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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung die Herstellung
von Mikrostrukturen, etwa von modernen integrierten Schaltungen,
und betrifft insbesondere die Herstellung von leitenden Strukturen,
etwa Metallisierungsschichten auf Kupferbasis und Techniken zur
Reduzierung der Elektromigration und anderer belastungsinduzierter
Materialtransporteffekte während
des Betriebs.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Auf
dem Gebiet der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter
Schaltungen, gibt es ein ständiges
Bestreben, die Strukturgrößen von Mikrostrukturelementen
zu verringern, wodurch das Funktionsverhalten dieser Strukturen
verbessert wird. Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen
die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge
von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf
die Geschwindigkeit und/oder die Leistungsaufnahme verbessert wird.
Wenn die Größe der einzelnen
Schaltungselemente bei jeder neuen Schaltungsgeneration verringert
wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente
verbessert wird, wird auch die verfügbare Fläche für Verbindungsleitungen, die
die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden,
ebenso verringert. Folglich werden auch die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen
reduziert, um einem geringeren Anteil an verfügbarer Fläche und der größeren Anzahl
an Schaltungselementen Rechnung zu tragen, die pro Chipeinheitsfläche vorgesehen
ist, da typischerweise die Anzahl der erforderlichen Verbindungen überproportional
im Vergleich zur Anzahl der Schaltungselemente ansteigt. Somit wird
typischerweise eine Vielzahl von gestapelten „Verdrahtungsschichten" vorgesehen, die
auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden, wobei einzelne
Metallleitungen einer einzelnen Metallisierungsschicht mit einzelnen
Metallleitungen einer darüber
liegenden oder darunter liegenden Metallisierungsschicht durch sogenannte
Kontaktdurchführungen
verbunden sind. Trotz des Vorsehens einer Vielzahl von Metallisierungsschichten
sind reduzierte Abmessungen der Verbindungsleitungen notwendig,
um der enormen Komplexität
von beispiels weise modernen CPU's, Speicherchips,
ASIC's (anwendungsspezifische
IC's) und dergleichen
Rechnung zu tragen. Die geringere Querschnittsfläche der Verbindungsstrukturen
möglicherweise
in Verbindung mit einem Anstieg der statischen Leistungsaufnahme
stark größenreduzierter Transistorelemente
führt zu
beachtlichen Stromdichten in der Metallleitungen, die bei jeder
neuen Bauteilgeneration noch weiter ansteigen können.
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Moderne
integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen
Abmessung von 0,1 μm
und weniger werden daher typischerweise bei deutlich erhöhten Stromdichten
bis zu mehreren Kiloampere pro Quadratzentimeter in den einzelnen
Verbindungsstrukturen betrieben, trotz des Vorsehens einer relativ
großen
Anzahl an Metallisierungsschichten, auf Grund der großen Anzahl
an Schaltungselementen pro Einheitsfläche. Das Betreiben der Verbindungsstrukturen
mit erhöhten
Stromdichten kann jedoch eine Reihe von Problemen nach sich ziehen, die
mit einer belastungsinduzierten Beeinträchtigung der Leitung verknüpft sind,
die schließlich
zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltung führen kann.
Ein wichtiges Phänomen
in dieser Hinsicht ist der strominduzierte Materialtransport in
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, der auch als „Elektromigration
bezeichnet wird. Die Elektromigration wird durch den Impulsübertrag
von Elektronen auf die Rumpfionen in den Leitern hervorgerufen,
woraus sich ein Nettoimpuls in Richtung des Elektronenflusses ergibt.
Insbesondere bei hohen Stromdichten kann eine signifikante kollektive
Bewegung oder gerichtete Diffusion von Atomen auf Grund der Elektromigration
in dem Verbindungsmetall hervorgerufen werden, wobei das Vorhandensein
entsprechender Diffusionpfade einen wesentlichen Einfluss auf den verschobenen
Anteil an Material ausüben
kann, der sich aus dem Impulsübertrag
ergibt. Somit kann die Elektromigration zur Ausbildung von Hohlräumen innerhalb
und von Materialanhäufungen
neben der Metallverbindungsstruktur führen, woraus sich ein geringeres
Leistungsverhalten und eine geringere Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall
des Bauelements ergibt. Beispielsweise werden Aluminiumleitungen,
die in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet sind,
häufig
als Metall für
Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist, moderne
integrierte Schaltungen mit kritischen Abmessungen von 0,1 μm oder weniger
deutlich kleinere Querschnittsflächen
der Metallleitungen und somit erhöhte Stromdichten erfordern,
wodurch Aluminium zu einem wenig attraktiven Metall für die Herstellung von
Metallisierungsschichten wird.
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Daher
wird Aluminium zunehmend durch Kupfer und Kupferlegierungen ersetzt,
d. h. einem Material, das einen deutlich geringeren Widerstand und
ein verbessertes Verhalten bei Elektromigration selbst bei deutlich
höheren
Stromdichten im Vergleich zu Aluminium aufweist. Das Einführen von Kupfer
bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen
ist von einer Reihe von Problemen begleitet, die in der Eigenschaft
des Kupfers begründet
sind, gut in Siliziumdioxid und einer Vielzahl von dielektrischen
Materialien mit kleinem ε diffundieren
zu können,
die typischerweise in Verbindung mit Kupfer eingesetzt werden, um
damit die parasitäre
Kapazität
in komplexen Metallisierungsschichten zu verringern. Um die erforderliche
Haftung zu erreichen und um die ungewünschte Diffusion von Kupferatomen
in empfindliche Bauteilgebiete zu vermeiden, ist es daher für gewöhnlich notwendig, eine
Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material,
in das die kupferbasierten Verbindungsstrukturen eingebettet sind,
vorzusehen. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material ist, das
in wirksamer Weise die Diffusion von Kupferatomen verhindert, ist
die Wahl von Siliziumnitrid als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial
wenig wünschenswert,
da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitäre Kapazität benachbarter
Kupferleitungen erhöht
wird, was zu nicht tolerierbaren Signallaufverzögerungen führen kann. Somit wird eine
dünne leitende
Barrierenschicht, die dem Kupfer auch die erforderliche mechanische
Stabilität
verleiht, für
gewöhnlich
ausgebildet, um den Hauptanteil des Kupfers von dem umgebenden dielektrischen
Material zu trennen, um damit die Kupferdiffusion in die dielektrischen
Materialien zu reduzieren und auch die Diffusion von unerwünschten
Sorten, etwa Sauerstoff, Fluor, und dergleichen, in das Kupfer zu
verringern. Ferner können die
leitenden Barrierenschichten auch eine sehr stabile Grenzfläche mit
dem Kupfer bereitstellen, wodurch die Wahrscheinlichkeit für einen
merklichen Materialtransport an diesen Grenzflächen verringert wird, die typischerweise
ein kritisches Gebiet im Hinblick auf verstärkte Diffusionspfade sein.
Gegenwärtig
werden Tantal, Titan, Wolfram und deren Verbindungen mit Stickstoff
und Silizium und dergleichen als bevorzugte Kandidaten für leitende
Barrierenschichten eingesetzt, wobei die Barrierenschicht zwei oder
mehr Teilschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen
kann, um damit den Erfordernissen im Hinblick auf die Diffusionsunterdrückung und
die Haftung gerecht zu werden.
