DE4200809C2

DE4200809C2 - Verfahren zur Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht in einem Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE4200809C2
Application number: DE4200809A
Authority: DE
Inventors: Sang-In Lee; Chang-Soo Park; Jeong-Ha Son
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1992-01-15
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: GB9201107D0; GB2253939B; JP2580096B2; DE4200809A1; JPH04320024A; US5266521A; GB2253939A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Metallisierungsprozeß ist der wichtigste Schritt bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements, da er bei Vordringen der Technologie in Richtung ULSI die Funktionsschnelligkeit, die Ausbeute und die Zuverlässigkeit eines Bauelements bestimmt. Die Stufenbedeckung durch das Metall war kein großes Problem, solange nur weniger aggressive Geometrien, Kontaktlöcher mit kleinem Tiefen/Breiten-Verhältnis oder flache Stufen zu bedecken waren. Mit höherer Integrationsdichte in Halbleiterbauelementen sind Kontaktlöcher jedoch bedeutend kleiner geworden, während an der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete störstellendo tierte Bereiche viel dünner geworden sind. Bei großem Tiefen/ Breiten-Verhältnis von Kontaktlöchern und großen Stufentiefen benötigt der herkömmliche Aluminium(Al)-Metallisierungsprozeß für große Funktionsschnelligkeit, hohe Ausbeute und gute Zuverlässig keit des Halbleiterbauelements eine Verbesserung, da er mit vielen Problemen, wie Versagen der Zuverlässigkeit der Al-Ver bindungen aufgrund des großen Tiefen/Breiten-Verhältnisses der Kontaktlöcher und schlechter Stufenbedeckung des gesputterten Al, durch Silizium(Si)-Ausscheidung verursachtes Anwachsen des Kon taktwiderstands und Verschlechterung der Charakteristik des flachen Übergangs aufgrund der Entstehung von Al-Spitzen, behaf tet ist.

Um diese Probleme im herkömmlichen Al-Metallisierungsprozeß zu überwinden, wurden deshalb neue Prozesse vorgeschlagen. Um zum Beispiel verschlechterte Halbleiter-Zuverlässigkeit, die durch Versagen der Al-Verbindungen aufgrund des großen Tiefen/Breiten- Verhältnisses von Kontaktlöchern und schlechter Stufenbedeckung des gesputterten Al bei der Al-Metallisierung verursacht wird, zu vermindern, sind folgende Prozesse bekannt.

In der japanischen Offenlegungsschrift 62-132348 (von Yukiyosu Sugano et al.) wird ein Verfahren für die Verbesserung einer Schichtform gegenüber einer abrupten Stufe eines Halbleiterbau elements vorgeschlagen, das die Bildung einer Metallverdrahtungs schicht auf der auf einem Halbleitersubstrat gebildeten Stufe und danach ein thermisches Schmelzen der Verdrahtungsschicht, um die Metallverdrahtungsschicht planar zu machen, beinhaltet. In der japanischen Offenlegungsschrift 63-99546 (von Shinpei Lÿima et al.) wird, um die Verdrahtungszuverlässigkeit zu verbessern und die Bildung einer Mehrschichtverbindung zu ermöglichen, ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine metallische Verdrahtungs schicht auf einem Substrat mit Kontaktlöchern und Stufen durch Erwärmen und Verschmelzen der metallischen Verdrahtungsschicht gebildet wird. In der obigen Veröffentlichung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements durch Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen, um eine Mehrschichtverbindung zu bilden, welches folgende Schritte enthält: Bildung mehrfacher Bauelemente auf einem Halbleitersubstrat; Deposition einer Isolationsschicht auf dem die fraglichen Bauelemente enthaltenden Substrat; Bildung von Kontaktlöchern in der Isolationsschicht, die einen vorher festge legten Teil des Bauelements erreichen; Bildung einer Titanni trid-Schicht auf der Oberfläche der Isolationsschicht und der Kontaktlöcher; Deposition einer metallischen Verdrahtungsschicht auf der gesamten Oberfläche der Titannitrid-Schicht und danach Erwärmung der metallischen Schicht, so daß sie schmilzt und zum Fließen gebracht wird, um die Oberfläche der metallischen Schicht planar zu machen; und Ätzen der metallischen Schicht und der Titannitrid-Schicht gemäß eines vorher festgelegten Verdrahtungs musters, um zumindest die erste Verdrahtungsschicht zu bilden.

In der japanischen Offenlegungsschrift 62-109341 (von Masahiro Shimizu et al.) wird ein Verfahren zur Verbesserung der Zuver lässigkeit eines Halbleiterbauelements bezüglich Verdrahtungs unterbrechungen vorgeschlagen, das die Bildung einer leitenden Aluminiumschicht, wie einer Aluminiumverbindungsschicht, mit guter Bedeckung an einer Stufe, wie einem Kontakt einer isolie renden Schichtoberfläche, im Falle der Bildung von Elektroden und einer Verdrahtungsschicht beinhaltet. Nach Masahiro Shimizu et al. wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauele ments vorgesehen, das die Beschichtung eines Siliziumsubstrats mit einer eine flüssigkeitsähnliche Aluminium-Verbindung oder Aluminium enthaltenden Lösung und danach Wärmebehandlung zur Bildung einer leitenden Aluminiumschicht beinhaltet.

