DE69125210T2

DE69125210T2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Verdrahtungsstruktur hoher Dichte

Info

Publication number: DE69125210T2
Application number: DE69125210T
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Asaba; Toshihiko Ichise; Osamu Ikeda; Shunsuke Inoue; Shigeyuki Matsumoto; Fumio Murooka; Yukihiko Sakashita
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: US5614439A; EP0460857A2; DE69125210D1; ATE150585T1; EP0460857A3; EP0460857B1

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Struktur mit mehrschichtiger Verdrahtung oder gerasterter, koaxialer Verdrahtung, und auch auf eine Halbleitervorrichtung mit einer gerasterten, koaxialen Verdrahtungsstruktur, die mit diesem Verfahren hergestellt wird.
Als erstes wird das Herstellungsverfahren für ein konventionelles Beispiel der Halbleitervorrichtung beschrieben mit Bezug auf Figg. 1B und 1A, die eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung beziehungsweise eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A' in Fig. 1B darstellen. Auf einen Halbleiterträger 55, der bereits funktionelle Elemente trägt, wird BPSG (Borophosphosilicatglas) oder PSG (Phosphosilicatglas) in einer Dicke von 600 bis 800 nm (6000 bis 8000 Å) aufgebracht, zum Beispiel durch CVD, wodurch eine erste Isolierschicht 53 gebildet wird. Dann werden Kontaktlöcher zur Verbindung des Halbleiterträgers 55 mit der ersten Verdrahtung 51 durch Musterbildung geöffnet. Das Ätzen wird bei dieser Operation üblicherweise mit einer Mischung aus Fluorgas und chloriertem Gas durchgeführt, und zwar anisotrop in Richtung der Tiefe.
Dann wird Al (oder eine Al-Legierung) mit einer Dicke von 0,6 bis 1 µm zum Beispiel durch Magnetronsputtern auf der gesamten Oberfläche ab geschieden, und eine Ätzoperation mit Cl-haltigem Ätzgas wird durchgeführt, wodurch die erste Al-Verdrahtungsschicht 51 in Form eines gewünschten Musters gebildet wird. Dann wird PSG oder ein Siliciumnitridfilm durch Plasma-CVD auf der gesamten Oberfläche abgeschieden, wodurch eine Isolierschicht 54 mit einer Dicke von 5000 bis 8000 Å erhalten wird.
Dann werden durchgängige Löcher 57 durch Musterbildung eines Fotoresistes und Ätzen mit einer fluor/chlorhaltigen gasförmigen Mischung geöffnet. Dann wird, wieder mit der Magnetronsputtervorrichtung, Aluminium in einer Dicke von ungefähr 0,8 bis 1,2 µm auf der gesamten Oberfläche ab geschieden, und eine zweite Verdrahtung 52 wird in Form eines gewünschten Musters gebildet, wodurch die Halbleitervorrichtung erhalten wird, wie sie in Figg. 1A und 1B dargestellt ist.
Es ist im allgemeinen schwierig, die durchgangigen Löcher 57 genau über dem Kontaktloch 56 anzuordnen, wie es in Fig. 1A dargestellt ist, weil die Oberfläche deutliche Stufen in der Nachbarschaft des Kontaktloches zeigt aufgrund der stufigen Struktur darin, so daß das darüber angeordnete, durchgängige Loch 57 nicht vollständig geöffnet werden kann oder die obere, zweite Verdrahtung 52 die deutliche Stufe nicht ausreichend abdecken und deswegen unterbrochen werden kann.
Auch muß das Verdrahtungsmuster so gestaltet werden, daß es einen gewissen Abstand zum Rand des Kontaktloches 56 zeigt, damit das Kontaktloch 56 sicher durch die erste Verdrahtung 51 abgedeckt ist. Wenn der Abstand nicht groß genug ist, kann bei der Aluminiumätzoperation auch das Aluminium im Kontaktloch an geätzt werden, wodurch ernste Probleme auftreten können im Bezug auf die Kontaktwiderstände und die Oberflächenisoliereigenschaften. Eine ähnliche Situation gilt auch für die Beziehung zwischen dem Muster des durchgängigen Loches 57 und der zweiten Verdrahtung 52.
Aus den vorstehend genannten Gründen kann die Verdrahtungsfläche nur bis zu einem gewissen Maß verringert werden, und die Chipgröße kann mit den Oberflächenstufen darin trotz der Miniaturisierung der Aufbauelemente nicht deutlich verkleinert werden.
Nun wird das Verfahren zur Bildung eines Kontaktes zwischen einer Halbleiterelektrode und einem Siliciumträger und die Bildung eines durchgängigen Loches in einer mehrschichtigen Verdrahtungsstruktur in einer konventionellen Halbleitervorrichtung unter Bezug auf Figg. 2 bis 5 erläutert.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur, in der ein durchgängiges Loch 101 über einem Feldoxidfilm 104 gebildet wird, um eine erste Aluminiumschicht 101 und eine zweite Aluminiumschicht 102 zu verbinden. 103 stellt einen Siliciumträger dar und 104 und 105 sind SiO&sub2;-Filme.
In einem solchen Fall können die durchgängigen Löcher mit minimaler Größe gebildet werden, aber eine solche Struktur ist ein Hindernis fur emen hohen Integrationsgrad, da die erste Aluminiumschicht 101 mit einem Punkt oberhalb eines Feldoxidfilmes 106 verbunden werden muß.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines durchgängigen Loches TH102, das in einem relativ dünnen Oxidfilm 107 anstelle des Feldoxidfilmes gebildet wurde. 108 bezeichnet einen SiO&sub2;-Film. Wie durch die Abmessungen L1, L2, L3, L4, L5 beziehungsweise L6 von 0,4, 0,8, 0,8, 1,6, 0,8 beziehungsweise 4,2 µm dargestellt, muß das durchgängige Loch mit größeren Abmessungen versehen werden, um eine angemessene Öffnung in der Fotolithografie sicherzustellen wegen der Höhenbeziehung, die von der des durchgängigen Loches im Feldoxidfilm abweicht. Auch muß die Verbindung zur ersten Aluminiumschicht hergestellt werden wie in der Struktur, die in Fig. 3 dargestellt ist.
Figg. 4 und 5 sind Querschnittsansichten eines durchgängigen Loches, das auf einem Kontakt durch eine erste Al-Schicht 101 zum Siliciumträger gebildet ist, worin 109 und 110 SiO&sub2;-Filme bezeichnen. In Fig. 5 betragen die Abmessungen L7, L8, L9, L10, L11 beziehungsweise L12 0,4, 0,8, 0,8, 0,8, 0,4 beziehungsweise 3,2 µm.
In Fig. 4 ist das durchgängige Loch TH 103 größer als das Kontaktloch CH103, während in Fig. 5 das durchgängige Loch TH104 kleiner ist als das Kontaktloch CH104.
In jedem der beiden Fälle muß eine angemessene Lochöffnung sichergestellt werden durch Einsetzen verschiedener Abmessungen für die Kontaktlöcher und die durchgängigen Löcher, wodurch ein relativ flaches Gebiet zur Bildung des durchgängigen Loches eingesetzt wird.
Figg. 6A und 6B zeigen eine koaxiale Verdrahtung, die erhalten wird durch eine konventionelle Dreischicht-Al-Verdrahtungstechnologie, wobei Fig. 6A eine schematische Querschnittsansicht dieser koaxialen Verdrahtungsstruktur darstellt, während Fig. 6B eine Draufsicht davon ist. Eine zweite Aluminiumschicht 202 wird als Signalleitung verwendet, während eine erste Aluminiumschicht 201 und eine dritte Muminiumschicht 203 als Abschirmverdrahtung verwendet werden und miteinander verbunden sind durch erste durchgängige Löcher 209, zweite Aluminiumschichten 202 und zweite durchgängige Löcher 210. 204 bezeichnet einen SiO&sub2;-Träger. Die erste Aluminiumschicht 201 und die dritte Aluminiumschicht 203 sind an ein elektrisch stabiles Potential (Erdpotential) angeschlossen. In Fig. 6A betragen die Abmessungen L1, L2, L3 beziehungsweise L4 3,2 oder 4,2, 1,0, 1,5 beziehungsweise 6,7 oder 7,7 µm. Eine Mehrschichtverdrahtungsstruktur, wie sie in Figg. 1A und 1B dargestellt ist, die durch eine konventionelle Mehrschichtverdrahtungstechnologie erhalten wird, hat die folgenden damit zusammenhängenden Nachteile, die gelöst werden müssen.
Die Mehrschichtverdrahtungsstruktur, die dazu gedacht ist, die Verdrahtungsdichte zu erhöhen, wurde erhalten durch Aufbringen einer Isolierschicht (eines Siliciumoxidfilmes) auf eine erste Verdrahtungsschicht, nachfolgendes Bilden einer zweiten Verdrahtungsschicht und Wiederholen der vorstehend genannten Verfahrensweisen für eine dritte und nachfolgende Verdrahtungsschichten. So ist die Struktur der Verdrahtung definiert durch die Unterbrechung oder Wanderung der Verdrahtung, die von den Oberflächenstufen herrühren, und der Form der Kontaktlöcher und durchgängigen Löcher, die erforderlich sind für die Verbindung durch die Isolierschicht hindurch, so daß eine Erhöhung der Verdrahtungsdichte begrenzt ist.
Zum Beispiel müssen das Kontaktloch und das erste durchgängige Loch oder das erste durchgängige Loch und das zweite durchgängige Loch gegeneinander versetzt werden, und es muß eine ausreichende Linien/Raumbreite bereitgestellt werden, um eine Verdrahtungsunterbrechung oder -wanderung zu verhindern, die von den Oberflächenstufen herrührt.
Bei den konventionellen Halbleitervorrichtungen, wie sie in Figg. 2 bis 5 dargestellt sind, sind sehr große Flächen erforderlich zum Kontakt zwischen der Halbleiterelektrode und dem Siliciumträger und für das durchgängige Loch zum Verbinden der ersten und zweiten Aluminiumschicht, um eine ausreichend große flache Fläche zu erhalten, so daß ein hoher Integrationsgrad schwierig erreichbar ist. Auch konnten Verdrahtungen mit drei oder mehr Schichten nur schwierig erreicht werden, da das Einflachen der gesamten Schicht nicht erreicht werden konnte.
