DE19716791A1 - Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen Halbleiterstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen Halbleiterstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vor Ausbildung einer ersten Metallschicht werden konventionel­ le Halbleiterkomponenten mit einer Isolierschicht bedeckt, die eine planere Oberseite aufweist als die unterlagerte Topographie der Halblei­ terkomponente. Die überlagerte Isolierschicht ihrerseits isoliert die Halbleiterkomponente nach außen und bildet eine Stützstruktur, die für die herzustellenden Metallverbindungsleitungen benötigt wird.

Ein Beispiel ist eine Halbleiterkomponente mit einer leitenden Region, wie einer Source- oder Drainregion auf einem Substrat. Die Halbleiterkomponente hat ferner gewöhnlich eine Mehrzahl von Schichten, etwa eine erste Schicht aus polykristallinem Silicium, eine zweite Schicht aus polykristallinem Silicium und eine dielektrische Schicht zwischen den beiden Schichten aus polykristallinem Silicium, die bei­ spielsweise aus Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) bestehen kann, während gewöhnlich die beiden Polysiliciumschichten und die leitende Region elektrisch mit Metalleitungen durch Kontakte verbunden sind.

Die der aufgebrachten Isolierschicht unterlagerte Topographie der Halbleiterkomponente weist demgemäß erhebliche Höhenunterschiede auf. Diese Höhenunterschiede werden zwar durch das überlagerte isolie­ rende Material etwas abgemildert, zeichnen sich jedoch immer noch ab. Zum Aufbringen der Isolierschicht kann man ein bekanntes Verfahren, wie das Aufspinnen von Glas, Aufschmelzen und Resistrückätzen verwenden. Ein wesentlicher Vorteil, der darauf zurückzuführen ist, daß die Oberfläche der Isolierschicht nicht vollständig planiert ist, besteht darin, daß die Tiefe von Kontakten grob gesagt ähnlich ist. Im Ergebnis ist weder eine der Schichten noch das Substrat einer bedrohlichen Überätzung aus­ gesetzt, wenn die Kontaktöffnungen gebildet werden.

In jüngerer Zeit sind jedoch als Ergebnis abnehmender Ausle­ gungsregeln (0,35-µ-Technik) und Verwendung von mehr metallischen Ver­ bindungsschichten die oben aufgeführten Techniken zur Bildung einer Iso­ lierschicht einer Planierungstechnik gewichen, die als chemisch-mechani­ sches Polieren bekannt ist. Mit chemisch-mechanischem Polieren wird eine Isolierschicht über der Halbleiterkomponente gebildet und dann bis zu einer vollständig planen Oberfläche herunterpoliert. Bei einer solchen Isolierschicht besteht jedoch das Problem, daß die Tiefe der Kontakte nicht mehr einigermaßen ähnlich ist, sondern statt dessen stark unter­ schiedlich. Wenn infolgedessen die Isolierschicht geätzt wird, um Kon­ taktöffnungen zu bilden, werden die weiter oben liegenden Schichten wäh­ rend der Zeit, in der eine Kontaktöffnung zur leitenden Region des Sub­ strats hergestellt wird, stark überätzt. Das überätzen der Isolier­ schicht verändert die Durchmesser der Kontaktöffnungen, während das überätzen etwa einer Schicht aus polykristallinem Silicium die elektri­ schen Eigenschaften der Komponente verändert.

Eine Möglichkeit, das überätzen zu begrenzen, besteht in der Verwendung von zwei Kontaktmasken, nämlich einer Maske für die flachlie­ genden und einer Maske für die tieferliegenden Kontakte. Zwar reduziert diese Technik das Problem des Überätzens, erfordert jedoch einen zusätz­ lichen Maskierungsschritt, der die Kosten und die Komplexität des Pro­ zesses erhöht.

