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Gebiet der Offenbarung
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Halbleiterherstellung
und betrifft insbesondere die Herstellung einer Verbindungsstruktur,
die ein Schaltungselement direkt mit der ersten Metallisierungsebene
verbindet.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Halbleiterbauelemente,
etwa moderne integrierte Schaltungen, enthalten typischerweise eine große Anzahl
an Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und
dergleichen, die für
gewöhnlich
in einer im Wesentlichen ebenen Konfiguration auf einem geeigneten
Substrat ausgebildet sind, das darauf ausgebildet eine kristalline
Halbleiterschicht aufweist.
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Auf
Grund der großen
Anzahl an Schaltungselementen und den erforderlichen komplexen Aufbau moderner
integrierter Schaltungen werden die elektrischen Verbindungen der
einzelnen Schaltungselemente im Allgemeinen nicht in der gleichen
Ebene verwirklicht, in der die Schaltungselemente hergestellt sind,
sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche „Verdrahtungsschichten" erforderlich, die
auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten
enthalten im Allgemeinen metallenthaltende Leitungen, die die elektrische Verbindung
innerhalb der Ebene herstellen, und enthalten auch mehrere Zwischenebenenverbindungen, die
auch als „Kontaktdurchführungen" bezeichnet werden,
die mit einem geeigneten Metall gefüllt sind und die elektrische
Verbindung zwischen zwei benachbarten gestapelten Metallisierungsschichten herstellen.
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Auf
Grund der ständigen
Verringerung der Strukturgrößen von
Schaltungselementen in modernen integrierten Schaltungen steigt
auch die Anzahl der Schaltungselemente bei einer vorgegebenen Chipfläche, d.
h. die Packungsdichte, ebenfalls an, wodurch ein noch größerer Anstieg
in der Anzahl der elektrischen Verbindungen erforderlich ist, um
die gewünschte
Schaltungsfunktion sicherzustellen, da die Anzahl der gegenseitigen
Verbindungen zwischen den Schaltungselementen typischerweise in
einer überproportionalen
Weise im Vergleich zur Anzahl der Schaltungselemente anwächst. Somit
wächst
die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten für gewöhnlich ebenfalls,
wenn die Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche größer wird,
wobei dennoch die Größe der einzelnen
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen reduziert werden. Auf Grund
der moderat hohen Stromdichten, die während des Betriebs moderner
integrierter Schaltungen angetroffen werden und auf Grund der geringeren Strukturgröße von Metallleitungen
und Kontaktdurchführungen
ersetzen Halbleiterhersteller zunehmend gut bekannte Metallisierungsmaterialien,
etwa Aluminium, durch ein Metall, das höhere Stromdichten ermöglicht und
damit eine Verringerung der Abmessungen der Verbindungsleitungen
zulässt.
Folglich sind Kupfer und Legierungen davon Materialien, die zunehmend
bei der Herstellung von Metallisierungsschichten auf Grund der guten
Eigenschaften im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration
und den deutlich geringeren elektrischen Widerstand im Vergleich
zu beispielsweise Aluminium eingesetzt werden. Trotz dieser Vorteile
weist Kupfer eine Reihe von Nachteilen im Hinblick auf die Bearbeitung
und Handhabung des Kupfers in einer Halbleiterfertigungsstätte auf.
Beispielsweise kann Kupfer effizient in einer Vielzahl von gut etablierten
dielektrischen Materialien diffundieren, etwa in Siliziumdioxid,
wobei selbst geringe Mengen an Kupfer, die sich an empfindlichen
Bauteilgebieten ansammeln können,
etwa Kontaktgebieten von Transistorelementen von einem Ausfall des
jeweiligen Bauteils führen kann.
Aus diesem Grunde werden große
Anstrengungen unternommen, um eine Kupferkontamination während der
Herstellung der Transistorelemente zu reduzieren oder zu vermeiden,
wodurch Kupfer ein wenig attraktiver Kandidat für die Herstellung von Kontaktpfropfen
ist, die direkt mit entsprechenden Kontaktgebieten der Schaltungselemente
verbunden sind. Die Kontaktpfropfen sorgen für den elektrischen Kontakt
der einzelnen Schaltungselemente zu der ersten Metallisierungsschicht,
die über
einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial ausgebildet ist, das die
Schaltungselemente umgibt und passiviert.
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Folglich
werden in modernen Halbleiterbauelementen die entsprechenden Kontaktpfropfen
typischerweise aus einem Metall auf Wolframbasis in einem dielektrischen
Zwischenschichtstapel hergestellt, der typischerweise aus Siliziumdioxid
aufgebaut ist, über
das einer entsprechenden unteren Ätzstoppschicht gebildet ist,
das für
gewöhnlich
aus Siliziumnitrid aufgebaut ist. Auf Grund der zunehmenden Reduzierung
der Strukturgrößen müssen jedoch die
entsprechenden Kontaktpfropfen in Kontaktöffnungen mit einem Aspektverhältnis gebildet
werden, da bis zu ungefähr
8:1 oder höher
liegen kann, wobei ein Durchmesser der jeweiligen Kontaktöffnungen 0,1 μm oder weniger
betragen kann für
Transistorbauele mente der 65 nm-Technologie. Das Aspektverhältnis derartiger Öffnungen
ist im Allgemeinen als das Verhältnis
der Tiefe der Öffnung
zur Breite der Öffnung
definiert. Folglich kann der Widerstand der jeweiligen Kontaktpfropfen
die Gesamtarbeitsgeschwindigkeit moderner integrierter Schaltungen deutlich
beschränken,
selbst wenn ein gut leitendes Material, etwa Kupfer oder Kupferlegierungen
in den Metallisierungsschichten verwendet wird. Ferner sind anspruchsvolle Ätztechniken
und Abscheidetechniken erforderlich, um die Kontaktpfropfen zu bilden, wie
nachfolgend mit Bezug zu den 1a und 1b detaillierter
beschrieben ist.
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1a zeigt
schematisch eine Draufsicht eines Teils eines Halbleiterbauelements 100.
Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein Substrat (in 1a nicht
gezeigt), über
welchem eine Halbleiterschicht (nicht gezeigt) ausgebildet ist,
in und über
der Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen gebildet
sind. Der Einfachheit halber ist ein Schaltungselement in Form eines
Transistors 150 dargestellt. Der Transistor 150 umfasst
eine Gateelektrodenstruktur, deren Seitenwände von einem Abstandshalterelement 152 bedeckt
sind. Lateral benachbart zu der Gateelektrodenstruktur 151 ist
ein aktives Gebiet in Form von Drain- und Sourcegebieten 153 vorgesehen,
die zusätzlich
zu einem Kanalgebiet (nicht gezeigt), die unter der Gateelektrodenstruktur 151 angeordnet
und ein aktives Gebiet in der entsprechenden Halbleiterschicht repräsentieren. Das
aktive Gebiet ist durch eine Isolationsstruktur 102 definiert, über der
ein Teil der Gateelektrodenstruktur 151 positioniert ist,
wodurch ein Kontaktgebiet 154 bestimmt ist, das mit einem
Kontaktpfropfen oder Kontaktelement 110 in Kontakt ist.
In ähnlicher Weise
sind ein oder mehrere Kontaktelemente 111 in den Drain-
oder Sourcegebieten 153 vorgesehen, wobei der Einfachheit
halber lediglich ein derartiges Kontaktelement 111 dargestellt
ist. Es sollte beachtet werden, dass die Kontaktelemente 110, 111 typischerweise
in einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial gebildet sind, das
der Einfachheit halber in 1a nicht
gezeigt ist.
