DE19608208A1 - Verfahren zur Herstellung von Metallzwischenverbindungen in Halbleitereinrichtungen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Metallzwischenverbindungen in HalbleitereinrichtungenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausbildung einer
Halbleitereinrichtung und insbesondere auf ein Verfahren zur Ausbildung einer
Metallzwischenverbindung bzw. eines Metallzwischenanschlusses in einer Halbleiter
einrichtung, die eine Metallschicht als Diffusionsbarriere aufweist, gemäß dem
Patentanspruch 1.
Da die Integration von Halbleitereinrichtungen erhöht wird, sind viele Verfahren
geprüft worden, um die Anschluß- bzw. Zwischenanschlußkonstruktion frei und
einfach zu gestalten, und um die Bestimmung des Widerstandes und der Stromkapazi
tät veränderlich zu machen.
Im allgemeinen wird Aluminium als Material für Metallanschlusses bzw. -zwischen
verbindungen von Halbleitereinrichtungen verwendet. Wenn die Integration erhöht
wird, wird die Breite der Zwischenverbindungen bzw. Zwischenanschlüsse geringer,
so daß die Stromdichte gesteigert wird. Die Erhöhung der Stromdichte erzeugt jedoch
Fehler aufgrund von Elektromigration, Antireflexion und der Bewegung von
Spannungen, die eine Verringerung der Verläßlichkeit ergeben. Um die obigen
Probleme zu lösen ist ein Verfahren zur Verfügung gestellt worden, das Kupfer (Cu)
oder Titan (Ti) auf der Zwischenverbindung bzw. dem Zwischenanschluß aus
Aluminium (Al) abscheidet, das jedoch zu ernsthaften Problemen führt, wie etwa
Isolatorfehlern oder einem Kurzschluß der Zwischenverbindungen bzw. Zwischen
anschlüsse aufgrund von Phänomenen, wie etwa Erhebungs- bzw. Hügelausbildungen
(Hillock) und Haar- bzw. Nadelkristallen (Whisker).
Die Fig. 1 ist eine querschnittliche Ansicht einer Halbleitereinrichtung, bei der die
Metallzwischenverbindung bzw. -anschlüsse nach der Ausbildung der Diffusions
barriereschicht nach einer Ausführungsform des üblichen Standes der Technik
hergestellt sind. Bei dem üblichen Verfahren wird eine isolierende Schicht 2 zunächst
auf einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet. Danach werden Kontaktlöcher an
vorbestimmten Abschnitten des Halbleitersubstrats 1 durch Ätzen einiger Abschnitte
der isolierenden Schicht ausgebildet, bis die Oberfläche des Substrats 1 freigelegt ist.
Als nächstes werden Diffusionsbarriereschichten aus Titan (Ti) 3 und Titannitrid
(TiN) 4 der Reihe nach durch physikalische Dampfabscheidung ausgebildet. Zuletzt
wird eine Metallzwischenverbindung bzw. -zwischenanschluß 8 unter Verwendung
von Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung auf der Titannitridschicht 4
ausgebildet.
Gegenwärtig wird jedoch die Größe des Kontaktloches mehr und mehr verringert, da
die Integrationshöhe der Einrichtung voranschreitet. Im Verhältnis zu der Ver
ringerung der Kontaktlochgröße wird der Verhältnisgesichtspunkt (Größe zu Tiefe)
des Kontaktloches vergrößert. Folglich wird in einem Fall, in dem die Diffusions
barriereschichten durch die obige physikalische Dampfabscheidung ausgebildet
werden, die Stufen- bzw. Kantenbedeckung verringert, was eine ungleichmäßig
abgeschiedene Diffusionsbarriereschicht ergibt. Darüber hinaus wird in einem Fall in
dem die Dicke der Barriereschicht erhöht wird, ein Abschattungseffekt an der Ecke
des oberen Abschnitts des Kontaktloches verursacht, der es unmöglich macht, mit
dem nachfolgenden Verfahren voranzuschreiten. Zusätzlich gibt es in einem Fall, in
dem das chemische Dampfabscheidungsverfahren verwendet wird, bei dem TiCl₄ mit
NH₃ zur Reaktion gebracht wird, um die Stufen- bzw. Kantenbedeckung zu
verstärken, durch die überschüssige Erzeugung von Teilchen ein Problem. Deshalb
ergibt sich ein Abfall in der Ausbeute und der Verläßlichkeit der Halbleiter
einrichtungen. Darüber hinaus gibt es in diesem Falle ein Problem, da sich die
Betriebsgeschwindigkeit der Halbleitereinrichtung verringert, weil deren interner
Widerstand durch den Phasenübergang zu der amorphen Phase während des
Abscheidens von TiN erhöht.