Eine andere Technik, die man einsetzen kann, um das Überätzen zu begrenzen, besteht darin, einen Teil der oberen Schicht aus polykri­ stallinem Silicium auf dasselbe Niveau wie die erste Schicht aus poly­ kristallinem Silicium zu bringen. Dabei ist die Ätzzeit, die für das Ex­ ponieren beider polykristallinen Schichten erforderlich ist, etwa gleich. Im Ergebnis werden die beiden Schichten aus polykristallinem Si­ licium nur geringfügig während der zusätzlichen Ätzzeit überätzt, die zum Exponieren der leitenden Substratregion benötigt wird. Nachteilig ist jedoch, daß durch Bilden der zweiten oberen Schicht aus polykristal­ linem Silicium auf demselben Niveau wie die erste Schicht aus polykri­ stallinem Silicium die Größe des Chips oft vergrößert werden muß, um Platz für die vergrößerte zweite polykristalline Schicht zu schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem Kontaktöffnungen in einer planier­ ten Isolierschicht gebildet werden können, ohne die Isolierschicht oder unterlagerte leitende Strukturen zu überätzen, ohne daß zusätzliche Mas­ kierschritte benötigt werden oder der Chip vergrößert werden muß.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 bis 7 zeigen in aufeinanderfolgenden Schritten das er­ findungsgemäße Verfahren anhand von Querschnittsdiagrammen.

Fig. 8 und 9 zeigen im Vergleich die Verhältnisse einerseits nach dem Stand der Technik und andererseits nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1, besitzt eine mehrlagige Struktur 100 eine Halb­ leiterstruktur 120 auf einem Halbleitersubstrat 110 und eine Iso­ lierschicht 130, die auf der Halbleiterstruktur 120 ausgebildet ist. Die Isolierschicht 130 kann aus Oxid, Glas oder anderen üblichen Isolierma­ terialien bestehen.

Wie ferner in Fig. 1 gezeigt, umfaßt das Halbleitersubstrat 110 leitende Regionen 112, wie Source- und Drainregionen, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 110 ausgebildet sind. Die Halbleiter­ struktur 120 besitzt eine Vielzahl von leitenden Strukturen, etwa eine obere leitende Struktur 122 und eine mittlere leitende Struktur 124. Die obere bzw. mittlere leitende Struktur 122 bzw. 124 kann beispielsweise aus einer Schicht aus dotiertem polykristallinen Siliciums oder einer Schicht aus dotiertem polykristallinem Silicium mit einer überlagerten Schicht, wie Wolfram oder Wolframsilicid gebildet sein. Zusätzlich sind die obere leitende Struktur 122 und die mittlere leitende Struktur 124 durch eine Schicht aus dielektrischem Material 126, wie Oxid-Nitrid-Oxid (ONO), voneinander getrennt.

Die obere leitende Struktur 122 repräsentiert eine oder mehre­ re Strukturen, die sich in im wesentlichen ähnlichem Abstand zur Ober­ seite des Halbleitersubstrats 110 befinden und am weitesten von der Oberseite des Halbleitersubstrats 110 entfernt sind. Beispielsweise kann die obere leitende Struktur 122 sowohl die Wortleitungen einer Speicher­ matrix als auch die oberen Beläge von Interpoly-Kondensatoren enthalten, falls diese beiden Strukturen sich in im wesentlichen ähnlichem Abstand zur Oberseite des Halbleitersubstrats 110 befinden.

Die mittlere leitende Struktur 124 repräsentiert ihrerseits eine oder mehrere Strukturen, die sich in im wesentlichen ähnlichem Ab­ stand zur Oberseite des Halbleitersubstrats 110 und nach der oberen lei­ tenden Struktur 122 am nächsten zur Oberseite des Halbleitersubstrats 110 befinden. Demgemäß kann beispielsweise die mittlere leitende Struk­ tur 124 Gates von MOS-Transistoren und die unteren Lagen von Interpoly-Kondensatoren enthalten, wenn diese Strukturen sich in im wesentlichen ähnlichem Abstand zur Oberseite des Halbleitersubstrats 110 befinden.

Zunächst erfolgt ein Planieren der Oberseite der Isolier­ schicht 130, etwa mittels chemisch-mechanischen Polierens, bis die Oberseite im wesentlichen eben und die Dicke der Isolierschicht 130 über der oberen leitenden Struktur 122 etwa gleich einer vorbestimmten Dicke ist. Die Oberseite ist im wesentlichen plan, wenn sie nur geringfügige Abweichungen von vollständiger Ebenheit aufweist.

