DE3346239C2

DE3346239C2 -

Info

Publication number: DE3346239C2
Application number: DE3346239A
Authority: DE
Inventors: Jiro Kawasaki Jp Ohshima; Masahiro Yokohama Jp Abe; Yutaka Yokosuka Kanagawa Jp Koshino
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-12-21
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1989-10-12
Also published as: US4502207A; DE3346239A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einer Beschaltungsschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Her stellungsverfahren sind bereits aus der DE 30 33 513 A1 bekannt.

Bei der bekannten Vorrichtung wird Aluminium oder eine Legierung von Aluminium und Silizium bzw. von Alumi nium, Silizium und Kupfer als Material für die Beschal tungsschicht der Halbleitervorrichtung verwendet. Der Silizium-Nitrid-Passivierungsfilm - im folgenden auch SiN-Film genannt - wird mittels eines Plasma-CVD-Ver fahrens auf der mit einem Muster versehenen Beschaltungsschicht gebildet. Der SiN- Film verhindert externe Verunreinigungen und kann bei niedrigen Temperaturen gebildet werden; ein solcher SiN-Film hat eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine gute Stufenabdeckung.

Aus der DE 30 33 513 A1 ist es ebenfalls bekannt, daß es bei einer Struktur, bei der ein Nitridfilm unterhalb einer Beschaltungsschicht aus einer Al-Legierung an geordnet ist, nach mehrstündigem Tempern bei 500°C zu einer erheblichen Diffusion der Beschaltungsschicht in den Nitridfilm kommt. Als Abhilfe dient die Oxidation der Oberfläche des Nitridfilms.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Besagtes Problem tritt z. B. auf, wenn eine Temperung bei einer Struktur, wie sie in Fig. 1 vorliegt, ausgeführt wird: Eine untere Beschal tungsschicht 2 wird auf einem Substrat 1 gebildet; eine obere Beschaltungsschicht 3 wird auf der unteren Be schaltungsschicht 2 unter Zwischenschaltung einer Isolationsschicht 3 gebildet, so daß die obere Beschal tungsschicht 3 die untere Beschaltungsschicht 2 kreuzt. Ein SiN-Film 4 ist auf der oberen Beschaltungsschicht durch Plasma-CVD gebildet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, werden schmale bzw. verengte Bereiche 5 an den Stufen der oberen Beschaltungsschicht im Bereich der Kreuzung zwischen der oberen und unteren Beschaltungs schicht 3 und 2 gebildet. Die Anzahl der verengten Bereiche nimmt beim Tempern bei einer Temperatur von 500°C bei einer Dauer von ungefähr 10 Minuten zu. Daher sind die Temperungsbedingungen bei der Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung besonders stark limitiert.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem tritt aufgrund der thermischen Spannung auf, die durch eine Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffi zienten des Silizium-Nitridfilms und der Beschaltungs schicht verursacht wird. Die Spannung könnte durch Vermehren des Siliziumgehaltes in dem Silizium-Nitrid film verringert werden. In diesem Fall würden jedoch die elektrischen Charakteristika des Silizium-Nitrid films als dem Passivierungsfilm verschlechtert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halb leitervorrichtung zu schaffen, die eine Beschaltungs schicht mit Aluminium als Hauptkomponente, und einen darauf ausgebildeten Passivierungsfilm aus Silizium- Nitrid aufweist, bei der beim Tempern keine störenden thermischen Spannungen zwischen der Beschaltungsschicht und dem Passivierungsfilm auftreten.

Diese Aufgabe wird mittels der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Halbleiter vorrichtung nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben sind den Ansprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.

Die Fig. 1 und 2 dienen der Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems, die Fig. 3 und 4, die im folgenden im einzelnen beschrie ben werden, der Erläuterung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Halbleiter vorrichtung mit einer Beschaltungsschicht und einem Passivierungsfilm,

Fig. 2 eine Planansicht des Halbleiterbau elements nach Fig. 1, und

Fig. 3 und 4 graphische Darstellungen zur Veran schaulichung der Charakteristika einer Beschaltungsschicht gemäß der vorliegen den Erfindung.

Wenn eine Aluminium-Beschaltungsschicht unter Verwen dung von Silizium und Bor legiert wird, ist der gesamte Gehalt von Silizium (Si) und Bor (B) vorzugsweise ge ringer als 10%.

