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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand die Herstellung
integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung
von Metallisierungsschichten oder Metallschichten in einem Doppeleinlege-Integrationsschema
für moderne
integrierte Halbleiterbauelement.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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In
modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge von
Feldeffekttransistoren, nunmehr den Bereich deutlich 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Bauelemente im Hinblick auf
die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme zunehmend verbessert
wurde. Wenn die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich verringert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente erhöht wird,
wird auch der verfügbare
Platz für
Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch
verbinden, ebenso verringert. Folglich müssen die Abmessungen dieser
Verbindungsleitungen reduziert werden, um dem geringeren Anteil
an verfügbarer
Fläche
und der größeren Anzahl
an Schaltungselementen, die pro Chipfläche vorgesehen sind, Rechnung
zu tragen, wodurch typischerweise das Stapeln mehrerer Verdrahtungsebenen
oder Metallisierungsschichten erforderlich ist, um die erforderliche
Anzahl an Verbindungsstrukturen aufzunehmen. Die Verdrahtungsebenen
umfassen typischerweise Metallleitungen, die mit Metallgebieten
und Metallleitungen benachbarter Metallisierungsschichten des Verdrahtungsschichtstapels
durch vertikale Kontakte, die auch als Kontaktdurchführungen
bezeichnet werden, verbunden sind.
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In
modernen integrierten Schaltungen ist ein begrenzender Faktor des
Bauteilleistungsverhaltens die Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente und das
elektrische Verhalten der Verdrahtungsebenen der Bauelemente hervorgerufen
wird, wobei dieses durch den Widerstand (R) der Metallleitungen
und durch die parasitäre
Kapazität
(C), die von dem Abstand der Verbindungsleitungen abhängt, bestimmt ist,
da die Kapazität
von Leitung zu Leitung größer wird,
wobei auch eine geringere Leitfähigkeit
der Leitungen auf Grund der geringeren Querschnittsflächen hinzukommt.
Ob wohl in einigen Metallisierungsebenen die RC-Zeitkonstanten der
wesentliche Faktor sind, für
das Gesamtleistungsverhalten bestimmt, führt in anderen Ebenen ein hoher
Reihenwiderstand der Metallleitungen auf Grund der Entwurfsbeschränkungen
im Hinblick auf die Linienbreite zu hohen Stromdichten, was zu einer
beeinträchtigten Leistung
und einer geringeren Zuverlässigkeit
auf Grund der erhöhten
Elektromigration führen
kann, d. h. auf Grund eines durch den Strom hervorgerufenen Materialflusses,
der durch hohe Stromdichten hervorgerufen wird.
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Traditioneller
Weise werden Metallisierungsschichten mittels eines dielektrischen
Schichtstapels gebildet, der beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid
und Aluminium als das typische Metall aufweist. Da Aluminium eine
deutliche Elektromigration bei höheren
Stromdichten zeigt, die in integrierten Schaltungen notwendig sind,
die sehr kleine Strukturgrößen aufweisen,
wird Aluminium zunehmend durch Kupfer oder Kupferlegierungen ersetzt, die
einen deutlich geringen elektrischen Widerstand besitzen und eine
höhere
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration aufweisen. Eine weitere Verringerung der parasitären RC-Zeitkonstanten kann
erreicht werden, indem gut bekannte und gut etablierte dielektrische
Materialien wie Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2)
und Siliziumnitrid (ε > 5) durch sogenannte
dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt werden. Der Übergang
von gut bekannten und gut etablierten Aluminium/Siliziumdioxid-Metallisierungsschicht
zu einer Metallisierungsschicht mit Kupfer und Dielektrikum mit
kleinem ε ist
mit einer Reihe von Problemen verknüpft, die es zu lösen gilt.
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Beispielsweise
können
Kupfer und Legierungen davon nicht in relativ großen Mengen
in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa
chemische Dampfabscheidung und physikalische Dampfabscheidung, aufgebracht
werden. Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch gut
etablierte anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden. Daher wird häufig die sogenannte Damaszener-
oder Einlegetechnik angewendet, um Metallisierungsschichten mit
kupferbasierten Leitungen zu bilden. In der Damaszener-Technik wird typischerweise die
dielektrische Schicht abgeschieden und sodann mit Gräben und
Kontaktdurchführungen
strukturiert, die nachfolgend mit Kupfer mittels Plattierungsverfahren,
etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren gefüllt werden.
In vielen Damaszener-Strategien werden die Öffnungen für die Kontaktdurchführungen
und die Metallleitungen zuerst gebildet und nachfolgend wird das
Metall während
eines gemeinsamen Abscheideprozesses eingefüllt.
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Eine
gut etablierte Lösung
in dieser Hinsicht ist die sogenannte Vorgehensweise mit „Kontaktöffnung zuerst-Graben
zuletzt", in der Öffnungen
für die Kontaktdurchführungen
zuerst in den dielektrischen Zwischenschichtmaterial gebildet werden
und nachfolgend die Grabenöffnungen
strukturiert werden, was gewisse Vorteile im Hinblick auf die Prozessgleichmäßigkeit
im Vergleich zu einer Vorgehensweise mit „Graben zuerst-Kontaktöffnung zuletzt" schafft, wobei die
Gräben
zuerst gebildet werden und danach die Kontaktlochöffnungen
auf der Grundlage anspruchsvoller Lithographie- und Ätzverfahren
vorgesehen werden. Während
der Vorgehensweise mit „Kontaktöffnung zuerst-Graben
zuletzt" wird die
sich aus der Strukturierung des dielektrischen Zwischenschichtmaterial
ergebende Oberflächentopographie eingeebnet,
bevor die Grabenöffnungen
auf der Grundlage eines geeigneten Materials, etwa eines Polymermaterials,
eines Photolackmaterials und dergleichen tatsächlich strukturiert werden.
Jedoch muss in modernen Halbleiterbauelementen das Leistungsverhalten
der Verdrahtungsebene, d. h. der mehreren Metallisierungsschichten,
strikte Anforderungen erfüllen,
um für
das gewünschte
elektrische Verhalten des betrachteten Bauelements zu sorgen. Wie
zuvor erläutert
ist, enthalten die diversen Metallisierungsebenen Metallleitungen
und ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial, wobei der Leitungswiderstand
und die Permittivität
des dielektrischen Materials im Wesentlichen das elektrische Gesamtverhalten
im Hinblick auf die Signalausbreitung bestimmen, wobei andere Aspekte,
etwa die Elektromigration, die Zuverlässigkeit der Metallleitungen
und dergleichen, ebenfalls deutlich von der Materialzusammensetzung,
den Fertigungsprozessen und dergleichen abhängen. In modernen Halbleiterbauelementen
wird zwischen Metallisierungsebenen unterschieden, in den das kapazitive
Verhalten deutlich das Gesamtleistungsverhalten beeinflusst, während in
anderen Metallisierungsebenen ein geringerer Gesamtwiderstand zu
einem verbesserten Bauteilverhalten beiträgt. Es wird daher zunehmend
wichtig, elektrische Eigenschaften gewisser Metallisierungsebenen
im Hinblick auf ihr kapazitives oder resistives Verhalten speziell
einzustellen. Für
eine Metallisierungsebene, in der ein geringerer Gesamtwiderstand der
Metallleitungen, die darin ausgebildet sind, nötig ist, kann beispielsweise
der Querschnitt der Metallleitungen erhöht werden, was durch geeignetes
Einstellen der Dicke des dielektrischen Zwischenschichtmaterials
bewerkstelligt werden kann, in welchem die Gräben und die Kontaktöffnungen
zu bilden sind. Es zeigt sich jedoch, dass in anspruchsvollen Vorgehensweisen
mit „Kontaktöffnung zuerst-Graben
zuletzt" eine deutliche
Ungleichmäßigkeit
der entsprechenden Metalldicke beobachtet werden kann, wie dies
nachfolgend detaillierter mit Bezug zu den 1a und 1b beschrieben
ist.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit
einem Substrat 101, etwa einem siliziumbasierten Material, und
dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass das Substrat 101 eine
entsprechende Bauteilschicht aufweist, in der eine Vielzahl von
Schaltungselementen ausgebildet sind, etwa Transistoren, Kondensatoren, und
dergleichen. Wie zuvor erwähnt
ist, ist auf Grund der Vielzahl der Schaltungselemente eine geeignete Verbindung
gemäß dem spezifizierten
Schaltungsaufbau erforderlich, wofür mehrere Metallisierungsschichten 120, 140 erforderlich
sind, die in einer gestapelten Konfiguration vorgesehen sind. D.
h., die Metallisierungsschicht 120, die eine beliebige
Metallisierungsschicht repräsentieren
kann, unter der weitere Metallisierungsschichten (nicht gezeigt)
vorgesehen sein können,
enthält
typischerweise ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 121,
das ein dielektrisches Material mit kleinem ε, konventionelle Dielektrika,
etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, und dergleichen
aufweisen kann. Des weiteren besitzt die Metallisierungsschicht 120 mehrere
Metallleitungen, wovon lediglich eine Metallleitung 122 in 1a gezeigt
ist. Die Metallisierungsschicht 140 umfasst in dem gezeigten
Fertigungsstadium ein dielektrisches Material 141, das
aus einer beliebigen geeigneten Materialzusammensetzung aufgebaut
ist, und enthält
ferner mehrere Kontaktöffnungen 143a, ..., 143d.
