DE4234666C2 - Verbindungsstruktur und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungs
struktur einer Halbleitereinrichtung und
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen.
Insbesondere bezieht sie sich auf eine Verbindungsstruktur
einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung, bei der
Mehrschicht-Aluminiumverbindungsschichten miteinander über ein
Verbindungsloch verbunden sind.
Allgemein weist eine Halbleitereinrichtung ein Halbleiter
substrat und darauf gebildete Elemente, etwa Transistoren, auf.
Verschiedene Verbindungsschichten sind auf dem Halbleiter
substrat zum elektrischen Verbinden dieser Elemente miteinander
und mit einer externen Schaltung gebildet. Diese Verbindungs
schichten werden üblicherweise aus Polysiliziumschichten,
Refraktärmetallschichten, Refraktärmetallsilizidschichten,
Aluminiumschichten und Aluminiumlegierungsschichten gebildet.
In den letzten Jahren wird zunehmend die Verringerung des
Verbindungsschichtwiderstandes in integrierten Halbleiter
schaltungseinrichtungen, die hochintegriert und für Hochge
schwindigkeitsbetrieb vorgesehen sind, gefordert.
Dies erfordert weitgehend den Gebrauch von Aluminium-
Mehrschichtverbindungsstrukturen, die aus Aluminiumschichten
oder Aluminiumlegierungsschichten mit einem geringen
spezifischen Widerstand bestehen. Ein Beispiel für die
herkömmliche Aluminium-Mehrschichtverbindungsstruktur wird in
"High Performance Multilevel Interconnection System with
Stacked Interlayer Dielectrics by Plasma CVD and Bias
Sputtering", H. Abe et al., VMIC Conference, S. 404-410,
12./13. Juni 1989 beschrieben.
Fig. 17 ist eine teilweise Querschnittsdarstellung, die ein
Beispiel für eine Aluminium-Mehrschichtsverbindungsstruktur in
einer herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltungsein
richtung zeigt. In der Abbildung trägt ein Silizium-Halblei
tersubstrat 1 DRAM (dynamische Direktzugriffsspeicher-)Zellen
2, die in einem gestapelten Zellenaufbau angeordnet sind. Eine
Grundisolierschicht 3 ist auf den DRAM-Zellen 2 gebildet. Erste
Aluminium-Verbindungsschichten 4 sind auf der Grundisolier
schicht 3 mit vorbestimmten Abständen voneinander gebildet. Die
ersten Aluminium-Verbindungen 4 sind mit einem Zwischenschicht
isolierfilm 5 bedeckt, der mit Verbindungslöchern 6 (auch als
Viaholes oder Durchgangslöcher bezeichnet) versehen ist. Zweite
Aluminium-Verbindungsschichten 7 sind auf dem Zwischenschicht
isolierfilm 5 gebildet und mit den ersten Aluminium-Verbin
dungsschichten 4 über die Verbindungslöcher 6 verbunden. Eine
Schutzisolierschicht 8 ist so gebildet, daß sie die DRAM-Zellen
2, die ersten Aluminium-Verbindungsschichten 4 und die zweiten
Aluminium-Verbindungsschichten 7 bedeckt, um sie gegenüber
Feuchtigkeit und anderen externen Einflüssen zu schützen.
Bei der in Fig. 17 gezeigten herkömmlichen Aluminium-
Mehrschichtverbindungsstruktur hängen Produktionsausbeute und
Zuverlässigkeit der Halbleitereinrichtung technisch von der
Stabilität des Verbindungsabschnitts (nachfolgend als Viahole-
Abschnitt bezeichnet) zwischen der ersten Aluminium-Verbin
dungsschicht und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht ab.
Ein Verfahren zur Herstellung der herkömmlichen Aluminium-
Mehrschichtverbindungsstruktur nach Fig. 17 wird insbesondere
hinsichtlich der Bildung des Viahole-Abschnitts beschrieben.
Die Mehrschicht-Verbindungsstruktur wird üblicherweise aus
einer Kombination von Polysilizium-Verbindungen, Refraktär
metall-Verbindungen, Refraktärmetallsilizid-Verbindungs
schichten und Aluminium-Verbindungen gebildet. Nachfolgend wird
jedoch eine Beschreibung einer Aluminium-Zweischichtstruktur
gegeben, bei der beide Verbindungsschichten der ersten und der
zweiten Ebene Aluminium-Verbindungsschichten sind.
Die Fig. 18 bis 24 sind teilweise Querschnittsdarstellungen,
die ein Herstellungsverfahren der Aluminium-Zweischicht-
Verbindungsstruktur in der herkömmlichen integrierten
Halbleiterschaltungseinrichtung in der Reihenfolge der
Herstellungsschritte zeigen.
Wie Fig. 18 zeigt, ist eine DRAM-Zelle 2 auf der Oberfläche des
Silizium-Halbleitersubstrates 1 gebildet. Die DRAM-Zelle 2 ist
aus einer Elementtrennoxidschicht 301, einer Transfergateelek
trode 302, einer Störstellendiffusionsschicht 303, einer
Wortleitung 304, einem Speicherknoten 305, einem Kondensator
isolierfilm 306, einer Zellplatte 307 und einem Isolierfilm 309
gebildet.
Wie Fig. 19 zeigt, wird auf der gesamten Oberfläche des
Silizium-Halbleitersubstrates, auf dem die DRAM-Zelle 2
gebildet ist, eine Grundisolierschicht 3 gebildet. Dann werden
fotolithografische und Ätztechniken zur Bildung eines Kontakt
lochs 308 in einer vorbestimmten Lage in der Grundisolier
schicht benutzt. Eine erste Aluminiumverbindungsschicht 4 wird
als eine Bitleitung gebildet und elektrisch über dieses
Kontaktloch 308 mit der Störstellendiffusionsschicht 303
verbunden. In den letzten Jahren wird in integrierten
Halbleiterschaltungseinrichtungen, bei denen die
Elementabmessungen auf eine Größenordnung von unter einem
Mikrometer verringert sind, eine Verbindungsschicht aus einer
ersten Aluminiumverbindungsschicht 4 verwendet, in der eine
Barrieremetallschicht 310, etwa eine Titannitrid(TiN)- oder
Titan-Wolfram(TiW)- und eine Alluminiumlegierungsschicht 311
aus Al-Si-Cu o. ä. kombiniert sind. Die Aluminium-Verbin
dungsschicht mit einem solchen Aufbau wird aus den folgenden
Gründen verwendet:
- (i) Wenn das Aluminium in direktem Kontakt mit dem Silizium substrat (der Störstellendiffusionsschicht) im Kontaktabschnitt steht, wird lokal eine anormale Reaktion (die Bildung von Legierungsspitzen) verursacht. Dies führt zur Erzeugung einer Reaktionsschicht, die das Gebiet der Störstellendiffusions schicht unterbricht und sich nach unten in das Siliziumsubstrat hinein erstreckt, was zu einer Verbindungs-Schwachstelle in der Störstellendiffusionsschicht führt. Um dies zu verhindern, wird in direktem Kontakt mit dem Siliziumsubstrat (der Störstellen diffusionsschicht) die Barrieremetallschicht gebildet.
- (ii) Silizium in der Aluminiumlegierungsschicht wird im Kontaktabschnitt infolge eines epitaxialen Festphasenwachstums ausgeschieden, was zu einem Kontakt mit mangelhaften Eigenschaften führt. Auch um dies zu verhindern, wird unter der Aluminiumlegierungsschicht die Barrieremetallschicht gebildet.
- (iii) Auf der Aluminiumverbindungsschicht werden ein Zwischen- Schichtisolierfilm und ein Schutzisolierfilm gebildet. Die Schichtspannung dieser oberen Isolierschichten kann zu Unter brechungen in den Aluminium-Verbindungsschichten führen. Auch um die Widerstandsfähigkeit gegenüber dieser als Spannungsmigration bezeichneten Erscheinung zu erhöhen, wird unter der Aluminiumlegierungsschicht die Barrieremetallschicht gebildet.
Ein Film, der die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 bildet,
wird üblicherweise durch Abscheidung mittels eines
Sputterverfahrens und nachfolgendes Mustern der Schicht unter
Anwendung von fotolithografischen und Ätztechniken gebildet.
