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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung einer Verbindungsstruktur, wobei nasschemische Reinigungsprozesse von Oberflächen mit freiliegenden Kupferbereichen erforderlich sind.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In einer komplexen 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 ebenen Konfiguration ausgebildet. Auf Grund der großen Anzahl von Schaltungselementen und der erforderlichen komplexen Schaltungsanordnung der integrierten Schaltungen können im Allgemeinen die elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente nicht in der gleichen Ebene hergestellt werden, in der die Schaltungselemente ausgebildet sind, sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche „Verdrahtungsschichten“ erforderlich, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten enthalten im Allgemeinen Metallleitungen, die die elektrische Verbindung innerhalb der Ebene schaffen und enthalten auch mehrere Zwischenebenenverbindungen, die auch als Kontaktdurchführungen bezeichnet werden, wobei die Metallleitungen und die Kontaktdurchführungen gemeinsam auch als Verbindungsstruktur bezeichnet werden.
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Auf Grund der zunehmenden Reduzierung der Strukturgrößen von Schaltungselementen in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche, d. h. die Packungsdichte, wodurch eine noch größere Zunahme der elektrischen Verbindungen zum Bereitstellen der gewünschten Schaltungsfunktion erforderlich ist. Daher nimmt die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten typischerweise zu, wenn die Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche größer wird. Da die Herstellung mehrerer Metallisierungsschichten äußerst herausfordernde Probleme nach sich zieht, die es zu lösen gilt, etwa das Sicherstellen der mechanischen, thermischen und elektrischen Zuverlässigkeit der vielen gestapelten Metallisierungsschichten, die beispielsweise für moderne Mikroprozessoren, erforderlich sind, gehen die Halbleiterhersteller zunehmend dazu über, ein Metall zu verwenden, das höhere Stromdichten und geringere Abmessungen der Verbindungsstrukturen ermöglicht. Beispielsweise ist Kupfer ein Metall, das allgemein als geeigneter Kandidat auf Grund der besseren Eigenschaften im Hinblick auf eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und im Hinblick auf einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand betrachtet wird, wenn Kupfer mit anderen Metallen verglichen wird, etwa Aluminium, das über die letzten Jahrzehnte verwendet wurde. Trotz dieser Vorteile zeigt Kupfer eine Reihe von Nachteilen im Hinblick auf das Bearbeiten und Handhaben von Kupfer in einer Halbleiterfertigungsstätte. Z. B. kann Kupfer nicht effizient auf ein Substrat in größeren Mengen durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische Dampfabscheidung (CVD) aufgebracht werden, und kann auch nicht wirksam durch typischerweise eingesetzte anistrope Ätzprozeduren auf Grund des Mangels an Erzeugung von flüchtigen Ätznebenprodukten strukturiert werden. Bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupfer wird daher die sogenannte Damaszener-Technik vorzugsweise eingesetzt, in der eine dielektrische Schicht zunächst aufgebracht und anschließend strukturiert wird, so dass diese Gräben und Kontaktöffnungen erhält, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden. Ein weiterer wesentlicher Nachteil des Kupfers besteht in seiner Fähigkeit, leicht in dielektrischen Materialien mit kleinem ε, im Silizium und Siliziumdioxid zu diffundieren, das ein gut etabliertes und bewährtes dielektrisches Material bei der Herstellung integrierter Schaltungen ist.
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Als Beispiel seien die Dokumente
US 2002 / 0 115 284 A1 und
US 7 172 976 B2 angeführt, die die Reinigung einer dualen Damaszenerstruktur beschreiben.
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In der
US 2002 / 0 115 284 A1 wird dazu ein Prozess vorgeschlagen, in dem zunächst Polymerreste mittels Wasserstoffperoxid bei geringer Temperatur entfernt werden und nachfolgend eine Reinigung mit HF und Wasserstoffchlorid vorgenommen wird.
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In der
US 7 172 976 B2 wird ein zweistufiger Prozess vorgeschlagen, der ähnlich zu dem zuvor beschriebenen Prozess ist. Es wird zunächst eine Behandlung mit Wasserstoffperoxid durchgeführt, um eine Oxidation freiliegender Kupferflächen zu erreichen. Daraufhin wird eine standardmäßige Reinigung mit HF ausgeführt, die die oxidierten Bereiche zuverlässig entfernen soll. Anschließend wird ein oxidationsverhinderndes Mittel aufgebracht.
