DE10142223A1

DE10142223A1 - Mittels Polymerisation erzeugte Hohlräume mit Submikrometer-Abmessungen in einer Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE10142223A1
Application number: DE10142223A
Authority: DE
Inventors: Rainer Leuschner; Egon Mergenthaler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: US20030080430A1; DE10142223C2; US6696315B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von in Submikrometer-Abmessungen strukturierten Hohlräumen (7) in einer Hohlraumschicht (3) einer Halbleitereinrichtung, wobei auf den Stegen (5) einer von Stegen (5) und Gräben strukturierten Arbeitsschicht ein Prozessmaterial aufgebracht und polymerisiert wird, sich das polymerisierende Prozessmaterial über die Gräben ausdehnt und dabei aus den Gräben Hohlräume (7) entstehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von in Submikrometer-Abmessungen strukturierten Hohlräumen in einer Hohlraumschicht einer Halbleitereinrichtung durch Polymerisation, sowie eine mittels des Verfahrens hergestellte Anordnung mit in Submikrometer-Abmessungen strukturierten Hohlräumen in einer Halbleitereinrichtung.
Innerhalb einer Halbleitereinrichtung sind Leiterbahnen sowohl innerhalb einer Leiterbahnschicht (Intralevel), als auch zwischen verschiedenen Leiterbahnschichten (Interlevel) kapazitiv miteinander verkoppelt. Eine solche kapazitive Kopplung zwischen Leiterbahnen führt zu Übersprechen und verlängerten Signallaufzeiten.
Um diese störenden Effekte gering zu halten, werden die Leiterbahnen bestmöglich voneinander entkoppelt, indem die Kapazität zwischen ihnen möglichst gering gehalten wird. Bei einem gegebenen Abstand zwischen zwei Leiterbahnen erfordert dies eine möglichst geringe Permittivität des Materials zwischen den Leiterbahnen. Gasförmige Stoffe, also auch Luft, weisen bei Normaldruck eine beinahe optimale Permittivität von nahezu 1 auf, während die Permittivität von Festkörpern in der Regel deutlich höher ist.
Daher wird allgemein versucht, in Halbleitereinrichtungen die Leiterbahnen durch luftgefüllte Hohlräume kapazitiv voneinander zu entkoppeln. Im Folgenden werden die bekannten Methoden zur Erzeugung solcher Hohlräume (air gaps) beschrieben. Alle diese Methoden setzen eine bereits durch Stege und Gräben strukturierte Arbeitsschicht voraus.
Aus den Stegen der Arbeitsschicht können funktional Leiterbahnen werden. Die Gräben der Arbeitsschicht sind noch nicht abgedeckte Hohlräume. Entsprechend ist eine Leiterbahnschicht eine mögliche, aber nicht die einzige Ausführungsform einer aus einer Arbeitsschicht hervorgegangenen Hohlraumschicht.
Nach einer ersten Methode werden die Gräben mit porösen Materialien wie Xerogelen oder Aerogelen gefüllt und anschließend mit einer Deckschicht aus einem Dielektrikum abgedeckt. Die in den Poren eingeschlossene Luft verringert die Gesamt- Permittivität des Materials zwischen den Leiterbahnen. Solche porösen Materialien befinden sich gegenwärtig in der Evaluierungsphase. Nachteilig an dieser Methode ist die Wasseraufnahme aufgrund der Kapillarwirkung in offenporösen Strukturen. Ferner erhöht die Füllung der Hohlräume mit Material der Xerogele und Aerogele die Permittivität des Hohlraums gegenüber einer reinen Luftfüllung.
Eine zweite Methode ist das Abdecken von Gräben durch konventionelle SiO₂-CVD-Prozesse (chemical vapour deposition) mit hoher Depositionsrate. Eine solcherart abgeschiedene SiO₂-Schicht neigt jedoch dazu, sich über den Gräben aufzuwölben (Hütchenbildung). Bei nachfolgenden CMP-Prozessen (chemical mechanical polishing) können durch Abtragen solcher Hütchen die darunter liegenden Hohlräume geöffnet und durch eine anschließende Metallisierung in diesen geöffneten Hohlräumen benachbarte Leiterbahnen kurzgeschlossen werden. Wird die SiO₂-Schicht in einer Mächtigkeit abgeschieden, die ein nachträgliches Öffnen der Hohlräume ausschließt, so ergibt sich das Problem, darunter liegende Leiterbahnen über hinreichend tiefe Durchkontaktierungen (Vias) zu kontaktieren.
Nach einer dritten Methode finden Spin-On-Materialien Verwendung, um die Hohlräume zwischen den Leiterbahnen abzudecken. Der Nachteil dieser Methode liegt im Nachfluss der Materialien in die Hohlräume.

Eine vierte Methode ist in der US 96-631391 beschrieben. Dabei wird auf die durch Gräben und Stege strukturierte Leiterbahnschicht eine Folie aufgelegt. Eine solche Folie hat eine Mächtigkeit von mindestens mehreren Mikrometern, um sicher verarbeitet werden zu können. Dadurch ergeben sich wie oben große Abstände zwischen den Leiterbahnebenen, mit den beschriebenen Nachteilen bei der Durchkontaktierung mittels Vias.

Eine fünfte Methode ist die Retropolymerisation von Polynorbornen, das temporär die Hohlräume zwischen den Leiterbahnen füllt. Bei dieser Methode können unvermeidbare Rückstände der Retropolymerisation zu kurzschlusskritischen Clustern führen. Ferner wird die Wahl des Dielektrikums zwischen Leiterbahnschichten eingeschränkt, da das Material durchlässig für die bei der Retropolymerisation entstehenden flüchtigen Substanzen sein muss.

Ähnliche Nachteile ergeben sich bei der sechsten Methode, der thermischen Zersetzung einer temporären Füllung der Hohlräume zwischen den Leiterbahnen. Die bei der Zersetzung entstehenden Substanzen müssen durch die Deckschicht getrieben werden, was die Materialwahl einschränkt. Die unzersetzbaren Rückstände in den Hohlräumen erhöhen die Permittivität bzw. verringern die Kurzschlusssicherheit.

Nach einer siebten Methode wird auf den durch die Leiterbahnen gebildeten Stegen ein Dielektrikum aufgetragen, dieses soweit angeschmolzen, dass sich diese Schicht über die Leiterbahn herauswölbt, und sich die Auswölbungen der Deckschicht eng benachbarter Leiterbahnen schließlich berühren und den dazwischenliegenden Graben überbrücken.

