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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten,
wobei ein Metall über
einer strukturierten dielektrischen Schicht abgeschieden und überschüssiges Metall
nachfolgend durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt
wird.
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In
jeder neuen Generation integrierter Schaltungen werden die Bauteilstrukturelemente
verkleinert, wohingegen die Komplexität der Schaltungen ständig zunimmt.
Größenreduzierte
Strukturelemente erfordern nicht nur fortschrittliche Photolithographieverfahren
und moderne Ätztechniken,
um die Schaltungselemente geeignet zu strukturieren, sondern stellen
auch immer höhere
Anforderungen an die Abscheidetechniken. Gegenwärtig werden minimale Strukturgrößen von
ungefähr
0.1 μm oder
sogar darunter erreicht, was das Herstellen schnell schaltender
Transistorelemente ermöglicht,
die eine nur minimale Chipfläche
bedecken. Als Folge der verringerten Strukturelementsgrößen reduziert
sich jedoch auch der verfügbare
Platz für
die erforderlichen Metallverbindungen, wobei gleichzeitig die Anzahl
der notwendigen Verbindungen zwischen den einzelnen Schaltungselementen
ansteigt. Daher verringert sich die Querschnittsfläche von
Metallverbindungen und dies erfordert es, das allgemein verwendete
Aluminium durch ein Metall zu ersetzen, das eine höhere Stromdichte
bei reduziertem elektrischen Widerstand ermöglicht, um zuverlässige Chipverbindungen
mit hoher Qualität
zu erhalten. In dieser Hinsicht hat sich Kupfer als ein vielversprechender
Kandidat auf Grund seiner Vorteile erwiesen, etwa geringer Widerstand,
hohe Zuverlässigkeit,
hohe Wärmeleitfähigkeit,
relativ geringe Kosten und kristalline Struktur, die so steuerbar
ist, um relativ große
Korngrößen zu erreichen.
Ferner weist Kupfer eine deutlich höhere Widerstandskraft gegen
Elektromigration auf und ermöglicht
daher höhere
Stromdichten, wobei der Widerstand gering ist, wodurch somit die
Einführung
geringerer Versorgungsspannungen möglich ist.
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Trotz
der vielen Vorteile von Kupfer im Vergleich zu Aluminium verhielten
sich Halbleiterhersteller in der Vergangenheit aus vielerlei Gründen abwartend
bei der Einführung
von Kupfer in den Herstellungsvorgang. Ein wesentliches Problem
bei der Verarbeitung von Kupfer in einer Halbleiterproduktionslinie
ist die Fähigkeit
von Kupfer, leicht in Silizium und Siliziumdioxid bei moderaten
Temperaturen zu diffundieren. Kupfer, das in Silizium diffundiert,
kann zu einem deutlichen Anstieg des Leckstroms in Transistorelementen
führen,
da Kupfer als eine tiefe Einfangstelle in der Siliziumbandlücke fungiert.
Ferner kann Kupfer, das in Siliziumdioxid eindiffundiert, die isolierenden
Eigenschaften des Siliziumdioxids beeinträchtigen und kann zu höheren Leckströmen zwischen
benachbarten Metallleitungen führen
oder kann sogar Kurzschlüsse
zwischen benachbarten Metallleitungen erzeugen. Somit muss große Sorgfalt aufgewandt
werden, um eine Kontamination von Siliziumscheiben mit Kupfer während der
gesamten Prozesssequenz zu vermeiden.
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Ein
weiteres Problem resultiert aus der Tatsache, dass Kupfer nicht
in effizienter Weise in größeren Mengen
durch Abscheideverfahren, etwa physikalische Dampfabscheidung (PVD)
und chemische Dampfabscheidung (CVD) abgeschieden werden kann, die
gut bekannt und gut etablierte Techniken beim Abscheiden anderer
Materialien, etwa von Aluminium sind. Daher wird Kupfer nunmehr üblicherweise
durch nasse Prozesse, etwa Elektroplattieren, abgeschieden, das
im Vergleich zum stromlosen Plattieren die Vorteile einer höheren Abscheiderate und
eines weniger komplexen Elektrolytbades aufweist. Obwohl auf den
ersten Blick das Elektroplattieren eine relativ einfache und gut
etablierte Abscheidetechnik auf Grund der großen Erfahrung, die in der Leiterplattenindustrie über Jahrzehnte
hinweg gesammelt wurde, zu sein scheint, macht die Anforderung nach
einem zuverlässigen
Auffüllen
von Öffnungen
mit hohem Aspektverhältnis
mit Abmessungen von 0.1 μm
und darunter sowie von breiten Gräben mit einer seitlichen Ausdehnung
in der Größenordnung
von Mikrometern, das Elektroplattieren von Kupfer sowie von anderen
Metallen, die in Metallisierungsschichten verwendet werden können, zu
einem äußerst komplexen
Abscheideverfahren, insbesondere, da nachfolgende Prozessschritte,
etwa das chemisch-mechanische Polieren und mögliche Messprozesse direkt
von der Qualität
des Elektroplattierungsprozesses abhängig sind.
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Mit
Bezug zu den 1a und 1b wird nunmehr ein typischer
Prozess zur Herstellung einer Metallisierungsschicht beschrieben.
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Gemäß 1a weist ein Halbleiterelement 100 ein
Substrat 101 mit Schaltungselementen, etwa Transistoren,
Widerständen,
Kondensatoren, und dergleichen auf, die der Einfachheit halber in 1a nicht gezeigt sind. Eine
dielektrische Schicht 102 ist über dem Substrat 101 gebildet
und ist davon durch eine Ätzstopschicht 103 getrennt.
