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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung
Mikrostrukturbauelemente, etwa integrierte Schaltungen, und betrifft
insbesondere Metallisierungsschichten mit gut leitenden Metallen,
etwa Kupfer, die in einem dielektrischen Material mit reduzierter
Permittivität
eingebettet sind.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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In
modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge von
Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf
Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder auf Funktionsvielfalt
der Schaltungen stetig verbessert wurde. Wenn die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich verringert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente erhöht wird,
wird auch der verfügbare
Platz für
Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch
miteinander verbinden, ebenfalls verringert. Folglich müssen die
Abmessungen dieser Verbindungsleitungen und die Abstände zwischen den
Metallleitungen und die Abstände
zwischen den Metallleitungen verringert werden, um den geringeren
Anteil an verfügbaren
Platz aus der größeren Anzahl
an Schaltungselementen, die pro Einheitsfläche vorgesehen sind, Rechnung
zu tragen.
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In
integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen im Bereich unter
1 μm ist
ein begrenzender Faktor für
das Bauteilleistungsverhalten die Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen
wird. Wenn die Kanallänge
dieser Transistorelemente nunmehr 50 nm und weniger erreicht, wodurch das
Transistorleistungsverhalten kontinuierlich verbessert wurde, ist
die Signalausbreitungsverzögerung
nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren begrenzt, sondern wird
auf Grund der hohen Schaltungsdichte durch die Verbindungsleitungen
beeinflusst, da die Kapazität
zwischen den Leitungen (C) erhöht
ist und auch der Widerstand (R) der Leitungen größer ist auf Grund des kleineren
Querschnittes der Leitungen. Die parasitären RC-Zeitkonstanten und die
kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen erfordert
daher das Einführen
einer neuen Art an Materialien für
die Herstellung der Metallisierungsschicht.
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Üblicherweise
werden Metallisierungsschichten, d. h. Verdrahtungsschichten mit
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, die die elektrische
Verbindung der Schaltungselemente gemäß einem speziellen Schaltungsaufbau
ermöglichen,
hergestellt, indem ein dielektrischer Schichtstapel vorgesehen wird,
der etwa Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid aufweist, wobei
Aluminium als typisches Metall verwendet wird. Da Aluminium eine
ausgeprägte Elektromigration
bei höheren
Stromdichten zeigt, die bei integrierten Schaltungen mit äußerst kleinen Strukturgrößen erforderlich
sind, wird Aluminium zunehmend durch beispielsweise Kupfer ersetzt,
das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand besitzt und
eine höhere
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration aufweist. Für
sehr anspruchsvolle Anwendungen werden zusätzlich zur Verwendung von Kupfer
und/oder Kupferlegierungen die gut etablierten und gut bekannten
dielektrischen Materialien Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2) und Siliziumnitrid (ε größer 7) zunehmend
durch sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt,
die relative Permittivitäten
3,0 und weniger besitzen. Der Übergang
von einer Metallisierungsschicht mit gut bekannten und gut etablierten
Materialien Aluminium/Siliziumdioxid zu einer Metallisierungsschicht
auf Kupferbasis möglicherweise
in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε ist mit
einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu lösen gilt.
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Beispielsweise
kann Kupfer nicht in relativ großen Mengen in effizienter Weise
durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische und physikalische
Dampfabscheidung, aufgebracht werden. Des weiteren kann Kupfer nicht
in effizienter Weise durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden. Daher wird häufig die sogenannte Damaszener-
oder Einlegetechnik angewendet, um Metallisierungsschichten mit
Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen herzustellen. Typischerweise wird
in der Damaszener-Technik die dielektrische Schicht abgeschieden
und anschließend
strukturiert, so dass Gräben
und Kontaktöffnungen
gebildet werden, die nachfolgend mit Kupfer oder Legierungen davon
durch Plattierungsverfahren, etwa Elektroplattieren oder stromloses
Plattieren, gefüllt
werden. Da Kupfer leicht in einer Vielzahl von Dielektrika diffundiert,
etwa in Siliziumdioxid und vielen Dielektrika mit kleinem ε, ist die
Ausbildung einer Diffusionsbarrierenschicht an Grenzflächen zu
den benachbarten dielektrischen Material erforderlich. Des weiteren
ist auf die Diffusion von Feuchtigkeit und Sauerstoff in das kupferbasierte
Metall zu unterdrücken, da
Kupfer schneller reagiert, so dass oxidierte Bereiche erzeugt werden,
wodurch möglicherweise
die Eigenschaften der kupferbasierten Metallleitung im Hinblick
auf Haftung, Leitfähigkeit
und die Widerstand die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration
beeinträchtigt
werden.
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Während des
Einfüllens
eines leitenden Materials, etwa von Kupfer, in die Gräben und Öffnungen
der Kontaktdurchführungen
muss ein ausgeprägtes
Maß an Überfüllung vorgesehen
werden, um in zuverlässiger
Weise die entsprechenden Öffnungen
von unten nach oben ohne Hohlräume
und andere durch die Abscheidung hervorgerufenen Unregelmäßigkeiten
zu füllen.
Nach dem Metallabscheideprozess mussdaher überschüssiges Material abgetragen
werden und die resultierende Oberflächentopographie ist einzuebnen,
beispielsweise unter Anwendung elektrochemischer Ätztechniken,
chemisches-mechanisches Polieren (CMP) und dergleichen. Während des
CMP-Prozesses wird beispielsweise ein hohes Maß an mechanischer Belastung
auf die Metallisierungsebenen, die bislang hergestellt sind, ausgeübt, wodurch
strukturelle Schäden
bis zu einem gewissen Grade hervorgerufen werden können, insbesondere
wenn aufwendige dielektrische Materialien mit geringerer Permittivität verwendet werden.
Wie zuvor erläutert
ist, besitzt die kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen
einen wesentlichen Einfluss auf das gesamte Leistungsverhalten des
Halbleiterbauelements, insbesondere in Metallisierungsebenen, die
im Wesentlichen von der „Kapazität” abhängig sind,
d. h. in denen eine Vielzahl dichtliegender Metallleitungen entsprechend
den Bauteilerfordernissen vorzusehen sind, wodurch möglicherweise
eine Signalausbreitungsverzögerung
und Signalstörungen
zwischen benachbarten Metallleitungen hervorgerufen werden. Aus
diesem Grunde werden sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε oder Materialien
mit ultrakleinem ε eingesetzt,
die eine Dielektrizitätskonstante
von 3,0 oder deutlich weniger bieten, um damit das gesamt elektrische
Leistungsverhalten der Metallisierungsebenen zu verbessern. Andererseits
ist eine geringere Permittivität
des dielektrischen Materials typischerweise mit einer geringeren
mechanischen Stabilität
verknüpft,
wodurch aufwendige Strukturierungsschemata erforderlich sind, um
nicht in unerwünschter
Weise die Zuverlässigkeit
des Metallisierungssystems zu beeinträchtigen.
