DE69333604T2

DE69333604T2 - Durch PVD und DVD gebildete, mit hochschmelzendem Metall abgedeckte Metallleiterbahnen und Durchgangslöcher mit niedrigem spezifischen Widerstand

Info

Publication number: DE69333604T2
Application number: DE69333604T
Authority: DE
Inventors: Rajiv V. Yorktown Heights Joshi; Jerome J. Lincolndale Cuomo; Hormazdyar M. Milton Dalal; Louis L. Fishkill Hsu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2013-02-02
Also published as: DE69332917D1; DE69333604D1; CN1081390C; EP0966037B1; SG105511A1; SG111047A1; EP0788156A3; EP0966037A2; SG70045A1; SG70044A1; KR0134121B1; US6147402A; CN1192050A; CN1120241A; KR0128264B1; SG70046A1; DE69329663D1; US6323554B1; JP2516307B2; EP0966037A3

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung elektrischer Leiterbahnen und Durchgangslöcher, welche Schaltkreise auf Substraten wie zum Beispiel Halbleitern und ähnlichen Bauelementen miteinander verbinden, und insbesondere ein preiswertes Verfahren zum Ausfüllen von Fugen oder Löchern in Substraten mit einer Kombination aus einem durch physikalische Dampfabscheidung (physical vapor deposition, PVD) abgeschiedenen Metall mit niedrigem spezifischen Widerstand und einem durch chemische Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) abgeschiedenen hochschmelzenden Metall. Die Erfindung ist besonders bei der Herstellung von Submikrometer-Schaltkreisen anwendbar.
Metalle mit niedrigem spezifischen Widerstand wie Aluminium und Kupfer und ihre binären und ternären Legierungen sind für dünne Verbindungsleitungen bei der Halbleiterproduktion umfassend untersucht worden. Typische Beispiele für Metalle für dünne Verbindungsleitungen sind Al_xCu_y, wobei die Summe von x und y gleich eins und sowohl x als auch y größer als oder gleich null und kleiner als oder gleich eins sind, ternäre Legierungen wie Al-Pd-Cu und Al-Pd-Nb, Al-Cu-Si sowie weitere ähnliche Legierungen auf der Basis von Metallen mit niedrigem spezifischen Widerstand. Die aktuellen Bestrebungen nach weiterer Verringerung der Leiterbahnenbreite bei der Fertigung höchstintegrierter Schaltkreise (VLSI-Schaltkreise) hat zu Zuverlässigkeitsproblemen wie unzureichender Isolierung, Elektromigration und Planarisierung geführt.
JP-A-60173857 und EP-A-0338636 beschreiben Verfahren zur Erzeugung von Metallisierungsstrukturen in integrierten Schaltkreisen.
Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 33, Nr. 5, Oktober 1990, S. 217–218, beschreiben Ahn et al. mit Wolfram umhüllte Kupferleiterbahnen und -durchkontaktierungen, die durch selektives Abscheiden aus einem Gemisch von WF₆ und SiH₄ in Gegenwart von Wasserstoff hergestellt werden. Solche gekapselten Verbindungsleitungen wie die von Ahn et al. beschriebenen sind gegen Elektromigration wesentlich beständiger und weisen aufgrund der geringen Korngröße einer selektiven Wolframschicht eine geringere Reflexion auf, sodass die Bilder im Fotolack bei fotolithografischen Verfahren besser fokussiert und höher aufgelöst werden können. Die bei den von Ahn et al. beschriebenen niedrigen Temperaturen gebildete Wolframschicht hätte jedoch einen hohen Siliciumgehalt (z. B. 3–4%) und würde für Kupfer keine gute Diffusionsbarriere darstellen, da der spezifische Widerstand des Kupfers durch die Bildung von Kupfersilicid verschlechtert würde. Es ist somit schwierig, bei niedriger Temperatur eine Diffusionsbarriere durch selektive Mittel abzuscheiden. Außerdem beruht das Verfahren von Ahn et al. darauf, dass sich normalerweise durch Reaktion von entweichender Feuchtigkeit mit WF₆ an der Unterseite der Leitungen eine Donut-ähnliche Form bildet. Die Bildung dieser Donut-ähnlichen Form gilt als nicht ganz sicher.
Im Tagungsband der VMIC-Konferenz vom 12.–13. Juni 1990, S. 289–292, legen Dalton et al. dar, dass eine Hotwall-CVD-Reaktion, bei der WF₆ durch SiH₄ und H₂ reduziert wird, um eine selektive Wolframschicht auf einer Aluminium- oder Legierungsleiterbahn zu bilden, zum Einbau von Fluor in die Aluminium-Wolfram-Grenzfläche führt. Der Einbau von Fluor stellt ein Nebenprodukt der Reaktion von WF₆ mit Aluminium gemäß Gleichung 1 dar.
WF6 + 2Al --> 2AlF3 + W Gl.1
Die dünne Aluminiumfluoridschicht erhöht den Reihen-Kontaktwiderstand von Durchkontaktierungen zwischen Metall 1 und Metall 2. Wie Dalton berichtet, wird das Problem der Fluorabsorption durch Aufsputtern einer TiW-Schicht auf das Aluminium vor der CVD-Verkapselung mit Wolfram gelöst.
Dalton beschreibt ein herkömmliches Schema zur Bildung von Verbindungsleitungen, bei dem zuerst Aluminium auf einer ebenen Oberfläche abgeschieden, durch die aufgesputterte TiW-Schicht abgedeckt (einziger Unterschied zur herkömmlichen Verarbeitung) und dann mittels Fotolackbelichtung und -entwicklung strukturiert wird, woran sich ein reaktives Ionenätzen (reactive ion etching, RIE) anschließt. Die dabei entstehende Struktur wird dann mit einer dielektrischen Passivierungsschicht wie zum Beispiel SiO₂ oder Polyimid abgedeckt, die anschließend strukturiert, einem RIE-Schritt unterzogen und metallisiert wird, um eine mehrschichtige Struktur zu erzeugen. 1 ist dem Bericht von Dalton entnommen und zeigt, dass die nach herkömmlichen Bearbeitungsverfahren hergestellten Mehrschichtbauelemente in den dielektrischen Schichten an der Stelle, wo metallische Leiterbahnen verlaufen, Fugen aufweisen und eine sehr unregelmäßige Oberfläche haben.
Mittels RIE lässt sich die Ebenheit des Dielektrikums nur schwer erreichen. Die Ebenheit hängt teilweise von der Dichte der Strukturelemente ab und unebene Oberflächen führen zu Schwierigkeiten bei der anschließenden Metallisierung. Wenn ein RIE-Verfahren auf einer Polyimidschicht eingesetzt wird, ist zum Entfernen des Fotolacks auf Aluminium- oder Kupferleiterbahnen ein Ätzstopp erforderlich, wenn die Leitungen bis zur Polyimidoberfläche durchgeätzt werden, da sonst beim Entfernen des Fotolacks auch Polyimid entfernt würde. Das reaktive Ionenätzen ist bei Aluminium- oder Kupferlegierungen mit hohem Kupfergehalt generell mit großen Schwierigkeiten verbunden. Ein schwerwiegender Nachteil herkömmlicher Verfahren, die reaktives Ionenätzen von Metallen einschließen, besteht darin, dass es bei kleinen geometrischen Abmessungen infolge von Teilchendefekten zu einer großen Anzahl von metallischen Kurzschlüssen kommen kann.
In der US-Patentschrift 4,824,802 von Brown et al. wird ein Verfahren zum Auffüllen von dielektrischen Durchkontaktierungen oder Kontaktlöchern zwischen den Ebenen von mehrschichtigen VLSI-Metallisierungsstrukturen beschrieben. Insbesondere wird ein Zwischenmetall wie Wolfram oder Molybdän entweder selektiv in Öffnungen eines Isolators oder nicht selektiv durch CVD auf der gesamten Oberfläche und in den Öffnungen des Isolators abgeschieden und anschließend auf das Zwischenmetall ein Planarisierungs-Fotolack, wie zum Beispiel vom Azochinon-Novolak-Typ, Polymethacrylate, Polyimide oder andere thermoplastische Materialien, aufgebracht. Durch Ätzen bis zu einem Niveau, bei dem das Zwischenmetall genauso hoch ist wie der Fotolack, erhält man dann eine planarisierte Struktur. Das Verfahren von Brown et al. verhindert nicht die Metallkorrosion und weitere mit dem Ätzen verbundene Probleme und eignet sich nicht zur Planarisierung von Al-Cu-Legierungen oder anderen weichen Legierungen, da sich deren Eigenschaften von denen der härteren Metalle wie Wolfram und Molybdän unterscheiden. Außerdem lassen sich Durchgangslöcher und Leiterbahnen mit dem Verfahren von Brown et al. nur schwer vollständig ausfüllen.
In der US-Patentschrift 4,944,836 von Beyer et al. wird ein chemisch-mechanisches Polierverfahren beschrieben, das zur Herstellung koplanarer Metall/Isolator-Schichten auf einem Substrat geeignet ist. Insbesondere erwägen Beyer et al. die Strukturierung einer Isolator-Grundschicht, die Abscheidung einer Al-Cu-Schicht und die anschließende Anwendung eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens, bei dem die Oberfläche mit einer Aufschlämmung von Aluminiumoxid in verdünnter Salpetersäure mechanisch abgerieben wird, um das Al-Cu zu entfernen. Das Poliermittel weist gegenüber dem Al-Cu eine deutlich höhere Abtragungsrate auf als gegenüber dem darunter liegenden Isolator. Die resultierende Struktur enthält Al-Cu-Leiterbahnen, die, bezogen auf die Isolatorschicht, planarisiert sind, sodass man bei der Herstellung von Mehrschichtstrukturen weitere Schichten leicht aufbringen kann.
In der US-Patentschrift 4,956,313 von Cote et al. wird ein Verfahren zum Ausfüllen und Planarisieren von Kontaktlöchern beschrieben, bei dem Leiterbahnen aus Al-Cu-Legierung auf einer ersten Passivierungsschicht auf einem Substrat strukturiert und diese Leiterbahnen dann mit einer zweiten Passivierungsschicht, vorzugsweise aus einem dotierten Glas wie zum Beispiel einem Phosphor-Silicatglas (PSG) oder einem Bor-Phosphor-Silicatglas (BPSG) beschichtet werden, die den Konturen der Al-Cu-Legierungs-Leiterbahnen folgt; dann werden in der zweiten Passivierungsschicht Durchgangslöcher bis zu den Leiterbahnen hindurch gebildet und Wolfram mittels CVD auf die Oberfläche der zweiten Passivierungsschicht und in den Durchgangslöchern aufgebracht. Wie Cote et al. berichten, ist es für das CVD-Wolfram charakteristisch, dass es den Konturen folgt und die Durchgangslöcher ausfüllt, ohne Hohlräume zu bilden. Anschließend wird die Struktur durch Polieren mit einer Schleifsuspension planarisiert.
Weder Beyer et al. noch Cote et ak. nehmen zur Kenntnis, dass sich das Polieren für weiche Metalle wie Al-Cu-Legierungen mit niedrigem spezifischen Widerstand nicht eignet. Letzteres liegt daran, dass solche Materialien leicht durch die Poliersuspension zerkratzt, an der Oberfläche verschmiert und korrodiert werden. Außerdem sind zur Herstellung der planarisierten Strukturen nach Cote et al. mehrere Verfahrensschritte erforderlich, wodurch die Kosten steigen und die Produktionsmenge sinkt.
Rossnagel et al. beschreiben in J. Vac. Sci. Technol. 2: 261 (März/April 1991) ein Sputterverfahren mit einem kollimierten Magnetron zum Abscheiden von Schichten, die sich mit Strukturierungsverfahren nach der Lift-off-Technik und mit Lochfüllverfahren bearbeiten lassen. Das Verfahren wird auch in der US-Patentschrift 4,824,544 vorgestellt, die durch Bezugnahme Bestandteil des vorliegenden Patents ist.
Shiozaki et al. beschreiben in den „Abstracts of the 19th Conference on Solid State Devices and Materials" die Anwendung der selektiven Wolframabscheidung zum Ausfüllen von Löchern auf einem harten Metall wie MoSi_x mit hohem spezifischen Widerstand, ohne die Kapselung eines weichen Metalls zu erwähnen.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, preiswerte, korrosionsfreie und gegenüber Abrieb und Elektromigration beständige elektrische Leiterbahnen zur Verbindung von Schaltkreisen auf einem Substrat im Submikrometerbereich unter Verwendung eines Verfahren mit hoher Ausbeute bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur kostengünstigen Bildung gekapselter dünner elektrischer Leiterbahnen speziell zur Anwendung bei der Fertigung von Schaltkreisen im Submikrometerbereich bereitzustellen, ohne die Leiterbahnen einem RIE-Schritt auszusetzen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Leiterbahn oder Durchkontaktierung mit niedrigem spezifischen Widerstand und mit einer abriebbeständigen, harten Abdeckung bereitzustellen, welche die Elektromigration verringert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, neuartige Verbindungsleitungen bereitzustellen, die aus PVD-Metall mit niedrigem spezifischen Widerstand bestehen und mit hochschmelzendem CVD-Metall gekapselt sind.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verbesserung der Haftung von CVD-Wolfram an Durchgangslöchern oder Verbindungsleitungen mit hohem Aspektverhältnis bereitzustellen, welches das Bereitstellen einer aus einem hochschmelzenden Metall oder dessen Legierungen oder Verbindungen gebildeten Vorbeschichtung in den Durchgangslöchern oder Verbindungsleitungen vor der Abscheidung des CVD-Wolframs beinhaltet.
Gemäß der Erfindung wird ein einfaches und kostengünstiges Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 8 bereitgestellt, welches zu korrosionsfreien und gegen Abrieb und Elektromigration beständigen elektrischen Leiterbahnen führt und hohe Prozessausbeuten liefert. Von besonderer Bedeutung ist, dass sich durch dieses Verfahren die aufwendigen Planarisierungsschritte dielektrischer Schichten völlig erübrigen, da die Abscheidung nur auf den von Anfang an bereitstehenden ebenen Oberflächen stattfindet. Das Verfahren bedient sich gewöhnlicher Chargen- oder Einzelwafer-PVD-Prozesse wie Aufdampfen, Sputtern oder kollimiertes Sputtern mit nachfolgender konturgetreuer Abscheidung von hochschmelzendem Metall.
Die obigen sowie weitere Aufgaben, Aspekte und Vorteile lassen sich durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung unter Bezug auf folgende Zeichnungen besser verstehen:
1 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats nach dem Stand der Technik, die eine unebene obere Fläche zeigt;
die 2A bis 2E sind aufeinanderfolgende seitliche Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats, die eine Variante der Erfindung darstellen;
die 3A und 3B sind aufeinanderfolgende seitliche Querschnittsansichten eines Substrats mit einem darauf befindlichen Bauelement, welches mit einem Isolator beschichtet wurde, der wiederum vor dem Strukturieren planarisiert wurde;
die 4A bis 4E sind aufeinanderfolgende seitliche Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats, die eine andere Variante der Erfindung darstellen;
die 5A bis 5E sind aufeinanderfolgende seitliche Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats, die eine weitere Variante der Erfindung darstellen;
6 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (scanning electron micrograph, SEM) einer mittels PVD in einem Durchgangsloch abgeschiedenen Vorbeschichtung;
die 7A und 7B sind aufeinanderfolgende seitliche Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats;
8 zeigt eine Querschnittsansicht einer exemplarischen Damascene-Mehrschichtstruktur, bei der die PVD-Legierung Al_xCu_y mit CVD-Wolfram überzogen ist; und
die 9A und 9B zeigen SEM-Querschnittsaufnahmen der Strukturen von Al-Cu-Leitungen mit Wolframüberzug vor bzw. nach dem chemisch-mechanischen Polieren.
Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren zur Bildung von metallgefüllten Durchgangslöchern und Leiterbahnen auf einem Substrat, bei dem die Durchgangslöcher und die Leiterbahnen ein weiches Metall mit niedrigem spezifischen Widerstand enthalten, das durch ein relativ hartes, hochschmelzendes Metall abgedeckt ist, welches gegen Korrosion, Abrieb und Elektromigration beständig ist, und bei dem die Durchkontaktierungen und Leiterbahnen mit der auf dem Substrat abgeschiedenen dielektrischen Schicht eine Ebene bilden. Durch die in Verbindung mit den 2A–E, 4A–E und 7A–B beschriebenen Verfahren werden je nach verwendetem PVD-Abscheidungsverfahren mehrere verschiedene und neuartige Strukturen geschaffen. Es ist klar, dass die Verfahren und die daraus entstehenden Strukturen nicht auf die Verwendung bestimmter Substrate und dielektrischer Beschichtungen beschränkt sind (z. B. kann man sowohl Komposite aus anorganischen und organischen Schichten, wie in den 2A–E und 5A–E gezeigt, als auch Einzelschichten aus anorganischen oder organischen Isolatormaterialien verwenden). Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf bestimmte Metallkombinationen beschränkt; vielmehr besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein weiches Metall mit niedrigem spezifischen Widerstand oder eine weiche Metalllegierung mit niedrigem spezifischen Widerstand mit einem harten, hochschmelzenden Metall zu überziehen, das gegen Abrieb, Korrosion und Elektromigration beständig ist. Insbesondere betrifft die Erfindung elektrische Systeme, in denen Aluminium- und Kupferlegierungen verwendet werden, da es sich gezeigt hat, dass man in Durchgangslöchern und Gräben im Submikrometerbereich mit zuverlässig gesichertem hohen Aspektverhältnis durch kollimiertes PVD-Sputtern gleichmäßige formgetreue Schichten eines Vorbeschichtungsmaterials aus hochschmelzendem Metall abscheiden kann. Die Vorbeschichtung aus hochschmelzendem Metall dient während der nachfolgenden Verarbeitung als wirksame Diffusionsbarriere für Kupfer.
In 2A wird zuerst ein Dielektrikum auf einem Substrat 10 abgeschieden und anschließend strukturiert. Beim Substrat 10 handelt es sich vorzugsweise um Silicium, Galliumarsenid oder ein anderes zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen geeignetes Material. Beim Substrat 10 kann es sich jedoch auch um keramisches Material, Glas oder ein Verbundmaterial handeln, Materialien wie sie üblicherweise zur Einhausung von Halbleitern und zur Herstellung von Dünnschichtverbindungen verwendet werden. Auf dem Substrat 10 ist vorzugsweise eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen gebildet, bei denen es sich um Feldeffekttransistoren (field effect transistor, FET), bipolare Transistoren, Widerstände, Schottky-Dioden oder Ähnliches handeln kann. Es sollte klar sein, dass das in den 3A–B, 4A–E, 5A–E, 7A–B und 8 gezeigte Substrat 10 jede der oben erörterten Eigenschaften sowie weitere in der Technik bekannte Eigenschaften haben kann.
Die in 2A gezeigte dielektrische Kompositschicht enthält eine obere und eine untere anorganische dielektrische Schicht 11 bzw. 13, bei denen es sich um Siliciumdioxid (SiO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder Ähnliches handeln kann. Die beiden anorganischen Schichten 11 und 13 werden vorzugsweise mittels einer plasmaunterstützten chemischen Dampfabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) aufgebracht, wobei zuerst SiO₂ bei einem Druck von 90 Torr auf dem leitenden Substrat 10 abgeschieden und Si₃N₄ (0,075 bis 0,1 μm) als Diffusionsbarriere für mobile Ionen aufgedampft wird. Zwischen den anorganischen Schichten 11 und 13 wird eine dickere organische dielektrische Schicht 12 wie zum Beispiel ein Polyimid abgeschieden. Als Alternative zu dem durch die Schichten 11, 12 und 13 erzeugten dielektrischen Komposit kann auch eine Einzelschicht aus einem anorganischen Dielektrikum wie zum Beispiel SiO₂, PSG oder BPSG oder ein organisches Dielektrikum wie zum Beispiel Polyimid verwenden werden, und durch eines aus einer Vielzahl bekannter Verfahren wie zum Beispiel durch Wachsen in einer oxidierenden Atmosphäre, durch Sputtern oder PECVD abgeschieden werden. Die 2A–E und 5A–E zeigen zwar die Verwendung des Komposits und die 3A–B, 4A–E und 7A–B die Verwendung einer anorganischen oder dielektrischen Einzelschicht, jedoch sollte klar sein, dass die Anwendung der vorliegenden Erfindung durch die dielektrische Schicht keineswegs einschränkt wird und man bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung eine beliebige dielektrische (z. B. anorganische oder organische) Schicht einzeln oder in Kombination verwenden kann.
2A zeigt eine in dem dielektrischen Komposit gebildete Öffnung 14, bei der es sich um ein Durchgangsloch oder einen Graben für eine Leiterbahn handeln kann. Bei VLSI-Anwendungen hat das Substrat 10 normalerweise einige hundert bis einige tausend solcher in 2A gezeigter Öffnungen 14, wobei das entstehende dichte, komplexe Muster letztlich Schaltkreise auf oder in dem Substrat untereinander verbindet. Die Öffnungen 14 werden vorzugsweise mittels Hochkontrastlithografie (contrast enhanced lithography, CEL) und anschließendem Ätzen der Gräben oder Löcher in einer Mehrwaferanlage mittels CHF₃ und O₂ gebildet, wobei durch optimales Überätzen sichergestellt wird, dass die Öffnung 14 die gewünschten Abmessungen hat und sich bis zu einer Kontaktfläche auf der Oberfläche des Substrats 10 erstreckt, sodass ein Durchkontaktierungszapfenmuster entsteht. Zur Herstellung von Leitungsmustern werden die dielektrischen Schichten vorzugsweise nur zum Teil bis zu einer Tiefe geätzt, die etwa 10% mehr als die verwendete Metalldicke beträgt. Zum Ätzen des Polymimids 12 verwendet man vorzugsweise reaktives Ionenätzen in Sauerstoff bei niedrigen Temperaturen. Es sollte klar sein, dass die Bildung der in den 2A–E, 4A–E, 5A–E und 7A–B gezeigten Öffnung 14 in der Technik bekannt ist und mittels zahlreicher verschiedener Verfahren erfolgen kann.
Wenn im Gegensatz zu dem in 2A gezeigten ebenen Substrat 10, das keine nach oben hervorstehenden Bauelemente hat, ein Startsubstrat 10 verwendet wird, auf dem ein Bauelement 18 gemäß den 3A und 3B gebildet ist, sollte der auf dem Bauelement 18 abgeschiedene Isolator 20 zunächst planarisiert werden, bevor eine Öffnung 22 erzeugt wird. Das Planarisieren kann mittels RIE, chemisch-mechanischen Polierens oder einer Kombination von RIE und chemisch-mechanischem Polieren oder durch andere Mittel erfolgen.
Die 2B–E veranschaulichen eine erste Variante der vorliegenden Erfindung, bei der ein ebener strukturierter Schichtaufbau, welcher entweder der in 2A oder der in 3B gezeigte oder ein anderer Schichtaufbau mit einer in einer dielektrischen Deckschicht gebildeten Öffnung 14 sein kann, eine Schicht 15 aus hochschmelzendem Metall auf der anorganischen dielektrischen Schicht 13 und dem am Boden der Öffnung 14 freiliegenden Substrat 10 aufweist. Diese Schicht kann mittels eines PVD-Verdampfungsverfahrens erhalten werden, das in Handbook of Thin Film Technoloay, Hrsg. Maissel und Glen, McGraw-Hill Co., 1983, S. 1–100 sehr gut beschrieben ist. Ein wichtiges Merkmal beim Einsatz der PVD-Verdampfungstechnik besteht dabei darin, dass die Seitenwände der Öffnung 14 im Dielektrikum durch die hochschmelzende Metallschicht 15 nicht beschichtet werden. Es sollte klar sein, dass man zur Realisierung der Erfindung ein kollimiertes PVD-Sputterverfahren ähnlich dem in der US-Patentschrift 4,824,544 beschriebenen Verfahren einsetzen kann, durch dieses kollimierte Sputtern aber eine konturgetreue Schicht entsteht, die im Gegensatz zu der in 2B gezeigten Schicht die Seitenwände der Öffnung 14 bedecken würde. Die Verwendung des kollimierten Sputterns zur Erzeugung einer Vorbeschichtung aus hochschmelzendem Metall wird im Folgenden ausführlicher erörtert. Bei dem hochschmelzendem Metall kann es sich um Titan (Ti), Titanlegierungen oder -verbindungen wie Ti/TiN, Wolfram (W), Titan/Wolfram-Legierungen (Ti/W), Chrom (Cr) oder Tantal (Ta) und deren Legierungen oder um ein anderes geeignetes Material handeln. Wenn Leiterbahnen oder Durchkontaktierungen auf Basis von Kupfer gebildet werden sollen, sollte ein hochschmelzendes Metall verwendet werden, das als Diffusionsbarriere für Kupfer dienen kann, damit eine Diffusion des in der Öffnung 14 abgeschiedenen Kupfers in das Substrat 10 während der weiteren Verarbeitung verhindert wird.
Als Nächstes wird auf dem hochschmelzenden Metall 15 durch Aufdampfen mittels PVD eine einfache, binäre oder ternäre Metallisierung 16 abgeschieden. Da es sich dabei um einen Aufdampfprozess handelt, werden auch hier die Seitenwände der Öffnung 14 nicht beschichtet. Es sollte jedoch klar sein, dass man die Metallisierung 16 durch kollimiertes Sputtern aufbringen könnte, wodurch in der Öffnung 14 und oben auf dem dielektrischen Schichtstapel eine konturgetreue Metallisierungsschicht gebildet werden würde. Vorzugsweise handelt es sich bei der Metallisierung um Al_xCu_y, wobei die Summe von x und y gleich eins und sowohl x als auch y größer als oder gleich null und kleiner als oder gleich eins sind; allerdings eignen sich auch ternäre Legierungen wie zum Beispiel Al-Pd-Cu und Mehrkomponentenlegierungen wie zum Beispiel Al-Pd-Nb-Au. Das Hauptmerkmal der Metallisierung 16 besteht darin, dass es sich im Gegensatz zum hochschmelzenden Metall 15 um ein weiches Material mit niedrigem spezifischen Widerstand handelt. Vorzugsweise wird die Öffnung 14, welche die Struktur der Leiterbahnen oder der Durchkontaktierungen zwischen den Schichten darstellt, bis zu einer Tiefe von 100 bis 400 nm unterhalb der Oberfläche der Leiterbahn oder der Durchkontaktierung durch die Metallisierung 16 ausgefüllt. Es sollte klar sein, dass die in den 4A–E, 5A–E und 7A – B gezeigte Metallisierung 16 von derselben Art ist, wie sie oben beschrieben wurde.
2C zeigt ein hochschmelzendes Metall 17, wie zum Beispiel Wolfram, Cobalt, Nickel, Molybdän, oder eine Legierung/Verbindung wie zum Beispiel Ti/TiN, das bzw. die auf der Struktur abgeschieden wurde. Die Abscheidung des hochschmelzenden Metalls 17 kann durch eine einstufige CVD oder durch einen zweistufigen Prozess erfolgen und wird anhand der 4A–E erläutert, wobei der erste Schritt ein kollimiertes Sputtern oder ein ähnliches Verfahren zum Aufbringen eines Haftvermittlers wie zum Beispiel Titan oder Titannitrid zur Erzeugung einer konturgetreuen flächendeckenden Beschichtung und der zweite Schritt die Abscheidung einer dünnen Wolframschicht mittels CVD zur Erzielung einer noch konturgetreueren Beschichtung umfasst. Die CVD-Abscheidung des hochschmelzenden Metalls erfolgt vorzugsweise durch Reduktion von WF₆ mit SiH₄ oder H₂. Bei einem besonders bevorzugten CVD-Verfahren wird das WF₆ zuerst mit SiH₄ und dann mit H₂ reduziert, da die CVD-Abscheidung von Wolfram auf einer TiN-Schicht durch Reduktion von WF₆ mit SiH₄ gleichmäßiger als durch Reduktion mit H₂ erfolgt. Das hochschmelzende Metall 17 bietet eine gegen Abrieb, Korrosion und Elektromigration beständige Beschichtung auf der darunter liegenden weichen Metallisierung 16 mit niedrigem spezifischen Widerstand in der Öffnung 14. Ein besonders großer Vorteil der CVD-Beschichtung durch Reduktion des WF₆ mit SiH₄ besteht darin, dass man das SiH₄/WF₆-Verhältnis variieren kann, um unterschiedliche Siliciummengen in das Wolfram einzubauen und so vorteilhafte Eigenschaften zu erhalten. Zum Beispiel kann es von Vorteil sein, das hochschmelzende Metall 17 beim Ausfüllen der Öffnung 14 im Dielektrikum mit einem SiH₄/WF₆-Verhältnis von 0,5 : 1,0 abzuscheiden, da man hierdurch ein hochschmelzendes Metall mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand erhält; erhöht man jedoch das SiH₄/WF₆-Verhältnis zur oberen Oberfläche des Dielektrikums hin auf 2,0 : 1,0, erhält man infolge eines stärkeren Siliciumeinbaus eine höhere Abriebbeständigkeit. Das nach dem oben beschriebenen CVD-Verfahren erzeugte siliciumdotierte Wolfram kann. man als abriebbeständige Schicht oder als Polierstoppschicht nutzen (diese Schicht ist zum Beispiel beständiger gegenüber einer beim chemisch-mechanischen Polieren verwendeten Aufschlämmung von Aluminiumoxid in Eisen(III)-nitrat). Da die durch Aufdampfen aufgebrachte Metallisierung 16 die Seitenwände der Öffnung 14 nicht bedeckt, erzeugt das durch CVD aufgebrachte hochschmelzende Metall 17 um die Metallisierung 16 herum sich verjüngende Seitenwände und die Metallisierung 16 wird durch das hochschmelzende Metall 17 und das darunter liegende hochschmelzende Metall 15 vollständig eingekapselt.
Die 2D und 2E zeigen, dass die nach der CVD-Abscheidung des hochschmelzenden Metalls 17 erhaltene Struktur planarisiert wird, um eine Struktur zu erhalten, bei der eine zweiteilige leitende Durchkontaktierung oder Leiterbahn mit einer mittleren weichen Metallisierung 16 niedrigen spezifischen Widerstands, die in ein hartes und abriebbeständiges hochschmelzendes Metall 17 eingekapselt ist, eine obere Fläche aufweist, die mit der oberen Fläche des dielektrischen Komposits auf dem Substrat 10 bündig abschließt. Die Planarisierung kann in einem oder in zwei Schritten durch chemisch-mechanisches Polieren mit einer Aluminiumoxid-Aufschlämmung in verdünntem Eisen(III)-nitrat oder durch reaktives Ionenätzen in Gegenwart von SF₆ oder Cl₂ erfolgen. Wenn chemisch-mechanisches Polieren angewendet wird, kann man die Poliersuspensionen so wählen, dass sie verschiedene Metallschichten des Schichtstapels entfernen. Zum Beispiel kann Ti/TiN/W auf Kupfer mittels der Aluminiumoxid-Suspension in verdünntem Eisen(III)-nitrat und anschließend das verbliebene Kupfer mittels einer aluminiumoxidfreien Suspension entfernt werden. Es sind auch Kombinationen aus Abtragung der hochschmelzenden Metallschicht 17 mittels reaktivem Ionenätzens und anschließendem chemisch-mechanischen Polieren der verbliebenen Metallisierung 16 und des verbliebenen hochschmelzenden Metalls 17 auf der organischen oder anorganischen Schicht 13 denkbar. Bei einem bestimmten denkbaren Planarisierungsverfahren wird das hochschmelzende Metall Wolfram 17 entweder durch chemisch-mechanisches Polieren oder durch reaktives Ionenätzen mit SF₆ oder Cl₂ bis zu einer in 2D gezeigten Fläche der Metallisierung 16 aus Al-Cu-Legierung abgetragen, anschließend unter Nutzung des Wolframs als Maske die Al-Cu-CVD-Schicht bis zur Fläche der anorganischen Schicht 13 abgeätzt und abschließend das auf der Fläche des Dielektrikums verbleibende Wolfram 17 entweder abpoliert, nass oder mittels reaktiven Ionenätzens in Cl₂ abgeätzt, sodass man die in 2E gezeigte Struktur erhält.
Die 4A–E zeigen eine weitere Variante der Erfindung, bei der Elemente, die den oben genannten entsprechen, in allen Figuren durch dieselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind. 4A zeigt ein Substrat 10, auf dem ein anorganisches oder organisches Dielektrikum 15 mit einer darin erzeugten Öffnung 14 gebildet ist, in welcher eine Kupfermetallisierung 16 abgeschieden wurde. Der wesentliche Unterschied zwischen den in 4A und in 2B gezeigten Strukturen besteht darin, dass vor der Abscheidung der Kupfermetallisierung durch kollimiertes Sputtern eine dünne Schicht eines hochschmelzenden Metalls 24 wie zum Beispiel Titan, Titannitrid (TiN), Wolfram, Tantal oder deren Legierungen und Verbindungen auf der Oberfläche des anorganischen oder organischen Dielektrikums 15 und im Innern der Öffnung 14 abgeschieden wurde.
Das kollimierte Sputtern wird, wie oben erwähnt, in der US-Patentschrift 4,824,544 von Rossnagel et al., in der ein Lift-off-Verfahren erörtert wird, allgemein beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass sich durch Verwendung des kollimierten Sputterns bei höheren Drücken – bei denen die Streuung überwiegt, im Gegensatz zu niedrigeren Drücken mit überwiegend gerichteter Abscheidung – konturgetreue Beschichtungen von Gräben oder Durchkontaktierungen mit hohem Aspektverhältnis im Submikrometerbereich erhalten lassen (z. B. werden sowohl die Seitenwände als auch die Bodenfläche beschichtet). Unter dem Aspektverhältnis ist allgemein das Verhältnis der Höhe eines Grabens oder eines Durchgangslochs zur Breite eines Grabens bzw. zum Durchmesser eines Durchgangslochs zu verstehen. Bei Gräben und Durchgangslöchern mit Aspektverhältnissen größer als zwei spricht man im Allgemeinen von einem hohen Aspektverhältnis. Beim kollimierten Sputtern überwiegt bei Drücken oberhalb 1 mTorr (vorzugsweise etwa 3 mTorr) die Streuung und unterhalb 1 mTorr die gerichtete Abscheidung. Das kollimierte Sputtern wird in Verbindung mit den 5A–E und 6 ausführlicher beschrieben.
Das vollständige Beschichten der Bodenfläche und der Seitenwände der Öffnung 14 mit einem hochschmelzenden Metall 24 gemäß 4A ist von besonderer Bedeutung, wenn eine Metallisierung 16 auf Kupferlegierungsbasis verwendet wird, da Kupfer während der anschließenden Hochtemperaturbehandlung in das Substrat 10 diffundiert und so das Bauelement verdirbt, wenn keine Diffusionsbarriere vorhanden ist. Die Kupfermetallisierung 16 kann durch PVD entweder mittels Aufdampfen oder kollimiertes Sputtern oder durch andere Verfahren abgeschieden werden. Wenn Löcher mit hohem Aspektverhältnis im Submikrometerbereich ausgefüllt werden sollen, haben sich CVD-Verfahren nach dem Stand der Technik zum Ausfüllen der Löcher mit Legierungen auf Basis von Aluminium und Kupfer als unbrauchbar erwiesen; aus diesem Grund sind zum Ausfüllen PVD-Verfahren vorzuziehen.
Nach dem Abscheiden der Metallisierung 16 wird als Haftvermittler auf die Fläche der Kupfermetallisierung 16 eine dünne Schicht 26 aus Titan, Ti/TiN, Tantal oder Chrom aufgebracht. Dann wird ein hochschmelzendes Metall wie Wolfram mittels CVD durch Reduktion von WF₆ mit SiH₄ oder H₂ abgeschieden, um die in 4B gezeigte Struktur zu erzeugen. Das Variieren des SiH₄/WF₆-Verhältnisses im Verlauf der CVD kann man wie oben erläutert vorteilhaft zur Herstellung einer härteren, abriebbeständigeren Wolframschicht mit eingebautem Silicium in der Nähe der oberen Fläche des Dielektrikums 15 nutzen. Die dünne Grenzflächenschicht 26 ist dabei so zu wählen, dass die darunter liegende Kupfermetallisierung 16 nicht durch sie angegriffen wird.
4C zeigt, wie zuerst Wolfram durch Polieren oder mittels RIE planarisiert wird, und 4D zeigt, wie Kupfer durch Nassätzen selektiv abgetragen wird. Wenn Leiterbahnen aus Kupfer oder Kupferlegierungen erzeugt werden, ist zum Planarisieren des Kupfers die Verwendung einer Nassätzlösung auf der Basis von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und Wasserstofftetroxid (H₂O4) von Vorteil. Bei Raumtemperatur wird durch eine solche Lösung das gesamte auf dem Dielektrikum befindliche Kupfer, nicht aber das Wolfram oder das Dielektrikum abgeätzt, da das Kupfer nicht vor der Nassätzlösung geschützt ist (H₂O₂ z. B. hat bei Raumtemperatur nahezu unbegrenzte Selektivität). 4E zeigt, wie das Wolfram 17 nach dem Nassätzen selektiv durch reaktives Ionenätzen, Polieren oder andere Verfahren abgetragen werden kann. Ein bevorzugtes Verfahren zum Entfernen des hochschmelzenden Wolframs 17, das über die Oberfläche des Dielektrikums 15 hinausragt, ist das chemisch-mechanische Polieren mit einer Aluminiumoxid-Suspension in Eisen(III)-nitrat oder Ähnlichem. Da Wolfram ein relativ hartes Material ist, wird es beim chemisch-mechanischen Polieren weder zerkratzt noch korrodiert. Im Gegensatz zu dem oben erörterten dreistufigen Ansatz kann man einem einstufigen chemisch-mechanischen Polieren den Vorzug geben, um das hochschmelzende Wolfram 17, die dünne Haftvermittlerschicht 26 und die auf der Oberfläche des Isolators 15 befindliche Kupfermetallisierung 16 zu entfernen.
Die 5A bis 5E zeigen noch eine weitere Variante der Erfindung, bei der gleiche Bezugsnummern gleiche Elemente bezeichnen. 5A zeigt eine Vorbeschichtung 28 aus hochschmelzendem Metall, die vor der Metallisierung komplett oder teilweise konturgetreu in der Öffnung 14 abgeschieden wurde, indem ein kollimiertes Sputtern wie das in J. Vac. Sci. Technol. 2: 261 (März/April 1991) von Rossnagel et al. und in der US-Patentschrift 4,824,544 von Rossnagel et al. beschriebene Verfahren angewendet wird, welches durch Bezugnahme in das vorliegende Patent einbezogen ist. Beim kollimierten Sputtern treten die Atome des hochschmelzenden Metalls bei einem Druck über 0,5 mTorr durch eine wabenähnliche Struktur mit einem Aspektverhältnis von Tiefe zu Querschnitt größer als eins. Tabelle 1 zeigt die bei der Abscheidung der Vorbeschichtung angewendeten Bedingungen.
TABELLE 1 ABSCHEIDUNG DER VORBESCHICHTUNG DURCH KOLLIMATION
Bei den in Tabelle 1 dargestellten Untersuchungen wurden der Druck zwischen 0,5 mTorr und 15 mTorr und die elektrische Leistung zwischen 0,5 kW und 12 kW variiert. Tabelle 1 zeigt deutlich die schlechte Stufenüberdeckung, wenn keine Kollimation eingesetzt wird. Bei höheren Drücken (z. B. 3 mTorr) und einem Kollimator mit Aspektverhältnissen von mindestens 1 : 1 wurden die Durchgangslöcher oder Kontakte mit Aspektverhältnissen von über 7 bis 8 mit Doppelschichten aus Ti/TiN oder Ti/W beschichtet, was zu einer Stufenüberdeckung von mehr als 40% an der Bodenfläche und mehr als 30% an der Seitenwand führt. Dies stellt einen entscheidenden Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar, da Halbleiterhersteller hierdurch in der Lage sind, im Innern eines Grabens oder eines Durchgangslochs mit hohem Aspektverhältnis eine konturgetreue Schicht aufzubringen, die als Haftvermittler für das CVD-Wolfram dient. Darüber hinaus wird, wie im Folgenden ausführlicher erörtert, durch eine konturgetreue Schicht aus TiN oder anderen geeigneten Materialien eine wirksame Diffusionsbarriere für auf Kupfer basierende Legierungen bereitgestellt. Um die Seitenwände und die Bodenfläche eines Grabens oder eines Durchgangslochs gründlich zu beschichten, sollten wie oben beschrieben Drücke angewendet werden, bei denen die gestreute Abscheidung überwiegt (z. B. größer als 1 mTorr), anstelle von niedrigeren Drücken, bei denen die gerichtete Abscheidung überwiegt.
6 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Haftvermittlerschicht aus hochschmelzendem Metall in einem Durchgangsloch, die wie oben beschrieben durch kollimiertes Sputtern erzeugt wurde. 6 zeigt, dass man eine vollständige Bedeckung der Bodenfläche und der Seitenwände des Durchgangsloch erreichen kann. Zur In-situ-Abscheidung von TiN wurde ein N₂-Plasma mit Argon in Gegenwart eines Titantargets verwendet. Der Haftvermittler kann die Haftung verbessern und das darunter liegende Substrat vor Angriffen durch das CVD-Wolfram schützen. Die Konturentreue eines Haftvermittlers nimmt in dem Maße zu, wie das Aspektverhältnis des Kollimators zunimmt.
Wenn in der Struktur Kupferleiterbahnen oder -durchkontaktierungen verwendet werden sollen, wird ein widerstandsfähiger Haftvermittler benötigt, der als Diffusionsbarriere dienen kann. Durch Kollimation eines hochschmelzenden Haftvermittlers (z. B. Ta, Ti/TiN oder Ti/W usw.) bei niedrigen Drücken entsteht an der Seitenwand der Öffnung 14 im Dielektrikum eine poröse Struktur. Um die Bildung dieser porösen Struktur zu verhindern und an der Seitenwand eine dichte Struktur zu erzeugen, wurde ein zweistufiger Kollimationsprozess verwendet. Insbesondere wurde im ersten Schritt eine dünne Haftvermittlerschicht bei einem Druck unterhalb 0,8 mTorr abgeschieden, um eine Bedeckung der Bodenfläche von mehr als 60% zu erreichen; dann wurde im zweiten Schritt in situ der Druck auf 3 bis 4 mTorr erhöht, um unter Verwendung desselben Kollimators an der Seitenwand eine dichte Mikrostruktur zu erzeugen. Vor der vorliegenden Erfindung verfügte man über keinerlei Mittel zur Bildung einer Haftvermittlerschicht in Löchern mit großem Aspektverhältnis im Submikrometerbereich, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Die Ergebnisse für Doppelschicht-Haftvermittler aus Ti/W und Ti/TiN, die als Diffusionsbarriere für hochschmelzendes CVD-Metall 17 oder weiches Metall mit niedrigem spezifischen Widerstand verwendet wurden, waren ähnlich.
Die 5B–5E zeigen ähnliche Schritte wie die 2B–2E und die 4A–4E, werden jedoch als andere Variante der Erfindung ausgeführt. 5B zeigt ebenso wie 4B eine Haftvermittlerschicht 26 wie zum Beispiel Ti, Cr, Ta, Ti/W oder Ähnliches, die durch PVD-Verdampfung auf der Vorbeschichtung aus hochschmelzendem Metall und auf der Bodenfläche der Öffnung 14 abgeschieden wird. Ebenso wie 2B zeigt 5B eine Al-Cu-Legierung oder eine andere Metallisierung 16, die bis zu einer Höhe von 100 bis 400 nm unterhalb der Oberfläche des Dielektrikums durch ein PVD-Verdampfungsverfahren abgeschieden wird. Die 5C–5E zeigen jeweils die Abscheidung einer konturgetreuen Schicht aus Wolfram oder einem anderen hochschmelzenden Material zum Abdecken der Metallisierung 16 mit niedrigem spezifischen Widerstand, die Planarisierung des Wolframs durch reaktives Ionenätzen, Polieren oder ähnliche Verfahren sowie die Planarisierung der Struktur durch das zweistufige Nassätzen der Aluminium-Kupfer-Legierung mittels H₂O₂ mit anschließendem chemisch-mechanischen Polieren des Wolframs entsprechend den 4C und 4D oder durch einfaches Planarisieren mittels reaktiven Ionenätzens oder chemisch-mechanischen Polierens in einem Schritt. Zum einstufigen chemisch-mechanischen Polieren kann eine Aufschlämmung ähnlich der zum Polieren des Wolframs verwendeten eingesetzt werden. Bei der in 5E gezeigten Struktur wird ebenso wie bei der in 2E gezeigten Struktur eine Metallisierung 16 mit niedrigem spezifischen Widerstand durch ein hochschmelzendes CVD-Metall 17 eingekapselt, wobei es eine Zone eines sich verjüngenden hochschmelzenden Metalls 17 gibt.
Die 7A und 7B zeigen ein Beispiel, bei welchem gleiche Elemente durch gleiche Bezugsnummern bezeichnet werden. 7A zeigt, dass in der Öffnung in dem organischen oder anorganischen Dielektrikum 15 auf dem Substrat 10 durch kollimierte PVD-Sputterverfahren sowohl eine konturgetreue Vorbeschichtung/Diffusionsbarriere 28, vorzugsweise aus hochschmelzendem Metall, als auch eine konturgetreue Legierungs- oder Metallisierungsschicht 16 mit niedrigem spezifischen Widerstand aus Al_xCu_y oder einem anderen geeigneten Material abgeschieden werden. Anschließend wird mittels CVD eine flächendeckende Beschichtung 17 aus einem hochschmelzendem Metall wie Wolfram, Titan, Tantal oder Ähnlichem zum Abdecken der Struktur abgeschieden. 7B zeigt, dass die Struktur dann mittels RIE, chemisch-mechanischen Polierens oder anderer Verfahren planarisiert wird. Beim Vergleich der Struktur von 7B mit der Struktur von 5E wird ersichtlich, dass sie sich bezüglich der Form der Durchkontaktierung oder der Leiterbahn deutlich voneinander unterscheiden. Obwohl beide Strukturen ein durch ein hochschmelzendes Metall 17 abgedecktes Metall 16 mit niedrigem spezifischen Widerstand enthalten, sind die beiden Metallisierungen für unterschiedliche Umgebungen vorgesehen.
Die mittels der oben erörterten Verfahren hergestellten und durch hochschmelzendes Metall abgedeckten Leiterbahnen wurden experimentellen Tests unterzogen. Bei diesen Experimenten variierten die Leiterlängen zwischen 13,5 cm und 50 cm auf einer Chip-Fläche von etwa 1,6 mm². Die Leiterbreiten variierten zwischen 1 μm und 2 μm. Das Aspektverhältnis betrug bei den ausgefüllten Löchern zwischen 2 und 8 und bei den Leiterbahnen zwischen 2 und 4.
TABELLE 2 WIDERSTAND DURCH WOLFRAM ÜBERDECKTER METALLLEITER MIT NIEDRIGEM SPEZIFISCHEN WIDERSTAND NACH DEM POLIEREN^a (A) DURCH VERDAMPFUNG HERGESTELLT^b
(B) DURCH KOLLIMIERTES SPUTTERN ERZEUGT^c
(C) DURCH SPUTTERN OHNE KOLLIMATION HERGESTELLT^d
Die Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen, dass die Prozessausbeute des neuen Verfahrens sehr gut ist und sich der Widerstand der Leiterbahnen durch das Vorhandensein der Wolframabdeckung nicht wesentlich ändert. Einige der obigen Daten zeigen, dass der Widerstand zunimmt, wenn das Titan direkt unter der Al-Cu-Legierung vorliegt. Das wird durch die Bildung von TiAl₃ an der Grenzfläche verursacht. Es zeigte sich, dass durch das Einbringen einer Titanlegierung oder -verbindung (z. B. TiN) zwischen dem Titan und der Al-Cu-Schicht die Bildung von TiAl₃ verhindert wird und dadurch der Widerstand niedriger bleibt. Der letzte Wert in Tabelle 2 zeigt, dass beim Sputtern ohne Kollimation bei niedrigeren Drücken (z. B. unter 1 mTorr) mit überwiegend gerichteter Abscheidung gearbeitet werden sollte.
Es wird erwartet, dass es von Vorteil ist, vor dem chemisch-mechanischen Polieren die hochschmelzende Metallabdeckung einem RIE- oder Nassätzprozess unter Verwendung von H₂O₂ oder H₂O₄ zu unterziehen, wenn man die Dicke der Deckschicht bis zum absoluten Minimalwert verringern will. Eine dicke Schicht aus hochschmelzendem Metall würde den kapazitiven Widerstand erhöhen, was nicht wünschenswert ist. Wenn man nach dem Polierprozess einen Nassätz- oder RIE-Schritt (z. B. Ätzen mit SF₆) einkalkuliert, ist der Chipentwickler in der Lage, dicke Schichten aus hochschmelzendem Metall einzusetzen, um die darunter befindliche Al-Cu-Leiterbahn oder das Durchgangsloch mit niedrigem spezifischen Widerstand während des chemisch-mechanischen Polierens möglichst gut zu schützen, und dennoch anschließend den gesamten Überschuss an hochschmelzendem Metall zu entfernen, um eine Struktur zu erhalten, auf der sich nur sehr wenig hochschmelzendes Metall befindet. Zum Beispiel kann man zum Schutz vor Beschädigungen durch Polierprozesse eine 500–600 nm dicke Schicht aus hochschmelzendem Metall aufbringen und diese später durch Nassätzen oder reaktives Ionenätzen bis auf eine Dicke von 50 nm verringern.
8 zeigt ein Beispiel eines Mehrschicht-Halbleiterbauelements, auf dessen oberster Fläche sich durch Wolfram abgedeckte Al_xCu_y-Legierungs-Leiterbahnen befinden, die mit der obersten Isolatorschicht bündig abschließen. Die mit CVD-Wolfram versehenen Durchgangslöcher oder Gräben enthalten, wie oben ausführlich erörtert, zur Verbesserung der Haftung eine durch kollimiertes Sputtern gebildete TiN-Vorbeschichtung. Durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung können noch viele andere Halbleiterbauelemente hergestellt werden.
Die 9A und 9B sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines Querschnitts eines Halbleiterbauelements. 9A zeigt einzelne aus einer Siliciumoberfläche herausragende SiO₂-Bereiche, wobei sich zwischen den SiO₂-Bereichen und auf dem SiO₂ eine Al-Cu-Legierung befindet. Zwischen den Bereichen der Al-Cu-Legierung und auf dem Al-Cu befindet sich eine CVD-Wolframschicht. 9A zeigt eine Struktur mit abgedeckten Leiterbahnen vor dem Polieren. 9B zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnitts einer Mehrschichtstruktur nach dem Entfernen des Wolframs und der Al-Cu-Legierung von der obersten Fläche der herausragenden SiO₂-Bereiche durch chemisch-mechanisches Polieren.

Claims

Bauelement, welches Folgendes umfasst: ein Substrat (10); mindestens eine auf dem Substrat angeordnete dielektrische Schicht (11, 12, 13); eine in einer Öffnung (14) in der mindestens einen dielektrischen Schicht angeordnete Metallisierung (16), die sich vom Substrat aus nach oben erstreckt; wobei die Metallisierung eine zur Oberfläche der mindestens einen dielektrischen Schicht im Wesentlichen koplanare obere Fläche aufweist; wobei die Metallisierung aus einem Metall oder einer Legierung besteht und durch mindestens ein hochschmelzendes Metall oder eine hochschmelzende Legierung (17) eingekapselt ist, wobei das Metall oder die Legierung einen im Vergleich zum hochschmelzenden Metall oder zur hochschmelzenden Legierung niedrigen spezifischen Widerstand besitzt; wobei das Metall oder die Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand Seitenwände aufweist, die sich von der Oberfläche des Substrats zur oberen Fläche hin verjüngen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine hochschmelzende Metall oder die hochschmelzende Legierung (17) eine Legierung umfasst, die Silicium einer definierten und abgestuften Zusammensetzung enthält und deren Gehalt an eingebautem Silicium an einer Stelle in der Nähe der Oberfläche der Metallisierung höher ist als an einer näher am Substrat gelegenen Stelle.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine hochschmelzende Metall oder die hochschmelzende Legierung aus der aus Titan, Wolfram, Tantal, Chrom sowie deren Oxide, Nitride und Silicide enthaltenden Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Metall oder die Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand eine binäre oder ternäre Legierung aus Aluminium oder Kupfer ist.
Bauelement nach Anspruch 3, bei dem das Metall mit niedrigem spezifischen Widerstand eine Legierung aus Aluminium und Kupfer der Formel Al_xCu_y ist, wobei die Summe von x und y gleich eins und sowohl x als auch y größer als oder gleich null sind.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine dielektrische Schicht (11, 12, 13) mindestens eine anorganische Schicht (11, 13) oder mindestens eine organische Schicht (12) oder sowohl anorganische (11, 13) als auch organische (12) Schichten enthält.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat ein Halbleiter ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich die Metallisierung vollständig durch die mindestens eine dielektrische Schicht erstreckt und Kontakt mit dem Substrat hat.
Verfahren zum Herstellen von Metallisierungsbahnen und Durchgangslöchern auf einem Substrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Öffnung in einem auf einem Substrat angeordneten Dielektrikum, wobei die Öffnung eine Ober- und eine Unterseite hat; Abscheiden eines ersten hochschmelzenden Metalls oder einer hochschmelzenden Legierung oder Verbindung auf einer oberen Fläche des Dielektrikums und auf einer unteren Fläche der Öffnung; Abscheiden eines Metalls oder einer Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand auf dem hochschmelzenden Metall auf der oberen Fläche des Dielektrikums und auf der unteren Fläche der Öffnung bis zu einem Punkt unterhalb der oberen Seite der Öffnung; Abscheiden eines zweiten hochschmelzenden Metalls oder einer hochschmelzenden Legierung auf dem Metall oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand, welche(s) sich auf dem hochschmelzenden Metall auf der oberen Fläche des Dielektrikums und auf der unteren Fläche der Öffnung befindet; und Entfernen des ersten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung oder Verbindung, des Metalls oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand und des zweiten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung von allen Punkten oberhalb der oberen Fläche des Dielektrikums, wodurch eine ebene Struktur erzeugt wird, die eine Metallisierungsstelle mit einem Metall oder einer Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand einschließt, welche(s) durch ein hochschmelzendes Metall oder eine hochschmelzende Legierung eingekapselt ist, welche(s) wiederum koplanar zum Dielektrikum ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Abscheidens des zweiten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung so gestaltet ist, dass eine Legierung entsteht, welche Silicium mit einer definierten und abgestuften Zusammensetzung enthält, wobei diese Legierung in der Nähe der Oberfläche der Metallisierung eine größere Menge an eingebautem Silicium enthält als an einer näher am Substrat gelegenen Stelle.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Abscheidens des ersten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung oder Verbindung durch kollimiertes Sputtern erfolgt und eine Vorbeschichtung erzeugt wird, welche sich an alle Innenseiten der Öffnung und an die obere Fläche des Dielektrikums anpasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das kollimierte Sputtern in folgenden Schritten durchgeführt wird: Sputtern einer ersten dünnen Schicht des hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung oder Verbindung durch einen Kollimator in die Öffnung bei einem ersten Druck, bei welchem eine gerichtete Abscheidung überwiegt; und Sputtern einer zweiten dünnen Schicht des hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung oder Verbindung durch einen Kollimator in die Öffnung auf die erste dünne Schicht bei einem zweiten Druck, bei welchem eine gestreute Abscheidung überwiegt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der erste Druck beim ersten Sputterschritt unterhalb 1 mTorr und der zweite Druck beim zweiten Sputterschritt oberhalb 1 mTorr liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Abscheidens des Metalls oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand durch physikalische Dampfabscheidung und der Schritt des Abscheidens des zweiten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung durch chemische Dampfabscheidung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die physikalische Dampfabscheidung durch Aufdampfen erfolgt, wobei das Metall oder die Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand in der Öffnung sich verjüngende Seitenwände hat und das zweite hochschmelzende Metall oder die hochschmelzende Legierung die Bereiche zwischen der Vorbeschichtung und dem Metall oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand ausfüllt, oder durch kollimiertes Sputtern, wobei das Metall oder die Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand ein erstes Volumen der Öffnung und das hochschmelzende Metall ein zweites Volumen der Öffnung ausfüllt, um so eine ebene Struktur zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Abscheidens des ersten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung durch Aufdampfen erfolgt, wobei das hochschmelzende Metall nicht die Seitenwände der Öffnung, sondern nur die Bodenfläche der Öffnung beschichtet.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Abscheidens des zweiten hochschmelzenden Metalls durch chemische Dampfabscheidung von Wolfram mittels Reduktion von WF₆ durch SiH₄ erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem sich an die Reduktion von WF₆ durch SiH₄ die Reduktion von WF₆ durch H₂ anschließt.
Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner den Schritt des Abscheidens einer Haftvermittlerschicht nach dem Schritt des Abscheidens des ersten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung oder Verbindung und vor dem Schritt des Abscheidens des Metalls oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Entfernens des ersten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung oder Verbindung, des Metalls oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand und des zweiten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung den Schritt des reaktiven Ionenätzens und/oder des chemisch-mechanischen Polierens des Materials oberhalb einer oberen Fläche des Dielektrikums beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt des Entfernens des ersten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung oder Verbindung, des Metalls oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand und des zweiten hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Legierung den Schritt des Nassätzens mit Wasserstoffperoxid oder Wasserstofftetroxid beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19, welches ferner den Schritt des Entfernens von überschüssigem hochschmelzendem Metall oder überschüssiger hochschmelzender Legierung von dem Metall oder der Legierung mit niedrigem spezifischen Widerstand nach dem Schritt des reaktiven Ionenätzens umfasst.