In 1a umfasst das Halbleiterbauelement 100 zumindest
in der Metallisierungsschicht 140 unterschiedliche Bauteilbereiche 102a, 102b und 102c,
die Bereichen entsprechen, in denen eine deutlich unterschiedliche „Dichte" aus Kontaktlochöffnungen 143a,
..., 143d in der Metallisierungsschicht besteht. Beispielsweise
kann der Bauteilbereich 102a einem Gebiet entsprechen,
in welchem im Wesentlichen kein Kontaktloch zu der darunter liegenden
Metallisierungsschicht 120 gebildet ist. In ähnlicher
Weise entspricht der Bauteilbereich 102b einem Gebiet mit
einer moderat geringen Kontaktdichte, d. h. die Kontaktlochöffnung 143a kann
als eine alleinstehende Kontaktlochöffnung betrachtet werden. Das
Bauteilgebiet 102c repräsentiert
andererseits einen Bereich mit einer hohen Kontaktdichte, um damit
eine Verbindung zu der darunter liegenden Metallisierungsschicht 120,
etwa zu einer oder mehreren der Metallleitungen 122, herzustellen.
Es sollte beachtet werden, das die Kontaktlochöffnungen 143b, ..., 143d nicht
notwendigerweise mit der gleichen Metallleitung 122 verbunden
sind, wie in 1a gezeigt ist, sondern dass
diese mit zwei oder mehreren Metallleitungen, die in 1a nicht
gezeigt sind, verbunden sein können.
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Ferner
umfasst das Halbleiterbauelement 100 in der in 1a gezeigten
Fertigungsphase ein Einebnungsmaterial 144, das in Form
eines beliebigen geeigneten Materials vorgesehen ist, etwa in Form
eines Polymermaterials, eines Lackmaterials und ergleichen. Beispielsweise
wird das Material 144 vorgesehen, um die Kontaktlochöffnungen 143a,
... 143d zu füllen
und ebenso um für
eine insgesamt „ebene" Oberflächentopographie
zu sorgen. Es zeigt sich jedoch, dass die effektive Dicke des Materials 144 deutlich
von der Kontaktdichte in den jeweiligen Bauteilbereichen abhängt, wobei
typischerweise die Dicke des Materials 144 kleiner ist,
wenn eine höhere Kontaktlochdichte
vorliegt. Wie gezeigt ist eine Dicke T1 des Bereichs 102a größer als
eine Dicke T2 des Bereichs 102b, die wiederum größer ist
als eine Dicke T3 des Bereichs 102c, der die höchste Kontaktlochdichte
aufweist.
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Das
Halbleiterbauelement 100, wie es in 1a gezeigt
ist, kann gemäß gut etablierter
konventioneller Prozessstrategien hergestellt werden, zu denen ein
Fertigungsprozess gehört,
um Schaltungselemente in der Bauteilschicht herzustellen, die in dem
Substrat 101 enthalten ist, woran sich das Herstellen einer
oder mehrerer Metallisierungsschichten, etwa der Schichten 120 und 140 anschließt. Eine
entsprechende Fertigungssequenz unter Anwendung der Vorgehensweise
mit „Kontaktdurchführung zuerst-Graben
zuletzt" wird nunmehr
mit Bezug zu den Metallisierungsschichten 140 beschrieben,
wobei zu beachten ist, dass die gleiche Prozessstrategie auch für die Herstellung
der Metallisierungsschicht 120 eingesetzt werden kann.
Somit wird nach dem Herstellen der Metallisierungsschicht 120,
die das dielektrische Material 121, die Metallleitung 122 und
eine Deckschicht 125 aufweist, die in anspruchsvollen Anwendungen
typischerweise aus einem Ätzstopp-
und Barrierenmaterial mit moderat geringer Permittivität aufgebaut
ist, das auch als „Blok"-(untenliegendes Material
mit kleinem ε)Material
bezeichnet wird, das dielektrische Material 141 der Schicht 140 durch
beispielsweise Abscheidung, Aufschleudertechniken und dergleichen
gebildet. Anschließend
werden moderne Lithographie- und Ätztechniken, um eine Lackmaske
vorzusehen, möglicherweise
in Verbindung mit einem Hartmaskenmaterial, falls erforderlich,
um damit die laterale Position und die Größe der Kontaktlochöffnungen 143a, 143b gemäß den Bauteilerfordernissen
zu definieren. Im Anschluss daran wird die dielektrische Schicht 141 gemäß gut etablierter anisotroper Ätztechniken
geätzt,
wobei typischerweise der Ätzprozess
auf und in der Deckschicht 125 anhält. Als nächstes wird das Einebnungsmaterial 144 abgeschieden,
beispielsweise durch sehr nicht-konforme Techniken, etwa Aufschleuderprozesse
und dergleichen, wobei das Einebnungsmaterial 144 in einem
Zustand mit geringer Viskosität
vorgesehen werden kann, wodurch die Öffnungen 143a, ..., 143b gefüllt werden
und auch eine gewisse Menge an überschüssigem Material
auf horizontalen Bauteilbereichen bereitgestellt wird. Auf Grund
der unterschiedlichen Oberflächentopographie,
die durch die variable Kontaktdichte hervorgerufen wird, kann das Abscheiden
des Materials 144 zu unterschiedlichen Dicken T1 ... T3
führen,
wie dies zuvor erläutert
ist. Somit kann für
eine vorgegebene Dicke des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 141 eine
mittlere Ätztiefe
festgelegt werden, die mit den diversen Erfordernissen überreinstimmt,
d. h. es wird eine erforderliche minimale Dicke des dielektrischen
Zwischenschichtmaterials 141 unter einer entsprechenden
Metallleitung vorgesehen, um akzeptable Kapazitätswerte zu erhalten, wobei
auch für
eine erforderliche minimale Leitfähigkeit der Metallleitungen,
die in dem Material 141 zu bilden sind, vorzusehen ist, während eine
laterale Größe oder
Breite und ein Abstand von Metallleitungen, d. h. in dem Gebiet 102c, durch
die Entwurfsregeln vorgegeben ist. Wenn folglich eine entsprechende Ätzmaske
zum Definieren von Gräben
für die
Metallleitungen in der Metallisierungsschicht 140 gebildet
wird, wird eine unterschiedliche Dicke des Materials 144 angetroffen,
was auch den nachfolgenden Ätzprozess
beeinflussen kann. Somit kann die effektive Ätztiefe in den diversen Bereichen 102a,
..., 102c ebenfalls variieren, wodurch eine unterschiedliche
Metalldicke und damit ein unterschiedlicher Querschnitt in den Metallleitungen
in diesen Gebieten hervorgerufen wird.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Ende
der zuvor beschriebenen Sequenz zum Strukturieren entsprechender
Gräben
und zum Abfüllen
der Gräben
mit einem leitenden Material, etwa Kupfer, möglicherweise in Verbindung
mit einem geeigneten Barrierenmaterial. Somit können entsprechende Metallleitungen 142a, 142b und 142c in
den Bereichen 102a, 102b und 102c gebildet
werden, wobei eine Dicke 142t in den Bereichen 102a,
... 102c unterschiedliche sein kann. Somit kann sich gemäß konventioneller „Kontaktöffnung zuerst-Graben
zuletzt" Vorgehensweisen
der Widerstand der Metallleitungen 142a, ..., 142c unterscheiden,
was zu einer Ungleichmäßigkeit
in der Leistungsfähigkeit
führen
kann, insbesondere, wenn Metallisierungsschichten betrachtet werden,
in denen der Gesamtwiderstand der entsprechenden Metallleitungen
einen deutlich Einfluss auf das Gesamtbauteilverhalten aufweisen
kann.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung
Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen Metallisierungsschichten
auf der Grundlage einer verbesserten Einlegetechnik hergestellt
werden, wobei ein oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden
oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden können.
