Die Kinetik der elektrochemischen Kupferabscheidung in Sub-100-nm-Strukturen

Kupfer ist in der Halbleitertechnologie das bevorzugte Leitermaterial bei der Herstellung von Mikroprozessoren. Die fortschreitende Erhöhung der Transistordichte auf den Prozessorchips führt dazu, dass die Kupferleitbahnen immer schmaler werden, weshalb es von großer Bedeutung ist, Kupfer in immer kleiner werdenden Strukturen defektfrei abzuscheiden. Als Verfahren für das defektfreie Abscheiden bietet sich die elektrochemische Kupferabscheidung an, da diese zum sogenannten Superfüllen führt. Superfüllen bedeutet, dass die Leitbahnstrukturen von unten nach oben mit Kupfer aufgefüllt werden und Hohlräume, hervorgerufen durch ein Zusammenwachsen des Kupfers von den Seitenwänden oder Stegen, vermieden werden. Welche Mechanismen zum Superfüllen führen, ist bisher noch weitgehend ungeklärt. Der Fokus dieser Arbeit ist die Kinetik der elektrochemischen Kupferabscheidung mit dem Ziel, das Phänomen Superfüllen zu verstehen und zu beschreiben und die Prozessparameter zu evaluieren, welche das Füllverhalten beeinflussen. Dazu werden elektrochemische Messungen, speziell zyklische Voltammetrie und Impedanzspektroskopie, an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Zusammen mit Füllversuchen an strukturierten Proben, wobei die Strukturbreiten im Bereich von 100 nm liegen, werden damit die Effekte der Badadditive Suppressor, Akzelerator und Chlorid, welche für das Superfüllen verantwortlich sein sollen, untersucht. Die Ergebnisse lassen sich mit Hilfe der Koadsorptionstheorie erklären, welche besagt, dass die Additive einen Oberflächenfilm bilden, der die Kupferabscheidung beeinflusst. Während die Kombination Suppressor/Chlorid zu einem geschlossenen Oberflächenfilm und zu einer konformen Kupferabscheidung führt, verringert der Akzelerator den Bedeckungsgrad des Oberflächenfilms und führt in der Kombination Suppressor/Akzelerator zum Superfüllen. Die Grundlage der Überlegungen ist, dass adsorbierte Additive den Durchtrittswiderstand an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche erhöhen, womit additivfreie Oberflächenplätze für die Kupferabscheidung energetisch begünstigt sind. Weiterhin wird angenommen, dass in den Strukturen eine Anreicherung der Additive im Elektrolyten stattfindet, solange die Kupferabscheidung schneller voranschreitet als die Additive aus den Strukturen hinaus diffundieren können. Während die Anreicherung des Suppressors keinen Einfluss hat, da die Suppressorkonzentration bereits hoch genug ist, um zu einer vollständigen Oberflächenbedeckung führen zu können, ist die Anreicherung des Akzelerators ein wichtiger Schlüssel zum Superfüllverhalten. Je mehr Akzelerator sich ansammelt, desto niedriger ist der Bedeckungsgrad des Adsorptionsfilms und desto mehr freie Oberflächenplätze stehen für die Kupferabscheidung zur Verfügung.