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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten
mit reduzierter Permittivität
und Probleme beim Einbau in Gehäuse,
die damit verknüpft sind.
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Halbleiterbauelemente
werden typischerweise auf im Wesentlichen scheibenförmigen Substraten gebildet,
die aus einem geeigneten Material hergestellt sind. Die Mehrheit
der Halbleiterbauelemente, zu denen äußerst komplexe elektronische
Schaltungen gehören,
werden gegenwärtig
und in der näheren
Zukunft auf der Grundlage von Silizium hergestellt, so dass Siliziumsubstrate
und siliziumenthaltende Substrate, etwa SOI-(Silizium auf Isolator) Substrate
geeignete Träger
für die
Herstellung von Halbleiterbauelementen, etwa von Mikroprozessoren,
SRAM's, ASIC's (anwendungsspezifische
IC's) und dergleichen
sind. Die einzelnen integrierten Schaltungen werden in einer Array-Form
angeordnet, wobei die meisten Herstellungsschritte, die bis zu 500
und mehr einzelne Prozessschritte in hoch entwickelten integrierten
Schaltungen enthalten können,
gleichzeitig für
alle Chipbereiche auf dem Substrat ausgeführt werden, mit Ausnahme von
Lithographieprozessen, Messprozessen und das in ein Gehäuse einbringen
der einzelnen Bauelemente nach dem Schneiden des Substrats. Somit
zwingen ökonomische
Rahmenbedingungen Halbleiterhersteller ständig dazu, die Substratabmessungen
zu vergrößern, um
damit auch die verfügbare
Fläche
zum Herstellen tatsächlicher
Halbleiterelemente zu erhöhen und
damit die Produktionsausbeute zu vergrößern.
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Zusätzlich zu
dem Vergrößern der
Substratfläche
ist es ferner wichtig, die Ausnutzung der Substratfläche für eine vorgegebene
Substratgröße zu optimieren,
um damit möglichst
viel der Substratfläche
für Halbleiterbauelemente
und/oder Teststrukturen zu nutzen, die zur Prozesssteuerung verwendet werden.
In dem Versuch, den nutzbaren Oberflächenbereich für eine vorgegebene
Substratgröße zu maximieren,
werden die Strukturgrößen von
Schal tungselementen ständig
verringert und die peripheren Chipbereiche werden so nahe an dem
Substratrand positioniert, wie dies mit Substrathantierungsvorgängen verträglich ist.
Im Allgemeinen werden die meisten der Herstellungsprozesse in einer
automatisierten Weise durchgeführt,
wobei die Substrathandhabung an der Rückseite des Substrats und/oder
an dem Substratrand stattfindet.
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Auf
Grund der ständigen
Forderung für
eine Schrumpfung der Strukturgrößen von
modernsten Halbleiterbauelementen wurde Kupfer in Verbindung mit
dielektrischem Material mit kleinem ε als häufig angewendete Alternative
in Form sogenannter Verbindungsstrukturen eingesetzt, die Metallleitungsschichten
und dazwischenliegende Kontaktdurchführungsschichten aufweisen,
die Metallleitungen als Verbindungen innerhalb der Schicht und die
Kontaktführungen
als Verbindungen zwischen den Schichten beinhalten, die gemeinsam
die individuellen Schaltungselemente so verbinden, um die geforderte Funktionalität der integrierten
Schaltung zu gewährleisten.
Typischerweise sind mehrere aufeinander gestapelte Metallleitungsschichten
und Kontaktdurchführungsschichten
erforderlich, um die Verbindungen zwischen allen inneren Schaltungselementen
und Ein/Ausgängen
(I/O), Leistungsanschluss- und Masseflächen des betrachteten Schaltungsentwurfs
zu realisieren. Hierbei gewährleisten
die Metallleitungen die elektrische Verbindung in einer einzelnen
Metallisierungsschicht, wohingegen die Kontaktdurchführungen
durch das dielektrische Zwischenschichtmaterial hindurch ausgebildet
sind, um zwei Metallleitungen von vertikal benachbarten Metallisierungsschichten
zu verbinden.
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Für äußerst größenreduzierte
integrierte Schaltungen ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht
mehr durch die Feldeffekttransistoren begrenzt, sondern ist auf
Grund der erhöhten
Dichte der Schaltungselemente, die eine überproportional höhere Anzahl
elektrischer Verbindungen erfordert, durch den geringen Abstand
der Metallleitungen beschränkt,
da die Kapazität
zwischen den Leitungen zusammen mit einer geringeren Leitfähigkeit
der Leitungen auf Grund der geringeren Querschnittsfläche erhöht ist. Aus
diesem Grund werden die herkömmlichen
Dielektrika, Siliziumdioxid (ε > 3,6) und Siliziumnitrid
(ε > 5) durch dielektrische
Materialien mit einer geringeren Permittivität ersetzt, die daher auch als
Dielektrika mit kleinem ε mit
einer relativen Permittivität
von 3 oder weniger bezeichnet werden: Jedoch ist die Dichte und
die mechanische Stabilität
oder Festigkeit der Materialien mit kleinem ε deutlich kleiner im Vergleich zu
den gut bewährten
Dielektrika, Siliziumdioxid und Siliziumnitrid. Folglich kann während der
Herstellung der Verbindungsstruktur und nachfolgender Herstel lungsprozesse
für die
integrierten Schaltungen die Produktionsausbeute nachteilig durch
Ablösen
von Materialresten insbesondere an dem Substratrand, an welchem
die Substrathandhabung im Wesentlichen stattfindet, beeinflusst
werden, wobei das Ablösen
derartiger Schichten mit kleinem ε und
damit eine Substratkontaminierung im Wesentlichen durch die reduzierte
mechanische Stabilität
der Verbindungsstruktur mit kleinem ε hervorgerufen wird.
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Diese
Situation verschlimmert sich in nachfolgenden Herstellungsprozessen
mit der zunehmenden Einführung
der Einbringung in ein Gehäuse
bei einem Verfahren, in dem das Gehäusesubstrat und der Chip direkt
kontaktiert werden (Flip-Chip). Wie allgemein bekannt ist, liefert
das Einbringen in ein Gehäuse
mit direktem Kontakt Vorteile im Hinblick auf das Leistungsvermögen auf
Grund der geringeren Anschlusslängen
und der im Hinblick auf die Dichte der Ein/Ausgangsanschlüsse, da
im Wesentlichen die gesamte Chipfläche für die Herstellung von Lothöckern genutzt
werden kann, die mit entsprechenden Lothöckern oder Flächen eines
Träger-
oder Gehäusesubstrats
verbunden werden. Während
des Vorgangs des Anbringens des Gehäusesubstrats an dem Chip, der
die Verbindungsstruktur mit kleinem ε und eine Lothöckerschicht
aufweist, wird ein gewisser Betrag an Druck und/oder Wärme auf
das Verbundbauteil ausgeübt,
um eine zuverlässige
Verbindung zwischen jedem der Lothöcker des Chips und den Lothöckern oder
Flächen
des Gehäusesubstrats zu
gewährleisten.
