-
Gebiet der vorliegenden Erfindung
-
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Mikrostrukturen, etwa moderne integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere Metallisierungssysteme mit geringeren Abmessungen und einer beeinträchtigten Korngrößenverteilung in Metallleitungen in Metallisierungsschichten integrierter Schaltungen.
-
Beschreibung des Stands der Technik
-
Auf dem Gebiet moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter Schaltungen, gibt es ein ständiges Bestreben, die Strukturgrößen der Mikrostrukturelemente zu verringern, um damit das Funktionsverhalten dieser Struktur zu verbessern. Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsvermögen dieser Schaltungen im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration reduziert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren erhöht wird, verringert sich auch die verfügbare Fläche für die Verbindungsstrukturen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsstrukturen reduziert werden, um der geringeren verfügbaren Fläche und der größeren Anzahl an Schaltungselemente pro Chipeinheitsfläche Rechnung zu tragen. Die geringere Querschnittsfläche der Verbindungsstrukturen möglicherweise in Verbindung mit einer Zunahme der statischen Leistungsaufnahme äußerst größenreduzierter Transistoren erfordert, dass gestapelte Metallisierungsschichten vorgesehen werden, um den Erfordernissen im Hinblick auf eine tolerierbare Stromdichte in den Metallleitungen zu genügen.
-
Moderne integrierte Schaltungen, die Transistoren mit einer kritischen Abmessung von ungefähr 40 nm oder weniger aufweisen, erfordern daher jedoch deutlich erhöhte Stromdichten in den einzelnen Metallleitungen, trotz des Vorsehens einer relativ großen Anzahl an Metallisierungsschichten auf Grund der großen Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche. Das Betreiben der Metallleitungen bei erhöhten Stromdichten kann jedoch eine Reihe von Problemen nach sich ziehen, die mit belastungsinduzierten Leitungsbeeinträchtigungen verknüpft sind, die schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltungen führen können. Ein wichtiges Phänomen in dieser Hinsicht ist die stromhervorgerufene Materialdiffusion in Metallleitungen, die auch als „Elektromigration” bezeichnet wird, die zu der Ausbildung von Hohlräumen innerhalb und von Materialanhäufungen neben den Metallleitungen führt, woraus sich ein geringes Leistungsvermögen und eine reduzierte Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall des Bauelements ergeben kann. Die Elektromigration ist eine Erscheinung, die typischerweise in Metallleitungen auftritt, wenn ein ausgeprägter Impulsübertrag von Elektronen auf die Rumpfatome oder Ionen stattfindet. Auf Grund dieses Impulsübertrages werden die Atome oder Ionen verschoben und diese bewegen sich somit in Richtung des Elektronenstromes, wodurch zunehmend Bereiche stromaufwärts mit weniger ausgeprägtem Elektromigrationswiderstandsvermögen an Material verarmen, während sich Metallmaterial zunehmend in speziellen stromabwärts gelegenen Bereichen ansammelt. Diese Materialverarmung kann zunehmend die Querschnittsfläche des stromaufwärts gelegenen Bereichs verringern, wodurch Hohlräume erzeugt werden, und wodurch schließlich ein Gesamtausfall der Metallleitung hervorgerufen wird. Die gerichtete Diffusion von Metallatomen und Ionen wird „gefördert” durch die Anwesenheit ausgeprägter Diffusionspfade, etwa Korngrenzen von Metallleitungen, Grenzflächen zwischen dem Metall und einem Barrierenmaterial, und dergleichen.
-
Beispielsweise wird Aluminium, das in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet ist, häufig als Metall für Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist, moderne integrierte Schaltungen mit kritischen Abmessungen von 0,04 μm oder weniger deutlich geringere Querschnittsflächen der Metallleitungen und somit erhöhte Stromdichten benötigen, wodurch Aluminium zu einem weniger attraktiven Material für die Herstellung von Metallisierungsschichten auf Grund seiner ausgeprägten Elektromigrationswirkung wird.
-
Folglich wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand besitzt und auch eine höhere Widerstandsfähigkeit im Hinblick auf Elektromigrationswirkungen bei höheren Stromdichten im Vergleich zu Aluminium zeigt. Das Einführen von Kupfer bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen zieht eine Reihe ernster Probleme nach sich auf Grund der Eigenschaften des Kupfers, gut in Siliziumdioxid und einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu diffundieren. Um die notwendige Haftung zu erreichen und um die ungewünschte Diffusion von Kupferatomen in empfindliche Bauteilbereiche zu unterdrücken, ist es daher für gewöhnlich erforderlich, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorzusehen, in welchem die Kupferleitungen eingebettet sind. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material ist, das wirksam die Diffusion von Kupferatomen unterbindet, ist die Verwendung von Siliziumnitrid als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial weniger wünschenswert, da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität besitzt, wodurch die parasitäre Kapazität benachbarter Kupferleitungen ansteigt. Daher wird eine dünne leitende Barrierenschicht, die auch dem Kupfer die erforderliche mechanische Stabilität verleiht, so erzeugt, dass diese das Kupfer von dem umgebenden dielektrischen Material trennt, so dass lediglich ein dünne Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumkarbidschicht oder eine Siliziumnitridschicht mit angereichertem Kohlenstoff in Form einer Deckschicht häufig in kupferbasierten Metallisierungsschichten verwendet wird. Gegenwärtig sind Tantal, Titan, Wolfram und deren Verbindungen mit Stickstoff und Silizium und dergleichen bevorzugte Kandidaten für eine leitende Barrierenschicht, wobei die Barrierenschicht zwei oder mehr Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzungen aufweisen kann, um damit den Erfordernissen im Hinblick auf die Diffusionsunterdrückung und die Hafteigenschaften zu genügen.
