DE102017126997A1

DE102017126997A1 - Halbleiter-Bauelement mit einer dielektrischen Extra-Low-k-Schicht und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102017126997A1
Application number: DE102017126997.5A
Authority: DE
Inventors: Po-Cheng Shih; Chia Cheng Chou; Li Chun TE
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2037-11-17
Also published as: US20220359412A1; US12062613B2; US11417602B2; US20200335449A1; KR102043910B1; CN108735712B; US20240371769A1; CN108735712A; TWI801352B; US10707165B2; KR20180118037A; DE102017126997B4; US20180308801A1; TW201839903A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Extra-Low-k(ELK)-Zwischenmetalldielektrikum(IMD)-schicht umfasst das Herstellen einer ersten IMD-Schicht, die mehrere dielektrische Materialschichten umfasst, über einem Substrat. Über der ersten IMD-Schicht wird eine Haftschicht hergestellt. Über der Haftschicht wird eine dielektrische ELK-Schicht hergestellt. Über der dielektrischen ELK-Schicht wird eine Schutzschicht hergestellt. Über der Schutzschicht wird eine Hartmaske hergestellt und strukturiert, um ein Fenster zu erzeugen. Schichten unter dem Fenster werden entfernt, um eine Öffnung zu erzeugen. Die entfernten Schichten umfassen die Schutzschicht, die dielektrische ELK-Schicht, die Haftschicht und die erste IMD-Schicht In der Öffnung wird eine Metallschicht hergestellt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Herstellung von integrierten Halbleiterschaltkreisen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Extra-Low-k-Schicht.
Hintergrund
Mit dem Fortschritt der Transistor-Prozesstechnologie sind die Abmessungen von Transistoren kleiner geworden, und daher hat die Anzahl von Transistoren je Flächeneinheit eines integrierten Schaltkreises entsprechend zugenommen. Die höhere Bauelement-Dichte erfordert eine höhere Verbindungstechnologie, die eine Signalübertragung zwischen Bauelementen mit einer gewünschten Geschwindigkeit erreichen kann und Forderungen nach einem niedrigen Widerstand und einer niedrigen Kapazität (z. B. niedrige RC-Zeitkonstante) erfüllen kann. Der Einfluss der RC-Zeitkonstante einer Verbindung auf die Signalverzögerung nimmt zu, da integrierte Schaltkreise komplexer werden und Strukturgrößen abnehmen. Bei der Halbleiter-BEOL-Bearbeitung (BEOL: Back End of Line) werden metallische Verbindungsstrukturen mit Zwischenmetalldielektrikum-Schichten (IMD-Schichten) hergestellt, die einen Beitrag zur Kapazität der metallischen Verbindungsstrukturen leisten. Der Kapazitätsbeitrag kann die Signalübertragungsgeschwindigkeit der Halbleiterschaltung unerwünscht verringern.
Durch die Verwendung von dielektrischen Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (Low-k-Materialien) zum Herstellen der IMD-Schichten sind bis zu einem gewissen Grad der Kapazitätsbeitrag verringert und die Signalübertragungsgeschwindigkeit verbessert worden. Die dielektrischen Low-k-Materialien haben jedoch ungünstige Eigenschaften, wie etwa hohe Porosität, die sie für eine Beschädigung während bestimmter Halbleiter-Prozesse, wie etwa Ätzung, Abscheidung und Nassprozesse, anfällig machen, sodass sich ihre Dielektrizitätskonstanten verschlechtern (erhöhen) können.