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1b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht entlang der Linie Ib, wie sie
in 1a gezeigt ist, wobei das Halbleiterbauelement 100 in
einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium dargestellt ist.
Wie gezeigt, umfasst das Halbleiterbauelement 100 ein Substrat 101,
das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial
repräsentiert,
etwa ein Siliziumsubstrat, ein SOI-(Silizium-auf-Isolator)Substrat
und dergleichen. Eine Halbleiterschicht 103 auf Siliziumbasis
ist über
dem Substrat 101 ausgebildet, und die Isolationsstruktur 102,
beispielsweise in Form einer Grabenisolation, bildet ein aktives
Gebiet 104, in welchem die Drain- und Sourcegebiete 153 angeordnet sind,
d. h. entsprechende Dotierstoffkonzentrati onen, um damit jeweilige
pn-Übergänge mit
dem verbleibenden Teil des aktiven Gebiets 104 zu bilden.
Des weiteren sind Metallsilizidgebiete 155 in den Drain- und
Sourcegebieten 153 zum Bilden eines Kontaktgebiets davon
und auf der Gateelektrodenstruktur 151 einschließlich des
Kontaktbereichs 154 gebildet, wodurch ebenfalls ein entsprechendes
Kontaktgebiet für
die Gateelektrodenstruktur 151 definiert wird. Das Halbleiterbauelement
umfasst ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 115,
das typischerweise aus zwei oder mehr dielektrischen Schichten,
etwa den Schichten 115a, die eine Kontaktätzstoppschicht
aus Siliziumnitrid repräsentiert,
und einem zweiten dielektrischen Material 115b beispielsweise
in Form eines Siliziumdioxidmaterials, aufgebaut ist. Typischerweise
liegt eine Dicke 115t des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 115 im
Bereich von 100 nm, um damit einen ausreichenden Abstand zwischen der
Gateelektrodenstruktur 151 und einer ersten Metallisierungsschicht 120 zu
erhalten, um damit die parasitäre
Kapazität
auf einem gewünschten
niedrigen Niveau zu halten. Folglich besitzt das Kontaktelement 111,
das eine Verbindung zu dem Drain- oder Sourcegebiet 153 herstellt,
ein moderat hohes Aspektverhältnis,
da dessen laterale Größe im Wesentlichen
durch die laterale Abmessung der Drain- und Sourcegebiete 153 beschränkt ist,
während
die Tiefe des Kontaktelements 111 durch die Dicke 115t des dielektrischen
Zwischenschichtmaterials 115 bestimmt ist. Andererseits
muss sich das Kontaktelement 110 lediglich bis hinab zur
obersten Fläche
der Gateelektrodenstruktur 151 erstrecken, d. h. zu dem Kontaktbereich 154,
während
auch die laterale Abmessung des Kontaktelements 110 unterschiedlich im
Vergleich zum Element 111 sein kann, abhängig von
der Größe und der
Form des Kontaktbereichs 154. Die Kontaktelemente 110, 111 weisen
typischerweise ein Barrierenmaterial in Form einer Titanbeschichtung 112,
woran sich eine Titannitridbeschichtung 113 anschließt, während das
eigentliche Füllmaterial 114 in
Form eines Wolframmaterials vorgesehen ist.
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Die
Metallisierungsschicht 120 umfasst typischerweise eine Ätzstoppschicht 123,
beispielsweise in Form von Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem
Siliziumkarbid, und dergleichen, worauf ein geeignetes dielektrisches
Material, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε mit einer
relativen Permittivität
von 3,0 oder weniger gebildet ist. Des weiteren sind entsprechende
Metallleitungen 121, 122 in dem dielektrischen
Material 124 ausgebildet und sind mit den Kontaktelementen 110 bzw. 111 verbunden.
Die Metallleitungen 121, 122 weisen ein kupferenthaltendes
Metall in Verbindung mit einem geeigneten Barrierenmaterial 125,
etwa Material mit Tantal, Tantalnitrid, und dergleichen, auf. Schließlich ist
eine Deckschicht 126 typischerweise so vorgesehen, dass
das Kupfermaterial in den Metallleitungen 121, 122 eingeschlossen
wird, was auf Grundlage dielektrischer Materialien, etwa Siliziumnitrid,
Siliziumkarbid, und dergleichen erreicht werden kann.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100,
wie es in 1b gezeigt ist, umfasst die
folgenden Prozesse. Nach dem Bilden des Schaltungselements 150 auf
der Grundlage gut etablierter Techniken gemäß den Entwurfsregeln des entsprechenden
Technologiestandards, wozu das Bilden einer geeigneten Gateisolationsschicht
(nicht gezeigt) und das Strukturieren dergleichen zusammen mit der
Gateelektrodenstruktur 151 durch anspruchsvolle Lithographie-
und Ätzverfahren gehören, werden
die Drain- und Sourcegebiete 153 durch Ionenimplantation
unter Anwendung der Abstandshalterstruktur 152 als geeignete
Implantationsmaske gebildet. Nach Ausheizsequenzen werden die Metallsilizidgebiete 155 hergestellt
und das dielektrische Zwischenschichtmaterial wird abgeschieden, indem
beispielsweise die Kontaktätzstoppschicht 115a gebildet
wird, woran sich das Abscheiden des Siliziumdioxidmaterials auf
Grundalge plasmaunterstützter
CVD-(chemische Dampfabscheide-)Techniken
anschließt.
Nach dem Einebnen der resultierenden Oberflächentopographie des Siliziumdioxidmaterials
wird eine Photolithographiesequenz auf der Grundlage gut etablierter
Rezepte ausgeführt,
woran sich anisotrope Ätzverfahren
zur Herstellung von Kontaktöffnungen
anschließen,
die sich durch das dielektrische Zwischenschichtmaterial 115 erstrecken, um
damit eine Verbindung zu der Gateelektrodenstruktur 151 und
den Drain- und Sourcegebieten 153 herzustellen. Während des
entsprechenden Ätzprozesses
können
anspruchsvolle Strukturierungsschemata erforderlich sein auf Grund
des hohen Aspektverhältnisses
der jeweiligen Kontaktöffnung,
insbesondere für
das Kontaktelement 111. Während der komplexen Ätzsequenz
wird die Schicht 115a als eine Ätzstoppschicht zum Ätzen des
Siliziumdioxidmaterials 115b verwendet, woraufhin ein weiterer Ätzprozess
ausgeführt
wird, um schließlich
die Kontaktgebiete in den Drain- und Sorucegebieten 153 und
der Gateelektrodenstruktur 151, d. h. die Metallsilizidgebiete 155 freizulegen.
Als nächstes
wird die Titannitridbeschichtung 112 auf Grundlage von
beispielsweise physikalische Dampfabscheidung, etwa Sputter-Abscheidung,
gebildet. Der Begriff „Sputtern" beschreibt einen
Mechanismus, in welchem Atome aus einer Oberfläche eines Zielmaterials herausgeschlagen
werden, das von ausreichend energetischen Teilchen betroffen wird.
Das Sputtern ist eine häufig
eingesetzte Technik zum Abscheiden von Titan, Titannitrid und dergleichen.