Z. B. kann die dielektrische Schicht 102 Siliziumdioxid
aufweisen, wohingegen die Ätzstopschicht 103 Siliziumnitrid
aufweisen kann. In anderen Fällen
können
die dielektrische Schicht 102 und möglicherweise die Ätzstopschicht 103 aus
einem sogenannten Dielektrikum mit kleinem ε mit einer Permittivität, die deutlich
kleiner als jene des Siliziumdioxids und Siliziumnitrids ist, aufgebaut
sein. In der dielektrischen Schicht 102 sind Öffnungen 105 als
Kontaktdurchführungen
und Gräben
ausgebildet. Die Abmessungen der Öffnungen 105 sowie
der Abstand und ihre Position auf einer Chipfläche des Substrats 101 sind
durch den Schaltungsaufbau einer entsprechenden integrierten Schaltung
vorgegeben. Die dielektrische Schicht 102 kann ferner eine Öffnung 104 aufweisen,
die als ein relativ breiter Graben vorgesehen ist. Ferner kann die dielektrische
Schicht 102 ein im wesentlichen nicht strukturiertes Gebiet 106 umfassen.
Ebenso wie bei den Öffnungen 105 sind
die Abmessung und die Position des Grabens 104 und des
nicht strukturierten Gebiets 106 im Wesentlichen durch
den Schaltungsaufbau vorgegeben.
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Die
Verfahren zur Herstellung des in 1a gezeigten
Halbleiterelements 100 sind gut etabliert im Stand der
Technik und können
gut bekannte Abscheide-, Lithographie- und Ätzverfahren umfassen. Insbesondere
kann die Öffnung 105 in
einem ersten selektiven Ätzschritt
in der dielektrischen Schicht 102 gebildet werden, wobei
der Ätzvorgang
auf oder in der Ätzstopschicht 103 anhält. Die Öffnung 105 kann dann
in der Ätzstopschicht 103 durch
einen separaten Ätzprozess
gebildet werden, der so gestaltet ist, um selektiv das Material
der Schicht 103 zu entfernen. Danach wird in einem weiteren Ätzschritt
der obere Bereich der Öffnung 105 und
der Öffnung 104 in
einem gemeinsamen Ätzschritt
gebildet.
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1b zeigt schematisch das
Halbleiterelement 100 in einem fortgeschrittenen Herstellungsstadium,
wobei eine Metallschicht, etwa eine Kupferschicht 107 über der
dielektrischen Schicht 102 gebildet ist, und wobei eine
Barrierenschicht und eine Saatschicht, die der Einfachheit halber
gemeinsam durch 108 bezeichnet sind, zwischen der Metallschicht 107 und
der dielektrischen Schicht 102 angeordnet sind. Die Barrieren/Saatschicht 108 kann
zwei oder mehrere Unterschichten mit Materialien, etwa Tantal, Tantalnitrid,
Titan, Titannitrid, Kombinationen davon, und dergleichen aufweisen.
Die Saatschicht kann beispielsweise aus Kupfer aufgebaut sein.
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Die
Barrieren/Saatschicht 108 kann durch chemische Dampfabscheidung,
Atomschichtabscheidung oder physikalische Dampfabscheidung gefolgt
von beispielsweise einer Sputter-Abscheidung zur Bildung der Saatschicht
als die letzte Teilschicht der Barrieren/Saatschicht 108 gebildet
werden. Danach wird die Metallschicht 107 abgeschieden,
wobei, wie zuvor im Zusammenhang mit dem Kupfer dargelegt ist, ein
nass-chemischer Prozess vorzugsweise angewendet wird, um in effizienter Weise
große
Mengen an Metall bei vernünftigen
Abscheideraten zu erhalten. Für
Kupfer ist typischerweise das Elektroplattieren das gegenwärtig bevorzugte Abscheideverfahren
auf Grund einer erhöhten
Abscheiderate und eines moderat komplexen Elektrolytbades im Vergleich
zum stromlosen Plattieren.
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Für zuverlässige Metallverbindungen
ist es nicht nur wichtig, das Kupfer so gleichförmig wie möglich über der gesamten Oberfläche eines
200 mm oder gar 300 mm großem
Substrat abzuscheiden, sondern es ist auch wichtig, die Öffnungen 105 und 104,
die ein Aspektverhältnis
von ungefähr
10:1 aufweisen können,
ohne Hohlräume
oder Defekte zuverlässig
aufzufüllen.
Daher ist es essenziell, das Kupfer in einer äußerst nicht-konformen Weise abzuscheiden. Daher
werden große
Anstrengungen unternommen, um eine Elektroplattierungstechnik zu etablieren,
die ein äußerst nicht-konformes
Abscheiden eines Metalls, etwa von Kupfer, ermöglicht, wobei Öffnungen,
insbesondere die Kontaktdurchführungen
mit geringer Größe und die
Gräben 105,
im Wesentlichen von unten nach oben aufgefüllt werden. Es wurde festgestellt,
dass ein derartiges Auffüllverhalten
erreicht werden kann, indem die Abscheidekinetik in den Öffnungen 105, 104 und
auf den horizontalen Bereichen, etwa dem nicht strukturierten Gebiet 106,
gesteuert wird. Dies wird üblicher Weise
dadurch erreicht, dass Additive in das Elektrolytbad hinzugefügt werden,
um die Rate von Kupferionen zu beeinflussen, die sich an den entsprechenden
Stellen abscheiden. Beispielsweise kann ein organisches Mittel mit
relativ großen,
langsam diffundierenden Molekülen,
etwa Polyethylen, Glykol, dem Elektrolyt hinzugefügt werden,
die sich dann vorzugsweise auf einer flachen Oberfläche und Eckenbereichen
anhaften. Somit ist der Kontakt von Kupferionen an diesen Gebieten
reduziert und die Abscheiderate wird verringert. Ein entsprechend
wirkendes Mittel wird häufig
als ein „Suppressor" bezeichnet. Andererseits
kann ein weiteres Additiv mit kleineren und schneller diffundierenden
Molekülen hinzugefügt werden,
die sich vorzugsweise in den Öffnungen 105, 104 aufhalten
und die Abscheiderate durch Aufheben der Wirkung des Suppressor-Additivs
erhöhen.
