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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Halbleiteranordnung mit einem planaren Mehrpegelverbindungssystem, das durch einmaliges oder
mehrmaliges Ausführen folgender Schritte durchgeführt wird: die Erzeugung einer
elektrisch isolierenden Schicht mit einer weitgehend planaren oberen Fläche mit
Öffnungen, die Erzeugung einer elektrisch leitenden planarisierenden Schicht mit einer
weitgehend planaren oberen Fläche auf der Isolierschicht und in den Öffnungen, das
Entfernen einer Schicht von etwa konstanter Dicke des Materials der leitenden
planarisierenden Schicht auf derartige Weise, daß die unterliegende elektrisch isolierende
Schicht nicht mehr durch das Material bedeckt wird und nur Teile der leitenden
planarisierenden Schicht in den Öffnungen zurückbleiben.
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Die Mehrzahl elektrischer Verbindungssysteme bei Verwendung in
integrierten Halbleiterschaltungen ist nicht planar. Der Grad der Nichtplanarität
vergrößert sich mit der Anzahl verbundener Pegel. Ein Nachteil nicht planarer Systeme
ist, daß unerwünschte offene Stromkreise durch Mängel in der Metallstufenbedeckung
entstehen können. Auf ähnliche Weise können schwache Bereiche in der
Isolatorstufenbedeckung zu Kurzschlüssen zwischen verschiedenen Verbindungspegeln führen.
Photolithographische und Ätzschwierigkeiten bei der Schaffung schmaler
Leitverbindungen auf rohen Oberflächen bedeuten eine starke Beschränkung der Dichte
elektronischer Elemente. Ein planares Verbindungssystem beseitigt diese Probleme
weitgehend. Ein verhältnismäßig einfaches Verfahren zum Herstellen eines planaren
Systems ist besonders erwünscht.
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In der britischen Patentschrift 1 286 737 ist eine Technik zum Herstellen
eines planaren Mehrpegelverbindungssystems beschrieben. In Fig. 1 ist das
Ausgangsmaterial in der britischen Patentschrift 1 286 737 ein Halbleiterkörper 10, der an eine
Isolierschicht 11 mit einer planaren oberen Fläche grenzt. Durch die Schicht 11 ist eine
Anzahl von Öffnungen eingeätzt. Zum Ausfüllen der Öffnungen wird eine Metallschicht
auf dem Isolator 11 abgeschieden. Die Metallschicht wird dabei derart geätzt, daß
Metall zwar die Öffnungen füllt, jedoch nicht daraus heraustritt. Die Bezugsziffer 12
bezeichnet einen der Anteile des zurückbleibenden Metalls.
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Eine weitere Isolierschicht 13 mit einer planaren oberen Fläche wird auf
der vom Isolator 11 und vom Metallanteil 12 gebildeten koplanaren Schicht
niedergeschlagen. Auf selektive Weise werden durch die Schicht 13 Öffnungen eingeätzt. Eine
Metallschicht wird abgeschieden und genauso wie die vorige Metallschicht geätzt. Die
Anteile des zurückbleibenden Metalls mit der Bezugsziffer 14 sind mit dem Isolator 13
koplanar. Diese Schritte werden zum Erzeugen einer dritten Planarschicht wiederholt,
die aus einer Isolierschicht 15 und einem Metallanteil 16 besteht, der eine vierte
Planarschicht folgt, die aus einer Isolierschicht 17 und einem Metallanteil 18 besteht.
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Die metallgefüllten Öffnungen in den Schichten 11, 13, 15 und 17 können
Durchgänge oder Rillen sein. Hier bedeutet ein "Durchgang" ein Lech (mit einer
Kontaktöffnung), dessen Lage und Breite ungefähr gleich sind. Eine "Rille" besitzt
eine viel größere Länge als Breite. Wenn beispielsweise jede Öffnung in der Schicht 11
ein Durchgang ist, während jede Öffnung in der Schicht 13 eine Rille ist, bilden die
Metallanteile 12 und 14 einen ersten Verbindungspegel. Auf gleiche Weise bilden die
Metallanteile 16 und 18 einen zweiten Verbindungspegel.
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Das Verbindungssystem nach Fig. 1 ist außerordentlich vorteilhaft. Jedoch
wird in der britischen Patentschrift 1 286 737 keine Beschreibung der besonderen
Einzelheiten der Metallablagerung/Ätzschritte gegeben, die es möglich machen, daß jede
der zusammengesetzten Metall/Isolierschichten planar ist.
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Rothman, "Process For Forming Metal Interconnection System with a
Planar Surface," J. Electrochem. Soc.: SOLID-STATE SCI. & TECH., Mai 1983, S.
