DE4342047B4 - Halbleiterbauelement mit einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement, mit
– einem Halbleitersubstrat (11) und
– einer über dem Halbleitersubstrat gebildeten Diffusionsbarrierenschichtanordnung, die wenigstens eine Diffusionsbarrierenschicht (13, 15) enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß
– die Diffusionsbarrierenschichtanordnung (13, 15, 23) des weiteren eine silylierte Schicht (23) beinhaltet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung für eine aufzubringende Metallisierungsschicht und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • In weniger dicht gepackten, herkömmlichen Halbleiterbauelementen bereitete die Stufenbedeckung durch Metall keine ernsthaften Schwierigkeiten. Mit erhöhter Integrationsdichte der Halbleiterbauelemente sind jedoch die Durchmesser von Kontaktlöchern beträchtlich kleiner geworden, bis herab auf eine Größenordnung von einem halben Mikrometer, und die an der Oberfläche des Halbleiterwafers gebildeten störstellendotierten Bereiche sind beträchtlich flacher geworden. Dementsprechend werden Verbesserungen 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 Metallverdrahtungsschicht 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 Hohlraumbildung, zu lösen, ist bereits ein Verfahren zum Auffüllen des Kontaktloches mit geschmolzenem Aluminium vorgeschlagen worden. Ein derartiges Schmelzverfahren ist beispielsweise in den JP-Offenlegungsschriften 62-132348 (von Yukiyasu Sugano et al.), 63-99546 (von Shinpei Iijima et al.) und 62-109341 (von Misahiro Shimizu et al.) offenbart. Gemäß den obigen Publikationen 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 angeordnet werden, um das korrekte Füllen des Kontaktlochs mit dem fließenden, geschmolzenen Aluminium zu ermöglichen. Die zunächst flüssige Metallschicht versucht dann, wenn diese Schicht wieder fest wird, eine geringere Oberflächenspannung einzunehmen 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. Darüber 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 unzureichenden 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 nachfolgend abgeschiedenen Metallschicht aufgrund von Kornwachstum, Rekristallisierung und Volumendiffusion verbessert. Jedoch vermag selbst diese Vorgehensweise ein Kontaktloch mit einem Durchmesser von 1 μm oder weniger nicht vollständig mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufzufüllen.
  • Von Hisako Ono et al. (1990 VMIC Conference, June 12-13, 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 Auffüllen des Kontaktloches durch Abscheiden eines Metalls bei einer Temperatur von 500°C bis 550°C vorgeschlagen (europäische Patentanmeldung Nr. 90104814.0, entsprechend der JP-Offenlegungsschrift 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 geringe Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsmigration zeigt. Zusätzlich 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 Kontaktlochbereiche 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 ungefähr 550°C, d.h. bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes, 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-Offenlegungsschrift 42 00 809 A1 enthalten. Das bei einer niedrigen Temperatur 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 ungefähr 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) abgeschieden worden ist. Diese Vorgehensweise benötigt keinen Ätzvorgang, wie er bei der Methode von Yoda Dakashi auszuführen ist. Aufgrund dieser Vorteile erfahren Vorgehensweisen zur Auffüllung von Kontaktlöchern, die das Verfahren von C.S. Park benutzen, 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 absorbiert 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 Temperatur 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 Diffusionsbarrierenschicht gebildet werden kann, um die Al-Kurzschlußspitzenbildung 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 Titannitridschicht als Diffusionsbarrierenschicht an den Innenwänden des Kontaktlochs beschrieben. Außerdem ist in der JP-Offenlegungsschrift 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 Bildung einer Titannitridschicht auf der hochschmelzenden Metallschicht sowie eine Wärmebehandlung der aus der hochschmelzenden Metallschicht und der Titannitridschicht bestehenden Doppelschicht beinhaltet, um auf diese Weise eine hochschmelzende Metallsilizidschicht 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 Barrierencharakteristik verbessert. Diese Wärmebehandlung der Diffusionsbarrierenschicht wird durch einen Temperprozeß in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Wenn die Diffusionsbarrierenschicht nicht dem Temperprozeß unterworfen wird, tritt in einem nachfolgenden 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 Verdrahtung zu verbessern (siehe JP-Offenlegungsschrift 2-26052).
  • Des weiteren ist ein Verfahren zur Verbesserung der Barrierencharakteristik 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-Kurzschlußspitzenbildung oder Si-Kristallisierungsausscheidung durch Verbesserung der Eigenschaften einer Diffusionsbarrierenschicht, wie oben beschrieben, wurde auch ein Verfahren zur Verhinderung von Al-Kurzschlußspitzenbildung oder Si-Ausscheidungen durch Erzeugung 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-Patentschriften Nr. 5266521 und 5355020 von S.I. Lee (dem jetzigen Erfinder) et al. ein Verfahren zur Bildung einer Mehrlagenschicht offenbart, bei dem die beim Füllen des Kontaktlochs erzeugte Kristallisation von Si-Ausscheidungen dadurch verhindert wird, daß Al bei einer niedrigen Temperatur abgeschieden und gemäß der Vorgehensweise von C.S. Park et al. bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes wärmebehandelt wird. Bei dem in der US-Patentschrift 5266521 beschriebenen Verfahren wird reines Al bei einer niedrigen Temperatur in einer Dicke von ungefähr einem Drittel der vorbestimmten Dicke einer Verdrahtungsschicht abgeschieden, um eine erste Metallschicht zu bilden. Diese erste Metallschicht wird daraufhin bei einer Temperatur 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 Metallschicht, die keine Si-Komponente enthält, das Silizium aus der zweiten Metallschicht während eines nachfolgenden Sintervorgangs, wodurch die Kristallisation von Si-Ausscheidungen verhindert wird. Gemäß einer Vorgehensweise nach der obigen US-Patentschrift 5355020 wird zuerst eine Al-Legierung, die eine Si-Komponente enthält, abgeschieden und dann reines Al oder eine Al-Legierung aufgebracht, wodurch eine Mehrlagenschicht 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 vervollständigen.
