DE102009023379B4

DE102009023379B4 - Erzeugen einer hydrophoben Oberfläche empfindlicher Dielektrika mit kleinem ε von Mikrostrukturbauelementen durch eine in-situ-Plasmabehandlung

Info

Publication number: DE102009023379B4
Application number: DE102009023379.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Fischer; Matthias Schaller
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: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2029-05-30
Also published as: US20100304566A1; US8399358B2; DE102009023379A1

Abstract

Verfahren mit den folgenden Schritten: Bilden eines silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials über einem Substrat eines Mikrostrukturbauelements; Einrichten einer ersten Plasmaatmosphäre in einer Prozessumgebung, die zum Einschluss eines Plasmas ausgebildet ist; Veranlassen einer Einwirkung einer ersten Art von Radikalen, die in der ersten Plasmaatmosphäre erzeugt werden, auf einen Oberflächenbereich des silizium-, kohlenstoff und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials; Einrichten einer zweiten Plasmaatmosphäre auf der Grundlage von Wasserstoff und Kohlenstoff, wobei die zweite Plasmaatmosphäre in situ innerhalb derselben Prozessumgebung eingerichtet wird, in der die erste Plasmaatmosphäre eingerichtet wurde; und Veranlassen der Einwirkung einer zweiten Art von Radikalen, die in der zweiten Plasmaatmosphäre erzeugt werden, auf den Oberflächenbereich des silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials, wobei die zweite Art an Radikalen zu einer Ausbildung von Methyl-Gruppen in der Oberflächenstruktur des Oberflächenbereichs führt, wobei das Substrat des Mikrostrukturbauelements zwischen dem Einwirken der ersten Art von Radikalen und dem Einwirken der zweiten Art von Radikalen keinem Transportschritt unterworfen wird, gekennzeichnet durch Initiieren einer Dimerisation oder einer Polymerisation durch Zuführen eines oder mehrerer chemischer Mittel zu dem Oberflächenbereich, um die chemische Stabilität des Oberflächenbereichs zu erhöhen, wobei das eine oder die mehreren chemischen Mittel Silan- und/oder Trimethylsilan und/oder Tetramethylsilan und/oder Tetramethyldisilazan in Kombination mit einer oder mehreren funktionalen Gruppen sind, wobei die eine oder die mehreren funktionalen Gruppen eine Vinylgruppe umfassen.

Description

Gebiet der vorliegenden Erfindung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Mikrostrukturen, etwa moderne integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere Materialsysteme mit siliziumdioxidbasierten Dielektrika, die eine kleine dielektrische Konstante besitzen.
Beschreibung des Stands der Technik
Bei der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierte Schaltungen, gibt es ein ständiges Bestreben, das Leistungsverhalten im Hinblick auf das Funktionsverhalten und die Funktionsvielfalt, die in einer einzelnen Mikrostrukturbaugruppe enthalten ist, zu verbessern. Zu diesem Zweck gibt es ein ständiges Bestreben, die Strukturgrößen von Mikrostrukturelementen zu verringern, wodurch die Funktionsvielfalt dieser Strukturen verbessert wird. Beispielsweise hat in modernen integrierten Schaltungen die minimale Strukturgröße, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Funktionsvielfalt verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration verringert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente erhöht wird, sind häufig neue Materialien erforderlich, um nicht in unerwünschter Weise Vorteile aufzuheben, die durch das Verringern der Strukturgrößen der einzelnen Komponenten von Mikrostrukturbauelementen, etwa von Schaltungselementen und dergleichen, erreicht werden. Beim Reduzieren der kritischen Abmessungen von Transistoren, wodurch die Dichte der einzelnen Schaltungselemente erhöht wird, wird beispielsweise auch die verfügbare Fläche für Verbindungsleitungen, die elektrisch die einzelnen Schaltungselemente miteinander verbinden, ebenfalls verringert. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen ebenfalls reduziert werden, um den geringen Anteil an verfügbarer Fläche und der größeren Anzahl an Schaltungselementen, die pro Einheitschipfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen, da typischerweise zwei oder mehr Verbindungen für jedes einzelne Schaltungselement erforderlich sind. Daher wird für gewöhnlich eine Vielzahl gestapelter „Verdrahtungsschichten”, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden, vorgesehen, wobei einzelne Metallleitungen einer Metallisierungsschicht mit den einzelnen Metallleitungen einer darüber liegenden oder darunter liegenden Metallisierungsschicht durch sogenannte Kontaktdurchführungen verbunden sind. Trotz des Vorsehens einer Vielzahl von Metallisierungsschichten sind kleinere Abmessungen der Verbindungsleitungen erforderlich, um der enormen Komplexität beispielsweise moderner CPU's, Speicherchips, ASIC's (anwendungsspezifische IC's) und dergleichen Rechnung zu tragen.
Moderne integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen Abmessung von 0,05 μm und darunter werden daher typischerweise bei deutlich erhöhten Stromdichten von bis zu mehreren Kiloampere pro cm² in den einzelnen Verbindungsstrukturen auf Grund der großen Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche betrieben, obwohl eine relativ große Anzahl an Metallisierungsschichten vorgesehen ist. Folglich werden gut etablierte Materialien, etwa Aluminium, durch Kupfer und Kupferlegierungen ersetzt, d. h. durch Materialien mit einem deutlich geringeren elektrischen Widerstand und einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration, selbst bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich zu Aluminium, ersetzt.
Das Einführen von Kupfer bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen geht einher mit einer Vielzahl ernsthafter Probleme, die in der Eigenschaft des Kupfers begründet liegen, gut in Siliziumdioxid und anderen dielektrischen Materialien zu diffundieren, wozu auch die Tatsache kommt, dass Kupfer nicht effizient auf der Grundlage gut etablierter plasmaunterstützter Ätzrezepte strukturiert werden kann Beispielsweise bildet Kupfer auf Grundlage konventioneller plasmaunterstützter Ätzprozesse keine flüchtigen Ätzprodukte, so dass die Strukturierung einer zusammenhängenden Kupferschicht mit einer Dicke, die geeignet für Metallleitungen ist, nicht mit gegenwärtig verfügbaren Ätzstrategien kompatibel ist. Folglich wird die sogenannte Damaszener-Technik oder Einlegeprozesstechnik typischerweise angewendet, in der ein dielektrisches Material zunächst hergestellt wird und nachfolgend strukturiert wird, um Gräben und Kontaktöffnungen zu erhalten, die nachfolgend mit dem kupferbasierten Material unter Anwendung von beispielsweise elektrochemischen Abscheidetechniken gefüllt werden. Des weiteren besitzt Kupfer eine ausgeprägte Diffusionsaktivität in einer Vielzahl dielektrischer Materialien, etwa siliziumdioxidbasierte Materialien, die häufig als dielektrische Zwischenschichtmaterialien verwendet werden, wodurch das Abscheiden eines geeigneten Barrierenmaterials vor dem eigentlichen Auffüllen entsprechender Gräben und Kontaktöffnungen mit dem kupferbasierten Material erforderlich ist. Obwohl Siliziumnitrid und zugehörige Materialien ausgezeichnete Diffusionsblockierwirkungen besitzen, ist die Verwendung von Siliziumnitrid als dielektrisches Zwischenschichtmaterial auf Grund der moderat hohen Dielektrizitätskonstante wenig wünschenswert, da dies zu einer nicht akzeptablen Leistungsbeeinträchtigung des Metallisierungssystem führen würde. In ähnlicher Weise ist in anspruchsvollen Anwendungen auf Grund des geringen Abstands von Metallleitungen eine neue Art von dielektrischem Material erforderlich, um die Signalausbreitungsverzögerung, das Übersprechen und dergleichen zu verringern, die typischerweise mit einer moderat kapazitiven Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen verknüpft sind. Aus diesem Grunde werden zunehmend sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε eingesetzt, die generell eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger besitzen, wodurch die parasitären Kapazitätswerte in dem Metallisierungssystem auf einem akzeptablen Niveau selbst für insgesamt geringere Abmessungen in anspruchsvollen Anwendungen gehalten werden.
