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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten
mit hochleitfähigen
Metallen, etwa Kupfer, die in ein dielektrisches Material eingebettet sind,
das zur Leistungssteigerung des Bauteils eine geringe Permittivität aufweist.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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In
modernen integrierten Schaltungen haben die Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge
von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf
die Geschwindigkeit und die Leistungsaufnahme ständig besser wurde. In dem Maße, wie
die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich reduziert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente erhöht wird,
wird auch der verfügbare
Platz für
Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch
verbinden, verringert. Folglich müssen die Abmessungen dieser
Verbindungsleitungen verringert werden, um dem geringen Anteil an
verfügbarer
Fläche
und der gesteigerten Anzahl an Schaltungselementen pro Chip Rechnung
zu tragen. In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von
ungefähr
0,35 μm
und weniger ist ein begrenzender Faktor des Bauteilverhaltens die
Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen
wird. Da die Kanallänge
dieser Transistorelemente nunmehr 0,18 μm und weniger erreicht hat,
zeigt sich, dass die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren
beschränkt
ist, sondern auf Grund der erhöhten
Schaltungsdichte durch den geringen Abstand der Verbindungsleitungen
beschränkt ist,
da die Kapazität
von Leitung zu Leitung in Verbindung mit einer geringeren Leitfähigkeit
dieser Leitungen auf Grund der geringeren Querschnittsfläche ansteigt.
Die parasitären
RC-Zeitkonstanten
erfordern daher das Einführen
einer neuen Art von Material zur Herstellung der Metallisierungsschicht.
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Herkömmlich werden
Metallisierungsschichten mittels eines dielektrischen Schichtstapels
gebildet, der beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid
mit Aluminium als typisches Metall enthält. Da Aluminium eine deutliche
Elektromigration bei höheren
Stromdichten zeigt, die in integrierten Schaltungen mit äußerst größenreduzierten
Strukturelementen erforderlich sein können, wird Aluminium durch
Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand
und eine höhere
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration aufweist. Für
Bauelemente mit Strukturgrößen von
0,13 μm und
weniger zeigt sich, dass lediglich das Ersetzen von Aluminium durch
Kupfer nicht in der erforderlichen Weise die parasitären RC-Zeitkonstanten herabsetzt
und daher werden die gut etablierten und gut verstandenen dielektrischen
Materialien Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2)
und Siliziumnitrid (ε ungefähr 7) zunehmend
durch sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt.
Jedoch ist dieser Übergang von
der gut bekannten und gut etablierten Aluminium/Siliziumdioxidmetallisierungsschicht
zu einer Metallisierungsschicht mit einem Dielektrikum mit kleinem ε und Kupfer
mit einer Reihe von Problemen verknüpft, die es zu lösen gilt.
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Beispielsweise
kann Kupfer nicht in größeren Mengen
in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa
chemische und physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden.
Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch gut etablierte
anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden und daher wird die sogenannte Damaszener-Technik
bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen
eingesetzt. Typischerweise wird in der Damaszener-Technik die dielektrische
Schicht abgeschieden und anschließend mit Gräben und Kontaktdurchführungen
strukturiert, die nachfolgend mit Kupfer durch Plattierungsverfahren, etwa
Elektroplattieren oder stromloses Plattieren gefüllt werden. Auch ist die Damaszener-Technik
gegenwärtig
eine gut etablierte Technik für
die Herstellung von Kupfermetallisierungsschichten in standardmäßigen dielektrischen
Materialien, etwa Siliziumdioxid. Die Anwendung von Dielektrika
mit kleinem ε erfordert
das Entwickeln neuer dielektrischer Diffusionsbarrierenschichten,
um eine Kupferkontamination benachbarter Materialschichten zu vermeiden,
da Kupfer in einer Vielzahl von Dielektrika effizient diffundiert.
Obwohl Siliziumnitrid als eine effektive Kupferdiffusionsbarrierere
bekannt ist, die auch in effizienter Weise die Diffusion von beispielsweise
Sauerstoff in das kupferbasierte Metall verhindern kann, ist Siliziumnitrid
unter Umständen
in gewissen Anwendungen nicht akzeptabel, in denen dielektrische Schichtstapel
mit kleinem ε verwendet
sind, auf Grund der hohen Permittivität und auf Grund der reduzierten Ätzselektivität in anspruchsvollen
Kontaktlochätzprozessen.
Daher wird gegenwärtig
Siliziumkarbid als ein vielversprechender Kandidat für eine Kupferdiffusionsbarriere
betrachtet. Es zeigt sich jedoch, dass die Widerstandsfähigkeit
des Kupfers gegenüber
Elektromigration deutlich von der Grenzfläche zwischen dem Kupfer und
der benachbarten Diffusionsbarrierenschicht abhängt und daher ist es in modernen
integrierten Schaltungen mit hohen Stromdichten im Allgemeinen vorzuziehen,
bis zu 20% Stickstoff in der Siliziumkarbidschicht zu verwenden, wodurch
das Elektromigrationsverhaltens des Kupfers im Vergleich zu reinem
Siliziumkarbid deutlich verbessert wird.
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Die
DE 10 2004 042 168
A1 beschreibt eine Technik zur Herstellung einer Metallisierungsschicht in
einem Halbleiterbauelement, wobei eine Siliziumdioxidschicht mit
kompressiver Verspannung auf einer dielektrischen Barrierenschicht
und einer Auf SiCOH basierenden Schicht gebildet wird.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1e wird nunmehr
ein firmeninterner bisheriger Prozessablauf beschrieben, um die
bei der Herstellung einer Metallisierungsschicht mit Kupfer und
einem Dielektrikum mit kleinem ε beteiligten
Probleme detaillierter zu erläutern.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 100,
in der ein dielektrisches Material mit kleinem ε gemäß einer sogenannten Prozesssequenz
mit Kontaktloch zuerst und Graben zuletzt zu strukturieren ist,
die gegenwärtig als
ein sehr vielversprechender Prozessablauf bei der Strukturierung
von Dielektrika mit kleinem ε erachtet
wird. Die Halbleiterstruktur 100 umfasst ein Substrat 101,
das Schaltungselemente, etwa Transistoren, Widerstände, Kondensatoren,
und dergleichen aufweisen kann, und das eine untere Metallisierungsschicht 102 mit
einem Metallgebiet 103 umfasst, das in einem dielektrischen
Material 104 eingebettet ist. Abhängig von der entsprechenden
Ebene der unteren Metallisierungsschicht 102 kann das Metallgebiet 103 Kupfer
aufweisen und das Dielektrikum 104 kann ein Dielektrikum
mit kleinem ε sein,
etwa ein wasserstoffenthaltendes Siliziumoxikarbid (SiCOH). Eine
Barrierenschicht 105, die aus stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid
(SiCN) gebildet ist, und die auch als eine Ätzstoppschicht in der folgenden Ätzprozedur
zum Strukturieren einer darüber
liegenden dielektrischen Schicht mit kleinem ε 106 dient, ist auf
der Metallisierungsschicht 102 ausgebildet, wodurch das
Metallgebiet 103 eingeschlossen wird. Die dielektrische
Schicht 106 mit kleinem ε kann
abhängig
von der angewendeten Prozesssequenz eine Zwischenätzstoppschicht
(nicht gezeigt) aufweisen, die in vielen Anwendungen jedoch auch
weggelassen wird, um damit eine geringere Gesamtpermittivität zu erreichen.
