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Hintergrund
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Während der
Herstellung von Halbleiterwafern kann ein Elektroplattierungsvorgang
verwendet werden, um Metallschichten abzulagern. Die Metallschichten
können
sodann zur Bildung von Bauelementen und/oder Verbindungen für eine Mehrzahl von
integrierten Schaltungen, die auf einem Halbleiterwafer ausgebildet
werden geätzt
oder poliert werden. Beispielsweise können Kerben und Durchkontaktierungen
in die dielektrische Schichten unter Verwendung von üblichen
Maskierungs- und photolithographischen Techniken geätzt werden
und diese Kerben und Durchleitungen können mit Metall über einen Elektroplattierungsvorgang
gefüllt
werden, um Verbindungen zu bilden. Im Allgemeinen wird Kupfer in Kerben
und Durchleitungen verwendet, um Verbindungen in den integrierten
Schaltungen zu bilden.
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Während des
Vorgangs der Elektroplattierung ist es schwierig, eine gleichmäßige Stromverteilung
in dem Elektroplattierungsbad über
die Fläche des
Halbleiterwafers beizubehalten. Dies gilt insbesondere bei High-Aspect
Kerben und -Durchkontaktierungen. Zusätzlich neigt Kupfer dazu, sich
einem Selbstaushärtungsvorgang
zu unterziehen, nachdem es durch einen Elektroplattierungsprozess
in einer Durchkontaktierung abgelagert ist. Diese Faktoren führen zu
einem übermäßigen Kornwachstum,
was dazu führt,
dass die Durchkontaktierungen mit Kupfer mit einer zufälligen Verteilung
der Kristallgröße gerollt
sind. Die zufällige
Kristallgrößenverteilung
verursacht Änderungen,
die in den Eigenschaften der Plattierungen auftreten. 1 zeigt
eine Durchkontaktierung mit einer dielektrischen Schicht 102,
die unter Verwendung eines üblichen
Plattierungsvorgangs mit Kupfer gefüllt ist. Das Kupfer ist gezeigt,
nachdem es einen Selbsthärtungsvorgang
unter Bildung von Kupferkristallen 104 von unterschiedlicher
Größeausgeführt hat.
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Es
wurde bereits versucht, die Korngröße der Kupferkristalle durch
die Hinzufügung
von verschiedenen organischen Zuschlägen zu dem Elektroplattierungsbad
zu steuern. Es gab auch Ansätze zum
Steuern der Kupferkristallkorngröße oder
-Ausrichtung durch Steuern der Plattierungsleistung oder der Plattierungsrate.
Diese Ansätze
waren nicht erfolgreich und das Vorhandensein von Kupferkristallen
mit einer zufälligen
Metallgrößenverteilung
ist noch heute ein Problem, das die Eigenschaften von plattierten
Kontaktierungen berührt.
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Kurze Erläuterung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Durchkontaktierung, die unter Verwendung eines Plattierungsvorgangs
gefüllt ist.
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2 zeigt
eine Durchkontaktierung, die unter Verwendung eines Elektroplattierungsvorgangs entsprechend
einer Implementation der Erfindung gefüllt ist.
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3 ist
ein Verfahren zum Herstellen von metallischen nanokristallinen Partikeln.
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4 ist
ein Verfahren zum Plattieren von Metall in eine Durchkontaktierung
in Übereinstimmung
mit einer Implementation der Erfindung.
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Eingehende Beschreibung
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Es
werden hier Systeme und Verfahren des Plattierens eines Metalls
auf ein Substrat, etwa einem Halbleiterwafer beschrieben, und insbesondere das
Plattieren von Metall in High Aspect Kerben oder -Durchkontaktierungen,
die sich auf einem Substrat finden. In der nachfolgenden Beschreibung
werden verschiedene Aspekte der illustrativen Implementationen unter
Verwendung von allgemein benutzten Begriffen verwendet, die es dem
Fachmann erlauben, das Ergebnis ihrer Arbeit auf andere Fachleute
zu übertragen.