Es ist folglich eine bevorzugte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Ausbildung einer Metallzwischenverbindung bzw. eines Metallzwischenanschlusses
einer Halbleitereinrichtung zur Verfügung zu stellen, das die Ausbeute und die
Verläßlichkeit einer Halbleitereinrichtung verbessern kann, indem die Stufen- bzw.
Kantenbelegung bzw. -bedeckung der Diffusionsbarriereschicht erhöht und der innere
bzw. interne Widerstand und dessen Teilchenerzeugung verringert wird.
Um insbesondere diese Aufgabe der Erfindung zu lösen, wird ein erstes Kontaktloch
an dem vorbestimmten Abschnitt des Halbleitersubstrats ausgebildet, indem aktive
Bereiche ausgebildet werden und auf dem dann eine isolierende Schicht ausgebildet
wird. Danach werden der Reihe nach Titan- und Titannitridschichten auf dem
Kontaktloch und der isolierenden Schicht durch chemische Dampfabscheidung
abgeschieden. Als nächstes wird ein thermisches Erhitzen bzw. Glühen oder Tempern
unter einer N₂-Umgebung bzw. -Atmosphäre durchgeführt, um die Phase der
abgeschiedenen Titannitridschicht zu ändern und den Gehalt an N₂ in jeder Schicht
übergehen zu lassen. Letztlich wird der Metallzwischenanschluß ausgebildet, um die
aktiven Bereiche aneinander anzuschließen, indem ein Zwischenverbindung- bzw.
Zwischenanschlußmetall mit niedrigem Widerstand auf den Diffusionsbarriereschich
ten abgeschieden wird, und anschließend sämtliche Schichten auf dem Kontaktloch
und der isolierenden Schicht mit einem Muster bzw. einer Halbleiterstruktur
ausgebildet werden.
Anstelle von Stickstoff kommt auch Helium in Frage.
Alternativ ist es auch möglich, daß die vorliegende Erfindung ferner einen Schritt
umfaßt, um eine Schicht abzuscheiden, die durchgangsdünn bzw. reflexionshemmend
ist (arc-thin film), die die Reflexion von Licht an dem Zwischenverbindungs- bzw.
Zwischenanschlußmetall verhindert, bevor die ausgebildeten Schicht mit einem Muster
bzw. einer Struktur versehen werden.
Gemäß der Erfindung können die hier aufgeführten Verfahrensschritte auch anders
vorteilhaft miteinander kombiniert werden, um diverse Vorteile einzeln bzw. in
Kombination zu erzielen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand wenigstens eines Ausführungs
beispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erörtert, in welchen
Fig. 1 eine querschnittliche Ansicht ist, um ein Verfahren zur Aus
bildung der Metallzwischenverbindung bzw. -anschlusses gemäß
der üblichen Ausführungsform nach dem Stand der Technik
auszubilden.
Fig. 2A-2D querschnittliche Ansichten sind, die aufeinander folgende
Prozessierungen zur Ausbildung der Metallzwischenverbindung
bzw. -zwischenanschlusses gemäß jeweils einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen.
Im folgenden ergeben sich bei der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
mit Merkmalen nach der Erfindung weitere wesentliche Merkmale, Vorteile,
Merkmalskombinationen sowie Aufgabestellungen.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2D beschrieben.