Das Verhältnis von Bor zu Silizium liegt zwischen 1 : 10 und 1 : 2, vorzugsweise zwischen 2 : 9 und 4 : 9 (ungefähr 1 : 3). Wenn das Verhältnis von B zu Si innerhalb des obengenannten Bereiches fällt, dient B dazu, AlB₂ zu produzieren und Si trägt dazu bei, einen eutektischen Kristall aus Al und Si zu bilden. AlB₂ und der eutek tische Kristall arbeiten derart zusammen, daß die Selbst-Diffusion der Beschaltungsschicht verhindert wird. Folglich treten die in der Fig. 2 dargestellten verengten Bereiche 5 nicht auf, sogar dann nicht, wenn eine Temperung während des Herstellungsprozesses der Halbleitervorrichtung ausgeführt wird.

Die Herstellung der Beschaltungsschicht erfolgt vor zugsweise dadurch, daß zunächst eine Al-Beschaltungs schicht oder eine Al + Si-Beschaltungsschicht aufgebracht wird und daß B oder eine Mischung aus B und Si in die vorbereitete Beschaltungsschicht ionenimplantiert wird. Die Beschaltungsschicht kann auch hergestellt werden, indem eine Legierung aus Si, B und Al verwendet wird. Diese Legierung wird zerstäubt, um die resultierende Beschaltungsschicht zu erhalten.

Die Beschaltungsschicht, die Al als ihre Hauptkompo nente aufweist, kann zusätzlich 0,3% bis 3% Kupfer enthalten. Das Kupfer dient zur Schaffung eines Korro sionsverhütungseffektes.

Beispiel 1

Es wird nun ein Beispiel beschrieben, in dem eine Al-Cu-Si-B-Legierung als eine Oberflächenschicht der Beschaltungsschicht gebildet wird.

Ein Isolierungsfilm wurde auf einem Substrat gebildet, das ein vorgegebenes Halbleiterelement aufweist. Außer dem wurden Kontaktlöcher in dem Isolierungsfilm gebil det. Eine Al-Cu-(2,0%)-Si(1,5%)-Legierung wurde auf dem Isolationsmuster durch Aufstäuben aufgebracht, um so eine Legierungsschicht zu bilden, die eine Dicke von 1,0 µm aufweist. B⁺-Ionen wurden in die Oberfläche der Legierungsschicht mit einer Beschleunigungsspannung von 40 kV und einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^-2 implan tiert. Außerdem wurden Si⁺-Ionen bis zu einer Tiefe von 100 bis 200 nm bei einer Beschleunigungsspannung von 50 kV und einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^-2 implan tiert. Danach wurde die Legierungsschicht gemustert, um ein Beschaltungsmuster zu bilden, welches eine Breite von 5 µm aufweist. Außerdem wurde ein SiN-Film durch Plasma-CVD gebildet.

Die resultierende Struktur (Beispiel A) wurde in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 500°C getempert bzw. wärmebehandelt, um auf diese Weise die Anzahl der verengten Bereiche je 640 µm Leiterbahnlänge als eine Funktion der Temperungs- oder Glühzeit zu prüfen. Das Resultat ist durch die Linie A in Fig. 3 dargestellt.

Ein ähnliches Beschaltungsmuster wurde bei Verwendung einer Al-Cu(2,0%)-Si(2,0%)-Legierung gebildet. Es wurde der gleiche SiN-Film durch Plasma-CVD auf dem Beschal tungsmuster gebildet, um auf diese Weise ein Muster B als Vergleichsbeispiel vorzubereiten. Si⁺-Ionen wur den in eine Al-Cu(2,0%)-Si(2,0%)-Legierungsschicht mit einer Beschleunigungsspannung von 50 kV und einer Dosis von 1 × 10¹⁶ cm^-2 bis in eine Tiefe von 100 bis 200 nm implantiert. So wurde ein ähnliches Beschal tungsmuster gebildet und der gleiche SiN-Film durch Plasma-CVD darauf gebildet und so das Muster C als Vergleichsbeispiel hergestellt. Die Charakteristika der Muster B und C sind jeweils durch die Linien B und C in Fig. 3 dargestellt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, treten beim Muster A (Linie A) die verengten Bereiche nicht auf, sogar dann nicht, wenn das Muster A bei einer Temperatur von 500°C für eine Stunde temperiert bzw. geglüht wird. Selbst wenn sogar die Temperierungszeit auf vier Stunden ausgedehnt wird, wird nur ein Verengungsbereich festgestellt. In den Vergleichsbeispielen B und C treten jedoch viele Verengungsbereiche innerhalb von Zeitperioden von 10 Minuten Dauer auf. Bei den Mustern B und C wurden nach vier Stunden jeweils 28 und 8 Verengungsbereiche fest gestellt.