  • Im allgemeinen wird, um nach der Erzeugung einer Diffusionsbarrierenschicht eine Metallschicht auszubilden, der Wafer der Atmosphäre ausgesetzt, da der Wafer zur Bildung der Metallschicht 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 Diffusionsbarrierenschicht verringert ist. Wenn eine Al-1%Si-0,5%Cu-Legierung in einer Dicke von 600 nm bei Raumtemperatur abgeschieden wird, besitzen die gebildeten Körner eine geringe Ausdehnung von ungefähr 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 Wärmebehandlungsschrittes bei einer erhöhten Temperatur oder wenn ein Al-Film durch Sputtern bei einer erhöhten Temperatur abgeschieden 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. Derartige Schichten haben mikrostrukturierte Defekte oder Korngrenzen, welche die Silizium- oder Al-Diffusion an den Korngrenzen nicht verhindern können, wenn ein dünner Film der Diffusionsbarrierenschicht erzeugt wird. Zur Blockierung eines Diffusionspfades in den Korngrenzen ist eine Vorgehensweise gemäß dem sogenannten Sauerstoffeinlagerungsverfahren vorgeschlagen worden. Wenn die Diffusionsbarrierenschicht der Atmosphäre oder einem N2-Temperprozeß ausgesetzt wird, wird eine geringe 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 Bedingungen, wie z.B, der Zeitdauer für das Aussetzen an Atmosphäre, der Menge an während der Deposition eingebrachtem Sauerstoff, der Menge an während des Temperns eingebrachtem Sauerstoff und der Temperatur des Tempervorgangs, verändert werden. Das Tempern des Barrierenmetalls wird am besten bei einer Temperatur von ungefähr 450°C in einer N2-Atmosphäre für eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 60 Minuten durchgeführt.
  • 1 zeigt im Querschnitt eine auf der Oberfläche einer Diffusionsbarrierenschicht gebildete Oxidschicht für den Fall, daß das Vakuum nach der Bildung der Diffusionsbarrierenschicht unterbrochen wurde. 2 zeigt im Querschnitt eine auf der Oberfläche einer Diffusionsbarrierenschicht nach deren Erzeugung und N2-Temperung gebildete Oxidschicht, wobei eine verbesserte Diffusionsbarrierencharakteristik gegeben ist. 3 zeigt im Querschnitt eine Diffusionsbarrierenschichtanordnung, die durch Bildung einer ersten Diffusionsbarrierenschicht und anschließendem Bilden einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht auf der ersten Diffusionsbarrierenschicht nach Ionenimplantieren oder Stickstofftempern der ersten Diffusionsbarrierenschicht erhalten 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 Oxidschicht.
  • Nachdem die Diffusionsbarrierenschicht gebildet wurde, wird die Diffusionsbarrierenschicht, wenn die Al-Verdrahtungsschicht nach dem Verfahren von C.S. Park oder nach einem Sputterverfahren bei hoher Temperatur erzeugt wurde, der Atmosphäre ausgesetzt. Deshalb liegt an der Oberfläche der Diffusionsbarrierenschicht und an den Korngrenzen derselben Oxid vor, was die Benetzbarkeit 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 Hohlraumbildung während des Füllens des Kontaktlochs oder wegen eines ungenügenden Profils der Al-Schicht bei einer Wärmebehandlung herabgesetzt wird.
  • Die 4, 5 und 6 zeigen ungenügende Verdrahtungsschichten, wie sie entstehen können, wenn Al zur Bildung einer Metallschicht auf einer herkömmlichen Diffusionsbarrierenchicht abgeschieden und die Metallschicht daraufhin zum Füllen des Kontaktlochs wärmebehandelt wird. Bezugnehmend auf die 4 bis 6 bezeichnen das Bezugszeichen (1) ein Halbleitersubstrat, das Bezugszeichen (2) einen störstellendotierten Bereich, das Bezugszeichen (3) eine Isolationsschicht (BPSG-Schicht), das Bezugszeichen (4) eine Diffusionsbarrierenschicht und das Bezugszeichen (6) eine Metallschicht aus einer Al-Legierung. 4 zeigt eine Diskontinuität (7) der Al-Schicht, die an den Seitenwänden des Kontaktlochs aufgrund unzureichender Benetzbarkeit zwischen der Diffusionsbarrierenschicht und dem Al entsteht, wenn ein Sputtervorgang bei hoher Temperatur oder eine Al-Deposition durchgeführt wird. 5 zeigt einen Hohlraum (8), der in dem Kontaktloch entsteht, wenn das Al-Metall abgeschieden und daraufhin im Vakuum wärmebehandelt oder wenn das Kontaktloch durch ein Hochtemperatur-Sputterverfahren gefüllt wird. 6 zeigt ein unzureichendes Profil (9) einer Al-Legierungsschicht, das entsteht, wenn Al bei hoher Temperatur gesputtert oder eine Al-Schicht nach der Al-Deposition in Vakuum wärmebehandelt wird.
  • Hiroshi Nishimura et al. haben darauf hingewiesen, daß ein Kontaktloch mit einem Durchmesser von 0,5 μm und einem Aspektverhältnis 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 Festkörperlöslichkeit 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 Wahrscheinlichkeit 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 Depositionsvorgang die Wärmebehandlung im Vakuum nach dem Verfahren von C.S. Park durchgeführt wird oder wenn Al bei einer hohen Temperatur gesputtert wird, wodurch sich das Reflexionsvermögen verringert und Schwierigkeiten für den nachfolgenden photolithographischen Prozeß entstehen.