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Eine
weitere Eigenschaft des Kupfers, die es deutlich von Aluminium unterscheidet,
ist die Tatsache, dass Kupfer nicht in effizienter Weise in größeren Mengen
durch chemische und physikalische Dampfabscheideverfahren aufgebracht
werden können,
wozu sich die Tatsa che gesellt, dass Kupfer nicht effizient durch
anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert
werden kann, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich ist, die üblicherweise
als Damaszener- oder Einlegetechnik bezeichnet wird. In einem Damaszener-Prozess
wird zunächst
eine dielektrische Schicht hergestellt, die dann strukturiert wird, um
Gräben
und/oder Kontaktdurchführungen
zu erhalten, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden, wobei, wie zuvor
erläutert
ist, vor dem Einfüllen
des Kupfers eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der
Gräben
und Kontaktdurchführungen
gebildet wird. Das Abscheiden des Kupfervolumenmaterials in die
Gräben
und Kontaktdurchführungen
wird für gewöhnlich durch
nasschemische Abscheideprozesse bewerkstelligt, etwa Elektroplattieren
und stromloses Plattieren, wobei das zuverlässige Auffüllen von Kontaktdurchführungen
mit einem Aspektverhältnis von
5 oder größer bei
einem Durchmesser von 0,3 μm
und kleiner in Kombination mit Gräben erforderlich ist, die eine
Breite von 0,1 μm
bis mehrere Mikrometer aufweisen können. Elektrochemische Abscheideprozesse
für Kupfer
sind auf dem Gebiet der Herstellung elektronischer Leiterplatten
gut etabliert. Jedoch ist das Auffüllen von Kontaktdurchführungen
mit hohem Aspektverhältnis
ohne Erzeugung von Hohlräumen
eine äußerst komplexe
und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen
Verbindungsstruktur auf Kupferbasis deutlich von Prozessparametern,
Materialien und der Geometrie der interessieren Struktur abhängen können. Da
die Geometrie der Verbindungsstrukturen im Wesentlichen durch die
Entwurfserfordernissen bestimmt ist und daher nicht wesentlich für eine gegebene
Mikrostruktur geändert
werden kann, ist es von großer
Bedeutung, den Einfluss von Materialien, etwa leitende und nicht
leitende Barrierenschichten, der Kupfermikrostruktur und ihre wechselseitige
Beeinflussung im Hinblick auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur
abzuschätzen
und zu steuern, um damit sowohl eine hohe Ausbeute als auch die
erforderliche Produktzuverlässigkeit
sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig, Mechanismen für die Beeinträchtigung
und den Ausfall in Verbindungsstrukturen für diverse Konfigurationen zu
erkennen, zu überwachen
und zu reduzieren, um damit die Bauteilzuverlässigkeit für jede neue Bauteilgeneration
oder jeden neuen Technologiestandard beizubehalten.
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Folglich
werden große
Anstrengungen unternommen, um die Beeinträchtigung von Kupferverbindungen
insbesondere in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε mit einer
relativen Permittivität
von 3,1 oder weniger zu untersuchen, um neue Materialien und Prozessstrategien
aufzufinden, um kupferbasierte Leitungen und Kontaktdurchführungen
mit einer geringen Gesamtpermittivität herzustellen. Obwohl der
genaue Mechanismus für die
Elektromigration in Kupferleitungen noch nicht vollständig verstanden
ist, zeigt sich dennoch, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und
insbesondere an Grenzflächen
zu benachbarten Materialien angeordnet sind, einen wesentlichen
Einfluss auf das schließlich
erreichte Leistungsverhalten und die Zuverlässigkeit der Verbindungsstrukturen
ausüben können.
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Ein
wichtiger Ausfallmechanismus, von dem angenommen wird, dass er wesentlich
zu einem vorzeitigen Bauteilausfall beiträgt, ist der durch Elektromigration
hervorgerufene Materialtransport insbesondere an Übergangsbereichen
zwischen einer Kontaktdurchführung
und einem Metallgebiet, wobei für
gewöhnlich
eine gewisse Menge an leitendenm Barrierenmaterial an der Unterseite
der Kontaktdurchführung
vorgesehen wird, wodurch sich eine Barriere für das Materialgebiet ergibt,
wie dies detaillierter mit Bezug zu 1a erläutert ist.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit
einem Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial
repräsentiert,
um darauf und darin Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen herzustellen.
Beispielsweise repräsentiert
das Substrat 101 ein Siliziumvollsubstrat, ein SOI-(Silizium-auf-Isolator)Substrat
und dergleichen. Eine Bauteilschicht 102 ist über dem
Substrat 101 ausgebildet und enthält mehrere Halbleiterbauelemente,
wobei der Einfachhheit halber derartige Schaltungselemente in 1a nicht
gezeigt sind. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement 100 eine
erste Metallisierungsschicht 110, die ein dielektrisches
Material 111 und eine Metallleitung 112 aufweist,
die typischerweise in anspruchsvollen Anwendungen aus einem gut leitenden
Metall, etwa Kupfer, aufgebaut sind. Des weiteren kann die Metallleitung 112 eine
leitende Barrierenschicht 113 besitzen, die aus Tantal,
Tantalnitrid, und dergleichen aufgebaut ist, um die erforderliche
Haftung und die diffusionsblockierenden Eigenschaften bereitzustellen,
wie dies zuvor erläutert
ist. Eine zweite Metallisierungsschicht 120 ist über der ersten
Metallisierungsschicht 110 ausgebildet und enthält ebenfalls
ein dielektrisches Material 121 und eine Metallleitung 122,
die darin gebildet ist, wobei das dielektrische Material 121 und
das leitende Material der Leitung 122 aus im Wesentlichen
den gleichen Materialien aufgebaut sein können, wie sie in der ersten
Metallisierungsschicht 110 verwendet sind. Somit kann ein
wesentlicher Teil des leitenden Materials in der Metallleitung 122 Kupfer
sein, während
typischerweise dielektrische Materialien mit kleinem ε für die dielektrischen
Materialien 121 und 111 verwendet werden. Ferner
sind die Metallleitungen 112 und 122 elektrisch
mittels einer Kontaktdurchführung 130 verbunden,
die einen Durchmesser oder eine laterale Abmessung in den unteren
Metallisierungsebenen des Bauelements 100 im Bereich von 100
nm oder weniger aufweisen kann. Ferner kann eine leitende Barrierenschicht 123 die
Seitenwände und
die unteren Bereiche der Metallleitung 122 und der Kontaktdurchführung 130 bedecken.
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Das
in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann
gemäß gut etablierter
konventioneller Prozessstrategien auf der Grundlage der folgenden Prozesse
hergestellt werden. Nach der Herstellung entsprechender Schaltungselemente
in der Bauteilschicht 102 wird die Metallisierungsschicht 110 durch Abscheiden
des dielektrischen Materials 111 und Strukturieren geeigneter
Gräben
und anderer Öffnungen
auf der Grundlage moderner Lithographie- und Ätztechniken gebildet. Anschließend wird
die Barrierenschicht 113 beispielsweise auf der Grundlage
von Sputter-Abscheidung, CVD-(chemische Dampfabscheidung) und dergleichen
hergestellt. Als nächstes
kann eine Saatschicht, beispielsweise aus Kupfer, bei Bedarf abgeschieden
werden, woran sich ein elektrochemischer Abscheideprozess, etwa
Elektroplattieren, anschließt,
um die zuvor strukturierten Öffnungen
zu füllen,
wobei überschüssiges Material, das
während
des elektrochemischen Abscheideprozesses gebildet wird, danach z.
B. durch CMP (chemisch-mechanises Polieren) und/oder Ätzen entfernt wird.
Anschließend
wird abhängig
von der Prozessstrategie eine Ätzstoppschicht 124 abgeschieden, die
auch als eine Deckschicht für
die Metallleitung 112 dienen kann, wodurch das Kupfermaterial
eingeschlossen wird und das gewünschte
inerte Verhalten der Metallleitung 112 geschaffen wird.
Wie zuvor erläutert
ist, kann die Materialzusammensetzung der Ätzstoppschicht 124 auch
im Hinblick auf das Elektromigrationsverhalten ausgewählt werden,
um Diffusionspfade innerhalb der Metallleitung 112 zu reduzieren.
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Als
nächstes
wird das dielektrische Material 121 auf der Grundlage eines
geeigneten Prozesses hergestellt und danach werden entsprechende Öffnungen
für die
Kontaktdurchführung
und die Metallleitung 122 strukturiert. In gut etablierten
Techniken, sogenannte duale Damaszener-Verfahren, wird die Öffnung für die Kontaktdurchführung 130 zunächst auf
der Grundlage eines anisotropen Ätzprozesses hergestellt,
der zuverlässig
auf Basis der Ätzstoppschicht 124 gesteuert
werden kann. Danach wird die Grabenöffnung strukturiert, wobei
in einigen Vorgehensweisen die entsprechende Kontaktdurchführungsöffnung vollständig geöffnet wird,
um eine Verbindung zu der Metallleitung 111 herzustellen.