Da Siliziumdioxid häufig bei der Herstellung von Mikrostrukturbauelementen und integrierten Schaltungen eingesetzt wird, wurde eine Vielzahl modifizierter siliziumoxidbasierter Materialien in den vergangenen Jahren entwickelt, um dielektrische Materialien mit einer geringeren Dielektrizitätskonstante auf der Grundlage von Vorstufenmaterialien und Prozesstechniken bereitzustellen, die mit dem gesamten Fertigungsprozess für Mikrostrukturbauelemente und integrierte Schaltungen verträglich sind. Beispielsweise sind Siliziumoxidmaterialien mit einem moderat hohen Anteil an Kohlenstoff und Wasserstoff, wie beispielsweise SiCOH-Materialien, häufig eingesetzte dielektrische Materialien mit kleinem ε, die auf der Grundlage einer Vielzahl von Vorstufenmaterialien, etwa silanbasierten Materialien in Verbindung mit Ammoniak und dergleichen, hergestellt werden, wobei diese durch CVD-(chemische Dampfabscheide-)Techniken und dergleichen aufgebracht werden können. In anderen Fällen werden aufgeschleuderte Glasmaterialien (SOG) modifiziert, so dass diese einen gewünschten hohen Anteil an Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, wodurch die gewünschte geringe Dielektrizitätskonstante erreicht wird.
In noch anderen aufwendigen Vorgehensweisen wird die Dielektrizitätskonstante dieser Materialien weiter verringert, indem die gesamte Dichte dieser Materialien reduziert wird, was bewerkstelligt werden kann, indem eine Vielzahl von Aussparungen mit Nano-Abmessungen, die auch als Poren bezeichnet werden, eingebaut werden, die somit gasgefüllte oder luftgefüllte Hohlräume innerhalb des dielektrischen Materials repräsentieren, wodurch eine gewünschte reduzierte Dielektrizitätskonstante erreicht wird. Obwohl die Permittivität dieser dielektrischen Materialien verringert wird, indem Kohlenstoff eingebaut wird und indem eine entsprechende poröse Struktur geschaffen wird, die zu einer deutlich größeren Oberfläche an Grenzflächengebieten führt, die eine Verbindung zu anderen Materialien herstellen, können auch die gesamten mechanischen und chemischen Eigenschaften dieser dielektrischen Materialien mit kleinem ε oder mit sehr kleinem ε (ULK) ebenfalls deutlich geändert werden und können zu zusätzlichen Problemen während der Bearbeitung dieser Materialien führen.
Wie beispielsweise zuvor erläutert ist, muss das dielektrische Material zuerst bereitgestellt werden und wird dann strukturiert, so dass dieses Gräben und Kontaktöffnungen erhält, wobei die Einwirkung diverser reaktiver Prozessatmosphären auf die empfindlichen dielektrischen Materialien mit kleinem ε erforderlich ist, die Strukturierung dielektrischen Materials beinhaltet typischerweise die Herstellung einer Ätzmaske auf der Grundlage eines Lackmaterials und dergleichen, woran sich plasmaunterstützte Ätzprozesse anschließen, um die Gräben und Kontaktöffnungen, die den Entwurfsregeln des betrachteten Bauelements entsprechen, zu bilden. Daraufhin werden gewöhnliche Reinigungsprozesse ausgeführt, um Kontaminationsstoffe und andere Ätzreaktionsprodukte vor dem Abscheiden von Materialien, etwa von leitenden Barrierenmaterialien und dergleichen, zu entfernen. Folglich werden zumindest gewisse Oberflächenbereiche der empfindlichen dielektrischen Materialien mit kleinem ε der Einwirkung von plasmaunterstützter Prozessen ausgesetzt, etwa von Lackabtragungsprozessen, die auf der Basis eines Sauerstoffplasmas ausgeführt werden können, der Einwirkung von nasschemischen Reaktionsprodukten in Form von Säuren, aggressiven Basen, Alkoholen und dergleichen, was somit zu einem gewissen Maß an Oberflächenmodifizierung oder Schädigung führt. Beispielsweise werden die dielektrischen Materialien mit kleinem ε typischerweise mit einer hydrophoben Oberfläche vorgesehen, um damit den Einbau von OH-Gruppen und dergleichen zu vermeiden, die polarisierbare Gruppen repräsentieren, die daher auf elektrische Felder reagieren, wodurch die resultierende Permittivität des Oberflächenbereichs des Materials deutlich erhöht wird. Bei der Einwirkung von reaktiven Atmosphären, etwa von Plasma, aggressiven nasschemischen Mitteln und dergleichen, auf die hydrophobe Oberfläche werden die Kohlenwasserstoffgruppen der hydrophoben Oberfläche durch andere Gruppen ersetzt, was schließlich zur Erzeugung von Silanol-Gruppen führt, die zur signifikanten Zunahme der Dielektrizitätskonstante an dem Oberflächenbereich des dielektrischen Materials führen. Diese Oberflächenmodifizierung oder Schädigung kann zu einer ausgeprägten Modifizierung des dielektrischen Verhaltens des Metallisierungssystems beitragen, was ggf. nicht mit den Leistungsanforderungen für komplexe integrierte Schaltungen verträglich ist. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um siliziumoxidbasierte dielektrische Materialien mit kleinem ε bereitzustellen, wobei jedoch die Oberflächenmodifizierung während des Strukturierens des empfindlichen dielektrischen Materials vermieden oder zumindest verringert wird. Dazu wurde vorgeschlagen, einen geschädigten Oberflächenbereich der dielektrischen Materialien mit kleinem ε auf der Grundlage geeigneter Ätzstrategien selektiv abzutragen, um damit die gewünschten hydrophoben Oberflächeneigenschaften herzustellen. In diesem Falle müssen geeignete Ätzrezepte angewendet werden, ohne die resultierende Struktur einer weiteren aggressiven Prozessumgebung auszusetzen, um damit die hydrophobe Natur der Oberfläche beizubehalten, bis ein leitendes Barrierenmaterial und dergleichen abgeschieden wird. Des weiteren kann der Materialabtrag zu einer Zunahme der kritischen Abmessungen der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen führen, was im Hinblick auf eine erhöhte Packungsdichte unerwünscht ist, da die größere kritische Abmessung berücksichtigt werden muss, wenn das betrachtete Metallisierungssystem gestaltet wird.
In anderen Vorgehensweise wird die hydrophobe Natur hergestellt, indem eine Oberflächenbehandlung nach dem Einwirken der aggressiven Prozessumgebung auf das dielektrische Material mit kleinem ε ausgeführt wird, was unter Anwendung spezieller Verbindungen erreicht werden kann. Beispielsweise offenbart US 7029826 B2 eine Oberflächenbehandlung von porösen Siliziumdioxid-Materialien (silica) durch Einwirkung einer oder mehrerer Verbindungen mit den folgenden Formeln auf die geschädigte Oberfläche:
R₃SiNHSiR₃, RxSiCly, RxSi(OH)y, R₃SiOSiR₃, RxSi(OR)y, MpSi(OH)[4-p], RxSi(OCOCH₃)y
und Kombinationen davon, wobei
x eine Ganzzahl von 1 bis 3 ist,
y eine Ganzzahl im Bereich von 1 bis 3, so dass y = 4 – x ist,
p eine Ganzzahl im Bereich von 2 bis 3;
jedes R Wasserstoff oder eine hydrophobe organische Verbindung ist;
jedes M eine unabhängig gewählte hydrophobe organische Verbindung ist; und
R und M gleich oder unterschiedlich sein können.
