DE10303925B4

DE10303925B4 - Dielektrische Barrierenschicht für eine Kupfermetallisierungsschicht mit einer über die Dicke hinweg variierenden Siliziumkonzentration und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10303925B4
Application number: DE10303925A
Authority: DE
Inventors: Larry Austin Zhao; Jeremy Austin Martin; Hartmut Ruelke
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-02-01
Also published as: US20040152333A1; US7381660B2; DE10303925A1

Abstract

Halbleiterstruktur mit:
einer dielektrischen Schicht;
einem metallenthaltenden Gebiet, das in der dielektrischen Schicht gebildet ist, wobei das metallenthaltende Gebiet mindestens eine Kupferoberfläche aufweist;
einer silizium- und stickstoffenthaltenden dielektrischen Barrierenschicht, die auf der mindestens einen Kupferoberfläche gebildet ist, wobei die silizium- und stickstoffenthaltende Barrierenschicht eine erste Oberfläche in Kontakt zu der mindestens einen Kupferoberfläche und eine zweite abgewandete Oberfläche aufweist, wobei eine Siliziumkonzentration an der zweiten Oberfläche höher als die Siliziumkonzentration an der ersten Oberfläche der Barrierenschicht ist.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten, die äußerst leitfähige Metalle, etwa Kupfer, aufweisen, die in einem dielektrischen Material eingebettet sind.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
In modernen integrierten Schaltungen weisen kleinste Strukturelemente, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, eine Abmessung im Bereich deutlich unter 1 μm auf, wodurch die Leistungsfähigkeit dieser Schaltungen hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Leistungsaufnahme ständig verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente deutlich reduziert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird, wird jedoch auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch verbinden, ebenso reduziert. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verringert werden, um dem kleineren Anteil an verfügbaren Platz und der gestiegenen Anzahl an Schaltungselemente pro Chip Rechnung zu tragen. In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von ungefähr 0.35 μm und darunter ist ein begrenzender Faktor für das Bauteilverhalten die Signalausbreitungsverzögerung, die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen wird. Obwohl die Kanallänge dieser Transistorelemente nunmehr 0.18 μm und weniger erreicht hat, stellt sich jedoch heraus, dass die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren beschränkt ist, sondern dass diese auf Grund der erhöhten Schaltungsdichte durch den geringen Abstand der Verbindungsleitungen beschränkt ist, da die Kapazität zwischen den Leitungen anwächst und gleichzeitig eine reduzierte Leitfähigkeit dieser Leitungen auf Grund der reduzierten Querschnittsfläche vorliegt. Die parasitären RC-Zeitkonstanten erfordern daher die Einführung neuer Arten von Materialien zur Herstellung der Metallisierungsschicht.
Traditionell werden Metallisierungsschichten mittels eines dielektrischen Schichtstapels mit beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid hergestellt, wobei Aluminium als das typische Metall verwendet ist. Da Aluminium eine deutliche Elektromigration bei höheren Stromdichten zeigt, die in integrierten Schaltungen mit äußerst größenreduzierten Strukturelementen nötig sein können, wird Aluminium nunmehr durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration zeigt.
Das Einführen von Kupfer zieht jedoch eine Reihe von Problemen nach sich, die zu lösen sind. Beispielsweise kann Kupfer nicht in höheren Mengen in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa die chemische und die physikalische Dampfabscheidung, aufgebracht werden. Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse strukturiert werden und daher wird die sogenannte Damaszener-Technik bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen angewendet. In der Damaszener-Technik wird typischerweise die dielektrische Schicht abgeschieden und anschließend mittels Gräben und Kontaktdurchführungen strukturiert, die dann mit Kupfer mittels Plattierungsverfahren, etwa dem Elektroplattieren oder dem stromlosen Plattieren, gefüllt werden.
Ein weiteres Problem stellt die Fähigkeit des Kupfers dar, in einfacher Weise in Siliziumdioxid zu diffundieren. Daher kann die Kupferdiffusion das Bauteilverhalten negativ beeinflussen oder kann sogar zu einem vollständigen Ausfall des Bauteils führen. Es ist daher notwendig, eine Diffusionsbarrierenschicht zwischen den Kupferoberflächen und den angrenzenden Materialien bereitzustellen, um Kupfer davon abzuhalten, in sensible Bauteilgebiete zu wandern.
Siliziumnitrid ist bekanntlich eine effektive Kupferdiffusionsbarriere und wird daher häufig als ein dielektrisches Barrierenmaterial verwendet, das eine Kupferoberfläche von einem Zwischenschichtdielektrikum, etwa Siliziumdioxid, abgrenzt.
