DE112007000215T5

DE112007000215T5 - Poröses Silizium-Dielektrikum

Info

Publication number: DE112007000215T5
Application number: DE112007000215T
Authority: DE
Inventors: Frank Austin Weber
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: US7972954B2; WO2007087406A3; DE112007003793A5; DE112007003795B4; DE112007003793B4; US20070173073A1; DE112007003796A5; DE112007003795A5; DE112007000215B4; WO2007087406A2

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung, wobei das Verfahren aufweist:
• Bilden einer Siliziumschicht über einem Substrat;
• Bilden einer Öffnung durch die Siliziumschicht;
• Füllen der Öffnung mit einem Leiter; und
• anodisches Ätzen der Siliziumschicht, so dass poröses Silizium gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft poröses Silizium-Dielektrikum.
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung von Halbleitereinrichtungen und insbesondere das Bilden und Verarbeiten von Low-k-Dielektrikumschichten.
Durch die Erhöhung der Dichte von Halbleitereinrichtungen und die Verringerung der Größe von Schaltkreiselementen wird die Schaltkreisleistung zunehmend von der Widerstand-Kapazität-(RC – resistance capacitance)-Verzögerungszeit dominiert. Zur Verringerung der RC-Verzögerung steigen die Anforderungen an die Verbindungsschichten zum Verbinden der Halbleitereinrichtungen miteinander. Daher wird ein Wechsel von traditionellen Dielektrika auf Siliziumdioxidbasis zu Low-k-Dielektrika gewünscht. Diese Materialien sind insbesondere geeignet als Zwischenmetall-Dielektrika (IMDs – intermetal dielectrics) und als Zwischenschicht-Dielektrika (ILDs – interlayer dielectrics).
Ein Beispiel eines Low-k-Materials ist fluordotiertes Siliziumdioxid oder Fluorsilikatglas (FSG). Ein weiteres weit verbreitet verwendetes Material ist ein kohlenstoffdotiertes Oxid oder Organosilikatglas (OSG). OSG-Schichten weisen normalerweise Si_wC_xO_yH_z auf, wobei das tetravalente Silizium eine Vielzahl organischer Gruppensubstitutionen aufweisen kann. Eine häufig verwendete Substitution erzeugt Methylsilsesquioxan (MSQ), wobei eine Methylgruppe eine SiCH₃-Bindung anstelle einer SiO-Bindung erzeugt. In der Technik sind mehrere Ansätze zur Verringerung des k-Wertes von Dielektrikumschichten bekannt. Dazu gehören die Verringerung der Schichtdichte, die Verringerung der Schichtionisierung und die Verringerung der Schichtpolarisierung.
Da Luft eine Dielektrizitätskonstante von etwa "1" hat, wird gemäß einem Verfahren zur Herstellung von Low-k-Dielektrika Luft in dichte Materialien eingeschlossen, um diese porös zu machen. Die Dielektrizitätskonstante des so entstehenden porösen Materials ist die Kombination der Dielektrizitätskonstante von Luft und der Dielektrizitätskonstante des dichten Materials. Somit ist es möglich, die Dielektrizitätskonstante derzeitiger Low-k-Materialien zu senken, indem sie porös gemacht werden. Siliziumdioxid-basierte Xerogele und Aerogele zum Beispiel enthalten eine große Menge an Luft in Poren oder Hohlräumen, wodurch bei Porengrößen von gerade mal 5 bis 10 nm Dielektrizitätskonstanten von weniger als 1,95 erreicht werden.
Ein Hauptnachteil poröser Dielektrika ist jedoch, dass sie anfällig für Beschädigung durch Plasmaätzprozesse und Veraschungsprozesse sind, die bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen zum Einsatz kommen. Poröse Dielektrika sind auch weicher als herkömmliche Dielektrika, so dass sie während aggressiver Handhabungsoperationen wie chemisch-mechanischem Polieren leichter beschädigt werden. Beschädigte Dielektrika weisen häufig Oberflächenbrüche auf, durch welche Bearbeitungschemikalien oder Feuchtigkeit in das interne poröse Netzwerk eindringen können, wodurch Korrosion, mechanische Beschädigung oder eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante verursacht werden. Eine solche Beschädigung kann ohne ein direktes Erkennungsverfahren die Zuverlässigkeit verringern. Die Porenbeschädigung kann auch verursachen, dass eine Oberfläche, die vorzugsweise hydrophob ist, hydrophil wird, wodurch sich die Benetzbarkeit verschiedener Lösemittel verändern kann.
Angesichts derartiger Probleme besteht weiterhin Bedarf an Low-k-Dielektrika, die nicht nur eine poröse Struktur, sondern die auch die chemische und mechanische Stabilität aufweisen, um die rauen Herstellungsschritte zu überstehen.
Durch die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Dielektrikum, eine Halbleitereinrichtung und ein Herstellungsverfahren bereitstellen, werden diese und weitere Probleme im Allgemeinen gelöst oder umgangen und es werden im Allgemeinen technische Vorteile erzielt.