Das dielektrische Material mit kleinem ε in der Schicht 106 kann
aus einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material mit kleinem ε, etwa SiCOH,
und dergleichen aufgebaut sein. Eine Deckschicht 108, die
beispielsweise aus Siliziumdioxid aufgebaut ist, oder die als eine
antireflektierende Beschichtung (ARC) vorgesehen ist, kann optional auf
der dielektrischen Schicht mit kleinem ε 106 angeordnet sein
und kann als eine Stoppschicht bei der Entfernung von überschüssigen Kupfer
in einem nachfolgenden chemisch-mechanischen Polierprozess (CMP)
dienen. Ein Lackmaske 109 mit einer Öffnung 110 ist über der
optionalen Deckschicht 108 ausgebildet.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 100,
wie sie in 1a gezeigt ist, kann die folgende
Schritte umfassen. Nach dem Einebnen der unteren Metallisierungsschicht 102 wird
die Barrieren/Ätzstoppschicht 105 beispielsweise
mittels einer plasmaunterstützten
chemischen Dampfabscheidung (PECVD) aus Trimethylsilan (3MS) und
Ammoniak (NH3) als Vorstufengase abgeschieden.
Anschließend
wird das wasserstoffenthaltende Siliziumoxikarbid abgeschieden,
wobei bei Bedarf die optionale Ätzstoppschicht
gebildet werden kann, wenn eine erste Dicke entsprechend einer Grabentiefe
während
des Abscheidens der dielektrischen Schicht 106 erreicht
ist. Danach das Abscheiden der Schicht 106 fortgesetzt
werden, um die erforderliche endgültige Dicke der Schicht 106 zu
erreichen. Als nächstes
wird die Deckschicht 108 mit einer spezifizierten Dicke
abgeschieden, falls diese vorgesehen ist. Die Deckschicht 108 kann
dabei helfen, eine Wechselwirkung des Dielektrikums mit kleinem ε der Schicht 106 mit
der darüber
liegenden Lackmaske 109 deutlich zu unterdrücken und
kann auch als eine CMP-Stoppschicht dienen. Anschließend wird
die Lackmaske 109 gemäß gut etablierter Lithographieverfahren
auf der Basis von Licht im tiefen UV-Bereich strukturiert, um die Öffnung 110 zu bilden
die die Abmessungen der in der dielektrischen Schicht 106 zu
bildenden Kontaktdurchführungen
bestimmt.
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1b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach einem anisotropen Ätzprozess
zur Herstellung einer Kontaktdurchführung 111 in der Deckschicht 108 und
der dielektrischen Schicht 106. Während des anisotropen Ätzverfahrens
weist die Barrieren/Ätzstoppschicht 105 eine
deutlich geringere Ätzrate
auf als die umgebende dielektrische Schicht 106, so dass
der Ätzprozess
in oder auf der Schicht 105 anhält, wobei die Schicht 105,
die aus SiCN aufgebaut ist, eine bessere Ätzselektivität im Vergleich
zu einer SiN-Schicht aufweisen kann, wie sie häufig als eine Ätzstoppschicht
verwendet wird. Danach kann der verbleibende Photolack, der während des
anisotropen Ätzprozesses
nicht abgetragen wurde, mittels eines Ätzschrittes in einer sauerstoffenthaltenden
Plasmaumgebung entfernt werden. Es sollte beachtet werden, dass
die Ätzstoppschicht 105 eine
Sauerstoffdiffusion in das Metallgebiet 103 während der
Lackveraschung und in anderen nachfolgenden Fertigungsprozessen
nicht so effizient unterdrückt
wie eine SiN-Schicht und damit kann die Kupferintegrität reduziert
sein.
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1c zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 in einem fortgeschrittenen
Fertigungsstadium. Die Kontaktdurchführung 111 ist mit
einem organischen antireflektierenden Beschichtungsmaterial gefüllt, um
damit einen Kontaktlochpfropfen 114 zu bilden, wobei das
organische Material auch auf der verbleibenden Oberfläche der
Struktur 100 vorgesehen wird, um damit eine antireflektierende Schicht 112 für die nachfolgende
Photolithographie zu bilden. Somit dienen der Pfropfen 114 und
die antireflektierende Schicht 112 dazu, die Topographie der
Halbleiterstruktur 100 vor der Herstellung einer weiteren
Photolackmaske 113, die eine Grabenöffnung 115 aufweist,
einzuebnen.
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Der
Kontaktlochpfropfen 114 und die antireflektierende Schicht 112 können durch
Aufschleuderverfahren und dergleichen gebildet werden, und die Photolackmaske 113 kann
durch moderne Lithographieverfahren, wie sie im Stand der Technik
bekannt sind, hergestellt werden.
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1d zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach dem Ende des
Grabenherstellungsschrittes und nach dem Entfernen der Schicht 112 und
des Pfropfens 114. D. h., ein Graben 117 ist in
der darunter liegenden Deckschicht 108 und dem oberen Bereich
der dielektrischen Schicht 106 gebildet.
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Der
Graben 117 kann auf der Grundlage gut etablierter Ätzverfahren
hergestellt werden. Danach kann die Ätzstoppschicht 105 vollständig geöffnet werden.
Während
dieses Ätzprozesses
ist das Maß an „Überätzung" des Kupfergebiets 103 abhängig von
der Gleichförmigkeit
des vorhergehenden Ätzprozesses
zur Herstellung der Kontaktlochöffnung 111 und
somit von der Selektivität
der Ätzstoppschicht 105,
da eine geringere Ätzselektivität zu einer geringeren
Dickengleichförmigkeit
der Ätzstoppschicht 105 innerhalb
der Kontaktlochöffnung 111 nach
dem Kontaktlochätzprozess
führen
kann. Nach dem Ätzen
durch die Ätzstoppschicht 105 in
der Öffnung 111 kann
ein Barrierenmetall und ein kupferbasiertes Metall in den Graben 117 und
in die Kontaktlochöffnung 111 eingefüllt werden.
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1e zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach dem Ende der
oben beschriebenen Prozesssequenz, wodurch eine Metallisierungsschicht 130 gebildet
ist.
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Die
Metallisierungsschicht 130 umfasst den Graben 117 und
die Kontaktdurchführung 111,
die mit einem kupferbasierten Metall 119 gefüllt sind,
wobei eine Barrierenmetallschicht 118 an inneren Seitenwänden des
Grabens 117 und der Kontaktdurchführung 111 und auf
deren unteren Flächen
ausgebildet ist. Eine Oberfläche 120 der
Metallisierungsschicht 130 ist eingeebnet, um die Herstellung
einer weiteren Metallisierungsschicht zu ermöglichen.
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Typischerweise
kann die Barrierenmetallschicht 118 durch physikalische
Dampfabscheidung, etwa Sputter-Abscheidung mit einer Dicke aufgebracht
werden, die einen ausreichenden Schutz gegenüber einer Kupferdiffusion bietet
und gleichzeitig für
eine erforderliche Haftung zu dem umgebenden dielektrischen Material
mit kleinem ε sorgt.
