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Dokumentenidentifikation DE4207916C2 30.06.1994
Titel Verbindungsstruktur einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung
Anmelder Mitsubishi Denki K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Harada, Shigeru, Itami, Hyogo, JP;
Ishimaru, Kazuhiro, Itami, Hyogo, JP;
Hagi, Kimio, Itami, Hyogo, JP
Vertreter Prüfer, L., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 81545 München
DE-Anmeldedatum 12.03.1992
DE-Aktenzeichen 4207916
Offenlegungstag 15.10.1992
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.06.1994
IPC-Hauptklasse H01L 21/90
IPC-Nebenklasse H01L 23/535   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsstruktur für eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Allgemein weist eine Halbleitereinrichtung ein Halbleitersubstrat und darauf gebildete Elemente, wie etwa Transistoren, auf. Verschiedene Verbindungsschichten sind auf dem Halbleitersubstrat zum elektrischen Verbinden dieser Elemente miteinander und mit einer externen Schaltung bzw. externen Schaltungen gebildet. Diese Verbindungsschichten werden aus Polysilizium-Schichten, Metallschichten mit hohem Schmelzpunkt, Metallsilizid-Schichten mit hohem Schmelzpunkt, Aluminium-Schichten oder Aluminium-Legierungsschichten gebildet. In den letzten Jahren wurde bei den integrierten Halbleiterschaltungseinrichtungen, die hochintegriert sind, für einen Betrieb mit hoher Geschwindigkeit eine Verringerung des Verbindungsschicht- Widerstands erforderlich. Daher erfordern integrierte Halbleiterschaltungseinrichtungen im wesentlichen Aluminium-Mehrschichtverbindungsstrukturen, die aus Aluminium-Schichten oder Aluminium-Legierungsschichten mit kleinem Widerstand gebildet sind.

In der nachveröffentlichten, aber prioritätsälteren DE 41 28 421 A1 ist eine Verbindungsstruktur für eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung beschrieben, die die Merkmale a) und c) bis i) des Patentanspruches 1 aufweist. Dabei wird die zweite Aluminiumverbindungsschicht, die aus der Titanschicht, der Titannitridschicht und der aluminiumhaltigen Schicht gebildet ist, in dem Durchgangsloch direkt auf der ersten Aluminiumverbindungsschicht gebildet. Dabei muß üblicherweise die Oberfläche der ersten Aluminiumverbindungsschicht einem fluorhaltigen Gas ausgesetzt werden, wodurch eine Schicht mit schlechten Eigenschaften aus Aluminium mit Fluor und Oxid auf der Oberfläche der ersten Aluminiumverbindungsschicht gebildet wird. Zur Verbesserung dieser Oberflächenschicht schlechter Eigenschaften wird üblicherweise ein Sputter-Ätzen unter Nutzung von Argon-Ionen durchgeführt. Dadurch gelingt es, Teile der Oxid- und Fluorid- Partikel des Aluminiums zum Teil aus dem Durchgangsloch zu entfernen. Dieses gelingt jedoch nicht vollständig. Es verbleiben immer noch derartige Partikel in dem Durchgangsloch.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsstruktur für eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung bereitzustellen, bei dem die Grenzflächeneigenschaften im Verbindungsabschnitt zwischen einer unteren Aluminium-Verbindungsschicht und einer oberen Aluminium-Verbindungsschicht verbessert sind und insbesondere der "via-hole"- Widerstand im Verbindungsabschnitt verringert und die Widerstandsfähigkeit des Verbindungsabschnittes gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration erhöht ist, womit letztlich Qualität und Ausbeute der hergestellten integrierten Halbleiterschaltungseinrichtungen erhöht werden können.

Dazu soll insbesondere die Vermischung (das "mixing") an der Grenzfläche zwischen einer unteren und einer oberen Aluminium-Verbindungsschicht gefördert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbindungsstruktur für eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Bei diesem Verbindungsaufbau weist die obere, zweite Aluminium-Verbindungsschicht, die in einem Gebiet im Durchgangsloch im Kontakt mit der auf der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht gebildeten Oberflächenschicht steht, eine Grund-Schicht auf, bei der eine Stapelstruktur aus einer Titanschicht und einer Titan-Verbindungsschicht eingesetzt ist. Die Oberflächenschicht enthält mindestens einen Bestandteil aus der Gruppe hochschmelzendes Metall, hochschmelzende Metallverbindung, hochschmelzendes Metallsilizid und amorphes Silizium. Die Oberfläche der Oberflächenschicht steht in Kontakt mit der Titanschicht. Diese Titanschicht hat eine starke Bindungskraft gegenüber Fluor und Sauerstoff. Daher bewirkt sie dann, wenn Oxid- und Fluorid-Partikel der Metalle mit hohem Schmelzpunkt auf der Oberfläche der Oberflächenschicht im Gebiet des Verbindungsloches infolge ihres Anhaftens während des Sputter-Ätzens verbleiben, die folgenden Effekte:

  • 1) Die Titanschicht "fängt" die Oxid- und Fluoridpartikel der Oberflächenschicht als Oxid bzw. Fluorid des Titans "ein" und zersetzt sie.
  • 2) Die Titanschicht reagiert mit der Oberflächenschicht und verbessert dadurch den Kontakt zwischen der Titanschicht und der Oberflächenschicht.


Gleichzeitig verhindert die auf der Titanschicht gebildete Titan- Verbindungsschicht eine Reaktion der Titanschicht, die in Kontakt mit der Oberflächenschicht steht, mit der oberen, aluminiumhaltigen Schicht und dient dazu, eine Reaktion der Titanschicht mit der Oberflächenschicht zu beschleunigen.

Das heißt, wenn die Titan-Verbindungsschicht nicht gebildet wäre, würde keine Schicht zur Verhinderung einer Reaktion der Titanschicht mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht an deren Grenzfläche existieren, und damit würde die Titanschicht bereitwillig mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht bei einer relativ niedrigen Temperatur von 200-300° C reagieren und eine intermetallische Verbindung (TiAl3) bilden, bevor es zu einer Reaktion mit der Oberflächenschicht kommt. In diesem Falle würde die Titanschicht das Oxid und Fluorid des hochschmelzenden Metalls auf der Oberfläche der Oberflächenschicht nicht hinreichend zersetzen. Des weiteren könnte die Titanschicht nicht genügend mit der Oberflächenschicht reagieren und wäre damit nicht in der Lage, einen festen Kontakt herzustellen.

Der Aufbau schließt eine Titan-Verbindungsschicht, die eine geringere Reaktivität gegenüber dem Aluminium aufweist, auf der Titanschicht zur Unterdrückung der Reaktion der Titanschicht mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht ein. Damit werden bei der Wärmebehandlung bei 300-450° C nach der Bildung der oberen aluminiumhaltigen Schicht die auf der Oberfläche der Oberflächenschicht im Verbindungsloch verbliebenen Oxide und Fluoride des hochschmelzenden Metalls, die durch das Wiederanhaften beim Sputter- Ätzen erzeugt werden, als Oxide und Fluoride des Titans "eingefangen" und zersetzt. Ferner reagieren die Titanschicht und die Oberflächenschicht miteinander und bewirken einen festen Kontakt an der Grenzfläche zwischen der Titanschicht und der Oberflächenschicht.

Auf diese Weise wird der elektrische Kontaktwiderstand ("via-hole"- Widerstand) auch für Verbindungslöcher mit einem Durchmesser auf dem Submikrometerniveau stabilisiert. Ferner wird die Zuverlässigkeit, insbesondere die Elektromigrations- und Spannungsmigrations-Beständigkeit im Abschnitt des Durchgangsloches verbessert.

Es folgt die Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine teilweise Querschnittsdarstellung einer Verbindungsstruktur einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2-8 Querschnittsdarstellungen, die Herstellungsschritte für die in Fig. 1 gezeigte Verbindungsstruktur darstellen,

Fig. 9 u. 10 vergrößerte Ausschnittsdarstellungen (im Querschnitt), die die Verbindungsstruktur einer ersten Aluminium-Verbindungsschicht und einer zweiten Aluminium-Verbindungsschicht zur Darstellung der Vorgänge an deren Grenzfläche zeigen,

Fig. 11 u. 12 vergrößerte Ausschnittsdarstellungen (im Querschnitt), die Verbindungsstrukturen zur Verdeutlichung der Existenz eines optimalen Wertes der Titanschicht-Dicke in einer erfindungsgemäßen Verbindungsstruktur zeigen,

Fig. 13 eine teilweise Querschnittsdarstellung des Verbindungsaufbaus einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung nach einer anderen Ausführungsform,

Fig. 14-17 teilweise Querschnittsdarstellungen, die weitere Herstellungsschritte der Verbindungsstruktur nach Fig. 1 zeigen.