Es ergibt sich jedoch für
den Fachmann, dass die vorliegende Erfindung ohne einige der beschriebenen
Aspekte verwirklicht werden kann. Zum Zwecke der Erläuterung
werden bestimmte Ziffern, Materialien und Ausbildungen angegeben,
um ein vollständiges
Verständnis
der illustrativen Implementationen zu erlauben. Der Fachmann versteht
jedoch, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten
ausgeführt
werden kann. In anderen Beispielen wird auf allgemein bekannte Merkmale
verzichtet oder sie werden vereinfacht, um die illustrativen Implementationen
nicht unklar zu machen.
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Verschiedene
Operationen werden als mehrere diskrete Operationen beschrieben,
wiederum in einer Weise, die das Verständnis der Erfindung erleichtern,
die Reihenfolge der Beschreibung sollte jedoch nicht dahingehend
angesehen werden, dass diese Operationen notwendigerweise von dieser
Reihenfolge abhängen.
Insbesondere müssen
diese Operationen nicht in der Reihenfolge der Darstellung ausgeführt werden.
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Es
wurde oben erwähnt,
dass die bekannten Elektroplattierungsvorgänge und die Neigung zum Selbsthärten von
Kupfer Metallkristalle von zufälliger Größe erzeugen,
die die elektrischen und physikalischen Eigenschaften der High Aspect
Durchkontaktierungen negativ beeinflussen.
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In Übereinstimmung
mit einer Implementation der Erfindung können metallischen Nanokristallpartikel
einem Bad hinzugefügt
werden, das zum Elektroplattieren von Metall auf ein Substrat und/oder
in einer High Aspect Kerbe oder -Durchleitung verwendet werden.
Bei einer alternativen Implementation können Nanokristallpartikel zu
einem Bad für
einen elektrofreien Plattierungsvorgang hinzugefügt werden, der verwendet wird,
um ein Metall und/oder eine High Aspect Kerbe oder -Durchleitung
verwendet wird.
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Das
Vorhandensein von metalllischen nanokristallinen Partikeln in dem
Plattierungsbad erschwert oder verhindert das abgelagerte Metall
an dem Bilden von Kristallen mit zufälliger Größe innerhalb der Kerbe oder
der Durchleitung. Dieses führt
zu einer homogeneren Plattierung des Metalls und verbessert damit
sowohl die elektrischen als auch die physikalischen Eigenschaften
des Grabens oder der Durchleitung. Die metallischen nanokristallinen
Partikel, die bei der Verwirklichtung der Erfindung verwendet werden,
sind im Wesentlichen defektfrei und im Wesentlichen homogen (die
Partikel haben eine enge Korngrößenverteilung).
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2 zeigt
eine Durchkontaktierung 200 in einer dielektrischen Schicht 202,
wobei die Durchkontaktierung 200 mit einem zusammengesetzten elektroplattierten
Metall 204 gefüllt
ist unter Verwendung eines Elektroplattierungsvorgangs entsprechend
einer Verwirklichung der Erfindung. Das zusammengesetzte elektroplattierte
Metall 204 besteht aus einem plattierten Metall, das aus
Metallionen in einem Plattierungsbad ausgebildet ist, das mit einer Mehrzahl
von metallischen Nanokristallpartikeln eingebettet ist. Das Vorhandensein
von metallischen nanokristallinen Partikeln verteilt in dem zusammengesetzten
elektroplattierten Metall 204 verursacht, dass die Mikrostruktur
des zusammengesetzten Metalls 204 sehr granular ist. Diese
Granularität
ist abhängig von
der Menge und der Verteilung von nanokristallinen Partikeln in dem
zusammengesetzten elektroplattiertem Metall 204. Die gemeinsame
Ablagerung von nanokristallinen Partikeln verursacht, dass die Korngröße des zusammengesetzten
elektroplattierten Metalls 204 in der Durchkontaktierung 200 erhalten
bleibt und ein übermäßiges Kornwachstum
daran hindert stattzufinden, da das Kupferkrsitallwachstum durch
die nanokristallinen Partikel begrenzt wird. Wie in 2 gezeigt
ist, bewirkt dies, dass die Metallablagerung homogener ist verglichen
mit dem konventionellen Prozess, der in 1 gezeigt
ist.