Wie Fig. 20 zeigt, wird auf der gesamten Oberfläche der ersten
Aluminiumverbindungsschicht 4 ein Zwischenschichtisolierfilm 5
gebildet. Der Zwischenschichtisolierfilm 5 wird aus einer
Kombination eines beispielsweise durch CVD (chemische
Gasphasenabscheidung) gebildeten Siliziumoxidfilms 321, eines
anorganisch aufgebrachten Isolierfilms 322 und eines durch CVD
gebildeten Siliziumoxidfilms 323 gebildet.
Der Siliziumoxidfilm 321 wird durch CVD unter Anwendung von
Wärme und einem Plasma bei Bildungstemperaturen von 300 bis
450°C unter Verwendung einer Mischung aus Silan(SiH4)-Gas und
Sauerstoff(O2)-Gas oder einem Stickoxid(N2O)-Gas gebildet. In
letzter Zeit wird ein Sililiziumoxidfilm vielfach aus einem
organisches Silan enthaltenden Material wie TEOS (Tetraethyl
orthosilikat) gebildet, das sich durch eine gute Stufenbe
deckung auszeichnet.
Der anorganische Isolierfilm 322, der zum Einebnen aufgebracht
wird, enthält allgemein Silanol (Si(OH)4) o. ä. als Hauptbe
standteil. Nach Aufschleudern des das Silanol o. ä. als
Hauptbestandteil enthaltenden Materials wird bei Temperaturen
von 400 bis 450°C ein Tempern (Backen) zur Umwandlung des
Materials in einen Siliziumoxidfilm ausgeführt, wodurch die
Oberfläche des Siliziumoxidfilms 321, der mittels CVD gebildet
wurde, eingeebnet wird. Da der anorganische Isolierfilm 322
hochgradig hygroskopisch ist, kann es zu nachteiligen
Erscheinungen wie einem Ausgasen kommen, wenn der Isolierfilm
322 an einer Seitenwandung des Kontaktloch-Abschnitts
freigelegt wird. Daher wird der anorganische Isolierfilm 322
einem Rückätzschritt mittels Trockenätzen unter Verwendung
eines fluorhaltigen Gases oder Argongases unterzogen, so daß
die Oberfläche des anorganischen Isolierfilms 322 an der
Seitenwandung des Durchgangslochabschnittes nicht freigelegt
wird.
Auf dem anorganischen Isolierfilm 322 wird auf ähnliche Weise
wie bei der Bildung des Siliziumoxidfilms 321 ein Silizium
oxidfilm 323 gebildet.
Wie Fig. 21 zeigt, wird mittels Fotolithografie und Ätzen ein
Verbindungsloch 6 so gebildet, daß es einen vorbestimmten
Abschnitt der Oberfläche der ersten Aluminiumverbindungsschicht
4 freilegt. Dieser Schritt wird wie folgt ausgeführt:
Ein Fotoresist 324 wird so aufgebracht, daß er ein Gebiet mit
Ausnahme dessen bedeckt, in dem durch Fotolithografie das
Verbindungsloch 6 gebildet werden soll. Dann wird der
Zwischenschichtisolierfilm 5 selektiv entfernt, um das
Verbindungsloch 6 zu bilden.
Der Fotoresist 324 ebenso wie Reaktionsprodukte, die während
des Ätzens erzeugt werden, werden durch ein Sauerstoff (O2)-
Plasma und eine naßchemische Bearbeitung nach dem Ätzen
entfernt.
Wie Fig. 22 zeigt, wird beim Schritt des Bildens des Verbin
dungsloches 6 die Oberfläche der ersten Aluminiumverbin
dungsschicht 4 einem Plasma eines fluorhaltigen Gases wie CHF3
oder eines Sauerstoffgases ausgesetzt, so daß sich eine
Reaktionsprodukte (etwa Fluorid und Oxid) enthaltende Schicht
201 aus Aluminium mit verschlechterten Eigenschaften mit einer
Dicke von etwa 10 nm auf der Oberfläche der ersten Aluminium-
Verbindungsschicht 4 im Verbindungsloch 6 bildet. Um einen
isolierenden Film der dünnen Aluminiumschicht mit verschlech
terten Eigenschaften zu entfernen und so einen stabilen
Kontaktwiderstand zu gewährleisten, wird vor der Bildung der
zweiten Aluminiumverbindungsschicht ein Sputterätzen unter
Anwendung von Argonionen (Ar⁺) 202 ausgeführt.
Dann wird, wie in Fig. 23 gezeigt, die zweite Aluminium-
Verbindungsschicht 7 zusammenhängend im Vakuum unter Verwendung
eines Sputterverfahrens abgeschieden. Als zweite Aluminium-
Verbindungsschicht 7 findet ein Film aus einer Aluminium
legierung wie Al-Si, Al-Si-Cu oder Al-Cu Verwendung. Diese
Filme werden durch Mustern bzw. Strukturieren unter Anwendung
von Fotolithografie und eines Ätzverfahrens auf eine ähnliche
Weise gebildet wie die erste Aluminium-Verbindungsschicht.
Nachdem die zweite Aluminium-Verbindungsschicht 7 gebildet
wurde, wird bei Temperaturen von etwa 400 bis 450°C eine
Wärmebehandlung ausgeführt, so daß die erste und die zweite
Aluminium-Verbindungsschicht 4 und 7 im Verbindungsloch 6
miteinander in Kontakt gebracht werden.
Schließlich wird, wie in Fig. 24 gezeigt, eine Schutzisolier
schicht 8, etwa eine Siliziumoxidschicht oder eine Silizium
nitridschicht, mittels CVD auf die zweite Aluminium-Verbin
dungsschicht 7 abgeschieden, um die Halbleiterelemente und die
Verbindungen gegen Feuchtigkeit und andere von außen einwir
kende Einflüsse zu schützen.
Die herkömmliche Aluminium-Mehrschichtverbindungsstruktur weist
die folgenden Probleme auf:
Infolge der Miniaturisierung der Verbindungen wird der
Durchmesser des Verbindungslochs 6 zunehmend verringert. Wenn
der Durchmesser des Verbindungslochs 6 auf Submikrometerniveau
ist, können Probleme bezüglich der Stabilität und
Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung im Verbindungsloch
6 auftreten. Im herkömmlichen Falle wird - wie oben beschrieben
- vor der Bildung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 7
ein Sputterätzen unter Verwendung von Argonionen ausgeführt.
Bei diesem Ätzen entfernen, wie in Fig. 25(A) gezeigt, die
Argonionen 202 die Schicht 201 mit verschlechterten Eigen
schaften (die Fluorid und Oxid enthaltende Schicht), die auf
der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 im
Verbindungsloch 6 gebildet ist. Beim herkömmlichen Aufbau, bei
dem das Verbindungsloch 6 ein relativ kleines Aspektverhältnis
B/A (A ist der Durchmesser des Verbindungslochs und B die
Schichtdicke - etwa 1 µm - des Zwischenschichtisolierfilms) von
nicht mehr als 1 hat, werden Oxid- und Fluoridteilchen 203 des
mittels der Argonionen 202 gesputterten Aluminiums hinreichend
weit nach oben und außerhalb des Verbindungslochs 6 gestreut,
wie in Fig. 25(A) gezeigt ist. Daher kann durch Entfernung der
Zersetzungsschicht 201 des Aluminiums die Oberfläche der ersten
Aluminium-Verbindungsschicht 4 im Verbindungsloch 6 gesäubert
werden.
Wenn jedoch das Verbindungsloch 6 einen Durchmesser auf
Submikrometerniveau hat und das Aspektverhältnis (B/A) über 1
liegt, wie in Fig. 25(B) gezeigt, werden die durch die
Argonionen 202 gesputterten Oxid- und Fluoridpartikel 203 des
Aluminiums teilweise durch die Seitenwandung des Verbindungs
lochs 6 aufgehalten und können nicht hinreichend nach außerhalb
des Verbindungslochs 6 herausgeschleudert werden. Deshalb
haften einige der Partikel 204 von neuem innerhalb des
Verbindungsloches 6. Diese Erscheinung wird von H. Tomioka et
al. in "A New Reliability Problem Associated with Ar Ion
Sputter Cleaning of Interconnect Vias", IEEE/IRPS, 1989, S. 53-
58 beschrieben.