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Überblick über die Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand ein verbessertes
Strukturierungsschema und entsprechende Halbleiterbauelemente, in
denen die Metallisierungsebene gebildet werden kann, indem eine
Einlegestrategie verwendet wird, die auch berücksichtigt, ob eine entsprechende
Metallisierungsschicht eine widerstandsempfindliche Schicht ist
oder nicht. Im Falle einer widerstandsempfindlichen Schicht wird
die Ätztiefe
in dem entsprechenden dielektrischen Material vergrößert, wodurch effizient
die Querschnittsfläche
der entsprechenden Metallleitungen erhöht wird, was sich wiederum
direkt in einem geringeren Leitungswiderstand ausdrückt. Eine
gleichförmige Ätztiefe
kann erreicht werden, indem die Grabenöffnung durch das gesamte dielektrische
Zwischenschichtmaterial geätzt
wird, nachdem die entsprechenden Kontaktlochöffnungen geätzt sind, wobei eine spezielle
Materialschicht der darunter liegenden Metallisierungsebene als
ein effizientes Ätzstoppmaterial
verwendet wird. Beispielsweise kann eine dielektrische Deckschicht,
die häufig eingesetzt
wird, um empfindliche Metallgebiete einzuschließen, als ein effizientes Ätzstoppmaterial
eingesetzt werden, wodurch eine im Wesentlichen gleichmäßige Ätztiefe
für die
Gräben
unabhängig
von der entsprechenden Kontaktlochdichte des zugehörigen Bauteilbereichs
erreicht werden kann. Somit kann der Gesamtwiderstand der Metallleitungen
verringert werden, während
auch die Gleichförmigkeit des
Leistungsverhaltens verbessert wird.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer
Vertiefung bzw. Aussparung in einer Deckschicht einer erste Metallisierungsschicht
eines Halbleiterbauelements, wobei die Vertiefung einer zu bildenden
Kontaktdurchführung
entspricht, so dass diese mit einem ersten Metallgebiet der ersten
Metallisierungsschicht verbunden ist. Das Verfahren umfasst ferner
das Bilden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials über der
Deckschicht und das Bilden eines ersten Grabens und eines zweiten
Grabens in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial unter Anwendung
der Deckschicht als ein Ätzstoppmaterial,
wobei der erste Graben die zuvor gebildete Vertiefung umfasst. Des
weiteren beinhaltet das Verfahren das Ausführen eines Ätzprozesses zum Öffnen der
Vertiefung, um eine Kontaktdurchführungsöffnung, die mit dem ersten Metallgebiet
verbunden ist, zu bilden und das Füllen der Kontaktdurchführungsöffnung des
ersten und des zweiten Grabens mit einem leitenden Material, um
eine zweite Metallisierungsschicht zu bilden.
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Ein
weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das
Bilden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials einer zweiten
Metallisierungsschicht über
einer ersten Metallisierungsschicht. Das Verfahren umfasst ferner
das Bilden einer Kontaktdurchführungsöffnung in
dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial und das Bilden einer Vertiefung
in einer Deckschicht der ersten Metallisierungsschicht, wobei die
Vertiefung der Kontaktdurchführungsöffnung entspricht.
Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden eines ersten Grabens
und eines zweiten Grabens in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial,
wobei der erste und der zweite Graben sich zu der Deckschicht erstrecken
und wobei der erste Graben die Kontaktdurchführungsöffnung umfasst. Ferner wird
die Kontaktdurchführungsöffnung vertieft,
so dass diese sich durch die Deckschicht erstreckt und die Kontaktdurchführungsöffnung und
der erste und der zweite Graben werden mit einem gleitenden Material
gefüllt,
um eine erste Metallleitung eine zweite Metallleitung in der zweiten Metallisierungsschicht
zu bilden.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine
Bauteilschicht und eine erste Metallisierungsschicht, die ein Metallgebiet
aufweist. Ferner ist eine zweite Metallisierungsschicht vorgesehen,
die ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial aufweist, das über einer
Deckschicht ausgebildet ist, wobei die Deckschicht das Metallgebiet
verschließt.
Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine erste Metallleitung,
die in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial ausgebildet ist
und die sich zu der Deckschicht erstreckt. Schließlich enthält das Halbleiterbauelement
eine Kontaktdurchführung,
die in der Deckschicht ausgebildet ist, und die die erste Metallleitung
mit dem ersten Metallgebiet in der ersten Metallisierungsschicht
verbindet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
sind in den angefügten
Patentansprüchen
und der folgenden Beschreibung 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 Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen zur Herstellung einer Metallisierungsschicht gemäß einem
konventionellen Ansatz mit „Kontaktöffnung zuerst-Graben
zuletzt" darstellen;
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2a bis 2f schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen zur Herstellung einer Metallisierungsschicht durch
Bilden einer Vertiefung in einer Deckschicht für eine Kontaktdurchführungsöffnung und
nachfolgendes Strukturieren von Gräben, die sich zu der Deckschicht
erstrecken, gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigt;
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3a bis 3f schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen zur Herstellung einer Metallisierungsschicht zeigen,
wobei Gräben
bis hinab zu einer Deckschicht geätzt werden, nachdem die entsprechenden
Kontaktdurchführungsöffnungen
gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
strukturiert sind;
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3g schematisch
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements während eines Fertigungsprozesses
zur Ausbildung einer Deckschicht mit einer zwischenliegenden Ätzstoppschicht gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigt; und
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3h schematisch
ein Halbleiterbauelement mit mehreren Metallisierungsschichten zeigt, wobei
mindestens eine der Metallisierungsschichten Metallleitungen enthält, die
sich bis hinab zu einer Deckschicht erstrecken, die über einer
tieferliegenden Metallisierungsschicht gemäß noch weiterer anschaulicher
Ausführungsformen
gebildet ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen
beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung
sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, den hierin offenbarten Gegenstand auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte dar, deren Schutzbereich durch
die angefügten
Patentansprüche
definiert ist.
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Fertigungsverfahren
und Halbleiterbauelement, in denen das Leistungsverhalten von widerstandsempfindlichen
Metallisierungsschichten verbessert werden kann, indem für eine verbesserte Ätzgleichmäßigkeit
gesorgt wird und indem die Gesamtquerschnittsfläche von Metallleitungen in
der widerstandsempfindlichen Metallisierungsschicht vergrößert wird.
Zu diesem Zweck wird die laterale Position von Kontaktdurchführungsöffnungen
auf der Grundlage eines Strukturierungsprozesses definiert, wobei in
einigen anschaulichen Aspekten eine Vertiefung in einer Deckschicht
einer tieferliegenden Metallisierungsschicht vor dem eigentlichen
Bereitstellen des dielektrischen Zwischenschichtmaterials für die nachfolgende
Metallisierungsebene gebildet wird. In einer anschließenden Prozesssequenz
werden die Gräben
auf der Grundlage von Photolithographie und Ätzverfahren strukturiert, wobei
der Ätzprozess
auf der Grundlage der Deckschicht gesteuert wird, die daher als
ein Ätzstoppmaterial
verwendet wird. Daher besitzen die resultierenden Gräben eine
im Wesentlichen gleichmäßige Tiefe
abhängig
von der Gesamtebenheit des dielektrischen Zwischenschichtmaterials,
wobei auch eine maximale Querschnittsfläche der Metallleitungen erreicht
wird, die durch Füllen
der zuvor geätzten
Gräben
herzustellen sind. Auf Grund der zuvor gebildeten Vertiefungen in
der Deckschicht können
die Kontaktdurchführungsöffnungen
durch Ätzen
durch die Deckschicht innerhalb der vertieften Bereiche gebildet
werden, während nicht-vertiefte
Deckschichtbereiche und die entsprechenden Grabenunterseiten beibehalten
werden, jedoch mit einer geringeren Dicke, um damit ein Freilegen
von darunter liegenden Bereichen der unteren Metallisierungsebene
zuverlässig
zu vermeiden.
