NL1004841C2 - Werkwijze voor de vervaardiging van een aluminiumplug onder toepassing van selectieve chemische dampafzetting. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor de vervaardiging van een aluminiumplug onder toepassing van selectieve chemische dampafzetting.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING Gebied van de uitvinding

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een metalliseringsproces voor de vervaardiging van halfgeleider-5 geïntegreerde schakelingen (IC's).

In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor de vervaardiging van een aluminiumplug voor IC's door uitvoering van een thermische temperingsbehande-ling onder vacuüm voor een chemische dampafzettingsprocedure 10 (CVD), resulterend in een verbeterde afzettingsselectivi-teit .

Beschrijving van de verwante techniek "Sputteren" is een techniek die alom wordt toegepast bij de vervaardiging van halfgeleider-IC-inrichtingen, voor 15 de afzetting van aluminium om tussenverbindingen te vormen in de schakeling van de inrichting. Als gevolg van het feit dat sputteren een fysische dampafzettingsprocedure (PVD) is, in het algemeen resulterend in een slechte trapbedekking vergeleken met die welke wordt verschaft door een CVD-20 procedure, is deze niet geschikt voor IC-vervaardiging op het sub-micronniveau. Wanneer sputteren zou worden toegepast bij vervaardigingsprocedures van sub-micron-inrichtingen, zouden ongewenste resultaten zoals een niet uniforme dikte en gaten in de afgezette aluminiumlaag optreden. In het 25 bijzonder, wanneer inkepingen, zoals gaten, in het inrichtingssubstraat klein in dwarsdoorsnede en diep zijn, kan metallisering niet op effectieve wijze bereikt worden tot op de bodem van het ingekeepte gedeelte. In een 1004841 - 2 - dergelijke situatie zou de elektrische verbinding naar het onderliggende geleidende gebied onvolledig of afwezig zijn.

Om een achtergrond voor de beschrijving van de uitvinding te verschaffen wordt een aluminiuinafzettingslaag die 5 is gevormd onder toepassing van een conventionele sputter-procedure kort besproken, onder verwijzing naar fig. 1 van de bijgaande tekeningen. In hoofdzaak wordt een substraat 10 gebruikt als de basis voor de vervaardiging van halfgeleidercomponenten voor een IC-inrichting. Voor de 10 duidelijkheid wordt niet de gehele IC-inrichting getoond. Liever wordt slechts een gedeelte van het geleidende gebied 12, zoals een metaal of metaalsilicidelaag van de toegelichte halfgeleidercomponent, schematisch getoond in de tekening. Een isolatielaag 14, zoals een thermische 15 siliciumdioxidelaag, een borofosfosilicaatglaslaag (BPSG), of een tetraethoxysilaanlaag (TEOS) wordt gevormd op het oppervlak van het substraat 10. Fotolithografie- en etsprocedures worden vervolgens toegepast om een contact-opening 16 te vormen in de isolatielaag 14, waarbij het 20 geleidende gebied 12 van de halfgeleidercomponent die wordt vervaardigd wordt blootgesteld. Vervolgens wordt een sputterprocedure uitgevoerd om een aluminiumlaag 18 af te zetten op de isolatielaag 14, waarbij de ruimte binnen de contactopening 16 wordt gevuld en verbonden met het 25 geleidende gebied 12, waardoor de tussenverbinding voor de vervaardigde halfgeleidercomponent wordt gevormd.

Aangezien de kenmerkende afmetingen van halfgeleider-inrichtingen worden beperkt, wordt deze conventionele metaalsputterprocedure voor het vormen de metalliserings-30 tussenverbinding echter onvermijdelijk minder effectief, wanneer de dimensies van de contactopening 16 worden verminderd tengevolge van inrichtingsminiaturisatie, ondervindt de afgezette aluminiumlaag 18 verslechterde trapbedekkingscondities, evenals een ongelijkmatige 35 laagdikte. Gaten 15 kunnen zelfs in de opening 16 voorkomen. Al deze factoren maken de prestatie-eigenschappen van de inrichting die aldus is vervaardigd minder controleerbaar en 1 00 40 4 i - 3 - vaak niet aanvaardbaar. Wanneer de ruimte in de contact-opening 16 wordt verminderd tot een bepaald niveau, kan het gesputterde metaal de bodem van het openingsgat zelfs in het geheel niet bereiken.

