DE3627417A1 - Verfahren zum herstellen von niederohmigen verbindungen in der isolationsschicht zwischen zwei metallisierungsebenen - Google Patents
Verfahren zum herstellen von niederohmigen verbindungen in der isolationsschicht zwischen zwei metallisierungsebenenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von
niederohmigen, senkrechte Gräben und/oder Kontaktlöcher
in einer aus Siliziumoxid bestehenden und zwei Metalli
sierungsebenen trennenden Isolationsschicht füllenden
metallischen Verbindungsschichten, wie sie als Verdrah
tungsebenen in hochintegrierten Halbleiterschaltungen
verwendet werden.
Bei der fortschreitenden Miniaturisierung von Halblei
terbauelementen treten bereits Strukturen im Bereich von
1 µm und darunter auf. Bei immer höher werdender Packungs
dichte ist es nötig, die entsprechenden Schaltungen in
mehreren übereinanderliegenden Metallisierungsebenen an
zuordnen. Um zwischen diesen Ebenen an definierten Stel
len elektrische Kontakte herzustellen, sind zwei grund
sätzlich verschiedene Verfahren möglich. Einmal können
diese vertikalen Verbindungen im "Pillar-Verfahren" di
rekt auf die Metallisierungsebenen aufgebracht und an
schließend gegeneinander isoliert werden, oder man iso
liert zunächst und bringt dann erst Kontaktlöcher (sog.
Via-holes) ein, die mit Metall aufgefüllt werden. Wenn
diese Kontaktlöcher nicht exakt justiert sind oder zur
Vereinfachung einen größeren Durchmesser als die Leiter
bahnen der Metallisierungsebenen aufweisen, spricht man
von non nested Vias.
Vertikale Verdrahtungen ohne Kontaktlöcher wurden bis
lang nach zwei Verfahren hergestellt. R.E. Oakley et al
berichten auf der IEEE-VLSI Multilevel Interconnection
Conference 1984 von ihrer Pillarmethode. Dazu werden die
Leiterbahnen der ersten Metallisierungsebene aus drei
Schichten aufgebaut, bevorzugt aus Aluminium-Chrom-Alu
minium. Mit Fotolackmasken werden die gewünschten verti
kalen Verbindungen durch selektives Ätzen herausgebil
det, wobei die mittlere Schicht als Ätzbarriere zum
Schutz der ersten Metallisierungsebene dient. Als ein
ebnende Isolationsschicht wird Polyimid verwendet, wel
ches schließlich bis zum Freilegen der Kontakte rück
geätzt wird. Der Einsatz von Polyimid ist allerdings we
gen dessen hygroskopischer Eigenschaften begrenzt, außer
dem wird die Einebnung von Schicht zu Schicht schlech
ter.
Aus einem Vortrag von L.B. Rothmann et al auf der IEEE-
VLSI Multilevel Interconnection Conference 1985 ist das
Lift-Off-Verfahren bekannt, bei dem die Leiterbahnen mit
Magnesiumoxidkappen versehen werden, die nach ganzflä
chigem Aufbringen und Rückätzen einer Siliziumoxid
schicht selektiv herausgelöst werden können und dabei
die darüberliegende Siliziumoxidschicht mit abheben.
Nachteil dieser Methode ist, daß die Siliziumoxidschicht
in sehr guter Gleichmäßigkeit aufgebracht werden muß,
was fertigungstechnisch sehr schwierig anwendbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur
Herstel
lung von Mehrlagen-Verdrahtungen anzugeben, das
folgende Anforderungen erfüllt:
- 1) Es sollen Verdrahtungen mit Leiterbahnabständen im Sub-µm-Bereich möglich sein;
- 2) Verbindungen zwischen Metallisierungsebenen mit nicht planarer Oberfläche sollen erzeugt werden können;
- 3) das Aufbringen der Isolationsschicht zwischen den Metallisierungsebenen soll lunkerfrei erfolgen,
- 4) von Ebene zu Ebene soll die Topographie besser wer den und gute Kantenbedeckung erreicht werden und
- 5) ein nicht hygroskopisches Dielektrikum soll verwendet werden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
durch die Abfolge der folgenden Verfahrensschritte ge
löst:
- a) Aufbringen einer aus Siliziumoxid bestehenden Isola tionsschicht mit einer die Planarisierung unterstüt zenden Hilfsschicht auf die erste Metallisierungs ebene,
- b) Abtragen dieser Doppelschicht, solange bis die Ober fläche der ersten Metallisierungsebene freigelegt ist,
- c) ganzflächiges Abscheiden einer als Ätzbarriere wir kenden, die niederohmige metallische Verbindung bil denden Schicht und einer weiteren metallischen Schicht,
- d) Strukturierung durch selektives Trockenätzen zunächst der metallisch leitenden Schicht und dann dazu ent sprechend der Barriereschicht,
- e) Aufbringen einer aus Siliziumoxid bestehenden Isola tionsschicht mit einer die Planarisierung unterstüt zenden Hilfsschicht in der gleichen Weise wie bei a) und b) beschrieben und
- f) Erzeugung der zweiten Metallisierungsebene.
