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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterherstellung
und betrifft insbesondere das Herstellen einer Verbindungsstruktur
mit einem Kontaktpfropfen zum direkten Kontaktieren eines Schaltungselements.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Während des
Vorgangs zur Herstellung moderner Halbleiterbauelemente, etwa moderner CPU's, werden mehrere
unterschiedliche Materialschichten aufeinander abgeschieden und
strukturiert, um die erforderlichen Bauteilstrukturelemente zu definieren.
Im Allgemeinen sollten aufeinanderfolgende Materialschichten eine
gute Haftung zueinander aufweisen, wobei gleichzeitig die Integrität der einzelnen Schicht
gewahrt werden sollte, d. h. die chemische Reaktion benachbarter
Schichten miteinander und/oder die Diffusion von Atomen von einer
Schicht in die andere sollte während
der Fertigungsprozesse für
die Herstellung der einzelnen Schichten und nachfolgender Prozesse
und danach, wenn das fertiggestellte Bauelement betrieben wird,
vermieden werden. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, ist häufig eine Zwischenschicht erforderlich,
um eine gute Haftung bereitzustellen und um eine Diffusion und damit eine
unerwünschte
Störung
zwischen benachbarten Materialien während der Bearbeitung und des
Betriebs zu unterdrücken.
Ein typisches Beispiel für
derartige Erfordernisse bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen
ist die Herstellung von Kontaktpfropfen, wobei Öffnungen und Gräben mit
einem Unterseitengebiet und einem Seitenwandgebiet mit einer entsprechenden
Zwischenschicht auszukleiden sind, d. h. einer leitenden Barrierenschicht,
so dass ein nachfolgend abgeschiedenes leitendes Material eine gute
Haftung zu dem umgebenden dielektrischen Schichtmaterial aufweist
und dass eine unerwünschte
Wechselwirkung während
der Bearbeitung und des Betriebes vermieden werden kann. In modernen
Halbleiterbauelementen, werden die Kontaktpfropfen typischerweise
aus einem Metall auf Wolframbasis hergestellt, die in einem dielektrischen Schichtstapel
vorgesehen sind, der typischerweise aus Siliziumdioxid mit einer
unten liegenden Ätzstoppschicht,
die typischerweise aus Siliziumnitrid hergestellt ist, aufgebaut
ist.
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Im
Allgemeinen ist der elektrische Widerstand der Barrierenmetallschicht
deutlich höher
als der Widerstand des Materials auf Wolframbasis, das den Kontaktpfropfen
bildet, so dass die Dicke der Barrierenmetallschicht möglichst
klein gewählt
wird, um eine unerwünschte
Erhöhung
des Gesamtwiderstandes des Kontaktpfropfens zu vermeiden.
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In
modernen integrierten Schaltungen werden Öffnungen – sogenannte Kontaktdurchführungen – hergestellt,
die ein Aspektverhältnis
aufweisen, das bis zu ungefähr
8:1 oder mehr betragen kann, und die Öffnung kann einen Durchmesser
von 0,1 μm oder
kleiner besitzen. Das Aspektverhältnis
derartiger Öffnungen
wird im Allgemeinen als das Verhältnis der
Tiefe der Öffnung
zu der Breite der Öffnung
definiert. Daher ist es äußerst schwierig,
eine dünne, gleichförmige Barrierenmetallschicht
auf den gesamten Seitenwänden
herzustellen, insbesondere an den unteren Ecken, um damit in effizienter
Weise einen direkten Kontakt des Metalls mit dem umgebenden dielektrischen
Material zu vermeiden. D. h. es ist schwierig, eine Barrierenmetallschicht
zu bilden, die in geeigneter Weise alle Oberflächen der Öffnungen abdeckt.
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Mit
Bezug zu 1 wird nun
ein typischer konventioneller Prozessablauf zur Herstellung von Kontakten
zu einem Schaltungselement gemäß gut etablierter
Technologien auf Wolframbasis detaillierter beschrieben, um die
darin beteiligten Probleme bei der Herstellung einer zuverlässigen leitenden Barrierenschicht
darzustellen.
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1 zeigt schematisch ein
Halbleiterbauelement 100 während einer Fertigungsphase
für das Herstellen
von Kontaktpfropfen, die eine Verbindung zu einem Schaltungselement,
etwa einem Transistor 110 bilden, der über einem geeigneten Halbleitersubstrat 101 ausgebildet
ist. Das Schaltungselement 110 kann ein oder mehrere Kontaktgebiete,
etwa eine Gateelektrode 111 und Drain- und Sourcegebiete 112 umfassen.
Das Schaltungselement 110 ist von einer dielektrischen
Materialschicht bedeckt, die eine Kontaktätzstoppschicht 102 aufweisen
kann, die aus Siliziumnitrid hergestellt ist, und weist ein Zwischenschichtdielektrikumsmaterial 103 auf,
das typischerweise Siliziumdioxid aufweist. Ferner sind zwei Kontaktöffnungen 104a, 104b in
den dielektrischen Schichten 103 und 102 ausgebildet,
um damit eine Verbindung zu den entsprechenden Kontaktgebieten 1111 und 112 herzustellen.
Ferner ist eine leitende Barrierenschicht, die typischerweise aus
einer Titanbeschichtung 105 und einer Titannitridschicht 106 gemäß der Kontakttechnologie
auf Wolframbasis aufgebaut ist, auf der dielektrischen Schicht 103 und
innerhalb der Kontaktöffnung 104a, 104b gebildet.
