DE4122362A1 - Anordnung und verfahren zum kontaktieren von leitenden schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und Verfahren zum Kontak­ tieren von leitenden Schichten auf einem Halbleitersubstrat mit einer unteren leitenden Schicht, mindestens einer oberen leiten­ den Schicht, die die untere leitende Schicht höchstens teilweise überdeckt und durch eine erste isolierende Schicht von der unte­ ren leitenden Schicht getrennt ist, einer zweiten isolierenden Schicht auf der oberen leitenden Schicht und einem Kontaktloch, welches in der ersten und zweiten isolierenden Schicht so ange­ ordnet ist, daß es einen Teil der unteren und oberen leitenden Schicht freilegt.

In der Halbleitertechnologie werden häufig mehrere leitende Schichten verwendet, die - entsprechend strukturiert - als Leit­ bahnen für elektrische Ströme dienen. Gegeneinander sind diese Schichten durch geeignete nichtleitende Schichten isoliert. Sol­ len zwei verschiedene leitende Schichten bzw. in verschiedenen Schichten angeordnete Leitbahnen miteinander leitend verbunden werden, so ist in der zwischenliegenden Isolationsschicht eine Öffnung (Kontaktloch) herzustellen. Meist ist eine solche Kontakt­ lochstrukturierung aber nicht für alle Isolationsschichten vorge­ sehen, da diese phototechnischen Strukturierungsverfahren sehr aufwendig sind. Manchmal ist eine direkte Verbindung der leiten­ den Schichten auch aus physikalischen Gründen ausgeschlossen; beispielsweise kann eine n⁺-dotierte Polysiliziumschicht nicht mit einer p⁺-dotierten einkristallinen Siliziumschicht kontaktiert werden, da anstelle eines leitenden Kontaktes eine Diode entstün­ de. Das heißt, eine direkte Verbindung zwischen beliebigen Ebenen ist aus verschiedenen Gründen nicht immer möglich. In diesem Fall muß mit Hilfe einer dritten leitenden Schicht eine indirekte Ver­ bindung hergestellt werden. Typischerweise bestehen die unteren - nicht direkt miteinander kontaktierbaren oder kontaktierten - Schichten einer Schaltung aus dotiertem Poly- oder einkristalli­ nem Silizium, die genannten indirekten Verbindungen (d. h. die dritte leitende Schicht) aus Metall, meist einer Aluminiumlegie­ rung. Die Metallschicht kann über Kontaktlöcher mit jeder unter­ liegenden Schicht kontaktiert werden.

Fig. 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung einer solchen indirekten Verbindung in Aufsicht und im Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Auf einem Halbleitersubstrat 1 (meist Silizium) mit einer Oberfläche 2 befindet sich eine untere lei­ tende Schicht 3 und eine mit ihr zu kontaktierende obere leiten­ de Schicht 4, die bereits strukturiert sind. Selbstverständlich können vor Aufbringen der unteren leitenden Schicht 3 bereits beliebige Verfahrensschritte zur Herstellung integrierter Schal­ tungen vorgenommen worden sein, so daß zwischen der Oberfläche 2 und der unteren leitenden Schicht 3 weitere Schichten angeordnet sein können. Ferner kann die untere leitende Schicht 3 auch eine durch Einbringen von Dotierstoffen im Halbleitersubstrat gebil­ dete Schicht sein (Diffusionsgebiet). Die untere und die obere leitende Schicht 3, 4 sind durch eine erste isolierende Schicht 5 getrennt. Auf der oberen leitenden Schicht 4 bzw. auf der er­ sten isolierenden Schicht 5 befinden sich eine zweite isolierende Schicht 6, die im allgemeinen aus demselben Material wie die er­ ste isolierende Schicht 5 besteht. Über zwei Kontaktlöcher 7, 8, die in die zweite isolierende Schicht 6 bis zur oberen leitenden Schicht 4 bzw. in die erste und zweite isolierende Schicht 5, 6 bis zur unteren leitenden Schicht 3 geätzt werden, werden die leitenden Schichten 3, 4 miteinander verbunden, indem zunächst ganzflächig eine dritte leitende Schicht, meist eine Aluminium­ legierung, abgeschieden wird, die dann über den beiden Kontakt­ löchern 7, 8 zu einer Brücke 9 strukturiert wird.