Die Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Halbleitereinrichtung, die dielektrisches Material aufweist, und das Herstellungsverfahren hierfür bereit. Ein Verfahren weist auf ein Bilden einer Siliziumschicht über einem Substrat, ein Bilden einer Öffnung durch die Siliziumschicht, ein Füllen der Öffnung mit einem Leiter, und ein anodisches Ätzen der Siliziumschicht, so dass poröses Silizium gebildet wird. Die Ausführungsformen können ferner ein Passivieren des porösen Siliziums wie beispielsweise durch Behandeln seiner Oberfläche mit einer organometallischen Verbindung aufweisen. Weitere Ausführungsformen können Oxidieren des porösen Siliziums aufweisen, dem eine Passivierung folgen kann.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Halbleitereinrichtung und ein Herstellungsverfahren hierfür bereit. Ein Verfahren weist auf ein Bilden einer Schicht, welche funktionale Einrichtungen (auch bezeichnet als Elemente) aufweist, und ein Bilden einer Verbindungsstruktur über der Schicht, wobei die Verbindungsstruktur ein poröses Silizium-Dielektrikum aufweist. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Verbindungsstruktur eine duale Damaszener-Verbindungsstruktur auf.
Im Vorhergehenden wurden die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Erfindung recht allgemein umrissen, damit die nun folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verstanden wird. Im Folgenden werden zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden. Der Fachmann auf dem Gebiet sollte verstehen, dass die offenbarte Konzeption und spezifische Ausführungsform leicht als eine Grundlage zur Modifizierung oder Entwicklung weiterer Strukturen oder Prozesse zur Durchführung des gleichen Zwecks der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Der Fachmann auf dem Gebiet sollte auch verstehen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Gedanken und Umfang der Erfindung wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt abweichen.
Zum vollständigeren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile sei nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, wobei:
1 und 2 Querschnittsansichten sind, welche die Herstellung einer exemplarischen Damaszener-Struktur gemäß der Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen;
3 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum anodischen Oxidieren von Silizium ist; und
4 eine Querschnittsansicht eines porösen Silizium-Dielektrikums gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist.
Gleiche Zahlen und Symbole in den unterschiedlichen Figuren betreffen im Allgemeinen gleiche Teile, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben. Die Figuren sind so gezeichnet, dass sie die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar veranschaulichen, und sie sind nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet. Zur klareren Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen kann ein Buchstabe, der Variationen der gleichen Struktur, des Materials oder eines Prozessschrittes anzeigt, auf eine Figurennummer folgen.
Die Anfertigung, Einsatz und Fabrikation der derzeit bevorzugten Ausführungsformen werden im Folgenden detailliert diskutiert. Jedoch sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele nicht die einzigen Anwendungen oder Verwendungen, die für die Erfindung in Betracht gezogen werden. Die diskutierten spezifischen Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für spezifische Möglichkeiten der Anfertigung und Verwendung der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung oder der beigefügten Ansprüche nicht ein.
Im Folgenden sind exemplarische Materialien, Strukturen und Verfahren für die Herstellung einer Halbleitereinrichtung bereitgestellt, welche eine Damaszener-Verbindungsstruktur aufweist. Obwohl die exemplarischen Ausführungsformen in einer Folge von Schritten beschrieben sind, wird verstanden werden, dass dies der Veranschaulichung dient und nicht der Einschränkung. Zum Beispiel können einige Schritte in einer unterschiedlichen Reihenfolge als veranschaulicht stattfinden, verbleiben jedoch innerhalb des Umfangs der Erfindung. Auch sind nicht alle veranschaulichten Schritte notwendigerweise erforderlich, um die Erfindung zu implementieren. Ferner können die Materialien, Strukturen und Verfahren gemäß der Ausführungsformen der Erfindung in anderen Bereichen als der Halbleiterherstellung implementiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich spezifische Schritte bei der Herstellung einer integrierten Schaltung, welche eine mehrschichtige Kupfermetallisierung aufweist, die mittels eines herkömmlichen Damaszener-Prozesses erzeugt wurde. Man glaubt, dass die Ausführungsformen dieser Erfindung vorteilhaft sind, wenn sie in einem Damaszener-Metallisierungsprozess verwendet werden. Man glaubt weiter, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen für weitere Herstellungsanwendungen vorteilhaft sein werden, welche Low-k-Schichten oder Low-k-Dielektrika beinhalten, die nicht spezifisch veranschaulicht sind.
Bezug nehmend auf 1, weist eine bevorzugte Ausführungsform der Verbindungsstruktur der Erfindung ein Substrat 101 auf, welches funktionale Elemente oder funktionale Einrichtungen wie beispielsweise Transistoren enthalten kann. Eine dielektrische Schicht 120, allgemein bekannt als ein Zwischenschichtdielektrikum (ILD – interlevel dielectric), bedeckt das Substrat 101. Eine Haftvermittlerschicht 110 kann zwischen dem Substrat 101 und der ILD-Schicht 120 angeordnet sein. Eine Hartmaskenschicht 130 ist vorzugsweise auf der ILD-Schicht 120 angeordnet. Mindestens ein Leiter 145 ist in der ILD-Schicht 120 und der Hartmaskenschicht 130 eingebettet. Ein Diffusionsbarriere-Liner 140 kann zwischen der ILD-Schicht 120 und dem Leiter 145 angeordnet sein. Die obere Fläche des Leiters 145 ist koplanar mit der oberen Fläche der Hartmaskenschicht 130 gemacht, üblicherweise durch einen chemisch-mechanischen Polier-(CMP)Schritt. Eine Deckschicht. 160 ist auf dem Leiter 145 und der Hartmaskenschicht 130 angeordnet. Eine Haftvermittlerschicht 180 ist über der Deckschicht 160 ausgebildet. Ferner ist eine Siliziumschicht 183 über der Haftvermittlerschicht 180 ausgebildet.
