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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Mikrostrukturen,
etwa moderne integrierte Schaltungen und betrifft insbesondere die
Herstellung von leitenden Strukturen, etwa kupfergestützte Metallisierungsschichten
mit einem verbesserten Leistungsverhalten im Hinblick auf die Elektromigration,
indem eine Metalldeckschicht auf den Metallgebieten vorgesehen wird.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Bei
der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa von integrierten
Schaltungen, gibt es en ständiges
Bestreben, die Strukturgrößen von
Mikrostrukturelementen ständig
zu verringern, wodurch die Funktion dieser Strukturen verbessert
wird. Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen
die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge
von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 Mikrometer
erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick
auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Vielfalt
an Funktionen verbessert wird. Wenn die Größe einzelner Schaltungselemente
mit jeder neuen Schaltungsgeneration verringert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente erhöht wird,
wird auch der verfügbare
Platz für
Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch
miteinander verbinden, ebenfalls verringert. Folglich müssen die
Abmessungen dieser Verbindungsleitungen ebenfalls verringert werden,
um den geringeren Anteil an verfügbaren
Platz unter einer größeren Anzahl an
Schaltungselementen, die pro Chipeinheitsfläche vorgesehen sind, Rechnung
zu tragen, da typischerweise die Anzahl der erforderlichen Verbindungen schneller
ansteigt als die Anzahl der Schaltungselemente. Daher werden für gewöhnlich mehrere
gestapelte „Verdrahtungsschichtung”, die auch
als Metallisierungsschichten bezeichnet werden, vorgesehen, wobei
die einzelnen 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 geringere Abmessungen in den Verbindungsleitungen erforderlich,
um enormen Komplexität
von beispielsweise mo dernen CPU's,
Speicherchips, ASIC's
(anwendungsspezifische IC's)
und dergleichen Rechnung zu tragen. Die geringere Querschnittsfläche der
Verbindungsstrukturen möglicherweise
in Verbindung mit einer Zunahme der statischen Leistungsaufnahme von
extrem skalierten Transistorelementen führt zu beträchtlichen Stromdichten in den
Metallleitungen, die bei jeder neuen Schaltungsgeneration weiter
zunehmen können.
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Moderne
integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen
Abmessung von 0,05 μm
und weniger werden daher typischerweise bei deutlich erhöhten Stromdichten
bis zu mehreren Kiloampere pro cm2 in den
einzelnen Verbindungsstrukturen betrieben trotz des Vorsehens einer
relativ großen
Anzahl an Metallisierungsschichten, was durch die große Anzahl
an Schaltungselementen pro Einheitsfläche erforderlich ist. Das Betreiben
der Verbindungsstrukturen bei erhöhten Stromdichten zieht jedoch
eine Reihe von Problemen nach sich, die mit belastungsinduzierten
Leitungsbeeinträchtigungen verknüpft sind,
die schließlich
zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltung führen kann.
Ein wichtiges Phänomen
in dieser Hinsicht ist der strominduzierte Materialtransport in
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, was auch als „Elektromigration” bezeichnet
wird. Die Elektromigration wird durch den Impulsübertrag von Elektronen auf
die Ionenrümpfe
hervorgerufen, woraus sich ein Nettoimpuls in Richtung des Elektronenflusses
ergibt. Insbesondere bei hohen Stromdichten tritt eine ausgeprägte kollektive
Bewegung oder gerichtete Diffusion von Atomen in dem Verbindungsmetall
auf, wobei das Vorhandensein von Diffusionspfaden einen wesentlichen
Einfluss auf die transportierte Menge an Material, die sich aus
dem Impulsübertrag
ergibt, ausüben kann.
Somit kann die Elektromigration zur Ausbildung von Hohlräumen innerhalb
und von Materialanhäufungen
angrenzend zu der Metallverbindungsstruktur führen, wodurch sich eine geringere
Leistungsfähigkeit
und Zuverlässigkeit
oder ein vollständiger
Auswahl des Bauelements ergeben. Beispielsweise werden Aluminiumleitungen,
die in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet sind,
häufig
als Metall für
Metallisierungsschichten eingesetzt, wobei, wie zuvor erläutert ist,
moderne integrierte Schaltungen mit kritischen Abmessungen von 0,1 μm oder weniger
deutlich geringere Querschnittsflächen der Metallleitungen und
damit höhere
Stromdichten erfordern, wodurch Aluminium zu einem wenig attraktiven
Material für
die Herstellung von Metallisierungsschichten wird.
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Folglich
wird Aluminium zusehends durch Kupfer und Kupferlegierungen ersetzt,
was ein Material ist, das einen deutlich geringeren elektrischen
Widerstand und eine erhöhte
Wider standsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration selbst bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich
zu Aluminium besitzt. Das Einführen
von Kupfer in den Herstellungsablauf von Mikrostrukturen und integrierten
Schaltungen ist jedoch mit einer Reihe von Problemen begleitet,
die in der Eigenschaft des Kupfers begründet sind, gut in Siliziumdioxid
und einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu diffundieren,
die typischerweise in Verbindung mit Kupfer verwendet werden, um
die parasitäre
Kapazität
in komplexen Metallisierungsschichten zu verringern. Um die notwendige
Haftung bereitzustellen und um eine unerwünschte Diffusion von Kupferatomen
in empfindliche Bauteilgebiete zu verhindern, ist es für gewöhnlich erforderlich,
eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen
Material vorzusehen, in welchem die kupferbasierten Verbindungsstrukturen
eingebettet sind. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material
ist, das in effektiver Weise die Diffusion von Kupferatomen unterdrückt, ist
die Verwendung von Siliziumnitrid als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial
wenig wünschenswert,
da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitäre Kapazität zwischen
benachbarten Kupferleitungen ansteigt, was zu einer nicht akzeptablen
Signalausbreitungsverzögerung
führen
kann. Somit wird eine dünne
leitende Barrierenschicht typischerweise hergestellt, die dem Kupfer
auch die erforderliche mechanische Stabilität verleiht, um damit das Kupfer von
dem umgebenden dielektrischen Material zu trennen, wodurch die Kupferdiffusion
in das dielektrische Material verringert wird und auch die Diffusion von
unerwünschten
Sorten, etwa Sauerstoff, Fluor, und dergleichen, in das Kupfer unterdrückt wird.
Des weiteren bilden die leitenden Barrierenschichten auch eine sehr
stabile Grenzfläche
mit dem Kupfer, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines ausgeprägten Materialtransports
an der Grenzfläche
verringert wird, die typischerweise ein kritisches Gebiet im Hinblick
auf größere Diffusionspfade
ist, die eine strominduzierte Materialdiffusion ermöglichen.
Aktuell werden Tantal, Titan, Wolfram und ihre Verbindungen mit
Stickstoff und Silizium und dergleichen als bevorzugte Materialien
für eine
leitende Barrierenschicht eingesetzt, wobei die Barrierenschicht
zwei oder mehr Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzungen
aufweisen kann, um den Erfordernissen im Hinblick auf die Diffusionsunterdrückung und
die Hafteigenschaft zu genügen.
