DE3750048T2

DE3750048T2 - Bauelement mit integrierter Schaltung und einer Zwischenschaltungsleitung.

Info

Publication number: DE3750048T2
Application number: DE3750048T
Authority: DE
Inventors: Takamaro Kikkawa
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-03-06
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2007-03-07
Also published as: EP0239833A3; JP2553544B2; EP0239833A2; EP0239833B1; DE3750048D1; US4816895A; JPS6312153A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterspeicher- Vorrichtung (im folgenden als "IC" bezeichnet) und insbesondere Aluminium-Verbindungsleitungen in einem IC.
Mit den Fortschritten bei der Technologie integrierter Schaltungen wurden die Abmessungen der Schaltungselemente Vermindert und Verbindungsleitungen wurden kleiner ausgestaltet, so daß ein IC mit hoher Integrationsdichte erreichbar ist. Ein solcher IC hat eine Vielpegel-Verbindungsstruktur, und jede Verbindungsleitung eines Pegels ist aus einem Material mit niedrigem Widerstand gefertigt, z. B. Aluminium, um Signalübertragungsverzögerungen zu unterdrücken.
Ein dabei auftretendes Problem ist die Ausbildung von Höckern, die einen Kurzschluß zwischen Aluminiumsverbindungsleitungen eines unteren Niveaus und eines oberen Niveaus Verursachen. Zur Verhinderung der Höckerbildung wurde Vorgeschlagen, daß die Oberfläche der Aluminiumsverbindungsleitungen mit einer Schicht aus hochschmelzendem (feuerfestem) Material wie Titan, Molybdän etc. bedeckt ist, bspw. in der US-A-4 531 144.
Ein weiteres Problem der Aluminiumverbindungsleitungen ist die Elektromigration von Aluminium, die eine Zerstörung feiner Verbindungsleitungen verursacht. Es wurde festgestellt, daß eine Aluminiumverbindungsleitung, die mit einer Schicht aus hochschmelzendem Metall beschichtet ist, unzureichend bei der Verhinderung der Zerstörung aufgrund von Elektromigration ist.
Die WO-A-8401471 beschreibt eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei die Verbindungsleitung aus einer Aluminiumschicht und einer darauf befindlichen Schicht eines Silicids eines hochschmelzenden Metalls besteht.
Die DE-A-30 26 026, die US-A-4 531 144, Applied Physics. vol. 52, Nr. 7, Juli 1981, S. 4630-4639 und Japanese Journal of Applied Physics, vol. 12, Nr. 4, April 1973, S. 518- 522 beschreiben Verbindungsleitungen aus einer Aluminiumschicht und einer darauf ausgebildeten Aluminiumoxidschicht, wobei die letztgenannte Schrift angibt, daß eine derartige Struktur Elektromigration unterdrücken könnte.
Eine derartige Struktur erfordert jedoch eine relativ dicke Aluminiumoxidschicht, um die Höckerausbildung zu Verhindern, so daß der Herstellungsvorgang kompliziert ist und die Aluminiumschicht dünn ist, was ihren Widerstand erhöht.
Dementsprechend liegt eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit einer Verbindungsleitung, die nicht nur frei von Höckerbildung ist, sondern auch von der Elektromigration.
Diese Aufgabe wird durch eine in Anspruch 1 definierte Vorrichtung gelöst; die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Entwicklungen der Erfindung.
Die Verbindungsleitung gemäß der Erfindung kann eine Höckerbildung Verhindern und Elektromigration unterdrücken.
Dementsprechend schafft die Erfindung einen IC mit hoher Integrationsdichte und mit hoher Zuverlässigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die oben genannten und anderen Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
Fig. 1A bis 1D Querschnittsdarstellungen bei den verschiedenen Herstellungsschritten einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 "Fehlermittelwertszeiten (MTTF)" - Werte für Verbindungsleitungen verschiedener Zusammensetzungen ("mean time to failure"),
Fig. 3A bis 3C Querschnittsdarstellungen der verschiedenen Herstellungsschritte einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen

Bezugnehmend auf Fig. 1A wird ein Substrat 1 aus Silicium vorbereitet, bei dem eine Anzahl von Schaltungselementen mit Halbleiterbereichen oder "Elementbereichen" wie Transistoren und Widerständen ausgebildet ist (nur ein Elementbereich 2 ist zur Vermeidung von Unübersichtlichkeit in den Zeichnungen dargestellt). Der Bereich 2 hat ein dem Substrat 1 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp. Die Oberfläche des Siliciumsubstrats 1 ist mit einer Siliciumoxidschicht 3 bedeckt, die mit einer Anzahl von Kontaktlöchern versehen ist (nur ein Kontaktloch 4 ist in Fig. 1 dargestellt), um einen Teil des zugeordneten Elementbereiches 2 freizugeben. Das Siliciumsubstrat 1 mit der oben beschriebenen Struktur wird in einer Gleichstrom-Sputtereinrichtung angeordnet, um einer Aluminiumschicht 5 mit einer Dicke von etwa 1 um abzuscheiden, die in Kontakt mit dem Elementbereich 2 über das Kontaktloch 4 und mit anderen Elementbereichen über die zugeordneten Kontaktlöcher (nicht dargestellt) steht.
