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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem
Zwischenverbindungsmuster mit niedrigem RC-Wert, und ein Verfahren zum
Herstellen der Halbleitervorrichtung. Die Erfindung ist insbesondere
geeignet zur Anwendung in der Submikron-IC-Herstellung.
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Technischer
Hintergrund
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Das
steigende Verlangen nach hoher Dichte und Leistung, das mit der
Halbleiterverdrahtung mit sehr hohem Integrationsgrad einhergeht,
erfordert entsprechende Veränderungen
in der Zwischenverbindungstechnologie, was als einer der anspruchsvollsten
Aspekte in der Technologie extremer Integrationsgrade gilt. Ferner
ist bei Hochleistungs-Mikroprozessor-Anwendungen eine hohe Schaltgeschwindigkeit
der Halbleiterschaltung erforderlich. Die Geschwindigkeit der Halbleiterschaltung
variiert umgekehrt zu dem Widerstandswert der Metallschicht und umgekehrt
zu der Kapazität
der dielektrischen Schicht, die das Zwischenverbindungsmuster bildet. Da
die IC-Schaltungen immer komplexer werden und die Größe sowie
der Abstand der Merkmale immer kleiner werden, wird die Geschwindigkeit
der IC-Schaltung zunehmend abhängig
von der Kapazität
und dem Widerstand des Zwischenverbindungsmusters.
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Frühere Anstrengungen
zum Reduzieren der Geschwindigkeit von Halbleiterschaltungen konzentrierten
sich auf das Reduzieren der dielektrischen Konstante des Materials,
das herkömmlicherweise bei
der Bildung dielektrischer Zwischenverbindungsschichten verwendet
wurde. Siliciumdioxid, das dielektrische Material, welcher herkömmlicherweise
bei der Bildung dielektrischer Zwischenverbindungsschichten verwendet
wurde, hat eine dielektrische Konstante von ungefähr 4. Zu
den früheren
Bemühungen
zählt auch
die Entwicklung von Materialien, die eine niedrigere dielektrische
Konstante als Siliciumdioxid aufweisen, wie z. B. Polymere, Teflon,
Areogels und poröse
Polymere mit niedriger dielektrischer Konstante.
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Bei
der Bildung von Zwischenverbindungsschichten wäre es vorteilhaft, derartige
Polymere mit niedriger dielektrischen Konstanten in Kombination mit
Metallen mit niedrigem Widerstandswert zu verwenden, wie z. B. Kupfer,
Silber, Gold und Legierungen derselben. Von der Kombination eines
Metalls mit niedrigem Widerstandswert und eines Polymers mit niedriger
dielektrischen Konstanten wäre
zu eine Reduzierung der Widerstandskapazitäts-(RC-)Zeitverzögerungen
zu erwarten; vgl. beispielsweise Singer, "New Interconect Materials: Chasing the
Promise of Faster Chips",
Semiconductor International, November, 1994, pp. 52, 54 und 56;
und Adema et al., "Passivation
Schemes for Copper/Polymer Thin-Film Interconnections Used in Multichip
Modules", IEEE Transaction
on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol. 16, No.
1, Februar 1993, pp. 53–58.
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Die
Ausbildung eines neuen zuverlässigen Zwischenverbindungsmusters,
das Metall mit niedrigem Widerstandswert und ein Material mit niedriger dielektrischen
Konstanten aufweist, ist jedoch in mehrerer Hinsicht problematisch.
Beispielsweise bildet Aluminium, das Zwischenverbindungsmetall der ersten
Wahl, inhärenterweise
eine Passivierungsschicht, mit der Aluminium vor Korrosion geschützt wird.