Obwohl Kupfer ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration im Vergleich zu beispielsweise Aluminium zeigt, führt die zunehmende Reduzierung der Strukturgrößen auch zu einer Abnahme der Kupferleitungen und damit zu einer erhöhten Stromdichte in diesen Leitungen, wodurch dennoch ein nicht akzeptables Maß an Elektromigration hervorgerufen wird. Die Elektromigration ist ein Diffusionsphänomen, das unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes auftritt, wodurch eine Kupferdiffusion in Richtung der sich bewegenden Ladungsträger hervorgerufen wird, womit somit schließlich Hohlräume in den Kupferleitungen erzeugt werden, die einen Bauteilausfall bewirken können. Es hat sich bestätigt, dass diese Hohlräume typischerweise an der Kupfer/Siliziumnitridgrenzfläche entstehen und somit einen der wichtigsten Diffusionswege in Kupfermetallisierungsstrukturen repräsentieren. Es ist daher von großer Wichtigkeit, Grenzflächen mit hoher Qualität zwischen dem Kupfer und der Siliziumnitridbarrierenschicht zu erzeugen, um die Elektromigration auf ein akzeptables Maß zu reduzieren.
Wie zuvor erläutert ist, ist das Bauteilverhalten äußerst größenreduzierter integrierter Schaltungen im Wesentlichen durch die parasitären Kapazitäten benachbarter Verbindungsleitungen beschränkt, die durch Verringern des Widerstands der Leitungen oder durch Verringern der kapazitiven Kopplung reduziert werden können, indem die dielektrische Gesamtkonstante der dielektrischen Schicht so klein wie möglich gehalten wird. Da Siliziumnitrid eine relativ hohe dielektrische Konstante ε von ungefähr 7 im Vergleich zu Siliziumdioxid (ε ~4) oder zu anderen dielektrischen Schichten mit kleinem ε (ε < 4) auf Siliziumdioxidbasis aufweist, ist es generell vorteilhaft, die Siliziumnitridschicht mit einer minimalen Dicke zu bilden. Es zeigt sich jedoch, dass die Barriereneigenschaften der Siliziumnitridschicht von deren Dicke abhängen, so dass das Dünnen der Siliziumnitridschicht, wie dies für eine reduzierte dielektrische Gesamtkonstante wünschenswerte wäre, nicht in einem Maße praktikabel ist, wie dies für das weitere Größenreduzieren von Halbleiterbauteilen mit Kupfermetallisierungsschichten nötig wäre, ohne das Bauteilverhalten zu beeinträchtigen.
Die Patentanmeldung EP 1 146 140 A1 offenbart einen Prozess zum Abscheiden von Schichten metallartiger und mehrere Metalle aufweisender Verbindungen, wobei die Zusammensetzung in den Schichten einen Gradienten aufweist.
Die Patentschrift US 6 339 025 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Kupferdeckschichten aus siliziumreichem Siliziumnitrid.
Die internationale Patentanmeldung WO 03/007368 A2 offenbart ein Verfahren zum Bilden von Siliziumnitriddeckschichten auf gereinigten, hoch sensitiven Kupferleitungen, um Elektromigrationseffekte zu reduzieren.
Angesichts der zuvor dargelegten Probleme besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte Technik, die das Herstellen einer dielektrischen Barrierenschicht auf der Basis von Siliziumnitrid ermöglicht, wobei diese eine Verbesserung hinsichtlich der Diffusionsbarriereneffizienz und/oder der Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration zeigt.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Konzept, dass eine siliziumreiche Siliziumnitridschicht verbesserte Kupferdiffusionsbarriereneigenschaften im Vergleich zu einer standardmäßigen Siliziumnitridschicht zeigt. Es hat sich herausgestellt, dass eine Grenzfläche zwischen einer standardmäßigen Siliziumnitridschicht und einer Kupferoberfläche eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration bieten kann als eine siliziumreiche Siliziumnitrid/Kupfer-Grenzfläche. Durch Ausnutzen dieser Effekte kann eine dielektrische Barrierenschicht auf der Grundlage von Siliziumnitrid geschaffen werden, die bessere Eigenschaften hinsichtlich der Diffusionsbarrierenwirkung und der Elektromigrationswirkung für eine gegebene Dicke im Vergleich zu einer konventionellen Siliziumnitridschicht aufweist, oder die eine reduzierte Gesamtdicke für ein gegebenes Maß an Barrieren- und Elektromigrationseigenschaften zeigt, indem eine standardmäßige Siliziumnitridschicht und eine siliziumreiche Siliziumnitridschicht kombiniert werden, um eine dielektrische Barrierenschicht zu bilden.
Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst daher eine Halbleiterstruktur eine dielektrische Schicht und ein metallenthaltendes Gebiet, das in der dielektrischen Schicht gebildet ist, wobei das metallenthaltende Gebiet mindestens eine Kupferoberfläche aufweist. Ferner ist eine silizium- und stickstoffenthaltende Barrierenschicht auf der zumindest einen Kupferoberfläche gebildet, wobei die silizium- und stickstoffenthaltende Barrierenschicht eine erste Oberfläche aufweist, die mit der mindestens einen Kupferoberfläche in Kontakt ist, und eine zweite abgewandte Oberfläche aufweist, wobei eine Siliziumkonzentration an der zweiten Oberfläche höher als die Siliziumkonzentration an der ersten Oberfläche der Barrierenschicht ist.
Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Barrierenschicht das Bilden einer ersten Siliziumnitridschicht auf einer freigelegten Kupferoberfläche und das Bilden einer zweiten Siliziumnitridschicht auf der ersten Siliziumnitridschicht. Ferner wird eine Siliziumkonzentration der ersten und der zweiten Siliziumnitridschicht so eingestellt, dass zumindest teilweise die Siliziumkonzentration der zweiten Siliziumnitridschicht höher ist als jene der ersten Siliziumnitridschicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gegen aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
1a bis 1c schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauteils mit einer Kupfermetallisierung mit einer dielektrischen Barrierenschicht gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Wie zuvor erläutert ist, erkannten die Erfinder, dass durch Variieren des Siliziumanteils einer Siliziumnitridschicht deren Eigenschaften in Hinblick auf die Barriereneigenschaften und in Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration deutlich geändert werden können, wobei insbesondere die Barriereneigenschaften einer siliziumreichen Siliziumnitridschicht deutlich jener einer standardmäßigen Siliziumnitridschicht, d. h. einer Siliziumnitridschicht, die im Wesentlichen das normale stoichiometrische Verhältnis von Silizium und Stickstoff repräsentiert, übertreffen. Zum Beispiel kann eine siliziumreiche Siliziumnitridschicht verbesserte Barriereneigenschaften im Vergleich zu einer standardmäßigen Siliziumnitridschicht mit einer Dicke, die ungefähr 2 × der Dicke der siliziumreichen Schicht ist, bereitstellen. Gemäß den Untersuchungen der Erfinder kann das Vergrößern des Siliziumanteils einer standardmäßigen Siliziumnitridschicht jedoch zu einer reduzierten Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration einer entsprechenden Kupfer/Siliziumnitridgrenzfläche führen, woraus eine reduzierte Bauteilzuverlässigkeit entstehen könnte. Basierend auf diesen Ergebnissen wird eine Siliziumnitridbarrierenschicht bereitgestellt, die einen relativ dünnen Bereich oder eine Teilschicht aufweist, die mit dem Kupfer in Berührung ist, um eine Grenzfläche hoher Qualität zu bilden, wobei der Siliziumanteil so eingestellt ist, um die gewünschten Eigenschaften in Hinblick auf die Elektromigration bereitzustellen, wohingegen ein zweiter dickerer Anteil oder Teilschicht eine hohe Siliziumkonzentration aufweist, die verbesserte Diffusionsbarriereneigenschaften bietet.
Mit Bezug zu den 1a bis 1c werden weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nunmehr detaillierter beschrieben.
In 1a umfasst ein Halbleiterelement 100 ein Substrat 101, das mehrere Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen, darin oder darauf gebildet aufweisen kann. Das Substrat 101 kann ein beliebiges geeignetes Substrat zum Herstellen von Halbleiterbauteilen sein und kann insbesondere ein Siliziumsubstrat, ein SOI (Silizium auf Isolator) Substrat und dergleichen repräsentieren. Eine erste Metallisierungsschicht 110 und eine zweite Metallisierungsschicht 120 sind über dem Substrat 101 gebildet und können elektrische Kontakte (nicht gezeigt) zu dem Substrat 101 aufweisen. Die erste und die zweite Metallisierungsschicht 110, 120 sollen eine beliebige Metallisierungsstruktur repräsentieren, wie sie typischerweise in modernen Halbleiterbauelementen mit Kupfer als dem Metallisierungsmetall verwendet sind.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine spezielle Konfiguration oder eine Anzahl von vorgesehenen Metallisierungsschichten eingeschränkt und kann in einer beliebigen Situation angewendet werden, die die Isolierung von Kupfer von einem dielektrischen Material erfordert, in welchem das Kupfer leicht diffundieren kann. Daher können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch auf ein beliebiges Kupfer- oder kupferenthaltendes Gebiet angewendet werden, das beispielsweise auf einer Schaltungsebene gebildet ist, d. h. einer Ebene, auf oder in der Schaltungselemente ausgebildet sind, oder die vorliegende Erfindung kann auch auf Kupfer- oder kupferenthaltende Kontaktflächen angewendet werden, die für künftige Bauteilgenerationen verwendet werden können, um einen elektrischen Kontakt zu einem Gehäuse mittels Flip-Chip-Bonding oder dergleichen bereitzustellen.