Die Wärme
und/oder die mechanische Spannung während des Einbringens in das
Gehäuse
können
jedoch die Verbindungsstruktur mit kleinem ε beeinflussen.
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In
modernen Mikroprozessoren, in denen eine große Anzahl an Ein/Ausgangs-Leitungen
erforderlich ist, müssen
bis zu einigen 100 oder mehrere 1000 Lothöcker zuverlässig mit den entsprechenden Lothöckern oder
Flächen
des Gehäusesubstrats
verbunden werden. Somit ist insbesondere bei Mikroprozessoren, die
mit einer Verbindungsstruktur mit einem Dielektrikum mit kleinem ε aufgebaut
sind, die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung und der Materialablösung in
der Verbindungsstruktur, die aus einem Dielektrikum mit kleinem ε mit geringerer
mechanischer Festigkeit hergestellt ist, deutlich erhöht und eine
Abnahme der Produktionsausbeute kann beobachtet werden, wodurch
teilweise die Vorteile, die durch das Erhöhen der Substratgröße und Minimieren
der Substratrandgebiete erreicht werden, aufgehoben werden. Das
Problem tritt verstärkt
auf, wenn die Mikroprozessorchips an organischen Gehäusesubstraten
anzubringen sind, da eine deutliche thermische Fehlanpassung zwischen
dem Silizium und dem organischen Material besteht, das das Gehäusesubstrat
bildet. Obwohl Unterfüllungsmaterialien typischerweise
in den Raumbereich zwischen dem Gehäusesubstrat und dem angebrachten
Siliziumchip eingefüllt
werden, um einen Teil der mechanischen Spannung zu kompensieren,
die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufen
wird, kann die geringere mechanische Stabilität der Verbindungsstrukturen,
die Dielektrika mit kleinem ε aufweisen,
auch die Ausfallrate während
des Betriebs der Bauelemente beeinflussen.
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Mit
Bezug zu 1a und 1b werden nunmehr
die beim Einbringen in ein Gehäuse
eines Halbleiterbauelements mit einer Verbindungsstruktur, die ein
Dielektrikum mit kleinem ε aufweist,
detaillierter erläutert.
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1a zeigt schematisch eine
Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit
einer Verbindungsstruktur 110, die aus einem dielektrischen
Material mit kleinem ε für ein Bauteil
mit beispielsweise einer kritischen Entwurfsabmessung von 130 nm
gebildet ist. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein
Substrat 101, das eine große Anzahl von Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren und dergleichen aufweist, oder
das weitere Metallleitungsschichten und dazwischenliegende Kontaktdurchführungsschichten
aufweist, die der Einfachheit halber in 1a nicht gezeigt sind. Stattdessen ist
repräsentativ
für eines
der zuvor genannten Schaltungselemente ein Kontaktbereich 102 dargestellt,
der mit der darüber
liegenden Verbindungsstruktur 110 verbunden ist. Die Verbindungsstruktur 110 umfasst
eine erste Metallleitung 111 und eine erste Kontaktdurchführung 112,
die in einer dielektrischen Schicht 113 mit kleinem ε ausgebildet
sind. Die Metallleitung 111 kann Kupfer und eine leitende
Barrierenschicht, etwa eine Tantal/Tantalnitrid-Schicht, die zwischen
dem Kupfer und dem dielektrischen Material 113 angeordnet
ist, aufweisen. In ähnlicher Weise
kann die Kontaktdurchführung 112 mit
Kupfer gefüllt
sein und von dem dielektrischen Material 113 durch eine
leitende Barrierenschicht getrennt sein. Der Einfachheit halber
sind Details der Metallleitung 111 und der Kontaktdurchführung 112 in 1a nicht gezeigt. Eine Deckschicht 114 ist
zwischen der dielektrschen Schicht 113 und dem Substrat 101 vorgesehen.
Beispielsweise kann die dielektrische Schicht mit kleinem ε 113 aus
Siliziumoxykarbid mit Wasserstoff (SiCOH) und die Deckschicht 114 aus
stickstoffangereichertem Siliziumkarbid (SiCN) aufgebaut sein. Die
Verbindungsstruktur 110 umfasst ferner eine zweite Metallleitung 115,
die mit einer zweiten Kontaktdurchführung 116 verbunden
ist, die wiederum mit der ersten Metallleitung 111 verbunden
ist. Die zweite Metallleitung 115 und die zweite Kontaktdurchführung 116 sind
in einer zweiten dielektrischen Schicht mit kleinem ε 118 ausgebildet,
die wiederum von der ersten dielektrischen Schicht mit kleinem ε 113 durch
eine weitere Deckschicht 117 getrennt ist. Hinsichtlich
der Materialzusammensetzung der Metallleitung 115, der
Kontaktdurchführung 116,
der zweiten dielektrischen Schicht mit kleinem ε 118 und der Deckschicht 117 gilt,
dass die gleichen Materialien verwendet werden können, wie in den entsprechenden
Komponenten der darunter liegenden Metallisierungsschicht. Es sollte
beachtet werden, dass typischerweise mehrere erste Metallleitungen 111 in der
dielektrischen Schicht mit kleinem ε 113 vorgesehen sind,
die mit entsprechenden Kontaktdurchführungen 112 zu darunter
liegenden Gebieten oder Schichten verbunden sein können. Das
gleiche gilt für
die zweiten Metallleitungen 115 und die zweiten Kontaktdurchführungen 116 in
der zweiten dielektrischen Schicht mit kleinem ε 118. Auf Grund der
relativ geringen Permittivität
der Schichten 113 und 118, die beispielsweise
3 oder weniger beträgt,
ist die Kapazität
zwischen benachbarten ersten Metallleitungen 111 und zwischen
benachbarten zweiten Metallleitungen 115 in Vergleich zu
einer Verbindungsstruktur 110, die darin ausgebildete dielektrische
Schichten 113 und 118 aus Siliziumdioxid aufweist,
reduziert. Das Halbleiterbauelement 100 kann, wenn es einen
modernen Mikroprozessor der 130 nm-Technologie repräsentiert,
bis zu 8 Metallleitungsschichten aufweisen, die miteinander durch
entsprechende dazwischenliegende Kontaktdurchführungsschichten verbunden sind.
Somit weist die in 1a gezeigte Verbindungsstruktur 100 eine
deutlich reduzierte mechanische Stabilität zugunsten einer erhöhten Arbeitsgeschwindigkeit
auf.
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1b zeigt schematisch das
Halbleiterbauelement 100 mit einer Lothöckerschicht 120, die über der
Verbindungsstruktur 110 ausgebildet ist; die Lothöckerschicht 120 ist
mit einem Gehäusesubstrat 130 verbunden.
