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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein
die Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere Halbleiter
mit Abständen
unterhalb eines Mikrometers (wobei die Leiterbreite und der Abstand
von Leiter zu Leiter beide kleiner sind als ein Mikrometer) sowie
Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten zwischen intermetallischen
Zuleitungen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Halbleiter werden weitverbreitet
in integrierten Schaltungen für
elektronische Anwendungen einschließlich Radios und Fernsehgeräten verwendet. Bei
diesen integrierten Schaltungen werden typischerweise mehrere in
einkristallinem Silicium hergestellte Transistoren verwendet. Viele
integrierte Schaltungen enthalten nun mehrere Metallisierungsebenen
für Zwischenverbindungen.
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Halbleiterbauelemente werden in horizontaler
Abmessung herunterskaliert, um die Waferkosten zu verringern, indem
mehr Chips je Wafer erhalten werden oder indem die Schaltungskomplexität durch Erhalten
einer größeren Anzahl
von Transistoren je Chip erhöht
wird. Wenngleich Halbleiterbauelemente in horizontaler Abmessung
herunterskaliert werden, werden sie im allgemeinen nicht in vertikaler
Abmessung herunterskaliert (weil die Stromdichte Zuverlässigkeitsgrenzen überschreiten
würde).
Demgemäß können die
Leiter ein hohes Seitenverhältnis
(Verhältnis
zwischen der Höhe
und der Breite des Leiters größer als
eins) aufweisen. Bei der horizontalen Skalierung werden diese langen
Metallzuleitungen immer dichter zusammengepackt, was dazu führt, daß die kapazitive
Kopplung zwischen den Zuleitungen die wesentliche Beschränkung für die Schaltungsgeschwindigkeit
wird. Falls die Kapazität
von Leitung zu Leitung hoch ist, ist es wahrscheinlich, daß elektrische
Unwirksamkeiten und Ungenauigkeiten auftreten. Durch das Ver ringem
der Kapazität
innerhalb dieser Mehrebenen-Metallisierungssysteme wird die RC-Zeitkonstante
zwischen den Leitungen verringert.
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Typischerweise ist das zum Isolieren
von Metalleitungen voneinander verwendete Material Siliciumdioxid.
Die Dielektrizitätskonstante
von durch thermische Oxidation oder chemische Dampfabscheidung aufgewachsenem
dichten Siliciumoxid liegt jedoch in der Größenordnung von 3,9. Die Dielektrizitätskonstante
beruht auf einer Skala, bei der 1,0 die Dielektrizitätskonstante
des Vakuums darstellt. Verschiedene Materialien weisen Dielektrizitätskonstanten
von nahe 1,0 bis zu in die Hunderte gehenden Werten auf.
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In letzter Zeit wurden Versuche gemacht, eine
niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisende Materialien als Ersatz von Siliciumdioxid als dielektrisches
Material zu verwenden. Die Verwendung von eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisenden Materialien als Isolierschichten verringert die Kapazität zwischen
den Leitern (oder Metallzuleitungen), wodurch die RC-Zeitkonstante
verringert wird. Es wurde herausgefunden, daß unter Verwendung von Materialien
mit Dielektrizitätskonstanten
kleiner als etwa 3,5 die RC-Zeitkonstante bei typischen Submikrometerschaltungen
ausreichend verkleinert wird. Der Begriff niedrige Dielektrizitätskonstante
soll hier Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als
etwa 3,5 einschließen.
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Ein Problem bei der Verwendung solcher Materialien
besteht darin, daß die
verringerte thermische Leitfähigkeit
von Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, insbesondere bei
Schaltungen, die Metallzuleitungen mit einem hohen Seitenverhältnis aufweisen,
infolge der Wirkung der Jouleschen Wärme zum Bruch von Metallzuleitungen
führen
kann. Die vorliegende Erfindung geht dieses Problem durch Verbessern
der thermischen Leitfähigkeit der
Struktur an, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit von Leitern in Strukturen
führt,
bei denen eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisende Materialien
verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist in US-A-S 229 643 dargestellt,
wie Wärme
von Wärmequellen
innerhalb eines Bauelements abgeleitet werden kann, jedoch nicht
in Verbindung mit Leitern mit einem hohen Seitenverhältnis.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Verfahren zum Herstellen von Leitern nach Anspruch 1 vorgesehen.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin eine
Halbleiterbauelement-Struktur
(und ein Verfahren zu ihrer Herstellung), die Leiter mit einer verbesserten
Zuverlässigkeit
aufweist, Leiter auf einem Substrat enthält, ein eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisendes Material zwischen den Leitern aufweist und Blind-Kontaktlöcher, die
in Kontakt mit den Leitern stehen, aufweist, wie in Anspruch 10
dargelegt ist.