5 Om het probleem op te lossen, zoals getoond in fig. 2, wordt vaak eerst een wolfraamplug 17 gevormd binnen de contactopening 16 door een selectieve CVD-procedure, gevolgd door aluminiumlaagafzetting op het oppervlak van de isolatielaag 14 onder toepassing van een conventionele 10 sputterprocedure, in plaats van de directe afzetting van de aluminiumlaag op het oppervlak van de isolatielaag 14 en in de contactopening 16 die daarin is gevormd. De vervaardiging van additionele wolfraampluggen in de contactopeningen voor halfgeleidercomponenten levert echter een toename in de 15 totale vervaardigingskosten op. Verder is de toepassing van een wolfraamplug nadelig, daar deze een elektrische geleidbaarheid heeft van slechts ongeveer éénderde van dat van aluminium. Aldus zijn inspanningen verricht om procestechnieken die CVD-procedures toepassen voor het afzetten 20 van aluminium te ontwikkelen, die geschikt zijn voor halfgeleiderinrichtingen gekenmerkt door fabricageresolutie op het niveau van 0,25 urn en minder.

Wanneer een CVD-procedure wordt toegepast voor het afzetten van aluminiumlagen, wordt typisch triïsobutyl-25 aluminium (TIBA) of dimethylaluminiumhydride (DMAH) gebruikt als de precursor. TIBA is moeilijk te gebruiken, daar het een relatief hoge temperatuur vereist (ongeveer 160 tot 170°C) om te verdampen vanwege zijn lagere dampdruk. Anderzijds bezorgt DMAH, hoewel relatief gemakkelijker te 30 verdampen vanwege zijn inherente hogere dampdruk, de afgezette aluminiumlaag ook koolstofbevattende onzuiverheden die de elektrische geleidbaarheid van de afgezette aluminiumlaag verminderen. Dit komt doordat DMAH een sterke koolstof-aluminium covalente binding in zijn molecuul-35 structuur heeft.

Gladfelter en M.G. Simmonds van de Universiteit van Minnesota hébben een werkwijze voor het afzetten van ' ......4 1 - 4 - aluminium voorgesteld, onder toepassing van een CVD-procedure door aanwending van een dimethyl ethylaminealaan-verbinding (DMEAA) als de precursor. Zoals is getoond in fig. 3 is de verdampingstemperatuur van DMEAA relatief 5 lager, ongeveer 90°C, doordat DMEAA een coördinatie- covalente binding tussen de stikstof- en aluminiumatomen heeft, met een bindingsenergie-interval dat kleiner is dan de conventionele covalente bindingen. De resulterende afzettingsaluminiumlaag zou aldus een veel lagere 10 concentratie aan onzuiverheden hebben. Gebaseerd op deze uitstekende resultaten heeft de onderhavige uitvinder een DMEAA-verwant vervaardigingsproces van halfgeleiderinrich-tingen voorgesteld in SSDM, blz. 634, 1994 evenals in VMIC. blz. 362, 1994. De selectiviteitseigenschappen ten aanzien 15 van de verschillende substraatmaterialen waren echter niet onderzocht in die openbaringen.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

Het is derhalve een doel van de uitvinding een werkwijze voor de vervaardiging van een tussenverbinding in 20 een halfgeleider IC-inrichting te verschaffen, die leidt tot een continue, betrouwbare elektrische verbinding.

De uitvinding verschaft een verbeterde werkwijze voor de vervaardiging van een aluminiumplug in een selectieve CVD-procedure die de volgende stappen omvat. Eerst wordt 25 een halfgeleidercomponent gevormd in een substraat met een isolatielaag die op het oppervlak daarvan is gevormd. De isolatielaag heeft een contactopening die een geleidend gebied van de halfgeleidercomponent blootstelt. Vervolgens wordt een thermische temperingsbehandeling onder vacuüm 30 geïmplementeerd op het inrichtingssubstraat. Dimethylethylaminealaan (DMEAA) wordt toegepast als een precursor voor de afzetting van een aluminiumlaag op het oppervlak van het substraat in een CVD-procedure die wordt uitgevoerd bij een substraattemperatuur die niet hoger is dan 250°C, voor de 35 vervaardiging van een aluminiumplug in de contactopening. De - 5 - aluminiumplug wordt selectief afgezet op het oppervlak van het blootgestelde geleidende gebied in de contactopening terwijl er relatief gezien niet wordt afgezet op het oppervlak van de isolatielaag.

