DE10152202B4 - Optimierte Dünnfilmdiffusionssperre aus TaCN für Kupfermetallisierung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Kupfermetallisierung bei der Herstellung eines integrierten Schaltungsbauteils mit folgenden Schritten:
Bereitstellung eines Kontaktbereichs (14) in einem Substrat (10);
Öffnen eines Durchgangslochs (22) durch eine Isolierschicht (20) bis zu dem Kontaktbereich (14);
Ablagerung einer Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) innerhalb des Durchgangslochs (22) mittels reaktivem Sputtern eines Tantalkarbid-Targets in einer Gasmischung aus Argon und Stickstoff;
Ablagerung einer Schicht aus Kupfer (28) über der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26), wobei die Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) die Diffusion von Kupfer in die Isolierschicht (20) verhindert, um die Kupfermetallisierung bei der Herstellung des integrierten Schaltungsbauteils fertigzustellen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ablagerung der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) derart erfolgt, dass die Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) einen Stickstoffgehalt zwischen 17 und 24 Atomprozent aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Sperrschicht bei der Herstellung integrierter Schaltungen, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer optimierten Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht, um ein Eindiffundieren von Kupfer bei der Herstellung integrierter Schaltungen zu verhindern.
  • Bei einer üblichen Vorgehensweise zur Herstellung integrierter Schaltungen wird eine Kontakt/Durchgangslochöffnung durch eine Isolierschicht bis zu einer darunterliegenden, leitfähigen Fläche geätzt, mit welcher ein elektrischer Kontakt hergestellt werden soll. Eine Sperrschicht, typischerweise aus Titannitrid, wird innerhalb der Kontakt/Durchgangslochöffnung hergestellt. Ein leitfähiges Schichtmaterial, typischerweise Wolfram, wird innerhalb der Kontakt/Durchgangslochöffnung abgelagert. Bei kleiner werdenden Bauteilgrößen sind diese typischen Materialien nicht mehr geeignet. Infolge des niedrigeren Volumenwiderstands stellt eine Metallisierung aus Kupfer (Cu) die zukünftige Technik für zukünftige Abmessungen von 0,18 Mikrometer und darunter dar. Eine Kupfermetallisierung erfordert eine robuste Diffusionssperre, um zu verhindern, dass Kupfer durch die aktiven Übergänge diffundiert.
  • Das US-Patent 5,744,394 von Iguchi et al beschreibt eine Sperrschicht, welche TaN, TaC oder TaNC aufweisen kann. Das US-Patent 5,973,400 von Murakami et al beschreibt eine Sperrschicht, welche TaC oder TaNC aufweist. Zwar beschreiben diese beiden Patente eine Sperrschicht aus TaNC, jedoch geben sie nicht die optimale Stickstoffkonzentration innerhalb des Films an, welche gleichzeitig die Sperrschichteigenschaften und einen niedrigen elektrischen Widerstand maximiert. Das US-Patent 4,985,750 von Hoshino beschreibt eine Sperrschicht aus Ta oder TaN. Die US-Patente 6,100,587 von Merchant et al und 6,028,359 von Merchant et al schlagen Sperrschichten aus TaC, TaN oder TaB vor.
  • US 6,229,211 B1 offenbart ein Halbleiterbauteil mit einer Barrierenschicht für Kupfermetallisierungen, wobei die Barrierenschicht aus zwei Teilschichten besteht. Das Material der Barrierenschicht wird mittels MOCVD abgelagert.
  • US 6,184,550 B1 offenbart die Herstellung einer ternären Nitrid-Karbid-Barrierenschicht mit Tantal als Metallkomponente. Eine Kupfermetallisierung kann mithilfe von CVD oder reaktivem Sputtering erfolgen. Der elektrische Widerstand kann durch eine entsprechende Variation der Flussraten sowie stöchiometrischen Zusammensetzung optimiert werden.
  • US 6,153,519 lehrt ein Verfahren zur Ausbildung einer Sperrschicht auf einem Halbeleitersubstrat, in dem ein Halbleitersubstrat in einer CVD-Reaktionskammer verbracht wird, in der ein metallischer organischer Precursor eingeführt wird, um eine Reduktion des Kohlenstoffanteils im Vergleich zum Stand der Technik zu erreichen.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines wirksamen und herstellungstechnisch vernünftigen Verfahrens zur Ausbildung einer robusten Sperrschicht in einem Kupfermetallisierungsvorgang bei der Herstellung integrierter Schaltungsbauteile.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Ausbildung einer Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht, welche eine Diffusion von Kupfer bei der Herstellung integrierter Schaltungsbauteile verhindert.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Ausbildung einer Tantalkarbidnitrid-Diffusionssperrschicht, welche eine optimierte Stickstoffkonzentration aufweist, um die thermische Stabilität zu verbessern.