Obwohl eine Oberflächenbehandlung mit chemischen Mitteln, wie sie in diesem Dokument spezifiziert sind, bessere hydrophobe Oberflächenbedingungen von dielektrischen Silika-Materialien mit Nanoporen-Struktur schafft, gibt es dennoch Möglichkeiten der weiteren Verbesserung, beispielsweise im Hinblick auf das Verbessern der gesamten Prozesseffizienz und dergleichen.
Die US 2006/0216952 A1 bezieht sich auf die Problemstellung, die hydrophoben Oberflächeneigenschaften von Materialien mit niedrigen oder sehr niedrigen Dielektrizitätskonstanten wiederherzustellen, wenn sie diese durch Prozesse wie Ätzen und Veraschen verloren haben. Gemäß dieser Druckschrift beschädigen die reaktiven Gase der Ätzprozesse die hydrophoben Gruppen an der Oberfläche und es werden daher Verfahren vorgeschlagen, wie diese Schäden verringert werden können, indem die Wafer mit silylierenden Reagenzien mittels einer Dampfabscheidung, die auch Plasmaeinwirkung einschließt, repariert werden können.
Die US 2006/0057855 A1 bezieht sich auf eine vergleichsweise ähnliche Technik zum Reparieren einer geschädigten Oberfläche auf dichten Materialien bzw. im Falle von porösen Materialien der inneren Porenwände, indem die jeweilige Oberfläche mit einem sogenannten Härtungsagens zu remethylieren. Die Härtungsagenzien gemäß dieser Entgegenhaltung reagieren mit der beschädigten rehydroxilierten Oberfläche und realkylieren oder rearylieren dieselben. Dadurch wird die Dielektrizitätskonstante wieder auf den gewünschten niedrigen Wert abgesenkt. Dabei wird gemäß dieser Entgegenhaltung Dampfabscheidung mit oder ohne Plasma, Spincoating oder überkritisches CO₂ vorgeschlagen.
In der US 2008/0199977 A1 wird ein UV-verstärktes Plasmareparaturverfahren für Oberflächen mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten vorgestellt. Gemäß dieser Druckschrift ist die UV-Ausheilung unerlässlich um die elektrischen Eigenschaften der Schicht reparieren zu können. Beispielsweise in Absatz [0065] der Beschreibung wird dargelegt, dass die aktivierten chemischen Verbindungen des Plasmaprozesses allein nicht in der Lage sind, die Dielektrizitätskonstante des beschädigten porösen Films wiederherzustellen. Ohne die Kombination zweier Prozesse, d. h. Einwirkung von UV-Strahlung und einem Plasma, ist es nach dieser Druckschrift nicht möglich, die anfänglichen Eigenschaften der unbeschädigten Schicht wiederherzustellen.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der US 2009/0 017 563 A1 bekannt.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen eine geringe Dielektrizitätskonstante erzeugt oder wieder hergestellt wird in siliziumoxidbasierten dielektrischen Materialien, wobei bessere Prozessbedingungen und Materialeigenschaften während der weiteren Bearbeitung erreicht werden.
Überblick über die Erfindung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Techniken zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von siliziumoxidbasierten elektrischen Materialien mit kleinem ε durch Wiederherstellen einer hydrophoben Oberflächenstruktur, die durch plasmaunterstützte Prozesse, etwa durch Plasmaätzen, Abtragen, plasmaunterstützte Abscheideprozesse und dergleichen, „geschädigt” wurde. In diesem Zusammenhang ist eine hydrophobe Oberfläche so zu verstehen, dass der Anteil an Methyl-Gruppen größer ist als der Anteil polarisierbarer funktionaler Gruppen, etwa von OH-Gruppen. Die Menge an funktionalen Gruppen und die Art können effizient durch Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie (FTIR) bestimmt werden. Erfindungsgemäß wird eine Plasmabehandlung in-situ auf der Grundlage eines geeigneten Vorstufengases ausgeführt, wodurch eine Reaktion mit freien Oberflächenbindungen der „geschädigten” Oberfläche in Gang gesetzt wird, um die gewünschte hydrophobe Natur der freiliegenden Oberfläche beizubehalten oder wieder herzustellen. Auf Grund der in-situ-Natur, d. h. die „Reparaturplasmaumgebung” wird in der gleichen plasmaeinschließenden Prozessumgebung wie die „schädigende” Plasmaumgebung eingerichtet, wird ein sehr effizienter Mechanismus auf die Reparatureffizienz und die allgemeine Fertigungssequenz erreicht, da die gewünschten hydrophoben funktionalen Gruppen unmittelbar mit der geschädigten Oberfläche in Verbindung treten, ohne dass zusätzliche Prozessreaktoren, Transportaktivitäten und dergleichen erforderlich sind. Da die „Reparaturplasmaumgebung” effizient in einer Vielzahl konventioneller Plasmareaktoren, etwa Plasmaätzanlagen, plasmaunterstützten Abscheideanlagen und dergleichen, eingerichtet werden kann, kann der Mechanismus zum Erzeugen oder zum erneuten Erzeugen der funktionalen Gruppen an der Oberfläche während einer beliebigen geeigneten Phase eines plasmaunterstützten Fertigungsprozesses ausgeführt werden, etwa während eines Ätzprozesses, so dass im Allgemeinen ein deutlich geringerer Grad an Oberflächenschädigung erzeugt wird, der sogar vollständig vermieden werden kann während einer abschließenden Phase oder unmittelbar nach der vorhergehenden schädigenden Plasmabehandlung. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird die Reparaturplasmaumgebung auf der Grundlage von Wasserstoff und kohlenstoffenthaltenden Radikalen eingerichtet, die für einen deutlich erhöhten Grad an Flexibilität beim Erzeugen funktionaler Methylgruppen auf Grund der besseren Reaktionsaktivität der Radikale der Plasmaumgebung sorgen. Folglich kann im Vergleich zu vielen konventionellen Strategien, in denen Oberflächenreparaturmittel als Flüssigkeiten oder als Dampf zugeführt werden, die erhöhte Reaktionsaktivität der Plasmaradikale zu einer Bindung von Methylgruppen an die Siliziumatome führen, ohne dass das Ersetzen eines Wasserstoffatoms einer OH-Gruppe erforderlich ist, wodurch ein Sauerstoffatom an der Oberfläche verbleibt, wie dies in vielen konventionellen Strategien der Fall ist. Auf Grund der effizienten plasmaunterstützten Oberflächenbehandlung können freiliegende Oberflächenbereiche der empfindlichen dielektrischen Materialien mit kleinem ε effizient zwei oder mehrere Male behandelt werden, beispielsweise während einer abschließenden Phase einer entsprechenden Plasmabehandlung, etwa einer Lackveraschung und dergleichen, wodurch das dielektrische Material mit kleinem ε die günstigen Oberflächeneigenschaften erhält, etwa nach schädigenden Plasmaprozessen, anders als in konventionellen Strategien auf der Grundlage von Flüssigkeiten oder Dämpfen. Folglich kann die gewünschte kleine dielektrische Konstante von Oberflächenbereichen von silizium- und sauerstoffbasierten dielektrischen Materialien mit kleinem ε effizient beibehalten werden oder wieder hergestellt werden mit einer deutlich geringeren Gesamtverarbeitungszeit im Vergleich zu konventionellen Vorgehensweisen, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, zusätzliche Oberflächenbehandlungen einzuführen, wodurch die endgültigen Materialeigenschaften verbessert werden, ohne dass zusätzliche Prozesskomplexität entsteht. Ferner wird die sehr effiziente in-situ-Plasmabehandlung in Verbindung mit einer Behandlung ausgeführt, in der eine Chemikalie mit Vernetzungseigenschaften verwendet wird, wodurch für eine bessere chemische Stabilität bei der weiteren Bearbeitung des empfindlichen dielektrischen Materials mit kleinem ε gesorgt wird.
