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Dokumentenidentifikation DE69633150T2 18.08.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000725440
Titel Siliziumcarbid-Metall-Diffusionsbarriere-Schicht
Anmelder Dow Corning Corp., Midland, Mich., US
Erfinder Loboda, Mark Jon, Midland, Michigan, US;
Michael, Keith Winton, Midland, Michigan, US
Vertreter Sternagel, Fleischer, Godemeyer & Partner, Patentanwälte, 51429 Bergisch Gladbach
DE-Aktenzeichen 69633150
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.01.1996
EP-Aktenzeichen 963005228
EP-Offenlegungsdatum 07.08.1996
EP date of grant 18.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.08.2005
IPC-Hauptklasse H01L 23/532

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von amorphen Siliciumcarbid (a-SiC)-Schichten als Diffusionssperren in mehrschichtigen integrierten Schaltungen und Metallverdrahtungsbaugruppengestaltungen. Die Funktion des a-SiC ist es, die Wanderung von Metallatomen zwischen benachbarten Leitern zu unterbinden, die die gegenseitigen Verbindungen der Elemente in dem elektrischen Schaltkreis bilden. Die Zuverlässigkeit, die einem Schaltkreis durch die a-SiC-Diffusionssperre gegeben wird, gestattet die Verwendung von Leitern geringen Widerstandes und beständiger Materialien geringer Dielektrizität als Isoliermedien zwischen den Leitern. Die Kombination der Leiter geringen Widerstandes, der a-SiC-Diffusionssperre und der beständigen Isolierung geringer Dielektrizität minimiert ebenfalls die elektrische Impedanz des Schaltkreises. Dies gestattet es, dass die Schaltung effizient von niedrigen bis zu hohen Frequenzen arbeitet.

Chiang und andere diskutieren in "Studie über eine dielektrische Sperre für eine Kupfermetallisierung" (VMIC-Konferenz, 7.–8. Juni, 1994) die Diffusion von Kupfer in Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid und Siliciumoxiddielektrika. Dieses Dokument lehrt, dass Siliciumnitrid und Siliciumoxynitrid sehr viel bessere Sperren gegen die Metallwanderung sind als Siliciumoxide. Das Dokument diskutiert jedoch nicht die Verwendung von Siliciumcarbid als Sperre.

US-A-5,103,285 lehrt in ähnlicher Weise die Verwendung von Siliciumcarbid als Sperrschicht zwischen einem Siliciumsubstrat und einer Metallverdrahtungsschicht. Das Patent lehrt jedoch nicht die Verwendung von Siliciumcarbid als Diffusionssperrschicht zwischen einer Metallverdrahtung und benachbarten dielektrischen Schichten.

Wir haben nun unerwartet herausgefunden, dass Siliciumcarbid eine ausgezeichnete Sperrschicht bildet, die die Diffusion von Metallleitern mit niedrigem Widerstand in dielektrische Schichten vermeidet.

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte integrierte Schaltung mit größerer Arbeitsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit als denen, die man bei zuvor vorgeschlagenen Schaltungen findet, vorzusehen. Die erfindungsgemäße Schaltung enthält eine Baugruppe von Halbleiterbauelementen, die in dem Substrat gebildet sind, zusammengesetzt aus einem Halbleitermaterial. Die Elemente innerhalb der Baugruppe sind durch Metallverdrahtung miteinander verbunden, ausgebildet aus hochleitenden Metallen geringen Widerstandes. Eine Diffusionssperrschicht aus amorphem Siliciumcarbid ist zumindest auf der Metallverdrahtung ausgebildet. Eine dielektrische Schicht wird dann über der Siliciumcarbidschicht ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der unerwarteten Entdeckung, dass amorphes Siliciumcarbid die Wanderung von Metallatomen zwischen benachbarten Elementverbindungen in einer elektrischen Schaltung unterbindet. Dieser Fortschritt der Technik gibt IC-Herstellern (1) die Möglichkeit, Metalle hoher Leitfähigkeit und geringen Widerstandes (z. B. Kupfer, Silber, Gold, Legierungen und Supraleiter) als Materialien für eine gegenseitige Verbindung zu verwenden; und (2) die Möglichkeit, Materialien mit sehr geringer Dielektrizitätskonstante als Isolierschichten zwischen der Metallverdrahtung zu verwenden. Ohne die Anwesenheit des a-SiC leidet die Kombination von Metallen hoher Leitfähigkeit und Isolierschichten mit geringer Dielektrizitätskonstante an Problemen mit der Zuverlässigkeit, wie beispielsweise einer Metallwanderung und Korrosion.

