DE4329260A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Verdrahtung in einem HalbleiterbauelementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement, insbesondere
in einem Kontaktlöcher aufweisenden Halbleiterbauelement, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Der Verdrahtungsvorgang wird als wichtigster Punkt der Herstel
lungstechnologie von Halbleiterbauelementen angesehen, weil er
die Leistungsfähigkeit (z. B. die Betriebsgeschwindigkeit), die
Ausbeute und die Zuverlässigkeit der Bauelemente bestimmt. Die
Stufenbedeckung des Metalls stellte in weniger dicht gepackten,
konventionellen Halbleiterbauelementen wegen den diesen Bauele
menten mit größeren Strukturabmessungen inhärenten Eigenschaf
ten, z. B. Kontaktlöcher mit geringem Seitenverhältnis (Tiefe/
Breite-Verhältnis) und flachen Stufen, keine ernsthafte Schwie
rigkeit dar.
In den letzten Jahren wurden jedoch mit wachsender Integra
tionsdichte der Halbleiterbauelemente die Kontaktlöcher be
trächtlich schmäler (mit Durchmessern von weniger als einem
halben Mikrometer), während die im Oberflächenbereich des Halb
leitersubstrats gebildeten störstellendotierten Gebiete viel
flacher wurden. Aufgrund des daraus resultierenden größeren
Seitenverhältnisses der Kontaktlöcher und der größeren Stufen
ist es für diese gegenwärtigen Halbleiterbauelemente größerer
Packungsdichte notwendig geworden, den üblichen Aluminium-Me
tallisierungsprozeß zu verbessern, um die standardgemäßen Ent
wurfsziele einer hohen Betriebsgeschwindigkeit, einer hohen
Ausbeute und einer guten Zuverlässigkeit des Halbleiterbauele
ments zu erreichen. Mit der konventionellen Vorgehensweise ist
es außerdem schwierig, Kontaktlöcher mit Durchmessern von weni
ger als 1 µm zu füllen, wobei die Gefahr der Bildung von Hohl
räumen in den Kontaktlöchern des Halbleiterbauelements besteht.
Im Bemühen, die unzureichende Stufenbedeckung durch Aluminium
zu überwinden, sind Verfahren zur Füllung der Kontaktlöcher
durch Schmelzen des Aluminiums z. B. in der JP 62-132848 (A),
der JP 63-99545 (A) und der JP 62-109341 (A) offenbart. Zudem
ist ein Verfahren in der US-Patentschrift 4 907 176 angegeben,
in dem eine erste Metallschicht bei geringer Temperatur gebil
det und zur Erzeugung einer zweiten Metallschicht ein weiteres
Metall darauf abgeschieden wird, während die Temperatur erhöht
wird, um die Stufenbedeckung zu verbessern.
Darüber hinaus hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein
Verfahren entwickelt, das einen Schritt zur Abscheidung von
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bei niedriger Tempera
tur zur Bildung einer Metallschicht und einen Schritt zur Wär
mebehandlung der Metallschicht im Vakuum bei einer hohen Tempe
ratur (unterhalb des Schmelzpunkts) beinhaltet, um die Metall
schichtpartikel fließfähig zu machen, siehe DE 40 28 776 A1.
Anfangs wurde bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen
reines Aluminium zur Bildung der metallischen Verdrahtungs
schicht verwendet, aber aufgrund der Temperaturerhöhung in
einem nachfolgenden Sinterschritt absorbiert die Aluminium
schicht Siliziumatome aus dem Siliziumsubstrat, weshalb das
konventionelle Verfahren zur Bildung von Sperrschichtkurz
schlüssen neigt. Aus diesem Grund ist es gängig, Al-1%Si, d. h.
mit Silizium übersättigtes Aluminium, als Material für die me
tallische Verdrahtungsschicht zu verwenden.
Wenn jedoch eine Metallverdrahtung in einem Halbleiterbauele
ment unter Benutzung des obigen Al-1%Si-Materials erzeugt wird,
wird während der Wärmebehandlung des Halbleiterwafers bei einer
Temperatur von größer als ungefähr 450°C in einem nachfolgenden
Sinterschritt Si aus dem Al-Film unter Bildung einer Si-Ablage
rung zwischen dem Al-Film und seinen benachbarten Schichten
ausgeschieden und wächst festkörperepitaktisch unter Bildung
eines Si-Klümpchens in den Kontaktlöchern, was den Widerstand
der Verdrahtungsschicht oder deren Kontaktwiderstand erhöhen
kann.
