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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an die Herstellung
integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung
von Metallisierungsschichten mit äußerst leitfähigen Metallen, etwa Kupfer,
die in ein dielektrisches Material eingebettet sind, das eine geringe
Permittivität
aufweist, um damit die Bauteilleistungsfähigkeit zu verbessern.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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In
einer integrierten Schaltung sind eine große Anzahl von Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in oder
auf einem geeigneten Substrat für
gewöhnlich in
einer im Wesentlichen planaren Konfiguration gebildet. Auf Grund
der großen
Anzahl von Schaltungselementen und des erforderlichen komplexen
Verdrahtungsaufbaus der integrierten Schaltungen kann im Allgemeinen
die elektrische Verbindung der einzelnen Schaltungselemente nicht
in der gleichen Ebene realisiert werden, in der die Schaltungselemente
hergestellt sind, sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche „Verdrahtungs-"ebenen erforderlich,
die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten weisen
im Allgemeinen metallenthaltende Leitungen auf, die die elektrische
Verbindung innerhalb der Ebenen ermöglichen, und weisen ferner
eine Vielzahl von Verbindungen zwischen den Ebenen auf, die auch
als Kontaktdurchführungen
bezeichnet werden und die mit einem geeigneten Metall gefüllt sind
und die elektrische Verbindung zwischen benachbarten gestapelten
Metallisierungsschichten ermöglichen, wobei
die metallenthaltenen Leitungen und Kontaktdurchführungen
einfach auch gemeinsam als Verbindung bezeichnet werden.
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Auf
Grund der anhaltenden Reduzierung der Strukturgrößen von Schaltungselementen
in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der
Schaltungselemente pro vorgegebener Chipfläche, d. h. die Packungsdichte,
ebenso an, wodurch ein noch größerer Zuwachs
in der Anzahl der elektrischen Verbindungen erforderlich ist, um
die gewünschte
Schaltungsfunktionalität
zu erreichen. Daher nimmt die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten
für gewöhnlich zu,
wenn die Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche größer wird. Die
Herstellung mehrerer Metallisierungsschichten bringt jedoch äußerst herausfordernde
Probleme mit sich, die zu lösen
sind, etwa die mechanische, thermische und elektrische Zuverlässigkeit
von bis zu 12 gestapelten Metallisierungsschichten, die in technisch
hoch entwickelten Mikroprozessoren auf Aluminiumbasis verwendet
werden. Die Halbleiterhersteller gehen jedoch zunehmend dazu über, das
gut bekannte Metallisierungsmetall Aluminium durch ein Metall zu
ersetzen, das höhere
Stromdichten und damit eine Reduzierung der Abmessungen der Verbindungen
ermöglicht.
Beispielsweise ist Kupfer ein Metall, das im Allgemeinen als aussichtsreicher
Kandidat für
das Ersetzen von Aluminium auf Grund der überlegenen Eigenschaften hinsichtlich
der höheren Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration und dem deutlich geringeren elektrischen Widerstand
im Vergleich zu Aluminium betrachtet wird. Trotz dieser Vorteile
zeigt Kupfer auch eine Anzahl von Nachteilen hinsichtlich der Bearbeitung
und der Handhabung von Kupfer in einer Halbleiterfabrik. Beispielsweise
kann Kupfer nicht effizient in größeren Mengen mittels gut etablierter
Abscheideverfahren, etwa der chemischen Dampfabscheidung (CVD) auf
ein Substrat aufgebracht werden und kann auch nicht in effizienter
Weise durch typisch verwendete anisotrope Ätzprozeduren strukturiert werden.
Daher wird bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit
Kupfer die sogenannte Damaszener-Technik (Einzellagen-
und Duallagentechnik) vorzugsweise angewendet, wobei eine dielektrische
Schicht zunächst
aufgebracht und dann strukturiert wird, so dass diese Gräben und
Kontaktdurchführungen
erhält,
die nachfolgend mit Kupfer gefüllt
werden. Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Verwendung des Kupfers
ist seine Fähigkeit,
gut in vielen dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid, zu
diffundieren, das wiederum ein gut etabliertes und bewährtes dielektrisches
Material bei der Herstellung von integrierten Schaltungen ist.
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Es
ist daher notwendig, ein sogenanntes Barrierenmaterial in Verbindung
mit einer Metallisierung auf Kupferbasis zu verwenden, um im Wesentlichen
eine Diffusion von Kupfer in umgebendes dielektrisches Material
zu vermeiden, da Kupfer dann leicht zu empfindlichen Halbleiterbereichen
wandern kann, wodurch deren Eigenschaften deutlich geändert werden.
Das zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorgesehene
Barrierenmaterial sollte zusätzlich
zu den erforderlichen Barriereneigenschaften eine gute Haftung an
dem dielektrischen Material sowie an dem Kupfer zeigen, um der Verbindung
eine verbesserte mechanische Stabilität zu verleihen; es sollte ferner
einen möglichst
geringen elektrischen Widerstand aufweisen, um nicht unnötig die elektrischen
Eigenschaften der Verbindung zu beeinträchtigen.