Die ILD-Schicht 120 kann aus jedem geeigneten dielektrischen Material gebildet sein, obwohl Low-k-Dielektrika bevorzugt werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich Low-k auf Dielektrika mit einer geringeren Dielektrizitätskonstante als Siliziumoxid, die bei etwa 3,9 liegt. Zu geeigneten dielektrischen Materialien zählen kohlenstoffdotierte Siliziumdioxidmaterialien; fluoriertes Silikatglas (FSG); organische polymere hitzegehärtete Materialien; Siliziumoxycarbid; SiCOH-Dielektrika; fluordotiertes Siliziumoxid; Aufschleudergläser; Silsesquioxane, einschließlich Wasserstoffsilsesquioxan (HSQ), Methylsilsesquioxan (MSQ) und Mischungen oder Copolymere von HSQ und MSQ; Polymer-Dielektrika auf Benzocyclobuten(BCB) Basis und jedes Silizium-haltige Low-k-Dielektrikum. Zu Beispielen von Aufschleuder-Low-k-Schichten mit Zusammensetzungen des SiCOH-Typs unter Verwendung der Silsesquioxan-Chemie zählen HOSP^TM (erhältlich von Honeywell), JSR 5109 und 5108 (erhältlich von Japan Synthetic Rubber), Zirkon^TM (erhältlich von Shipley Microelectronics, ein Unternehmensbereich von Rohm and Haas) und poröse Low-k-(ELk)Materialien (erhältlich von Applied Materials). Zu Beispielen kohlenstoffdotierter Siliziumdioxidmaterialien oder Organosilanen zählen Black Diamond^TM (erhältlich von Applied Materials) und Coral^TM (erhältlich von Novellus). Ein Beispiel eines HSQ-Materials ist FOX^TM (erhältlich von Dow Corning). Bevorzugte Dielektrika für diese Ausführungsform sind organische polymere hitzegehärtete Materialen, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff bestehen. Zu bevorzugten Dielektrika zählen das als SiLK^TM bekannte Low-k-Polyarylenether-Polymermaterial (erhältlich von The Dow Chemical Company) und das als FLARE^TM bekannte Low-k-Polymermaterial (erhältlich von Honeywell). Die ILD-Schicht 120 kann etwa 100 nm bis etwa 1000 nm dick sein, jedoch sind diese Schichten jeweils vorzugsweise etwa 600 nm dick. Die Dielektrizitätskonstante für die ILD-Schicht 120 beträgt vorzugsweise etwa 1,8 bis etwa 3,5 und am bevorzugtesten etwa 2,0 bis etwa 2,9.
Alternativ dazu kann die ILD-Schicht 120 aus einem porösen dielektrischen Material gebildet sein, wie MesoELK^TM (erhältlich von Air Products) und XLK^TM (eine poröse Version von FOx, erhältlich von Dow Corning). Wenn die ILD-Schicht 120 zum Beispiel aus einem solchen porösen dielektrischen Material gebildet ist, ist die Dielektrizitätskonstante dieser Schichten vorzugsweise geringer als etwa 2,6 und am bevorzugtesten etwa 1,5 bis 2,5. Es wird insbesondere bevorzugt, ein organisches polymeres hitzegehärtetes Material zu verwenden, welches eine Dielektrizitätskonstante von etwa 1,8 bis 2,2 aufweist. Die ILD-Schicht 120 kann auch gemäß dem Prozess erzeugt werden, der unten in Bezug auf die Deckschicht 160 beschrieben wird.
Die Haftvermittlerschichten 110 und 180 sind vorzugsweise etwa 9 nm dick und können aus jedem Material bestehen, das zur Beschleunigung der Anhaftung des dielektrischen Materials in den ILD-Schichten 120 und 119 mit den darunter liegenden Flächen geeignet ist. Wenn zum Beispiel SiLK^TM als ILD-Schicht 120 verwendet wird, können die Haftvermittlerschichten 110 und 180 aus einem Haftvermittler, der als AP4000 bekannt ist (ebenfalls erhältlich von The Dow Chemical Company), gebildet sein.
Die Hartmaskenschicht 130 kann aus jedem geeigneten dielektrischen Material gebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hartmaskenschicht 130 aus Siliziumnitrid gebildet und weist vorzugsweise eine Zusammensetzung von etwa 30 bis 45 Atomprozent Silizium, etwa 30 bis 55 Atomprozent Stickstoff und etwa 10 bis 25 Atomprozent Wasserstoff auf. Am bevorzugtesten weisen diese Siliziumnitrid-Hartmaskenschichten eine Zusammensetzung von etwa 41 Atomprozent Silizium, etwa 41 Atomprozent Stickstoff und etwa 17,5 Atomprozent Wasserstoff auf. Alternativ dazu ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Hartmaskenschicht 130 aus Siliziumcarbid gebildet und weist vorzugsweise eine Zusammensetzung von etwa 20 bis 40 Atomprozent Silizium, etwa 20 bis 50 Atomprozent Kohlenstoff und etwa 20 bis 45 Atomprozent Wasserstoff auf. Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung weist etwa 27 Atomprozent Silizium, etwa 36 Atomprozent Kohlenstoff und etwa 37 Atomprozent Wasserstoff auf.
