DE19922557A1 - Verfahren zum Abscheiden einer Zweischicht-Diffusionsbarriere - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Zweischicht-Diffusionsbarriere auf einem Halbleiterwafer aus einer TaN- und einer Ta-Schicht als Trägerschicht für Kupferleitbahnen. Erfindungsgemäß erfolgt die Abscheidung der TaN-Schicht bei Temperaturen von über 200 DEG C in einem ersten Schritt und die Abscheidung der Ta-Schicht in einem zweiten Schritt während der Abkühlung des Halbleiterwafers und unter 50 DEG C.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Zweischicht-Diffusionsbarriere auf einem Halbleiterwafer, vorzugsweise bestehend aus einer Tantal-Nitrid- (TaN) und ei­ ner darüber befindlichen Tantalschicht (Ta) als Trägerschicht für Leiterbahnen, insbesondere Kupferleitbahnen von Verdrah­ tungsebenen.

Üblicherweise bestehen Leitbahnen von Verdrahtungsebenen mi­ kroelektronischer Bausteine aus Aluminium, was jedoch hin­ sichtlich der elektrischen Leitfähigkeit und der realisierba­ ren Strukturbreiten Grenzen besitzt. Aus diesem Grund wurde eine neue Technologie zum Einsatz von Kupfer für die Leitbah­ nen entwickelt, deren Kernstück das Dual Damascene - oder auch Inlett-Konzept (D. Edelstein, J. Heidenreich, R. Gold­ blatt, W. Cote, C. Uzoh, N. Lustig, P. Poper, T. McDevitt, W. Motsiff, A. Simon, J. Dukovic, R. Wachnik, H. Rathore, R. Schulz, L. Su, S. Luce, J. Slattery, IEEE VLSI Tech. Symp. 1997) bildet. Bei dieser Technologie wird in einem ersten Schritt zunächst die Negativform des Übergangsloches und der Leitbahn in eine planar abgeschiedene Siliziumoxidschicht des intermetallischen Dielektrikums geätzt. In diese Negativform wird durch Sputtern eine Barriere und eine Kupferstartschicht abgeschieden. Die Kupferstartschicht kann elektrochemisch, oder durch Cu-PVD (Physical Vapour Deposition) oder CVD (Che­ mical Vapour Deposition) abgeschieden werden. Danach wird die gesamte Negativform bei einer niedrigen Temperatur elek­ trochemisch mit Kupfer aufgefüllt. Da für den weiteren Schichtaufbau auf dem Halbleiterwafer eine vollkommen ebene Oberfläche notwendig ist, wird anschließend das überflüssige Kupfer durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) entfernt, so daß die Übergangslöcher und die Leitbahnen im Siliziumoxid zurückbleiben.

Die Verwendung von Kupfer anstelle von Aluminium für die Leitbahnen macht es notwendig, daß das Kupfer vollständig durch entsprechende Barrieren eingekapselt wird, um zu ver­ meiden, daß Kupfer in Silizium oder auch in das intermetalli­ sche Siliziumoxid eindiffundiert.

Als Diffusionsbarrieren gegenüber dem Siliziumoxid sind der­ zeit vor allem Einschichtsysteme aus Titannitrid, Tantal und Tantalnitrid bekannt geworden (P. Ding, T. Chiang, R. Tao, B. Sun, I. Hashim, T. Yao, L. Chen, G. Yao, B. Chin, R. Mosley, Z. Xu, F. Chen; Conference Proceedings VMIC Conference, June 10-12, 1997).

