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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Mikrostrukturbauelemente,
etwa integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere Metallisierungsschichten
mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer, die in einem dielektrischen
Material mit geringer Permittivität eingebettet sind.
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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, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf
die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Vielfalt der
Schaltungsfunktionen verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich verringert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird,
wird jedoch auch der verfügbare
Platz für
Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente miteinander
elektrisch verbinden, ebenfalls verringert. Folglich müssen die
Abmessungen dieser Verbindungsleitungen und die Abstände zwischen den
Metallleitungen verringert werden, um den geringeren Anteil an verfügbarem Platz
und der größeren Anzahl
an Schaltungselementen pro Chipeinheitsfläche Rechnung zu tragen.
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In
integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von ungefähr 0,35 μm und weniger
ist ein begrenzender Faktor des Leistungsverhaltens die Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen
wird. Da die Kanallänge
dieser Transistorelemente nunmehr 50 nm und weniger erreicht hat, ist
die Signalausbreitungsverzögerung
nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren beschränkt, sondern ist
auf Grund der erhöhten
Schaltungsdichte durch die Verbindungsleitungen begrenzt, da die
Kapazität zwischen
Leitungen (C) vergrößert ist
und auch der Widerstand (R) der Leitungen auf Grund der reduzierten
Querschnittsfläche
erhöht
ist. Die parasitären RC-Zeitkonstanten und
die kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen erfor dern
daher das Einführen
neuer Arten von Materialien, um die Metallisierungsschicht zu bilden.
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Üblicherweise
werden Metallisierungsschichten, d. h. die Verdrahtungsschichten
mit Metallleitungen und Kontaktdurchführungen zum Bereitstellen der
elektrischen Verbindung der Schaltungselemente gemäß einem
spezifizierten Schaltungsaufbau, mittels eines dielektrischen Schichtstapels
gebildet, der beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid
aufweist, wobei Aluminium als typisches Metall vorgesehen ist. Da
Aluminium eine erhöhte Elektromigration
bei höheren
Stromdichten zeigt, die in integrierten Schaltungen mit äußerst kleinen
Strukturelementen erforderlich sind, wird Aluminium zunehmend beispielsweise
durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen
Widerstand besitzt und auch eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration
aufweist. Für
sehr anspruchsvolle Anwendungen werden zusätzlich zur Verwendung von Kupfer
und/oder Kupferlegierungen die gut etablierten und gut bekannten
dielektrischen Materialien Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2) und Siliziumnitrid
(ε > 7) zunehmend durch
sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt,
die eine relative Permittivität
von ungefähr
3,0 und weniger aufweisen. Der Übergang
von der gut bekannten und gut etablierten Metallisierungsschicht
mit Aluminium/Siliziumdioxid zu einer kupferbasierten Metallisierungsschicht,
möglicherweise
in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε, ist jedoch
mit einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu handhaben gilt.
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Beispielsweise
kann Kupfer nicht in relativ großen Mengen durch gut etablierte
Abscheideverfahren, etwa die chemische und physikalische Dampfabscheidung,
aufgebracht werden. Des weiteren kann Kupfer nicht effizient durch
gut anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden. Daher wird die sogenannte Damaszener- oder
Einlegetechnik häufig bei
der Herstellung von Metallisierungsschichten, die Kupferleitungen
und Kontaktdurchführungen
aufweisen, angewendet. Typischerweise wird in der Damaszener-Technik
die dielektrische Schicht abgeschieden und anschließend strukturiert,
dass diese Gräben
und Kontaktlochöffnungen
erhält,
die nachfolgend mit Kupfer oder Legierungen davon mittels Plattierungsverfahren,
etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, gefüllt werden.
Da ferner Kupfer leicht in einer Vielzahl von Dielektrika diffundiert, etwa
in Siliziumdioxid und in vielen Dielektrika mit kleinem ε, ist die
Ausbildung einer Diffusionsbarrierenschicht an Grenzflächen zu
den benachbarten dielektrischen Materialien erforderlich. Ferner
muss die Diffusion von Feuchtigkeit und Sauerstoff in die Metalle
auf Kupferbasis unterdrückt
werden, da Kup fer sofort reagiert, um damit oxidierte Bereiche zu
bilden, wodurch möglicherweise
die Eigenschaften der kupferbasierten Metallleitungen im Hinblick
auf Haftung, Leitfähigkeit
und Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration beeinträchtigt
werden.
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Während des
Einfüllens
eines leitenden Materials, etwa von Kupfer, in die Gräben und
Kontaktlochöffnungen
muss ein deutliches Maß an Überfüllung vorgesehen
werden, um in zuverlässiger
Weise die entsprechenden Öffnungen
von unten nach oben ohne Hohlräume
und andere durch die Abscheidung hervorgerufenen Unregelmäßigkeiten
zu füllen.
Nach dem Metallabscheideprozess wird daher überschüssiges Material entfernt und
die resultierende Oberflächentopographie
wird eingeebnet, indem beispielsweise elektrochemische Ätztechniken,
chemisch-mechanisches Polieren (CMP) und dergleichen angewendet
werden. Beispielsweise wird während
der CMP-Prozesse ein ausgeprägtes
Maß an
mechanischer Belastung auf die Metallisierungsebenen, die bislang
gebildet sind, ausgeübt,
die zu einem gewissen Maße
eine strukturelle Schädigung
hervorrufen, insbesondere wenn anspruchsvolle dielektrische Materialien
mit geringer Permittivität
verwendet werden. Wie zuvor erläutert
ist, besitzt die kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen
einen wesentlichen Einfluss das Gesamtverhalten des Halbleiterbauelements,
insbesondere in Metallisierungsebenen, die im Wesentlichen durch „Kapazitäten” bestimmt
sind, d. h. in denen mehrere dichtliegende Metallleitungen entsprechend
den Bauteilerfordernissen vorzusehen sind, wodurch möglicherweise
eine Signalausbeutungsverzögerung
und eine Signalstörung
zwischen benachbarten Metallleitungen auftritt. Aus diesem Grunde
werden sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε oder mit
sehr kleinem ε verwendet,
die für
eine dielektrische Konstante von 3,0 und deutlich darunter sorgen,
um damit das gesamte elektrische Verhalten der Metallisierungsebenen
zu verbessern. Andererseits ist typischersweise eine geringere Permittivität des dielektrischen
Materials mit einer geringeren mechanischen Stabilität verknüpft, wodurch
anspruchsvolle Strukturierungsschemata erforderlich sind, um nicht
in unerwünschter
Weise die Zuverlässigkeit
des Metallisierungssystems zu beeinträchtigen.
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Die
ständige
Verringerung der Strukturgrößen, wobei
Gatelängen
von ungefähr
40 nm und weniger vorzusehen sind, erfordern noch kleinere dielektrische
Konstanten der entsprechenden dielektrischen Materialien, die somit
zunehmend zur Ausbeuteverlusten auf Grund von beispielsweise unzureichender
mechanischer Stabilität
entsprechender Materialien mit sehr kleinem ε beitragen. Aus diesem Grunde
wurde vorgeschlagen, „Luftspalte” zumindest an
kritischen Bauteilbereichen vorzusehen, da Luft oder ähnliche
Gase eine Dielektrizitätskonstante
von ungefähr
1,0 aufweisen, wodurch für
eine geringere Gesamtpermittivität
gesorgt wird, wobei dennoch die Verwendung von weniger kritischen
dielektrischen Materialien möglich
ist. Somit kann durch das Einführen
geeignet positionierter Luftspalte die Gesamtpermittivität reduziert
werden, wobei dennoch die mechanische Stabilität des dielektrischen Materials
besser ist im Vergleich zu konventionellen Dielektrika mit sehr
kleinem ε.
Beispielsweise wurde vorgeschlagen, Nano-Löcher in geeignete dielektrische
Materialien einzubauen, die zufällig
in dem dielektrischen Material verteilt sind, um damit die Dichte
des dielektrischen Materials deutlich zu verringern. Das Erzeugen
und die Verteilung der entsprechenden Nano-Löcher erfordert jedoch eine
Vielzahl anspruchsvoller Prozessschritte, um die Löcher mit
einer gewünschten
Dichte zu erzeugen, während
gleichzeitig die Gesamteigenschaften des dielektrischen Materials
im Hinblick auf die weitere Bearbeitung geändert werden, beispielsweise
im Hinblick auf das Einebnen von Oberflächenbereichen, das Abscheiden
weiterer Materialien und dergleichen.