Ein entsprechendes Additiv wird häufig als ein „Beschleuniger" bezeichnet. Zusätzlich zur Verwendung
eines Beschleunigers oder eines Kompressors werden sogenannte Nivellieren
oder Aufheller verwendet, um zu versuchen, ein hohes Maß an Gleichförmigkeit
zu erreichen und um die Oberflächenqualität der Metallschicht 107 zu
verbessern. Ferner kann u.U. eine einfache Gleichspannungs-Abscheidung,
d. h. eine Abscheidung durch Zuführen
eines im Wesentlichen konstanten Stromes nicht ausreichen, um trotz
der Verwendung von Beschleunigern, Suppressoren und/oder Nivellieradditiven
das geforderte Abscheideverhalten zu erreichen. Stattdessen wurde
die sogenannte Pulsinvers-Abscheidung eine bevorzugte Variante beim
Abscheiden von Kupfer. Bei dem Pulsinvers-Abscheideverfahren werden
Stromimpulse mit abwechselnder Polarität an das Elektrolytbad angelegt,
um Kupfer während
der Vorwärtsstromimpulse
auf dem Substrat abzuscheiden und um ein gewisses Maß an Kupfer während der
inversen Stromimpulse freizusetzen, wodurch das Füllvermögen des
Elektroplattierungsprozesses verbessert wird. Mittels dieser komplexen Plattierungsprozesse
können
die Öffnungen 105, 104 zuverlässig mit
Kupfer gefüllt
werden. Es stellt sich jedoch heraus, dass die letztlich erhaltene
Topographie der Metallschicht 107 von der darunter liegenden
Struktur abhängt.
Trotz der Anwendung des Pulsinvers-Verfahrens und einer technisch
fortschrittlichen Chemie einschließlich diverser Mengen von Suppressoren,
Beschleunigern und Nivelliermitteln, wird ein beschleunigtes Abscheiden
von Metall über strukturierten
Gebieten, etwa über
den Öffnungen 104, 105 gegenüber dem
nicht strukturierten Gebiet 106 beobachtet. Es wird angenommen,
dass eine ungleichförmige
Verteilung der Additive, insbesondere der Beschleuniger, in der
Nähe der Öffnungen 104, 105,
zu einer weiteren Fortsetzung der Abscheidekinetik führt, die
innerhalb der Öffnung 104, 105 auftritt, selbst
wenn diese Öffnungen
bereits vollständig
gefüllt
sind, wodurch eine erhöhte
Abscheiderate in diesen Bereichen bewirkt wird, bis schließlich die
Additive gleichförmig
verteilt sind.
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Die
strukturabhängige
Topographie der Metallschicht 107 kann dann zu einer Prozessungleichförmigkeit
während
eines nachfolgenden chemisch-mechanischen Poliervorganges (CMP)
führen, da
freigelegte Bereich der Metallschicht 107 eine erhöhte Andruckskraft
während
des Poliervorganges erfahren, wie dies durch die Pfeile 109 angezeigt
ist. Der Abtragungsvorgang beginnt daher vorzugsweise über den Öffnungen 104, 105 und
kann dann mit höherer
Abtragsrate im Vergleich zu dem nicht strukturierten Gebiet 106 weitergehen.
Daher wird das Freilegen der Oberfläche des Gebiets 106 verzögert und eine
deutliche „Nachpolier-"zeit ist erforderlich,
um im Wesentlichen vollständig
Metallreste von dem Gebiet 106 zu entfernen. Dies kann
einen verstärkten
Materialabtrag in den Öffnungen 104, 105 hervorrufen,
der auch als „Einkerbung" bezeichnet wird
und kann ferner zu einem erhöhtem
Abtrag von dielektrischem Material der Schicht 102 in der
Nähe der Öffnungen 104, 105 führen, was
als Erosion bekannt ist. Zusätzlich
zu diesen nachteiligen Wirkungen kann die Ungleichförmigkeit
des Metallabtrags ferner Endpunktdetektionsverfahren beeinflussen,
etwa Verfahren, die auf optischen Signalen basieren, die durch von der
Metallschicht 107 während
des Poliervorganges reflektierten Lichts gewonnen werden, sowie
von Verfahren, die auf dem Motorstrom basieren, der zur Erzeugung
einer Relativbewegung zwischen dem Substrat 101 und einem
Polierkissen erforderlich ist, oder Verfahren die auf anderen durch
Reibung erzeugten oder anderweitig erzeugten Endpunktsignalen basieren.
D. h., die entsprechenden Endpunktsignale können eine geringere Steigung
aufweisen und können
daher das Erkennen des Endes des Polierprozesses beeinträchtigen.