Die Fig. 2A bis 2D sind querschnittliche Ansichten, die aufeinanderfolgend
Prozessierungen bzw. Verfahrensschritte zum Ausbilden eines Metallzwischen
anschlusses bzw. -zwischenverbindung gemäß einer Ausführungsform der vor
liegenden Erfindung zeigen. Zunächst wird unter Bezugnahme auf Fig. 2A eine
isolierende Schicht 2 auf einem Halbleitersubstrat 1 abgeschieden, das aktive Bereiche
umfaßt. Ein Kontaktloch wird dann an dem vorbestimmten Abschnitt der isolierenden
Schicht 2 durch ein photolithographisches Verfahren ausgebildet, welches die
freigelegte isolierende Schicht ätzt, bis die Oberfläche des Halbleitersubstrats l
freigelegt ist. Anschließend wird, wie in Fig. 2B gezeigt, eine Titanschicht 3 auf dem
inneren Abschnitt des Kontaktloches und der gesamten Oberfläche der isolierenden
Schicht 2 abgeschieden. Die Titanschicht 3 ist sehr dünn bis zu einem Grad
ausgebildet, der dazu in der Lage ist, die Form des Kontaktloches 2 durch chemische
Dampfabscheidung (CVD) beizubehalten, die TiCl₄ mit NH₃ oder NF₃ zur Reaktion
bringt. Das chemische Dampfabscheidungsverfahren bzw. CVD-Verfahren ist dazu
da, die Stufen- bzw. Kantenbedeckung bzw. -beschichtung der Innenseite des
Kontaktloches zu verbessern oder zu verstärken. Anschließend wird eine Titannitrid
schicht 4 auf der Titanschicht 3 ausgebildet. Die Titannitridschicht 4 wird durch
chemische Dampfabscheidung ausgebildet, um die Erzeugung der Teilchen zu
unterdrücken bzw. zu vermeiden. Mit anderen Worten verwendet das Verfahren nur
das Rohmaterial Tetradimethylaminotitan [Ti{N(CH₃)₂}₄] oder Tetradiethylaminotitan
[Ti{N(C₂H₅)₄}] und zerlegt Titannitrid aus einer der besagten zwei Verbindungen
bzw. Zusammensetzungen durch thermisches Glühen bzw. Erhitzen oder Tempern,
bei dem das zugeführte Gas Stickstoff und/oder Helium ist. Die Abscheidungs
temperatur des TiN liegt in dem Bereich von 300 bis 500°C und der Druck des Ofens
bzw. Reaktors wird gesteuert, um in dem Bereich von etwa 5 bis 10 mTorr zu liegen.
Was ausgebildet wird, ist eine amorphe Schicht, danach wird das Halblösersubstrat
mit den darauf ausgebildeten obigen Schichten thermisch unter einer N₂-Umgebung
bzw. -Atmosphäre über den Temperaturbereich von 400 bis 600°C geglüht bzw.
erhitzt. Während des Glüh- bzw. Erhitzungsverfahrens wird die Titannitridschicht 4
in drei Titannitridschichten 5, 6, 7 überführt, deren physikalische Eigenschaften
voneinander unterschiedlich sind. Die untere oder erste Schicht ist aus Titannitrid 5
zusammengesetzt, das als eine amorphe Schicht existiert, die mittlere oder zweite
Schicht ist aus Titannitrid 6 zusammengesetzt, die als eine kristalline Schicht existiert,
und die obere oder dritte Schicht ist aus Titannitrid 7 zusammengesetzt, das als eine
stickstoffreiche bzw. stickstoffangereicherte kristalline Schicht vorkommt. Hier kann
das schnelle thermische Glüh- bzw. Erhitzungsverfahren (RTA-Verfahren) ebenfalls
anstelle des üblichen thermischen Glühens bzw. Erhitzens oder Temperns verwendet
werden. Es wird bei dem Temperaturbereich von 700 bis 900°C und in dem
Zeitbereich von 10 bis 30 Sekunden durchgeführt. Das Titannitrid 4 der einzelnen
Schicht weist einen sehr hohen Widerstand auf, da es in einem amorphen Zustand ist,
jedoch hat die Dreifachschicht aus Titannitrid 5, 6, 7 einen niedrigen Widerstand,
verglichen mit der einzelnen Schicht aus Titannitrid 4, weil ihre physikalischen
Eigenschaften voneinander unterschiedlich sind. Die Titanschicht 3 und die
Titannitridschichten 5, 6, 7 wirken als Diffusionsbarrieremetall, um die Diffusion von
Metallatomen zu verhindern, die ohne das Vorhandensein der Barriere auftreten
würde. Danach wird, wie in Fig. 2C gezeigt, ein Zwischenanschluß- bzw.
