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Dokumentenidentifikation DE4342702A1 23.06.1994
Titel Verfahren zur Erzeugung eines Durchkontaktstiftes in einem Halbleiterbauelement
Anmelder Samsung Electronics Co., Ltd., Suwon, KR
Erfinder Bae, Dae-lok, Suwon, KR;
Park, Sun-hoo, Suwon, KR;
Ko, Kwang-man, Seoul/Soul, KR
Vertreter Wilhelm, H., Dr.-Ing.; Dauster, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 70174 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 15.12.1993
DE-Aktenzeichen 4342702
Offenlegungstag 23.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.06.1994
IPC-Hauptklasse H01L 21/90
IPC-Nebenklasse H01L 21/285   
Zusammenfassung Es ist bekannt, derartige Durchkontaktstifte zur elektrischen Verbindung von übereinanderliegenden Verdrahtungsebenen durch eine Isolationsschicht hindurch mit Wolfram unter Verwendung einer selektiven CVD-Wolframabscheidung aufzufüllen, wobei das Wolframmaterial durch einen SiH4-Reduktionsprozeß bei einer hohen Temperatur oberhalb von 400°C abgeschieden wird.
Das neue Verfahren sieht eine zweischrittige CVD-Wolframabscheidung vor, bei der zunächst ein erstes Wolframmaterial (14) im unteren Teil eines Durchkontaktloches mittels eines H2-Reduktionsprozesses bei einer hohen Temperatur oberhalb von 350°C und in einem nächsten Schritt ein zweites Wolframmaterial (16) auf dem ersten Wolframmaterial (14) durch einen SiH4-Reduktionsprozeß bei niedriger Temperatur unterhalb von 300°C abgeschieden wird. Dieses Vorgehen verhindert eine mangelnde Wolframselektivität und führt zu Durchkontaktstiften mit geringem Kontaktwiderstand.
Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Kontaktstiftes in einem Halbleiterbauelement durch Füllen eines Durchkontaktloches mittels selektiver CVD-Wolframabscheidung als Teil der Herstellung eines Halbleiterbauelementes. Ein derartiger Durchkontaktstift dient zur elektrischen Verbindung zwischen übereinanderliegenden, durch eine Isolationsschicht voneinander getrennten Verdrahtungsschichten eines Halbleiterbauelementes durch die Isolationsschicht hindurch.

Mit fortschreitendem Integrationsgrad von Halbleiterbauelementen wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Kontaktstiftes mit sehr guter Stufenbedeckung in einem Kontaktloch mit hohem Aspektverhältnis (Tiefe/Breite-Verhältnis) benötigt. Bei dem das Sputtern von Aluminium benutzenden, herkömmlichen Verfahren zur Füllung des Kontaktlochs entstehen aufgrund des erhöhten Aspektverhältnisses des Kontaktlochs Defekte, wie z. B. Hohlräume, und die Stufenbedeckung verschlechtert sich. Dies ruft die Gefahr der Bildung von spitzenförmigen Erhebungen oder Kurzschlüssen zwischen Durchkontakten hervor, was die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelementes herabsetzt. Infolgedessen wurden in jüngster Zeit unterschiedliche Methoden zur Erzeugung von Durchkontaktstiften durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) entwickelt. Unter diesen ist ein Verfahren zur selektiven CVD-Wolframabscheidung bekanntgeworden, durch das sich eine sehr gute Stufenbedeckung erzielen läßt.

Fig. 3 veranschaulicht in einer graphischen Darstellung das herkömmliche Verfahren zur Erzeugung von Durchkontaktstiften in einem Halbleiterbauelement unter Verwendung der selektiven CVD- Wolframabscheidung, und Fig. 4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische (SEM) Aufnahme von durch obiges Verfahren erzeugten Kontaktstiften in einer Draufsicht.

Zunächst wird hierbei auf eine untere leitfähige Schicht, z. B. einer auf einem Halbleitersubstrat gebildeten Aluminiumschicht, eine Isolationsschicht aufgebracht und diese mittels eines Foto-Ätzprozesses bereichsweise durchgeätzt, um Durchkontaktlöcher zur Verbindung der unteren leitfähigen Schicht mit einer in einem nachfolgenden Prozeß aufzubringenden oberen leitfähigen Schicht auszubilden. Dann werden durch Füllen der Durchkontaktlöcher mittels einer selektiven Wolframabscheidung unter Verwendung eines CVD-Verfahrens die Durchkontaktstifte erzeugt.