Diese indirekten Verbindungen sind offenbar recht platzaufwendig. Bei dem Ziel, solche Verbindungen platzsparender herzustellen, sind folgende Randbedingungen zu beachten:

• - Es können nur Strukturen realisiert werden, die (in Aufsicht) bestimmte Minimaldimensionen d nicht unterschreiten (sogenannte Designregel d). Beispielsweise kann ein Kontaktloch die Größe dxd nicht unterschreiten. d wird im wesentlichen durch die li­ thographische Auflösung bestimmt.
• - Zwischen zwei Schichten kann durch Justierfehler bei ihrer pho­ totechnischen Strukturierung ein Versatz auftreten, so daß Strukturkanten in diesen Schichten, die eine bestimmte gegen­ seitige Lage einnehmen müssen, mit einem gewissen Abstand a entworfen werden müssen. Beispielsweise muß eine über einem Kontaktloch verlaufende Leitbahn das Kontaktloch allseitig um einen Betrag a überlappen, falls die Leitbahn das Kontaktloch auch bei einem Justierfehler der Größe a noch vollständig be­ decken soll. Typischerweise ist mit einem Justierfehler a von bis zu einem Drittel des Minimalabstandes d zu rechnen.

Unter Beachtung dieser Randbedingungen wird eine indirekte Ver­ bindung der in Fig. 1 und 2 gezeigten Art üblicherweise folgender­ maßen entworfen: Die Kontaktlöcher 7, 8 haben die Abmessungen dxd, der Abstand zur nächsten Leitbahn von der Brücke 9 ist d, der Abstand der Kontaktlöcher 7, 8 von der Kante der oberen lei­ tenden Schicht 4 sowie die allseitige Überlappung der Brücke 9 über die Kontaktlöcher 7, 8 ist jeweils d/3 (=a). In Fig. 1 sind die Kanten der nächstmöglichen Leitbahnen (gebildet aus der drit­ ten leitenden Schicht) durch die gestrichelten Linien 10 ange­ geben.

In manchen Fällen kann eine Reduzierung des Platzbedarfs dadurch erreicht werden, daß die beiden Kontaktlöcher zu einem Kontakt­ loch zusammengezogen werden, d. h. der Teil der isolierenden Schichten 5, 6 zwischen den Kontaktlöchern 7, 8 wird beim Ätzen der Kontaktlöcher mitentfernt. Ist die Kontaktfläche ein kriti­ scher Parameter, d. h. darf sie beispeilsweise aus Gründen eines genügend kleinen Übergangswiderstandes die Größe dxd nicht unter­ schreiten, muß das Kontaktloch weiterhin die leitenden Schichten 3, 4 um jeweils a+d überlappen, damit im Fall eines Justierfeh­ lers der Größe a noch die volle Kontaktfläche von dxd zur Ver­ fügung steht. In diesem Fall kann ein Platzgewinn also nicht erzielt werden. Ist dagegen das Aspektverhältnis (Tiefe des Kon­ taktloches/Durchmesser) der kritische Parameter, der eine Ver­ kleinerung der Kontaktlöcher verbietet, läßt sich der Platzbe­ darf reduzieren, wie beispielsweise in Fig. 3 und 4 gezeigt, da ein vergrößertes Kontaktloch 11 ein wesentlich günstigeres As­ pektverhältnis aufweist als die getrennten Kontaktlöcher 7, 8. Hier ist die Kontaktfläche im Fall ungünstigster Dejustierung auf 1/3 bzw. 2/3 verkleinert. Sind weder Kontaktfläche noch As­ pektverhältnis kritische Parameter, so kann man das Kontaktloch auf die durch die Lithographie vorgegebenen Abmessungen dxd ver­ kleinern. Im Fall ungünstigster Dejustierung ist dann die Kontakt­ fläche auf 1/6 verkleinert. Der Platzgewinn ist allerdings mit verringerter Prozeßsicherheit verbunden, denn die Kontaktfläche ist hier bereits beträchtlich reduziert. Der minimale Abstand zu anderen Leitbahnen beträgt weiterhin d. Wie den Fig. 2 und 4 ferner zu entnehmen ist, besteht bei den konventionellen indirek­ ten Verbindungen in Form von metallischen Brücken 9 die Gefahr eines nichtausreichenden elektrischen Kontaktes oder Zuverlässig­ keit aufgrund der bekanntermaßen geringen Kantenbedeckung der me­ tallischen Schicht, insbesondere bei Verwendung von Aluminium.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine indirekte Verbindung zwischen einer unteren und einer oberen leitenden Schicht zu ermöglichen, die bei einem verringerten Platzbedarf einen zuverlässigen Kontakt gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung der oben genannten Art, die gekennzeichnet ist durch eine Kontaktzone zwischen der unteren und oberen leitenden Schicht, die das Kontaktloch im we­ sentlichen ausfüllt und die waagerechte Oberfläche der zweiten isolierenden Schicht nicht bedeckt. Weiterbildungen der Erfindung, insbesondere ein Herstellverfahren, sind Gegenstand von Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine bekannte indirekte Verbindung zwischen leiten­ den Schichten auf einem Halbleitersubstrat,