Um die Bildung von Al-Spitzen aufgrund der oben beschriebenen
Reaktion zwischen der metallischen Verdrahtungsschicht und dem
Siliziumsubstrat oder die Erzeugung von Si-Ausscheidungen und
Si-Klümpchen zu unterbinden, ist die Erzeugung einer Diffusions
barrierenschicht zwischen der Verdrahtungsschicht und dem Sili
ziumsubstrat oder einer Isolationsschicht vorgeschlagen worden.
Zum Beispiel wird in der US-Patentschrift 4 897 709 (Yokohama
et al.) ein Verfahren zur Erzeugung eines Titannitrid (TiN)-
Films als Diffusionsbarrierenschicht an der Innenseite des Kon
taktlochs offenbart. Außerdem ist aus der JP 61-183942 (A) ein
Verfahren bekannt, bei dem eine aus einer hochschmelzenden Me
tallschicht und einer Titannitridschicht bestehende Doppel
schicht als Barrierenschicht gebildet und anschließend wärmebe
handelt wird. Die Titannitridschicht reagiert mit dem Halblei
tersubstrat im unteren Teil des mit dem Halbleitersubstrat ver
bindenden Kontaktlochs, um auf diese Weise eine Silizidschicht
aus einem hochschmelzenden Metall zu erzeugen, die aus thermisch
stabilen Komponenten besteht, wodurch der Barriereneffekt ver
stärkt und der Kontaktwiderstand verringert werden kann.
Die Erzeugung der oben erwähnten Diffusionsbarrierenschicht ist
angesichts der Tatsache, daß Halbleiterbauelemente auf Struk
turdimensionen kleiner als 1 µm herunterskaliert wurden, ziem
lich unumgänglich. Diese Diffusionsbarrierenschicht wird im
allgemeinen zur Verbesserung der Diffusionsbarriereneigenschaft
wärmebehandelt. Dieser Vorgang der Wärmebehandlung der Diffu
sionsbarrierenschicht wird üblicherweise durch Tempern der
Diffusionsbarrierenschicht in einer Stickstoffatmosphäre durch
geführt. Solange die Diffusionsbarrierenschicht nicht getempert
ist, kann unerwünschterweise während des Sputterns von Al oder
einer Al-Legierung bei einer Temperatur von wenigstens 450°C
oder während eines nachfolgenden Sinterns dieses Materials der
Sperrschichtkurzschlußeffekt auftreten.
Anhand der Fig. 7 bis 10 wird ein Beispiel zur Bildung einer
Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement unter Verwendung
einer konventionellen Diffusionsbarrierenschicht erläutert.
Fig. 7 veranschaulicht einen Schritt zur Durchführung einer
Ionenimplantation in das Halbleitersubstrat. Im einzelnen wird
nach der Bildung einer Feldoxidschicht (3) auf dem Halbleiter
substrat (1) zur Unterteilung des Halbleitersubstrats (1) in
zwei Bereiche, d. h. einen aktiven Bereich und einen Isolations
bereich, eine Kontaktstellenoxidschicht (5) in einer Dicke von
ungefähr 30 nm durch thermische Oxidation gebildet. Anschließend
wird As in einer Dosis von 5×1015 Atomen/cm2 zur Bildung eines
n⁺-störstellendotierten Bereichs sowie BF2 in einer Dosis von
5×1015 Molekülen/cm2 zur Bildung eines p⁺-störstellendotierten
Bereiches implantiert.
Fig. 8 veranschaulicht einen Oxidationsschritt. Nach dem
Schritt von Fig. 7 wird bei 950°C in einer trockenen O2-Atmos
phäre eine Oxidation durchgeführt. Dabei werden die in Fig. 7
gezeigten, eindotierten Störstellen erstmals aktiviert,
um die n⁺ - und p⁺-dotierten Gebiete (7 und 8) zu erzeugen.
