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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten
mit Metallen, etwa Kupfer, die einem dielektrischen Material mit
kleiner Permittivität
eingebettet sind, um die Bauteilleistungsfähigkeit zu verbessern.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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In
modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge von
Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter einem Mikrometer
erreicht, wodurch zunehmend die Leistungsfähigkeit dieser Schaltungen
hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Leistungsaufnahme verbessert
wurden. In dem Maße,
wie sich die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich verringert, wodurch beispielsweise die
Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird, verringert
sich ebenso der verfügbare
Platz für
Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch
miteinander verbinden. Folglich müssen die Abmessungen dieser
Verbindungsleitungen reduziert werden, um dem reduzierten Anteil
an verfügbarem
Platz und einer erhöhten
Zahl an Schaltungselementen, die pro Chip vorgesehen sind, Rechnung
zu tragen. In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen
von ungefähr
0.35 μm
ist ein begrenzender Faktor der Bauteilleistung die Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen wird.
Wenn die Kanallänge
dieser Transistorelemente nunmehr 0.18 μm und weniger erreicht, stellt
es sich jedoch heraus, dass die Signalausbreitungsverzögerung nicht
mehr durch die Feldeffekttransistoren bestimmt ist, sondern auf
Grund der erhöhten
Packungsdichte der Schaltungen durch die Nähe der Verbindungsleitungen
begrenzt ist, da die Kapazität zwischen
den Leitungen vergrößert wird
und gleichzeitig einhergeht mit einer reduzierten Leitfähigkeit dieser
Leitungen auf Grund ihrer reduzierten Querschnittsfläche. Die
parasitären
RC-Zeitkonstanten, die durch die erhöhte Kapazität zwischen den Leitungen und
dem höheren
Leitungswiderstand angewach sen sind, können nicht in einfacher Weise
kompensiert werden, ohne dass eine neue Art eines Materials zur
Herstellung von Metallisierungsschichten eingeführt wird.
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Traditionell
werden Metallisierungsschichten mittels eines dielektrischen Schichtstapels,
der beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid aufweist,
und mit Aluminium als dem typischem Metall gebildet. Da Aluminium
deutliche Elektromigrationseigenschaften bei höheren Stromdichten zeigt, wird
es gegenwärtig
durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen
Widerstand, eine höhere
thermische Leitfähigkeit
und eine höhere
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration aufweist. Obwohl sich die Bauteileigenschaften
durch Verwenden von Kupfer als dem Metallisierungsmetall deutlich
verbessern können,
stellt sich für
Bauteile mit Strukturgrößen von
0.13 μm
und darunter heraus, dass zusätzlich
die gut etablierten und gut bekannten dielektrischen Materialien
Siliziumdioxid (ε≈ 4.2) und Siliziumnitrid
(ε > 5) durch sogenannte
dielektrische Materialien mit kleinem ε zu ersetzen sind, um die Signalausbreitungsverzögerung in
Verbindungsleitungen wirksam zu verringern. Der Übergang von der gut bekannten
und gut etablierten Aluminium/Siliziumdioxid-Metallisierungsschicht
auf eine Kupfermetallisierungsschicht mit einem Dielektrikum mit
kleinem ε ist
jedoch mit einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu lösen gilt.
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Beispielsweise
kann Kupfer in größeren Mengen
nicht in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren,
etwa durch chemische und physikalische Dampfabscheidung, aufgebracht
werden. Ferner kann Kupfer nicht wirksam durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden und daher wird die sogenannte Damaszener-Technik
zur Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen
angewendet. Typischer Weise wird in der Damaszener-Technik die dielektrische
Schicht abgeschieden und anschließend mit Gräben und Kontaktdurchführungen
strukturiert, die nachfolgend mit Kupfer durch Plattierungsverfahren,
etwa dem Elektroplattieren oder dem stromlosen Plattieren, gefüllt werden.
Obwohl die Damaszener-Technik gegenwärtig eine gut etablierte Technik
zur Herstellung von Kupfermetallisierungsschichten in standardmäßigen dielektrischen
Materialien, etwa Siliziumdioxid, ist, erfordert das Verwenden von
Dielektrika mit kleinem ε das
Entwickeln neuer dielektrischer Diffusionsbarriereschichten, um
eine Kupferkontamination benachbarter Materialschichten zu vermeiden,
da Kupfer leicht in einer Vielzahl von Dielektrika diffundiert.