Die erste Metallisierungsschicht 110 enthält eine dielektrische Schicht 102 mit beispielsweise Siliziumdioxid, einem Material mit kleinem ε, etwa wasserstoffenthaltendes Siliziumoxykarbid (SiCOH) in beliebiger Form, und dergleichen. Ein erstes Kupfergebiet 113 ist in der ersten dielektrischen Schicht 102 gebildet und ist davon durch eine leitende Barrierenschicht 114, die beispielsweise aus Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid und dergleichen ausgebaut ist, getrennt.
In ähnlicher Weise umfasst die zweite Metallisierungsschicht 120 eine zweite dielektrische Schicht 122, in der ein zweites Kupfergebiet 122 gebildet ist, das von der zweiten dielektrischen Schicht 122 durch eine leitende Barrierenschicht 124 getrennt ist. Die zweite Metallisierungsschicht 120 kann im Prinzip im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die erste Metallisierungsschicht aufweisen, wobei jedoch die Abmessungen der diversen Komponenten entsprechend den Entwurfserfordernissen unterschiedlich sein können. Beispielsweise können die Abmessungen des Kupfergebiets 123 von jenen des Kupfergebiets 113 abweichen. Die erste und die zweite Metallisierungsschicht 110, 120 sind elektrisch mittels einer Kontaktdurchführung 130 verbunden, die in der zweiten dielektrischen Schicht 122 gebildet ist, wobei die Kontaktdurchführung 130 mit Kupfer 133 gefüllt ist, das von einer leitenden Barrierenschicht 134 umschlossen ist. Die erste und die zweite Metallisierungsschicht 110, 120 sind voneinander durch eine dielektrische Diffusionsbarrierenschicht 140 getrennt, die eine erste Teilschicht 141 und eine zweite Teilschicht 142, die über der ersten Teilschicht 141 gebildet ist, aufweist. Die Diffusionsbarrierenschicht 140 umfasst Silizium und Stickstoff, wobei eine Konzentration des Siliziums in der ersten Teilschicht 141 – zumindest an einer Grenzfläche 143 zu dem Kupfergebiet 113 – kleiner als die Siliziumkonzentration der zweiten Teilschicht 142 – zumindest an einer Grenzfläche 144 zu der zweiten dielektrischen Schicht 122 – ist.
Die zweite dielektrische Schicht 122 und das zweite Kupfergebiet 123 sind mittels einer silizium- und stickstoffenthaltenden Barrierenschicht bedeckt, die eine ähnliche Ausgestaltung wie die Barrierenschicht 140 aufweisen kann und daher mit den gleichen Bezugszeichen belegt ist.
Wie aus 1a ersichtlich ist, besitzen die Kupfergebiete 113, 123 mindestens eine Oberfläche 113A, 123A, die mit einem dielektrischen Material, d. h. der Teilschicht 141, der Barrierenschicht 140 in Berührung ist, und das eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration auf Grund der Siliziumkonzentration entsprechend einer standardmäßigen Siliziumnitridschicht bietet, wodurch die hochqualitative Grenzfläche 143 mit den Kupfergebieten 113, 123 gebildet wird. In einer Ausführungsform kann das stoichiometrische Verhältnis von Silizium zu Stickstoff an der Grenzfläche 143 im Bereich von ungefähr 0.2 bis 0.45 liegen. Andererseits bietet die zweite Teilschicht 142 ausgezeichnete Kupferdiffusionsbarrierenqualitäten auf Grund der erhöhten Siliziumkonzentration, wobei beispielsweise das Silizium zu Stickstoffverhältnis an der Grenzfläche 144 in einem Bereich von ungefähr 0.45 bis 0.8 liegen kann. Die Siliziumkonzentration in der zweiten Teilschicht 142 kann über die Dicke hinweg variieren, liegt aber vorzugsweise in dem oben spezifizierten Bereich.
