DE102008045036B4

DE102008045036B4 - Verringern kritischer Abmessungen von Kontaktdurchführungen und Kontakten über der Bauteilebene von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE102008045036B4
Application number: DE102008045036A
Authority: DE
Inventors: Kai 01689 Frohberg; Sven 02994 Mueller; Tino 09627 Hertzsch; Volker 01445 Jaschke
Original assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2028-08-30
Also published as: US20100055902A1; DE102008045036A1

Abstract

Verfahren mit:
Bilden einer Bauteilebene (110) eines Halbleiterbauelements (100), die Transistoren (111) und eine über den Transistoren (111) ausgebildete Ätzstoppschicht (122) aus Siliziumnitrid umfasst;
Bilden einer Kontaktebene (120) über der Bauteilebene (110) durch Bilden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials (121) über der Bauteilebene (110);
Bilden einer Maskenschicht (130) auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial (121) auf der Grundlage einer Ätzmaske (103) mit mehreren ersten Öffnungen (103A);
Bilden mehrerer zweiter Öffnungen (130A) in der Maskenschicht (130) der Kontaktebene (120) auf der Grundlage der mehreren ersten Öffnungen (103A); wobei die zweiten Öffnungen (130A) eine Breite (130B) zumindest an deren Unterseite besitzen, die kleiner ist als eine maximale Breite der ersten Öffnungen (103A);
Bilden von Kontaktöffnungen (120A) in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial (121) auf der Grundlage der zweiten Öffnungen (130A), so dass Teile der Ätzstoppschicht (122) freigelegt werden;
Ätzen der freigelegten Teile der Ätzstoppschicht (122) und Entfernen der Maskenschicht (130) in einem...

Description

Gebiet der vorliegenden Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von leitenden Verbindungen zwischen einzelnen Ebenen einer Kontaktstruktur und einer oder mehrerer Metallisierungsschichten.
Beschreibung des Stands der Technik
In einer integrierten Schaltung sind eine große Anzahl von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren und dergleichen in oder auf einem geeigneten Substrat hergestellt, wobei dies für gewöhnlich in einer im Wesentlichen ebenen Konfiguration erfolgt. Auf Grund der großen Anzahl an Schaltungselementen und dem erforderlichen komplexen Schaltungsaufbau in modernen integrierten Schaltungen werden im Allgemeinen die elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente nicht innerhalb der gleichen Ebene eingerichtet, in der die Schaltungselemente hergestellt sind, sondern derartige elektrische Verbindungen werden in einer oder mehreren zusätzlichen „Verdrahtungsschichten” hergestellt, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten enthalten Metallleitungen, die die elektrische Verbindung innerhalb der Ebene herstellen, und enthalten auch eine Vielzahl von Zwischenebenenverbindungen, die Kontaktdurchführungen bezeichnet werden, wobei die Metallleitungen und die Kontaktdurchführungen auch gemeinsam als Verbindungsstruktur bezeichnet werden. In dieser Anmeldung, falls dies nicht anderweitig angegeben ist, wird ein Kontakt, der mit einem Schaltungselement oder einem Teil davon, beispielsweise eine Gateelektrode oder ein Draingebiet oder ein Sourcegebiet eines Transistors, verbunden ist, ebenfalls als eine Zwischenebenenverbindung betrachtet.
Auf Grund der zunehmenden Reduzierung der Strukturgrößen von Schaltungselementen in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der Schaltungselemente für eine vorgegebene Chipfläche an, d. h. die Packungsdichte nimmt zu. Die erhöhte Packungsdichte erfordert im Allgemeinen eine noch größere Zunahme der Anzahl der elektrischen Verbindungen, um die gewünschte Schaltungsfunktion zu erhalten. Daher steigt die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten an, wenn die Anzahl an Schaltungselementen pro Chipfläche größer wird. Die Herstellung einer Vielzahl von Metallisierungsschichten beinhaltet jedoch entsprechende Herausforderungen, die es zu lösen gilt. Daher gehen die Halbleiterhersteller dazu über, das gut bekannte Metallisierungsmetall Aluminium durch ein Metall zu ersetzen, das höhere Stromdichten ermöglicht, um somit auch eine Verringerung der Abmessungen der Verbindungsstrukturen zulässt. Beispielsweise sind Kupfer und Legierungen davon Metalle, die als aussichtsreiche Kandidaten zum Ersetzen von Aluminium betrachtet werden auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und im Hinblick auf einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu Aluminium.
