DE2433299A1

DE2433299A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2433299A1
Application number: DE19742433299
Authority: DE
Inventors: Paul Richard Fournier; Dawon Kahng; Martin Paul Lepselter
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-07-16
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1975-02-06
Also published as: BE817616A; FR2238249B1; JPS5040085A; FR2238249A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbau elemente und deren leitende Verbindungsmuster und -schichten.

Halbleiterbauelemente sowohl in Form diskreter Bauelemente als auch in Form integrierter Schaltungen erfordern leitende Schichten sowohl zur Kontaktierung des Halbleiterkörpers als auch zum Herstellen von Verbindungen zwischen Kontakten und Anschlüssen. Anordnungen dieser Art sind allgemein bekannt und benutzen Muster aus gleitenden Schichten, die sich auf der Oberfläche des Halbleiterkörper gebildeten dielektrischen Belägen befinden.

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Seit langem war es in der Halbleitertechnik üblich, elementare Metalle für Elektroden und Verbindungsleiter zu benutzen, und in Verfolg dieser Praxis sind zahlreiche Metalle und Metall-Kombinationen mehr oder weniger erfolgreich eingesetzt worden. Die Auewahl geeigneter leitender Materialien erforderte jedoch immer einen Kompromiß zwischen den zahlreichen Anforderungen an die zugeordneten Materialien und der notwendigen Verträglichkeit der auegewählten Metalle unter sich»

Beispielsweise ist es wichtig, daß die leitende Schicht an der darunter liegenden Oberfläche gut haftet. Chemische Stabilität sowohl bei der Herstellung als auch beim späteren Betrieb ist gleichfalls hoch wünschenswert. Das heißt Grenzflächenreaktionen zwischen der leitenden Schicht und den angrenzenden Materialien sind üblicherweise schädlich. Auch ist das Auftreten einer Metallwanderung unerwünscht.

Wünschenswert ist es vor allem, daß die Materialien für die leitende Schicht keiner Phasenänderung bis herauf zu hohen Temperaturen unterliegen. Wo sich das leitende Schichtmaterial in Kontakt mit der Halbleiteroberfläche befindet, ist ein niedriger Kontaktwideretand ebenso wünschenswert wte Temperaturbeständigkeit in dem Sinn, daß ein Eindringen in den Halbleiter durch Legierungsbildung vermieden wird.

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Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt 1st der, daß solche leitenden Schichten nach Leisten und praktikablen Methoden aufgebracht werden können. Diese Methoden sollten außerdem mit den Übrigen Herstellungs schritten des Bauelementes verträglich sein.

In den vergangenen Jahren wurde Insbesondere für integrierte Schaltungen eine Anordnung entwickelt, die allgemein als Technologie der StUtzleiter und versiegelter Übergänge bezeichnet wird und einDrei-Metall-System aus Titan, Platin oder Palladium und Gold benutzt, um den Erfordernissen der Verbindungsmuster, insbesondere für Slliclum-Halbleitermaterlal, Rechnung zu tragen. Dieses Metallisierungssystem ist beispielsweise in den US-Patentschriften S 287 612, 3 S35 338 und 3 426 252 beschrieben. Obgleich Anordnungen aus Zwei- oder Drei-Metall-Systemen dieser Art sich In vielen Fällen als befriedigend erwiesen haben, verbleibt nach wie vor ein Bedürfnis für ein vereinfachtes System, das sowohl einen höheren Verträglichkeitsgrad als auch einen hohen Hltzebeständlgkeltsgrad besitzt. Das weitere und wichtigste Erfordernis für solche leitenden Materlallen 1st das, daß sie nicht, Jedenfalls nicht wesentlich, in Reaktion mit den angrenzenden Materialien treten.

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Demgemäß Ut es Aufgabe der Erfindung, neue Zusammensetzungen für leitende Verbindungsmuster auf Halbleiterelementen, ebenso Verfahren zu deren Herstellung, bereitzustellen. Mit anderen Worten soll das Metallisierungeeystem für Halbleiterbauelemente vereinfacht werden, Indem Materialien bereitgestellt werden, die stabil sind und chemisch nicht reagieren, wobei zugleich das Temperaturverhalten der Halbleiterbauelemente verbessert werden soll.

