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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 reduzierter Permittivität
durch Verwendung dielektrischer Materialien mit kleinem ε.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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In
einer integrierten Schaltung wird eine sehr große Anzahl an Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in oder
auf einem geeigneten Substrat typischerweise in einer im Wesentlichen
ebenen Konfiguration hergestellt. Auf Grund der großen Anzahl
an Schaltungselementen und des erforderlichen komplexen Aufbaus
moderner integrierter Schaltungen können die elektrischen Verbindungen
der einzelnen Schaltungselemente im Allgemeinen nicht in der gleichen
Ebene hergestellt werden, in der die Schaltungselemente ausgebildet
sind. Typischerweise werden derartige elektrische Verbindungen in
einer oder mehreren zusätzlichen „Verdrahtungs"-Schichten gebildet,
die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten beinhalten
im Wesentlichen metallenthaltende Leitungen, die für die elektrische
Verbindung innerhalb der Ebene sorgen, und enthalten ebenso mehrere Zwischenebenenverbindungen,
die aus Kontaktdurchführungen
bezeichnet werden, die mit einem geeigneten Metall gefüllt sind.
Die Kontaktdurchführungen
stellen die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten gestapelten
Metallisierungsschichten her, wobei die metallenthaltenden Leitungen
und die Kontaktdurchführungen
gemeinsam auch als Verbindungsstruktur bezeichnet werden.
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Auf
Grund der ständigen
Reduzierung der Strukturgrößen äußerst moderner
Halbleiterbauelemente werden äußerst leitende
Metalle, etwa Kupfer und Legierungen davon in Verbindung mit einem
dielektrischen Material mit kleinem ε häufig als Alternative bei der
Herstellung von Metallisierungsschichten eingesetzt. Typischerweise
sind mehrere Metallisierungsschichten, die aufeinander gestapelt
sind, erforderlich, um die Verbindungen zwischen allen internen Schaltungselementen
und Eingabe/Ausgabe-, Leistungszufuhr- und Masseanschlüssen des
betrachteten Schaltungsaufbaus zu realisieren. Für äußerst größenreduzierte integrierte Schaltungen
ist die Signalausbreitungsverzögerung
und damit die Arbeitsgeschwindigkeit der integrierten Schaltung
nicht länger
durch die Feldeffekttransistoren beschränkt, sondern ist auf Grund
der erhöhten
Dichte an Schaltungselementen, die auch eine immer größere Anzahl
an elektrischen Verbindungen erforderlich macht, durch die unmittelbare
Nachbarschaft der Metallleitungen beschränkt, da die Kapazität zwischen Leitungen
erhöht
ist, was noch durch die Tatsache begleitet ist, dass die Metallleitungen
eine reduzierte Leitfähigkeit
auf Grund einer geringeren Querschnittsfläche aufweisen. Aus diesem Grunde
werden traditionelle Dielektrika, etwa Siliziumdioxid (ε > 3,6) und Siliziumnitrid
(ε > 5) durch dielektrische
Materialien mit einer geringeren Permittivität ersetzt, die daher als Dielektrika
mit kleinem ε mit
einer relativen Permittivität
von 3 oder weniger bezeichnet werden. Die reduzierte Permittivität dieser
Materialien mit kleinem ε wird
häufig
erreicht, indem diese dielektrischen Materialien in einer porösen Konfiguration
vorgesehen werden, wodurch ein ε-Wert
von deutlich kleiner als 3,0 möglich
ist. Auf Grund der inneren Eigenschaften, etwa eines hohen Maßes an Porosität des dielektrischen
Materials kann jedoch die Dichte und die mechanische Stabilität oder Festigkeit
deutlich kleiner sein im Vergleich zu den gut erprobten Dielektrika
Siliziumdioxid und Siliziumnitrid.
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Während der
Herstellung von kupferbasierten Metallisierungsschichten wird häufig eine
sogenannte Damaszener- oder Einlege-Technik auf Grund der Eigenschaften
des Kupfers angewendet, dass dieses keine flüchtigen Ätzprodukte bildet, wenn es
gut erprobten anisotropen Ätzumgebungen ausgesetzt
wird. Des weiteren kann Kupfer nicht mit hohen Abscheideraten auf
der Grundlage gut etablierter Abscheideverfahren, wie sie typischerweise
für Aluminium
eingesetzt werden, etwa CVD (chemische Dampfabscheidung) aufgebracht
werden. Somit wird in der Einlegetechnik das dielektrische Material
strukturiert, so dass dieses Gräben
und/oder Kontaktlöcher
aufweist, die nachfolgend mit dem Metall mittels einer effizienten
elektrochemischen Abscheidetechnik gefüllt werden. Während des Ätzprozesses
kann das poröse
Material mit kleinem ε geschädigt werden,
wodurch dessen mechanische Integrität noch weiter reduziert wird.
Die Ätzschäden können in
Verbindung mit einer hohen Anzahl an zusätzlichen Oberflächenunregelmäßigkeiten
in Form von kleinen Hohlräumen
auf Grund der Porosität
eine dem Ätzen nachgeordnete
Behandlung zum „Abdichten" des Materials mit
kleinem ε vor
dem Einfüllen
des Metalls erforderlich machen. Des weiteren wird für gewöhnliche
eine Barrierenschicht auf freiliegenden Oberflächenbereichen des dielektrischen
Materials vor dem Einfüllen
des Metalls gebildet, das für
die gewünschte
Haftung des Metalls an dem umgebenden dielektrischen Material sorgt
und auch eine Kupferdiffusion in sensible Bauteilbereiche unterdrückt, da
Kupfer leicht in einer Vielzahl dielektrischer Materialien und insbesondere
in porösen
Dielektrika mit kleinem ε diffundieren
kann. Ferner kann das Verhalten der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
im Hinblick auf eine belastungsinduzierte Metallwanderung, etwa
Elektromigration, deutlich von den Eigenschaften einer Grenzfläche zwischen
dem Metall und dem dielektrischen Material abhängen, wodurch eine zuverlässige Abdeckung
des porösen
dielektrischen Materials ein wichtiger Gesichtspunkt für das Leistungsverhalten
der Metallisierungsschicht ist. Die zuverlässige Abdeckung freiliegender
Oberflächen
eines porösen
Materials in Öffnungen
mit einem großen
Aspektverhältnis,
wie sie typischerweise in anspruchsvollen Anwendungen mit Strukturgrößen von ungefähr 50 nm
und weniger erforderlich sind, auf Grundlage gegenwärtig etablierter
Barrierenabscheidetechniken, etwa der Sputter-Abscheidung, und dergleichen,
ist keine offensichtliche und naheliegende Entwicklung und daher
kann sich die Produktionsausbeute und die Produktzuverlässigkeit
deutlich reduzieren.
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Im
Lichte der zuvor beschriebenen Situation besteht ein Bedarf für eine besserte
Technik, die das Herstellen moderner Halbleiterbauelemente ermöglicht,
während
eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder deren
Auswirkungen zumindest reduziert werden.
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Überblick über die
Erfindung
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik
zur Herstellung eines Metallgebiets in einem dielektrischen Material
mit kleinem ε mit
erhöhter
Integrität
der sich ergebenden Metallisierungsschicht, selbst für Materialien
mit einem hohen Maß an
Porosität,
wie sie typischerweise für
dielektrische Materialien mit einer relativen Permittivität von 3,0
und deutliche kleiner verwendet werden. Um einen zuverlässigen Einschluss
des Metalls, etwa von Kupfer, Kupferlegierung und dergleichen, zu
erreichen, wird eine leitende Barrierenschicht auf Oberflächenbereichen
des Metalls vor der Bildung des dielektrischen Materials mit kleinem ε gebildet.