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In
anderen anschaulichen Aspekten, die hierin offenbart sind, wird
das dielektrische Zwischenschichtmaterial auf der Grundlage einer
erforderlichen Solldicke gebildet und nachfolgend so strukturiert,
dass Kontaktdurchführungsöffnungen
erzeugt werden, die sich in die Deckschicht erstrecken, wodurch
darin eine Vertiefung geschaffen wird. Danach werden die Gräben strukturiert,
wobei auch die Deckschicht als ein effizientes Ätzstoppmaterial verwendet wird.
Wie zuvor beschrieben ist, können
auch in diesem Falle die zuvor gebildeten Vertiefungen, die den
Kontaktdurchführungsöffnungen
entsprechen, in einem nachfolgenden Ätzschritt verwendet werden, um
damit Kontaktdurchführungsöffnungen
zu schaffen, die sich bis in die darunter liegende Metallisierungsebene
erstrecken, wobei die Deckschicht an nicht-vertieften Unterseitenbereichen
der Gräben
zuverlässig
das Freilegen der darunter liegenden Materialien vermeiden. Somit
kann für
eine gegebene Entwurfsbreite von Metallleitungen die hierin offenbarte Technik
die Herstellung von Metallleitungen ermöglichen, die einen maximale
Querschnittsfläche
für eine gegebene
Entwurfsbreite und eine Dicke des dielektrischen Zwischenschichtmaterials
besitzen. Des weiteren wird ein hohes Maß an Prozessgleichmäßigkeit
während
des Strukturierens der Gräben
unabhängig
von der Dichte der Kontaktdurchführungen
in den jeweiligen Bauteilbereichen erreicht. Da der maximale Querschnitt
der betrachteten Metallleitungen auf der Grundlage einer Dicke des
dielektrischen Zwischenschichtmaterials eingestellt werden kann, kann
das gewünschte
Leistungsverhalten im Hinblick auf die Leitfähigkeit von widerstandsempfindlichen Metallisierungsschichten
eingestellt werden, indem ein geeigneter Sollwert für die Dicke
des dielektrischen Zwischenschichtmaterials gewählt wird. Somit kann die gewünschte Querschnittsfläche effizient
auf der Grundlage einer Abscheidetechnik eingestellt werden, ohne
dass durch das Ätzen
hervorgerufene Ungleichmäßigkeiten
auftreten.
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Die
hierin offenbarten Prinzipien können höchst vorteilhafterweise
im Zusammenhang mit modernen Halbleiterbauelementen eingesetzt werden, die
komplexe Metallisierungsebenen erfordern, in denen kapazitätssensitive
und widerstandssensitive Schichten enthalten sind, was für eine Vielzahl
modernster integrierter Schaltungen, etwa CPU's mit ausgedehnten Speicherbereichen,
ASIC's (anwendungsspezifische
IC's) und dergleichen
der Fall sein kann, die Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren,
enthalten, die mit hoher Packungsdichte in der Bauteilebene vorgesehen
sind. Die kritischen Abmessungen der jeweiligen Schaltungselemente, etwa
die Gatelänge
von planaren Feldeffekttransistoren, kann 50 nm und weniger betragen,
wodurch eine geringere Entwurfsbreite in den Metallisierungsebenen
erforderlich ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der hierin
offenbarte Gegenstand auch vorteilhafterweise auf beliebige Mikrostrukturbauelemente und
Halbleiterbauelemente angewendet werden kann, die mehrere Metallisierungsebenen
erfordern, wobei wenige kritische Entwurfsregeln verwendet sind.
Daher sollte die vorliegende Offenbarung nicht als auf spezielle
Bauteilabmessungen eingeschränkt erachtet
werden, sofern derartige Einschränkungen nicht
speziell in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen genannt
sind.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2f und 3a bis 3h werden
weitere anschauliche Ausführungsformen
nunmehr detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit
einem Substrat 201 und einer Metallisierungsschicht 220, die über dem
Substrat 201 ausgebildet ist. Das Substrat 201 repräsentiert
ein beliebiges geeignetes Trägermaterial,
um darin und darauf entsprechende Schaltungselemente, etwa Transistoren,
Kondensatoren, und dergleichen herzustellen. Beispielsweise umfasst
das Substrat 201 ein siliziumbasiertes Material, wovon
ein oberer Bereich eine Halbleiterschicht zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
darin und darauf repräsentiert,
wie dies für
den betrachteten Schaltungsaufbau erforderlich ist. In anderen Fällen repräsentiert
das Substrat 201 ein isolierendes Material in Verbindung
mit einer geeigneten Halbleiterschicht, wodurch eine SOI-artige
Konfiguration geschaffen wird (Halbleiter auf Isolator), wobei die SOI-artige
Konfiguration jedoch auch ggf. nur teilweise für das Substrat 201 vorgesehen
ist, abhängig
von den speziellen Erfordernissen für die betrachteten Schaltungselemente.
Der Einfachheit halber sind derartige Schaltungselemente in 2a nicht
gezeigt.
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Die
Metallisierungsschicht 220 repräsentiert beispielsweise die
erste Metallisierungsschicht in dem Sinne, dass die Schicht 220 die
erste Verdrahtungsebene des Bauelements 200 über der
Bauteilebene ist, wobei entsprechende vertikale Kontakte (nicht
gezeigt) eine elektrische Verbindung zu einer oder mehreren Metallleitungen 222 herstellen,
die in einem dielektrischen Material 221 der Metallisierungsschicht 220 ausgebildet
sind. In anderen Fällen repräsentiert
die Metallisierungsschicht 220 eine beliebige Metallisierungsebene,
unter und über
der ein oder mehrere Metallisierungsschichten angeordnet sein können. Das
dielektrische Material 221 der Schicht 220 kann
in Form eines beliebigen geeigneten dielektrischen Materials vorgesehen
sein, das in anspruchsvollen Anwendungen ein dielektrisches Material
mit kleinem ε umfasst,
wobei eine relative Permittivität
des dielektrischen Materials mit kleinem ε 3,0 oder kleiner ist. Das dielektrische
Material 221 kann ferner aus Materialien aufgebaut sein,
etwa „konventionellen" Dielektrika, etwa
Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumnitrid, und dergleichen.
Die Metallleitung 222 besitzt als Hauptkomponente ein gut
leitendes Metall, etwa Kupfer, Kupferlegierungen, Silber, Silberlegierungen,
Aluminium, und dergleichen in Abhängigkeit von den Gesamtleistungsanforderungen
für die
Metallisierungsschicht 220. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
umfasst die Metallleitung 220 einen wesentlichen Anteil
an Kupfer. Des weiteren kann die Metallleitung 220 ein
geeignetes Barrierenmaterial aufweisen, um damit die Hauptkomponente
des gut leitenden Metalls einzuschließen, um somit ein unerwünschtes
Herausdiffundieren von Metallatomen in das umgebende dielektrische
Material 221 zu unterdrücken
und um auch eine uner wünschte
Wechselwirkung reaktiver Komponenten, etwa von Sauerstoff, Fluor,
und dergleichen, zu vermeiden, die von dem dielektrischen Material 221 in
Richtung der Metallleitung 222 wandern können. Der
Einfachheit halber sind derartige Barrierenmaterialien in 2a nicht
gezeigt.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Metallleitung 222 eine
Längsrichtung,
d. h. in 2a die horizontale Richtung,
und auch eine Breitenrichtung, d. h. in 2a eine
Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 2a, besitzt.
In komplexen integrierten Schaltungen werden entsprechende Metallleitungen, etwa
die Metallleitung 222 so gebildet, dass diese sich im Wesentlichen
parallel zueinander erstrecken, während Metallleitungen einer
vertikal benachbarten Metallisierungsebene sich ebenfalls parallel
erstrecken, jedoch senkrecht zur Längsrichtung der Metallisierungsschicht 220.
In diesem Zusammenhang sind Positionsangaben, die hierin gemacht
werden, als „relative" Positionsinformationen
zu verstehen, wobei das Substrat 201 oder eine entsprechende Oberfläche oder
Grenzfläche
davon als eine Referenz dient. Somit wird eine „vertikale" Richtung als eine Richtung einer Oberflächennormale
des Substrats 201 betrachtet, während eine „horizontale" Richtung eine laterale
Richtung parallel zur entsprechenden Oberfläche der Grenzfläche, die
durch das Substrat 201 gebildet ist, repräsentiert.