Speziell wird die Aufgabe durch die Verfahren nach Anspruch 1, 13 oder 15 gelöst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung 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:
1 schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements mit einem siliziumoxidbasierten dielektrischen Material mit kleinem ε mit einer hydrophoben Oberfläche, d. h. einer Oberfläche mit kleinem ε, zeigt;
2 schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, d. h. während eines Strukturierungsprozesses auf der Grundlage einer Plasmaatmosphäre;
3 zeigt schematisch eine größere Ansicht eines freigelegten Oberflächenbereichs zeigt, der während des Ätzprozesses aus 2 „geschädigt” oder modifiziert wird;
4 schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements während einer in-situ-Plasmabehandlung zeigt, etwa auf der Grundlage von kohlenstoff- und wasserstoff-enthaltenden Radikalen, um zumindest zu einem gewissen Grad die hydrophobe Natur der zuvor modifizierten Oberflächenbereiche wieder herzustellen;
5 schematisch eine vergrößerte Ansicht von freiliegenden Oberflächenbereichen mit einer hydrophoben Natur auf der Grundlage von Methylgruppen zeigt, die an Siliziumoberflächenatome gemäß anschaulicher Ausführungsformen gebunden sind;
6 und 7 schematisch Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen, in denen eine weitere plasmagestützte Behandlung, etwa das Entfernen einer Ätzmaske, in-situ mit einer weiteren Oberflächenbehandlung auf der Grundlage von wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Radikalen ausgeführt wird;
8 schematisch das Mikrostrukturbauelement in einer weiter fortgeschrittenen Prozessphase zeigt, in der zusätzlich zu einer oder mehreren vorhergehenden plasmagestützten Behandlung zum Wiederherstellen einer hydrophoben Oberflächenstruktur eine Vernetzung in Gang gesetzt wird, etwa eine Polymerisation;
9 schematisch das Strukturbauelement zeigt, wenn es der Einwirkung einer reaktiven Ätzumgebung unterliegt, etwa einen nasschemischen Reinigungsprozess, der auf der Grundlage der polymerisierten Oberflächenstruktur mit der günstigeren chemischen Stabilität gemäß anschaulicher Ausführungsformen ausgeführt wird; und
10 schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, in der ein Metallgebiet in dem dielektrischen Material mit kleinem ε gebildet ist, wobei eine Oberfläche eine gewünschte geringe Dielektrizitätskonstante gemäß anschaulicher Ausführungsformen aufweist.
Detaillierte Beschreibung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Techniken zum Erreichen einer gewünschten dielektrischen Konstante mit kleinem ε an Oberflächenbereichen von silizium- und sauerstoffbasierten dielektrischen Materialien mit kleinem ε nach der Einwirkung von reaktiven Plasmaprozessen, wie sie zum Strukturieren des dielektrischen Materials mit kleinem ε, zum Abscheiden des dielektrischen Materials mit kleinem ε und dergleichen angewendet werden. Zu diesem Zweck wird eine Modifizierung freiliegender Oberflächenbereiche des empfindlichen dielektrischen Materials mit kleinem ε auf der Grundlage von kohlenstoff- und wasserstoffenthaltenden Radikalen behandelt, um entsprechende Methyl-Gruppen mit verfügbaren Oberflächenbindungen zu bilden, bevor die modifizierte Oberfläche der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt wird. Folglich wird eine sehr reaktive Prozessatmosphäre in der gleichen Prozesskammer geschaffen, in der die Oberflächenmodifizierung auf der Grundlage einer reaktiven Plasmaatmosphäre ausgeführt wurde, wodurch eine sehr hohe Effizienz im Hinblick auf den gesamten Durchsatz erreicht wird, da zusätzliche Transportaktivitäten vermieden werden. Die Einwirkung durch andere Sorten, etwa durch Sauerstoff der Umgebungsatmosphäre, etwa durch Wasser und dergleichen wird im Wesentlichen verhindert. Folglich verlässt das Mikrostrukturbauelement die entsprechende Prozesskammer mit einer hydrophoben Oberfläche mit ähnlichen Eigenschaften im Vergleich zum Beginn des reaktiven Plasmaprozesses, etwa eines Strukturierungsprozesses und dergleichen. Folglich kann die weitere Bearbeitung auf der Grundlage günstigerer Oberflächenbedingungen fortgesetzt werden, wobei im Wesentlichen keine zusätzliche Prozesszeit erforderlich ist, wobei im Vergleich zu konventionellen Strategien, in denen Oberflächenmodifizierungen auf der Grundlage von Flüssigkeiten und Dämpfen eingesetzt werden, insgesamt ein höherer Durchsatz erreicht wird, wobei auch Ressourcen im Hinblick auf Prozessanlagen weniger aufwendig sind im Vergleich zu dessen konventionellen Strategien. Unter Anwendung einer kohlenstoff- und wasserstoffenthaltenden Plasmaatmosphäre zum Erzeugen oder Wiederherstellen der gewünschten hydrophoben Oberflächeneigenschaften kann die Oberflächenbehandlung in eine beliebige Fertigungsphase integriert werden, in der eine Einwirkung einer Plasmaumgebung erforderlich ist, etwa in Lackabtragungsprozessen und dergleichen. Folglich können freiliegende Oberflächenbereiche des empfindlichen dielektrischen Materials mit kleinem ε wiederholt auf der Grundlage von wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Radikalen behandelt werden, ohne dass eine längere Prozesszeit hervorgerufen wird. Erfindungsgemäß wird die in-situ-Plasmabehandlung in Verbindung mit einer Behandlung ausgeführt, um die chemische Stabilität der hydrophoben Oberfläche zu verbessern, indem eine Chemikalie zugeführt wird, die die Fähigkeit des Erzeugens von Kreuzverbindungen besitzt, wobei die entsprechende Behandlung auf der Grundlage einer Plasmabehandlung, einer Flüssigkeit, eines Dampfes und dergleichen ausgeführt wird. Zu diesem Zweck ist eine Fülle von Chemikalien verwendbar, nämlich Silan und Abkömmlingen davon, in Verbindung mit einer geeigneten funktionalen Gruppe, nämlich zumindest einer Vinylgruppe.
Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100 mit einem Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial repräsentiert, um darüber eine dielektrische Materialschicht mit kleinem ε 110 zu bilden, die auf der Grundlage aggressiver Prozesse, etwa plasmabasierter Prozesse und dergleichen, zu bearbeiten ist. Die dielektrische Schicht 110 enthält Silizium und Sauerstoff in Verbindung mit Kohlenstoff und Wasserstoff, um eine moderat geringe Dielektrizitätskonstante zu erhalten, wie dies zuvor erläutert ist. In dieser Hinsicht ist das dielektrische Material mit kleinem ε als ein Material zu verstehen, das eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger besitzt. Es sollte beachtet werden, dass die Dielektrizitätskonstante innerhalb der Materialschicht 110 variieren kann, und insbesondere ein Oberflächenbereich 110S kann eine andere Dielektrizitätskonstante im Vergleich zu tiefer liegenden Materialbereichen auf Grund der Einwirkung von reaktiven Prozessatmosphären, Sauerstoff, Wasser und dergleichen besitzen. In der gezeigten Ausführungsform besitzt die Oberfläche 110S einen geringen Dielektrizitätskonstantenwert auf Grund der hydrophoben Natur, der durch Methylgruppen (CH₃) repräsentiert ist, die an Siliziumoberflächen eingebunden sind. Wie zuvor erläutert ist, kann in anspruchsvollen Anwendungen eine Modifizierung der Dielektrizitätskonstante selbst eines kleinen Oberflächenbereichs zu einer ausgeprägten Änderung des gesamten Verhaltens des Mikrostrukturbauelements 100 führen. Beispielsweise repräsentiert in einer anschaulichen Ausführungsform das dielektrische Material mit kleinem ε 110 zumindest einen Teil eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials einer Bauteilebene, einer Kontaktstruktur oder eines Metallisierungssystems, das leitende Gebiete, etwa Metallleitungen und dergleichen, aufweisen kann, wobei eine erhöhte parasitäre Kapazität zwischen benachbarten leitenden Gebieten zu einer erhöhten Signalausbreitungsverzögerung, zu einem erhöhten Übersprechen und dergleichen führen kann, was nicht mit den Leitungsanforderungen für moderne Mikrostrukturbauelemente kompatibel ist. In und über dem Substrat 101 sind beispielsweise eine große Anzahl an Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren und dergleichen ausgebildet gemäß einer spezifizierten Schaltungsanordnung, wodurch ebenfalls dicht liegende Verbindungsstrukturen erforderlich sind, um die erforderlich Anzahl an elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente bereitzustellen, ohne dass wertvolle Chipfläche des Bauelements 100 benötigt wird. Z. B. sind entsprechende Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren, auf der Grundlage von kritischen Abmessungen von ungefähr 50 nm oder weniger hergestellt, wobei auch kritische Abmessungen von ungefähr 100 nm und weniger zumindest in einigen Ebenen eines entsprechenden Metallisierungssystems vorzusehen sind, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
Das dielektrische Material 110 kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik hergestellt werden, beispielsweise durch CVD-(chemische Dampfabscheide-)Techniken, möglicherweise in Form von plasmaunterstützten Rezepten auf der Grundlage einer Fülle von geeigneten Vorstufenmaterialien, etwa TEOS (Tetramethylorthosilan) und dergleichen. In anderen Fällen werden gut etablierte Aufschleudertechniken eingesetzt, um das Material 110 in einem Zustand geringer Viskosität aufzubringen, woran sich eine geeignete Behandlung in Form von Zuführen von Wärme, Strahlen und dergleichen anschließt, um das Material 110 auszuhärten. Wie zuvor erläutert ist, kann häufig die gesamte Dichte der Materialschicht 110 weiter verringert werden, indem Hohlräume und Aussparungen mit Nano-Abmessungen eingebaut werden, was bewerkstelligt werden kann, indem geeignete Lösungsmittel oder andere sehr flüchtige Nebenprodukte eingebaut werden, die aus dem Material 110 herausbefördert werden, woraus sich eine gewünschte Nano-poröse Struktur ergibt. Auf diese Weise können gut etablierte Vorstufenmaterialien auf der Grundlage von Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff verwendet werden, wobei dennoch ε-Werte von 2,7 oder deutlich darunter erreicht werden.
2 zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Maskenmaterial 102 über dem dielektrischen Material 110 gebildet ist. In vielen Anwendungen, beispielsweise zur Herstellung von Metallisierungssystemen auf der Grundlage der Damaszener- oder Einlege-Technik, muss das dielektrische Material strukturiert werden, um eine entsprechende Öffnung 110 darin zu bilden, die mit einem geeigneten leitenden Material gefüllt ist, wie dies auch zuvor erläutert ist. Zu diesem Zweck wird die Ätzmaske 102 in Form eines geeigneten Materials oder einer Materialzusammensetzung bereitgestellt, beispielsweise mit einem Lackmaterial, Hartmaskenmaterial und dergleichen. Ferner umfasst der Strukturierungsprozess typischerweise einen plasmaunterstützten Ätzprozess 103, der in einer geeigneten Prozessumgebung 105 ausgeführt wird, die in Form einer Prozesskammer einer Ätzanlage für plasmaunterstützte Prozesse und dergleichen vorgesehen werden kann. Im Allgemeinen ist die Prozessumgebung 105 als ein räumlich beschränkter Bereich zu verstehen, der geeignet ausgebildet ist, Radikale auf der Grundlage einer geeigneten Ätzchemie zu erzeugen und eingeschlossen zu halten. Es sollte beachtet werden, dass die Prozessumgebung 105 nicht notwendiger Weise Geräte Ressourcen zum Erzeugen für Radikale innerhalb der Umgebung 105 enthalten muss, sondern dass diese Radikale von extern erzeugten Plasmaquellen erhalten werden können. In anderen Fällen repräsentiert die Umgebung 105 eine Prozesskammer oder einen Reaktor mit erforderlichen Komponenten zum Zünden eines Plasmas und zum Erzeugen der gewünschten Radikale innerhalb der Umgebung 105. Zu diesem Zweck sind eine Vielzahl von plasmaunterstützten Ätzanlagen verfügbar. Folglich kann der Ätzprozess 103 auf der Grundlage gut etablierter Prozessparameter, etwa in Form der Hochgrenzleistung zum Erzeugen einer Plasmaumgebung, der Durchflussrate von Vorstufenmaterialien und Trägergasen, etwa Argon, Helium und dergleichen, die das Beibehalten des gewünschten Plasmas unterstützen, auf der Grundlage eines geeignetes Prozessdrucks, einer Temperatur des Substrats 101 und somit der Oberfläche 110 und dergleichen, ausgeführt werden. Während des Prozesses 103 wird somit die Öffnung 110A gebildet, wodurch ein zusätzlicher Oberflächenbereich 110S hergestellt wird, dessen Eigenschaften im Wesentlichen durch den plasmaunterstützten Prozess 103 bestimmt sind, d. h. durch Radikale, die mit der Oberfläche 110S in Wechselwirkung treten, wenn die Ätzfront in das Material 110 eindringt.
3 zeigt schematisch eine größere Ansicht eines Teils der Oberfläche 110S während und nach dem Prozess 103. Wie gezeigt, reagieren Radikale, beispielsweise auf der Grundlage von Fluor, Chlor und dergleichen mit dem Methylgruppen und modifizieren somit die Oberflächenstruktur, wie dies durch 112 angegeben ist. Beispielsweise werden die Methylgruppen vollständig durch andere funktionale Gruppen ersetzt, oder ein Teil der Methylgruppen wird durch andere Atome ersetzt oder bleibt in einem ungesättigten Zustand, wodurch sich eine sehr reaktive Oberfläche ergibt, die zu der Ausbildung von Silanol-Gruppen führt, wenn eine Einwirkung von Sauerstoff, Wasser und dergleichen auftritt. Folglich sind die Gruppen 112 während und nach der Plasmabehandlung 103 sehr nachteilig im Hinblick auf die chemische Stabilität und insbesondere im Hinblick auf den geringen Wert der Dielektrizitätskonstante, da die Ausbildung von Silanol-Gruppen, die stark polarisierbare funktionale Gruppe repräsentieren, zu einer deutlichen Zunahme der Dielektrizitätskonstante an der Oberfläche 110S führt.
