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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im Allgemeinen betrifft der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturbauelemente, etwa integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere Metallisierungsschichten mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer, die in einem dielektrischen Material mit reduzierter Permittivität eingebettet sind.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 µm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder auf Funktionsvielfalt der Schaltungen stetig verbessert wurde. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente deutlich 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 und die Abstände zwischen den Metallleitungen und die Abstände zwischen den Metallleitungen verringert werden, um den geringeren Anteil an verfügbaren Platz aus der größeren Anzahl an Schaltungselementen, die pro Einheitsfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen.
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In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen im Bereich unter 1 µm ist ein begrenzender Faktor für das Bauteilleistungsverhalten die Signalausbreitungsverzögerung, die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen wird. Wenn die Kanallänge dieser Transistorelemente nunmehr 50 nm und weniger erreicht, wodurch das Transistorleistungsverhalten kontinuierlich verbessert wurde, ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren begrenzt, sondern wird auf Grund der hohen Schaltungsdichte durch die Verbindungsleitungen beeinflusst, da die Kapazität zwischen den Leitungen (C) erhöht ist und auch der Widerstand (R) der Leitungen größer ist auf Grund des kleineren Querschnittes der Leitungen. Die parasitären RC-Zeitkonstanten und die kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen erfordert daher das Einführen einer neuen Art an Materialien für die Herstellung der Metallisierungsschicht.
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Üblicherweise werden Metallisierungsschichten, d. h. Verdrahtungsschichten mit Metallleitungen und Kontaktdurchführungen, die die elektrische Verbindung der Schaltungselemente gemäß einem speziellen Schaltungsaufbau ermöglichen, hergestellt, indem ein dielektrischer Schichtstapel vorgesehen wird, der etwa Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid aufweist, wobei Aluminium als typisches Metall verwendet wird. Da Aluminium eine ausgeprägte Elektromigration bei höheren Stromdichten zeigt, die bei integrierten Schaltungen mit äußerst kleinen Strukturgrößen erforderlich sind, wird Aluminium zunehmend durch beispielsweise Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand besitzt und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration aufweist. Für sehr anspruchsvolle Anwendungen werden zusätzlich zur Verwendung von Kupfer und/oder Kupferlegierungen die gut etablierten und gut bekannten dielektrischen Materialien Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2) und Siliziumnitrid (ε größer 7) zunehmend durch sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt, die relative Permittivitäten 3,0 und weniger besitzen. Der Übergang von einer Metallisierungsschicht mit gut bekannten und gut etablierten Materialien Aluminium/Siliziumdioxid zu einer Metallisierungsschicht auf Kupferbasis möglicherweise in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε ist mit einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu lösen gilt.
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Beispielsweise kann Kupfer nicht in relativ großen Mengen in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische und physikalische Dampfabscheidung, aufgebracht werden. Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse strukturiert werden. Daher wird häufig die sogenannte Damaszener- oder Einlegetechnik angewendet, um Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen herzustellen. Typischerweise wird in der Damaszener-Technik die dielektrische Schicht abgeschieden und anschließend strukturiert, so dass Gräben und Kontaktöffnungen gebildet werden, die nachfolgend mit Kupfer oder Legierungen davon durch Plattierungsverfahren, etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, gefüllt werden. Da Kupfer leicht in einer Vielzahl von Dielektrika diffundiert, etwa in Siliziumdioxid und vielen Dielektrika mit kleinem ε, ist die Ausbildung einer Diffusionsbarrierenschicht an Grenzflächen zu den benachbarten dielektrischen Material erforderlich. Des weiteren ist auf die Diffusion von Feuchtigkeit und Sauerstoff in das kupferbasierte Metall zu unterdrücken, da Kupfer schneller reagiert, so dass oxidierte Bereiche erzeugt werden, wodurch möglicherweise die Eigenschaften der kupferbasierten Metallleitung im Hinblick auf Haftung, Leitfähigkeit und die Widerstand die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration beeinträchtigt werden.
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Während des Einfüllens eines leitenden Materials, etwa von Kupfer, in die Gräben und Öffnungen der Kontaktdurchführungen muss ein ausgeprägtes Maß an Überfüllung vorgesehen werden, um in zuverlässiger Weise die entsprechenden Öffnungen von unten nach oben ohne Hohlräume und andere durch die Abscheidung hervorgerufenen Unregelmäßigkeiten zu füllen. Nach dem Metallabscheideprozess mussdaher überschüssiges Material abgetragen werden und die resultierende Oberflächentopographie ist einzuebnen, beispielsweise unter Anwendung elektrochemischer Ätztechniken, chemisches-mechanisches Polieren (CMP) und dergleichen. Während des CMP-Prozesses wird beispielsweise ein hohes Maß an mechanischer Belastung auf die Metallisierungsebenen, die bislang hergestellt sind, ausgeübt, wodurch strukturelle Schäden bis zu einem gewissen Grade hervorgerufen werden können, insbesondere wenn aufwendige dielektrische Materialien mit geringerer Permittivität verwendet werden. Wie zuvor erläutert ist, besitzt die kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen einen wesentlichen Einfluss auf das gesamte Leistungsverhalten des Halbleiterbauelements, insbesondere in Metallisierungsebenen, die im Wesentlichen von der „Kapazität“ abhängig sind, d. h. in denen eine Vielzahl dichtliegender Metallleitungen entsprechend den Bauteilerfordernissen vorzusehen sind, wodurch möglicherweise eine Signalausbreitungsverzögerung und Signalstörungen zwischen benachbarten Metallleitungen hervorgerufen werden. Aus diesem Grunde werden sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε oder Materialien mit ultrakleinem ε eingesetzt, die eine Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder deutlich weniger bieten, um damit das gesamt elektrische Leistungsverhalten der Metallisierungsebenen zu verbessern. Andererseits ist eine geringere Permittivität des dielektrischen Materials typischerweise mit einer geringeren mechanischen Stabilität verknüpft, wodurch aufwendige Strukturierungsschemata erforderlich sind, um nicht in unerwünschter Weise die Zuverlässigkeit des Metallisierungssystems zu beeinträchtigen.
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Die kontinuierliche Verringerung der Strukturgrößen, etwa von Gatelängen von ungefähr 40 nm und weniger, führen jedoch dazu, dass die Dielektrizitätskonstante der entsprechenden dielektrischen Materialien weiter verringert wird, was zunehmend zu Ausbeuteverlusten beiträgt auf Grund von beispielsweise einer nicht ausreichenden mechanischen Stabilität entsprechender Materialien mit ultrakleinem ε. Aus diesem Grunde wurde vorgeschlagen, „Luftspalte“ zumindest in kritischen Bauteilbereichen einzuführen, da Luft oder ähnliche Gase eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 1,0 besitzen, wodurch eine geringere Gesamtpermittivität geschaffen wird, wobei dennoch die Verwendung weniger kritischer dielektrischer Materialien möglich ist. Somit kann durch das Anwenden geeignet positionierter Luftspalte die Gesamtpermittivität verringert werden, wobei dennoch die mechanische Stabilität des dielektrischen Materials besser ist im Vergleich zu konventionellen Dielektrika mit ultrakleinem ε. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, Nano-Löcher in geeignete dielektrische Materialien einzubauen, die zufällig in dem dielektrischen Material verteilt sind, so dass die Dichte des dielektrischen Materials deutlich verringert wird. Jedoch erfordert das Erzeugen und die Verteilung der jeweiligen Nano-Löcher eine Vielzahl von aufwendigen Prozessschritten zum Erzeugen der Löcher mit einer gewünschten Dichte, wobei gleichzeitig die gesamten Eigenschaften des dielektrischen Materials im Hinblick auf die weitere Bearbeitung geändert werden, beispielsweise im Hinblick auf das Einebnen von Oberflächenbereichen, das Abscheiden weiterer Materialien und dergleichen.