Zur Herstellung von niederohmigen Verbindungsschichten
zwischen den Metallisierungsebenen in nicht justierten
Kontaktlöchern liegt es im Rahmen der Erfindung, an
stelle der Verfahrensschritte c), d) und e) wie folgt
vorzugehen:
- 1) Abscheiden einer aus Siliziumoxid bestehenden Isola tionsschicht,
- 2) Trockenätzen von nicht justierten Kontaktlöchern,
- 3) Konforme Abscheidung einer niederohmigen, leitfähigen Schicht bis zur Kontaktlochauffüllung,
- 4) Abtragen dieser Schicht, bis nur noch die Kontakt löcher mit Metall gefüllt sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Im folgenden wird anhand zweier Ausführungsbeispiele und
der Fig. 1 bis 9, die im Schnittbild die erfindungswe
sentlichen Verfahrensschritte darstellen, die Erfindung
noch näher erläutert. Dabei zeigen
die Fig. 1 bis 6 ein Verfahren, bei dem die Verbin
dungsschicht in Form von Zapfen (studs)
hergestellt wird, während in
den Fig. 7 bis 9 die Verbindungsschicht durch Auf
füllen von Viaholes erzeugt wird.
In allen Figuren gelten für gleiche Teile gleiche Be
zugszeichen.
Fig. 1: Auf einem Substrat 1, zum Beispiel einer mit
Bor-Phosphor-Silikatglas beschichteten Oberfläche einer,
eine hochintegrierte Schaltung enthaltenden Silizium
scheibe, sind Leiterbahnen der ersten Metallisierungs
ebene 2, bevorzugt aus Aluminium bestehend, aufgebracht
worden.
Fig. 2: Auf die Leiterbahnen 2 wird eine Siliziumoxid
schicht 3 von ca. 0,7 µm Stärke durch Kathodenzerstäuben
(oder durch chemische Gasphasenabscheidung - LPCVD) auf
getragen und darauf eine 1 µm dicke Schicht von Polyimid
bzw. Lack aufgebracht, die eine geringe Einebnung bis 40%
bewirkt. Anstelle von Polyimid kann für die Schicht 4
auch Spin-on-Glas oder ein Kunststofflack (Photolack)
verwendet werden. Das Schichtdickenverhältnis (Schicht 4
zu 3) wird dabei zwischen 0,5 und 2 eingestellt.
Fig. 3: In einer Magnetronplasmaätzanlage werden die
Schichten 4 und 3 geätzt, bis die Oberfläche der Leiter
bahnen 2 wieder freigelegt ist.
Fig. 4: Durch chemische Gasphasenabscheidung unter redu
ziertem Druck wird zunächst eine als Ätzbarriere dienen
de Schicht 5, zum Beispiel aus Wolfram von 0,2 µm Stärke
ganzflächig aufgebracht und darauf eine aufgestäubte Alu
miniumschicht 6 von 0,5-1 µm. In einer weiteren Ausge
staltung der Erfindung dienen auch Titan und Titannitrid
als Ätzbarriere.
Fig. 5: Mittels einer Photolackmaske wird zunächst die
Schicht 6 in einer Chlorionen enthaltenden Atmosphäre
strukturiert und selektiv dazu anschließend mit Fluor
ionen die Barriereschicht 5. Die Abbildung zeigt die
freigelegten, aus einer Doppelschicht 5 und 6 bestehen
den Leiterbahnen in Form von studs der Verdrahtungs
ebene. Die tiefer liegenden Schichten 2 und 3 bleiben
bei den Ätzprozessen unversehrt.
Fig. 6: Gemäß der bereits in den Fig. 2 und 3 be
schriebenen Verfahrensschritten wird dann eine weitere
aus Siliziumoxid bestehende Isolationsschicht 7 aufge
bracht, zurückgeätzt und schließlich mit einer zweiten
Leiterbahnebene 8 versehen, die wieder aus einer Wolf
ram/Aluminium-Doppelschicht oder aus Aluminium besteht.
Fig. 7 zeigt eine im Anschluß an das von Fig. 3 aufge
zeigte Stadium abgeschiedene Siliziumoxidschicht 9 von
0,5 - 1 µm, in die in einem Trockenätzprozeß zur Durch
kontaktierung nicht justierte Löcher 12 geätzt werden.
Fig. 8: Aus der Gasphase wird chemisch eine konforme
Wolframschicht 10 abgeschieden und solange zurückgeätzt,
bis nur noch die Löcher 12 in der Schicht 9 gefüllt
sind.
