DE4329260B9

DE4329260B9 - Verfahren zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE4329260B9
Application number: DE4329260A
Authority: DE
Inventors: Chang-Soo Park
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2013-09-01
Also published as: DE4329260B4; JPH06196572A; US5502004A; JP3245269B2; KR940010194A; DE4329260A1; KR960002061B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement, mit folgenden Schritten:
– Aufbringen einer ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) auf ein Halbleitersubstrat (51),
– Wärmebehandeln der ersten Diffusionsbarrierenschicht für eine festgelegte Zeitdauer in einem Vakuum,
– Aufbringen einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67) auf die wärmebehandelte erste Diffusionsbarrierenschicht und
– Aufbringen einer Metallverdrahtungsschicht (69) auf die zweite Diffusionsbarrierenschicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement, insbesondere in einem Kontaktlöcher aufweisenden Halbleiterbauelement, mit zwischengefügter Diffusionsbarrierenschicht.
Der Verdrahtungsvorgang wird als wichtigster Punkt der Herstellungstechnologie von Halbleiterbauelementen angesehen, weil er die Leistungsfähigkeit (z.B. die Betriebsgeschwindigkeit), die Ausbeute und die Zuverlässigkeit der Bauelemente bestimmt. Die Stufenbedeckung des Metalls stellte in weniger dicht gepackten, konventionellen Halbleiterbauelementen wegen den diesen Bauelementen mit größeren Strukturabmessungen inhärenten Eigenschaften, z.B. Kontaktlöcher mit geringem Seitenverhältnis (Tiefe/Breite-Verhältnis) und flachen Stufen, keine ernsthafte Schwierigkeit dar.
In den letzten Jahren wurden jedoch mit wachsender Integrationsdichte der Halbleiterbauelemente die Kontaktlöcher beträchtlich schmäler (mit Durchmessern von weniger als einem halben Mikrometer), während die im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats gebildeten störstellendotierten Gebiete viel flacher wurden. Aufgrund des daraus resultierenden größeren Seitenverhältnisses der Kontaktlöcher und der größeren Stufen ist es für diese gegenwärtigen Halbleiterbauelemente größerer Packungsdichte notwendig geworden, den üblichen Aluminium-Metallisierungsprozeß zu verbessern, um die standardgemäßen Entwurfsziele einer hohen Betriebsgeschwindigkeit, einer hohen Ausbeute und einer guten Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelements zu erreichen. Mit der konventionellen Vorgehensweise ist es außerdem schwierig, Kontaktlöcher mit Durchmessern von weniger als 1μm zu füllen, wobei die Gefahr der Bildung von Hohlräumen in den Kontaktlöchern des Halbleiterbauelements besteht.
Im Bemühen, die unzureichende Stufenbedeckung durch Aluminium zu überwinden, sind Verfahren zur Füllung der Kontaktlöcher durch Schmelzen des Aluminiums z.B. in der JP 62-109341 (A) offenbart.
Darüber hinaus hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein Verfahren entwickelt, das einen Schritt zur Abscheidung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bei niedriger Temperatur zur Bildung einer Metallschicht und einen Schritt zur Wärmebehandlung der Metallschicht im Vakuum bei einer hohen Temperatur (unterhalb des Schmelzpunkts) beinhaltet, um die Metallschichtpartikel fließfähig zu machen, siehe DE 40 28 776 A1 .
Anfangs wurde bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen reines Aluminium zur Bildung der metallischen Verdrahtungsschicht verwendet, aber aufgrund der Temperaturerhöhung in einem nachfolgenden Sinterschritt absorbiert die Aluminiumschicht Siliziumatome aus dem Siliziumsubstrat, weshalb das konventionelle Verfahren zur Bildung von Sperrschichtkurzschlüssen neigt. Aus diesem Grund ist es gängig, Al-1%Si, d.h. mit Silizium übersättigtes Aluminium, als Material für die metallische Verdrahtungsschicht zu verwenden.