-
Eine weitere Eigenschaft des Kupfers, die es wesentlich von Aluminium unterscheidet, ist die Tatsache, dass Kupfer nicht effizient in größeren Mengen durch chemische und physikalische Dampfabscheidetechniken aufgebracht werden kann. Des weiteren kann Kupfer nicht effizient durch anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert werden, wodurch eine Prozessstrategie notwendig ist, die üblicherweise als Damaszener-Technik oder Einlegetechnik bezeichnet wird. In dem Damaszener-Prozess wird zunächst eine dielektrische Schicht hergestellt, die dann strukturiert wird, so dass sie Gräben und Kontaktlöcher aufweist, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden, wobei, wie zuvor angemerkt ist, vor dem Einfüllen des Kupfers eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der Gräben und Kontaktlöcher vorgesehen wird. Das Abscheiden des Kupferfüllmaterials in Gräben und Kontaktlöcher wird üblicherweise mittels nasschemischer Abscheideprozesse bewerkstelligt, etwa durch Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, wobei somit die das zuverlässige Auffüllen von Kontaktlöchern mit einem Aspektverhältnis von 5 und mehr bei einem Durchmesser von ungefähr 0,1 μm oder weniger in Verbindung mit Gräben erforderlich ist, die eine Breite im Bereich von ungefähr 0,1 μm oder weniger bis mehrere Mikrometern aufweisen können. Obwohl elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer auf dem Gebiet der elektronischen Leiterplattenherstellung gut etabliert sind, ist ein im Wesentlichen hohlraumfreies Auffüllen von Kontaktlöchern mit hohem Aspektverhältnis eine äußerst komplexe und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen Kupfermetallleitungen wesentlich von Prozessparametern, Materialien und der Geometrie der interessierenden Struktur abhängen. Da die Geometrie von Verbindungsstrukturen durch die Entwurfserfordernisse festgelegt ist und daher nicht wesentlich bei einer gegebenen Mikrostruktur geändert werden kann, ist es von großer Bedeutung, den Einfluss von Fertigungsprozessen, die bei der Herstellung von Metallisierungsschichten und Materialien, etwa leitende und nicht leitende Barrierenschichten, der Kupfermikrostruktur beteiligt sind, abzuschätzen und zu steuern, wobei auch die gegenseitige Wechselwirkung auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur zu beachten ist, um sowohl eine hohe Ausbeute als auch die erforderliche Produktzuverlässigkeit sicherzustellen.
-
Folglich wird ein großer Aufwand betrieben, um die Degradation von Kupferleitungen insbesondere im Hinblick auf Elektromigration und eine unerwünschte Abnahme der Leitfähigkeit in kleinsten Bauelementen zu untersuchen, um damit neue Materialien und Prozessstrategien aufzufinden, um kupferbasierte Metallleitungen bereitzustellen, da zunehmend Einschränkungen im Hinblick auf die Elekgromigration und Belastungsmigration und die Leitfähigkeitseigenschaften von Kupferleitungen mit der zunehmenden Verringerung der Strukturgrößen in modernen Bauelementen auferlegt werden. Obwohl der genaue Mechanismus der Elektromigration und der belastungsabhängigen Migration in Kupferleitungen noch nicht vollständig verstanden ist, zeigt sich dennoch, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und an Grenzflächen angeordnet sind, sich „zusammenballen”, so dass große voluminöse Hohlräume erzeugt werden, die schließlich zu einer Widerstandszunahme und letztlich zu einem Gesamtausfall führen.
-
Empirische Untersuchungsergebnisse deuten an, dass der Grad an Elektromigration und belastungsinduzierter Migration häufig von der Materialzusammensetzung des Metalls, der kristallinen Struktur des Metalls, dem Zustand von Grenzflächen, die eine Verbindung zu benachbarten Materialien herstellen, etwa zu leitenden und dielektrischen Barrierenschichten, und dergleichen, abhängt. Beispielsweise repräsentieren die Korngrenzen in der Verbindungsstruktur bevorzugte Diffusionspfade für die stromhervorgerufe Materialdiffusion, da die Verringerung der Breite von Metallleitungen tendenziell dazu führt, dass kleinere Körner erzeugt werden, wodurch ein überproportionaler Anstieg der Elektromigration bei einer weiteren Bauteilgrößenreduzierung auftreten kann.
-
Mit Bezug zu den 1a bis 1c wird nunmehr ein konventionelles typisches Elektromigrationsverhalten detaillierter beschrieben, wobei eine geringe Lebensdauer und eine reduzierte Zuverlässigkeit komplexer Metallisierungssysteme bei der Verringerung der gesamten Abmessungen der Verbindungsstrukturen auftreten können.
-
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100, das ein Metallisierungssystem aufweist, von dem der Einfachheit halber zwei Metallisierungsschichten 120 und 110 gezeigt sind. In anspruchsvollen Anwendungen enthält die Metallisierungsschicht 120 typischerweise ein dielektrisches Material, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε, das als ein dielektrisches Material zu verstehen ist, das eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger besitzt. Eine Verbindungsstruktur in Form einer Metallleitung 122 ist in dem dielektrischen Material 121 eingebettet und weist ein gut leitendes Material, etwa Kupfer, als ein Kernmaterial oder Füllmaterial 122a auf, wobei auch leitende Barrierenmaterialien 122b in Verbindung mit kupferbasierten Metallisierungssystemen vorzusehen sind, um einen verbesserten Kupfereinschluss zu erreichen, wie dies auch zuvor erläutert ist. Ferner ist eine Deckschicht 123, etwa ein stickstoffenthaltendes Siliziumkarbidmaterial und dergleichen über dem dielektrischen Material 121 und der Verbindungsstruktur 122 vorgesehen. In ähnlicher Weise umfasst die Metallisierungsschicht 110 ein dielektrisches Material 111, typischerweise in Form eines dielektrischen Materials mit kleinem ε, in welchem eine Verbindungsstruktur 112 eingebettet ist, beispielsweise mit einer Metallleitung 1121 und einer Kontaktdurchführung 112v, die wiederum eine Verbindung zu der Metallleitung 122 der tiefer liegenden Metallisierungsschicht 120 herstellt. Die Verbindungsstruktur 122 umfasst ein Kernmetall oder Füllmetall 112a, beispielsweise in Form von Kupfer, und enthält ein leitendes Barrierenmaterial 112b. Beispielsweise werden häufig Tantal, Tantalnitrid und dergleichen vorzugsweise als leitende Barrierenmaterialien verwendet, die eine gute Haftung und Einschluss des Kernmetalls 112a ergeben.