Anschließend
wird ein geeigneter Reinigungsprozess bei Bedarf ausgeführt und
danach wird die Barrierenschicht 123 auf der Grundlage
einer geeigneten Abscheidetechnik hergestellt. Als nächstes wird
das leitende Material, d. h. das Kupfer, auf Grundlage eines elektrochemischen
Abscheideprozesses eingefüllt, wobei
das Abscheiden einer Saatschicht vorausgehen kann. Danach wird die
resultierende Oberfächentopographie
eingeebnet, wobei auch überschüssiges Material
entfernt wird, und es kann eine weitere Ätzstoppschicht oder Deckschicht 125 auf
der Grundlage von CVD und dergleichen hergestellt werden.
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Während des
Betriebs des Halbleiterbauelements 100 findet ein Elektronenfluss
statt, beispielsweise wie er durch den Pfeil 126 angegeben
ist, der zu einem Materialstrom auf Grund der erhöhten Stromdichten
führen
kann, die typischerweise in modernen Halbleiterbauelementen angetroffen
werden, wie dies zuvor erläutert
ist. Wie gezeigt, kann eine gewisse Menge an Barrierenmaterial an
der Unterseite der Kontaktdurchführung 130 vorhanden
sein, das einen hohen Widerstand gegenüber Elektromigration im Vergleich
zu im Wesentlichen reinen Kupfer bietet, wodurch ein Materialstrom
von der Kontaktdurchführung 130 in
die Metallleitung 112 unterdrückt wird. Es zeigt sich jedoch,
dass der Übergangsbereich 131 zwischen
der Metallleitung 112 und der Kontaktdurchführung 130 eine
erhöhte
Materialverarmung erleidet, da neues Material nicht über die
Kontaktdurchführung 130 „nachgeliefert" wird. Folglich kann
sich eine flache Hohlstelle 131a in dem Übergangsbereich 131 ausbilden,
was schließlich
zu einem Kontaktausfall führt,
woraus sich ein Gesamtausfall des Bauelements 100 ergeben
kann.
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Um
die Wirkung des oben beschriebenen Ausfallmechanismus zu verringern,
wurde vorgeschlagen, den oberen Bereich der Metallleitung 112 zu
verstärken,
indem beispielsweise ein geeignetes Metall, etwa eine Verbindung
mit Kobalt/Wolfram/Phosphor vorgesehen wird, oder indem eine Legierung
in dem oberen Teil der Metallleitung 112 gebildet wird,
da viele Legierungen einen höheren
Widerstand gegenüber
Elektromigration im Vergleich zu relativ reinem Kupfer aufweisen.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100, wenn es eine
leitende Deckschicht 112a aufweist, die aus einer Legierung,
etwa einer Zinn/Kupfer-Legierung, einer Aluminium/Kupfer-Legierung
und dergleichen gebildet ist. In anderen Fällen wird ein leitendes Material,
etwa eine zuvor genannte Verbindung für die Schicht 122a eingesetzt. Die
Schicht 122a wird typischerweise nach der elektrochemischen
Abscheidung des Volumenmaterials der Metallleitung 112 und
nach einer entsprechenden Einebnung und einem Entfernen von überschüssigem Material
gebildet. Es zeigt sich, dass obwohl eine deutliche Verbesserung
in der Zuverlässigkeit des
Halbleiterbauelements 100 auf Grund des erhöhten Widerstandes
gegenüber
Elektromigrationswirkungen in dem Übergangsbereich 131 erreicht
werden kann, dennoch eine Gesamtbeeinträchtigung des elektrischen Leistungsverhaltens
beobachtet werden kann, was einem erhöhten Reihenwiderstand der Metallleitung 112 auf
Grund der Anwesenheit der Schicht 112 zugeschrieben wird,
die typischerweise einen deutlich höheren elektrischen Widerstand
im Vergleich zu dem Volumenmaterial der Metallleitung 112 aufweist.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation richtet sich die vorliegende Offenbarung
an diverse Verfahren und Bauelemente, in denen die Auswirkungen
eines oder mehrerer der oben genannten Probleme vermieden oder zumindest
reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Halbleiterbauelemente
und entsprechende Fertigungsverfahren, wobei ein verbessertes elektrisches
Verhalten der Metallisierungsstrukturen erreicht werden kann, wobei
dennoch ein erhöhter Widerstand
gegen Elektromigration erreicht wird, insbesondere an Übergangsbereichen,
die eine Kontaktdurchführung
und eine tieferliegende Metallleitung verbinden. Ein verbessertes
Elektromigrationsverhalten kann erreicht werden, indem lokal eine
Legierung in einem Bereich des Metallgebiets gebildet wird, in welchem
die Kontaktdurchführung
mündet. Folglich
dient der Übergangsbereich
nicht mehr als eine Materialquelle während des Betriebs des Bauelements,
wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Hohlräumen darin
deutlich verringert wird. Da die Legierung, die das verbesserte
Elektromigrationsverhalten ergibt, lediglich lokal in dem Übergangsbereich
vorgesehen ist, wird der Gesamtwiderstand des entsprechenden Metallgebiets
in nur sehr lokaler Weise beeinflusst, wobei der Hauptanteil des Metallgebiets
weiterhin einen moderat gewünschten kleinen
Reihenwiderstand aufweist. In einigen anschaulichen Aspekten wird
die Legierung in einer gut selbstjustierten Weise vorgesehen, wodurch
ein hohes Maß an
Elektromigrationszuverlässigkeit
gesichert wird, ohne dass unnötige
Materialbereiche des gut leitenden Materials der betrachteten Metallleitung verbraucht
werden.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer Öffnung in
einer dielektrischen Schicht, die über einem metallenthaltenden Gebiet
einer Metallisierungs struktur eines Halbleiterbauelements gebildet
ist. Das Verfahren umfasst das Zuführen einer legierungsbildenden
Sorte durch die Öffnung
hindurch, um die legierungsbildende Sorte mit dem Material des metallenthaltenden
Gebiets in Kontakt zu bringen. Danach wird eine Legierung in dem
metallenthaltenden Gebiet so gebildet, dass eine Verbindung zu der Öffnung entsteht
und zusätzlich
wird die Öffnung
mit einem metallenthaltenden Material gefüllt.
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Ein
weiteres hierin offenbartes anschauliches Verfahren betrifft das
Herstellen einer Verbindungsstruktur eines Halbleiterbauelements,
wobei das Verfahren das Bereitstellen einer Justieröffnung in
einem Schichtstapel beinhaltet, der über einer Metallleitung ausgebildet
ist, wobei die Justieröffnung verwendet
wird, um eine Kontaktdurchführung,
die zu der Metallleitung verbunden ist, herzustellen. Des weiteren
umfasst das Verfahren das lokale Bilden einer Legierung in einem
Teil der Metallleitung unter Anwendung der Justieröffnung,
um damit den Bereich zu der Kontaktdurchführung auszurichten.
