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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere
eine Halbleitervorrichtung, die eine verbesserte Barrierenmetallschicht
aufweist, die in eine Elektrode oder Verdrahtungsschicht inkorporiert
ist. Sie betrifft auch eine Halbleitervorrichtung, die Elektroden
oder Verdrahtungsschichten mit einer Polyzid-Struktur aufweist,
welche jeweils eine Polysiliziumschicht und einen auf der Polysiliziumschicht
abgeschiedenen feuerfesten Metallsilizidfilm enthalten.
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Bisher
wurde eine Barrierenmetallschicht zwischen einer Verdrahtungsschicht
und einer zweiten Verdrahtungsschicht oder einer Halbleitervorrichtung
vorgesehen, wenn die eine Verdrahtungsschicht mit der anderen Verdrahtungsschicht
oder dem Halbleiterelement elektrisch in Kontakt ist. Die Barrierenmetallschicht verhindert
eine Reaktion der Verdrahtungsschicht mit dem Halbleiterelement
oder der zweiten Verdrahtungsschicht und verhindert die Diffusion
des Metallelements zwischen der Verdrahtungsschicht und dem Halbleiterelement
oder der zweiten Verdrahtungsschicht durch die Grenzfläche zwischen
den zwei Komponenten. Somit erzielt die Barrierenmetallschicht nicht
nur einen guten und verläßlichen
Kontakt zwischen den zwei Komponenten. Sie wird auch zwischen einem
isolierenden Film und einer Verdrahtungsschicht oder einer Elektrode vorgesehen,
wenn die Verdrahtungsschicht oder die Elektrode auf dem isolierenden
Film ausgebildet wird.
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Gegenwärtig werden
TiN, TiW und dgl. als Materialien für Barrierenmetallschichten
verwendet. Filme aus diesen Materialien werden durch Sputtern oder
dgl. ausgebildet. Die so gebildeten Filme sind polykristallin und
bestehen aus säulenartigen
Kristallen mit Kristallkorngrenzen, die sich im rechten Winkel zur
Oberfläche des
darunterliegenden Films erstrecken. Die Kristallkorngrenzen sind
wahrscheinlich dafür
verantwortlich, daß das
Metall in genau der Richtung diffundiert, in der es nicht diffundieren
sollte. Offensichtlich haben die Filme eine Struktur, die es unmöglich macht,
daß sie
als Barriere gegen die Diffusion des Metalls wirken. Die Verdrahtungsschicht
sollte möglichst
einen niedrigen Widerstand haben, damit das Halbleiterelement mit
hoher Effizienz arbeiten kann. Zu diesem Zweck muß die Barrierenmetallschicht
dünn genug
sein, um einen hinreichend niedrigen Widerstand zu haben. Dabei
entsteht ein Problem. Eine dünne
Barrierenmetallschicht wirkt weniger effektiv als Barriere als eine
dicke. Die herkömmlichen
Barrierenmetallschichten scheinen als Barriere daher nicht gut zu
funktionieren. Es wäre
stattdessen die Verwendung einen dünnen Einkristallfilms erforderlich,
da dieser Film effektiv als Barriere wirken kann. Mit den gegenwärtig zur
Verfügung
stehenden Methoden ist es jedoch äußerst schwierig, einen fehlerfreien
dünnen
Einkristallfilm auszubilden.
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Polysilizium
wird als Material für
Gate-Elektroden verwendet. Da Polysilizium einen hohen Widerstand hat,
hat ein Halbleiterelement mit einer Gate-Elektrode aus Polysilizium
einen hohen parasitären
Widerstand. Der hohe parasitäre
Widerstand verschlechtert die Charakteristiken des Halbleiterelements.
Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, daß ein Metall oder Metallsilizid
mit niedrigem Widerstand als Material für Gate-Elektroden verwendet
werden soll. Wenn ein Metallfilm auf einem Gate-Isolierfilm nach
einer herkömmlichen
Sputtertechnik ausgebildet wird, wird er jedoch polykristallin und
hat verschiedene Kristallflächen.
Verschiedene Kristallflächen
haben unterschiedliche Austrittsarbeiten, was zu einem instabilen
Unterschied in den Austrittsarbeiten zwischen dem Metall und dem
Halbleiter unter dem Gate-Isolierfilm führt. Der Unterschied in den
Austrittsarbeiten beeinträchtigt
den Halbleiter unterhalb des Gate-Isolierfilms. Infolgedessen hat
das Halbleiterelement nur eine instabile Schwellenspannung und kann
in der Praxis überhaupt
nicht verwendet werden.