Im Ergebnis dessen verbleiben auch dann, wenn die zusammen
hängende Abscheidung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 7
im Vakuum als nächster Schritt ausgeführt wird, die Partikel
204 aus Oxiden und Fluoriden des Aluminiums, die an der Grenz
fläche 205 zwischen der ersten und der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht 4 und 7 im Verbindungsloch 6 während des
Sputterätzens verblieben sind, an dieser Grenzfläche, wie in
Fig. 26(A). Deshalb kann bei der nachfolgenden Wärmebehandlung
bei etwa 400 bis 450°C nach der Bildung der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht an der Grenzfläche 205 zwischen der ersten
und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht kein hinreichendes
Mischen ("Mixing") der Schichten erreicht werden.
Infolgedessen kann der Kontaktwiderstand (der als "Viahole-
Widerstand" bezeichnet wird) im Verbindungsloch 6 erhöht werden
und/oder sogar eine offene Fehlstelle (eine Fehlstelle bezüg
lich der Leitung zwischen der ersten und der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht) erzeugt werden.
Weiterhin kommt auch dann, wenn infolge der oben beschriebenen
Wärmebehandlung bei 400 bis 450°C der anfängliche Viahole-
Widerstand einen ausreichenden Wert hat, keine hinreichende
Vermischung ("Mixing") an der Grenzfläche 205 zwischen der
ersten und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht zustande.
Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Verbindung im Verbindungs
loch 6, insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elek
tromigration und Spannungsmigration, verringert.
Als erster Lösungsversuch für diese Probleme wurde in jüngerer
Zeit - wie in Fig. 26(B) gezeigt - eine erste Aluminium-Verbin
dungsschicht 4 verwendet, bei der ein Film aus einem Refraktär
metall wie Wolfram (W) und Titan-Wolfram (Ti-W), ein Film aus
einer Refraktärmetallverbindung wie Titannitrid (TiN), ein Film
aus einem Refraktärmetallsilizid wie Molybdänsilizid (MoSi2)
und Wolframsilizid (WSi2) oder ein Refraktärelemente
enthaltender Film, wie etwa ein Film aus amorphem Silizium, auf
einer Oberfläche der Aluminiumlegierungsschicht 311 einer
ersten Schicht angeordnet sind. Bei solchen Strukturen ist es
bekannt, daß der refraktärmetallhaltige Film 312 beim Schritt
der Bildung des Durchgangsloches im Vergleich zu einem Alumi
niumlegierungsfilm 311 eine Schicht mit verschlechterten Eigen
schaften mit geringerer Dicke erzeugt.
Jedoch wird auch bei Anwendung der oben beschriebenen Struktur
die Erscheinung des Wiederanhaftens von Zersetzungspartikeln im
Verbindungsloch beim Sputterätzen bei Strukturen auf
Submikrometerniveau nicht vollständig verhindert. Da auf der
Oberfläche eines refraktärelementhaltigen Films 312, der die
oberste Schicht der ersten Aluminiumverbindungsschicht 4
bildet, eine dünnere Zersetzungsschicht erzeugt wird, ist
allerdings ein Sputterätzen nur in geringerem Umfang erforder
lich, und damit wird das Wiederanhaften bis zu einem gewissen
Grade verringert.
Damit existieren, wenn die zweite Aluminium-Verbindungsschicht
7 auf dem refraktärelementhaltigen Film gebildet wird, Fluorid-
und Oxidpartikel des Wolframs, die während des Sputterätzens
von neuem anhafteten, auf der Grenzfläche 205 der ersten
Aluminium-Verbindungsschicht 4 mit der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht 7, wie in Fig. 26(C) gezeigt. Dies
verhindert das Mixing an der Grenzfläche 205 der ersten
Aluminium-Verbindungsschicht und der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht. Infolgedessen wird der Viahole-Widerstand
im Verbindungsloch 6 erhöht und/oder eine offene Fehlstelle
bewirkt. Im Ergebnis dessen taucht das Problem auf, daß die
Zuverlässigkeit im Verbindungsloch verringert ist.
Ein weiteres Problem, das sich aus dem Ansteigen des Aspekt
verhältnisses des Verbindungslochs 6 ergibt, ist es, daß das
Bedeckungsverhältnis im Verbindungsloch der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht 7 durch das Sputterverfahren signifikant
absinkt. Wenn das Bedeckungsverhältnis des Aluminiums im
Verbindungsloch niedrig ist, wird nicht nur die Zuverlässigkeit
der Verbindung im Verbindungsloch, etwa die Widerstands
fähigkeit gegenüber Elektromigration, verringert, sondern auch
der Viahole-Widerstand steigt an.
Dieses Problem wird für Verbindungslöcher in künftigen inte
grierten Halbleiterschaltungseinrichtungen, die auf Submikro
meterniveau bis zum Niveau von 0,5 µm miniaturisiert sind und
ein zunehmend größeres Aspektverhältnis (B/A) aufweisen,
zunehmend ernster.
Aus "Solid State Technology", Oktober 1987, Seiten 97 bis 103, ist
eine Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung bekannt, die
eine Mehrschichtstruktur aufweist. Die Verbindung zwischen einer
ersten Leiterstruktur und einer zweiten Leiterstruktur wird durch
eine Isolierschicht durch ein "wire hole" gebildet. Dieses "wire
hole" wird durch einen Wolframstopfen gefüllt, der eine leitende
Verbindung zwischen der ersten und zweiten leitenden Schicht darstellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsstruktur für eine
integrierte Halbleitereinrichtung anzugeben, die ein verbessertes
"mixing" zwischen einer unteren Aluminium-Verbindungsschicht und
einer oberen Aluminium-Verbindungsschicht sowie eine verbesserte
Stufenabdeckung und damit einen stabilen "wire-hole"-Widerstand
und verbesserte Zuverlässigkeit erlaubt. Es ist weiter Aufgabe der
Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine derartige Halbleitereinrichtung
anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbindungsstruktur einer
Halbleitereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Herstellungsverfahren für
eine Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 10.
Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der Verbindungsstruktur wird als
Basisschicht für die obere, zweite Aluminium-Verbindungsschicht
im Kontakt mit der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht
in einem Abschnitt des Durchgangslochs eine gestapelte Schicht
struktur angewandt, die eine Titanschicht und eine Titanverbin
dungsschicht aufweist. Eine Oberfläche der unteren, ersten
Aluminium-Verbindungsschicht steht im Kontakt mit der
Titanschicht. Die Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-
Verbindungsschicht enthält die refraktärelementhaltige Schicht
mit einem Schmelzpunkt, der höher als derjenige des Aluminiums
ist, und so ist die untere, refraktärelementhaltige Schicht im
Kontakt mit der oberen Titanschicht. Da diese Titanschicht eine
starke Bindungskraft gegenüber Fluorid und Sauerstoff aufweist,
erfüllt sie auch dann die unten beschriebenen Funktionen, wenn
Oxid- und Fluoridpartikel des Refraktärmetalls o. ä. auf der
Oberfläche der unteren refraktärmetallhaltigen Schicht
verblieben sind, die Refraktärmetall o. ä. in einem Abschnitt
des Verbindungslochs infolge des Wiederanhaftens während des
Sputterätzens enthält:
- (i) Die Titanschicht "fängt" die Oxid- und Fluoridpartikel des Aluminiums als Oxide und Fluoride des Titans ein und zersetzt sie.
- (ii) Die Titanschicht verbessert die Haftung der refraktär elementhaltigen Schicht, die auf der Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht existiert.
Die auf der Titanschicht gebildete Titanverbindungsschicht
verhindert eine Reaktion der Titanschicht, die im Kontakt mit
der ersten Aluminium-Verbindungsschicht steht, mit der oberen
aluminiumhaltigen Schicht und begünstigt die Reaktion der
Titanschicht mit der Schicht mit verschlechterten Eigenschaften
und den auf der refraktärelementhaltigen Schicht verbliebenen
Partikeln.
