Beiträge zur Technologieentwicklung für die

Erzeugung von Airgap - Strukturen

in Metallisierungssystemen

in integrierten Schaltkreisen

von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

der Technischen Universität Chemnitz

genehmigte

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

(Dr.-Ing.)

vorgelegt

von:

Dipl.-Ing. Knut Schulze

geboren am 27. Oktober 1976 in Schlema

eingereicht am 15. Januar 2008

Gutachter:

Prof. Dr. Dr. Prof. h.c. mult. Thomas Geßner

Prof. Dr.-Ing. Wolfram Dötzel

Dr. rer. nat. Heinrich Körner

Tag der Verteidigung: 6. Mai 2008

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Bibliografische Beschreibung

Schulze, Knut

Beiträge zur Technologieentwicklung für die Erzeugung von Airgap - Strukturen in Metal-

lisierungssystemen in integrierten Schaltkreisen

Chemnitz, Technische Universität

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Dissertation A

S.: 270

Abb.: 174

Tab.: 35

Lit.: 231

Anl.: 7

Referat

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung und Evaluierung zweier neuartiger Technologien

(Maske und Spacer) zur Erzeugung von Airgap-Strukturen in Mehrebenenmetallisierun-

gen integrierter Schaltkreise. Ausgangspunkt der Arbeit bildet die Aufarbeitung der The-

matik der low-k Materialien sowie der aus der Literatur bekannten Airgap-Ansätze. Es

werden die beiden entwickelten Konzepte zur Airgap-Erzeugung prinzipiell beschrieben

und hinsichtlich der definierten Zielstellungen (konventionelle Prozessierung, Skalierbar-

keit, selektiver Eintrag) sowie vergleichend zu alternativen Airgap-Ansätzen diskutiert. Im

Fortgang werden Präparationen beider Technologien vorgestellt und deren Machbarkeit

nachgewiesen. Die Erprobung und Optimierung einzelner Prozesse werden dokumentiert.

Anhand der funktionsbedingten Anforderungen an Materialien und Grenzflächen wer-

den ausgewählte Integrationsaspekte untersucht. Den Schwerpunkt bildet dabei der Ein-

fluss von Fluorwasserstoffsäure auf elektrisch leitfähige und dielektrische Diffusionsbarrie-

ren, Kupfer sowie deren Verbund. Es werden Möglichkeiten gezeigt, unerwünschte Wech-

selwirkungen zu minimieren und die Zuverlässigkeit der defektfreien Airgap-Erzeugung

zu steigern. Die Arbeit beinhaltet zudem die Charakterisierung von Airgap-Strukturen

entsprechend beider Ansätze hinsichtlich ihres elektrischen, thermischen und mechani-

schen Verhaltens für variierte Geometrien und Materialeigenschaften. Es werden FEM -

Simulationen genutzt, um Messwerte zu verifizieren, Extrapolationen bei variierten Ein-

gabedaten durchzuführen oder nicht messbare Größen zu extrahieren.

AIR GAP, AIRGAP, LOW-K, OPFERSCHICHT, BUFFERED HF, GEPUFFERTE HF,

FLUSSSÄURE, SPACER, FEM-SIMULATION, TECHNOLOGIE, METALLISIERUNG,

DAMASCENE, HALBLEITERTECHNOLOGIE, SIGNALVERZÖGERUNG, keff, HY-

BRIDE INTEGRATION, VERDRAHTUNG, LEITBAHNSYSTEM

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Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Symbole

VII

1 Einleitung

1

2 Leitbahnsysteme der Mikroelektronik

7

2.1 Das RC -Produkt .

7

2.2 Low-k, Ultra low-k (ULK ) und Extreme low-k (ELK ) Materialien 12

2.2.1

Definition 12

2.2.2

Ansätze 13

2.2.2.1

Reduktion der dielektrischen Polarisierbarkeit 13

2.2.2.2

Reduktion der Dichte 16

2.2.3

Verfügbare Materialien der Klassifizierung low-k und ULK 19

2.2.4

Integrationsfähigkeit 21

2.3 Airgap-Strukturen 29

2.3.1

Ansätze und Entwicklungsstand von Airgap-Technologien 29

2.3.1.1

Erzeugung durch Schichtabscheidung 31

2.3.1.2

Erzeugung durch Entfernen eines Opfermaterials 36

3 Entwickelte technologische Konzepte zur Erzeugung von Airgaps

43

3.1 Ausgangspunkt und Ziele 43

3.2 Airgap mittels Maske-Technologie 44

3.3 Airgap mittels Spacer-Technologie 46

3.4 Diskussion der Airgap-Ansätze Maske und Spacer 48

3.4.1

Merkmale und Unterschiede 48

3.4.2

Prinzipieller Vergleich zu alternativen Airgap-Ansätzen 50

4 Technologische Einzelprozesse zur Herstellung der Airgaps

53

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II

INHALTSVERZEICHNIS

4.1 PECVD-Abscheidung dielektrischer Schichten 53

4.2 Lithografie und Lackentfernung (PLE ) 54

4.3 Plasmachemisches Ätzen (RIE) 57

4.4 Metallisierung 57

4.4.1

Barriereabscheidung 57

4.4.2

Kupferabscheidung 60

4.5 Chemisch-Mechanisches Polieren (CMP) 62

4.6 Nasschemisches Ätzen von SiO2-Schichten 63

4.7 Prozessoptimierung 64

4.7.1

Konforme PECVD SiO2-Abscheidung 64

4.7.2

Anisotropes Rückätzen des SiO2-Spacers 65

5 Präparation vollständiger Airgaps

71

5.1 Technologische Prozessabfolge 71

5.1.1

Airgap mittels Spacer - Technologie 71

5.1.2

Airgap mittels Maske - Technologie 77

5.2 Integrationsaspekte 80

5.2.1

Erprobung des Chemisch-Mechanischen Polierens (CMP) auf Air-

gap-Strukturen 80

5.2.2

Einfluss HF -basierenden Nassätzmedien auf leitfähige Diffusions-

barrieren sowie Kupfer 82

5.2.2.1

Resistenz und Dichtigkeit von leitfähigen Diffusionsbarrieren 83

5.2.2.2

Einfluss auf Kupfer(leitbahnen) und deren Wirkmechanis-

men 87

5.2.2.3

Optimierung der Grenzflächen Cu/SiC:H und Cu/SiCN:H 90

5.2.3

Modifikation HF -resistenter dielektrischer PECVD SiC:H - und SiCN:H -

Schichten durch Trockenätz- (RIE ) und Resiststripprozesse (PLE )