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Eine
weitere Eigenschaft des Kupfers, die es von Aluminium unterscheidet,
ist die Tatsache, dass Kupfer nicht effizient in größeren Mengen
durch chemische oder physikalische Dampfabscheidetechniken aufgebracht
werden, wozu sich auch die Tatsache gesellt, dass Kupfer nicht effizient
durch anisotrope Trockenätzsprozesse
strukturiert werden kann, wo durch eine Prozessstrategie erforderlich
ist, die üblicherweise
als Damaszener- oder Einlegetechnik bezeichnet wird. In einem Damaszener-Prozess
wird zunächst
eine dielektrische Schicht gebildet, die dann strukturiert wird,
so dass sie Gräben
und/oder Kontaktlöcher
aufweist, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden, wobei, wie zuvor
angegeben ist, vor dem Einfüllen
des Kupfers eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der
Gräben
und Kontaktlöcher
gebildet wird. Das Abscheiden des Hauptanteils des Kupfermaterials
in die Gräben
und Kontaktlöcher wird
für gewöhnlich durch
nasschemische Abscheideprozesse bewerkstelligt, etwa Elektroplattieren und
stromloses Plattieren, wobei das zufällige Füllen von Kontaktlöcher mit
einem Aspektverhältnis
von fünf
oder mehr mit einem Durchmesser von 0,3 μm oder weniger in Verbindung
mit Gräben
mit einer Breite im Bereich von 0,1 μm bis mehrere Mikrometer erforderlich
ist. Elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer sind auf dem Gebiet
der elektronischen Leiterplattenherstellung gut etabliert. Jedoch
ist für die
Abmessungen der Metallgebiete in Halbleiterbauelementen die hohlraumfreie
Auffüllung
von Kontaktlöchern
mit hohem Aspektverhältnis
eine äußerst komplexe
und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich entstehenden
kupferbasierten Verbindungsstruktur deutlich von Prozessparametern,
Materialien und der Geometrie der interessierenden Struktur abhängen. Da
die Geometrie von Verbindungsstrukturen im Wesentlichen durch die
Entwurfserfordernisse festgelegt sind und daher nicht wesentlich
für eine
vorgegebene Mikrostruktur geändert
werden können,
ist es von großer
Wichtigkeit, den Einfluss von Materialien, etwa leitenden und nicht
leitenden Barrierenschichten, der Kupfermikrostruktur und ihre gegenseitige
Wechselwirkung auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur abzuschätzen und
zu steuern, um sowohl eine hohe Ausbeute als auch die erforderliche
Produktzuverlässigkeit
sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig, Mechanismen für die Beeinträchtigung
für den
Ausfall in Verbindungsstrukturen für diverse Konfigurationen zu
erkennen, zu überwachen
und zu reduzieren, um damit die Bauteilzuverlässigkeit für jede neue Bauteilgeneration
oder jeden Technologiestandard zu bewahren.
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Folglich
wurde großer
Aufwand betrieben, um die Beeinträchtigung von Kupferverbindungen
zu untersuchen, insbesondere im Zusammenhang mit dielektrischen
Materialien mit kleinem ε,
die eine relative Permittivität
von 3,1 oder weniger aufweisen, um neue Materialien und Prozessstrategien
zu finden, um damit kupferbasierte Leitungen und Kontaktdurchführungen
mit einer geringen Gesamtpermittivität herzustellen. Obwohl der
exakte Mechanismus der Elektromigration in Kupferleitungen noch
nicht vollständig
verstanden ist, zeigt sich dennoch, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden positioniert sind
und insbeson dere an Grenzflächen
zu benachbarten Materialien auftreten, einen wesentlichen Einfluss
auf das schließlich
erreichte Leistungsverhalten und die Zuverlässigkeit der Verbindungsstrukturen ausüben.
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Ein
Ausfallmechanismus, von dem angenommen wird, das er wesentlich zu
einem vorzeitigen Bauteilausfall beiträgt, ist der durch die Elektromigration
hervorgerufenen Materialtransport insbesondere entlang einer Grenzfläche, die
zwischen dem Kupfer und einer dielektrischen Deckschicht gebildet
ist, die nach dem Einfüllen
des Kupfermaterials in die Gräben
und Kontaktdurchführungen,
deren Seitenwände von
den leitenden Barrierenmaterialien bedeckt sind, abgesehen wird.
Zusätzlich
zur Beibehaltung der Kupferintegrität dient die dielektrische Deckschicht üblicherweise
als eine Ätzstoppschicht
während
der Herstellung der Kontaktdurchführungsöffnungen in dem dielektrischen
Zwischenschichtmaterial. Häufig verwendete
Materialien sind beispielsweise Siliziumnitrid und stickstoffenthaltendes
Siliziumkarbid, das eine moderat hohe Ätzselektivität in Bezug
auf typischerweise verwendete Zwischenschichtdielektrika aufweist,
etwa eine Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε, und die
auch die Diffusion von Kupfer in das Zwischenschichtdielektrikum
unterdrücken.
Jüngere
Untersuchungsergebnisse scheinen jedoch anzudeuten, dass die zwischen
dem Kupfer und der dielektrischen Deckschicht gebildete Grenzfläche ein
wesentlicher Diffusionspfad für
den Materialtransport während
des Betriebs der Metallverbindungsstruktur ist.
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Folglich
wurden eine Vielzahl von Alternativen entwickelt in dem Versuch,
die Grenzflächeneigenschaften
zwischen dem Kupfer und der Deckschicht zu verbessern, die die Eigenschaft
besitzt, das Kupfer zuverlässig
einzuschließen
und dessen Integrität
beizubehalten. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, selektiv leitende
Materialien auf der Oberseite des kupferenthaltenden Gebiets vorzusehen,
die ein gutes Verhalten im Hinblick auf die Elektromigration zeigen,
ohne dass der Gesamtwiderstand der entsprechenden Metallleitung
zu erhöhen. Beispielsweise
erweist sich eine Zusammensetzung aus Kobalt/Wolfram/Phosphor (CoWP)
als ein aussichtsreiches Material für leitende Deckschichten, das
Elektromigrationswirkungen innerhalb einer entsprechenden Metallleitung
deutlich verringert. Obwohl die Verbindung aus Kobalt/Wolfram/Phosphor bessere
Elektromigrationseigenschaften bietet und in den Gesamtprozessablauf
für die
Herstellung aufwendiger Metailisierungssysteme eingerichtet werden
kann, da diese Verbindung auf Grund selektiver elektrochemischer
Abscheiderezepte aufgebracht werden kann, zeigt sich dennoch, dass ausgeprägte Defekte
in Metallisierungssystemen mit Kupferleitungen mit einer leitenden
Deckschicht beobachtet werden. Beispielsweise können erhöhte Leckströme und Spannungsdurchbrüche in derartigen
Bauelementen im Vergleich zu Bauelementen auftreten, die ein Metallisierungssystem
auf der Grundlage einer dielektrischen Deckschicht besitzen. Da
elektrochemische Abscheidetechniken, etwa das stromlose Plattieren und
dergleichen, in künftigen
Bauteilgenerationen an Bedeutung zunehmen und auf Grund der Tatsache, dass
das gesamte Elektromigrationsverhalten elektrochemisch selektiv
aufgebrachter Metalldeckschichten für Metallleitungen in aufwendigen
Metallisierungssystemen verbessert ist, werden große Anstrengungen
unternommen, um Prozessstrategien zu entwickeln, die die elektrischen
Eigenschaften der dielektrischen Materialien verbessern, die mit
Elektrolytlösungen
während
aufwendiger Abscheideschemata in Kontakt kommen, um damit eine Verringerung
der Leckströme
und eine Beeinträchtigung
der dielektrischen Eigenschaften zu erreichen.
