Kupfer-Temperung in der Halbleiterindustrie. Öfen und RTP Systeme von Koyo Thermo Systems.
Koyo Thermo Systems

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Diffusion   Oxidation   H2-Temperung   Polyimid   Kupfer   low-k   polySilicium   Nitrid   TEOS   BPSG   LPSOG

Kupfertempern in der Halbleiterfertigung

Koyo Thermo Systems fertigt verschiedene Arten von Öfen zum Tempern von Kupfer bzw. Kupferschichten nach der Damaszenertechnik. Der Prozess wird detailliert beschrieben, die verschiedenen Temperöfen incl. RTP werden verglichen.

Prozessüberblick

In der Chipfertigung setzt sich immer mehr der Einsatz von Kupferleiterbahnen durch, die trotz der erhöhten Kontaminationsgefahr durch Kupfer, geringerer Haftfähigkeit auf Dielektrika und stärkerer Korrosion das Aluminium Schritt für Schritt ersetzen. Kupfer hat eine deutlich bessere Leitfähigkeit, was bei der Verkleinerung von Strukturen in der Chipfertigung ausschlaggebend ist. Der Elektromigrationseffekt ist bei Kupfer deutlich geringer als bei Aluminium.

Das Kupfer wird zumeist in der so genannten Damaszenertechnik aufgebracht. Das Verfahren ist nach einer in Damaskus einstmals zur Herstellung von aus vielen Metallschichten bestehenden Schwertern, angewandten Methode benannt.

Auf das Silicium wird zunächst eine Diffusionssperre, evt. eine Ätzstopschicht sowie ein isolierendes Dielektrikum aufgebracht. Dann werden Gräben für die Leiterbahnen sowie die Kontaktlöcher geätzt. Es folgt die Aufbringung einer Keimschicht aus Kupfer. Sowohl die meist aus Titannitrid, Tantal oder Tantalnitrid bestehenden Schichten zur Vermeidung von Diffusion, wie auf die Kupferkeimschichten werden in Sputter-Technologie aufgebracht. Schließlich werden Gräben und Löcher in einem Arbeitsgang galvanisch mit Kupfer aufgefüllt. Das Kupfer wächst hierbei polykristallin auf. Die Größe der einzelnen Kristallite ist unterschiedlich und hängt von der Substratoberfläche, den Wachstumsbedingungen und von der Strukturgröße der Leiterbahnen bzw. Kontaktlöcher ab.
Zur Verbesserung und zur Stabilisierung der Eigenschaften der Kupferschicht ist eine Cu-Temperung unbedingt nötig. Anschließend wird durch ein chemisch-mechanisches Polierverfahren CMP das über die Grabenränder hinausgewachsene Kupfer wieder entfernt.

Der gesamte Tempervorgang wird bis zu 8 Mal wiederholt, wodurch mehrschichtige Leiterbahnnetze erzeugt werden können.

Der letzte Schritt besteht in der Passivierung der obersten Kupferschicht durch Siliziumnitrid.

Temperungseffekte

Auf dieser Seite soll die Temperung der Kupferschicht im Detail diskutiert werden.
Die Temperung hat mehrere Effekte auf die Kupferschicht:

1) Vergrößerung der Kristallite, die vor allem in kleinen Strukturen ohne Temperung deutlich kleiner ausfallen als in Bereichen mit größeren Leiterbahnstrukturen. Durch die Vergrößerung der Kristallite steigt die Leitfähigkeit des Materials. Es kommt zu einer so genannten Bambusstruktur: Die Kristallite erreichen eine Größe, die der Leiterbahnbreite entspricht. In der Leiterbahn reiht sich so ein Kristallit an den nächsten. Dies Kristallitwachstum findet zwar bekannt als Eigentemperung schon bei Raumtemperatur statt, allerdings nicht kontrolliert, nicht mit der gewünschten Gleichmäßigkeit und abhängig von der Breite der Leiterbahnen. Eine Temperung ist daher angeraten.

2) Entspannung des Materials. Es tritt eine Stabilisierung der Mikrostruktur ein. Versetzungen werden abgebaut, die Grenzflächenenergie der aneinander grenzenden Kristallite abgebaut. Das strukturierte Seitenwandwachstum entlang von 111-Kristallebenen wird reduziert und es wird verhindert dass sich später Kupfer aus den Kontaktlöchern zurückzieht oder von der Wand löst. Der unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer und Dielektrikum begünstigt eine solche Wandablösung. Durch die Temperung können entsprechend bedingte Ausfälle des Bauteils vermieden werden.

3) Verringerung von Elektromigrationseffekten. Mit Elektromigration wird ein Effekt bezeichnet, der eine durch starke Elektronenbewegung verursachte Bewegung von Kupferatomen in Stromrichtung beschreibt. Dieser Effekt tritt an Engstellen, vorzugsweise in Kontaktlöchern auf und führt im Extremfall zu einem Abriss des Kontakts an der Engstelle. Leiterbahnen mit einer Bambusstruktur, in der Grenzflächen parallel zur Stromrichtung fehlen, zeigen eine erhöhte Beständigkeit gegen Elektromigration.

Anlagen zum Tempern von Kupfer im Vergleich

Die Temperung kann mit verschiedenen Anlagen durchgeführt werden:

Reinofen CLH1) CLH-Reinofen. Die einfachste Methode der Kupfertemperung besteht in der Verwendung eines sauberen Umluftofens mit integriertem HEPA-Filter. Die Koyo CLH-Öfen werden manuell mit Metallkassetten beladen. Eine Umhordung in die Metallkassetten ist notwendig. Der Ofen ist für Temperaturen zwischen 100 und 450°C geeignet und wird mit Inertgas (Stickstoff) betrieben.

