DE68925632T2 - Verfahren zum Metallisieren einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Metallisieren einer Halbleitervorrichtung

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Haibleitereinrichtungen und insbesondere ein Metallisierungsverfahren für Haibleitereinrichtungen, bei dern die Hügelbildung stark verringert ist.
  • Herkömmliche Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen scheiden Metalle bei niederen Temperaturen und langsamen Abscheidungsgeschwindigkeiten ab. Beispielsweise scheiden herkömmliche Zerstäubungstechniken, die ein Gleichstrom-Magnetron verwenden, Aluminiumlegierungen bei ungefähr 250 Grad Celsius (Celsius Grad) und 2 Nanometern (20 Ångstrom pro Sekunde ab. Da diese herkömmlichen Verfahren solche niedrigen Abscheidungstemperaturen verwenden, werden die nachfolgenden Verarbeitungsschritte, wie Plasmaoxidglühen (ungefähr 300 Grad Celsius (Celsius Grad)) und Polyimidglühen (so hoch wie 450 Grad Celsius (Celsius Grad)) bei Temperaturen durchgeführt, die höher als diejenigen sind, die bei der Metallabscheidung verwendet werden. Die höheren Temperaturen der nachfolgenden Verarbeitungsschritte erzeugen Spannungen in der Metallisierung, wodurch eine ernsthafte Hügelbildung hervorgerufen wird. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, daß Hügelbildungen Vorsprünge des Metalls sind, die durch Spannung hervorgerufen werden. Eine Hügelbildung ist dahingehend schädlich, daß sie ernstzunehmende Kurzschlußprobleme zwischen den Metallschichten erzeugt.
  • Die europäische Patentanmeldung EP-A-0297521 lehrt ein Zerstäubungsverfahren bei dem auf hoher Temperatur erwärmt wird, um das Zielmaterial auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats abzusetzen. Das Verfahren stellt sicher, daß die Temperatur des Halbleitersubstrats auf einem konstanten Wert aufrechterhalten wird.
  • In Halbleitereinrichtungen wird Metall üblicherweise auf Zwischenschichtdielektrika abgeschieden. Obgleich Zwischenschichtdielektrika aus verschiedenen Materialien bestehen können, hat sich bei Polyimid gezeigt, daß es viele einzigartige Eigenschaften und Merkmale aufweist, wie das Einebnen der darunterliegenden Struktur, was es äußerst wertvoll als ein Zwischenschichtdielektrikum macht. Jedoch ist es äußerst schwierig, Metall auf Polyimid abzuscheiden, da übergroße Wärme bewirkt, daß es sich fältelt. Schlechte Elektronenwanderungseigenschaften sind ein weiterer Fehler der herkömmlichen Metallabscheidungstechniken. Da der elektrische Strom, der durch das Metall einer Halbleitereinrichtung hindurchfließt, Flecken aus Metall verschieben kann, kann die Durchgängigkeit von Metalleiterbahnen stark beeinträchtigt und die nützliche Lebensdauer der Halbleitereinrichtung verringert werden. Demgemäß wäre ein Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen äußerst nützlich, das eine verringerte Hügelbildung, verstärkte Elektronenwanderungseigenschaften und Verträglichkeit mit Zwischendielektrika hat, die aus Polyimid bestehen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Demgemäß ist es eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen zu schaffen, bei dem die Hügelbildung in den Metallschichten stark verringert ist.
  • Es ist eine zusätzliche Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen zu schaffen, bei dem Polyimidmaterialien erfolgreich als Zwischenschichtdielektrika, mit äußerst heißen Metallen verwendet werden können.
  • Eine noch andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, ein Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen zu schaffen, bei dem die Wafertemperatur gesteuert werden kann.
  • Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, ein Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen zu schaffen, bei dem die Temperatur des Wafers während der Metallabscheidung gleich oder höher als die Temperatur des Wafers während der nachfolgenden Verarbeitungsschritte ist. Die vorstehenden und anderen Zielsetzungen und Vorteile werden bei der vorliegenden Erfindung mit einem Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen erreicht, das die Schritte umfaßt:
  • Halbleitereinrichtungen, das die Schritte umfaßt:
  • Bereitstellen eines Wafers;
  • Bilden einer ersten, dielektrischen Schicht auf dem genannten Wafer;
  • Erwärmen des genannten Wafers; und
  • Abscheiden einer ersten Metallschicht auf der genannten ersten, dielektrischen Schicht, wobei die Erfindung gekennzeichnet ist durch den Schritt:
  • Steuern der Temperatur des genannten Wafers während der Abscheidung der genannten ersten Metallschicht, indem die maximale Kornweite der genannten ersten Metallschicht gemessen und die auf den genannten Wafer angewendete Wärme gesteuert wird, um die genannte maximale Komweite einer erwünschten Größe zu ergeben, wodurch die Temperatur des genannten Wafers während der Abscheidung der genannten ersten Metallschicht gleich oder größer als die Temperatur des genannten Wafers während nachfolgender Verarbeitungsschritte ist.
