DE102008045035B4

DE102008045035B4 - Verbessern der Strukturintegrität von Dielektrika mit kleinem ε in Metallisierungssystemen von Halbleiterbauelementen unter Anwendung einer Risse verhindernden Materialschicht

Info

Publication number: DE102008045035B4
Application number: DE102008045035.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Werner; Kai Frohberg; Frank Feustel
Original assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2028-08-30
Also published as: TW201030897A; TWI478283B; DE102008045035A1; US8030209B2; US20100055903A1

Abstract

Verfahren mit: Bilden einer kompressiven Deckschicht (235) aus Siliziumnitrid oder stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid auf einem dielektrischen Material (231) mit kleinem ε einer Metallisierungsschicht (230) eines Halbleiterbauelements (200), wobei die kompressive Deckschicht (235) mit einem internen kompressiven Verspannungspegel von ungefähr 2 Gigapascal oder höher gebildet wird; Bilden mindestens einer weiteren kompressiven Materialschicht (213c), um eine kompressive Verspannung in dem dielektrischen Material (231) mit kleinem ε hervorzurufen, vor dem Bilden des dielektrischen Materials (231) mit kleinem ε; Bilden einer Öffnung (231t, 231v) in der Deckschicht (235) und dem dielektrischen Material (231) mit kleinem ε; Füllen der Öffnung (231t, 231v) mit einem Metall; und Entfernen der kompressiven Deckschicht (235) und des überschüssigen Materials des Metalls durch Ausführen eines Einebnungsprozesses, wobei die kompressive Deckschicht (235) so gebildet wird, dass ein Ausbreiten von während des Einebnungsprozesses entstehenden Mikrorissen in das dielektrische Material mit kleinem ε unterdrückt wird.

Description

Gebiet der vorliegenden Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung von Halbleiterbauelementen und betrifft insbesondere Metallisierungssysteme mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε.
Beschreibung des Stands der Technik
Der heutige globale Markt zwingt Hersteller von Massenprodukten dazu, diese bei hoher Qualität und geringem Preis anzubieten. Es ist daher wichtig, die Ausbeute und die Prozesseffizienz zur Minimierung der Herstellungskosten zu verbessern. Dies gilt insbesondere auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung, da es hier wesentlich ist, modernste Technologie mit Massenherstellungstechniken zu kombinieren. Ein wichtiger Aspekt in der Verwirklichung der zuvor genannten Strategie wird darin gesehen, ständig die Bauteilqualität im Hinblick auf das Leistungsverhalten und Zuverlässigkeit zu verbessern, wobei auch die Funktionsvielfalt der Halbleiterbauelemente erhöht wird. Diese Fortschritte sind typischerweise mit einer Verringerung der Abmessungen der einzelnen Schaltungselemente verknüpft, etwa der Transistoren und dergleichen. Auf Grund der ständigen Verringerung der kritischen Strukturgrößen müssen zumindest in einigen Phase des gesamten Fertigungsprozessablaufes häufig neue Materialien eingeführt werden, um Bauteileigenschaften in geringeren Strukturgrößen anzupassen. Ein wichtiges Beispiel in dieser Hinsicht ist die Herstellung moderner Metallisierungssysteme von Halbleiterbauelementen, in denen aufwendige Metallmaterialien, etwa Kupfer, Kupferlegierungen und dergleichen in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε verwendet werden, die als dielektrische Materialien mit einer dielektrischen Konstante von ungefähr 3,0 und deutlich kleiner zu verstehen sind, wobei in diesem Falle, d. h. deutlich kleiner als 3,0, diese Materialien auch als Dielektrika mit sehr kleinem ε (ULK) bezeichnet werden. Durch Verwenden gut leitender Metalle, etwa von Kupfer, kann der geringere Querschnitt von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen zumindest teilweise durch die Höhe der Leitfähigkeit des Kupfers im Vergleich zu beispielsweise Aluminium aufgehoben werden, das über die letzten Jahrzehnte das Metall der Wahl war, selbst für modernste integrierte Schaltungen.
Andererseits ist das Einführen von Kupfer in den Halbleiterherstellungsprozessen mit einer Reihe von Problemen verknüpft, etwa der Empfindlichkeit von freigelegten Kupferoberflächen für reaktive Komponenten, etwa Sauerstoff, Fluor und dergleichen, die erhöhte Diffusionsaktivität des Kupfers in einer Vielzahl von Materialien, die typischerweise in Halbleiterbauelementen eingesetzt werden, etwa in Silizium, Siliziumdioxid, einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε und dergleichen. Die Eigenschaft des Kupfers, im Wesentlichen keine flüchtigen Nebenprodukte auf der Grundlage typischerweise verwendeter plasmaunterstützter Ätzprozesse zu bilden, und dergleichen. Aus diesen Gründen wurden aufwendige Einlege- oder Damaszener-Prozesstechniken entwickelt, in denen typischerweise das dielektrische Material zunächst strukturiert wird, so dass Gräben und Kontaktöffnungen geschaffen werden, die dann mit einem geeigneten Barrierenmaterial ausgekleidet werden, woran sich das Abscheiden des Kupfermaterials anschließt. Folglich sind eine Velzahl von sehr komplexen Prozessen, etwa das Abscheiden von aufwendigen Materialstapeln zur Herstellung des dielektrischen Zwischenschichtmaterials mit Dielektrika mit kleinem ε, das Strukturieren des dielektrischen Materials, das Bereitstellen geeigneter Barrieren- und Saatmaterialien, das Einfüllen des Kupfermaterials, das Entfernen von überschüssigem Material und dergleichen, erforderlich, um aufwendige Metallisierungssysteme herzustellen, wobei die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen diesen Prozessen schwer abzuschätzen sind, insbesondere da sich Materialzusammensetzungen und Prozessstrategien häufig im Hinblick auf ein weiteres Verbessern des Gesamtleistungsverhaltens der Halbleiterbauelemente ändern.
Beispielsweise kann die ständige Verringerung der kritischen Abmessungen auch kleinere Abmessungen von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, die in den Metallisierungssystemen modernster Halbleiterbauelemente hergestellt sind erfordern, das zu dichtliegenden Metallleitungen führt, die wiederum zu erhöhten RC-(Widerstand-Kapazität)Zeitkonstanten führen. Die parasitären RC-Zeitkonstanten können zu einer ausgeprägten Signalausbreitungsverzögerung führen, wodurch das Gesamtleistungsverhalten des Halbleiterbauelements begrenzt wird, obwohl kleinste Transistorelemente in der Bauteilebene verwendet werden. Aus diesem Grunde werden die parasitären RC-Zeitkonstanten durch Verwenden gut leitender Metalle, etwa Kupfer, in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit sehr geringer Permittivität, die auch als ULK-Materialien bezeichnet werden, wie dies zuvor erläutert ist, verringert. Andererseits weisen diese Materialien eine deutlich geringerer mechanische und chemische Stabilität auf, beispielsweise wenn diese den diversen reaktiven Ätzatmosphären und mechanischen Belastungen unterworfen werden, beispielsweise während der Ätzprozesse, entfernen von Lack, dem Entfernen von überschüssigem Metall durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren), und dergleichen.