Der Leiter 145 kann aus jedem geeigneten leitfähigen Material gebildet sein, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
Kupfer wird wegen seines relativ geringen elektrischen Widerstands insbesondere als das leitfähige Material bevorzugt. Der Kupferleiter 145 kann geringe Konzentrationen anderer chemischer Elemente enthalten. Der Diffusionsbarriereliner 140 kann eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Ruthenium, Tantal, Titan, Wolfram und die Nitride dieser Metalle.
Die Deckschicht 160 kann aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Bornitrid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Material gebildet sein und wird vorzugsweise unter Verwendung eines HDP-CVD-Prozesses erzeugt. Es wurde festgestellt, dass Materialien, die mittels eines HDP-CVD-Prozesses aufgebracht wurden, eine bessere Haftung und einen besseren Elektromigrationswiderstand bereitstellen. Jedoch können auch Materialien, die ähnliche Eigenschaften aufweisen, allerdings mittels anderer Prozesse aufgebracht wurden, für die Deckschicht 160 verwendet werden. Die Deckschicht 160 wird am bevorzugtesten aus HDP-CVD-Siliziumnitrid mit einer Zusammensetzung von etwa 30 bis 50 Atomprozent Silizium, etwa 40 bis 65 Atomprozent Stickstoff und etwa 5 bis 13 Atomprozent Wasserstoff gebildet. Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung für die Deckschichten 160 und 123 besteht aus etwa 40 Atomprozent Silizium, etwa 52 Atomprozent Stickstoff und etwa 8 Atomprozent Wasserstoff. Die Deckschicht 160 weist vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von etwa 25 bis 700 Ångström auf und am bevorzugtesten im Bereich von etwa 50 bis 350 Ångström. Der Diffusionsbarriereliner 140 und die Deckschicht 160 können auch andere Materialien aufweisen, die zur Verhinderung der Metalldiffusion bekannt sind.
Die Siliziumschicht 183 wird vorzugsweise bei einer Temperatur aufgebracht, die niedrig genug ist, um eine Verschlechterung der darunter liegenden Schichten oder Einrichtungen, die in dem Substrat 101 eingebettet sind, zu verhindern. Daher kann die Beschichtungstemperatur unter etwa 400°C und vorzugsweise unter etwa 250°C und bevorzugter unter etwa 23°C liegen. Die Siliziumschicht 183 kann eine polykristalline Schicht aufweisen, obwohl eine Einzelkristallschicht bevorzugter ist.
Weiter Bezug nehmend auf 1, weisen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung das Bilden einer Siliziumschicht 183 über dem Substrat 101 und bevorzugter über dem Leiter 145 auf. Die Siliziumschicht 183 kann mittels herkömmlicher Silizium-Epitaxieverfahren, einschließlich PVD, CVD, PECVD, MBE und ALD aufgebracht werden. Wie unten in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wird die Siliziumschicht 183 in eine poröse dielektrische Schicht umgewandelt, nachdem eine Damaszener-Verbindungsstruktur durch die Siliziumschicht 183 hindurch erzeugt wurde.
Nun Bezug nehmend auf 2, ist die Zwischenstruktur von 1 nach weiterer Verarbeitung gemäß der Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Unter Verwendung herkömmlicher Lithographie- und Musterungstechniken wird eine Damaszener-Verbindungsöffnung 190, die ein Durchgangsloch 191 und einen Graben 192 aufweist, durch die Siliziumschicht 183, die Deckschicht 160 und den Haftvermittler 180 zum Leiter 145 erzeugt. Die Damaszener-Verbindungsöffnung 190 ist mit einem Diffusionsbarriere-Liner 201 versehen, der mittels der gleichen Materialien und Verfahren, die oben in Bezug auf den Diffusionsbarriere-Liner 140 beschrieben wurden, erzeugt werden kann. Als nächstes wird die Damaszener-Verbindungsöffnung 190 mit einem Leiter 212 gefüllt, der mittels der gleichen Materialien und Verfahren, die oben in Bezug auf den Leiter 145 beschrieben wurden, erzeugt werden kann. Als nächstes wird die Zwischenstruktur geebnet, z. B. mittels CMP.
Als nächstes wird selektiv eine zweite dielektrische Deckschicht 225 auf dem Leiter 212 erzeugt, wodurch die Zwischenstruktur 193 entsteht, die in 2 veranschaulicht ist. Die zweite dielektrische Deckschicht 225 weist vorzugsweise poröses Silizium oder Derivate davon auf. Wie in 2 gezeigt, ist der Leiter 212 vorzugsweise von dem Diffusionsbarriere-Liner 201 und der zweiten dielektrischen Deckschicht 225 eingeschlossen, um ihn in späteren Prozessschritten und im Endprodukt zu schützen. Wie in 2 gezeigt, liegt die Fläche 194 der Siliziumschicht 183 in der Zwischenstruktur 193 frei. Als nächstes wird die Siliziumschicht 183 anodisch oxidiert.