-
Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage komplexer Prozesstechniken hergestellt werden. D. h., nach der Herstellung von Schaltungselementen in einer Bauteilebene (nicht gezeigt) durch Anwenden anspruchsvoller Fertigungstechniken, um halbleiterbasierte Schaltungselemente, etwa Transistoren mit kritischen Abmessungen gemäß den Entwurfsregeln, herzustellen, wird das Metallisierungssystem gebildet, in dem die Metallisierungsschichten 120, 110 der Reihe nach hergestellt werden. Dazu wird in kupferbasierten Metallisierungsschemata eine Einlegetechnik angewendet, in der das dielektrische Material 121 abgeschieden und möglicherweise behandelt wird, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen. Es sollte beachtet werden, dass das dielektrische Material 121 die Form zwei oder mehrerer unterschiedlicher Materialzusammensetzungen abhängig von der Gesamtkomplexität des betrachteten Metallisierungssystems vorgesehen werden kann. Daraufhin werden diverse Prozessstrategien angewendet, die schließlich zur Herstellung entsprechender Gräben und Öffnungen führen, die nachfolgend mit den leitenden Materialien 122b, 122a gefüllt werden. Zu beachten ist, dass abhängig von der Packungsdichte in der Bauteilebene und somit abhängig von dem minimalen kritischen Abmessungen, die darin einzurichten sind, auf die lateralen Abmessungen der entsprechenden Gräben und Öffnungen für die Verbindungsstrukturen 122, 112 anzupassen sind, wodurch ggf. laterale Abmessungen von 100 nm und deutlich weniger in komplexen Anwendungen erforderlich sind. Folglich sind die dazugehörigen Fertigungsprozesse zum Strukturieren des dielektrischen Materials 121 und zum Einfüllen der leitenden Materialien 122b, 122a sehr komplexe Prozesstechniken, die einen wesentlichen Einfluss auf das schließlich erreichte Leistungsvermögen der Verbindungsstruktur 122 ausüben. Beispielsweise werden geeignete Barrierenmaterialien durch physikalische Dampfabscheidung, etwa durch Sputter-Abscheidung, durch chemische Dampfabscheidung (CVD), durch elektrochemische Abscheidetechniken und dergleichen aufgebracht. Daraufhin wird bei Bedarf eine Saatschicht, etwa eine Kupferschicht, auf der Barrierenschicht 122b so erzeugt, dass bessere Bedingungen für das nachfolgende Abscheiden des eigentlichen Kernmetalls 122a geschaffen werden, was typischerweise auf der Grundlage elektrochemischer Abscheideprozesse bewerkstelligt wird. Daraufhin werden geeignete Behandlungen, etwa Wärmebehandlungen, ggf. ausgeführt, um eine bessere Kristallstruktur des Kernmetalls 122a zu erhalten, wie dies nachfolgend in Bezug zu der Metallisierungsschicht 110 beschriebe ist. Vor oder nach derartigen Behandlungen wird überschüssiges Material abgetragen, beispielsweise durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren), woran sich das Abscheiden der Deckschicht 123 anschließt, die somit direkt auf dem Kernmetall 122a gebildet wird, wodurch eine Grenzfläche erzeugt wird, deren Qualität wesentlich das schließlich erreichte Elekgromigrationsverhalten beeinflusst. Daraufhin wird die Metallisierungsschicht 110 auf der Grundlage ähnlicher Prozesstechniken hergestellt, wie sie zuvor mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 120 erläutert sind. Folglich wird die Verbindungsstruktur 112 mit einem Kernmetall 122a und dem Barrierenmaterial 112b erhalten, wobei die kristalline Struktur des Kernmaterials 112a wesentlich in der Prozesshistorie und insbesondere von den gesamten lateralen Abmessungen der Verbindungsstruktur 112 abhängt. Typischerweise wird versucht, für möglichst große Metallkörner 112g zu sorgen, da eine größere Anzahl an Korngrenzen im Allgemeinen zu einem erhöhten Streuverhalten für die Ladungsträger führt, wodurch der Gesamtwiderstand der Verbindungsstrukturen anwächst. Wie ferner zuvor erläutert ist, wurden Korngrenzen auch als effektive Diffusionspfade während der stromhervorgerufenen Materialdiffusion während des Betriebs des Bauelements 100 erkannt.
-
1b zeigt schematisch die Verbindungsstruktur 112 des Halbleiterbauelements 100 während des Betriebs. D. h., typischerweise tritt eine hohe Stromdichte von mehreren kA/m2 auf und somit wird eine Materialwanderung entlang der Verbindungsstruktur 112 hervorgerufen. Beispielsweise repräsentiert insbesondere eine Grenzfläche 113s, die durch die Deckschicht 113 und das Kernmetall 112a gebildet ist, eine „schwache” Grenzfläche, in der eine moderat geringe Aktivierungsenergie ausreicht, um eine Materialwanderung hervorzurufen. Auf diese Weise bilden sich zusätzlich Hohlräume, vorzugsweise an der Grenzfläche 113s aus, und diese „sammeln sich” zunehmend in empfindlichen Bereichen in der Verbindungsstruktur, beispielsweise in einem Übergangsbereich zwischen der Kontaktdurchführung 112v und der Metallleitung 1121. Beispielsweise bildet sich ein Hohlraum 114 aus, dessen Größe anwächst, da ein weiterer Hohlraum 114a entlang der schwachen Grenzfläche 114a „wandert”, so dass schließlich der Gesamtwiderstand der Verbindungsstruktur 112 ansteigt, wodurch letztlich ein Gesamtausfall der Verbindungsstruktur 112 hervorgerufen wird. Es werden daher große Anstrengungen unternommen, um entsprechende Lebensdauern und Prozessbedingungen zu bestimmen, um somit eine zuverlässige Zusammensetzung einer Zeitdauer bis zum Ausfall von kritischen Verbindungsstrukturen zu erhalten, so dass die erwartete Lebensdauer komplexer Halbleiterbauelemente vorausgesagt werden kann.