Gemäß der obigen Verfahren wird zum Auffüllen der Kontaktlöcher Al oder eine Al-Legierung flüssig gemacht und geschmolzen. Da alle obigen Veröffentlichungen ein Aufschmelzen einschließen, bei dem Al oder eine Al-Verbindung geschmolzen wird, sollte ein Halbleiterwafer horizontal angeordnet werden, um ein richtiges Auffüllen der Kontaktlöcher mit dem fließenden, geschmolzenen Material zu erlauben. Außerdem resultiert aus einer Temperatur änderung eine Metallschrumpfung im isolierenden Gebiet. Das heißt, durch Erwärmung der Metallschicht über die Schmelztempera tur des Al oder der Al-Legierung hinaus füllt die verflüssigte und fließende Metallschicht das Kontaktloch. Die flüssige Metall schicht wird eine niedrigere Oberflächenspannung anstreben und kann so während der Erstarrung schrumpfen oder sich verwerfen und dadurch das darunterliegende Halbleitermaterial freilegen. Ferner kann die Temperatur der Wärmebehandlung nicht genau kontrolliert werden, so daß es schwierig ist, ein bestimmtes Ergebnis zu reproduzieren. Obwohl diese Verfahren gegebenenfalls ein Kon taktloch füllen können, können die verbleibenden Gebiete der Metallschicht uneben werden und dadurch nachfolgende, schützende Prozesse behindern. Deshalb kann ein zweiter Metallbeschichtungs prozeß erforderlich sein.

Weiterhin ist bekannt, daß für die Verbesserung der Zuverlässig keit des Halbleiterbauelements durch Verhinderung der Degradation der Charakteristik der flachen Übergänge aufgrund entstandener Al-Spitzen in dem auf dem Halbleiterwafer ausgebildeten Kontakt loch eine Barrierenschicht aufgebracht wird. Zum Beispiel wird in der US-PS 4 897 709 (von Natsuki Yokoyama et al.) ein Halbleiter bauelement beschrieben, das eine Titannitrid-Schicht als Barriere einschließt, die zur Verhinderung einer Reaktion zwischen der Verdrahtung und dem Halbleitersubstrat in einer Öffnung ausgebil det ist. Die obige Titannitrid-Schicht kann durch ein Nieder druck-CVD-Verfahren mit einem Niedertemperatur-CVD-Gerät abge schieden werden. Sie hat ausgezeichnete Eigenschaften mit einer guten Stufenbedeckung für eine sehr kleine Öffnung mit einem großen Tiefen/Breiten-Verhältnis.

Nach der Bildung der Titannitrid-Schicht wird eine Verdrahtungs schicht durch ein Sputterverfahren abgeschieden, wobei eine Al-Legierung verwendet wird. Außer dem obigen wird, anstelle des Schmelzens des Al oder der Al-Legierung, für eine Verbesserung der Metallbedeckung einer Stufe in der US-PS 4 970 176 (Clarence J. Tracy et al.) ein Mehrfachstufen-Metallisierungsprozeß vor geschlagen. Gemäß dem obigen Patent wird ein erster, dicker Teil einer vorgegebenen Gesamtdicke einer Metallschicht bei einer niedrigen Temperatur von 200°C oder weniger auf einem Halbleiterwafer abgeschieden, dann ohne Unterbrechung der Metallabscheidung die Temperatur bis zu einer hohen Temperatur von ungefähr 400°C bis 500°C rampenförmig erhöht, bei der ein "Reflow" der Metallschicht über Kornwachstum, Rekristallisation und Volumendiffusion stattfindet. Die Metallabscheidung wird dabei fortgesetzt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

Zwischenzeitlich haben Ono et al. berichtet, daß die Fließfähig keit von Al-Si plötzlich anwächst, wenn die Halbleitersubstrat temperatur über 500°C ist (Hisako Ono et al., in Proc. 1990 VMIC Conference June 11 and 12, Seiten 76-82). Gemäß der Lehre von Ono et al. ändert sich die innere Spannung einer Al-1%Si Schicht abrupt nahe 500°C, und die Streßrelaxation der Al-1%Si Schicht tritt rasch bei jener Temperatur ein. Weiterhin muß die Tempera tur des Halbleitersubstrats zwischen 500°C und 550°C gehalten werden, um die Kontakte zufriedenstellend zu füllen.

Das obige Kontaktfüllungsverfahren ist verschieden von dem ein Aufschmelzen einer Metallschicht erläuternden Verfahren in dem oben zitierten Patent von Tracy et al. Einer der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat eine frühere Erfindung mit dem Titel "Verfahren zur Bildung einer Metallschicht in einem Halbleiter bauelement" gemacht (deutsche Patentanmeldung P 40 28 776.9-33). Diese frühere Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Metallverdrahtungsschicht durch ein Kontaktloch in einem Halblei terbauelement, das die Schritte Deposition eines Metalls bei einer niedrigen Temperatur (unter 200°C) und Nachheizen des abge schiedenen Metallmaterials bei einer Temperatur zwischen 80% und 100% der Schmelzpunkttemperatur des abgeschiedenen Metallmateri als beinhaltet.

Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen ein gattungsgemäßes Verfahren zur Bildung einer Metallschicht gemäß der oben genannten früheren Erfindung. Unter Bezugnahme auf Fig. 2A, in der ein Prozeß für die Bildung einer ersten Metallschicht gezeigt ist, wird das Muster eines Kontaktlochs (2) auf einem Halbleitersubstrat (10) gebildet. Dann wird das Substrat in eine Sputterreaktorkammer gebracht, in der eine erste Metallschicht (4) durch Deposition des Metalls, Aluminium (Al) oder eine Al-Legierung, bei einer Temperatur von 200°C oder weniger und unter einem vorgegebenen Vakuumdruck gebildet wird. Diese Schicht hat eine körnige Struk tur.