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Mit
der zunehmenden Reduzierung der Strukturgrößen von Schaltungselementen
werden auch die Abmessungen der Verbindungen verringert, wodurch
auch eine reduzierte Schichtdicke der Barrierenmaterialien in den
Verbindungen erforderlich ist, um nicht unnötig wertvollen Platz für das eigentliche Metall
zu verbrauchen, das eine wesentlich höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu dem
Barrierenmaterial aufweist. Daher sind komplexe Barrierentechniken erforderlich,
um die Bauteilgrößenreduzierung
weiterhin zu unterstützen,
wobei die Anwendung von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu weiteren Randbedingungen
für die
Barrierenschicht führen, wie
dies für
eine typische Prozesstechnik für
moderne integrierten Schaltungen auf Kupferbasis mit Bezug zu den 1a bis 1c nunmehr
beschrieben wird.
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1a zeigt
eine schematische Querschnittansicht einer Halbleiterstruktur 100 mit
einem Substrat 101, beispielsweise einem Halbleitersubstrat,
das eine Vielzahl von einzelnen Schaltungselementen (nicht gezeigt),
etwa Transistoren, Widerstände,
Kondensatoren und dergleichen, trägt. Das Substrat 101 repräsentiert
ein beliebiges geeignetes Substrat mit oder ohne zusätzliche
Schaltungselemente und kann insbesondere technisch moderne integrierte
Halbleitersubstrate repräsentieren,
die darin Schaltungselemente mit kritischen Strukturgrößen im Bereich
weit unter 1 μm
aufweisen. Eine erste dielektrische Schicht 102 ist über dem
Substrat 101 ausgebildet und enthält ein leitendes Gebiet 104,
beispielsweise ein Verbindungsstrukturelement mit einer Metallleitung 103,
etwa einer Kupferleitung, und einer ersten Barrierenschicht 106,
die aus Tantal aufgebaut ist, und einer zweiten Barrierenschicht 105,
die aus Tantalnitrid aufgebaut ist. Die dielektrische Schicht 102 und
das Verbindungsstrukturelement 104 können eine erste Metallisierungsschicht
repräsentieren. Eine
zweite dielektrische Schicht 107 mit einem dielektrischen
Material mit kleiner Permittivität,
wie es typischerweise zum Erreichen einer reduzierten parasitären Kapazität zwischen
benachbarten Metallleitungen verwendet wird, ist über der
ersten dielektrischen Schicht 102 ausgebildet und besitzt
darin einen Graben 109 und eine Kontaktdurchführung 108, die
eine Verbindung zu der Metallleitung 103 herstellt. Eine
erste Barrierenschicht 110 ist an inneren Oberflächen der
Kontaktdurchführung 108 und
dem Graben 109 gebildet.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Metallisierungsstruktur 100,
wie sie in 1a gezeigt ist, kann die folgenden
Schritte umfassen, wobei der Einfachheit halber lediglich die Herstellung der
zweiten Metallisierungsschicht, d. h. der zweiten dielektrischen
Schicht 107 und des darin zu bildenden Metallverbindungsstrukturelements,
detaillierter beschrieben wird, da die Prozesse zur Herstellung des
Verbindungsstrukturelements 104 in der ersten dielektrischen
Schicht 102 im Wesentlichen die gleichen Prozessschritte
enthalten kann. Nach dem Einebnen der dielektrischen Schicht 102 mit
dem Verbindungsstrukturelement 104 wird die dielektrische Schicht 107 durch
gut bekannte Abscheideverfahren, etwa plasmaunterstütztes CVD,
Aufschleuder-Techniken, und dergleichen aufgebracht, wobei typischerweise
eine Ätzstoppschicht
(nicht gezeigt) vor der Bildung der zweiten dielektrischen Schicht 107 abgeschieden
werden kann. Nachfolgend wird die dielektrische Schicht 107 durch
gut bekannte Photolithographie- und anisotrope Ätztechniken strukturiert, wobei
eine dazwischenliegende Ätzstoppschicht (nicht
gezeigt) bei der Strukturierung des Grabens 109 verwendet
werden kann. Es sollte betont werden, dass unterschiedliche Lösungsansätze bei
der Herstellung des Grabens 109 und der Kontaktdurchführung 108 verwendet
werden können,
etwa ein sogenannter „Kontaktdurchführung-zuerst-Graben-zuletzt"-Ansatz, oder ein „Graben-zuerst-Kontaktdurchführung-zuletzt"-Ansatz wobei in
der zuerst genannten Vorgehensweise die Kontaktdurchführung 108 vor
der Herstellung des Grabens 109 mit Metall gefüllt werden
kann. In dem vorliegenden Beispiel wird eine sogenannte duale Damaszener-Technik
beschrieben, in der der Graben 109 und die Kontaktdurchführung 108 gleichzeitig
mit Metall gefüllt
werden. Nach der Herstellung der Kontaktdurchführung 108 und des
Grabens 109 wird die erste Barrierenschicht 110,
die beispielsweise aus Tantalnitrid aufgebaut ist, durch moderne
physikalische Dampfabscheidungstechniken (PVD) oder ionisierte PVD
(IPVD) Techniken für
weniger kritische Anwendungen, d. h. für Bauteile, die eine Schichtdicke
von 20 bis 50 nm erfordern, abgeschieden. Im Allgemeinen erfordert
das Abscheiden der dünnen
Barrierenschicht 110 typischerweise mit einer Dicke in
dem oben genannten Bereich in zuverlässiger Weise über die
gesamten inneren Oberflächen
des Grabens 109 und der Kontaktdurchführung 108 hinweg,
wobei insbesondere die Kontaktdurchführung 108 ein großes Aspektverhältnis aufweisen
kann, modernste Sputter-Anlagen, die eine wirksame Steuerung der
Richtungsabhängigkeit
der Metall- bzw. Targetatome ermöglichen.
