DE3782904T2

DE3782904T2 - Verfahren zur ausbildung einer kupfer enthaltenden metallisierungsschicht auf der oberflaeche eines halbleiterbauelementes.

Info

Publication number: DE3782904T2
Application number: DE8787308051T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Hoshino
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-09-17
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2007-09-12
Also published as: DE3782904D1; EP0261846A1; KR880004552A; US4910169A; KR910002455B1; EP0261846B1; JPH0587173B2; JPS63301548A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, und im besonderen auf Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen unter Verwendung von Kupfer oder einer Kupferlegierung als Verdrahtung oder Metallisierungsmaterial.
Wie bekannt ist, verringert sich bei einem Metallisierungsmuster einer hochintegrierten Schaltung (LSI) die Breite in dem Maße, wie sich seine Integrationsdichte erhöht. Obwohl eine Aluminium- (Al) Metallisierung breite Verwendung für Halbleiterchips findet, ist dessen Breite für die Metallisierung auf den Bereich von 0,5 bis 0,6 um begrenzt. Das ist so, weil die Elektromigration in dem Maße zunimmt, wie das Aluminiummetallisierungsmuster enger wird. Aus diesen Gründen wird die Anwendung eines metallischen Materials mit einem hohen Schmelzpunkt wie Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) anstelle von Al in Betracht gezogen. Jedoch ist der spezifische Widerstand von Mo oder W etwa doppelt so groß wie der spezifische Widerstand von Al im Block und in einem dünnen Film höher. Deshalb wird gegenwärtig ein Metallisierungsmaterial mit hohem Elektromigrationswiderstand und niedrigem spezifischen Widerstand untersucht.
Zur Zeit wird Kupfer (Cu) für die Metallisierung von LSIs auf Grund seines besseren Elektromigrationswiderstandes und des geringeren spezifischen Widerstandes als Al untersucht. Eine herkömmliche Halbleiteranordnung mit Kupfermetallisierung wird so gestaltet, daß ein Kupfermetallisierungsfilm direkt auf einem Isolierfilm, wie Siliziumdioxid (SiO&sub2;), abgeschieden wird, welcher auf einem Silizium- (Si) Substrat und über in dem Isolierfilm gebildeten Kontaktlöchern abgeschieden wird, so daß er sich auf in dem Si-Substrat gebildeten Diffusionsschichten befindet. Natürlich wird der Kupferfilm entsprechend dem Verdrahtungsmuster gemustert.
Die so konfigurierte Halbleiteranordnung wird im allgemeinen bei einer hohen Temperatur in der Größenordnung von 400 ºC oder darüber ausgeheilt, damit Cu-Körner wachsen und um dadurch den Elektromigrationswiderstand zu verbessern. Danach wird ein Isolierfilm auf dem Cu- Metallisierungsfilm sowie dem Isolierfilm abgeschieden. Die Abscheidung des Isolierfilms wird konventionell durch chemische Dampfabscheidung (CVD) bei einer Temperatur von etwa 420 ºC durchgeführt. Der Isolierfilm auf dem Kupfermetallisierungsfilm kann zum Beispiel aus Phosphorsilikatglas (PSG), Siliziumnitrit (Si&sub3;O&sub4;) oder SiO&sub2; bestehen. Der Isolierfilm fungiert als Passivierungsfilm oder als Schicht-zu-Schicht-Isolierfilm bei mehrstufigen Verbindungen.
Jedoch hat das konventionelle Verfahren zum Herstellen der Halbleiteranordnung mit der oben erwähnten Cu-Metallisierung Nachteile. Das heißt, die Oxydationstemperatur von Cu liegt zwischen 200 und 250 ºC, wogegen die Wärmebehandlungstemperatur bei der CVD bei 400 ºC oder darüber liegt. Deshalb oxydiert Cu in dem Metallisierungsfilm leicht auf Grund des Sauerstoffs, der in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist, wenn der Isolierfilm durch den CVD-Prozeß abgeschieden wird. Die Oxydation von Cu beschädigt die Oberfläche des Metallisierungsfilms, der sich in Kontakt mit dem Isolierfilm befindet, und deshalb verschlechtert sich der Cu-Metallisierungsfilm besonders hinsichtlich des Widerstandes.
Ein Bericht von R. J. Nika et al. mit dem Titel "Oxidation Kinetics of Cu Thin Films in Air at 100 to 300 ºC" zur 29. Konferenz über elektronische Bauelemente vom 14. bis 16. Mai 1979 in New York, USA, beschreibt das Wachstum des Oxids auf dünnen Ti-Cu-Filmen. Es wird vorgeschlagen, solche Filme als externe Leitungen und Leitungsfilme von filmintegrierten Schaltungen (FICs) zu verwenden.