Auf Grund der guten Eigenschaften im Vergleich zu beispielsweise CVD-Verfahren
in Bezug auf das Steuern der Schichtdicke, das Bilden von Verbindungen,
etwa Titannitrid, und dergleichen, können zusätzlich freigelegte Oberflächen gereinigt
werden, indem ein Sputtern ohne Bereitstellen einer abzuscheidenden
Sorte ausgeführt
wird. Somit kann nach dem Bilden der Titannitridbeschichtung 112 die
Titanschicht 113 ebenfalls durch Sputter-Abscheidung gebildet
werden, wobei jedoch das hohe Aspektverhältnis insbesondere in der Kontaktöffnung,
die dem Kontaktelement 111 entspricht, zu einer größeren Schichtdicke
an Seitenwandbereichen führen
kann, um eine zuverlässige
Abdeckung aller freiliegenden Oberflächenbereiche der Kontaktöffnung zu
gewährleisten.
Danach wird Wolframmaterial 114 durch CVD abgeschieden,
wobei Wolframhexafluorid (WF6) in einem thermisch
aktivierten ersten Schritt auf der Grundlage von Silan reduziert
wird und dann in einem zweiten Schritt auf der Grundlage von Wasserstoff
in Wolfram umgewandelt wird. Während
des Reduzierens des Wolframs auf der Grundlage von Wasserstoff wird
ein direkter Kontakt mit Siliziumdioxid der Schicht 115b im
Wesentlichen durch die Titanbeschichtung 113 vermieden,
um damit einen unerwünschten
Siliziumverbrauch aus dem Siliziumdioxid zu vermeiden. Andererseits
kann die Siliziumnitridschicht 112 die Haftung der Titanbeschichtung 113 verbessern,
wodurch die mechanische Gesamtstabilität der Kontaktelemente 110, 111 verbessert
wird. Somit führt
das größere Aspektverhältnis des
Kontaktelements 111 zu einer sehr komplizierten Ätzsequenz
und einem nachfolgenden Abscheiden der Beschichtungen 112, 113,
die zu einer reduzierten effektiven Querschnittsfläche des
Kontaktelements 111 führen
kann, wodurch deren Gesamtwiderstand erhöht wird. Andererseits können Ungleichmäßigkeiten während des
komplexen Strukturierungsprozesses zu einem Kontaktausfall führen, was
einen der wesentlichen Faktoren darstellt, die zu den Gesamtausbeuteverlusten.
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Danach
wird die Metallisierungsschicht 120 zum Abscheiden der Ätzstoppschicht 123 gebildet, woran
sich das Abscheiden des dielektrischen Materials 124 anschließt. Als
nächstes
werden entsprechende Gräben
in dem dielektrischen Material 124 gemäß gut etablierter Einzel-Damaszener-Verfahren hergestellt.
Daraufhin werden die Metallleitungen 121, 122 durch
Abscheiden einer Barrierenschicht 125 und Einfüllen eines
kupferbasierten Materials beispielsweise auf der Grundlage von Elektroplattieren
hergestellt, wobei das Abscheiden einer Kupfersaatschicht vorausgehen
kann. Schließlich
wird überschüssiges Material,
beispielsweise durch CMP entfernt und die Deckschicht 126 kann
abgeschieden werden.
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Somit
enthält
die Kontaktstruktur des Halbleiterbauelements 100 Kontakte
mit hohem Aspektverhältnis,
etwa das Kontaktelement 111, was zu einer komplexen Strukturierung
und einem komplexen Abscheideverlauf führt, wodurch die Wahrscheinlichkeit
zur Reduzierung der Produktionsausbeute erhöht wird, während auch zu einem größeren Widerstand
und damit einem beeinträchtigten
Leistungsverhalten beigetragen wird.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung
Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen ein oder mehrere der
oben genannten Probleme vermieden oder zumindest in ihrer Auswirkung
reduziert werden.
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Überblick über die Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Verfahren
und Halbleiterbauelemente, die durch diese Verfahren hergestellt
sind, wobei eine verbesserte Kontaktstruktur vorgesehen wird, in
der ein geringeres Aspektverhältnis
der jeweiligen Kontaktöffnungen
die Rahmenbedingungen erleichtert, die der entsprechenden Fertigungssequenz
auferlegt sind. Dies wird erreicht, indem die erste Metallisierungsschicht
als eine Doppel-Damaszener-Struktur vorgesehen
wird, in der entsprechende kupferbasierte Kontaktdurchführungen
mit Kontaktelementen verbunden sind, die in einem dielektrischen
Material in einer deutlich geringeren Dicke im Vergleich zu konventionellen
dielektrischen Zwischenschichtmaterialien ausgebildet sind. Somit
können
die Kontaktelemente mit erhöhter
Prozessrobustheit auf Grund des reduzierten Aspektverhältnisses
hergestellt werden, während
die kupferbasierten Kontaktdurchführungen für ein verbessertes elektrisches
und thermisches Verhalten sorgen. Ferner wird das dielektrische
Material der ersten Metallisierungsschicht in Form eines dielektrischen
Materials mit kleinem ε mit
einer Permittivität
von 3,0 oder weniger bei Bedarf vorgesehen, wodurch die Verringerung
des Abstands zwischen den Gateelektrodenstrukturen und Metallleitungen
der ersten Metallisierungsschicht möglich ist oder die parasitäre Kapazität für einen ähnlichen
Abstand im Vergleich zu konventionellen Bauelementen reduziert wird.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer
ersten dielektrischen Schicht zumindest lateral benachbart zu einem Schaltungselement,
das teilweise über
einem Halbleitergebiet ausgebildet ist, das ein Kontaktgebiet aufweist.
Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines Kontaktelements in
der ersten dielektrischen Schicht derart, das mit dem Kontaktgebiet
verbunden. Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden einer zweiten
dielektrischen Schicht über
der ersten dielektrischen Schicht, wobei die zweite dielektrische Schicht
ein dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist. Die zweite die lektrische
Schicht wird so strukturiert, dass diese eine Kontaktdurchführungsöffnung enthält, die
mit dem Kontaktelement verbunden, derart, dass ein Graben in Kontakt
mit der Kontaktdurchführungsöffnung enthalten
ist. Schließlich
werden die Kontaktdurchführungsöffnung und
der Graben in einer gemeinsamen Abscheideprozesssequenz gefüllt.
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Es
wird ein weiteres anschauliches Verfahren zur Herstellung einer
Kontaktstruktur eines Halbleiterbauelements offenbart. Das Verfahren
umfasst das Bilden einer dielektrischen Schicht mit kleinem ε der ersten
Metallisierungsschicht über
einem Schaltungselement, das in einem dielektrischen Material eingebettet
ist, das ein Kontaktelement aufweist, das eine Verbindung zu einem
Kontaktgebiet des Schaltungselements herstellt. Das Verfahren umfasst
ferner das Strukturieren der dielektrischen Schicht mit kleinem ε derart,
dass diese eine Kontaktdurchführungsöffnung erhält, die
mit dem Kontaktelement eine Verbindung herstellt, und auch einen
Graben erhält,
der mit der Kontaktdurchführungsöffnung in
Verbindung steht. Schließlich
werden die Kontaktdurchführungsöffnung und
der Graben mit einem metallenthaltenden Material in einem gemeinsamen
Füllprozess
gefüllt.
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Ein
anschauliches Halbleiterbauelement, das hierin offenbart ist, umfasst
eine Leitung, die sich teilweise über einem aktiven Gebiet des
Halbleiterbauelements erstreckt. Ein erstes Kontaktgebiet, das auf
dem aktiven Gebiet ausgebildet ist, ist vorgesehen und ein zweites
Kontaktgebiet ist auf einer oberen Fläche der Leitung ausgebildet.