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Ein
hierin offenbartes anschauliches Halbleiterbauelement umfasst eine
erste Metallisierungsschicht mit einem ersten Metallgebiet, wobei
das erste Metallgebiet eine Legierung aufweist, die lateral im Wesentlichen
auf ein Kontaktgebiet beschränkt
ist. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine zweite Metallisierungsschicht,
die über
der ersten Metallisierungsschicht ausgebildet ist und ein zweites
Metallgebiet aufweist. Des weiteren wird eine Verbindungsstruktur,
die das erste und das zweite Metallgebiet verbindet, vorgesehen,
wobei ein Ende der Verbindungsstruktur in den Kontaktgebiet mündet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
des hierin offenbarten Gegenstands 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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1a und 1b schematisch
Querschnittsansichten eines konventionellen Halbleiterbauelements
mit einer Metallisierungsstruktur mit einem schlechteren Elektromigrationsverhalten
im Hinblick auf ein Kontaktgebiet oder Übergangsgebiet zeigen, das
unter einer Kontaktdurchführung
angeordnet ist, die eine Verbindung zu einer Metallleitung (1a)
herstellt, und mit einem beeinträchtigten elektrischen
Leistungsverhalten auf Grund des erhöhten Reihenwiderstands einer
Metallleitung (1b);
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2a bis 2f schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Verbindungsstruktur zum
Verbinden zweier benachbarter Metallisierungsebenen auf der Grundlage
einer lokalen Legierung, die in einem Kontaktbereich oder Übergangsbereich
gebildet ist, zeigen, wobei eine legierungsbildende Sorte auf der
Grundlage sehr selektiver Abscheidetechniken gemäß anschaulicher Ausführungsformen
aufgebracht wird;
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3a und 3b schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während relevanter
Fertigungsphasen zur Herstellung einer lokal beschränkten Materialzusammensetzung zur
Verbesserung des Elektromigrationsverhaltens auf der Grundlage eines
Teilchenbeschusses gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigen; und
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3c und 3d schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während relevanter
Fertigungsphasen zur Bildung einer Legierung in einer sehr lokalisierten
Weise auf Grundlage eines Implantationsprozesses gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigen.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
der hierin offenbarte Gegenstand mit Bezug zu den Ausführungsformen
beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie
in den Zeichnungen gezeigt sind, sollte beachtet werden, dass die
folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen,
die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten anschaulichen
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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Der
Gegenstand der vorliegenden Offenbarung richtet sich an Halbleiterbauelemente
und zugehörige
Fertigungsverfahren, in denen ein Material in ein Metallgebiet in
lateral gut beschränkter
Weise eingeführt
wird, um damit das Elektromigrationsverhalten des lateral beschränkten Bereichs
zu verbessern. Zu diesem Zweck wird eine legierungsbildende Sorte mit
dem Volumenmaterial des Metallgebiets so in Kontakt gebracht, dass
ein selbstjustiertes Verhalten im Hinblick auf eine entsprechende
Kontaktdurchführung
erreicht wird. In diesem Zusammenhang ist eine Legierung als eine
Materialmischung zu verstehen, die eine metallische Eigenschaft
aufweist, und die aus zwei oder mehr Komponenten, wovon mindestens
eine ein Metall ist, aufgebaut ist. Ein lateral beschränktes Gebiet
einer Metalllegierung kann ferner als ein Gebiet verstanden werden,
das mindestens in einer lateralen Abmessung, beispielsweise entlang
einer Längsrichtung
einer Metallleitung, eine deutlich reduzierte Größe im Vergleich zu der Metallleitung
aufweist, wobei zu beachten ist, dass die Legierung nicht notwendigerweise
von einer scharfen Grenze zwischen dem nicht legierten Bereich und
dem legierten Bereich in dem Metallgebiet getrennt ist. Dennoch
kann ein nicht legiertes Gebiet im Hinblick auf eine spezielle legierungsbildende Sorte
von einem Legierungsgebiet unterschieden werden, beispielsweise
auf der Grundlage der Konzentration der legierungsbildenden Sorte,
indem ein geeigneter Schwellwert definiert wird. Beispielswiese kann
ein Punkt der maximalen Konzentration der betrachteten legierungsbildenden
Sorte festgelegt werden und eine Nachbarschaft dieses Punktes kann
als ein legiertes Gebiet bezeichnet werden, wenn die Konzentration
der betrachteten legierungsbildenden Sorte höher als ein spezifizierter
Prozentsatz der maximalen Konzentration ist.
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Wie
zuvor erläutert
ist, können
Kupferlegierungen an sich eine höhere
Elektromigrationsleistungsfähigkeit
im Vergleich zu moderat reinem Kupfer jedoch zu Lasten eines erhöhten elektrischen
Widerstands aufweisen. Somit kann durch Vorsehen der Legierung in
einer lateral gut beschränkten
Weise auf der Grundlage eines geeigneten Justiermechanismus diese
Legierung in jenen Bereichen bereitgestellt werden, in denen ein
deutlicher Widerstand gegen Elektromigration erforderlich ist, während das elektrische
Leistungsverhalten des restlichen Bereichs der betrachteten Metallleitung
nicht unnötig negativ
beeinflusst wird. Es wird eine im Wesentlichen selbstjustierte Fertigungstechnik
bereitgestellt, indem in geeigneter Weise Fertigungsprozesse „gekoppelt" werden, die zur
Herstellung einer Kontaktdurchführungsöffnung angewendet
werden mit geeigneten Prozessverfahren zum Einbauen des gewünschten
Legierungsbildenden Materials in einen Bereich der darunter liegenden
Metallleitung. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten
kann eine sehr selektive Abscheidetechnik auf der Grundlage elektrochemischer
Prozesse während
einer geeigneten Fertigungsphase eingesetzt werden, wenn die Kontaktdurchführungsöffnung die
darunter liegende Metallleitung freilegt. Folglich kann ein gewünschtes
Material effizient auf der freigelegten Oberfläche abgeschieden werden und
kann nachfolgend thermisch in den Materialbereich getrieben werden,
wodurch die gewünschte
Legierung gebildet wird. In anderen Fällen werden sehr stark nicht-konforme
Abscheidetechniken eingesetzt, um damit in geeigneter Weise ein
gewünschtes
legierungsbildendes Material auf der freigelegten Oberfläche der
Metallleitung zu bilden. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen,
die hierin offenbart sind, werden andere Prozessverfahren einschließlich eines
stark richtungsgebundenen Teilchenbeschusses eingesetzt, um eine
gewünschte
legierungsbildende Sorte in selbstjustierter Weise einzubauen.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2e und
den 3a bis 3d werden
nun weitere anschauliche Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 in
einem fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem eine Metallisierungsstruktur
zu bilden ist. Das Halbleiterbauelement umfasst ein Substrat 201,
das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial
repräsentiert, etwa
halbleitende Materialien, isolierende Materialien, und dergleichen.
Beispielsweise kann das Substrat 201 ein im Wesentlichen
kristallines Halbleitermaterial, etwa Silizium, Germanium, eine
Halbleiterverbindung, und dergleichen repräsentieren. In anderen Fällen umfasst
das Substrat 201 zumindest teilweise eine isolierende Schicht, über welcher
ein geeignetes Material in Form einer Bauteilschicht 202 vorgesehen
ist, die zur Herstellung von Mikrostrukturbauelementen darin und
darauf geeignet ist, die zumindest einige Schaltungselemente enthalten,
die eine elektrische Verbindung auf der Grundlage einer entsprechenden
Metallisierungsstruktur erfordern. Daher sollte, sofern dies nicht
in der Beschreibung und/oder den angefügten Patentansprüchen anders beschrieben
ist, der hierin offenbarte Gegenstand nicht als auf ein spezielles
Halbleitermaterial und Trägermaterial
für das
Substrat 201 und die Bauteilschicht 202 eingeschränkt erachtet
werden.
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Des
weiteren ist eine erste Metallisierungsschicht 210 vorgesehen,
die nicht notwendigerweise die unterste Metallisierungsschicht repräsentiert,
die über
der Bauteilschicht 202 ausgebildet ist, die somit eine
beliebige Zwischenschicht repräsentieren
kann, abhängig
von den Bauteilerfordernissen. Beispielsweise zeigen gewisse Metallisierungsebenen
ein weniger ausgeprägtes
schlechtes Leistungsverhalten im Hinblick auf die Elektromigration,
während
andere Metallisierungsebenen ein eingeschränkteres Elektromigrationsverhalten
oder elektrisches Verhalten aufweisen, wie dies zuvor mit Bezug
zu den 1a und 1b erläutert ist.
