DE102008016427A1

DE102008016427A1 - Drahtbonden auf reaktiven Metalloberflächen einer Metallisierung eines Halbleiterbauelements durch Vorsehen einer Schutzschicht

Info

Publication number: DE102008016427A1
Application number: DE102008016427A
Authority: DE
Inventors: Matthias Lehr; Frank Kuechenmeister
Original assignee: AMD Fab 36 LLC and Co KG; Advanced Micro Devices Inc; AMD Fab 36 LLC
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-04-01
Also published as: DE102008016427B4; US8043956B2; US20120009780A1; US20090243105A1; US8216880B2

Abstract

In Halbleiterbauelementen mit Metallisierungssystemen auf Kupferbasis werden Verbindungsflächen für die Drahtkontaktierung direkt auf Kupferoberflächen hergestellt, die durch eine geeignet gestaltete Schutzschicht abgedeckt sind, um damit eine unvorhersagbare Kupferkorrosion während des Drahtverbindungsprozesses zu vermeiden. Eine Dicke der Schutzschicht ist so ausgewählt, dass das Verbinden durch die Schicht hindurch bewerkstelligt werden kann, wobei auch ein gewünschtes hohes Maß an Integrität der Kupferoberfläche sichergestellt ist.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Gebiet integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Verarbeitung in der Metallisierung für eine Drahtverbindungsstruktur in modernsten Metallisierungsstrukturen mit sehr reaktiven Metallen, etwa Kupfer und dergleichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Herstellung integrierter Schaltungen beinhaltet viele komplexe Prozessschritte, um Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in und über einem geeigneten Halbleitermaterial herzustellen. In den vergangenen Jahren wurden enorme Fortschritte bei der Steigerung der Integrationsdichte und der Gesamtfunktionsvielfalt der integrierten Schaltungen erreicht. Diese Vorteile wurden erreicht, indem die einzelnen Schaltungselemente auf Abmessungen im Bereich deutlich unter 1 μm verringert werden, wobei aktuell kritische Abmessungen, etwa die Gatelänge eines Feldeffekttransistors, von 30 Nanometer (nm) oder weniger angewendet werden. Somit werden Millionen von Schaltungselementen auf einer Chipfläche vorgesehen, wobei auch ein komplexes Verbindungsstrukturgeflecht zu gestalten ist, in welchem typischerweise jedes Schaltungselement mit einem oder mehreren anderen Schaltungselementen elektrisch verbunden ist. Diese Verbindungsstrukturen werden typischerweise in einem Metallisierungssystem eingerichtet, das ein oder mehrere Verdrahtungsebenen aufweist, in denen geeignete Metallstrukturelemente entsprechend der betrachteten Schaltungskonfiguration in ähnlicher Weise wie in einer ebenen Leiterplatte hergestellt werden, wobei jedoch die Abmessungen der Metallstrukturelemente an die Abmessungen der Halbleiterschaltungselemente, etwa die Transistoren, und dergleichen anzupassen sind. Über viele Jahrzehnte hinweg wurde Aluminium als das Metall der Wahl zur Herstellung der Metallstrukturelemente in Metallisierungsschichten der Halbleiterbauelemente verwendet aufgrund seiner moderat guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, der selbstbeschränkenden Erzeugung einer passivierenden Oxidschicht und der Kompatibilität mit anderen Materialien und Prozesstechni ken, die zur Herstellung der integrierten Bauelemente angewendet werden. Mit der ständigen Verringerung der Schaltungsabmessungen wurden auch die Abmessungen der Metallstrukturelemente verringert und führen zu einer Situation, in der die Gesamtsignalverzögerung in den Bauelementen nicht mehr durch das Verhalten der einzelnen Halbleiterschaltungselemente bestimmt ist, etwa durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren, sondern im Wesentlichen durch die parasitäre Zeitkonstante in dem Metallisierungssystem bestimmt ist, die durch die beschränkte Leitfähigkeit des Aluminiums und die parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Metallgebieten hervorgerufen wird. Daher werden in modernen integrierten Schaltungen sehr gut leitende Metalle, etwa Kupfer und Legierungen davon, eingesetzt, um den hohen Stromdichten Rechnung zu tragen, die während des Betriebs der Bauelemente auftreten, während die parasitäre Kapazität durch Verwenden von dielektrischen Materialien mit einem Epsilon reduziert wird, die als Dielektrika zu verstehen sind, die ein Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger aufweisen.
In einer fortgeschrittenen Phase der Herstellung von integrierten Schaltungen ist es für gewöhnlich notwendig, einen Chip in ein Gehäuse einzubringen und Anschlüsse und Anschlussverbindungen zum Verbinden der Chipschaltung mit der Peripherie vorzusehen. In einigen Techniken zum Eindringen in ein Gehäuse werden Chips, Chipgehäuse oder andere geeignete Einheiten mittels Lotkugeln verbunden, die aus sogenannten Lothökern hergestellt werden, die wiederum auf einer entsprechenden Schicht zumindest einer der Einheiten vorgesehen sind, beispielsweise auf einer dielektrischen Passivierungsschicht des mikroelektronischen Chips. Um den mikroelektronischen Chip mit dem entsprechenden Träger zu verbinden, werden die Oberflächen der beiden zu verbindenden Einheiten, d. h. des mikroelektronischen Chips mit beispielsweise einer Vielzahl von integrierten Schaltungen und ein entsprechendes Gehäuse, mit adäquaten Anschlussflächenanordnungen versehen, um die beiden Einheiten nach dem Aufschmelzen der Lothöker elektrisch zu verbinden, wobei diese Höker zumindest auf einer der Einheiten vorgesehen sind, beispielsweise auf dem mikroelektronischen Chip. In anderen Techniken werden Lothöker gebildet, die mit entsprechenden Drähten zu verbinden sind, oder die Lothöker werden mit entsprechenden Anschlussflächenbereichen eines weiteren Substrats, das als eine Wärmesenke dient, in Kontakt gebracht. Folglich ist es notwendig, eine große Anzahl an Lothökern zu bilden, die über die gesamte Chipfläche verteilt sind, wodurch beispielsweise die I/O-(Eingabe/Ausgabe-)Ressourcen sowie die gewünschte Anordnung mit geringer Kapazität, wie sie für Hochfrequenzanwendungen in modernen mikroelektronischen Chips erforderlich ist, die eine komplexe Schaltung enthalten, etwa Mikroprozessoren, Speicherschaltungen und der gleichen und/oder mehrere integrierte Schaltungen, die ein vollständiges komplexes Schaltungssystem bilden, vorzusehen.
Eine weitere Vorgehensweise zur Verbindung von Chips mit einem Gehäuse beinhaltet Drahtverbindungs- bzw. Bondtechniken, die erfolgreich über die letzten Jahrzehnte auf der Grundlage von Aluminium eingesetzt wurden und die immer noch gut etabliert sind und die dominierende Anschlusstechnologie für die große Mehrzahl der Halbleiterchips im Hinblick auf ein Trägersubstrat repräsentieren, wobei für gewöhnlich aluminiumbasierte Verbindungsflächen vorgesehen werden, die mit einem geeigneten Draht kontaktiert werden, der aus Aluminium, Kupfer, Gold und dergleichen hergestellt ist. Während des Drahtverbindungsprozesses wird der Verbindungsdraht behandelt, um eine kleine Kugel an einem Ende zu bilden, die dann mit der Verbindungsfläche in Kontakt gebracht wird. Durch Anwenden von Druck, einer erhöhten Temperatur und Ultraschallenergie wird die Drahtkugel mit der Bondfläche verschweißt, um damit eine intermetallische Verbindung zu bilden. Jedoch besitzen viele moderne Halbleiterbauelemente eine Metallisierungsstruktur auf Kupferbasis im Hinblick auf eine verbesserte Leistungsfähigkeit, erhöhte Integrationsdichte und Prozesskompatibilität in Fertigungsstätten, die eine große Bandbreite unterschiedlicher Produkte herstellen, wobei die Verbindung zu dem Trägersubstrat durch Drahtverbindung aufgrund der weniger anspruchsvollen I/O-Ressourcen im Vergleich zu beispielsweise CPUs und andere sehr komplexe ICs und aufgrund der ökonomischen Vorteile der Drahtverbindungstechniken gegenüber komplexen Techniken mit Hökern erreicht wird. In einer Fertigungsumgebung ist jedoch die Drahtverbindung auf Kupferanschlussflächen sehr schwierig durchzuführen aufgrund der inhomogenen Selbstoxidation der Kupferoberfläche in Verbindung mit einem extensiven korrosiven Verhalten, das zu äußerst unzuverlässigen Verbindungsstrukturen führt. Aus diesem Grund wird ein anderes Endmetall, etwa eine Aluminiummetallschicht in modernen Metallisierungsstrukturen auf der Grundlage von Kupfer möglicherweise in Verbindung mit Dielektrika mit kleinem Epsilon verwendet, was zu einem komplexeren Fertigungsprozess führt, da entsprechende Prozesseinlagen und Prozesse zur Herstellung und Strukturierung der Aluminiumschichten in der Produktionslinie vorzusehen sind. Beispielsweise sind für moderne CPUs, in den sowohl eine Drahtverbindung als auch eine direkte Lotkontaktverbindungsstruktur unter Anwendung von Hökerstrukturen einzusetzen sind, etwa zum Einbringen von Teststrukturen in ein Gehäuse für die Überwachung des komplexen Gesamtprozessablaufes für CPUs, ein merklicher zusätzlicher Aufwand während der Herstellung der Lothökerstruktur für die eigentlichen Chipgebiete mit den CPUs und die Drahtverbindungsflächen für entsprechende Teststrukturen zu treiben, wie dies nachfolgend detaillierter mit Bezug zu den 1a bis 1c erläutert ist.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines konventionellen Halbleiterelements 100 in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein Substrat 101, das darin ausgebildete Schaltungselemente und andere Mikrostrukturelemente aufweisen kann, die der Einfachheit halber in 2a nicht gezeigt sind. Das Bauelement 100 umfasst eine oder mehrere Metallisierungsschichten mit kupferbasierten Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, wobei der Einfachheit halber die letzte Metallisierungsschicht 110 gezeigt ist, die ein dielektrisches Material 111 aufweist, in der ein Kupfer enthaltendes Metallgebiet 112 gebildet ist. Das heißt, das Metallgebiet 112 ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebaut, möglicherweise in Verbindung mit entsprechenden Barrierematerialien (nicht gezeigt), um eine Wechselwirkung zwischen dem dielektrischen Material 111 und dem Kupfermaterial in dem Gebiet 112 zu unterdrücken. Das Metallgebiet 112 ist elektrisch mit Schaltungselementen verbunden, die eine integrierte Schaltung gemäß einer spezifizierten Schaltungsanordnung repräsentieren, oder das Metallgebiet 112 repräsentiert einen Kontaktbereich, der Bauteilstrukturelemente, die eine Teststruktur repräsentieren, verbindet, um damit spezielle Bauteileigenschaften zu charakterisieren, etwa das Elektromigrationsverhalten, die Zuverlässigkeit von Gatedielektrika und dergleichen, wie dies zuvor erläutert ist. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ferner einen Passivierungsschichtstapel 120, der mehrere einzelne Schichten aufweisen kann, die als dielektrische Schichten 121, 122 und 123 bezeichnet sind. Beispielsweise ist die dielektrische Schicht 121 direkt in Kontakt mit dem Metallgebiet 112 und ist aus einem geeigneten Material aufgebaut, um als eine Deckschicht zum Einschluss des Kupfermaterials in dem Gebiet 112 zu dienen. Beispielsweise enthält die dielektrische Schicht 121 Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Stickstoff enthaltendes Siliciumcarbid und dergleichen. Die Schichten 122 und 123 werden in einer beliebigen geeigneten Materialzusammensetzung vorgesehen entsprechend der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 und dienen als geeignete Passivierungsschicht, um damit die Integrität von darunterliegenden Komponenten sicherzustellen. Beispielsweise werden Siliciumdioxid, Siliciumoxynitrid, Siliciumnitrid und dergleichen für die dielektrische Schicht 122 eingesetzt, und auch für die Schicht 123, abhängig von den gesamten Prozess- und Bauteilerfordernissen. Wie gezeigt, lässt die Passivierungsschicht 120 einen geeigneten Bereich des Metallgebiets 112 frei, wie dies zur Bereitstellung einer geeigneten Verbindungsfläche zur Aufnahme eines Bonddrahtes 130 erforderlich ist. Aufgrund der äußerst reaktiven Natur des freigelegten Oberflächenbereichs des Metallgebiets 112 werden entsprechende Oberflächenkontaminationen, etwa korrodierte Bereiche und dergleichen 112a in einer mehr oder weniger ausgeprägten Weise in Abhängigkeit der Prozessgeschichte des Bauelements 100 erzeugt.
Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Zunächst werden das Substrat 101 und darin enthaltene Schaltungselemente auf Grundlage gut etablierter Prozesstechniken geschaffen, wobei in anspruchsvollen Anwendungen Schaltungselemente mit kritischen Abmessungen in der Größenordnung von ungefähr 50 Nanometer oder weniger gebildet werden, woran sich das Aufbringen der einen oder mehreren Metallisierungsschichten 110 anschließt, die kupferbasierte Metallleitungen und Kontaktdurchführungen enthalten, wobei typischerweise dielektrische Materialien mit kleinem Epsilon zumindest für einige der dielektrischen Materialien und dem Metallisierungssystem des Bauelementes 100 verwendet werden. Die Prozesssequenz zur Herstellung der Metallisierungsschicht 110, die die letzte Metallisierungsebene des Bauelements 100 repräsentiert, enthält typischerweise das Abscheiden des dielektrischen Materials 111 und dessen Strukturierung, woran sich das Einfüllen des Kupfer enthaltenden Materials beispielsweise auf der Grundlage elektrochemischer Abscheidetechniken anschließt, wobei das Abscheiden geeigneter Barrierenmaterialien, etwa Tantal, Tantalnitrid und dergleichen dem Abscheiden des Kupfermaterials vorausgehen kann. Nach dem Entfernen von überschüssigem Material wird die dielektrische Schicht 121 gebildet, beispielsweise durch geeignete Abscheidetechniken, wodurch die kupferbasierten Materialien, etwa das Metallgebiet 112, eingeschlossen werden. Als Nächstes werden die weiteren dielektrischen Schichten 122 und 123 des Passivierungsschichtstapels 120 auf der Schicht 121 auf Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik, etwa plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (CVD) und dergleichen gebildet. Im Anschluss daran wird ein Fotolithografieprozess ausgeführt, um eine Lackmaske (nicht gezeigt) vorzusehen, die eine Form und Abmessung besitzt, die im Wesentlichen die eigentliche Verbindungsfläche zum Anschluss des Verbindungsdrahts 120 an den freigelegten Bereich des Metallgebiets 112 bestimmt. Nachfolgend wird der dielektrische Schichtstapel 120 auf Grundlage der zuvor gebildeten Lackmaske strukturiert, die schließlich durch gut etablierte Prozesstechniken entfernt wird. Wie zuvor erläutert ist, kann eine Kupfer enthaltende Oberfläche, die während der diversen Fertigungsphasen freigelegt ist, effizient mit aggressiven Komponenten, etwa mit Sauerstoff, Fluor und dergleichen reagieren, wodurch die Kontaminationsstoffe 112a in einer sehr inhomogenen Weise erzeugt werden und zu sehr ungleichmäßigen Prozessbedingungen während eines Verbindungsprozesses zum Verbinden des Verbindungsdrahtes 130 mit dem Metallgebiet 112 führen. Folglich ist eine zuverlässige intermetallische Verbindung zwischen dem Verbindungsdraht 120 und der Oberfläche des Metallgebiets 112 nur schwer zu erreichen und daher erhält in konventionellen Strategien das Bauelement 100 eine aluminiumbasierte Endmetallschicht, um damit das Anwenden gut etablierter Drahtverbindungstechniken auf der Grundlage von Aluminium zu ermöglichen.
1b zeigt schematisch das konventionelle Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine Aluminiumschicht 131 über dem freigelegten Bereich des Metallgebiets 112 gebildet ist. Wie ferner gezeigt ist, ist eine Barrieren/Haftschicht 132 zwischen der Aluminiumschicht 131 und dem Metallgebiet 112 und dem entsprechenden Teil des dielektrischen Schichtstapels 120 vorgesehen. Die Barrieren/Haftschicht 122 ist beispielsweise aus Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid oder anderen ähnlichen Metallen und Verbindungen davon aufgebaut, wo sie typischerweise im Zusammenhang mit Kupfermetallisierungssystemen eingesetzt werden, um in effizienter Weise die Kupferdiffusion zu reduzieren und eine Verbesserte Haftung der Aluminiumschicht 131 zu ermöglichen. Typischerweise wird das in 1b gezeigte Bauelement gebildet, indem zunächst die Barrieren/Haftschicht 122 abgeschieden wird, beispielsweise auf der Grundlage von Sputter-Abscheidetechniken, woran sich das Abscheiden der Aluminiumschicht 131, beispielsweise durch Sputter-Abscheidung, chemische Dampfabscheidung, und dergleichen anschließt. Als Nächstes wird ein Lithografieprozess ausgeführt, um eine Lackmaske (nicht gezeigt) zu bilden, die während eines reaktiven Ätzprozesses als Ätzmaske verwendet wird, wobei der Prozess beispielsweise auf der Grundlage einer komplexen chlorbasierten Ätzchemie ausgeführt wird, um damit die strukturierte Aluminiumschicht 131 zu erhalten, wie sie in 1b gezeigt ist. Des Weiteren enthält der Ätzprozess auch einen separaten Ätzschritt zum Ätzen durch die Barrieren/Haftschicht 132, woran sich ein nass-klinischer Prozess zum Entfernen von korrosiven Ätzresten anschließt, die während des komplexen Aluminiumätzprozesses erzeugt werden.
1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der der Bindungsdraht 130 an die Aluminiumschicht 131 durch gut etablierte Prozesstechniken verbunden wird, wobei ein Ende des Verbindungsdrahtes 130 an der freigelegten Oberfläche der Aluminiumschicht 131 angebracht wird, wobei auch Wärme und/oder Ultraschallenergie und Druck angewendet werden, um damit eine intermetallische Verbindung zwischen einem Teil der Aluminiumschicht 131 und dem Verbindungsdraht 130 zu erreichen.
Folglich werden in dem zuvor beschriebenen konventionellen Vorgehen effiziente Drahtbond- bzw. Verbindungstechniken auf der Grundlage der Aluminiumschicht 131 eingesetzt, wobei jedoch ein komplexer Prozessablauf zum Abscheiden und Strukturieren der Barrieren/Haftschicht 132 und der Aluminiumschicht 131 erforderlich ist. Folglich werden in einer komplexen Fertigungsumgebung entsprechende Ressourcen zum Abscheiden und Strukturieren der Aluminiumschicht 131 in Verbindung mit der Barrieren/Haftschicht 132 zusätzlich zu den Anlagen und Materialien benötigt, die für die Herstellung eines komplexen kupferbasierten Metallisierungssystems erforderlich sind, wodurch zu erhöhten Durchlaufzeiten und damit Produktionskosten beigetragen wird.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Prozesstechniken und Halbleiterbauelemente, in denen eine geringere Prozesskomplexität geschaffen wird, beispielsweise durch Vermeiden der Verarbeitung von Aluminium, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest reduziert werden.