Auf diese Weise wird eine zuverlässige
Grenzfläche
zwischen dem Metall und dem dielektrischen Material mit kleinem ε vorgesehen,
wobei die verbesserte Grenzflächenintegrität in einem
erhöhten
Widerstand gegen Elektromigriation resultieren kann, während in
effizienter Weise eine Diffusion von Metallatomen in das Dielektrikum
und von dielektrischen Material in das Metallgebiet reduziert wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
kann der Einschluss eines äußerst leitenden
Metalls, etwa Kupfer oder Kupferlegierung mittels einer leitenden
Barrierenschicht auf der Grundlage einer Opferschicht erreicht werden,
die nach der Herstellung entsprechender Metallgebiete entfernt wird.
Durch Anwenden der Opferschicht kann ein hohes Maß an Prozesskompatibilität mit bestehenden
Einlege-Technologien
beibehalten werden.
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Gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden einer Öffnung in
einer Opferschicht, die über
einem Substrat eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist. Das
Verfahren umfasst ferner das Bilden eines Metallgebiet in der Öffnung und das
Entfernen der Opferschicht. Schließlich wird ein dielektrisches
Material mit kleinem ε so
gebildet, dass das Metallgebiet in dem dielektrischen Material mit kleinem ε eingebettet
ist.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden eines
Metallgebiets über
einem Substrats eines Halbleiterbauelements, wobei das Metallgebiet
eine leitende Barrierenschicht, die zumindest an einer Seitenfläche des
Metallgebiets ausgebildet ist, aufweist. Ferner wird eine dielektrische
Schicht mit kleinem ε auf
der leitenden Barrierenschicht gebildet.
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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 deutlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor,
wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a bis 1j schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während der Herstellung
einer Metallisierungsschicht mit einem dielektrischen Material mit
kleinem ε gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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2a bis 2f schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während der Herstellung
einer Metallisierungsschicht zum Einschluss eines hochleitenden
Metallgebiets vor dem Bilden eines dielektrischen Materials mit
kleinem ε zeigen,
wobei ein hohes Maß an
Prozesskompatibilität
mit bestehenden Einlege-Technologien beibehalten wird; und
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3a und 3b schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während der
Herstellung von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Detaillierte
Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie dies 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
anschaulichen 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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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik, in
der ein gut leitendes Metall, etwa Kupfer, Kupferlegierungen, Silber
und dergleichen auf der Grundlage gut etablierter elektrochemischer
Abscheideverfahren, etwa stromloses Plattieren, Elektroplattieren,
und dergleichen gebildet werden, wobei das Einhüllen und damit der Einschluss des äußerst leitenden
Materials auf der Grundlage einer leitenden Barrierenschicht erreicht
wird, die vor der Herstellung von dielektrischen Materialien mit kleinem ε gebildet
wird. Dazu kann eine Opferschicht hergestellt werden und entsprechend
strukturiert werden, um als eine entsprechende Abscheidmaske für die elektrochemische
Abscheidung des Metalls zu dienen. Die Eigenschaften der Opferschicht
können auf
der Grundlage von Prozesserfordernissen ausgewählt werden, d. h. das Material
der Opferschicht kann ein beliebiges geeignetes Material sein, das
in einigen anschaulichen Ausführungsformen
eine deutlich reduzierte Porosität
im Vergleich zu einem dielektrischen Material mit kleinem ε aufweist,
wodurch die Herstellung einer äußerst zuverlässigen Barrierenschicht
vor dem Abscheiden des eigentlichen dielektrischen Materials mit
kleinem ε möglich ist.
In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen ist für die Materialeigenschaften
der Opferschicht nicht notwendigerweise eine geringe Porosität erforderlich
und kann im Hinblick auf andere Eigenschaften, etwa auf eine Selektivität während eines Ätzprozesses
zum Entfernen der Opferschicht, im Hinblick auf die mechanische
Stabilität
während eines
CMP-Prozesses, im Hinblick auf die Abscheideeigenschaften, die Fähigkeit
der Strukturierung durch alternative Strukturierungsverfahren, etwa
Einprägeverfahren,
und dergleichen ausgewählt
werden.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1j, 2a bis 2f und 3a bis 3b werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100,
das ein Substrat 101 umfasst, das ein beliebiges geeignetes Substrat
für die
Herstellung von Schaltungselementen darin und darauf repräsentieren
kann. Beispielsweise repräsentiert
das Substrat 101 ein Siliziumvollsubstrat, ein SOI- (Halbleiter
auf Isolator) Substrat oder ein anderes Trägermaterial, das darauf ausgebildet
eine Halbleiterschicht (nicht gezeigt) aufweist, die für die Herstellung
von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen
geeignet ist. Der Einfachheit halber ist ein einzelnes Transistorelement 111,
das in einer dielektrischen Schicht 113 eingebettet ist,
in einer Bauteilschicht 110 gezeigt, wobei in anschaulichen
Ausführungsformen
das Schaltungselement 111 Strukturelemente mit einer kritischen
Abmessung von 50 nm und deutlich weniger repräsentieren kann. Beispielsweise
kann das Transistorelement 111 eine Gatelänge 112 von
50 nm und deutlich weniger aufweisen. Wie zuvor erläutert ist,
ist für äußerst moderne
integrierte Schaltungen mit Schaltungselementen 111 mit
Abmessungen, wie sie zuvor beschrieben sind, das Leistungsverhalten
des Bauelements 100 im Wesentlichen durch die Signalausbreitungsverzögerung bestimmt,
die durch zusätzliche
Verdrahtungsschichten, d. h. Metallisierungsschichten, hervorgerufen
wird, die über
der Bauteilschicht 110 herzustellen sind, um damit die
einzelnen Schaltungselemente 111 elektrisch anzuschließen. Die
dielektrische Schicht 113 der Bauteilschicht 110 kann
aus beliebigen geeigneten dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid oder Dielektrika mit kleinem ε, und dergleichen
aufgebaut sein. Ferner sind Kontaktpfropfen (nicht gezeigt) in der
Bauteilschicht 110 ausgebildet, um damit Kontaktbereiche
für die
elektrische Verbindung zu Metallisierungsschichten, die noch herzustellen
sind, bereitzustellen.
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Des
weiteren umfasst das Halbleiterbauelement 100 eine leitende
Barrierenschicht 120, die über der Bauteilschicht 110 ausgebildet
ist, wobei in einer anschaulichen Ausführungsform eine Saatschicht 121 auf
der Barrierenschicht 120 gebildet sein kann. Die leitende
Barrierenschicht 120 kann aus einem beliebigen geeigneten
Material mit den erforderlichen Haft- und Barriereneigenschaften
im Hinblick auf ein gut leitendes Metall, etwa Kupfer, Kupferlegierung, Silber,
und dergleichen aufgebaut, das für
die Herstellung von Metallleitungen und Gebieten verwendet wird,
die noch über
der Barrierenschicht 120 herzustellen sind. Beispielsweise
können
Tantal, Tantalnitrid, Wolframnitrid, Verbindungen mit Kobalt, Wolfram, Phosphor,
Verbindungen mit Kobalt, Wolfram, Bor, und dergleichen geeignete
Barrieren- und Haftmaterialien für
ein kupferbasiertes Metallgebiet repräsentieren. In einer anschaulichen
Ausführungsform
ist die Barrierenschicht 120 aus einem geeigneten Material
aufgebaut, das auch als eine Saatschicht oder eine Katalysatorschicht
in einem nachfolgenden elektrochemischen Prozess dient. In diesem
Falle ist die Saatschicht 121 unter Umständen nicht
notwendig und kann weggelassen werden. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
wird die Saatschicht 121 im Form eines geeigneten Materials,
etwa in Form von Kupfer, einer Kupferlegierung und dergleichen vorgesehen.