4 zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100, wenn es der Einwirkung einer weiteren Plasmaatmosphäre 104 ausgesetzt ist, ebenfalls in der Prozessumgebung 105 eingerichtet werden kann, so dass zusätzliche Transportaktivitäten vermieden werden. In dieser Hinsicht ist eine Transportaktivität als das Anordnen des Bauelements 100 in einem speziellen Transportbehälter und das Transportieren des Transportbehälters einer weiteren Prozesskammer oder einer Prozessanlage zu verstehen. Andererseits wird ein „anlageninterner” Transport von Substraten in einer Cluster-Anlage ohne Einwirkung der Reinraumumgebungsatmosphäre auf die Substrate nicht als ein Transportaktivität in dem zuvor definierten Sinne verstanden. Die Plasmaumgebung 104 zum Behandeln der freiliegenden Oberflächenbereiche 110S enthält Radikale 104A, die Kohlenstoff und Wasserstoff, beispielsweise in der allgemeinen Form C_xH_Y, etwa Methan-Radikale und dergleichen, enthalten. Wie zuvor erläutert ist, sorgt die Plasmaatmosphäre 104 für günstigere Bedingungen, um eine Reaktion mit der Oberfläche 110S hervorzurufen, d. h. mit den modifizierten oder fehlenden funktionalen Gruppen, um damit eine ausgeprägte Menge an Methyl-Gruppen zu bilden, die somit für eine hydrophobe Oberflächennatur sorgen.
5 zeigt schematisch eine größere Ansicht eines Teils der Oberfläche 111s, wobei eine Vielzahl von Methyl-Gruppen 113 an Siliziumoberflächenatome gebunden sind, wodurch eine gewünschte hydrophobe Natur, d. h. eine Oberfläche erhalten wird, die mit nicht polaren funktionalen Gruppen gesättigt ist, etwa mit den Methyl-Gruppen. Es sollte beachtet werden, dass die Plasmaatmosphäre 104 (siehe 3) auf der Grundlage eines großen Bereiches an Prozessparametern eingerichtet werden kann, wobei typischerweise Parameter, etwa die Temperatur des Substrats 101, der Druck in der Umgebung 105 und dergleichen, im Wesentlichen beibehalten werden, um möglichst kurze Übergangszeiten zwischen der reaktiven Atmosphäre 103 (siehe 4) und der reparierenden Plasmaatmosphäre 104 zu ermöglichen. In diesem Falle werden die Radikale 104A während einer geeigneten Phase in der Prozessumgebung 105 erzeugt, beispielsweise während der Anwesenheit anderer reaktiver Teile, die Effizienzmaterial der Schicht 110 abtragen, während in anderen Fällen während einer abschließenden Phase und nach der eigentlichen Ätzphase die Radikale 104A erzeugt oder der Umgebung 105 zugeführt werden.
Zu beachten ist, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen die Plasmabehandlung 103 aus 2 in anderen Fällen eine Plasmabehandlung zum Abscheiden zumindest eines Teils des Materials 110 repräsentiert, wobei während einer geeigneten Phase des Abscheideprozesses, beispielsweise in der Endphase, die Plasmabehandlung 104 angewendet wird, um die gesamten Oberflächeneigenschaften des abgeschiedenen Materials 110 weiter zu verbessern. Folglich ergibt sich ein höherer Grad an Flexibilität bei der Auswahl geeigneter Plasmabedingungen während des Abscheideprozesses, da eine unerwünschte Schädigung oder eine weniger ausgeprägte hydrophobe Struktur einer Oberfläche, die möglicherweise durch das Vorhandensein von selbst geringen Mengen an Kontaminationsstoffen und dergleichen hervorgerufen wird, kompensiert werden kann oder auch überkompensiert werden kann, indem die Behandlung 104 in-situ ausgeführt wird.
6 zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine weitere reaktive Plasmaatmosphäre 104 in einer geeigneten Prozessumgebung 106 eingerichtet wird, etwa Prozesskammer und dergleichen, wobei eine gewisse Art an Radikalen erzeugt wird oder zugeführt wird, um Material der Ätzmaske 102 abzutragen, wodurch ebenfalls eine Wechselwirkung mit dem freiliegenden Oberflächenbereich 110S innerhalb der Öffnung 110A und an horizontalen Bereichen 110S nach im Wesentlichen dem vollständigen Entfernen der Ätzmaske 103 auftritt. Beispielsweise wird die Ätzumgebung 107 auf der Grundlage von Sauerstoffradikalen eingerichtet, wenn beispielsweise ein Lackveraschungsprozess ausgeführt wird, oder diese wird auf der Grundlage anderer Ätzchemien abhängig von der Materialzusammensetzung der Ätzmaske 102 erzeugt. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Prozess des Strukturierens des Materials 110 auf der Grundlage einer Prozesssequenz ausgeführt wird, wie sie zuvor mit Bezug zu den 2 bis 5 beschrieben ist, so dass die freiliegenden Oberflächenbereiche 110S innerhalb der Öffnung 110A günstigere Oberflächenbedingungen im Hinblick auf das Vorhandensein von Methylgruppen aufweisen, so dass ein entsprechender Grad an Schädigung während des plasmaunterstützten Prozesses 107 weniger ausgeprägt ist. In diesem Falle kann die Ausbildung von polarisierbaren funktionalen Gruppen deutlich unterdrückt werden in einer Zwischenphase, wenn die Ätzatmosphäre 107 in einer anderen Prozessumgebung im Vergleich zur Prozessumgebung 105 (siehe 2) zum Strukturieren des Materials 110 eingerichtet wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden das Strukturieren des Materials 110 und das Abtragen von Maskenmaterialien, etwa der Ätzmaske 102, in einer einzelnen Prozessumgebung bewerkstelligt, in der der Prozess 107 eine abschließende Phase des gesamten Strukturierungsprozesses repräsentiert. Auch in diesem Falle kann eine Zwischenbehandlung in Form der Plasmaatmosphäre 104, wie sie zuvor mit Bezug zu den 4 und 5 beschrieben ist, bei Bedarf ausgeführt werden, um damit eine Oberflächenschädigung vor dem Fortsetzen der gesamten Strukturierungssequenz auf der Grundlage des Ätzprozesses 107 zu reduzieren.
7 zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100, wenn es der Einwirkung einer Oberflächenbehandlung 108 auf der Grundlage von Kohlenstoff- und Wasserstoffradikalen 108a ausgesetzt wird, um damit eine hydrophobe Oberflächennatur wieder herzustellen oder zu erzeugen. Die Behandlung 108 wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen in der gleichen Prozessumgebung 106 ausgeführt, wodurch eine sehr effiziente Gesamtfertigungssequenz erreicht wird, wobei auch das Vorhandensein unterschiedlicher Sorten, etwa von Wasserdampf und dergleichen, vermieden wird. Folglich kann die gesamte Oberfläche, die während des vorhergehenden Prozesses 107 aus 6 freigelegt wird, mit den Radikalen 108a in Wechselwirkung treten, wodurch eine ausgeprägte Menge an Methyl-Gruppen erzeugt wird, wie dies zuvor erläutert ist.
Es sollte beachtet werden, dass eine oder mehrere in-situ-Behandlungen, etwa die Plasmabehandlungen 104, 108 in den 4 und 7 während der gesamten Sequenz zum Abscheiden und Strukturieren des dielektrischen Materials 110 angewendet werden können, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine entsprechende in-situ-Plasmabehandlung zwei mal oder öfter, abhängig von der gesamten Komplexität der Prozesssequenz zur Herstellung und Strukturierung des Materials 110, ausgeführt wird. Es sollte ferner beachtet werden, dass die in-situ-Behandlung 104, 108 mit anderen zusätzlichen Oberflächenbehandlungen kombiniert werden können, etwa separat ausgeführten Plasmabehandlungen, wenn dies als geeignet erachtet wird. Nach dem Abscheiden des dielektrischen Materials 110 und dem Behandeln des Materials, um dem abgeschiedenen Material die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, etwa in Form von der Erzeugung von Nano-Poren und dergleichen, kann beispielsweise eine Plasmabehandlung auf der Grundlage einer wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Sorte ausgeführt werden, um die gesamten Oberflächeneigenschaften weiter zu verbessern. In ähnlicher Weise kann eine entsprechende Plasmabehandlung nach dem Kontakt des dielektrischen Materials 110 mit aggressiven nasschemischen Prozessen oder Reinigungsprozessen ausgeführt werden, um die gewünschte hydrophobe Oberflächenstruktur wieder herzustellen. In diesem Falle kann in Kombination mit dem in-situ-Prozess, der zumindest während des Strukturierens des dielektrischen Materials 110 angewendet wird, insgesamt eine deutliche bessere hydrophobe Natur und damit eine geringere dielektrische Konstante der Oberfläche 110S erreicht werden.