Obwohl gut leitende Metalle in dem Metallisierungssystem modernster Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, müssen dennoch die lateralen Abmessungen der Verbindungsstrukturen den kleineren Strukturgrößen in der Halbleiterebene des Bauelements angepasst werden, wodurch aufwendige Strukturierungstechniken für entsprechende Metallleitungen und die Zwischenebenenverbindungen erforderlich sind, die den Kontakt zwischen den einzelnen Metallisierungsebene und zwischen der Bauteilebene und dem Metallisierungssystems herstellen. Daher müssen kritische Lithographieschritte ausgeführt werden, um geeignete Lackmasken bereitzustellen, auf deren Grundlage entsprechende Öffnungen in dem dielektrischen Material zu bilden sind, die dann nachfolgend mit einem geeigneten leitenden Material gefüllt werden. Eine sehr kritische Fertigungssequenz repräsentiert die Herstellung von Kontaktelementen, d. h. von Zwischenebenenkontakten, die eine Verbindung zu Kontaktbereichen von Schaltungselementen herstellen, die in der Bauteilebene des Halbleiterbauelements vorgesehen sind, da während dieses Strukturierungsschrittes das dielektrische Zwischenschichtmaterial bis hinab zu unterschiedlichen Höhenpegeln geätzt werden muss, wobei auch eine präzise Justierung der Kontaktelemente erforderlich ist, um in geeigneter Weise eine Verbindung zu den Kontaktbereichen, etwa zu Gateelektroden, Source- und Draingebieten und dergleichen der kleinen Transistorelemente herzustellen. Insbesondere in Bauteilbereichen mit einer hohen Packungsdichte an Schaltungselementen ist typischerweise eine noch höhere Dichte an Kontaktelementen erforderlich, da für gewöhnlich jedes Schaltungselement zwei oder mehr elektrische Verbindungen zu anderen Schaltungselementen erfordert. Somit müssen zusätzlich zu der anspruchsvollen Oberflächentopographie und den unterschiedlichen Höhenniveaus, zu denen die entsprechenden Kontaktelemente sich erstrecken müssen, die entsprechenden Lackmasken auf der Grundlage kritischer Abmessungen für die entsprechende Bauteilebene hergestellt werden, wobei jedoch entsprechende Prozessschwankungen zu Kontaktausfällen führen können. Beispielsweise kann ein gewisses Maß an Schwankung zu einer gewissen Fehljustierung eines entsprechenden Kontaktelements führen, das somit mit benachbarten Schaltungselementen, etwa Gateelektroden, in Kontakt kommen kann, wodurch ein Leckstromweg oder sogar ein Kurzschluss hergestellt wird, was zu einer geringeren Zuverlässigkeit oder zu einem vollständigen Ausfall des Halbleiterbauelements führen kann. Andererseits kann ein gewisses Maß an Fehljustierung oder einer Schwankung der kritischen Abmessungen dicht beieinander liegender Kontaktelemente ebenfalls zu erhöhten Leckströmen und/oder Kurzschlüssen führen, was zu größeren Ausbeuteverlusten beiträgt.
In der US 6 387 798 B1 wird ein Verfahren zur Ausbildung von Gräben in einem dielektrischen Material, die durch schmale Abmessungen gekennzeichnet sind, und wobei ein Ätzprozess zum Bilden einer zweiten Öffnung basierend auf einer ersten Öffnung, die durch herkömmliche Lithographie in einer Maskenschicht erhalten wird, ausgeführt wird, beschrieben. Ein vergleichbares Verfahren wird in der US 6 743 712 B2 gelehrt, wobei eine sich verjüngende Öffnung in einer Maskenschicht mit Hilfe von Trockenplasmaätzen erhalten wird.
In der US 6 165 898 A wird das Ausbilden von Kontaktdurchgängen kleiner Abmessungen mit Hilfe eines ersten Ätzprozesses basierend auf einer ersten gemusterten Fotolackschicht gefolgt von einem zweiten Ätzprozess basierend auf einer zweiten Fotolackschicht beschrieben.
In der US 6 953 746 B2 und der US 5 913 148 A werden sich verjüngende Öffnungen von Maskenschichten beschrieben, wobei letztere auch das Ausbilden polymerischer Seitenwandschichten in einer geätzten Öffnung zum Ausbilden sich verjüngender Seitenwände in einer Maskenschicht lehrt.
In der DE 10 2004 042 169 A1 wird ein Verfahren beschrieben, das das Bilden eines dielektrischen Schichtstapels einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements über einem Substrat, wobei der dielektrische Schichtstapel eine dielektrische Schicht mit kleiner Dielektrizitätszahl und eine Deckschicht aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen eines ersten Ätzprozesses, um eine Öffnung in dem dielektrischen Schichtstapel zu bilden, und das Ausführen eines zweiten Ätzprozesses, um einen sich aufweitenden Bereich in einem oberen Bereich der Öffnung zu bilden.
In der US 6 365 504 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer Leitung und einem Durchgangskontakt auf einer Isolierschicht beschrieben, wobei in einer zweiten Ätzstoppschicht und einer zweiten Isolierschicht eine Öffnung gebildet wird und Abstandshalter an Seitenwänden dieser Öffnung gebildet werden und schließlich ein Durchgang auf der Grundlage der so ausgebildeten Öffnung gebildet wird. In der WO 02/071 476 A2 wird Siliziumoxid als Ätzstoppmaterial angeführt.
In der DE 103 34 406 A1 wird ein Verfahren zur Ausbildung eines Kontakts in einem Halbleiterprozess unter Verwendung dreier Maskenmuster beschriebene.
In der US 6 365 506 B1 wird ein Dualdamaszenerprozess für poröses Material mit kleiner Dielektrizitätszahl beschrieben, in dem zwei Isolierschichten auf ein poröses Material mit kleiner Dielektrizitätszahl mit unterschiedlicher Musterung ausgebildet und als Ätzmasken verwendet werden.
In der US 6 008 123 A wird ein Verfahren zur Ausbildung einer Öffnung in einer dielektrischen Schicht unter Verwendung einer darauf ausgebildeten Hartmaske beschrieben, wobei ein Abstandhalter in einer vorläufigen Öffnung ausgebildet wird.
In der US 5 614 765 A wird ein Verfahren zur Ausbildung einer Öffnung in einer dielektrischen Schicht unter Verwendung eines Maskenmusters und konform abgeschiedenem und anisotrop geätzten Materials beschrieben.
