legierungsbildenden Dotierstoffmaterial bereitgestellt werden,
oder das legierungsbildende Dotierstoffmaterial kann so ausgewählt werden,
um gleichzeitig als ein katalytisches Material zu dienen. Geeignete
Kandidaten für
derartige katalytische/legierungsbildende Materialien sind Kobalt,
Platin, Palladium.
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1d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 mit einer Kupferschicht 107,
die über dem
Substrat 101 gebildet ist. Die Kupferschicht 107 kann
durch Elektroplattieren oder stromloses Plattieren hergestellt sein,
wobei Elektroplattieren gegenwärtig
die vorzuziehende Variante ist auf Grund der Möglichkeit, mehrere Prozessparameter
zu beeinflussen, etwa die Signalform des eingeprägten Stromes, die Anordnung
der Anoden und dergleichen, die ein effizientes Gestalten des Abscheideprozesses auf
lokalem und globalem Maßstab
ermöglichen.
D. h., durch geeignetes Auswählen
der Signalform der Treiberströme
und mittels geeignet ausgewählter
Additive kann die Schicht 107 von unten nach oben in dem
Graben 104 mit einer gewissen Mikrostruktur abgeschieden
werden, wobei beispielsweise die Auswahl der Anodenkonfiguration
in dem Elektroplattierungsreaktor die Steuerung der Abscheidegleichförmigkeit
oder Nicht-Gleichförmigkeit über das
gesamte Substrat 101 hinweg ermöglicht. Nach dem Abscheiden
der Kupferschicht 107 wird in einigen Ausführungsformen
das Substrat 101 einer Wärmebehandlung so unterzogen,
um die Mikrostruktur, d. h. die Größe und die Morphologie von
Kristallkörnern innerhalb
der Schicht 107, zu manipulieren. Dazu wird das Substrat 101 einer
erhöhten
Temperatur im Bereich von ungefähr
100°C bis
250°C für eine Zeitdauer
von einigen Minuten bis einige Stunden ausgesetzt, wobei die Temperatur
vorteilhafterweise ausreichend hoch gewählt wird, um die gewünschte Rekonfiguration
der Mikrostruktur zu bewirken, aber dennoch zu niedrig, um merkliche
Mengen des Dotierstoffmaterials von der Schicht 105 in
das Kupfer der Schichten 106 und 107 zu treiben.
Es sollte beachtet werden, dass in 1d die
Schichten 106 und 107 als separate Schichten gezeigt
sind, wohingegen in realen Bauelementen diese Schichten miteinander verschmelzen
können,
insbesondere während
der Wärmebehandlung,
so dass diese Schichten nicht mehr unterscheidbar sind.
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In
anderen Ausführungsformen
wird das Halbleiterbauelement 100 nicht wärmebehandelt während dieser
Phase des Herstellungsprozesses und wird direkt einem Prozess zum
Entfernen von überschüssigem Material
der Schicht 107, der Schicht 106 und der Schicht 105 außerhalb
des Grabens 104 unterzogen, Z. B. einem chemisch-mechanischen
Polierprozess.
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1e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Entfernen
des überschüssigen Materials,
um damit eine im Wesentlichen ebene Oberfläche und eine Metallleitung 107a bereitzustellen,
die aus dem Restkupfer der Schicht 107 und den Barrierenschichten 105 aufgebaut
ist. Die Metallleitung 107a kann mehrere Kristallkörner 108 auf weisen,
die durch Korngrenzgebiete 109 getrennt sind, die ein Gebiet
definieren, in welchem die Kristallorientierung der Metallkörner, d.
h. der Kupferkörpern, sich
von einer Orientierung zu einer anderen ändert.
