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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum
Ausbilden elektrischer Verbindungen für eine Halbleitervorrichtung
und genauer auf ein Verfahren zum Ausbilden elektrischer Verbindungen
für eine
hochintegrierte Halbleitervorrichtung.
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Verschiedene
Prozesse werden bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen
verwendet, um die elektrischen Verbindungen zwischen den Vorrichtungselementen
und die Verdrahtungen zum Verbinden der Vorrichtung mit externen
Vorrichtungen auszubilden. Beispielsweise sind Mehrniveau-Metallisierungsprozesse
als nützlich
für die
Vereinfachung der Fabrikation von Large Scale Integrationsvorrichtungen
(LSI) gefunden worden. Solche Prozesse können ausgeführt werden, um simultan eine
Verdrahtungsschicht und einen Kontakt auszubilden. Ein solches Multiniveau-Metallisierungsverfahren
ist ein so genannter "dualer
Damaszener"-Prozess.
Ein Dual-Damaszener-Prozess wird allgemein unter Bezugnahme auf
die 1(a) bis 1(g) beschrieben. 1(a) zeigt eine Mehrzahl von Erstniveau-Leitungsstrukturen 10,
die auf einem Isolierfilm 7 gebildet werden, der auf einem
Silizium-Substrat 5 ausgebildet ist. Die Leitungsstrukturen 10 können beispielsweise
aus Aluminium (Al), Wolfram (W), Wolfram-Silizid (WSix),
Molybdän-Silizid
(MoSix), Titansilizid (TiSix)
und dergleichen gebildet werden. Diese leitfähigen Strukturen können beispielsweise
Verdrahtungen, Gatterelektroden, Bit-Leitungen oder Niederniveau-Metallisierungen
in einer Multimetallisierungsanordnung sein. Wie in 1(a) gezeigt, wird beispielsweise ein isolierender
Film 35 aus Siliziumdioxid auf dem Halbleitersubstrat 5 und
den leitfähigen
Strukturen 10 ausgebildet. Ein erster bemusterter Widerstandsfilm 40 wird
dann, wie in 1(b) gezeigt, ausgebildet und
ein Kontaktloch 45, welches eine der leitfähigen Strukturen 10 exponiert,
wird unter Verwendung eines Ätzprozesses,
wie etwa beispielsweise reaktivem Ionenätzen (RIE, reactive ion etching)
ausgebildet, um den isolierenden Film wie in 1(c) gezeigt,
zu ätzen.
Ein zweiter bemusterter Widerstandsfilm 50 wird dann, wie
in 1(d) gezeigt, gebildet und ein
Verdrahtungsgraben 55 wird nachfolgend beispielsweise durch
ein Ätzverfahren wie
RIE gebildet, um den isolierenden Film 35 zu ätzen, wie
in 1(e) gezeigt. Als nächstes wird
ein Aluminiumfilm 60 durch Zerstäuben gebildet, wie in 1(f) gezeigt. Der Aluminiumfilm 60 wird
dann durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) poliert, wie in 1(g) gezeigt. CMP ist eine Kombination mechanischer
und chemischer Abrasion und kann mit einer sauren oder basischen
Suspension durchgeführt
werden. Das Material wird vom Wafer aufgrund sowohl der mechanischen
Polierung als auch der Wirkung der Säure oder Base entfernt.
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Der
oben beschriebene Damaszener-Metallisierungsprozess bildet hochzuverlässige Verdrahtungen
und Kontakte und stellt eine gute Planarität von dielektrischen Zwischenniveau-Schichten bereit. Mit
wachsender Integrationsdichte der Halbleitervorrichtungen nimmt
die Dicke der Verdrahtung allgemein langsamer ab als die Breite
der Verdrahtungen. Auch ändert
sich die Dicke der Kontakte allgemein entweder nicht oder nimmt
langsamer ab als die Breiten der Kontakte, wenn die Integrationsdichte wächst. Als
Ergebnis wächst
das Aspektverhältnis (d.h.