Es werden Lösungen benötigt, mit denen eine gewünschte Kapazität, Ausbeute und Zuverlässigkeit insbesondere bei modernen Technologien, wie etwa 5-Nanometer-Knoten (N5) und kleiner, erzielt werden können.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung lässt sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und nur der Erläuterung dienen. Vielmehr können der Klarheit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

1 ist ein beispielhaftes Prozessfließbild, das ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Extra-Low-k(ELK)-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausfiihrungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 zeigt eine Stufe bei einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen ELK-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Stufe bei einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen ELK-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Stufe bei einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen ELK-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Stufe bei einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen ELK-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Stufe bei einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen ELK-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine Stufe bei einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen ELK-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine Stufe bei einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen ELK-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Detaillieirte Beschreibung
Es ist klar, dass die nachstehende Beschreibung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung bereitstellt Nachstehend werden spezielle Ausführungsformen oder Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel sind die Abmessungen von Elementen nicht auf den angegebenen Bereich von Werten beschränkt, sondern sie können von Prozessbedingungen und/oder gewünschten Eigenschaften des Bauelements abhängig sein. Außerdem kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführusgsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Verschiedene Elemente können der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber beliebig in verschiedenen Maßstäben gezeichnet sein.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden. Darüber hinaus kann der Begriff „hergestellt aus“ entweder „weist auf“ oder „besteht aus“ bedeuten.
1 ist ein beispielhaftes Prozessfließbild, das ein Verfahren 10 zur Herstellung einer dielektrischen Extra-Low-k(ELK)-Schicht gemäß einer oder mehreren Ausführusgsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren 10 zeigt einen relevanten Teil des gesamten Herstellungsprozesses. Es ist klar, dass weitere Schritte vor, während und nach den in 1 gezeigten Schritten vorgesehen werden können und einige der nachstehend beschriebenen Schritte bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt oder weggelassen werden können. Die Reihenfolge der Schritte/Prozesse ist austauschbar.
Im Schritt S11 von 1 wird eine erste Zwischenmetalldielektrikum-Schicht (IMD-Schicht) 23 über einem Substrat 22 hergestellt, wie in einer x-z-Schnittansicht 20 in 2 gezeigt ist. Das Substrat 22 kann zum Beispiel ein Wafer, wie etwa ein Silizium- oder Germaniumwafer, oder ein In-Prozess-Substrat sein, das eine Anzahl von HalbleiterBauelementen aufweist, wie etwa Feldeffekttransistoren (FETs), die Metall-Oxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs) und FinFETs umfassen, die über einem Basissubstrat hergestellt sind. Bei einigen Ausführungsformen können verschiedene Leitungsführungsverbindungen, zum Beispiel leitfähige Energie- und Signalführungsverbindungen, für die Halbleiter-Bauelemente durch Erzeugen von metallischen und dielektrischen BEOL-Schichten implementiert werden, wie später näher erörtert wird. Das Basissubstrat kann bei einigen Ausführungsformen ein p-Siliziumsubstrat mit einer Dotierungsstoffkonzentration in dem Bereich von etwa 1 × 10¹⁵ cm^-3 bis etwa 3 × 10¹⁵ cm^-3 sein. Bei anderen Ausführungsformen kann das Basissubstrat ein n-Siliziumsubstrat mit einer Dotierungsstoffkonzentration in dem Bereich von etwa 1 × 10¹⁵ cm^-3 bis etwa 3 × 10¹⁵ cm^-3 sein. Die Kristallorientierung des Siliziumsubstrats ist bei einigen Ausführungsformen eine (100)-Orientierung.
Alternativ kann das Basissubstrat Folgendes umfassen: einen anderen elementaren Halbleiter, wie etwa Germanium; einen Verbindungshalbleiter, der Verbindungshalbleiter der Gruppe IV-IV, wie etwa Siliziumcarbid (SiC) und Siliziumgermanium (SiGe), und Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V umfasst, wie etwa GaAs, GaP, GaN, InP, InAs, InSb, GaAsP, AlGaN, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP und/oder GaInAsP; oder Kombinationen davon. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Basissubstrat eine Siliziumschicht eines Halbleiter-auf-Isolator(SOI)-Substrats. Amorphe Substrate, wie etwa amorphes Silizium oder amorphes Siliziumcarbid (SiC), oder Isoliermaterialien, wie etwa Siliziumoxid, können ebenfalls als das Basissubstrat verwendet werden. Das Basissubstrat kann verschiedene Bereiche haben, die entsprechend mit Dotierungsstoffen (die z. B. p- oder n-leitend sind) dotiert worden sind.