Die Metallisierungsschicht 210 umfasst ein dielektrisches
Material 211, das aus einem beliebigen geeigneten Material
oder Materialzusammensetzungen nach Bedarf aufgebaut ist. Beispielsweise
enthält
das dielektrische Material 211 ein dielektrisches Material
mit kleinem ε,
d. h. ein Material mit einer relativen Permittivität von 3,0
oder weniger, um parasitäre
Kapazitäten
zu reduzieren, wie dies zuvor erläutert ist. Ferner ist ein Metallgebiet 212 in
dem dielektrischen Material vorgesehen, wobei das Metallgebiet 212 im
Wesentlichen aus einem gut leitenden Metall, etwa Kupfer, Silber,
Legierungen davon, und dergleichen aufgebaut ist. Es sollte beachtet
werden, dass das Metallgebiet 212 auch ein leitendes Material
mit geringerer Leitfähigkeit
an Grenzflächen
zu dem umgebenden dielektrischen Material 211 aufweisen
kann. Ein entsprechend weniger leitfähiges Material kann auch als
eine Barrierenschicht bezeichnet werden, wie dies zuvor unter Bezugnahme
auf das Bauelement 100 beschrieben ist, wobei ein entsprechendes
Barrierenmaterial typischerweise moderat scharfe Grenzen in Bezug
auf das gut leitende Material aufweist, so dass selbst eine entsprechende
Grenzfläche
zwischen dem Barrierenmaterial und dem gut leitenden Material nicht als
ein Legierungsgebiet betrachtet wird. Wie zuvor erläutert ist,
sind geeignete Barrierenmaterialien in Metallisierungsschemata auf
Kupferbasis Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid, mehrere Verbindungen, etwa
mit Kobalt, Wolfram, Phosphor, oder eine Verbindung mit Kobalt,
Wolfram, Bor, Verbindungen mit Nickel, Molybdän, Bor und dergleichen.
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Des
weiteren umfasst die Metallisierungsschicht 210 eine Deckschicht 213,
die in zuverlässiger
Weise das Material des Metallgebiets 212 in Bezug auf die
Diffusion in ein darüber
liegendes dielektrisches Material 211 einschließt, das
vorgesehen sein kann, um eine weitere Metallisierungsebene und eine
geeignete Verbindungsstruktur von Kontaktdurchführungen zur Bereitstellung
einer Zwischenebenenverbindung zu bilden. Wie zuvor erläutert ist, kann
die Schicht 213 auch als eine Ätzstoppschicht während des
Strukturierens des dielektrischen Materials 221 dienen.
Beispielsweise können
Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichtes Siliziumkarbid
oder Zusammensetzungen davon und dergleichen effizient als die Schicht 213 eingesetzt
werden. Die dielektrische Schicht 221, die über der
Metallisierungsschicht 210 ausgebildet ist, kann in dieser
Fertigungsphase eine Kontaktdurchführungsöffnung 230 aufweisen,
die sich durch das dielektrische Material 211 erstreckt
und auf und in der Schicht 213 mündet.
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Das
Halbleiterbauelement 200, wie es in 2a gezeigt
ist, kann auf der Grundlage gut etablierter Prozessverfahren hergestellt
werden, wie sie auch in ähnlicher
Weise zu den zuvor beschriebenen Prozessen im Hinblick auf das Halbleiterbauelement 100 ausgeführt werden.
D. h., Schaltungselemente, möglicherweise
in Verbindung mit anderen Mikrostrukturelementen, können in
der Bauteilschicht 202 hergestellt werden, wobei Transistorelemente
gebildet werden können
mit kritischen Abmessungen in der Größenordnung von 50 nm oder kleiner,
wie sie typischerweise in modernsten integrierten Schaltungen, etwa
CPU's und dergleichen
verwendet werden. Danach wird eine geeignete Kontaktstruktur gebildet, um
eine elektrische Verbindung zu entsprechenden leitenden Halbleiterbereichen
der Schaltungselemente in der Bauteilschicht 202 herzustellen.
Als nächstes
werden ein oder mehrere Metallisierungsebenen vorgesehen, wenn die
Metallisierungsschicht 210 nicht die unterste Metallisierungsebene
repräsentiert.
Anschließend
wird das dielektrische Material 211 auf der Grundlage einer
geeigneten Abscheidetechnik gebildet, wobei zu beachten ist, dass
gut etablierte Materialzusammensetzungen, beispielsweise mit Ätzstoppschichten
und dergleichen, in dem Material 211 eingebaut sein können. Nachfolgend
werden gut etablierte Strukturierungsschema eingesetzt, um Öffnungen
entsprechend dem Metallgebiet 212 zu bilden, das typischerweise
in Form einer Metallleitung vorgesehen wird, die eine laterale Abmessung in
einer Dimension aufweist, die als Längenrichtung L in 2a bezeichnet
ist, die deutlich größer ist
als eine laterale Breitenrichtung, die als eine Richtung senkrecht
zur Zeichenebene der 2a zu verstehen ist. Beispielsweise
kann eine entsprechende Leitungsbreite ungefähr 100 nm oder weniger für schmale
Metallleitungen betragen und kann bis zu mehreren Mikrometern für breite
Metallleitungen aufweisen, wohingegen die Abmessung in der Längsrichtung
einige Mikrometer bis zu mehreren 10 μm betragen kann.
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Wie
zuvor erläutert
ist, wird ein gut leitendes Material, etwa Kupfer, zur Herstellung
des Metallgebiets 212 eingesetzt, wobei typischerweise
ein geeignetes Barrierenmaterial vorgesehen werden kann, wie zuvor
erläutert
ist. Nach dem Herstellen des Metallgebiets 212 wird die
Deckschicht 213 auf der Grundlage von Prozesstechniken
abgeschieden, wie sie ebenfalls mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind.
Es sollte beachtet werden, dass das Metallgebiet 212 und
die Deckschicht 213 auf Grundlage von Prozess- und Bauteilerfordernissen gebildet
werden kann, die so ausgewählt
sind, dass ein gewünschtes
elektrisches, mechanisches und thermisches Verhalten erreicht wird.
D. h., im Gegensatz zu konventionellen Vorgehensweisen kann eine globale
Behandlung des Metallgebiets 212 im Hinblick auf das Verbessern
des Elektromigrationsverhaltens in Bezug auf das Erzeugen flacher
Hohlräume
an einem Kontaktbereich oder Übergangsbereich weggelassen
werden, auf und in welchem eine entsprechende Kontaktdurchführung aufzunehmen
ist, da der hierin offenbarte Gegenstand für eine sehr lokale Verbesserung
des Elektromigrationsverhaltens in dem Kontaktgebiet 213 sorgt.
Insbesondere sind widerstandserhöhende
Maßnahmen
für das
globale Verbessern des Elektromigrationsverhaltens des oberen Bereichs
des Metallgebiets 212 nicht erforderlich.
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Das
dielektrische Material 221 kann auf der Grundlage einer
geeigneten Abscheidetechnik gebildet werden und kann danach durch
gut etablierte Strukturierungsschemata strukturiert werden, wozu ein
Photolithographieprozess und eine nachfolgende anisotrope Ätzsequenz
auf der Grundlage gut etablierter Rezepte gehören. In einer anschaulichen
Ausführungsform
repräsentiert
das dielektrische Material 221 das dielektrische Material
einer weiteren Metallisierungsschicht mit einer Zwischenschicht
zur Bereitstellung einer entsprechenden Kontaktdurchführung auf
der Grundlage der Öffnung 230,
so dass die anfängliche
Höhe des
dielektrischen Materials 221 die Tiefe einer entsprechenden
Metallleitung, die noch herzustellen ist, plus der Tiefe einer entsprechenden Kontaktdurchführung repräsentiert.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die hierin offenbarten Prinzipien
auch in effizienter Weise auf andere Strategien angewendet werden
können,
beispielsweise auf Techniken, in denen jeweilige Kontaktdurchführungen
unabhängig
von jeweiligen Metallleitungen einer nachfolgenden Metallisierungsschicht
hergestellt werden. In anderen Fällen
kann eine Grabenöffnung zuerst
hergestellt werden und danach wird die Kontaktdurchführungsöffnung 230a in
der Grabenöffnung gebildet,
was auch als Vorgehensweise mit „Graben zuerst, Kontaktdurchführung zuletzt" bezeichnet wird.