Beispielsweise führt die geringere mechanische Stabilität des dielektrischen Materials mit kleinem ε, insbesondere wenn ULK-Materialien betrachtet werden, zu einer erhöhten Schädigung während des CMP-Prozesses, wodurch typischerweise das Bereitstellen einer zusätzlichen Deckschicht erforderlich ist, die während des chemisch-mechanischen Polierprozesses entfernt werden kann. Jedoch wird in anspruchsvollen Anwendungen dennoch ein hohes Maß an Schädigung beobachtet, wie nachfolgend detaillierter mit Bezug zu den 1a bis 1c erläutert ist.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer Fertigungsphase, in der ein Metallisierungssystem auf der Grundlage empfindlicher dielektrischer Materialien in Verbindung mit gut leitenden Metallen zu bilden ist. Wie gezeigt, umfasst das Halbleiterbauelement 100 ein Substrat 101, über welchem mehrere Bauteilebenen ausgebildet sind, d. h. diverse Ebenen, in denen Schaltungselemente und andere Bauteilstrukturelemente hergestellt sind. Beispielsweise ist in dem Substrat 101 eine geeignete Halbleiterschicht vorgesehen, in und über welcher Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen, entsprechend den Entwurfsregeln des Bauelements 100 ausgebildet sind. Beispielsweise sind in komplexen Halbleiterbauelementen, die auf der Grundlage einer CMOS-Technologie hergestellt sind, Transistoren mit einer Gatelänge von 50 nm und weniger in der Bauteilebene vorgesehen. Des weiteren ist eine beliebige geeignete Kontaktstruktur, die eine Verbindung zu den Schaltungselementen herstellt, so vorgesehen, dass diese als eine Schnittstelle zwischen den Schaltungselementen und einem Metallisierungssystem 120 des Halbleiterbauelements 100 dient. Der Einfachheit halber sind derartige Kontaktstrukturen in 1a nicht gezeigt. Das Metallisierungssystem 120 umfasst mehrere Metallisierungsschichten 110 und 130, wobei die Anzahl der Metallisierungsschichten in dem System 120 von der gesamten Komplexität des Halbleiterbauelements 100 abhängt. Beispielsweise umfasst die Metallisierungsschicht 110 ein geeignetes dielektrisches Material 111, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε, dessen Dielektrizitätskonstante 3,0 oder deutlich kleiner ist, etwa 2,0, wenn ULK-Materialien betrachtet werden. Es sollte beachtet werden, dass das dielektrische Material 111 unterschiedliche Materialzusammensetzungen enthalten kann, wobei dies von den gesamten Bauteilerfordernissen abhängt. Ferner sind eine oder mehrere Metallleitungen 112 in dem dielektrischen Material 111 ausgebildet und repräsentieren entsprechende Metallleitungen oder andere Metallgebiete, wie sie gemäß dem gesamten Schaltungsaufbau des Bauelements 100 erforderlich sind. Die Metallleitung 112 enthält ein leitendes Barrierenmaterial 112a, das als eine Grenzfläche zwischen einem gut leitenden Metall 122d, etwa Kupfer, einer Kupferlegierung und dergleichen, und dem dielektrischen Material 111 dient. Somit kann das leitende Barrierenmaterial 112a eine Diffusion von reaktiven Komponenten, etwa von Sauerstoff, Fluor und dergleichen, zu dem kupferbasierten Metall 112d unterdrücken, um damit eine unerwünschte chemische Reaktion zu vermeiden, während andererseits ein Herausdiffundieren von Kupferatomen in das umgebende dielektrische Material 111 ebenfalls durch das Barrierenmaterial 112a unterdrückt wird. Tantalnitrid, Tantal und dergleichen sind etwa gut etablierte Barrierenmaterialien, die im Hinblick auf das Beibehalten einer gewünschten chemischen und mechanischen Integrität des Metalls 112b verwendet werden. Ferner ist eine Ätzstoppschicht 113 auf dem dielektrischen Material 111 und auf der Metallleitung 112 gebildet, wobei die Ätzstoppschicht 113 in einigen Vorgehensweisen auch als ein Deckmaterial zum Anschluss des Metalls 112b dient.
In ähnlicher Weise kann die Metallisierungsschicht 130 ein dielektrisches Material 131 mit kleinem ε aufweisen, etwa ein ULK-Material, wenn die Metallisierungsschicht 130 eine kritische Metallisierungsebene im Hinblick auf parasitäre RC-Zeitkonstanten repräsentiert. D. h., in komplexen Metallisierungssystemen, etwa dem System 120, erfordern zumindest einige Metallisierungsebenen eine geringere parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Metallleitungen, wodurch eine sehr geringe dielektrische Konstante des dielektrischen Materials 131 erforderlich ist. Andererseits ist mit der Verringerung der Dielektrizitätskonstante typischerweise auch eine geringere Dichte und damit mechanische Stabilität des dielektrischen Materials 131 verknüpft, wodurch die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 beeinflusst wird. Beispielsweise kann die Einwirkung von reaktiven Atmosphären während gewisser Prozessschritte, etwa dem Ätzen, dem Lackabfragen und dergleichen, das Erzeugen eines geschädigten Oberflächenbereichs hervorrufen, was schließlich zu Zuverlässigkeitsproblemen und Ungleichmäßigkeiten während der weiteren Bearbeitung führt. Des weiteren kann die geringere mechanische Stabilität auch zu erhöhten Ausbeuteverlusten während der Ausübung von Einebnungsprozessen, etwa CMP, führen, was konventioneller Weise berücksichtigt wird, indem eine zusätzliche dielektrische Deckschicht 135 vorgesehen wird, die aus einem dielektrischen Material mit erhöhter Stabilität aufgebaut ist, etwa Siliziumdioxid und dergleichen, wodurch die Beeinträchtigung durch größere Schäden während des CMP-Prozesses, der in einer späteren Fertigungsphase anzuwenden ist, verringert wird. In der gezeigten Fertigungsphase umfasst die Metallisierungsschicht 130 ferner eine Verbindungsstruktur 132 mit einer Metallleitung 132l und einer Kontaktdurchführung 132v, die eine Verbindung mit der Metallleitung 112 der Metallisierungsschicht 110 herstellt. Die Verbindungsstruktur 132 enthält ferner eine Barrierenschicht 132a, die einen ähnlichen Aufbau wie die Barrierenschicht 112a besitzen kann. In der gezeigten Fertigungsphase ist die Verbindungsstruktur 132 mit einem leitenden Metall, etwa Kupfer, gefüllt, das in einer ausreichenden Menge vorgesehen ist, um zuverlässig die Metallleitung 132l zu füllen. Somit ist eine gewisse Menge an Überschussmaterial abzuscheiden, die durch einen CMP-Prozess getragen werden kann.
Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, wozu die Herstellung von Schaltungselementen, etwa Transistoren und dergleichen, in und über dem Substrat 101 gehört. Danach wird eine geeignete Kontaktstruktur unter Anwendung gut etablierter Techniken hergestellt und anschließend wird die Metallisierungsschicht 110 durch Abscheiden des dielektrischen Materials 111 und Strukturieren desselben unter Anwendung gut etablierter Lithographie- und Ätztechniken gebildet. Als nächstes wird die Barrierenschicht 112a durch die elektrochemische Abscheidung des Kupfermaterials gebildet, wobei dessen überschüssiges Material durch CMP entfernt wird. Es sollte beachtet werden, dass ein entsprechendes Deckmaterial auch zur Herstellung der Metallisierungsschicht 110 verwendet werden kann, wenn das dielektrische Material 111 ebenfalls eine geringere mechanische Stabilität aufweist. In diesem Falle können ähnliche Techniken eingesetzt werden, wie sie noch unter Bezugnahme auf die Metallisierungsschicht 130 beschrieben sind. Somit wird nach dem Einebnen der Oberflächentopographie die Ätzstoppschicht 113, die beispielsweise aus Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid und dergleichen aufgebaut ist, woran sich das Abscheiden des dielektrischen Materials 131 anschließt, was zumindest teilweise einen sehr empfindlichen Bereich in einer reduzierten dielektrischen Konstante aufweisen kann. Als nächstes wird die Deckschicht 135 gebildet beispielsweise in Form von Siliziumdioxid und dergleichen, wobei gut etablierte thermisch aktivierte CVD-(chemische Dampfabscheide-)Techniken, plasmaunterstütztes CVD und dergleichen angewendet werden. Als nächstes wird ein geeignetes Strukturierungsschema eingesetzt, etwa eine duale Damaszener-Technik oder eine duale Einlegetechnik, in der eine Kontaktöffnung und eine Grabenöffnung in dem dielektrischen Material 131 und der Deckschicht 135 gebildet werden, woran sich das Abscheiden des Barrierenmaterials 132a und das Einfüllen des Kupfermaterials anschließen. Als nächstes wird ein CMP-Prozess 102 ausgeführt, um überschüssiges Material des Kupfers und der Barrierenschicht 132a zu entfernen. Während eines CMP-Prozesses wird typischerweise ein geeignetes Schleifmaterial auf die zu polierende Oberfläche aufgebracht, das so gewählt ist, dass eine gewünschte chemische Reaktion hervorgerufen wird. Gleichzeitig wird eine physikalische Polierkomponente erzeugt, indem die zu polierende Oberfläche relativ zu einem Polierkissen bewegt wird, wodurch eine Gesamtabtragsrate erreicht wird, die durch die Eigenschaften des Schleifmaterials und die Parameter des Polierprozesses, etwa die Andruckskraft, die Geschwindigkeit der Relativbewegung und dergleichen, bestimmt ist. Auf Grund der physikalischen Komponenten ist daher eine gewisse mechanische Belastung auf die zu polierende Oberfläche ausgeübt und somit auch das dielektrische Material, 131, wobei die Deckschicht 135 vorgesehen ist, um die mechanische Stabilität zu verbessern.
1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Phase des CMP-Prozesses 102. Wie dargestellt, führt während des Abtragens des überschüssigen Kupfermaterials und auch während des Polierens der Deckschicht 135 die mechanische Belastung des Polierprozesses 102 zur Erzeugung von Mikrorissen 135c, die sich in der Oberfläche ausbilden, die in unmittelbarem Kontakt mit dem Polierkissen der entsprechenden CMP-Anlage ist. Die Größe und die Anzahl der Mikrorisse 135c hängt wesentlich von Prozessparameter, etwa der Andruckskraft und der Relativgeschwindigkeit ab, und daher ist eine entsprechende Anpassung dieser CMP-Parameter erforderlich, woraus sich eine insgesamt geringere Abtragsrate ergibt. Andererseits ist im Hinblick auf einem Prozessgesamtdurchsatz eine gewisse nicht zu unterschreitende minimale Abtragsrate erforderlich, wodurch zu einem gewissen Maß an Defekten in Form von Mikrorissen 135c beigetragen wird. Es wurde jedoch erkannt, dass auf Grund des Vorsehens der Deckschicht 135 die Mikrorisse 135c während des Polierprozesses 102 häufig verstärkt werden, wodurch die Risse 135c in der Tiefe größer werden, und sich somit in das dielektrische Material 131 erstrecken, was zu einer geringeren Zuverlässigkeit während der weiteren Bearbeitung nach dem Entfernen der Deckschicht 135 führen kann. Beispielsweise können sich die Mikrorisse weiter in das dielektrische Material 131 während der weiteren Fertigungsprozesse ausweiten, etwa bei der Herstellung weiterer Metallisierungsschichten, was schließlich zu einer insgesamt geringeren mechanischen Stabilität führt, was wiederum deutliche Ausbeuteverluste in einem sehr fortgeschrittenen Fertigungsstadium auf Grund von Ablösungen der Metallisierungsschichten und dergleichen zur Folge haben kann, oder was zu einer geringeren Zuverlässigkeit des Metallisierungssystems während des Betriebs des Bauelements 100 führt.
In der US 7 009 280 B2 wird die Ausbildung eines kompressiven Films mit kleinem ε, der auf einer ILD-Schicht abgeschieden wird und als eine Hartmaske bzw. Polierstoppschicht dienen kann, beschrieben.
In der US 2005/0 009 320 A1 wird ein Verfahren zum Beheben des Problems von Leckströmen und der Haftfähigkeit von Barrierenschichten und ILD's im Zusammenhang mit der Ausbildung von Halbleiterstapeln, die ILD's umfassen, beschrieben.
In der US 6 475 925 B1 wird ein Verfahren zur Halbleiterherstellung beschrieben, in dem das Kontrollieren der Wasserdampfabsorptionseigenschaften von ILD's ermöglicht wird.
In der US 2004/0 018 750 A1 wird ein Verfahren zur Abscheidung stickstoffdotierter Siliziumkarbonidschichten beschrieben.
In der US 2004/0 214 446 A1 wird ein Verfahren zur Abscheidung dielektrischen Materials bschrieben, das als antireflektierende Beschichtung oder Hartmaske Verwendung finden kann.
In der DE 10 2004 042 168 A1 wird ein Verfahren zur Ausbildung von Metallisierungsschichten mit verbessertem Widerstand gegenüber Elektromigration beschrieben.
In der US 2004/0 241 946 A1 wird ein Verfahren zur Halbleiterherstellung beschrieben, in dem eine Deckschicht auf einer auf einem Substrat ausgebildeten gemusterten Schicht abgeschieden wird.
In der US 2004/0 121 704 A1 wird ein vertikal justierbarer CMP-Kopf mit Pivotmechanismus beschrieben.
In der US 2007/0 243 490 A1 wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Grabens in einem Zwischenschichtdielektrikum beschrieben, in welchem eine Ätzstoppschicht unterhalb des Zwischenschichtdielektrikums und eine Deckschicht auf dem Zwischenschichtdielektrikum vorgesehen sind, wobei die Deckschicht SiOF umfassen kann.
In der US 2005/0 026 422 A1 wird das Ausbilden einer Metallleitungsstruktur eines Halbleiterbauteils unter Zuhilfenahme einer Ätzstoppschicht sowie einer Deckschicht beschrieben.