Bei einigen Ausführusgsformen weist die IMD-Schicht 23 eine Anzahl von Schichten auf, wie etwa eine Aluminiumnitridschicht 24, eine erste mit Sauerstoff dotierte Carbidschicht (ODC-Schicht) 25 (z. B. mit Sauerstoff dotiertes Siliziumcarbid), eine Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht 26 und eine zweite ODC-Schicht 27, wie in der x-z-Schnittansicht 20 von 2 gezeigt ist Bei einigen Ausführungsformen kann die Aluminiumnitridschicht 24 mit einer Dicke von etwa 3 bis 5 nm durch plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD) oder physikalische Aufdampfung (PVD) hergestellt werden. Es ist bekannt, dass Aluminiumnitrid eine Reihe von Vorzügen hat, wie etwa homogene Mikrostruktur, hohe thermische Leitfähigkeit, hoher spezifischer elektrischer Widerstand und chemische Stabilität bis zu etwa 980 °C. Bei einigen Ausführusgsformen können die erste und die zweite ODC-Schicht 25 und 27 mit PECVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden werden. Die Dicke der ersten und zweiten ODC-Schicht 25 und 27 kann in dem Bereich von etwa 3 bis 5 nm liegen. Bei einigen Ausführusgsformen kann die Aluminiumoxidschicht 26 eine Dicke in dem Bereich von etwa 3 bis 5 nm haben, und sie wird mit PECVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden. Bei einigen Ausführungsformen können auch andere Abscheidungsverfahren verwendet werden, und die Schichten der IMD-Schicht 23 können aus anderen dielektrischen Materialien mit anderen Dicken bestehen. Die Stapelstruktur der IMD-Schicht 23 ist nicht auf die vorstehend beschriebene Konfiguration beschränkt. Die IMD-Schicht 23 kann auch eine einzelne dielektrische Schicht sein, oder sie kann mehrere dielektrische Schichten umfassen, die jeweils aus einem geeigneten dielektrischen Material bestehen.
Im Schritt S12 von 1 wird eine Haftschicht 32 mit PECVD- oder PVD-Verfahren über der IMD-Schicht 23 hergestellt, wie in einer x-z-Schnittansicht 30 in 3 gezeigt ist. Bei einigen Ausfiihrungsformen ist die Haftschicht eine Oxidschicht oder eine Carbidschicht, aber sie ist nicht auf diese Verbindungen beschränkt, und sie kann die Haftung der nächsten Schicht an der IMD-Schicht 23 verbessern. Bei einigen Ausführusgsformen kann die Oxidschicht aus Siliziumoxid (SiO₂) bestehen und die Carbidschicht kann aus Siliziumoxidcarbid (SiOC) bestehen, aber es können auch andere Materialien oder Verbindungen verwendet werden.
Im Schritt S13 von 1 wird eine dielektrische ELK-Schicht 42 über der Haftschicht 32 hergestellt, wie in einer x-z-Schnittansicht 40 in 4 gezeigt ist. Bei einigen Ausfiihrungsformen ist die dielektrische ELK-Schicht 42 eine dichte Schicht aus einem Kohlenstoff-dotierten sauerstoffreichen Siliziumoxid-Material. Bei einigen Ausführusgsformen kann die dielektrische ELK-Schicht 42 mit einem niedrigen Vorläufer-Durchsatz in einem PECVD- oder PVD-Prozess abgeschieden werden. Der Vorläufer kann bei einigen Ausführungsformen Methyl-diethoxymethylsilan (mDEOS) sein. Bei einigen Ausführusgsformen ist der niedrige Durchsatz ein Durchsatz von weniger als etwa 900 Ncm³/min.
Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische ELK-Schicht 42 unter Verwendung eines niedrigen Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnisses in dem PECVD- oder PVD-Prozess hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trägergas Helium (He) sein, und das niedrige Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnis ist kleiner als etwa 0,4. Bei anderen Ausführungsformen können auch andere Trägergase und andere Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnisse verwendet werden. Bei einigen Ausführusgsformen hat die dielektrische ELK-Schicht 42 eine Dielektrizitätskonstante, die kleiner als etwa 3,4 ist. Eine Dicke t1 der dielektrischen ELK-Schicht 42 kann bei einigen Ausführusgsformen in dem Bereich von etwa 20 bis 100 nm liegen. Bei einigen Ausfiihrungsformen hat die dichte Schicht aus einem Kohlenstoff-dotierten sauerstoffreichen Siliziumoxid-Material der dielektrischen ELK-Schicht 42 einen Kohlenstoffgehalt in dem Bereich von etwa 5 bis 30 Atom-%, einen Sauerstoffgehalt in dem Bereich von etwa 40 bis 55 Atom-% und einen Siliziumgehalt in dem Bereich von etwa 30 bis 40 Atom-%. Die dielektrische ELK-Schicht 42 ist viel dichter als das herkömmliche Low-k-Material und kann eine Härte in dem Bereich von etwa 3 bis 10 GPa haben.
Die dielektrische ELK-Schicht der vorliegenden Erfindung hat mehrere Vorzüge gegenüber herkömmlichen Low-k-Materialien. Zum Beispiel verbessert die erfindungsgemäße dielektrische ELK-Schicht die Kopplungskapazität der metallischen Verbindungsleitungen (z. B. um mehr als 1 bis 1,5 %), was wiederum zu einer höheren Geschwindigkeit der Halbleiter-Bauelemente führen kann. Außerdem ist die dielektrische ELK-Schicht 42 zuverlässiger und weniger schadensträchtig als herkömmliche Low-k-Materialien.
Im Schritt S14 von 1 wird eine Schutzschicht 52 über der dielektrischen ELK-Schicht 42 hergestellt, wie in einer x-z-Schnittansicht 50 in 5 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schutzschicht 52 eine dielektrische Kappe, die aus einer stickstofffreien Antireflexionsschicht (nitrogen-free antireflection layer; NFARL) besteht. Die NFARL wird zum Minimieren der Totalreflexion des Lichts von Schichten unter einer Fotoresistschicht und zum Herstellen einer Grenzschicht zwischen der Fotoresistschicht und der darunter befindlichen Schicht verwendet. Die NFARL kann mit einem CVD-Prozess, der optional plasmaunterstützt ist, unter Verwendung eines Gasgemisches von Kohlenstoff-, Silizium- und Sauerstoff-Quellen hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Prozessparameter so eingestellt werden, dass annehmbare Werte für die Brechzahl n und den Extinktionskoeffizienten k erzielt werden. Mit der NFARL können die Probleme mit dem seitlichen Ausdehnen des Bondhügels und mit dem sicheren Halt, die bei zahlreichen Antireflexionsschichten zu finden sind, behoben werden.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Schutzschicht 52 eine Schicht auf TEOS-Basis (TEOS: Tetraethylorthosilicat). TEOS wird häufig als ein Vernetzungsmittel in Silikon-Polymeren und als ein Vorläufer für Siliziumdioxid in der Halbleiterindustrie verwendet. Bei einigen Ausführusgsformen kann die Schicht auf TEOS-Basis durch Aufschleuderglas-Abscheidung abgeschieden werden, aber es können auch andere Abscheidungsverfahren zum Einsatz kommen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Schutzkappenschicht ein dielektrisches Material, wie etwa ODC, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid oder Siliziumcarbid, oder andere geeignete Materialien und/oder eine Kombination davon auf. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schutzschicht eine NFARL mit Siliziummonoxid (SiO). Bei einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht Siliziumoxidcarbid (SiOC) auf. Bei den Ausführungsformen, bei denen die Schutzschicht Siliziumoxidcarbid (SiOC) aufweist, hat sie einen Massenanteil von Kohlenstoff von etwa 20 % bis etwa 45 %, einen Massenanteil von Sauerstoff von etwa 0 % bis etwa 20 % und/oder einen Massenanteil von Silizium von etwa 30 % bis etwa 50 %. Bei einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht BC, BN, SiBN, SiBC, SiBCN und/oder andere Materialien, wie etwa Bor, auf. Bei diesen Ausführungsformen hat die Schutzschicht einen Massenanteil von Bor von etwa 5 % bis etwa 100 96.