  • Da das Metall keinen höheren Temperaturen als derjenigen ausgesetzt wird, bei der es abgeschieden worden war, wird eine geringe Spannung in dem Metall während der nachfolgenden Verarbeitungsschritte erzeugt, wodurch eine Hügelbildung stark verringert oder ausgeschlossen wird. Ferner werden dadurch, daß relativ große Metallkörner abgeschieden werden, die Elektronenwanderungseigenschaften verbessert, da die Korngrenzen in der Richtung des Stromflusses stark verringert sind. Dies erlaubt nur eine geringe Metallatomverschiebung.
  • Ein vollständigereres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden, indem die folgende, ins einzelne gehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine stark vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleitereinrichtung, die Metallschichten enthält;
  • Fig. 2 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Teils einer Metallabscheidungsvorrichtung, auf der ein Wafer angeordnet ist;
  • Fig. 3 ist eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Metallisierung der Halbleitereinrichtung, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten worden ist; und
  • Fig. 4 ist eine stark vergrößerte Querschnittsansicht eines einzelnen Korns der Halbleitermetallisierung der Fig. 3.
    • Beschreibung der Erfindung im einzelnen
  • Fig. 1 ist eine stark vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleitereinrichtung. Ein Wafer 10 weist eine erste Obefläche 12 und eine zweite Oberfläche 14 auf. Eine erste, dielektrische Schicht 16 ist auf dem Wafer 10 gebildet. Die erste, dielektrische Schicht 16 kann viele Arten von dielektrischen Materialien umfassen, obgleich Oxide, Nitride oder Kombinationen davon im allgemeinen verwendet werden. Sobald die erste, dielektrische Schicht 16 gebildet ist, wird sie mit einem Muster versehen und geätzt, um Durchgänge 36 darin zu bilden. Er sollte verstanden werden, daß Silicide und Sperrmetalle gebildet und an dieser Stelle abgeschieden werden können, wobei dies aber nicht wesentlich ist und von der Art der Einrichtung abhängt.
  • Eine erste Metallschicht 18 wird dann auf der ersten, dielektrischen Schicht abgeschieden. Nach der Abscheidung der ersten Metallschicht 18 wird darauf ein erstes Zwischenschichtdielektrikum 40 abgeschieden. Bei dieser Ausführungsform besteht das erste Zwischendielektrikum 40 aus Polyimid, obgleich der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, daß viele anderen Zwischenschichtdielektrika verwendet werden können. Typischerweise ist Polyimid eines der schwierigereren Materialien, um auf ihm heißes Metall abzuscheiden, da es die Neigung hat, zu fälteln, wenn es Netallen hoher Temperatur ausgesetzt wird. Jedoch arbeitet das Metallisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung außergewöhnlich gut mit Polyimid als erstem Zwischenschichtdielektrikum 40, da das Verfahren bei Vakuumbedingungen ausgeführt wird und das erste Zwischenschichtdielektrikum 40 aus Polyimid vor der Metallabscheidung vorerwärmt und vorbereitet worden ist. Das Metallisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung ändert weder die physikalischen noch die chemischen Eigenschaften des Polyimid und deshalb tritt keine Fältelung auf. Nach der Bildung des ersten Zwischenschichtdielektrikums 40 werden darin Durchgänge 42 geätzt. Eine zweite Metallschicht 44 wird nun auf dern ersten Zwischenschichtdielektrikum 40 abgeschieden. Man erkennt, daß zahlreiche Zwischenschichtdielektra und Metallschichten verwendet werden können, wobei diese gleiche Technik verwendet wird. Das verwendete Verfahren, die Metallschichten abzuscheiden, wird nachfolgend erläutert.