In der DE 10 2006 046 374 A1 wird ein Verfahren zur Reduktion einer Lackvergiftung während des Strukturierens von SiN-Schichten beschrieben, in dem die Oberfläche einer verspannten dielektrischen Schicht durch eine Plasmabehandlung versiegelt wird.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Zwischenebenenkontakten in einem dielektrischen Material, das über der Bauteilebene von Halbleiterbauelementen vorgesehen ist, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest verringert werden.
Überblick über die Offenbarung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, das die Schritte umfasst:
Bilden einer Bauteilebene eines Halbleiterbauelements, die Transistoren und eine über den Transistoren ausgebildete Ätzstoppschicht aus Siliziumnitrid umfasst;
Bilden einer Kontaktebene über der Bauteilebene durch Bilden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials über der Bauteilebene;
Bilden einer Maskenschicht auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial auf der Grundlage einer Ätzmaske mit mehreren ersten Öffnungen;
Bilden mehrerer zweiter Öffnungen in der Maskenschicht der Kontaktebene auf der Grundlage der mehreren ersten Öffnungen; wobei die zweiten Öffnungen eine Breite zumindest an deren Unterseite besitzen, die kleiner ist als eine maximale Breite der ersten Öffnungen;
Bilden von Kontaktöffnungen in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial auf der Grundlage der zweiten Öffnungen, so dass Teile der Ätzstoppschicht freigelegt werden;
Ätzen der freigelegten Teile der Ätzstoppschicht und Entfernen der Maskenschicht in einem Ätzschritt; und
Füllen der Kontaktöffnungen mit einem leitenden Material, um Zwischenebenenverbindungen zu bilden;
wobei Bilden der Maskenschicht umfasst: Bilden einer ersten Materialschicht aus Siliziumnitrid auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial und Bilden einer Lackschutzschicht auf der ersten Materialschicht durch Oxidieren der Oberfläche derselben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn dies mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
1a bis 1d schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung von Kontaktelementen zeigen, die eine Verbindung mit Schaltungselementen herstellen, die in einer Bauteilebene eines Halbleiterbauelements auf der Grundlage geeigneter Maskenöffnungen hergestellt werden, die eine geringere laterale Breite gemäß anschaulicher Ausführungsformen aufweisen;
1e schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements gemäß einem vergleichenden Beispiel, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt, in der die Maskenschicht mit dem sich verjüngenden Seitenwänden ein Teil des dielektrischen Zwischenschichtmaterials ist;
1f bis 1h schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements gemäß vergleichender Beispiele, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, zeigen, in denen eine anfängliche Breite von Maskenöffnungen auf der Grundlage eines Abscheideprozesses reduziert wird, um damit eine geringere laterale Breite für Kontaktöffnungen zu schaffen;
1i schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements zeigt, in der eine Maskenschicht mit Öffnungen mit geringerer Breite verwendet wird, um Kontaktdurchführungen oder Gräben in einem Metallisierungssystem des Halbleiterbauelements gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zu bilden.
Detaillierte Beschreibung
Im Allgemeinen betrifft die hierin offenbarte Lehre Techniken zur Herstellung von Zwischenebenenverbindungen auf der Grundlage eines Maskenmaterials, in der Öffnungen mit reduzierten lateralen Abmessungen im Vergleich zu entsprechenden Öffnungen ausgebildet sind, die durch eine lithographisch definierte Ätzmaske vorgesehen werden. Somit können für ein vorgegebenes Auflösungsvermögen einer Lithographietechnik die entsprechenden Prozesstoleranzgrenzen während der Herstellung kritischer Zwischenebenenverbindungen deutlich erhöht werden, indem die endgültige effektive Breite der entsprechenden Maskenöffnungen durch eine Prozesstechnik eingestellt wird, die unabhängig von dem Lithographieschritt ist. Zu diesem Zweck wird eine dielektrische Maskenschicht auf einem oberen Bereich eines dielektrischen Zwischenschichtbereichs mit geeigneten Materialeigenschaften so vorgesehen, dass diese als ein Maskenmaterial während des nachfolgenden Strukturierens des verbleibenden dielektrischen Zwischenschichtmaterials dient. Beispielsweise wird in einigen hierin offenbarten anschaulichen Ausführungsformen das Strukturieren des Maskenmaterials auf der Grundlage einer Lackmaske ausgeführt, wobei jedoch im Gegensatz zu konventionellen Lösungen Prozessparameter des Ätzprozesses so eingestellt werden, dass eine geringere Breite der resultierenden Öffnungen in dem Maskenmaterial erreicht wird, zumindest an der Unterseite davon, so dass die entsprechende reduzierte Breite dann die Herstellung von Kontaktöffnungen in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial mit geringeren kritischen Abmessungen ermöglicht. Die Einstellung von Ätzparametern ermöglicht damit einen effizienten Gesamtprozessablauf, da lediglich die zusätzliche Abscheidung des Maskenmaterials in die Abscheidesequenz zur Herstellung des dielektrischen Zwischenschichtmaterials eingeführt werden muss, während der Ätzprozess im Zusammenhang mit dem gesamten Strukturierungsprozess für das dielektrische Zwischenschichtmaterial effizient ausgeführt wird. In einigen Fällen wird das Maskenmaterial als ein Teil des dielektrischen Zwischenschichtmaterials betrachtet, wenn entsprechende Materialeigenschaften mit der weiteren Bearbeitung des Bauelements und auch mit den gesamten Bauteilerfordernissen kompatibel sind. In diesem Falle kann ein spezieller Prozess zum Entfernen des Maskenmaterials nach dem Bilden der Kontaktöffnungen weggelassen werden.