Die Titanbeschichtung 105 und die Titannitridbarrierenschicht 106 sind
so gebildet, dass die Zuverlässigkeit der
nachfolgenden Abscheidung eines Materials auf Wolframbasis verbessert
wird, wobei der Abscheideprozess typischerweise als ein CVD- (chemischer Dampfabscheide-)
Prozess ausgeführt
wird, in welchem Wolframhexafluorid (WF6)
in einem thermisch aktivierten ersten Schritt auf der Grundlage
von Silan (SiH4) reduziert wird und anschließend in
einem zweiten Schritt in Wolfram auf der Grundlage von Wasserstoff
umgewandelt wird. Während
der Reduzierung des Wolframs auf der Grundlage von Wasserstoff wird
ein direkter Kontakt zu dem Siliziumdioxid der dielektrischen Schicht 103 im
Wesentlichen durch die Titanbeschichtung 105 vermieden,
um damit einen unerwünschten
Siliziumverbrauch in dem Siliziumdioxid zu vermeiden. Jedoch zeigt
Titannitrid eine relativ geringe Haftung zu Siliziumdioxid und kann
daher die Zuverlässigkeit
des entsprechenden Wolframpfropfens, der nachfolgend gebildet wird,
gefährden. Folglich
wird die Titannitridbarrierenschicht 106 zur Verbesserung
der Haftung der Titanbeschichtung 105 vorgesehen.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100,
wie es in 1a gezeigt
ist, weist die folgenden Prozesse auf. Nach der Herstellung des
Schaltungselements 110 auf der Grundlage gut etablierter
Fertigungsverfahren kann die Kontaktätzstoppschicht 102 auf
der Grundlage gut bekannter plasmaunterstützter CVD-Verfahren hergestellt werden, an die
sich das Abscheiden des Siliziumdioxids der Schicht 103 auf
der Grundlage von TEOS anschließt,
wodurch eine dichte und kompakte Materialschicht gebildet wird.
Nach optionalen Einebnungsprozessen zum Einebnen der Schicht 103 wird
eine Photolithographiesequenz auf der Grundlage gut etablierter
Prozessrezepte ausgeführt,
woran sich anisotrope Ätzverfahren
zur Herstellung der Kontaktöffnungen 104a, 104b in
der Schicht 103 anschließen, wobei der Ätzprozess
in zuverlässiger
Weise auf der Grundlage der Ätzstoppschicht 102 gesteuert
werden kann. Danach können weitere Ätzprozesse
ausgeführt
werden, um schließlich
die Kontaktätzstoppschicht 102 basierend
auf gut etablierten Prozesstechniken zu öffnen. Danach wird die Titanbeschichtung 105 auf
der Grundlage einer ionisierten physikalischen Dampfabscheidung,
etwa einer Sputter-Abscheidung, hergestellt. Der Betriff „Sputtern" oder „Sputter-Abscheidung" beschreibt einen
Mechanismus, in welchem Atome aus einer Oberfläche eines Targetmaterials beim
Auftreffen ausreichend energetischer Teilchen herausgelöst werden.
Das Sputtern wurde zu einer vorherrschenden Technik für die Abscheidung
von Titan, Titannitrid und dergleichen. Obwohl im Prinzip eine verbesserte Stufenbedeckung
durch Anwendung von CVD-Verfahren
erreicht werden könnte,
wird die Sputterabscheidung häufig
für das
Abscheiden der Beschichtung 105 aus den folgenden Gründen eingesetzt.
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Die
Sputter-Abscheidung ermöglicht
die relativ gleichförmige
Abscheidung von Schichten über große Substratflächen hinweg,
da das Sputtern mittels großflächiger Targetflächen bewerkstelligt
werden kann. Die Steuerung der Filmdicke durch Sputter-Abscheidung
ist relativ einfach im Vergleich zur CVD-Abscheidung und kann dadurch
erreicht werden, dass ein konstanter Satz an Betriebsbedingungen
eingestellt wird, wobei die Abscheidezeit dann eingestellt wird,
um die erforderliche Schichtdicke zu erreichen. Ferner kann die
Zusammensetzungen von Verbindungen, etwa Titannitrid, das in der
Barrierenschicht 106 verwendet wird, einfacher und präziser in einem
Sputter-Abscheideprozess
im Vergleich zu CVD gesteuert werden. Des weiteren können die Oberflächen der
Substrate, die zu bearbeiten sind, vor der eigentlichen Film-Abscheidung durch
Sputtern gereinigt werden, so dass eine Kontamination der Oberfläche in effizienter
Weise entfernt und eine erneute Kontamination vor dem eigentlichen
Abscheideprozess in effizienter Weise unterdrückt werden kann. Für eine effiziente
Abscheidung eines moderat dünnen
Materials in den Kontaktöffnungen 104a, 104b mit
einem relativ hohen Aspektverhältnis werden
sogenannte ionisierte Sputter-Abscheideverfahren
eingesetzt, in denen die Targetatome, die aus dem Target herausgeschlagen
werden, in effizienter Weise mittels einer entsprechenden Plasmaumgebung
ionisiert werden, während
sie sich in Richtung auf das Substrat zubewegen. Auf der Grundlage
einer Gleichspannungs- oder Radiofrequenz-Vorspannung kann die Richtungstreue
der sich bewegenden ionisierten Targetatome deutlich verbessert
werden, wodurch das Abscheiden des Targetmaterials an der Unterseite
der Kontaktöffnungen 104a, 104b selbst für hohe Aspektverhältnisse
ermöglicht
wird.
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Auf
Grund dieses Mechanismus ist jedoch die Schichtdicke an der Unterseite 104c deutlich
größer im Vergleich
zu einer Dicke an den Seitenwänden der
Kontaktöffnungen 104a, 104b,
selbst wenn diese Seitenwände
von einer im Wesentlichen zusammenhängenden Schicht bedeckt sind.