Das Gehäusesubstrat 130 umfasst einen
Basisbereich 132, der aus einem organischen Material im
Hinblick auf ökonomische
Erwägungen aufgebaut
sein kann und der ferner mehrere Lothöcker oder Kontaktflächen 131 aufweisen
kann, die in Position und Größe mit den
entsprechenden Lothöckern 121 übereinstimmen,
die in der Lothöckerschicht 120 gebildet
sind. Auf Grund einer Fehlanpassung im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
dem Basisbereich 132 und dem Substrat 101 kann
eine Materialablösung
und eine Rissbildung 119 in der Verbindungsstruktur 110 während und
nach dem Befestigen des Gehäusesubstrats 130 an
der Lothöckerschicht 120 auftreten,
was jedoch zu einer deutlich reduzierten Produktionsausbeute während der
Herstellung des Bauelements 100 und zu einer erhöhten Ausfallrate
während
des Betriebs des sich im Gehäuse
befindlichen Bauelements 100 führen kann.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100,
wie es in den 1a und 1b gezeigt ist, kann die
folgenden Prozesse umfassen. Nach dem Ausbilden von Schaltungselementen
und Kontaktgebieten, etwa dem Bereich 102, in und auf dem
Substrat 101, wird die Deckschicht 114 gefolgt
von der dielektrischen Schicht 113 gebildet, wobei beispielsweise
ein plasmaunterstützter
chemischer Dampfabscheide-(CVD) Prozess für SiCOH eingesetzt werden kann,
wohingegen moderne Aufschleudertechniken für Polymermaterialien mit kleinem ε eingesetzt
werden können.
Danach werden Gräben
und entsprechende Kontaktdurchführungsöffnungen
in der dielektrischen Schicht 113 durch beispielsweise
gut etablierte Prozessabläufe
gemäß dem Ablauf „Kontaktdurchführung zuerst – Graben zuletzt" auf der Grundlage
etablierter Photolithographie- und Ätztechniken hergestellt, wobei
die Deckschicht 114 als eine Ätzstoppschicht für den Ätzprozess
zur Bildung der Kontaktdurchführungsöffnung dienen
kann. Abhängig
von den kritischen Entwurfsabmessungen können jedoch andere gut etablierte
Abläufe,
etwa der Ablauf mit einer Ausbildung des Grabens vor der Kontaktdurchführung, angewendet
werden. Danach können
leitende Barrierenschichten und möglicherweise Saatschichten
durch geeignete Techniken, etwa die Sputter-Abscheidung hergestellt
werden, und schließlich
wird das Kupfer durch beispielsweise Elektroplattierung eingefüllt, wobei überschüssiges Metall
durch chemischmechanisches Polieren entfernt werden kann. Danach
wird die Deckschicht 117 durch im Wesentlichen die gleiche
Prozesssequenz hergestellt, wie sie zuvor beschrieben ist, um die
Metallleitungen 115 und die Kontaktdurchführungen 116 in
der dielektrischen Schicht 118 herzustellen. Nachdem alle
Metallleitungsebenen und Kontaktdurchführungsebenen der Verbindungsstruktur 110 fertiggestellt
sind, wird die Lothöckerschicht 120 durch
gut bekannte Techniken, etwa Sputter-Abscheidung von Metallisierungsschichten
unter dem Lothöcker
gefolgt von einem Elektroplattierungsprozess mit Unterstützung von
Lithographie zur Herstellung der Lothöcker 121 gebildet.
Wie zuvor erwähnt
ist, kann die Substrathandhabung während der Herstellung der Verbindungsstruktur 110 zusammen
mit CMP-Prozessen
zu der Ausbildung von Rissen und zu einer Materialablösung 119 auf
Grund der Abscheidung von Material mit kleinem ε an dem Substratrand und auf
Grund der geringen mechanischen Stabilität der Verbindungsstruktur während des
CMP-Prozesses führen.
Diese die Ausbeute beeinträchtigenden
Faktoren machen in Verbindung mit der Hauptquelle für eine deutliche
Reduzierung der Ausbeute, d. h. die Flip-Chip-Verbindung des Gehäusesubstrats 130 mit
Lothöckerschicht 120, insbesondere
wenn organische Basisbereiche 132 verwendet werden, eine ökonomische
Herstellung modernster Halbleiterbauelemente mit einer Verbindungsstruktur
mit kleinem ε äußerst schwierig.
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Die
Patentschrift
US 6
690 091 B1 offenbart Damaszener-Strukturen, die Passivierungs-, Ätzstopp-
und/oder Deckschichten aus Kohlenstoff- und/oder Bornitrid aufweisen,
um parasitäre
Kapazitäten
zu reduzieren. Die Strukturen können
Metallleitungsschichten und Kontaktschichten aufweisen. Diese Schichten
können
z. B. Siliziumdioxid, wasserstoffdotiertes Siliziumdioxid, fluordotiertes
Siliziumdioxid, kohlenstoffdotiertes Siliziumdioxid, ein organisches
Polymer oder ein fluordotiertes organisches Polymer aufweisen.
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Die
Patentschrift
US 6
448 654 B1 offenbart eine ultradünne Ätzstoppschicht für Damaszener-Prozesse.
Die entsprechende Damaszener-Struktur kann eine erste dielektrische
Schicht umfassen, die ein Material mit kleinem ε, wie SiLK, FLARE, MSQ, HSQ
oder SiOF aufweist. Die Damaszener-Struktur kann ferner eine zweite
dielektrische Schicht (Metallleitungsschicht) aufweisen, die ebenfalls
ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist. Die erste und die
zweite dielektrische Schicht kann aus dem gleichen Material gefertigt
sein.
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Die
Patentanmeldung US 2003/0020163 A1 offenbart eine Kontaktpadstruktur
für einen
Kupfer/low-k-Dielekrikum-BEOL-Prozess. Die Kontaktpadstruktur umfasst
eine dielektrische Schicht, die Siliziumdioxid aufweist, und eine
leitenden Fläche und
damit verbundene Kontakte. Die Kontaktpadstruktur ist über einer
Kontaktstruktur angeordnet, die Kontaktdurchführungs- und Metallleitungsschichten aufweist.
Die Kontaktstruktur kann Schichten aus Materialien mit kleinem ε umfassen,
die SiLK, FSG, HSQ und MSQ, oder SiO2 oder
Si3N4 aufweisen
können.
Die Kontaktpadstruktur kann elektrisch mit einem Chipträger aus
Polymermaterial mittels Lotkugeln verbunden werden, wobei durch
die verwendete Kontaktpadstruktur Risse an der Kupfer/low-k-Dielektrikums-Grenzschicht,
die während
eines Lotverbindungsprozessess auftreten können, vermieden werden können.