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In
dem Stand der Technik ist bekannt, dass metallische nanokristalline
Partikel unter Verwendung verschiedener Quellen und Prozesse geschaffen
werden können.
Beispielsweise ist 1 ein bekanntes Verfahren 300 zum
Erzeugen von metallischen nanokristallinen Partikeln. Ein mechanisches Mahlen
bekannt auch als mechanischer Abrieb oder Kugelmahlen, wurde zum
Synthetisieren nanostrukturierter Partikel mit einer Korngröße von weniger
als 100 nm vielfältig
verwendet. Dieser mechanische Malvorgang wird allgemein bei Raumtemperatur durchgeführt und
in bestimmten Fällen
bei der Temperatur von flüssigem
Stickstoff, das bekannt ist als kryogenes mechanisches Mahlen oder
Kryomahlen. In machen Fällen
wird dieser Prozess als Kaltdeformation angesehen.
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Es
hat sich gezeigt, dass nanokristallinie Kupferpartikel unter Verwendung
einer Kombination aus Kryomahlen und Raumtemperaturmahlen (RT-Mahlen)
erzeugt werden können.
Bei einem bekannten Verfahren wird ein Kupferpuder als Ausgangsmaterial
(302) eingesetzt. Ein Kryomahlverfahren wird an dem Kupferpuder
angewendet, bis das Kupferpuder ausgeflacht ist und zusammengeschweißt ist unter
Bildung dünner
abgerundeter Flocken (304). Diese Kupferflocken können 1 mm
im Durchmesser betragen. Die Kupferflocken sind eine erste Kombination
aus einem Kryomahlen und einem RT-Mahlen ausgesetzt zur Erzeugung
von Kupferkugeln (306). Diese erste Malkombination kann
die in situ Konsolidation von Kupferflocken in die Kupferkugeln
aufweisen, die einen Größenbereich
von 5 mm bis 8 mm haben.
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Sodann
werden die Kupferkugeln einer zweiten Kombination aus Kryomahlen
und RT-Mahlen zur Erzeugung
von nanokristallinen Kupferpartikeln unterworfen (308).
Beispielsweise kann ein Nanobohrvorgang verwendet werden unter Verwendung
eines fokussierten Innenstrahls, der auf die Kupferkugel gerichtet
ist, verwendet werden, um die nanokristallinen Kupferpartikel zu
erzeugen. Die sich ergebenden nanokristallinen Kupferpartikel haben
eine durchschnittliche Korngröße von 25
nm mit einer relativ engen Korngrößenverteilung. Im Allgemeinen
wird keine Korngröße 50 nm übersteigen.
Es hat sich weiter gezeigt, dass die nanokristallinen Kupferpartikel,
die so hergestellt worden ist, im Wesentlichen frei von jedweden
Kristalleffekten sind. Bei der Verwirklichung der Erfindung können die
nanokristallinen Metallpartikel, die ausgelegt worden sind zur Verwendung
in dem Platinbad, in dem Bereich von 0 nm bis 100 nm, werden im
Allgemeinen aber im bereich von 0 nm bis 50 nm liegen. Bei einigen
Verwirklichungen können
die nanokristallinen Metallpartikel, die zur Verwendung in dem Platinbad
verwendet werden, von 20 nm bis 50 nm reichen.
