DE4342047A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit ei­ ner Diffusionsbarrierenschichtanordnung für eine aufzubringende Metallisierungsschicht und auf ein Verfahren zu seiner Herstel­ lung.
In weniger dicht gepackten, herkömmlichen Halbleiterbauelemen­ ten bereitete die Stufenbedeckung durch Metall keine ernsthaf­ ten Schwierigkeiten. Mit erhöhter Integrationsdichte der Halb­ leiterbauelemente sind jedoch die Durchmesser von Kontaktlö­ chern beträchtlich kleiner geworden, bis herab auf eine Größen­ ordnung von einem halben Mikrometer, und die an der Oberfläche des Halbleiterwafers gebildeten störstellendotierten Bereiche sind beträchtlich flacher geworden. Dementsprechend werden Ver­ besserungen des herkömmlichen Verfahrens zur Erzeugung einer Verdrahtung unter Verwendung von Aluminium (Al) benötigt, da das Füllen von Kontaktlöchern einer Größe von 1 µm oder weniger schwierig ist und die Zuverlässigkeit einer Metallverdrah­ tungsschicht durch die Bildung von Hohlräumen verschlechtert wird. Seit einiger Zeit ist daher das Verdrahtungsverfahren für Halbleiterbauelemente in der Halbleiterbauelementherstellung äußerst wichtig, da es einen bedeutsamen Faktor für die Bestim­ mung der Geschwindigkeit, der Ausbeute und der Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelementes darstellt.
Um derartige Probleme, wie die von schlechter Stufenbedeckung des gesputteten Aluminiums und einem großen Aspektverhältnis (Tiefe/Breite-Verhältnis) der Kontaktlöcher verursachte Hohl­ raumbildung, zu lösen, ist bereits ein Verfahren zum Auffüllen des Kontaktloches mit geschmolzenem Aluminium vorgeschlagen worden. Ein derartiges Schmelzverfahren ist beispielsweise in den JP-Offenlegungsschriften 61-132848 (von Yukiyasu Sugano et al.), 63-99546 (von Shinpei Iÿima et al.) und 62-109341 (von Misahiro Shimizu et al.) Offenbart. Gemäß den obigen Publika­ tionen wird das Kontaktloch durch Abscheiden von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf einem Halbleiterwafer und Erwärmen des Aluminiums über seine Schmelztemperatur hinaus aufgefüllt, indem das flüssige Aluminium verfließt.
Bei dem obigen Verfahren muß der Halbleiterwafer horizontal an­ geordnet werden, um das korrekte Füllen des Kontaktlochs mit dem fließenden, geschmolzenen Aluminium zu ermöglichen. Die zu­ nächst flüssige Metallschicht versucht dann, wenn diese Schicht wieder fest wird, eine geringere Oberflächenspannung einzuneh­ men und kann daher schrumpfen oder sich verwerfen, wodurch das darunterliegende Halbleitermaterial freigelegt wird. Außerdem sind die gewünschten Resultate nur schwer zu reproduzieren, da die Wärmebehandlungstemperatur nicht exakt steuerbar ist. Darü­ ber hinaus werden die außerhalb des Kontaktloches verbleibenden Bereiche der Metallschicht rauh, was Schwierigkeiten für einen nachfolgenden photolithographischen Prozeß hervorruft.
Ein Metallverdrahtungsverfahren mit einer Verbesserung der un­ zureichenden Stufenbedeckung ist in der US-Patentschrift 4 970 176 (von Tracy et al.) offenbart. Gemäß dieser Patentschrift wird eine dicke Metallschicht mit vorbestimmter Dicke auf einem Halbleiterwafer bei einer niedrigen Temperatur (unter ungefähr 200°C) abgeschieden. Dann wird die restliche und relativ dünne Metallschicht auf dem Halbleiterwafer abgeschieden, während die Temperatur auf ungefähr 400°C bis 500°C erhöht wird. Bei der so abgeschiedenen Metallschicht ist die Stufenbedeckung der nach­ folgend abgeschiedenen Metallschicht aufgrund von Kornwachstum, Rekristallisierung und Volumendiffusion verbessert. Jedoch ver­ mag selbst diese Vorgehensweise ein Kontaktloch mit einem Durchmesser von 1 µm oder weniger nicht vollständig mit Alumi­ nium oder einer Aluminiumlegierung aufzufüllen.
Von Hisako Ono et al. (1990 VMIC Conference, June 11-12, Seiten 76 bis 82) wurde gezeigt, daß die Fließfähigkeit von Al-Si schlagartig ansteigt, wenn die Halbleiterwafertemperatur 500°C überschreitet. Dabei wurde außerdem ein Verfahren offenbart, mit dem das Kontaktloch durch Abscheiden einer dünnen Al-Si- Schicht bei einer Temperatur von 500°C bis 550°C aufgefüllt wird.
Des weiteren haben Yoda Dakashi et al. ein Verfahren zum Auf­ füllen des Kontaktloches durch Abscheiden eines Metalls bei einer Temperatur von 500°C bis 550°C vorgeschlagen (europäische Patentanmeldung Nr. 90104814.0, entsprechend der JP-Offenle­ gungsschrift 02-239665. Mit dem Verfahren von Yoda Dakashi kann das Kontaktloch vollständig mit einem Metall gefüllt werden. Es besteht jedoch eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß der Al-Si-Film einen hohen Widerstand gegen Elektronenmigration, aber eine ge­ ringe Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsmigration zeigt. Zu­ sätzlich kristallisiert das in dem Al-Film enthaltene Si an den Grenzflächen zwischen Al-Si-Körnern. Es wird daher notwendig, den Al-Si-Film in den Bereichen außerhalb der Kontaktloch­ bereiche vollständig zu entfernen, woraufhin die Verdrahtung nach Abscheidung einer dünnen Al-Si-Cu-Schicht erzeugt wird.
Von C.S. Park et al. (einschließlich des jetzigen Erfinders) wurde außerdem ein Verfahren vorgeschlagen, welches folgende Schritte enthält: Abscheiden einer Aluminiumlegierung bei einer niedrigen Temperatur von 100°C oder weniger, Durchführen einer Wärmebehandlung für drei Minuten bei einer Temperatur von unge­ fähr 550°C, d. h. bei einer Temperatur unterhalb des Schmelz­ punktes, und daraufhin vollständiges Füllen des Kontaktlochs (siehe Proceedings of 1991 VMIC Conference, June 11-12, Seiten 326 bis 328). Dieses Verfahren ist auch in der DE-Offenlegungs­ schrift 42 00 809 A1 enthalten. Das bei einer niedrigen Tempe­ ratur abgeschiedene Aluminium wird während der Wärmebehandlung bei 550°C nicht geschmolzen, gelangt aber durch Migration in das Kontaktloch und füllt es auf diese Weise vollständig auf.
Mit dem Verfahren von C.S. Park läßt sich ein Kontaktloch mit einer Ausdehnung von 0,8 µm und einem Aspektverhältnis von unge­ fähr 1,0 mittels Durchführung einer Wärmebehandlung vollständig auffüllen, selbst nachdem Aluminium in einer Dicke von ungefähr 50 nm bei einer niedrigen Temperatur (100°C oder weniger) abge­ schieden worden ist. Diese Vorgehensweise benötigt keinen Ätz­ vorgang, wie er bei der Methode von Yoda Dakashi auszuführen ist. Aufgrund dieser Vorteile erfahren Vorgehensweisen zur Auf­ füllung von Kontaktlöchern, die das Verfahren von C.S. Park be­ nutzen, ein hohes Interesse auf dem entsprechenden Fachgebiet.
In frühen Stadien der Halbleitertechnologie wurde reines Al zur Bildung einer Metallverdrahtungsschicht verwendet. Inzwischen fand jedoch Al-1%Si, d. h. mit Silizium übersättigtes Aluminium, als Material für Metallverdrahtungsschichten breite Verwendung, da die reine Al-Schicht Siliziumatome vom Siliziumsubstrat ab­ sorbiert und mit Erhöhung der Temperatur in einem Sinterschritt Sperrschicht-Kurzschlußspitzen erzeugt.
Wenn jedoch die Verdrahtung in dem Halbleiterbauelement unter Verwendung von Al-1%Si gebildet wird, kristallisiert Silizium während einer durchgeführten Wärmebehandlung bei einer Tempera­ tur von ungefähr 450°C oder mehr aus dem Al-Film aus, wodurch Si-Ausscheidungen entstehen. Die Siliziumkornbildung in dem Kontaktloch wird durch epitaxiales Wachstum erzielt, wodurch sich Si-Körnchen bilden. Dies führt dazu, daß die Si-Ausschei­ dungen oder Si-Körnchen den Verdrahtungswiderstand oder den Kontaktwiderstand erhöhen.
Es ist bereits bekannt, daß zwischen der Verdrahtungsschicht und dem Siliziumwafer oder einer Isolationsschicht eine Diffu­ sionsbarrierenschicht gebildet werden kann, um die Al-Kurz­ schlußspitzenbildung sowie die Erzeugung von Si-Ausscheidungen und Si-Körnchen aufgrund der oben erwähnten Reaktion zwischen der metallischen Verdrahtungsschicht und dem Siliziumwafer zu verhindern. Beispielsweise ist in der US-Patentschrift 4 897 709 (von Yokoyama et al.) ein Verfahren zur Bildung einer Ti­ tannitridschicht als Diffusionsbarrierenschicht an den Innen­ wänden des Kontaktlochs beschrieben. Außerdem ist in der JP-Of­ fenlegungsschrift 61-183942 ein Verfahren zur Bildung einer Barrierenschicht angegeben, welches als Verfahrensschritte die Erzeugung einer Schicht aus einem hochschmelzenden Metall durch Abscheidung eines Metalls, wie z. B. Mo, W, Ti oder Ta, die Bil­ dung einer Titannitridschicht auf der hochschmelzenden Metall­ schicht sowie eine Wärmebehandlung der aus der hochschmelzenden Metallschicht und der Titannitridschicht bestehenden Doppel­ schicht beinhaltet, um auf diese Weise eine hochschmelzende Me­ tallsilizidschicht zu erzeugen, die an der Grenzfläche von hochschmelzender Metallschicht und Halbleitersubstrat aus durch eine Reaktion zwischen denselben gebildeten, thermisch stabilen Verbindungen besteht. Auf diese Weise wird die Barrierencharak­ teristik verbessert. Diese Wärmebehandlung der Diffusionsbarri­ erenschicht wird durch einen Temperprozeß in einer Stickstoff­ atmosphäre durchgeführt. Wenn die Diffusionsbarrierenschicht nicht dem Temperprozeß unterworfen wird, tritt in einem nach­ folgenden Sinterschritt nach dem Al-Sputtern oder während des Sputterns von Al oder einer Al-Legierung bei einer Temperatur oberhalb von 450°C Sperrschicht-Kurzschlußspitzenbildung auf, was unerwünscht ist.
Von Hagita Masafumi wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine TiN-Schicht als Barrierenschicht wärmebehandelt und an­ schließend O2 oder Silizium in die Barrierenschicht implantiert wird, um die Benetzbarkeit zwischen dem Barrierenmetall und der Al-Verdrahtung und damit die Qualität und Ausbeute der Verdrah­ tung zu verbessern (siehe JP-Offenlegungsschrift 2-26052).
