DE19729156A1 - Verfahren zum Ausbilden der Verdrahtung von Halbleitern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbil­ den der Verdrahtung von Halbleitern, und insbesondere ein Verfahren zum Ausbilden der Metallverdrahtung von Halbleiter­ bauelementen, in der eine Kontaktöffnung nach dem Ausbilden einer zweiten Verdrahtungsschicht aus Materialien, die bei normaler Temperatur einen dünnen Oberflächenoxidfilm auf der Oberfläche einer Metallverdrahtungsschicht als Hauptverdrah­ tungsschicht bilden, ausgebildet wird, wobei beim selektiven Anfüllen der Kontaktöffnung mit einem Metall zum Herstellen einer planen Oberfläche das Metall dank der hervorragenden Abgrenzungsschärfe zwischen der zweiten Verdrahtungsschicht und dem Isolierfilm nur auf der zweiten Verdrahtungsschicht in der Kontaktöffnung selektiv aufgebracht wird.

Beim Ausbilden der Metallverdrahtung eines Halbleiterbauele­ ments erfolgt das selektive Anfüllen einer Kontaktöffnung im allgemeinen in der Weise, daß in einer Struktur mit einem freiliegenden Metallverdrahtungsfilm aus Al-Legierung und einer Struktur, die eine Haftschicht (z. B. Ti), eine Anti­ reflexionsschicht (z. B. TiN) etc. trägt, ein Füllmetall (z. B. Al) mittels eines chemischen Abscheidungsprozesses aus der Gasphase (chemical vapor deposition - CVD) eingebracht wird, indem man sich die Abgrenzungsschärfe zwischen den Materia­ lien und dem als Isolierfilm dienenden SiO₂ zunutze macht.

Fig. 1(A) bis 1(H) sind Schnittansichten, die das herkömm­ liche Verfahren zum Ausbilden einer Metall-Hauptverdrahtung auf einem Halbleiterbauelement darstellen.

Das bekannte Verfahren zum Ausbilden der Metallverdrahtung wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Wie in Fig. 1(A) dargestellt, wird zunächst ein das Substrat schützender Film 11 auf einem Siliziumsubstrat 10 aufgebracht und eine erste Kontaktöffnung 12 im Schutzfilm 11 ausgeformt.

Der Schutzfilm 11 ist ein Oxidfilm des Substrats und besteht aus SiO₂.

Wie in Fig. 1(B) dargestellt, wird ein erster Metallfilm 13 auf dem Schutzfilm 11 und in der ersten Kontaktöffnung 12 aufgebracht und dann wie in Fig. 1(C) dargestellt struktu­ riert. Der erste Metallfilm 13 ist eine leitfähige Schicht, und als solche Schicht ist Al oder eine Al-Legierung optimal geeignet.

Wie in Fig. 1(D) dargestellt, wird ein erster Isolierfilm 14 auf dem ersten Metallfilm 13 aufgebracht, und eine zweite Kontaktöffnung 15 wird im ersten Isolierfilm 14 ausgeformt, wie in Fig. 1(E) dargestellt. Für den ersten Isolierfilm können verschiedene Materialien, z. B. SiO₂₁ PSG oder Si₃N₄, durch Plasma-CVD etc. aufgebracht werden; aufgrund seiner Kompatibilität mit Al (oder Al-Legierung) ist SiO₂ jedoch optimal.

Anschließend wird ein zweiter Metallfilm 16 auf dem ersten Isolierfilm 14, in dem die zweite Kontaktöffnung 15 ausge­ formt ist, aufgebracht, wie in Fig. 1(F) dargestellt, und dann wie in Fig. 1(G) dargestellt strukturiert. Der zweite Metallfilm 16 ist ebenfalls eine aus Al oder Al-Legierung be­ stehende leitfähige Schicht.

Schließlich wird, wie in Fig. 1(H) dargestellt, ein zweiter Isolierfilm 17 auf dem strukturierten zweiten Metallfilm 16 aufgebracht. Der zweite Isolierfilm 17 ist eine aus SiO₂ be­ stehende Passivierungsschicht.

Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1(A) bis 1(H) beschrieben, sind die für die Mehrlagenverdrahtung verwendeten Filmmateri­ alien die Metall- und Isolierfilme, wobei für den Metallfilm Al oder Al-Legierung und für den Isolierfilm SiO₂ aufgrund seiner Kompatibilität mit Al optimal geeignet sind.