Wenn in einer einheitlichen geradlinigen Musterlänge von 640 µm des Musters A kein verengter Bereich gefun den wird, kann das Problem des Bildens der verengten Bereiche als an sich eliminiert angesehen werden. Das Glühen bzw. Temperieren bei einer Temperatur von 500°C für eine Stunde in einer Atmosphäre von N₂-Gas wird als ein praktisch beschleunigter Test vom Standpunkt der Herstellung der Halbleitervorrichtungen angesehen. Eine Halbleitervorrichtung, die diesem Test unterworfen wird und die keinen eingeengten Bereich aufweist, kann als ein zufriedenstellendes Produkt angesehen werden.

Fig. 3 ist eine Graphik, die die Resultate zeigt, wenn das Vorhandensein von eingeengten Bereichen bei einer Musterweite von 5 µm geprüft wird. Eine solche Prüfung wurde für verschiedene Musterweiten in dem Bereich zwischen 2 µm und 13 µm ausgeführt, um so den Anteil von nicht defekten Halbleitervorrichtungen zu bestim men, deren Ergebnisse in Fig. 4 dargestellt sind.

Es ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß der Anteil der nicht defekten Halbleitervorrichtungen gemäß Kurve B′ bei Verwendung der Al-Cu-Si-Legierung nach Muster B und gemäß Kurve C′ für die Struktur nach Muster C, die durch Ionen-Implantation von Si in die Al-Cu-Si-Le gierung erhalten wird, stark abnimmt, wenn die Mikro musterweite auf 2 µm festgelegt wird. Entsprechend der Kurve A′ bei Verwendung der Cu-Si-B-Legierung nach Muster A bleibt jedoch gemäß der vorliegnden Erfindung der Anteil von nicht defekten Halbleitervorrichtungen groß, sogar dann, wenn die Musterweite auf 2 µm fest gesetzt wird. Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung besonders effektiv und vorteilhaft hinsicht lich einer Beschaltungstechnik für VLSI Architekturen.

Beispiel 2

Ein vorgegebenes Halbleiterbauelement wurde auf einem Halbleitersubstrat gebildet und ein Isolationsfilm darauf gebracht. Nachdem der Isolationsfilm zur Bildung von Kontaktlöchern gemustert wurde, wurde eine Vier- Element-Legierungsschicht durch Aufstäuben in einer Dicke von 1,0 µm gebildet bei Verwendung von Cu(2,0%)-Si(1,5%)-B(0,5%)-Al(Gleichgewicht) als Quelle, um die gesamte Oberfläche zu überdecken. Der Beschaltungsschichtfilm wurde dann gemustert, um ein Beschaltungsmuster zu erhalten, welches eine Weite von 5 µm aufweist. Der CVD-SiN-Film wurde dann auf dem Beschaltungsmuster in der gleichen Weise wie beim Bei spiel 1 bis zu einer Dicke von 1,0 µm gebildet. Sodann wurde die gleiche Temperung bzw. Erhitzung wie im Beispiel 1 ausgeführt. Die resultierende Struktur schafft im wesentlichen die gleiche Wirkung wie beim Muster A.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wurde eine Ionen-Implantation in eine Oberflächenschicht einer Al-Beschaltungsschicht ausgeführt, um so eine Al-B-Si-Legierung zu bilden.

Ein bevorzugtes Halbleiterelement, ein Isolationsfilm und Kontaktlöcher wurden nacheinander auf einem Halb leitersubstrat gebildet. Aluminium wurde dann auf die resultierende Struktur bis zu einer Dicke von 1,0 µm aufgestäubt.

B⁺-Ionen wurden dann in die Legierungsschicht mit einer Beschleunigungsspannung von 40 kV und einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^-2 implantiert. Sodann wurden Si⁺- Ionen in die Legierungsschicht mit einer Beschleuni gungsspannung von 50 kV und einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^-2 bis in eine Tiefe von 100 bis 200 nm ionenimplantiert. Danach wurde ein Beschaltungsmuster mit einer Weite von 5 µm gebildet und ein Plasma-CVD- SiN-Film darauf gebildet.