Fig. 2B veranschaulicht die Füllung eines Kontaktlochs. Bezugneh mend auf Fig. 2B wird, nachdem die durch den vorhergehenden Prozeß erhaltene Substratstruktur ohne Unterbrechung des Vakuums in eine andere Sputterreaktorkammer gebracht wurde, mindestens 2 Minuten lang eine Erwärmung bei einer Temperatur von 550°C durch geführt, wodurch das Kontaktloch aufgefüllt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druck in der Reaktorkammer vorzugsweise so niedrig wie möglich, so daß die Aluminiumatome eine höhere freie Oberflächenenergie haben. Dadurch kann das Metall die Kontaktlö cher leichter füllen. Hier bezeichnet das Bezugszeichen 4a die Metallfüllung des Kontaktlochs.

Die Temperatur der Wärmebehandlung in dem in Fig. 2B gezeigten Prozeß ist im wesentliche zwischen 80% und 100% des Metall schmelzpunkts und ändert sich je nach der speziell verwendeten Aluminiumlegierung bzw. dem Aluminium.

Da die Metallschicht bei einer Temperatur, die niedriger als der Aluminium-Schmelzpunkt von 660°C ist, wärmebehandelt wird, schmilzt sie nicht. Zum Beispiel wandern bei 550°C die Al-Atome, die durch Sputtern bei einer Temperatur unter 150°C abgeschieden wurden, durch Wärmebehandlung bei der höheren Temperatur anstatt zu schmelzen. Wenn die Oberfläche uneben oder körnig ist, nimmt diese Migration aufgrund einer Zunahme der Energie zwischen den Oberflächenatomen, die sich nicht in vollständigem Kontakt mit den umgebenden Atomen befinden, zu. So weist die anfangs gesput terte, körnige Schicht durch Wärmebehandlung eine vermehrte Migration der Atome auf.

Ein Prozeß zur Bildung einer zweiten Metallschicht (5) ist in Fig. 2C gezeigt. Hier wird die zweite Metallschicht (5) durch Deposition des Rests der gesamten, erforderlichen Metallschicht dicke bei einer durch Berücksichtigung der Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelements bestimmten Temperatur gebildet. Dies ver vollständigt die Bildung der Metallschicht.

Gemäß obigem Verfahren kann das Kontaktloch durch Verwendung derselben Sputterapparatur, die für das herkömmliche physikali sche Depositionsverfahren benutzt wird, leicht und vollständig mit einem Metall aufgefüllt und dann das abgeschiedene Metall ausgeheizt werden. Deshalb kann sogar ein Kontaktloch mit einem großen Tiefen/Breiten-Verhältnis vollständig gefüllt werden.

Wenn jedoch in der Kontaktöffnung ein Hohlraum gebildet wird oder wenn die Stufenbedeckung durch die Metallschicht unzulänglich ist, kann das Kontaktloch nach Belassen des mit der Metallschicht beschichteten Halbleiterwafers im Vakuum bei einer vorgegebenen Temperatur nicht aufgefüllt werden. Ferner kann dann, obwohl anschließend eine zweite Metallschicht auf dem mit einer Metall schicht beschichteten Halbleiterwafer gebildet wird, eine gute Stufenbedeckung der Kontaktöffnung nicht bereitgestellt werden, und die Zuverlässigkeit des gefertigten Halbleiterbauelements wird aufgrund der unzulänglichen Stufenbedeckung verschlechtert.

Eine aus reinem, direkt auf Si abgeschiedenem Al bestehende Kontaktstruktur wurde in den frühesten Stadien der Siliziumtech nologie eingeführt. Der Kontakt von Al zu Si weist jedoch einige schlechte Kontakteigenschaften, wie das Entstehen von Übergangs spitzen während des Sinterns, auf. Nachdem eine Metallkontakt schicht abgeschieden und strukturiert worden ist, wird ein Sin terschritt durchgeführt. Im Fall von Al-Si-Kontakten verursacht ein derartiges Sintern eine Reaktion des Al mit der natürlichen, sich auf der Siliziumoberfläche ausbildenden Oxidschicht. Sobald das Al mit der dünnen SiO₂-Schicht reagiert, wird Al₂O₃ gebildet, und in einem guten ohmschen Kontakt ist das natürliche Oxid eventuell vollständig verbraucht. Danach diffundiert Al durch die resultierende Al₂O₃-Schicht und erreicht die Si-Oberfläche, wo durch sich ein enger Metall-Si-Kontakt bildet. Al muß durch die Al₂O₃-Schicht diffundieren, um das verbleibende SiO₂ zu erreichen. Wenn die Dicke der Al₂O₃-Schicht anwächst, braucht das Al länger für ihre Durchdringung. So wird die Al₂O₃-Schicht, wenn die natür liche Oxidschicht zu dick ist, eventuell auch zu dick für das Al, um durch sie hindurch diffundieren zu können. In diesem Fall wird nicht alles SiO₂ verbraucht, woraus ein schlechter ohmscher Kon takt resultiert. Die Durchdringungsrate von Al durch Al₂O₃ ist eine Funktion der Temperatur. Für annehmbare Sintertemperaturen und Sinterzeiten sollte die Dicke des Al₂O₃ im Bereich von 0,5 nm bis 1 nm liegen. Da die maximale Al₂O₃-Dicke in der Größenordnung der Dicke des verbrauchten natürlichen Oxids liegt, ist damit eine ungefähre obere Grenze für die zulässige Dicke der natürli chen Oxidschicht gesetzt. Je länger die Siliziumoberfläche einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird, desto dicker wird das natürliche Oxid sein. Deshalb werden Oberflächenreini gungsverfahren in den meisten Kontaktprozessen direkt vor der Bestückung der Depositionskammer mit den Wafern für die Metall deposition durchgeführt.

