DE4234666C2 - Verbindungsstruktur und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Verbindungsstruktur und Herstellungsverfahren dafür

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungs­ struktur einer Halbleitereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen.
Insbesondere bezieht sie sich auf eine Verbindungsstruktur einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung, bei der Mehrschicht-Aluminiumverbindungsschichten miteinander über ein Verbindungsloch verbunden sind.
Allgemein weist eine Halbleitereinrichtung ein Halbleiter­ substrat und darauf gebildete Elemente, etwa Transistoren, auf. Verschiedene Verbindungsschichten sind auf dem Halbleiter­ substrat zum elektrischen Verbinden dieser Elemente miteinander und mit einer externen Schaltung gebildet. Diese Verbindungs­ schichten werden üblicherweise aus Polysiliziumschichten, Refraktärmetallschichten, Refraktärmetallsilizidschichten, Aluminiumschichten und Aluminiumlegierungsschichten gebildet. In den letzten Jahren wird zunehmend die Verringerung des Verbindungsschichtwiderstandes in integrierten Halbleiter­ schaltungseinrichtungen, die hochintegriert und für Hochge­ schwindigkeitsbetrieb vorgesehen sind, gefordert. Dies erfordert weitgehend den Gebrauch von Aluminium- Mehrschichtverbindungsstrukturen, die aus Aluminiumschichten oder Aluminiumlegierungsschichten mit einem geringen spezifischen Widerstand bestehen. Ein Beispiel für die herkömmliche Aluminium-Mehrschichtverbindungsstruktur wird in "High Performance Multilevel Interconnection System with Stacked Interlayer Dielectrics by Plasma CVD and Bias Sputtering", H. Abe et al., VMIC Conference, S. 404-410, 12./13. Juni 1989 beschrieben.
Fig. 17 ist eine teilweise Querschnittsdarstellung, die ein Beispiel für eine Aluminium-Mehrschichtsverbindungsstruktur in einer herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltungsein­ richtung zeigt. In der Abbildung trägt ein Silizium-Halblei­ tersubstrat 1 DRAM (dynamische Direktzugriffsspeicher-)Zellen 2, die in einem gestapelten Zellenaufbau angeordnet sind. Eine Grundisolierschicht 3 ist auf den DRAM-Zellen 2 gebildet. Erste Aluminium-Verbindungsschichten 4 sind auf der Grundisolier­ schicht 3 mit vorbestimmten Abständen voneinander gebildet. Die ersten Aluminium-Verbindungen 4 sind mit einem Zwischenschicht­ isolierfilm 5 bedeckt, der mit Verbindungslöchern 6 (auch als Viaholes oder Durchgangslöcher bezeichnet) versehen ist. Zweite Aluminium-Verbindungsschichten 7 sind auf dem Zwischenschicht­ isolierfilm 5 gebildet und mit den ersten Aluminium-Verbin­ dungsschichten 4 über die Verbindungslöcher 6 verbunden. Eine Schutzisolierschicht 8 ist so gebildet, daß sie die DRAM-Zellen 2, die ersten Aluminium-Verbindungsschichten 4 und die zweiten Aluminium-Verbindungsschichten 7 bedeckt, um sie gegenüber Feuchtigkeit und anderen externen Einflüssen zu schützen.
Bei der in Fig. 17 gezeigten herkömmlichen Aluminium- Mehrschichtverbindungsstruktur hängen Produktionsausbeute und Zuverlässigkeit der Halbleitereinrichtung technisch von der Stabilität des Verbindungsabschnitts (nachfolgend als Viahole- Abschnitt bezeichnet) zwischen der ersten Aluminium-Verbin­ dungsschicht und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht ab. Ein Verfahren zur Herstellung der herkömmlichen Aluminium- Mehrschichtverbindungsstruktur nach Fig. 17 wird insbesondere hinsichtlich der Bildung des Viahole-Abschnitts beschrieben. Die Mehrschicht-Verbindungsstruktur wird üblicherweise aus einer Kombination von Polysilizium-Verbindungen, Refraktär­ metall-Verbindungen, Refraktärmetallsilizid-Verbindungs­ schichten und Aluminium-Verbindungen gebildet. Nachfolgend wird jedoch eine Beschreibung einer Aluminium-Zweischichtstruktur gegeben, bei der beide Verbindungsschichten der ersten und der zweiten Ebene Aluminium-Verbindungsschichten sind.
Die Fig. 18 bis 24 sind teilweise Querschnittsdarstellungen, die ein Herstellungsverfahren der Aluminium-Zweischicht- Verbindungsstruktur in der herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung in der Reihenfolge der Herstellungsschritte zeigen.
Wie Fig. 18 zeigt, ist eine DRAM-Zelle 2 auf der Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates 1 gebildet. Die DRAM-Zelle 2 ist aus einer Elementtrennoxidschicht 301, einer Transfergateelek­ trode 302, einer Störstellendiffusionsschicht 303, einer Wortleitung 304, einem Speicherknoten 305, einem Kondensator­ isolierfilm 306, einer Zellplatte 307 und einem Isolierfilm 309 gebildet.
Wie Fig. 19 zeigt, wird auf der gesamten Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates, auf dem die DRAM-Zelle 2 gebildet ist, eine Grundisolierschicht 3 gebildet. Dann werden fotolithografische und Ätztechniken zur Bildung eines Kontakt­ lochs 308 in einer vorbestimmten Lage in der Grundisolier­ schicht benutzt. Eine erste Aluminiumverbindungsschicht 4 wird als eine Bitleitung gebildet und elektrisch über dieses Kontaktloch 308 mit der Störstellendiffusionsschicht 303 verbunden. In den letzten Jahren wird in integrierten Halbleiterschaltungseinrichtungen, bei denen die Elementabmessungen auf eine Größenordnung von unter einem Mikrometer verringert sind, eine Verbindungsschicht aus einer ersten Aluminiumverbindungsschicht 4 verwendet, in der eine Barrieremetallschicht 310, etwa eine Titannitrid(TiN)- oder Titan-Wolfram(TiW)- und eine Alluminiumlegierungsschicht 311 aus Al-Si-Cu o. ä. kombiniert sind. Die Aluminium-Verbin­ dungsschicht mit einem solchen Aufbau wird aus den folgenden Gründen verwendet:
  • (i) Wenn das Aluminium in direktem Kontakt mit dem Silizium­ substrat (der Störstellendiffusionsschicht) im Kontaktabschnitt steht, wird lokal eine anormale Reaktion (die Bildung von Legierungsspitzen) verursacht. Dies führt zur Erzeugung einer Reaktionsschicht, die das Gebiet der Störstellendiffusions­ schicht unterbricht und sich nach unten in das Siliziumsubstrat hinein erstreckt, was zu einer Verbindungs-Schwachstelle in der Störstellendiffusionsschicht führt. Um dies zu verhindern, wird in direktem Kontakt mit dem Siliziumsubstrat (der Störstellen­ diffusionsschicht) die Barrieremetallschicht gebildet.
  • (ii) Silizium in der Aluminiumlegierungsschicht wird im Kontaktabschnitt infolge eines epitaxialen Festphasenwachstums ausgeschieden, was zu einem Kontakt mit mangelhaften Eigenschaften führt. Auch um dies zu verhindern, wird unter der Aluminiumlegierungsschicht die Barrieremetallschicht gebildet.