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In anderen Lösungsmöglichkeiten werden aufwendige Lithographieprozesse zusätzlich eingeführt, um geeignete Ätzmasken zur Herstellung von Spalten in der Nähe jeweiliger Metallleitungen mit einer Position und Größe zu schaffen, wie sie durch die lithographisch hergestellte Ätzmaske vorgegeben sind. In diesem Falle sind jedoch zusätzliche teuere Lithographieschritte erforderlich, wobei auch die Positionierung und die Dimensionierung der entsprechenden Luftspalte durch die Möglichkeiten der jeweiligen Lithographieprozesse beschränkt sind. Da typischerweise in kritischen Metallisierungsebenen die lateralen Abmessungen von Metallleitungen und die Abstände zwischen benachbarten Metallleitungen durch kritische Lithographieschritte festgelegt sind, ist eine geeignete und zuverlässige Fertigungssequenz zum Vorsehen dazwischen liegender Luftspalte eher auf der Grundlage der verfügbaren Lithographietechniken erreichbar.
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Aus diesem Grunde wurden in einigen Lösungsansätzen selbstjustierte Strukturierungsschemata entwickelt, in denen das dielektrische Material zwischen dichtliegenden Metallleitungen selektiv in Bezug auf das Material der Metallleitungen geätzt wird, um damit Absenkungen oder Spalten mit einer gewünschten Tiefe zu schaffen. Anschließend wird ein geeignetes dielektrisches Material abgeschieden derart, dass zumindest ein wesentlicher Teil des inneren Volumens der zuvor gebildeten Vertiefungen oder Spalte beibehalten wird, so dass entsprechende Luftspalte zwischen zwei benachbarten Metallleitungen erzeugt werden. Obwohl diese Technik zusätzliche Lithographieschritte vermeiden kann, werden die Metallleitungen der Einwirkung einer reaktiven Ätzumgebung ausgesetzt, wodurch zu einer nicht gewünschten Erosion der Metallleitungen beigetragen wird. Beispielsweise erfordern in aufwendigen Anwendungen die Metallleitungen, gut leitende Metalle, etwa Kupfer und dergleichen aufweisen, ein zuverlässiges Deckmaterial, das eine Diffusion von Kupfer in das umgebende dielektrische Material unterdrückt und das ebenfalls auch die Diffusion reaktiver Komponenten, etwa von Sauerstoff, Fluor und dergleichen, in das empfindliche Kupfermaterial unterdrückt. Gleichzeitig ist eine entsprechende Grenzfläche zwischen dem Deckmaterial und dem Kupfer ein wichtiger Faktor zur Festlegung des gesamten elektrischen Leistungsverhaltens der Metallleitung hinsichtlich auf das Elektromigrationsverhalten. Die Elektromigration ist ein Phänomen, in welchem eine merkliche gerichtete „Diffusion“ von Rumpfatomen auftritt in Richtung des Elektronenstromes bei Auftreten einer ausgeprägten Stromdichte in der Metallleitung. Insbesondere ausgeprägte Diffusionspfade können zu einer merklichen Materialdiffusion innerhalb der Metallleitung führen, wodurch zu einer kontinuierlichen Beeinträchtigung und schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall der Metallleitung beigetragen wird. Folglich werden große Anstrengungen unternommen, um Deckmaterialien vorzusehen, die eine starke Grenzfläche zwischen dem Kupfer und dem Deckmaterial schaffen, so dass der gewünschte Kupfereinschluss erreicht wird und auch ein besseres Elektromigrationsverhalten erzielt wird. Beispielsweise werden eine Vielzahl leitender Deckmaterialien in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, die jedoch nicht die gewünschte Ätzwiderstandsfähigkeit während des zuvor beschriebenen selbstjustierenden Strukturierungsschemas zur Herstellung von Luftspalten zeigen.
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In der
US 2006/0088975 A1 wir ein Verfahren zum Bilden von Luftspalten zwischen Metallleitungen gelehrt, in dem Metallabdeckungen über den zwischen Metallleitungen gebildet werden und mithilfe einer entsprechend gemusterten Photolackschicht eine Öffnungen zischen den Metallleitungen gebildet werden.
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Die
US 6838354 B2 offenbart ein Verfahren zur Bildung einer Passivierungsschicht zur Bildung von Luftspalten zwischen Metallleitungen, in dem ebenfalls eine Photolackmaske zur Bildung von Öffnungen zischen den Metallleitungen Verwendung findet.
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Die
US 2004/0213971 A1 offenbart die stromlose Abscheidung von Material auf Metallleitungen.
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Die
US 2008/0169565 A1 offenbart ein Verfahren zum Bilden von Luftspalten zwischen Metallleitungen, das das Abscheiden von Deckmetallschichten, dielektrischer Schichten auf den Deckmetallschichten und das Bilden von Öffnungen basierend auf einer entsprechend gemusterten Photolackmaske umfasst.
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In der
US 6 737 725 B2 wird das Ausbilden von Luftspalten in einem Halbleiterbauteil in Zwischenverbindungsschichten unter Verwendung geeignet strukturierter Maskenschichten beschrieben.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen das elektrische Leistungsverhalten von Metallisierungsebenen verbessert wird, indem eine geringere Gesamtpermittivität auf der Grundlage von Luftspalte vorgesehen wird, während eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Offenbarung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Bauelemente, in denen Luftspalte zwischen dichtliegenden Metallgebieten in selbstjustierender Weise angeordnet werden, wobei dennoch im Wesentlichen die Integrität eines Deckmaterials der Metallleitungen beibehalten wird, das im Hinblick auf ein gutes Elektromigrationsverhalten der Metallleitung ausgewählt ist. Zu diesem Zweck wird ein zusätzliches Deckmaterial oder ein Ätzschutzmaterial zumindest temporär vorgesehen, bevor entsprechende Aussparungen oder Spalten gebildet werden. Daher werden die Materialeigenschaften der zusätzlichen Deckschicht oder des Ätzschutzmaterials so gewählt, dass ein unerwünschter Materialabtrag der Deckschicht, d. h. der Schicht, die für den Kupfereinschluss und für das bessere Elektromigrationsverhalten vorgesehen ist, unterdrückt wird. Gleichzeitig werden in einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten selektive Abscheidetechniken eingesetzt, um zusätzliche Lithographieprozesse zu vermeiden, so dass selbstjustierte Luftspalte realisiert werden, ohne dass in unerwünschter Weise ein weiterer Beitrag zur höheren Prozesskomplexität im Vergleich zu konventionellen Prozesstechniken geschaffen wird. Folglich können geeignete dielektrische Materialien, die für die gewünschten Eigenschaften sorgen, in aufwendigen Metallisierungsebenen angewendet werden, während die zuverlässige und reproduzierbare Herstellung der Luftspalte in kritischen Bauteilbereichen eine Einstellung der Gesamtpermittivität gemäß den Bauteilerfordernissen ermöglicht. Gleichzeitig wird das gesamte Elektromigrationsverhalten durch die selbstjustierte Prozesssequenz im Wesentlichen nicht beeinträchtigt.
