DE2351943B2 - Integrierte MOS-Schaltung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte MOS-Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Eine bekannte MOS-Schaltung dieser Art ist in F i g. 1 gezeigt. Einzelne Schritte des Verfahrens zur Herstellung dieser MOS-Schaltung sind den Fig.2 bis 6 entnehmbar. Dabei geht es hauptsächlich um die Herstellung streifenförmiger Leitermetallschichten 4a, 46, 4c, 4d... beispielsweise aus Aluminium, die auf einer Isolierschicht 3 als Zwischenverbindungen angeordnet sind und zur elektrischen Kontaktierung von quer zu den streifenförmigen Leitermetallschichten verlaufenden streifenförmigen Dotierstoffdiffusionszonen 2a, 2b, 2c ... dienen. Diese Dotierstoffdiffusionszonen weisen beispielsweise P⁺-Leitfähigkeit auf und sind in einem N-Ieitenden Substrat 1 vorgesehen. Die Isolierschicht 3 besteht beispielsweise aus Siliciumdioxid und weist fleckförmige öffnungen 5a, 5b, 5c ... an speziellen Stellen über den Dotierstoffdiffusionszonen auf. Die streifenförmigen Leitermetallschichten sind auf der Isolierschicht 3 und in den fleckförmigen öffnungen als Streifen niedergeschlagen, die quer zu den Dotiersloffdiffusionszonen verlaufen. Die streifenförmigen Leitermetallschichten bilden Zwischenverbindungen zwischen den in den fleckförmigen öffnungen befindlichen Kontaktierungsstellen und anderen Schaltungsteilen.

Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung solcher MOS-Schaltungen geht man folgendermaßen vor. Das beispielsweise N-leitende Substrat 1 wird mit den beispielsweise N+ -leitenden Dotierstoffdiffusionszonen 2a, 2b, 2c ... versehen, die ein bestimmtes, streifenförmiges Muster aufweisen. Danach wird die

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JO Benutzung der Photolackschicht (15) als Maske öffnungen (236,} in der Isolierschicht (12) hergestellt werden, die Teile der streifenförmigen Dotierstoffzonen zur Kontaktierung freilegen, daß dann auf die verbliebene Photolackschicht (15) und die freigelegten Oberflächen der streifenförmigen Dotierstoffzonen (Ha, 116...) eine Metallschicht (13) mit einer Dicke gleich der der Isolierschicht niedergeschlagen wird, daß dann die verbliebene Photolackschicht (15) mitsamt dem über ihr befindlichen Teil der Metallschicht (13/·^ mit einem Lösungsmittel abgelöst wird, wobei Metallfüllteile (13a, 136,...) in den öffnungen zurückbleiben, deren Oberfläche auf dem Niveau der Isolierschichtoberfläche liegt, und daß dann auf die Oberfläche der Isolierschicht und der Metallfüllteile eine Metallschicht aus dem Material der Metallfüllteile niedergeschlagen und daraus die Metallfüllteile bedeckende, parallele, steifenförmige und quer zu den streifenförmigen Dotierstoffzonen verlaufende Zwischenverbindungen (14a, 146,...) in einer Breite gleich derjenigen der Metallfüllteile herausgeätzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitersubstrat (10) aus Silizium verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Isolierschicht (12) Siliziumdioxid verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall für die Zwischenverbindungen (14) und die Füllteile (13) Aluminium verwendet wird.

Oberfläche des Substrats 1 mit einer Isolierschicht 3, beispielsweise aus Siliciumdioxid, versehen. Zur Durchführung eines bekannten Photoätzverfahrens wird dann die Isolierschicht 3 mit einer ein bestimmtes Muster aufweisenden Photoresistschicht 6 versehen, die über bestimmten Stellen der Dotierstoffdiffusionszonen Löcher aufweist. Die Isolierschicht 3 wird mit einem bekannten Ätzmittel, beispielsweise Wasserstoffperoxidlösung, behandelt. Dadurch werden die Teile der Isolierschicht 3, die in den öffnungen der Photoresistschicht 6 freiliegen, weggeätzt und bilden Öffnungen 56, durch die die P+-Ieitenden Dotierstoffdiffusionszonen 26des Halbleitersubstrats 1 freigelegt werden (F i g. 2).