  • (iii) Auf der Aluminiumverbindungsschicht werden ein Zwischen- Schichtisolierfilm und ein Schutzisolierfilm gebildet. Die Schichtspannung dieser oberen Isolierschichten kann zu Unter­ brechungen in den Aluminium-Verbindungsschichten führen. Auch um die Widerstandsfähigkeit gegenüber dieser als Spannungsmigration bezeichneten Erscheinung zu erhöhen, wird unter der Aluminiumlegierungsschicht die Barrieremetallschicht gebildet.
Ein Film, der die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 bildet, wird üblicherweise durch Abscheidung mittels eines Sputterverfahrens und nachfolgendes Mustern der Schicht unter Anwendung von fotolithografischen und Ätztechniken gebildet.
Wie Fig. 20 zeigt, wird auf der gesamten Oberfläche der ersten Aluminiumverbindungsschicht 4 ein Zwischenschichtisolierfilm 5 gebildet. Der Zwischenschichtisolierfilm 5 wird aus einer Kombination eines beispielsweise durch CVD (chemische Gasphasenabscheidung) gebildeten Siliziumoxidfilms 321, eines anorganisch aufgebrachten Isolierfilms 322 und eines durch CVD gebildeten Siliziumoxidfilms 323 gebildet.
Der Siliziumoxidfilm 321 wird durch CVD unter Anwendung von Wärme und einem Plasma bei Bildungstemperaturen von 300 bis 450°C unter Verwendung einer Mischung aus Silan(SiH4)-Gas und Sauerstoff(O2)-Gas oder einem Stickoxid(N2O)-Gas gebildet. In letzter Zeit wird ein Sililiziumoxidfilm vielfach aus einem organisches Silan enthaltenden Material wie TEOS (Tetraethyl­ orthosilikat) gebildet, das sich durch eine gute Stufenbe­ deckung auszeichnet.
Der anorganische Isolierfilm 322, der zum Einebnen aufgebracht wird, enthält allgemein Silanol (Si(OH)4) o. ä. als Hauptbe­ standteil. Nach Aufschleudern des das Silanol o. ä. als Hauptbestandteil enthaltenden Materials wird bei Temperaturen von 400 bis 450°C ein Tempern (Backen) zur Umwandlung des Materials in einen Siliziumoxidfilm ausgeführt, wodurch die Oberfläche des Siliziumoxidfilms 321, der mittels CVD gebildet wurde, eingeebnet wird. Da der anorganische Isolierfilm 322 hochgradig hygroskopisch ist, kann es zu nachteiligen Erscheinungen wie einem Ausgasen kommen, wenn der Isolierfilm 322 an einer Seitenwandung des Kontaktloch-Abschnitts freigelegt wird. Daher wird der anorganische Isolierfilm 322 einem Rückätzschritt mittels Trockenätzen unter Verwendung eines fluorhaltigen Gases oder Argongases unterzogen, so daß die Oberfläche des anorganischen Isolierfilms 322 an der Seitenwandung des Durchgangslochabschnittes nicht freigelegt wird.
Auf dem anorganischen Isolierfilm 322 wird auf ähnliche Weise wie bei der Bildung des Siliziumoxidfilms 321 ein Silizium­ oxidfilm 323 gebildet.
Wie Fig. 21 zeigt, wird mittels Fotolithografie und Ätzen ein Verbindungsloch 6 so gebildet, daß es einen vorbestimmten Abschnitt der Oberfläche der ersten Aluminiumverbindungsschicht 4 freilegt. Dieser Schritt wird wie folgt ausgeführt:
Ein Fotoresist 324 wird so aufgebracht, daß er ein Gebiet mit Ausnahme dessen bedeckt, in dem durch Fotolithografie das Verbindungsloch 6 gebildet werden soll. Dann wird der Zwischenschichtisolierfilm 5 selektiv entfernt, um das Verbindungsloch 6 zu bilden.
Der Fotoresist 324 ebenso wie Reaktionsprodukte, die während des Ätzens erzeugt werden, werden durch ein Sauerstoff (O2)- Plasma und eine naßchemische Bearbeitung nach dem Ätzen entfernt.
Wie Fig. 22 zeigt, wird beim Schritt des Bildens des Verbin­ dungsloches 6 die Oberfläche der ersten Aluminiumverbin­ dungsschicht 4 einem Plasma eines fluorhaltigen Gases wie CHF3 oder eines Sauerstoffgases ausgesetzt, so daß sich eine Reaktionsprodukte (etwa Fluorid und Oxid) enthaltende Schicht 201 aus Aluminium mit verschlechterten Eigenschaften mit einer Dicke von etwa 10 nm auf der Oberfläche der ersten Aluminium- Verbindungsschicht 4 im Verbindungsloch 6 bildet. Um einen isolierenden Film der dünnen Aluminiumschicht mit verschlech­ terten Eigenschaften zu entfernen und so einen stabilen Kontaktwiderstand zu gewährleisten, wird vor der Bildung der zweiten Aluminiumverbindungsschicht ein Sputterätzen unter Anwendung von Argonionen (Ar⁺) 202 ausgeführt.
Dann wird, wie in Fig. 23 gezeigt, die zweite Aluminium- Verbindungsschicht 7 zusammenhängend im Vakuum unter Verwendung eines Sputterverfahrens abgeschieden. Als zweite Aluminium- Verbindungsschicht 7 findet ein Film aus einer Aluminium­ legierung wie Al-Si, Al-Si-Cu oder Al-Cu Verwendung. Diese Filme werden durch Mustern bzw. Strukturieren unter Anwendung von Fotolithografie und eines Ätzverfahrens auf eine ähnliche Weise gebildet wie die erste Aluminium-Verbindungsschicht.
Nachdem die zweite Aluminium-Verbindungsschicht 7 gebildet wurde, wird bei Temperaturen von etwa 400 bis 450°C eine Wärmebehandlung ausgeführt, so daß die erste und die zweite Aluminium-Verbindungsschicht 4 und 7 im Verbindungsloch 6 miteinander in Kontakt gebracht werden.
Schließlich wird, wie in Fig. 24 gezeigt, eine Schutzisolier­ schicht 8, etwa eine Siliziumoxidschicht oder eine Silizium­ nitridschicht, mittels CVD auf die zweite Aluminium-Verbin­ dungsschicht 7 abgeschieden, um die Halbleiterelemente und die Verbindungen gegen Feuchtigkeit und andere von außen einwir­ kende Einflüsse zu schützen.
Die herkömmliche Aluminium-Mehrschichtverbindungsstruktur weist die folgenden Probleme auf:
Infolge der Miniaturisierung der Verbindungen wird der Durchmesser des Verbindungslochs 6 zunehmend verringert. Wenn der Durchmesser des Verbindungslochs 6 auf Submikrometerniveau ist, können Probleme bezüglich der Stabilität und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung im Verbindungsloch 6 auftreten. Im herkömmlichen Falle wird - wie oben beschrieben - vor der Bildung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 7 ein Sputterätzen unter Verwendung von Argonionen ausgeführt. Bei diesem Ätzen entfernen, wie in Fig. 25(A) gezeigt, die Argonionen 202 die Schicht 201 mit verschlechterten Eigen­ schaften (die Fluorid und Oxid enthaltende Schicht), die auf der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 im Verbindungsloch 6 gebildet ist. Beim herkömmlichen Aufbau, bei dem das Verbindungsloch 6 ein relativ kleines Aspektverhältnis B/A (A ist der Durchmesser des Verbindungslochs und B die Schichtdicke - etwa 1 µm - des Zwischenschichtisolierfilms) von nicht mehr als 1 hat, werden Oxid- und Fluoridteilchen 203 des mittels der Argonionen 202 gesputterten Aluminiums hinreichend weit nach oben und außerhalb des Verbindungslochs 6 gestreut, wie in Fig. 25(A) gezeigt ist. Daher kann durch Entfernung der Zersetzungsschicht 201 des Aluminiums die Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 im Verbindungsloch 6 gesäubert werden.
