DE3818509A1

DE3818509A1 - Verfahren und einrichtung zum herstellen eines niederohmigen kontaktes mit aluminium und dessen legierungen durch selektives niederschlagen von wolfram

Info

Publication number: DE3818509A1
Application number: DE19883818509
Authority: DE
Inventors: Ronald Harvey Wilson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-06-01
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1988-12-22
Also published as: JPH01308050A; JP2798250B2; FR2620860A1; GB2208119A; GB2208119B; GB8812936D0; FR2620860B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von integrierten Schaltungen, im speziellen integrierte Schaltungen, welche Durchgangsöffnungen mit einem Durchmesser kleiner als 1 oder 2 µm haben. Die Erfindung bezieht sich vor allem auf ein Verfahren und eine durch dieses hergestellte Einrichtung, bei denen mit selektiv niedergeschlagenem Wolfram ein niedriger Kontaktwiderstand mit Aluminium hergestellt wird. Durch die Erfindung wird also die Möglichkeit geschaffen, einen niedrigen Kontaktwider stand zwischen Metallisierungsschichten in einer inte grierten Schaltung, insbesondere einer hochintegrierten Schaltung, herzustellen.

Mit der Verringerung der Abmessungen der Leiterbahnen und anderer Schaltungselemente von integrierten Schaltungen auf 1 µm und weniger wird das Problem, Metall in die Öffnungen von dielektrischen Materialien oder Schichten einzubringen, um eine elektrische Verbindung zwischen Leitern, die sich in verschiedenen Schichten oder Ebenen befinden, immer gravierender. Die Abmessungen dieser Öffnungen sollen möglichst klein sein, um eine möglichst hohe Bauelementdichte auf dem IC-Chip zu erreichen. Andererseits nimmt die Dicke der dielektrischen Schichten, die eine Leiterebene von der anderen isolieren, aus ver schiedenen Gründen, wie z.B. der Kapazität zwischen den verschiedenen Ebenen, im allgemeinen nicht proportional mit der Verringerung der Querabmessungen ab. Als Folge davon ergeben sich Durchgangsöffnungen, bei denen das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser Werte von 1 und mehr annimmt. Das Füllen solcher Öffnungen hohen Aspekt verhältnisses mit leitfähigem Ausfüll- oder Stopfmaterial ist schwierig. Auch mit Weitwinkel-Niederschlagsprozessen, wie Sputtern oder Kathodenzerstäubung können solche Öffnungen nur schwierig mit einer die geforderte Zuverlässigkeit der Schaltung gewährleistenden Wandmetallisierung gefüllt werden. Chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase, insbesondere selektives Niederschlagen aus der Dampfphase, bei dem ein Aufwachsen auf einem tief liegenden Leiter am Boden einer Öffnung, nicht jedoch auf einer dielektrischen Oberfläche, stattfindet, ist eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen. Man kennt ein Verfahren zum selektiven, dicken Nieder schlagen von Wolfram zur Ausfüllung von Durchgangslöchern, bei welchem zuerst eine Metallisierungsschicht aus Molybdän verwendet wird. Diese Verfahren ergeben wegen der Verwendung von Molybdän einen niedrigen Kontaktwiderstand und sind z.B. in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben: "Proceedings of the Symposium on Multilevel Metallization, Interconnection and Contact Technologies", R.W. Stoll und R.H. Wilson, Proceedings Band 87-4, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, 1987, S. 232 und IEEE Electron Devices Letters, EDL-8, 55 (1987) von D.M. Brown et al. Bei diesen Verfahren wird eine zweite Schicht aus einem Metall, wie Aluminium, verwendet und in Zukunft wird es wünschenswert sein, noch eine weitere Metallschicht zu verwenden, welche ebenfalls Durchgangs öffnungen zu Aluminiummustern erfordern. Die meisten Prozesse zur Herstellung von integrierten Schaltungen verwenden außerdem Aluminium oder Legierungen hiervon als Metall für die erste Ebene, so daß zu Aluminiumleitermustern und dergleichen führende Durchgangsöffnungen für zwei Ebenen Metallprozesse auftreten. Sowohl jetzt als auch in der Zukunft besteht also ein erheblicher Bedarf, zuverlässige, niederohmige Kontakte an Aluminium und dessen Legierungen durch Durchgangsöffnungen in die lektrische Schichten herzustellen.

