DE102011090164A1 - Reparatur geschädigter Oberflächenbereiche von empfindlichen Dielektrika mit kleinem ε von Mikrostrukturbauelementen nach einer Plasmabehandlung durch in-situ-Behandlung - Google Patents

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Abstract

Geschädigte Oberflächenbereiche von dielektrischen Materialien mit kleinem ε können effizienter repariert werden durch Vermeiden der Sättigung von ungesättigten Siliziumbindungen nach einer reaktiven Plasmabehandlung auf der Grundlage von OH-Gruppen, wie sie typischer Weise in konventionellen Prozessstrategien angewendet werden. Die Sättigung der ungesättigten Bindungen kann bewerkstelligt werden, indem direkt eine chemische Reaktion mit einer geeigneten organischen Sorte initiiert wird, wodurch bessere Reaktionsbedingungen geschaffen werden, was wiederum zu einer effizienteren Wiederherstellung der dielektrischen Eigenschaften führt.

Description

  • Gebiet der vorliegenden Erfindung
  • Generell betrifft die vorliegende Erfindung Mikrostrukturen, etwa moderne integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere Materialsysteme mit Dielektrika mit einer kleinen Dielektrizitätskonstante, etwa siliziumoxidbasierte Dielektrika.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Bei der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa von integrierten Schaltungen, gibt es ein beständiges Bestreben, das Leistungsverhalten im Hinblick auf das Funktionsverhalten und die Diversität an Funktionen, die in einem einzelnen Mikrostrukturbauelement integriert sind, zu verbessern. Zu diesem Zweck gibt es ein beständiges Bestreben, die Strukturgrößen von Mikrostrukturelementen zu reduzieren, wodurch das Leistungsverhalten dieser Strukturen verbessert wird. Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge in Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder die Vielfalt an Funktionen verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration reduziert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren verbessert wird, sind ggf. häufig neue Materialien erforderlich, um nicht in unerwünschter Weise Vorteile aufzuheben, die ansonsten durch das Reduzieren der Strukturgrößen der einzelnen Komponenten von Mikrostrukturelementen, etwa von Schaltungselementen und dergleichen, erreicht werden. Beim Reduzieren der kritischen Abmessungen von Transistoren zur Erhöhung der Dichte einzelner Schaltungselemente wird beispielsweise auch die verfügbare Fläche für Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden, ebenfalls reduziert. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen ebenfalls mit kleiner vorgesehen werden, um einem geringeren Anteil an verfügbarer Fläche und einer größeren Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitschipfläche Rechnung zu tragen, da typischerweise zwei oder mehr Verbindungen für jedes individuellen Schaltungselement erforderlich sind. Daher wird typischerweise eine Reihe gestapelter „Verdrahtungsschichten”, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet sind, vorgesehen, wobei einzelne Metallleitungen einer einzelnen Metallisierungsschicht mit einzelnen Metallleitungen einer darüber liegenden oder darunter liegenden Metallisierungsschicht durch sogenannte Kontaktdurchführungen verbunden sind. Trotz des Vorsehens mehrerer Metallisierungsschichten sind reduzierte Abmessungen der Verbindungsleitungen erforderlich, um der enormen Komplexität von beispielsweise modernen CPU's, Speicherchips, ASIC's (anwendungsspezifische IC's) und dergleichen Rechnung zu tragen.
  • Moderne integrierte Schaltungen mit Transistoren mit kritischen Abmessungen von 0,05 μm oder weniger, werden daher typischerweise bei deutlich erhöhten Stromdichten von bis zu mehreren kA pro cm2 in den einzelnen Verbindungsstrukturen auf Grund der erhöhter Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche betrieben trotz des Vorsehens einer relativ großen Anzahl an Metallisierungsschichten. Folglich werden gut etablierte Materialien, etwa Aluminium, zunehmend durch Kupfer und Kupferlegierungen ersetzt, d. h. durch Materialien mit einem deutlich geringeren elektrischen Widerstand und einem verbesserten Widerstandsverhalten im Hinblick auf Elektromigration, selbst wenn deutlich höhere Stromdichten im Vergleich zu Aluminium angewendet werden.
  • Das Einführen von Kupfer in den Herstellungsvorgang für Mikrostrukturen und integrierte Schaltungen geht einher mit einer Anzahl von ernsten Problemen, die in den Eigenschaften des Kupfers begründet liegen, dass es effizient in Siliziumdioxid und anderen dielektrischen Materialien diffundiert, und diese Probleme sind auch in der Tatsache begründet, dass Kupfer nicht in einfacher Weise auf der Grundlage gut etablierter plasmaunterstützter Ätzrezepte strukturiert werden kann. Beispielsweise bildet Kupfer auf der Grundlage konventioneller plasmaunterstützter Ätzprozesse im Wesentlichen keine flüchtigen Ätznebenprodukte, so dass das Strukturieren einer zusammenhängenden Kupferschicht mit einer Dicke, die zur Ausbildung von Metallleitungen geeignet ist, nicht mit aktuell verfügbaren Ätzstrategien kompatibel ist. Folglich wird die sogenannte Damaszener- oder Einlegeprozesstechnik typischerweise angewendet, in der ein dielektrisches Material zuerst hergestellt und anschließend strukturiert wird, um Gräben und Kontaktdurchführungsöffnungen zu erhalten, die nachfolgend mit dem kupferbasierten Material unter Anwendung von beispielsweise elektrochemischen Abscheidetechniken gefüllt werden. Ferner besitzt Kupfer ein ausgeprägtes Diffusionsverhalten in einer Vielzahl dielektrischer Materialien, etwa siliziumdioxidbasierten Materialien, die häufig als dielektrische Zwischenschichtmaterialien verwendet werden, wodurch das Abscheiden geeigneter Barrierenmaterialien vor dem eigentlichen Füllen entsprechender Gräben und Kontaktdurchführungsöffnungen mit dem kupferbasierten Material erforderlich ist. Obwohl Siliziumnitrid und verwandte Materialien ausgezeichnete Diffusionsblockiereigenschaften besitzen, ist die Verwendung von Siliziumnitrid als dielektrisches Zwischenschichtmaterial wenig wünschenswert auf Grund der moderat hohen Dielektrizitätskonstante, was zu einer nicht akzeptablen Leistungseinbuße des Metallisierungssystems führen kann. In komplexen Anwendungen erfordert in ähnlicher Weise der geringere Abstand von Metallleitungen eine neue Art an dielektrischem Material, um die Signalausbreitungsverzögerung, das Übersprechen und dergleichen, zu reduzieren, die typischerweise mit einer moderat hohen kapazitiven Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen verknüpft sind. Aus diesem Grunde werden zunehmend sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε verwendet, die generell eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger besitzen, wodurch die parasitären Kapazitätswerte in dem Metallisierungssystem auf einem akzeptablen Niveau selbst bei insgesamt reduzierten Abmessungen in komplexen Anwendungen bleiben.
  • Da Siliziumdioxid eine weit verbreitete Anwendung bei der Herstellung von Mikrostrukturen von Bauelementen und integrierten Schaltungen findet, wurde eine Vielzahl von modifizierten siliziumoxidbasierten Materialien in den vergangenen Jahren entwickelt, um dielektrische Materialien mit einer reduzierten Dielektrizitätskonstante auf der Grundlage von Vorstufenmaterialien in Prozesstechniken bereitzustellen, die mit dem gesamten Fertigungsprozess für Mikrostrukturbauelemente und integrierte Schaltungen kompatibel sind. Beispielsweise sind Siliziumoxidmaterialien mit einer moderat großen Menge an Kohlenstoff und Wasserstoff, die beispielsweise als SiCOH-Materialien bezeichnet werden, zu einem häufig eingesetzten dielektrischen Material mit kleinem ε geworden, das auf der Grundlage einer Vielzahl von Vorstufenmaterialien, etwa silanbasierten Materialien, in Verbindung mit Ammoniak und dergleichen hergestellt und durch CVD-(chemische Dampfabscheide-Techniken) und dergleichen aufgebracht werden kann. In anderen Fällen werden auf Glas aufgeschleuderte Materialien (SOG) so modifiziert, dass sie einen gewünschten Anteil an Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisen, wodurch die gewünschte kleine Dielektrizitätskonstante erreicht wird.