In dem Fall jedoch, in dem ein beliebiges Metall, das leicht eine Oberflächenoxidschicht bildet, wie beispielsweise Al, als Verdrahtungsmetallfilm verwendet wird, geht die Abgren­ zungsschärfe gegenüber SiO₂ als Isolierfilm verloren. Deshalb wird eine Technik vorgeschlagen, die selektives Metall-CVD nach einem Plasmareinigen etc. in situ anwendet, bei der unter Verwendung von Verbindungen auf Chlorbasis (z. B. BCl₃) die Oberflächenoxidschicht entfernt und dadurch die Abgren­ zungsschärfe sichergestellt wird.

Fig. 2(A) bis 2(C) sind Schnittansichten, die den herkömmli­ chen selektiven Metall-CVD-Prozeß darstellen. Wie in Fig. 2(A) gezeigt, wird zuerst eine Vorreinigung unter Verwendung einer Substanz auf Chlorbasis, z. B. BCl₃ + Ar, durchgeführt, um eine Oberflächenoxidschicht 20a, die sich auf der Ober­ fläche des aus Al oder Al-Legierung bestehenden Metallfilms, d. h. auf dem Grund einer Kontaktöffnung 22, gebildet hat, zu beseitigen. Das Bezugszeichen 21 kennzeichnet den aus SiO₂ bestehenden Isolierfilm.

Wie in Fig. 2(B) dargestellt, erfolgt dann eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, um Cl-Rückstände aus der Vorreini­ gung mit der Substanz auf Chlorbasis zu entfernen. Wie in Fig. 2(C) dargestellt, wird danach ein Metallfilm 23 aus Al oder Al-Legierung mittels eines CVD-Prozesses in der Kontakt­ öffnung 22 selektiv aufgebracht.

Das herkömmliche selektive Metall-CVD-Verfahren wie in Fig. 2 dargestellt ist jedoch mit dem Problem der Zuverlässigkeit der dadurch gebildeten Elemente aufgrund der Korrosion des Metallfilms 20 durch die von der Vorreinigung verbliebene Chlorsubstanz behaftet, und des weiteren ergeben sich einige problematische Prozeßbedingungen, wie der zusätzliche Schritt der Reinigung in situ, um die Abgrenzungsschärfe, ein eng be­ grenztes Plasmareinigungsfenster etc. sicherzustellen.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung der obengenann­ ten Probleme gerichtet, und ihre Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren zum Ausbilden der Metallverdrahtung eines Halbleiterbauelementes in der Weise bereitzustellen, daß jede Kontaktöffnung mit hervorragender Abgrenzungsschärfe angefüllt werden kann, ohne daß sich auf dem Metallverdrah­ tungsfilm zum Zeitpunkt des selektiven Anfüllens der Kontakt­ öffnung zum Erzielen einer planen Oberfläche eine Oberflä­ chenoxidschicht bildet.

Zur Lösung der obigen Aufgabe umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden der Metallverdrahtung eines Halb­ leiterbauelementes einen Schritt, in dem eine erste Ver­ drahtungsschicht auf einem Substrat ausgebildet wird; einen Schritt, in dem eine zweite Verdrahtungsschicht mit einer höheren Abscheidungsabgrenzung als ein Isolierfilm ausgebil­ det wird, wenn eine leitfähige Schicht auf der ersten Ver­ drahtungsschicht aufgebracht wird; einen Schritt, in dem ein Isolierfilm auf der zweiten Verdrahtungsschicht ausgebildet wird; einen Schritt, in dem eine Kontaktöffnung durch den Isolierfilm geformt wird, die die Oberfläche der zweiten Ver­ drahtungsschicht durch selektives Ätzen des Isolierfilms freilegt; und einen Schritt, in dem eine dritte Verdrahtungs­ schicht unter Nutzung der Abscheidungsabgrenzung der zweiten Verdrahtungsschicht in der Kontaktöffnung ausgebildet wird.