1131 . . . 1136, beschreibt Abhebetechniken zum Ablagern einer Muminiumlegierung in
Hohlräumen in einer Isolierschicht zum Erzeugen einer zusammengesetzten Schicht mit
einer planaren oberen Flache. Diese Abhebetechniken liefern eine verhältnismäßig gute
Planarität, jedoch umfassen sie eine Vielzahl komplizierter und schwieriger
Verfahrensschritte. Dies beschränkt ihren Nutzen.
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Chemische Minusdruck-Dampfphasenbeschichtung (LPCVD) von
Aluminium ist eine interessante Technik. In Levy et al, "Characterization of LPCVD
Aluminum for VLSI Procersing," J. Electrochem. Soc.: SOLID-STATE SCI. &
TECHN., September 1984, S. 2175 . . . 2182, wurde LPCVD-Aluminium aus einer
Triisobutylaluminiumquelle zur Erzeugung einer Aluminiumschicht auf einem
Dielektrikum mit einer Rohflächentopographie benutzt. Die obere Fläche der
Aluminiumschicht war weitgehend planar. Ein Nachteil dieser Technik ist, daß
Triisobutylaluminium sehr sorgfältig behandelt werden muß.
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Aluminium ist bei Verbindungen das vorwiegend verwendete Metall.
Jedoch ist der Ionenwanderungswiderstand von Aluminium in reiner Form oder in
Legierungen mit geringen Mengen von Kupfer und/oder Silizium verhältnismäßig
niedrig. Zusätzlich interdiffundiert Aluminium gut mit Silizium. Die daraus entstehende
Herabsetzung der Silizium/Aluminium-Übergänge führt zu unerwünscht raschen
Fehlbetrieb der Anordnung. Es ist nicht klar, ob reines Aluminium oder herkömmliche
Aluminiumlegierungen die Leistungsanforderungen für bindende künftige Anwendungen
erfüllen können.
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Ein viel versprechender Verbindungskandidat ist Wolfram, dessen
Ionenwanderungswiderstand viel höher ist als der des Aluminiums. Wolfram hat einen
ziemlich niedrigen spezifischen Widerstand, eine hohe Reaktionstemperatur mit
Silizium, eine hohe Aktivierungsenergie und eine hohe Schmelztemperatur. Zusätzlich
wirkt Wolfram als Diffusionsbarriere für Silizium und kann mit nassen Chemikalien
oder Plasmen gut geätzt werden.
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Ein herkömmliches Verfahren zum Abscheiden von Wolfram geschieht
mit LPCVD, bei dem Wolfram durch Wasserstoffreduktion von Wolframhexafluorid
geliefert wird. Das Abscheiden kann sehr selektiv erfolgen, so daß Wolfram auf
bestimmten Leitern und Halbleitern besser als auf Isolatoren Keime bildet. Siehe
Broadbent et al, "seiective Low Pressure Chemical Vapor Deposition of Tungsten," J.
Electrochem. Soc.: SOUD-STATE SCI. & TECH., Juni 1984, S. 1427 . . . 1433. Siehe
weiter Saraswat et al, "Selective CVD of Tungsten for VI-SI Technology," Procs. 2nd
Int'l Symp. VLSI Sci. & Tech,. Vol. 84-7, 1984, S. 409 . . . 419.
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Smith, "CVD Tungsten Contact Plugs by In Situ Deposition and
Etchback", Procs. 2nd Int'l IEEE VLSI Multilev. Intercon. Conf., 25-26. Juni 1985, S.
350 . . . 356, beschreibt die Verwendung von nicht selektiv abgeschiedenem Wolfram für
Durchgangsfüllung. In Fig. 2a . . . 2c sind diese Verfahrensschritte dargestellt. In Fig. 2a
fing Smith mit einem monokristallinen Siliziumsubstrat 20 an, das an eine Schicht 21
aus Siliziumdioxid mit einer planaren oberen Fläche grenzte. Ein Durchgang 22 mit
nahezu vertikalen Seitenwänden wurde durch die Schicht 21 hindurchgeätzt. Das
Geometrieverhältnis - - d. h. die Durchgangsbreite (oder Durchmesser) geteilt durch die
Durchgangstiefe -- lag zwischen 1,2 und 0,3.
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Zur Forderung der Adhäsion unter gleichzeitigem Vermeiden der
selektiven Abscheidungseigenschaften von Wolfram wurde eine dünne
Wolframsilicidschicht 23 auf der Struktur abgeschieden. Eine viel dickere Schicht 24 aus Wolfram mit
einem geringen Siliziumprozentsatz wurde auf der Schicht 23 abgeschieden. Beide
Abscheidungen wurden im LPCVD-Verfahren unter Verwendung eines Dampfes
bestehend aus WF&sub6;, H&sub2; und SiH&sub4; durchgeführt, in dem das Verhältnis des Wolframs zu
Silizium in jeder der Schichten 23 und 24 durch Einstellung der
WF&sub6;-Durchflußgeschwindigkeit gesteuert wurde. Die obere Fläche der Schicht 24 war nahezu planar, wie
in Fig. 2b angegeben. Jedoch entstand ein Hohlraum 25 in der Schicht 24 an der Stelle
des Durchgangs 22 bei allen untersuchten Geometrieverhältnissen. Angenommen wird,
daß der Hohlraum 25 dadurch erzeugt wurde, daß durch Silan (SiH&sub4;) der Wasserstoff
das Wolframhexafluorid im Dampfbereich weg von den Abscheidungsoberflächen
reduzierte. Dabei akkumulierte das Wolfram bei einer niedrigeren Geschwindigkeit in
den fetter schraffierten Bereichen im Durchgang 22.