Fig. 3 und 4 eine bekannte indirekte Verbindung mit reduziertem Platzbedarf,

Fig. 5 und 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zum Kontaktieren von leitenden Schichten,

Fig. 7 und 8 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit reduziertem Platzbedarf, jeweils in Aufsicht und im Querschnitt durch die Mitte des Kon­ taktlochs in schematischer Darstellung.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen, wie vorstehend bereits erläutert, die miteinander zu kontaktierenden leitenden Schichten 3, 4 auf dem Halbleitersubstrat 1. Ein Kontaktloch 11 ist so angeordnet, daß es sowohl einen Teil der oberen leitenden Schicht 4, als auch der - an dieser Stelle nicht von der oberen leitenden Schicht 4 überdeckten - unteren leitenden Schicht 3 freilegt, indem die darüber befindlichen Teile der isolierenden Schichten 5, 6 ent­ fernt worden sind. Der elektrische Kontakt wird durch eine Kon­ taktzone 12 hergestellt, die das Kontaktloch 11 im wesentlichen ausfüllt und die waagerechte, d. h. zur Halbleitersubstrat-Ober­ fläche 2 parallele Oberfläche 13 der zweiten isolierenden Schicht 6 nicht bedeckt. Eine solche Kontaktzone ist insbesondere durch eine sogenannte Kontaktloch-Auffüllung herstellbar. Diese Technik ist bekannt bei der Herstellung von direkten Verbindungen zwischen zwei leitenden Schichten, wobei die Kontaktzone über der einen leitenden Schicht angeordnet ist und mit der anderen leitenden Schicht überdeckt wird. Ein Material, das sich zur Kontaktloch- Auffüllung besonders gut eignet, ist in einem CVD-Verfahren her­ gestelltes Wolfram. Weitere Einzelheiten und geeignete Verfahren zur Kontaktloch-Auffüllung sind in dem Artikel von R.S.Blewer, Solid State Technology Nov. 1986 Seiten 117 bis 126 und H.Iton et al, Solid State Technology, Nov. 19B7, Seiten 83 bis 87 be­ schrieben.

Erfindungsgemäß besteht die Kontaktzone 12 nur aus dem Material der Kontaktloch-Auffüllung. Eine dritte leitende Schicht, die zu einer Brücke über dem Kontaktloch strukturiert wird, ist für die Bildung des elektrischen Kontaktes nicht notwendig. Die Kontakt­ zone 12 ist im Gegensatz zur konventionellen Brücke 9 selbstju­ stiert zum Kontaktloch 11, so daß hier kein Justierfehler mit einem entsprechenden Platzbedarf einzukalkulieren ist. An der Fig. 5 ist ein weiterer beträchtlicher Platzgewinn zu erkennen: Die Kanten benachbarter Leitbahnen (gestrichelte Linien 10), die aus der dritten leitenden Schicht gebildet werden, können im Ab­ stand a von der Kontaktlochkante verlaufen, während bei einer konventionellen Brücke (mit Metallüberdeckung über dem Kontakt­ loch 11) ein Abstand von (a+d) einzuhalten ist. Der Abstand zwi­ schen der erfindungsgemäßen Kontaktzone 12 und einer Leitbahn wird nur noch durch den Justierfehler bei der Strukturierung der dritten leitenden Schicht bestimmt (auch bei der maximal mögli­ chen Dejustierung soll die Kontaktzone 12 von den Leitbahnen isoliert sein), nicht aber vom Auflösungsvermögen, da die Kon­ taktzone 12 und die Leitbahnen in verschiedenen Schichten ange­ ordnet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn wie vorstehend erläutert, das Aspektverhältnis des Kontaktloches eine Verkleinerung des Kontakt­ lochs verhindert. Bei Verwendung einer Kontaktloch-Auffüllung ist das Aspektverhältnis im allgemeinen unkritisch, da auch enge und tiefe Löcher problemlos gefüllt werden. Es ist damit möglich, das Kontaktloch 11 so weit zu verkleinern, wie es die sonstigen be­ reits erläuterten Randbedingungen gestatten. Die Fig. 7 und 8 zei­ gen eine dementsprechende Ausführungsform der Erfindung mit re­ duziertem Platzbedarf, in dem die Kontaktflächen im Fall ungün­ stigster Dejustierung auf je 1/3 verkleinert sind.