In der US 2003/0 013 316 A1 wird ein Dual-Damaszenerprozess beschrieben, der das Ausbilden einer Deckschicht auf einem Zwischenschichtdielektrikum und einer Ätzstoppschicht unterhalb des Zwischenschichtdielektrikums umfasst.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Metallisierungsschichten auf der Grundlage einer besseren mechanischen Stabilität, während eines oder mehrere der zuvor erkannten Probleme vermieden oder zumindest reduziert werden.
Überblick über die Offenbarung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken zur Herstellung von Metallisierungsschichten mit empfindlichen dielektrischen Materialien, etwa ULK-Materialien, wobei die mechanische Integrität des empfindlichen dielektrischen Materials verbessert wird, beispielsweise während des Ausführens von CMP-Prozessen, indem eine kompressive Verspannung zumindest während des CMP-Prozesses ausgeübt wird, wenn überschüssiges Material von oberhalb des empfindlichen dielektrischen Materials zu entfernen ist. Das Anwenden einer kompressiven Verspannung kann in effizienter Weise die Ausbreitung von Mikrorissen unterdrücken, die durch den Planarisierungsprozess hervorgerufen werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Defekten in dem empfindlichen dielektrischen Material verringert wird. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird die kompressive Verspannung ausgeübt, indem eine kompressive Deckschicht auf oder über dem empfindlichen dielektrischen Material gebildet wird, so dass Mikrorisse, die in der Deckschicht während eines Einebnungsprozesses hervorgerufen werden, eine kompressive Kraft vorfinden, die somit der Wahrscheinlichkeit einer weiteren Ausbreitung der Risse in das empfindliche dielektrische Material verringert.
Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer kompressiven Deckschicht aus Siliziumnitrid oder stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid auf einem dielektrischen Material mit kleinem ε einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements, wobei die kompressive Deckschicht mit einem internen kompressiven Verspannungspegel von ungefähr 2 Gigapascal oder höher gebildet wird; Bilden mindestens einer weiteren kompressiven Materialschicht, um eine kompressive Verspannung in dem dielektrischen Material mit kleinem ε hervorzurufen, vor dem Bilden des dielektrischen Materials mit kleinem ε; Bilden einer Öffnung in der Deckschicht und dem dielektrischen Material mit kleinem ε; Füllen der Öffnung mit einem Metall; und Entfernen der kompressiven Deckschicht und des überschüssigen Materials des Metalls durch Ausführen eines Einebnungsprozesses, wobei die kompressive Deckschicht so gebildet wird, dass ein Ausbreiten von während des Einebnungsprozesses entstehenden Mikrorissen in das dielektrische Material mit kleinem ε unterdrückt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
1a bis 1c schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Metallisierungsschicht mit einem ULK-dielektrischen Material gemäß konventioneller Strategien zeigen;
2a bis 2c schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung eines Metallisierungssystems mit einem empfindlichen dielektrischen Material mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Mikrorissen während eines Einebnungsprozesses gemäß einem Beispiel zeigen, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist;
2d bis 2e schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen, in denen eine weitere kompressive Verspannung erzeugende Schicht vorgesehen wird, um damit die Riss hindernde Wirkung während eines CMP-Prozesses zu erhöhen;
2f schematisch einen Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements gemäß einem Beispiel zeigen, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist; und
3a und 3b schematisch Halbleiterbauelemente deren Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Metallisierungsschicht mit einem empfindlichen dielektrischen Material zeigen, wobei die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Rissen in dem empfindlichen dielektrischen Material durch nicht-erfindungsgemäßes Deformieren des Substrats während des CMP-Prozesses verringert wird.
Detaillierte Beschreibung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken zur Verbesserung der mechanischen Integrität empfindlicher dielektrischer Materialien während der Herstellung von Metallisierungsschichten, indem eine kompressive Verspannung zumindest während des Einebnungsprozesses zum Abtragen von überschüssigem Material und zum Einebnen der gesamten Oberflächentopographie in komplexen Metallisierungssystemen angewendet wird. Gemäß einiger anschaulicher Ausführungsformen wird die kompressive Verspannung angewendet, indem eine dielektrische Deckschicht auf oder über einem empfindlichen dielektrischen Material, etwa einem ULK-Material, d. h. einem dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,7 oder weniger, aufgebracht wird, wobei die kompressiv verspannte Deckschicht die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Mikrorissen verringert, die sich in das empfindliche dielektrische Material erstrecken. Somit wird im Gegensatz zu konventionellen Vorgehensweisen, in denen häufig eine Deckschicht mit zugverspanntem Material verwendet wird, das zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit zum Übertragen von Mikrorissen von dem Deckmaterial in das dielektrische Material beitragen kann, die kompressiven Kräfte innerhalb des Deckmaterials ausgenutzt und diese führen zu einer entsprechenden „Gegenkraft” in Bezug auf die mechanische Verspannung, die während des Polierprozesses hervorgerufen wird. Des weiteren kann die kompressive Verspannung der Deckschicht auch in das empfindliche dielektrische Material übertragen werden, wodurch ebenfalls die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Rissen darin verringert wird, die von entsprechenden Rissen herrühren, die in der Deckschicht erzeugt werden, wie dies zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1c erläutert ist. Durch Vorsehen des Deckmaterials mit einem geeigneten inneren kompressiven Verspannungspegel kann eine verbesserte mechanische Gesamtintegrität und eine bessere chemische Stabilität auf Grund des Vorhandenseins des Deckmaterials erreicht werden, wobei zusätzlich der kompressive Verspannungspegel die Defektrate während des CMP-Prozesses verringern kann, wobei gleichzeitig ein hohes Maß an Kompatibilität mit konventionellen Techniken beibehalten wird, da der Grad an kompressiver Verspannung auf der Grundlage gut etablierter Abscheiderezepte für eine Vielzahl von geeigneten Deckmaterialien erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird Siliziumnitrid oder stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid mit einer hohen inneren kompressiven Verspannung von ungefähr 2 GPa oder mehr abgeschieden werden, indem geeignete Abscheideparameter eingestellt werden.
Zudem wird ein entsprechendes kompressiv verspanntes dielektrisches Material vor dem Abscheiden des empfindlichen dielektrischen Materials gebildet, wodurch ebenfalls die gesamte mechanische Integrität des dielektrischen Materials verbessert wird, wobei zusätzlich die Möglichkeit geschaffen wird, das kompressiv verspannte dielektrische Material als einen weiteren funktionellen Bereich in dem gesamten Schichtstapel einzusetzen, beispielsweise in Form einer Ätzstoppschicht und/oder einer Übergangsschicht für das empfindliche dielektrische Material und dergleichen. Somit kann in Verbindung mit der kompressiv verspannten Deckschicht die Defektrate während eines kritischen CMP-Prozesses oder eines anderen Einebnungsprozesses effizient verringert werden, während gleichzeitig die gesamte Prozesskomplexität nicht in unerwünschter Weise vergrößert wird.