Während
der entsprechenden anisotropen Ätzsequenz
zur Herstellung der Kontaktdurchführungsöffnung 230a, kann
die Schicht 213 effizient als ein Ätzstopp verwendet werden, wodurch
ein unerwünschtes
Freilegens des Materials des Gebiets 212 vermieden wird,
wenn ein nachfolgender Grabenstrukturierungsprozess auszuführen ist.
In anderen Fällen
wird die Ätzstoppschicht 213 während einer Ätzsequenz
zur Herstellung der Öffnung 230a gemäß einem
Einzel-Damaszener-Verfahren oder gemäß den oben spezifizierten Verfahren „Graben
zuerst, Kontaktdurchführung
zuletzt" geöffnet.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, wobei eine Grabenöffnung 222a in dem
dielektrische Material 221 gebildet ist, wodurch eine zweite
Metallisierungsschicht 220 definiert wird, die elektrisch
mit der Metallisierungsschicht 210 mittels einer Kontaktdurchführung verbunden
ist, die auf der Grundlage der Kontaktdurchführungsöffnung 230a zu bilden
ist. Die Grabenöffnung 222a kann
auf der Grundlage gut etablierter Rezepte hergestellt werden, wobei
in einigen anschaulichen Ausführungsformen
der entsprechende Ätzprozess
zu einem im Wesentlichen vollständigen
Entfernen des freiliegenden Bereichs der Ätzstoppschicht 213 führt.
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In
einigen anschaulichen Aspekten wird das Bauelement 200 einem
geeignet gestalteten Reinigungsprozess unterzogen, um Materialreste
zu entfernen oder zu verringern, oder um Kontaminationsstoffe von
der freigelegten Oberfläche
des Metallgebiets 212 zu entfernen. Zu diesem Zweck können gut etablierte
chemische Rezepte eingesetzt werden.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Herstellungsphase, in der das Bauelement 200 einer
Abscheideumgebung 240 ausgesetzt ist, die so gestaltet
ist, dass eine sehr selektive Abscheidung einer legierungsbildenden
Sorte 241 an der Unterseite der Kontaktdurchführungsöffnung 230a erreicht
wird. Die legierungsbildende Sorte 241 kann ein beliebiges
geeignetes Material repräsentieren,
das in Verbindung mit dem vorherrschenden Material des Metallgebiets 212 eine
Legierung mit einem verbesserten Elektromigrationsverhalten bildet.
Wenn beispielsweise Kupfer als das vorherrschende Material in dem
Metallgebiet 212 verwendet ist, sind geeignete legierungsbildende
Komponenten u. a. Zinn (Sn), Aluminium (Al), und dergleichen. Die
legierungsbildende Sorte 241 kann auf Grund der hohen Selektivität des Abscheideprozesses 240 über den
kritischen Bereich 231 vorgesehen werden, in welchem eine
deutlich erhöhte
Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration gewünscht
ist, wie dies zuvor erläutert
ist. In einer anschaulichen Ausführungsform
umfasst der sehr selektive Abscheideprozess 240 einen elektrochemischen
Abscheideprozess, etwa einen stromlosen Plattierungsprozess. Ein
stromloser Abscheideprozess erfordert typischerweise eine aktive
Initiierung der chemischen Reaktion der Mittel, die in der entsprechenden
Plattierungslösung
enthalten sind, um die entsprechende Komponente oder Komponenten zu
reduzieren und damit abzuscheiden, etwa Zinn, um damit eine gleichmäßige Schicht
zu bilden. Typischerweise kann das Initiieren der chemischen Reaktion
durch ein katalytisches Material oder auf der Grundlage entsprechender
Nukleationszentren kleiner Größe erreicht
werden, um damit nicht in unerwünschter
Weise die Kristallstruktur des abgeschiedenen Materials zu beeinträchtigen.
Beispielsweise sind Materialien, etwa Platin (Pt), Palladium (Pd), Kupfer
(Cu), Silber (Ag), Kobalt (Co), und dergleichen als sehr effiziente
Katalysatormaterialien zum Aktivieren der chemischen Reaktion zwischen
einem Metallsalz und einem reduzierendem Mittel, das in einer entsprechenden
Elektrolytlösung
enthalten ist, bekannt. Folglich kann in vielen Fällen die
freigelegte Oberfläche
des Metallgebiets 212 selbst als ein Katalysator dienen,
wodurch der gewünschte
Abscheideprozess initiiert wird. Somit kann die legierungsbildende
Sorte 241 mit hoher Zuverlässigkeit und Gleichmäßigkeit
in Bezug auf substratüberspannende
Schwankungen Schwankungen von Substrat zu Substrat vorgesehen werden.
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In
anderen anschaulichen Ausführungsformen
umfasst der gut selektive Abscheideprozess 240 sehr richtungsgebundene
Verfahren, etwa die physikalische Dampfabscheidung auf der Grundlage geeignet
ausgewählter
Parameter, wodurch eine erhöhte
Abscheiderate an horizontalen Bereichen erreicht wird, während die
Abscheiderate an im Wesentlichen vertikalen Rändern auf einem moderat geringen
Wert gehalten wird. Entsprechende richtungsabhängige Techniken werden beispielsweise
eingesetzt, wenn die Grabenöffnung 222 in
dieser Fertigungsphase noch nicht hergestellt ist, der nicht gewünschte Materialreste
an Seitenwandbereichen der Kontaktdurchführungsöffnungen 230a durch
einen isotropen Ätzprozess
entfernt werden können,
wobei ausreichende Material an der Unterseite der Kontaktdurchführung verbleibt,
um damit die Sorte 241 in einer gewünschten Menge bereitzustellen.
Die Sorte 241 kann von anderen horizontalen Bereichen außerhalb
der Kontaktdurchführungsöffnung 230a während der
weiteren Bearbeitung in Abhängigkeit
von der Prozessstrategie entfernt werden.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es einer
Behandlung 250 unterzogen wird, um einen legierungsbildenden
Prozess in Gang zu setzen, wodurch die Sorte 241 in das
Material des Metallgebiets 212 diffundiert, was in einer sehr
gut gesteuerten Weise bewerkstelligt werden kann, um damit die resultierende
Legierung, die nunmehr als Legierung 241 bezeichnet wird,
auf den Bereich 231 im Wesentlichen zu beschränken, der
eine ähnliche
laterale Abmessung im Vergleich zu der Kontaktdurchführungsöffnung 230a aufweist.
Die Behandlung 250 kann eine Wärmebehandlung bei erhöhten Temperaturen
im Bereich von 180 bis 300 Grad C beinhalten, um damit die gewünschte Diffusionsaktivität zu erreichen,
ohne im Wesentlichen andere Bauteilkomponenten zu beeinträchtigen.
Während
der Wärmebehandlung 250 werden
die Temperatur und/oder die Dauer in geeigneter Weise so gesteuert,
dass die gewünschte
laterale und vertikale Ausdehnung der Legierung 241 erreicht
wird, wodurch ein geeigneter Kontaktbereich gebildet wird, der auch
als Kontaktbereich oder Übergangsbereich 231 bezeichnet
wird, in welchem eine Kontaktdurchführung in einer späteren Fertigungsphase
aufgenommen wird.