In einer Ausführungsform liegt die Gesamtdicke der Barrierenschicht 140 im Bereich von ungefähr 20 bis 80 nm, wobei die erste Teilschicht 141 eine Dicke von ungefähr 2 bis 10 nm aufweist. In einer besonderen Ausführungsform wird die Dicke der ersten Teilschicht 141 zu ungefähr 5 nm gewählt. Auf Grund der verbesserten Barriereneigenschaften der zweiten siliziumreichen Teilschicht 142 kann die Gesamtdicke der Barrierenschicht 140 auf ungefähr 50% im Vergleich zu einer konventionellen Siliziumnitridschicht verringert werden, so dass die nachteilige Wirkung der kapazitiven Kopplung an das erste und das zweite Kupfergebiet 123, 113 verringert werden kann. Das Reduzieren der Dicke der Barrierenschicht 140 kann ferner ermöglichen, die Dicke der ersten und der zweiten Metallisierungsschicht 110, 120 zu reduzieren, was bei einer weiteren Reduzierung der Strukturgröße von Schaltungselementen (nicht gezeigt) in dem Substrat 101 erforderlich sein kann, da damit auch eine Schrumpfung der Verbindungsleitungen, etwa der Kontaktdurchführung 130, erforderlich sein kann.
Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterelements 100, wie es in 1a gezeigt ist, wird nunmehr beschrieben, indem lediglich auf die erste Metallisierungsschicht 110 verwiesen wird, da die zweite Metallisierungsschicht 120 im Wesentlichen mit den gleichen Prozessschritten hergestellt werden kann, mit Ausnahme der Herstellung der Kontaktdurchführung 130, was jedoch ein gut bekanntes Verfahren in standardmäßigen Damaszener-Techniken ist. Zunächst wird die dielektrische Schicht 102 durch ein geeignetes Abscheideverfahren oder eine Beschichtungstechnik, abhängig von der Art des für die dielektrische Schicht 102 verwendeten Materials, gebildet. Beispielsweise kann Siliziumdioxid aus TEOS in einem plasmaunterstützten chemischen Dampfabscheid-(CVD)Prozess aufgebracht werden. Für andere dielektrische Materialien, etwa SiCOH, kann ein entsprechender plasmaunterstützter CVD-Prozess mit Vorstufengasen wie etwa 3MS, 4MS in Verbindung mit Sauerstoff, und dergleichen angewendet werden. Andere geeignete dielektrische Materialien mit kleinem ε können Aufschleuderverfahren erfordern, die im Stand der Technik gut bekannt sind. Danach kann eine Ätzmaske (nicht gezeigt) aus Photolack mittels eines Photolithographieschrittes gebildet werden, wobei die Ätzmaske dann verwendet wird, um einen Graben in der ersten dielektrischen Schicht 102 zu bilden. Entsprechende Photolithographie- und anisotrope Ätzverfahren sind im Stand der Technik gut bekannt und daher wird eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen. Anschließend wird die leitende Barrierenschicht 114 beispielsweise durch physikalische Dampfabscheidung, etwa durch Sputter-Abscheidung, aufgebracht, wobei abhängig von Prozesserfordernissen eine Tantalschicht, eine Tantalnitridschicht oder eine Mischung davon für gewöhnlich als ein Barrierenmaterial für Metallisierungsschichten auf Kupferbasis verwendet wird. Es kann jedoch eine beliebige andere leitende Barrierenschicht verwendet werden, die die gewünschten Barrieren- und Hafteigenschaften für Kupfer liefert.
Anschließend kann eine Kupfersaatschicht (nicht gezeigt) durch Sputter-Abscheidung aufgebracht werden, woran sich ein Plattierungsprozess zum Füllen des Grabens mit Kupfer anschließt. Nach der Kupferabscheidung werden überschüssiges Material, d. h. das durch Plattierung aufgebrachte Kupfer, die Saatschicht und die Barrierenschicht außerhalb des Grabens, durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt, um das Kupfergebiet 113 mit der freigelegten Kupferoberfläche 113a zu bilden. Anschließend wird die Barrierenschicht 140 über der dielektrischen Schicht 102 und dem Kupfergebiet 113 abgeschieden. Dazu wird in einer Ausführungsform das Halbleiterelement 100 zunächst in einer Plasmaumgebung behandelt, um die freigelegte Kupferoberfläche 113a zu reduzieren, um damit Kupferoxidbereiche zu entfernen, die sich darauf während des CMP und dem anschließenden Spülen und dem Handtieren des Substrats gebildet haben können. Beispielsweise kann ein Ammoniak (NH₃) enthaltendes Plasma und/oder eine stickstoff- und wasserstoffenthaltende Plasmaumgebung errichtet werden, um die Oxidbereiche auf der Kupferoberfläche 113a zu verringern. Das Entfernen von Korrosion und Färbungen von der Kupferoberfläche 113a kann helfen, die Qualität der Grenzfläche 143 zwischen der ersten Teilschicht 141 der Barrierenschicht 140 und der Kupferoberfläche 113a zu verbessern, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration weiterhin gefördert wird. Danach kann eine Abscheideatmosphäre um das Halbleiterelement 100 herum erzeugt werden, um die Barrierenschicht 140 zu bilden.