Fig. 9 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung von Kontakt
löchern. Hierzu wird eine isolierende Zwischenschicht (9) auf
die gesamte Oberfläche der erhaltenen Struktur aufgebracht und
anschließend bei 950°C in einer N2-Atmosphäre für 240 Minuten
getempert, so daß sie planarisiert wird. Dabei werden die ein
dotierten Störstellen ein zweites Mal aktiviert. Danach werden
die Kontaktlöcher (10) durch die isolierende Zwischenschicht
(9) hindurch mittels eines üblichen Fotolithographieprozesses
erzeugt.
Fig. 10 veranschaulicht Schritte zur Bildung einer Diffusions
barrierenschicht und einer darüberliegenden metallischen Ver
drahtungsschicht. Hierzu werden nach dem Schritt von Fig. 9
Titan und Titannitrid ganz flächig auf der resultierenden Struk
tur abgeschieden, um die aus einer Titanschicht (11) und einer
Titannitridschicht (13) zusammengesetzte Diffusionsbarrieren
schicht zu erzeugen. Anschließend wird der Wafer in einer
Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 450°C getempert.
Auf der Diffusionsbarrierenschicht wird dann eine Al-Si-Cu-Le
gierung zur Bildung einer Metallschicht abgeschieden, die durch
einen fotolithographischen Prozeß strukturiert wird, um eine
Verdrahtungsschicht (15) für ein Halbleiterbauelement bereitzu
stellen. Die Verdrahtungsschicht (15) wird 30 Minuten lang bei
400°C gesintert.
Wenn die metallische Verdrahtungsschicht nach der oben erläu
terten konventionellen Vorgehensweise auf der Diffusionsbarrie
renschicht gebildet wird, weisen das Titan und das Titannitrid
bezüglich eines Kontaktlochs mit großem Seitenverhältnis (z. B.
größer als 1,2) eine unzureichende Stufenbedeckung auf und wer
den zudem leicht während des Tempervorgangs im Ofen oxidiert,
wodurch ein höherer Kontaktwiderstand entsteht. Dieser Effekt
wird insbesondere für Kontaktlöcher mit Ausdehnungen im Submi
krometerbereich noch bedeutsamer.
Zur Überwindung der obigen Schwierigkeiten (beispielsweise, um
den Kontaktwiderstand im p⁺-Kontaktgebiet zu reduzieren) wurde
von Yoshikawa et al. ein Verfahren vorgeschlagen, das die Er
zeugung der Kontaktlöcher, eine BF2-Ionenimplantation in das
Substrat mit einer Dosis von 1×1015Molekülen/cm2 und dann eine
Aktivierung der p⁺-Störstellen durch eine Kurzzeittemperung
(RTA) für 10 sec oder länger bei einer Temperatur von 800°C
oder höher beinhaltet, um den Kontaktwiderstand im p+-Kontakt
gebiet herabzusetzen (siehe Semiconductor World, November 1989,
S. 36 bis 38). Diese Vorgehensweise ist jedoch unbefriedigend,
da ein zusätzlicher, zweischrittiger Prozeß (Ionenimplantation
und Aktivierung) anzufügen ist, was den Metallverdrahtungsvor
gang aufwendiger macht, so daß sich der Durchsatz an Halblei
terbauelementen verringern kann.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung einer Verdrahtung in einem
Halbleiterbauelement zugrunde, welches, insbesondere für Kon
taktlöcher mit hohem Seitenverhältnis, zu einem geringen Kon
taktwiderstand zwischen dem unter der Diffusionsbarrieren
schicht gelegenen Halbleitersubstrat und der auf der Dif
fusionsbarrierenschicht liegenden Metallverdrahtungsschicht
führt.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Nach dem Aufbringen der Diffusions
barrierenschicht findet hierbei eine Wärmebehandlung für eine
vorbestimmte Zeitdauer in einem Vakuum statt. An diese Wärme
behandlung kann sich der oben erwähnte, übliche Temperprozeß
ggf. anschließen, bevor dann die Metallverdrahtungsschicht auf
gebracht wird. Es stellt sich heraus, daß der Kontaktwiderstand
für die Metallverdrahtungsschicht gegenüber den bekannten Ver
fahren, die den Wärmebehandlungsschritt unter Vakuumbedingungen
nicht enthalten, beträchtlich reduziert ist. Dies verbessert
auch die Gleichmäßigkeit der Kontaktwiderstandswerte für die
verschiedenen, über den Halbleiterwafer verteilt angeordneten
Kontaktlöcher, woraus sich eine höhere Betriebsgeschwindigkeit
des Halbleiterbauelements ergibt.