Im Schritt S15 von 1 wird eine Hartmaske 54 über der Schutzschicht 52 hergestellt und strukturiert, wie in der x-z-Schnittansicht 50 von 5 gezeigt ist. Bei einigen Ausführusgsformen weist die Hartmaske 54 Titannidrid (TiN) auf, aber es können auch andere Hartmaskenmaterialien verwendet werden. Die Titannidrid-Hartmaske 54 kann bei einigen Ausführungsformen durch CVD oder PVD abgeschieden werden. Die Hartmaske 54 kann so strukturiert werden, dass ein Fenster 56 für den nächsten Ätzprozess geöffnet wird.
Im Schritt S16 von 1 werden Schichten unter dem Fenster 56 entfernt, um eine Öffnung 62 zu erzeugen, wie in einer x-z-Schnittansicht 60 in 6 gezeigt ist. Die Schichten unter dem Fenster 56 sind die Schutzschicht 52, die dielektrische ELK-Schicht 42, die Haftschicht 32 und die erste IMD-Schicht 23.
Die Öffnung (der Graben) 62 kann bei einigen Ausführungsformen mit einem oder mehreren Ätzprozessen, wie zum Beispiel einem Plasmaätzprozess, erzeugt werden, aber es können auch andere Ätzprozesse verwendet werden.
Im Schritt S17 von 1 wird eine Metallschicht 72 in dem Graben 62 hergestellt, wie in einer x-z-Schnittansicht 70 in 7 gezeigt ist. Die Metallschicht 72 kann Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) sein. Die Metallschicht 72 ist bei einigen Ausführusgsformen eine metallische BEOL-Verbindung. Bei einigen Ausführusgsformen ist die Metallschicht 72 eine Durchkontaktierungsstruktur, die zwei oder mehr Metallschichten verbindet (in 7 der Einfachheit halber nicht dargestellt). Bei einigen Ausführungsformen kann die Metallschicht 72 durch Gasphasen-Abscheidung (vapour phase deposition; VDP), wie etwa Elektronenstrahl-VPD (EBVPD), PVD, CVD oder Elektroplattierung abgeschieden werden. Bei anderen Ausführusgsformen können auch andere Abscheidungsverfahren zum Herstellen der Metallschicht 72 zum Einsatz kommen.
Bei einigen Ausführungsformen kann nach der Abscheidung der Metallschicht 72 ein Planarisierungsprozess, zum Beispiel eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), durchgeführt werden, um die Schutzschicht 52 und die Hartmaskenschicht 54 zu entfernen, wie in einer x-z-Schnittansicht 80 in 8 gezeigt ist.
Es dürfte klar sein, dass hier nicht unbedingt alle Vorzüge erörtert worden sind, kein spezieller Vorzug für alle Ausführusgsformen oder Beispiele erforderlich ist und weitere Ausführusgsformen oder Beispiele andere Vorzüge bieten können.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Extra-Low-k(ELK)-Zwischenmetalldielektrikum(IMD)-Schicht das Herstellen einer ersten IMD-Schicht, die mehrere dielektrische Materialschichten umfasst, über einem Substrat. Über der ersten IMD-Schicht wird eine Haftschicht hergestellt. Über der Haftschicht wird eine dielektrische ELK-Schicht hergestellt. Über der dielektrischen ELK-Schicht wird eine Schutzschicht hergestellt. Über der Schutzschicht wird eine Hartmaske hergestellt und strukturiert, um ein Fenster zu erzeugen. Schichten unter dem Fenster werden entfernt, um eine Öffnung zu erzeugen. Die entfernten Schichten umfassen die Schutzschicht, die dielektrische ELK-Schicht, die Haftschicht und die erste IMD-Schicht. In der Öffnung wird eine Metallschicht hergestellt. Das Verfahren kann weiterhin das Durchführen eines Planarisierungsprozesses, zum Beispiel unter Verwendung einer chemisch-mechanischen Planarisierung, umfassen.