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Zum Entfernen des Materials der Schichten 23 und 24 hinunter auf die
obere Fläche des Isolators 21 nach Fig. 2c wurde eine Plasmaätzung durchgeführt. Die
Bezugsziffern 23' bzw. 24' bezeichnen die zurückbleibenden Anteile der Schichten 23
und 24. Der Hohlraum 25 öffnete sich zu einem Schlitz 25' an der Oberseite des W-
Anteils 24'. Wegen der Schwierigkeiten, die beim Anbringen einer Stufenbedeckung auf
dem Schlitz 25' entstehen, ist der Hohlraum an dieser Stelle unerwünscht.
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Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer
hochplanaren elektrischen Verbindungsstruktur unter Verwendung isotropischer
Abscheidung eines leitenden Materials wie z. B. Wolfram in Füllungsöffnungen im
Isoliermaterial. "Isotropisches Abscheiden" bedeutet, daß das abgeschiedene Material
sich im wesentlichen bei derselben Geschwindigkeit auf den Abscheidungsoberflächen
ungeachtet ihrer Orientierungen und Stellen ansammelt. Die Verbindungsöffnungen in
der vorliegenden Struktur besitzen typisch nahezu vertikale Seitenwände und können
ganz schmal sein -- d. h. 1 um oder weniger in der Breite oder im Durchmesser. Durch
die isotropische Art der Abscheidung ist das leitende Material in den Öffnungen
normalerweise frei von Hohlräumen. Dies trifft sogar zu, wenn das Geometrieverhältnis
bedeutend weniger als 1 ist -- d. h. beispielsweise 0,3. Da die Verbindungsstruktur
planar ist, eignet sie sich besonders für Halbleiteranwendungen mit hoher Dichte.
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Der Ausgangspunkt für die Erfindung ist eine Unterstruktur, die
beispielsweise ein Halbleiterkörper mit mehreren dotierten Gebieten sein könnte. Eine
Isolierschicht mit einer weitgehend planaren oberen Fläche wird auf der Unterstruktur erzeugt.
Eine Gruppe von Öffnungen wird durch die Isolierschicht hindurch hinunter auf die
Unterstruktur eingeätzt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Hauptanspruch 1 angegeben und
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung der planarisierenden Schicht
folgende Operationen umfaßt Abscheiden einer elektrisch leitenden unteren Schicht auf
der Isolierschicht und in den Öffnungen, wobei die untere Schicht aus einer ersten
Unterschicht besteht, die an der Isolierschicht und an dem durch die Öffnungen
angebrachten Material haftet, anschließend das Abscheiden einer zweiten Unterschicht,
die an der ersten Unterschicht haftet und als Keimbildungsfläche für das spezifizierte
Material dient, das isotropische Abscheiden einer ausreichenden Menge eines
spezifizierten Materials von einer Materialart in einem Dampf durch eine
oberflächengesteuerte chemische Reaktion in unmittelbarer Nähe der Stelle, an der sich das Material
ablagert. Da die chemische Reaktion zum Befreien des spezifizierten Materials von der
gasförmigen Materialart auf den Abscheidungsflächen oder kurz in der Nähe dieser
Flächen auftritt, lagert sich das Material auf einheitliche Weise zum Ausfüllen der
Öffnungen ab. Das Ergebnis ist, daß nach der Abscheidung einer ausreichenden Menge
des spezifizierten Materials die obere Fläche der oberen Schicht weitgehend planar
wird.
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Als erste Unterschicht kann eine Titanschicht verwendet werden, die sehr
gut an Silizium und an Siliziumoxid haftet. Da Titan keine gute Keimbildungsfläche
beispielsweise für W darstellt, wird eine zweite Unterschicht z. B. durch
Zerstäubungsabscheidung auf einer dünnen W-Schicht erzeugt.