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Angenommen
sei, daß ein
Wolfram-(W)-Film als Gate-Elektrode eines Transistors verwendet
wird. Der Wolframfilm weist Austrittsarbeiten von 5,25 eV, 4,63
eV und 4,47 eV in den Kristallachsen (110), (100) bzw. (111) auf.
Erforderlich ist, daß die
Kristalle an der Unterseite des Wolframfilms in derselben Achse
orientiert sind, der einen Gate-Isolierfilm kontaktiert. Sonst könnte man
die Schwellenspannung des Transistors nicht vernünftig kontrollieren.
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Seit
kurzem wird eine sogenannte "Polyzid-Struktur" allgemein als Gate-Struktur
verwendet. Sie umfaßt
eine Polysiliziumschicht und eine auf der Polysiliziumschicht abgeschiedene
Schicht aus einem feuerfesten Metallsilizid. Die Metallsilizidschicht
besteht aus MoSix, WSix oder
dgl., welche einen niedrigeren elektrischen Widerstand als Polysilizium
und eine relativ hohe Hitzebeständigkeit
haben. Ein feuerfestes Metallsilizid ist aus dem folgenden Grund
ein exzellentes Material: es kann nämlich nach demselben Verfahren
bearbeitet werden, nach dem auch Polysilizium bearbeitet wird. Das
Verfahren muß nicht
sehr modifiziert werden, selbst wenn eine Polyzid-Struktur eingesetzt
wird.
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Wenn
eine Polysiliziumschicht in die Form einer Gate-Elektrode gebracht und oxidiert wird,
wird der Randteil der Polysiliziumschicht in einer großen Dicke
oxidiert. Ein Transistor mit einer so gebildeten Gate-Elektrode
hat eine hohe Gate-Durchschlagsspannung und arbeitet, wie im Stand
der Technik bekannt ist, lange Zeit verläßlich. Selbst wenn ein feuerfester
Metallsilizidfilm ebenfalls an seiner Oberfläche zur gleichen Zeit oxidiert
wird wie die Oberfläche
der Polysiliziumschicht, wird kein Metalloxid gebildet, sondern
es wird lediglich SiO2 auf dem Metallsilizidfilm
gebildet, wenn der Metallsilizidfilm eine überstöchiometrische Zusammensetzung
an Silizium hat.
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Wenn
der Metallsilizidfilm mehr Silizium als eine stöchiometrische Menge enthält, wird
das Silizium im Metallsilizid bei der Oxidation verbraucht. Im Ergebnis
wird der Metallgehalt im Film größer. Diese Änderung der
Zusammensetzung verläuft
umgekehrt proportional zur Breite der Polyzid-Struktur. SiO2-Filme mit einer Dicke von jeweils 85 nm
wurden auf WSix-Filmen von zwei Typen ausgebildet,
die dieselbe Dicke von jeweils 300 nm und unterschiedliche Anfangszusammensetzungen
von WSi2,50 bzw. WSi2,65 hatten,
und so Streifen mit einer Polyzid-Struktur ausgebildet. Die mittlere
Zusammensetzung der WSix-Filme beider Typen
wurde gegen die Breite der Streifen aufgetragen. Die Ergebnisse
werden in 1 dargestellt.
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Wie
aus 1 hervorgeht, näherte sich, als der Streifen
beider Polyzidstrukturen eine Breite von 0,8 nm oder weniger hatte,
die Zusammensetzung beider Wolfram-Silizide (WSix)
der stöchiometrischen
Zusammensetzung, d.h. WSi2, und der Wolfram-Gehalt
wurde größer. Dies
kommt daher, daß je
schmaler der Streifen mit der Polyzid-Struktur ist, desto höher das
Verhältnis
von Oberfläche
(d.h. die Summe der oberen und der Seitenoberflächen) pro Volumeneinheit des Streifens
und daher desto größer die
Menge des bei der Oxidation verbrauchten Siliziums ist.