In diesem Sinne ist die Metallisierungsschicht 220 „über" dem Substrat 201 ausgebildet,
und eine Deckschicht 225, die einen Teil der Metallisierungsschicht 220 repräsentiert, ist „über" dem dielektrischen
Material 221 und der Metallleitung 222 gebildet.
Die Deckschicht 225 ist aus einem beliebigen geeigneten
dielektrischen Material aufgebaut, das in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
für einen
zuverlässigen
Abschluss der Metallleitung 222 sorgt, wobei dieses auch
als eine effiziente Ätzstoppschicht
während
des Strukturierens eines dielektrischen Materials einer Metallisierungsschicht
dient, die über
der Schicht 220 zu bilden ist. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen ist
die Deckschicht 225 aus einem Material aufgebaut, das eine
moderat geringe Permittivität
aufweist, etwa aus Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid,
Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid, und dergleichen. Abhängig von
dem Gesamtleistungsverhalten der Metallisierungsschichten des Bauelements 200 kann
die Deckschicht 225 auch Siliziumnitrid aufweisen, wenn
ein entsprechend moderat hoher Wert der dielektrischen Konstante
als nicht ungeeignet erachtet wird. In einer anschaulichen Ausführungsform wird
eine Dicke 225d der Deckschicht 225 so festgelegt,
dass eine Vertiefung zuverlässig
darin gebildet werden kann, die vollständig in einer späteren Phasen
während
eines entsprechenden Ätzprozesses geöffnet werden
kann, während
in nicht-vertieften Bereichen dennoch ein zuverlässiger Verschluss der darunter
liegenden Materialien sichergestellt ist, selbst wenn ein entsprechender
Materialabtrag während
des betrachteten Ätzprozesses
auftritt. Beispielsweise wird die Dicke 225d auf ungefähr 15 bis 50
nm für
Deckmaterialien, zu denen Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendes
Siliziumkarbid, und dergleichen gehören, festgelegt. Ein geeigneter
Sollwert für die
Dicke 225d kann effizient ermittelt werden, indem die Ätzrate für eine spezielle
Materialzusammensetzung im Hinblick auf eine Ätzumgebung untersucht wird,
die in einer späteren
Fertigungsphase zum Ätzen
durch die Deckschicht 225 verwendet wird, wie dies nachfolgend
detaillierter beschrieben ist. In der in 2a gezeigten
Fertigungsphase ist ferner eine Ätzmaske 203 vorgesehen,
beispielsweise in Form einer Lackmaske, die eine Öffnung 203a aufweist, die
die laterale Position und die Größe einer
entsprechenden Kontaktdurchführungsöffnung definiert,
die in der Deckschicht 225 so zu bilden ist, dass diese eine
Verbindung mit der Metallleitung 222 herstellt.
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Das
in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann
auf der Grundlage der folgenden Prozesse gebildet werden. Nach der
Fertigung entsprechender Schaltungselemente (nicht gezeigt), wird eine
geeignete Kontaktstruktur in Verbindung mit der Metallisierungsebene,
die mit der Kontaktstruktur verbunden ist, hergestellt. Anschließend wird
die Metallisierungsschicht 220 gebildet, beispielsweise
gemäß einer
Vorgehensweise mit „Kontaktöffnung zuerst-Graben
zuletzt", wobei
angenommen wird, dass die Schicht 220 eine kapazitätssensitive
Schicht in dem Sinne bildet, dass zumindest eine gewisse Dicke des
dielektrischen Materials 221 in Form eines dielektrischen
Materials mit kleinem ε erforderlich
ist, um damit einen gewissen Abstand zu darunter liegenden Metallleitungen
(nicht gezeigt) zu gewährleisten.
In anderen Fällen
kann die Metallisierungsschicht 220 gemäß anderen Bauteilerfordernissen unter
Anwendung geeigneter Fertigungsschemata hergestellt werden. Beispielsweise
kann das dielektrische Material 221 etwa durch CVD, Aufschleudertechniken
und dergleichen in einer geeigneten Zusammensetzung geschaffen werden,
wobei in kritischen Fällen
eine dazwischenliegende Ätzstoppschicht
(nicht gezeigt) oder eine dazwischenliegende Ätzindikatorschicht vorgesehen
werden kann, um in effizienter Weise einen entsprechenden Ätzprozess zum
Strukturieren von Gräben
in dem dielektrischen Material 221 mit einer speziellen
Solltiefe zu steuern. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende
Kontaktdurchführungsöffnungen
(nicht gezeigt) vor oder nach dem Strukturieren der Gräben gebildet
werden können,
wobei auch entsprechende Kontaktdurchführungen in einer separaten
Fertigungssequenz gebildet werden können und danach die Metallleitungen 222 in
einer separaten Sequenz geschaffen werden, wie dies beispielsweise
der Fall für
Einzeldamaszener-Verfahren ist.
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Danach
wird die Deckschicht 225 beispielsweise durch plasmaunterstütztes CVD
mit einer geeignet ausgewählten
Dicke 225d gebildet, um damit ein zuverlässiges Strukturieren
auf der Grundlage der Maske 203 zu ermöglichen und dennoch als eine zuverlässige Ätzstoppschicht
in einem nachfolgenden Prozess zum Strukturieren von Gräben für eine nächste Metallisierungsebene
zu dienen. Es sollte beachtet werden, dass die Deckschicht 225 aus
zwei oder mehr Teilschichten aufgebaut ist, wie nachfolgend detaillierter
beschrieben wird, um damit das Gesamtfüllverhalten der Deckschicht 225,
beispielsweise im Hinblick auf den Metalleinschluss, die Haftungseigenschaften,
Elektromigrationsverhalten, Ätzstoppeigenschaften
und dergleichen zu verbessern. Als nächstes wird die Maske 203 gebildet,
beispielsweise durch moderne Lithographie, wobei in der gezeigten
Ausführungsform
weniger kritische Prozessbedingungen angetroffen werden, da eine einzelne
Lackmaske ausreichend sein kann für das geeignete Strukturen
der Deckschicht 225, um darin eine Vertiefung zu bilden,
die der Position und der Größe einer
Kontaktdurchführungsöffnung entspricht.
Danach wird das Bauelement 200 einem Ätzprozess 204 unterzogen,
der in einigen anschaulichen Ausführungsformen als ein sehr anisotroper Prozess
zum Entfernen eines Teils des freigelegten Bereichs der Deckschicht 225 gestaltet
ist. Beispielsweise sind eine Vielzahl von plasmaunterstützten Ätzprozessen
im Stand der Technik zum Ätzen
von Material gut etabliert, die effizient als eine Deckschicht in
Metallisierungsebenen eingesetzt werden können. In anderen Fällen enthält der Ätzprozess 204 eine
gewisse isotrope Komponente, beispielsweise auf der Grundlage einer
nasschemischen Ätzchemie,
eines isotropen Trockenätzprozesses
und dergleichen, wenn eine entsprechende laterale Vergrößerung einer
Vertiefung in der Deckschicht 225 akzeptabel oder als vorteilhaft
erachtet wird.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Herstellungsphase, nachdem die zuvor beschriebene
Prozesssequenz abgeschlossen und die Ätzmaske 203 entfernt
ist. Wie gezeigt, ist eine Vertiefung 225r in der Deckschicht 225 vorgesehen
und definiert somit die Größe und die
Position einer Kontaktdurchführungsöffnung für eine noch
zu bildende Metallisierungsschicht. Es sollte beachtet werden, dass
eine Tiefe D der Vertiefung 225r auf Grundlage der Prozessparameter
des Ätzprozesses 204 eingestellt werden
kann; beispielsweise kann für
eine gegebene Ätzchemie
die Ätzzeit
so gewählt
werden, dass die Tiefe D eingestellt wird. In einigen anschaulichen Ausführungs formen
wird die Tiefe D so gewählt,
dass das verbleibende Material unter der Vertiefung 225r für ausreichende Ätzstoppeigenschaften
in einem nachfolgenden Grabenstrukturierungsprozess sorgt, um damit
für eine
erhöhte
Prozessgleichmäßigkeit
in einem nachfolgenden Ätzprozess
für das
Vertiefen der Vertiefung 225 zu sorgen, um damit schließlich eine
Verbindung zu der Metallleitung 222 herzustellen, während in
anderen nicht-vertieften Bereichen Material der Deckschicht 225 zuverlässig während des
entsprechenden Ätzprozesses
beibehalten wird. Beispielsweise repräsentiert die Tiefe D ungefähr die Hälfte der
anfänglichen
Dicke 225d. Wie nachfolgend erläutert ist, wird in einigen
Ausführungsformen
die Tiefe D auf der Grundlage einer zwischenliegenden Ätzstoppschicht
eingestellt, um damit die gesamte Prozessgleichmäßigkeit zu verbessern.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein dielektrisches Material 241, beispielsweise
in Form eines dielektrischen Materials mit kleinem ε, oder in
Form eines anderen geeigneten Materials über der Deckschicht 225 gebildet
ist, woran sich eine Ätzmaske 205 mit
entsprechenden Öffnungen 205a, 205b anschließt, um damit
die laterale Position und die Größe von Gräben zu definieren,
die in dem dielektrischen Material 241 zu bilden sind.