Bei der Bildung eines niederohmigen Kontakts an Aluminium mit einer zweiten Ebene aus Aluminium ist im allgemeinen ein Sputterätzschritt erforderlich, um das Aluminiumoxid von der Oberfläche zu entfernen, bevor eine zweite Aluminium schicht in einer Durchgangsöffnung niedergeschlagen wird. In der Literatur (siehe z.B. T. Moriya et aI, IEEE Technical Digest, IEDM, (IEEE, New York, 1983) Seite 550)) wird fest gestellt, daß beim selektiven Niederschlagen von Wolfram auf Aluminium ein hoher Kontaktwiderstand auftritt. Das Auftreten eines solchen hohen Kontaktwiderstandes ist auch durch andere Forscher bestätigt worden.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen niedrigen Kontaktwiderstand zwischen selektiv niedergeschlagenem Wolfram und Aluminium zu erzeugen, so daß ein selektiver Wolframprozeß verwendet werden kann, insbesondere bei integrierten Schaltungen, um Durchgangsöffnungen auszufüllen, die zu Leitermustern aus Aluminium führen.

Ein Verfahren zum Erzeugen eines niederohmigen Kontaktes mit Aluminium durch eine Durchgangsöffnung in einer das Aluminium bedeckenden dielektrischen Schicht (insbesondere in einem Wafer einer integrierten Schaltung) enthält gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den Verfahrens schritt, Wolfram selektiv in der Durchgangsöffnung bei einer Substrat- oder Scheibentemperatur niederzuschlagen, die größer als etwa 350°C ist. Die verwendete Temperatur ist jedoch nicht so hoch, daß das Aluminium leidet. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich der Kontaktwiderstand in einem kritischen Temperaturbereich zwischen etwa 275°C und 350°C signifikant ändert. Um die Bildung von Hügeln in den Aluminiumstrukturen zu verhindern, wird das vorliegende Verfahren vorzugsweise bei einer Temperatur unter etwa 450°C durchgeführt.

Das vorliegende Verfahren liefert eine Struktur mit außer gewöhnlichen Eigenschaften. Die resultierende Struktur enthält nämlich einen Wolframstopfen in der Durchgangs öffnung, der mit dem Aluminium am Boden dieser Öffnung einen spezifischen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 2×10^-8 ohm/cm² bildet. Das vorliegende Verfahren und die resultierenden Strukturen eignen sich besonders für Mehrschicht-Leitermuster in hochintegrierten Schaltungen.

Durch die vorliegende Erfindung wird also ein Verfahren geschaffen, mit dem Wolfram in Durchgangsöffnungen so niedergeschlagen werden kann, daß sich ein niederohmiger Kontakt mit Aluminium oder dessen Legierungen am Boden der betreffenden Öffnung ergibt.

Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von hochintegrierten Schaltungen (VLSIC) geschaffen, die Durchgangsöffnungen mit hohem Aspektverhältnis aufweisen.

Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Füllen von Durchgangsöffnungen mit einem großen Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser geschaffen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich ferner niederohmige Verbindungen zwischen Leiterschichten in integrierten Schaltungen herstellen.

Das vorliegende Verfahren ist besonders geeignet für die Herstellung von mehrschichtigen integrierten Schaltungen, die Aluminium und Aluminiumlegierungen enthalten.

Schließlich wird durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, mit dem Wolfram selektiv in Durchgangsöffnungen niedergeschlagen werden kann, die einen Durchmesser von weniger als etwa 1 oder 2 µm haben, wobei ein niedriger Kontaktwiderstand mit Aluminium und/oder dessen Legierungen am Boden der betreffenden Öffnungen gewährleistet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung näher erläutert, welche eine Mehrschichtstruktur zeigt, wie sie durch das vorliegende Verfahren hergestellt werden kann.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurden Wafer mit einem Durchmesser von etwa 10 cm oxidiert und dann durch Sputtern mit einer etwa 500 nm dicken Schicht aus Aluminium oder Aluminium mit 1% Silizium versehen. Aus der Schicht wurde eine Prüfstruktur gebildet, wie sie für die erste Metall- oder Leiterebene in einem Zweimetallebenen-CMOS-Prozeß verwendet wird. Dann wurde bei einer Temperatur von etwa 380°C eine entweder 0,4 oder 0,8 µm dicke Siliziumdioxid schicht durch ein Plasma-CVD-Verfahren (PECVD-Verfahren) aufgebracht. Durch Projektions-Photolithographie und reaktives Ionenätzen wurden dann Öffnungen oder Löcher gebildet, die zu der unten liegenden Metallschicht reichten. Der verwendete Photolack wurde dann in einem ungeheizten Sauerstoffplasmagerät entfernt und die Wafer wurden dann mit heißem PRS1000 (erhältlich von der Fa. J.T. Baker Chemical Company, Pennsylvania) gereinigt. Unmittelbar vor dem Einbringen der Wafer in eine zum Niederschlagen von Wolfram dienende Einrichtung wurden einige der Wafer 30 Sekunden lang in eine 1%ige Flußsäurelösung eingetaucht, wobei ungefähr wenige 10 Nanometer Aluminium entfernt wurden. Nach dem Ätzen wurden die Wafer in entionisiertem Wasser gewaschen. Die so behandelten Wafer werden im folgenden als "geätzte Wafer" bezeichnet. Andere Wafer wurden nicht vorbehandelt und werden als "ungeätzte Wafer" bezeichnet.