Fig. 1(A) bis 1(H) sind Schnittansichten, die ein herkömmli­ ches Verfahren zum Ausbilden einer Metall-Hauptverdrahtung für ein Halbleiterbauelement darstellen;

Fig. 2(A) bis 2(C) sind Schnittansichten, die ein herkömmli­ ches Metall-CVD-Verdrahtungsverfahren darstellen;

Fig. 3(A) bis 3(D) sind Schnittansichten, die das erfindungs­ gemäße Verfahren zum Ausbilden der Verdrahtung für ein Halb­ leiterbauelement darstellen; und

Fig. 4(A) und 4(B) sind Schliffbilder, die die Ergebnisse eines Experiments zeigen, in dem die Abgrenzungsschärfe zwi­ schen Pd, Co, Cu und SiO₂ bei Temperaturen von 190°C bzw. 185°C verglichen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden der Verdrahtung für ein Halbleiterbauelement wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3(A) bis 3(D) beschrieben, bei denen es sich um Schnittansichten handelt, die das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden der Verdrahtung für ein Halbleiterbauelement darstellen.

Wie in Fig. 3(A) dargestellt, wird auf einem Substrat (nicht dargestellt) eine erste Verdrahtungsschicht 30 ausgebildet. Auf der ersten Verdrahtungsschicht 30 wird eine zweite Ver­ drahtungsschicht 31 ausgebildet, auf der sich bei normalen Temperaturen kaum ein nennenswerter Oberflächenoxidfilm bil­ det. Die erste Verdrahtungsschicht 30 ist eine leitfähige Hauptschicht und besteht z. B. aus Al oder einer Al-Legierung. Die zweite Verdrahtungsschicht 31 besteht z. B. aus einem aus Pd, Co, TiN oder Silizid oder einem ähnlichen leitfähigen Metallmaterial gewählten Material, die im Vergleich zur Ab­ grenzungsschärfe von Al oder einer Al-Legierung eine wesent­ lich höhere Abscheidungsabgrenzung gegenüber der später aus­ zubildenden dritten Metallverdrahtungsschicht aufweisen als gegenüber der Isolierschicht. Die zweite Metallverdrahtungs­ schicht 31 verhindert bei normalen Temperaturen die Bildung eines nennenswerten Oberflächenoxidfilms. Die zweite Metall­ verdrahtungsschicht 31 wird mit einer Dicke ausgebildet, die weniger als 10% der ersten Verdrahtungsschicht 30 (die Haupt­ verdrahtungsschicht) beträgt.

Wie in Fig. 3(B) dargestellt, wird auf der ersten Verdrah­ tungsschicht 30 ein Isolierfilm 32 ausgebildet. Obwohl es verschiedene bekannte Isolierfilme gibt, z. B. solche aus SiO₂, PSG oder Si₃N₄ etc., eignet sich der SiO₂-Isolierfilm aufgrund seiner Kompatibilität mit der ersten Verdrahtungsschicht 30 aus Al (oder einer Al-Legierung) optimal.

In Fig. 3(C) wird eine Kontaktöffnung 33 durch selektives Ätzen der Isolierschicht ausgeformt. In Fig. 3(D) wird eine dritte Verdrahtungsschicht 34 auf der Oberfläche der zweiten Verdrahtungsschicht 31, die durch das Ausformen der Kontakt­ öffnung 33 freigelegt worden ist, und auch an der Seite des die Kontaktöffnung 33 bildenden Isolierfilms 32 ausgebildet. Die dritte Verdrahtungsschicht 34 ist eine leitfähige Metall­ schicht 34 (z. B. Al oder eine Al-Legierung) und wird z. B. durch einen CVD-Prozeß unter Verwendung von Al-Ausgangsmate­ rialien gebildet.

Fig. 4(A) und 4(B) sind Schliffbilder in der Draufsicht, die die Ergebnisse von Experimenten zeigen, in denen die Abgren­ zungsschärfe von Al gegenüber SiO₂ und Pd, Co bzw. Cu bei Temperaturen von 190°C bzw. 185°C verglichen wird.

In dem Fall, in dem Al (oder Al-Legierung) als das Material der Metallverdrahtungsschicht (das durch die Öffnung freige­ legt wird) und als das zum Anfüllen der Kontaktöffnung die­ nende Material verwendet wird, ist die Abgrenzungsschärfe zwischen Al und Al sowie zwischen Al gegenüber SiO₂ schlecht; daßelbe gilt, würde eine Al-Legierung anstelle von Al ver­ wendet. Fig. 4(A) und 4(B) zeigen, daß es sogar im Falle von Cu als Metallverdrahtungsschicht schwer ist, eine angemessene Abgrenzungsschärfe zwischen Al und Cu sowie Al und SiO₂ si­ cherzustellen.