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Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
in der verbesserten Zuverlässigkeit
von Leitern für
Schaltungen durch die Verwendung eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisender Materialien. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft
für Halbleiter,
die eine Kombination von Leitern mit hohen Seitenverhältnissen
und eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisenden Materialien, die thermisch besser isolieren, aufweisen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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In der Zeichnung, die ein integraler
Teil der Beschreibung ist und die in Zusammenhang mit dieser zu
lesen ist und in der gleiche Bezugszahlen und Symbole in den verschiedenen
Ansichten zur Bezeichnung ähnlicher
Komponenten verwendet werden, sofern nichts anderes angegeben ist,
zeigen:
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die 1A–1C dreidimensionale Ansichten einer
Metallzuleitung eines Halbleiterwafers, worin die negativen Wirkungen
der Jouleschen Wärme
dargestellt sind,
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die 2A–2D und 3A–3C seitliche Schnittansichten
eines ersten Beispiels, worin Blind-Kontaktlöcher dargestellt sind, die
in Kontakt mit Metallzuleitungen auf einem Halbleiterwafer ausgebildet sind,
um dadurch die negativen Wirkungen der Jouleschen Wärme zu vermeiden,
die in 1 dargestellt sind,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines ersten Beispiels, das allgemein in 3B dargestellt ist,
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5 eine
seitliche Schnittansicht eines zweiten Beispiels, wobei sich Blind-Kontaktlöcher in Kontakt
mit der oberen und der unteren Metallzuleitung befinden,
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6 eine
perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels, das allgemein in 5 dargestellt ist,
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7 eine
seitliche Schnittansicht des dritten Beispiels ist, welches eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist, worin Blind-Kontaktlöcher dargestellt sind, die
in Kontakt mit Metallzuleitungen auf einem Halbleiterwafer ausgebildet sind,
wobei die Blind-Kontaktlöcher
auch in Kontakt mit Blind-Zuleitungen in einer anderen Metallschicht stehen,
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8 eine
seitliche Schnittansicht eines vierten Beispiels, wobei sich der
vertikale Wärmeleitungsweg über den
ganzen Wafer erstreckt,
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9 eine
seitliche Schnittansicht eines fünften
Beispiels, worin die Verwendung einer wärmeleitenden Isolierschicht
dagestellt ist, und
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die 10A–10D und 11A–11C se tliche Schnittansichten
eines sechsten Beispiels.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEWORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Herstellung und Verwendung der
gegenärtig
bevorzugten Ausführungsformen
und Beispiele werden nachstehend detailliert erörtert. Es ist jedoch zu verstehen,
daß die
vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte
bereitstellt, die in einer großen
Vielfalt spezifischer Zusammenhänge
verwirklicht werden können.
Die erörterten spezifischen
Ausführungsformen
sollen lediglich spezifische Arten zum Verwirklichen der Erfindung
erläutern
und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
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Nachstehend wird eine Beschreibung
mehrerer Ausführungsformen
und Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Einschluß von Herstellungsverfahren
gegeben. Entsprechende Bezugszahlen und Symbole in den verschiedenen
Figuren bezeichnen entsprechende Teile, sofern nichts anderes angegeben
ist. Der nachstehende Text bietet einen Überblick über die Elemente der Ausführungsformen und
der Zeichnung.
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Zeichnungselement 110, Halbleiterwafer
ist der allgemeine Ausdruck.
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Zeichnungselement 112, Silicium
(Substrat), kann auch in Form weiterer Metallzwischenverbindungsschichten
oder Halbleiterelemente (beispielsweise Transistoren, Dioden) als
Oxid; als Verbindungshalbleiter (beispielsweise GaAs, InP, Si/Ge, SiC)
vorliegen.
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Zeichnungselement 114, Titantrischicht (TiN/AlCu/TiN)
(der erste Metallzwischenverbindungsabschnitt von Metallzuleitungen)
ist als Al, Cu, Mo, W, Ti, Si oder Legierungen davon definiert;
Polysilicium, Silicide, Nitride, Carbide; AlCu-Legierung mit Ti- oder TiN-Unterschichten;
Metallzwischenverbindungsschicht.
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Zeichnungselement 116, OSOG
(organisches aufgeschleudertes Glas) (Material mit einer niedrigen
Dielektrizitätskonstante)
ist als ein Luftspalt (auch Inertgase, Vakuum) definiert; Silikaaerogel,
andere Aerogele oder Xerogele; fluoriertes Siliciumoxid.
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Zeichnungselement 118, TEOS
(Tetraethoxysilan) Siliciumdioxid (Isolierschicht) ist als SiO2 definiert; eine Isolierschicht, typischerweise
ein Oxid, die vorzugsweise eine Dicke aufweist, die kleiner ist als
die Höhe
der Metallzuleitungen 114.
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Zeichnungselement 119, Kanäle sind
Löcher in
der Isolierschicht 118, in denen Blind-Kontaktlöcher 122 gebildet
werden.
