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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Kontaktebene eines Halbleiterauelements, in der Kontaktbereiche, etwa Gateelektroden und Drain- und Sourcegebiete mit dem Metallisierungssystem des Halbleiterbauelements auf der Grundlage von Kontaktelementen verbunden sind.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, Speicherbauelemente und dergleichen, wird eine sehr große Anzahl an Schaltungselementen, insbesondere Transistoren, in einem beschränkten Chipbereich vorgesehen und betrieben. Obwohl große Fortschritte über die letzten Jahrzehnte hinweg im Hinblick auf eine höhere Leistungsfähigkeit und kleinere Strukturgrößen der Schaltungselemente erreicht wurden, zwingt die ständige Nachfrage nach mehr Funktionen von elektronischen Bauelementen die Halbleiterhersteller dazu, die Abmessungen der Schaltungselemente weiter zu verringern und deren Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die kontinuierliche Verringerung der Strukturgrößen erfordert einen großen Aufwand beim Neugestalten von Prozessstechniken und beim Entwickeln neuer Prozessstrategien und Prozessanlagen, um mit neuen Entwurfsregeln Schritt zu halten. Im Allgemeinen wird in komplexen Schaltungen, die komplexe Logikbereiche enthalten, die MOS-Technologie aktuell als bevorzugte Fertigungstechnik im Hinblick auf das Bauteilverhalten und/oder der Leistungsaufnahme und/oder die Kosteneffizienz eingesetzt. In integrierte Schaltungen mit logischen Bereichen, die durch die MOS-Technologie hergestellt sind, wird eine große Anzahl an Feldeffekttransistoren (FET) vorgesehen, die typischerweise in einem geschalteten Modus betrieben werden, d. h. diese Bauelemente besitzen einen sehr gut leitenden Zustand (Ein-Zustand) und einen hochohmigen Zustand (Aus-Zustand). Der Zustand des Feldeffekttransistors wird durch eine Gateelektrode gesteuert, die beim Anlegen einer geeigneten Steuerspannung die Leitfähigkeit eines Kanalgebiets steuert, das zwischen einem Drainanschluss und einem Sourceanschluss angeordnet ist.
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Auf der Grundlage von Feldeffekttransistoren werden dann komplexere Schaltungskomponenten aufgebaut, etwa Inverter und dergleichen, wodurch komplexe Logikschaltungen, Speicherbauelemente und dergleichen hergestellt werden. Auf Grund der geringeren Abmessungen wurde die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltungskomponenten bei jeder neuen Schaltungsgeneration gesteigert, wobei jedoch der begrenzende Faktor der schließlich erreichten Arbeitsgeschwindigkeit komplexer integrierter Schaltungen nicht mehr die einzelnen Transistorelemente sind, sondern das Verhalten des komplexen Verdrahtungsnetzwerkes, das über der Bauteilebene, die die eigentlichen halbleiterbasierten Schaltungselemente, etwa die Transistoren, und dergleichen, enthält, hergestellt wird. Auf Grund der großen Anzahl an Schaltungselementen und dem erforderlichen komplexen geometrischen Aufbau moderner integrierter Schaltungen können typischerweise die elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente nicht in der gleichen Bauteilebene hergestellt werden, in der die Schaltungselemente ausgebildet sind, sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche Metallisierungsschichten erforderlich, die im Allgemeinen metallenthaltende Leitungen, die die elektrische Verbindung innerhalb der Ebene schaffen, und auch mehrere Verbindungen zwischen den Ebenen enthalten, die auch als Kontaktdurchführungen bezeichnet werden. Diese Verbindungsstrukturen enthalten ein geeignetes Metall und liefern die elektrische Verbindung der einzelnen Schaltungselemente und der diversen gestapelten Metallisierungsschichten.
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Um eine Verbindung der Schaltungselemente mit den Metallisierungsschichten einzurichten, ist eine geeignete vertikale Kontaktstruktur vorgesehen, die ein entsprechendes Kontaktgebiet eines Schaltungselements, etwa eine Gateelektrode und/oder die Drain- und Sourcegebiete von Transistoren, mit einer entsprechenden Metallleitung in der ersten Metallisierungsschicht verbindet. Die Kontaktstruktur enthält Kontaktelemente oder Kontaktpfropfen, die in einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial gebildet sind, das die Schaltungselemente umschließt und passiviert. Bei einer weiteren Verringerung der kritischen Abmessungen der Schaltungselemente in der Bauteilebene müssen auch die Abmessungen von Metallleitungen, Kontaktdurchführungen und Kontaktelementen an die kleineren Abmessungen angepasst werden, wodurch komplexe metallenthaltende Materialien und dielektrische Materialien erforderlich sind, um die parasitäre Kapazität in den Metallisierungsschichten zu verringern und um eine ausreichend hohe Leitfähigkeit der einzelnen Metallleitungen und Kontaktdurchführungen zu erreichen. Beispielsweise wird in komplexen Metallisierungssystemen Kupfer in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε, die als dielektrische Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 3,0 oder weniger zu betrachten sind, typischerweise eingesetzt, um das erforderliche elektrische Verhalten und das Elektromigrationsverhalten zu erreichen, wie dies im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der integrierten Schaltungen erforderlich ist. Folglich werden in tiefer liegenden Metallisierungsebenen Metallleitungen und Kontaktdurchführungen mit kritischen Abmessungen von ungefähr 100 nm und deutlich weniger vorgesehen, um die erforderliche „Packungsdichte” gemäß der Dichte an Schaltungselementen in der Bauteilebene zu erreichen.