In anderen vergleichenden Beispielen, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, wird die endgültige effektive Breite der Maskenöffnungen auf der Grundlage eines Abscheideprozesses eingestellt, die, nach dem Bereitstellen der anfänglichen Maskenöffnungen auf der Grundlage der Lackmaske, durch konformes Abscheiden eines geeigneten Materials verringert werden kann, das nachfolgend in Form von Seitenwandabstandshaltern strukturiert wird, die für die gewünschten kritischen Abmessungen der Kontaktöffnungen sorgen.
Es sollte beachtet werden, dass die hierin offenbarten Prinzipien vorteilhaft auf Halbleiterbauelemente mit Schaltungselementen in der Bauteilebene angewendet werden können, die kritische Abmessungen von ungefähr 50 nm oder weniger besitzen, da in diesem Falle auch die entsprechenden Lithographieprozesse, die in der Kontaktebene und dem Metallisierungssystem auszuführen sind, äußerst aufwendige Materialien und Lithographietechniken erfordern, wobei dennoch erhöhte Ausbeuteverluste gemäß konventioneller Strategien auftreten. Die hierin offenbarten Techniken können jedoch auch auf weniger kritische Anwendungen angewendet werden, wodurch die Bedingungen im Hinblick auf die Lithographieprozesse vereinfacht werden, so dass die Verwendung von weniger komplexen Lithographieanlagen möglich ist. Somit können geringere Herstellungskosten für einen gegebenen Technologiestandard erreicht werden, wobei gleichzeitig die Möglichkeit zur Verbesserung der gesamten Zuverlässigkeit und der Ausbeute gegeben ist.
Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detailliert beschrieben.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit einem Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial repräsentiert, um darauf und darüber eine Halbleiterschicht 102 zu bilden. Beispielsweise repräsentiert das Substrat 101 ein Halbleitermaterial, etwa Silizium und dergleichen, oder ein isolierendes Material, wobei dies von den gesamten Bauteilerfordernissen abhängt. Die Halbleiterschicht 102 ist typischerweise eine siliziumbasierte Schicht, d. h. eine Schicht mit einem deutlichen Anteil an Silizium, möglicherweise in Verbindung mit anderen Komponenten, etwa Germanium und dergleichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Halbleiterschicht 102 auch aus anderen geeigneten Materialien aufgebaut sein kann, die die Herstellung einer Bauteilebene 110 ermöglichen, die als eine Ebene des Halbleiterbauelements 100 zu verstehen ist, in der halbleiterbasierte Schaltungselemente 111 ausgebildet sind. In dem in 1a gezeigten Beispiel repräsentieren die mehreren Schaltungselemente 111 Transistorelemente, die Komponenten mit kritischen Abmessungen aufweisen, wie sie durch die entsprechenden Entwurfsregeln festgelegt sind. Beispielsweise werden im Falle von Feldeffekttransistoren entsprechende Gateelektrodenstrukturen 113 vorgesehen, in denen eine kritische laterale Abmessung, die eine Gatelänge der Transistoren 111 festlegt, im Bereich von ungefähr 50 nm oder weniger liegt. Des weiteren umfassen die Schaltungselemente 111 entsprechende Kontaktbereiche 112, die Drain- und Sourcegebiete der Transistoren 111 repräsentieren können, wobei auch, wie zuvor erläutert ist, die Gateelektrodenstrukturen 113 geeignete Kontaktbereiche (nicht gezeigt) aufweisen, für die ebenfalls in einer späteren Fertigungsphase Kontaktelemente zu bilden sind. Ferner ist eine Kontaktebene 120 durch ein oder mehrere dielektrische Materialien, etwa eine Ätzstoppschicht 122 in Verbindung mit einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 121 vorgesehen. Folglich werden Materialien auf Siliziumdioxidbasis für das dielektrische Zwischenschichtmaterial 121 in Verbindung mit einem Material auf Siliziumnitridbasis für das Ätzstoppmaterial 122 vorgesehen. Es sollte beachtet werden, dass auch andere Materialzusammensetzungen für das dielektrischen Zwischenschichtmaterial 121 verwendet werden können, wobei dies von den gesamten Prozess- und Bauteilerfordernissen abhängt. Beispielsweise wird die Ätzstoppschicht 122 mit hohen inneren Verspannungspegeln vorgesehen, um damit das Leistungsverhalten entsprechender Transistorelemente 111 bei Bedarf zu verbessern. Zu diesem Zweck wird ein Siliziumnitridmaterial über Transistorelementen vorgesehen, die eine hohe kompressive Verspannung erfordern, die wiederum eine entsprechende Verformungskomponente in Kanalgebieten der jeweiligen Transistoren hervorruft, die somit darin die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht. In anderen Fällen wird das Ätzstoppmaterial 122 mit einer hohen