Gemäß der Erfindung wird das leitende Medium auf einen Halbleiterbauelement gebildet durch eine Schicht aus hltiebestHndigem Metallnitrid aus der aus den Nitriden Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und Tantal bestehenden Gruppe. Diese Materialien werden in Dtbmsohichtform bequemerweise durch reaktives Zerstäuben des elementaren Metalles in einem Vakuumsystem erzeugt, das mit einem Ihert-Gas und einem gesteuerten Betrag an Stickstoff teilweise rüokgefüllt wird. Diese spezielle Technik ist allgemein bekannt als ein Verfahren zum Herstellen gewisser Dunnschichtwiderstandstypen, typischerweise Tantalnitrid, wie dieses in der US-Patentschrift S 242 006 beschrieben ist. Jedoch wird vorteilhaft eine Trioden-Zeretäubungsapparatur statt dem dort beschriebenen Diodensystem benutzt.

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Insbesondere sind die Nitride von Titan, Zirconium und Hafnium besonders vorteilhaft als das leitende Medium auf dielektrischen Schichten, wie diese bei derSiliclum-Halbkeiter-Technologle verwendet werden. Diese dielektrischen Schichten können aus Silicium- Dioxyd, Siliolum-Nitrid, Aluminiumoxyd und Aluminium-Slllcat, sowie aus Kombinationen hiervon aufgebaut sein. Sowohl die vorstehend genannten drei hitzebeständigen Nitride als auoh die Nitride von Vanadium, Niob und Tantal haben relativ große freie Bildungeenergien und sind deshalb gegenüber Jeglicher Reaktion mit den Materialien beständig, auf denen sie aufgebracht werden. Dartiberhinaue haben sie Schmelz- oder Dissoziationspunkte oberhalb 2000 C; sie sind deshalb gegenüber Warmbehandlungen hoch beständig, wie diese bei der Herstellung der Halbleiterbauelemente auftreten können.

Diese Materialien sind zwar bisher hauptsächlich als Widerstandsmaterialien, insbesondere im Falle von Tantalnitrid, benützt worden. Jedoch in DUnnschlchtform und in den für integrierte Halbleiterschaltungen erforderlichen Dimensionen, machen die elektrischen spezifischen Widerstände dieser Nitride, die von etwa 10 MIkro-Ohm-Zentimeter bis etwa 150 Mikro-Ohm-Zentimeter reichen, die Materialien vollständig geeignet als leitendes Medium. Sie sind relativ leicht in Musterform herzustellen, und zwar entwefler durch Aufstäuben in oder durch eine Maske oder durch selektives Ktzen nach einem Niederschlag. SI« kttimea geeignete leitende Verbindungen

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beispielsweise auf Silioium-Oxyd- oder Sillclum-Nltrld-F ihnen zwischen ohmschen Kontakten aus Platin oder Palladium-Silicid und den darüberliegenden Metallen bilden, die bei der oben erwähnten Technologie benutzt werden.

Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung können άΙ&Ββ hitzebeetändigen Metallnitride leicht oxydiert werden, um einen kohärenten und elektrisch isolierenden F lim auf ihrer Oberfläche zu erzeugen, wodurch mehrschichtige Leitungsmuster und Schaltungen ermöglicht werden. Diese hitzebeständigen Metallnitride werden bequemerweise bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen unter Verwendung von reaktivem Zerstäuben bei Niederschlagsgeschwindigkeiten niedergeschlagen, die etwa halb so groß sind wie die Niedersohlagsgeschwindigkeit für das entsprechende elementare Metall.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:

FIG. 1 ein« Draufsicht auf ein integriertes Schaltungehalbleiterbauelement mit StOtileltern und

FIG. 2 ein· Schnittansicht eines Teils des Bauelementes nach FIG.

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Das dargestellt Halbleiterbauelement ist lediglich eines von zahlreichen Beispielen und dient zur Beschreibung der Art und Weise, auf die die Metallnitrid-Leiter auf Halbleiterbauelementen benutzt wird. Das Halbleiterbauelement 10 nach FIG. 1 ist auf einem Silioium-Halbleiterplättchen 11 aufgebaut, das 20 längs des Umfange angeordnete Stützleiter 12 atf weist. Auf der Oberfläche des Halbleiterbauelemente« ist ein Muster-leitender Streifen 13 vorgesehen, die die Elektroden zu den verschiedenen, innerhalb des Plättchens erzeugten Elementen miteinander verbindet und auch die dadurch erzeugten Schaltungen mit den Anschlußleitern, den Stützleitern 12, verbinden. Auf der Oberfläche des Plättchens stellen die gestrichelt gezeichneten Kästchen diffundierte Zonen dar, die Teile von Schaltungselementen wie Dioden, Transistoren und Widerständen definieren. Die Kontakte zu diesen Elementen befinden sich innerhalb dieser Kästchen, in deren Bereich das Metalllslerungemüster an die Halbleiteroberfläche angeschlossen 1st.