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Bei einer weiteren Verringerung der Abmessungen der Schaltungselemente, beispielsweise unter Anwendung von kritischen Abmessungen von 50 nm und weniger, müssen auch die Kontaktelemente in der Kontaktebene mit geeigneten kritischen Abmessungen in der gleichen Größenordnung vorgesehen werden. Die Kontaktelemente repräsentieren typischerweise Pfropfen, Gräben und dergleichen, die aus einem geeigneten Metall oder Metallzusammensetzung aufgebaut sind, wobei in komplexen Halbleiterbauelementen Wolfram in Verbindung mit geeigneten Barrierenmaterialien sich als ein geeignetes Kontaktmetall erwiesen hat. Bei der Herstellung von Kontaktelementen auf Wolframbasis wird typischerweise das dielektrische Zwischenschichtmaterial zuerst hergestellt und danach strukturiert, so dass es Kontaktöffnungen erhält, die sich durch das dielektrische Zwischenschichtmaterial zu dem entsprechenden Kontaktbereichen der Schaltungselemente erstrecken. Zu diesem Zweck müssen Öffnungen mit sehr unterschiedlicher Tiefe in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial erzeugt werden, um etwa die Gateelektroden oder andere Leitungen, die über der Halbleiterschicht ausgebildet sind, anzuschließen, während andere Kontaktöffnungen sich bis hinab zu der Halbleiterschicht erstrecken, d. h. zu Kontaktbereichen, die darin ausgebildet sind. Insbesondere in dicht gepackten Bauteilgebieten ist die laterale Größe der Drain- und Sourcebereiche und somit die verfügbaren Bereiche für Kontaktgebiete 100 nm und weniger, wodurch extrem komplexe Lithographie- und Ätztechniken erforderlich sind, um die Kontaktöffnungen mit gut definierten lateralen Abmessungen und mit einem hohen Grad an Justiergenauigkeit herzustellen, während der Unterschied in der Ätztiefe zusätzlich zu der gesamten Komplexität des Strukturierungsprozesses beiträgt. Nach dem Freilegen der Kontaktbereiche, die häufig in Form von Metallsilizidgebieten vorgesehen sind, wird üblicherweise ein Barrierenmaterial vorgesehen, beispielsweise in Form eines Materialsystems mit Titan und Titannitrid, wobei das Titanmaterial für die erforderliche Haftung sorgt, während das Titannitridmaterial eine bessere Integrität des dielektrischen Zwischenschichtmaterials während des nachfolgenden Abscheidens des Wolframmaterials bewahrt, was auf der Grundlage komplexer CVD-Techniken bewerkstelligt wird, in denen ein direkter Kontakt zwischen dem siliziumdioxidbasierten Material und der Abscheideumgebung zum Abscheiden des Wolframmaterials zu vermeiden ist. Typischerweise geht der eigentlichen Abscheidung des Wolframmaterials das Abscheiden einer Nukleationsschicht auf der Grundlage von Wolfram voraus, was bewerkstelligt werden kann, in dem ein spezieller Abscheideschritt ausgeführt wird, nach welchem das eigentliche Füllmaterial vorgesehen wird. Nach dem Abscheiden dieser Materialien wird überschüssiges Material entfernt, etwa durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren), wodurch die isolierten Kontaktelemente in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial erzeugt werden. Obwohl die Prozesssequenz zum Strukturieren der Kontaktöffnungen und zum Füllen dieser Öffnungen mit Barrierenmaterialien und Wolfram zu Kontaktelementen führt, die einen gewünschten Kontaktwiderstand für die Halbleiterbauelemente mit kritischen Abmessungen von 50 nm besitzen, führt eine weitere Verringerung der Größe der Transistoren zu einem erhöhten Kontaktwiderstand, der nicht mehr mit den Bauteilerfordernissen kompatibel ist. D. h., bei einer weiteren Größenreduzierung der Bauelemente repräsentiert der größere Kontaktwiderstand, der sich aus konventionellen Kontaktschemata auf Wolframbasis ergibt, einen begrenzenden Faktor der Arbeitsgeschwindigkeit der integrierten Schaltungen, wodurch zumindest teilweise viele Vorteile aufgehoben werden, die durch eine weitere Verringerung der kritischen Abmessungen in der Bauteilebene erreicht werden.
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Aus diesen Gründen wurden andere Abscheidestrategien entwickelt, um Kontaktöffnungen mit großem Aspektverhältnis zu füllen, etwa die elektrochemische Abscheidung und dergleichen. Obwohl in einigen dieser Vorgehensweisen spezielle leitende Barrierenmaterialien, etwa Titannitrid, Tantalnitrid und dergleichen nicht erforderlich sind, was somit zu einer besseren Gesamtleitfähigkeit der resultierenden Kontaktelemente führt, führen beim weiteren Verringern der Größe von Bauelementen durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten, etwa Hohlräume und dergleichen, zu einem deutlich größeren Gesamtkontaktwiderstand, wie dies nachfolgend detaillierter mit Bezug zu den 1a und 1b erläutert ist.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit mehreren halbleiterbasierten Schaltungselementen 150, die in und über einer Halbleiterschicht 102 ausgebildet sind. Die Halbleiterschicht 102 ist über einem Substrat 101 gebildet, etwa einem Halbleitermaterial und dergleichen. Z. B. sind die Schaltungselemente 150 Feldeffekttransistoren mit einer Gateelektrodenstruktur 151, die einen beliebigen geeigneten Aufbau gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen besitzt. Die Gateelektrodenstruktur 151 enthält einen Kontaktbereich 155, der ein Teil eines Elektrodenmaterials und dergleichen sein kann. Des weiteren umfassen die Transistoren 150 Drain- und Sourcegebiete 153, die in einem entsprechenden aktiven Gebiet 102a gebildet sind, das einen Teil der Halbleiterschicht 102 repräsentiert, in welchem die pn-Übergänge und somit die Dotierstoffprofile für einen oder mehrere Transistoren, etwa die Transistoren 150, gebildet sind. Die Drain- und Sourcegebiete 153 enthalten typischerweise einen Kontaktbereich 154 etwa in Form eines Metallsilizidgebiets und dergleichen. Des weiteren sind die Transistoren 150 in einem dielektrischen Material 110 eingebettet, das im Weiteren auch als dielektrisches Zwischenschichtmaterial bezeichnet wird, das somit ein dielektrisches Material repräsentiert, das zur Passivierung der Transistoren 150 und anderer halbleiterbasierter Schaltungselemente vorgesehen ist und dass diese Schaltungselemente von einem Metallisierungssystem (nicht gezeigt) trennt, das über dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 110 herzustellen ist. Wie gezeigt enthält das dielektrische Zwischenschichtmaterial 110 zwei oder mehr unterschiedliche Materialien, etwa eine Schicht 111, etwa in Form eines Siliziumnitridmaterials, woran sich eine weitere Schicht 112 anschließt, etwa