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Das
Bauelement 100 kann in der gezeigten Weise durch elektrochemisches
Polieren und chemisch-mechanisches Polieren oder lediglich durch chemisch-mechanisches
Polieren entsprechend gut etablierter Prozessrezepte hergestellt
werden. Nach dem Entfernen des überschüssigen Materials
der Schichten 107, 106 und 105 wird das
Substrat 101 in einer Ausführungsform einer weiteren Wärmebehandlung
so unterzogen, um die kristalline Struktur zu erhalten oder zu rekonfigurieren,
die durch die Kristallkörner 108 und
die Korngrenzgebiete 109 repräsentiert ist. Während dieser
Wärmebehandlung kann
auch eine mechanische Spannung oder eine Verformung, die während des
chemisch-mechanischen Polierens erzeugt wurde, verringert oder entfernt
werden, um die gewünschte
Mikrostruktur zu erreichen. In einigen Ausführungsformen wird die Temperatur
während
dieses dem Polieren nachgeschalteten Wärmeprozesses größer gewählt als
in optionalen vorhergehenden Wärmebehandlungen,
so dass während
der Rekonfigurierung der Metallleitung 107a ein gewisser
Anteil des Dotierstoffmaterials von der Barrierenschicht 105 auch
in die Kupferleitung 107a getrieben werden kann. Dies kann
vorteilhaft für Materialzusammensetzungen
und/oder Prozessparameter sein, in denen die zuvor erzeugte Mikrostruktur
des Kupfers nicht wesentlich durch den Polierprozess modifiziert
wird. In anderen Ausführungsformen kann
die Temperatur während
dieser Wärmebehandlung
so gewählt
werden, um im Wesentlichen eine Diffusion von Dotierstoffmaterial
in die Kupferleitung 107a zu vermeiden, wenn eine wesentliche
Rekonfiguratierung der Mikrostruktur nach dem Polieren erforderlich
ist.
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1f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 mit einer zweiten Ätzstoppschicht
oder Deckschicht 110, die auf der dielektrischen Schicht 102 und
auf der Metallleitung 107a so ausgebildet ist, um dazwischen
eine Grenzfläche 110a zu
bilden. Die Ätzstoppschicht 110 kann
aus einer Vielzahl von Materialien, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkohlenstoffnitrid bzw.
Stickstoff angereichertes Siliziumkarbid und dergleichen, aufgebaut
sein, und kann durch eine beliebige geeignete Abscheidetechnik,
etwa gut etablierte plasmaunterstützte CVD-Prozesse hergestellt werden.
Typischerweise wird vor dem Abscheiden der Ätzstoppschicht 110,
die auch als Deckschicht für die
Kupferleitung 107a betrachtet werden kann, das Substrat 101 einem
Reinigungsprozess unterzogen, um Kupferoxide und Verfärbungen zu
entfernen, die sich während
und nach dem Entfernen des überschüssigen Materials
gebildet haben können.
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Wie
zuvor erläutert
ist, wurde die Grenzfläche 110a als
ein Hauptdiffusionsweg für
Kupfer während
des Betriebs der Metallleitung 107a bei erhöhten Stromdichten
und bei erhöhten
Temperaturen, die typischerweise während des Betriebs von modernen
integrierten Schaltungen angetroffen werden, identifiziert. D. h.,
während
des Betriebs kann ein Materialtransportmechanismus entlang der Grenzfläche 110a in
einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene aus 1f beobachtet
werden, woraus sich die Ausbildung von Hohlräumen stromaufwärts und
von Materialansammlungen benachbart zu der Kupferleitung 107a stromabwärts in Bezug
auf die Stromflussrichtung ergibt. Dieser belastungsinduzierte Materialtransport
kann gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
deutlich reduziert werden derart, dass ein Teil des Dotierstoffmaterials
in effizienter Weise der Grenzfläche 110a durch
eine Wärmebehandlung
bei erhöhten
Temperaturen im Bereich von ungefähr 300°C bis 400°C für ungefähr 60 bis 600 Sekunden zugeführt wird,
wobei die Diffusion im Wesentlichen entlang den Korngrenzgebieten 109 stattfindet,
wie dies durch die Pfeile angezeigt ist, während die Diffusion und damit
die Konzentration über
die Kristallkörner
hinweg und in den Körnern 108 deutlich
geringer ist. Die Prozessparameter der Wärmebehandlung zum Treiben des
Dotierstoffmaterials zu der Oberfläche 110a können in Übereinstimmung
mit Prozesserfordernissen ausgewählt
werden. Beispielsweise wird in einigen Ausführungsformen die Dauer und/oder
die Prozesstemperatur so bestimmt, um im Wesentlichen die gleiche
Konzentration des Dotierstoffmaterials in der Nähe der Grenzfläche 110a zu erreichen,
wie sie auch in der Barrierenschicht 105 und in den Korngrenzgebieten 109 vorhanden
ist, wodurch gewissermaßen
ein Gleichgewichtszustand in Bezug auf die Dotierstoffkonzentration
in der speisenden Barrierenschicht 105, den Korngrenzgebieten 109 und
der Grenzfläche 110a erreicht
wird. Andrerseits ist die schließlich erhaltene Konzentration des
Dotierstoffmaterials in den Korngrenzgebieten 109 und an
der Grenzfläche 110a trotz
dieses "Gleichgewichtszustandes" deutlich höher als
die Konzentration in den Kristallkörnern 108 auf Grund der
ausgeprägten
Differenz in der Diffusionsaktivität des Dotierstoffmaterials
in den Korngrenzgebieten 109 und den Kristallkörnern 108.