Insbesondere an unteren Seitenwandbereichen 104d kann die
entsprechende Schichtdicke deutlich kleiner sein im Vergleich zu
der Dicke an der Unterseite 104c. Es ist jedoch eine zuverlässige und
damit minimale Schichtdicke erforderlich, insbesondere an den unteren
Seitenwandbereichen 104d, um im Wesentlichen eine nachteilige
Wechselwirkung während
der nachfolgenden Wolframabscheidung zu vermeiden. Beispielsweise
ist für
eine minimale Schichtdicke von ungefähr 50 bis 60 Angstrom
an den unteren Seitenwandbereichen 104d eine Schichtdicke
an der Unterseite von ungefähr
300 bis 400 Angstrom erforderlich, woraus sich ein erhöhter Kontaktwiderstand
ergibt, da die Kombination aus Titannitrid und Titan einen deutlich
höheren
Widerstand im Vergleich zu den Kontaktgebieten 112 und
dem nachfolgend aufgefüllten
Wolfram aufweist. Ferner kann in anspruchsvollen Anwendungen, die
die Herstellung von Kontaktpfropfen mit hohem Aspektverhältnis erfordern, selbst
die moderat geringe Leitfähigkeit
des Wolframpfropfens im Vergleich zu Kontaktdurchführungen
auf Kupferbasis, die in höheren
Metallisierungsschichten vorgesehen sind, deutlich zu einer Signalausbreitungsverzögerung beitragen,
wodurch die Arbeitsgeschwindigkeit der gesamten integrierten Schaltung
beschränkt
wird. Jedoch ist die Verwendung der Kupfertechnologie auf der Grundlage
von Tantal als Barrierenmaterial, wie dies für Kontaktdurchführungen
in den Metallisierungsschichten eingesetzt wird, nicht ausreichend,
um in zuverlässiger Weise
eine Kupferdiffusion in empfindlichen Transistorbereiche zu unterdrücken, da
bereits sehr kleine Löcher
in dem Tantal zum Aufwachsen von Kupfersilizid führen können, wodurch sich schließlich ein Transistorausfall
ergeben kann.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation besteht ein Bedarf für eine verbesserte
Technik, die die Herstellung zuverlässiger Kontaktpfropfen mit einem
geringeren Kontaktwiderstand ermöglicht, während eines
oder mehrere der zuvor erkannten Probleme vermieden oder deren Auswirkungen
zumindest reduziert werden.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegenden Erfindung an eine Technik,
die die Herstellung von Kontaktpfropfen im Halbleiterbauelementen
ermöglicht,
die eine direkte Verbindung zu Schaltungselementen, etwa Transistoren,
herstellen, wobei ein deutlich reduzierter Kontaktwiderstand erreicht
wird, indem ein äußerst leitendes
Material, etwa ein kupferenthaltendes Metall, eingesetzt wird. Des
weiteren können
die entsprechenden Kontaktpfropfen eine effiziente leitende Barrierenschicht
mit einer wolframbasierten Schicht aufweisen, die auf der Grundlage äußerst konformer
CVD- (chemische Dampfabscheide-) Techniken abgeschieden werden kann,
wodurch eine verbesserte Stufenabdeckung selbst in kritischen Gebieten
der Kontaktöffnungen
sichergestellt wird. Das wolframbasierte Material zeigt ferner eine hohe
Kupferdiffusionsblockierwirkung, wodurch die Verwendung gut etablierter
Kupfermetallisierungsschemata selbst für die äußerst sensiblen Bauteilgebiete,
die in der Nähe
der Schaltungselemente angeordnet sind, ermöglicht wird. Folglich kann
im Vergleich zu konventionellen Verfahren, die auf einem Wolframkontaktpfropfen
basieren, sogar für äußerst größenreduzierte Halbleiterbauelemente
ein deutlich reduzierter Widerstand und damit eine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit
der Transistorelemente erreicht werden. Ferner kann in anschaulichen
Ausführungsformen
eine ALD- (Atomlagendepositions-) Technik eingesetzt werden, die äußerst skalierbar
im Hinblick auf eine weitere Erhöhung
des Aspektverhältnisses entsprechender
Kontaktöffnungen
ist, wobei die Möglichkeit
geschaffen wird, äußerst dünne aber dennoch äußerst zuverlässige leitende
Barrierenschichten für äußerst größenreduzierte
Halbleiterbauelemente herzustellen.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement ein
Schaltungselement mit einem Kontaktgebiet. Das Halbleiterbauelement
umfasst ferner einen Kontaktpfropfen, der in einer dielektrischen
Schicht ausgebildet ist, um damit eine Verbindung zu dem Kontaktgebiet
herzustellen, wobei der Kontaktpfropfen Kupfer und eine wolframenthaltende Barrierenschicht,
die die dielektrische Schicht und das Kupfer trennt, aufweist.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden einer
leitenden Barrierenschicht in einer Kontaktöffnung eines Schaltungselements
auf der Grundlage eines wolframenthaltenden Vorstufenmaterials.
Ferner wird die Kontaktöffnung
dann mit einem kupferenthaltenden Material gefüllt.