Da das CMP selbst ein äußerst komplexer
Vorgang ist, hängt
das endgültige Ergebnis
des Poliervorganges und damit die Qualität der in den Öffnungen 104, 105 gebildeten
Metallleitungen nicht nur von den CMP-Parametern, sondern auch stark
von den Eigenschaften der Metallschicht 107 ab. Aus diesen
Gründen
wird häufig
vorgeschlagen, „Test-"muster in dem nicht
strukturierten Gebiet 106 vorzusehen, um ähnliche
Abscheidebedingungen wie über
den Öffnungen 104, 105 zu
erreichen. Obwohl dieser Ansatz die zuvor genannten Probleme hinsichtlich
der Ungleichförmigkeit
deutlich geringer machen kann, können
die zusätzlich
gebildeten Metallgebiete parasitäre
Kapazitäten
in der Schaltung bilden, wodurch die Betriebsgeschwindigkeit beeinträchtigt werden
kann und somit diese Lösung
in vielen Fällen
als nicht wünschenswert
erweisen kann.
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Angesichts
der zuvor benannten Probleme besteht daher ein Bedarf, einen Elektroplattierungsprozess
bereitzustellen, in welchem die Bürde für den nachfolgenden CMP-Prozess
minimal ist.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an Verfahren,
die die Gleichförmigkeit
eines CMP-Prozesses verbessern können,
dahingehend, dass eine vorangegangene Sequenz zur Herstellung einer
plattierten Metallschicht so modifiziert wird, um eine deutliche
Oberflächenrauhigkeit
der Metallschicht zumindest über
nicht strukturierten Bereichen eines Substrats bereitzustellen.
In dieser Weise wird der Beginn des Materialabtrags während des
CMP-Prozesses in den nicht strukturierten Bereichen, anders als
in konventionellen Verfahren, nicht verzögert.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abscheidung einer
Metallschicht über
einem Substrat mit einer dielektrischen Schicht, die ein strukturiertes
Gebiet und ein nicht strukturiertes Gebiet darin aufweist, bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst das Einwirken eines Elektrolytbads auf das Substrat,
um in nicht konformer Weise Metall von unten nach oben in dem strukturierten
Gebiet abzuscheiden. Danach wird eine Überschussmetallschicht über dem
strukturierten Gebiet und dem nicht strukturierten Gebiet gebildet.
Ferner wird zumindest ein Prozessparameter während der Herstellung der Überschussmetallschicht
so gesteuert, um eine Oberflächenrauhigkeit
der Überschussmetallschicht einzustellen.
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Gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer
Metallisierungsschicht eines Halbleiterelements bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats mit einer
darauf gebildeten dielektrischen Schicht mit einem ersten Gebiet
und einem zweiten Gebiet, wobei das erste Gebiet Kontaktdurchführungen
und Gräben
aufweist, die mit einem Metall zu füllen sind, und wobei das zweite
Gebiet im Wesentlichen frei von Gräben und Kontaktdurchführungen,
die mit Metall zu füllen
sind, ist. Das Substrat wird der Einwirkung eines Elektrolytbads
ausgesetzt, um die Kontaktdurchführungen
und Gräben
in dem ersten Gebiet zu füllen
und um eine Überschussmetallschicht über dem
ersten und dem zweiten Gebiet zu bilden. Dabei wird eine Oberflächenrauhigkeit
zumindest des zweiten Gebiets so eingestellt, dass diese größer als
ungefähr
50 nm ist. Schließlich
wird die Überschussmetallschicht
durch chemisch-mechanisches Polieren entfernt, wobei die Oberflächenrauhigkeit den
Beginn des Materialabtrags während
des chemisch-mechanischen
Polierprozesses fördert.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bestimmen einer
Oberflächenrauhigkeit
einer über
einem Dielektrikum gebildeten Metallschicht, wobei das Dielektrikum
ein strukturiertes Gebiet und ein im Wesentlichen nicht strukturiertes
Gebiet aufweist. Ein Teil der Metallschicht wird dann durch chemisch-mechanisches
Polieren entfernt, um das Dielektrikum in dem strukturierten und
dem nicht strukturierten Gebiet freizulegen, und ein Endpunktdetektionssignal
wird während des
chemischen-mechanischen Polierens überwacht.
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Schließlich wird
das überwachte
Endpunktdetektionssignal mit der bestimmten Oberflächenrauhigkeit
in Beziehung gesetzt, um eine optimale Oberflächenrauhigkeit für ein gewünschtes
Signal/Rauschen-Verhältnis
des Endpunktdetektionssignals zu bestimmen.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bestimmen einer
Oberflächenrauhigkeit
einer über
einem Dielektrikum, das ein strukturiertes Gebiet und ein im Wesentlichen strukturiertes
Gebiet aufweist, gebildet ist, und das Entfernen eines Teils der
Metallschicht durch chemisch-mechanisches
Polieren, um das Dielektrikum in dem strukturierten und dem nicht
strukturierten Gebiet freizulegen. Es wird eine Polierzeit überwacht, die
zum im Wesentlichen vollständigen
Freilegen des strukturierten und des nicht strukturierten Gebiets
erforderlich ist, und die überwachte
Polierzeit wird mit der bestimmten Oberflächenrauhigkeit in Beziehung gesetzt,
um eine Oberflächenrauhigkeit
zu ermitteln, die zu einer reduzierten Polierzeit führt.
