DE102007004867B4

DE102007004867B4 - Verfahren zum Erhöhen der Zuverlässigkeit von kupferbasierten Metallisierungsstrukturen in einem Mikrostrukturbauelement durch Anwenden von Aluminiumnitrid

Info

Publication number: DE102007004867B4
Application number: DE102007004867A
Authority: DE
Inventors: Christof Streck; Volker Kahlert
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: GB0914619D0; KR101385709B1; CN101681873B; US20110018134A1; TWI446487B; US20080179741A1; TW200837882A; CN101681873A; JP2010517325A; GB2459232A; KR20090115190A; DE102007004867A1; US8384217B2; US7829460B2; US20120241958A1; US8222135B2; WO2008094669A1

Abstract

Verfahren mit:
Bilden einer Stickstoff enthaltenden Schicht auf einer freiliegenden Oberfläche eines kupferbasierten Metallgebiets, das in einer dielektrischen Schicht, die zumindest an der Oberfläche OH-Gruppen aufweist, gebildet ist; und
Einbringen der Stickstoff enthaltenden Schicht in eine Umgebung, die auf Grundlage eines Al(CH₃)₃-Gases eingerichtet wird, um eine Aluminium und Stickstoff enthaltende erste Barrierenschicht auf dem Metallgebiet zu bilden;
wobei Bilden der Stickstoff enthaltenden Schicht umfasst: Bilden eines Kupferoxids in einer oxidierenden Umgebung auf Basis eines nasschemischen Prozesses, eines Plasma gestützten Prozesses oder eines thermischen Oxidationsprozesses als eine im Wesentlichen zusammenhängende Kupferoxidschicht auf der freiliegenden Oberfläche und Behandeln der Kupferoxidschicht, um Kupferoxid in Kupfernitrid umzuwandeln.

Description

Gebiet der vorliegenden Erfindung
Im allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung die Herstellung von integrierten Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer, die in einem dielektrischen Metall mit einem Barrierenmaterial eingebettet sind, um das Elektromigrationsverhalten des Metals zu verbessern.
Beschreibung des Stands der Technik
In modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa die Gatelänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich weit unter einem μm erreicht, wodurch kontinuierlich das Leistungsvermögen dieser Schaltungen im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder den Leistungsverbrauch verbessert wurden. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente deutlich verkleinert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente erhöht wird, wird auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen zur Verbindung der einzelnen Schaltungselemente reduziert. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen ebenfalls verringert werden, dem geringeren Platz und der erhöhten Anzahl an Schaltungselementen, die pro Einheitsfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen.
In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von ungefähr 0,35 μm und weniger ist ein begrenzender Faktor für das Leistungsvermögen die Signalausbreitungsverzögerung, die durch die begrenzte Schaltgeschwindigkeit der Transistoren hervorgerufen wird. Da die Kanallänge dieser Transistorelemente nunmehr 50 nm und weniger erreicht hat, ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren sondern aufgrund der größeren Schaltungsdichte durch die Verbindungsleitungen begrenzt, da die Kapazität zwischen den Leitungen (C) ebenfalls ansteigt und der Widerstand der Leitungen (R) ist wegen der kleineren Querschnittsfläche erhöht. Die parasitären RC-Zeitkonstanten erfordern daher das Einführen neuer Materialarten zur Herstellung von Metallisierungsschichten.
Traditionell werden Metallisierungsschichten, d. h., die Verdrahtungsschichten mit Metallleitungen und Kontaktdurchführungen für die elektrische Verbindung von Schaltungselementen gemäß dem gegebenen Schaltungsaufbau, durch einen dielektrischen Schichtstapel mit z. B. Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid mit Aluminium als typisches Metall verwendet. Da Aluminium eine deutliche Elektromigration aufeist bei höheren Stromdichten, die in integrierten Schaltungen mit sehr stark reduzierten Strukturgrößen erforderlich sein können, wird Aluminium zunehmend durch beispielsweise Kupfer ersetzt, das einen wesentlich kleineren elektrischen Widerstand und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration aufweist. Für seht anspruchsvolle Anwendungen werden zusätzlich zur Verwendung von Kupfer und/oder Kupferlegierungen die gut bekannten dielektrischen Materialien Siliziumdioxid (ε ≈ 4,2) und Siliziumnitrid (ε > 5) durch sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε mit einer relativen Permittivität von ungefähr 3,0 oder weniger ersetzt. Jedoch ist der Übergang von kupferbasierten Metallisierungsschichten möglicherweise in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε mit einer Reihe von Problemen verknüpft, die es zu lösen gilt.
Z. B. kann Kupfer nicht effizient in relativ großen Mengen durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische und physikalische Dampfabscheideverfahren abgeschieden werden. Des weiteren kann Kupfer nicht effizient durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse strukturiert werden. Daher wird häufig die so genannte Damaszener- oder Einlegetechnik bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen eingesetzt. Üblicherweise wird in der Damaszener-Technik die dielektrische Schicht abgeschieden und dann strukturiert, um Gräben und Kontaktlöcher zu erhalten, die anschließend mit Kupfer oder Legierungen davon durch Plattierungsverfahren, etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, gefüllt werden. Da Kupfer gut in vielen Dielektrika diffundiert, etwa Siliziumdioxid und in vielen Dielektrika mit kleinem ε, ist gegebenenfalls die Herstellung einer Diffusionsbarrierenschicht an Grenzflächen zu den benachbarten dielektrischen Materialien erforderlich. Ferner muss die Diffusion von Feuchtigkeit und Sauerstoff in das kupferbasierte Metall unterdrückt werden, da Kupfer schnell reagiert und oxidierte Bereiche bildet, wodurch möglicherweise die Eigenschaften der kupferbasierten Metallleitung in Bezug auf die Haftung, die Leitfähigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration beeinträchtigt werden.
Um die Gesamtleitfähigkeit des Metallgebiets nicht unnötig zu verringern, werden typischerweise leitende Barrierenmaterialien zur Abdeckung der inneren Seitenwandbereiche der Gräben eingesetzt, wobei dielektrische Barrierenmaterialien üblicherweise als Deckschichten oder dielektrische Barrierenschichten verwendet werden, die auch als ein effizientes Ätzstoppmaterial in einem Ätzprozess zur Herstellung eines Kontakts zu dem Metallgebiet durch ein Kontaktloch, das sich von einem Metallgebiet einer nächst höheren Metallisierungsebene erstreckt, dienen können. Z. B. ist Siliziumnitrid als eine effiziente Kupferdiffusionsbarriere bekannt und kann beispielsweise als dielektrisches Barrierenmaterial verwendet werden. Wenn die moderat hohe Permittivität des Siliziumnitrids als ungeeignet erachtet wird, wird in anderen Fallen Stickstoff angereichertes Siliziumkarbid (SiCN) als Kupferdiffusionsbarriere verwendet. Trotz der diffusionsbehindernden Wirkung von Siliziumnitridschichten und Siliziumkarbid basierten Schichten stellt sich jedoch heraus, dass die Widerstandsfähigkeit des Kupfers gegen strominduzierten Materiatransport (Elektromigration) oder andere belastungsinduzierte Materialtransporteffekte stark von den Eigenschaften einer Grenzfläche dem kupferbasierten Metall und der benachbarten dielektrischen Barrierenschicht abhängt. Daher ist es in modernen integrierten Schaltungen mit hohen Stromdichten wichtig, die Grenzfläche zwischen dem kupferbasierten Metal und der dielektrischen Barrierenschicht so zu gestalten, dass eine gewünschte Haftung und damit Leistungsfähigkeit in Bezug auf Elektromigration oder belastungsinduzierten Materialtransport erreicht wird.