Wenn jedoch das Verbindungsloch 6 einen Durchmesser auf Submikrometerniveau hat und das Aspektverhältnis (B/A) über 1 liegt, wie in Fig. 25(B) gezeigt, werden die durch die Argonionen 202 gesputterten Oxid- und Fluoridpartikel 203 des Aluminiums teilweise durch die Seitenwandung des Verbindungs­ lochs 6 aufgehalten und können nicht hinreichend nach außerhalb des Verbindungslochs 6 herausgeschleudert werden. Deshalb haften einige der Partikel 204 von neuem innerhalb des Verbindungsloches 6. Diese Erscheinung wird von H. Tomioka et al. in "A New Reliability Problem Associated with Ar Ion Sputter Cleaning of Interconnect Vias", IEEE/IRPS, 1989, S. 53- 58 beschrieben.
Im Ergebnis dessen verbleiben auch dann, wenn die zusammen­ hängende Abscheidung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 7 im Vakuum als nächster Schritt ausgeführt wird, die Partikel 204 aus Oxiden und Fluoriden des Aluminiums, die an der Grenz­ fläche 205 zwischen der ersten und der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 4 und 7 im Verbindungsloch 6 während des Sputterätzens verblieben sind, an dieser Grenzfläche, wie in Fig. 26(A). Deshalb kann bei der nachfolgenden Wärmebehandlung bei etwa 400 bis 450°C nach der Bildung der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht an der Grenzfläche 205 zwischen der ersten und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht kein hinreichendes Mischen ("Mixing") der Schichten erreicht werden.
Infolgedessen kann der Kontaktwiderstand (der als "Viahole- Widerstand" bezeichnet wird) im Verbindungsloch 6 erhöht werden und/oder sogar eine offene Fehlstelle (eine Fehlstelle bezüg­ lich der Leitung zwischen der ersten und der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht) erzeugt werden.
Weiterhin kommt auch dann, wenn infolge der oben beschriebenen Wärmebehandlung bei 400 bis 450°C der anfängliche Viahole- Widerstand einen ausreichenden Wert hat, keine hinreichende Vermischung ("Mixing") an der Grenzfläche 205 zwischen der ersten und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht zustande. Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Verbindung im Verbindungs­ loch 6, insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elek­ tromigration und Spannungsmigration, verringert.
Als erster Lösungsversuch für diese Probleme wurde in jüngerer Zeit - wie in Fig. 26(B) gezeigt - eine erste Aluminium-Verbin­ dungsschicht 4 verwendet, bei der ein Film aus einem Refraktär­ metall wie Wolfram (W) und Titan-Wolfram (Ti-W), ein Film aus einer Refraktärmetallverbindung wie Titannitrid (TiN), ein Film aus einem Refraktärmetallsilizid wie Molybdänsilizid (MoSi2) und Wolframsilizid (WSi2) oder ein Refraktärelemente enthaltender Film, wie etwa ein Film aus amorphem Silizium, auf einer Oberfläche der Aluminiumlegierungsschicht 311 einer ersten Schicht angeordnet sind. Bei solchen Strukturen ist es bekannt, daß der refraktärmetallhaltige Film 312 beim Schritt der Bildung des Durchgangsloches im Vergleich zu einem Alumi­ niumlegierungsfilm 311 eine Schicht mit verschlechterten Eigen­ schaften mit geringerer Dicke erzeugt.
Jedoch wird auch bei Anwendung der oben beschriebenen Struktur die Erscheinung des Wiederanhaftens von Zersetzungspartikeln im Verbindungsloch beim Sputterätzen bei Strukturen auf Submikrometerniveau nicht vollständig verhindert. Da auf der Oberfläche eines refraktärelementhaltigen Films 312, der die oberste Schicht der ersten Aluminiumverbindungsschicht 4 bildet, eine dünnere Zersetzungsschicht erzeugt wird, ist allerdings ein Sputterätzen nur in geringerem Umfang erforder­ lich, und damit wird das Wiederanhaften bis zu einem gewissen Grade verringert.
Damit existieren, wenn die zweite Aluminium-Verbindungsschicht 7 auf dem refraktärelementhaltigen Film gebildet wird, Fluorid- und Oxidpartikel des Wolframs, die während des Sputterätzens von neuem anhafteten, auf der Grenzfläche 205 der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 mit der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 7, wie in Fig. 26(C) gezeigt. Dies verhindert das Mixing an der Grenzfläche 205 der ersten Aluminium-Verbindungsschicht und der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht. Infolgedessen wird der Viahole-Widerstand im Verbindungsloch 6 erhöht und/oder eine offene Fehlstelle bewirkt. Im Ergebnis dessen taucht das Problem auf, daß die Zuverlässigkeit im Verbindungsloch verringert ist.
Ein weiteres Problem, das sich aus dem Ansteigen des Aspekt­ verhältnisses des Verbindungslochs 6 ergibt, ist es, daß das Bedeckungsverhältnis im Verbindungsloch der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 7 durch das Sputterverfahren signifikant absinkt. Wenn das Bedeckungsverhältnis des Aluminiums im Verbindungsloch niedrig ist, wird nicht nur die Zuverlässigkeit der Verbindung im Verbindungsloch, etwa die Widerstands­ fähigkeit gegenüber Elektromigration, verringert, sondern auch der Viahole-Widerstand steigt an.
Dieses Problem wird für Verbindungslöcher in künftigen inte­ grierten Halbleiterschaltungseinrichtungen, die auf Submikro­ meterniveau bis zum Niveau von 0,5 µm miniaturisiert sind und ein zunehmend größeres Aspektverhältnis (B/A) aufweisen, zunehmend ernster.
Aus "Solid State Technology", Oktober 1987, Seiten 97 bis 103, ist eine Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung bekannt, die eine Mehrschichtstruktur aufweist. Die Verbindung zwischen einer ersten Leiterstruktur und einer zweiten Leiterstruktur wird durch eine Isolierschicht durch ein "wire hole" gebildet. Dieses "wire hole" wird durch einen Wolframstopfen gefüllt, der eine leitende Verbindung zwischen der ersten und zweiten leitenden Schicht darstellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsstruktur für eine integrierte Halbleitereinrichtung anzugeben, die ein verbessertes "mixing" zwischen einer unteren Aluminium-Verbindungsschicht und einer oberen Aluminium-Verbindungsschicht sowie eine verbesserte Stufenabdeckung und damit einen stabilen "wire-hole"-Widerstand und verbesserte Zuverlässigkeit erlaubt. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine derartige Halbleitereinrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Herstellungsverfahren für eine Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der Verbindungsstruktur wird als Basisschicht für die obere, zweite Aluminium-Verbindungsschicht im Kontakt mit der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht in einem Abschnitt des Durchgangslochs eine gestapelte Schicht­ struktur angewandt, die eine Titanschicht und eine Titanverbin­ dungsschicht aufweist. Eine Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht steht im Kontakt mit der Titanschicht. Die Oberfläche der unteren, ersten Aluminium- Verbindungsschicht enthält die refraktärelementhaltige Schicht mit einem Schmelzpunkt, der höher als derjenige des Aluminiums ist, und so ist die untere, refraktärelementhaltige Schicht im Kontakt mit der oberen Titanschicht. Da diese Titanschicht eine starke Bindungskraft gegenüber Fluorid und Sauerstoff aufweist, erfüllt sie auch dann die unten beschriebenen Funktionen, wenn Oxid- und Fluoridpartikel des Refraktärmetalls o. ä. auf der Oberfläche der unteren refraktärmetallhaltigen Schicht verblieben sind, die Refraktärmetall o. ä. in einem Abschnitt des Verbindungslochs infolge des Wiederanhaftens während des Sputterätzens enthält:
  • (i) Die Titanschicht "fängt" die Oxid- und Fluoridpartikel des Aluminiums als Oxide und Fluoride des Titans ein und zersetzt sie.