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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, in denen:
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1 schematisch
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements während der
Herstellung von Kontaktpfropfen auf der Grundlage einer konventionellen
Wolframtechnologie zeigt; und
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2a bis 2g schematisch
Querschnittsanschichten eines Halbleiterbauelements während der
Herstellung von Kontaktpfropfen auf der Grundlage einer wolframenthaltenden
leitenden Barrierenschicht und eines kupferbasierten Füllmaterials während diverser
Fertigungsphasen gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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 und die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulichen 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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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte
Technik für
die Herstellung von Kontaktpfropfen, die eine Verbindung zu entsprechenden
Kontaktgebieten von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren,
und dergleichen herstellen. Für
diesen Zweck kann ein äußerst leitendes
Material, etwa Kupfer, in Verbindung mit einem wolframbasierten
Barrierenmaterial verwendet werden, das in einer äußerst zuverlässigen Weise
abgeschieden werden kann, d. h. mit einer ausgezeichneten Stufenabdeckung,
während
andererseits ein hohes Potential an Kupferabblockung geboten wird, wodurch
die Anwendung von Kupfer in der Nachbarschaft äußerst sensibler Bauteilgebiete
ermöglicht wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann
die wolframbasierte leitende Barrierenschicht durch moderne CVD-Verfahren,
etwa ALD- (Atomlagendepositions-) Abscheidung auf der Grundlage
geeigneter Vorstufenmaterialien gebildet werden, wobei die ausgezeichnete
Stufenabdeckung des ALD-Prozesses für eine hohe Zuverlässigkeit
selbst bei einer reduzierten Schichtdicke sorgt. Somit können auf
der Grundlage der wolframenthaltenden Barrierenschicht Kupfermetallisierungsverfahren,
wie sie typischerweise für
die Herstellung für
die Kontaktdurchführung und
die Metallleitung in äußerst modernen
kupferbasierten Metallisierungsschichten eingesetzt werden, auch
in Verbindung mit der Herstellung von Kontaktpfropfen eingesetzt
werden, wodurch deutlich die thermische und elektrische Leitfähigkeit
der entsprechenden Kontakte verbessert wird. Somit kann die Technik
der vorliegenden Erfindung in effizienter Weise auf die Herstellung
von Kontaktstrukturen selbst äußerst größenreduzierter Halbleiterbauelemente ausgedehnt
werden, die kritische Abmessungen von 100 nm und deutlich weniger
aufweisen.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2g werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 200, das ein Schaltungselement 210 aufweist,
etwa einen Kondensator, einen Widerstand oder ein anderes Schaltungselement,
das in einer anschaulichen Ausführungsform
ein Transistorelement repräsentieren
kann, das über
einem Substrat 201 gebildet ist. Das Substrat 201 kann
ein beliebiges geeignetes Substrat zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
darauf repräsentieren,
etwa ein SOI- (Silizium-auf-Isolator) Substrat, ein Halbleitervollsubstrat oder
ein anderes geeignetes Trägermaterial
mit einer darauf ausgebildeten geeigneten Halbleiterschicht zur
Herstellung von Schaltungselementen. Das Schaltungselement 210 kann
ferner ein oder mehrere Kontaktgebiete 211, 212 aufweisen,
die in dem gezeigten Beispiel als eine Gateelektrode, d. h. das Kontaktgebiet 211,
und Drain- und Sourcegebiete, d. h. das Kontaktgebiet 212 gezeigt
sind. Ferner ist ein dielektrischer Schichtstapel über dem
Schaltungselement 210 ausgebildet und kann aus einem geeigneten
dielektrischen Material hergestellt sein, wie dies für die zuverlässige Isolierung
und Passivierung des Schaltungselements 210 erforderlich
ist. In einer anschaulichen Ausführungsform
kann eine Kontaktätzstoppschicht 202,
die beispielsweise aus Siliziumnitrid oder einem anderen geeigneten
Material aufgebaut ist, vorgesehen sein, an die sich eine Dielektrikumszwischenschicht 203 anschließt, die
aus einem oder mehreren geeigneten dielektrischen Materialien aufgebaut
sein kann. In einer anschaulichen Ausführungsform ist die dielektrische
Schicht 203 im Wesentlichen aus Siliziumdioxid hergestellt.
Kontaktöffnungen 204a, 204b können in
den dielektrischen Schichten 203 und 202 hergestellt
sein, wodurch eine Verbindung zu den entsprechenden Kontaktgebieten 211 und 212 gebildet
ist. In einer anschaulichen Ausführungsform
können
ein oder mehrere der Kontaktgebiete 211 und 212 aus
einem äußerst leitfähigen Metallsilizid
hergestellt sein, das in einer Ausführungsform in Form eines Nickelsilizids
vorgesehen ist.
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Ferner
unterliegt das Halbleiterbauelement 200 in einer anschaulichen
Ausführungsform,
wie dies dargestellt ist, einer Vorbehandlung 220 zum Vorbereiten
der Kontaktgebiete 211 und 212 für die nachfolgende
Abscheidung eines Barrierenmaterials. In einer anschaulichen Ausführungsform
kann die Vorbehandlung 220 eine plasmabasierte Behandlung auf
der Grundlage einer inerten Gattung, etwa Argon, Wasserstoff, Stickstoff
und dergleichen, umfassen. Z.B. kann die Vorbehandlung 220 auf
der Grundlage einer Plasmaumgebung ausgeführt werden, die Argon und Wasserstoff
für ein
effizientes Entfernen von Kontaminationsstoffen von den freiliegenden
Bereichen der Kontaktgebiete 211, 212 in einem
Sputter-ähnlichen
Prozess ausgeführt
werden.
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Das
Halbleiterbauelement 200, wie es in 2a gezeigt
ist, kann gemäß gut etablierter
Verfahren zur Herstellung von Schaltungselementen, etwa dem Schaltungselement 210,
auf der Grundlage geeigneter kristalliner, polykristalliner und
amorpher Halbleitermaterialien gebildet werden. In anschaulichen
Ausführungsformen
kann das Schaltungselement 210 ein Schaltungselement eines äußerst fortschrittlichen
siliziumbasierten Halbleiterbauelements repräsentieren, wobei minimale kritische Abmessungen,
etwa eine Gatelänge,
d. h. in 2a die horizontale Abmessung
der Gateelektrode 211a einschließlich des Kontaktgebiets 211,
90 nm und weniger oder sogar 50 nm und weniger für äußerst moderne Bauteile betragen
kann. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die Herstellung
des Schaltungselements 210 moderne Silizidierungsprozesse
für das
Bereitstellen der Kontaktgebiete 211 und 212 in
Form eines hoch leitfähigen
Metallsilizid beinhalten. In einer anschaulichen Ausführungsform
können
zumindest einige der Gebiete 212, 211 als Nickelsilizidgebiete
hergestellt werden, wobei während
der Herstellung eine chemische Reaktion zwischen Nickel und dem
darunter liegenden siliziumenthaltenden Material in Gang gesetzt
wird, wodurch eine merkliche Menge an Nickelmonosilizid erzeugt
wird, während
im Wesentlichen die Herstellung des weniger leitfähigen Nickeldisilizids
vermieden wird. Während
der Herstellung der entsprechenden Nickelsilizidgebiete kann eine
Wärmebehandlung
so durchgeführt
werden, dass die entsprechende chemische Reaktion initiiert und
die entsprechende Phase des Nickelsilizids stabilisiert wird. Beispielsweise sollte
in nachfolgenden Prozessschritten eine gewisse Temperatur nicht überschritten
werden, etwa ungefähr
400 Grad C, um nicht in unerwünschter
Weise weiteres Nickelmonosilizid in nicht gewünschtes Nickeldisilizid umzuwandeln,
wodurch die Gesamtleitfähigkeit
der Kontaktgebiete 211 und 212 beeinträchtigt würde. Wie
nachfolgend beschrieben ist, können gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die nachfolgenden Prozessschritte zur