Eine Vielzahl von integrierten Schaltungsbaugruppen und eine Vielzahl von Verfahren zum Herstellen von diesen, die selbst bekannt sind, können gemäß unserer Erfindung verwendet werden. Schaltungen, die ein Halbleitersubstrat enthalten (z. B. Silicium, Galliumarsenid etc.) mit einer darauf gewachsenen Epitaxieschicht sind für solche Schaltungen beispielhaft. Die Epitaxieschicht ist geeignet dotiert, um die PN-Verbindungsbereiche zu bilden, die die aktiven Halbleiterbauelementbereiche der Schaltung bilden. Diese aktiven Bauelementbereiche sind Dioden und Transistoren, die die integrierte Schaltung bilden, wenn sie geeignet durch Metallverdrahtungsschichten untereinander verbunden sind.

Es wird nun auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, bei der 1 ein Querschnitt eines Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

1 zeigt eine Schaltungsbaugruppe (1) mit Bauelementbereichen (2) und einer Dünnfilmmetallverdrahtung (3), die die Bauelemente untereinander verbindet.

Die Metallverdrahtungsschichten auf herkömmlichen integrierten Schaltungsbaugruppen sind im Allgemeinen Aluminiumdünnfilme. Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung können diese Dünnfilme aus Metallen hoher Leitfähigkeit anstelle von Aluminium hergestellt werden. Wie hierin verwendet, sind Metalle hoher Leitfähigkeit solche mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von unter 2,5 Microohmzentimetern bei 20°C. Diese enthalten Kupfer, Silber, Gold, Legierungen und Supraleiter.

Verfahren zum Abscheiden solcher Metallschichten hoher Leitfähigkeit sind im Stand der Technik bekannt. Das spezielle verwendete Verfahren ist nicht entscheidend. Beispiele solcher Verfahren enthalten verschiedene physikalische Dampfphasenabscheidungsverfahren (PVD), wie beispielsweise das Sputtern und die Elektronenstrahlverdampfung.

Gemäß der Erfindung wird eine Siliciumcarbidschicht über der Metallverdrahtungsschicht aufgetragen. Im Wesentlichen wird dies durch Beschichten der gesamten oberen Ffläche der Schaltungsbaugruppe erreicht, die natürlich die Metallverdrahtung enthält. Dies ist als Beschichtung 4 in 1 gezeigt. Alternativ kann jedoch das Siliciumcarbid wahlweise auf die Verdrahtung alleine durch beispielsweise Maskieren aufgetragen werden oder die gesamte Oberfläche kann beschichtet und dann diejenigen Bereiche, wo das Siliciumcarbid nicht gewünscht wird, weggeätzt werden.

Verschiedene Verfahren zum Auftragen von Siliciumcarbidschichten sind im Stand der Technik bekannt. Beispiele anwendbarer Verfahren enthalten eine Auswahl von chemischen Dampfphasenabscheidungsverfahren, wie beispielsweise das herkömmliche CVD, die photochemische Dampfphasenabscheidung, plasmaunterstützte chemische Dampfphasenabscheidung (PECVD), Elektroncyclotronresonanz (ECR), die Dampfstrahlabscheidung und eine Auswahl von physikalischen Dampfphasenabscheidungsverfahren, wie beispielsweise das Sputtern oder Elektronenstrahlverdampfen. Diese Verfahren bringen entweder das Zuführen von Energie (in Form von Wärme, Plasma etc.) zu einer verdampften Materie, um die gewünschte Reaktion auszulösen, oder das Fokussieren von Energie auf ein festes Stoffmuster mit sich, um dessen Abscheiden hervorzurufen.

Bei der herkömmlichen chemischen Dampfphasenabscheidung wird die Beschichtung durch Schicken eines Stromes der gewünschten Vorstufengase über ein erwärmtes Substrat abgeschieden. Wenn die Vorstufengase die heiße Oberfläche berühren, reagieren beide und scheiden die Beschichtung ab. Substrattemperaturen im Bereich von 100 bis 1000°C sind ausreichend, um diese Beschichtungen in mehreren Minuten bis mehreren Stunden auszubilden, in Abhängigkeit von den Prekursoren und der gewünschten Beschichtungsdicke. Sofern gewünscht, können reaktive Metalle in einem solchen Verfahren verwendet werden, um die Abscheidung zu erleichtern.

Beim PECVD werden die gewünschten Vorstufengase dadurch reagiert, dass sie durch ein Plasmafeld geschickt werden. Die dabei gebildeten reaktiven Medien werden dann auf das Substrat fokussiert, wo sie sofort anhaften. Im Allgemeinen liegt der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber CVD darin, dass niedrigere Substrattemperaturen verwendet werden können. Beispielsweise sind Substrattemperaturen von 50°C bis 600°C zweckmäßig.