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Es wird bereitgestellt ein Verfahren mit: Bilden einer leitenden Deckschicht auf Metallleitungen, die in einem ersten dielektrischen Material einer Metallisierungsschicht eines Mikrostrukturbauelements ausgebildet sind; Bilden eines Ätzschutzmaterials, das gegenüber dem Material der leitenden Deckschicht eine ausgeprägte Ätzselektivität aufweist, auf der leitenden Deckschicht, wobei das Ätzschutzmaterial zumindest einen Bereich des ersten dielektrischen Materials zwischen zwei benachbarten Metallleitungen freilässt; Bilden einer Vertiefung in zumindest dem Bereich des ersten dielektrischen Materials unter Verwendung des Ätzschutzmaterials als eine Maske und als einen Abstandshalter bezüglich der Metallleitungen; Abscheiden eines zweiten dielektrischen Materials, das von dem Ätzschutzmaterial verschieden ist, derart, dass die Vertiefung geschlossen und ein Luftspalt auf der Grundlage der Vertiefung gebildet wird und Entfernen von Überschussmaterial des zweiten dielektrischen Materials unter Verwendung des Ätzschutzmaterials als Ätzstopp, wobei Bilden des Ätzschutzmaterials Ausführen eines selbstjustierten elektrochemischen Abscheideprozesses umfasst.
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Weiterhin wird bereitgestellt ein Verfahren mit: Bilden eines Ätzschutzmaterials auf einer leitenden Deckschicht einer ersten Metallleitung und einer leitenden Deckschicht einer zweiten Metallleitung, wobei das Ätzschutzmaterial gegenüber dem Material der leitenden Deckschicht eine ausgeprägte Ätzselektivität aufweist, und wobei die erste und die zweite Metallleitung in einem dielektrischem Material eines Metallisierungssystems eines Mikrostrukturbauelements ausgebildet sind und das Ätzschutzmaterial zumindest einen Bereich des dielektrischen Materials zwischen der ersten Metallleitung und der zweiten Metallleitung freilässt; Bilden einer Vertiefung in dem dielektrischen Material zwischen der ersten Metallleitung und der zweiten Metallleitung unter Anwendung des Ätzschutzmaterials als eine Maske und als einen Abstandshalter bezüglich der ersten und zweiten Metallleitung; Bilden eines Luftspalts zwischen der ersten und der zweiten Metallleitung auf der Grundlage der Vertiefung durch Abscheiden eines zweiten dielektrischen Materials, das von dem Ätzschutzmaterial verschieden ist, und Entfernen von Überschussmaterial des zweiten dielektrischen Materials unter Verwendung des Ätzschutzmaterials als Ätzstopp, wobei Bilden des Ätzschutzmaterials Ausführen eines selektiven Abscheideprozesses umfasst.
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Figurenliste
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
- 1a schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements, beispielsweise einer integrierten Schaltung zeigt, das eine Bauteilebene und ein Metallisierungssystem aufweist, das die Luftspalte zwischen dichtliegenden Metallleitungen erhalten soll, während die Integrität des Deckmaterials gemäß anschaulicher Ausführungsformen beibehalten wird;
- 1b schematisch eine Querschnittsansicht des Mikrostrukturbauelements während eines Abscheideprozesses zum selektiven Bilden eines oder mehrerer Deckmaterialien oder Ätzschutzmaterialien über den Metallleitungen gemäß anschaulicher Ausführungen zeigt;
- 1c schematisch das Mikrostrukturbauelement gemäß Beispielen zeigt, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind und in denen ein selektives Abscheideverhalten auf der Grundlage einer Oberflächenbehandlung, an Maskenschichten und dergleichen erreicht wird;
- 1d schematisch das Mikrostrukturbauelement während eines Strukturierungsprozesses zur Herstellung entsprechender Vertiefungen unter Anwendung des Ätzschutzmaterials zur Beibehaltung der Unversehrtheit der abgedeckten Metallleitungen zeigt, während auch andere Bauteilbereiche gemäß anschaulicher Ausführungsformen maskiert sind;
- 1e bis 1g schematisch Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements während diverser Fertigungsphasen zur Herstellung der Luftspalte auf der Grundlage der zuvor strukturierten Vertiefungen gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen; und
- 1h und 1i schematisch Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen darstellen, in denen zumindest ein Bereich des Ätzschutzmaterials durch eine Einebnungstechnik entfernt wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Techniken und Mikrostrukturbauelemente, beispielsweise integrierte Schaltungen, bereit, in denen das elektrische Leistungsverhalten eines Metallisierungssystems verbessert wird, indem selbstjustierte Luftspalte in der Nähe kritischer Metallgebiete, etwa von Metallleitungen, vorgesehen werden, wobei dennoch die guten Eigenschaften der Metallleitungen im Hinblick auf die Elektromigration und den Metalleinschluss beibehalten werden. D. h., die Positionierung und die laterale Größe entsprechender Luftspalte oder Luftkanäle wird auf der Grundlage eines selbstjustierenden Strukturierungsschemas in Verbindung mit einem Abscheideprozess erreicht, ohne dass aufwendige Lithographietechniken erforderlich sind, während gleichzeitig die Integrität eines speziellen Deckmaterials, etwa eines leitenden Deckmaterials, während des Strukturierungsprozesses beibehalten wird. Zu diesem Zweck werden ein oder mehrere weitere Deckmaterialien oder Ätzschutzmaterialien in sehr selektiver Weise vorgesehen, ohne dass zusätzliche Lithographieschritte erforderlich sind, so dass ein unerwünschter Materialabtrag der speziellen Deckschichten während des Strukturierungsprozesses im Wesentlichen vermieden wird. Da die eine oder die mehreren weiteren Deckschichten oder Ätzschutzmaterialien deutlich andere Materialeigenschaften im Vergleich zu den speziellen Deckschichten aufweisen können, beispielsweise im Hinblick auf die Materialdicke, der Materialzusammensetzung und dergleichen, kann die Steuerbarkeit des Strukturierungsprozesses erreicht werden, ohne dass Modifikationen einer gewünschten Konfiguration der Metallleitung und der speziellen Deckschicht erforderlich sind. Beispielsweise ist eine Vergrößerung der Schichtdicke einer konventionellen Deckschicht, was im Hinblick auf die Vergrößerung der gesamten Ätzwiderstandsfähigkeit in Betracht gezogen werden kann, vermieden, wodurch eine bessere Gleichmäßigkeit des elektrischen Leistungsverhaltens des entsprechenden Metallisierungssystems erreicht wird und auch eine bessere Gleichmäßigkeit des nachfolgenden Strukturierungsprozesses geschaffen wird. Des weiteren kann die zusätzliche Ätzschutzschicht oder die Schichten effizient während der weiteren Bearbeitung zumindest teilweise entfernt werden, wenn das Vorhandensein dieser Materialien für die weitere Bearbeitung des Bauelements und/oder für das Leistungsverhalten des Bauelements als ungeeignet erachtet werden. Somit können die lateralen Abmessungen der Luftspalte ohne zusätzliche Lithographietechniken eingestellt werden, selbst mit einem Auflösungsvermögen unterhalb der der Lithographie, wobei das Vorsehen des zusätzlichen Ätzschutzmaterials für eine zuverlässige und reproduzierbare Gesamtprozesssequenz sorgt. Ferner wird ein hohes Maß an Flexibilität im Hinblick auf die Auswahl geeigneter Materialien erreicht, da eine Vielzahl selektiver Abscheidetechniken eingesetzt werden können, etwa elektrochemische Abscheideprozesse, d. h. stromloses Plattieren, CVD-artige Abscheideprozesse und dergleichen, wobei ein selektives Abscheideverhalten erreicht wird, indem Oberflächenbereiche funktionalisiert werden, etwa durch Vorsehen eines hydrophilen Oberflächenzustandes auf dielektrischen Materialien, indem Maskenmaterialien und dergleichen vorgesehen werden. Da in einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten unerwünschte Reste des Ätzschutzmaterials effizient in einer späteren Fertigungsphase entfernt werden können, ist eine weniger ausgeprägte Ätzselektivität dieser Materialien leicht zu kompensieren durch geeignetes Einstellen einer entsprechenden Anfangsschichtdicke, so dass in zuverlässiger Weise die Integrität der speziellen Deckmaterialien der Metallleitungen beibehalten wird.