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In
anderen Lösungen
werden aufwendige Lithographieprozesse zusätzlich eingeführt, um
damit geeignete Ätzmasken
zur Erzeugung von Spalten in der Nähe entsprechender MEtallleitungen
mit einer Position und Größe zu schaffen,
wie sie durch die lithographisch gebildete Ätzmaske definiert sind. In diesem
Falle sind jedoch zusätzliche
kostenintensive Lithographieschritte erforderlich, wobei auch die
Positionierung und Dimensionierung der entsprechenden Luftspalte
durch die Eigenschaften der jeweiligen Lithographieprozesse beschränkt ist.
Da typischerweise in kritischen Metallisierungsebenen die lateralen
Abmessungen für
Metallleitungen und der Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen durch
kritische Lithographieschritte bestimmt sind, ist eine geeignete
und zuverlässige
Fertigungssequenz zum Vorsehen von dazwischenliegenden Luftspalten äußerst schwierig
auf der Grundlage der verfügbaren Lithographietechniken
erreichbar.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung
Verfahren und Bauelemente, in denen das elektrische Leistungsverhalten
von Metallisierungsebenen verbessert werden kann, indem eine geringere
Gesamtpermittivität
auf der Grundlage von Luftspalten bereitgestellt wird, wobei dennoch
eines oder mehrere oder oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest
deren Auswirkungen reduziert werden.
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Überblick über die
Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Bauelemente,
in denen Luftspalte zwischen dichtliegenden Metallgebieten mit Sub-Lithographie-Auflösung positioniert
werden, wodurch die Verringerung der Gesamtpermittivität in zuverlässiger und
reproduzierbarer Weise möglich ist,
während
gleichzeitig kostenintensive aufwendige Lithographieprozesse vermieden
werden. Zu diesem Zweck wird die Positionierung und Dimensionierung der
entsprechenden Luftspalte, die in einem dielektrischen Material
einer Metallisierungsebene zu bilden sind, auf der Grundlage des
Abscheidens und von Ätzprozessen
ohne Anwendung kritischer Lithographieprozesse bewerkstelligt, wobei
auch für
ein hohes Maß an
Flexibilität
bei der Einstellung der Größe der Luftspalte
gesorgt ist. In einigen hierin offenbarten anschaulichen Aspekten
werden kritische Bauteilbereiche in der Metallisierungsebene ausgewählt, um
Luftspalte zu erhalten, während
andere Bauteilbereiche durch eine geeignete Maske abgedeckt sind,
die jedoch auf der Grundlage unkritischer Prozessbedingungen gebildet
werden kann. Folglich können
geeignete dielektrische Materialien, die für die gewünschten Eigenschaften sorgen,
eingesetzt werden, während
die zuverlässige
und reproduzierbare Herstellung der Luftspalte an kritischen Bauteilbereichen
in der Metallisierungsebene eine Einstellung der Gesamtpermittivität gemäß den Bauteilerfordernissen
ermöglicht.
Beispielsweise werden Metallisierungsebenen von integrierten Schaltungen
mit Schaltungselementen mit kritischen Abmessungen von 40 nm und
weniger mit einer reduzierten Permittivität hergestellt, zumindest lokal,
während
insgesamt die mechanische Integrität der Metallisierungsebene
verbessert werden kann, indem sehr aufwendige und kritische dielektrische
Materialien mit kleinem ε vermieden
werden.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer
Vertiefung in einem dielektrischen Material einer Metallisierungsschicht
eines Halbleiterbauelements, wobei die Vertiefung sich zwischen
zwei benachbarten Metallgebieten erstreckt, die in dem dielektrischen
Material ausgebildet sind. Des weiteren wird ein Abstandshalterelement
an Seitenwänden
der Vertiefung gebildet, und ein Spalt wird zwischen den beiden
benachbarten Metallgebieten unter Anwendung des Abstandshalterelements
als eine Ätzmaske
hergestellt.
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Ein
weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das
Bilden einer Vertiefung zwischen einer ersten Metallleitung und
einer zweiten Metallleitung, wobei die erste und die zweite Metallleitung
in einem dielektrischen Material einer Metallisierungsschicht eines
Mikrostrukturbauelements ausgebildet sind. Das Verfahren umfasst
ferner das Definieren einer reduzierten Breite der Vertiefung durch
Abscheiden einer Abstandshalterschicht in der Vertiefung. Schließlich umfasst
das Verfahren das Bilden eines Spalts bzw. einer Lücke zwischen
der ersten und der zweiten Metallleitung auf der Grundlage der reduzierten
Breite.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Mikrostrukturbauelement umfasst
eine erste Metallleitung, die in einem dielektrischen Material einer
Metallisierungsschicht ausgebildet ist, und eine zweite Metallleitung,
die in dem dielektrischen Material der Metallisierungsschicht lateral
benachbart zu der ersten Metallleitung ausgebildet ist. Das Bauteil
umfasst ferner einen Luftspalt, der in dem dielektrischen Material zwischen
der ersten und der zweiten Metallleitung angeordnet ist. Ferner
ist ein erstes Abstandshalterelement auf einem Bereich einer ersten
Seitenwand der ersten Metallleitung ausgebildet, wobei die erste Seitenwand
einer zweiten Seitenwand der zweiten Metallleitung zugewandt ist.
Schließlich
umfasst das Bauelement ein zweites Abstandshalterelement, das an
einem Bereich der zweiten Seitenwand der zweiten Metallleitung ausgebildet
ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen ebenfalls aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements zeigt, beispielsweise
einer integrierten Schaltung, die eine Bauteilebene und ein Metallisierungssystem
aufweist, das Luftspalte zwischen dichtliegenden Metallleitungen
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen erhalten
soll;
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1b bis 1f schematisch
Querschnittsansichten eines Bereichs des Metallisierungssystems
des Bauelements aus 1 während diverser Fertigungsphasen
bei der Herstellung von Luftspalten zwischen benachbarten Metallleitungen
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigen;
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1g schematisch
einen Bereich des Metallisierungssystems des Bauelements aus 1a mit
einer Abstandshalterschicht in Verbindung mit einer Ätzstoppschicht
gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigt;
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1h bis 1j schematisch
Querschnittsansichten eines Bereichs des Metallisierungssystems
mit einer Ätzsteuerschicht
zum Steuern eines Ätzprozesses
zur Herstellung von Vertiefungen gemäß noch weiterer anschaulicher
Ausführungsformen
zeigen;
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1k bis 1m schematisch
einen Teil des Metallisierungssystems des Bauelements aus 1a mit
einer „vergrabenen” Ätzsteuerschicht zum
Definieren einer Tiefe eines dazwischenliegenden Spalts in gering
beabstandeten Metallgebieten gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigen;
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1n bis 1o schematisch
Querschnittsansichten eines Bereichs des Metallisierungssystems
zeigen, wenn Seitenwandabstandshalter von Metallleitungen nach dem
Bilden eines zwischenliegenden Spaltes zwischen dicht liegenden
Metallleitungen gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
entfernt werden; und
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1p und 1q schematisch
Querschnittsansichten eines Teils des Metallisierungssystems des
Bauelements aus 1a während diverser Fertigungsphasen
beim selektiven Herstellen eines Luftspalts zwischen Metallgebieten
in kritischen Bauteilbereichen zeigen, während andere Bauteilbereiche
durch eine Maske gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
bedeckt sind.
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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, 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.
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Im
Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Techniken und Mikrostrukturbauelemente
bereit, beispielsweise integrierte Schaltungen, in denen das elektrische
Verhalten eines Metallisierungssystems verbessert wird, indem Luftspalten
in der Nähe kritischer
Metallgebiete geschaffen werden, etwa von Metallleitungen, ohne
dass aufwendige Lithographietechniken erforderlich sind. D. h.,
die Positionierung und die Dimensionierung der Luftspalte kann auf
der Grundlage von Abscheid- und Ätzprozessen
ohne zusätzliche
Lithographiemasken bewerkstelligt werden, so dass die Größe der Luftspalte
eingestellt werden kann ohne Einschränkungen durch die Lithographieprozessgrenzen.
Die entsprechende Luftspalten können
somit als selbstjustierte Bereiche in der Nähe von Metallleitungen vorgesehen
werden, wodurch die Gesamtpermittivität eines Raumbereichs zwischen
den Metallleitungen verringert wird, wodurch somit das elektrische
Leistungsverhalten des Metallisierungssystems selbst für extrem
reduzierte Bauteilabmessungen verbessert wird, wie sie in Technologiestandards
mit kritischen Abmessungen in der Transistorebene von 40 nm und
deutlich weniger erforderlich sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird die selbstjustierte Fertigungssequenz auf gewünschte kritische
Bauteilbereiche beschränkt,
indem eine geeignete Maske vorgesehen wird, die auf Grundlage eines
nicht-kritischen Lithographieprozesses hergestellt werden kann.
