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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft selbstpassivierende Cu-Lasersicherungen in einer integrierten
Schaltung oder einem Halbleiterbauelement, hergestellt unter Verwendung
von Cu-Legierungen
und Temperschritten zum Bereitstellen von Integrationsverfahren
mit Cu und einem niedrigen k-Wert. Diese selbstpassivierenden Cu-Materialien können auch
beim Cu-zu-Cu-Drahtbonden
verwendet werden.
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2. Beschreibung des verwandten
Stands der Technik
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Bei
der Technik von als Teil eines Halbleiters verwendeten Lasersicherungen
besteht der Stand der Technik darin, Sicherungen aus reinem Cu zu verwenden;
bei dieser Verwendung sind die Sicherungen jedoch gegenüber Korrosion
und Oxidation sehr empfindlich, sobald die Sicherung durchgeschmolzen
ist und das Cu der Atmosphäre
ausgesetzt ist.
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Dennoch
ist es in Cu-Oxid-Integrationsverfahren möglich, das obenerwähnte Problem
durch innovatives Layout und Design der Sicherung zu umgehen (d.
h. die Sicherung auf W-Stäben
enden zu lassen und die Oxidation und Korrosion von Cu in den Cu-Merkmalen der Sicherung
zu begrenzen).
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Dieser
innovative Ansatz mit Layout und Design ist bei Metallisierungen
mit Cu und einem niedrigen k-Wert wegen des hohen Diffusionsgrads
von Feuchtigkeit und Sauerstoff in dem typischen Feld mit einem
niedrigen k-Wert nicht durchführbar,
und zwar weil eine Korrosion der Cu-Sicherung sich wegen schlechter
Linerintegrität
an den Seitenwänden von
Damascene-Strukturmerkmalen
auf benachbarte Cu-Verdrahtungen ausbreiten würde.
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Eine
Alternative zu dem Ansatz nach dem Stand der Technik an stelle der
Verwendung von reinem Cu (das gegenüber Korrosion plus Oxidation sehr
empfindlich ist, sobald die Sicherung durchgeschmolzen ist und Cu
der Atmosphäre
ausgesetzt ist) besteht in der Verwendung von Al-Sicherungen auf einer
Cu-Metallisierung.
Dieser alternative Ansatz ist jedoch teuer, da er in dem Herstellungsprozeß viele zusätzliche
Schritte erfordert.
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Das
US-Patent 5,747,868 offenbart
eine laserschmelzbare Verbindungsstruktur für Halbleiterbauelemente, umfassend:
mehrere laserschmelzbare Verbindungen, wobei jede schmelzbare Verbindung
eine Verbindungslänge
entlang einer Längenrichtung
und eine Verbindungsbreite entlang einer Breitenrichtung aufweist;
eine erste Dielektrikumsschicht, die die laserschmelzbaren Verbindungen konform
bedeckt; für
jede laserschmelzbare Verbindung ein auf der ersten Dielektrikumsschicht
vertikal über
seine jeweilige laserschmelzbare Verbindung angeordnetes Ätzmaskenglied,
wobei jedes Ätzmaskenglied
eine Maskenlänge
in der Längenrichtung und
eine Maskenbreite in der Breitenrichtung aufweist, wobei die Maskenbreite
größer oder
gleich der Verbindungsbreite ihrer jeweiligen schmelzbaren Verbindung
und kleiner oder gleich der Mindestfleckgröße des Lasers ist; und wobei
sich die Ätzmaskenglieder
in der Längenrichtung über den
Fensterumfang erstrecken, wobei sich der Fensterumfang in der Breitenrichtung über die Ätzmaskenglieder
erstreckt.
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Eine über einer
aktiven Schaltungsanordnung einer integrierten Schaltung ausgebildete
Lasersicherungsstruktur ist aus dem
US-Patent 5,986,319 bekannt.
