DE4028776A1 - Verfahren zur bildung einer metallschicht in einem halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer durch eine Kontaktöffnung hindurchgehenden Metallschicht in einem Halbleiterbauelement. Insbesondere betrifft das Metallisie­ rungsverfahren ein Verfahren zur Bildung einer Metallschicht in einem Halbleiterbauelement mit einer hohen Topographie.

Entsprechend dem schnellen Fortschritt in der Halbleiterferti­ gungstechnologie und der Ausweitung des Anwendungsbereiches eines Speicherbauelementes werden seit kurzem Speicherbau­ elemente mit hoher Kapazität entwickelt.

Derartige Speicherbauelemente mit hoher Kapazität wurden von einer Speicherzellenforschung entwickelt, die auf einer Mikro­ strukturierungstechnik beruht, welche sich von Generation zu Generation doppelt so schnell fortentwickelt.

Insbesondere ist ein Metallisierungsprozeß für das Halbleiter­ bauelement einer der wichtigen Prozeßschritte in der Mikro­ strukturierungstechnik des Halbleiterbauelements.

Der Metallisierungsprozeß kann zur Bildung einer steuerelektro­ denverbindenden Wortleitung und zur Bildung von Verbindungen benutzt werden, welche Source- oder Drain-Diffusionsbereiche mit anderen Elementen des Speicherbauelements verbinden.

Üblicherweise wird die Metallschicht zwischen den Elementen hauptsächlich, wie in Fig. 1 zu sehen, mittels eines physikalischen Abscheidungsverfahrens unter Benutzung eines Sputterprozesses gebildet.

Ein Stufenbereich (1) mit einer festgelegten Struktur ist, wie in Fig. 1 dargestellt, auf einem Halbleitersubstrat (10) gebil­ det, wonach eine Kontaktöffnung (2) zur Metallisierung in dem Stufenbereich (1) gebildet wird. Danach wird eine Metallschicht (3) mittels eines Sputterprozesses erzeugt. Diese Metallschicht (3) ist jedoch in ihrer Anwendbarkeit aufgrund von Unter­ brechungen der Metallschicht oder einer Verschlechterung der Stufenbedeckungscharakteristik an den inneren Wänden der Kontaktöffnung beschränkt.

Genauer gesagt ist es aufgrund der Tendenz hin zu einem hohen Integrationsgrad des Halbleiterbauelements schwierig, die geo­ metrischen Abmessungen für die Kontaktöffnung in vertikaler Richtung im selben Verhältnis zu reduzieren wie in horizontaler Richtung, was in einem Anwachsen des Tiefe/Breite-Verhältnisses resultiert. Wegen des Abschattungseffektes ist es daher schwie­ rig, eine ausreichende Stufenbedeckungscharakteristik für die Kontaktöffnung mit großem Tiefe/Breite-Verhältnis zu erreichen, woraus sich eine Unterbrechung der Metallschicht ergibt, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist.

Zur Lösung des obigen Problems wurde auf verschiedene Arten versucht, die Kontaktöffnung aufzufüllen. Beispielsweise gibt es eine selektive Wolfram-Auffülltechnik, mit der die Kontakt­ öffnung mit Wolfram aufgefüllt und eingeebnet wird, bevor die Metallschicht abgeschieden wird; es gibt auch eine Auffüll­ technik für die Kontaktöffnung, die polykristallines Silizium benutzt und eine ausgezeichnete Stufenbedeckungscharakteristik ergibt.

Im Fall der selektiven Wolfram-Auffülltechnik treten jedoch Probleme dahingehend auf, daß aufgrund einer Grenzschicht­ reaktion des Wolframs mit dem Siliziumsubstrat der Leckstrom vergrößert wird und dessen Haftfähigkeit ungenügend ist.

Des weiteren ist es im Fall des Auffüllens der Kontaktöffnung mit polykristallinem Silizium schwierig, den Kontaktwiderstand innerhalb der Kontaktöffnung auf einem konstanten Wert zu hal­ ten, weil das polykristalline Silizium durch Ionenimplantation in einen Leiter verändert werden muß. Außerdem ist die Steue­ rung der Rate der implantierten Ionen schwierig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbesser­ tes Verfahren zur Bildung einer Metallschicht in einem Halb­ leiterbauelement zu schaffen, welches metallabscheidende Schritte beinhaltet.

Die Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer durch ein übliches Sputterverfahren hergestellten Metallschicht und

Fig. 2A bis 2C zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bildung der Metallschicht.

Bei einem in Fig. 2A gezeigten Verfahrensschritt zur Bildung einer ersten Metallschicht wird auf das Halbleitersubstrat (10), auf dem ein Stufenbereich ausgeformt ist, die Struktur der Kontaktöffnung (2) mit einer Breite von 0,8 µm erzeugt und das Substrat (10), auf dem die Struktur gebildet ist, ge­ reinigt.

Nach Durchführung des obigen Verfahrensschrittes wird das Substrat (10) in einen Sputterreaktor gesetzt, in dem die erste Metallschicht (4) durch Abscheiden des Metalls gebildet wird, zum Beispiel Aluminium (Al) in einer Dicke von 50 nm bis 300 nm bei einer Temperatur von 200°C oder weniger unter einem vor­ bestimmten Vakuumdruck. In diesem Schritt kann anstatt reinem Aluminium auch eine durch Zumischung von 1% Silizium und 0,5% Kupfer gebildete Aluminiumlegierung verwendet werden.