Günstige Bereiche der Parameter für den Wärmebehandlungsschritt
sind im Anspruch 2 angegeben. Bevorzugt ist hierbei eine Wärme
behandlung zwischen 5 Minuten und 1 Stunde bei 550°C oder zwi
schen 2 Minuten und 5 Minuten bei 625°C.
In den übrigen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Wei
terbildungen der Erfindung angegeben.
Nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren sowie das
zu deren besserem Verständnis oben erläuterte Verfahren sind in
den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement, das
mit einer nach einem ersten erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Verdrahtung versehen
wird,
Fig. 3 bis 6 Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement, das
mit einer nach einem zweiten erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Verdrahtung versehen
wird und
Fig. 7 bis 10 Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement, das
mit einer nach einem konventionellen Verfahren
hergestellten Verdrahtung versehen wird.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden nachfolgend
im einzelnen beschrieben.
Das erste erfindungsgemäße Beispiel eines Verfahrens zur Er
zeugung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird
anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Fig. 1 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung von Kontakt
löchern und einer Diffusionsbarrierenschicht. Hierfür wird
zunächst nach der Bildung einer Feldoxidschicht (33) auf dem
Halbleitersubstrat (31) zur Festlegung eines aktiven Bereiches
und eines Isolationsbereiches eine thermische Oxidschicht (35)
in einer Dicke von ungefähr 50 nm durch thermische Oxidation
erzeugt. Als nächstes erfolgt eine Ionenimplantation in übli
cher Vorgehensweise, um n⁺- und p⁺-Störstellen zu implantieren.
Danach wird die resultierende Struktur ganz flächig getempert,
um die ionenimplantierten Störstellen zu aktivieren, so daß
sich die n⁺- und p⁺-störstellendotierten Gebiete (37 und 37′)
bilden.
Anschließend wird unter Verwendung von Borphosphorglas (BPSG)
eine isolierende Zwischenschicht (39) ganz flächig auf die re
sultierende Struktur in einer Dicke von ungefähr 1050 nm aufge
bracht und dann auf der isolierenden Zwischenschicht (39) ein
(nicht gezeigtes) Fotolackmuster zur Erzeugung der Kontaktlö
cher gebildet. Die resultierende Struktur wird in eine Tiefe
von ungefähr 300 nm durch Naßätzen unter Verwendung eines ge
pufferten Oxidätzmittels (BOE) geätzt, wonach die isolierende
Zwischenschicht (39) sowie die thermische Oxidschicht (35)
mittels reaktivem Ionenätzen (RIE) geätzt werden, bis das Halb
leitersubstrat (31) freiliegt, um vier Kontaktlöcher (41) mit
jeweiligen Maßen (Breite/Länge) von 0,45 µm/0,55 µm, 0,5 µm/0,6 µm,
0,6 µm/0,7 µm und 1,0 µm/1,0 µm zu erzeugen. Nach dem Ablösen des
Fotolackmusters wird dann eine entstandene natürliche Oxid
schicht unter Verwendung von heißer Schwefelsäure und verdünn
ter Flußsäure (HF) entfernt.
Anschließend wird ganzflächig auf die resultierende Struktur,
d. h. auf der Innenseite der Kontaktlöcher (41), dem freiliegen
den Oberflächenteil des Halbleitersubstrats (31) und der iso
lierenden Zwischenschicht (39), eine aus Titan bestehende
Diffusionsbarrierenschicht (43) in einer Dicke von ungefähr
30 nm durch einen konventionelles Sputterverfahren aufgebracht.