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Das spezifizierte Material ist vorzugsweise Wolfram, das durch
Wasserstoffreduktion aus Wolframhexafluorid erhalten wird. Der das Wolframhexafluorid
tragende Dampf ist silanfrei. Dies ist der isotropischen Art der Abscheidung
zuzuschreiben. Die Verwendung von Wolfram auf diese Weise führt zu einem großen
Vorteil vor dem Stand der Technik. Es zeigen
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Fig. 1 eine strukturelle Querschnittsansicht eines Verbindungssystems
nach der Stand der Technik,
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Fig. 2a, 2b und 2c strukturelle Querschnittsansichten, die Schritte in
einem bekannten Verfahren zum Abscheiden von Wolfram in einem Durchgang
darstellen,
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Fig. 3a, 3b, 3c, 3d, 3c, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j, 3k, 3l, 3m und 3n strukturelle
Querschnittsansichten, die Schritte in der Herstellung eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems darstellen,
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Fig. 4 eine Draufsicht auf die Struktur nach Fig. 3b, die die Ebene 3b -
3b durchsetzt,
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Fig. 5a, 5b, 5c, 5d, 5e strukturelle Querschnittsansichten, die bevorzugte
Schritte darstellen, die von der Struktur nach Fig. 3b nach der Struktur der Fig. 3c
führen,
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Fig. 6 eine Draufsicht auf die Struktur nach Fig. 3f, die die Ebene 3f - 3f
durchsetzt,
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Fig. 7 eine strukturelle Querschnittsansicht eines alternativen Verfahrens
zum Fertigstellen der Struktur nach Fig. 3j,
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Fig. 8a und 8b strukturelle Querschnittsansichten, die eine alternative
Gruppe von Schritten zur Vervollständigung der Struktur nach Fig. 3k darstellen.
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Zur vereinfachten Darstellung der Erfindung wird in Fig. 4 und 6 die
Schraffierung der Querschnittsansichten benutzt, selbst wenn Fig. 4 und 6 keine
Querschnittsansichten sind.
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Gleich Bezugssymbole werden in der Zeichnung und in der Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele zur Darstellung derselben oder sehr ähnlichen
Bauteile verwendet.
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In Fig. 3a . . . 3n sind die Schritte zum Herstellen eines weitgehend planaren
elektrischen Zweipegelverbindungssystems für eine Halbleiteranordnung dargestellt. Für
ein besseres Verständnis ohne Einschränkung der Erfindung sei eine Oberfläche mit
einer Rauheit von nicht mehr als 0,2 um allgemein mit "weitgehend planar" bezeichnet.
In nachstehender Herstellungsbesehreibung bedeutet die Bezeichnung einer planaren
Oberfläche (oder eines anderen Bauteils), daß sie bzw. er weitgehend planar ist.
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(Nicht in der Zeichnung) dargestellte Photoresistmasken werden
entsprechend herkömmlicher photolithographischer Techniken erzeugt. Öffnungen, seien
sie Durchgänge oder Rillen, durch eine Schicht aus Siliziumdioxid werden durch
Erzeugung einer geeignet gemusterten Photoresistmaske auf der Oxidschicht und
anschließend durch Ätzen mit einem Plasma geschaffen, das auf einem fluorinhaltigen
Gas wie Freon basiert. Reinigungsschritte und weitere derartige Standardoperationen
werden zur Kürzung der Beschreibung hier nicht beschrieben.
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Das Geometrieverhältnis für eine Öffnung durch eine Materialschicht ist
die laterale Mindestabmessung der Öffnung auf ihrer halben Tiefe geteilt durch die
Tiefe. Die "auf ihrer halben Tiefe"-Begrenzung entfällt, wenn die Öffnung nahezu
vertikale Seitenwände besitzt. Für eine Rille mit vertikalen Seitenwänden ist das
Geometrieverhältnis die Rillenweite geteilt durch die Tiefe, da die Breite die laterale
Mindestabmessung ist. Auf ähnliche Weise ist das Geometrieverhältnis für einen
kreisförmigen Durchgang mit vertikalen Seitenwänden der Durchgangsmesser geteilt
durch die Tiefe, sofern die Durchgangsbreite der Durchmesser für einen kreisförmigen
Durchgang ist.
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Das Ausgangsmaterial ist eine Scheibe, die aus einem Körper 30 erzeugt
ist, der aus einem monokristallinen Siliziumhalbleitersubstrat vom p-Typ oder vom n-
Typ oder aus einem derartigen Substrat mit einer darauf gezüchteten Epitaxialschicht.
Verschiedene n- und p-Gebiete sind im monokristallinen Silizium vorhanden. Der
Körper 30 kann auch eine Verbindungsschicht eines dotierten polykristallinen Siliziums
haben, das das Substrat oder die Epitaxialschicht über Durchgänge in einer
Siliziumdioxidschicht kontaktiert. Die Einzelheiten des Körpers 30 sind in der Zeichnung nicht
dargestellt. Jedoch ist seine obere Fläche typisch nicht planar, wie beispielsweise mit
den Stufen an der Oberseite des Körpers 30 in Fig. 3a angegeben ist.