Zur Minimierung des Schichtwiderstandes der gesamten Barrie­ reschicht und damit der Minimierung des Übergangslochwider­ standes bzw. der Optimierung der Barriere-Festigkeit durch das Ausnutzen von insgesamt vorteilhaften morphologischen Ei­ genschaften des Barriereaufbaus wurde auch versucht, ein Zweischichtsystem z. B. aus Titannitrid/Tantal als Barriere zu verwenden, wie dies beispielsweise aus der europäischen Pa­ tentanmeldung EP 0 751 566 A2 hervorgeht. Im Fall der Verwen­ dung eines Zweischichtsystemes aus TaN/Ta läßt sich neben der erhöhten Barrierefestigkeit durch eine dünne TaN-Schicht un­ ter der Tantalschicht die niederohmige a-Phase des Tantals schon bei Temperaturen um 200°C herstellen. Eine solche Tan­ talschicht läßt sich ansonsten nur bei nicht akzeptabel hohen Abscheidetemperaturen von über 400°C realisieren. Ein weite­ rer Vorteil dieser Zweischichtbarriere ist darin zu sehen, daß gegenüber dem Siliziumoxid und auch gegenüber dem Kupfer eine optimierte Haftung erreicht werden kann.

Derartige Zweischichtsysteme werden in der Regel in einer PVD-Kammer bei fest vorgegebenen Temperaturen abgeschieden. Die dabei zum Einsatz kommende Temperatur liegt über 200°C, wobei die Abscheidung bei einer derart hohen Temperatur den Nachteil hat, daß der Siliziumwafer, auf dem die Barriere ab­ geschieden wurde, anschließend auf eine Temperatur auf unter 50°C abgekühlt werden muß. Der Grund ist darin zu sehen, daß die Abscheidung einer Kupferstartschicht bei tiefen Tempera­ turen erfolgen muß, um zu erreichen, daß sich ein konformer, lückenloser Kupferfilm ausbildet und daß das Kupfer nicht ag­ glomeriert. Durch die erforderliche Abkühlung des Siliziumwa­ fers geht sehr viel Zeit verloren, die entweder den Durchsatz der Sputteranlage beschränkt, oder durch eine zusätzliche Kühlkammer die Kosten der Anlage erhöht.

Derzeit ist zur Abscheidung einer Diffusionsbarriere- bzw. Seed-Abscheidung eine Prozeßführung vorgesehen, bei welcher der Halbleiterwafer in einem Degas- bzw. Temperschritt bei < 100°C und anschließend in einem Precleanschritt mit Argon bei 250°C-300°C vorbehandelt wird. Unmittelbar daran anschließend wird die TaN-Schicht und nachfolgend die Ta-Schicht bei ca. 250°C gesputtert. Da die Abscheidung von Cu bei niedrigen Temperaturen erfolgen muß, wird der Halbleiterwafer in einem weiteren Prozeßschritt auf 50°-25°C abgekühlt. Dieser Abkühl­ vorgang kann auch in einer separaten Abkühlkammer erfolgen. Anschließend daran kann eine Kupferstartschicht bei 25°C ab­ geschieden werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zum Abscheiden einer Zweischicht-Diffusionsbarriere auf einem Halbleiterwafer zu schaffen, bei dem bei gleich­ bleibender Qualität der Schichtabscheidung eine deutliche Zeiteinsparung ohne zusätzliche Anlagenkosten erreicht werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Abscheidung der Zweischicht-Diffusionsbarriere in ei­ nem Zweischrittprozeß erfolgt, bei dem im ersten Schritt bei einer hohen Temperatur des Halbleiterwafers die TaN-Schicht und nachfolgend die Ta-Schicht bei einer niedrigen Temperatur im Bereich der RT vorgenommen wird.

Gegebenenfalls kann der Halbleiterwafer vor Abscheiden der Zweischicht-Diffusionsbarriere zur Entfernung von Adsorbaten zunächst mit einem Degas- bzw. Temperschritt behandelt wer­ den, sowie weiterhin die im Boden von Übergangslöchern be­ findliche Metalloxidschicht einer dort freiliegenden unteren Metallbahn in einem nachfolgenden Preclean-Schritt durch ei­ nen physikalischen Sputtereffekt entfernt werden.