Herstellung äußerst leitender
Kontaktpfropfen in den Kontaktöffnungen 204a, 204b bei
einer Temperatur von ungefähr
400 Grad C und deutlich weniger ausgeführt werden.
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Nach
der Herstellung des Schaltungselements 210 einschließlich der
Kontaktgebiete 211 und 212 können die Kontaktätzstoppschicht 202 und
das Zwischenschichtdielektrikumsmaterial 203 auf der Grundlage
gut etablierter Verfahren abgeschieden werden, die typischerweise
eine CVD-Technik mit oder ohne plasmaunterstützter Abscheideatmosphäre beinhalten.
Danach können
die Kontaktöffnungen 204a, 204b durch
Photolithographie und moderne Ätztechniken
hergestellt werden, wobei abhängig von
den Entwurfserfordernissen eine Breite der Öffnungen 204a, 204b in
der gleichen Größenordnung wie
die entsprechenden kritischen Abmessungen, d. h. die entsprechende
Gatelänge
des Schaltungselements 210, liegen können. Danach kann das Bauelement 200 der
Atmosphäre
der Vorbehandlung 220 ausgesetzt werden, um Ätznebenprodukte,
die sich auf den freigelegten Bereichen der Kontaktgebiete 211 und 212 gebildet
haben können,
zu entfernen.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 nach dem Ende
der Vorbehandlung 220 mit einer ersten Barrierenschicht 207,
die in einer anschaulichen Ausführungsform
Wolfram und Stickstoff aufweist. Die erste Barrierenschicht 207 kann
eine Dicke 207a aufweisen, die ungefähr 10 nm oder weniger betragen
kann und die in anschaulichen Ausführungsformen ungefähr 5 nm
oder weniger betragen kann. Beispielsweise kann die erste Barrierenschicht 207 in
einer anschaulichen Ausführungsform eine
Wolframnitridschicht (Wn) repräsentieren,
wobei das stöchiometrische
Verhältnis
zwischen Wolfram und Stickstoff in Abhängigkeit der Prozessbedingungen
eines entsprechenden Abscheideprozesses 230 variieren kann.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform kann
der Abscheideprozess 230 zum Abscheiden der Barrierenschicht 207 als
ein thermischer ALD-Prozess eingerichtet sein, wobei eine Prozesstemperatur,
d. h. die Temperatur des Substrats 201 und damit das Schaltungselement 210,
bei 400 Grad C und weniger gehalten wird, wobei in einer anschaulichen
Ausführungsform
die Temperatur des Substrats 201 bei ungefähr 300 Grad
C und weniger stabilisiert wird. Die Abscheideatmosphäre des Prozesses 230 kann
auf der Grundlage von Wolframhexafluorid (Wf6),
Bonhydrid (B2H6)
und Ammoniak (NH3) als Reaktionsgase eingerichtet
werden. Um beispielsweise den oberflächengesättigten thermischen ALD-Prozess
in Gang zu setzen, kann eine spezifizierte Dosis der Gase in die
Abscheideatmosphäre
des Prozesses 230 eingeführt werden, woran sich ein
nachfolgender Spülschritt
anschließt,
um damit eine Abscheiderate von Wolframnitrid von ungefähr 1,0 bis 1,4
Angstrom pro Abscheideschritt zu erreichen. Folglich kann eine gut
steuerbare und konforme Abscheidung der ersten Barrierenschicht 207 erreicht werden,
so dass im Gegensatz zu konventionellen Vorgehensweisen eine sehr
dünne aber äußerst zusammenhängende Schicht
selbst an kritischen Positionen, etwa unteren Bereichen 204d der
Kontaktöffnung 204a,
die sich bis ungefähr
20 bis 100 nm herauferstrecken, erreicht werden kann.