Die Verwendung eines Sinterschritts ist unvermeidlich. Aus dem Phasendiagramm des Aluminium-Silizium-Systems ist ersichtlich, daß Al bei einer Kontaktlegierungstemperatur zwischen 450°C und 500°C zwischen 0,5% und 1% Silizium absorbiert. Wenn also eine reine Al-Schicht auf 450°C erhitzt wird und eine Siliziumquelle vorhanden ist, nimmt Al Silizium in Lösung auf, bis eine Si-Kon zentration von 0,5 Gew.-% erreicht ist. Das Halbleitersubstrat dient als derartige Quelle und das Silizium tritt bei einer erhöhten Temperatur durch Diffusion ins Al ein. Ist ein großes Al-Volumen verfügbar, kann eine merkliche Si-Menge von unterhalb der Al-Si- Grenzschicht in die Al-Schicht hinein diffundieren. Gleichzeitig wandert das Al der Schicht schnell, um die durch das weggehende Si geschaffenen Hohlräume zu füllen. Ist die Durchdringung des Al tiefer als die Tiefe eines pn-Übergangs unterhalb des Kontakts, wird der Übergang hohe Verlustströme aufweisen oder sogar elek trisch kurzgeschlossen werden. Dies wird als Entstehen von Über gangsspitzen bezeichnet. Um das Problem der Entstehung von Über gangsspitzen an den Kontakten zu vermindern, wird während der Deposition Si zur Al-Schicht hinzugefügt. Aluminium-Silizium- Legierungen (1,0 Gewichtsprozent Si) sind bei der Herstellung von Kontakten und Verbindungsleitungen von integrierten Schaltkreisen weit verbreitet. Die Verwendung von Aluminium-Silizium-Legierun gen anstelle von reinem Al kann das Entstehen von Übergangsspit zen verhindern, es läßt jedoch gleichzeitig ein anderes Problem entstehen. Während des Abkühlungszyklus des thermischen Aushei zens nimmt die Löslichkeit von Silizium im festem Al mit abneh mender Temperatur ab. Das Al wird dadurch mit Si übersättigt, was Kristallisationskernbildung und Wachstum von Si-Ausscheidun gen aus der Al-Si-Lösung verursacht. Eine derartige Ausscheidung tritt sowohl an der Al-SiO₂-Grenzschicht als auch an der Al-Si- Grenzschicht in den Kontakten auf. Bilden sich diese Ausscheidun gen an der Kontakt-Grenzschicht zu n⁺-Si, ergibt sich daraus ein unerwünschter Anstieg des Kontaktwiderstands. Des weiteren wird eine große Flußdivergenz des Stromes an Stellen hervorgerufen, an denen sich derartige Ausscheidungen in der Größe von 1,5 µm gebildet haben. Dies kann zu einem frühen Versagen des Leiters durch eine elektromigrationsinduzierte Leitungsunterbrechung führen.

Fig. 3 veranschaulicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats nach der Metallisierung gebildete Si-Ausscheidungen. Deshalb sollten die obigen Si-Ausscheidungen entfernt werden. Diese Ausscheidungen wurden bisher durch Veraschen, Überätzen oder Naßätzen oder durch Verwendung einer Ätzflüssigkeit, die im Ätzschritt ein Radikal enthält, das die Ausscheidungen vom Sub strat entfernen kann, entfernt. Wenn die Metallschicht jedoch bei einer hohen Temperatur abgeschieden wird, können die Silizium- Ausscheidungen nicht leicht entfernt werden. Werden die Si-Aus scheidungen durch Überätzen entfernt, werden ihre Strukturen auf eine darunterliegende Schicht abgebildet und bleiben nach dem Überätzen zurück. So bleibt die Gestalt der Halbleitersubstrat oberfläche schlecht. Um die obigen Probleme zu überwinden, haben die Erfinder dieser Anmeldung viele Anstrengungen unternommen, um diese Erfindung zu machen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Bildung einer Metallschicht in einem Halbleiterbauelement, durch welches Kontaktöffnungen hohlraumfrei durch eine von einer weiteren Metalldeposition ungestörte Metallmigrationsbewegung aufgefüllt werden und eine zuverlässige metallische Verdrahtung mit planarer Oberfläche erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 wird die erste Metallschicht durch Abscheiden eines Metalls, wie Al oder einer Al-Legierung, in Vakuum bei geringer Temperatur gebildet. Neben reinem Al wird als Al-Legierung Al-0,5%Cu, Al-1%Si, Al-1%Si-0,5%Cu, etc. ver wendet. Bevorzugt wird die erste Metallschicht bei einer Tempera tur unter 150°C abgeschieden. Je niedriger die Temperatur ist, desto leichter wandern die Metallatome bei Wärmebehandlung in die Öffnung hinein. Die Dicke der ersten Metallschicht beträgt vor zugsweise ein Drittel bis zwei Drittel der beabsichtigten gesam ten Metallschichtdicke.