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Da die vorliegende Offenbarung sich auf Technik und Bauelemente bezieht, die das Positionieren und Dimensionieren von Luftspalten in einer Auflösung unterhalb der Lithographieauflösung ermöglichen, sind die hierin offenbarten Prinzipien äußerst vorteilhaft auf aufwendige Mikrostrukturbauelemente anzuwenden, etwa Halbleiterbauelemente mit Transistorelementen der 45-nm-Technologie oder der 32-nm-Technologie und darunter. Die hierin offenbarten Prinzipien können jedoch auf weniger kritische Mikrostrukturbauelemente angewendet werden, in denen eine geringere Permittivität wünschenswert ist, beispielsweise indem sehr empfindliche dielektrische Materialien vermieden werden, so dass die vorliegende Offenbarung nicht auf spezielle kritische Bauteilabmessungen eingeschränkt erachtet werden soll, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den angefügten Patentansprüche oder in der Beschreibung genannt sind.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen und vergleichende Beispiele, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100, das in der gezeigten Ausführungsform eine integrierte Schaltung repräsentiert mit einer Vielzahl von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und dergleichen. In diesem Falle umfasst das Bauelement 100 eine Bauteilebene 110, in der eine Vielzahl von Schaltungselementen 103, etwa Transistoren und dergleichen, über einem Substrat 101 gebildet sind. Beispielsweise repräsentiert das Substrat 101 ein Halbleitersubstrat, ein isolierendes Substrat mit einer darauf ausgebildeten geeigneten Halbleiterschicht 102, über und in welcher die Schaltungselemente 103 gebildet sind. In anderen Fällen wird eine vergrabene isolierende Schicht (nicht gezeigt) zumindest teilweise zwischen der Halbleiterschicht 102 und dem Substrat 101 vorgesehen, um eine SOI (Siliziumauf-Isolator-) Konfiguration zu schaffen. Es sollte beachtet werden, dass das Halbleitermaterial der Schicht 102 ein beliebiges geeignetes Material, etwa Silizium, Germanium, eine Silizium/Germanium-Mischung, Verbundhalbleitermaterialien und dergleichen aufweisen kann, wie dies zum Erreichen der gewünschten Bauteileigenschaften erforderlich ist. Die Schaltungselemente 103, wenn diese in Form von Transistoren vorgesehen sind, umfassen eine Gateelektrodenstruktur 104, die Gesamteigenschaften beeinflusst und die eine kritische laterale Abmessung, die als 104l angegeben ist, besitzt, die ungefähr 50 nm und weniger, etwa 30 nm und weniger in äußerst aufwendigen Halbleiterbauelementen beträgt. Die Bauteilebene 110 kann ferner eine Kontaktebene 105 aufweisen, die als eine Grenzfläche zwischen den Schaltungselementen 103 und einem Metallisierungssystem 150 betrachtet werden kann. die Kontaktebene 105 enthält ein geeignetes dielektrisches Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen, in Verbindung mit Kontaktelementen 150a, die die elektrische Verbindung zwischen Kontaktbereichen der Schaltungselemente 103 und Metallgebieten in dem Metallisierungssystem 150 herstellen. Es sollte beachtet werden, dass der Aufbau der Bauteilebene 110 abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen variieren kann. Daher sollten die hierin offenbarten Prinzipien nicht als auf eine spezielle Bauteilarchitektur eingeschränkt gesehen werden, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen dargelegt sind.
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Wie zuvor erläutert ist, sind typischerweise eine oder mehrere elektrische Verbindungen mit jedem der Schaltungselemente eine oder mehrere elektrische Verbindungen mit jedem der Schaltungselemente 103 verknüpft, wodurch eine Vielzahl von Metallisierungsschichten zum Einrichten der elektrischen Verbindungen entsprechend den betrachteten Schaltungsaufbau erforderlich sind, wobei der Einfachheit halber ein Teil einer einzelnen Metallisierungsschicht als das Metallisierungssystem 150 dargestellt ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass unter und/oder über der Metallisierungsschicht 150 eine oder mehrere weitere Metallisierungsschichten vorgesehen sein können, wobei dies von der gesamten Komplexität des Bauelements 100 abhängt. Für jede dieser zusätzlichen Metallisierungsschichten gelten die gleichen Kriterien, wie sie nachfolgend mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 150 angegeben sind.
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Die Metallisierungsschicht 150 umfasst ein dielektrisches Material 151, das in Form eines beliebigen geeigneten Materials oder einer Materialzusammensetzung vorgesehen werden kann, um damit die gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Z. B. enthält das dielektrische Material 151 ein Material mit einer moderat geringen Permittivität, wobei gleichzeitig für eine ausreichende mechanische Festigkeit im Hinblick auf die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 gesorgt wird, wie dies auch zuvor erläutert ist. Da die endgültige Permittivität der Metallisierungsschicht 150 zumindest lokal auf der Grundlage von Luftspalte eingestellt wird, die in gewissen Bereichen hergestellt werden, beruht die Auswahl eines geeignete dielektrischen Materials vorzugsweise auf der Kompatibilität im Hinblick auf die weitere Bearbeitung anstatt auf der Grundlage einer minimalen dielektrischen Konstanten. Beispielsweise können eine Vielzahl gut etablierter dielektrischer Materialien mit einer moderat geringen Dielektrizitätskonstante im Bereich von ungefähr 4,0 bis 2,5 in der Metallisierungsschicht 150 gemäß anschaulicher Ausführungsformen angewendet werden. Z. B. können dotiertes Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, eine Vielzahl von Materialien mit Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff und dergleichen effizient eingesetzt werden. In anderen Fällen werden geeignete Polymermaterialien für die Metallisierungsschicht 150 verwendet, solange die gewünschte Kompatibilität mit der weiteren Bearbeitung erreicht wird. Es sollte beachtet werden, dass das dielektrische Material 151 eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien enthalten kann, wobei dies von den gesamten Bauteil- und Prozesserfordernissen abhängt. Z. B. können zwischenliegende Ätzstoppmaterialien und dergleichen vorgesehen werden, wenn dies für das gesamte Leistungsverhalten und für die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 von Vorteil ist.