Daher wurden viele Lösungsmöglichkeiten in dieser Hinsicht im Stand der Technik vorgeschlagen und eingesetzt, um eine höhere Zuverlässigkeit, d. h., ein verbessertes Elektromigrationverhalten, in Kombination mit einem besseren Bauteilverhalten, d. h., eine geringere Gesamtpermittivität der dielektrischen Materialien in der Metallisierungsschicht, zu erreichen. Daher werden viele Materialien, etwa SiN, SiC, SiCN und dergleichen und auch diverse Kombinationen dieser Materialien als dielektrisches Barrierenrnaterial verwendet. Es zeigt sich jedoch, dass es sehr schwer ist, beide Erfordernisse, d. h., verbessertes Elektromigrationsverhalten und Eigenschaften des kleinen ε zu erfüllen, da viele Materialien mit den gewünschten Diffusionsblockiereigenschaften in Bezug auf Kupfer, Sauerstoff, Feuchtigkeit und dergleichen moderat hohe ε-Werte aufweisen. Ferner ist die Kupferoberfläche sehr empfindlich nach dem Freilegen und erfordert entsprechende Behandlungen vor dem Abscheiden des dielektrischen Barrierenmaterials, um die Kupferoxidreste, die Diffusionswege für die Materialwanderung während des Betriebs bilden und die auch die Haftung des Barrierenmaterials verringern, zu entfernen. Die entsprechende Vor-Abscheidebehandlung kann jedoch einen merklichen Einfluss auf die Kupferoberfläche ausüben, wodurch zu einem schlechteren Leistungsverhalten des Kupfers während der weiteren Bearbeitung und/oder während des Betriebs des Bauelements beigetragen wird. Daher wurden weniger aggressive Behandlungen vorgeschlagen, um eine unerwünschte Schädigung des kupferbasierten Materials zu verhindern. In dieser Hinsicht wurden Kupfersilizid, Stickstoff enthaltendes Kupfersilizid (CuSiN) als effiziente Legierungen erkannt, die zu einer stabileren Grenzfläche führen, wodurch das entsprechende Metallgebiet eine erhöhte Widerstandsfähigkeit und damit Zuverlässigkeit im Hinblick auf Elektromigration und andere durch Belastung hervorgerufene Materialtransporteffekte erhält. Daher wird in einigen konventionellen Lösungen die Kupferoberfläche in eine reaktive Gasumgebung eingebracht, die Silan (SiH₄) als ein Silizium enthaltendes Vorstufengas und ein Stickstoff enthaltendes Gas enthält, um Kupfersilizid mit einem speziellen Anteil an Stickstoff herzustellen. Üblicherweise wird der Prozess zur Herstellung von CuSiN-Material an der freiliegenden Kupfergrenzfläche unmittelbar vor einer Plasma gestützten CVD (chemische Dampfabscheidung) des Barrierenmaterials, etwa Siliziumnitrid, Stickstoff angereichertes Siliziumkarbid oder Kombinationen davon, durchgeführt, wobei entsprechende Reinigungsprozesse, etwa Plasma unterstütze Prozesse ausgeführt werden, um die Kupferoberfläche für die nachfolgende Herstellung der CuSiN-Legierung und das Abscheiden des dielektrischen Barrierenmaterials vorzubereiten. Somit sind eine Reihe komplexer Prozesse beteiligt, die mit der Kupferoberfläche in Wechselwirkung treten und daher zu komplexen Oberflächenbedingungen führen können, die daher präzise gesteuerte Prozessbedingungen während der Herstellung des CuSiN-Materials erfordern. Es zeigt sich, dass selbst kleinste Variationen der Prozessbedingungen zu deutlichen Unterschieden in der Zusammensetzung des resultierenden CuSiN-Materials führen können, wodurch die Eigenschaften des Kupfers in der Nähe der Oberfläche beeinträchtigt werden. Obwohl daher CuSiN ein viel versprechender Kandidat für das Verbessern von kupferbasierten Metallisierungsstrukturen ist, ist der Prozess schwer zu steuern, da beispielsweise eine geringe Unausgewogenheit der Vorstufenmaterialien zu nicht voraussagbaren Eigenschaften der Metallleitung führen kann.
Die US 2006/0134906 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils, in dem eine Progen enthaltende dielektrische Schicht mit kleiner Dielektrizitätszahl im Verlauf eines Damaszenerprozesses vorgesehen wird.
Die US 7,084,060 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Deckschicht über einer Metallverdrahtungsstruktur eines Halbleiterbauteils mithilfe eines Dielektrikums.
Ein Dünnschichtherstellungsverfahren mit atomarer Schichtablagerung mittels zweier Reaktanden wird in der DE 198 53 598 A1 beschrieben.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation besteht ein Bedarf für eine verbesserte Technik, die die Herstellung von kupferbasierten Metallisierungsschichten mit einem effizienten Einschluss ermöglicht, wobei eines oder mehrere der zuvor erkannten Probleme vermieden oder zumindest deren Auswirkungen reduziert werden.
Überblick über die Erfindung
Im allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand eine Technik zur Herstellung einer effizienten Barrierenschicht auf einem freiliegenden Metall enthaltenden Gebiet, etwa ein Kupfer enthaltendes Metallgebiet, wobei selbst-begrenzende Abscheideverfahren eingesetz werden, um eine zusammenhängende Materialschicht auf dem dielektrischen Material und dem Metallgebiet zu erzeugen. Aufgrund des gut steuerbaren Wachstumsmechanismus basierend auf chemischen Bindungen wird eine verbesserte Haftung erreicht, wobei in Verbindung mit geeigneten Materialien auch effiziente Diffusionsblockiereigenschaften erreicht werden, wodurch potentiell weitere dielektrische Materialien wegelassen werden können oder zumindest deren Dicke deutlich reduziert werden kann. Folglich können bessere Leistungseigenschaften im Hinblick auf eine geringere parasitäre Kapazität des dielektrischen Schichtstapels erhalten werden. In einigen Aspekten ist eine dielektrische Barrierenschicht, die auf der Grundlage eines ALD-artigen (Atomlagenabscheidung) Prozesses hergestellt wird, eine Aluminium und Nitrid enthaltende Schicht, die im weiteren als eine Aluminiumnitridschicht bezeichnet wird und die für die Kupferdiffusionsblockiereigenschaften sorgt und auch bessere Einfangfähigkeiten in Bezug Sauerstoff und Feuchtigkeit besitzt. Somit können eine verbesserte Steuerung des Abscheideprozesses auf der Grundlage der selbstbegrenzenden Technik in Verbindung mit einer geringeren relativen Permittivität und entsprechenden Diffusionsblockiereigenschaften zu einer deutlich verbesserten Zuverlässigkeit der Metallisierungsstrukturen in modernen Halbleiterbauelementen beitragen.
Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform umfasst ein Verfahren das
Bilden einer Stickstoff enthaltenden Schicht auf einer freiliegenden Oberfläche eines kupferbasierten Metallgebiets, das in einer dielektrischen Schicht, die zumindest an der Oberfläche OH-Gruppen aufweist, gebildet ist; und
Einbringen der Stickstoff enthaltenden Schicht in eine Umgebung, die auf Grundlage eines Al(CH₃)₃-Gases eingerichtet wird, um eine Aluminium und Stickstoff enthaltende erste Barrierenschicht auf dem Metallgebiet zu bilden;
wobei Bilden der Stickstoff enthaltenden Schicht umfasst: Bilden eines Kupferoxids in einer oxidierenden Umgebung aus Basis eines nasschemischen Prozesses, eines Plasma gestützten Prozesses oder eines thermischen Oxidationsprozesses als eine im Wesentlichen zusammenhängende Kupferoxidschicht auf der freiliegenden Oberfläche und Behandeln der Kupferoxidschicht, um Kupferoxid in Kupfernitrid umzuwandeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Ansprüchen definiert und gehen auch aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
1a–1e schematisch ein Mikrostrukturbauelement während diverser Herstellungsphasen bei der Herstellung einer dielektrischen Barrierenschicht auf einem Metall enthaltenden Gebiet auf der Grundlage eines selbst-begrenzenden Prozesses unter Anwendung eines Aluminium enthaltenden Vorstufengases gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
1f schematisch das Mikrostrukturbauelement zeigt, das darauf ausgebildet eine dielektrische Barrierenschicht mit einer spezifizierten Dicke aufeist, die durch die Anzahl der Abscheidezyklen des ALD-artigen Prozesses gemäß anschaulicher Ausführungsformen gesteuert wird;
1g schematisch das Mikrostrukturbauelement gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
1h schematisch das Mikrostrukturbauelement zeigt, das mehrere individuelle dielektrischen Barrierenschichten gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen aufweist;
2a und 2b schematisch Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung eines Kupfer enthaltenden Gebiets und bei der Vorbereitung des entsprechenden dielektrischen Material zur Aufnahme eines Aluminiumnitridschicht gemäß anderer anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
2c schematisch Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements während der Behandlung zum Bereitstellen einer im Wesentlichen gleichmäßigen Kupferoxidoberfläche gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
3a und 3b schematisch eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht zeigen, wenn eine zusätzliche Barrieren- oder Ätzstoppschicht auf der Aluminium und Nitrid enthaltenden Barrierenschicht gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen gebildet wird; und
4a und 4b schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements zeigen, das eine Metallisierungsschicht auf Grundlage einer dielektrischen Barrierenschicht aufweist, die gemäß einem selbst-begrenzenden Prozess gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen gebildet ist.