Zugverspannungskomponente vorgesehen, wodurch die Elektronenbeweglichkeit erhöht wird und damit für ein besseres Leistungsverhalten von n-Kanaltransistoren sorgt. Somit können unterschiedliche Materialzusammensetzungen für das Ätzstoppmaterial 122 über den entsprechenden Transistorelementen bei Bedarf vorgesehen werden. Des weiteren ist in der gezeigten Fertigungsphase eine Maskenschicht 130 auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 121 mit geeigneten Materialeigenschaften ausgebildet, um als eine Ätzmaske während der Strukturierung der Kontaktebene 120 zu dienen. In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst die Maskenschicht 130 eine erste dielektrische Schicht 132, die in Form eines Siliziumnitridmaterials oder eines anderen Materials, das eine hohe Ätzselektivität in Bezug auf das dielektrische Zwischenschichtmaterial 121 besitzt, vorgesehen ist. Des weiteren ist eine zweite dielektrische Materialschicht 131 auf der Materialschicht 132 ausgebildet und dient als eine Lackschutzschicht, die den Einbau unerwünschter Sorten in ein Lackmaterial unterdrückt, das auf der Maskenschicht 130 in einer späteren Phase hergestellt wird. Bekanntlich weisen Lackmaterialien für kurze Belichtungswellenlängen von beispielsweise weniger als 300 nm eine erhöhte Empfindlichkeit im Hinblick auf das photochemische Verhalten auf, wenn gewisse Sorten, etwa Stickstoff, eingebaut werden. D. h., Stickstoff führt zu einem modifizierten photochemischen Verhalten, was somit zu nicht entfernten Bereichen des Lackmaterials führen kann, wodurch zu einer geringeren Genauigkeit des Lithogaphieprozesses beigetragen wird. Folglich können durch Vorsehen der dielektrischen Schicht 131 derartige Effekte, wie „Lackvergiftung” verringert werden, indem das Material 131 als eine im Wesentlichen stickstofffreie Materialzusammensetzung vorgesehen wird, die auch in effizienter Weise eine Stickstoffdiffusion in das Lackmaterial unterdrückt. Z. B. kann Siliziumdioxid effizient als das Material 131 verwendet werden. In anderen Fällen wird die Oberfläche der Materialschicht 132 in geeigneter Weise so behandelt, dass diese die gewünschte Lackschutzwirkung besitzt, was auf der Grundlage einer oxidierenden Plasmaumgebung bewerkstelligt werden kann, wenn das Material 132 in Form eines Siliziumnitridmaterials vorgesehen ist. In diesem Falle wird eine dünne siliziumdioxidartige Materialschicht erzeugt.
Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden.
Nach dem Bilden der Schaltungselemente 111 in der Bauteilebene 110 auf der Grundlage entsprechender Fertigungstechniken, die mit dem betrachteten Technologiestandard und den jeweiligen Entwurfsregeln übereinstimmen, werden die dielektrischen Materialien für die Kontaktebene 120 abgeschieden. Zu diesem Zweck sind gut etablierte plasmaunterstützte CVD-Techniken verfügbar, um Materialien auf Siliziumnitridbasis herzustellen. Wie zuvor erläutert ist, können, wenn hohe innere Verspannungspegel im Hinblick auf die Verbesserung des Transistorverhaltens der Elemente 111 erforderlich sind, entsprechende Abscheideparameter in geeigneter Weise auf der Grundlage gut etablierter Prozessrezepte eingestellt werden. Es sollte ferner beachtet werden, dass die Ätzstoppschicht 122 mit unterschiedlichen Verspannungspegeln in unterschiedlichen Bauteilgebieten vorgesehen werden kann, indem entsprechende Strukturierungsschemata angewendet werden, in denen Bereiche der Schicht 122 entfernt und durch ein Material ersetzt werden, das die gewünschten Eigenschaften im Hinblick auf die Materialzusammensetzung, den Verspannungspegel und dergleichen aufweist. Danach wird das dielektrische Zwischenschichtmaterial 121 abgeschieden, beispielsweise durch plasmaunterstützte CVD und/oder subatmosphärische CVD und dergleichen. Bei Bedarf kann sich ein Einebnungsschritt anschließen, um damit die gesamte Oberflächentopographie vor dem Bilden der Maskenschicht 130 zu verbessern. Zu diesem Zweck kann CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen eingesetzt werden. Als nächstes wird die Materialschicht 132 abgeschieden, beispielsweise durch plasmaunterstützte CVD, woran sich die Abscheidung des Materials 131 anschließt, oder mittels Oberflächenbehandlung, wie dies auch zuvor erläutert ist. Es sollte beachtet werden, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen, wie sie nachfolgend beschrieben sind, die Maskenschicht 130 ein Teil der Kontaktebene 120 bleiben kann, so dass eine entsprechende Dicke der Materialien 121 und 130 so angepasst wird, dass dies mit den gesamten Entwurfsregeln verträglich ist.