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Die Metallisierungsschicht 150 umfasst ferner mehrere Metallleitungen 152a, ..., 152c, die auch gemeinsam als Metallleitungen 152 bei Bedarf bezeichnet werden. Z. B. enthalten die Metallleitungen 152 ein gut leitendes Kernmaterial 154, etwa Kupfer und dergleichen, wenn ein gutes Leistungsverhalten im Hinblick auf die Leitfähigkeit, die Elektromigration und dergleichen erforderlich ist. In anderen Fällen können andere Metalle, etwa Kupferlegierungen, Silber und dergleichen eingesetzt werden, wenn diese Materialien mit den gewünschten Bauteilereigenschaften kompatibel sind. Die Metallleitungen 152 enthalten ggf. ein leitendes Barrierenmaterial 153, das in einigen anschaulichen Ausführungsformen zwei oder mehr Teilschichten aufweist, um damit den verbesserten Metalleinschluss und die Integrität des Metalls in Bezug auf eine Reaktion mit reaktiven Komponenten zu erreichen, die in geringsten Mengen innerhalb des dielektrischen Materials 151 vorhanden sein können. Des weiteren führt typischerweise das leitende Barrierenmaterial 153 zu einem besseren Elektromigrationsverhalten der Metallleitungen 152. Ferner ist eine Deckschicht 155 auf den Metallleitungen 152 ausgebildet, um für den erforderlichen Kupfereinschluss und die Kupferintegrität zu sorgen, wobei sich auch ein verbessertes Elektromigrationsverhalten ergibt, wie dies zuvor erläutert ist. Beispielsweise können eine Vielzahl von leitenden Deckmaterialien eingesetzt werden, etwa eine Legierung aus Nickel/Molybdän/Phosphor, eine Legierung mit Kobalt/Wolfram/Phosphor, eine Legierung mit Nickel/Wolfram/Phosphor, Ruthenium, und dergleichen, die als spezielle Deckmaterialien vorgesehen werden, um das bessere Elektromigrationsverhalten zu erreichen, ohne dass in unerwünschter Weise das elektrische Leistungsverhalten im Hinblick auf die gesamte Leitfähigkeit beeinflusst wird. Folglich können die Materialeigenschaften der Deckschicht 155 so gewählt werden, dass eine starke Grenzfläche 155i mit dem Kernmaterial 154 geschaffen wird, um damit das verbesserte Elektromigrationsverhalten zu erzeugen, während gleichzeitig eine geeignete Dicke entsprechend den gesamten Bauteilerfordernissen eingestellt wird. Wie zuvor erläutert ist, können die Materialien der Deckschicht 155 im Hinblick auf die Elektromigration und die Leitfähigkeit ausgesucht werden, während die Aspekte der Ätzselektivität nicht berücksichtigt werden müssen auf Grund des Vorsehens eines oder mehrerer zusätzlicher Ätzschutzmaterialien während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden die Metallleitungen 152 als „dichtliegende“ Metallleitungen betrachtet, wobei eine laterale Abmessung der einzelnen Metallleitungen 152 vergleichbar ist zu dem lateralen Abstand zwischen zwei benachbarten Metallleitungen, etwa den Metallleitungen 152a, 152b oder 152b und 152c. Z. B. enthält die Metallisierungsschicht 150 Metallleitungen mit einer Breite von mehreren 100 nm und deutlich weniger, etwa 100 nm und weniger, wobei auch ein Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen in der gleichen Größenordnung liegt. In diesem Falle besitzen die Metallleitungen 152 „kritische“ Abmessungen, d. h. Abmessungen, die die minimalen und lateralen Abmessungen repräsentieren, die zuverlässig und reproduzierbar durch entsprechende Lithographietechniken in Verbindung mit zugehörigen Strukturierungsschemata erreicht werden können. Im Gegensatz zu einigen konventionellen Lösungen wird daher die Positionierung und die Dimensionierung von Luftspalten zwischen benachbarten Metallleitungen 152 in einer selbstjustierenden Weise erreicht, indem die Metallleitungen als „Ätzmasken“ verwendet werden, wobei jedoch eine erhöhte Unversehrtheit der Deckmaterialien 155 auf der Grundlage der zusätzlichen Deckmaterialien oder Ätzschutzmaterialien erreicht wird, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Das in 1a gezeigte Bauelemente 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Die Bauteilebene 110 wird unter Anwendung gut etablierter Prozesstechniken hergestellt, wobei aufwendige Lithographieprozesse, Strukturierungsstrategien und dergleichen eingesetzt werden, um die Schaltungselemente 103 gemäß den Entwurfsregeln bereitzustellen. Z. B. wird die Gateelektrode 104 durch aufwendige Lithographie- und Ätztechniken hergestellt, wodurch die Gatelänge 104l entsprechend den Entwurfsregeln eingestellt wird. Des weiteren wird ein Dotierstoffprofil in der Halbleiterschicht 102 auf der Grundlage gut etablierter Implantationstechniken in Verbindung mit Ausheizprozessen geschaffen. Nach der Fertigstellung der grundlegenden Struktur der Schaltungselemente 103 wird die Kontaktebene 105 gemäß geeigneter Fertigungstechniken hergestellt, indem beispielsweise ein dielektrisches Material abgeschieden und dieses eingeebnet wird und indem Kontaktöffnungen darin hergestellt werden, die mit einem geeigneten leitenden Material gefüllt werden, um damit die Kontaktelemente 105a zu erhalten. Daraufhin werden eine oder mehrere Metallisierungsschichten gemäß einer beliebigen geeigneten Fertigungstechnik hergestellt, etwa in Form der Einlege- oder Damaszener-Technik, wie dies zuvor beschrieben ist. Der Einfachheit halber wird eine Fertigungssequenz mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 150 beschrieben, in der die Metallleitungen 152 so gebildet werden, dass diese zu entsprechenden Kontaktdurchführungen verbunden sind (nicht gezeigt), und in einem tiefer liegenden Bereich der Metallisierungsschicht 150 in einer separaten Fertigungssequenz hergestellt werden können oder die gemeinsam mit den Metallleitungen 152 gebildet werden. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit einer beliebigen geeigneten Fertigungssequenz zur Herstellung der Metallleitungen 152 angewendet werden kann. Z. B. kann das dielektrische Material 151 durch eine beliebige geeignete Abscheidetechnik aufgebracht werden, etwa CVD (chemische Dampfabscheidung), Aufschleuderprozesse, physikalische Dampfabscheidung, oder eine geeignete Kombination dieser Techniken. Es sollte ferner beachtet werden, dass das dielektrische Material 151 eine Ätzstoppschicht oder eine Deckschicht aufweisen kann, um Metallgebiete einer tieferliegenden Metallisierungsebene abzudecken und/oder um als ein Ätzstoppmaterial zur Herstellung von Kontaktöffnungen oder Gräben für die Metallleitungen 152 zu dienen, wobei dies von der gesamten Prozessstrategie abhängt. Danach wird eine geeignete Ätzmaske, möglicherweise in Form einer Hartmaske, durch Lithographie bereitgestellt, um die laterale Größe und die Lage der Metallleitungen 152 zu definieren. Es sollte beachtet werden, dass die laterale Größe und der Abstand benachbarter Metallleitungen 152 deutlich unterschiedlich sein kann, selbst in der gleichen Metallisierungsebene, wobei dies von dem gesamten Aufbau der darunter liegenden Bauteilebene 110 abhängt. Wie zuvor erläutert ist, repräsentieren die Metallleitungen 152, wie sie in 1a gezeigt sind, dichtliegende Metallleitungen gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen, wobei die laterale Größe und der Abstand kritischer Abmessungen für das betrachtete Lithographie- und Strukturierungsschema repräsentieren. Auf der