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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterherstellung und betrifft insbesondere die Herstellung einer Verbindungsstruktur, die direkt ein Schaltungselement mit der ersten Metallisierungsebene verbindet.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Halbleiterbauelemente, etwa moderne integrierte Schaltungen, enthalten typischerweise eine sehr große Anzahl an Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen, die für gewöhnlich in einer im Wesentlichen planaren Konfiguration auf einem geeigneten Substrat angeordnet sind, das darauf ausgebildet eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Auf Grund der großen Anzahl an Schaltungselementen und des erforderlichen komplexen Aufbaus moderner integrierter Schaltungen können die elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente nicht in der gleichen Ebene hergestellt werden, in der die Schaltungselemente aufgebaut sind, sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche „Verdrahtungsschichten” erforderlich, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten enthalten allgemein metallenthaltende Leitungen, die die elektrische Verbindung innerhalb der Ebene schaffen, und enthalten auch eine Vielzahl von Zwischenebenenverbindungen, die auch als „Kontaktdurchführungen” bezeichnet werden, die mit einem geeigneten Metall gefüllt sind und die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten gestapelten Metallisierungsschichten herstellen.
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Auf Grund der kontinuierlichen Verringerung der Strukturgrößen von Schaltungselementen in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der Schaltungselemente pro gegebener Chipfläche, d. h. die Packungsdichte, ebenfalls an, wodurch eine noch größere Anzahl an elektrischen Verbindungen erforderlich ist, um die gewünschte Schaltungsfunktion bereitzustellen, da die Anzahl der gegenseitigen Verbindungen zwischen den Schaltungselementen typischerweise in einer überproportionalen Weise im Vergleich zur Anzahl an Schaltungselementen anwächst. Daher nimmt für gewöhnlich auch die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten zu, wenn die Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche größer wird, wobei dennoch die Größe der einzelnen Metallleitungen und Kontaktdurchführungen verringert werden muss. Auf Grund der moderat hohen Stromdichten, die während des Betriebs moderner integrierter Schaltungen auftreten, und auf Grund der geringeren Strukturgröße von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen ersetzen die Halbleiterhersteller zunehmend die gut bekannten Metallisierungsmaterialien, etwa Aluminium, durch ein Metall, das höhere Stromdichten ermöglicht, um somit eine Verringerung der Abmessungen der Verbindungsstrukturen zulässt. Folglich sind Kupfer und deren Legierungen Materialien, die zunehmend bei der Herstellung von Metallisierungsschichten auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und auf Grund des deutlich geringeren elektrischen Widerstands im Vergleich zu beispielsweise Aluminium verwendet werden. Trotz dieser Vorteile weist Kupfer auch Nachteile im Hinblick auf die Bearbeitung und die Handhabung des Kupfers in einer Halbleiterfertigungsstätte auf. Beispielsweise diffundiert Kupfer sehr gut in einer Vielzahl gut etablierten dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid, wobei sogar geringste Kupfermengen, die sich in empfindlichen Bauteilgebieten ansammeln, etwa Kontaktgebiete von Transistoren, zu einem Ausfall des entsprechenden Bauteils führen können. Aus diesem Grunde werden große Anstrengungen unternommen, um eine Kupferkontamination während der Herstellung der Transistoren zu verringern oder zu vermeiden, wodurch Kupfer ein weniger attraktiver Kandidat für die Herstellung von Kontaktpfropfen ist, die in direktem Kontakt mit entsprechenden Kontaktgebieten der Schaltungselemente sind. Die Kontaktpfropfen stellen die elektrische Verbindung der einzelnen Schaltungselemente mit der ersten Metallisierungsschicht her, die über einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial ausgebildet ist, das die Schaltungselemente umschließt und passiviert.
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Daher werden in modernen Halbleiterbauelementen die entsprechenden Kontaktpfropfen typischerweise aus einem Metall auf Wolframbasis in einem dielektrischen Zwischenschichtstapel hergestellt, der typischerweise Siliziumdioxid enthält, das über einer entsprechenden unten liegenden Ätzstoppschicht erzeugt wird, die typischerweise aus Siliziumnitrid aufgebaut ist. Auf Grund der voranschreitenden Verringerung der Strukturgrößen müssen jedoch die entsprechenden Kontaktpfropfen in entsprechenden Kontaktöffnungen mit einem Aspektverhältnis hergestellt werden, das bis zu ungefähr 8:1 oder größer ist, wobei ein Durchmesser der entsprechenden Kontaktöffnungen 0,1 μm oder weniger für Transistorbauelemente der 65 nm-Technologie beträgt. Das Aspektverhältnis derartiger Öffnungen ist generell als das Verhältnis der Tiefe der Öffnung zu der Breite der Öffnung definiert. Folglich kann der Widerstand der entsprechenden Kontaktpfropfen deutlich die gesamte Arbeitsgeschwindigkeit modernster integrierter Schaltungen beeinflussen, obwohl ein gut leitendes Material, etwa Kupfer und Kupferlegierungen in den Metallisierungsschichten verwendet sind. Ferner sind aufwendige Ätz- und Abscheidetechniken für die Herstellung der Kontaktpfropfen erforderlich, wie dies mit Bezug zu den 1a bis 1c detaillierter erläutert ist.
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1a zeigt schematisch eine Draufsicht eines Teils eines Halbleiterbauelements 100. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein Substrat (in 1a nicht gezeigt), über welchem eine Halbleiterschicht (nicht gezeigt) ausgebildet ist, in und über der Schaltungselemente, etwa ein Transistor und dergleichen, ausgebildet sind. Der Einfachheit halber ist ein Schaltungselement in Form eines Transistors 150 dargestellt. Der Transistor 150 umfasst eine Gateelektrodenstruktur, deren Seitenwände von einem Abstandshalterelement 152 bedeckt sind. Lateral benachbart zu der Gateelektrodenstruktur 151 ist ein aktives Gebiet in Form von Drain- und Sourcegebieten 153 vorgesehen, die zusätzlich zu einem Kanalgebiet (nicht gezeigt) unter der Gateelektrodenstruktur 151 angeordnet sind und ein aktives Gebiet in der entsprechenden Halbleiterschicht repräsentieren. Das aktive Gebiet kann durch eine Isolationsstruktur 102 festgelegt sein, über welcher auch ein Teil der Gateelektrodenstruktur 151 angeordnet sein kann, wodurch ein Kontaktgebiet 154 festgelegt wird, das mit einem Kontaktpfropfen oder einem Kontaktelement 110 in Verbindung steht. In ähnlicher Weise sind eine oder mehrere Kontaktelemente 111 in den Drain- und Sourcegebieten 153 vorgesehen, wobei der Einfachheit halber lediglich ein derartiges Kontaktelement 111 dargestellt ist. Es sollte beachtet werden, dass die Kontaktelemente 110, 111 typischerweise in einem geeigneten dielektrischen Zwischenschichtmaterial hergestellt sind, das der Einfachheit halber in 1a nicht gezeigt ist.