Wenn jedoch eine Metallverdrahtung in einem Halbleiterbauelement unter Benutzung des obigen Al-1%Si-Materials erzeugt wird, wird während der Wärmebehandlung des Halbleiterwafers bei einer Temperatur von größer als ungefähr 450°C in einem nachfolgenden Sinterschritt Si aus dem Al-Film unter Bildung einer Si-Ablagerung zwischen dem Al-Film und seinen benachbarten Schichten ausgeschieden und wächst festkörperepitaktisch unter Bildung eines Si-Klümpchens in den Kontaktlöchern, was den Widerstand der Verdrahtungsschicht oder deren Kontaktwiderstand erhöhen kann.
Um die Bildung von Al-Spitzen aufgrund der oben beschriebenen Reaktion zwischen der metallischen Verdrahtungsschicht und dem Siliziumsubstrat oder die Erzeugung von Si-Ausscheidungen und Si-Klümpchen zu unterbinden, ist die Erzeugung einer Diffusionsbarrierenschicht zwischen der Verdrahtungsschicht und dem Siliziumsubstrat oder einer Isolationsschicht vorgeschlagen worden. Zum Beispiel wird in der US-Patentschrift 4 897 709 (Yokohama et al.) ein Verfahren zur Erzeugung eines Titannitrid (TiN)-Films als Diffusionsbarrierenschicht an der Innenseite des Kontaktlochs offenbart. Außerdem ist aus der JP 61-183942 (A) ein Verfahren bekannt, bei dem eine aus einer hochschmelzenden Metallschicht und einer Titannitridschicht bestehende Doppelschicht als Barrierenschicht gebildet und anschließend wärmebehandelt wird. Die Titannitridschicht reagiert mit dem Halbleitersubstrat im unteren Teil des mit dem Halbleitersubstrat verbindenden Kontaktlochs, um auf diese Weise eine Silizidschicht aus einem hochschmelzenden Metall zu erzeugen, die aus thermisch stabilen Komponenten besteht, wodurch der Barriereneffekt verstärkt und der Kontaktwiderstand verringert werden kann.
Die Erzeugung der oben erwähnten Diffusionsbarrierenschicht ist angesichts der Tatsache, daß Halbleiterbauelemente auf Strukturdimensionen kleiner als 1μm herunterskaliert wurden, ziemlich unumgänglich. Diese Diffusionsbarrierenschicht wird im allgemeinen zur Verbesserung der Diffusionsbarriereneigenschaft wärmebehandelt. Dieser Vorgang der Wärmebehandlung der Diffusionsbarrierenschicht wird üblicherweise durch Tempern der Diffusionsbarrierenschicht in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Solange die Diffusionsbarrierenschicht nicht getempert ist, kann unerwünschterweise während des Sputterns von Al oder einer Al-Legierung bei einer Temperatur von wenigstens 450°C oder während eines nachfolgenden Sinterns dieses Materials der Sperrschichtkurzschlußeffekt auftreten.
Anhand der 7 bis 10 wird ein Beispiel zur Bildung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement unter Verwendung einer konventionellen Diffusionsbarrierenschicht erläutert.
7 veranschaulicht einen Schritt zur Durchführung einer Ionenimplantation in das Halbleitersubstrat. Im einzelnen wird nach der Bildung einer Feldoxidschicht (3) auf dem Halbleitersubstrat (1) zur Unterteilung des Halbleitersubstrats (1) in zwei Bereiche, d.h. einen aktiven Bereich und einen Isolationsbereich, eine Kontaktstellenoxidschicht (5) in einer Dicke von ungefähr 30nm durch thermische Oxidation gebildet. Anschließend wird As in einer Dosis von 5 × 10¹⁵ Atomen/cm² zur Bildung eines n⁺-störstellendotierten Bereichs sowie BF₂ in einer Dosis von 5 × 10¹⁵ Molekülen/cm² zur Bildung eines p⁺-störstellendotierten Bereiches implantiert.
8 veranschaulicht einen Oxidationsschritt. Nach dem Schritt von 7 wird bei 950°C in einer trockenen O₂-Atmosphäre eine Oxidation durchgeführt. Dabei werden die in 7 gezeigten, eindotierten Störstellen erstmals aktiviert, um die n⁺- und p⁺-dotierten Gebiete (7 und 8) zu erzeugen.