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Angesichts
der zuvor erkannten Probleme besteht dennoch ein Bedarf für eine verbesserte Technik,
die das Erreichen einer höheren
Produktionsausbeute während
des Prozesses zum Einbau in ein Gehäuse ermöglicht, während dennoch eine hohe Leistungsfähigkeit
moderner Halbleiterbauelemente, in denen dielektrische Materialien
mit kleinem ε verwendet
sind, beibehalten wird.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik,
in welcher ein dielektrisches Material mit erhöhter relativer Permittivität, das typischerweise
eine höhere
mechanische Stabilität im
Vergleich zu Dielektrika mit kleinem ε aufweist, in zwischenliegende
Kontaktdurchführungsschichten eingebaut
wird, um die mechanische Stabilität der gesamten Verbindungsstruktur,
die ein dielektrisches Material mit kleinem ε in den Metallleitungsschichten aufweist,
zu erhöhen,
wodurch das Leistungsverhalten des Bauelements im Wesentlichen beibehalten wird.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement ein
Substrat und eine erste Metallleitungsschicht, die über dem
Substrat gebildet ist und die mehrere erste Metallleitungen aufweist,
die lateral in ein erstes dielektrisches Material mit einer ersten
relativen Permittivität
eingebettet sind, wobei das erste dielektrische Material wasserstoffenthaltendes Siliziumoxykarbid
(SiCOH) aufweist. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement eine zweite
Metallleitungsschicht, die über
der ersten Metallleitungsschicht ausgebildet ist und mehrere zweite
Metallleitungen aufweist, die lateral in das erste dielektrische
Material eingebettet sind. Eine Kontaktdurchführung, die mindestens eine
der ersten Metallleitungen mit mindestens einer der zweiten Metallleitungen
verbindet, ist lateral in ein dielektrisches Material mit einer
zweiten relativen Permittivität,
die höher
als die erste relative Permittivität ist, eingebettet, wobei das
zweite dielektrische Material Siliziumdioxid und/oder fluordotiertes Siliziumdioxid
aufweist. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement eine Lothöckerschicht
mit mehreren Lothöckern,
wovon mindestens einige elektrisch mit mindestens der ersten und/oder
der zweiten Metallleitungsschicht verbunden sind.
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Gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement ein
Substrat und mehrere gestapelte Metallleitungsschichten, die über dem
Substrat ausgebildet sind, wobei jede Metallleitungsschicht ein
dielektrisches Material mit kleinem ε und darin ausgebildete Metallleitungen
aufweist. Ferner ist mindestens eine zwischenliegende Kontaktdurchführungsschicht
zwischen zwei der mehreren gestapelten Metallleitungsschichten angeordnet,
wobei die mindestens eine zwischenliegende Kon taktdurchführungsschicht
eine metallenthaltende Kontaktdurchführung aufweist, die in einem
dielektrischen Material gebildet ist, von welchem mindestens ein
Teil eine höhere
relative Permittivität
als das dielektrische Material mit kleinem ε aufweist, wobei die zwischenliegende
Kontaktdurchführungsschicht
eine erste Teilschicht, die aus einem ersten dielektrischen Stützmaterial
mit höherer
mechanischer Festigkeit aufgebaut ist, und eine zweite Teilschicht,
die aus dem dielektrischen Material mit kleinem ε aufgebaut ist, aufweist.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung mit einem Halbleiterbauelement
ein Substrat, das ein Halbleitermaterial aufweist, und eine Verbindungsstruktur
mit kleinem ε, die über dem
Substrat ausgebildet ist, und die mehrere Metallleitungsschichten
enthält,
wovon jede ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist.
Die Verbindungsstruktur umfasst ferner mehrere zwischenliegende
Kontaktdurchführungsschichten,
wobei mindestens einige der zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschichten
ein dielektrisches Material mit einer höheren relativen Permittivität und höherer mechanischer
Stabilität
im Vergleich zu dem dielektrischen Material mit kleinem ε aufweisen.
Des weiteren ist eine Lothöckerschicht,
die mit der Verbindungsstruktur mit kleinem ε mit erhöhter mechanischer Stabilität verbunden
ist, und ein Gehäusesubstrat,
das ein organisches Material aufweist und mit der Lothöckerschicht
verbunden ist, vorgesehen.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden einer
dielektrischen Deckschicht über
einem Substrat und das Bilden einer ersten dielekirischen Schicht
mit einem dielektrischen Material mit eines ersten relativen Permittivität über der
dielektrischen Deckschicht, wobei das Bilden der ersten dielektrschen
Schicht umfasst: Bilden einer ersten Teilschicht mit einem dielektrischen
Material mit erhöhter
mechanischer Stabilität
im Vergleich zu dem dielektrischen Material mit kleinem ε; und Bilden
einer zweiten Teilschicht, die das Material mit kleinem ε aufweist.
Des weiteren wird eine zweite dielektrische Schicht mit einem dielektrischen
Material mit kleinem ε mit
einer zweiten relativen Permittivität über der ersten dielektrischen
Schicht gebildet, wobei die erste relative Permittivität höher als
die zweite ist. Anschließend
wird ein Graben in der zweiten dielektrischen Schicht gebildet und
eine Kontaktdurchführung
wird zumindest in der dielektrschen Deckschicht und der ersten dielektrischen
Schicht gebildet.
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Schließlich werden
die Kontaktdurchführung und
der Graben mit einem metallenthaltenden Material gefüllt, um
eine Verbindungsstruktur mit kleinem ε zu bilden.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Einbringen
eines Halbleiterbauelements mit einer Verbindungsstruktur mit kleinem ε in ein Gehäuse das
Bilden der Verbindungsstruktur über
einem Substrat, das ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Verbindungsstruktur
mehrere Metallleitungsschichten, die jeweils ein dielektrisches Material
mit kleinem ε aufweisen
und einer oder mehrerer dielektrischer Zwischenschichten mit höherer relativer
Permittivität
und höherer
mechanischer Stabilität
im Vergleich zu dem Material mit kleinem ε. Des weiteren wird eine Lothöckerschicht über der
Verbindungsstruk tur gebildet und schließlich wird ein Gehäusesubstrat,
das ein organisches Material aufweist, an der Lothöckerschicht
befestigt, wobei die eine oder mehreren Kontaktdurchführungsschichten mit
erhöhter
mechanischer Stabilität
die Rissbildung und Materialablösung
in der Verbindungsstruktur mit kleinem ε reduzieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird; es zeigen:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht einer konventionellen modernen integrierten Schaltung,
die entsprechend einer 130 nm-Technologie hergestellt ist und eine
Verbindungsstruktur mit kleinem ε aufweist;
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1b schematisch
das konventionelle Halbleiterbauelement mit einem organischen Gehäusesubstrat,
das daran befestigt ist, wobei eine erhöhte Rissbildung und Materialablösung in
der Verbindungsstruktur mit kleinem ε beobachtet werden kann;
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2a bis 2c schematisch
Querschnittsansichten einer modernen integrierten Schaltung mit
einer Verbindungsstruktur mit kleinem ε mit erhöhter mechanischer Stabilität während diverser Herstellungsphasen
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung; und
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2d schematisch
eine Querschnittsansicht des Bauteils der 2a bis 2c mit
einem organischen Gehäusesubstrat,
das daran angebracht ist, gemäß anschaulicher
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschauli chen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem Konzept, dass eine Verbindungsstruktur
mit kleinem ε in
effizienter Weise stabiler gemacht werden kann, indem Materialschichten
mit erhöhter
mechanischer Stabilität
oder Festigkeit, die üblicherweise
eine höhere
Permittivität
im Vergleich zu konventionellen Materialien mit kleinem ε zeigen,
in die Verbindungsstruktur auf Höhe
der Kontaktdurchführungen
eingebaut werden können,
ohne unnötig
die Signalausbreitungseigenschaften der Verbindungsstruktur zu beeinträchtigen.