Das Siliciumsubstrat 1 wird anschließend aus der Sputtereinrichtung herausgenommen und dann der Atmosphäre ausgesetzt. Als Ergebnis wird ein Aluminiumoxidfilm 6 (Alumina) auf der Oberfläche der Aluminiumschicht 5 durch ursprüngliche Oxidation gebildet, wie in Fig. 1B dargestellt ist. Falls gewünscht, kann der Aluminafilm 6 durch eine Plasma- Oxidierungstechnik ausgebildet werden. Da der Aluminafilm 6 eine der Oxidation widerstehende Funktion aufweist, wird die Oberfläche des Aluminiumsfilms 5 sehr dünn oxidiert. Die Dicke des Aluminafilms 6 beträgt etwa 5 nm (50 Å).
Anschließend wird das Siliciumsubstrat 1 erneut in die Sputtereinrichtung eingebracht, und eine Wolframsilicidschicht 7 wird dann auf dem Aluminafilm 6 mit einer Dicke von etwa 50 nm (500 Å) abgeschieden, wie in Fig. 1C dargestellt ist.
Das Silicium-Substrat 1 wird aus der Sputtereinrichtung herausgenommen und anschließend mit strukturierten Fotoresistschichten 8-1 und 8-2 beschichtet, die als Ätzmaske verwendet werden. Das Ionenätzen unter Verwendung von CCl&sub4;- Gas wird durchgeführt, um die Wolframsilicidschicht 7, den Aluminafilm 6 und die Aluminiumschicht 5 selektiv zu entfernen. Als Ergebnis werden Verbindungsleitungen 9-1 und 9- 2 ausgebildet, wie in Fig. 1D dargestellt ist. Die Verbindungsleitung 9-1 ist in Kontakt mit dem Elementbereich 2 über das Kontaktloch 4 und zusammengesetzt aus der Aluminiumschicht 5-1, dem Almuninafilm 6-1 und der Wolframsilicidschicht 7-1, und die Leitung 9-2 läuft zur Oxidschicht 3, um in Kontakt mit einem weiteren Elementbereich (nicht dargestellt) zu stehen, und setzt sich zusammen aus der Aluminiumschicht 5-2, dem Aluminafilm 6-2 und der Wolframsilicidschicht 7-2. In einer Aufsicht (nicht dargestellt) erstreckt sich die Verbindungsleitung 9-2 in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung, in der sich die Leitung 9-1 erstreckt.
Eine Wärmebehandlung wird anschließend durchgeführt, um den Ohmschen Kontakt zwischen der Aluminiumschicht 5-1 und dem Elementbereich 2 zu erhöhen. Die Aluminaschicht 6-1 (6-2) verschwindet bei dieser Wärmebehandlung nicht. Dementsprechend ist die Wolframsilicidschicht 7-1 (7-2) von der Aluminiumschicht 5-1 (5-2) durch die Aluminaschicht 6-1 (6-2) getrennt.