9 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung von Kontaktlöchern. Hierzu wird eine isolierende Zwischenschicht (9) auf die gesamte Oberfläche der erhaltenen Struktur aufgebracht und anschließend bei 950°C in einer N₂-Atmosphäre für 240 Minuten getempert, so daß sie planarisiert wird. Dabei werden die eindotierten Störstellen ein zweites Mal aktiviert. Danach werden die Kontaktlöcher (10) durch die isolierende Zwischenschicht (9) hindurch mittels eines üblichen Fotolithographieprozesses erzeugt.
10 veranschaulicht Schritte zur Bildung einer Diffusionsbarrierenschicht und einer darüberliegenden metallischen Verdrahtungsschicht. Hierzu werden nach dem Schritt von 9 Titan und Titannitrid ganzflächig auf der resultierenden Struktur abgeschieden, um die aus einer Titanschicht (11) und einer Titannitridschicht (13) zusammengesetzte Diffusionsbarrierenschicht zu erzeugen. Anschließend wird der Wafer in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 450°C getempert. Auf der Diffusionsbarrierenschicht wird dann eine Al-Si-Cu-Legierung zur Bildung einer Metallschicht abgeschieden, die durch einen fotolithographischen Prozeß strukturiert wird, um eine Verdrahtungsschicht (15) für ein Halbleiterbauelement bereitzustellen. Die Verdrahtungsschicht (15) wird 30 Minuten lang bei 400°C gesintert.
Wenn die metallische Verdrahtungsschicht nach der oben erläuterten konventionellen Vorgehensweise auf der Diffusionsbarrierenschicht gebildet wird, weisen das Titan und das Titannitrid bezüglich eines Kontaktlochs mit großem Seitenverhältnis (z.B. größer als 1,2) eine unzureichende Stufenbedeckung auf und werden zudem leicht während des Tempervorgangs im Ofen oxidiert, wodurch ein höherer Kontaktwiderstand entsteht. Dieser Effekt wird insbesondere für Kontaktlöcher mit Ausdehnungen im Submikrometerbereich noch bedeutsamer.
Zur Überwindung der obigen Schwierigkeiten (beispielsweise, um den Kontaktwiderstand im p⁺-Kontaktgebiet zu reduzieren) wurde von Yoshikawa et al. ein Verfahren vorgeschlagen, das die Erzeugung der Kontaktlöcher, eine BF₂-Ionenimplantation in das Substrat mit einer Dosis von 1 × 10¹⁵ Molekülen/cm² und dann eine Aktivierung der p⁺-Störstellen durch eine Kurzzeittemperung (RTA) für 10 sec oder länger bei einer Temperatur von 800°C oder höher beinhaltet, um den Kontaktwiderstand im p⁺-Kontaktgebiet herabzusetzen (siehe Semiconductor World, November 1989, S. 36 bis 38). Diese Vorgehensweise ist jedoch unbefriedigend, da ein zusätzlicher, zweischrittiger Prozess (Ionenimplantation und Aktivierung) anzufügen ist, was den Metallverdrahtungsvorgang aufwendiger macht, so dass sich der Durchsatz an Halbleiterbauelementen verringern kann.
In der Offenlegungsschrift EP 0 443 296 A1 ist ein Verfahren zur Rückseitenmetallisierung eines Halbleitersubstrats durch Abscheiden mehrerer Metallschichten nach einer Ionenimplantationsdotierung zwecks Amorphisierung der Substratoberfläche offenbart, bei dem eine oder mehrere Metallschichtlagen aufgebracht werden und dann ein Tempervorgang in einem Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre bei einer Temperatur deutlich unterhalb von 500°C für eine Zeitspanne von deutlich weniger als 60 Minuten ausgeführt wird, z.B. bei höchstens etwa 400°C für ca. 30 Minuten. Die erste Metallschichtlage ist beispielsweise eine Titanschichtlage, auf die z.B. eine Nickelschichtlage und eine Goldschichtlage folgen.