Obwohl Siliziumnitrid als eine wirksame Kupferdiffusionsbarriere
bekannt ist, ist Siliziumnitrid keine Option in dielektrischen Schichtstapeln
mit kleinem ε auf Grund
der hohen Permittivität
des Siliziumnitrids. Daher wird gegenwärtig Siliziumkarbid als ein
aussichtsreicher Kandidat für
eine Kupferdiffusionsbarriere erachtet. Es stellt sich jedoch heraus,
dass die Widerstandskraft des Kupfers gegenüber Elektromigration stark
von der Grenzfläche
zwischen dem Kupfer und der angrenzenden Diffusionsbarrierenschicht
abhängt,
und daher ist es in technisch weit entwickelten integrierten Schaltungen
mit hohen Stromdichten im Allgemeinen vorteilhaft, bis zu 20% Stickstoff
in der Siliziumkarbidschicht vorzusehen, wodurch das Elektromigrationsverhaltens
des Kupfers im Vergleich zu einer reinen Siliziumkarbidschicht deutlich
verbessert ist.
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Ein
weiteres Problem bei der Herstellung von Kupfermetallisierungsschichten
mit kleinem ε ist
in der Vergangenheit häufig
unterschätzt
worden und wird nunmehr als eine wesentliche Herausforderung bei
der Integration von Dielektrika mit kleinem ε erachtet. Während des Strukturierens des
dielektrischen Materials mit kleinem ε wird eine standardmäßige Photolithographie
angewendet, um die erforderliche Struktur in den im tiefen UV-Bereich
empfindlichen Photolack zu übertragen.
Beim Entwickeln des Photolacks werden möglicher Weise gewisse Bereiche
des Lacks, die belichtet wurden, nicht in dem erforderlichen Maße vollständig entfernt
und somit kann möglicher
Weise die Struktur nicht korrekt in das darunter liegende dielektrische
Material mit kleinem ε übertragen
werden. Die Wirkung eines nicht ausreichenden Entwickelns des Photolacks
wird häufig
auch als Lackvergiftung bezeichnet. Mit Bezug zu den 1a bis 1e wird
ein typischer konventioneller Prozessablauf beschrieben, um die
bei der Herstellung einer Metallisierungsschicht mit Kupfer und
einem Dielektrikum mit kleinem ε beteiligten
Probleme detaillierter zu erläutern.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 100,
in der ein dielektrisches Material mit kleinem ε entsprechend einem sogenannten "Kontaktöffnung zuerst/Graben
zuletzt" Prozessablauf,
der gegenwärtig
als das am vielversprechendste Prozessschema bei der Strukturierung von
Dielektrika mit kleinem ε gesehen
wird, zu strukturieren ist. Die Halbleiterstruktur 100 umfasst
ein Substrat 101, das Schaltungselemente aufweisen kann,
etwa Transistoren, Widerstände,
Kondensatoren, und dergleichen, und das eine tieferliegende Metallisierungsschicht 102 mit
einem Metallgebiet 103, das in einem dielektrischen Material 104 eingebettet ist,
enthalten kann. Abhängig
von der Ebene der tieferen Metallisierungsschicht 102 kann
das Metallgebiet 103 Kupfer aufweisen und das Dielektrikum 104 kann
ein Dielektrikum mit kleinem ε sein,
etwa wasserstoffenthaltendes Siliziumoxykarbid (SiCOH). Eine Barrierenschicht 105,
die aus stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid (SiCN) gebildet ist,
die auch als eine Ätzstopschicht
in dem nachfolgenden Ätzverfahren
zur Strukturierung einer darüber
liegenden dielektrischen Schicht 106 mit kleinem ε dient, ist über der
Schicht 104 gebildet. Die dielektrische Schicht 106 mit
kleinem ε kann,
abhängig
von der angewendeten Prozesssequenz, eine zwischenliegende Siliziumkarbidätzstopschicht 107 aufweisen,
die in vielen Anwendungen jedoch zum Zwecke einer reduzierten Gesamtpermittivität weggelassen
werden kann. Das dielektrische Material mit kleinem ε in der Schicht 106 kann
SiCOH aufweisen. Eine Deckschicht 108, die beispielsweise
aus einem Oxid aufgebaut sein kann, ist über der dielektrischen Schicht 106 mit
kleinem ε angeordnet
und kann als eine Stopschicht beim Entfernen von überschüssigem Kupfer in
einem nachfolgenden chemisch-mechanischen Polierprozess (CMP) dienen.
