DE3033513A1 - Verfahren zur herstellung einer mehrheitschichtverbindung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer mehrheitschichtverbindung

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Description

1Α-3361
ΜΕ-508
(F-1926)
MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo, Japan
Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtverbindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtverbindung in einer Halbleitervorrichtung.
Bei einer Herstellung von Mehrschichtverbindungen kann man für die innere Verdrahtung ein Material mit einer relativ niedrigen Erweichungstemperatur, z.B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, verwenden. Wegen der niedrigen Erweichungstemperatur ist man jedoch dann auf die Wahl von Materialien für eine nachfolgende filmförmige Isolierungsschicht beschränkt, d.h. man muß solche Filmtypen verwenden, welche bei relativ niedriger Temperatur ausgebildet werden können. Gewöhnlich wählt man als Schichtenisolierfilm einen Siliciumoxidfilm, welcher durch
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chemische Dampfabscheidungsverfahren oder Sputterverfahren ausgebildet werden kann. In jüngster Zeit beginnt man, auch Nitridfilme zu verwenden, welche mit Hilfe eines plasmaverstärkten, chemischen Dampfabscheidungsverfahrens ausgebildet werden. Nitridfilme zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Stufenbedeckung in einem Stufenabschnitt der zu beschichtenden Fläche aus sowie durch eine geringe Dichte der Nadellöcher sowie durch die Möglichkeit, Durchgänge durch trockenes Ätzen auszubilden. Bei einer industriellen Fertigung unter Ausbildung einer Mehrschichtverbindung kommt es nachteiligerweise zu einer gegenseitigen Diffusion zwischen der Verbindungsschicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und dem Nitridfilm und schließlich kommt es zu einem Kurzschluß zwischen den verschiedenen Schichten.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu überwinden und eine gegenseitige Diffusion zwischen der Verbindungsschicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und dem Nitridfilm zu verhindern. Erfindungsgemäß geschieht dies durch Oxidation der Oberfläche des Nitridfilms während der Herstellung des Nitridfilms nach dem plasmaverstärkten, chemischen Dampfabschei-. dungsverfahren.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ausbildung einer Mehrschichtmetallverbindung zu schaffen, bei dem man einen stabilen Isolierungsfilm zwischen der Isolierungsschicht und der zweiten Metallverbindungsschicht erhält, so daß auf diese Weise ein Kurzschluß ausgeschlossen wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man der Reihe nach zunächst eine erste Schicht der Metallverbindungsschichten ausbildet; sodann auf dieser ersten
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Schicht eine Isolierungsschicht ausbildet und sodann auf dieser eine zweite Schicht der Metallverbindung ausbildet. Erfindungsgemäß wird dabei ein stabiler Isolierungsfilm ausgebildet, und zwar zwischen der Isolierungsschicht und der Verbindungsschicht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1a, b Schnitte eines Halbleiterwerkstücks zur Veranschaulichung der Reihenfolge der Bearbeitungsschritte bei einem herkömmlichen Verfahren zur Ausbildung einer Mehrschichtverbindung;
Fig. 2a, b charakteristische Profile der gegenseitigen Schichtdiffusion vor und nach der Sinterbehandlung bei dem herkömmlichen Verfahren;
3a-c Schnitte eines Halbleiterwerkstücks zur Veranschaulichung der aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer üblichen Mehrschichtverbindung; und
Fig. 4a-f Schnitte zur Veranschaulichung der aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstufen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Fig. 1a und b zeigen die Stufen der Herstellung eines herkömmlichen Verfahrens zur Ausbildung einer Mehrschicht verbindung. Zunächst wird auf einem Halbleitersubstrat 1 ein Oxidfilm 2 ausgebildet, und zwar durch ein thermisches Oxidationsverfahren oder dergl.. Sodann wird eine Kontaktausnehmung 3 für die elektrische Verbindung des Halbleitersubstrats 1 an einer gewünschten Position im Oxidfilm 2 ausgebildet. Danach wird ein Metallfilm, z.B. ein Aluminiumfilm, auf der gesamten Oberfläche des Oxidfilms durch Dampfabscheidungsverfahren oder Sputterverfahren ausgebildet, und dieser Aluminiumfilm wird sodann
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zu einem gewünschten Muster bearbeitet, z.B. durch Ätzen. Dabei erhält man eine erste Aluminiumverbindungsschicht Ein Nitridfilm 5 wird sodann auf der gesamten Oberfläche durch ein plasmaverstärktes, chemisches Dampfabscheidungsverfahren ausgebildet. An gewünschten Positionen werden sodann Durchgänge 6 vorgesehen. Danach wird ein Aluminiumfilm durch Dampfabscheidungsverfahren oder Sputterverfahren abgeschieden und dieser Aluminiumfilm wird wiederum durch Ätzen zu einem gewünschten Muster bearbeitet. Dabei erhält man die zweite Aluminiumverbindungsschicht 7.