  • Fig. 2 ist ein vereinfachtes Schema eines Teils einer Metallabscheidungsvorrichtung 20. Die Vorrichtung 20 ist eine Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wobei man aber erkennen sollte, daß viele Arten von Zerstäubungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Vorrichtung 20 enthält eine Vakuumzerstäubungskammer 34, wo das Zerstäuben tatsächlich auftritt. Eine Waferheizeinrichtung 22 ist in der Kammer 34 vorgesehen und ist mit dem Wafer 10 auf ihr angeordnet gezeigt. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß der Wafer 10 auf der Waferheizeinrichtung 22 so angeordnet ist, daß seine zweite Oberfläche 14 von der Waferheizeinrichtung 22 erwärmt wird. Da Metallschichten 18 und 44 (siehe Fig. 1) auf verschiedenen Schichten, wie das Zwischenschichtdielektrikum 16, abgeschieden werden, die auf der ersten Oberfläche 12 des Wafers 10 angeordnet sind, ist diese Art des Erwärmens als Rückseitenerwärmen auf dem Gebiet bekannt. Das Rückseitenerwärmen ist von Vorteil, da es dem Wafer ermöglicht, die Wärme im Gegensatz zu dem Vorderseitenerwärmen zu absorbieren, bei dern die Wärme von dem Wafer 10 durch die Metallschichten 18 und 44 während ihrer Abscheidung reflektiert wird.
  • Die Metallabscheidungsvorrichtung 20 enthält ein Ziel 26, das auf den Wafer 10 gerichtet ist. Das Ziel 26 ist eine Kathode, die aus dem Metall besteht, das zerstäubt werden soll. Bei dieser Ausführungsform besteht das Ziel 26 aus einer Aluminiumlegierung, die 1,5% Kupfer aufweist. Jedoch kann das Ziel 26 aus reinem Aluminium, aus Aluminium mit 0,5% bis 10% Kupfer oder einem von vielen anderen Metallen bestehen, die auf dem Gebiet gut bekannt sind. Ein Gasfluß wird in die Kammer 34 eingebracht, und bei dieser Ausführungsform wird Argongas verwendet, wobei jedoch der Durchschnittsfachmann auf dern Gebiet erkennt, daß viele andere Gase verwendet werden können. Der Gasfluß wird ionisiert und wird durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Der Zusammenstoß der Gasionen mit dern Ziel 26 bewirkt, daß Metallatome von dem Ziel 26 gewonnen werden. Die Atome wandern durch das Plasma hindurch und werden dann auf den Schichten abgeschieden, die auf der ersten Oberfläche 12 des Wafers 10 angeordnet sind. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, daß die Zerstäubungskammer 34 bis zu dem Punkt unter Druck sein muß, wo das Plasma gezündet und das Zerstäuben auftreten kann.
  • Der Wafer 10 wird zusätzlich dazu, daß er durch die Waferheizeinrichtung 22 erwärmt wird, auch durch das Metall erwärmt, das auf ihm abgeschieden wird. Die Temperatur des Wafers kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
  • Tw = K1TH + K2Rt
  • wo Tw die Temperatur des Wafers, K&sub1; eine mit der Wafererwärmungstechnik verbundene Konstante ist, TH die Temperatur der Waferheizeinrichtung 22 ist, K&sub2; eine mit den Plasmabedingungen verbundene Konstante ist, R die Abscheidungsgeschwindigkeit des Metalls ist und t die Abscheidungsdauer ist. Diese Gleichung ist für die vorliegende Erfindung richtig, solange R konstant bleibt.
  • Beim Abscheiden von Aluminium, von Aluminiumlegierungen und verschiedenen anderen Metallen besteht eine Korrelation zwischen der Temperatur des Wafers und der maximalen Kornweite des Metalls, das abgeschieden wird. Wenn die Temperatur des Wafers zunimmt, nimmt die maximale Kornweite des abgeschiedenen Metalls proportional zu. Deshalb kann die Temperatur des Wafers relativ konstant gehalten werden, indem die maximale Kornweite des abgeschiedenen Metalls gemessen und gesteuert wird. Im wesentlichen wird, indem die maximale Kornweite konstant gehalten wird, die Wafertemperatur ebenfalls konstant gehalten. Moderne Technologie ermöglicht das Messen der maximalen Kornweite des abgeschiedenen Metalls, die während der Metallabscheidung auftritt. Ein Instrument, wie ein Zeiss Axiomat Mikroskop mit Phasenkontrast Knomarski und einem Fadenokular, das mit einem NBS Standard bei 1 Mikrometer (Mikron)/kleinste Unterteilung bei 1000-facher Vergrößerung kalibriert worden ist, kann verwendet werden, dieses auszuführen.
