DE2217737B2 - Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leitungssystems - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leitungssystems

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Description

JO
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leitungssystems mit hoher Leitfähigkeit auf der Oberfläche von Halbleiterbauelementen, wobei als Leitermaterial Gold verwendet und eine Zwischenschicht zwischen dem Gold und dessen Unterlage angeordnet wird.
Die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen erfordert auch entsprechend kompakte und leistungsfähige Leitungssysteme mit hoher Leitfähigkeit. Ein solches Leitungssystem wurde bereits vorgeschlagen (vgl. die DE-OS 21 04 672), das als Leitermaterial von Tantal umgebenes Gold besitzt. Die Aufgabe des Tantals besteht hauptsächlich darin, die erforderliche Haftung des Goldes an den Isolierschichten herzustellen. Bei dieser Art der Metallisierung tritt jedoch das Problem auf, daß das Gold und das Tantal bei höheren Temperaturen miteinander legieren und daß dadurch der elektrische Widerstand der Goldschicht erhöht wird. Ein anderes System wurde in der DE-OS 57 843 vorgeschlagen. Dieses verwendet eine Schicht aus ^-Tantal zwischen der Goldschicht und deren t>o Unterlage. Hierdurch wird ein Legieren des Goldes mit dem Tantal vermieden. Es wurde jedoch festgestellt, daß an den Kontaktierungsstellen des Halbleitermaterials trotz des Vorhandenseins von j9-Tantal ein Legieren des Goldes mit dem Halbleitermaterial, vorzugsweise mit Silicium, erfolgte. Eine Verbesserung konnte hierbei dadurch erzielt werden, daß die Tantalschicht vor dem Aiifbrinpen des Goldes an der Oberfläche leicht oxidiert wurde. Hierfür ist jedoch ein zusätzlicher Prozeßschritt erforderlich.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leitungssystems mit Gold als Leitermaterial anzugeben, bei dem durch eine Zwischenschickt eine gute Haftung des Goldes auf der Unterlage erzielt wird und das sowohl die Bildung einer Legierung aus dem Gold und dem Material der Zwischenschicht als auch aus dem Gold und dem Halbleitermaterial unterbindet
Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Zwischenschicht aus stickstoffhaltigem Tantal abgeschieden wird. Vorzugsweise wird die stickstoffhaltige Tantalschicht durch Zerstäuben von Tantal mit Hilfe der Kathodenzerstäubung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre gebildet Vorteilhaft wird hierbei für den Stickstoffpartialdruck der Atmosphäre ein Wert von mindestens 0,33 Pa gewählt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Teil einer Halbleiteranordnung, die mit einer Gold und Tantal und stickstoffhaltigem aufweisenden Metallisierung versehen ist,
F i g. 2 dir; Änderung des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Wärmebehandlung für eine Metallisierung aus Gold und /?-Tantal sowie für eine Metallisierung aus Gold und stickstoffhaltigem Tantal und
F i g. 3 bis 5 die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Zeit bei verschiedenen Wärmebehandlungen für eine Metallisierung aus Gold und stickstoffhaltigem Tantal, wobei die stickstoffhaltige Tantalschicht bei verschiedenen Stickstoffpartialdrükken niedergeschlagen wurde.
In Fig. 1 ist ein Substrat 11 aus Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silicium, vom P-Leitungstyp dargestellt. Dieses Substrat enthält einen N-dotierten Bereich 13, der z. B. in bekannter Weise durch eine öffnung in einer Siliciumdioxidschicht eindiffundiert wurde. Ein weiterer P-dotierter Bereich 15 ist im Bereich 13 ausgebildet. Der Bereich 15 kann als Emitterbereich, der Bereich 13 als Basisbereich und das Substrat U als Kollektorbereich eines Transistors verwendet werden. Nach dem Herstellen der dotierten Bereiche im Substrat 11 wird eine isolierende Schicht 17, die beispielsweise aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid besteht, in bekannter Weise auf der Oberfläche des Substrats erzeugt. Zur Herstellung von Kontaktstellen mit dem Substrat 11 sowie mit den Bereichen 13 und 15 werden öffnungen 19 in der Schicht 17 hergestellt. Anschließend werden Platinsilicid-Kontakte 23 in den öffnungen 19 auf der Halbleiteroberfläche gebildet. Eine Schicht 25 aus stickstoffhaltigem Tantal wird darauf auf der isolierenden Schicht 17 und den Kontakten 23 niedergeschlagen. Die stickstoffhaltige Tantalschicht wird vorzugsweise durch reaktive Gleichspannungs-Kathodenzerstäubung von Tantal in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre hergestellt. Über der Tantal-Stickstoffschicht 25 wird eine Goldschicht 27 vorzugsweise ebenfalls durch Gleichspannungs-Kathodenzerstäubung in derselben Zerstäubungskammer aufgebracht. Anschließend werden Leiterstreifen 29, 31 und 33 durch entsprechendes Ätzen der Gold- und der stickstoffhaltigen Tantalschicht hergestellt. Über der Goldschicht 25 kann eine zweite stickstoffhaltige