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Andere
Verfahren zum Herstellen von nanokristallinen Metallpartikeln ist
die Rückgewinnung von
bei dem Verarbeiten von Halbleitern anfallenden Abfall. Beispielsweise
neigt ein üblicher
chemisch/mechanischer-Poliervorgang dazu, nanokristalline Metallpartikel
zu erzeugen, die als ein Strom eines Abfalls verworfen werden. Es
sind Verfahren bekannt, wo dieser Abfall verarbeitet oder gefiltert werden
kann, um nanokristalline Metallpartikel zu gewinnen. Diese gewonnenen
nanokristallinen Metallpartikel können bei der Verwirklichung dieser
Erfindung verwendet werden. Beispielsweise vermarktet BOC Edwards
of the United Kingdom ein Verfahren, das ein oder zwei Ionenaustauschharzbetten
verwendet, um Kupfer aus Kupfer CMP Polituren zu gewinnen. Im Stand
der Technik ist bekannt, dass dieses extrahierte Kupfer verarbeitet
werden kann unter Verwendung von hydrothermischen Verfahren, Chemoreduktionsverfahren,
Pyrolyse und anderen Prozessen zum Erzeugen von nanokristallinen
Kupferpartikeln.
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4 ist
ein Elektroplattierungsvorgang 400, der in Übereinstimmung
mit einer Implementation der Erfindung ausgeführt wird. Der Elektroplattierungsvorgang 400 kann
zum Plattieren einer zusammengesetzten Metallschicht auf ein Substrat,
etwa einen Halbleiterwafer ausgeführt werden. Das Substrat oder
der Halbleiterwafer hat eines oder mehrere Merkmale, die High Aspect
Kerben und High Aspect Durchkontaktierungen einschließen, nicht
aber darauf begrenzt sind auf. Es ist zu beachten, dass das Substrat
etwas anderes sein kann als ein Halbleiterwafer, die Verfahren nach
der Erfindung, die hier beschrieben sind, sind nicht auf Verfahren
zum Herstellen von Halbleitern beschränkt. Bei einer Implementation
besteht die zusammengesetzte Metallschicht aus Metall, das aus einem
Plattierungsbad, das eingebettet ist mit einer Mehrzahl von nanokristallinen Metallpartikeln
heraus elektroplattiert ist.
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Die
metallischen nanokristallinen Partikel sind vorgesehen für den Elektroplattierungsvorgang (402).
Bei manchen Implementationen können
die nanokristallinen Partikel geschaffen sein durch Erzeugen der
Partikel durch einen Malvorgang, wobei der Mahlvorgang ein Kryomahlen
und/oder RT-Mahlen und/oder ein Nanobohren aufweist. Bei manchen Verwirklichungen
können
die nanokristallinen Partikel durch Rückgewinnen der Partikel aus
einem Abfallstrom, der bei der Halbleiterbearbeitung anfällt, gewonnen
sein. Bei anderen Implementationen können die nanokristallinen Partikel
beispielsweise durch kaufen der nanokristallinen Partikel von einem Händler erhalten
werden. Andere in dem Stand der Technik, hier jedoch nicht offenbarte
Verfahren können
weiter verwendet werden, um die nanokristallinen Metallpartikel
zu gewinnen.
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Die
vorgesehenen nanokristallinen Metalllpartikel können einem Plattierungsbad
für den
Elektroplattierungsvorgang (404) zugegeben werden. Bei Zugabe
neigen die nanokristallinen Metallpartikel dazu, in dem Plattierungsbad
in einer kolloidalartigen Suspension suspendiert zu werden. Ihre
relativ geringe Größe hindert
die nanokristallinen Metallpartikel daran, sich aus dem Plattierungsbad
abzusetzen. Zusätzlich
können
intramolekulare Kräfte
zwischen den nanokristallinen Partikeln und den Plattierungsbadkomponenten
weiter die nanokristallinen Partikel daran hindern, sich aus der
Flüssigkeit
abzusetzen. Die nanokristallinen Metallpartikel neigen daher dazu,
in dem Plattierungsbad suspendiert zu bleiben und die kolloidartige
Suspension zu bilden, in der Industrie auch als Nanofluid bekannt.
Bei einigen Implementationen können
Zusätze
wie organische Substanzen in das Plattierungsbad eingesetzt werden, um
die nanokristallinen Metallpartikel weiter daran zu hindern, sich
aus dem Plattierungsbad abzusetzen. Bei manchen Implementationen
können
organische Stoffe und Polyethylenglukol verwendet werden.