5 KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN

Andere doelen, kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen duidelijk worden door de volgende gedetailleerde beschrijving van de geprefereerde maar niet-beperkende uitvoeringsvorm. De beschrijving wordt 10 gegeven onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen waarin: fig. 1 schematisch een dwarsdoorsnede van een metalliseringstussenverbinding die is vervaardigd onder toepassing van een conventioneel aluminiumsputter-15 afzettingsproces toont; fig. 2 schematisch een dwarsdoorsnede van een metalliseringstussenverbinding die is vervaardigd onder toepassing van een conventioneel selectief CVD-proces voor het afzetten van een wolfraamplug toont; 20 fig. 3 de molecuulstructuur van precusor DMEAA, die wordt toegepast in een vervaardigingsproces volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding toont; fig. 4 de groeisnelheid van de aluminiumlaag uitgezet als een functie van de substraattemperatuur gedurende het 25 afzettingsproces toont; fig. 5 de zuiverheid van de aluminiumlaag die wordt gevormd onder toepassing van een CVD-procedure, zoals bepaald met gebruik van een "Auger electron spectroscopy process" toont; 30 fig. 6 grafieken van afzettingsselectiviteit voor aluminium afgezet op verschillende materialen bij verschillende temperaturen onder toepassing van een CVD-procedure toont; fig. 7 een vergelijking van afzettingsselectiviteit, 35 voor en na een thermische temperingsbehandeling, voor - 6 - aluminium afgezet op verschillende materialen bij verschillende temperaturen onder toepassing van een CVD-procedure toont; en fig. 8 schematisch een dwarsdoorsnede van een 5 aluminiumplug vervaardigd volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding toont.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN DE VOORKEURSUITVOERINGSVORM

Een geprefereerde werkwijze voor de vervaardiging van aluminiumpluggen voor metallisering van halfgeleiderinrich-10 tingen in selectieve CVD-procedures wordt beschreven onder verwijzing naar fig. 8 van de tekeningen.

Eerst wordt een substraat 20 verschaft als de basis voor de vervaardiging van halfgeleidercomponenten voor een IC-inrichting. Voor de duidelijkheid wordt slechts een 15 gedeelte van het geleidende gebied 22, zoals een metaal- of een silicidelaag van de toegelichte halfgeleidercomponent schematisch getoond. Een isolatielaag 24, zoals een thermische oxidelaag of een borofosfosilicaatglaslaag (BPSG) wordt gevormd op het oppervlak van het substraat 20.

20 Fotolithografie- en etsprocedures worden vervolgens toegepast om een contactopening 26 in de isolatielaag 24 te vormen, waarbij het geleidende gebied 22 van de halfgeleidercomponent die wordt vervaardigd wordt blootgesteld.

Vervolgens wordt een thermische temperingbehandeling 25 onder vacuüm uitgevoerd op de inrichtingswafel in dit stadium door het verhitten van de wafel tot een temperatuur van ongeveer 450°C gedurende ongeveer 30 minuten. Daarna wordt DMEAA toegepast als een precursor voor het uitvoeren van een CVD-procedure om een aluminiumlaag 28 af te zetten. 30 De substraattemperatuur wordt zodanig beheerst dat deze niet hoger dan 250°C is, om uitstekende afzettingsselectiviteit te bereiken. Met andere worden onder de bovenbeschreven omstandigheden kan aluminium worden afgezet met hoge selectiviteit, slechts op het geleidende gebied 22 binnen de 35 contactopening 26, niet op het oppervlak van de isolatielaag I 00 484 1 - 7 - 24. Een aluminiumplug 28 met een structurele configuratie zoals die schematisch is afgeheeld in fig. 8 wordt aldus gevormd. Vervolgens kan een conventionele sputterprocedure volgen om de tussenverbindingen boven de isolatielaag 24 te 5 vormen. Omdat de uitvinding niet gericht is op deze fase van de vervaardiging, zullen de volgende stappen hierin niet uiteen worden gezet.

Omdat de werkwijze volgens de uitvinding voor de vervaardiging van aluminiumpluggen in een selectieve 10 CVD-afzettingsprocedure gebruik maakt van DMEAA als een precursor, zijn aldus gemakkelijker beheersbare vervaardi-gingsomstandigheden beschikbaar voor het vormen van de aluminiumafzetting. Dit komt doordat, zoals bovengenoemd, DMEAA een coördinatie-covalente binding tussen de stikstof-15 en aluminiumatomen heeft, met een bindingsenergie-interval dat kleiner is dan conventionele covalente bindingen. Dat kleinere bindingsenergie-interval leidt tot een hogere verdampingsdruk, zodat de verdampingstemperatuur relatief laag is, ongeveer 90°C. De resulterende aluminiumpluggen 20 hebben een laag niveau van onzuiverheden en worden gekenmerkt door elektrische weerstandseigenschappen die vergelijkbaar zijn aan aluminiumafzettingen gevormd door conventionele sputterprocedures.

