DE3414781A1 - Vielschicht-verbindungsstruktur einer halbleitereinrichtung - Google Patents

Vielschicht-verbindungsstruktur einer halbleitereinrichtung

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DE3414781A1 DE19843414781 DE3414781A DE3414781A1 DE 3414781 A1 DE3414781 A1 DE 3414781A1 DE 19843414781 DE19843414781 DE 19843414781 DE 3414781 A DE3414781 A DE 3414781A DE 3414781 A1 DE3414781 A1 DE 3414781A1
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Hideo Nishinomiya Hyogo Kotani
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Description

  • Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halblei tereinrichtung
  • BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung und insbesondere die Verbesserung einer Vielschicht-Verbindungsstruktur, die sehr oft bei Großintegrations-Schaltkreisen (large scale integrated circuit, LSI) angewandt wird.
  • Eine LSI-Schaltung weist oft eine Struktur auf, bei der eine Mehrzahl von Verbindungen auf überlappende Weise mittels Isolationsschichten vorgesehen ist, nämlich eine Vielschicht-Verbindungsstruktur. Ein Beispiel für solch eine konventionelle Vielschicht-Verbindungsstruktur wird anhand der Figuren 1A bis 1F beschrieben, die Querschnitte einer LSI-Schaltung mit solch einer Struktur bei Hauptschritten des Herstellungsprozesses zeigt.
  • Wie in Fig. 1A gezeigt, wird zuerst ein Siliziumoxidfilm 2 (SiO2) auf einem Siliziumsubstrat 1 (Si) gebildet, und eine erste metallische Schicht, die für erste metallische Verbindungen 3a und 3b vorgesehen ist, wird auf dem Siliziumoxidfilm ,? gebildet. Diese erste metallische Schicht kann eine Aluminiumschicht (Al) sein und wird durch chemische Aufdampfung (CVD), Zerstäuben, Elektronenstrahl-Verdampfung oder ähnliches gebildet. Durch Anwenden einer geeigneten Musterung auf diese erste metallische Schicht mit einem photolithographischen Prozes; und einem Ätzprozess werden erste metallische Verbindungen 3a und 3b erhalten. Wie in Fig. 1B gezeigt, wird danach ein isolierender Film 4 über die ganze obere Oberfläche der in Fig. 1A gezeigten Struktur gebildet, einschließlich der Oberflächen der metallischen Verbindungen 3a und 3b und der exponierten Oberflächen des SiO2-Films 2.
  • Dieser isolierende Film 4 kann ein Siliziumnitridfilm (Si3N4) sein und dient als Zwischenschicht-Isolierfilm 4, wenn danach darauf eine andere metallische Verbindung gebildet wird.
  • Auf diesem Zwischenschicht-Isolierfilm 4 wird ein Photoresistfilm 6 mit einer Öffnung 5 in einer Position, bei der ein Durchgangsloch auf dem zwischenschicht-isolierenden Film 4 gebildet werden soll, aufgetragen. Dieser Photoresistfilm 6 wird als Maske benutzt und der Zwischenschicht-Isolierfilm 4 wird geätzt, und danach wird der Photoresistfilm 6 entfernt, wodurch der exponierte Zwischenschicht-Isolierfilm 4 mit einem Durchgangsloch 7, wie in Fig. lCgezeigt, gebildet wird.
  • Wie in Fig. 1D gezeigt ist, wird eine zweite metallische Schicht 8 über der inneren Oberfläche des Durchgangsloches 7 und den Oberflächen des Zwischenschicht-Isolierfilms 4 gebildet. Die zweite metallische Schicht 8 kann eine Al-Schicht sein, und zum Bilden der Schicht 8 wird ein chemisches Aufdampfverfahren (CVD), ein Zerstäubungsverfahren, ein Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahren oder ähnliches benutzt. Ein Photoresistfilm 9 wird auf der zweiten metallischen Schicht 8 in einem gewünschten Bereich gebildet. Mit dem Photoresistfilm 9 als Maske wird die zweite metallische Schicht 8 geätzt, so daß das Muster der zweiten metallischen Schicht 8 gebildet wird. Dann wird die Photoresistschicht 9 entfernt, und die zweite metallische Verbindung 8a wird, wie in Fig.