In einer Ausführungsform wird die Abscheideatmosphäre ohne Unterbrechen des Vakuums, das während der Plasmabehandlung der freigelegten Kupferoberfläche 113a erzeugt wird, errichtet. Eine entsprechende Prozesssequenz, in der im Wesentlichen identische Unterdruckbedingungen beibehalten werden, ohne die Substratumgebung mit im Wesentlichen atmosphärischen Druck zu „fluten", wird auch als ein in-situ-Prozess bezeichnet. Anschließend wird unabhängig davon, ob die Plasmabehandlung ausgeführt wurde oder nicht, eine geeignete Abscheideatmosphäre erzeugt, um die erste Teilschicht 141 der Barrierenschicht 140 zu bilden. Die erste Teilschicht 141 kann durch plasmaunterstütztes CVD aus Vorstufengasen, etwa Silan (SiH₄) und Ammoniak (NH₃) abgeschieden werden. Die Abscheideparameter, etwa die Konzentration der Vorstufengase in der Abscheideatmosphäre, d. h. die Durchflussrate und der Umgebungsdruck, die Substrattemperatur, die Radiofrequenz-(RF)leistung, die der Umgebung zugeführt wird, um ein Plasma zu erzeugen, die Dauer des Abscheidevorgangs, und dergleichen werden so gewählt, um eine gewünschte Dicke für die erste Teilschicht 141 im Bereich von ungefähr 2 bis 10 nm zu erhalten. In einer Ausführungsform können die Durchflussraten von Silan (SiH₄) und Ammoniak (NH₃) auf ungefähr 120 bis 170 bzw. ungefähr 220–330 sccm eingestellt werden, während zudem ein inertes Gas, etwa Stickstoff, mit einer Durchflussrate im Bereich von ungefähr 8000 bis 9000 sccm zugeführt wird. Mit einer RF-Leistung von ungefähr 400 bis 600 Watt für eine CVD-Anlage, wie sie typischerweise in der Halbleiterherstellung verwendet wird, und einem Druck der Abscheideatmosphäre von ungefähr 4 bis 6 Torr mit einer Substrattemperatur im Bereich von ungefähr 350 bis 450° C kann eine Abscheidezeitdauer bei ungefähr 1 bis 3 Sekunden liegen. Es sollte beachtet werden, dass die Abscheideparameter von der speziellen verwendeten Abscheideanlage abhängen können, und damit können unter Umständen andere Parameterwerte als die zuvor spezifizierten geeignet sein, solange der oben angegebene Konzentrationswert erreicht wird.
Anschließend wird die Parametereinstellung geändert, um mit der Abscheidung der zweiten Teilschicht 142 mit einer erhöhten Siliziumkonzentration im Vergleich zu der ersten Teilschicht 141 im Einklang zu sein, wobei insbesondere die Durchflussraten der Vorstufengase, etwa von Silan (SiH₄) und Ammoniak (NH₃) entsprechend angepasst werden, um eine höhere Siliziumkonzentration in der Abscheideatmosphäre zu erreichen. In einer Ausführungsform wird die Silan-(SiH₄)Durchflussrate auf ungefähr 200 bis 250 sccm eingestellt, wohingegen die Ammoniak-(NH₃)Durchflussrate auf ungefähr 30 bis 80 sccm reduziert wird. Die Abscheidezeit wird so eingestellt, um die erforderliche endgültige Dicke der Barrierenschicht 140 zu erreichen. In einer Ausführungsform kann die RF-Leistung auf ungefähr 450 bis 550 Watt festgelegt werden, und die Durchflussrate von Stickstoff wird auf ungefähr 7000 bis 8000 sccm eingestellt. Für diese Parameterwerte ergibt eine Abscheidezeit von 4 bis 8 Sekunden eine Dicke in dem oben spezifizierten Bereich.
