DE3784757T2 - Metallisierte Halbleiteranordnung mit einer Zwischenschicht. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft Bauteile, die eine elektrisch leitende Zwischenschicht oder Kontaktschicht zwischen Metall und den Halbleitermaterialien umfaßt.
Hintergrund der Erfindung
• Die Technologie integrierter Bauteile hängt stark von der Verwendung von Metallisierungsschichten und der Strukturierung solcher Schichten auf Halbleiter- und Isolatormaterialien ab; typischerweise sind solche Materialien dotiertes oder undotiertes Silicium, Galliumarsenid, andere binäre, ternäre oder quaternäre III-V- oder II-VI-Halbleitermaterialien, oder Isolatormaterialien, wie beispielsweise Siliciumoxid, Aluminiumoxid und polymere Schichten. Ähnliche Metallisierungsmaterialien können beispielsweise aus der Gruppe der Edelmetalle ausgewählt werden; s. hierzu beispielsweise das US-Patent 3 881 884, welches die Herstellung einer leitenden Kompositschicht offenbart, die eine freigelegte Gold-, Platin-, Palladium-, Iridium-, Rhodium-, Ruthenium- oder Osmiumschicht, und ein darunter liegendes, nicht edles Leitermaterial umfaßt, das von einem isolierenden Substrat mit Hilfe einer Titan-Antidiffusionsschicht getrennt ist.
• Das US-Patent 3 657 029 offenbart ein Verfahren zur Strukturierung einer Vielschichtmetallisierung aus Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium oder Iridium, wobei eine Titan- oder Chromschicht als Maskenmaterial verwandt wird.
• Weit verbreitet ist auch -die Verwendung von Aluminium und Aluminiumlegierungen als relative kostengünstige Alternativen zu Edelmetallen; beispielsweise offenbart das US-Patent 4 017 890 Aluminium und Aluminium-Kupfer-Leiterbandmetallisierungen. Die Materials Research Society Symposia Proceedings, Band 18, 1983, Seiten 57-67, beschreiben eine Sperrschicht aus alternierenden TiW- und Si-Schichten, die getempert wurden, um eine homogene Legierungsstruktur in einer Goldmetallisierung von Halbleitermaterialien zu bilden, und in Thin Solid Films, 96, 1982, Seiten 327-345, ist eine Titanbarriere für die Aluminiummetallisation für Siliciumbauteile beschrieben.
• Typischerweise wird, wenn Aluminium oder Aluminiumlegierungen zur Siliciumbauteilmetallisierung verwandt werden, ein Kontaktmaterial zwischen die dotierten Silicium-Source-Bereiche, die dotierten Silicium- Drain-Bereiche und die Siliciumoxid-Gate-Bereiche auf der einen Seite und die aluminiumhaltige Zwischenverbindungsmetallisierung eingebracht. Darüber hinaus wurde es als wünschenswert empfunden, ein Zwischenmaterial zwischen die Kontakt- und Zwischenverbindungs-metallisierung einzuschieben; solche Zwischenmaterialien haben wünschenswerterweise einen niedrigen Widerstand und arbeiten als Barriere gegen die Interdiffusion während der Bauteilherstellung.
• Obwohl in dieser Hinsicht für die Verwendung von Wolfram als ein Zwischenmaterial eingetreten wurde, bleibt die Notwendigkeit für Interdiffusionsbarrieren, die ihre Wirksamkeit bei erhöhten Temperaturen behalten. Insbesondere wird für solche Sperren gewünscht, daß sie ihre Wirksamkeit bei Temperaturen behalten, die wesentlich größer als ungefähr 450ºC sind.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es wurde gefunden, daß Strukturen, die aus abwechselnden amorphen Schichten aus Titan und einem Halbleitermaterial bestehen, als Kontakt- und Zwischenschichten in der Bauteilherstellung bei der Aluminium- oder Aluminiumlegierungsmetallisierungen verwandt werden, geeignet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Abbildung zeigt vergrößert und in einem schematischen Querschnitt ein integriertes Halbleiterbauteil, das drei Zwischenschichten in Übereinstimmung mit der Erfindung umfaßt.
Detaillierte Beschreibung
• Die Abbildung zeigt schematisch einen Querschnitt eines n-Kanal- Metalloxid-Halbleiterbauteils (MOS), das einen Siliciumkörper 1, der bis auf ein Source-Bereich 2 und ein Drain-Bereich 3, die n-plus-dotiert sind, p-plus-dotiert ist. Ein Kanalbereich 4 ist mit einer Gate- Oxidschicht 5 bedeckt, und Feldoxidbereich 6 grenzen an ein Source- Bereich 2 und ein Drain-Bereich 3 an. Eine Source-Kontaktschicht 7 befindet sich auf dem Source-Bereich 2, eine Drain-Kontaktschicht 8 auf dem Drain-Bereich 3 und eine Gate-Kontaktschicht 9 auf der Gate- Oxidschicht 5. Zwischenschichten 10 und 11 befinden sich auf den Kontaktschichten 7 bzw. 8; eine erste isolierende Oxidschicht 12 isoliert die Feldoxidgebiete 6 ebenso wie die Gate-Kontaktschicht 9; und eine erste Zwischenverbindungsmetallisierung 13 ist in Kontakt mit den Schichten 9, 10 und 11 gezeigt. Eine zweite isolierende Oxidschicht 14 ist auf der Zwischenverbindungsmetallisierungsschicht 13 aufgebracht, und eine zweite Zwischenverbindungsmetallisierungsschicht 15 auf der zweiten isolierenden Oxidschicht 14 steht in Kontakt mit der ersten Zwischenverbindungsmetallisierungsschicht 13 über in die zweite isolierende Oxidschicht 14 geätzte Fenster.
