DE2355567C3 - Verfahren zur Herstellung metallischer Leitungssysteme auf Halbleiteranordnungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung metallischer Leitungssysteme auf Halbleiteranordnungen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer Leitungssysteme auf Halbleiteranordnungen, wobei das Metall als Kontakt auf dem Halbleiter sowie als Leitungsverbindung auf einer Isolierschicht aufliegt.
Metall, vor allem Aluminium, wird in großem Ausmaß für Anschlüsse an Halbleitervorrichtungen verwendet. Das Metall verbindet die einzelnen aktiven und passiven Elemente einer Halbleitervorrichtung zu einer Schaltung. Aluminium hat eine hohe Leitfähigkeit, hfaftet gut an Glas und anderen Passivierungsschichten, ist relativ leicht niederzuschlagen und zu ätzen und stellt direkten Ohmschen Kontakt zu Siliziumhalbleitermaterial her.
Wie andere Metalle hat Aluminium jedoch auch den Nachteil, daß es sich mit Silizium bei Temperaturen oberhalb 577° C durch die Bildung einer flüssigen Phase legiert. Unterhalb von 577°C diffundiert das Aluminium im festen Zustand in das Silizium hinein. Dadurch bewegt sich die ursprüngliche Übergangsfläche zwischen den beiden Materialien in Richtung uif das Silizium. Das bedeutet, daß Aluminium entweder in reinem oder in legiertem Zustand mit kleinen Mengen
ίο anderer Metalle bei Erwärmung in das Silizium eindringt, um in feste Lösung zu gehen. Dieser Effekt kann so weit gehen, daß die diffundierten Siliziumberei- rhe kurzgeschlossen werden. In einigen Fällen kann sich auch eine Veränderung der Aluminiumleitungen ergeben, wodurch sich das Metall bei der Oxydation zusammenzieht. Eine Zusammenziehung oder Reduktion des Querschnittbereiches führt aber leicht zum Ausfall durch Elektromigration, da sie am Punkt der Kontraktion eine höhere Stromdichte erzeugt und der Leiter aufgrund der Joule-Erwärmung mit einer höheren Temperatur arbeitet. Die Diffusion von Aluminium und Silizium ineinander ist bedeutend, da die modernen mikrominiaturisierten Halbleiter normalerweise nach Herstellung des metallischen Leitersystems einer Anzahl von Frwärmungsschritten unterworfen werden, z. B. zur Herstellung von Ohmschen Kontakten mit niedrigem Widerstand und zur Aufbringung von Ohmschen Kontakten mit niedrigem Widerstand und zur Aufbringung von Isolier- und Passivierschichten oder zusätzlichen metallischen Schichten.
In der US-Patentschrift 33 82 568 werden schon Lösungen für das Problem beschrieben. Eine der dort angegebenen Methoden besteht in der Verwendung einer Aluminium-Silizium-Legierung als Streifenmaterial. Dadurch wird die Löslichkeitsgrenze von Aluminium in Silizium erreicht und so das weitere Eindringen des Aluminiums in den Siliziumkörpzr verhindert. Bei bestimmten Anwendungen ist die Benutzung dieses Verfahreis jedoch begrenzt, weil nach dem Ätzen des Aluminiumfilms zur Herstellung der Metallstreifen ein dünner Siliziumfilm auf dem Oxid zurückbleibt, der nur schwer vollständig zu entfernen ist. Bei einer anderen, in der US-PS 33 82 %8 vorgeschlagenen Methode wird nach dem Öffnen der Kontaktlöcher eine dünne Schicht aus reinem Aluminium vorgesehen, über welcher eine Siliziumschicht liegt, und dann wiederum eine relativ dicke Schicht von Aluminium. Diese Möglichkeit hat jedoch auch ihre Grenzen bei bestimmten Anwendungen, da die Siliziumschicht sehr dünn sein muß, um nicht einen zusätzlichen unerwünschten Widerstand einzuführen. Außerdem muß sie so dünn sein, um von dem Aluminiumätzmittel durchdrungen zu weiden, so daß die darunterliegende Aluminiumschicht entfernt werden kann. Diese Forderung kann zu Schwierigkeiten bei der Herstellung führen. So steht oft nicht genug Silizium für die Sättigung des Aluminiums zur Verfugung, insbesondere wenn längere oder zahlreiche Erwärmungen der Anordnung erfolgen. Außerdem muS auch hier nach dem Ätzen der Aluminiumschicht überflüssiges Silizium vom Oxid entfernt werden.