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Im
Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende
Offenbarung Techniken zur Verbesserung der Eigenschaften dielektrischer Materialien
nach Kontakt mit elektrochemischen Lösungen, wobei eines oder mehrere
der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Überblick über die Offenbarung
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Im
Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Techniken zur Verbesserung
der dielektrischen Eigenschaften bereit, d. h. zur Verbesserung des
Verhaltens im Hinblick auf die Reaktion dielektrischer Materialien
auf angelegte Spannungen und im Hinblick auf Reduzieren parasitärer Leckströme in den
dielektrischen Materialien, indem eine geeignet gestaltete Wärmebehandlung
in einer geeigneten Phase einer Prozesssequenz eingeführt wird,
die das Aussetzen empfindlicher dielektrischer Materialien der Einwirkung
chemischer Lösungen,
etwa Elektrolytlösungen
und dergleichen, beinhalten. In einigen hierin offenbarten anschaulichen
Aspekten wird die elektrochemische Abscheidung von Metallen, etwa von
Metalldeckschichten, von Metallisierungsunterseitenschichten und
dergleichen bewerkstelligt mit verbesserten Prozessergebnissen im
Hinblick auf Spannungsfestigkeit und Leckströme, indem die Wärmebehandlung
vor und/oder nach dem elektrochemischen Abscheideprozess ausgeführt wird,
wodurch der Zustand des dielektrischen Materials aufbereitet wird,
das eng gesetzte Spezifikationen im Hinblick auf Spannungsanstiegs-
und Durchschlags festigkeitsprüfungen
(VRDB) und Leckstromprüfungen
erfüllt
werden, wie sie für
moderne Halbleiterbauelemente entsprechend der 45 nm-Technologie
und darunter erforderlich sind. Ohne die vorliegende Offenbarung
auf die folgende Erläuterung
einschränken zu
wollen, so wird dennoch angenommen, dass die zusätzliche Wärmebehandlung verbleibende
Feuchtigkeit in dem dielektrischen Material entfernt, das in anspruchsvollen
Anwendungen einen mehr oder weniger ausgeprägten porösen Zustand aufweist, wodurch
ansonsten ein Strom durch gelöste
Ionensorte befördert
wurde, die während
des elektrochemischen Abscheideprozesses eingebaut werden. Folglich können vielversprechende
elektrochemische Abscheideschemata in anspruchsvolle Gesamtfertigungsabläufe zur
Herstellung von Metallisierungssystemen, Kontaktebenen und dergleichen
eingebaut werden, wobei die guten Eigenschaften im Hinblick auf
die Elektromigration und dergleichen mit dielektrischen Eigenschaften
kombiniert werden, beispielsweise im Hinblick auf geringere Leckströme und eine
größere Spannungsfestigkeit.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Ausführen einer
Prozesssequenz an einem Halbleiterbauelement, wobei die Prozesssequenz
eine Teilmenge aus Prozessen zum Aufbringen einer nasschemischen
Lösung
auf ein erste dielektrisches Material und zum Entfernen der nasschemischen
Lösung
von dem dielektrischen Material umfasst. Das Verfahren umfasst ferner
das Ausführen einer
Wärmebehandlung
in einer sauerstoffarmen Umgebung und das Bilden eines zweiten dielektrischen
Materials zumindest auf dem ersten dielektrischen Material nach
der Wärmebehandlung.
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Ein
weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das
Ausführen
einer Wärmebehandlung
mit einer Prozesstemperatur von ungefähr 100 Grad C bis 400 Grad
C an einem ersten dielektrischen Material eines Halbleiterbauelements nach
Kontakt des dielektrischen Materials mit einem nasschemischen Mittel.
Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden eines zweiten dielektrischen Materials
auf dem ersten dielektrischen Material. Ein noch weiteres anschauliches
hierin offenbartes Verfahren umfasst das Ausführen einer Prozesssequenz zur
Herstellung eines Metallgebiets in einem dielektrischen Material
eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements, wobei
die Prozesssequenz mindestens einen Prozess umfasst, der eine Oberfläche des
dielektrischen Materials der Einwirkung eines nasschemischen Mittels
aussetzt. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer metallenthaltenden Schicht
auf dem Metallgebiet durch Ausführen
eines elektro chemischen Abscheideprozesses und das Ausführen einer
ersten Wärmebehandlung
nach dem Bilden der metallenthaltenden Schicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
des hierin offenbarten Gegenstandes 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:
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1a und 1b schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während einer
ersten Prozesssequenz zeigen, in der ein dielektrisches Material
der Einwirkung nasschemischer Mittel ausgesetzt wird, etwa Wasser,
Reinigungsmittel und dergleichen, wenn ein Metallgebiet in einem
dielektrischen Material gebildet wird;
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1c schematisch
das Halbleiterbauelement gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform zeigt,
in der eine Wärmebehandlung
so ausgeführt wird,
dass verbesserte dielektrische Eigenschaften vor dem Abscheiden
einer Metalldeckschicht bereitgestellt werden;
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1d und 1e schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während einer
weiteren Prozesssequenz zeigen, in der das dielektrische Material
der Einwirkung einer elektrochemischen Lösung zur Bildung einer metallenthaltenden
Deckschicht gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
ausgesetzt wird;
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1f schematisch
das Halbleiterbauelement während
einer Wärmebehandlung
nach dem Bilden der Metalldeckschicht und vor dem Bilden weiterer
Fertigungsprozesse gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigt;
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1g schematisch
eine Querschnittsansicht mehrerer Metallgebiete mit einem verbesserten Leckstromverhalten
zeigt, wie es durch Testmessungen nach der Wärmebehandlung aus 1f bestimmt
wird;
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1h schematisch
das Halbleiterbauelement während
der Abscheidung eines weiteren dielektrischen Materials gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigt;
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1i schematisch
eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements zeigt, das eine
Kontaktstruktur aufweist, die eine Wärmebehandlung gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
unterzogen wird; und
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1j bis 1l schematisch
Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Herstellung von Höckern, etwa Lothöckern zeigen,
wobei elektrochemische Abscheidetechniken in Verbindung mit Wärmebehandlung
gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
eingesetzt werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
der hierin offenbarte Gegenstand 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 Offenbarung auf die speziellen anschaulichen
offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken zur Aufbereitung