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1b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht entlang der Linie Ib, die in 1a gezeigt ist, wobei das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase gezeigt ist. Wie dargestellt, umfasst das Halbleiterbauelement 100 ein Substrat 101, das ein geeignetes Trägermaterial, etwa ein Siliziumsubstrat, ein SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrat, und dergleichen darstellt. Eine siliziumbasierte Halbleiterschicht 103 ist über dem Substrat 101 ausgebildet, und die Isolationsstruktur 102, beispielsweise in Form einer Grabenisolation, definiert ein aktives Gebiet 104, in der die Drain- und Sourcegebiete 153, d. h. entsprechende Dotierstoffkonzentrationen, angeordnet sind, um damit entsprechende pn-Übergänge mit dem verbleibenden Teil des aktiven Gebiets 104 zu erzeugen. Des weiteren können Metallsilizidgebiete 155 in den Drain- und Sourcegebieten 153 hergestellt sein, wodurch ein Kontaktgebiet darin gebildet ist, und auf der Gateelektrodenstruktur 151 mit dem Kontaktbereich 154 kann das Silizid ausgebildet sein, wodurch ebenfalls ein entsprechendes Kontaktgebiet für die Gateelektrodenstruktur 151 festgelegt wird. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 115, das typischerweise zwei oder mehr dielektrische Schichten umfasst, etwa die Schicht 115a, die eine Kontaktätzstoppschicht aus Siliziumnitrid darstellt, und eine zweite dielektrische Materialschicht 115b, das beispielsweise in Form eines Siliziumdioxidmaterials bereitgestellt wird. Typischerweise liegt eine Dicke 115t des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 115 im Bereich von mehreren 100 nm, um einen ausreichenden Abstand zwischen der Gateelektrodenstruktur 151 und einer ersten Metallisierungsschicht 120 zu schaffen, so dass die parasitäre Kapazität auf einem geringen Niveau bleibt. Folglich besitzt das Kontaktelement 111, das eine Verbindung zu dem Draingebiet oder Sourcegebiet 153 herstellt, ein moderat hohes Aspektverhältnis, da die laterale Größe im Wesentlichen durch die laterale Abmessung der Drain- und Sourcegebiete 153 begrenzt ist, während die Tiefe des Kontaktelements 111 durch die Dicke 115t des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 115 festliegt. Andererseits erstreckt sich das Kontaktelement 110 lediglich bis hinab zu der oberen Fläche der Gateelektrodenstruktur 151, d. h. zu den Kontaktbereich 154, während auch die laterale Abmessung des Kontaktelements 110 unterschiedlich zu dem Element 111 sein kann, wobei dies von der Größe und der Form des Kontaktbereichs 154 abhängt. Die Kontaktelemente 110, 111 weisen typischerweise ein Barrierenmaterial in Form einer Titanbeschichtung 112 auf, woran sich eine Titannitridbeschichtung 113 anschließt, während das eigentliche Füllmaterial 114 in Form von Wolframmaterial vorgesehen wird.
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Die Metallisierungsschicht 120 umfasst typischerweise eine Ätzstoppschicht 123, beispielsweise in Form von Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem Siliziumkarbid und dergleichen, auf der ein geeignetes dielektrisches Material ausgebildet ist, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε mit einer relativen Permittivität von 3,0 oder weniger. Des weiteren sind entsprechende Metallleitungen 121, 122 in dem dielektrischen Material 124 ausgebildet und sind mit den Kontaktelementen 110 bzw. 111 verbunden. Die Metallleitungen 121, 122 weisen ein kupferenthaltendes Metall in Verbindung mit einem geeigneten Barrierenmaterial 125 auf, etwa ein Material mit Tantal, Tantalnitrid und dergleichen. Schließlich ist eine Deckschicht 126 so vorgesehen, dass diese das Kupfermaterial in den Leitungen 121, 122 einschließt, was auf der Grundlage von dielektrischen Materialien, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, und dergleichen gelingt.
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Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung komplexer Halbleiterbauelemente 100, wie es in 1b gezeigt ist, umfasst die folgenden Prozesse. Nach der Herstellung des Schaltungselement 150 auf der Grundlage gut etablierter Techniken gemäß den Entwurfsregeln für den jeweiligen Technologiestandard, wozu das Ausbilden einer geeigneten Gateisolationsschicht (nicht gezeigt) und das Strukturieren dieser zusammen mit der Gateelektrodenstruktur 151 durch komplexe Lithographie- und Ätztechniken gehört, werden die Drain- und Sourcegebiete 153 durch Ionenimplantation unter Anwendung der Abstandshalterstruktur 152 als geeignete Implantationsmaske hergestellt. Nach Ausheizprozessen werden die Metallsilizidgebiete 155 gebildet und das dielektrische Zwischenschichtmaterial wird beispielsweise durch Herstellen der Kontaktätzstoppschicht 115a gefolgt von dem Abscheiden der Siliziumdioxidmaterialschicht auf der Grundlage plasmaunterstützter CVD-(chemischer Dampfabscheide-)Techniken aufgebracht. Nach dem Einebnen der resultierenden Oberflächentopographie des Siliziumdioxidmaterials wird eine Photolithographiesequenz ausgeführt auf der Grundlage von gut etablierten Rezepten, woran sich anisotrope Ätztechniken anschließen, um Kontaktöffnungen zu bilden, die sich durch das dielektrische Zwischenschichtmaterial 115 so erstrecken, dass eine Verbindung zu der Gateelektrodenstruktur 151 und den Drain- und Sourcegebieten 153 hergestellt wird. Während des entsprechenden Ätzprozesses sind aufwendige Strukturierungsschemata auf Grund des großen Aspektverhältnisses der jeweiligen Kontaktöffnung insbesondere für das Kontaktelement 111 erforderlich. Während der komplexen Ätzsequenz wird die Schicht 115a als eine Ätzstoppschicht zum Ätzen des Siliziumdioxidmaterials 115b verwendet, woraufhin ein weiterer Ätzprozess ausgeführt wird, um schließlich die Kontaktgebiete in den Drain- und Sourcegebieten 153 und in der Gateelektrodenstruktur 151, d. h. die Metallsilizidgebiete 155, freizulegen. Als nächstes wird die Titannitridschicht 112 auf der Grundlage von beispielsweise physikalischer Dampfabscheidung, etwa