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Wenn
Silizium im Überschuß oxidiert
wird, wird Silizium aus der Polysiliziumschicht (d.h. der unteren Schicht)
in den Wolfram-Silizidfilm (d.h. die obere Schicht) nachgeliefert,
um die stöchiometrische
Zusammensetzung des Wolframsilizidfilms zu erhalten. Wolframsilizid
(d.h. ein feuerfestes Metallsilizid) beißt sich unvermeidlich in die
Polysiliziumschicht, was die Gate-Durchschlagsspannung des Transistors
sehr stark verändert, wie
in 2 gezeigt wird. Genauer gesagt, verschiebt sich
nach der thermischen Oxidation der Polysiliziumschicht unter Ausbildung
eines SiO2-Films die Gate-Strom/Gate-Spannungs-Charakteristik
des Transistors stark von dem normalen Verhältnis, das durch die gestrichelte
Kurve dargestellt wird, zu einem, das durch die durchgezogene Kurve
dargestellt wird.
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Wie
oben beschrieben wurde, kann in einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung
die in eine Elektrode oder Verdrahtungsschicht eines Halbleiterelements
inkorporierte herkömmliche
Barrierenmetallschicht nicht als effektive Barriere wirken. Infolgedessen
werden die Charakteristiken des Halbleiterelements und die Zuverlässigkeit
der Verdrahtungsschicht verschlechtert. Außerdem kann die Metallschicht
kaum als Gate-Elektrode verwendet werden, da die Austrittsarbeit
der Metallelektrode am Gate-isolierenden Film nicht kontrolliert
werden kann.
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In
der in einem Halbleiterelement verwendeten Polyzid-Struktur wird Silizium
aus der Polysiliziumschicht in den auf der Polysiliziumschicht ausgebildeten
feuerfesten Metallsilizidfilm nachgeliefert, wenn Silizium im Metallsilizidfilm
in einer zu großen
Menge oxidiert wird. Das in den Metallsilizidfilm nachgelieferte
Silizium verschlechtert die Gate-Durchschlagsspannung des Halbleiterelements.
Dieses Phänomen
wird vorherrschend, wenn die Polyzid-Struktur so schmal ist, daß wesentlich
mehr Silizium an den Seitenrändern
der Struktur verbraucht wird als in anderen Teilen. Die Verschlechterung
der Durchschlagsspannung findet nicht in der gesamten Gate-Elektrode (d.h. der
Polyzid-Struktur) statt. Sie wird dem lokal in die Polysiliziumschicht
eingewanderten Metallsilizid zugeschrieben. Mit anderen Worten wird
die Gate-Durchschlagsspannung
des Elements aufgrund des nicht gleichmäßigen feuerfesten Metallsilizids
und der schnellen Diffusion von Silizium durch die Kristallkorngrenzen
verschlechtert.
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Aus
IEEE Electron Device Letters, Vol. 15, Nr. 8, August 1994, Seiten
298-300 sind Ti-Si-N-Diffusionssperren zwischen Silizium und Kupfer
bekannt. Hierbei sind Nanophasen-TiN-Körnchen
mit einer Größe von etwa
2 nm vorgesehen. Hierbei ist das Atomverhältnis von Silizium zu Titan
kleiner gleich 0,68.
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Aus
Thin Solid Films, 236 (1993), Seiten 319-324 sind amorphe Diffusionssperren
aus W-Si-N bekannt, in denen keine Kristalle auftreten sollen.
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In
Thin Solid Films, 162 (1988), Seiten 111-117 wird das Materialsystem
Ti-Si-N mit einem Verhältnis von
Si zu Ti von kleiner als etwa 0,5 behandelt, wobei die Struktur
als eine Mischung aus SiN-TiN-Körnern
beschrieben wird, die in einer Matrix dispergiert sein sollen. Es
wird kein Hinweis auf andere Atomverhältnisse oder auf andere Refraktärmetalle
wie W gegeben.
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In
Denki Kagaku, Juli 1988, Vol. 56, Nr. 7, Seiten 494-497 wird WSiN
auch mit Röntgenbeugung
untersucht, wobei in Figur 8 ein Röntgenbeugungsdiagramm gezeigt
ist, welches einen zwei-Theta-Scan darstellt, also eine Untersuchungsmethode
für Einkristalle.
Aussagen für
Kornstrukturen in amorphen Materialien oder Pulvern können daraus
nicht erwartet werden.