In FIG. 2 zeigt der in SohBlttansloht dargestellte Teil 20 einer Vorrichtung nach Art der FIG. 1 da· Metallisierungsmaster In weiterem Detail. Der Teil 20 umfaßt ein Substratteil 21, das N+-leitend ist und hieraut eine epitaktisch erzeugte P-leitende Schicht 22 trägt. N-lettende Zonen 23 stellen Mittel zum Isolieren der einzelnen Schaltungselemente innerhalb der

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integrierten Schaltung dar. Dieses ist allgemein bekannt. Die N-Zonen 24 repräsentieren einen ersten Diffus ionsprozefi tür Bildung von Zonen, die als die Basissonen von Transistoren oder als Teile von Widerständen oder für andere elektrische Funktionen dienen. Die P-Zonen 25 repräsentieren einen zweiten Diffusionsprozeß zur Bildung von Zonen, die die Emitter-Zonen der Transistoren sein können oder als Teile von Dioden oder Widerständen dienen können. Die N-Zonen 26 und 27 werden vorteilhaft durch Ionen-Implantation erzeugt unter Verwendung eines gesonderten MaekierungsBchrittes und umfassen in der dargestellten Form die Source- und Drain-Zonen eines Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode (sogenannter IGFET).

Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebene Anordnung lediglioh beispielhaft 1st und daß zahllose Variationen möglich sind. So können beispielsweise vergrabene Zonen, die verschiedensten Isolatlonsmethoden und auch zahllos verschiedene Kombinationen von Festkörper-Diffusion und Ionen-Implantation benutzt werden, um nur einige Beispiele zu nennen.

Die sogenannte aktive Oberfläche des Halbleiterplättohens ist mit einer dielektrischen Schicht 28 bedeckt, die, wie allgemein bekannt, einen passivierenden und sohtttzenden Film hierauf bildet. Die Schicht 28 kann aus

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Silicium-Dioxyd, Silicium-Nltrid, Alumlnium-Oxyd, Aluminium-Sllicat und au« Kombinationen hiervon aufgebaut sein. Bei einer besonders vorteilhaften Auaführungsform nach der Technologie der Sttttzleiter und versiegelter Übergänge weist die Schicht 28 eine an die Silioium-Oberflttche angrenzende SiUcium-Dioxyd-Schioht auf, gefolgt von einer darüberliegenden Siliclum-Nitrid-Schioht. Die Herstellung dieser Schichten und deren Verwendung als Mauke für die Festkörper-Diffusion und Ionen-Implantation von Dotierstoffen ist allgemein bekennt und nicht Bestandteil der Erfindung.

Auf der dielektrischen Schicht befindet stoh ein Muster aus leitenden Verbtndungsstreifen 3O₁ 31, 32, 33 und 34 . Sie entsprechen den leitenden Streifen 13 der FIG. 1. Sie verbinden die Elektroden, die den Anschluß zu den einzelnen Zonen unterschiedlichen Leitungetype besorgen, wie dieses in FIG. 2 dargestellt ist. Außerdem umfafit der leitende Schichtteil 29 die Gate-Elektrode des IGFET, für den die Zonen 26 und 27 die Drain- und Source-Zonen sind und für den der Teil 28 der dieelektrisohen Schient das Gate-Dieelektrikum bildet.

Bei einer typischen AusfUhrungsform werden, nach dem die unterschiedlich leitenden Zonen innerhalb des SUioium-HalbleiterplKttohen* mit Hilfe der oben erwähnten Methoden erzeugt worden sind, geeignet« Mittel angewandt,

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um Fenster durch die dieelektrisohe Schicht 28 selektiv zu eröffnen und so jene Gebiete freizulegen, auf denen Elektroden zu bilden sind. Vorteilhaft können Jene Gebiete, die oberhalb der N- Zonen 26 und 27, der P-Zonen 25 und der N- Zonen 24 gelegen sind, eine sehr dünne Schicht aus Platin oder Palladium haben, das in das entsprechende Metall-Sllicit durch eine kurze Warmbehandlung umgesetzt wird. Falls für die Verbindung von leitender Schicht 33 zur P-Zone 35 ein gleichrichtender Kontakt gewünscht ist, so kann dieser leicht gebildet werden durch Verwendung des hitzebeständlgen Metallnitrides selber zum Erhalt eines Schottky-Sperrschichtkontaktes.