dielektrischer Materialien, etwa dielektrische Materialien mit kleinem ε, die als
dielektrische Materialien zu verstehen sind, die eine dielektrische
Konstante von 3,0 und weniger aufweisen, und die in einem mehr oder
weniger porösen
Zustand nach dem Kontakt mit nasschemischen Lösungen, etwa Wasser, reaktiven
Chemikalien, Elektrolytlösungen
und dergleichen vorhanden sind. Während der Herstellung anspruchsvoller Halbleiterbauelemente
werden häufig
dielektrische Materialien der Einwirkung nasschemischer Lösungen während Reinigungsprozessen,
elektrochemischen Abscheideprozessen und dergleichen ausgesetzt,
wobei ein beeinträchtigtes
Verhalten im Hinblick auf die Spannungsfestigkeit und dergleichen beobachtet
wird, insbesondere wenn kleinste Bauteilabmessungen durch die Entwurfsregeln
erforderlich sind. Wie zuvor erläutert
ist, sind stromlose Abscheidetechniken, d. h. das Abscheiden eines
Metalls oder eine metallenthaltenden Materials auf der Grundlage einer
Elektrolytlösung
ohne Anlegen eines externen Stromflusses eine vielversprechende Abscheidetechnik
für eine
Vielzahl von Anwendungen, etwa das Vorsehen von Metalldeckschichten
für die
Metallleitungen, Metalle von Kontaktstrukturen, Unterseitenmetallisierungsschichten,
d. h. Metallisierungsschichten, die unter Lothöckern oder anderen Kontakthöckern über der
letzten Metallisierungsebene vorgesehen sind, und dergleichen. Obwohl
der genaue Mechanismus der Beeinträchtigung der gesamten dielektrischen
Eigenschaften der Materialien noch nicht verstanden ist, wird angenommen,
dass abhängig
von dem anfänglichen
Zustand der dielektrischen Materialien, etwa dem Grad an Porosität, der Oberflächentextur
und dergleichen, Spuren von Feuchtigkeit in Verbindung mit gelösten Ionensorten, die
beispielsweise während
vorhergehender Fertigungsprozesse eingebaut werden, etwa beim Spülen, beim
Kontakt mit nasschemischen Lösungen und
dergleichen, zu einem Anstieg von Leckströmen führen, die insbesondere bei
sehr geringen Bauteilabmessungen zu einer insgesamt erfolgenden
Bauteilbeeinträchtigung
beitragen, so dass häufig
die festgelegten Spezifikationen während des Fertigungsprozesses
nicht erfüllt
werden. Es wird angenommen, dass auf Grund der hierin offenbarten
Prinzipien verbesserte Oberflächenbedingungen
erreicht werden, indem eine geeignet gestaltete Wärmebehandlung
während
geeigneter Fertigungsphasen, insbesondere nach einer Prozesssequenz
zum Abscheiden eines metallenthaltenden Materials auf der Grundlage
elektrochemischer Abscheidetechniken, angewendet wird.
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Zu
diesem Zweck wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Wärmebehandlung mit
einer Temperatur von ungefähr
100 bis 400 Grad C in den Fertigungsablauf in einer sauerstoffarmen Umgebung
eingerichtet, was als eine Prozessumgebung zu verstehen ist, in
der der Anteil von Sauerstoff auf 50 ppm (Teile pro Million) relativ
zu einer standardmäßigen Reihenraumgebung
reduziert ist, wodurch die Gesamtwirkung der Oberflächenkonditionierung
weiter verbessert wird. Es sollte beachtet werden, dass auch eine
Niederdruckumgebung mit einem verbleibenden Druck von weniger als
einigen Millitorr ebenfalls als eine sauerstoffarme Umgebung erachtet
wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden eine oder
mehrere Wärmebehandlungen
in einen Fertigungsablauf zur Herstellung einer metallenthaltenden
Deckschicht von Metallgebieten in aufwendigen Metallisierungssystemen
eingebaut, wobei eine Wärmebehandlung
nach dem Fertigstellen des grundlegenden Metallgebiets ausgeführt wird
und wobei eine Wärmebehandlung
nach dem Ende der elektrochemischen Abscheidung der Deckschicht
einschließlich
der Reinigung und der Spülung
der resultierenden Oberfläche
des Halbleiterbauelements ausgeführt
wird, wobei, wenn beide Wärmebehandlungen
in der Fertigungssequenz angewendet werden, eine noch bessere Effizienz
im Hinblick auf die Verringerung von Leckströmen erreicht wird. In anderen
Fällen
wird eine entsprechende Wärmebehandlung
in einer Fertigungssequenz zur Herstellung einer Metalldeckschicht
in anspruchsvollen Kontaktstrukturen ausgeführt, wobei eine erhöhte Leitfähigkeit
erreicht wird, indem gut leitende Metalle, etwa Kupfer und dergleichen
verwendet werden, wobei dennoch ein wirksamer Einschluss des reaktiven
Metalls bewerkstelligt wird, indem Metalldeckschichten, die durch
elektrochemische Abscheidung bereitgestellt werden, eingesetzt werden,
und wobei auf Grund der hierin offenbarten Prinzipien ein gewünschtes
Leistungsverhalten im Hinblick auf Leckströme und Spannungsfestigkeit
erreicht wird, selbst für
moderne Halbleiterbauelemente, die einen lateralen Abstand der Kontaktelemente von
ungefähr
100 nm oder weniger erfordern.
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In
noch anderen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen
wird die Wärmebehandlung
in einer beliebigen Fertigungsphase vorgesehen, in der ein Kontakt
eines dielektrischen Materials mit einer nasschemischen Lösung die
weitere Bearbeitung im Hinblick auf erhöhte Leckströme beeinflussen kann, wodurch
eine größere Ausbeute
für anspruchsvolle
Fertigungsstrategien erreicht wird. Des weiteren können die
hierin offenbarten Prinzipien auch auf höhere Bauteilebenen angewendet
werden, etwa die letzte Metallisierungsschicht, in der häufig Höcker, etwa
Lothöcker,
auf entsprechenden Kontaktflächen
vorgesehen werden, wobei typischerweise ein sogenanntes Metallisierungsunterseitenschichtmaterial
erforderlich ist, um die gewünschten mechanischen
und elektrischen Grenzflächeneigenschaften
zwischen dem Höckermaterial
und der Kontaktfläche
bereitzustellen. Auch in diesem Falle werden zunehmend stromlose
Abscheidetechniken zur Herstellung des Grenzflächenmaterials eingesetzt, wodurch
das umgebende dielektrische Material beeinflusst werden kann. Folglich
kann durch Anwenden einer oder mehrerer Wärmebehandlungen in dieser Bauteilebene
eine deutliche Verbesserung im Hinblick auf das gesamte elektrische
Verhalten erreicht werden.
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Mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weiterer anschauliche
Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 100 mit einem Substrat 101,
das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial
repräsentiert,
um darauf und darin Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren
und dergleichen herzustellen, wie sie typischerweise für moderne
integrierte Schaltungen erforderlich sind. Es sollte beachtet werden, dass
in 1a das Substrat 101 so zu verstehen ist, dass
es eine oder mehrere Bauteilebenen enthält, etwa eine Halbleiterschicht
mit Schaltungselementen, möglicherweise
in Verbindung mit eine Kontaktschicht, wie dies nachfolgend detaillierter
beschrieben ist, und wobei ein oder mehrere Metallisierungsschichten
enthalten sein können.
Des weiteren ist eine Bauteilebene 110, die als eine Schicht
einer oder mehrerer Materialien mit mindestens einem dielektrischen
Material 111 zu verstehen ist, über dem Substrat 101 vorgesehen.