IBM T.D.B., Band 25, Nr. 3B, August 1982, enthält einen Artikel von C. Y. Ting et al. mit dem Titel "Using Al&sub2;O&sub3; for VLSI Multilevel Interconnections", der die Anwendung von plasmaverstärkter CVD oder physikalischer Zerstäubungsabscheidung vorschlägt, um eine dünne Schicht von Al&sub2;O&sub3; auf einem Siliziumsubstrat abzuscheiden. Diese Schicht wird benutzt, um eine Metallschicht der ersten Stufe aus Al-Cu oder W abzudecken.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung vorgesehen mit den Schritten des Bildens eines Kupfermetallisierungsfilms auf einer Oberfläche eines Substrats und des Abscheidens eines Isolierfilms auf der den genannten Metallisierungsfilm enthaltenden genannten Oberfläche, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jener genannte Schritt des Abscheidens des genannten Isolierfilms bei einer Temperatur von 200 ºC oder niedriger durchgeführt wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung vorsehen, bei dem die Oxydation eines Kupfermetallisierungsfilms effektiv verhindert wird und sein Metallisierungswiderstand selbst nach der Abscheidung einer Isolierschicht gering gehalten werden kann.
An Hand eines Beispiels wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:-
Fig. 1A bis 1D jeweils Querschnittsansichten zur Erklärung eines Beispiels eines Verfahrens der Herstellung einer Halbleiteranordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung sind; und
Fig. 2 ein Diagramm zur Erklärung der durch die vorliegende Erfindung vorgesehenen Effekte ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1A bis 1D wird eine Beschreibung einer Ausführungsform eines Verfahrens der Herstellung einer Halbleiteranordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung gegeben. Wie aus einer nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, zeigen Fig. 1A und 1B Schritte bezüglich eines Cu-Metallisierungsfilms der ersten Stufe, Fig. 1C und 1D zeigen Herstellungsschritte bezüglich eines Cu-Metallisierungsfilms der zweiten Stufe.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1A wird ein Isolierfilm 12 auf der oberen Oberfläche eines Siliziumsubstrats 10 abgeschieden, in dem eine n&spplus;-leitende Diffusionsschicht 10a gebildet ist. Der Isolierfilm 12 kann Siliziumdioxid (SiO&sub2;), Phosphorsilikatglas (PSG) oder Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) sein. Die Breite des Isolierfilms 12 beträgt zum Beispiel 400 nm (4000 Å). Dann wird eine metallische Schicht 14 oben auf der n&spplus;-leitenden Diffusionsschicht 10a abgeschieden. Die metallische Schicht 14 kann aus Ti, Al oder Platin (Pt) sein. Die Abscheidung der metallischen Schicht 14 kann durch ein Gleichstrom-Magnetron-Zerstäubungsverfahren durchgeführt werden. Wenn zum Beispiel Ti verwendet wird, wird ein Ti- Target in Argon- (Ar) Gas bei einem Druck von 5 mTorr mit einer Gleichstromleistung von 2 kW zerstäubt. Die Filmdicke der metallischen Schicht 14 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 nm (100 Å bis 1000 Å). Die metallische Schicht 14 ist vorgesehen, um einen ohmschen Kontakt zum Si- Substrat 10 zu bilden. Denn wenn zum Beispiel Ti verwendet wird, bildet das durch die Anwendung von Wärme erzeugte Titansilizid (TiSi&sub2;) einen Kontakt mit niedrigem Widerstand.
Als nächstes wird auf der metallischen Schicht 14 eine Barrierenschicht 16 abgeschieden. Die Barrierenschicht 16 hat das gleiche Muster wie eine Cu-Metallisierungsschicht 18, die später detailliert beschrieben wird. Mit anderen Worten, die Barrierenschicht 16 liegt unter der Cu-Metallisierungsschicht 18. Die Barrierenschicht 16 verhindert die Reaktion und Interdiffusion zwischen dem Cu-Metallisierungsfilm 18 und dem Si-Substrat 10 und auch zwischen dem ersteren und dem Isolierfilm 12. Im einzelnen hindert die Barrierenschicht 16 nicht nur Cu-Atome am Einwandern in das Si-Substrat 10 und den Isolierfilm 12, sondern auch die Si-Atome am Wandern zum Cu-Metallisierungsfilm 18. Die Barrierenschicht 16 kann aus Titannitrid (TiN), Wolfram (W), Wolframnitrid (WN), Zirkonnitrid (ZrN), Titankarbid (TiC), Wolframkarbid (WC), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN) oder Titanwolfram (TiW) bestehen. Die Filmdicke der Barrierenschicht 16 liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 300 nm (500 Å bis 3000 Å). Die Barrierenschicht 16 kann mittels eines reaktiven Magnetron- Zerstäubungsverfahrens abgeschieden werden. Zum Beispiel wird ein Target von Ti in Ar+N&sub2;-Gas bei einem Druck von 5 mTorr mit der Gleichstromleistung von 4 kW zerstäubt.