Auch bei der konventionellen koaxialen Verdrahtungsstruktur, wie sie in Figg. 6A und 6B dargestellt ist, in der die Abschirmung aus der ersten Al-Schicht 201, dem ersten durchgängigen Loch 209, der zweiten Al-Schicht 202, dem zweiten durchgängigen Loch 210 und der dritten Al-Schicht 203 besteht, muß das erste durchgängige Loch 209 und das zweite durchgängige Loch 210 im Muster der zweiten Al-Schicht 202 gebildet werden, wie in Fig. 7B dargestellt, und sie müssen gegeneinander versetzt sein.
Auch müssen die erste Al-Schicht 201, das erste durchgängige Loch 209, das zweite durchgängige Al-Schicht 202, das zweite durchgängige Loch 210 und die dritte Al-Schicht 203 so konstruiert sein, wie in Fig. 7 dargestellt, um die folgende Beziehung sicherzustellen:
[Durchmesser des ersten durchgängigen Loches 209]< [Durchmesser des zweiten durchgängigen Loches 210]
Wie aus Figg. 6A, 6B und 8 hervorgeht, wird, da in der konventionellen koaxialen Verdrahtungsstruktur die Form der zweiten Al-Schicht 202 durch die Gestalten der ersten und zweiten durchgängigen Löcher 209 und 210 bestimmt wird, die Dichte der Signalleitungen durch die Abschirmleitungen, die aus der zweiten Al-Schicht 202 bestehen, festgelegt.
Andere Ansätze nach dem Stand der Technik werden im folgenden erwähnt: Die europaische Patentanmeldung EP-A 0 333 132 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einer mehrschichtigen Verdrahtungsstruktur mit kleinen parasitären Kapazitäten. Die dargestellte Struktur schließt eine Verdrahtungsmetallisierschicht, Isolierfilme und eingebettete Verdrahtungen und weiter eine Verdrahtungsmetallisierschicht und ein Verbindungselement, das die Metallisierschichten miteinander verbindet, ein. Die Metallisierschichten bestehen aus Aluminium oder aluminiumhaltigem Silicium oder dergleichen. Metall wird in Kontaktlöchern durch elektrodenloses Plattieren oder einen Niedertemperatur-CVD- Prozeß gebildet. Keine Information wird gegeben im Bezug auf das Metall, das für das Verbindungselement verwendet wird, noch wird irgendeine Information gegeben im Bezug auf den CVD-Prozeß, der dafür verwendet wird.
Die europäische Patentanmeldung EP-A 0 288 767 beschreibt eine koaxiale VLSI-Verdrahtungsstruktur. Insbesondere umfaßt die dargestellte Vorrichtung folgendes: Einen Träger, eine erste Isolierschicht auf der Oberfläche des Trägers, eine erste Metallschicht auf der ersten Isolierschicht, eine zweite Isolierschicht auf der ersten Metallschicht, mehrere Metalleiter auf der zweiten Isolierschicht, eine dritte Isolierschicht auf den mehreren Metalleitern und der benachbarten Oberfläche der zweiten Isolierschicht, eine zweite Metallschicht auf der dritten Isolierschicht und eine Vielzahl von leitenden Wänden, die auf Abstand von den und zwischen jeweils benachbarten der vielen Metalleiter angeordnet sind, die die ersten und die zweiten Metallschichten verbinden.
Die Verbindungswände der Struktur werden in zwei oder mehr Stufen hergestellt. Der untere Teil der Wand kann zu dem Zeitpunkt hergestellt werden, an dem die Leitermetallisierung ab geschieden wird, wie vorstehend in Fig. 8 dargestellt wurde. Alternativ kann der untere Teil der Wand in einem Herstellungsschritt hergestellt werden, der getrennt ist von der Abscheidung der Leitermetallisierung. Im letzteren Fall kann Aluminium für die Leitermetallisierung ver-1 wendet werden, und ein anderes Metall, wie zum Beispiel Wolfram, kann für den unteren Teil der Wand verwendet werden. In jedem Fall wird allerdings ein Bereich der Leitermetallisierung auf dem unteren Bereich der Wand zurückgehalten, und die Wandstruktur ist nicht beschränkt auf eine einzelne Vorrichtung, sondern dringt in den Metallisierpegel ein. Aus dem unter Bezug auf Fig. 7 angegebenen Grund begrenzt dieses die Integrationsdichte
In Japanese Journal of Applied Physics Extended Abstracts of 21st Conference Solid State Devices and Materials Japanische Zeitung für angewandte Physik, erweiterte Zusammenfassung der 21. Konferenz über Festkörpervorrichtungen und Materialien) (1989), Tokio, Japan, Seite 29 bis 32, Sekigachi et al., "Epitaxial Growth of Al(100) on Si(100) by Gas-Temperature Controlled Chemical Vapour Deposition" (epitaxiales Wachstum von Al(100) auf Si(100) durch gastemperaturgesteuerte, chemische Dampfabscheidung) beschreibt ein Verfahren, bei dem einkristallines Aluminium auf einem Siliciumwafer unter Verwendung von Triisobutylaluminium (TIBA) als Ausgangsdampf gezüchtet wird. Es wird nahegelegt, daß epitaxiales Aluminium, das unter Verwendung dieser Technik gezüchtet wurde, Anwendung bei der Herstellung von Verbindungen zwischen ICs haben könnte.
Um die vorstehend genannten technischen Rückschläge zu lösen, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Halbleitervorrichtung mit einer vergrößerten Verdrahtungsdichte, eine Halbleitervorrichtung, die eine Aluminiumverdrahtung mit drei oder mehr Schichten ermöglicht durch Verringern der Fläche, die erforderlich ist bei mehrschichtigen Aluminiumverdrahtungen und Einflachen der Oberfläche jeder Schicht, eine Halbleitervorrichtung, die eine koaxiale Verdrahtungsstruktur mit einem erhöhten Integrationsgrad ermöglicht, und ein Verfahren zur Herstellung solcher Halbleitervorrichtungen bereitzustellen.
Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtverdrahtungsstruktur oder einer erfindungsgemäßen gerasterten, koaxialen Verdrahtungsstruktur sind in Anspruch 1 beziehungsweise Anspruch 2 der beigefügten Ansprüche offenbart.
Es wird auf den Artikel "Aluminium Coatings by the Decomposition of Alkyls" (Aluminiumbeschichtungen durch Abscheiden von Alkylen) von H. O. Parson in Thinn Solid Films (dünne Feststofflinie), Band 45, Seite 257 bis 263 (1977) hingewiesen, der die Beschichtung von Stahl mit Aluminium durch chemische Dampfabscheidung beschreibt. EP 0 420 594, die nicht zum Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde, beschreibt die Abscheidung von Aluminium aus einem Gas, das Alkylaluminiumhydrid und Wasserstoff enthält.
Die Erfindung kann die Fläche verringern, die erforderlich ist für Mehrschichtverdrahtungen, indem ein durchgängiges Loch durch eine Vielzahl aufeinandergeschichteter Schichten gebildet und das Loch mit einkristallinem Aluminium aufgefüllt wird, das durch ein CVD-Verfahren gezüchtet wird, das Alkylaluminiumhydrid und Wasserstoff einsetzt.
Darüber hinaus erlaubt die Verbindung die Verwendung einer zweiten Al- Schicht ausschließlich für die Signalleitungen, indem das Al-CVD-Verfahren für die Abschirmverdrahtung eingesetzt wird, wodurch die Signalleitungen mit einer erhöhten Dichte gebildet werden und ein höherer Integrationsgrad im Fall der Bildung einer koaxialen Verdrahtung auf dem Chip ermöglicht wird.
In den beigefügten Zeichnungen:
sind Figg. 1A und 1B schematische Ansichten von konventionellen Halbleitervorrichtungen,
sind Figg. 2 bis 5 schematische Querschnittsansichten von konventionellen, zweischichtigen Aluminiumverdrahtungsstrukturen,
sind Figg. 6A, 6B und 7 schematische Ansichten von konventionellen Halbleitervorrichtungen,
sind Figg. 8 bis 11 schematische Ansichten einer kontinuierlich arbeitenden Metallfilmbildungsvorrichtung, die angepaßt ist zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Filmbildungsverfahren,
sind Figg. 12A bis 12D schematische, perspektivische Ansichten, die ein erfindungsgemäßes Filmbildungsverfahren darstellen,
sind Figg. 13A und 13B Ansichten, die ein grundlegendes Konzept der Erfindung darstellen,
sind Figg. 14A und 14B schematische Ansichten einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
sind Figg. 15A bis 15F Ansichten, die die Schritte zur Herstellung der Halbleitervorrichtung darstellen, die in Figg. 14A und 14B dargestellt ist,
sind Figg. 16A und 16B schematische Ansichten einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und
sind Figg. 17A bis Figg. 17H Ansichten, die Schritte zur Herstellung der Halbleitervorrichtung darstellen, die in Figg. 16A und 16B dargestellt sind.
Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erleichtern, werden im folgenden Ausführungsformen derselben beschrieben. Die folgende Beschreibung wird nur in Form von Beispielen gegeben.
Im folgenden wird eine detaillierte Erklärung des Al-CVD-Verfahrens gegeben. Es wird grundsätzlich ein Verfahren erklärt zur Abscheidung eines Metalles in den Löchern durch das Al-CVD-Verfahren und nachfolgendem Abscheiden eines Metalles auf der gesamten Oberfläche durch Sputtern. Die folgende Beschreibung ist hilfreich beim Verstehen der hervorragenden Selektivität des Al-CVD- Verfahrens und der zufriedenstellenden Qualität der Anschlußelektroden, die dadurch hergestellt sind.