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In
anderen Ausführungsformen
kann die erste Barrierenschicht 207 mittels anderer geeigneter Abscheideverfahren
hergestellt werden, beispielsweise auf der Grundlage von CVD-Techniken,
die für die
erforderliche Stufenbedeckung sorgen können. In noch anderen Ausführungsformen
kann die erste Barrierenschicht 207 auf der Grundlage gut
etablierter CVD-Techniken für
das Abscheiden von Wolfram erfolgen, wobei der Prozess 230 ferner
einen nachfolgenden Nitridierungsprozess umfassen kann, in welchem
ein stickstoffenthaltendes Plasma errichtet wird, um Stickstoff
in die zuvor abgeschiedene Wolframschicht einzuführen. In einer anschaulichen
Ausführungsform
können
die Vorbehandlung 220 (siehe 2a) und
der Abscheideprozess 230 ausgeführt werden, ohne dass der Vakuumzustand,
der während der
Behandlung 220 und des Abscheideprozesses 230 aufrecht
erhalten wird, unterbrochen wird. Beispielsweise kann eine Abscheideanlage
eingesetzt werden, die das Erzeugen einer entsprechenden plasmabasierten
Umgebung für
den Reinigungsprozess 220 ermöglicht, wobei danach die Abscheideumgebung
des Prozesses 230 eingerichtet werden kann, ohne dass das
vorgereinigte Halbleiterbauelement 200 mit Umgebungsluft
in Kontakt kommt, so dass eine erneute Kontamination der zuvor gereinigten
Struktur vermieden wird.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform kann
die erste Barrierenschicht 207 Wolfram umfassen, wobei
die Schicht 207 zumindest eine Unterschicht aufweisen kann,
die aus Wolframnitrid hergestellt ist. Der Anteil an Stickstoff
in der Wolframnitridschicht kann auf der Grundlage entsprechender
Abscheideparameter des Prozessors 230 eingestellt werden,
wie dies zuvor erläutert
ist. Des weiteren kann die Kristallstruktur der Schicht 207 auf
der Grundlage von Abscheideparametern und/oder auf der Grundlage
einer nachfolgenden Behandlung, die nach dem Abscheideprozess 230 ausgeführt wird, eingestellt
werden.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines
weiteren Abscheideprozesses 231 zur Herstellung einer zweiten
Barrierenschicht 208, die in Verbindung mit der ersten
Barrierenschicht und weiteren optionalen Schichten (nicht gezeigt)
einen Barrierenschichtstapel 215 bildet. In einer anschaulichen
Ausführungsform
kann die zweite Barrierenschicht aus einem leitenden Material aufgebaut
sein, das geeignet ist, um eine gute Haftung und diffusionsblockierende
Eigenschaften im Hinblick auf ein äußerst leitfähiges Metall bereitzustellen,
das nachfolgend abgeschieden wird. In einer anschaulichen Ausführungsform
weist die zweite Barrierenschicht 208 Tantal und/oder Tantalnitrid,
Titan, Titannitrid und dergleichen auf, wobei die Schicht 208 aus
zwei oder mehreren Teilschichten aufgebaut sein kann. In einer anschaulichen
Ausführungsform
wird die Schicht 208 als eine im Wesentlichen reine Tantalschicht
abgeschieden, wobei auf Grund der hohen Gleichförmigkeit der zuvor abgeschiedenen
wolframbasierten ersten Barrierenschicht 207 die Abscheidegleichförmigkeit
für die
Schicht 208, die während
des Abscheideprozesses 231 erreicht wird, weniger kritisch
ist, da die Schicht 207, die in zuverlässiger Weise die Oberflächen der
Kontaktöffnungen 204a, 204b abdeckt,
auch als ein effizientes Diffusionsbarrierenmaterial für äußerst leitende
Metalle, etwa Kupfer, dient. Folglich kann der Abscheideprozess 231 auf der
Grundlage gut etablierter Verfahren, etwa einer physikalischen Dampfabscheidung
(PVD), einer Sputter-Abscheidung,
und dergleichen ausgeführt werden.
Für äußerst anspruchsvolle
Anwendungen, wenn die Gesamtdicke einer Barrierenschicht, die aus
den Schichten 207 und 208 aufgebaut ist, als eine äußerst dünne Barrierenschicht
mit einer Gesamtdicke von ungefähr
50 nm oder deutlich weniger vorzusehen ist, kann die zweite Barrierenschicht ebenso
auf der Grundlage von ALD-Verfahren abgeschieden werden, die für gut erprobte
Prozessrezepte für
Tantal und Tantalnitrid verfügbar
sind und die in geeigneter Weise eingesetzt werden können. In
noch anderen Ausführungsformen
kann der Abscheideprozess 231 einen Abscheideschritt enthalten,
in welchem ein geeignetes Katalysatormaterial, etwa Palladium, Platin,
Kupfer, Kobalt und dergleichen, abgeschieden oder in die Barrierenschicht 208 eingebaut werden
können,
und damit als ein Katalysator während
eines nachfolgenden elektrochemischen Abscheideprozesses zur Herstellung
einer Kupfersaatschicht zu dienen. Während eines entsprechenden Abscheideschrittes
zum Einbauen eines derartigen Katalysatormaterials ist die Abdeckung
der freiliegenden Oberflächen
des zuvor abgeschiedenen Materials weniger kritisch, da das Katalysatormaterial nicht
notwendigerweise die gesamten freiliegenden Oberflächenbereiche
bedecken muss.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform können die
Schichten 208 und 207 in einem insitu-Prozess
hergestellt werden, wodurch im Wesentlichen ein Kontakt der Schicht 207 nach
dem Abscheiden mit Umgebungsluft vermieden wird, was zu einer Oxidation
der Schicht 207 führen
könnte.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Hier ist eine Saatschicht 209 auf
dem Barrierenschichtstapel 215 gebildet, der in dieser
anschaulichen Ausführungsform
aus der ersten und der zweiten Schicht 207 und 208 aufgebaut
sein kann. Die Saatschicht 209 kann durch einen beliebigen
geeigneten Abscheideprozess 232 gebildet werden, der in
einer anschaulichen Ausführungsform
ein elektrochemischer Prozess sein kann, wie dies zuvor beschrieben
ist, etwa ein stromloser Plattierungsprozess. In anderen Ausführungsformen
können
gut etablierte Sputter-Abscheideverfahren zur Herstellung der Saatschicht 209 eingesetzt
werden. Danach kann ein weiterer Abscheideprozess, beispielsweise auf