in Form eines Siliziumdioxidmaterials. Des weiteren sind Kontaktelemente 120a, 120b in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 110 ausgebildet und weisen ein geeignetes leitendes Material 122, etwa Wolfram, Kobalt und dergleichen auf, wobei häufig, wie zuvor erläutert ist, ein Aktivierungsmaterial 121 an Seitenwänden der Kontaktelemente 120a, 120b und an einer Unterseite davon vorgesehen ist, um beispielsweise die elektrochemische Abscheidung des eigentlichen Füllmaterials 122 zu veranlassen. Wie gezeigt ist, erstrecken sich die Kontaktelemente 120a, 120b zu den entsprechenden Kontaktbereichen 155, 154 und erstrecken sich somit zu unterschiedlichen Höhenniveaus in dem Bauelement 100, wobei die Höhe als der „vertikale” Abstand der Unterseite der Kontaktöffnungen 120a, 120b von einer geeigneten Referenzebene zu verstehen ist, etwa der Grenzfläche, die zwischen der Halbleiterschicht 120 und dem Substrat 101 gebildet ist. In diesem Sinne ist die Höhe für die Unterseite des Kontaktelements 120b geringer als die Höhe für die Unterseite der Kontaktöffnung 120a.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage etablierter Prozessstrategien hergestellt werden, in denen das aktive Gebiet 102a und die Schaltungselemente 150, beispielsweise in Form von Feldeffekttransistoren, gemäß komplexer Prozessstrategien hergestellt werden. Beispielsweise repräsentiert die Herstellung der Gateelektrodenstrukturen 151 eine sehr kritische Prozessphase, da in komplexen Anwendungen eine Gatelänge 151l 50 nm und deutlich weniger beträgt, wodurch aufwendige Lithographie- und Ätzstrategien erforderlich sind. Ferner werden komplexe Materialsysteme eingesetzt, beispielsweise in Form von dielektrischen Materialien mit großem ε für ein Gatedielektrikumsmaterial in Verbindung mit metallenthaltenden Elektrodenmaterialien, wobei dies von den gesamten Bauteilerfordernissen abhängt. In ähnlicher Weise sind für die Dotierstoffprofile der Drain- und Sourcegebiete 153 geeignete Fertigungsstrategien notwendig. Während einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase vor oder nach dem Fertigstellen der Transistoren 150, wie sie in 1a gezeigt sind, wird zumindest ein Teil des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 110 hergestellt. Beispielsweise wird die Schicht 111 auf der Grundlage plasmaunterstützter CVD-Techniken abgeschieden, woran sich das Abscheiden des Materials 112, beispielsweise unter Anwendung von subatmosphärischer CVD und dergleichen, anschließt. Daraufhin wird die resultierende Oberflächentopographie typischerweise eingeebnet, beispielsweise durch CM (chemisch-mechanisches Polieren), um bessere Prozessbedingungen für das Strukturieren des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 110 zu schaffen, um damit entsprechende Kontaktöffnungen darin zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden komplexe Prozessstrategien angewendet, beispielsweise unter Anwendung von Hartmaskenmaterialien und dergleichen. Daraufhin wird die Aktivierungsschicht 121 oder eine leitende Barrierenschicht abgeschieden, beispielsweise durch CVD, Sputter-Abscheidung und dergleichen, wodurch das Bauelement 100 für ein nachfolgendes Abscheiden des eigentlichen Füllmetalls 122 vorbereitet wird. Wie zuvor erläutert ist, muss das Füllmaterial 122 in die Kontaktöffnung eingefüllt werden, die mindestens eine laterale Abmessung aufweisen, die vergleichbar ist zu den kritischen Abmessungen der Transistoren 150, wodurch komplexe Abscheidetechniken erforderlich sind. Dennoch können gewisse durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten, beispielsweise in Form von Säumen oder Hohlräumen 123 hervorgerufen werden, selbst wenn sehr komplexe Abscheidrezepte angewendet werden, d. h. selbst wenn elektrochemische Abscheidetechniken verwendet werden. Nach dem Einfüllen des leitenden Kontaktmetalls 122 und nach dem Entfernen überschüssigen Material, etwa durch CMP und dergleichen, wodurch auch Teile der Aktivierungsschicht oder Barrierenschicht 121 von horizontalen Bereichen des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 110 entfernt werden, können die Hohlräume 123 weiter zu Ungleichmäßigkeiten während der weiteren Bearbeitung beitragen und können auch einen deutlich erhöhten Kontaktwiderstand hervorrufen, so dass sich daraus ein reduziertes Gesamtleistungsverhalten ergibt.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer Fertigungsphase, in der das Kontaktmetall 122 so abgeschieden ist, dass es die Kontaktöffnungen 110a, 110b auffüllt, wobei dies auf Abscheiderezepten beruht, in denen ein besseres Füllverhalten von „unten nach oben” erreicht wird, um zu versuchen, entsprechende Hohlräume zu verringern oder zu vermeiden, wie dies beispielsweise in 1a in Form der Hohlräume 123 gezeigt ist. In diesem Falle entsteht jedoch ein ausgeprägtes Risiko, Hohlräume 124 an den oberen Bereich der Kontaktöffnungen 110, 110b zu erzeugen, da in einer abschließenden Phase des Abscheideprozesses das Aufwachsen des Materials 122 an der Oberseite der Öffnungen 110, 110b zu ein „Abschnüren” des Abscheidematerials führen kann, wodurch die Hohlräume 124 erzeugt werden. Beim Entfernen von überschüssigem Material der Schicht 122 können somit die Hohlräume 124 teilweise in den resultierenden Kontaktelementen bleiben und können somit zu weiteren Ungleichmäßigkeiten während der weiteren Bearbeitung beitragen und auch die Gesamtleitfähigkeit herabsetzen.
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In der
US 5 219 789 A wird ein Verfahren zum Bilden eines Kontaktbereichs beschrieben, in dem eine Titanium-Wolfram-Schicht in einer Kontaktöffnung gebildet wird, in einem oberen Bereich derselben entfernt wird und zum Bilden eines Wolframkontakts in der Kontaktöffnung verwendet wird.
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Gemäß der Lehre der
US 6 204 561 B1 wird ein Ti/TiN-Stapel in einer Kontaktöffnung gebildet. Diese wird sodann mit Photolack gefüllt und nach dem Entfernen eines Teils des Ti/TiN-Stapels und des Photolacks wird die Kontaktöffnung mit auf dem Rest des Ti/TiN-Stapels aufgewachsenen Wolframs gefüllt.
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In der
US 6 174 813 B1 wird ein Dual-Damaszener-Prozess beschrieben, in dem ein Kontaktmetall in einer mit Ti/TIN beschichteten Öffnung ausgebildet wird.
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In der
US 5 484 747 A wird das Ausbilden eines Kontakts beschrieben, in dem ein Kontaktmetall in einer mit Ti/TiN beschichteten Öffnung ausgebildet wird.
