DE4118380C2 - Verfahren zur Bildung von Metalleitungen an Halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zur Bildung von Metalleitungen an HalbleiterbauelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von Metallei
tungen an Halbleiterbauelementen.
Die Weiterentwicklung von Miniaturisierungstechnologien im Sub
mikrometerbereich hat zu einem schnellen und bemerkenswerten
Anwachsen der Integrationsdichte von Halbleiterspeicherelemen
ten geführt. Beispielsweise werden nunmehr in großer Menge 4M
DRAM mit einem 0,8 µm Entwurfsmaß hergestellt, 16M DRAM werden
vom Versuchsstadium in die Massenproduktion gebracht und 64M
und 256M DRAMs werden derzeit auf einem 0,5 µm Entwurfsmaß aktiv
erforscht. Mit diesen Fortschritten in der VLSI-Technik (very
large-scale Integration) von Halbleiterspeicherelementen geht
einher, daß die Abstände zwischen den Metalleitungen enger
werden.
Im allgemeinen sieht das herkömmliche Verfahren zur Bildung von
Metalleitungen die Durchführung von einander folgenden Prozes
sen vor, wobei zunächst Kontaktlöcher gebildet werden, danach
Metallleitungen aufgebracht werden und anschließend die Ober
fläche der erhaltenen Struktur mit einem Passivierungsfilm
versehen wird. Hierbei tritt das Problem auf, daß die Abdeckung
des die Metalleitungen bedeckenden Passivierungsfilmes sich
gegenüber der abgesetzten Struktur der Metalleitungen nicht
konform verhält. Weiterhin verursachen die engen Zwischenräume
zwischen den Metalleitungen Leerstellen, d. h. Hohlräume in dem Passivierungs
film wie dies z. B. aus S. Wolf, Silicon
Processing for the VLSI Era, Lattice Press, 1990, Seite 197,
Fig. 4-8 nebst zugehöriger Beschreibung bekannt ist. Darüber hinaus führt die geringe Stärke des Passivie
rungsfilmes nicht nur zu Schwierigkeiten in dem nachfolgenden
Prozeß für die zweiten Metalleitungen, sondern auch in schweren
Fällen zu einer weiteren Verschlechterung, wie Fehlverbindungen
der Metalleitung. Schließlich verursachen die Leerstellen Kurz
schlüsse zwischen den Metalleitungen. Derartige Metalleitungen
verringern die Verläßlichkeit und den Nutzen des Bauelementes.
Deshalb ist zur Realisierung der 64M und 256M DRAM-Bauelemente
ein anderes Verfahren zur Bildung von Metalleitungen erforder
lich.
Aus den US-Patentschriften 44 00 865 und 44 24 621
sind selbstjustierende Prozesse zur Aufbringung von
Metall auf Silizium und Metall zu Metallschichten mit
Abständen benachbarter Metallschichten im Submikronbereich
bekannt. Die Zwischenräume sind durch isolierende
Filme ausgefüllt, die mit den Seitenwandabstandsschichten
vergleichbar sind, welche bei der Erfindung verwendet
werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 36 14 793 A1 ist die Bildung
von Seitenwandabstandsschichten an den Seitenflächen der Gate-Elektrode
eines MOSFET bekannt, um die Gate-Elektrode besser
gegenüber den seitlich unterhalb derselben gelegenen,
dotierten Source- und Drain-Gebieten zu isolieren. Alle kontaktierenden
Metalleitungen werden dagegen unabhängig von
diesen Seitenwandabstandsschichten in einem späteren Herstellungsstadium
gemäß dem herkömmlichen Verfahren dadurch gebildet,
daß zunächst photolithographische Kontaktlöcher in eine
aufgebrachte Isolationsschicht eingebracht, und daraufhin eine
Leiterschicht abgeschieden wird, welche anschließend zur Erzeugung
sämtlicher Metalleitungen strukturiert wird. Die zwischen
den Leitungen verbleibenden Teile der Isolationsschicht
füllen lediglich den Zwischenraum zwischen den Kontaktlöchern
aus, ohne sich zwischen den Seitenflächen der auf Höhe oberhalb
der Kontaktlöcher verlaufenden Metalleitungen zu erstrecken.
Sie werden nicht an den Seitenflächen der Metalleitungen,
sondern bereits vor der Bildung jeglicher Metalleitung auf dem
Halbleitersubstrat erzeugt, und bilden daher keine Seitenwandabstandsschichten.
Diese Isolationsschichtteile sind nicht geeignet,
auf die Bildung der Metalleitungen bzw. nachfolgender
Passivierungsschichten Einfluß zu nehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
bei dem unter Vermeidung der oben beschriebenen
Schwierigkeiten Metalleitungen auch bei einem geringen Leitbahnabstand
zuverlässig gebildet und das Aufbringen nachfolgender
Schichten bzw. die Planarisierung des Bauelementes in
nachfolgenden Prozessen erleichtert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vor.
Zunächst wird die eine Hälfte der Metalleitungen, dann Seitenwandabstandsschichten
an deren Seitenflächen und schließlich
die verbleibende Hälfte der Metalleitungen
einander gegenüberliegend zwischen der zuvor gebildeten ersten
Hälfte der Metalleitungen gebildet. Das Ver
fahren zur Bildung von Metalleitungen wird durch Bildung der
ersten Metallschicht in einer mittels Fotolithographie
hergestellten Struktur einer Hälfte von allen Metalleitungen
durchgeführt. Die Bildung von Abstandsschichten auf beiden
Seitenwänden der Metalleitungen erfolgt über einen Rückätzpro
zeß. Die nachfolgend hierauf aufgebrachte zweite Metallschicht
wird mittels eines weiteren Rückätzprozesses geätzt, wobei die verbleibende
Hälfte der Metallverdrahtung gebildet wird. Aus diesem
Grund kann der Zwischenraum zwischen jeder Metalleitung durch
die Größe der Seitenwandabstandsschichten über einen einzigen dem
herkömmlichen Verfahren ähnlichen Maskierungsprozeß angepaßt
werden. Als Ergebnis ist es möglich, Metalleitungszwischenräume
bis herunter auf näherungsweise 0,1 µm zu erhalten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen und einer in der Zeichnung dargestellten
vorteilhaften Ausführungsform, die nachfolgend beschrieben
wird. Es zeigen:
Fig. 1A bis Fig. 1I schematische Querschnitte durch ein Halbleiterbauele
ment in den verschiedenen Stadien des
Verfahrens und
Fig. 2A bis Fig. 2D schematische Querschnitte durch ein Halbleiterbauele
ment in den verschiedenen Stadien des herkömmlichen
Verfahrens.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung soll zu
nächst anhand der Fig. 2A bis 2D das herkömmliche Verfahren zur
Bildung von Metalleitungen an Halbleiterbauelementen beschrie
ben werden.
Gemäß Fig. 2A bedeckt eine Zwischenisolationsschicht (2) ein
Halbleitersubstrat (1). In die Zwischenisolationsschicht (2)
ist ein Kontaktloch (3) eingeformt. Nachfolgend wird eine aus
einem schwerschmelzenden Metall hergestellte Diffusions-Sperrschicht (4)
über die gesamte Oberfläche der erhaltenen Struktur aufgebracht.
Gemäß Fig. 2B wird über die Sperrschicht (4) eine Metallschicht
(5) aufgebracht, wobei mittels eines Sputter-Verfahrens oder
CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition) Aluminium oder eine
Aluminiumverbindung unter Auffüllen der Kontaktlöcher (3) auf
gebracht wird. In ein anschließend aufgebrachtes Positiv-Resist
wird mittels Photolithographie eine photobeständi
ge Struktur (6) eingeformt. Gemäß Fig. 2C werden die Metallei
tungen (7) durch Ätzen der Metallschicht (5) und der Sperr
schicht (4) gebildet, wobei die photobeständige Struktur (6)
als Maske Verwendung findet. Anschließend wird, wie aus Fig. 2D
hervorgeht, ein Passivierungsfilm (8) aufgebracht, der aus
einer PSG-Schicht (phosphorhaltiges Silicatglas) oder BPSG-Schicht
(bor- und phosphorhaltiges Silicatglas) besteht, die
über die gesamte Oberfläche der Struktur aufgebracht wird, wo
durch der Prozeß zur Bildung von Metalleitungen vervollständigt
wird.
Bei dem herkömmlichen Prozeß zur Bildung von Metalleitungen
wird - wie oben beschrieben - die Metallschicht vor der Über
deckung mittels eines Passivierungsfilmes zur Bildung von
Metalldrähten mittels Lithographie geätzt. Je geringer der
Zwischenraum zwischen den Metalleitungen ist, desto größer wird
das Seitenverhältnis, d. h. das Tiefen/Breiten-Verhältnis, des Zwischenraumes zwischen den Metall
leitungen. Ein größeres Seitenverhältnis führt zur Bildung von
Leerstellen in den Zwischenräumen während des Aufbringens des
Passivierungsfilmes. Weiterhin wird infolge der abgesetzten
Struktur der Metalleitungen die Oberfläche des Passivierungs
filmes rauh. Das Auftreten von Leerstellen und die Verschlech
terung der Planarisierung beeinträchtigt die Zuverlässigkeit
der Metalleitungen und erschwert die nachfolgenden Prozesse.
Anhand der Fig. 1A bis 1I soll nun das erfindungsgemäße Verfah
ren beschrieben werden.
Gemäß Fig. 1A wird eine als Oxidschicht ausgeführte Isolations
schicht (11) auf ein Siliziumhalbleitersubstrat (10) aufge
bracht. Anschließend werden Kontaktlöcher (12) in die erste
Isolationsschicht (11) eingebracht.
Gemäß Fig. 1B wird mit Si, Cu, Ti, Pd, Hf oder B legiertes
Aluminium mittels eines Sputter- oder CVD-Verfahrens aufge
bracht, wobei die Kontaktlöcher (12) vollständig aufgefüllt
werden. Auf diese Weise wird eine erste Metallschicht (13) auf
die gesamte Oberfläche der entstandenen Struktur aufgebracht.
Vor dem Aufbringen der Aluminiumlegierung kann auch eine
Sperrschicht aufgebracht werden, die aus einem schwerschmel
zenden Metall oder einem Silicid eines schwerschmelzenden
Metalles, wie beispielsweise Titan/Titan-Nitrid (Ti/TiN),
Molybdänsilicid (MoSix), Titanwolfram (TiW), Titansilicid
(TiSix) und Wolfram (W) bestehen kann.
Gemäß Fig. 1C bedeckt eine Photoresist-Schicht die Metall
schicht (13). Mittels Photolithographie wird eine photobestän
dige Struktur (14) gebildet. Hierbei ist die photobeständige
Struktur (14) derart ausgebildet, daß eine erste
Hälfte der Metalleitungen der gesamten Metallverdrahtung ge
bildet wird. Wenn während dieses Prozesses die Metalleitungen
mit größerer Linienstärke vorher gebildet werden, werden sie
bei dem nachfolgenden Ätzprozeß weniger beeinflußt als Metall
leitungen mit einer engeren Linienstärke.
Gemäß Fig. 1D wird die erste Metallschicht (13) unter Verwen
dung der photobeständigen Struktur (14) als Maske geätzt. Dann
wird die photobeständige Struktur (14) entfernt, wodurch die
erste Hälfte der Metalleitungen (15) gebildet werden und eine
die die Kontaktlöcher (12) füllende Metallschicht (16) zurück
bleibt.
Gemäß Fig. 1E wird eine zweite Isolationsschicht (17), die sich
aus Siliziumnitrid (SixNy), Siliziumoxidnitrid (SixOyNz), undo
tiertes Silicatglas (USG), phosphorhaltiges Silikatglas (PSG)
oder bor- oder phosphathaltiges Silicatglas (BPSG) zusammen
setzt, gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche der erhaltenen
Struktur aufgebracht.
Gemäß Fig. 1F wird die zweite Isolationsschicht (17) voll
ständig mittels eines Rückätzprozesses über ihr gesamtes Gebiet
geätzt, wobei Seitenwandabstandsschichten (18) zurückbleiben, die
aus dem Material der zweiten Isolationsschicht gebildet und an
den Seitenwänden der ersten Hälfte der Metalleitungen (15)
angeordnet sind. Während diesem Ätzprozeß ist es vorteilhaft,
daß die zweite Isolationsschicht (17) entsprechend überätzt
wird, so daß die Zwischenräume (19) zwischen den Metalleitungen
(15) tiefer als der Grund der Metalleitungen (15) eingeschnit
ten werden und die verschiedenen Tiefen der sich gegenüberlie
genden Metalleitungen parasitäre Kapazitäten zwischen jenen
Metalleitungen verringern.