D. h., wenn die Titanverbindungsschicht nicht gebildet wäre,
würde es an der Grenzfläche der Titanschicht und der oberen,
aluminiumhaltigen Schicht keine Schicht zum Verhindern deren
Reaktion miteinander geben, und daher würde die Titanschicht
bereitwillig mit der oberen, aluminiumhaltigen Schicht bei
einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 200 bis 300°C
reagieren und eine intermetallische Verbindung (TiAl3) bilden
- vor einer Reaktion mit der Schicht mit verschlechterten
Eigenschaften bzw. der Zersetzungsschicht und den auf der
refraktärelementhaltigen Schicht in der Oberfläche der ersten,
unteren Aluminium-Verbindungsschicht vorhandenen Partikeln. In
diesem Falle würde die Titanschicht die Schicht mit verschlech
terten Eigenschaften und die auf der refraktärelementhaltigen
Schicht in der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungs
schicht im Verbindungsloch vorhandenen Partikel nicht
hinreichend zersetzen und keine hinreichende Haftung infolge
der Reaktion mit der refraktärelementhaltigen Schicht in der
Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht
gewährleistet.
Der Aufbau schließt jedoch das Vorsehen der
Titanverbindungsschicht, die eine geringere Reaktionsfähigkeit
mit dem Aluminium aufweist, auf der Titanschicht ein, um die
Reaktion der Titanschicht und der oberen aluminiumhaltigen
Schicht zu unterdrücken. Daher werden durch eine Wärmebehand
lung bei 300 bis 450°C nach der Bildung der oberen aluminium
haltigen Schicht die Schicht mit verschlechterten Eigenschaften
und die auf der refraktärelementhaltigen Schicht in der Ober
fläche der unteren Aluminium-Verbindungsschicht im Verbindungs
loch vorhandenen Partikel, die durch das Wiederanhaften während
des Sputterätzens dorthin gekommen sind, als Oxide und Fluoride
des Titans "eingefangen" und zersetzt. Weiterhin reagiert die
Titanschicht mit der refraktärelementhaltigen Schicht in der
Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht und
dient dazu, die Haftung an der Grenzfläche zwischen der refrak
tärelementhaltigen Schicht und der Titanschicht selbst zu
verbessern.
Das Verbindungsloch ist mit der metallhaltigen Schicht auf der
Titanverbindungsschicht ausgefüllt, so daß die metallhaltige
Schicht die Bedeckung durch die zweite Aluminium-Verbindungs
schicht im Verbindungsloch verbessert.
Damit wird der elektrische Kontaktwiderstand (der Viahole-
Widerstand) auch dann stabilisiert, wenn das Verbindungsloch
einen Durchmesser auf Submikrometerniveau hat. Weiterhin wird
die Zuverlässigkeit, insbesondere die Widerstandsfähigkeit
gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration im Viahole-
Abschnitt, verbessert.
Wie oben beschrieben, wird
durch Anwendung einer gestapelten Schicht, die aus
einer Titanschicht und einer Titanverbindungsschicht besteht,
als Basisschicht für die obere Aluminium-Verbindungsschicht
benachbart zur unteren Aluminium-Verbindungsschicht in einem
Verbindungsloch ein stabiler Kontakt einer Mehrschicht-
Aluminium-Verbindungsstruktur in einem Verbindungsloch
geschaffen. Außerdem wird die Bedeckung durch die zweite
Aluminium-Verbindungsschicht im Verbindungsloch durch Anwendung
einer metallhaltigen Schicht, die das Verbindungsloch ausfüllt,
verbessert, so daß der elektrische Kontaktwiderstand
stabilisiert wird und die Zuverlässigkeit der Verbindungsloch-
Abschnitte einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung,
etwa die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und
Spannungsmigration, verbessert wird.
Es folgt die Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren.
Von den Figuren zeigen
Fig. 1 eine teilweise Querschnittsdarstellung, die eine
Verbindungsstruktur einer integrierten
Halbleiterschaltungseinrichtung nach einer
Ausführungsform zeigt,
Fig. 2 eine vergrößerte teilweise
Querschnittsdarstellung, die einen Abschnitt II
in Fig. 1 zeigt,
Fig. 3-13 teilweise Querschnittsdarstellungen, die jeweils
Schritte eines Verfahrens zur Bildung der in Fig.
1 gezeigten Verbindungsstruktur darstellen,
Fig. 14(A) und 14(B) vergrößerte teilweise Querschnittsdarstellungen,
die eine Verbindungsstruktur einer ersten
Aluminium-Verbindungsschicht und einer zweiten
Aluminium-Verbindungsschicht zur Darstellung von
Vorgängen an deren Grenzfläche zeigen,
Fig. 15(A) und 15(B) vergrößerte teilweise Querschnittsdarstellungen,
die eine Verbindungsstruktur zum Darstellen der
Existenz eines optimalen Wertes für die Dicke
einer Titanschicht in einem Verbindungsabschnitt
zeigen,
Fig. 16 eine teilweise Querschnittsdarstellung, die eine
Verbindungsstruktur einer integrierten
Halbleiterschaltungseinrichtung nach einer anderen
Ausführungsform zeigt,
Fig. 17 eine teilweise Querschnittsdarstellung, die eine
Verbindungsstruktur einer herkömmlichen
integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung
zeigt,
Fig. 18-24 teilweise Querschnittsdarstellungen, die jeweils
Schritte eines Verfahrens zur Bildung der
Verbindungsstruktur der in Fig. 17 gezeigten
herkömmlichen integrierten
Halbleiterschaltungseinrichtung zeigen,
Fig. 25(A) und 25(B) teilweise Querschnittsdarstellungen, die die
Situation darstellen, wenn in einem
Schritt der herkömmlichen Verbindungsstruktur
ein Sputterätzen ausgeführt wird,
Fig. 26(A) eine vergrößerte teilweise Querschnittsdarstellung
der herkömmlichen Verbindungsstruktur, und
Fig. 26(B) und 26(C) teilweise Querschnittsdarstellungen, die die
Situation verdeutlichen, wenn in einem Schritt der
Bildung einer verbesserten herkömmlichen
Verbindungsstruktur ein Sputterätzen ausgeführt
wird.
Fig. 1 ist eine teilweise Querschnittsdarstellung, die ein
Beispiel einer Verbindungsstruktur entsprechend der Erfindung
zeigt, während Fig. 2 eine vergrößerte teilweise Querschnitts
darstellung ist, die einen Abschnitt II in Fig. 1 zeigt. Unter
Bezugnahme auf diese Figur ist eine DRAM-Zelle 2 auf einem
Silizium-Halbleitersubstrat 1 so gebildet, daß sie einen
gestapelten Zellaufbau aufweist. Auf der DRAM-Zelle 2 ist eine
Grundisolierschicht 3 gebildet. Auf der Grundisolierschicht 3
sind erste Aluminium-Verbindungsschichten 4 gebildet, die
voneinander getrennt sind. Eine erste Aluminium-Verbindungs
schicht 4 ist aus einer Titannitridschicht 310 als Barriere
metallschicht, einer Schicht 311 aus einer Aluminiumlegierung
wie Al-Si-Cu und einer Wolframschicht 312 gebildet. Ein
Zwischenschichtisolierfilm 5 ist so gebildet, daß er die erste
Aluminium-Verbindungsschicht 4 bedeckt. Ein Verbindungsloch 6
ist so geöffnet, daß es eine Oberfläche der ersten Aluminium-
Verbindungsschicht 4 im Zwischenschichtisolierfilm 5 erreicht.