In einer anschaulichen Ausführungsform
sind die Barrierenschicht 120 und die Saatschicht 121,
wenn diese vorgesehen ist, aus einem Material mit einem moderat
geringen spezifischen Widerstand von beispielsweise 100 Mikroohm cm
oder weniger aufgebaut, um nicht in signifikanter Weise das Leistungsverhalten
eines Metallgebiets zu beeinflussen, das über der Barrierenschicht 120 herzustellen
ist. Ferner kann in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Material der
Barrierenschicht 120 und der Saatschicht 121,
wenn diese vorgesehen ist, so gewählt werden, dass es weniger edel
ist als das Material, das über
der Barrieren- und der
Saatschicht 120, 121 abgeschieden wird, etwa Kupfer,
und dergleichen. In diesem Falle können die Saatschicht 121 und
die Barrierenschicht 120 in einer späteren Fertigungsphase auf der
Grundlage eines elektrochemischen Ätzprozesses in äußerst effizienter
Weise entfernt werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben
ist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100,
wie es in 1a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfasst. Nach der Herstellung der Schaltungselemente 111 wird
ein geeignetes dielektrisches Material abgeschieden, um damit die
dielektrische Schicht 113 zum Einschließen und Passivieren der Schaltungselemente 111 zu
bilden. Für
dielektrische Materialien, etwa Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid,
Siliziumdioxid und dergleichen sind entsprechende Abscheiderezepte
im Stand der Technik gut etabliert. Beispielsweise kann Siliziumnitrid auf
der Grundlage gut etablierter plasmaunterstützter CVD- (chemische Dampfabscheide-)
Techniken aufgebracht werden, während
Siliziumdioxid aus TEOS auf der Grundlage etablierter CVD-Verfahren
mit hochdichtem Plasma oder subatmosphärischen Abscheideverfahren
gebildet werden kann. Danach werden geeignete Einebnungsverfahren,
etwa CMP (chemisch-mechanisches Polieren) angewendet, um eine im
Wesentlichen ebene Oberflächentopographie
bereitzustellen. Danach können
entsprechende Kontaktpfropfen (nicht gezeigt) auf der Grundlage etablierter
Kontakttechnologien gebildet werden. Als nächstes wird die leitende Barrierenschicht 120 mittels
eines geeigneten Abscheideverfahrens, etwa CVD, ALD (Atomlagenabscheidung),
stromlose Abscheidung, oder Kombinationen davon, und dergleichen
gebildet. Beispielsweise sind für
eine Vielzahl von Barrierenmaterialien, etwa Tantal, Tantalnitrid, und
dergleichen CVD-Verfahren und Sputter-Abscheideverfahren im Stand
der Technik gut etabliert. In anderen Fällen kann ein geeignetes Katalysatormaterial
abgeschieden werden oder anderweitig in die Bauteilschicht 110 eingebaut
werden, das dann als ein Katalysatormaterial für einen nachfolgenden stromlosen
Abscheideprozess eines Barrierenmaterials, etwa eine Verbindung
mit Kobalt, Wolfram, Phopshor (CoWP), Kobalt, Wolfram, Bor (CoWB)
und dergleichen verwendet werden kann. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen
wird ein zusätzliches
Katalysatormaterial, etwa Palladium, Platin und dergleichen in die
Barrierenschicht 120 zumindest in Oberflächenbereiche
davon eingebaut, um damit als ein katalytisches Material für einen
stromlosen Abscheideprozess eines äußerst leitenden Materials, etwa
Kupfer, Kupferlegierungen, Silber, Silberlegierungen und dergleichen
zu dienen. Anschließend wird
bei Bedarf die Saatschicht 121 auf der Grundlage gut etablierter
Abscheideverfahren, etwa der Sputter-Abscheidung, einer stromlosen
Abscheidung, und dergleichen gebildet. Es sollte beachtet werden,
dass die Schichten 120 und 121 auf Grund der im
Wesentlichen ebenen Oberflächentopographie
mit hoher Gleichförmigkeit
aufgebracht werden können,
wodurch die Möglichkeit
geschaffen wird, die Schichten 120 und 121 mit
reduzierter Dicke abzuscheiden, beispielsweise in einen Bereich
von ungefähr
5 bis 20 nm, wobei dennoch eine zuverlässige Abdeckung der Bauteilschicht 110 gegeben
ist.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. In der dargestellten Ausführungsform
umfasst das Bauelement 100 ferner eine Opferschicht 122,
die über
der Barrierenschicht und der Saatschicht 120, 121 gebildet
ist, woran sich eine Lackmaske 123 mit mehreren Öffnungen 123a anschließt, die
entsprechend den Sollabmessungen eines über der Bauteilschicht 110 herzustellenden
Metallgebiets dimensioniert sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
repräsentiert
die Opferschicht 122 ein beliebiges geeignetes Material,
etwa Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid und dergleichen, wohingegen
in anderen anschaulichen Ausführungsformen
die Opferschicht 122 ein geeignetes Polymermaterial repräsentiert,
das eine effiziente Strukturierung auf der Grundlage der Lackmaske 123 ermöglicht.
In noch weiteren Ausführungsformen
wird die Opferschicht 122 selbst in Form einer Lackschicht vorgesehen,
die dann in ähnlicher
Weise wie die Lackmaske 123 strukturiert werden kann, um
damit als eine Abscheidemaske für
die nachfolgende Abscheidung eines äußerst leitenden Metalls zu
dienen, wenn die Materialeigenschaften des Lackmaterials zur Bereitstellung
der gewünschten
mechanischen Stabilität
und Integrität
während
der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 geeignet sind.
Die Opferschicht 122 kann auf der Grundlage gut etablierter Abscheideverfahren,
etwa einer chemischen Dampfabscheidung, Aufschleuderverfahren, wenn
viskose Polymermaterialien betrachtet werden, die nachfolgend durch
Wärme,
Strahlung, und dergleichen ausgehärtet werden, hergestellt werden.