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Eine erste Isolierschicht 31 aus Siliziumdioxid mit einer planaren oberen
Fläche wird auf der oberen Fläche des Körpers 30 erzeugt. Dies erfolgt typisch durch
Abscheiden von Siliziumdioxid auf dem Körper 30 durch die Erzeugung einer Schicht
von belichtetem Photoresist auf dem Oxid, durch Ausfließen des Photoresists so, daß
ihre obere Fläche planar wird und anschließend das Entfernen der Photoresistschicht mit
einem Plasma, das den Photoresist und das Siliziumdioxid nahezu mit derselben
Geschwindigkeit ätzt. Durch die Ätzung werden die Stufen an der Oberseite des
abgeschiedenen Oxids entfernt, wobei die Schicht 31 erzeugt wird.
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Eine Gruppe allgemein kreisförmiger Durchgänge 32 mit einem
Durchmesser von etwa 1 um werden durch die Schicht 31 hinunter auf den Körper 30 nach
Fig. 3b eingeätzt. Durch die Stufen auf der Oberseite des Körpers 30 erstrecken sich die
Durchgänge 32 nach verschiedenen Tiefen. Die Durchgangstiefe liegt beispielsweise
zwischen 0,4 und 2 um. Die Seitenwände der Durchgänge 32 sind nahezu vertikal.
Insbesondere ist der Winkel β zwischen den Seitenwänden jedes Durchgangs 32 und der
oberen Fläche der Schicht 31 etwas größer als 90º typisch etwa 95º. Hierdurch liegt
das Geometrieverhältnis zwischen etwa 2,5 und 0,5. In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf
Fig. 3b dargestellt.
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Eine erste elektrisch leitende planarisierende Schicht 33 wird auf der
Oxidschicht 31 derart erzeugt, daß die Schicht 33 eine planare obere Flache besitzt.
Siehe Fig. 3c. Die Schicht 33 wird durch eine Operation mit dem isotropischen
LPCVD-Verfahren von Wolfram durch Wasserstoffreduktion von Wolframhexafluorid
geschaffen. In Fig. 5a bis 5e ist ein bevorzugtes Verfahren zur Durchführung dieser
Operation veranschaulicht.
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Wie oben angegeben, bildet das LPCVD-Wolfram aus WF&sub6; Keime (oder
akkumuliert) auf Silizium und Metallen besser als auf Siliziumdioxid. Die selektive
Abscheidungseigenschaft muß vermieden werden, bevor Wolfram-LPCVD isotropisch
sein kann. Dies wird zunächst durch Abscheidung einer dünnen elektrisch leitenden
Haftschicht erreicht, die als einheitliche Keimbildungsquelle für Wolfram dient,
während sie gleichzeitig am Oxid in der Schicht 31 und am Silizium auf den Boden der
Durchgänge 32 haftet. Die Dicke der Haftschicht ist geringer als der Durchmesser der
Durchgänge 32. Abhängig von β ist das Verhältnis des Durchgangsdurchmessers zur
Haftschichtdicke normalerweise wenigstens 5 und liegt typisch in der Nähe von 25.
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Die Haftschicht besteht vorzugsweise aus einem Paar von Unterschichten
33A und 33B. In Fig. 5a ist 20 nm Titan auf der Schicht 31 abgeschieden und mit
herkömmlichen Kathodenzerstäubungstechniken in den Durchgängen 32 bei
Raumtemperatur in einer Atmosphäre von 0,4 Pa (0,003 Torr) von Mgon zur Bildung der Schicht
33A niedergeschlagen. Das Titan haftet sehr gut am Silizium und am Siliziumdioxid. Da
Zerstäubung ein nichtisotropisches physikalisches Abscheidungsverfahren ist, schwankt
die Dicke der Titanschicht 33A etwas von Punkt zu Punkt. Die Schicht 33A ist
normalerweise dünner in schraffierten Bereichen. Dies ist nicht besonders kritisch,
solange es keine ernsthafte Diskontinuitäten gibt.
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Titan stellt keine gute Keimbildungsfläche für LPCVD-Wolfram dar, da
das Fluorin in WF&sub6; mit dem Titan zur Bildung von hochresistivem TiF&sub3; reagiert.
Dementsprechend wird etwa 20 nm Wolfram durch Zerstäubung auf der Schicht 33A
unter obigen Bedingungen zur Bildung der Schicht 33B nach Fig. 5b niedergeschlagen.
Das Wolfram in der Schicht 33B haftet gut am Titan und selbstverständlich dient es als
ausgezeichnete Keimbildungsfläche für LPCVD-Wolfram. Wie bei der Schicht 33A sind
bestimmte Teile der W-Schicht 33B dünner als andere. Dies ist ebenfalls nicht
besonders kritisch, sofern die Schicht 33B durchgehend erzeugt ist.