Beispielsweise wird die Ätzmaske 205 in
Form einer Lackmaske möglicherweise
in Verbindung mit einem ARC-(antireflektierenden
Beschichtungs-)Material (nicht gezeigt) oder einem anderen Hartmaskenmaterial
vorgesehen, wenn die Ätzwiderstandsfähigkeit
einer Lackmaske als nicht ausreichend erachtet wird, um vollständig durch
das dielektrische Material 241 zu ätzen.
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Das
dielektrische Material 241 kann auf der Grundlage einer
geeigneten Technik hergestellt werden, etwa CVD, Aufschleudern,
und dergleichen oder einer Kombination davon, wobei eine Dicke 241t auf der
Grundlage eines Sollwertes für
die Dicke einer Metallleitung eingestellt wird, die in dem dielektrischen
Material 241 zu bilden ist. D. h., wie zuvor erläutert ist,
kann für
eine widerstandsempfindliche Metallisierungsschicht die Querschnittsfläche einer
Metallleitung bei einer gegebenen Entwurfsbreite, wie sie durch
die laterale Größe der Öffnungen 205a, 205b repräsentiert
ist, vergrößert werden.
Somit erstrecken sich gemäß den hierin
offenbarten Prinzipien Metallleitungen durch die gesamte Dicke der
dielektrischen Schicht 241, so dass deren Dicke auf der Grundlage
einer Solldicke der Metallleitungen ausgewählt werden kann, wodurch eine
unerwünschte
Abschreibung von Material der Schicht 241 vermieden wird
und wodurch auch die mechanische Integrität der widerstands empfindliche
Metallisierungsschicht, die betrachtet wird, nicht in unnötiger Weise
beeinträchtigt
wird.
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Nach
der Herstellung des dielektrischen Materials 241 wird die Ätzmaske 205 auf
Basis moderner Lithographieverfahren gebildet, um damit die Öffnungen 205a, 205b zu
erhalten, die abhängig
von den Entwurfsregeln die gleiche oder eine unterschiedliche Breite
besitzen können.
Als nächstes wird
das Bauelement 200 einer anisotropen Ätzumgebung 206 ausgesetzt,
um das dielektrische Material 241 auf der Grundlage der Ätzmaske 205 zu
strukturieren. Der Ätzprozess 206 wird
auf der Grundlage der Deckschicht 225 gesteuert, die als
ein effizientes Ätzstoppmaterial
dient. In anderen anschaulichen Ausführungsformen besitzt die Deckschicht 225 eine reduzierte
Abtragungsrate während
des Prozesses 206, wodurch der Materialabtrag deutlich
verlangsamt wird, sobald die Deckschicht 225 durch den Prozess 206 freigelegt
wird. Auch in diesem Falle kann die zuvor gebildete Vertiefung 225r zu
einem Freilegen der Metallleitung 222 führen, während die insgesamt geringere Ätzrate der
Deckschicht 225 dennoch für ausreichende Prozesssicherheit
sorgt, um in zuverlässiger
Weise einen Teil des Materials 225 in entsprechenden Öffnungen
beizubehalten, die auf der Grundlage der Maskenöffnungen 205a, 205b geöffnet werden.
D. h., wenn die Ätzfront
die Deckschicht 225 erreicht, verlangsamt die Verringerung
in der Gesamtabtragsrate deutlich das weitere Voranschreiten der Ätzfront,
wodurch substratüberspannende
Ungleichmäßigkeiten
effizient „nivelliert" werden, wobei dennoch
innerhalb der Vertiefung 225r, die noch mit Material der
Schicht 241 gefüllt
ist, eine moderat hohe Ätzrate
weiterhin beibehalten wird, bis Material der Deckschicht 225 freigelegt
ist. Somit kann eine merkliche Verzögerung des Materialabtrags
von zuvor nicht-vertieften Bereichen im Hinblick auf die Vertiefung 225 während des
Verlaufs des Ätzprozesses 206 weiterhin
beibehalten werden, wodurch die Metallleitung 222 an einem
Bereich, der die Vertiefung 225 entspricht, freigelegt
wird, während dennoch
eine gewisse Menge an Material der Deckschicht 225 in anfänglich nicht-vertieften
Bereichen beibehalten wird. Somit wird in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
der Ätzprozess 206 als
ein einzelner Prozess zum Ätzen
durch das Material 241 und der Deckschicht 225 an
der Vertiefung 225r ausgeführt, während andere Bauteilbereiche
zumindest durch einen Teil der Deckschicht 225 bedeckt
bleiben.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
in denen der Ätzprozess 206 zuverlässig auf
der Grundlage der Ätzstoppeigenschaften
der Deckschicht 225 angehalten wird. Somit wird ein weiterer Ätzpro zess 207 auf
der Grundlage der entsprechenden Öffnungen 241a, 241b ausgeführt, die durch
den Ätzprozess 206 unter
Anwendung der Deckschicht 225 als Ätzstopp erhalten wurden. Der Ätzprozess 207 ist
so gestaltet, dass Material der Deckschicht 225 mit einer
geeigneten Ätzrate
abgetragen wird, so dass die gewünschte
hohe Ätzsteuerbarkeit
erreicht ist, wobei dennoch nicht unnötig zur Gesamtprozesszeit beigetragen
wird. Beispielsweise sind eine Vielzahl von plasmaunterstützten Ätzrezepte
im Stand der Technik für
Materialien verfügbar,
die typischerweise als dielektrische Barrierenschichten oder Deckschichten
in konventionellen Doppel-Damaszener-Strategien eingesetzt werden.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 nach dem Ätzprozess 207,
wodurch eine Kontaktdurchführungsöffnung 243 gebildet
wird, die mit der Metallleitung 222 verbunden ist, wobei
ein zuverlässiges
Abdecken von zuvor nicht-vertieften Bereichen mit einer reduzierten
Dicke erreicht wird. Folglich enthält das dielektrische Material 241 die Gräben 241a, 241b mit
einer gewünschten
Breite entsprechend den Entwurfsregeln und auch mit einer im Wesentlichen
gleichen Tiefe, die im Wesentlichen durch die Dicke der dielektrischen
Schicht 241 in Verbindung mit dem Materialabtrag, der während des Ätzprozesses 207 und/oder 206 erreicht
wurde, wie zuvor erläutert
ist. Somit kann die Tiefe der Gräben 241a, 241b im
Wesentlichen gleich sein, unabhängig von
der Dichte der entsprechenden Kontaktdurchführungsöffnungen, eine Verbindung zu
der darunter liegenden Metallisierungsschicht 220 herstellen.
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2f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem Metallleitungen 242a, 242b in
dem dielektrischen Material 241 gebildet sind, wodurch
eine zweite Metallisierungsschicht 240 gebildet wird. Ferner
verbindet die Kontaktdurchführung 243a die
Metallleitung 242 mit der Metallleitung 222, während die
Metallleitung 242b während
die Metallleitung 222 durch den verbleibenden Bereich der
Deckschicht 225 getrennt und damit elektrisch isoliert
ist. Es sollte beachtet werden, dass die Metallleitungen 242a, 242b eine
maximale Querschnittsfläche
für eine
gegebene Breite besitzen, wodurch das Gesamtverhalten einer widerstandsempfindlichen Metallisierungsschicht
verbessert wird. Für
identische Linienbreiten kann ein hohes Maß an Prozessgleichmäßigkeit
für die
Metallleitungen 242a, 242b unabhängig von
der Kontaktdurchführungsdichte
in den diversen Gebieten somit erreicht werden.