Zur näheren Beschreibung der oben genannten Methoden wird auf die nachstehende Literatur verwiesen:
B. P. Shieh, et al., "Air-gap Formation During IMD Deposition to Lower Interconnect Capacitance", IEEE Electron Device Letters, Vol. 19, No. 1, pp. 16-18, Jan. 1998.
M. B. Anand, M. Yamada, H. Shibata, "NURA: A Feasible, Gas Dielectric Interconnect process", Symp. on VLSI Technology, pp. 82, 83, June 1996.
T. Ueda, et al., "A Novel Air Gap Integration Scheme for Multi-level Interconnects using Self Aligned Via Plugs", Symp. on VLSI Technolgy, pp. 46, 47, June 1998.
L. C. Bassmann, R. P. Vinci, B. P. Shieh, D.-K. Kim, J. P. McVittie, K. C. Saraswat, M. D. Deal; "Simulation of the Effect of Dielectric Air Gaps on Interconnect Reliability", Proc. Mater. Res. Soc. Symp., San Fransisco, pp. 323-328, 1997.
J. G. Fleming, E. Roherty-Osmum, "Use of Air-Gap Structures to Lower Intralevel Capacitance", Proc. DUMIC, pp. 139-145, 1997.
P. A. Kohl, B. F. Goodrich: "Airgaps zwischen Metall-Linien, oben und unten SiO₂ mit DK = 4,0 ergibt eine effektive DK von 2,8. Polynorbornen zwischen den Metallbahnen wird durch Retropolymersation nahezu vollständig entfernt", Mitteilung nach dem Meeting of the Electrochemical Society, San Diego, May 3-8, 1998.
D. B. Noddin, C. T. Rosenmayer; US 96-631391
A. R. Reinberg; US-Patent 5.599.745 "Method to Provide a Void between Adjacent Conducting Lines in a Semiconductor Device"

Zusammenfassend liegen die Nachteile der beschriebenen Methoden begründet in:

- Rückständen in den Hohlräumen, die die Permittivität erhöhen und/oder die Kurzschlusssicherheit senken;
- der erforderlichen Mächtigkeit der die Gräben abdeckenden Schicht und die dadurch implizierte erschwerte Realisierung von Durchkontaktierungen (Vias);
- der Prozessintegration.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem strukturierte Hohlräume mit Submikrometer-Abmessungen in einer Hohlraumschicht einer Halbleitereinrichtung mit in der Halbleiterprozesstechnik üblichen Verfahren, Mitteln und Materialien geschaffen werden können. Dabei sollen die Hohlräume frei von Rückständen sein und eine die Hohlraumschicht abdeckende Schicht soll eine Stärke von einem Mikrometer nicht übersteigen.

Diese Aufgabe wird mit einem die folgenden Schritte umfassenden Verfahren gelöst:

1. Aufbringen einer zunächst kompakten, zumindest abschnittsweise aus einem Arbeitsmaterial gebildeten Arbeitsschicht auf einer Grundschicht,
2. Aufbringen einer Prozessschicht auf die kompakte Arbeitsschicht, wobei eine Doppelschicht aus der Arbeitsschicht und der Prozessschicht entsteht und die Prozessschicht mindestens eine aus einem polymerisierbaren Prozessmaterial bestehende aktive Prozessteilschicht aufweist,
3. Strukturieren der Doppelschicht, wobei mit mindestens dem Prozessmaterial bedeckte Stege mit Submikrometer- Abmessungen aus dem Arbeitsmaterial und zwischen den Stegen Gräben entstehen,
4. Steuern einer Polymerisation des Prozessmaterials, wobei auf das auf benachbarten Stegen aufliegende Prozessmaterial weiteres Material aufwächst, so dass zwischen den Stegen liegende Gräben überdeckt und Hohlräume ausgebildet werden, und
5. Austreiben von Prozessrückständen aus den Hohlräumen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine zunächst kompakte Arbeitsschicht auf einer Grundschicht und anschließend eine Prozessschicht auf der Arbeitsschicht aufgebracht, so dass eine Doppelschicht aus der Arbeitsschicht und der Prozessschicht entsteht.

Die Prozessschicht kann aus mehreren Prozessteilschichten aufgebaut sein. Sie weist aber in jedem Fall mindestens eine aus einem polymerisierbaren Prozessmaterial bestehende aktive Prozessteilschicht auf. Die aktive Prozessteilschicht liegt bevorzugt direkt auf der Arbeitsschicht auf.

Die aus der Prozessschicht und der Arbeitsschicht gebildete Doppelschicht wird in der Folge strukturiert. Dabei entstehen mit mindestens dem Prozessmaterial bedeckte Stege aus einem Arbeitsmaterial, sowie zwischen den Stegen Gräben. Die Stege und die Gräben weisen Submikrometer-Abmessungen auf.

Auf den Stegen verbliebene remanente Abschnitte des Prozessmaterials werden in geeigneter Weise vorbereitet, um eine anschließende Polymerisation bevorzugt in lateraler Richtung parallel zur Grundschicht anzuregen, bei der weiteres Material auf das Prozessmaterial aufwächst.

Eine erste Methode dazu ist das Abdecken der aktiven Prozessteilschicht in vertikaler Richtung parallel zur Grundschicht durch eine passive Prozessteilschicht.

Die aktive Prozessteilschicht ist also an den zur Grundschicht parallelen Oberflächen abgeschirmt, während Seitenflächen, die an den Flanken der Stege angeordnet sind, freigestellt bleiben. Es kann daher ein selektives Aufwachsen von weiterem Material erreicht werden.

Eine zweite Methode ist das Verstärken der der Arbeitsschicht gegenüberliegenden Oberfläche der aktiven Prozessteilschicht, so dass an dieser Oberfläche das Anwachsen von Material während einer Polymerisation verhindert wird. In diesem Fall kann dann auch die aktive Prozessteilschicht einzige Prozessteilschicht der Prozessschicht sein.

Die Polymerisation des Prozessmaterials erfolgt gesteuert. Das Prozessmaterial expandiert vorrangig parallel zur Grundschicht. Dadurch wachsen die auf benachbarten Stegen angeordneten Schichten des Prozessmaterials aufeinander zu, so dass schließlich Gräben abgedeckt werden.

Die Polymerisation wird abgebrochen, sobald das expandierende Prozessmaterial Gräben mit einer Weite kleiner einer maximalen Deckweite frei tragend überdeckt.

Durch das Überdecken der Gräben und das Entfernen von Prozessrückständen aus den Gräben entstehen Hohlräume.

Die Grundschicht wird in bevorzugter Weise als Ätzstopp- Schicht ausgebildet, die robust gegen ein Ätzen der Arbeitsschicht ist. Das Material der Arbeitsschicht kann in zu ätzenden Abschnitten vollständig entfernt werden, ohne dass an eine Prozesssteuerung zusätzliche Anforderungen, etwa zur Steuerung der Ätzdauer, zu stellen sind. Dadurch vereinfacht sich das Strukturieren der Arbeitsschicht.

Ist das Material der Stege der Arbeitsschicht ein leitfähiges, etwa Kupfer, dann ist eine aus der Arbeitsschicht entwickelte Hohlraumschicht als Leiterbahnschicht ausgebildet.

Wird dagegen mit der Hohlraumschicht eine kapazitive Entkopplung zweier Leiterbahnschichten bezweckt, wird als Material der Stege ein Dielektrikum niedriger Permittivität gewählt.

Die Gräben in der Arbeitsschicht reichen in bevorzugter Weise bis zur Grundschicht, um eine möglichst hohe Gesamt- Permittivität zwischen benachbarten, als Leiterbahnen ausgeführten Stegen, zu erzielen.

Die Polymerisation erfolgt bevorzugterweise als Pfropfpolymerisation.

Das Strukturieren der aus der kompakten Arbeitsschicht und der Prozessschicht gebildeten Doppelschicht kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

Ein erstes Verfahren geht von einer kompakten, homogen ausgeprägten Arbeitsschicht aus dem leitfähigen Material und einer darauf aufgebrachten Prozessschicht aus.