Eine geeignete elektrochemische Vorrichtung 301 zum anodischen Oxidieren der Zwischenstruktur 193 ist in 3 veranschaulicht. Die Vorrichtung 301 weist einen Elektrolyt 305 auf, der in Kontakt mit der Fläche 194 der Siliziumschicht 183 steht. Eine Anode 310 steht in elektrischem Kontakt mit der Siliziumschicht 183. Eine Kathode 315 kann ein Platin-Gitter 320 aufweisen, das in den Elektrolyt 305 eingetaucht ist. Die Vorrichtung 301 kann auch ein mechanisches Rührelement 325 und eine Referenzelektrode 330 aufweisen, die auch in den Elektrolyt 305 eingetaucht sind.
Der Elektrolyt 305 weist vorzugsweise einen Säureelektrolyt auf, der Fluorwasserstoffsäure und mindestens eine weitere Säure aufweisen kann. In einer Ausführungsform weist der Elektrolyt eine wässrige Lösung aus Fluorwasserstoffsäure und Essigsäure auf. Die Konzentration der Fluorwasserstoffsäure beträgt 40 Gew.%, während die der Essigsäure 5 Gew.% beträgt. Der pH-Wert eines solchen Elektrolyts liegt dann unter 2. Die anodische Oxidation wird durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Anode 310 und der Kathode 315, um einen konstanten anodischen Stromfluss zu erzeugen, der einer anodischen Stromdichte gleich etwa 3 mA/cm² entspricht, bewirkt. Die Umwandlungsrate des Siliziums in poröses Silizium liegt dann in einer Größenordnung von 0,2 Mikronen/Minute und die abschließend erhaltene Porosität liegt in einer Größenordnung von 60%. Obwohl Essigsäure als ein sehr guter oberflächenaktiver Stoff dient, kann zur Vereinfachung der Entfernung der Wasserstoffbläschen mittels des Rührelementes 325 optional weiteres, leichtes mechanisches Rühren durchgeführt werden.
Die anodische Oxidation wird vorzugsweise fortgesetzt, bis sich komplett durch die Dicke der Siliziumschicht 183 hindurch Poren bilden. An diesem Punkt erhöht sich der Widerstand und, da die Operation mit einem konstanten Strom durchgeführt wurde, führt dies zu einer Erhöhung der Spannung zwischen der Anode 310 und der Referenzelektrode 330. Die anodische Oxidation wird dann gestoppt, indem der Strom abgeschaltet wird. Somit kann das anodische Ätzen einer Siliziumschicht das Messen einer Potentialdifferenz zwischen einem Elektrodenpaar, das in dem Elektrolyt angeordnet ist, und das Stoppen der anodischen Oxidation, wenn ein Anstieg in der Potentialdifferenz verzeichnet wird, aufweisen.
Nun Bezug nehmend auf 4, ist das Ergebnis der anodischen Oxidation das Bilden einer porösen Siliziumschicht 183A mit mehreren Verbindungsporen 197. Vorzugsweise weist die poröse Siliziumschicht 183A eine poröse Struktur und Eigenschaften, die im Wesentlichen ähnlich dem Dielektrikum 120 wie oben beschrieben sind, auf. Am bevorzugtesten ist die Dielektrizitätskonstante der porösen Siliziumschicht 183A normalerweise die eines Low-k-Dielektrikums, d. h. geringer als etwa 3,9.
Im Allgemeinen durchläuft das frisch erzeugte poröse Silizium eine weitere Oxidation und/oder Hydrierung, wenn es Luft ausgesetzt wird. Da dies die Dielektrizitätskonstante erhöhen kann, können die Ausführungsformen der Erfindung ferner einen Passivierungsprozess 430 aufweisen, der die Oberfläche 194 des porösen Dielektrikums 183A stabilisiert.
In einem weiteren optionalen Schritt kann das poröse Silizium durch einen RTP-(rapid temperature processing) H₂O- und/oder O₂-Prozess zu einem porösen Siliziumdioxid oxidiert werden.
Der viel langsamere Hochofenprozess führt jedoch zu einem höheren thermischen Budget und könnte Migrationseffekte des Leiters oder anderer Ionen verursachen. Die Ausführungsformen der Erfindung können daher ein poröses Silizium-Dielektrikum, ein poröses Siliziumdioxid-Dielektrikum und Kombinationen davon aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsformen kann die Passivierung einen zweistufigen chemischen Prozess aufweisen, der Silanol-Oberflächengruppen in eine kohlenstoffhaltige, organische Gruppe umwandelt. Der erste Schritt weist die Verwendung eines Halogenierreagens oder -agens zur Umwandlung der Silanolgruppe in ein Siliziumhalogenid auf. Im Falle einer nicht oxidierten Siliziumoberfläche kann das Halogenid direkt ohne die Silanolgruppe als Zwischenstufe erzeugt werden. Der zweite Schritt weist die Verwendung eines Derivatisierungsreagens zum Ersetzen des Halogenids mit einer geeigneten organischen Gruppe auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Halogenieragens Thionylchlorid auf und das Derivatisierungsagens weist eine organometallische Verbindung, vorzugsweise Methyllithium, auf. In einer weiteren Ausführungsform ist das Halogenieragens aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus SO₂Cl₂ (Sulfurylchlorid) oder COCl₂ (Carboxydichlorid) besteht, ausgewählt. In einer weiteren Ausführungsform weist die organometallische Verbindung ein Grignard-Reagens auf. In noch einer weiteren Ausführungsform weist die organometallische Verbindung eine organische Lithiumverbindung, RLi, auf, wobei R aus einer Gruppe, die im Wesentlichen aus Alkyl- oder Aryl-Verbindungen besteht, ausgewählt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die organometallische Verbindung Trimethylaluminium, oder allgemeiner R_AR_BR_CAl, wobei R_A-C unabhängig eine Alkyl- oder Arylgruppe aufweisen können. Weitere Ausführungsformen können nicht-organometallische Derivatisierungsverbindungen aufweisen, die im Allgemeinen durch R_AR_BR_CC(R_DX) oder R_AR_BR_CSi(R_DX) dargestellt sind, wobei R_A-C unabhängig eine Alkylgruppe oder Wasserstoff aufweisen können, R_D unabhängig eine Alkylgruppe aufweisen kann, und X Br, I, R, O-R (R=Alkyl), Fluorsulfonat (-O-SO₂-F) oder Triflat (-O-SO₂-CF₃) aufweist. Weitere Ausführungsformen können nichtorganometallische Derivatisierungsverbindungen aufweisen, die im Allgemeinen durch R_AR_BC=CHR_C dargestellt sind, wobei R_A-C unabhängig eine Alkylgruppe oder Wasserstoff aufweisen können.