In anderen Ausführungsformen
kann der Diffusionsprozess in einem Stadium abgebrochen werden,
in welchem die Dotierstoffkonzentration innerhalb der speisenden
Barrierenschicht 105 noch höher als an der Grenzfläche 110a ist,
wodurch ein Diffusionsgradient beibehalten wird, der zu einer weiteren
Dotierstoffdiffusion während
des Betriebs des Bauelements 100 führen kann. Dies gilt insbesondere
für Fälle, in
denen die anfängliche
Dotierstoffkonzentration in der Barrierenschicht 105 moderat
hoch ist, beispielsweise 50 Atomprozent oder mehr, in Bezug auf
das Gesamtmaterial, das die Barrierenschicht 105 bildet,
so dass eine weitere Wärmebehandlung
während
des weiteren Prozessierens des Bauelements 100 oder während seines
Betriebes zu einer Legierungsbildung an der Grenzfläche 110a führen kann.
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Elektromigrationsuntersuchungen,
die von den Erfindern auf der Grundlage von Proben mit einer Metallleitung,
etwa der Metallleitung 107a, durchgeführt wurden, wobei die Barrierenschicht 105 einen Oberflächenbereich
oder eine Teilschicht 105b aufweist, die aus einer Tantalaluminiumlegierung
aufgebaut ist, und wobei die Deckschicht 110 Siliziumnitrid aufweist,
weisen auf eine deutlich ungleichförmige Diffusion hin, und damit
auf eine deutlich ungleichförmige
Dotierstoffkonzentration, die schließlich innerhalb der Metallleitung
erreicht wird, wobei die Dotierstoffkonzentration im Wesentlichen
auf die Barrierenschicht 105 begrenzt ist nach dem Abscheiden
des Kupfers und der Siliziumnitriddeckschicht. Danach wird eine
hohe Dotierstoffkonzentration nach einer entsprechenden Wärmebehandlung,
wie dies beispielsweise schematisch in 1f gezeigt
ist, innerhalb der Korngrenzgebiete 109 und an der Grenzfläche 110a erreicht,
wobei die Aktivierungsenergie an der Grenzfläche 110a erhöht wird,
die zum Hervorrufen eines strominduzierten, durch mechanische Belastung
induzierten oder temperaturinduzierten Kupfertransports entlang
der Grenzfläche 110a erforderlich
ist. Andererseits war die Dotierstoffkonzentration innerhalb der
Kristallkörner 108 deutlich
reduziert, was andeutet, dass eine Aluminiumwanderung bei Temperaturen
in dem oben spezifizierten Bereich durch die Diffusion an den Korngrenzen
anstatt durch die Diffusion innerhalb der Kristallkörner dominiert wird.
Nach dem Betreiben der Testproben bei extrem hohen Stromdichten
von einigen Megaampere/cm2 bei erhöhten Temperaturen
bis zu 200°C
zeigten die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Proben eine deutlich längere Zeitdauer bis zum Ausfall des
Bauelements von mindestens zwei mal der Zeitdauer im Vergleich zu
Kontrollproben, die kein Dotierstoffmaterial in der Barrierenschicht
während
der Herstellung der Proben enthielten. Eine weitere Untersuchung
der entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellten Testproben
nach dem Elektromigrationstest zeigte eine gleichförmigere
Dotierstoffverteilung, ohne dass ein wesentlicher Unterschied in der
Konzentration zwischen den Korngrenzgebieten und den Kristallkörnern vorhanden
war. Es wurde ferner herausgefunden, dass nach einem exzessiven Betrieb
eine Hohlraumausbildung vorzugsweise an Trippelpunkten stattfand,
wie dies beispielsweise in 1f als 111 gezeigt
ist, wodurch angedeutet wird, dass die Grenzfläche 110a, die den Hauptweg
für den
belastungsinduzierten Materialtransport in konventionellen Bauelementen
repräsentiert,
nicht mehr der schwächste
Teil in der Metallleitung ist.