Sputter-Abscheidung, hergestellt. Der Begriff „Sputtern” beschreibt einen Mechanismus, in welchem Atome aus einer Oberfläche eines Zielmaterials herausgeschlagen werden, das selbst von ausreichend energetischen Teilchen getroffen wird. Das Sputtern ist eine häufig angewendete Technik zum Aufbringen von Titan, Titannitrid und dergleichen. Auf Grund der guten Eigenschaften im Vergleich zu beispielsweise CVD-Techniken im Hinblick auf das Steuern der Schichtdicke, das Erzeugen von Verbindungen, etwa Titannitrid und dergleichen, können zusätzlich freiliegende Oberflächen gleichzeitig gereinigt werden, indem eine Sputterung ausgeführt wird, ohne dass eine Abscheidesubstanz bereitgestellt wird. Nach dem Erzeugen einer Titannitridschicht 112 wird dann die Titanschicht 113 ebenfalls durch Sputter-Abscheidung hergestellt, wobei jedoch das hohe Aspektverhältnis insbesondere in der Kontaktöffnung, die den Kontaktelementen 111 entspricht, zu einer größeren Schichtdicke an Seitenwandbereichen führt, wenn eine zuverlässige Abdeckung aller freiliegenden Oberflächenbereiche der Kontaktöffnung erreicht werden soll. Daraufhin wird das Wolframmaterial 114 mittels CVD abgeschieden, wobei Wolframhexafluorid (WF6) in einem ersten thermisch aktivierten Schritt auf der Grundlage von Silan reduziert wird und dann in einem zweiten Schritt auf der Grundlage von Wasserstoff in Wolfram umgewandelt wird. Während der Reduzierung des Wolframs auf der Grundlage von Wasserstoff ist ein direkter Kontakt mit Siliziumdioxid der Schicht 115b im Wesentlichen durch die Titanschicht 113 verhindert, um damit einen unerwünschten Siliziumverbrauch aus dem Siliziumdioxid zu vermeiden. Andererseits kann die Titannitridschicht 112 die Haftung der Titanschicht 113 verbessern, wodurch insgesamt die mechanische Stabilität der Kontaktelemente 110, 111 verbessert wird. Somit führt das größere Aspektverhältnis des Kontaktelements 111 zu einer sehr komplexen Ätzsequenz und einer nachfolgenden Abscheidung der Beschichtungsmaterialien 112, 113, was wiederum zu einer geringeren wirksamen Querschnittsfläche des Kontaktelements 111 führt, wodurch insgesamt der Reihenwiderstand erhöht wird. Andererseits können Ungleichmäßigkeiten während des komplexen Strukturierungsprozesses zu einem Kontaktausfall führen, wobei dies einer der Hauptfaktoren ist, der zu den gesamten Ausbeuteverlusten beiträgt.
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Daraufhin wird die Metallisierungsschicht 120 hergestellt, indem die Ätzstoppschicht 123 abgeschieden wird, woran sich das Abscheiden des dielektrischen Materials 124 anschließt. Als nächstes werden entsprechende Gräben in dem dielektrischen Material 124 gemäß gut etablierter Einzeldamaszenerstrategien hergestellt. Daraufhin werden Metallleitungen 121, 122 gebildet, indem eine Barrierenschicht 125 abgeschieden und ein kupferbasiertes Material eingefüllt wird, beispielsweise auf der Grundlage des Elektroplattierens, wobei zuvor eine Kupfersaatschicht aufgebracht werden kann. Schließlich wird überschüssiges Material abgetragen, beispielsweise durch CMP, und die Deckschicht 126 wird abgeschieden.
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Folglich umfasst die Kontaktstruktur des Halbleiterbauelements 100 Kontakte mit großem Aspektverhältnis, etwa das Kontaktelement 111, das einen erhöhten Kontaktwiderstand in Halbleiterbauelementen mit sehr kleinen Abmessungen aufweist.
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1c zeigt schematisch eine Querschnittsansicht, in der das Halbleiterbauelement 100 mehrere dicht liegende Transistoren 150a, 150b, 150c enthält, wovon jeder eine entsprechende Gateelektrodenstruktur 151 aufweist, wie sie beispielsweise auch zuvor mit Bezug zu den 1a und 1b beschrieben ist. Die Transistoren 150a, ..., 150c sind angeschlossen mittels der Kontaktelemente 111, wobei in komplexen Anwendungen die laterale Abmessung 111w dieser Kontaktelemente vergleichbar ist mit dem Zwischenraum zwischen den dicht liegenden Gateelektrodenstrukturen 151. In diesem Falle wird die Leitfähigkeit der Kontaktelemente 111 möglicherweise weiter verringert, da beispielsweise bei einer vorgegebenen Kontakttechnologie, d. h. das Vorsehen von Wolfram in Verbindung mit geeigneten Barrierenmaterialien, wie dies zuvor beschrieben ist, die Dicke dieser Barrierenmaterialien nicht beliebig verringert werden kann, ohne dass deutliche Unregelmäßigkeiten während des komplexen Strukturierungsprozesses auftreten, wie dies beispielsweise zuvor mit Bezug zu den 1a und 1b beschrieben ist. Andererseits kann die Höhe oder die Dicke 115t des dielektrischen Materials oder Materialsystems 115 nicht verringert werden, ohne dass damit parasitäre Kapazität in Bezug auf die Metallisierungsschicht beeinflusst wird, die über den Kontaktelementen 111 auszubilden ist, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Aus diesem Grunde wurde vorgeschlagen, das leitende Material der Kontaktelemente 111 durch ein Metall mit höherer Leitfähigkeit zu ersetzen, etwa durch Kupfer, wie es typischerweise in dem Metallisierungssystem des Bauelements 100 verwendet wird. Da Kupfer zuverlässig mittels einem geeigneten Barrierenmaterial oder Materialsystem einzuschließen ist, wie dies auch zuvor mit Bezug zu den Metallleitungen 121, 122 beschrieben ist, ist das Anbinden von Kontaktelementen auf Kupferbasis 111 an kritische Kontaktgebiete, etwa die Kontaktgebiete 155 mit einem ausgeprägten Risiko verbunden, dass Kupfer in kritische Bauteilbereiche eingebaut wird. Beispielsweise besitzen insbesondere die Kontaktgebiete 115 in der Halbleiterschicht 103 eine reduzierte Dicke, was wiederum zu einem unerwünschten Freilegen von Halbleiterbereichen, beispielsweise beim Abscheiden von Barrierenmaterialien führen kann, wenn dies auf der Grundlage eines dem Sputterabscheideprozess vorgelagerten Reinigungsprozesses und dergleichen stattfindet. Das Bereitstellen der Kontaktelemente 111 als Kupferkontaktelemente kann somit zu ausgeprägten Ausbeuteverlusten auf Grund des Einbaus von Kupfer in empfindliche Bauteilbereiche führen.