Anschließend wird die Photoresistschicht 6 auf bekannte Weise entfernt. Darauf wird eine Metallschicht 4, beispielsweise Aluminium, in die öffnungen 56 und auf die Photoresistschicht 6 durch Dampfabscheidung aufgebracht (F i g. 3).

Abschließend werden die nicht erforderlichen Teile der Metallschicht 4 nach einem bekannten Maskenätzverfahren entfernt, so daß die Metallstreifen 4a, 46, 4c, 4d im spezifizierten Muster gebildet werden (Fig.4). Somit kontaktieren die in die Öffnungen 56eingebetteten Teile der Metallstreifen 46 die Dotierstoffdiffusionszonen 26, wie dies in den F i g. 4,5 und 6 gezeigt ist.

Bei der nach diesem Verfahren hergestellten herkömmlichen integrierten Schaltung ist der Teil eines Metallstreifens, der sich in der öffnung 56 und in Kontakt mit dem Halbleiter befindet, mit dem Teil des Metallstreifens auf der Isolierschicht 3 durch dünne Stufenteile A am Rand der öffnung 56 verbunden. Da diese Stufenteiie A sowohl elektrisch als auch

mechanisch störanfällig sind und bei einem Überstrom oder bei thermischer Belastung leicht zerstört werden, ist es erforderlich, die Breite der Metallstreifen 4a, Ab, Ac... um die Breite 27der beiden Seitenbahnen Ab I₁ 462 größer zu machen als die Breite der öffnungen

5 a, 5b, 5c Die Seitenbahnen 4ZjI und Ab2 werden

vorgesehen, um die Verbindungsteile A auf allen Seiten der öffnungen 5b auszubilden, damit man einen größeren Gesamtquerschnitt und eine Verdoppelung der elektrischen Bahn zwischen dem Metall in der öffnung und dem Metall auf der Isolierschicht erhält. Da die mittlere Breite eines Paares von Seitenbahnen pro Metallstreifen etwa 2,5 bis 5 μπι beträgt, kann die von den Seitenbahnen eingenommene Fläche nicht vernachlässigt werden. Es ist deshalb für eine Verringerung der Größe der integrierten Schaltung wesentlich, diese Seitenbahnen überflüssig zu machen. Darüber hinaus treten bei den herkömmlichen integrierten Schaltungen infolge der genannten Bruchneigung in den dünnen Stufenteilen A bei den Betriebssicherheitstests in der industriellen Herstellung Fehler und Ausfälle auf, so daß eine durchgreifende Verbesserung erforderlich ist. Man hat mehrere Maßnahmen vorgeschlagen, beispielsweise ein Kippen, Schwingen oder Drehen des Substrats während der Dampfabscheidung der Metallschicht, um dadurch die dünnen Stufenteile A zwischen dem Metall in der öffnung und dem Metall auf der Isolierschicht abgeschrägt auszubilden und zu verstärken. Solche Maßnahmen verformen jedoch notwendigerweise den Querschnitt des Metallstreifens zu einem Trapez, erhöhen die Breite an der Basis des Metallstreifens und können das Metallmuster ungenau machen.

Aus der GB-PS 12 86 737 ist ein Halbleiterbauelement mit einer Mehrschichtverdrahtung bekannt, deren übereinanderliegende Leiterbahnen durch mehrere Isolierschichten voneinander getrennt sind. Zu diesem Zweck werden übereinander mehrere Isolierschichten erzeugt. Durch ein selektives Ätzverfahren sollen unterschiedlich tiefe Ätzrinnen erzeugt werden, die bis zu unterschiedlichen Isolierschichten reichen. In diese unterschiedlich tiefen Ätzrinnen und auf die oberste Isolierschicht wird dann eine Metallschicht aufgedampft, die anschließend derart abgeätzt werden soll, daß nur noch das in den Ätzrinnen niedergeschlagene Metall zurückbleibt.