Die leitenden Verbindungssohichtstreifen 13 und die entsprechenden darttberliegenden Teile (FIG. 2} werden durch Anordnen des Halblelterplättohens, das in diesem Stadium typischerweise eines von Hunderten In einer größeren Halbleiterscheibe ist, in einer Niederspannungstrloden-Zerstäubungsapparatur hergestellt. Eine solche Apparatur ist allgemein bekannt und braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden, üblicherweise enthalt die Apparatur eine Vakuumkammer, die auf etwa 1 χ 10~ Millimeter Quecksilbersäule evakuiert wird. Die Kammer wird dann mit Argongas auf einen Druck von etwa 1 χ ίο" Millimeter QueoksilbereXule rüokgefüllt, und es wird eine begrenzte Plasmaentladung zwischen einer

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Anode und einer erhitzten Kathode gezündet, letztere besteht beispielsweise aus einem Wolframfaden. Das Zerstäubungetarget, das aus einem elementaren Metall - ausgewählt aus der aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und Tantal bestehenden Gruppe - besteht, und ein Träger werden oberhalb und unterhalb von öffnungen in der das Plasma einschnürenden Röhre angeordnet. Eine Spannung von -100 bis -500 Volt wird an das Target angelegt, während Stickstoff In genau bemessener Strömung in die Zerstäubungekammer eingeleitet wird. Die Niederschlagsgesohwindigkeiten für die Metallnitride sind typischerweise etwa 40 - 60% der Nlederechlagsgesohwindigkeit für dasselbe elementare Metall, üblicherweise werden Schlohtdioken von etwa 2000 - 5000 Angst&m niedergeschlagen, um ein geeignetes leitendes Medium bu erhalten. Allgemein ist der spezifische Widerstand dieser Schichten eine Funktion des Stickstoffgehaltes und 1st Im allgemeinen kleiner bei höheren Stickstoffmengen. Insbesondere gilt, daß, je dichter das niedergeschlagene Material die stöchiometrisohe Zusammensetzung erreioht, desto höhere Leitfähigkeit zu erwarten ist. Folglich liegt der Vorteil des Triodenzerstäubungssystems zum Teil In der Kontrolle, mit der der Stickstoffgehalt geregelt wird, um so einen Weg zur stöchiometrisohen Struktur zu eröffnen.

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Wie oben erwähnt, kann das Muster der Verbindungsstreifen 13 hergestellt werden durch Maskieren des Zerstäubungsniederschlages selber entweder dadurch, daß eine entfernbare Maske auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet wird oder daß eine Maske aus einem geeigneten DieelektrQcum zum Erhalt des Metallisierungsmusters 13 in situ erzeugt wird. Nach anderen Methoden kann das hitzebeständige Metallnitrid auf die ganze Oberfläche des Halbleiterkörpers niedergeschlagen werden, wonach eine geeignete Maske nach fotolithographischen Methoden auf der Metallnitridschicht erzeugt wird» Sodann wird ein selektives Ktzmlttel* beispielsweise eine Lösung aus Xthylendtamintetraeesigsäure und Wasserstoffperoxyd im Falle von Titannitrid, aufgebracht, um die unerwünschten Teile der Nitridschicht zu entfernen» so daß das Verbindungsmuster IS zurück bleibt. Schließlich werden unter Verwendung gesonderter Maskierungen die dicken GoId-Stützleiter 12 erzeugt, welche die äußeren AnschluBleiter für die integrierten Schaltungen sind, wonach dann die große Halbleiterscheibe in die einzelnen Plättchen (FIG. 1) zerteilt werden.

Bei einer Ausführungsform entsprechend der Erfindung weist ein Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper aus Silicium mit einer Reihe Leltungstyp-tZonen auf, die die Elemente einer Integrierten Schaltung

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umfassen, ferner eine passlvlerende Schicht aus dieelektrlschem Material, die aus einer Sllicium-Dioxyd-Sohlcht und einer darttberliegenden Slliclum-Nltrld-Schlcht besteht. Ohmsche Kontakte sind dadurch gebildet, daß eine niedergeschlagene Platindünnschicht durch öffnungen oder Fenster in der passivierenden Schicht verwendet werden, wobei das Platin durch Erhitzen in Platln-Stlicit umgesetzt worden ist. Anschlüsse zu diesen Platin-Silicit-Kontakten erfolgen mit Hilfe von Titan-Nitrid-Streifen einer Dicke von etwa 3000 Angström und einer Breite der Größenordnung von 0,5 Mikrometer. Einige dieser Tltan-Nitrld-Strelfen endigen am Umfang des Plättchen«, wo äußere Kontakte in Form von StUtzleltern durch einen gesonderten Nlederechlag dicker Goldstreifen erzeugt werden, die die Tltannitrid-Strelfen überdecken und so die Verbindung mit diesen herstellen.