In Ausgestaltung dieses Verfahrens wird nach der Bildung der ersten Metallschicht im Vakuum die Metallschicht ohne Unterbre chung des Vakuums wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung wird durch Heizen des Halbleitersubstrats in einer inerten Atmosphäre von 10 mTorr oder weniger oder in einem Vakuum von 5·10^-7 Torr oder weniger bei einer Temperatur zwischen 0,8 Tm und 1 Tm, wobei Tm die Schmelztemperatur des Metalls ist, vorzugsweise zwischen 500°C und 550°C unter Verwendung einer Gasleitungsmethode oder einer RTA (Schnelles Thermisches Ausheizen)-Methode durchgeführt.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Wärmebehandlung in einer inerten Gas(Beispiele: N₂, Ar)-Atmosphäre oder einer reduzierenden Gas(Beispiel: H₂)-Atmosphäre durchgeführt. Wird die Metallschicht wärmebehandelt, wandern die Metallatome aufgrund einer Reduktion ihrer freien Oberflächenenergie in die Öffnung, so daß diese mit dem Metall aufgefüllt wird. Wenn die Metallatome in die Öffnung hineinwandern, nimmt die Oberfläche der Metall schicht ab. Deshalb verschwindet ein überhängender Teil der Metallschicht vom oberen Teil der Öffnung und die Einlaßfläche der Öffnung wird größer. So wird, wenn danach eine zweite Metall schicht abgeschieden wird, eine gute Stufenbedeckung durch die Metallschicht erhalten.

Wenn während der obigen Wärmebehandlung das Vakuum unterbrochen wird, bildet das Al eine Al₂O₃-Schicht, die verhindert, daß die Al-Atome bei der obigen Temperatur in die Öffnung hinein wandern.

Deshalb kann die Öffnung nicht vollständig mit dem Metall aufge füllt werden, was unerwünscht ist. Die obige Wärmebehandlung wird vorzugsweise 1 bis 5 Minuten lang durchgeführt, wenn die Gaslei tungsmethode mit Argon-Gas verwendet wird, und bei Benutzung des RTA-Geräts wird die Metallschicht einige Male 20 bis 30 Sekunden lang oder ungefähr 2 Minuten lang wärmebehandelt.

Danach wird eine zweite Metallschicht durch Deposition eines Metalls in der gleichen Weise wie die erste Metallschicht gebil det, außer daß die Metalldeposition bei einer Temperatur unter 350°C ausgeführt wird. Nach Bildung der zweiten Metallschicht wird diese in der gleichen Weise wie die erste Metallschicht wärmebe handelt.

Alle obigen Schritte werden bevorzugt in einer inerten Atmosphäre von 10 mTorr oder weniger oder in einem Vakuum von 5·10^-7 Torr oder weniger und ohne Unterbrechung des Vakuums ausgeführt, was eines der wichtigsten Merkmale dieser Erfindung ist.

In einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens wird nach der Bildung einer Öffnung auf dem Halbleitersubstrat auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterwafers einschließlich der Öffnung eine Diffusionsbarrierenschicht gebildet. Die Barrierenschicht besteht aus einem Übergangsmetall oder einer Übergangsmetall-Legierung wie Titan oder Titannitrid.

Wenn eine Verdrahtung aus einer Aluminium- oder einer Aluminium legierungs-Schicht durch ein Kontaktloch mit der Oberfläche eines dünnen, störstellendotierten Bereiches verbunden und eine Wärme behandlung ausgeführt wird, diffundiert Aluminium in den stör stellendotierten Bereich und durchdringt den pn-Übergang, was das Problem hervorruft, daß der pn-Übergang zerstört wird. Um eine Reaktion zwischen dem Aluminium und dem Halbleitersubstrat zu verhindern, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, das die Zwischen schaltung einer Barrierenschicht aus Titannitrid zwischen die Verdrahtung aus Al oder einer Al-Legierung und die Oberfläche des Halbleitersubstrats beinhaltet. Zum Beispiel ist die Bildung einer Titannitrid-Schicht durch ein reaktives Sputterverfahren in der Zeitschrift J. Vac. Sci. Technol., A4 (4), 1986, Seiten 1850- 1854 veröffentlicht. Auch gemäß der US-PS 4 897 709 ist auf der inneren Oberfläche eines extrem feinen Lochs mit einem großen Tiefen/Breiten-Verhältnis eine Titannitrid-Schicht mit einer gleichmäßigen Dicke und einer ausgezeichneten Barrierenfähigkeit vorgesehen, wobei nach einer Aluminiumabscheidung eine ausheilende, mehrstündige Erwärmung durchgeführt wird, die der Verringerung des Kontaktwiderstandes dient.

Außerdem schlugen Yoda Dakashi et al. ein Verfahren zur Herstel lung eines Halbleiterbauelements vor, das die Schritte Bildung von Doppelbarrierenschichten zur Verhinderung einer Reaktion zwischen der Verdrahtung und dem Halbleitersubstrat oder einer Isolationsschicht auf der inneren Oberfläche der Kontaktlöcher und anschließendem Füllen der Kontaktlöcher mit einem abgeschie denen Metall, wie einer A,l-Legierung, beinhaltet, wobei das Halbleitersubstrat während der Abscheidung durch Heizen auf einer gewünschten hohen Temperatur - vorzugsweise zwischen 500°C und 550°C - gehalten wird (siehe EP 0 387 835 A2 und koreanische Offenlegungsschrift 90-15277 entsprechend der am 14. März 1989 eingereichten japanischen Patentanmeldung 01-061557).