Im Allgemeinen ist es wünschenswert, die
Abscheideparameter so zu wählen,
dass eine zuverlässige
Bedeckung der Seitenwände
und der Unterseitenflächen
des Grabens 109 und der Kontaktdurchführung 108 bei einer
minimalen Dicke der Schicht 110 erreicht wird, so dass
lediglich ein minimaler Anteil an Platz durch die Schicht 110 „verbraucht" wird. Eine Zunahme
der Dicke der Barrierenschicht 110 würde ansonsten die elektrische
Leitfähigkeit
der Verbindung, die mittels der Kontaktdurchführung 108 und dem
Graben 109 herzustellen ist, beeinträchtigen, insbesondere, wenn
die Strukturgrößen der
Kontaktdurchführung 108 auf
0.2 μm und
kleiner bemessen werden.
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In
sehr modernen Bauteilen, in denen eine Barrierenschichtdicke von
ungefähr
10 nm oder sogar weniger erforderlich ist, bieten diese Verfahren unter
Umständen
die erforderliche Seitenwandabdeckung nicht, insbesondere auf Grund
der Tatsache, dass viele der verwendeten dielektrischen Materialien
mit kleinem ε eine
poröse
Struktur aufweisen, was daher zu der Ausbildung von Öffnungen
an den Seitenwänden
der Kontaktdurchführung 108 und
an den Seitenwänden
und der Unterseite des Grabens 109 führen kann. Die somit entstehende „Topographie" muss daher auch
zuverlässig
von der Barrierenschicht 110 bedeckt werden. Die modernen
Sputter-Technologien, die typischerweise für Barrierenschichten auf Tantalbasis
verwendet werden, können daher
unter Umständen
nicht mit der gewünschten Effizienz
angewendet werden, da diese Verfahren von Natur aus äußerst richtungsgebunden
sind und daher nicht die Fähigkeit
bieten, in effizienter Weise Hohlräume an Seitenwänden der
Kontaktdurchführung 108 aufzufüllen, ohne
dass dazu eine ungebührlich
große
Gesamtschichtdicke erforderlich wäre. Da CVD-Prozesse, die für sich eine
ausgezeichnete Stufenbedeckung im Vergleich zur PVD-Abscheidung aufweisen,
nicht für
einen akzeptablen Temperaturbereich für Schichten auf Tantalbasis
verfügbar
sind, wurde eine Atomlagenabscheidung (ALD) für Tantalnitrid entwickelt,
um somit äußerst dünne Barrierenschichten
in der Größenordnung
von 2 nm mit der erforderlichen Bedeckung der Seitenwände der
Kontaktdurchführung
bereitzustellen. Somit kann in äußerst größenreduzierten
Halbleiterbauteilen die Barrierenschicht 110 typischerweise
durch ALD mit einer Dicke von beispielsweise 5 nm und weniger hergestellt
werden.
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1b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 mit einer Kupfersaatschicht 112,
die auf der Struktur 100 ausgebildet ist, und mit dem Graben 109 und
der Kontaktdurchführung 108.
Wie zuvor dargelegt ist, kann die Kupfersaatschicht 112 durch Sputter-Abscheidung
aufgebracht werden. Das Vorsehen der Kupfersaatschicht 112 kann
vorteilhaft sein in Hinblick auf die Kristallstruktur des nachfolgend
elektrochemisch abgeschiedenen Kupferhauptanteils im Vergleich zu
einem direkten Aufbringen des Kupfers auf die Barrierenschicht 110.
Die Tantalnitridbarrierenschicht 110 zeigt, wenn diese
durch ALD aufgebracht wurde, obwohl dadurch die gewünschte Bedeckung
und Schichtdicke erreicht wird, eine deutlich reduzierte Benetzbarkeit
für die
Kupfersaatschicht 112 im Vergleich zu einer durch Sputter-Abscheidung
aufgebrachten Tantalnitridschicht. Als Folge davon können Bereiche
oder Defekte 111 entstehen, beispielsweise an kritischen
Stellen innerhalb der Kontaktdurchführung 108, mit einer
verringerten Saatschichtdicke, wodurch die nachfolgende Abscheidung
des Kupfers auf die Halbleiterstruktur 100 durch beispielsweise
Elektroplattieren nachteilig beeinflusst wird.
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1c zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach dem Ende der
Kupferabscheidung und dem nachfolgenden Entfernen von überschüssigen Kupfer
durch beispielsweise chemisch-mechanisches Polieren (CMP). Kupfer 113 ist
in den Graben 109 und die Kontaktdurchführung 108 eingefüllt, wobei
die Bereiche 111 mit nicht ausreichend abgeschiedenen Material
der Kupfersaatschicht zu Unregelmäßigkeiten in dem abgeschiedenen
Kupfer führen
können,
wodurch die Leitfähigkeit
und/oder die Zuverlässigkeit
der Kontaktdurchführung 108 beeinträchtigt wird.