Ein dielektrisches Material umschließt zumindest lateral die Leitung,
und ein erstes Kontaktelement ist in dem dielektrischen Material
ausgebildet und bildet eine Verbindung mit dem ersten Kontaktgebiet,
wobei das erste Kontaktelement ein Aspektverhältnis von 5 oder kleiner besitzt
und ein erstes Metall aufweist. Schließlich umfasst das Halbleiterbauelement
eine erste Metallisierungsschicht mit einem dielektrischen Material
mit kleinem ε und
einer Metallleitung und einer Kontaktdurchführung, wobei die Kontaktdurchführung mit dem
ersten Kontaktelement verbunden ist und ein zweites Metall, das
unterschiedlich zu dem ersten Metall ist, aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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:
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1a schematisch
eine Draufsicht eines konventionellen Halbleiterbauelements mit
Kontaktpfropfen zeigt, die mit einer Gateelektrodenstruktur und
Drain- und Sourcegebieten gemäß konventioneller
Techniken verbunden sind;
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1b schematisch
eine Querschnittsansicht entlang der Linie Ib des Bauelements aus 1a in
einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium zeigt, wobei
Kontaktpfropfen mit hohem Aspektverhältnis gemäß konventioneller Lösungen vorgesehen
sind;
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2a bis 2h schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Herstellung von Kontaktelementen mit einem
geringeren Aspektverhältnis
in Verbindung mit einer ersten Metallisierungsschicht beschreiben,
die Kontaktdurchführungen
und Metallleitungen mit einem gut leitendem Metall und einem dielektrischen
Material mit kleinem ε gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
aufweist;
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3a bis 3g schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen zur Herstellung von Kontaktelementen mit kleinem
Aspektverhältnis
mit einem noch kleineren Aspektverhältnisses gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigen; und
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3h bis 3j schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während der Herstellung
von Kontaktelementen mit kleinem Aspektverhältnis in Verbindung mit verbesserten Verspannungsübertragungsmechanismen
gemäß noch weiteren
anschaulichen Ausführungsformen zeigen.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Offenbarung 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 des hierin offenbarten Gegenstands dar,
dessen Schutzbereich durch die angefügten Patenansprüche definiert
ist.
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Im
Allgemeinen betreffen die hierin offenbaren Prinzipien Techniken
zur Herstellung verbesserter Kontaktstrukturen in modernen Halbleiterbauelementen,
wobei ein Aspektverhältnis
von Kontaktelementen auf der Grundlage gut etablierter Metallmaterialien,
etwa Wolfram, eingestellt und reduziert werden kann, wobei gleichzeitig
die erste Metallisierungsschicht so gebildet wird, dass diese Metallleitungen
und Kontaktdurchführungen
aufweist, die mit den Kontaktelementen mit reduzierten Aspektverhältnis verbunden
sind. Somit kann für
einen gegeben Höhenabstand
zwischen Schaltungselementen, etwa Gateelektroden und der ersten
Metallisierungsebene, d. h. den darin gebildeten Metallleitungen,
ein verbessertes elektrisches Leistungsverhalten durch einen geringeren
Reihenwiderstand des leitenden Pfades zum Anschluss an die Kontaktbereiche
der Schaltungselemente erreicht werden, da die Kontaktdurchführungen
auf der Grundlage eines gut leitendes Metall, etwa Kupfer, vorgesehen
werden können. Ferner
können
die Kontaktdurchführungen
der ersten Metallisierungsschicht in ein dielektrisches Material mit
kleinem ε eingebettet
werden, wodurch die parasitäre
Kapazität
zwischen den Gateelektrodenstrukturen und den Metallleitungen der
ersten Metallisierungsschicht weiter verringert wird. Zusätzlich kann die
Gesamtprozessrobustheit gesteigert werden, da die Strukturierung
des Kontaktelements auf Grundlage einer deutlich geringeren Dicke
des dielektrischen Materials bewerkstelligt werden kann. Die Metallleitungen
und Kontaktdurchführungen
können
in einer gemeinsamen Prozesssequenz hergestellt werden, d. h. einer
Dual-Damaszener-Strategie, wodurch die Gesamtprozesseffizienz verbessert
wird. In anderen Fallen wird die kombinierte Höhe der Kontaktstruktur und
des Kontaktdurchführungsbereichs
der ersten Metallisierungsschicht im Vergleich zu konventionellen
Bauelementen des gleichen Technologiestandards auf Grund der reduzierten
Gesamtpermittivität, die
sich durch das dielektrische Material mit kleinem ε der ersten
Metallisierungsschicht ergibt, verringert, wodurch noch starker
zu einer größeren Prozessrobustheit
und zu einer Verringerung des Reihenwiderstands des leitenden Pfades
von den Schaltungselementen zu den Metallleitungen der ersten Metallisierungsschicht
beigetragen wird.
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In
einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten können Kontaktelemente,
die mit Gateelektroden in Verbindung stehen, weggelassen werden
und können
effizient durch entsprechende Kontaktdurchführungen der ersten Metallisierungsschicht ersetzt
werden, wodurch das Aspektverhältnis
von Kontaktelementen, die eine Verbindung zu aktiven Gebieten herstellen,
beispielsweise zu Drain- und Sourcegebieten von Transistorelementen,
noch weiter verringert werden. In noch anderen Aspekten wird Material
der Gateelektrodenstrutur durch ein metallenthaltendes Material
mit besserer Leitfähigkeit
ersetzt, bevor entsprechende Kontaktelemente hergestellt werden,
wodurch das Aspektverhältnis
der Kontaktelemente noch weiter verringert wird. in anderen Fällen wird
ein verspannungsinduzierendes dielektrisches Material mit hoher
Zuverlässigkeit
vorgesehen, unabhängig
von der anfänglich
definierten Oberflächentopographie,
während
gleichzeitig für
ein geringes Aspektverhältnis
von Kontaktelementen gesorgt wird.