-
1c zeigt schematisch die Situation des Halbleiterbauelements 100, wenn die lateralen Abmessungen in der Verbindungsstruktur 112 zu verringern sind, beispielsweise um entsprechenden Entwurfsregeln in der Bauteilebene verträglich zu sein. Beispielsweise besitzen in komplexen Anwendungen halbleiterbasierte Schaltungselemente kritische Schaltungselemente kritische Abmessungen von 40 nm und weniger und erfordern daher eine entsprechende Anpassung der lateralen Abmessungen der Verbindungsstruktur 112 im Metallisierungssystem. Es wurde erkannt, dass die Größe der Körner 112g dazu neigt, dass sie geringer wird, insbesondere an der Unterseite der Metallleitung 112, so dass zusätzlich zu der Grenzfläche 112s auch „effiziente” Diffusionspfade an der Unterseite der Verbindungsstruktur 112 auftreten, so dass entsprechende Hohlräume 114 sich schließlich in empfindlichen Bauteilbereichen ansammeln, wodurch der Hohlraum 114 mit größeren Abmessungen erzeugt wird. Auf Grund der zusätzlichen Diffusionspfade, die durch die Körner 112g mit geringerer Größe bereitgestellt werden, wird generell das elektrische Leistungsvermögen beeinträchtigt und gleichzeitig ist die Zeitdauer bis zum Ausfall auf Grund ausgeprägter Elektromigrationswirkungen ebenfalls verringert. Da das Problem einer geringeren Korngröße in den tieferen Bereichen von Metallleitungen stärker ausgeprägt ist bei einer weiteren Verringerung der gesamten Bauteilabmessungen, kann dies zu einer deutlichen Leistungseinbuße im Hinblick auf das elektrische Leistungsverhalten und dies kann auch eine geringere Zuverlässigkeit nach sich ziehen.
-
Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen geringere laterale Abmessungen von Verbindungsstrukturen erreicht werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
-
Überblick über die Erfindung
-
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Techniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen ein besseres Leistungsverhalten im Hinblick auf Elektromigration in komplexen Metallisierungssystemen erreicht wird, indem eine Grenzfläche mit verbessertem Elektromigrationsverhalten bereitgestellt wird, d. h. eine Grenzfläche, die eine höhere Aktivierungsenergie besitzt, um damit in effizienter Weise die stromhervorgerufene Materialwanderung durch die Grenzflächenschicht zu blockieren oder zumindest zu reduzieren. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird eine entsprechende Grenzfläche mit verbesserten Elektromigrationsverhalten oder mit verbesserten Hohlraumblockierungseigenschaften in einem unteren Bereich zumindest über eine ausgeprägte Länge entsprechender Verbindungsstrukturen eingebaut, wodurch in geeigneter Weise Bereiche eines Kernmetalls oder Füllmetalls „abgetrennt” werden, in denen Körner mit geringerer Größe typischerweise erzeugt werden. Auf diese Weise kann der zusätzliche Leitungsdegradationsmechanismus, der durch geringere Korngrößen hervorgerufen wird, in tieferen Bereichen von Verbindungsstrukturen und Metallleitungen effizient blockiert oder zumindest in den Wirkung verringert werden. Folglich können komplexe Markierungssysteme so hergestellt werden, dass sie mit den kritischen Abmessungen von ungefähr 40 nm und weniger in der Bauteilebene verträglich sind, ohne dass die resultierende Lebensdauer durch ausgeprägte Elektromigrationseffekte beschränkt wird, wie dies in konventionellen Prozessstrategien der Fall ist.
-
Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines Grabens in einer dielektrischen Schicht einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements. Des weiteren wird ein erster Teil eines Füllmetalls in dem Graben erzeugt und es wird eine Grenzflächenschicht auf einer freiliegenden Oberfläche des ersten Teils erzeugt. Die Grenzflächenschicht besitzt eine andere Materialzusammensetzung im Vergleich zu der freiliegenden Oberfläche des ersten Teils. Ferner umfasst das Verfahren das Bilden eines zweiten Teils des Füllmetalls über der Grenzflächenschicht.
-
Ein noch weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft die Herstellung einer Verbindungsstruktur eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst das Ausführen eines ersten Abscheideprozesses derart, dass ein erstes Füllmetall in einer Öffnung hergestellt wird, die in einem dielektrischen Material des Metallisierungssystems ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Grenzflächenschicht mit verbessertem Elektromigrationswiderstandsvermögen auf einer freiliegenden Oberfläche des ersten Füllmetalls. Ferner umfasst das Verfahren das Ausführen eines zweiten Abscheideprozesses derart, dass ein zweites Füllmetall in der Öffnung und über der Grenzflächenschicht hergestellt wird.