  • (ii) Die Titanschicht verbessert die Haftung der refraktär­ elementhaltigen Schicht, die auf der Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht existiert.
Die auf der Titanschicht gebildete Titanverbindungsschicht verhindert eine Reaktion der Titanschicht, die im Kontakt mit der ersten Aluminium-Verbindungsschicht steht, mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht und begünstigt die Reaktion der Titanschicht mit der Schicht mit verschlechterten Eigenschaften und den auf der refraktärelementhaltigen Schicht verbliebenen Partikeln.
D. h., wenn die Titanverbindungsschicht nicht gebildet wäre, würde es an der Grenzfläche der Titanschicht und der oberen, aluminiumhaltigen Schicht keine Schicht zum Verhindern deren Reaktion miteinander geben, und daher würde die Titanschicht bereitwillig mit der oberen, aluminiumhaltigen Schicht bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 200 bis 300°C reagieren und eine intermetallische Verbindung (TiAl3) bilden - vor einer Reaktion mit der Schicht mit verschlechterten Eigenschaften bzw. der Zersetzungsschicht und den auf der refraktärelementhaltigen Schicht in der Oberfläche der ersten, unteren Aluminium-Verbindungsschicht vorhandenen Partikeln. In diesem Falle würde die Titanschicht die Schicht mit verschlech­ terten Eigenschaften und die auf der refraktärelementhaltigen Schicht in der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungs­ schicht im Verbindungsloch vorhandenen Partikel nicht hinreichend zersetzen und keine hinreichende Haftung infolge der Reaktion mit der refraktärelementhaltigen Schicht in der Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht gewährleistet.
Der Aufbau schließt jedoch das Vorsehen der Titanverbindungsschicht, die eine geringere Reaktionsfähigkeit mit dem Aluminium aufweist, auf der Titanschicht ein, um die Reaktion der Titanschicht und der oberen aluminiumhaltigen Schicht zu unterdrücken. Daher werden durch eine Wärmebehand­ lung bei 300 bis 450°C nach der Bildung der oberen aluminium­ haltigen Schicht die Schicht mit verschlechterten Eigenschaften und die auf der refraktärelementhaltigen Schicht in der Ober­ fläche der unteren Aluminium-Verbindungsschicht im Verbindungs­ loch vorhandenen Partikel, die durch das Wiederanhaften während des Sputterätzens dorthin gekommen sind, als Oxide und Fluoride des Titans "eingefangen" und zersetzt. Weiterhin reagiert die Titanschicht mit der refraktärelementhaltigen Schicht in der Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht und dient dazu, die Haftung an der Grenzfläche zwischen der refrak­ tärelementhaltigen Schicht und der Titanschicht selbst zu verbessern.
Das Verbindungsloch ist mit der metallhaltigen Schicht auf der Titanverbindungsschicht ausgefüllt, so daß die metallhaltige Schicht die Bedeckung durch die zweite Aluminium-Verbindungs­ schicht im Verbindungsloch verbessert.
Damit wird der elektrische Kontaktwiderstand (der Viahole- Widerstand) auch dann stabilisiert, wenn das Verbindungsloch einen Durchmesser auf Submikrometerniveau hat. Weiterhin wird die Zuverlässigkeit, insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration im Viahole- Abschnitt, verbessert.
Wie oben beschrieben, wird durch Anwendung einer gestapelten Schicht, die aus einer Titanschicht und einer Titanverbindungsschicht besteht, als Basisschicht für die obere Aluminium-Verbindungsschicht benachbart zur unteren Aluminium-Verbindungsschicht in einem Verbindungsloch ein stabiler Kontakt einer Mehrschicht- Aluminium-Verbindungsstruktur in einem Verbindungsloch geschaffen. Außerdem wird die Bedeckung durch die zweite Aluminium-Verbindungsschicht im Verbindungsloch durch Anwendung einer metallhaltigen Schicht, die das Verbindungsloch ausfüllt, verbessert, so daß der elektrische Kontaktwiderstand stabilisiert wird und die Zuverlässigkeit der Verbindungsloch- Abschnitte einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung, etwa die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration, verbessert wird.
Es folgt die Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Von den Figuren zeigen
Fig. 1 eine teilweise Querschnittsdarstellung, die eine Verbindungsstruktur einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung nach einer Ausführungsform zeigt,
Fig. 2 eine vergrößerte teilweise Querschnittsdarstellung, die einen Abschnitt II in Fig. 1 zeigt,
Fig. 3-13 teilweise Querschnittsdarstellungen, die jeweils Schritte eines Verfahrens zur Bildung der in Fig. 1 gezeigten Verbindungsstruktur darstellen,
Fig. 14(A) und 14(B) vergrößerte teilweise Querschnittsdarstellungen, die eine Verbindungsstruktur einer ersten Aluminium-Verbindungsschicht und einer zweiten Aluminium-Verbindungsschicht zur Darstellung von Vorgängen an deren Grenzfläche zeigen,
Fig. 15(A) und 15(B) vergrößerte teilweise Querschnittsdarstellungen, die eine Verbindungsstruktur zum Darstellen der Existenz eines optimalen Wertes für die Dicke einer Titanschicht in einem Verbindungsabschnitt zeigen,
Fig. 16 eine teilweise Querschnittsdarstellung, die eine Verbindungsstruktur einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung nach einer anderen Ausführungsform zeigt,
Fig. 17 eine teilweise Querschnittsdarstellung, die eine Verbindungsstruktur einer herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung zeigt,
Fig. 18-24 teilweise Querschnittsdarstellungen, die jeweils Schritte eines Verfahrens zur Bildung der Verbindungsstruktur der in Fig. 17 gezeigten herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung zeigen,
Fig. 25(A) und 25(B) teilweise Querschnittsdarstellungen, die die Situation darstellen, wenn in einem Schritt der herkömmlichen Verbindungsstruktur ein Sputterätzen ausgeführt wird,
Fig. 26(A) eine vergrößerte teilweise Querschnittsdarstellung der herkömmlichen Verbindungsstruktur, und
Fig. 26(B) und 26(C) teilweise Querschnittsdarstellungen, die die Situation verdeutlichen, wenn in einem Schritt der Bildung einer verbesserten herkömmlichen Verbindungsstruktur ein Sputterätzen ausgeführt wird.