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Die
kontinuierliche Verringerung der Strukturgrößen, etwa von Gatelängen von
ungefähr
40 nm und weniger, führen
jedoch dazu, dass die Dielektrizitätskonstante der entsprechenden
dielektrischen Materialien weiter verringert wird, was zunehmend
zu Ausbeuteverlusten beiträgt
auf Grund von beispielsweise einer nicht ausreichenden mechanischen
Stabilität
entsprechender Materialien mit ultrakleinem ε. Aus diesem Grunde wurde vorgeschlagen, „Luftspalte” zumindest
in kritischen Bauteilbereichen einzuführen, da Luft oder ähnliche
Gase eine Dielektrizitätskonstante
von ungefähr
1,0 besitzen, wodurch eine geringere Gesamtpermittivität geschaffen
wird, wobei dennoch die Verwendung weniger kritischer dielektrischer
Materialien möglich
ist. Somit kann durch das Anwenden geeignet positionierter Luftspalte
die Gesamtpermittivität
verringert werden, wobei dennoch die mechanische Stabilität des dielektrischen Materials
besser ist im Vergleich zu konventionellen Dielektrika mit ultrakleinem ε. Beispielsweise
wurde vorgeschlagen, Nano-Löcher
in geeignete dielektrische Materialien einzubauen, die zufällig in
dem dielektrischen Material verteilt sind, so dass die Dichte des
dielektrischen Materials deutlich verringert wird. Jedoch erfordert
das Erzeugen und die Verteilung der jeweiligen Nano-Löcher eine
Vielzahl von aufwendigen Prozessschritten zum Erzeugen der Löcher mit einer
gewünschten
Dichte, wobei gleichzeitig die gesamten Eigenschaften des dielektrischen
Materials im Hinblick auf die weitere Bearbeitung geändert werden,
beispielsweise im Hinblick auf das Einebnen von Oberflächenbereichen,
das Abscheiden weiterer Materialien und dergleichen.
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In
anderen Lösungsmöglichkeiten
werden aufwendige Lithographieprozesse zusätzlich eingeführt, um
geeignete Ätzmasken
zur Herstellung von Spalten in der Nähe jeweiliger Metallleitungen
mit einer Position und Größe zu schaffen,
wie sie durch die lithographisch hergestellte Ätzmaske vorgegeben sind. In
diesem Falle sind jedoch zusätzliche
teuere Lithographieschritte erforderlich, wobei auch die Positionierung
und die Dimensionierung der entsprechenden Luftspalte durch die
Möglichkeiten
der jeweiligen Lithographieprozesse beschränkt sind. Da typischerweise
in kritischen Metallisierungsebenen die lateralen Abmessungen von
Metallleitungen und die Abstände
zwischen benachbarten Metallleitungen durch kritische Lithographieschritte
festgelegt sind, ist eine geeignete und zuverlässige Fertigungssequenz zum
Vorsehen dazwischen liegender Luftspalte eher auf der Grundlage
der verfügbaren
Lithographietechniken erreichbar.
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Aus
diesem Grunde wurden in einigen Lösungsansätzen selbstjustierte Strukturierungsschemata
entwickelt, in denen das dielektrische Material zwischen dichtliegenden
Metallleitungen selektiv in Bezug auf das Material der Metallleitungen
geätzt wird,
um damit Absenkungen oder Spalten mit einer gewünschten Tiefe zu schaffen.
Anschließend
wird ein geeignetes dielektrisches Material abgeschieden derart,
dass zumindest ein wesentlicher Teil des inneren Volumens der zuvor
gebildeten Vertiefungen oder Spalte beibehalten wird, so dass entsprechende Luftspalte
zwischen zwei benachbarten Metallleitungen erzeugt werden. Obwohl
diese Technik zusätzliche
Lithographieschritte vermeiden kann, werden die Metallleitungen
der Einwirkung einer reaktiven Ätzumgebung
ausgesetzt, wodurch zu einer nicht gewünschten Erosion der Metallleitungen
beigetragen wird. Beispielsweise erfordern in aufwendigen Anwendungen
die Metallleitungen, gut leitende Metalle, etwa Kupfer und dergleichen
aufweisen, ein zuverlässiges
Deckmaterial, das eine Diffusion von Kupfer in das umgebende dielektrische
Material unterdrückt und
das ebenfalls auch die Diffusion reaktiver Komponenten, etwa von
Sauerstoff, Fluor und dergleichen, in das empfindliche Kupfermaterial
unterdrückt.
Gleichzeitig ist eine entsprechende Grenzfläche zwischen dem Deckmaterial
und dem Kupfer ein wichtiger Faktor zur Festlegung des gesamten
elektrischen Leistungsverhaltens der Metallleitung hinsichtlich
auf das Elektromigrationsverhalten. Die Elektromigration ist ein
Phänomen,
in welchem eine merkliche gerichtete „Diffusion” von Rumpfatomen auftritt
in Richtung des Elektronenstromes bei Auftreten einer ausgeprägten Stromdichte
in der Metallleitung. Insbesondere ausgeprägte Diffusionspfade können zu
einer merklichen Materialdiffusion innerhalb der Metallleitung führen, wodurch
zu einer kontinuierlichen Beeinträchtigung und schließlich zu
einem vorzeitigen Ausfall der Metallleitung beigetragen wird. Folglich
werden große
Anstrengungen unternommen, um Deckmaterialien vorzusehen, die eine starke
Grenzfläche
zwischen dem Kupfer und dem Deckmaterial schaffen, so dass der gewünschte Kupfereinschluss
erreicht wird und auch ein besseres Elektromigrationsverhalten erzielt
wird. Beispielsweise werden eine Vielzahl leitender Deckmaterialien
in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, die jedoch nicht die
gewünschte Ätzwiderstandsfähigkeit während des
zuvor beschriebenen selbstjustierenden Strukturierungsschemas zur
Herstellung von Luftspalten zeigen.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung
Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen das elektrische Leistungsverhalten
von Metallisierungsebenen verbessert wird, indem eine geringere
Gesamtpermittivität
auf der Grundlage von Luftspalte vorgesehen wird, während eines
oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest
in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die
Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Bauelemente,
in denen Luftspalte zwischen dichtliegenden Metallgebieten in selbstjustierender
Weise angeordnet werden, wobei dennoch im Wesentlichen die Integrität eines
Deckmaterials der Metallleitungen beibehalten wird, das im Hinblick
auf ein gutes Elektromigrationsverhalten der Metallleitung ausgewählt ist.
Zu diesem Zweck wird ein zusätzliches
Deckmaterial oder ein Ätzschutzmaterial
zumindest temporär
vorgesehen, bevor entsprechende Aussparungen oder Spalten gebildet
werden. Daher werden die Materialeigenschaften der zusätzlichen
Deckschicht oder des Ätzschutzmaterials
so gewählt,
dass ein unerwünschter Materialabtrag
der Deckschicht, d. h. der Schicht, die für den Kupfereinschluss und
für das
bessere Elektromigrationsverhalten vorgesehen ist, unterdrückt wird.
Gleichzeitig werden in einigen anschaulichen hierin offenbarten
Aspekten selektive Abscheidetechniken eingesetzt, um zusätzliche
Lithographieprozesse zu vermeiden, so dass selbstjustierte Luftspalte
realisiert werden, ohne dass in unerwünschter Weise ein weiterer
Beitrag zur höheren Prozesskomplexität im Vergleich
zu konventionellen Prozesstechniken geschaffen wird. Folglich können geeignete
dielektrische Materialien, die für
die gewünschten
Eigenschaften sorgen, in aufwendigen Metallisierungsebenen angewendet
werden, während
die zuverlässige
und reproduzierbare Herstellung der Luftspalte in kritischen Bauteilbereichen eine
Einstellung der Gesamtpermittivität gemäß den Bauteilerfordernissen
ermöglicht.