Bei einigen Ausführungsformen können die dielektrische Materialschichten eine Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht, eine erste Sauerstoff-dotierte Carbidschicht (ODC-Schicht), eine Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht und eine zweite ODC-Schicht umfassen. Bei einigen Ausführungsformen ist die dielektrische ELK-Schicht ein Kohlenstoff-dotiertes sauerstoffreiches Siliziumoxid-Material. Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische ELK-Schicht mit einem niedrigen Vorläufer-Durchsatz in einem PECVD- oder PVD-Prozess hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann der Vorläufer Methyl-diethoxymethylsilan (mDEOS) sein, und der niedrige Durchsatz kann kleiner als etwa 900 Ncm³/min sein.
Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische ELK-Schicht unter Verwendung eines niedrigen Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnisses in dem PECVD- oder PVD-Prozess hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trägergas Helium (He) sein, und das niedrige Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnis ist kleiner als etwa 0,4. Bei einigen Ausführusgsformen ist die Haftschicht eine Oxidschicht oder eine Carbidschicht Bei einigen Ausführungsformen ist die Oxidschicht Siliziumoxid (SiO₂). Die Carbidschicht kann bei einigen Ausführungsformen Siliziumoxidcarbid (SiOC) sein.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht ein dielektrisches Verkappungsmaterial auf, das eine stickstofffreie Antireflexionsschicht (NFARL) umfasst. Die Schutzschicht kann bei einigen anderen Ausführungsformen ein dielektrisches Verkappungsmaterial sein, das Tetraethylorthosilicat (TEOS) umfasst. Die Hartmaske kann bei einigen Ausführungsformen Titannidrid (TiN) sein.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Metallschicht einer metallische BEOL-Verbindungsleitung (BEOL: Back End of Line). Die Metallschicht kann bei einigen Ausführungsformen Kupfer (Cu) sein. Bei einigen Ausführusgsformen ist das Substrat ein Wafer, wie etwa ein Siliziumwafer, und der Wafer kann elektronische Schaltkreise aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises das Herstellen mehrerer Bauelemente über einem Substrat, um ein In-Prozess-Substrat zu erzeugen. Leitfähige Energie- und Signalführungsverbindungen für die Halbleiter-Bauelemente können durch Erzeugen von metallischen und dielektrischen BEOL-Schichten implementiert werden. Das Erzeugen von metallischen und dielektrischen BEOL-Schichten umfasst das Herstellen einer Zwischenmetalldielektrikum-Schicht (IMD-Schicht) über dem In-Prozess-Substrat und das Herstellen einer dielektrischen Extra-Low-k(ELK)-Schicht über der IMD-Schicht. Über der dielektrischen ELK-Schicht wird eine dielektrische Kappe hergestellt. Über der dielektrischen Kappe wird eine Hartmaske, die Titannidrid (TiN) aufweist, hergestellt und strukturiert, um ein Fenster zu erzeugen. Schichten unter dem Fenster werden entfernt, um einen Graben zu erzeugen. Die entfernten Schichten umfassen die dielektrische Kappe, die dielektrische ELK-Schicht und die IMD-Schicht. In dem Graben wird eine Metallschicht, die Kupfer (Cu) aufweist, hergestellt.
Bei einigen Ausfiihrungsformen weist die erste IMD-Schicht mehrere dielektrische Materialschichten auf, die eine Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht, eine erste Sauerstoff-dotierte Carbidschicht (ODC-Schicht), eine Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht und eine zweite ODC-Schicht umfassen. Bei einigen Ausführusgsformen ist die dielektrische ELK-Schicht ein Kohlenstoff-dotiertes sauerstoffreiches Siliziumoxid-Material, das durch plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD) oder physikalische Aufdampfung (PVD) abgeschieden wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische ELK-Schicht mit einem niedrigen Durchsatz eines Vorläufers, der Methyl-diethoxymethylsilan (mDEOS) aufweist, hergestellt. Bei einigen Ausführusgsformen ist der niedrige Durchsatz kleiner als etwa 900 Ncm³/min.