Wenn die Lackmaske 123 zum Strukturieren der Opferschicht 122 vorgesehen
wird, können
gut etablierter Lithographieverfahren in Verbindung mit gut bekannten,
der Lithographie vor- und nachgeschalteten Behandlungen zur Herstellung
der Lackmaske 123 eingesetzt werden. Es sollte beachtet
werden, dass in Abhängigkeit
von den Abmessungen der Öffnungen 123a äußerst anspruchvolle
Lithographieverfahren zu verwenden sind, die möglicherweise das Vorsehen antireflektierender
Beschichtungen (ARC) und dergleichen gemäß gut etablierter Prinzipien
beinhalten. Unabhängig
davon, ob die Opferschicht 122 selbst strukturiert wird
oder die zusätzliche
Lackschicht 123 vorgesehen wird, wird das Bauelement 100 dann
einem Strukturierungsprozess 124 unterzogen, der als ein
anisotroper Ätzprozess
gestaltet sein kann, um die Öffnungen 123a in
die Opferschicht 122 zu übertragen. In anderen Fällen repräsentiert
der Prozess 124 einen Entwicklungsprozess, wenn die Opferschicht 122 in
Form einer Lackschicht vorgesehen wird. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen wird
die Strukturierung der Opferschicht 122 auf der Grundlage
mechanischer Einprägeverfahren,
die auch als Nano-Einpräge-
oder Nano-Stempeltechniken bezeichnet werden, in denen ein „Nano"-Stempel bereitgestellt wird und mit
der Schicht 122 in Kontakt gebracht wird, die sich noch
in einem viskosen Zustand befinden kann, wodurch das Eindringen
des Nano-Stempels
in die Schicht 122 möglich
ist. In anderen Verfahren wird ein entsprechender Stempel vor der
Herstellung der Opferschicht 122 bereitgestellt, die dann
in einem äußerst viskosen
Zustand abgeschieden wird, um damit ein Auffüllen von Zwischenräumen zwischen
den entsprechenden Nano-Stempeln zu ermöglichen. Beispielsweise kann ein
Negativbild der Lackschicht 123 in Form einer entsprechenden
Nano-Schablone vorgesehen werden, die dann in die Schicht 122 eingeführt wird,
oder die Nano-Schablone wird zuerst aufgebracht, um damit die Schicht 121 zu
kontaktieren, wobei nachfolgend Material für die Schicht 122 durch
eine beliebige geeignete Abscheidetechnik zugeführt wird. Danach kann die Nano-Schablone
durch eine geeignete Technik, etwa selektives Ätzen, mechanischen Zurückziehen
der Schablone und dergleichen entfernt werden, wodurch entsprechende Öffnungen
in der Opferschicht 122 geschaffen werden.
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1c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Ende
der zuvor beschriebenen Prozesssequenz. Somit umfasst das Bauelement 100 die
strukturierte Opferschicht 122 mit darin ausgebildeten Öffnungen 122a,
die im Wesentlichen den Öffnungen 123a entsprechen.
Es sollte beachtet werden, dass in Abhängigkeit von dem Strukturierungsprozess
zur Herstellung der Öffnungen 122a zusätzliche Ätz- und
Reinigungsschritte ausgeführt werden,
um Reste der Schicht 122 von der Unterseite der Öffnungen 122a zu
entfernen. Wenn beispielsweise Einprägeverfahren zur Herstellung
der Öffnungen 122a verwendet
werden, kann ein entsprechender Reinigungsprozess nach dem Aushärten der Schicht 122 und
dem Entfernen der entsprechenden Nano-Schablone ausgeführt werden. Danach wir ein äußerst leitendes
Metall, etwa eine Kupferlegierung, Silber, eine Silberlegierung
und dergleichen in die Öffnungen 122a abgeschieden.
Zu diesem Zweck kann ein stromloser Abscheideprozess angewendet werden,
wobei die Barrierenschicht 120 oder die Saatschicht 121,
wenn diese vorgesehen ist, als ein Katalysatormaterial zur Initiierung
einer Metallabscheidung bei Kontakt mit einem entsprechenden Metallelektrolyt
dienen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Abscheiden
eines entsprechenden Materials auf der Grundlage eines Elektroplattierungsprozesses
erreicht, wobei die Barrierenschicht 120 und die Saatschicht 121 als
eine effiziente Stromverteilungsschicht dienen, die am Substratrand
kontaktiert werden kann. Das hohe Maß an Gleichförmigkeit
der Schichten 120 und 121 gewährleistet eine moderat hohe
Prozessgleichförmigkeit des
Elektroplattierungsprozesses.
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1d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach der zuvor
beschriebenen Prozesssequenz, wobei ein Metall 125 in die Öffnungen 122a eingefüllt ist.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
ist das Metall 125 im Wesentlichen aus Kupfer aufgebaut,
während
in anderen anschaulichen Ausführungsformen
ein anderes geeignetes Metall oder eine Legierung unterschiedlicher
Metalle verwendet werden kann. Um die Öffnungen 122a zuverlässig zu
füllen,
die sich in Durchmesser und entsprechend den Bauteilerfordernissen
unterscheiden können,
wird ein gewisses Maß an übermäßigem Metallwachstum
des Materials 125 hervorgerufen, wobei überschüssiges Material nachfolgend
auf der Grundlage von CMP-Verfahren möglicherweise in Verbindung
mit Elektroätzen
und dergleichen entfernt wird. Abhängig von der Materialeigenschaften
der Opferschicht 122 können
die Prozessparameter für
den Abtragungsprozess geeignet gewählt werden, wobei beispielsweise
das CMP-Verhalten
im Vergleich zu konventionellen Strategien verbessert werden kann, da
die Schicht 122 eine deutliche höhere mechanische Stabilität im Vergleich
zu Materialien mit kleinem ε und
insbesondere zu porösen
Materialien mit kleinem ε aufweist.
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1e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Entfernen
des überschüssigen Materials,
wodurch auch eine im Wesentlichen ebene Oberflächentopographie geschaffen
wird. Folglich umfasst das Bauelement 100 mehrere Metallgebiete 125a mit
einer Größe, die
im Wesentlichen den Entwurfserfordernissen entspricht. Es sollte
beachtet werden, dass die Opferschicht 122 keine spezielle
Materialeigenschaften im Hinblick auf die Kupferdiffusion, Porosität und dergleichen
aufweisen muss, da die Schicht 122 lediglich zum Definieren
der Abmessungen der Metallgebiete 125a verwendet wird,
während
eine unerwünschte
Kupferdiffusion in empfindliche Bauteilgebiete zuverlässig während der vorhergehenden
Fertigungssequenz durch die Barrierenschicht 120 unterdrückt wird.
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1f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Entfernen
der Opferschicht 122. Daher umfasst das Bauelement 100 die
getrennten Metallgebiete 125a, die über der Barrierenschicht 120 und
der Saatschicht 121 (wenn diese verwendet wird) gebildet
sind. Das Entfernen der Opferschicht 122 kann auf der Grundlage
eines beliebigen geeigneten Prozesses, etwa einer Wärmebehandlung
mit zugehörigen
Reinigungsprozessen, selektiven Ätzprozessen,
und dergleichen, in Abhängigkeit der
Materialeigenschaften der Schicht 122 bewerkstelligt werden.