Danach wird der Cu-Metallisierungsfilm 18 auf der Barrierenschicht 16 abgeschieden. Der Cu-Metallisierungsfilm 18 kann mittels des Gleichstrom-Magnetron- Zerstäubungsverfahrens abgeschieden werden. Zum Beispiel wird ein Cu-Target in Ar-Gas bei einem Druck von 5 mTorr mit einer Gleichstromleistung von 2 kW zerstäubt. Die Filmdicke von Cu liegt vorzugsweise im Bereich von 300 nm (3000 Å) bis 2 um. Es ist auch möglich, anstelle von Cu eine Cu-Legierung wie Cu-Ti oder Cu-Zr als das den Metallisierungsfilm bildende Material zu verwenden, welches auf der Diffusionsbarrierenschicht 16 abzuscheiden ist.
Die metallische Schicht 14, die Barrierenschicht 16 und der Cu-Metallisierungsfilm 18 werden in Übereinstimmung mit einem Verdrahtungsmuster gemustert. Das Mustern dieser Schichten kann durch die folgenden Schritte erfolgen. Zuerst wird eine Maskierschicht zum Beispiel aus PSG oder TiN oben auf dem Cu-Metallisierungsfilm 18 durch das reaktive Magnetron-Zerstäubungsverfahren abgeschieden. Zweitens wird oben auf der Maskierschicht ein Resist gemustert. Dann wird die Maske durch ein reaktives Ionenätzverfahren weggeätzt. Anschließend wird die Resistveraschung ausgeführt. Als nächstes wird der Cu-Metallisierungsfilm 18 weggeätzt und somit durch ein Ionenmahlverfahren gemustert. Zum Schluß werden die untenliegende metallische Schicht 14 und die Barrierenschicht 16 zusammen mit der Maske durch das reaktive Ionenätzverfahren weggeätzt.
Die so hergestellte Struktur ist in Fig. 1A dargestellt.
Der nächste Schritt ist in Fig. 1B dargestellt. Ein Schicht-zu-Schicht-Isolierfilm 20 wird über der oberen Oberfläche der in Fig. 1A dargestellten Struktur, die die Cu-Metallisierungsschicht 18 enthält, abgeschieden. Bei dieser Abscheidung ist es wichtig, daß der Schicht-zu- Schicht-Isolierfilm 20 bei einer Temperatur niedriger als 200 ºC wächst. Dieser Prozeß kann durch Hochfrequenz- (HF)- Zerstäubung, plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PCVD) oder Elektron-Zyklotronresonanz- (ECR)-PCVD durchgeführt werden. Wenn die HF-Zerstäubung oder PCVD angewendet wird, kann SiO&sub2;, PSG oder Si&sub3;N&sub4; als Material der Schicht-zu-Schicht-Isolierschicht 20 verwendet werden, wogegen bei Anwendung der ECR-PCVD SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; verwendet werden kann. Es werden jeweils die Tabellen I, II und III dargestellt, die Beispiele von jedem obengenannten Abscheidungsverfahren angeben. TABELLE I (HF-ZERSTÄUBUNG) Material Gas ; Temp. Leistung; Druck TABELLE II (PCVD) Material Gas ; Temp. Leistung; Frequenz; Druck 200 ºC Wachstum TABELLE III (ECR-PCVD) Material Gas & Temp. Leistung; Frequenz; Druck 150 ºC Wachstum
Aus den obigen Tabellen geht hervor, daß die Temperatur während des Abscheidungsprozesses unter 200 ºC gehalten wird, was eine Grenze ist, bei der Cu oxydiert ist. Deshalb ist es möglich, eine Erhöhung des Widerstandes des Cu- Metallisierungsfilms 18 zu verhindern.