De thermische temperingsbehandeling onder vacuüm die 25 wordt uitgevoerd voor het implementeren van de CVD-procedure voor het afzetten van aluminium dient om de afzettings-selectiviteit tussen de isolatielaag en de geleidende laag op het oppervlak van het substraat in grote mate te verbeteren, vanwege deze uitstekende selectiviteit is de 30 werkwijze volgens de uitvinding geschikt voor de vervaardiging van contactpluggen zoals aluminiumpluggen, en in het bijzonder voor vervaardigingsprocedures van geïntegreerde schakelingsinrichtingen die een hoog niveau van integratie vereisen. Om de superioriteit van de werkwijze volgens de 35 uitvinding te demonstreren, werden verschillende tests en daarmee overeenkomende analyses uitgevoerd met de volgende resultaten.

( f* ...

- 8 -

In de eerste test werd een CVD-procedure voor het afzetten van aluminium uitgevoerd, onder toepassing van DMEAA als de precursor. De groeisnelheid van de aluminium-laag uitgezet als functie van de substraattemperatuur 5 gedurende het afzettingsproces wordt getoond in fig. 4.

Het aluminium werd afgezet in twee CVD-procedures, onder toepassing van DMEAA als een precursor, bij respectievelijke procesomgevingsdrukken van 100 en 200 mTorr. De gegevens die zijn verzameld en weergegeven in fig. 4 tonen dat de 10 groeisnelheid/substraattemperatuurrelaties van de twee gekozen drukken in hoofdzaak gelijk waren, waarbij de groeisnelheid in het algemeen toenam als de substraat-temperatuur steeg. Berekeningsresultaten tonen dat de oppervlakreactie-activeringsenergie ongeveer 0,75 eV is, 15 vergelijkbaar met de bindingsenergie van aluminium -stikstofatomen in het molecuul. Dit geeft aan dat het verbreken van de aluminium-stikstofbinding de sleutelstap is voor selectieve aluminiumafzetting onder toepassing van de CVD-procedure met DMEAA als de precursor. DMEAA is 20 geschikter dan conventionele precursors voor deze selectieve aluminiumafzetting omdat het een kleinere covalente bindingsenergie heeft.

In een andere test werd een aluminiumlaag afgezet onder toepassing van de bovengenoemde CVD-procedure onderworpen 25 aan "Auger electron spectroscopy", resulterend in de overeenkomstige analysegegevens getoond in fig. 5. in hoofdzaak toont fig. 5 gegevens die de zuiverheid van de aluminiumlaag gevormd door de CVD-procedures volgens de uitvinding weergeeft, zoals verkregen in de "Auger electron 30 spectroscopy". De Auger-gegevens tonen dat het afgezette aluminium een zeer hoog zuiverheidsniveau heeft, met zeldzame koolstof- of zuurstofonzuiverheidsatomen nauwelijks aanwezig in de afgezette laag. Analyse van het monster toont dat de laag een weerstand heeft van ongeveer 3,0 μΩ/cm, 35 vergelijkbaar met hetgeen wordt gevonden bij lagen gevormd onder toepassing van de conventionele sputterafzettings-procedure.

J

- 9 -

Een derde test voor aluminiumafzettingsselectiviteit van de van de werkwijze volgens de uitvinding werd uitgevoerd. Voor deze test werd aluminium afgezet op het oppervlak van een geleidende laag, evenals op isolatielagen 5 van een verscheidenheid aan materialen bij verschillende procestemperaturen. Fig. 6 toont de aluminiumaf zettings-selectiviteit gemeten bij deze test. Zoals getoond in de tekening werden aluminiumdeeltjes gemeten als ze werden afgezet op het oppervlak van vier isolatielagen samengesteld 10 uit verschillende materialen, inclusief thermisch oxide (Th-OX), tetraethoxysilaan (TEOS), borofosfosilicaatglas (BPSG), en oxide gevormd door een plasma-versterkte CVD-procedure (PEOX). In hoofdzaak verslechterde de afzettings-selectiviteit als de afzettingstemperatuur toenam. Met 15 andere woorden aluminiumdeeltjes werden gemakkelijk afgezet op de oppervlakken van zowel de geleidende als de isolatielaag bij hoge procestemperaturen, terwijl, wanneer de procestemperatuur op een lager niveau werd gehouden, dezelfde isolatielagen aanzienlijk minder aluminiumdeeltjes 20 verzamelde dan de geleidende laag.