  • Fig. 3 stellt eine stark vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Metallschicht 18 dar, während Fig. 4 eine stark vergrößerte Ansicht eines Metallkorns 28 von der Metallschicht 18 ist. Die Metallschicht 18 enthält eine Vielzahl von Metallkörnern 28. Jedes Metallkorn 28 ist ein einzelner Kristallfleck aus Metall. Die Metallkörner 28 verbinden sich während der Abscheidung, um die Metallschicht 18 zu bilden. Die maximale Kornweite der Metallkörner 28 wird gemessen, indem die Weite gewisser großer Metallkörner 28 an ihrem breitesten Abschnitt genommen wird. Dies ist durch die Linie 30 dargestellt. Die maximale Kornweite zu messen, ist viel einfacher als Verfahren, die versuchen, die mittlere Kornweite zu berechnen.
  • Eine Hügelbildung der Metallschicht 18 tritt im allgemeinen auf, wenn Verfahrensschritte nach der Metallabscheidung höhere Wafertemperaturen als die Tempertur des Wafers während der Metallabscheidung aufweisen. Die höhere Temperatur erzeugt eine Spannung in der Metallschicht 18, wodurch Vorsprünge (Hügel) auftreten. Deshalb wird, wenn die Wafertemperatur der nachfolgenden Verarbeitungsschritte die gleiche wie oder kleiner als die Wafertemperatur während der Metallabscheidungsschritte ist, eine Hügelbildung entweder ausgeschlossen oder stark verringert. Da die Temperatur des Wafers durch Messen und Kontrollieren der maximalen Kornweite der Metallkörner 28 während der Metallabscheidung und durch Steuern der Temperatur der Waferheizeinrichtung 22 gesteuert werden kann, kann das Metall bei relativ hohen Temperaturen, die bekannt sind, abgeschieden werden. Dies macht es möglich, nachfolgende Verarbeitungsschritte bei niedereren Temperaturen auszuführen. Da die Metallabscheidungstemperatur relativ hoch ist, wird die maximale Kornweite der Metallkörner 28 relativ groß.
    • Beispiel
  • Beispielsweise kann ein dreischichtiges Metallisierungsschema abgeschieden werden, wobei die folgenden Parameter verwendet werden. Nach dem Bilden der ersten dielektrischen Schicht 16 auf der ersten Oberfläche 12 des Wafers 10 wird darauf eine erste Metallschicht abgeschieden. Die Waferheizeinrichtung 22 wird auf 475 Grad Celsius (Celsius Grad) eingestellt. Nach dem Erwärmen des Wafers wird eine Aluminiumlegierung, die 1,5% Kupfer aufweist, mit einer hohen Geschwindigkeit von 1850 Nanometern (185 Ångstrom) pro Sekunde während 41 Sekunden abgeschieden. Die maximale Kornweite mißt 10 bis 14 Mikrometer (Mikron), und die sich ergebende erste Metallschicht hat eine Dicke von 750 Nanometern (7,5 Kilo Ångstrom). Nach dem Bilden des ersten Zwischenschichtdielektrikums 40 wird eine zweite Metallschicht abgeschieden, nachdem die Waferheizeinrichtung 22 auf 410 Grad Celsius (Celsius Grad) eingestellt worden ist. Die Aluminiumlegierung wird mit einer Geschwindigkeit von 1850 Nanometern (185 Ångstrom) pro Sekunde während 97 Sekunden abgeschieden, und die maximale Kornweite mißt wiederum 10-14 Mikrometer (Mikron). Die sich ergebende zweite Metallschicht hat eine Dicke von 1800 Nanometern (18,0 Kilo Ångstrom). Nach der Bildung eines zweiten Zwischenschichtdielektrikums wird eine dritte Metallschicht dann auf der zweiten Metallschicht abgeschieden, nachdem die waferheizeinrichtung 22 auf 350 Grad Celsius (Celsius Grad) eingestellt und der Wafer erwärmt worden ist. Die Aluminiumlegierung wird mit einer Geschwindigkeit von 1850 Nanometern (185 Ångstrom) pro Sekunde während 146 Sekunden abgeschieden, während die maximale Kornweite bei 10 bis 14 Mikrometern (Mikron) bleibt. Die sich ergebende dritte Schicht hat eine Dicke von 2700 Nanornetern (27 Kilo Ångstrom.
  • Obgleich das angegebene Beispiel sehr besonders ist, sollte man erkennen, daß diese Erfindung mit den folgenden Parametern verwendet werden kann. Die Wafertemperaturen können in dem Bereich von 350 bis 650 Grad Celsius (Celsius Grad) sein, die maximale Kornweite des abgeschiedenen Metalls kann in dem Bereich von 5,0 bis 40,0 Mikrometern (Mikron) sein und die Abscheidungsgeschwindigkeit kann in dem Bereich von 15 bis 40 Nanometern (150 bis 400 Ångstrom) pro Sekunde sein.