In weiteren Ausführungsformen kann die Passivierung in einem einstufigen Ansatz durch die Behandlung der Schicht mit R_AR_BR_CC(R_DX) oder R_AR_BR_CSi(R_DX) erfolgen, wobei R_A-C unabhängig eine Alkylgruppe oder Wasserstoff aufweisen können, R_D unabhängig eine Alkylgruppe aufweisen kann, und X Cl, Br, I, R, O-R (R=Alkyl), Fluorsulfonat (-O-SO₂-F) oder Triflat (-O-SO₂-CF₃) aufweist. Weitere Ausführungsformen können die Passivierung unter Verwendung von Silazanen wie R_A'R_B'R_C'Si-NH-SiR_AR_BR_C aufweisen, wobei R_A-C and R_A'-C' unabhängig eine Alkylgruppe oder Wasserstoff, oder bevorzugter HMDS (Hexamethyldisilazan) aufweisen können. Zu weiteren Passivierungsverfahren kann auch die Parylen-Auftragung gehören.
Das Passivieren kann auch die Behandlung des porösen Siliziums mit einem Hydroxytrialkylsilan aufweisen. Vorzugsweise entspricht das Hydroxytrialkylsilan der allgemeinen Formel HO-Si-R₁R₂R₃, wobei R_1-3 aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl und Kombinationen davon besteht, ausgewählt sind.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Passivierung 430 das Versiegeln der Poren 197, welche die Fläche 194 des porösen Siliziums 183A kreuzen, aufweisen. Die Ausführungsformen können das Reagieren des porösen Siliziums 183A mit einem mehrzähnigen, die Poren versiegelnden Liganden aufweisen. Der mehrzähnige Ligand ist vorzugsweise ein zweizähniger Ligand.
Zweizähnige und mehrzähnige, die Poren versiegelnde Liganden sind von Vorteil, da die Liganden mehrere Befestigungspunkte zur Low-k-Dielektrikumschicht aufweisen. Viele herkömmliche Dielektrikum-Behandlungen weisen Moleküle mit nur einem einzigen Befestigungspunkt auf. Bei diesen Molekülen besteht eine größere Chance ihrer Entfernung im Verlauf von Hochtemperatur-Verarbeitungsschritten oder anderen Schritten, wie Sputtern und Reinigung. Daher weisen die Ausführungsformen dieser Erfindung die Verwendung von mehrzähnigen, die Poren versiegelnden Molekülen mit mehreren Befestigungspunkten auf.
Der die Poren versiegelnde Ligand kann ein Reagens sein, das in einem separaten System hergestellt und der Plasmareaktionskammer zugegeben wird. Oder der Porenversiegelungsprozess kann in einer separaten Reaktionskammer stattfinden. In weiteren Ausführungsformen kann der die Poren versiegelnde Ligand in situ erzeugt werden, wo er gebildet wird und kurz danach mit der beschädigten Dielektrikum-Oberfläche reagiert. Der Reparaturprozess durch den die Poren versiegelnden Liganden kann in einer einzelnen chemischen Reaktion stattfinden oder in einer mehrstufigen Reaktion.
Kleine Moleküle sind aufgrund ihrer geringeren sterischen Hinderung besser in der Lage, in die Poren einzudringen und die Poren innerhalb der Masse zu versiegeln. Im Gegensatz dazu reagieren große Moleküle am Eingang der Oberflächenporen, wodurch die Oberfläche versiegelt, jedoch die interne Porenreparatur behindert wird. Dementsprechend weist eine bevorzugte Ausführungsform einen zweistufigen Prozess auf, bei dem zuerst die internen Poren mit kleinen Reparaturmolekülen behandelt werden, und im Anschluss daran werden die externen Poren mit großen Molekülen behandelt. Diese letzte Behandlung ka einen Plasmaschritt zum Freimachen von Bindungsstellen und einen Versiegelungsschritt aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der die Poren versiegelnde Ligand durch die allgemeine Formel X-CH₂-(CH₂)n-CH₂-X dargestellt, wobei X eine Austrittsgruppe ist und n = 0–2. Zu Austrittsgruppen können H, NH₂, Cl, Br, I, OCH₃, -SO₂F oder Triflat (-O-SO₂-CF₃) zählen. Bei der Bildung von Si-O-Si oder Si-O-C wird HX normalerweise durch alternative Ausführungsformen gebildet, welche größere Liganden aufweisen, die im Allgemeinen durch die Formel X-Si(CH₃)₂-(CH₂)n- Si(CH₃)₂-X (n = 0–2) dargestellt sind, wobei X wieder die Austrittgruppe ist.