Üblicherweise wird die selektive Wolframabscheidung entweder durch Deposition von Wolfram im Anschluß an das Aufbringen eines Deckmaterials, wie z. B. TiW, auf die untere Aluminiumschicht oder durch Deposition von Wolfram mittels Durchführung eines Reduktionsprozesses für Silan (SiH4) für eine Zeitdauer von 3 min bei einem Wolframhexafluorid (WF6)-Fluß von 40 sccm, einem SiH4-Fluß von 10 sccm, einem Wasserstoff(H2)-Fluß von 1000 sccm und einer Temperatur oberhalb von 400°C (siehe Fig. 3) im Anschluß an die Durchführung eines Vorbehandlungsprozesses realisiert, welcher der Beseitigung eines auf der Aluminiumschicht gebildeten natürlichen Oxids dient und aus einem Trockenreinigungsvorgang, z. B. einem Wärmebehandlungsprozeß bei hoher Temperatur oder einem Plasmabehandlungsprozeß, oder einem Naßreinigungsvorgang, z. B. einer Flußsäure (HF)-Behandlung besteht. Um den Kontaktwiderstand niedrig zu halten, wird das Wolframmaterial bei hoher Temperatur abgeschieden, da dies die Menge an Aluminiumtrifluorid (AlF3), das bei der anfänglichen Abscheidung von Wolfram durch Reaktion des Aluminiums mit WF6 entsteht, reduziert.

Das zentrale Problem im Verlauf der Erzeugung eines Kontaktstiftes in dem jeweiligen Durchkontaktloch unter Verwendung der selektiven CVD-Wolframabscheidung besteht in der Aufrechterhaltung der Selektivität der Wolframabscheidung. Mit anderen Worten soll sich Wolfram nur auf der Oberfläche der Metallschicht, z. B. der Aluminiumschicht, nicht jedoch der Isolationsschicht abscheiden. Die Selektivität ist jedoch in hohem Maße von der Depositionstemperatur, dem verwendeten Isolationsmaterial, dem Verunreinigungsgrad an der Metalloberfläche sowie den Flußraten der Reaktionsgase abhängig. Die Aufrechterhaltung der Selektivität ist daher eine wichtige, nichttriviale Anforderung an das Verfahren der selektiven CVD-Wolframabscheidung.

Als Isolationsschicht, durch welche die Durchkontakte hindurchführen, wird bei dem herkömmlichen Verfahren üblicherweise eine durch plasmaunterstützte Oxidation unter Verwendung von SiH4(PE-SiH4) gewonnene Oxidschicht verwendet. Unter den verschiedenen Isolationsmaterialien besitzt das PE-SiH4-Oxid jedoch eine sehr geringe Selektivität für die Wolframabscheidung. Wenn daher eine Plasmavorbehandlung durchgeführt oder Wolfram bei hoher Temperatur mittels eines SiH4-Reduktionsprozesses abgeschieden wird, lagert sich auch auf der PE-SiH4-Oxidschicht Wolfram ab, was die Gefahr von Kurzschlußbildungen zwischen der unteren leitfähigen Schicht und der in einem nachfolgenden Prozeß zu bildenden oberen leitfähigen Schicht (siehe Fig. 4) hervorruft.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines mit vergleichsweise geringem Aufwand durchführbaren Verfahrens zur Erzeugung eines Durchkontaktstiftes in einem Halbleiterbauelement mit zuverlässigen Kontakteigenschaften zugrunde.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Das Verfahren beinhaltet eine zweischrittige Wolframdeposition, die aus der ersten Wolframabscheidung auf dem unteren Bereich des Durchkontaktlochs mittels des H2-Reduktionsprozesses bei hoher Temperatur (oberhalb von 350°C), ohne daß zuvor eine Beseitigung eines auf der leitfähigen Schicht befindlichen natürlichen Oxids erforderlich ist, sowie aus der zweiten Wolframabscheidung auf dem ersten Wolframmaterial in der benötigten Restdicke mittels des SiH4 -Reduktionsprozesses bei niedriger Temperatur (unterhalb von 300°C) besteht und durch welches das Durchkontaktloch mit dem ersten und dem zweiten Wolframmaterial aufgefüllt wird. Durch die zweischrittige Wolframdeposition läßt sich der Effekt mangelnder Selektivität unterdrücken, der bei der herkömmlichen selektiven Wolframabscheidung auf der Oberfläche eines Oxidfilms durch vorhandene Adsorptionsstellen hervorgerufen wird. Der bei hoher Temperatur durchgeführte H2-Reduktionsprozeß bewirkt eine Reduzierung des Kontaktwiderstandes, und der bei niedriger Temperatur durchgeführte SiH4-Reduktionsprozeß erhöht die Wolframselektivität. Da das Wolframmaterial an den Stellen, an denen der Durchkontakt gebildet wird, nicht auf einem Oxidfilm abgeschieden wird, werden Kurzschlüsse zwischen den metallischen Durchverbindungen der Verdrahtungsschichten verhindert, was die Zuverlässigkeit des hergestellten Halbleiterbauelementes erhöht.