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Die
Patentschrift
US 6 146
517 A offenbart integrierte Schaltungen mit Kupferverbindungsleitungen
mit reduzierter spannungsinduzierter Migration. Vor dem Kupfer kann
eine Schicht aus Titannitrid mittels CVD abgeschieden werden. Zusätzlich zu
der Titannitridschicht kann eine (zuvor oder nachfolgend) abgeschiedene
Tantalschicht eingesetzt werden. Die Titannitridschicht kann eine
Dicke zwischen 25 bis 200 Angstrom aufweisen und besitzt typischerweise eine
Dicke von mindestens 50 Angstrom.
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Die
Patentanmeldung
EP
1 351 291 A2 offenbart eine kupferdotierte Übergangsschicht
zur Reduzierung der Elektromigration in Kupferverbindungsleitungen.
Die kupferdotierte Übergangsschicht
wird auf einer Barrierenschicht, die z. B. Titannitrid aufweisen
kann, gebildet. Die Lebensdauer der Kupferleitungen ist höher, wenn
der elektrische Widerstand der Barrierenschicht geringer ist. Deshalb
werden vorzugsweise Tantalschichten oder Tantal/Tantalnitrid-Schichtstapel
eingesetzt. Die Barrierenschichten können eine Dicke von 1 bis 50
nm aufweisen.
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Angesicht
der oben erkannten Probleme besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte
Barrierenschicht, die das Herstellen einer zuverlässigeren
Metallverbindungsstruktur, insbesondere von Kupferverbindungsstrukturen,
in stark größenreduzierten
Halbleiterbauelementen ermöglicht.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik
zum Herstellen einer leitenden Barrierenschicht für ein Verbindungsstrukturelement,
die eine verbesserte Benetzbarkeit und Abdeckung für ein nachfolgend
abgeschiedenes Metall, etwa Kupfer, bietet, wobei gleichzeitig ein
hoher Durchsatz gewährleistet
ist, und wobei momentan verfügbare
Abscheideanlagen in effizienter Weise verwendet werden können. Dazu
wird eine dünne
Titannitridbeschichtung konform mittels CVD abgeschieden, die zuverlässig Seitenwände von
Kontaktdurchführungen
und Gräben
abdeckt, selbst wenn diese Schicht in Materialien mit kleinem ε und porösen Materialien
gebildet wird, wobei die Beschichtung dann als eine wirksame Benetzungsschicht
für ein
nachfolgendes Material, etwa eine Barrierenschicht auf Tantalbasis
oder ein Metall zur Herstellung von Metallleitungen und Kontakten,
dienen kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Vorrichtung nach
Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 10 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 1c schematisch
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur mit einem Verbindungsstrukturelement,
das in einem dielektrischen Material mit kleinem ε gebildet
ist, wobei Unregelmäßigkeiten
im Metall durch das Vorsehen einer Barrierenschicht mittels ALD
gemäß einem
konventionellen Herstellungsverfahren erzeugt werden können; und
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2a bis 2d schematisch
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur mit einem Verbindungsstrukturelement,
in der eine Barrierenschicht auf der Grundlage einer Titannitridbeschichtung
gebildet wird, die in einer äußerst konformen
Weise an den Seitenwänden
einer Kontaktdurchführung
und von Gräben
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie
zuvor erläutert
ist, kann die reduzierte Benetzbarkeit von äußerst konform durch ALD-Verfahren
abgeschiedener Barrierenschichten auf der Grundlage von Tantal und/oder
Tantalnitrid, wie sie typischerweise für äußerst größenreduzierte Halbleiterbauelemente
mit Kontaktdurchführungen
von Verbindungselementen mit 0.1 μm
Durchmesser und weniger verwendet werden, zu einem verschlechterten
Leistungsverhalten und/oder zu einer reduzieren Zuverlässigkeit
auf Grund der Unregelmäßigkeiten
in der Metallstruktur führen.
Die vorliegende Erfindung stützt
sich auf die Idee, gegenwärtig
gut etablierte und bewährte
Prozesstechniken, etwa die Sputter-Abscheidung von Tantal und Tantalnitrid,
beizubehalten, wobei dennoch die Möglichkeit geboten wird, äußerst dünne Barrierenschichten
herzustellen, wie sie für
moderne Halbleiterbauelemente erforderlich sind. Dazu wird eine äußerst dünne Titannitridbeschichtung
vor dem eigentlichen gewünschten
Barrierenmaterial vorgesehen, das in momentan angewendeten auf Kupfer
basierenden Prozesssequenzen Tantal und/oder Tantalnitrid ist, wobei
die Titannitridbeschichtung, die durch bewährte CVD-Verfahren abgeschieden
wird, als eine Benetzungsschicht für das nachfolgend abgeschiedene
Barrierenmaterial und/oder für
das nachfolgend abgeschiedene Metall dient. Titannitrid mit einer
Dicke von mehreren zig Nanometern (z. B. 50 bis 100 nm) wird intensiv
als ein Barrierenmaterial für
Aluminium und Kupfer und andere Materialien auf Grund der diffusionsbehindernden
Eigenschaften verwendet. Um eine äußerst konforme Titannitridschicht
herzustellen, ist die CVD-Technik das bevorzugte Verfahren, wobei
Titannitrid bei relativ geringen Temperaturen, beispielsweise im
Bereich von 350–450°C, aus organo-metallischen
Vorstufenelementen, etwa Tetrakis-(Dimethylamido) Titan (TDMAT)
oder aus Tetrakis-(Diethylamido)
Titan (TDEAT) abgeschieden werden kann. Die Abscheidung mit diesen Vorstufenelementen führt jedoch
zu einem relativ hohen Widerstand der Titannitridschicht auf Grund
eines hohen Anteils an Verunreinigungen, hauptsächlich Kohlenstoff, die in die
Titannitridschicht eingebaut werden. Aus diesem Grunde wird eine
Plasmabehandlung auf der Grundlage von Stickstoff oder Ammoniak
typischerweise durchgeführt,
um damit in effizienter Weise die Kontaminationsstoffe zu entfernen,
wodurch die Leitfähigkeit
der Titannitridschicht verbessert wird. Auf Grund der Plasmabehandlung
kann die Dicke der Titannitridschicht um ungefähr 40% der Dicke nach dem Abscheiden
reduziert werden, wobei die Dickenverringerung im Wesentlichen an
horizontalen Oberflächenbereichen
auftritt, etwa der Unterseite von Kontaktdurchführungen und Gräben, da
die Plasmabehandlung ein im Wesentlichen richtungsabhängiger Prozess
ist. Da das Entfernen von Kontaminationsstoffen und die Dickenreduzierung
an Seitenwänden
an Kontaktdurchführungen
deutlich weniger effizient ist, ist diese konventionelle Vorgehensweise wenig
wünschenswert
für äußerst größenreduzierte Bauteile,
die äußerst leitfähige und
dünne Barrierenschichten
an den Seitenwänden
von Kontaktdurchführungen
mit großem
Aspektverhältnis
erfordern.