Wenn eine mehrstufige Verbindung konfiguriert wird, wird ein Durchgangsloch 20a in dem Schicht-zu-Schicht- Isolierfilm 20 gebildet. Dann wird Cu über dem Schicht-zu- Schicht-Isolierfilm 20 metallisiert, so daß ein Cu- Metallisierungsfilm 22 gebildet wird. Diese Abscheidung kann durch ein Gleichstrom-Magnetronzerstäubungsverfahren durchgeführt werden. Die Dicke des Cu-Metallisierungsfilms 22 liegt vorzugsweise im Bereich von 300 nm (3000 Å) bis 2um. Danach wird der Cu-Metallisierungsfilm durch die reaktive Ionenätzung gemustert. Dann wird ein Isolierfilm 24 mittels eines der bezüglich der Abscheidung des Isolierfilms 20 beschriebenen Verfahren abgeschieden. Zum Schluß wird ein Isolierabdeckfilm 26 auf dem Isolierfilm 22 abgeschieden. Bei dieser Abscheidung kann selbst die CVD angewendet werden, weil der Cu-Metallisierungsfilm 22 der zweiten Stufe von dem Isolierfilm 24 total bedeckt ist. Die Kombination der Materialien der Isolierfilme 20, 24 und 26 ist willkürlich. Zum Beispiel ist es möglich, die Isolierfilme 20, 24 und 26 mit SiO&sub2;, PSG, bzw. PSG und Si&sub3;N&sub4; zu bilden.
Fig. 2 stellt die experimentellen Ergebnisse der Messung des spezifischen Widerstandes (uΩm) von vier Typen von Halbleiteranordnungen dar. Ein erster Typ einer Halbleiteranordnung hat eine Struktur ohne Isolierfilm auf dem Cu-Metallisierungsfilm, wie in Fig. 1A dargestellt. Ein zweiter Typ hat eine Struktur, bei der CVD-PSG auf dem Cu- Metallisierungsfilm abgeschieden ist. Ein dritter Typ hat eine Struktur, bei der CVD-Si&sub3;N&sub4; auf dem Cu-Film abgeschieden ist. Ein vierter Typ hat eine Struktur, bei der ein HF-Zerstäubungs-PSG auf dem Cu-Metallisierungsfilm abgeschieden ist. Der spezifische Widerstand wurde bei jedem Muster vor dem Ausheilen und nach dem Ausheilen bei 450 ºC für 30 Minuten registriert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen deutlich, daß die HF-Zerstäubung, die eines der Abscheidungsverfahren für den Isolierfilm ist, äußerst effektiv ist, um eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes des Cu-Metallisierungsfilms zu verhindern, selbst wenn das Ausheilen bei 450 ºC durchgeführt wird. Andererseits verursacht das konventionelle CVD-Verfahren schon eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes sogar vor dem Ausheilen. Deshalb ist eine weitere Erhöhung des spezifischen Widerstandes auf Grund des Ausheilens sehr wahrscheinlich. Aus diesem Grund wurde bei diesem Experiment die Messung des spezifischen Widerstandes bezüglich CVD-PSG und CVD-Si&sub3;N&sub4; nicht durchgeführt.

Claims

1. Ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit den Schritten des Bildens eines Kupfermetallisierungsfilms (18) auf einer Oberfläche eines Substrats (10, 12, 14, 16) und des Abscheidens eines Isolierfilms (20) auf der den genannten Metallisierungsfilm enthaltenden genannten Oberfläche, wodurch der genannte Schritt des Abscheidens des genannten Isolierfilms (20) bei einer Temperatur von 200 ºC oder tiefer durchgeführt wird.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1 mit dem Schritt des Ausheilens der genannten Halbleiteranordnung, die den genannten abgeschiedenen Isolierfilm auf dem genannten Substrat hat.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der genannte Isolierfilm (20) durch Hochfrequenzzerstäubung abgeschieden wird.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der genannte Isolierfilm aus einem von der Gruppe bestehend aus Siliziumdioxid, Phosphorsilikatglas und Siliziumnitrid ausgewähltem Material besteht.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der genannte Isolierfilm (20) durch Elektron-Zyklotronresonanzplasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der genannte Isolierfilm aus einem von der Gruppe bestehend aus Siliziumnitrid und Siliziumdioxid ausgewähltem Material besteht.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der genannte Isolierfilm (20) durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der genannte Isolierfilm aus einem von der Gruppe bestehend aus Siliziumdioxid, Phosphorsilikatglas und Siliziumnitrid ausgewähltem Material besteht.