Typischerweise können
Tantal oder Tantalnitrid als Material für die Barrierenmetallschicht 118 verwendet
werden. Nachfolgend wird eine Kupfersaatschicht abgeschieden, um
den anschließenden
Abscheideprozess für den
Hauptanteil des Kupfers durch Elektroplattieren zu fördern. Das überschüssige Kupfer
wird dann durch chemisch-mechanisches Polieren entfernt, wobei die
Deckschicht 108 ebenso entfernt werden kann, zumindest
teilweise, und dabei als eine Stoppschicht dienen kann, um in zuverlässiger Weise
den CMP-Prozess zu steuern. Danach kann eine weitere Ätzstoppschicht,
etwa die Schicht 105, abgeschieden werden, um das Kupfer
einzuschließen
und um einen zuverlässigen Ätzstopp
während
der Herstellung einer nachfolgenden Metallisierungsschicht zu bilden.
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Die
Elektromigration von Kupfer hängt
deutlich von den Eigenschaften der Grenzfläche zu dem umgebenden Material
ab. Es ist daher wichtig, die Integrität des kupferbasierten Metalls
in Gebieten 121 zu bewahren, in denen das Kupfer des Metallgebiets 103 mit
der Barrierren/Ätzstoppschicht 105 oder
mit einer Ätzstoppschicht,
die noch auf dem Metall 119 zu bilden ist, in Kontakt ist.
Wie zuvor erläutert
ist, kann das SiNC-Material der Schicht 105 ein besseres Verhalten
im Hinblick auf die Ätzselektivität und die Permittivität, jedoch
eine reduzierte diffusionsblockierende Wirkung in Bezug auf beispielsweise Feuchtigkeit
und Sauerstoff im Vergleich zu SiN aufweisen. Somit kann sich ein
reduziertes Leistungsverhalten des Metallgebiets 103 oder 119 ergeben, wodurch
das Gesamtverhalten des Bauelements 100 beeinträchtigt werden
kann.
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Angesichts
der obigen Probleme besteht ein Bedarf für eine Technik, die es ermöglicht,
gute Barriereneigenschaften beizubehalten, wobei eines oder mehrere
der zuvor erkannten Probleme vermieden oder deren Auswirkungen zumindest
reduziert werden.
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Halbleiterbauelement
und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei ein erhöhter feuchtigkeits-
und sauerstoffdiffusionsblockierender Effekt bereitgestellt wird,
wobei dennoch ein erforderliches hohes Maß an Ätzselektivität beibehalten
wird. Ferner kann die Haftung der Ätzstoppschicht an dem darunter
liegenden kupferbasierten Material auf einem hohen Niveau gehalten
werden, wodurch in Verbindung mit einer erhöhten Integrität der Metalloberfläche, die
durch die verbesserte Feuchtigkeits- und Sauerstoffdiffusionsblockierwirkung
erreicht wird, zu einer erhöhten
Widerstandsfähigkeit
gegenüber Elektromigration
beigetragen wird. Dies kann erreicht werden, indem ein dielektrisches
Barrierenschichtstapel vorgesehen wird, in welchem eine ausgezeichnete
Haftung erreicht wird mittels einer ersten dielektrischen Schicht
und ebenso ein effizienter Einschluss des kupferbasierten Metalls
erreicht wird mittels einer zweiten dielektrischen Schicht, wobei
eine verbesserte Steuerung eines nachfolgenden Ätzprozesses erreicht werden
kann, indem eine dritte dielektrische Schicht mit einer erhöhten Ätzselektivität und einer
erhöhten
Dicke im Vergleich zu der ersten und der zweiten dielektrischen
Schicht vorgesehen wird, um damit einen zuverlässigen Stopp des betrachteten Ätzprozesses
zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Bauelement nach Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 12
und 22.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen auch aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor,
wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a bis 1e schematisch
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur mit einer Metallisierungsschicht
mit kleinem ε während diverser
Fertigungsphasen gemäß einem
konventionellen dualen Damaszener-Prozess zeigen; und
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2a bis 2e schematisch
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur während der Herstellung einer
Metallisierungsschicht zeigen, die einen dielektrischen Barrierenschichtstapel enthält, der eine
verbesserte Haftung, einen verbesserten Einschluss und eine höhere Ätzselektivität aufweist,
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulich
offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine effiziente Technik zur Herstellung
einer wirksamen Barrierenschicht, die eine moderat geringe relative
Permittivität
aufweist und ferner eine erforderliche hohe Ätzselektivität während der
Strukturierung eines dielektrischen Materials mit kleinem ε in modernen
Metallisierungsschichten hoch moderner Halbleiterbauelemente liefert,
wobei eine Haftung zu dem darunter liegenden Metallgebiet auf einem
hohen Wert gehalten wird, wodurch eine „starke" Grenzfläche mit einer reduzierten Neigung
für eine
belastungsinduzierte Metallwanderung, etwa Elektromigration, bereitgestellt wird.
Beispielsweise zeigt stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid (SiCN)
eine ausgezeichnete Haftung zu Kupfer insbesondere in Verbindung
mit einer geeigneten Vorbehandlung vor der eigentlichen SiCN-Abscheidung. Beispielsweise
kann der Koeffizient GC, der die zum Entfernen
eines Materials von einer Oberfläche
erforderliche Energie beschreibt, größer als 20 J/m2 für SiCN sein,
das auf einer Kupferoberfläche
gebildet ist, was für
ein ganzflächiges
Substrat gemessen wird, wobei dies zu vergleichen ist beispielsweise
mit Gc < 10
J/m2 für
eine Siliziumnitridschicht.
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Um
insgesamt eine Verbesserung des Leistungsverhaltens der Barrierenschicht
zu erreichen, wird in der vorliegenden Erfindung berücksichtigt, dass
ein effizienter Einschluss von kupferbasierten Metallgräben erreicht
werden kann, indem eine dünne
dielektrische Schicht vorgesehen wird, die für einen verbesserten Kupfereinschluss
sorgt und die ebenso in effizienter Weise die Diffusion von Feuchtigkeit
und Sauerstoff in das Kupfer unterdrückt, wodurch die Oberflächenintegrität der kupferbasierten Oberfläche deutlich
verbessert wird. Ferner wird eine dünne Haftschicht vorgesehen,
die mit dem Metall in Kontakt ist, wodurch die Stärke der
resultierenden Grenzfläche
zwischen Metall und Dielektrikum weiter verbessert wird. Beispielsweise
ist Siliziumnitrid ein gut bewährtes
Material, das in effizienter Weise eine Sauerstoffdiffusion unterdrückt und
damit ein äußerst geeignetes
Material zur Herstellung einer dielektrischen Schicht zur Reduzierung
der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsdiffusion in das Kupfer repräsentiert.