Folglich wird eine zuverlässige
und reproduzierbare Positionierung und Dimensionierung von Luftspalten
erreicht, zumindest in kritischen Bauteilbereichen, wobei dennoch
Ausbeuteverluste, die konventioneller Weise mit kritischen Materialeigenschaften
von dielektrischen Materialien mit sehr kleinem ε verknüpft sind, verringert werden.
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In
einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird die Positionierung
und Dimensionierung der Luftspalte bewerkstelligt, indem eine Vertiefung
benachbart zu Metallleitungen in einem dielektrischen Material gebildet
wird und nachfolgend Abstandshalterelemente auf freigelegten Seitenwandbereichen
der Vertiefung hergestellt werden, die dann als eine Ätzmaske
verwendet werden, wodurch im Wesentlichen die laterale Größe der entsprechenden
Spalte definiert wird, die zwischen dichtliegenden Metallgebieten
gebildet werden. Folglich kann die Abmessung und die Position der
Luftspalte auf der Grundlage der Prozesssequenz zur Herstellung der
Seitenwandabstandshalterelemente definiert werden, wodurch die Positionierung
und Dimensionierung mit einem Grad an Genauigkeit möglich ist, wie
er durch die beteiligten Abscheide- und Ätzprozesse gegeben ist. Somit
können
selbst laterale Abmessungen unterhalb der Lithographieauflösung in zuverlässiger und
reproduzierbarer Weise erhalten werden, wodurch für im Wesentlichen
gleichmäßige elektrische Leistungswerte
der entsprechenden Metallisierungsebenen gesorgt wird. Durch lokales
Variieren der Prozessbedingungen während der oben beschriebenen
Sequenz können
die Eigenschaften der Luftspalte und damit das elektrische Verhalten entsprechend
den Bauteilerfordernissen variiert werden, wobei selbst ein Erzeugen
von Luftspalten in gewissen Bauteilebenen bei Bedarf unterdrückt werden kann.
In anderen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird die Oberflächentopographie,
die nach dem Vertiefen des dielektrischen Materials und dem nachfolgenden
Abscheiden einer Abstandshalterschicht geschaffen wurde, angewendet,
um einen gewünschten
Spalt zwischen benachbarten Metallgebieten zu bilden, wobei das
Erzeugen ausgeprägter Seitenwandabstandshalterelemente
nicht erforderlich ist. Des weiteren sorgen die hierin offenbarten Techniken
für hohes
Maß an
Flexibilität
beim speziellen Einstellen der Eigenschaften der Luftspalte, beispielsweise
durch Variieren der Tiefe der Vertiefungen, das Auswählen einer
geeigneten Dicke der Abstandshalterschicht, das Variieren der Tiefe
des geätzten
Spalts durch Verwenden der Seitenwandabstandshalterelemente als Ätzmaske,
und dergleichen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein erhöhtes Maß an Gleichmäßigkeit
und Genauigkeit erreicht, indem eine oder mehrere Ätzstopp-
oder Ätzsteuerschichten
an geeigneten Höhenniveaus
innerhalb des dielektrischen Materials vorgesehen werden, um in
präziser
Weise eine Tiefe der Vertiefung und/oder eine Tiefe des nachfolgend gebildeten
Spalts zu bestimmen, ohne dass im Wesentlichen zur Gesamtprozesskomplexität beigetragen
wird. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen werden die Gesamteigenschaften
der Metallleitungen modifiziert, indem zumindest ein Bereich der
Abstandshalterschicht in Form eines leitenden Materials vorgesehen
wird, wodurch somit insgesamt zu einer Verbesserung des elektrischen
Verhaltens der Metallleitungen beigetragen wird, beispielsweise
im Hinblick auf die Leitfähigkeit,
die Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration, und dergleichen.
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Da
die vorliegende Offenbarung Techniken betrifft, die das Positionieren
und Dimensionieren von Luftspalten mit Auflösung unterhalb der Auflösung der
Lithographie ermöglichen,
können
die hierin offenbarten Prinzipien vorteilhaft auf anspruchsvolle Halbleiterbauelemente
mit Transistorelementen der 45 nm-Technologie oder der 22 nm-Technologie
und darunter eingesetzt werden. Die hierin offenbarten Prinzipien
können
jedoch auf weniger kritische Mikrostrukturbauelemente angewendet
werden, so dass die vorliegende Offenbarung nicht als auf spezielle kritische
Bauteilabmessungen eingeschränkt
erachtet werden soll, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den
angefügten
Patentansprüchen oder
in der Beschreibung dargelegt sind.
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Mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche
Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100,
das in der gezeigten Ausführungsform
eine integrierte Schaltung mit einer Vielzahl von Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und dergleichen repräsentiert.
In diesem Falle umfasst das Bauelement 100 eine Bauteilebene 110, in
der mehrere Schaltungselemente 103, etwa Transistoren und
dergleichen, über
einem Substrat 101 gebildet sind. Beispielsweise repräsentiert
das Substrat 101 ein Halbleitersubstrat, ein isolierendes
Substrat mit einer darauf ausgebildeten geeigneten Halbleiterschicht 102,
in und über
welcher die Schaltungselemente 103 gebildet sind. In anderen
Fällen
wird zumindest teilweise eine vergrabene isolierende Schicht zwischen
der Halbleiterschicht 102 und dem Substrat 101 vorgesehen,
um damit eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration zu bilden.
Es sollte beachtet werden, dass das Halbleitermaterial der Schicht 102 ein
beliebiges geeignetes Material aufweisen kann, etwa Silizium, Germanium,
eine Silizium/Germanium-Mischung, Verbundhalbleitermaterialien und
dergleichen, wie dies entsprechend den Bauteileigenschaften erforderlich
ist. Die Schaltungselemente 103 enthalten, wenn sie in
Form von Transistorelementen vorgesehen sind, eine Gateelektrodenstruktur 104,
die die Gesamteigenschaften beeinflussen und die eine kritische
laterale Abmessung, die als 104l bezeichnet ist, aufweist,
die ungefähr
50 nm oder weniger betragen kann, etwa 30 nm und weniger in modernsten
Halbleiterbauelementen. Die Bauteilebene 110 umfasst ferner
eine Kontaktebene 105, die als eine Schnittstelle zwischen
den Schaltungselementen 103 und einem Metallisierungssystem 150 verstanden
werden kann. Die Kontaktebene 105 umfasst ein beliebiges
geeignetes dielektrisches Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid
und dergleichen in Verbindung mit Kontaktelementen 150a, die
für die
elektrische Verbindung zwischen Kontaktbereichen der Schaltungselemente 103 und
Metallgebieten in dem Metallisierungssystem 150 sorgen. Es
sollte beachtet werden, dass die Konfiguration der Bauteilebene 110 in
Abhängigkeit
von den gesamten Bauteilerfordernissen abhängt, und die hierin offenbarten
Prinzipien sollten nicht auf spezielle Bauteilarchitekturen eingeschränkt erachtet
werden, sofern derartige Einschränkungen
nicht explizit in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen dargelegt
sind.
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Wie
zuvor erläutert
ist, ist typischerweise eine oder mehrere elektrische Verbindungen
für jedes
der Schaltungselemente 103 vorgesehen, wodurch somit eine
Vielzahl von Metallisierungsschichten zum Einrichten der elektrischen
Verbindung entsprechend der betrachteten Schaltungskonfiguration erforderlich
sind, wobei der Einfachheit halber ein Bereich einer einzelnen Metallisierungsschicht
als das Metallisierungssystem 150 gezeigt ist. Es sollte
jedoch beachtet werden, dass unter und/oder über der Metallisierungsschicht 150 eine
oder mehrere Metallisierungsschichten vorgesehen sein können, wobei dies
von der gesamten Komplexität
des Bauelements 100 abhängt.
Für jede
dieser zusätzlichen
Metallisierungsschichten gelten die gleichen Kriterien, wie sie nachfolgend
mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 150 dargelegt werden.