Eine Lackmaske 109 mit einer Öffnung 110 ist über der
Deckschicht 108 gebildet.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 100,
wie sie in 1a gezeigt ist, kann die folgenden
Schritte aufweisen. Nach dem Einebnen der unteren Metallisierungsschicht 102, wird
die Barrieren/Ätzstopschicht 105 beispielsweise mittels
eines plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidungsverfahrens (PECVD) aus Trimethylsilan
(3MS) und Ammoniak (NH3) als Vorstufengasen abgeschieden.
Anschließend
wird das wasserstoffenthaltende Siliziumoxykarbid abgeschieden,
wobei bei Bedarf die Siliziumkarbidschicht 107 gebildet wird,
wenn eine erste erforderliche Dicke der dielektrischen Schicht 106 erreicht
ist. Danach wird die restliche Schicht 106 abgeschieden,
um die erforderliche Gesamtdicke der Schicht 106 zu erhalten.
Es sollte beachtet werden, dass auf Grund der geringen Dichte des
Materials mit kleinem ε der
Schicht 106 flüchtige
Materialien, etwa Stickstoff und Stickstoffverbindungen leicht in
der dielektrischen Schicht 106 diffundieren können. Der
Stickstoff und die Stickstoffverbindungen können aus der Ätzstopschicht 105 und/oder
aus Vorstufengasen, die während
des Bearbeitens der Halbleiterstruktur 100 angewendet wurden,
stammen.
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Als
nächstes
wird die Deckschicht 108 mit einer erforderlichen Dicke
abgeschieden. Die Deckschicht 108 verhindert im Wesentlichen
eine Wechselwirkung des Dielektrikums mit kleinem ε der Schicht 106 mit
der darüber
liegenden Lackmaske 109. Anschließend wird die Lackmaske 109 entsprechend
gut etablierter Lithographieverfahren für den tiefen UV-Bereich strukturiert,
um die Öffnung 110 zu bilden,
die die Abmessungen der in der dielektrischen Schicht 106 zu
bildenden Kontaktdurchführungen
bestimmt.
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1b zeigt
die Halbleiterstruktur 100 schematisch nach einem anisotropen Ätzprozess
zur Bildung einer Kontaktdurchführung 111 in
der Deckschicht 108 und der dielektrischen Schicht 106.
Während
des anisotropen Ätzvorganges
zeigt die Barrieren/Ätzstopschicht 105 eine
deutlich geringere Ätzrate
als die umgebende dielektrische Schicht 106, so dass der Ätzprozess
in oder auf der Schicht 105 angehalten werden kann. Anschließend wird
der verbleibende Photolack, der während des anisotropen Ätzprozesses
nicht aufgebracht wurde, mittels eines Ätzschrittes in einer sauerstoffenthaltenden
Plasmaatmosphäre
entfernt. Da die Deckschicht 108 im Wesentlichen eine Diffusion
von Stickstoff oder stickstoffenthaltenden Verbindungen in die darüber liegende
Lackmaske 109 verhindert, wird die Strukturierung der Öffnung 110 und
die nachfolgende Strukturierung der Kontaktöffnung 111 im Wesentlichen nicht
durch Lackvergiftungseffekte beeinflusst.
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1c zeigt
die Halbleiterstruktur 100 schematisch in einem fortgeschrittenen
Herstellungsstadium. Die Kontaktdurchführung 111 ist mit
einem organischen antireflektierenden Beschichtungsmaterial so gefüllt, dass
sich ein Durchführungspfropfen 114 ergibt,
wohingegen das organische Material auf der verbleibenden Oberfläche der
Struktur 100 so vorgesehen ist, um eine antireflektierende
Schicht 112 für die
nachfolgende Photolithographie zu bilden. Somit dienen der Pfropfen 114 und
die antireflektierende Schicht 112 dazu, die Topographie
der Halbleiterstruktur 100 vor der Herstellung einer weiteren
Photolackmaske 113 einzuebnen. Wie gezeigt umfasst die
Photolackmaske 113 eine Grabenöffnung 115, an deren
Unterseite Lackreste 116 verbleiben.