Nach dem obigen Verfahren kann die Diffusionsbarrierenschicht auf der inneren Oberfläche der Öffnung bei der vorliegenden Erfindung leicht gebildet werden. Die Barrierenschicht besteht vorzugsweise aus einer ersten Barrierenschicht, wie einer Ti-Metallschicht, und einer zweiten Barrierenschicht, wie einer Titannitrid- Schicht. Es ist bevorzugt, daß die Dicke der ersten Barrieren schicht 10 nm bis 30 nm und jene der zweiten Barrierenschicht 20 nm bis 150 nm ist.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der zweiten Metallschicht zur Verhinderung einer Reflexion im photolithographischen Schritt eine Antireflexschicht gebildet und dadurch die Zuverlässigkeit der Metallverdrahtung verbessert.

Die Öffnung ist bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als ein Kontaktloch mit einer Stufe am oberen Teil desselben ausge bildet.

Das in dem Verfahren verwendete Metall schließt zum Beispiel reines Al, Al-Cu und Al-Ti ein.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Metallschicht durch ein Verfahren gebildet, das die Schritte Bildung einer ersten Metallschicht durch Deposition eines ersten Metalls, Wärmebehandlung der Metallschicht und Bildung einer zweiten Metallschicht durch Deposition eines zweiten Metalls derart beeinhaltet, daß entweder das erste oder das zweite Metall reines Al oder eine Al-Legierung ohne Si-Komponente und das andere eine Alumi niumlegierung mit einer Si-Komponente ist. Das obige Metall wird vor zugsweise durch ein herkömmliches Sputterverfahren bei einer vorgegebenen Temperatur abgeschieden. Die Metallschicht kann auch durch wiederholtes Abscheiden eines Metalls ohne Si-Komponente und eines Metalls mit Si-Komponente gebildet werden. Diese Depo sition wird hierbei mindestens einmal ausgeführt. Wenn ein Metall ohne Si-Komponente, wie oben beschrieben, verwendet wird, ab sorbiert das Metall Si-Atome von dem Metall mit der Si-Komponen te, wenn die Temperatur erniedrigt wird. Dadurch kann die Bildung von Si-Ausscheidungen auf der Halbleitersubstratoberfläche ver mieden werden. Außerdem absorbiert das Metall ohne Si-Komponente die Si-Atome von dem Metall mit Si-Komponente leichter als vom Halbleitersubstrat. Deshalb kann auch die Entstehung von Al- Spitzen vermieden werden.

In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens wird nach der Bildung einer Öffnung eine Barrierenschicht auf der gesamten Oberfläche des resultierenden Halbleiterwafers gebildet, um eine Reaktion zwischen dem Metall und dem Halbleitersubstrat oder einer isolie renden Schicht zu verhindern. Die Barrierenschicht besteht aus einer Metallverbindung mit einem hohen Schmelzpunkt, wie TiN. Gemäß vorliegender Erfindung kann die Öffnung ein Kontaktloch mit einer Stufe am oberen Teil desselben und einem Tiefen/Breiten- Verhältnis von 1,0 oder mehr sein.

Die obige Metallschicht wird vorzugsweise in einer Vakuum-Sput terkammer bei einer Temperatur unter 150°C gebildet. Die Metall schicht wird bei einer Temperatur zwischen 0,8 Tm und 1 Tm wärme behandelt. Alle oben beschriebenen Schritte zur Bildung einer Metallverdrahtung werden vorzugsweise in Vakuum und ohne Vakuum unterbrechung ausgeführt.

Bevorzugte, im folgenden näher beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie zu deren besserem Verständnis dienende, anderweitige Ver fahren sind in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.

Fig. 1A bis 1D zeigen einen ersten Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Metallverdrahtung,

Fig. 2A, 2B und 2C ein Verfahren zur Bildung einer Metallschicht nach der deutschen Patentanmeldung P 40 28 776.9-33,

Fig. 3 auf der Oberfläche Halbleitersubstrats der Fig. 2C nach der Metallisierung gebildete Si-Ausscheidungen,

Fig. 4A bis 4D ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bildung einer Metallverdrahtung,

Fig. 5 eine SEM-Aufnahme einer nach einem erfin dungsgemäßen Verfahren erhaltenen, auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten und voll ständig mit einem Metall aufgefüllten Öffnung und

Fig. 6 eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene, reine Oberfläche des Halbleiter substrats.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1A bis 1D veranschaulichen einen ersten Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Metallver drahtung.

Fig 1A zeigt einen Schritt zur Bildung einer ersten Metall schicht. Eine 0,8 µm große Öffnung (23) mit einem abgestuften Teil wird auf den mit einer isolierenden Zwischenschicht (22) bedeckten Halbleitersubstrat (21) ausgebildet und das Substrat (21) danach gereinigt.