Grundlage der entsprechenden Ätzmaske werden zugehörige Öffnungen hergestellt und nachfolgend mit einem geeigneten Material, etwa dem Barrierenmaterial 153 und dem Kernmaterial 154 in Form von Kupfer, Kupferlegierung, Silber und dergleichen gefüllt. Das Abscheiden des Barrierenmaterials 153 kann unter Anwendung von Sputter-Abscheidung, elektrochemische Abscheidung, CVD, Atomschichtabscheidung (ALD) und dergleichen bewerkstelligt werden. Typischerweise wird das Abscheiden des Kernmaterials 154 auf der Basis elektrochemischer Abscheidetechniken bewerkstelligt, etwa in Form von stromlosen Plattieren, Elektroplattieren und dergleichen. Daraufhin wird überschüssiges Material mittels eines geeigneten Abtragungsprozesses entfernt, etwa durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen. Als nächstes wird die spezielle Deckschicht 155 auf den Kernmaterialien 154 hergestellt, was in einigen anschaulichen Ausführungsformen typischerweise ohne zusätzliche Lithographieprozesse bewerkstelligt wird. Z. B. kann ein selbstjustierter elektrochemischer Abscheideprozess ausgeführt werden, in welchem das Kernmaterial als ein Katalysatormaterial dient, um die chemische Reaktion zum Abscheiden des Materials der Deckschichten 155 aus einer entsprechenden Elektrolytlösung in Gang zu setzen. In anderen Fällen werden CVD-ähnliche Abscheidetechniken eingesetzt, etwa in Kombination mit einer geeigneten Funktionalisierung des dielektrischen Materials 151, um damit das Abscheiden des Deckmaterials auf dem dielektrischen Material im Wesentlichen zu vermeiden und/oder um ein selektives Entfernen von Deckmaterial von oberhalb des dielektrischen Materials 151 zu ermöglichen. In noch anderen Fällen wird ein weiterer Lithographieprozess eingesetzt, um das zuvor abgeschiedene Deckmaterial zu strukturieren.
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1b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils des Halbleiterbauelements 100, d. h. eines Bereichs der Metallisierungsschicht 150. In diesem Zusammenhang sei anzumerken, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Metallisierungssystem 150 über einem geeigneten Substrat ohne eine entsprechende Bauteilebene ausgebildet sein kann, etwa die Bauteilebene 110, wie sie in 1a gezeigt ist. In diesem Falle wird das Metallisierungssystem 150 auf eine entsprechende Bauteilebene während einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase übertragen. In 1b unterliegt das Bauelement 100 einer Abscheidesequenz 120, die gestaltet ist, ein oder mehrere zusätzliche Materialien über der Deckschicht 155 zu bilden, um im Wesentlichen die Integrität der Deckschichten 155 während der weiteren Bearbeitung bei der Herstellung selbstjustierter Luftspalte zwischen den Metallleitungen 152 beizubehalten. In der gezeigten Ausführungsform wird ein Ätzschutzmaterial 121 in Bezug auf die erforderliche Ätzwiderstandsfähigkeit gebildet, wie dies auch zuvor erläutert ist. Beispielsweise wird eine einzelne geeignete Materialzusammensetzung in einer räumlich selektiven Weise durch die Prozesssequenz 120 gebildet, um in zuverlässiger Weise die Deckschicht 155 abzudecken. Beispielsweise wird ein geeignetes leitendes Material mit einer geeigneten Dicke 121t aufgebracht, um damit die gewünschte Integrität der Deckschicht 155 während der nachfolgenden Bearbeitung zu gewährleisten, wobei auch eine andere Materialzusammensetzung im Vergleich zu dem speziellen Deckmaterial gewählt werden kann, um damit ein effizientes und gut steuerbares Entfernen zumindest eines wesentlichen Anteils des Materials 121 in einer späteren Fertigungsphase zu ermöglichen. Zum Beispiel wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein stromloser Plattierungsprozess in der Sequenz 120 eingesetzt, wobei eine geeignete Elektrolytlösung verwendet wird, während das Deckmaterial 155 als ein Katalysatormaterial dient, um die elektrochemische Abscheidung in Gang zu setzen. Z. B. sind für eine Vielzahl von Materialien, etwa solche, wie sie zuvor in Bezug auf das Deckmaterial 155 angegeben sind, entsprechende Abscheiderezepte verfügbar. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Unterschied der Materialzusammensetzung zwischen den Materialien 121 und 155 es ermöglicht, eine gewünschte Ätzselektivität während der weiteren Bearbeitung zu erzeugen, wenn die Deckschicht 155 freigelegt wird, um damit die gewünschten Bauteileigenschaften im Hinblick auf das elektrische Leistungsverhalten der Metallleitungen 152 zu erreichen. Wie zuvor erläutert ist, kann somit die Deckschicht 155 im Hinblick auf das elektrische Leistungsverhalten ausgewählt werden, was somit durch Entfernen des Ätzschutzmaterials 121 in einer späteren Fertigungsphase „wieder hergestellt“ wird, ohne dass im Wesentlichen die Deckschicht 155 negativ beeinflusst wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das Ätzschutzmaterial 121 in Form zweier oder mehrerer individueller Materialzusammensetzungen vorgesehen, beispielsweise wie dies in 1b durch die Schichten 121a, 121b gezeigt ist, was vorteilhaft sein kann während der nachfolgenden Entfernung des Materials 121. Z. B. ist die Materialschicht 121a als ein Puffermaterial oder Ätzstoppmaterial für das Abtragen des Materials 121b in einer späteren Fertigungsphase, während das Material 121 ebenfalls effizient in Bezug auf das Deckmaterial 155 durch geeignetes Auswählen der Abtragungseigenschaften entfernt werden kann. Z. B. besitzt das Material 121b eine ähnliche Zusammensetzung im Vergleich zu dem Deckmaterial, wobei jedoch eine Dicke in geeigneter Weise so gewählt wird, dass die gewünschte Integrität der Deckschicht 155 gewahrt ist, während andererseits die Schicht 121a geeignete Ätzstoppeigenschaften beim Entfernen von Resten der Schicht 121b nach der Strukturierungssequenz zur Herstellung von Vertiefungen benachbart zu den Metallleitungen 152 bietet. Folglich kann ein hohes Maß an Flexibilität bei der Auswahl geeigneter Materialien erreicht werden, da viele Materialien effizient durch selektive elektrochemische Abscheidetechniken aufgebracht werden, wobei die entsprechenden Abtragungseigenschaften und der Ätzwiderstand einstellbar ist, indem die Materialzusammensetzung und die Dicke ausgewählt werden, wobei auch eine Vielzahl unterschiedlicher Materialzusammensetzungen bei Bedarf angewendet werden können. Da der größte Anteil des Ätzschutzmaterials 121 in einer temporären Weise vorgesehen wird, können die Abscheideparameter so eingestellt werden, dass ein gewünschtes laterales Wachstum oder eine Breite 121w erreicht werden, die zu einem gewünschten Grad an Abschattung des dielektrischen Materials während des nachfolgenden Strukturierungsschemas zur Herstellung von Vertiefungen in dem dielektrischen Material 151 führt. D. h., durch Einstellen der lateralen Breite 121w wird ein Abstandshaltereffekt des Materials 121 erreicht, der somit es möglich macht, die Breite der jeweiligen Vertiefungen in anisotropen Ätzprozessen einzustellen, was wünschenswert ist beim Beibehalten eines gewissen Grades an mechanischer Stabilität und auch im Hinblick auf die Beibehaltung der Integrität des Barrierenmaterials 153, wenn ein direkter Kontakt dieses Materials mit einer entsprechenden Ätzumgebung nicht gewünscht ist.