Fig. 1 ist eine teilweise Querschnittsdarstellung, die ein Beispiel einer Verbindungsstruktur entsprechend der Erfindung zeigt, während Fig. 2 eine vergrößerte teilweise Querschnitts­ darstellung ist, die einen Abschnitt II in Fig. 1 zeigt. Unter Bezugnahme auf diese Figur ist eine DRAM-Zelle 2 auf einem Silizium-Halbleitersubstrat 1 so gebildet, daß sie einen gestapelten Zellaufbau aufweist. Auf der DRAM-Zelle 2 ist eine Grundisolierschicht 3 gebildet. Auf der Grundisolierschicht 3 sind erste Aluminium-Verbindungsschichten 4 gebildet, die voneinander getrennt sind. Eine erste Aluminium-Verbindungs­ schicht 4 ist aus einer Titannitridschicht 310 als Barriere­ metallschicht, einer Schicht 311 aus einer Aluminiumlegierung wie Al-Si-Cu und einer Wolframschicht 312 gebildet. Ein Zwischenschichtisolierfilm 5 ist so gebildet, daß er die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 bedeckt. Ein Verbindungsloch 6 ist so geöffnet, daß es eine Oberfläche der ersten Aluminium- Verbindungsschicht 4 im Zwischenschichtisolierfilm 5 erreicht. Eine zweite Aluminium-Verbindungsschicht 100 ist auf dem Zwischenschichtisolierfilm 5 so gebildet, daß sie in elektrischem Kontakt mit der ersten Aluminium-Verbindungs­ schicht 4 im Verbindungsloch 6 steht. Die zweite Aluminium- Verbindungsschicht 100 ist aus einer Titanschicht 101, einer Titannitridschicht 102 und einer Aluminiumschicht oder Aluminiumlegierungsschicht 104 zusammengesetzt. Die Titan­ schicht 101 ist als Basisschicht der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 100 gebildet und im Kontakt mit der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4. Die Titannitridschicht 102 ist als eine Basisschicht der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 auf dem Titanfilm 101 gebildet. Der Aluminiumfilm oder Aluminiumlegierungsfilm 104 ist auf der Titannitridschicht 102 gebildet. Ein Wolfram- oder Wolframverbindungspfropfen bzw. -stecker 103 ist auf der Titannitridschicht 102 gebildet und füllt das Kontaktloch 6 aus. Eine Schutzisolierschicht 8 ist auf der gesamten Ober­ fläche gebildet, um die Verbindungsstruktur gegenüber äußeren Einflüssen zu schützen. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist auf einer Grenzfläche des Titanfilms 101 und des Wolframfilms 312 in der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 durch Reaktion dieser Filme eine Legierungsschicht 206 gebildet.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Verbindungs­ struktur wird die Bildung insbesondere eines Verbindungsab­ schnittes (Viahole-Abschnittes) der unteren, ersten Aluminium- Verbindungsschicht 4 und der oberen, zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 100 beschrieben. Die Fig. 3 bis 13 sind teilweise Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zur Bildung der Verbindungsstruktur nach Fig. 1 in der Reihenfolge der Bildungsschritte zeigen.
Wie Fig. 3 zeigt, ist auf der Oberfläche eines Silizium- Halbleitersubstrates 1 eine DRAM-Zelle 2 gebildet. Die DRAM- Zelle 2 ist aus einer Elementtrennoxidschicht 301, einer Transfergateelektrode 302, einer Störstellendiffusionsschicht 303, einer Wortleitung 304, einem Speicherknoten 305, einem Kondensatorisolierfilm 306, einer Zellplatte 307 und einem Isolierfilm 309 aufgebaut.
Wie Fig. 4 zeigt, wird die Grundisolierschicht 3 auf der gesamten Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates 1 gebildet, auf der die DRAM-Zelle 2 gebildet ist. Danach wird in einem vorbestimmten Abschnitt der Grundisolierschicht unter Anwendung von Fotolithografie und Ätzen ein Kontaktloch 308 geöffnet. Die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 wird als eine Bitleitung in elektrischem Kontakt mit der Störstellen­ diffusionsschicht 303 über das Kontaktloch 308 gebildet.
In jüngster Zeit wird bei integrierten Halbleiterschal­ tungseinrichtungen, bei denen die Elementabmessungen bis zu einer Größenordnung von unter einem Mikrometer verringert sind, als erste Aluminium-Verbindungsschicht 4, d. h. als Basis­ schicht, eine Verbindungsschicht verwendet, bei der ein Film 310 aus einem Barrieremetall wie Titannitrid oder Titan-Wolfram (TiW) mit einem Film 311 aus einer Aluminiumlegierung wie etwa Al-Si-Cu oder Al-Si kombiniert ist. Die Aluminiumverbindung mit einem solchen Aufbau wird aus den Gründen verwendet:
  • (i) Verhinderung einer Verbindungsunterbrechung durch eine anormale Reaktion (die Bildung von Legierungsspitzen) des Aluminiums und des Siliziumsubstrats (der Störstellendiffu­ sionsschicht) in einem Kontaktabschnitt,
  • (ii) Verhinderung eines unvollständigen Kontakts, der durch die Ausscheidung von in der Aluminiumlegierungsschicht vorhandenem Silizium im Kontaktabschnitt infolge eines epitaxialen Festphasenwachstums bewirkt werden könnte,
  • (iii) Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Erscheinung der sogenannten Spannungsmigration, bei der eine Aluminiumverbindung infolge der Schichtspannung einer Schutz­ isolierschicht und/oder des zur oberen Aluminium-Verbindungs­ schicht gebildeten Zwischenschichtisolierfilms brechen oder reißen kann.
Eine Wolframschicht 312 wird auf der Aluminiumlegierungsschicht 311 zu den folgenden Zwecken gebildet:
  • (a) Die Dicke einer während des Schritts der Bildung des Kontaktlochs erzeugten Schicht mit verschlechterten Eigen­ schaften wird gesenkt, so daß die Schicht mit verschlechterten Eigenschaften durch Sputterätzen leichter entfernt werden kann,
  • (b) die Wolframschicht 312 wird als Antireflexionsschicht für die Fotolithografie im Schritt der Bildung des Kontaktlochs verwendet,
  • (c) die Zuverlässigkeit der ersten Aluminium-Verbindungs­ schicht, insbesondere deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration, wird verbessert.
Eine Schicht, die die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 bildet, wird allgemein durch aufeinanderfolgende Abscheidung unter Verwendung eines Sputterverfahrens und nachfolgendes Mustern unter Verwendung von Fotolithografie und Ätzen gebildet.
Wie Fig. 5 zeigt, wird auf der gesamten Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 ein Zwischenschichtisolierfilm 5 gebildet. Der Zwischenschichtisolierfilm 5 kann ein Isolierfilm aus einer Kombination einer durch chemische Gasphasen­ abscheidung (CVD) gebildeten Siliziumoxidschicht 321, einer aufgebrachten anorganischen Isolierschicht 322 und einer wiederum durch das CVD-Verfahren gebildeten Siliziumoxidschicht 323 sein.
Die Siliziumoxidschicht 321 wird allgemein unter Verwendung des CVD-Verfahrens unter Anwendung von Wärme und eines Plasmas bei einer Bildungstemperatur von 300 bis 450°C unter Verwendung einer Mischung aus Silan (SiH4)-Gas und Sauerstoff (O2)-Gas oder einem Stickoxid (N2O)-Gas gebildet. In letzter Zeit wurde der Siliziumoxidfilm auch unter Verwendung von organischem, silanhaltigem Material wie TEOS (Tetraethylorthosilikat) gebildet, weil ein solcher Oxidfilm eine gute Stufenbedeckung aufweist.
Die zur Einebnung gebildete anorganische Isolierschicht 322 hat allgemein Silanol (Si(OH)4) o. ä. zum Hauptbestandteil. Nach Aufschleudern eines Silanol o. ä. als Hauptbestandteil enthaltenden Materials wird bei Temperaturen von 400 bis 450°C ein Tempern ("Backen") ausgeführt, um die Schicht in eine Siliziumoxidschicht umzuwandeln, womit die Oberfläche der durch das CVD-Verfahren gebildeten Siliziumoxidschicht 321 koplanar gemacht wird. Da die aus anorganischem Material aufgebrachte Isolierschicht 322 hochgradig hygroskopisch ist, zeigt sich, wenn sie in der Seitenwandung eines Viahole-Abschnittes freigelegt ist, ein Nachteil wie eine Gasemission. Damit ihre Oberfläche an der Seitenwandung des Viahole-Abschnittes nicht freiliegt, wird die anorganische Isolierschicht 322 einer Rückätzbearbeitung mittels eines Trockenätzens unter Verwendung eines fluorhaltigen Gases ausgesetzt.