Auf der Prozessschicht wird ein Photoresist aufgebracht und strukturiert. Anschließend wird die Struktur des Photoresists auf die Prozessschicht, danach die Struktur der Prozessschicht auf die Arbeitsschicht abgebildet.

Der Photoresist wird in bevorzugter Weise beim Strukturieren der Arbeitsschicht aufgebraucht. Er kann aber auch in einem eigenen Verfahrensschritt entfernt werden oder auf der Prozessschicht verbleiben.

Das Material der Prozessschicht ist in bevorzugter Weise ein fluorierter Kohlenwasserstoff (a-C:H(F)).

Die Prozessschicht wird in der Regel mit einem ätzenden Verfahren strukturiert. Bevorzugt werden deshalb nach dem Strukturieren des Photoresists dessen verbleibende, remanente Abschnitte in ihrer Ätzresistenz verstärkt.

In bevorzugter Weise erfolgt das Verstärken durch Silylieren. Dabei werden siliziumhaltige Gruppen in den Photoresist eingeführt. Der Photoresist weist dazu entsprechende reaktive Gruppen auf.

Ein zweites Verfahren zum Strukturieren der aus der Arbeits- und der Prozessschicht gebildeten Doppelschicht geht von einer kompakten, aus dem Arbeitsmaterial und einem Hilfsmaterial in üblicher Technik vorstrukturierten Arbeitsschicht aus. Die vorstrukturierte Arbeitsschicht weist aus dem Arbeitsmaterial bestehende erste Abschnitte und aus dem Hilfmaterial bestehende zweite Abschnitte auf. Dabei werden aus den ersten Abschnitten später die Stege und aus den zweiten Abschnitten die Gräben ausgebildet. An der der Grundschicht gegenüberliegenden Oberfläche der Arbeitsschicht weist die Arbeitsschicht eine Arbeitsfläche auf, die abschnittsweise aus den Oberflächen der aus dem Hilfsmaterial bestehenden ersten Abschnitte und den Oberflächen der aus dem Arbeitsmaterial bestehenden zweiten Abschnitte gebildet wird.

In einem ersten Schritt des zweiten Verfahrens zum Strukturieren der Doppelschicht aus Arbeits- und Prozessschicht wird die Prozessschicht derart strukturiert, dass sie auf den aus dem Arbeitsmaterial gebildeten Abschnitten der Arbeitsfläche verbleibt und von den aus dem Hilfsmaterial gebildeten Abschnitten der Arbeitsfläche entfernt wird.

In einem zweiten Schritt wird anschließend das Hilfsmaterial entfernt.

In einer ersten Variante des Strukturierens der auf einer vorstrukturierten Arbeitsschicht aufliegenden Prozessschicht im Zuge des Strukturierens einer aus der Prozess- und der Arbeitsschicht gebildeten Doppelschicht ist das Prozessmaterial ein positiver, zur Polymerisation geeigneter Photoresist.

Das Strukturieren der Prozessschicht erfolgt in diesem Fall direkt durch ein lithographisches Verfahren. Dabei können der Arbeitsschicht gegenüber liegende Oberflächen von remanenten Abschnitten der Prozessschicht verstärkt werden, so dass eine anschließende Polymerisation in bevorzugter Weise lateral, an den nicht verstärkten und durch das Strukturieren freiwerdenden, zur Grundschicht vertikalen Oberflächen und damit parallel zur Grundschicht erfolgt.

In einer zweiten Variante des Strukturierens der auf einer vorstrukturierten Arbeitsschicht aufliegenden Prozessschicht im Zuge des Strukturierens einer aus der Prozess- und der Arbeitsschicht gebildeten Doppelschicht wird die Prozessschicht in Form einer aktiven Prozessteilschicht aus einem polymerisierbaren Prozessmaterial und einer passiven Prozessteilschicht vorgesehen. Dabei liegt die aktive Prozessteilschicht auf der Arbeitsschicht und die passive Prozessteilschicht auf der aktiven Prozessteilschicht auf. Die passive Prozessteilschicht ist gegenüber einer Polymerisation inert. Sie besteht beispielsweise aus einer amorphen Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H).

Das Strukturieren erfolgt durch das Aufbringen, bildmäßige Belichten und Entwickeln eines Hilfsphotoresists gemäß der Struktur der Arbeitsschicht. Dabei verbleiben remanente Abschnitte des Hilfsphotoresists durch die Prozessschicht getrennt über den zu Stegen zu entwickelnden und aus dem Arbeitsmaterial gebildeten ersten Abschnitten der vorstrukturierten Arbeitsschicht.

Die Struktur des Hilfsphotoresists wird anschließend in die Prozessschicht übertragen.

Das Entfernen des Hilfsphotoresists erfolgt in bevorzugter Weise während des Entfernens des Hilfsmaterials aus der Arbeitsschicht. Dazu wird beispielsweise ein Plasma verwendet, das sowohl den Hilfsphotoresist als auch das Hilfsmaterial abträgt.

Der Hilfsphotoresist kann aber auch vor oder nach dem Entfernen des Hilfsmaterials in einem besonderen Verfahrensschritt entfernt werden. Seine remanenten Abschnitte können auch auf der Prozessschicht verbleiben, wenn das Material des Hilfsphotoresists ein Material niedriger Permittivität ist und sich bei einem späteren Ätzvorgang, etwa zur Erzeugung von Durchkontaktierungen, in gleicher Weise bearbeiten lässt, wie eine nachträglich aufgebrachte Deckschicht.

In bevorzugter Weise weist die aktive Prozessteilschicht dieser Variante einen Sensibilisator auf. Der Sensibilisator ist bevorzugterweise ein Benzophenon-, Cumarin- oder Thioxanthonderivat.

Die passive Prozessteilschicht ist ein amorpher Kohlenwasserstoff, der die aktive Prozessteilschicht während des Entwickelns des aufliegenden Hilfsphotoresists schützt und/oder eine anschließende Polymerisation der aktiven Prozessteilschicht in einer vertikalen, zur Grundschicht senkrechten Richtung, verhindert.

Der Hilfsphotoresist kann nach der Entwicklung in seiner Ätzresistenz verstärkt werden.

Mit den oben beschriebenen Verfahren und Verfahrensvarianten wird also in der Arbeitsschicht eine Struktur in Submikrometer-Abmessungen, bestehend aus Stegen und Gräben, erzeugt. Dabei tragen die Stege Kappen aus dem oder den Materialen der Prozessschicht, die abhängig vom zur Strukturierung der Doppelschicht aus Arbeits- und Prozessschicht angewendeten Verfahren wie folgt beschaffen sein können:

- einschichtige Kappe aus einem polymerisierbaren Material, wobei die der Arbeitsschicht gegenüberliegende Oberfläche der Kappe so präpariert ist, dass sie nicht oder wenig polymerisiert.
- zweischichtige Kappe, wobei auf einer unteren polymerisierbaren Teilschicht eine weitere nicht polymerisierbare Teilschicht aufliegt, die ein Aufwachsen vertikal zur Grundschicht verhindert.

Ausgehend von einer solchen auf der Grundschicht befindlichen Struktur aus mindestens doppelschichtigen Stegen wird im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Polymerisation des Prozessmaterials gesteuert.

Dabei wird in einem ersten Teilschritt die Polymerisation ausgelöst und in einem zweiten Teilschritt fortgeführt.