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird; es zeigen:
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1 und 1b schematisch Querschnittsansichten
eines Halbleiterbauteilelement während
diverser Herstellungsstadien im Stand der Technik, wenn eine Kupfermetallisierungsschicht
gebildet wird;
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2a bis 2c schematisch Querschnittsansichten
eines Bauteils mit einer Metallschicht, die über einem Dielektrikum mit
einem strukturierten und einem nicht strukturiertem Gebiet gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gebildet wird;
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3 einen schematischen Graphen,
der die Form eines CMP-Endpunktdetektionssignals
für eine
Metallschicht mit und ohne Oberflächenrauhigkeit darstellt; und
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4 einen schematischen Graphen,
der die Beziehung zwischen der Steigung des Endpunktdetektionssignals
und der durchschnittlichen Oberflächenrauhigkeit einer Metallschicht
darstellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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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 dargestellten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
in beispielhafter Weise die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung
dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Erfinder, dass
im Gegensatz zur konventionellen Lehre eine ausgeprägte Rauhigkeit
der Oberfläche
einer Metallschicht, die über
einem Dielektrikum abgeschieden ist, wobei das Dielektrikum so strukturiert
ist, um Gräben
und Kontaktdurchführungen
sowie nicht strukturierte Gebiete entsprechend dem Schaltungsentwurf
aufzuweisen, in signifikanter Weise die Anforderungen an einen nachfolgenden
CMP-Prozess verringern kann. Die ausgeprägte Oberflächenrauhigkeit kann das Einsetzen des
Beginns des Materialabtrags über
das Substrat hinweg gleichförmiger
gestalten, unabhängig
davon, ob ein strukturiertes oder ein nicht strukturiertes Gebiet
unter der Metallschicht gebildet ist.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2c, 3 und 4, werden
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung nunmehr beschrieben, wobei der Einfachheit
halber auch auf 1a Bezug genommen
wird, wenn dies angebracht ist.
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Ferner
ist in den folgenden anschaulichen Ausführungsformen auf Kupfer als
Metall Bezug genommen, das durch elektrochemisches Abscheiden, etwa
Elektroplattieren, abzuscheiden ist, da Kupfer, wie zuvor angemerkt
ist, aller Erwartung nach hauptsächlich
in künftigen
fortschrittlichen integrierten Schaltungen verwendet wird, und die
hierin im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen sind besonders
vorteilhaft für
das Elektroplattieren von Kupfer während der Herstellung von Metallisierungsschichten mit
Kontaktdurchführungen
und Gräben
mit einem Durchmesser bis herab zu 0.1 μm oder sogar darunter. Die vorliegende
Erfindung ist prinzipiell auch auf andere Metalle und Metallverbindungen
und Metalllegierungen anwendbar, und die Lehre, die hierin bereitgestellt
wird, ermöglicht
es einem Fachmann, beliebige Prozesse und Parameter, die im Weiteren
spezifiziert sind, so zu modifizieren, um die hierin beschriebenen
Ausführungsformen
dem speziellen Metall anzupassen.
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2a zeigt schematisch eine
Querschnittsansicht eines Halbleiterbauteils 200 während der Herstellung
eines Metallisierungsschicht. Das Halbleiterbauteil kann ähnlich zu
dem Bauelement 100 sein, das in 1a beschrieben ist, wobei entsprechende
Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen benannt sind, mit Ausnahme
einer führenden „2" anstelle einer „1". Somit umfasst das
Bauelement 200 das Substrat 201 mit der darauf
gebildeten Ätzstopschicht 203 gefolgt
von der dielektrischen Schicht 202. Die Kontaktdurchführungen
und Gräben 205 und
der breite Graben 204 definieren gemeinsam ein erstes strukturiertes
Gebiet 210. Benachbart zu dem ersten Gebiet 210 liegt
das im Wesentlichen nicht strukturierte Gebiet 206. Das
Gebiet 206 wird als im Wesentlichen nicht strukturiert
bezeichnet, um anzudeuten, dass wenige, falls überhaupt, Gräben in dem
Gebiet 206 im Vergleich zu der Anzahl an Gräben, die
in dem strukturierten Gebiet 210 gebildet sind, vorgesehen
sind. Es kann sein, dass einige Gräben (nicht gezeigt) in dem
Gebiet 206 ausgebildet sind, aber auf Grund der relativ
geringen Anzahl derartiger Gräben
und/oder des relativ kleinen Bereichs, der von derartigen Gräben eingenommen
wird, sich das Gebiet 206 in Bezug auf das Abscheiden der
Metallschicht sich im Wesentlichen wie ein Bereich ohne darin ausgebildete
Gräben
verhält.
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In
einem typischen Prozessablauf zur Herstellung des in 2a gezeigten Bauteils können im Wesentlichen
die gleichen Prozesse ausgeführt
werden, wie sie zuvor mit Bezug zu 1a beschrieben sind.
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2b zeigt schematisch das
Bauteil 200 in einem fortgeschrittenen Herstellungsstadium,
wobei eine Kupferschicht 207 über dem ersten und dem zweiten
Gebiet 210, 206 gebildet ist, wobei eine Barrieren/Saatschicht 208 dazwischen
angeordnet ist. Die Barrieren/Saatschicht 208 kann aus
Materialien aufgebaut sein, die wirksam das Diffundieren von Kupfer
in benachbarte Materialien verhindern und ferner eine ausreichende
Haftung des Kupfers zu den umgebenden Dilektrikum und zu einem beliebigen möglichen
Metall, mit dem die Kontaktdurchführungen 105 in Verbindung stehen,
bereitstellen. Gegenwärtig
bevorzugte Materialien sind Tantal und Tantalnitrid und Kombinationen
davon, wobei beliebige andere geeignete Materialien angewendet werden
können,
sollte dies als geeignet erachtet werden. In der hierin beschriebenen
Ausführungsform
kann die Saatschicht eine Schicht aus Kupfer sein, die durch einen
PVD-Prozess abgeschieden wurde.
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In
einer speziellen Ausführungsform
weist die Kupferschicht 207 eine ausgeprägte Oberflächenrauhigkeit,
die durch 211 bezeichnet ist, auf, die über das erste und das zweite
Gebiet 210, 206 hinweg ausgeprägt ist. Eine durchschnittliche
Höhe der Oberflächenrauhigkeit
wird als 212 bezeichnet und kann ungefähr 50 nm übersteigen. In anderen Ausführungsformen
kann die durchschnittliche Höhe 212,
die auch einfach als durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit bezeichnet wird,
von ungefähr
50 nm bis ungefähr
400 nm, und in anderen Ausführungsform
von ungefähr
150 nm bis ungefähr
250 nm reichen.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Bauteils in 2b kann die folgenden Prozesse umfassen.