Mit Bezug zu den 2a bis 2c, 2f und den 3a und 3b werden nunmehr Beispiele, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, detaillierter beschrieben, wobei auch Bezug genommen wird auf die 1a bis 1c, wenn dies geeignet ist. Mit Bezug zu den 2d und 2e werden anschauliche Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelement 200 während einer anfänglichen Phase zur Herstellung einer Metallisierungsschicht. Das Halbleiterbauelement 200 umfasst ein Substrat 201, in und über welchem eine oder mehrere Bauteilebenen vorgesehen sind, die Schaltungselemente, Kontaktelemente, Metallleitungen und Kontaktdurchführungen und dergleichen in Abhängigkeit von der gesamten Gestaltung des Bauelements 200 enthalten können. Wie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist, kann das Substrat 201 ein beliebiges geeignetes Trägermaterial repräsentieren, etwa ein Halbleitersubstrat, ein SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrat und dergleichen, das darauf ausgebildet eine geeignete Halbleiterschicht aufweist, um darin und darüber Schaltungselemente herzustellen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen. Beispielsweise sind in anspruchsvollen Anwendungen Transistorstrukturen mit kritischen Abmessungen vorgesehen, etwa der Gatelänge von Feldeffekttransistoren und dergleichen, die 50 nm oder weniger betragen. Der Einfachheit halber sind derartige Schaltungselemente in 2a nicht gezeigt. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement 200 ein Metallisierungssystem 220, das in dem gezeigten Beispiel eine erste Metallisierungsschicht 210 und eine zweite Metallisierungsschicht 230 aufweist. Die erste Metallisierungsschicht 210 umfasst ein dielektrisches Material 211, in welchem ein oder mehrere Metallgebiete 212 vorgesehen sind, etwa Metallleitungen, die ein leitendes Barrierenmaterial 212a und ein gut leitendes Metall 212d, etwa Kupfer, Kupferlegierungen, Silber und dergleichen aufweisen können. In anderen Fällen enthält die Metallisierungsschicht 210 Kontaktdurchführungen oder Kontaktelemente, die eine Verbindung zu Schaltungselementen einer tieferliegenden Bauteilschicht herstellen, was häufig als eine Kontaktstruktur bezeichnet wird, in der entsprechende Kontaktelemente die elektrische Verbindung von Schaltungselementen zu der ersten Metallisierungsschicht herstellen. Das dielektrische Material 211 umfasst ein beliebiges geeignetes Material, etwa „konventionelle” Dielektrika in Form von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid und dergleichen, während in anderen Fällen zusätzlich oder alternativ dielektrische Materialien mit kleinem ε enthalten sind, wobei ein dielektrisches Material mit kleinem ε als ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger zu verstehen ist. In einigen Beispielen enthält das dielektrische Material 211 ein ULK-Material, d. h. ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,7 oder weniger. Ferner kann eine Ätzstoppschicht 213, die aus einer oder mehreren Materialzusammensetzungen aufgebaut sein kann, etwa Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, und dergleichen auf dem dielektrischen Material 211 und über dem gut leitendem Metall 212b ausgebildet sein, das in einigen Beispielen von einer zusätzlichen leitenden Materialschicht bedeckt sein kann, etwa in Form diverser Legierungen und dergleichen, um das Metall 212b einzuschließen und um für ein besseres Elektromigrationsverhalten zu sorgen.
Die Metallisierungsschicht 230 umfasst ein dielektrisches Material 231, das ein „empfindliches” dielektrisches Material enthalten kann, was als ein dielektrisches Material zu verstehen ist, das eine geringere mechanische Stabilität aufweist, was häufig mit einer kleinen dielektrischen Konstante verknüpft ist, wie dies zum Erreichen des gewünschten elektrischen Leistungsverhaltens des Bauelements 200 erforderlich ist. Beispielsweise sind eine Vielzahl von Polymermaterialien im Stand der Technik bekannt, die eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,7 oder weniger aufweisen und die zumindest als ein Teil des dielektrischen Materials 231 verwendet werden können. In anderen Fallen werden siliziumenthaltende dielektrische Materialien mit anderen Komponenten, etwa Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und dergleichen häufig eingesetzt, beispielsweise in einem porösen Zustand, um damit als ein ULK-Material zu dienen. Auch in diesem Falle wird somit eine deutlich geringere mechanische Stabilität im Vergleich zu konventionellen dielektrischen Materialien hervorgerufen. Es sollte beachtet werden, dass das dielektrische Material 231 auch andere Materialzusammensetzungen aufweisen kann, beispielsweise eine beliebige Art an „Übergangsmaterialien”, die mit der Ätzstoppschicht 213 in Verbindung stehen und die für eine bessere Haftung eines ULK-Materials sorgen, das im Wesentlichen Teil des dielektrischen Materials 213 ausmachen kann. Der Einfachheit halber sind derartige Übergangsmaterialien in 2a nicht gezeigt. Ferner umfasst die Metallisierungsschicht 230 eine dielektrische Deckschicht 235, die einen gewünschten inneren kompressiven Verspannungspegel 235s aufweist. In einigen Beispielen verläuft sich der innere Verspannungspegel 235s auf ungefähr 200 Megapascal und mehr, beispielsweise 200 bis 700 Megapascal an kompressiver Verspannung. In anderen Beispielen werden noch höhere innere kompressive Verspannungspegel in der Deckschicht 235 vorgesehen, die sich auf ungefähr 2 GPa und höher belaufen können. Beispielsweise wird die Deckschicht 235 in Form eines Siliziumdioxidmaterials, Siliziumnitridmaterials, in Form von stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid und dergleichen vorgesehen, wofür mehrere Abscheiderezepte verfügbar sind, um damit den gewünschten inneren kompressiven Verspannungspegel einzustellen. Folglich wird im Gegensatz zu konventionellen Vorgehensweisen, in denen häufig ein zugverspanntes Deckmaterial, etwa die Deckschicht 135 aus den 1a bis 1c verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung ein kompressiver Verspannungspegel bereitgestellt, um kompressive Kräfte auf das dielektrische Material 231 während der nachfolgenden Bearbeitung des Bauelements 200 auszuüben, insbesondere während eines Einebnungsprozesses, der in einer späteren Fertigungsphase ausgeführt wird.
Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Zunächst werden Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen, auf der Grundlage gut etablierter Fertigungsprozesse hergestellt, woran sich die Herstellung einer geeigneten Kontaktstruktur, etwa der Schicht 210, wenn diese eine Kontaktschicht repräsentiert, anschließt. Danach wird eine oder mehrere Metallisierungsschichten des Systems 220 gebildet, wobei der Einfachheit halber zumindest in einigen Metallisierungsschichten, etwa der Schicht 230, die Deckschicht 235 vorgesehen wird, derart, dass diese den inneren kompressiven Verspannungspegel 235s aufweist. Wenn die Schicht 210 beispielsweise eine Metallisierungsschicht repräsentiert, können ähnliche Prozesstechniken eingesetzt werden, wie sie auch mit Bezug zu der Schicht 230 beschrieben werden, während in anderen Fällen konventionelle Fertigungstechniken angewendet werden können, wenn das dielektrische Material 211 geeignete Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf die mechanische Stabilität, und dergleichen, aufweist. In diesem Falle können ähnliche Prozesstechniken eingesetzt werden, wie sie zuvor mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 110 beschrieben sind. Somit werden nach dem Abscheiden der Ätzstoppschicht 213 eine oder mehrere Übergangsschichten (nicht gezeigt) bei Bedarf abgeschieden, woran sich das Abscheiden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε anschließt, um die dielektrische Schicht 231 zu bilden. Zu diesem Zweck können gut etablierte Aufschleudertechniken, CVD-Prozesse und dergleichen eingesetzt werden. Als nächstes wird die kompressive Deckschicht 235 durch eine beliebige geeignete Abscheidetechnik hergestellt. Beispielsweise wird Siliziumdioxidmaterial mit einem hohen kompressiven Verspannungspegel durch plasmaunterstütztes CVD aus TEOS abgeschieden, wobei in einigen Beispielen eine gewisse Menge an Fluor enthaltenden Vorstufenmaterialien hinzugefügt wird, um ein fluordotiertes Siliziumdioxid mit einer geringeren Permittivität im Vergleich zu Siliziumdioxid zu erhalten, wenn ein Teil der Schicht 235s während der nachfolgenden Bearbeitung beibehalten werden soll. In anderen Fällen wird die Deckschicht 235 in einer späteren Fertigungsphase entfernt, wodurch eine spezielle Anpassung der dielektrischen Konstante nicht erforderlich ist. Während eines entsprechenden Abscheideprozesses 203 wird zumindest ein Prozessparameter so gesteuert, dass die Schicht 235 mit einem spezifizierten Betrag an kompressiver Verspannung aufgebracht wird. Beispielsweise kann die Größe der kompressiven Verspannung, die während des Abscheidens der Schicht 235 hervorgerufen wird, von der Gasmischung, der Abscheidetemperatur, der Größe der Vorspannung, die beispielsweise durch eine Niederfrequenzvorspannung hervorgerufen wird, die für gewöhnlich modernen CVD-Anlagen mit einer Betriebsweise mit zwei Frequenzen verfügbar ist, abhängen. Z. B. kann mit einem System „Producer” von Applied Materials Inc. eine Siliziumdioxidschicht mit einer kompressiven Verspannung im Bereich von 300 bis 400 MPa auf der Grundlage der folgenden Prozessparameter erreicht werden. Der Druck während des Abscheidens wird auf ungefähr 3 bis 6 Torr eingestellt, während die Hochfrequenzleistung zum Erzeugen einer Plasmaumgebung auf ungefähr 70 bis 150 Watt festgelegt wird, woraus sich eine geeignete Leistungsdichte innerhalb der Plasmaatmosphäre ergibt, die auch durch die spezielle geometrische Konfiguration der Reaktorkammer festgelegt ist. Die in Form der Niederfrequenzenergie zugeführte Leistung wird auf ungefähr 250 bis 350 Watt festgelegt. Die Abscheidetemperatur wird bei ungefähr 350 bis 450 Grad C, beispielsweise bei ungefähr 400 Grad C gehalten, und der Gasdurchfluss für das Trägergas in Form von Helium ist auf ungefähr 1000 sccm bis 4000 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute), beispielsweise auf ungefähr 3000 sccm eingestellt, während auch Sauerstoff mit einer Durchflussrate von ungefähr 1000 bis 1400 sccm zugeführt wird. Es wird auch TEOS mit ungefähr 1800 bis 2000 Milligramm pro Minute zugeführt. Mit der zuvor genannten Abscheideanlage und den zuvor angegebenen Prozessparametern kann eine Abscheiderate von ungefähr 5 bis 8 nm pro Sekunde erreicht werden. Eine Dicke der Schicht 235 kann im Bereich von ungefähr 10 bis 100 nm liegen, wobei dies von den Prozess- und Bauteilerfordernissen abhängt. Zu beachten ist, dass andere Prozessparameter auf der Grundlage der obigen Lehre ermittelt werden können, wenn andere Abscheideanlagen und/oder Substratdurchmesser verwendet werden.
In anderen Beispielen ist die Deckschicht 235 aus anderen Materialzusammensetzungen aufgebaut, etwa Siliziumnitrid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid und dergleichen, wofür gut etablierte plasmaunterstützte CVD-Techniken verfügbar sind, um eine gewünschte Größe an kompressiver Verspannung zu erreichen. Beispielsweise werden dielektrische Materialien in Form von Siliziumnitrid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid und dergleichen häufig in der Kontaktebene moderner Halbleiterbauelemente eingesetzt, um eine Zugverspannung oder eine kompressive Verspannung in lokaler Weise auszuüben, um somit die Transistorleistungseigenschaften insgesamt zu verbessern. Ein geeigneter innerer Verspannungspegel kann auf der Grundlage geeignet ausgewählter Prozessparameter, etwa der Grad an lonenbeschuss während des Abscheidens, erreicht werden, um damit beispielsweise einen hohen kompressiven Verspannungspegel zu erhalten, der ungefähr 2 GPA oder noch höher sein kann, wenn ein entsprechender Verspannungspegel für die Deckschicht 235 gewünscht wird. Somit sind eine Vielzahl von Materialien verfügbar, in denen eine Größe an kompressiver Verspannung von einigen 100 MPa bis mehreren GPa erzeugt werden kann, wodurch „schiebende” Kräfte in der Schicht 235 und auch in der Schicht 231 hervorgerufen werden, die eine Neigung zum Erzeugen von Mikrorissen in einer nachfolgenden Fertigungsphase entgegenwirken.
2b zeigt das Halbleiterbauelement 200 schematisch in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst die Metallisierungsschicht 230 ein Metallgebiet 232 mit einem gut leitenden Metall, etwa Kupfer, einer Kupferlegierung, Silber und dergleichen, möglicherweise in Verbindung mit einem leitenden Barrierenmaterial 232a. Das leitende Barrierenmaterial 232a enthält eine beliebige geeignete Materialzusammensetzung, um die gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften bereitzustellen, d. h. das gewünschte Elektromigrationsverhalten, die Haftung, die diffusionsbehindernde Wirkung und dergleichen bereitzustellen. Das Metallgebiet 232 umfasst eine Metallleitung 232l und eine Kontaktdurchführung 232v, die mit dem Metallgebiet 212 eine Verbindung herstellt, während in anderen Fällen eine beliebige andere geeignete Konfiguration für das Metallgebiet 232 verwendet wird, abhängig von der gesamten Bauteilkonfiguration. Das Metallgebiet 232 wird gemäß gut etablierter Prozesstechniken hergestellt, wie dies beispielsweise auch mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist. Des weiteren wird in der gezeigten Fertigungsphase ein Einebnungsprozess 202 ausgeführt, um überschüssiges Material des Metallgebiets 232 und auch um zumindest einen Teil der Deckschicht 235 abzutragen. Beispielsweise beinhaltet der Einebnungsprozess 202 einen CMP-Prozess, wobei jedoch eine höhere Abtragungsrate im Vergleich zu konventionellen Prozessen erreicht wird, da die kompressive Deckschicht 235 die Erzeugung entsprechender Mikrorisse 235c deutlich verringert, oder deren Größe zumindest verringert, da die kompressiven Kräfte innerhalb der Schicht 235 eine Tendenz besitzen, die Risse 235c zu „verschließen”, wodurch ebenfalls ein Ausbreiten oder eine Aufweitung der Risse 235c unterdrückt wird. Folglich wird auch eine Ausbreitung der Risse 235c während des Prozesses 202 in das empfindliche dielektrische Material 231 deutlich unterdrückt.