Een vierde test werd uitgevoerd waarbij een additionele thermische temperingsbehandeling onder vacuüm werd uitgevoerd; de rest van de test verliep volgens de derde test-procedure hierboven beschreven. De thermische temperings-25 procedure onder vacuüm werd uitgevoerd bij een terrperatuur van ongeveer 450°C en werd volgehouden gedurende 30 minuten. De testresultaten zijn uitgezet in fig. 7, welke figuur de aluminiumafzettingsselectiviteitverbetering toont, voor en na de thermische temperingsbehandeling onder vacuüm, als het 30 aluminium wordt afgezet op verschillende materialen onder toepassing van de CVD-procedure, zoals duidelijk is getoond in de grafiek, verbeterde de aluminiumafzettingsselectivi-teit (afzetting op de geleidende laag liever dan op de isolatielaag) voor de CVD-procedure wanneer een thermische 35 temperingsbehandeling onder vacuüm eerst was uitgevoerd. In het bijzonder was getoond dat de selectiviteit het best was voor de Th-OX-isolatielaag, gevolgd door de BPSG-laag, en ,.341 - ίο - dan door de PEOX-laag. Deze selectiviteitsrangschikking zou gebaseerd kunnen zijn op het feit dat PEOX een materiaal is dat meer watermoleculen absorbeert dan Th-OX. Er zouden daarom minder -OH bindingen in het Th-OX-materiaal zijn dan 5 in het PEOX. wanneer de thermische temperingsbehandeling onder vacuüm vóór de afzetting wordt uitgevoerd, wordt water verwijderd. Terwijl aluminiumdeeltjes zich geleidelijk afzetten op het oppervlak van de geleidende lagen, worden daarom minder aluminiumdeeltjes afgezet op het oppervlak van 10 PEOX-isolatielagen, en zelfs nog minder op de Th-OX-lagen.

De uitvinding is beschreven bij wijze van voorbeeld in termen van een voorkeursuitvoeringsvorm, maar de uitvinding is niet beperkt tot de geopenbaarde uitvindingsvormen. Integendeel, zij is bedoeld om verschillende wijzigingen en 15 vergelijkbare uitvoeringen te omvatten. De bijgaande conclusies moeten daarom de breedst mogelijke interpretatie worden toegekend, zodat al dergelijke wijzingen en vergelijkbare structuren worden omvat.

Claims (10)

1. Werkwijze voor de vervaardiging van een aluminiumplug onder toepassing van een selectieve chemische danpafzettings-procedure, omvattende de stappen: het vormen van een halfgeleidercomponent in een 5 substraat met een isolatielaag gevormd op het oppervlak daarvan waarbij de isolatielaag een contactopening in zich gevormd heeft waarbij een geleidend gebied van de halfgeleidercomponent wordt blootstelt; het uitvoeren van een thermische temperingsbehande-10 ling onder vacuüm op het substraat; en het afzetten van een aluminiumlaag op het oppervlak van het substraat in een chemische dampafzettingsprocedure onder toepassing van dimethylethylaminealaan als een precursor bij een substraattemperatuur niet hoger dan 250°C, 15 voor het vervaardigen van een aluminiumplug in de contact-opening en in contact met het geleidende gebied, waarbij de aluminiumplug selectief wordt afgezet op het oppervlak van het blootgestelde geleidende gebied en niet wordt afgezet op het oppervlak van de isolatielaag.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de thermische temperingsbehandeling onder vacuüm wordt uitgevoerd bij een temperatuur van ongeveer 450°C en wordt volgehouden gedurende ongeveer 30 minuten.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de isolatie-25 laag een thermische oxidelaag is.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de isolatielaag een borofosfosilicaatglaslaag is.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de isolatielaag een oxidelaag is afgezet door plasma-versterkte 30 chemische dampafzetting.

6. Werkwijze voor het vervaardigen van een aluminiumplug, omvattende de stappen: het vormen van een contactopening in een isolatielaag op een substraat om een geleidend gebied in het substraat 35 bloot te stellen; - 12 - het uitvoeren van een thermische temperingsbehan-deling onder vacuüm op het substraat; en het uitvoeren vein een chemische dampafzettings-procedure bij een substraattemperatuur die niet uitstijgt 5 boven 250°C onder toepassing van dimethylethylaminealaan als een precursor, om een aluminiumlaag op het blootgestelde geleidende gebied in de contactopening af te zetten.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de thermische temperingsbehandeling onder vacuüm wordt uitgevoerd bij een 10 temperatuur van ongeveer 450°C en wordt volgehouden gedurende ongeveer 30 minuten.

8. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de isolatielaag een thermische oxidelaag is.

9. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de isolatie-15 laag een borofosfosilicaatglaslaag is.

10. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de isolatielaag een oxidelaag is, die is afgezet door plasma-versterkte chemische dampafzetting. o A S A1