Die Abfolge aus Auslösung und Fortführung bildet einen Prozesszyklus, der solange wiederholt wird, bis das sich durch Inkorporieren von Monomeren ausdehnende, auf den Stegen aufliegende Prozessmaterial zwischen benachbarten Stegen befindliche Gräben mit einer Weite an ihrer Oberkante kleiner einer maximalen Deckweite frei tragend überdeckt.

Das Auslösen der Polymerisation erfolgt in einer ersten bevorzugten Weise durch Belichten des Prozessmaterials.

In einer zweiten bevorzugten Weise wird die Polymerisation durch Radikalstarterverbindungen initiiert.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zufuhr der Monomere in der Gasphase.

Nach einer zweiten Ausführungsform werden die Monomere in einer Lösung an das Prozessmaterial herangeführt.

Die Polymerisation wird durch Erhitzen auf eine erste Temperatur abgeschlossen.

Bei der Polymerisation werden in den durch Abdecken der Gräben entstandenen Hohlräumen Monomere und, für den Fall, dass in Lösung gearbeitet wird, die Lösungsflüssigkeit eingeschlossen. Diese Prozessrückstände können durch ein Erhitzen auf eine zweite Temperatur aus den entstandenen Hohlräumen ausgetrieben werden.

Bevorzugterweise sind die erste und die zweite Temperatur gleich, so dass beide Vorgänge in einem Verfahrensschritt erfolgen.

Auf die typischerweise nur 20-200 nm starke, polymerisierte Prozessschicht kann im weiteren Prozessverlauf eine Deckschicht aus einem Dielektrikum niedriger Permittivität aufgebracht werden. In bevorzugter Weise handelt es sich um ein organisches Dielektrikum. Ein solches kann etwa Polybenzoxazol, Polyarylether, Hydrogen-Silesquioxan, ein fluorierter organischer Silica CVD-Film oder ein fluorierter oder nicht fluorierter Kohlenwasserstoff sein. In die Doppelschicht aus der polymerisierten Prozessschicht und der Deckschicht aus einem organischem Dielektrikum lassen sich im Folgenden in gleicher Weise innerhalb eines Prozessschrittes Kontaktlöcher ätzen.

Als Material der Deckschicht ist aber auch Siliziumdioxid geeignet.

Die kapazitive Kopplung zweier aus Stegen entwickelten Leiterbahnen ist abhängig von der Permittivität des die Leiterbahnen trennenden Materials und dem Abstand der Leiterbahnen zueinander. Bei größerem Abstand der Leiterbahnen kann für eine gleiche kapazitive Kopplung eine höhere Permittivität des zwischen den Leiterbahnen befindlichen Materials zugelassen werden.

Sofern also die bei einem größeren Abstand der benachbarten Stege Gräben durch anwachsendes Material nicht abgedeckt und mit einem Material niedriger Permittivität gefüllt werden, ergibt sich aus solchen offenen Strukturen kein Nachteil in der Anwendung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Halbleitereinrichtung erzeugt, die in einer Hohlraumschicht nahezu ideale Hohlräume aufweist. Die Hohlräume weisen eine nahezu geringstmögliche Permittivität auf. Aus solche Hohlräume begrenzenden Stegen entwickelte Leiterbahnen sind bestmöglich voneinander entkoppelt.

Gegenstand der Erfindung ist daher auch eine Anordnung in einer Halbleitereinrichtung, umfassend

- eine Grundschicht,
- eine sich darauf befindende Hohlraumschicht mit einer Struktur in Submikrometer-Abmessungen, bestehend aus Stegen aus einem Arbeitsmaterial und Hohlräumen, und
- eine polymerisierte Prozessschicht, die auf den Stegen aufliegt und die Hohlräume abdeckt.

Bevorzugt weist die Prozessschicht eine Stärke von weniger als 100 Nanometer auf.

In bevorzugter Weise besteht die Grundschicht aus einer Ätzstopp-Schicht wie Siliziumnitrid.

In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen die Stege aus einem leitfähigen Material und in wiederum bevorzugter Weise aus Kupfer.

Die Anordnung kann um eine Deckschicht erweitert werden, die auf der polymerisierten Prozessschicht aufliegt.