Eine zweite Aluminium-Verbindungsschicht 100 ist auf dem
Zwischenschichtisolierfilm 5 so gebildet, daß sie in
elektrischem Kontakt mit der ersten Aluminium-Verbindungs
schicht 4 im Verbindungsloch 6 steht. Die zweite Aluminium-
Verbindungsschicht 100 ist aus einer Titanschicht 101, einer
Titannitridschicht 102 und einer Aluminiumschicht oder
Aluminiumlegierungsschicht 104 zusammengesetzt. Die Titan
schicht 101 ist als Basisschicht der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht 100 gebildet und im Kontakt mit der
Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4. Die
Titannitridschicht 102 ist als eine Basisschicht der zweiten
Aluminium-Verbindungsschicht 100 auf dem Titanfilm 101
gebildet. Der Aluminiumfilm oder Aluminiumlegierungsfilm 104
ist auf der Titannitridschicht 102 gebildet. Ein Wolfram- oder
Wolframverbindungspfropfen bzw. -stecker 103 ist auf der
Titannitridschicht 102 gebildet und füllt das Kontaktloch 6
aus. Eine Schutzisolierschicht 8 ist auf der gesamten Ober
fläche gebildet, um die Verbindungsstruktur gegenüber äußeren
Einflüssen zu schützen. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist auf einer
Grenzfläche des Titanfilms 101 und des Wolframfilms 312 in der
Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 durch
Reaktion dieser Filme eine Legierungsschicht 206 gebildet.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Verbindungs
struktur wird die Bildung insbesondere eines Verbindungsab
schnittes (Viahole-Abschnittes) der unteren, ersten Aluminium-
Verbindungsschicht 4 und der oberen, zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht 100 beschrieben. Die Fig. 3 bis 13 sind
teilweise Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zur
Bildung der Verbindungsstruktur nach Fig. 1 in der Reihenfolge
der Bildungsschritte zeigen.
Wie Fig. 3 zeigt, ist auf der Oberfläche eines Silizium-
Halbleitersubstrates 1 eine DRAM-Zelle 2 gebildet. Die DRAM-
Zelle 2 ist aus einer Elementtrennoxidschicht 301, einer
Transfergateelektrode 302, einer Störstellendiffusionsschicht
303, einer Wortleitung 304, einem Speicherknoten 305, einem
Kondensatorisolierfilm 306, einer Zellplatte 307 und einem
Isolierfilm 309 aufgebaut.
Wie Fig. 4 zeigt, wird die Grundisolierschicht 3 auf der
gesamten Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates 1
gebildet, auf der die DRAM-Zelle 2 gebildet ist. Danach wird in
einem vorbestimmten Abschnitt der Grundisolierschicht unter
Anwendung von Fotolithografie und Ätzen ein Kontaktloch 308
geöffnet. Die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 wird als
eine Bitleitung in elektrischem Kontakt mit der Störstellen
diffusionsschicht 303 über das Kontaktloch 308 gebildet.
In jüngster Zeit wird bei integrierten Halbleiterschal
tungseinrichtungen, bei denen die Elementabmessungen bis zu
einer Größenordnung von unter einem Mikrometer verringert sind,
als erste Aluminium-Verbindungsschicht 4, d. h. als Basis
schicht, eine Verbindungsschicht verwendet, bei der ein Film
310 aus einem Barrieremetall wie Titannitrid oder Titan-Wolfram
(TiW) mit einem Film 311 aus einer Aluminiumlegierung wie etwa
Al-Si-Cu oder Al-Si kombiniert ist. Die Aluminiumverbindung mit
einem solchen Aufbau wird aus den Gründen verwendet:
- (i) Verhinderung einer Verbindungsunterbrechung durch eine anormale Reaktion (die Bildung von Legierungsspitzen) des Aluminiums und des Siliziumsubstrats (der Störstellendiffu sionsschicht) in einem Kontaktabschnitt,
- (ii) Verhinderung eines unvollständigen Kontakts, der durch die Ausscheidung von in der Aluminiumlegierungsschicht vorhandenem Silizium im Kontaktabschnitt infolge eines epitaxialen Festphasenwachstums bewirkt werden könnte,
- (iii) Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Erscheinung der sogenannten Spannungsmigration, bei der eine Aluminiumverbindung infolge der Schichtspannung einer Schutz isolierschicht und/oder des zur oberen Aluminium-Verbindungs schicht gebildeten Zwischenschichtisolierfilms brechen oder reißen kann.
Eine Wolframschicht 312 wird auf der Aluminiumlegierungsschicht
311 zu den folgenden Zwecken gebildet:
- (a) Die Dicke einer während des Schritts der Bildung des Kontaktlochs erzeugten Schicht mit verschlechterten Eigen schaften wird gesenkt, so daß die Schicht mit verschlechterten Eigenschaften durch Sputterätzen leichter entfernt werden kann,
- (b) die Wolframschicht 312 wird als Antireflexionsschicht für die Fotolithografie im Schritt der Bildung des Kontaktlochs verwendet,
- (c) die Zuverlässigkeit der ersten Aluminium-Verbindungs schicht, insbesondere deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration, wird verbessert.
Eine Schicht, die die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4
bildet, wird allgemein durch aufeinanderfolgende Abscheidung
unter Verwendung eines Sputterverfahrens und nachfolgendes
Mustern unter Verwendung von Fotolithografie und Ätzen
gebildet.
Wie Fig. 5 zeigt, wird auf der gesamten Oberfläche der ersten
Aluminium-Verbindungsschicht 4 ein Zwischenschichtisolierfilm 5
gebildet. Der Zwischenschichtisolierfilm 5 kann ein Isolierfilm
aus einer Kombination einer durch chemische Gasphasen
abscheidung (CVD) gebildeten Siliziumoxidschicht 321, einer
aufgebrachten anorganischen Isolierschicht 322 und einer
wiederum durch das CVD-Verfahren gebildeten Siliziumoxidschicht
323 sein.
Die Siliziumoxidschicht 321 wird allgemein unter Verwendung des
CVD-Verfahrens unter Anwendung von Wärme und eines Plasmas bei
einer Bildungstemperatur von 300 bis 450°C unter Verwendung
einer Mischung aus Silan (SiH4)-Gas und Sauerstoff (O2)-Gas
oder einem Stickoxid (N2O)-Gas gebildet. In letzter Zeit wurde
der Siliziumoxidfilm auch unter Verwendung von organischem,
silanhaltigem Material wie TEOS (Tetraethylorthosilikat)
gebildet, weil ein solcher Oxidfilm eine gute Stufenbedeckung
aufweist.
Die zur Einebnung gebildete anorganische Isolierschicht 322 hat
allgemein Silanol (Si(OH)4) o. ä. zum Hauptbestandteil. Nach
Aufschleudern eines Silanol o. ä. als Hauptbestandteil
enthaltenden Materials wird bei Temperaturen von 400 bis 450°C
ein Tempern ("Backen") ausgeführt, um die Schicht in eine
Siliziumoxidschicht umzuwandeln, womit die Oberfläche der durch
das CVD-Verfahren gebildeten Siliziumoxidschicht 321 koplanar
gemacht wird. Da die aus anorganischem Material aufgebrachte
Isolierschicht 322 hochgradig hygroskopisch ist, zeigt sich,
wenn sie in der Seitenwandung eines Viahole-Abschnittes
freigelegt ist, ein Nachteil wie eine Gasemission. Damit ihre
Oberfläche an der Seitenwandung des Viahole-Abschnittes nicht
freiliegt, wird die anorganische Isolierschicht 322 einer
Rückätzbearbeitung mittels eines Trockenätzens unter Verwendung
eines fluorhaltigen Gases ausgesetzt.
Der Siliziumoxidfilm 323 wird auf der anorganischen Isolier
schicht 322 auf die gleiche Weise gebildet, wie der Silizium
oxidfilm 321 gebildet wurde.
Wie Fig. 6 zeigt, wird ein Verbindungsloch 6 unter Anwendung
von Fotolithografie und einem Ätzverfahren gebildet, so daß ein
vorbestimmter Bereich der Oberfläche der ersten Aluminium-
Verbindungsschicht 4 freigelegt wird. Dieser Schritt wird wie
folgt ausgeführt:
Ein Fotoresist 324 wird in einem Gebiet mit Ausnahme des
Verbindungslochs 6 gebildet und unter Anwendung der Fotolitho
grafie strukturiert. Danach wird der Zwischenschichtisolierfilm
5 durch Ätzen selektiv entfernt und damit das Verbindungsloch 6
geöffnet. Der Fotoresist 324 und die beim Ätzen erzeugten
Reaktionsprodukte werden unter Anwendung eines Sauerstoff (O₂)-
Plasmas und/oder eines naßchemischen Bearbeitungsverfahrens
nach dem Ätzen entfernt.