Gleichzeitig wird das gesamte Elektromigrationsverhalten durch die selbstjustierte
Prozesssequenz im Wesentlichen nicht beeinträchtigt.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer
leitenden Deckschicht auf Metallleitungen, die in einem ersten dielektrischen
Material einer Metallisierungsschicht eines Mikrostrukturbauelements
gebildet sind. Das Verfahren umfasst das ferner das Bilden eines Ätzschutzmaterials
auf der leitenden Deckschicht, wobei das Ätzschutzmaterial zumindest
einen Bereich des ersten dielektrischen Materials freilegt, der
zwischen zwei benachbarten Metallleitungen angeordnet ist. Das Verfahren
umfasst ferner das Bilden einer Vertiefung in zumindest in Bereich
des dielektrischen Materials und das Abscheiden eines zweiten dielektrischen Materials,
um die Vertiefung zu verschließen
und um einen Luftspalt auf der Grundlage der Vertiefung herzustellen.
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Ein
weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das
Bilden eines Ätzschutzmaterials
auf einer leitenden Deckschicht einer ersten Metallleitung und einer
leitenden Deckschicht einer zweiten Metallleitung, wobei die erste
und die zweite Metallleitung in einem dielektrischen Material eines
Metallisierungssystems eines Mikrostrukturbauelements ausgebildet
sind. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Vertiefung in
dem dielektrischen Material zwischen der ersten Metallleitung und
der zweiten Metallleitung unter Anwendung des Ätzschutzmaterials als eine
Maske. Des weiteren wird das Ätzschutzmaterial
zumindest von den leitenden Deckschichten entfernt und schließlich wird
ein Luftspalt zwischen der ersten und der zweiten Metallleitung
auf der Grundlage der Vertiefung hergestellt.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Mikrostrukturbauelement umfasst
eine erste Metallleitung, die in einem dielektrischen Material einer
Metallisierungsschicht gebildet ist, wobei die erste Metallleitung
eine erste leitende Deckschicht aufweist, die eine erste Grenzfläche mit
einem ersten Metallkernmaterial der erste Metallleitung bildet.
Das Mikrostrukturbauelement umfasst ferner eine zweite Metallleitung,
die in dem dielektrischen Material der Metallisierungsschicht lateral
benachbart zu der ersten Metallleitung ausgebildet ist, wobei die
zweite Metallleitung eine zweite leitende Deckschicht aufweist,
die eine zweite Grenzfläche
mit einem zweiten Metallkernmaterial der zweiten Metallleitung bildet. Schließlich umfasst
das Mikrostrukturbauelement einen einzelnen zusammenhängenden
Luftspalt, der in dem dielektrischen Material zwischen der ersten
und der zweiten Metallleitung ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements, beispielsweise
einer integrierten Schaltung zeigt, das eine Bauteilebene und ein
Metallisierungssystem aufweist, das die Luftspalte zwischen dichtliegenden
Metallleitungen erhalten soll, während
die Integrität
des Deckmaterials gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
beibehalten wird;
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1b schematisch
eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements während eines Abscheideprozesses
zum selektiven Bilden eines oder mehrerer Deckmaterialien oder Ätzschutzmaterialien über den
Metallleitungen gemäß anschaulicher
Ausführungen
zeigt;
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1c schematisch
das Mikrostrukturbauelement gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigt, in denen ein selektives Abscheideverhalten auf der Grundlage
einer Oberflächenbehandlung,
an Maskenschichten und dergleichen erreicht wird;
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1d schematisch
das Mikrostrukturbauelement während
eines Strukturierungsprozesses zur Herstellung entsprechender Vertiefungen
unter Anwendung des Ätzschutzmaterials
zur Beibehaltung der Unversehrtheit der abgedeckten Metallleitungen zeigt,
während
auch andere Bauteilbereiche gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
maskiert sind;
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1e bis 1g schematisch
Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements während diverser
Fertigungsphasen zur Herstellung der Luftspalte auf der Grundlage
der zuvor strukturierten Vertiefungen gemäß anschaulicher Ausführungsformen
zeigen; und
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1h bis 1i schematisch
Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
darstellen, in denen zumindest ein Bereich des Ätzschutzmaterials durch eine
Einebnungstechnik entfernt wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen
beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung
sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Offenbarung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, deren
Schutzbereich durch die angefügten
Patentansprüche
definiert ist.
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Im
Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Techniken und Mikrostrukturbauelemente, beispielsweise
integrierte Schaltungen, bereit, in denen das elektrische Leistungsverhalten
eines Metallisierungssystems verbessert wird, indem selbstjustierte
Luftspalte in der Nähe
kritischer Metallgebiete, etwa von Metallleitungen, vorgesehen werden,
wobei dennoch die guten Eigenschaften der Metallleitungen im Hinblick
auf die Elektromigration und den Metalleinschluss beibehalten werden.
D. h., die Positionierung und die laterale Größe entsprechender Luftspalte
oder Luftkanäle
wird auf der Grundlage eines selbstjustierenden Strukturierungsschemas
in Verbindung mit einem Abscheideprozess erreicht, ohne dass aufwendige
Lithographietechniken erforderlich sind, während gleichzeitig die Integrität eines
speziellen Deckmaterials, etwa eines leitenden Deckmaterials, während des
Strukturierungsprozesses beibehalten wird. Zu diesem Zweck werden
ein oder mehrere weitere Deckmaterialien oder Ätzschutzmaterialien in sehr
selektiver Weise vorgesehen, ohne dass zusätzliche Lithographieschritte
erforderlich sind, so dass ein unerwünschter Materialabtrag der
speziellen Deckschichten während
des Strukturierungsprozesses im Wesentlichen vermieden wird. Da
die eine oder die mehreren weiteren Deckschichten oder Ätzschutzmaterialien
deutlich andere Materialeigenschaften im Vergleich zu den speziellen
Deckschichten aufweisen können,
beispielsweise im Hinblick auf die Materialdicke, der Materialzusammensetzung und
dergleichen, kann die Steuerbarkeit des Strukturierungsprozesses
erreicht werden, ohne dass Modifikationen einer gewünschten
Konfiguration der Metallleitung und der speziellen Deckschicht erforderlich sind.
Beispielsweise ist eine Vergrößerung der Schichtdicke
einer konventionellen Deckschicht, was im Hinblick auf die Vergrößerung der
gesamten Ätzwiderstandsfähigkeit
in Betracht gezogen werden kann, vermieden, wodurch eine bessere
Gleichmäßigkeit
des elektrischen Leistungsverhaltens des entsprechenden Metallisierungssystems
erreicht wird und auch eine bessere Gleichmäßigkeit des nachfolgenden Strukturierungsprozesses
geschaffen wird. Des weiteren kann die zusätzliche Ätzschutzschicht oder die Schichten
effizient während
der weiteren Bearbeitung zumindest teilweise entfernt werden, wenn das
Vorhandensein dieser Materialien für die weitere Bearbeitung des
Bauelements und/oder für
das Leistungsverhalten des Bauelements als ungeeignet erachtet werden.