Flimbildungsverfahren

Im folgenden wird ein Filmbildungsverfahren erklärt, das angepaßt ist für die Verwendung bei der Bildung von erfindungsgemäßen Elektroden.
Das Verfahren ist darauf angepaßt, eine Öffnung mit leitfähigem Material zu füllen, um eine Anschlußelektrode zu erzeugen. Das Filmbildungsverfahren besteht aus der Bildung eines abgeschiedenen Filmes durch eine Oberflächenreaktion auf einem elektronenschiebenden Träger unter Einsatz von Alkylaluminiumhydridgas und Wasserstoffgas (wobei die Verfahren im folgenden Al-CVD- Verfahren genannt wird).
Ein Aluminiumfilm zufriedenstellender Qualität kann abgeschieden werden, indem die Oberfläche des Trägers in der Gegenwart einer gasförmigen Mischung erhitzt wird, die insbesondere aus Monomethylaluminiumhydrid (MMAH) oder Dimethylaluminiumhydrid (DMAH) als Rohmaterialgas und Wasserstoff als Reaktionsgas besteht. Bei der selektiven Al-Abscheidung wird die Trägeroberfläche bevorzugt auf einer Temperatur gehalten, die wenigstens der Zersetzungstemperatur des Alkylaluminiumhydrides entspricht, aber weniger als 450ºC beträgt und weiter bevorzugt zwischen 260ºC und 440ºC liegt, und zwar durch direkte oder indirekte Beheizung.
Das Erhitzen des Trägers auf den vorstehend genannten Temperaturbereich kann erreicht werden durch direkte oder indirekte Beheizung, aber die Bildung eines Al-Filmes zufriedenstellender Qualität kann erreicht werden durch eine hohe Abscheidungsgeschwindigkeit, insbesondere durch direkte Beheizung. Zum Beispiel kann im weiter bevorzugten Temperaturbereich von 260ºC bis 440ºC ein zufriedenstellender Film erhalten werden mit einer Abscheidungsgeschwindig keit von 30 bis 500 nm pro Minute (300 bis 5000 Å pro Minute), was höher ist, als beim Widerstandsheizen. Ein solches direktes Beheizen (der Träger wird durch direkte Übertragung von Energie von einer Heizeinrichtung erhitzt) kann erreicht werden durch Erhitzen mit einer Lampe, wie zum Beispiel einer Halogenlampe oder einer Xenonlampe. Auch indirekte Beheizung kann erreicht werden zum Beispiel durch Widerstandsheizen, das von ein hitzeerzeugenden Element ausgeführt wird, das in einem Element zum Tragen eines Substrates bereitgestellt wird, das zum Halten des Substrates, das der Filmabscheidung unterworfen werden soll, in einem Filmabscheidungsraum bereitgestellt wird.
Dieses Verfahren erlaubt es, wenn es auf ein Substrat angewendet wird, das so wohl eine elektronenschiebende Oberflächenfläche als auch eine nicht elektronenschiebende Oberflächenfläche aufweist, einen Aluminiumeinkristall mit zufriedenstellender Selektivität ausschließlich auf der elektronenschiebenden Oberfläche zu bilden. Ein solches Aluminium ist hervorragend in allen Eigenschaften, die für ein Elektrodenmaterial erforderlich sind einschließlich einer niedrigen Erhebungsfrequenz und einer niedrigen Legierungsspitzenirequenz.
Das liegt vermutlich daran, daß die halbleitende oder leitende Oberfläche, die die elektronenschiebende Oberfläche ausmacht, selektiv einen Aluminiumfilm zufriedenstellender Qualität und mit hervorragendem kristallinen Charakter aus dem Aluminiumfilm entwickeln kann, was die Legierungsspitzenbildung und dergleichen ausschließt oder deutlich absenkt, die aus einer eutektischen Reaktion mit dem darunterliegenden Silicium herrührt. Ein solcher Aluminiumfilm stellt, wenn er als Elektrode einer Halbleitervorrichtung eingesetzt wird, Vorteile bereit, die das Konzept der konventionelle Al-Elektrode weit übersteigen und nach dem Stand der Technik nicht vorhergesehen wurden.
Wie vorstehend erläutert wurde, besitzt das Al, das in einer Öffnung mit einer elektronenschiebenden Oberfläche, wie zum Beispiel einer Öffnung, die in einem isolierendem Film gebildet wurde und in ihrem Bereich die Oberfläche eines Halbleiterträgers freilegt, abgeschieden wird eine einkristalline Struktur. Im übrigen kann das genannte Al-CVD-Verfahren eine selektive Abscheidung von Metall, das hauptsächlich aus Aluminium besteht, mit vergleichsweise zufriedenstellender Qualität erreichen.
Zum Beispiel kann die Elektrode gebildet werden durch selektive Abscheidung von verschiedenen leitenden Materialien, wie zum Beispiel Al-Si, Al-Ti, Al-Cu, Al-Si-Ti oder Al-Si-Cu durch Verwendung einer gemischten gasförmigen Atmosphäre, die zusätzlich zum Alkylaluminiumhydridgas und dem Wasserstoff eine eigene Kombination einsetzt aus:
Si-haltigem Gas, wie zum Beispiel SiH&sub4;, Si&sub2;H&sub6;, Si&sub3;H&sub8;, Si(CH&sub3;)&sub4;, SiCl&sub4;, SiH&sub2;Cl&sub2; oder SiHCl&sub3;,
Ti-haltigem Gas, wie zum Beispiel TiCl&sub4;, TiBr&sub4; oder Ti(CH&sub3;)&sub4; und/oder Cu-haltigem Gas, wie zum Beispiel Kupferbisacetylacetonat, Cu(C&sub5;H&sub7;O&sub2;)&sub2;, Kupferbispivaloylmethanit, Cu(C&sub1;&sub1;H&sub1;&sub9;O&sub2;)&sub2;, oder Kupferbishexafluoracetylacetonat, Cu(C&sub5;HF&sub6;O&sub2;)&sub2;.
Beispiele solcher Metallfilme schließen Kombinationen aus selektiv abgeschiedenem Al, Al-Si, Al-Ti, Al-Cu, Al-Si-Ti oder Al-Si-Cu und nicht selektiv abgeschiedenes Al, Al-Si, Al-Ti, Al-Cu, Al-Si-Ti oder Al-Si-Cu ein.
Die nichtselektive Filmabscheidung kann erreicht werden durch CVD, das nicht das vorstehend genannte Al-CVD ist, oder durch Sputtern.