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Anders
als bei dem konventionellen Titannitridabscheidverfahren beruht
die vorliegende Erfindung auf dem Konzept, eine äußerst dünne aber äußerst konforme Titannitridbeschichtung
vorzusehen, die sogar beliebige Hohlräume, die in porösen Materialien
innerhalb von Gräben
und Kontaktdurchführungen
ausgebildet sind, zuverlässig
abdecken kann und die dann ein gewünschtes Barrierenmaterial aufnimmt,
etwa Tantal und/oder Tantalnitrid in einer Form, die ein effizientes
Abscheiden des nachfolgenden Metalls, etwa des Kupfers, ermöglicht.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2d werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 200 mit
einem Verbindungsstrukturelement 250, das durch einen Graben 209 und
eine Kontaktdurchführung 208 repräsentiert sein
kann. Das Verbindungsstrukturelement 250 ist in einer Schicht
aus dielektrischem Material 207 gebildet, das in speziellen
Ausführungsformen
ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist. In diesem Zusammenhang
kann ein dielektrisches Material als ein Material mit kleiner dielektrischer
Konstante ε betrachtet
werden, wenn deren Wert 3.0 oder weniger beträgt. Zu typischen dielektrischen
Materialien mit kleinem ε können gehören SiCOH,
HSQ, MSQ, und andere organische Polymermaterialien. Typischerweise
können
einige oder alle dieser Materialien in einer im Wesentlichen porösen Struktur
bereitgestellt werden, so dass Hohlräume 211 in dem Graben 209 und
in der Kontaktdurchführung 208,
beispielsweise an deren Seitenwänden 208a bzw. 209a,
gebildet sein können.
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung besonders
vorteilhaft ist im Zusammenhang mit dielektrischen Materialien mit
kleinem ε und
insbesondere im Zusammenhang mit porösen dielektrischen Materialien
mit kleinem ε,
wobei jedoch die vorliegende Erfindung auf ein beliebiges dielektrisches
Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen angewendet
werden kann, wenn dies geeignet erscheint. Die dielektrische Schicht 207 ist über einem
Substrat 201 gebildet, das ein beliebiges geeignetes Substrat
sein kann, das weitere Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen,
trägt,
die der Einfachheit halber in 2a nicht
gezeigt sind. Das Substrat 201 weist ein leitendes Gebiet 204 auf,
das darauf gebildet ist und das in einer dielektrischen Schicht 202 angeordnet ist,
wobei das leitende Gebiet 204 ein Verbindungsstrukturelement
einer tiefer liegenden Metallisierungsschicht repräsentieren
kann oder ein Kontaktgebiet eines Schaltungselements, etwa eines
Transistors und dergleichen, repräsentieren kann. D. h. also,
die Kontaktdurchführung 208 ist
mit ihrem unteren Bereich 208b mit dem leitendem Gebiet 204 verbunden,
um damit nach der Vollendung des Verbindungsstrukturelements 250 eine
elektrische Verbindung von dem leitenden Gebiet 204 zu
dem Graben 209 herzustellen. Es sollte beachtet werden,
dass das Verbindungsstrukturelement 250 lediglich anschaulicher
Natur ist und die vorliegende Erfindung in einfacher Weise auf andere
Konfigurationen von Verbindungsstrukturelementen, etwa einzelne
Kontaktdurchführungen
oder einzelne Gräben
und dergleichen, anwendbar ist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 200,
wie sie in 2a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Nach dem Herstellen des leitenden Gebiets 204 und
der dielektrischen Schicht 202 auf dem Substrat 201,
was durch gut etablierte Prozessverfahren bewerkstelligt werden
kann, wird die dielektrische Schicht 207 beispielsweise
durch chemische Dampfabscheide- und/oder Aufschleuderverfahren in ähnlicher
Weise aufgebracht, wie dies bereits detailliert mit Bezug zu 1a erläutert ist.