Tantalschicht 35 niedergeschlagen werden, wodurch hier ebenfalls gute Hafteigenschaften und eine ausreichende Abschirmung der Goldschicht gebildei werden. Diese Schicht 35 kann auch aus reinem ^-Tantal bestehen, wenn eine gute Haftung zu einer darüber angeordneten Schicht bestehen soll, die Abschirmeigenschaften der stickstoffhaltigen Tantalschicht aber nicht erforderlich sind. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn über der dargestellten Metallisierung eine weitere Isolierschicht angeordnet werden soll. 1 u
Der zum Aufbringen der einzelnen Mstallisierungsschichten verwendete Zerstäubungsapparat besitzt drei wassergekühlte Kathoden, welche jeweils einzeln in Betrieb gesetzt werden können, so daß ein Niederschlagen verschiedener Materialien ohne Auswechseln der Kathode oder Herausnahme der zu beschichtenden Substrate möglich ist Der Substrathalter ist drehbar angeordnet und besitzt einen Kühlkanal zur Erzielung einer schnellen Abkühlung der Substrate nach Beendigung des Niederschiagens. Die Erhitzeng eines Substrats erfolgt durch Quarzlampen. Das Niederschlagen der stickstoffhaltigen Tantalschichten erfolgt bei feststehendem Substrathalter und das Aufbringen der Goldschichten bei sich drehendem Substrathalter. Vertikale Abschirmungen isolieren die drei Kathoden. Bewegliche Blenden zwischen den Kathoden und dem Substrathalter erlauben eine Vorzerstäubung ·. or dem Niederschlagen, um ein Gettern oder eine Reinigung der Kathoden zu ermöglichen. Der Substrathalter ist elektrisch isoliert und mit einer geregelten Gleichspan- jo nungsquelle verbunden, die ihn mit einer gewünschten Vorspannung versorgt. Für die Zerstäubung wurden wassergekühlte Tantal- und Goldkathoden mit einer Reinheit von 99,99 bzw. 99,999% verwendet. Mit einer entsprechend ausgebildeten Pumpe wurde vor dem j-, Niederschlagen in der Zerstäubungskammer ein Druck von 2,66 χ ΙΟ-5 Pa und nach dem Niederschlagen ein Druck von6,65 χ ΙΟ"6 Pahergestellt.
Zum Niederschlagen der stickstoffhaltigen Tantalschichten wurde der Druck in der Kammer auf etwa 4(1 0,67 χ 10~J Pa reduziert und dann Stickstoff mit einer Reinheit von 99,9% bis zur Erreichung des gewünschten Dotierungspegels in die Kammer eingeführt. Es wurde gefunden, daß ein Dotierungspegel von wenigstens 0,33 Pa einen stickstoffhaltigen Tantalniederschlag 4> ergibt, der angemessene Abschirmeigenschaften zur Verhinderung einer Gold-Siliciumlegierung besitzt. Der optimale Stickstoffpartialdruck liegt bei etwa 0,67 Pa, bei dem die niedergeschlagene stickstoffhaltige Tantalschicht einen Stickstoffgehalt von etwa 33 Atomprozent erhält. Es können auch höhere Stickstoffdrücke, wie z. B. 2,66 Pa zur Erzielung von Filmen mit beispielsweise mehr als 50 Atomprozent Stickstoff gewählt werden. Diese hohen Drücke sind jedoch für die Bildung der Abschirmeigenschaften nicht erforderlich. Die Untersuchung von stickstoffhaltigen Tantalschichten, die durch Kathodenzerstäubung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,67 Pa hergestellt wurden, zeigte eine dichtgepackte kristalline Struktur, auf die vermutlich die guten t,o Abschirmeigenschaften zurückzuführen sind.
Nach der Herstellung des gewünschten Stickstoffdruckes wird Argon in die Kammer eingelassen, so daß ein Gesamtdruck von etwa 9,1 Pa entsteht. Es erfolgt dann eine Vorzerstäubung des Tantals bei einer Spannung von 2,5 kV und einem Strom von etwa 50 mA für die Dauer von 10 Minuten, bei der die Blende zwischen Kathode und Substrathalter beschlossen ist und bei der der Substrathalter gedreht wird. Es wird eine Temperatur von 2500C eingestellt Der Substrathalter wird dann über der Tantalkathode angehalten. Es beginnt dann das Niederschlagen der stickstoffhaltigen Tantalschicht mit einer Geschwindigkeit von 0,7 nm/sec. Die Temperatur liegt bei etwa 2500C, wobei die Heizlampen abgeschaltet wurden. Der Substrathalter besitzt eine Vorspannung von —100 Volt Die Kathodenspannung beträgt 2 kV und der Druck in der Kammer (8,45 bis 9,75 Pa) wird so eingestellt, daß ein Strom von etwa 300 mA auftritt Die Temperatur der zu beschichtenden Unterlagen erreicht während des Niederschlagvorganges etwa 500° C.