Zwischenverbindungsmetall, wie etwa Aluminium, Kupfer oder eine Legierung aus
Aluminium und Kupfer, usw. auf der Diffusionsbarriereschicht ausgebildet, in der das
Zwischenverbindungsmetall bzw. Zwischenanschlußmetall die aktiven Bereiche
miteinander verbindet, indem irgendein Metall abgeschieden wird, das einen niedrigen
Widerstand auf den Diffusionsbarriereschichten hat. Danach wird eine Reflexions
hemm- bzw. Durchgangsmetallschicht 9 auf der Metallschicht 8 durch chemische
Dampfabscheidung (CVD) ausgebildet. Hier dient die Durchgangsmetallschicht dazu,
Licht davon abzuhalten, von dem Zwischenanschluß bzw. Zwischenverbindungsmetall
reflektiert zu werden, wenn Licht freigesetzt wird, um ein Muster der Metall
zwischenverbindung bzw. des Metallzwischenanschlusses auszubilden. Die
durchgangsdünne Schicht bzw. Reflexionshemmschicht ist aus Tetradimethylamino
titan oder Tetradiethylaminotitan zusammengesetzt, und der Bereich der Ab
scheidungstemperatur liegt von 300 bis 450°C bzw. in etwa dazwischen. Der Schritt
zur Ausbildung der durchgangsdünnen Schicht 9 kann prinzipiell in jedem Falle
weggelassen werden und soll die Ausbildung von Interferenzen verhindern, die bei
der Herstellung von sehr schmalen Strukturen mittels eines Fotoresists vorkommen
können.
Letztlich wird der Metallzwischenanschluß bzw. die Metallzwischenverbindung, wie
in Fig. 2D gezeigt, durch Ausbilden einer Struktur von den Metallschichten 2, 5, 6,
7, 8 und 9 vervollständigt. Die Metallschicht 8 kann für ein Metall ersetzt werden,
das eine hohe Leitfähigkeit besitzt, wie etwa Wolfram.
Wie voranstehend im einzelnen beschrieben, kann die vorliegende Erfindung den
Widerstand von Titannitrid und die Erzeugung von Teilchen verringern und die
Stufen- bzw. Kantenbedeckung bzw. -beschichtung verstärken oder verbessern, indem
Titannitrid einer einzelnen Schicht in Titannitrid von drei Schichten mit individuellen
Eigenschaften überführt wird. Die drei Schichten werden durch ein Verfahren
ausgebildet, das die Ausbildung von Titannitrid durch thermische Zersetzung des
Rohrmaterials, das Stickstoff und Titan enthält, und das Glühen bzw. Tempern des
abgeschiedenen Titannitrids an einer Stickstoffatmosphäre bzw. -umgebung umfaßt.
Folglich stellt es Wirkungen zur Verfügung, die nicht nur die Verläßlichkeit und die
Ausbeute verbessern bzw. erhöhen, sondern auch die Geschwindigkeit der Signalüber
tragung.
Andere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der hierin offenbarten Erfindung
werden dem Fachmann im Stand der Technik gewahr werden, wenn er die
voranstehende Offenbarung liest. In dieser Hinsicht können Veränderungen und
Modifikationen dieser Ausführungsformen veranlaßt werden, ohne das Wesen und den
Schutzbereich der beschriebenen und beanspruchten Erfindung zu verlassen, während
spezifische Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben worden sind.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Ausbildung von Metallver
bindungen bzw. -anschlüssen für Halbleitereinrichtungen, das dazu in der Lage ist,
die Ausbeute und die Verläßlichkeit zu verbessern bzw. zu erhöhen. Gemäß dem
Verfahren wird zunächst ein Kontaktloch an einem vorbestimmten Abschnitt des
Halbleitersubstrats ausgebildet, in dem aktive Bereiche ausgebildet sind und auf dem
dann eine isolierende Schicht ausgebildet wird. Danach werden die Titan- und
Titannitridschichten, die jeweils eine vorbestimmte Dicke haben, der Reihe nach auf
dem Kontaktloch und der isolierenden Schicht durch chemische Dampfabscheidung
abgeschieden. Als nächstes wird ein thermisches Tempern bzw. Glühen unter einer
N₂- oder Ar- bzw. He-Atmosphäre bzw. -umgebung durchgeführt, um die Phase der
abgeschiedenen Titannitridschicht zu ändern und den Gehalt an N₂ in jeder Schicht
übergehen zu lassen. Zuletzt wird die Metallzwischenverbindung bzw. der Metall
zwischenanschluß ausgebildet, um die aktiven Bereiche aneinander anzuschließen, in
dem ein Anschluß- bzw. Zwischenverbindungsmetall abgeschieden wird, das einen
niedrigen Widerstand auf den Diffusionsbarriereschichten bzw. -grenzschichten hat,
und anschließend werden sämtliche Schichten mit einem Muster versehen, die auf
dem Kontaktloch und der Isolierschicht bis jetzt ausgebildet worden sind. Alternativ
ist es auch möglich, daß die vorliegende Erfindung ferner den Schritt umfaßt, eine
durchgangsdünne Schicht bzw. Dünnschicht abzuscheiden, die die Reflexion von Licht
an dem Zwischenverbindungs- bzw. Zwischenanschlußmetall verhindert, bevor die
Ausbildung eines Musters aus den ausgebildeten Schichten vorgenommen wird.