Wie Fig. 7 zeigt, wird auf der Wolframschicht 312 in der
Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 im
Verbindungsloch 6 durch das Freilegen mittels eines Plasmas
eines fluorhaltigen Gases wie CHF3 und/oder eines Sauerstoff
gases beim Schritt der Bildung des Verbindungslochs 6 eine
Wolframschicht mit verschlechterten Eigenschaften 313 (eine
Fluorid und Oxid enthaltende Schicht) mit einer Dicke von etwa
5 bis 10 nm gebildet. Um die dünne Schicht mit verschlech
terten Eigenschaften 313 zu entfernen und dadurch einen
stabilen Viahole-Widerstand zu erhalten, wird ein Sputterätzen
unter Verwendung von Argonionen 202 ausgeführt.
Wie Fig. 8 zeigt, reicht, wenn das Verbindungsloch 6 eine
Abmessung auf Submikrometerniveau und damit ein Aspektver
hältnis (B/A) von mehr als 1 hat, das Sputterätzen unter
Anwendung von Argonionen 202 nicht aus, um das Wiederanhaften
von Reaktionspartikeln aus Fluorid und Oxid o. ä. aus dem durch
die Argonionen gesputterten Wolfram zu verhindern, so daß
Partikel 314 der im Wolfram enthaltenen Fluoride und Oxide auf
der Oberfläche 205 der ersten Aluminium-Verbindungsschicht im
Verbindungsloch 6 zurückbleiben. Wie in Fig. 9 gezeigt, wird,
nachdem die Schicht mit verschlechterten Eigenschaften 313 aus
Wolfram zum größten Teil durch das Sputterätzen entfernt wurde,
nachfolgend ein Titanfilm 101 auf der gesamten Oberfläche im
Vakuum mit einer Dicke von 5 bis 15 nm unter Anwendung eines
Sputterverfahrens abgeschieden, um die noch vorhandene kleine
Menge von Reaktionsprodukten 314 des Wolframs zu zersetzen.
Wie Fig. 10 zeigt, wird auf die Titanschicht 101 eine Titan
nitridschicht 102 mit einer Dicke von 50 bis 100 nm
abgeschieden. Als Abscheidungsverfahren wird üblicherweise ein
reaktives Sputterverfahren verwendet, bei dem das Sputtern in
einer Atmosphäre aus Ar-+N2-Gas unter Verwendung eines Ti-
Targets ausgeführt wird. Die Titannitridschicht 102 dient zum
Verhindern bzw. Einschränken einer Reaktion der Titanschicht
101 im Kontakt mit der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4
mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht im Viahole-Abschnitt.
Daher wird der Titannitridfilm, dessen spezifischer Widerstand
nur etwa 250 bis 400 µΩ cm beträgt, verwendet, weil er eine
geringe Reaktionsfähigkeit mit der oberen aluminiumhaltigen
Schicht hat, und um ein Anwachsen des Viahole-Widerstandes
soweit wie möglich zu unterdrücken.
Wenn eine Titannitridschicht als Barrieremetallschicht in einem
Kontaktabschnitt mit einem Siliziumsubstrat verwendet wird,
benötigt sie Barriereeigenschaften gegenüber dem Silizium und
dem Aluminium, so daß üblicherweise eine Schicht mit einem
hohen Widerstand von etwa 400 bis 2000 µΩ cm verwendet wird.
Würde eine solche Titannitridschicht jedoch in einem Viahole-
Abschnitt verwendet, würde das Problem auftreten, daß der
Viahole-Widerstand mehrere Male größer wäre als bei einem
herkömmlichen Aufbau. Im Viahole-Abschnitt wird die Titan
nitridschicht 102 jedoch zum Zwecke des Unterdrückens einer
Reaktion der Titanschicht 101 mit der oberen aluminiumhaltigen
Schicht gebildet. Damit muß die Titannitridschicht 102 keine
wesentlichen Barriereeigenschaften gegenüber Aluminium
aufweisen. Damit kann ein Titannitridfilm mit einem kleinen
Widerstand von etwa 250 bis 400 µΩ cm verwendet werden. Im
Ergebnis dessen ist mit einer Erhöhung des Viahole-Widerstandes
um weniger als 50% auszukommen, was in der Praxis zu keinerlei
Problemen führt.
Weiterhin sollte die Dicke der Titannitridschicht 102 aus dem
Grunde, daß die Titannitridschicht 102 die untere Titanschicht
101 von einer Reaktion mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht
abhält und daß das Anwachsen des Viahole-Widerstandes in einem
Bereich sein sollte, der in der Praxis zu keinen Problemen
führt, etwa 50 bis 100 nm betragen.
Danach wird, wie in Fig. 11 gezeigt, bei Temperaturen von 300
bis 500° C eine Wolframschicht auf der gesamten Oberfläche des
Halbleitersubstrates 1 mittels des CVD-Verfahrens gebildet.
Nachfolgend werden zwei typische Beispiele des Schrittes der
Bildung einer Wolframschicht mittels des CVD-Verfahrens
angegeben:
(i) Verfahren des Reduzierens von SiH₄
2WF₆ + 3SiH₄ → 2W + 3SiF₄ ↑ + 6H₂ ↑
2WF₆ + 3SiH₄ → 2W + 3SiF₄ ↑ + 6H₂ ↑
(ii) Verfahren des Reduzierens von H₂
WF₆ + 3H₂ → W + 6HF ↑
WF₆ + 3H₂ → W + 6HF ↑
Die wesentliche Eigenschaft einer Wolframschicht, die durch das
CVD-Verfahren gebildet ist, ist ihre gegenüber einem Sputter
verfahren ausgezeichnete Stufenbedeckung, so daß das Verbin
dungsloch 6 mit einem vergleichsweise großen Aspektverhältnis
und kleinem Durchmesser durch die Wolframschicht vollständig
ausgefüllt ist.
Nachfolgend wird die gesamte Oberfläche der Wolframschicht, die
durch das CVD-Verfahren gebildet wurde, unter Verwendung von
SF6 o. ä. rückgeätzt, um die Wolframschicht zu entfernen und
nur einen Wolframpfropfen 103 zurückzulassen, der das
Verbindungsloch ausfüllt. Der Aufbau zu diesem Zeitpunkt ist in
Fig. 11 im Querschnitt gezeigt.
Danach wird, wie Fig. 12 zeigt, als oberste Schicht der zweiten
Aluminium-Verbindungsschicht 100 beispielsweise eine Al-Si-Cu-
Schicht 104 durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Die zweite
Aluminium-Verbindungsschicht 100 mit einer Dreischichtstruktur
aus einer Titanschicht 101, einer Titannitridschicht 102 und
einer Aluminiumlegierungsschicht 104 wird unter Anwendung von
Fotolithografie und Ätzen als erste Aluminium-Verbindungs
schicht 4 strukturiert.
Um ein Mischen bzw. "Mixing" an der Grenzfläche der ersten
Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht 100 zu fördern, wird bei einer Temperatur
von 300 bis 450°C für etwa 15 bis 60 Minuten eine Wärmebe
handlung ausgeführt, wodurch die auf der Oberfläche 205 der
ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 im Viahole-Abschnitt
verbliebenen Fluorid- und Oxidpartikel 314 des Wolframs durch
die Einwirkung der Titanschicht 101 zersetzt werden. Die
Wolframschicht 312 in der Oberfläche der ersten Aluminium-
Verbindungsschicht 4 und die Titanschicht 101 reagieren
miteinander und bilden eine Legierungsschicht 206.
Fig. 14 zeigt einen vergrößerten Verbindungsabschnitt zum
Darstellen des Mischens an der Grenzfläche zwischen der ersten
Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-
Verbindungsschicht 100. Wie Fig. 14(A) zeigt, sind Reaktions
teilchen 314 des Wolframs infolge des Wiederanhaftens der
Fluorid- und Oxidteilchen im Wolfram beim Ätzen auch nach der
Bildung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 noch auf
der Oberfläche 205 der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4
verblieben. Die Teilchen 314 verhindern ein hinreichendes
"Mixing" an der Grenzfläche 205 zwischen der ersten Aluminium-
Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-Verbindungs
schicht 100.