Im Gegensatz zu konventionellen Vorgehensweise wird in der vorliegenden
Erfindung jedoch die entsprechende Schichtdicke relativ klein gewählt, beispielsweise
im Bereich von ungefähr
5 bis 20 nm, wodurch der Einfluss auf die gesamte relative Permittivität des resultierenden
Barrierenschichtstapels bei moderat kleinen Werten bleibt. Ferner
wird die moderat dünne Barrierenschicht
mit der verbesserten sauerstoff- und feuchtigkeitsdiffusionsblockierenden
Wirkung in Verbindung mit einer dielektrischen Schicht mit verbesserter
Haftung vorgesehen, die in einer anschaulichen Ausführungsform
aus einer stickstoffenthaltenden Siliziumkarbidschicht aufgebaut
ist, die direkt auf der Metalloberfläche gebildet wird, wobei eine
Dicke der Haftschicht deutlich kleiner sein kann im Vergleich zu
konventionellen Verfahren, in denen eine einzelne SiCN-Barrierenschicht
verwendet wird, wie dies zuvor beschrieben ist. Somit kann in modernen Bauelementen
die Dicke der SiCN-Schicht im Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 30 nm
liegen. Ferner können
die obigen Schichten mit einer dritten dielektrischen Schicht kombiniert
werden, die im Wesentlichen als eine effiziente Ätzstoppschicht dient und auch
im Wesentlichen die gesamte relative Permittivität des gesamten Barrierenschichtstapels
bestimmt. In anschaulichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann stickstoffangereichertes Siliziumkarbid
mit einer deutlich größeren Dicke im
Vergleich zu der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht verwendet
werden, um damit eine zuverlässige
Steuerung eines entsprechenden Kontaktlochätzprozesses zu gewährleisten,
während
dennoch die relative Permittivität
auf dem erforderlichen geringen Niveau gehalten wird. In einer anschaulichen
Ausführungsform
kann die Abscheidung des Barrierenschichtstapels in einem in-situ-Prozess erreicht
werden, d. h. mittels eines Abscheideprozesses, in welchem das Vakuum
durchwegs über
den gesamten Prozess aufrecht erhalten wird, wodurch die Prozesskomplexität vereinfacht
und auch Kupferdefekte und eine Substratkontamination reduziert werden.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2e werden weitere
anschauliche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nunmehr detailliert beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Halbleiterstruktur 200 in Querschnittsansicht
gemäß weiterer anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Die Halbleiterstruktur 200 umfasst
ein Substrat 201, über
welchem ein Metallgebiet 203 angeordnet ist, zu dem eine
vertikale elektrische Verbindung herzustellen ist. Beispielsweise
kann in äußerst anspruchsvollen
Anwendungen es für
Halbleiterbauelemente erforderlich sein, dass eine Vielzahl von Metallisierungsschichten
vorgesehen wird, um, wie zuvor erläutert ist, die hohe Anzahl
an elektrischen Verbindungen bereitzustellen. Folglich kann in anschaulichen
Ausführungsformen
eine erste Metallisierungsschicht 202 über dem Substrat 201 gebildet werden,
wobei, wie zuvor mit Bezug zu den 1 bis 1e erläutert ist,
das Substrat 201 beliebige Schaltungselemente, etwa Transistoren,
Widerstände,
Kondensatoren und dergleichen aufweisen kann, für die die erste Metallisierungsschicht 202 einen elektrischen
Kontakt entsprechend einem spezifizierten Schaltungsplan liefert.
Die erste Metallisierungsschicht 202 kann die unterste
Metallisierungsschicht repräsentieren
oder kann eine beliebige Zwischenmetallisierungsschicht repräsentieren, über der
eine oder mehrere weitere Metallisierungsschichten herzustellen
sind. Die erste Metallisierungsschicht 202 umfasst eine
erste dielektrische Schicht 204, die ein dielektrisches
Material mit kleinem ε aufweisen
kann, und umfasst ferner das Metallgebiet 203, das in dem dielektrischen
Material der Schicht 204 eingebettet ist. In anschaulichen
Ausführungsformen
ist das Metallgebiet 203 aus Kupfer oder Kupferlegierungen aufgebaut,
wobei vorteilhafterweise eine leitende Barrierenschicht 216 zwischen
dem dielektrischen Material 204 und dem kupferbasierten
Metall des Metallgebiets 203 vorgesehen ist. Eine erste
dielektrische Schicht 257, die ein Teil eines dielektrischen Barrierenschichtstapels
ist, ist über
der ersten Metallisierungsschicht 202 ausgebildet, so dass
diese mit dem Metallgebiet 203 in Kontakt ist. Die erste
dielektrische Schicht 257 kann aus einem Material hergestellt
sein, das eine gute Haftung zu dem Material des Metallgebiets 203 sicherstellt,
wodurch eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegen eine belastungsinduzierte Materialwanderung, etwa Elektromigration,
gewährleistet
ist. Beispielsweise ist stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid, das
auch als SiCN bezeichnet wird, unabhängig von dem tatsächlichen
Stickstoffanteil, ein geeigneter Kandidat auf Grund der ausgezeichneten
Haftung an Kupfer. Da eine Dicke 257a der Schicht 257 relativ
klein gewählt
werden kann, kann der Stickstoffanteil im Hinblick auf die Haftungseigenschaften
anstatt im Hinblick auf die Gesamtpermittivität und/oder die diffusionsblockierenden
Eigenschaften gewählt
werden. Somit kann für
einen Wert von ungefähr
5 nm bis 30 nm, beispielsweise 10 nm, für die Dicke 257a eine
Stickstoffkonzentration von ungefähr 20 bis 35 Atomprozent in
die stickstoffenthaltende Siliziumkarbidschicht 257 eingebaut
werden.
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Ferner
ist eine zweite dielektrische Schicht 251 auf der ersten
dielektrischen Schicht 257 gebildet. Die dielektrische
Schicht 251 kann aus einem Material hergestellt sein, das
eine hohe diffusionsblockierende Wirkung in Bezug auf Sauerstoff,
Feuchtigkeit und Kupfer aufweist, um damit eine unerwünschte Diffusion
von Kupfer von dem Gebiet 203 in benachbarte dielektrische
Materialien, die noch über dem
Metallgebiet 203 zu bilden sind, zu vermeiden und ferner
auch eine Feuchtigkeits- und Sauerstoffdiffusion in das Metallgebiet 203 zu
unterdrücken.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform kann
die dielektrische Schicht 251 aus Siliziumnitrid (Si3N4) aufgebaut sein,
das auch als SiN bezeichnet wird, wobei eine Dicke 251 der
dielektrischen Schicht 251 relativ klein gewählt werden
kann auf Grund der ausgezeichneten diffusionsblockierenden Eigenschaften,
wodurch auch der Einfluss der Schicht 251 auf die gesamte
relative Permittivität
des Barrierenschichtstapels, der noch zu vervollständigen ist,
relativ gering ist. Beispielsweise kann in Abhängigkeit der Abscheideverfahren
und nachgeordneten Behandlungen die relative Permittivität der Schicht 251, wenn
diese aus Siliziumnitrid aufgebaut ist, ungefähr 7,0 oder höher sein.
Somit beeinflusst in äußert größenreduzierten
Halbleiterbauelementen mit kritischen Strukturgrößen, etwa der Gatelänge von MOS-Transistoren
(nicht gezeigt) von 100 nm und sogar weniger, beispielsweise 50
nm und weniger, die Gesamtpermittivität des resultierenden Zwischenschichtdielektrikumsstapels
einer Metallisierungsschicht deutlich das Gesamtverhalten des Halbleiterbauelements 200.
