DE19608208B4 - Verfahren zur Herstellung von Metallzwischenverbindungen in Halbleitereinrichtungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Metallzwischenverbindungen in Halbleitereinrichtungen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ausbildung einer Metallzwischenverbindung bzw. eines Metallzwischenanschlusses für Halbleitereinrichtungen, mit den folgenden Schritten:
– ein Kontaktloch wird in einer isolierenden Schicht (2) ausgebildet, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
– eine Titanschicht (3) wird auf der isolierenden Schicht (2) und in dem Kontaktloch durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden,
– eine Titannitridschicht (4) wird auf der Titanschicht (3) abgeschieden, wobei sich die Titannitridschicht im amorphen Zustand befindet;
– das Substrat (1, 2, 3, 4) wird unter einer Stickstoff- und/oder Helium-Umgebung bzw. Atmoshäre thermisch getempert bzw. geglüht, wobei ein Teil der amorphen Titannitridschicht (4) zu einer kristallinen Titannitridschicht (5, 6, 7) transformiert wird;
– eine Metallschicht (8) wird auf der getemperten Titannitridschicht (5, 6, 7) abgeschieden; und
– die Titanschicht, die getemperte Titannitridschicht und die Metallschicht, die auf bzw. über dem Kontaktloch und der isolierenden Schicht bislang ausgebildet sind, werden mit einem Muster versehen bzw....

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausbildung einer Halbleitereinrichtung und insbesondere auf ein Verfahren zur Ausbildung einer Metallzwischenverbindung bzw. eines Metallzwischenanschlusses in einer Halbleitereinrichtung, die eine Metallschicht als Diffusionsbarriere aufweist, gemäß dem Patentanspruch 1.
  • Da die Integration von Halbleitereinrichtungen erhöht wird, sind viele Verfahren geprüft worden, um die Anschluß- bzw. Zwischenanschlußkonstruktion frei und einfach zu gestalten, und um die Bestimmung des Widerstandes und der Stromkapazität veränderlich zu machen.
  • Im allgemeinen wird Aluminium als Material für Metallanschlüsses bzw. -zwischenverbindungen von Halbleitereinrichtungen verwendet. Wenn die Integration erhöht wird, wird die Breite der Zwischenverbindungen bzw. Zwischenanschlüsse geringer, so daß die Stromdichte gesteigert wird. Die Erhöhung der Stromdichte erzeugt jedoch Fehler aufgrund von Elektromigration, Antireflexion und der Bewegung von Spannungen, die eine Verringerung der Verläßlichkeit ergeben. Um die obigen Probleme zu lösen ist ein Verfahren zur Verfügung gestellt worden, das Kupfer (Cu) oder Titan (Ti) auf der Zwischenverbindung bzw. dem Zwischenanschluß aus Aluminium (Al) abscheidet, das jedoch zu ernsthaften Problemen führt, wie etwa Isolatorfehlern oder einem Kurzschluß der Zwischenverbindungen bzw. Zwischenanschlüsse aufgrund von Phänomenen, wie etwa Erhebungs- bzw. Hügelausbildungen (Hillock) und Haar- bzw. Nadelkristallen (Whisker).
  • Die 1 ist eine querschnittliche Ansicht einer Halbleitereinrichtung, bei der die Metallzwischenverbindung bzw. -anschlüsse nach der Ausbildung der Diffusionsbarriereschicht nach einer Ausführungsform des üblichen Standes der Technik hergestellt sind. Bei dem üblichen Verfahren wird eine isolierende Schicht 2 zunächst auf einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet. Danach werden Kontaktlöcher an vorbestimmten Abschnitten des Halbleitersubstrats 1 durch Ätzen einiger Abschnitte der isolierenden Schicht ausgebildet, bis die Oberfläche des Substrats 1 freigelegt ist. Als nächstes werden Diffusionsbarriereschichten aus Titan (Ti) 3 und Titannitrid (TiN) 4 der Reihe nach durch physikalische Dampfabscheidung ausgebildet. Zuletzt wird eine Metallzwischenverbindung bzw. -zwischenanschluß 8 unter Verwendung von Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung auf der Titannitridschicht 4 ausgebildet. Dies wird in der EP 0448763 A1 erfindungsgemäß erläutert und in der US 5,525,543 als Stand der Technik gegeben.