Die integrierte Schaltung umfaßt: eine
aktive Schaltungsanordnung; eine erste Isolierschicht, wobei die
erste Isolierschicht über
der aktiven Schaltungsanordnung liegt; eine Metallsicherungsschicht über der
ersten Isolierschicht, wobei die Metallsicherungsschicht mindestens
eine Sicherung enthält,
wobei die mindestens eine Sicherung eine strahlungsenergiekonfigurierbare
Sicherung mit einer Stelle ist, so daß der Strahlbereich der zum
Konfigu rieren der mindestens einen Sicherung verwendeten Strahlungsenergie
die aktive Schaltungsanordnung überlappt;
eine erste Mehrfachmetallschutzschicht unter der mindestens einen
Sicherung, wobei die erste Mehrfachmetallschutzschicht ausreichend groß ist, um
die aktive Schaltungsanordnung gegenüber der nicht direkt auf die
mindestens eine Sicherung auftreffenden Strahlungsenergie abzuschirmen; eine
zweite Isolierschicht zwischen der ersten Mehrfachmetallschutzschicht
und der mindestens einen Sicherung; eine zweite Mehrfachmetallschutzschicht unter
der ersten Mehrfachmetallschutzschicht, wobei die erste und zweite
Mehrfachmetallschutzschicht ausreichend groß sind, um die aktive Schaltungsanordnung
gegenüber
der nicht direkt auf die mindestens eine Sicherung auftreffenden
Strahlungsenergie abzuschirmen; und eine dritte Isolierschicht auf
der zweiten Mehrfachmetallschutzschicht, wobei die dritte Isolierschicht
zwischen der ersten und zweiten Mehrfachmetallschutzschicht angeordnet
ist.
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In
EP-A-1049164 ist
eine hochabsorbierende Kupferlasersicherung offenbart.
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Das
US-Patent 5,622,608 offenbart
einen Prozeß zum
Herstellen einer oxidationsbeständigen, stromleitenden
Cu-Schicht auf einem Substrat und das nachfolgende Tempern. Es wird
angenommen, daß der
Temperschritt an der Oberfläche
der Cu-Schicht beim Tempern eine Metalloxidschicht liefert.
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Passivierte
leitende Cu-Schichten für
Mikroelektronikanwendungen sind im
US-Patent 6,057,223 offenbart,
bei dem die ausgebildeten Cu-Leiter als eine Komponente in einer
Mikroelektronikeinrichtung enthalten sind. Der Leiter wird ausgebildet,
indem auf der Oberfläche
eines Mikroelektroniksubstrats eine Metallschicht ausgebildet wird,
auf der Metallschicht eine Cu-Schicht ausgebildet wird und die Metall-
und Cu-Schicht getempert werden. Es wird angenommen, daß der Temperschritt
einen Teil der Metallschicht durch die Cu-Schicht zu der Oberfläche diffundiert,
wo das diffundierte Metall ein schützendes Metalloxid an der Oberfläche der Cu-Schicht
bildet. Folglich passiviert die Metalloxidschicht die Cu-Schicht.
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In
der Halbleiterherstellungstechnik, in der eine Lasersicherung hergestellt
wird als ein Teil des Halbleiters als ein effektiver Weg zum Abändern des Betriebs
der Halbleiterbauelemente, nachdem das Bauelement hergestellt worden
ist, um eine Implementierung von Redundanzverfahren bereitzustellen,
um fehlerhafte Abschnitte einer integrierten Schaltung durch redundante
Abschnitte zu ersetzen, besteht im Fall von Cu-Lasersicherungen ein Bedarf dahingehend,
Korrosion und Oxidation zu verhindern, sobald die Sicherung durch
Laserenergie geschmolzen wird und das Cu der Atmosphäre ausgesetzt
wird.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Halbleiterbauelements mit einem kupferumfassenden Lasersicherungsabschnitt,
bei dem das Kupfer gegenüber
Korrosion nicht anfällig
ist, sobald die Sicherung durch Aktivieren mit einem Laser geschmolzen
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Halbleiterbauelements mit einem kupferumfassenden Lasersicherungsabschnitt,
bei dem das Kupfer keiner Oxidation unterworfen ist, sobald die
Sicherung durch Laserenergie geschmolzen wird und das Kupfer der
Atmosphäre
ausgesetzt ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Halbleiterbauelements mit einem kupferumfassenden Lasersicherungsabschnitt
ohne die Notwendigkeit, die Sicherung auf W-Stäben zu beenden, um die Cu-Oxidation und -Korrosion
in den Cu-Strukturmerkmalen zu begrenzen, wenn die Sicherung durch
Laserenergie geschmolzen wird und Cu der Atmosphäre ausgesetzt wird.