In einer anschaulichen Ausführungsform
repräsentiert
die Bauteilebene 110 eine Metallisierungsschicht ein Metallisierungssystems
des Bauelements 100. In diesem Falle repräsentiert
das dielektrische Material 111 typischerweise ein dielektrisches
Material mit kleinem ε,
zumindest teilweise, wobei dies von den gesamten Bauteilerfordernissen
abhängt.
Beispielsweise werden mehrere dielektrische Materialien mit kleinem ε mit einer
dielektrischen Konstante von 3,0 oder weniger eingesetzt, etwa siliziumdioxidbasierte
Materialien, Polymermaterialien und dergleichen. Wie zuvor erläutert ist,
besitzen die dielektrischen Materialien in vielen Fällen einen
mehr oder minder ausgeprägten
porösen
Zustand, zumindest lokal, da beispielsweise an Oberflächenbereichen
davon, wobei mehr oder minder geschädigte Bereiche enthalten sein
können,
die durch vorhergehende aggressive Fertigungsprozesse entstanden
sein können,
etwa durch Ätzen,
Polieren und dergleichen. Des weiteren umfasst in der gezeigten
Ausführungsform
die Bauteilebene 110 ein Metallgebiet 112 in einer
frühen
Fertigungsphase, wobei ein leitendes Barrierenmaterial 112a und
ein gut leitendes Metall 112b, beispielsweise Kupfer, eine
Kupferlegierung, Silber und dergleichen, vorgesehen sind. In der
gezeigten Fertigungsphase ist noch überschüssiges Material auf dem dielektrischen Material 111 ausgebildet
und ist davon durch die leitende Barrierenschicht 112a getrennt.
Es sollte beachtet werden, dass das Barrierenmaterial 112a aus zwei
oder mehr Schichten abhängig
von den gesamten Eigenschaften des dielektrischen Materials 111, des
Metalls 112b und dergleichen aufgebaut sein kann. Beispielsweise
sind Tantal, Tantalnitrid und dergleichen aktuell häufig verwendete
leitende Barrierenmaterialien im Zusammenhang mit kupfergestützten Metallisierungssystemen.
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Das
in 1a gezeigte Halbleitergauelement 100 kann
auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach
der Herstellung von Schaltungselementen in einer tieferliegenden
Bauteilebene, die in dem Substrat 101 enthalten sein kann, wird
die Bauteilebene 110 hergestellt, beispielsweise durch
Abscheiden des dielektrischen Materials 111 auf der Grundlage
einer gut etablierten Abscheidetechnik, etwa CVD (chemische Dampfabscheidung), Aufschleuderverfahren
und dergleichen, wobei zu beachten ist, dass das die lektrische Material 111 zwei oder
mehr unterschiedliche Materialien und Schichten aufweisen kann,
wobei dies von der gesamten Struktur der Bauteilebene 110 abhängt. Danach
werden aufwendige Lithographietechniken eingesetzt, um eine Ätzmaske
zur Herstellung einer Öffnung
in dem dielektrischen Material 111 gemäß den Entwurfsregeln zu bilden,
etwa für
einen Graben für
eine Metallleitung und dergleichen. Der Strukturierungsprozess für das dielektrische
Material 111 kann aufwendige Ätztechniken beinhalten, die
zu einem gewissen Grad an Schädigung
des dielektrischen Materials 111 führen, insbesondere, wenn sehr
empfindliche Dielektrika mit kleinem ε betrachtet werden. Danach wird
das Barrierenmaterial 112 abgeschieden, beispielsweise
durch CVD, selbstbeschränkende CVD-Techniken, etwa ALD
(Atomlagenabscheidung), physikalische Dampfabscheidung, elektrochemische
Abscheidung und dergleichen. Als nächstes wird in einigen Varianten
eine Saatschicht auf der Barrierenschicht 112a vorgesehen,
während
in anderen Fallen das Metall 112b direkt auf dem Barrierenmaterial
abgeschieden wird, wobei dies von der übergeordneten Prozessstrategie
abhängt.
Als nächstes wird
das Metall 112b typischerweise auf Grundlage elektrochemischer
Abscheidetechniken aufgebracht, etwa durch Elektroplattieren, stromloses
Plattieren und dergleichen. Während
eines Elektroplattierungsprozesses wird die Barrierenschicht 112a,
möglicherweise
in Verbindung mit der Saatschicht, als eine Stromverteilungsschicht
verwendet, während
in stromlosen Abscheideprozessen das Barrierenmaterial 112a oder
das optionale Saatmaterial als Katalysatormaterial dienen, um die
stromlose Abscheidung auf der Grundlage gut etablierter Elektrolytlösungen in
Gang zu setzen. Während
der Abscheidung muss typischerweise das überschüssige Material 112c vorgesehen
werden, um in zuverlässiger
Weise die entsprechenden Öffnungen
in dem dielektrischen Material 111 zu füllen. Anschließend wir
das überschüssige Material 112c und
der Teil der Barrierenschicht 112a, der auf horizontalen
Bereichen des dielektrischen Materials 111 ausgebildet
ist, entfernt.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 während mehrerer
Prozessschritte 120, die einen effizienten Abtragungsprozess 120a,
beispielsweise auf der Grundlage elektrochemischer Ätztechniken,
elektrochemisches Polieren, chemisch-mechanisches Polieren (CMP),
und dergleichen beinhaltet. Beispielsweise wird häufig das
verbleibende Material 112c und das Barrierenmaterial 112a auf
Grundlage einer geeigneten gestalteten CMP-Sequenz entfernt, wodurch das elektrisch
isolierte Metallgebiet 112b erhalten wird. Des weiteren werden
während
der jeweiligen Prozessschritte des Prozesses 120a und nach
dem Prozess 120a weitere Prozesse 120b vorgesehen,
beispielsweise das Spülen
mit Reinstwasser, das Vorsehen eines Reinigungsmittels, um Kontaminationsstoffe
zu entfernen, die während
der vorhergehenden Prozessschritte 120a erzeugt wurden,
und dergleichen. Der Prozess 120b kann ferner Prozessschritte
umfassen, das entsprechende nasschemische Mittel aufzubringen, etwa
Wasser und dergleichen, mit einer nachfolgenden Behandlung bei erhöhten Temperaturen
zum Trocknen der freigelegten Oberfläche des Halbleiterbauelements 100.
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1c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform,
in der in dieser Fertigungsphase eine Wärmebehandlung 130 ausgeführt wird.
Die Wärmebehandlung 130 ist
so gestaltet, dass in effizienter Weise die freigelegte Oberfläche des
dielektrischen Materials 111 aufbereitet wird, wobei eine
Prozesstemperatur von ungefähr
100 Grad C bis 400 Grad c angewendet wird. In diesem Falle ist die
Prozesstemperatur als die Temperatur einer entsprechenden Prozessanlage
zu verstehen, in der eine Umgebung, die mit dem Bauelement 100 in
Kontakt ist, eine gewünschte
Temperatur besitzt. Beispielsweise wird in einer anschaulichen Ausführungsform
die Wärmebehandlung 130 in
einem Ofen durchgeführt,
dessen Heizzonen auf die gewünschte
Prozesstemperatur in dem oben angegebenen Bereich eingestellt sind.
In anderen Fallen werden Heizplatten verwendet, in denen das Substrat 101,
d. h. ein Bereich davon, der als Trägermaterial dient, direkt mit
der Heizfläche
in Kontakt ist, um damit die Temperatur des dielektrischen Materials 111 anzuheben.