Es konnte durch den Erfinder bestätigt werden, daß diese Struktur von Wolframsilicid-Alumina-Aluminium (WSi&sub2;-Al&sub2;O&sub3;- Al) die Ausbildung von Höckern verhindert sowie das Zerstören von Verbindungsleitungen aufgrund von Elektromigration. Vorrichtungen mit den Verbindungsleitungen mit WSi&sub2;-Al&sub2;O&sub3;- Al-Struktur wurden bei 200º C getestet mit elektrischen Strömen, die den Verbindungsleitungen mit einer Stromdichte von 1 · 10&sup6; A/cm² zugeführt wurden. Die Zeitspanne bis zum Zusammenbrechen der Verbindungsleitung wurde gemessen, um MTTF zu erhalten (mean time to failure). Anschließend wurden entsprechende Tests unter den gleichen Bedingungen an Vorrichtungen durchgeführt, die Molybdän-Silicid anstatt von Wolframsilicid verwendeten, an Vorrichtungen, die Verbindungsleitungen aus Ti-Al in einer Zweischichtstruktur verwendeten, solchen mit Verbindungsleitungen aus einer Zweischicht-Ta-Al-Struktur, solchen mit Verbindungsleitungen aus einer Zweischichtstruktur aus Mo-Al und solchen mit Verbindungsleitungen aus einer Einschichtstruktur aus Al zur Messung der entsprechenden Werte der MTTF. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Die MTTF der Einschicht-Al- Struktur beträgt nur 20 Stunden und die MTTF der Ti-Al, Ta- AI und der Mo-Al-Zweischichtstrukturen betragen 82 Stunden, 40 Stunden bzw. 27 Stunden. Demgegenüber betragen die MTTF der WSi&sub2;-Al&sub2;O&sub3;-Al-Struktur und der MoSi&sub2;-Al&sub2;O&sub3;-Al-Dreischichtstrukturen gemäß der Erfindung 160 bzw. 200 Stunden. Obwohl der Grund, weshalb die erfindungsgemäße Struktur eine derart lange MTTF schafft, dem Erfinder nicht exakt bekannt ist, scheint es, daß die Alumina-Schicht die Legierungsreaktion zwischen dem unterliegenden Aluminium und dem darüberliegendem Silicid verhindert. Es wurde ferner durch den Erfinder bestätigt, daß die MTTF kurz wird bei einer Struktur, in der das hochschmelzende Metall anstatt seines Silicids verwendet wird, selbst obwohl der Aluminafilm vorhanden ist. Dies legt es nahe, daß das hochschmelzende Metall Aluminiumoxid des zwischenliegenden Aluminiumoxid deoxidiert und die Struktur von der hochschmelzenden Metall-Aluminiumoxid-Dreischichtstruktur in einer hochschmelzendes Metall-Aluminium-Zweischichtstruktur ändert.
Andere Silicide wie Titansilicid, Tantalsilicid, Chromsilicid, Wolframsilicid und Molybdän-Silicid bewirken ein entsprechendes Ergebnis. Die Aluminiumschicht 5, die in Fig. 1 dargestellt ist, kann Silicium oder Kupfer mit etwa einem Gewichtsprozent enthalten.
Fig. 3 zeigt als weitere Ausführungsform der Erfindung eine Mehrschichten-Verbindungsstruktur. Wie in Fig. 3A dargestellt ist, ist eine Verbindungsleitung 18 auf einem ersten Niveau ausgebildet, die mit einem Elementbereich 12 aus einem Siliciumsubstrat 11 über ein Kontaktloch 14 in einer Siliciumoxidschicht 13 verbunden ist. Diese Leitung 18 ist aus einer Aluminiumschicht 15, einem Aluminafilm 16 und einer Wolframsilicidschicht 17 zusammengesetzt und in einer Weise erzeugt, die mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. Eine Siliciumnitridschicht 19 mit einer Dicke von 1 um ist durch Plasma-CVD (chemische Dampfabscheidung) unter Verwendung von Amoniak- und Silan-Gasen über das Substrat mit der Verbindungsleitung 18 der ersten Schicht verbunden.
Die Siliciumnitritschicht 19 wird dann selektiv durch eine Plasmaätztechnik unter Verwendung eines Gases auf CF&sub4; und O&sub2; weggeätzt, wie in Fig. 3B dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Wolframsilicidschicht 17 ebenfalls geätzt. Der Aluminafilm 16 wird dann durch Rücksputtern unter Verwendung von Argonionen geätzt. Als Ergebnis wird ein Kontaktloch 50 für eine elektrische Verbindung zwischen einer Verbindungsleitung des zweiten Niveaus und der Verbindungsleitung 18 des ersten Niveaus ausgebildet. Das Kontaktloch 50 gibt einen Kontaktbereich der Aluminiumschicht 15 frei.