Zunächst
kann die Barrieren/Saatschicht 208 durch einen ähnlichen
Prozess gebildet werden, wie er bereits mit Bezug zu der in 1b gezeigten Barrieren/Saatschicht 108 dargestellt
ist. Insbesondere kann die Barrieren/Saatschicht 208 als
ein Stapel von 2 oder mehreren Teilschichten gebildet werden, um
die erforderliche Funktionalität
der Barrieren/Saatschicht 208 bereitzustellen, wobei CVD, PVD,
ALD (Atomschichtabscheidung), Plattierungsprozesse und beliebige
Kombinationen dieser Prozesse angewendet werden können. Anschließend wird
das Substrat 201 oder zumindest die dielektrische Schicht 202 in
ein Elektrolytbad (nicht gezeigt) eingebracht, das in einem üblicher
Weise bekannten Plattierungsreaktor bereitgestellt werden kann,
etwa einem Elektroplattierungsreaktor, wie er von der Firma Semitool
Inc. unter dem Namen L210C erhältlich ist.
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung auf einen
beliebigen Elektroplattierungsreaktor anwendbar ist. In einer anschaulichen
Ausführungsform
enthält
das Elektrolytbad ein Beschleunigeradditiv in einer Menge von ungefähr 1 bis
5 Gewichtsprozent und ein Suppressoradditiv mit ungefähr 1 bis
5 Gewichtsprozent in Bezug auf die Gesamtmenge des Elektrolytbades.
Im Gegensatz zu konventionellen Elektroplattierungsbädern, die
ungefähr
1 Gewichtsprozent eines Nivellierers oder mehr enthalten, wird die
Menge eines Nivellierers oder Aufhellers deutlich auf ungefähr weniger
als 0.1 Gewichtsprozent reduziert. In einer Ausführungsform wird der Nivellierer
im Wesentlichen vollständig
weggelassen. Es sollte beachtet werden, dass die Begriffe Nivellierer
und Aufheller gleich bedeutend verwendet sind und ein Additiv bezeichnen
sollen, das so wirkt, um die Oberfläche der Kupferschicht 207 zu glätten, wenn
es gemäß der konventionellen
Technik aufgebracht wird. Ferner können beliebige der allgemein
bekannten Beschleuniger-, Suppressor- und Nivellierverbindungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Der Beschleuniger kann beispielsweise
aus Propan-Schwefelsäure aufgebaut sein.
Der Suppressor kann beispielsweise aus Polymeren des Typs Polyalkylenglykol
aufgebaut sein. Typische Nivellierer können beispielsweise aus Polyether
aufgebaut sein. Während
das Substrat dem Elektrolytbad ausgesetzt ist, kann ein Strom mit
geeigneter Signalform eingeprägt
werden, um das Auffüllen
der Öffnungen 205, 204 von
unten nach oben zu bewerkstelligen, wodurch im Wesentlichen das Ausbilden
von Hohlräumen
und Säumen
in den Öffnungen 205, 204 in
vermieden wird. Beispielsweise können
gut etablierte Pulsinversionssequenzen ausgeführt werden, um die Öffnungen 205, 204 zuverlässig zu
füllen.
Wie zuvor erläutert
ist, erfordert das zuverlässige
Füllen
von insbesondere den breiten Gräben 204 über eine
200 oder 300 mm große
Substratfläche
hinweg ein gewisses Maß an „Überplattierung", was zu der Ausbildung
einer Überschussschicht
auf dem ersten und dem zweiten Gebiet 210, 206 führt. In
dieser Ausführungsform
wird während der
Herstellung der Überschusskupferschicht
die Menge an Nivellierer gesteuert, indem beispielsweise die Menge
an Nivellierer während
der Zubereitung des Elektrolytbades so dosiert wird, dass die durchschnittliche
Oberflächenrauhigkeit 212 erreicht
wird.
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In
anderen Ausführungsformen
kann ein stromloses Abscheiden ausgeführt werden, wobei die Menge
Nivellierer in einer Weise gesteuert wird, wie dies in Bezug auf
den Elektroplattierungsprozess beschrieben ist, um damit die durchschnittliche
Oberflächenrauhigkeit 212 zu
erzeugen.