  • Gegenwärtig wird jedoch die Größe des Kontaktloches mehr und mehr verringert, da die Integrationshöhe der Einrichtung voranschreitet. Im Verhältnis zu der Verringerung der Kontaktlochgröße wird der Verhältnisgesichtspunkt (Größe zu Tiefe) des Kontaktloches vergrößert. Folglich wird in einem Fall, in dem die Diffusionsbarriereschichten durch die obige phyiskalische Dampfabscheidung ausgebildet werden, die Stufen- bzw. Kantenbedeckung verringert, was eine ungleichmäßig abgeschiedene Diffusionsbarriereschicht ergibt. Darüber hinaus wird in einem Fall in dem die Dicke der Barriereschicht erhöht wird, ein Abschattungseffekt an der Ecke des oberen Abschnitts des Kontaktloches verursacht, der es unmöglich macht, mit dem nachfolgenden Verfahren voranzuschreiten. Zusätzlich gibt es in einem Fall, in dem das chemische Dampfabscheidungsverfahren verwendet wird, bei dem TiCl4 mit NH3 zur Reaktion gebracht wird, um die Stufen- bzw. Kantenbedeckung zu verstärken, durch die überschüssige Erzeugung von Teilchen ein Problem. Deshalb ergibt sich ein Abfall in der Ausbeute und der Verläßlichkeit der Halbleitereinrichtungen. Darüber hinaus gibt es in diesem Falle ein Problem, da sich die Betriebsgeschwindigkeit der Halbleitereinrichtung verringert, weil deren interner Widerstand durch den Phasenübergang zu der amorphen Phase während des Abscheidens von TiN erhöht ist.
  • Vorteilhafte Wärmebehandlung von CVD Ti-reichen TiN und eher stöchiometrischen TiN-Filmen lehrt die US 5,525,543.
  • Vorteilhafte Wärmebehandlung von CVD TiN mit Ammoniak (NH3) statt Argon oder Stickstoff lehrt die WO 93/04214 A1.
    •
  • Es ist folglich eine bevorzugte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Ausbildung einer Metallzwischenverbindung bzw. eines Metallzwischenanschlusses einer Halbleitereinrichtung zur Verfügung zu stellen, das die Ausbeute und die Verläßlichkeit einer Halbleitereinrichtung verbessern kann, indem die Stufen- bzw. Kantenbelegung bzw. -bedeckung der Diffusionsbarriereschicht erhöht und der innere bzw. interne Widerstand und dessen Teilchenerzeugung verringert wird.
  • Um insbesondere diese Aufgabe der Erfindung zu lösen, wird ein erstes Kontaktloch an dem vorbestimmten Abschnitt des Halbleitersubstrats ausgebildet, indem aktive Bereiche ausgebildet werden und auf dem dann eine isolierende Schicht ausgebildet wird. Danach werden der Reihe nach Titan- und Titannitridschichten auf dem Kontaktloch und der isolierenden Schicht durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden. Als nächstes wird ein thermisches Erhitzen bzw. Glühen oder Tempern unter einer N2-Umgebung bzw. -Atmosphäre durchgeführt, um die Phase der abgeschiedenen Titannitridschicht zu ändern und den Gehalt an N2 in jeder Schicht übergehen zu lassen. Letztlich wird der Metallzwischenanschluß ausgebildet, um die aktiven Bereiche aneinander anzuschließen, indem ein Zwischenverbindung- bzw. Zwischenanschlußmetall mit niedrigem Widerstand auf den Diffusionsbarriereschichten abgeschieden wird, und anschließend sämtliche Schichten auf dem Kontaktloch und der isolierenden Schicht mit einem Muster bzw. einer Halbleiterstruktur ausgebildet werden.
  • Anstelle von Stickstoff kommt auch Helium infrage.
  • Alternativ ist es auch möglich, daß die vorliegende Erfindung ferner einen Schritt umfaßt, um eine Schicht abzuscheiden, die durchgangsdünn bzw. reflexionshemmend ist (arc-thin film), die die Reflexion von Licht an dem Zwischenverbindungs- bzw. Zwischenanschlußmetall verhindert, bevor die ausgebildete Schicht mit einem Muster bzw. einer Struktur versehen werden.
  • Gemäß der Erfindung können die hier aufgeführten Verfahrensschritte auch anders vorteilhaft miteinander kombiniert werden, um diverse Vorteile einzeln bzw. in Kombination zu erzielen.