Die Isolierschicht 130 kann von der Oberseite der oberen leitenden Struktur 122 vollständig abgetragen werden. Alternativ kann man jedoch einige nm bis einige tausend nm der Isolierschicht 130 über der oberen leitenden Struktur 122 stehen lassen, um die Struktur 122 in nachfolgenden Verfahrensschritten zu schützen. Im Ergebnis kann die vorbestimmte Dicke von 0 bis zu einigen tausend nm des Materials reichen.

Die Dicke der Isolierschicht 130, die über der oberen leiten­ den Struktur 122 belassen wird, verändert das relative Ätzverhältnis.

Gemäß Fig. 2 wird nach Planierung der Isolierschicht 130 eine Kontaktmaske (nicht dargestellt) auf der Isolierschicht 130 gebildet und bemustert, um eine Serie von Isolationsöffnungen 132 zu begrenzen. Als nächstes werden die unmaskierten Flächen der Isolierschicht 130 geätzt, bis die mittlere leitende Struktur 124 und alle anderen leitenden Strukturen, die näher am Halbleitersubstrat 110 liegen, und ausgewählte leitende Regionen 112 des Halbleitersubstrats 110 exponiert sind. Die leitenden Regionen 112, die exponiert werden, hängen von der Komponente ab, die durch die Halbleiterstruktur 120 gebildet wird. Nach Beendigung des Ätzvorganges wird die Kontaktmaske abgezogen. Danach wird gemäß Fig. 3 eine (nicht dargestellte) Schicht aus Stopfenmaterial, wie Wolfram, über der gesamten Struktur aufgebracht. Infolge der sich stark anschmiegenden Natur von Wolfram fließt dieses in jede der Kontakt­ öffnungen 132 und füllt sie auf, so daß das Wolfram mit der mittleren leitenden Struktur 124, irgendwelchen anderen leitenden Strukturen näher am Halbleitersubstrat 110 und den ausgewählten leitenden Regionen 112 des Halbleitersubstrats 110 in Kontakt gelangt, die während des Kontaktätzschrittes exponiert worden waren.

Als nächstes wird die Wolframschicht gleichförmig geätzt, bis sie von der Oberseite der Isolierschicht 130 abgetragen ist. Hierdurch wird ein Kontaktstopfen 136 in jeder der Kontaktöffnungen 132 gebildet.

Gemäß Fig. 4 wird nach Bildung der Kontaktstopfen 136 eine Schicht aus einem ersten Metall, wie Aluminium (nicht dargestellt), über der gesamten Struktur aufgetragen. Als nächstes wird eine Leitermaske (nicht gezeigt) gebildet und bemustert, um eine Serie von metalli­ schen Verbindungsleitungen 140 zu begrenzen, die einen oder mehrere der Kontaktstopfen 136 kontaktieren. Danach werden die unmaskierten Flächen der metallischen Schicht geätzt, bis der unerwünschte Teil abgetragen ist. Die Leitermaske wird dann abgezogen.

Alternativ kann die metallische Schicht direkt verwendet wer­ den, um die mittlere leitende Struktur 124, irgendwelche anderen Schich­ ten und Strukturen und die ausgewählten leitenden Bereiche 112 zu kon­ taktieren, wodurch die Schritte eliminiert werden, die zur Bildung der Kontaktstopfen 136 erforderlich waren.

Gemäß Fig. 5 wird nach Bildung der metallischen Leitungen 140 eine weitere Isolierschicht 150, etwa ein Oxid oder Glas, über der Isolierschicht 130 und den metallischen Leitungen 140 aufgebracht. Danach wird die Oberseite der Isolierschicht 150 etwa mittels che­ misch-mechanischen Polierens planiert, bis die zweite Isolierschicht 150 eine im wesentlichen ebene Oberseite aufweist.

Da die Oberseite der Isolierschicht 130 im wesentlichen planiert worden war, kann die Oberseite der Isolierschicht 150 alternativ ebenfalls planiert werden, indem man Aufspinnglas (SOG), Rückfließenlassen, Resistrückätzen oder andere übliche Planierungstech­ niken anwendet.