Ein weiterer Vorteil sind die verbesserten elektrischen Eigen­ schaften beispielsweise für den Kontaktlochwiderstand oder die Kontaktlochzuverlässigkeit eines durch eine Auffüllung hergestell­ ten Kontaktes im Vergleich zu einer konventionellen indirekten Verbindung. Ferner wird durch die Kontaktloch-Auffüllung bereits eine teilweise Planarisierung der Oberfläche erreicht, wie durch den Vergleich von Fig. 2 und Fig. 6 erkennbar ist. Dies wirkt sich auf nachfolgende Verfahrensschritte günstig aus.

Die untere leitende Schicht kann auch mit mehr als einer oberen leitenden Schicht kontaktiert werden, wobei die leitenden Schich­ ten und das Kontaktloch so angeordnet werden, daß jeweils ein Teil der leitenden Schichten durch das Kontaktloch freigelegt wird.

Das erfindungsgemäße Herstellverfahren sieht vor, auf der Ober­ fläche 2 zunächst eine untere leitende Schicht 3 abzuscheiden und entsprechend den Erfordernissen zu strukturieren (allgemein als Herstellung der unteren leitenden Schicht 3 bezeichnet) und darauf eine erste isolierende Schicht 5 aufzubringen. Anschlie­ ßend wird eine obere leitende Schicht 4 derart hergestellt, daß die untere leitende Schicht höchstens teilweise von der oberen leitenden Schicht 4 überdeckt wird. Schließlich wird eine zweite isolierende Schicht 6 auf der oberen leitenden Schicht 4 bzw. auf der ersten isolierenden Schicht 5 aufgebracht. Üblicherweise bestehen die isolierenden Schichten aus Siliziumoxid oder Sili­ ziumnitrid, wobei es vorteilhaft ist, wenn beide aus demselben Material bestehen. Mit Hilfe einer Phototechnik wird nun ein Kon­ taktloch 11 geätzt, so daß sowohl ein Teil der oberen leitenden Schicht 4 als auch der unteren leitenden Schicht 3 freigelegt werden, d. h. es wird durch die zweite Schicht 6 bzw. durch die zweite und erste isolierende Schicht 6, 5 hindurchgeätzt. Nun wird die indirekte Verbindung in Form der Kontaktzone 12 selbst­ justiert zum Kontaktloch 11 hergestellt, indem eine Kontaktloch- Auffüllung eingesetzt wird. Dabei kann das Auffüllmaterial, meist Wolfram, ganzflächig unter Auffüllung des Kontaktlochs 11 abge­ schieden und rückgeätzt werden, es kann aber auch eine selektive Abscheidung vorgenommen werden. In jedem Fall liegt nach diesem Schritt eine Kontaktzone 12 vor, die das Kontaktloch 11 im we­ sentlichen (d. h. in etwa bis zur Oberkante der zweiten isolieren­ den Schicht 6) auffüllt. Die Oberfläche 13 der zweiten isolieren­ den Schicht 6 wird nicht von dem Material der Kontaktzone 12 bedeckt.

Anschließend wird im allgemeinen die dritte leitende Schicht ab­ geschieden und zu Leitbahnen mit Hilfe einer Phototechnik und eines Ätzprozesses strukturiert. Dieser Ätzprozeß darf das Mate­ rial der Kontaktzone 12 nicht oder nur minimal abtragen. Besteht die Kontaktzone beispielsweise aus Wolfram, die dritte leitende Schicht aus einer Aluminiumlegierung, so ist diese Bedingung meist erfüllt oder problemlos zu erfüllen. Das Material der Kontaktzone 12 dient als Ätzstop. Es ist auch möglich, die Kontaktzone 12 nach Bedarf mit einer Leitbahn der dritten leitenden Schicht zu verbinden, indem die Leitbahn die Kontaktzone 12 an einer belie­ bigen Stelle auf einer ausreichend großen Fläche überlappt, z. B. quer über die Kontaktzone 12 hinübergeführt wird.

Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vor allem seine Einfachheit und seine einfache Integrationsmöglichkeit mit den üblichen Prozessen bei der Herstellung integrierter Schaltungen. Besonders interessant ist der Einsatz der Erfindung für hochin­ tegrierte DRAM-Speicher. Kontinuierliche Fortschritte beim Ent­ wurf der eigentlichen Speicherzelle führen zu immer kleineren Zellrastern (Abstand zwischen Wortleitungen oder Bitleitungen). Die anschließenden, im Zellraster periodischen Schaltungen zum Auswählen, Ansprechen und Auslesen der Zellen (Rasterschaltungen) können meist nicht im entsprechenden Maßstab verkleinert werden, da in der Speicherzelle bestimmte Spezialtechnologien wie selbst­ justierte Kontakte oder Grabenkondensatoren zum Einsatz kommen, während die umgebenden Schaltungen weitgehend konventionell ent­ worfen werden. Oft müssen dann diese Schaltungen zwei- oder mehr­ fach gestaffelt werden, um die verfügbare Periodenlänge (Abstand zwischen zwei solchen Schaltungen) an das Zellraster anzupassen.

Dies ist mit einem beträchtlichen Platzverbrauch verbunden. Brückenverbindungen, auf die diese Erfindung anwendbar ist, sind in den Rasterschaltungen meist recht häufig vertreten, so daß der Einsatz der Erfindung in vielen Fällen einen deutlichen Platzgewinn erbringt.

Claims (7)

1. Anordnung zum Kontaktieren von leitenden Schichten auf einem Halbleitersubstrat (1) mit

• - einer unteren leitenden Schicht (3),
• - mindestens einer oberen leitenden Schicht (4), die die untere leitende Schicht (3) höchstens teilweise überdeckt und durch eine erste isolierende Schicht (5) von der unteren leitenden Schicht (3) getrennt ist,
• - einer zweiten isolierenden Schicht (6) auf der oberen leitenden Schicht (4) und der ersten isolierenden Schicht (5),
• - einem Kontaktloch (11), welches in der ersten (5) und der zwei­ ten isolierenden Schicht (6) so angeordnet ist, daß es einen Teil der unteren (3) und oberen leitenden Schicht (4) freilegt, gekennzeichnet durch eine Kontaktzone (12), die das Kontaktloch (11) im wesentlichen ausfüllt und die waage­ rechte Oberfläche (13) der zweiten isolierenden Schicht (6) nicht bedeckt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus Wolfram bestehende Kontaktzone (12).

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste isolierende Schicht (5) und die zweite isolierende Schicht (6) aus demselben Mate­ rial bestehen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch ein Diffusionsgebiet als untere leitende Schicht (3).

5. Verfahren zum Kontaktieren von leitenden Schichten auf einem Halbleitersubstrat mit folgenden Schritten:

• - Herstellen einer unteren leitenden Schicht (3),
• - Herstellen einer ersten isolierenden Schicht (5),
• - Herstellen einer oberen leitenden Schicht (4) derart, daß die untere leitende Schicht (3) höchstens teilweise überdeckt wird,
• - Herstellen einer zweiten isolierenden Schicht (6) auf der vor­ liegenden Oberfläche,
• - Erzeugen eines Kontaktlochs (11) derart, daß ein Teil der un­ teren (3) und der oberen leitenden Schicht (4) freigelegt werden,
• - Bilden einer Kontaktzone (12) durch Auffüllen des Kontaktlochs (11) mit einem leitenden Material, so daß das leitende Material das Kontaktloch (11) im wesentlichen ausfüllt und die waage­ rechte Oberfläche (13) der zweiten isolierenden Schicht (6) freiläßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine selektive Abscheidung von Wolfram zur Auffül­ lung des Kontaktlochs (11).

7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine nicht-selektive Abscheidung von Wolfram und anschließende ganzflächige Rückätzung zur Auffüllung des Kon­ taktlochs (11).