Das in solchen Verfahren verwendete Plasma enthält Energie, die aus einer Vielzahl von Quellen gewonnen wird, wie beispielsweise elektrischen Entladungen, elektromagnetischen Feldern im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, Lasern oder Partikelstrahlen. Die Verwendung der Hochfrequenz-(10 kHz bis 102 MHz) oder von Mikrowellen-(0,1 bis 10 GHz) Energie bei gemäßigten Leistungsdichten (0,1 bis 5 Watt pro cm2) wird im Wesentlichen in den meisten Plasmaabscheidungsverfahren bevorzugt. Die spezielle Frequenz, Leistung und Druck sind jedoch im Allgemeinen auf die verwendeten Vorstufengase und Ausrüstung individuell abgestimmt.

Beispiele von für die Verwendung in diesen Verfahren geeigneten Vorstufengasen enthalten (1) Mischungen von einem oder mehreren Silanen und/oder einem oder mehreren Halosilanen, z. B. Trichlorsilan, mit einem oder mehreren Alkanen mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, z. B. Methan, Ethan oder Propan; (2) ein Alkylsilan, wie beispielsweise Methylsilan, Dimethylsilan oder Trimethylsilan; oder (3) ein Silacyclobutan oder Disilacyclobutan, wie in US-A-5,011,706 beschrieben.

Die plasmaunterstützte chemische Dampfphasenabscheidung von Trimethylsilan wird beispielsweise für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bevorzugt.

Nachdem das Siliciumcarbid abgeschieden wurde, wird eine dielektrische Schicht über der Siliciumcarbidschicht aufgetragen. Dies ist in 1 als dielektrische Zwischenschicht (5) gezeigt. Die spezielle dielektrische Schicht und das Verfahren zu deren Abscheidung sind nicht entscheidend für die Erfindung. Durch Verwendung unseres Verfahrens jedoch kann man Schichten mit geringer Dielektrizitätskonstante (DK) verwenden. Wie hierin verwendet, sind Schichten mit geringer Dielektrizitätskonstante solche mit einer DK von weniger als 3,5.

Beispiele von geeigneten dielektrischen Materialien enthalten Siliciumoxide, Siliciumnitride, Siliciumoxynitride, Siliciumcarbide, Siliciumoxycarbide, Siliciumcarbonitride und organische Stoffe, wie beispielsweise Silicone, Polyimide, Epoxyzusammensetzungen oder thermoplastische Polymerfilme basierend auf Paraxylylen (PARYLENETM – siehe auch die Definition von "Parylen" in The Condensed Chemical Dictionary, 8. Auflage, Van Nostrand Reinhold Company, New York, Seite 660). Natürlich können mehr als eine Schicht dieser Dielektrika verwendet werden.

Die Verfahren zum Auftragen dieser Beschichtungen sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt. Sie enthalten Aufschleuderverfahren, herkömmliches CVD, photochemische Dampfphasenabscheidung, plasmaunterstützte chemische Dampfphasenabscheidung (PECUD), Elektroncyclotronresonanz (ECR), Dampfstrahlabscheidung und eine Vielzahl physikalischer Dampfphasenabscheidungsverfahren, wie beispielsweise das Sputtern und die Elektronenstrahlverdampfung.

Das bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung enthält das Auftragen eines Hydridosiloxanharzes mit Struktureinheiten HSi(OH)x(OR)yOz/2, worin jedes R unabhängig voneinander eine organische Gruppe ist, die, wenn sie an das Silicium durch das Sauerstoffatom gebunden ist, einen hydrolysierbaren Substituenten bildet, x = 0–2, y = 0–2, z = 0–3 und x + y + z = 3. Diese Harze können entweder vollständig kondensiert (x = 0, y = 0, z = 3) oder nur teilweise hydrolysiert (y ist nicht gleich 0 über alle Polymereinheiten) und/oder teilweise kondensiert (x ist nicht gleich 0 über alle Polymereinheiten hinweg) sein. Obgleich durch diese Struktur nicht wiedergegeben, können verschiedene Einheiten dieser Harze entweder keine oder mehr als eine Si-H-Verbindung in Folge verschiedener Faktoren aufweisen, die bei deren Bildung und Handhabung involviert sind.