Metalle mit niedrigem Widerstandswert jedoch, wie z. B. Kupfer,
bilden jedoch keine selbstpassivierende Schicht. Zudem diffundieren
Kupfer-Ionen sehr schnell durch das Silicium hindurch, wobei eine
Beschädigung
der Halbleiterkomponenten verursachen. Ferner haften die meisten
Polymere mit niedriger dielektrischer Konstante nicht adäquat an
Metallen an. Somit würde
jeder Versuch, ein Zwischenverbindungsmuster unter Verwendung eines
Metalls mit niedrigem Widerstandswert, wie z. B. Kupfer, und eines
Polymers mit niedriger dielektrischen Konstanten zu bilden, das
separate Ausbilden einer Barriere-/Passivierungsschicht erfordern,
um die Metallschicht vor Korrosion zu schützen, und um die Diffusion
von Metall-Ionen zu verhindern. Zudem wäre eine separate Anhaftungsschicht
erforderlich. Ein derartiges Zwi schenverbindungsmuster, hergestellt durch
einen Damascene-Vorgang, ist schematisch in 1 gezeigt und umfasst eine dielektrische
Schicht 10, bei der es sich um ein Polymer niedriger Dielektrizität handeln
kann, und eine auf diesem ausgebildete Schicht 11 mit niedriger
dielektrischer Konstante. Das gezeigte Zwischenverbindungsmuster
weist ferner eine Metallschicht 12 mit niedrigem Widerstandswert
auf, die z. B. Kupfer umfasst. Um ein Metall wie z. B. Kupfer verwenden
zu können,
ist zusätzlich
zu der Haftschicht 14 eine Barriere-/Passivierungsschicht 13 erforderlich.
Zu den geeigneten Barriere-/Passivierungsmaterialien
zählen
Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, Chrom, Siliciumnitrid.
Die Bildung derartiger Barriere-/Passivierungsschichten und separater
Adhäsionsschichten
erfordert zusätzliche
kostenaufwendige Apparaturen, Handhabungsschritte und Materialien,
so dass der Durchsatz verschlechtert wird, die Kosten ansteigen
und der Herstellungsvorgang weiter verkompliziert wird.
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Es
besteht Bedarf an einer vereinfachten, kostengünstigen Technik zur Bildung
eines Zwischenverbindungsmusters, das ein Material mit niedriger
dielektrischer Konstante und ein Metall – wie z. B. Kupfer – mit niedrigem
Widerstandswert aufweist, ohne dass separate Barriere-/Passivierungsschichten
ausgebildet zu werden brauchen.
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In
US-A-5,196,103 und in EP-A-0,618,617 sind Materialien verwendet
worden, welche die Anhaftung zwischen Metall und dielektrischem
Material fördern.
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Offenbarung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer hochintegrierten
Halbleitervorrichtung, die eine reduzierte RC-Verzögerung,
eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und ein verbessertes Signal-/Rausch-Verhältnis aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens
zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die eine reduzierte
RC-Verzögerung,
eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und ein verbessertes Signal-/Rausch-Verhältnis aufweist.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile sowie andere Merkmale der Erfindung werden
zum Teil nachfolgend dargelegt und sind für Durchschnittsfachleute auf
dem Gebiet zum Teil aus der folgenden Beschreibung ersichtlich oder
aus der Praktizierung der Erfindung erkennbar. Die Aufgaben und
Vorteile der Erfindung können
in der Weise realisiert und erzielt werden, die insbesondere in
den nachfolgenden Ansprüchen
angeführt
ist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung
geschaffen, die eine dielektrische Schicht; eine Metallschicht;
und eine Zwischenverbindungsschicht zwischen der Metallschicht und
der dielektrischen Schicht aufweist; wobei die Metallschicht durch
die Zwischenverbindungsschicht mit der dielektrischen Schicht verbunden
ist; und die Zwischenverbindungsschicht das Reaktionsprodukt eines
Haftförderers
mit dem Metall aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass der Haftförderer ein
auf Silan basierendes organisches Mittel aus der Gruppe aufweist,
die 3-Aminopropyltriethoxysilan und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan
umfasst.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit einem Verbindungsmuster
angegeben, mit dem Schritt des Verbindens einer Metallschicht mit
einer dielektrischen Schicht durch eine Zwischenverbindungsschicht,
wobei das Verbinden mittels eines Haftförderers durchgeführt wird,
um die Zwischenverbindungsschicht zu bilden, dadurch gekennzeichnet,
dass der Haftförderer
ein auf Silan basierendes organisches Mittel aus der Gruppe aufweist,
die 3-Aminopropyltriethoxysilan und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan
umfasst.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten
auf diesem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich,
in der nur die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gezeigt und beschrieben wird, und zwar einfach durch
Darstellung der besten Weise, die zur Ausführung der Erfindung avisiert
ist. Wie noch erkennbar wird, ist die Erfindung auch in Form weiterer
und unterschiedlicher Ausführungsformen realisierbar,
und an den verschiedenen Merkmalen der Erfindung können Modifikationen
unter verschiedenen offensichtlichen Aspekten vorgenommen werden,
wobei diese sämtlich
möglich
sind, ohne von der Erfindung gemäß Definition
in den beigefügten
Ansprüchen
abzuweichen. Somit sind die Zeichnungen und die Beschreibung lediglich
zur Veranschaulichung und nicht als einschränkend zu interpretieren.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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1 zeigt einen schematischen
Querschnitt eines Zwischenverbindungsmusters mit Barriere-/Passivierungsschichten.