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1c zeigt schematisch das Bauelement 100, wenn es einer Prozesssequenz 120a unterliegt, die gestaltet ist, um freiliegende Oberflächenbereiche der Metallisierungsschicht 150 für eine im Wesentlichen räumliche selektive Abscheidung des einen oder der mehreren Ätzschutzmaterialien 121 vorzubereiten, wie es jedoch nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist. In einem Beispiel, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, enthält die Prozesssequenz 120a eine Oberflächenbehandlung zur Funktionalisierung des freigelegten Oberflächenbereichs, um die Abscheiderate für das dielektrische Material 151 und die Deckschicht 155 unterschiedlich bei einem nachfolgenden Abscheideprozess einzustellen. Z. B. kann die Funktionalisierung beider Oberflächenbereiche das Abscheiden einer „Passivierungsschicht“ beinhalten, die der Deckschicht 155 eine im Wesentlichen hydrophobe Eigenschaft verleiht, während eine nachfolgende Behandlung, beispielsweise in Form einer reaktiven Komponente, zu einer im Wesentlichen hydrophilen Oberflächeneigenschaft des dielektrischen Materials 151 führt. In diesem Falle wird ein geeignetes Material selektiv abgeschieden, wie dies durch 122 angegeben ist, das an den Hydroxylgruppen der hydrophilen Oberfläche des dielektrischen Materials 151 anhaftet, während eine Abscheidung auf der Deckschicht 155 mit der hydrophoben Oberflächeneigenschaft im Wesentlichen vermieden wird. Nach dem Reinigen der freiliegenden Oberflächenbereiche wird ein gewünschtes Ätzschutzmaterial 121 abgeschieden, beispielsweise durch eine CVD-ähnliche Abscheidetechnik, wobei das Ätzschutzmaterial von dem dielektrischen Material 151 zusammen mit dem zuvor abgeschiedenen Maskenmaterial 122 entfernt wird, indem beispielsweise erhöhte Temperaturen und dergleichen angewendet werden. In noch anderen Beispielen, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, besitzt das Maskenmaterial 122 selbst eine Oberflächeneigenschaft, um eine merkliche Abscheidung des Ätzschutzmaterials darauf im Wesentlichen zu unterdrücken. Auch in diesem Falle wird eine selektive Maskenwirkung während des weiteren Bearbeitens erreicht, da das Maskenmaterial 122 eine höhere Abtragsrate im Vergleich zu dem Ätzschutzmaterial besitzt, das selektiv über den Deckschichten 155 gebildet ist. In noch anderen Beispielen, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, umfasst die Sequenz 120a das Abscheiden eines Lackmaterials, das belichtet wird, wobei das unterschiedliche optische Verhalten der Metallleitungen 152 im Vergleich zu dem dielektrischen Material 151 zu einer entsprechenden Erzeugung von latenten Bildern führt, so dass abhängig von der Art des verwendeten Lackmaterials und den jeweiligen Belichtungsparametern ein Lackmaterial selektiv von dem Deckmaterial oder dem dielektrischen Material 151 entfernt wird. Daraufhin wird das Ätzschutzmaterial oder ein anderes Maskenmaterial mittels einer geeigneten Abscheidetechnik vorgesehen und daraufhin wird das verbleibende Lackmaterial, möglicherweise in Verbindung mit einem entsprechenden darauf ausgebildeten Ätzschutzmaterial, durch eine Wärmebehandlung und dergleichen entfernt.
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1d zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist das Bauelement 100 der Einwirkung einer Ätzumgebung 123 ausgesetzt, die so gestaltet ist, dass entsprechende Vertiefungen 151r zwischen benachbarten Metallleitungen 152 gebildet werden. Ferner ist eine Ätzmaske 124 vorgesehen, beispielsweise in Form einer Lackmaske und dergleichen, um entsprechende Bauteilgebiete zu bedecken, in denen die Herstellung der Vertiefungen 151r oder ein entsprechender Materialabtrag der Schicht 151 nicht gewünscht ist. Während des Ätzprozesses 123, der in einigen anschaulichen Ausführungsformen als ein anisotroper plasmaunterstützter Ätzprozess ausgeführt wird, bewahrt das Ätzschutzmaterial 121 die Integrität der Deckschicht 155, selbst wenn ein wesentlicher Teil des Materials 121 während des Prozesses 123 abgetragen wird. Wie zuvor erläutert ist, kann ein entsprechender Materialabtrag berücksichtigt werden, indem die anfängliche Schichtdicke des Materials 121 geeignet gewählt wird. Wenn ein sehr anisotropes Ätzverhalten gewünscht ist, kann die Breite 151w der Vertiefung 151r auf der Grundlage des Materials 121 (siehe 1b) eingestellt werden, indem die Breite 121w eingestellt wird. Z. B. können eine Vielzahl gut etablierter anisotroper Ätzrezepte eingesetzt werden, wobei dies von der Materialzusammensetzung der Schicht 151 abhängt. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein isotropes Ätzrezept eingesetzt, wenn die Einwirkung auf die Barrierenschicht 153 der Metallleitungen 152 dessen Funktionsverhalten nicht negativ beeinflusst und wenn eine größere Breite der Vertiefungen 151r gewünscht ist, beispielsweise im Hinblick auf das Erhöhen des Gesamtvolumens entsprechender Luftspalte, die auf der Grundlage der Vertiefungen 151r zu bilden sind.