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Nach
der Abscheidung der Kupferschicht 207 kann das Substrat
ausgeheizt werden, um die Körnigkeit
des Kupfers zu verbessern, d. h., um die Korngröße der Kupferkristalline zu
vergrößern, um somit
die thermische und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
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Danach
wird das Substrat 201 einem CMP-Prozess unterzogen, um überschüssiges Material
der Schicht 207 und die Barrieren/Saatschicht 208 abzutragen,
um damit die dielektrische Schicht 202 für das Bereitstellen
elektrisch isolierter Kupferleitungen freizulegen. Der CMP-Prozess
kann in einer beliebigen geeigneten CMP-Anlage ausgeführt werden,
wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Während der Anfangsphase des
CMP-Prozesses wird die Auflagekraft, die auf das Substrat 201 ausgeübt wird,
auf eine Vielzahl von Erhebungen 211 in dem ersten und
dem zweiten Gebiet 210, 206 ausgeübt, und
daher wird der Materialabtrag auch in dem zweiten Gebiet 206 in
Gang gesetzt. Daher kann die Diskrepanz der Abtragszeiten zwischen
dem ersten und dem zweiten Gebiet 210, 206 deutlich
reduziert werden im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen konventionellen
Ansatz. In einer anschaulichen Ausführungsform wird der CMP-Prozess
ausgeführt, während gleichzeitig
ein Endpunktdetektionssignal überwacht
wird. Ein Endpunktdetektionssignal kann erzeugt werden, indem Licht
detektiert wird, das von dem Substrat 201 während des
Polierprozesses reflektiert wird. In anderen Fällen kann der Motorstrom oder
ein anderes Signal, das für
das Motordrehmoment repräsentativ
ist, das zur Beibehaltung einer spezifizierten Relativbewegung zwischen
dem Substrat 201 und einem entsprechenden Polierkissen
erforderlich ist, verwendet werden, um den Verlauf des Polierprozesses
zu bewerten, da " unterschiedliche Materialien
typischerweise unterschiedliche Reibungskräfte erfordern. Wenn beispielsweise
ein wesentlicher Anteil des zweiten Gebiets 206 bereits
abgetragen ist, kann der Motorstrom für eine gegebene Umdrehungsgeschwindigkeit
abnehmen, da die Barrieren/Saatschicht 208 einen geringeren
Reibungskoeffizienten als Kupfer aufweisen kann. Unabhängig von
dem Verfahren zur Erzeugung des Endpunktdefektionssignals kann das
Ende des Poliervorganges auf der Grundlage dieses Signals abgeschätzt werden.
Auf Grund der verbesserten Gleichförmigkeit des Materialabtrags
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das Endpunktdetektionssignal verwendet werden, um
zuverlässiger
den Polierprozess zu bewerten.
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3 zeigt einen beispielhaften
Graphen, in welchem ein Endpunktsignal gegenüber der Polierzeit aufgetragen
ist. Der Einfachheit halber sind in dem Diagramm aus 3 repräsentative geglättete Kurven
eines optischen Endpunktdetektionssystems dargestellt, wobei jedoch
die folgenden Ausführungsformen
auch auf Kurven anwendbar sind, die durch ein beliebiges anderes
Endpunktdetektionssignal erzeugt wurden. Eine erste Kurve A (gestrichelte
Linie) repräsentiert
die Amplitude eines optischen Endpunktdetektionssignals für das Substrat 201 mit
der ausgeprägten
Oberflächenrauhigkeit 211,
wohingegen eine zweite Kurve B (durchgezogene Linie) das Endpunktdetektionssignal
repräsentiert,
das mittels eines konventionell prozessierten Substrats, etwa dem
Substrat 101 in 1b erhalten
wurde. Zum Zeitpunkt t0 kann der Poliervorgang
beginnen und für ein
Metall, das gemäß konventioneller
Prozesstechniken gebildet ist (Kurve B), kann die anfängliche
Reflexion relativ hoch sein auf Grund des Reflexionsvermögens von
Kupfer. Wenn der Poliervorgang zum Zeitpunkt t1 fortschreitet kann
die Reflexion noch weiter ansteigen, da die Oberfläche des
Substrats 101 zunehmend ebener wird, wodurch das Streuen
von Licht reduziert wird. Zum Zeitpunkt t2 können Oberflächenbereiche
freigelegt werden und die Gesamtreflektivität wird reduziert, wodurch das
Endpunktdetektionssignal abnimmt. Da der Beginn eines wesentlichen
Materialabtrags in dem nicht strukturierten Gebiet 106 verzögert sein
kann, ist die Steigung der Kurve B bis zum Zeitpunkt t3 relativ
gering, an dem das Endpunktdetektionssignal anzeigt, dass im Wesentlichen
alle Metallreste entfernt sind. Danach kann eine weitere Nachpolierzeit
hinzugefügt
werden, um sicherzustellen, dass die elektrische Isolierung der
Metallleitungen, die in den Öffnungen 105, 104 gebildet sind,
gewährleistet
ist.
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Im
Gegensatz dazu beginnt die Kurve A bei einem relativ geringen Wert
auf Grund der relativ geringen Reflektivität des Substrats 201,
die durch die Oberflächenrauhigkeit 211 bewirkt
wird. Die optische Erscheinung der Metallschicht 207 nach
der Abscheidung kann getrübt
oder milchig sein. Während
des Poliervorganges wird die Rauhigkeit 211 reduziert, wobei
der Materialabtrag auch auf dem nicht strukturierten Gebiet 206 auf
Grund der Vielzahl von Positionen mit erhöhter Auflagekraft 209 stattfindet.
Daher steigt das Endpunktdetektionssignal an und kann ein Maximum
zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 erreichen. Danach tritt ein Freilegen von
Oberflächenbereichen
in deutlich größeren Flächenbereichen
im Bereich zum konventionellen Falle auf, was zu einer größeren Steigung
der Kurve A zwischen den Zeitpunkten t2 und
t3 führt.
Auf Grund der größeren Steigung
der Kurve A kann das Ende des Polierprozesses zuverlässiger bewertet
werden. Ferner kann die Nachpolierzeit und damit die Gesamtpolierzeit
reduziert werden. Es sollte ferner beachtet werden, dass im Allgemeinen,
obwohl dies in den repräsentativen Kurven
A und B nicht gezeigt ist, das Signal/Rauschen-Verhältnis der
Kurve A in dem Zeitintervall t1 – t2 auf Grund der größeren Steigung in der Kurve
A verbessert ist.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform kann
eine Abhängigkeit
ermittelt werden, die die Korrelation des Endpunktdetektionssignals
mit der durchschnittlichen Oberflächenrauhigkeit 212 ausdrückt. Dazu
können
mehrere Substrate 201, in Form von Produktsubstraten und/oder
Testsubstraten, mit im Wesentlichen identischen CMP-Prozessparametern
bearbeitet werden, wobei die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit 212 variiert
werden kann und mit dem entsprechenden Endpunktdetektionssignal in
Bezug gesetzt werden kann. Die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit
kann durch mechanische, optische, mechanisch/optische Rauhigkeitsmessinstrumente,
durch Elektronenmikroskopie durch Atombindungskraftmikroskopie,
und dergleichen bestimmt werden.