  • Außerdem tritt im Fall, daß eine ungenügende Diffusionsbarrierenschicht vorliegt, durch Reaktion zwischen dem Al und dem Substrat Al-Kurzschlußspitzenbildung auf, wenn ein Metall, das keine Si-Bestandteile enthält, abgeschieden wird, um die Kristallisation von Si-Ausscheidungen zu verhindern. 7 zeigt im Querschnitt die durch die herkömmlichen Techniken erzeugte Al-Kurzschlußspitzenbildung. Bezugnehmend auf 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 Metallschicht aus einer Al-Legierung und das Bezugszeichen (10) die Al-Kurzschlußspitzen.
  • Es ist wünschenswert, ein Oxid an der Oberfläche der Diffusionsbarrierenschicht 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 Wärmebehandlung 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 erwähnten US-Patentanmeldungen Nr. 07/828.458 oder Nr. 07/910.894 offenbarten Verfahren erzeugt wird. Dies führt dazu, daß sich der Durchsatz verringert oder die Bedingungen zur Erzeugung der Diffusionsbarrierenschicht 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 einer Temperatur von 170°C abgeschieden wurden. Dipankar et al. vermitteln die Lehre, daß die Korngröße des während der Abscheidung erzeugten Al abhängig von der Art der darunterliegenden 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 Benetzbarkeit zwischen den Al-Körnern und der darunterliegenden Schicht besser ist.
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  • 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 Herstellung geeignetes Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Das Vorsehen einer silylierten Schicht innerhalb der Diffusionsbarrierenschichtanordnung, die über dem Halbleitersubstrat gebildet ist und als Grundlage für eine nachfolgend aufzubringende Verdrahtungsschicht dient, verbessert die Diffusionsbarrierencharakteristik und ermöglicht das Aufbringen der Verdrahtungsschicht mit hoher Zuverlässigkeit und Qualität. Insbesondere ermöglicht diese Diffusionsbarrierenschichtanordnung eine gute Benetzbarkeit mit Aluminium und eine hohe Mobilität der Aluminiumatome, so daß eine aluminiumhaltige Verdrahtungsschicht mit guter Stufenbedeckung und unter vollständigem, hohlraumfreiem Auffüllen der Vertiefungen aufgebracht werden kann. Außer einem zu einem störstellendotierten Bereich im Halbleitersubstrat hinunterführenden Kontaktloch können auch andere vertiefte Bereiche zuverlässig aufgefüllt werden, z.B. ein Durchkontaktloch zu einer darunterliegenden leitfähigen Schicht oder eine in einer Isolationsschicht gebildete 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 Vakuumunterbrechung 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 zusammenballen, was unerwünscht ist.
  • Vorzugsweise ist als Metallschicht eine Mehrlagenschicht vorgesehen, indem nacheinander eine Metallschichtlage mit einem Si-Bestandteil und dann eine Metallschichtlage ohne einen Si-Bestandteil abgeschieden wird. Die Metallschichtlage ohne Si-Bestandteil absorbiert Si-Atome aus der Metallschichtlage mit Si-Bestandteil während des Wärmebehandlungs- oder Sintervorgangs, wodurch die Bildung von Si-Ausscheidungen oder Si-Körnchen verhindert wird. Vorzugsweise wird die zweite Metallschichtlage ohne Vakuumunterbrechung nach Wärmebehandlung der ersten Metallschichtlage in derselben Sputteranlage abgeschieden, in der die erste Metallschichtlage hergestellt wurde. Die Depositionstemperatur 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 Halbleiterbauelements läßt sich in einfacher Weise durch Einführen von zusätzlichem Siliziumhydrid in das herkömmliche Argonplasma einer Sputteranlage herstellen. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren 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 Wärmebehandeln der abgeschiedenen Metallschicht bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls zum Auffüllen 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 Sauerstoffeinlagerungseffekt 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 Erfindung sowie die zu deren besseren Verständnis oben beschriebenen, herkömmlichen Ausführungsformen sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
  • 1 ein herkömmliches Halbleiterbauelement mit einer auf einem Substrat angeordneten Diffusionsbarrierenschicht und einer auf diese unter Vakuumunterbrechung aufgebrachte Oxidschicht im Querschnitt,
  • 2 ein herkömmliches Halbleiterbauelement mit einer auf einem Substrat gebildeten und N2-getemperten Diffusionsbarrierenschicht und einer darüberliegenden Oxidschicht im Querschnitt,
  • 3 ein herkömmliches Halbleiterbauelement mit einer zweilagigen Diffusionsbarrierenschicht im Querschnitt, wobei die erste Lage nach Ionenimplantation oder Stickstofftemperung der ersten Lage aufgebracht wird,
  • 4 bis 6 herkömmliche Halbleiterbauelemente mit jeweils einer unzureichenden Verdrahtungsschicht im Querschnitt, hergestellt durch Abscheidung von Al auf einer herkömmlichen Diffusionsbarrierenschicht zur Bildung einer Metallschicht und Wärmebehandeln der Metallschicht zum Füllen eines Kontaktlochs,
  • 7 ein in herkömmlicher Weise gebildetes Halbleiterbauelement im Querschnitt, bei dem Al-Kurzschlußspitzen vorhanden sind,
  • 8 bis 10 Beispiele für Halbleiterbauelemente mit erfindungsgemäßen Diffusionsbarrierenschichtanordnungen im Querschnitt,
  • 11 bis 13 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem Kontaktloch in aufeinanderfolgenden Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Verdrahtungsschicht in schematischen Querschnitten,
  • 14 bis 16 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem Kontaktloch in aufeinanderfolgenden Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auffüllung des Kontaktlochs mit Metall in schematischen Querschnitten,
  • 17 und 18 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem Durchkontakt in aufeinanderfolgenden Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Verdrahtungsschicht in schematischen Querschnitten und
  • 19 bis 21 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einer Vertiefung in aufeinanderfolgenden Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Verdrahtungsschicht in schematischen Querschnitten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen detaillierter beschrieben.