In der Offenlegungsschrift EP 0 477 990 A2 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften einer dünnen Schicht auf einem Substrat offenbart, bei dem die dünne Schicht in einem Vakuum auf dem Substrat abgeschieden und ohne Vakuumunterbrechung bei einer erhöhten Temperatur von z.B. 450°C getempert wird. Die dünne Schicht besteht z.B. aus Titannitrid, Titan-Wolfram oder Tantalnitrid. Auf die dünne Schicht kann z.B. ein Aluminiumfilm aufgebracht werden, der dann in einem Vakuum getempert wird.
In der Offenlegungsschrift JP 04-067622 A ist ein Halbleiterbauelement-Herstellungsverfahren beschrieben, bei dem auf ein Siliciumsubstrat mit störstellendiffundiertem Bereich eine PSG-Isolationsschicht mit darin gebildetem Kontaktloch aufgebracht wird. Darauf wird eine Titannitridschicht aufgebracht und einem Vakuumaufheizprozess bei 400°C für 3 Minuten zwecks Stickstoffausgasung unterzogen. Dann wird auf der so behandelten Titannitridschicht eine Aluminiumschicht aufgebracht. Aufgrund des Stickstoffausgasungsprozesses soll eine Nitridbeimischung zu der Aluminiumschicht während deren Bildung vermieden werden.
Der Erfindung lieg als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement zugrunde, welches, insbesondere für Kontaktlöcher mit hohem Seitenverhältnis, zu einem geringen Kontaktwiderstand zwischen dem unter der Diffusionsbarrierenschicht gelegenen Halbleitersubstrat und der auf der Diffusionsbarrierenschicht liegenden Metallverdrahtungsschicht führt.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Nach dem Aufbringen einer ersten Diffusionsbarrierenschicht findet hierbei eine Wärmebehandlung für eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Vakuum statt. An diese Wärmebehandlung schließt sich die Bildung einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht an, woran sich ggf. der oben erwähnte, übliche Temperprozess anschließen kann, bevor dann die Metallverdrahtungsschicht aufgebracht wird. Es stellt sich heraus, dass der Kontaktwiderstand für die Metallverdrahtungsschicht gegenüber den bekannten Verfahren, die den Wärmebehandlungsschritt unter Vakuumbedingungen nicht enthalten, beträchtlich reduziert ist. Dies verbessert auch die Gleichmäßigkeit der Kontaktwiderstandswerte für die verschiedenen, über den Halbleiterwafer verteilt angeordneten Kontaktlöcher, woraus sich eine höhere Betriebsgeschwindigkeit des Halbleiterbauelements ergibt.
Günstige Bereiche der Parameter für den Wärmebehandlungsschritt sind im Anspruch 2 angegeben. Bevorzugt ist hierbei eine Wärmebehandlung zwischen 5 Minuten und 1 Stunde bei 550°C oder zwischen 2 Minuten und 5 Minuten bei 625°C.
In den übrigen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße und nicht erfindungsgemäße Verfahren sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte Verfahren sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
1 und 2 Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement, das mit einer nach einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verdrahtung versehen wird,
3 bis 6 Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement, das mit einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verdrahtung versehen wird und
7 bis 10 Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement, das mit einer nach einem konventionellen Verfahren hergestellten Verdrahtung versehen wird.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden nachfolgend im einzelnen anhand der 3 bis 6 beschrieben, wobei zum besseren Verständnis auch noch ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel anhand der 1 und 2 erläutert wird.
Beispiel 1
Ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel eines Verfahrens zur Erzeugung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird anhand der 1 und 2 erläutert.
1 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung von Kontaktlöchern und einer Diffusionsbarrierenschicht. Hierfür wird zunächst nach der Bildung einer Feldoxidschicht (33) auf dem Halbleitersubstrat (31) zur Festlegung eines aktiven Bereiches und eines Isolationsbereiches eine thermische Oxidschicht (35) in einer Dicke von ungefähr 50nm durch thermische Oxidation erzeugt. Als nächstes erfolgt eine Ionenimplantation in üblicher Vorgehensweise, um n⁺- und p⁺-Störstellen zu implantieren. Danach wird die resultierende Struktur ganzflächig getempert, um die ionenimplantierten Störstellen zu aktivieren, so daß sich die n⁺- und p⁺-störstellendotierten Gebiete (37 und 37') bilden.