Tiefe/Breite) der Verdrahtungsgräben
und von Kontakt- oder Durchgangslöchern, die in dem isolierenden
Film gebildet sind, und es werden Hochaspektverhältnis-Auffüllprozesse erforderlich. Bei
konventionellen Metallisierungsprozessen zum Ausbilden von Verdrahtungen
und Kontakten für
Halbleitervorrichtungen, wie etwa dem oben beschriebenen Prozess,
wird ein Aluminiumfilm unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens
abgeschieden, um den Verdrahtungsgraben/das Kontaktloch zu füllen. Das überschüssige Aluminium
wird dann unter Verwendung von beispielsweise CMP entfernt. Aluminium
wird für
Zwischenverbindungen und Verdrahtungsschichten bei Halbleitervorrichtungen
breit eingesetzt, wegen seiner niedrigen Resistivität und leichten
Herstellbarkeit. Jedoch ist die Stufenabdeckung eines Aluminiumzerstäubungsprozesses
zum Auffüllen
ohne Hohlräume
von Verdrahtungsgräben und/oder
Kontaktlöchern
mit einem hohen Aspektverhältnis
ineffektiv. Selbst unter Verwendung des Langwurf-Zerstäubungsverfahrens
für Aluminium, das
in J. Vac. Sci. Tech., B13(4), Juli/August 1995 (Seiten 1906-1909)
beschrieben worden ist, oder des Rückflusszerstäubungsverfahrens
für Aluminium können allgemein
nur Verdrahtungsgräben
und/oder Kontaktlöcher
mit Aspektverhältnissen
von kleiner als etwa 2 ohne Hohlräume gefüllt werden. Das Vorkommen von
Hohlräumen
in Aluminiumverdrahtungen und Kontakten verschlechtert die Zuverlässigkeit der
Verdrahtungen und Kontakte und beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit
der Halbleitervorrichtung.
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US4538344 offenbart ein
Verfahren zum Auffüllen
eines Kontaktloches mit einem leitfähigen Material, während ein
unvollständiger
Kontakt aufgrund von elektrischer Trennung verhindert wird. Das
Verfahren umfasst Ausbilden einer polykristallinen Siliziumschicht
in einer Vertiefung in einer isolierenden Struktur auf einem Halbleitersubstrat,
Ausbilden einer Aluminiumschicht auf der Siliziumschicht und der isolierenden
Struktur und Umwandeln des Siliziums und eines Teils des Aluminiums
in eine Silizium-Aluminium-Legierung durch thermische Diffusion
(Anglühen, „anneal"). Weiterhin wird
eine Übergangsmetallschicht
in der Aluminiumschicht bereitgestellt, um die Diffusion zu beschleunigen
und den Legierungsprozess durch Reagieren mit Silizium zu beschleunigen,
das durch das Aluminium diffundiert und ein Übergangsmetallsilizid bildet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Siliziumfilm unter Verwendung einer chemischen Niederdruck-Dampfabscheidung (LPCVD)
abgeschieden, um die in einem Substrat wie etwa einem isolierenden
Film gebildeten Öffnungen
zu verfüllen. "Öffnungen" bezieht sich allgemein auf Kontaktlöcher, Durchgangslöcher, Gräben, Durchgänge („Vias") und dergleichen.
Solche Siliziumfilme haben eine gute Stufendeckung und können Hochaspektverhältnisöffnungen
mit wenigen oder keinen Hohlräumen
verfüllen.
Ein Aluminiumfilm und ein Metallfilm werden dann (beispielsweise
durch Zerstäuben) auf
dem Siliziumfilm gebildet und ein thermisches Verfahren oder eine
Anglühung
werden ausgeführt. Dieses
thermische Verfahren veranlasst das abgeschiedene Aluminium, das
Silizium in den Öffnungen zu
ersetzen. Das Silizium wandert zum Metall und bildet einen Metallsilizidfilm.
Das Aluminium, welches das Silizium in den Öffnungen ersetzt, hat wenige oder
keine Hohlräume.
Der Metallsilizidfilm und jeglicher verbleibender Anteil des Aluminiumfilms
werden dann unter beispielsweise Verwendung von CMP entfernt. Die
Entfernung der Hochresistivitäts-Silizidschicht
lässt nur
niedrig-resistives Aluminium in der Öffnung zurück. Unter Verwendung der Technik
der vorliegenden Erfindung können Öffnungen
mit einem hohen Aspektverhältnis
(z. B. größer als
etwa 3) mit Aluminium ohne Hohlräume
gefüllt
werden.
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus dem
Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen besser verständlich
werden.
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Die 1(a) bis 1(g) illustrieren
ein konventionelles Verfahren zum Ausbilden einer elektrischen Mehrniveauverbindung.
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Die 2(a) bis 2(j) illustrieren
das elektrische Verbindungsbildungsverfahren der vorliegenden Erfindung.
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Die 3, 4 und 5 illustrieren
elektrische Verbindungen, die gemäß Variationen des Prozesses
der 2(a) bis 2(j) ausgebildet sind.
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Der
Bildungsprozess der elektrischen Verbindung der vorliegenden Erfindung
wird unter Bezugnahme auf die 2(a) bis 2(j) erläutert.