Somit können
die lateralen Abmessungen der Luftspalte ohne zusätzliche
Lithographietechniken eingestellt werden, selbst mit einem Auflösungsvermögen unterhalb
der der Lithographie, wobei das Vorsehen des zusätzlichen Ätzschutzmaterials für eine zuverlässige und
reproduzierbare Gesamtprozesssequenz sorgt. Ferner wird ein hohes Maß an Flexibilität im Hinblick
auf die Auswahl geeigneter Materialien erreicht, da eine Vielzahl
selektiver Abscheidetechniken eingesetzt werden können, etwa
elektrochemische Abscheideprozesse, d. h. stromloses Plattieren,
CVD-artige Abscheideprozesse und dergleichen, wobei ein selektives
Abscheideverhalten erreicht wird, indem Oberflächenbereiche funktionalisiert
werden, etwa durch Vorsehen eines hydrophilen Oberflächenzustandes
auf dielektrischen Materialien, indem Maskenmaterialien und dergleichen
vorgesehen werden. Da in einigen anschaulichen hierin offenbarten
Aspekten unerwünschte
Reste des Ätzschutzmaterials
effizient in einer späteren
Fertigungsphase ent fernt werden können, ist eine weniger ausgeprägte Ätzselektivität dieser
Materialien leicht zu kompensieren durch geeignetes Einstellen einer
entsprechenden Anfangsschichtdicke, so dass in zuverlässiger Weise
die Integrität
der speziellen Deckmaterialien der Metallleitungen beibehalten wird.
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Da
die vorliegende Offenbarung sich auf Technik und Bauelemente bezieht,
die das Positionieren und Dimensionieren von Luftspalten in einer Auflösung unterhalb
der Lithographieauflösung
ermöglichen,
sind die hierin offenbarten Prinzipien äußerst vorteilhaft auf aufwendige
Mikrostrukturbauelemente anzuwenden, etwa Halbleiterbauelemente
mit Transistorelementen der 45-nm-Technologie oder der 32-nm-Technologie
und darunter. Die hierin offenbarten Prinzipien können jedoch
auf weniger kritische Mikrostrukturbauelemente angewendet werden,
in denen eine geringere Permittivität wünschenswert ist, beispielsweise
indem sehr empfindliche dielektrische Materialien vermieden werden,
so dass die vorliegende Offenbarung nicht auf spezielle kritische
Bauteilabmessungen eingeschränkt
erachtet werden soll, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den
angefügten
Patentansprüche oder
in der Beschreibung genannt sind.
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Mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche
Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100,
das in der gezeigten Ausführungsform
eine integrierte Schaltung repräsentiert
mit einer Vielzahl von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und
dergleichen. In diesem Falle umfasst das Bauelement 100 eine
Bauteilebene 110, in der eine Vielzahl von Schaltungselementen 103, etwa
Transistoren und dergleichen, über
einem Substrat 101 gebildet sind. Beispielsweise repräsentiert das
Substrat 101 ein Halbleitersubstrat, ein isolierendes Substrat
mit einer darauf ausgebildeten geeigneten Halbleiterschicht 102, über und
in welcher die Schaltungselemente 103 gebildet sind. In
anderen Fällen
wird eine vergrabene isolierende Schicht (nicht gezeigt) zumindest
teilweise zwischen der Halbleiterschicht 102 und dem Substrat 101 vorgesehen,
um eine SOI(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration zu
schaffen. Es sollte beachtet werden, dass das Halbleitermaterial
der Schicht 102 ein beliebiges geeignetes Material, etwa
Silizium, Germanium, eine Silizium/Germanium-Mischung, Verbundhalbleitermaterialien
und dergleichen aufweisen kann, wie dies zum Erreichen der gewünschten
Bauteileigenschaften erforderlich ist. Die Schal tungselemente 103,
wenn diese in Form von Transistoren vorgesehen sind, umfassen eine
Gateelektrodenstruktur 104, die Gesamteigenschaften beeinflusst
und die eine kritische laterale Abmessung, die als 104l angegeben
ist, besitzt, die ungefähr
50 nm und weniger, etwa 30 nm und weniger in äußerst aufwendigen Halbleiterbauelementen
beträgt.
Die Bauteilebene 110 kann ferner eine Kontaktebene 105 aufweisen, die
als eine Grenzfläche
zwischen den Schaltungselementen 103 und einem Metallisierungssystem 150 betrachtet
werden kann. die Kontaktebene 105 enthält ein geeignetes dielektrisches
Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen, in
Verbindung mit Kontaktelementen 150a, die die elektrische Verbindung
zwischen Kontaktbereichen der Schaltungselemente 103 und
Metallgebieten in dem Metallisierungssystem 150 herstellen.
Es sollte beachtet werden, dass der Aufbau der Bauteilebene 110 abhängig von
den gesamten Bauteilerfordernissen variieren kann. Daher sollten
die hierin offenbarten Prinzipien nicht als auf eine spezielle Bauteilarchitektur eingeschränkt gesehen
werden, sofern derartige Einschränkungen
nicht explizit in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen dargelegt
sind.
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Wie
zuvor erläutert
ist, sind typischerweise eine oder mehrere elektrische Verbindungen
mit jedem der Schaltungselemente eine oder mehrere elektrische Verbindungen
mit jedem der Schaltungselemente 103 verknüpft, wodurch
eine Vielzahl von Metallisierungsschichten zum Einrichten der elektrischen
Verbindungen entsprechend den betrachteten Schaltungsaufbau erforderlich
sind, wobei der Einfachheit halber ein Teil einer einzelnen Metallisierungsschicht
als das Metallisierungssystem 150 dargestellt ist. Es sollte
jedoch beachtet werden, dass unter und/oder über der Metallisierungsschicht 150 eine
oder mehrere weitere Metallisierungsschichten vorgesehen sein können, wobei
dies von der gesamten Komplexität
des Bauelements 100 abhängt.
Für jede
dieser zusätzlichen
Metallisierungsschichten gelten die gleichen Kriterien, wie sie
nachfolgend mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 150 angegeben sind.
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Die
Metallisierungsschicht 150 umfasst ein dielektrisches Material 151,
das in Form eines beliebigen geeigneten Materials oder einer Materialzusammensetzung
vorgesehen werden kann, um damit die gewünschten elektrischen und mechanischen
Eigenschaften zu erreichen. Z. B. enthält das dielektrische Material 151 ein
Material mit einer moderat geringen Permittivität, wobei gleichzeitig für eine ausreichende
mechanische Festigkeit im Hinblick auf die weitere Bearbeitung des
Bauelements 100 gesorgt wird, wie dies auch zuvor erläutert ist.
Da die endgültige
Permittivität
der Metallisierungsschicht 150 zumindest lokal auf der
Grundlage von Luftspalte eingestellt wird, die in gewissen Bereichen
hergestellt werden, beruht die Auswahl eines geeignete dielektrischen
Materials vorzugsweise auf der Kompatibilität im Hinblick auf die weitere
Bearbeitung anstatt auf der Grundlage einer minimalen dielektrischen
Konstanten. Beispielsweise können
eine Vielzahl gut etablierter dielektrischer Materialien mit einer
moderat geringen Dielektrizitätskonstante
im Bereich von ungefähr
4,0 bis 2,5 in der Metallisierungsschicht 150 gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
angewendet werden. Z. B. können
dotiertes Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, eine Vielzahl von Materialien
mit Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff und dergleichen
effizient eingesetzt werden. In anderen Fallen werden geeignete
Polymermaterialien für
die Metallisierungsschicht 150 verwendet, solange die gewünschte Kompatibilität mit der
weiteren Bearbeitung erreicht wird. Es sollte beachtet werden, dass
das dielektrische Material 151 eine Vielzahl unterschiedlicher
Materialien enthalten kann, wobei dies von den gesamten Bauteil-
und Prozesserfordernissen abhängt.
Z. B. können
zwischenliegende Ätzstoppmaterialien
und dergleichen vorgesehen werden, wenn dies für das gesamte Leistungsverhalten
und für
die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 von Vorteil
ist.