Alternative Ausführungsformen können einfach oder mehrfach verzweigte (massige) mehrzähnige Liganden aufweisen. Ein Beispiel einfach verzweigter Liganden weist Verbindungen auf, die im Allgemeinen durch X-CH₂-(CH₂)_m(CR₁R₂)(CH₂)_o-CH₂-X (2 + m + o + 1 = n/2) dargestellt sind, wobei R₁ und R₂ unabhängig H, Alkyl oder Aryl sind. Der mehrzähnige Ligand kann auch einen dreizähnigen Liganden aufweisen. Ein bevorzugter dreizähniger Ligand ist durch die folgende allgemeine Formel dargestellt:
X-CH₂-(CH₂)_m(CX_H)(CH₂)_o-CH₂-X; oder X-Si(CH₃)₂-(CH₂)_m(CXH)(CH₂)_o-Si(CH₃)₂-X; oder X-Si(CH₃)₂-(CH₂)_m(SiXCH₃) (CH₂)_o-Si(CH₃)₂-X, wobei X die Austrittsgruppe ist. Die Kettenlänge m o n kann durch die Porengröße = (n + 2) × 1.22 Å genähert werden.
Während exemplarische Ausführungsformen der Erfindung für die Passivierung von porösem Silizium beschrieben wurden, umschließen die Ausführungsformen hierin auch poröses Siliziumdioxid.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung (nicht gezeigt) kann die zweite dielektrische Deckschicht 225 optional an dieser Stelle durch eine andere Deckschicht ersetzt sein, welche das Dielektrikum 183 und den Leiter 212 bedeckt. Oder anstatt die zweite dielektrische Deckschicht 225 zu ersetzen, kann eine weitere Deckschicht die zweite dielektrische Deckschicht 225 und das Dielektrikum 183 bedecken. Die Ausführungsformen können auch eine Reparatur oder Modifikation der zweiten dielektrischen Deckschicht 225 aufweisen. Zum Beispiel kann eine Modifikation das Bilden einer Öffnung in der Deckschicht aufweisen, um ein Durchgangsloch zu einem im Anschluss erzeugten nächsten Level zu erzeugen. Der Rest der Herstellung der Einrichtung, einschließlich der wiederholten Bildung von Low-k-Isolatorschichten, Durchgangsloch- und Grabenätzung und Metallaufbringung für zusätzliche Metallebenen, kann dann durchgeführt werden. Die Herstellung kann auch ein Bilden weiterer Dielektrika aufweisen, die nicht mit den Damaszener-Anwendungen in Verbindung stehen, wobei die Dielektrika gemäß den Ausführungsformen der Erfindung behandelt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass hierin verschiedene Änderungen, Substitutionen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne sich vom Gedanken und Umfang der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert zu entfernen. Der Fachmann auf dem Gebiet wird auch leicht verstehen, dass Materialien und Verfahren variiert werden können und trotzdem innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Es wird auch verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte außer den zu Veranschaulichungszwecken bevorzugten Ausführungsformen verwendeten spezifischen Kontexten bereitstellt. Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und Schritte, die in dieser Spezifikation beschrieben wurden, beschränkt sein. Wie ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung leicht verstehen wird, können Prozesse, Maschinen, Herstellung, Stoffzusammensetzung, Mittel, Verfahren oder Schritte, die derzeit existieren oder später entwickelt werden, welche im Wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen oder im Wesentlichen das gleiche Resultat erzielen wie die entsprechenden hierin beschriebenen Ausführungsformen, gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Stoffzusammensetzung, Mittel, Verfahren oder Schritte in ihren Schutzumfang einschließen.