Detaillierte Beschreibung
Im allgemeinen richtet sich die vorliegende Offenbarung an Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen die Zuverlässigkeit von Metallisierungsstrukturen verbessert werden kann, indem beispielsweise ein besseres Emsverhalten bereit gestellt wird, wobei dennoch für eine geringe Gesamtpermittivität des entsprechenden dielektrischen Schichtstapels der Metallisierungsschicht gesorgt ist. Dazu werden ausgefeilte Abscheideverfahren auf der Grundlage geeigneter dielektrischer Materialien eingesetzt, um eine verbesserte Steuerbar keit des Abscheideprozesses in Verbindung mit einer besseren Haftung zu erreichen, wobei die Art des verwendeten Materials eine geringere Permittivität besitzt oder zumindest die Möglichkeit bietet, die Menge konventioneller Dielektrika mit einer moderat hohen Permittivität zu verringern, die für einen zuverlässigen Einschluss von kupferbasierten Materialien oder anderen Materialien mit hoher Diffusionsrate, die in dem dielektrischen Schichtstapel gebildet sind, erforderlich sind. Somit können durch Verwendung einer gut steuerbaren Abscheidetechnik in Verbindung mit einer geeigneten Materialzusammensetzung gut definierte Grenzflächeneigenschaften erhalten werden, die damit zu einem verbesserten Elektromigrationsverhalten beitragen. Ferner wird in einigen Aspekten der selbst-begrenzende Abscheideprozess vorteilhafter Weise mit dem Abscheiden weiterer dielektrischer Materialien kombiniert, etwa einer zusätzlichen Barrierenschicht oder einer Ätzstoppschicht oder einem dielektrischen Material mit kleinem ε, wodurch zu einer geringeren Prozesskomplexität beigetragen wird, wobei auch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Aktivierung des selbst-begrenzenden Prozesses erreicht wird. D. h., es können gut etablierte CVD-Prozessanlagen verwendet werden, in denen eine geeignete Plasma gestützte Gasumgebung erzeugt werden kann, um den entsprechenden Abscheideprozess zu aktivieren. In anderen Fällen können andere geeignete Aktivierungsschemata, beispielsweise unter Anwendung von Strahlung, etwa UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, und dergleichen, eingesetzt werden. Auch ALD-artige Abscheideprozesse auf Grundlage von Elektronenstrahlen können angewendet werden. In anschaulichen Aspekten wird eine Aluminiumnitridschicht auf freiliegenden Kupfer enthaltenden Oberflächen gebildet, wobei die entsprechenden Eigenschaften des Aluminiumnitridmaterials, etwa die Absorptionsfähigkeit für Sauerstoff und Feuchtigkeit, für eine verbesserte Integrität der Kupfer enthaltenden Oberfläche sorgen können, wobei das Aluminiumnitridmaterial auch für Kupferdiffusionsblockierwirkung sorgen kann, die deutlich die entsprechenden Anforderungen an eine weitere dielektrische Barrierenschicht entschärfen kann, oder die es erlaubt, ein weiteres dielektrisches Barrierenmaterial weg zu lassen, das typischerweise eine höhere relative Permittivität aufweist. Ferner kann auf der Grundlage des ALD-artigen Abscheideprozesses die entsprechende Aluminiumnitridschicht auf geeignet vorbereiteten dielektrischen Oberflächen gebildet werden, wodurch eine verbesserte Haftung der Aluminiumnitridschicht erreicht wird, was daher zu einer höheren mechanischen Stabilität der betrachteten Metallisierungsstruktur führen kann, insbesondere wenn dielektrische Materialien mit kleinem ε verwendet werden.
Es sollte beachtet werden, dass die hierin offenbarten Techniken sehr vorteilhaft im Zusammenhang mit modemsten Mikrostrukturbauelementen sind, etwa modernste integrierte Schaltungen, die kupferbasierte Metallisierungsstrukturen erfordern, wobei zumindest einige Grenzflächen des Kupfer enthaltenden Metalls mit dem umgebenden dielektrischen Material verbesserte Oberflächeneigenschaften im Hinblick auf durch Belastung hervorgerufenen Materialtransport, etwa Elektromigration, um die Zuverlässigkeit der Metallisierungsstruktur zu erhöhen, wodurch auch die Möglichkeit für eine weitere Bauteilgrößenreduzierung geschaffen wird. Die offenbarten Techniken können auch auf andere Prozesse zur Herstellung von Mikrostrukturbauelementen angewendet werden, in denen effiziente und zuverlässige Barrierenschichten in freiliegenden kupferbasierten Oberflächen in gut steuerbarer Weise erforderlich sind. Sofern somit dies nicht anders in der Beschreibung oder den Ansprüchen dargelegt ist, sollte der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung nicht auf Metallisierungsstrukturen von Halbleiterbauelementen beschränkt werden.
Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nun weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100 mit einem Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial zur Herstellung darin und darauf von Mikrostrukturelementen repräsentiert, die gut leitende Metallgebiete, etwa Kupfer enthaltende Metalle erfordern. Beispielsweise repräsentiert die Mikrostruktur 100 ein Halbleiterbauelement, das über dem Substrat 101 gebildet ist, das somit ein Trägermaterial ist und darauf ausgebildet eine geeignete Halbleiterschicht aufweist, um darin entsprechende Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen, herzustellen. Das Bauelement 100 umfasst eine dielektrische Schicht 102, die aus geeigneten Materialien aufgebaut ist, wie die typischer Weise für die Herstellung von Mikrostrukturbauelementen verwendet werden. Z. B. kann die dielektrische Schicht 102 Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid und dergleichen aufweisen, wobei in anschaulichen Ausführungsformen die dielektrische Schicht 102 ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist, wenn momodemste integrierte Schaltungen betrachtet werden. Ein dielektrisches Material mit kleinem ε ist als ein Material zu verstehen, das eine relative Permittivität von 3,0 oder weniger besitzt. Die dielektrische Schicht 102 weist dann ausgebildet ein Metallgebiet 103 auf, das in einer anschaulichen Ausführungsform ein Kupfer enthaltendes Material repräsentiert, das mindestens eine freiliegende Oberfläche 103s aufweist, d. h., die nicht von dem dielektri schen Material der Schicht 102 bedeckt ist. Es sollte beachtet werden, dass abhängig von der vorhergehenden Prozessstrategie die freiliegende Kupferoberfläche 103s eine gewisse Menge an Oxidmaterial oder andere Kontaminationsstoffe aufweisen kann, die beim Kontakt mit entsprechenden reaktiven Komponenten gebildet wurden, etwa mit Sauerstoff, Fluor und dergleichen. Wie zuvor erläutert ist, diffundiert Kupfer gut in einer Vielzahl von dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid, und auch in vielen dielektrischen Materialien mit kleinem ε, so dass typischer Weise entsprechende leitende und dielektrische Barrierenschichten abhängig von der Prozessstrategie erforderlich sind, um das Kupfer in dem Metallgebiet zuverlässig einzuschließen. Z. B. ist in der gezeigten Ausführungsform eine entsprechende leitende Barrierenschicht 103a vorgesehen, etwa in Form von Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid und dergleichen, um das Kupfer in dem Gebiet 103 einzuschließen. Das Barrierenmaterial zum Einschließen des Metallgebiets 103 kann auch Diffusionsblockiereigenschaften in Bezug auf reaktive Komponenten, etwa Sauerstoff, Fluor und dergleichen, aufweisen, die in geringen Mengen in der dielektrischen Schicht 102 vorhanden sein können. Die freiliegende Oberfläche 103s ist typischer Weise durch ein geeignetes Barrierenmaterial bedeckt, das in anschaulichen Ausführungsformen in Form eines im Wesentlichen isolierenden Barrierenmaterials bereit gestellt ist, um das Metall in dem Gebiet 103 während der weiteren Bearbeitung einzuschließen und auch ein gewisses Maß an Ätzselektivität zu bieten, wenn entsprechende Kontakte zu dem Metallgebiet 103 gebildet werden, wie dies später detaillierter beschrieben ist. Wie zuvor erläutert ist, wurden viele Lösungen vorgeschlagen, um selektiv die freiliegende Oberfläche 103s durch geeignete Materialsorten abzudecken, etwa Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder sogar leitende Barrierenmaterialien, wobei jedoch eine unzureichende Prozesssteuerung in Verbindung mit einer geringen mechanischen Stabilität auftreten kann. Gemäß den hierin offenbarten Techniken wird ein geeignetes im Wesentlichen isolierendes Barrierenmaterial auf der freiliegenden Oberfläche 103s und der dielektrischen Schicht 102 auf der Grundlage eines gut steuerbaren Abscheideprozesses bereit gestellt, wie dies später beschrieben ist.