  • Gemäß diesen Vorteilen der vorliegenden Erfindung wird ein neues Verfahren zur Kupfermetallisierung bei der Herstellung eines integrierten Schaltungsbauteils mit folgenden Schritten:
    Bereitstellung eines Kontaktbereichs in einem Substrat;
    Öffnen eines Durchgangslochs durch eine Isolierschicht bis zu dem Kontaktbereich;
    Ablagerung einer Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht innerhalb des Durchgangslochs mittels reaktivem Sputtern eines Tantalkarbid-Targets in einer Gasmischung aus Argon und Stickstoff;
    Ablagerung einer Schicht aus Kupfer über der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht, wobei die Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht die Diffusion von Kupfer in die Isolierschicht verhindert, um die Kupfermetallisierung bei der Herstellung des integrierten Schaltungsbauteils fertigzustellen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ablagerung der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht derart erfolgt, dass die Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht einen Stickstoffgehalt zwischen 17 und 24 Atomprozent aufweist.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
  • 1 bis 4 schematisch im Querschnitt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5a bis 5f SIMS-Tiefenprofile verschiedener Sperrschichtstrukturen; und
  • 6 Röntgenstrahlbeugungsmuster verschiedener Sperrschichtstrukturen.
  • In 1 ist ein Abschnitt eines teilweise fertiggestellten integrierten Schaltungsbauteils dargestellt. Gezeigt ist ein Halbleitersubstrat 10, das vorzugsweise aus einkristallinem Silizium besteht. Halbleiterbauteilstrukturen können in und auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet werden, und durch eine Isolierschicht abgedeckt werden. Die Halbleiterbauteilstrukturen und die darüber befindliche Isolierschicht sind in 1 als Schicht 12 dargestellt. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Bereich, der durch den Kupfermetallisierungsvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung kontaktiert werden soll. So kann 14 beispielsweise ein Source/Drainbereich oder eine Gateelektrode sein, oder ein erstes Niveau der Metallisierung. Ein einzelner Lithographievorgang ist in den Zeichnungen dargestellt. Fachleuten auf diesem Gebiet wird deutlich werden, dass die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform beschränkt ist, sondern überall dort einsetzbar ist, wo eine Kupfermetallisierung verwendet wird.
  • Eine Isolierschicht 20, die aus Siliziumdioxid, Borphosphorsilikatglas (BPSG), Borsilikatglas (BSG), Phosphorsilikatglas (PSG) oder dergleichen besteht, wird über der Oberfläche des Substrats mit einer Dicke zwischen etwa 5000 und 9000 Angström abgelagert, und vorzugsweise eingeebnet.
  • Eine Kontakt/Durchgangslochöffnung oder Lithographieöffnung 22 wird durch die Isolierschicht 20 so geätzt, dass der Bereich 14 erreicht wird, wie in 2 gezeigt ist. Kupfer kann in die Isolierschicht neben der Kontaktöffnung eindiffundieren. Daher muß eine Diffusionssperrschicht innerhalb der Öffnung 22 abgelagert werden, bevor diese mit Kupfer gefüllt wird. Die Diffusionssperrschicht muß dazu fähig sein, eine Diffusion von Kupfer insbesondere bei höheren Temperaturen zu verhindern. Daher ist die thermische Stabilität der Diffusionssperre kritisch. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die thermische Stabilität einer Tantalkarbidnitridschicht mit optimierter Stickstoffkonzentration besser ist als die thermische Stabilität einer TaCN-Schicht mit zu hohem Stickstoffanteil oder von TaC (ohne Stickstoffdotierung).
  • Wie in 2 gezeigt wird eine Tantalkarbidnitrid-Diffusionssperrschicht 26 über der Isolierschicht und innerhalb der Öffnung 22 abgelagert. Die TaCN-Schicht wird durch Sputtern in einer Dicke zwischen etwa 5 und 100 Nanometer abgelagert. Dem TaC wird während des Sputtern Stickstoff hinzugefügt. Der Sputtervorgang umfaßt das reaktive Sputtern eines TaC-Targets in einer Gasmischung aus Ar und Stickstoff. Das N2/Ar-Flußverhältnis variiert zwischen 0/24 und 6/24 Standardkubikzentimeter (sccm). Der Druck wird zwischen etwa 5 und 10 mTorr gehalten, und bevorzugt bei etwa 7,6 mTorr. Vor der Ablagerung wird das Sputtersystem auf einen Basisdruck von etwa 5 × 10–7 Torr oder darunter evakuiert. Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine Stickstoffkonzentration, die auf den Bereich von 17 % bis 24 % Atomprozent optimiert ist, die robuste Kupferdiffusionssperre gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung stellt. Ein Flußratenverhältnis von Stickstoff zu Argon von (1,5–2,5) : 24 sorgt für diese optimierte Stickstoffkonzentration. Besonders bevorzugt wird ein Flußverhältnis von N2 zu Ar von 2 : 24, was einer Stickstoffkonzentration von 22 Atomprozent entspricht, da so eine optimale Diffusionssperrschicht erzielt wird.