Mit Bezug zu den Figuren werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200,
das ein beliebiges modernes Bauteil repräsentieren kann, das eine fortschrittliche
Verbindungsstruktur mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε erfordert.
In dieser Hinsicht sollte beachtet werden, dass der Begriff dielektrisches
Material mit kleinem ε ein
beliebiges dielektrisches Material bezeichnet, das eine relative Permittivität von ungefähr 3,1 und
weniger aufweist. Ferner ist der Begriff Verbindungsstruktur mit
kleinem ε dahingehend
zu verstehen, dass damit eine Verbindungsstruktur beschrieben ist,
die zumindest teilweise ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist, um
die Signalausbreitungsverzögerungszeit
im Vergleich zu einer äquivalenten
Verbindungsstruktur zu verringern, die vollständig aus „konventionellen" dielektrischen Materialen,
etwa Siliziumdioxid, fluordotiertes Siliziumdioxid, Siliziumnitrid,
und dergleichen aufgebaut ist. Da die Auswirkungen der Signalausbreitungsverzögerung von
Verbindungsstrukturen sehr deutlich für Halbleiterbauelemente mit
kritischen Abmessungen von ungefähr
0,18 μm
und weniger auftreten, kann die vorliegende Erfindung bei Bauelementen
mit kritischen Abmessungen von 180 nm und weniger und insbesondere
bei Bauelementen mit kritischen Abmessungen von 120 nm und weniger
sehr vorteilhaft eingesetzt werden. Der Fachmann erkennt jedoch
nach einem vollständigen
Studium der vorliegenden Anmeldung, dass die vorliegende Erfindung auch
im breiteren Sinne angewendet werden kann, so dass die vorliegende
Erfindung auch für
weniger hoch entwickelte Bauteilgenerationen benutzt werden kann.
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Das
Halbleitebauelement 200 umfasst ein Substrat 201,
das repräsentativ
für ein
beliebiges Substrat mit darauf oder darin ausgebildeten Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Leitungen, etc. sein kann, die
der Einfachheit halber in 2a nicht
gezeigt sind. Ein Kontaktbereich 202, der auf dem Substrat 201 ausgebildet
ist, soll eines dieser Schaltungselemente oder Teile davon repräsentieren,
wobei eine Verbindungsstruktur 210 mit kleinem ε, die über dem
Substrat 201 ausgebildet ist, einen elektrischen Kontakt
zu dem Kontaktbereich 202 herstellen soll. Beispielsweise
kann der Kontaktbereich 202 eine Metallleitung einer tiefer
liegenden Metallleitungsschicht repräsentieren oder kann einen Kontakt
darstellen, der direkt mit einem Schaltungselement, etwa einem Transistor
verbunden ist. Wie zuvor dargelegt ist, kann eine kritische Entwurfsabmessung
eines Schaltungselements in dem Substrat 201 130 nm oder
weniger sein. Eine erste Deckschicht 214 ist zwischen dem
Substrat 201 und der Verbindungsstruktur 210 ausgebildet
und kann ein diffusionsblockierendes Material, etwa Siliziumnitrid
oder stickstoffangereichertes Siliziumkarbid, wenn der Kontaktbereich 202 Kupfer
aufweist, enthalten. Es können
jedoch andere Materialien für
die Deckschicht 214, etwa Siliziumdioxid und dergleichen
verwendet werden, wenn beispielsweise der Kontaktbereich 202 einen
direkten Kontakt zu einem Schaltungselement repräsentiert. Die Verbindungsstruktur 210 mit
kleinem ε,
die über
der Deckschicht 214 ausgebildet ist, umfasst eine Metallleitungsschicht 240 und
eine zwischenliegende Kontaktdurchführungsschicht 250.
Die Metallleitungsschicht 240 umfasst eine Metallleitung 241 mit
einer leitenden Barrierenschicht 242, die die Metallleitung 241 von
dem Material einer dielektrischen Schicht 243 mit kleinem ε trennt.
In einer anschaulichen Ausführungsform
weist die dielektrische Schicht 243 wasserstoffenthaltendes
Siliziumoxykarbid (SiCOH) auf, während
in anderen Ausführungsformen
andere Materialien verwendet werden können, etwa MSQ, HSQ, SILK,
poröses SiCOH
und dergleichen. Die Metallleitung 241 kann aus Kupfer
oder Kupferlegierungen aufgebaut sein, während die Barrierenschicht 242 aus
einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein kann, die Materialien
enthalten, etwa Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid oder eine
beliebige Kombination davon oder andere geeignete Materialien, die
die geforderten diffusionsblockierenden und haftungsvermittelnden
Eigenschaften bereitstellen. Die Metallleitungsschicht 240 umfasst
ferner eine Deckschicht 244, die beispielsweise aus stickstoffangereichertem
Siliziumkarbid (SiCN) aufgebaut ist.