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In der
JP 2001-323381 A wird das Ausbilden eines Kontakts beschrieben, in dem durch stromloses chemisches Abscheiden Kupfer in einer Kontaktöffnung gebildet wird.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken zur Herstellung von Kontaktelementen, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
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Überblick über die Erfindung
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen Kontaktelemente in der Kontaktebene des Halbleiterbauelements mit reduzierten durch Abscheidung hervorgerufenen Unregelmäßigkeiten bereitgestellt werden, wodurch eine höhere Prozessgleichmäßigkeit während der weiteren Bearbeitung erreicht wird und wodurch auch die Gesamtleitfähigkeit der Kontaktelemente verbessert wird. Zu diesem Zwecke wird ein besseres Füllverhalten von unten nach oben bereitgestellt, indem das Abscheiden des leitenden Füllmaterials auf der Grundlage eines Aktivierungsmaterials in Gang gesetzt wird, das selektiv an einem unteren Teil der entsprechenden Kontaktöffnungen vorgesehen wird, so dass das Abscheiden anfänglich von dem unteren Teil der Kontaktöffnung „gespeist” wird, während ein entsprechender Abschnürreffekt an dem oberen Teil der Öffnung deutlich unterdrückt wird auf Grund des Fehlens des Aktivierungsmaterials an dem oberen Teil der Kontaktöffnung. Folglich können beliebige geeignete selektive Abscheidetechniken mit besserem Füllverhalten angewendet werden, etwa stromloses Plattieren, selektive CVD-Techniken, ALD (Atomlagenabscheidung), und dergleichen, in denen die Abscheidung eines gewünschten Füllmaterials auf der Grundlage eines geeigneten Aktivierungsmaterials in Gang gesetzt wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt bereit ein
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Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements in einem Halbleiterbauelement, wobei das Verfahren umfasst:
Bilden einer ersten Kontaktöffnung in einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial, wobei die erste Kontaktöffnung eine Verbindung zu einem Kontaktbereich eines Schaltungselements herstellt, das in einem Halbleitergebiet des Halbleiterbauelements ausgebildet ist;
Bilden einer Aktivierungsschicht über dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial und in der Kontaktöffnung;
Entfernen eines ersten Bereichs der Aktivierungsschicht von dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial und von einem Teil der ersten Kontaktöffnung, während ein zweiter Bereich der Aktivierungsschicht zumindest an der Unterseite der ersten Kontaktöffnung bewahrt wird; wobei Entfernen des ersten Bereichs der Aktivierungsschicht umfasst: Vorsehen eines Opfermaterials derart, dass die erste Kontaktöffnung gefüllt wird, und Entfernen eines ersten Teils des Opfermaterials derart, dass ein zweiter Teil des Opfermaterials bewahrt wird, der den zweiten Bereich der Aktivierungsschicht abdeckt;
Ausführen eines selektiven Abscheideprozesses unter Anwendung des zweiten Bereichs der Aktivierungsschicht als ein Aktivierungsmaterial des Abscheideprozesses, so dass ein leitendes Material in die erste Kontaktöffnung eingefüllt wird;
Entfernen von überschüssigem Material des leitenden Materials, um das Kontaktelement herzustellen; und
Bilden einer zweiten Kontaktöffnung in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial derart, dass diese sich zu einer Tiefe erstreckt, die größer ist als eine Tiefe der ersten Kontaktöffnung, und Vorsehen des Opfermaterials derart, dass es die erste Kontaktöffnung und die zweite Kontaktöffnung füllt; und
wobei Entfernen des ersten Teils des Opfermaterials umfasst: Entfernen von Material des Opfermaterials von der zweiten Kontaktöffnung, um einen dritten Teil des Opfermaterials in der zweiten Kontaktöffnung zu bewahren, wobei eine Höhe des dritten Teils des Opfermaterials in der zweiten Kontaktöffnung sich von einer Höhe des zweiten Teils des Opfermaterials in der ersten Kontaktöffnung unterscheidet.
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Die vorliegende Erfindung stellt zudem bereit ein
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Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements in einem Halbleiterbauelement, wobei das Verfahren umfasst:
Bilden einer Kontaktöffnung in einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial, wobei die Kontaktöffnung eine Verbindung zu einem Kontaktbereich eines Schaltungselements herstellt, das in einem Halbleitergebiet des Halbleiterbauelements ausgebildet ist;
Bilden einer Aktivierungsschicht über dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial und in der Kontaktöffnung;
Entfernen eines ersten Bereichs der Aktivierungsschicht von dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial und von einem Teil der Kontaktöffnung, während ein zweiter Bereich der Aktivierungsschicht zumindest an der Unterseite der Kontaktöffnung bewahrt wird; wobei Entfernen des ersten Bereichs der Aktivierungsschicht umfasst: Vorsehen eines Opfermaterials derart, dass die Kontaktöffnung gefüllt wird, und Entfernen eines ersten Teils des Opfermaterials derart, dass ein zweiter Teil des Opfermaterials bewahrt wird, der den zweiten Bereich der Aktivierungsschicht abdeckt;
Ausführen eines selektiven Abscheideprozesses unter Anwendung des zweiten Bereichs der Aktivierungsschicht als ein Aktivierungsmaterial des Abscheideprozesses, so dass ein leitendes Material in die Kontaktöffnung eingefüllt wird;
Entfernen von überschüssigem Material des leitenden Materials, um das Kontaktelement herzustellen; und
Bilden einer Barrierenschicht in der Kontaktöffnung in Gegenwart des zweiten Teils des Opfermaterials und Ausführen eines Ätzprozesses um aus dem Barrierenmaterial eine Deckschicht selektiv auf Seitenwandbereichen der Kontaktöffnung zu bilden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a und 1b schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements mit Kontaktelementen zeigen, die auf der Grundlage konventioneller Strategien hergestellt werden, wodurch durch Abscheidung hervorgerufene Hohlräume in den Kontaktelementen erzeugt werden;
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2a bis 2h schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der konventionellen Herstellung von Kontaktelementen zeigen, wobei ein Aktivierungsmaterial verwendet wird, das nur in einem Unterteil der Kontaktöffnungen aufgebracht wird;
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2i und 2j schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, in denen eine leitende Barrierenschicht selektiv in einen oberen Teil von Kontaktöffnungen gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen vorgesehen wird; und
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2k und 2l schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wenn das Aktivierungsmaterial in Kontaktöffnungen unterschiedlicher Tiefe so gebildet wird, dass es sich zu unterschiedlichen Niveaus gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen erstreckt.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt allgemein Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen ein verbessertes Füllverhalten von unten nach oben während des Abscheideprozesses zum Einfüllen eines leitenden Materials in Kontaktöffnungen erreicht wird, die in der Kontaktebene eines Halbleiterbauelements ausgebildet sind. Dazu wird ein geeignetes Aktivierungsmaterial selektiv in dem unteren Teil einer Kontaktöffnung vorgesehen, wodurch das Ausführen selektiver Abscheidetechniken möglich ist, in denen das Aktivierungsmaterial das Abscheiden des leitenden Füllmaterials in Gang setzt. Auf Grund der selektiven Anordnung des Aktivierungsmaterials in dem unteren Teil der Kontaktöffnungen kann eine frühe Abscheidung des leitenden Materials in dem oberen Teil der Kontaktöffnung unterdrückt werden, wodurch ein besseres Füllverhalten der Kontaktöffnung erreicht wird. Beispielsweise kann auf der Grundlage eines selektiv aufgebrachten Aktivierungsmaterials eine beliebige geeignete selektive Abscheidetechnik, etwa stromloses Plattieren, selektive CVD, selektive ALD oder metallorganische CVD, beispielsweise zum Abscheiden von Kobalt oder anderer geeigneter Metallsorten, angewendet werden, wobei die Abscheidung dann das verbesserte Füllverhalten von unten nach oben zeigt. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird das Aktivierungsmaterial selektiv in den unteren Teil der Kontaktöffnungen hergestellt, indem ein Opfermaterial, etwa ein Einebnungsmaterial verwendet wird, wie es auch häufig in Lithographieprozessen eingesetzt wird, um eine im Wesentlichen ebene Oberflächentopographie beim Ausführen komplexer Lithographieprozesse zu schaffen. Beispielsweise sind viele Polymermaterialien verfügbar, die auf der Grundlage von Aufschleudertechniken und dergleichen in einem sehr viskosen Zustand aufgebracht werden, wodurch die Kontaktöffnungen zuverlässig gefüllt werden, so dass ein nachfolgendes gesteuertes Entfernen eines Teils des Opfermaterials und somit ein steuerbares Abdecken eines Aktivierungsmaterials in dem unteren Teil der Kontaktöffnungen beim Entfernen des Aktivierungsmaterials selektiv in dem oberen Bereich der Kontaktöffnungen möglich ist. In weiteren anschaulichen Ausführungsformen werden unterschiedliche Höhen des Opfermaterials oder des Einebnungsmaterials in unterschiedlichen Kontaktöffnungen verwirklicht, so dass ein gesteuertes Füllverhalten von unten nach oben in Kontaktöffnungen mit unterschiedlicher Tiefe erreicht wird.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2l werden nunmehr weitere Beispiele des Stands der Technik und anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a und 1b verwiesen wird.