Wie Fig. 1 zeigt, trägt ein Silizium-Halbleitersubstrat 1 eine darauf gebildete DRAM-Zelle 2. Eine Basis-Isolierschicht 3 ist auf dieser DRAM-Zelle 2 gebildet. Erste Aluminium-Verbindungsschichten bzw. -streifen 4, die voneinander getrennt sind, sind auf der Basis- Isolierschicht 3 ausgebildet. Eine Wolframschicht 312 ist auf der ersten Aluminium-Verbindungsschicht gebildet. Ein Zwischenschicht- Isolierfilm 5 ist so gebildet, daß er die Wolframschicht 312 bedeckt, und mit Verbindungslöchern 6, die sich zur Oberfläche der Wolframschicht 312 erstrecken, versehen. Zweite Aluminium-Verbindungsschichten bzw. -streifen 100 sind auf dem Zwischenschicht- Isolierfilm 5 in solcher Weise gebildet, daß die Schichten (Streifen) 100 in den oben erwähnten Verbindungslöchern 6 mit der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 verbunden sind. Die zweiten Aluminium-Verbindungsschichten 100 sind aus Titanschichten 101, Titannitrid-Schichten 102 und Aluminium- bzw. Aluminium-Legierungsschichten 103 gebildet. Jede Titanschicht 101 ist als Basisschicht der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 ausgebildet und steht in Kontakt mit der Oberfläche der Wolframschicht 312. Die Titannitrid-Schicht 102 ist als Basisschicht der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 gebildet und auf der Titanschicht 101 gelegen. Die Aluminium- oder Aluminium-Legierungsschicht 103 ist auf der Titannitrid-Schicht 102 gebildet. Der auf diese Weise gebildete Verbindungsaufbau ist gegen äußere Einflüsse durch eine darauf insgesamt gebildete Schutzisolierschicht 8 geschützt. Eine intermetallische Verbindungsschicht (TiAl3) 206 ist an der Grenzfläche zwischen der Titanschicht 101 und der Wolframschicht 312 durch eine Reaktion zwischen diesen gebildet.

Die Ausführungsform der Verbindungsstruktur nach Fig. 1 wird im folgenden insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Verfahrens zur Bildung des Verbindungsteils ("via-hole"-Teils) der unteren, ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der oberen, zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 100 diskutiert.

Die ersten Schritte zur Bildung des Aufbaus nach Fig. 1 werden unter Bezugnahme auf die Fig. 14-17 beschrieben.

Wie Fig. 14 zeigt, wird die DRAM-Zelle 2 auf der Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates 1 gebildet. Die DRAM-Zelle 2 ist aus einer Elementtrenn-Oxidschicht 301, einer Transfer-Gate-Elektrode 302, einer Störstellendiffusionsschicht 303, einer Wortleitung 304, einem Speicherknoten 305, einer Kondensator-Isolierschicht 306, einer Zellplatte 307 und einer Isolierschicht 309 gebildet.

Wie Fig. 15 zeigt, wird die Basis-Isolierschicht 3 auf der gesamten Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates 1, auf dem die DRAM- Zelle 2 gebildet worden ist, gebildet. Dann werden fotolithografische und Ätztechniken zur Bildung eines Kontaktloches 308 in einer vorbestimmten Lage in der Basis-Isolierschicht angewendet. Die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 ist als Bitleitung gebildet und durch das Kontaktloch 308 elektrisch mit der Störstellendiffusionsschicht 303 kontaktiert.

In jüngster Zeit wurde bei integrierten Halbleiterschaltungseinrichtungen, bei denen die Elementgröße auf eine Größenordnung von unter 1 µm verringert wurde, eine Verbindungsschicht verwendet, bei der eine Barrieremetallschicht 310, z. B. aus Titannitrid (TiN) oder Titan-Wolfram (TiW) und eine Aluminium-Legierungsschicht (311) aus Al- Si-Cu o. ä. kombiniert sind. Die Aluminium-Verbindungsschicht mit einem solchen Aufbau wird aus folgenden Gründen verwendet:

(1) Wenn das Aluminium in direktem Kontakt mit dem Siliziumsubstrat (der Störstellendiffusionsschicht) im Kontakabschnitt steht, wird lokal eine anormale Reaktion (d. h. die Bildung von Legierungsspitzen) bewirkt. Damit wird eine Reaktionsschicht erzeugt, die ein Gebiet der Störstellendiffusionsschicht unterbricht und sich hinab in das Siliziumsubstrat erstreckt, was zu einer Verbindungs-Leckstelle bzw. -Unterbrechung an der Störstellendiffusionsschicht führt. Um dies zu verhindern, wird die Barrieremetallschicht in direktem Kontakt mit dem Siliziumsubstrat (der Störstellendiffusionsschicht) gebildet.