• In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Kontakt- oder Zwischenschicht, wie beispielsweise die Gate-Kontaktschicht 9, die Zwischenschicht 10 und die Zwischenschicht 11 als Struktur aus abwechselnden amorphen Schichten aus Titan und einem Halbleitermaterial hergestellt. (Man kann einsehen, daß insbesondere unter Herstellungsbedingungen bei erhöhten Temperaturen ein bestimmter Anteil an Legierungsbildung an den Schichtgrenzflächen auftreten wird. Eine solche partielle Legierung reduziert die Antiinterdiffusionswirksamkeit einer geschichteten Struktur nicht wesentlich und kann zum einem gewünschten niedrigen Kontaktwiderstand beitragen.) Titanschichten umfassen vorzugsweise wenigstens 99 Gew.% Titan, der Rest von höchstens 1 %, setzt sich aus Verunreinigungen, wie beispielsweise Eisen oder Nickel, zusammen. Im Interesse einer im wesentlichen amorphen Struktur überschreitet die Schichtdicke der Titanschicht nicht mehr als ungefähr 3 nm, vorzugsweise nicht mehr als 5 nm. Zum Zweck einer einfachen Abscheidung einer kontinuierlichen Schicht beträgt die bevorzugte Schichtdicke mindestens 0,1 nm.
• Die Halbleiterschichten können aus undotiertem, p-dotiertem oder- n-dotiertem Halbleitermaterial bestehen, und ein solches Material kann ein Element oder eine Verbindung sein. Für Zwischenstrukturen zwischen Siliciumsubstraten und der Aluminiummetallisierungen wird Silicium in Kombination mit Titan als besonders geeignet in Betracht gezogen. Die Schichtdicke der Siliciumschichten ist weniger kritisch als die Schichtdicke der Titanschicht; jedoch werden Schichtdicken größer als 10 nm als nicht wirtschaftlich im Hinblick auf die Verwendung der Erfindung angesehen. Ebenso beträgt, um die Stabilität einer abgeschiedenen Schicht willen, die bevorzugte Schichtdicke mindestens 0,1 nm.
• Die Anzahl der Perioden abwechselnder Schichten kann von 1 oder vorzugsweise 2 bis 500 reichen, eine größere Anzahl gibt einen erhöhten Schutz gegen Interdiffusion und außerdem einen größeren Kontaktwiderstand.
• Strukturen in Übereinstimmung mit der Erfindung sind in erster Linie zum Schutz gegen Interdiffusion zwischen Aluminiummetallisierungen und Halbleiter- oder Isolatormaterialien während der Bauteilherstellung, die eine Verarbeitung bei erhöhten Temperaturen einschließt, geplant. In dieser Hinsicht kann die Halbleiterbauteilverarbeitung ein Heizen auf Temperaturen oberhalb 200ºC einschließen. Aluminiummetallisierungen werden typischerweise aus Aluminium hergestellt, das mit einer geringen Menge Kupfer legiert wurde, der bevorzugte Aluminiumgehalt beträgt wenigstens 90 Gew.%. Von besonderer Bedeutung unter den Isolator- und den Halbleitermaterialien ist oxidiertes Silicium und n- oder p-dotiertes Silicium.
• Um eines minimierten Kontaktwiderstandes während der nachfolgenden Bauteilbetriebes willen, kann eine lokalisierte Kurzzeitaufheizung als Teil der Bauteilverarbeitung verwandt werden, um die Temperatur einer geschichteten Struktur so zu erhöhen, daß sie zumindest teilweise eine Interdiffusion der Halbleiter und der Titanschichten erlaubt und möglicherweise sogar eine stöchiometrische Verbindungsbildung. Solch eine lokalisierte Aufheizung kann beispielsweise durch Infrarot-Laserstrahlung bewirkt werden.
Beispiel 1
• Abwechselnde Schichten von Titan und Silicium wurden durch Elektronenstrahlverdampfung auf einem p-Typ-(001)-Siliciumsubstrat abgeschieden, welches nach Reinigung in einer 1:100-Lösung von Flußsäure in Wasser spingetrocknet wurde. Während der Abscheidung betrug die Substrattemperatur ungefähr 5ºC, und die Abscheidung wurde im Vakuum vorgenommen, das eine Restatmosphäre besaß, die im wesentlichen aus Wasserstoff bei einem Partialdruck von ungefähr 667·10&supmin;&sup9;Pa (ungefähr 5·10&supmin;&sup9; Torr) bestand. Die Elektronenkanonen wurden auf einem Potential von ungefähr 9 kV gehalten, und die Abscheidungsrate betrug ungefähr 0,08 nm/s. Die einzelnen Titan- und Siliciumschichten hatten angenähert Jeweils Schichtdicken von 1 und 2 nm, und eine Struktur, die 5 Perioden abwechselnder Titan- und Siliciumschichten besaß, wurde abgeschieden. Die Struktur wurde daraufhin mit einer Schicht aus Aluminium-Kupfer, die eine Schichtdicke von ungefähr 120 nm besitzt, metallisiert.
• Die abgeschiedene Struktur wurde bei einer Temperatur von ungefähr 450ºC getempert, und die getemperte Struktur wurde mit Hilfe von Rutherford-Rückstreuung und Röntgenanalysen untersucht. Eine hervorragende Erhaltung der geschichteten Struktur wurde beobachtet. Die Struktur wurde dann bei einer Temperatur von ungefähr 550ºC getempert, und wiederum wurde eine Erhaltung der Struktur beobachtet.
• Um eines Vergleichs willen wurde eine Wolframinterdiffusionssperrschicht auf gleiche Weise getempert. Während eine solche Wolfram-Sperrschicht nach Tempern bei einer Temperatur von 450ºC unversehrt blieb, führte ein Tempern bei 550ºC zu ihrer Interdiffusion und zu ihrer Reaktion mit Silicium des Substrats und Aluminium der Metallisierung.
Beispiel 2
• Das oben in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt, außer daß die abgeschiedenen Schichten eine Schichtdicke von 2 nm für Titan ebenso wie für Silicium betrug, und daß die abgeschiedene Struktur 10 Perioden von abwechselnden Titan- und Siliciumschichten besaß. Der Widerstand gegen Interdiffusion war wie in Beispiel 1 beschrieben.