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2 zeigt einen schematischen
Querschnitt eines Zwischenverbindungsmusters gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung
der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden bei herkömmlichen Halbleitervorrichtungen
auftretende Probleme angesprochen und gelöst, die auf ein Zwischenverbindungsmuster
mit hohem RC-Wert zurückgeführt werden,
wie z. B. niedrige Betriebsgeschwindigkeiten und niedrige Signal-/Rausch-Verhältnisse,
insbesondere in hochintegrierten Schaltungen mit Submikron-Technologie.
Die vorliegende Erfindung schafft mittels einer effizienten, vereinfachten und
kostengünstigen
Herstellungstechnik eine verbesserte Halbleitervorrichtung, die
ein Zwischenverbindungsmuster mit niedrigem RC-Wert und verbessertem
Signal-/Rausch-Verhältnis
aufweist.
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Die
Abhängigkeit
der IC-Schaltungs-Geschwindigkeiten von der RC-Verzögerung eines
Zwischenverbindungsmusters erfordert eine Reduzierung des Widerstands
sowie der Kapazität
eines Zwischenverbindungsmusters. Es ist somit wünschenswert, ein Zwischenverbindungsmuster
zu bilden, bei dem ein Metall mit niedrigem Widerstandswert, wie
z. B. Silber, Kupfer, Gold und Legierungen derselben, in Kombination
mit Materialien niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet wird,
wie z. B. dielektrisch konstanten Polymeren. Besonders vorteilhaft
erscheint die Bildung eines einen niedrigen RC-Wert aufweisenden
Zwischenverbindungsmuster, das ein Metall mit niedrigem Widerstandswert
wie z. B. Kupfer, und ein gering dielektrisches Polymer aufweist,
mittels einer vereinfachten Technik ohne die Notwendigkeit zur Bildung
separater Barriere-/Passivierungsschichten
und separater Haftschichten, so dass eine Verschwendung von Ressourcen
vermieden wird, die mit der Bereitstellung zusätzlicher Apparaturen und dem
Durchführen
zusätzlicher
Herstellungsschritte einherginge.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein vereinfachte, kostengünstiges
Verfahren zur Bildung eines einen niedrigen RC-Wert aufweisenden
Zwischenverbindungsmuster, das ein Metall mit niedrigem Widerstandswert
wie z. B. Kupfer, und ein gering dielektrisches Polymer aufweist,
ohne dass separate Barriere-/Passivierungsschichten
aufgebracht zu werden brauchen und ohne die separate Aufbringung
von Haftschichten und ohne die damit einhergehenden Nachteile. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein Metall mit niedrigem Widerstandswert, wie z. B.
Kupfer, und ein Material mit niedriger dielektrischer Konstante,
z. B. ein Polymer mit niedriger dielektrischer Konstante, mittels
einer Zwischenverbindungsschicht miteinander verbondet. Vorzugsweise
wird zur Bildung der Zwischenverbindungsschicht ein Haftförderer verwendet.
Ein derartiger Haftförderer kann
auf das Interface zwischen dem Kupfer und dem die niedrige dielektrische
Konstante aufweisenden Polymer aufgebracht werden, z. B. durch Auftrag auf
die Oberfläche
der Kupferschicht und/oder die Oberfläche der dielektrischen Schicht.
Gemäß einer weiteren
Ausführungsform
wird der Haftförderer
mit dem die niedrige dielektrische Konstante aufweisenden Polymer
gemischt.