der Grundlage gut etablierter elektrochemischer Abscheideverfahren,
etwa dem Elektroplattieren, ausgeführt werden, um damit die Kontaktöffnungen 204a, 204b in
einer äußerst nicht
konformen Weise zu füllen,
während
im Wesentlichen eine Ausbildung von Hohlräumen innerhalb der Öffnungen 204a und 204b vermieden
wird. Beispielsweise wurden in der Damaszener-Technik, die typischerweise
für kupferbasierte
Metallisierungsschichten eingesetzt wird, gut erprobte äußerst nicht
konforme Elektroplattierungstechniken entwickelt, um selbst Kontaktdurchführungen
mit hohem Aspektverhältnis
mit Kupfer oder Kupferlegierungen zu füllen, und diese Verfahren können entsprechend
angepasst werden, um für die
Kontaktöffnungen 204a, 204b angewendet
zu werden. Während
der elektrochemischen Abscheidung des Kupfers oder der Kupferlegierung
wird ein gewisses Maß an Überschussmaterial
abgeschieden, um damit in zuverlässiger
Weise die Kontaktöffnungen 204a, 204b zu
füllen,
das dann durch gut etablierte Verfahren, etwa Elektropolieren und
chemischmechanisches Polieren (CMP) entfernt werden muss. Stromlose
Prozesse können
ebenso ausgeführt
werden, um die Öffnungen 204a, 204b zu
füllen. In
einer anschaulichen Ausführungsform
kann das überschüssige Material
des Kupfers oder der Kupferlegierung zusammen mit dem überschüssigen Material
der Schichten 209, 208 und 207, die auf
horizontalen Oberflächenbereichen
gebildet sind, mittels eines CMP-Prozesses
entfernt werden, während
welchem die darunter liegende dielektrische Schicht 203 als
eine zuverlässige
CMP-Stoppschicht dienen kann.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 nach dem Ende
der zuvor beschriebenen Prozesssequenz. Somit weist das Bauelement 200 Kontaktpfropfen 216a, 216b auf,
die in den entsprechenden Kontaktöffnungen gebildet sind, die
aus dem Barrierenschichtstapel 215, der die erste Barrierenschicht 207 und
die zweite Barrierenschicht 208 enthalten kann, aufgebaut
sind. Die Schicht 208 liefert die gewünschte Haftung und die Fähigkeit
der Kupferdiffusionsabblockung und kann aus tantalenthaltenden Materialien,
etwa Tantal, Tantalnitrid, und dergleichen hergestellt sein, wobei
auch andere Materialien, etwa Titan, Titannitrid und dergleichen
verwendet werden können.
Die Schichten 207 und 208 können mit einer reduzierten
Dicke im Vergleich zu konventionellen Titannitrid/titanbasierten
Barrierenschichten für
einen Kontaktpfropfen auf Wolframbasis vorgesehen sein, wodurch
deutlich der Gesamtwiderstand der Pfropfen 216a, 216b reduziert
wird. Ferner ist auf Grund des äußerst leitenden
Metalls, etwa Kupfer oder Legierungen davon, der Reihenwiderstand
der Pfropfen 216a, 216b, insbesondere wenn Pfropfen
mit äußerst großem Aspektverhältnis betrachtet
werden, deutlich kleiner auf Grund der verbesserten thermischen
und elektrischen Leitfähigkeit des
Kupfers und der Kupferlegierungen im Vergleich zu Wolfram, das in
konventionellen Verfahren verwendet wird, während der Barrierenschichtstapel 215 für eine hohe
Effizienz bei der Kupferabblockung sorgt.
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2f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen.
Hier ist das Bauelement 200 in einer Fertigungsphase nach
dem Abscheiden von Kupfer oder einer Kupferlegierungsschicht 216 beispielsweise
durch Elektroplattieren gezeigt. Das Bauelement 200 kann
in der gezeigten Weise mehrere der Schaltungselemente, etwa das
Schaltungselement 210, aufweisen, deren Kontaktöffnungen
mit entsprechenden Kupfer- oder Kupferlegierungspfropfen 216a, 216b,
..., gefüllt
sind. Ferner kann das Zwischenschichtdielektrikumsmaterial der Schicht 203 darauf
ausgebildet eine CMP-Stoppschicht 217 aufweisen,
die so gestaltet ist, dass diese eine hohe Diffusionsblockierungseigenschaft
in Bezug auf die kupferenthaltende Schicht 216 aufweist.
Beispielsweise kann in einer anschaulichen Ausführungsform die Schicht 217 aus
Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem Siliziumkarbid
und dergleichen aufgebaut sein. Die CMP-Stoppschicht 217 kann
vorgesehen sein, um im Wesentlichen einen Kontakt von Kupfermaterial
mit dem Zwischenschichtdielektrikumsmaterial 203 während eines nachfolgenden
CMP-Prozesses zum
Abtragen des überschüssigen Materials
der Kupferschicht 216 zu verhindern. Wie zuvor erläutert ist,
kann der Barrierenschichtstapel 215 so vorgesehen sein,
dass dieser zwei oder mehrere Teilschichten mit äußerst reduzierter Dicke im
Vergleich zu konventionellen Barrierenschichten aufweist und somit
können
während des
CMP-Prozesses zum Entfernen des überschüssigen Kupfers
oder der Kupferlegierung selbst sehr geringe Mengen des Kupfers
mit dem darunter liegenden Zwischenschichtdielektrikumsmaterial
in Kontakt kommen. Beispielsweise ist Siliziumdioxid dafür bekannt,
dass es eine moderat hohe Kupferdiffusion ermöglicht, die auf Grund der Nähe zu empfindlichen
Bauteilgebieten der Schaltungselemente 210 als ungeeignet
erachtet werden kann. Folglich kann nach dem Herstellen des Zwischenschichtdielektrikums 203 die
Schicht 217 abgeschieden werden, das eine ausgezeichnete
Fähigkeit
zur Kupferabblockung aufweist, wobei zusätzlich die Schicht 217 eine
erhöhte
Härte besitzen
kann', um damit
eine wesentliche Erosion des dielektrischen Materials der Schicht 203 zu
vermeiden. Somit kann der CMP-Prozess so ausgeführt werden, dass das überschüssige Kupfer
der Schicht 216 effizient abgetragen wird, wobei das Eindringen
von Kupfer in das Zwischenschichtdielektrikumsmaterial der Schicht 203 deutlich reduziert
wird. Somit kann die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von Kupferatomen
in empfindliche Bauteilbereiche der Schaltungselemente 210 deutlich
reduziert werden.