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Die
Metallisierungsschicht 150 umfasst ferner mehrere Metallleitungen 152a,
..., 152c, die auch gemeinsam als Metallleitungen 152 bei
Bedarf bezeichnet werden. Z. B. enthalten die Metallleitungen 152 ein
gut leitendes Kernmaterial 154, etwa Kupfer und dergleichen,
wenn ein gutes Leistungsverhalten im Hinblick auf die Leitfähigkeit,
die Elektromigration und dergleichen erforderlich ist. In anderen
Fallen können
andere Metalle, etwa Kupferlegierungen, Silber und dergleichen eingesetzt
werden, wenn diese Materialien mit den gewünschten Bauteilereigenschaften
kompatibel sind. Die Metallleitungen 152 enthalten ggf.
ein leitendes Barrierenmaterial 153, das in einigen anschaulichen
Ausführungsformen zwei
oder mehr Teilschichten aufweist, um damit den verbesserten Metalleinschluss
und die Integrität
des Metalls in Bezug auf eine Reaktion mit reaktiven Komponenten
zu erreichen, die in geringsten Mengen innerhalb des dielektrischen
Materials 151 vorhanden sein können. Des weiteren führt typischerweise
das leitende Barrierenmaterial 153 zu einem besseren Elektromigrationsverhalten
der Metallleitungen 152. Ferner ist eine Deckschicht 155 auf
den Metallleitungen 152 ausgebildet, um für den erforderlichen
Kupfereinschluss und die Kupferintegrität zu sorgen, wobei sich auch
ein verbessertes Elektromigrationsverhalten ergibt, wie dies zuvor
erläutert
ist. Beispielsweise können
eine Vielzahl von leitenden Deckmaterialien eingesetzt werden, etwa
eine Legierung aus Nickel/Molybdän/Phosphor,
eine Legierung mit Kobalt/Wolfram/Phosphor, eine Legierung mit Nickel/Wolfram/Phosphor,
Ruthenium, und dergleichen, die als spezielle Deckmaterialien vorgesehen werden,
um das bessere Elektromigrationsverhalten zu erreichen, ohne dass
in unerwünschter
Weise das elektrische Leistungsverhalten im Hinblick auf die gesamte
Leitfähigkeit
beeinflusst wird. Folglich können die
Materialeigenschaften der Deckschicht 155 so gewählt werden,
dass eine starke Grenzfläche 155i mit
dem Kernmaterial 154 geschaffen wird, um damit das verbesserte
Elektromigrationsverhalten zu erzeugen, während gleichzeitig eine geeignete
Dicke entsprechend den gesamten Bauteilerfordernissen eingestellt
wird. Wie zuvor erläutert
ist, können
die Materialien der Deckschicht 155 im Hinblick auf die Elektromigration
und die Leitfähigkeit
ausgesucht werden, während
die Aspekte der Ätzselektivität nicht
berücksichtigt
werden müssen
auf Grund des Vorsehens eines oder mehrerer zusätzlicher Ätzschutzmaterialien während der
weiteren Bearbeitung des Bauelements 100.
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In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
werden die Metallleitungen 152 als „dichtliegende” Metallleitungen
betrachtet, wobei eine laterale Abmessung der einzelnen Metallleitungen 152 vergleichbar
ist zu dem lateralen Abstand zwischen zwei benachbarten Metallleitungen,
etwa den Metallleitungen 152a, 152b oder 152b und 152c.
Z. B. enthält
die Metallisierungsschicht 150 Metallleitungen mit einer Breite
von mehreren 100 nm und deutlich weniger, etwa 100 nm und weniger,
wobei auch ein Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen in
der gleichen Größenordnung
liegt. In diesem Falle besitzen die Metallleitungen 152 „kritische” Abmessungen,
d. h. Abmessungen, die die minimalen und lateralen Abmessungen repräsentieren,
die zuverlässig
und reproduzierbar durch entsprechende Lithographietechniken in
Verbindung mit zugehörigen
Strukturierungsschemata erreicht werden können. Im Gegensatz zu einigen
konventionellen Lösungen
wird daher die Positionierung und die Dimensionierung von Luftspalten zwischen
benachbarten Metallleitungen 152 in einer selbstjustierenden
Weise erreicht, indem die Metallleitungen als „Ätzmasken” verwendet werden, wobei jedoch
eine erhöhte
Unversehrtheit der Deckmaterialien 155 auf der Grundlage
der zusätzlichen
Deckmaterialien oder Ätzschutzmaterialien
erreicht wird, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Das
in 1a gezeigte Bauelemente 100 kann auf
der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Die Bauteilebene 110 wird
unter Anwendung gut etablierter Prozesstechniken hergestellt, wobei
aufwendige Lithographieprozesse, Strukturierungsstrategien und dergleichen
eingesetzt werden, um die Schaltungselemente 103 gemäß den Entwurfsregeln
bereitzustellen. Z. B. wird die Gateelektrode 104 durch
aufwendige Lithographie- und Ätztechniken
hergestellt, wodurch die Gatelänge 104l entsprechend
den Entwurfsregeln eingestellt wird. Des weiteren wird ein Dotierstoffprofil
in der Halbleiterschicht 102 auf der Grundlage gut etablierter
Implantationstechniken in Verbindung mit Ausheizprozessen geschaffen.
Nach der Fertigstellung der grundlegenden Struktur der Schaltungselemente 103 wird
die Kontaktebene 105 gemäß geeigneter Fertigungstechniken
hergestellt, indem beispielsweise ein dielektrisches Material abgeschieden
und dieses eingeebnet wird und indem Kontaktöffnungen darin hergestellt
werden, die mit einem geeigneten leitenden Material gefüllt werden,
um damit die Kontaktelemente 105a zu erhalten. Daraufhin
werden eine oder mehrere Metallisierungsschichten gemäß einer beliebigen
geeigneten Fertigungstechnik hergestellt, etwa in Form der Einlege-
oder Damaszener-Technik, wie dies zuvor beschrieben ist. Der Einfachheit halber
wird eine Fertigungssequenz mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 150 beschrieben,
in der die Metallleitungen 152 so gebildet werden, dass
diese zu entsprechenden Kontaktdurchführungen verbunden sind (nicht
gezeigt), und in einem tiefer liegenden Bereich der Metallisierungsschicht 150 in
einer separaten Fertigungssequenz hergestellt werden können oder
die gemeinsam mit den Metallleitungen 152 gebildet werden.
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Offenbarung in Verbindung
mit einer beliebigen geeigneten Fertigungssequenz zur Herstellung
der Metallleitungen 152 angewendet werden kann. Z. B. kann
das dielektrische Material 151 durch eine beliebige geeignete
Abscheidetechnik aufgebracht werden, etwa CVD (chemische Dampfabscheidung),
Aufschleuderprozesse, physikalische Dampfabscheidung, oder eine
geeignete Kombination dieser Techniken. Es sollte ferner beachtet
werden, dass das dielektrische Material 151 eine Ätzstoppschicht
oder eine Deckschicht aufweisen kann, um Metallgebiete einer tieferliegenden
Metallisierungsebene abzudecken und/oder um als ein Ätzstoppmaterial
zur Herstellung von Kontaktöffnungen oder
Gräben
für die
Metallleitungen 152 zu dienen, wobei dies von der gesamten
Prozessstrategie abhängt.