Die in 1a beschriebene Mikrostruktur 100 kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, wobei z. B. die dielektrische Schicht 102 auf Basis eines geeigneten Abscheideprozesses hergestellt und nachfolgend mittels Lithografie, etwa Fotolithografie in Verbindung mit geeigneten Ätztechniken strukturiert werden kann, um eine entsprechende Öffnung zu bilden, die in anspruchsvollen Anwendungen laterale Abmessungen von 100 Nanometern und weniger aufweisen kann. Z. B. wird ein entsprechender Graben in der dielektrischen Schicht 102 mit einer Breite von 100 nm oder weniger gebildet, während eine Länge des entsprechenden Grabens im Bereich von einigen zehn Mikrometern liegen kann, wenn z. B. entsprechende Metallleitungen einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements betrachtet werden. Danach wird das Barrierenmaterial 103a beispielsweise auf Grundlage gut etablierter Abscheideverfahren, etwa CVD, PVD (physikalische Dampfabscheidung), ALD, elektrochemische Abscheideverfahren und dergleichen aufgebracht, wobei die entsprechenden Materialzusammensetzungen des Barrierenmaterials 103a im Hinblick auf die Haftung und die Barriereneigenschaften ausgewählt werden. Als nächstes wird das Material des Metallgebiets 103, d. h., in anschaulichen Ausführungsformen das Kupfer enthaltende Metall z. B. auf Grundlage einer nasschemischen Abscheidetechnik bereit gestellt, wobei typischer Weise eine nicht-plane Oberflächentopografie erzeugt wird, in einem nachfolgenden Prozessschritt eingeebnet werden muss. Z. B. CMP (chemisch mechanisches Polieren) wird häufig eingesetzt, um ein überschüssiges Material, das aus vorhergehenden Prozessen stammt, etwa Barrierenmaterial, Kupfre enthaltendes Metall und dergleichen, zu entfernen. Während des Einebnungsprozesses wird die freiliegende Oberfläche 103s gebildet, wobei der Kontakt mit reaktiven Komponenten zu Oberflächekontaminationen führen kann.
In modernen Halbleiterbauelementen muss das Metallgebiet 103 während des Betriebs sehr hohe Stromdichten in Verbindung durch die Wärmeabfuhr hervorgerufene thermische Belastungen aushalten, wodurch ein durch Belastung hervorgerufener Materialtransport in dem Metallgebiet 103 hervorgerufen wird. Elektromigration ist ein wichtiger Gesichtspunkt des durch Belastung hervorgerufenen Materialtransports in Metallleitungen und kann als die Wanderung von Atomen in dem Metall enthaltenden Gebiet verstanden werden, wobei die Wanderung von Metallatomen durch den Impulsübertrag von Leitungselektronen hervorgerufen wird. In einem kupferbasierten Metallgebiet wird die Elektromigration hauptsächlich durch die Grenzflächen- und Oberflächendiffusion gespeist. Folglich ist es sehr wichtig, verbesserte Oberflächeneigenschaften an der Oberfläche 103s zu schaffen, auf der ein weiteres Material während der weiteren Bearbeitung herzustellen ist, wobei die entsprechenden Oberflächeneigenschaften wesentlich das Leistungsvermögen und die Zuverlässigkeit des Metallgebiets 103 bestimmen. Typischer Weise kommt während der vorhergehenden Fertigungsprozesse, etwa CMP, die freiliegende Oberfläche 103s mit reaktiven Komponenten, etwa Sauerstoff, Feuchtigkeit, Fluor und dergleichen in Kontakt, was schließlich zur Ausbildung von Kupferoxidkontaminationsstoffen auf der Oberfläche 103s führt. Kupferoxid bildet bekanntlich entsprechende Diffusionswege und somit kann während des Betriebs eine erhöhte durch Elektromigration hervorgerufene Beeinträchtigung des Gebiets 103 beobachtet werden. Daher ist es wichtig, die Oberfläche 103s vor dem Herstellen eines entsprechenden Barrierenmaterials zu reinigen. In vielen konventionellen Lösungen wird vor dem Abscheiden gut bekannter dielektrischer Barrierenmaterialien, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, und dergleichen, ein entsprechender Plasma unterstützter Reinigungsprozess durchgeführt, um Kupferoxid von der Oberfläche 103s zu entfernen. Es wird jedoch angenommen, dass ein entsprechender Plasma gestützter Reinigungsprozess zu Oberflächenmodifizierungen führt und damit die Oberfläche 103s schädigt, was schließlich zu einer weniger stabilen Grenzfläche zwischen der Oberfläche 103s und dem dielektrischen Material führt, das noch zu bilden ist.
Daher wird gemäß einer anschaulichen Ausführungsform eine Behandlung 104 bei fehlenden Plasma durchgeführt, um die Oberfläche 103s zu entfernen oder zumindest so zu modifizieren, dass Kupferoxidbereiche darauf deutlich reduziert werden. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Behandlung 104 auf der Grundlage eines Stickstoff enthaltenden Gases in Verbindung mit einem geeigneten Trägergas, etwa Helium, ausgeführt, um Kupferoxid in der Oberfläche 103s zu entfernen. Z. B. kann Ammoniak (NH₃) in Kombination mit Helium verwendet werden, um eine chemische Reaktion mit dem Kupferoxid zu bewirken, wobei eine entsprechende Substrattemperatur im Bereich von Raumtemperatur bis ca. 500°C liegen kann. Die entsprechende chemische Reaktion kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden: Cu_xO_y + NH₃ → CuN(H) + H₂O + N₂
Folglich kann Kupferoxid effizient in Kupfernitrid, das entsprechende N-H-Gruppen aufweist, umgewandelt werden. Aufgrund des Fehlens eines Plasmas, d. h., der Prozess 104 wird als ein thermisch aktivierter Prozess betrachtet, werden entsprechende Oberflächenschäden in der freiliegenden Oberfläche 103s im Wesentlichen vermieden. Des weiteren wird die Oberfläche der dielektrischen Schicht 102 nicht wesentlich durch die Behandlung 104 beeinflusst, wodurch gute Oberflächeneigenschaften der Schicht 102 für die nachfolgenden Prozessschritte bewahrt bleiben.
1b zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 nach der Behandlung 104. Somit weist die Oberfläche 103s darin ausgebildet Kupfernitrid auf, wobei entsprechende NH-Gruppen an der Oberfläche vorhanden sind, die die entsprechenden chemischen Bindungen für den nachfolgenden selbst-begrenzenden Prozess zur Verfügung stellen.