Die Hochtemperaturabscheidung der TaN-Schicht wird bevorzugt bei mehr als 200°C und die Niedrigtemperaturabscheidung der Ta-Schicht bei weniger als 50°C, beispielsweise bei 25°C, vorgenommen.

Um die Zweischichtabscheidung besonders zeitoptimiert vorneh­ men zu können, erfolgt die Abscheidung der Ta-Schicht in Fortbildung der Erfindung während der Abkühlung des Halblei­ terwafers auf unter 50°C.

Eine weitere Fortbildung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abscheidung der TaN- und der Ta-Schicht in einer PVD-Abscheideanlage vorgenommen wird, wobei die Ab­ scheidung der TaN-Schicht in einer Stickstoffatmosphäre er­ folgt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abscheidung der TaN- und der Ta-Schicht in der glei­ chen PVD-Kammer vorgenommen, indem der Halbleiterwafer nach dem Degas- und Preclean-Schritt mit der dabei erreichten Scheibentemperatur von 200 bis 300°C in der PVD-Kammer auf einem auf ca. 25°C temperierten Electro Static Chuck (ESC) ohne zu chucken abgelegt und die TaN-Schicht in der Stick­ stoffatmosphäre abgeschieden und nach erfolgter Abscheidung der TaN-Schicht der überschüssige Stickstoff abgepumpt wird. Anschließend wird der Halbleiterwafer auf dem ESC gechuckt und die Ta-Schicht in einer stickstoffarmen Atmosphäre wäh­ rend der Abkühlung auf die niedrige Temperatur abgeschieden.

Anstelle der Zweischicht-Abscheidung der Diffusionsbarriere in einer PVD-Kammer, besteht auch die Möglichkeit, die TaN- und die Ta-Schicht in getrennten PVD-Kammern abzuscheiden. Zu diesem Zweck wird der Halbleiterwafer in einer besonderen Va­ riante der Erfindung nach dem Degas- und Preclean-Schritt mit der dabei erreichten Scheibentemperatur von 200 bis 300°C in der ersten PVD-Kammer auf einem auf ca. 250 bis 300°C tempe­ rierten Electro Static Chuck (ESC) abgelegt und gechuckt und nachfolgend die TaN-Schicht in der Stickstoffatmosphäre abge­ schieden. Anschließend wird der Halbleiterwafer in einer zweiten PVD-Kammer auf einem auf weniger als 50°C temperier­ ten ESC gechuckt und während der Abkühlung des Halbleiterwa­ fers auf die Chucktemperatur die Ta-Schicht abgeschieden. Da der Halbleiterwafer nach der Abscheidung der zweiten Bar­ riereschicht bereits die für die Abscheidung einer Kupfer­ startschicht niedrige Temperatur aufweist, sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der mit den TaN- und Ta- Schichten beschichtete Halbleiterwafer unmittelbar in An­ schluß daran in einer Cu-PVD-Kammer mit einer Kupfer­ startschicht beschichtet wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abscheiden einer Zweischichtbarriere aus TaN und Ta ist darin zu sehen, daß die Abscheidung beider Schichten in einer we­ sentlichen kürzeren Zeit vorgenommen werden kann, wobei sich der Gesamtschichtwiderstand bzw. deren Morphologie gegenüber einer kompletten Abscheidung beider Schichten bei 250°C kaum unterscheidet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur auf die Verwen­ dung zur Herstellung von Diffusionsbarrieren für eine Kupfer­ metallisierung beschränkt, sondern eignet sich generell für die Bildung von Diffusionsschichten, die eine Diffusion von insbesondere Metallen verhindern soll. Derartige Metalle sind beispielsweise auch Platin, Aluminium oder Wolfram.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von zwei Ausführungs­ beispielen näher erläutert werden. Der grundsätzliche Unter­ schied zwischen beiden Ausführungsbeispielen ist darin zu se­ hen, daß im ersten Ausführungsbeispiel die Abscheidung der TaN- und Ta-Schicht in der gleichen PVD-Kammer erfolgt, wo­ hingegen im zweiten Ausführungsbeispiel die Abscheidung in zwei getrennten PVD-Kammern erfolgt.