2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement in einer weiter fortgeschritten Fertigungsphase gemäß einiger Beispiele, in denen die Deckschicht 235 in einer im Wesentlichen vollständigen Weise entfernt ist, d. h. die Schicht 235 ist mit Ausnahme von Prozessschwankungen abgetragen, die etwa durch Substrat überspannende Ungleichmäßigkeiten des Abscheideprozesses 203 und des Einebnungsprozesses 202 hervorgerufen werden. Ferner besitzt das dielektrische Material 231 einen Oberflächenbereich mit einer geringeren Anzahl und/oder einer reduzierten Größe an Rissen, die während des vorhergehenden Einebnungsprozesses 202 erzeugt wurden. Folglich kann die weitere Bearbeitung des Halbleiterbauelements 200, etwa die Herstellung einer oder mehrerer weiterer Metallisierungsschichten und dergleichen, auf der Grundlage der Schicht 203 ausgeführt werden, die eine bessere Gleichmäßigkeit und mechanische Integrität auf Grund der geringeren Größe und der Anzahl der entsprechenden Defekte, die durch den nachfolgenden Einebnungsprozess hervorgerufen werden, aufweist.
Es sollte beachtet werden, dass auch die Metallisierungsschicht 210 auf der Grundlage einer entsprechenden kompressiv verspannten Deckschicht hergestellt werden kann, wenn das dielektrische Material 211 ein empfindliches dielektrisches Material, beispielsweise ein ULK-Material, repräsentiert, dessen Schädigung auf Grund der kompressiven Natur der entsprechenden Deckschicht verringert werden kann. Somit kann zusätzlich zu einer besseren mechanischen Integrität des Metallisierungssystems 220 auch eine geringere Durchlaufzeit erreicht werden, da der Einebnungsprozess 202 mit einem CMP-Prozess auf der Grundlage von beispielsweise einer größeren Andruckskraft ausgeführt werden kann, wodurch eine höhere Abtragsrate erreicht wird, während das Abscheiden der kompressiven Deckschicht 235 auf Grundlage einer Abscheiderate ausgeführt werden kann, die vergleichbar ist zu der Abscheiderate konventionell verwendeter Deckschichten, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist.
2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt, enthält die erste Metallisierungsschicht 210 eine kompressive Deckschicht 213c, die über dem dielektrischen Material 211 und dem einen oder den mehreren Metallgebieten 212 ausgebildet ist. Die kompressive Schicht 213c repräsentiert eine Deckschicht für das Einschließen des Metalls in den Metallgebieten 212 oder sie repräsentiert ein geeignetes Übergangsmaterial zur Anpassung der Eigenschaften des Materials 231 an die Eigenschaften der Metallisierungsschicht 210. In einer anschaulichen Ausführungsform dient die kompressive Schicht 213c auch als ein Ätzstoppmaterial zum Strukturieren des dielektrischen Materials 231 der Metallisierungsschicht 230.
2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der entsprechende Öffnungen 231t und 231v in dem dielektrischen Material 231 und auch in der kompressiven Deckschicht 235 gebildet sind. Die Schichten 231t, 231v können gemäß einem geeigneten Strukturierungsschema hergestellt werden, etwa einer dualen Damaszener-Technik und dergleichen, wobei das Strukturieren der Öffnungen 231v auf der Grundlage einer geeigneten Ätzmaske ausgeführt wird, wobei die kompressive Schicht 213c als ein Ätzstoppmaterial verwendet werden kann. Z. B. ist die Schicht 213c aus Siliziumnitrid, Stickstoff enthaltendem Siliziumkarbid, Siliziumdioxid, zumindest in Form einer Teilschicht der kompressiven Schicht 213c, oder einer geeigneten Zusammensetzung wird aufgebaut, um damit die gewünschten Ätzstoppeigenschaften zu erreichen, wobei auch ein gewünschter kompressiver Verspannungspegel erzeugt wird. Im Hinblick auf das Herstellen der Schicht 213c gelten ähnliche Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu der Schicht 235 erläutert sind. Nach der Herstellung der Öffnungen 231t und 231v und nach dem vollständigen Öffnen der Schicht 213c, um einen Teil der Metallgebiete 212 freizulegen, wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem ein leitendes Barrierenmaterial, falls dies erforderlich ist, und ein gut leitendes Metall eingefüllt werden. Danach wird überschüssiges Material durch einen Einebnungsprozess, etwa dem Prozess 202 (siehe 2b) abgetragen, wobei eine erhöhte mechanische Stabilität des dielektrischen Materials 231 durch „Einschließen” des Materials 231 mittels der beiden kompressiv verspannten Schichten 235 und 231c erreicht wird.
2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß einem Beispiel, das nicht Bestandteil der Erfindung ist, in dem mindestens eine weitere kompressiv verspannte dielektrische Materialschicht 236 zusätzlich zu der kompressiven Deckschicht 235 vorgesehen ist. Die kompressive Schicht 236 ist einer beliebigen geeigneten Position innerhalb des dielektrischen Materials 231 vorgesehen, um damit die gesamte mechanische Stabilität zu verbessern und um als eine risshindernde Schicht zu wirken. Beispielsweise wird die Schicht 236 nahe an der Schicht 235 (nicht gezeigt) angeordnet, um damit einen Oberflächenbereich des dielektrischen Materials 231 zu schaffen, der auch eine geringere Wahrscheinlichkeit zum Erzeugen von Mikrowissen aufweist, selbst wenn die Schicht 235 während des entsprechenden Einebnungsprozesses 202 (siehe 2b) im Wesentlichen abgetragen wird. In anderen Fällen wird, wie in 2f gezeigt ist, die Schicht 236 so angeordnet, dass diese als eine Ätzstoppschicht zur Herstellung der entsprechenden Grabenöffnungen 231 (siehe 2e) dient, wodurch die gesamte Prozessgleichmäßigkeit während des Strukturierens der entsprechenden Metallleitungen und Kontaktdurchführungen verbessert wird.
In Bezug auf eine Materialzusammensetzung und in Bezug auf Abscheidetechniken zur Herstellung der Schicht 236 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu der Schicht 235 erläutert sind. Es sollte ferner beachtet werden, dass bei Bedarf auch die Schicht 213c (siehe 2e) zusätzlich mit einer geeigneten kompressiven Verspannung vorgesehen werden kann, wodurch die gesamte mechanische Stabilität der Metallisierungsschicht 230 weiter verbessert wird.