Nach Erreichen der gewünschten Schichtdicke, die beispielsweise zwischen 100 nm und 200 nm liegt, wird der Stickstoff aus der Kammer entfernt In einer reinen Argonatmosphäre von etwa 10,4 Pa wird nun für etwa 10 Minuten das Gold vorzerstäubt wobei die entsprechende Blende geschlossen ist und durch die Heizlampen die Temperatur des Substrates auf 250° C eingestellt wird. Eine Goldschicht wird nun mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,1 nm/sec auf der stickstoffhaltigen Tantalschicht abgeschieden. Der Substrathalter wird dabei mit einer Geschwindigkeit von etwa 35 Umdrehungen/min gedreht und mit einer Vorspannung von -100 Volt versehen. Die Kathodenspannung beträgt etwa 2 kV und der Druck in der Kammer wird auf etwa 10,4 Pa eingestellt, so daß ein Strom von etwa 400 mA fließt. Auf diese Weise wird eine Goldschicht von beispielsweise 700 nm Dicke in etwa 11 Minuten hergestellt. Die Temperatur des Substrates übersteigt während des Niederschiagens den Wert von 2500C nicht.
Es kann nun eine zweite stickstoffhaltige Tantalschicht in der bereits beschriebenen Weise aufgebracht werden. Sind nur die Hafteigenschaften dieser Schicht von Bedeutung, dann kann reines ^-Tantal aufgebracht werden. Eine Deckschicht aus stickstoffhaltigem Tantal ist beispielsweise bei einer Anschlußmetallisierung geeignet, bei der die Bildung einer Gold-Bleilegierung während des Lötvorganges vermieden werden soll.
Das beanspruchte Verfahren wird im folgenden anhand von zwei Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Um die Wirksamkeit der stickstoffhaltigen Tantalschicht bei der Verhinderung einer Legierungsbildung von Gold und Silicium beim Übersteigen der eutaktischen Temperatur von 3700C zu prüfen, wurden Transistoren mit der aus F i g. 1 ersichtlichen Struktur hergestellt, wobei die stickstoffhaltige Tantal/Goldmetallisierung mit Hilfe der beschriebenen reaktiven Kathodenzerstäubung gebildet wurde. Die stickstoffhaltige Tantalschicht wurde bei verschiedenen Stickstoffpartialdrücken aufgebracht (Proben A-K). Nach der Fertigstellung der Transistoren wurden diese für eine Dauer von bis zu 30 Stunden einer Wärmebehandlung bei 4500C in einem Ofen mit einer reduzierenden Atmosphäre aus Wasserstoff und Stickstoff unterzogen. Die einzelnen Proben wurden dann mit Hilfe eines Lichtmikroskopes untersucht. An den Stellen, wo Gold durch die stickstoffhaltige Tantalschicht gedrungen war unti eine Legierung mit dem Silicium bildete, konnte eine deutliche Verfärbung festgestellt werden. Der Zustand der einzelnen Elemente nach verschiedenen Wärmebehandlungsdauern ist in der folgenden Tabelle aufgezeichnet. Die Tantal-Stickstoffschicht wurde bei
Pltlpr λ£ αtH*"*H**i'icr*iinniino' t/Λη O kV i^in^m Qt rr^rr* \/r»n
300 mA, einer Substrat vorspannung von - 100 Volt und einer ursprünglichen Substrattemperatur von 250° C hergestellt. Für den Stickstoffpartialdruck wurden bei den einzelnen Proben Werte zwischen 0 und 2,66 Pi gewählt. Die untersuchten Halbleiteranordnungen ent hielten jeweils etwa 100 bis 200 Transistoren.