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Die
zwischenliegende Kontaktdurchführungsschicht 250 umfasst
eine metallenthaltende Kontaktdurchführung 251, die weiterhin
einfach als Kontaktdurchführung
bezeichnet wird und die ferner die Barrierenschicht 242 aufweist,
die die Kontaktdurchführung 251 von
einer umgebenden dielektrischen Schicht 253 trennt, die
aus einem dielektrischen Material mit einer erhöhten mechanischen Stabilität oder Festigkeit
im Vergleich zu der dielektrischen Schicht mit kleinem ε 243 aufgebaut
ist. Typischerweise zeigen dielektrische Materialien mit kleinem ε eine deutlich
geringere mechanische Stabilität auf
Grund einer reduzierten Dichte im Vergleich zu „konventionellen" dielektrischen Materialien,
etwa Siliziumdioxid, fluordotiertes Siliziumdioxid, Siliziumnitrid,
die gut bewährte
und gut bekannte dielektrische Materialien bei der Herstellung von
Halbleiterbauelementen sind. In einer speziellen Ausführungsform weist
die dielektrische Schicht 253 fluordotiertes Siliziumdioxid
auf, das aus fluordotiertem Tetraethylorthosilikat (TEOS) mit einer
relativen Permittivität
von ungefähr
3,6 abgeschieden werden kann. In anderen Ausführungsformen kann die dielektrische
Schicht 253 Siliziumdioxid aufweisen, das aus TEOS mit
einer relativen Permittivität
von ungefähr
4,0 oder mehr abgeschieden wird. Typischerweise ist der seitliche Abstand
oder die Strecke zwischen benachbarten Kontaktdurchführungen 251 (der
Einfachheit halber ist lediglich nur eine Kontaktdurchführung 251 gezeigt)
deutlich größer als
ein Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen 241 (es
ist nur eine gezeigt). Daher ist die gesamte parasitäre Kapazität zwischen
benachbarten Metallleitungen und Kontaktdurchführungen im Wesentlichen durch
die zwischen benachbarten Metallleitungen gebildete Kapazität anstelle
der zwischen benachbarten Kontaktdurchführungen gebildeten Kapazität bestimmt,
so dass die erhöhte
Permittivität
der dielektrischen Schicht 253 nicht wesentlich zur gesamten
Signalausbreitungsverzögerung
beiträgt,
wobei gleichzeitig der Verbindungsstruktur 210 eine deutlich
höhere
mechanische Stabilität
werliehen wird. Es sollte beachtet werden, dass die dielektrische
Schicht 253 nicht notwendigerweise vollständig aus
einem „konventionellen" dielekirischen Material
aufgebaut sein muss, sondern dass diese in einigen Ausführungsformen eine
oder mehrere Teilschichten aus einem dielektrischen Material mit
kleinem ε aufweisen
kann, wie dies detaillierter mit Bezug zu 2 beschrieben
ist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200,
wie es in 2a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Nach der Herstellung des Kontaktbereichs 202 und von
Schaltungselementen in und auf dem Substrat 201, kann die
Deckschicht 214 durch beliebige geeignete gut bekannte
Abscheidetechniken, etwa durch plasmaunterstütztes CVD aufgebracht werden.
Danach wird die dielektrische Schicht 253 abgeschieden,
was in einer speziellen Ausführungsform
durch plasmaunterstütztes
CVD aus TEOS mit einer gewissen Menge an fluorenthaltenden Vorstufengasen ausgeführt wird.
Entsprechende Abscheiderezepte zum Abscheiden einer fluordotierten
Siliziumdioxid schicht aus TEOS sind auf dem Gebiet der Herstellung
von Zwischenschichtdielektrika gut etabliert und können effizient
bei der Herstellung der dielektrischen Schicht 253 angewendet
werden. In speziellen Ausführungsformen,
wenn die siliziumdioxidenthaltende dielektrische Schicht 253 mit
einer Dicke 253a vorgesehen wird, die im Wesentlichen einer
Tiefe der Kontaktdurchführung 251 entspricht – mit Ausnahme der
Dicke der Deckschicht 214 – kann die Kontaktdurchführung 251,
die sich durch die zwischenliegende Kontaktdurchführungsschicht 250 erstreckt,
als von der Seite her bzw. lateral in die dielektrische Schicht 253 eingebettet
betrachtet werden.
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Nach
dem Abscheiden der dielektrischen Schicht 253 wird die
dielektrische Schicht 243 mit kleinem ε gebildet, was beispielsweise
in einer speziellen Ausführungsform
durch Abscheiden von wasserstoffangereichertem Siliziumoxykarbid
aus Sauerstoff und Trimethylsilan (3MS) gemäß erprobter Prozessrezepte
stattfindet. In anderen Ausführungsformen
kann SiCOH aus 4MS, OMCTS oder anderen geeigneten Vorstufenmaterialien
abgeschieden werden. Anschließend
wird eine Kontaktdurchführungsöffnung durch
die dielektrischen Schichten 243, 253 und die
Deckschicht 214 hindurch durch moderne Photolithographie- und anisotrope Ätzprozesstechniken
gebildet. Danach kann ein weiterer Photolithographieprozess ausgeführt werden,
um eine Lackmaske für
die Ausbildung eines Grabens in der dielektrischen Schicht, [–] mit kleinem ε [243]
durch einen weiteren anisotropen Ätzprozess zu bilden. Während dieses
anisotropen Ätzprozesses
kann die Änderung
in der Materialzusammensetzung zwischen den dielektrischen Schichten 243 und 253 vorteilhaft
ausgenutzt werden, um das Ende des Grabenätzprozesses zu erkennen, sobald
die Ätzfront das
Material der Schicht 253 erreicht, wie dies detaillierter
mit Bezug zu 2c beschrieben ist. Danach wird
die Barrierenschicht 242 in dem Graben und der Kontaktdurchführungsöffnung gebildet,
woran sich das Abscheiden einer Saatschicht anschließt, die während eines
nachfolgenden elektrochemischen Füllprozesses zur Fertigstellung
der Metallleitung 241 und der Kontaktdurchführung 251 durch
beispielsweise Einfüllen
von Kupfer oder einer Kupferlegierung benutzt wird. Danach wird überschüssiges Material,
das während
der elektrochemischen Metallabscheidung erzeugt wird, durch beispielsweise
chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt, wobei die erhöhte mechanische
Stabilität
der zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht 250 der
Verbindungsstruktur 210 während des CMP-Prozesses eine erhöhte Stabilität verleiht.
Wie ferner zuvor dargelegt ist, kann das Halbleiterbauelement 200 zu
einem geringeren Grade der Materialablösung oder dem Abblättern von
Material, insbesondere an dem Substratrand, während beliebiger Substrathantierungs prozesse
unterliegen auf Grund der verbesserten mechanischen Stabilität der Verbindungsstruktur 210.
Schließlich
wird die Deckschicht 244 nach möglichen Vorreinigungsprozessen
ausgebildet, um eine freigelegte Oberfläche der Metallleitung 241 zu
passivieren.