    •
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand wenigstens eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erörtert, in welchen
  • 1 eine querschnittliche Ansicht ist, um ein Verfahren zur Ausbildung der Metallzwischenverbindung bzw. -anschlusses gemäß der üblichen Ausführungsform nach dem Stand der Technik auszubilden.
  • 2A – 2D querschnittliche Ansichten sind, die aufeinander folgende Prozessierungen zur Ausbildung der Metallzwischenverbindung bzw. -zwischenanschlusses gemäß jeweils einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Im folgenden ergeben sich bei der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung weitere wesentliche Merkmale, Vorteile, Merkmalskombinationen sowie Aufgabestellungen.
  • Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 2A bis 2D beschrieben.
  • Die 2A bis 2D sind querschnittliche Ansichten, die aufeinanderfolgend Prozessierungen bzw. Verfahrensschritte zum Ausbilden eines Metallzwischenanschlusses bzw. -zwischenverbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Zunächst wird unter Bezugnahme auf 2A eine isolierende Schicht 2 auf einem Halbleitersubstrat 1 abgeschieden, das aktive Bereiche umfaßt. Ein Kontaktloch wird dann an dem vorbestimmten Abschnitt der isolierenden Schicht 2 durch ein photolithographisches Verfahren ausgebildet, welches die freigelegte isolierende Schicht ätzt, bis die Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 freigelegt ist. Anschließend wird, wie in 2B gezeigt, eine Titanschicht 3 auf dem inneren Abschnitt. des Kontaktloches und der gesamten Oberfläche der isolierenden Schicht 2 abgeschieden. Die Titanschicht 3 ist sehr dünn bis zu einem Grad ausgebildet, der dazu in der Lage ist, die Form des Kontaktloches 2 durch chemische Dampfabscheidung (CVD) beizubehalten, die TiCl4 mit H2 zur Reaktion bringt. Das chemische Dampfabscheidungsverfahren bzw. CVD-Verfahren ist dazu da, die Stufen- bzw. Kantenbedeckung bzw. -beschichtung der Innenseite des Kontaktloches zu verbessern oder zu verstärken. Anschließend wird eine Titannitridschicht 4 auf der Titanschicht 3 ausgebildet. Die Titannitridschicht 4 wird durch chemische Dampfabscheidung ausgebildet, um die Erzeugung der Teilchen zu unterdrücken bzw. zu vermeiden. Mit anderen Worten verwendet das Verfahren nur das Rohmaterial Tetradimethylaminotitan [Ti{N(CH3)2}4] oder Tetradiethylaminotitan [Ti{N(CH3)4}] und zerlegt Titannitrid aus einer der besagten zwei Verbindungen bzw. Zusammensetzungen durch thermisches Glühen bzw. Erhitzen oder Tempern, bei dem das zugeführte Gas Stickstoff und/oder Helium ist. Die Abscheidungstemperatur des TiN liegt in dem Bereich von 300 bis 500°C und der Druck des Ofens bzw. Reaktors wird gesteuert, um in dem Bereich von etwa 5 bis 10 mTorr zu liegen. Was ausgebildet wird ist eine amorphe Schicht danach wird das Halbleitersubstrat mit den darauf ausgebildeten obigen Schichten thermisch unter einer N2-Umgebung bzw. -Atmosphäre über den Temperaturbereich von 400 bis 600°C geglüht bzw. erhitzt. Während des Glüh- bzw. Erhitzungsverfahrens wird die Titannitridschicht 4 in drei Titannitridschichten 5, 6, 7 überführt, deren physikalische Eigenschaften voneinander unterschiedlich sind. Die untere oder erste Schicht ist aus Titannitrid 5 zusammengesetzt, das als eine amorphe Schicht existiert, die mittlere oder zweite Schicht ist aus Titannitrid 6 zusammengesetzt, die als eine kristalline Schicht