Die Wärmebehandlung 130 kann
beispielsweise für
ungefähr
3 bis 120 Minuten ausgeführt
werden, wodurch im Wesentlichen ein thermisches Gleichgewicht zwischen
der Umgebung, die die erhöhte
Temperatur bereitstellt, etwa der Ofen oder die Heizplatte, und
dem dielektrischen Material 111 erreicht wird. In einigen
anschaulichen Ausführungsformen
wird die Wärmebehandlung 130 in
einer sauerstoffarmen Umgebung ausgeführt, die als eine Umgebung
in dem zuvor definierten Sinne zu verstehen ist, wodurch die Wechselwirkung
von Sauerstoff mit reaktiven Komponenten des Metallgebiets 112 und
des dielektrischen Materials 111, beispielsweise wie sie
in Form von Resten vorhanden sind, die während der vorhergehenden Fertigungssequenz
eingebaut wurden, reduziert wird. In einer anschaulichen Ausführungsform
wird die Wärmebehandlung 130 ausgeführt, indem
eine reduzierende Umgebung geschaffen wird, d. h. eine Gasatmosphäre mit einer Sorte,
die als Elektronenspender im Hinblick auf Komponenten dient, die
in dem Metallgebiet 112 und dem dielektrischen Material 111 vorhanden
sind. Beispielsweise kann ein Formierungsgas, d. h. eine Mischung
aus Wasserstoff und Stickstoff verwendet werden, während in
anderen Fällen
andere geeignete reduzierende Gaskomponenten während der Wärmebehandlung 130 angewendet
werden. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
die Wärmebehandlung 120 in
dieser Fertigungsphase optional ist und eine entsprechende Wärmebehandlung
in eine späteren
Phase ausgeführt
wird, wie dies auch nachfolgend beschrieben ist.
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1d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein elektrochemischer
Abscheideprozess 113 ausgeführt wird, um eine Metalldeckschicht 114 zumindest
auf dem Metallmaterial 112b vorzusehen. Wie zuvor erläutert ist,
können
eine Vielzahl von metallenthaltenden Materialien, etwa Legierungen
in Form von Kobalt, Wolfram, Phosphor und vielen anderen Verbindungen
auf Grundlage stromloser Abscheiderezepte ausgebracht werden, in
denen der freiliegende Bereich des Metalls 112b als Katalysatormaterial
dient, um die selektive Abscheidung eines metallenthaltenden Materials
in Gang zu setzen, während
eine Abscheidung des Metalls auf den freiliegenden Bereichen des
dielektrischen Materials 111 im Wesentlichen vermieden
wird. Folglich ist während
des Abscheideprozesses 113 das dielektrische Material 111 direkt
mit der Elektrolytlösung
des Prozesses 113 in Kontakt, was zum Einbau von Feuchtigkeit
und Ionensorten in Abhängigkeit
des Oberflächenzustands
des dielektrischen Materials 111 führt.
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1e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines
weiteren Prozesses zur Herstellung der Metalldeckschicht 114.
Wie gezeigt, wird typischerweise die freigelegte Oberfläche des Bauelements 100 während eines
Prozesses 113a beispielsweise durch deionsiertes Wasser
und dergleichen gespült.
Danach wird die freigelegte Oberfläche des Bauelements 100 getrocknet
gemäß einem
Prozessschritt 113b, der typischerweise unter Reinraumatmosphärenbedingungen
ausgeführt
wird. Im Gegensatz zu konventionellen Strategien wird in der vorliegenden
Offenbarung die Reinigung der Oberfläche des Bauelements 100 mittels
der Prozesse 113 und 113b als ungeeignet erachtet,
so dass vor und/oder nach der Prozesssequenz mit den Prozessen 113, 113a, 113b eine
geeignet gestaltete Wärmbehandlung
ausgeführt
wird. Beispielsweise wird in einer anschaulichen Ausführungsform
die Wärmebehandlung 130 (siehe 1c)
ausgeführt,
um damit einen verbesserten Oberflächenzustand des dielektrischen
Materials 111 und möglicherweise
des Metalls 112b zu erhalten, wodurch auch eine negative Auswirkung
verringert wird, die zu erhöhten
Leckströmen
während
konventioneller Vorgehensweisen führen kann, wenn die Deckschicht 114 ohne
eine geeignet positionierte Wärmebehandlung
während
des gesamten Fertigungsablaufs gebildet wird.
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1f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
wobei zusätzlich
oder alternativ zu der Wärmebehandlung 130 eine
weitere Wärmebehandlung 130a an
freiliegenden Oberflächenbereichen 111s des
dielektrischen Materials 111 und des Metallgebiets 112,
die eine Metalldeckschicht 114 aufweist, ausgeführt werden.
Die Wärmebehandlung 130a kann
auf der Grundlage von Prozessparametern, etwa Temperaturen im Bereich
von 100 Grad C bis 400 Grad C mit einer Dauer von ungefähr 3 bis
120 Minuten ausgeführt
werden. Des weiteren wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen
eine sauerstoffarme Umgebung während
des Prozesses 120a eingerichtet, während in anderen Fallen eine
reduzierende Umgebung verwendet wird, wie dies auch zuvor mit Bezug
zu der Wärmebehandlung 130 erläutert ist.
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1g zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100, wobei mehrere
Metallgebiete 112 in der Bauteilebene 115, die
gemäß den zuvor
mit Bezug zu den 1a bis 1f beschriebenen
Prozessablauf hergestellt werden können. D. h., in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
wird zumindest eine der Wärmebehandlungen 130 und 130a ausgeführt, während in
anderen anschaulichen Ausführungsformen
beide Wärmebehandlungen 130, 130a an
dem Halbleiterbauelement 100 angewendet werden. Es sollte
beachtet werden, dass der Bereich der Bauteilschicht 110,
wie er in 1g gezeigt ist, einer Teststruktur
entsprechen kann, wenn eine Verifizierung der elektrischen Eigenschaften
der Bauteilebene 110 in dieser Fertigungsphase erforderlich
ist. Beispielsweise kann eine Prüfung
im Hinblick auf Leckströme 115 zwischen
benachbarten Metallgebieten 112 angewendet werden, um zu
verifizieren, ob die entsprechenden Spezifizierungen erfüllt werden
oder nicht. In anderen Fallen werden gut etablierte elektrische Prüfungen mit
einer ansteigenden Spannung angewendet, um einen elektrischen Durchschlag
in dem dielektrischen Material 111 zu bestimmen.