  • 1E gezeigt, erhalten. Schließlich wird, wie in Fig. 1F gezeigt, ein Passivierungsfilm 10 auc; beispielsweise Siliziumnitrid über der ganzen oberen Oberfläche dieser Struktur gebildet und so eine konventionelle Vielschicht-Verbindungsstruktur erhalten.
  • Bei der so erhaltenen konventionellen Vielschicht-Verbindungsstruktur werden die ersten metallischen Verbindungen 3a und 3b und die zweite metallische Verbindung 8a in überlappender Weise mittels des Zwischenschicht-Isolierfilms 4 gebildet, und eine elektrische Verbindung zwischen den ersten und zweiten metallischen Verbindungen 3a und 8a wird durch ein Durchgangsloch 7 hergestellt. Solch eine Vielschicht-Verbindungsstruktur wird weithin in der LSI-Technik benutzt, hat jedoch bezüglich der Zuverlässigkeit einer LSI-Schaltung mit solch einer Struktur verschiedene Nachteile. Insbesondere, wenn die ersten und/oder zweiten metallischen Verbindungen 3a, 3b, 8a aus Aluminium oder einer Legierung aus Aluminium und anderem Metall gemacht werden, läßt sich nicht verhindern, daß die in Fig. 1F gezeigte Struktur beim nachfolgenden Wärmebehandltlngsverfahren unerwünschten Einflüssen ausgesetzt ist, beispielsweise beim Al-Sintern oder Si3N4-Sintern in Stickstoff- oder Wasserstoffatmosphäre bei 3700C bis 4500C. Einer dieser Einflüsse wird verursacht durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen Verbindungen 3a, 3b, 8a, des Zwischenschicht-Isolierfilms 4 und des Passivierungsfilms 10 und als Folge davon steigt die Zwischnschichtfilm-Spannung. Ein anderer Einfluß wird ausgeübt durch die thermische Reaktion zwischen den metallischen Verbindungen 3a, 3b, 8a aus Aluminium und dem Zwischenschicht-Lsolifrfilm 4 und/oder dem Passivierungsfilm 10. Durch solche Einflüsse werden der Zwischenschicht-Isolierfilm 4 und die zweite metallische Verbindung 8a wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, getrennt, wodurch eine Ausbeulung in der zweiten metallischen Verbindung 8a (im folgenden als Ausbeulung 11 bezeichnet) entsteht. Insbesondere, wenn diese Ausbeulung in einem Stufenbereich, einem engen Bereich, einem Bereich mit hoher Stromdichte und ähnlichem in der metallischen Verbindung auftritt, verursacht eine solche Ausbeulung eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit der LSI-Schaltung, beispielsweise eine Verschlechterung des Stufenbedeckungscharakters der Al-Verbindung im Stufenbereich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung zu schaffen, bei der keine Ausbeulung zwischen den Verbindungsschichten und dem isolierenden Film auftritt, sogar wenn sie einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung zu schaffen, bei der kaum eine Reaktion zwischen den Verbindungsschichten und dem isolierenden Film auftritt.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung zu schaffen, bei der die Haftung zwischen den Verbindungsschichten und dem Isolierfilm verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Mehrzahl von leitenden Schichten und wenigstens einem Zwischenschicht-Isolierfilm, der auf überlappende Weise auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet ist, und mit wenigstens einer Zwischenschicht in wenigsten einer Grenzfläche zwischen den leitenden Schichten des Zwischenschicht-Isolierfilms. Die leitenden Schichten enthalten ein Material aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium und Legierungen, die Aluminium enthalten. Die Zwischenschicht wirkt als Barriere zum Verhindern der Reaktion zwischen den leitenden Schichten und dem Zwischenschicht-Isolierfilm und hat eine gute lSafttlng auf den Iseitzenden Schichten und mit dem %wisch(rlschiht-lsoli.erf~llrls.
  • Nach einer bevorzugten Aus£iihrungsfc>rm der vorliegenden Erfindung weist die Zwischenschicht ein Material aus einer Gruppe bestehend aus Titan und Verbindungen, die Titan enthalten, auf.