Anschließend wird unter Verwendung von Borphosphorglas (BPSG) eine isolierende Zwischenschicht (39) ganzflächig auf die resultierende Struktur in einer Dicke von ungefähr 1050nm aufgebracht und dann auf der isolierenden Zwischenschicht (39) ein (nicht gezeigtes) Fotolackmuster zur Erzeugung der Kontaktlöcher gebildet. Die resultierende Struktur wird in eine Tiefe von ungefähr 300nm durch Naßätzen unter Verwendung eines gepufferten Oxidätzmittels (BOE) geätzt, wonach die isolierende Zwischenschicht (39) sowie die thermische Oxidschicht (35) mittels reaktivem Ionenätzen (RIE) geätzt werden, bis das Halbleitersubstrat (31) freiliegt, um vier Kontaktlöcher (41) mit jeweiligen Maßen (Breite/Länge) von 0,45μm/0,55μm, 0,5μm/0,6μm, 0,6μm/0,7μm und 1,0μm/1,0μm zu erzeugen. Nach dem Ablösen des Fotolackmusters wird dann eine entstandene natürliche Oxidschicht unter Verwendung von heißer Schwefelsäure und verdünnter Flußsäure (HF) entfernt.
Anschließend wird ganzflächig auf die resultierende Struktur, d.h. auf der Innenseite der Kontaktlöcher (41), dem freiliegenden Oberflächenteil des Halbleitersubstrats (31) und der isolierenden Zwischenschicht (39), eine aus Titan bestehende Diffusionsbarrierenschicht (43) in einer Dicke von ungefähr 30nm durch einen konventionelles Sputterverfahren aufgebracht.
2 veranschaulicht einen Schritt zur Wärmebehandlung der Diffusionsbarrierenschicht und zum Aufbringen einer Metallschicht. Hierzu wird, nachdem der in 1 erhaltene Halbleiterwafer einer Atmosphärenumgebung ausgesetzt wurde, der Halbleiterwafer in einer Vakuumkammer gehalten, deren Druck auf 1,33·10^–5 Pa, eingestellt ist, während ein Inertgas, z.B. Ar mit einem Druck von 0,53 Pa, in die Kammer gepumpt wird. Der Halbleiterwafer wird danach für ungefähr 5 Minuten bei einer Temperatur von 550°C wärmebehandelt.
Als nächstes wird eine Al-Si-Cu-Legierung ganzflächig auf der resultierenden Struktur abgeschieden, um auf der Diffusionsbarrierenschicht (43) eine Metallschicht (45) zu bilden, aus der dann mittels eines konventionellen Prozesses eine Metallverdrahtungsschicht für das Halbleiterbauelement gewonnen wird.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen hergestellten Verdrahtungsschichten wurden gemessen, die Resultate hiervor sind in Tabelle 1 gezeigt. Der Widerstandswert wurde dabei zwischen zwei Endpunkten einer Kontaktkettenstruktur gemessen. Die Kontaktkette beinhaltet Metallverbindungsleitungen, das störstellendotierte Gebiet des Halbleitersubstrats und ohmsche Kontakte. In allen erfindungsgemäßen Beispielen wurde zur Messung des Kontaktlochwiderstands eine Kontaktkettenstruktur verwendet, in der 1200 Kontaktlöcher seriell angeordnet sind.
Beispiel 2
Für dieses Beispiel der Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird das Vorgehen nach Beispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung für eine Zeitdauer von 15 Minuten durchgeführt wird.
Die Kontaktlochwiderstände einer solchermaßen erzielten Verdrahtung wurden wiederum gemessen, und die Resultate hiervon sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.
Beispiel 3
Für dieses Beispiel der Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird die Vorgehensweise nach Beispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung für eine Zeitdauer von 30 Minuten durchgeführt wird.
Die Kontaktlochwiderstände einer solchermaßen erhaltenen Verdrahtung wurden wiederum gemessen, und die Resultate hiervon sind wiederum in Tabelle 1 gezeigt.