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Mit
Bezug zu den 3a bis 3f werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter
beschrieben, in denen Kontaktdurchführungsöffnungen durch das dielektrische
Material so strukturiert werden, dass eine darunter liegende Deckschicht
vertieft wird, woran sich das Strukturieren entsprechender Gräben anschließt, die
sich ebenfalls vollständig
durch das dielektrische Material erstrecken.
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3a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 300 mit einem Substrat 301, über welchem eine
erste Metallisierungsschicht 320 gebildet ist. Die erste
Metallisierungsschicht 320 umfasst ein dielektrisches Material 321 und
eine Metallleitung 322 und eine Deckschicht 325.
Ferner ist ein dielektrisches Material 341 einer zweiten
Metallisierungsschicht 340 über der ersten Metallisierungsschicht 320 gebildet.
Im Hinblick auf die bislang beschriebenen Komponenten gelten die
gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 200 angegeben
sind. Ferner umfasst in der gezeigten Fertigungsphase das Halbleiterbauelement 300 eine Ätzmaske 303 mit
einer Öffnung 303a,
um die laterale Position und die Größe einer Kontaktdurchführungsöffnung zu
definieren, die in dem dielektrischen Material 341 zu bilden
ist. Beispielsweise wird die Ätzmaske 303 in
Form einer Lackmaske vorgesehen, möglicherweise in Verbindung
mit ARC-Materialien, Hartmaskenmaterialien und dergleichen.
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Im
Hinblick auf einen Fertigungsprozess zur Herstellung des Bauelements 300,
wie es in 3a gezeigt ist, gelten die gleichen
Kriterien, wie sie zuvor erläutert
sind, wobei jedoch im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
das dielektrische Material 341 der Metallisierungsschicht 340 auf der
Deckschicht 325 aufgebracht wird, ohne dass diese vorher
mit Vertiefungen versehen wird. Des weiteren wird das dielektrische
Material 341 mit einer geeigneten Dicke vorgesehen, um
damit das gewünschte
elektrische Gesamtleistungsverhalten jeweiliger Metallleitungen
für eine
gegebene Entwurfsbreite zu erhalten, wie dies zuvor erläutert ist.
Anschließend
wird die Maske 303 auf der Grundlage moderner Lithographieverfahren
gebildet und nachfolgend wird eine Ätzumgebung 304 eingerichtet,
um damit durch das dielektrische Material 341 auf der Grundlage
der Maske 303 zu ätzen.
Beispielsweise sind effiziente anisotrope Ätzrezepte im Stand der Technik
gut etabliert und können
während
des Prozesses 304 angewendet werden. In einer anschaulichen
Ausführungsform
weist die Deckschicht 325 ein hohes Maß an Ätzwiderstandsfähigkeit
im Hinblick auf die Chemie des Prozesses 304 auf, wodurch
diese als effizientes Ätzstoppmaterial
dient.
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3b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 während eines
weiteren Ätzprozesses 304a,
der einen zweiten Ätzschritt
des Prozesses 304 repräsentiert,
jedoch auf Basis einer anderen Ätzchemie
ausgeführt
wird, während
in anderen anschaulichen Ausführungsformen
der Ätzprozess 304a eine
abschließende
Phase des Ätzprozesses 304 repräsentiert,
wobei die Abtragsrate für
die Deckschicht 325 deutlich geringer ist, um ein hohes
Maß an Ätzsteuerbarkeit
für das
Bilden von Vertiefungen in der Deckschicht 325 in gesteuerter
Weise zu erreichen. In noch anderen Fällen ist der Prozess 304a so gestaltet,
dass Reste der Ätzmaske 303 entfernt
werden, wobei auch die Deckschicht 325 beispielsweise auf
der Grundlage einer fluorenthaltenden Ätzchemie mit einem sauerstoffbasierten
plasmaunterstützten Abtragungsprozess
vertieft wird. Wie jedoch zuvor mit Bezug zu dem Prozess 204 beschrieben
ist, können
auch andere geeignete Ätzchemien
eingesetzt werden, wobei selbst isotrope Ätzschritte verwendet werden
können,
wenn eine entsprechende Vergrößerung der
lateralen Abmessungen als geeignet erachtet wird.
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3c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Ätzprozess 304a,
wodurch eine Vertiefung 325r in der Deckschicht 325 geschaffen
wird.
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3d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Wie gezeigt, ist ein Einebnungsmaterial 344 vorgesehen,
das beispielsweise die Kontaktdurchführungsöffnung 341 füllt und
auch eine Materialschicht über
dem dielektrischen Material 341 bildet. Beispielsweise
kann das Einebnungsmaterial 344 ähnliche Eigenschaften aufweisen,
wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben
sind, wenn dort das Material 144 beschrieben wurde. Ferner
ist eine Ätzmaske 305 über dem Material 344 so
gebildet, dass entsprechende Gräben 305a, 305b definiert
werden, um damit die laterale Position und Größe von Metallleitungen zu definieren,
die in der Metallisierungsschicht 340 zu bilden sind.
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Das
Einebnungsmaterial 344 und die Ätzmaske 306 können auf
der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden,
wie sie beispielsweise mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben
sind. Es sollte beachtet werden, dass ein Unterschied in der Dicke
des Materials 344 im Wesentlichen die Effizienz eines Ätzprozesses 306 nicht negativ
beeinflusst, der gestaltet ist, um durch das dielektrische Material 341 bis
hinab zu der Deckschicht 325 zu ätzen. D. h., auf Grund der
Tatsache, dass die Gräben
durch das gesamte dielektrische Material 341 hindurch gebildet
werden, wobei die Deckschicht 325 als ein effizientes Ätzstoppmaterial
verwendet wird, können
Dickenungleichmäßigkeiten,
die beim Auftragen des Einebnungsmaterials 344 beispielsweise
auf Grund der unterschiedlichen Kontaktdichten erhalten wurden,
im Wesentlichen vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.
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3e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Ätzprozess 307,
wodurch Gräben 341a, 341b erzeugt
werden, die sich hinab zu der Deckschicht 325 erstrecken.
Ferner ist auch die Vertiefung 325r durch den vorhergehenden Ätzprozess 306 freigelegt.
Es wird ein weiterer Ätzprozess 307 ausgeführt, um
die Vertiefung 325 weiter zu vertiefen, um damit eine Kontaktdurchführungsöffnung zu
bilden, die sich zu der Metallleitung 322 erstreckt. Zu
diesem Zweck wird ein beliebiger geeigneter Ätzprozess angewendet, wobei
in einigen anschaulichen Ausführungsformen
eine fluorenthaltende Ätzchemie
eingesetzt wird, beispielsweise in Verbindung mit einem Sauerstoffplasma,
wodurch auch effizient Lackmaterial der Ätzmaske 305 entfernt wird.
Auf diese Weise wird ein effizienter aber dennoch gut steuerbarer Ätzprozess
erreicht, wodurch durch die Deckschicht 325 auf der Grundlage
der Vertiefung 325r hindurchgeätzt wird, während ein gewisser Anteil der
Deckschicht 325 in zuvor nicht-vertieften Bereichen innerhalb
der Gräben 341, 341b zuverlässig beibehalten
wird.
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3f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Ende
des Ätzprozesses 307, woraus
sich eine Kontaktdurchführungsöffnung 343a ergibt,
während
ein Teil der Deckschicht 325 mit reduzierter Dicke 325d beibehalten
wird, der die Gräben 341a, 341b zuverlässig von
dem darunter liegenden Material der Metallisierungsschicht 320 trennt. Danach
werden die Gräben 341a, 341b und
die Kontaktdurchführungsöffnung 343 mit
einem leitenden Material gefüllt,
beispielsweise einem Barrierenmaterial und einem gut leitenden Metall,
etwa Kupfer, um damit Metallleitungen in den Gräben 341a, 341b und eine
metallgefüllte
Kontaktdurchführung 343a zu
bilden. Anschließend
wird eine geeignete Deckschicht zur Fertigstellung der zweiten Metallisierungsschicht 340 gebildet.