  • Ein Hauptvorteil einer Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß keine Ausbeulung auftritt zwischen den Verbindungsschichten und dem ixolierendfn Film, sogar, wenn eine Wärmebehandlung ausgeführt wird.
  • Ein weiterer Vorteil einer Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß eine Reaktion zwischen den Verbindungsschichten und dem isolierenden Film kaum auftritt.
  • Ein weiterer Vorteil einer Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß die Haftung zwischen den Verbindungsschichten und dem isolierenden Film verbessert wird.
  • Diese und weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen: Fig. 1A - 1F Querschrlitte zur Erklärung des Herstellungsprozes es einer konventionellen Vielschicht-Verbinciungsstruktur, bei der Abschnitte einer konventionellen Vielschicht-Verbindungsstruktur in Hauptschritten des Fertigungsprozesses gezeigt sind; Fig. 2 einen Querschnitt einer konventionellen Vielschicht-Verbindungsstruktur, bei der eine Ausbeulung auftritt zwischen einer Verbindungsschicht und einem isolierenden Film; Fig. 3A - 3G Darstellungen zur Erklärung eines Herstellungsprozesses einer Vielschicht-Verbindungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Bereiche einer Vielschicht-Verbindungsstruktur dieser Erfindung in Hauptschritten des Herstellungsprozeses gezeigt sind.
  • Fig. 3A bis Fig. 3G zeigen Bereiche einer Vielschicht-Verbindungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Hauptschritten des Her.#tellungsverfahrens. Unter Bezug auf Fig. 3A bis Fig. 3G wird die Zusammensetzung dieser Vielschicht-Verbindungsstruktur und ein Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben.
  • Zuerst wird, wie in Fig. 3A gezeigt, ein Siliziumoxidfilm 2 (SiO2) auf einem Siliziumsubstrat a (Si) gebildet, in dem ein aktiver Bereich gebildet wird. Dann wird auf dem Siliziumoxidfilm 2 eine erste metallische Schicht gebildet, die die ersten metallischen Verbindungen Sa und 3b sein soll. Diese erste metallische Schicht kann eine Aluminiumschicht (Al) sein und wird gebildet durch Anwendung eines chemischen Verdampfungsverfahrens (CVD), eines Zerstäubungsverfahrens, eines Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahrens oder ähnliches.
  • Das gewünschte Muster wird dieser metallischen Schicht aufgeprägt mittels eines photolithographischen Prozesses und eines Ätzprozesses, so daß erste metallische Verbindungen 3a und 3b erhalten werden. Wie in Fig. 3B gezeigt, wird anschließend ein Zwischenschicht-Isolierfilm 4 über der ganzen oberen Oberfläche der in Fig. 3A gezeigten Struktur gebildet, einschließlich der Oberflächen der ersten metallischen Verbindungen 3a und 3b und den exponierten Oberflächen des SiO2 -Films 2, wie in Fig. 3B gezeigt. Dieser Zwischenschicht-Isolierfilm 4 kann ein Siliziumnitridfilm (Si3N4) sein. Ein Photoresistfilm G mit ~liner Öffnung 5 in einer Position, die zur Bildung eines Durchgangsloches in dem Zwischenschicht-Isolierfilm 4 vorgesehen ist, wird auf diesem Zwischenschicht Isolierfilm 4 gebildet. Mit dem Photoresistfilm 6 als Maske wird der Zwischenschicht-Isolierfilm 4 geätzt. Danach wird der Photoresistfilm 6 entfernt, so daß der exponierte Zwischenschicht-Isolierfilm 4 mit einem Durchgangsloch 7 gebildet wird, wie in Fig. IC gezeigt.
  • Durch Vergleich mit dem konventionellen Herstellungsverfahren einer Vielschicht-Verbindungsstruktur, wie sie in Fig. 1A bis 1F gezeigt ist, wird deutlich, daß die bisher beschriebenen Schritte die gleichen sind wie die entsprechenden Schritte bei dem konventionellen Herstellungsverfahren, nämlich die Schritte in Fig. 1A bis 1C.