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Mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden weitere anschauliche
Ausführungsformen nunmehr
detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200,
das einen ähnlichen
Aufbau wie das Halbleiterbauelement 100 besitzt, das in 1a gezeigt
ist. D. h., die Querschnittsansicht zeigt Bauteilbereiche, die in
Bezug auf eine Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 2a beabstandet
sind. Somit umfasst das Bauelement 200 ein Substrat 201,
auf dem eine Halbleiterschicht 203 ausgebildet ist, beispielsweise
in Form eines siliziumbasierten Materials oder in Form eines anderen
geeigneten Halbleitermaterials, das zur Herstellung von Schaltungselementen
darin und darauf geeignet ist, etwa von Transistoren, Kondensatoren und
dergleichen. Wie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist,
können
das Substrat 201 und die Halbleiterschicht 203 eine
Vollsubstratkonfiguration bilden, in der die Halbleiterschicht 203 einen
oberen Bereich des Substrats 201 repräsentiert, während in anderen Fallen eine
SOI-Konfiguration gebildet wird, indem eine vergrabene isolierende
Schicht (nicht gezeigt) vorgesehen wird, wobei auch eine Vollsubstratkonfiguration
und eine SOI-Konfiguration in unterschiedlichen Bauteilbereichen
in dem Bauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen
realisiert werden kann. In der Halbleiterschicht 203 grenzt
eine Isolationsstruktur 202 ein aktives Gebiet 204 ab,
in welchem ein geeignetes Dotierstoffprofil beispielsweise in Form
eines Drain- oder Sourcegebiets 253, gebildet ist. In der
gezeigten Fertigungsphase ist ferner ein Metallsilizidgebiet 255 vorgesehen,
wenn ein wesentlicher Anteil an Silizium in dem aktiven Gebiet 204 enthalten
ist. Beispielsweise repräsentiert
das aktive Gebiet 204 einen Teil eines Kanalgebiets und
eines Drain- oder Sourcegebiets eines Transistorelements. Des weiteren
umfasst das Bauelement 200 ein Schaltungselement 251,
das eine Gatelektrodenstruktur eines Transistors repräsentieren
kann, der auch als Transistor 250 bezeichnet wird, während in
anderen Fällen
die Leitung 251 eine Verbindungsleitung repräsentiert,
die zur Ver bindung entsprechender Schaltungselemente, etwa Transistoren,
und dergleichen innerhalb der gleichen Bauteilebene repräsentieren
kann. Wie gezeigt, besitzt die Leitung 251, die aus Polysilizium oder
einem anderen geeigneten leitenden Material aufgebaut ist, an Seitenwänden darauf
eine Abstandshalterstruktur 252. Wenn die Leitung aus einem
siliziumenthaltenden Material aufgebaut ist, kann auch ein Metallsilizidgebiet 255 darauf
ausgebildet sein. Es sollte beachtet werden, dass die Leitung 251 nicht
notwendigerweise ein leitendes Material in dieser Fertigungsphase
repräsentiert,
sondern durch ein leitendes Material teilweise vollständig in einer
späteren
Fertigungsphase ersetzt werden kann, wie dies nachfolgend detaillierter
beschrieben ist.
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Das
Halbleiterbauelement 200 umfasst ferner ein dielektrisches
Material 215, das aus gut etablierten konventionellen Dielektrika
aufgebaut sein kann, d. h. aus dielektrischen Materialien mit einer
relativen Permittivität
von ungefähr
3,5 bis 7,0, abhängig
von der Materialzusammensetzung. Beispielsweise weist das dielektrische
Material 215 eine erste Teilschicht in Form eines Siliziumnitridmaterials,
einer stickstoffenthaltenden Siliziumkarbidschicht und dergleichen
auf. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die erste
Teilschicht 215a als eine verspannungsinduzierende Schicht
vorgesehen, die eine kompressive Verspannung oder eine Zugverspannung
enthält,
abhängig
davon, ob die Ladungsträgerbeweglichkeit
in dem aktiven Gebiet 204 durch eine Zugverspannung oder
eine Druckverspannung gesteigert werden kann. Bekanntlich kann eine
gewisse Art an Verformung in einem kristallinen Halbleitermaterial
die Ladungsträgerbeweglichkeit
darin deutlich ändern.
Beispielsweise modifiziert in siliziumbasierten Halbleiterbauelementen
ein gewisser Betrag an Verformung die Ladungsträgerbeweglichkeit und damit
das Durchlassstromverhalten der jeweiligen Bauelemente. Es sollte
beachtet werden, dass die Unterschicht 215a unterschiedliche
Bereiche mit unterschiedlichen internen Verspannungen abhängig von
der Konfiguration jeweiliger Schaltungselemente, beispielsweise
Transistoren, aufweisen kann, wobei einige Transistoren eine hohe
kompressive Verspannung erfordern, während andere Transistoren eine
hohe Zugverspannung benötigen. Z.
B. können
Siliziumnitrid, stickstoffenthaltender Siliziumkarbid und dergleichen
mit hoher innerer kompressiver Verspannung mit einem internen Verspannungspegel
von 2 GPa oder höher
bereitgestellt werden. Andererseits kann Siliziumnitrid mit hoher
Zugverspannung im Bereich von 1 GPa und deutlicher höher abgeschieden
werden. Es sollte beachtet werden, dass abhängig von der Gesamtoberflächengeometrie
des Bauelements 200 die Dicke der Unterschicht 215 entsprechend
dem Spaltfüllvermögen des
betrachteten Abscheideprozesses ausgewählt ist, um damit ein Abscheideverhalten
zu erreichen, wie es für
das vollständige
Füllen
von Zwischenräumen
zwischen benachbarten Schaltungselementen, etwa den Leitungen 251 erforderlich
ist, die bei sehr geringen Abstand von einigen 100 nm und weniger
in dicht gepackten Bauteilbereichen angeordnet sind.
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Des
weiteren kann das dielektrische Material 215 eine oder
mehrere zusätzliche
Unterschichten 215b aufweisen, beispielsweise in Form von
Siliziumdioxid, für
das Abscheideverfahren mit gutem Spaltenfüllverhalten gemäß gut etablierter
Rezepte verfügbar
sind. In diesem Falle können
gut etablierte Techniken eingesetzt werden, um die Unterschichten 215a, 215b herzustellen,
wobei jedoch im Gegensatz zu konventionellen Strategien das Material 215 nicht mit
einer entsprechenden Dicke im Vergleich zu einem konventionellen
dielektrischen Zwischenschichtmaterial vorgesehen wird, sondern
dieses wird so abgeschieden, dass eine nachfolgend Einebnung der
Oberflächentopographie
beispielsweise auf der Grundlage der Schicht 215a möglich ist,
oder eine ebene Oberfläche
mit einer gewünschten
Höhe geschaffen
wird, die kleiner ist als die Höhe
der Leitung 251, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben
ist.
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Das
Halbleiterbauelement 200 wird auf der Grundlage der gleichen
Prozesstechniken hergestellt, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben
sind, mit der Ausnahme einer geringeren Gesamtdicke für die dielektrischen
Materialien 215, wobei auch geeignete Verspannungsbeschichtungstechniken
eingesetzt werden können,
wenn eine erhöhte
Verspannung in dem aktiven Gebiet 204 erwünscht ist.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer im Wesentlichen
eingeebneten Oberflächentopographie 215s,
die erreicht wird, indem ein geeigneter Einebnungsprozess, etwa
ein CMP-Prozess, ein geeigneter Ätzprozess
oder eine Kombination davon ausgeführt wird. Beispielsweise kann
ein selektives CMP-Rezept eingesetzt werden, wodurch das Material
der Unterschicht 215b mit erhöhter Abtragsrate im Vergleich
zum Material der Unterschicht 215 abgetragen wird, die
daher als eine effiziente CMP-Stoppschicht
dient. Z. B. sind entsprechende selektive CMP-Rezepte wie Siliziumdioxid und
Siliziumnitrid gut etabliert.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer Ätzmaske 205,
die auf der eingeebneten Oberfläche 215s auf
Grundlage gut etablierter Lithographieverfahren ge bildet ist. Es
sollte beachtet werden, dass die Ätzmaske 205 auf Grundlage
einiger einschränkender
Bedingungen gebildet werden kann, da der nachfolgende Strukturierungsprozess
lediglich durch eine deutlich geringere Schichtdicke zu ätzen hat,
die vergleichbar ist zur Höhe
der Leitung 251 und der Dicke der Unterschicht 215a,
während
in anderen anschaulichen Ausführungsformen
eine reduzierte Höhe
vor dem eigentlichen Strukturieren entsprechender Öffnungen
für Kontaktelemente
erzeugt wird, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Auf der Grundlage
der Ätzmaske 205 wird
ein anisotroper Ätzprozess 206 ausgeführt, wobei
z. B. gut etablierte Ätzrezepte
eingesetzt werden, wie sie auch für das Öffnen von siliziumnitridbasierten
Kontaktätzstoppschichten
eingesetzt werden, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben
ist, wobei ein erster Ätzschritt
angewendet wird, um durch den eingeebneten Bereich der zweiten Unterschicht 215b zu ätzen. In
anderen Fällen
wird eine im Wesentlichen nicht-selektive Ätzchemie eingesetzt, um gemeinsam
durch die Schichten 215b, 215a zu ätzen, wobei
die Metallsilizidgebiete oder Kontaktgebiete 255 als ein
effizienter Ätzstopp dienen.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 nach dem Ätzprozess 206 und
nach dem Entfernen der Ätzmaske 205.