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Der
Durchführungspfropfen 114,
der aus dem antireflektierenden Beschichtungsmaterial gebildet ist
und dazu dient, die Oberflächentopographie einzuebnen,
und die antireflektierende Schicht 112 können durch
Aufschleuder-Verfahren, und dergleichen gebildet werden und die
Photolackmaske 113 kann durch fortschrittliche Lithographieverfahren
gebildet werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Im Gegensatz
zur Herstellung der Lackmaske 109 können Stickstoff oder Stickstoffverbindungen leicht
durch das organische antireflektierende Beschichtungsmaterial diffundieren
und können
nunmehr mit dem darüber
liegenden Photolack 113 in Kontakt kommen, da die schützende Deckschicht 108 an
der Kontaktdurchführung 111 geöffnet ist.
Die Wechselwirkung von Stickstoff und dessen Verbindungen mit dem
Photolack können
die Lichtempfindlichkeit des Lacks beeinträchtigen. Folglich verbleiben
bei Belichtung und Entwicklung des Photolacks 113 bei der
Her stellung der Grabenöffnung 115 die Lackreste 116 und
beeinflussen deutlich den folgenden anisotropen Ätzschritt bei der Herstellung
eines Grabens in dem oberen Bereich der dielektrischen Schicht 106.
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1d zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach Abschluss des
Schritts zur Herstellung des Grabens. Wie aus 1d deutlich
wird, repräsentiert
der Graben 117, der in der dielektrischen Schicht 106 gebildet
werden sollte nicht die Abmessungen der darüber liegenden Photolackmaske 113, die
zum Ätzen
des Musters der Photolackmaske 113 in die darunter liegende
Deckschicht 108 und den oberen Bereich der dielektrischen
Schicht 106 verwendet wird. Somit weisen nach dem Entfernen
der verbleibenden Photolackmaske 113 die Deckschicht 108 und
die dielektrische Schicht 106 im Wesentlichen die Kontaktdurchführung 111 ohne
einen Graben in dem oberen Bereich der Schicht 106 auf.
Es sollte beachtet werden, dass selbst eine deutliche Vergrößerung der
Dicke der antireflektierenden Schicht 112 nicht in ausreichender
Weise eine Wechselwirkung der herauf diffundierenden stickstoffenthaltenden
Verbindungen mit der darüber
liegenden Photolackschicht 113 verhindern kann.
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1e zeigt
die Halbleiterstruktur 100 schematisch nach Fertigstellung
der Metallisierungsschicht 130 mit einer Barrierenmetallschicht 118 an inneren
Seitenwänden
und an der Unterseite der Kontaktdurchführung 111, die mit
Kupfer 119 gefüllt ist.
Ferner ist eine Oberfläche 120 der
Metallisierungsschicht 130 eingeebnet, um das Herstellen
einer weiteren Metallisierungsschicht zu ermöglichen.
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Typischer
Weise kann die Barrierenmetallsicht 118 durch physikalische
Dampfabscheidung, etwa durch Sputter-Abscheidung, mit einer Dicke
abgeschieden werden, die einen ausreichenden Schutz gegen ein Herausdiffundieren
des Kupfers liefert und gleichzeitig eine erforderliche Haftung
an das umgebende dielektrische Material mit kleinem ε sicherstellt.
Typischer Weise können
Tantal oder Tantalnitrid als Material für die Barrierenmetallschicht 118 verwendet
werden. Anschließend
wird eine Kupfersaatschicht abgeschieden, um die nachfolgende Abscheidung
des Volumenkupfermaterials durch Elektroplattieren zu fördern. Danach
wird das überschüssige Kupfer
mittels chemisch-mechanischen Polierens entfernt, wobei die Deckschicht 108 ebenso
entfernt wird und als eine Stopschicht dient, um den CMP-Prozess
zuverlässig
zu steuern. Da jedoch die Gräben 117,
die für
die elektrische Verbindung erforderlich sind, fehlen, wie dies in 1d und 1e gezeigt
ist, oder zumindest deutlich in ihrer Größe reduziert sind, können folglich
Bauteilausfälle
auftreten oder es wird eine zumindest deutlich reduzierte Bauteilzuverlässigkeit
erhalten.