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1e zeigt schematisch das Bauelement 100 nach dem Ende des Ätzprozesses 123 (siehe 1d). Wie gezeigt, erstrecken sich die Vertiefungen 151r in das dielektrische Material 151 bis hinab zu einer gewünschten Tiefe, während die Deckschichten 155 weiterhin durch einen Teil des Materials 121 bedeckt sind, der während der vorhergehenden Ätzprozesse nicht verbraucht wurde. In einigen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) wird die Breite der Vertiefungen 151r weiter angepasst, indem ein Abstandshaltermaterial mit einer beliebigen geeigneten Zusammensetzung aufgebracht wird und nachfolgend anisotrop geätzt wird, um entsprechende „Seitenwandabstandshalter“ innerhalb der Vertiefungen 151r herzustellen, wodurch eine gewünschte Breite der Luftspalte erreicht wird, die auf der Grundlage der Vertiefungen 151r noch zu bilden sind. Auf diese Weise kann eine beliebige gewünschte laterale Größe der Vertiefungen 151r und somit der entsprechenden Luftspalte ohne ein Erfordernis für aufwendige Lithographieprozesse festgelegt werden. Es sollte beachtet werden, dass während eines entsprechenden Strukturierungsprozesses zur Herstellung von Seitenwandabstandshaltern in den Vertiefungen 151r das verbleibende Material 121 ebenfalls als ein Ätzstoppmaterial zur Bewahrung der Integrität des Deckschichten 155 dienen kann.
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1f zeigt schematisch das Bauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Reste des Materials 121 vor dem Herstellen entsprechender Luftspalte auf der Grundlage der Vertiefungen 151r entfernt werden. Zu diesem Zweck wird ein Ätzprozess 125 durchgeführt, etwa auf der Grundlage nasschemischer Ätzrezepte, plasmaunterstützter Ätztechniken, etwa isotrope oder anisotrope Ätztechniken, und dergleichen. Während des Ätzprozesses 125 wird eine unerwünschte Materialentfernung der Deckschichten 155 unterdrückt, da ein gewisser Grad an Ätzselektivität zwischen den unterschiedlichen Materialzusammensetzungen des Ätzschutzmaterials 121 oder dessen Reste (siehe 1e) und der Deckschicht 155 bestehen kann. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird, wie zuvor erläutert ist, eine ausgeprägte Ätzselektivität erreicht, indem beispielsweise geeignete Materialien ausgewählt werden oder ein entsprechendes Ätzstoppmaterial vorgesehen wird, etwa die Schicht 121a (siehe 1b). Während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 kann somit eine gewünschte Konfiguration der Metallleitungen 152 wieder hergestellt werden, indem das Material 121 (siehe 1e) entfernt wird, wodurch das gewünschte elektrische Leistungsverhalten der Metallleitungen 152 erreicht wird.
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1g zeigt schematisch das Bauelement 100 während eines Abscheideprozesses 126, der so gestaltet ist, dass weiteres dielektrisches Material 156 abgeschieden wird, um entsprechende Luftspalte 156a auf der Grundlage der Vertiefungen 151r (siehe 1f) zu erhalten. Zu diesem Zweck wird der Abscheideprozess 126 auf Basis von Abscheideparameter ausgeführt, die zur Ausbildung ausgeprägter Überhänge führen, wodurch die Luftspalte 156a zuverlässig verschlossen werden. Es können somit eine Vielzahl gut etablierter CVDbasierter Rezepte in Verbindung mit einem geeigneten Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder dielektrische Materialien mit geringerer Permittivität verwendet werden, die jedoch für die gewünschte mechanische Stabilität und dergleichen sorgen. Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem etwa überschüssiges Material der Schicht 156 entfernt und die Oberflächentopographie eingeebnet wird und indem eine oder mehrere Metallisierungsschichten hergestellt werden, die ebenfalls zumindest lokal entsprechender Luftspalte abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen erhalten können.
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1h zeigt schematisch das Bauelemente 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt, ist das dielektrische Material 156 über den Metallleitungen 152 gebildet, darauf ausgebildet noch das Ätzschutzmaterial 121 oder zumindest einen Teil davon, der während des vorhergehenden Strukturierungsprozesses nicht verbraucht wurde, aufweisen kann. Des weiteren unterliegt das Bauelement 100 einem Materialabtragsprozess 127a, in welchem überschüssiges Material der Schicht 156 entfernt wird, wodurch ebenfalls die Oberflächentopographie des Bauelements 100 eingeebnet wird. Z. B. enthält der Abtragungsprozess 127a einen CMP-Prozess, der auf der Grundlage geeigneter Prozessparameter so ausgeführt wird, das Material der Schicht 156 effizient abgetragen wird. Während des Abtragungsprozesses 127a kann das Material 121 in einigen anschaulichen Ausführungsformen als ein CMP-Stoppmaterial oder als ein CMP-Steuermaterial eingesetzt werden, da das Material 121 deutlich andere Materialeigenschaften im Vergleich zu dem dielektrischen Material 156 besitzen kann Somit kann ein Freiliegen des Materials 121 während des Abtragungsprozesses 127a erkannt werden und kann als effiziente Prozesssteuerung verwendet werden. Danach wird der Abtragungsprozess 127a fortgesetzt, beispielsweise auf der Grundlage anderer Prozessparameter, um auch die Schicht 121, zumindest über der Deckschicht 155, zu entfernen.
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1i zeigt schematisch das Bauelement 100 während eines entsprechenden Abtragungsprozesses 127b, in welchem Material der Schicht 121 in einer gut steuerbaren Weise im Vergleich zu dem Deckmaterial 155 entfernt wird. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende Reste 121r, die lateral benachbart zu dem Deckmaterial 155 angeordnet sein können, im Wesentlichen das Leistungsverhalten des Metallisierungssystems 155 und die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 nicht beeinflussen.
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Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Mikrostrukturbauelemente und entsprechende Fertigungstechniken bereit, in denen selbstjustierte Luftspalte vorgesehen werden, wobei ein gutes Elektromigrationsverhalten beibehalten wird, während gleichzeitig die Integrität der Metallleitung während der Strukturierung des selbstjustierten Luftspaltes sichergestellt ist. Zu diesem Zweck werden die Metallleitungen zumindest mit einem oder mehreren zusätzlichen Deckmaterialien oder einem Ätzstoppmaterial abgedeckt, deren Eigenschaften im Hinblick auf das Erreichen der gewünschten Ätzselektivität ausgewählt sind, während die eigentliche erste Deckschicht für das gewünschte elektrische Leistungsverhalten der Metallleitungen sorgt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen sorgt die Dicke der zusätzlichen Ätzsschutzschicht auf eine abschattende Wirkung in Abstandshalterelementen während des Strukturierungsprozesses, wodurch das Freilegen eines leitenden Barrierenmaterials oder Kupfermaterials unterdrückt wird, wenn die jeweiligen Vertiefungen hergestellt werden. Somit können die Hartmaskeneigenschaften während des Strukturierungsprozesses individuell eingestellt werden, ohne dass das elektrische Verhalten der Metallleitungen, etwa im Hinblick auf die kapazitive Kopplung, die Elektromigration, und dergleichen, beeinflusst wird.