Somit ist eine erste Kontaktöffnung 211a in
dem eingeebneten dielektrischen Material 215 gebildet,
so dass diese zu dem aktiven Gebiet 204 mittels des Metallsilizidgebiets 255 eine
Verbindung herstellt, das als ein Kontaktgebiet für das aktive
Gebiet 204 verstanden werden kann. Eine Tiefe 211d der Öffnung 211a ist
im Wesentlichen durch die Dicke des eingeebneten dielektrischen
Materials 215 definiert, d. h. für die gezeigte Ausführungsform
durch die Höhe
der Leitung 251 und ungefähr durch die Dicke der ersten
Unterschicht 215a. Andererseits ist eine Breite 211w,
d. h. eine laterale Abmessung der Öffnung 211a durch
Entwurfsregeln des betrachteten Technologiestandards definiert und
vergleichbar mit der Breite des Kontakts 111 in dem Bauelement 100,
wenn der gleiche Technologiestandard eingesetzt wird. Somit ist
ein Aspektverhältnis
der Öffnung 211a durch
das Verhältnis
der Tiefe 211d und der Breite 211w definiert und
ist deutlich kleiner im Vergleich zu dem Aspektverhältnis, das
durch das konventionelle Kontaktelement 111 definiert ist,
und kann somit fünf
oder weniger oder sogar drei oder weniger betragen, abhängig von
den Bauteilerfordernissen. In ähnlicher
Weise ist eine Kontaktöffnung 210 über einer
Leitung 251 ausgebildet und besitzt eine laterale Abmessung,
wie sie durch die Entwurfsregel erforderlich ist, wobei eine Tiefe
im Wesentlichen durch eine Dicke der Unterschicht 215a bestimmt
ist.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Wie gezeigt ist ein Kontaktelement 211 in
der Öffnung 211a ausgebildet
und ein entsprechendes Kontaktelement 210 ist in der Öffnung 210a gebildet.
Die Kontaktelemente können
eine Titannitridbeschichtung 212 gefolgt von einer Titanschicht 212 gefolgt
von einer Titanschicht 213 und einem wolframbasierten Füllmaterial 214 aufweisen.
Wie zuvor erläutert
ist, ist eine moderat komplexe Abscheidesequenz für das Bilden
der Schichten 212, 213 und das abschließende Füllen der
Struktur mit dem Wolframmaterial 214 erforderlich. Auf
Grund des deutlich geringeren Aspektverhältnisses der Öffnungen 211a, 210a können die
Barrierenmaterialien 212 und 213 mit geringerer
Dicke und/oder mit erhöhter
Zuverlässigkeit
vorgesehen werden, wodurch auch die Gesamtprozessrobustheit veressert
wird.
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2f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, d. h. nach dem Entfernen
von überschüssigem Material
der Schichten 212, 213 und dem Füllmaterial 214,
beispielsweise auf der Grundalge von CMP, und mit einer dielektrischen
Schicht 224, die auf einer optionalen Ätzstoppschicht 223 gebildet
ist. Die dielektrische Schicht 224 weist ein dielektrisches
Material mit kleinem ε auf,
d. h. Material mit einer relativen Permittivität von 3,0 oder weniger und
repräsentiert
das dielektrische Material der ersten Metallisierungsebene, die über der
Kontaktstruktur zu bilden ist, die aus dem dielektrischen Material 215 und
den Kontaktelementen 210, 211 aufgebaut ist. In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
ist die Dicke der dielektrischen Schicht 224 so einstellbar,
dass eine gewünschte
Tiefe entsprechender Metallleitungen erhalten wird und eine geringere
parasitäre
Kapazität
zwischen der Leitung 251 und Metallleitungen, die in dem
Material 224 zu bilden sind, erreicht wird. Auf Grund des
Einbaus eines dielektrischen Materials mit kleinem ε können Metallleitungen effektiv
näher an
der Leitung 251 positioniert werden, ohne dass zu einer
erhöhten
Kapazität
beigetragen wird oder wobei für
sogar eine geringere Kapazität
im Vergleich zu einem konventionellen Bauelement entsprechend der
gleichen Technologie gesorgt wird, während in anderen Fällen ein
im Wesentlichen identischer Abstand vorgesehen wird, indem in geeigneter
Weise die Dicke der Schicht 224 eingestellt wird, wodurch
die Kapazität
reduziert wird, wobei auch der Gesamtreihenwiderstand zwischen den
Schaltungselementen und jeweiligen Metallleitungen, die noch in
dem dielektrischen Material 224 herzustellen sind, verringert
wird. Das dielektrische Material 224 und die Ätzstoppschicht 223,
falls dies erforderlich ist, können
auf der Grundlage gut etablierter Rezepte hergestellt werden.
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2g zeigt
schematisch das Halbleitebauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. In dem gezeigten Stadium
ist die dielektrische Schicht 224 so strukturiert, dass
sie einen ersten Graben 221a, der über einer ersten Kontaktdurchführungsöffnung 221b ausgebildet
ist, enthält,
die wiederum eine Verbindung zu dem Kontaktelement 210 herstellt.
In ähnlicher
Weise ist ein zweiter Graben 222a um eine zweite Kontaktdurchführungsöffnung 222b herum
so ausgebildet, die mit dem Kontaktelement 211 in Verbindung
steht. Die Gräben
und Kontaktdurchführungsöffnungen
können in
dem dielektrischen Material 223 auf der Grundlage gut etablierter
Dual-Damaszener-Strategien hergestellt werden, d. h. zunächst werden
die Kontaktdurchführungsöffnungen 221b, 222b auf
Basis von Lithographie und anisotropen Ätzverfahren hergestellt und
danach werden die Gräben 221a, 222a strukturiert.
In anderen Fallen werden die Gräben 221a, 222a zuerst
gebildet und danach werden die Kontaktdurchführungsöffnungen 221b, 222b auf Grundlage
geeigneter Lithographie- und Ätztechniken
gebildet. In der gezeigten Ausführungsform
ist die Ätzstoppschicht
weggelassen, während
in anderen Fallen entsprechende Ätzprozesse
zum Strukturieren der Kontaktdurchführungsöffnungen 221b, 222 auf
Grundlage der Ätzstoppschicht 223 gesteuert
werden.
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2h zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie dargestellt, sind eine Metallleitung 221 und
eine Kontaktdurchführung 221v in
dem Graben bzw. der Kontaktdurchführungsöffnung 221a, 221b gebildet.
In ähnlicher
Weise ist eine Metallleitung 222 in Verbindung mit einer
Kontaktdurchführung 222v in
den Öffnungen 222a, 222b gebildet.