Beispielsweise sind hoch selektive nasschemische Ätzprozesse
für eine
Vielzahl von Polymermaterialien oder andere dielektrische Materialien
im Stand der Technik gut etabliert. Ferner können auch plasmaunterstütze oder
wärmeaktivierte Ätzprozesse
für das
Entfernen der Opferschicht 122 eingesetzt werden. Danach
werden freiliegende Bereiche der Schichten 120 und 121 durch
beispielsweise einen elektrochemischen Ätzprozess entfernt, wobei die
strukturelle Integrität
der getrennten Metallgebiete 125a im Wesentlichen beibehalten
wird, wenn das Material der Schichten 121 und 120 weniger
edel ist im Vergleich zu dem Metall der Gebiete 125a. In anderen
anschaulichen Ausführungsformen
sind die Metallgebiete 125a mit einem gewissen Betrag an Überschusshöhe vorgesehen,
so dass in einem nachfolgenden anisotropen Ätzprozess ein Materialabtrag
von der oberen Fläche
der Gebiete 125a im Wesentlichen nicht das schließlich erreichte
Leistungsverhalten der Metallgebiete 125a beeinflusst. Somit
können
durch Anwenden geeigneter plasmagestützter anisotroper Ätzrezepte
die freiliegenden Bereiche der Schicht 120 und 121 entfernt
werden, ohne dass im Wesentlichen Unterätzungsbereiche an der Unterseite
der Metallgebiete 125 erzeugt werden. In noch anderen anschaulichen
Ausführungsformen
kann der Abtragungsprozess der Gebiete 125a während eines
elektrochemischen Ätzprozesses,
in welchem die Schichten 121 und 120 im Wesentlichen
die gleiche Abtragsrate im Vergleich zu den Metallgebieten 125a aufweisen
können,
eine entsprechende Reduzierung der Höhe und der Breite der Gebiete 125a berücksichtigt
sein, wenn die Abmessungen der entsprechenden Öffnungen 122a festgelegt
werden, die in der Opferschicht 122 gebildet werden. In
anderen Ausführungsformen
kann eine Kombination diverser Abtragsverfahren zum effizienten
Entfernen der Barrierenschicht und der Saatschicht 120, 121 angewendet
werden, ohne dass die Gebiete 125a unnötig beeinträchtigt werden. Beispielsweise
kann die Saatschicht 121, wenn diese im Wesentlichen aus
dem gleichen Material wie die Gebiete 125a aufgebaut ist,
mit einer reduzierten Dicke vorgesehen werden und kann daher effizienter durch
Elektroätzen
abgetragen werden, ohne dass die Gebiete 125a übermäßig beeinflusst
werden. Danach wird die Barrierenschicht 120 durch einen
anisotropen Ätzprozess
abgetragen, der ein gewisses Maß an
Selektivität
zwischen dem Material der Barrierenschicht 120 und dem
Gebiet 125 aufweisen kann, wodurch ein Materialabtrag der
Gebiete 125a deutlich reduziert wird.
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1g zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach der oben
beschriebenen Prozesssequenz, wobei freiliegende Bereiche der Schichen 120 und 121 entfernt
sind. Folglich repräsentieren
die Metallgebiete 125a nunmehr elektrisch isolierte Metallgebiete
mit einer zuverlässigen
Barrierenschicht 120, die an deren unteren Fläche ausgebildet
ist, wenn die Saatschicht 121 im Wesentlichen aus dem gleichen
Material wie die Gebiete 125a aufgebaut ist.
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1h zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium. Eine Barrieren- oder Deckschicht 126,
die aus einem beliebigen geeigneten Barrieren- und Haftmaterial,
etwa Verbindungen aus Kobalt, Wolfram und Phosphor und/oder Kobalt,
Wolfram und Bor, und dergleichen aufgebaut ist, ist an freiliegenden
Oberflächenbereichen
der Gebiete 125a hergestellt, wodurch die Metallgebiete 125a vollständig eingeschlossen
oder umgeben werden. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Deckschicht 126 auf
der Grundlage eines elektrochemischen Abscheideprozesses, d. h.
eines stromlosen Plattierungsprozesses, hergestellt, in welchem
freiliegende Oberflächenbereiche
der Gebiete 125a als Katalysator für das Initiieren des entsprechenden
Abscheideprozesses dienen. Auf diese Weise wird eine selbstjustierte
Abscheidung der Deckschicht 126 erreicht, wodurch in zuverlässiger Weise
freiliegende Oberflächenbereiche
des Gebiets 125a bedeckt werden. Somit können selbst
leicht geschädigte
Oberflächenbereiche
der Gebiete 125a, die während
eines vorhergehenden anisotropen Ätzprozesses zum selektiven Entfernen
freiliegender Bereiche der Schichen 121 und 120 entstanden
sein können,
in zuverlässiger Weise
durch die Schicht 126 abgedeckt, unabhängig von der speziellen Oberflächenrauhigkeit
der Gebiete 125a. In ähnlicher
Weise kann eine Oberflächenrauhigkeit,
die durch ein gewisses Maß an
Porosität des
Materials der Schicht 122 hervorgerufen sein kann, ebenso
in zuverlässiger
Weise durch die Schicht 126 auf Grund der Natur des stromlosen
Abscheideprozesses abgedeckt werden. Folglich ist das Metall der
Gebiete 125a zuverlässig
eingeschlossen, so dass eine Diffusion von Metall in empfindliche
Bauteilgebiete und auch eine Diffusion von Sauerstoff oder anderen
reaktiven Komponenten in die Gebiete 125a in effizienter
Weise unterdrückt oder
reduziert ist.
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1i zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Abscheiden
oder der Herstellung einer dielektrischen Schicht 127,
die aus einem dielektrischen Material mit kleinem ε aufgebaut
ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen besitzt das dielektrische
Material der Schicht 127 eine relative Permittivität von 3,0
oder weniger oder von 2,5 und weniger. In diesem Falle wird das
Material häufig in
Form eines porösen
dielektrischen Materials hergestellt, wobei jedoch der zuverlässige Einschluss der
Metallgebiete 125a dennoch auf Grund des Vorsehens der
Barrierenschicht 120 und der Deckschicht 126 gewährleistet
ist. Ferner ist das Verhalten der Metallgebiete 125a im
Hinblick auf das Elektromigrationsverhalten im Wesentlichen durch
die Barrierenschicht 120 und die Deckschicht 126 bestimmt, wobei
beispielsweise spezielle Legierungsmaterialien einen deutlich höheren Widerstand
gegenüber Elektromigration
im Vergleich zu Grenzflächen
zwischen einem dielektrischen Barrierenmaterial, etwa Siliziumnitrid,
Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem Siliziumkarbid, und dergleichen,
zeigen, wie sie häufig
für untere
oder obere Flächen
von Metallleitungen eingesetzt werden. Folglich kann das Material der
Schicht 127 auf Grundlage elektrischer Leistungsverhaltenserfordernisse
anstatt im Hinblick auf Elektromigrationseigenschaften und die Fähigkeit von
einem leitenden Barrierenmaterial bedeckt zu werden, ausgewählt werden.
Zur Herstellung der dielektrischen Schicht 127 kann eine
beliebige geeignete Technik eingesetzt werden, etwa Aufschleuderverfahren,
wenn das Material 127 in Form eines Polymermaterials mit
moderat geringer Viskosität
während
des Aufbringens vorgesehen ist, oder auf der Grundlage anderer CVD-
und PVD-Verfahren. Nach der Herstellung der Schicht 127 kann überschüssiges Material
durch geeignete Einebnungsverfahren, etwa CMP, Ätzen, und dergleichen entfernt
werden. Wenn beispielsweise ein CMP-Prozess zum Entfernen von überschüssigem Material
und zum Einebnen der resultierenden Oberfläche eingesetzt wird, können geeignete
Prozessparameter mit geringer Reibung und geringer Andruckskraft
angewendet werden, um damit die gegen das Bauelement 100 ausgeübte Arbeit
auf einem geringen Niveau zu halten, woraus sich eine reduzierte
Wahrscheinlichkeit für
eine Materialablösung
und die Ausbildung von Rissen in der dielektrischen Schicht 127 ergibt.