Eine andere Möglichkeit zur Lösung des oben aufgezeigten Problems wird in der DE-OS 22 42 875 vorgeschlagen. Dabei wird auf der Unterseite des Aluminiums mindestens in der Nähe der Konlaktlöcher eine dünne Siliziumschicht vorgesehen, die bei Erwärmung des Halbleiters ausreicht für die Siliziumlösung. Die Verbindungsleitungen werden durch Niederschlag einer Siliziumschicht über einer mit Kontakt- oder
Durchtrittslöchern versehenen Isolierschicht hergestellt, dann eine Aluminiumschicht über der Siliziumschicht niedergeschlagen und anschließend die Zwischenräume der Aluminium- und Siliziumschichten entfernt, um die gewünschten Verbindungsleitungen herzustellen. Ein Nachteil besteht darin, daß eine Siliziumschicht mit hohem Widerstand in den Kontaktöffnungen niedergeschlagen wird, die unter bestimmten Umständen die Kontaktfläche zwischen Metall und Silizium verändert. Bei der Entfernung der Aluminium- und der Siliziumschicht müssen außerdem zwei verschiedene Ätzmittel, ehes für das Silizium und eines für das Aluminium, verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines verbesserten metallischen Leitungssystems für Halbleiteranordnungen, die in mehreren Arbeitszyklen erwärmt werden können, ohne daß dadurch die gesamte Halbleiteranordnung verschlechtert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst das Metall in seiner endgültigen Dicke aufgebrecht und dann mit einer Schicht des Halbleitermaterials bedeckt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Austührungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anschließend näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 in einer Schnittansicht einen Halbleiterkörper mit einem Aluminiumstreifen bekannter Art zur Illustration der Schwierigkeiten bei der Erzeugung eines Ohmschen Kontaktes,
Fig. 2 eine stark vergrößerte Schnittansichl einer Halbleiteranordnung mit dem Leitungssystem gemäß der Erfindung,
F i g. 3 eine Schnittansicht einer Halbleiteranordnung mit metallischen Verbindungen in mehreren Ebenen,
Fig. 4 bis 8 eine Folge von Schnittansichten zur Illustration d"r Verfahrcnsschriite zum Herstellen der metallischen Leitungssysteme auf Halbleiteranordnungen,
F i g. 7A eine weitere Ausführungsart des Verfahrens.