Bekanntlich ist SOG ein dielektrisches Material, das in flüs­ siger Form aufgebracht wird; Aufschmelzen ist eine Technik, durch die ein isolierendes Material bis zu einer flüssigen oder halbflüssigen Form erhitzt wird, und Resistrückätzung ist eine Technik, durch die ein iso­ lierendes Material mit Resist in flüssiger Form bedeckt wird und dann geätzt wird, bis das Resist abgetragen ist.

Nach der Bildung der Isolierschicht 150 wird eine Durchkontak­ tiermaske (nicht dargestellt) auf der Isolierschicht 150 gebildet und bemustert, um eine Reihe von Kontaktöffnungen 152 zu begrenzen. Als nächstes werden die unmaskierten Flächen der Isolierschicht 150 und irgendeine verbleibende Dicke der Isolierschicht 130 geätzt, bis die obere leitende Struktur 122 und ausgewählte erste Metalleitungen 140 exponiert sind. Nach Beendigung des Ätzens wird die Durchkontak­ tiermaske abgezogen.

Danach wird eine zweite Schicht aus Stopfenmaterial, wie Wol­ fram, über der gesamten Struktur aufgebrach, wobei das Wolfram in jede der Kontaktöffnungen 152 fließt und diese füllt, so daß das Wolfram die obere leitende Struktur 122 und die Metalleitungen 140 kontaktiert, die während des Durchkontaktierätzschritts exponiert worden waren. Als näch­ stes wird die Schicht aus Wolfram gleichförmig geätzt, bis sie von der Oberseite der Isolierschicht 150 abgetragen ist, so daß in jeder der Kontaktöffnungen 152 ein Kontaktstopfen 156 gebildet wird.

Gemäß Fig. 7 wird nach Bilden der Kontaktstopfen 156 eine wei­ tere Metallschicht (nicht dargestellt), etwa aus Aluminium, über der ge­ samten Struktur aufgebracht. Dann wird eine Metalleitermaske (nicht dar­ gestellt) gebildet und bemustert, um eine Reihe von Verbindungsleitungen 160 zu begrenzen, die einen oder mehrere der Kontaktstopfen 156 kontak­ tieren. Danach werden die unmaskierten Flächen dieser Metallschicht ge­ ätzt, bis die unerwünschten Teile hiervon abgetragen sind. Die Maske wird dann abgezogen.

Alternativ kann, wie oben geschildert, die weitere Metall­ schicht verwendet werden, um direkt die obere leitende Schicht 122 und die Verbindungsleitungen 140 zu kontaktieren, wodurch die Schritte eli­ miniert werden, die zur Bildung der Stopfen 156 benötigt wurden.

Fig. 8 bzw. 9 verdeutlichen die Vorteile der Erfindung. Wie in Fig. 8 bzw. 9 gezeigt, ist neben jeder Schicht die annähernde Dicke je­ der Schicht einer mehrlagigen Struktur aufgelistet, und diese werden in den nachstehenden Tabellen 1 bzw. 2 zusammengefaßt.

Wie in Fig. 8 und Tabelle 1 gezeigt, muß, wenn eine Kontakt­ öffnung zur oberen leitenden Struktur 122 gleichzeitig mit der Kontakt­ öffnung zum Halbleitersubstrat 110 zu bilden ist, wie dies im Stand der Technik der Fall ist, 300 nm der Isolierschicht 130 durchätzt werden, um die obere leitende Struktur 122 zu erreichen, während 1130 nm der Iso­ lierschicht 130 durchätzt werden müssen, um die leitenden Regionen 112 des Halbleitersubstrats 110 zu erreichen. Demgemäß erzeugt das bekannte Vorgehen bei der Bildung von Kontaktöffnungen ein Ätzverhältnis von 3,77 : 1.