  • In noch anderen anspruchsvollen Vorgehensweisen wird die Dielektrizitätskonstante dieser Materialien noch weiter reduziert, indem eine Vielzahl an Hohlräumen mit Nanoabmessungen eingebaut wird, die auch als Poren bezeichnet wird, die somit gasgefüllte oder luftgefüllte Hohlräume innerhalb des dielektrischen Materials darstellen, wodurch eine gewünschte noch kleinere Dielektrizitätskonstante erreicht wird. Obwohl die Permittivität dieser dielektrischen Materialien durch den Einbau von Kohlenstoff und durch das Erzeugen einer entsprechenden porösen Struktur reduziert wird, wobei die poröse Struktur zu einer sehr stark vergrößerten Oberfläche an Grenzflächengebieten führen kann, die eine Verbindung zu anderen Materialien herstellen, werden die gesamten mechanischen und chemischen Eigenschaften dieser Materialien mit kleinem oder mit sehr kleinem ε (ULK) wesentlich im Vergleich zu konventionellen dielektrischen Materialien geändert und können zu zusätzlichen Problemen während der Verarbeitung der Materialien führen.
  • Wie beispielsweise zuvor erläutert ist, wird das dielektrische Material typischerweise zuerst vorgesehen und anschließend strukturiert, so dass es Gräben und Kontaktdurchführungsöffnungen erhält, so dass das Einwirken diverser reaktiver Prozessatmosphären auf die empfindlichen dielektrischen Materialien mit kleinem ε erforderlich ist. D. h., die Strukturierung des dielektrischen Materials beinhaltet typischerweise die Herstellung einer Ätzmaske auf der Grundlage eines Lackmaterials und dergleichen, woran sich plasmaunterstützte Ätzprozesse anschließen, um die Gräben und Kontaktdurchführungsöffnungen entsprechend den Entwurfsregeln des betrachteten Bauelements zu erzeugen. Daraufhin müssen für gewöhnlich Reinigungsprozesse ausgeführt werden, um Kontaminationsstoffe und andere Ätznebenprodukte vor dem Abscheiden von Materialien, etwa von leitenden Barrierenmaterialien und dergleichen, zu entfernen. Folglich werden zumindest gewisse Oberflächenbereiche der empfindlichen dielektrischen Materialien mit kleinem ε der Einwirkung eines reaktiven Plasmas in Prozessen, etwa Ätzprozessen, Lackabtragungsprozessen, die auf der Grundlage eines Sauerstoffplasmas ausgeführt werden, von chemischen Reagenzstoffen in Form von Säuren, aggressiven Basen, Alkohol, und dergleichen ausgesetzt, was zu einem gewissen Grad an Oberflächemodifizierung oder Schädigung führen kann. Beispielsweise werden die dielektrischen Materialien mit kleinem ε typischerweise mit einer hydrophoben Oberfläche bereitgestellt, um den Einbau von OH-Gruppen und dergleichen zu behindern, die polarisierbare Gruppen darstellen, die daher „effizient” auf ein elektrisches Feld reagieren, wodurch die resultierende Permittivität des Oberflächenbereichs des Materials deutlich erhöht wird.
  • Wenn das empfindliche dielektrische Material mit kleinem ε der Einwirkung reaktiver Prozessatmosphären, etwa plasmaunterstützter Ätzprozesse, aggressiven nasschemischen Reaktionsmitteln, und dergleichen ausgesetzt wird, werden die Kohlenwasserstoffgruppe der hydrophoben Oberfläche zum Großteil entfernt, wodurch eine Vielzahl an nicht gesättigten Siliziumbindungen an der Oberfläche erzeugt wird innerhalb einer gewissen Grenzflächenschicht, die eine Dicke von mehreren Nanometer bis zu 20 nm oder mehr aufweisen kann. Nach der Strukturierung des empfindlichen dielektrischen Materials mit kleinem ε, beispielsweise zur Herstellung von Kontaktdurchführungsöffnungen und Gräben darin, enthalten folglich freiliegende Oberflächenbereiche und insbesondere die inneren Seitenwandflächenbereiche der Öffnungen einen ausgeprägten Anteil an ungesättigten Siliziumbindungen, die „effizient” mit Feuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre nach dem reaktiven Ätzprozess reagieren. Folglich reagieren Silanolgruppen (OH) mit ungesättigten Siliziumbindungen und bilden somit eine Oberflächenschicht, die stark polarisierte Moleküle aufweist, die wiederum zusätzlich zu einer Adsorption von Feuchtigkeit und dergleichen führen. Folglich kann die Grenzflächenschicht des empfindlichen dielektrischen Materials mit kleinem ε eine ausgeprägte Menge an polarisierbaren Molekülen aufweisen, die wiederum zu einer deutlich erhöhten Dielektrizitätskonstante lokal an den Öffnungen beitragen. Dies kann somit zu einer ausgeprägten parasitären Kapazität von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen führen, die auf der Grundlage der zuvor geätzten Öffnungen herzustellen sind. Die Silanolgruppen und die zusätzliche Feuchtigkeit, die daran anhaftet, können ferner die weitere Bearbeitung beeinflussen, wenn etwa ein Barrierenmaterial und dergleichen hergestellt wird, was zu einem weniger zuverlässigen Elektromigrationsverhalten und dergleichen führen kann. Folglich kann die generelle Reduzierung der Dielektrizitätskonstante der elektrischen Materialien komplexer Metallisierungsschichten zu einem ausgeprägtem Grade aufgehoben werden auf Grund des Einbaus von Silanolgruppen und Feuchtigkeit an einer Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Material und den Metallleitungen und Kontaktdurchführungen. Es werden daher grolle Anstrengungen unternommen, um siliziumoxidbasierte dielektrische Materialien mit kleinem ε bereitzustellen, während Oberflächenmodifizierungen, die durch das Strukturieren der empfindlichen dielektrischen Materialien und durch die nachfolgende Einwirkung von feuchtigkeitsenthaltenden Prozessumgebungen hervorgerufen werden, vermieden oder zumindest verringert werden. In einigen konventionellen Strategien wurde vorgeschlagen, die geschädigte Oberflächenstruktur der dielektrischen Materialien mit kleinem ε auf der Grundlage geeigneter Ätzstrategien zu entfernen, wodurch insbesondere die polarisierbaren Moleküle abgetragen werden, ohne in unerwünschter Weise die hydrophobe Natur der resultierenden neuen Oberflächenschicht zu schädigen. In diesem Falle müssen jedoch geeignete Ätzrezepte angewendet werden, ohne dass die resultierende Struktur weiteren aggressiven Prozessatmosphären ausgesetzt wird, um damit die hydrophobe Natur der neu gebildeten Oberfläche beizubehalten, bis das leitende Barrierenmaterial und dergleichen aufgebracht ist. Dies wiederum erfordert wesentliche Anstrengungen beim Auffinden geeigneter Ätzrezepte, wodurch zu einer erhöhten Prozesskomplexität beigetragen wird. Des weiteren führt der Materialabtrag zu einer Zunahme der kritischen Abmessungen der Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, was wiederum wenig wünschenswert im Hinblick auf eine erhöhte Packungsdichte ist, da die größeren kritischen Abmessungen berücksichtigt werden müssen, wenn das betrachtete Metallisierungssystem entworfen wird. Andererseits ist eine Verringerung der anfänglichen kritischen Abmessung ggf. nicht mit den Strukturierungseigenschaften in der betrachteten Metallisierungsschicht kompatibel. Folglich werden in anderen alternativen Vorgehensweise die hydrophobe Natur und somit de dielektrischen Eigenschaften teilweise wieder hergestellt, indem