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Wie
zuvor erläutert
ist, ist es bei modernen integrierten Schaltungen typischerweise
erforderlich, dass die Verbindungsstruktur 210 mehrere
Metallleitungsschichten und zwischenliegende Kontaktdurchführungsschichten
aufweist, um die erforderliche Funktionalität bereitzustellen. Mit Bezug
zu 2b wird die Herstellung eines weiteren Paares
einer Metallleitungsschicht und einer zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht
beschrieben und sollte als repräsentativ
für die
Herstellung einer beliebigen weiteren Metallisierungsschicht und
zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht
betrachtet werden, wobei die Anzahl der Metallleitungsschichten/zwischenliegenden
Kontaktdurchführungsschichten
von der Komplexität
der betrachteten integrierten Schaltung abhängt. Beispielsweise sind gegenwärtig Mikroprozessoren
mit bis zu 8 Metallleitungsschichten erhältlich, die durch entsprechende
zwischenliegende Kontaktdurchführungsschichten
verbunden sind.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200, wobei die Verbindungsstruktur 210 mit kleinem ε eine zweite
Metallleitungsschicht 260 und eine zweite zwischenliegende
Kontaktdurchführungsschicht 270 aufweist,
die über
der Metallleitungsschicht 240 gebildet sind. Die Metallleitungsschicht 260 kann
eine dielektrische Schicht mit kleinem ε 263 aufweisen, die
aus einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material mit kleinem ε hergestellt
ist, etwa SiCOH, und dergleichen, und weist ferner in diesem Herstellungsschritt
eine Kontaktdurchführungsöffnung 271a auf,
die sich auch durch die zwischenliegende Kontaktdurchführungsschicht 270 und
die Deckschicht 244 erstreckt. Die zwischenliegende Kontaktdurchführungsschicht 270 umfasst
zumindest teilweise ein dielektrisches Material mit erhöhter mechanischer
Stabilität ähnlich zu
der zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht 250 und
kann gemäß einer
Ausführungsform
2 oder mehrere Teilschichten mit unterschiedlichen dielektrischen
Materialien aufweisen. In dem in 2b gezeigten
Beispiel sind zwei Teilschichten 273a und 273b mit
vergleichbarer Dicke dargestellt, wohingegen in anderen Ausführungsformen
mehr als 2 Teilschichten mit im Wesentlichen gleichen oder unterschiedlichen
Dicken vorgesehen sein können.
In einer Ausführungsform
kann die Teilschicht 273a aus einem dielektrischen Material
mit erhöhter
mechanischer Stabilität,
etwa Siliziumdioxid, fluordotiertem Siliziumdioxid und dergleichen
aufgebaut sein, während
die Teilschicht 273b aus einem dielektrischen Material
mit kleinem ε,
etwa SiCOH, und derglei chen hergestellt sein kann. In einer Ausführungsform
kann die Teilschicht 273a ein dielektrisches Material mit kleinem ε und die
Teilschicht 273b dielektrisches Material mit erhöhter mechanischer
Stabilität
aufweisen.
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Es
sollte beachtet werden, dass die letztlich erreichte mechanische
Stabilität
der Verbindungsstruktur mit kleinem ε 210 auf der Grundlage
von Testsubstraten abgeschätzt
werden kann, die dielektrische Schichtstapel mit unterschiedlichen
Anteilen an dielektrischen Material mit erhöhter mechanischer Stabilität enthalten.
Beispielsweise können
Schichtstapel mit einer Höhe
hergestellt werden, die im Wesentlichen der letztlich erforderlichen
Höhe einer
spezifizierten Verbindungsstruktur entspricht, wobei das Verhältnis von
dielektrischem Material mit kleinem ε zu dielektrischem Material
mit erhöhter
mechanischer Stabilität
variiert wird. Diese Teststrukturen können dann einer erhöhten mechanischen
Belastung unterworfen werden, die beispielsweise durch eine thermische
Behandlung und dergleichen hervorgerufen wird, um die mechanische
Festigkeit oder Stabilität
dieser Teststrukturen zu bewerten. Aus diesen Testergebnissen kann
beispielsweise eine minimale Menge an dielektrischem Material mit
erhöhter mechanischer
Stabilität
und/oder deren geeignete Verteilung, beispielsweise in Form einzelner
Schichten mit unterschiedlicher oder gleicher Dicke, und andere
Eigenschaften in Form quantitativer Ergebnisse ermittelt werden,
um damit eine gewünschte
minimale mechanische Festigkeit zu erhalten. Auf der Grundlage dieser
Abschätzungen
kann eine Dicke oder ein Anteil einer „konventionellen" dielektrischen Schicht
innerhalb einer entsprechenden zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht
abgeleitet werden. Des weiteren kann eine geeignete Verteilung von „konventionellen" dielektrischen Schichten
innerhalb des Schichtstapels bestimmt werden, da nicht notwendigerweise
in allen zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschichten eine Schicht
mit erhöhter
mechanischer Stabilität
für jede
Art von Verbindungsstrukturaufbau erforderlich ist. Die mechanische
Stabilität
der Teststrukturen kann in quantitativer Weise einfach abgeschätzt werden,
indem beispielsweise die Anzahl der Ablöse- und/oder Rissbildungsereignisse
bestimmt wird, wenn eine spezielle mechanische Belastungsbedingung
vorhanden ist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200,
wie es in 2b gezeigt ist, kann wie folgt
sein. Die Teilschicht 273b wird durch plasmaunterstütztes CVD
abgeschieden, wenn die Schicht 273b aus SiCOH aufgebaut
ist, während
in anderen Ausführungsformen
moderne Aufschleudertechniken angewendet werden können, um
Polymermaterialien mit kleinem ε auf
der Deckschicht 244 aufzubringen. Danach kann die Teilschicht 273a beispielsweise
durch plasmaunterstütztes
CVD aus TEOS in einer Atmosphäre
abgeschieden werden, die ein Fluorvorstufenmaterial enthält, wenn
ein fluordotiertes Siliziumdioxid gewünscht wird. In anderen Ausführungsformen
kann die Schicht 273a aus Vorstufenmaterialien, etwa Silan oder
3MS gebildet werden, wenn die Materialeigenschaften des entsprechenden
Siliziumdioxids für
den Zweck geeignet sind. Beispielsweise können die Schichten 273b und 273a in-situ
hergestellt werden, d. h. in der gleichen Prozesskammer, ohne das
Vakuum zu brechen, indem beispielsweise die Zufuhr eines Trägergases,
etwa Helium, unterbrochen wird und die Sauerstoffdurchflussrate
erhöht
wird, während
die 3MS-Durchflussrate abgesenkt wird, nachdem die Schicht 273b,
die aus SiCOH aufgebaut ist, mit einer gewünschten Dicke abgeschieden
ist. Der Abscheideprozess mit dem neu eingestellten Parameter kann
dann weitergeführt
werden, bis eine gewünschte
Dicke für
die Siliziumdioxidschicht 273a erreicht ist. Wie man erkennen
kann, kann diese in-situ Prozesssequenz
vorteilhafterweise zur Herstellung mehrerer zwischenliegender Siliziumdioxidschichten in
einer SiCOH-Schicht mit kleinem ε angewendet werden,
um die mechanische Stabilität
der zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht 270 zu
erhöhen.
Nach Beendigung der Herstellung der zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht 270 wird
die dielektrische Schicht 263 mit kleinem ε durch beispielsweise
plasmaunterstütztes
CVD, Aufschleudertechniken und dergleichen hergestellt. Anschließend wird
eine entsprechende Lackmaske gebildet (nicht gezeigt) und gut bewährte anisotrope Ätztechniken
werden angewendet, um die Kontaktdurchführungsöffnung 271a zu bilden.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines
anisotropen Ätzprozesses,
der durch 280 bezeichnet ist, um eine Grabenöffnung 261a in
der Metallleitungsschicht 260 zu bilden. Dazu ist eine
Lackmaske 283 über
der dielektrischen Schicht mit kleinem ε 263 ausgebildet, wobei der
Einfachheit halber zusätzliche
Deckschichten und/oder antireflektierende Schichten, die innerhalb oder
auf der dielektrischen Schicht mit kleinem ε 263 ausgebildet sind,
nicht gezeigt sind. Die Lackmaske 283 und möglicherweise
zusätzliche
Deckschichten und antireflektierende Schichten werden entsprechend
gut etablierter Abscheide- und Photolithographietechniken hergestellt.