Anschließend werden eine Aluminiumschicht, ein Aluminafilm und eine Wolframsilicidschicht aufeinanderfolgend in dieser Reihenfolge aufgebracht, und anschließend wird die Strukturierung durchgeführt. Als Ergebnis werden Verbindungsleitung 23-1 des zweiten Pegels und 23-2 ausgebildet, wie in Fig. 3C dargestellt ist. Die Leitung 23-1 ist in Kontakt mit der Verbindungsleitung 18 des ersten Pegels über das Kontaktloch 50 und zusammengesetzt aus Aluminium 20-1, Alumina 21-1 und Wolframsilicid 22-1, während die Leitung 23-2 über die Verbindungsleitung 18 des ersten Pegels kreuzt, die von ihr durch die Siliciumnitridschicht 19 getrennt ist. Die Leitung 23-1 besteht ebenfalls aus Aluminium 20-2, Alumina 21-2 und Wolframsilicid 22-2. Die Verbindungsleitungen 23-1 und 23-2 erstrecken sich in Richtungen rechtwinkelig zueinander.
Die Wolframsilicidschicht 17 der Leitung 18 des ersten Pegels verhindert einen Kurzschluß zwischen den Verbindungsleitungen 18 und 23-2 des ersten bzw. des zweiten Pegels aufgrund von Höckerbildung, und die Aluminafilme 16, 21-1 und 21-2 vermindern deutlich die Elektromigration der Verbindungsleitungen 18, 23-1 und 23-2. Dementsprechend wird ein IC mit hoher Zuverlässigkeit geschaffen.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Eine Verbindungsleitung 38-1 ist mit einem Elementbereich 32 in einem Silicumsubstrat 31 über ein Kontaktloch 34 in einer Siliciumoxidschicht 33 verbunden. Die Leitung 38-1 besteht aus einer Aluminiumschicht 35-1, einem Aluminiumoxidfilm 36-1 und einer Siliciumschicht 37-1, eine weitere Verbindungsleitung 38-2 ist auf der Oxidschicht 33, die mit einem anderen Elementbereich (nicht dargestellt) zu verbinden ist, ausgebildet. Die Leitung 38-2 besteht aus einer Aluminiumschicht 35-2, einem Aluminiumoxidfilm 36-2 und einer Siliciumschicht 37-1. Die Aluminiumoxidschicht 36-1 (36-2) unterdrückt die Legierungsreaktion zwischen Aluminium und Silicium oder die Diffusion von Silicium in die Aluminiumschicht.
In dieser Ausführungsform wird die Siliciumschicht 37 anstatt der Silicidschicht des hochschmelzenden Metalls verwendet. Das hochschmelzende Metall und sein Silicid sind im Vergleich mit Silicium teuer und aufgrund dessen sind die Kosten des IC dieser Ausführungsform reduziert.
Die Siliciumschicht 37 hat im wesentlichen den gleichen Effekt wie das Silicid des hochschmelzenden Metalles hinsichtlich der Verhinderung der Höckerbildung. Hinsichtlich der Elektromigration ist die MTTF der Leitung 38 dieser Ausführungsform kürzer als die der Leitungen 9, 18 und 23 der Fig. 1 und 3.
Wie oben beschrieben wurde, gibt die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine extrem erhöhte Zuverlässigkeit pro Kosten.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat (1, 11, 31), zumindest einem Schaltungselement mit einem Halbleiterbereich (2, 12, 32), der in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und einer Verbindungsleitung (9-1, 18, 38- 1), die mit dem Halbleiterbereich verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung eine erste Schicht (5-1, 15, 35-1) aus im wesentlichen Aluminium und eine zweite Schicht (7-1, 17, 37-1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung ferner eine Aluminiumoxidschicht (6-1, 16, 36- 1) aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist, und daß die zweite Schicht aus hochschmelzendem metallischem Silizid oder Silizium gefertigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende metallische Silizid ausgewählt ist aus Wolfram-Silizid, Molybdän-Silizid, Titan-Silizid, Tantal-Silizid oder Chrom-Silizid.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (15) einen Kontaktabschnitt aufweist, daß die Aluminiumoxidschicht (16) auf der ersten Schicht mit Ausnahme des Kontaktabschnittes ausgebildet ist, daß die zweite Schicht (17) auf der Aluminiumoxidschicht ausgebildet ist und daß die Vorrichtung ferner eine Isolierfilm (19) aufweist, der die Verbindungsleitung abdeckt und ein Kontaktloch (50) aufweist, das den Kontaktabschnitt der ersten Schicht freigibt, und ferner eine zusätzliche Verbindungsleitung (23- 1), die mit dem Kontaktabschnitt verbunden ist und über den Isolierfilm verlängert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verbindungsleitung eine dritte Schicht (20-1) aufweist, die im wesentlichen aus Aluminium besteht, eine vierte Schicht (21-1) aus Aluminiumoxid und eine fünfte Schicht (22-1) aus einem hochschmelzendem Metallsilizid oder Silizium.