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1h zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein weiteres dielektrisches
Material 116 auf oder über
dem dielektrischen Material 111 und auf oder über dem
Metallgebiet 112, d. h. der Deckschicht 114, vorgesehen
ist. Das dielektrische Material 116 wird während eines
geeigneten Abscheideprozesses 117 vorgesehen, etwa einem CVD-Prozess
und dergleichen, wodurch ein geeignetes Material oder eine Materialzusammensetzung, etwa
Siliziumnitrid, stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid, Siliziumkarbid,
Siliziumdioxid und dergleichen abgeschieden wird. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen
wird das Disponieren des Fertigungsablaufs zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100 in
geeigneter Weise im Hinblick auf Wartezeiten des Bauelements 100 vor
dem Abscheideprozess 117 eingerichtet. D. h., in anschaulichen Ausführungsformen,
in denen die Wärmebehandlung 130a ausgeführt wird,
wird der gesamte Prozessablauf so gesteuert, dass nach der Wärmebehandlung 130a eine
Wartezeit vor dem Ausführen
des Abscheideprozesses 117 kleiner ist als ein vordefinierter Schwellwert,
um eine unerwünschte
Beeinträchtigung
der freigelegten Oberfläche 111s (siehe 1f),
die zuvor während
der Wärmebehandlung 130a aus 1f aufbereitet
wurde, zu vermeiden. Beispielsweise beträgt in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
die entsprechende Wartezeit für
das Bauelement ungefähr
5 Stund oder weniger.
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Nach
dem Abscheideprozess 117 wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt,
indem beispielsweise ein weiteres dielektrisches Material für eine nachfolgende
Metallisierungsebene ei Bedarf aufgebracht wird.
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Somit
kann die zuvor beschriebene Prozesssequenz mit mindestens einer
der Wärmebehandlungen 130a, 130 für ein verbessertes
Leckstromverhalten der sich ergebenden Metallisierungsebene, etwa der
Bauteilebene 110, sorgen, die mindestens vergleichbare
elektrische Eigenschaften bezüglich
Fertigungsstrategien aufweist, in denen Metallgebiete durch eine
dielektrische Deckschicht eingeschlossen sind, so dass im Vergleich
zu konventionellen Strategie die Herstellung einer Metalldeckschicht
Ausbeuteverluste vermieden werden. Folglich kann auf Grund des vergleichbaren
oder sogar verbesserten Leckstromverhaltens der Bauteilebene 110 das
bessere Elektromigrationsverhalten, das durch die geeignete leitende
Deckschicht bereitgestellt wird, das Gesamtleistungsverhalten des
Bauelements 100 weiter verbessern. Ferner können die
hierin offenbarten Prinzipien effizient auf Bauteilgenerationen
angewendet werden, in denen reduzierte laterale Abmessungen erforderlich
sind.
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Mit
Bezug zu den 1i bis 1l werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben,
in denen eine oder mehrere Wärmebehandlungen,
etwa die Wärmebehandlungen 130, 130a auf
unterschiedliche Bauteilebenen angewendet werden, wodurch ebenfalls
ein besseres elektrisches Leistungsverhalten erreicht wird.
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1i zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100, die eine Halbleiterschicht 103 aufweist, die über dem
Substrat 101 ausgebildet ist, in und über der mehrere Schaltungselemente 105 vorgesehen
sind, beispielsweise in Form von Transistoren und dergleichen. Des
weiteren ist eine Kontaktstruktur 140 auf Grundlage eines
geeigneten dielektrischen Materials 141 ausgebildet, das
zwei oder mehr unterschiedliche Materialien abhängig von der gesamten Bauteilkonfiguration
aufweisen kann. Des weiteren umfasst die Kontaktstruktur 140 mehrere Kontaktelemente 142,
d. h. metallenthaltene Gebiete, in denen zumindest teilweise ein
gut leitendes Metall 142, etwa Kupfer, eine Kupferlegierung
und dergleichen verwendet wird, in Verbindung mit einem Barrierenmaterial 142a.
Ferner weisen die Kontaktelemente 142 eine Metalldeckschicht 144 auf,
beispielsweise aus einem beliebigen geeigneten Material, um damit
den gewünschten
Einschluss des Metalls 142b zu erreichen und das gewünschten
elektrischen Eigenschaften besitzt, beispielsweise im Hinblick auf
die Leitfähigkeit,
die Elektromigration und dergleichen.
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Das
in 1i gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann
hergestellt werden, indem die Schaltungselemente 105 unter
Anwendung gut etablierter Prozessstrategien gemäß der betrachteten Technologie aufgebaut
werden. D. h., CMOS-Techniken und dergleichen können eingesetzt werden, wobei
dies von dem Aufbau der Schaltungselemente 105 abhängt. Als
nächstes
wird das dielektrische Material 141 gebildet, beispielsweise
durch geeignete Abscheidetechniken, wobei auch Einebnungsschritte
enthalten sein können,
um eine gewünschte
Oberflächentopographie
zu schaffen. Anschließend
wird das dielektrische Material 141 unter Anwendung von
Lithographieprozessen strukturiert, und nachfolgend werden die Barrierenschicht 142a und
das Metall 142b abgeschieden, was auf der Grundlage ähnlicher
Prozesstechniken erfolgen kann, wie sie zuvor beschrieben sind.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird
nach dem Entfernen von überschüssigem Material
des Metalls 142b möglicherweise
in Verbindung mit Resten des Barrierenmaterials 142a eine
Wärmebehandlung
ausgeführt,
wie sie zuvor auch mit Bezug zur Wärmebehandlung 130 (1c)
beschrieben ist. Danach wird die Deckschicht 144 gebildet
mittels eines elektrochemischen Abscheideprozesses, wie dies zuvor
beschrieben ist, der das Reinigen und Spülen des Bauelements beinhalten
kann, wie dies auch zuvor erläutert
ist. Als nächstes
wird eine Wärmebehandlung 130b ausgeführt unter
Anwendung von Prozessparametern, wie sie auch zuvor beschrieben
sind. D. h., es wird eine Prozesstemperatur von 100 Grad C bis 400
Grad C verwendet, möglicherweise
in Verbindung mit einer sauerstoffarmen Um gebung, die zusätzlich ein
reduzierendes Mittel aufweisen kann. Bei einer Dauer von 3 bis 120
Minuten wird eine gewünschte
aufbereitende Wirkung erreicht, wie dies auch zuvor beschrieben
ist. Folglich ergeben die Kontaktelemente 142 einen gut
leitenden Stromweg zu einem Kontaktbereich 150a der Schaltungselemente 105,
selbst wenn sehr skalierte Halbleiterbauelemente betrachtet werden,
wobei zumindest teilweise ein gut leitendes Metall in Form des Metalls 142b verwendet
wird, das in effizienter Weise durch die Deckschicht 144 eingeschlossen
werden kann, das auf Grundlage elektrochemischer Abscheidetechniken
vorgesehen wird, wobei dennoch für
ein gutes Leckstromverhalten gesorgt ist, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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1j zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
in denen eine Metallisierungsebene 150 über dem Substrat 101 gebildet
ist, die die letzte Metallisierungsschicht repräsentiert. Somit sind mehrere
Metallgebiete 152 in Form von Kontaktflächen zusammen mit einem dielektrischen
Material 151 vorgesehen. Die Metallgebiete 152 sind
aus einem gut leitendem Metall aufgebaut, wie es auch in tieferliegenden
Metallschichten verwendet werden kann, etwa in Form von Kupfer und
dergleichen, möglicherweise
in Verbindung mit einem geeigneten Barrierenmaterial 152a.