ein sogenannter Reparaturvorgang des Materials mit kleinem ε mittels einer Sylilierung ausgeführt wird. In diesem Falle reagieren geeignete Chemikalien mit den zuvor erzeugten Silanolgruppen auf der dielektrischen Oberfläche, wobei das Wasserstoff durch eine geeignete funktionale Gruppe, die Methylgruppen enthält, substituiert wird, wodurch eine hydrophobe Oberfläche für die weitere Bearbeitung des Bauelements geschaffen wird und wodurch auch in einem gewissen Grade die kleine Dielektrizitätskonstante lokal an den Oberflächenbereichen wieder hergestellt wird. Um die Sylilierungsreaktion in Gang zu setzen, ist es jedoch erforderlich, das Bauteil der Umgebungsatmosphäre nach dem plasmabasierten Strukturierungsprozess auszusetzen, um die ungesättigten Siliziumbindungen mit den Silanolgruppen zu sättigen. Obwohl eine Vielzahl der Wasserstoffatome der Silanolgruppen durch geeignete funktionale Gruppen, die Wasserstoff und Kohlenstoff enthalten, ersetzt werden können, verbleibt dennoch das Sauerstoffatom der Silanolgruppe in dem geschädigten Oberflächenbereich, wodurch die dielektrischen und chemischen Eigenschaften des dielektrischen Materials generell beeinflusst werden. Ferner enthalten typische Sylilierungschemikalien Moleküle mit großer Größe, die nicht effizient in die Oberfläche der geschädigten Grenzflächenschicht diffundieren, was zu moderat langen Prozesszeiten und/oder zu einem reduzierten Grad an Substituierung der Wasserstoffatome durch methylgruppenenthaltende Sorten führt. Wie ferner zuvor erläutert ist, können bei der Einwirkung einer Umgebungsatmosphäre auf das geschädigte empfindliche dielektrische Material mit kleinem ε, etwa zur Erzeugung der Silanolgruppen, auch Wassermoleküle an den polisierbaren Molekülen anhaften und entsprechende Wasserstoffbindungen können wesentlich die Reaktion der Sylilierungs-Moleküle mit den Silanolgruppen auf Grund der räumlichen Abblockung verringern, die durch die an der geschädigten Oberfläche anhaftenden Moleküle hervorgerufen wird.
  • Obwohl eine Oberflächenbehandlung mit Chemikalien für ein gewisses Maß an Wiederherstellung der hydrophoben Oberflächenbedingungen von porösen siliziumdioxidebasierten dielektrischen Materialien sorgen kann, kann dennoch die resultierende Grenzfläche, die zwischen dem wiederhergestellten dielektrischen Material und dem Metallmaterial ausgebildet ist, eine höhere Dielektrizitätskonstante und chemische Eigenschaften aufweisen, die sich von den Eigenschaften des dielektrischen Materials mit großem ε, das anfänglich hergestellt wurde, unterscheiden.
  • Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken, in denen siliziumdioxidbasierte dielektrische Materialien mit kleinem ε der Einwirkung von Plasmabehandlungen oder anderen reaktiven Prozesstechniken unterzogen werden, während eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
  • Überblick über die Erfindung
  • Generell betrifft die vorliegende Erfindung Techniken zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von dielektrischen Materialien mit kleinem ε, etwa von siliziumoxidbasierten Materialien, indem eine gewünschte Oberflächenstruktur wieder hergestellt wird, die durch plasmaunterstützte Prozesse „geschädigt” wurde, etwa beim Plasmaätzen, beim Plasmalackabtragen, bei plasmaunterstützten Abscheideprozessen und dergleichen.
  • D. h., wie zuvor erläutert ist, besitzen die dielektrischen Materialien mit kleinem ε, die häufig mit einer zusätzlichen poröses Struktur bereitgestellt werden, eine im Wesentlichen nicht-polare Natur, d. h. eine hydrophobe Eigenschaft, wobei typischerweise Methylgruppen an der Oberfläche vorhanden sind. Während der plasmabasierten reaktiven Behandlungen werden die Methylgruppen innerhalb einer gewissen Oberflächenschicht entfernt, wodurch tatsächlich nicht besetzte Siliziumbindungen, d. h. ungesättigte Siliziumbindungen, erzeugt werden, die typischerweise danach von OH-Gruppen besetzt werden, wodurch sich die nicht gewünschte stark polarisierbare Natur der resultierenden Oberfläche ergibt. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien und im Gegensatz zu konventionellen Sylilierungsstrategien, in denen OH-Gruppen teilweise durch siliziumenthaltende organische Gruppen ersetzt werden, wird ein Kontakt der empfindlichen Oberflächenbereiche, die die ungesättigten Verbindungen aufweisen, mit polarisierbaren, OH-Gruppen im Wesentlichen unterdrückt. D. h., das Bauteil wird in einer Prozessumgebung gehalten, die an OH-Gruppen verarmt ist, was als eine Prozessumgebung zu verstehen ist, in der der Einbau von OH-Gruppen oder anderer Basismoleküle, die zur Erzeugung von OH-Gruppen führen, etwa Wassermoleküle, und dergleichen, aktiv unterdrückt wird, beispielsweise durch Bereitstellen einer geeigneten Prozesskammer, in der die Umgebungsbedingungen in geeigneter Weise gesteuert sind. Es sollte jedoch beachtet werden, dass dennoch geringe Menge an Molekülen, die OH-Gruppen bilden können, auf Grund unvermeidbarer Unzulänglichkeiten von Prozessanlagen und dergleichen vorhanden sein können.
  • Folglich kann die reaktive Oberfläche mit den ungesättigten Bindungen in der Prozessumgebung behandelt werden, die verarmt an OH-Gruppen ist, so dass eine geeignete Sorte eingeführt wird, um beim Aktivieren oder Initiieren einer chemischen Reaktion mit den ungesättigten Bindungen eine gesättigte Oberfläche zu schaffen, die die gewünschten Eigenschaften mit kleinem ε besitzt. Dazu können konventionelle Sylilierungsreparaturchemikalien verwendet werden, während in anderen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen siliziumenthaltende organische Sorten angewendet werden, die eine deutlich geringere Größe im Vergleich zu den konventionellen Sylilierungschemikalien besitzen, wodurch bessere Diffusionseigenschaften erreicht werden, was wiederum zu kürzeren Prozesszeiten und zu einer effizienten Neukonfigurierung der zuvor geschädigten Oberfläche führt. in anderen Fällen werden andere organische Substanzen aufgebracht oder generell Moleküle mit Wasserstoff und Kohlenstoff angewendet, die effizient mit den ungesättigten Bindungen reagieren, um damit eine im Wesentlichen hydrophobe Oberfläche zu erzeugen.
  • Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε über einem Substrat eines Mikrostrukturbauelements. Das Verfahren umfasst ferner das Einwirken mittels einer reaktiven Prozessatmosphäre auf zumindest einen Teil des dielektrischen Materials mit kleinem ε in einer Prozesskammer, wobei die Einwirkung zu der Erzeugung von ungesättigten Bindungen an einem Oberflächenbereich des dielektrischen Materials mit kleinem ε führt. Das Verfahren umfasst ferner das Ausführen einer Oberflächenbehandlung der Prozesskammer, ohne dass das dielektrische Material der Einwirkung einer Umgebungsatmosphäre ausgesetzt wird, um die meisten der ungesättigten Bindungen an den Oberflächenbereich einer organischen Sorte zu sättigen. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines metallenthaltenden Materials über dem Oberflächenbereich.
  • Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft die Verarbeitung eines dielektrischen Materials mit kleinem ε in einem Mikrostrukturbauelement. Das Verfahren umfasst das Bilden eines dielektrischen Basismaterials über einem Substrat, so dass das dielektrische Basismaterial eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 3,0 oder weniger aufweist, wobei das dielektrische Basismaterial eine Oberfläche mit Methylgruppen aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Einwirken mittels einer reaktiven Prozessatmosphäre auf zumindest einen Teil des dielektrischen Basismaterials in einer Prozessumgebung, die an OH-Molekülen verarmt ist. Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden des dielektrischen Materials mit großem ε durch Sättigen von ungesättigten Bindungen des dielektrischen Basismaterials mit einer organischen Gruppe in der Prozessumgebung, die an OH-Molekülen verarmt ist.
  • Ein noch weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε über dem Substrat eines Halbleiterbauelements, wobei das dielektrische Material mit kleinem ε Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Ausführen eines plasmaunterstützten Ätzprozesses zur Erzeugung einer Öffnung in dem dielektrischen Material mit kleinem ε. Das Verfahren umfasst ferner vor dem Einwirken mit OH-Gruppen auf das Halbleiterelement das Behandeln freiliegender Oberflächenbereiche des dielektrischen Materials mit kleinem ε durch Verwenden einer Sylilierreparaturchemikalie und/oder einer siliziumenthaltenden organischen Sorte, die Kohlenstoff und Stickstoff aufweist, und/oder basischen Alkenen und/oder Alkenen und/oder Alkinen und/oder Alkoholen und/oder Aldehyden und/oder Ketonen und/oder Aminen mit einer organischen Gruppe. Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden eines Metallgebiets auf der Grundlage der Öffnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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:
  • 1a schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε zeigt, das beispielsweise auf der Grundlage von Silizium, Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff hergestellt ist, und das auch eine moderat geringe Dielektrizitätskonstante an einem Oberflächenbereich davon gemäß anschaulichen Ausführungsformen aufweist;
  • 1b schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt, in denen das dielektrische Material mit kleinem ε zu behandeln ist, etwa zu strukturieren ist, um ein Metallisierungssystem des Mikrostrukturbauelements zu erzeugen;
  • 1c schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements zeigt, wenn es der Einwirkung eines reaktiven plasmabasierten Prozesses in einer eingeschlossenen Prozessumgebung, etwa einer Prozesskammer und dergleichen ausgesetzt ist;
  • 1d schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements während einer Oberflächenbehandlung zeigt, die in einer geschlossenen Prozessumgebung ausgeführt wird, in der die Anwesenheit von OH-Gruppen aktiv unterdrückt wird, um freiliegende Oberflächenbereiche des zuvor behandelten Bauelements mit einer geeigneten organischen Sorte in Kontakt zu bringen und um eine chemische Reaktion gemäß anschaulichen Ausführungsformen in Gang zu setzen;
  • 1e schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements in einer weiter fortgeschrittenen Phase zeigt, in der die meisten ungesättigten Bindungen an freiliegenden Oberflächenbereichen durch organische funktionelle Gruppen gesättigt sind, die eine oder mehrere Kohlenwasserstoffgruppen aufweisen, um die dielektrischen Eigenschaften des dielektrischen Materials mit kleinem ε gemäß anschaulichen Ausführungsformen wieder herzustellen; und
  • 1f schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements in Form eines Halbleiterbauelements in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, in der ein Metallgebiet in dem strukturierten dielektrischen Material mit kleinem ε vorgesehen wird, wobei bessere dielektrische und chemische Eigenschaften an einer Grenzflächenschicht gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen erreicht werden.
  • 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 die 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 Prozesstechniken bereit, in denen bessere Eigenschaften von dielektrischen Materialien mit kleinem ε an einer Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Material und einem Metallgebiet erreicht werden, indem die anfänglichen dielektrischen und chemischen Eigenschaften wieder hergestellt oder sogar verbessert werden. Zu diesem Zweck wird das dielektrische Material mit kleinem ε, das in einigen anschaulichen Ausführungsformen in Form eines silizium-, sauerstoff-, kohlenstoff- und wasserstoffenthaltendem Material bereitgestellt ist, der Einwirkung einer gut gesteuerten Prozessatmosphäre ausgesetzt, in der die unbesetzten Bindungen, d. h. ungesättigte Bindungen an der Oberfläche, die durch einen vorhergehenden äußerst reaktiven Prozess erzeugt werden, etwa durch plasmaunterstützte Ätzprozesse, plasmaunterstützte Abtragungsprozesse und dergleichen, auf der Basis einer geeigneten „Reparaturchemie” gesättigt werden, wodurch die gewünschten hydrophoben Oberflächeneigenschaften geschaffen werden. Nach der Bearbeitung zumindest einiger Oberflächenbereiche des dielektrischen Materials mit kleinem ε, beispielsweise zum Strukturieren von Öffnungen, etwa von Gräben und dergleichen, wird folglich ein Kontakt der „geschädigten” Oberflächenbereiche mit OH-Gruppen unterdrückt, indem eine an OH-Gruppen verarmte Prozessumgebung eingerichtet wird, wodurch das Erzeugen von Silanolgruppen auf den geschädigten Oberflächenbereichen effizient vermieden oder zumindest deutlich unterdrückt wird. Daher wird im Gegensatz zu konventionellen Sylilierungsvorgehensweisen eine nachfolgende Ersetzung der Silanolgruppen durch organische Gruppen der Sylilierungschemikalien nicht erforderlich, da die entsprechenden organischen Sorten mit den ungesättigten Bindungen ohne einen Zwischenschritt zum Sättigen dieser ungesättigten Bindungen mit OH-Gruppen in Wechselwirkung treten. Aus diesem Grunde ist eine deutlich größere Vielfalt an Chemikalien zum Einrichten der gewünschten Oberflächeneigenschaften des dielektrischen Materials mit kleinem ε im Vergleich zu konventionellen Sylilierungsstrategien verfügbar, so dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen Moleküle mit deutlich reduzierter Größe angewendet werden können, wodurch die gesamte Reaktionskinematik verbessert wird, was wiederum zu kürzeren Prozesszeiten und zu besseren Oberflächeneigenschaften führt. D. h, ein deutlich größerer Anteil der ungesättigten Bindungen kann durch organische Gruppen im Vergleich zu konventionellen Sylilierungsstrategien gesättigt werden.
  • Die chemische Reaktion zur Sättigung der ungesättigten Binden kann unter Anwendung von UV-(ultraviolett)Strahlung, IR-(Infrarot)Strahlung oder einer Temperaturerhöhung in der Prozessumgebung und der Oberfläche des dielektrischen Materials mit kleinem ε in Abhängigkeit von den speziellen verwendeten Molekülen in Gang gesetzt werden. In einigen Fällen wird sogar Hochfrequenzenergie zugeführt, wodurch die Oberfläche aufbereitet wird und wodurch möglicherweise ionisierte Moleküle erzeugt werden, um die gesamte Reaktionsrate zu erhöhen.
  • Die vorliegende Erfindung kann daher vorteilhaft im Zusammenhang der Herstellungsstrategien eingesetzt werden, die in komplexen mikroelektronischen Produktionstechniken eingesetzt werden, in denen dielektrische Materialien mit kleinem ε, etwa siliziumoxidbasierte Materialien häufig in Form von porösem Material für ein besseres Leistungsverhalten im Hinblick auf die parasitäre Kapazität und dergleichen hergestellt werden. In diesem Falle werden geschädigte Oberflächenbereiche, die während der Einwirkung reaktiver Plasmaprozessatmosphären erzeugt werden, effizient repariert oder es wird sogar ein insgesamt verbesserter Materialstatus erreicht, wenn eine Oberflächenbehandlung vor dem Einbringen des Bauelements in jegliche OH-Gruppen enthaltende Atmosphäre angewendet wird. Auf diese Weise wird eine bessere Prozesseffizienz erreicht, während die Nachteile konventioneller Vorgehensweisen vermieden werden, die das Entfernen eines geschädigten Oberflächenbereichs und/oder das Anwenden komplexer Sylilierungschemikalien erfordern, die generell eine geringere Diffusionseigenschaft und eine ausgeprägte Ungleichmäßigkeit auf Grund der vorhergehenden Einwirkung von OH-Gruppen besitzen, wie dies auch zuvor erläutert ist.
  • 1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements, 100, das generell als ein Element zu verstehen ist, das auf der Grundlage mikroelektronischer oder mikromechanischer Fertigungstechniken hergestellt und verarbeitet wird. In dieser Ausführungsform repräsentiert das Bauelement 100 ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial ist, um darüber eine dielektrische Basisschicht 110 mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 3,0 oder weniger zu erzeugen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist die dielektrische Schicht 110 eine siliziumoxidbasierte Schicht, wie dies auch zuvor erläutert ist. Somit kann in dem oben definierte Sinne die dielektrische Schicht 110 als ein dielektrisches Material mit kleinem ε bezeichnet werden. Das Halbleiterbauelement 100 kann ein beliebiges Bauelement sein, in welchem ein kleiner ε-Wert der Schicht 110 erforderlich ist, beispielsweise im Hinblick auf das elektrische Leistungsverhalten und dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass die dielektrische Schicht 110 eine geeignete Dicke aufweisen kann, etwa mehrere Nanometer bis mehrere 100 Nanometer oder dicker, wobei dies von dem speziellen Aufbau des Bauelements 100 und der Funktion der Schicht 110 in dem Bauelement 100 abhängt. Beispielsweise wird das Material der Schicht 110 als ein effizientes Füllmaterial zum elektrischen isolieren leitender Gebiete des Bauelements 100 verwendet. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, kann das dielektrische Material 110 ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial sein, das beispielsweise in einem Metallisierungssystem des Bauelements 100 vorgesehen ist. Die Schicht 110 enthält Silizium und Sauerstoff in Verbindung mit Kohlenstoff, Wasserstoff, wobei auch andere Komponenten, etwa Stickstoff und dergleichen eingebaut sein können, wobei dies von den gewünschten Materialeigenschaften und der gewünschten Dielektrizitätskonstante abhängt.
  • Das dielektrische Material 110 kann durch einen beliebigen geeigneten Abscheideprozess, etwa einen Aufschleuderprozess, einen CVD-(chemischer Dampfabscheideprozess, beispielsweise in Form eines plasmaunterstützten CVD-Prozess oder in Form eines thermisch aktivierten CVD-Prozesses und dergleichen hergestellt werden. Beispielsweise können viele thermisch aktivierte CVD-Rezepte angewendet werden, in denen geeignete Vorstufenmaterialien, etwa Tetramethyloxysilan (TMOS) und/oder Tetrahthoxysilan (TEOS), und dergleichen verwendet werden, die auch für Aufschleudertechniken und CVD-Proesse verwendbar sind. Ferner können plasmaunterstützte CVD-Techniken bei geringem Druck angewendet werden, in denen das Erzeugen geeigneter Vorstufenionen und Radikale für eine deutlich höhere Flexibilität bei der Auswahl einer geeigneten Materialzusammensetzung sorgt, da wesentlich mehr Reaktionswege durch das Vorsehen von Radikalen anstelle von thermisch aktivierten CVD-Rezepten verfügbar sind. Wie ferner zuvor angegeben ist, kann eine weitere Verringerung der Materialdichte und somit der Dielektrizitätskonstante erreicht werden, indem geeignete Substanzen und Lösungsmittel in die Abscheideumgebung eingebaut werden, beispielsweise in die Flüssigkeit, die für Aufschleudertechniken verwendet wird, oder in die Abscheideatmosphäre von DVD-Prozessen. Diese Komponenten können zumindest teilweise aus dem abgeschiedenen Material durch eine entsprechende Behandlung, beispielsweise durch Erwärmen der Schicht, durch Ausführen einer Strahlungsbehandlung und dergleichen herausgelöst werden. Folglich kann eine poröse Struktur in der Schicht 110 bei Bedarf erhalten werden, was zu einer noch einer geringeren Dielektrizitätskonstante führt, was jedoch zu einem größeren Oberflächenbereich an einer Oberfläche 110s der Schicht 110 auf Grund der Anwesenheit einer Vielzahl an Aussparungen führt. Abhängig von den speziellen Abscheidebedingungen und möglicherweise abhängig von den der Abscheidung nachgeordneten Behandlungen kann die Schicht 110 ein im Wesentlichen hydrophobes Verhaften an seiner Oberfläche 110s zeigen, beispielsweise ist eine Methylgruppe (CH3) mit entsprechenden Siliziumatomen an und in der Nähe der Oberfläche 110s verbunden.
  • 1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer Querschnittsansicht in einem weiter fortgeschrittenen Fertigungsstadium. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Metallisierungssystem 150 über dem Substrat 101 in einem mehr oder minder vollständigen Zustand hergestellt. Beispielsweise ist eine dielektrische Materialschicht 120, die ein dielektrisches Material mit kleinem ε oder ein anderes geeignetes Material darstellt, vorgesehen, wobei darin entsprechende Metallgebiete, etwa Metallleitungen und dergleichen eingebettet sind. Der Einfachheit halber ist in 1b ein einzelnes Metallgebiet 121 gezeigt. Ferner ist eine Deckschicht oder eine Ätzstoppschicht 122 auf der dielektrischen Materialschicht 120 und dem Metallgebiet 121 ausgebildet, wobei die Schicht 121 aus Siliziumnitrid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid und dergleichen aufgebaut sein kann. Die Schichten 120 und 122 in Verbindung mit dem Metallgebiet 121 stellen eine Metallisierungsschicht des Systems 150 dar. In der gezeigten Ausführungsform ist die dielektrische Schicht mit kleinem ε 110 über dem dielektrischen Material 120 ausgebildet und repräsentiert das dielektrische Material einer weiteren Metallisierungsschicht des Systems 150. In der gezeigten Fertigungsphase wird das Bauelement 100 der Einwirkung einer reaktiven Prozessatmosphäre 104 unterzogen, beispielsweise einem plasmaunterstützten Ätzprozess, um in geeigneter Weise das dielektrische Material 110 zu strukturieren, so dass entsprechende Öffnungen 121a, 121b, etwa eine Grabenöffnung in Verbindung mit einer Kontaktführungsöffnung, darin geschaffen werden. Der Strukturierungsprozess 104 kann beispielsweise auf der Grundalge eines Hartmaskenmaterials 103, etwa Titannitrid, und dergleichen bewerkstelligt werden. Während des Strukturierungsprozesses 104 werden somit freiliegende Oberflächenbereiche, die ebenfalls durch das Bezugszeichen 110s angegeben sind, geschaffen, die mit der reaktiven Prozessatmosphäre des Prozesses 104 in Kontakt kommen. Folglich wird eine geschädigte Oberflächenschicht 110d erzeugt, in der die Oberflächeneigenschaften deutlich modifiziert sind, wie dies auch zuvor erläutert ist.
  • Es sollte beachtet werden, dass das in 1b gezeigte Halbleiterbauelement 100 auf der Grundlage einer beliebigen gut etablierten Prozesstechnik hergestellt werden kann, um Schaltungselemente in und über dem Substrat 101 herzustellen, wobei gut etablierte Prozessstrategien angewendet werden, wobei, wie zuvor erläutert ist, in komplexen Anwendungen entsprechende Schaltungselemente auf der Grundlage von Entwurfsregeln von 50 nm und weniger zu erzeugen sind. Danach wird die Schicht 120 hergestellt, beispielsweise auf der Grundlage von Prozesstechniken, wie sie zuvor mit Bezug zu dem dielektrischen Material mit kleinem ε 110 beschrieben sind, woran sich ein Strukturierungsprozess anschließt, der ähnlich sein kann zu Prozesstechniken, wie sie im Zusammenhang mit der Schicht 110 beschrieben sind. Daraufhin wird das Metallgebiet 121 hergestellt, indem ein geeignetes Metall, etwa in Form eines leitenden Barrierenmaterials in Verbindung mit einem gut leitenden Füllmaterial, etwa Kupfer und dergleichen abgeschieden wird. Nach dem Entfernen von überschüssigem Material wird die Schicht 121 auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik hergestellt. Als nächstes wird das dielektrische Material mit kleinem ε aufgebracht, wie dies zuvor beschrieben ist und es wird eine geeignete Prozessstrategie angewendet, um eine Ätzmaske zu erzeugen, beispielsweise zum Festlegen der lateralen Größe und Lage der Kontaktdurchführungsöffnung 112b, woran sich ein weiterer Strukturierungsprozess anschließt, um die Hartmaske 103, die während des Prozesses 104 verwendet wird, bereitzustellen.
  • 1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 während des Strukturierungsprozesses 104. Wie gezeigt, wird das Bauelement 100 in einer geschlossenen Prozessumgebung 105 behandelt, die eine Ätzkammer einer Ätzanlage oder einer anderen geeigneten Prozessanlage darstellen kann, die in der Lage ist, die reaktive Prozessatmosphäre zum Ausführen des Ätzprozesses 104 bereitzustellen. Wie gezeigt, wird während des Prozesses 104 Material der Schicht 110 abgetragen, wodurch die Öffnungen 112a, 112b (siehe 1b) erzeugt werden, wobei schließlich nicht gesättigte oder offene Bindungen 113 an und in der Nähe der freiliegenden Oberfläche 110s geschaffen werden. Wie zuvor erläutert ist, sind in diesem Zustand die Oberfläche 110s und tieferliegende Bereiche, in denen eine ausgeprägte Menge an nicht gesättigten Siliziumbindungen vorhanden ist, äußerst reaktiv insbesondere im Hinblick auf Silanolgruppen, die sich bei einer Einwirkung einer feuchtigkeitsenthaltenden Prozessumgebung ausbilden würden. In konventionellen Vorgehensweisen ist jedoch diese entsprechende Einwirkung durch die Umgebungsatmosphäre im Hinblick auf das Anwenden von Sylilierungschemikalien in einer nachfolgenden Prozessstufe erforderlich, um das Wasserstoffatom der Silanolgruppe durch eine geeignete Sorte zu ersetzen, die eine Kohlenwasserstoffgruppe enthält.
  • Im Gegensatz zu diesen konventionellen Vorgehensweisen wird in der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenbehandlung in einer geschlossenen Prozessumgebung ausgeführt, d. h. ohne das Bauelement 100 der Reinraumatmosphäre oder einer anderen Umgebung auszusetzen, die OH-Gruppen enthält oder die Erzeugung dieser Gruppen nach sich zieht, um die ungesättigten Bindungen 113 mit geeignet ausgewählten organischen Sorten zu sättigen.
  • 1d zeigt schematisch das Bauelement 100 während einer Oberflächenbehandlung 107, die in einer geschlossenen Prozessumgebung 105a ausgeführt wird, die so eingerichtet wird, dass die Anwesenheit von OH-Gruppen vermieden oder zumindest deutlich unterdrückt wird. D. h., die Umgebung 105a wird unmittelbar nach der Plasmabehandlung in der Prozessumgebung 105 so eingerichtet, dass eine Prozessatmosphäre geschaffen wird, die an OH-Gruppen oder an Substanzen verarmt ist, die zur Erzeugung von OH-Gruppen führen könnten, um damit die Sättigung der ungesättigten Bindungen 113 durch OH-Gruppen deutlich zu unterdrücken. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist die geschlossene Prozessumgebung 105a die Umgebung 105, die für den Prozess 104 verwendet wird, der mit Bezug zu den 1b und 1c beschrieben ist. In anderen Fällen werden andere Prozessumgebungen eingesetzt, ohne jedoch das Bauelement 100 der Einwirkung der Umgebungsatmosphäre oder einer anderen Umgebung auszusetzen, die zu einer ausgeprägten Kontamination mit OH-Gruppen führen könnte. Zu beachten ist, dass die nachfolgende Bearbeitung des Bauelements 100 auf der Grundlage eines plasmabasierten reaktiven Prozesses und der Oberflächenbehandlung 107 ohne Einwirkung einer OH-Gruppe enthaltenen Atmosphäre mit Ausnahme unvermeidbarer Anlagenunzulänglichkeiten und dergleichen auch als eine in-situ-Prozesssequenz bezeichnet wird, unabhängig von der Tatsache, ob die gleiche Prozesskammer oder unterschiedliche Prozesskammern verwendet werden. Beispielsweise sind in einigen Fällen die Prozessumgebung 105 aus 1c und die Prozessumgebung 105a ein und dieselbe Prozesskammer, in der unterschiedliche Prozessatmosphären eingerichtet werden, ohne dass absichtlich OH-Gruppen eingeführt werden. In anderen Fällen werden die Prozessumgebungen 105, 105a in einer Cluster-Anlage auf der Grundlage unterschiedlicher Prozesskammer mit geeigneten Substrattransportressourcen eingerichtet, die ebenfalls den Kontakt des Bauelements mit OH-Gruppen vermeiden oder unterdrücken. In noch anderen Fällen werden separate Prozessanlagen verwendet, wobei geeignete Substrattransport- und Substrataufbewahrungsressourcen bereitgestellt sind, um eine unerwünschte Wechselwirkung der ungesättigten Bindungen 113 mit jeglichen OH-Gruppen zu unterdrücken. Während der Oberflächenbehandlung 107 werden geeignete Prozessparameter eingerichtet, beispielsweise indem ein geeigneter Druck und eine geeignete Temperatur ausgewählt werden, so dass eine chemische Reaktion auf der Grundlage von wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Sorten in Gange gesetzt wird, um damit zumindest den Hauptanteil der ungesättigten Bindungen 113 zu sättigen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden Moleküle 114a verwendet, die Kohlenwasserstoffgruppen und andere Atomsorten, enthalten, beispielsweise Moleküle der Art HC≡N.
  • In anderen Fällen werden Sylilierungsreparaturchemikalien 114b der Prozessumgebung 105a zugeführt, wie sie auch typischerweise in konventionellen Strategien verwendet werden, jedoch können in diesem Falle diese Chemikalien direkt mit den ungesättigten Bindungen 113 in Wechselwirkung treten. Beispielsweise können Chemikalien verwendet werden, etwa R3SiNHSiR3, RxSiCly, RxCl(OH)y, R3SiOSiR3, RxSi(OR)y, MpSi(HO)4-p, RxSi(OCOCH3)yR, und Kombinationen davon, wobei x eine Ganzzahl im Bereich von 1–3,
    y eine Ganzzahl im Bereich von 1 bis 3 mit y = 4 – x,
    p eine Ganzzahl im Bereich von 2 bis 3 ist,
    jedes R ausgewählt ist aus Wasserstoff und einem hydrophoben organischen Rest ist,
    jedes M ein unabhängig ausgewählter hydrophober organischer Rest, und
    R und M gleich oder unterschiedlich sein können.
  • In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden andere siliziumenthaltende organische Verbindungen eingesetzt, beispielsweise siliziumenthaltende organische Sorten der Art Si(CH3)xHy, Si(CH3)xOHy, Si(CH3)xOHyHz, wobei x, y, z ganze Zahlen im Bereich von 1, ..., 3 sind. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen werden organische Moleküle verwendet, etwa basische Alkene (C2H6), Alkene (C2H4), Alkine (C2H2), Alkohole (CHxOHy), Aldehyde (CHxCOH), Ketone (H2C=O), Amine (CHx(NR2)y), wobei x, y ganze Zahlen sind, die größer oder gleich 1 sind und R eine organische Gruppe ist.
  • Es sollte beachtet werden, dass insbesondere die Sorten 114a, 114c, 114d generell Moleküle mit reduzierter Größe im Vergleich zu beispielsweise den Reparaturchemikalien 114b darstellen, die häufig in konventionellen Strategien eingesetzt werden, wodurch die gesamten Diffusionseigenschaften verbessert werden, so dass sich eine bessere Wechselwirkung mit den ungesättigten Bindungen 113 und auch mit ungesättigten Bindungen unterhalb der Oberfläche 110s ergibt. Um die chemischen Reaktionen einer oder mehrerer der Sorten 114a, ..., 114d mit ungesättigten Bindungen auf und in der Materialschicht 110 in Gang zu setzen, wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Erzeugung von Plasmabedingungen unterbrochen, wenn beispielsweise die Prozessumgebung 105a innerhalb der gleichen Prozessumgebung 105 eingerichtet wird, wie sie auch für den vorhergehenden reaktiven plasmabasierten Prozess verwendet wird, etwa für einen Ätzprozess und dergleichen. In diesem Falle kann die Initiierung der chemischen Reaktion bewerkstelligt werden durch einen Aktivierungsmechanismus auf der Grundlage von UV-Strahlung, wobei eine geeignete Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich effizient auf der Grundlage von Experimenten festgelegt werden können, in denen die Wellenlänge und die Intensität der UV-Strahlung für diverse Werte im Werte im Hinblick auf die resultierenden Oberflächeneigenschaften beobachtet werden, d. h. im Hinblick auf den Grad der Sättigung der ungesättigten Bindungen 113 mit nicht-polaren organischen Sorten. Es sollte beachtet werden, dass eine derartige quantitative Abschätzung des Ergebnisses der Oberflächenbehandlung 107 im Hinblick auf unterschiedliche Aktivierungsmechanismen und Prozessparameter effizient auf der Grundlage einer Fourier-transformierten Infrarot-Spektroskopie (FTIR) bewerkstelligt werden kann, die äußerst effizient beim Erfassen der chemischen Eigenschaften von Oberflächenbereichen von Materialien ist.
  • In anderen Fällen wird die Aktivierung 107a in Gang gesetzt, indem Infrarotstrahlung angewendet wird, wobei dies von der Bindungsenergie der diversen beteiligten Sorten abhängt, während auch eine effiziente Zunahme der Oberflächentemperatur der Schicht 110 ermöglicht wird. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die Aktivierung 107a bewerkstelligt, indem die Temperatur zumindest der Schicht 110 erhöht wird, was bewerkstelligt werden kann durch Aufheizen des gesamten Bauelements 100 und/oder durch Anwenden geeigneter Strahlung und dergleichen.
  • In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird Hochfrequenz-(RF)Energie der Umgebung 105a zugeführt, wodurch eine Plasmaumgebung eingerichtet wird, wobei auch in diesem Falle geeignete Prozessparameter effizient auf der Grundlage von Experimenten ermittelt werden können.
  • 1e zeigt schematisch das Bauelement 100 in der Prozessumgebung 105a in einer weiter fortgeschrittenen Phase, in der die meisten der nicht gesättigten Siliziumbindungen nunmehr durch eine organische Gruppe 115 gesättigt sind, etwa durch eine Methylgruppe und dergleichen. Folglich können die gewünschten dielektrischen Eigenschaften mit kleinem ε in effizienter Weise wieder hergestellt werden, da generell die organischen Gruppen 115 effizienter mit den ungesättigten Bindungen reagieren, beispielsweise im Hinblick auf günstigere Oberflächenbedingungen im Vergleich zu konventionellen Strategien, in denen häufig die Anwesenheit zusätzlicher polarisierbarer Moleküle, etwa von Wassermolekülen und dergleichen, generell die chemische Reaktion zwischen einer Reparaturchemikalie und den zuvor erzeugten Silanolgruppen deutlich behindern kann. Somit ist der Hauptanteil der zuvor erzeugten ungesättigten Bindungen und an und unter der Oberfläche 110s durch die Gruppen 115 gesättigt, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen ungefähr 90% oder mehr der zuvor erzeugten ungesättigten Bindungen nunmehr gesättigt sind.
  • 1f zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein Metallgebiet 111 in der dielektrischen Schicht 110 ausgebildet und weist ein geeignetes Material oder Materialsysteme auf, etwa leitende Barrierenschichten (nicht gezeigt) in Verbindung mit einem geeigneten Füllmetall, etwa Kupfer und dergleichen. Ferner bildet, wie gezeigt, das Metallgebiet 111 eine Grenzfläche mit der dielektrischen Schicht 110, die der Oberfläche 110s (siehe 1b) entspricht, die eine ausgeprägte Schädigung während der Strukturierung der Schicht 110 erfahren hat. Auf Grund der nachfolgenden Oberflächenbehandlung 107 (siehe 1d) wird ein effizienter Reparaturmechanismus eingerichtet, wodurch eine Grenzflächenschicht 110r erzeugt wird, die im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die geschädigte Schicht 110d aus 1b besitzt. D. h., wie zuvor erläutert ist, ergibt die Oberflächenbehandlung 107 (siehe 1d) eine effiziente Sättigung ungesättigter Siliziumbindungen in dem geschädigten dielektrischen Material. Folglich kann generell eine bessere Eindringtiefe der Reparaturmoleküle in die geschädigten Materialbereiche der Schicht 110 erreicht werden, insbesondere, wenn Moleküle mit reduzierter Größe verwendet werden. Somit besitzt die Grenzflächenschicht 110r, die das wieder hergestellte dielektrische Material repräsentiert, eine ähnliche Dicke wie die anfänglich geschädigte Oberflächenschicht. Beispielsweise enthält die Grenzflächenschicht 110r eine hohe Konzentration an Siliziumatomen, die an Kohlenwasserstoffgruppen gebunden sind, etwa Methylgruppen, wobei diese Konzentration vergleichbar oder sogar höher ist als die entsprechende Konzentration in der anfänglichen Basisschicht 110, wie sie in 1a gezeigt ist. Obwohl eine ausgeprägte Schädigung in der Grenzflächenschicht beim Verarbeiten des dielektrischen Materials mit kleinem ε 110 in einer reaktiven Plasmaatmosphäre hervorgerufen worden sein kann, kann folglich dennoch eine reduzierte Gesamtdielektrizitätskonstante wieder erzeugt werden und es können auch hydrophobe Oberflächeneigenschaften auf Grund der zuvor beschriebenen Prozessstrategie eingerichtet werden. Somit ist das Metallgebiet 111 in der Grenzflächenschicht 110r eingebettet, die eine vergleichbare Dielektrizitätskonstante in Bezug auf den verbleibenden Bereich der dielektrischen Schicht 110 besitzt.