Daher wird, wie in Fig. 14(B) gezeigt, nach der Bildung der
zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 - wie oben beschrieben
- bei Temperaturen von 300 bis 450°C für etwa 15 bis 60 Minuten
eine Wärmebehandlung ausgeführt. Im Ergebnis dieser werden die
Reaktionspartikel 314 des Wolframs in Oxide und Fluoride des
Titans umgewandelt und zersetzt. Dies liegt daran, daß die
Titanschicht 101 eine große Bindungskraft gegenüber Fluoriden
und Oxiden aufweist, die die Reaktionsteilchen des Wolframs
darstellen, und bei einer Wärmebehandlung bei 300 bis 450°C
leicht Titanfluorid und -oxid bildet. Weiterhin reagiert bei
der Wärmebehandlung die Wolframschicht 312 in der Oberfläche
der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 mit der Titanschicht
101, wodurch eine Legierungsschicht 206 entsteht. Diese fördert
das "Mixing" an der Grenzfläche 205, was zu einer verbesserten
Haftung der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der
zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 führt.
Schließlich wird - wie Fig. 13 zeigt -, um die auf dem Halblei
tersubstrat gebildeten Halbleiterelemente und Verbindungen
gegenüber Feuchtigkeit und anderen Umgebungseinflüssen zu
schützen, unter Anwendung eines CVD-Verfahrens auf der zweiten
Aluminium-Verbindungsschicht 100 eine Schutzisolierschicht 8
wie etwa eine Siliziumoxidschicht und eine Siliziumnitrid
schicht abgeschieden.
Für die Dicke der im Verbindungsaufbau der vorliegenden
Erfindung verwendeten Titanschicht 101 gibt es aus den
folgenden Gründen, die unter Bezugnahme auf Fig. 15 erklärt
werden, einen optimalen Wert.
Nachdem die zweite Aluminium-Verbindungsschicht 100 gebildet
wurde, reagiert die Titanschicht 101 mit der Wolframschicht
312 in der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4
bei der Wärmebehandlung bei 300 bis 450°C und bildet eine
Legierungsschicht 206 (aus einer Legierung aus Ti und W). Fig.
15(A) zeigt einen Querschnitt des Verbindungsaufbaus, wenn die
Dicke der Titanschicht 101 ausreichend ist. Wie in Fig. 15(B)
gezeigt, wird, wenn die Titanschicht 101 zu dick ist, ein
nachteiliger Effekt erreicht. Wenn die Legierungsschicht 206
übermäßig ausgeprägt gebildet wird, wird die Grenzfläche
zwischen der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der
zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 infolge der Spannungen
und anderer Reaktionsfolgen bruchempfindlich, d. h. die
mechanische Stabilität verringert. Wenn umgekehrt die
Titanschicht zu dünn ist, kann das Mischen an der Grenzfläche
nicht hinreichend gefördert werden. Daher gibt es für die Dicke
der Titanschicht 101, die beim Verbindungsaufbau entsprechend
der Erfindung verwendet wird, eine obere und eine untere
Grenze. Entsprechend den experimentellen Ergebnissen der
Erfinder ist es vorzuziehen, daß die Dicke der Titanschicht 101
im Bereich von 5 nm bis 15 nm liegt.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Titannitrid
schicht 102 auf der Titanschicht 101 vorgesehen, um die
Reaktion der Titanschicht 101 mit der Aluminiumlegierungs
schicht 103 zu unterdrücken, die die zweite Aluminium-Verbin
dungsschicht bildet. Jedoch erzeugen andere Titanverbindungs
schichten, etwa eine Titanoxidschicht oder eine Titan-
Stickstoff-Oxidschicht, die ebenfalls dazu dienen, die Wechsel
wirkung der beiden Schichten zu unterdrücken, einen ähnlichen
Effekt. Diese Filme können - wie bei der obigen Ausführungsform
- unter Anwendung eines reaktiven Sputterverfahrens abgeschie
den werden. D. h., ein Sputtern wird in einer Gasatmosphäre von
Ar+O2 ausgeführt, wenn der Titanoxidfilm abgeschieden wird, und
in einer Gasatmosphäre aus Ar+O2+N2, wenn die Titanoxynitrid
schicht abgeschieden wird, wobei Ti als Target verwendet wird,
um die gewünschte Titanverbindungsschicht abzuscheiden.
Bei der obigen Ausführungsform wird der Wolframpfropfen oder
-stecker mittels des CVD-Verfahrens gebildet, um die Bedeckung
der Aluminiumlegierungsschicht im Verbindungsloch zu
verbessern. Jedoch erzeugen andere Metallpfropfen als ein
Wolframpfropfen, etwa Wolframsilizid und Molybdän, die durch
andere Metall-CVD-Verfahren erzeugt werden, einen ähnlichen
Effekt.
Weiterhin ist bei der beschriebenen Ausführungsform die
Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht als
Wolframschicht gebildet. Jedoch kann auch dann, wenn die
Oberflächenschicht der ersten Aluminium-Verbindungsschicht eine
andere Refraktärmetallschicht - etwa eine Titan-Wolfram (Ti-W)-
Schicht, eine Refraktärmetallverbindungsschicht - etwa eine
Titannitrid(TiN)-Schicht -, eine Refraktärmetallsilizidschicht
- etwa eine Molybdänsilizid (MoSi2)- oder eine Wolframsilizid
(WSi2)-Schicht - oder eine amorphe Siliziumschicht ist, ein
ähnlicher Effekt erreicht werden.
Obgleich bei der obigen Ausführungsform eine zweischichtige
Verbindungsstruktur aus Aluminium beschrieben wurde, wird ein
ähnlicher Effekt erreicht, wenn die vorliegende Erfindung auf
eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung mit einer
Mehrschichtstruktur, d. h. einer aus mehr als zwei Schichten
bestehenden Struktur, angewandt wird.
Weiterhin kann, obwohl die vorliegende Erfindung im Beispiel
auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung angewandt
wurde, bei der eine DRAM-Zelle auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrates gebildet war, ein ähnlicher Effekt auch
bei Anwendung der Erfindung auf integrierte
Halbleiterschaltungseinrichtungen mit anderen Bauelementen
erreicht werden.
Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Mehrschicht-
Verbindungsstruktur aus Aluminium auf eine integrierte
Halbleiterschaltungseinrichtung angewandt ist, bei der eine
SRAM(statische Direktzugriffsspeicher)-Zelle auf der Oberfläche
eines Halbleitersubstrates gebildet ist. Eine genaue Beschrei
bung des Aufbaus der integrierten Halbleiterschaltungsein
richtung mit einer SRAM-Zelle wird nicht gegeben und
nachfolgend lediglich der Grundaufbau beschrieben.
Wie Fig. 16 zeigt, ist eine SRAM-Zelle 410 mit einer Doppel
wannen-CMOS(komplementären Metall-Oxid-Halbleiter)-Struktur auf
einer Oberfläche eines Silizium-Halbleitersubstrates 1
gebildet. Ein p-Wannengebiet 411 und n-Wannengebiet 412 sind
benachbart zueinander im Silizium-Halbleitersubstrat 1
gebildet. Zum elektrischen Trennen dieser Wannengebiete 411 und
412 voneinander sind Elementtrennoxidschichten 413 mit
Abständen voneinander auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 1
gebildet. N-Störstellendiffusionsschichten 415 sind im p-
Wannengebiet 411 so gebildet, daß sie voneinander getrennt
sind, und dazwischen ist eine Gateelektrode 414 gebildet. Im n-
Wannengebiet 412 sind p-Störstellendiffusionsschichten 416 so
gebildet, daß sie einen Abstand voneinander aufweisen, und
dazwischen ist eine Gateelektrode 414 gebildet. Eine
Isolierschicht 409 ist so gebildet, daß sie die Gateelektrode 414
bedeckt. Polykristalline Silizium-Verbindungsschichten 417 sind
mit Zwischenräumen zwischeneinander auf der Isolierschicht 409
gebildet. Eine Grundisolierschicht 3 ist auf der SRAM-Zelle 410
abgeschieden. Ein Kontaktloch 418, das die Oberflächen der n-
Störstellendiffusionsschicht 415 bzw. der p-Störstellendiffu
sionsschicht 416 erreicht, ist in der Grundisolierschicht 3 und
der Isolierschicht 409 gebildet. Eine erste Aluminium-Verbin
dungsschicht 4 ist auf der Grundisolierschicht 3 so gebildet,
daß sie im Kontaktloch 418 in Kontakt mit der Störstellendiffu
sionsschicht 415 bzw. 416 steht. Die Verbindungsstruktur aus
der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten
Aluminium-Verbindungsschicht 100 ist dieselbe wie die in Fig. 1
gezeigte.