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Aus
Journal Applied Physics 67(2), 15.01.1990, Seiten 734-758 sind amorphe
WSiN-Filme als Barrierenkontakte erwähnt, wobei im vorletzten Absatz
der rechten Spalte der Seite 735 als Ergebnis röntgenographischer Untersuchungen
zur kristallinen Struktur nach einem Annealing erwähnt ist,
das nun die Phasen Alpha-W und W2N in einem
kristallinen Film aus WSi0,67N0,1 vorliegen.
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Die
beiden letztgenannten Druckschriften enthalten keine Aussage zur
mikrokristallinen Struktur einer amorphen Schicht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung
mit einer Elektrode oder einer Verdrahtungsschicht, die eine verbesserte
Barrierenmetallschicht enthält,
welche als effektive Barriere fungieren kann, so daß die Charakteristik
der Vorrichtung und die Zuverlässigkeit
der Verdrahtungsschicht erhöht
wird.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung
mit einem Gate-isolierenden Film und einer auf dem Gate-isolierenden
Film ausgebildeten Gate-Elektrode,
bei der die Gate-Elektrode eine Barrierenmetallschicht mit verbesserten
Sperreigenschaften einschließt,
wobei die Vorrichtung eine gute Charakteristik hat und ihre Verdrahtungsschicht
sehr zuverlässig
ist.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung,
die mindestens eine Elektrode oder Verdrahtungsschicht umfaßt, mit
Polyzid-Struktur, in der eine Polysiliziumschicht und ein Metallsilizidfilm
an einer Reaktion miteinander selbst dann gehindert werden, wenn
die Elektrode oder die Verdrahtungsschicht an ihrer Oberfläche oxidiert
wird, und in der kein Metallsilizid lokal in die Polysiliziumschicht einwandert,
so daß die
Zuverlässigkeit
der Vorrichtung erhöht
wird.
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Erfindungsgemäß wird eine
Halbleitervorrichtung gemäß Patentanspruch
1 zur Verfügung
gestellt.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin
eine Halbleitervorrichtung gemäß Patentanspruch
4 bereitgestellt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindungen werden in der folgenden Beschreibung
dargelegt oder gehen aus dieser zum Teil hervor oder können durch
Ausführung
der Erfindung ermittelt werden. Die Ziele und Vorteile der Erfindung
können
mittels der Instrumentarien und Kombinationen, die insbesondere
in den anhängenden
Ansprüchen
ausgeführt
sind, realisiert und erzielt werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
anhängenden
Zeichnungen, die zur Beschreibung gehören und einen Teil derselben
darstellen, erläutern
gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der oben angegebenen allgemeinen
Beschreibung und der nachstehend gegebenen ausführlichen Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
zur Erläuterung
der Prinzipien dieser Erfindung.
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1 ist
ein Graph, der erläutert,
wie das Atomverhältnis
x von WSix sich mit den Breiten von herkömmlichen
Verdrahtungsschichten aus WSi2,65 und WSi2,50 verändert,
nachdem die Verdrahtungsschichten thermisch oxidiert wurden;
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2 ist
ein Graph, der die Ig-Vg-Charakteristik einer Gate-Elektrode, die
nach einer herkömmlichen Methode
gebildet wurde, darstellt;
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3A bis 3E sind
Schnitte und erläutern
die Schritte der Ausbildung einer vergrabenen Verdrahtungsschicht
in einer Halbleitervorrichtung nach einem ersten Beispiel dieser
Erfindung;
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4 ist
ein Diagramm, das erläutert,
wie sich die Druckspannung eines TiSiN-Films mit dem Si/Ti-Atomverhältnis verändert;
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5A bis 5D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschichten
in einer Halbleitervorrichtung nach einem zweiten Beispiel dieser
Erfindung erläutern;
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6A bis 6D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschichten
in einer Halbleitervorrichtung nach einem dritten Beispiel dieser
Erfindung darstellen;
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7A ist
ein Schnitt, der ein herkömmliches
Verfahren der Abscheidung einer Barrierenmetallschicht auf einem
BPSG-Film erläutert;
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7B ist
ein Schnitt, der das Verfahren der Abscheidung einer Barrierenmetallschicht
auf einem BPSG-Film in einer Halbleitervorrichtung nach dem vierten
Beispiel dieser Erfindung erläutert;
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8A und 8B sind
Schnitte, die zwei alternative Methoden der Ausbildung einer Cu-Schicht
im vierten Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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9 ist
ein Graph, der darstellt, wie die diffundierte Menge Cu und der
Kontaktwiderstand zwischen einer oberen Schicht und einer unteren
Schicht von der Dicke des zwischen der Oberschicht und der TiN-Schicht
