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

Inhaltsverzeichnis

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

3.4.1 Merkmale und Unterschiede

3.4.2 Prinzipieller Vergleich zu alternativen Airgap-Ansätzen

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

4.7.1 Konforme PECVD SiO2-Abscheidung

4.7.2 Anisotropes Rückätzen des SiO2-Spacers

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

5.2.1 Erprobung des Chemisch-Mechanischen Polierens (CMP) auf Airgap-Strukturen

5.2.2 Einfluss HF-basierenden Nassätzmedien auf leitfähige Diffusionsbarrieren sowie Kupfer

5.2.2.1 Resistenz und Dichtigkeit von leitfähigen Diffusionsbarrieren

5.2.2.2 Einfluss auf Kupfer(leitbahnen) und deren Wirkmechanismen

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

5.2.3 Modifikation HF-resistenter dielektrischer PECVD SiC:H - und SiCN:H -Schichten durch Trockenätz- (RIE) und Resiststripprozesse (PLE) und deren Bedeutung

5.2.4 Mechanisches Schichtspannungsverhalten von PECVD SiC:H Schichten bei Abscheidung auf PECVD SiO2

6 Charakterisierung

6.1 Die Finite-Element-Methode (FEM)

6.2 Elektrische Charakterisierung

6.2.1 Kapazitätsmessungen während des Opferschichtätzens

6.2.2 FEM -Simulation der Kammkapazitäten während des Opferschichtätzens

6.2.2.1 Problemstellung und Vorgehen

6.2.2.2 Fehlerabschätzung und Modellierungsumfang

6.2.2.3 Simuliertes Kapazitätsverhalten

6.2.3 FEM -Simulation der effektiven Dielektrizitätskonstante keff

6.2.3.1 Problemstellung und Vorgehen

6.2.3.2 Extraktion von keff für präparierte Airgap-Strukturen

6.2.3.3 Extraktion von keff für Geometrien der near-term- (65 nm bis 32 nm) und long-term-Chipgenerationen (22 nm)

6.2.4 Einfluss des nasschemischen Opferschichtätzens auf das Leckstromverhalten

6.2.5 Zusammenfassung der elektrischen Charakterisierung der Airgap Strukturen

6.3 Thermische Charakterisierung

6.3.1 FEM -Simulation der thermischen Belastung von Metallisierungssystemen

6.3.1.1 Modell eines Leitbahnsystems der 45 nm Technologie

6.3.1.2 Charakterisierung einer Zwei-Leiteranordnung hinsichtlich Temperaturverteilung und Wärmefluss in Abhängigkeit von der Dichte der Via-Besetzung

6.3.1.3 Thermische Charakterisierung der Grundelemente der Airgap-Ansätze Maske und Spacer

6.3.1.4 Thermische Charakterisierung des Spacer -Ansatzes hinsichtlich Leitbahnabstand

6.3.2 Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit von dielektrischen Schichten mithilfe der 3ω-Messmethode

6.3.2.1 Theorie der 3ω-Methode

6.3.2.2 Durchführung der 3ω-Messung

6.3.2.3 Probenpräparation der 3ω-Messung

6.3.2.4 Messaufbau der 3ω-Messung

6.3.2.5 Messung des Temperaturkoeffizienten α (TCR)

6.3.2.6 Messung der Spannungssignale U1ω und U3ω

6.3.2.7 Thermische Leitfähigkeit relevanter Schichten für Technologien zur Airgap-Erzeugung Maske und Spacer

6.3.3 Zusammenfassung der thermischen Charakterisierung

6.4 FEM -Simulation des mechanischen Verhaltens von Airgaps

6.4.1 Problemstellung und Vorgehen

6.4.2 Modellentwurf und Variationsumfang

6.4.3 Materialparameter

6.4.3.1 Mechanische Eigenschaften

6.4.3.2 Quantifizierung der Haftfestigkeit relevanter Schichtkombinationen

6.4.4 Ergebnisse

6.4.4.1 Symmetrische Leitbahnanordnung

6.4.4.2 Unsymmetrische Leitbahnanordnung

6.4.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen der mechanischen Simulationen

7 Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Evaluierung zweier neuartiger Technologien – Maske und Spacer – zur Erzeugung von Airgap-Strukturen in Mehrebenenmetallisierungen integrierter Schaltkreise, um das RC-Produkt durch Reduktion der parasitären Kapazitäten zu minimieren. Dabei wird untersucht, inwieweit diese Ansätze eine leistungsfähigere Alternative zur Integration herkömmlicher low-k Materialien bieten können.