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Eine Schicht 33C aus Wolfram wird jetzt auf der Schicht 33B durch
Reduktion von WF&sub6; in einem Minusdruck-H&sub2;-Umgebung erzeugt. Die
LPCVD-Operation wird durch Anbringen der Scheibe mit der Struktur nach Fig. 5b in einem
geeigneten Abscheidungsreaktor, durch Verringerung des Reaktordrucks auf einen
niedrigen Wert und durch Erwärmen der Scheibe auf eine Temperatur im Bereich von
300 bis 500ºC eingeleitet. Die Scheiben- (oder Abscheidungs-)Temperatur beträgt
vorzugsweise 425ºC. Der Reaktor wird mit H&sub2; oder mit einem inerten Gas während des
Temperaturanstiegs gereinigt. Wenn die verlangte Temperatur erreicht ist, wird die
Reinigung beendet und der Reaktor wird auf einen Druck eingestellt, die normalerweise
geringer ist als 6,7 Pa (0,05 Torr).
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Gemessene Mengen von WF&sub6; und H&sub2; werden in den Reaktor eingeführt.
(SiH&sub4; wird insbesondere vermieden). Die WF&sub6;-Durchflußgeschwindigkeit darf 1000
Standard-cm³/min. (SCCM) nicht überschreiten und beträgt vorzugsweise 200 SCCM.
Die H&sub2;-Durchflußgeschwindigkeit darf 8000 SCCM nicht überschreiten und beträgt
vorzugsweise 1500 SCCM. Der Reaktordruck bei der W-Abscheidung wird derart
gesteuert, daß er 133,3 Pa (1 Torr) beträgt oder weniger, bei dem konsistenter
Molekularfluß auftritt. Der Niederschlagsdruck beträgt vorzugsweise 66,7-80 Pa (0,5 . . . 06
Torr).
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Der Wolframniederschlag erfolgt entsprechend der Reaktion WF&sub6;
+ 3H&sub2; → W + 6HF.
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Die Reaktion wird unter den vorangehenden Niederschlagsbedingungen
oberflächengesteuert. Das bedeutet, Wolfram wird aus WF&sub6; auf den Oberflächen oder ganz nahe bei
den Oberflächen befreit, in denen Wolfram sich zur Erzeugung der Schicht 33C
ansammelt. Es zeigt sich, daß wenn vorhanden, sehr wenig Wolframhexafluorid in den
WF&sub6;/H&sub2;-Dampf an von den Niederschlagsoberflächen entfernten Punkten reduziert wird.
Der WF&sub6;/H&sub2;-Dampf wird einheitlich auf die Scheibenoberfläche verteilt. Auch ist auf
der ganzen Scheibe die Temperatur weitgehend gleich. Hierdurch sammelt sich das
Wolfram auf den Niederschlagsoberflächen bei weitgehend derselben Geschwindigkeit
ungeachtet ihrer Orientierungen. Der Niederschlag ist isotropisch.
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Bei den bevorzugten Durchflußgeschwindigkeiten, der bevorzugten
Temperatur und dem bevorzugten Druck scheidet sich das Wolfram bei einer
Geschwindigkeit von 50 . . . 60 nm/min. ab. Die Abscheidungszeit beträgt
vorzugsweise 30 Minuten. Dies erzeugt eine "äquivalente" W-Dicke von etwa 1,5 um.
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In Fig. 5c . . . 5e ist dargestellt, wie die Schicht 33C sich aufbaut. Da die
Abscheidung isotropisch und der Seitenwandwinkel β etwas größer als 90º ist, schließen
die Seitenwände jedes niedrigen Bereichs bei den Durchgängen 32 sich auf einheitliche
Weise vom Boden auf einander ein. Die Seitenwände jedes niedrigen Bereichs würden
sich gerade treffen, wenn die äquivalente W-Dicke gleich einem Berührungswert etwas
weniger als die Hälfte des Durchgangsdurchmessers (von 1,0 um) ist. Im vorliegenden
Fall beträgt die äquivalente W-Dicke etwa das Dreifache des Berührungswerts.
Dementsprechend schließen sich die Seitenwände jedes niedrigen Bereichs vollständig
auf hohlraumfreie Weise, so daß die Schicht 33C eine planare obere Fläche nach Fig.
5e hat. Die Schichten 33A, 33B und 33C nach Fig. 5e bilden die planarisierende
Schicht 33 nach Fig. 3c.
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Nach dem Ausnehmen der Struktur aus dem Abscheidungsreaktor wird
zum Entfernen einer verhältnismäßig einheitlichen Dicke der Schicht 33 die Struktur mit
geeigneten Plasmen hinunter nach der oberen Fläche des Oxids 31 geätzt. Dies umfaßt
das Entfernen des Anteils der Schicht 33A auf der oberen Fläche der Schicht 31. Ein
fluorinhaltiges Plasma dient zum Ätzen des überflüssigen Wolframs. Das überflüssige
Titan wird mit einem Plasma auf Chlorinbasis entfernt. Beide Plasmen können
Sauerstoff verwenden. Der Ätzvorgang kann bis zu wenigen zehn nm unter der oberen Fläche
der Schicht 31 ohne wesentliche Beeinflussung der Planarität der Struktur aus einem
praktischen Sinne fortgesetzt werden. Die oberen Flächen der zurückbleibenden Anteile
33' der Schicht 33 sind mit der oberen Fläche der Schicht 31 nach Fig. 3d koplanar.