Die Prozessbeschreibung unten wird in Bezug auf einen Prozess zum
Ausbilden einer Mehrniveau-Metallisierungsstruktur
gegeben werden, die in Halbleitervorrichtungen wie etwa Logikschaltungen
und Halbleiter-Speichervorrichtungen einschließlich dynamischem Schreib-/Lesespeicher
(DRAMs), statischem Schreib-/Lesespeicher
(SRAMs) und dergleichen verwendbar sind. Jedoch ist der Prozess
der vorliegenden Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt und
es wird ersichtlich werden, dass das erfinderische Verfahren auf
andere Einzelniveau- und Multiniveau-Prozesse zum Ausbilden elektrischer
Verbindungen, wie etwa Kontakten und Verdrahtungen für Halbleitervorrichtungen,
angewendet werden kann. Wie aus der untenstehenden Beschreibung
ersichtlich, ist die vorliegende Erfindung besonders gut geeignet
für einen
so genannten Damaszener-Prozess zum Ausfüllen von Gräben und/oder Kontaktlöchern, da
solch ein Damaszener-Prozess jegliche Hochresistenzfilme entfernt,
die auf der Oberfläche
des Substrats ausgebildet sind, in dem die Gräben und/oder Kontaktlöcher gebildet
werden. Die Entfernung dieser Hochresistivitätsfilme lässt nur einen Niederresistivitätsfilm wie
etwa Aluminium in den Gräben und/oder
Kontaktlöchern
zurück.
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Unter
Bezugnahme auf 2(a) wird beispielsweise ein
isolierender Film 70 aus Siliziumdioxid (SiO2)
auf einem Substrat 50 aus Silizium (Si) ausgebildet. Es
können
andere Substrate verwendet werden und die Erfindung ist in dieser
Hinsicht nicht beschränkt.
Die Verdrahtungen 100 werden dann auf dem isolierenden
Film 70 ausgebildet. Ein isolierender Film 135 aus
Siliziumdioxid wird dann beispielsweise auf den Verdrahtungen 100 und
dem isolierenden Film 70 ausgebildet. Ein erster bemusterter
Resist-Film 140 wird dann wie in 2(b) gezeigt
ausgebildet und ein Kontakt oder Durchgangsloch 145, das
eine der Verdrahtungen 100 exponiert, wird unter Verwendung
eines Ätzprozesses
wie etwa reaktivem Ionenätzen
(RIE) ausgebildet, um den isolierenden Film 135 wie in 2(c) gezeigt zu ätzen. Ein zweiter bemusterter
Resist-Film 150 wird dann wie in 2(d) gezeigt
ausgebildet und es wird nachfolgend ein Verdrahtungsgraben 155 durch
einen Ätzprozess
wie etwa beispielsweise RIE ausgebildet, um den isolierenden Film 135 zu ätzen, wie
in 2(e) gezeigt. Es wird erkannt
werden, dass die Dimensionen und Orientierungen der Kontaktlöcher und/oder
Verdrahtungsgräben,
auf welche die vorliegende Erfindung angewendet werden, abhängig sind von
dem bestimmten Schaltungsdesign.
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Als
nächstes
wird ein Film 170 aus amorphem Silizium aus dem Substrat
unter Verwendung von LPCVD abgeschieden, wie in 2(f) gezeigt. Der Film 170 kann auch
aus Einkristallsilizium oder Polysilizium ausgebildet werden. Jedoch
ist amorphes Silizium vorteilhaft, weil amorphes Silizium während des
Annealens (Anglühens)
leichter migriert als Einkristallsilizium und Polysilizium. Somit
erfordert die Verwendung von amorphem Silizium niedrigere Anneal-Temperaturen oder
kürzere
Anneal-Zeiten. Falls gewünscht,
kann ein mit einer Verunreinigung, wie etwa Bor, dotierter Siliziumfilm
abgeschieden werden. Solch ein dotierter Siliziumfilm kann bei einer niedrigeren
Abscheidungstemperatur als ein undotierter Siliziumfilm abgeschieden
werden. Insbesondere ist eine solche niedere Abscheidungstemperatur
in dem Fall vorteilhaft, wo die Verdrahtungen 100 aus Aluminium
gebildet sind, da eine niedrigere Temperatur als etwa 500°C notwendig
ist. Um Kontaktlöcher
zu füllen,
muss die Dicke des amorphen Siliziumfilms 170 größer sein
als der halbe Durchmesser des größten zu
füllenden
Kontaktlochs. Um Verdrahtungsgräben
zu füllen,
muss die Dicke des amorphen Siliziumfilms 170 gröber als
die Verdrahtungsgrabentiefe sein. Im allgemeinen ist die Verdrahtungsgrabentiefe
der dominante Faktor beim Bestimmen der Dicke des Siliziumfilms,
der verwendet werden soll. Nach dem Ausbilden des amorphen Siliziumfilms 170 wird
beispielsweise ein CMP-Prozess so durchgeführt, das amorphes Silizium
nur im Verdrahtungsgraben 155 und im Kontaktloch 145 zurückbleibt,
wie in 2(g) gezeigt.