-
Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine Metallisierungsschicht, die über einem Substrat ausgebildet ist und ein dielektrisches Material aufweist. Ferner ist eine Metallleitung in dem dielektrischen Material eingebettet und weist einen ersten Füllmetallbereich und einen zweiten Füllmetallbereich auf, die durch eine Grenzflächenschicht getrennt sind. Die Grenzflächenschicht besitzt eine Materialzusammensetzung, die sich von einer Materialzusammensetzung des ersten und des zweiten Füllmetallbereichs unterscheidet.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weiter 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:
-
1a schematisch eine Querschnittsansicht eines Metallisierungssystems eines komplexen Halbleiterbauelements zeigt, das gemäß konventioneller Prozessstrategien hergestellt ist;
-
1b und 1c schematisch Querschnittsansichten einer konventionellen Verbindungsstruktur mit unterschiedlichen lateralen Abmessungen während des Betriebs des Halbleiterbauelements zeigen, woraus sich eine geringere Elektromigrationszuverlässigkeit ergibt;
-
2a bis 2d schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wenn eine komplexe Metallisierungsschicht mit Verbindungsstrukturen mit verbesserten Elektromigrationsverhalten hergestellt wird, indem eine Grenzflächenschicht gemäß anschaulicher Ausführungsformen eingebaut wird; und
-
2e schematisch eine Verbindungsstruktur mit einer Grenzflächenschicht während des Betriebs zeigt, wobei die Grenzflächenschicht in effizienter Weise die Hohlraumzusammenballung effizient blockiert, was konventioneller Weise durch eine geringere Korngröße in unteren Bereichen stark größenreduzierter Verbindungsstrukturen der Fall ist.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
-
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen die Wirkung geringerer Korngrößen insbesondere in tieferen Bereichen und stark größenreduzierten Verbindungsstrukturen deutlich verringert wird. Dazu wird eine geeignete Grenzflächenschicht in das Füllmaterial in die Verbindungsstruktur eingebaut, und damit eine sehr stabile Grenzfläche mit einer Vielzahl von Körnern mit geringer Größe zu erzeugen, was zu einer reduzierten Materialwanderung und somit einer Hohlraumagglomeration im Vergleich zu konventionellen Verbindungsstrukturen, die ähnliche laterale Abmessungen besitzen. Die Grenzflächenschicht kann auf der Grundlage einer Materialzusammensetzung hergestellt werden, die eine „starke” Grenzfläche mit dem Kernmetall oder Füllmetall bildet, so dass die Materialwanderung durch die Grenzflächenschicht im Wesentlichen blockiert ist. Dazu werden geeignete leitende Materialien, etwa leitende Barrierenmaterialien in Form von Tantel, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid, Wolfram und dergleichen verwendet. Ferner können auch andere etablierte dreikomponentige Legierungen, beispielsweise mit Kobalt, Wofram, Bor und dergleichen verwendet werden, um die Grenzflächenschicht so einzubauen, dass sie ein besseres Elektromigrationsverhalten erreicht. In anderen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird die Grenzflächenschicht auf der Grundlage einer Oberflächenbehandlung hergestellt, beispielsweise unter Anwendung einer silanenthaltenden Prozessatmosphäre, um damit die Ausbildung von Kupfersilizid in Gang zu setzen, das bekannt ist, dass es verbesserte Grenzflächeneigenschaften im Hinblick auf die Elekgromigrationswiderstandsfähigkeit bietet. In anderen Fällen wird die Grenzflächenschicht durch einen Abscheideprozess in Verbindung mit einer geeigneten Behandlung hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden mindestens einer Sorte, etwa Silizium, die nachfolgend in einem Kupfersilizid durch Anwenden geeigneter Prozessbedingungen umgewandelt wird.
-
Mit Bezug zu den 2a bis 2e werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a bis 1c verwiesen wird.
-
2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst das Halbleiterbauelement 200 ein Substrat 201, etwa ein Siliziumsubstrat oder Material zur Erzeugung einer Bauteilebene 250. Die Bauteilebene 250 umfasst eine geeignete Halbleiterschicht 252, etwa eine Siliziumschicht, eine Silizium/Germanium-Schicht und dergleichen, wie dies zur Herstellung komplexer Schaltungselemente erforderlich ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfassen die Schaltungselemente 251 Transistoren, die auf der Grundlage kritischer Abmessungen von 40 nm und weniger hergestellt sind, wodurch somit geeignet angepasste laterale Abmessungen von Verbindungsstrukturen in einem Metallisierungssystem 260 erforderlich sind, das über der Bauteilebene 250 ausgeführt ist. Es sollte beachtet werden, dass die hierin offenbarten Prinzipien äußerst vorteilhaft im Zusammenhang mit Halbleiterbauelementen angewendet werden können, die Schaltungselemente auf der Grundlage kritischer Abmessungen in den oben definierten Bereich besitzen, wobei jedoch die hierin offenbarten Prinzipien auch auf Halbleiterbauelemente angewendet werden können, die weniger kritische Schaltungselemente besitzen, um damit deren Zuverlässigkeit und elektrisches Leistungsverhalten zu verbessern. Beispielsweise umfassen die Schaltungselemente 251 Feldeffekttransistoren mit einer Gatelänge 251l von 40 nm oder weniger.
-
Wie zuvor erläutert ist, umfasst das Metallisierungssystem 260 typischerweise mehrere Metallisierungsschichten, wobei der Einfachheit halber Metallisierungsschichten 220, 210 in 2a gezeigt sind. Die Metallisierungsschicht 220 enthält ein geeignetes dielektrisches Material oder ein Materialsystem 221, in welchem Verbindungsstrukturen (beispielsweise in Form von Metallleitungen 222 und Kontaktdurchführungen oder anderen vertikalen Kontakten (nicht gezeigt) vorgesehen sind. Z. B. enthält, wie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist, das dielektrische Material 221 ein dielektrisches Material mit kleinem ε. Die Metallleitung 221 besitzt ein Kernmetall oder Füllmetall, beispielsweise in Form eines ersten Bereichs oder eines ersten Teils 222a und eines zweiten Bereichs 222c, die zumindest über einen wesentlichen Teil der Metallleitung 222 hinweg durch eine Grenzflächenschicht 222 nicht getrennt sind, die für ein verbessertes Elektromigrationsverhalten der Metallleitung 222 sorgt. Die Grenzflächenschicht 222i kann in Form eines Materials bereitgestellt werden, das eine „starke” Grenzfläche mit jedem der Füllmetallbereiche 222a, 222b bildet, so dass höhere Aktivierungsenergie erforderlich sind, um eine stromhervorgerufene Materialdiffusion hervorzurufen, wie dies zuvor erläutert ist. Beispielsweise enthält die Grenzflächenschicht 222i gut etablierte Barrierenmaterialien, etwa Tantal, Tantalnitrid, Titannitrid, Wolframverbindungen, ternäre Verbindungen, etwa Kobalt, Phosphor, Wolfram oder Kobalt, Bor, Wolfram und dergleichen, Kupfersilizid und dergleichen. Ferner ist eine dielektrische Deckschicht 223 über dem dielektrischen Material 221 und auf der Metallleitung 222 ausgebildet, wodurch die Füllmetallbereiche 221a, 222c ebenfalls eingeschlossen werden. Des weiteren ist ein Barrierenmaterialsystem 222b insbesondere mit einem Kupferfüllmaterial vorgesehen, um die Haftung an dem dielektrischen Material 221 zu verbessern und um die Kupferdiffusion in die umgebenden dielektrischen Materialien zu verringern. Beispielsweise enthält das leitende Barrierenmaterialsystem 222b Tantal, Tantalnitrid und dergleichen. Es ist gut bekannt, dass derartige leitende Barrierenmaterialien eine starke Grenzfläche mit Kupfer bilden, so dass eine stromhervorgerufene Materialdiffusion in dem leitenden Material 222b nicht auftritt und auch eine Materialwanderung durch das Barrierenmaterialsystem 222b effizient blockiert wird, sofern nicht die unerwünschte gesamte Elektromigration in der Metallleitung 222 vermieden wird.