Des weiteren ist ein Verfahren zur Verbesserung der Barrieren­ charakteristik durch Bildung einer Diffusionsbarrierenschicht bekannt, das die Erzeugung einer TiN-Schicht, eine nachfolgende Wärmebehandlung sowie eine anschließende, erneute Bildung einer TiN-Schicht beinhaltet.
Neben den Verfahren zur Verhinderung von Al-Kurzschlußspitzen­ bildung oder Si-Kristallisierungsausscheidung durch Verbesse­ rung der Eigenschaften einer Diffusionsbarrierenschicht, wie oben beschrieben, wurde auch ein Verfahren zur Verhinderung von Al-Kurzschlußspitzenbildung oder Si-Ausscheidungen durch Erzeu­ gung einer Mehrlagenschicht mit unterschiedlichen Bestandteilen als Al-Verdrahtungsschicht angegeben.
Ein Verfahren zur Verhinderung von Si-Ausscheidungen in einem Sintervorgang während der Bildung einer Verdrahtungsschicht ist beispielsweise in der JP-Offenlegungsschrift 2-159065 (von Michiichi Masmoto) offenbart. Dieses Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines Al-Si-Films und einer anschließenden reinen Al-Schicht auf selbigem, um dadurch Si-Ausscheidungen während des Sintervorgangs zu verhindern. Des weiteren wird in den US- Patentanmeldungen Nr. 07/828.458 (vom 31.01.1992) und 07/910. 894 (vom 08.07.1992) von S.I. Lee (dem jetzigen Erfinder) et al. ein Verfahren zur Bildung einer Mehrlagenschicht offenbart, bei dem die beim Füllen des Kontaktlochs erzeugte Kristallisa­ tion von Si-Ausscheidungen dadurch verhindert wird, daß Al bei einer niedrigen Temperatur abgeschieden und gemäß der Vorge­ hensweise von C.S. Park et al. bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes wärmebehandelt wird. Bei dem in der US-Patentanmeldung 07/828.458 beschriebenen Verfahren wird reines Al bei einer niedrigen Temperatur in einer Dicke von un­ gefähr einem Drittel der vorbestimmten Dicke einer Verdrah­ tungsschicht abgeschieden, um eine erste Metallschicht zu bil­ den. Diese erste Metallschicht wird daraufhin bei einer Tempe­ ratur von ungefähr 550°C wärmebehandelt, um das Kontaktloch zu füllen. Dann wird eine Al-Legierung, die einen Si-Bestandteil enthält, zwecks Erzeugung einer zweiten Metallschicht bei einer Temperatur von ungefähr 350°C abgeschieden. Durch die Bildung einer solchen Mehrlagenschicht absorbiert die erste Metall­ schicht, die keine Si-Komponente enthält, das Silizium aus der zweiten Metallschicht während eines nachfolgenden Sintervor­ gangs, wodurch die Kristallisation von Si-Ausscheidungen ver­ hindert wird. Gemäß einer Vorgehensweise nach der obigen US- Patentanmeldung 07/910.894 wird zuerst eine Al-Legierung, die eine Si-Komponente enthält, abgeschieden und dann reines Al oder eine Al-Legierung aufgebracht, wodurch eine Mehrlagen­ schicht entsteht. Diese Schicht wird dann wärmebehandelt, um das Kontaktloch aufzufüllen. Anschließend wird zusätzlich eine Al-Legierung ohne Si bis zum Erreichen der vorbestimmten Dicke abgeschieden, wonach eine Strukturierung stattfindet, um auf diese Weise die Fertigung einer Verdrahtungsschicht zu vervoll­ ständigen.
Im allgemeinen wird, um nach der Erzeugung einer Diffusionsbar­ rierenschicht eine Metallschicht auszubilden, der Wafer der Atmosphäre ausgesetzt, da der Wafer zur Bildung der Metall­ schicht in eine Sputteranlage gebracht werden sollte. Dabei tritt an den Grenzflächen der Körner oder an der Oberfläche der Diffusionsbarrierenschicht Oxidation auf, wobei die Mobilität der Aluminiumatome auf der oxidierten Diffusionsbarrieren­ schicht verringert ist. Wenn eine Al-1%Si-0,5%Cu-Legierung in einer Dicke von 600 nm bei Raumtemperatur abgeschieden wird, be­ sitzen die gebildeten Körner eine geringe Ausdehnung von unge­ fähr 0,2 µm.
Im Gegensatz dazu werden große Körner mit einer Ausdehnung bis zu ungefähr 1 µm auf der Diffusionsbarrierenschicht gebildet, wenn letztere nicht der Atmosphäre ausgesetzt ist. Aluminium reagiert mit der Diffusionsbarrierenschicht während eines Wär­ mebehandlungsschrittes bei einer erhöhten Temperatur oder wenn ein Al-Film durch Sputtern bei einer erhöhten Temperatur abge­ schieden wird, was die Oberfläche des Al-Films sehr rauh macht und dessen Oberflächenreflexionsvermögen herabsetzt. Dies hat zur Folge, daß der nachfolgende photolithographische Prozeß schwierig auszuführen ist.
Im allgemeinen wird als Diffusionsbarrierenschicht eine Schicht aus Titannitrid (TiN), aus TiW oder aus TiW(N) verwendet. Der­ artige Schichten haben mikrostrukturierte Defekte oder Korn­ grenzen, welche die Silizium- oder Al-Diffusion an den Korn­ grenzen nicht verhindern können, wenn ein dünner Film der Dif­ fusionsbarrierenschicht erzeugt wird. Zur Blockierung eines Diffusionspfades in den Korngrenzen ist eine Vorgehensweise gemäß dem sogenannten Sauerstoffeinlagerungsverfahren vorge­ schlagen worden. Wenn die Diffusionsbarrierenschicht der Atmos­ phäre oder einem N2-Temperprozeß ausgesetzt wird, wird eine ge­ ringe Menge an Sauerstoff in die Barrierenschicht eingebracht, um so den Diffusionsbarriereneffekt zu erhöhen. Dies wird als Einlagerungseffekt bezeichnet.
Wenn TiN abgeschieden und der Atmosphäre ausgesetzt wird, tritt der Einlagerungseffekt üblicherweise wegen des Sauerstoffs in der Atmosphäre auf. Auch das Verfahren nach dem Patent von Hagita oxidiert die Oberfläche der Diffusionsbarrierenschicht, wodurch sich die Barrienmetallcharakteristik verbessert. Jedoch kann sich der Kontaktwiderstand erhöhen, wenn zur Bildung einer anschließend der Atmosphäre ausgesetzten Barrierenschicht Ti oder TiN abgeschieden, wenn TiN unter Einbringen von Sauerstoff abgeschieden oder wenn die Barrierenschicht, in die Sauerstoff eingefügt ist, in einer Stickstoffatmosphäre getempert wird.
Die Barrierencharakteristik des TiN-Films kann abhängig von Be­ dingungen, wie z. B. der Zeitdauer für das Aussetzen an Atmos­ phäre, der Menge an während der Deposition eingebrachtem Sauer­ stoff, der Menge an während des Temperns eingebrachtem Sauer­ stoff und der Temperatur des Tempervorgangs, verändert werden. Das Tempern des Barrierenmetalls wird am besten bei einer Tem­ peratur von ungefähr 450°C in einer N2-Atmosphäre für eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 60 Minuten durchgeführt.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine auf der Oberfläche einer Dif­ fusionsbarrierenschicht gebildete Oxidschicht für den Fall, daß das Vakuum nach der Bildung der Diffusionsbarrierenschicht un­ terbrochen wurde. Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine auf der Ober­ fläche einer Diffusionsbarrierenschicht nach deren Erzeugung und N2-Temperung gebildete Oxidschicht, wobei eine verbesserte Diffusionsbarrierencharakteristik gegeben ist. Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Diffusionsbarrierenschichtanordnung, die durch Bildung einer ersten Diffusionsbarrierenschicht und anschlie­ ßendem Bilden einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht auf der ersten Diffusionsbarrierenschicht nach Ionenimplantieren oder Stickstofftempern der ersten Diffusionsbarrierenschicht erhal­ ten wird. Außerdem umfaßt diese Anordnung eine mittlere Schicht zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsbarrierenschicht in Form einer durch Ionenimplantation gebildeten amorphen Schicht oder einer durch Stickstofftemperung gebildeten Oxid­ schicht.
Nachdem die Diffusionsbarrierenschicht gebildet wurde, wird die Diffusionsbarrierenschicht, wenn die Al-Verdrahtungsschicht nach dem Verfahren von C.S. Park oder nach einem Sputterverfah­ ren bei hoher Temperatur erzeugt wurde, der Atmosphäre ausge­ setzt. Deshalb liegt an der Oberfläche der Diffusionsbarrieren­ schicht und an den Korngrenzen derselben Oxid vor, was die Be­ netzbarkeit zwischen der Diffusionsbarrierenschicht und dem Al verschlechtert. Dies hat zur Folge, daß sich die Abmessung der in einem frühen Schritt der Deposition gebildeten Körner ver­ kleinert und die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsschicht wegen eines ungenügenden Profils des abgeschiedenen Al, wegen Hohl­ raumbildung während des Füllens des Kontaktlochs oder wegen ei­ nes ungenügenden Profils der Al-Schicht bei einer Wärmebehand­ lung herabgesetzt wird.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen ungenügende Verdrahtungsschichten, wie sie entstehen können, wenn Al zur Bildung einer Metall­ schicht auf einer herkömmlichen Diffusionsbarrierenschicht abge­ schieden und die Metallschicht daraufhin zum Füllen des Kon­ taktlochs wärmebehandelt wird. Bezugnehmend auf die Fig. 4 bis 6 bezeichnen das Bezugszeichen (1) ein Halbleitersubstrat, das Bezugszeichen (2) einen störstellendotierten Bereich, das Be­ zugszeichen (3) eine Isolationsschicht (BPSG-Schicht), das Be­ zugszeichen (4) eine Diffusionsbarrierenschicht und das Bezugs­ zeichen (6) eine Metallschicht aus einer Al-Legierung. Fig. 4 zeigt eine Diskontinuität (7) der Al-Schicht, die an den Sei­ tenwänden des Kontaktlochs aufgrund unzureichender Benetzbar­ keit zwischen der Diffusionsbarrierenschicht und dem Al ent­ steht, wenn ein Sputtervorgang bei hoher Temperatur oder eine Al-Deposition durchgeführt wird. Fig. 5 zeigt einen Hohlraum (8), der in dem Kontaktloch entsteht, wenn das Al-Metall abge­ schieden und daraufhin im Vakuum wärmebehandelt oder wenn das Kontaktloch durch ein Hochtemperatur-Sputterverfahren gefüllt wird. Fig. 6 zeigt ein unzureichendes Profil (9) einer Al-Le­ gierungsschicht, das entsteht, wenn Al bei hoher Temperatur ge­ sputtert oder eine Al-Schicht nach der Al-Deposition in Vakuum wärmebehandelt wird.
Hiroshi Nishimura et al. haben darauf hingewiesen, daß ein Kon­ taktloch mit einem Durchmesser von 0,5 µm und einem Aspektver­ hältnis von 1,6 dadurch gefüllt werden kann, daß vor dem Al- Sputtern Ti abgeschieden und anschließend ein Hochtemperatur- Sputtervorgang mit Al bei einer Temperatur von ungefähr 500°C durchgeführt wird ("Reliable Submicron Vias Using Aluminium Alloy High Temperature Sputter Filling", 1991 VMIC Conference, Seiten 170 bis 176). Gemäß Hiroshi et al. wird das Füllen des Kontaktlochs durch die Reaktion zwischen Al und Ti bewirkt. Wenn jedoch Al3Ti gebildet wird, erhöht sich die Festkörperlös­ lichkeit von Silizium um ungefähr 15 Gewichtsprozente bei einer Temperatur von 450°C, wenn in einem nachfolgenden Prozeß ein Sintervorgang durchgeführt wird. Dementsprechend erhöht sich, wenn Al3Ti in dem Kontaktloch erzeugt wird, die Wahrscheinlich­ keit der Erzeugung von Al-Kurzschlußspitzenbildung durch die Reaktion der Al-Schicht mit dem Substrat aufgrund der Reaktion zwischen Al3Ti und Si. Des weiteren wird die Al-Oberfläche durch die Reaktion von Al mit Ti sehr rauh, wenn nach dem Depo­ sitionsvorgang die Wärmebehandlung im Vakuum nach dem Verfahren von C.S.R Park durchgeführt wird oder wenn Al bei einer hohen Temperatur gesputtert wird, wodurch sich das Reflexionsvermögen verringert und Schwierigkeiten für den nachfolgenden photoli­ thographischen Prozeß entstehen.
Außerdem tritt im Fall, daß eine ungenügende Diffusionsbarrie­ renschicht vorliegt, durch Reaktion zwischen dem Al und dem Substrat Al-Kurzschlußspitzenbildung auf, wenn ein Metall, das keine Si-Bestandteile enthält, abgeschieden wird, um die Kri­ stallisation von Si-Ausscheidungen zu verhindern. Fig. 7 zeigt im Querschnitt die durch die herkömmlichen Techniken erzeugte Al-Kurzschlußspitzenbildung. Bezugnehmend auf Fig. 7 bezeichnen das Bezugszeichen (1) ein Halbleitersubstrat, das Bezugszeichen (2) einen störstellendotierten Bereich, das Bezugszeichen (3) eine Isolationsschicht (BPSG-Schicht), das Bezugszeichen (4) eine Diffusionsbarrierenschicht, das Bezugszeichen (6) eine Me­ tallschicht aus einer Al-Legierung und das Bezugszeichen (10) die Al-Kurzschlußspitzen.
Es ist wünschenswert, ein Oxid an der Oberfläche der Diffu­ sionsbarrierenschicht und an deren Korngrenzen auszubilden, um die Eigenschaften der Diffusionsbarrierenschicht im Kontaktloch zu verbessern. Dieses Oxid kann jedoch die Benetzbarkeit der Diffusionsbarrierenschicht und des Al verschlechtern, so daß sich im Kontaktloch ein Hohlraum bilden oder während einer Wär­ mebehandlung eine Metallschicht mit einem ungenügenden Profil entstehen kann, was die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsschicht des Halbleiterbauelementes verschlechtert.
Außerdem kompliziert sich der Al-Depositionsvorgang, wenn eine Mehrlagenschicht gemäß den in den oben erwähnte US-Patentan­ meldungen Nr. 07/828.458 oder Nr. 07/910.894 offenbarten Ver­ fahren erzeugt wird. Dies führt dazu, daß sich der Durchsatz verringert oder die Bedingungen zur Erzeugung der Diffusions­ barrierenschicht komplizierter werden. Dadurch verringert sich der Spielraum für die Herstellung, was unerwünscht ist.
Dipankar Pramanik und Vivek Jain haben ihre Resultate eines Experiments bekanntgegeben (siehe "Effect of Underlayers on Sputtered Aluminium Grain Structure and its Correlation with Step Coverage in Submicron Vias", 1990 VMIC Conference, June 12-13, Seiten 332 bis 334), bei dem eine Al-1%Cu-Legierung auf unterschiedliche Arten von darunterliegenden Schichten bei ei­ ner Temperatur von 170°C abgeschieden wurden. Dipankar et al. vermitteln die Lehre, daß die Korngröße des während der Ab­ scheidung erzeugten Al abhängig von der Art der darunterliegen­ den Schicht variiert und daß die beste Stufenbedeckung durch einen TiW-Film erzielbar ist, bei dem sich die größten Körner bilden. Die Stufenbedeckung durch Al steht in enger Beziehung zur Größe der während der Deposition gebildeten Al-Körner. Je größer nämlich die während der Deposition gebildeten Al-Körner sind, um so besser ist die Stufenbedeckung von Kontaktlöchern oder Durchkontaktlöchern für die Al-Schicht. Außerdem bilden sich während der Deposition größere Al-Körner, wenn die Benetz­ barkeit zwischen den Al-Körnern und der darunterliegenden Schicht besser ist.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Halbleiterbauelementes sowie eines Verfahrens zu seiner Herstellung zugrunde, bei dem durch geeignete Ausbildung einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung sich eine gute Stufenbedeckung von Vertiefungen für eine nachfolgende Verdrahtungsschicht erzielen läßt und/oder die Vertiefungen zuverlässig und auf einfache Weise vollständig mit dem Verdrahtungsmetall gefüllt werden können.
Dieses Problem wird durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein zu seiner Her­ stellung geeignetes Verfahren mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 9 gelöst. Das Vorsehen einer silylierten Schicht inner­ halb der Diffusionsbarrierenschichtanordnung, die über dem Halbleitersubstrat gebildet ist und als Grundlage für eine nachfolgend auf zubringende Verdrahtungsschicht dient, verbes­ sert die Diffusionsbarrierencharakteristik und ermöglicht das Aufbringen der Verdrahtungsschicht mit hoher Zuverlässigkeit und Qualität. Insbesondere ermöglicht diese Diffusionsbarrie­ renschichtanordnung eine gute Benetzbarkeit mit Aluminium und eine hohe Mobilität der Aluminiumatome, so daß eine aluminium­ haltige Verdrahtungsschicht mit guter Stufenbedeckung und unter vollständigem, hohlraumfreiem Auffüllen der Vertiefungen aufge­ bracht werden kann. Außer einem zu einem störstellendotierten Bereich im Halbleitersubstrat hinunter führenden Kontaktloch können auch andere vertiefte Bereiche zuverlässig aufgefüllt werden, z. B. ein Durchkontaktloch zu einer darunterliegenden leitfähigen Schicht oder eine in einer Isolationsschicht gebil­ dete Vertiefung zur Bildung eines Verdrahtungsschichtmusters.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, nach der Bildung der silylierten Schicht ohne Vakuumunterbrechung ein Metall zur Bildung einer Metallschicht auf der silylierten Schicht abzuscheiden. Die Metallschicht kann durch Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung bei einer niedrigen Temperatur oder durch ein Hochtemperatur-Sputterverfahren gebildet werden. Eine vorteilhafte Kontaktlochfüllung läßt sich erhalten, wenn die Metallschicht bei einer Temperatur zwischen 0,8 Tm und 1,0 Tm (mit Tm als Schmelztemperatur des Metalls) wärmebehandelt wird.
Dieser Wärmebehandlungsvorgang wird bevorzugt ohne Vakuumunter­ brechung durchgeführt, nachdem die Metallschicht abgeschieden wurde. Bei einer Temperatur unterhalb von 0,8 Tm ist das Füllen von vertieften Bereichen schwierig, da die Körner der Schicht aus dem Metall (z. B. einer Al-Legierung) keine ausreichende Migrationsfähigkeit besitzen. Bei Temperaturen über 1,0 Tm kann sich das Metall wegen des einsetzenden Schmelzvorgangs zusam­ menballen, was unerwünscht ist.
Vorzugsweise ist als Metallschicht eine Mehrlagenschicht vorge­ sehen, indem nacheinander eine Metallschichtlage mit einem Si- Bestandteil und dann eine Metallschichtlage ohne einen Si-Be­ standteil abgeschieden wird. Die Metallschichtlage ohne Si-Be­ standteil absorbiert Si-Atome aus der Metallschichtlage mit Si- Bestandteil während des Wärmebehandlungs- oder Sintervorgangs, wodurch die Bildung von Si-Ausscheidungen oder Si-Körnchen ver­ hindert wird. Vorzugsweise wird die zweite Metallschichtlage ohne Vakuumunterbrechung nach Wärmebehandlung der ersten Me­ tallschichtlage in derselben Sputteranlage abgeschieden, in der die erste Metallschichtlage hergestellt wurde. Die Depositions­ temperatur für die zweite Metallschichtlage beträgt weniger als ungefähr 350°C. Bevorzugt wird die zweite Metallschichtlage wärmebehandelt, um ihre Oberfläche zu planarisieren, was einen nachfolgenden Lithographieprozeß vereinfacht.
Die silylierte Schicht des erfindungsgemäßen Halbleiterbauele­ ments läßt sich in einfacher Weise durch Einführen von zusätz­ lichem Siliziumhydrid in das herkömmliche Argonplasma einer Sputteranlage herstellen. Die durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren hergestellte Diffusionsbarrierenschichtanordnung besitzt eine gute Benetzbarkeit für das abzuscheidende Aluminium. Wenn folglich Al oder eine Al-Legierung durch Sputtern abgeschieden wird, wird eine ausgezeichnete Stufenbedeckung erhalten, was Diskontinuitäten an den Seitenwänden einer Öffnung, z. B. eines Kontaktlochs oder eines Durchkontaktlochs vermeidet. Durch Wär­ mebehandeln der abgeschiedenen Metallschicht bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls zum Auffül­ len der Öffnung mit dem Material des abgeschiedenen Metalls wird eine verbesserte Fließcharakteristik erzielt, durch die die Öffnung sehr vollständig auffüllbar ist. Die silylierte Schicht kann auf einem Oxidfilm gebildet sein, der auf einer Barrierenschicht liegt. Auf diese Weise kann der Sauerstoffein­ lagerungseffekt beibehalten werden, um damit in der üblichen Weise das Auftreten von Kurzschlußspitzenbildung zu vermeiden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bevorzugte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Er­ findung sowie die zu deren besseren Verständnis oben beschrie­ benen, herkömmlichen Ausführungsformen sind in den Figuren dar­ gestellt. Es zeigen
Fig. 1 ein herkömmliches Halbleiterbauelement mit einer auf einem Substrat angeordneten Diffusionsbarrieren­ schicht und einer auf diese unter Vakuumunterbrechung aufgebrachte Oxidschicht im Querschnitt,
Fig. 2 ein herkömmliches Halbleiterbauelement mit einer auf einem Substrat gebildeten und N2-getemperten Diffu­ sionsbarrierenschicht und einer darüberliegenden Oxidschicht im Querschnitt,
Fig. 3 ein herkömmliches Halbleiterbauelement mit einer zweilagigen Diffusionsbarrierenschicht im Querschnitt, wobei die erste Lage nach Ionenimplantation oder Stickstofftemperung der ersten Lage aufgebracht wird,
Fig. 4 bis 6 herkömmliche Halbleiterbauelemente mit jeweils einer unzureichenden Verdrahtungsschicht im Quer­ schnitt, hergestellt durch Abscheidung von Al auf einer herkömmlichen Diffusionsbarrierenschicht zur Bildung einer Metallschicht und Wärmebehandeln der Metallschicht zum Füllen eines Kontaktlochs,
Fig. 7 ein in herkömmlicher Weise gebildetes Halbleiterbau­ element im Querschnitt, bei dem Al-Kurzschlußspitzen vorhanden sind,
Fig. 8 bis 10 Beispiele für Halbleiterbauelemente mit erfin­ dungsgemäßen Diffusionsbarrierenschichtanordnungen im Querschnitt,
Fig. 11 bis 13 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem Kontaktloch in aufeinander folgenden Stufen ei­ nes erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Verdrahtungsschicht in schematischen Querschnitten,
Fig. 14 bis 16 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem Kontaktloch in aufeinander folgenden Stufen ei­ nes erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auffüllung des Kontaktlochs mit Metall in schematischen Querschnit­ ten,
Fig. 17 und 18 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem Durchkontakt in aufeinander folgenden Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Verdrahtungsschicht in schematischen Querschnitten und
Fig. 19 bis 21 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einer Vertiefung in aufeinanderfolgenden Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Ver­ drahtungsschicht in schematischen Querschnitten.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die zugehö­ rigen Zeichnungen detaillierter beschrieben.
Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Diffusions­ barrierenschichtanordnung und einer Verdrahtungsschicht in ei­ nem Halbleiterbauelement im Querschnitt. Unter Bezugnahme auf Fig. 8 bezeichnen das Bezugszeichen (11) ein Halbleitersub­ strat, das Bezugszeichen (13) eine erste, aus Ti bestehende Diffusionsbarrierenschicht, das Bezugszeichen (15) eine zweite, aus TiN bestehende Diffusionsbarrierenschicht, das Bezugszei­ chen (17) eine Oxidschicht auf der Oberfläche der zweiten Dif­ fusionsbarrierenschicht (15), das Bezugszeichen (19) eine durch Silylierung des Oberflächenbereichs der Oxidschicht erhaltene silylierte Schicht und das Bezugszeichen (21) eine Al-Verdrah­ tungsschicht.
Zur Erzielung der Struktur von Fig. 8 wird wie folgt vorgegan­ gen. Zunächst wird durch Sputtern unter Verwendung von Ti als Target die erste Diffusionsbarrierenschicht (13) auf dem Halb­ leitersubstrat (11) erzeugt. Daraufhin wird durch Deposition von TiN gemäß eines N2-reaktiven Sputterverfahrens unter Ver­ wendung des üblichen Ti als Target in einer Argonatmosphäre die aus TiN bestehende zweite Diffusionsbarrierenschicht (15) ge­ bildet. Dann wird in einer N2-Atmosphäre für eine Zeitdauer zwischen 30 Minuten und 60 Minuten ein Temperprozeß bei einer Temperatur zwischen 450°C und 500°C durchgeführt, um den Diffu­ sionspfad von Al und Si zu blockieren. Dabei entsteht durch den Sauerstoffeinlagerungseffekt die aus TiO2 oder TiON bestehende Oxidschicht (17) an der Oberfläche der zweiten Diffusionsbarri­ erenschicht. Aufgrund der Existenz der Oxidschicht (17) ist die Benetzbarkeit zwischen dem Al und der Diffusionsbarrieren­ schicht zunächst herabgesetzt.
Anschließend wird mittels Durchführung eines Silylierungspro­ zesses auf der Diffusionsbarrierenschicht, auf der die Oxid­ schicht (17) gebildet ist, die silylierte Schicht (19) erzeugt. Der Silylierungsprozeß kann hierbei dadurch ausgeführt werden, daß die Diffusionsbarrierenschicht mittels eines Siliziumhy­ drids einem SiH4- oder Si2H6-Plasma oder Si*- oder SiH*-Radi­ kalen ausgesetzt wird. Dabei beträgt der Partialdruck des Sili­ ziumhydrids zwischen 0,5 mTorr und 15 mTorr und die Leistung zwi­ schen 1 kW und 10 kW, wobei die Substrattemperatur zwischen Raum­ temperatur und 200°C liegt. Zusätzlich sollte, wenn die sily­ lierte Schicht gebildet wird, der Vakuumdruck in der Silylie­ rungsanlage auf 5×10-7Torr oder darunter gehalten werden. Das Siliziumhydrid erzeugt im Verlauf einer Gasentladung oder eines Sputtervorgangs die reaktiven Radikale, wie z. B. Si*, H*, SiH* oder SiH2*. Während des Sputterns schützt der Wasserstoff durch Emission des zweiten Elektrons das Halbleitersubstrat vor Be­ schädigungen, was die elektrischen Eigenschaften und die Zuver­ lässigkeit des Halbleiterbauelementes verbessert. Es ist demge­ mäß bevorzugt, Wasserstoff während der Durchführung des Sily­ lierungsprozesses mit einem Druck von 0 mTorr bis 5 mTorr hinzu­ zufügen. Wenn Wasserstoff zugegeben wird, verändert sich die Dicke der silylierten Schicht, da die aus TiO2 oder TiON beste­ hende Oxidschicht (17) durch die Wasserstoffradikale reduziert wird. Damit ist die Herstellung einer die Ti-Schicht (13), die TiN-Schicht (15), die Oxidschicht (17) und die silylierte Schicht (19) umfassenden Diffusionsbarrierenschichtanordnung abgeschlossen. Aufgrund der Bildung der silylierten Schicht (19) ist die Benetzbarkeit zwischen der Diffusionsbarrieren­ schicht und Al erhöht. Dies führt dazu, daß sich nicht nur die Stufenbedeckung für das gesputterte Al erhöht, sondern auch da­ zu, daß der Diffusionspfad von Al und Silizium blockiert wird, so daß das Auftreten von Kurzschlußspitzen verhindert wird.
Nach der Erzeugung der silylierten Schicht (19) wird durch nachfolgendes Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung die Metallschicht (21) zur Erzeugung einer Verdrahtungsschicht gebildet.
Fig. 9 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine unterhalb einer Verdrahtungsschicht angeordnete Diffu­ sionsbarrierenschichtanordnung. Unter Bezugnahme auf Fig. 9 be­ zeichnen die Bezugszeichen (11), (13) und (15) dieselben Ele­ mente wie in Fig. 8, während das Bezugszeichen (23) eine durch ein reaktives Sputterverfahren mit einem Siliziumhydrid erzeug­ te silylierte Schicht bezeichnet.
Die in Fig. 9 gezeigte Diffusionsbarrierenschichtanordnung be­ steht übereinanderliegend aus der Ti-Schicht (13), der TiN- Schicht (15) und einer silylierten Schicht (23) und wird wie folgt gebildet. Zunächst wird die erste Diffusionsbarrieren­ schicht (13) auf dem Halbleitersubstrat (11) in derselben Weise wie zu Fig. 8 beschrieben gebildet. Daraufhin wird in einer At­ mosphäre von Argon mit 2 mTorr bis 7 mTorr und Stickstoff mit 1,5 mTorr bis 5 mTorr (das Partialdruckverhältnis von Stickstoff zum Gesamtdruck sollte hierbei auf 40% gehalten werden) durch Abscheiden von TiN bei einer Substrattemperatur von 200°C und einer Depositionsrate von 30 nm bis 50 nm pro Minute unter Ver­ wendung von Ti als Target die zweite Diffusionsbarrierenschicht (15) in einer Dicke von 50 nm bis 100 nm gebildet.
Dann wird SiH4 mit einem Partialdruck von 0,5 mTorr bis 5 mTorr hinzugegeben und anschließend die Deposition durch ein reakti­ ves Sputterverfahren ausgeführt. Als Ergebnis entsteht die aus TiNxSiy(TiN-TiSi) bestehendes silylierte Schicht (23) mit ei­ ner Dicke von 10 nm und 50 nm und bevorzugt von 20 nm. Nach Bil­ dung der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (15) kann hierbei der Wafer (11) ohne Vakuumunterbrechung in einen anderen Reak­ tor verbracht werden, wonach die silylierte Schicht (23) als letzter Teil der Diffusionsbarrierenschichtanordnung gebildet wird.
Anschließend wird eine (nicht gezeigte) Metallschicht zur Er­ zeugung einer Verdrahtungsschicht durch nachfolgendes Abschei­ den von Al oder einer Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung aufgebracht. Wenn das Vakuum unterbrochen wird, bevor die Me­ tallschicht aufgebracht wird, z. B. wenn zwecks Beseitigung von Körnern ein Scheuervorgang durchgeführt wird, sollte die (nicht gezeigte) Metallschicht zur Erzeugung einer Verdrahtungsschicht durch nachfolgendes Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung nach Bildung der silylierten Schicht (23) und der dann durchgeführten Silylierung, wie in Fig. 8 ge­ zeigt, gebildet werden.
Fig. 10 zeigt im Querschnitt ein weiteres Beispiel einer unter einer Verdrahtungsschicht angeordneten, erfindungsgemäßen Dif­ fusionsbarrierenschichtanordnung. Bezugnehmend auf Fig. 10 be­ zeichnen die Bezugszeichen (11), (13), (15) und (23) dieselben Elemente wie in Fig. 9, während das Bezugszeichen (25) eine aus TiN bestehende und auf der silylierten Schicht (23) gebildete dritte Diffusionsbarrierenschicht bezeichnet.
Die in Fig. 10 gezeigte Diffusionsbarrierenschichtanordnung be­ steht übereinanderliegend aus der Ti-Schicht (13), der TiN- Schicht (15), der silylierten Schicht (23) und der dritten Dif­ fusionsbarrierenschicht (25) und wird durch folgende Vorgehens­ weise gebildet. Zunächst wird die erste Diffusionsbarrieren­ schicht (13) unter Benutzung derselben Methode, wie zu Fig. 8 beschrieben, auf dem Halbleitersubstrat (11) gebildet. Dann wird in einer Atmosphäre von Argon mit 2 mTorr bis 7 mTorr und Stickstoff mit 1,5 mTorr bis 5 mTorr (hierbei sollte das Druck­ verhältnis von Stickstoff zum Gesamtdruck bei 40% gehalten wer­ den) die zweite Diffusionsbarrierenschicht mit einer Dicke von 50 nm durch Abscheiden von TiN bei einer Substrattemperatur von 200°C und einer Depositionsrate von 30 nm bis 50 nm pro Minute unter Verwendung von Ti als Target erzeugt. Anschließend wird SiH4 mit einem Partialdruck von 0,5 mTorr bis 5 mTorr hinzugege­ ben und dann die Deposition durch ein reaktives Sputterverfah­ ren ausgeführt. Als Resultat entsteht eine aus TiNxSiy(TiN- TiSi) bestehende silylierte Schicht (23) mit einer Dicke von 10 nm bis 50 nm und bevorzugt von 20 nm. Nach Unterbrechung der SiH4-Versorgung wird die dritte Diffusionsbarrierenschicht (25) in einer Dicke von 50 nm durch Abscheiden von TiN gebildet. Auf der so gebildeten Diffusionsbarrierenschichtanordnung wird die (nicht gezeigte) Metallschicht zur Erzeugung einer Verdrah­ tungsschicht durch nachfolgendes Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung aufgebracht.