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Die
nanokristallinen Metallpartikel, die in dem Plattierungsbad verwendet
werden können,
wie oben erwähnt,
eine Größe von 0
nm bis 100 nm haben, es ist jedoch jeder Bereich mit einer relativ
engen Korngrößenverteilung
möglich,
dass die nanokristallinen Partikel in einer kolloidartigen Suspension hält. Nanokristalline
Metallpartikel, die zu groß sind, beispielsweise
größer als
100 nm, können
nicht verwendet werden, wenn sie nicht in dem Plattierungsbad suspendiert
bleiben.
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Bei
Verwirklichungen sollte der Betrag an nanokristallinen Metallpartikeln,
die dem Platinbad zugefügt
werden, ausgreichend sein, um eine Konzentration von 0% bis 25%
in der zusammengesetzten Metallschicht, die auf das Substrat zu
plattieren ist, zu erzeugen. Bei manchen Verwirklichtungn kann die Konzentration
der nanokristallinen Metallpartikel 1% bis 10% und bei manchen Verwirklichungen
kann die Konzentration 2% bis 3% sein. Wenn die Konzentration der
nanokristallinen Metallpartikel zu hoch ist, beispielsweise größer als
25 %, können
die nanokristallinen Metallpartikel dazu unfähig sein, eine kolloidartige
Suspension in dem Platinbad beizubehalten. Wenn die Konzentration
der nanokristallinen Metallpartikel in der schließlichen
plattierten Metallschicht über
25% zunimmt, werden die positiven Effekte, die die nanokristallinen
Metallpartikel haben, im Hinblick des Ertrags und der Duktilität Beschränkungen
haben.
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Bei
manchen Verwirklichungen der Erfindung kann das Metallbad, das in
den nanokristallinen Partikeln verwendet wird, mit dem Metall übereinstimmen,
das von dem Platinbad abgelagert wird. Beispielsweise können nanokristalline
Kupferpartikel zu dem Platinbad hinzugefügt werden, das Kupferionen
beinhaltet. Bei anderen Verwirklichungen der Erfindung kann das
Metall, das in den nanokristallinen Partikeln verwendet wird, unterschiedlich
sein von dem Metall, das durch das Platinbad abgelagert wird. Beispielsweisse
können
nanokristalline Zinnpartikel dem Platinbad zugefügt werden, das Kupferionen
beinhaltet. Metalle, die verwendet werden können, um die nanokristallinen
Partikel zu bilden, weisen, ohne darauf begrenzt zu sein, Kupfer,
(Cu) Zinn (Sn), Aluminium (Al), Gold (Au), Platin (Pt), Palladium
(Pd), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Osmium (Os), Silber (Ag), Iridium
(Ir), Titan (Ti) und Legierungen aus einigen oder allen dieser Metalle
auf. Entsprechend können
die Metallionen, die in dem Platinbad verwendet werden können, einschließt, ohne
darauf begrenzt zu sein, Ionen von Cu, Sn, Al, Au, Pt, Pd, Rh, Ru,
Os, Ag, Ir oder Ti.
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Bei
verschiedenen Verwirklichungen der Erfindung können alle der oben erwähnten nanokristallinen
Metallpartikel in einem der oben erwähnten Elektroplatinbäder verwendet
werden. Beispielsweise können
nanokristalline Goldpartikel oder Zinnpartikel in einem Elektroplattierungsbad
verwendet werden, das Kupferionen aufweist. Die nanokristallinen Goldpartikel
oder Zinnpartikel werden dann zusammen mit dem Kupfermetall abgesetzt.
Entsprechend können
nanokristalline Kupfer-, Gold- oder Zinnpartikel in Elektroplattierungsbädern verwendet
werden, die Goldionen oder Zinnionen aufweisen.