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Die
Patentanmeldung US 2002/0090822 A1 offenbart eine Plasmabehandlung
eines dielektrischen Films mit kleinem ε unter Verwendung einer Oxidationsreaktion,
um die Strukturierung des Films zu verbessern. Während der Plasmabehandlung
wird der Druck bei etwa 150 mT und die Substratauflage bei einer
Temperatur von etwa 40°C
gehalten. Als Material mit kleinem ε können Organosilikate (OSG) verwendet
werden. Falls gewünscht
kann eine Deckschicht über
dem Zwischenmetalldielektrikum (IMD), z. B. aus Siliziumnitrid,
gebildet werden.
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Die
Patentanmeldung US 2002/0081834 A1 offenbart ein Verfahren, das
ein Reagieren von Photolack und Organosilikatglas-(OSG) Material
verhindert. Zum Vermeiden von Photolackvergiftungen wird vorgeschlagen,
die Oberflächenschicht
eines dielektrischen Materials, das bereits Via-Öffnungen aufweist, durch eine
Plasmabehandlung zu modifizieren.
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Angesichts
der oben erwähnten
Probleme ist es äußerst wünschenswert,
eine Technik bereitzustellen, die das Lackvergiften bei der Herstellung
von Metallisierungsschichten mit kleinem ε verringert.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis
der Erfinder, dass ein kritisches Maß an heraus diffundierenden
Spezies aus einer Kontaktdurchführung,
die ein nicht tolerierbares Maß an
Lackvergiftung beim Strukturieren von Gräben hervorrufen, effizient
vermieden werden kann, derart, dass die Spezies vor und während der
Herstellung einer Deckschicht, die eine reduzierte Dichte aufweist,
ausgasen können.
Ferner ermöglicht
es die reduzierte Dichte der Deckschicht, dass ein gewisses Maß an Diffusion
von lackvergiftenden Spezies während
der Herstellung einer Lackmaske auftritt, so dass das Herausdiffundieren
der Spezies nicht mehr auf das Gebiet innerhalb der Kontaktdurchführung beschränkt ist,
wodurch in effizienter Weise der Anteil der Lackkontaminierung bis
unterhalb eines unkritischen Niveaus reduziert wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch das Verfahren nach
Anspruch 1 gelöst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert werden;
es zeigen:
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1a bis 1e schematisch
eine konventionelle Halbleiterstruktur während diverser Herstellungsschritte
beim Bilden einer Metallisierungsschicht mit einem Dielektrikum
mit kleinem ε in
einem sogenannten "Kontaktloch
zuerst/Graben zuletzt" – Damaszener-Verfahren;
und
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2a bis 2h schematisch
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur mit einer Metallisierungsschicht
mit kleinem ε während diverser
Herstellungsstadien gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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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 es selbstverständlich sein,
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.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2d werden weitere
anschauliche Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Halbleiterstruktur 200 mit einem Substrat 201,
das eine darauf gebildete Metallisierungsschicht 202, die
beispielsweise ein in einem isolierenden Mate rial 204 eingebettetes
Metallgebiet 203 enthält,
aufweisen kann. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Metallisierungsschicht 202 einen
beliebigen Teil einer integrierten Schaltung repräsentieren
kann und daher kann die Metallisierungsschicht 202 ebenso
Metallkontakte darstellen, die unmittelbar mit Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und dergleichen verbunden
sind. Eine Ätzstopschicht/Barrierenschicht 205 ist über der
Schicht 202 gebildet, wobei die Ätzstopschicht 205 aus
einem Material mit kleinem ε gebildet
sein kann, etwa Siliziumkarbid, das eine gewisse Menge an Stickstoff
zur Erreichung der erforderlichen Barriereneigenschaften aufweisen
kann, wenn das darunter liegende Metallgebiet 203 Kupfer
aufweist. Eine dielektrische Schicht 206 mit kleinem ε ist über der Ätzstopschicht 205 gebildet,
wobei eine zwischenliegende Ätzstopschicht 207,
die beispielsweise Siliziumkarbid aufweisen kann, optional vorgesehen
sein kann. In einer speziellen Ausführungsform weist die dielektrische Schicht
mit kleinem ε im
Wesentlichen ein siliziumenthaltendes Material mit kleinem ε, etwa wasserstoffenthaltendes
Siliziumoxidkarbid (SiCOH) oder Silk auf. Eine Dicke der dielektrischen
Schicht 206 oder zumindest ein oberer Bereich, der durch 221 gekennzeichnet
ist, ist so gewählt,
wenn die zwischenliegende Ätzstopschicht 207 vorgesehen
ist, um eine gewünschte
Entwurfs- bzw. Solldicke um einen spezifizierten Betrag zu übertreffen,
wie dies durch das Bezugszeichen 222 gekennzeichnet ist.