(2) Silizium in der Aluminium-Legierungsschicht wird infolge von festphasenepitaktischem Wachstum im Kontaktabschnitt abgeschieden, was zu einem mangelhaften Kontakt führt. Um dies zu verhindern, wird die Barrieremetallschicht unter der Aluminium-Legierungsschicht gebildet.

(3) Obere Schichten, wie ein Zwischenschichtisolierfilm und eine Schutzisolierschicht, werden über der Aluminium-Verbindungsschicht gebildet. Die Schichtspannung dieser oberen Isolierschichten kann zu Rissen bzw. Brüchen in den Aluminium-Verbindungsschichten führen. Um die Widerstandsfähigkeit gegen diese Erscheinung der Spannungsmigration zu erhöhen, wird die Barrieremetallschicht unter der Aluminium- Legierungsschicht gebildet.

Eine Schicht, die die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 bildet, wird gewöhnlich durch Abscheidung mittels eines Sputter-Verfahrens und nachfolgendes Strukturieren unter Nutzung von Fotolithographie und Ätzen gebildet.

Strukturen, bei denen die erste Aluminium-Verbindungsschicht durch eine gestapelte Schichtstruktur aus einer Titanschicht, einer Titan- Nitridschicht und einer aluminiumhaltigen Schicht gebildet wird, sind in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 64-59937 (1989) und 61-90445 (1986) beschrieben.

Wie Fig. 16 zeigt, wird der Zwischenschichtisolierfilm 5 auf der gesamten Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 gebildet. Dieser Zwischenschichtisolierfilm 5 wird aus einer Kombination einer Siliziumoxidschicht 321, die z. B. durch CVD (chemische Gasphasenabscheidung) gebildet wird, mit einer aufgebrachten anorganischen Isolierschicht 322 und einer durch CVD gebildeten Siliziumoxidschicht 323 gebildet.

Die Siliziumoxidschicht 321 wird durch CVD unter Anwendung von Wärme und eines Plasmas bei einer Bildungstemperatur von 300 bis 450°C unter Verwendung von einerseits Silan(SiH&sub4;)-Gas und andererseits Sauerstoff(O&sub2;)-Gas oder Distickstoffmonoxid(N&sub2;O)-Gas gebildet.

Eine Siliziumoxidschicht aus einem organisches Silan enthaltenden Material wie TEOS (Tetraethyl-Orthosilikat) gebildet, wobei diese Schicht sich durch eine gute Stufenbedeckung auszeichnet.

Die zur Einebnung gebildete anorganische Isolierschicht 322 enthält im allgemeinen Silanol (Si(OH)&sub4;) o. ä. als Haupt-Bestandteil. Nach dem Aufbringen des Silanol o. ä. enthaltenden Materials als Haupt- Bestandteil mittels "spin-coating" (Rotationsaufschleudern) wird bei einer Temperatur von 400-450°C ein Backen ausgeführt, um die Schicht in eine Siliziumoxidschicht zu überführen, wodurch die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 321, die durch CVD gebildet wurde, eingeebnet wird. Da diese anorganisch aufgebrachte Isolierschicht 322 hochgradig hygroskopisch ist, kann sie zu einer nachteiligen Gasemission führen, wenn die Isolierschicht 322 im Randbereich bzw. der Seitenwandung eines "via-hole"-Teils freiliegt. Daher wird diese anorganisch aufgebrachte Isolierschicht 322 einem Rückätz-Bearbeitungsschritt mittels Trockenätzen durch ein fluorhaltiges Gas oder Argongas unterzogen, um das Freiliegen der Oberfläche der anorganisch aufgebrachten Isolierschicht 322 an der Seitenwand des "via-hole"-Teils zu verhindern.

Auf der anorganisch aufgebrachten Isolierschicht 322 wird auf eine ähnliche Weise wie bei der Bildung der Siliziumoxidschicht 321 eine Siliziumoxidschicht 323 gebildet.

Wie Fig. 17 zeigt, wird das Verbindungsloch 6 durch Fotolithographie und Ätzen gebildet, um ein vorbestimmtes Oberflächengebiet der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 freizulegen. Dieser Schritt wird wie folgt ausgeführt:

Ein Fotoresist 324 wird so aufgebracht, daß er eine Fläche außerhalb des Teils, in dem das Verbindungsloch 6 durch Fotolithographie gebildet wird, bedeckt. Dann wird der Zwischenschichtisolierfilm 5 durch ein "Taper"-Ätzverfahren selektiv entfernt, um das Verbindungsloch 6 zu öffnen. Das "Taper"-Ätzverfahren ist eine Kombination aus einem Naßätzen mittels einer fluorhaltigen Lösung und einem reaktiven Ionenätzen unter Nutzung einer Mischung der Gase CHF&sub3; und O&sub2; als Haupt-Bestandteil.