und deren Bedeutung 94

5.2.4

Mechanisches Schichtspannungsverhalten von PECVD SiC:H Schich-

ten bei Abscheidung auf PECVD SiO2 99

6 Charakterisierung

103

6.1 Die Finite-Element-Methode (FEM ) 104

6.2 Elektrische Charakterisierung 105

6.2.1

Kapazitätsmessungen während des Opferschichtätzens 105

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INHALTSVERZEICHNIS

III

6.2.2

FEM -Simulation der Kammkapazitäten während des Opferschichtät-

zens 113

6.2.2.1

Problemstellung und Vorgehen 113

6.2.2.2

Fehlerabschätzung und Modellierungsumfang 114

6.2.2.3

Simuliertes Kapazitätsverhalten 118

6.2.3

FEM -Simulation der effektiven Dielektrizitätskonstante keff 121

6.2.3.1

Problemstellung und Vorgehen 121

6.2.3.2

Extraktion von keff für präparierte Airgap-Strukturen . . 123

6.2.3.3

Extraktion von keff für Geometrien der near-term- (65 nm

bis 32 nm) und long-term-Chipgenerationen (22 nm) . . . 124

6.2.4

Einfluss des nasschemischen Opferschichtätzens auf das Leckstrom-

verhalten 134

6.2.5

Zusammenfassung der elektrischen Charakterisierung der Airgap-

Strukturen 136

6.3 Thermische Charakterisierung 138

6.3.1

FEM -Simulation der thermischen Belastung von Metallisierungs-

systemen 141

6.3.1.1

Modell eines Leitbahnsystems der 45 nm Technologie . . . 141

6.3.1.2

Charakterisierung einer Zwei-Leiteranordnung hinsichtlich

Temperaturverteilung und Wärmefluss in Abhängigkeit von

der Dichte der Via-Besetzung 150

6.3.1.3

Thermische Charakterisierung der Grundelemente der Air-

gap-Ansätze Maske und Spacer 151

6.3.1.4

Thermische Charakterisierung des Spacer-Ansatzes hin-

sichtlich Leitbahnabstand 155

6.3.2

Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit von dielektrischen Schich-

ten mithilfe der 3-Messmethode 157

6.3.2.1

Theorie der 3-Methode 157

6.3.2.2

Durchführung der 3-Messung 159

6.3.2.3

Probenpräparation der 3-Messung 159

6.3.2.4

Messaufbau der 3-Messung 161

6.3.2.5

Messung des Temperaturkoeffizienten (TCR) 161

6.3.2.6

Messung der Spannungssignale U1 und U3 162

6.3.2.7

Thermische Leitfähigkeit relevanter Schichten für Techno-

logien zur Airgap-Erzeugung Maske und Spacer 163

6.3.3

Zusammenfassung der thermischen Charakterisierung 164

---

IV

INHALTSVERZEICHNIS

6.4 FEM -Simulation des mechanischen Verhaltens von Airgaps 165

6.4.1

Problemstellung und Vorgehen 165

6.4.2

Modellentwurf und Variationsumfang 166

6.4.3

Materialparameter 168

6.4.3.1

Mechanische Eigenschaften 168

6.4.3.2

Quantifizierung der Haftfestigkeit relevanter Schichtkom-

binationen 169

6.4.4

Ergebnisse 171

6.4.4.1

Symmetrische Leitbahnanordnung 171

6.4.4.2

Unsymmetrische Leitbahnanordnung 177

6.4.5

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen der mechanischen Simu-

lationen 178

7 Zusammenfassung und Ausblick

179

Literaturverzeichnis

184

Abbildungsverzeichnis

205

Tabellenverzeichnis

221

A Herstellung von Metallisierungssystemen

225

A.1 Subtraktive und Damascene-Architektur 225

A.2 Single- und Dual-Damascene-Technologie 227

A.3 Varianten der Dual-Damascene-Technologie 228

B Ätzrate von PECVD SiO2 in HF -haltiger Nasschemie bei variierter Kon-

zentration und Temperatur

231

C Analyse von Kupferschichten durch Electron-Back-Scatter-Diffraction

(EBSD)

233

D Präparation mehrlagiger Airgap-Strukturen

237

E Schichtspannungsverhalten der Materialien PECVD SiO2 und SiC:H

bei thermischer Beanspruchung bis 400

239

F 4-Point-Bending Test (4PB)

243

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INHALTSVERZEICHNIS

V

G XPS -Konzentrationsprofile der 4-Point-Bending-Proben

245

G.1 Aufgabenstellung 245

G.2 Probenbeschreibung 245

G.3 Untersuchungsverfahren 246

G.4 Ergebnisse 246

G.5 XPS -Oberflächenanalyse 246

G.6 XPS -Tiefenprofilanalyse 247

Thesen

249

Danksagung

255

Lebenslauf

257

Veröffentlichungen

258

Sachregister

261

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VI

INHALTSVERZEICHNIS

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