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2a zeigt gemäß dem Stand der Technik schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem Substrat 201, über welchem eine Halbleiterschicht 202 ausgebildet ist. Die Halbleiterschicht 202 und das Substrat 201 repräsentieren eine beliebige geeignete Konfiguration zur Herstellung halbleiterbasierter Schaltungselemente 250, etwa von Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und dergleichen, wie sie typischerweise in komplexen integrierten Schaltungen erforderlich sind. Beispielsweise bilden die Schicht 202 und das Substrat 201 eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration, wenn ein vergrabenes isolierendes Material (nicht gezeigt) zwischen dem Substrat 201 und der Schicht 202 ausgebildet ist. In anderen Fallen repräsentiert das Halbleitermaterial 202 einen Teil eines kristallinen Halbleitermaterials des Substrats 201, wodurch eine „Vollsubstratkonfiguration” erzeugt wird. Die Halbleiterschicht 202 enthält geeignete Halbleitergebiete oder aktive Gebiete 202a, in und über denen ein oder mehrere der Schaltungselemente 250 gemäß den gesamten Entwurfsregeln ausgebildet sind. In dem gezeigten Beispiel repräsentiert das Schaltungselement 250 einen Feldeffekttransistor mit einer Gateelektrodenstruktur 251, die wiederum einen Kontaktbereich 255 aufweist. Das Schaltungselement 250 umfasst einen Kontaktbereich 254, der in der Halbleiterschicht 202 ausgebildet ist, beispielsweise als Teil von Drain- und Sourcegebieten 253. Es ist zu beachten, dass das Schaltungselement 250 ein anderes Schaltungselement darstellen kann, was auf der Halbleiterschicht 202 oder auf Isolationsstrukturen (nicht gezeigt), die darin ausgebildet sind, ausgebildet ist, etwa auf flachen Grabenisolationen, wobei zumindest ein Kontaktbereich, etwa der Bereich 255 und/oder 254 mit einem Kontaktelement anzuschließen ist, das noch herzustellen ist. Das Schaltungselement 250 besitzt somit Kontaktbereiche 255, 254, die auf unterschiedlichen Höhenniveaus in dem oben definierten Sinne angeordnet sind, während in anderen Fällen Kontaktbereiche so vorgesehen werden, dass diese im Wesentlichen auf der gleichen Höhe angeordnet sind, wenn beispielsweise Kontaktbereiche 254 unterschiedlicher Schaltungselemente mittels Kontaktelementen zu kontaktieren sind, die auf der Grundlage eines separaten Fertigungsablaufs hergestellt werden, während Kontaktbereiche 255 diverser Schaltungselemente Kontaktelemente erhalten, die unabhängig zu anderen Kontaktelementen hergestellt werden.
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Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement 200 ein dielektrisches Material, das, wie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist, auch als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 210 bezeichnet werden kann, das über und angrenzend an den Schaltungselementen 250 ausgebildet ist. Beispielsweise enthält das dielektrische Zwischenschichtmaterial 210 zwei oder mehr einzelne Materialschichten, etwa eine Schicht 211 und eine Schicht 212 in Form von Siliziumnitrid, Siliziumdioixid und dergleichen. Eine erste Kontaktöffnung 210a ist ferner in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210 so gebildet, dass diese sich zu dem Kontaktbereich 255 und somit zu einer ersten Tiefe 210c erstreckt. In ähnlicher Weise ist eine zweite Kontaktöffnung 210b in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210 so gebildet, dass diese sich zu dem Kontaktbereich 254 und somit zu einer Tiefe 210c erstreckt, die sich in dem gezeigten Beispiel von einer Tiefe 201d unterscheidet. Wie zuvor erläutert ist, besitzen die Kontaktöffnungen 210a, 210b mindestens eine laterale Abmessung, beispielsweise in 2a die horizontale Erstreckung der Öffnungen 210a, 210b, die 100 nm und deutlich kleiner sein kann, etwa 50 nm und weniger, um damit mit kritischen Abmessungen der Schaltungselemente 250 verträglich zu sein. In einigen Beispielen ist eine leitende Barrierenschicht 225 auf dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210 und somit in den Öffnungen 210a, 210b ausgebildet. Die leitende Barrierenschicht 225 weist ein geeignetes Material oder Materialsystem auf, etwa Titannitrid, Tantalnitrid, wenn eine diffusionsblockierende Wirkung im Hinblick auf weitere Materialien erforderlich ist, die zumindest teilweise innerhalb der Öffnungen 210a, 210b herzustellen sind. Wenn beispielsweise ein in einer späteren Fertigungsphase in den Kontaktöffnungen 210a, 210b herzustellendes Aktivierungsmaterial eine höhere Diffusion besitzt oder nicht geeignet ist, um als eine Diffusionsbarriere im Hinblick auf ein leitendes Füllmaterial zu dienen, das in einer späteren Fertigungsphase vorgesehen wird, wird die Schicht 225 mit einer geeigneten Dicke und Materialzusammensetzung bereitgestellt, um für die erforderlichen Diffusionsblockiereigenschaften zu sorgen. In anderen Beispielen des Stands der Technik, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist, kann eine Diffusionsblockierschicht oder eine leitende Barrierenschicht in einem oberen Bereich der Kontaktöffnungen 210a, 210b in einer späteren Fertigungsphase bei Bedarf hergestellt werden.
