DE4028776C2 - Verfahren zur Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht und Füllen einer Kontaktöffnung in einem Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht auf einer wenigstens eine Kontaktöffnung aufweisenden und auf einem Halbleitersubstrat gebildeten Isolationsschicht, bei dem die Kontaktöffnung gefüllt wird. Insbesondere ist das Verfahren für Fälle geeignet, in denen die Kontaktöffnung ein hohes Tiefe/Breite-Verhältnis aufweist.

Entsprechend dem schnellen Fortschritt in der Halbleiterfertigungstechnologie und der Ausweitung des Anwendungsbereiches von Speicherbauelementen werden seit kurzem Speicherbauelemente mit hoher Kapazität entwickelt.

Derartige Speicherbauelemente mit hoher Kapazität wurden von einer Speicherzellenforschung entwickelt, die auf einer Mikrostrukturierungstechnik 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 der Fig. 2 zu entnehmen, mittels eines physikalischen Abscheidungsverfahrens unter Benutzung eines Sputterprozesses gebildet.

Ein Stufenbereich (1) mit einer festgelegten Struktur ist, wie in Fig. 2 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. 2 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.

Aus der JP 62-211915 A ist es bekannt, an Stufenbereichen einer leitfähigen Schicht entstandene Überhänge oder Haarrisse durch Elektronenstrahlaufheizung zu beseitigen, wodurch die metallische Verdrahtungsschicht in den Stufenbereichen abgeschrägt und geglättet wird.

In der JP 1-246831 A ist ein Verfahren angegeben, bei dem ein Kontaktloch mit Aluminium einer Verdrahtungsschicht dadurch aufgefüllt wird, daß auf einer dünnen WSi-Schicht eine Aluminiumschicht durch einen Sputterprozeß aufgebracht wird. Die Aluminiumschicht wird anschließend einer Erhitzung mittels eines Laserstrahls unterworfen, um die Schicht zu schmelzen und dadurch eine Rekristallisierung herbeizuführen, wobei das Kontaktloch gefüllt und die Schichtoberfläche geebnet wird. Eine weitere lokale Aufheiztechnik mittels eines Laserstrahls ist in der US 4 920 070 offenbart. In einer dort offenbarten Verfahrensvariante wird die durch Sputtern aufgebrachte Metallschicht gleichzeitig mit der lokalen, das Metall zum Schmelzen bringenden Lasererhitzung und durch Aufsetzen des Substrats auf einen Heizblock einer ganzflächigen Erwärmung auf 350°C bis 400°C unterworfen, um eine unerwünscht schnelle Abkühlung des laserstrahlgeschmolzenen Metalls zu verhindern.

Eine weitere Technik zur Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht, bei der Kontaktöffnungen mit Breiten im Mikrometerbereich aufgefüllt werden, ist aus der JP 59-61146 A bekannt. Dort wird in einem ersten Schritt zunächst eine dünne Molybdänschicht aufgedampft. Darauf wird eine Aluminium-Zink-Legierung mittels Sputterverdampfung am Schmelz- und Seperationspunkt der Legierung abgeschieden. In einem dritten Schritt wird die Legierung geschmolzen und separiert, um die Kontaktöffnungen zu füllen und zu ebnen und zusammen mit der Molybdänschicht die metallische Verdrahtungsschicht zu bilden. Die hochschmelzende Molybdänschicht ist hierbei als Schutzschicht zwischen der darüberliegenden Aluminiumlegierungsschicht und der darunterliegenden Siliziumschicht vorgesehen, um eine Reaktion von Aluminium und Silizium während des Aufschmelzens der Aluminiumlegierungsschicht zu verhindern.