Bei dieser Vorgehensweise besteht die Diffusionsbarrieren­ schichtanordnung folglich aus mehreren dünnen Diffusionsbarri­ erenschichten, nämlich der Ti-Schicht (13), der silylierten Schicht (23) und den beiden TiN-Schichten (15, 25).
Im folgenden werden im Detail Verfahren zum Auffüllen von ver­ tieften Bereichen durch eine Metallschicht unter Verwendung ei­ ner erfindungsgemäßen Diffusionsbarrierenschichtanordnung unter Bezugnahme auf die entsprechenden Ausführungsbeispiele erläu­ tert.
Ausführungsbeispiel 1
Die Fig. 11 bis 14 illustrieren in schematischen Querschnitten ein erstes derartiges Beispiel.
Die Fig. 11 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer mehrlagigen Diffusionsbarrierenschicht (35). Vorbereitend wird eine Isolationsschicht (33) auf einem Halbleitersubstrat (31), in dem ein störstellendotierter Bereich (32) ausgebildet ist, erzeugt. Die Isolationsschicht (33) wird in einer Dicke von ungefähr 0,8 µm bis 1,6 µm unter Verwendung von Borphosphorsili­ katglas (BPSG) aufgebracht. Daraufhin wird in der Isolations­ schicht (33) ein Kontaktloch (34) erzeugt, das einen Teil der Oberfläche des störstellendotierten Bereiches (32) des Halblei­ tersubstrats (31) freilegt. Mit Annäherung an das Substrat wird der Durchmesser des Kontaktlochs kleiner bzw. in der entgegen­ gesetzten Richtung größer. Der größte Durchmesser an der Ober­ seite beträgt ungefähr 0,5 µm bis 1,0 µm, während der kleinste Durchmesser (angrenzend an das Substrat) ungefähr 0,3 µm bis 0,7 µm beträgt. Anschließend wird die mehrlagige Diffusionsbar­ rierenschicht (35) auf der gesamten Oberfläche der Isolations­ schicht (33) und damit auch an den Innenwänden des Kontaktlochs (34) sowie auf der freigelegten Oberfläche des Halbleitersub­ strats (31) gebildet.
Die mehrlagige Diffusionsbarrierenschicht (35) wird entspre­ chend Fig. 8 durch folgendes Vorgehen erzeugt. Zuerst wird Ti­ tan (Ti) in einer Dicke zwischen 10 nm und 30 nm durch ein Sput­ terverfahren in einer Argonatmosphäre zur Bildung einer ersten Diffusionsbarrierenschicht abgeschieden. Dann wird durch Depo­ sition von Titannitrid in einer Dicke von ungefähr 30 nm bis 100 nm unter Verwendung eines Sputterverfahrens mit einer Argonat­ mosphäre von 7 mTorr und einem relativen N2-Partialdruck von 40% eine zweite Diffusionsbarrierenschicht erzeugt. Die Temperatur des Substrats wird hierbei während der Deposition von Ti oder TiN auf 200°C gehalten. Die sich aus diesen beiden Schichten ergebende Anordnung wird dann für eine Zeitdauer zwischen 30 Minuten und 60 Minuten in einer N2-Atmosphäre bei einer Tempe­ ratur von 400°C bis 500°C getempert. Gleichzeitig wird eine ge­ ringe Menge an Sauerstoff zugegeben, so daß sich eine (nicht gezeigte) Oxidschicht, z. B. TiO2, TiO oder Ti2O3, an der Ober­ fläche der oberen Diffusionsbarrierenschicht ausbildet, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist.
Die Fig. 12 veranschaulicht einen Silylierungsprozeß für die vorliegende Anordnung. Der Silylierungsprozeß wird an der oben erhaltenen Anordnung wie im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben durchgeführt. Wie in Fig. 8 gezeigt, bildet sich dadurch eine silylierte Schicht (36) auf der Oberfläche der Oxidschicht, wo­ durch eine Diffusionsbarrierenschichtanordnung fertiggestellt ist, die übereinanderliegend eine Ti-Schicht, eine TiN-Schicht, eine Oxidschicht und eine silylierte Schicht beinhaltet.
Fig. 13 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer ersten Metallschicht (37). Nachdem die silylierte Schicht (36) aufge­ bracht und das Substrat (31) ohne Vakuumunterbrechung in einen anderen Reaktor verbracht wurde, wird die erste Metallschicht (37) durch Abscheidung eines ersten Metalls auf der silylierten Schicht (36) bei einer niedrigen Temperatur unter Vakuumbedin­ gungen aufgebracht. Die erste Metallschicht (37) kann als Ein­ zelschicht unter Verwendung von Al-0,4%Si-0,5%Cu als Target ge­ bildet werden. Alternativ kann die erste Metallschicht als Mehrlagenschicht unter Verwendung einer Al-Si-Legierung (Al-1% Si-Legierung) oder einer anderen Al-Legierung mit einem Si-Be­ standteil, z. B. einer Al-0,5%Cu-1%Si-Legierung, oder von purem Al oder einer Al-Legierung ohne Si-Bestandteil, z. B. einer Al- Cu-Legierung (Al-0,5%Cu-Legierung) oder einer Al-Ti-Legierung als Target ausgebildet sein. Bevorzugt wird die erste Metall­ schicht als Mehrlagenschicht bestehend aus einer Metallschicht mit Si-Bestandteil und einer Metallschicht ohne Si gebildet. Das erste Metall wird bei einer niedrigen Temperatur von 200°C oder weniger in einer Argonatmosphäre unterhalb von 4 mTorr (vorzugsweise 2 mTorr) durch ein Sputterverfahren mit einer De­ positionsrate von 10 nm bis 15 nm pro Sekunde, vorzugsweise 12 nm/s, abgeschieden. Die verwendete Leistung beträgt hierbei 5 kW bis 7,2 kW.
Die bevorzugte Dicke der ersten Metallschicht (37) beträgt zwi­ schen 400 nm und 600 nm. Die auf diese Weise erhaltene erste Me­ tallschicht (37) besitzt große Al-Körner, da die Benetzbarkeit zwischen der Diffusionsbarrierenschichtanordnung und dem abge­ schiedenen Al erhöht ist. Dies verbessert die Stufenbedeckung durch die Verdrahtungsschicht, was demgemäß wiederum die Zuver­ lässigkeit der Verdrahtung in dem Halbleiterbauelement erhöht. Zur Verwendung als Verdrahtungsschicht in dem Halbleiterbauele­ ment wird die erste Metallschicht entsprechend strukturiert. Falls erforderlich, wird die erste Metallschicht wärmebehandelt und das Kontaktloch (34) nach Aufbringen der ersten Metall­ schicht (37) aufgefüllt. Eine (nicht gezeigte) Verdrahtungs­ schicht kann in dem Halbleiterbauelement auch nach zusätzlichem Abscheiden einer (nicht gezeigten) zweiten Metallschicht er­ zeugt werden.
Ausführungsbeispiel 2
Die Fig. 14 bis 16 zeigen in Querschnittsansichten ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren ähnlich demjenigen der Fig. 11 bis 13, bei dem die vollständige Füllung eines Kontaktlochs vorgesehen ist. Gleiche Bezugszeichen wie im Ausführungsbei­ spiel 1 beziehen sich hierbei auf gleiche Elemente.
Fig. 14 veranschaulicht einen Schritt zum Auffüllen des Kon­ taktlochs (34) mit dem Metallmaterial der ersten Metallschicht (37). Dabei wird die erste Metallschicht (37) auf dieselbe Wei­ se gebildet wie im Ausführungsbeispiel 1 mit der Ausnahme, daß die erste Metallschicht (37) in dem der Fig. 13 des Beispiels 1 entsprechenden Verfahrensschritt in einer Dicke von 50 nm bis 300 nm aufgebracht wird. Daraufhin wird das Halbleitersubstrat ohne Vakuumunterbrechung in einen anderen (nicht gezeigten) Re­ aktor verbracht und die erste Metallschicht (37) für eine Zeit­ dauer zwischen 1 Minute und 5 Minuten unter Verwendung eines Argonleitungsverfahrens bei einer Heizertemperatur zwischen 500°C und 550°C wärmebehandelt. Auf diese Weise wandern die Al- Atome oder die Atome einer Al-Legierung in das Kontaktloch (34) hinein. Die Migration der Al-Atome setzt deren freie Energie herab, wodurch sich dementsprechend die Oberfläche verringert, so daß das Kontaktloch (34) vollständig mit dem Metallmaterial der ersten Metallschicht aufgefüllt wird. Diese Wärmebehandlung kann abhängig von Bedingungen, wie der Zeitdauer des Freiset­ zens an die Umgebung (oder an Atmosphäre) nach Bildung der er­ sten Metallschicht, der Menge an während der Deposition der er­ sten Metallschicht eingebrachtem Oxidationsmittel und der Menge an durch die Depositionsanlage eingebrachtem Oxidationsmittel (einschließlich Feuchtigkeit) abgeändert werden. Beispielsweise kann die Temperatur mit geringerer Menge an eingebrachtem Oxi­ dationsmittel und kürzerer Freisetzungsdauer kleiner gewählt und die Wärmebehandlungstemperatur mit niedrigerem Vakuumdruck reduziert werden. Diese Wärmebehandlung kann in einer Atmosphä­ re mit einem Inertgas (z. B. N2 oder Ar) oder mit einem reduzie­ renden Gas (beispielsweise H2) durchgeführt werden. Anstelle des Argonleitungsverfahrens können andere Wärmebehandlungs­ methoden verwendet werden, z. B. thermische Kurzzeittemperung (RTA) oder rampenförmiges Aufheizen. Diese Wärmebehandlungs­ methoden können jeweils alleine oder in Kombination mit anderen Methoden eingesetzt werden. In Fig. 14 bezeichnet das Bezugs­ zeichen (37a) die das Kontaktloch vollständig füllende, erste Metallschicht.
Fig. 15 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer zweiten Metallschicht (38) auf der wärmebehandelten ersten Metall­ schicht (37a). Hierzu wird ohne Vakuumunterbrechung ein Me­ tall durch ein Sputterverfahren bei einer Temperatur von 350°C oder weniger abgeschieden, so daß eine Verdrahtungsschicht mit einer vorbestimmten Dicke entsteht, wozu die zweite Metall­ schicht in einer Dicke von 300 nm bis 550 nm aufgebracht wird. Als Metall für die zweite Metallschicht (38) wird ein solches ohne Si-Bestandteil, beispielsweise eine Al-Cu-Legierung (eine Al-0,5%Cu-Legierung) oder eine Al-Ti-Legierung verwendet, wenn die erste Metallschicht einen Si-Bestandteil enthält. Wenn hin­ gegen die untenliegende Schicht keinen Si-Bestandteil enthält, kann ein Metall mit Si-Bestandteil, z. B. eine Al-Si-Legierung (eine Al-1%Si-Legierung) oder eine Al-Cu-Si-Legierung (eine Al- 0,5%Cu-1%Si-Legierung) verwendet werden.
Die zweite Metallschicht (38) kann alternativ gleichzeitig mit der Wärmebehandlung der ersten Metallschicht aufgebracht wer­ den. Dabei wird zum Beispiel die zweite Metallschicht, nachdem die erste Metallschicht mit dem Schritt gemäß Fig. 13 in einer Dicke von 50 nm bis 300 nm aufgebracht wurde, ohne Vakuumunter­ brechung unter Aufrechterhaltung einer Heizertemperatur von 500°C bis 550°C für das Substrat abgeschieden. Auf diese Weise wird die zweite Metallschicht gebildet, während die erste Me­ tallschicht zum Auffüllen des Kontaktlochs (34) wärmebehandelt wird.
Fig. 16 veranschaulicht einen Schritt zur Planarisierung der Oberfläche der Verdrahtungsschicht durch Wärmebehandeln der zweiten Metallschicht (38). Das Bezugszeichen (38a) bezeichnet die wärmebehandelte zweite Metallschicht. Der Schritt zur Pla­ narisierung der Oberfläche der Verdrahtungsschicht wird in der­ selben Weise wie im Fall der ersten Metallschicht ohne Vakuum­ unterbrechung durchgeführt. Bei Durchführung dieses Schritts wandern die Atome der zweiten Metallschicht in das Kontaktloch (34), so daß sie das Kontaktloch (34) weitergehend einebnen und so eine planarisierte Verdrahtungsschicht bereitstellen. Damit kann ein nachfolgender photolithographischer Prozeß leichter und effektiver durchgeführt werden. Anschließend wird durch Ab­ scheiden von Titannitrid in einer Dicke von 20 nm bis 50 nm auf der Oberfläche der wärmebehandelten zweiten Metallschicht (38a) mittels eines Sputterverfahrens eine (nicht gezeigte) Antire­ flexschicht aufgebracht, um zur Verbesserung des nachfolgenden photolithographischen Prozesses beizutragen. Nach der Bildung der Antireflexschicht wird auf dieser mittels eines herkömmli­ chen photolithographischen Prozesses ein vorbestimmtes (nicht gezeigtes) Resistmuster erzeugt, um das Verdrahtungsmuster für das Halbleiterbauelement herzustellen. Dann werden nacheinander die Antireflexschicht, die planarisierte zweite Metallschicht (38a) , die erste Metallschicht (37a) und die Diffusionsbarrie­ renschichtanordnung (35, 36) mit der silylierten Schicht (36) geätzt, wodurch mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verdrahtungsschicht fertiggestellt ist.
Ausführungsbeispiel 3
Bei diesem Beispiel wird die Diffusionsbarrierenschichtanord­ nung mit demselben Verfahren erzeugt, wie dies zu Fig. 11 des Beispiels 1 beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß für den Auf­ bau der Diffusionsbarrierenschichtanordnung derjenige von Fig. 9 vorgesehen ist. Genauer gesagt wird die Isolationsschicht unter Verwendung von BPSG in einer Dicke von 0,8 µm bis 1,5 µm auf den Halbleiterwafer, in dem der störstellendotierte Bereich ausgebildet ist, aufgebracht. Daraufhin wird ein Kontaktloch (beispielsweise mit einer Ausdehnung von 0,7 µm×0,7 µm) mit einem gestuften Abschnitt in dessen oberem Teil erzeugt, wo­ durch der störstellendotierte Bereich des Halbleitersubstrats freigelegt wird.
Nach Erzeugung des Kontaktlochs wird die aus Ti bestehende erste Diffusionsbarrierenschicht auf die Oberfläche der Isola­ tionsschicht und damit auch auf die Innenwände des Kontaktlochs sowie auf die freiliegende Oberfläche des Halbleitersubstrats unter Verwendung desselben Verfahrens wie zu Fig. 8 beschrieben aufgebracht. Dann wird auf der ersten Diffusionsbarrierenschicht mittels eines reaktiven Sputterverfahrens unter Verwendung von Ti als Target und den in Zusammenhang mit Fig. 9 erläuterten Prozeßbedingungen TiN abgeschieden, um so eine zweite Diffu­ sionsbarrierenschicht mit einer Dicke von 50 nm bis 100 nm zu bilden. Daraufhin wird SiH4 mit einem Druck von 0,5 mTorr bis 5 mTorr zugegeben und die Deposition durch das reaktive Sputter­ verfahren durchgeführt. Als Resultat entsteht eine aus TiNxSiy (TiN-TiSi) bestehende silylierte Schicht mit einer Dicke von 10 nm bis 50 nm, bevorzugt von 20 nm, wodurch die Diffusionsbarri­ erenschichtanordnung bestehend aus Ti-Schicht, TiN-Schicht und silylierter Schicht vervollständigt ist.
Die silylierte Schicht kann durch das reaktive Sputterverfahren nach der Bildung der zweiten Diffusionsbarrierenschicht erzeugt werden, nachdem der Wafer ohne Vakuumunterbrechung in eine an­ dere Reaktionskammer transferiert wurde. Durch die Anordnung der silylierten Schicht auf der zweiten Diffusionsbarrieren­ schicht wird der Diffusionspfad für die Silizium- und Metall­ atome blockiert.
Anschließend wird auf der Diffusionsbarrierenschichtanordnung ohne Vakuumunterbrechung Al oder eine Al-Legierung unter Ver­ wendung desselben Verfahrens wie zu Fig. 13 von Beispiel 1 be­ schrieben abgeschieden, um so eine erste Metallschicht zur Bildung einer Verdrahtungsschicht zu erzeugen.
Alternativ wird, wenn eine Unterbrechung des Vakuums vor Bil­ dung der Metallschicht gewünscht wird, anschließend Al oder eine Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung nach Bildung der silylierten Schicht abgeschieden und erneut silyliert, um auf diese Weise eine Metallschicht zur Erzeugung einer Verdrah­ tungsschicht auszubilden. Bei der Bildung der Metallschicht ist die Benetzbarkeit zwischen der Metallschicht und der Diffu­ sionsbarrierenschichtanordnung erhöht, so daß die Metallschicht große Al-Körner aufweist und Hohlraumbildung vermieden wird. Außerdem ist die Stufenbedeckung verbessert und als Ergebnis hiervon die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsschicht für das Halbleiterbauelement erhöht.
Das Kontaktloch wird anschließend vollständig mit der ersten Metallschicht ohne Vakuumunterbrechung unter Verwendung des­ selben Verfahrens wie zum Beispiel 2 beschrieben aufgefüllt, wobei der Halbleiterwafer auf einer Temperatur von 0,8 Tm bis 1,0 Tm (mit Tm als Schmelztemperatur des Verdrahtungsmetalls) gehalten wird. Falls erforderlich, kann in derselben Weise wie im Beispiel 2 nach dem zusätzlichen Aufbringen der zweiten Metallschicht auf die das Kontaktloch füllende Metallschicht eine erneute Wärmebehandlung durchgeführt werden. Nach Bildung einer Antireflexschicht kann dann in der erfindungsgemäßen Weise die Verdrahtungsschicht unter Verwendung desselben Ver­ fahrens wie im Beispiel 2 durch einen photolithographischen Prozeß zur Erzeugung der Metallverdrahtungsschicht erhalten werden.
Ausführungsbeispiel 4
Die Diffusionsbarrierenschichtanordnung wird in diesem Beispiel durch dasselbe Verfahren erzeugt wie zu Fig. 11 bezüglich des Beispiels 1 beschrieben mit der Ausnahme, daß für den Aufbau der Diffusionsbarrierenschichtanordnung der in Fig. 10 gezeigte vorgesehen ist.
Genauer gesagt wird eine Isolationsschicht mit einer Dicke von 0,8 µm bis 1,5 µm unter Verwendung von BPSG auf das den störstel­ lendotierten Bereich aufweisende Halbleitersubstrat aufgebracht. Dann wird das Kontaktloch (z. B. mit der Ausdehnung von 0,7 µm×0,7 µm) mit einem gestuften Abschnitt an seinem oberen Teil er­ zeugt, wodurch der störstellendotierte Bereich des Halbleiter­ substrats freigelegt wird.
Nach der Erzeugung des Kontaktlochs wird mit demselben Ver­ fahren wie zu Fig. 8 beschrieben die aus Ti bestehende erste Diffusionsbarrierenschicht auf die Oberfläche der Isolations­ schicht und damit auch auf die Innenseiten des Kontaktlochs sowie auf die freiliegende Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht. Daraufhin wird unter den im Zusammenhang mit der Fig. 10 erläuterten Bedingungen TiN mittels eines reaktiven Sputterverfahrens unter Verwendung von Ti als Target auf der ersten Diffusionsbarrierenschicht zur Bildung einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht mit einer Dicke von 50 nm bis 100 nm abgeschieden. Dann wird SiH4 mit einem Druck von 0,5 mTorr bis 5 mTorr zugegeben und die Abscheidung durch das reaktive Sput­ terverfahren fortgesetzt. Als Ergebnis hiervon entsteht die aus TiNxSiy(TiN-TiSi) bestehende silylierte Schicht mit einer Dicke von 10 nm bis 50 nm, bevorzugt von 20 nm. Anschließend wird durch Stoppen der SiH4-Zuführung und erneuter Abscheidung von TiN ei­ ne dritte Diffusionsbarrierenschicht mit einer Dicke von 50 nm gebildet, wodurch die Erzeugung der Diffusionsbarrierenschicht­ anordnung bestehend aus der Schichtfolge Ti-Schicht, TiN- Schicht, silylierte Schicht und TiN-Schicht vervollständigt ist. Ersichtlich kann folglich für die Diffusionsbarrieren­ schichtanordnung eine Mehrzahl dünner Diffusionsbarrieren­ schichten jeweils bestehend aus Ti-Schicht, silylierter Schicht oder TiN-Schicht gebildet werden. Nachfolgend wird ohne Vakuum­ unterbrechung die Metallschicht für die Erzeugung der Verdrah­ tungsschicht durch Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung gebildet.
Wenn die silylierte Schicht auf diese Weise auf einer Diffu­ sionsbarrierenschicht angeordnet ist, wird das Auftreten von Kurzschlußspitzenbildung, die während eines Al-Verdrahtungs­ vorgangs entstehen kann, ohne Wärmebehandlung der Diffusions­ barrierenschicht oder einen zusätzlichen Stickstoff-Temperpro­ zeß verhindert werden, da der Diffusionspfad der Silizium- und Metallatome blockiert ist und die silylierte Schicht zwischen den einzelnen Diffusionsbarrierenschichten als eine Zwischen­ schicht gebildet ist.
Das nachfolgende Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung auf der Diffusionsbarrierenschichtanordnung erfolgt nach demselben Verfahren wie zu Fig. 13 bezüglich des Beispiels 1 erläutert, wodurch die erste Metallschicht zur Er­ zeugung der Verdrahtungsschicht entsteht. Des weiteren sollte, wenn eine Unterbrechung des Vakuums vor der Bildung der Metall­ schicht gewünscht wird, Al oder eine Al-Legierung anschließend ohne Vakuumunterbrechung nach Erzeugung der silylierten Schicht abgeschieden und erneut silyliert werden, um die Metallschicht zur Erzeugung der Verdrahtungsschicht bereitzustellen. Bei Bil­ dung dieser Metallschicht ist die Benetzbarkeit zwischen der Metallschicht und der Diffusionsbarrierenschichtanordnung er­ höht, so daß die Metallschicht große Al-Körner aufweist und die Bildung von Hohlräumen verhindert wird, wie dies entsprechend zu den Ausführungsbeispielen 1, 2 und 3 ausgeführt wurde. Zu­ sätzlich ist die Stufenbedeckung verbessert und als Resultat hiervon die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsschicht des Halb­ leiterbauelements erhöht.
Daraufhin wird das Kontaktloch vollständig mit der ersten Me­ tallschicht ohne Vakuumunterbrechung unter Verwendung desselben Verfahrens wie zum Beispiel 2 beschrieben vollständig aufge­ füllt, wobei der Halbleiterwafer auf einer Temperatur von 0,8 Tm bis 1 Tm (mit Tm als der Schmelztemperatur des Verdrahtungsme­ talls) gehalten wird. Falls erforderlich, kann die Wärmebehand­ lung in derselben Weise wie im Beispiel 2 nach der zusätzlichen Bildung der zweiten Metallschicht auf der das Kontaktloch auf­ füllenden ersten Metallschicht erneut durchgeführt werden.
Nach Erzeugung einer Antireflexschicht wird darin in der er­ findungsgemäßen Weise die Verdrahtungsschicht unter Verwendung desselben Verfahrens wie im Beispiel 2 mittels eines photo­ lithographischen Prozesses zur Bildung der metallischen Ver­ drahtungsschicht erhalten.
Ausführungsbeispiel 5
Die Fig. 17 und 18 zeigen ein weiteres erfindungsgemäßes Ver­ fahren zur Bildung einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung für das nachfolgende Aufbringen einer Verdrahtungsschicht.
Fig. 17 veranschaulicht Schritte zur Erzeugung eines Durch­ kontaktlochs (69) und der Diffusionsbarrierenschichtanordnung. Hierfür wird zunächst eine erste Isolationsschicht (63) unter Verwendung von BPSG auf einem Halbleitersubstrat (61), in wel­ chem ein störstellendotierter Bereich (62) ausgebildet ist, in einer Dicke von 0,8 µm bis 1,5 µm aufgebracht. Dann wird in der ersten Isolationsschicht (63) ein Kontaktloch (64) (z. B. mit Abmessungen von 0,7 µm×0,7 µm) zur elektrischen Verbindung ei­ ner untenliegenden Verdrahtungsschicht (66) mit dem störstel­ lendotierten Bereich (62) des Halbleitersubstrats (61) erzeugt. Dadurch wird der störstellendotierte Bereich (62) des Halblei­ tersubstrats (61) freigelegt, wonach durch eines der in den Beispielen 1 bis 4 und den Fig. 8, 9 und 10 erläuterten Verfah­ ren eine Diffusionsbarrierenschichtanordnung (65) sowie eine untenliegende Verdrahtungsschicht (66) und eine Antireflex­ schicht (67) gebildet werden. Daraufhin wird auf die untenlie­ gende Verdrahtungsschicht (66) eine aus SiO2 bestehende zweite Isolationsschicht (68) aufgebracht, wonach ein Durchkontaktloch (69) mit Abmessungen kleiner als 1,0 µm×1,0 µm in der zweiten Isolationsschicht (68) erzeugt wird.
Nachdem das Durchkontaktloch (69) erzeugt wurde, wird nach dem­ selben Verfahren wie im Beispiel 1 eine Diffusionsbarrieren­ schicht (70) auf der Oberfläche der Isolationsschicht (68) und damit auch an den Innenwänden des Durchkontaktlochs (69) sowie auf dem freiliegenden Teil der untenliegenden Verdrahtungs­ schicht (66) erzeugt. Dann wird die Oberfläche der Diffusions­ barrierenschicht (70) zur Bildung einer silylierten Schicht (71) silyliert. Wenn die Diffusionsbarrierenschicht nicht ge­ bildet wird oder wenn eine herkömmliche Diffusionsbarrieren­ schicht verwendet wird, beinhaltet die Isolationsschichtober­ fläche SiO2 oder es bildet sich wie in Fig. 2 gezeigt die Oxid­ schicht auf der Oberfläche der herkömmlichen Diffusionsbarrie­ renschicht. Die Benetzbarkeit zwischen der Isolationsschicht und der Metallschicht ist daher unzureichend, wenn die Metall­ schicht durch ein Sputterverfahren aufgebracht wird. Dies führt dazu, daß die Stufenbedeckung durch die Metallschicht für das Durchkontaktloch ungenügend wird, insbesondere an den Seiten­ wänden des Durchkontaktlochs. Wenn hingegen, wie in der vorlie­ genden Erfindung, nach dem Aufbringen der Diffusionsbarrieren­ schicht auf die das Durchkontaktloch enthaltende Isolations­ schicht die silylierte Schicht erzeugt wird, läßt sich im nach­ folgenden Metallisierungsprozeß die obenliegende Metallschicht mit einem guten Profil ohne Unterbrechungen an den Seitenwänden des Kontaktlochs erhalten, da eine gute Benetzbarkeit zwischen der Diffusionsbarrierenschichtanordnung und dem gesputterten Metall bei der Deposition vorliegt.
Die Fig. 18 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer obenliegenden Metallschicht (72). Genauer gesagt wird die oben­ liegende Metallschicht (72) ohne Vakuumunterbrechung nach dem Silylierungsprozeß unter Verwendung eines Sputterverfahrens durch Deposition einer Al-Si-Cu-Legierung (Al-1%Si-0,5%Cu-Le­ gierung) oder einer Al-Cu- oder Al-Si-Legierung in einer Dicke von ungefähr 800 nm gebildet. Dabei wird die obenliegende Me­ tallschicht unter Verwendung desselben Verfahrens wie im Bei­ spiel 1 mit einer Depositionsrate von 15 nm/s oder kleiner und bei einer Temperatur von 200°C oder weniger abgeschieden. Bei der Bildung der obenliegenden Metallschicht (72) wandern die Metallatome der obenliegenden Metallschicht (72) ins Innere des Durchkontaktlochs (69), da die Benetzbarkeit zwischen der oben­ liegenden Metallschicht (72) und der Isolationsschicht (60) er­ höht ist, so daß sich die Metallschicht mit großen Al-Körnern bildet. Als Resultat hiervon ist die Stufenbedeckung für die obenliegende Metallschicht (72) erhöht und die Zuverlässigkeit des zum Durchkontaktloch (69) gehörigen Durchkontakts verbes­ sert.
Anschließend wird die obenliegende Metallschicht unter Verwen­ dung desselben Verfahrens wie im Beispiel 2 wärmebehandelt, um das Durchkontaktloch (69) mit dem Material der obenliegenden Metallschicht aufzufüllen. Wenn die obenliegende Metallschicht mit einer geringen Dicke gebildet ist und zum Auffüllen des Durchkontaktlochs (69) wärmebehandelt wird, kann eine weitere Metallschicht auf die obenliegende Metallschicht aufgebracht werden, die das Durchkontaktloch (69) weiter einebnend füllt. Diese zweite Metallschicht wird in einer ähnlichen Weise wie im Beispiel 2 beschrieben zur Erzielung einer planarisierten Ober­ fläche wärmebehandelt. Nach Bildung einer Antireflexschicht kann erfindungsgemäß die Verdrahtungsschicht mittels eines pho­ tolithographischen Prozesses für die Strukturierung der oben­ liegenden Metallschicht erhalten werden.
Ausführungsbeispiel 6
Die Fig. 19 bis 21 zeigen ein weiteres Beispiel des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zur Bildung einer Diffusionsbarrieren­ schichtanordnung mit nachfolgendem Aufbringen einer Verdrah­ tungsschicht für ein Halbleiterbauelement.
Die Fig. 19 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer Vertiefung (90) sowie einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung (83, 84). Hierbei wird zunächst eine isolierende Zwischen­ schicht (82) unter Verwendung von BPSG auf ein Halbleitersub­ strat (81) in einer Dicke von 1,5 µm aufgebracht. Dann wird in dem Bereich des Halbleiterbauelementes, wo die Verdrahtungs­ schicht angeordnet werden soll, die Vertiefung mit einer Tiefe zwischen 0,3 µm und 0,7 µm mittels eines herkömmlichen photoli­ thographischen Prozesses erzeugt.
Daraufhin wird auf der Oberfläche der isolierenden Zwischen­ schicht (82) und damit auch auf den Innenwänden der Vertiefung (90) die Diffusionsbarrierenschicht (83) gebildet, wonach unter Verwendung desselben Verfahrens wie im Beispiel 1 zur Bildung einer silylierten Schicht (84) die Oberfläche dieser Diffu­ sionsbarrierenschicht silyliert wird. Wenn die Diffusionsbarri­ erenschichtanordnung, bestehend aus Diffusionsbarrierenschicht (83) und silylierter Schicht (84), hingegen nicht angeordnet wird, besteht die Oberfläche der Isolationsschicht aus SiO2 oder es bildet sich, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Oxidschicht an der Oberfläche der herkömmlichen Diffusionsbarrierenschicht. Wenn dann die Metallschicht durch ein Sputterverfahren abge­ schieden wird, erzeugt dies für die gebildete Metallschicht Körner von nur geringerer Größe, weil die Benetzbarkeit zwi­ schen der Metallschicht und der Isolationsschicht unzureichend ist.
Wenn hingegen, wie in der vorliegenden Erfindung, die silylier­ te Schicht vorgesehen ist, weist die nach dem Aufbringen der Diffusionsbarrierenschichtanordnung auf die das Durchkontakt­ loch enthaltende Isolationsschicht in einem anschließenden Me­ tallisierungsprozeß gebildete Metallschicht Körner mit größeren Abmessungen auf, da eine gute Benetzbarkeit zwischen der Diffu­ sionsbarrierenschichtanordnung und dem gesputterten Metall bei der Deposition vorliegt.
Die Fig. 20 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer Me­ tallschicht (85). Die Metallschicht (85) wird hierbei ohne Va­ kuumunterbrechung nach dem Silylierungsprozeß unter Verwendung eines Sputterverfahrens durch Deposition einer Al-Si-Cu-Legie­ rung (Al-1%Si-0,5%Cu-Legierung) oder einer Al-Cu- oder Al-Si- Legierung in einer Dicke von ungefähr 800 nm abgeschieden. Die Metallschicht (85) wird dabei unter Verwendung desselben Ver­ fahrens wie im Beispiel 1 mit einer Depositionsrate von 15 nm/s oder kleiner und bei einer Temperatur von 200°C oder weniger abgeschieden. Wenn die Metallschicht (85) auf diese Weise ge­ bildet wird, liegt eine erhöhte Benetzbarkeit zwischen der Me­ tallschicht (85) und der isolierenden Zwischenschicht (82) vor, so daß eine Metallschicht mit großen Al-Körnern gebildet ist. Als Resultat hiervon ergibt sich eine gute Stufenbedeckung für die Vertiefung (90).