• Technologieentwicklung für Maske- und Spacer-Ansätze
• Elektrische, mechanische und thermische Charakterisierung
• Einfluss nasschemischer Ätzmedien auf Integrationsaspekte
• FEM-Simulation zur Optimierung und Verifikation

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Beschreibt die historische Entwicklung der Mikroelektronik, die Notwendigkeit der Skalierung und die Herausforderungen bei der Reduktion von parasitären Kapazitäten in modernen Metallisierungssystemen.

2 Leitbahnsysteme der Mikroelektronik: Analysiert das RC-Produkt, low-k Materialien sowie die theoretischen Grundlagen und den Entwicklungsstand von Airgap-Strukturen.

3 Entwickelte technologische Konzepte zur Erzeugung von Airgaps: Stellt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Maske- und Spacer-Konzepte vor und diskutiert deren Merkmale im Vergleich zu alternativen Ansätzen.

4 Technologische Einzelprozesse zur Herstellung der Airgaps: Dokumentiert die notwendigen Prozessschritte wie PECVD-Abscheidung, Lithografie, Ätzen und Metallisierung sowie deren Optimierung.

5 Präparation vollständiger Airgaps: Beschreibt die experimentelle Umsetzung der entwickelten Technologien und untersucht spezifische Integrationsaspekte wie den Einfluss nasschemischer Medien.

6 Charakterisierung: Behandelt die umfassende elektrische, thermische und mechanische Charakterisierung der Airgap-Strukturen mittels Messungen und FEM-Simulationen.

7 Zusammenfassung und Ausblick: Führt die wesentlichen Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Anforderungen und Forschungsbedarfe.

Schlüsselwörter

Airgap, low-k, Metallisierung, Mikroelektronik, RC-Produkt, Opferschicht, PECVD, Spacer-Technologie, Masken-Technologie, Signalverzögerung, FEM-Simulation, thermische Leitfähigkeit, Kupfer, Nassätzen, Integrationsfähigkeit

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit untersucht neue technologische Ansätze, sogenannte Airgap-Strukturen, um die Signalverzögerung in modernen, hochintegrierten Leitbahnsystemen durch die Reduktion parasitärer Kapazitäten zu verringern.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die zentralen Themen sind die Entwicklung der Masken- und Spacer-Technologien, die Materialintegration von low-k Dielektrika sowie die umfassende elektrische, mechanische und thermische Charakterisierung dieser neuen Strukturen.

Was ist das primäre Ziel der Arbeit?

Das primäre Ziel ist die Evaluierung der technologischen Machbarkeit von Airgap-Strukturen als Alternative zu konventionellen low-k Materialintegrationsschemen bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit und Leistung der Schaltkreise.

Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?

Neben experimentellen Präparationsmethoden im Reinraum (z.B. Ätzprozesse, CMP) werden primär Finite-Element-Methoden (FEM) zur Simulation und Verifikation sowie diverse Messverfahren wie die 3ω-Methode zur thermischen Analyse eingesetzt.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die technologische Prozessbeschreibung der entwickelten Airgap-Konzepte, die experimentelle Präparation sowie die detaillierte Charakterisierung der elektrischen Kapazitäten, thermischen Belastungen und mechanischen Spannungen.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Airgap, Kupfer-Damascene-Technologie, low-k Materialien, Signalverzögerung, FEM-Simulation und Schichtspannungsverhalten definieren.

Welcher Vorteil bietet der Spacer-Ansatz gegenüber der Masken-Technologie?

Der Spacer-Ansatz ermöglicht durch einen selbstjustierenden Mechanismus die Erzeugung von Hohlräumen weit unterhalb der lithografischen Machbarkeitsgrenze, was ihn besonders für hochdichte Leitbahnebenen attraktiv macht.

Wie werden die elektrischen Auswirkungen des Ätzvorgangs beurteilt?

Die Arbeit zeigt, dass während der Opferschichtätzung eine deutliche Reduktion der Kapazität erreicht wird, wobei jedoch nasschemische Prozesse sorgfältig abgestimmt werden müssen, um Leckströme zu minimieren.

Welche Rolle spielt die mechanische Stabilität?

Mechanische Stabilität ist ein kritischer Faktor; die Untersuchungen mittels FEM zeigen, dass bei den gewählten Parametern und Architekturen die auftretenden Spannungen unterhalb der kritischen Grenzwerte für Delaminationen liegen.