Das Produkt wird sodann bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des Aluminiums gesintert. Nun kommt es zu einer gegenseitigen Diffusion zwischen der zweiten Aluminiumschicht 7 und dem Nitridfilm 5, wobei die Aluminiumkomponente in den Nitridfilm 5 eindringt, wie bei 8 gezeigt. Nach mehrstündigem Sintern erreicht die Aluminiumkomponente die erste Aluminiumverbindungsschicht 4, und es kommt zu einem Kurzschluß zwischen den Verbindungsschichten 4 und 7. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Erzeugnisses erheblich beeinträchtigt.
Die Fig. 2a und b zeigen Profile gegenseitiger Diffusion zwischen der Aluminiumverbindungsschicht und dem Nitridfilm vor und nach dem Sintern bei 5OO°C, gemessen mit einem Auger-Elektronenspektrophotometer. Die graphische Darstellung zeigt, daß vor dem Sintern die gegenseitige Diffusion zwischen der Aluminiumvarbindungsschicht und dem Nitridfilm 5 gering ist. Nach mehrstündigem Sintern ist jedoch die Aluminiumkomponente der Aluminiumverbindungsechicht 7 in erheblichem Maße in den Nitridfilm 5 eingedrungen und erreicht die Aluminiumverbindungsschicht 4. Eine gegenseitige Diffusion zwischen der ersten Aluminiumverbindungsschicht 4 und dem Nitridfilm 5 findet im wesentlichen nicht statt, da in der Nähe der
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Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten ein kleiner Sauerstoffpeak vorliegt. Dies kann zurückgeführt werden auf das Wachsen eines natürlichen Oxidfilms auf der Oberfläche der ersten Aluminiumverbindungsschicht. Dieser Oxidfilm wirkt als Barriere zur Verhinderung einer gegenseitigen Diffusion. Die gegenseitige Diffusion kann somit verhindert werden durch Ausbildung eines dünnen Oxidfilms zwischen der Aluminiumverbindungsschicht und dem Nitridfilm.
Im folgenden wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 3a bis c erläutert. Bei dieser Ausführungsform wird der Oxidfilm 2 auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet und die Kontaktausnehmung 3 wird danach hergestellt. Dann wird die erste Aluminiumverbindungsschicht 4 wie bei dem herkömmlichen Verfahren hergestellt. Zur Ausbildung des Nitridfilms 5 nach dem plasmaverstärkten, chemischen Dampfabscheidungsverfahren wird ein Plasma in einem Gasgemisch aus SiH^, NH^ und Np erzeugt. Dabei kommt es zu einem Aufwachsen des Nitridfilms wie bei dem herkömmlichen Verfahren. Dann wird Jedoch ein oxidierendes Gas, z.B. 0^, NgO oder CO2, zugemischt mit dem Ergebnis des Aufwachsens einer Oxynitridschicht (SixO N2) 51 als Oberflächenschicht. Nach dieser Behandlung werden wieder Ausnehmungen 6 ausgebildet und danach wird die zweite Aluminiumverbindungsschicht 7 wie bei dem herkömmlichen Verfahren aufgebracht. Danach wird das Erzeugnis mehrere Stunden bei 5000C gesintert. Dabei kommt es zu keinem Kurzschluß zwischen den Verbindungsschichten 4 und 7. Somit ist die Zuverlässigkeit der erhaltenen Vorrichtung äußerst hoch.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird Aluminium für die Ausbildung der Verbindungsschichten verwendet. Man kann Jedoch auch Aluminiumlegierungen verwen-
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den, z.B. AlSi oder AlSiCu, sowie andere niedrigschmelzende Metalle, welche zu einem gegenseitigen Diffundieren mit dem Nitridfilm neigen.
Bei der vorstehenden Ausführungsform wird als Oberflächenschicht des Nitridfilms eine Oxynitridschicht ausgebildet. Es ist jedoch möglich, den gleichen Effekt durch Ausbildung einer Si-reichen Schicht als Oberflächenschicht zu erzielen. Dies gelingt auf einfache Weise durch Erhöhung des Verhältnisses von NEU zum Gesamtgasgemisch. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der dünne Oxidfilm auf der Oberfläche des Nitridfilms während des Aufwachsens des Nitridfilms durch plasmaverstärkte, chemische Dampfabscheidung hergestellt. Dieser dünne Oxidfilm wirkt als Isolierfilm für die Mehrschichtverbindung, so daß es nicht zu einer gegenseitigen Diffusion zwischen der Verbindungsschicht aus niedrigschmelzendem Metall und dem Nitridfilm kommen kann. Eine solche Diffusion wird im wesentlichen unterbunden. Die Mehrschichtverbindung ist somit äußerst zuverlässig und kann auf einfache Weise hergestellt werden, ohne daß zusätzliche Stufen bei der Herstellung erforderlich sind.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. a-f eine weitere Ausführungsform der Erfindung erläutert. Dabei wird auf dem Siliciumhalbleitersubstrat 1 wiederum ein Siliciumoxidfilm 2 ausgebildet und danach eine erste Aluminiumverbindungsschicht 4 und schließlich ein Siliciumnitridfilm 5. Ein Kontaktdurchgang 12 wird in selektiver Weise durch Verwendung eines Photoresists 11 auf dem SiIiciumnitridfilm 5 ausgebildet. Danach wird der Photoresist 11 entfernt. Diese Stufen sind die gleichen wie bei einer herkömmlichen Herstellung.