  • Nachdem das Durchgangsloch 7gebildet ist, wird ein Zwischenmetallfilm 12 aus Titan (Ti) oder einer Titan-Verbindung, wie beispielsweise einer Titan-Wolfram-Legierung (TiW) oder Titannitrid (TiN) über der inneren Oberfläche des Durchgangsloches 7 und den Oberflächen des Zwischenschicht-Isolierfilms 4 gebildet, wie in Fig. 3D gezeigt ist. Die Bildung dieses Zwischenmetallfilms 1;' wird ausgeführt durch Anwendung beispielsweise eines CVD-Verfahrens, eines Sputter-Verfahrens, eines Elektronenstrahl-Aufdmpfverfhrens oder ähnliches.
  • Dann wird, wie in Fig. 3E gezeigt, eine zweite metallische Schicht 8 aus Al auf cter Oberfläche des Zwischenmetallfilms 12 gebildet mittels eines CVD-Verfahrens, eines Sputter-Verfahrens, eines Elektr(,nenstrahl-Verdampfungsverfahrens oder ähnlichem. In der Oberfläche der zweiten metallischen Schicht 8 wird nur ein gewünschter Bereich zur Verbindung mit der Photoresistschicht 9 bedeckt. Mit dieser Photoresistschicht 9 als Maske werden Muster in die zweite metallische Schicht 8 und den Zwischenmetallfilm 12 geätzt und dann, durch Entfernen der Photoresistschicht 9, wird eine gewünschte zweite metallische Verbindung 8a und eine Zwischenmetall-Verbindungsschicht 12a erhalten (siehe Fig. 3F). Schließlich, wie in Fig. 3G gezeigt, wird ein Passivierungsfilm 10 aus Si3N4 über der ganzen oberen Oberfläche dieser Struktur gebildet und so die Herstellung dieser Vielschicht-Verbindungsstruktur vervollständigt.
  • Eine durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren hergestellte Vielschicht-Verbindungsstruktur weist eine Zwischenmetall-Verbindungsschicht 12a aus Ti oder einer Ti-Verbindung zwischen einem Zwischenschicht-Isolierfilm 4 und einer zweiten metallischen Verbindung 8a auf. Titan (Ti) und Ti-Verbindungen wie beispielsweise TiW und TiN haben eine ausgezeichnete Hafteigenschaft auf einem SiO2-Film, einem Si3N4-Film, einem Al-Film und ähnlichem und eine Schicht mit Ti oder einer Ti-Verbindung hat eine ausgezeichnete Funktion als Barriere zum Verhindern der Reaktion zwischen den in den zwei Schichten, die auf beiden Seiten davon existieren, enthaltenen Materialien. Demzufolge wird bei der obenbeschriebenen Ausführungsform die Grenzfläehenadhesionskraft zwischen dem Zwischenschicht-Isolierfilm 4 und der zweiten metallischen Verbindung 8a niemals durch starken kompressiven Stress in dem Zwischenschicht-Isolierfilm 4, wie er bei einem Wärmebehandlungsverfahren, das auf diese Vielschicht-Verbindungsstruktur, nachdem die zweite metallische Verbindung 8a gebildet ist, angewandt wird, verschlechtert. Außerdem kann eine thermische Reaktion zwischen dem Zwischenschicht-Isolierfilm 4 und der zweiten metallischen Verbindung 8a infolge dieses Wärmebehandiungsverfahrens verhindert werden und eine Instabilität der Grenzfläche dieser Schichten tritt niemals auf.
  • Als Ergebnis k(5rlrlen 1 der vorli(gtnden Erfindung Ausbeulungen der zweiten metallischen Verbindung 8a auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 4 verhindert werden, die bei einer konventionellen Vielschicht-Verbindungsstruktur infolge der oben aufgezählten ungunstigen Phänomene auftreten. Durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde experimentell sichergestellt, daß die Bildung einer Zwischenmetall-Verbindungsschicht 12a in einer Vielschicht-Verbindungsstruktur niemals einen Anstieg bei dem Verbindungswiderstand oder bei dem Kontaktwiderstand zwischen den ersten und zweiten Verbindungen bewirkt.