-
Die Metallisierungsschicht 210 ist in einer Zwischenfertigungsphase gezeigt, d. h. ein dielektrisches Material oder ein Materialsystem 211, das ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweisen kann, ist über der Schicht 220 ausgebildet und umfasst einen Graphen 211t, möglicherweise in Verbindung mit einer Kontaktlochöffnung 211v, wenn eine duale Damaszener-Prozessstrategie betrachtet wird. In anderen Fällen werden Kontaktlöcher und Gräben in separaten Abscheideschritten mit einem geeigneten Füllmaterial aufgefüllt. Ferner ist in dieser Fertigungsphase ein leitendes Barrierenmaterial oder Materialsystem 212 auf jeglichen freiliegenden Oberflächenbereichen des dielektrischen Materials 211 ausgebildet und auch in der Kontaktlochöffnung 211v und in dem Graben 211t. Des weiteren ist ein erster Bereich oder ein Teil eines Füllmetalls 211c in der Kontaktlochöffnung 211v und in dem Graben 211t gebildet.
-
Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozessstrategien hergestellt werden. Das halbleiterbasierte Schaltungselement 251 in der Bauteilebene 250 wird auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozesstechniken hergestellt, was komplexe Lithographietechniken, Ätzprozesse, Einebnungstechniken, Implantationsprozesse und dergleichen beinhaltet, um die Schaltungselemente 251 gemäß den zugehörigen Entwurfsregeln zu erzeugen. Daraufhin werden die Schaltungselemente 251 in geeigneter Weise passiviert, indem eine Kontaktebene hergestellt wird, die auch vertikale Kontakte so enthält, dass eine Verbindung zu dem Metallisierungssystem 260 hergestellt wird. Da die Schaltungselemente 251 mit geringeren lateralen Abmessungen vorgesehen werden und somit auch einen geringeren lateralen Abstand zueinander aufweisen, müssen entsprechende Kontakte und Verbindungsstrukturen des Metallisierungssystems 260 so angepasst werden, dass diese der erforderlichen Packungsdichte in der Bauteilebene 250 genügen, wodurch laterale Abmessungen von 100 nm und deutlicher weniger notwendig sein können. Daraufhin werden die Metallisierungsschichten 220, 210 hergestellt, wobei die Metallisierungsschicht 220 auf der Grundlage ähnlicher Prozesstechniken hergestellt werden kann, wie sie nachfolgend mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 210 erläutert werden. Dazu wird nach der Herstellung der Deckschicht 223, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen in Form eines dielektrisches Materials bereitgestellt wird, um das Abscheiden komplexer leitender Deckmaterialien zu vermeiden, die das Elektromigrationsverhalten in Folge von Korngrößenproblemen, wie dies zuvor mit Bezug zu 1c erläutert ist, das dielektrische Material oder Materialzusammensetzung 211 hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden eines oder mehrerer Materialien mit geeigneter dielektrischer Konstante. Daraufhin werden komplexe Strukturierungsstrategien angewendet, beispielsweise unter Anwendung komplexer Hartmaskenschemata in Verbindung mit geeigneten Lithographietechniken, um den Graben 211t und die Kontaktlochöffnung 211v zu erzeugen. Zu beachten ist, dass eine geeignete Strukturierungsstrategie angewendet werden kann, wobei in der gezeigten Ausführungsform die Kontaktlochöffnung 211v und der Graben 211t so vorgesehen sind, dass diese in einer gemeinsamen Abscheideprozesssequenz aufgefüllt werden, während in anderen Fällen die Kontaktlochöffnung 211v in einem ersten Teil des dielektrischen Materials 211 erzeugt wird und anschließend in einer separaten Abscheidesequenz aufgefüllt wird.
-
In der gezeigten Ausführungsform wird das Barrierenmaterial oder Materialsystem 211b unter Anwendung einer geeigneten Abscheidetechnik hergestellt, etwa durch Sputter-Abscheidung, CVD und dergleichen, um das Material 211b in zuverlässiger Weise auf jeglichen freiliegenden Oberflächenbereichen innerhalb des Grabens 211t und der Kontaktlochöffnung 211v aufzubringen. Daraufhin wird abhängig von der gesamten Prozessstrategie in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Saatschicht (nicht gezeigt) auf dem Barrierenmaterialsystem 212b erzeugt, beispielsweise aus Kupfer, wobei dieses auf der Grundlage physikalischer Dampfabscheidung und dergleichen aufgebracht werden kann. Daraufhin wird ein Abscheideprozess 202 angewendet, um den ersten Füllmetallbereich 211c zu erzeugen, der beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden Füllmetall aufgebaut ist. Dazu können häufig elektrochemische Abscheidetechniken angewendet werden, etwa stromloses Abscheiden, Elektroplattieren oder eine Kombination davon, wobei geeignete Prozessparameter so angewendet werden, dass ein gewünschtes Füllverhalten von unten nach oben erreicht wird. Der Abscheideprozess 202 wird so gesteuert, dass eine gewisse Solldicke des ersten Bereichs 212c erreicht wird, beispielsweise in dem Graben 211t, um damit darauf eine geeignete Barrierenschicht oder Blockierschicht im Hinblick auf ein besseres Elektromigrationsverhalten zu erzeugen. Dazu wird die Prozesszeit für vorgegebene Abscheideparameter geeignet gesteuert, um die Dicke des ersten Füllmetallbereichs 212c einzustellen.