Bei der Abscheidung der TaN- und der Ta-Schicht in einer PVD- Kammer wird davon ausgegangen, daß der Halbleiterwafer zu­ nächst standardmäßig mit Degas und Preclean vorbehandelt wor­ den ist. Mit dem Degas oder Temperschritt werden bei ca. 300°C im Vakuum zunächst Adsorbate von der Scheibenoberfläche abgelöst. Bei dem anschließenden Preclean-Schritt wird durch einen physikalischen Sputtereffekt gezielt im Boden der Über­ gangslöcher die Metalloxidschicht der freiliegenden unteren Metalleitbahn entfernt, um einen möglichst geringen Über­ gangswiderstand zu erreichen.

Nach diesen beiden Prozeßschritten besitzt das Siliziumwafer bereits eine Scheibentemperatur von 250 bis 300°C.

Der Halbleiterwafer wird nun in die PVD-Kammer geführt, de­ ren Electro Static Chuck (ESC) auf eine Temperatur unter 50°C, bevorzugt unter 25°C temperiert ist. Da jedoch die Ab­ scheidung der TaN-Schicht bei mehr als 200°C erfolgen muß, wird der Halbleiterwafer auf dem ESC nicht gechuckt, so daß zwischen dem Halbleiterwafer und dem Chuck keine starke ther­ mische Kopplung besteht. Anschließend daran erfolgt in einer Stickstoffatmosphäre (einige mT N2) die Abscheidung einer dünnen TaN-Schicht mit einer Stärke von einigen 10 nm. Da die Scheibentemperatur noch bei 250 bis 300°C liegt und durch die TaN-Abscheidung die Scheibentemperatur noch ansteigen kann, findet die Abscheidung der TaN-Schicht mit der gewünschten Morphologie bei der erforderlichen Temperatur statt. Nach der Abscheidung der TaN-Schicht wird der überschüssige Stickstoff aus der PVD-Kammer abgepumpt und gleichzeitig der Halbleiter­ wafer auf dem ESC gechuckt. Dadurch wird zwischen dem Halb­ leiterwafer und dem Chuck ein guter thermischer Kontakt her­ gestellt, so daß unmittelbar damit die Abkühlung der Scheibe einsetzt. Nun wird die Ta-Schicht mit einer Sputterleistung von einigen kW je nach Kammertyp abgeschieden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß der Halbleiterwafer nach der Ta-Abscheidung bereits die für die Kupferabscheidung benötigte tiefe Temperatur unter 50°C aufweist, ohne daß zu­ sätzliche Abkühlvorgänge erforderlich wären. Damit kann das kalte und mit TaN- und Ta-beschichtete Siliziumwafer unmit­ telbar anschließend in eine Cu-PVD- oder CVD-Kammer überführt werden, in der dann zunächst eine Kupferstartschicht abge­ schieden wird.