Danach wird eine geeignete Ätzmaske,
möglicherweise
in Form einer Hartmaske, durch Lithographie bereitgestellt, um die
laterale Größe und die Lage
der Metallleitungen 152 zu definieren. Es sollte beachtet
werden, dass die laterale Größe und der Abstand
benachbarter Metallleitungen 152 deutlich unterschiedlich
sein kann, selbst in der gleichen Metallisierungsebene, wobei dies
von dem gesamten Aufbau der darunter liegenden Bauteilebene 110 abhängt. Wie
zuvor erläutert
ist, repräsentieren
die Metallleitungen 152, wie sie in 1a gezeigt
sind, dichtliegende Metallleitungen gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen,
wobei die laterale Größe und der
Abstand kritischer Abmessungen für das
betrachtete Lithographie- und Strukturierungsschema repräsentieren.
Auf der Grundlage der entsprechenden Ätz maske werden zugehörige Öffnungen
hergestellt und nachfolgend mit einem geeigneten Material, etwa
dem Barrierenmaterial 153 und dem Kernmaterial 154 in
Form von Kupfer, Kupferlegierung, Silber und dergleichen gefüllt. Das
Abscheiden des Barrierenmaterials 153 kann unter Anwendung
von Sputter-Abscheidung, elektrochemische Abscheidung, CVD, Atomschichtabscheidung
(ALD) und dergleichen bewerkstelligt werden. Typischerweise wird
das Abscheiden des Kernmaterials 154 auf der Basis elektrochemischer
Abscheidetechniken bewerkstelligt, etwa in Form von stromlosen Plattieren,
Elektroplattieren und dergleichen. Daraufhin wird überschüssiges Material
mittels eines geeigneten Abtragungsprozesses entfernt, etwa durch
CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen. Als nächstes wird
die spezielle Deckschicht 155 auf den Kernmaterialien 154 hergestellt,
was in einigen anschaulichen Ausführungsformen typischerweise ohne
zusätzliche
Lithographieprozesse bewerkstelligt wird. Z. B. kann ein selbstjustierter
elektrochemischer Abscheideprozess ausgeführt werden, in welchem das
Kernmaterial als ein Katalysatormaterial dient, um die chemische
Reaktion zum Abscheiden des Materials der Deckschichten 155 aus
einer entsprechenden Elektrolytlösung
in Gang zu setzen. In anderen Fallen werden CVD-ähnliche Abscheidetechniken
eingesetzt, etwa in Kombination mit einer geeigneten Funktionalisierung
des dielektrischen Materials 151, um damit das Abscheiden
des Deckmaterials auf dem dielektrischen Material im Wesentlichen
zu vermeiden und/oder um ein selektives Entfernen von Deckmaterial
von oberhalb des dielektrischen Materials 151 zu ermöglichen.
In noch anderen Fallen wird ein weiterer Lithographieprozess eingesetzt,
um das zuvor abgeschiedene Deckmaterial zu strukturieren.
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1b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils des Halbleiterbauelements 100,
d. h. eines Bereichs der Metallisierungsschicht 150. In diesem
Zusammenhang sei anzumerken, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen
das Metallisierungssystem 150 über einem geeigneten Substrat
ohne eine entsprechende Bauteilebene ausgebildet sein kann, etwa
die Bauteilebene 110, wie sie in 1a gezeigt
ist. In diesem Falle wird das Metallisierungssystem 150 auf
eine entsprechende Bauteilebene während einer beliebigen geeigneten
Fertigungsphase übertragen.
In 1b unterliegt das Bauelement 100 einer
Abscheidesequenz 120, die gestaltet ist, ein oder mehrere
zusätzliche
Materialien über
der Deckschicht 155 zu bilden, um im Wesentlichen die Integrität der Deckschichten 155 während der
weiteren Bearbeitung bei der Herstellung selbstjustierter Luftspalte
zwischen den Metallleitungen 152 beizubehalten. In der
gezeigten Ausführungsform
wird ein Ätzschutzmaterial 121 in
Bezug auf die erforderliche Ätzwiderstandsfähigkeit
gebildet, wie dies auch zuvor erläutert ist. Beispielsweise wird
eine einzelne geeignete Materialzusammensetzung in einer räumlich selektiven
Weise durch die Prozesssequenz 120 gebildet, um in zuverlässiger Weise
die Deckschicht 155 abzudecken. Beispielsweise wird ein
geeignetes leitendes Material mit einer geeigneten Dicke 121t aufgebracht,
um damit die gewünschte
Integrität
der Deckschicht 155 während
der nachfolgenden Bearbeitung zu gewährleisten, wobei auch eine
andere Materialzusammensetzung im Vergleich zu dem speziellen Deckmaterial
gewählt
werden kann, um damit ein effizientes und gut steuerbares Entfernen
zumindest eines wesentlichen Anteils des Materials 121 in
einer späteren
Fertigungsphase zu ermöglichen.
Zum Beispiel wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein stromloser
Plattierungsprozess in der Sequenz 120 eingesetzt, wobei eine
geeignete Elektrolytlösung
verwendet wird, während
das Deckmaterial 155 als ein Katalysatormaterial dient,
um die elektrochemische Abscheidung in Gang zu setzen. Z. B. sind
für eine
Vielzahl von Materialien, etwa solche, wie sie zuvor in Bezug auf
das Deckmaterial 155 angegeben sind, entsprechende Abscheiderezepte
verfügbar.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Unterschied der Materialzusammensetzung
zwischen den Materialien 121 und 155 es ermöglicht,
eine gewünschte Ätzselektivität während der
weiteren Bearbeitung zu erzeugen, wenn die Deckschicht 155 freigelegt
wird, um damit die gewünschten
Bauteileigenschaften im Hinblick auf das elektrische Leistungsverhalten
der Metallleitungen 152 zu erreichen. Wie zuvor erläutert ist,
kann somit die Deckschicht 155 im Hinblick auf das elektrische
Leistungsverhalten ausgewählt
werden, was somit durch Entfernen des Ätzschutzmaterials 121 in einer
späteren
Fertigungsphase „wieder
hergestellt” wird,
ohne dass im Wesentlichen die Deckschicht 155 negativ beeinflusst
wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das Ätzschutzmaterial 121 in
Form zweier oder mehrerer individueller Materialzusammensetzungen
vorgesehen, beispielsweise wie dies in 1b durch
die Schichten 121a, 121b gezeigt ist, was vorteilhaft
sein kann während
der nachfolgenden Entfernung des Materials 121. Z. B. ist
die Materialschicht 121a als ein Puffermaterial oder Ätzstoppmaterial
für das
Abtragen des Materials 121b in einer späteren Fertigungsphase, während das
Material 121 ebenfalls effizient in Bezug auf das Deckmaterial 155 durch
geeignetes Auswählen
der Abtragungseigenschaften entfernt werden kann. Z. B. besitzt
das Material 121b eine ähnliche
Zusammensetzung im Vergleich zu dem Deckmaterial, wobei jedoch eine
Dicke in geeigneter Weise so gewählt wird,
dass die gewünschte
Integrität
der Deckschicht 155 gewahrt ist, während andererseits die Schicht 121a geeignete Ätzstoppeigenschaften
beim Entfernen von Resten der Schicht 121b nach der Strukturierungssequenz
zur Herstellung von Vertiefungen benachbart zu den Metallleitungen 152 bietet.