8 zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 in einer Fertigungsphase, in der das dielektrische Material 110 der Einwirkung einer Prozessatmosphäre 109 unterworfen wird, in der Chemikalien der Oberfläche 110S zugeführt werden, die daran anhaften und die die Möglichkeit des Erzeugens von Kreuzverbindungen, beispielsweise in Form eines polymerisierten Materials, bieten. Zu diesem Zweck wird Silan oder ein Abkömmling in Verbindung mit einer geeigneten funktionalen Gruppe, nämlich zumindest einer Vinyl-Gruppe und ggf. Phenyl-Gruppen, und dergleichen, verwendet. Beispielsweise kann die Divinyltetramethyldisilan zu effizient während des Prozesses 109 eingesetzt werden, um eine Oberflächenschicht zu erzeugen, die beim Reagieren mit verbleibenden oder neu erzeugten Silanol-Gruppen zur Bildung von Vernetzungen führt, wodurch der Oberfläche 110S eine höhere chemische Stabilität verliehen wird. Wie beispielsweise in 8 gezeigt ist, kann eine Vernetzung mittels entsprechender C-C-Bindungen erreicht werden, so dass eine polymerisierte Oberflächenschicht geschaffen wird. Nach dem Bereitstellen der Oberflächenstruktur auf der Grundlage zumindest einer in-situ-Plasmabehandlung, wie sie zuvor beschrieben ist, wird somit erfindungsgemäß der Zustand der Oberfläche 110S weiter verbessert, indem eine vernetzte Oberflächenschicht auf der Grundlage des Prozesses 109 erzeugt wird.
9 zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100, wenn es einem weiteren Prozess 121 unterliegt, in welchem eine vernetzte Sorte, etwa ein polymerisiertes Oberflächenmaterial 109A für eine bessere Stabilität sorgt, wodurch die hydrophobe Natur der Oberfläche 110S zu einem gewissen Grade beibehalten wird. Beispielsweise repräsentiert die Behandlung 121 einen nasschemischen Reinigungsprozess, der unmittelbar vor dem Abscheiden weiterer Materialien ausgeführt wird, etwa von einem leitenden Barrierenmaterial und dergleichen.
10 zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein leitendes Gebiet 115 in dem dielektrischen Material 115 mit kleinem ε gebildet, das in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Metallleitung eines Metallisierungssystems 140 des Bauelements 100 repräsentiert. Beispielsweise enthält das leitende Gebiet 115 ein Kernmaterial 115B, etwa ein gut leitendes Metall, etwa in Form von Kupfer, einer Kupferlegierung, Silber, Aluminium und dergleichen. Wie zuvor erläutert ist, ist häufig ein zuverlässiges Einschließen des Kernmaterials 115B erforderlich, was bewerkstelligt wird unter Anwendung eines leitenden Barrierenmaterials 115A, etwa in Form von Tantal, Tantalnitrid, Ruthenium, Titan, Titannitrid und dergleichen. Ferner wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Kernmaterial 151B mit einer leitenden Deckschicht 115c abgedeckt, das in Form eines beliebigen geeigneten Metalls einer Legierung bereitgestellt wird, die für einen besseren Kupfereinschluss in Verbindung mit einer gewünschten hohen Widerstandsfähigkeit in Bezug auf Elektromigrationseffekte sorgt. Die leitenden Gebiete 115 sind in dem dielektrischen Material 110 eingebettet, wodurch eine Grenzflächenschicht 110B erzeugt wird, die eine im Wesentlichen hydrophobe Natur besitzt und damit eine reduzierte Dielektrizitätskonstante auf Grund der vorhergehenden zumindest einen in-situ-Plasmabehandlung aufweist. Somit wird eine Zunahme der gesamten relativen Permittivität des Materials 110 an der Grenzflächenschicht 110B während der vorhergehenden Strukturierung des dielektrischen Materials 110 nicht unnötig erhöht. Beispielsweise führt für ansonsten identische Bauteilstrukturen und Prozesstechniken eine einzige in-situ-Plasmabehandlung, die zuvor beschrieben ist, zu einer Zunahme des Leistungsverhaltens des Metallisierungssystems 130, beispielsweise im Hinblick auf die Signalausbreitungsverzögerung, von ungefähr 2% im Vergleich zu einem Bauelement, das das dielektrische Material 110 in einem nicht behandelten Zustand aufweist. In anderen Fällen kann das gesamte Leistungsverhalten des Metallisierungssystems 130 weiter verbessert werden, indem zwei oder mehr in-situ-Plasmabehandlungen während der gesamten Fertigungssequenz zur Strukturierung des dielektrischen Materials 110 und zur Herstellung des leitenden Gebiets 115 darin eingebaut werden.
Wie gezeigt ist, ist eine dielektrische Deckschicht oder Ätzstoppmaterialschicht 131 über dem dielektrischen Material 110 und dem leitenden Gebiet 115 gebildet und repräsentiert eine geeignete Ausgangsbasis für die Herstellung weiterer Metallisierungsebenen über dem dielektrischen Material 110.
Das Bauelement 100 kann auf der Grundlage beliebiger geeigneter Prozesstechniken hergestellt werden, die das Abscheiden des Barrierenmaterials 115A, falls es erforderlich ist, beinhalten, woran sich eine geeignete Materialabscheidetechnik anschließt, möglicherweise in Verbindung mit dem Abscheiden eines Saatmaterials, um das Kernmaterial 115B bereitzustellen. Beispielsweise werden für diesen Zweck elektrochemische Abscheidetechniken eingesetzt. Bei Bedarf wird das leitende Deckmaterial 115c hergestellt, beispielsweise durch elektrochemische Abscheidetechniken, woran sich das Abscheiden des Materials 131 anschließt. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Material 131 auf der Grundlage eines plasmaunterstützten Abscheiderezepts aufgebracht wird. In diesem Falle wird die freiliegende Oberfläche des dielektrischen Materials 110 einer wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Plasmaatmosphäre ausgesetzt, beispielsweise in Form einer in-situ-Prozesssequenz mit dem nachfolgenden Abscheideprozess, wodurch die gesamte Oberflächenstruktur des Materials 110 weiter verbessert wird, die während der vorhergehenden Prozesse möglicherweise geschädigt werden, beispielsweise beim Entfernen überschüssigen Materials des Barrierenmaterials 115A und des Kernmaterials 115B.
Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Techniken zum Erzeugen oder Wiedererzeugen eines hohen Grades an hydrophober Natur freiliegender Oberflächenbereiche eines silizium- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials mit kleinem ε bereit, indem zumindest eine in-situ-Plasmaprozesssequenz angewendet wird, während derer ein Kontakt mit wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Radikalen in Gang gesetzt wird, um damit entsprechende Methyl-Gruppen an den frei liegenden Oberflächenbereichen zu erzeugen. Folglich kann das dielektrische Material mit kleinem ε mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften nach einer reaktiven Plasmaprozesssequenz geschaffen werden, die das Strukturieren des dielektrischen Materials mit kleinem ε, dessen Abscheidung, das Abscheiden von weiteren dielektrischen Materialien auf dem dielektrischen Material mit kleinem ε, das Entfernen von Ätzmasken und dergleichen, enthalten kann. Folglich kann das elektrische Verhalten komplexer Metallisierungssysteme von Halbleiterbauelementen oder anderen Mikrostrukturen deutlich verbessert werden, beispielsweise Metallgebiete mit lateralen Abmessungen von mehreren 100 nm und weniger mit einem Abstand zwischen zwei benachbarten Metallleitungen in der gleichen Größenordnung vorzusehen sind. Die Effizienz der in-situ-Plasmabehandlung wird weiter gestaltet, indem die Oberfläche mit Chemikalien mit Vernetzungseigenschaften in Kontakt gebracht wird, um damit eine polymerisierte Oberfläche zu schaffen, die für eine höhere Stabilität während der weiteren Bearbeitung sorgt.