Beispiel 4
Bei diesem Beispiel der Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird das Vorgehen von Beispiel 1 mit folgenden Ausnahmen wiederholt. Zum einen wird als Diffusionsbarrierenschicht (43) eine Doppelschicht verwendet, die von einer ersten Diffusionsbarrierenschicht aus Titan in einer Dicke von ungefähr 30nm und einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht aus Titannitrid in einer Dicke von ungefähr 90nm gebildet ist. Zum anderen wird die Wärmebehandlung anschließend 15 Minuten lang durchgeführt, ohne den Wafer einer Atmosphärenumgebung auszusetzen.
Die Kontaktlochwiderstände einer solchermaßen erhaltenen Verdrahtung wurden wiederum gemessen, und die Resultate hiervon sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1:
Kontaktwiderstandswerte für die Beispiele 1 bis 4 und das Vergleichsbeispiel 1 in Einheiten von Ohm/Kontaktloch. Die Werte basieren jeweils auf einer Kontaktkettenstruktur mit 1.200 Kontaktlöchern. Die Zahlen in Klammern bedeuten eine Standardabweichung über 44 Meßpunkte.
Vergleichsbeispiel 1
Hierfür wird zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement die Vorgehensweise nach Beispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, daß nach der Bildung der Diffusionsbarrierenschicht eine Wärmebehandlung bei 450°C in einer Stickstoffatmosphäre für 30 Minuten in einem Ofen gemäß dem oben erwähnten konventionellen Verfahren durchgeführt wird.
Die Kontaktwiderstände einer solchermaßen erhaltenen Verdrahtung wurden gemessen, und die Resultate hiervon sind gleichfalls in Tabelle 1 wiedergegeben.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, sind die Kontaktwiderstandswerte für das konventionelle Herstellungsverfahren weder sonderlich einheitlich, noch sonderlich niedrig. Ein größeres Seitenverhältnis und ein kleinerer Kontaktlochdurchmesser erhöht dort den Kontaktwiderstand und die Ungleichmäßigkeit. Im Vergleich dazu werden der Kontaktwiderstandswert bei erfindungsgemäßer Herstellung der Verdrahtung unabhängig von der Art der Störstellen im störstellendotierten Bereich beträchtlich verringert und die Gleichmäßigkeit der Kontaktwiderstandswerte erhöht. Darüber hinaus ist in Beispiel 4 zu erkennen, daß, wenn die Wärmebehandlung nach der Erzeugung der Diffusionsbarrierenschicht anschließend durchgeführt wird, ohne den Wafer Atmosphärenbedingungen auszusetzen, ein geringerer Kontaktwiderstand erhalten wird als in dem Fall, in dem die Diffusionsbarrierenschicht nach ihrer Bildung der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Ausführungsbeispiel 1
Ein erfindungsgemäßes Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird anhand der 3 bis 6 erläutert.
3 zeigt einen Schritt zur Erzeugung von Kontaktlöchern (61). Nach Bildung einer Feldoxidschicht (53) und einer thermischen Oxidschicht (55) auf einem Halbleitersubstrat (51) in derselben Weise, wie dies zu 1 im Beispiel 1 beschrieben ist, wird eine Ionenimplantation durchgeführt, um n⁺- und p⁺-Störstellen in den Oberflächenbereich der aktiven Gebiete des Halbleitersubstrats (51) zu implantieren. Anschließend wird ein Temperprozeß ausgeführt, um die implantierten n⁺- und p⁺-Störstellen zu aktivieren, so daß n⁺- und p⁺-störstellendotierte Gebiete (57 und 57') entstehen.
Als nächstes wird ganzflächig auf die resultierende Struktur Borphosphorglas (BPSG) abgeschieden, um eine isolierende Zwischenschicht (59) mit einer Dicke von 400nm zu bilden, wonach ein (nicht gezeigtes) Fotolackmuster zur Erzeugung der Kontaktlöcher auf der isolierenden Zwischenschicht (59) gebildet wird. Danach wird ein RIE-Schritt unter Verwendung des Fotolackmusters als Ätzmaske durchgeführt, um die Kontaktlöcher (61) durch die isolierende Zwischenschicht (59) hindurch zu erzeugen, wonach das Fotolackmuster abgelöst wird. Hierbei werden vier Kontaktlöcher mit den jeweiligen Ausdehnungen (Breite/Länge) wie in Tabelle 1 erzeugt, d.h. mit 0,45μm/0,55μm, 0,5μm/0,6μm, 0,6μm/0,7μm und 1,0μm/1,0μm.