Die Metallleitungen und die Kontaktdurchführungen können ein leitendes Barrierenmaterial 205 aufweisen, beispielsweise
in Form von Tantal, Tantalnitrid, einer Kombination davon oder eine
Form anderer geeigneter Materialien. Ferner ist eine Deckschicht
oder Ätzstoppschicht 226,
die z. B. aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendem
Siliziumkarabid oder einer Kombination davon und dergleichen aufgebaut
ist, dass die Metallgebiete eingeschlossen sind und/oder diese als
eine Ätzstoppschicht
für die Herstellung
nachfolgender Metallisierungsschichten dient.
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Das
in 2h gezeigte Bauelement 200 kann durch
das Abscheiden der leitenden Barrierenschicht 200 gebildet
werden, die sich kontinuierlich entlang der Metallleitungen erstreckt
und sich auch in die Kontaktdurchführung erstreckt, da das Abscheiden
des Barrierenmaterials 205 in einer gemeinsamen Abscheidesequenz,
beispielsweise unter Anwendung von Sputter-Verfahren, ALD (Atomlagenabscheidung),
CVD, elektrochemische Abscheidung oder einer Kombination davon bewerkstelligt
werden kann. Danach wird das eigentliche Füllmaterial, etwa ein kupferbasiertes
Material, eingefüllt,
wobei während
der gemeinsamen Abscheidesequenz z. B. als ein stromloser Plattierungsprozess
und/oder ein Elektroplattierungsprozess die Kontaktdurchführungen
von unten nach oben gefüllt
werden, wobei auch die Gräben 221, 222 aufgefüllt werden.
Anschließend wird überschüssiges Material
entfernt, durch beispielsweise elektrochemisches Ätzen, CMP,
und dergleichen, und die Deckschicht 226 wird auf der Grundlage
gut etablierter Abscheideverfahren aufgebracht.
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Folglich
wir das in 2h gezeigte Halbleiterbauelement 200 auf
Grundlage zuverlässiger
und robuster Prozessverfahren auf Grund des geringeren Aspektverhältnisses
der Kontaktelemente 210, 211 hergestellt, wobei
dennoch ein geringerer Reihenwiderstand auf Grund des Vorsehens
der Kontaktdurchführungen 221v, 222v mit
einem Metall mit besserer Leitfähigkeit
gesorgt wird. Ferner wird für
einen gewünschten
Abstand 221d der Metallleitungen 221, 222 in
Bezug auf die Leitung 251, die Gateelektrodenstrukturen
entsprechender Transistorelemente repräsentieren kann, eine geringere
parasitäre
Kapazität
erreicht, da die Kontaktdurchführungen 221V, 222v,
die einen Teil konventioneller Kontaktelemente ersetzen, in einem
dielektrischen Material mit kleinem ε eingebettet sind. Somit kann
eine erhöhte
Prozessrobustheit zu einer verbesserten Produktionsausbeute führen, während der
geringere Widerstand und die reduzierte Kapazität zu einer Verbesserung in
der Arbeitsgeschwindigkeit führen.
Ferner wird in einigen Aspekten für eine vorgegebene parasitäre Kapazität der Abstand 221d im
Vergleich zu konventionellen Bauelementen ggf. auf Grund des Vorsehens
des dielektrischen Materials mit kleinem ε verringert. Dies kann erreicht
werden, indem die Höhe des
Kontaktelements 210, 211 und/oder die Höhe der Kontaktdurchführungen 221v, 222v reduziert
wird.
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Mit
Bezug zu den 3a bis 3j werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben,
in denen das Aspektverhältnis
der jeweiligen Kontaktelemente weiter reduziert werden kann und/oder
die Leitfähigkeit
der Leitungen, etwa von Gateelektroden, erhöht und/oder ein verbesserter
verspannungsinduzierender Mechanismus vorgesehen werden kann.
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3a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 300, das im Wesentlichen
den gleichen Aufbau wie das Bauelement 200 aufweist, was
in 2b gezeigt ist. Somit werden die ent sprechenden
Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen belegt, mit Ausnahme
der ersten Ziffer „3", die die erste Ziffer „2" ersetzt. Eine detailliertere
Beschreibung dieser Komponenten und den Prozessen zur Herstellung dieser
Komponenten wird hierbei weggelassen.
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Das
dielektrische Material 315, das die Unterschichten 315a, 315b aufweisen
kann, wurden einem entsprechenden Einebnungsprozess unterzogen,
der beim Freilegen der Unterschicht 315a angehalten wurde.
In anderen Fallen wurde ein Einebnungsprozess 330 ausgeführt, ohne
im Wesentlichen eine Selektivität
aufzuweisen und dieser kann fortgesetzt werden, um Material der
Schichten 315a, 315b abzutragen. Somit wird zumindest
nach dem Freilegen der Schicht 315a über der Leitung 351 der
Prozess 330 mit im Wesentlichen ohne Selektivität zwischen
den Schichten 315a, 315b fortgesetzt.
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3b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Beenden
des Prozesses 330, wodurch eine entsprechende im Wesentlichen
ebene Oberflächentopographie 315s erhalten
wird, die eine Oberfläche
der Leitung 351 freilegt, um damit im Wesentlichen das
Metallsilizidgebiet 355 in einigen Ausführungsformen (nicht gezeigt)
darin zu bewahren, während
in anderen anschaulichen Ausführungsformen
ein Teil der Leitung 351, der möglicherweise das gesamte Metallsilizidgebiet 355 enthält, entfernt
wird. Wie zuvor erläutert
ist, ist die Dicke der Unterschicht 315 nicht notwendigerweise
ausreichend, um einen Höhenpegel
zu erzeugen, der gleich oder größer als der
Höhenpegel
der Leitung 351 auf Grund der verbesserten Spaltfülleigenschaften
des entsprechenden Abscheideprozesses in dicht gepackten Bauteilgebieten
ist. Somit kann in der gezeigten Ausführungsform der Abtragungsprozess 330 fortgesetzt werden,
um die Oberfläche 315 ohne
Teile der Unterschicht 315 bereitzustellen, wodurch die
Prozessgleichmäßigkeit
während
der nachfolgenden Bearbeitung verbessert wird.
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3c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem ein hochschmelzendes Metall 331 beispielsweise
in Form von Nickel, Platin, und dergleichen mit einer geeigneten
Dicke vorgesehen ist, um einen erforderlichen Bereich der Leitung 351 in
ein sehr gut leitendes Metallsilizid umzuwandeln. Zu diesem Zweck
wird eine geeignete Wärmebehandlung 332 ausgeführt, beispielsweise
auf der Grundlage geeigneter Temperaturen, die nicht unerwünschterweise
andere Bauteilbereiche beeinflussen, etwa die Metallsilizidgebiete 355 in
dem aktiven Gebiet 304. Bei spielsweise kann Nickelsilizid
effizient bei Temperaturen von 400 Grad C und weniger gebildet werden,
was mit dem Metallsilizid 355 verträglich sein kann. Somit kann
eine Dicke des Metallsilizids in der Leitung 351 auf der
Grundlage einer besseren Leitfähigkeit
für die
Leitung ausgewählt
werden, ohne auf die Eindringtiefe des Mestallsilizids in flachen Drain- und Sourcegebieten,
etwa dem Gebiet 353 beschränkt zu sein. Damit ist die
Herstellung des Metallsilizids in der Leitung 351 oder
in anderen Gateelektrodenstrukturen von dem Vorgang zur Bildung
der Metallsilizidgebiete 355 in den Drain- oder Sourcegebieten 353 entkoppelt.