Das Vorsehen der Überschussdicke 222 ermöglicht die
Umwandlung eines Oberflächenbereichs 223 in
eine Deckschicht mit geringer Dichte, wie dies detaillierter mit
Bezug zu 2b beschrieben ist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 200,
wie sie in 2a gezeigt ist, kann im Wesentlichen
die gleichen Prozessschritte enthalten, wie sie bereits mit Bezug
zu 1a beschrieben sind, mit der Ausnahme des Weglassens des
Abscheidens einer Deckschicht auf der Oberseite der dielektrischen
Schicht 206 mit kleinem ε.
Des weiteren wird der Abscheidevorgang zur Herstellung der dielektrischen
Schicht 206 mit kleinem so gesteuert, das der Oberflächenbereich 223 mit
der erforderlichen Dicke 222 erhalten wird. Wie zuvor erläutert ist,
können
flüchtige
Materialien 220 und insbesondere Stickstoff und Stickstoffverbindungen
in die dielektrische Schicht 206 mit kleinem ε hinein und
in dieser diffundieren. Insbesondere, wenn die Ätzstopschicht 205 einen
relativ hohen Anteil an Stickstoff enthält, um beispielsweise die Barrieren-
und Elelektromigrationseigenschaften in Bezug auf das darunter liegende
Metallgebiet 203 zu verbessern, können Stickstoff und Stickstoffverbindungen
einfach in die Schicht 206 diffundieren. Ferner kann die
Verwendung stickstoffenthaltender Vorstufengasen in beliebigen Prozessschritten
zur Herstellung der Ätzstopschicht 205 und/oder
der dielektrischen Schicht 206 mit kleinem ε dazu führen, dass
geringe Mengen an Stickstoff oder Stickstoffverbindungen in diesen
Schichten eingefangen werden, die dann leicht in der dielektrischen Schicht 206 mit
kleinem ε diffundieren
können.
In einer Ausführungsform
kann nach Abschluss des Abscheidens der dielektrischen Schicht 206 mit
kleinem ε die
Halbleiterstruktur 200 einer Wärmebehandlung in einer im Wesentlichen
stickstofffreien Atmosphäre unterworfen
werden, um damit das Ausgasen der flüchtigen Materialien 220 und
insbesondere von Stickstoff und Stickstoffverbindungen zu fördern. Dazu
kann die Halbleiterstruktur 200 in eine andere Prozesskammer
eingeführt
werden oder kann in der gleichen Abscheidekammer gehalten werden,
wobei die Zufuhr von Vorstufengasen, etwa von 3MS und anderen reaktiven
Gasen, unterbrochen wird und ein Pumpschritt in Gang gesetzt wird,
um den Druck innerhalb der Prozesskammer auf einen Bereich von ungefähr einigen
Millitorr zu senken, wobei gleichzeitig die Temperatur des Halbleitersubstrats 201 in
einem Bereich von ungefähr
300 bis 500°C
gehalten wird. Auf Grund des geringen Umgebungsdruckes und der erhöhten Temperatur
wird das Diffundieren und somit das Ausgasen der flüchtigen
Materialien 220 gefördert.
Die Wärmebehandlung
bei einer erhöhten
Temperatur und dem reduzierten Umgebungsdruck kann für ungefähr 10 bis
30 Sekunden lang ausgeführt
werden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann die zuvor beschriebene Wärmebehandlung
weggelassen werden und es wird eine reaktive Plasmaatmosphäre in der
gleichen Prozesskammer, wie sie für das Abscheiden der dielektrischen
Schicht 206 mit kleinem ε verwendet
wurde, errichtet werden oder in anderen Ausführungsformen kann eine andere
Prozesskammer verwendet werden, wobei die Plasmaumgebung Sauerstoff
enthält.
Zum Beispiel kann Sauerstoff mit einer Durchflussrate im Bereich
von 300 bis 800 sccm und einem Druck der Plasmaumgebung von ungefähr 400 bis
665 Pa eingefuhrt werden, wobei die Hochfrequenzleistung zum Errichten
der Plasmaumgebung im Bereich von ungefähr 200 bis 700 Watt liegt.