Eine bevorzugte, nachfolgend beschriebene Ausführungsform der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben beschriebene herkömmliche Ausführungsform sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement in unterschiedlichen Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Durchkontaktstiftes,

Fig. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Prozeßablaufs zur Erzeugung eines Durchkontaktstiftes in einem Halbleiterbauelement nach dem herkömmlichen Verfahren,

Fig. 4 eine SEM-Aufnahme einer Draufsicht auf die durch das herkömmliche Verfahren erzeugten Durchkontaktstifte,

Fig. 5 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Prozeßablaufs zur Erzeugung eines Durchkontaktstiftes in einem Halbleiterbauelement nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 6 ein Balkendiagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Kontaktwiderstands von den Durchkontaktlochabmessungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verglichen mit derjenigen bei dem herkömmlichen Verfahren und

Fig. 7 und 8 SEM-Aufnahmen einer Draufsicht auf bzw. eines Querschnitts durch ein Halbleiterbauelement mit erfindungsgemäß erzeugten Durchkontaktstiften.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen detaillierter beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht den Schritt zur Erzeugung eines Durchkontaktloches (h). Hierzu wird auf die untere leitfähige Schicht (10), z. B. einer auf einem (nicht gezeigten) Halbleitersubstrat gebildeten Aluminiumschicht, eine Oxidschicht (12) als ein dazwischenliegender Isolationsfilm aufgebracht. Dann wird die Oxidschicht (12) mittels eines Foto-Ätzprozesses zwecks Erzeugung des Durchkontaktloches (h) geätzt, das der Verbindung der unteren leitfähigen Schicht (10) mit einer nachfolgend zu bildenden oberen leitfähigen Schicht dient.

Fig. 2 veranschaulicht den Schritt zur Füllung des Durchkontaktloches (h) mit einem ersten und einem zweiten Wolframmaterial (14, 16). Zur Erzeugung eines Durchkontaktstiftes in dem Durchkontaktloch (h) wird hierbei zunächst, wie in Fig. 5 aufgeführt, das erste Wolframmaterial (14) mit geringer Dicke im unteren Teil des Kontaktlochs mittels Durchführung eines H2- Reduktionsprozesses in einer ersten Reaktorkammer für eine Zeitdauer von 60 Sekunden unter den weiteren Bedingungen eines WF6-Flusses von 5 sccm, eines H2- Flusses von 1000 sccm und einer hohen Temperatur (oberhalb von 350°C) abgeschieden. Anschließend wird das zweite Wolframmaterial (16) in der erforderlichen Restdicke auf dem ersten Wolframmaterial (14) mittels Durchführung eines SiH4-Reduktionsprozesses in einer zweiten Reaktorkammer für eine Zeitdauer von 270 Sekunden unter den weiteren Bedingungen eines WF6-Flusses von 20 sccm, eines SiH4-Flusses von 10 sccm, eines H2-Flusses von 1000 sccm und einer Temperatur von 270°C abgeschieden. Als Resultat hiervon wird das Durchkontaktloch (h) mit dem ersten und dem zweiten Wolframmaterial (14, 16) gefüllt, während gleichzeitig das Auftreten des Effekts mangelnder Selektivität verhindert wird.