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3d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Umwandeln
von Metall in Metallsilizid und dem Entfernen von überschüssigem Material.
Somit ist ein Metallsilizidgebiet 333 mit einer gewünschten
Dicke bereitgestellt.
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3e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einer Phase
entsprechend der 3b, wobei, wenn die Herstellung
von Metallsilizid auf der Grundlage der Wärmebehandlung 332 als
ungeeignet erachtet wird, Material der Leitung 351 selektiv
während
eines selektiven Ätzprozesses 334 entfernt
wird. Zu diesem Zweck wird ein beliebiger geeigneter nasschemischer
oder plasmaunterstützter Ätzprozess
eingesetzt, in welchem das Material der Leitung 351 selektiv
in Bezug auf die Abstandshalter 352 und die Unterschicht 315a entfernt
wird, wobei diese Komponenten aus Siliziumnitrid und dergleichen
aufgebaut sein können.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird die Leitung 351 vollständig entfernt, möglicherweise
in Verbindung mit einer isolierten Schicht, die darunter ausgebildet ist
(nicht gezeigt), etwa einer Gateisolationsschicht, und es wird gut
leitendes metallenthaltendes Material bei Bedarf eingefüllt. Beispielsweise
können
Metallsilizide, wolframbasierte Materialien und dergleichen zum
Ersetzen von Material, das während
des Ätzprozesses 334 entfernt
wurde, wie dies durch die gestrichelte Linie angegeben ist, verwendet
werden.
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3f zeigt
schematisch zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 in
einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem eine Ätzmaske 305 für einen Ätzprozess 306 vorgesehen ist,
wobei der Ätzprozess 306 mit
weniger kritischen Rahmenbedingungen ausgeführt werden kann, da die Schicht 315a eine
geringere Dicke aufweist. Folglich kann eine entsprechende Öffnung,
die mit einem Kontaktgebiet des aktiven Gebiets 204 in
Verbindung steht, dem Metallsilizidgebiet 355 mit einer
höheren Zuverlässigkeit
auf Grund deutlich kleinerer Aspektverhältnisse gebildet werden, wie
dies ebenfalls zuvor erläutert
ist.
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3g zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem die Metallisierungsschicht 320 mit
den Metallleitungen 321a, 322a und den Kontaktdurchführungen 321V, 322V in
der Kontaktstruktur gebildet ist, die durch das Kontaktelement 311 mit
im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Kontaktelement 211 mit
Ausnahme eines noch geringeren Aspektverhältnisses, definiert ist. Ferner
kann die Kontaktdurchführung 321a direkt
mit dem metallenthaltenden Gebiet 333 in Verbindung stehen,
wobei das dielektrische Material 324 mit kleinem ε der Metallisierungsschicht 320 für die reduzierte
parasitäre
Kapazität
sorgt.
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3h zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
in denen die Schicht 315a mit hoher innerer Verspannung
vorgesehen ist, beispielsweise mit einer Zugverspannung über einem
n-Kanaltransistor und mit einer hohen kompressiven Verspannung über einem
p-Kanaltransistor. Es sollte beachtet werden, dass das zugverspannte
Material und das kompressiv verspannte Material geeignet über jeweiligen
Transistorelementen auf Grundlage entsprechender Abscheide- und
Strukturierungsschemata positioniert werden können. Wie zuvor erläutert ist,
ist eine ausgeprägte
Oberflächentopographie,
die durch dichtliegende Leitungen, etwa die Leitungen 351,
erzeugt wird, unter Umständen
nicht kompatibel mit dem Füllverhalten
von plasmaunterstützten
Abscheiderezepten zum Bereitstellen stark verspannter Siliziumnitridmaterialien.
Daher wird die Dicke der Schicht 315 entsprechend den Bedingungen
ausgewählt,
die durch die Abscheidetechnik vorgegeben sind, wodurch das Vorsehen
einer geringeren Menge des verspannten Materials erforderlich ist,
als die im Hinblick auf den Zuwachs an Transistorleistungsvermögen wünschenswert
wäre. In
diesem Falle wird eine ähnliche
Prozesstechnik, wie sie zuvor beschrieben ist, eingesetzt, d. h.,
ein entsprechender Teil der Leitung 351 kann während des
Prozesses 330 entfernt werden, wobei ein geeignetes Opfermaterial 315 bei
Bedarf mit einem besseren Spaltfüllverhalten
abgeschieden wird, um damit die Gesamtrobustheit des entsprechenden
Abtragungsprozesses 330 zu verbessern. Somit kann die im
Wesentlichen ebene Oberflächentopographie 315s erhalten
werden, selbst bei einer geringeren Dicke der Schicht 315a,
wodurch ein stark verspanntes Material benachbart zu der Leitung 351 angeordnet
wird. Nach der Einebnung wird ein geeignetes gut leitendes Material
in dem verbleibenden Bereich der Leitung 351 gebildet,
beispielsweise durch selektives Ätzen
und Abscheiden eines metallenthaltenden Materials, wie dies zuvor
erläutert
ist, oder durch Ausführen
eines entsprechenden Silizidierungsprozesses.
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3i zeigt
schematisch das Bauelement 300 nach dem Ende der oben beschriebenen
Prozesssequenz. Somit umfasst die Leitung 351 das gut leitende
Material 333 und besitzt eine deutlich geringere Höhe 351r,
so dass das stark verspannte Material der Schicht 351a lateral
benachbart zu der Leitung 351 angeordnet ist.
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3j zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium, in welchem ein weiteres stark verspanntes dielektrisches
Material, etwa in Form von Siliziumnitrid und dergleichen, abgeschieden
ist, wobei in diesem Falle durch Geometrie vorgegebene Bedingungen
auf Grund der im Wesentlichen ebenen Oberflächentopographie, die durch
die in 3i gezeigte Struktur geschaffen
wird, vermieden werden. Folglich kann eine gewünschte Menge an stark verspannten
Material abgeschieden werden, beispielsweise individuell für n-Kanaltransistoren
und p-Kanaltransistoren, ohne dass die Spaltfülleigenschaften des jeweiligen
Abscheideprozesses eine Einschränkung
bedeuten.
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Danach
wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, wie dies beispielsweise
in den 2c und 2d gezeigt
ist, um entsprechende Kontaktelemente mit reduziertem Aspektverhältnis zu
bilden, woran sich das Herstellen der Metallisierungsschicht anschließt, die
nun eine ähnliche
Konfiguration aufweist, wie dies in 2a gezeigt
ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Techniken zur Herstellung
einer Kontaktstruktur mit kleinem Aspektverhältnis bereit, indem Kontaktelemente
auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit einer reduzierten
Dicke gebildet werden, wodurch die Gesamtprozesszuverlässigkeit
für das Strukturieren
und das Füllen
der jeweiligen Kontaktöffnungen
verbessert wird. Danach wird die erste Metallisierungsschicht auf
der Grundlage einer Dual-Damaszener-Technik hergestellt, wodurch
Kontaktdurchführungsöffnungen
und Gräben
strukturiert werden, die nachfolgend in einer gemeinsamen Abscheidesequenz
gefüllt
werden, um damit eine bessere Gesamtprozesseffizienz zu erreichen.
Des weiteren wird die Gesamtprozessrobustheit verbessert, wobei
gleichzeitig das elektrische Leistungsverhalten der Kontaktstruktur
auf Grund des geringeren Reihenwiderstands und er geringeren parasitären Kapazität verbessert
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.