Zum selektiven Abätzen der nicht in den Ätzrinnen befindlichen Teile der Metallschicht ist ein selektives Ätzverfahren erforderlich, bei dem ein Photomaskenschritt verwendet werden muß. Die für dieses selektive Ätzverfahren benutzte Maske müßte ideal mit dem Muster der in den Ätzrinnen vorhandenen Metallteile übereinstimmen, um zu erreichen, daß einerseits die Ätzrinnen vollständig mit Metall ausgefüllt sind und andererseits keine Metallreste außerhalb der Ätzrinnen stehenbleiben. Eine ideale Maskendeckung mit den in den Ätzrinnen niedergeschlagenen Metallteilen ist jedoch aufgrund der bekanntermaßen unvermeidlichen Herstellungstoleranzen infolge von Maskenjustierfehlern, Ätzdauer- und Ätzmittelkonzentrationsschwankungen usw. unmöglich. Wenn nun auf der Oberfläche der obersten Isolierschicht Metallstreifen aufgebracht werden, die über den in den Ätzrinnen befindlichen Metallteilen verlaufen und mit diesen Kontakt bilden sollen, wird es zu Problemen kommen, weil die in den Ätzrinnen befindlichen Metallteile in der Praxis diese Rinnen nicht ideal ausfüllen werden, wie bereits geschildert worden ist. Bei dieser bekannten Halbleitervorrichtung wurden also im praktischen KaII dadurch.

daß die in den Ätzrinnen erzeugten Metallteile teils schmaler als diese Ätzrinnen sind und teils über die Ränder dieser Ätzrinnen hinausstehen, in den Metallstreifen, die auf der Isolierschichtoberfläche über die Metallteile in den Ätzrinnen verlaufen, größtenteils Stufen entstehen. Diese Stufen stellen jedoch wieder elektrische und mechanische Schwachstellcn dar wie bei der anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebenen herkömmlichen Halbleiterschaltung. Wenn man die Anfälligkeit ίο dieser Schwachstellen vermindern will, muß man auch bei der Halbleiterschaltung gemäß GB-PS 12 86 737 Metallstreifen mit einer Breite erzeugen, die über diejenigen der fleckförmigen Öffnungen in den Isolierschichten hinausgehen. Die einzelnen Metallstreifen müsstn also auch in diesem Fall eine überhöhte Breite aufweisen, was starken Einfluß auf den erreichbaren Integrationsgrad einer integrierten Halbleiterschaltung hat.

Aufgabe der Erfindung ist e-s, eine inlegrierte MOS-Schaltung der vorausgesetzten Art derart zu verbessern, daß die Zuverlässigkeit der Zwischen verbindungen bildenden streifenförmigen Leitermetallschichten verbessert und der erreichbare Integrationsgrad erhöht ist.

Diese Aufgabe läßt sich mit einer integrierten MOS-Schaltung lösen, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist. Verfahren zu deren Herstellung sind in den weiteren Patentansprüchen enthalten.

Durch die Erfindung ist eine integrierte MOS-Schal-

3<i tung verfügbar gemacht, bei der die Füllteile in den fleckförmigen öffnungen in der Isolierschicht wirklich exakt ausgefüllt werden können. Aus diesem Grund können die streifenförmigen Leitermetallschichten so schmal wie die Füllteile gemacht werden, ohne daß dies mechanische und elektrische Schwachstcllcn mit sich bringt. Dies kann mit dem angegebenen Verfahren auf sehr einfache und kostengünstige Weise erreicht werden, da für die Herstellung der Rillteile nur ein einziger Photomaskenschritt erforderlich ist, was weiterhin dazu führt, daß keinerlei Toleranzprobleme aufgrund von Maskenjustierfehlern usw. entstehen können.

Die Möglichkeit, Metallschichten selektiv durch

Abheben einer Photolackschicht, die der Metallschicht teilweise unterlegt ist, zu entfernen, ist an sich aus der US-PS 35 67 508, der DE-AS 12 96 265 und der CH-PS 4 89 910 bekannt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In der Zeichnung so zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Teils der bereits erläuterten herkömmlichen integrierten MOS-Schaltung;

Fig.2 bis 4 einen Querschnitt durch eine integrierte MOS-Schaltung nach Fig. 1 in verschiedenen Herstellungsstadien;

Fig. 5 eine Draufsicht auf den in Fig. 4 gezeigten Ausschnitt;