1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Lackmaske 103 oder eine andere Ätzmaske über der Maskenschicht 130 gebildet und umfasst Öffnungen 103A, die auf der Grundlage eines Lithographieprozesses definiert sind, der einen kritischen Prozessschritt repräsentiert, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Somit besitzen die Öffnungen 103A eine laterale Abmessung, die konventioneller Weise der lateralen Abmessung der entsprechenden Ätzmaske entspricht, die zum Strukturieren der Kontaktebene 120 zu verwenden ist. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien wird die Schicht 103 zum Strukturieren der Maskenschicht 130 verwendet, um damit eine effektive laterale Breite weiter zu reduzieren, die anfänglich durch die Öffnungen 103A definiert ist, um damit Kontaktöffnungen in der Kontaktebene 120 mit einer reduzierten Breite im Vergleich zur Breite der Öffnungen 103A zu erhalten. Somit können für den Lithographieprozess zur Herstellung der Ätzmaske 103 gut etablierte Lithographietechniken eingesetzt werden. Wie zuvor erläutert ist, kann durch Vorsehen der Lackschutzschicht 131 eine unerwünschte Lackvergiftung während des Aufbringens und Strukturierens des Lackmaterials zur Herstellung der Maske 103 unterdrückt werden. Auf der Grundlage der Maske 103 wird ein Ätzprozess 104 ausgeführt, in welchem die Prozessparameter in geeigneter Weise so eingestellt sind, dass eine geringere laterale Ätzrate mit zunehmender Ätztiefe erhalten wird. Bekanntlich können anisotrope Ätzrezepte auf der Grundlage plasmaunterstützter Ätzumgebungen eingerichtet werden, in denen die Richtungstreue der reaktiven Ionen für ein gewisses Maß an Richtungstreue des Materialabtrags sorgt, während andererseits der Einbau geeigneter Polymersorten zusätzlich ein effizientes Verhalten des Ätzprozesses ermöglicht. Beispielsweise werden entsprechende Polymermaterialien typischerweise eingebaut, die sich vorzugsweise an freiliegenden Oberflächenbereichen ansammeln, die einen geringer ausgeprägten Ionenbeschuss erfahren, etwa an im Wesentlichen vertikalen Seitenwandbereichen einer Öffnung, wodurch eine laterale Ätzrate der durch Polymer bedeckten Seitenwandbereiche deutlich verringert wird, so dass die Ätzfront im Wesentlichen vertikal fortschreitet. Andererseits kann durch geeignetes Einstellen der Menge an Polymermaterial, durch Einstellen des Prozessdruckes, dem Grad an Ionenbeschuss, eine geneigte Seitenwandfläche mit zunehmender Ätztiefe erzeugt werden. D. h., durch Variieren dieser Prozessparameter kann nahezu eine beliebige gewünschte Form der Seitenwandbereiche erzeugt werden, beispielsweise eine zunehmende laterale Breite an der Unterseite bis zu einer reduzierten lateralen Breite an der Unterseite oder es können auch nahezu vertikale Seitenwände erzeugt werden, die geeignet erscheinen. In dem vorliegenden Falle wird eine reduzierte Breite im Vergleich zur Breite der Öffnungen 103A ausgewählt, um damit eine Maskenöffnung mit geringerer lateraler Abmessung in der Schicht 130 zu schaffen. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende gut etablierte Prozessrezepte, beispielsweise für Siliziumnitrid, eingesetzt werden können und spezielle Parametereinstellungen effizient durch Testmessungen und dergleichen bestimmt werden können.
1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem zuvor beschriebenen Ätzprozess 104 und nach dem Entfernen der Ätzmaske 103. Somit sind Öffnungen 130A in der Maskenschicht 130 gebildet, wobei eine Breite 130T an der Oberseite der Öffnungen 103A größer ist als eine entsprechende Breite 130B an der Unterseite. Dies kann durch sich verjüngende Seitenwände 130S der Öffnungen 130A erreicht werden. Folglich besitzt zumindest ein Teil der Öffnung 130 eine effektive Breite die kleiner ist im Vergleich zu einer Breite der Öffnungen 103A (siehe 1b), wodurch eine Ätzmaske mit geringeren kritischen Abmessungen zur Herstellung entsprechender Kontaktöffnungen 120A in der Kontaktebene 120 bereitgestellt wird, wie dies durch die gestrichelten Linien angezeigt ist. Die Kontaktöffnungen 120A können auf der Grundlage eines beliebigen geeigneten Ätzrezepts hergestellt werden, beispielsweise unter Anwendung standardmäßiger konventioneller Ätztechniken, wobei die Maskenschicht 130 oder zumindest die Schicht 132 als ein effizientes Maskenmaterial dienen. Folglich können die Öffnungen 120A mit geringeren Abmessungen hergestellt werden, wodurch auch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, entsprechende Ausfälle auf Grund von Leckströmen, Kurzschlüssen und dergleichen zu erzeugen, wie dies auch zuvor erläutert ist. Nach dem Ätzprozess wird die Maskenschicht 130 entfernt, was in einigen anschaulichen Ausführungsformen während eines Ätzschrittes zum Ätzen der Ätzstoppschicht 122 bewerkstelligt wird, da die Schicht 132 und die Schicht 122 aus einem Material aufgebaut sind, das im Wesentlichen die gleichen Ätzeigenschaften besitzt. Anschließend werden Kontaktöffnungen 120A mit einem geeigneten leitenden Material, etwa Wolfram, Kupfer, Aluminium und dergleichen abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen gefüllt. Ein entsprechender Füllprozess kann auf der Grundlage gut etablierter Techniken ausgeführt werden, die das Abscheiden eines geeigneten Barrierenmaterials beinhalten, etwa Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, und dergleichen, wobei dies von dem in die Öffnungen 120A einzufüllenden leitenden Material abhängt. Danach wird überschüssiges Material entfernt, beispielsweise durch CMP, wodurch ebenfalls die gesamte Oberflächentopographie eingeebnet wird.
1d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach der zuvor beschriebenen Prozesssequenz. Wie gezeigt, sind Kontaktelemente 123, die mit einem geeigneten leitenden Material gefüllt sind, in der Kontaktebene 120 hergestellt und erstrecken sich bis zu den Kontaktbereichen 112. Da die Kontaktelemente 123 für eine vorgegebene Lithographietechnik kleinere laterale Abmessungen im Vergleich zu konventionellen Halbleiterbauelementen besitzen, können Kontaktausfälle, die durch Kurzschlüsse von Leckstromwege hervorgerufen werden, reduziert werden, wie dies auch zuvor erläutert ist.