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1j zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Entfernen
von überschüssigem Material,
wodurch eine Metallisierungsschicht 130 mit einem dielektischen
Material mit kleinem ε der
Schicht 127, das ein poröses dielektrisches Material
mit kleinem ε beinhalten
kann, und mit den eingeschlossenen Metallgebieten 125a bereitgestellt wird,
die in der Schicht 127 eingebettet sind. Ferner kann eine
weitere Metallisierungsschicht auf der Schicht 130 auf
der Grundlage im Wesentlichen der gleichen Prinzipien hergestellt
werden, wie sie zuvor beschrieben sind, oder wie sie nachfolgend
beschrieben werden.
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Es
gilt also, die Metallisierungsschicht 130 kann auf der
Grundlage eines dielektrischen Materials mit sehr kleinem ε mit einem
zuverlässigen
Einschluss eines hochleitenden Metalls, etwa Kupfer, hergestellt
werden, da eine entsprechende Barrierenschicht oder Deckschicht,
etwa die Schichten 120 und 126 vor der Herstellung
der dielektrischen Schicht 127 gebildet werden, wodurch
im Wesentlichen der Fertigungsprozess für die Metallgebiete 125a von
den entsprechenden Eigenschaften des Materials der Schicht 127 entkoppelt
wird.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2f werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei eine Barrierenschicht
an der Unterseite und an den Seitenwänden der entsprechenden Metallgebiete
in einer strukturierten Opferschicht gemäß Einlege- oder Damaszener-Verfahren hergestellt
wird. 2a zeigt schematisch ein Bauelement 200,
das ein Substrat 201 aufweist, das ein beliebiges geeignetes
Trägermaterial
zur Herstellung von einer oder mehreren Metallisierungsschichten
darauf repräsentiert.
Beispielsweise besitzt das Substrat 201 darauf ausgebildete
Schaltungselemente (nicht gezeigt), ähnlich wie dies mit Bezug zu
dem Bauelement 100 beschrieben ist, oder das Substrat 201 kann
für die
Herstellung geeigneter Metallisierungsarchitekturen mit kleinem ε ohne zusätzliche
Schaltungselemente verwendet werden. Ferner ist eine dielektrische
Barrierenschicht 210, etwa eine Siliziumkarbidschicht,
eine stickstoffangereicherte Siliziumkarbidschicht, eine Siliziumnitridschicht,
oder ein anderes geeignetes Material über dem Substrat 201 ausgebildet.
Eine Opferschicht 222 ist auf der Schicht 210 gebildet,
wobei die Opferschicht aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt
sein, so dass die gleichen Kriterien gelten, wie dies zuvor mit
Bezug zu der Schicht 122 erläutert ist. Die Opferschicht 222 kann
aus einem Material aufgebaut sein, das den Abscheidebedingungen
eines nachfolgenden Abscheideprozesses zur Herstellung einer leitenden
Barrierenschicht widersteht. Beispielsweise ist in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
die Opferschicht 222 aus Siliziumdioxid, einem Polymermaterial
oder dergleichen aufgebaut. Für
die Herstellung der Opferschicht 222 können die gleichen Prozesse
und Rezepte eingesetzt werden, wie sie zuvor mit Bezug zu der Schicht 122 beschrieben
sind. Nach dem Herstellen der Schicht 222 wird ein geeigneter
Strukturierungsprozess ausgeführt, beispielsweise
auf der Grundlage moderner Lithographie oder auf der Grundlage von
Nano-Einprägeverfahren,
um damit entsprechende Öffnungen
in der Opferschicht 222 zu bilden, in ähnlicher Weise, wie dies zuvor
mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Wie gezeigt, umfasst die
Opferschicht 222 mehrere Öffnungen 222a, in
denen eine leitende Barrierenschicht 220 gefolgt von einer Saatschicht 221 ausgebildet
sind. Die Barrierenschicht 220 kann aus einem beliebigen
geeigneten Barrieren- und Haftmaterial, etwa Tantal, Tantalnitrid, Wolframnitrid,
Kobalt-Wolfram-Phosphorverbindungen
(CoWP), Kobalt-Wolfram-Bor-Verbindungen (CoWB) und dergleichen aufgebaut
sein. Die Saatschicht 221 kann aus einem beliebigen geeigneten Material,
etwa Kupfer, aufgebaut sein, wenn ein im Wesentlichen kupferbasiertes
Metall in die Öffnungen 222a abzuscheiden
ist. Die Barrierenschicht 220 wird auf der Grundlage einer
beliebigen geeigneten Abscheidetechnik, etwa CVD, ALD, PVD, etwa
Sputter-Abscheidung, stromloses Abscheiden oder einer Kombination
davon oder dergleichen gebildet. Zum Beispiel sind für eine Vielzahl
von Barrierenmaterialien, etwa Tantal und Tantalnitrid äußerst effiziente ALD-Abscheideverfahren
etabliert, um damit eine dünne
aber dennoch zuverlässige
kontinuierliche Schicht selbst in Öffnungen mit einem hohen Aspektverhältnis bereitzustellen,
wie dies in äußerst modernen
Halbleiterbauelementen erforderlich sein kann. In anderen Ausführungsformen
wird die Barrierenschicht 220 auf der Grundlage stromloser
elektrochemischer Abscheideverfahren gebildet, wobei die Oberfläche der
Schicht 222 auf der Grundlage gut bekannter Katalysatormaterialien,
etwa Palladium, Platin, und dergleichen katalytisch aktiviert werden kann,
um die Materialabscheidung in dem nachfolgenden elektrochemischen
Prozess in Gang zu setzen. Die Saatschicht 221 kann auf
der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik, wie
sie zuvor dargelegt ist, gebildet werden, wobei abhängig von
den Prozesserfordernissen eine Kombination aus Abscheideschemata
für die
Herstellung der Schichten 220 und 221 eingesetzt
werden kann. Danach oder als ein Teil des Prozesses zur Herstellung der
Saatschicht 221 kann das eigentliche Metall in die Öffnungen 222a durch
eine geeignete elektrochemische Abscheidetechnik, etwa stromloses
Abscheiden, Elektroplattieren auf der Grundlage gut etablierter
Verfahren eingefügt
werden, um damit ein im Wesentlichen hohlraumfreies Füllverhalten
in den Öffnungen 222a zu
erhalten. Danach kann überschüssiges Material
des Metalls durch geeignete Verfahren, etwa CMP und/oder elektrochemische Ätzprozess entfernt
werden.
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2c zeigt
schematisch das Bauelement 200 nach dem Ende der oben beschriebenen
Prozesssequenz. Somit umfasst das Bauelement 200 Metallgebiete 225a,
die an den Seitenflächen
und an der Unterseite von der Barrierenschicht 220 eingeschlossen
sind. Danach wird die Opferschicht 222 selektiv auf der
Grundlage eines geeigneten Abtragungsprozesses, etwa eines selektiven Ätzprozesses,
entfernt, wobei die Barrierenschicht 220 und die Schicht 210 für eine hohe Ätzselektivität und Ätzsteuerbarkeit
während
eines entsprechenden Ätzprozesses
sorgen können.