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Wie
zuvor erläutert
ist, kann die laterale Abmessung des Gebiets 231 auf der
Grundlage der Konzentration der legierungsbildenden Spezies 241 definiert
werden. D. h., Bereiche des Metallgebiets 212 mit einer
Konzentration der Sorte 241, die über einer vordefinierten Schwelle
liegt, kann als zu dem Kontaktgebiet 231 gehörig betrachtet
werden, während
Bereiche mit einer Konzentration unterhalb der Schwelle als außerhalb
des Bereichs 231 liegend erachtet werden, wodurch ein „nicht
legierter" Bereich des
Metallgebiets 212 repräsentiert
ist. In anderen Fällen
kann eine maximale Konzentration der Sorte 241 als eine
Referenz verwendet werden, wobei ein vorbestimmter Schwellwert,
d. h. ein Prozentsatz der maximalen Konzentration, zum Unterscheiden
von Bereichen innerhalb des Bereichs 231 und außerhalb des
Bereichs 231 verwendet werden kann. Beispielsweise können in
diesem Sinne die lateralen Abmessungen des Bereichs 231 durch
eine Position definiert werden, an der die Konzentration der Sorte 241 auf
ein Zentel der maximalen Konzentration abgefallen ist. In diesem
Sinne ist die laterale Abmessung des Bereichs 231 in einigen
anschaulichen Ausführungsformen
kleiner als das zweifache der lateralen Abmessung der Kontaktdurchführungsöffnung 230 an
deren unteren Bereich. Somit kann die laterale Ausdehnung des Bereichs 231 deutlich
kleiner sein im Vergleich zur Länge
des Metallgebiets 212, wodurch der globale Widerstand des
Metallgebiets 212 im Wesentlichen beibehalten wird, während dennoch lokal
für ein
deutlich verbessertes Elektromigrationsverhalten gesorgt wird.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform wird
die Behandlung 250 auf der Grundlage von Prozessparametern
ausgeführt,
die auch ein effizientes Ausgasen von Gaskomponenten ermöglichen,
die in dem dielektrischen Material 221 oder in anderen
freiliegenden Bereichen des Bauelements 200 enthalten sind,
wodurch bessere Bedingungen für
ein nachfolgendes Abscheiden eines Barrierenmaterials geschaffen
werden. Beispielsweise kann der Prozess 250 in einer Sputter-Abscheidekammer
ausgeführt werden,
die nachfolgend zur Herstellung einer geeigneten Barrierenschicht
verwendet wird, etwa einer Tantalnitridschicht, einer Tantalschicht,
und dergleichen. In einer Ausführungsform
kann in der Fertigungsphase, wie sie in 2b gezeigt
ist, das Metallgebiet 212 effizient freigelegt werden,
woran sich ein effizienter Reinigungsprozess anschließt, um Kontaminationsstoffe
von der freigelegten Oberfläche
des Metallgebiets 212 zu entfernen, wobei der nachfolgende
selektive Abscheideprozess 240 eine effiziente Deckschicht
für die
weitere Bearbeitung des Bauelements 200 bereitstellt. Somit
kann die Prozesssequenz robuster im Hinblick auf e ventuelle Wartezeiten
in dem Prozessablauf vor dem Abscheiden eines Barrierenmaterials
gemacht werden, da die legierungsbildende Sorte 241 typischerweise
weniger reaktiv im Vergleich zu freiliegenden empfindlichen Metallen
ist, etwa Kupfer und dergleichen.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während einer
Prozesssequenz 260 zur Herstellung einer Barrierenschicht 223 auf
freiliegenden Bereichen des Bauelements 200. Beispielsweise umfasst
die Prozesssequenz 260 einen oder mehrere Abscheideschritte,
wobei abhängig
von der Prozessstrategie dazwischenliegende Rücksputter-Prozesse und dergleichen ausgeführt werden
können, um
damit die gewünschte
Dicke und Materialzusammensetzung der Schicht 223 zu erreichen.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
umfasst die Prozesssequenz 260 zusätzlich zu einem Sputter-Ätz-Prozess
oder alternativ dazu andere Abscheideverfahren, etwa CVD, selbstbegrenzende CVD-Verfahren, die auch
als ALD (Atomlagenabscheidung) bezeichnet werden, stromlose Abscheideprozesse,
und dergleichen. In einer anschaulichen Ausführungsform, wie in 2e gezeigt
ist, umfasst die Prozesssequenz 260 einen Ätzprozess,
etwa einen Sputter-Ätzprozess,
um einen Teil des Bereichs 231 zu entfernen, so dass eine
Vertiefung 232 gebildet wird. Das Ätzen in das Gebiet 231 kann
vorteilhaft sein im Hinblick auf die Gesamtprozessgleichmäßigkeit,
die Prozesssteuerung und dergleichen. D. h., durch das Ätzen in
das Material des Bereichs 231 auf der Grundlage eines gut
steuerbaren Ätzprozesses können Prozessschwankungen
von vorhergehenden Strukturierungssequenzen zur Herstellung der
Kontaktdurchführungsöffnungen 230a bis
zu einem gewissen Grade verringert werden. Somit kann der Kontaktwiderstand
zwischen der ersten und der zweiten Metallisierungsschicht 210, 220 gleichmäßiger gestaltet
werden, wozu ebenfalls zu einem verbesserten elektrischen Leistungsverhalten
und verbesserter Zuverlässigkeit
beigetragen wird. Da ferner der Bereich 231 mit der legierungsbildenden
Sorte 241 in einer sehr lokalisierten Weise vorgesehen wird,
kann dessen entsprechende vertikale Ausdehnung größer gewählt werden
im Vergleich zu konventionellen Strategien für die Verbesserung des Elektromigrationsverhaltens
auf der Grundlage der Schicht 112a, wie dies zuvor mit
Bezug zu 1b erläutert ist, da eine deutliche
Ausdehnung in der vertikalen Richtung ansonsten in nicht akzeptabler
Weise den Gesamtwiderstand der betrachteten Metallleitung erhöhten würde. Gemäß der hierin
offenbarten Lehre kann die Vertiefung 232 in sehr zuverlässiger und
gleichmäßiger Weise
hergestellt werden, wobei selbst bei entsprechenden Prozessschwankungen die
Vertiefung 232 von einem Material umgeben ist, das das
verbesserte Elektromigrationsverhalten aufweist. Folglich kann die
Vertiefung 232 auf der Grundlage weniger kritischer Prozessparameter
im Vergleich zu konventionellen Strategien gebildet werden.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem die Gabenöffnung 222a und
die Kontaktdurchführungsöffnung 230a mit einem
gut leitenden Metall gefüllt
sind, etwa Kupfer und dergleichen, woran sich eine geeignete Deckschicht 225 anschließt, die
auf der Grundlage ähnlicher
Kriterien gebildet werden kann, wie sie zuvor mit Bezug zu der Schicht 213 erläutert sind.
D. h., im Hinblick auf das Bereitstellen einer geeigneten Deckschicht
für die
Metallleitung 222 können
konventionelle Maßnahmen
im Hinblick auf das Verringern der Gefahr einer Hohlraumbildung
an einem Übergangsbereich
zu einer darüber
liegenden Metallisierungsschicht weggelassen werden, da die gleichen
Prinzipien angewendet werden können,
wenn eine entsprechende Kontaktdurchführung gebildet wird, die eine
Verbindung zu der Metallleitung 222 herstellt.
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Folglich
findet während
des Betriebs des Halbleiterbauelements 200 ein Elektronenfluss,
wie dies durch den Pfeil 226 angegeben ist, das Gebiet 231 mit
einem erhöhten
Elekgromigrationswiderstand vor, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit
zum Erzeugen einer flachen Hohlstelle auf Grund des durch Strom
hervorgerufenen Materialfluss deutlich verringert, während der
globale elektrische Widerstand des Metallgebiets 212 nicht
unnötig
negativ beeinflusst ist.
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Mit
Bezug zu den 3a bis 3d werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter
beschrieben, in denen ein stark richtungsgebundener Teilchenbeschuss
angewendet wird, um eine geeignete legierungsbildende Sorte in einem
Metallgebiet einzubauen.
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3a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 300 in Querschnittsansicht,
das ein Substrat 301, eine Bauteilschicht 302,
eine erste Metallisierungsschicht 310 und ein dielektrisches
Material 321 aufweist, das das dielektrische Material für eine Kontaktdurchführungsschicht
und eine weitere Metallisierungsschicht repräsentiert, wie dies zuvor erläutert ist,
oder das das dielektrische Material einer Kontaktdurchführungsschicht
repräsentiert,
wenn ein Einzel-Damaszener-Prozessverfahren betrachtet wird, wie
zuvor erläutert
ist. Das dielektrische Material 321 enthält eine
Kontaktdurchführungsöffnung 330a,
die über
einer Metallleitung 312 angeordnet ist, die sich in ihre
Längsrichtung
senkrecht zur Zeichenebene der 3a erstreckt.