Danach wird der anisotrope Ätzprozess 280 ausgeführt, wobei
während
einer abschließenden
Phase des Prozesses gasförmige Nebenprodukte 281 freigesetzt
werden können, wenn
die Ätzfront
die dielektrische Schicht 273a erreicht, die in einer Ausführungsform
eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen kann, da diese aus
Siliziumdioxid oder fluordotiertem Siliziumdioxid aufgebaut ist.
Insbesondere angeregte Zyanid- (CN) Moleküle und angeregte Kohlenmonoxid- (CO) Moleküle können erzeugt
werden, wenn die Ätzfront
an der Siliziumdioxidschicht 273 eintrifft, wobei diese
Nebenprodukte 281 entsprechende Lichtwellenlängen 282 aussenden,
die in effizienter Weise durch ein entsprechendes Endpunkterfassungssystem
(nicht gezeigt), wie es typischerweise in frei erhältlichen Ätzanlagen
vorgesehen ist, detektiert werden können. Somit kann durch das
Identifizieren ausgeprägter
Linien in den Lichtsignalen 282, die insbesondere durch
die Zyanid- und Kohlenmonoxidmoleküle 281 ausgesendet
werden, der Ätzprozess 280 mit
hoher Genauigkeit beendet werden. In anderen Ausführungsformen,
wenn die dielektrische Schicht 273a ein dielektrisches
Material mit kleinem ε aufweist,
während
die Schicht 273b das Material mit erhöhter mechanischer Stabilität enthält, kann
der Ätzprozess 280 nach
einer spezifizierten Ätzdauer
angehalten werden, oder in anderen Ausführungsformen kann eine relativ
dünne Indikatorschicht
in der dielektrischen Schicht 263 mit kleinem ε oder 273a oder
an einer Grenzfläche
davon vorgesehen sein.
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Nach
dem Ende des anisotropen Ätzprozesses 280 wird
der weitere Prozessablauf fortgesetzt, wie dies mit Bezug zu der
Metallleitungsschicht 240 und der zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschicht 250 beschrieben
ist. Wie zuvor dargestellt ist, können mehrere Metallleitungsschichten/zwischenliegende
Kontaktdurchführungsschichten
erforderlich sein, um die Verbindungsstruktur 210 fertigzustellen, wobei
nicht notwendigerweise jede zwischenliegende Kontaktdurchführungsschicht
mit einem dielektrischen Material mit erhöhter mechanischer Stabilität versehen
sein muss. Eine entsprechende Gestaltung der Verbindungsstruktur 210 kann
aus entsprechenden Messergebnissen der zuvor beschriebenen Teststrukturen
erhalten werden.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem fortgeschrittenen
Herstellungsstadium, wobei das Bauteil 200 ferner eine
Lothöckerschicht 220 mit
mehreren Lothöckern 221 und ein
Gehäusesubstrat 230 mit
einem Basisbereich 232 und entsprechenden Flächen und/oder
Lothöckern 231 aufweist.
Die Verbindungsstruktur 210 kann eine spezifizierte Anzahl
von Metallleitungsschichten 291 und eine entsprechende
Anzahl zwischenliegender Kontaktdurchführungsschichten 292 entsprechend
den Entwurfserfordernissen aufweisen. In einer speziellen Ausführungsform
sind die zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschichten 292 im
Wesentlichen vollständig
aus einem dielektrischen Material mit erhöhter mechanischer Stabilität, etwa
Siliziumdioxid, fluordotiertem Siliziumdioxid, das aus TEOS hergestellt
ist, und mit Metallkontaktdurchführungen,
die von der Seite her bzw. late ral darin eingebettet sind, aufgebaut.
Andererseits sind die Metallleitungsschichten aus einem dielektrischen Material
mit kleinem ε,
etwa SiCOH mit Metallleitungen, die von der Seite her darin eingebettet
sind, aufgebaut. In anderen Ausführungsformen
kann die Verbindungsstruktur 210 jedoch eine beliebige
Form annehmen, wie dies zuvor mit Bezug zu den 2a bis 2c beschrieben
ist.
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Das
Bauelement 200, wie es in 2d gezeigt
ist, kann entsprechend den folgenden Prozessen hergestellt werden.
Nach Fertigstellung der Verbindungsstruktur 210 wird die
Lothöckerschicht 220 durch
gut bewährte
Techniken, etwa die Sputter-Abscheidung von unter den Lothöckern liegenden
Metallisierungsschichten und einem nachfolgenden Elektroplattierungsvorgang,
der durch Lithographie unterstützt
ist, für
die Lothöcker 221 gebildet,
die dann wieder verflüssigt
werden, um Lotkugeln vor dem Befestigen des Gehäusesubstrats 230 an
der Lothöckerschicht 220 zu
bilden. Während
dieses Prozesses zum Anbringen eines Gehäuses, d. h. während des
Befestigens des Gehäusesubstrats 230 an
der Lothöckerschicht 220,
kann eine Rissbildung und Materialablösung in der Verbindungsstruktur 210 deutlich
reduziert werden auf Grund der erhöhten mechanischen Stabilität. Somit
kann in speziellen Ausführungsformen
der Basisbereich 232 aus einem organischen Material hergestellt
sein, wodurch deutlich Kostenvorteile im Vergleich zu keramischen
Materialien erzielt werden, während
dennoch eine hohe Produktionsausbeute auf Grund der verbesserten Verbindungsstruktur 210 erreicht
wird, wobei das Leistungsverhalten des Bauelements 200 im Wesentlichen
aufrecht erhalten wird im Vergleich zu einer Verbindungsstruktur,
die mit zwischenliegenden Kontaktdurchführungsschichten mit kleinem ε ohne Material
mit erhöhter
mechanischer Stabilität
aufgebaut ist.
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Es
gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Technik
bereit, die die Herstellung moderner Verbindungsstrukturen erlaubt,
insbesondere für
Bauelemente mit kritischen Entwurfsabmessungen von 130 nm und kleiner,
wobei das gute Leistungsverhalten in Bezug auf die Signalausbreitung erreicht
werden kann, während
die mechanische Stabilität
der Verbindungsstruktur insbesondere während des Vorgangs des Einbringens
in ein Gehäuse deutlich
verbessert ist im Vergleich zu modernen konventionellen Bauelementen
mit kleinem ε.
Somit können
kosteneffiziente organische Gehäusesubstrate effizient
in Verbindung mit modernsten Bauelementen eingesetzt werden.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung
als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.