Das in 1b gezeigte Bauelement kann einem Spülschritt 114 z. B. auf Basis von Helium unterzogen werden, bevor die entsprechende Abscheideatmosphäre eingerichtet wird.
1c zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100, wenn es in einer gasförmigen Umgebung 105 ist, die in anschaulichen Ausführungsformen ein Aluminium enthaltendes Gas aufweist. Z. B. wird Al(CH₃)₃ in der Gasumgebung 105 verwendet, um eine chemische Reaktion mit den NH-Gruppen zu initiieren, die in der Oberfläche 103s aufgrund der vorhergehenden Behandlung vorhanden sind. Die entsprechende chemische Reaktion kann durch einen geeigneten Aktivierungsmechanismus z. B. auf Grundlage eines Plasmas, das in der Atmosphäre 105 eingerichtet wird, oder durch andere Mechanismen, etwas strahlungsinduzierte Zerlegung, Elektronenstrahlen induzierte Aktivierung, und dergleichen in Gang gesetzt werden. Folglich kann die Aluminium enthaltende Komponente mit den NH-Gruppen reagieren, wobei der entsprechende Reaktionsmechanismus selbst-begrenzend ist, wodurch gut steuerbare und reproduzierbare Prozessbedingungen geschaffen werden. Wie gezeigt, wird eine entsprechende atomare Oberflächenschicht auf der freiliegenden Oberfläche 103s gebildet, die in dem dargestellten Beispiel aus einer N-Al(CH₃)₂-Gattung aufgebaut ist.
1d zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen das Material der dielektrischen Schicht 102 oder zumindest deren Oberflächenschicht eine geeignete Sorte enthält, um ebenfalls eine chemische Reaktion mit dem Aluminium enthaltenden Gas zu ermöglichen. Z. B. ist das dielektrische Material der Schicht 102 aus einem Material mit Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aufgebaut, wodurch entsprechende OH-Gruppen an einer Oberflächenschicht 102s bereit gestellt werden, wobei die entsprechenden OH-Gruppen mit dem Aluminium enthaltenden Vorstufengas reagieren, um ebenfalls eine atomare Oberflächenschicht auf der dielektrischen Schicht 102 zu bilden. Somit ist auch in diesem Falle die chemische Reaktion mit der dielektrischen Schicht 102 selbst-begrenzend, wobei aufgrund der Natur der Bindungen mit den darunter liegenden Materialien die entsprechende Oberflächenschicht eine starke Haftung besitzt unabhängig davon, ob die Schicht auf dem Metallgebiet 103 oder der dielektrischen Schicht 102 gebildet ist. Danach wird die entsprechende Umgebung des Bauelements 100 z. B. mittels Helium gespült, wobei auch ein entsprechendes Plasma abgeschaltet wird, wenn ein Plasma zur Initiierung der chemischen Reaktion verwendet wird. In anderen Fällen wird die entsprechende Zufuhr von Aktivierungsenergie während des entsprechenden Spülvorgangs unterbrochen.
1e zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 während einer weiteren Behandlung 124, die ausgeführt wird, um die entsprechenden OH-Gruppen durch NH-Gruppen zu ersetzen, wodurch ebenfalls eine entsprechende Aluminiumnitridschicht über dem Metallgebiet 103 und der dielektrischen Schicht 102 geschaffen wird. Z. B. kann Ammoniak verwendet werden, wobei eine entsprechende Aktivierungsenergie z. B. durch Strahlung, Wärme, Plasma und dergleichen zugeführt wird. Somit wird eine gut steuerbare ASL mit entsprechenden Wasserstoffbindungen hergestellt, die nunmehr als Grundlage für das Aufwachsen einer Aluminiumnitridschicht auf Basis weiterer Aluminiumnitridschicht-Zyklen dienen kann, wodurch ein hohes Maß an Steuerbarkeit in Bezug auf die Schichtdicke erreicht wird. D. h., das in 1e gezeigte Bauelement wird in die Atmosphäre 105 eingebracht (1c), wodurch eine weitere atomar dicke Schicht gebildet wird, die entsprechende Aluminium enthaltende Sorte sich an die Stickstoff-Wasserstoffbindungen bindet, wodurch die Wasserstoffatome ersetzt werden. Nachfolgend kann ein weiterer Zyklus beispielsweise mit Ammoniak folgen, um die entsprechenden CH₃-Gruppen in entsprechende NH-Gruppen umzuwandeln, wie in 1e gezeigt ist.
1f zeigt das Mikrostrukturbauelement nach dem ALD-artigen Abscheideprozess, um eine Aluminium und Stickstoff enthaltende Schicht 106 zu bilden, wobei deren Dicke, die als 106t bezeichnet ist, durch die Anzahl der Zyklen gesteuert werden kann, die gemäß der zuvor beschriebenen Sequenz ausgeführt werden. Somit kann die Dicke 106t entsprechend den Bauteilerfordernissen mit hoher Genauigkeit und guter Stufenabdeckung eingestellt werden, wenn die Schicht 106 in einem strukturierten dielektrischen Material zu bilden ist, wenn ein entsprechendes im Wesentlichen isolierendes Barrierenmaterial erforderlich ist. Abhängig von der Anfangsdicke der entsprechenden Kupferoxidkontamination in der Oberflächenschicht 103s (s. 1a) kann ein Teil der Oberflächenschicht mit Kupfernitrid noch vorhanden sein und kann für eine verbesserte Oberflächeneigenschaft aufgrund der Diffusionsblockiereigenschaften des Stickstoffmaterials sorgen. In anderen anschaulichen Aus führungsformen verbindet sich der Stickstoff in der Oberflächenschicht 103s hauptsächlich mit der Atomsorte der darüber liegenden Schicht 106. Auch in diesen Falle werden verbesserte Oberflächeneigenschaften erreicht, wobei die guten Kupferdiffusionsblockiereigenschaften der Schicht 106, wenn dies beispielsweise als eine Aluminiumnitridschicht vorgesehen ist, für den gewünschten Einschuss des Kupfermaterials in dem Gebiet 103 sorgen, was auch durch das entsprechende Kupfernitridmaterial des Oberflächenbereichs 103s unterstützt wird. Da ferner Aluminiumnitrid die Fähigkeit besitzt, Sauerstoff, Feuchtigkeit und dergleichen zu absorbieren, bleibt die Integrität der Oberfläche 103s zeitlich stabil, wodurch ebenfalls zu einer besseren Zuverlässigkeit beigetragen wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem ein geeignetes dielektrisches Material direkt auf der Barrierenschicht 106 z. B. durch einen beliebigen geeigneten Abscheideprozess aufgebracht wird, wobei das dielektrische Material ein dielektrisches Material mit kleinem ε für eine nächste Metallisierungsschicht repräsentieren kann. Im Vergleich zu konventionellen Strategien werden somit die Grenzflächeneigenschaften zwischen dem Kupfer und einem isolierendem Material auf Basis einer gut steuerbaren Schichtdicke verbessert, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Menge eines weiteren dielektrischen Barrierenmaterials zu reduzieren, das konventioneller Weise deutlich zur Gesamtpermittivität des resultierenden Schichtstapels beiträgt. Während eines nachfolgenden Prozesses zum Strukturieren eines entsprechenden dielektrischen Materials, das direkt auf der Barrierenschicht 106 gebildet wird, kann dieses Material als ein Ätzstoppmaterial oder zumindest als ein Indikatormaterial z. B. durch das Freisetzen von Aluminium verwendet werden, so dass ein entsprechender Strukturierungsprozess zuverlässig auf Basis der Barrierenschicht 106 gesteuert werden kann. In anderen Fallen wird ein entsprechender Ätzprozess auf Grundlage des Freilegens des Materials des Gebiets 103 gesteuert, wenn die Barrierenschicht 106 mit einer reduzierten Dicke 106t vorgesehen ist oder wenn keine effizienten Ätzsteuereigenschaften vorhanden sind.