Bei einer aus der JP 58-74037 A bekannten Methode zum Auffüllen der Kontaktöffnung und Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht wird zunächst eine Aluminiumschicht aufgedampft und mit einem Fotolack bedeckt. In einem anschließenden Ätzschritt werden der Fotolack und die darunterliegende Aluminiumschicht im Bereich außerhalb der Kontaktöffnung abgeätzt. Der über der Kontaktöffnung, die fast vollständig mit Aluminium gefüllt ist, liegende Fotolack wird entfernt und erneut eine Aluminiumschicht aufgedampft, die sich mit dem Aluminium in der Kontaktöffnung leitend verbindet und mit diesem zusammen die metallische Verdrahtungsschicht bildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren zur Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht mit im wesentlichen planer Oberfläche auf einem Halbleiterbauelement mit geringem Aufwand zu schaffen, welches metallabscheidende Schritte beinhaltet und auch zur zuverlässigen Füllung hoher, enger Kontaktöffnungen geeignet ist.

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

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

Fig. 1A bis 1C zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bildung der metallischen Verdrahtungsschicht, und

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer durch ein übliches Sputterverfahren hergestellten Metallschicht.

Bei einem in Fig. 1A 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, gereinigt.

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 reinen Aluminiums auch eine durch Zumischung von 1% Silizium und 0,5% Kupfer gebildete Aluminiumlegierung verwendet werden.

Fig. 1B 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 erweichen und die Kontaktöff­ nung, wie in Fig. 1B 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. 1B bezeichnet das in die Kontaktöffnung eingefüllte Metall.

Entsprechend der Art des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung beträgt die Erwärmungs­ temperatur bei dem in Fig. 1B gezeigten Verfahrensschritt 80% oder mehr, aber weniger als 100% des Schmelzpunkts des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung.

Ein Verfahrensschritt zur Bildung einer zweiten Metallschicht (5) ist in Fig. 1C 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 auf wenigstens 80%, aber weniger als 100% seines Schmelzpunktes 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 einer zweiten 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 metallischen Verdrahtungsschicht auf einer wenigstens eine Kontaktöffnung (2) aufweisenden und auf einem Halbleitersubstrat (10) gebildeten Isolationsschicht (1), bei dem die wenigstens eine Kontaktöffnung (2) gefüllt wird, mit:
einem ersten Schritt zur Abscheidung einer ersten Metallschicht (4) auf der Oberfläche der Isolationsschicht und den Innenwänden der Kontaktöffnung in einer Vakuumkammer bei einer niedrigeren Temperatur und
einem zweiten Schritt zur Wärmebehandlung der abgeschiedenen ersten Metallschicht ohne Vakuumunterbrechung bei einer Temperatur, die wenigstens 80%, aber weniger als 100% der Schmelztemperatur des abgeschiedenen ersten Metalls beträgt, während einer geeigneten Zeitdauer, wobei die Kontaktöffnung vollständig mit dem ersten Metall gefüllt wird.

2. Verfahren zur Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der ersten Metallschicht bei einer Temperatur von höchstens 200°C erfolgt.

3. Verfahren zur Bildung einer metallischen Verdrahtungsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht in einer Dicke abgeschieden wird, die höchstens halb so groß ist wie die Breite der Kontaktöffnung.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt zur Abscheidung einer zweiten Metallschicht (5) auf der wärmebehandelten ersten Metallschicht in einer Dicke, die der Differenz zwischen der vorbestimmten Gesamtdicke der metallischen Verdrahtungsschicht und der Dicke der ersten Metallschicht entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallabscheidung im ersten Verfahrensschritt durch einen Sputterprozeß erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Metall jeweils Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Verfahrensschritt verwendete Metall eine durch Mischen von 1% Silizium und 0,5% Kupfer mit Aluminium gebildete Aluminiumlegierung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, 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 die Breite der Kontaktöffnung im Submikrometerbereich liegt, daß die erste Metallschicht aus einer Aluminiumlegierung besteht, die bei weniger als 100°C abgeschieden wird, und daß das Nacherwärmen der abgeschiedenen Aluminiumlegierungsschicht für etwa drei Minuten bei einer Temperatur von 550°C erfolgt.