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Es ist daher notwendig, ein sogenanntes Barrierenmaterial in Verbindung mit einer kupferbasierten Metallisierung einzusetzen, um im Wesentlichen ein Herausdiffundieren von Kupfer in das umgebende dielektrische Material zu vermeiden, da Kupfer leicht zu empfindlichen Halbleiterbereichen wandern kann, wodurch deren Eigenschaften deutlich geändert werden. Andererseits unterdrückt das Barrierenmaterial die Diffusion reaktiver Komponenten in das Metallgebiet. Das zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorgesehene Barrierenmaterial sollte jedoch zusätzlich zu den erforderlichen Barriereneigenschaften eine gute Haftung zu dem dielektrischen Material sowie zum Kupfer aufweisen und sollte auch einen möglichst geringen elektrischen Widerstand besitzen, um nicht in unerwünschter Weise die elektrischen Eigenschaften der Verbindungsstruktur zu beeinträchtigen. Ferner kann die Barrierenschicht auch als eine „Schablone“ für das nachfolgende Abscheiden des Kupfermaterials im Hinblick auf das Erzeugen einer gewünschten Kristallkonfiguration dienen, da eine gewisse Menge an Information der Oberflächenbeschaffenheit der Barrierenschicht in das Kupfermaterial übertragen werden kann, um damit eine gewünschte Korngröße und Konfiguration zu erhalten. Es zeigt sich jedoch, dass ein einzelnes Material in der Regel nicht einfach die an ein gewünschtes Barrierenmaterial gestellten Anforderungen erfüllen kann. Somit wird eine Mischung aus Materialien häufig eingesetzt, um die gewünschten Barriereneigenschaften bereitzustellen. Z. B. wird häufig eine Doppelschicht aus Tantal und Tantalnitrid als Barrierenmaterial in Verbindung mit einer Kupfer-Damaszener-Metallisierungsschicht eingesetzt. Tantal, das effizient Kupferatome daran hindert, in ein benachbartes Material zu diffundieren, selbst wenn es in Form sehr dünner Schichten vorgesehen wird, zeigt jedoch eine geringe Haftung zu einer Vielzahl von dielektrischen Materialien, etwa siliziumdioxidbasierten Dielektrika, so dass eine Kupferverbindung mit einer Tantalbarrierenschicht eine geringere mechanische Stabilität aufweist, insbesondere während des chemisch-mechanischen Polierens der Metallisierungsschicht, was zum Entfernen von überschüssigem Kupfer und zum Einebnen der Oberfläche für das Vorsehen einer weiteren Metallisierungsschicht eingesetzt wird. Die geringere mechanische Stabilität während des CMP kann jedoch gewichtige Zuverlässigkeitsprobleme im Hinblick auf eine reduzierte thermische und elektrische Leitfähigkeit der Verbindungsleitungen nach sich ziehen. Andererseits weist Tantalnitrid eine ausgezeichnete Haftung zu siliziumbasierten Dielektrika auf, besitzt jedoch eine sehr geringe Haftung an Kupfer. Folglich wird in modernen integrierten Schaltungen mit einer kupferbasierten Metallisierung typischerweise eine Barrierendoppelschicht aus Tantalnitrid/Tantal eingesetzt. Die Forderung nach einem geringen Widerstand der Verbindungsstruktur in Kombination mit einer ständigen Verringerung der Abmessungen der Schaltungselemente und damit verknüpft der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen erfordert, dass die Dicke der Barrierenschicht verringert werden muss, wobei dennoch für die erforderlichen Barriereneffekte gesorgt wird. Es wurde erkannt, dass Tantalnitrid ausgezeichnete Barriereneigenschaften aufweist, selbst wenn es mit einer Dicke von lediglich einigen Nanometern und weniger aufgebracht wird. Daher wurden anspruchsvolle Abcheidetechniken entwickelt, um dünne Tantalnitridschichten mit hoher Konformität selbst in Öffnungen mit großem Aspektverhältnis zu bilden, etwa den Kontaktöffnungen moderner Metallisierungsstrukturen, wobei auch die gewünschte Oberflächentextur in Bezug auf die weitere Bearbeitung erhalten wird.
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Da die Abmessungen der Gräben und Kontaktdurchführungen gegenwärtig eine Breite oder einen Durchmesser von ungefähr 0,1 µm und weniger bei einem Aspektverhältnis der Kontaktdurchführungen von ungefähr 5 oder mehr erreicht haben, ist das Abscheiden einer Barrierenschicht in zuverlässiger Weise auf allen Oberflächen der Kontaktdurchführungen und der Gräben und das nachfolgende Auffüllen mit Kupfer, ohne im Wesentlichen Hohlräume zu erzeugen, eine sehr herausfordernde Aufgabe bei der Herstellung moderner integrierter Schaltungen. Aktuell wird die Herstellung einer kupferbasierten Metallisierungsschicht bewerkstelligt, indem eine geeignete dielektrische Schicht zur Herstellung von Gräben und/oder Kontaktdurchführungen darin strukturiert und die Barrierenschicht abgeschieden wird, die beispielsweise aus Tantal (Ta) und/oder Tantalnitrid (TaN) aufgebaut ist, wobei moderne PVD- (physikalische Dampfabscheide-) Techniken, etwa die Sputter-Abscheidung, eingesetzt werden. Auf Grund der vielen Anforderungen an moderne Bauelemente, wie dies zuvor erläutert ist, muss die Oberfläche der strukturierten Anordnung vor dem Abscheiden des Barrierenmaterials und auch vor dem Abscheiden des Kupfermaterials aufbereitet werden. Zu diesem Zweck werden für gewöhnlich nasschemische Reinigungsprozesse beispielsweise auf der Grundlage von Flusssäure ausgeführt. Danach wird Kupfer die Kontaktdurchführungen und Gräben eingefüllt, wobei sich das Elektroplattieren als eine geeignete Prozesstechnik erwiesen hat, da diese in der Lage ist, die Kontaktdurchführungen und Gräben mit einer hohen Abscheiderate im Vergleich zu CVD (chemische Dampfabscheidung) und PVD in dem Schema von unten nach oben aufzufüllen, wobei die Öffnungen von der Unterseite her in einer im Wesentlichen hohlraumfreien Weise gefüllt werden.
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Es zeigt sich jedoch, dass in höheren Metallisierungsebenen eine Beeinträchtigung der Kontaktdurchführungen beobachtet werden kann, wobei man annimmt, dass dies durch kleine Kupferhohlräume an der Grenzfläche einer Kontaktdurchführung zu einer darunter liegenden Kupferleitung hervorgerufen wird. Diese Hohlräume in der Kupfergrenzfläche können während des Strukturierens des darüber liegenden dielektrischen Materials der nächsten Metallisierungsschicht erzeugt werden, da in dieser Sequenz Kupfer der tieferliegenden Kupferleitung innerhalb der Kontaktlochöffnung, die in dem darüber liegenden dielektrischen Material gebildet wird, freigelegt wird. Somit wird in einer gewissen Phase nach dem Ätzen entsprechender Gräben für die Metallleitung der nächsten Metallisierungsschicht Kupfer in den zugeordneten Kontaktdurchführungen freigelegt, woraus sich Kupferhohlräume und damit eine Beeinträchtigung der Verbindungsstruktur ergeben.