1g zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 gemäß einer weitern anschaulichen Ausführungsform. In diesem Falle wird ein Abscheideprozess 108 so ausgeführt, dass ein weiteres dielektrisches Material 107 bereit gestellt wird, das entsprechende Barriereneigenschaften und/oder Ätzstoppeigenschaften aufweist, um die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 zu unterstützen. Z. B kann die Schicht 107 ein gut etabliertes Barrieren/Ätzstoppmaterial, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Stickstoff angereichertes Silizium karbid oder eine geeignete Mischung dieser Materialien repräsentieren, um die Integrität des Kupfermaterials in dem Gebiet 103 weiter zu verbessern und/oder bessere Ätzstoppeigenschaften während der weiteren Bearbeitung bereit zu stellen. Anders als in konventionellen Strategien wird die Zusammensetzung der Schicht 107, beispielsweise im Hinblick auf entsprechende Teilschichten, Materialien und dergleichen in Bezug auf die ätzstoppspezifischen Eigenschaften anstatt dahin gehend festgelegt, dass sowohl Diffusionsblockiereigenschaften also auch Ätzstoppeigenschaften erforderlich sind. Somit wird eine erhöhte Flexibilität bei der Auswahl geeigneter Materialien erreicht. Aufgrund des Vorsehens der Barrierenschicht 106 kann die Dicke der Schicht 107 auf einen wesentlich kleineren Wert eingestellt werden im Vergleich zu konventionellen Strategien, wodurch das Vorhandensein von Materialien mit moderat hoher Permittivität deutlich reduziert wird, was zu einer geringeren parasitären Gesamtkapazität des resultierenden Schichtstapels beiträgt. Wenn z. B. bessere Ätzstoppeigenschaften erwünscht sind, kann die Schicht 107 durch ein geeignetes Material gebildet werden, wobei sogar Siliziumdioxid eingesetzt werden kann, – von dem bekannt ist, dass eine starke Kupferdiffusion darin stattfinden kann, – da die Barrierenschicht 106 für die erforderlichen Kupferdiffusionsblockiereigenschaften sorgt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Abscheideprozess in-situ in der Prozesssequenz ausgeführt, die zuvor mit Bezug zu den 1a–1f beschrieben ist, wodurch die Prozesskomplexität deutlich verringert und die Anlagenausnutzung und der gesamte Prozessdurchsatz erhöht werden. In diesem Zusammenhang ist ein in-situ Prozess als eine Sequenz von Fertigungsprozessen zu verstehen, die in der gleichen Prozesskammer einer Prozessanlage ohne zwischenzeitliche Transportaktivitäten ausgeführt werden. Z. B. kann der Abscheideprozess 108 in einer geeigneten CVD-Kammer ausgeführt werden, die auch das Erzeugen einer geeigneten Plasmaumgebung ermöglicht, die die entsprechende Aktivierungsenergie während der vorhergehenden ALD-artigen Abscheidesequenz. In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden die Schichten 106 und 107 in separaten speziellen Prozessanlagen ausgeführt.
Ferner kann ein weiteres dielektrisches Material, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε für eine folgende Metallisierungsschicht auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Technik, etwa CVD, Plasma unterstützte CVD, Aufschleuderverfahren, und dergleichen aufgebracht werden, wobei im Falle einer CVD-Abscheidung die Prozesssequenz zur Herstellung der Barrierenschicht 106 und die entsprechende Abscheidung des dielektrischen Materials mit kleinem ε auch als eine in-situ Prozesssequenz ausgeführt werden können.
1h zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt, unterliegt das Bauelement 100 einem Abscheideprozess 109, der einen ALD-artigen auf der Grundlage geeigneter Materialien repräsentiert, um die Barrierenschicht 106 in Form mehrerer Unterschichten 106a, ..., 106c bereit zu stellen, wobei eine dieser Unterschichten in Form einer Aluminiumnitridschicht vorgesehen ist, die entsprechend der zuvor beschriebenen Sequenz hergestellt ist. Z. B. kann die Schicht 106c in Form einer Aluminiumnitridschicht vorgesehen sein. Danach wird der Prozess 109 so ausgeführt, dass eine andere Materialzusammensetzung auf Grundlage einer selbstbegrenzenden Prozesssequenz bereit gestellt wird, die Gesamteigenschaften der Barrierenschicht 106 speziell zu gestalten. Z. B. werden entsprechende Vorstufengase ausgewählt, um eine entsprechende Bindungen mit den jeweiligen NH-Gruppen der Schicht 106 herzustellen, wodurch die Eigenschaften der Schicht 106 speziell gestaltet werden. Beispielsweise können die funktionalen Gruppen in den Vorstufengasen gemäß den Bauteilerfordernissen gestaltet werden, z. B. durch Einbau geeigneter Sorten, etwa Silizium, Stickstoff und dergleichen, um damit die Diffusionsblockiereigenschaften, die Ätzstoppeigenschaften, und dergleichen einzustellen. Bei Bedarf kann die Prozesssequenz 109 dann auf Basis eines anderen Vorstufengases fortgesetzt werden, um die Schicht 106a zu bilden. Folglich können auf Grundlage des selbst-begrenzenden Prozesses 109 eine Vielzahl von Barrierenmaterialien erzeugt werden, wobei die entsprechenden Eigenschaften speziell durch das Vorsehen mehrerer Unterschichten eingestellt werden können. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird vor dem Ausführen des Prozesses 109 oder der selbst-begrenzenden Prozesssequenz, wie dies zuvor mit Bezug zu den 1a–1f beschrieben ist, ein räumlich selektiver Prozess ausgeführt, um eine Deckschicht 110 über der Oberfläche 103s zu bilden, wobei die Deckschicht 110 aus einem dielektrischen Material oder einem leitenden Material aufgebaut ist, abhängig von der Prozessstrategie. Z. B. können entsprechende Metalllegierungen selektiv auf der Oberfläche 103s vorgesehen werden, wobei die jeweiligen Materialien verbesserte Grenzflächeneigenschaften aufweisen, während die entsprechenden Ätzstoppeigenschaften und Kupfereinschlusseigenschaften für modernste Mikrostrukturbauelemente unter Umständen nicht ausreichend sind. In diesem Falle wird die Schicht 106 so gebildet, wie dies beispielsweise zuvor gezeigt oder in Kombination mit dem Prozess 109, um damit die gewünschten Gesamteigenschaften zu erhalten, d. h., eine hohe Grenzflächenintegrität in Verbindung mit einer geringen Gesamtpermittivität.
Folglich wird durch Verwenden zumindest eines ALD-artigen Abscheideprozesses zur Herstellung eines im Wesentlichen isolierenden Materials auf einer freiliegenden Oberfläche eines Metallgebiets eine verbesserte Flexibilität bei der Auswahl geeigneter Materialien mit verbesserter Prozesssteuerbarkeit erreicht, wobei gleichzeitig das Leistungsvermögen und die Zuverlässigkeit von Mikrostrukturbauelementen erhöht wird, insbesondere wenn Kupfer enthaltende Metallisierungsstrukturen betrachtet werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden zusätzliche Barrierenschichten, beispielsweise in Form von gut bekannten Materialien, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Stickstoff angereichertem Siliziumkarbid und dergleichen weg gelassen und ein entsprechendes dielektrisches Material mit kleinem ε kann direkt auf dem im Wesentlichen isolierendem Barrierenmaterial, das durch eine ALD-artige Abscheidetechnik geschaffen wird, aufgebracht werden. Im Falle von Kupfer enthaltenden Metallgebieten werden verbesserte chemische und mechanische Eigenschaften und eine verbesserte Haftung erreicht durch chemische Bindung der Barrierenschicht mit den darunter liegenden Materialien, wobei beispielsweise eine Aluminiumnitridschicht in Verbindung mit Kupfer und einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε verwendet werden können. Ferner kann bei der entsprechenden Vorbehandlung zur Vorbereitung der Kupfer enthaltenden Oberfläche für den nachfolgenden selbstbegrenzenden Abscheideprozess eine deutliche Schädigung der Oberfläche verhindert werden, indem ein entsprechender Prozess bei Fehlen einer Plasmaumgebung ausgeführt wird. Wie zuvor beschrieben ist, kann die entsprechende Sequenz für die Herstellung der Barrierenschicht 106 als ein in-situ Prozess eingerichtet werden, wobei in einigen anschaulichen Aspekten die Abscheidung weiterer Materialien, etwa von dielektrischen Materialien mit kleinem ε, zusätzlichen Barrierenmaterialien und dergleichen ebenfalls als in-situ Prozesse ausgeführt werden können.