Nach diesen Vorbereitungen wurden die Wafer in eines von vier Systemen eingebracht, mit denen durch Wasserstoff reduktion von Wolframhexafluorid selektiv Wolfram auf Metallen niedergeschlagen werden kann. Eines dieser Systeme war ein Kaltwand-Experimentiersystem, das mit R bezeichnet werden soll. Zwei dieser Systeme waren modifizierte Kaltwand reaktoren, wie sie zum Niederschlagen von Wolframsilicid oder Wolframschichten im Handel erhältlich sind. Diese Systeme werden hier als G1 und G2 bezeichnet. Das vierte System war ein Heißwand-Rohrofen konventioneller Konstruktion, der hier mit T bezeichnet werden soll. In allen Reaktor systemen wurden die Wafer in einer Wasserstoffatmosphäre mit Drücken im Bereich von etwa 0,4 bis 1,1 Torr auf eine gewünschte Temperatur erhitzt. Es wurde dann so lange Wolframhexafluorid eingeführt, bis die zum unten liegenden Metall führenden Öffnungen annähernd gefüllt waren, mit der Ausnahme des Rohrofens, in dem nur 0,1 µm Wolfram niedergeschlagen wurde. Beim Rohrofen wurde angenommen, daß die Wafertemperatur gleich der Temperatur eines Thermo elements war, das in eine Hülse im Ofen eingesetzt war. Bei den anderen Systemen wurden die Wafer auf eine erwärmte Oberfläche gelegt und daher nur von einer Seite erwärmt, so daß bei diesen verringerten Drücken die Wafertemperatur erheblich kleiner als die Temperatur der Heizeroberfläche war. Bei diesen Systemen wurde von der Wolframwachstumsrate auf die Wafertemperatur geschlossen, wobei die kinetischen Daten von Broadbent und Ramiller (Journal of the Electro chemical Society, Band 131, Seite 1427, 1984) zugrundegelegt wurden. Nach dem Niederschlagen des Wolframs wurden die Wafer mit PRS1000 gereinigt und ein 0,8 µm dicker Aluminiumfilm wurde durch Sputtern auf die Wafer aufgebracht und in die Form des entsprechenden Musters für die zur elektrischen Prüfung dienende Schaltung gebracht. Die Wafer wurden schließlich 1 Stunde bei 400°C in Wasserstoff getempert.

Der Kontaktwiderstand der Metall-Eins/Wolframstopfen/Metall- Zwei-Struktur wurde an Öffnungen mit einem Durchmesser von 1,8 µm unter Verwendung einer Kelvin-Anordnung und 4-Punkt messung bestimmt. In der folgenden Tabelle 1 sind die Mittel werte von mehr als 35 Messungen an jeder Scheibe für die erwähnten Prozesse aufgetragen. Die in der Tabelle 1 aufgeführten Resultate zeigen, wie kritisch die verwendete Temperatur und/oder Niederschlagsrate sind.

Tabelle 1

Es ist offensichtlich, daß der beobachtete Widerstand mit zunehmender Temperatur und Niederschlagsrate abnimmt, bis die Temperatur etwa 350°C oder die Niederschlagsrate etwa 12 nm (120 Ångstrom) pro Minute betragen. Oberhalb dieser Werte ist der Widerstand annähernd konstant. Man sieht ferner, daß die Vorbehandlung der unten liegenden Oberfläche kein bestimmender Faktor bei der Herstellung des gewünschten niedrigen Kontaktwiderstandes ist. Es besteht auch kein merklicher Unterschied in den Ergebnissen bei Verwendung von Aluminium einerseits und Aluminium, das mit 1% Silizium legiert ist, andererseits.