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Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden, um das aktive Gebiet 202a bereitzustellen und um darin und darüber das Schaltungselement 250 zu erzeugen. Beispielsweise können ähnliche Prozessstrategien angewendet werden, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind. Nach der Herstellung des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 210 können somit die Kontaktöffnungen 210a, 210b auf der Grundlage geeigneter Lithographie- und Strukturierungsstrategien hergestellt werden. Danach wird die optionale leitende Barrierenschicht 225 aufgebracht, beispielsweise durch eine beliebige geeignete Abscheidetechnik, etwa Sputter-Abscheidung, CVD, ALD und dergleichen. Wie zuvor erläutert ist, wird eine Dicke der Schicht 225 so festgelegt, dass die erforderliche Diffusionsblockierwirkung erreich wird.
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2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein Aktivierungsmaterial 221 über dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210 und in den Kontaktöffnungen 210a, 210b ausgebildet, wobei zu beachten ist, dass das Aktivierungsmaterial 221 auf der leitenden Barrierenschicht 225 (siehe 2a) ausgebildet sein kann, wenn verbesserte Diffusionsblockiereigenschaften während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 200 erforderlich sind. In anderen Beispielen dient die Schicht 221 selbst als eine geeignete Diffusionsbarriere für ein weiteres Füllmaterial, das noch vorzusehen ist, während in noch anderen Fällen ein geeignetes leitendes Füllmaterial verwendet wird, das keine ausgeprägten Diffusionsblockiereigenschaften erfordert. Das Aktivierungsmaterial 221 besitzt einen geeigneten Aufbau, um damit die Initialisierung einer Materialabscheidung während eines nachfolgenden Abscheideprozesses zu ermöglichen, wodurch ein gewünschtes selektives Abscheideverhalten erreicht wird. Beispielsweise ist das Aktivierungsmaterial 221 auf Kobalt, Nickel, Palladium, Platin und dergleichen aufgebaut, die somit als Katalysatormaterialien während spezieller Abscheideprozesse dienen, etwa beim stromlosen Plattieren, bei CVD-Prozessen, bei ALD, d. h. bei selbstbegrenzenden CVD-Techniken, und dergleichen. Das Aktivierungsmaterial 221 kann in sehr konformer Weise auf der Grundlage von CVD-Techniken hergestellt werden, etwa durch ALD und dergleichen, wofür viele gut etablierte Abscheiderezepte verfügbar sind.
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2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wobei ein Opfermaterial oder Einebnungsmaterial 203 über dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210 vorgesehen ist und damit die Öffnungen 210a, 210b ausfüllt. Das Material 203 kann als ein Polymermaterial vorgesehen werden, das geeignete Spaltfülleigenschaften besitzt, wenn es auf eine Oberfläche aufgebracht wird, die eine ausgeprägte Oberflächentopographie besitzt. Beispielsweise können viele Polymermaterialien effizient als Einebnungsmaterialien während komplexer Strukturierungsprozesse verwendet werden, und derartige Materialien können auch effizient als das Material 203 verwendet werden. Beispielsweise wird das Material 203 durch Aufschleudertechniken in einem Zustand geringer Viskosität aufgebracht, wodurch eine im Wesentlichen ebene Oberflächentopographie erreicht wird. Daraufhin wird das Material 203 ausgehärtet oder in anderer Weise behandelt, beispielsweise durch Wärme, Strahlung, und dergleichen.
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2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es der Einwirkung einer reaktiven Prozessatmosphäre 204 unterliegt, die einen geeigneten Materialabtragungsprozess repräsentieren kann, um Material des Opfermaterials 203 zu entfernen, während in einigen Beispielen des Stands der Technik (nicht gezeigt) wird der reaktive Prozess 204 auch so gestaltet ist, dass das Material der Schicht 221 abgetragen wird. In dem gezeigten Beispiel wird der Prozess 204 als ein Ätzprozess ausgeführt, etwa ein plasmaunterstützter Ätzprozess, ein nasschemischer Ätzprozess, ein strahlungsinduzierter Verdampfungsprozess, und dergleichen, um damit einen ersten Bereich 203 des Materials 203 zu entfernen, wodurch ebenfalls ein oberer Bereich 210u in der ersten und der zweiten Kontaktöffnung 210a, 210b definiert ist. In dem gezeigten Beispiel ist der Prozess 204 in Bezug auf das Material 221 selektiv, wodurch ein erster Bereich 221a der Schicht 221 in dem oberen Teil 210u der ersten und der zweiten Kontaktöffnung 210a, 210b freigelegt wird. Wie zuvor erläutert ist, wird in anderen Beispielen der erste Bereich 221a ebenfalls während des Ätzprozesses 204 entfernt. Somit bildet sich ein zweiter Bereich 203b einen unteren Bereich 210l in der ersten und der zweiten Kontaktöffnung 210a, 210b, der jedoch eine andere „vertikale” Erstreckung und somit Tiefe besitzt, und die Höhe der bewahrten Bereiche 203b im Wesentlichen gleich ist auf Grund der zuvor bereitgestellten im Wesentlichen ebenen Oberflächentopographie der Schicht 203 und auf Grund relativ gleichmäßigen Abtragungsverhaltens während des Prozesses 204. Es sollte beachtet werden, dass viele nasschemische Ätzrezepte verfügbar sind, in denen Polymermaterialien selektiv in Bezug auf dielektrische und leitende Materialien abgetragen werden können. Ferner sind auch plasmaunterstützte Ätzrezepte verfügbar, beispielsweise auf der Grundlage von Sauerstoffplasma und dergleichen, um Polymermaterialien in gut steuerbarer Weise abzutragen. Somit kann die Höhe des verbleibenden Bereichs 203b in den Öffnungen 210a, 210b auf der Grundlage von Prozessparametern des Prozesses 204 bei einem vorgegebenen Ätzrezept so gesteuert werden, dass die Größe des oberen Teils 210u und damit von ersten Bereichen 221a geeignet eingestellt wird, um damit durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten während der weiteren Bearbeitung zu vermeiden, wenn das eigentliche Kontaktmetall eingefüllt wird.