Mit Bezug zu den 2a–2c werden nun weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen entsprechende Vorbehandlungen vor der Herstellung einer Barrierenschicht auf Grundlage einer ALD-artigen Abscheidesquenz ausgeführt werden.
2a zeigt schematisch ein Mikrostrukturbauelement 200 in einer Fertigungsphase, in der das Bauelement 200 ein Substrat 201 aufweist, das darin Schaltungselemente besitzt, wie dies zuvor für das Substrat 101 beschrieben wurde. Ferner weist das Bauelement 200 eine dielektrische Schicht 202, die ein dielektrisches Material einer Metallisierungsschicht oder einer anderen Bauteilebene repräsentieren kann, in der ein Metallgebiet, etwa ein Kupfer enthaltendes Metallgebiet zu bilden ist. In der dargestellten Ausführungsform repräsentiert die dielektrische Schicht 202 ein dielektrisches Material mit kleinem ε, das eine geeignete Materialzusammensetzung gemäß den Bauteilerfordernissen aufweist. Z. B. ist die Schicht 202 aus einem Material gebildet, das nicht die erforderlichen Oberflächeneigenschaften für den selbst-begrenzenden Abscheideprozess für ein Barrierenmaterial bietet. Z. B. ist die Schicht 202 aus porösem Silizium, porösem Silica und dergleichen oder anderen dielektrischen Materialien mit kleinem ε aufgebaut. Daher wird das Bauelement 200 einer Behandlung 210 unterzogen, um eine entsprechende Oberfläche 202s mit einer geeigneten chemischen Zusammensetzung bereit zustellen, die eine nachfolgende Verbindung mit einer passenden Spezies, etwa einer Aluminium und Stickstoff enthaltenden Spezies ermöglicht. Z. B. kann die Behandlung 210 das Abscheiden eines geeigneten Materials, etwa ein Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff enthaltendes Material, für das gut bekannte Zusammensetzungen verfügbar sind, beinhalten. Somit kann die Behandlung 210 als ein CVD-Prozess zur Herstellung der Oberflächenschicht 202s mit der erforderlichen Dicke ausgeführt werden. In anderen Fällen umfasst die Behandlung 210 das Abscheiden eines Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Materials oder beinhaltet eine plasmagestützte Behandlung zum Einbau von Sauerstoff oder Stickstoff in den Oberflächenbereich der dielektrischen Schicht 202, um die Oberflächenschicht 202s zu bilden.
Danach wird die weitere Bearbeitung des Bauelements 200 fortgesetzt, indem die dielektrische Schicht 202 geeignet auf der Grundlage gut etablierter Rezepte und Fotolithografieverfahren strukturiert. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht 202 zuerst strukturiert und danach während des Prozesses 210 behandelt, um eine entsprechende Oberflächenschicht 202s an jeder freiliegenden Oberfläche zu bilden.
2b zeigt schematisch das Bauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Fertigungsstadium, wobei ein Kupfer enthaltendes Gebiet 203 in der dielektrischen Schicht 202 gebildet ist und wobei das Gebiet 203 eine leitende Barrierenschicht 203a und eine freiliegende Oberfläche 203s aufweist, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist. Somit können auch entsprechende Fertigungssequenzen für die Bauelement angewendet werden. D. h., nach der Herstellung des Kupfer enthaltenden Gebiets 203 kann die freiliegende Oberfläche 203s eine merkliche Menge an Kupferoxid aufweisen, während die Oberflächenschicht 202s eine entsprechende Konfiguration besitzen kann, so dass eine spätere Haftung eines Vorstufengases möglich ist, wie dies zuvor beschrieben ist. Somit kann das in 2b gezeigte Bauelement 200 einer Prozesssequenz unterzogen werden, wie sie mit Bezug zu den 1a–1e beschrieben ist, um eine entsprechende Barrierenschicht auf Grundlage eines selbst-begrenzenden Prozesses zu bilden, wobei die modifizierte Oberfläche 202s ein zusammenhängendes Abscheiden über dem Gebiet 203 und der dielektrischen Schicht 202 ermöglicht, was an sich unter Umständen für die selbstbegrenzende Sequenz nicht geeignet ist.
2c zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform, in der das Bauelement 200 einer Behandlung 211 unterzogen wird, die so gestaltet ist, dass die freiliegende Oberfläche 203s für die folgende Prozesssequenz zur Herstellung einer Barrierenschicht vorbereitet wird, wie dies zuvor beschrieben ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst die Behandlung 211 einen Oxidationsprozess, der z. B. auf Basis eines nasschemischen Prozesses, eines Plasma gestützten Prozesses, eines thermischen Oxidationsprozesses und dergleichen ausgeführt wird, um eine im Wesentlichen zusammenhängende Kupferoxidschicht auf der freiliegenden Oberfläche 203s zu bilden. In diesem Falle wird eine im Wesentlichen zusammenhängende und gut definierte Kupferoxidschicht gebildet, die als Passivierungsschicht während der weiteren Handhabung des Substrats 200 vor der eigentlichen Abscheidung eines Barrierenmaterials entsprechend der zuvor beschriebenen selbst-begrenzenden Sequenz dienen kann. In diesem Falle kann die Behandlung, wie sie zuvor mit Bezug zu 1a beschrieben ist, d. h., die Behandlung 104 zur Umwandlung des Kupferoxids in ein Kupfernitrid mit Wasserstoff, auf Basis gleichmäßiger Oberflächenbedingungen ausgeführt werden, wobei die entsprechende Oberfläche 302s eine verbesserte Integrität aufgrund der Passivierungseigenschaften während der weiteren Substrathantierungsaktivitäten aufweisen kann. Folglich kann die Oberfläche 203s z. B. unmittelbar nach dem entsprechenden CMP-Prozess mit großer Gleichmäßigkeit ausgeführt werden, während nachfolgende Prozessaktivitäten nicht wesentlich zu Oberflächenunregelmäßigkeiten aufgrund der passivierenden Kupferoxidschicht an der Oberfläche 203s beitragen.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen enthält die Behandlung 211 das selektive Einbinden von Stickstoff durch nasschemische Rezepte auf Basis geeigneter Vorstufenmaterialien, so dass in diesem Falle die Behandlung 104, die in 1a dargestellt ist, weg gelassen werden kann und die entsprechende Herstellung der Barrierenschicht in einer selbst-begrenzenden begonnen werden kann, indem ein Aluminium enthaltendes Gas eingeführt wird, wie dies beispielsweise in 1c gezeigt ist.
Mit Bezug zu den 3a und 3b werden nun weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen eine Barrierenschicht, etwa die Barrierenschicht 106 in Verbindung mit einer Ätzstoppschicht gebildet wird, die so strukturiert ist, dass die Gesamtpermittivität des resultierenden Schichtstapels reduziert wird.
3a zeigt schematisch ein Mikrostrukturbauelement 300 mit einem Substrat 302, einer darauf gebildeten dielektrischen Schicht 302, einem in der dielektrischen Schicht 302 eingebetteten Metallgebiet 302 und eine isolierende Schicht 306. In Bezug auf die bisher beschriebenen Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Bauelementen 100 und 200 angegeben sind. Somit repräsentiert die Barrierenschicht 306 z. B. eine ASL, die auf Basis der selbst-begrenzenden Sequenz hergestellt ist, wie die zuvor beschrieben ist. Des weiteren umfasst das Bauelement 300 eine Ätzstoppschicht 307, die aus einem Material aufgebaut ist, das eine gewünschte hohe Ätzselektivität während eines nachfolgenden Ätzprozesses zum Strukturieren eines dielektrischen Materials besitzt, das in einer späteren Fertigungsphase für die Herstellung einer Metallisierungsschicht des Bauelements gebildet wird. Somit können beliebige geeignete Materialien, etwa Siliziumnitrid und dergleichen verwendet werden, unabhängig von der relativen Permittivität, da die Schicht 307 durch einen Ätzprozess 313 auf Basis einer Lackmaske 312 strukturiert wird. D. h., das Material der Schicht 307 wird in Bereichen entfernt, in denen die Ätzstoppschicht während der weiteren Bearbeitung nicht erforderlich ist, wodurch der Einfluss auf die Gesamtpermittivität des Schichtstapels merklich verringert wird, während dennoch eine zuverlässige Strukturierungssequenz in nachfolgenden Prozessen gewährleistet ist. Der Prozess 313 kann als nasschemischer Ätzprozess, als Trockenätzprozess und dergleichen auf Basis einer geeigneten Ätzchemie ausgeführt werden, wobei die Barrierenschicht 306 als eine Ätzstoppschicht dient.