Claims

Verfahren mit den folgenden Schritten: Bilden eines silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials über einem Substrat eines Mikrostrukturbauelements; Einrichten einer ersten Plasmaatmosphäre in einer Prozessumgebung, die zum Einschluss eines Plasmas ausgebildet ist; Veranlassen einer Einwirkung einer ersten Art von Radikalen, die in der ersten Plasmaatmosphäre erzeugt werden, auf einen Oberflächenbereich des silizium-, kohlenstoff und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials; Einrichten einer zweiten Plasmaatmosphäre auf der Grundlage von Wasserstoff und Kohlenstoff, wobei die zweite Plasmaatmosphäre in situ innerhalb derselben Prozessumgebung eingerichtet wird, in der die erste Plasmaatmosphäre eingerichtet wurde; und Veranlassen der Einwirkung einer zweiten Art von Radikalen, die in der zweiten Plasmaatmosphäre erzeugt werden, auf den Oberflächenbereich des silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials, wobei die zweite Art an Radikalen zu einer Ausbildung von Methyl-Gruppen in der Oberflächenstruktur des Oberflächenbereichs führt, wobei das Substrat des Mikrostrukturbauelements zwischen dem Einwirken der ersten Art von Radikalen und dem Einwirken der zweiten Art von Radikalen keinem Transportschritt unterworfen wird, gekennzeichnet durch Initiieren einer Dimerisation oder einer Polymerisation durch Zuführen eines oder mehrerer chemischer Mittel zu dem Oberflächenbereich, um die chemische Stabilität des Oberflächenbereichs zu erhöhen, wobei das eine oder die mehreren chemischen Mittel Silan- und/oder Trimethylsilan und/oder Tetramethylsilan und/oder Tetramethyldisilazan in Kombination mit einer oder mehreren funktionalen Gruppen sind, wobei die eine oder die mehreren funktionalen Gruppen eine Vinylgruppe umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Art an Radikalen Wasserstoff und Kohlenstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Art an Radikalen aus Wasserstoff und Kohlenstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltende dielektrische Material so gebildet wird, dass es eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltende dielektrische Material so gebildet wird, dass es eine poröse Struktur besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Art an Radikalen, die in der ersten Plasmaatmosphäre erzeugt wird, so gewählt wird, dass dieses Material des silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltendes dielektrischen Materials entfernt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Art an Radikalen, die in der ersten Plasmaatmosphäre erzeugt wird, so gewählt wird, dass Material einer Ätzmaske abgetragen wird, die über der silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Schicht gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Einrichten einer dritten Plasmaumgebung in einer zweiten Prozessumgebung, die ausgebildet ist, ein Plasma zu halten, Hervorrufen einer Einwirkung der ersten Art an Radikalen, die in der dritten Plasmaatmosphäre erzeugt werden, auf den Oberflächenbereich, Einrichten einer vierten Plasmaatmosphäre in der zweiten Prozessumgebung und Initiieren der Einwirkung der zweiten Art an Radikalen, die in der vierten Plasmaatmosphäre erzeugt wird, auf den Oberflächenbereich.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren chemischen Mittel in der Prozessumgebung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren chemischen Mittel außerhalb der Prozessumgebung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltende dielektrische Material ein dielektrisches Material eines Metallisierungssystems des Mikrostrukturbauelements ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Ausführen eines nasschemischen Reinigungsprozesses nach dem Erhöhen der chemischen Stabilität des Oberflächenbereichs.
Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Materials mit kleinem ε in einem Mikrostrukturbauelement, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials über einem Substrat, so dass das Material eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger besitzt, wobei das silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltende dielektrische Material eine Oberflläche mit Methylgruppen aufweist; Strukturieren des silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials durch Einwirkung einer ersten Art an Radikalen auf zumindest einen Teil des silizium-, kohlenstoff- und sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials in einer Prozessumgebung, die ausgebildet ist, eine Plasmaatmosphäre zu enthalten; und Einwirken einer zweiten Art von Radikalen auf einen freiliegenden Oberflächenbereich in der Prozessumgebung, wobei die zweite Art an Radikalen Methylgruppen in der Oberfläche erzeugt, wobei das Einwirken der zweiten Art von Radikalen in situ innerhalb derselben Prozessumgebung stattfindet, in der das Einwirken der ersten Art von Radikalen stattgefunden hat, und das Substrat des Mikrostrukturbauelements zwischen dem Einwirken der ersten Art von Radikalen und dem Einwirken der zweiten Art von Radikalen keinem Transportschritt unterworfen wird, gekennzeichnet durch Initiieren einer Dimerisation oder einer Polymerisation durch Zuführen eines oder mehrerer chemischer Mittel zu dem Oberflächenbereich, um die chemische Stabilität des Oberflächenbereichs zu erhöhen, wobei das eine oder die mehreren chemischen Mittel Silan- und/oder Trimethylsilan und/oder Tetramethylsilan und/oder Tetramethylsilazan in Kombination mit einer oder mehreren funktionalen Gruppen sind, wobei die eine oder die mehreren funktionalen Gruppen eine Vinylgruppe umfassen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die zweite Art an Radikalen Wasserstoff und Kohlenstoff aufweist.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Bilden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε über einem Substrat eines Halbleiterbauelements, wobei das dielektrische Material mit kleinem ε Silizium und Sauerstoff enthält; Bilden eines Grabens in dem dielektrischen Material mit kleinem ε durch Ausführen eines plasmaunterstützten Ätzprozesses in einer Prozesskammer; Erzeugen von wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Radikalen in der Prozesskammer, um Methylgruppen in freiliegenden Oberflächenbereichen des dielektrischen Materials mit kleinem ε zu erzeugen, wobei das Erzeugen von wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Radikalen in situ innerhalb derselben Prozesskammer durchgeführt wird, in welcher der plasmaunterstützte Ätzprozess stattgefunden hat, wobei das Substrat des Halbleiterbauelements zwischen dem Ätzprozess und dem Erzeugen der Methylgruppen keinem Transportschritt unterworfen wird; Initiieren einer Einwirkung von wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Radikalen auf zumindest einen Teil des dielektrischen Materials mit kleinem ε nach dem Erzeugen der Methyl-Gruppen, und Bilden einer Metallleitung auf der Grundlage des Grabens, gekennzeichnet durch Initiieren einer Dimerisation oder einer Polymerisation durch Zuführen eines oder mehrerer chemischer Mittel zu dem Oberflächenbereich, um die chemische Stabilität des Oberflächenbereichs zu erhöhen, wobei das eine oder die mehreren chemischen Mittel Silan- und/oder Trimethylsilan und/oder Tetramethylsilan und/oder Tetramethylsilazan in Kombination mit einer oder mehreren funktionalen Gruppen sind, wobei die eine oder die mehreren funktionalen Gruppen eine Vinylgruppe umfassen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der zumindest eine Teil der Einwirkung der wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Radikalen vor dem Bilden der Metallleitung unterzogen wird.