Wie jedoch in Fig. 4(A) und Fig. 4(B) dargestellt, ist die Abgrenzungsschärfe zwischen Al und SiO₂ sowie zwischen einem Metall, das nicht ohne weiteres einen Oberflächenoxidfilm bildet, wie Pd oder Co hervorragend. Dies zeigt sich anhand des geringen Ausmaßes, mit dem sich die Al-Schichten 43a, 43b, 42a bzw. 42b über die benachbarten SiO₂-Bereiche er­ strecken.

Wird also wie oben beschrieben Pd oder Co oder auch TiN und Silizid sowie ein beliebiges anderes derartiges metallisches Material mit einer hervorragenden Abgrenzungsschärfe gegen­ über SiO₂ zum Ausbilden der zweiten Verdrahtungsschicht auf der Hauptverdrahtungsschicht (oder wahlweise der ersten Ver­ drahtungsschicht) verwendet, kann das Anfüllen über die Öff­ nung mit Al oder einer Al-Legierung mittels CVD auf die die Oberfläche der Hauptverdrahtungsschicht freilegende Öffnung beschränkt werden, d. h. unerwünschte Inselbildung kann auf­ grund der hervorragenden Abgrenzungsschärfe verhindert wer­ den.

Wie oben detailliert beschrieben, hat das Verfahren zum Aus­ bilden der Verdrahtung eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Auswirkungen:
Erstens kann die Abgrenzungsschärfe ungeachtet des Materials der Metallverdrahtungsschicht, das die Hauptverdrahtungs­ schicht darstellt, sichergestellt werden.

Zweitens kann die Verarbeitung dadurch vereinfacht werden, daß der Plasmareinigungsschritt durch einen Schritt zum Aus­ bilden der zweiten Verdrahtungsschicht ersetzt wird, in dem sich bei normalen Temperaturen kein nennenswerter Oberflä­ chenoxidfilm bildet.

Drittens wird ein inselförmiges Abscheiden, das ein allge­ meines Merkmal des CVD-Prozesses ist, aufgrund der Ausbildung der zweiten Verdrahtungsschicht (siehe Fig. 2(C) und 3(D)) möglich.

Viertens ist es im Fall eines Metallverdrahtungsfilms (z. B. Cu-Film), der eine Schutzschicht (z. B. Antioxidationsfilm, Antidiffusionsfilm etc.) erfordert, möglich, eine solche Schutzschicht durch die zweite Verdrahtungsschicht zu er­ setzen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ausbilden der Verdrahtung für einen Halb­ leiter, mit
einem Schritt zum Ausbilden einer ersten Verdrahtungsschicht (30) auf einem Substrat;
einem Schritt zum Ausbilden einer zweiten Verdrahtungsschicht (31), die eine höhere Abscheidungsabgrenzung als ein Isolier­ film hat (32),ndem eine leitfähige Schicht auf der ersten Verdrahtungsschicht (30) aufgebracht wird;
einem Schritt zum Ausbilden einer Isolierschicht auf der zweiten Verdrahtungsschicht;
einem Schritt zum selektiven Ätzen des Isolierfilms (32) zum Ausformen einer Kontaktöffnung (33), die die Oberfläche der zweiten Verdrahtungsschicht (31) freilegt; und
einem Schritt zum Ausbilden einer dritten Verdrahtungsschicht (34) in der Kontaktöffnung (33) auf der zweiten Verdrahtungs­ schicht (31).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der zweiten Verdrahtungsschicht (31) geringer ist als 10% der ersten Verdrahtungsschicht (30).

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Verdrah­ tungsschicht (31) ein Metall enthält, auf dem sich bei norma­ ler Temperatur kein nennenswerter Oberflächenoxidfilm bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Metall aus Pd, Co und TiN gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die dritte Verdrah­ tungsschicht (34) auf einem aus Al und Al-Legierung gewählten Material ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die dritte Verdrah­ tungsschicht (34) durch einen chemischen Abscheidungsprozeß aus der Dampfphase ausgebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Verdrah­ tungsschicht (30) aus einem aus Al und Al-Legierung gewählten Material ausgebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Isolierfilm (32) aus SiO₂ besteht.