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  • Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung und einer Verdrahtungsschicht in einem Halbleiterbauelement im Querschnitt. Unter Bezugnahme auf 8 bezeichnen das Bezugszeichen (11) ein Halbleitersubstrat, das Bezugszeichen (13) eine erste, aus Ti bestehende Diffusionsbarrierenschicht, das Bezugszeichen (15) eine zweite, aus TiN bestehende Diffusionsbarrierenschicht, das Bezugszeichen (17) eine Oxidschicht auf der Oberfläche der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (15), das Bezugszeichen (19) eine durch Silylierung des Oberflächenbereichs der Oxidschicht erhaltene silylierte Schicht und das Bezugszeichen (21) eine Al-Verdrahtungsschicht.
  • Zur Erzielung der Struktur von 8 wird wie folgt vorgegangen. Zunächst wird durch Sputtern unter Verwendung von Ti als Target die erste Diffusionsbarrierenschicht (13) auf dem Halbleitersubstrat (11) erzeugt. Daraufhin wird durch Deposition von TiN gemäß eines N2-reaktiven Sputterverfahrens unter Verwendung des üblichen Ti als Target in einer Argonatmosphäre die aus TiN bestehende zweite Diffusionsbarrierenschicht (15) gebildet. 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 Diffusionspfad von Al und Si zu blockieren. Dabei entsteht durch den Sauerstoffeinlagerungseffekt die aus TiO2 oder TiON bestehende Oxidschicht (17) an der Oberfläche der zweiten Diffusionsbarrierenschicht. Aufgrund der Existenz der Oxidschicht (17) ist die Benetzbarkeit zwischen dem Al und der Diffusionsbarrierenschicht zunächst herabgesetzt.
  • Anschließend wird mittels Durchführung eines Silylierungsprozesses auf der Diffusionsbarrierenschicht, auf der die Oxidschicht (17) gebildet ist, die silylierte Schicht (19) erzeugt. Der Silylierungsprozeß kann hierbei dadurch ausgeführt werden, daß die Diffusionsbarrierenschicht mittels eines Siliziumhydrids einem SiH4- oder Si2H6-Plasma oder Si*- oder SiH*-Radikalen ausgesetzt wird. Dabei beträgt der Partialdruck des Sili ziumhydrids zwischen 0,5 mTorr und 15 mTorr und die Leistung zwischen 1 kW und l0 kW, wobei die Substrattemperatur zwischen Raumtemperatur und 200°C liegt. Zusätzlich sollte, wenn die silylierte Schicht gebildet wird, der Vakuumdruck in der Silylierungsanlage auf 5 × 10–7 Torr 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 Beschädigungen, was die elektrischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelementes verbessert. Es ist demgemäß bevorzugt, Wasserstoff während der Durchführung des Silylierungsprozesses mit einem Druck von 0 mTorr bis 5 mTorr hinzuzufügen. Wenn Wasserstoff zugegeben wird, verändert sich die Dicke der silylierten Schicht, da die aus TiO2 oder TiON bestehende 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 Diffusionsbarrierenschicht und Al erhöht. Dies führt dazu, daß sich nicht nur die Stufenbedeckung für das gesputterte Al erhöht, sondern auch dazu, 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.
  • 9 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine unterhalb einer Verdrahtungsschicht angeordnete Diffusionsbarrierenschichtanordnung. Unter Bezugnahme auf 9 bezeichnen die Bezugszeichen (11), (13) und (15) dieselben Elemente wie in 8, während das Bezugszeichen (23) eine durch ein reaktives Sputterverfahren mit einem Siliziumhydrid erzeugte silylierte Schicht bezeichnet.
  • Die in 9 gezeigte Diffusionsbarrierenschichtanordnung besteht übereinanderliegend aus der Ti-Schicht (13), der TiN-Schicht (15) und einer silylierten Schicht (23) und wird wie folgt gebildet. Zunächst wird die erste Diffusionsbarrierenschicht (13) auf dem Halbleitersubstrat (11) in derselben Weise wie zu 8 beschrieben gebildet. Daraufhin wird in einer Atmosphäre 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 Verwendung 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 reaktives Sputterverfahren ausgeführt. Als Ergebnis entsteht die aus TiNxSiy(TiN-TiSi) bestehendes silylierte Schicht (23) mit einer Dicke von 10 nm und 50 nm und bevorzugt von 20 nm. Nach Bildung der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (15) kann hierbei der Wafer (11) ohne Vakuumunterbrechung in einen anderen Reaktor verbracht werden, wonach die silylierte Schicht (23) als letzter Teil der Diffusionsbarrierenschichtanordnung gebildet wird.
  • Anschließend wird eine (nicht gezeigte) Metallschicht zur Erzeugung einer Verdrahtungsschicht durch nachfolgendes Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung aufgebracht. Wenn das Vakuum unterbrochen wird, bevor die Metallschicht 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 8 gezeigt, gebildet werden.
  • 10 zeigt im Querschnitt ein weiteres Beispiel einer unter einer Verdrahtungsschicht angeordneten, erfindungsgemäßen Diffusionsbarrierenschichtanordnung. Bezugnehmend auf 10 bezeichnen die Bezugszeichen (11), (13), (15) und (23) dieselben Elemente wie in 9, während das Bezugszeichen (25) eine aus TiN bestehende und auf der silylierten Schicht (23) gebildete dritte Diffusionsbarrierenschicht bezeichnet.