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In einigen Fällen kann die obere Fläche der Schicht 33 in Fig. 3c eine
nicht vernachlässigbare Menge Rauheit durch die Kristallisierungseigenschaften der
Wolframkörner haben. Die Anteile 33' könnten normalerweise diese Rauheit
reflektieren. Sie kann zunächst durch Anbringen der Schicht 33 mit einer dünnen
Photoresistschicht stark reduziert werden, deren obere Fläche weniger rauh ist als die der Schicht
33. Die Photoresistschicht und die nach oben ausragenden Teile der Schicht 33 werden
durch Ätzen mit einem Ätzmittel entfernt, das Wolfram und das Photoresist bei ungefähr
gleicher Geschwindigkeit angreift. Wenn dieses Ätzmittel das vorgenannte Plasma auf
Fluorinbasis ist, können die Schichten 33B und 33C unter die Photoresistschicht in
einem einzigen Schritt abgeätzt werden. Die Schicht 33A wird dabei nach obiger
Beschreibung zum Erhalten der Struktur nach Fig. 3d geätzt.
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Siliziumdioxid wird auf der Schicht 31 und auf den Metallanteilen 33'
entsprechend herkömmlicher Techniken zur Bildung einer zweiten Isolierschicht 34 mit
einer planaren oberen Fläche abgeschieden. Siehe Fig. 3e. Das Oxid 34 hat eine Dicke
von 1,5 . . . 2,0 um.
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Ein Rillenmuster 35 entsprechend dem gewünschten Leitermuster für den
ersten Verbindungspegel wird durch die Schicht 34 hinunter nach den Anteilen 33'
eingeätzt, wie in Fig. 3f angegeben. Die Seitenwände der Rillen 35 sind nahezu
vertikal, der Seitenwandwinkel β wieder beträgt etwa 95º. Die Rillenbreite beträgt 1 bis
1,5 um. Da die Tiefe der Rillen 35 von 1,5 bis 2,0 um beträgt, liegt das
Rillengeometrieverhältnis zwischen etwa 1,0 und 0,5. In Fig. 3f ist die linke Rille 35 mit ihrer
ganzen Länge dargestellt, während die rechte Rille 35 in ihrer Breite dargestellt ist. In
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf Fig. 3f dargestellt.
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Eine zweite elektrisch leitende Planarisierungsschicht 36 wird auf der
Schicht 34 nach Fig. 3g erzeugt. Die Schicht 36 wird vorzugsweise auf genau dieselbe
Weise wie die Schicht 33 erzeugt. Insbesondere wird eine niedrigere Schicht, bestehend
aus 20 nm aus zerstäubtem Titan gefolgt von 20 nm zerstäubtem Wolfram auf der
Schicht 34 und in den Rillen 35 abgeschieden. Eine obere Schicht wird durch
isotropisches Abscheiden einer äquivalenten Dicke von etwa 1,5 um Wolfram auf der unteren
Schicht erzeugt. Während der Abscheidung des Wolframs schließen sich die
Seitenwände jedes niedrigen Bereichs in den Rillen 35 auf einheitliche Weise vom Boden
aufwärts. Da die äquivalente W-Dicke wenigstens das Zweifache des Berührungswerts
ist, schließen die Seitenwände der unteren Bereiche sich auf eine hohlraumfreie Weise
zum Erzeugen einer planaren oberen Fläche für die Schicht 36.
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Unter Verwendung der Plasmen zum Ätzen der Schicht 33 wird eine
verhältnismäßig einheitliche Dicke der Schicht 36 nach unten auf die obere Fläche der
Schicht 34 entfernt. Wiederum kann der Ätzvorgang etwas unter der oberen Fläche der
Schicht 34 ohne wesentliche Beschädigung der Planarität der Struktur fortgesetzt
werden. Die Kombination von Metallanteilen 33' und 36' in Zusammenarbeit mit den
Oxidschichten 31 und 34 bildet einen planaren Verbindungspegel.
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Die vorangehenden Schritte werden jetzt zum Erzeugen eines anderen
planaren Verbindungspegels nach Fig. 3i . . . 3n wiederholt. Nur eine kurze Beschreibung
dieser Schritte wird hier gegeben.
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Eine dritte elektrisch isolierende Schicht 37 wird bis zu einer Dicke von
0,7 bis 1,5 um abgeschieden und anschließend selektiv geätzt, um Durchgänge 38 mit
einem Durchmesser von etwa 1 um zu bilden. Eine dritte elektrisch leitende
planarisierende Schicht 39 mit einer planaren oberen Fläche wird auf oben beschriebene Weise
für die Schicht 33 erzeugt. Eine verhältnismäßig einheitliche Dicke der Schicht 39 wird
nach unten auf die obere Fläche der Schicht 37 zum Erzeugen der Struktur nach Fig. 3k
entfernt.