Bei einigen Ausführusgsformen wird die dielektrische ELK-Schicht unter Verwendung eines niedrigen Vorläufer-Helium(He)gas-Durchsatzverhältnisses in einem PECVD- oder PVD-Prozess hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist das niedrige Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnis kleiner als etwa 0,4.
Bei einigen Ausführungsformen wird vor der Herstellung der dielektrischen ELK-Schicht eine Haftschicht über der IMD-Schicht hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist die Haftschicht Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumoxidcarbid (SiOC) auf. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Kappe eine stickstofffreie Antireflexionsschicht (NFARL).
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein integrierter Schaltkreis mehrere Bauelemente auf, die über einem Substrat implementiert sind, um ein In-Prozess-Substrat zu erzeugen. Metallische und dielektrische BEOL-Schichten sind so konfiguriert, dass sie Energie- und Signalführungsverbindungen für die mehreren Bauelemente bereitstellen. Die metallischen und dielektrischen BEOL-Schichten umfassen eine erste IMD-Schicht, die mehrere dielektrische Materialschichten aufweist, die über einem In-Prozess-Substrat hergestellt sind. Über der ersten IMD-Schicht ist eine Haftschicht hergestellt, die Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumoxidcarbid (SiOC) aufweist. Über der Haftschicht ist eine dielektrische ELK-Schicht hergestellt, die ein Kohlenstoff-dotiertes sauerstoffreiches Siliziumoxid-Material aufweist Über der dielektrischen ELK-Schicht ist eine Schutzschicht hergestellt. Eine Metallschicht ist in einer Öffnung in der Schutzschicht, der dielektrischen ELK-Schicht, der Haftschicht und der ersten IMD-Schicht hergestellt.
Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen oder Beispiele beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen oder Beispielen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Extra-Low-k(ELK)-Zwischenmetalldielektrikum(IMD)-Schicht mit den folgenden Schritten: Herstellen einer ersten IMD-Schicht, die mehrere dielektrische Materialschichten umfasst, über einem Substrat; Herstellen einer Haftschicht über der ersten IMD-Schicht; Herstellen einer dielektrischen ELK-Schicht über der Haftschicht; Herstellen einer Schutzschicht über der dielektrischen ELK-Schicht; Herstellen einer Hartmaske über der Schutzschicht und Strukturieren der Hartmaske, um ein Fenster zu erzeugen; Entfernen von Schichten unter dem Fenster, um eine Öffnung zu erzeugen, wobei die entfernten Schichten die Schutzschicht, die dielektrische ELK-Schicht, die Haftschicht und die erste IMD-Schicht umfassen; und Herstellen einer Metallschicht in der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Durchführen eines Planarisierungsprozesses umfasst, wobei der Planarisierungsprozess eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) umfasst
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren dielektrische Materialschichten eine Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht, eine erste Sauerstoff-dotierte Carbidschicht (ODC-Schicht), eine Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht und eine zweite ODC-Schicht umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische ELK-Schicht ein Kohlenstoff-dotiertes sauerstoffreiches Siliziumoxid-Material aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Herstellen der dielektrischen ELK-Schicht das Verwenden eines niedrigen Durchsatzes eines Vorläufers in einem PECVD-Prozess (PECVD: plasmaunterstützte chemische Aufdampfung) oder einem PVD-Prozess (PVD: physikalische Aufdampfung) umfasst, wobei der Vorläufer Methyl-diethoxymethylsilan (mDEOS) aufweist und der niedrige Durchsatz ein Durchsatz ist, der kleiner als etwa 600 sccm ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Herstellen der dielektrischen ELK-Schicht das Verwenden eines niedrigen Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnisses in dem PECVD- oder PVD-Prozess umfasst, wobei das Trägergas Helium (He) aufweist und das niedrige Vorläufer-Trägergas-Durchsatzverhältnis kleiner als etwa 0,2 ist