Danach wird das Verbindungsstrukturelement 250 durch fortschrittliche
Lithographie- und
modernste Ätzverfahren
strukturiert, wie dies auch mit Bezug zu 1a beschrieben
ist. Anschließend
wird die Titannitridbeschichtung 210 mittels chemischer
Dampfabscheidung gebildet, wobei Prozessparameter so gesteuert werden,
um eine Dicke 210a der Titannitridbeschichtung 210 auf
einen Wert einzustellen, wie dieser durch die Entwurfsspezifikationen
gefordert wird. In speziellen Ausführungsformen wird die Dicke 210a auf
ungefähr
2 nm oder weniger eingestellt und in einer speziellen Ausführungsform
wird die Dicke 210a auf ungefähr 1,5 nm oder weniger gebracht.
In einer anschaulichen Ausführungsform
wird die Dicke 210a innerhalb eines Bereiches von ungefähr 1 bis
1,5 nm eingestellt. Die chemische Dampfabscheidung kann mittels
den oben spezifizierten Vorstufenmaterialien in einer beliebigen
geeigneten Abscheideanlagen ausgeführt werden, wie sie gegenwärtig für die Halbleiterherstellung
verfügbar
sind. Auf Grund der isotropen Natur der Materialabscheidung während des
CVD-Prozesses werden die Hohlräume 211 zuverlässig durch
die Beschichtung 210 selbst an den Seitenwänden 208a der
Kontaktdurchführung 208 bedeckt,
wodurch ein effizienter diffusionsbehindernder Effekt gewährleistet
wird, selbst wenn ein eigentlich gewünschtes Barrierenmaterial,
das auf der Titannitridbeschichtung 210 abzuscheiden ist,
keine so hohe Stufenbedeckung zeigt, wie dies zum vollständigen Auffüllen oder
Abdecken der Hohlräume 211 erforderlich
wäre, wenn
die Titannitridbeschichtung 210 nicht vorgesehen wäre, wie
dies in dem konventionellen Verfahren der Fall ist.
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Wie
zuvor erläutert
ist, kann die durch CVD abgeschiedene Titannitridbeschichtung 210 einen
erhöhten
Widerstand auf Grund des Einbaus von Kontaminationsstoffen, etwa
von Kohlenstoff und dergleichen, aufweisen. Daher kann die Beschichtung 210 in
ihrer Dicke reduziert oder im Wesentlichen vollständig von
dem unteren Bereich 208b entfernt werden, wenn der erhöhte Widerstand
als ungeeignet erachtet wird. In anderen Ausführungsformen kann es auf Grund
der äußerst geringen
Dicke der Beschichtung 210 akzeptabel sein, die Beschichtung 210 an der
Unterseite 208b im Wesentlichen beizubehalten. In anderen
anschaulichen Ausführungsformen
kann eine Plasmabehandlung in einer Stickstoff- oder Ammoniakatmosphäre ausgeführt werden,
wobei, wie zuvor erläutert
ist, und zudem auf Grund der im Wesentlichen gerichteten Natur der
Plasmabehandlung, im Wesentlichen horizontale Bereiche, etwa die
Beschichtung an der Unterseite 208b, behandelt werden,
wobei die Dicke der Beschichtung 210 – sowie der Anteil der darin
enthaltenen Kontaminationsstoffe – ebenso deutlich reduziert
wird.
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In
einer speziellen Ausführungsform
wird die Plasmabehandlung weggelassen und eine Dickenreduzierung
der Beschichtung 210 an der Unterseite 208b wird
vor oder während
des Abscheidens eines zweiten Barrierenmaterials erreicht, wie dies
mit Bezug zu 2b beschrieben ist. Durch Weglassen
der Plasmabehandlung für
die Titannitridbeschichtung 210 kann der Durchsatz und
die Anlagenausnutzung der CVD-Abscheideanlage
erhöht
werden. Beispielsweise kann eine Abscheidesequenz durch Entgasen des
Substrats 201 bei einer Temperatur von ungefähr 300°C für eine Zeitdauer
von ungefähr
60 Sekunden ausgeführt
werden. Danach wird die Abscheidung bei einer Temperatur in einem
Bereich von ungefähr 350
bis 400°C
ausgeführt,
wobei die Dicke 210a im Bereich von 1 bis 1,5 nm zu einem
Durchsatz von ungefähr
40 bis 60 Substraten pro Stunde führt.
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2b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200, wobei die Beschichtung 210 im
Wesentlichen von dem unteren Bereich 208b der Kontaktdurchführung 208 entfernt
ist. Dazu kann die Halbleiterstruktur 200 in eine Sputter-Abscheideanlage
eingeführt
und einem stark gerichteten Ionenbeschuss 220 ausgesetzt
werden, um Titannitrid durch Abspalten von Titan und Stickstoffatomen
von dem unteren Bereich 208b zu entfernen und das Titannitrid
oder Titan auf die Seitenwände 208a umzuverteilen.