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Zeichnungselement 120, Wolfram
(Metallschicht) ist als Titantrischicht (TiN/AlCu/TiN) definiert; Cu,
Mo, Al, Ti, Si oder Legierungen davon; Polysilicium, Silicide, Nitride,
Carbide; AlCu-Legierung mit Ti- oder TiN-Unterschichten.
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Zeichnungselement 122, Wolfram
(Metallschichtabschnitt von Blind-Kontaktlöchern) ist als Titantrischicht
(TiN/AlCu/TiN) definiert; Cu, Mo, Al, Ti, Si oder Legierungen davon;
Polysilicium, Silicide, Nitride, Carbide; AlCu-Legierung mit Ti- oder TiN-Unterschichten.
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Zeichnungselement 124, Aluminiumlegierung
(zweiter Metallzwischenverbindungsabschnitt funktioneller Metallzuleitungen)
ist als Titantrischicht (TiN/AlCu/TiN oder TiN/AlCu/W) definiert;
Cu, Mo, W, Ti, Si oder Legierungen davon; Polysilicium, Silicide, Nitride,
Carbide; AlCu-Legierung mit Ti- oder TiN-Unterschichten; Metallzwischenverbindungsschicht.
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Zeichnungselement 126, Aluminiumlegierung
(zweiter Zwischenverbindungsabschnitt der Blind-Zuleitungen) ist
als Titantrischicht (TiN/AlCu/TiN) definiert; Cu, Mo, W, Ti, Si
oder Legierungen davon; Polysilicium, Silicide, Nitride, Carbide;
AlCu-Legierung mit Ti- oder TiN-Unterschichten; Metallzwischenverbindungsschicht.
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Zeichnungselement 128, AlN
(wärmeleitende
Isolierschicht) Wärmeleitende
Isolierschicht ist als Si3N4 definiert;
sowohl AlN als auch Si3N4 (beispielsweise
Bischicht oder Trischicht von Si3N4/AlN/Si3N4); isolierendes Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die
um 20% größer ist
als die Wärmeleitfähigkeit
des Materials 116 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten
und vorzugsweise 20% größer ist
als diejenige von SiO2; ausgeheiztes SiO2.
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Zeichnungselement 130, Ti
(erster Begrenzungsabschnitt von Metallzuleitungen) ist als TiN oder
eine andere Ti-Legierung definiert; Ti/TiN-Bischicht; Cu, Mo, W,
Al, Si oder Legierungen davon.
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Zeichnungselement 132, TEOS
(Tetraethoxysilan) Siliciumdioxid (dünne Isolierschicht) ist als ein
anderes isolierendes Material definiert.
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Zeichnungselement 134, Yi
(zweiter Begrenzungsabschnitt von Blind-Kontaktlöchern oder funktionellen Metallzuleitungen)
ist als Bischicht von Ti/TiN definiert; TiN oder andere Ti-Legierung;
Cu, Mo, W, Al, Si oder Legierungen davon.
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Ein bisher anscheinend nicht erkanntes
Problem bei Halbleiterschaltungen, insbesondere bei Schaltungen,
die Leiter mit einem hohen Seitenverhältnis mit einem eine niedrige
Dielektrizitätskonstante
aufweisenden Material zwischen den Leitern aufweisen, besteht darin,
daß die
verringerte Wärmeleitfähigkeit
der eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisenden
Materialien zu einem Bruch der Metallzuleitung infolge der Wirkungen
der Jouleschen Wärme
führen
kann. Wenn die Dielektrizitätskonstante
eines Materials abnimmt, nimmt im allgemeinen auch die Leitfähigkeit
des Materials ab. Weil alle Metalle einen bestimmten Betrag an elektrischem
Widerstand aufweisen, tritt bei Metallzuleitungen, durch die ein Strom
fließt,
eine zu I2R proportionale Wärmeerzeugung
auf (Joulesches Gesetz). Diese durch eine Metallzuleitung fließende Wärme ist
als Joulesche Wärme
bekannt. Die Joulesche Wärme
erhöht
die Temperatur der Metallzuleitung, falls die Wärme mit geringerer Rate davon
abgeleitet wird als sie erzeugt wird.
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Wenn sich eine Metallzuleitung in
einem Abschnitt entlang ihrer Länge
lokal erwärmt,
nimmt der Widerstand in diesem Abschnitt leicht zu (infolge der Eigenschaften
des Metalls), wodurch bewirkt wird, daß die Temperatur in diesem
Abschnitt sogar noch mehr ansteigt (wenngleich geringfügig). Durch
die höhere
Temperatur kann der Zuleitungswiderstand erhöht werden und die lokale Erwärmung noch
weiter erhöht
werden. Demgemäß können lokal
erwärmte Metallzuleitungen
beschädigt
werden oder brechen. Je dünner
die Metallzuleitungen sind, desto schwächer sind sie (was insbesondere
bei Submikrometerschaltungen ein Problem darstellt). Die Verwendung von
eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisenden Materialien als Isolierschichten stellt ein weiteres Problem
dar, weil diese Materialien im allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Bei Verwendung der meisten eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweisenden Materialien bleibt ein viel größerer Teil der in Metallzuleitungen
einer Schaltung erzeugten Jouleschen Wärme in der Zuleitung selbst
konzentriert.