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2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, unterliegt das Bauelement 200 der Einwirkung einer weiteren reaktiven Prozessumgebung 205, die gestaltet ist, um den ersten Bereich 221 (siehe 2d) des Aktivierungsmaterials in Anwesenheit des verbleibenden Bereichs 203b des Einebnungsmaterials zu entfernen. Zu diesem Zweck wird die reaktive Prozessumgebung 205 auf der Grundlage nasschemischer Ätzrezepte oder plasmaunterstützter Ätzrezepte eingerichtet, um ein im Wesentlichen isotropes Ätzverhalten und dergleichen zu erhalten. Zu diesem Zweck ist eine Vielzahl an Chemien verfügbar, um leitende Materialien zu ätzen. Wie zuvor erläutert ist, wird in einigen Beispielen das Entfernen dieses Bereichs des Einebnungsmaterials 203 (siehe 2d) und des Bereichs des Aktivierungsmaterials 221a in einer gemeinsamen Prozesssequenz bewerkstelligt, wenn dies als geeignet erachtet wird. In dem in 2e gezeigten Beispiel dient der verbleibende Bereich 203b des Einebnungsmaterials als ein effizientes Ätzstoppmaterial, das somit den zweiten Bereich 221b des Aktivierungsmaterials bewahrt. Daraufhin umfasst der Prozess 205 einen weiteren Prozessschritt, um den Bereich 203b zu entfernen, wie dies durch die gestrichelten Linien angegeben ist. Zu diesem Zweck können beliebige geeignete nasschemische oder plasmaunterstützte Chemien angewendet werden. Folglich enthält der untere Teil 210l die zweiten Bereiche 221b des Aktivierungsmaterials, während die oberen Teile 210u zumindest wesentliche Anteile des Aktivierungsmaterials nicht aufweisen, wodurch ein ausgeprägtes Materialwachstum während des Einfüllens eines leitenden Kontaktmetalls in einer späteren Fertigungsphase unterdrückt wird.
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2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß Beispielen des Stands der Technik, in denen das leitende Barrierenmaterial 225 vorgesehen ist. In dem gezeigten Beispiel wird das leitende Barrierenmaterial 225 in dem oberen Teil 210u und dem unteren Teil 210l vorgesehen, wodurch eine diffusionsblockierende Wirkung für die Kontaktöffnungen 210a, 210b im Hinblick auf das Abscheiden des entsprechenden Kontaktmetalls erreicht wird. Zu diesem Zweck wird der vorhergehende Ätzprozess, etwa der Prozess 205 zum Entfernen des ersten Bereichs des Aktivierungsmaterials als ein selektiver Ätzprozess ausgeführt, in welchem das leitende Barrierenmaterial 225 als ein effizientes Ätzstoppmaterial dient. Wie zuvor angegeben ist, können zu diesem Zweck gut etablierte selektive Ätzrezepte, etwa nasschemische Ätzrezepte oder plasmaunterstützte Ätzrezepte angewendet werden. In anderen Beispielen, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist, wird ein zusätzliches leitendes Barrierenmaterial selektiv in den oberen Teilen 210u vorgesehen, wenn eine signifikante Materialerosion oder ein vollständiges Entfernen des Materials 225 während der Strukturierung des Aktivierungsmaterials 221b auftreten kann. In anderen Beispielen dient das Aktivierungsmaterial 221b als ein effizientes Diffusionsblockiermaterial und ein zusätzliches Diffusionsblockiermaterial ohne Katalysatoreigenschaften wird selektiv in den oberen Bereichen 210u hergestellt, wie dies auch nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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2g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Abscheideprozess 206 ausgeführt wird, so dass, ein leitendes Material, beispielsweise in Form eines beliebigen geeigneten Metalls, und dergleichen, in die Kontaktöffnungen 210a, 210b in selektiver Weise abgeschieden wird, indem die Aktivierungsmaterialien 221b als Material zum in Gang setzen der Abscheidung des Materials 222 verwendet wird. In diesem Sinne wird der Abscheideprozess 206 als ein selektiver Abscheideprozess betrachtet, da das Aufwachsen des Materials 222 auf dem Material 221 beginnt, während ein anfängliches Abscheiden auf anderen Oberflächenbereichen, etwa dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210, unterdrückt ist. Beispielsweise repräsentiert der Abscheideprozess 206 einen stromlosen Plattierungsprozess, der auf der Grundlage einer geeigneten Elektrolytlösung ausgeführt wird, wobei eine gewünschte Metallsorte, etwa Kolbalt, Kupfer, Nickel, eine Kobalt/Wolfram/Phosphor-Verbindung, eine Nickel/Molybden/Phosphor-Verbindung, und dergleichen effizient abgeschieden werden. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende elektrochemische Abscheiderezepte gut etabliert sind auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung, beispielsweise zur Herstellung geeigneter Metallisierungssysteme und dergleichen. In anderen Fällen repräsentiert der Abscheideprozess 206 einen CVD- artigen Abscheideprozess, etwa eine ALD und dergleichen, in der jedoch eine anfängliche Abscheidung im Wesentlichen auf das Aktivierungsmaterial 221b beschränkt ist, wodurch ebenfalls ein besseres Füllverhalten von unten nach oben erreicht wird. Beispielsweise können viele Metallmaterialien auf der Grundlage von metallenthaltenden CVD-Vorstufengasen abgeschieden werden, wobei die anfängliche Abscheidung auf einer geeigneten Metalloberfläche stattfindet, während die Abscheidung auf dielektrischen Oberflächenbereichen deutlich geringer ausgeprägt ist.
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2h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines Abtragungsprozesses 207, um überschüssiges Material der Kontaktelemente 220a, 220b bei Bedarf zu entfernen. Beispielsweise wird der Abtragungsprozess 207 als ein CMP-Prozess, ein elektrochemischer Ätzprozess, ein Reinigungsprozess mit Bürsten oder als ein nasschemischer Ätzproezess oder ein plasmaunterstützter Ätzprozess oder auch eine Kombination aus entsprechenden Prozesstechniken ausgeführt. Folglich können die Kontaktelemente 220a, 220b voneinander isoliert werden und weisen einen oberen Bereich 220u auf, in dem das Aktivierungsmaterial nicht vorhanden ist, während in einem unteren Bereich 220l das Aktivierungsmaterial 221b vorgesehen ist. Es sollte beachtet werden, dass zusätzlich das leitende Barrierenmaterial 225, wie es in 2f gezeigt ist, in den Kontaktelementen 220a, 220b vorhanden sein kann, wenn eine erhöhte Diffusionsblockierwirkung erforderlich ist, wie es auch zuvor erläutert ist.
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Mit Bezug zu den 2i und 2j werden nunmehr anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, in denen ein zusätzliches leitendes Barrierenmaterial in dem oberen Teil der Kontaktöffnung hergestellt wird.