ausgebildeten TiO2-Films abhängen;
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10 ist
ein Graph, der zeigt, wie die normalen freien Bildungsenergien verschiedener
Nitride von der Temperatur abhängen;
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11A, 11B und 11C sind Graphen, die zeigen, wie der Widerstand
von TiSiN mit dem Partialdruck von N2 variiert;
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12 ist
ein Graph, der erläutert,
wie die Druckspannung (compression stress) eines TiSiN-Films sich
mit dem Si/Ti-Atomverhältnis
des TiSiN-Films verändert;
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13A bis 13D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Verdrahtungsschicht
in einer Halbleitervorrichtung nach dem sechsten Beispiel der vorliegenden
Erfindung erläutern;
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14A bis 14D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschichten
in einer Halbleitervorrichtung nach dem siebten Beispiel dieser
Erfindung erläutern;
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15A bis 15C sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschichten
in einer Halbleitervorrichtung nach dem achten Beispiel dieser Erfindung
erläutern;
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16 ist
ein schematischer Schnitt, der eine Halbleitervorrichtung nach dem
neunten Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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17A bis 17J sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem neunten Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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18 ist
ein Graph, der die Tg-Vg-Charakteristik einer Gate-Elektrode darstellt,
die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
ausgebildet wurde;
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19A bis 19J sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem zehnten Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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20A bis 20L sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem elften Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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21A bis 21L sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem zwölften
Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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22A und 22B sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem dreizehnten Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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23A bis 23E sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem vierzehnten Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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24A und 24B sind
mikroskopische Photographien von TiSiN-Filmen;
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25A und 25B sind
Diagramme, die eine amorphe Schicht, die Mikrokristallkörner enthält, darstellen;
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26A bis 26D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem fünfzehnten
Beispiel dieser Erfindung erläutern;
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27 ist ein Schnitt einer modifizierten Halbleitervorrichtung
gemäß dieser
Erfindung;
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28 ist eine TEM-Photographie, die einen Querschnitt
einer Cu/TiSiN/Si-Struktur zeigt;
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29A bis 29D sind
Graphen, die jeweils das XPS-Spektrum
eines TiSiN-Films zeigen; und
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30A bis 30C sind
Graphen, die jeweils die XPS-Spektren
eines TiN-Films und eines TiSiN-Films zu Vergleichszwecken zeigen.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Eine
erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung
umfaßt
eine leitende Schicht und eine amorphe Legierungsschicht, die an
der Unterseite der leitenden Schicht ausgebildet wird. Die leitende
Schicht ist entweder eine Elektrodenschicht oder eine Verdrahtungsschicht
(wiring layer). Die amorphe Legierungsschicht besteht aus einer
Matrixphase und Mikrokristallkörnern.
Die Matrixphase besteht hauptsächlich
aus einer amorphen Legierung. Die mikrokristallinen Körner sind
in der Matrixphase dispergiert und nicht kontinuierlich in der Richtung
der Dicke der amorphen Legierungsschicht angeordnet. Die amorphe
Legierungsschicht wirkt als Sperrschicht.
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Wie
oben erwähnt,
besteht die Barriereschicht aus einer amorphen Legierung und die
Mikrokristallkörner
sind darin dispergiert, ohne kontinuierlich in der Richtung der
Dicke der Barriereschicht angeordnet zu sein. Metallelemente diffundieren
durch die Kristallkorngrenzen, anders als im Fall, daß die Barriereschicht
aus TiN besteht, nicht. Daher kann die Barriereschicht verbesserte
Barriereeigenschaften aufweisen.