Zusammenfassung
Die Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Halbleitereinrichtung, welches ein Dielektrikum aufweist, und sein Herstellungsverfahren bereit. Ein Herstellungsverfahren weist auf ein Bilden einer Siliziumschicht über einem Substrat, ein Bilden einer Öffnung durch die Siliziumschicht, ein Füllen der Öffnung mit einem Leiter und ein anodisches Ätzen der Siliziumschicht zum Erzeugen von porösem Silizium. Die Ausführungsformen können ferner das Passivieren des porösen Siliziums wie durch die Behandlung seiner Oberfläche mit einer organometallischen Verbindung aufweisen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Halbleitereinrichtung bereit, welche eine Schicht mit funktionalen Elementen sowie eine Verbindungsstruktur über der Schicht aufweist, wobei die Verbindungsstruktur ein poröses Silizium-Dielektrikum aufweist. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Verbindungsstruktur eine duale Damaszener-Verbindungsstruktur auf. Weitere Ausführungsformen können einen Passivierungsschritt nach dem Schritt der Oxidation des porösen Siliziums aufweisen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung, wobei das Verfahren aufweist: • Bilden einer Siliziumschicht über einem Substrat; • Bilden einer Öffnung durch die Siliziumschicht; • Füllen der Öffnung mit einem Leiter; und • anodisches Ätzen der Siliziumschicht, so dass poröses Silizium gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: Passivieren des porösen Siliziums.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Passivieren des porösen Siliziums ein Behandeln des porösen Siliziums mit einem Hydroxytrialkylsilan aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Hydroxytrialkylsilan der allgemeinen Formel HO-Si-R₁R₂R₃ entspricht, wobei R1-3 aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, und Kombinationen davon besteht, ausgewählt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Passivieren des porösen Siliziums das Behandeln des porösen Siliziums mit einem Halogenieragens, gefolgt von einer organometallischen Verbindung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Halogenieragens ein Reagens aufweist, welches aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus Thionylchlorid, Sulfurylchlorid und Carboxydichlorid besteht, ausgewählt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die organometallische Verbindung ein Reagens aufweist, welches aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus Grignard-Reagens, Lithiumdialkylkupfer, Trimethylaluminium und Methyllithium besteht, ausgewählt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das anodische Ätzen der Siliziumschicht aufweist: • Platzieren der Siliziumschicht in Kontakt mit einem Säureelektrolyt, der Fluorwasserstoffsäure und mindestens eine weitere Säure enthält; • Anlegen eines Anodenstroms zum Durchführen der anodischen Oxidation der Siliziumschicht; • Messen einer Potentialdifferenz zwischen einem Elektrodenpaar, das in dem Säureelektrolyt angeordnet ist; und • Anhalten der anodischen Oxidation, wenn eine Erhöhung in der Potentialdifferenz festgestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, • Umwandeln des porösen Siliziums in poröses Siliziumdioxid; und • Passivieren des porösen Siliziumdioxids.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Passivieren des porösen Siliziumdioxids mindestens die Behandlung des porösen Siliziumdioxids mit einem Hydroxytrialkylsilan oder die Behandlung des porösen Siliziumdioxids mit einem Halogenieragens, gefolgt von einer organometallischen Verbindung, aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung, wobei das Verfahren aufweist: • Bilden einer Schicht, die funktionale Einrichtungen aufweist; und • Bilden einer Verbindungsstruktur über der Schicht, wobei die Verbindungsstruktur ein Dielektrikum aufweist, das aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus porösem Silizium, porösem Siliziumdioxid und Kombinationen davon besteht, ausgewählt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das poröse Dielektrikum eine passivierte Oberfläche aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, • wobei die passivierte Oberfläche eine chemische Verbindung aufweist, die der allgemeinen Formel R_AR_BR_CC(R_DX) entspricht, • wobei R_A, R_B, RC und R_D unabhängig Wasserstoff oder eine Alkylgruppe sind; und • X eine funktionale Gruppe ausgewählt aus der Gruppe, die aus Br, I, O-Alkyl, O-Fluorsulfonat und O-Triflat besteht, ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, • wobei die passivierte Oberfläche eine chemische Verbindung aufweist, die der allgemeinen Formel R_AR_BC=CHRC entspricht, • wobei R_A, R_B, R_C und R_D unabhängig Wasserstoff oder eine Alkylgruppe sind; und • X eine funktionale Gruppe ausgewählt aus der Gruppe, die aus Br, I, O-Alkyl, O-Fluorsulfonat und O-Triflat besteht, ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, • wobei die passivierte Oberfläche eine chemische Verbindung aufweist, die der allgemeinen Formel R_AR_BR_CCX entspricht, • wobei R_A, R_B, R_C und R_D unabhängig Wasserstoff oder eine Alkylgruppe sind; und • X eine funktionale Gruppe ausgewählt aus der Gruppe, die aus Br, I, O-Alkyl, O-Fluorsulfonat und O-Triflat besteht, ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die passivierte Oberfläche eine massige funktionale Gruppe aufweist, wobei die massige funktionale Gruppe aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus einem langkettigen Kohlenstoff, einer organischen Multi-Ring-Gruppe, einem Makromolekül und einem Kohlenstoffkäfigmolekül und Kombinationen davon besteht, ausgewählt ist.
Damaszener-Verbindungsstruktur, welche aufweist: • ein leitfähiges Merkmal über einem Substrat; • eine poröse Siliziumschicht über dem leitfähigen Merkmal; • ein Durchgangsloch, das sich durch die poröse Siliziumschicht hindurch zu dem leitfähigen Merkmal erstreckt; und • einen Leiter, der das Durchgangsloch füllt.
Damaszener-Verbindungsstruktur gemäß Anspruch 17, wobei das leitfähige Merkmal eine Schicht aus funktionalen Halbleitereinrichtungen aufweist.
Damaszener-Verbindungsstruktur gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei die poröse Siliziumschicht eine Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3,9 aufweist.
Damaszener-Verbindungsstruktur gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, • wobei die poröse Siliziumschicht eine passivierte Siliziumfläche aufweist, die der allgemeinen Formel R_AR_BR_CC(R_DX) entspricht, • wobei R_A, R_B, R_C und R_D unabhängig Wasserstoff oder eine Alkylgruppe sind; und • X eine funktionale Gruppe ausgewählt aus der Gruppe, die aus Br, I, O-Alkyl, O-Fluorsulfonat und O-Triflat besteht, ist.