Fig.6 eine Draufsicht auf einen größeren Teil der entsprechend den F i g. 2 bis 4 hergestellten herkömmlichen integrierten MOS-Schaltung;

F i g. 7 eine Perspektivansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen integrierten MOS-Schaltung;

F i g. 8 bis I l(a) einen Querschnitt durch die in F i g. 7 ^br> gezeigte MOS-Schaltung in verschiedenen Herstellungsstadien;

F i g. 1 l(b) eine Querschnittsansicht des in F i g. 1 l(a) gezeigten Schaltungsteils, wobei die Schnitiebene

parallel zur Richtung der streifenförmigen Leitermetallschichten verläuft;

Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen integrierten MOS-Schaltung.

Anhand der F i g. 7 bis 12 wird nun eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten MOS-Schaltung und ein Beispiel eines Verfahrens zu deren Herstellung beschrieben.

Die Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 10, beispielsweise aus N-leitendem Silicium, wird mit einer Isolierschicht 12 versehen, beispielsweise mit einer Siliciumdioxidschicht mit einer Stärke von 1 μπι. Dotierstoffdiffusionszonen Ua, 116, lic, beispielsweise P⁺-leitend, sind vorher mit einem spezifizierten Streifenmuster auf der Hauptfläche ausgebildet worden. Es können auch Halbleiter und Isolierschichten aus anderen Substanzen als die genannten verwendet werden.

Fleckförmige Öffnungen werden in der Isolierschicht 12 mit Hilfe eines Photoätzverfahrens ausgebildet, bei dem eine Photoresistschicht 15 von etwa 0,5 μΐη Stärke verwendet wird, die öffnungen über bestimmten Stellen der Dotierstoffdiffusionszonen 11a, 116, lic aufweist. Darauffolgend wird die Isolierschicht 12 mit einem bekannten Ätzmittel, beispielsweise einer Wasserstoffperoxidlösung, behandelt, so daß die Teile der Isolierschicht 12, die durch die Öffnungen der Photoresistschicht 15 freiliegen, weggeätzt werden. Durch die dabei entstehenden öffnungen 236 werden von den P+-leitenden Dotierstoffdiffusionszonen 11a, 116, lic ... Bereiche freigelegt, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist.

Anschießend wird, ohne daß die Photoresistschicht 15 entfernt wird, eine Metallschicht 13, beispielsweise aus Aluminium, durch Dampfabscheidung auf der ganzen Oberseite und insbesondere in den öffnungen 236 sowie auf der Photoresistschicht 15 aufgebracht, und zwar in einer Stärke, die grob gesehen gleich der Stärke der Isolierschicht 12 ist. beispielsweise etwa 1 μπι.

Dann läßt man eine der. Photoresist entfernende Flüssigkeit einwirken. Dadurch werden die Photoresistschicht 15 und der auf dieser verbliebene Teil I3rder Meiallschicht 13 entfernt, während die in die öffnungen der Isolierschicht 12 eingebetteten Füllteile 136 der Metallschicht zurückbleiben (F i g. 10). Aus F i g. 9 ist zu ersehen, daß die durch Dampfabscheidung aufgebrachten Metallschichten zwischen den Füllteilen 136 und dem auf der Isolierschicht 15 befindlichen oberen Teil 13r nur 0,1 μιη stark sind. Daher können diese dünnen Zwischenschichten leicht entfernt werden.

Die unter der Aluminiumschicht 13r befindliche Photoresistschicht 15 kann sehr leicht entfernt werden, da eine das Photoresist entfernende Flüssigkeit durch die poröse, durch Dampfabscheidung aufgebrachte Metallschicht 13r hindurchtritt und die Photoresistschicht 15 auflöst.

Auf diese Weise werden die öffnungen 23b der Isolierschicht 12 durch die Füllteile 136 gefüllt. Die Oberfläche der Isolierschicht 12 und die Oberfläche des eingebetteten Metalls 130 liegen somit nahezu in der gleichen Ebene, ohne daß dazwischen eine vorspringende Stufe auftritt.

Dann wird wieder das gleiche Metall durch Dampfabscheidung auf der ganzen Oberfläche aufge-

bracht. Ein anschließendes Ätzen wird derart bewirkt, daß parallele Metallstreifen 14a, 146,14c verbleiben, die senkrecht zur Richtung der streifenförmigen Dotierstoffdiffusionszonen verlaufen, wie dies in den Fig. 11a, 11 b und 12 erkennbar ist.