Die Deckschicht besteht in bevorzugter Weise aus einem organischen Dielektrikum, so dass in der Folge, etwa beim Erzeugen von Durchkontaktierungen die Deckschicht und die Prozessschicht in gleicher Weise bearbeitet werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Beispielen näher erläutert. In den Zeichnungen werden für einander entsprechende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Es zeigen und beschreiben:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung
Fig. 2 eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 3 eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 4 eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
Im in Fig. 1 gezeigten Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung besteht die Hohlraumschicht 3 aus drei parallel verlaufenden Stegen 5 aus einem leitfähigen Material und zwei dazwischenliegenden Hohlräumen 7. Die Hohlräume 7 werden unten von einer Grundschicht 2 und oben von einer polymerisierten Prozessschicht 9 abgeschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich auf der Prozessschicht 9 eine Deckschicht 10 aus einem organischen Dielektrikum. Die Stege 5 und die Hohlräume 7 weisen Submikrometer-Abmessungen auf. Die Deckschicht 10 weist eine Stärke von etwa 40-100 nm auf.
In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einer ersten Ausführungsvariante dargestellt, wobei die Arbeitsschicht 1 als kompakte, vorstrukturierte Arbeitsschicht auf einer Grundschicht 2 aufgebracht wird und während der Polymerisation die Monomere als Prozessgas zugeführt werden.
Fig. 2a zeigt eine auf einer Grundschicht 2 aufgebrachte, zunächst noch kompakte, vorstrukturierte Arbeitsschicht 1. In der Arbeitsschicht sind bereits erste Abschnitte 5 aus dem Arbeitsmaterial in Submikrometer-Abmessungen vorgesehen, aus denen im weiteren Verlauf Stege 5 entwickelt werden. Aus zwischen den ersten Abschnitten 5 befindlichen, mit einem Hilfsmaterial gefüllten zweiten Abschnitten 6b werden im weiteren Verlauf Gräben 6 und später Hohlräume 7 gebildet. Auf der der Grundschicht 2 gegenüberliegenden Oberfläche der Arbeitsschicht ist eine Arbeitsfläche 13 ausgebildet, die abschnittsweise aus den Oberflächen 5a der ersten Abschnitte 5 und den Oberflächen 6a der zweiten Abschnitte 6b gebildet wird.
Auf der Arbeitsfläche 13 wird eine Prozessschicht 9 aus einem Prozessmaterial aufgebracht. Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist in Fig. 2b dargestellt.
Das Prozessmaterial ist bei der ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ein polymerisierbarer, positiver Photoresist, der im nächsten Verfahrensschritt in einem lithographischen Verfahren strukturiert, also bildmäßig belichtet und entwickelt wird. Dabei erfolgt das Strukturieren in einer Weise, bei der das Prozessmaterial nach dem Entwickeln auf den von den Oberflächen 5a der ersten Abschnitte 5 gebildeten Abschnitten der Arbeitsfläche 13 verbleibt und von den aus den Oberflächen 6a der zweiten Abschnitte 6b entfernt wird.
Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist in Fig. 2c dargestellt.
Anschließend wird das Hilfsmaterial aus den sich zwischen den Stegen 5 befindenden Bereichen entfernt, wodurch Gräben 6 entstehen.
Fig. 2d zeigt die auf der Grundschicht 2 verbleibenden, mit Kappen aus dem Prozessmaterial der Prozessschicht 9 bedeckten Stege 5 aus dem Arbeitsmaterial.
Im nächsten Verfahrensschritt wird die Polymerisation ausgelöst, etwa durch das Erzeugen von Radikalen im Prozessmaterial. Anschließend werden in geeigneter Weise Monomere zugeführt.
Das sich durch die Polymerisation ausdehnende Prozessmaterial der Prozessschicht 9 beginnt ausgehend von den Stegen 5 die Gräben 6 zu überdecken. Die Polymerisation wird abgebrochen, sobald das Prozessmaterial Gräben 6 mit einer Weite kleiner einer maximalen Deckweite frei tragend überspannt. Aus den überdeckten Gräben werden eingeschlossene Monomere ausgetrieben.
In Fig. 2e ist der Zustand nach dem Austreiben der Monomere festgehalten. Der rechte, als Hohlraum 7 gekennzeichnete ehemalige Graben mit einer Weite unterhalb der maximalen Deckweite ist komplett abgedeckt.
Der linke Graben mit einer Weite größer als der maximalen Deckweite ist nicht abgedeckt.
Solche offenen Gräben werden in einem weiteren Verfahrensschritt, typischerweise beim Aufbringen einer die polymerisierte Prozessschicht verstärkenden Deckschicht, verfüllt.
Die kapazitive Kopplung zweier aus Stegen 5 entwickelten Leiterbahnen ist abhängig von der Permittivität des die Leiterbahnen trennenden Materials und dem Abstand der Leiterbahnen zueinander. Bei größerem Abstand der Leiterbahnen kann für eine gleiche kapazitive Kopplung eine höhere Permittivität des zwischen den Leiterbahnen befindlichen Materials zugelassen werden.
Sofern also die bei einem größeren Abstand der benachbarten Stege 5 offen bleibenden Gräben mit einem Material niedriger Permittivität gefüllt werden, ergibt sich aus solchen offenen Strukturen kein Nachteil in der Anwendung.
In Fig. 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einer zweiten Variante dargestellt, wobei auf einer Grundschicht 2 eine kompakte, homogene Arbeitsschicht 1 aus einem Arbeitsmaterial aufgebracht wird und während der Polymerisation die Monomere in gasförmiger Form zugeführt werden.
Fig. 3a zeigt die auf der Grundschicht 2 aufgebrachte, homogene Arbeitsschicht 1, auf der anschließend eine Prozessschicht 9 aus dem Prozessmaterial aufgebracht wird.
Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist in Fig. 3b dargestellt. Auf der Prozessschicht 9 wird im nächsten Verfahrensschritt ein Photoresist 4 aufgebracht und strukturiert, also bildmäßig belichtet und entwickelt.
Der Zustand nach dem Strukturieren des Photoresists 4 ist in Fig. 3c dargestellt. Vor dem nächsten Verfahrensschritt, dem Abbilden der Struktur des Photoresists 4 in die Prozessschicht 9, wird der Photoresist 4 bei Bedarf verstärkt.
Fig. 3d zeigt die auf der noch unstrukturierten Arbeitsschicht 1 befindliche, jetzt strukturierte Prozessschicht 9 mit remanenten Abschnitten des Photoresists 4. In der Folge wird die Struktur weiter in die Arbeitsschicht 1 abgebildet, wobei bevorzugterweise gleichzeitig der Photoresist 4 aufgebraucht wird. Das Entfernen des Photoresist 4 kann aber auch in einem eigenen Verfahrensschritt vor oder nach dem Strukturieren der Arbeitsschicht 1 erfolgen.
Fig. 3e zeigt sich auf der Grundschicht 2 befindende Stege 5 aus einem Arbeitsmaterial, bedeckt mit remanenten Abschnitten der Prozessschicht 9. Die aus den Stegen 5 und zwischen den Stegen 5 befindlichen Gräben 6 gebildeten Strukturen weisen dabei in vertikaler und horizontaler Richtung Submikrometer-Abmessungen auf.
Im Folgenden wird durch Erzeugen von Radikalen eine Polymerisation des Prozessmaterials ausgelöst und durch Zuführen von Monomeren in gasförmiger Form fortgeführt. Durch die Aufnahme der Monomere dehnt sich das auf den Stegen 5 aufliegende Prozessmaterial der Prozessschicht 9 aus und beginnt, ausgehend von den Stegen 5, die dazwischenliegenden Gräben 6 zu überdecken. Die Polymerisation wird abgebrochen, sobald das Prozessmaterial Gräben 6 mit einer Weite unterhalb einer maximalen Deckweite frei tragend überdeckt. Anschließend werden in den überdeckten Gräben eingeschlossene Prozessrückstände ausgetrieben.
Das Ergebnis der so gesteuerten Polymerisation ist in Fig. 3f dargestellt.
Ein rechter, als Hohlraum 7 gekennzeichneter, ehemaliger Graben mit einer Weite kleiner der maximalen Deckweite ist komplett abgedeckt. Ein linker Graben 6 mit einer Weite größer der maximalen Deckweite wird dagegen nicht vollständig abgedeckt.
Offene Gräben 6 werden beim anschließenden Aufbringen einer die polymerisierte Prozessschicht verstärkenden Deckschicht gefüllt.
In Fig. 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einer dritten Variante dargestellt, wobei die Arbeitsschicht 1 als kompakte, vorstrukturierte Arbeitsschicht auf einer Grundschicht 2 aufgebracht und die Polymerisation in einer Lösung gesteuert wird.
Fig. 4a zeigt eine auf eine Grundschicht 2 aufgebrachte, zunächst noch kompakte, vorstrukturierte Arbeitsschicht 1. In der Arbeitsschicht sind erste Abschnitte 5 aus dem Arbeitsmaterial in Submikrometer-Abmessungen vorgesehen, aus denen im weiteren Verlauf Stege 5 entwickelt werden. Zwischen den ersten Abschnitten 5 befindliche zweite Abschnitte 6b sind mit einem Hilfsmaterial gefüllt. Auf der der Grundschicht 2 gegenüberliegenden Oberfläche der Arbeitsschicht 1 ist eine Arbeitsfläche 13 ausgebildet, die abschnittsweise aus den Oberflächen 5a der ersten Abschnitte 5 und den Oberflächen 6a der zweiten Abschnitte 6b gebildet wird.
Auf die Arbeitsfläche werden nacheinander jeweils ganzflächig eine aktive Prozessteilschicht 11 aus einem polymerisierbaren Prozessmaterial, eine passive Prozessteilschicht 12 aus einem amorphen Kohlenwasserstoff (a-C(H)-Schicht) und ein Hilfsphotoresist 14 aufgebracht.
Es entsteht ein in Fig. 4b dargestelltes Schichtsystem. Der Hilfsphotoresist 14 wird in einem lithographischen Verfahren strukturiert. Das Strukturieren erfolgt dabei in einer Weise, dass remanente Abschnitte des Hilfsphotoresists 14 über von den Oberflächen 5a der ersten Abschnitte 5 gebildeten Abschnitten der Arbeitsfläche 13 und durch die beiden Prozessteilschichten 11, 12 von der Arbeitsfläche 13 getrennt, verbleiben.
Das Schichtsystem mit einem auf diese Weise strukturierten Hilfsphotoresist 14 ist in Fig. 4c dargestellt.
Der Hilfsphotoresist 14 wird anschließend gegen den nächsten Verfahrensschritt verstärkt. Im nächsten Verfahrensschritt werden die beiden Prozessteilschichten 11, 12 gemäß der aufliegenden Struktur des Hilfsphotoresists 14 strukturiert.
Fig. 4d zeigt das Schichtsystem nach dem Strukturieren der Prozessteilschichten 11, 12. Auf remanenten Abschnitten der Prozessteilschichten 11, 12 liegen remanente Abschnitte des Hilfsphotoresists 14 auf.
Die remanenten Abschnitte des Hilfsphotoresists 14 werden im nächsten Verfahrensschritt entfernt.
Fig. 4e zeigt das Schichtsystem nach dem Entfernen des Hilfsphotoresists 14.
Anschließend wird das Hilfsmaterial der zweiten Abschnitte 6b entfernt, wodurch Gräben 6 und Stege 5 entstehen.
Fig. 4f zeigt die auf der Grundschicht 2 verbleibenden, mit doppelschichtigen Kappen aus dem polymerisierbaren Prozessmaterial der aktiven Prozessteilschichten 11 und dem Material der passiven Prozessteilschicht 12 bedeckten Stege 5 aus dem Arbeitsmaterial und die zwischen den Stegen 5 befindlichen Gräben 6.
Das in Fig. 4f dargestellte Schichtsystem wird mindestens bis zur Oberkante der aktiven Prozessteilschicht 11 mit einer ein Monomer enthaltende Prozessflüssigkeit 8 bedeckt und mit Licht einer eine Polymerisation auslösende Wellenlänge bestrahlt.
Durch die Belichtung wird an zur Grundschicht 2 vertikalen und nach dem Strukturieren frei liegenden Oberflächen der aktiven Prozessteilschicht 11 eine Polymerisation ausgelöst.
Wie in Fig. 4g dargestellt, beginnt sich das polymerisierende Prozessmaterial der aktiven Prozessteilschicht 11 parallel zur Grundschicht 2 auszudehnen und beginnend von der Oberfläche der Stege 5 aus angrenzende Gräben 6 zu überdecken. Die aufliegenden remanenten Abschnitte der passiven Prozessteilschicht 12 verhindern dabei zunächst eine Polymerisation in vertikaler Richtung, also senkrecht zur Grundschicht 2. Die an der Polymerisation beteiligten Monomere sind in der Prozessflüssigkeit 8 enthalten.
Gräben mit einer Weite kleiner der maximalen Deckweite werden, wie in Fig. 4h (rechts) dargestellt, abgedeckt. Aus den durch Abdecken von Gräben 6 entstandenen Hohlräume 7 wird die Prozessflüssigkeit 8 entfernt, indem sie gasförmig durch die polymerisierte Prozessschicht 11 getrieben wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Deckschicht aus einem Dielektrikum aufgebracht, wobei nicht abgedeckte Gräben mit dem Dielektrikum der Deckschicht gefüllt werden. Man erhält einen in Fig. 1 schematisch dargestellten Aufbau mit einer Deckschicht 10.