Dann wird eine aus einer Metallverbindung mit hohem Schmelzpunkt, wie TiN, bestehende Barrierenschicht (24) auf der gesamten Ober fläche des erhaltenen Halbleitersubstrats (21) abgeschieden. Die Dicke der gebildeten Barrierenschicht beträgt 20 nm bis 150 nm. Das Substrat (21) wird dann in eine Sputterreaktorkammer ge bracht, in der durch Deposition eines Metalls, z. B. von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ohne Si-Komponente, eine Metall schicht (25) bis zu einer Dicke von zwei Dritteln der gewünschten Metallschichtdicke (400 nm, wenn die gewünschte Metallschicht dicke 600 nm ist) bei einer Temperatur von ungefähr 150°C unter einem vorgegebenen Vakuumdruck gebildet wird. Die so erzeugte Metallschicht (25) weist kleine Aluminium-Körner und eine hohe freie Oberflächenenergie auf.

Fig. 1B illustriert einen Schritt, bei dem die Öffnung gefüllt wird. Der erhaltene Halbleiterwafer wird ohne Unterbrechung des Vakuums in eine andere Sputterreaktorkammer gebracht, in der die Metallschicht (25) 3 Minuten lang bei einer Temperatur von 550°C wärmebehandelt wird, wodurch die Aluminium-Körner wandern, so daß die Aluminium-Korngrenzen ihre freie Oberflächenenergie reduzie ren, um ihre Oberfläche zu minimieren, wodurch die Öffnung mit Metall gefüllt wird, wie in Fig. 1B gezeigt.

Fig. 1C veranschaulicht einen Schritt, bei dem eine zweite Me tallschicht (26) auf der Metallschicht 25 gebildet wird. Die zweite Metallschicht (26) wird durch Deposition des Restes der gesamten, erforderlichen Metallschichtdicke bei einer Temperatur unter 350°C gebildet, wodurch dieser Verfahrensteil, der noch keine Wärmebehandlung der zweiten Metallschicht beinhaltet, vervollständigt wird. Die zweite Metallschicht (26) wird durch Verwendung einer Aluminiumlegierung mit einer Si-Komponente wie Al-Si oder Al-Cu-Si gebildet.

Fig. 1D zeigt einen Schritt, bei dem eine nach Entfernung vor gegebener Teile der zweiten Metallschicht (26), der ersten Me tallschicht (25) und der Barrierenschicht (24) durch einen her kömmlichen Lithographieprozeß erhaltenes Metallverdrahtungsmuster gebildet wird.

Ausführungsbeispiel 2

Die Fig. 4A bis 4D illustrieren ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bildung einer Metallverdrahtung.

Fig. 4A veranschaulicht einen Schritt, bei dem eine erste Metall schicht (41) gebildet wird. Eine 0,8 µm große Öffnung (35) mit einer Stufe am oberen Teil wird auf einem mit einer aus SiO₂ bestehenden isolierenden Schicht (33) bedeckten Halbleitersub strat (31) gebildet und das Substrat (31) danach gereinigt. Dann wird zur Verhinderung einer Reaktion zwischen der Verdrahtung und dem Halbleitersubstrat (31) oder der isolierenden Schicht (33) eine erste, aus Ti bestehende Diffusionsbarrierenschicht (37) bis zu einer Dicke von 10 nm bis 50 nm auf der gesamten Oberfläche des erhaltenen Halbleiterwafers einschließlich der Öffnung (35) gebildet, und eine zweite, aus TiN bestehende Diffusionsbarrie renschicht (39) wird auf die erste Diffusionsbarrierenschicht (37) bis zu einer Dicke von 20 nm bis 150 nm aufgebracht. Als nächstes wird das so erhaltene Halbleitersubstrat eine halbe Stunde lang bei einer Temperatur von ungefähr 450°C in einer N₂-Atmosphäre wärmebehandelt. Dann wird eine erste Metallschicht (41) auf der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (39) unter Ver wendung einer der Legierungen Al-0,5%Cu, Al-1%Si oder Al-0,5%Cu- 1%Si bei einer Temperatur von 150°C oder weniger bis zu einer Dicke von 200 nm bis 400 nm nach einem Sputterverfahren oder einem physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren unter Vakuum abgeschieden.

Fig. 4B veranschaulicht einen Schritt, bei dem ein erster Wärme behandlungsprozeß der Metallschicht (41) durchgeführt wird. Die Metallschicht (41) wird bei einer Temperatur von 0,8 Tm bis 1 Tm für 1 bis 5 min in einer inerten Atmosphäre von 10^-2 Torr oder weniger oder in einem Vakuum von 5·10^-7 Torr oder weniger ohne Unterbrechung des Vakuums unter Verwendung eines Gasleitungsverfahrens wärmebehandelt.

Fig. 4C zeigt einen Schritt, bei dem eine zweite Metallschicht (43) bis zu einer Dicke von 200 nm bis 400 nm auf der gesamten Oberfläche der ersten Metallschicht (41) bei einer Temperatur unter 350°C ohne Unterbrechung des oben beschriebenen Vakuums gebildet wird.

Fig. 4D illustriert einen Schritt, bei dem ein zweiter Wärmebe handlungsprozeß der zweiten Metallschicht (43) durchgeführt wird, um eine planare Oberfläche der Metallschicht zu erhalten. Dieser Schritt wird in derselben Weise wie im ersten Wärmebehandlungs prozeß ohne Vakuumunterbrechung ausgeführt. Danach wird eine aus einer Übergangsmetallverbindung, wie TiN, bestehende Antireflex schicht (45) bis zu einer Dicke von 20 nm bis 50 nm auf der Oberfläche der zweiten Metallschicht (43) erzeugt. Dann kann nach einem herkömmlichen Lithographieprozeß ein nicht gezeigtes Me tallverdrahtungsmuster erhalten werden.