Filmbildungsvorrichtung

Im folgenden wird eine Filmbildungsvorrichtung beschrieben, die geeignet ist für die Bildung der erfindungsgemäßen Elektroden.
Figg. 8 bis 10 veranschaulichen schematisch eine kontinuierlich arbeitende Metallfilmbildungsvorrichtung, die geeignet ist zur Durchführung des Filmbildungsverfahrens, das vorstehend beschrieben wurde.
Wie in Fig. 8 dargestellt, besteht die Vorrichtung aus einer Ladekammer 311, einer CVD-Reaktionskammer (erste Filmbildungskammer) 312, eine RF-Ätzkammer 313, einer Sputterkammer (zweite Filmbildungskammer) 314 und einer Entladekammer 315, die von der äußeren Atmosphäre abgedichtet gehalten werden und untereinander mit Hilfe von Schleusen 310a bis 310f verbindbar sind und jeweils durch die Vakuumsysteme 316a bis 316e unter Vakuum oder verringerten Druck gesetzt werden können. Die Ladekammer 311 wird verwendet, um vor der Abscheidung die Atmosphäre vom Substrat zu entfernen und sie gegen H&sub2; auszutauschen, um den Durchsatz zu verbessern. Die nächste Kammer, die CVD-Reaktionskammer 312, die dazu dient, auf dem Substrat unter normalem oder verringertem Druck selektiv abzuscheiden, ist innen mit einem Substrathalter 318 mit einer Widerstandsheizeinrichtung 317 zum Aufheizen der Substratoberfläche, die der Filmbildung unterworfen wird, auf einen Temperaturbereich von wenigstens 200ºC bis 450ºC versehen, und erhält das Rohmaterialgas, wie zum Beispiel ein Gas aus Alkylaluminiumhydrid, das durch Durchblasen mit Wasserstoff in einem Blubberer 319-1 verdampft wird, durch Einleiten aus einer Rohmaterialgasversorgungsleitung 319 und Wasserstoff als Reaktionsgas durch Einleiten aus der Gasleitung 319'. Die RF-Ätzkammer 313 zur Reinigung (Ätzen) der Substratoberfläche in Ar-Atmosphäre nach der selektiven Abscheidung ist innen mit einem Substrathalter 320 versehen, der in der Lage ist, das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von wenigstens 100ºC bis 250ºC zu erhitzen, und einer RF-Ätzelektrodenleitung 321 und ist an die Argongasversorgungsleitung 322 angeschlossen. Die Sputterkammer 314, die zur nichtselektiven Abscheidung eines Metallfilmes durch Sputtern in Ar-Atmosphäre dient, ist innen mit einem Substrathalter 323, der wenigstens auf eine Temperatur im Bereich von 200ºC bis 250ºC erhitzt werden kann, und einer Targetelekektrode 324 zum Befestigen eines Sputtertargets 324a versehen und an eine Ar-Gasversorgungsleitung 325 angeschlossen. Die zuletzt kommende Entladekammer 315, die der Anpassung des Substrats nach der Metallfilmbildung und vor dem Aussetzen der Atmosphäre dient, ist so gestaltet, daß sie in der Lage ist, die Atmosphäre gegen Stickstoff auszutauschen.
Fig. 9 zeigt ein anderes Beispiel der kontinuierlich arbeitenden Metallfilmbildungsvorrichtung, worin die gleichen Komponenten, wie die in Fig. 2, durch die gleichen Zahlen dargestellt sind. Die Vorrichtung in Fig. 9 unterscheidet sich von der in Fig. 8 darin, daß die Substratoberfläche direkt durch Halogenlampen 330 erhitzt wird, und zu diesem Zweck der Substrathalter 312 mit Erhebungen 331 zum Tragen des Substrates in einem freischwebenden Zustand versehen ist.
Direktes Erhitzen der Substratoberfläche mit einer solchen Struktur steigert die Abscheidungsgeschwindigkeit weiter, wie vorstehend erklärt wurde.
Die kontinuierlich arbeitende Metallfilmbildungsvorrichtung mit der vorstehend erklärten Struktur ist in der Praxis gleichwertig einer Struktur, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, bei der die Ladekammer 311, die CVD-Reaktionskammer 312, die RF-Ätzkammer 313, die Sputterkammer 314 und die Entladekammer 315 untereinander kombiniert sind mit einer Transportkammer 326. In dieser Struktur dient die Ladekammer 311 auch als Kammer 315. In der Transportkammer 326 ist ein Arm 327 bereitgestellt, der die Transporteinrichtung darstellt und drehbar in beiden Richtungen A-A und ausstreckbar und zurückziehbar in der Richtung B-B ist, wodurch das Substrat nacheinander von der Ladekammer 311 zur CVD-Reaktionskammer 312, zur RF-Ätzkammer 313, zur Sputterkammer 314 und schließlich zur Entladekammer 315 übertragen werden kann, ohne der äußeren Atmosphäre ausgesetzt zu sein, wie durch die Pfeile in Fig. 4 dargestellt.

Filmbildungsprozeß

Nun wird ein Filmbildungsprozeß zum Bilden von erfindungsgemäßen Anschlußelektroden erklärt.
Um die Erklärung zu vereinfachen, wird Bezug genommen auf einen einzelnen Isolierfilm, wobei zu verstehen ist, daß in dieser Erfindung jedes Loch durch eine Vielzahl von Isolierfilmen geht.
Figg. 12A bis 12D veranschaulichen das Filmbildungsverfahren zur Bildung der erfindungsgemäßen Elektroden und Verdrahtung in schematischen, perspektivischen Ansichten.
Als erstes wird das Verfahren grob beschrieben. Ein Halbleiterträger mit einem Isolierfilm mit Öffnungen darin wird in die Filmbildungskammer gegeben, und die Oberfläche des Trägers wird zum Beispiel auf einer Temperatur von 260ºC bis 450ºC gehalten. Eine thermische CVD, die in einer Mischatmosphäre aus DMAH-Gas als Alkylaluminiumhydrid und Wasserstoffgas durchgeführt wird, ergibt eine selektive Abscheidung von Al auf dem Halbleiter, der in den Löchern offenliegt. Es kann natürlich eine selektive Abscheidung eines Metallfilmes durchgeführt werden, der hauptsächlich aus Al besteht, wie zum Beispiel aus Al- Si, durch Einführen von zum Beispiel Si-haltigem Gas, wie vorstehend erklärt wurde. Dann wird ein Metallfilm, der ausschließlich oder hauptsächlich aus Al besteht, nichtselektiv durch Sputtern auf dem selektiv abgeschiedenen Al und auf dem Isolierfilm gebildet. Darauf wird der nichtselektiv abgeschiedene Metallfilm in ein Muster der Gestalt einer gewünschten Verdrahtung verbracht, wodurch die Elektroden und die Verdrahtung erhalten werden.
Dieses Verfahren wird genauer unter Bezug auf Figg. 9 und 12A bis 12D beschrieben. Als erstes wird ein Träger hergestellt, der zum Beispiel aus einem einkristallinen Siliciumwafer besteht, die auf sich einen Isolierfilm trägt, in dem Löcher verschiedener Abmessungen gebildet werden.
Fig. 12A zeigt schematisch einen Teil dieses Trägers, wobei ein einkristalliner Siliciumträger 401, der einen leitenden Träger ausmacht, ein thermischer Siliciumoxidfilm 402, der einen Isolierfilm ausmacht, und Öffnungen 403 und 404 verschiedener Größen dargestellt sind.
Die Bildung eines Al-Filmes, der die Verdrahtungsschicht ausmacht, auf dem Träger wird in der folgenden Weise mit der Vorrichtung durchgeführt, die in Fig. 9 dargestellt ist.
Als erstes wird der genannte Träger in eine Ladeverschlußkammer 311 gebracht, in der eine Wasserstoffatmosphäre aufgebaut wird durch Einleiten von Wasserstoff, wie vorstehend beschrieben wurde. Dann wird die Reaktionskammer 312 durch das Vakuumsystem 316b auf etwa 1 x 10&supmin;&sup6; Pa (1 x 10&supmin;&sup8; Torr) evakuiert, obwohl die Al-Filmbildung auch mit einem höheren Druck immer noch möglich ist.
Dann wird DMAH-Gas, das durch Durchblubbern erhalten wird, über die Gasleitung 319 eingeleitet, wobei H&sub2; als Trägergas eingesetzt wird.
Auch Wasserstoff als Reaktionsgas wird von der zweiten Gasleitung 319' eingeleitet, und das Innere der Reaktionskammer 312 wird auf einem festgelegten Druck gehalten durch Steuerung mit einem nicht dargestellten Ventil zum Abgeben Meiner Mengen. Ein typischer Druck beträgt etwa 2,0 x 10² Pa (1,5 Torr). DMAH wird in die Reaktionskammer von der DMAH-Leitung mit einem Gesamtdruck von etwa 2,0 x 10² Pa (1,5 Torr) und einem DMAH-Partialdruck von etwa 0,67 Pa (5,0 x 10&supmin;³ Torr) eingeleitet. Dann werden die Halogenlampen 330 mit Energie versorgt, um den Wafer direkt zu erhitzen, wodurch eine selektive Al-Abscheidung bewirkt wird.
Nach einer festgelegten Abscheidungszeit wird die DMAH-Versorgung unterbrochen. Die Abscheidungszeit ist so ausgewählt, daß der Al-Film auf dem Si (dem einkristallinen Siliciumträger 1) gleich dick wird wie das SiO&sub2; (thermischer Siliciumoxidfilm 2) und experimentell im voraus bestimmt werden kann.
Bei diesem Verfahren wird die Trägeroberfläche durch direkte Beheizung auf etwa 270ºC erhitzt, und das Verfahren, das vorstehend beschrieben wurde, bewirkt eine selektive Abscheidung eines Al-Filmes 405 in der Öffnung, wie in Fig. 14B dargestellt.
Der vorstehende Ablauf wird ein erster Filmbildungsschritt genannt zur Bildung einer Elektrode in einer Öffnung.
Nach dem ersten Filmbildungsschritt wird die CVD-Reaktionskammer 312 mit Hilfe des Vakuumsystems 316b auf einen Druck evakuiert, der 0,67 Pa (5 x 10&supmin;³ Torr) nicht überschreitet. Gleichzeitig wird die RF-Ätzkammer 313 auf einen Druck evakuiert, der 6,7 x 10&supmin;&sup4; Pa (5 x 10&supmin;&sup6; Torr) nicht überschreitet. Nach Bestätigung der Evakuierung der Kammern wird die Schleuse 310c geöffnet, dann der Träger durch die Transporteinrichtung von der CVD-Reaktionskammer 312 in die RF-Ätzkammer 313 bewegt und die Schleuse wieder geschlossen. Die RF-Ätzkammer 313 wird auf einen Druck evakuiert, der 10&supmin;&sup4; Pa (10&supmin;&sup6; Torr) nicht überschreitet und dann durch Argonzufuhr aus der Versorgungsleitung 322 in iieiner Argonatmo sphäre auf 10 bis 10&supmin;¹ Pa (10&supmin;¹ bis 10&supmin;³ Torr) gehalten. Der Substrathalter 320 wird auf etwa 200ºC gehalten und eine RF-Energie von 100 W etwa 60 s lang an die RF-Ätzelektrode 321 angelegt, wodurch eine Argonentladung in der Kammer 313 erzeugt wird, wodurch die Trägeroberfläche mit Argonionen abgeätzt wird und überschüssige, Teile der Oberflächenschicht des durch CVD-Abscheidung gebildeten Filmes entfernt werden können. Die Ätztiefe beträgt in diesem Fall 10 nm (100 Å), was dem Oxidifim entspricht. Das Oberflächenätzen des durch CVD abgeschiedenen Filmes, das in der RF-Ätzkammer durchgeführt wird, kann beendet werden, wenn die Oberflächenschicht frei von Sauerstoff und dergleichen ist, da der Träger im Vakuum transportiert wird. In einem solchen Fall kann die RF-Ätzkammer 313 dazu dienen, die Temperatur innerhalb kurzer Zeit zu verändern, wenn die Temperatur der CVD-Reaktionskammer sich deutlich von der der Sputterkammer 314 unterscheidet.
Nach dem RF-Ätzen wird die Argonzufuhr beendet und die RF-Ätzkammer 313 auf 5 x 10&supmin;&sup4; Pa (5 x 10&supmin;&sup6; Torr) evakuiert. Dann wird die Sputterkammer ebenfalls auf 5 x 10&supmin;&sup4; Pa (5 x 10&supmin;&sup6; Torr) oder weniger evakuiert, und die Schleuse 310d wird geöffnet. Der Träger wird durch die Transporteinrichtung von der RF-Ätzkammer 313 zur Sputterkammer 314 übertragen und die Schleuse 310d wird geschlossen.
Darauf wird die Sputterkammer in einer Argonatmosphäre auf einem Druck von 10 bis 10&supmin;¹ Pa (10&supmin;¹ bis 10&supmin;³ Torr) gehalten wie in der RF-Ätzkammer 313, und der Substrath alter 323 wird auf 200 bis 250ºC gehalten. Argonentladung wird eingeleitet durch eine Gleichspannungsenergie von 5 bis 10 kW, um das Target aus Al oder Al-Si (Si: 0,5%) mit Argonionen zu zerstäuben, wodurch ein Al oder Al-Si auf dem Träger mit einer Abscheidegeschwindigkeit von etwa 1000 nm/min (10000 Å/min) abgeschieden wird. Dies ist ein nichtselektiver Abscheidungsschritt und wird ein zweiter Filmbildungsschritt zur Bildung der Verdrahtung, die mit den Elektroden verbunden ist, genannt.
Nach der Bildung des Metallfilmes von etwa 500 nm (5000 Å) auf dem Träger werden die Argonversorgung und das Anlegen der Gleichspannungsenergie beendet. Die Ladeverschlußkammer 311 wird auf einen Druck von 5 x 10&supmin;¹ Pa (5 x 10&supmin;³ Torr) oder weniger evakuiert, und dann wird die Schleuse 310e geöffnet und der Träger entfernt. Nach Schließen der Schleuse 310e wird die Ladeverschlußkammer 311 mit Stickstoffgas auf atmosphärischen Druck gebracht. Danach wird die Schleuse 310f geöffnet und der Träger herausgenommen.
Der zweite Al-Filmabscheideschritt, der vorstehend beschrieben wurde, bildet einen Al-Film 406 auf dem SiO&sub2;-Film 402, wie in Fig. 12C dargestellt.
Dann wird der Al-Film 406 in die Form eines Musters gebracht, wie in Fig. 12D dargestellt ist, um die Verdrahtung in gewünschter Gestalt zu erhalten.