Der Siliziumoxidfilm 323 wird auf der anorganischen Isolier­ schicht 322 auf die gleiche Weise gebildet, wie der Silizium­ oxidfilm 321 gebildet wurde.
Wie Fig. 6 zeigt, wird ein Verbindungsloch 6 unter Anwendung von Fotolithografie und einem Ätzverfahren gebildet, so daß ein vorbestimmter Bereich der Oberfläche der ersten Aluminium- Verbindungsschicht 4 freigelegt wird. Dieser Schritt wird wie folgt ausgeführt:
Ein Fotoresist 324 wird in einem Gebiet mit Ausnahme des Verbindungslochs 6 gebildet und unter Anwendung der Fotolitho­ grafie strukturiert. Danach wird der Zwischenschichtisolierfilm 5 durch Ätzen selektiv entfernt und damit das Verbindungsloch 6 geöffnet. Der Fotoresist 324 und die beim Ätzen erzeugten Reaktionsprodukte werden unter Anwendung eines Sauerstoff (O₂)- Plasmas und/oder eines naßchemischen Bearbeitungsverfahrens nach dem Ätzen entfernt.
Wie Fig. 7 zeigt, wird auf der Wolframschicht 312 in der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 im Verbindungsloch 6 durch das Freilegen mittels eines Plasmas eines fluorhaltigen Gases wie CHF3 und/oder eines Sauerstoff­ gases beim Schritt der Bildung des Verbindungslochs 6 eine Wolframschicht mit verschlechterten Eigenschaften 313 (eine Fluorid und Oxid enthaltende Schicht) mit einer Dicke von etwa 5 bis 10 nm gebildet. Um die dünne Schicht mit verschlech­ terten Eigenschaften 313 zu entfernen und dadurch einen stabilen Viahole-Widerstand zu erhalten, wird ein Sputterätzen unter Verwendung von Argonionen 202 ausgeführt.
Wie Fig. 8 zeigt, reicht, wenn das Verbindungsloch 6 eine Abmessung auf Submikrometerniveau und damit ein Aspektver­ hältnis (B/A) von mehr als 1 hat, das Sputterätzen unter Anwendung von Argonionen 202 nicht aus, um das Wiederanhaften von Reaktionspartikeln aus Fluorid und Oxid o. ä. aus dem durch die Argonionen gesputterten Wolfram zu verhindern, so daß Partikel 314 der im Wolfram enthaltenen Fluoride und Oxide auf der Oberfläche 205 der ersten Aluminium-Verbindungsschicht im Verbindungsloch 6 zurückbleiben. Wie in Fig. 9 gezeigt, wird, nachdem die Schicht mit verschlechterten Eigenschaften 313 aus Wolfram zum größten Teil durch das Sputterätzen entfernt wurde, nachfolgend ein Titanfilm 101 auf der gesamten Oberfläche im Vakuum mit einer Dicke von 5 bis 15 nm unter Anwendung eines Sputterverfahrens abgeschieden, um die noch vorhandene kleine Menge von Reaktionsprodukten 314 des Wolframs zu zersetzen.
Wie Fig. 10 zeigt, wird auf die Titanschicht 101 eine Titan­ nitridschicht 102 mit einer Dicke von 50 bis 100 nm abgeschieden. Als Abscheidungsverfahren wird üblicherweise ein reaktives Sputterverfahren verwendet, bei dem das Sputtern in einer Atmosphäre aus Ar-+N2-Gas unter Verwendung eines Ti- Targets ausgeführt wird. Die Titannitridschicht 102 dient zum Verhindern bzw. Einschränken einer Reaktion der Titanschicht 101 im Kontakt mit der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht im Viahole-Abschnitt. Daher wird der Titannitridfilm, dessen spezifischer Widerstand nur etwa 250 bis 400 µΩ cm beträgt, verwendet, weil er eine geringe Reaktionsfähigkeit mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht hat, und um ein Anwachsen des Viahole-Widerstandes soweit wie möglich zu unterdrücken.
Wenn eine Titannitridschicht als Barrieremetallschicht in einem Kontaktabschnitt mit einem Siliziumsubstrat verwendet wird, benötigt sie Barriereeigenschaften gegenüber dem Silizium und dem Aluminium, so daß üblicherweise eine Schicht mit einem hohen Widerstand von etwa 400 bis 2000 µΩ cm verwendet wird. Würde eine solche Titannitridschicht jedoch in einem Viahole- Abschnitt verwendet, würde das Problem auftreten, daß der Viahole-Widerstand mehrere Male größer wäre als bei einem herkömmlichen Aufbau. Im Viahole-Abschnitt wird die Titan­ nitridschicht 102 jedoch zum Zwecke des Unterdrückens einer Reaktion der Titanschicht 101 mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht gebildet. Damit muß die Titannitridschicht 102 keine wesentlichen Barriereeigenschaften gegenüber Aluminium aufweisen. Damit kann ein Titannitridfilm mit einem kleinen Widerstand von etwa 250 bis 400 µΩ cm verwendet werden. Im Ergebnis dessen ist mit einer Erhöhung des Viahole-Widerstandes um weniger als 50% auszukommen, was in der Praxis zu keinerlei Problemen führt.
Weiterhin sollte die Dicke der Titannitridschicht 102 aus dem Grunde, daß die Titannitridschicht 102 die untere Titanschicht 101 von einer Reaktion mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht abhält und daß das Anwachsen des Viahole-Widerstandes in einem Bereich sein sollte, der in der Praxis zu keinen Problemen führt, etwa 50 bis 100 nm betragen.
Danach wird, wie in Fig. 11 gezeigt, bei Temperaturen von 300 bis 500° C eine Wolframschicht auf der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 mittels des CVD-Verfahrens gebildet. Nachfolgend werden zwei typische Beispiele des Schrittes der Bildung einer Wolframschicht mittels des CVD-Verfahrens angegeben:
(i) Verfahren des Reduzierens von SiH₄
2WF₆ + 3SiH₄ → 2W + 3SiF₄ ↑ + 6H₂ ↑
(ii) Verfahren des Reduzierens von H₂
WF₆ + 3H₂ → W + 6HF ↑
Die wesentliche Eigenschaft einer Wolframschicht, die durch das CVD-Verfahren gebildet ist, ist ihre gegenüber einem Sputter­ verfahren ausgezeichnete Stufenbedeckung, so daß das Verbin­ dungsloch 6 mit einem vergleichsweise großen Aspektverhältnis und kleinem Durchmesser durch die Wolframschicht vollständig ausgefüllt ist.
Nachfolgend wird die gesamte Oberfläche der Wolframschicht, die durch das CVD-Verfahren gebildet wurde, unter Verwendung von SF6 o. ä. rückgeätzt, um die Wolframschicht zu entfernen und nur einen Wolframpfropfen 103 zurückzulassen, der das Verbindungsloch ausfüllt. Der Aufbau zu diesem Zeitpunkt ist in Fig. 11 im Querschnitt gezeigt.