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Die Wirkung der Jouleschen Wärme auf
einen Abschnitt 114 einer Metallzuleitung ist in den 1A–1C dargestellt. 1A zeigt eine perspektivische
Ansicht einer Metallzuleitung eines Halbleiterwafers (andere Abschnitte
des Wafers sind nicht dargestellt). Der Querschnitt der Zuleitung
ist typischerweise rechteckförmig,
wobei die Höhe
wegen der Herunterskalierung größer ist
als die Breite (hohes Seitenverhältnis).
Die Metallzuleitung wurde in seitlicher Richtung herunterskaliert,
das Herunterskalieren in vertikaler Richtung ist jedoch durch die
Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit der Schaltung begrenzt.
Wenn Strom durch eine Metallzuleitung fließt, wird die Metallzuleitung
erwärmt.
In Wirklichkeit weist eine Metallzuleitung dünne und zerbrechliche Abschnitte
auf, wodurch ungleichmäßige Zuleitungsprofile
hervorgerufen werden. Diese Ungleichmäßigkeit kann nicht vermieden
werden, weil die Photolithographie und Ätzprozesse von Metallzuleitungen
nicht ideal sind. Die durch die Joulesche Wärme intensivierte Elektromigration
bewirkt, daß die
Metallzuleitung zuerst geschwächt
und dann verdünnt
wird. Dünne
und zerbrechliche Abschnitte der Metallzuleitung werden immer dünner, wenn
Strom zyklisch durch die Metallzuleitung geführt wird (1B), und die Elektromigration wird in
diesem Abschnitt sogar noch weiter intensiviert. Schließlich können diese
Zuleitungen brechen, wie in 1C dargestellt
ist, was zum Ausfall von Bauelementen führt.
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Die vorliegende Erfindung verbessert
die Zuverlässigkeit
von Metallzuleitungen bei Strukturen, bei denen Materialien mit
niedriger Dielektrizitätskonstante
verwendet werden, indem Blind-Kontaktlöcher in Kontakt mit Metallzuleitungen
verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit
der Struktur zu verbessern. 2A zeigt
eine Schnittansicht eines Halbleiterwafers 110 mit auf
einem Substrat 112 ausgebildeten Metallzuleitungen 114 + 130.
Das Substrat kann beispielsweise Transistoren, Dioden und andere Halbleiterelemente
(nicht dargestellt) aufweisen, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt
ist. Das Substrat 112 kann auch andere Metallzwischenverbindungsschichten
enthalten, und es enthält
typischerweise eine obere isolierende Oxidschicht (zum Verhindern, daß Zuleitungen
in folgenden Metallschichten gegeneinander kurzgeschlossen werden).
Eine erste Begrenzungsschicht wird auf das Substrat 112 aufgebracht.
Die erste Begrenzungsschicht besteht vorzugsweise aus Titan. Eine
erste Metallzwischenverbindungsschicht wird auf die erste Begrenzungsschicht
aufgebracht. Die erste Metallzwischenverbindungsschicht besteht
vorzugsweise aus einer TiN/AlCu/TiN-Trischicht, sie kann jedoch
auch beispielsweise andere Aluminiumlegierungs-Mehrfachschichten oder
Monoschichten aufweisen. Die erste Metallzwischenverbindungsschicht
und die erste Begrenzungsschicht werden mit einem vorbestimmten
Muster geätzt,
um Ätzleitungen
oder Metallzuleitungen 114 + 130 zu bilden (2A). Jede Metallzuleitung 114 + 130 weist
einen ersten Metallzwischenverbindungsabschnitt 114 und
einen ersten Begrenzungsabschnitt 130 auf. Einige der Metallzuleitungen 114 + 130 können in
unmittelbarer Nähe
zueinander liegen und beispielsweise 1 mm oder weniger getrennt
sein. Das Seitenverhältnis
(Höhe/Breite)
der Metallzuleitungen beträgt
im allgemeinen mindestens 1,5, typischerweise jedoch mindestens
2,0 und typischer mindestens 3,0.
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Ein Material 116 mit einer
niedrigen Dielektrizitätskonstanten
wird auf die Metallzuleitungen 114 + 130 und das
Substrat 112 aufgebracht (2B).
Das Material 116 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten
besteht vorzugsweise aus einem OSOG (organisches aufgeschleudertes
Glas), es kann jedoch auch aus einem Aerogel, einem Xerogel oder
einem anderen Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten
bestehen, welches eine Dielektrizitätskonstante von weniger als
etwa 3,5, jedoch vorzugsweise von weniger als 3,0 und bevorzugter
von weniger als 2,5 aufweist. Das OSOG weist eine Dielektrizitätskonstante
von etwa 3,0 auf, und es wird typischerweise durch eine Schleuderbeschichtungseinrichtung
aufgeschleudert und dann zwischen einer halben Stunde und 2 Stunden
bei einer Temperatur von 400°C–450°C ausgeheizt.
Das Material 116 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante
wird dann zumindest von den oberen Teilen der Metallzuleitungen 114 + 130 entfernt
(beispielsweise mit einem zeitlich gesteuerten Ätzen) (2C). Eine Isolierschicht 118 (vorzugsweise
TEOS-Siliciumdioxid) wird auf die freiliegenden Oberteile der Metallzuleitungen 114 + 130 und
das Material 116 mit niedriger Dielektrizitätskonstante
aufgebracht. Als nächstes
kann die Isolierschicht 118 planarisiert werden, falls
dies erforderlich ist. Die Isolierschicht 118 wird strukturiert
(beispielsweise kann ein nicht dargestellter Resist aufgebracht,
belichtet und entfernt werden) und geätzt, um Kanäle 119 zu belassen,
an denen später
Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 gebildet
werden (2D). Kanäle für funktionelle
Kontaktlöcher
(nicht dargestellt) werden vorzugsweise zur gleichen Zeit gebildet,
zu der die Kanäle 119 für die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 gebildet
werden. Die Kanäle 119 legen
mindestens die oberen Teile der Metallzuleitungen 114 + 130 durch
die Isolierschicht 118 frei.
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Die zweite Begrenzungsschicht 134 kann
auf die oberen Teile der Metallzuleitungen 114 + 130 und die
Isolierschicht 118 aufgebracht werden (3A). Die zweite Begrenzungsschicht 134 besteht
vorzugsweise aus Titan, sie kann jedoch auch eine Bischicht aus
Ti/TiN oder anderen Metalegierungen sein. Die Metallschicht 120 wird
auf die zweite Begrenzungsschicht 134 aufgebracht. Die
Metallschicht 120 besteht vorzugsweise aus Wolfram und
kann mit einem CVD-Prozeß aufgebracht
werden, es können
jedoch auch andere Metallegierungen verwendet werden. Die Metallschicht 120 kann
dann von der zweiten Begrenzungsschicht 134 entfernt werden,
wobei in den Kanälen 119 Abschnitte 122 davon
verbleiben. Demgemäß bleiben
die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 in den
Kanälen 119 in
Kontakt mit den Metallzuleitungen 114 + 130 (3B). Jedes Blind-Kontaktloch 122 + 134 weist
einen Metallschichtabschnitt 122 und einen zweiten Begrenzungsabschnitt 134 auf.
Weil die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 aus
Metall bestehen, sind sie ausgezeichnete Wärmeleiter. Der Metall-zu-Metall-Kontakt
zwischen den Blind-Kontaktlöchern 122 + 134 und
den Metallzuleitungen 114 + 130 bildet einen ausgezeichneten
Wärmeleitungsweg.
Die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 leiten
einen ausreichenden Teil der Jouleschen Wärme von den Metallzuleitungen 114 + 130 ab
und verhindern eine Beschädigung
von diesen, wenn das Bauelement arbeitet. Es können dann folgende Verarbeitungsschritte
ausgeführt
werden, beispielsweise ein weiteres Ausbringen und Ätzen von
Halbleiter-, Isolier- und Metallschichten. Ein möglicher nachfolgender Verarbeitungsschritt
ist in 3C dargestellt,
wobei funktionelle Metallzuleitungen 124 + 134 in
einer zweiten Metallzwischenverbindungsschicht gebildet werden. Die
funktionellen Metallzuleitungen 124 + 134 bestehen
aus einem zweiten Begrenzungsabschnitt 134 und einem zweiten
Metallzwischenverbindungsabschnitt 124.
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Eine perspektivische Ansicht des
ersten Beispiels ist in 4 dargestellt.
Vorzugsweise weist eine Metallzuleitung 114 + 130 mehrere
in ihrer Längsrichtung
ausgebildete Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 auf.
Je mehr Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 entlang
der Metallzuleitung vorhanden sind, desto mehr Joulesche Wärme wird
von der Metallzuleitung 114 + 130 fortgeleitet.
In einer Submikrometerschaltung leiten beispielsweise alle 4 mm
entlang einer Metallzuleitung 114 + 130 ausgebildete
Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 die
Wärme wirksam
von der Metallzuleitung 114 + 130 ab.
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Ein zweites Beispiel der vorliegenden
Erfindung ist in 5 in
einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform
sind Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 in
Kontakt mit den oberen und den unteren Teilen der Metallzuleitungen 114 ausgebildet.
Ein Vorteil der zweiten Ausführungsform
besteht darin, daß es
infolge der Zunahme des wärmeleitfähigen Metalls
(durch die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 bereitgestellt)
in Kontakt mit den Metallzuleitungen 114 möglich ist,
mehr Joulesche Wärme
abzuleiten. Eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform
ist in 6 dargestellt.
Die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 können auch
nur im unteren Teil der Metallzuleitungen 114 ausgebildet sein,
wenngleich vorzugsweise nicht auf der ersten Metallschicht, um eine
Beschädigung
an Transistoren und anderen Vorrichtungen auf der darunterliegenden
Schaltung zu verhindern.
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Ein drittes Beispiel und eine dritte
Ausführungsform
sind in 7 dargestellt.
Nach dem in 3B dargestellten
Schritt wird eine zweite Metallzwischenverbindungsschicht aufgebracht.
Blind-Zuleitungen 126 + 134 werden in der zweiten
Metallzwischenverbindungsschicht in Kontakt mit den Blind-Kontaktlöchern 122 + 134 gebildet.
Die Blind-Zuleitungen 126 + 134 bestehen aus einem zweiten
Begrenzungsabschnitt 134 und einem zweiten Metallzwischenverbindungsabschnitt 126.
Diese Struktur stellt mehr Metall (von den Blind-Kontaktlöchern 122 + 134 und
den Blind-Zuleitungen 126 + 134) zum Ableiten
von mehr Wärme
von den Metallzuleitungen 114 + 130 bereit. Die
Joulesche Wärme wandert
von den Metallzuleitungen 114 + 130 zu Blind-Kontaktlöchern
122 + 134 und über Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 zu
Blind-Zuleitungen 126 + 134. Die Joulesche Wärme wird
sowohl durch die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 als
auch durch die Blind-Zuleitungen 126 + 134 von
den Metallzuleitungen 114 + 130 fortgeleitet.
(Siehe auch die am 31.05.94 von Numata eingereichte US-Patentanmeldung 08/250
983, US-A-S 476 817, die auf Texas Instruments übertragen wurde, wobei Blind-Zuleitungen
in der Nähe
von Metallzuleitungen ausgebildet sind). Funktionelle Metallzuleitungen 124 + 134 können auch
gleichzeitig mit den Blind-Zuleitungen 126 + 134 gebildet
werden. Die funktionellen Metallzuleitungen 124 + 134 bestehen
aus einem zweiten Begrenzungsabschnitt 134 und einem zweiten
Metallzwischenverbindungsabschnitt 124.
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Ein viertes Beispiel ist in 8 dargestellt. Mehrere Schichten von Blind-Kontaktlöchern 122 + 134 und
Blind-Zuleitungen 126 werden in Kontakt mit den oberen
und den unteren Teilen der Metallzuleitungen 114 + 130 ausgebildet,
wodurch ein vertikaler Blind-Metallweg für die Joulesche Wärmeleitung
erzeugt wird. (Zwecks Übersichtlichkeit
sind die ersten Begrenzungsabschnitte 130 der Metallzuleitungen und
die zweiten Begrenzungsabschnitte 134 der Blind-Kontaktlöcher in 8 nicht dargestellt. Vorzugsweise weisen
die Seiten und der untere Teil der Blind-Kontaktlöcher einen
zweiten Begrenzungsabschnitt 134 auf. Dieser vertikale
Blind-Metallweg kann sich durch den gesamten Halbleiterwafer hindurch
erstrecken, und er kann an der Oberfläche des Wafers an einer Kontaktstelle
enden, die an andere Mittel zur Wärmeleitung angeschlossen werden kann.
Diese Ausführungsform
ist besonders nützlich, weil
sie verhältnismäßig leicht
hinzugefügt
werden kann, nachdem thermische Probleme, beispielsweise während des
Testens vor der Herstellung, entdeckt wurden.
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Ein fünftes Beispiel der vorliegenden
Erfindung ist in 9 dargestellt.
Nach dem in 2C dargestellten
Schritt der ersten Ausführungsform wird
die beispielsweise aus AlN bestehende wärmeleitende Isolierschicht
auf die oberen Teile der Metallzuleitungen 114 + 130 und
das Material 116 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante
aufgebracht. Die wärmeleitende
Isolierschicht 128 wird strukturiert und geätzt, so
daß Kanäle verbleiben.
Eine zweite Begrenzungsschicht wird auf die oberen Teile der Metallzuleitungen 114 + 130 und
die wärmeleitende
Isolierschicht 128 aufgebracht. Eine Metallschicht wird auf
die zweite Begrenzungsschicht aufgebracht (wie in 3A dargestellt ist). Die zweite Begrenzungsschicht
und die Metallschicht füllen
die Kanäle
unter Bildung von Blind-Kontaktlöchern 122 + 134 in
der wärmeleitenden
Isolierschicht 128, die in Kontakt mit den Metallzuleitungen 114 + 130 steht,
wie in 9 dargestellt
ist. (Siehe die am 31.05.94 von Numata eingereichte US-Patentanmeldung
08/251 822 "Improving
Reliability of Metal Leads in High Speed LSI Semiconductors Using
Thermoconductive Dielectric Layer"). Die Joulesche Wärme von den Metallzuleitungen 114 + 130 wird
auf die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 und
dann auf die wärmeleitende
Isolierschicht 128 übertragen,
wodurch die Wärmeleitfähigkeit
der Struktur verbessert wird und dadurch die Zuverlässigkeit
der Metallzuleitungen verbessert wird. Es können dann in anderen Ausführungsformen
beschriebene folgende Verarbeitungsschritte ausgeführt werden.
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Ein sechstes Beispiel ist in den 10A–10C und 11A–11C dargestellt.
Gemäß dieser
Ausführungsform
wird eine erste Begrenzungsschicht 130a, beispielsweise
aus Titan, auf das Substrat 112 aufgebracht (10A). Eine erste Metallzwischenverbindungsschicht 114a wird
auf die erste Begrenzungsschicht 130a aufgebracht. Vorzugsweise
besteht die erste Metallzwischenverbindungsschicht 114a aus
einer Trischicht aus TiN/AlCu/TiN. Die Trischicht wird ausgebildet,
indem zuerst Titannitrid unter Verwendung eines CVD-(chemische Dampfabscheidung)-Prozesses
auf die erste Begrenzungsschicht aufgebracht wird. Zweitens wird AlCu
unter Verwendung eines Sputterprozesses auf das Titannitrid aufgebracht,
und drittens wird Titannitrid mit einem CVD-Prozeß auf das
AlCu aufgebracht.
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Als nächstes werden Metallzuleitungen 114 + 130 durch
selektives Entfernen von Abschnitten der ersten Metallzwischenverbindungsschicht 114a und der
ersten Begrenzungsschicht 130a (gestrichelt dargestellt)
ausgebildet, wobei Abschnitte des Substrats 112 freigelegt
werden (10A). Jede Metallzuleitung 114 + 130 weist
einen ersten Metallzwischenverbindungsabschnitt 114 und
einen ersten Begrenzungsabschnitt 130 auf. Eine dünne Isolierschicht 132,
beispielsweise aus TEOS-Siliciumdioxid, wird auf die Metallzuleitungen 114 + 130 und
freiliegenden Abschnitte des Substrats 112 aufgebracht
(10B). Das Material 116 mit
niedriger Dielektrizitätskonstante,
vorzugsweise OSOG, wird auf die dünne Isolierschicht 132 aufgebracht
(10C) und kann planarisiert
werden. Die Isolierschicht 118, vorzugsweise aus TEOS-Siliciumdioxid,
wird auf das Material 116 mit niedriger Dielektrizitätskonstante
aufgebracht. Die Isolierschicht 118, das Material 116 mit
niedriger Dielektrizitätskonstante
und die dünne
Isolierschicht 132 werden strukturiert und geätzt, um
Kanäle 119 auszubilden,
an denen Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 gebildet
werden (10D). Die zweite
Begrenzungsschicht 134 (vorzugsweise eine Bischicht aus Ti/TiN,
wobei das Ti zuerst aufgebracht wird) wird auf die Isolierschicht 118,
die oberen Teile der Metallzuleitungen 114 + 130 und
die freiliegenden Abschnitte des Materials 116 mit niedriger
Dielektrizitätskonstante
(11A) aufgebracht. Die
Metallschicht 120 wird auf die zweite Begrenzungsschicht 134 aufgebracht
(11B). Die Metallschicht 120 füllt Kanäle 119 unter
Bildung von Blind-Kontaktlöchern 122 + 134.
Ein oberer Abschnitt der Metallschicht 120 wird entfernt,
wodurch Abschnitte der zweiten Begrenzungsschicht 134,
die auf der Isolierschicht 118 liegen, freigelegt werden
und Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 ausgebildet
werden (11C). Jedes
Blind-Kontaktloch 122 + 134 weist einen Metallschichtabschnitt 122 und
einen zweiten Begrenzungsabschnitt 134 auf. Die Abschnitte
der zweiten Begrenzungsschicht 134, die auf der Isolierschicht 118 verbleiben,
werden intakt gelassen, bis die nächste Metallzwischenverbindungsschicht
aufgebracht wird, so daß die
zweite Begrenzungsschicht 134 als eine dünne Metallbegrenzung
sowohl für
die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 als
auch für
die nachfolgend gebildeten funktionellen Metallzuleitungen 124 + 134 wirkt
(wie beispielsweise in 7 dargestellt
ist).
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Ein Vorteil der Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 ist
ihre Fähigkeit
zum Erzeugen eines vertikalen Wärmeleitungswegs
in einer Halbleiterschaltung. Dies ist für herunterskalierte Schaltungen
vorteilhaft, bei denen die Fläche
in horizontaler Richtung knapp ist.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
gegenüber
der ausschließlichen
Verwendung von Blind-Zuleitungen (wie in der US-Patentanmeldung 08/250
983 von Numata) besteht darin, daß bei manchen Schaltungen nicht
genug Raum vorhanden ist, um Blind-Zuleitungen in der Nähe von Metallzuleitungen
zu bilden. Weiterhin weisen die Blind-Zuleitungen, wenngleich sie
in der Nähe
der Metallzuleitungen liegen, ein dielektrisches Material auf, das
zwischen den Blind-Zuleitungen
und den Metallzuleitungen liegt: Demgemäß sind Blind-Kontaktlöcher, die einen
Metall-zu-Metall-Kontakt zu den Metallzuleitungen aufweisen, hinsichtlich
des Ableitens der Jouleschen Wärme
von den Metallzuleitungen überlegen.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
gegenüber
der ausschließlichen
Verwendung einer wärmeleitenden
Isolierschicht zum Ableiten eines Teils der Jouleschen Wärme (wie
in der US-Patentanmeldung 08/251 822 von Numata) besteht darin, daß keine
zusätzlichen
Schritte zum Herstellen der Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 erforderlich
sind. Typischerweise werden funktionelle Kontaktlöcher zwischen
Metallschichten eines integrierten Schaltkreises ausgebildet, und
die Blind-Kontaktlöcher
können gebildet
werden, wenn die funktionellen Kontaktlöcher gebildet werden.
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Die vorliegende Erfindung kann auch
bei Halbleitern verwendet werden, bei denen andere Materialien mit
niedriger Dielektrizitätskonstante,
wie beispielsweise Luftspalte, Aerogele, Xerogele oder fluoriertes
Siliciumoxid, verwendet werden. Zum Verringern der kapazitiven Kopplung
zwischen benachbarten Zuleitungen werden Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante,
wie reine Polymere (beispielsweise Parylen, Teflon, Polyimid) oder
organisches aufgeschleudertes Glas (OSOG, beispielsweise Silsequioxan
oder Siloxanglas) untersucht. Es sei auf das Kaanta u. a. am 22.
Januar 1991 erteilte US-Patent US-A-4 987 101, worin ein Verfahren
zum Herstellen von Gasdielektrika (Luftdielektrika) beschrieben
ist, und auf das Sakamoto am 7. April 1992 erteilte US-Patent US-A-S
103 288, worin eine mehrschichtige Verdrahtungsstruktur beschrieben
ist, die die Kapazität
durch die Verwendung eines porösen Dielektrikums
verringert, verwiesen.
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Die neuartige Struktur und das neuartige Verfahren,
die mit der Verwendung von Blind-Kontaktlöchern 122 + 134 einhergehen,
um Joulesche Wärme
von Metallzuleitungen abzuleiten, sind für sehr kompakte Schaltungen,
in denen kein Platz für Blind-Zuleitungen
in derselben Metallzwischenverbindung oder in benachbarten Metallzwischenverbindungsschichten
vorhanden ist, besonders vorteilhaft. Die vorliegende Erfindung
ist auch für
Halbleiter vorteilhaft, die im Submikrometerbereich beabstandet sind
und bei denen Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante
verwendet werden. Die Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 leiten
einen Teil der in den Metallzuleitungen erzeugten Jouleschen Wärme ab,
wodurch die Zuverlässigkeit
der Metallzuleitungen erhöht
wird. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für Halbleiter, die Metallzuleitungen
mit hohen Seitenverhältnissen
(beispielsweise 2 oder darüber)
und Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (deren Dielektrizitätskonstante
insbesondere kleiner als 2 ist), welche thermisch stärker isolieren,
in Kombination aufweisen.
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Wenngleich die Erfindung mit Bezug
auf veranschaulichende Ausführungsformen
beschrieben wurde, sollte diese Beschreibung nicht in einschränkendem
Sinne ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen
der veranschaulichenden Ausführungsformen
sowie andere Ausführungsformen
der Erfindung werden Fachleuten beim Lesen der Beschreibung einfallen.
Es ist daher vorgesehen, daß die
anliegenden Ansprüche
alle solche Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen. Wenngleich
die Wirkungen von Materialien mit Dielektrizitätskonstanten von etwa 2,5 und
einer damit einhergehenden niedrigen Wärmeleitfähigkeit beispielsweise durch
die vorliegende Erfindung verbessert werden, sind die hier offenbarten
Blind-Kontaktlöcher 122 + 134 offensichtlich
nützlich,
um den Wirkungen jeglicher dielektrischer Materialien zwischen Zuleitungen,
deren Verwendung zu einer Hitzebeschädigung der Zuleitungen infolge
ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit
führen
kann, entgegenzuwirken.