existiert, und die obere oder dritte Schicht ist aus Titannitrid 7 zusammengesetzt, das als eine stickstoffreiche bzw. stickstoffangereicherte kristalline Schicht vorkommt. Hier kann das schnelle thermische Glüh- bzw. Erhitzungsverfahren (RTA-Verfahren) ebenfalls anstelle des üblichen thermischen Glühens bzw. Erhitzens oder Temperns verwendet werden. Es wird bei dem Temperaturbereich von 700 bis 900°C und in dem Zeitbereich von 10 bis 30 Sekunden durchgeführt. Das Titannitrid 4 der einzelnen Schicht weist einen sehr hohen Widerstand auf, da es in einem amorphen Zustand ist, jedoch hat die Dreifachschicht aus Titannitrid 5, 6, 7 einen niedrigen Widerstand, verglichen mit der einzelnen Schicht aus Titannitrid 4, weil ihre physikalischen Eigenschaften voneinander unterschiedlich sind. Die Titanschicht 3 und die Titannitridschichten 5, 6, 7 wirken als Diffusionsbarrieremetall, um die Diffusion von Metallatomen zu verhindern, die ohne das Vorhandensein der Barriere auftreten würde. Danach wird, wie in 2C gezeigt, ein Zwischenanschluß- bzw. Zwischenverbindungsmetall, wie etwa Aluminium, Kupfer oder eine Legierung aus Aluminium und Kupfer, usw. auf der Diffusionsbarriereschicht ausgebildet, in der das Zwischenverbindungsmetall bzw. Zwischanschlußmetall die aktiven Bereiche miteinander verbindet, indem irgendein Metall abgeschieden wird, das einen niedrigen Widerstand auf den Diffusionsbarriereschichten hat. Danach wird eine Reflexionshemm- bzw. Durchgangsmetallschicht 9 auf der Metallschicht 8 durch chemische Dampfabscheidung (CVD) ausgebildet. Hier dient die Durchgangsmetallschicht dazu, Licht davon abzuhalten, von dem Zwischenanschluß bzw. Zwischenverbindungsmetall reflektiert zu werden, wenn Licht freigesetzt wird, um ein Muster der Metallzwischenverbindung bzw. des Metallzwischenanschlusses auszubilden. Die durchgangsdünne Schicht bzw. Reflexionshemmschicht ist aus Tetradimethylaminotitan oder Tetradiethylaminotitan zusammengesetzt, und der Bereich der Abscheidungstemperatur liegt von 300 bis 450°C bzw. in etwa dazwischen. Der Schritt zur Ausbildung der durchgangdünnen Schicht 9 kann prinzipiell in jedem Falle weggelassen werden und soll die Ausbildung von Interferenzen verhindern, die bei der Herstellung von sehr schmalen Strukturen mittels eines Fotoresists vorkommen können.
  • Letztlich wird der Metallzwischenanschluß bzw. die Metallzwischenverbindung, wie in 2D gezeigt, durch Ausbilden einer Struktur von den Metallschichten 2, 5, 6, 7, 8 und 9 vervollständigt. Die Metallschicht 8 kann für ein Metall ersetzt werden, das eine hohe Leitfähigkeit besitzt, wie etwa Wolfram.
  • Wie voranstehend im einzelnen beschrieben, kann die vorliegende Erfindung den Widerstand von Titannitrid und die Erzeugung von Teilchen verringern und die Stufen- bzw. Kantenbedeckung bzw. -beschichtung verstärken oder verbessern, indem Titannitrid einer einzelnen Schicht in Titannitrid von drei Schichten mit individuellen Eigenschaften überführt wird. Die drei Schichten werden durch ein Verfahren ausgebildet, das die Ausbildung von Titannitrid durch thermische Zersetzung des Rohrmaterials, das Stickstoff und Titan enthält, und das Glühen bzw. Tempern des abgeschiedenen Titannitrids an einer Stickstoffatmosphäre bzw. -umgebung umfaßt. Folglich stellt es Wirkungen zur Verfügung, die nicht nur die Verläßlichkeit und die Ausbeute verbessern bzw. erhöhen, sondern auch die Geschwindigkeit der Signalübertragung.