Da jede öffnung 236 mit der Metallschicht 136 gefüllt ist, haben die durch die zweite Dampfabscheidung aufgebrachten Metallstreifen 14a, 14b, 14c ... keine vorspringenden Stufen am Rand der öffnungen, so daß keine empfindlichen dünnen Metallteile am Rand solcher Stufen erzeugt werden.

Es ist deshalb nicht mehr erforderlich, die Zwischenverbindungsmetallstreifen 14a, 146, 14c ... mit Seitenbahnen an beiden Seiten der öffnungen zu versehen, wie dies herkömmlicherweise der Fall ist. Deshalb kann die Breite eines jeden Metallstreifens im wesentlichen gleich der Breite einer jeden öffnung gemacht werden.

Da an den Metallstreifen keine Stufen oder Teile mit ungleicher Höhe ausgebildet werden, sind anfällige dünne Teile eliminiert. Man erhält dadurch auch bei

jo einer dünnen Metallschicht eine ausreichende Betriebssicherheit der Zwischenverbindung zwischen den Dotierstoffdiffusionszonen und den Metallstreifen. Demzufolge kann ein sehr genaues Muster streifenförmiger Leitermetaüschichten erreicht werden. Infolge einer derart hohen Genauigkeit des Musters kann die Breite des isolierenden Raums zwischen parallelen Metallstreifen verringert werden.

Da die Öffnungen 236 mit den metallischen Füllteilen 136 gefüllt sind und die Oberseiten der Füllteile 136 und der angrenzenden Isolierschicht 12 auf gleichem Niveau liegen, führt eine leichte Abweichung der Positionen der Metallstreifen von den richtigen Positionen auf den Öffnungen 236 nicht zu gravierenden Fehlern, so daß eine einfache Herstellung und eine höhere Produktionsquote möglich sind.

Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beträgt die Breite bei fünf Metallstreifen zusammen mit den dazwischenliegenden Trennräumen nur 100 μίτι, während bei der herkömmlichen Herstellungsweise für die gleiche Anzahl von Metallstreifen und Trennräumen dazwischen eine Breite von etwa 150 μπι erforderlich ist.

Die Vorteile der beschriebenen Methode können auch bei anderen integrierten Halbleiterschaltungen als MOS-Schaltungen genutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Integrierte MOS-Schaltung, enthaltend ein Halbleitersubstrat mit einer Anzahl paralleler streifenförmiger Dotierstoffdiffusionszonen, eine Isolierschicht mit einer Anzahl Kontaktöffnungen, die auf den Dotierstoffdiffusionszonen angeordnet sind, und eine Anzahl paralleler streifenförmiger Metallschichten, die auf der Isolierschicht als Zwischenverbindungen angeordnet sind und über den Kontaktöffnungen quer zu den streifenförmigen Dotierstoffdiffusionszonen verlaufen, derart, daß sie Metallfüllteile in den Öffnungen bilden, die einen ohmschen Kontakt zu den durch die öffnungen freigelegten Bereichen der Dotierstoffdiffusionszonen herstellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Metallfühteile (136, 13*.·,...) auf dem Niveau der Oberfläche der Isolierschicht (12) liegt, daß die Breite der streifenförmigen Zwiscbenverbindungen (14a, 146,...) mit derjenigen der Metallfüllteile übereinstimmt und daß sich die Oberfläche der über den Metallfüllteilen liegenden Teile der Zwischenverbindungen auf gleichem Niveau befindet wie die Oberfläche der über der Isolierschicht liegenden Teile der Zwischenverbindungen.

2. Verfahren zur Herstellung einer integrierten MOS-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Oberfläche eines Halbleitersubstrats (10) parallele, steifenförmige Dotierstoffzonen (Ua, 116, ...) eindiffundiert werden, daß auf der gesamten mit den streifenförmigen Dotierstoffzonen versehenen Oberfläche eine Isolierschicht (12) niedergeschlagen und diese mit einer Photolackschicht (15) überzogen wird, daß dann unter