Die resultierende Struktur wurde dann in einer Stick stoffatmosphäre bei einer Temperatur von 500°C ge sintert, um auf diese Weise die Anzahl der verengten Bereiche je 640 µm Leiterbahnlänge als Funktion der Sinterzeit zu prüfen. Es wurde so eine Kurve erhalten, die im wesentlichen gleich der Kurve A in Fig. 3 ist.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wurde eine Al-B-Si-Legierung durch Ionenimplantation in eine Oberflächenschicht der Al-Si- Beschaltungsschicht gebildet.

Eine Al-Si(0,8-5%)-Legierung wurde durch Aufstäuben auf ein Halbleitersubstrat bis zu einer Dicke von 1,0 µm gebildet. Danach wurden B⁺-Ionen in die Ober fläche der Legierungsschicht mit einer Beschleunigungs spannung von 40 kV und einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^-2 bis in eine Tiefe von100 bis 200 nm implantiert. Danach wurde ein Beschaltungsmuster von einer Weite von 5 µm gebildet und darauf ein Plasma-CVD-SiN-Film gebil det.

Die resultierende Struktur wurde dann in eine Stick stoffatmosphäre bei einer Temperatur von 500°C ge sintert, um so die Anzahl der verengten Bereiche je 640 µm Leiterbahnlänge in Abhängigkeit der Sinterzeit zu prüfen. Es wurde eine Kurve erhalten, die im wesent lichen gleich der Kurve A in Fig. 3 ist.

Beispiel 5

Beispiel 5 ist im wesentlichen das gleiche Beispiel wie Beispiel 3 mit der Ausnahme, daß eine Legierungsschicht mit einer Dicke von 1,0 µm durch Aufstäuben gebildet wurde unter Verwendung einer Al-Cu(2,0%)-Legierung anstelle von Aluminium. Insbesondere wurden B⁺-Ionen und Si⁺-Ionen unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 3 implantiert und ein Plasma-CVD-SiN-Film auf dem resultierenden Beschaltungsmuster gebildet. Die resultierende Struktur wurde in derselben Weise wie in Beispiel 3 geprüft, um so die Anzahl der verengten Bereiche je 640 µm Leiterbahnlänge als Funktion der Sinterzeit zu erhalten. Es wurde eine Kurve erhalten, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Kurve A in Fig. 3.

Beispiel 6

Beispiel 6 ist im wesentlichen das gleiche Beispiel wie Beispiel 4 mit der Ausnahme, daß eine Legierungsschicht von einer Dicke von 1,0 µm durch Aufstäuben gebildet wurde unter Verwendung der Legierung Al-Si(0,8-5%)-Cu(2%) auf einem Halbleitersubstrat. B⁺-Ionen wurden unter denselben Bedingungen wie in Fig. 4 implantiert. Sodann wurde ein Plasma-CVD-SiN- Film auf dem resultierenden Beschaltungsmuster gebil det. Die resultierende Struktur wurde in derselben Weise wie in Beispiel 4 geprüft, um so die Anzahl der verengten Bereiche je Einheit Länge von 640 µm als Funktion der Sinterzeit zu erhalten. Es wurde eine Kurve erhalten, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Kurve A in Fig. 3.

Claims

1. Halbleitervorrichtung

- mit einem Halbleitersubstrat (1),
- mit wenigstens einer Beschaltungsschicht (3), welche Aluminium als Hauptkomponente enthält und auf dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist, und
- mit einem Passivierungsfilm (4) aus Silizium- Nitrid, welcher auf der wenigstens einen Beschaltungsschicht (3) ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaltungsschicht (3) zumindest in einer Schicht an ihrer Oberfläche mit Bor und Silizium legiert ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaltungsschicht (3) zumindest in der Schicht an ihrer Oberfläche zusätzlich mit Kupfer legiert ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Ausbilden einer Beschaltungsschicht (3) mit Aluminium als Hauptkomponente auf einem Halb leitersubstrat (1),
b) Ausbilden eines Films aus Silizium-Nitrid (4) als Passivierungsfilm auf der Oberfläche der Beschaltungsschicht (3),

dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbilden der Beschaltungsschicht (3) als weitere Verfahrensschritte eine

c) Ionenimplantation von Bor oder einer Mischung aus Bor und Silizium in zumindest eine Schicht an der Oberfläche der Beschaltungsschicht (3) sowie ein Legieren zum Ausbilden einer Legierungsschicht die Aluminium, Bor und Silizium enthält, durchgeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaltungsschicht (3) im Verfahrensschritt a) einen anfänglichen Gehalt von Kupfer zwischen 0,3 und 3 Prozent aufweist.