ÜBERBLICK ÜBER DIE OFFENBARUNG
Im Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen Drahtverbindungen in kupferbasierten Metallisierungsstrukturen erreicht werden ohne Verwendung von aluminiumgeschützten Techniken, indem eine freigelegte Kupfer enthaltende Oberfläche vor und während des Drahtverbindungsprozesses passiviert wird. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Schutzschicht mit einer geeignet ausgebildeten Dicke nach der Strukturierung des Passivierungsschichtstapels hergestellt, wobei die Schutzschicht während des Drahtverbindungsprozesses beibehalten wird, um damit gleichmäßige Prozessbedingungen zu schaffen, ohne dass der Verbindungs- bzw. Bondprozess negativ beeinflusst wird. Das heißt, die Schutzschicht kann die reaktive Kupferoberfläche ausreichend passivieren, wobei auch das Anbringen eines Verbindungsdrahtes ”durch” die Schutzschicht hindurch ermöglicht wird, wodurch eine zuverlässige intermetallische Verbindung zwischen dem Kupfermaterial und dem Verbindungsdraht entsteht, wobei in einigen anschaulichen Aspekten, wie sie hierin offenbart sind, Material der Schutzschicht als eine Art Material bereitgestellt wird, die auch in vorhergehenden Fertigungssequenzen zu verwenden ist, wodurch im Wesentlichen nicht zu höheren Anforderungen im Hinblick auf zusätzliche Prozessanlagen beigetragen wird. In einigen anschaulichen Aspekten kann die Verarbeitung von Aluminium während der Herstellung eines kupferbasierten Metallisierungssystems und eines entsprechenden Drahtverbin dungsprozesses vermieden werden, wodurch die Gesamtprozesskomplexität und die Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Lösungen, wie sie zuvor beschrieben sind, deutlich reduziert werden.
Ein anschauliches, hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines dielektrischen Schichtstapels über einer Metallisierungsschicht, die über einem Substrat eines Halbleiterbauelements gebildet ist, wobei die Metallisierungsschicht ein Kontaktgebiet mit einer Kupfer enthaltenden Oberfläche zur Aufnahme eines Verbindungsdrahtes aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Öffnung in dem dielektrischen Schichtstapel, um einen Teil der Oberfläche freizulegen und um eine Schutzschicht zumindest an dem Bereich der Oberfläche zu bilden. Schließlich umfasst das Verfahren das Anbringen eines Anschlussdrahtes an den Bereich in Anwesenheit der Schutzschicht.
Ein noch weiteres anschauliches, hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines dielektrischen Schichtstapels über einer Metallisierungsschicht, die über einem Substrat eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist, wobei die Metallisierungsschicht ein Metallgebiet zur Verbindung mit einem Verbindungsdraht aufweist. Des Weiteren ist eine Vertiefung in dem dielektrischen Schichtstapel ausgebildet, um einen Verbindungsbereich des Metallgebiets zu bilden, wobei eine Unterseitenschicht der Vertiefung das Metallgebiet bedeckt. Ferner umfasst das Verfahren das Verbinden eines Anschlussdrahtes mit dem Metallgebiet in Anwesenheit der Unterseitenschicht.
Ein anschauliches, hierin offenbartes Halbleiterprodukt umfasst ein Substrat und ein Metallisierungssystem mit einer letzten Metallisierungsschicht, die über dem Substrat ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst das Halbleiterprodukt einen dielektrischen Schichtstapel, der über der letzten Metallisierungsschicht gebildet ist, und es ist eine Kontaktfläche vorgesehen, die in einer Öffnung des dielektrischen Schichtstapels ausgebildet ist, wobei die Kontaktfläche eine Kupfer enthaltende Oberfläche aufweist, wovon ein Teil durch ein erstes Material bedeckt ist. Des Weiteren wird ein Verbindungsdraht mit einem Teil der Oberfläche verbunden und ein zweites Material wird vorgesehen, das die Kontaktfläche und den Verbindungsdraht umschließt, wobei sich das zweite Material von dem ersten Material unterscheidet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
1a bis 1c schematisch Querschnittsansichten eines konventionellen Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Drahtverbindungsstruktur auf Grundlage eines Kupfer enthaltenden Metallisierungssystems und einer abschließenden Aluminiumschicht gemäß konventioneller Strategien zeigen;
2a bis 2c schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Drahtverbindungsstruktur mit einem kupferbasierten Metallgebiet und zur Anwendung einer selektiv ausgebildeten Schutzschicht gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
2d bis 2f schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen, in denen eine Schutzschicht durch globales Abscheiden und selektives Entfernen von horizontalen Bereichen eines dielektrischen Schichtstapels gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen gebildet wird;
2g bis 2i schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wobei eine Schutzschicht selektiv durch eine nass-chemische Behandlung gebildet wird, die mit dem Entfernen korrosiver Kontaminationsstoffe kombiniert wird;
2j und 2k schematisch das Halbleiterbauelement während der globalen Abscheidung einer dielektrischen Schutzschicht und während eines nachfolgenden Drahtverbindungsprozesses durch die Schutzschicht hindurch gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
2l und 2m schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements während diverser Phasen eines Ätzprozesses zur Herstellung einer Öffnung in dem dielektrischen Schichtstapel mit einem abschließenden Polymerisierungsprozess zeigen, um damit eine Polymerschutzschicht gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zu erhalten;
3a bis 3f schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Drahtverbindungsstruktur unter Anwendung einer Schutzschicht zeigen, die vor dem Strukturieren des abschließenden dielektrischen Schichtstapels gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen strukturiert wird; und
4 schematisch die Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einer Drahtverbindungsstruktur zeigt, in der eine Kupfer enthaltende Oberfläche direkt mit einem Verbindungsdraht kontaktiert wird, wobei Teile der Verbindungsfläche durch ein schützendes Material gemäß anschaulicher Ausführungsformen bedeckt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie es in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Offenbarung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen Drahtverbindungsstrukturen auf der Grundlage eines im Wesentlichen aluminiumfreien Metallisierungssystems geschaffen werden, wobei eine zuverlässige intermetallische Verbindung zwischen dem Verbindungsdraht und einer Kupfer enthaltenden Oberfläche erreicht wird, indem der Drahtverbindungsprozess in Anwesenheit einer geeignet gestalteten Schutzschicht ausgeführt wird. Zu diesem Zweck wird eine Prozesstechnik eingesetzt, in der gut etablierte Materialien, wie sie typischerweise während der Herstellung moderner Halbleiterbauelemente verwendet werden, ebenfalls während der Herstellung der Drahtverbindungsstruktur und der Schutzschicht eingesetzt werden, um damit den Aufwand im Hinblick auf Anlagen und Prozesszeit im Vergleich zu konventionellen Techniken, die eine Aluminiumabschlussmetallschicht verwenden, zu verringern. Aufgrund des Vorsehens der Schutzschicht können empfindliche Kupfer enthaltende Oberflächen vor und während des Drahtverbindungsprozesses passiviert werden, wodurch eine nicht vorhersagbare chemische Wechselwirkung mit reaktiven Komponenten, etwa mit Sauerstoff, Fluor und dergleichen, deutlich verringert wird, wodurch zuverlässige intermetallische Verbindungen zwischen dem Verbindungsdraht und der Kupfer enthaltenden Oberfläche geschaffen werden. Die Schutzschicht kann auf Grundlage gut etablierter Testtechniken hergestellt werden, etwa die elektrochemische Abscheidung geeigneter Verbindungen, die selektiv auf dem freigelegten Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche abgeschieden werden können, wobei der strukturierte dielektrische Schichtstapel als eine effiziente Abscheidemaske dienen kann. In anderen Fällen wird ein geeignetes Material, etwa ein leitendes Barrierenmaterial, wie es ebenfalls in den Metallisierungsebenen verwendet werden kann, abgeschieden und nachfolgend strukturiert, beispielsweise durch Einebnungsverfahren, um damit dieses zumindest außerhalb der Öffnung in dem dielektrischen Schichtstapel zu entfernen. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird nach der Strukturierung des Passivierungsschichtstapels ein geeignetes dielektrisches Material mit einer geeigneten Dicke abgeschieden und wird während des Drahtverbindungsprozesses und der weiteren Bearbeitung beibehalten, um das Halbleiterbauelement in einem Gehäusematerial zu umschließen, wodurch für einen sehr effizienten Gesamtprozessablauf gesorgt wird. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen, wie sie hierin offenbart sind, wird die Schutzschicht als ein Teil des dielektrischen Schichtstapels vorgesehen, wobei eine Schichtdicke durch Abscheidung und/oder Parameter während der Herstellung und Strukturierung des letzten dielektrischen Schichtstapels festgelegt ist. Folglich kann durch das Vorsehen der Schutzschicht und das Ausführen des Drahtverbindungsprozesses in Anwesenheit der Schutzschicht die Notwendigkeit für die Bearbeitung von kostenintensiven Materialien, etwa Gold, Aluminium, und dergleichen vermieden werden, wobei dennoch für zuverlässige intermetallische Verbindungen für modernste Metallisierungssysteme, die auf der Grundlage von Kupfer und dielektrischen Materialien mit kleinem Epsilon aufgebaut sind, gesorgt wird.
Mit Bezug zu den 2a bis 2n, den 3a bis 3f und 4 werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 in einem fortgeschrittenen Fertigungsstadium, um eine Drahtverbindungsstruktur auf der Grundlage eines komplexen Metallisierungssystems mit Kupfer oder anderen gut leitenden und reaktiven Materialien zu bilden. Das Halbleiterbauelement 200 umfasst ein Substrat 201, in und über welchem Mikrostrukturelemente, etwa Schaltungselemente moderner integrierter Schaltungen und dergleichen gemäß den Bauteilerfordernissen ausgebildet sein können. Es sollte beachtet werden, dass das Substrat 201 aus einer geeigneten Materialzusammensetzung aufgebaut ist, um darin und darauf die erforderlichen Mikrostrukturbauelemente herzustellen, wovon zumindest ein Teil ein Metallisierungssystem benötigt, d. h. eine oder mehrere Metallisierungsschichten mit Kupfer enthaltenden Metallgebieten. Beispielsweise umfasst das Substrat 201 ein beliebiges geeignetes Trägermaterial, beispielsweise in Form eines isolierenden Materials, eines Halbleitermaterials, möglicherweise in Verbindung mit einer vergrabenen isolierenden Schicht, auf der ein weiteres Halbleitermaterial gebildet sein kann, um damit eine SOI-(Halbleiter-auf-Isolator)-Konfiguration und dergleichen zu erzeugen. Somit ist über einer oder mehreren Ebenen, die Halbleiterbauelemente, etwa Transistoren, Kondensatoren und dergleichen aufweisen, mindestens eine Metallisierungsebene vorgesehen, wobei typischerweise für Mikrostrukturbauelemente mit komplexen Schaltungen mehrere Metallisierungsebenen verwendet werden, die gut leitende Metalle, etwa Kupfer, Kupferlegierungen, Silber und dergleichen möglicherweise in Verbindung mit konventionellen Dielektrika und Dielektrika mit kleinem Epsilon enthalten, wie dies zuvor erläutert ist. Der Einfachheit halber ist die letzte Metallisierungsebene 210 dargestellt, die ein geeignetes dielektrisches Material 211 aufweist, beispielsweise in Form eines dielektrischen Materials mit kleinem Epsilon, möglicherweise in Kombination mit konventionellen Dielektrika, wobei dies von den gesamten Bauteileigenschaften abhängt. Des Weiteren umfasst die letzte Metallisierungsschicht 210 ein Metallgebiet 212 mit einer oberen Fläche 212s, wovon zumindest ein Teil als Kontaktbereich zur Aufnahme eines Verbindungsdrahts bzw. Bonddrahtes in einer späteren Fertigungsphase dient. Das Metallge biet 212 repräsentiert ein gut leitendes Metall, das Kupfer aufweisen kann, um damit mit den Materialien und Fertigungstechniken aus tiefer liegenden Metallisierungsebenen kompatibel zu sein, ohne dass komplexe aluminiumbasierte Prozessstrategien erforderlich sind, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist. Somit repräsentiert in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Oberfläche 212f eine Kupfer enthaltende Oberfläche, die unter einer erhöhten Erzeugung von Kontaminationsstoffen bei Einwirkung einer reaktiven Umgebung, etwa Umgebungsluft, einer Plasmaumgebung mit reaktiven Komponenten, etwa Fluor, Sauerstoff und dergleichen, leidet. Typischerweise umfasst das Metallgebiet 212 ein Barrierenmaterial 212b, beispielsweise in Form Tantel, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid oder anderen geeigneten Materialien. Des Weiteren ist in der gezeigten Fertigungsphase ein Passivierungsschichtstapel 220 über der Metallisierungsschicht 210 angeordnet und umfasst eine oder mehrere dielektrische Schichten mit geeigneter Zusammensetzung. Beispielsweise enthält in der gezeigten Ausführungsform der dielektrische Schichtstapel 220 zwei oder mehr einzelne Materialschichten, die beispielsweise als 221, 222 und 223 gezeigten, wobei zu beachten ist, dass eine beliebige Anzahl an Materialschichten, beispielsweise eine Materialschicht, zwei Materialien, vier oder mehr Materialschichten in dem Stapel 220 in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften im Hinblick auf die Passivierung der darunterliegenden Komponenten und die Kompatibilität mit der weiteren Verarbeitung verwendet werden können, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Beispielsweise dient zumindest ein Teil des dielektrischen Schichtstapels 220, etwa die erste Schicht 221, als eine Deckschicht zum Einschließen des Metalls in dem Gebiet 212, wenn andere Deckschichten, beispielsweise in Form von leitenden Deckschichten und dergleichen, nicht auf der Oberfläche 212s vorgesehen sind. Beispielsweise können Siliciumnitrid, Stickstoff enthaltendes Siliciumcarbid und dergleichen für diesen Zweck verwendet werden. Des Weiteren kann die Schicht 221 effizient während der Strukturierung des dielektrischen Schichtstapels 220 verwendet werden, um als ein Ätzstoppmaterial zur Verbesserung der Gesamtprozessgleichmäßigkeit zu dienen. In ähnlicher Weise besitzen die eine oder mehreren zusätzlichen Schichten 222, 223 eine geeignete Materialzusammensetzung, beispielsweise in Form von Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid und dergleichen. Eine Öffnung 220a ist in dem dielektrischen Schichtstapel 220 gebildet, wodurch die laterale Größe eines Teils der Oberfläche 221s definiert wird, der als der Kontaktbereich zum Empfang des Verbindungsdrahtes in einer späteren Phase dient. Des Weiteren umfasst das Bauelement 200 eine Schutzschicht 240, die zumindest einen Teil der Oberfläche 212s abdeckt, der durch die Öffnung 220a definiert ist, um damit eine Wechselwirkung der empfindlichen Oberfläche 212s mit reaktiven Komponenten im Wesentlichen zu unterdrücken, etwa mit Fluor, Sauerstoff und dergleichen. Das heißt, die Materialzusammensetzung und die Dicke der Schutzschicht 240 sind so eingestellt, dass die Wechselwirkung des freiliegenden Bereichs der Oberfläche 212s mit der Umgebung deutlich unterdrückt wird, während ein Verbindungsprozess, der in einer späteren Phase auszuführen ist, im Wesentlichen nicht negativ durch die Anwesenheit der Schutzschicht 240 beeinflusst wird. Beispielsweise wird die Schutzschicht 240 als ein isolierendes Material mit einer Zusammensetzung vorgesehen, wobei eine Dicke von ungefähr 1 bis 10 Nanometer für das gewünschte Maß an Unversehrtheit des freiliegenden Bereichs der Oberfläche 212s sorgt. In anderen Fällen wird ein leitendes Material für die Schicht 240 vorgesehen, wobei eine Dicke davon im Hinblick auf das Beibehalten der Integrität der Oberfläche 212s und im Hinblick auf die Eigenschaften des leitenden Materials während eines Drahtverbindungsprozesses ausgewählt wird. Das heißt, für Materialien mit einer moderat geringen Leitfähigkeit wird eine geringere Dicke in dem oben genannten Bereich ausgewählt, um damit ein zuverlässiges Aufbrechen der Materialschicht 240 während des nachfolgenden Drahtverbindungsprozesses sicherzustellen, um damit eine intermetallische Verbindung zwischen dem Verbindungsdraht und der gut leitenden Oberfläche 212s herzustellen. In anderen Fällen wird, wenn das leitende Material der Schicht 240 eine positive Wirkung aufweist, beispielsweise im Hinblick auf die Haftung und die gesamte Robustheit der Drahtverbindung, eine erhöhte Dicke von ungefähr 10 bis 100 Nanometer ausgewählt, abhängig von den gesamten Eigenschaften des Materials der betrachteten Schicht 240. Beispielsweise kann die Schutzschicht 240 in Form von Nickel, Palladium und dergleichen vorgesehen werden, die mit einer erhöhten Dicke bereitgestellt werden können, wie dies zuvor angegeben ist, da die Gesamteigenschaften während des Drahtverbindungsprozesses dieser Materialien in Verbindung mit einer akzeptablen Leitfähigkeit insgesamt zu einer Verbesserung der schließlich erhaltenen Drahtverbindungsstruktur führen können. Das heißt, diese Materialien können in Verbindung mit dem Material des Verbindungsdrahtes und der Oberfläche 212s eine robuste und gut leitende Verbindung zu dem Metallgebiet 212 herstellen, selbst wenn ein direkter Kon takt des Verbindungsdrahtes mit der Oberfläche 212s kleiner ist während des Drahtverbindungsprozesses im Vergleich zu einer geringeren Dicke.
In einer anschaulichen Ausführungsform wird, wie in 2a gezeigt ist, die Schutzschicht 240 selektiv in der Öffnung 220a auf dem freiliegenden Bereich der Oberfläche 212s gebildet. Beispielsweise können Verbindungen aus Kobalt, Wolfram, Phosphor oder Verbindungen aus Kobalt, Wolfram, Bor oder Verbindungen aus Nickel, Molybdän, Bor oder Verbindungen aus Nickel, Molybdän, Phosphor und dergleichen zur Herstellung der Schutzschicht 240 verwendet werden. Eine derartige Materialzusammensetzung kann auch in tiefer liegenden Metallisierungsebenen eingesetzt werden, beispielsweise zur Herstellung einer leitenden Deckschicht für Kupferleitungen, um damit das Elektromigrationsverhalten zu verbessern, ohne dass die Gesamtleitfähigkeit der Kupferleitungen unerwünscht beeinträchtigt wird. Somit sind entsprechende Materialressourcen und Abscheideanlagen in der Halbleiterfertigungsstätte verfügbar, wodurch ein zusätzlicher Aufwand im Hinblick auf Anschaffungskosten für entsprechende Abscheideschemata vermieden wird. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen werden Metalle, etwa Palladium oder Nickel verwendet, wie dies zuvor erläutert ist, einzeln oder in Verbindung, um damit die Schutzschicht 240 zu bilden. Wiederum können geeignete Materialressourcen und Abscheideanlagen während der Bearbeitung des Bauelementes 200 verwendet werden, so dass diese Ressourcen vorteilhafterweise auch zur Herstellung der Schutzschicht 240 eingesetzt werden. In anderen Fällen wird die Schutzschicht 240 auch an Seitenwänden der Öffnung 220a vorgesehen, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. In einigen Fällen wird die Schutzschicht 240 als ein im Wesentlichen isolierendes Material vorgesehen, was auf der Grundlage einer nasschemischen Behandlung des freigelegten Bereichs der Oberfläche 212s bewerkstelligt werden kann, wie dies später beschrieben ist.
Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach der Ausbildung entsprechender Strukturelemente, etwa Schaltungselemente und dergleichen, werden eine oder mehrere Metallisierungsschichten gemäß gut etablierter Techniken hergestellt, wobei als abschließender Schritt die letzte Metallisierungsschicht 210 gebildet wird, indem das dielektrische Material 211 abgeschieden und dieses strukturiert wird, um damit die Metallgebiete 212 aufzunehmen, wobei ähnliche Prozesstechniken eingesetzt werden, wie sie auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert sind. Als Nächstes wird der dielektrische Schichtstapel 220 gemäß einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik hergestellt, beispielsweise unter Anwendung von plasmaunterstützter CVD zur Herstellung einer oder mehrerer unterschiedlicher Materialschichten, etwa der Schichten 221, 222 und 223. Danach wird der Stapel 220 durch Anwendung von Lithografieverfahren gemäß gut etablierter Techniken strukturiert. Während der Strukturierung des Schichtstapels 220 wird ein Teil der Oberfläche 212s freigelegt und bei Bedarf wird ein geeigneter Reinigungsprozess beispielsweise auf der Grundlage verdünnter Flusssäure (HF) und dergleichen ausgeführt, um Kontaminationsstoffe und dergleichen zu entfernen. Anschließend wird der freiliegende Bereich der Oberfläche 212s, der einen geringeren Anteil an Kontamination aufweist, einer Abscheideatmosphäre 241 ausgesetzt, die in einer anschaulichen Ausführungsform in Form einer selektiven elektrochemischen Abscheideumgebung eingerichtet wird. Beispielsweise sind Plattierungsreaktoren in der Fertigungsumgebung verfügbar, die für das elektrochemische Aufbringen von leitenden Deckschichten für Kupfermetallisierungen und dergleichen verwendet werden können, und die somit auch effizient für die elektrochemische Abscheidung 241 eingesetzt werden. In diesem Fall dient der freigelegte Bereich der Oberfläche 212s als ein Katalysatormaterial, wodurch das Abscheiden eines geeigneten Metalls oder einer Verbindung, wie sie zuvor spezifiziert sind, in Gang gesetzt sind, wodurch auch ein hohes Maß an Selektivität des Abscheideprozesses bewirkt wird. Folglich kann der Prozess 241 als ein nicht-maskierter Abscheideprozess ausgeführt werden, wodurch die Prozesskomplexität verringert wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Schutzschicht 240 auf Grundlage einer selektiven elektrochemischen Abscheidung und zur Anwendung von beispielsweise einer der oben spezifizierten Verbindungen oder Metalle ausgeführt, bevor der dielektrische Schichtstapel 220 abgeschieden wird. Das heißt, beim Bilden der Metallisierungsschicht 210, d. h. beim Strukturieren des dielektrischen Materials 211 und dem Füllen entsprechender Öffnungen mit einem Kupfer enthaltenden Material in Verbindung mit dem Abscheiden des Barrierenmaterials 212b, falls dieses erforderlich ist, wird die Schutzschicht 240 in Form einer Deckschicht aufgebracht, wodurch das Kupfermaterial in dem Gebiet 212 über die gesamte Oberfläche 212s hinweg eingeschlossen wird, wodurch eine erhöhte Flexibilität in der Auswahl eines geeigneten Materials für den dielektrischen Schichtstapel 220 geschaffen wird, da die Kupfer einschließenden Eigenschaften eines Materialbereichs, der in unmittelbarem Kontakt mit dem Metallgebiet 212 ist, weniger kritisch sind, da das Einschließen durch die Schutzschicht 240 bewerkstelligt wird. Beispielsweise kann in diesem Fall die Schicht 221 im Hinblick auf ihre Ätzstoppeigenschaften während des Strukturierens des Stapels 220 vorgesehen werden, um damit ein gewünschtes hohes Maß an Integrität der Schutzschicht 240 aufrechtzuerhalten, deren Dicke im Hinblick auf das Beibehalten der Integrität der Oberfläche 212s und zum Ermöglichen eines effizienten Drahtverbindungsprozesses in einer späteren Fertigungsphase ausgewählt ist.
2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem beispielsweise das Bauelement 200 als eine separate Einheit vorgesehen ist, was durch geeignetes Schneiden des Substrats 201 erreicht wird, um damit individuelle Halbleiterbauelemente zu erhalten. Während der gesamten Prozesssequenz zur Aufteilung des Substrats 201 kann die Schutzschicht 240 in effizienter Weise eine Wechselwirkung der Oberfläche 212s mit der Umgebung unterdrücken. Es sollte beachtet werden, dass bei Bedarf ein zusätzliches Schutzmaterial über den dielektrischen Schichtstapel 220 und die Schutzschicht 240 vorgesehen werden kann, um damit für eine verbesserte Integrität des Bauelements 200 zu sorgen, wobei ein entsprechendes Material vor dem Ausführen eines Drahtverbindungsprozesses entfernt wird, um einen Verbindungsdraht 230 mit dem Metallgebiet 212 in Kontakt zu bringen. Während des Abscheidens und des Entfernens eines entsprechenden Maskenmaterials, beispielsweise in Form eines Polymermaterials, und dergleichen, sorgt die Schutzschicht 240 für die gewünschte Integrität der Oberfläche 212s. Während des Drahtverbindungsprozesses wird der Verbindungsdraht 230 so behandelt, dass er gegebenenfalls eine Kugel 230a erhält und dass er zu der Öffnung 220a auf der Grundlage gut etablierter Prozeduren und Drahtverbindungsanlagen justiert wird. Während des Verbindungsprozesses wird die Kugel 230a mit der Schutzschicht 240 in Kontakt gebracht, wobei auch eine Andruckkraft in Verbindung mit dem Anwenden einer geeigneten Temperatur und Ultraschallenergie mit einer spezifizierten Frequenz und Intensität ausgeübt wird.
2c zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer fortgeschrittenen Phase des Drahtverbindungsprozesses, in der die Kugel 230a beim Kontakt mit der Schicht 240 deformiert wird und auch die Schicht 240 ”aufbricht”, wodurch die aufgebrochenen Bereiche von unterhalb der verformten Kugel 230a verdrängt werden und in einigen anschaulichen Ausführungsformen einen direkten Kontakt mit der Oberfläche 212s erzeugen. Das heißt, aufgrund der erhöhten Temperatur und der angewendeten Ultraschallenergie wird die deformierte Kugel 230a mit der Oberfläche 212s verschweißt, wodurch eine intermetallische Verbindung erreicht wird, um damit einen zuverlässigen Drahtverbindungskontakt zu schaffen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Anfangsdicke der Schutzschicht 240 so gewählt, dass beim Deformieren der Kugel 230a, wenn diese die Schutzschicht 204 kontaktiert, ebenfalls ein zuverlässiger Kontakt mit dem verdrängten Material 240a erreicht wird, wodurch die Zuverlässigkeit des Drahtverbindungskontaktes zwischen dem Verbindungsdraht 203 und er Oberfläche 212s weiter verbessert wird. Zu diesem Zweck kann eine Anfangsdicke von ungefähr 10 bis 100 Nanometer angewendet werden, beispielsweise für eine Schutzschicht auf Nickelbasis, wodurch die Gesamteigenschaften der Drahtverbindung verbessert werden.
Wenn in ähnlicher Weise ein im Wesentlichen isolierendes Material für die Schutzschicht 240 verwendet wird, wird deren Dicke innerhalb eines geeigneten Bereichs ausgewählt, wie er zuvor spezifiziert ist, wodurch das isolierende Material zuverlässig verdrängt wird und ein zuverlässiger und stabiler intermetallischer Kontakt zwischen der deformierten Kugel 230a und der Oberfläche 212s geschaffen wird. Währen des gesamten Drahtverbindungsprozesses sorgt die Anwesenheit des Materials der Schutzschicht 240 für eine verbesserte Integrität der Oberfläche 212s und sorgt auch für den Einschluss des Kupfermaterials in dem Gebiet 212 während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 200, beispielsweise beim Umhüllen des Bauelements 200 mit einem geeigneten Gehäusematerial, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
Mit Bezug zu den 2d bis 2f werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen die Schutzschicht 240 auf der Grundlage einer nicht-selektiven Abschältechnik unter Anwendung eines leitenden Materials gebildet wird, das dann selektiv von unerwünschten Oberflächenbereichen des Bauelements 200 abgetragen wird.
2d zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer Fertigungsphase, in der der dielektrische Schichtstapel 220 eine oder mehrere dielektrische Schichten aufweist, etwa die Schichten 221 und 222 mit der darin ausgebildeten Öffnung 220a, in der an Seitenwänden und einer Unterseite die Schutzschicht 240 ausgebildet ist, die sich auch über horizontale Oberflächenbereiche des Stapels 220 erstreckt. In der gezeigten anschaulichen Ausführungsform wird die Schutzschicht 240 in Form eines leitenden Materials, etwa eines Barrierenmaterials vorgesehen, wie es auch typischerweise in Verbindung mit kupferbasierten Metallsystemen eingesetzt wird, etwa in Form von Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid oder Kombinationen davon oder anderen Materialien. In diesem Falle wird die Barrierenschicht oder Schutzschicht 240 auf der Grundlage gut etablierter Abscheidetechniken aufgebracht, etwa CVD, Sputterabscheidung, und dergleichen, wobei entsprechende Prozessressourcen eingesetzt werden, wie sie auch während der Herstellung tiefer liegender Ebenen des Halbleiterbauelements 200 eingesetzt werden. Wie zuvor erläutert ist, wird die Schicht 240 mit einer geeigneten Dicke vorgesehen, um damit einen zuverlässigen Drahtverbindungskontakt zu ermöglichen, wie dies zuvor mit Bezug zu den 2b und 2c beschrieben ist.
2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines Abtragungsprozesses 241, um einen Teil der Schicht 240 von sich lateral erstreckenden Oberflächenbereichen des Stapels 220 zu entfernen, um damit elektrisch isolierte Öffnungen 220a zu bilden. In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst der Abtragungsprozess 241 einen CMP-(chemisch-mechanischer Polier- oder Einebnungs-)Prozess, in welchem das Material außerhalb der Öffnung 220 mit deutlich größerer Abtragsrate entfernt wird im Vergleich zu dem Material der Schicht 240 innerhalb der Öffnung 240a.
2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform, in der ein weiteres Schutzmaterial 242 vorgesehen ist, beispielsweise in Form eines Lackmaterials, eines Polymers und dergleichen, um damit die Integrität der Schutzschicht 240 innerhalb der Öffnung 220a während des Abtragungsprozesses 241 zu verbessern. Das heißt, das Material der Schicht 242 wird auf der Grundlage einer nicht-konformen Abscheidetechnik aufgebracht, etwa eines Abscheideprozesses und dergleichen und wird nachfolgend zumindest außerhalb der Öffnung 220 zusammen mit dem nicht gewünschten Bereich der Schutzschicht 240 entfernt, woran sich ein weiterer Ätzprozess zum Entfernen von Resten des Schutzmaterials 242 anschließt. Folglich kann die Integrität des Materials 240 innerhalb der Öffnung 220a gewahrt werden.
Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, wie dies zuvor mit Bezug zu den 2b und 2c beschrieben ist, d. h. auf der Grundlage des Schutzmaterials 240, das nunmehr auch an Seitenwänden der Öffnung 220a vorgesehen ist, wird der Verbindungsdraht 230 mit der Oberfläche 212s in Anwesenheit des Schutzmaterials 240 in Kontakt gebracht.
Mit Bezug zu den 2g bis 2i werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen ein isolierendes Schutzmaterial selektiv auf dem freigelegten Bereich der Oberfläche 212s durch eine entsprechende Behandlung gebildet wird, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf der Grundlage einer nasschemischen Behandlung ausgeführt wird, um damit eine kontinuierliche Oberflächenschicht zur Wahrung einer verbesserten Integrität des Metallgebiets 212 vor und während des Drahtverbindungsprozesses zu schaffen.
2g zeigt schematisch das Bauelement 200 nach einem Strukturierungsprozess, um einen Teil der Oberfläche 212s mittels der Öffnung 220a, die in dem dielektrischen Schichtstapel 220 ausgebildet ist, freizulegen. Wie zuvor angedeutet ist, können sich vor dem Abscheiden des Schichtstapels 220 und/oder nach dem Freilegen der Oberfläche 212s während des gesamten Strukturierungsprozesses entsprechende Kontaminationsstoffe 212a ausbilden, beispielsweise durch Wechselwirkung mit reaktiven Komponenten, etwa Sauerstoff, Fluor und dergleichen, die vor dem Bilden der Schutzschicht 240 gegebenenfalls zu entfernen sind. Zu diesem Zweck umfasst in einer anschaulichen Ausführungsform der Prozess 241 zur Herstellung der Schutzschicht 240 einen nasschemischen Ätzprozess, der auf der Grundlage einer Chemie ausgeführt wird, die einen Bestandteil und ein Oberflächenreaktionsmittel beinhaltet, die eine chemische Reaktion mit der freigelegten Oberfläche 212s eingehen, wodurch die im Wesentlichen zusammenhängende Schutzschicht 240 gebildet wird. Beispielsweise repräsentiert das Oberflächenmittel einen sogenannten Korrosionsverhinderer, der beispielsweise auf der Grundlage von Triazol oder Verbindungen davon, etwa Benzoltriazol (BTA) hergestellt wird, wie dies bekannt ist, um eine Korrosion von Kupferoberflächen zu verhindern oder zu reduzieren, und dergleichen. Der Korrosionsverhinderer kann in Kombination mit einem Mittel zum Entfernen der Kontaminationsstoffe 212a bereitgestellt werden, etwa in Form von verdünnter Flusssäure (HF).
2h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 nach dem Ende des nasschemischen Prozesses 241, wodurch die zusammenhängende Schutzschicht 240 selektiv auf dem freigelegten Bereich der Oberfläche 212s gebildet ist. Wenn beispielsweise BTA oder ein anderer geeigneter Abkömmling davon verwendet wird, ist die Schutzschicht 240 stabil und umfasst einen gewissen Anteil an Kohlenstoff und besitzt eine Dicke von ungefähr 1 bis 10 Nanometer, wie dies für die weitere Bearbeitung bei der Herstellung eines Drahtverbindungskontakts 1 geeignet erscheint.
2i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, d. h. nach dem Teilen des Substrats 201 und nach dem Ausführen eines Drahtverbindungsprozesses 232 an dem Bauelement 200. Wie gezeigt, wird der Verbindungsdraht 230 mit der Schutzschicht 240 unter Anwendung von Druck und einer geeigneten Temperatur in Kontakt gebracht, wobei auch Ultraschallenergie zugeführt wird, wie dies zuvor erläutert ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die erhöhte Temperatur zu einem erhöhten Materialabtrag der Schutzschicht 240, d. h. das Material der Schicht 240 wird in einem gewissen Maße mehr oder minder ”verdampft”, wodurch ein direkter Kontakt der Kugel 230a mit der Oberfläche 212s erleichtert wird. Zunächst kann die Oberfläche 212s effizient bei Kontakt mit der Kugel 230a freigelegt werden, wodurch eine erhöhte Prozesseffizienz erreicht wird, unabhängig von durch Prozesse hervorgerufenen Änderungen in der Schichtdicke der Schutzschicht 240. Somit kann auch in diesem Fall eine sehr effiziente Prozesssequenz während des selektiven Herstellens der Schutzschicht 240 erreicht werden, da gleichzeitig Kontaminationsstoffe 212a abgetragen werden, ohne dass zusätzliche Prozessschritte hinzugefügt werden.
Mit Bezug zu den 2j und 2k werden weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen die Schutzschicht 240 in einer nicht-selektiven Weise auf der Grundlage eines isolierenden Materials abgeschieden wird, das in einigen anschaulichen Ausführungsformen kompatibel zu der weiteren Bearbeitung des Bauelements 200 ist.
2j zeigt schematisch das Bauelement 200 während des Prozesses 241 in Form eines nicht-selektiven Abscheideprozesses, der auf der Grundlage von Prozessbedingungen ausgeführt wird, die eine sehr konforme Abscheidung der Schicht 240 ermögli chen oder die zumindest ein Abdecken der Unterseite der Öffnung 220a mit verbesserter Steuerbarkeit der resultierenden Dicke der Schicht 240 ermöglichen. Beispielsweise sind gut etablierte CVD-Techniken zur Herstellung geeigneter dielektrischer Materialien, etwa Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Stickstoff enthaltendes Siliciumcarbid, Siliciumdioxid und dergleichen während des Prozesses 241 verwendbar. Durch Steuern der Dicke zumindest an der Unterseite der Öffnung 220a derart, dass diese innerhalb des oben spezifizierten Bereichs von beispielsweise 1 bis 10 Nanometer liegt, kann der gewünschte Grad an Schutzwirkung für die Oberfläche 212s erreicht werden, wobei auch eine negative Auswirkung auf den Drahtverbindungsprozess im Wesentlichen vermieden wird.
2k zeigt schematisch das Bauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, beispielsweise nach dem Vereinzeln einzelner Bauelemente und nach dem Ausführen eines Drahtverbindungsprozesses. Somit ist der Verbindungsdraht 230, beispielsweise die verformte Kugel 230a in Kontakt mit einem Teil der Oberfläche 212s, wodurch die gewünschte intermetallische Verbindung geschaffen wird, während der verdrängte Materialanteil der Schicht 240 in Verbindung mit dem verbleibenden Material der Schicht 240 weiterhin für eine verbesserte Integrität des Metallgebiets 212 sorgt. Aufgrund der Kompatibilität der Schutzschicht 240 mit dem Kupfermaterial kann ein Abtrag vor dem Ausführen des Drahtverbindungsprozesses weggelassen werden. Auch in diesem Fall wird somit eine äußerst effiziente Prozesssequenz bereitgestellt, wobei ein nicht-selektiver Abscheideprozess auf der Grundlage gut etablierter Techniken und Ressourcen somit nicht wesentlichen zur Gesamtprozesskomplexität beiträgt.
Mit Bezug zu den 2l bis 2n werden weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen die Schutzschicht 240 während des Strukturierens der Öffnung 220 gebildet wird, indem eine geeignete Prozessumgebung während einer abschließenden Phase oder unmittelbar nach dem Strukturieren geschaffen wird, um damit eine Polymerschicht auf freiliegenden Oberflächenbereichen des Bauelements 200 zu erzeugen.
2l zeigt schematisch das Bauelement 200 während eines Ätzprozesses 224, der auf der Grundlage einer Ätzmaske 225 ausgeführt wird, etwa einer Lackmaske, einer Hartmaske und dergleichen, um damit die Öffnung 220a in dem dielektrischen Schichtstapel 220 zu bilden. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes anisotropes Ätzrezept zum Strukturieren der Öffnung 220a eingesetzt, was das Ätzen unterschiedlicher Materialien beinhalten kann, wenn mehrere einzelne dielektrische Schichten, etwa die Schichten 221, 222, 223 (siehe 2a) in dem Stapel 220 vorgesehen sind. Während komplexe Ätzprozesse mit typischerweise einem gewissen Anteil an Polymermaterial in die plasmaunterstützte Ätzumgebung eingeführt werden, um damit ein geeignetes Ätzverhalten im Hinblick auf die Richtungssteuerung des Materialabtrags in Verbindung mit der Richtungsgebundenheit des Ionenbeschusses zu erhalten, der durch die Plasmabedingungen während des Ätzprozesses 224 erzeugt wird. Beispielsweise führt ein spezifizierter Anteil an Polymermaterial zu einem gewissen Grad an Unversehrtheit an Seitenwänden der Öffnung 220a, wodurch ein gewünschtes Maß an anisotropem Ätzverhalten erreicht wird.
2m zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen zumindest in einer abschließenden Phase eine größere Menge an Polymermaterial in die Ätzumgebung eingebaut wird, wodurch das Erzeugen einer Polymerschicht gefördert wird, die als eine Schutzschicht 240 dient. Beispielsweise wird in der abschließenden Phase des Strukturierungsprozesses zur Herstellung der Öffnung 220a eine größere Menge eines Polymervorstufenmaterials der Ätzumgebung zugeführt, während das Einführen einer reaktiven Komponente, etwa Fluor, Chlor und dergleichen reduziert wird. Folglich wird die Schicht 240 mit einer Dicke gebildet, die auf der Grundlage der Parameter der Plasmaumgebung und der Dauer der Phase mit der erhöhten Polymerkonzentration gesteuert wird. Zum Beispiel wird während einer abschließenden Phase des Ätzprozesses 224 die Lackmaske 225 entfernt, wobei ebenfalls eine Restschicht des Stapels 220 geöffnet wird, was beispielsweise unter Einwendung eines Sauerstoffplasmas zum Ätzen des Lackmaterials 225 erreicht werden kann, wobei ebenfalls der Anteil an Fluor, der in die Ätzumgebung eingeführt wird, gesteuert wird. Beim Entfernen der Lackmaske 225 und Freilegen der Oberfläche 212s wird die Zufuhr von reaktiven Komponenten verringert und ein größerer Anteil an Polymermaterial wird hinzugefügt, um die Schutzschicht 240 aufzubauen, ohne dass der freigelegte Bereich der Oberfläche 212s unnötig beeinflusst wird. In anderen Fällen wird nach dem Freilegen der Oberfläche 212s die Plasmaumgebung in geeigneter Weise konfiguriert, um damit weiter Kontaminationsstoffe zu entfernen, beispielsweise auf der Grundlage eines Wasserstoff und Ammoniak enthaltenden Plasmas, woraufhin eine erhöhte Menge an Polymervorstufenmaterial eingeführt wird, um die Schutzschicht 240 zu bilden.
Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, wie dies zuvor beschrieben ist, d. h. es wird ein Drahtverbindungskontakt in Anwesenheit der Schutzschicht 240 geschaffen.
Mit Bezug zu den 3a bis 3f werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen die Schutzschicht einen Teil des dielektrischen Schichtstapels repräsentiert, der über der letzten Metallisierungsschicht ausgebildet ist.
3a zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 300 mit einem Substrat 301 mit einer oder mehreren Bauteilebenen und einer oder mehreren Metallisierungsebenen, über denen eine letzte Metallisierungsschicht 310 gebildet ist. Die Metallisierungsschicht 310 umfasst ein Metallgebiet 312, das in einem dielektrischen Material 311 eingebettet ist. Im Hinblick auf die bislang beschriebenen Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Bauelementen 100 und 200 beschrieben sind. Des Weiteren umfasst das Halbleiterbauelement 300 einen dielektrischen Schichtstapel 320, der in einer anschaulichen Ausführungsform eine erste dielektrische Schicht 340 und eine zweite dielektrische Schicht 322 aufweist. Beispielsweise ist die erste dielektrische Schicht 340 aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut, um das Metallgebiet 312 einzuschließen, während es auch eine hohe Ätzselektivität zu der zweiten dielektrischen Schicht 322 aufweist. Beispielsweise wird die erste dielektrische Schicht 340 in Form von Siliciumnitrid, Stickstoff enthaltendem Siliciumcarbid und dergleichen vorgesehen, während die Schicht 322 als ein Siliciumdioxidmaterial, ein Siliciumoxynitridmaterial und dergleichen bereitgestellt wird, wobei zu beachten ist, dass der Stapel 320 mehr als zwei Schichten aufweisen kann, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die erste dielektrische Schicht 340 wird mit einer anfänglichen Dicke 304t vorgesehen, die so eingestellt ist, dass ein gewünschter Grad an Ätzstoppeigenschaften erreicht wird, wobei auch ein gewünschter Grad an Integrität des Metallgebiets 312 bewahrt wird, nachdem die dielektrische Schicht 322 des Stapels 220 auf der Grundlage einer geeigneten Ätzmaske 325 strukturiert ist. Beispielsweise kann für das oben spezifizierte Material ein Wert von ungefähr 5 bis 10 nm für die Dicke 340t gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen verwendet werden.
Das in 3a gezeigte Halbleiterbauelement 300 kann auf der Grundlage gut etablierter Techniken hergestellt werden, wie sie zuvor beschrieben sind, wobei nach dem Bilden der letzten Metallisierungsschicht 310 der Stapel 320 auf Grundlage von Prozesstechniken abgeschieden werden, um damit in geeigneter Weise die Dicke 340t entsprechend den Bauteilerfordernissen zu steuern, wie dies zuvor angegeben ist, wobei auch das Material 322 mit einer gewünschten Materialzusammensetzung und Dicke gebildet wird. Als Nächstes wird die Maske 325 auf der Grundlage gut etablierter Lithografieverfahren bereitgestellt. Anschließend wird ein Ätzprozess ausgeführt auf der Grundlage eines geeigneten Ätzrezepts, um durch die Schicht 322 zu ätzen, während die Schicht 340 als ein effizientes Ätzstoppmaterial verwendet wird.
3b zeigt schematisch das Bauelement 300 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, d. h., nach dem Vereinzeln einzelner Chipbereiche des Bauelements 300 und während eines Drahtverbindungsprozesses 332, in welchem ein Verbindungsdraht 330 mit einer Kugel 330a mit dem Metallgebiet 312 in Anwesenheit des freigelegten Bereichs der Schicht 340 in Kontakt gebracht wird, die als eine Schutzschicht dient, während gleichzeitig der Verbindungsprozess 332 nicht negativ beeinflusst wird, wie dies zuvor erläutert ist. Auch in diesem Fall wird ein sehr effizienter Prozessablauf eingerichtet, ohne dass zusätzliche Prozessschritte zur Herstellung der Schutzschicht 340 erforderlich sind.
3c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen, in denen der dielektrische Schichtstapel 320 mehr als zwei einzelne Schichten aufweist, um damit die Gesamtprozesseffizienz und die Integrität der Schutzschicht 340 zu verbessern. In der gezeigten Ausführungsform wird eine zusätzliche Ätzstoppschicht 321 vorgesehen, um damit das Strukturieren der Schicht 322 ohne Beeinträchtigung der Integrität der Schutzschicht 340 zu ermöglichen. Zum Beispiel wird die zusätzliche Ätzstoppschicht 321 so vorgesehen, dass diese eine unterschiedliche Abtragsrate im Vergleich zu der Schutzschicht 340 aufweist, wodurch ein selektives Entfernen des Materials der Schicht 321 in Bezug auf die Schicht 340 möglich ist, wobei jedoch aufgrund der deutlich reduzierten Dicke der Schicht 321 im Vergleich zur Schicht 322 in den in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsformen ein deutlich erhöhter Grad an Prozessgleichmäßigkeit während des Entfernens der Schicht 321 erreicht wird, wodurch ein hohes Maß an Vorhersagbarkeit der Größe des Materialabtrags 340 wäh rend des entsprechenden Ätzprozesses gegeben ist. Somit kann während eines ersten Schrittes die Schicht 322 unter Anwendung der Schicht 321 als effizientes Ätzstoppmaterial strukturiert werden. Beispielsweise wird das Material 322 in Form eines Siliciumnitridmaterials vorgesehen, während die Schicht 321 ein Siliciumdioxidmaterial repräsentiert. Somit kann der Ätzprozess zuverlässig innerhalb der Schicht 321 gemäß gut etablierter selektiver Ätzrezepte gestoppt werden. Danach wird das Material der Schicht 321 selektiv zur Schicht 340 geätzt, das in Form von Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Stickstoff enthaltendem Siliciumcarbid und dergleichen vorgesehen sein kann, wobei ein Materialabtrag der Schicht 340 auf einem sehr kleinen Niveau gehalten wird, wodurch die Gleichmäßigkeit über das Substrat hinweg des Strukturierungsprozesses zur Herstellung einer Öffnung 320a verbessert wird, deren Unterseite durch die Schicht 340 gebildet wird, die eine ausgeprägte gleichmäßige Dicke aufweist.
3d zeigt schematisch das Bauelement 300 während des entsprechenden Ätzprozesses 326 zum Freilegen der Schicht 340 innerhalb der Öffnung 320a, wobei die Dicke 340t im Wesentlichen einer anfänglichen Abscheidedicke entspricht oder davon durch einen gut vorhersagbaren Betrag abweicht, wodurch bessere Prozessgleichmäßigkeit während des nachfolgenden Drahtverbindungsprozesses geschaffen wird.
3e zeigt schematisch das Bauelement 300 gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform, in der der dielektrische Schichtstapel 320 die erste dielektrische Schicht 340 mit einer ausreichenden Dicke so aufweist, dass darin ein Ätzprozess 327 zur Strukturierung der einen oder mehreren Schichten 322 angehalten wird. Beispielsweise werden Siliciumnitrid, Stickstoff enthaltendes Siliciumcarbid und dergleichen mit einer Dicke von ungefähr 20 bis 60 Nanometer in Abhängigkeit von der Gesamtprozessstrategie vorgesehen. Somit wird während der abschließenden Phase des Ätzprozesses 327 die Schicht 340 zunehmend innerhalb der Öffnung 320a freigelegt und kann zu einem moderaten Materialabtrag führen, so dass schließlich der Ätzprozess 327 zuverlässig in der Schicht 340 anhält.
3f zeigt schematisch das Bauelement 300 in einem weiteren Ätzprozess, der so gestaltet ist, dass weiter Material der Schicht 304 abgetragen wird, was beispielsweise auf der Grundlage gut etablierter Ätzrezepte mit einer moderat geringen Ätzrate bewerkstelligt werden kann, um damit eine gute Steuerbarkeit zu erreichen. Während des Prozesses 326 wird die schließlich gewünschte Dicke 340t so eingestellt, dass diese den Erfordernissen für den nachfolgenden Drahtverbindungsprozess entspricht, wobei auch die Integrität des darunterliegenden Metallgebiets 312 bewahrt wird. Beispielsweise wird die Dicke 340t auf einen Wert von ungefähr 1 bis 10 Nanometer eingestellt, abhängig von den Prozessparametern für den nachfolgenden Drahtverbindungsprozess und die gesamten Materialeigenschaften der Schicht 340. In einer anschaulichen Ausführungsform enthält der Ätzprozess 326 einen Plasmaätzschritt zum Entfernen der Maske 325, wobei gleichzeitig oder während einer gewissen Phase des Plasmaätzprozesses ein spezifizierter kleiner Anteil an Fluor in die Plasmaumgebung eingebaut wird, um damit den Materialabtrag der Schicht 304 mit guter Steuerbarkeit in Gang zu setzen, um somit die gewünschte endgültige Dicke 340t zu erhalten.
Somit kann das Vorsehen der Schutzschicht 340 vorteilhafterweise mit der Herstellung und/oder Strukturierung des dielektrischen Schichtstapels 320 kombiniert werden, wodurch eine geringere Prozesskomplexität entsteht, wobei dennoch das Bereitstellen einer abschließenden Metallschicht auf Aluminiumbasis zum Erreichen effizienter Drahtverbindungskontakte vermieden werden kann.
4 zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 400, das ein modernes Bauelement repräsentiert mit einem darin eingebauten komplexen Metallisierungssystem auf Grundlage gut leitender Metalle, etwa Kupfer, und mit einer Verbindungskontaktstruktur, die die Verbindung zur Peripherie herstellt, wobei eine Endmetallschicht auf Aluminiumbasis vermieden wird. Beispielsweise repräsentiert das Bauelement 400 ein Speicherbauelement, eine Teststruktur für komplexe CPUs, ein Bauelement mit analoger Schaltung und dergleichen, in denen moderne Fertigungsverfahren erforderlich sind, während die Eingangs/Ausgangs-Kapazitäten einer Drahtverbindungsstruktur geeignet sind, um das Bauelement 400 mit peripheren Komponenten zu verbinden. Das Bauelement 400 umfasst eine oder mehrere Bauteilebenen und eine oder mehrere Metallisierungsebenen, die der Einfachheit halber gemeinsam als 401 bezeichnet sind. Des Weiteren enthält eine letzte Metallisierungsebene 410 mehrere Metallgebiete 412, wovon ein Teil als Kontaktbereiche für eine Drahtverbindungsstruktur 435 dient. Die Metallgebiete 412 sind in ein dielektrisches Material 411 eingebettet, über welchem ein Passivierungsschichtstapel 420 ausgebildet ist. Es sollte beachtet werden, dass der ”Stapel” 420 aus einer einzelnen Materialschicht aufgebaut sein kann oder mehrere einzelne Material schichten in Abhängigkeit von den gesamten Erfordernissen aufweisen kann. Die Kontaktstruktur 435 enthält einen Verbindungsdraht 431 mit einem Kontaktbereich 431a, der in direktem Kontakt mit einem Oberflächenbereich der Metallgebiete 412 ist, wodurch eine intermetallische Verbindung gebildet wird. Des Weiteren ist der Kontaktbereich 431a mit einem Material 440 in Kontakt, das ebenfalls mit dem Metall des Gebiets 412 innerhalb entsprechender Öffnungen 420a in Kontakt ist, die in dem dielektrischen Stapel 420 gebildet sind, um damit einen Kontaktbereich für die Drahtverbindungsstruktur 435 zu bilden. Das Material 440 kann eine andere Materialzusammensetzung im Vergleich zu einem Gehäusematerial 450 aufweisen, das die Metallisierungsschicht 410, den dielektrischen Schichtstapel 420 und die Drahtverbindungsstruktur 435 einschließt, die wiederum mit Kontaktanschlüssen oder Stiften (nicht gezeigt) abhängig von der Gesamtkonfiguration eines Gehäuses, das durch das Gehäusematerial 450 gebildet ist, verbunden ist. Das Halbleiterbauelement 400 kann gemäß den Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor mit Bezug zu den Bauelementen 200 und 300 beschrieben sind, wobei insbesondere die Drahtverbindungskontaktstruktur 435 auf der Grundlage einer im Wesentlichen aluminiumfreien Technik hergestellt wird. Das heißt, die Verbindungsdrähte 430 werden mit den Metallgebieten 412 in Kontakt gebracht, ohne dass eine abschließende Aluminiumschicht auf den Metallgebieten 412 vorgesehen wird, wobei die entsprechende Schutzschicht für die gewünschte Integrität und Robustheit des resultierenden Kontakts sorgt, wobei die Reste der Schutzschicht, d. h. das Material 440, zusätzlich für verbesserte Integrität während der weiteren Bearbeitung, beispielsweise bei der Herstellung des Gehäusematerials 450 gemäß geeigneten Prozesstechniken sorgt. Somit können komplexe Metallisierungssysteme auf Grundlage von Kupfer für das Bauelement 100 eingesetzt werden, ohne dass zusätzliche Ressourcen zum Abscheiden und Strukturieren der aluminiumbasierten Endmetallschichten erforderlich sind, wie dies zuvor erläutert ist.
Es gilt als: Die vorliegende Offenbarung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungsverfahren bereit, in denen eine geringere Prozesskomplexität während der Herstellung von Drahtverbindungsstrukturen erreicht werden kann, indem Abscheideprozesse und Strukturierungssequenzen auf Aluminiumbasis vermieden werden. Zu diesem Zweck wird eine Schutzschicht beim Freiliegen einer reaktiven Metalloberfläche vorgesehen, etwa eine Kupfer enthaltende Oberfläche, wobei der Drahtverbindungsprozess in An wesenheit der Schutzschicht ausgeführt wird, die eine geeignete Dicke aufweist, so dass eine intermetallische Verbindung mit der reaktiven Metalloberfläche unter sehr gleichmäßigen und vorhersagbaren Bedingungen ermöglicht wird.
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 Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Verfahren mit: Bilden eines dielektrischen Schichtstapels über einer Metallisierungsschicht, die über einem Substrat eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist, wobei die Metallisierungsschicht ein Kontaktgebiet mit einer Kupfer enthaltenden Oberfläche zur Aufnahme eines Verbindungsdrahts aufweist; Bilden einer Öffnung in dem dielektrischen Schichtstapel, um einen Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche freizulegen; Bilden einer Schutzschicht zumindest auf dem Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche; und Anbringen eines Anschlussdrahtes an den Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche in Anwesenheit der Schutzschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der Schutzschicht umfasst: selektives Abscheiden eines leitenden Materials auf dem freigelegten Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche durch Ausführen eines elektrochemischen Abscheideprozesses.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Ausführen des elektrochemischen Abscheideprozesses umfasst: Abscheiden einer Verbindung aus Kobalt, Wolfram, Phosphor (CoWP) und/oder einer Verbindung aus Kobalt, Wolfram, Bor (CoWB) und/oder einer Verbindung aus Nickel, Molybdän, Bor (NiMoB) und/oder einer Verbindung aus Nickel, Molybdän, Phosphor (NiMoP).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Ausführen des elektrochemischen Abscheideprozesses umfasst: Abscheiden von Palladium (Pd) und (Ni).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der Schutzschicht umfasst: Abscheiden eines leitenden Materials über dem dielektrischen Schichtstapel und in der Öffnung, um den freigelegten Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche abzudecken, und Entfernen des leitenden Materials außerhalb der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Anbringen des Anschlussdrahtes an den Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche umfasst: Bonden des Anschlussdrahtes an den Bereich durch die Schutzschicht hindurch.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Anbringen des Anschlussdrahtes an dem Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche umfasst: Bonden des Anschlussdrahtes an die Schutzschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der Schutzschicht umfasst: Abscheiden eines dielektrischen Materials auf dem dielektrischen Schichtstapel und innerhalb der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der Schutzschicht umfasst: Anwenden einer nasschemischen Oberflächenbehandlung auf den freigelegten Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Bilden der Schutzschicht ferner umfasst: Verringern der Oberflächenkorrosion während der nasschemischen Oberflächenbehandlung.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Bilden der Schutzschicht umfasst: Bilden einer Schicht aus Polymermaterial in einer Plasmaumgebung.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Ausführen eines Ätzprozesses in der Plasmaumgebung zur Bildung der Öffnung vor dem Bilden der Schicht aus Polymermaterial.
Verfahren mit: Bilden eines dielektrischen Schichtstapels über einer Metallisierungsschicht, die über einem Substrat eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist, wobei die Metallisierungsschicht ein Metallgebiet zum Anschluss eines Verbindungsdrahts aufweist; Bilden einer Vertiefung in dem dielektrischen Schichtstapel, um einen Verbindungsbereich des Metallgebiets zu bilden, wobei zumindest eine Unterseitenschicht des dielektrischen Schichtstapels innerhalb der Vertiefung das Metallgebiet abdeckt; und Verbinden eines Anschlussdrahtes mit dem Metallgebiet in Anwesenheit der Unterseitenschicht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Bilden des dielektrischen Schichtstapels umfasst: Bilden einer ersten dielektrischen Schicht auf dem Metallgebiet und Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht auf der ersten dielektrischen Schicht, und wobei Bilden der Vertiefung umfasst: Ätzen der zweiten dielektrischen Schicht und Verwenden der ersten dielektrischen Schicht als ein Ätzstoppmaterial derart, dass die erste dielektrische Schicht die Unterseitenschicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst: Einrichten einer weiteren Ätzumgebung nach dem Ätzen der zweiten dielektrischen Schicht und Entfernen eines Bereichs der ersten dielektrischen Schicht, um eine Dicke der Unterseitenschicht einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst: Bilden einer dritten dielektrischen Schicht auf der zweiten dielektrischen Schicht und Ätzen der dritten dielektrischen Schicht selektiv zu der zweiten dielektrischen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste dielektrische Schicht mit einer Dicke von ungefähr 10 Nanometer (nm) oder weniger hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Metallgebiet eine Kupfer enthaltende Oberfläche aufweist.
Halbleiterprodukt mit: einem Substrat; einem Metallisierungssystem mit einer letzten Metallisierungsschicht, wobei die letzte Metallisierungsschicht über dem Substrat ausgebildet ist; einem dielektrischen Schichtstapel, der über der letzten Metallisierungsschicht ausgebildet ist; einer Anschlussfläche, die in einer Öffnung des dielektrischen Schichtstapels gebildet ist, wobei die Anschlussfläche eine Kupfer enthaltende Oberfläche aufweist, wovon ein Bereich durch ein erstes Material abgedeckt ist; einem Verbindungsdraht, der an einem Bereich der Kupfer enthaltenden Oberfläche gebondet ist; und einem zweiten Material, das die Verbindungsfläche und den Bindungsdraht umschließt, wobei das zweite Material sich von dem ersten Material unterscheidet.
Halbleiterprodukt nach Anspruch 19, wobei das erste Material ein leitendes Material aufweist, das nicht Kupfer ist.
Halbleiterprodukt nach Anspruch 20, wobei das erste Material Nickel und/oder Palladium und/oder eine Verbindung aus Kobalt, Wolfram, Phosphor (CoWP) und/oder eine Verbindung aus Kobalt, Wolfram, Bor (CoWB) und/oder einer Verbindung aus Nickel, Molybdän, Bor (NiMoB) und/oder eine Verbindung aus Nickel, Molybdän, Phosphor (NiMoP) aufweist.
Halbleiterprodukt nach Anspruch 21, wobei das erste Material an Seitenwänden der Öffnung gebildet ist.
Halbleiterprodukt nach Anspruch 22, wobei das erste Material ein Barrierenmaterial aufweist.
Halbleiterprodukt nach Anspruch 19, wobei eine Dicke des ersten Materials auf der Kupfer enthaltenden Oberfläche ungefähr 10 Nanometer oder weniger beträgt.
Halbleiterprodukt nach Anspruch 19, wobei das erste Material ein dielektrisches Material ist.