Es sollte beachtet werden, dass der Materialabtrag des Titannitrids
im Wesentlichen auf den unteren Bereich 208b beschränkt werden
kann, indem die Richtung des Ionenbeschusses 220 entsprechend
eingestellt wird, wodurch die Dicke 210a an der Unterseite
des Grabens 209 im Wesentlichen bewahrt bleibt, da das von
der Grabenunterseite abgespaltene Material im Wesentlichen sofort
auf die benachbarten horizontalen Bereiche umverteilt wird, wodurch
im Wesentlichen eine Nettomaterialreduzierung in dem Graben 209 vermieden
wird. Der Ionenbeschuss 220 kann vor dem Abscheiden eines
weiteren Barrierenmaterials, etwa von Tantal oder Tantalnitrid ausgeführt werden,
wohingegen in anderen Ausführungsformen
der Materialabtrag der Beschichtung 210 an der Unterseite 208b durch
beispielsweise einen anfänglichen Anteil
Ionenbeschuss vor oder während
einer Anfangsphase zum Abscheiden von Tantal oder Tantalnitrid oder
eine Kombination aus Tantal oder Tantalnitrid bewirkt werden kann.
Dazu wird die Vorspannung zwischen der ionisierenden Sputter-Atmosphäre und Substrat 201 in
geeigneter Weise ausgewählt.
Entsprechende Anlageneinstellungen sind für das Zurücksputtern von Tantalnitrid,
wie es später
beschrieben wird, gut etabliert, oder entsprechende Anlageneinstellungen
können
in einfacher Weise auf der Grundlage momentan verfügbarer Sputterrezepte
ermittelt werden.
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2c zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200, auf der eine Barrierenschicht 212 mit
einem zweiten Barrierenmaterial gebildet ist. In einer speziellen
Ausführungsform weist
die Barrierenschicht 212 Tantal oder Tantalnitrid oder
eine Kombination aus Tantal und Tantalnitrid auf. In anderen Ausführungsformen
kann die Barrierenschicht 212 ein beliebiges anderes geeignetes
Material, etwa Titan, oder andere Materialzusammensetzungen, die zum
Erreichen der erforderlichen Barrieren- und Hafteigenschaften für das abzuscheidende
Material als geeignet erachtet werden. Wie zuvor erläutert ist, kann
das Abscheiden des Barrierenmaterials 212 wirksam durch
die Benetzungseigenschaften der darunter liegenden Titannitridbeschichtung 210 gefördert werden,
wobei die Anforderungen hinsichtlich des Maßes an Konformität der Barrierenschicht 212 deutlich
reduziert sind, da die Titannitridbeschichtung 210 zuverlässig alle
Oberflächen
der dielektrischen Schicht 207, selbst innerhalb der Hohlräume 211, wenn
die dielektrische Schicht 207 poröses Material aufweist, bedeckt.
Somit kann Tantal und/oder Tantalnitrid vorteilhafterweise durch
das Sputter-Abscheideverfahren
aufgebracht werden, wodurch die gewünschte Benetzbarkeit in Bezug
auf einen nachfolgenden Abscheideschritt zur Herstellung einer Kupfersaatschicht
erreicht wird. Obwohl das Bereitstellen der Titannitridbeschichtung 210 insbesondere vorteilhaft
ist in Verbindung mit einer nachfolgenden Sputter-Abscheidung eines
Barrierenmaterials, das Tantal enthält, kann die vorteilhafte Wirkung
der Titannitridbeschichtung 210 auch für andere Materialien und andere
Abscheidetechniken genutzt werden, die mit dem nachfolgenden Auffüllen eines
Metalls, etwa Kupfer, verträglich
sind. Beispielsweise können in
künftigen
Bauteilgenerationen andere komplexe Barrieren materialzusammensetzungen
das Abscheiden mehrerer unterschiedlicher Materialschichten erfordern,
wobei eine oder mehrere dieser Schichten durch moderne CVD- oder
ALD-Techniken aufgebracht werden können, sofern geeignete Vorstufenmaterialien
verfügbar
sind. Auch in diesen Fällen
kann die Titannitridbeschichtung 210 als eine zuverlässige Benetzungsschicht
dienen, die effizient in einer erforderlichen geringen Dicke abgeschieden werden
kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Barrierenschicht 212 durch ionisierte physikalische Dampfabscheidung
unter Ausnutzung gut etablierter Prozessrezepte hergestellt werden,
wie dies durch das Bezugszeichen 221 gekennzeichnet ist,
wobei während
der Tantal- und/oder Tantalnitridabscheidung die Prozessparameter
so eingestellt werden, um eine gewünschte Dicke 212a an
der Unterseite 208b zu erreichen. Beispielsweise kann der
Anteil an ionisierten Tantalatomen im Vergleich zu ionisierten Trägergasatomen,
etwa Argon, verringert werden, oder das Sputter-Target kann im Wesentlichen
ohne Spannung betrieben werden, so dass ein durch Argon hervorgerufenes
Zurücksputtern
an der Unterseite 208b auftritt, wodurch Material von der
Unterseite auf die Seitenwände
der Kontaktdurchführung 208 umverteilt
wird. In ähnlicher
Weise kann die Dicke 210a der Titannitridbeschichtung 210 vor
oder während
einer Anfangsphase des Ionenbeschusses 221 reduziert werden,
wodurch die Leitfähigkeit
der Kontaktdurchführung 208 nach
dem Auffüllen
mit einem Metall verbessert wird.
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Während der
Umverteilung von Material der Barrierenschicht 212 an der
Unterseite 208b der Kontaktdurchführung bleibt in ähnlicher
Weise, wie dies zuvor in Bezug auf die Materialumverteilung der Titannitridbeschichtung 210 in
dem Graben 209 erläutert
ist, die Dicke an der Grabenunterseite im Wesentlichen von dem durch
das Argon bewirkten Zurücksputterung
an der Unterseite 208b der Kontaktdurchführung unbeeinflusst.