Fig. 2 veranschaulicht einen Schritt zur Wärmebehandlung der
Diffusionsbarrierenschicht und zum Aufbringen einer Metall
schicht. Hierzu wird, nachdem der in Fig. 1 erhaltene Halb
leiterwafer einer Atmosphärenumgebung ausgesetzt wurde, der
Halbleiterwafer in einer Vakuumkammer gehalten, deren Druck auf
10-7 Torr eingestellt ist, während ein Inertgas, z. B. Ar mit
einem Druck von 4 mTorr in die Kammer gepumpt wird. Der Halb
leiterwafer wird danach für ungefähr 5 Minuten bei einer Tempe
ratur von 550°C wärmebehandelt.
Als nächstes wird eine Al-Si-Cu-Legierung ganz flächig auf der
resultierenden Struktur abgeschieden, um auf der Diffusions
barrierenschicht (43) eine Metallschicht (45) zu bilden, aus
der dann mittels eines konventionellen Prozesses eine Metall
verdrahtungsschicht für das Halbleiterbauelement gewonnen wird.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen hergestellten Ver
drahtungsschichten wurden gemessen, die Resultate hiervor sind
in Tabelle 1 gezeigt. Der Widerstandswert wurde dabei zwischen
zwei Endpunkten einer Kontaktkettenstruktur gemessen. Die Kon
taktkette beinhaltet Metallverbindungsleitungen, das störstel
lendotierte Gebiet des Halbleitersubstrats und ohmsche Kontak
te. In allen erfindungsgemäßen Beispielen wurde zur Messung des
Kontaktlochwiderstands eine Kontaktkettenstruktur verwendet, in
der 1200 Kontaktlöcher seriell angeordnet sind.
Für dieses Beispiel der Herstellung einer Verdrahtung in einem
Halbleiterbauelement wird das Vorgehen nach Beispiel 1 wieder
holt, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung für eine Zeit
dauer von 15 Minuten durchgeführt wird.
Die Kontaktlochwiderstände einer solchermaßen erzielten Ver
drahtung wurden wiederum gemessen, und die Resultate hiervon
sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.
Für dieses Beispiel der Herstellung einer Verdrahtung in einem
Halbleiterbauelement wird die Vorgehensweise nach Beispiel 1
wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung für eine
Zeitdauer von 30 Minuten durchgeführt wird.
Die Kontaktlochwiderstände einer solchermaßen erhaltenen Ver
drahtung wurden wiederum gemessen, und die Resultate hiervon
sind wiederum in Tabelle 1 gezeigt.
Bei diesem Beispiel der Herstellung einer Verdrahtung in einem
Halbleiterbauelement wird das Vorgehen von Beispiel 1 mit fol
genden Ausnahmen wiederholt. Zum einen wird als Diffusionsbar
rierenschicht (43) eine Doppelschicht verwendet, die von einer
ersten Diffusionsbarrierenschicht aus Titan in einer Dicke von
ungefähr 30 nm und einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht aus
Titannitrid in einer Dicke von ungefähr 90 nm gebildet ist. Zum
anderen wird die Wärmebehandlung anschließend 15 Minuten lang
durchgeführt, ohne den Wafer einer Atmosphärenumgebung auszu
setzen.
Die Kontaktlochwiderstände einer solchermaßen erhaltenen Ver
drahtung wurden wiederum gemessen, und die Resultate hiervon
sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.
Kontaktwiderstandswerte für die Beispiele 1 bis 4 und das Ver
gleichsbeispiel 1 in Einheiten von Ohm/Kontaktloch. Die Werte
basieren jeweils auf einer Kontaktkettenstruktur mit 1200
Kontaktlöchern. Die Zahlen in Klammern bedeuten eine Standard
abweichung über 44 Meßpunkte.
Hierfür wird zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halb
leiterbauelement die Vorgehensweise nach Beispiel 1 wiederholt,
mit der Ausnahme, daß nach der Bildung der Diffusionsbarrieren
schicht eine Wärmebehandlung bei 450°C in einer Stickstoff
atmosphäre für 30 Minuten in einem Ofen gemäß dem oben erwähn
ten konventionellen Verfahren durchgeführt wird.