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Haftschicht eine Oxidschicht oder eine Carbidschicht aufweist, wobei die Oxidschicht Siliziumoxid (SiO₂) umfasst und die Carbidschicht Siliziumoxidcarbid (SiOC) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht ein dielektrisches Verkappungsmaterial aufweist, das eine stickstofffreie Antireflexionsschicht (NFARL) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht ein dielektrisches Verkappungsmaterial aufweist, das Tetraethylorthosilicat (TEOS) umfasst, und die Hartmaske Titannidrid (TiN) aufweist
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht eine metallische BEOL-Verbindung (BEOL: Back End of Line) aufweist und Kupfer (Cu) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat einen Wafer, wie etwa einen Siliziumwafer, umfasst und der Wafer elektronische Schaltkreise aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises mit den folgenden Schritten: Herstellen mehrerer Vorrichtungen über einem Substrat, um ein In-Prozess-Substrat zu erzeugen; und Implementieren von leitfähigen Energie- und Signalführungsverbindungen für die mehreren Vorrichtungen durch Erzeugen von metallischen und dielektrischen BEOL-Schichten (BEOL: Back End of Line) mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Zwischenmetalldielektrikum-Schicht (IMD-Schicht) über dem In-Prozess-Substrat; Herstellen einer dielektrischen Extra-Low-k(ELK)-Schicht über der IMD; Herstellen einer dielektrischen Kappe über der dielektrischen ELK-Schicht; Herstellen einer Hartmaske, die Titannidrid (TiN) aufweist, über der dielektrischen Kappe, und Strukturieren der Hartmaske, um ein Fenster zu erzeugen; Entfernen von Schichten unter dem Fenster, um einen Graben zu erzeugen, wobei die entfernten Schichten die dielektrische Kappe, die dielektrische ELK-Schicht und die IMD-Schicht umfassen; und Herstellen einer Metallschicht, die Kupfer (Cu) aufweist, in dem Graben.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste IMD-Schicht mehrere dielektrische Materialschichten aufweist, die eine Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht, eine erste Sauerstoff-dotierte Carbidschicht (ODC-Schicht), eine Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht und eine zweite ODC-Schicht umfassen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die dielektrische ELK-Schicht ein Kohlenstoff-dotiertes sauerstoffreiches Siliziumoxid-Material aufweist, das mit einem PECVD-Prozess (PECVD: plasmaunterstützte chemische Aufdampfung) oder einem PVD-Prozess (PVD: physikalische Aufdampfung) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Herstellen der dielektrischen ELK-Schicht das Verwenden eines niedrigen Durchsatzes eines Vorläufers umfasst, der Methyl-diethoxymethylsilan (mDEOS) aufweist, wobei der niedrige Durchsatz kleiner als etwa 900 sccm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Herstellen der dielektrischen ELK-Schicht das Verwenden eines niedrigen Vorläufer-Helium(He)gas-Durchsatzverhältnisses in einem PECVD- oder PVD-Prozess umfasst, wobei das niedrige Vorläufer-Helium (Helgas - Durchsatzverhältnis kleiner als ungefähr 0,2 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, das vor dem Herstellen der dielektrischen ELK-Schicht weiterhin das Herstellen einer Haftschicht über der IMD-Schicht umfasst, wobei die Haftschicht Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumoxidcarbid (SiOC) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die dielektrische Kappe eine stickstofffreie Antireflexionsschicht (NFARL) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die dielektrische Kappe Tetraethylorthosilicat (TEOS) aufweist
Halbleitervorrichtung mit: einer ersten IMD-Schicht, die über einem In-Prozess-Substrat hergestellt ist; einer Haftschicht, die Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumoxidcarbid (SiOC) umfasst und über der ersten IMD-Schicht hergestellt ist; einer dielektrischen ELK-Schicht, die ein Kohlenstoff-dotiertes sauerstoffreiches Siliziumoxid-Material aufweist, der über der Haftschicht hergestellt ist; einer Schutzschicht, die über der dielektrischen ELK-Schicht hergestellt ist; und einer Metallschicht, die von der dielektrischen ELK-Schicht bis zu der ersten IMD-Schicht reicht.