  • Man erkennt, daß die Temperatur des Wafers relativ konstant während aller drei Metallabscheidungsschritte bleibt. Obgleich sich die Temperatur der Waferheizeinrichtung 22 ändert, wird der Wafer auf eine höhere Temperatur durch die erhöhte Zeit der nachfolgenden Metallabscheidungsschritte erwärmt. Mit anderen Worten, je länger die Abscheidungszeit ist, umso höher wir die Wafertemperatur aufgrund der Metallabscheidungskinetik. Die maximale Kornweite bleibt dadurch konstant, wodurch sichergestellt wird, daß die Wafertemperatur konstant ist. Man erkennt, daß die Wafertemperatur während der nachfolgenden Metallabscheidungsschritte nicht so hoch wie die Wafertemperatur während des ersten Metallabscheidungsschritts sein muß, obgleich es wünschenswert ist, daß die Wafertemperatur aller Metallabscheidungsschritte konstant bleibt, wobei aber die Wafertemperatur aller Metallabscheidungsschritte höher als die nachfolgenden Verfahrensschritte sein muß. Man erkennt ferner, daß die Wafertemperatur eines zweiten oder dritten Metallabscheidungsschrittes nicht die Wafertemperatur eines ersten Metallabscheidungsschritts überschreiten darf, wenn jeder Metallschicht hügelfrei bleiben soll.
  • Somit ist es offensichtlich, daß gemäß der Erfindung ein verbessertes Metallisierungsverfahren für Halbleitereinrichtungen geschaffen worden ist, das die oben angegebenen Zielsetzungen und Vorteile erreicht. Es sind besondere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden.

Claims (7)

1. Ein Verfahren zum Metallisieren von Halbleitereinrichtungen, das die Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Wafers;
Bilden einer ersten, dielektrischen Schicht auf dem genannten Wafer;
Erwärmen des genannten Wafers; und
Abscheiden einer ersten Metallschicht auf der genannten ersten, dielektrischen Schicht, wobei die Erfindung gekennzeichnet ist durch den Schritt:
Steuern der Temperatur des genannten Wafers während der Abscheidung der genannten ersten Metallschicht, indem die maximale Kornweite der genannten ersten Metallschicht gemessen und die auf den genannten Wafer angewendete Wärme gesteuert wird, um die genannte maximale Kornweite einer erwünschten Größe zu ergeben, wodurch die Temperatur des genannten Wafers während der Abscheidung der genannten ersten Metallschicht gleich oder größer als die Temperatur des genannten Wafers während nachfolgender Verarbeitungsschritte ist.
2. Das Verfahren zum Metallisieren des Anspruchs 1, bei dem die Abscheidung der genannten ersten Metallschicht das Abscheiden von Aluminium einschließt.
3. Das Verfahren zum Metallisieren des Anspruchs 2, bei dem das Aluminium 0,5% bis 10,0% Kupfer enthält.
4. Das Verfahren zum Metallisieren des Anspruchs 1, 2 oder 3, bei dem die Temperatur des genannten Wafers während der Abscheidung der genannten ersten Metallschicht in dem Bereich von 350 Grad Celsius (Celsius Grad) bis 650 Grad Celsius (Celsius Grad) ist.
5. Das Verfahren zum Metallisieren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die genannte maximale Kornweite in dem Bereich von 5,0 Mikrometern (Mikron) bis 40,0 Mikrometern (Mikron) ist.
6. Das Verfahren zum Metallisieren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dern die Abscheidung der genannten mindestens einen Metallschicht mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 15 Nanometern (150 Ångstrom) pro Sekunde bis 40 Nanometern (400 Ångstrom) pro Sekunde ist.
7. Ein Verfahren zum Metallisieren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das ferner die Schritte umfaßt:
Bilden eines Zwischenschichtdielektrikums auf der genannten ersten Metallschicht; und
Abscheiden einer zusätzlichen Metallschicht auf dem genannten Zwischenschichtdielektrikum, wobei die Temperatur des genannten Wafers während der Abscheidung der genannten einen zusätzlichen Metallschicht gleich oder geringer als die Temperatur des genannten Wafers während der Abscheidung der genannten ersten Metallschicht aber gleich oder größer als die Temperatur des genannten Wafers während nachfolgender Verarbeitungsschritte ist, wobei die Temperatur des genannten Wafers kontrolliert wird, indem die maximale Kornweite der genannten einen zusätzlichen Metallschicht gemessen und die auf den genannten Wafer angewendete Wärme gesteuert wird, um die genannte maximale Kornweite mit einer erwünschten Größe zu ergeben.
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