Wie allgemein bekannt und aus dem Phasendiagramm der Aluminium-Silizium-Löslichkeit zu ersehen ist, bilden Aluminium und Silizium fest; Legierungen auf der aluminiumreichen Seite des Diagramms. Wenn also eine reine Aluminiumschicht 10, Fig. 1, oder eine Aluminiumlegierungsschicht durch eine öffnung in einer Isolierschicht 14 in direktem Kontakt mit einem Siliziumsubstrat 12 gebracht und das Ganze dann erhitzt wird, legiert der Aluminiumntreifen mit dem Silizium des Substrats 12. Tatsächlich diffundiert das Silizium in das Aluminium durch Festkörperdiffusion, und die ursprüngliche Übergaiigsfläche bewegt sich meßbar in das Silizium. Das Silizium, das sich im Aluminium über dem Oxid löst, kann nur vom Siliziumsubstrat in der Nähe des Kontaktloches herrühren. Während der Wärmebehandlung löst sich im Aluminiumstreifen direkt über dem Kontaktloch nur eine kleine Sili/.iumschicht, wie es durch die gestrichelte Linie 15 dargestellt ist, die die ursprüngliche Oberfläche des Substrats 12 wiedergibt. Diese sehr dünne Schicht ist im allgemeinen akzeptabel. Wenn jedoch weiter erwärmt wird, diffundiert das Silizium in Längsrichtung entlang dem Streifen, um den Siliziumhunger des Aluminiums über der Isolierung 14 zu stillen. In diesem ΒετβτΊ ist die Aluminiumschicht 10 vom Silizium im Substrat 12 isoliert. Der größere Gesamtbedarf an Silizium im Bereich des Streifens 10 neben dem Rand des '''intaktloches veranlaßt das Aluminium, tief in das Silizium 16 einzudringen. Wird dabei der PN-Übergang 17 erreicht, so wird das Element unbrauchbar. In modernen mikrominiaturisierten Halbleitern ist der diffundierte Emitterbereich relativ dünn, gelegentlich in der Größenordnung von 0,4 bis 0,8 μσι, und ist sehr leicht durch die Aluminium-Silizium-Legierung zu durchdringen. Die Erwärmung nach dem Niederschlag des Streifens 10 ist aber notwendig, um den Ohmschen Kontakt niedrigen Widerstandes mit
ίο dem Siliziumkörper 12 herzustellen. Während des Niederschlags der Passivierungsschicht 18 erfolgt wieder eine gewisse Erwärmung und ebenfalls während des Niederschlags und der Herstellung zusätzlicher Metallschichten und Anschlüsse, während des Kapseins usw.
F i g. 2 zeigt, wie das tiefe Eindringen von Aluminium in den Siliziumkörper verhindert wird. Das Substrat 12 hat eine Öffnung 11 für den Kontakt zu einem diffundierten Bereich 19. Eine düiiks polykristalline Siliziumschicht 20 liegt vollständig über Jem Aluminium- oder Aluminiumlegierungsstreifen 10. Eine Glasschicht 18 wird auf der Oberfläche der Vorrichtung niedergeschlagen und schützt sie vor atmosphärischen Einflüssen usw. In Fig. 2 ist nur eine Schicht metallischer Verbindungen gezeigt. Zusätzliche derartige Verbindungsschichten können benutzt werden, die üblicherweise durch Isolierschichten aus SiOi, Glas od. dgl. getrennt sind. Das tiefe Eindringen des Aluminiums in das Substrat 12 neben dem Rand der
jo Öffnung 11 wird durch die Siliziumschicht 20 verhindert. Die Schicht 20 in unmittelbarer Nähe der Aluminiumschicht 10 gibt genügend Silizium ab, um den Lösungshunger des Aluminiums zu befriedigen. Die optimale Dicke für die Siliziumschicht 20 ist durch die Dicke des Aluminiumstreifens 10 bestimmt. Allgemein muß die Siliziumschicht 20 mindestens 1,65 Gew.-% der Aluminiumschicht 10 betragen, wenn sich die Wärmebehandlungen der kritischen Temperatur nähert. Weniger als 1 65% Silizium ist zulässig, wenn die Erwärmungszeit und die erreichte Temperatur entsprechend reduziert sind. Die Dicke der Schicht liegt im Bereich zwischen 30 und 50 ntn für die allgemein in integrierten Schaltungen benutzten Aluminiumschichten, die eine Dicke im Bereich von 1 bis 2 μΐη haben. Die Dicke der Aluminiumschicht steht zur Dicke der darüberliegenden Siliziumschicht vorzugsweise in einem Verhältnis von 50:1 bis 20: I.
In Fig. 3 ist ein Element mit mehrschichtigen metallischen Verbindungsleitungen gezeigt. Der HaIbleiterkörper 12 und der untere Streifen 10 sind grundsätzlich ähnlich wie in Fig. 2 gezeigt. Außerdem isv jeciocii ein zweiter metallischer Verbindungsstreifen 60 mit einer dünnen Siliziumschicht 62 vorgesehen, die durch die öffnung b4 in der Glasschicht 18 in Kontakt mit dem darunterliegenden Metallstreifen 10 steht. Eine Isolierschicht 66 ist über der Metallschicht 60 vorgesehen, und ein elektrischer Anschluß 68 stellt durch die öffnung 70 Kontakt zur Metallschicht 60 her.
Die Fig.4 bis 8 zeigen eine Folge von Hersiellüngsschritten für die metallischen Verbindungen. Fig.4 zeigt eine Schicht 14 aus S1O2 auf dem Substrat, die eine öffnung 41 aufweist. Die öffnung 41 dient als Diffusionsfenster zu Einführung einer Verunreinigung in das Substrat 12, wodurch ein diffundierter Bereich 42 erzeugt wird. Anschließend wird eine zusätzliche dünne Schicht 44 aus S1O2, vorzugsweise durch thermische Oxydation, gebildet. Eine Schicht 46 aus S13N4 wird dann über der Schicht 44 niederschlagen. Die Schicht 46
kann chemisch niedergeschlagen werden, indem man das erwärmte Plättchen in einer Reaktionskammer einem Strom von Silan und Ammoniak aussetzt. Es kann aber auch eine andere geeignete dielektrische Schicht verwendet werden. Öffnungen 48 und 50 werden in der Schicht 46 konventionell durch Photolithographie und Ätzung hergestellt. Eine Photomaskierschicht 52 in I-ig. 5 wird belichtet und entwickelt zur Bildung der öffnung 51, und der dünne Teil der Schicht 44 wird entfernt. Nachdem die Maskierschicht 52 abgelöst ist, wird die Vorrichtung einer geeigneten Diffusionsquelle ausgesetzt und ein Emitterbereich 54 gebildet. Alle Öffnungen in der SijNj-Schicht 46 werden vorzugsweise mit einer Maske hergestellt, wodurch Justierprobleme ausgeschaltet werden, die bei Verwendung verschiedener Masken für die separaten öffnungen auftreten. Auf der Oberfläche der Schicht 46 wird eine Aluminiumschicht 10 und darauf eine dünne Siliziumschicht 20, gemäß Darstellung in F i g. 7, niedergeschlagen. Das gewünschte metallische Leitungsmuster kann dann konventionell, z. B. photolithographisch, ausgebildet werden. Wenn die Dicke der Siliziumschicht 20 weniger als 20 um beträgt, reicht zur Entfernung von Silizium und Aluminium eine konventionelle Aluminiumätzung aus. Ist die Siliziumschicht 20 jedoch dicker als etwa 20 nm. so muß sie vor der Aluminiuniätzung mit entfernt werden. Als Siliziumät/ung kann auch eine Aluminiumätzung dienen, wenn dem Ätzmittel Flußsäure zugesetzt wird. Eine brauchbare Aluminiumätzlösung besteht aus 32 ml H1PO4, 200 ml 69 bis 72% HNOj, 600 ml H2O und 13 ml Netzmittel. Bei Bedarf können zusätzliche Metallschichten zur Bildung der metallischen Verbindungen gemäß Darstellung in Fig. 3 aufgebaut werden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung des metallischen Verbindungssystems ist in Fig. 7A gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Maskierschicht 70 auf der Oberfläche der .Siliziumnitritschicht 46 niedergeschlagen. Ein negatives Muster der metallischen Verbindungen wird in der Schicht mit der üblichen Photolithographie hergestellt. Eine Aluminiumschicht 10 und eine Siliziumschicht 20 werden dann in geeigneter Art, beispielsweise durch Aufdampfen, niedergeschlagen, wovon Teile 71 auf der Oberfläche der Photomaskierschicht 70 verbleiben und andere Teile auf der Isolierschicht 46 und den freigelegten Kontaktstellen des Halbleiterkörpers durch die öffnungen 50 und 48 aufliegen. Wird die Maskierschicht entfernt, so lösen sich alle daraufliegenclen Teile der Aluminiumschicht 10 bzw. der Siliziumschicht 20 mit ab. Zusätzliche, durch dielektrische Schichten getrennte Metallagen können nach demselben Verfahren ausgebildet werden.