  • Andere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der hierin offenbarten Erfindung werden dem Fachmann im Stand der Technik gewahr werden, wenn er die voranstehende Offenbarung liest. In dieser Hinsicht können Veränderungen und Modifikationen dieser Ausführungsformen veranlaßt werden, ohne das Wesen und den Schutzbereich der beschriebenen und beanspruchten Erfindung zu verlassen, während spezifische Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben worden sind.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Ausbildung von Metallverbindungen bzw. -anschlüssen für Halbleitereinrichtungen, das dazu in der Lage ist, die Ausbeute und die Verläßlichkeit zu verbessern bzw. zu erhöhen. Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein Kontaktloch an einem vorbestimmten Abschnitt des Halbleitersubstrats ausgebildet, in dem aktive Bereiche ausgebildet sind und auf dem dann eine isolierende Schicht ausgebildet wird. Danach werden die Titan- und Titannitridschichten, die jeweils eine vorbestimmte Dicke haben, der Reihe nach auf dem Kontaktloch und der isolierenden Schicht durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden. Als nächstes wird ein thermisches Tempern bzw. Glühen unter einer N2- oder Ar- bzw. He-Atmosphäre bzw. -umgebung durchgeführt, um die Phase der abgeschiedenen Titannitridschicht zu ändern und den Gehalt an N2 in jeder Schicht übergehen zu lassen. Zuletzt wird die Metallzwischenverbindung bzw. der Metallzwischenanschluß ausgebildet, um die aktiven Bereiche aneinander anzuschließen, in dem ein Anschluß- bzw. Zwischenverbindungsmetall abgeschieden wird, das einen niedrigen Widerstand auf den Diffusionsbarriereschichten bzw. -grenzschichten hat, und anschließend werden sämtliche Schichten mit einem Muster versehen, die auf dem Kontaktloch und der Isolierschicht bis jetzt ausgebildet worden sind. Alternativ ist es auch möglich, daß die vorliegende Erfindung ferner den Schritt umfaßt, eine durchgangsdünne Schicht bzw. Dünnschicht abzuscheiden, die die Reflexion von Licht an dem Zwischenverbindungs- bzw. Zwischenanschlußmetall verhindert, bevor die Ausbildung eines Musters aus den ausgebildeten Schichten vorgenommen wird.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Ausbildung einer Metallzwischenverbindung bzw. eines Metallzwischenanschlusses für Halbleitereinrichtungen, mit den folgenden Schritten: – ein Kontaktloch wird in einer isolierenden Schicht (2) ausgebildet, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; – eine Titanschicht (3) wird auf der isolierenden Schicht (2) und in dem Kontaktloch durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden, – eine Titannitridschicht (4) wird auf der Titanschicht (3) abgeschieden, wobei sich die Titannitridschicht im amorphen Zustand befindet; – das Substrat (1, 2, 3, 4) wird unter einer Stickstoff- und/oder Helium-Umgebung bzw. Atmoshäre thermisch getempert bzw. geglüht, wobei ein Teil der amorphen Titannitridschicht (4) zu einer kristallinen Titannitridschicht (5, 6, 7) transformiert wird; – eine Metallschicht (8) wird auf der getemperten Titannitridschicht (5, 6, 7) abgeschieden; und – die Titanschicht, die getemperte Titannitridschicht und die Metallschicht, die auf bzw. über dem Kontaktloch und der isolierenden Schicht bislang ausgebildet sind, werden mit einem Muster versehen bzw. strukturiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Titan durch chemische Dampfabscheidung ausgebildet wird, die TiCl4 mit H2 zur Reaktion bringt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, in dem die amorphe Titannitridschicht durch thermische Zersetzung von Tetradimethylaminotitan ausgebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, in dem die amorphe Titannitridschicht durch thermische Zersetzung von Tetradiethylaminotitan ausgebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, in dem die thermische Zersetzung unter einer Bedingung einer Temperatur von 300 bis 500°C und/oder einem Druck von 5 bis 10 mTorr durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das thermische Tempern bzw. Glühen des amorphen Titannitrid in einer Stickstoff- und/oder Helium-Umgebung bzw. -Atmosphäre bei einer Temperatur von 400 bis 600°C über etwa 30 bis etwa 60 Minuten durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das thermische Tempern bzw. Glühen von dem amorphen Titannitrid in einer Stickstoff- und/oder Helium-Umgebung bzw. -Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 700 bis 900°C über etwa 10 bis 30 Sekunden durch schnelles thermisches Tempern bzw. Glühen (RTA) durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem die Metallschicht Aluminium oder Kupfer oder eine Legierung davon ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, in dem das Verfahren ferner einen Schritt umfaßt, bei dem eine durchgangsdünne Schicht bzw. dünne Durchgangsschicht (9) auszubilden, um die Reflexion insbesondere von Licht durch Kupfer oder Aluminium (8) vor dem Schritt zur Herstellung eines Musters zum Ausbilden der Metallzwischenverbindung bzw. des Metallanschlusses zu verhindern.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, in dem die dünne Durchgangsschicht (9) aus Titan hergestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Titannitrid durch Zersetzung von Tetradiethylaminotitan bei etwa 300 bis 450°C ausgebildet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, in dem das Titannitrid durch thermische Zersetzung von Tetradimethylaminotitan bei ca. 300 bis etwa 450°C ausgebildet wird.
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