Claims (8)

1. Bauteil mit einem Körper aus Halbleitermaterial und einem elektrischen Leiterelement, das Aluminium in einer Menge von wenigstens 90 Gew.% enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

eine geschichtete Zwischenstruktur zwischen dem Körper und dem Leiterelement angeordnet ist, daß die Zwischenstruktur abwechselnd aus amorphen Metall- und Halbleiterschichten besteht,

daß jede Metallschicht Titan in einer Menge von mehr als oder gleich 99 Gew.% enthält und wenigstens acht Nanometer dick ist, daß jede Halbleiterschicht in Form eines Elements oder einer Verbindung vorliegt, und

daß eine oberste Halbleiterschicht in direktem Kontakt mit dem Leiterelement steht.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht Silizium umfaßt.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumschicht weniger als zehn Nanometer dick ist.

4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper Silizium umfaßt.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Leiterelements außerdem Kupfer umfaßt.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Feldeffekttransistor (FET) ist und daß die geschichtete Zwischenstruktur auf wenigstens einem Source-Bereich, einem Drain-Bereich und einer Gate-Isolierschicht angeordnet ist.

7. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die geschichtete Zwischenstruktur bis zu 500 Sätze abwechselnder Schichten umfaßt und jeder Satz aus einer Titan- und einer Halbleiterschicht besteht.

8. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Körper aus Halbleitermaterial und einem elektrischen Leiterelement, das wenigstens 90 Gew.% Aluminium umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß immer dann, wenn der Prozeß zur Herstellung des Bauteils einschließlich des elektrischen Leiters eine Behandlung bei einer Temperatur von mehr als 200ºC vorsieht, das Verfahren ein Abscheiden einer geschichteten Struktur von abwechselnd amorphen Metall- und Halbleiterschichten umfaßt,

daß jede Metallschicht wenigstens 99 % Titan enthält und weniger als acht Nanometer dick ist,

daß jede Halbleiterschicht in Form eines Elements oder einer Verbindung vorliegt und

daß eine oberste Halbleiterschicht in direktem Kontakt mit dem Leiterelement steht.