Beispiel 1 (zu Fig. 2)

Auf der Oberfläche eine Siliziumwafers wird eine Siliziumnitridschicht als Grundschicht aufgebracht. Auf der Siliziumnitridschicht wird weiter eine 200 nm starke Siliziumdioxidschicht abgeschieden und mittels Elektronenstrahllithographie strukturiert. Dabei entstehen in der Siliziumdioxidschicht 100 nm breite und 200 nm tiefe, bis zur Siliziumnitridschicht reichende Hilfsgräben.
Auf die so erzeugten Strukturen wird Kupfer gesputtert bis mindestens die Hilfsgräben vollständig mit Kupfer gefüllt sind. Danach wird über die Hilfsgräben hinausstehendes Kupfer bis zur Oberkante der Hilfsgräben abgeschliffen.
Es entsteht eine kompakte, vorstrukturierte Arbeitsschicht, in der die späteren Stege aus Kupfer fertig ausgeprägt sind, und sich zwischen den Stegen Siliziumdioxid als Hilfsmaterial befindet. Auf der der Siliziumnitridschicht gegenüberliegenden Oberfläche der Arbeitsschicht ist eine Arbeitsfläche ausgebildet, die sich abschnittsweise aus den Oberflächen der Stege aus Kupfer und den Oberflächen der mit Siliziumdioxid gefüllten Gräben zusammensetzt.
Die Arbeitsfläche wird mit einem positiv strukturierbaren Polybenzoxazol mit Hexafluorisopropylgruppen belackt. Mit einem lithographischen Verfahren wird das Polybenzoxazol von den aus den Oberflächen der mit Siliziumdioxid gefüllten Gräben gebildeten Abschnitten der Arbeitsfläche entfernt.
Danach wird das zwischen den Kupferstegen befindliche Siliziumdioxid mit einer gepufferten Fluorwasserstofflösung herausgeätzt, so dass auf der Siliziumnitridschicht mit dem Polybenzoxazol bedeckte, freistehende Kupferstege entstehen.
Die Polymerisation läuft in einer Reaktorkammer einer PECVD- Anlage mit bei einem Flächenverhältnis von 1 : 1 paralleler Plattenanordnung als Pfropfpolymerisation ab.
Die Polymerisation wird gestartet, indem bei einem Druck von 0,2 mbar für 30 Sekunden ein Wasserstoffplasma mit einer Leistung von 200 W gezündet wird.
Die Polymerisation wird fortgeführt, indem anschließend Styrol als Monomergas zugeführt und für zwei Minuten der Druck in der Reaktorkammer auf 200 mbar erhöht wird. Bei diesem Verfahrensschritt wird kein Plasma gezündet.
Der Zyklus aus Starten und Fortführen der Polymerisation wird fünfmal wiederholt. Das polymerisierende Polybenzoxazol überdeckt, ausgehend von der Oberfläche der Kupferstege angrenzende Gräben.
Danach wird der Siliziumwafer im Vakuum 20 Minuten lang auf 200 Grad Celsius geheizt, um die Polymerisation abzuschließen und um eingeschlossenes Monomergas abzupumpen.
Eine Inspektion mit dem REM (Röntgen-Elektronenstrahl- Mikroskop) ergibt, dass die 100 nm weiten Gräben durch das Polymer der Prozessschicht abgedeckt, und damit aus den Gräben Hohlräume entstanden sind.
Über die polymerisierte Prozessschicht wird ein weiteres Polybenzoxazol als Deckschicht abgeschieden. In der Folge können mit einem weiteren lithographischen Verfahren in üblicher Technik Kontaktlöcher zu den Kupferstegen geätzt werden, da das Material der polymerisierten Prozessschicht und das Material der Deckschicht in gleicher Weise ätzbar sind.
Nach einem Auffüllen der Kontaktlöcher mit einem Metall ist auf dem Siliziumwafer eine funktionale Ebene, bestehend aus der Grundschicht, der Arbeitsschicht, die funktional eine Leiterbahnschicht ist, und einer Dielektrikumschicht, bestehend aus der polymerisierten Prozessschicht und der Deckschicht, abgeschlossen.
Auf einer funktionalen Ebene des Siliziumwafers werden in gleicher Weise weitere funktionale Ebenen angeordnet.