4 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung von Abstandshaltern (63) an den Seitenwänden der Kontaktlöcher (61). Hierzu wird nach dem Schritt von 3 ein Oxid, das eine gute Stufenbedeckung aufweist, zum Beispiel ein Hochtemperaturoxid (HTO), ganzflächig auf die resultierende Struktur aufgebracht, um eine Isolationsschicht mit einer Dicke von 150nm zu bilden.
Anschließend wird die Isolationsschicht durch einen RIE-Prozeß anisotrop geätzt, so daß sich an den Seitenwänden der Kontaktlöcher (61) Oxidschicht-Abstandshalter (63) bilden. Auf diese Weise wird die Ausdehnung der Kontaktlöcher (61) in jeder Richtung um 0,3μm verringert, so daß Kontaktlöcher mit jeweiligen Abmessungen von 0,15μm/0,25μm, 0,2μm/0,3μm, 0,3μm/0,4μm und 0,7μm/0,7μm entstehen.
5 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung und Wärmebehandlung einer ersten Diffusionsbarrierenschicht (65). Hierbei wird in derselben Weise wie im Beispiel 1 ganzflächig auf der resultierenden Struktur, d.h. auf dem freiliegenden Oberflächenteil des Halbleitersubstrats (51), auf den Abstandshaltern (63) und auf der isolierenden Zwischenschicht (59), Titan durch einen Sputterprozeß abgeschieden, wodurch die erste Diffusionsbarrierenschicht (65) mit einer Dicke von ungefähr 20nm bis 30nm entsteht. Als nächstes wird, nachdem der auf diese Weise erhaltene Halbleiterwafer der Atmosphäre ausgesetzt und dann in eine Vakuumkammer mit einem Druck von 1,33·10^–5 Pa gebracht wurde, ein Inertgas, z.B. Ar, in die Kammer geleitet, bis ein Druck von 4mTorr erreicht wird, woraufhin der Wafer für zwei Minuten bei 600°C wärmebehandelt wird.
6 veranschaulicht einen Schritt zur Bildung und Wärmebehandlung einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67) sowie zur Bildung einer Metallverdrahtungsschicht (69). Hierzu wird nach dem Schritt von 9 zunächst Titannitrid auf der ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) abgeschieden, um die zweite Diffusionsbarrierenschicht (67) mit einer Dicke von ungefähr 20nm bis 30nm zu bilden. Danach wird der Halbleiterwafer in derselben Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 in einem Ofen in einer Stickstoffatmosphäre 30 Minuten lang bei 450°C wärmebehandelt. Dann wird eine Al-Si-Cu-Legierung ganzflächig auf der resultierenden Struktur in derselben Weise wie im Beispiel 1 zur Bildung der Metallverdrahtungsschicht (69) abgeschieden, die dann nach einer konventionellen Vorgehensweise strukturiert wird, um eine Verdrahtung in dem Halbleiterbauelement zu erhalten.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen erhaltenen Verdrahtungsschichten wurden gemessen, und die Resultate hiervon sind in Tabelle 2 dargestellt.
Ausführungsbeispiel 2
Bei diesem Beispiel zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird die Vorgehensweise von Ausführungsbeispiel 1 wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung der ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) bei einer Temperatur von 625°C durchgeführt wird.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen erhaltenen Verdrahtungsschichten wurden wiederum gemessen, und die diesbezüglichen Resultate sind ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt.
Vergleichsbeispiel 2
Bei diesem Beispiel zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement wird die Vorgehensweise von Beispiel 5 wiederholt, mit der Ausnahme, daß nach Bildung der ersten und der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (65, 67) ein Wärmebehandlungsprozeß nach einem konventionellen Vorgehen in einer Stickstoffatmosphäre für 30 Minuten bei 450°C durchgeführt wird.