-
2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Zwischenprozess so angewendet wird, dass eine Grenzflächenschicht 215 auf freiliegenden Oberflächenbereichen 212s des ersten Füllmetallbereichs 212c erzeugt wird. Dazu wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Prozess 203 in Form eines Abscheideprozesses, etwa eines CVD-Prozesses, eines PVD-(physikalische Dampfabscheideschicht)Prozesses ausgeführt, um die Grenzflächenschicht 215 mit einer gewünschten Materialzusammensetzung bereitzustellen. Beispielsweise werden gut etablierte Barrierenmaterialien, etwa Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid oder Kombinationen davon unter Anwendung gut etablierter Abscheiderezepte aufgebracht. Die Grenzflächenschicht 215 kann mit einer Dicke von ungefähr 2 bis 20 nm vorgesehen werden, wobei die resultierende Oberflächentopographie weniger kritisch ist im Vergleich zum Abscheiden des leitenden Barrierenmaterials 212b, da insbesondere die Kontaktlochöffnung 211v bereit ist zu einer gewissen Höhe mittels des vorhergehenden Abscheideprozesses aufgefüllt ist, in welchem der erste Füllmetallbereich 212c erzeugt wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Prozess 203 auf der Grundlage eines elektrochemischen Abscheideprozesses ausgeführt, etwa als ein stromloser Prozess, um die Grenzflachenschicht 215 mit geeigneten Materialien zu erzeugen. Z. B. können viele Barrierenmaterialien auf der Grundlage stromloser Abscheiderezepte aufgebracht werden, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen gut etablierte Legierungen, etwa kobalt- und wolframenthaltende Legierungen, hergestellt werden, die bekanntlich ein besseres Oberflächen- und Grenzflächenverhalten in Verbindung mit einem gut leitenden Füllmaterial, etwa Kupfer, ergeben. In diesem Falle kann eine gut steuerbare gleichmäßige Schichtdicke auf der Oberfläche 121s erhalten werden, so dass eine geringere Dicke dennoch für eine gewünschte zuverlässige Abdeckung der freiliegenden Oberfläche 212s sorgt. Beispielsweise kann in diesem Falle eine Dicke von 1 nm bis 5 nm angewendet werden, wobei bei Bedarf auf eine größere Dicke in gut steuerbarer Weise eingestellt werden kann.
-
In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen umfasst der Prozess 202 eine Oberflächenbehandlung, um die Oberfläche 212s zu modifizieren oder um eine entsprechende Oberflächenschicht zu erzeugen, die für die gewünschte Blockierwirkung im Hinblick auf die stromhervorgerufene Materialdiffusion sorgt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst der Prozess 203 das Einwirken mittels einer reaktiven Prozessatmosphäre, die beispielsweise auf der Grundlage von Silan erzeugt, das somit mit den Kupferatomen an der Oberfläche 212s in Wechselwirkung tritt, um ein Kupfersilizid zu erzeugen, von welchem bekannt ist, dass es bessere Grenzflächeneigenschaften bietet und dass auch eine höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu vielen konventionellen Barrierenschichtsystemen besitzt. Auf diese Weise bietet die Grenzflächenzwischenschicht 215 eine höhere Blockierwirkung, beispielsweise im Hinblick auf eine Wanderung von Hohlräumen, wie dies zuvor erläutert ist, während gleichzeitig die Gesamtleitfähigkeit der resultierenden Verbindungsstruktur nicht unerwünscht durch die Anwesenheit der Grenzflächenschicht 215 beeinflusst ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Prozess 203 so ausgeführt, dass eine legierungsbildende Sorte eingebaut wird, etwa in Form von Aluminium und dergleichen, was bewerkstelligt werden kann, indem eine geeignete Plasmaatmosphäre eingerichtet wird oder indem ein Implantationsprozess mit geringer Energie ausgeführt wird. Der Einbau einer legierungsbildenden Sorte, etwa von Aluminium, kann das Elektromigrationsverhalten deutlich verbessern. Ferner kann die „Dicke” der resultierenden Grenzflächenschicht 215 auf der Grundlage einer weiteren Behandlung, etwa einer Wärmebehandlung, eingestellt werden, um eine Diffusion der legierungsbildenden Sorte in Gang zu setzen. Auf diese Weise ist die legierungserzeugende Sorte über zumindest einen ausgeprägten Bereich des ersten Füllmetalls 212c verteilt, wenn dies als geeignet erachtet wird.
-
In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen umfasst der Prozess 203 einen Abscheideprozess zum Abscheiden zumindest einer Substanz auf der Grenzflächenschicht 215. Beispielsweise wird ein Siliziummaterial auf der freiliegenden Oberfläche 212s aufgebracht und wird nachfolgen in ein Kupfersilizid umgewandelt, um die Grenzflächenschicht 215 zu erzeugen.