Der Fotoresist 324 ebenso wie etwa während des Ätzens erzeugte Reaktionsprodukte werden durch ein Sauerstoff (O&sub2;)-Plasma und eine naßchemische Bearbeitung nach dem Ätzen entfernt.

Wie Fig. 2 zeigt, wurde die Oberfläche der Wolframschicht 312 im Verbindungsloch 6 einem Plasma aus Sauerstoffgas und einem fluorhaltigen Gas wie CHF&sub3; während des Schrittes der Bildung des Verbindungsloches 6 ausgesetzt, so daß eine Schicht 313 mit verschlechterten Eigenschaften (eine Aluminiumfluorid und/oder -oxid enthaltende Schicht) mit einer Dicke von etwa 50-100 Å auf der Oberfläche des Wolframs gebildet worden ist. Um diese dünne Schicht 313 mit verschlechterten Eigenschaften zu entfernen und um einen stabilen "via-hole"-Widerstand zu erreichen, wird ein Sputter-Ätzen mittels Argon-Ionen 202 ausgeführt.

Wie Fig. 3 zeigt, verursacht, wenn das Verbindungsloch 6 ein Aspekt- bzw. Öffnungsverhältnis (B/A) über 1 aufweist, also auf Submikrometerniveau ist, das Sputter-Ätzen mittels der Argon-Ionen 202 ein Anhaften von Oxid- und/oder Fluoridpartikeln des Wolframs, die durch die Argon-Ionen wie oben beschrieben gesputtert werden. Damit gibt es verbleibende Partikel 314 des Oxids und Fluorids des Wolframs auf der Oberfläche der Wolframschicht 312 im Verbindungsloch 6.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird, nachdem der größte Teil der Schicht 319 mit verschlechterten Eigenschaften aus Wolfram durch das Sputter- Ätzen entfernt wurde, kontinuierlich auf der gesamten Oberfläche durch ein Sputter-Verfahren im Vakuum die Titanschicht 101 mit einer Dicke von etwa 50-150 Å aufgebracht, um die wenigen verbliebenen Partikel 314 der Wolframschicht mit verschlechterten Eigenschaften zu zersetzen.

Dann wird, wie in Fig. 5 gezeigt, die Titannitrid-Schicht 102 mit einer Dicke von etwa 500-1000 Å auf der Titanschicht 101 abgeschieden. Als Verfahren für diese Abscheidung wird üblicherweise ein reaktives Sputter-Verfahren angewendet, bei dem das Sputtern in einem Umgebungsgas aus Ar + N2 unter Verwendung eines Ti-Targets bewirkt wird. Diese Titannitrid-Schicht 102 dient zur Unterdrückung einer Reaktion der Titanschicht 101, die in Kontakt mit der Wolframschicht 312 steht, mit der oberen, aluminiumhaltigen Schicht im Durchgangsloch-Abschnitt. Zu diesem Zweck hat die verwendete Titannitrid-Schicht einen geringen spezifischen Widerstand von etwa 250-400 µΩ· cm, um die Reaktionsbereitschaft mit der oberen aluminiumhaltigen Schicht zu verringern und hinreichend ein Ansteigen des "via-hole"-Widerstands zu unterdrücken.

Wenn die Titannitrid-Schicht im Kontaktteil mit dem Siliziumsubstrat als Barrieremetallschicht verwendet werden sollte, d. h. um als Barriere gegenüber dem Silizium und Aluminium zu dienen, wäre eine Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand von etwa 400-200 µΩ · cm. erforderlich. Eine solche Verwendung der Titannitrid-Schicht im "via-hole"-Teil hätte zur Folge, daß der Widerstand im Kontaktabschnitt ("via-hole"-Widerstand) mehrere Male so hoch wäre wie bei einer herkömmlichen Struktur. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die im "via-hole"-Teil verwendete Titannitrid-Schicht 102, wie oben beschrieben, zum Unterdrücken einer Reaktion der Titanschicht 101 und der oberen aluminiumhaltigen Schicht gebildet. Damit wird dieses Titannitrid 102 nicht benötigt, um als Barriere gegenüber dem Aluminium zu dienen. Dies ermöglicht die Verwendung einer Titannitrid- Schicht mit einem niedrigen spezifischen Widerstand von etwa 250-400 µΩ·cm. Im Ergebnis dessen liegt das Anwachsen des "via-hole"- Widerstands unter 50% und damit in einem Bereich, in dem es praktisch keine Nachteile mit sich bringt.

Die Dicke der Titannitrid-Schicht 102 wird auf einen Wert von etwa 500-1000 Å festgelegt, um eine Reaktion der unteren Titanschicht 101 mit der oberen, aluminiumhaltigen Schicht zu unterdrücken und das Anwachsen des "via-hole"-Widerstands auf einem Niveau zu halten, was zu keinerlei praktischen Problemen führt.

Nach dem oben beschriebenen Schritt wird, wie in Fig. 6 gezeigt, eine oberste Schicht der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 durch eine Aluminium-Legierungsschicht 103, etwa eine Al-Si-Cu- Schicht, die kontinuierlich durch ein Sputter-Verfahren abgeschieden wird, gebildet. Dann wird die Aluminium-Verbindungsschicht 100 aus einem Drei-Schicht-Aufbau, der aus der Titanschicht 101, der Titannitrid-Schicht 102 und der Aluminium-Legierungsschicht 103 gebildet ist, auf eine ähnliche Weise wie die erste Aluminium-Verbindungsschicht 4 unter Anwendung von Photolithographie und Ätzen gemustert.

Wie Fig. 7 zeigt, wird für eine Zeitdauer von etwa 15-60 Minuten bei einer Temperatur von 300-450° C eine Wärmebehandlung ausgeführt, um ein Mischen ("mixing") an der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und 100 zu fördern. Dabei wirkt die Titanschicht 101 dahingehend, daß sie die verbliebenen Partikel 314 aus Oxiden und Fluoriden des Wolframs auf der Oberfläche der Wolframschicht 312 im Durchgangsloch bzw. "via-hole"- Abschnitt zersetzt. Weiterhin reagiert die Wolframschicht 312 mit der Titanschicht 101 und bildet eine intermetallische Verbindung 206.

Die Fig. 9 und 10 zeigen in vergrößerter Form eine Verbindungsstruktur der ersten und zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und 100 zur Darstellung des Misch- bzw. "mixing"-Vorgangs an deren Grenzfläche. Wie Fig. 9 zeigt, verbleiben infolge des Anhaftens von Oxid- und Fluoridpartikeln des Wolframs beim Sputter-Ätzen veränderte bzw. zersetzte Bestandteile 314 der Wolframschicht auf der Oberfläche der Wolframschicht 312, auch nach der Bildung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100. Diese Partikel 314 behindern den Mischprozeß an der Grenzfläche 205 zwischen der ersten und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und 100.

Deshalb wird, wie in Fig. 10 gezeigt, nach der Bildung der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100 die besagte Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 300-450°C für 15-60 Minuten ausgeführt. Dabei werden die "Abfall"-partikel 314 des Wolframs als Fluoride und Oxide des Titans eingefangen und zersetzt. Dies wird durch die Tatsache ermöglicht, daß die Titanschicht 101 eine hohe Bindungskraft gegenüber Fluor und Sauerstoff aufweist, die Bestandteil der Wolfram- Reaktionsprodukte sind, und durch die Wärmebehandlung bei 300-450° C leicht Titanoxid und -fluorid gebildet werden. Weiterhin bewirkt diese Wärmebehandlung eine Reaktion der Wolframschicht 312 und der Titanschicht 101, die zur Bildung einer intermetallischen Verbindungsschicht 206 führt. Dadurch wird der Mischvorgang an der Grenzfläche 205 gefördert.

Schließlich wird, wie Fig. 8 zeigt, die Schutzisolierschicht 8, etwa eine Siliziumoxid- oder Siliziumnitrid-Schicht, mittels CVD auf die zweiten Aluminium-Verbindungsschichten 100 abgeschieden, um die Halbleiterelemente und die auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Verbindungsschichten gegen von außen eindringende Feuchtigkeit und andere Einflüsse zu schützen.

Die Dicke der bei der Verbindungsstruktur gemäß der Erfindung verwendeten Titanschicht 101 hat aus Gründen, die unten unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 erläutert werden, einen optimalen Wert.

Fig. 11 zeigt die Verbindungsstruktur der Titanschicht 101, die eine dem Optimalwert entsprechende Dicke aufweist. Wenn die Dicke der Titanschicht 101 übermäßig groß ist, wird eine übermäßig starke intermetallische Verbindungsschicht 206 gebildet, was zu dem in Fig. 12 gezeigten Zustand führt. Die Erzeugung der intermetallischen Verbindungsschicht 206 verringert das Volumen des Kontaktabschnitts in der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium-Verbindungsschicht 100, was zu Spannungen an der Oberfläche 205 führt. Wenn die Abmessungen der erzeugten intermetallischen Verbindungsschicht 206 groß sind, steigt die Volumenabnahme an, was zur Erzeugung großer Spannungen an der Oberfläche 205 führt. Dies ist die Hauptursache dafür, daß die Ober- bzw. Grenzfläche 205 zwischen der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4 und der zweiten Aluminium- Verbindungsschicht 100 schwach und die mechanische Stabilität verringert ist.

Wenn die Dicke der Titanschicht 101 allzu klein ist, ist es unmöglich, eine hinreichende Zersetzung der Aluminiumoxid- und -fluoridpartikel und eine hinreichende Beförderung des Mischvorgangs an der Fläche 205 zu erreichen. Aus den genannten Gründen hat die Dicke der Titanschicht 101, die in der erfindungsgemäßen Verbindungsstruktur verwendet wird, eine obere und eine untere Grenze. Es wurde experimentell ermittelt, daß die wünschenswerte Dicke der Titanschicht 101 in einem Bereich von 50 Å bis 150 Å liegt.

Die oben beschriebene Ausführungsform wurde unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben, daß die Titannitrid-Schicht 102 auf der Titanschicht 100 angeordnet ist, um die Reaktion der Titanschicht 101 und der Aluminium-Legierungsschicht 103, die die zweite Aluminium- Verbindungsschicht bilden, zu unterdrücken. Der gleiche oder ein ähnlicher Effekt kann auch durch andere Titan-Verbindungsschichten, wie eine Titanoxid-Schicht oder eine Titan-Stickoxidschicht, erreicht werden, die gleichermaßen zur Unterdrückung der genannten Reaktion dienen. Diese Schichten können, ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, durch ein reaktives Sputter-Verfahren abgeschieden werden. Dabei wird in einer Gasatmosphäre aus Ar + O2 für die Abscheidung der Titanoxid-Schicht oder in einer Gasatmosphäre aus Ar + O2+ N2 für die Abscheidung des Titan-Stickoxids das Sputtern unter Verwendung von Ti als Target ausgeführt, womit die gewünschte Titan-Verbindungsschicht abgeschieden werden kann.

Die oben beschriebene Ausführungsform zeigt die Bildung einer Wolframschicht 312 auf der Oberfläche der ersten Aluminium-Verbindungsschicht 4. Die gleichen Effekte können jedoch auch erreicht werden, wenn die auf der Oberfläche gebildete Schicht eine Schicht aus einem anderen hochschmelzenden Metall, wie etwa eine Titan-Wolfram (Ti-W)-Schicht, eine Metall-Verbindungsschicht mit hohem Schmelzpunkt, wie etwa eine Titannitrid (TiN)-Schicht, eine Metallsilizid-Schicht mit hohem Schmelzpunkt, wie etwa eine Molybdänsilizid (MoSi2)- oder Wolframsilizid (WSi2)-Schicht, oder eine amorphe Schicht ist.

Obgleich die oben beschriebene Ausführungsform eine zweischichtige Verbindungsstruktur aus Aluminium aufweist, können ähnliche Effekte auch erreicht werden, wenn die Erfindung auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung mit einer Aluminium-Mehrschicht-Verbindungsstruktur aus drei oder mehr Schichten angewendet wird.

Obgleich die beschriebene Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung mit auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates gebildeten DRAM-Zellen diskutiert wurde, können ähnliche Effekte auch erreicht werden, wenn die Erfindung auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung mit anderen Elementen angewandt wird.

Als Beispiel zeigt Fig. 13 eine weitere Ausführungsform, bei der eine Aluminium-Mehrschicht-Verbindungsstruktur entsprechend der Erfindung auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung mit SRAM-Zellen (statischen Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates angewandt ist. Der Aufbau der integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung mit SRAM-Zellen wird nicht im einzelnen diskutiert, sondern nur der grundsätzliche Aufbau erläutert.

Wie Fig. 13 zeigt, ist auf der Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates eine SRAM-Zelle 410 mit einer Doppelwannen-CMOS (komplementären Metall-Oxid-Halbleiter)-Struktur gebildet. Das Silizium-Halbleitersubstrat 1 ist mit p-Wannengebieten 411 und dazu benachbarten n-Wannengebieten 412 versehen. Diese Wannengebiete 411 und 412 sind durch Elementtrenn-Oxid-Schichten 413, die voneinander einen Abstand aufweisend auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 1 gebildet sind, elektrisch getrennt. Die p-Wannengebiete 411 sind mit n-Diffusionsschichten 415 versehen, die einen Abstand voneinander aufweisen, und eine Gate-Elektrode 414 ist dazwischen gebildet. Die p-Wannengebiete 412 sind mit n-Diffusionsschichten 416 versehen, die einen Abstand voneinander aufweisen, und auch zwischen ihnen ist eine Gate-Elektrode 414 gebildet. Die Gate-Elektroden 414 sind mit einer Isolierschicht 409 bedeckt. Polysilizium-Verbindungsschichten 417, die einen Abstand voneinander aufweisen, sind auf der Isolierschicht 409 gebildet. Eine Basis-Isolierschicht 3 ist auf der SRAM- Zelle 410 gebildet. Diese Basis-Isolierschicht 3 und die Isolierschicht 409 sind mit Kontaktlöchern 418 versehen, die sich jeweils zu den Oberflächen der n-Störstellendiffusionsschichten 415 bzw. p- Störstellendiffusionsschicht 416 erstrecken. Erste Aluminium-Verbindungsschichten 4 sind auf der Basis-Isolierschicht 3 gebildet und stehen in Kontakt mit den Störstellendiffusionsschichten 415 oder 416 durch die Kontaktlöcher 418. Die Verbindungsstruktur der ersten und zweiten Verbindungsschichten 4 und 100 ist dieselbe wie die in Fig. 1 gezeigte.

Ähnlich können die auf der Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates 1 gebildeten Elemente noch andere Elemente als DRAM-Zellen oder SRAM-Zellen sein, etwa EPROM-Zellen (Zellen eines löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speichers), EEPROM-Zellen (Zellen eines elektrisch löschbaren programmierbaren ROM), Mikrocomputer-Schaltungselemente, logische CMOS-Schaltungselemente, Bipolartransistor- Elemente o. ä.

Entsprechend der Erfindung wird, wie oben erläutert, eine aus einer Titanschicht mit einer Titan-Verbindungsschicht gebildete gestapelte Schichtstruktur als Basisschicht der oberen Aluminium-Verbindungsschicht, die durch das Verbindungsloch in Kontakt mit der unteren Aluminium-Verbindungsschicht steht, verwendet, wodurch im Gebiet des Verbindungsloches der mehrschichtigen Aluminium-Verbindungsstruktur ein stabiler Kontakt erzielt werden kann. Damit wird der elektrische Kontaktwiderstand stabilisiert und die Zuverlässigkeit der integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung, insbesondere ihre Beständigkeit gegenüber Elektromigration und Spannungsmigration, verbessert.


Anspruch[de]
  1. 1. Verbindungsstruktur für eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung, bei der mehrere Aluminiumverbindungsschichten durch Verbindungslöcher miteinander verbunden sind, mit
    1. a) einer auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates gebildeten ersten Aluminiumverbindungsschicht (4);
    2. c) einer auf der ersten Aluminiumverbindungsschicht (4) gebildeten Isolierschicht (5) mit einem Durchgangsloch (6, 418) und
    3. d) einer auf der Isolierschicht (5) gebildeten und durch das Durchgangsloch (6, 418) elektrisch mit der ersten Aluminiumverbindungsschicht (4) verbundenen zweiten Aluminiumverbindungsschicht (100) mit
    4. f) einer auf der Isolierschicht (5) derart gebildeten Titanschicht (101), daß sie durch das Durchgangsloch (6, 418) elektrisch mit der ersten Aluminiumverbindungsschicht (4) verbunden ist,
    5. h) einer auf der Titanschicht (101) gebildeten Titannitridschicht (102) und
    6. i) einer auf der Titannitridschicht (102) gebildeten aluminiumhaltigen Schicht (103),

      dadurch gekennzeichnet,
    7. b) daß zwischen der ersten Aluminiumverbindungsschicht (4) und der Isolierschicht (5) eine Oberflächenschicht (312) angeordnet ist, die mindestens einen Bestandteil aus der Gruppe Metall mit hohem Schmelzpunkt, Verbindung mit hohem Schmelzpunkt, Silizid mit hohem Schmelzpunkt oder amorphes Silizium aufweist.
  2. 2. Verbindungsstruktur für eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine intermetallische Verbindungsschicht (206) aus Titan und dem Material der Oberflächenschicht (312) an der Kontakt-Grenzfläche zwischen der Titanschicht (101) und der Oberflächenschicht (312).






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