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4 zeigt ein repräsentatives
Beispiel für eine
Abhängigkeit
zwischen der Steigung des Endpunktdetektionssignals und der durchschnittlichen Oberflächenrauhigkeit 212.
In dem Diagramm wird die Größe der Steigung
der Endpunktdetektionssignale an einem oder mehreren repräsentativen
Punkten innerhalb eines geeigneten Intervalls, beispielsweise dem
Intervall t1, t2,
bestimmt und gegenüber der
durchschnittlichen Oberflächenrauhigkeit 212 aufgetragen.
Aus dieser Abhängigkeit
kann eine geeignete durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit ermittelt werden,
die dann als ein Sollwert bei der Erzeugung der Oberflächenrauhigkeit 211 verwendet wird.
Z. B. kann in 4 das
Maximum als der Sollwert für
die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit definiert
werden. Es kann jedoch auch ein beliebiges anderes Kriterium zum
Ermitteln des Sollwerts herangezogen werden. In anderen Ausführungsformen kann
die Gesamtzeit des Poliervorgangs, d. h. die Zeit vom Beginn des
Polierprozesses bis das Endpunktdetektionssignal einen spezifizierten
minimalen Wert erreicht hat, mit der durchschnittlichen Oberflächenrauhigkeit
in Beziehung gesetzt werden. Ein geeigneter Sollwert kann dann auf
der Grundlage dieser Beziehung ausgewählt werden. Wenn beispielsweise die
ermittelte Abhängigkeit
ein Minimum aufweist, kann diese minimale Gesamtpolierzeit die geeignete Oberflächenrauhigkeit
kennzeichnen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit 212.
In variiert oder gesteuert werden, indem mindestens ein Prozessparameter
des Plattierungsprozesses, der zuvor beschrieben ist, gesteuert
wird. In einer speziellen Ausführungsform
kann die Merge des Nivellierers in dem Plattierungsbad so eingestellt
werden, um die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit 212 zu
variieren, um damit die Abhängigkeit,
wie sie zuvor mit Bezug zu 3 und 4 beschrieben ist, zu erhalten.
Sobald die Abhängigkeit
und damit ein Sollwert für
die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit ermittelt
ist, kann der mindestens eine Prozessparameter, etwa die Nivelliererkonzentration
gemäß diesem
Sollwert gesteuert werden.
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Mit
Bezug zu 2c werden weitere
anschauliche Ausführungsformen
zur Bildung einer Oberflächenrauhigkeit
zumindest über
nicht strukturierten Gebieten einer dielektrischen Schicht beschrieben.
Nach Herstellung des Bauelements 200, wie es in 2a dargestellt ist, kann
das Element 200 in 2c in ähnlicher
Weise gebildet werden, wie dies mit Bezug zu 2b beschrieben ist, wobei jedoch ein
Muster 213 über
dem nicht strukturierten Gebiet 206 der dielektrischen
Schicht 202 gebildet wird. In einer Ausführungsform
kann das Muster 213 in der Barrieren/Saatschicht 208 beispielsweise durch
einen zusätzlichen
Lithographie- und Ätzschritt gebildet
werden. Das Muster 213 kann in einer siebartigen oder gitterartigen
Weise gebildet sein, um einen elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Elementen
des Musters 213 bereitzustellen. Auf diese Weise wird die
Stromteilung während
eines Elektroplattierungsprozesses nur geringfügig modifiziert und beeinflusst
lediglich in vernachlässigbarer
Weise den gesamten Elektroplattierungsprozess. In anderen Ausführungsformen
kann das Muster 213 lediglich auf der obersten Teilschicht
der Barrieren/Saatschicht 208 gebildet sein, die typischerweise
als eine Saatschicht fungiert. In diesem Falle bleibt die Stromverteilung
in der Anfangsphase des Plattierungsprozesses im Wesentlichen unverändert. In
einem weiteren Beispiel kann das Muster 213 als ein zusätzliches Lackmuster
bereitgestellt werden, das auf der ansonsten intakten Barrieren/Saatschicht 208 gebildet ist.
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Nachdem
das Muster 213 gebildet ist, wird der Plattierungsprozess
ausgeführt,
wobei standardmäßige Badrezepturen
und Prozessrezepte anwendbar sind. Auf Grund des Musters 213 wird
die Kupferabscheidung in Übereinstimmung
mit dem darunter liegenden Muster 213 modifiziert, wodurch
eine Oberflächenrauhigkeit 214 erzeugt
wird. Danach kann die weitere Bearbeitung des Substrats 201 in der
Weise weitergeführt
werden, wie dies mit Bezug zu 2b beschrieben
ist. Während
des CMP-Prozesses beginnt der Materialabtrag ebenso in dem Gebiet 206 mit
der nicht strukturierten dielektrischen Schicht 202, so
dass im Wesentlichen die gleichen Vorteile erreicht werden, wie
sie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen dargelegt sind.
Hinsichtlich der Ausbildung einer geeigneten Oberflächenrauhigkeit 214 in
Bezug auf eine durchschnittliche Höhe und/oder Abstand gelten
die gleichen Kriterien wie für
die mit Bezug zu 2c beschriebenen Ausführungsformen
in gleicher Weise, wie dies mit Bezug zu den 3 und 4 dargestellt
ist.
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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.