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Die
US 2008/0217775 A1 offenbart ein Verfahren zum Vermeiden von Problemen, die durch in Wolframkontaktpfropfen gebildete Hohlräume (Säume) auftreten können. Dazu wird der obere Bereich des Kontaktpfropfens entfernt, um den Hohlraum zu öffnen. Danach wird der Hohlraum vorzugsweise mit einem Wolframdeckpfropfen versiegelt. Erforderliche Barrierenschichten werden vor den Wolframkontaktpfropfen gebildet.
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Die
US 2010/0087064 A1 offenbart Halbleiterbauelemente mit einem Dielektrikum mit kleinem ε und mit Verbindungsleitungen aus Kupfer oder Silber.
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Die
DE 100 55 290 C1 bezieht sich auf DRAM-Schaltungen, die Polysiliziumkontaktelemente und Bitleitungen aus Wolfram aufweisen. Der obere Bereich der Polysiliziumkontaktelemente wird rückgeätzt, sodass eine Vertiefung entsteht. In der Vertiefung werden Abstandshalter-Elemente gebildet. Nach dem Bilden der Abstandshalter-Elemente und dem Füllen der restlichen Vertiefung mit ARC-Material, werden Gräben gebildet, die auch den zurückgeätzten Bereich des Kontaktelements umfassen.
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Die
US 7 514 354 B2 bezieht sich auf Dualdamaszenerverfahren zum Bilden von Kontakten und Kupferleitungen, die gemeinsam mit einem oberen Bereich der Kontakte gebildet werden.
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Die
US 2006/0046456 A1 und die
US 5 897 369 A beziehen sich ebenfalls auf Dualdamaszenerverfahren, wobei die Gräben für die Leitungen vor den Kontakten gebildet werden.
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Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente bereitzustellen, in denen die Leitfähigkeit von Kontaktelementen bei einer vorgegebenen Konfiguration verbessert wird, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
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Überblick über die Erfindung
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen ein Hybridkontaktelement vorgesehen wird, um die Gesamtleitfähigkeit der Kontaktelemente bei einer vorgegebenen Bauteilgeometrie deutlich zu verbessern, während gleichzeitig ein wesentlicher Teil des Kontaktelements ein leitendes Material mit besserer Leitfähigkeit aufweist, wodurch insgesamt die Leitfähigkeit der Kontaktelemente verbessert wird. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes und gut etabliertes Kontaktschema für einen unteren Teil der Kontaktelemente angewendet, um einen soliden und robusten Kontaktbereich zu erzeugen, der dann mittels einem geeigneten Materialsystem, etwa einem kupferenthaltenden Material, einem silberenthaltenden Material und dergleichen kontaktiert wird. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen werden geeignete und robuste Kontaktschemata angewendet, woran sich das Entfernen eines Teils der Kontaktelemente anschließt, der dann durch ein gewünschtes gut leitendes Material ersetzt wird, um damit den gesamten Kontaktwiderstand deutlich zu verringern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Verfahren der Ansprüche 1 oder 9 oder durch die Vorrichtung nach Anspruch 14 gelöst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patenansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a schematisch eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements mit Kontaktelementen zeigt, die eine Verbindung zu einer Gateelektrodenstruktur und zu Drain- oder Sourcegebieten gemäß konventioneller Techniken herstellen;
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1b schematisch eine Querschnittsansicht entlang der Linie Ib aus 1a in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt;
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1c schematisch mehrere dicht liegende Gateelektrodenstrukturen und Kontaktelemente, die dazwischen auf der Grundlage einer konventionellen Prozessstrategie ausgebildet sind;
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2a bis 2e schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung von komplexen Kontaktelementen zeigen, die eine höhere Leitfähigkeit besitzen, indem eine Hybridkonfiguration im Hinblick auf die leitenden Materialien gemäß anschaulichen Ausführungsformen verwendet wird; und
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3a bis 3g schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, in denen vertikale Kontaktelemente von Metallleitungen in einer ersten Metallisierungsschicht so hergestellt werden, dass diese direkt mit einem Kontaktgebiet eines Halbleiterbauelements in Verbindung stehen, wobei zwei unterschiedliche leitende Materialien in vertikalen Kontaktelement gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen verwendet sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen eine bessere Leitfähigkeit vertikaler Kontakte, die eine Verbindung zwischen Metallleitungen der ersten Metallisierungsschicht und Kontaktgebieten, etwa Gateelektrodenstrukturen, Drain- und Sourcegebieten und dergleichen, herstellen, erreicht wird, wobei die bessere Leitfähigkeit erhalten wird, indem teilweise ein Material mit besserer Leitfähigkeit in den vertikalen Kontaktelementen vorgesehen wird. In anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird diese „Hybridkontaktkonfiguration” geschaffen, indem zunächst ein Kontaktelement auf der Grundlage einer geeigneten Kontakttechnologie hergestellt wird, wobei zumindest eine geeignete Kontaktöffnung mit ihrer vollen Höhe ausgebildet wird, woran sich zumindest eine Teilfüllung der Kontaktöffnung mit einem geeigneten Material, etwa Wolfram, – möglicherweise in Verbindung mit erforderlichen Barrierenmaterialien –, Kobalt, und dergleichen anschließt, so dass robuste Grenzflächeneigenschaften im Hinblick auf ein weiteres Kontaktmaterial geschaffen werden, das für die bessere Leitfähigkeit der resultierenden Kontaktelemente sorgt, Beispielsweise können selbst sehr kritische Metalle, etwa Kupfer, Kupferlegierungen und dergleichen, Silber und dergleichen, effizient verwendet werden, da eine effiziente Prozessstrategie angewendet wird, um ein gut leitendes Material in dem verbleibenden Teil der Kontaktöffnungen zu erzeugen, da das zuvor bereitgestellte Kontaktmaterial prozessabhängige Unregelmäßigkeiten vermeiden hilft und auch als eine zuverlässige Grenzfläche zwischen der Halbleiterebene und jeglichen Verdrahtungsebenen dient, in denen kritische Metalle, etwa Kupfer, verwendet sind.