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Eine weitere elektrisch isolierende Schicht 40 wird abgeschieden und
anschließend zur Bildung eines Musters von Rillen 41 entsprechend dem gewünschten
Leitermuster für den zweiten Verbindungspegel geätzt. Die Rillen 41 haben die gleiche
Tiefe und Breite wie die Rillen 35. Eine vierte elektrisch leitende Planarisierschicht 42
wird auf dieselbe Weise wie die Schicht 36 erzeugt, um eine planare obere Fläche zu
erhalten. Eine verhältnismäßig einheitliche Dicke der Schicht 42 wird hinunter auf die
obere Fläche der Schicht 40 abgeätzt. In der Kombination mit den Isolierschichten 37
und 40 bilden die zurückbleibenden Metallanteile 39' und 42' der betreffenden
Schichten 39 und 42 den zweiten Verbindungspegel nach Fig. 3n.
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Der Vorgang nach Fig. 3a . . . 3n ergibt also ein planares hohlraumfreies
Zweipegelverbindungssystem. Weitere planare Pegel können auf dieselbe Weise
zugegeben werden.
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In einigen Anwendungen führt das Planarisieren des oberen
Verbindungspegels nicht zu einer wesentlichen Vergrößerung der Anordnungsdichte. Ein nicht
planarer oberer Verbindungspegel kann vorteilhaft sein, wenn die Anzahl der
Verfahrensschritte reduzierbar ist.
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Beispielsweise kann die Struktur nach Fig. 3j alternativ auf die in Fig. 7
angegebene Weise bearbeitet werden. Unter Verwendung einer geeigneten
Photoresistmaske wird die Schicht 39 zum Definieren des gewünschten Musters für den zweiten
Verbindungspegel selektiv geätzt. Das Ätzen erfolgt mit nassen Chemikalien oder mit
den zum Ätzen der Schicht 33 benutzten Plasmen. Die zurückbleibenden leitenden
Anteile 39'' des oberen Teils der Schicht 39 bedecken vollständig die leitenden Anteile
39' in den Durchgängen 38.
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Als weiteres Beispiel können die in Fig. 8a und 8b dargestellten Schritte
zum Abfertigen der Struktur nach Fig. 3k verwendet werden. Eine Blanketschicht 43
eines elektrischen Leiters, wie z. B. Aluminium, wird auf der Schicht 37 und auf den
Metallanteilen 39' abgeschieden. Siehe Fig. 8a. Die ungewünschten Anteile der Schicht
43 werden unter Verwendung einer geeigneten Photoresistmaske abgeätzt. Die
zurückbleibenden leitenden Anteile 43' der Schicht 43 bilden die obere Hälfte der zweiten
Verbindungspegel nach Fig. 8b.
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Der ausgezeichnete Ionenwanderwiderstand von Wolfram macht es
insbesondere vorteilhaft zur Verwendung nach der Erfindung. Es wurde viel Arbeit bei
der Kennzeichnung von Wolfram für Halbleiteranwendungen geleistet. Andere leitende
Werkstoffe könnten jedoch erfindungsgemäß verwendet werden, wenn sie isotropisch
abscheidbar sind. Ein Kandidat ist Molybdän. Als Schwesterelement für Wolfram hat
Molybdän gleiche Eigenschaften. Es ist in gasförmigem MoF&sub6; verfügbar.
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Wenn auch die Erfindung unter Bezugnahme auf besondere
Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, dient diese Beschreibung ausschließlich zur
Veranschaulichung und soll nicht als einschränkend für den Rahmen nach der Erfindung nach
untenstehenden Ansprüchen betrachtet werden. Beispielsweise wurde eine
Versuchsstruktur mit hohlraumfreien metallgefüllten Rillen von 0,75 um Breite und mit einem
0,3 Geometrieverhältnis aufgebaut. Die niedrigste zusammengesetzte Leit/Isolierschicht
nach der Erfindung kann Rillen statt Durchgänge enthalten.
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Die Arbeit von Levy et al scheint anzugeben, daß es Bedingungen gibt,
unter denen Aluminium zum Erhalten einer planaren Oberfläche isotropisch
abgeschieden werden kann. Es kann also möglich sein, Aluminium für isotropisches Füllen der
Öffnungen in den Isolierschichten zu verwenden. Eine Keimbildungsschicht kann zum
Vermeiden von selektivem Aluminium-LPCVD erforderlich sein. Dementsprechend
können mehrere Abwandlungen, Änderungen und Anwendungen dem Fachmann bekannt
sein, ohne aus dem echten Rahmen und dem Wesen der Erfindung entsprechend der
beigefügten Ansprüche herauszutreten.