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2i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer Fertigungsphase, in der die Kontaktöffnungen 210a, 210b das Opfermaterial 203b und das Aktivierungsmaterial 221b in dem unteren Teil aufweisen, während ein leitendes Barrierenmaterial 225u über dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210 und in dem oberen Teil 210u ausgebildet ist. Es sollte beachtet werden, dass, wenn das Aktivierungsmaterial 221b nicht ausreichende Diffusionsblockierwirkungen bereitstellt, auch ein leitendes Barrierenmaterial in den unteren Teilen 210l, etwa in Form des Materials 225 vorgesehen werden kann, wie dies auch zuvor in den 2a oder 2f gezeigt ist. Das zusätzliche leitende Barrierenmaterial 225u weist eine beliebige geeignete Materialzusammensetzung auf, die für die bessere Diffusionsblockiereigenschaft sorgt, wobei es nicht als ein Katalysatormaterial während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 200 dient. Beispielsweise können Titannitrid, Tantalnitrid, und dergleichen als Material für die Schicht 225u verwendet werden. Das Material 225u wird auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht wobei eine Prozesstemperatur geeignet so gewählt wird, dass diese mit den Materialeigenschaften des Opfermaterials 203b verträglich ist. Beispielsweise können während der Sputter-Abscheidung moderat geringe Temperaturen von ungefähr 300 Grad C und weniger angewendet werden.
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2j zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es der Einwirkung eines anisotropen Ätzprozesses 208 unterliegt, in welchem das Material 225u (siehe 2l) selektiv in Bezug auf das Material 203b und, wenn eine Materialerosion des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 210 als ungeeignet erachtet wird, auch selektiv in Bezug auf das Material 210 geätzt wird. Während des Ätzprozesses 208 werden folglich ”Seitenwandabstandshalter” in dem oberen Teil 210u der Kontaktöffnung 210a, 210b erzeugt, während das Material 203b die Integrität der Materialien 221b bewahrt. Daraufhin wird das Material 203b auf der Grundlage einer geeigneten Prozesstechnik entfernt, wie dies zuvor erläutert ist. Folglich besitzen die Öffnungen 210a, 210b eine bessere Diffusionsblockierwirkung auf Grund der Seitenwandabstandhalter in den oberen Teilen 210u und auf Grund des Materials 221b, möglicherweise in Verbindung mit dem Material 225 (siehe 2f), in dem unteren Teil 210l. Daher kann die Weiterbearbeitung fortgesetzt werden, indem das leitende Füllmaterial, etwa Kupfer und dergleichen abgeschieden wird, das einen besseren Einschluss erfordert, was ebenfalls in dem oberen Bereich 210u erreicht werden kann, wenn ein leitendes Barrierenmaterial beim Strukturieren des Materials 221b entfernt wurde, oder wenn ein entsprechendes leitendes Barrierenmaterial nicht vorgesehen wurde, da das Material 221b selbst als ein effizientes Diffusionsbarrierenmaterial dient. Andererseits kann eine ausgeprägte anfängliche Materialabscheidung auf den Seitenwandabstandshalter unterdrückt werden.
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Mit Bezug zu den 2k und 2l werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, in denen die unteren Teile der Kontaktöffnungen sich zu unterschiedlichen Höhen erstrecken, um damit zusätzlich das Füllverhalten von unten nach oben zu steuern.
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2k zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer Fertigungsphase, in der das Opfermaterial 203 in den Öffnungen 210a, 210b ausgebildet ist und auch über dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 210 vorgesehen ist. Ferner ist ein zusätzliches Opfermaterial 203c oder Maskenmaterial so vorgesehen, dass es über der Öffnung 210a ausgebildet ist, während der Bereich der Schicht 203, der über der Kontaktöffnung 210b ausgebildet ist, frei liegt. Das zusätzliche Material oder Maskenmaterial 203c kann auf der Grundlage gut etablierter Lithographietechniken vorgesehen werden, indem beispielsweise ein Lackmaterial erzeugt wird und dieses Material gemäßgut etablierter Rezepte belichtet und entwickelt wird. Auf der Grundlage des Materials 203c wird ein Abtragungsprozess ausgeführt, beispielsweise wie dies zuvor mit Bezug zu 2b erläutert ist, wobei jedoch auf Grund der Anwesenheit des zusätzlichen Materials 203c die Ätzfront tiefer in die Kontaktöffnung 210b vordringt und somit bei einer vorgegebenen Ätzzeit ein Unterschied im Höhenniveau des verbleibenden Teils des Materials 203 für die Kontaktöffnungen 210a, 210b hervorgerufen wird. In anderen Fällen wird ein erster Ätzschritt ausgeführt, so dass ein Teil des Materials 203, der durch die Maske 203c freigelegt ist, entfernt wird, die nachfolgend selektiv in Bezug auf das Material 203 entfernt wird, die dann weiter geätzt wird, wodurch ebenfalls unterschiedliche Höhen für das verbleibende Opfermaterial 203b in den Kontaktöffnungen 201a, 201b erhalten werden.
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2l zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit den verbleibenden Bereichen 203b in den Öffnungen 210a, 210b, wodurch die oberen Teile 210u so definiert sind, dass diese sich zu unterschiedlichen Höhen erstrecken. D. h., der obere Teil 210u der ersten Kontaktöffnung 210a besitzt eine Tiefe 210e, die geeignet so gewählt ist, dass das gewünschte Füllverhalten von unten nach oben während der nachfolgenden Prozesse erreicht wird. Andererseits besitzt der obere Teil 210u der zweiten Kontaktöffnung 210b eine Tiefe 210f, die größer als die Tiefe 210e, d. h. die oberen Teile 210u erstreckt sich zu unterschiedlichen Höhen in der ersten und der zweiten Kontaktöffnung 210a, 210b. Während der weiteren Bearbeitung, d. h. beim Entfernen des freiliegenden Bereichs der Schicht 221, erstreckt sich folglich der verbleibende Bereich 221b des Aktivierungsmaterials in der Öffnung 210b zu einer geringeren Höhe, wodurch bessere Prozesstoleranzen während des nachfolgenden selektiven Abscheideprozesses erreicht werden, da eine Abscheidung an Seitenwänden des oberen Teils 210u, der sich nunmehr zu einer größeren Tiefe erstreckt, unterdrückt ist. Folglich wird ein geeignetes Füllverhalten von unten nach oben erreicht, selbst wenn ein signifikanter Unterschied in der Tiefe der anfänglichen Kontaktöffnungen 210a, 210b besteht. Die Bearbeitung wird dann auf Grundlage von Prozesstechniken fortgesetzt, wie sie auch zuvor beschrieben sind. Beispielsweise gelten auf das Vorsehen von Barrierenschichten die gleichen Kriterien, wie sie auch zuvor erläutert sind.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen ein verbessertes Füllverhalten nach unten nach oben erreicht wird, indem ein Aktivierungsmaterial nur in einem unteren Teil der Kontaktöffnung vorgesehen wird, das anfängliche Materialwachstum während des nachfolgenden Einfüllens des leitenden Kontaktmetalls auf die unteren Teile der Kontaktöffnungen beschränkt ist.