TABELLE 1

Da jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung die Kontaktöffnung zu der oberen leitenden Struktur 122 während eines späteren Schrittes gebildet wird, werden gleichzeitig nur Kontaktöffnungen zu der mittleren leitenden Struktur 124, irgendwelchen näheren Strukturen und den leiten­ den Regionen 112 des Halbleitersubstrats 110 gleichzeitig ausgebildet.

Obwohl also 1130 nm der Isolierschicht 130 noch immer durch­ ätzt werden müssen, um die leitenden Regionen 112 des Halbleitersub­ strats 110 zu erreichen, müssen nun 630 nm der Isolierschicht 130 durch­ ätzt werden, um die mittlere leitende Struktur 124 zu erreichen. Dies reduziert seinerseits deutlich das Ätzverhältnis von 3,77 : 1 auf 1,79 : 1.

TABELLE 2

Zusätzlich zeigen Fig. 9 und Tabelle 2 auch, daß zwar das Ätz­ verhältnis für die Bildung der Durchkontaktierungen nun kleiner als op­ timal ist (eine Änderung von 1 : 1 auf 1,8 : 1, jedoch die Überätzung bei der Bildung der Durchkontaktierungen moderat ist, insbesondere im Hinblick auf die erhebliche Reduzierung des Ätzverhältnisses der Kontaktöffnungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt demgemäß die Bildung von Kontaktöffnungen in einer mehrschichtigen Halbleiterstruktur, bei der das überätzen erheblich verringert wird, das bei der Bildung der Kontaktöffnungen auftritt, indem die Anzahl von Strukturen ausgewählt wird, die vor der Bildung der ersten Metallschicht exponiert werden, und die Anzahl der Strukturen, die vor der Bildung der zweiten Metallschicht exponiert werden, im Hinblick darauf, welche Gruppierung die ersten Ätz­ verhältnisse ergibt.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen, auf einem Halbleitersubstrat (110) ausgebildeten Halbleiterstruktur (120), die leitende Regionen (112) und übereinander angeordnete leitende Strukturen (122, 124) aufweist, wobei eine Isolierschicht (130) aufgebracht wird, deren Oberseite planiert wird, bis sie im wesentlichen eben ist, durch die eine Anzahl von Kontaktöffnungen (132) zu den tieferen leitenden Re­ gionen und Strukturen (112, 124) eingebracht werden, in denen Kontakt­ stopfen (136) ausgebildet werden, mit denen Metalleitungen (140) auf der Oberseite der Isolierschicht (130) kontaktiert werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über der planierten Isolierschicht (130) und den Metallei­ tungen (140) eine weitere Isolierschicht (150) aufgebracht, eine weitere Anzahl von Kontaktöffnungen (152) und darin jeweils ein Kontaktstopfen (156) ausgebildet wird, wobei mit den Kontaktstopfen (156) auf der wei­ teren Isolierschicht (150) aufgebrachte Metalleitungen (160) kontaktiert werden, wobei die Kontaktstopfen (156) Metalleitungen (140) auf der Oberseite der Isolierschicht (130) und benachbarte leitende Strukturen (128) kontaktieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (130) bis auf eine vorbestimmte Dicke über der oberen leitenden Struktur (122), gegebenenfalls bis auf null, planiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Planieren durch chemisch-mechanisches Polieren vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weitere Isolierschicht (150) insbesondere durch che­ misch-mechanisches Polieren planiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht (150) durch Aufbringen von Aufspinn­ glas planiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht (150) durch Aufschmelzen von Isolierma­ terial gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über der Isolierschicht (150) eine Resistschicht aufge­ bracht wird und diese und die Isolierschicht (150) geätzt werden, bis die Resistschicht abgetragen ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die obere leitende Struktur eine Wortleitung umfassend ausgebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die obere leitende Struktur einen oberen Belag eines In­ terpoly-Kondensators umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mittlere leitende Struktur ein MOS-Gate umfaßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Region eine Drainregion umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Region eine Sourceregion umfaßt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die obere und/oder untere leitende Struktur eine oder meh­ rere Strukturen umfaßt, die auf etwa gleichem Abstand zum Substrat ange­ ordnet sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht (130) als Oxidschicht gebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (150) als Oxidschicht gebildet wird.