Mit Bezug zu den 3a und 3b werden nunmehr weitere Beispiele beschrieben, die nicht Bestandteil der Erfindung sind, in denen eine kompressive Verspannung zumindest während eines Einebnungsprozesses durch globales Deformieren des Trägersubstrats angewendet wird.
3a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 300 mit einem Substrat 301, über welchem eine Metallisierungsschicht 330 in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase ausgebildet ist, d. h. die Metallisierungsschicht 330 enthält ein dielektrisches Material mit kleinem ε oder ein dielektrisches ULK-Material und umfasst ferner überschüssiges Metallmaterial, das auf der Grundlage eines CMP-Prozesses zu entfernen ist. Im Hinblick auf das Halbleiterbauelement 300 und die Metallisierungsschicht 330 gelten ähnliche Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Bauelementen 100 und 200 erläutert sind. Um somit das überschüssige Material zu entfernen, wird das Substrat 301 in einer Substrathalterung 351 einer Polieranlage 350 angeordnet. Es sollte beachtet werden, dass lediglich ein Teil der Polieranlage 350 in einer schematischen Weise in 3a gezeigt ist. Die Substrathalterung 351 repräsentiert einen Polierkopf einer CMP-Anlage, die ausgebildet ist, das Substrat 301 aufzunehmen und dieses gegenüber einem Polierkissen 352 mit einer spezifizierten Andruckskraft und während einer geeigneten Relativbewegung zwischen dem Substrat 301 und dem Polierkissen 352 in Position zu halten. In dem gezeigten Beispiel wird das Substrat 301 in der Substrathalterung 351 so angeordnet, dass eine globale Deformierung des Substrats 301 erreicht wird, so dass ein entsprechender kompressiver Verspannungspegel 335s und in der zu polierenden Oberfläche, d. h. der Metallisierungsschicht 330, hervorgerufen wird. Beispielsweise ist die Substrathalterung 351 so ausgebildet, dass ein Abstand 353p einer ebenen Oberfläche 351s der Substrathalterung 351 am Rand des Substrats 301 größer ist im Vergleich zu einem entsprechenden Abstand 353c in der Mitte. Folglich wird ein entsprechender Krümmungsradius 354 hervorgerufen, der zu der gewünschten kompressiven Verspannungskomponente 335s in der Metallisierungsschicht 330 führt. Andererseits kann die wirksame Andruckskraft am Rand unterschiedlich eingestellt werden im Vergleich zur Mitte, um damit eine gleichmäßige Abtragsrate während des Polierprozesses zu erreichen, selbst wenn die globale Deformierung des Substrats 301 zu einem geringen Unterschied in der Abtragsrate während des Polierprozesses führt. Somit führt während des Polierprozesses die kompressive Verspannungskomponente 335s zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit des Erzeugens oder des Vergrößerns von Mikrorissen, wodurch ebenfalls das Ausbreiten von Mikrorissen in das empfindliche dielektrische Material der Metallisierungsschicht 330 unterdrückt wird. Somit kann in eine entsprechende Deckschicht, etwa die Schicht 135 (siehe 1a und 1b) entsprechend konventioneller Prozessrezepte vorgesehen werden, da die gewünschte Verspannungskomponente 335s zeitweilig während des Polierprozesses innerhalb der Anlage 350 erzeugt wird. In anderen Beispielen wird eine kompressive Deckschicht, etwa die Schicht 235 (siehe 2a bis 2f) vorgesehen, jedoch mit einer geringeren Dicke, einen geringeren kompressiven Verspannungspegel und dergleichen, wodurch eine höhere Flexibilität bei der Auswahl geeigneter Materialien und Abscheidetechniken zur Herstellung der entsprechenden Deckschicht ermöglicht wird.
3b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 gemäß noch weiteren Beispielen, in denen eine globale Deformierung des Substrats 301 und damit die kompressive Verspannung 335s durch Bilden einer verspannungsinduzierenden Schicht 337 an der Rückseite des Substrats 301 erreicht werden. Beispielsweise wird ein geeignetes Material, etwa Siliziumnitrid und dergleichen, mit einer hohen Zugverspannungskomponente mit einer geeigneten Dicke abgeschieden, um damit eine entsprechende Krümmung 354 zu erzeugen, die wiederum zu der kompressiven Verspannungskomponente 335s führt. Danach wird das Bauelement 300 in einer CMP-Anlage, etwa der Anlage 350, bearbeitet, ohne dass spezielle Gerätekomponenten erforderlich sind, um die kompressive Verspannungskomponente 335s temporär während des entsprechenden Einebnungsprozesses zu erzeugen. Wie zuvor erläutert ist, können eine Vielzahl gut etablierter Materialien, etwa Siliziumnitrid, mit einem hohen inneren Zugverspannungspegel abgeschieden werden, was zu einer entsprechenden globalen Deformierung des Substrats 301 führt. Somit wird eine geringere Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Mikrorissen in empfindlichen dielektrischen Materialien in der Metallisierungsschicht 330 erreicht. Auch in diesem Falle kann die Schicht 330 mit oder ohne einer kompressiven Deckschicht bereitgestellt werden, wie dies auch zuvor erläutert ist.
Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Techniken zur Herstellung von Metallisierungsschichten bereit, die empfindliche dielektrische Materialien enthalten, etwa ULK-Materialien, wobei die mechanische Stabilität während des Einebnungsprozesses zum Entfernen von überschüssigem Metall erhöht wird, indem ein kompressiver Verspannungspegel angewendet wird, der die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Mikrorissen in dem empfindlichen dielektrischen Material verringert. Dies wird auf der Grundlage einer kompressiven Deckschicht erreicht.

Claims

Verfahren mit: Bilden einer kompressiven Deckschicht (235) aus Siliziumnitrid oder stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid auf einem dielektrischen Material (231) mit kleinem ε einer Metallisierungsschicht (230) eines Halbleiterbauelements (200), wobei die kompressive Deckschicht (235) mit einem internen kompressiven Verspannungspegel von ungefähr 2 Gigapascal oder höher gebildet wird; Bilden mindestens einer weiteren kompressiven Materialschicht (213c), um eine kompressive Verspannung in dem dielektrischen Material (231) mit kleinem ε hervorzurufen, vor dem Bilden des dielektrischen Materials (231) mit kleinem ε; Bilden einer Öffnung (231t, 231v) in der Deckschicht (235) und dem dielektrischen Material (231) mit kleinem ε; Füllen der Öffnung (231t, 231v) mit einem Metall; und Entfernen der kompressiven Deckschicht (235) und des überschüssigen Materials des Metalls durch Ausführen eines Einebnungsprozesses, wobei die kompressive Deckschicht (235) so gebildet wird, dass ein Ausbreiten von während des Einebnungsprozesses entstehenden Mikrorissen in das dielektrische Material mit kleinem ε unterdrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen eines Einebnungsprozesses umfasst: Ausführen eines chemisch-mechanischen Einebnungsprozesses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material (231) mit kleinem ε eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2,7 oder weniger besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine der mindestens einen weiteren kompressiven Materialschicht als ein Ätzstoppmaterial verwendet wird, wenn die Öffnung (231t, 231v) in dem dielektrischen Material (231) mit kleinem ε gebildet wird.