Die Kontaktwiderstände einer solchermaßen erhaltenen Verdrah
tung wurden gemessen, und die Resultate hiervon sind gleich
falls in Tabelle 1 wiedergegeben.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, sind die Kontaktwiderstands
werte für das konventionelle Herstellungsverfahren weder son
derlich einheitlich noch sonderlich niedrig. Ein größeres Sei
tenverhältnis und ein kleinerer Kontaktlochdurchmesser erhöht
dort den Kontaktwiderstand und die Ungleichmäßigkeit. Im Ver
gleich dazu werden der Kontaktwiderstandswert bei erfindungs
gemäßer Herstellung der Verdrahtung unabhängig von der Art der
Störstellen im störstellendotierten Bereich beträchtlich ver
ringert und die Gleichmäßigkeit der Kontaktwiderstandswerte
erhöht. Darüber hinaus ist in Beispiel 4 zu erkennen, daß, wenn
die Wärmebehandlung nach der Erzeugung der Diffusionsbarrieren
schicht anschließend durchgeführt wird, ohne den Wafer Atmos
phärenbedingungen auszusetzen, ein geringerer Kontaktwiderstand
erhalten wird als in dem Fall, in dem die Diffusionsbarrieren
schicht nach ihrer Bildung der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Das zweite erfindungsgemäße Beispiel eines Verfahrens zur Her
stellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird
anhand der Fig. 3 bis 6 erläutert.
Fig. 3 zeigt einen Schritt zur Erzeugung von Kontaktlöchern
(61). Nach Bildung einer Feldoxidschicht (53) und einer ther
mischen Oxidschicht (55) auf einem Halbleitersubstrat (51) in
derselben Weise, wie dies zu Fig. 1 im Beispiel 1 beschrieben
ist, wird eine Ionenimplantation durchgeführt, um n⁺- und p⁺-
Störstellen in den Oberflächenbereich der aktiven Gebiete des
Halbleitersubstrats (51) zu implantieren. Anschließend wird ein
Temperprozeß ausgeführt, um die implantierten n⁺- und p⁺-Stör
stellen zu aktivieren, so daß n⁺- und p⁺-störstellendotierte
Gebiete (57 und 57′) entstehen.
Als nächstes wird ganz flächig auf die resultierende Struktur
Borphosphorglas (BPSG) abgeschieden, um eine isolierende Zwi
schenschicht (59) mit einer Dicke von 400 nm zu bilden, wonach
ein (nicht gezeigtes) Fotolackmuster zur Erzeugung der Kontakt
löcher auf der isolierenden Zwischenschicht (59) gebildet wird.
Danach wird ein RIE-Schritt unter Verwendung des Fotolackmu
sters als Ätzmaske durchgeführt, um die Kontaktlöcher (61)
durch die isolierende Zwischenschicht (59) hindurch zu erzeu
gen, wonach das Fotolackmuster abgelöst wird. Hierbei werden
vier Kontaktlöcher mit den jeweiligen Ausdehnungen (Breite/
Länge) wie in Tabelle 1 erzeugt, d. h. mit 0,45 µm/0,55 µm,
0,5 µm/0,6 µm, 0,6 µm/0,7 µm und 1,0 µm/1,0 µm.
Fig. 4 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung von Abstands
haltern (63) an den Seitenwänden der Kontaktlöcher (61). Hierzu
wird nach dem Schritt von Fig. 3 ein Oxid, das eine gute Stu
fenbedeckung aufweist, zum Beispiel ein Hochtemperaturoxid
(HTO), ganzflächig auf die resultierende Struktur aufgebracht,
um eine Isolationsschicht mit einer Dicke von 150 nm zu bilden.
Anschließend wird die Isolationsschicht durch einen RIE-Prozeß
anisotrop geätzt, so daß sich an den Seitenwänden der Kontakt
löcher (61) Oxidschicht-Abstandshalter (63) bilden. Auf diese
Weise wird die Ausdehnung der Kontaktlöcher (61) in jeder
Richtung um 0,3 µm verringert, so daß Kontaktlöcher mit je
weiligen Abmessungen von 0,15 µm/0,25 µm, 0,2 µm/0,3 µm, 0,3 µm/
0,4 µm und 0,7 µm/0,7 µm entstehen.