1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß einem vergleichenden Beispiel, in der die Maskenschicht 130 ein Teil der Kontaktebene 120 ist. D. h., die Höhe des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 121 ist in geeigneter Weise so festgelegt, dass dieses in Verbindung mit der Schicht 131 als ein Zwischenschichtmaterialstapel gemäß den gesamten Entwurfserfordernissen dient. Somit wird nach dem Bilden der Maskenschicht 130 auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 121 eine Lackmaske gebildet, etwa die Maske 103 (siehe 1b) und es wird ein Ätzprozess ausgeführt, etwa der Prozess 104 (siehe 1b), um die Öffnungen 130A mit der gewünschten geringeren lateralen Abmessung zu bilden, wie dies zuvor erläutert ist. Danach werden die Ätzchemie und die Prozessparameter geeignet geändert, um durch das dielektrische Zwischenschichtmaterial 121 zu ätzen, um somit die Öffnungen 120A mit geringeren Abmessungen zu erhalten. Anschließend wird die Ätzstoppschicht 122 geöffnet und die Lackmaske wird entfernt. Daraufhin wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem ein geeignetes leitendes Material abgeschieden wird, wie dies auch zuvor dargelegt ist. Somit wird in diesem Beispiel ein zusätzlicher Ätzschritt zum Entfernen der Maskenschicht weggelassen, wodurch die gesamte Prozesseffizienz verbessert wird. Es sollte beachtet werden, dass bei Bedarf die Schicht 131 mit geeigneten Oberflächeneigenschaften vorgesehen wird, um damit ein höheres Maß an Kompatibilität mit konventionellen Techniken zu erreichen, da die Schicht 131 für ähnliche Materialeigenschaften wie in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 121 sorgen kann.
1f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß weiterer vergleichender Beispiele, in denen die Maskenschicht 130 so strukturiert wird, dass diese Öffnungen 130A aufweiset, die im Wesentlichen den Öffnungen 130A (siehe 1b) einer entsprechenden Lackmaske entsprechen. Zu diesem Zweck wird ein beliebiges gut etabliertes anisotropes Ätzrezept eingesetzt, um das Material der Schicht 130 selektiv zu dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 121 zu ätzen, das als ein Ätzstoppmaterial dient.
1g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines Abscheideprozesses 105, der so gestaltet ist, dass ein dielektrisches Material 133, beispielsweise Siliziumnitrid und dergleichen konform abgeschieden wird, das somit auch an Seitenwänden 130S der Öffnung 130A gebildet wird, wodurch die effektive Breite der Öffnungen 130A verringert wird. Der Abscheideprozess 105 kann auf der Grundlage gut etablierter Rezepte ausgeführt werden, beispielsweise in Form von plasmaunterstützter CVD, die auf Basis moderat geringer Temperaturen durchführbar ist, die wiederum mit der Fertigungsphase des Bauelements 100 verträglich sind. Somit kann durch geeignetes Auswählen einer Dicke 133T mit entsprechenden Ätzparametern eines nachfolgenden Ätzprozesses die effektive Breite der Öffnungen 130A eingestellt werden.
1h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, sind Abstandshalterelemente 133S an Seitenwänden 130S ausgebildet, was durch Ausführen eines anisotropen Ätzprozesses bewerkstelligt wird, um das Material der Schicht 133 von horizontalen Bauteilbereichen zu entfernen. Zu diesem Zweck können weniger gut etablierte plasmaunterstützte Ätzrezepte eingesetzt werden. Beispielsweise sind eine Vielzahl selektiver Ätzrezepte zum Ätzen von Siliziumnitrid selektiv zu Siliziumdioxid verfügbar, die zum Herstellen der Abstandshalterelemente 133S angewendet werden können. Somit kann während des entsprechenden Ätzprozesses Schicht 131 als ein Ätzstoppmaterial dienen, wodurch ein Materialabtrag der Schicht 132 im Wesentlichen vermieden wird. Somit definieren die Abstandshalter 133S die effektive Breite 130W der Maskenschicht 130, wobei dies unabhängig von dem vorhergehenden Lithographieprozess ist. Somit kann durch geeignetes Einstellen der Breite der Abstandshalterelemente 133S eine gewünschte geringere kritische Abmessung der entsprechenden Kontaktöffnungen erreicht werden. Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, wie dies auch zuvor beschrieben ist, d. h. die Kontaktebene 120 wird auf der Grundlage der Maskenschicht 130 strukturiert und anschließend wird die Maskenschicht 130 abgetragen, beispielsweise wenn die Ätzstoppschicht 122 geöffnet wird, wie dies zuvor erläutert ist.
1i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Maskenschicht 130 mit den Öffnungen 130A mit geringerer Breite zum Strukturieren von Kontaktöffnungen in einer Metallisierungsebene des Halbleiterbauelements 100 angewendet wird. Wie gezeigt, weist das Bauelement 100 zusätzlich zu der Kontaktebene, die zuvor erläutert ist, eine oder mehrere Metallisierungsschichten 140, 150 auf, wovon zumindest eine auf der Grundlage von Zwischenebenenverbindungen angeschlossen wird, die auf der Grundlage der Maskenschicht 130 hergestellt werden. In der gezeigten Ausführungsform enthält die Metallisierungsschicht 140 ein geeignetes dielektrisches Material 141, in welchem Metallgebiete 143, beispielsweise in Form von Metallleitungen und dergleichen, eingebettet sind. Es sollte beachtet werden, dass in anspruchsvollen Anwendungen die Metallgebiete 143 Kupfer in Verbindung mit leitenden Barrierenmaterialien aufweisen, wie dies auch zuvor beschrieben ist. In ähnlicher Weise kann das dielektrische Material 141 ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweisen, was als ein dielektrisches Material zu verstehen ist, das eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger besitzt. Ferner ist eine Ätzstoppschicht oder Deckschicht 142 über dem dielektrischen Material 141 und den Metallgebieten 143 gebildet. Auch die Metallisierungsschicht 150 weist ein geeignetes dielektrisches Material 151 auf, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε und dergleichen.