Folglich wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Dicke 251a zu
ungefähr
20 nm oder weniger gewählt
und kann, abhängig
von der betrachteten Anwendung, bei ungefähr 5 nm bis ungefähr 20 nm
liegen. In einem anschaulichen Beispiel wird die Dicke 251 auf
ungefähr 10
nm eingestellt.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200,
wie es in 2a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Zunächst
werden Schaltungselemente oder andere Mikrostrukturelemente auf
dem Substrat 201 auf der Grundlage gut etablierter Prozessverfahren
hergestellt, die mikroelektronische Techniken, etwa Photolithographie, Ätzen, Implantieren,
Abscheiden und dergleichen umfassen. Nach der Vollendung von Schaltungselementen
wird die Metallisierungsschicht 202 auf der Grundlage von
Prozessverfahren gebildet, wie sie auch für die Herstellung einer nachfolgenden
Metallisierungsschicht eingesetzt werden, wie dies später beschrieben
ist. Somit werden entsprechende Prozesse, die mit der Schicht 202 verknüpft sind,
hier nicht detaillierter beschrieben. Anschließend wird die erste dielektrische
Schicht 257 mittels einer plasmaunterstützten CVD (chemische Dampfabscheidung) 253 aufgebracht,
während
welcher eine Plasmaumgebung auf der Grundlage geeigneter Vorstufen-
und Trägergase
eingerichtet wird, um die gesteuerte Abscheidung eines geeigneten Materials
zu ermöglichen,
das in einer Ausführungsform
durch stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid repräsentiert ist, um die Schicht 257 mit
der Dicke 257a zu bilden, die auf der Grundlage einer entsprechend definierten
Solldicke gesteuert wird. Es sollte beachtet werden, dass vor dem
Abscheideprozess 253 eine geeignete Behandlung ausgeführt werden
kann, um Kontaminationsstoffe und Oberflächenunregelmäßigkeiten
aus dem Gebiet 203 und auch von Oberflächenbereichen der dielektrischen
Schicht 204 zu entfernen. In einer anschaulichen Ausführungsform
wird eine plasmabasierte Reinigungsbehandlung ausgeführt, um
oxidierte und erodierte Bereiche von der Oberfläche des Metallgebiets 203 vor
dem eigentlichen Abscheideprozess 253 zu enffernen, wobei
die Plasmabehandlung in-situ mit dem Abscheideprozess 253 ausgeführt wird,
d. h., ein Kontakt des Substrats 201 mit Umgebungsluft
wird im Wesentlichen im Übergang
von der Plasmareinigungsbehandlung zu dem eigentlichen Abscheideprozess
für die
Schicht 257 vermieden. Wenn beispielsweise die Schicht 257 als
eine SiCN-Schicht abgeschieden wird, kann eine in-situ-Plasmavorbehandlung
auf der Grundlage von Ammoniak (NH3) und
Stickstoff (N2) ausgeführt werden und danach wird
ein Vorstufenmaterial, etwa 3MS oder 4MS zugeführt, um die Abscheideumgebung 253 einzurichten.
Es sollte beachtet werden, dass zum Einrichten der Plasmaumgebung
für die
Abscheideatmosphäre 253 eine
beliebige geeignete Abscheideanlage, etwa das System „Producer" von Applied Materials,
Inc., verwendet werden kann. In anderen anschaulichen Ausführungsformen
kann eine beliebige erforderliche Vorabscheidebehandlung auf der
Grundlage von Wärme- und/oder
chemischen Behandlungen ausgeführt
werden, wobei im Wesentlichen keine Plasmaumgebung eingesetzt wird.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform, wenn
die oben spezifizierte Abscheideanlage verwendet wird, kann SiCN
während
des Prozesses 253 auf der Grundlage der folgenden Prozessparameter abgeschieden
werden. Ein Druck in der Umgebung der Abscheideatmosphäre 253 wird
ungefähr
auf 2,7 bis 3,3 Torr, beispielsweise ungefähr auf 3,0 Torr eingestellt.
Die Substrattemperatur kann auf ungefähr 350 Grad C bis ungefähr 400 Grad
C, beispielsweise ungefähr
370 Grad C eingestellt werden. Die Abscheidung 253 kann
auf der Grundlage von Trimethylsilan (3MS), Ammoniak (NH3) und Helium als Vorstufen- bzw. Trägergase
mit Durchflussraten von ungefähr
140 bis ungefähr
180, beispielsweise ungefähr
160 sccm (Standardkubikzentimenter pro Minute), ungefähr 300 bis
ungefähr
360, beispielsweise ungefähr
325 sccm und ungefähr
350 bis ungefähr 450,
beispielsweise ungefähr
400 sccm für
3MS, NH3 und He durchgeführt werden. Die RF-(Radiofrequenz)Leistung
kann auf ungefähr
250 bis 350 Watt, beispielsweise 300 Watt eingestellt werden, was
zu einer Abscheidezeit von ungefähr
3 bis 5 Sekunden für
eine Schichtdicke 257a von ungefähr 90 bis 110 Angstrom, d.
h. 8 bis 12 nm führt.
Für die
beispielhaften Werte, die zuvor aufgeführt sind, führt eine Abscheidezeit von
ungefähr
4,3 Sekunden zu einer SiCN-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 10 nm und
einem Stickstoffanteil von ungefähr
25 Atomprozent.
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Anschließend wird
die Abscheideumgebung 253 modifiziert, um das Abscheiden
der zweiten dielektrischen Schicht 251 zu ermöglichen,
so dass die Anwesenheit von Sauerstoff und Feuchtigkeit nach dem
Abscheiden der ersten Schicht 257 effizient unterdrückt wird.
Beispielsweise können
geeignete Spül-
und Pumpschritte ausgeführt
werden, um die Abscheideumgebung 253 für die in-situ-Herstellung der
Schicht 251 vorzubereiten. In einer anschaulichen Ausführungsform
wird die Schicht 251 als eine Siliziumnitridschicht vorgesehen,
wobei für
die oben spezifizierte Abscheideanlage die folgenden Prozessparameter
verwendet werden können.