Experimentelle Beispiele

Im folgenden werden experimentelle Ergebnisse dargestellt, die die Überlegenheit des vorstehend erläuterten Al-CVD-Verfahrens und die zufriedenstellende Qualität des durch dieses Verfahren in Öffnungen abgeschiedenen Al-Filmes zeigen.
Es wurde eine Vielzahl von Trägern hergestellt, die jeweils aus einem einkristallinen Siliciumwafer vom N-Typ bestanden und auf ihrer Oberfläche mit einem thermisch oxidierten SiO&sub2;-Film in einer Dicke von 800 nm (8000 Å) versehen waren, wobei in die Oberfläche durch Musterbildung Öffnungen verschiedener Abmessungen von 0,25 x 0,25 µm bis 100 x 100 µm gebildet wurden, so daß das darunterliegende, einkristalline Silicium freigelegt wurde (Proben 1-1).
Diese Proben wurden durch das Al-CVD-Verfahren der Bildung eines Al-Filmes unterzogen, wobei DMAH als Rohmaterialgas und Wasserstoff als Reaktionsgas eingesetzt wurde bei einem Gesamtdruck von 2,0 x 10&supmin;² Pa (1,5 Torr) und einem DMAH-Partialdruck von 6,7 x 10&supmin;¹ Pa (5,0 x 10&supmin;³ Torr) und bei einer Trägeroberflächentemperatur, die aus dem Bereich von 200ºC bis 490ºC ausgewählt und durch Direktbeheizung unter Regulierung der elektrischen Energie, die in die Halogenlampen eingebracht wurde, eingehalten wurde. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1
Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, wurde Aluminium in den Öffnungen mit einer Abscheidegeschwindigkeit von immerhin 300 bis 500 nm/min (3000 bis 5000 Å/min) abgeschieden bei einer Trägeroberflächentemperatur von 260ºC oder mehr, die durch Direktbeheizung erhalten wurde.
Der Al-Film in den Öffnungen, der bei einer Trägeroberflächentemperatur im Bereich von 260ºC bis 440ºC erhalten wurde, zeigte zufriedenstellende Eigenschaften, wobei er keinen Kohlenstoff enthielt, einen spezifischen Widerstand von 2,8 bis 3,4 µΩ cm aufwies, einen Reflexionswert von 90 bis 95% besaß, eine Erhebungsdichte (≥ 1 µm) von 0 bis 10 cm&supmin;² und fast keine Spitzenbildung (Zerstörungsfrequenz einer Verbindung von 0,15 µm).
Obwohl auf der anderen Seite die Filmqualität, die in einem Oberflächentemperaturbereich von 200 bis 250ºC erhalten wurde, etwas schlechter war als die, die in einem Temperaturbereich von 200 bis 250ºC erhalten wurde, war sie erkennbar besser als die, die mit der konventionellen Technologie erhalten wurde, aber die Abscheidungsgeschwindigkeit konnte 100 bis 150 nm (1000 bis 1500 Å/min) nicht überschreiten, und der Durchsatz lag in einem relativ niedrigem Bereich von 7 bis 10 Wafer/Stunde.
Bei einer Trägeroberflächentemperatur von ≥ 450ºC wurde die Qualität des Al- Filmes in den Löchern verschlechtert, wobei er einen Reflexionswert von 60% oder weniger zeigte, eine Erhebungsdichte (≥ 1 µm) von 10 bis 10&sup4; cm&supmin;² besaß und eine Legierungsspitzenbildung von 0 bis 30% aufwies.
Im folgenden wird erklärt, wie das vorstehend erläuterte Verfahren vorteilhaft auf Öffnungen angewendet werden kann, wie zum Beispiel Kontaktlöcher und durchgängige Löcher.
Das Verfahren kann vorteilhaft angewendet werden auf Kontaktlöcher oder durchgängige Löcher, die aus den Materialien bestehen, die im folgenden erläutert werden.
Die Al-Filmbildung wurde durchgeführt auf den folgenden Trägern (Proben) unter den gleichen Bedingungen wie die Al-Filmbildung auf den vorstehend erwähnten Proben 1-1.
Die Proben 1-2 wurden hergestellt, indem auf einkristallinem Silicium, aus dem ein erstes Trägeroberflächenmaterial besteht, mit Hilfe eines CVD-Verfahrens ein Siliciumoxidfilm gebildet wurde, der ein zweites Trägeroberflächenmaterial ausmachte, und Löcher durch einen fotolithografischen Prozeß gebildet wurden, um örtlich die Oberfläche des einkristallinen Siliciums freizulegen. Der SiO&sub2;- Film war 800 nm (8000 Å) dick und die Löcher waren mit den Maßen 0,25 x 0,25 µm bis 100 x 100 µm versehen.
Eine solche Probe wird im folgenden als "CVD-SiO&sub2; (oder einfach SiO&sub2;) / einkristallines Silicium" bezeichnet). Weiter wurden ebenfalls hergestellt:
Eine Probe 1-3 aus bordotiertem Oxidfilm, der durch Normaldruck-CVD gebildet wurde (im folgenden als "BSG/einkristallines Silicium" bezeichnet),
Eine Probe 1-4 aus phosphordotiertem Oxidfilm, der durch Normaldruck-CVD gebildet wurde (im folgenden als "PSG/einkristallines Silicium" bezeichnet),
Eine Probe 1-5 aus bor- und phosphordotiertem Oxidfilm, der durch Normaldruck-CVD gebildet wurde (im folgenden als "BPSG/einkristallines Silicium" bezeichnet),
eine Probe 1-6 aus Nitridfilm, der durch Plasma-CVD gebildet wurde ("P-SiN/einkristallines Silicium"),
eine Probe 1-7 aus thermischem Nitridfilm ("T-SiN/einkristallines Silicium"),
eine Probe 1-8 aus Nitridfilm, der durch Niederdruck-CVD gebildet wurde ("LP-SiN/einkristallines Silicium"), und
eine Probe 1-9 aus Nitridfilm, der durch ECD gebildet wurde ("ECR-Sinleinkristallines Silicium").
Weiter wurden Proben 1-11 bis 1-179 hergestellt durch Einsetzen aller Kombinationen von ersten Oberflächenmaterialien, von denen es 18 Arten gibt und zweiten Oberflächenmaterialien, von den es 9 Arten gibt, wie sie im folgenden dargestellt sind. (Es ist zu bemerken, daß die Probennummern 1-10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160 und 170 fehlen.) Die ersten Oberflächenmaterialien, die eingesetzt wurden, waren einkristallines Silicium (Mono-Si), polykristallines Silicium (Poly-Si), amorphes Silicium (a-Si), Wolfram (W), Molybden (Mo), Tantal (Ta), Wolframsilicid (WSi), Titansilicid (TiSi), Aluminium (Al), Aluminiumsilicium (Al-Si), Titanaluminium (Al-Ti), Titannitrid (TiN), Kupfer (Cu), Aluminiumsiliciumkupfer (Al-Si-Cu), Aluminiumpalladium (Al-Pd), Titan (Ti), Molybdensilicid (Mo-Si) und Tantalsilicid (Ta-Si). Die zweiten Trägeroberfiächenmaterialien, die eingesetzt wurden, waren: T-SiO&sub2;, SiO&sub2;, BSG, PSG, BPSG, P-SiN, T-SiN, LP-SiN und ECR-SiN. In allen diesen Proben konnten zufriedenstellende Al-Filme erhalten werden, vergleichbar mit denen, die in den vorstehend erwähnten Proben 1-1 erhalten wurden.
Danach wurde das Al auf den Trägern durch Sputtern nichtselektiv abgeschieden, die der selektiven Al-Abscheidung unterworfen worden waren, wie vorstehend erklärt wurde, und wurde dann zu einem Muster geformt.
Der Al-Film, der durch Sputtern erhalten wurde und der selektiv abgeschiedene Al-Film in der Löchern zeigte elektrisch und mechanisch zufriedenstellenden Kontakt wegen des verbesserten Oberflächenzustandes des Al-Filmes in den Öffnungen.
Fig. 13A ist eine schematische Draufsicht einer Mehrschichtverdrahtungsstruktur, die angepaßt ist zur Verwendung in einer Halbleitervorrichtung und eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt, und Fig. 13B ist eine schematische Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A) in Fig. 13A.
Auf einem Halbleiterträger 261, zum Beispiel aus Silicium, wird eine Vielzahl von Isolierfilmen gebildet, wie zum Beispiel ein erster Isolierfilm 257 aus SiO&sub2; und ein zweiter Isolierfilm 255 aus SiO&sub2;, und es wird auch ein durchgängiges Loch TH gebildet mit Abmessungen, die gemäß der Dicke des Isolierfilmes bestimmt werden. In diesem durchgängigem Loch TH wird das SiO&sub2; bis hinab auf die Oberfläche des kristallinen Trägers 261 entfernt. Dann wird das Al-CVD- Verfahren durchgeführt, um einkristallines Aluminium 262 auf dem Träger am Boden aufwachsen zu lassen, wodurch das Innere des Loches TH vollständig aufgefüllt wird, und einen Metallfilm zu bilden, der ein Verbindungselement ausmacht zum Verbinden der Trägeroberfläche mit einer zweiten Verdrahtungsschicht (nicht dargestellt), die darüber gebildet werden soll.