Danach wird, wie Fig. 12 zeigt, als oberste Schicht der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 beispielsweise eine Al-Si-Cu- Schicht 104 durch ein Sputterverfahren abgeschieden. Die zweite Aluminium-Verbindungsschicht 100 mit einer Dreischichtstruktur aus einer Titanschicht 101, einer Titannitridschicht 102 und einer Aluminiumlegierungsschicht 104 wird unter Anwendung von Fotolithografie und Ätzen als erste Aluminium-Verbindungs­ schicht 4 strukturiert.
Um ein Mischen bzw. "Mixing" an der Grenzfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 100 zu fördern, wird bei einer Temperatur von 300 bis 450°C für etwa 15 bis 60 Minuten eine Wärmebe­ handlung ausgeführt, wodurch die auf der Oberfläche 205 der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 im Viahole-Abschnitt verbliebenen Fluorid- und Oxidpartikel 314 des Wolframs durch die Einwirkung der Titanschicht 101 zersetzt werden. Die Wolframschicht 312 in der Oberfläche der ersten Aluminium- Verbindungsschicht 4 und die Titanschicht 101 reagieren miteinander und bilden eine Legierungsschicht 206.
Fig. 14 zeigt einen vergrößerten Verbindungsabschnitt zum Darstellen des Mischens an der Grenzfläche zwischen der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 100. Wie Fig. 14(A) zeigt, sind Reaktions­ teilchen 314 des Wolframs infolge des Wiederanhaftens der Fluorid- und Oxidteilchen im Wolfram beim Ätzen auch nach der Bildung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 noch auf der Oberfläche 205 der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 verblieben. Die Teilchen 314 verhindern ein hinreichendes "Mixing" an der Grenzfläche 205 zwischen der ersten Aluminium- Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-Verbindungs­ schicht 100.
Daher wird, wie in Fig. 14(B) gezeigt, nach der Bildung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 - wie oben beschrieben - bei Temperaturen von 300 bis 450°C für etwa 15 bis 60 Minuten eine Wärmebehandlung ausgeführt. Im Ergebnis dieser werden die Reaktionspartikel 314 des Wolframs in Oxide und Fluoride des Titans umgewandelt und zersetzt. Dies liegt daran, daß die Titanschicht 101 eine große Bindungskraft gegenüber Fluoriden und Oxiden aufweist, die die Reaktionsteilchen des Wolframs darstellen, und bei einer Wärmebehandlung bei 300 bis 450°C leicht Titanfluorid und -oxid bildet. Weiterhin reagiert bei der Wärmebehandlung die Wolframschicht 312 in der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 mit der Titanschicht 101, wodurch eine Legierungsschicht 206 entsteht. Diese fördert das "Mixing" an der Grenzfläche 205, was zu einer verbesserten Haftung der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 führt.
Schließlich wird - wie Fig. 13 zeigt -, um die auf dem Halblei­ tersubstrat gebildeten Halbleiterelemente und Verbindungen gegenüber Feuchtigkeit und anderen Umgebungseinflüssen zu schützen, unter Anwendung eines CVD-Verfahrens auf der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 eine Schutzisolierschicht 8 wie etwa eine Siliziumoxidschicht und eine Siliziumnitrid­ schicht abgeschieden.
Für die Dicke der im Verbindungsaufbau der vorliegenden Erfindung verwendeten Titanschicht 101 gibt es aus den folgenden Gründen, die unter Bezugnahme auf Fig. 15 erklärt werden, einen optimalen Wert.
Nachdem die zweite Aluminium-Verbindungsschicht 100 gebildet wurde, reagiert die Titanschicht 101 mit der Wolframschicht 312 in der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 bei der Wärmebehandlung bei 300 bis 450°C und bildet eine Legierungsschicht 206 (aus einer Legierung aus Ti und W). Fig. 15(A) zeigt einen Querschnitt des Verbindungsaufbaus, wenn die Dicke der Titanschicht 101 ausreichend ist. Wie in Fig. 15(B) gezeigt, wird, wenn die Titanschicht 101 zu dick ist, ein nachteiliger Effekt erreicht. Wenn die Legierungsschicht 206 übermäßig ausgeprägt gebildet wird, wird die Grenzfläche zwischen der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 infolge der Spannungen und anderer Reaktionsfolgen bruchempfindlich, d. h. die mechanische Stabilität verringert. Wenn umgekehrt die Titanschicht zu dünn ist, kann das Mischen an der Grenzfläche nicht hinreichend gefördert werden. Daher gibt es für die Dicke der Titanschicht 101, die beim Verbindungsaufbau entsprechend der Erfindung verwendet wird, eine obere und eine untere Grenze. Entsprechend den experimentellen Ergebnissen der Erfinder ist es vorzuziehen, daß die Dicke der Titanschicht 101 im Bereich von 5 nm bis 15 nm liegt.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Titannitrid­ schicht 102 auf der Titanschicht 101 vorgesehen, um die Reaktion der Titanschicht 101 mit der Aluminiumlegierungs­ schicht 103 zu unterdrücken, die die zweite Aluminium-Verbin­ dungsschicht bildet. Jedoch erzeugen andere Titanverbindungs­ schichten, etwa eine Titanoxidschicht oder eine Titan- Stickstoff-Oxidschicht, die ebenfalls dazu dienen, die Wechsel­ wirkung der beiden Schichten zu unterdrücken, einen ähnlichen Effekt. Diese Filme können - wie bei der obigen Ausführungsform - unter Anwendung eines reaktiven Sputterverfahrens abgeschie­ den werden. D. h., ein Sputtern wird in einer Gasatmosphäre von Ar+O2 ausgeführt, wenn der Titanoxidfilm abgeschieden wird, und in einer Gasatmosphäre aus Ar+O2+N2, wenn die Titanoxynitrid­ schicht abgeschieden wird, wobei Ti als Target verwendet wird, um die gewünschte Titanverbindungsschicht abzuscheiden.
Bei der obigen Ausführungsform wird der Wolframpfropfen oder -stecker mittels des CVD-Verfahrens gebildet, um die Bedeckung der Aluminiumlegierungsschicht im Verbindungsloch zu verbessern. Jedoch erzeugen andere Metallpfropfen als ein Wolframpfropfen, etwa Wolframsilizid und Molybdän, die durch andere Metall-CVD-Verfahren erzeugt werden, einen ähnlichen Effekt.
Weiterhin ist bei der beschriebenen Ausführungsform die Oberfläche der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht als Wolframschicht gebildet. Jedoch kann auch dann, wenn die Oberflächenschicht der ersten Aluminium-Verbindungsschicht eine andere Refraktärmetallschicht - etwa eine Titan-Wolfram (Ti-W)- Schicht, eine Refraktärmetallverbindungsschicht - etwa eine Titannitrid(TiN)-Schicht -, eine Refraktärmetallsilizidschicht - etwa eine Molybdänsilizid (MoSi2)- oder eine Wolframsilizid (WSi2)-Schicht - oder eine amorphe Siliziumschicht ist, ein ähnlicher Effekt erreicht werden.
Obgleich bei der obigen Ausführungsform eine zweischichtige Verbindungsstruktur aus Aluminium beschrieben wurde, wird ein ähnlicher Effekt erreicht, wenn die vorliegende Erfindung auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung mit einer Mehrschichtstruktur, d. h. einer aus mehr als zwei Schichten bestehenden Struktur, angewandt wird.
Weiterhin kann, obwohl die vorliegende Erfindung im Beispiel auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung angewandt wurde, bei der eine DRAM-Zelle auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet war, ein ähnlicher Effekt auch bei Anwendung der Erfindung auf integrierte Halbleiterschaltungseinrichtungen mit anderen Bauelementen erreicht werden.
Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Mehrschicht- Verbindungsstruktur aus Aluminium auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung angewandt ist, bei der eine SRAM(statische Direktzugriffsspeicher)-Zelle auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates gebildet ist. Eine genaue Beschrei­ bung des Aufbaus der integrierten Halbleiterschaltungsein­ richtung mit einer SRAM-Zelle wird nicht gegeben und nachfolgend lediglich der Grundaufbau beschrieben.
Wie Fig. 16 zeigt, ist eine SRAM-Zelle 410 mit einer Doppel­ wannen-CMOS(komplementären Metall-Oxid-Halbleiter)-Struktur auf einer Oberfläche eines Silizium-Halbleitersubstrates 1 gebildet. Ein p-Wannengebiet 411 und n-Wannengebiet 412 sind benachbart zueinander im Silizium-Halbleitersubstrat 1 gebildet. Zum elektrischen Trennen dieser Wannengebiete 411 und 412 voneinander sind Elementtrennoxidschichten 413 mit Abständen voneinander auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 1 gebildet. N-Störstellendiffusionsschichten 415 sind im p- Wannengebiet 411 so gebildet, daß sie voneinander getrennt sind, und dazwischen ist eine Gateelektrode 414 gebildet. Im n- Wannengebiet 412 sind p-Störstellendiffusionsschichten 416 so gebildet, daß sie einen Abstand voneinander aufweisen, und dazwischen ist eine Gateelektrode 414 gebildet. Eine Isolierschicht 409 ist so gebildet, daß sie die Gateelektrode 414 bedeckt. Polykristalline Silizium-Verbindungsschichten 417 sind mit Zwischenräumen zwischeneinander auf der Isolierschicht 409 gebildet. Eine Grundisolierschicht 3 ist auf der SRAM-Zelle 410 abgeschieden. Ein Kontaktloch 418, das die Oberflächen der n- Störstellendiffusionsschicht 415 bzw. der p-Störstellendiffu­ sionsschicht 416 erreicht, ist in der Grundisolierschicht 3 und der Isolierschicht 409 gebildet. Eine erste Aluminium-Verbin­ dungsschicht 4 ist auf der Grundisolierschicht 3 so gebildet, daß sie im Kontaktloch 418 in Kontakt mit der Störstellendiffu­ sionsschicht 415 bzw. 416 steht. Die Verbindungsstruktur aus der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 ist dieselbe wie die in Fig. 1 gezeigte.
Darüber hinaus können die auf der Oberfläche des Silizium- Halbleitersubstrates 1 gebildeten Elemente andere als eine DRAM-Zelle oder eine SRAM-Zelle, etwa eine EPROM(löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher)-Zelle, eine E2PROM (elektrisch löschbarer programmierbarer ROM)-Zelle, ein Mikrocomputer-Schaltungselement, ein logisches CMOS-Schal­ tungselement oder ein Bipolartransistorelement sein.
Wie oben beschrieben, kann entsprechend der vorliegenden Erfindung durch Anwendung einer Stapelschicht aus einer Titan­ schicht und einer Titanverbindungsschicht als Basisschicht für die der unteren Aluminium-Verbindungsschicht in einem Kontakt­ loch benachbarte obere Aluminium-Verbindungsschicht im Verbin­ dungsloch ein stabiler Kontakt der dort vorliegenden Mehr­ schicht-Verbindungsstruktur hergestellt werden. Außerdem kann die Bedeckung durch die obere Aluminium-Verbindungsschicht im Kontaktloch durch Verwendung einer das Kontaktloch ausfüllenden metallhaltigen Schicht verbessert werden, so daß der elektri­ sche Kontaktwiderstand stabilisiert und die Zuverlässigkeit der integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung bezüglich des Verbindungsaufbaus, insbesondere ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration, verbessert wird.

Claims (13)

1. Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung mit
einer ersten Aluminium-Verbindungsschicht (4), die eine refraktärelementhaltige Schicht (312) mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen des Aluminiums in ihrer Oberfläche enthält,
einer auf der ersten Aluminium-Verbindungsschicht gebildeten und ein Durchgangsloch (6), das die Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht (4) erreicht, aufweisenden Isolierschicht (5),
einer auf der Isolierschicht (5) gebildeten und über das Durchgangsloch (6) elektrisch mit der ersten Aluminium- Verbindungsschicht (4) verbundenen zweiten Aluminium- Verbindungsschicht (100),
worin die zweite Aluminium-Verbindungsschicht (100) aufweist:
eine auf der Isolierschicht (5) so gebildete Titanschicht (101), daß sie sich durch das Durchgangsloch (6) erstreckt,
eine auf der Titanschicht (101) gebildete Titanverbindungs­ schicht (102) und
eine auf der Titanverbindungsschicht (102) gebildete aluminiumhaltige Schicht (104), und
einer auf der Titanverbindungsschicht (102) und unter der aluminiumhaltigen Schicht (104) gebildeten und das Durchgangsloch (6) ausfüllenden metallhaltigen Schicht (103).
2. Verbindungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallhaltige Schicht (103) Wolfram aufweist.
3. Verbindungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die refraktärelementhaltige Schicht (312) Wolfram aufweist.
4. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanschicht (101) eine Dicke im Bereich von 5 bis 15 nm hat.
5. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanverbindungsschicht (102) eine Titannitridschicht aufweist.
6. Verbindungsstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Titannitridschicht (102) einen spezifischen Widerstand im Bereich von 250 bis 400 µΩ cm aufweist.
7. Verbindungsstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Titannitridschicht (102) eine Dicke im Bereich von 50 bis 100 nm hat.
8. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Legierungsschicht (206) aus Titan und einem Refraktärmetall an der Berührungs-Grenzfläche der Titanschicht (101) und der ersten Aluminium-Verbindungsschicht (4).
9. Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Tiefe (B) zu Durchmesser (A) des Durchgangslochs mindestens 1 ist.
10. Herstellungsverfahren für eine Verbindungsstruktur einer Halbleitereinrichtung mit den Schritten:
Bilden einer ersten aluminiumhaltigen Schicht (311) auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates (1),
Bilden einer refraktärelementhaltigen Schicht (312) mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen des Aluminiums auf der ersten aluminiumhaltigen Schicht (311),
Bilden einer Isolierschicht (5) auf der refraktärelement­ haltigen Schicht (312),
Bilden eines Durchgangslochs (6), durch das eine Oberfläche der refraktärelementhaltigen Schicht freigelegt ist, durch selektives Entfernen der Isolierschicht (5),
Bilden einer Titanschicht (101) auf der Isolierschicht (5) so, daß sie über das Durchgangsloch (6) in Kontakt mit der Ober­ fläche der refraktärelementhaltigen Schicht (312) steht,
Bilden einer Titanverbindungsschicht (102) auf der Titanschicht (101),
selektives Bilden einer metallhaltigen Schicht (103), die das Durchgangsloch (6) ausfüllt, auf der Titanverbindungsschicht (102) und
Bilden einer zweiten aluminiumhaltigen Schicht (104) auf der metallhaltigen Schicht (103) und der Titanverbindungsschicht (102).
11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schritt des Bildens eines Durchgangsloches (6) den Schritt des Sputterätzens der Oberfläche der refraktärelementhaltigen Schicht (312) mit Argonionen (202) aufweist.
12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekenn­ zeichnet durch einen Schritt des Bewirkens einer Reaktion der refraktärelementhaltigen Schicht (312) mit der Titanschicht (101) durch Anwenden einer Wärmebehandlung.
13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schritt des Anwendens einer Wärmebehandlung ein Erwärmen bei einer Temperatur von 300 bis 450°C für 15 bis 60 Minuten aufweist.
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