Danach kann die Halbleiterstruktur 200 für die Aufnahme
eines in das Verbindungsstrukturelement 250 einzufüllende Metall vorbereitet
werden. In einer speziellen Ausführungsform
weist das Metall Kupfer auf und gemäß gut etablierter Prozessstrategien
wird eine Kupfersaatschicht 214 vor dem Einfüllen des
Hauptanteils des Kupfers durch elektrochemische Abscheideverfahren,
etwa stromloses Plattieren oder Elektroplattieren, aufgebracht.
Somit wird in einer Ausführungsform
eine Kupfersaatschicht auf der Barrierenschicht 212 durch
beispielsweise ionisierte physikalische Dampfabscheidung gebildet,
wobei im Gegensatz zu der konventionellen ALD-Barrierenschicht eine
ausgezeichnete Stufenbedeckung der Kupfersaatschicht innerhalb des
Verbindungsstrukturelements 250 auf Grund der besseren
Benetzungseigenschaften der durch Sputterung abgeschiedenen Barrierenschicht 212 erreicht
wird. Beispielsweise kann die zuvor beschriebene Prozesssequenz
mit der Sputter-Abscheidung der Kupfersaatschicht in einer Mehrfachprozessanlage
ausgeführt
werden, wobei auf Grund des äußerst effizienten
Aufbringens der Titannitridbeschichtung 210, gefolgt von
der Sputterabscheidung der tantalenthaltenden Barrierenschicht 212,
ein deutlich höherer
Durchsatz erreicht wird im Vergleich zu einer Abscheidesequenz,
in der ein ALD-Prozess zum Bereitstellen einer Barrierenschicht
auf Tantalbasis erforderlich ist. Die Dicke der Kupfersaatschicht
kann entsprechend den Prozesserfordernissen ausgewählt werden
und kann in einem Bereich von ungefähr 3 bis 10 nm liegen, abhängig von
den Abmessungen des Verbindungsstrukturelements 250.
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In
anderen Ausführungsformen
kann eine Kupfersaatschicht durch stromloses Abscheiden aufgebracht
werden, wobei während
des Abscheidens der Barrierenschicht 212 ein katalytisches
Material, etwa Platin, Palladium, Kobalt, Kupfer und dergleichen, mit
eingebaut wird, um die elektrochemische Reaktion zur Bildung einer
Kupfersaatschicht zu bewirken. Da ein katalytisches Material nicht
notwendigerweise die Gesamtheit der inneren Oberflächen des
Verbindungsstrukturelements 250 bedecken muss, ist typischerweise
ein relativ geringer Anteil an katalytischem Material ausreichend,
um das gewünschte
katalytische Verhalten zu erreichen. Danach kann das Verbindungsstrukturelement 250 mit dem
Metall, beispielsweise mit Kupfer, gefüllt werden und überschüssiges Material
wird dann nachfolgend durch Ätzen
und/oder chemisch-mechanisches Polieren entfernt, wie dies auch
mit Bezug zu 1c beschrieben ist.
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2d zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 nach Abschluss der
oben beschriebenen Prozesssequenz. Somit umfasst die Halbleiterstruktur 200 das
Verbindungsstrukturelement 250 mit einer Kupfersaatschicht 214 mit
geeigneter Dicke und einem Metallgebiet 213, beispielsweise
einem Kupfergebiet, das den Graben 209 und die Kontaktdurchführung 208 vollständig füllt, wobei
die Bildung von Unregelmäßigkeiten,
die durch die reduzierten Benetzbarkeitseigenschaften einer ALD-Barrierenschicht
auf Tantalbasis hervorgerufen werden können, deutlich unterdrückt ist.
In einem tatsächlichen Bauteil
kann die Kupfersaatschicht 214 mit dem in dem Graben ausgebildeten
Material verbunden sein. Daher muss die Kupfersaatschicht 214 nicht
als unterscheidbare separate Schicht auftreten, wie dies in den
Zeichnungen dargestellt ist.
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Es
gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Prozesstechnologie
zur Ausbildung einer wirksamen aber äußerst dünnen Barrierenschicht für die 90
nm-Technologie,
die 65 nm-Technologie und für
Technologien darunter bereit, wobei eine äußerst dünne Titannitridbeschichtung
konform durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht wird, wobei
möglicherweise
keine Plasmabehandlung erforderlich ist, wodurch eine Oberfläche bereitgestellt
wird, die eine verbesserte Benetzbarkeit für ein nachfolgend abgeschiedenes
Barrierenmaterial aufweist. Folglich können bewährte Sputter-Abscheidetechniken
zum Aufbringen einer Barrierenschicht auf der Grundlage von Tantal
und/oder Tantalnitrid erfolgreich verwendet werden, wodurch ein
deutlich höherer
Durchsatz ermöglicht
wird, im Vergleich zu der konventionellen Vorgehensweise mit der
Verwendung der Technik des Abscheidens atomarer Monoschichten. Ferner
kann die Prozesssequenz zur Herstellung eines Verbindungsstrukturelements
mit der dünnen
CVD-Titannitridbeschichtung in einfacher Weise in die Prozesssequenz
mit Cluster-Anlagen integriert werden und kann daher wirksam in
die verfügbare
Anlagenausstattung bestehender Halbleiterproduktionslinien implementiert
werden.