Wenn es gewünscht ist, eine vielschichtige Anordnung mit einer oder men·» reren zusätzlichen darüberliegenden Leitungsmustern zu erzeugen, wird das Gas-Leltungsmuster aus hitzebeständigem Metallnitrid tragende Plättchen In einem geeigneten Ofen unter Sauerstoffumgebung erhitzt. Diese Behandlung führt zur Bildung einer stark haftenden Isolierenden Oxydschicht auf der Oberfläche de· Mttalmitrides, wobei diese Befehlen· tungen im wesentlichen da· Oxyd des jeweils betroffenen hitzebeständigen

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Materials ist. Hierauf folgend kann in zweiter Ebene ein Leitungemuster desselben oder anderer« üblicher leitender Materialien direkt auf der Scheibe erzeugt werden, das das dergestalt isolierte anfängliche Leitungsmuster Überdeckt.

Offensichtlich eignen sich die hier beschriebenen hitzebestfindigen Metallnitride als leitende Schichten nicht nur für Integrierte Schaltungen sondern auch für diskrete Halbleiterbauelemente und auoh für gewisse Dünnschicht!chaltungen. Beispielsweise werden einzelne IGFETs bequemerweise dadurch hergestellt, daß als die Gate-Elektrode eine Tantal-Nitrid-Sohicht mit einer Dicke von mehreren Tausend Angström oberhalb einer dieelektrischen Schicht aus Silioium-Dioxyd und Aluminium-Oxyd benutzt wird, die das Gate-Dteelektrikum bildet. Diese Anordnung kann auch bei integrierten Schaltungeanordnungen von IGFETs, wie diese derxett beispielsweise bei der Hentelhing von Ihformationsspeicher-Schaltungen benutzt werden, Verwendung finden.

Ein hervorstechender Vorteil der IGF ET-Herstellung unter Verwendung eines hitsebestlndigen Metallnitride· für die Gate-Elektrode ist deren Verträglichkeit mit dem Selbstausrichtungsprozefi. Das heifit, die Gate-Elektrode kann hergestellt werden und dann,wegen ihrer Temperaturbe-

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ständlgkeit, können die Source- und Drain-Zonen durch Festkörper-Diffusion unter Verwendung der Gate-Elektrode selber als Bestandteil der Maske erzeugt werden, die den Teil der Vorrichtung definiert, in dem die Source-Zone und die Drain-Zone erzeugt werden. Diese Möglichkeit war bisher auf IGF E T-Anordnungen unter Verwendung von polykristallinem Silicium für die Gate-Elektrode beschränkt.

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Claims

BLUMBACH ■ WESER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN J I O q O Q Q

DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DiPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL. (04121) M 29 43, 541998 MÖNCHEN

PATENTANSPRÜCHE

1J Halbleiterbauelement mit einem wenigstens einen Kontakt aufweisenden Halbleiterkörper, einer passivterenden dieelektrischen Schicht auf der den Kontakt umgebenden Oberfläche und wenigstens einem dünnen leitenden Streifen auf der dieelektrischen Schicht als die von dem Kontakt abgehende Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß da· Material des leitenden Streifens aus den Nitriden von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und Tantal ausgewählt ist.

2* Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafi der leitende Metallnitridstreifen einen elektrisch isolierten Teil auf der Oberfläche der dieelektrischen Schicht besitzt, die die Gate-Elektrode eines IGFET bildet«

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dafi die passivierende dleelektrieche Schicht aus einem

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Material aufgebaut 1st, das aus Slllcium-Dioxyd, Silloium-Nitrid, Aluminium-Oxyd sowie aus Mischungen hiervon ausgewählt ist.

4. Halbleiterbauelement nach einer der Ansprüche 1 bis 3; dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt duroh Platln-Silicld gebildet ist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne leitende Streifen aus Titan-Nitrid zusammengesetzt ist.

6. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einkristallines Silicium ist und daß die passtvierende dieelektrisohe Schicht unterhalb der Gate-Elektrode aus Sillcium-Dioxyd und Aluminium-Oxyd zusammengesetzt ist.

7. Halbletterbauelement nach Anspruch 6 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode aus Tantal-Nitrid aufgebaut ist.

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