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In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen werden gut etablierte Kontaktschemata auf der Grundlage von Wolfram angewendet, während in anderen Fällen bessere Abscheidetechniken, beispielsweise auf der Grundlage elektrochemischer Abscheideprozesse, ausgeführt werden, wobei ein geeignetes Metall vorgesehen wird, das auf der Grundlage dieser Techniken abgeschieden wird. In einigen Fällen können sogar Materialien mit geringerer Leitfähigkeit eingesetzt werden, möglicherweise ohne Barrierenmaterialien, etwa in Form von Kobalt und dergleichen, wobei dennoch insgesamt eine höhere Leitfähigkeit erreicht wird, da Barrierenmaterialien mit hohem Widerstand beim Abscheiden eines Kobaltmaterials direkt auf dem Kontaktgebiet weggelassen werden können, während das verbleibende Kontaktelement auf der Grundlage eines sehr gut leitenden Materials, etwa Kupfer, Silber und dergleichen bereitgestellt wird.
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Das erste leitende Material der Kontaktelemente wird in einigen Vorgehensweisen so aufgebracht, dass es die Kontaktöffnung vollständig füllt und ein überschüssiger Bereich des Materials wird von der Kontaktöffnung auf der Grundlage gut etablierter Ätztechniken entfernt, während in anderen Fällen beispielsweise unter Anwendung nasschemischer Abscheidetechniken das erste leitende Material in der Öffnung bis zu einer gewünschten Füllhöhe eingebracht wird, woran sich das Abscheiden des gut leitenden Materials anschließt. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen werden die vertikalen Hybridkontaktelemente auf der Grundlage einer Prozessstrategie hergestellt, in der auch die Metallleitungen der ersten Metallisierungsschicht in einer dualen Damaszener-Sequenz bereitgestellt werden, wodurch eine höhere Prozesseffizienz erreicht wird.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2e und 3a bis 3g werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a bis 1c verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem Substrat 201, über welchem eine Halbleiterschicht 203 ausgebildet ist. Wie zuvor erläutert ist, können die Halbleiterschicht 203 und das Substrat 201 eine SOI-Konfiguration oder eine Vollsubstratkonfiguration darstellen, wobei dies von den gesamten Entwurfserfordernissen abhängt. Des weiteren umfasst die Schicht 203 mehrere aktive Gebiete (nicht gezeigt), die lateral mittels einer Isolationsstruktur (nicht gezeigt) abgetrennt sind, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist. In der gezeigten Ausführungsform sind mehrere Schaltungselemente 250a, ..., 250d in und über der Halbleiterschicht 203 ausgebildet, d. h. in einem entsprechenden Halbleitergebiet oder aktiven Gebiet 203a. Zumindest einige dieser Schaltungselemente 250a, ..., 250d weisen ein Kontaktgebiet 255 auf, beispielsweise in Form eines Metallsilizidgebiets und dergleichen. Zu beachten ist, dass die Kontaktgebiete 255 einen Teil von Drain- und Sourcegebieten darstellen, wenn die Schaltungselemente 250a, ..., 250d Feldeffekttransistoren repräsentieren, wie dies auch beispielsweise zuvor mit Bezug zu dem Transistor 250 erläutert ist. Die Kontaktgebiete 255 sind mittels geeigneter Kontaktelemente zu kontaktieren, die somit eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktgebiet 255 und einer Metallisierungsschicht herstellen, die noch über den Schaltungselementen 250a, ..., 250d zu bilden ist. Wie beispielsweise gezeigt ist, ist eine dielektrische Materialschicht oder ein Schichtsystem 215 über der Halbleiterschicht 203 und somit über den Kontaktgebieten 255 ausgebildet, wobei die Schicht 215 oder das Schichtsystem entsprechende Kontaktöffnungen 211o aufweist, die geeignete laterale Abmessungen besitzen, um damit den Entwurfserfordernissen des Bauelements 200 zu genügen. In der gezeigten Ausführungsform besitzen die Schaltungselemente 250a, ..., 250d Schaltungsstrukturelemente, etwa Gateelektrodenstrukturen 251, die auf dem Halbleitergebiet 203a ausgebildet sind und die einen geeigneten Aufbau im Hinblick auf die verwendeten Materialien, die lateralen Abmessungen und dergleichen besitzen. Beispielsweise besitzen die Gateelektrodenstrukturen 251 einen Aufbau, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist, wenn auf die Gateelektrodenstruktur 151 Bezug genommen wird. Abhängig von den Entwurfserfordernissen besitzen die Gateelektrodenstrukturen 251 eine Gatelänge von 50 nm und deutlich weniger, wobei auch ein Zwischenraum zwischen benachbarten Gateelektrodenstrukturen 251 in der gleichen Größenordnung liegt, wodurch geeignete laterale Abmessungen der Kontaktöffnung 211 erforderlich sind, um damit eine Freilegung leitender Materialien der Gateelektrodenstrukturen 251 zu vermeiden, was ansonsten zu ausgeprägten Leckstrompfaden oder selbst zu Kurzschlüssen führen kann. Ferner besitzen, wie zuvor erläutert ist, die Kontaktöffnungen 211o eine Tiefe, die im Wesentlichen durch eine Dicke 215t der dielektrischen Schicht oder des Schichtsystems 215 repräsentiert ist, wobei diese den Erfordernissen im Hinblick auf die parasitäre Kapazität entspricht, wie dies auch zuvor erläutert ist. Ferner ist ein geeignetes leitendes Material 214 in den Kontaktöffnungen 2110 und über der dielektrischen Schicht 215 ausgebildet. Das leitende Material 214 stellt ein geeignetes Material oder Materialsystem dar, das eine spezielle gewünschte grundlegende Leitfähigkeit bereitstellt und das auch Materialeigenschaften aufweist, die mit der weiteren Bearbeitung kompatibel sind. D. h., das Material 214 stellt Materialeigenschaften bereit, um als eine robuste Grenzfläche zwischen den Kontaktgebieten 255 und einem weiteren gut leitenden Materialsystem zu dienen, das während der weiteren Bearbeitung bei der Bereitstellung von Kontaktelementen mit höherer Leitfähigkeit verwendet wird. Beispielsweise umfasst das leitende Material 214 Wolfram, das ein gut etabliertes Kontaktmetall ist, wie dies zuvor erläutert ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Material 214 auch ein oder mehrere Barrierenmaterialien, etwa Titan, Titannitrid und dergleichen aufweisen kann, wie dies auch beispielsweise zuvor mit Bezug zu den Kontaktelementen 111 und 110 des Bauelements 100 beschrieben ist.