Claims (12)
1. Verfahren zur Ausbildung einer Metallzwischenverbindung bzw. eines Metall
zwischenanschlusses für Halbleitereinrichtungen, mit den folgenden Schritten:
- - ein Kontaktloch wird an einem vorbestimmten Abschnitt eines Halblei tersubstrates (1) ausgebildet, auf dem eine isolierende Schicht (2) gebildet ist;
- - Titan (3) und Titannitridschichten (4), die jeweils eine vorbestimmte Dicke aufweisen, werden auf der isolierenden Schicht (2) und dem Kontaktloch in einer Reihenfolge durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden;
- - das Substrat (1, 2, 3, 4) wird unter einer N₂-Umgebung bzw. -Atmo sphäre und/oder Heliumumgebung bzw. -atmosphäre thermisch getempert bzw. geglüht, wobei die Titannitridschicht (4) zu einem Phasenübergang zu Titannitridschichten (6, 7, 8) gebracht wird, wobei jede Schicht (6, 7, 8) einen anderen Stickstoffgehalt hat, und wobei der Phasenzustand voneinander unterschiedlich ist;
- - eine Metallschicht (8) mit niedrigem Widerstand bzw. elektrischem Widerstand wird auf der Titannitridschicht (6, 7, 8) abgeschieden; und
- - die Schichten, die auf bzw. über dem Kontaktloch und der isolierenden Schicht bislang ausgebildet sind, werden mit einem Muster versehen bzw. strukturiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Titan durch chemische Dampf
abscheidung ausgebildet wird, die TiCl₄ mit NH₃ zur Reaktion bringt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in dem das Titannitrid durch
thermische Zersetzung von Tetradimethylaminotitan ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in dem das Titannitrid durch
thermische Zersetzung von Tetradiethylaminotitan ausgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, in dem die thermische
Auflösung unter einer Bedingung einer Temperatur von 300 bis 500°C
und/oder einem Druck von 5 bis 10 mTorr durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das thermische Tempern
bzw. Glühen für den Phasenübergang für Titannitrid an einer N₂- oder He-
Umgebung bzw. -Atmosphäre und/oder einer Temperatur von 400 bis 600°C
über etwa 30 bis etwa 60 Minuten durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das thermische Tempern
bzw. Glühen für den Phasenübergang von Titannitrid an bzw. unter einer N₂
bzw. He-Umgebung bzw. -Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 700 bis
900°C über etwa 10 bis 30 Sekunden durch schnelles thermisches Tempern
bzw. Glühen (RTA) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem das Zwischenanschluß
bzw. Zwischenverbindungsmetall Aluminium oder Kupfer oder eine Legierung
davon ist.
9. Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Verfahren ferner einen Schritt umfaßt,
bei dem eine durchgangsdünne Schicht bzw. dünne Durchgangsschicht (9)
auszubilden, um die Reflexion insbesondere von Licht durch Kupfer oder
Aluminium (8) vor dem Schritt zur Herstellung eines Musters zum Ausbilden
der Metallzwischenverbindung bzw. des Metallanschlusses zu verhindern.
10. Verfahren nach Anspruch 9, in dem die dünne Durchgangsschicht (9) aus Titan
hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Titannitrid durch Zersetzung von
Tetradiethylaminotitan bei etwa 300 bis 450°C ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Titannitrid durch thermische
Zersetzung von Tetradimethylaminotitan bei ca. 300 bis etwa 450°C
ausgebildet wird.
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