Folglich kann ein hohes Maß an
Flexibilität
bei der Auswahl geeigneter Materialien erreicht werden, da viele Materialien
effizient durch selektive elektrochemische Abscheidetechniken aufgebracht
werden, wobei die entsprechenden Abtragungseigenschaften und der Ätzwiderstand
einstellbar ist, indem die Materialzusammensetzung und die Dicke
ausgewählt werden,
wobei auch eine Vielzahl unterschiedlicher Materialzusammensetzungen
bei Bedarf angewendet werden können.
Da der größte Anteil
des Ätzschutzmaterials 121 in
einer temporären
Weise vorgesehen wird, können
die Abscheideparameter so eingestellt werden, dass ein gewünschtes
laterales Wachstum oder eine Breite 121w erreicht werden, die
zu einem gewünschten
Grad an Abschaltung des dielektrischen Materials während des
nachfolgenden Strukturierungsschemas zur Herstellung von Vertiefungen
in dem dielektrischen Material 151 führt. D. h., durch Einstellen
der lateralen Breite 121w wird ein Abstandshaltereffekt
des Materials 121 erreicht, der somit es möglich macht,
die Breite der jeweiligen Vertiefungen in anisotropen Ätzprozessen
einzustellen, was wünschenswert
ist beim Beibehalten eines gewissen Grades an mechanischer Stabilität und auch im
Hinblick auf die Beibehaltung der Integrität des Barrierenmaterials 153,
wenn ein direkter Kontakt dieses Materials mit einer entsprechenden Ätzumgebung
nicht gewünscht
ist.
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1c zeigt
schematisch das Bauelement 100, wenn es einer Prozesssequenz 120a unterliegt, die
gestaltet ist, um freiliegende Oberflächenbereiche der Metallisierungsschicht 150 für eine im
Wesentlichen räumliche
selektive Abscheidung des einen oder der mehreren Ätzschutzmaterialien 121 vorzubereiten.
In einer anschaulichen Ausführungsform
enthält
die Prozesssequenz 120a eine Oberflächenbehandlung zur Funktionalisierung
des freigelegten Oberflächenbereichs,
um die Abscheiderate für
das dielektrische Material 151 und die Deckschicht 155 unterschiedlich
bei einem nachfolgenden Abscheideprozess einzustellen. Z. B. kann
die Funktionalisierung beider Oberflächenbereiche das Abscheiden
einer „Passivierungsschicht” beinhalten, die
der Deckschicht 155 eine im Wesentlichen hydrophobe Eigenschaft
verleiht, während
eine nachfolgende Behandlung, beispielsweise in Form einer reaktiven
Komponente, zu einer im Wesentlichen hydrophilen Oberflächeneigenschaft
des dielektrischen Materials 151 führt. In diesem Falle wird ein
geeignetes Material selektiv abgeschieden, wie dies durch 122 angegeben
ist, das an den Hydroxylgruppen der hydrophilen Oberfläche des
dielektrischen Materials 151 anhaftet, während eine
Abscheidung auf der Deckschicht 155 mit der hydrophoben
Oberflächeneigenschaft
im Wesentlichen vermieden wird. Nach dem Reinigen der freiliegenden
Oberflächenbereiche wird
ein gewünschtes Ätzschutzmaterial 121 abgeschieden,
beispielsweise durch eine CVD- ähnliche Abscheidetechnik,
wobei das Ätzschutzmaterial
von dem dielektrischen Material 151 zusammen mit dem zuvor
abgeschiedenen Maskenmaterial 122 entfernt wird, indem
beispielsweise erhöhte
Temperaturen und dergleichen angewendet werden. In noch anderen
anschaulichen Ausführungsformen
besitzt das Maskenmaterial 122 selbst eine Oberflächeneigenschaft,
um eine merkliche Abscheidung des Ätzschutzmaterials darauf im
Wesentlichen zu unterdrücken.
Auch in diesem Falle wird eine selektive Maskenwirkung während des
weiteren Beareitens erreicht, da das Maskenmaterial 122 eine
höhere
Abtragsrate im Vergleich zu dem Ätzschutzmaterial
besitzt, das selektiv über
den Deckschichten 155 gebildet ist. In noch anderen anschaulichen
Ausführungsformen
umfasst die Sequenz 120a das Abscheiden eines Lackmaterials,
das belichtet wird, wobei das unterschiedliche optische Verhalten
der Metallleitungen 152 im Vergleich zu dem dielektrischen
Material 151 zu einer entsprechenden Erzeugung von latenten
Bildern führt,
so dass abhängig
von der Art des verwendeten Lackmaterials und den jeweiligen Belichtungsparametem
ein Lackmaterial selektiv von dem Deckmaterial oder dem dielektrischen
Material 151 entfernt wird. Daraufhin wird das Ätzschutzmaterial
oder ein anderes Maskenmaterial mittels einer geeigneten Abscheidetechnik
vorgesehen und daraufhin wird das verbleibende Lackmaterial, möglicherweise
in Verbindung mit einem entsprechenden darauf ausgebildeten Ätzschutzmaterial,
durch eine Wärmebehandlung
und dergleichen entfernt.
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1d zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen
Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist das Bauelement 100 der
Einwirkung einer Ätzumgebung 123 ausgesetzt,
die so gestaltet ist, dass entsprechende Vertiefungen 151r zwischen
benachbarten Metallleitungen 152 gebildet wird. Ferner
ist eine Ätzmaske 124 vorgesehen,
beispielsweise in Form einer Lackmaske und dergleichen, um entsprechende
Bauteilgebiete zu bedecken, in denen die Herstellung der Vertiefungen 151r oder
ein entsprechender Materialabtrag der Schicht 151 nicht
gewünscht
ist. Während
des Ätzprozesses 123,
der in einigen anschaulichen Ausführungsformen als ein anisotroper
plasmaunterstützter Ätzprozess
ausgeführt
wird, bewahrt das Ätzschutzmaterial 121 die
Integrität
der Deckschicht 155, selbst wenn ein wesentlicher Teil
des Materials 121 während
des Prozesses 123 abgetragen wird. Wie zuvor erläutert ist,
kann ein entsprechender Materialabtrag berücksichtigt werden, indem die
anfängliche
Schichtdicke des Materials 121 geeignet gewählt wird.
Wenn ein sehr anisotropes Ätzverhalten
gewünscht
ist, kann die Breite 151w der Vertiefung 151r auf
der Grundlage des Materials 121 (siehe 1b)
eingestellt werden, indem die Breite 121w eingestellt wird.
Z. B. können
eine Vielzahl gut etablierter anisotroper Ätzrezepte eingesetzt werden, wobei
dies von der Materialzusammensetzung der Schicht 151 abhängt. In anderen
anschaulichen Ausführungsformen
wird ein isotropes Ätzrezept
eingesetzt, wenn die Einwirkung auf die Barrierenschicht 153 der
Metallleitungen 152 dessen Funktionsverhalten nicht negativ
beeinflusst und wenn eine größere Breite
der Vertiefungen 151r gewünscht ist, beispielsweise im
Hinblick auf das Erhöhen
des Gesamtvolumens entsprechender Luftspalte, die auf der Grundlage
der Vertiefungen 151r zu bilden sind.
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1e zeigt
schematisch das Bauelement 100 nach dem Ende des Ätzprozesses 123 (siehe 1d).