  • Im Hinblick auf die Herstellung des Metallgebiets 111 kann jede geeignete Fertigungstechnik angewendet werden, wie dies auch zuvor beschrieben ist.
  • Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken und entsprechende Halbleiterbauelemente bereit, in denen geschädigte Oberflächenbereiche von dielektrischen Materialien mit kleinem ε auf der Grundlage einer Oberflächenbehandlung wieder hergestellt werden können, die nach dem reaktiven Plasmaprozess ausgeführt wird, ohne dass das Bauelement der Einwirkung einer Umgebung, die OH-Gruppen enthält, ausgesetzt wird. Somit können geeignete Sorten verwendet werden, um die ungesättigten Siliziumbindungen direkt zu sättigen. Im Gegensatz zu konventionellen Sylilierungsstrategien kann eine breite Klasse an Chemikalien verwendet werden, beispielsweise Chemikalien mit Molekülen mit deutlich geringerer Größe im Vergleich zu konventionellen Sylilierungschemikalien, wodurch die Diffusionsbedingungen verbessert werden.
  • Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung. Daher ist diese Beschreibung lediglich anschaulicher Natur und soll dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Prinzipien vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims (20)

  1. Verfahren mit: Bilden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε über einem Substrat eines Mikrostrukturbauelements; Einwirken mittels einer reaktiven Prozessatmosphäre in einer Prozesskammer auf zumindest einen Teil des dielektrischen Materials mit kleinem ε, wobei die Einwirkung zur Erzeugung von ungesättigten Bindungen an einem Oberflächenbereich des dielektrischen Materials mit kleinem ε führt; Ausführen einer Oberflächenbehandlung in der Prozesskammer ohne Einwirkung einer Umgebungsatmosphäre auf das dielektrische Material mit kleinem ε derart, dass der Großteil der ungesättigten Bindungen an dem Oberflächenbereich mit einer organischen Sorte gesättigt wird; und Bilden einer metallenthaltenden Materialschicht über dem Oberflächenbereich.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die organische Sorte eine Methylgruppe umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Unterbrechen der Einwirkung der reaktiven Prozessatmosphäre auf den mindestens einen Teil des dielektrischen Materials mit kleinem ε vor dem Ausführen der Oberflächenbehandlung.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung in der Prozesskammer umfasst: Einführen einer wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Sorte in die Prozesskammer und Aktivieren einer chemischen Reaktion durch Bereitstellen von UV-(Ultraviolett-)Strahlung in der Prozesskammer.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung in der Prozesskammer umfasst: Einführen einer wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Sorte in die Prozesskammer und Aktivieren einer chemischen Reaktion durch Bereitstellen von IR-(Infrarot-)Strahlung in der Prozesskammer.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung in der Prozesskammer umfasst: Einführen einer wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Sorte in die Prozesskammer und Aktivieren einer chemischen Reaktion durch Erhöhen einer Temperatur des dielektrischen Materials mit kleinem ε.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung in der Prozesskammer umfasst: Einführen einer wasserstoff- und kohlenstoffenthaltenden Sorte in die Prozesskammer und Aktivieren einer chemischen Reaktion durch Bereitstellen einer Hochfrequenzleistung (RF) in der Prozesskammer.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung das Ausführen eines Sylilierungsprozesses umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung umfasst: Verwenden von Si(CH3)xHy und/oder Si(CH3)xOHy und/oder Si(CH3)xOHyHz, wobei x, y, z ganze Zahlen im Bereich von 1, ..., 3 sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung umfasst: Verwenden von basischen Alkenen (C2H6) und/oder Alkenen (C2H4) und/oder Alkinen (C2H2) und/oder Alkoholen (CHxOHy) und/oder Aldehyden (CHxCOH) und/oder Ketonen (H2C=O) und/oder Aminen (CHx(NR2)y), wobei x, y ganze Zahlen sind, die gleich oder größer sind als 1, und wobei R eine organische Gruppe ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen der Oberflächenbehandlung umfasst: Verwenden einer Sorte, die ein Molekül der Art HC≡N aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material mit kleinem ε so hergestellt wird, dass es Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff enthält.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material mit kleinem ε ein dielektrisches Material eines Metallisierungssystems des Mikrostrukturbauelements ist.
  14. Verfahren zum Bearbeiten eines dielektrischen Materials mit kleinem ε in einem Mikrostrukturbauelement, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines dielektrischen Basismaterials über einem Substrat derart, dass das Basismaterial eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 3,0 oder weniger besitzt und eine Oberfläche mit Methylgruppen aufweist; Einwirken auf zumindest einen Teil des dielektrischen Basismaterials mittels einer reaktiven Prozessatmosphäre in einer Prozessumgebung, die an OH-Molekülen verarmt ist; und Bilden des dielektrischen Materials mit kleinem ε durch Sättigen von ungesättigten Bindungen des dielektrischen Basismaterials mit einer organischen Gruppe in der Prozessumgebung, die an OH-Molekülen verarmt ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Sättigen ungesättigter Bindungen des dielektrischen Basismaterials umfasst: Verwenden von Si(CH3)xHy und/oder Si(CH3)xOHy und/oder Si(CH3)xOHyHz, wobei x, y, z ganze Zahlen im Bereich von 1, ..., 3 sind.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei Sättigen ungesättigter Bindungen des dielektrischen Basismaterials umfasst: Verwenden von basischen Alkenen (C2H6) und/oder Alkenen (C2H4) und/oder Alkinen (C2H2) und/oder Alkoholen (CHxOHy) und/oder Aldehyden (CHxCOH) und/oder Ketonen (H2C=O) und/oder Aminen (CHx(NR2)y), wobei x, y ganze Zahlen sind, die gleich oder größer sind als 1, und wobei R eine organische Gruppe ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei Sättigen ungesättigter Bindungen des dielektrischen Basismaterials umfasst: Verwenden einer Sorte, die ein Molekül der Art HC≡N aufweist.
  18. Verfahren mit: Bilden eines dielektrischen Materials mit kleinem ε über einem Substrat eines Halbleiterbauelements, wobei das dielektrische Material mit kleinem ε Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff aufweist; Ausführen eines plasmaunterstützten Ätzprozesses derart, dass eine Öffnung in dem dielektrischen Material mit kleinem ε erzeugt wird; vor der Einwirkung von OH-Gruppen auf das Halbleiterbauelement, Behandeln freiliegender Oberflächenbereiche des dielektrischen Materials mit kleinem ε unter Anwendung einer Syliliierungsreparaturchemikalie und/oder einer siliziumentehaltenden organischen Sorte und/oder eines Moleküls der Art HC≡N und/oder basischer Alkene (C2H6) und/oder Alkene (C2H4) und/oder Alkine (C2H2) und/oder Alkoholen (CHxOHy) und/oder Aldehyden (CHxCOH) und/oder Ketonen (H2C=O) und/oder Aminen (CH(NR2)y), wobei x, y ganze Zahlen sind, die größer oder gleich 1 sind, und wobei R eine organische Gruppe ist; und Bilden eines Metallgebiets auf der Grundlage der Öffnung.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei Behandeln freiliegender Oberflächenbereiche ferner umfasst: Aktivieren einer chemischen Reaktion durch UV-(Ultraviolett)Strahlung und/oder IR-(Infratrot)Strahlung.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der plasmaunterstützte Ätzprozess und die Behandlung freiliegender Oberflächenbereiche in der gleichen Prozesskammer ohne eine dazwischen liegende Einwirkung der Umgebungsatmosphäre ausgeführt werden.
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