Des weiteren ist in der gezeigten Fertigungsphase eine leitende
Deckschicht 154 auf dem Metall 152b gebildet,
wobei die Deckschicht 154 zwei oder mehr unterschiedliche
Materialien bei Bedarf aufweisen kann. Es sollte beachtet werden,
dass die Deckschicht 154 auch als eine Metallisierungsunterseitenschicht
bezeichnet wird, da diese als ein Grenzflächenmaterial verwendet wird,
um darauf einen Höcker,
etwa einen Lothöcker
zu bilden, der zur Verbindung des Bauelements 100 mit einem
Gehäuse
oder einem anderen Trägermaterial
durch Aufschmelzen der entsprechenden Höcker verwendet werden kann.
Beispielsweise umfasst die Schicht 150 eine oder mehrere
Passivierungsschichten 151a, 151b in Form eines
beliebigen geeigneten dielektrischen Materials. Die Passivierungsschichten 151a, 151b weisen
eine Öffnung 151c,
in der das Höckermaterial
in einer späteren
Phase abgeschieden wird.
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Das
in 1j gezeigte Bauelement 100 kann gemäß gut etablierter
Prozessstrategien hergestellt werden, um die Metallgebiete 152 in
dem dielektrischen Material 151 herzustellen. In einigen
anschaulichen Ausführungsformen
wird eine zusätzliche Deckschicht
(nicht gezeigt) gemäß Prozesstechniken hergestellt,
wie sie zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1i beschrieben
sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden die dielektrischen Materialien 151a, 151b abgeschieden
und strukturiert, um die Öffnungen 151c zu
bilden, die dann als eine Abscheidemaske für einen nachfolgenden elektrochemischen
Abscheideprozess zur Herstellung der Deckschicht 154 mit
der erforderlichen Materialzusammensetzung dienen, so dass Deckschicht
als eine Unterseitenmetallisierung dient. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
wird die Deckschicht 154 vor dem Abscheiden der Schichten 151a, 151b gebildet.
Während
des Abscheidens der Deckschicht 154 unterliegen das dielektrische
Material 151 oder das dielektrische Material der Schichten 151a, 151b der
Einwirkung der Elektrolytlösung,
wie dies auch zuvor erläutert
ist, und somit wird eine entsprechende Wärmebehandlung 130c ausgeführt, was
auf der Grundlage der gleichen Prozessparameterbereiche bewerkstelligt
werden kann, wie dies auch zuvor für die Behandlungen 120, 130a und 130b beschrieben
ist. Abhängig
von der gesamten Prozessstrategie werden nach der Wärmebehandlung 130c die
Schichten 151a, 151b gebildet, oder die Behandlung 130c wird
in Anwesenheit der Schichten 151a, 151b ausgeführt, wodurch
die Deckschicht 154 lokal über einem beschränkten Bereich der
Metallgebiete 152 vorgesehen wird.
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1k zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines
weiteren elektrochemischen Abscheideprozesses 153, wodurch
die Höcker 155 gebildet
werden, die beispielsweise aus einem Rohmaterial oder einem anderen
geeigneten Kontaktmaterial zur Verbindung mit entsprechenden Flächen oder
Höckern
eines Gehäuses
oder eines Trägermaterials
aufgebaut sind. Der elektrochemische Abscheideprozess 153 kann
ebenfalls als ein stromloser Prozess ausgeführt werden, wobei die Deckschicht 154 zusätzlich zur
Wirkung als mechanische und elektrische Grenzfläche zwischen dem Metallgebiet 152 und
dem Höcker 155 als
ein Katalysatormaterial zur Initiierung der selektiven Metallabscheidung dient.
Folglich kann durch das Vorsehen der Metallisierungsunterseitenschicht 154 in
einer selbstjustierten Weise ein nachfolgendes Entfernen davon vermieden
werden, wie dies in konventionellen Strategien der Fall ist. Auf
Grund der Wärmebehandlung 130c bleibt
die Integrität
des dielektrischen Materials 151 oder der Materialien 151a, 151b abhängig von der
Prozessstrategie im Hinblick auf das Leckstromverhalten.
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1l zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
in denen eine weitere Wärmebehandlung 120d auf
der Grundlage ähnlicher
Prozessbedingungen durchgeführt
wird, wie sie zuvor beschrieben sind, um damit die freigelegte Oberfläche 151s der
Schicht 151b zu präparieren,
die mit der Elektrolytlösung während des
Abscheideprozesses 153 (siehe 1k) in
Kontakt war. In diesem Falle wird eine Prozesstemperatur der Wärmebehandlung 130d geeignet
im Hinblick auf die Schmelztemperatur TS der Höckermaterialien 155 eingestellt,
um damit eine unerwünschte
Deformierung der Höcker 155 zu
vermeiden. Beispielsweise wird die Prozesstemperatur im Bereich
von 100 Grad C bis 200 Grad C ausgewählt, wodurch die Prozesstemperatur
deutlich unter den Schmelztemperaturen moderner bleifreier Lotmaterialien
erhalten werden.
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Es
gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Techniken zur Verbesserung
der Oberflächenbedingungen
dielektrischer Materialien, etwa dielektrischer Materialien mit
kleinem ε,
nach dem Kontakt mit einem nasschemischen Mittel, etwa einer Elektrolytlösung, bereit.
Zu diesem Zweck wird vor und/oder nach Kontakt mit der Elektrolytlösung eine
Wärmebehandlung
ausgeführt
auf der Grundlage eines geeigneten Temperaturbereichs, etwa von
ungefähr
100 Grad bis 400 Grad C, während
in einigen anschaulichen Ausführungsformen
auch eine sauerstoffarme Umgebung möglicherweise in Kombination
mit einem Reduziermittel eingerichtet wird. Die Wärmebehandlung
kann in einem Ofen oder einer Prozessanlage mit Messplatten oder
einer anderen Prozessanlage, die die gewünschte Konfiguration besitzt,
um den Temperaturbereich und die atmosphärischen Bedingungen beispielsweise
im Hinblick auf eine im Wesentlichen sauerstofffreie Umgebung und
dergleichen einzurichten, ausgeführt.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird die Wärmebehandlung
in geeigneter Weise innerhalb des Fertigungsablaufs zur Herstellung
einer Metalldeckschicht durch stromlose Plattiertechniken angeordnet,
um damit ein vergleichbares oder sogar besseres Verhalten der schließlich erhaltenen
Metallisierungsebene im Vergleich zu Bauelementen der gleichen Konfiguration
ohne eine Metalldeckschicht erreicht wird. Die hierin offenbarten
Prinzipien können
ebenfalls auf eine beliebige Situation in dem gesamten Fertigungsablauf
angewendet werden, in denen empfindliche dielektrische Materialien
der Einwirkung chemischer Mittel ausgesetzt sind, wobei nach dem
Kontakt ein besseres Leistungsverhalten im Hinblick auf Leckströme und die
Spannungsfestigkeit erforderlich ist. Beispielsweise wird in modernen
Kontaktebenen eine Metalldeckschicht in Verbindung mit einem gut leitenden
Material, etwa Kupfer, eingesetzt, so dass auch in dieser Situation
ein besseres Verhalten im Hinblick auf Elektromigration und Leckströme erreicht
wird. In ähnlicher
Weise können
Metallisierungsunterschicht auf Grundlage elektrochemischer Abscheidetechniken
vorgesehen werden, wobei dennoch die Integrität der umgebenden dielektrischen Materialien
beibehalten wird.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten
Prinzipien zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten
und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu
betrachten.