  • Die in 10 gezeigte Diffusionsbarrierenschichtanordnung besteht übereinanderliegend aus der Ti-Schicht (13), der TiN-Schicht (15), der silylierten Schicht (23) und der dritten Diffusionsbarrierenschicht (25) und wird durch folgende Vorgehensweise gebildet. Zunächst wird die erste Diffusionsbarrierenschicht (13) unter Benutzung derselben Methode, wie zu 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 Druckverhältnis von Stickstoff zum Gesamtdruck bei 40% gehalten werden) 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 hinzugegeben und dann die Deposition durch ein reaktives Sputterverfahren 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 Diffusionsbarrierenschichtanordnung folglich aus mehreren dünnen Diffusionsbarrierenschichten, 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 vertieften Bereichen durch eine Metallschicht unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Diffusionsbarrierenschichtanordnung unter Bezugnahme auf die entsprechenden Ausführungsbeispiele erläutert.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Die 11 bis 14 illustrieren in schematischen Querschnitten ein erstes derartiges Beispiel.
  • Die 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 Borphosphorsilikatglas (BPSG) aufgebracht. Daraufhin wird in der Isolationsschicht (33) ein Kontaktloch (34) erzeugt, das einen Teil der Oberfläche des störstellendotierten Bereiches (32) des Halbleitersubstrats (31) freilegt. Mit Annäherung an das Substrat wird der Durchmesser des Kontaktlochs kleiner bzw. in der entgegengesetzten Richtung größer. Der größte Durchmesser an der Oberseite 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 Diffusionsbarrierenschicht (35) auf der gesamten Oberfläche der Isolationsschicht (33) und damit auch an den Innenwänden des Kontaktlochs (34) sowie auf der freigelegten Oberfläche des Halbleitersubstrats (31) gebildet.
  • Die mehrlagige Diffusionsbarrierenschicht (35) wird entsprechend 8 durch folgendes Vorgehen erzeugt. Zuerst wird Titan (Ti) in einer Dicke zwischen 10 nm und 30 nm durch ein Sputterverfahren in einer Argonatmosphäre zur Bildung einer ersten Diffusionsbarrierenschicht abgeschieden. Dann wird durch Deposition von Titannitrid in einer Dicke von ungefähr 30 nm bis 100 nm unter Verwendung eines Sputterverfahrens mit einer Argonatmosphäre 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 Temperatur von 400°C bis 500°C getempert. Gleichzeitig wird eine geringe Menge an Sauerstoff zugegeben, so daß sich eine (nicht gezeigte) Oxidschicht, z.B. TiO2, TiO oder Ti2O3, an der Oberfläche der oberen Diffusionsbarrierenschicht ausbildet, wie dies in 8 gezeigt ist.
  • Die 12 veranschaulicht einen Silylierungsprozeß für die vorliegende Anordnung. Der Silylierungsprozeß wird an der oben erhaltenen Anordnung wie im Zusammenhang mit 8 beschrieben durchgeführt. Wie in 8 gezeigt, bildet sich dadurch eine silylierte Schicht (36) auf der Oberfläche der Oxidschicht, wodurch eine Diffusionsbarrierenschichtanordnung fertiggestellt ist, die übereinanderliegend eine Ti-Schicht, eine TiN-Schicht, eine Oxidschicht und eine silylierte Schicht beinhaltet.
  • 13 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer ersten Metallschicht (37). Nachdem die silylierte Schicht (36) aufgebracht 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 Vakuumbedingungen aufgebracht. Die erste Metallschicht (37) kann als Einzelschicht unter Verwendung von Al-0,4%Si-0,5%Cu als Target gebildet 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-Bestandteil, 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 Metallschicht 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 Depositionsrate 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 zwischen 400 nm und 600 nm. Die auf diese Weise erhaltene erste Metallschicht (37) besitzt große Al-Körner, da die Benetzbarkeit zwischen der Diffusionsbarrierenschichtanordnung und dem abgeschiedenen Al erhöht ist. Dies verbessert die Stufenbedeckung durch die Verdrahtungsschicht, was demgemäß wiederum die Zuverlässigkeit der Verdrahtung in dem Halbleiterbauelement erhöht. Zur Verwendung als Verdrahtungsschicht in dem Halbleiterbauelement wird die erste Metallschicht entsprechend strukturiert. Falls erforderlich, wird die erste Metallschicht wärmebehandelt und das Kontaktloch (34) nach Aufbringen der ersten Metallschicht (37) aufgefüllt. Eine (nicht gezeigte) Verdrahtungsschicht kann in dem Halbleiterbauelement auch nach zusätzlichem Abscheiden einer (nicht gezeigten) zweiten Metallschicht erzeugt werden.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Die 14 bis 16 zeigen in Querschnittsansichten ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren ähnlich demjenigen der 11 bis 13, bei dem die vollständige Füllung eines Kontaktlochs vorgesehen ist. Gleiche Bezugszeichen wie im Ausführungsbeispiel 1 beziehen sich hierbei auf gleiche Elemente.
  • 14 veranschaulicht einen Schritt zum Auffüllen des Kontaktlochs (34) mit dem Metallmaterial der ersten Metallschicht (37). Dabei wird die erste Metallschicht (37) auf dieselbe Weise gebildet wie im Ausführungsbeispiel 1 mit der Ausnahme, daß die erste Metallschicht (37) in dem der 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) Reaktor verbracht und die erste Metallschicht (37) für eine Zeitdauer 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 Freisetzens an die Umgebung (oder an Atmosphäre) nach Bildung der ersten Metallschicht, der Menge an während der Deposition der ersten 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 Oxidationsmittel und kürzerer Freisetzungsdauer kleiner gewählt und die Wärmebehandlungstemperatur mit niedrigerem Vakuumdruck reduziert werden. Diese Wärmebehandlung kann in einer Atmosphäre mit einem Inertgas (z.B. N2 oder Ar) oder mit einem reduzie renden Gas (beispielsweise H2) durchgeführt werden. Anstelle des Argonleitungsverfahrens können andere Wärmebehandlungsmethoden verwendet werden, z.B. thermische Kurzzeittemperung (RTA) oder rampenförmiges Aufheizen. Diese Wärmebehandlungsmethoden können jeweils alleine oder in Kombination mit anderen Methoden eingesetzt werden. In 14 bezeichnet das Bezugszeichen (37a) die das Kontaktloch vollständig füllende, erste Metallschicht.