Beispiele dieser Harze sind solche, die durch die Verfahren nach US-A-3,615,272, US-A-5,010,159, US-A-4,999,397 und US-A-5,063,267 gebildet werden. Diese Harze werden durch ein Aufschleuderverfahren, gefolgt von Erwärmen, um sie in eine Keramik umzuwandeln, aufgebracht.

Sofern für ein Mehrschichtbauelement gewünscht, kann man eine andere Metallverdrahtungsschicht auf der dielektrischen Schicht bilden und dann die Schichten durch Ätzen durch die dielektrischen und Siliciumcarbidschichten hindurch untereinander verbinden. 1 zeigt solch eine zweite Metallverdrahtungsschicht (7), die mit ausgewählten Bereichen der ersten Verdrahtungsschicht durch gegenseitige Verbindungen (6) verbunden ist. Noch einmal jedoch sollte eine Siliciumcarbidschicht (8) zwischen dem Dielektrikum und dem Metall abgeschieden werden, sofern die Verdrahtung aus einem Material hoher Leitfähigkeit besteht, um eine Diffusion des Metalls in das Dielektrikum zu vermeiden. Diese Siliciumcarbidschicht kann wie oben beschrieben ausgebildet werden. In einer solchen Art und Weise wird die Metallverdrahtung zwischen Siliciumcarbidschichten schichtweise angeordnet. Dieser Vorgang kann häufig wiederholt werden für die verschiedenen Metallisationsschichten innerhalb einer Schaltung. 1 zeigt beispielsweise eine zweite dielektrische Schicht (9) und eine dritte Verdrahtungsschicht (10), geschützt durch eine dritte Siliciumcarbidschicht (11).

Es soll angemerkt werden, dass Siliciumcarbid mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten (z. B. DK kleiner 5) ebenfalls die dielektrische Schicht ersetzen kann (i. e. Schichten 5 und 9 in 1). In dieser Ausführungsform würde man eher eine Siliciumcarbidschicht über einer Metallverdrahtungsschicht, wie oben beschrieben, ausbilden und dann eine andere Metallschicht auf der Siliciumcarbidschicht ausbilden.

Es soll ebenfalls angemerkt werden, dass dieses Verfahren auf Leiterplatten angewendet werden kann, auf denen die oben beschriebenen Schaltungen befestigt werden. Die Strukturen der Metallverdrahtung und dielektrischen Schichten auf diesen Leiterplatten wären dieselben wie die, die oben beschrieben sind.


Anspruch[de]
  1. Integrierte Schaltung enthaltend:

    A) eine Schaltungsbaugruppe enthaltend ein Halbleitersubstrat mit Halbleiterbauelementbereichen und, abgeschieden auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, eine Metallverdrahtung, die die Halbleiterbauelementbereiche untereinander verbindet, wobei die Metallverdrahtung einen spezifischen Widerstand von weniger als 2,5 Microohmzentimetern aufweist;

    B) eine amorphe Siliciumcarbidschicht, die zumindest die Metallverdrahtung bedeckt; und

    C) eine dielektrische Schicht, die zumindest die Siliciumcarbidschicht bedeckt.
  2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei der das amorphe Siliciumcarbid die Metallverdrahtung bedeckt und die Oberfläche der Schaltungsbaugruppe die Bauelementbereiche enthält.
  3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die dielektrische Schicht ausgewählt ist aus Siliciumoxiden, Siliciumnitriden, Siliciumoxynitriden, Siliciumcarbiden, Siliciumoxycarbiden, Siliciumcarbonitriden und organischen Stoffen.
  4. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die dielektrische Schicht eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 3,5 aufweist.
  5. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die dielektrische Schicht ein Siliciumoxid ist.
  6. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Metallverdrahtung eine Dünnfilmmetallverdrahtung ist.
  7. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Metallverdrahtung ausgewählt ist aus Kupfer, Silber, Gold, Legierungen und Supraleitern.
  8. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter enthaltend eine zweite amorphe Siliciumcarbidschicht, die die dielektrische Schicht bedeckt.
  9. Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, weiter enthaltend eine zweite Metallverdrahtungsschicht, die auf der zweiten Schicht aus Siliciumcarbid gebildet ist, wobei die zweite Metallverdrahtungsschicht elektrisch mit der ersten Metallverdrahtungsschicht verbunden ist.
  10. Leiterplatte enthaltend:

    A) eine Leiterplattenbaugruppe, die darauf eine Metallverdrahtung mit einem spezifischen Widerstand unter 2,5 Microohmzentimetern enthält;

    B) eine amorphe Siliciumcarbidschicht, die die Metallverdrahtung bedeckt; und

    C) eine dielektrische Schicht, die die Siliciumcarbidschicht bedeckt.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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