In einer Ausführungsform wird der Übergang von den Parameterwerten, die für das Abscheiden der ersten Teilschicht 141 erforderlich sind, zu den Parameterwerten, die für die Abscheidung der zweiten Teilschicht 142 erforderlich sind, ohne Unterbrechen des Abscheideprozesses ausgeführt, so dass eine Schicht mit einer graduell ansteigenden Siliziumkonzentration in der Barrierenschicht 140 gebildet wird.
1b zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Halbleiterstruktur 100 aus 1a. Auf Grund der weitergehenden Abscheidung während der Parameterneueinstellung kann eine Zwischenschicht 146 zwischen der ersten Teilschicht 141 und der zweiten Teilschicht 142 gebildet sein. Eine Dicke der Zwischenschicht 146 hängt von den Gegebenheiten des Übergangsschritts für die Parameterneueinstellung ab. Es kann vorteilhaft sein, die Abscheideparameter in einer im Wesentlichen stufenartigen Weise einzustellen, so dass eine Dicke 145 der Zwischenschicht 146 von der Zeit abhängt, die nötig ist, damit die Abscheideatmosphäre einen neuen Gleichgewichtszustand erreicht. In anderen Ausführungsformen kann es als geeignet erachtet werden, einen oder mehrere Prozessparameter während des Übergangsschritts kontinuierlich zu variieren. Die Dicke 145 der Zwischenschicht 146 kann im Bereich von ungefähr 0.5 bis 1 nm liegen.
Auf der linken Seite aus 1b ist ein Graph gezeigt, der schematisch eine typische Variation der Siliziumkonzentration in der Barrierenschicht 140 darstellt. Die vertikale Achse repräsentiert die Dicke der ersten und der zweiten Teilschicht 141 und 142 und der Zwischenschicht 146. Die horizontale Achse repräsentiert deren Siliziumkonzentration. Wie man erkennen kann, kann die Siliziumkonzentration in der Zwischenschicht 146 ansteigen bis eine im Wesentlichen stabile Abscheiderate in der Abscheideatmosphäre erreicht ist, wodurch die zweite Teilschicht 142 dann mit einer im Wesentlichen konstanten Siliziumkonzentration gebildet wird.
1c zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Halbleiterelements 100, wie es in 1a gezeigt ist, wobei die Barrierenschicht 140 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform hergestellt ist. In 1c umfasst die Barrierenschicht 140 die erste und die zweite Teilschicht 141 und 142 mit einer relativ scharten Grenzfläche 147, die dazwischen ausgebildet ist. Dazu wird der Abscheideprozess während des Herstellens der ersten Teilschicht 141 unterbrochen, indem beispielsweise die Zufuhr der Radiofrequenzleistung zu der Abscheideatmosphäre unterbunden wird, und dann werden die Abscheideparameter in einem speziellen Übergangsschritt erneut eingestellt, so dass die Abscheideatmosphäre dann ihren neuen Gleichgewichtszustand einnehmen kann. Beispielsweise kann die RF-Leistung abgeschaltet werden und die Durchflussraten der Vorstufengase und möglicherweise ein Druck der Abscheideatmosphähre werden auf die Parameterwerte eingestellt, die zum Abscheiden der zweiten Teilschicht 142 erforderlich sind. Dann kann ein Zeitintervall im Bereich von ungefähr 3 bis 10 Sekunden vorgesehen werden, um im Wesentlichen stabile Abscheidebedingungen zu erreichen und die RF-Leistung kann mit einem erforderlichen speziellen Wert eingeschaltet werden.
Die linke Seite aus 1c zeigt schematisch einen Graphen, der die Siliziumkonzentration gegenüber der Dicke der Barrierenschicht 140 gemäß dem zuvor beschriebenen stufenweisen Abscheideprozess darstellt. Es sollte beachtet werden, dass die stufenartige Änderung der Siliziumkonzentration, wie sie in 1c gezeigt ist, in tatsächlichen Bauelementen auf Grund von Anlaufwirkungen zu Beginn eines neuen Abscheidezyklus und auf Grund unvermeidbarer Diffusionsereignisse von Silizium und Stickstoff an der Grenzfläche 147, die durch erhöhte Temperaturen und dem Konzentrationsunterschied zwischen der ersten und der zweiten Teilschicht 141, 142 hervorgerufen werden, etwas „verschmiert" sein kann. Somit kann in tatsächlichen Bauelementen die Siliziumkonzentration innerhalb einiger Angstrom variieren.