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Angesichts der zuvor erläuterten Situation betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Verfahren und Vorrichtungen, die es ermöglichen, eines oder mehrere der oben erkannten Probleme zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Überblick über die vorliegende Offenbarung
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Im Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand eine Technik und ein System, die die Herstellung von metallgefüllten Öffnungen in einer Materialschicht eines Halbleiterbauelements ermöglichen, wobei beeinträchtigende Mechanismen abgeschwächt werden, indem entsprechende Reinigungsprozesse verbessert werden, die typischerweise zum Aufbereiten der Oberflächenbedingungen für das nachfolgende Abscheiden von metallenthaltenden Materialien, etwa Barrierenmaterialien, kupferbasierte Materialien und dergleichen, erforderlich sind. Wie zuvor erläutert ist, kann die Zuverlässigkeit der Verbindungsstrukturen von der Qualität von Grenzflächen zwischen unterschiedlichen metallenthaltenden Materialien abhängen, etwa einer Grenzfläche zwischen Kupfer und einem Barrierenmaterial und dergleichen, wobei insbesondere freigelegte Kupferoberflächen während des Reinigungsprozesses jedoch trotz der Vorteile, die im Allgemeinen durch den Reinigungsprozess erreicht werden, um einen unerwünschten Materialabtrag erleiden, was zu kleinen Hohlräumen führen kann, wodurch das elektrische Leistungsverhalten der jeweiligen Grenzfläche beeinträchtigt wird, wobei auch zu einer geringeren Zuverlässigkeit beigetragen wird. Folglich ermöglichen die hierin offenbarten Techniken und Systeme einen effizienten nasschemischen Reinigungsprozess mit einer reduzierten Defektrate an empfindlichen Oberflächenbereichen, etwa in freigelegten kupferenthaltenden Oberflächenbereichen, indem die Anwesenheit von Sauerstoff während des nasschemischen Reinigungsprozesses deutlich reduziert wird, ohne dass der Gesamtprozess und die Systemkomplexitäten unerwünschterweise erhöht werden.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst die Schritte:
- Bereitstellen einer strukturierten dielektrischen Schicht einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements, wobei die strukturierte dielektrische Schicht eine freigelegte Kupferoberfläche aufweist;
- Zuführen einer unter Druck stehenden inerten Gassorte zu einem Speicherbehälter, der eine nasschemische Reinigungslösung enthält, um in dem Behälter eine unter Druck stehende Umgebungsatmosphäre zu erzeugen, dadurch Anreichern der nasschemischen Reinigungslösung mit der inerten Gassorte;
- Reinigen der dielektrischen Schicht mit der nasschemischen Reinigungslösung in Umgebungsatmosphäre, welche einen Druck hat, der kleiner ist als der Druck der unter Druck stehenden Gasumgebung, wobei die inerte Gassorte in der nasschemischen Reinigungslösung in der Umgebungsatmosphäre übersättigt ist und die inerte Gassorte während des Reinigens aus der nasschemischen Reinigungslösung ausdiffundiert; und
- Bilden eines Metallgebiets in der gereinigten dielektrischen Schicht, wobei das Metallgebiet mit der Kupferoberfläche verbunden ist.
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Figurenliste
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung 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, in denen:
- 1a bis 1c schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen beim Behandeln einer Materialschicht, beispielsweise einer strukturierten dielektrischen Schicht, mit einer nasschemischen Reinigungslösung zeigen, die eine inerte Sorte aufweist, um die Wahrscheinlichkeit des Einbaus von Sauerstoff zu reduzieren, selbst wenn die Lösung in der Umgebungsatmosphäre gemäß anschaulicher Ausführungsformen aufgebracht wird; und
- 2a bis 2c schematisch diverse Prozessanlagen oder Vorrichtungen zeigen, die zum Anwenden einer nasschemischen Reinigungslösung in einem stark gesättigten Zustand im Hinblick auf eine inerte Gassorte verwendet werden, um damit die Aufnahme von Sauerstoff während des Anwendens der nasschemischen Reinigungslösung gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zu vermeiden.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Allgemeinen stellen die hierin offenbarten Prinzipien Prozesstechniken und entsprechende Vorrichtungen bereit, mit denen nasschemische Reinigungsprozesse mit einer geringeren Defektrate ausgeführt werden können, indem die Anwesenheit von Sauerstoff deutlich unterdrückt wird, ohne dass unerwünschter Weise der Gesamtprozess des Anwendens der nasschemischen Reinigungslösungen auf entsprechende empfindliche Materialschichten von Halbleiterbauelementen beeinflusst wird. Ohne zu beabsichtigen, die vorliegende Anmeldung auf die folgende Erläuterung einzuschränken, so wird angenommen, dass das Vorhandensein von Sauerstoff während des Anwendens von nasschemischen Reinigungslösungen, etwa von Flusssäure (HF) empfindliche Bauteilbereiche merklich beeinflusst, insbesondere freigelegte Kupferbereiche, wie dies in anspruchsvollen Strukturierungsstrategien zur Herstellung von Metallisierungsschichten moderner Halbleiterbauelemente der Fall ist. In anderen Fällen wurden moderne Abscheidestrategien im Hinblick auf die elektrochemische Abscheidung von kupferbasierten Materialien vorgeschlagen, in denen Kupfer direkt auf ein entsprechendes Barrierenmaterial aufgebracht wird, etwa auf eine tantalbasierte Barrierenschicht oder auf ein Barrierenmaterial auf Rutheniumbasis, wobei ebenfalls nasschemische Reinigungsprozesse auszuführen sind, um das entsprechende Barrierenmaterial vor der elektrochemischen Abscheidung des Kupfermaterials aufzubereiten und zu aktivieren. Auch in diesem Falle kann das Reduzieren des Anteils an Sauerstoff, der während des Anwendens der nasschemischen Reinigungslösung vorhanden ist, vorteilhaft sein im Hinblick auf die weitere elektrochemische Behandlung des Barrierenmaterials und im Hinblick auf die schließlich erreichte Qualität des entsprechenden Metallgebiets. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien kann das Vorhandensein von Sauerstoff deutlich reduziert werden, ohne dass eine zu große Modifikation möglich ist oder ohne dass Modifizierungen an entsprechenden Prozesskammern vorgenommen werden, wodurch somit nicht zu einer zusätzlichen Komplexität nasschemischer Behandlungen beigetragen wird. Um die Anwesenheit von Sauerstoff zu verringern, wird die nasschemische Reinigungslösung so aufbereitet, dass darin ein moderat hoher Anteil an einer inerten Gassorte vor dem eigentlichen Anwenden der nasschemischen Reinigungslösung eingebaut ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auflösens von Sauerstoffgas während des Aufbringens der nasschemischen Reinigungslösung und während der eigentlichen Behandlung reduziert wird. Der Einbau der inerten Gassorte kann in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf der Grundlage einer unter Druck stehenden inerten Gasumgebung erreicht werden, in der die nasschemische Reinigungslösung mit der inerten Gassorte bei einem erhöhten Druckpegel „gesättigt“ wird, was dann zu einem im Wesentlichen „übersättigten“ Zustand führt, wenn die betrachtete Materialschicht unter Umgebungsatmosphärenbedingungen, d. h. in Anwesenheit der Umgebungsluft bei Umgebungsdruck, der kleiner ist im Vergleich zu dem Druck, der der zuvor eingerichteten unter Druck stehenden inerten Gasumgebung vorherrscht, angewendet wird, wodurch effizient die Rate des Einbaus von Gaskomponenten reduziert wird, die in der Umgebungsatmosphäre vorhanden sind, etwa von Sauerstoff.
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In konventionellen Strategien werden nasschemische Reinigungslösungen typischerweise in einem Vorratsbehälter bei Umgebungsatmosphäre aufbewahrt, wodurch ein Eindringen in die nasschemische Reinigungslösung ergibt. Während des Anwendens in der entsprechenden Prozesskammer, was typischerweise unter Umgebungsdruck erfolgt, kann ebenfalls Sauerstoff in die Lösung eingebaut werden, woraus sich ein Kontakt des Sauerstoffs mit empfindlichen Oberflächenbereichen, etwa freigelegten Kupferbereichen, ergibt. Folglich kann auf Grund der entsprechenden chemischen Reaktion, beispielsweise im Fall des freigelegten Kupfers eine deutliche Oxidation auftreten, die in Verbindung mit der nasschemischen Reinigungslösung zu einer erhöhten Abtragsrate des oxidierten Bereichs führt, wodurch ebenfalls zu einer lokalen „Kupferverarmung“ beigetragen wird, die letztlich zu entsprechenden Hohlräumen führen kann. In anderen Fällen führt der Sauerstoff, der in der nasschemischen Reinigungslösung enthalten ist, in der Flusssäure und dergleichen, zu einer Oxidation empfindlicher Bereiche, etwa von Barrierenmaterialien, die nicht notwendigerweise zu einer erhöhten Materialabtragsrate führen, die auf einen deutlichen Einfluss auf die weitere Bearbeitung ausüben, beispielsweise im Hinblick auf die elektrochemische Abscheidung eines kupferbasierten Materials direkt auf dem Barrierenmaterial, wie dies zuvor erläutert ist. Somit kann durch das effiziente Anreichern der nasschemischen Reinigungslösung, beispielsweise durch Erzeugen eines im Wesentlichen „übersättigten“ Zustands während des eigentlichen Aufbringens und der Behandlung die Wahrscheinlichkeit des Einbaus weiterer Gaskomponenten und damit von Sauerstoff deutlich reduziert werden, wodurch die Behandlung unter Umgebungsbedingungen stattfinden kann, wobei dennoch eine Verringerung der Gesamtdefektrate des Prozesses erfolgt.
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Es sollte beachtet werden, dass die hierin offenbarten Prinzipien sehr vorteilhaft im Zusammenhang mit Materialschichten von Halbleiterbauelementen sind, wenn freigelegte Kupferoberflächenbereiche mit einer nasschemischen Reinigungslösung in Kontakt kommen, da in diesem Falle, wie zuvor erläutert ist, eine unerwünschte lokale Kupferoxidation und damit ein unerwünschter Materialabtrag reduziert werden kann, wodurch die Zuverlässigkeit und das Leistungsverhalten entsprechender Grenzflächen verbessert werden. In anderen Fällen ist das Verringern des Anteils an Sauerstoff, der während der nasschemischen Reinigung empfindlicher Oberflächenbereiche vorhanden ist, äußerst vorteilhaft ohne dass zu einem Wesentlichen Materialabtrag beigetragen wird, sondern dies kann vorteilhaft sein, indem „einfach“ eine Oxidation verringert wird oder eine andere chemische Reaktion, die durch das Vorhandensein von Sauerstoff hervorgerufen wird, wie dies beispielsweise der Fall sein kann für Barrierenmaterialien, die als „Saatschichten“ für eine direkte elektrochemische Abscheidung von Kupfer dienen. Daher sollte die vorliegende Offenbarung nicht als auf die nasschemische Reinigung von Materialschichten von Halbleiterbauelementen eingeschränkt erachtet werden, in denen freigelegte Kupferoberflächen vorhanden sind, sofern derartige Einschränkungen nicht speziell in der Beschreibung und/oder den angefügten Patentansprüchen festgelegt sind.
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Mit Bezug zu den 1a bis 1c und den 2a bis 2c werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100, das ein beliebiges Mikrostrukturbauelement repräsentiert, das die Herstellung von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen darin erfordert, In dieser Hinsicht ist der Begriff „Halbleiterbauelement als ein übergeordneter Begriff zu verstehen, der ein beliebiges Bauteil bezeichnet, das gemäß Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt wird. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein Substrat 101, das Halbleiterelemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen enthalten kann, wie sie typischerweise in modernen integrierten Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, Speicherschaltungen, und dergleichen vorgesehen sind. Zu diesem Zweck kann das Substrat 101 ein beliebiges geeignetes Material aufweisen, um darin oder darauf entsprechende Schaltungselemente zu bilden. In anderen Fällen repräsentiert das Substrat 101 ein beliebiges geeignetes Trägermaterial, um darauf eine Metallisierungsstruktur 110 gemäß den Bauteilerfordernissen zu bilden, wobei nicht notwendigerweise Schaltungselemente in dem Substrat 101 vorgesehen sind. Die Metallisierungsstruktur 110 umfasst in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine erste Metallisierungsschicht 120 mit einem dielektrischen Material 121, das in anspruchsvollen Anwendungen ein dielektrisches Material mit kleiner Permittivität aufweist, wobei eine dielektrische Konstante einen Wert von 3,0 und weniger besitzt. In anderen Fällen werden konventionelle dielektrische Materialien, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen für das Bilden des dielektrischen Materials 121 verwendet. Die Metallisierungsschicht 120 umfasst ferner ein Metallstrukturelement, etwa eine Metallleitung 122, die laterale Abmessungen besitzt, d. h. in 1a die horizontale Ausdehnung von ungefähr 100 nm und weniger in niedriger Metallisierungsebenen in moderne Halbleiterbauelemente. In anderen Fällen sind gleichzeitig Metallgebiete mit deutlich unterschiedlicher Größenabmessung von 100 nm bis einige Mikrometer gleichzeitig in der Metallisierungsschicht 120 vorhanden. Wenn beispielsweise die Metallisierungsschicht 120 die erste Metallisierungsebene oder die Kontaktebene für das Bereitstellen eines direkten elektrischen Kontakts zu entsprechenden Schaltungselementen, etwa Transistoren und dergleichen repräsentiert, müssen die lateralen Abmessungen des Metallgebiets 122 auf die Abmessungen der Kontaktbereiche der Schaltungselemente angepasst sein, wo sehr kleine Metallgebiete auf der Grundlage moderner Techniken hergestellt werden müssen. Wie zuvor erläutert ist, führen Transistorelemente mit einer Gatelänge von 50 nm oder weniger oder mit 30 nm und weniger zu sehr strikten Anforderungen im Hinblick auf die Metallisierungstechniken und somit auf die geeignete Aufbreitung von Materialoberflächen.
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Das Metallgebiet 122 kann eine Barrierenschicht 123 umfassen, um das Metall 124, etwa Kupfer, im Hinblick auf das umgebende dielektrische Material der Schicht 121 einzuschließen. Des Weiteren umfasst die Metallisierungsschicht 120 eine Deckschicht 125, die aus einem beliebigen geeigneten Material, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid, und dergleichen aufgebaut ist. Die Deckschicht 125 kann als eine Ätzstoppschicht für die weitere Beareitung des Halbleiterbauelements 100 dienen, während in anderen Fällen die Deckschicht 125 zusätzlich auf für den Einfluss des Metalls 124 bei Bedarf sorgt. Des Weiteren kann das Halbleiterbauelement 100 eine weitere Materialschicht 130 aufweisen, die eine weitere Metallisierungsebene in einer Fertigungsphase repräsentiert, in der Metalle noch vorzusehen sind. Die Materialschicht 130 kann somit ebenfalls ein geeignetes dielektrische Material 131 aufweisen, beispielsweise mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε, wie dies zuvor erläutert ist. Wie gezeigt, kann die Materialschicht 130 so strukturiert sein, dass diese einen Graben 136 und eine Öffnung 137 aufweist, die im Weiteren als Kontaktdurchführungsöffnung bezeichnet wird, die mit dem Metallgebiet 122 der darunter liegenden Metallisierungsschicht 120 in Verbindung steht. Es sollte beachtet werden, dass die Öffnungen 136 und 137 die Fertigungsphase gemäß diversen Ausführungsformen repräsentieren kann, in denen eine Damaszener-Strategie angewendet wird. Es sollte jedoch bedacht werden, dass die Form und die Größe der Öffnungen 136, 137 von der Gesamtprozessstrategie abhängt. Beispielsweise kann die Tiefe des Grabens 136 entsprechend der betrachteten speziellen Metallisierungsebene variieren und kann sich bis zu der Ätzstoppschicht 125 erstrecken. In diesem Falle variiert auch die „vertikale“ Ausdehnung der Kontaktdurchführungsöffnung 137 in entsprechender Weise. In der gezeigten Ausführungsform ist die Öffnung 137 so gebildet, dass ein Bereich des Metallgebiets 122 freigelegt ist, der Kupfer aufweisen kann, wie dies zuvor erläutert ist.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Die Metallisierungsschicht 120 wird über dem Substrat 101 gebildet in welchem zuvor entsprechende Schaltungselemente auf der Grundlage gut etablierter Techniken hergestellt worden sein können, indem das dielektrische Material 121 abgeschieden und dieses strukturiert wird, so dass es eine entsprechende Öffnung erhält, die nachfolgend mit Metall 124 gefüllt wird, oder das Barrierenmaterial 123, was hier unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufgebaut sein kann, wird aufgebracht, wie dies zuvor beschrieben ist. Als nächstes wird die Deckschicht 125 gebildet, beispielsweise auf der Grundlage plasmaunterstützter Abscheideverfahren, woran sich das Abscheiden des dielektrischen Materials 131 anschließt. Sodann werden die Öffnungen 136 und 137 gebildet, beispielsweise indem zuerst die Öffnung 137 hergestellt und nachfolgend der Graben 136 gebildet wird, oder indem zuerst der Graben 136 hergestellt und anschließend die Öffnung 137 auf der Grundlage etablierter Lithographie- und Ätzverfahren hergestellt wird. In anderen Fällen wird die Öffnung 137 zunächst hergestellt, ohne dass der Graben 136 gebildet wird, wobei in diesem Falle die Dicke der dielektrischen Schicht 131 in geeigneter Weise so angepasst wird, dass eine nachfolgende Abscheidung eines weiteren dielektrischen Materials berücksichtigt ist, dessen Dicke geeignet ausgewählt ist, um den Graben 136 aufzunehmen. In jedem Falle wird während des entsprechenden Strukturierungsablaufs Metall freigelegt, beispielsweise an der Unterseite der Kontaktdurchführungsöffnung 137, wie dies gezeigt ist, oder an der Oberseite einer entsprechenden Kontaktdurchführung, wenn diese Kontaktdurchführung vor dem Strukturieren der Grabenöffnung 136 gebildet wird. Während der entsprechenden Strukturierungsprozesse werden geeignete Ätzchemien verwendet, die zu Ätznebenprodukten oder einer anderen Kontamination führen können, die auf freigelegten Oberflächenbereichen vorhanden sein können, die allgemein als Kontaminationsstoffe 102 bezeichnet sind.
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Wie zuvor erläutert ist, muss die Oberfläche eines dielektrischen Materials vor dem Abscheiden empfindlicher Barrierematerialien mit einer reduzierten Dicke und/oder die freigelegten Oberflächen eines entsprechenden Barrierenmaterials, das vor dem direkten elektrochemischen Abscheiden von Kupfermaterial abgeschieden wird, in geeigneter Weise konditioniert werden, um damit zumindest die Kontaminationsstoffe 102 zu verringern. Zu diesem Zweck repräsentieren nasschemische Reinigungsbehandlungen geeignete Prozesstechniken, um die freigelegten Oberflächenbereiche zu entfernen und aufzubereiten.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der das Bauelement 100 einem nasschemischen Reinigungsprozess 140 unterliegt, in der eine nasschemische Reinigungslösung 141 in einer anschaulichen Ausführungsform in Umgebungsatmosphäre 142 aufgebracht wird, d. h. in Umgebungsluft unter Atmosphärendruck, wodurch das Anwenden der nasschemischen Umgebungslösung 141 deutlich erleichtert wird. Beispielsweise wird verdünnte Flusssäure (DHF) in mehreren anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, wenn beispielsweise die Oberfläche eines strukturierten dielektrischen Materials von Metallisierungsschichten gereinigt wird, die Oberfläche von Barrierenmaterialien vorbereit und aufbereitet wird, etwa von tantalbasierten oder rutheniumbasierten Barrierenmaterialien, und dergleichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass andere nasschemische Reinigungslösungen in Abhängigkeit von der Prozessstrategie eingesetzt werden können, wobei die Anwesenheit von Sauerstoff auf der Grundlage der hierin offenbarten Prinzipien unterdrückt werden kann.
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Die nasschemische Reinigungslösung 141 wird in einer Phase vorgesehen, in der ein deutlicher Anteil an einer inerten Gassorte 143, beispielsweise in einer anschaulichen Ausführungsform in Form von Stickstoffgas, in der Lösung aufgelöst ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Einbauen einer weiteren Gassorte aus der Umgebungsatmosphäre 142 reduziert wird. In anderen Fällen wird eine geeignete inerte Gassorte 143 eingebaut, um einen stark gesättigten Zustand der Lösung 141 beizubehalten. In einer anschaulichen Ausführungsform ist in der Lösung 141 die inerte Gassorte 143 in einem „übersättigten“ Zustand eingebaut, d. h. im Hinblick auf den Druckpegel der Umgebungsatmosphäre142 ist die Konzentration der inerten Gassorte 143, die in der Lösung 141 gelöst ist, höher als in dem entsprechenden Gleichgewichtszustand in der Umgebungsatmosphäre 142, woraus sich „Herausdiffundieren“ von inertem Gas 143 ergibt. Somit wird die Fähigkeit, Gasmoleküle aus der Umgebungsatmosphäre 142 „aufzunehmen“, deutlich in diesem übersättigten Zustand reduziert, wobei zusätzlich die ausgasende inerte Sorte 143 für eine erhöhte Stickstoffkonzentration in der Nähe der Oberfläche der Lösung 141 sorgt, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Einbaus von Sauerstoffmolekülen reduziert wird. Folglich kann während der Behandlung 140 die Anwesenheit von Sauerstoff an freigelegten Oberflächenbereichen und insbesondere an einem freigelegten Oberflächenbereich des Metallgebiets 122 verringert werden, wobei dennoch Verarbeiten unter normalen Atmosphärenbedingungen möglich ist.
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1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen zusätzlich oder alternativ die Behandlung 140 in einer Fertigungsphase ausgeführt wird, in der eine Barrierenschicht 133 auf freigelegten Oberflächenbereichen des dielektrischen Materials 131 gebildet ist. Beispielsweise können tantalbasierte Materialien oder Materialien auf Rutheniumbasis als geeignete Kandidaten für die direkte elektrochemische Abscheidung von Kupfer betrachtet werden, und auch in diesem Falle liefert die Behandlung 140 verbesserte Oberflächenbedingungen, wobei eine Unterdrückung der Anwesenheit von Sauerstoff in der nasschemischen Lösung 141 vorteilhaft ist. Somit kann auch in diesem Falle die Behandlung 140 unter normalen Umgebungsatmosphärenbedingungen ausgeführt werden, während der hohe Anteil an aufgelöster inerter Gassorte 143 das Vorhandensein von Sauerstoff verringert und somit die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Reaktion mit den freigelegten Oberflächenmaterialien reduziert.
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2a zeigt schematisch eine Vorrichtung oder eine Prozessanlage, die geeignet ausgebildet ist, eine nasschemische Reinigungslösung, etwa die Lösung 141, in einem geeigneten Zustand für das Reduzieren des Vorhandenseins von Sauerstoff bereitzustellen. Die Vorrichtung 250 umfasst einen Speichertank oder Behälter 251, der geeignet ausgebildet ist, eine erforderliche Art einer nasschemischen Reinigungslösung, etwa einer verdünnten oder konzentrierten Flusssäure oder einer anderen gewünschten Chemie, aufzunehmen. Somit beinhaltet im funktionsfähigen Zustand der Behälter 251 eine nasschemische Reinigungslösung, etwa die Lösung 141, und ist ferner ausgebildet, eine unter Druck stehende inerte Gasumgebung 252 aufzunehmen, in der eine geeignete inerte Gassorte, etwa Stickstoff oder Edelgas und dergleichen in einem stark unter Druck stehendem Zustand verwendet werden, d. h. in einem Druck, der höher als der Druck ist, der während des eigentlichen Anwendens der nasschemischen Reinigungslösung 141 vorherrscht. Beispielsweise wird der Druck der Gasumgebung 252 auf der Grundlage von Stickstoff und/oder einer anderen inerten Sorte mit einem Druck von ungefähr 1,5 bis 10 Bar oder höher eingerichtet. Die Vorrichtung 250 umfasst ferner eine inerte Gasquelle 253, die mit dem Speicherbehälter 252 über eine geeignete Zufuhrleitung 254 verbunden ist, die beliebig geeignete Mittel aufweist, um eine Fluidströmung von der unter Druck stehenden Gasquelle 253 zu dem Speicherbehälter 251 zu steuern. Beispielsweise sind entsprechende Ventile, Pumpen, und dergleichen verwendet. Z. B. kann die unter Druck stehende Gasquelle 253 einen unter Druck stehenden Gasbehälter enthalten, der in der Lage ist, ein oder mehrere Gassorten über ein entsprechendes Ventil zum Speicherbehälter 251 zuzuführen.
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Des weiteren umfasst die Vorrichtung 250 ein Zufuhrsystem 255, das mit dem Speicherbehälter 251 und einer Prozesskammer 256 verbunden ist, die in geeigneter Weise ausgestaltet ist, ein Halbleitersubstrat während einer Zwischenfertigungsphase zu behandeln, etwa das Substrat 101, wie es zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben ist. Zu diesem Zweck kann die Prozesskammer 256 eine geeignete Substrathalterung 257 aufweisen, um das entsprechende Substrat aufzunehmen und während der nasschemischen Reinigung in Position zu halten. Das Zufuhrsystem 255 ist geeignet ausgebildet, um eine erforderliche Menge der nasschemischen Reinigungslösung 141 der Substratoberfläche in der Prozesskammer 256 zuzuführen, so dass die Lösung aufgebracht werden kann, beispielsweise wird diese auf die jeweilige Oberfläche aufgesprüht. Wie zuvor erläutert ist, kann die Prozesskammer 256 in der Umgebungsatmosphäre betrieben werden, wodurch aufwendige und komplizierte Mechanismen zum Einladen und Ausladen des Substrats in und aus der Prozesskammer 256 oder zum geeigneten Einrichten einer entsprechenden Prozessumgebung nach dem Positionieren des Substrats, etwa des Substrats 101, auf der Substrathalterung 257 vermieden werden, was ansonsten zusätzlich zu einer erhöhten Komplexität der Anlage führen würde und auch zu einem geringeren Gesamtdurchsatz beitragen würde. Ferner kann das Zufuhrsystem 255 auch betrieben werden, ohne dass spezielle Mittel im Hinblick auf das Beibehalten spezieller Umgebungsbedingungen erforderlich sind, da die nasschemische Reinigungslösung in geeigneter Weise vorbereitet wird, so dass eine geringere Wahrscheinlichkeit zur Aufnahme von zusätzlichem Sauerstoff während des Transports der Lösung 141 zu der Prozesskammer 256 erreicht wird.
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Während des Betriebs der Vorrichtung 250 wird eine unter Druck stehende Gassorte im Speicherbehälter 251 zugeführt, der eine gewünschte Menge an nasschemischer Reinigungslösung, etwa Flusssäure, enthält. Die inerte Gassorte, die durch die Zufuhrleitung 254 zugeführt wird, kann somit die unter Druck stehende inerte Gasumgebung 252 erzeugen, was zu einem erhöhten Einbau der inerten Gassorte geführt wird, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein im Wesentlichen gesättigter, d. h. ein Gleichgewichtszustand im Hinblick auf das Lösen von Gas in der Flüssigkeit 141 erreicht wird. Dies kann erreicht werden, indem sichergestellt wird, dass ein ausreichend hoher Anteil an Flüssigkeit permanent in dem Behälter 251 vorhanden ist, während die Menge an Flüssigkeit, die der Prozesskammer 256 zugeführt wird, ein moderat geringer Anteil des Gesamtvolumens in dem Behälter 251 ist. Unter diesen Bedingungen wird ein ausreichend gesättigter Zustand in einigen anschaulichen Ausführungsformen erreicht. In jedem Falle findet in der unter Druck stehenden inerten Gasumgebung 252 eine deutliche Anreicherung der Lösung 141 statt. Auf Anforderung wird die angereicherte oder gesättigte nasschemische Reinigungslösung 141 dann der Prozesskammer 256 über das Zufuhrsystem 255 zugeleitet, wobei die Flüssigkeit mit Umgebungsluft und Umgebungsdruck in Kontakt kommen kann, wobei auf Grund des zuvor angereicherten oder gesättigten Zustands die nasschemische Reinigungslösung in einem im Wesentlichen „übersättigten“ Zustand in der Umgebungsluft und Umgebung vorliegt, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Aufnehmens weiterer Gasmoleküle deutlich reduziert wird. Somit kann ein effizienter Betrieb unter atmosphärischen Bedingungen erreicht werden, wobei dennoch die Gesamteffizienz der entsprechenden nasschemischen Reinigungsbehandlung 140 deutlich verbessert wird.
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2b zeigt schematisch die Vorrichtung 250 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen zusätzlich zu den zuvor mit Bezug zu 2a beschriebenen Komponenten ein Entgasungsmodul 257 vorgesehen ist, das mit dem Speicherbehälter 251 verbunden ist. Das Entgasungsmodul 257 umfasst einen Eingang 257j zur Aufnahme der nasschemischen Reinigungslösung und umfasst einen Ausgang 257o, der ausgebildet ist, eine nasschemische Reinigungslösung dem Speicherbehälter 251 zuzuführen, beispielsweise über eine geeignete Zufuhrleitung, die entsprechende Pumpen, Ventile und dergleichen enthält. Des weitern kann das Entgasungsmodul 257 ausgebildet sein, eine Niederdruckumgebung 257a beispielsweise mittels einer Auslassleitung 257b zu errichten, die mit einer Saugpumpe und dergleichen verbunden sein kann. Somit kann durch Errichten der Niederdruckumgebung 257a ein Ausgasen von Gaskomponenten, die in der nasschemischen Reinigungslösung gelöst sind, die den Modul 257 über den Eingang 257i zugeleitet wird, aus der Flüssigkeit mit einer erhöhten Rate „ausgetrieben“ werden und kann über die Saugleitung 257b abgeführt werden. Somit kann ein Gleichgewichtszustand im Hinblick auf die Niederdruckumgebung 257a erreicht werden oder es kann zumindest eine deutlich reduzierte Menge an Gas in der Flüssigkeit gelöst bleiben, wobei die Flüssigkeit dann dem Speicherbehälter 251 über den Auslass 257 zugeführt wird. Somit kann auf Grund der reduzierten Menge an Gaskomponenten, die in den Behälter 251 zugeführten Flüssigkeit gelöst sind, die nachfolgende Sättigung der Flüssigkeit in der Hochdruckumgebung 252 zu einem erhöhten Verhältnis von inerter Gassorte zu anderen Gaskomponenten führen. Somit kann das Vorhandensein anderer Gaskomponenten, etwa von Sauerstoff weiter verringert werden, wodurch die Effizienz der nasschemischen Behandlung 140 weiter verbessert wird.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst das Entgasungsmodul 257 geeignete Heizelemente, beispielsweise zum Aufheizen der Behälterwände oder interne Widerstandsheizelemente und dergleichen, um eine erhöhte Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 50 bis 90 Grad C einzurichten, wodurch das Ausgasen von gelösten Gaskomponenten in der Niederdruckumgebung 257a weiter verbessert wird.
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2c zeigt schematisch die Vorrichtung 250 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen ein zusätzliches Modul 258 vorgesehen ist, beispielsweise zusätzlich oder alternativ zu dem Entgasungsmodul 257, wobei das Modul 258 ausgebildet ist, Additive in die nasschemische Reinigungslösung einzubringen, beispielsweise in Form von Sauerstoffeinfangsubstanzen 258a, die dem Speicherbehälter 251 über eine entsprechende Zufuhrleitung 258o und/oder das Zufuhrsystem 255 über eine entsprechende Zufuhrleitung 258p zugeführt werden.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen ist das Modul 258 in der Prozesskammer über eine entsprechende Zufuhrleitung 258o verbunden. Beispielsweise ist das Modul 258 ausgebildet, Substanzen, etwa 3, 4, 5 Hydroxybenzoesäure, Hydrazin, Hydroxylamin, und dergleichen zuzuführen, um damit eine Konzentration von ungefähr 0,5 bis 1 Volumenprozent zu verhalten, woraus sich eine effiziente Reduzierung der freien Sauerstoffatome oder Moleküle in der nasschemischen Reinigungslösung ergibt, wodurch ebenfalls die Wahrscheinlichkeit für eine chemische Reaktion mit freigelegten Oberflächenbereichen verringert wird. In anderen Fällen enthalten die Substanzen 258a zusätzlich oder alternativ zu Sauerstoffeinfangmaterialien ein Reduziermittel, beispielsweise in Form von Dimethylaminobenzoat (DMAB), woraus sich ebenfalls die Wirkung einer Reduzierung von Sauerstoff ergibt, der noch in der nasschemischen Reinigungslösung vorhanden sind oder der während des Anwendens in der Prozesskammer 256 aufgenommen wird.
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Es gilt also: Der hierin offenbarte Gegenstand stellt Prozesstechniken in Verbindung mit entsprechenden Prozessanlagen bereit, in denen eine nasschemische Reinigungslösung mit einer deutlich geringeren Menge an darin gelöstem Sauerstoff bereitgestellt wird, ohne dass Modifizierungen in einer entsprechenden Prozesskammer erforderlich sind. Zu diesem Zweck wird die nasschemische Reinigungslösung aufbereitet, in dem die Flüssigkeit mit einer inerten Gassorte angereichert wird, etwa mit Stickstoff oder anderen geeigneten Gasen, etwa Edelgasen, was erreicht werden kann, indem eine unter Druck stehende inerte Gasumgebung errichtet wird, um damit einen gesättigten oder zumindest angereicherten Zustand eines in der Flüssigkeit inerten Gases zu erzeugen. Beim Anwenden der chemischen Reinigungslösung unter normalen Umgebungsbedingungen zeigt die Lösung einen gesättigten oder einen übersättigten Zustand auf Grund des geringeren Druckes im Vergleich zu der zuvor errichteten unter Druck stehenden inerten Gasumgebung, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Aufnehmens von Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre verringert wird, ohne dass anspruchsvolle Umgebungsbedingungen während des Anwendens und während der Behandlung entsprechender Halbleiterbauelemente erforderlich sind. Somit können Materialschichten, etwa dielektrische Materialien von Metallisierungsschichten moderner Halbleiterbauelemente mit erhöhter Effizienz behandelt werden, da die Anwesenheit von Sauerstoff verringert werden kann, wodurch Oberflächeneigenschaften empfindlicher Bauteilbereiche, etwa freigelegter Kupferoberflächenbereiche oder von Barrierenmaterialien von strukturierten Gräben und Kontaktdurchführungen verbessert werden.