Ferner kann, wie zuvor erläutert ist,
eine Materialerosion an der Oberseite der Metallgebiete 225a durch
geeignetes Gestalten der Höhe der
Opferschicht 222 berücksichtigt
werden. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen kann vor dem Entfernen
der Opferschicht 222 ein selbstjustierter stromloser Abscheideprozess
ausgeführt
werden, beispielsweise auf der Grundlage von Materialien, wie sie
zuvor für
die Deckschicht 126 angegeben sind, um damit entsprechende
Deckschichten auf den Metallgebieten 225a zu bilden, die
nachfolgend das Austreten von Metall aus den Gebieten 225a während des
selektiven Entfernens der Opferschicht 222 durch im Wesentlichen
verhindern eines Freilegens der Metallgebiete 225a deutlich
reduzieren.
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2d zeigt
schematisch das Bauelement 200 nach dem Entfernen der Opferschicht 222,
wodurch die Metallgebiete 225a als isolierte Gebiete bereitgestellt
werden, von denen zumindest die untere Fläche 225b und die Seitenwandflächen 225s von der
Barrierenschicht 220 bedeckt sind, und wobei in einigen
Ausführungsformen
eine Deckschicht (nicht gezeigt) an der Oberseite der Gebiete 225a gebildet sein
kann, wie dies auch nachfolgend in 2f gezeigt
ist.
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2e zeigt
schematisch das Bauelement 200 nach dem Abscheiden und
dem Einebnen eines dielektrischen Materials mit kleinem ε, um eine
dielektrische Schicht 227 zu bilden, wobei eine Metallisierungsschicht 230,
die aus der Schicht 227 und den Metallgebieten 225a aufgebaut
ist, im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften aufweist, wie dies
zuvor mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 130 beschrieben
ist. Des weiteren wird ein zuverlässiger Einschluss der Metallgebiete 225 erreicht,
selbst wenn das Material der Schicht 227 ein poröses dielektrisches
Material mit kleinem ε ist,
auf Grund der Herstellung der Schicht 220 vor dem Abscheiden
des Materials 227. Wenn beispielsweise die Opferschicht 222 im
Wesentlichen aus einem Material aufgebaut ist, das eine geringere
Porosität
im Vergleich zu dem Material der Schicht 227 aufweist,
kann die Barrierenschicht 220 in einer äußerst kontinuierlichen Weise
innerhalb der entsprechenden Öffnungen 222a gebildet
werden, wodurch auch ein zuverlässiger Einschluss
der Metallgebiete 225a erreicht wird. Folglich kann eine
deutlich reduzierte Permittivität auf
der Grundlage des porösen
dielektrischen Materials mit kleinem ε erreicht werden, wobei gleichzeitig ein
hohes Maß an
Integrität
der Metallgebiete 225a gewährleistet ist.
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2f zeigt
schematisch das Bauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium, in welchem eine leitende Deckschicht 226 auf
der Oberseite der Metallgebiete 225a gebildet ist. Die
Deckschichten 226 können
in einem selbstjustierten stromlosen Abscheideprozess auf der Grundlage
eines beliebigen geeigneten Material gebildet werden, wie es auch
zuvor mit Bezug zu der Deckschicht 126 angegeben ist. Danach
wird eine weitere Metallisierungsschicht auf der Schicht 230 gebildet, wobei ähnliche
Prozessverfahren eingesetzt werden können, wie dies zuvor beschrieben
ist.
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Mit
Bezug zu den 3a und 3b werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beschrieben, wobei die Prozesskomplexität geringer
ist.
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3a zeigt
schematisch ein Bauelement 300, das ein beliebiges Bauelement
repräsentiert, das
die Herstellung einer oder mehrerer Metallisierungsschichten auf
der Grundlage eines dielektrischen Materials mit kleinem ε erfordert.
Das Bauelement 300 umfasst ein Substrat 301, über welchem eine
leitende Barrierenschicht 320 möglicherweise in Verbindung
mit einer Saatschicht (nicht gezeigt) ausgebildet ist. Im Hinblick
auf Eigenschaften des Substrats 301 und der leitenden Barrierenschicht 320 sei auf
die entsprechenden Komponenten 201, 220, 101 und 120 verwiesen.
Des weiteren ist eine erste Opferschicht 322a auf der Barrierenschicht 320 gebildet,
wobei ein Metallgebiet 325a in der ersten Opferschicht 322a angeordnet
ist. Des weiteren ist eine zweite Opferschicht 322b über der
ersten Schicht 322a ausgebildet und umfasst eine Kontaktlochöffnung 322c,
die mit dem Metallgebiet 325 verbunden ist. Ein typischer
Prozessablauf zur Herstellung des Bauelements 300, wie
es in 3a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Nach der Herstellung von Schaltungselementen,
falls diese vorgesehen sind, in und auf dem Substrat 301,
wird die leitende Barrierenschicht 320 auf einer eingeebneten Oberfläche des
Substrats 301 auf der Grundlage geeigneter Abscheideverfahren
hergestellt, wie dies auch zuvor erläutert ist. Danach wird die
Opferschicht 322a durch eine geeignete Abscheidetechnik,
etwa Aufschleuderverfahren, CVD-Verfahren, und dergleichen gebildet,
wobei die Schicht 322a dann in geeigneter Weise, d. h.
durch Lithographie- und Ätzverfahren,
durch Nano-Einprägeverfahren,
und dergleichen strukturiert wird. Als nächstes wird ein Metall in die entsprechende Öffnung der
Schicht 322a eingefüllt, wodurch
das Metallgebiet 325 gebildet wird, wobei nachfolgend ein
beliebiger geeigneter Prozess ausgeführt werden kann, um überschüssiges Material des
zuvor abgeschiedenen Metalls zu entfernen. Beispielsweise kann nach
dem Einfüllen
des Metalls ein geeignet gestalteter CMP-Prozess ausgeführt werden,
um eine im Wesentlichen ebene Oberflächentopographie zu erhalten.
Danach wird die zweite Opferschicht 322b gebildet und auf
der Grundlage eines geeigneten Verfahrens strukturiert. Beispielsweise wird
die zweite Opferschicht 322b als eine Lackmaske vorgesehen,
die so strukturiert wird, dass die Öffnung 322c gemäß den Entwurfserfordernissen
für entsprechende
Kontaktlochöffnungen
geschaffen wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen ist die zweite
Opferschicht 322b aus einem anderen geeigneten Material,
etwa Polymermaterialien oder dergleichen aufgebaut. Im Anschluss
wird ein Metall in die Öffnung 322c eingefüllt, wobei
die freiliegende Oberfläche
des Metallgebiets 325a als eine Saat- oder Katalysatorschicht
dienen kann, wodurch ein elektrochemischer Abscheideprozess in Gang
gesetzt wird. Zum Beispiel kann ein Elektroplattierungsschema eingesetzt
werden, wobei Ströme über die Barrierenschicht 320 möglicher
weise in Verbindung mit einer entsprechenden Saatschicht und das
Metallgebiet 325a eingeprägt werden, wodurch ein Füllverhalten
innerhalb der Öffnung 322c von
unten nach oben erreicht wird. In ähnlicher Weise kann in einem stromlosen
Abscheideschema die freiliegende Oberfläche des Gebiets 325a als
ein Katalysator dienen, wodurch die stromlose Abscheidung des Metalls, etwa
von Kupfer, in Gang gesetzt wird. Nach dem Füllen der Öffnung 322c wird ein
entsprechender Abtrage- und Einebnungsprozess ausgeführt, an
dem sich das selektive Entfernen zum Abtragen der ersten und der
zweiten Opferschicht 322b, 322a anschließen kann,
wobei ein oder mehrere Prozesse verwendet werden können. Wenn
beispielsweise die zweite Opferschicht 322b in Form einer
Lackmaske vorgesehen ist, können
gut etablierter plasmaunterstützte Abtragungsprozesse
eingesetzt werden, an die sich ein entsprechend gestalteter Ätzprozess
zum Entfernen der Schicht 322a anschließt. In noch anderen Ausführungsformen
können
die erste und die zweite Schicht 322a, 322b im
Wesentlichen aus dem gleichen Material aufgebaut sein und somit
können
diese Schichten in einem gemeinsamen Entfernungsprozess abgetragen
werden. Nach dem Entfernen der Schichten 322a, 322b wird
eine entsprechende Metallisierungsstruktur, die aus den Metallgebieten 325a und
entsprechenden Metallkontaktdurchführungen aufgebaut ist, erhalten,
die nachfolgend in ein dielektrisches Material mit kleinem ε auf der
Grundlage von Prozessen eingebettet werden kann, wie sie zuvor im Hinblick
auf die Schichten 127 und 227 beschrieben sind.