-
2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein weiterer Abscheideprozess 204 so angewendet wird, dass ein zweiter Füllmetallbereich 212a bereitgestellt wird, um damit in zuverlässiger Weise den Graben 211t und, wenn diese in dieser Fertigungsphase vorgesehen ist, die Kontaktlochöffnung 211v zuverlässig gefüllt werden. Dazu können gut etablierte elektrochemische Abscheidetechniken angewendet werden, wobei durch geeignete Prozessparameter eingestellt werden, die sich von jenen des ersten Abscheideprozesses zur Herstellung des ersten Füllmetallbereichs 212c unterscheiden können, da eine weniger kritische Oberflächentopographie beim Ausführen des Abscheideprozesses 204 angetroffen wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird vor dem eigentlichen Bilden des Füllmetallbereichs 212a eine Saatschicht 212e aufgebracht, falls dies erforderlich ist, etwa in Form eines Kupfermaterials und dergleichen. Dazu können gut etablierte Abscheidetechniken angewendet werden, etwa die Sputter-Abscheidung. Zu beachten ist jedoch, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen der zweite Füllmetallbereich 212a direkt auf der Grenzflächenschicht 215 auf der Grundlage elektrochemischer Abscheiderezepte aufgebracht werden kann, wenn die Grenzflächenschicht 215 ausreichende Oberflächenbedingungen bereitstellt, so dass das Abscheiden des Füllmetalls in Gang gesetzt wird.
-
2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, wird überschüssiges Material des zuvor abgeschiedenen leitenden Materials abgetragen, was bewerkstelligt werden kann auf der Grundlage eines geeigneten Abtragungsprozesses, etwa durch CMP, Elektro-CMP, durch Ätzen und dergleichen, wodurch eine Verbindungsstruktur 212 als ein elektrisch isoliertes Strukturelement in der Metallisierungsschicht 210 erzeugt wird. Ferner wird eine Deckschicht 213 über der Verbindungsstruktur 212 gebildet und wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen in Form einer dielektrischen Deckschicht bereitgestellt, die auch auf dem dielektrischen Material 211 ausgebildet ist, wodurch diese als Übergangs- und/oder Ätzstoppschicht für die nachfolgende Strukturierung eines dielektrischen Materials einer nächsten Metallisierungsschicht dienen kann. Folglich kann die Verbindungsstruktur die Grenzflächenzwischenschicht 215 aufweisen, die auf einer gewünschten Höhe innerhalb insbesondere der Metallleitung 2121 angeordnet ist, wodurch insbesondere der untere Bereiche 212c von einem kritischen Bauteilbereich im Hinblick auf die Elektromigration, etwa einer oberen Ecke 212u der Kontaktdurchführung 211v, getrennt ist.
-
2e zeigt schematisch die Verbindungsstruktur 212 des Bauelements 200 während einer typischen Belastungssituation, in der eine stromerhervorgerufene oder belastungshervorgerufene Materialdiffusion auftritt. Wie gezeigt, sind entsprechende Körner 212g in dem Füllmetallbereich 212a gebildet und auch in dem unteren Füllmetallbereich 212c, der darin ausgebildet Korngrößen mit geringerer Abmessung aufweist, wie dies auch zuvor mit Bezug zu 1c erläutert ist. Durch das Vorsehen der Grenzflächenschicht 215 mit den verbesserten Grenzflächeneigenschaften wird somit eine ausgeprägte Materialdiffusion durch die Schicht 215 blockiert, wodurch ebenfalls Diffusionspfade blockiert oder zumindest deutlich beeinträchtigt werden, die ansonsten durch die Korngrenzen in den unteren Bereichen der Metallleitung 212 bereitstehen. Während einer Belastungssituation können sich folglich Hohlräume an den kritischen Bauteilbereich, wie dies durch den Hohlraum 214 angegeben ist, ansammeln, die durch eine moderate Wanderung oder Bewegung von Hohlräumen 214a „gespeist” werden, beispielsweise die entlang der Grenzfläche „wandern”, die zwischen dem Füllmetallbereich 212a und einem Deckmaterial, etwa der Deckschicht 213 aus 2d, gebildet ist. Obwohl die Verbindungsstruktur 212 geringere laterale Abmessungen aufweisen kann, wodurch Metallkörner mit geringerer Größe in einem unteren Bereich zunehmend erzeugt werden, kann folglich die Wirkung dieser Kornbereiche mit geringerer Größe deutlich auf Grund der Anwesenheit der Grenzflächenschicht 215 verringert werden. Somit kann durch den Einbau der Grenzflächenschicht 215 die Verbindungsstruktur 212 gemäß den Bauteilregeln dimensioniert werden, ohne dass jedoch in unerwünschter Weise das gesamte Elektromigrationsverhalten beeinträchtigt wird.
-
Es sollte beachtet werden, dass die Grenzflächenschicht 215 in die Verbindungsstrukturen jegliche kritische Metallisierungsschichten eingebaut werden können, beispielsweise in die Metallisierungsschicht 220, wie sie in 2a gezeigt ist, wobei dies in Form der Grenzflächenschicht 225 gezeigt ist, wobei jedoch unterschiedliche Materialien und/oder Prozessstrategien angewendet werden können, wenn dies als geeignet erachtet wird.
-
Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen eine ausgeprägte Verbesserung im Elektromigrationsverhalten erreicht wird bei einer vorgegebenen Gestalt eines Metallisierungssystems, da bei einer weiteren Verringerung der lateralen Abmessungen der Verbindungsstrukturen ein überproportionaler Elektromigrationseffekt vermieden werden kann, indem eine Grenzflächenzwischenschicht eingebaut wird, die effizient eine Hohlraumwanderung der Materialwanderung blockiert. Folglich können wesentlich schnellere Entwurfsabläufe bei der Entwicklung neuer integrierter Schaltungen erreicht werden, da kritische Signalpfade keine ausgeprägte Neugestaltung erfordern, wie dies in konventionellen Strategien der Fall ist. Ferner können gut etablierter Prozesstechniken und Materialien, dielektrische Deckschichten für den Einschluss der Verbindungsstrukturen, angewendet werden, wodurch insgesamt die Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Strategien verringert werden, in denen versucht wird, das Elektromigrationsverhalten auf der Grundlage komplexer Deckschichtsysteme zu verbessern.
-
Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher dient diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Erfindung vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