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Das Halbleiterbauelement 200, wie es in 2a gezeigt ist, kann auf der Grundlage ähnlicher Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben sind. Beispielsweise wird nach dem Fertigstellen der grundlegenden Struktur der Schaltungselemente 250a, ..., 250d mit den Elektrodenstrukturen 251 das dielektrische Materialsystem oder die Schicht 215 hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden einer oder mehrerer dielektrischer Materialien auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik. Beispielsweise umfasst die Materialschicht 215 zwei oder mehr Teilschichten, etwa eine Siliziumnitridschicht in Verbindung mit einer Siliziumdioxidschicht und dergleichen, wie dies auch zuvor erläutert ist. In anderen Fällen werden komplexere Materialsysteme angewendet, beispielsweise im Hinblick auf das Bereitstellen stark verspannter dielektrischer Materialien und dergleichen, wobei dies von den Leistungsanforderungen der Schaltungselemente 250a, ..., 250d abhängt. Nach dem Abscheiden und dem Einebnen des Materials oder des Materialssystems 215 wird eine geeignete Strukturierungsstrategie angewendet, um die vertikalen Öffnungen oder Kontaktöffnungen 2110 mit der erforderlichen lateralen Abmessung herzustellen, um damit den Entwurfserfordernissen zu genügen, beispielsweise in dicht gepackten Bauteilbereichen, die die Schaltungselemente 250a, ..., 250d aufweisen. Es sollte beachtet werden, dass andere Kontaktöffnungen hergestellt werden können, derart, dass diese eine Verbindung zu den Strukturen 251 in gewissen Bauteilbereichen herstellen, wie dies beispielsweise mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist. Als nächstes wird ein geeigneter Abscheideprozess angewendet, um das leitende Material oder das Materialsystem 214 abzuscheiden, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen gut etablierte CVD-gestützte Abscheideschemata angewendet werden, um Wolfram in Verbindung mit einem geeigneten Barrierenmaterialsystem bereitzustellen, wie dies zuvor beschrieben ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Material oder das Materialsystem 214 zumindest teilweise auf der Grundlage anderer Abscheidetechniken aufgebracht, etwa durch elektrochemische Abscheideprozesse, wobei bei Bedarf eine Stromverteilungsschicht oder eine Katalysatorschicht abgeschieden wird, woran sich der elektrochemische Abscheideprozess des eigentlichen Kontaktmetalls anschließt. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein selektiver elektrochemischer Abscheideprozess durchgeführt, in welchem die Kontaktgebiete 255 möglicherweise in Verbindung mit einem zusätzlichen Katalysatormaterial als Katalysator für das in Gang setzen eines elektrochemischen Abscheideprozesses verwendet werden, wobei sich ein geeignetes Material bis zu einer speziellen Höhe ausbildet, die kleiner ist als die Höhe 215t, um einen Teil der vertikalen Öffnungen 211o zu bewahren, der nachfolgend mit einem leitenden Material mit besserer Leitfähigkeit aufgefüllt wird. Beispielsweise kann in derartigen Ausführungsformen ein geeignetes Metallmaterial abgeschieden werden, wobei sogar Materialien mit geringerer Leitfähigkeit eingesetzt werden können, etwa Kobalt, das aufgebracht werden kann, ohne dass zusätzliche Barrierenmaterialien erforderlich sind, wobei insgesamt eine höhere Leitfähigkeit in komplexen Anwendungen erreicht wird, in denen eine laterale Abmessung von ungefähr 50 nm und weniger für die Kontaktöffnungen 211o erforderlich ist. Zu diesem Zweck können gut etablierte nasschemische Abscheiderezepte angewendet werden.
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2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, wenn von der Bauteilstruktur aus 2a ausgegangen wird. In dieser Ausführungsform ist ein überschüssiger Bereich des Materials oder des Materialsystems 214 entfernt, beispielsweise mittels CMP, mittels Ätzprozessen und dergleichen, wodurch Kontaktelemente 211 geschaffen werden, die das leitende Material 214 aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich das leitende Material 214 zumindest bis zu der Oberfläche der dielektrischen Schicht 215 mit Ausnahme von kleinen Vertiefungen (nicht gezeigt), die sich während des Abtragens von überschüssigen Bereichen des Materials 214 gebildet haben können. In anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) enthalten die Kontaktelemente 211 das leitende Material 214 derart, dass es sich bis zu einer gewissen Höhe erstreckt.
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2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen beginnend von der Bauteilkonfiguration, wie sie in 2b gezeigt ist, ein Teil des leitenden Materials 214 von den Kontaktelementen 211 entfernt wird, was auf der Grundlage eines Ätzprozesses 205 bewerkstelligt wird, der ein nasschemischer Ätzprozess und dergleichen sein kann. Es sollte beachtet werden, dass eine Vielzahl an Ätzchemien gut bekannt ist, um beispielsweise Material auf Wolframbasis selektiv in Bezug auf ein Barrierenmaterialsystem, etwa Titan, Titannitrid, und auch selektiv in Bezug auf eine Vielzahl dielektrischer Materialien, etwa Siliziumdioxid und dergleichen, zu entfernen. Folglich erstreckt sich das leitende Material 214 von dem Kontaktgebiet 255 bis zu einer gewünschten Höhe 215h innerhalb der vertikalen Öffnung 211o, wobei die Höhe 215h geeignet so festgelegt ist, dass diese mit der weiteren Bearbeitung des Bauelements 200 verträglich ist und auch den Erfordernissen für die Herstellung anderer Kontaktelemente entspricht, beispielsweise Kontaktelementen, die eine Verbindung zu den Gateelektrodenstrukturen 251 herstellen. Beispielsweise ist die Höhe 215h gleich oder höher als eine Höhe, die durch die Gateelektrodenstrukturen 251 festgelegt ist.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das leitende Material 214, wie dies auch zuvor beschrieben ist, in den Öffnungen 211o auf der Grundlage eines selektiven elektrochemischen Abscheideprozesses ausgebildet, so dass diese sich zu der gewünschten Höhe 215h erstreckt, wobei eine ausgeprägte Materialabscheidung auf dem dielektrischen Material 215 vermieden wird.
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2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein oder mehrere weitere leitende Materialien in der Kontaktöffnung 211 vorgesehen sind. In der gezeigten Ausführungsform wird ein leitendes Material 216 bereitgestellt, in Verbindung mit einem Barrierenmaterial oder Materialsystem 217, wobei zumindest das leitende Material 216 eine höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu dem Material 214 besitzt. Beispielsweise umfasst das Material 216 Kupfer, Silber und dergleichen, während das Barrierensystem 217 Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid und dergleichen, abhängig von den gesamten Erfordernissen, umfassen kann. Die Materialien 216, 217 können auf der Grundlage einer geeigneten Prozesstechnik hergestellt werden. Beispielsweise werden das eine oder die mehreren Barrierenmaterialien 217 auf der Grundlage von Sputter-Abscheidetechniken aufgebracht, wobei eine der Abscheidung vorgelagerte Sputter-Ätzphase angewendet werden kann, da das Material 214 ein robustes Puffermaterial im Hinblick auf die Kontaktgebiete 255 ergibt. Zu beachten ist, dass die Höhe 215h so gewählt werden kann, dass auch ein Teil des Materials 214 weiterhin über den Gateelektrodenstrukturen 251 ausgebildet ist, wodurch eine unerwünschte Schädigung tiefer liegender Bereiche der Gateelektrodenstrukturen 251 vermieden wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass generell die Gateelektrodenstrukturen 251 weniger kritisch sind, da typischerweise eine größere Dicke eines Metallsilizids bereitgestellt ist, während auch ein Freilegen von Halbleitermaterial in den Strukturen 251 weniger kritisch ist. Daraufhin werden das eine oder die mehreren Materialien 217 abgeschieden, woran sich das Abscheiden eines Saatmaterials (nicht gezeigt) bei Bedarf anschließen kann, das dann verwendet wird, um das Material 216 zu erzeugen, beispielsweise auf der Grundlage gut etablierter elektrochemischer Abscheidetechniken.