  • 15 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer zweiten Metallschicht (38) auf der wärmebehandelten ersten Metallschicht (37a). Hierzu wird ohne Vakuumunterbrechung ein Metall durch ein Sputterverfahren bei einer Temperatur von 350°C oder weniger abgeschieden, so daß eine Verdrahtungsschicht mit einer vorbestimmten Dicke entsteht, wozu die zweite Metallschicht 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 hingegen 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 werden. Dabei wird zum Beispiel die zweite Metallschicht, nachdem die erste Metallschicht mit dem Schritt gemäß 13 in einer Dicke von 50 nm bis 300 nm aufgebracht wurde, ohne Vakuumunterbrechung 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 Metallschicht zum Auffüllen des Kontaktlochs (34) wärmebehandelt wird.
  • 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 Planarisierung der Oberfläche der Verdrahtungsschicht wird in derselben Weise wie im Fall der ersten Metallschicht ohne Vakuumunterbrechung 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 Abscheiden 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) Antireflexschicht aufgebracht, um zur Verbesserung des nachfolgenden photolithographischen Prozesses beizutragen. Nach der Bildung der Antireflexschicht wird auf dieser mittels eines herkömmlichen 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 Diffusionsbarrierenschichtanordnung (35, 36) mit der silylierten Schicht (36) geätzt, wodurch mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verdrahtungsschicht fertiggestellt ist.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Bei diesem Beispiel wird die Diffusionsbarrierenschichtanordnung mit demselben Verfahren erzeugt, wie dies zu 11 des Beispiels 1 beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß für den Aufbau der Diffusionsbarrierenschichtanordnung derjenige von 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, wodurch der störstellendotierte Bereich des Halbleitersubstrats freigelegt wird.
  • Nach Erzeugung des Kontaktlochs wird die aus Ti bestehende erste Diffusionsbarrierenschicht auf die Oberfläche der Isolationsschicht und damit auch auf die Innenwände des Kontaktlochs sowie auf die freiliegende Oberfläche des Halbleitersubstrats unter Verwendung desselben Verfahrens wie zu 8 beschrieben aufgebracht. Dann wird auf der ersten Diffusionsbarrierenschicht mittels eines reaktiven Sputterverfahrens unter Verwendung von Ti als Target und den in Zusammenhang mit 9 erläuterten Prozeßbedingungen TiN abgeschieden, um so eine zweite Diffusionsbarrierenschicht 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 Sputterverfahren 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 Diffusionsbarrierenschichtanordnung 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 andere Reaktionskammer transferiert wurde. Durch die Anordnung der silylierten Schicht auf der zweiten Diffusionsbarrierenschicht wird der Diffusionspfad für die Silizium- und Metallatome blockiert.
  • Anschließend wird auf der Diffusionsbarrierenschichtanordnung ohne Vakuumunterbrechung Al oder eine Al-Legierung unter Verwendung desselben Verfahrens wie zu 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 Bildung 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 Verdrahtungsschicht auszubilden. Bei der Bildung der Metallschicht ist die Benetzbarkeit zwischen der Metallschicht und der Diffusionsbarrierenschichtanordnung 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 desselben 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 Verfahrens 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 11 bezüglich des Beispiels 1 beschrieben mit der Ausnahme, daß für den Aufbau der Diffusionsbarrierenschichtanordnung der in 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 störstellendotierten 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 erzeugt, wodurch der störstellendotierte Bereich des Halbleitersubstrats freigelegt wird.
  • Nach der Erzeugung des Kontaktlochs wird mit demselben Verfahren wie zu 8 beschrieben die aus Ti bestehende erste Diffusionsbarrierenschicht auf die Oberfläche der Isolationsschicht und damit auch auf die Innenseiten des Kontaktlochs sowie auf die freiliegende-Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht. Daraufhin wird unter den im Zusammenhang mit der 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 Sputterverfahren 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 eine dritte Diffusionsbarrierenschicht mit einer Dicke von 50 nm gebildet, wodurch die Erzeugung der Diffusionsbarrierenschichtanordnung bestehend aus der Schichtfolge Ti-Schicht, TiN-Schicht, silylierte Schicht und TiN-Schicht vervollständigt ist. Ersichtlich kann folglich für die Diffusionsbarrierenschichtanordnung eine Mehrzahl dünner Diffusionsbarrierenschichten jeweils bestehend aus Ti-Schicht, silylierter Schicht oder TiN-Schicht gebildet werden. Nachfolgend wird ohne Vakuumunterbrechung 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 Diffusionsbarrierenschicht angeordnet ist, wird das Auftreten von Kurzschlußspitzenbildung, die während eines Al-Verdrahtungsvorgangs entstehen kann, ohne Wärmebehandlung der Diffusionsbarrierenschicht oder einen zusätzlichen Stickstoff-Temperprozeß verhindert werden, da der Diffusionspfad der Silizium- und Metallatome blockiert ist und die silylierte Schicht zwischen den einzelnen Diffusionsbarrierenschichten als eine Zwischenschicht gebildet ist.