Zusätzlich
kann eine Vorspannungsleistung von 10 bis 100 Watt zugeführt werden,
um die Richtungsstabilität
der Sauerstoffionen in Bezug auf das Substrat 201 zu verbessern.
Der zusätzliche Sauerstoff,
der an dem Oberflächenbereich 223 der dielektrischen
Schicht 206 mit kleinem ε eintrifft,
führt zu
einem Oxidationsprozess, wobei das Material mit kleinem ε verbraucht
wird, um ein dielektrisches Material mit einem höheren ε-Wert als das anfänglich abgeschiedene
Material 206 mit kleinem ε zu erzeugen. In der speziellen
Ausführungsform,
in der die Schicht 206 mit kleinem ε ein siliziumenthaltendes Material,
etwa SiCOH oder Silk aufweist, wird eine Oberflächenschicht erzeugt mit einem
hohen Anteil an Siliziumdioxid. Das Verhältnis von Siliziumdioxid zu
Material mit kleinem ε kann
von den Plasmabedingungen abhängen,
wobei beispielsweise der Druck und/oder die Sauerstoffdurchflussrate
in der Plasmaumgebung so gesteuert werden können, um das Verhältnis zu
variieren. Durch Variieren dieses Verhältnisses kann der Grad der
Dichte oder der Porosität
des Siliziumdioxids in dem Oberflächenbereich 223 gesteuert
werden.
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2b zeigt
die Halbleiterstruktur schematisch während der zuvor beschriebenen
Plasmabehandlung. In dem Oberflächenbereich 223 ist
eine siliziumdioxidaufweisende Schicht 224 gebildet, wobei deren
Dichte jedoch deutlich geringer als die Dichte einer abgeschiedenen
Siliziumdioxidschicht ist, wie sie beispielsweise mit Bezug zu 1a in
dem konventionellen Prozessablauf beschrieben ist. Ferner ist auf
Grund des Anteils an Siliziumdioxid in der Schicht 224 deren
Permittivität
im Vergleich zum Bereich 223 erhöht. Da die Schicht 224 als
eine Opferdeckschicht für
die weitere Bearbeitung der Halbleiterstruktur 200 dient,
ist keine Bauteilbeeinträchtigung
mit dem Umwandeln eines oberen Bereichs der dielektrischen Schicht 206 mit
kleinem ε in
ein Dielektrikum mit großem ε verbunden.
Während
der voranschreitenden Umwandlung des Materials mit kleinem ε in ein Oxid,
wodurch der Oberflächenbereich
kontinuierlich verbraucht wird, können die flüchtigen Materialien 220 durch
die gesamte Oberfläche
der Schicht 224 auf Grund deren reduzierter Dichte ausgasen.
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2c zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 nach Beendigung
der zuvor beschriebenen Plasmabehandlung, wobei die Deckopferschicht im
Wesentlichen die Dicke 222 aufweist. In typischen Beispielen
kann die Dicke 222 im Bereich von ungefähr 30 bis 100 nm liegen, die
für die
oben spezifizierten Prozessparameter innerhalb eines Zeitintervalls von
ungefähr
10 bis 20 Sekunden erhalten wird. Es sollte betont werden, dass
selbst mit der vollen Dicke 222 es die Deckopferschicht 224 ermöglicht,
dass die flüchtigen
Materialien 220 ausgasen, da die im Vergleich zu einer
konventionell abgeschiedenen Deckschicht, etwa in 1a gezeigten
Deckschicht 105, reduzierte Dichte eine gewisse Porosität liefert.
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2d zeigt
die Halbleiterstruktur schematisch mit einer Lackmaske 209 mit
einer Öffnung 210, die
auf der Deckopferschicht 221 gebildet ist. Obwohl ein gewisses
Maß an
Ausgasen während
der Herstellung der Lackmaske 209 weiterhin auftreten kann, kann
der Grad der Lackkontamination in der Maske 209 unterhalb
eines kritischen Niveaus auf Grund der zu vor verbesserten Diffusions-
und Ausgasungsrate für
das flüchtige
Material 220 gehalten werden. Somit kann die Öffnung 210 entsprechend
den Entwurfserfordernissen gebildet werden, da im Wesentlichen keine
Lackreste erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen kann vor der Herstellung
der Lackmaske 209 eine Lackopferschicht auf der Deckopferschicht 224 gebildet
werden und ein Testphotolithographieprozess, d. h. ein Belichtungs- und Entwicklungsprozess,
kann ausgeführt
werden, um die momentan vorherrschende Ausgasungsrate und damit die
Menge an Lackresten, die bei der Herstellung der Lackmaske 209 zu
erwarten ist, zu überwachen. Wenn
die erzeugten Reste einen gewissen spezifizierten Schwellwert übersteigen,
kann eine weitere Wärmebehandlung
ausgeführt
werden, um vermehrt das Ausgasen des flüchtigen Materials 220 zu
fördern.