Im zweiten nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel er­ folgt das Abscheiden der TaN- und der Ta-Schicht in getrenn­ ten PVD-Kammern. Auch bei der Verwendung von zwei PVD-Kammern erfolgt die Vorbehandlung des Halbleiterwafers wie beschrie­ ben durch Degas und Preclean, wobei der Halbleiterwafer mit der bei diesem Prozeßschritten erreichten Scheibentemperatur von 250 bis 300°C in die erste PVD-Kammer bewegt und dort auf einem ESC gechuckt. Dieser ESC ist auf einer Temperatur von ca. 250 bis 300°C temperiert. Der Halbleiterwafer bleibt so­ mit kontrolliert auf einer Temperatur von 250 bis 300°C, so daß die wenige 10 nm dicke TaN-Schicht in einer Stickstoffat­ mosphäre abgeschieden werden kann. Anschließend daran wird der Halbleiterwafer in die nächste PVD-Kammer geführt, deren Chuck eine Temperatur von weniger als 50°C aufweist und der Halbleiterwafer auf dem ESC gechuckt. Dabei besteht ein guter thermischer Kontakt zwischen dem ESC und dem Halbleiterwafer, so daß mit dem Chucken die Abkühlung des Halbleiterwafers auf die Chucktemperatur beginnt. Gleichzeitig zum Abkühlen des Halbleiterwafers wird die ebenfalls einige 10 nm dicke Ta- Schicht abgeschieden. Da der Halbleiterwafer nach der Ta- Abscheidung bereits die für die nachfolgende Kupferabschei­ dung erforderliche tiefe Temperatur aufweist, kann der Halb­ leiterwafer unmittelbar an die Abscheidung der Ta-Schicht in die Cu-PVD- oder CVD-Kammer überführt werden und sofort die Kupferstartschicht abgeschieden werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Abscheiden einer Zweischicht- Diffusionsbarriere auf einem Halbleiterwafer, vorzugswei­ se bestehend aus einer Tantal-Nitrid- (TaN) und einer darüber befindlichen Tantalschicht (Ta) als Trägerschicht für Leiterbahnen, insbesondere Kupferleitbahnen, von Ver­ drahtungsebenen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abscheidung der Zweischicht- Diffusionsbarriere in einem Zweischrittprozeß erfolgt, bei dem im ersten Schritt bei einer hohen Temperatur des Halbleiterwafers die TaN-Schicht und nachfolgend die Ta- Schicht bei einer bei einer niedrigen Temperatur im Be­ reich der RT vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochtemperaturabscheidung der TaN-Schicht bei mehr als 200°C und die Niedrig­ temperaturabscheidung der Ta-Schicht bei weniger als 50°C vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Niedrigtemperaturabscheidung bei ca. 25°C erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Ta- Schicht während der Abkühlung des Halbleiterwafers auf unter 50°C vorgenommen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der TaN- und der Ta-Schicht in einer PVD-Abscheideanlage vorge­ nommen wird, wobei die Abscheidung der TaN-Schicht in einer Stickstoffatmosphäre erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der TaN- und der Ta-Schicht in der gleichen PVD-Kammer vorgenommen wird, indem der Halbleiterwafer nach einem Degas- und Preclean-Schritt mit der dabei erreichten Scheibentempe­ ratur von 200-300°C in der PVD-Kammer auf einem auf ca. 25°C temperierten Electro Static Chuck (ESC) ohne zu chucken abgelegt und die TaN-Schicht in der Stickstoffat­ mosphäre abgeschieden und nach erfolgter Abscheidung der TaN-Schicht der überschüssige Stickstoff abgepumpt wird, anschließend wird der Halbleiterwafer auf dem ESC ge­ chuckt und die Ta-Schicht in einer stickstoffarmen Atmo­ sphäre während der Abkühlung auf die niedrige Temperatur abgeschieden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der TaN- Schicht in einer ersten PVD-Kammer erfolgt, indem der Halbleiterwafer nach dem Degas- und Preclean-Schritt mit der dabei erreichten Scheibentemperatur von 200-300°C in der ersten PVD-Kammer auf einem auf ca. 250-300°C temperierten Electro Static Chuck (ESC) abgelegt und ge­ chuckt wird und nachfolgend die TaN-Schicht in der Stick­ stoffatmosphäre abgeschieden wird, daß der Halbleiterwa­ fer anschließend in einer zweiten PVD-Kammer auf einem auf weniger als 50°C temperierten ESC gechuckt wird und daß während der Abkühlung des Halbleiterwafers auf die Chucktemperatur die Ta-Schicht abgeschieden wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine niedrige Tempe­ ratur aufweisende mit den TaN- und Ta-Schichten beschich­ tete Halbleiterwafer in einer CU-PVD- oder CVD-Kammer mit einer Kupferstartschicht beschichtet wird.