  • Das nachfolgende Abscheiden von Al oder einer Al-Legierung ohne Vakuumunterbrechung auf der Diffusionsbarrierenschichtanordnung erfolgt nach demselben Verfahren wie zu 13 bezüglich des Beispiels 1 erläutert, wodurch die erste Metallschicht zur Erzeugung der Verdrahtungsschicht entsteht. Des weiteren sollte, wenn eine Unterbrechung des Vakuums vor der Bildung der Metallschicht 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 Bildung dieser Metallschicht ist die Benetzbarkeit zwischen der Metallschicht und der Diffusionsbarrierenschichtanordnung erhöht, 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. Zusätzlich ist die Stufenbedeckung verbessert und als Resultat hiervon die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsschicht des Halbleiterbauelements erhöht.
  • Daraufhin wird das Kontaktloch vollständig mit der ersten Metallschicht ohne Vakuumunterbrechung unter Verwendung desselben Verfahrens wie zum Beispiel 2 beschrieben vollständig aufgefüllt, wobei der Halbleiterwafer auf einer Temperatur von 0,8 Tm bis 1 Tm (mit Tm als der Schmelztemperatur des Verdrahtungsmetalls) gehalten wird. Falls erforderlich, kann die Wärmebehandlung in derselben Weise wie im Beispiel 2 nach der zusätzlichen Bildung der zweiten Metallschicht auf der das Kontaktloch auffüllenden ersten Metallschicht erneut durchgeführt werden.
  • Nach Erzeugung einer Antireflexschicht wird darin in der erfindungsgemäßen Weise die Verdrahtungsschicht unter Verwendung desselben Verfahrens wie im Beispiel 2 mittels eines photolithographischen Prozesses zur Bildung der metallischen Verdrahtungsschicht erhalten.
  • Ausführungsbeispiel 5
  • Die 17 und 18 zeigen ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Bildung einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung für das nachfolgende Aufbringen einer Verdrahtungsschicht.
  • 17 veranschaulicht Schritte zur Erzeugung eines Durchkontaktlochs (69) und der Diffusionsbarrierenschichtanordnung. Hierfür wird zunächst eine erste Isolationsschicht (63) unter Verwendung von BPSG auf einem Halbleitersubstrat (61), in welchem 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 einer untenliegenden Verdrahtungsschicht (66) mit dem störstellendotierten Bereich (62) des Halbleitersubstrats (61) erzeugt. Dadurch wird der störstellendotierte Bereich (62) des Halbleitersubstrats (61) freigelegt, wonach durch eines der in den Beispielen 1 bis 4 und den 8, 9 und 10 erläuterten Verfahren eine Diffusionsbarrierenschichtanordnung (65) sowie eine untenliegende Verdrahtungsschicht (66) und eine Antireflexschicht (67) gebildet werden. Daraufhin wird auf die untenliegende 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 demselben Verfahren wie im Beispiel 1 eine Diffusionsbarrierenschicht (70) auf der Oberfläche der Isolationsschicht (68) und damit auch an den Innenwänden des Durchkontaktlochs (69) sowie auf dem freiliegenden Teil der untenliegenden Verdrahtungsschicht (66) erzeugt. Dann wird die Oberfläche der Diffusionsbarrierenschicht (70) zur Bildung einer silylierten Schicht (71) silyliert. Wenn die Diffusionsbarrierenschicht nicht gebildet wird oder wenn eine herkömmliche Diffusionsbarrierenschicht verwendet wird, beinhaltet die Isolationsschichtoberfläche SiO2 oder es bildet sich wie in 2 gezeigt die Oxidschicht auf der Oberfläche der herkömmlichen Diffusionsbarrierenschicht. Die Benetzbarkeit zwischen der Isolationsschicht und der Metallschicht ist daher unzureichend, wenn die Metallschicht durch ein Sputterverfahren aufgebracht wird. Dies führt dazu, daß die Stufenbedeckung durch die Metallschicht für das Durchkontaktloch ungenügend wird, insbesondere an den Seitenwänden des Durchkontaktlochs. Wenn hingegen, wie in der vorliegenden Erfindung, nach dem Aufbringen der Diffusionsbarrierenschicht auf die das Durchkontaktloch enthaltende Isolationsschicht die silylierte Schicht erzeugt wird, läßt sich im nachfolgenden 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 18 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer obenliegenden Metallschicht (72). Genauer gesagt wird die obenliegende Metallschicht (72) ohne Vakuumunterbrechung nach dem Silylierungsprozeß unter Verwendung eines Sputterverfahrens durch Deposition einer Al-Si-Cu-Legierung (Al-1%Si-0,5%Cu-Legierung) oder einer Al-Cu- oder Al-Si-Legierung in einer Dicke von ungefähr 800 nm gebildet. Dabei wird die obenliegende Metallschicht unter Verwendung desselben Verfahrens wie im Beispiel 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 obenliegenden Metallschicht (72) und der Isolationsschicht (60) erhöht 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 verbessert.
  • Anschließend wird die obenliegende Metallschicht unter Verwendung 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 Oberfläche wärmebehandelt. Nach Bildung einer Antireflexschicht kann erfindungsgemäß die Verdrahtungsschicht mittels eines photolithographischen Prozesses für die Strukturierung der obenliegenden Metallschicht erhalten werden.
  • Ausführungsbeispiel 6
  • Die 19 bis 21 zeigen ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung mit nachfolgendem Aufbringen einer Verdrahtungsschicht für ein Halbleiterbauelement.
  • Die 19 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer Vertiefung (90) sowie einer Diffusionsbarrierenschichtanordnung (83, 84). Hierbei wird zunächst eine isolierende Zwischenschicht (82) unter Verwendung von BPSG auf ein Halbleitersubstrat (81) in einer Dicke von 1,5 μm aufgebracht. Dann wird in dem Bereich des Halbleiterbauelementes, wo die Verdrahtungsschicht angeordnet werden soll, die Vertiefung mit einer Tiefe zwischen 0,3 μm und 0,7 μm mittels eines herkömmlichen photolithographischen Prozesses erzeugt.