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Bei
Verwirklichungen der Erfindung kann das Elektroplattierungsbad weiter
eine Säure,
Wasser und eine oder mehrere Additive wie Tenside, Reduzierungswirkstoffe
und organische Bestandteile beinhalten. Beispielsweise kann eine
saure Kupferelektroplattierungslösung
Wasser, Schwefelsäure,
Kupfersulfad und Hydrochlorsäure
aufweisen. Die saure Kupferelektroplattierungslösung kann weiter eine Anzahl
von organischen Bestandteilen aufweisen, die zum Regulieren und
Verteilen der Lieferung von Kupfer zu dem Substrat, das plattiert
wird, dienen. Organische Bestandteile weisen typischerweise Suppressoren
(beispielseise Polymere wie Polyethylenglykole) Beschleuniger (beispielsweise
Schwefel beinhaltende Verbindungen) und Ausgleicher (beispielsweise
Sekondärsuppressoren).
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Das
Platinbad kann zum Erzeugen eines Fluidstroms über das Substrat, das plattiert
wird und in den High Aspect Kerben, Durchkontaktierungen und anderen
Merkmalen, die sich auf dem Substrat finden (406), gerührt werden.
Dieser Fluidstrom erlaubt ein größeres Verhältnis von
Metallionen und suspendierten nanokristallinen Metallpartikeln,
die in Berührung mit
einem größeren Teil
der Oberfläche
des Substrats kommen. Der Fluidstrom unterstützt weiter das Einbringen des
Platinbades in die High Aspect Kerben und -Durchkontaktierungen.
Bei manchen Implementationen kann das Platinbad bei einer Temperatur
gehalten werden, das von 15°C
bis 50°C
und einem pH-Wert, der von pH 0 bis pH 2 reicht.
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Das
plattierte Substrat erhält
eine negative Vorspannung und wird in das Platinbad (408)
eingetaucht. Das Substrat wirkt als eine Kathode bei dem Plattierungsvorgang 400.
Ein elektrischer Strom wird an das Platinbad angelegt, wodurch eine
positive Ladung auf die Metallionenlösung und auf die nanokristallinen
Metallpartikel (410) aufgebracht wird. Bei einigen Implementationen
kann der elektrische Strom eine Stromdichte haben, die in Ampere
pro Quadratdezimeter (ASD) gemessen wird, von 0 ASD bis 10 ASD.
Die positiv vorgespannten Metallionen und nanokristallinen Metallpartikel
werden in Richtung auf das negativ vorgespannte Substrat getrieben.
Das „Kathoden"-Substrat bewirkt,
dass die Elektroden die positiv geladenen Metallionen in metallische
Formen, wodurch die Metallionen auf dem Substrat als ein platiertes
Metall (412) abgelagert werden. Die nanokristallinen Partikel
werden auch an dem „Kathoden"-Substrat abgelagert
und werden in dem plattierten Metall (414) eingebettet.
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Die
nanokristallinen Metallpartikel neigen dazu, proportional zu ihrer
Konzentration in dem Platinbad mit abgelagert zu werden. Bei Verwirklichungen der
Erfindung können
die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel in dem Plattierungsbad durch
Rühren
des Platinbades, Variieren der organischen Konzentrantion und Variieren
des aufgebrachten elektrischen Stroms eingestellt werden. Eine Erhöhung der
Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel in dem Platinbad
erhöht
direkt die Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel, die
in dem plattierten Badmetall eingebettet sind. Das Nettoergebnis
ist eine Erhöhung
in der Gesamtplattierungsdicke für
eine gegebene Zeitdauer, die proportional zu dem Volumen der mitabgelagerten
nanokristallinen Metallpartikel zunimmt.
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Das
Schlussergebnis ist ein plattiertes Metall, etwa ein Kupfermetall,
das zusammen mit den nanokristallinen Metallpartikeln abgelagert
ist. Dies wird hier als eine Kompositmetallschicht bezeichnet. Wie
oben beschrieben, zeigt die Kompositmetallschicht einen hohen Ertrag
mit guter Duktilität.