Danach kann eine weitere Prozesssequenz ausgeführt werden, um eine nächste Metallisierungsschicht
mit einer Schicht aus Metallleitungen, die mit in den Öffnungen 322c gebildeten
Kontaktdurchführungen
verbunden sind, und mit einer weiteren Kontaktdurchführungsschicht
zur Verbindung mit einer weiteren Metallisierungsschicht zu bilden.
Somit wird ein äußerst effiziente
Technik bereitgestellt, um einen dielektrischen Schichtstapel mit
kleinem ε mit
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen bei geringerer Prozesskomplexität zu bilden,
da die Herstellung des dielektrischen Materials mit kleinem ε und/oder
das Entfernen der Opferschichten 322a, 322b in
einen einzelnen Prozess bewerkstelligt werden kann.
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3b zeigt
schematisch das Bauelement 300 gemäß anderer anschaulicher Ausführungsformen.
In dieser Ausführungsform
umfasst das Bauelement 300 ein Metallgebiet oder ein Kontaktgebiet 313,
das über
dem Substrat 301 gebildet ist. Des weiteren ist eine dielektrische
Barrierenschicht 310 oder ein anderes geeignetes Material,
etwa eine Schicht mit Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem
Siliziumkarbid, oder dergleichen über dem Metallgebiet oder Kontaktgebiet 313 vorgesehen. Des
weiteren ist die Opferschicht 322 in Form einer einzelnen zusammenhängenden
Schicht vorgesehen oder kann in Form eines Schichtstapels mit einer Zwischenätzstoppschicht
oder einer Ätzindikatorschicht
(nicht gezeigt) vorgesehen sein. Die Opferschicht 322 kann
gemäß gut etablierter
dualer Damaszener-Verfahren strukturiert werden, in denen eine Kontaktdurchführung zuerst
und danach ein Graben strukturiert wird, oder wobei ein Graben zuerst
und ein Kontaktloch danach hergestellt wird. Folglich kann die Opferschicht 322 einen
Graben 322d und eine entsprechende Kontaktlochöffnung 322c,
die damit verbunden ist, aufweisen. In anschaulichen Ausführungsformen
kann zusätzlich
ein moderat großer
Graben oder eine andere Öffnung 322e in
einem geeigneten Bauteilgebiet gebildet werden, um damit eine erhöhte Stabilität für die resultierenden
Metallisierungsstruktur zu erreichen. Nach dem Strukturieren der
Opferschicht 322 auf der Grundlage etablierter Lithographieverfahren
oder Nano-Einprägeverfahren,
abhängig
von den Materialeigenschaften der Schicht 322, kann die
weitere Bearbeitung durch das Abscheiden einer leitenden Barrierenschicht
und einer Saatschicht auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidestrategie
fortgesetzt werden, wie dies auch mit Bezug zu den in den 2a bis 2f dargestellten
Ausführungsformen
beschrieben ist. In noch anderen Ausführungsformen wird die Schicht 310 in
Form einer leitenden Barrierenschicht bereitgestellt und die weitere
Abscheidung von Metall in die Öffnungen 322d, 322c und 322e wird
im Wesentlichen in der gleichen Weise ausgeführt, wie dies zuvor mit Bezug
zu den 1a bis 1j und 3a beschrieben
ist. Folglich können
in Abhängigkeit
der gewünschten
Prozessstrategie die Öffnungen
in der Opferschicht 322 mit einem Metall gefüllt werden,
wobei eine Kontaktdurchführung
und eine Metallleitung in einem gemeinsamen Füllprozess gebildet werden.
Des weiteren kann auch die Öffnung 322e zuverlässig mit
Metall gefüllt werden,
wodurch die erforderliche mechanische Stabilität erhalten wird, wenn die Opferschicht 322 entfernt
wird und nachfolgend durch ein dielektrisches Material mit kleinem ε ersetzt
wird. In diesem Ablauf kann ein geeignetes isotropes Abscheideverfahren für das dielektrische
Material mit kleinem ε angewendet
werden, um damit auch ein dielektrisches Material in Bereichen bereitzustellen,
die durch eine entsprechende Metallleitung, die in dem Graben 322d gebildet
ist, abgeschattet sind. Folglich kann die entsprechende Metallisierungsstruktur
gemäß gut etablierter
Prozessstrategien gebildet werden, wodurch eine hohe Prozesseffizienz
erreicht wird, wobei das Ersetzen der Opferschicht 322 durch
ein geeignetes dielektrisches Material mit kleinem ε durch Vorsehen weiterer
Platzhaltergräben
oder Kontaktlöcher,
etwa die Öffnung 322e,
bewerkstelligt werden kann.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit,
die die Herstellung von Metallisierungsschichten mit einer deutlich
reduzierten parasitären
Kapazität
zwischen benachbarten Metallgebieten auf Grund des Bereitstellens
von dielektrischen Materialien mit kleinem ε mit einer dielektrischen Konstante
deutlich unter 3,0 ermöglicht,
wobei selbst ein hohes Maß an
Porosität
nicht in nachteiligerweise das Gesamtverhalten im Hinblick auf Elektromigration
und Metalldiffusion beeinflusst. Der zuverlässige Einschluss des Metalls
mittels eines leitenden Barrierenmaterials wird erreicht, indem
das leitende Barrierenmaterial auf der Grundlage eines geeigneten
selektiven Abscheiderezepts vor dem eigentlichen Abscheiden des
dielektrischen Materials mit kleinem ε bereitgestellt wird. In anschaulichen Ausführungsformen
werden selbstjustierte stromlose Abscheideprozesse und/oder Silylationsprozesse angewendet,
um in zuverlässiger
Weise freiliegende Metallbereiche vor oder nach dem Ersetzen der
Opferschicht durch ein entsprechendes dielektrisches Material mit
kleinem ε zu
bedecken. Des weiteren kann eine strukturierte Opferschicht verwendet
werden, um die Verwendung standardmäßiger Einlege- oder Damaszener-Verfahren
zu ermögliche,
wodurch die Voraussetzungen für
Technologien mit 45 nm und weniger bereitgestellt werden.
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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.