Ein Druck in der Umgebung der Abscheideatmosphäre 253 kann auf ungefähr 4,5 bis
5,0 Torr, beispielsweise ungefähr 4,8
Torr eingestellt werden. Die Substrattemperatur wird auf ungefähr 350 Grad
C bis ungefähr
400 Grad C, beispielsweise auf ungefähr 370 Grad C eingestellt.
Die Abscheidung 253 kann auf der Grundlage von Silan (SiH4), Ammoniak (NH3)
und Stickstoff (N2) als Vorstufen- und Trägergase
mit Durchflussraten von ungefähr
120 bis ungefähr
170, beispielsweise ungefähr
150 sccm, ungefähr
240 bis ungefähr
290, beispielsweise 260 sccm und ungefähr 8000 bis ungefähr 9000,
beispielsweise ungefähr
8600 sccm für SiH4, NH3 bzw. N2 erfolgen. Die RF-(Radiofrequenz)Leistung
kann auf ungefähr
400 bis 600 Watt, beispielsweise ungefähr 520 Watt eingestellt werden, was
zu einer Abscheidezeit von ungefähr
1 bis 3 Sekunden mit einer Schichtdicke 251a von ungefähr 80 bis
120 Angstrom, d. h. 8 bis 12 nm führt. Für die beispielhaften oben bezeichneten
Werte führt
eine Abscheidezeit von ungefähr
2 Sekunden zu einer Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von ungefähr 10 nm.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Hier ist eine dritte dielektrische Schicht 252 über der
zweiten dielektrischen Schicht 251 gebildet, wobei in anschaulichen
Ausführungsformen
die dritte dielektrische Schicht 252 direkt auf der zweiten
dielektrischen Schicht 251 gebildet ist. In einer anschaulichen
Ausführungsform
ist die dielektrische Schicht 252 aus einem Material aufgebaut, das
eine erhöhte Ätzselektivität in Bezug
auf einen nachfolgenden Kontaktlochätzprozess aufweist, um damit
eine verbesserte Ätzsteuerung
im Vergleich zu konventionellen Vorgehensweisen zu ermöglichen,
in denen ein einzelnes Material als Ätzstopp- und Barrierenschicht
für äußerst moderne
Halbleiterbauelemente eingesetzt wird. Wie zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1e erläutert ist,
wird stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid (SiCN) häufig als eine Ätzstoppschicht
eingesetzt, auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die
Permittivität
und die Ätzselektivität. Die geringere
feuchtigkeits- und sauerstoffblockierende Wirkung des stickstoffenthaltenden Siliziumkarbids,
das das Gesamtverhalten der Ätzstoppschicht
in konventionellen Techniken beeinträchtigt, kann in der vorliegenden
Erfindung ausreichend kompensiert werden, da ein Barrierenschichtstapel,
der hierin als 250 bezeichnet ist und der in anschaulichen
Ausführungsformen
durch die Schichten 251 und 252 aufgebaut ist,
deutlich die Wahrscheinlichkeit von Oberflächendefekten in dem Metallgebiet 203 auf
Grund des Vorhandenseins der äußerst effizienten
sauerstoff- und feuchtigkeitsblockierenden Schicht 251 reduziert.
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Die
dritte dielektrische Schicht 252 besitzt eine Dicke 252a,
die so eingestellt ist, dass die erforderliche Ätzsteuerung in den nachfolgenden
Kontaktlochätzprozess
möglich
ist. In anschaulichen Ausführungsformen
liegt die Dicke 252a in einem Bereich von ungefähr 30 nm
bis ungefähr
80 nm, beispielsweise bei ungefähr
50 nm, wenn die Schicht 252 im Wesentlichen aus stickstoffenthaltendem
Siliziumkarbid aufgebaut ist, wobei ein Stickstoffanteil im Bereich
von ungefähr
15 bis 30 Atomprozent, zumindest an einer Grenzfläche 252c liegt.
Die Schicht 252 kann mittels eines zweiten Abscheideprozesses 254 auf
der Grundlage einer weiteren Plasmaumgebung hergestellt werden,
die silanbasierte Vorstufengase und Ammoniak in Verbindung mit einem
inerten Trägergas,
etwa Helium, aufweist. In einer anschaulichen Ausführungsform
kann der Prozess 254 auf der Grundlage einer Plasmaumgebung
ausgeführt
werden, die Trimethylsilan (3MS) und Ammoniak und Helium enthält, während in
anderen Ausführungsformen
4MS und Ammoniak und Helium verwendet werden können. Wenn beispielsweise eine
Abscheideanlage, etwa das oben genannte „Producer"-System von Applied Materials, Inc.,
verwendet wird, können die
folgenden Parameterbereiche angewendet werden. Der Druck innerhalb
der Plasmaumgebung des Prozesses 254 kann im Bereich von
ungefähr
2,7 bis ungefähr
3,3, beispielsweise 3,0 Torr liegen. Die Temperatur reicht von ungefähr 330 Grad
C bis ungefähr
400 Grad C und liegt beispielsweise bei ungefähr 370 Grad C. Die Durchflussraten
für 3MS,
Ammoniak und Helium liegen entsprechend bei ungefähr 120 bis ungefähr 200,
beispielsweise ungefähr
160 sccm, bei ungefähr
290 bis ungefähr
360, beispielsweise ungefähr
325 sccm und bei ungefähr
350 bis 450, beispielsweise ungefähr 400 sccm. Die Radiofrequenzleistung
kann auf ungefähr
270 bis ungefähr
330, beispielsweise ungefähr
300 Watt eingestellt werden.
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Mit
den oben genannten Parametern und einer Abscheidezeit im Bereich
von ungefähr
15 bis 25 Sekunden kann die Dicke 252a im Bereich von ungefähr 30 bis
80 nm liegen. Als anschauliches Beispiel sei genannt, dass ein Abscheidezeit
von ungefähr 21,5
Sekunden mit den anschaulichen Parameterwerten, wie sie oben angegeben
sind, zu einer Schichtdicke von ungefähr 50 nm führen kann. Es sollte beachtet
werden, dass die Dicke 252a effizient auch auf der Grundlage
eines vordefinierten Sollwertes gesteuert werden kann, der eine
gewünschte Schichtdicke
repräsentiert,
um damit die gewünschte Ätzsteuerung
in dem nachfolgenden Kontaktlochätzprozess
zu erreichen.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform wird
der Barrierenschichtstapel 250, der aus der ersten Schicht 257,
der zweiten Schicht 251 und der dritten Schicht 252 aufgebaut
ist, in-situ gebildet, d. h. die Vakuumbedingungen während und
zwischen den Abscheideprozessen 253 und 254 werden
im Wesentlichen über
die gesamte Prozesssequenz hinweg aufrecht erhalten, wobei geeignete Übergangsschritte
und Stabilisierungsschritte ausgeführt werden können, um
von der Abscheideumgebung des Prozesses 253 zu der Abscheideumgebung
des Prozesses 254 zu wechseln. Somit kann das Metallgebiet 203 in
effizienter Weise durch die dielektrische Schicht 251 eingeschlossen
werden, wobei deutlich die Wahrscheinlichkeit für eine Sauerstoff- und Feuchtigkeitsdiffusion
in das Gebiet 203 reduziert wird. Ferner kann durch Aufrechterhalten
der Vakuumbedingung während
der Übergangsphase
zum Einrichten der Abscheideumgebung des Prozesses 254 ein
Kontakt mit Sauerstoff und Feuchtigkeit der Schicht 251 deutlich
reduziert werden und nach der Bildung der Schicht 252 ein
noch besserer Einschluss des Metallgebiets 203 erreicht
werden. Beispielsweise kann für
das oben spezifizierte Abscheiderezept des Prozesses 253 ein
geeignet gestalteter Pumpschritt ausgeführt werden, um eine entsprechende
Prozesskammer nach der Abscheidung 253 mit beispielsweise
Stickstoff zu spülen,
um damit effizient Nebenprodukte des Abscheideprozesses zu entfernen.
Danach kann die Prozesskammer mit Helium beim Prozessdruck, wie
er für
den zweiten Abscheidprozess 254 erforderlich ist, beschickt
werden. Danach können
die Vorstufengase 3MS und Ammoniak zusätzlich zugeführt werden,
wobei im Wesentlichen der gleiche Gesamtdruck aufrecht erhalten wird.