Das Vorhandensein der nanokristallinen Metallpartikel in der Kompositmetallschicht
neigt zum Vermindern oder sogar physikalischen Verhindern eines übermäßigen Kornwachstums
der metallischen Kristalle, wodurch die zufällige Kristallgrößenverteilung
reduziert oder vermieden wird, die allgemein bei derartigen Metallen
wie Kupfer, die durch übliche
Verfahren abgelagert werden, auftreten. Der Einschluss von nanokristallinen
Metallpartikeln kann weiter eine bessere Fehlerkontrolle in den
plattierten Merkmahlen ermöglichen.
High Aspect Kerben und -Durchkontaktierungen sind daher mit verhältnismäßig mehr
homogener Kompositmetallschicht gefüllt.
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Die
Größe des Effekts,
den die nanokristallinen Metallpartikel bezüglich der Kompositmetallschicht
haben, ist im Wesentlichen proportional zu der Konzentration und
der Größe der nanokristallinen Metallpartikel
in der Kompositmetallschicht. In einem bestimmten Ausmaß wird,
wenn die Menge und/oder die Größe der nanokristallinen
Partikel in der Kompositmetallschicht zunimmt, der Ertrag und die
Duktilität der
Kompositmetallschicht zunehmen. Die Selbsthärtungseigenschaften des Metalls
werden reduziert, wenn mehr nanokristalline Partikel zu der Kompositmetallschicht
hinzugefügt
werden. Dieser Effekt ist jedoch begrenzt, da bei einem Punkt die
Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel zu hoch wird und
beginnt, einen entgegengesetzten Effekt auf die Kompositmetallschicht
zu haben. Bei einigen Verwirklichungen liegt die Konzentrationsgrenze
bei etwa 25%. Bei dieser Höhe
einer Konzentration können
die nanokristallinen Partikel beginnen, sich aus dem Plattierungsbad
abzusetzen, die physikalischen Eigenschaften der Kompositmetallschicht
können beginnen,
beeinträchtigt
zu werden und die nanokristallinen Partikel beginnen, Bereiche des
Substrats zu durchdringen, wo sie Zerstörungen oder Kurzschlüsse verursachen.
Bei Verwirklichungen der Erfindungen bleibt die Konzentration der
eingebettenen nanokristallinen Metallschichten in der Kompositmetallschicht
bei oder unter 25%.
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Bei
einer Implementation der Erfindung kann der aufgebrachte elektrische
Strom zum Variieren der Konzentration der nanokristallinen Metallpartikel
in der schließlichen Kompositmetallschicht
manipuliert werden. Es wurde gezeigt, dass eine Zunahme des aufgebrachten
Stroms tendenziell einen größeren Effekt
auf die Metallionen in Lösung
hat als auf die nanokristallinen Metallpartikel. Wenn der aufgebrachte Strom
zunimmt, nimmt die Ablagerungsrate der Metallionen schneller zu
als die Ablagerungsrate der nanokristallinen Metallpartikel. Wenn,
mit anderen Worten, der aufgebrachte Strom zunimmt, nimmt das Verhältnis der
Metallionen zu den nanokristallinen Partikeln in der Kompositmetallschicht
zu. Die Konzentration der eingebetteten nanokristallinen Partikel in
der Kompositmetallschicht kann daher durch Erhöhung des aufgebrachten Stroms
verringert werden. Ähnlich
kann die Konzentration der eingebrachten nanokristallinen Partikel
in der Kompositmetallschicht durch Verringern des aufgebrachten
Stroms erhöht
werden. Entsprechend kann eine Manipulation des aufgebrachten Stroms
zum Erzeugen eines Gradienten von eingebetteten nanokristallinen
Metallpartikeln in der Kompositmetallschicht verwendet werden. Bei
manchen Implementationen kann die Stromdichte zwischen 1 ASD und
10 ASD manipuliert werden, um den Gradienten zu erzeugen.
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Bei
einer anderen Verwirklichung der Erfindung können Metalllegierungen auf
einem Substrat abgelagert sein einschließlich High Aspect Kerben und
-Durchkontaktierungen. Bei üblichen
Elektroplattierungsvorgängen
können
Legierungen nicht plattiert werden, da ein aufgebrachter Strom im
Wesentlichen die Metallionen eines aber nicht beider Metalle in
Lösung
bewegen wird. In manchen Situationen ist es schwierig, ein Platinbad
mit Metallionen aus zwei unterschiedlichen Metallen zu erzeugen.