Fig. 5 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung und Wärmebe
handlung einer ersten Diffusionsbarrierenschicht (65). Hierbei
wird in derselben Weise wie im Beispiel 1 ganzflächig auf der
resultierenden Struktur, d. h. auf dem freiliegenden Oberflä
chenteil des Halbleitersubstrats (51), auf den Abstandshaltern
(63) und auf der isolierenden Zwischenschicht (59), Titan durch
einen Sputterprozeß abgeschieden, wodurch die erste Diffusions
barrierenschicht (65) mit einer Dicke von ungefähr 20 nm bis
30 nm entsteht. Als nächstes wird, nachdem der auf diese Weise
erhaltene Halbleiterwafer der Atmosphäre ausgesetzt und dann in
eine Vakuumkammer mit einem Druck von 10-7 Torr gebracht wurde,
ein Inertgas, z. B. Ar, in die Kammer geleitet, bis ein Druck
von 4 mTorr erreicht wird, woraufhin der Wafer für zwei Minuten
bei 600°C wärmebehandelt wird.
Fig. 6 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung und Wärmebe
handlung einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67) sowie
zur Bildung einer Metallverdrahtungsschicht (69). Hierzu wird
nach dem Schritt von Fig. 9 zunächst Titannitrid auf der ersten
Diffusionsbarrierenschicht (65) abgeschieden, um die zweite
Diffusionsbarrierenschicht (67) mit einer Dicke von ungefähr
20 nm bis 30 nm zu bilden. Danach wird der Halbleiterwafer in
derselben Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 in einem Ofen in
einer Stickstoffatmosphäre 30 Minuten lang bei 450°C wärmebe
handelt. Dann wird eine Al-Si-Cu-Legierung ganzflächig auf der
resultierenden Struktur in derselben Weise wie im Beispiel 1
zur Bildung der Metallverdrahtungsschicht (69) abgeschieden,
die dann nach einer konventionellen Vorgehensweise strukturiert
wird, um eine Verdrahtung in dem Halbleiterbauelement zu erhal
ten.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen erhaltenen Ver
drahtungsschichten wurden gemessen, und die Resultate hiervon
sind in Tabelle 2 dargestellt.
Bei diesem Beispiel zur Herstellung einer Verdrahtung in einem
Halbleiterbauelement wird die Vorgehensweise von Beispiel 5
wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung der
ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) bei einer Temperatur von
625°C durchgeführt wird.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen erhaltenen Verdrah
tungsschichten wurden wiederum gemessen, und die diesbezüg
lichen Resultate sind ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt.
Bei diesem Beispiel zur Herstellung einer Verdrahtung in einem
Halbleiterbauelement wird die Vorgehensweise von Beispiel 5
wiederholt, mit der Ausnahme, daß nach Bildung der ersten und
der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (65, 67) ein Wärmebe
handlungsprozeß nach einem konventionellen Vorgehen in einer
Stickstoffatmosphäre für 30 Minuten bei 450°C durchgeführt
wird.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen erhaltenen Verdrah
tungsschichten wurden wiederum gemessen, und die Resultate
hiervon sind ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt.
Kontaktwiderstandswerte für die Beispiele 5 und 6 sowie das
Vergleichsbeispiel 2 in Einheiten von Ohm/Kontaktloch. Die
Werte basieren jeweils auf einer Kontaktkettenstruktur mit
1200 Kontaktlöchern. Die Zahlen in Klammern bedeuten eine
Standardabweichung über 44 Meßpunkte.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wird der Kontaktlochwider
stand analog zu den Beispielen 1 bis 4 auch bei diesen erfin
dungsgemäßen Verfahrensvarianten zur Herstellung einer Verdrah
tung in einem Halbleiterbauelement im Vergleich zur konventio
nellen Vorgehensweise beträchtlich verringert.