Dieser Effekt mangelnder Selektivität besteht darin, daß auf der Oberfläche eines Oxidfilms Adsorptionsstellen vorhanden sind, die das SiH4- und das WF6-Reaktionsgas adsorbieren können, wodurch über eine jeweilige Adsorptionsstelle eine wolframbesetzte Stelle auf dem Oxidfilm erzeugt wird. Dieser Mangel an Selektivität wird im allgemeinen unschwer mit steigender Depositionstemperatur beobachtet. Dabei sind als Adsorptionsstellen SiF4, SiF2, AlF3 etc. bekannt, wobei SiF4 und SiF2 Nebenprodukte sind, die durch den SiH4-Reduktionsprozeß entstehen.

Erfindungsgemäß wird zur Unterdrückung der Bildung obiger Adsorptionsstellen in einem ersten Schritt das erste Wolframmaterial während einer kurzen Zeitdauer in geringer Dicke im unteren Teil des Durchkontaktloches bei einer hohen Temperatur (oberhalb von 350°C) mittels Durchführung des H2 -Reduktionsprozesses abgeschieden, wobei in diesem Prozeßschritt kein SiH4 im Reaktionsgasgemisch enthalten ist. Als zweiter Schritt wird dann das zweite Wolframmaterial in der benötigten Restdicke auf dem ersten Wolframmaterial bei geringer Temperatur (unterhalb von 300°C) mittels Durchführung des SiH4-Reduktionsprozesses abgeschieden, der eine hohe Wolframdepositionsgeschwindigkeit gewährleistet. Das Durchkontaktloch wird also durch Erzeugung des Durchkontaktstiftes mittels einer zweischrittigen selektiven Wolframdeposition gefüllt.

In dem Niedertemperaturprozeß des zweiten Schritts wird des weiteren die Wolframselektivität durch die Erhöhung der Depositionsgeschwindigkeit vergrößert, was das Auftreten von Kurzschlüssen zwischen der unteren leitfähigen Schicht und der nachfolgend zu bildenden oberen leitfähigen Schicht verhindert.

In Fig. 6 wird das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens mit demjenigen des herkömmlichen Verfahrens bezüglich der funktionalen Abhängigkeit des Kontaktwiderstands von den Durchkontaktabmessungen verglichen. Es ergibt sich, daß der erfindungsgemäß erzeugte Durchkontaktstift einen geringeren Kontaktwiderstand aufweist als der nach dem herkömmlichen Verfahren erzeugte Durchkontaktstift.

Wie sich aus den Fig. 7 und 8 ergibt, werden die Durchkontaktlöcher erfindungsgemäß durch die selektive CVD-Wolframabscheidung ohne mangelnde Selektivität gefüllt.

Wie oben beschrieben, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens ein Mangel an Selektivität bei der selektiven Wolframabscheidung zur Erzeugung eines Durchkontaktstiftes verhindert. Verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren werden daher stabile Durchkontaktstifte mit geringem Kontaktwiderstand und hoher Selektivität erzielt, wodurch sich ein zuverlässiges Halbleiterbauelement herstellen läßt. Es versteht sich, daß der Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels durchzuführen vermag, ohne vom Umfang der durch die beigefügten Patentansprüche definierten Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erzeugung eines Kontaktstiftes in einem Halbleiterbauelement durch Füllen eines Durchkontaktloches (h) mittels selektiver CVD-Wolframabscheidung, gekennzeichnet durch
    1. - Abscheiden eines ersten Wolframmaterials (14) im unteren Teil des Durchkontaktlochs mittels Durchführen eines H2- Reduktionsprozesses bei einer hohen Temperatur und
    2. - Abscheiden eines zweiten Wolframmaterials (16) auf dem ersten Wolframmaterial (14) mittels Durchführen eines SiH4- Reduktionsprozesses bei einer niedrigen Temperatur, um das Durchkontaktloch mit dem ersten und dem zweiten Wolframmaterial (14, 16) zu füllen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der H2-Reduktionsprozeß für eine Zeitdauer von 30 Sekunden bis 120 Sekunden unter den Bedingungen eines WF6-Flusses zwischen 5 sccm und 10 sccm, eines H2-Flusses zwischen 500 sccm und 1000 sccm sowie einer Temperatur zwischen 350°C und 400°C durchgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der SiH4-Reduktionsprozeß für eine Zeitdauer von 60 Sekunden bis 300 Sekunden unter den Bedingungen eines WF6-Flusses zwischen 20 sccm und 40 sccm, eines SiH4-Flusses zwischen 10 sccm und 20 sccm, eines H2-Flusses zwischen 500 sccm und 1000 sccm sowie einer Temperatur zwischen 250°C und 300°C durchgeführt wird.






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