Auch im Bereich mit mehreren aufeinandergeschichteten Isolierschichten, wie vorstehend ermärt, wird es ermöglicht, ein feines und tiefes Loch mit einem Abmessungsverhältnis, das nicht nur 1,0 beträgt, sondern 1,5 bis 2,0 oder sogar mehr, zu füllen, das gemäß dem Stand der Technik schwer zu füllen ist, indem ein Loch gebildet wird, das die Isolierschichten durchdringt und das vorstehend genannte Al-CVD-Verfahren angewendet wird. So kann die Herstellungsausbeute deutlich verbessert werden für eine Vorrichtung, für die eine gewünschte Leistung erreichbar ist mit einem Abmessungsverhältnis von 1,5 oder mehr. Auch ist die erhaltene Verbindung frei von seitlichen Erhebungen, wie sie im Stand der Technik auftauchen, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, da in einer dreischichtigen Verdrahtungsstruktur das durchgehende Loch mit einem einzigen Abscheidungsverfahren gefüllt werden kann.
So verringert die Verbindung der vorliegenden Ausführungsform die parasitäre Kapazität, die sich aus dem Verbindungselement zum Verbinden der oberen und der unteren Verdrahtungsschichten ergibt, und erzeugt keine Oberflächenstufen um das Verbindungsgebiet herum. Weiter kann der Durchmesser des Loches auf ein erforderliches Minimum vereinheitlicht werden, und die Bildung des Verbindungselementes kann erreicht werden mit einen Abscheide- und Musterbildungsprozeß, wobei man sich weniger um Ausrichtungsfehler kümmern muß, im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stand der Technik, das zwei Prozesse, nämlich den für die Abscheidung und den für die Musterbildung, erfordert. Auch wächst in einer mehrschichtigen Verdrahtungsstruktur mit drei oder mehr Verdrahtungsschichten, die erhalten werden durch Wiederholen der vorstehend genannten Verfahrensweise, die Oberflächenstufe nicht kumulativ an, weil die Filmoberfläche, die in der Öffnung entwickelt wird, im wesentlichen flach ist. Die vorstehend genannte Trägeroberfläche schließt so einen Aluminiumfilm oder einen Metallfilm, der hauptsächlich aus Aluminium besteht, ein, der eine Verdrahtungsschicht ausmacht.
Fig. 14A ist eine schematische Draufsicht einer Halbleitervorrichtung, die eine andere Ausführungsform der Erfindung darstellt, und Fig. 14B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A' in Fig. 14A. Das Herstellungsverfahren für die Vorrichtung wird im folgenden umrissen. Zuerst wurde eine Öffnung CH in einem ersten Isolierfilm, einer erste Verdrahtungsschicht darauf und einem zweiten Isolierfilm darauf, die allesamt auf der Trägeroberfläche gebildet sind, in der gleichen Weise, wie in Figg. 13A und 13B dargestellt, gebildet, dann wurde die Öffnung CH vollständig gefüllt durch Züchten von einkristallinem Aluminium 262, und schließlich wurde eine Aluminiumverdrahtung ähnlich der zweiten Aluminiumverdrahtung, die in Fig. 2 bis 5 dargestellt ist, auf dem zweiten Isolierfilm 255 gebildet.
Dieses Verfahren beseitigt die Erfordernis, auf dem SiO&sub2;-Film, der in der Öffnung freiliegt, die erste Al-Schicht 101 zu bilden, die unausweichlich ist nach dem Stand der Technik als Grundlage zur Bildung eines Kontaktes mit der zweiten Al-Schicht 102, wie in Figg. 2 bis 5 dargestellt. Auch kann selbst in dem Fall, in dem die gesamte Umgebungsfläche des SiO&sub2; 257 mit einer ersten Al-Schicht 251 abgedeckt ist, wie in Fig. 14A dargestellt, ein Verbindungsstück 262 zum Träger 261 am Boden gebildet werden, solange ein Raum für die Öffnung nur erhältlich ist.
Die Abmessungen L13, L14 und L15 in Fig. 17B betragen 0,6, 0,8 beziehungsweise 2,0 µm, wohingegen die Abmessungen L6 in Fig. 4 beziehungsweise L12 in Fig. 5 4,2 beziehungsweise 3,2 µm betragen. So kann die Ausführungsform die Fläche, die für die Verdrahtung erforderlich ist, im Vergleich zum Stand der Technik verringern.
Die Ausführungsform wird im folgenden weiter erklärt unter Bezug auf Figg. 14A, 14B und 18A bis 18F, wobei Figg. 15A und 15B Schritte eines Beispieles eines Herstellungsverfahrens für die Halbleitervorrichtung veranschaulichen.
Nach der Bildung einer Diffusionsschicht auf einem kristallinen Siliciumträger 5 801 wird eine erste Isolierschicht 802 aus Siliciumoxid mit einer Dicke von 800 nm (8000 Å) abgeschieden (Fig. 18A). In der Ausführungsform besteht die erste Isolierschicht 802 aus Siliciumoxid, das Phosphor und Bor enthält und durch ein Normaldruck-CVD-Verfahren abgeschieden wird. Es kann allerdings ersetzt werden durch Siliciumoxid, daß Phosphor- oder Siliciumoxid ohne Verunreinigung enthält.
Dann wird auf der ersten Isolierschicht 802 eine Aluminiumschicht 803 mit einer Dicke von 800 nm (8000 Å) abgesohieden und durch einen gewöhnlichen fotolithografischen Prozeß in ein festgelegtes Muster überführt (Fig. 18B). Insbesondere wird Aluminium-Silicium durch Sputtern abgeschieden und die Musterbildung wird durch Trockenätzen mit Cl&sub2;-BCl&sub3;-He durchgeführt.
Dann wird eine zweite Isolierschicht 804 aus Siliciumoxid, das mit Phosphor dotiert ist, in einer Dicke von 600 nm (6000 Å) durch Normaldruck-CVD abgeschieden (Fig. 18C).
Danach wird ein Kontaktloch CH801 mit einem Abmessungsverhältnis von 1,0 oder mehr durch die zweite Isolierschicht 804 und die erste Isolierschicht 802 geöffnet (Fig. 15D). In der vorliegenden Ausführungsform wird mit einer Belichtungsvorrichtung mit Verkleinerungsprojektion ein Fotoresistmuster hergestellt und Trockenätzen mit CHF&sub3;-C&sub2;F&sub6; durchgeführt.
Dann wird das vorstehend genannte Al-CVD-Verfahren eingesetzt, um einkristallines Aluminium im Kontaktloch CH801 abzuscheiden (Fig. 15E). In der Ausführungsform wird Aluminium-Silicium anstelle von reinem Aluminium abgeschieden. Es wird die Filmbildungsvorrichtung eingesetzt, die in Fig. 8 dargestellt ist, und die Filmbildungsbedingungen sind die gleichen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, wobei die Filmabscheidezeit etwa 28 min beträgt. Im folgenden wird die Probe, die bis zu dem Zustand verarbeitet wurde, der in Fig. 15D dargestellt ist, Träger genannt.
Dann wird auf der zweiten Isolierschicht 804 und dem Al-Si-Film 805 eine zweite Siliciumschicht 806 durch Sputtern nichtselektiv aufgebracht und durch einen gewöhnlichen fotolithografischen Prozeß in ein gewünschtes Muster umgewandelt (Fig. 15F).
In der Ausführungsform wurde die Musterbildung durch Trockenätzen mit Cl&sub2;- BCl&sub3;-He durchgeführt, wie im Fall der ersten Aluminiumschicht 803.
Eine Halbleitervorrichtung, wie sie in Fig. 15F dargestellt ist, konnte erhalten werden durch den vorstehend erläuterten Prozeß.
Die vorstehende Beschreibung wurde auf eine Halbleitervorrichtung begrenzt, die einen einkristallinen Siliciumträger einsetzt, aber ein Film mit zufriedenstellender Qualität kann auch erhalten werden in einer Vorrichtung, die einen Träger aus einem anderen elektronenschiebenden Material, wie zum Beispiel GaP, einsetzt.