Das beschriebene Verfahren läßt sich auch auf durch anodische Oxydation ausgebildete Metalleitiingen anwenden, wie sie z. B. in der deutschen Offenlegungsschrift 23 13 106 beschrieben sind. Dort wird eine Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung über einer Isolierschicht auf einem Siliziumhalbleiter niedergeschlagen. Die Aluminiumschicht berührt den
Siliziumhalbleiterkörper durch öffnungen in der Isolierschicht. Eine dünne Siliziumschicht wird nun über der Aluminiumschicht niedergeschlagen und das gewünschte metallische Verbindungsmuster durch eine geeignete Maske hergestellt, indem Silizium in den freigelegten
Bereichen mit einem geeigneten Ätzmittel entfernt und das nun freiliegende Aluminium zur Umwandlung in Aluminiumoxyd anodisiert wird. Die gesamte Vorrichtung wird mit einer Isolierschicht und eventuell zusätzlichen Leitungsschichten überzogen. Der Siliziumi'berzug hat dieselbe Wirkung, wie es im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Das vorliegende Verfahren hat verschiedene Vorteile gegenüber den bisherigen. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Siliziumschicht 20, die auf der Oberfläche der Aluminiummetallstreifen 10 liegt, bei der Ätzung der Durchgangslöcher 64 in der Passivierungsschicht als Ätzmittel-Stoppschicht dient. Dadurch wird eine Zerstörung des darunterliegenden Streifens durch das Ätzmittel bei Ausbildung der Durchgangslöcher verhindert. Ein anderer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß in den Durchgangslöchern die dünne Siliziumschicht, mit der das Aluminium überzogen ist. die Ausbildung von AI2O3 auf der Oberfläche des Streifens verhindert, die bei den bisher bekjnmen Verfahren auftritt. Das Silizium dient als Schutzschicht und verhindert die Oxydation. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Siliziumschicht die optische Reflexion des Aluminiums reduziert, was bei der Belichtung der Photomaskierschichten zur Herstellung des Verbindungsmusters wichtig ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung metallischer Leitungssysteme auf Halbleiteranordnungen, wobei das Metall als Kontakt auf dem Halbleiter sowie als Leitungsverbindung auf einer Isolierschicht aufliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Metall in seiner endgültigen Dicke aufgebracht und dann mit einer Schicht des Halbleitermaterials bedeckt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer Aluminiumleitung auf einem Siliziumhalbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufbringen der Aluminiumleitungsschicht auf dieser eine Siliziumschicht niedergeschlagen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, OcJi die das Aluminium bedeckende Siliziumschkift in einer Dicke erzeugt wird, die '/so bis '/jo der Dicke der Aluminiumschicht beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumschicht ein Zusatz von 2 bis 20% Kupfer beigegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Siliziumschicht eine Dicke von weniger als 20 nm gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht als durchgehende Schicht auf der Halbleiteroberfläche und darüber ebenfalls als durchgehende Schicht die Siliziumcchicht auigebraci.it werden und daß dann zur Bildung des Leitungsmusters beide Schichten in einer Aluminium, tzung gemeinsam geätzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten in einer Aluminiumätzung geätzt werden, wobei dem Aluminiumätzmittel Flußsäure zugesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht und die Siliziumschicht durch eine Photomaskierschicht aufgebracht werdeii. wobei die Photomaskierschicht die Stellen der Halbleiteroberfläche bedeckt, die von Metall freibleibcn sollen, und daß die beiden Schichten an diesen Stellen zusammen mit der Photomaskierschicht abgelöst werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß mittels Maskierung außerhalb des Leitungsmusters die Siliziumschicht weggeätzt wird und darauf an diesen Stellen die Aluminiuinschicht anodisch oxydiert wird.
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