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Nun wird ein Photoresist 13 gemäß Fig. 4c auf dem Siliciumnitridfilm 5 aufgebracht, und zwar in einem zweckentsprechenden Muster im Bereich des Kontaktdurchgangs 12. Sodann werden dünne Aluminiumoxidfilme 9, 10 auf dem Siliciumnitridfilm 5 sowie auf dem in Form eines Musters vorliegenden Photoresist 13. Dies gelingt durch Sputtern eines Aluminiumtargets mit Sauerstoffgas. Man erhält dabei das in Fig. 4d gezeigte Ergebnis. Der Photoresist und der Aluminiumoxidfilm 10, welcher auf dem Photoresist 13 vorliegt, werden sodann entfernt, und zwar durch ein Abhebeverfahren. Der Aluminiumoxidfilm 9 verbleibt dabei als isolierender Film auf dem Siliciumnitridfilm 5, jedoch mit Ausnahme des Bereichs des Kontaktdurchgangs 12 selbst und des Nachbarbereichs dieses Durchgangs (Fig.4e). Nun wird die zweite Aluminiumverbindungsschicht 7 gemäß Fig. 4f aufgebracht.
Mit diesen Verfahrensstufen erzielt man somit eine Aluminiumoxidschicht 9 zwischen dem Siliciumnitridfilm 5 und der zweiten Aluminiumverbindungsschicht 7. Dieser Aluminiumoxidfilm 9 wirkt als Isolierungsfilm. Hierdurch kann eine Diffusion der zweiten Aluminiumverbindungsschicht 7 in die Siliciumnitridschicht 5 verhindert werden. Somit wird auch jeglicher Kurzschluß zwischen der ersten Aluminiumverbindungsschicht 3 und der zweiten Aluminiumverbindungsschicht 7 verhindert.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Abhebeverfahren zur Entfernung des Aluminiumoxidfilms im Bereich des Kontaktdurchgangs verwendet. Es ist jedoch auch möglich, den Aluminiumoxidfilm selektiv zu entfernen, und zwar mit einem Gemisch von Chromtrioxid und Phosphorsäure nach Ausbildung des Photoresist-Musters nach einem herkömmlichen Photogravurverfahren. Der Aluminiumoxidfilm kann
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ferner durch Sputtern eines Aluminiumoxidtargets mit einem Inertgas, wie Argon, ausgebildet werden oder durch Oxidation eines Aluminiumfilms durch anodische Oxidation nach Ausbildung des Aluminiumfilms. Es können anstelle eines Aluminiumoxidfilms auch andere Metalloxidfilme verwendet werden, z.B. ein Siliciumoxidfilm, ein Titanoxidfilm oder ein Hafniumoxidfilm.
Erfindungsgemäß erhält man somit einen stabilen Isolierungsfilm zwischen der Verbindungsmetallschicht und dem Schichtenisolierungsfilm, so daß eine Mehrschichtmetallverbindung erhalten werden kann, welche keinerlei Defekte in der Schichtisolierung aufweist.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtverbindung eines Halbleitererzeugnisses durch sequentielle
    Ausbildung einer ersten Verbindungsmetallschicht, eines
    Schichtisolierungsfilms und einer zweiten Verbindungsmetallschicht, dadurch gekennzeichnet, daß man einen stabilen Isolierungsfilm zwischen dem Schichtisolierungsfilm und der zweiten Verbindungsmetallschicht ausbildet, wobei durch den stabilen Isolierungsfilm eine Diffusion der Metallkomponente aus der zweiten Verbindungsmetallschicht
    in den Schichtisolierungsfilm verhindert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbindungsmetallschichten aus Aluminium herstellt und den Schichtisolierungsfilm aus Siliciumnitrid.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbindungsmetallschichten aus einem niedrigschmelzenden Metall herstellt und den Schichtisolierungsfilm als Nitridfilm durch plasmaverstärktes, chemisches
    Dampfabscheiden und daß man auf der Oberflächenschicht ' des Nitridfilms einen Oxidfilm ausbildet, welcher ein gegenseitiges Diffundieren der Verbindungsmetallschicht und des Nitridfilms verhindert.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das niedrigschmelzende Metall Aluminium oder eine
    Aluminiumlegierung ist.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidfilm ein Oxynitrid
    ist.
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DE3033513A 1979-10-09 1980-09-05 Verfahren zur Herstellung einer aluminiumhaltigen Leiterschicht Expired DE3033513C2 (de)

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