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Die
amorphe Legierung kann ein feuerfestes Metall, einen Halbleiter
und Stickstoff enthalten. Das feuerfeste Metall kann aus Ti, Zr,
Hf, V, Nb, Ta, Cr, W und Mo ausgewählt werden. Der Halbleiter
kann ausgewählt werden
aus Elementen der Gruppe IV wie z.B. Si, Ge und C, binären Halbleiter-Verbindungen wie
GaAs, InP, InSb, BN, GaP, ZnSe, ZnS, CdS und CdTe und ternären Halbleiter-Verbindungen
wie z.B. II-IV-VI-Verbindungs-Halbleitern,
II-IV-V-Verbindungs-Halbleitern, III-IV-VI-Verbindungs-Halbleitern,
I-III-VI-Verbindungs-Halbleitern
und II-V-VII-Verbindungs-Halbleitern.
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Die
mikrokristallinen Körner
können
aus einem feuerfesten Metallsilizid bestehen. In diesem Fall haben
sie vorzugsweise eine Korngröße von 2
nm oder weniger.
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Besonders
bevorzugt besteht die amorphe Legierungsschicht aus Ti-Si-N und
die Mikrokristallkörner sind
TiN-Körner.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn die amorphe Legierungsschicht aus W-Si-N
besteht und die Mikrokristallkörner
W- oder WxNy-Körner sind.
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Wenn
die amorphe Legierungsschicht aus feuerfestem Metall, Si und N besteht,
kann die Filmspannung durch Einstellung des Atomverhältnisses
von Si zum feuerfesten Metall auf 0,7 oder mehr verringert werden.
Die Verringerung der Filmspannung ist ein wirksames Mittel zur Verbesserung
der Charakteristika beliebiger Elemente, die in die Halbleitervorrichtung
eingebaut werden.
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Wenn
Ti als das feuerfeste Metall verwendet wird, wird die Barrierenmetallschicht,
d.h. die amorphe Legierungsschicht, fest an der unteren Schicht
oder dem Substrat anhaften, da Ti einen Oxidfilm (einen natürlichen
Oxidfilm auf der unteren Schicht oder dem Substrat) gut reduziert.
Daher erzeugt die Barrierenmetallschicht einen guten Kontakt mit
der darunter liegenden Schicht oder dem Substrat. Außerdem wird
die Zusammensetzung der Barrierenmetallschicht stabilisiert, da
sich Ti stark an N bindet.
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Wenn
Ti, Zr oder Hf als feuerfestes Metall verwendet werden, bleibt die
Barrierenmetallschicht bei Erwärmung
stabil. Dies kommt daher, daß die
Nitride von Ti, Zr und Hf eine negative Standardbildungsenergie haben,
die größer ist
als die eines Nitrids von Ta. Als Ergebnis hat die Barrierenmetallschicht
bessere Barriereeigenschaften.
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Es
wurde entdeckt, daß die
Barrierenmetallschicht an den isolierenden Film fest anhaftet. Darüber hinaus
wurde ein geringer Kontaktwiderstand zwischen der Barrierenmetallschicht
und der unteren Elektrode und ebenfalls zwischen der Barrierenmetallschicht
und der oberen Elektrode nachgewiesen.
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Wenn
eine Metalloxidschicht auf der Oberfläche der Barrierenmetallschicht
ausgebildet wird, kann die so gebildete Metalloxidschicht die Diffusion
von Metall oder Silizium durch die Kristallkorngrenzen unterdrücken. Wenn
außerdem
der Metalloxidfilm in einer Dicke von 2 nm oder weniger ausgebildet
wird, kann der Kontaktwiderstand zwischen den oberen und unteren
Verdrahtungsschichten ausreichend verringert werden. Damit ist es
mit der vorliegenden Erfindung möglich,
die Barriereeigenschaften der Barrierenmetallschicht zu verbessern,
die Diffusion von Metall oder Verunreinigungen durch die Barrierenmetallschicht
zu unterdrücken
und die Zuverlässigkeit
der Verdrahtung zu verbessern.
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Eine
erfindungsgemäße Polyzid-Struktur
umfaßt
einen feuerfesten Metallsilizidfilm, einen Polysiliziumfilm und
eine Reaktions-inhibierende Schicht. Die Reaktions-inhibierende Schicht
wird an der Grenzfläche
zwischen der feuerfesten Metallsilizidschicht und dem Polysiliziumfilm
ausgebildet. Sie besteht aus einem ternären System wie Metall-Si-Stickstoff
oder einem quaternären
System wie Metall-Si-Stickstoff-Sauerstoff. Selbst nach Ausführung eines
Erhitzungsschritts bleibt die Polyzid-Struktur stabil und verschlechtert
die Gate-Durchschlagsspannung der Halbleitervorrichtung nicht.
