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Nassreinigung und k-restore von low-k- und ultra low-k-Dielektrika

Low-k- und ultra low-k-Dielektrika werden derzeit und auch zukünftig im Rahmen des Interconnectsystems genutzt, um aufgrund der Verringerung der Strukturgrößen die Signallaufzeit zu senken. Der Austausch von leicht polarisierbaren Si-O-Bindungen durch Si-C-Bindungen, die Ausbildung von lockeren Netzstrukturen und die Erzeugung von Porosität führen zu den niedrigen Dielektrizitätszahlen dieser Materialien. Die geringe mechanische Festigkeit und die Schädigung der Dielektrika durch die Verwendung von Plasmaprozessen zur Strukturierung sowie die Entfernung von Photoresist-Resten und Ätzrückständen stellen die größten Herausforderungen bei der Integration dieser Materialien in die Kupfer-Damascene-Technologie dar.

 

Forschung

Beseitigung von Rückständen des Plasmaätzens durch Nassreinigung – Oberflächenenergien und Benetzungsverhalten von Feststoffen und Flüssigkeiten

Die low-k-Dielektrika werden durch CF-haltige Gase in einem Plasmaprozess strukturiert. Um einen anisotropen Ätzprozess zu erreichen, werden Polymere zum Schutz der Seitenwände während des Ätzens abgeschieden. Um die Adhäsion der folgenden Schichten und hohe Kontaktwiderstände zu vermeiden sowie die dielektrischen geometrischen Abmessungen beizubehalten, müssen diese Rückstände entfernt werden. Übliche Prozesse zur Entfernung von Rückständen beinhalten eine Plasmareinigung in Kombination mit einer Nassreinigung oder einem einzelnen Nass-Arbeitsschritt. Die Benetzung des Beschichtungsuntergrundes ist neben der Kompatibilität einer Lösung für die Nassreinigung zur Cu/low-k-Technologie essentiell für einen einwandfreien Reinigungsprozess. Die Oberflächenenergien/-spannungen von Flüssigkeiten und Feststoffen sind der Schlüssel zur Benetzung. Die Messung dieser Parameter kann dazu beitragen eine geeignete Lösung für die Reinigung spezifischer Oberflächen zu finden und zu entwickeln.

Wiederherstellung des k-Wertes (k-restore) plasmageschädigter low-k-Dielektrika

Plasmaschädigungen im low-k-Material wie zum Beispiel Kohlenstofferverarmung aufgrund des Aufbrechens von Si-C-Bindungen, Hydrophylisierung der low-k-Oberfläche und Verdichtung des Oberflächenmaterials führen zu steigenden k-Werten und Leckströmen. Zudem ist neben der Entwicklung von weniger schädigenden Plasmaprozessen zur Strukturierung, zum Entfernen des Photoresistents und zur Reinigung von low-k-Materialien die Regenerierung des k-Wertes durch einen Wiederherstellungsprozess ein bedeutender Forschungsgegenstand. Auf der Oberfläche der beschädigten low-k-Dielektrika können Silanole gebildet werden, die zu einer Feuchteadsorption führen. Jene Silanole können entfernt und durch Trimethylesiloxan-Gruppen mit Hilfe einer Silylierungsreaktion mittels Chemikalien wie beispielsweise HMDS oder OMCTS in der Gas- oder Flüssigphase ersetzt werden. Dieser Wiederherstellungsprozess kann mit einem Aushärtungsprozess verbunden werden, z. B. thermisch oder UV gestützt, was die k-Regenerierung fördert.

 

Analytische Verfahren

Kompatibilität der Cleaning-Lösungen zu Cu/low-k:

  • Spektralellipsometrie: Brechungsfaktor, Schichtdicke, Homogenität
  • Hg-Probe (CV Messung): k-Wert, Streuströme, Durchbruchsspannung
  • FTIR: strukturelle/chemnische Analyse
  • Nanoindentation: mechanische Eigenschaften (Härte, Young'sches Modul, Fließspannung)

Ermittlung des Benetzungsverhaltens von Reinigungsflüssigkeiten und festen Oberflächen:

  • Kontaktwinkelmessung und Pendant-Drop-Method: Bestimmung von Oberflächenenergien fester und flüssiger Stoffe (dispersiv, polar und Gesamtwert)
  • Prüfung des Benetzungsverhaltens von Flüssigkeiten (Reiniger und anderer Lösungen von Interesse) auf festen Oberflächen