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2e zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, enthalten die Kontaktelemente 211 einen oberen Bereich 211a, der sich im Wesentlichen von der Höhe 215h zu der Oberfläche der dielektrischen Schicht 215 erstreckt, während ein zweiter Teil 211b sich von dem Kontaktgebiet 255 zu der Höhe 215h erstreckt. Der Bereich 211a enthält somit das gut leitende Material 216 in Verbindung mit dem Barrierenmaterialsystem 217, wodurch dem Kontaktelement 211 im Vergleich zu einem konventionellen Kontaktelement für ansonsten eine gleiche Gesamtbauteilgeometrie eine höhere Leitfähigkeit verliehen wird.
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Das in 2e gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozesstechnik erhalten werden, wobei überschüssige Bereiche der Materialien 216, 217 beispielsweise durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen entfernt werden. Bei Bedarf kann das Material 216 passiviert werden, indem eine geeignete dielektrische Deckschicht oder eine geeignete leitende Deckschicht hergestellt wird, beispielsweise durch nasschemische Abscheidetechniken und dergleichen. Folglich kann die weitere Bearbeitung fortgesetzt werden, indem die erste Metallisierungsschicht über dem dielektrischen Material 215 und den Kontaktelementen 211 so hergestellt wird, dass eine Verbindung zu den Kontaktelementen 211 entsteht, die dann als Hybridkontaktelemente für das Verbinden der Kontaktgebiete 255 mit der entsprechenden ersten Metallisierungsschicht dienen, wie dies auch beispielsweise zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist.
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Mit Bezug zu den 3a bis 3g werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen kritische Kontaktöffnungen so hergestellt werden, dass diese sich durch ein dielektrisches Material oder Materialsystem erstrecken, in welchem die erste Metallisierungsebene einzurichten ist.
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3a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 300, das ein Substrat 301, eine Halbleiterschicht 303 und mehrere Kontaktgebiete 355 aufweist, die so gebildet sind, dass diese mit einem Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 303 in Verbindung stehen. Ferner sind mehrere Schaltungselemente vorgesehen, etwa Gateelektrodenstrukturen 351, die laterale Abmessungen gemäß den übergeordneten Entwurfsregeln besitzen. Zu beachten ist, dass für jegliche Komponente des Bauelements 300, die bislang beschrieben ist, auch die gleichen Kriterien gelten, wie sie zuvor mit Bezug zu den Halbleiterbauelementen 100 und 200 erläutert sind. In der gezeigten Ausführungsform ist eine dielektrische Materialschicht, die auch ein mehr oder minder komplexes Schichtsystem bei Bedarf repräsentieren kann, über der Halbleiterschicht 303 ausgebildet und umgibt somit die Gateelektrodenstrukturen 351. Es sollte beachtet werden, dass die dielektrische Schicht oder das Schichtsystem 320 geeignet so gestaltet ist, dass dieses den Erfordernissen zur Herstellung eines geeigneten Kontaktelements in Verbindung mit einer Metallisierungsschicht des Bauelements 300 entspricht. Beispielsweise enthält die dielektrische Schicht 320 ein dielektrisches Material mit kleinem ε, das als ein dielektrisches Material zu verstehen ist, das eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger aufweist, wie dies auch zuvor erläutert ist. In dieser Fertigungsphase sind ferner vertikale Öffnungen 311o in der dielektrischen Schicht 320 so gebildet, dass diese zumindest einige der Kontaktgebiete 355 freilegen.
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Das Halbleiterbauelement 300 kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozesstechnik hergestellt werden, in der nach dem Fertigstellen der Kontaktgebiete 355 und der Gateelektrodenstrukturen 351, ein oder mehrere geeignete Materialien zur Herstellung der Schicht 320 aufgebracht werden, indem eine geeignete Prozessstrategie angewendet wird. Nach dem Einebnen der Schicht 320 werden komplexe Lithographietechniken angewendet, beispielsweise unter Anwendung von Hartmaskenmaterialien und dergleichen, in Verbindung mit geeigneten Lithographiestrategien, um die laterale Größe und Position der Öffnungen 311o mittels einer geeigneten Ätzmaske zu definieren. Daraufhin wird ein Ätzprozess ausgeführt, um die Öffnungen 311o zu erzeugen, wobei abhängig von der Zusammensetzung der Schicht oder des Schichtsystems 320 mehrere unterschiedliche Ätzchemien angewendet werden können, um schließlich das Kontaktgebiet 355 freizulegen. Daraufhin können Opfermaterialien, etwa Hartmasken und dergleichen, unter Anwendung geeigneter Prozessstrategien entfernt werden.
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3b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 mit einem leitenden Material 314, das zumindest in vertikalen Öffnungen 311o ausgebildet ist. Dazu wird eine geeignete Abscheidestrategie angewendet, beispielsweise CVD-artige Techniken werden angewendet, um Wolfram und dergleichen bereitzustellen, wobei, wie zuvor erläutert ist, auch geeignete Barrierenmaterialien (nicht gezeigt) aufgebracht werden können.
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3c zeigt schematisch das Bauelement 300 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der Kontaktelemente 311 in der Schicht 320 ausgebildet sind und das leitende Material 314 aufweisen, was sich somit im Wesentlichen vollständig durch die gesamte Schicht 320 erstreckt.