Im Hinblick auf die Komponenten des Bauelements 300, die
bislang beschrieben sind, gelten die gleichen Kriterien, wie sie
zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 200 erläutert sind.
In der in 3a gezeigten Fertigungsphase
kann eine Ätzstoppschicht 313,
die auch als eine effiziente Deckschicht für die Metallleitung 312 dienen
kann, wie dies zuvor erläutert
ist, das Material der Metallleitung 312 abdecken, wodurch
eine unerwünschte
Reaktion des Metallmaterials mit der Umgebung im Wesentlichen vermieden
wird. Ferner ist eine Ätzmaske 304, etwa
eine Lackmaske, möglicherweise
in Verbindung mit einem geeigneten ARC-(antireflektierenden Beschichtungs-)Material über dem
dielektrischen Material 321 gebildet.
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Das
in 3a gezeigte Halbleiterbauelement 300 kann
auf der Grundlage der Prozesstechnik hergestellt werden, wie sie
zuvor mit Bezug zu den Bauelementen 100 und 200 beschrieben
sind. Insbesondere wird die Ätzmaske 304 auf
der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt. Nach dem
Strukturieren der Ätzmaske 304 werden
gut etablierte anisotrope Ätzverfahren
eingesetzt, um die Kontaktdurchführungsöffnung 330a in
dem dielektrischen Material 321 zu bilden, wobei der entsprechende Ätzprozess
auf oder in der Ätzstoppschicht 313 stoppt,
wie dies zuvor erläutert
ist.
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3b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 während eines
stark richtungsverbundenen Teilchenbeschusses 340, der
einen Ionenimplantationsprozess enthalten kann, um eine geeignete legierungsbildende
Sorte 341 in die Metallleitung 312 einzubauen.
Beispielsweise kann der Ionenimplantationsprozess 340 auf
der Grundlage von Aluminium ausgeführt werden, wobei Prozessparameter,
etwa die Implantationsenergie und die Dosis so gewählt sind,
dass eine gewünschte
Konzentration und Eindringtiefe der Sorte 341 erreicht
wird. Geeignete Prozessparameter können effizient auf der Grundlage von
Experimenten, Simulationen und dergleichen ermittelt werden. Auf
Grund der stark gerichteten Natur des Prozesses 340 kann
eine Kontamination von Seitenwänden
der Kontaktdurchführungsöffnung 330 auf
einem sehr geringen Niveau gehalten werden, wobei auch eine entsprechende
Eindringtiefe nur sehr gering wäre,
da entsprechende „Kontaminationsstoffe" effizient in ein
entsprechendes Barrierenmaterial während der nachfolgenden Bearbeitung eingebaut
wurden. Nach dem Einbau der Sorte 341 kann die weitere
Bearbeitung fortgesetzt werden, indem beispielsweise eine Grabenöffnung gebildet wird,
wie dies zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 200 erläutert ist,
wodurch auch die Metallleitung 312 in der Kon taktdurchführungsöffnung 330a freigelegt wird,
wie zuvor beschrieben ist. Danach wird eine geeignete Behandlung
ausgeführt,
um den legierungsbildenden Prozess zu initiieren, wie dies zuvor
beschrieben ist. In anderen Fällen
wird eine Kontaktdurchführung
gebildet, indem der freigelegte Bereich der Ätzstoppschicht 313 in
der Öffnung 330a entfernt wird,
eine Legierung in der Metallleitung 312 gebildet wird und
die Kontaktdurchführungsöffnung 330a mit einem
leitenden Barrierenmaterial und einem gut leitenden Metall gefüllt wird.
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3c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
wobei der Implantationsprozess 340 in einem früheren Stadium
ausgeführt
wird. D. h., die Ätzmaske 304 wird über der
dielektrischen Schicht 321 vorgesehen und enthält eine
entsprechende Öffnung 304a,
die im Wesentlichen der Kontaktdurchführungsöffnung entspricht, die noch
in dem Material 321 zu bilden ist. Somit kann die Öffnung 304a als eine
Justieröffnung
betrachtet werden, um die Sorte 341, die durch den Implantationsprozess 340 eingeführt wird,
in Bezug auf das Metallgebiet 312 auszurichten. Folglich
können
die Prozessparameter, d. h. die Implantationsenergie des Prozesses 340,
in geeigneter Weise auf der Grundlage von Simulation, Experimenten,
und dergleichen ausgewählt
werden, um eine gewünschte
Konzentration der Sorte 341 in dem Metallgebiet 312 zu
erhalten, wobei auch eine spezifizierte Eindringtiefe auf der Grundlage
der Implantationsparameter eingestellt wird. Während des durch den Prozess 340 hervorgerufenen
Teilchenbeschusses kann die Struktur des Materials 321 in
dem Bereich der Justieröffnung 304a geschädigt werden, für eine erhöhte Ätzrate während des
nachfolgenden Strukturierens des dielektrischen Materials 321 gesorgt
wird.
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3d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einer weiter
fortgeschrittenen Herstellungsphase, wobei die Kontaktdurchführungsöffnung 330a und
eine Grabenöffnung 322a in
dem dielektrischen Material 321 gebildet sind. Dies wird
auf der Grundlage von Prozessverfahren erreicht, wie sie zuvor beschrieben
sind, wobei die Prozesssequenz zur Strukturierung der Kontaktdurchführungsöffnung 330a auf
Grundlage weniger strikter Prozessbedingungen auf Grund der erhöhten Ätzrate ausgeführt werden
kann, woraus sich eine erhöhte Ätzselektivität zwischen
der Ätzstoppschicht 313 und
dem Material 321 ergibt. Während des entsprechenden anisotropen Ätzprozesses
kann der wesentliche Anteil der Sorte 341, die in dem Material 321 während des
vorhergehenden Implantationsprozesses 340 abgeschieden
wurde, entfernt werden, da die Sorte 341 im Wesentlichen
auf einen Bereich lateral beschränkt ist,
der der Justieröffnung 304a entspricht.
Danach kann die wei tere Bearbeitung fortgesetzt werden, indem eine
Diffusion und somit ein legierungsbildender Prozess in Gang gesetzt
wird, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 200 beschrieben
ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente
und entsprechende Fertigungsverfahren bereit, in denen das Elektromigrationsverhalten
in der Nähe
der Unterseiten von Kontaktdurchführungen lokal erhöht wird,
ohne dass im Wesentlichen der gesamte elektrische Widerstand der
Metallleitung beeinflusst wird. Des weiteren kann der Prozess als
eine selbstjustierte Sequenz ausgeführt werden, wodurch eine hohe
Prozesszuverlässigkeit
und Robustheit sichergestellt werden, während auch ein hohes Maß an Bauteilgleichmäßigkeit erreicht
wird. Die lokale Ausbildung einer geeigneten Legierung ist kompatibel
mit modernen Barrierenverfahren, in denen eine Vertiefung in dem
darunter liegenden Metallgebiet vor dem Abscheiden des Barrierenmaterials
vorzusehen ist, wobei die selbstjustierten Techniken, die hierin
offenbart sind, ein zuverlässiges „Einschließen" des Endbereichs
der Kontaktdurchführung
innerhalb des Materialbereichs mit dem verbesserten Elektromigrationsverhalten
bieten. Der selbstjustierte Prozess zur Herstellung der Legierung
kann einen stromlosen Abscheideprozess beinhalten und kann effizient
mit konventionellen Techniken kombiniert werden, beispielsweise
unter Anwendung einer thermischen Behandlung zum Ausgasen von Kontaminationsstoffen
vor dem Abscheiden eines Barrierenmaterials, um den legierungsbildenden
Prozess in Gang zu setzen.
-
Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung 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 Offenbarung
zu vermitteln. Selbstverständlich sind
die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen zu
betrachten.