Anschließend wird unter Verwendung desselben Verfahrens wie im Beispiel 2 die Metallschicht (85) wärmebehandelt und damit die Vertiefung (90) weiter mit dem Material der Metallschicht (85) gefüllt und eingeebnet, so daß die in Fig. 21 dargestellte pla­ narisierte Metallschicht (86) entsteht.
Nach Aufbringen einer Antireflexschicht kann dann die Verdrah­ tungsschicht erfindungsgemäß mittels eines photolithographi­ schen Prozesses zur Erzeugung einer Metallverdrahtungsschicht oder mittels eines chemisch-mechanischen Poliervorgangs erhal­ ten werden. Die mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise erzeugte Verdrahtungsschicht besitzt eine hohe Elektronenmobi­ lität und ist resistent gegenüber mechanischen Spannungsbean­ spruchungen. Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäß herge­ stellten Verdrahtungsschicht ist daher im Vergleich zu herkömm­ lichen, durch Sputtern und Strukturieren hergestellten Verdrah­ tungsschichten beträchtlich erhöht.
Die erfindungsgemäße Verdrahtungsschicht für ein Halbleiterbau­ element läßt sich einfach herstellen, indem ein Prozeß durchge­ führt wird, bei dem lediglich ein Siliziumhydrid in eine her­ kömmliche Sputteranlage mit einem Argonplasma hin zugegeben zu werden braucht. Demgemäß läßt sich die erfindungsgemäße Ver­ drahtungsschicht durch eine einfache Änderung der Beschich­ tungsanlage problemlos herstellen.
Zusätzlich ist auch der Durchsatz verbessert, da die Dif­ fusionsbarrierenschichtanordnung für die Verdrahtungsschicht erfindungsgemäß durch einfaches Hinzufügen von Siliziumhydrid bei der Bildung der Diffusionsbarrierenschicht auf einfache Weise erzeugbar ist. Gleichzeitig verringert sich die Anzahl notwendiger Reaktortransfers, wobei sich auch die Ausbeute erhöht.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Dif­ fusionsbarrierenschichtanordnung besitzt eine gute Benetz­ barkeit für das aufgebrachte Al. Die Stufenbedeckung ist folglich ausgezeichnet, wenn Al oder eine Al-Legierung durch ein Sputterverfahren abgeschieden wird. Außerdem tritt keine Diskontinuität an den Seitenwänden einer Öffnung (einem Kontaktloch oder einem Durchkontaktloch) auf, und die Fließfähigkeit ist verbessert, wenn die Öffnung mit der Metall­ schicht nach deren Deposition durch Wärmebehandlung bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes gefüllt wird. Als Ergebnis hiervon ist der Füllungsgrad der Öffnung erhöht. Darüber hinaus kann die Vertiefung vollständiger eingeebnet werden.
Bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Ver­ drahtungsschicht wird das Auftreten der durch die herkömmliche Technik bekannten Kurzschlußspitzenbildung aufgrund der Anord­ nung der silylierten Schicht unterdrückt, während ggf. eine Oxidschicht auf der Barrierenschicht verbleibt, um den Sauer­ stoffeinlagerungseffekt beizubehalten. Wenn die silylierte Schicht an einer zwischenliegenden Diffusionsbarrierenschicht ausgebildet ist, sperrt sie zusätzlich den Diffusionspfad der Metall- und/oder der Siliziumatome. Die Eigenschaften der Diffusionsbarrierenschicht bleiben folglich erhalten, was es ermöglicht, das Metall abzuscheiden, ohne eine zusätzliche Wärmebehandlung oder einen zusätzlichen Stickstoff-Temperatur- Prozeß für die Diffusionsbarrierenschicht durchzuführen.
Bei der herkömmlichen Technik ist ein Sinterschritt nach der Al-Deposition oder ein Vergrabungsprozeß zwingend erforderlich. Dieser Sinterschritt wird in einer Stickstoffatmosphäre, die Wasserstoffgas enthält, durchgeführt. Im Gegensatz dazu wird im Fall einer erfindungsgemäßen Verdrahtungsschicht für das Halb­ leiterbauelement das Wasserstoffradikal oder das Wasserstoffgas erzeugt, wenn der Plasmavorgang durchgeführt wird, wobei Siliziumhydrid verwendet wird, und wirkt auf die Metallschicht und den darunter liegenden Bereich des Substrats ein. Aufgrund der Existenz dieses Passivierungsprozesses nach der Bildung der Metallschicht ist der Sintervorgang unnötig, so daß mit den weiteren Prozeßschritten fortgesetzt werden kann.
Gegenüber dem Bekannten verbessert daher die Erfindung die Ausbeute und die Zuverlässigkeit einer Verdrahtungsschicht in einem Halbleiterbauelement. Außerdem wird der Durchsatz erhöht, so daß die Herstellung des Halbleiterbauelements mit niedrigen Kosten möglich ist.
Es versteht sich, daß der Fachmann verschiedenartige Modifika­ tionen der oben beschriebenen Ausführungsformen vorzunehmen vermag, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie durch die bei­ gefügten Patentansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims (23)

1. Halbleiterbauelement, mit
  • - einem Halbleitersubstrat (11) und
  • - einer über dem Halbleitersubstrat gebildeten Diffusions­ barrierenschichtanordnung, die wenigstens eine Diffusionsbar­ rierenschicht (13, 15) enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Diffusionsbarrierenschichtanordnung (13, 15, 23) des wei­ teren eine silylierte Schicht (23) beinhaltet.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die silylierte Schicht (23) die oberste Schicht der Diffusionsbarrierenschichtanordnung (13, 15, 23) bildet.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarrierenschichtanordnung (13, 15, 23, 25) eine auf der silylierten Schicht (23) liegende Diffusionsbarrierenschicht (25) beinhaltet.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß jede Diffusionsbarrieren­ schicht (13, 15, 25) aus einem hochschmelzenden Metall, insbe­ sondere Titan, Zirkonium, Tantal oder Molybdän oder aus einer hochschmelzenden Metallverbindung besteht.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die silylierte Schicht (23) auf einer Mehr­ lagen-Diffusionsbarrierenschicht (13, 15) angeordnet ist, die durch eine untenliegende, aus einem hochschmelzenden Metall be­ stehende Diffusionsbarrierenschicht (13) und eine darüberlie­ gende, aus einer hochschmelzenden Metallverbindung bestehende Diffusionsbarrierenschicht (15) gebildet ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter gekennzeichnet durch
  • - eine auf dem Halbleitersubstrat (31) gebildete und einen vertieften Bereich (34) aufweisende Isolationsschicht (33) und
  • - eine den vertieften Bereich (34) vollständig füllende Metall­ schicht (37a, 38a) , wobei
  • - die die silylierte Schicht (36) beinhaltende Diffusions­ barrierenschichtanordnung (35, 36) zwischen der Isolations­ schicht (33) und der Metallschicht (37a, 38a) angeordnet ist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der vertiefte Bereich (34) ein Kontaktloch, das einen störstellendotierten Bereich (32) des Halbleiter­ substrats (31) freilegt, oder ein Durchkontaktloch ist, das eine darunterliegende, leitfähige Schicht des Halbleiterbau­ elements freilegt.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht mehrlagig mit ei­ ner ersten Metallschicht (37a) und einer darauf aufgebrachten zweiten Metallschicht (38a) mit planarisierter Oberfläche gebildet ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Bildung der Diffusionsbarrieren­ schichtanordnung:
  • - Erzeugung wenigstens einer Diffusionsbarrierenschicht (13, 15) über einem Halbleitersubstrat (11) und
  • - Erzeugung einer silylierten Schicht (23) auf der wenigstens einen Diffusionsbarrierenschicht (13, 15).
10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß die silylierte Schicht (23) durch einen Plasma­ prozeß unter Verwendung von Siliziumhydrid erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß SiH4 oder Si2H6 als Siliziumhydrid verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß die silylierte Schicht (23) durch ein reaktives Sputterverfahren unter Verwendung von Siliziumhydrid erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die silylierte Schicht (23) ohne Vakuumunterbrechung im Anschluß an die Bildung der wenigstens einen Diffusionsbarrierenschicht (13, 15) erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Diffusionsbarrieren-Mehrlagen­ schicht (13, 15) erzeugt wird, wobei durch Abscheiden eines hochschmelzenden Metalls eine erste Diffusionsbarrierenschicht (13) und auf dieser durch Abscheiden einer hochschmelzenden Metallverbindung eine zweite Diffusionsbarrierenschicht (15) gebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, weiter dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erzeugung der silylierten Schicht (23) auf der wenigstens einen Diffusionsbarrieren­ schicht (13, 15) eine weitere Diffusionsbarrierenschicht (25) durch Abscheidung einer hochschmelzenden Metallverbindung auf die silylierte Schicht aufgebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß nacheinander ohne Vakuumunterbrechung eine erste Diffusionsbarrierenschicht (13) aus einem hochschmelzenden Metall auf das Halbleitersubstrat (11), eine zweite Diffusions­ barrierenschicht (15) aus einer hochschmelzenden Metallver­ bindung auf die erste Diffusionsbarrierenschicht (13), die silylierte Schicht (23) auf die zweite Diffusionsbarrieren­ aus einer hochschmelzenden Metallverbindung auf die silylierte Schicht (23) aufgebracht werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, weiter gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Bildung einer Isolationsschicht (33) auf dem Halbleiter­ substrat (31)
  • - Erzeugung eines vertieften Bereiches (34) in der Isolations­ schicht,
  • - Bildung der wenigstens einen Diffusionsbarrierenschicht (35) auf der Isolationsschicht und
  • - Aufbringen einer Metallschicht (37) auf die auf der wenigstens einen Diffusionsbarrierenschicht gebildete, silylierte Schicht (36).
18. Verfahren nach Anspruch 17, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß der vertiefte Bereich (34) ein Kontaktloch ist, das einen in einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats (31) gebildeten störstellendotierten Bereich (32) freilegt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (37) durch Abscheidung von Al oder einer Al-Legierung bei niedriger Temperatur auf­ gebracht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, weiter gekennzeichnet durch eine Wärmebehandlung bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des für die Metall­ schicht verwendeten Metalls zur Auffüllung des vertieften Bereiches (34) mit dem Material der Metallschicht (37).
21. Verfahren nach Anspruch 20, weiter gekennzeichnet durch das Aufbringen einer zweiten Metallschicht (38) auf die wärme­ behandelte erste Metallschicht (37a) zur weiteren Füllung des vertieften Bereichs (34).
22. Verfahren nach Anspruch 21, weiter gekennzeichnet durch eine Wärmebehandlung der zweiten Metallschicht (38) bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des für die zweite Metallschicht verwendeten Metalls zur Planarisierung der Oberfläche der zweiten Metallschicht.
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