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Ähnlich wie
in den Ausführungsformen,
die mit Bezug zu den 2a bis 2f beschrieben sind,
wird eine effiziente Fertigungstechnik bereitgestellt, in der Metallleitungen
der Metallisierungsschicht 340 sich durch das gesamte dielektrische
Material 341 erstrecken, wodurch eine maximale Leitfähigkeit
für eine
vorgegebene Materialzusammensetzung und Leitungs breite unabhängig von
der Kontaktdichte in den diversen Bauteilgebieten der betrachteten
Metallisierungsebene erreicht wird.
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3g zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 300 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
in denen die Deckschicht 325 in Form mehrerer Unterschichten vorgesehen
wird, um damit das Leistungsverhalten zu verbessern. Es sollte beachtet
werden, dass die Deckschicht 325, wie sie in 3g gezeigt
ist, in jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden
kann. Wie gezeigt umfasst die Deckschicht 325 mehrere Unterschichten 325a, 325b, 325c.
Die Unterschichten 325a, ..., 325c sind so gestaltet,
dass das Gesamtverhalten beispielsweise im Hinblick auf den Metalleinschluss,
die Ätzstoppeigenschaften,
die Verträglichkeit
mit anderen Materialien und dergleichen verbessert ist. Beispielsweise
wird die Unterschicht 325a so vorgesehen, dass ein zuverlässiger Einschluss
der Metallleitung 322 und auch ein hohes Leistungsverhalten
der Metallleitung 322 z. B. im Hinblick auf Elektromigration und
dergleichen erreicht wird. Bekanntlich besitzt eine Grenzfläche zwischen
der Metallleitung 322 und der Deckschicht 325 einen
wesentlichen Einfluss auf das Gesamtelektromigrationsverhalten,
da typischerweise Oberflächenunregelmäßigkeiten,
Diffusionspfade, Korngrenzen und dergleichen, die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration beeinflussen. Somit wird die Unterschicht 325a auf
der Grundlage entsprechender Kriterien gebildet, um damit ein verbessertes
Leistungsverhalten zu erreichen.
-
Es
sollte beachtet werden, dass die Unterschicht 325a selbst
aus zwei oder mehr Unterschichten aufgebaut sein kann, wenn dies
als geeignet erachtet wird. Eine Ätzsteuerschicht 325b ist
beispielsweise in Form einer Ätzstoppschicht
vorgesehen, die für
verbesserte Ätzstoppeigenschaften
sorgt, wenn Vertiefungen in der Deckschicht 325 gebildet
werden. Beispielsweise ist die Ätzsteuerschicht 325b aus
einem Material aufgebaut, das eine hohe Ätzselektivität in Bezug
auf die Schicht 325c während
eines entsprechenden Ätzprozesses,
etwa dem Ätzprozess 304 oder 204 zum
Bilden von Vertiefungen in der Deckschicht 325 besitzt.
Somit kann in diesem Falle die Tiefe der resultierenden Vertiefung
mit hoher Genauigkeit unabhängig
von Ätzungleichmäßigkeiten während des
vorhergehenden Ätzprozesses
zum Strukturieren eines dielektrischen Materials, etwa des Materials 241 erreicht
werden, was ansonsten zu einem gewissen Maß an Materialerosion der Deckschicht 325 führen können. In
anderen Fällen
wird ein entsprechender Ätzprozess
zum Strukturieren der Deckschicht 325 vor dem Bilden des
dielektrischen Materials 341 ausgeführt, wie dies beispielsweise
in Der Ausführungsform
der 2a bis 2f gezeigt ist,
und auch in diesem Falle kann die Ätzsteuerschicht 325 die
Gesamtprozesssteuerbarkeit und Gleichmäßigkeit verbessern. In anderen
anschaulichen Ausführungsformen
umfasst die Ätzsteuerschicht 325b eine Ätzindikatorsorte,
die während
eines entsprechenden Ätzprozesses
freigesetzt wird, wodurch ein ausgeprägtes Endpunkterkennungssignal
erzeugt wird. Beispielsweise können
geeignete Sorten, etwa sehr exotische Sorten, in die Ätzsteuerschicht 325 eingebaut
werden, um damit ein effizientes Endpunkterkennungssignal zu erhalten,
ohne in unerwünschter
Weise die Gesamteigenschaften der Deckschicht 325 zu ändern. Beispielsweise
können entsprechende
exotische Sorten mittels Ionenimplantation nach dem Bilden der Deckschicht 325 eingeführt werden,
wodurch die Ätzindikatorsorte
in geeigneter Weise positioniert wird, um die Unterschichten 325a, 325b und 325c zu
bilden. In anderen Fällen wir
das Indikatormaterial durch Plasmabehandlung nach dem Abscheiden
eines Materials entsprechend den Schichten 325a, 325b eingebaut,
woran sich eine weitere Abscheidung zur Bildung der Schicht 325c anschließt. Die
Schicht 325c wird mit einer geeigneten Materialzusammensetzung
vorgesehen, um damit die gewünschten Ätzstoppeigenschaften bereitzustellen,
ohne unnnötig
zur Gesamtpermittivität
der Deckschicht 325 beizutragen. Z. B. kann eine geeignete
Materialzusammensetzung mit beispielsweise Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendem
Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und dergleichen angewendet
werden, um in geeigneter Weise das Gesamtverhalten der Deckschicht 325 einzustellen.
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Danach
wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, wie dies beispielsweise
mit Bezug zu den Halbleiterbauelementen 200 und 300 beschrieben
ist.
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3h zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 entsprechend einem
Fertigungsstadium, in welchem mehrere Metallisierungsschichten über einer
Bauteilschicht 308 gebildet sind, die mehrere Schaltungselemente 309 aufweist.
Die Schaltungselemente 309 sind mit der ersten Metallisierungsschicht 310 verbunden,
die wiederum mit einer weiteren Metallisierungsschicht 330 mittels
Kontaktdurchführungen 333 verbunden
ist, wobei die Metallisierungsschicht 330 eine kapazitätssensitive Schicht
repräsentiert,
wodurch zumindest ein minimaler Abstand zwischen den Metallleitungen 312 der ersten
Metallisierungsschicht und der Metallleitungen 332 der
Schicht 330 erforderlich ist. In ähnlicher Weise kann die Metallisierungsschicht 320 auch
eine kapazitätssensitive
Schicht repräsentieren,
wodurch ebenfalls ein Mindestabstand zwischen den jeweiligen Metallleitungen 322 und
den Metallleitungen 332 der darunter liegenden Metallisierungsschicht 330 erforderlich
ist. Andererseits repräsentiert
die Metallisierungsschicht 340 eine widerstandssensitive Schicht,
in der eine hohe Leitfähigkeit
für eine
vorgegebene Leitungsbreite der Leitung 342 für einen
Gesamtzuwachs an Leistung des Bauelements 300 sorgt. Somit
erstrecken sich die Metallleitungen 342 durch das gesamte
dielektrische Material 341, wie dies zuvor erläutert ist,
wobei eine entsprechende Dicke der Schicht 341 auf der
Grundlage der erforderlichen Querschnitte der Metallleitungen 342 festgelegt wird,
wie dies zuvor erläutert
ist.
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Es
gilt also: Der hierin offenbarte Gegenstand schafft verbesserte
Halbleiterbauelemente und Fertigungsverfahren zur Herstellung von
Metallisierungsebenen, in denen in einer widerstandsempfindlichen
Metallisierungsschicht eine große
Querschnittsfläche
für eine
gegebene Entwurfsbreite erreicht wird, indem die Metallleitungen
so gebildet werden, dass diese sich durch das gesamte dielektrische
Zwischenschichtmaterial erstrecken. Ferner kann die laterale Position
und Größe der jeweiligen Kontaktdurchführungen,
die eine Verbindung zu einer tieferliegenden Metallisierungsschicht
herstellen, vor oder nach dem Abscheiden des dielektrischen Zwischenschichtmaterials
in Abhängigkeit
der Prozessstrategie definiert werden. Die Deckschicht, die unter
dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial gebildet ist, kann effiziente
Vertiefungen während
des Strukturierungsprozesses für
die Kontaktdurchführungen
gebildet werden, wodurch ausreichende Prozesssicherheiten geschaffen
werden, um in zuverlässiger
Weise durch die Deckschicht auf der Grundlage der zuvor gebildeten
Vertiefung zu ätzen,
während dennoch
eine zuverlässige
Abdeckung von anfänglich
nicht-vertieften Bereichen der Deckschicht erreicht wird.
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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 hierin offenbarten
Prinzipien zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten
und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu
betrachten.