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Ohne
sich auf irgendeine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, wird
angenommen, dass der Haftförderer
eine chemische Reaktion mit der Oberfläche des einen niedrigen Widerstandswert
aufweisenden Metalls eingeht, wobei Metall-Sauerstoff-Kohlenstoff-Verbindungen
gebildet werden, so dass das Metall mittels einer Zwischenverbindungsschicht
mit dem die niedrige dielektrische Konstante aufweisenden Polymer
verbondet wird. Die resultierende Zwischenverbindungsschicht bewirkt
eine Passivierung und wirksame Abdichtung der Metallschicht in der
dielektrischen Schicht. Ferner dient die Zwischenverbindungsschicht
als Diffusionsbarriere, die eine Diffusion des einen niedrigen Widerstandswert
aufweisenden Metalls, wie z. B. Kupfer, durch die Halbleitervorrichtung
hindurch verhindert.
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Somit
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung der Halbleitervorrichtungs-Herstellungsvorgang in kostengünstiger
Weise signifikant vereinfacht, während
die Zuverlässigkeit
der Zwischenverbindungen gegenüber
dem Stand der Technik verbessert werden. Die erforderlichen Werkzeuge
sind relativ billig. Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden
Erfindung, dass die Metall-Leitungen
unter Einsatz von Damascene- oder Nicht-Damascene-Techniken gebildet
werden können,
wie z. B. durch herkömmliche
Rückätztechniken.
Durch die Verwendung eines Haftförderers
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden vorteilhafterweise die bei der Bildung separater
Barriere-/Passivierungsschichten und separater Haftschichten auftretenden
Nachteile vermieden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein auf ein auf Silan basierender organischer Haftförderer verwendet,
der aus der Gruppe gewählt
ist, die 3-APS (3-Aminopropyltriethoxysilan) und MOPS (3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan)
umfasst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann zum Bilden des einen niedrigen RC-Wert aufweisenden Zwischenverbindungsmusters
ein Metall mit niedrigem Widerstandswert verwendet werden. Zu derartigen
Metallen mit niedrigem Wi derstandswert zählen Kupfer, Legierungen auf
Kupfer-Basis, Gold, Legierungen auf Gold-Basis, Silber, Legierungen
auf Silber-Basis, bevorzugt jedoch Kupfer und Legierungen auf Kupfer-Basis.
Bei dem gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendeten Material mit niedriger dielektrischer Konstante
kann es sich um jedes beliebige Material mit niedriger dielektrischer
Konstante handeln, wie z. B. Polymere mit niedriger dielektrischer
Konstante. Zu den Beispielen derartiger handelsüblicher Polymere mit niedriger
dielektrischer Konstanten zählen
Dow Chemical DVS-BCB (das eine dielektrische Konstante von ungefähr 2,7 zeigt), die
Polyimide von DuPont (die dielektrische Konstanten von ungefähr 3,0 zeigen)
Teflon-Materialien (die eine dielektrische Konstante von ungefähr 1,8 bis
ungefähr
2,1 zeigen), Allied Signal FLARE (das eine dielektrische Konstante
von ungefähr
2,6 zeigt), Silsesquioxane (die eine dielektrische Konstante von
ungefähr
3,0 zeigen), und Parylene von Union Carbide (das eine dielektrische
Konstante von ungefähr
2,3 bis ungefähr
3,1 zeigen).
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Ungeachtet
der typischen schwachen Anhaftung von Polymeren an Metallen werden
entsprechend der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Haftförderers,
vorzugsweise eines Haftförderers
auf Silan-Basis, Polymere mit niedriger dielektrischer Konstante
zuverlässig
mit Metallen niedriger Leitfähigkeit
wie z. B. Kupfer derart verbunden, dass Zwischenverbindungsmuster
mit niedrigem RC-Wert gebildet werden. Die vorliegende Erfindung
mit Vorteil geeignet für
die Submikron-Technologie, einschließlich der Technologie mit einer
Design-Regel von ungefähr
0,18 Mikron oder weniger. Die vorliegende Erfindung beinhaltet vorteilhafterweise
weniger Verarbeitungsschritte bei niedrigem Kostenaufwand und ohne
zusätzliche
Apparaturen und ist mit Damascene- und Nicht-Damascene-Techniken
kompatibel, bei denen handelsübliche
Materialien verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist in 2 gezeigt,
in der ein Abschnitt eines Zwischenverbindungsmusters dargestellt
ist, das in einem Damascene-Vorgang mit einer Polymerschicht 21 niedriger dielektrischer
Konstante auf einer dielektrischen Schicht 20 hergestellt
worden ist, die ebenfalls ein Polymer mit niedriger dielektrischer
Konstante aufweisen kann. Der gezeigte Abschnitt ei nes Zwischenverbindungsmusters
weist ein Polymer 21 mit niedriger dielektrischer Konstante
auf, das über
eine Zwischenverbindungsschicht 23 auf ein Metall 22 mit niedriger
Leitfähigkeit,
wie z. B. Kupfer, gebondet ist. Die Zwischenverbindungsschicht 23 wird
unter Verwendung eines Haftförderers
gebildet, vorzugsweise eines organischen Haftförderers auf Silan-Basis, der auf
das Interface zwischen dem Metall 22 niedriger Leitfähigkeit
und dem Polymer 21 mit niedriger dielektrischer Konstante
aufgetragen werden kann, etwa durch Aufbringen auf eine oder beide
Oberflächen
der Teile. Alternativ kann das Haft-Polymer vor dem Auftragen mit
dem Polymer 21 niedriger dielektrischer Konstante gemischt
werden.