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2g zeigt
schematisch das Hibleiterbauelement 200 gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform weist der Barrierenschichtstapel 215 mindestens
eine zusätzliche Schicht 218 auf,
die auf dem dielektrischen Material der Schicht 203 gebildet
werden kann, um damit eine verbesserte Haftung zu der wolframbasierten
Schicht 207 zu erreichen. In einer anschaulichen Ausführungsform
ist die Schicht 218 aus Wolfram aufgebaut, das mittels
CVD oder ALD abhängig
von den Prozesserfordernissen, abgeschieden werden kann. In einer
anschaulichen Ausführungsform
können
die Schichten 218 und 207 in-situ gebildet werden,
wobei die entsprechende Vorstufenmaterialmischung in geeigneter
Weise so eingestellt werden kann, dass zunächst Wolfram und dann Wolframnitrid
abgeschieden wird. In noch anderen Ausführungsformen können die
Schichten 218, 208 und 207 hergestellt
werden, ohne dass die Vakuumbedingung unterbrochen wird, wodurch
eine Oxidation der Schichten 218 und 208 im Wesentlichen
verhindert wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann die Schicht 218 im
Wesentlichen aus Wolfram aufgebaut sein und kann auf der Grundlage
von Sputter-Abscheideverfahren aufgebracht werden, um damit eine
erhöhte
Schichtdicke an der Unterseite 204c der Kontaktöffnungen 204a, 204b vorzusehen.
Folglich kann das stöchiometrische
Verhältnis
der Schicht 207, die auf der Schicht 218 abgeschieden
ist, in entsprechender Weise an der Unterseite 204c eingestellt
werden, wodurch eine verbesserte Grenzfläche zu den darunter liegenden
Kontaktgebiet 212, 211 herhalten wird. In anderen
Ausführungsformen
kann die Schicht 207 in Form einer Wolframnitridschicht
auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Abscheidetechniken aufgebracht
werden, während
die Schicht 218, die beispielsweise aus Wolfram aufgebaut
ist, auf der Schicht 207 abgeschieden werden kann, wodurch ein
Mittel bereitgestellt wird, um das stöchiometrische Verhältnis insbesondere
an der Unterseite 204c einzustellen. Danach kann das Abscheiden
der Schicht 208 erfolgen, oder in anderen anschaulichen Ausführungsformen
kann das äußerst leitende
Material, etwa Kupfer oder Kupferlegierung direkt abgeschieden werden,
ohne dass die Schicht 208 vorgesehen ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Technik
bereit, die die Herstellung von Kontaktpfropfen mit einer deutlich
erhöhten
Leitfähigkeit
im Vergleich zu konventionellen wolframbasierten Kontaktpfropfen
ermöglicht.
Zu diesem Zweck wird eine äußerst effiziente
kupferblockierende Barrierenschicht auf der Grundlage von Wolfram und,
in anschaulichen Ausführungsformen,
auf der Grundlage von Wolframnitrid gebildet, die mit ausgezeichneter
Stufenbedeckung auf der Grundlage geeigneter Abscheideverfahren,
etwa ALD, CVD, und dergleichen gebildet werden kann. Auf Grund des Vorsehens
der wolframbasierten Barrierenschicht kann eine Kupferprozesssequenz
ausgeführt
werden, ohne dass im Wesentlichen die Gefahr der Diffusion von Kupfer
in empfindliche Bauteilgebiete auftritt. Somit kann in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
eine tantalbasierte Barrierenschicht abgeschieden werden, woran
sich ein typischer Kupferfüllprozess
anschließt,
der das Abscheiden einer entsprechenden Kupfersaatschicht beinhalten
kann. Während
der Herstellung der wolframbasierten Barrierenschicht und der Herstellung
optionaler weiterer Barrierenschichten und des Einfüllens des
Kupfers oder der Kupferlegierung können die Prozesstemperaturen
bei 400 Grad C und deutlich weniger, beispielsweise bei 300 Grad
C gehalten werden, wodurch im Wesentlichen die thermische Stabilität eines Kontaktmaterials,
das in dem betrachteten Schaltungselementen vorgesehen ist, gewährleistet
ist. Beispielsweise können
in anschaulichen Ausführungsformen äußerst leitende
Metallsilizide, etwa Nickelsilizid, vorgesehen sein, wobei dessen
thermische Stabilität
während
der nachfolgenden Bearbeitung zur Herstellung des wolframenthaltenden
Barrierenschichtstapels und der kupferbasierten Kontaktprozesssequenz
nicht beeinträchtigt
wird. Ferner ist der Kontaktbildungsprozess auch mit beliebigen Transistorarchitekturen
verträglich,
etwa SOI-Transistoren, Transistoren mit erhöhten Drain- und Sourcegebieten,
Transistoren mit einer oder mehreren Quellen für mechanische Spannungen, um
damit eine entsprechende Verformung in den Kanalgebieten zu erzeugen,
und dergleichen. Auf Grund der Technik der Atomlagenabscheidung,
die für
die Herstellung der wolframbasierten Barrierenschicht eingesetzt
werden kann, kann ferner die Gesamtdicke des Barrierenschichtstapels
reduziert werden, wodurch zusätzlich
zu einem geringeren Kontaktwiderstand beigetragen wird. Ferner bietet
das verbesserte Abscheideverfahren für eine wolframbasierte Barrierenschicht
die Möglichkeit,
eine weitere Bauteilgrößenreduzierung
durchzuführen,
da selbst Kotaktpfropfen mit hohem Aspektverhältnis auf der Grundlage der
zuvor beschriebenen Techniken effizient hergestellt werden können.
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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.