Darüber hinaus können die auf der Oberfläche des Silizium-
Halbleitersubstrates 1 gebildeten Elemente andere als eine
DRAM-Zelle oder eine SRAM-Zelle, etwa eine EPROM(löschbarer
programmierbarer Nur-Lese-Speicher)-Zelle, eine E2PROM
(elektrisch löschbarer programmierbarer ROM)-Zelle, ein
Mikrocomputer-Schaltungselement, ein logisches CMOS-Schal
tungselement oder ein Bipolartransistorelement sein.
Wie oben beschrieben, kann entsprechend der vorliegenden
Erfindung durch Anwendung einer Stapelschicht aus einer Titan
schicht und einer Titanverbindungsschicht als Basisschicht für
die der unteren Aluminium-Verbindungsschicht in einem Kontakt
loch benachbarte obere Aluminium-Verbindungsschicht im Verbin
dungsloch ein stabiler Kontakt der dort vorliegenden Mehr
schicht-Verbindungsstruktur hergestellt werden. Außerdem kann
die Bedeckung durch die obere Aluminium-Verbindungsschicht im
Kontaktloch durch Verwendung einer das Kontaktloch ausfüllenden
metallhaltigen Schicht verbessert werden, so daß der elektri
sche Kontaktwiderstand stabilisiert und die Zuverlässigkeit der
integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung bezüglich des
Verbindungsaufbaus, insbesondere ihre Widerstandsfähigkeit
gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration, verbessert
wird.
Claims (13)
1. Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung mit
einer ersten Aluminium-Verbindungsschicht (4), die eine refraktärelementhaltige Schicht (312) mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen des Aluminiums in ihrer Oberfläche enthält,
einer auf der ersten Aluminium-Verbindungsschicht gebildeten und ein Durchgangsloch (6), das die Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht (4) erreicht, aufweisenden Isolierschicht (5),
einer auf der Isolierschicht (5) gebildeten und über das Durchgangsloch (6) elektrisch mit der ersten Aluminium- Verbindungsschicht (4) verbundenen zweiten Aluminium- Verbindungsschicht (100),
worin die zweite Aluminium-Verbindungsschicht (100) aufweist:
eine auf der Isolierschicht (5) so gebildete Titanschicht (101), daß sie sich durch das Durchgangsloch (6) erstreckt,
eine auf der Titanschicht (101) gebildete Titanverbindungs schicht (102) und
eine auf der Titanverbindungsschicht (102) gebildete aluminiumhaltige Schicht (104), und
einer auf der Titanverbindungsschicht (102) und unter der aluminiumhaltigen Schicht (104) gebildeten und das Durchgangsloch (6) ausfüllenden metallhaltigen Schicht (103).
einer ersten Aluminium-Verbindungsschicht (4), die eine refraktärelementhaltige Schicht (312) mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen des Aluminiums in ihrer Oberfläche enthält,
einer auf der ersten Aluminium-Verbindungsschicht gebildeten und ein Durchgangsloch (6), das die Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht (4) erreicht, aufweisenden Isolierschicht (5),
einer auf der Isolierschicht (5) gebildeten und über das Durchgangsloch (6) elektrisch mit der ersten Aluminium- Verbindungsschicht (4) verbundenen zweiten Aluminium- Verbindungsschicht (100),
worin die zweite Aluminium-Verbindungsschicht (100) aufweist:
eine auf der Isolierschicht (5) so gebildete Titanschicht (101), daß sie sich durch das Durchgangsloch (6) erstreckt,
eine auf der Titanschicht (101) gebildete Titanverbindungs schicht (102) und
eine auf der Titanverbindungsschicht (102) gebildete aluminiumhaltige Schicht (104), und
einer auf der Titanverbindungsschicht (102) und unter der aluminiumhaltigen Schicht (104) gebildeten und das Durchgangsloch (6) ausfüllenden metallhaltigen Schicht (103).
2. Verbindungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die metallhaltige Schicht (103) Wolfram aufweist.
3. Verbindungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die refraktärelementhaltige Schicht (312)
Wolfram aufweist.
4. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Titanschicht (101) eine Dicke
im Bereich von 5 bis 15 nm hat.
5. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Titanverbindungsschicht (102)
eine Titannitridschicht aufweist.
6. Verbindungsstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Titannitridschicht (102) einen spezifischen Widerstand
im Bereich von 250 bis 400 µΩ cm aufweist.
7. Verbindungsstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Titannitridschicht (102) eine Dicke im Bereich von 50
bis 100 nm hat.
8. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch eine Legierungsschicht (206) aus Titan und
einem Refraktärmetall an der Berührungs-Grenzfläche der
Titanschicht (101) und der ersten Aluminium-Verbindungsschicht
(4).
9. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Tiefe (B) zu
Durchmesser (A) des Durchgangslochs mindestens 1 ist.
10. Herstellungsverfahren für eine Verbindungsstruktur einer
Halbleitereinrichtung mit den Schritten:
Bilden einer ersten aluminiumhaltigen Schicht (311) auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates (1),
Bilden einer refraktärelementhaltigen Schicht (312) mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen des Aluminiums auf der ersten aluminiumhaltigen Schicht (311),
Bilden einer Isolierschicht (5) auf der refraktärelement haltigen Schicht (312),
Bilden eines Durchgangslochs (6), durch das eine Oberfläche der refraktärelementhaltigen Schicht freigelegt ist, durch selektives Entfernen der Isolierschicht (5),
Bilden einer Titanschicht (101) auf der Isolierschicht (5) so, daß sie über das Durchgangsloch (6) in Kontakt mit der Ober fläche der refraktärelementhaltigen Schicht (312) steht,
Bilden einer Titanverbindungsschicht (102) auf der Titanschicht (101),
selektives Bilden einer metallhaltigen Schicht (103), die das Durchgangsloch (6) ausfüllt, auf der Titanverbindungsschicht (102) und
Bilden einer zweiten aluminiumhaltigen Schicht (104) auf der metallhaltigen Schicht (103) und der Titanverbindungsschicht (102).
Bilden einer ersten aluminiumhaltigen Schicht (311) auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates (1),
Bilden einer refraktärelementhaltigen Schicht (312) mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen des Aluminiums auf der ersten aluminiumhaltigen Schicht (311),
Bilden einer Isolierschicht (5) auf der refraktärelement haltigen Schicht (312),
Bilden eines Durchgangslochs (6), durch das eine Oberfläche der refraktärelementhaltigen Schicht freigelegt ist, durch selektives Entfernen der Isolierschicht (5),
Bilden einer Titanschicht (101) auf der Isolierschicht (5) so, daß sie über das Durchgangsloch (6) in Kontakt mit der Ober fläche der refraktärelementhaltigen Schicht (312) steht,
Bilden einer Titanverbindungsschicht (102) auf der Titanschicht (101),
selektives Bilden einer metallhaltigen Schicht (103), die das Durchgangsloch (6) ausfüllt, auf der Titanverbindungsschicht (102) und
Bilden einer zweiten aluminiumhaltigen Schicht (104) auf der metallhaltigen Schicht (103) und der Titanverbindungsschicht (102).
11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schritt des Bildens eines Durchgangsloches
(6) den Schritt des Sputterätzens der Oberfläche der
refraktärelementhaltigen Schicht (312) mit Argonionen (202)
aufweist.
12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekenn
zeichnet durch einen Schritt des Bewirkens einer Reaktion der
refraktärelementhaltigen Schicht (312) mit der Titanschicht
(101) durch Anwenden einer Wärmebehandlung.
13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schritt des Anwendens einer Wärmebehandlung
ein Erwärmen bei einer Temperatur von 300 bis 450°C für 15 bis
60 Minuten aufweist.
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