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Als
nächstes
werden ein Film 175 aus Aluminium und ein Film 180 aus
Titan nacheinander durch Zerstäuben
oder CVD ausgebildet, wie in 2(h) gezeigt.
Der Film 180 ist nicht darauf beschränkt, aus Titan gebildet zu
sein und kann auch aus Metallen wie etwa Wolfram (W), Molybdän (Mo),
Tantal (Ta), Kobalt (Co), Platin (Pt), Hafnium (Hf) oder Nickel
(Ni) ausgebildet sein. Die Dicken der Filme 175 und 180 hängen vom
Volumen des amorphen Siliziums ab, welches Verdrahtungsgraben 155 und
Kontaktloch 145 ausfüllt.
Spezifisch, da das Aluminium das amorphe Silizium im Verdrahtungsgraben 155 und
Kontaktloch 145 ersetzt, wie unten beschrieben wird, sollte
der Aluminiumfilm 175 eine Dicke haben, die zu einem Gesamtvolumen
an Aluminium führt,
das gleich oder größer als
das Gesamtvolumen von Silizium ist, das ersetzt werden wird. Zusätzlich sollte
der Titanfilm 180 eine Dicke haben, die zu einem Gesamtvolumen
an Titan führt,
das hinreicht, um mit dem gesamten amorphen Silizium zu reagieren,
das während
des Annealings in den Film 180 migriert, um Titansilizid
zu bilden.
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Das
Substrat wird dann in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 450°C mit einem
Bildungsgas N2, das 10% H2 enthält, annealt/angeglüht. Andere
Anneals, wie etwas Wasserstoff (H2), Argon
(Ar), Stickstoff (N2) oder Vakuum-Anglühen können, falls gewünscht, verwendet
werden. Die Rate der Ersetzung des amorphen Siliziums durch Aluminium
aus dem Aluminiumfilm 175 wird von den Diffusionsraten von
Silizium und Aluminium bestimmt. Eine niedrigere Anneal-Temperatur
erfordert eine längere
Anneal-Zeit und eine höhere
Anneal- Temperatur
erfordert eine kürzere
Anneal-Zeit. Das gesamte Volumen an amorphem Silizium und die Kontaktloch/Verdrahtungsgrabentiefe
beeinträchtigen
ebenfalls die Anneal-Zeit/-Temperatur. Somit erfordert ein großes Volumen
amorphes Silizium und/oder eine tiefe Kontaktloch-/Verdrahtungsgrabenstruktur
eine längere
Annealzeit oder eine höhere
Anneal-Temperatur. Obwohl verstanden wird, dass die Anneal-Temperatur von
diesen und anderen Faktoren abhängt,
wird derzeit angenommen, dass die Anneal-Temperatur im Bereich von
etwa 350°C
bis etwa 550°C
liegen kann. Es sollte angemerkt werden, dass, falls die darunter liegenden
Verdrahtungen 100 Aluminium-Verdrahtungen sind, die Anneal-Temperatur 500°C oder weniger
betragen sollte. Während
des Anneal-Prozesses migriert das amorphe Silizium in Kontakt mit
Loch 145 und Verdrahtungsgraben 155 zum Titanfilm 180 und
bildet einen Film 190 aus Titansilizid oben auf dem Substrat,
wie in 2(i) gezeigt. Der Film 190 wird
auch einige Aluminiumatome enthalten. Zusätzlich migriert Aluminium aus
dem Aluminiumfilm 175 in das Kontaktloch 145 und
den Verdrahtungsgraben 155, um das Silizium zu ersetzen.
Als Ergebnis werden Verdrahtungsgraben 155 und Kontaktloch 145 mit
einer Aluminiumschicht 185 aufgefüllt. Genauer gesagt, werden
während
des Annealings Siliziumatome aus dem amorphen Silizium im Kontaktloch/dem Verdrahtungsgraben
in den Aluminiumfilm 175 diffundiert. Zum selben Zeitpunkt
werden Aluminiumatome aus dem Aluminiumfilm 175 in das
amorphe Silizium diffundiert. Die Siliziumatome, welche den Titanfilm 180 erreichen,
kombinieren mit den Titanatomen und bilden den Titansilizidfilm 190.