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Beim
Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
können
herkömmliche
photolithographische, Ätz-
und Auftragtechniken verwendet werden. Bei der Ausführung der verschiedenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
zum Auftragen der leitenden Schichten und der Zwischenverbindungsleitungen herkömmliche
Metallisierungstechniken angewandt werden, wie z. B. verschiedene
Typen von chemischen Dampfauftrag- (CVD-) Vorgängen einschließlich eines
chemischen Dampfauftrag mit Niedrigdruck (LPCVD) und eines plasmaverstärkten chemischen
Dampfauftrags (PECVD). Die verschiedenen Schichten werden durch
bekannte Ebnungstechniken geebnet, z. B. durch Ätz- und chemisch-mechanische
Poliertechniken.
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Die
verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
Damascene-Techniken umfassen, z. B. Einzel- und Doppel-Damascene-Techniken.
Bei Doppel-Damascene-Techniken werden Vias und Gräben gleichzeitig
mit Metallen niedriger Leitfähigkeit
gefüllt,
wie z. B. Kupfer, Legierungen auf Kupfer-Basis, Gold, Legierungen
auf Gold-Basis, Silber, Legierungen auf Silber-Basis, bevorzugt
jedoch Kupfer und Legierungen auf Kupfer-Basis.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Halbleitervorrichtungen mit Zwischenverbindungsmustern
versehen, die einen niedrigen RC-Wert aufweisen, und somit zeigen
die Halbleitervorrichtungen höhere
Betriebsgeschwindigkeiten und ein verbessertes Signal-/Rausch-Verhältnis. Derartige
verbesserte Halbleitervorrichtungen werden mittels einer effizienten,
verbesserten Technik hergestellt, ohne dass die mit der Ausbildung
separater Barriere-/Passivierungsschichten und separater Haftschichten
einhergehenden Nachteile auftreten, und zwar unter Verwendung herkömmlicher
Vorrichtungen und Materialien und in kostengünstiger Weise. Somit wird bei der
vorliegenden Erfindung ein Zwischenverbindungsmuster mit niedrigem
RC-Wert gebildet, das ein schwach widerstandsfähiges Metall, wie z. B. Kupfer,
und ein schwach dielektrisches konstantes Polymer aufweist, indem
zwischen dem schwach widerstandsfähigen Metall und einem schwach
dielektrischen konstanten Polymer eine Zwischenverbindungsschicht
gebildet wird, vorzugsweise unter Verwendung eines handelsüblichen
Haftförderers,
wie z. B. eines Förderers
auf Silan-Basis,
der mit der Oberfläche
des schwach widerstandsfähigen
Metalls reagiert, wobei eine Verbondung mit dem schwach dielektrischen
konstanten Polymer erzeugt wird, so dass das schwach widerstandsfähige Metall
mit dem schwach dielektrischen konstanten Polymer dichtend versiegelt
wird. Die offenbarten Ausführungsformen und
Konzepte der vorliegenden Erfindung finden zweckmäßige Anwendung
bei jedem Typ von Halbleitervorrichtung, bei dem Zwischenverbindungsmuster
ausgebildet werden.
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In
der vorliegenden Offenbarung der Erfindung sind nur einige wenige
Beispiele ihrer Vielseitigkeit gezeigt und beschrieben. Es versteht
sich, dass die Erfindung für
die Verwendung in verschiedenen anderen Kombinationen und Umgebungen
geeignet ist und an der Erfindung im Rahmen der angefügten Ansprüche Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können.