Die Kontaktlochwiderstände von solchermaßen erhaltenen Verdrahtungsschichten wurden wiederum gemessen, und die Resultate hiervon sind ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2:
Kontaktwiderstandswerte für die Beispiele 5 und 6 sowie das Vergleichsbeispiel 2 in Einheiten von Ohm/Kontaktloch. Die Werte basieren jeweils auf einer Kontaktkettenstruktur mit 1.200 Kontaktlöchern. Die Zahlen in Klammern bedeuten eine Standardabweichung über 44 Meßpunkte.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wird der Kontaktlochwiderstand analog zu den Beispielen 1 bis 4 auch bei diesen erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement im Vergleich zur konventionellen Vorgehensweise beträchtlich verringert.
Es ist zudem festzustellen, daß der Widerstandswert der Kontaktlöcher in diesen Beispielen wegen der erfindungsgemäßen Art der Wärmebehandlung beträchtlich reduziert wird, und zwar in stärkerem Maße am p⁺-störstellendotierten Gebiet (57') als am n⁺-störstellendotierten Gebiet (57). Auch wenn die Temperatur im Wärmebehandlungsschritt auf 650°C erhöht wurde, wurden vergleichbare Widerstandswerte wie in den Beispielen 5 und 6 erhalten.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele genauer erläutert wurde, ist es klar, daß der Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen hiervon vornehmen kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er sich aus den beigefügten Patentansprüchen unter Berücksichtigung der Beschreibung ergibt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verdrahtung in einem Halbleiterbauelement, mit folgenden Schritten: – Aufbringen einer ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) auf ein Halbleitersubstrat (51), – Wärmebehandeln der ersten Diffusionsbarrierenschicht für eine festgelegte Zeitdauer in einem Vakuum, – Aufbringen einer zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67) auf die wärmebehandelte erste Diffusionsbarrierenschicht und – Aufbringen einer Metallverdrahtungsschicht (69) auf die zweite Diffusionsbarrierenschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmbehandlungsschritt für eine Zeitdauer zwischen 2 Minuten und 1 Stunde bei einer Temperatur zwischen 450°C und 650°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diffusionsbarrierenschicht (65) aus einem Übergangsmetall gebildet wird und die zweite Diffusionsbarrierenschicht (67) aus einem Material einer Materialgruppe besteht, die Übergangsmetalllegierungen und Übergangsmetallverbindungen enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass als Übergangsmetall Ti, als Übergangsmetallverbindung TiN und als Übergangsmetalllegierung TiW verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsschritt unter einem Vakuumdruck eines Inertgases von 0,53 Pa oder weniger durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Ar oder He verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) der Wärmebehandlungsschritt anschließend durchgeführt wird, ohne den Halbleiterwafer zuvor einer Atmosphärenumgebung auszusetzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Aufbringen der ersten Diffusionsbarrierenschicht (65) eine Isolationsschicht (59) auf ein mit störstellendotierten Gebieten (57, 57') versehenes Halbleitersubstrat (51) aufgebracht wird und Kontaktlöcher (61) durch die Isolati onsschicht hindurch zur Freilegung der störstellendotierten Gebiete des Halbleitersubstrats erzeugt werden, – die erste Diffusionsbarrierenschicht (65) auf die Innenseiten der Kontaktlöcher (61) und auf den durch die Kontaktlöcher freigelegten Oberflächenteil des Halbleitersubstrats (51) aufgebracht wird und – zur Bildung der Metallverdrahtung eine Metallschicht (69) auf die zweite Diffusionsbarrierenschicht (67) aufgebracht und anschließend die Metallschicht und die erste und zweite Diffusionsbarrierenschicht strukturiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der zweiten Diffusionsbarrierenschicht (67) eine Wärmebehandlung der zweiten Diffusionsbarrierenschicht in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsschritt für die zweite Diffusionsbarrierenschicht (67) für eine Zeitdauer zwischen 30 Minuten und einer Stunde bei einer Temperatur zwischen 400°C und 500°C durchgeführt wird.