Fig. 2B stellt einen Auffüllprozeß für die Kontaktöffnung dar. Nachdem das im vorhergehenden Verfahrensschritt erhaltene Substrat ohne Unterbrechung des Vakuums in einen anderen Sputterreaktor gebracht wurde, wird für zwei Minuten oder mehr eine Erwärmung bei einer Temperatur von 550°C durchgeführt, um so das abgeschiedene Metall zu schmelzen und die Kontaktöff­ nung, wie in Fig. 2B gezeigt, aufzufüllen. Hierbei ist ein möglichst geringer Druck im Reaktor erwünscht, um die durch die Beweglichkeit des Aluminiums an der Oberfläche überbrückbare Distanz zu erhöhen. Das Bezugszeichen 4a in Fig. 2B bezeichnet das in die Kontaktöffnung eingefüllte Metall.

Entsprechend der Art des Aluminiums beträgt die Erwärmungs­ temperatur bei dem in Fig. 2B gezeigten Verfahrensschritt not­ wendigerweise 80% oder mehr des Schmelzpunkts des Aluminiums.

Ein Verfahrensschritt zur Bildung einer zweiten Metallschicht (5) ist in Fig. 2C gezeigt, wobei die zweite Metallschicht (5) durch Aufbringen des Restes der erforderlichen Gesamtdicke der Metallschicht bei einer Temperatur erzeugt wird, die in Anbe­ tracht der Funktionstüchtigkeit der Metallschicht festgelegt ist, wodurch die Bildung der Metallschicht vervollständigt wird.

Wenn beispielsweise die erforderliche Gesamtdicke der Metall­ schicht 600 nm und die Dicke der ersten Metallschicht, die auf dem Stufenbereich verbleibt, x nm beträgt, so wird die zweite Metallschicht durch Abscheiden von Aluminium in einer Dicke von (600-x) Nanometern gebildet.

Hierbei ist es wünschenswert, den Wert x in Anbetracht der Funktionstüchtigkeit der Metallisierung zu minimieren. Und die in Anbetracht der Funktionstüchtigkeit festgelegte Temperatur bedeutet dabei eine von der Art der zweiten Metallschicht abhängige, zur Sicherstellung einer Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht geeignete Temperatur.

Wie oben ausgeführt, wird die Kontaktöffnung erfindungsgemäß in einfacher Weise und vollständig aufgefüllt, indem zuerst ein Metall mittels Benutzung einer für das konventionelle physi­ kalische Abscheidungsverfahren verwendeten Sputteranlage abgeschieden wird und danach das abgeschiedene Metall erwärmt wird, so daß es möglich ist, die Kontaktöffnung selbst dann vollständig aufzufüllen, wenn sie ein hohes Tiefe/Breite- Verhältnis aufweist.

Wenn die Dicke der erforderlichen Metallschicht groß ist, ist es weiterhin möglich, die Dicke durch das nachfolgende Ab­ scheiden der Metallschicht nach Auffüllen der Kontaktöffnung zu steuern.

Es sei angemerkt, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Bil­ dung der Metallschicht für alle Halbleiterbauelemente zur Ver­ bindung der Metallschicht durch die Kontaktöffnung anwendbar ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bildung einer durch eine Kontaktöffnung hindurch gehenden Metallschicht in einem Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch:
einen ersten Verfahrensschritt zur Abscheidung eines Metalls (4) bei einer wählbaren Temperatur nach Erzeugung der Struktur für die Kontaktöffnung (2) auf dem Halbleitersubstrat (10), auf dem ein Stufenbereich (1) gebildet ist, und
einen zweiten Verfahrensschritt zum Erweichen des abgeschie­ denen Metalls (4) und zum Auffüllen der Kontaktöffnung (2) mit diesem Metall (4a).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Verfahrensschritt zur Abscheidung eines Metalls (5) nach Durchführung des zweiten Verfahrensschritts.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallabscheidung im ersten Verfahrensschritt durch einen Sputterprozeß erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wählbare Temperatur im ersten Ver­ fahrensschritt 200°C oder weniger beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des zweiten Verfahrens­ schrittes das im ersten Verfahrensschritt erhaltene Substrat ohne Vakuumunterbrechung in einen anderen Sputterreaktor ge­ bracht wird und danach für eine festgelegte Zeitdauer eine Erwärmung auf eine von der Art des im ersten Verfahrensschritt verwendeten Metalls (4) abhängige Temperatur von 80% oder mehr des Schmelzpunktes des Metalls (4) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Verfahrensschritt verwendete Metall (4) Aluminum oder eine Aluminiumlegierung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Verfahrensschritt verwendete Metall (4) eine durch Mischen von 1% Silizium und 0,5% Kupfer mit Aluminium gebildete Aluminiumlegierung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dicke des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung zwischen 50 nm und 300 nm liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des zweiten Verfahrens­ schrittes das im ersten Verfahrensschritt erhaltene Substrat ohne Vakuumunterbrechung in einen anderen Sputterreaktor ge­ bracht wird und daraufhin eine Erwärmung des Substrats für zwei Minuten oder länger auf 550°C erfolgt.