Bei Verwirklichungen der Erfindung dagegen können Legierungen gebildet werden
durch Erzeugen eines Platinbads mit Ionen eines zu legierenden Metalls
und das verbleibenden Metalls, das zu legieren ist, kann als nanokristalline
Metallpartikel vorgesehen sein. Alle zu legierende Metalle werden
gemeinsam während des
Elektroplattierungsvorgangs abgelagert. Die gemeinsam abgelagerten
Metalle können
auch gehärtet
werden bei manchen Implementationen, um die Metalle weiter miteinander
zu verbinden. Die Verwendung dieser Verwirklichung erlaubt die Bildung von
Zinn-Gold-Legierungen und Zinn-Silber-Legierungen.
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Bei
einer Implementation der Erfindung können nanokristalline Metallpartikel
dem Platinbad zugefügt
werden für
einen elektrofreien Legierungsvorgang. Ein derartiges Legierungsbad
kann weiter ein Quellenmetall (gewöhnlich ein Salz), einen Reduzierer,
einen Komplexbildner zum Halten des Metalls in Lösung und verschiedene Puffer
und andere Chemikalien, die ausgebildet sind um die Badstabilität zu halten
und die Badlebensdauer zu erhöhen,
aufweisen. Aufgrund des chemischen Mechanismus für einen elektrolosen Plattierungsvorgang
sollte das Metall, das für
die nanokristallinen Metallpartikel gewählt wird, die Metallionen in
dem Plattierungsbad entsprechen. Es sollten daher nanokristalline
Kupferpartikel in einem Kupferplattierungsbad verwendet werden, nanokristalline
Goldpartikel sollten in einem Goldplattierungsbad verwendet werden
usw.
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Die
obige Beschreibung und die dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung
einschließlich
dessen, was in der Zusammenfassung beschrieben ist, soll nicht die
Erfindung in den offenbarten Formen einschränken. Während bestimmte Verwirklichungen
von und Beispiele für
die Erfindung hier zur Erläuterung
beschrieben worden ist, sind verschiedene äquivalente Abwandlungen innerhalb
des Grundgedankens der Erfindung möglich, wie dem Fachmann erkennbar
ist.
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Diese
Abwandlungen können
ausgeführt werden
bei der Erfindung im Licht der obigen eingehenden Beschreibung.
Die in den nachfolgenden Ansprüchen
verwendeten Begriffe sollten die Erfindung nicht auf bestimmte Anwendungen,
die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart worden sind,
beschränkt
werden. Der Grundgedanke der Erfindung ist vollständig durch
die nachfolgenden Ansprüche
bestimmt, die in Übereinstimmung
mit den anerkannten Grundsätzen
der Anspruchsinterpretation auszulegen sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Verfahren zum Bilden einer Kompositmetallschicht auf einem Substrat
weist das Bilden von nanokristallinen Partikeln eines ersten Metalls,
Hinzugeben der nanokristallinen Partikel zu einem Plattierungsbad,
das Ionen eines zweiten Metalls zum Bilden einer kolloidartigen
Suspension aufweist, das Eintauchen des Substrats in das Plattierungsbad
und Verursachen einer gemeinsamen Ablagerung des zweiten Metalls
und der nanokristallinen Partikel des ersten Metalls auf dem Substrat
zum Bilden der Kompositmetallschicht auf. Das gemeinsame Ablagern kann
durch Induzieren einer negativen Vorspannung an dem Substrat und
Aufbringen eines elektrischen Stroms auf das Plattierungsbad zum
Induzieren eines Elektroplattierungsvorgangs verursacht werden. Bei
dem Elektroplattierungsvorgang werden die Ionen des zweiten Metalls
von dem Substrat reduziert und werden gemeinsam auf dem Substrat
mit den nanokristallinen Partikeln des ersten Metalls unter Bildung
der Kompositmetallschicht abgelagert.