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3d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase oder gemäß anderer anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt, erstreckt sich das leitende Material 314 in den vertikalen Öffnungen 311o von dem Kontaktgebiet 355 zu einer gewünschten Höhe 315h gemäß den allgemeinen Anforderungen, wie sie auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 200 beschrieben sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Höhe 315h des leitenden Materials 314 auf der Grundlage eines Materialabtragungsprozesses eingestellt, wobei von der Bauteilkonfiguration, wie sie in 3c gezeigt ist, ausgegangen wird. Dazu wird ein geeignetes Ätzrezept angewendet, beispielsweise in Form von nasschemischen Ätzprozessen, in denen das Material 314 oder zumindest ein leitendes Kernmetall in sehr selektiver Weise in Bezug auf ein Barrierenmaterial oder Materialsystem (nicht gezeigt), oder selektiv in Bezug auf die dielektrische Schicht 320 entfernt wird. Dazu sind, wie zuvor erläutert ist, mehrere gut etablierte Ätzrezepte verfügbar. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das leitende Material 314 beginnend von der in 3a gezeigten Bauteilkonfiguration hergestellt, indem ein nasschemischer Abscheideprozess unter Anwendung des Kontaktgebiets 355 als ein Katalysatormaterial ausgeführt. Beispielsweise können mehrere geeignete Metalle auf der Grundlage nasschemischer Abscheiderezepte generell abgeschieden werden, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen selbst spezielle Barrierenmaterialsysteme weggelassen werden, wenn beispielsweise Kobalt auf dem Kontaktgebiet 355 ohne dass Bereitstellen des Barrierematerialsystems aufgebracht wird.
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3e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, sind Gräben 321t in einem oberen Bereich der dielektrischen Schicht 320 so ausgebildet, dass sie mit den vertikalen Öffnungen 311o in Verbindung stehen. Dazu werden geeignete Strukturierungsstrategien angewendet, wie sie auch typischerweise zur Herstellung von Gräben für Metallleitungen für Metallisierungsschichten angewendet werden. Beispielsweise wird eine Lithographiemaske aufgebracht, die die laterale Größe und Position von Metallleitungen der ersten Metallisierungsschicht des Bauelements 300 festlegt. Daraufhin wird die Lithographiemaske verwendet, um ein Lackmaterial zu strukturieren, das wiederum zum Bereitstellen einer Hartmaske verwendet wird, die ihrerseits für die Strukturierung des dielektrischen Materials 320 auf der Grundlage gut etablierter Ätztechniken angewendet wird. Daraufhin werden Hartmaskenmaterialien und weitere Opfermaterialien, etwa Einebnungsmaterialien und dergleichen, effizient unter Anwendung gut etablierter Ätzprozesse entfernt.
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3f zeigt schematisch das Bauelement 300 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Barrierenmaterialsystem 325, etwa Tantal, Tantalnitrid und dergleichen, auf freiliegenden Oberflächenbereichen des Materials 320 und auf dem leitenden Material 314 hergestellt wird. Ferner wird ein gut leitendes Kernmetall 327, etwa Kupfer, Kupferlegierungen, Silber und dergleichen, über dem Material 320 und in den Gräben 321t und in dem verbleibenden Teil der vertikalen Öffnungen 311o (siehe 3e) aufgebracht, wodurch ein Kontaktelement 311 hergestellt wird, das eine Kombination der Materialien 314 und des Materials 327 in Verbindung mit dem Barrierenmaterialsystem 325 ist.
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Das Bauelement 300 kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie beispielsweise in komplexen Metallisierungssystemen angewendet werden, wenn beispielsweise eine duale Damaszener-Strategie angewendet wird. D. h., die Materialien 325 und 327 können gemäß einer gewünschten Prozesssequenz hergestellt werden, wobei der Graben 321t und der verbleibende Teil des Kontaktelements 311 in einer gemeinsamen Prozesssequenz gefüllt werden. Die Materialien 325 erstrecken sich somit kontinuierlich von einem oberen Bereich 311a des Kontaktelements 311 in den Graben 321t und auch das gut leitende Kernmetall 327 erstreckt sich kontinuierlich von dem oberen Bereich 311a in den Graben 321t.
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3g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Entfernen von überschüssigem Material der dielektrischen Schicht 320. Wie gezeigt, sind Metallleitungen 321 so hergestellt, dass diese mit den Kontaktelementen 311 in Verbindung stehen, wodurch ein geringerer Gesamtkontaktwiderstand zum Anschließen der Metallleitungen 321 mit den jeweiligen Kontaktgebieten 355 erreicht wird. D. h., auf Grund der Hybridnatur der Kontaktelemente 311 wird eine höhere Leitfähigkeit zum Verbinden der Metallleitungen 321 mit den Kontaktgebieten 355 bei einer vorgegebenen gewünschten Höhe der Kontaktelemente 311 in Bezug auf die parasitäre Kapazität erreicht, wie dies auch zuvor erläutert ist. Es sollte beachtet werden, dass die dielektrische Schicht oder das Schichtsystem 320 somit mit einer Höhe bereitgestellt wird, die geeignet ist, die Dicke der Metallleitungen 321 bereitzustellen und auch einen gewünschten vertikalen Abstand zu den Gateelektrodenstrukturen 351 zu schaffen. Beispielsweise beinhaltet das dielektrische Schichtsystem oder die dielektrische Schicht 320 ein dielektrisches Material mit kleinem ε 324, wodurch die parasitäre Kapazität zwischen den dicht liegenden Metallleitungen 321 verringert wird. Das Schichtsystem 320 umfasst ferner ggf. eine oder mehrere dielektrische Schichten, etwa Schichten 315, die speziell ausgebildet sind, eine bessere Passivierung der Kontaktgebiete 355 und der Gateelektrodenstrukturen 351 zu ermöglichen. Beispielsweise besitzen die Schichten 315 einen ähnlichen Aufbau, wie dies zuvor mit Bezug zu den Halbleiterbauelementen 100 und 200 beschrieben ist. Ferner wird eine gewisse Höhe 315h für das Auffüllen der Kontaktelemente 311 mit dem leitenden Material 314 mit geringerer Leitfähigkeit ausgewählt, wobei jedoch bessere Grenzflächeneigenschaften im Hinblick auf den Kupfereinschluss, die Sputter-Ätzrobustheit und dergleichen, erreicht werden.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen ein vertikales Hybridkontaktelement so vorgesehen wird, dass die Integrität empfindlicher halbleiterbasierter Bauteilbereiche bewahrt wird, beispielsweise im Hinblick auf den Kupfereinbau und dergleichen, während gleichzeitig eine bessere Gesamtleitfähigkeit bei einer vorgegebenen Höhe der Kontaktelemente erreicht wird, indem ein Material mit höherer Leitfähigkeit, etwa Kupfer, Silber und dergleichen vorgesehen wird. Auf diese Weise können geringere Kontaktwiderstandswerte erhalten werden, ohne dass die lateralen Abmessungen der Kontaktelemente zu erhöhen sind, wobei dennoch ein gewünschter vertikaler Abstand der Metallisierungsschicht zu kritischen Bauteilbereichen beibehalten wird, um die parasitäre Kapazität zu verringern.