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Eine
noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Halbleiterbauelements mit einem Lasersicherungsabschnitt, der
Metallisierungen mit Cu und einem niedrigen k-Wert umfaßt, bei
denen eine Korrosion der Cu-Sicherung
sich normalerweise zu benachbarten Cu-Verdrahtungen ausbreiten würde (wegen schlechter
Linerintegrität
an den Seitenwänden
von Damascene-Strukturmerkmalen), die dazu gebracht werden, Korrosion
und Oxidation der Cu-Sicherung zu widerstehen, wenn sie Laserenergie
ausgesetzt werden.
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Gemäß der Erfindung,
wie in Ansprüchen
1 und 3 definiert, werden Korrosion und Oxidation des Cu-Lasersicherungsabschnitts
eines Halbleiters, sobald die Sicherung durch Laserenergie geschmolzen wird,
dadurch vermieden, daß eine
Cu-Legierung zwischen dem Liner und einer Dielektrikumskappe nach
einer Einwirkung von Laserenergie zum Aufbrechen oder Schmelzen
der Sicherung passiviert wird, und zwar durch einen Temperschritt
zum Bereitstellen einer selbstpassivierenden dotierstoffreichen Schicht
auf dem offenen Cu-Lasersicherungsbereich und an den Cu-Grenzflächen zu
umgebenden metallischen Linern und dielektrischen Diffusionsbarrieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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1 ist
eine Zeichnung eines Halbleiterbauelements, das eine eine Kupferlegierung
umfassende Lasersicherungskomponente umfaßt.
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2 zeigt
ein Halbleiterbauelement der Erfindung, das eine passivierte Lasersicherungskomponente
umfaßt,
die ausgebildet wird, indem eine Cu-Legierung der geschmolzenen
Sicherung einem Temperschritt unterzogen wird, um eine selbstpassivierte
Cu-Oberfläche
und -Grenzfläche
zu dem Metalliner und zur Dielektrikumskappenschicht auszubilden,
um Korrosion und Oxidation zu verhindern.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Kontext der Erfindung wird im allgemeinen die Cu umfassende Lasersicherungskomponente
des Halbleiterbauelements durch die folgende Prozeßsequenz
hergestellt: 1) Strukturieren einer (Dual-)Damascene-Struktur in
dem Dielektrikum zum Ausbilden einer Sicherung; 2) Abscheiden eines
metallischen Liners (PVD, CVD, stromlos usw.; dieser Schritt kann
durch Verwendung der optimalen Cu-Legierung optional sein); 3) Abscheiden
einer Keimschicht aus der Cu-Legierung für die Cu-Endfüllung (PVD
oder CVD oder andere in der Technik bekannte Verfahren); 4) Füllen der
Damascene-Struktur mit reinem Cu (Elektroplattieren, CVD, stromlos,
PVD oder andere in der Technik bekannte Verfahren); 5) Vor-CMP-Tempern
bei niedrigen Temperaturen (< 200°C) zum Ausbilden
eines gering-resistiven Cu-Films (größere Cu-Körner); die Ausdiffundierung der
Dotierstoffe in der Cu-Legierung sollte jedoch an diesem Punkt immer
noch unterdrückt
werden; 6) Cu-CMP zum Entfernen der Cu-Überfüllung, gefolgt von der Liner-CMP;
7) Abscheiden einer Dielektrikumskappenschicht (Cu-Diffusionsbarriere,
Si-Nitrid, Blok oder ein anderes in der Technik bekanntes Verfahren);
8) Abscheiden einer letzten Passivierungsschicht (Oxid/Nitrid oder
Kombinationen) oder anderen in der Technik bekannten Dielektrikumsschichten;
9) Abscheiden einer Schicht aus Polyimid oder lichtempfindlichem
Polyimid (PSP) (optional); 10) Dünnen
der Dielektrikumskappenschicht oder letzten Passivierungsschicht
auf der Lasersicherung durch Einsatz bekannter lithographischer
und Ätzprozesse; 11)
Laserschmelzen der Metallsicherung (während des Schmelzprozesses
entsteht ein Krater in dem nahen Umgebungsbereich der geschmolzenen
Cu-Sicherung; die beiden Enden der Cu-Sicherung sind nun der Atmosphäre ausgesetzt);
und 12) Tempern der gebondeten Chips bei Temperaturen zwischen 250°C–450°C (in einer
inerten Atmosphäre),
um auf der offenen Cu-Sicherungsoberfläche und auch an den Grenzflächen zu
metallischen Linern und/oder Dielektrikumskappenschichten eine selbstpassivierende
Schicht auszu bilden; wobei die selbstpassivierende Schicht die offenen
Enden und die eingebetteten Teile der Cu-Sicherung gegenüber Oxidation
und Korrosion schützt.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen, die ein Halbleiterbauelement
zeigt, das eine Cu-Lasersicherung 10 umfaßt, bestehend
aus einer über
einem Liner 12 angeordneten Cu-Legierung 11, die
durch eine Metallinie 13 begrenzt ist. Die Cu-Lasersicherung ist
zwischen einem Dielektrikum 14 und einer Dielektrikumskappe 15 angeordnet.