Es gilt also: die vorliegende Erfindung ermöglicht das Herstellen einer Barrierenschicht auf Siliziumnitridbasis, die verbesserte Eigenschaften in Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration sowie in Hinblick auf die Kupferdiffusion aufweist, wobei die Gesamtdicke der Barrierenschicht deutlich im Vergleich zu konventionellen Siliziumnitridschichten verringert werden kann, da ein erster Teil der Barrierenschicht, der mit dem Kupfer in Berührung ist, eine verbesserte Grenzflächenqualität liefert, wohingegen ein zweiter Teil so gestaltet ist, um eine verbesserte Diffusionsbarrierenwirkung zu erreichen.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Halbleiterstruktur mit: einer dielektrischen Schicht; einem metallenthaltenden Gebiet, das in der dielektrischen Schicht gebildet ist, wobei das metallenthaltende Gebiet mindestens eine Kupferoberfläche aufweist; einer silizium- und stickstoffenthaltenden dielektrischen Barrierenschicht, die auf der mindestens einen Kupferoberfläche gebildet ist, wobei die silizium- und stickstoffenthaltende Barrierenschicht eine erste Oberfläche in Kontakt zu der mindestens einen Kupferoberfläche und eine zweite abgewandete Oberfläche aufweist, wobei eine Siliziumkonzentration an der zweiten Oberfläche höher als die Siliziumkonzentration an der ersten Oberfläche der Barrierenschicht ist.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die silizium- und stickstoffenthaltende dielektrische Barrierenschicht Siliziumnitrid aufweist.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das metallenthaltende Gebiet Kupfer und eine metallenthaltende Barrierenschicht aufweist.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der silizium- und stickstoffenthaltenden dielektrischen Barrierenschicht im Bereich von 20 bis 70 nm liegt.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die silizium- und stickstoffenthaltende dielektrische Schicht eine Siliziumnitridschicht und eine siliziumreiche Siliziumnitridschicht aufweist.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 5, wobei eine Dicke der Siliziumnitridschicht im Bereich von 2 bis 10 nm liegt.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 5, wobei eine Dicke der siliziumreichen Siliziumnitridschicht im Bereich von 20 bis 70 nm liegt.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die silizium- und stickstoffenthaltende dielektrische Barrierenschicht eine Zwischenschicht mit einer graduell variierenden Siliziumkonzentration aufweist.
Die Halbleiterstruktur nach Anspruch 8, wobei eine Dicke der Zwischenschicht im Bereich von 0,5 bis 2 nm liegt.
Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Barrierenschicht eines Halbleiterbauteils, wobei das Verfahren umfasst: Freilegen einer Kupferoberfläche; Bilden einer ersten Siliziumnitridschicht auf der freigelegten Kupferoberfläche; und Bilden einer zweiten Siliziumnitridschicht auf der ersten Siliziumnitridschicht, während eine Siliziumkonzentration der zweiten Siliziumnitridschicht so eingestellt wird, um größer als jene der ersten Siliziumnitridschicht zu sein.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste und die zweite Siliziumnitridschicht ohne Unterbrechen eines Vakuums gebildet werden.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die zweite Siliziumnitridschicht gebildet wird, während ein erster Satz an Abscheideparametern zu einem zweiten Satz an Abscheideparametern geändert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste Siliziumnitridschicht mit einem ersten Satz an Abscheideparametern und die zweite Siliziumnitridschicht mit einem zweiten Satz an Abscheideparametern gebildet wird, und wobei das Abscheiden der ersten Siliziumnitridschicht beendet wird, bevor der zweite Satz an Parametern eingestellt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Satz an Abscheideparametern eine Silandurchflussrate und/oder eine Ammoniakdurchflussrate beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Satz an Abscheideparametern eine Silandurchflussrate und/oder eine Ammoniakdurchflussrate beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste und die zweite Siliziumnitridschicht in einer Plasmaumgebung abgeschieden werden.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Plasmaumgebung so gesteuert wird, um das Bilden der ersten Siliziumnitridschicht zu unterbrechen, bevor die zweite Siliziumnitridschicht gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Dicke der ersten Siliziumnitridschicht im Bereich von 2 bis 10 nm liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Dicke der ersten Siliziumnitridschicht im Bereich von 20 bis 70 nm liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst: Behandeln der freigelegten Kupferoberfläche durch Einwirken einer Plasmaumgebung auf die Kupferoberfläche vor dem Bilden der ersten Siliziumnitridschicht.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Behandeln der Kupferoberfläche und das Bilden der ersten Siliziumnitridschicht ohne Unterbrechen eines über der Kupferoberfläche errichteten Vakuums ausgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei die zweite Siliziumnitridschicht ohne Unterbrechung des Vakuums gebildet wird.