Wenn der Prozeß mit höheren Temperaturen gefahren wurde, wurde eine erhebliche Hügelbildung im Aluminium festgestellt, nicht jedoch bei Prozessen, die mit Temperaturen unter 450°C durchgeführt wurden. Dies steht in Übereinstimmung mit dem was für die betreffenden Temperaturen zu erwarten ist. Andere Legierungselemente mit Aluminium oder Schicht strukturen mit Aluminium gestatten die Verwendung höherer Temperaturen und dementsprechend höhere Niederschlagsraten ohne übermäßige Hügelbildung. Auf alle Fälle wird man den vorliegenden Prozeß nicht mit so hohen Temperaturen durchführen, daß die Aluminiumstrukturen leiden. Der vor liegende Prozeß wird vorzugsweise mit einer Temperatur von weniger als etwa 600°C durchgeführt. Vorzugsweise wird der vorliegende Prozeß bei einer Temperatur unter etwa 450°C durchgeführt, um eine Hügelbildung zu vermeiden.

Eine Struktur, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, ist in der Zeichnung dargestellt. Die dargestellte Struktur enthält ein typischerweise ein Halbleitermaterial, wie Silizium, enthaltendes Substrat (10), auf dem ein Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthaltendes oder hieraus bestehendes unteres Metallisierungs muster (12) aufgebracht ist. Auf dem Metallisierungsmuster (12) befindet sich eine Schicht aus einem dielektrischen Material (11), die typischerweise Siliziumoxid enthält. Durch das oben beschriebene Verfahren wurde ein Stopfen (14) in einer Öffnung der dielektrischen Schicht (11) so gebildet, daß er einen niederohmigen Kontakt mit der Metallisierung (12) macht. Weiterhin kann ein oberes Metallisierungsmuster (13) aufgebracht sein, das Kontakt mit dem Wolframstopfen (14) macht. Die Metallisierungsschicht (13) der oberen Ebene kann Aluminium oder irgendwelche anderen leitfähigen Materialien enthalten, wie sie üblicherweise bei der Herstellung von VLSI-Schaltungen verwendet werden. Die Metallisierungsschicht (13) kann insbesondere Molybdän enthalten oder aus diesem bestehen.

Das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen eines niederohmigen Kontaktes mit Aluminium und dessen Legie rungen ist effektiv und leicht in Apparaturen durchführbar, wie sie üblicherweise zur Herstellung von VLSI-Schaltungen verwendet werden. Das vorliegende Verfahren erweitert die Anwendbarkeit von selektiv niedergeschlagenem Wolfram und erleichtert die Herstellung von Mikron- und Submikron- Schaltungen erheblich. Das vorliegende Verfahren erleichtert außerdem die Herstellung von VLSI-Schaltungen mit mehreren Leiterebenen mit Aluminium und dessen Legierungen erheblich. Dies ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, da Aluminium ein besonders zweckmäßiges Metallisierungs material ist. Das erfindungsgemäße Verfahren und die resultie renden Strukturen erfüllen alle oben erwähnten Anforderungen.

Selbstverständlich läßt sich das beschriebene Ausführungs beispiel in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines niederohmigen Kontaktes mit Aluminium und Aluminiumlegierungen durch eine Öffnung in einer auf dem Aluminiummaterial befind lichen dielektrischen Schicht auf einem Wafer, wobei Wolfram in der Öffnung und in Kontakt mit dem Aluminium material niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagen bei einer Temperatur durchgeführt wird, die größer als etwa 350°C ist, jedoch nicht so hoch, daß das Aluminiummaterial leidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Niederschlagen unter etwa 600°C liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur unter dem Wert gehalten wird, bei dem eine Hügelbildung auftritt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Niederschlagen weniger als etwa 450°C ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer in einem Säurebad vorbehandelt wird, um das Aluminiummaterial vor dem Niederschlagen des Wolframs selektiv durch die Durchgangsöffnung zu ätzen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen mit Flußsäure durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Niederschlagen in einem Reaktor mit heißer Wand durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Niederschlagen in einem Reaktor mit kalter Wand durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium Silizium enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumgehalt etwa 1 Gew.% beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagen des Wolframs mit einer Rate von mehr als etwa 12 Nanometer pro Minute durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagen selektiv ist.

13. Mehrebenenstruktur für eine integrierte Schaltung mit einer Schicht, die leitfähige Muster aus Aluminium material enthält, einer isolierenden Schicht, die sich auf den leit fähigen Mustern befindet und mindestens eine Öffnung aufweist, in der mindestens etwas von dem Aluminium material freiliegt, einem in der Öffnung angeordneten Wolframstopfen, der mit dem Aluminiummaterial einen Kontakt mit einem spezifischen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 2×10^-8 Ohm/cm² macht.

14. Struktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiummaterial Silizium enthält.

15. Struktur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt 1 Gew.% beträgt.

16. Struktur nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine zusätzliche, ein leitfähiges Muster enthaltende Schicht, die sich mit einer Oberseite des Wolframstopfens in elektrischen Kontakt befindet.