Wie gezeigt, erstrecken sich die Vertiefungen 151r in das
dielektrische Material 151 bis hinab zu einer gewünschten
Tiefe, während
die Deckschichten 155 weiterhin durch einen Teil des Materials 121 bedeckt
sind, der während
der vorhergehenden Ätzprozesse
nicht verbraucht wurde. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
(nicht gezeigt) wird die Breite der Vertiefungen 151r weiter
angepasst, indem ein Abstandshaltermaterial mit einer beliebigen
geeigneten Zusammensetzung aufgebracht wird und nachfolgend anisotrop
geätzt
wird, um entsprechende „Seitenwandabstandshalter” innerhalb der
Vertiefungen 151r herzustellen, wodurch eine gewünschte Breite
der Luftspalte erreich wird, die auf der Grundlage der Vertiefungen 151r noch
zu bilden sind. Auf diese Weise kann eine beliebige gewünschte laterale
Größe der Vertiefungen 151r und
somit der entsprechenden Luftspalte ohne ein Erfordernis für aufwendige
Lithographieprozesse festgelegt werden. Es sollte beachtet werden,
dass während
eines entsprechenden Strukturierungsprozesses zur Herstellung von
Seitenwandabstandshaltern in den Vertiefungen 151r das
verbleibende Material 121 ebenfalls als ein Ätzstoppmaterial
zur Bewahrung der Integrität des
Deckschichten 155 dienen kann.
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1f zeigt
schematisch das Bauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen,
in denen die Reste des Materials 121 vor dem Herstellen
entsprechender Luftspalte auf der Grundlage der Vertiefungen 151r entfernt
werden. Zu diesem Zweck wird ein Ätzprozess 125 durchgeführt, etwa
auf der Grundlage nasschemischer Ätzrezepte, plasmaunterstützter Ätztechniken,
etwa isotrope oder anisotrope Ätztechniken,
und dergleichen. Während
des Ätzprozesses 125 wird
eine unerwünschte Materialentfernung
der Deckschichten 155 unterdrückt, da ein gewisser Grad an Ätzselektivität zwischen
den unterschiedlichen Materialzusammensetzungen des Ätzschutzmaterials 121 oder
dessen Reste (siehe 1e) und der Deckschicht 155 bestehen
kann. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird, wie zuvor
erläutert
ist, eine ausgeprägte Ätzselektivität erreicht,
indem beispielsweise geeignete Materialien ausgewählt werden
oder ein entsprechendes Ätzstoppmaterial
vorgesehen wird, etwa die Schicht 121a (siehe 1b).
Während
der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 kann somit
eine gewünschte
Konfiguration der Metallleitungen 152 wieder hergestellt
werden, indem das Material 121 (siehe 1e)
entfernt wird, wodurch das gewünschte
elektrische Leistungsverhalten der Metallleitungen 152 erreicht
wird.
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1g zeigt
schematisch das Bauelement 100 während eines Abscheideprozesses 126,
der so gestaltet ist, dass weiteres dielektrisches Material 156 abgeschieden
wird, um entsprechende Luftspalte 156a auf der Grundlage
der Vertiefungen 151r (siehe 1f) zu
erhalten. Zu diesem Zweck wird der Abscheideprozess 126 auf
Basis von Abscheideparameter ausgeführt, die zur Ausbildung ausgeprägter Überhänge führen, wodurch
die Luftspalte 156a zuverlässig verschlossen werden. Es
können
somit eine Vielzahl gut etablierter CVD-basierter Rezepte in Verbindung mit
einem geeigneten Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumkarbid,
Siliziumnitrid oder dielektrische Materialien mit geringerer Permittivität verwendet
werden, die jedoch für
die gewünschte
mechanische Stabilität
und dergleichen sorgen. Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt,
indem etwa überschüssiges Material
der Schicht 156 entfernt und die Oberflächentopographie eingeebnet
wird und indem eine oder mehrere Metallisierungsschichten hergestellt
werden, die ebenfalls zumindest lokal entsprechender Luftspalte
abhängig
von den gesamten Bauteilerfordernissen erhalten können.
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1h zeigt
schematisch das Bauelemente 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen.
Wie gezeigt, ist das dielektrische Material 156 über den
Metallleitungen 152 gebildet, darauf ausgebildet noch das Ätzschutzmaterial 121 oder
zumindest einen Teil davon, der während des vorhergehenden Strukturierungsprozesses
nicht verbraucht wurde, aufweisen kann. Des weiteren unterliegt
das Bauelement 100 einem Materialabtragsprozess 127a,
in welchem überschüssiges Material
der Schicht 156 entfernt wird, wodurch ebenfalls die Oberflächentopographie
des Bauelements 100 eingeebnet wird. Z. B. enthält der Abtragungsprozess 127a einen CMP-Prozess,
der auf der Grundlage geeigneter Prozessparameter so ausgeführt wird,
das Material der Schicht 156 effizient abgetragen wird.
Während des
Abtragungsprozesses 127a kann das Material 121 in
einigen anschaulichen Ausführungsformen
als ein CMP-Stoppmaterial oder als ein CMP-Steuermaterial eingesetzt
werden, da das Material 121 deutlich andere Materialeigenschaften
im Vergleich zu dem dielektrischen Material 156 besitzen
kann Somit kann ein Freiliegen des Materials 121 wäh rend des
Abtragungsprozesses 127a erkannt werden und kann als effiziente
Prozesssteuerung verwendet werden. Danach wird der Abtragungsprozess 127a fortgesetzt, beispielsweise
auf der Grundlage anderer Prozessparameter, um auch die Schicht 121,
zumindest über
der Deckschicht 155, zu entfernen.
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1i zeigt
schematisch das Bauelement 100 während eines entsprechenden
Abtragungsprozesses 127b, in welchem Material der Schicht 121 in einer
gut steuerbaren Weise im Vergleich zu dem Deckmaterial 155 entfernt
wird. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende Reste 121r,
die lateral benachbart zu dem Deckmaterial 155 angeordnet sein
können,
im Wesentlichen das Leistungsverhalten des Metallisierungssystems 155 und
die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 nicht beeinflussen.
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Es
gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Mikrostrukturbauelemente
und entsprechende Fertigungstechniken bereit, in denen selbstjustierte Luftspalte
vorgesehen werden, wobei ein gutes Elektromigrationsverhalten beibehalten
wird, während gleichzeitig
die Integrität
der Metallleitung während der
Strukturierung des selbstjustierten Luftspaltes sichergestellt ist.
Zu diesem Zweck werden die Metallleitungen zumindest mit einem oder
mehreren zusätzlichen
Deckmaterialien oder einem Ätzstoppmaterial
abgedeckt, deren Eigenschaften im Hinblick auf das Erreichen der
gewünschten Ätzselektivität ausgewählt sind,
während
die eigentliche erste Deckschicht für das gewünschte elektrische Leistungsverhalten
der Metallleitungen sorgt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
sorgt die Dicke der zusätzlichen Ätzsschutzschicht
auf eine abschattende Wirkung in Abstandshalterelementen während des Strukturierungsprozesses,
wodurch das Freilegen eines leitenden Barrierenmaterials oder Kupfermaterials
unterdrückt
wird, wenn die jeweiligen Vertiefungen hergestellt werden. Somit
können
die Hartmaskeneigenschaften während
des Strukturierungsprozesses individuell eingestellt werden, ohne
dass das elektrische Verhalten der Metallleitungen, etwa im Hinblick
auf die kapazitive Kopplung, die Elektromigration, und dergleichen,
beeinflusst wird.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung 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 hierin offenbarten
Prinzipien zu vermitteln Selbstverständlich sind die hierin gezeigten
und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu
betrachten.