  • Tabelle 1 gibt Versuchsergebnisse für das Optimieren des Stickstoffgehalts einer TaCN-Sperrschicht an. Die Flußraten von N2 zu Ar und die sich ergebende Stickstoffkonzentration (Atomprozent) sind angegeben. Für jede Konzentration wurde der spezifische Widerstand in Mikro-Ohm pro Zentimeter gemessen. Weiterhin wurde die Ausfalltemperatur in Grad Celsius gemessen. Die Ausfalltemperatur ist definiert als die Wärmebehandlungstemperatur, bei denen alle wärmebehandelten Cu/Sperrschicht/p+n-Dioden einen Kriechstrom von höher als 1 × 10–7 /cm2 (Ampère/cm2) aufweisen.
  • Tabelle 1
    Figure 00070001
  • Aus der Tabelle geht hervor, dass sich ein Maximum der stabilen Temperatur bei der Sperrschicht mit 22 Atomprozent Stickstoff ergibt.
  • Die 5a bis 5f zeigen SIMS-Tiefenprofile wärmebehandelter Strukturen aus Kupfer/Sperrschicht/Silizium. Die Strukturen wurden bei 650 °C wärmebehandelt. 5a zeigt eine Sperrschicht aus TaC, und 5f eine Sperrschicht aus TaN. Aus diesen beiden Figuren geht hervor, dass Kupfer in die Sperrschichten aus TaC und aus TaN eingedrungen ist. Die 5b bis 5e zeigen Sperrschichten aus TaCN, die durch Änderung des Flußverhältnisses von N2 zu Ar im Bereich von 1,5/24 bis 2,5/24 hergestellt wurden. Aus diesen vier Figuren wird deutlich, dass das Kupfer nicht in die Sperrschicht aus TaCN eindringt.
  • 6 ist ein Röntgenstrahlbeugungsdiagramm von Strukturen aus Cu/TaCN/Si nach einer Wärmebehandlung bei 850 °C in N2 über 30 Minuten. Die Sperrschichtdicke beträgt 60 nm. Die Probe aus TaCN (2/24) weist die besten Sperrschichteigenschaften auf. Alle anderen Proben zeigen ein Signal von Kupfersilizid-Peaks (Cu3Si), das anzeigt, dass Kupfer durch die Sperrschicht hindurchgelangt ist, und mit Silizium reagiert hat.
  • Wie in 4 gezeigt ist, wird durch Sputtern eine Schicht aus Kupfer 28 über der Sperrschicht abgelagert, um die Kontakt/Durchgangslochöffnung zu füllen. Es kann auch eine Kupferausgangsschicht durch physikalische oder chemische Dampfablagerung abgelagert werden, woran sich eine elektrochemische Ablagerung von Kupfer zum Ausfüllen eines tiefen Durchgangsloches anschließt. Eine Diffusion von Kupfer in die Dielektrikumsschicht 20 wird durch die verbesserte Diffusionssperrschicht aus TaCN gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert.
  • Die Kupferschicht und die Sperrschicht werden mit einem Muster versehen, um den gewünschten elektrischen Kontakt auszubilden. Die Verarbeitung geht auf herkömmliche Weise weiter, um die Herstellung der integrierten Schaltung fertigzustellen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf jedem Niveau der Metallisierung eingesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt eine wirksame und herstellungstechnisch sehr günstige Tantalkarbidnitrid-Diffusionssperre für Kupfermetallisierung. Die optimierte Stickstoffkonzentration der Sperrschicht aus TaCN gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt für maximale thermische Stabilität.
  • Zwar wurde die Erfindung speziell unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben, jedoch wissen Fachleute, dass sich verschiedene Änderungen in Bezug auf die Form und Einzelheiten vornehmen lassen, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Kupfermetallisierung bei der Herstellung eines integrierten Schaltungsbauteils mit folgenden Schritten: Bereitstellung eines Kontaktbereichs (14) in einem Substrat (10); Öffnen eines Durchgangslochs (22) durch eine Isolierschicht (20) bis zu dem Kontaktbereich (14); Ablagerung einer Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) innerhalb des Durchgangslochs (22) mittels reaktivem Sputtern eines Tantalkarbid-Targets in einer Gasmischung aus Argon und Stickstoff; Ablagerung einer Schicht aus Kupfer (28) über der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26), wobei die Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) die Diffusion von Kupfer in die Isolierschicht (20) verhindert, um die Kupfermetallisierung bei der Herstellung des integrierten Schaltungsbauteils fertigzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagerung der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) derart erfolgt, dass die Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) einen Stickstoffgehalt zwischen 17 und 24 Atomprozent aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Ablagerung der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) die Sputterablagerung von Tantalkarbid mit einem Flußverhältnis von Stickstoff zu Argon von (1,5–2,5) : 24 umfaßt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Ablagerung der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) die Sputterablagerung von Tantalkarbidnitrid mit einem Flußverhältnis von Stickstoff zu Argon von 2 : 24 umfaßt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Stickstoffgehalt etwa 22 Atomprozent Stickstoff beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Ablagerung der Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) die Sputterablagerung von Tantalkarbidnitrid mit einem Flußverhältnis von Stickstoff zu Argon von (1,5/2,5) : 24 bei einem Druck von etwa 7,6 mTorr umfaßt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Tantalkarbidnitrid-Sperrschicht (26) bis zu 650 bis 850 °C thermisch stabil ist.
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