Die Metallisierungsschicht 150 umfasst ein dielektrisches
Material 151, das in Form eines beliebigen geeigneten Materials
oder Materialzusammensetzung vorgesehen ist, um damit die gewünschten
elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Beispielsweise
enthält
das dielektrische Material 151 ein Material mit einer moderat
geringen Permittivität,
während
ebenfalls eine ausreichende mechanische Robustheit im Hinblick auf
die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 bereitgestellt
wird, wie dies auch zuvor erläutert
ist. Da die endgültige
Permittivität
der Metallisierungsschicht 150 zumindest lokal auf der
Grundlage von Luftspalten, die an gewissen Stellen zu bilden sind, eingestellt
wird, wird die Auswahl eines geeigneten dielektrischen Materials
vorzugsweise auf Grundlage der Kompatibilität im Hinblick auf die weitere
Bearbeitung anstelle auf eine minimale dielektrische Kontakte getroffen.
Beispielsweise können
eine Vielzahl gut etablierter dielektrischer Materialien mit einer
moderat kleinen dielektrischen Konstante im Bereich von ungefähr 4,0 bis
2,5 in Verbindung mit der Metallisierungsschicht 150 eingesetzt
werden. Beispielsweise können
dotiertes Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, eine Vielzahl von Silizium,
Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Materialien
und dergleichen eingesetzt werden. Es können auch geeignete Polymermaterialien
für die
Metallisierungsschicht 150 verwendet werden, sofern die
gewünschte
Kompatibilität
mit der weiteren Bearbeitung erreicht wird. Es sollte beachtet werden,
dass das dielektrische Material 151 mehrere unterschiedliche
Materialien aufweisen kann, wobei dies von den gesamten Bauteil-
und Prozesserfordernissen abhängt.
Die Metallisierungsschicht 150 umfasst ferner mehrere Metallgebiete 152a,
..., 152c, die beispielsweise Metallleitungen repräsentieren,
in denen ein gut leitendes Metall, etwa Kupfer und dergleichen enthalten
ist, wenn ein verbessertes Leistungsverhalten im Hinblick im auf
Leitfähigkeit,
Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration und dergleichen erforderlich ist. In anderen
Fällen
können
andere Metalle, etwa Aluminium, Kupferlegierung, Silber und dergleichen
verwendet werden, wenn dies mit den Bauteileigenschaften kompatibel
ist. Die Metallgebiete 152a, ... 152c, die auch
gemeinsam als Metallgebiete 152 bezeichnet sind, umfassen
eine Barrierenschicht 153, die in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
zwei oder mehr Teilschichten aufweist, um damit einen verbesserten
Einschluss und Integrität
des Metalls im Hinblick auf eine Reaktion mit reaktiven Komponenten zu
erhalten, die in sehr geringen Mengen innerhalb des dielektrischen
Materials 151 vorhanden sein können.
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Wie
zuvor erläutert
ist, erfordern reaktive Metalle, etwa Kupfer, geeignete Barrierenmaterialien, um
die Integrität
des Kupfermaterials zu bewahren und auch um eine unerwünschte Diffusion
von Kupfer in das umgebende dielektrische Material 151 zu
unterdrücken.
In anderen Fällen
wird das Barrierenmaterial 153 weggelassen, wenn ein direkter
Kontakt des gut leitenden Metalls mit dem dielektrischen Material 151 als
geeignet erachtet wird. Beispielsweise weist das Barrierenmaterial 153 eine
Kupferlegierung, etablierte Metalle und Metallverbindungen, etwa
Tantal, Tantalnitrid und dergleichen auf, die ebenfalls für verbessertes
Elektromigrationsverhalten und eine erhöhte mechanische Robustheit
der Metallgebiete 152 während
der weiteren Bearbeitung sorgen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
werden die Metallgebiete oder Metallleitungen 152a, ..., 152c „als dichtliegende” Metallgebiete
betrachtet, wobei eine laterale Abmessung der einzelnen Metallleitungen 152 vergleichbar
ist zu dem lateralen Abstand zwischen zwei benachbarten Metallleitungen,
etwa die Metallleitungen 152a, 152b oder 152b und 152c.
Beispielsweise besitzt die Metallisierungsebene 150 Metallleitungen
mit einer Breite von einigen 100 nm und deutlich weniger, etwa 100
nm und weniger, während
auch ein Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen in der gleichen
Größenordnung
liegt. Beispielsweise besitzen die Metallleitungen 152 kritische
Abmessungen, d. h. Abmessungen, die die minimale laterale Abmessung
repräsentieren,
die zuverlässig
und reproduzierbar durch den entsprechenden lithographischen Prozess
in Verbindung mit einem dazugehörigen
Strukturierungsschema erhalten werden können. Somit kann, wie zuvor
erläutert
ist, die Positionierung und Dimensionierung von Luftspalten zwischen
benachbarten Metallleitungen 152 nur schwer auf der Grundlage von
Lithographietechniken bewerkstelligt werden.
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Das
in 1a gezeigte Bauelement 100 kann auf der
Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden.
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Die
Bauteilebene 110 kann unter Anwendung gut etablierter Prozesstechniken
hergestellt werden, wobei aufwendige Lithographieprozesse, Strukturierungsprozesse
und dergleichen eingesetzt werden, um die Schaltungselemente 103 entsprechend
den Entwurfsregeln bereitzustellen. Zum Beispiel werden die Gateelektrodenstrukturen 104 durch anspruchsvolle
Lithographie- und Ätztechniken
hergestellt, wobei die Gatelänge 104l gemäß den Entwurfsregeln
eingestellt wird. Das Dotierstoffprofil in der Halbleiterschicht 102 kann
auf der Grundlage gut etablierter Implantationstechniken in Verbindung
mit Ausheizprozessen eingestellt werden. Nach Fertigstellung der
grundlegenden Struktur der Schaltungselemente 103 wird
die Kontaktebene 105 gemäß geeigneter Fertigungsverfahren
hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden eines dielektrischen
Materials, Einebnen des Materials und Bilden von Kontaktöffnungen
darin, die schließlich
mit einem geeigneten leitenden Material gefüllt werden, um damit die Kontaktelemente 105a zu
erhalten. Danach werden einige oder mehrere Metallisierungsschichten
gemäß einer
geeigneten Fertigungstechnik hergestellt, etwa durch Einlege- oder
Damaszener-Verfahren, wie dies zuvor beschrieben ist. Der Einfachheit
halber wird eine Fertigungssequenz mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 150 beschrieben,
in der die Metallleitungen 152 so gebildet werden, dass
sie zu entsprechenden Kontaktdurchführungen (nicht gezeigt) eine Verbindung
herstellen, die in einen tieferliegenden Bereich der Metallisierungsschicht 150 in
einer separaten Fertigungssequenz hergestellt sind, oder die gemeinsam
mit den Metallleitungen 152 gebildet werden. Es sollte
beachtet werden, das die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit
einer beliebigen geeigneten Fertigungssequenz zur Herstellung der Metallleitungen 152 eingerichtet
werden kann. Beispielsweise wird das dielektrische Material 151 durch eine
geeignete Abscheidetechnik aufgebracht, etwa durch CVD (chemische
Dampfabscheidung), Aufschleuderprozesse, physikalische Dampfabscheidung
oder eine geeignete Kombination dieser Techniken. Es sollte beachtet
werden, dass das dielektrische Material 151 eine Ätzstoppschicht
oder Deckschicht aufweisen kann, um damit Metallgebiete einer tieferliegenden
Metallisierungsebene abzudecken und/oder als ein Ätzstoppmaterial
zur Herstellung von Kontaktlochöffnungen
oder Gräben
für die Metallleitungen 152 abhängig von
der gesamten Prozessstrategie zu dienen. Danach wird eine geeignete Ätzmaske
möglicherweise
in Form einer Hartmaske durch Lithographie bereitgestellt, um damit
die laterale Größe der Metallgebiete 152 zu
definieren. Es sollte beachtet werden, dass die laterale Größe sowie der
Abstand benachbarter Metallleitungen 152 deutlich variieren
kann, selbst innerhalb der gleichen Metallisierungsebene abhängig von
dem Gesamtkonzept der darunter liegenden Bauteilebene 110.
Wie zuvor erläutert
ist, können
die in 1a gezeigten Metallleitungen 152 dicht
lie gende Metallleitungen in einigen anschaulichen Ausführungsformen
repräsentieren,
wobei die laterale Größe und der
Abstand kritische Abmessungen für
das betrachtete Lithographie- und Strukturierungsschema repräsentieren.
Auf der Grundlage der entsprechenden Ätzmaske können entsprechende Öffnungen
gebildet und nachfolgend mit einem geeigneten Material, etwa dem
Barrierenmaterial 153, falls dieses erforderlich ist, und
einem gut leitenden Metall, etwa Kupfer, Kupferlegierungen, Silber,
Aluminium und dergleichen gefüllt werden.