3b zeigt schematisch das Bauelement 300 in Draufsicht nach dem Ätzprozess 313 und dem Entfernen der Lackmaske 312. In dieser anschaulichen Ausführungsform wird die Ätzstoppschicht auch von Bereichen über dem Metallgebiet 303 entfernt und wird nur auf einem Bereich beibehalten, an welchen eine entsprechende Kontaktdurchführung 314, die gestrichelt dargestellt ist, in einer späteren Fertigungsphase zu bilden ist, wenn ein ent sprechendes dielektrisches Material zum Anschluss des Gebietes 303 zu strukturieren ist. Folglich wird der entsprechende Ätzprozess mit hoher Zuverlässigkeit ausgeführt, während die Barrierenschicht 306 die gewünschte mechanische Festigkeit und die Diffusionsblockierwirkung über dem Metallgebiet 303 sorgt.
Mit Bezug zu den 4a und 4b werden entsprechende Halbleiterbauelemente beschrieben, in denen das selbst-begrenzende Barrierenmaterial in einem Metallisierungsschichtstapel verwendet ist.
4a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 400 mit einem Substrat 401, über dem eine dielektrische Schicht 402 mit einem darin eingebauten leitenden Gebiet 403 gebildet ist. Z. B. repräsentiert die dielektrische Schicht 402 in Verbindung mit dem leitenden Gebiet 403 eine Metallisierungsebene des Bauelements 400, während in andern Fallen das leitende Gebiet 403 einen Kontaktbereich eines Schaltungselements bildet, das über dem Substrat 401 ausgebildet ist. In einer anschaulichen Ausführungsform enthält das leitende Gebiet 403 ein Kupfer enthaltendes Gebiet beispielsweise in Form einer Metallleitung, wobei eine entsprechende Barrierenschicht 406 für die erforderliche Integrität des Kupfermaterials in dem Gebiet 403 sorgt. Das Barrierenmaterial 406 repräsentiert in einer anschaulichen Ausführungsform eine Aluminiumnitridschicht, d. h., eine Aluminium und Stickstoff enthaltende Schicht, die auf der Grundlage einer selbstbegrenzenden Prozesssequenz gebildet ist, wie sie zuvor beschrieben ist. Das Bauelement umfasst ferner ein dielektrisches Material 422, das zumindest teilweise als ein dielektrisches Material mit kleinem ε vorgesehen ist, und in dem eine Metallleitung 423, z. B. eine Kupfer enthaltende Leitung eingebettet ist, die mit dem Metallgebiet 403 durch eine entsprechende Kontaktdurchführung 423a verbunden ist. Eine entsprechende Barrierenschicht 426 kann die Metallleitung 423 bedecken, wobei die Barrierenschicht 426 in Form einer Aluminium und Stickstoff enthaltenden Schicht vorgesehen sein kann, das auf Grundlage einer selbst-begrenzenden Prozesssequenz hergestellt werden kann, wie dies zuvor beschrieben ist.
Die Komponenten 401, 402 und 403 können auf Basis gut etablierter Techniken hergestellt werden, woran sich eine Abscheidetechnik für das Material der Schicht 406 anschließt, wie sie zuvor beschrieben ist. Danach wird das dielektrische Material 422 direkt auf der Schicht 406 abgeschieden und danach auf Basis gut etablierter Schemata strukturiert. Anschließend wird die Schicht 426 in der zuvor beschriebenen Weise gebildet.
4b zeigt schematisch das Bauelement 400 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform, in der eine Ätzstoppschicht 407 zumindest lokal über der Barrierenschicht 406 vorgesehen ist, um einen entsprechenden Strukturierungsprozess 427 zu steuern, der auf Basis einer entsprechenden Lackmaske 428 ausgeführt wird, die gestaltet ist, eine Öffnung für die Kontaktdurchführung 423a zu bilden. Da die Ätzstoppschicht 407 speziell so gestaltet ist, dass der Prozess 427 gesteuert wird, kann ein geeignetes Material mit einer deutlich kleineren Dicke im Vergleich zu konventionellen Strategien verwendet werden, da die entsprechenden Grenzflächeneigenschaften durch die Barrierenschicht 406 bereit gestellt werden.
Im Hinblick auf eine Prozessabfolge zur Herstellung der dielektrischen Schicht 422 gelten, unabhängig davon, ob die Ätzstoppschicht 407 vorgesehen ist oder nicht, die gleichen Kriterien, wie sie zuvor erläutert sind. D. h., die Sequenz zur Herstellung der Barrierenschicht 406 und das Abscheiden des dielektrischen Materials, möglicherweise in Verbindung mit dem Abscheiden der Ätzstoppschicht 407, können als eine in-situ Sequenz ausgeführt werden, wodurch die Anlagenauslastung und der Prozessdurchsatz verbessert werden.
Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit, die das Leistungsvermögen vom Metallisierungsstrukturen in modernen Halbleiternbauelementen verbessert, während die Gesamtpermittivität des dielektrischen Zwischenschichtmaterials auf einem geringen Wert bleibt. Zu diesem Zweck wird ein ALD-artiger Abscheideprozess ausgeführt, um ein effizientes Barrierenmaterial in gut steuerbarer Weise abzuscheiden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, weiteres Barrierenmaterial wegzulassen oder zumindest dessen Menge deutlich zu verringern. In anschaulichen Ausführungsformen wird eine Aluminiumnitridschicht durch eine selbst-begrenzende Prozesssequenz gebildet, wobei das Aluminium die Kupferdiffusionsblockiereigenschaften besitzt und auch bessere Einfangfähigkeiten für Sauerstoff und Feuchtigkeit aufweist.

Claims

Verfahren mit: Bilden einer Stickstoff enthaltenden Schicht auf einer freiliegenden Oberfläche eines kupferbasierten Metallgebiets, das in einer dielektrischen Schicht, die zumindest an der Oberfläche OH-Gruppen aufweist, gebildet ist; und Einbringen der Stickstoff enthaltenden Schicht in eine Umgebung, die auf Grundlage eines Al(CH₃)₃-Gases eingerichtet wird, um eine Aluminium und Stickstoff enthaltende erste Barrierenschicht auf dem Metallgebiet zu bilden; wobei Bilden der Stickstoff enthaltenden Schicht umfasst: Bilden eines Kupferoxids in einer oxidierenden Umgebung auf Basis eines nasschemischen Prozesses, eines Plasma gestützten Prozesses oder eines thermischen Oxidationsprozesses als eine im Wesentlichen zusammenhängende Kupferoxidschicht auf der freiliegenden Oberfläche und Behandeln der Kupferoxidschicht, um Kupferoxid in Kupfernitrid umzuwandeln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallgebiet Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Behandeln der freiliegenden Oberfläche das Einrichten einer Ammoniak (NH₃) enthaltenden Umgebung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden einer zweiten dielektrischen Barrierenschicht auf der ersten Barrierenschicht und Bilden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε über der zweiten dielektrischen Barrierenschicht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Barrierenschicht und die zweite dielektrische Schicht in einem in-situ-Prozess hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Behandeln der Kupferoxidschicht eine thermische Aktivierung in Abwesenheit eines Plasmas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε auf der Aluminium und Stickstoff enthaltenden Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminium und Stickstoff enthaltende erste Barrierenschicht auf der dielektrischen Schicht gebildet wird.