Gemäß der Erfindung wandern durch Migration die Metallatome der - durch Deposition eines Metalls mittels eines Sputterverfahrens auf dem mit einer Öffnung versehenen Halbleiterwafer gebildeten - Metallschicht in eine Öffnung hinein, wenn die Metallschicht thermisch behandelt wird. Wird die Metallschicht bei einer nied rigeren Temperatur abgeschieden, wandern die Metallatome bei Wärmebehandlung leichter in die Öffnung hinein. Außerdem wird nach der Wärmebehandlung der zuerst abgeschiedenen Metallschicht eine zweite Metallschicht bei einer niedrigen Temperatur aufge bracht und dann ebenfalls wärmebehandelt. Deshalb kann eine planare Metallschicht erhalten und so nachfolgende Lithographie schritte leicht ausgeführt werden. Erfindungsgemäß kann nach der Wärmebehandlung der zweiten abgeschiedenen Metallschicht eine vollständig mit Metall gefüllte Öffnung realisiert werden. Dies ist in Fig. 5 abgebildet.

Ferner werden gemäß der Erfindung ein Metall mit einer Si-Kom ponente und ein Metall ohne Si-Komponente zur Bildung einer Me tallschicht abgeschieden. Das Metall ohne Si-Komponente absor biert Si-Atome von dem Metall mit der Si-Komponente, wenn die Temperatur des Halbleitersubstrats erniedrigt wird. Deshalb werden auf der Halbleiteroberfläche nach der Bildung des Ver drahtungsmusters keine Si-Ausscheidungen gebildet und die Ent stehung von Al-Spitzen tritt überhaupt nicht auf.

Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, wird eine reine, d. h. ebene, Halbleitersubstratoberfläche bereitgestellt. Deshalb ist es möglich, eine zuverlässige Metallverdrahtung des Halbleitersub strats zu erhalten.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungs formen beschrieben wurde, ist der Fachmann fähig, verschiedene Modifikationen auszuführen, ohne Ziel und Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer metallischen Verdrahtungs schicht in einem Halbleiterbauelement mit der Schrittfolge:

a) Erzeugen einer Öffnung (35) in einer auf dem Halbleiter substrat (31) gebildeten isolierenden Zwischenschicht (33);
b) Aufbringen einer ersten Metallschicht (41) auf dem so erhaltenen Halbleitersubstrat bei einer relativ zum Schmelzpunkt niedrigen Temperatur, bei der die aufgebrachte Metallschicht eine hohe freie Oberflächenenergie aufweist, durch Sputtern oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren;
c) Wärmebehandeln der aufgebrachten ersten Metallschicht bei einer zum Auffüllen der Öffnung mit dem Metall aufgrund einer Migrationsbewegung des Metalls ausreichen den Temperatur, die größer als die erste Temperatur und kleiner als die Schmelztemperatur des Metalls ist; und
d) Aufbringen einer zweiten Metallschicht (43) auf die erste Metallschicht bei einer relativ zum Schmelzpunkt niedrigen Temperatur, bei der die aufgebrachte Metallschicht eine hohe freie Oberflächenenergie aufweist, durch Sputtern oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren;
gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
e) Wärmebehandeln der aufgebrachten zweiten Metallschicht bei einer zur Planarisierung von deren Oberfläche ausreichen den Temperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erzeugen der Öffnung und vor dem Aufbringen der ersten Metallschicht eine Barrierenschicht (37, 39) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierenschicht aus einer ersten Barrierenschicht (37) und einer zweiten Barrierenschicht (39) besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Barrierenschicht (37) aus Ti in einer Dicke von 10 nm bis 50 nm und die zweite Barrierenschicht (39) aus Titannitrid in einer Dicke von 20 nm bis 150 nm besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht (41) durch Abscheidung eines Metalls in Vakuum unter Verwendung eines Sputterprozesses gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht (41) bei einer Temperatur von 150°C oder weniger abgeschieden wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht (41) bei einer Temperatur zwischen 80% und 100% der Schmelztemperatur des Metalls wärmebehandelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht (41) ohne Vakuum unterbrechung wärmebehandelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht (41) eine Dicke von einem Drittel bis zu zwei Dritteln der vorgegebenen gesamten Metallschichtdicke aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (35) ein Kontaktloch mit einem abgestuften Teil ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (35) ein Tiefen/Breiten-Ver hältnis größer als 1 aufweist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß reines Al oder eine Aluminiumlegierung ohne Si-Komponente als Metall für die Bildung wenigstens einer der Metallschichten (41, 43) verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung eine Al-Cu-Legierung oder eine Al-Ti-Le gierung ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß entweder das erste oder das zweite Metall reines Al oder eine Al-Legierung ohne Si-Komponente und das andere Metall eine Al-Legierung mit einer Si-Komponente ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallschicht (43) durch Abscheidung eines Metalls bei einer Temperatur unter 350°C gebildet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallschicht (43) bei einer Temperatur zwischen 80% und 100% der Schmelztemperatur des Metalls wärmebehandelt wird, um die resultierende Oberfläche planar zu machen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schritte in Vakuum und ohne Vakuum unterbrechung oder in einer Atmosphäre von inertem oder redu zierendem Gas ausgeführt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schritte in einer inerten Atmosphäre von 10 mTorr oder weniger ausgeführt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antireflexschicht (45) auf die zweite Metallschicht (43) aufgebracht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Antireflexschicht (45) aus einer Übergangsmetallverbin dungsschicht besteht.