Das Abscheiden des Barrierenmaterials 153 wird unter Anwendung
von Sputter-Abscheidung, elektrochemische
Abscheidung, CVD, Atomlagenabscheidung (ALD) und dergleichen bewerkstelligt.
Typischerweise kann das Abscheiden des gut leitenden Metalls auf
der Grundlage elektrochemischer Abscheideverfahren bewerkstelligt
werden, etwa stromloser Abscheidung, Elektroplattieren und dergleichen.
Anschließend
wird überschüssiges Material, etwa
das gut leitende Material und Reste des Barrierenmaterials 153,
das ebenfalls ein leitendes Material aufweist, entfernt mittels
einer geeigneten Abtragungsprozesstechnik, etwa CMP, und dergleichen.
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1b zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen
Fertigungsphase, wobei der Einfachheit halber die Metallisierungsschicht 150 ohne
darunter liegende Metallisierungsschichten und die Bauteilebene 110 gezeigt
ist. Wie dargestellt ist das Bauelement 100 der Auswirkung einer Ätzumgebung 111 ausgesetzt,
die zum Entfernen von Material der dielektrischen Schicht 151 selektiv
zu den Metallgebieten 152a, ..., 152c gestaltet ist.
Zu diesem Zweck kann ein beliebiges geeignetes nasschemisches oder
plasmauntestütztes Ätzrezept eingesetzt
werden, das gewünschte Ätzselektivität aufweist.
Beispielsweise ist es, wie zuvor erläutert ist, schwierig, kupfergestützte Materialien
auf der Grundlage von gut etablierten plasmaunterstützten Ätzrezepten
abzutragen und somit führt
dies zu einer gewünschten Ätzselektivität im Hinblick
auf eine Vielzahl von plasmaunterstützten Ätzchemien zum Entfernen des
Materials der Schicht 151. In anderen Fallen weisen die
Metallleitungen 152a, ..., 152c eine leitende
Deckschicht (nicht gezeigt), beispielsweise aus entsprechenden Legierungen
oder Metallverbindungen, um damit den Kupfereinschluss und ein verbessertes
Elektromigrationsverhalten zu erreichen. Beispielsweise führen entsprechende
Legierungen, etwa Kobalt, Phosphor, Wolfram und dergleichen, zu einer
ausgeprägten Ätzselektivität in Bezug
auf Ätzrezepte
zum Entfernen dielektrischer Materialien, etwa siliziumbasierter
Materialien, einer Vielzahl von Polymermaterialien und dergleichen.
Abhängig
von dem Ätzwiderstand
des Barrierenmaterials 153 können auch sehr isotrope Ätztechniken,
etwa nasschemische Ätztechniken,
während
des Prozesses 111 eingesetzt werden, um Material der dielektrischen Schicht 151 abzutragen.
Während
des Prozesses 111 werden Vertiefungen 154 in freigelegten
Bereichen des dielektrischen Materials 151 gebildet. Eine Tiefe 154d der
Vertiefungen 154 kann auf der Grundlage der Ätzzeit während des
Prozesses 111 für
eine vorgegebene Abtragsrate eingestellt werden, wobei die Ätzrate auf
der Grundlage von Experimenten und dergleichen bestimmt werden kann.
In anderen Fallen wird die Tiefe 154d auf Grundlage von Ätzsteuermaterialien
eingestellt, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird die Tiefe 154d der Vertiefungen 154 so eingestellt,
dass ein oberer Bereich der Metallleitungen 152a, 152c bis
zu einer Tiefe freigelegt wird, die kleiner ist als die Hälfte der
Dicke der Metallleitungen 152a, 152c. In diesem
Falle wird eine kleinere Prozesszeit während des Prozesses 111 erreicht.
In anderen Fällen
wird die Tiefe 154d auf einen anderen beliebigen geeigneten
Wert festgelegt, wobei dies von den gesamten Erfordernissen und den
konformen Abscheideeigenschaften eines nachfolgenden Abscheideprozesses
zur Herstellung einer Abstandshalterschicht abhängt.
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1c zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen
Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Abstandshalterschicht 155 über der
dielektrischen Schicht 151 und somit innerhalb der Vertiefungen 154 ausgebildet,
wobei jedoch eine Dicke der Schicht 155 so festgelegt ist,
dass ein im Wesentlichen konformes Abscheideverhalten erreicht wird,
woraus sich eine Oberflächentopographie ergibt,
in der eine Dicke der Schicht 155, die als 155a bezeichnet
ist, im Vergleich zu einer Dicke 155b der Schicht 155 unmittelbar
lateral benachbart zu Seitenwänden
der Metallleitungen 152a, ..., 152c kleiner ist. Die
Abstandshalterschicht 155 kann auf der Grundlage einer
beliebigen geeigneten Abscheidetechnik hergestellt werden, etwa
CVD und dergleichen, wobei eine Materialzusammensetzung entsprechend den
gesamten Bauteil- und Prozesserfordernissen ausgewählt wird.
Zum Beispiel können
gut etablierte dielektrische Materialien, etwa Siliziumnitrid, Siliziumdioxid,
Siliziumoxinitrid und dergleichen verwendet werden. In anderen Fallen
weist die Abstandshalterschicht 155 ein Ätzstoppmaterial
auf, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. In noch
weiteren anschaulichen Ausführungsformen
enthält
die Abstandshalterschicht 155 ein leitendes Material, das
mit dem freigelegten Bereich der Metallleitungen 152a,
..., 152c in Kontakt kommen kann, wodurch Integrität der freigelegten
Bereiche dieser Metallgebiete, beispielsweise des Barrierenmaterials 153, „wieder
hergestellt wird”,
wenn ein gewisses Maß an
Materialbeeinträchtigung
während
des vorhergehenden Ätzprozesses 111 aufgetreten
ist.
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1d zeigt
schematisch das Bauelement 100 während eines Ätzprozesses 112 zum
Entfernen von Material der Abstandshalterschicht 155, um
Abstandshalterelemente 155s an freigelegten Seitenwandbereichen
in den Metallleitungen 152a, ..., 152c zu bilden.
Der Ätzprozess 112 wird
als eine im Wesentlichen anisotroper Ätzprozess ausgeführt, für welchen
eine Vielzahl gut etablierter Rezepte für Materialien, etwa Siliziumnitrid,
Siliziumdioxid, eine Vielzahl leitender Materialien und dergleichen,
verfügbar sind.
In der in 1d gezeigten Ausführungsform
besitzt der Ätzprozess 112 eine
gewisse Selektivität
in Bezug auf das Material der dielektrischen Schicht 151,
wodurch eine bessere Prozessgleichmäßigkeit für die nachfolgende Bearbeitung
des Bauelements 100 geschaffen wird. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen
weist die dielektrische Schicht 151 zumindest an einer
Oberfläche
davon ein geeignetes Material auf, etwa Siliziumdioxid, das für die gewünschten Ätzstoppeigenschaften
sorgt, beispielsweise in Bezug auf Ätzchemien, die zum Ätzen von Siliziumnitrid
oder anderen Materialien selektiv zu Siliziumdioxid ausgelegt sind.
In anderen Fällen
wird die Ätzstoppschicht
innerhalb der Abstandshalterschicht 155 vorgesehen, wie
dies nachfolgend beschrieben wird.
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Somit
kann auf der Grundlage der Abstandshalterelemente 155s eine
reduzierte Breite 154w für die zuvor gebildeten Vertiefungen
verhalten werden, wobei die resultierende Breite 154w somit
die laterale Abmessung eines Spalts festlegt, der zwischen benachbarten
Metallleitungen 152 zu bilden ist.
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1e zeig
schematisch das Bauelement 100 während eines Ätzprozesses 113,
der auf Grundlage von Prozessparametern so ausgeführt wird, dass
ein im Wesentlichen anisotropes Ätzverhalten erreicht
wird. Beispielsweise können
gut etablierte Ätzrezepte
eingesetzt werden, in denen die Abtragsrate der Abstandshalterelemente 155s geringer
ist im Vergleich zur Abtragsrate des Materials 151, so
dass die Abstandshalter 155s als eine Ätzmaske dienen. Auf Grund des
anisotropen Verhaltens des Ätzprozesses 113 wird
ein Spalt 156 zwischen benachbarten Metallleitungen 152 mit
einer Breite 156w gebildet, die im Wesentlichen durch die
reduzierte Breite 154w bestimmt ist. Des weiteren wird
eine Tiefe 156d auf der Grundlage der Prozesszeit des Ätzprozesses 113 für eine gegebene
Abtragsrate eingestellt und wird entsprechend den Bauteilerfordernissen
ausgewählt.
D. h., abhängig
von der gewünschten
Ausdehnung eines Luftspalts, der auf Grundlage des Spalts 156 in
einer späteren
Fertigungsphase zu bilden ist, wird die Tiefe 156d durch
Steuern des Ätz prozesses 113 eingestellt.
Folglich können
die Abmessungen 156d, 156w des Spaltes 156 auf
Grundlage von Abscheidetechniken definiert werden, um die Abstandshalterschicht 155 zu
bilden, um auf der Grundlage von Ätztechniken zur Bildung der
Vertiefung 154 und des Spaltes 156, ohne das lithographisch
gebildete Ätzmasken
erforderlich sind. Des weiteren kann die Breite 156w auf
einem beliebigen gewünschten
Wert festgelegt werden, ohne dass dies durch die Lithographieeigenschaften
beschränkt
ist, während
auch die Tiefe 156d frei entsprechend den Bauteil- und Prozesserfordernissen
eingestellt werden kann. Beispielsweise kann sich die Tiefe 156d bis
zu einem Höhenniveau
erstrecken, das an einem beliebigen Punkt innerhalb der vertikalen
Abmessung der Metallleitungen 152 liegt, oder die Tiefe
kann sich über die
untere Fläche
der Metallleitungen 152 bei Bedarf hinaus erstrecken. Auf
diese Weise kann die effektive Permittivität des dielektrischen Materials 151 zwischen
den dichtliegenden Metallleitungen 152 in einer selbstjustierten
und zuverlässigen
und reproduzierbaren Weise eingestellt werden, indem der Spalt 156 geeignet
positioniert und dimensioniert wird, ohne dass kostenintensive Lithographieschritte
erforderlich sind.
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In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
werden die Ätzprozesses 112 und 113 als
ein kombinierter Ätzprozess
ohne eine erforderliche ausgeprägte Ätzselektivität zwischen
Abstandshalterelementen 155s und dem Material der Schicht 151 ausgeführt. D.
h., die Abstandshalterschicht 155 (siehe 1c)
wird mit einer beliebigen geeigneten Materialzusammensetzung gebildet,
beispielsweise wird im Wesentlichen das gleiche Material wie für die Schicht 151 verwendet,
sofern die ausgeprägte
Oberflächentopographie
erreicht wird, wie dies durch die Dickenwerte 155a, 155b angegeben
ist. Folglich wird während
eines kombinierten Ätzprozesses
Material der Abstandshalterschicht 155 entfernt und schließlich an
Bereichen mit der reduzierten Dicke 155 wird das Material
der Schicht 151 entfernt, während die größere Dicke 155d an
den Seitenwänden
der Metallleitungen 152 für die gewünschte maskierende Wirkung sorgen.
Somit kann auch in diesem Falle der Spalt 156 mit einer
Tiefe 156d gebildet werden, die zumindest dem Dickenunterschied
zwischen den Werten 155a, 155b entspricht. In
anderen Fällen
kann eine noch ausgeprägtere
Tiefe 156d für
den Spalt 156 während
eines einzelnen Ätzprozesses
erreicht werden, wenn die Materialien der Schicht 155 und
der Schicht 151 unterschiedliche Abtragsraten besitzen, beispielsweise
kann das Material der Schicht 155 eine geringere Ätzrate aufweisen.
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1f zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen
Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Deckschicht 157 aus
einem beliebigen geeigneten dielektri schen Material über den
Metallleitungen 152 ausgebildet, um damit entsprechende
Luftspalte 156a innerhalb der zuvor gebildeten Spalte 156 einzuschließen. Zu
diesem Zweck wird die Schicht 157 mittels einer konformen Abscheidetechnik
aufgebracht, wobei das geringere Aspektverhältnis der Spalte 156 zu
einer geringeren Abscheiderate innerhalb der zuvor gebildeten Spalte 156 führt, während ein
oberer Bereich davon Überhänge ausbildet,
die schließlich
zu einem Verschließen
der Spalten 156 führen,
ohne dass eine signifikante Materialabscheidung stattfindet, so
dass die Luftspalte 156a den wesentlichen Teil der zuvor
gebildeten Spalte 156 repräsentieren. Geeignete Prozessparameter
für das
Abscheiden des Materials 157 können effizient für Experimente
ermittelt werden, wobei auch eine Vielzahl von Abscheiderezepten
für viele
dielektrische Materialien, etwa dotiertes Siliziumdioxid, Material
mit kleinem ε mit
adäquatem
mechanischen Verhalten und dergleichen verfügbar sind. Auf Grund des hohen
Maßes
an Gleichmäßigkeit,
das zum Definieren der Spalte 156 erreichbar ist, werden
auch die Abmessungen und die Positionen der Luftspalte 156a mit
einem hohen Maß an
Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht, so dass die gesamte
Permittivität
des dielektrischen Materials zwischen dichtliegenden Metallleitungen 152 zuverlässig einstellbar
ist. Die Deckschicht 157 wird in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
in Form von im Wesentlichen dem gleichen Material wie in der Schicht 151 vorgesehen,
während
in anderen Fallen ein anderes geeignetes Material eingesetzt wird,
beispielsweise im Hinblick auf einen nachfolgend ausgeführten Einebnungsprozess
zum Reduzieren der Oberflächentopographie
der Schicht 157. Es sollte beachtet werden, dass das Erzeugen
von Luftspalten in Bauteilgebieten im Wesentlichen vermieden werden
kann, in denen der laterale Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen
deutlich größer ist,
wie dies auf der linken Seite und auf der rechten Seite der Metallleitungen 152a, 152c angegeben ist.
In anderen Fällen
wird das Erzeugen der Luftspalte 156a auf kritische Bauteilbereiche
beschränkt,
indem eine entsprechende Maske vorgesehen wird, wie dies nachfolgend
detaillierter beschrieben ist.
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Nach
dem Abscheiden der Schicht 157 wird die weitere Bearbeitung
fortgesetzt, indem beispielsweise die Oberflächentopographie bei Bedarf
eingeebnet wird, was durch CMP und dergleichen bewerkstelligt werden
kann, wobei eine obere Fläche
der Metallleitungen 152 als eine Stoppschicht dienen kann,
oder wobei ein gewisser Anteil der Schicht 157 beibehalten
wird, um als eine Deckschicht und Ätzstoppmaterial für die weitere
Bearbeitung zu dienen, beispielsweise zur Herstellung weiterer Metallisierungsebenen über der
Metallisierungsschicht 150. In noch anderen anschaulichen
Ausführungsformen wird
eine CMP- Stoppschicht
in der Deckschicht 157 vorgesehen, beispielsweise durch
zunächst
Abscheiden eines entsprechenden Materials, etwa Siliziumnitrid,
Siliziumdioxid und dergleichen, woran sich ein gewünschtes
dielektrisches Material anschließt, etwa Material, wie es für die Schicht 151 verwendet
wird, oder ein anderes geeignetes Material. Wenn der entsprechenden
Abscheidesequenz werden die Luftspalte 156a nicht notwendigerweise
vollständig für das Abscheiden
des CMP-Stoppmaterials geschlossen, sondern können offen bleiben und werden dann
vollständig
durch den weiteren Abscheideschritt geschlossen.
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Folglich
enthalten in der gezeigten Ausführungsform
die Metallleitungen 152a, ..., 152c die Abstandshalterelemente 155s an
einem oberen Bereich davon, die an einem Steg aus Material der Schicht 151 gebildet
sind, wobei die Abstandshalter 155s in Verbindung mit dem
Steg 151f und zusammen mit dem Material der Schicht 157 die
Luftspalte 156a bilden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen sind
die Abstandshalterelemente 155s aus einem dielektrischen
Material, etwa Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und dergleichen aufgebaut,
wie dies zuvor angegeben ist, während
in anderen Fällen
die Abstandshalter 155s ein leitendes Material aufweisen,
etwa Tantal, Tantalnitrid, Titan, Wolfram, Aluminium, und dergleichen,
wodurch die Gesamtleitfähigkeit
der Metallgebiete 152a, ..., 152c verbessert wird.
Das Vorsehen eines leitenden Barrierenmaterials kann daher zu einer
verbesserten Integrität
der Metallleitungen führen,
wenn ein gewisses Maß an Ätzschädigung während des
Freilegens oberer Seitenwandbereiche der Metallleitungen 152 aufgetreten
ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das zuvor
bereitgestellte Barrierenmaterial 253 bewusst während des
Prozesses zur Herstellung der Vertiefung 254 (siehe 1b)
entfernt, die Abstandshalterschicht 155 wird mit einer
geeigneten Zusammensetzung aus dielektrischen und leitenden Materialien
bereitgestellt, um damit die gewünschten
Barriereneigenschaften zu erreichen, während auch die Gesamtleitfähigkeit
der Metallleitungen 152a, ..., 152c verbessert
wird.
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1g zeigt
schematisch einen Teil der Metallisierungsschicht 150 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
in denen die Abstandshalterschicht 155 in Form zweier oder
mehrerer Teilschichten 155a, 155b vorgesehen wird,
wobei die Schicht 155b als eine Ätzstoppschicht dient. Beispielsweise
wird die Schicht 155a in Form von Siliziumnitridmaterial
vorgesehen, während
die Schicht 155b in Form von Siliziumdioxid vorgesehen
ist, um als effizientes Ätzstoppmaterial
auf der Grundlage gut etablierter Ätzrezepte zu dienen. Folglich
wird beim Bilden der Abstandshalterelemente 155s der anisotrope Ätzprozess
auf oder innerhalb der Schicht 155b angehalten, bevor tatsächlich der Ätzprozess 113 (1e)
zur Herstellung des Spaltes 156 ausgeführt wird. In diesem Falle kann
ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit
während
des Ätzprozesses 113 erreicht
werden, so dass eine gewünschte
Tiefe des Spaltes 156 auf der Grundlage der Prozesszeit
mit hoher Gleichmäßigkeit
eingestellt werden kann. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird zumindest die Ätzstoppschicht 155w in
Form eines leitenden Barrierenmaterials vorgesehen, etwa in Form von
Tantalnitrid, Tantal und dergleichen, um damit den Metallanschluss
in den Metallleitungen 152a, 152b zu verbessern,
ohne die Gesamtleitfähigkeit der
Metallleitungen zu beeinträchtigen.
Während
des Ätzprozesses 113 werden
Bereiche der Ätzstoppschicht 155b,
die nicht durch die Abstandshalterelemente 155s bedeckt
sind, zuverlässig
entfernt, wodurch die elektrische Isolation zwischen den Metallleitungen 152a, 152b erreich
wird.
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Mit
Bezug zu den 1h bis 1j werden weitere
anschauliche Ausführungsformen
nunmehr beschrieben, in denen die Tiefe 154d der Vertiefungen 154 (siehe 1b)
auf der Grundlage einer Ätzsteuer-
oder Ätzstoppschicht
definiert wird.
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1h zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einer Fertigungsphase
vor dem Strukturieren der dielektrischen Schicht 151. Wie
gezeigt, enthält die
Schicht 151 eine Ätzstopp- oder Äztsteuerschicht 151a,
die an einer Höhe
angeordnet ist, so dass ein gewünschter
Wert für
die Tiefe 154d der Vertiefungen 154 definiert
wird, die in einer späteren
Fertigungsphase zu bilden sind.
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1i zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einer Fertigungsphase ähnlich zur
Phase in 1a, wobei jedoch die dielektrische
Schicht 151 die Ätzsteuer-
oder Ätzstoppschicht 151a aufweist. Die
Schicht 151a ist an einer Höhe angeordnet, die einen gewünschten
Wert der Tiefe 154d entspricht. Zu diesem Zweck wird während des
Abscheideprozesses zur Herstellung der dielektrischen Schicht 151 der
Abscheideparametersatz in geeigneter Weise so eingestellt, dass
das Material 151a mit einer geeigneten Materialzusammensetzung
und Dicke erhalten wird. Beispielsweise wird das dielektrische Material 151 durch
chemische Dampfabscheidung gebildet, wobei nach dem Erreichen einer
gewissen Schichtdicke zumindest ein Prozessparameter, beispielsweise
die Durchflussrate eines Vorstufengases und dergleichen, geändert wird,
um die Materialzusammensetzung des abgeschiedenen Materials zu modifizieren,
wodurch die Schicht 151a gebildet wird. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
wird ein geeignet gestalteter separater Abscheideprozess ausge führt, um
die Schicht 151a mit einer gewünschten Dicke und Materialzusammensetzung
bereitzustellen. Beispielsweise repräsentieren Siliziumdioxid, Siliziumnitrid,
Siliziumkarbid stickstoffangereichertes Siliziumkarbid und dergleichen
geeignete Kandidaten für
die Schicht 151a. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird eine Oberflächenbehandlung
eines Teils der Schicht 151, die zuvor abgeschieden wurde,
ausgeführt,
beispielsweise in Form einer Plasmabehandlung, um dadurch einen
freigelegten Oberflächenbereich
des bislang abgeschiedenen Materials zu ändern oder anderweitig zu modifizieren.
In anderen Fällen
wird eine Indikatorsorte eingebaut, beispielsweise durch Plasmabehandlung oder
durch Einbringen dieser Sorte in die Abscheideatmosphäre für das Material 151,
um damit die Schicht 151a zu bilden. Die Indikatorsorte
repräsentiert
ein geeignetes Material, das beim Freisetzen in einer entsprechenden Ätzumgebung
ein ausgeprägtes
Endpunkterkennungssignal erzeugt, das effizient durch Endpunkterkennungssysteme
erfasst werden kann, die typischerweise in gut etablierten plasmaunterstützten Ätzanlagen
vorgesehen sind. Die entsprechende Indikatorsorte wird ggf. mit
einer moderat geringen Konzentration vorgesehen, wenn ein ausgeprägtes und
gut detektierbares Signal erzeugt wird. Somit können die Gesamteigenschaften
der Schicht 151 im Wesentlichen unmodifiziert bleiben,
wobei dennoch für
eine verbesserte Steuerung während der
weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 gesorgt ist. Nach
dem Bilden der Ätzsteuerschicht
oder der Ätzstoppschicht 151a wird
die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem Material der Schicht 151 so abgeschieden
wird, dass die gewünschte
endgültige Dicke
erreicht wird.
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1j zeigt
schematisch das Bauelement 100 während des Ätzprozesses 111 zur
Herstellung der Vertiefungen 154, wobei der Prozess 111 auf Grundlage
der Schicht 151 gesteuert wird, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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Mit
Bezug zu den 1k bis 1m werden weitere
anschauliche Ausführungsformen
beschrieben, in denen die Tiefe 156d der Spalte 156 (siehe 1e)
auf Grundlage einer Ätzsteuerschicht
oder Ätzstoppschicht
definiert wird.
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1k zeigt
schematisch das Bauelement 100 während einer Fertigungsphase
vor dem Bilden der Metallgebiete 152a, 152b. Wie
gezeigt, enthält die
dielektrische Schicht 151 eine Ätzstopp- oder Ätzsteuerschicht 151b,
die an einer Höhe
positioniert ist, die einen gewünschten
Wert der Tiefe 156d entspricht. Im Hinblick auf das Herstellen
der dielektrischen Schicht 151 mit der Schicht 151b und
im Hinblick auf eine Materialzusammensetzung der Schicht 151b gelten
die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu der Ätzstopp-
oder Ätzsteuerschicht 161a erläutert sind.
Es sollte beachtet werden, dass die Schicht 151a (in 1k nicht
gezeigt) und die Schicht 151b beide in der Schicht 151 vorgesehen sein
können,
wenn die Steuerung sowohl der Tiefe 156d als auch die Tiefe 154d gewünscht ist.
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1l zeigt
schematisch das Bauelement 100 mit den Metallleitungen 152a, 152b,
die in der dielektrischen Schicht 151 gebildet sind. In
der in 1l gezeigten Ausführungsform
sei angenommen, dass die Tiefe 156d kleiner ist als die
vertikale Ausdehnung der Metallleitungen 152a, 152g.