Figg. 16A und 16B sind eine Querschnittsansicht beziehungsweise Draufsicht einer erfindungsgemäßen koaxialen Verdrahtungsstruktur. Auf einem Halbleiterträger 507 aus Silicium werden aufeinanderfolgend eine Isolierschicht 504 und eine erste Aluminiumschicht 501 auflaminiert, die eine leitende Abschirmschicht ausmacht. Eine zweite Aluminiumschicht 502, die als eine Signalleitung verwendet wird, wird durch eine dritte Aluminiumschicht 503 abgedeckt, wobei die erste Aluminiumschicht 501 und die Aluminiumelemente 508 selektiv in Öffnungen mit hohem Abmessungsverhältnis abgeschieden werden, die konzentrisch die Isolierschichten 505 und 506 durchdringen, wobei alle diese Bestandteile als Abschirmleitung dienen. Das Übersprechen zwischen den Signalleitungen, wie zum Beispiel der zweiten Aluminiumleitungen 502 und 502A, kann un terdrückt werden durch die vorstehend erklärte Struktur, in der jede Signalleitung von anderen Aluminiumbestandteilen umgeben ist, die mit einem festgelegten Potential verbunden sind, wie zum Beispiel einem Erdpotential. Die Isolierschichten 505 und 506 können aus einem anorganischen Material, wie zum Beispiel Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, oder einem organischen Material bestehen, aber insbesondere besteht die Isolierschicht 506 bevorzugt aus Siliciumoxid, das aus Tetraethylorthosilicat (TEOS-SiO&sub2;) gebildet wird.
Das leitfähige Element 508, das in der Lage ist, die obere und die untere Verdrahtung durch eine Vielzahl von Isolierschichten zu verbinden, kann die verbrauchte Fläche und die parasitäre Kapazität verringern. Zusätzlich erfordert es wegen seiner im wesentlichen flachen Seitenfläche keinen zusätzlichen Verdrahtungsraum in einer Vielzahl von Isolierschichten, wie in Figg. 6A und 7 dargestellt, und verringert die Oberflächenstufe.
Insbesondere kann die in Beschlag genommene Fläche verringert werden selbst bei großer Tiefe, indem ein Abmessungsverhältnis von wenigstens 1 und bevorzugt von 1,5 und besonders bevorzugt von 2,0 gewählt wird.
Figg. 17A bis 17H veranschaulichen ein Beispiel des Herstellungsverfahrens für eine Halbleitervorrichtung, die die erfindungsgemäße koaxiale Verdrahtungsstruktur einsetzt.
Auf einem Siliciumträger 601, in dem Diffusionsschichten und dergleichen bereits durch ein gewöhnliches Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gebildet wurden, wird ein Isolierfilm 602 als Zwischenschicht abgeschieden bis zu einer Dicke von 500 nm (5000 Å) (Fig. 17A).
Dieser als Zwischenschicht ausgeführte Isolierfilm 602 besteht in der Ausführungsform aus Siliciumoxid, das mit Bor und Phosphor dotiert ist, er kann aber auch durch ein Siliciumoxid, das mit Phosphor dotiert ist, oder ein undotiertes Siliciumoxid ersetzt sein.
Dann wird auf der Isolierschicht 602 eine erste Aluminiumschicht 603 zum Aufbauen der Bodenabschirmleitung in einer Dicke von 300 nm (3000 Å) abgeschieden (Fig. 17B1).
in dieser Ausführungsform wird die Aluminiumabscheidung durch Sputtern durchgeführt, aber sie kann auch durch Elektronenstrahlbedampfung oder CVD durchgeführt werden. Dann wird in der derart abgeschiedenen Aluminiumschicht 603 ein Loch H601 geöffnet, das größer als das Kontaktloch ist, in einer Position, in der es einen Kontakt zwischen der Signalleitung und dem Element auf dem Träger herstellt (Fig. 17B2). Figg. 17B2, 17C2 und 17D2 veranschaulichen die Schritte der Aluminiummusterbildung in einem Kontaktgebiet, die durch gewöhnliche Fotolithografie erreicht wird, die einen Fotoresist und chlorbasiertes Trockenätzen einsetzt.
Dann wird ein Isolierfilm 604 als Zwischenschicht zum Trennen der Aluminiumschicht 603, die die Bodenabschirmleitung ausmacht, und der Signalleitung in einer Dicke von 600 nm (6000 Å) abgeschieden (Fig. 20C 1).
Der Isolierfilm 604 besteht in der vorliegenden Ausführungsform aus phosphordotiertem Siliciumoxid, kann aber durch undotiertes Siliciumoxid ersetzt werden. Nach der Abscheidung wird ein Kontaktloch CH601 in einer Position geöffnet, in der ein Kontakt zwischen der Signalleitung und dem Element auf dem Träger (Fig. 17C 2) mit Hilfe von gewöhnlicher Fotolithografie hergestellt wird, die ein Fotoresist und Trockenätzen einsetzt.
Die Struktur bis zu den Zuständen, die Figg. 17C1 und 17C2 dargestellt ist, kann durch eine bekannte Technologie für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen erhalten werden.
Danach wird eine Aluminiumsiliciumschicht 605 als Signalleitung abgeschieden. Die Abscheidung kann durch Sputtern oder Elektronenstrahlbedampfung erreicht werden, wenn das Kontaktloch eine gewisse große Abmessung aufweist, aber in der Ausführungsform werden ein selektives Al-CVD-Verfahren und Sputtern eingesetzt, da das Kontaktloch klein ist, nämlich 1 x 1 µm. Die Abscheidung von Aluminium-Silicium wird durchgeführt mit der Vorrichtung, die in Fig. 8 dargestellt ist, und mit den Abscheidungsbedingungen, die vorstehend erklärt wurden.
Die Abscheidung von Aluminium-Silicium bis zu einer Dicke von 1100 nm (11000 Å), was der Summe der Dicken der Isolierschichten 602 und 604 entspricht, erfordert etwa 22 Minuten. Bei dieser Operation wurde die Temperatur der Trägeroberfläche durch direkte Beheizung auf 270ºC gehalten. Bei diesem Abscheidungsschritt wurde Aluminiumsilicium ausschließlich im Kontaktloch CH601 abgeschieden, wie in Figg. 17D1 und 17D2 dargestellt.
Dann wurde ein Aluminiumsiliciumfilm 605 abgeschieden und dann in ein festgelegtes Verdrahtungsmuster umgeformt (Fig. 17E) durch gewöhnliche Fotolithografie, die Fotoresist und chlorbasiertes Trockenätzen einsetzt.
Dann wurde ein Isolierfilm 606 als Zwischenschicht zum Isolieren der Signalleitung 605 von der oberen Abschirmleitung in einer Dicke von 600 nm (6000 Å) abgeschieden (Fig. 17F).
Der Isolierfilm 606 in der Ausführungsform bestand aus phosphordotiertem Siliciumoxid, das durch ein CVD-Verfahren gebildet wurde, das O&sub3;-TEOS (Tetraethylorthosilicat) einsetzte, und die Phosphordotierung wurde erhalten durch Einführen von TMP (Tetramethylphosphor). Die Trägertemperatur wurde auf 400ºC gehalten und der Phosphorgehalt im Isolierflim 606 betrug etwa 6%. Allerdings kann auch gewöhnliche CVD auf Grundlage von SH&sub4;O&sub2;-PH&sub3; zur Bildung des Isolierfilmes 606 verwendet werden.
Dann wurden enge Rillen in den Bereichen, in denen seitliche Flächen der Siqualleitung 605 abgeschirmt werden müssen (Fig. 17G), durch eine gewöhnliche Fotolithografie und Trockenätzen geöffnet. In der Ausführungsform wurden die Rillen durch Erzeugen eines Musters aus Fotoresist mit einer Breite von 0,8 µm durch eine Belichtungsvorrichtung zur Verkleinerungsprojektion und Durchführen von Trockenätzen unter Einsatz von C&sub2;F&sub2;-CHF&sub3; gebildet.
Schließlich wurde eine Aluminiumschicht 607 auf den oberen und seitlichen Flächen der Signalleitung 605 abgeschieden, wodurch die Abschirmung vervollständigt wurde (Fig. 17H).
Da die Aluminiumabscheidung ein Abmessungsverhältnis von mehr als 1 aufwies mit einer Breite von 0,8 µm und einer Tiefe von 1,2 µm, konnte sie nicht zum Beispiel durch Sputtern oder Elektronenstrahlbedampfung erreicht werden. Infolgedessen beruhte die Füllung der Rillen auf dem selektiven Al-CVD-Verfahren. In der Ausführungsform wurden die seitlichen und die oberen Flächen 607 der Abschirmleitung durch ein Al-CVD-Verfahren und Sputtern gebildet wie bei der Aluminiumabscheidung für die Signalleitung 605.
Der Unterschied der Bildung der Signalleitung 605 und der Abschirmleitung 607 liegt in der Tatsache, daß die Abschirmleitung 607 aus reinem Aluminium ohne Zugabe von Trimethylphosphor während des Al-CVD-Prozesses bestand und die Abscheidungstiefe etwa 1200 nm (12000 Å) betrug.
Nach der Aluminiumabscheidung wurden nicht mehr erforderliche Teile der Abschirmleitung durch gewöhnliche Fotolithografie unter Einsatz eines Fotoresistes und chlorbasierten Trockenätzens entfernt.