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Die
Barrierenmetallschicht ist eine amorphe Legierung, die mikrokristalline
Körner
enthält,
wie in den 25A oder 25B erläutert wird.
Die Mikrokristallkörner
haben eine geringere Größe als die
Dicke der amorphen Legierungsschicht. Daher diffundieren Metalle
oder Verunreinigungen, anders als im Fall, in dem die Barrierenmetallschicht
aus TiN besteht, nicht, und die Barriereeigenschaften der Barrierenmetallschicht können verbessert
werden. Wenn die amorphe Legierungsschicht, die in den 25A oder 25B gezeigt ist,
auf einem Gate-Isolierfilm ausgebildet wird, kann die Austrittsarbeit
der Barrierenmetallschicht bei einem einzigen Wert kontrolliert
werden, was es ermöglicht,
die Zuverlässigkeit
und Leistung der Halbleitervorrichtung, die diese Barrierenmetallschicht
enthält,
zu erhöhen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung haben die folgenden Merkmale:
- (1) eine Elektrode oder Verdrahtungsschicht
wird in einer in einem isolierenden Film erzeugten Einkerbung vergraben
und eine Barrierenmetallschicht unterhalb und an den Seiten der
Elektrode oder Verdrahtungsschicht angebracht.
- (2) Das feuerfeste Metall, eine Komponente der Barrierenmetallschicht,
ist ausgewählt
aus Ti, Zr, Hf, Mo und W.
- (3) Die Barrierenmetallschicht besteht aus einer Legierung,
die keine Kristallkorngrenzen hat.
- (4) Die Elektrode oder Verdrahtungsschicht besteht aus Al, Cu,
Ag oder W oder einer Legierung aus mindestens zwei dieser Metalle.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung,
die eine Elektrode oder eine Verdrahtungsschicht, eine unterhalb
der Elektrode oder Verdrahtungsschicht angebrachte Barrierenmetallschicht
und eine zwischen der Elektrode oder Verdrahtungsschicht und der
Barrierenmetallschicht angebrachte Oxidschicht umfaßt. Die
Oxidschicht besteht aus einem Oxid des Metalls, das eine Komponente
der Barrierenmetallschicht ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die folgenden
Merkmale:
- (1) Die Barrierenmetallschicht besteht
aus TiN und die Oxidschicht ist ein TiO2-Film.
- (2) Der TiO2-Film hat eine Dicke von
2 nm oder weniger.
- (3) Eine TiN-Schicht wird als die Diffusionssperrschicht für die Verdrahtungsschicht
verwendet und das Atomverhältnis
von Ti zu N reicht von 0,95:1,05 bis 1,05:0,95.
- (4) Eine TiN-Schicht wird als Diffusionssperrschicht für die Verdrahtungsschicht
verwendet und ihre Oberfläche
wird bei einer niedrigen Temperatur von 450°C oder weniger mittels entweder
einer Sauerstoff-Plasmabehandlung oder Ozonbehandlung oxidiert.
- (5) Die Oberfläche
des Substrats, auf dem die Barrierenmetallschicht ausgebildet werden
soll, wird vor der Ausbildung der Barrierenschicht geglättet.
- (6) Die geglättete
Oberfläche
des Substrat hat eine mittlere Rauhigkeit von 1 nm oder weniger.
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Andere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind wie folgt gekennzeichnet:
- (1) Wenn eine Elektrode vorgesehen wird, wird
eine Barrierenmetallschicht unterhalb und an den Seiten der Elektrode
ausgebildet. Wenn eine Verdrahtungsschicht vorgesehen wird, wird
eine Barrierenmetallschicht unterhalb, an den Seiten und auf der
Verdrahtungsschicht ausgebildet.
- (2) Die Barrierenmetallschicht enthält einen Halbleiter, ausgewählt aus
einem IV-Metall wie Si, Ge, C oder dgl., einer III-V-halbleitenden
Verbindung wie GaAs, InP, InSb, BN, GaP oder dgl., einer II-VI-halbleitenden Verbindung
wie ZnSe, ZnS, CdS, CdTe oder dgl., einer ternären Halbleiter-Verbindung wie II-IV-V,
III-IV-VI, I-III-VI, II-V-VII oder dgl.