Beispiel 2 (zu Fig. 3)

Auf der Oberfläche eines Siliziumwafers wird eine Grundschicht aus Siliziumnitrid aufgebracht. Anschließend wird auf die Siliziumnitridschicht ganzflächig eine 200 nm starke Kupferschicht gesputtert. Die Kupferschicht entspricht einer kompakten, homogenen Arbeitsschicht.
In einer Reaktorkammer einer PECVD-Anlage wird in einem PECVD-Verfahren mit den Prozessgasen Ethen und Octafluorcyclobutan auf der Kupferschicht eine Prozessschicht abgeschieden. Das Material der Prozessschicht ist ein amorpher, teilweise fluorierter Kohlenwasserstoff ((a-C:H(F)) mit einem Bandabstand größer 2 eV.
Die Prozessschicht wird mit einem CARL Elektronenstrahlresist belackt. In der Folge wird der CARL Elektronenstrahlresist in einem lithographischen Verfahren strukturiert und anschließend silyliert. Durch das Silylieren wird der CARL Elektronenstrahlresist gegen den folgenden Verfahrensschritt, einem Sauerstoff-Ätzen der Prozessschicht verstärkt.
Durch das Ätzen im Sauerstoff-Plasma wird die Prozessschicht gemäß der Struktur des CARL Elektronenstrahlresists strukturiert.
Schließlich wird die Struktur der Prozessschicht durch Ion- Beam-Etching in die Kupferschicht übertragen. Dabei werden remanente Abschnitte des CARL Elektronenstrahlresists aufgebraucht. In der Kupferschicht entstehen 100 nm weite Gräben.
Die Polymerisation wird in der Reaktorkammer der PECVD- Anlage als Pfropfpolymerisation gesteuert.
Dabei wird die Polymerisation gestartet, indem bei einem Druck von 0,2 mbar für 30 Sekunden ein Wasserstoffplasma mit einer Leistung von 200 W gezündet wird. Dabei entstehen durch Anätzen der Oberfläche der Prozessschicht Radikale.
Die Polymerisation wird fortgeführt, indem anschließend Styrol als Monomergas eingeleitet und für zwei Minuten der Druck in der Reaktorkammer auf 200 mbar erhöht wird.
Der Zyklus aus Starten und Fortführen der Polymerisation wird fünfmal wiederholt.
Danach wird der Siliziumwafer im Vakuum 20 Minuten lang auf 200 Grad Celsius geheizt, um die Polymerisation abzuschließen und um eingeschlossenes Monomergas abzupumpen.
Eine Inspektion an einem REM zeigt, dass die 100 nm weiten Gräben durch die polymerisierte Prozessschicht abgedeckt sind.
Über die polymerisierte Prozessschicht wird eine Deckschicht aus einem Dielektrikum abgeschieden.
In der Folge kann in gleicher Weise wie im Beispiel 1 beschrieben eine funktionale Ebene des Siliziumwafers erzeugt werden.

Beispiel 3 (zu Fig. 4)

Auf der Oberfläche eines Siliziumwafers wird eine Siliziumnitridschicht als Grundschicht aufgebracht. Auf der Siliziumnitridschicht wird weiter eine 200 nm starke Siliziumdioxidschicht abgeschieden und mittels Elektronenstrahllithographie strukturiert. Dabei entstehen in der Siliziumdioxidschicht 100 nm breite und 200 nm tiefe, bis zur Siliziumnitridschicht reichende Hilfsgräben.
Auf die so erzeugten Strukturen wird Kupfer gesputtert bis mindestens die Hilfsgräben vollständig mit Kupfer gefüllt sind. Danach wird über die Hilfsgräben hinausstehende Kupfer bis zur Oberkante der Hilfsgräben abgeschliffen.
Es entsteht eine kompakte, vorstrukturierte Arbeitsschicht, in der die späteren Stege aus Kupfer fertig ausgeprägt sind, und sich zwischen den Stegen Siliziumdioxid als Hilfsmittel befindet. Auf der der Siliziumnitridschicht gegenüberliegenden Oberfläche der Arbeitsschicht ist eine Arbeitsfläche ausgebildet, die sich abschnittsweise aus den Oberflächen der Stege aus Kupfer und den Oberflächen der mit Siliziumdioxid gefüllten Gräben zusammensetzt.
Die Arbeitsfläche wird mit einem polymerisierbaren Prozessmaterial belackt. Das polymerisierbare Prozessmaterial bildet eine 100 nm starke aktive Prozessteilschicht. Das Prozessmaterial besteht aus einem Lösungsmittel mit einem 10%igen Anteil an Isopropylstyrol und einem 1%igen Anteil an einem Benzophenonderivat als Sensibilisator.
Auf der aktiven Prozessteilschicht wird eine etwa 50 nm dünne passive Prozessteilschicht aus einem amorphen Kohlenwasserstoff (a-C:H) aufgebracht und auf dieser ein Hilfsphotoresist aufgebracht.
Der Hilfsphotoresist ist ein CARL Elektronenstrahlresist, der mittels eines lithographischen Verfahrens strukturiert und anschließend silyliert wird.
Das Strukturieren des CARL Elektronenstralresists erfolgt in einer Weise, dass remanente Abschnitte des CARL Elektronenstrahlresists über von den Oberflächen der Kupferstege gebildeten Abschnitten der Arbeitsfläche und durch die beiden Prozessteilschichten von der Arbeitsfläche getrennt, erzeugt werden.
Durch Ätzen im Sauerstoffplasma werden die Strukturen des CARL Elektronenstrahlresists in die a-C:H-Schicht und die aktive Prozessteilschicht übertragen.
Anschließend werden die remanenten Abschnitte des CARL Elektronenstrahlresists flutbelichtet und im alkalischen Entwickler gestrippt.
Danach wird das zwischen den Kupferstegen befindliche Siliziumdioxid mit einer gepufferten Fluorwasserstofflösung herausgeätzt, so dass auf der Siliziumnitridschicht mit doppelschichtigen Kappen aus dem Prozessmaterial und der a-C:H- Schicht bedeckte, freistehende Kupferstege entstehen.
Die Polymerisation erfolgt als Pfropfpolymerisation in einer mit Argon gespülten Glovebox.
Dazu wird der Siliziumwafer mit einer sauerstoffreien Lösung von 10% Styrol in Benzol bedeckt und mit Licht einer Wellenlänge von 365 nm belichtet.
Durch die Belichtung entstehen an den freiliegenden, den Gräben zugewandten Oberflächen der aktiven Prozessteilschicht Radikale.
Durch die Radikale wird eine Polymerisation der Styrollösung an der aktiven Prozessteilschicht ausgelöst. Dabei dehnt sich die aktive Prozessteilschicht aus und überdeckt die angrenzende Gräben.
Im Anschluss wird der Siliziumwafer mit Cyclohexan gespült und im Vakuum für 20 Minuten auf 200 Grad Celsius geheizt.
Durch das Heizen wird die Polymerisation abgeschlossen. Zugleich werden Rückstände der Styrollösung aus durch Abdecken der Gräben entstandenen Hohlräumen entfernt. Bezugszeichenliste 1 Arbeitsschicht
2 Grundschicht
3 Hohlraumschicht
4 Photoresist
5 Steg, erster Abschnitt der Arbeitsschicht 1
5a durch die Oberfläche eines ersten Abschnitts der Arbeitsschicht 1 gebildeter Abschnitt der Arbeitsfläche 13
6a durch die Oberfläche eines zweiten Abschnitts der Arbeitsschicht 1 gebildeter Abschnitt der Arbeitsfläche 13
6b zweiter Abschnitt der Arbeitsschicht 1
6 Graben
7 Hohlraum
8 Prozessflüssigkeit
9 Prozessschicht
10 Deckschicht
11 Aktive Prozessteilschicht
12 Passive Prozessteilschicht
13 Arbeitsfläche
14 Hilfsphotoresist