Die Metallisierungsschichten 150, 140 können gemäß gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden. Es sollte beachtet werden, dass eines oder mehrere der Metallgebiete 143 auf der Grundlage einer Maskenschicht, etwa der Maskenschicht 120, hergestellt werden können, um in geeigneter Weise deren lateralen Abmessungen auf der Grundlage einer vorgegebenen Lithographietechnik zu verringern. Wenn beispielsweise die Metallisierungsschicht 140 die erste Metallisierungsschicht repräsentiert, können die Metallleitungen 143 mit geringeren lateralen Abmessungen hergestellt werden, um damit in geeigneter Weise eine Verbindung zur Kontaktebene mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit zum Erzeugen von Leckstromwegen und Kurzschlüssen herzustellen, wie dies zuvor beschrieben ist. Danach wird das dielektrische Material 151 abgeschieden, das das dielektrische Material für eine Schicht mit Kontaktdurchführungen repräsentiert, die über der Metallisierungsschicht 140 zu bilden ist. Als nächstes wird die Maskenschicht 130 gemäß den Prozesstechniken hergestellt, wie sie zuvor erläutert sind. D. h., es werden geeignete Materialien abgeschieden und nachfolgend strukturiert, beispielsweise unter Anwendung des Ätzprozesses 104 (siehe 1b), um die Öffnungen 130A mit reduzierter Breite zu erhalten. Danach werden entsprechende Kontaktöffnungen 150A auf der Grundlage der Maskenschicht 130 hergestellt. Als nächstes wird die Maskenschicht 130 entfernt, was beispielsweise bewerkstelligt wird, indem durch die Ätzstoppschicht 142 geätzt wird, wenn die Materialien der Schicht 130 und die Ätzstoppschicht 142 im Wesentlichen die gleichen Ätzeigenschaften besitzen.
Folglich kann die Maskenschicht 130 auch vorteilhaft zur Herstellung von Kontaktdurchführungen oder Gräben für Metallleitungen mit geringeren lateralen Abmessungen eingesetzt werden, wodurch die gesamten Prozesstoleranzbereiche im Hinblick auf eine vorgegebene Lithographietechnik vergrößert werden.
Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Techniken zur Herstellung kritischer Zwischenebenenverbindungen bereit, etwa für Kontaktelemente in der Kontaktebene moderner Halbleiterbauelemente, indem die beschränkten Lithographieauflösungsvermögen erweitert werden, indem eine Maskenschicht vorgesehen wird, deren Öffnungen beispielsweise mittels eines gestalteten Ätzprozesses oder mittels eines Abscheideprozesses verringert werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Kurzschlüssen und Leckströmen in Bauteilbereiche verringert wird, in denen eine hohe Dichte der entsprechenden Zwischenebenenverbindungen erforderlich ist.

Claims

Verfahren mit: Bilden einer Bauteilebene (110) eines Halbleiterbauelements (100), die Transistoren (111) und eine über den Transistoren (111) ausgebildete Ätzstoppschicht (122) aus Siliziumnitrid umfasst; Bilden einer Kontaktebene (120) über der Bauteilebene (110) durch Bilden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials (121) über der Bauteilebene (110); Bilden einer Maskenschicht (130) auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial (121) auf der Grundlage einer Ätzmaske (103) mit mehreren ersten Öffnungen (103A); Bilden mehrerer zweiter Öffnungen (130A) in der Maskenschicht (130) der Kontaktebene (120) auf der Grundlage der mehreren ersten Öffnungen (103A); wobei die zweiten Öffnungen (130A) eine Breite (130B) zumindest an deren Unterseite besitzen, die kleiner ist als eine maximale Breite der ersten Öffnungen (103A); Bilden von Kontaktöffnungen (120A) in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial (121) auf der Grundlage der zweiten Öffnungen (130A), so dass Teile der Ätzstoppschicht (122) freigelegt werden; Ätzen der freigelegten Teile der Ätzstoppschicht (122) und Entfernen der Maskenschicht (130) in einem Ätzschritt; und Füllen der Kontaktöffnungen (120A) mit einem leitenden Material, um Zwischenebenenverbindungen zu bilden; wobei Bilden der Maskenschicht (130) umfasst: Bilden einer ersten Materialschicht (132) aus Siliziumnitrid auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial (121) und Bilden einer Lackschutzschicht (131) auf der ersten Materialschicht (132) durch Oxidieren der Oberfläche derselben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenebenenverbindungen eine Verbindung zu Kontaktbereichen von Transistorelementen herstellen, die in der Bauteilebene (110) ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenebenenverbindungen eine Verbindung zu Metallgebieten (143) einer Metallisierungsschicht (140) des Halbleiterbauelements (100) herstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der zweiten Öffnungen (130A) umfasst: Einstellen von Prozessparametern eines Ätzprozesses derart, dass die zweiten Öffnungen (130A) mit sich verjüngenden Seitenwänden gebildet werden.