Gemäß Fig. 1G wird eine Aluminiumlegierungsschicht mittels
eines CVD- oder Sputter-Verfahrens unter vollständiger Füllung
der Zwischenräume (19) aufgebracht, wodurch eine zweite
Metallschicht (20) gebildet wird.
Gemäß Fig. 1H wird die aufgebrachte zweite Metallschicht (20)
über ihre gesamte Fläche mittels einem Rückätzprozeß geätzt, so
daß die verbleibende Hälfte der Metalleitungen (21) innerhalb
der Zwischenräume (19) zwischen der zuvor gebildeten ersten
Hälfte der Metalldrähte (15) gebildet wird.
Gemäß Fig. 1I bedeckt eine dritte Isolationsschicht (22), die
aus demselben Material hergestellt ist wie die Seitenwandab
standsschichten (18), die gesamte Oberfläche der Struktur mit einer
im allgemeinen glatten Oberfläche, wodurch der Prozeß zur Bil
dung von Metalleitungen vervollständigt wird.
Mit dem zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren zur
Bildung von Metalleitungen ist es möglich, die Planarisierung
der dritten Isolationsschicht zu verbessern und das Auftreten
von Leerstellen hierin zu verhindern, da Seitenwandabstands
schichten zwischen den Metalleitungen gebildet werden.
Da weiterhin der Photolithographieprozeß einmal wie beim her
kömmlichen Metallisierungsprozeß durchgeführt wird, ist die
verbleibende Hälfte der Metalleitungen gegenüber der ersten
Hälfte der Metalleitungen selbstausrichtend. Weiterhin kann der
Zwischenraum zwischen den Metalldrähten durch Anpassung der
Stärke der Seitenwandabstandsschichten auf 0,1 µm verringert werden.
Deshalb kann das Verfahren zur Bildung von Metalleitungen an
Halbleiterbauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung zur
Herstellung von 64M und 256M DRAMs verwendet werden.
Claims (4)
1. Verfahren zur Bildung von Metalleitungen an Halbleiter
bauelementen, bei dem:
- a) Kontaktlöcher (12) in eine erste Isolationsschicht (11) eingebracht werden, die auf einem Halbleitersub strat (10) aufgebracht ist;
- b) eine erste Metallschicht (13) auf die gesamte Ober fläche der nach dem Kontaktlochbildungsprozeß erhal tenen Struktur unter vollständiger Füllung der Kon taktlöcher (12) aufgebracht wird;
- c) eine erste Hälfte von Metalleitungen (15), die in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind, mittels eines lithographischen Verfahrens gebildet werden;
- d) aus einer zweiten aufgebrachten Isolationsschicht (17) Seitenwandabstandsschichten (18) an den jeweiligen Seitenoberflächen der ersten Metalleitungen (15) gebildet werden, wobei gleichzeitig die erste Isola tionsschicht (17) auf eine gleichmäßige Tiefe geätzt wird;
- e) nach dem Ätzprozeß eine zweite Metallschicht (20) auf die gesamte Oberfläche der erhaltenen Struktur derart aufgebracht wird, daß die Zwischenräume (19) zwischen den Seitenwandabstandsschichten (18) vollständig aufge füllt sind; und
- f) die zweite Hälfte der in den Zwischenräumen (19) angeordnete Metalleitungen (21) durch anisotropes Ätzen der zweiten Metallschicht (20) gebildet wird, wobei die zweite Hälfte der Metalleitungen (21) selbstjustiert zur ersten Hälfte der Metalleitungen (15) angeordnet und von dieser durch die Seitenwandabstandsschichten (18) isoliert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallschichten (13, 20) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
die eines der Elemente Si, Cu, Ti, Pd, Hf oder B
enthält, hergestellt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschichten jeweils aus einer Diffusions-Sperrschicht,
die aus einer der Substanzen Ti, TiN, MoSix, TiW,
TiSix und W hergestellt ist, und einer Aluminiumlegierung bestehen,
die übereinandergestapelt sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Seitenwandabstandsschichten (18) aus einer
der Substanzen SixNy, SixOyNz, undotiertes Silicatglas
(USG), phosphorhaltiges Silicatglas (PSG) oder bor- und phosphorhaltiges
Silicatglas (BPSG) hergestellt sind.
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