Wirkung der Erfindung

Die Erfindung, die auf Verdrahtungsbildung durch Al-CVD-Technologie beruht, macht es möglich, eingeflachte Oberflächen und eine höhere Dichte der Verdrahtung zu erhalten, wodurch die Oberfläche der Halbleitervorrichtung, die für die Verbindung erforderlich ist, verringert wird und auch ihre Produktionskosten verringert werden.
Die Erfindung verringert die Fläche, die für eine mehrschichtige Verdrahtungsstruktur erforderlich ist, und kann eine flachere Oberfläche auf der Halbleitervorrichtung bereitstellen durch Bilden eines durchgängigen Loches durch eine Vielzahl von aufeinandergeschichteten Isolierschichten hindurch und vollständiges Ausfüllen des Loches durch Züchten von einkristallinern Aluminium darin durch das Al-CVD-Verfahren, wodurch eine Halbleitervorrichtung erhalten werden kann, die extrem geeignet ist für die Erreichung eines hohen Integrationsgrades.
Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Anwendung ein Anwachsen der Dichte der Signalleitungen in einer koaxialen Verdrahtungsstruktur, wodurch ein höherer Integrationsgrad bei der Bildung einer solchen koaxialen Verdrahtung auf einem Chip erreicht wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Mehrschichtverdrahtungsstruktur, die versehen ist mit einem ersten Isolationsfilm (257, 802), der auf der Oberfläche eines Trägers (261, 801) bereitgestellt ist, einer ersten, mit einem Muster versehenen Verdrahtungsschicht (251, 803), die auf dem ersten Isolationsfilm (257, 802) bereitgestellt ist, einem zweiten Isolationsfilm [5 (255, 804), der so bereitgestellt ist, daß er die erste Verdrahtungsschicht (251, 803) abdeckt, und einer zweiten Verdrahtungsschicht (252, 806), die auf dem zweiten Isolationsfilm (255, 804) bereitgestellt ist, umfassend die folgenden Schritte:

Ausbilden eines Loches (CH, CH801), das durch den ersten und den zweiten Isolationsfilm durchgeht an einem Punkt, an dem die erste Verdrahtungsschicht (251, 803) fehlt, wodurch die Oberfläche des Trägers (261, 801) freigelegt wird,

selektives Abscheiden von Aluminium oder einen Metall, das hauptsächlich aus Aluminium besteht, in diesem Loch (CH, CH801) durch ein CVD-Verfahren, das Alkylaluminiumhydridgas und Wasserstoff einsetzt, wobei der Träger auf einer Temperatur gehalten wird, die größer ist als die Zersetzungstemperatur des Alkylaluminiumgases, aber unter 450ºC liegt, wodurch selektiv ein Verbindungselement (262, 805) geformt wird, um die Oberfläche des Trägers (261, 801) mit der zweiten Verdrahtungsschicht (252, 806) zu verbinden, und

nichtselektives Abscheiden eines Metallfilmes (252, 806) auf dem Verbindungselement (262, 805) aus Aluminium oder aus dem Metall und dem zweiten Isolationsfilm (255, 804) und nachfolgende Formung des Metallfilmes (252, 806) zu einem Muster, wodurch die zweite Verdrahtungsschicht (252, 806) gebildet wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte umfaßt:

Abscheiden einer ersten Isolationsschicht (504, 602) auf dem Träger (507, 601),

Abscheiden einer ersten Metallschicht (501, 603) auf der ersten Isolationsschicht (504, 602),

Abscheiden einer zweiten Isolationsschicht (505, 604) auf der ersten Metallschicht (501, 603),

Abscheiden einer zweiten Metallschicht (502, 605) auf der zweiten Isolationsschicht (504, 602),

Formung der zweiten Metallschicht (502, 605) zu einem Muster in festgelegter Form (502, 502A, 605),

Abscheiden einer dritten Isolationsschicht (506, 606) auf der zweiten Isolationsschicht (505, 604) und der zweiten Metallschicht (502, 605),

Öffnen von Löchern in der zweiten und dritten Isolationsschicht (505, 506), die von der zweiten Metallschicht (502, 605) auf einem festgelegten Abstand gehalten werden und die die erste Metallschicht (501, 603) erreichen,

selektives Abscheiden von Aluminium oder einem Metall (508, 607), das hauptsächlich aus Aluminium besteht, durch ein CVD-Verfahren, das Alkylaluminiumhydridgas und Wasserstoff einsetzt, wobei der Träger auf einer Temperatur gehalten wird, die größer ist als die Zersetzungstemperatur des Alkylaluminiumgases, aber unter 450ºC liegt, um die Löcher zu füllen,

nichtselektives Abscheiden eines Metalles (503) auf dem dritten Isolationsfilm (506, 606) und dem Aluminium oder dem Metall (508, 607), das hauptsächlich aus Aluminium besteht, und

Formen des Metalles (503, 607) zu einem Muster.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die selektive Abscheidung des Aluminiums oder des Metalles in einer ersten Kammer durchgeführt wird und dann der Träger, ohne der Atmosphäre ausgesetzt zu werden, in eine zweite Kammer bewegt wird und die nichtselektive Abscheidung des Metalles in der zweiten Kammer durchgeführt wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Loch ein Abmessungsverhältnis von 1,5 oder mehr besitzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das selektiv abgeschiedene Metall ausgewählt ist aus Al-Si, M-Ti, Al-Cu, Al-Si-Ti und Al-Si-Cu.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das nichtselektiv abgeschiedene Metall ausgewählt ist aus Al, Al-Si, Al-Ti, Al-Cu, Al-Si-Ti und Al-Si- Cu.