  • Daraufhin wird auf der Oberfläche der isolierenden Zwischenschicht (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 Diffusionsbarrierenschicht silyliert wird. Wenn die Diffusionsbarrierenschichtanordnung, 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 2 gezeigt, eine Oxidschicht an der Oberfläche der herkömmlichen Diffusionsbarrierenschicht. Wenn dann die Metallschicht durch ein Sputterverfahren abgeschieden wird, erzeugt dies für die gebildete Metallschicht Körner von nur geringerer Größe, weil die Benetzbarkeit zwischen der Metallschicht und der Isolationsschicht unzureichend ist.
  • Wenn hingegen, wie in der vorliegenden Erfindung, die silylierte Schicht vorgesehen ist, weist die nach dem Aufbringen der Diffusionsbarrierenschichtanordnung auf die das Durchkontaktloch enthaltende Isolationsschicht in einem anschließenden Metallisierungsprozeß gebildete Metallschicht Körner mit größeren Abmessungen auf, da eine gute Benetzbarkeit zwischen der Diffusionsbarrierenschichtanordnung und dem gesputterten Metall bei der Deposition vorliegt.
  • Die 20 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung einer Metallschicht (85). Die Metallschicht (85) wird hierbei ohne Vakuumunterbrechung nach dem Silylierungsprozeß unter Verwendung eines Sputterverfahrens durch Deposition einer Al-Si-Cu-Legierung (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 Verfahrens 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 gebildet wird, liegt eine erhöhte Benetzbarkeit zwischen der Metallschicht (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 21 dargestellte planarisierte Metallschicht (86) entsteht.
  • Nach Aufbringen einer Antireflexschicht kann dann die Verdrahtungsschicht erfindungsgemäß mittels eines photolithographischen Prozesses zur Erzeugung einer Metallverdrahtungsschicht oder mittels eines chemisch-mechanischen Poliervorgangs erhalten werden. Die mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise erzeugte Verdrahtungsschicht besitzt eine hohe Elektronenmobilität und ist resistent gegenüber mechanischen Spannungsbeanspruchungen. Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Verdrahtungsschicht ist daher im Vergleich zu herkömmlichen, durch Sputtern und Strukturieren hergestellten Verdrahtungsschichten beträchtlich erhöht.
  • Die erfindungsgemäße Verdrahtungsschicht für ein Halbleiterbauelement läßt sich einfach herstellen, indem ein Prozeß durchge führt wird, bei dem lediglich ein Siliziumhydrid in eine herkömmliche Sputteranlage mit einem Argonplasma hinzugegeben zu werden braucht. Demgemäß läßt sich die erfindungsgemäße Verdrahtungsschicht durch eine einfache Änderung der Beschichtungsanlage problemlos herstellen.
  • Zusätzlich ist auch der Durchsatz verbessert, da die Diffusionsbarrierenschichtanordnung 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 Diffusionsbarrierenschichtanordnung besitzt eine gute Benetzbarkeit 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 Metallschicht 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 Verdrahtungsschicht wird das Auftreten der durch die herkömmliche Technik bekannten Kurzschlußspitzenbildung aufgrund der Anordnung der silylierten Schicht unterdrückt, während ggf. eine Oxidschicht auf der Barrierenschicht verbleibt, um den Sauerstoffeinlagerungseffekt 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-Temper-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 Halbleiterbauelement 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 Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen vorzunehmen vermag, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims (22)

  1. Halbleiterbauelement, mit – einem Halbleitersubstrat (11) und – einer über dem Halbleitersubstrat gebildeten Diffusionsbarrierenschichtanordnung, die wenigstens eine Diffusionsbarrierenschicht (13, 15) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß – die Diffusionsbarrierenschichtanordnung (13, 15, 23) des weiteren 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 Diffusionsbarrierenschicht (13, 15, 25) aus einem hochschmelzenden Metall, insbesondere 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 Mehrlagen-Diffusionsbarrierenschicht (13, 15) angeordnet ist, die durch eine untenliegende, aus einem hochschmelzenden Metall bestehende Diffusionsbarrierenschicht (13) und eine darüberliegende, 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 Metallschicht (37a, 38a), – die die silylierte Schicht (36) beinhaltende Diffusionsbarrierenschichtanordnung (35, 36) zwischen der Isolationsschicht (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 Halbleitersubstrats (31) freilegt, oder ein Durchkontaktloch ist, das eine darunterliegende, leitfähige Schicht des Halbleiterbauelements freilegt.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht mehrlagig mit einer 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 Diffusionsbarrierenschichtanordnung: – 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 gekennzeichnet, daß die silylierte Schicht (23) durch einen Plasmaprozeß unter Verwendung von Siliziumhydrid erzeugt wird,
  11. Verfahren nach Anspruch 10, weiter dadurch gekennzeichnet, daß SiH4 oder Si2H6 als Siliziumhydrid verwendet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, 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-Mehrlagenschicht (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 Diffusionsbarrierenschicht (13, 15) eine weitere Diffusionsbarrierenschicht (25) durch Abscheidung einer hochschmelzenden Metallverbindung auf die silylierte Schicht aufgebracht wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, weiter dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander ohne Vakuumunterbrechung eine erste Diffusionsbarrierenschicht (13) aus einem hochschmelzenden Metall auf das Halbleitersubstrat (11), eine zweite Diffusionsbarrierenschicht (15) aus einer hochschmelzenden Metallverbindung auf die erste Diffusionsbarrierenschicht (13), die silylierte Schicht (23) auf die zweite Diffusionsbarrierenschicht (15) und eine weitere Diffusionsbarrierenschicht (25) 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 Halbleitersubstrat (31), – Erzeugung eines vertieften Bereiches (34) in der Isolationsschicht, – 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 gekennzeichnet, 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 aufgebracht 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 Metallschicht 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 wärmebehandelte 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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