Die beabsichtigte Laserenergie 16 zum Schmelzen der Sicherung wurde
noch nicht aufgebracht.
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Wie
aus 2 zu sehen ist, entsteht nach dem Durchschmelzen
der Cu-Legierungs-Lasersicherung durch den aktivierenden Laser ein
Sicherungskrater 20, und danach wird eine Temperung durchgeführt, um
eine selbstpassivierende, dotierungsreiche Schicht auf den geöffneten
Cu-Lasersicherungsbereichen und an den Cu-Grenzflächen zu den
umgebenden Metallinern und dielektrischen Diffusionsbarrieren herzustellen.
Die selbstpassivierende, dotierungsreiche Cu-Grenzfläche zu dem
umgebenden Metalliner und dielektrischen Diffusionsbarrieren ist
durch die Xs bezeichnet, und innerhalb der durch die Xs definierten
Grenzen befindet sich das Cu 16. Diese dotierstoffreiche
selbstpassivierende Schicht ist frei von Hillock-Strukturen und
schützt
das Cu vor Korrosion, Oxidation und der Ausdiffundierung von Cu
in Halbleiterbauelementbereiche.
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Die
Cu-Legierungen können
im allgemeinen Cu-Al, Cu-Mg, Cu-Li sowie andere wohlbekannte Cu-Legierungen
sein, und die Konzentration des Nicht-Cu-Dotiermaterials von der
anderen Komponente der Cu-Legierung wird im Bereich von etwa 0,1 bis
etwa 5,0 Gew.-% der Cu-Legierung liegen.
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Diese
selbstpassivierende Cu-Sicherung ist besonders wichtig beim Einsatz
in Integrationsverfahren mit Cu und einem niedrigen k-Wert und bei dem
Cu-zu-Cu-Drahtbonden.
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Im
gegenwärtigen
Stand der Technik, wo reines Cu verwendet wird und wobei das Cu
gegenüber Korrosion
und Oxidation sehr anfällig
ist, sobald die Sicherung geschmolzen wird und Kupfer der Atmosphäre ausgesetzt
ist, können
die Cu-Oxid-Integrationsverfahren
umgangen oder umlaufen werden, indem ein cleveres Layout und Design
der Sicherung verwendet wird (d. h. Enden der Sicherung auf W-Stäben und
dadurch Begrenzen der Cu-Oxidation und Korrosion in den Cu-Strukturmerkmalen
der Sicherung). Dieser Ansatz des Designs um das Layout herum würde jedoch
wegen des hohen Diffusionsvermögens
von Feuchtigkeit und Sauerstoff in den typischen Materialien mit
einem niedrigen k-Wert in Metallisierungen mit Cu und einem niedrigen
k-Wert nicht zur Verfügung
stehen.
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Bei
den typischen Metallisierungen mit Cu und einem niedrigen k-Wert
breitet sich zudem die Korrosion der Cu-Sicherung zu benachbarten Cu-Verdrahtungen
aus, und zwar wegen schlechter Linerintegrität an den Seitenwänden von
Damascene-Strukturmerkmalen.
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Wenngleich
gewisse repräsentative
Ausführungsformen
und Details zu dem Zweck gezeigt worden sind, die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung zu veranschaulichen, ist für den Fachmann klar, daß verschiedene Änderungen
an der offenbarten Erfindung vorgenommen werden können, ohne von
dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.