  • Obwohl die oben beschriebene Ausführungsform eine Zweischicht-Verbindungsstruktur mit den ersten metallischen Verbindungen 3a, 3b und der zweiten metallischen Verbindung 8a betraf, kann die vorliegende Erfindung auch angewendet werden auf eine Vielschicht-Verbindungsstruktur mit metallischen Verbindungen von drei Schichten oder mehr.
  • Eine Vielschicht-Verbindungsstruktur bei der Zwischen-Metall-Verbindungsschichten nicht nur unter der oberen metallischen Verbindung, sondern auch über der unteren metallischen Verbindung vorgesehen sind, hat die selben Vorteile wie oben beschrieben. Außerdem, im Fall, bei dem das Material der metallischen Verbindung eine Al-Legierung anstelle von Al ist, oder der Zwischenschicht-Isolierfilm ein SiO2-Film anstelle eines Si3N4-Films ist, kann die vorliegende Erfindung auch angewandt werden.
  • - Leerseite

Claims (10)

  1. Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung PATENTANSPRÜCHE Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichung auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats (1), gekennzeichnet durch: eine Mehrzahl von leitenden Schichten (3a, 3b, 8a) und wenigstens einem Zwischenschicht-Isolierfilm (4), die überlappend auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) vorgesehen sind, wobei die leitenden Schichten (3a, 3b, 8a) ein Material aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium und Legierungen, die Aluminium enthalten, aufweisen, und wenigstens eine Zwischenschicht (12a), die wenigstens in einer Grenzfläche zwischen den leitenden Schichten (3a, 3b, 8a) und dem Zwischenschicht-Isolierfilm (4) vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht (12a) als Barriere wirkt zum Verhindern der Reaktion zwischen den leitenden Schichten (8a) und dem Zwischenschicht-Isolierfilm (4) und kräftige Adhesion mit den leitenden Schichten (8a) und mit dem Zwischenschicht-Isolierfilm (4) hat.
  2. 2. Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschicht-IsolierfiIm (4) aus Siliziumnitrid besteht.
  3. 3. Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschicht-Isolierfilm (4) aus Siliziumoxid besteht.
  4. 4. Vielschicht-Verbind#ngsstruktur einer Halbleitereinrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischens>hicht (12a) aus Titan besteht.
  5. 5. Vielschicht-Verbindiingsstruktur einer Halbleitereinrichtung nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischens(hicht (12a) aus einer Titan-Wolframlegierung besteht.
  6. 6. Vielschicht-Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (12a) aus Titannitrid besteht.
  7. 7. Verfahren zur Herstfllung einer Halbleitereinrichtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Herstellen eines Halbleitersubstrats (1), Bilden einer aktiven Region auf dem Halbleitersubstrat, Bilden von unteren Verbindungsschichten (3a, 3b) auf dem Fialbleitersubstrat (1), wobei die unteren Verbindungsschichten (3a, 3b) ein Material enthalten, das aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium und legierungen, die Aluminium enthalten, ausgewählt wurde, Bilden eines Zwischenschicht-Isolierfilms (4) auf den unteren Verbindungsschichten (3a, 3b), Bilden einer Schicht, die entweder eine obere Verbindungsschicht (8a) oder eine Zwischen-Metall-Schicht (12a) ist, und dann Bilden der anderen Schicht auf dieser Schicht, wobei die obere Verbindungsschicht (8a) ein Material enthält, das aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium und Aluminium enthaltenden Legierungen ausgewählt wurde, und die Zwischen-Metall-Schicht (12a) ein Material enthält, das aus einer Gruppe bestehend aus Titan und Titan-Verbindungen ausgewählt wurde, Bilden eines Passivierungsfilms (10) auf der anderen Schicht, und Aussetzen des Halbleitersubstrats, auf dem alle Schicthen gebildet sind, einer Wärmebehandlung.
  8. 8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Passivierungsfilm (10) aus Siliziumnitrid besteht.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschicht-Isolierfilm (4) aus Siliziumnitrid besteht.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschicht-Isolierfilm (4) aus Siliziumoxid besteht.
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