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen strukturierter Hohlräume (7) in Submikrometer-Abmessungen in einer Hohlraumschicht (3) einer Halbleitereinrichtung, umfassend die Schritte:

1. Aufbringen einer zunächst kompakten, zumindest abschnittsweise aus einem Arbeitsmaterial gebildeten Arbeitsschicht (1) auf einer Grundschicht (2),

2. Aufbringen einer Prozessschicht (9) auf die kompakte Arbeitsschicht (1), wobei eine Doppelschicht aus der Arbeitsschicht (1) und der Prozessschicht (9) entsteht und die Prozessschicht mindestens eine aus einem polymerisierbaren Prozessmaterial bestehende aktive Prozessteilschicht aufweist,

3. Strukturieren der Doppelschicht, wobei mit mindestens dem Prozessmaterial bedeckte Stege (5) mit Submikrometer-Abmessungen aus dem Arbeitsmaterial und zwischen den Stegen (5) Gräben (6) entstehen,

4. Steuern einer Polymerisation des Prozessmaterials, wobei auf das auf benachbarten Stegen (5) aufliegende Prozessmaterial weiteres Material aufwächst, so dass zwischen den Stegen (5) liegende Gräben (6) überdeckt und Hohlräume (7) ausgebildet werden, und

5. Austreiben von Prozessrückständen aus den Hohlräumen

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grundschicht (2) als Ätzstopp-Schicht ausgebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Arbeitsmaterial ein leitfähiges Material ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gräben (6) bis zur Grundschicht (2) ausgebildet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Polymerisation als Pfropfpolymerisation gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die kompakte Arbeitsschicht (1) als homogene Schicht aus dem Arbeitsmaterial aufgebracht wird und das Strukturieren der aus der Arbeits- und der Prozesschicht (1), (9) gebildeten Doppelschicht folgende Schritte umfasst:

1. Aufbringen eines Photoresists (4) auf der Prozessschicht (9),

2. Strukturieren des Photoresists (4),

3. Abbilden der Struktur des Photoresists (4) auf die Prozessschicht (9) und

4. Abbilden der Struktur der Prozessschicht (9) auf die Arbeitsschicht (1).

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Photoresist (4) beim Strukturieren der Arbeitsschicht (1) aufgebraucht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei das Prozessmaterial der Prozessschicht (9) ein amorpher Kohlenwasserstoff mit einem Bandabstand größer 2 eV ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Photoresist (4) nach dem Strukturieren in seiner Ätzresistenz verstärkt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die kompakte Arbeitsschicht (1) erste Abschnitte (5) umfasst, die aus dem Arbeitsmaterial gebildet sind, sowie zwischen den ersten Abschnitten (5) angeordnete zweite Abschnitte (6b), die aus einem Hilfsmaterial aufgebaut sind und das Strukturieren der aus der Arbeits- und der Prozessschicht (1), (9) gebildeten Doppelschicht folgende Schritte umfasst:

1. Strukturieren der Prozessschicht (9), wobei remanente Abschnitte des Prozessmaterials ausschließlich auf den von den Strukturen des Arbeitsmaterials gebildeten Abschnitten (5a) der Oberfläche der Arbeitsschicht (1) verbleiben.

2. Entfernen des Hilfsmaterials

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Prozessmaterial ein positiver Polybenzoxazol- Photoresist ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Prozessschicht (9) als Prozessdoppelschicht aus einer aktiven Prozessteilschicht (11) aus einem polymerisierbaren Material und einer auf der aktiven Prozessteilschicht (11) aufliegenden passiven Prozessteilschicht (12) ausgeführt wird und das Strukturieren der aus Arbeits- und Prozessschicht (1), (9) bestehenden Doppelschicht folgende Schritte umfasst:

1. Aufbringen eines Hilfsphotoresists (14),

2. Strukturieren des Hilfsphotoresists (14) und

3. Abbilden der Struktur des Hilfsphotoresists (14) auf die Prozessschicht (9).

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Hilfsphotoresist (14) nach dem Strukturieren der Prozessschicht (9) entfernt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die aktive Prozessteilschicht (11) einen Sensibilisator aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die passive Prozessteilschicht (12) eine Schicht aus amorphem Kohlenwasserstoff ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Hilfsphotoresist (14) nach seinem Strukturieren in seiner Ätzresistenz verstärkt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Steuern der Polymerisation folgende Schritte umfasst:

1. Auslösen der Polymerisation und

2. Fortführen der Polymerisation

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Auslösen und das Fortführen der Polymerisation solange wiederholt wird, bis das sich durch die Polymerisation ausdehnende und auf benachbarten Stegen der Arbeitsschicht aufliegende Prozessmaterial zwischen den Stegen (5) liegende Gräben (6) mit einer Weite kleiner als eine maximal Deckweite frei tragend überdeckt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, wobei die Polymerisation durch Belichtung ausgelöst wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, wobei die Polymerisation durch Radikalstarterverbindungen ausgelöst wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei zur Polymerisation beitragende Monomere in einer Lösung zugeführt werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei zur Polymerisation beitragende Monomere gasförmig zugeführt werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Austreiben von Prozessrückständen aus durch Polymerisation entstandenen Hohlräumen (7) bei einer ersten Temperatur erfolgt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Polymerisation bei einer zweiten Temperatur abgeschlossen wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 24, wobei die erste und die zweite Temperatur gleich sind.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei auf die polymerisierte Prozessschicht eine Deckschicht (10) aus einem Dielektrikum abgeschieden wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei als Dielektrikum ein Material vorgesehen wird, das gemeinsam mit dem Material der Prozessschicht (9) oder der Prozessteilschichten (11, 12)entfernt werden kann.

28. Anordnung in einer Halbleitereinrichtung, umfassend

1. eine Grundschicht (2),

2. eine sich darauf befindende Hohlraumschicht (3) mit einer Struktur in Submikrometer-Abmessungen, bestehend aus Stegen (5) aus einem Arbeitsmaterial und Hohlräumen (7) und

3. einer weniger als 100 Nanometer starken Prozessschicht (9) aus einem ausgehärteten Polymer, die auf den Stegen (5) aufliegt und die Hohlräume (7) abdeckt.

29. Anordnung nach Anspruch 28, wobei das Arbeitsmaterial Kupfer ist.

30. Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 29, wobei das Material einer die Prozessschicht (9) abdeckenden Deckschicht (10) ein Dielektrikum niedriger Permittivität ist.

31. Anordnung nach Anspruch 30, wobei das Dielektrikum ein organisches Dielektrikum ist.

32. Anordnung nach Anspruch 31, wobei das Polymer der Prozessschicht (9) ein Pfropfpolymer ist.