Danach kann der eigentliche Abscheideprozess 254 in Gang
gesetzt werden, indem das Plasma durch Zuführen der erforderlichen RF-Leistung in die Umgebung
der Abscheideatmosphäre 254 gezündet wird.
Es sollte beachtet werden, dass daher der Begriff „in-situ" als ein Prozess
zu verstehen ist, während
welchem ein Kontakt der Schicht 251 nach dem Abscheiden
mit Umgebungsluft im Wesentlichen vermieden wird und eine Vakuumbedingung,
d.h. ein Druck entsprechend den jeweiligen Abscheidedrücken oder
darunter, während
der ersten Abscheidung 253 zur Bildung der ersten und der
zweiten Schichten 257 und 251 und der zweiten
Abscheidung 254 und in jeweiligen Zwischenphasen aufrecht
erhalten wird. Diese Definition des Begriffs „in-situ" schließt nicht notwendigerweise Prozesse
aus, die in unterschiedlichen Prozesskammer ausgeführt werden,
solange ein optionaler Substrattransport ohne Kontakt zur Umgebungsluft
sichergestellt ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen
können
die Abscheideprozesse 253 und 254 möglicherweise
in Verbindung mit einer Plasmabehandlung in der gleichen Prozesskammer
in einer geeigneten Abscheideanlage ausgeführt werden.
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In
anspruchsvollen Anwendungen kann es wünschenswert sein, den Barrierenschichtstapel 250 mit
einer reduzierten Menge an Stickstoff zu versehen, zumindest an
einer Oberfläche,
die mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε, die auf
dem Barrierenschichtstapel 250 auszubilden ist, in Kontakt gerät. Beispielsweise
wird angenommen, dass Stickstoff, der in der Nähe einer Grenzfläche vorhanden ist,
die zwischen dem Barrierenschichtstapel 250 und einem dielektrischen
Material mit kleinem ε ausgebildet
ist, in das dielektrische Material mit kleinem ε diffundieren und schließlich mit
einer Lackmaske in Kontakt kommen kann, die für die weitere Strukturierung
des dielektrischen Materials mit kleinem ε verwendet wird. In diesem Falle
können
Stickstoff oder Radikale, die daraus gebildet werden, deutlich das photochemische
Verhalten des Photolacks ändern, woraus
sich unerwünschte
strukturelle Unregelmäßigkeiten
ergeben können.
Folglich wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Abscheideprozess 254 so
gesteuert, dass der Anteil an Stickstoff in der Schicht 252 mit
zunehmender Prozesszeit reduziert wird. D. h. mit zunehmender Dicke
während des
Abscheidens 254 wird der Stickstoffanteil reduziert, wodurch
sich eine Oberfläche 252b ergibt,
die einen reduzierten Stickstoffanteil und damit eine reduzierte
Wahrscheinlichkeit für
eine Stickstoffdiffusion in Lackmasken aufweist, die zur Strukturierung des
nachfolgend gebildeten dielektrischen Schichtstapels mit kleinem ε verwendet
werden. Für
ein Abscheiderezept, wie es zuvor für den Prozess 254 spezifiziert
ist, kann das Verhältnis
von 3MS und Ammoniak den Anteil an Stickstoff im Wesentlichen bestimmen,
der in die Schicht 252 eingebaut wird. Um einen deutlich
reduzierten Stickstoffanteil an der Oberfläche 252b zu erhalten,
oder um eine im Wesentlichen stickstofffreie Oberfläche 252b zu
erreichen, wird die Zufuhr von Ammoniak reduziert oder beendet,
nachdem eine gewisse Dicke abgeschieden ist. Der Zeitpunkt für das Abschalten
oder Reduzieren der Ammoniakzuführung
kann auf der Grundlage eines Sollwertes für die Dicke 252 so
festgelegt werden, dass ein graduelles Abnehmen des Anteils an Stickstoff, der
in den verbleibenden Bereich der Schicht 252 eingebaut
wird, erreicht wird. Beispielsweise können ungefähr 20 bis 50 nm, abhängig von
den Bauteilerfordernissen, abgeschieden werden, wobei Stickstoff mit
einer Konzentration von ungefähr
15 bis 30 Atomprozent oder mehr eingebaut wird. Danach kann die Ammoniakzufuhr
unterbrochen oder reduziert werden, so dass beispielsweise ungefähr 20 bis
30 nm Siliziumkarbid mit reduziertem Stickstoffanteil gebildet werden,
um damit die gewünschte
Solldicke zu erreichen. Selbst für
eine vollständige
Unterbrechung der Ammoniakzufuhr kann der resultierende Stickstoffanteil
ein allmählich
abnehmendes Profil zeigen, wobei die Prozessparameter der Abscheidung 254 so
eingestellt werden können,
dass im Wesentlichen eine stickstofffreie Oberfläche 252b erreicht
werden kann. D. h., der Oberflächenbereich 252 kann
als eine Siliziumkarbidschicht betrachtet werden. In anderen Ausführungsformen
kann die Oberflächenschicht 252b noch
einen gewissen jedoch reduzierten Stickstoffanteil aufweisen.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der der Barrierenschichtstapel 250 eine
vierte dielektrische Schicht 255 aufweist, die eine andere
Materialzusammensetzung und/oder Dicke im Vergleich zumindest zu
der Schicht 252 aufweist. Beispielsweise kann nach dem
Abscheiden der Schicht 252 mittels des Prozesses 254 ein
weiterer separater oder ein in-situ-Abscheideprozess auf der Grundlage
einer geeigneten plasmagestützten
Abscheideatmosphäre ausgeführt werden,
um die vierte Schicht 255 mit einer Dicke 255a bereitzustellen,
die kleiner als die Dicke 252a. Somit bestimmt die Schicht 252 dennoch im
Wesentlichen die Ätz-
und Permittivitätseigenschaften
des gesamten Barrierenschichtstapels 250. Wie zuvor erläutert ist,
kann es vorteilhaft sein, die vierte Schicht 255 im Wesentlichen
ohne Stickstoff vorzusehen, um damit eine Stickstoffdiffusion in nachfolgenden
Prozessen zu reduzieren. Daher ist in einer anschaulichen Ausführungsform
die Schicht 255 im Wesentlichen aus Siliziumkarbid aufgebaut, das
eine moderat geringe Permittivität
zeigt, wodurch das Gesamtverhalten des Schichtstapels 250 nicht unerwünscht beeinträchtigt wird.