Es ist zudem festzustellen, daß der Widerstandswert der Kon
taktlöcher in diesen Beispielen wegen der erfindungsgemäßen Art
der Wärmebehandlung beträchtlich reduziert wird, und zwar in
stärkerem Maße am p⁺-störstellendotierten Gebiet (57′) als am
n⁺-störstellendotierten Gebiet (57). Auch wenn die Temperatur
im Wärmebehandlungsschritt auf 650°C erhöht wurde, wurden ver
gleichbare Widerstandswerte wie in den Beispielen 5 und 6 er
halten.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausfüh
rungsbeispiele genauer erläutert wurde, ist es klar, daß der
Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen hiervon
vornehmen kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie
er sich aus den beigefügten Patentansprüchen unter Berück
sichtigung der Beschreibung ergibt.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung einer Verdrahtung in einem
Halbleiterbauelement, das folgende Schritte aufweist:
- - Aufbringen einer Diffusionsbarierenschicht (43; 65, 67) auf ein Halbleitersubstrat (31; 51),
- - Wärmebehandeln der Diffusionsbarrierenschicht und
- - Aufbringen einer Metallverdrahtungsschicht (45; 69) auf die Diffusionsbarrierenschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Wärmebehandlung der Diffusionsbarrierenschicht (43; 65, 67) für eine festgelegte Zeitdauer im Vakuum erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeich
net, daß der Wärmebehandlungsschritt für eine Zeitdauer zwischen
2 Minuten und 1 Stunde bei einer Temperatur zwischen 450°C und
650°C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch
gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarrierenschicht (43; 65, 67)
aus wenigstens einem Material einer Materialgruppe besteht, die
Übergangsmetalle, Übergangsmetallegierungen und Übergangsme
tallverbindungen enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekenn
zeichnet, daß die Diffusionsbarrierenschicht aus einer ersten
(65) und einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67) mit
folgenden Schritten gebildet wird:
- - Abscheiden eines Übergangsmetalls auf dem Substrat (51) zur Bildung der ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) und
- - Abscheiden einer Übergangsmetallverbindung oder einer Über gangsmetallegierung auf der ersten Diffusionsbarrierenschicht zur Bildung der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67).
5. Verfahren nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeich
net, daß der Wärmebehandlungsschritt für die Diffusionsbarrie
renschicht (65, 67) zwischen dem Schritt zur Bildung der ersten
Diffusionsbarrierenschicht (65) und dem Schritt zur Bildung der
zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, weiter dadurch
gekennzeichnet, daß als Übergangsmetall Ti, als Übergangs
metallverbindung TiN und als Übergangsmetallegierung TiW ver
wendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebehandlungsschritt unter
einem Vakuumdruck eines Inertgases von 4 mTorr oder weniger
durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeich
net, daß als Inertgas Ar, N2 oder He verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Diffusions
barrierenschicht (43; 65, 67) der Wärmebehandlungsschritt an
schließend durchgeführt wird, ohne den Halbleiterwafer zuvor
einer Atmosphärenumgebung auszusetzen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
- - vor dem Aufbringen der Diffusionsbarrierenschicht (43) eine Isolationsschicht (39; 59) auf ein mit störstellendotierten Gebieten (37, 37′; 57, 57′) versehenes Halbleitersubstrat (31) aufgebracht wird,
- - Kontaktlöcher (41; 61) durch die Isolationsschicht hindurch zur Freilegung der störstellendotierten Gebiete des Halblei tersubstrats erzeugt werden,
- - die Diffusionsbarrierenschicht als einzige (43) oder erste Diffusionsbarrierenschicht (65) auf die Innenseiten der Kontaktlöcher (41; 61) und auf den durch die Kontaktlöcher freigelegten Oberflächenteil des Halbleitersubstrats (31; 51) aufgebracht wird,
- - zur Bildung der Metallverdrahtung eine Metallschicht (45; 69) auf die Diffusionsbarrierenschicht (43; 65, 67) aufgebracht und anschließend die Metallschicht und die Diffusionsbarrie renschicht strukturiert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der zweiten
Diffusionsbarrierenschicht (67) eine Wärmebehandlung der zwei
ten Diffusionsbarrierenschicht in einer Stickstoffatmosphäre
durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, weiter dadurch gekennzeich
net, daß der Wärmebehandlungsschritt für die zweite Diffusions
barrierenschicht (67) für eine Zeitdauer zwischen 30 Minuten
und einer Stunde bei einer Temperatur zwischen 400°C und 500°C
durchgeführt wird.
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