Transistoren mit stickstoffhaltiger Tantal-/Goldmetallisierung (600-700 nm), nach einer Wärmebehandlung mit dem Mikroskop auf das Vorhandensein von Legierungen untersucht
Zustand der Elemente nach Wärmebehandlung mit 450 C
Nach einer Stunde bei allen Elementen Legierungsbildung
Nach einer Stunde bei allen Elementen Legierungsbildung
Nach 13 Stunden kein Legieren. Nach 30 Stunden bei etwa 5% der
Elemente Legierungsbildung
Nach 9 Stunden bei etwa 90% der Elemente Legierungsbildung
Nach 30 Stunden kein Legieren
Nach 30 Stunden kein Legieren
Nach 30 Stunden kein Legieren
Nach 30 Stunden kein Legieren
Nach 30 Stunden kein Legieren
Nach 30 Stunden kein Legieren
Nach 30 Stunden kein Legieren
Probe Ta-N StickstofT-
Schichtdicke druck
(nm) (Pa)
A 129,0 0
B 109,5 6,65 X 10
C 126,0 0,13
D 114,5 0,13
E 102,5 0,33
F 132,5 0,67
G 100,5 0,67
H 128,5 1,0
1 98,0 1,33
J 98,0 2,0
K 100,0 2,66
Wie die obenstehende Tabelle zeigt, erfolgte bei stickstoffhaltigen Tantalschichten, die bei einem Stickstoffdruck von mindestens 0,33 Pa hergestellt wurden, auch bei 30stündiger Wärmebehandlung keine sichtbare Legierungsbildung. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde ein Stickstoffdruck von 0,67 Pa als optimaler Wert für die Bildung von stickstoffhaltigen Tantalschichten mit guten Abschirmeigenschaften gewählt. Dieser Wert wurde relativ hoch angesetzt, damit eventuelle Schwankungen einzelner Prozeßparameter ohne Wirkung bleiben. Die elektrischen Eigenschaften der Proben, die eine bei einem Stickstoffdruck von mindestens 0,67 Pa hergestellte stickstoffhaltige Tantalschicht besaßen, wurden untersucht. Nach einer bis zu 12 Stunden dauernden Wärmebehandlung bei 4500C in einer reduzierenden Atmosphäre konnten keine nachteiligen Wirkungen dieser Wärmebehandlung auf die elektrischen Eigenschaften festgestellt werden.
Beispie! II
Die stickstoffhaltige Tantalschicht verhindert nicht nur eine Legierungsbildung zwischen dem Gold und dem Silicium, sondern auch eine solche zwischen dem Tantal und dem Gold, die eine Erniedrigung der Leitfähigkeit des Goldes zur Folge haben würde. Die F i g. 2 bis 5 zeigen die Änderung des spezifischen Widerstandes des Goldes in Abhängigkeit von der Zeit
ίο bei einer Wärmebehandlung. Für die Metallisierunj wurden stickstoffhaltige Tantalschichten, die in dei beschriebenen Weise bei einem sich ändernder Stickstoffdruck zwischen 0 und 2,66 Pa niedergeschla gen wurden, sowie Goldschichten mit einer Dicke vor 600 bis 700 μΐη hergestellt. Einige Proben wurden einei Wärmebehandlung von 30 Stunden Dauer bei 450° C unterworfen. Andere Proben wurden für die Dauer vor 21 Stunden auf einer Temperatur von 5500C gehalten Die Proben wurden periodisch aus dem Heizofer gezogen und ihr Widerstand in bekannter Weise mi dem Vierelektroden Verfahren gemessen.
Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß eine beträchtliche Abnahme der Leitfähigkeit des Goldes bei solcher Schichten auftrat, bei denen kein Stickstoff odei Stickstoff mit nur einem Druck von 0,13Pa in dei Zerstäubungskammer vorhanden war. Die F i g. 3 bis ί dagegen zeigen, daß bei solchen stickstoffhaltiger Tantalschichten, die bei einem Stickstoffdruck vor mindestens 0,33 Pa hergestellt wurden, die Leitfähigkei des Goldes während der Wärmebehandlung nocl zunahm, -wobei diese Zunahme bei einer Temperatui von 550° C größer war als bei 4500C. Außerdem konnu eine Verfärbung des Goldes bei denjenigen Metallisie rungen, die mit einem zu geringen Stickstoffdrud hergestellt wurden, mit dem bloßem Auge festgestell werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Pateritansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leitungssystems mit hoher Leitfähigkeit auf der Oberfläche von Halbleiterbauelementen, wobei als Leitermaterial Gold verwendet und eine Zwischenschicht zwischen dem Gold und dessen Unterlage angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht aus stickstoffhaltigem Tantal abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine durchgehende Schicht aus stickstoffhaltigem Tantal und aus Gold auf der Oberfläche der Halbleiterbauelemente abgeschieden wird, und daß aus diesen Schichten ein Leitungsmuster geformt wird.
j. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffhaltige Tantalschicht durch Zerstäuben von Tantal mit Hilfe der Kathodenzerstäubung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Stickstoffpartialdruck der Atmosphäre ein Wert von mindestens 0,33 Pa gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffhaltige Tantalschicht auf einer auf einem Siliciumsubstrat angeordneten, mit Kontaktierungsöffnungen versehenen Isolierschicht niedergeschlagen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Goldschicht eine zweite stickstoffhaltige Tantalschicht angeordnet wird.
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