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Entsprechende
Untersuchungen der Verteilung der Dotierstoffe in der Metallleitung 107a können mittels
der Elektronenmikroskopie oder Röntgenstrahlmikroskopie
mit entsprechenden Anlagen ausgeführt werden, die in Halbleiterfabriken
oder in Forschungslaboratorien gut verfügbar sind. Ferner kann auf
der Grundlage dieser Messtechniken eine Vielzahl von Proben vorbereitet
und für
unterschiedliche Prozessbedingungen untersucht werden, d. h. für unterschiedliche
Bedingungen bei der Herstellung der Barrierenschicht 105,
der Kupfersaatschicht 106, der Kupferschicht 107,
für unterschiedliche
Materialarten, die für
die Barrierenschicht 105 und das Dotierstoffmaterial verwendet
werden, sowie für
unterschiedliche Prozessparameter zum Treiben des Dotierstoffmaterials
in Richtung der Grenzfläche 110a. Aus
diesen Messergebnissen kann eine gewünschte Prozessbedingung ausgewählt werden,
die zu einer gewünschten
kristallinen Mikrostruktur und einer Dotierstoffkonzentration an
der Grenzfläche 110a führt, wobei
dennoch das geforderte Leistungsverhalten der Metallleitung erreicht
wird. D. h., es kann eine Prozessbedingung ausgewählt werden,
die ein gewünschtes
Leistungsverhalten für
eine gegebene Leitungsarchitektur in Bezug auf spezifizierte Kriterien,
etwa Lebensdauer, Leitfähigkeit,
Herstellungskosten, und dergleichen liefert. Es sollte beachtet werden,
dass die Messungen zum Auswählen
einer spezifizierten Prozessbedingung nicht notwendigerweise Elektronenmikroskopie
oder Röntgenstrahlmikroskopie
erfordern, sobald zumindest ein anderer Prozessparameter auf der
Grundlage dieser Messtechniken erkannt wurde, der in ausreichender
Weise die Eigenschaften der Metallleitungen kennzeichnet. Auf der
Grundlage der ausgewählten
Prozessbedingung, d. h. auf der Grundlage eines entsprechenden Satzes
von Prozessparametern und Materialzusammensetzungen, werden dann
ein oder mehrere Produktsubstrate hergestellt, wobei Halbleiterbauelemente
mit Kupfer enthaltenden Verbindungsstrukturen erhalten werden, die
einen erhöhten
Widerstand gegenüber
Elektromigration aufweisen, wobei dennoch ein hohes Maß an Kompatibilität zu dem
standardmäßigen Prozessablauf
bewahrt bleibt.
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Es
gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit,
die die Herstellung verbesserter Verbindungsstrukturen auf Kupferbasis
ermöglicht, wobei
die Aktivierungsenergie für
den belastungsinduzierten Materialtransport an Grenzflächen erhöht werden
kann, indem ein Material, das einen geeigneten Dotierstoff enthält, vor
dem Abscheiden des Kupfers gebildet wird, wobei nachfolgend das
Dotierstoffmaterial zu der schwachen Grenzfläche getrieben wird – im Wesentlichen
durch die Korngrenzgebiete – wodurch
moderat hohe Dotierstoffkonzentrationen und damit eine Legierungsbildung
an der Grenzfläche
hervorgerufen wird, wobei eine Gesamtkonzentration des Dotierstoffmaterials
gering bleibt. Entsprechend hergestellte Halbleiterbauelemente mit
der ungleichförmigen
Dotierstoffkonzentration innerhalb der Verbindungsstruktur auf Kupferbasis
zeigen eine deutlich erhöhte
Lebensdauer während
Elektromigrationstestabläufen.
Ferner kann das legierungsbildende Dotierstoffmaterial in einfacher
Weise in die Barrierenschicht in gut etablierte Abscheidetechniken
eingebracht werden, wodurch ein robustes und kosteneffizientes Herstellungsverfahren
bereitgestellt wird.