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2e zeigt
die Halbleiterstruktur 200 schematisch, wobei in der dielektrischen
Schicht 206 und der Opferschicht 224 eine Kontaktdurchführung 211 entsprechend
der Öffnung 210 gebildet
ist. Der Prozessablauf zur Herstellung der Kontaktdurchführung 211 kann
im Wesentlichen die gleichen Prozessschritte beinhalten, wie sie
bereits mit Bezug zu 1b beschrieben sind.
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In 2f ist
die Halbleiterstruktur 200 mit einem in Form einer Schicht 212 und
eines Durchführungspfropfens 214 vorgesehenen
antireflektierenden Material gezeigt, wobei eine Lackmaske 213 auf der
antireflektierenden Schicht 212 gebildet ist. Die Lackmaske 213 enthält eine
Grabenöffnung 215 mit Abmessungen,
wie sie durch die Entwurfserfordernisse spezifiziert sind. Im Gegensatz
zu dem in 1 beschriebenen konventionellen
Prozessablauf ermöglicht
die Deckopferschicht 224 ein Ausgasen von flüchtigen
Materialien während
des gesamten Prozessablaufes, so dass während der Herstellung der Lackmaske 209 und
insbesondere während
der Herstellung der Lackmaske 213 der Grad an Lackkontamination
zuverlässig
unterhalb eines spezifizierten Schwellwertes gehalten werden kann.
Somit ist das Ausgasen der flüchtigen
Materialien 220 nicht mehr auf die Gebiete, die die Kontaktdurchführung 211 umgeben,
eingeschränkt,
sondern findet im Wesentlichen über
die gesamte Oberfläche
der Oberdeckschicht 224 statt. Somit können Lackreste in ausreichender
Weise vermieden oder zumindest unter einem Pegel gehalten werden,
der die Lackentwicklung zur Definierung der Grabenöffnung 215 nicht
unnötig
beeinträchtigt.
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2g zeigt
die Halbleiterstruktur 200 schematisch mit der Kontaktdurchführung 211,
die in dem unteren Bereich der dielektrischen Schicht 206 mit kleinem ε unter der Ätzstopschicht 205 gebildet
ist, und mit einem Graben 217, der in dem oberen Bereich
der dielektrischen Schicht 206 mit kleinem ε und der
Deckopferschicht 224 gebildet ist. Auf Grund der reduzierten
Lackkontamination der Lackmaske 213 entsprechen die Abmessungen
des Grabens 217 im Wesentlichen jenen der Grabenöffnung 215.
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2h zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 nach Beendigung
der abschließenden Prozessschritte,
wie sie bereits mit Bezug zu 1e beschrieben
sind. Die Halbleiterstruktur 200 umfasst einen Kupfergraben
und eine Kupferkontaktdurchführung,
die beide mit 219 bezeichnet sind und eine elektrische
Verbindung zu dem darunter liegenden Metallgebiet 213 liefern.
Eine leitende Barrierenschicht 218 kann an inneren Oberflächen des
Grabens 217 und der Kontaktdurchführung 211 vorgesehen
sein. Die Deckopferschicht 224 ist entfernt, um eine im
Wesentlichen ebene Oberfläche 230,
die zur weiteren Bearbeitung der Halbleiterstruktur 200 erforderlich
ist, bereitzustellen.
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Somit
erlaubt die vorliegende Erfindung das zuverlässige Bereitstellen der Metallgräben 219 in dem
oberen Bereich der dielektrischen Schicht 206 mit kleinem ε dadurch,
dass die Diffusion und das Ausgasen von flüchtigem Material in dieser
Schicht vor der Herstellung einer entsprechenden Lackmaske deutlich
verstärkt
wird. Dadurch kann die Lackkontamination unterhalb eines kritischen
Lackvergiftungspegels gehalten werden.