Titansilizid ist sehr stabil bei der Anneal-Temperatur und somit
diffundieren oder migrieren die Siliziumatome, die mit den Titanatomen
kombinieren, nicht weiter. Nach hinreichender Anglühung haben
sich alle Siliziumatome mit Titanatomen des Titanfilms 180 kombiniert,
um den Titansilizidfilm 190 zu bilden. In Fällen, bei
denen nicht das gesamte Aluminium aus dem Aluminiumfilm 175 zu dem
Kontaktloch/Verdrahtungsgraben migriert, bleibt ein Aluminiumfilm 175' unter dem Titansilizidfilm 190, wie
in
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2(i) gezeigt. Der Titansilizidfilm 190 und der
verbleibende Aluminiumfilm 175' werden dann unter Verwendung beispielsweise
von CMP entfernt, wie in 2(j) gezeigt,
so dass die Aluminiumschicht 185 das Kontaktloch 145 und
den Verdrahtungsgraben 155 auffüllt.
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Im
Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, werden
ein Verdrahtungsgraben und ein Kontaktloch anfangs mit amorphem
Silizium gefüllt,
das ausgezeichnete Stufenabdeckung aufweist. Dann ersetzt Aluminium
das amorphe Silizium während
eines Anneal-Prozesses.
Gemäß diesem
Prozess können
Hochaspektverhältnis-Verdrahtungsgräben und
-Kontaktlöcher
mit Aluminium gefüllt
werden, das wenig oder keine Hohlräume hat, um eine Schicht mit
niedrigem Widerstand und hoher Zuverlässigkeit bereitzustellen. Zusätzlich,
da das oben beschriebene Verfahren ein Damaszener-Prozess ist, in
dem der Hochwiderstands-Silizidfilm 190 (und jegliches
verbleibende Aluminium) auf dem isolierenden Film 135 entfernt
werden, verbleibt nur ein niederresistives Material wie etwa Aluminium
in den Verdrahtungsgräben
und/oder Kontaktlöchern.
Auf diese Weise können
beispielsweise dünne
Schichten mit niedriger Resistivität ausgebildet werden.
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Gemäß einer
ersten Variation des oben beschriebenen Prozesses kann ein Film 200 aus
Titannitrid mit einer Dicke von etwa 10 Nanometern durch Zerstäuben oder
CVD oben auf der Verdrahtungsschicht 100 ausgebildet werden,
wie in 3 gezeigt, falls die Verdrahtungsschicht 100 aus
Aluminium gebildet ist. In einem Hochaspektverhältnisfall ist es bevorzugt,
dass der Film 200 durch CVD ausgebildet wird. Der Film 200 kann
aus anderen Materialien wie etwa Wolframnitrid gebildet sein. Der
Film 200 dient dazu, das amorphe Silizium aus dem Siliziumfilm 170 daran
zu hindern, in die Aluminiumverdrahtung 100 zu diffundieren.
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Gemäß einer
zweiten Variation des oben beschriebenen Prozesses der 2(a) bis 2(j) kann
ein Film 210 aus Titannitrid durch Zerstäuben oder
CVD vor der Abscheidung des amorphen Siliziumfilms 170 in 2(f) abgeschieden werden. Der Film 210 kann
aus anderen Materialien, wie etwa Wolframnitrid gebildet sein. In
einem Hochaspektverhältnisfall
ist es bevorzugt, dass der Film 210 durch CVD gebildet
wird. Der Film 210 verbleibt auf dem Kontaktloch und dem
Verdrahtungsgrabenboden und den Seitenwänden, wie in 4 gezeigt,
und verbessert damit die Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung.
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Gemäß einer
dritten Variation des oben beschriebenen Prozesses der 2(a) bis 2(j) kann
beispielsweise ein Film aus Titan oder Wolfram durch Zerstäuben oder
CVD vor dem Abscheiden des amorphen Siliziumfilms 170 in 2(f) abgeschieden werden. In einem Hochaspektverhältnisfall ist
es bevorzugt, dass der Film durch CVD gebildet wird. Es wird sich
ein TiSix- oder WSix-Film
auf dem Kontaktloch oder Verdrahtungsgrabenboden und -seitenwänden während des
Annealings bilden. Somit verbleibt eine Schicht 220 aus
TiSix oder WSix, wie
in 5 gezeigt. Die Schicht 220 verbessert auch
die Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung.