DE2944500A1 - Verfahren zur metallisierung von halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zur metallisierung von halbleiterbauelementenInfo
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Description
- 2 9 A 4 5 O Q
R.A.H.Heinecke et al 25-10 Fl 1022
Verfahren zur Metallisierung von Halbleiterbauelementen
Die Priorität der Anmeldung Nr. 43914/78 vom 09. November 1978 in England wird beansprucht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallisierung von Halbleiterbauelementen und insbesondere ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Abscheidung von Aluminium auf SiIiciumhalbleiterbauelementen,
integrierte Schaltungen eingeschlossen.
Die herkömmlichen Metallisierungsverfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen erfordern eine teure Hochvakuumeinrichtung,
in der verdampftes oder versprühtes, (sputtered) elektrisch leitendes Material, üblicherweise
Aluminium, von einer festen Quelle aus längs einer geraden Bahn weitergeleitet wird. Diese "Ziellinientechnik" hat den
Nachteil eines beschränkten Scheibendurchsatzes weil die Scheiben verteilt angeordnet werden müssen, in dem man sie
in einer Anordnung von Schalen unterbringt, die von einer eine Umlaufbewegung ausführenden Vorrichtung getragen
werden. Während der Abscheidungsbewegung "sieht" die Frontfläche jeder Scheibe die Verdampfungsquelle und wird
mit dem leitenden Material beschichtet.
Einweiterer Nachteil dieses Verfahrens ist die ungleichmäßige Beschichtung, bedingt durch Abschirmeffekte, durch
Stufen und Unregelmäßigkeiten in den Scheiben. Darüberhinaus verursacht die bei dem herkömmlichen Vakuumverfahren zur
schnellen Atomisierung des leitenden Materials mittels Elektronenstrahlverdampfung oder Versprühung angewendete
hohe Energie eine merkliche Grenzflächenbeschädigung bei MOS-Bauelementen, Diese Schädigung muß anschließend durch
Aufheizen der Bauelemente auf verhältnismäßig hohe Temperaturen, wie z.B.
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4700C ausgeheilt werden. Bei solchen Temperaturen ist
die Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit von Silicium in Aluminium hoch genug, um die Bildung von Ätzgrübchen
in den Kontaktfensterbereichen der Bauelemente zu bewirken, wodurch die darunterliegenden Übergänge
abgebaut werden. Dieser Effekt ist besonders im Fall von hoher Integration (VLSI) schädlich, bei der flache Übergänge
vorliegen.
10Um diese Situation zu bereinigen, wurde von der Halbleiterindustrie
allgemein ein Verfahren eingeführt, bei dem eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von 1% Silicium
abgeschieden wird, um die Metallschicht während des Erhitzens auf die Ausheiltemperatur mit Silicium gesättigt
zu halten. Diese Technik zieht jedoch weitere Probleme nach sich. So werden z.B. aufgrund der Schwierigkeiten bei
der Steuerung der Filmzusammensetzung Filme mit einer SiIiciumkonzentration
abgeschieden, die weit über der Löslichkeitsgrenze liegt. Derartige Filme verursachen Schwierigkeiten
beim Ätzen und aufgrund der merklichen Verringerung der Löslichkeit von Silicium in Aluminium bei fallender Temperatur
kommt es insbesondere im Bereich der Kontaktfenster zur Abscheidung von p-leitendem Silicium. Das abgeschiedene
Silicium erhöht wiederum das Potential der Schottky-Sperrschicht gegenüber η-leitendem Material und erhöht damit
den Kontaktwiderstand.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Metallisierung von Halbleiterbauelementen anzugeben,
dem die genannten Nachteile nicht anhaften. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
In der Patentanmeldung P 29 20 384.7 wird ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen und Leitbahnen aus AIuminium
beschrieben. Dabei wird die Aluminiumbeschichtung
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durch thermische Zersetzung von Tri-isobutyl-äluminium
bewirkt, das in Dampfform in eine Reaktionskammer eingespeist wird, die eine Temperatur von 250 bis 2700C aufweist,
wobei das Tri-isobutyl-aluminium vor dem Eintritt in die Reaktionäcammer unter 900C gehalten wird.
Bei bestimmten Anwendungen erfordert dieses Verfahren jedoch zuvor eine Wasserstoffplasmabehandlung der Siliciumscheiben.
Die vorliegende Erfindung dagegen beinhaltet ein Verfahren zur Metallisierung von Halbleiterbauelementen mit einer
Legierungsschicht aus Silicium/Aluminium, wobei die Bauelemente bei reduziertem Druck und einer Temperatur zwischen
250 und 500°C einem Siliciumwasserstoff enthaltendem Aluminiumalkyldampf ausgesetzt werden.
Eine spezielle Vorbehandlung der Halbleiterbauelemente ist nicht erforderlich. Das Verfahren besteht aus einer einstufigen
Ablagerungs- und Temperungsoperation, wobei AIuminiumfilme, die bei der Ablagerungstemperatur mit Silicium
gesättigt sind, aus einer Mischung aus Aluminiumalkyl und Silan bei niederem Druck abgeschieden werden. Die Abscheidungstemperatur
liegt zwischen 250 und 5000C, vorzugsweise zwischen 300 und 4000C. Man erzielt damit eine optimale
Teniperung und optimale Legierungseigenschaften der speziellen
behandelten Halbleiterbauelemente. Der bei der Zersetzung von Aluminiumalkyl und Silan freigesetzte Wasserstoff verstärkt
die Wirksamkeit der Temperung.
Die angewendeten Temperaturen sind vergleichbar mit solchen von nachfolgenden Bearbeitungsschritten, die zur Herstellung
von Kratzschutzschichten und zur Chipmontage dienen. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert Legierungen aus Silicium/
Aluminium, die bei den genannten Temperaturen mit Silicium gesättigt sind und die deshalb im Verlauf der weiteren Ver-
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arbeitung nicht abgebaut werden.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, die schematisch eine Halbleitermetallisierungsanlage
zeigt, näher erläutert.
In der Figur sind die zu metallisierenden Siliciumscheiben 11 auf einem innerten, 7, .B. aus Quarz bestehenden Boot
oder Träger 12 angeordnet und in einer Heizkammer 13 untergebracht,
die mittels des Deckels 14 und des Dichtungsrings 15 verschlossen ist. Die Heizkammer 13 ist über das
seitliche Einlaßrohr 16 evakuiert und auf die entsprechende Abscheidungstemperatur erhitzt sowie mit einem 'Inertgas
wie z.B. Argon gespült. Letzteres wird über das Ventil 17 und den Durchflußmesser 18 sowie den Gasversorgungsverteiler
19 in das Rohr 20 eingespeist, das mit der Heizkammer in Verbindung steht. Nach dem Spülen wird die Gaszufuhr
abgestellt und die Heizkammer erneut evakuiert. Die Scheiben können bei bestimmten Anwendungen durch Einströmen von z.B.
Chlorwasserstoffdampf über den Verteiler 19 gereinigt werden,
wobei anschließend die Heizkammer erneut evakuiert wird, obgleich in vielen Fällen auf diese Reinigungsstufe verzichtet
werden kann.
Die Abscheidung von einer Silicium/Aluminiumlegierung auf den Scheiben geschieht durch Einströmen von Aluminiumalkyldampf,
z.B. von Tri-isobutyl-aluminium, oder Mischungen von Aluminiumalkylen, aus den temperaturgeregelten Vorratsbehälter
21, der die flüssigen Alkyle enthält. Der Dampf strömt dabei über das Ventil 22 in die Heizkammer 13 und
gleichzeitig wird Silan über den Verteiler 19 mit eingespeist. Die Legierung lagert sich spontan auf den Scheiben
durch thermische Zersetzung ab. Das Verfahren zum Einbringen von Silicium in den abgeschiedenen Legierungsfilm ist offen-
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sichtlich selbstbegrenzend und zwar aufgrund der eingeschränkten Löslichkeit von Silicium in Aluminium bei der
Abscheidungstemperatur. Somit ist die Konzentration von Silan nicht kritisch, obgleich natürlich bei einer
weit über das notwendige Maß hinausgehenden Silankonzentration für die Sättigung des Aluminiums die Filmablagerungsgeschwindigkeit
deutlich verringert wird und man eine schlechte Filmqualität erhält.
Nach Beendigung der Abscheidung werden die Silan- und AIuminiumalkylquellen
abgeschaltet und die Heizkammer durch Spülen mit Inertgas auf Atmosphärendruck gebracht. Die
beschichteten Scheiben sind für die weitere Verarbeitung fertig und zusätzliche Temperung oder Legierung ist nicht
erforderlich.
Eine ganze Reihe von Alkylen können bei dem Verfahren eingesetzt werden, so z.B.: Tri-methyl, Tri-äthyl- oder Triisopropylaluminium,
Tri-isobutyl-aluminium und Di-isobutylaluminiumhydrid oder Mischungen derselben. Für Filme mit
besonders hoher Qualität empfiehlt sich die Verwendung von Tri-isobutyl-aluminium, Di-isobutyl-aluminiumhydrid oder
Mischungen derselben. Die Temperatur, bei der der Alkylbehälter gehalten wird, hängt von der Verdampfungsgeschwindigkeit
der Alkyle-oder den Alkylmischungen ab. Ferner kann bei manchen Anwendungen die Alkyl/Silan-Mischung mit z.B.
Argon und/oder Wasserstoff verdünnt werden, letzterer erhöht die Temperungswirkung des Verfahrens.
Eine typische Schrittfolge zur Metallisierung von Siliciumscheiben,
wobei das in der beigefügten Zeichnung gezeigte Gerät verwendet wird, läuft wie folgt ab:
1. Anordnen der Scheiben 11 auf dem Träger 12 und eingeben
in die erhitzte Heizkammer 13, evakuieren des Ofens auf
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2. Evakuieren des Ofens auf 13,3 μbar,
3. ggf. Reinigung der Scheiben 11 mit z.B. Halogenwasserstoff
und erneutes Evakuieren,
4. Abscheidung durch Einspeisen von Silan und Aluminiumalkyl
in die Heizkammer 13,
5. Beenden der Abscheidung und erneutes Evakuieren der Heizkammer,
6. Ausgleichen des Druckes in der Heizkammer mit Argon auf Atmosphärendruck,
7. Herausnehmen der behandelten Scheiben.
Bei einem solchen Ablagerungsprozeß, bei dem der Ofen eine Temperatur von 3500C aufwies und die Abscheidung aus Silan
und Tri-isobutyl-aluminium erfolgte, wobei beide Stoffe in
einer Menge von 200 ml/min und bei einem Druck von 5,2 pbar
eingespeist wurden, hat es sich gezeigt, daß in einem Abscheidungszeitraum
von 4 min ein Legierungsfilm mit einer Stärke von 1 μπι erzeugt wurde .
In einer Abwandlung des hierin beschriebenen Verfahrens wird ein Inertgas wie z.B. Argon oder Stickstoff über den
Behälter 24 und das Ventil 23 in die Heizkammer 13 in gleichmäßigen
Intervallen im Verlauf des Abscheidungsprozesses eingespeist. Der Druck in der Kammer 13 steigt temporär
über den Dampfdruck von Tri-isobutyl-aluminium oder dem Gemisch aus Tri-isobutyl-aluminium und Di-isobutyl-aluminiumhydrid,
die in dem Verdampfer enthalten sind, so daß zeitenweise die Alkylzufuhr unterbrochen wird. Dies ermöglicht
von Zeit zu Zeit das Entfernern der Reaktionsprodukte aus
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der Heizkammer 13, die zusammen mit dem Inertgas in die Pumpe gespült werden . Bei weiteren Ausbildungsformen der
Erfindung kann das Aluminiumalkyl oder die Mischung von Aluminiumalkylen in die Heizkammer 13 über eine Atomisierungsvorrichtung
eingespritzt werden. Wahlweise können das flüssige Alkyl oder die Mischung von Alkylen über ein
Dosiervorrichtung in einen Schnellverdampfer (flash evaporation) oder eine kontinuierliche Verdampfungsvorrichtung eingespeist
werden.
Der Ausdruck "Halbleiterbauelement", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich sowohl auf diskrete Bauelemente
wie integrierte Schaltungen.
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L e e r s e i t e
Claims (9)
1. Verfahren zur Metallisierung von Halbleiterbauelementen, wobei eine Beschichtung aus einer Silicium/Aluminium-Legierung
aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente bei vermindertem Druck und
einer Temperatur von 250 bis 5000C einer Atmosphäre aus
Silan enthaltenden Aluminiumalkyldampf ausgesetzt werden,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur 300 bis 4000C und der Druck 5,2 μbar beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumalkyldampf aus Tri-isobutyl-aluminium,
Di-isobutyl-aluminiumhydrid oder Mischungen derselben
besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfmischung aus Aluminiumalkyl
und Silan mit einem Inertgas verdünnt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas periodisch in die Heizkammer (13) eingegeben
wird, so daß die gasförmigen Reaktionsprodukte verteilt werden und der Gasdruck den Dampfdruck des
Alkyls übersteigt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumalkyl/Silan-Mischung
zusätzlich Wasserstoff enthält.
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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumscheiben vor dem Metallisieren
gereinigt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Aluminiumalkyl aus einem Verdampfer eingespeist wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Aluminiumalkyl in flüssiger Form aus einem Atomisierungsgerät stammt.
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Applications Claiming Priority (1)
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| GB7843914A GB2041983B (en) | 1978-11-09 | 1978-11-09 | Metallising semiconductor devices |
Publications (1)
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