Die Temperaturgleichmäßigkeit beträgt ca. +/- 5°C; die Reinraumklasse 100. Im CLH-Ofen finden bis zu 8 Kassetten für 200mm Wafer Platz. Die max. Kapazität beträgt somit 200 Wafer. Der Ofen ist mit verschiedenen Steuerungen verfügbar. Eine detaillierte Beschreibung des CLH-Ofens finden Sie auf einer eigenen Seite.

Ofen SO22) Automatisierte Reinofenstation Koyo SO2, geeignet für 300mm Wafer. Es handelt sich um einen Reinofen auf der Basis des Typs CLH, der mit einer automatischen Beladestation zusammengefasst wurde.

Je zwei FOUPs Belade -und Entladestationen gewährleisten die automatische Beladung von 300mm Wafern. Die Kapazität ist für 50 Wafer ausgelegt. So kann der Temperprozess vollautomatisch und kostengünstig durchgeführt werden. Mehr Details finden Sie auf unserer Boxofenseite.

Vertikalofen VF53003) Eine elegantere Methode zum Kupfer tempern ist der Einsatz eines Vertikalofens. In diesem Fall sind die Prozessleistungen deutlich besser. Es kann eine Temperaturgleichmäßigkeit von besser als +/-1°C, sowie eine deutlich verbesserte Prozessreinheit erreicht werden. Es kann eine spezielle Atmosphäre, z.B. Formiergas verwendet werden. Die Kosten für die Anlage sind höher, stehen aber in einem akzeptablen Verhältnis zu den verbesserten Prozesseigenschaften. Aufgrund des Einsatzes von LGO Heizelementen mit sehr niedriger thermischer Masse ist die um 200°C liegende Tempertemperatur kein Problem für diese Öfen. Bereits ab 130°C sind diese Heizer gut steuerbar. Untersuchungen haben ergeben, dass bei 200°C Temperzeiten von 30 - 60 Min. ausreichen um die gewünschten Eigenschaftsverbesserungen der Kupferschicht zu erreichen. Es stehen sowohl kleinere Ofenversionen Forschung und Entwicklung sowie günstige Massenproduktionsanlagen zur Verfügung. Details finden Sie auf unserer Vertikalofenseite.

RLA Anlage4) RTP. Rapid Thermal Processing Anlagen Koyo 3106, 3108 bzw. 3312 können ebenfalls für die Temperung von Kupferschichten eingesetzt werden. Lampenfelder mit gekreuzten Lampen über und unter dem Wafer sorgen für eine effektive, schnelle und gleichmäßige Aufheizung der Wafer. Aufgrund der niedrigen thermischen Masse des Aufbaus findet auch eine sehr schnelle Abkühlung statt. Bei schneller Aufheizung bzw. Abkühlung der Substrate kann bei Temperzeiten von 45s ein ähnlicher Effekt wie bei einer 30 Min. dauernden Ofentemperung erreicht werden. Das thermische Budget ist bei Einsatz der RTP Technologie niedriger, der Durchsatz jedoch aufgrund der Einzelwaferprozessierung nur ca. 1/2 bis 1/4 so groß wie bei der Batchprozessierung in einem Vertikalofen. Es kann eine spezielle Atmosphäre, z.B. Formiergas verwendet werden.

Es stehen Lampen-RTP-Anlagen für Wafergrößen zwischen 150mm und 300mm zur Verfügung.

Prozessbedingungen

Alle 4 beschriebenen Anlagenarten für die Temperung kommen in der Praxis zum Einsatz. Es hat sich herausgestellt, das die günstigsten Bedingungen um gute elektrische Eigenschaften und eine hohe Ausbeute an funktionierenden Bauteilen zu bekommen längere Temperung (45s bei RTP, bzw. 30 Min. im Ofen) bei möglichst niedriger Temperatur (<200°C) sind. Zu berücksichtigen ist, dass die Temperung in kleineren Strukturen mehr Zeit benötigt als in größeren Strukturen.

Bei höheren Temperaturen (400°C) ist die RTP Temperung effektiver als die Ofentemperung - es müssen jedoch dann andere Nachteile wie die Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit des Kupfers in Kauf genommen werden. Die Anwesenheit von Wasserstoff bei der Temperung kann sich dabei negativ auf die Oberflächenrauhigkeit auswirken. Bei erhöhten Temperaturen steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Materialrückzügen aus Kontaktlöchern. Low-k Dielektrika können Ihre besonderen Isolationseigenschaften bei Temperaturen über 250°C teilweise verlieren. Die Elektromigrationseffekte verstärken sich wieder bei höheren Tempertemperaturen. Zudem steigt die Gefahr der Diffusion von Kupfer in nicht gewünschte Bereiche.

Die Auswahl der Methode richtet sich nach den Anforderungen des Kunden hinsichtlich Prozesseigenschaften und hinsichtlich Automatisierung. Wir beraten Sie gerne.

Bitte kontaktieren sie uns, wenn sie mehr Informationen über Kupfertemperung bzw. unsere entsprechenden Öfen benötigen. Testläufe mit unseren Öfen können in unserem Applikationslabor in Tenri durchgeführt werden.

Crystec Technology Trading GmbH diskutiert mit Ihnen gerne weitere Details.
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