Fig. 9: Die zweite Leiterbahnebene 11 aus Aluminium
wird ganzflächig abgeschieden und strukturiert. Für mehr
als zwei Ebenen lassen sich die in den Fig. 7 und 8
beschriebenen Prozesse sinngemäß wiederholen, wobei von
Ebene zu Ebene eine bessere Topographie erreicht wird.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die
Möglichkeit gegeben, integrierte Schaltungen mit sehr
kurzen Signallaufzeiten herzustellen. Außerdem wird eine
weitere Verkleinerung der Schaltkreiseinheit und damit
eine weitere Erhöhung der Packungsdichte erreicht. Vor
allen Dingen aber erlaubt die neue Technologie nieder
ohmige Verbindungen zwischen Metallisierungsebenen mit
nicht planaren Oberflächen.
Claims (15)
1. Verfahren zum Herstellen von niederohmigen, senkrech
te Graben und/oder Kontaktlöcher in einer aus Silizium
oxid bestehenden und zwei Metallisierungsebenen trennen
den Isolationsschicht füllenden metallischen Verbindungs
schichten, wie sie als Verdrahtungsebenen in hochinte
grierten Halbleiterschaltungen verwendet werden, ge
kennzeichnet durch den Ablauf der
folgenden Verfahrensschritte:
- a) Aufbringen einer aus Siliziumoxid bestehenden Isola tionsschicht (3) mit einer die Planarisierung unter stützenden Hilfsschicht (4) auf die erste Metallisie rungsebene (2),
- b) Abtragen dieser Doppelschicht, solange bis die Ober fläche der ersten Metallisierungsebene freigelegt ist,
- c) ganzflächiges Abscheiden einer als Ätzbarriere wir kenden, die niederohmige metallische Verbindung bil denden Schicht (5) und einer weiteren metallischen Schicht (6),
- d) Strukturierung durch selektives Trockenätzen zunächst der metallisch leitenden Schicht (6) und dann dazu entsprechend der Barriereschicht (5),
- e) Aufbringen einer aus Siliziumoxid bestehenden Isola tionsschicht (7) mit einer die Planarisierung unter stützenden Hilfsschicht in der gleichen Weise wie bei a) und b) beschrieben und
- f) Erzeugung der zweiten Metallisierungsebene.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß für die Barriereschicht
(5) Wolfram, Titan oder Titannitrid und für die metal
lisch leitende Schicht (6) Aluminium verwendet wird und
das selektive Trockenätzen nach Verfahrensschritt d) bei
Verwendung von Wolfram, Titan oder Titannitrid als Bar
riereschicht in einer Fluorionen enthaltenden Atmosphäre
und für Aluminium in einer Chlorionen enthaltenden Atmos
phäre durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Schichtdickenver
hältnis der Barriereschicht (5) zur metallisch leitenden
Schicht (6) auf mindestens 1:2 eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Herstellung von
niederohmigen Verbindungsschichten zwischen den Metalli
sierungsebenen in nicht justierten Kontaktlöchern (sog.
non-nested via holes) anstelle der Verfahrensschritte
c), d) und e) folgende Verfahrensschritte durchgeführt
werden:
- 1) Aufbringen einer aus Siliziumoxid bestehenden Isola tionsschicht (9) und Einbringen der nicht justierten Kontaktlöcher (12) durch Trockenätzen,
- 2) konforme Abscheidung der niederohmigen Schicht (10) bis zur Kontaktlochauffüllung und
- 3) Entfernung dieser Schicht auf den Siliziumoxidbe reichen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Hilfs
schicht aus Polyimid gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die
Hilfsschicht aus aufgeschleudertem Glas (spin on glas)
gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Pla
narisierung der Isolationsschichten durch Magnetron-
Plasmaätzen vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die aus
Siliziumoxid bestehende Isolationsschicht durch chemi
sches Abscheiden aus der Gasphase aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die aus
Siliziumoxid bestehende Isolationsschicht (3, 7 und 9)
durch Vorspannungskathodenzerstäuben (Biassputtern) auf
gebracht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß das
Schichtdickenverhältnis der Isolationsschicht (3) zur
Hilfsschicht (4) zwischen 0,2 und 2,0 beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die
niederohmige metallische Schicht (6) aus Wolfram, Titan,
Titannitrid oder Wolframsilizid bzw. Titansilzid besteht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß die Ent
fernung der niederohmigen Schicht (6) in einer Fluor
ionen enthaltenden Atmosphäre vorgenommen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß auf die
niederohmige Schicht (6) eine weitere Hilfsschicht
aufgetragen wird, die die Planarisierung beim Entfernen
dieser Schicht unterstützt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Hilfsschicht aus
Polyimid besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Hilfsschicht aus auf
geschleudertem Glas (Spin on Glas) besteht.
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JPS6346751A (ja) | 1988-02-27 |
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