Beiträge zur Technologieentwicklung für die Erzeugung von Airgap-Strukturen in Metallisierungssystemen in integrierten Schaltkreisen

Doctoral Thesis / Dissertation , 2008 , 283 Pages , Grade: 2

Electrotechnology

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung und Evaluierung zweier neuartiger Technologien (Maske und Spacer) zur Erzeugung von Airgap-Strukturen in Mehrebenenmetallisierungen integrierter Schaltkreise. Ausgangspunkt der Arbeit bildet die Aufarbeitung der Thematik 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, Skalierbarkeit, 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 werden ausgewählte Integrationsaspekte untersucht. Den Schwerpunkt bildet dabei der Einfluss von Fluorwasserstoffsäure auf elektrisch leitfähige und dielektrische Diffusionsbarrieren, Kupfer sowie deren Verbund. Es werden Möglichkeiten gezeigt, unerwünschte Wechselwirkungen 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 mechanischen Verhaltens für variierte Geometrien und Materialeigenschaften. Es werden FEM Simulationen genutzt, um Messwerte zu verifizieren, Extrapolationen bei variierten Eingabedaten durchzuführen oder nicht messbare Größen zu extrahieren.

Inhaltsverzeichnis

• Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Symbole
• 1 Einleitung
• 2 Leitbahnsysteme der Mikroelektronik
  • 2.1 Das RC -Produkt
  • 2.2 Low-k, Ultra low-k (ULK) und Extreme low-k (ELK) Materialien
    • 2.2.1 Definition
    • 2.2.2 Ansätze
      • 2.2.2.1 Reduktion der dielektrischen Polarisierbarkeit
      • 2.2.2.2 Reduktion der Dichte
    • 2.2.3 Verfügbare Materialien der Klassifizierung low-k und ULK
    • 2.2.4 Integrationsfähigkeit
  • 2.3 Airgap-Strukturen
    • 2.3.1 Ansätze und Entwicklungsstand von Airgap-Technologien
      • 2.3.1.1 Erzeugung durch Schichtabscheidung
      • 2.3.1.2 Erzeugung durch Entfernen eines Opfermaterials
• 3 Entwickelte technologische Konzepte zur Erzeugung von Airgaps
  • 3.1 Ausgangspunkt und Ziele
  • 3.2 Airgap mittels Maske-Technologie
  • 3.3 Airgap mittels Spacer -Technologie
  • 3.4 Diskussion der Airgap-Ansätze Maske und Spacer
• 4 Technologische Einzelprozesse zur Herstellung der Airgaps
  • 4.1 PECVD-Abscheidung dielektrischer Schichten
  • 4.2 Lithografie und Lackentfernung (PLE)
  • 4.3 Plasmachemisches Ätzen (RIE)
  • 4.4 Metallisierung
    • 4.4.1 Barriereabscheidung
    • 4.4.2 Kupferabscheidung
  • 4.5 Chemisch-Mechanisches Polieren (CMP)
  • 4.6 Nasschemisches Ätzen von SiO2-Schichten
  • 4.7 Prozessoptimierung
• 5 Präparation vollständiger Airgaps
  • 5.1 Technologische Prozessabfolge
    • 5.1.1 Airgap mittels Spacer - Technologie
    • 5.1.2 Airgap mittels Maske - Technologie
  • 5.2 Integrationsaspekte
• 6 Charakterisierung
  • 6.1 Die Finite-Element-Methode (FEM)
  • 6.2 Elektrische Charakterisierung
  • 6.3 Thermische Charakterisierung
  • 6.4 FEM-Simulation des mechanischen Verhaltens von Airgaps

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Evaluierung zweier neuartiger Technologien zur Erzeugung von Airgap-Strukturen in Metallisierungssystemen integrierter Schaltkreise. Die Hauptziele sind die konventionelle Prozessierung, die Skalierbarkeit der Technologien, der Einsatz in dichtest gepackten Ebenen und die selektive Airgap-Erzeugung.

• Entwicklung von Airgap-Technologien
• Elektrische Charakterisierung der Airgap-Strukturen
• Thermische Modellierung und Simulation von Leitbahnsystemen
• Mechanische Simulation des Verhaltens der Airgap-Strukturen
• Bewertung der Integrationsfähigkeit der entwickelten Technologien

Zusammenfassung der Kapitel

Kapitel 2 beschreibt Leitbahnsysteme, das RC-Produkt und low-k Materialien, einschließlich der Airgap-Ansätze. Kapitel 3 stellt die entwickelten Konzepte "Maske" und "Spacer" vor. Kapitel 4 erläutert die Einzelprozesse (PECVD, Lithografie, Ätzen, Metallisierung, CMP). Kapitel 5 dokumentiert die Präparation der Airgaps und Integrationsaspekte (CMP, Wechselwirkungen mit HF). Kapitel 6 beschreibt die Charakterisierung (elektrische Kapazität, Leckstrom, thermisches Verhalten, mechanische Simulationen).

Schlüsselwörter

Air Gap, Low-k, Opfermaterial, PECVD, SiC:H, Fluorwasserstoffsäure, Spacer, FEM-Simulation, Technologie, Metallisierung, Damascene, Halbleitertechnologie, Signalverzögerung, keff , hybride Integration, Verdrahtung, Leitbahnsystem.

• College: Technical University of Chemnitz
• Grade: 2
• Author: Dr.-Ing. Knut Schulze (Author)
• Publication Year: 2008
• Pages: 283
• Catalog Number: V123920
• ISBN (eBook): 9783640294381
• ISBN (Book): 9783640294527
• Language: German
• Tags: Beiträge, Technologieentwicklung, Erzeugung, Airgap-Strukturen, Metallisierungssystemen, Schaltkreisen