Folglich erstrecken sich die Metallgebiete 152a, 152b durch
die Schicht 151b hindurch. Dies kann erreicht werden, indem
die Strukturierungssequenz zur Herstellung der jeweiligen Öffnungen
in der Schicht 151 geeignet modifiziert wird. D. h., während des
Strukturierens der Schicht 151 wird die Ätzfront
innerhalb der Schicht 151b angehalten und die entsprechende Ätzchemie
kann geändert
werden, um durch die Schicht 151 zu ätzen und danach wird ein abschließender Ätzschritt
ausgeführt,
beispielsweise auf der Grundlage der zuvor angewendeten Ätzchemie,
um damit die schließlich
gewünschte
Tiefe der entsprechenden Gräben
für die
Metallleitungen 152a, 152b zu erhalten. In diesem
Falle wird ebenfalls eine verbesserte Steuerbarkeit des Ätzprozesses
zum Strukturieren der Metallleitungen 152a, 152b erreicht,
da die entsprechenden Ätzstoppeigenschaften
der Schicht 151b zu einer „Angleichung” in dem Ätzschritt
führen,
so dass der nachfolgende Ätzschritt nach
dem Öffnen
der Ätzstoppschicht 151b zu
einer verbesserten Gleichmäßigkeit
innerhalb des Substrats für
die Gräben
für die
Metallleitungen 152a, 152b führt. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen wird
die Ätzstoppschicht 151b so
positioniert, dass auch die Tiefe der Metallleitungen 152a, 152b definiert
wird, wenn eine entsprechende vertikale Abmessung der schließlich erhaltenen
Luftspalte 156a mit den Bauteilerfordernissen kompatibel
ist. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wir die Ätzstoppschicht 151b an
einer Höhe
angeordnet, die unterhalb der Unterseite der Metallleitungen 152a, 152b liegt,
wobei dennoch eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Spalte 156 erreich
wird, unabhängig von
der größeren Ätztiefe
auf Grund des Vorsehens der Ätzstoppschicht 151b.
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1m zeigt
schematisch das Bauelement 100 während des Ätzprozesses 113, wodurch
die Spalte 156 mit der gewünschten Tiefe 156d,
wie sie durch die Ätzstoppschicht 156b festgelegt
ist, erhalten werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
werden freigelegte Bereiche der Ätzstoppschicht 151b nach
dem Ätzprozess 113 entfernt,
um nicht in unerwünschter
Weise die Gesamteigenschaften der dielektrischen Schicht 151 zu
modifi zieren. Somit wird ein hohes Maß an Freiheit im Hinblick auf das
Auswählen
eines geeigneten Materials für
die Ätzstoppschicht 151b erreicht,
ohne das Gesamtverhalten der Schicht 151 wesentlich zu
beeinflussen.
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Mit
Bezug zu den 1n bis 1o werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben,
in denen die Abstandshalterelemente 155s nach dem Bilden
der Spalte 156 entfernt werden.
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1n zeigt
schematisch das Bauelement 100 nach dem Ausführen des Ätzprozesses 113 (siehe 1e),
wodurch die Spalte 156 zwischen den dichtliegenden Metallleitungen 152a, 152b bereitgestellt
werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen enthalten, wie
gezeigt, die Abstandshalter 155s ein Beschichtungsmaterial 155l,
das beispielsweise aus einem leitenden Barrierenmaterial oder einem
anderen geeigneten Material, etwa einem dielektrische Ätzstoppmaterial,
und dergleichen aufgebaut ist. In anderen Fällen werden die Abstandshalter 155s als
ein einzelnes Material vorgesehen, wenn die gewünschte Ätzselektivität zwischen
den Abstandshaltern 155s und dem verbleibenden Material der
Schicht 151 gegeben ist.
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1o zeigt
schematisch das Bauelement 100 während eines weiteren Ätzprozesses 114 zum Entfernen
der Abstandshalterelemente 155s selektiv zu dem verbleibenden
Material 151. Zu diesem Zweck wird ein nasschemisches Ätzrezept
oder ein plasmaunterstütztes Ätzrezept
angewendet, wobei dies von der Materialzusammensetzung der Schicht 151 und
den Abstandshaltern 155s abhängt. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen
wird der Ätzprozess 114 im
Wesentlichen ohne Ätzselektivität zwischen
den Materialien der Abstandshalter 155s und dem Material 151 ausgeführt, wobei
die Beschichtung 155l für
die gewünschte Ätzstoppeigenschaft
sorgt. In diesem Falle kann die schließlich gewünschte Tiefe des Spalts 156 während des Ätzprozesses 114 eingestellt
werden, wie dies durch die gestrichelte Linie 156e in 1o gezeigt
ist.
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Mit
Bezug zu den 1p und 1q werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, wobei
die Herstellung der Luftspalte 156a auf kritische Bauteilbereiche
beschränkt
ist.
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1p zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einer Fertigungsphase
vor dem Bilden der Spalte 156, beispielsweise nach dem
Bilden der Abstandshalterschicht 155. Wie gezeigt ist eine Ätzmaske 166 vorgesehen,
die ein kritisches Bauteilgebiet 157 freilegt, das in der
gezeigten Ausführungsform
zumindest den Abstand zwischen den dichtliegenden Metallleitungen 152a, 152b enthält. Andererseits
bedeckt die Maske 116 andere Bauteilbereiche, in denen
die Ausbildung der Luftspalte 156a oder ein merklicher
Abtrag von Material der Schicht 151 nicht gewünscht ist.
Es sollte beachtet werden, dass die Ätzmaske 116, beispielsweise
in Form einer Lackmaske und dergleichen, auf Grundlage von Lithographietechniken
gebildet werden kann, die jedoch weniger kritisch sind, da die lateralen
Abmessungen der kritischen Bauteilgebiete 157 größer sind
als die gewünschten
lateralen Abmessungen der Spalte 156, die in dem Gebiet 157 zu
bilden sind. Somit können im
Wesentlichen nicht-kritische Prozessparameter während eines entsprechenden
Lithographieprozesses angewendet werden. Insbesondere ist die Justiergenauigkeit
zum Definieren des Gebiets 157 weniger kritisch, da die
Lage des Spalts 156, der in dem Gebiet 157 zu
bilden ist, selbstjustiert ist, wie dies zuvor erläutert ist.
Auf der Grundlage der Ätzmaske 116 können sowohl
der Ätzprozess 112 als
auch der Prozess 113 ausgeführt werden, um damit den Spalt 156 zwischen
den Metallleitungen 152a, 152b zu erhalten, wie
dies zuvor erläutert
ist. Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem die
Maske 116 entfernt wird und ein geeignetes dielektrisches
Material zur Herstellung des entsprechenden Luftspalts 156a abgeschieden
wird.
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1q zeigt
schematisch das Bauelement 100 gemäß einer weiteren anschaulichen
Ausführungsform,
in der die Ätzmaske 116 nach
dem Bilden der Abstandshalterelemente 155s bereitgestellt
wird. In diesem Falle wird nach dem Abscheiden der Abstandshalterschicht 155 der Ätzprozess 112 ausgeführt, wie
dies zuvor beschrieben ist, und danach wird die Maske 116 durch
Lithographie auf der Grundlage nicht-kritischer Prozessbedingungen
hergestellt, wie dies auch zuvor erläutert ist. Anschließend wird
der Ätzprozess 113 ausgeführt, so
dass der Spalt 156 innerhalb des kritischen Bauteilgebiets 157 erhalten wird.
Nach dem Entfernen der Ätzmaske 116 wird
die weitere Bearbeitung fortgesetzt, wie dies auch zuvor beschrieben
ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Techniken und Mikrostrukturbauelemente
bereit, in denen die Permittivität
eines dielektrischen Materials einer Metallisierungsschicht auf
der Grundlage von Luftspalte eingestellt werden kann, die in einer
selbstjustierten Wei se ohne Lithographieprozesse zum Definieren
der Position und zum Einstellen der schließlich erreichten Größe der Luftspalte
geschaffen werden. Folglich können
beliebige geeignete dielektrische Materialien eingesetzt werden,
wobei dennoch für
eine geringe Gesamtpermittivität
zumindest innerhalb kritischer Bauteilgebiete gesorgt ist, so dass
die gesamte Handhabung der Metallisierungsschicht während der
diversen Fertigungsprozesse verbessert ist, während gleichzeitig eine gewünschte geringe
Permittivität
bereitgestellt wird. Die Positionierung und Dimensionierung der
Luftspalte kann auf der Grundlage von Abscheide- und Ätzprozessen erreicht werden,
wobei die laterale Größe der Luftspalte
unterhalb den Auflösungseigenschaften entsprechender
Lithographietechniken liegt, die zur Herstellung des betrachteten
Mikrostrukturbauelements angewendet werden. Beispielsweise kann eine
zuverlässige
und reproduzierbare Einstellung der Gesamtpermittivität zwischen
Metallleitungen mit geringem Abstand in Halbleiterbauelementen erreicht
werden, in denen Transistorelemente in der Bauteilebene mit kritischen
Abmessungen von 50 nm und deutlich weniger, etwa 30 nm und weniger,
vorgesehen sind.
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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 vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin beschriebenen und gezeigten Formen als die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
zu betrachten.