Die Schicht 255 kann auf der Grundlage von 3MS oder 4MS
in Verbindung mit Helium abgeschieden werden, wie dies auch mit
Bezug zu 2b erläutert ist. In anderen Ausführungsformen
können
andere stickstofffreie Deckschichten als die Schicht 255 vorgesehen
werden, beispielsweise welche, die aus Siliziumdioxid aufgebaut
sind, wobei ein negativer Einfluss des Sauerstoffs während der
Herstellung der Siliziumdioxidschicht im Wesentlichen auf Grund
des Vorsehens der zweiten dielektrischen Schicht 251 vermieden werden
kann. Somit wird eine effiziente Barriere gegen eine Stickstoffdiffusion
durch die Schicht 255 bereitgestellt, wobei im Wesentlichen
kein Einfluss im Hinblick auf den nachfolgenden Ätzprozess hervorgerufen wird,
selbst wenn die Schicht 255 aus Siliziumdioxid aufgebaut
ist.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine dielektrische Schicht 206 mit kleinem ε über dem
Barrierenschichtstapel 250 gebildet ist und wobei eine
Deckschicht 208 noch auf der Oberseite des dielektrischen
Materials 206 mit kleinem ε gebildet sein kann. Ferner
ist eine Kontaktdurchführungsöffnung 211 durch
die dielektrische Schicht mit kleinem ε 206 und teilweise
in die Schicht 252 des Stapels 250 gebildet. Die
Halbleiterstruktur 200 kann entsprechend im Wesentlichen
zu den gleichen Prozessen hergestellt werden, wie sie zuvor mit Bezug
zu den 1a und 1b beschrieben
sind, wobei während
eines entsprechenden anisotropen Ätzprozesses ein hohes Maß an Ätzselektivität durch die
Schicht 252 erreicht wird, wodurch ein zuverlässiges Stoppen
des Kontaktdurchführungsätzprozesses in
der Schicht 252 gewährleistet
ist. Ferner kann, wie zuvor erläutert
ist, in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Barrierenschicht 250 darin
ausgebildet einen im Wesentlichen stickstoffverarmten Bereich, etwa
die Schicht 255 aufweisen, wodurch ebenso das Gesamtverhalten
des Ätzprozesses
verbessert wird, das unerwünschte
stickstoffinduzierte Wechselwirkungen mit einer entsprechenden Lackmaske
deutlich reduziert sein können.
Danach kann die weitere Bearbeitung in ähnlicher Weise fortgesetzt
werden, wie dies auch mit Bezug zu den 1c bis 1e beschrieben
ist.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, d.h. nach der Ausbildung
metallgefüllter
Kontaktdurchführungen
und Gräben
in der dielektrischen Materialschicht 206 mit kleinem ε auf der Grundlage
gut etablierter Damaszener-Verfahren, wie dies zuvor beschrieben
ist.
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Somit
umfasst das Halbleiterbauelement 200 ein kupferbasiertes
Metall 219, das in einen entsprechenden Graben und in die
Kontaktdurchführungsöffnung 211 eingefüllt ist,
die nun mit dem Gebiet 203 elektrisch verbunden ist. Ferner
ist eine leitende Barrierenschicht 218 an Seitenwänden und
unteren Bereichen des Grabens und der Kontaktdurchführung gebildet.
Ferner kann ein zweiter Barrierenschichtstapel 250a auf
der dielektrischen Schicht 206 und dem Metall 219 gebildet
sein, wodurch das Metall 219 eingeschlossen ist und eine
Sauerstoff- und Feuchtigkeitsdiffusion in das Metall 219 im Wesentlichen
reduziert ist, während
andererseits eine hohe Haftung und die erforderliche Ätzselektivität in einem nachfolgenden
Fertigungsprozess zur Herstellung einer weiteren Metallisierungsschicht über dem
Metall 219 erreicht wird. Folglich kann der zweite Barrierenschichtstapel 250a im
Wesentlichen die gleiche Konfiguration aufweisen, wie dies mit Bezug
zu den Barrierenschichtstapel 250 erläutert ist. Es sollte jedoch beachtet
werden, dass die Barrierenschichtstapel 250 und 250a nicht
notwendigerweise die gleiche Konfiguration in dem gleichen Bauelement
aufweisen. Beispielsweise kann in weiter oben liegenden Metallisierungsschichten
eine erhöhte
mechanische Integrität
des Metalls 219 als vorteilhaft erachtet werden, und daher
kann der Barrierenschichtstapel 250a eine Konfiguration
aufweisen, wie dies zuvor erläutert
ist, während
der Schichtstapel 250 noch gemäß konventioneller Herstellungsschemata
gebildet ist, so dass der Stapel 250 tatsächlich aus
einer einzelnen Schicht aufgebaut ist, etwa einer Siliziumnitridschicht
oder stickstoffenthaltenden Siliziumkarbidschicht. In anderen Ausführungsformen
besitzen der Schichtstapel 250 und der Schichtstapel 250a beide die
verbesserten Leistungseigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung,
können
sich jedoch in ihrer Konfiguration auf Grund von Prozess- und Bauteilerfordernissen
unterscheiden. Beispielsweise kann der Schichtstapel 250 eine
4-Schichtkonfiguration
mit beispielsweise einer im Wesentlichen stickstofffreien Oberschicht
aufweisen, wie dies mit Bezug zu der Schicht 255 (siehe 2c)
erläutert
ist, oder die dielektrische Schicht 252 kann einen reduzierten
Stickstoffanteil an der oberen Fläche 252b (2b)
aufweisen, um den Strukturierungsprozess zu verbessern, wenn äußerst moderne
Photolacke eingesetzt werden. In anderen Fällen kann das Material der
oberen Schicht 255, falls diese vorgesehen ist, für die unterschiedlichen
Schichtstapel 250, 250a unterschiedlich gewählt werden,
während
in anderen Ausführungsformen
der Stapel 250a ein 4-Schichtstapel mit reduzierter Stickstoffdiffusion
sein kann, während
der Stapel 250 aus drei Schichten aufgebaut ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zur Herstellung
eines verbesserten Barrierenschichtstapels bereit, der für einen
verbesserten Einschluss eines kupferenthaltenden Metalls sorgt,
wobei eine erhöhte
Haftung und ein geringeres Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit
in Oberflächenbereiche
des eingeschlossenen Metalls gewährleistet
ist, wodurch die Möglichkeit
zur Verbesserung des Elektromigrationsverhaltens des eingeschlossenen
Metalls gegeben ist. Des weiteren wird ein hohes Maß an Ätzselektivität weiterhin
beibehalten, da der wesentliche Anteil des Barrierenschichtstapels,
d. h. die Schicht 252 mit der größten Dicke, aus einem Material
aufgebaut ist, das eine erhöhte Ätzselektivität im Vergleich
zu dem darunter liegenden diffusionsblockierenden Material aufweist.
Da ferner der wesentliche Anteil des Barrierenschichtstapels aus
einem Material mit der erforderlichen geringen relativen Permittivität aufgebaut
ist, kann ein unerwünschter
Einfluss auf das Gesamtverhalten des Halbleiterbauelements wirksam
unterdrückt
wird, wobei dennoch eine verbesserte Kupferintegrität bereitgestellt
wird. Die Abscheideprozesse zur Herstellung des Barrierenschichtstapels
können
vorteilhafterweise als eine in-situ-Prozesssequenz ausgeführt werden,
wodurch auch die Prozesskomplexität im Vergleich zu konventionellen
Lösungen
verringert wird, wobei in einigen Ausführungsformen eine in-situ-Vorbehandlung
ausgeführt
werden kann, um damit die Haftung der ersten Schicht 257 an
dem darunter liegenden Metall noch weiter zu verbessern. Des weiteren
kann in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine im Wesentlichen
stickstofffreie Oberschicht in dem Barrierenschichtstapel vorgesehen
werden, ohne dass Auswirkungen auf die gesamte relative Permittivität auftreten,
wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Lackvergiftung während der
Strukturierung des dielektrischen Materials mit kleinem ε gemäß etablierter
Damaszener-Verfahren deutlich verringert wird.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung
als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.