- (3) Die Barrierenmetallschicht enthält ein feuerfestes Metall und
der Halbleiter hat ein Atomverhältnis
von 0,7 oder mehr bezüglich
des feuerfesten Metalls.
- (4) Das feuerfeste Metall hat mindestens eine Hauptkomponente,
ausgewählt
aus Mo, W, V, Nb, Ta, Ti und Co.
- (5) Eine feuerfestes Metallsilizidschicht mit einer Polyzid-Struktur
enthält
mindestens ein Metall aus Mo, W, V, Nb, Ta, Ti und Co.
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Darüber hinaus
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
Halbleitervorrichtung mit einer Elektrode oder Verdrahtungsschicht
mit Polyzid-Struktur zur Verfügung,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Ausbildung einer Stickstoff-haltigen
feuerfesten Metallsilizidschicht auf einer Polysiliziumschicht;
Ausführung
einer Hitzebehandlung mit der resultierenden Struktur, Bildung einer
Schicht mit einer höheren
Stickstoff-Konzentration
als in der Metallsilizidschicht an der Grenzfläche zwischen der Polysiliziumschicht
und der Metallsilizidschicht.
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Es
ist möglich,
als feuerfestes Metall eine Legierung aus mindestens zwei Elementen,
ausgewählt
aus Ti, Zr, Hf, W und Mo, zu verwenden.
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Verschiedene
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden im Detail beschrieben.
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Beispiel 1
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3A bis 3E sind
Schnitte, die erläutern,
wie eine vergrabene Verdrahtungsschicht in einer Halbleitervorrichtung
nach dem Beispiel 1 dieser Erfindung gebildet wird.
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Zunächst wird,
wie in 3A gezeigt ist, ein SiO2-Film 12, der als Isolierfilm verwendet
wird, auf einem Halbleiter-Substrat 11 gebildet.
Dann wird in der Oberfläche
des SiO2-Films 12 durch
reaktives Ionenätzen oder
dgl. eine Rille erzeugt. Der Isolierfilm 12 kann aus Polyimid
und nicht aus SiO2 sein. Wünschenswerterweise
wird die Innenfläche
der Rille 13 beispielsweise durch CDE (chemical dry etching – chemisches
Trockenätzen)
oder dgl. geglättet – vorzugsweise
auf Oberflächenrauhigkeiten
von 1 nm oder weniger.
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Danach
wird, wie in 3B gezeigt wird, ein TiSiN-Film 14,
d.h., ein Diffusionsbarrierefilm oder eine Bindungsschicht aus einer
ternären
Verbindung von Ti, Si und N auf der resultierenden Struktur mit
einer Dicke von 25 nm abgeschieden. Genauer gesagt wird der TiSiN-Film 14 durch
chemisches oder reaktives Sputtern mittels eines Gleichstrommagnetron-Sputterapparats
unter Verwendung eines Ti-Silizid-Targets gebildet, wobei Argon
mit einer Durchflußgeschwindigkeit
von 10 bis 20 sccm und Stickstoff mit einer Durchflußgeschwindigkeit
von 30 bis 100 sccm bei einem Druck von 0,3 Pa und einer elektrischen
Leistung von etwa 1 kW zugeführt
wird. Der so gebildete Film 14 ist amorph, wie durch Untersuchung
eines tatsächlich
gebildeten TiSiN-Films mittels XRD (Röntgendiffraktometrie) bewiesen
wurde.
-
Das
Verfahren zur Ausbildung des TiSiN-Films 14 und die Bedingungen,
die bei diesem Verfahren angewandt werden, sind nicht auf die oben
angegebenen beschränkt.
Sie können
je nach der Spezifikation für den
Film 14 verändert
werden. Beispielsweise kann das Sputtern unter Verwendung von Ti-Targets und Si-Targets,
die in einem mosaikartigen Muster angeordnet sind, ausgeführt werden.
Ein beliebiges Verfahren kann eingesetzt werden, vorausgesetzt daß der resultierende
Film aus einer ternären
Verbindung von Ti, Si und N besteht.
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Die
Spannung (stress) des TiSiN-Films 14 hängt stark vom Atomverhältnis von
Si zu Ti ab. TiSiN-Filme mit verschiedenen Si/Ti-Atomverhältnissen
X wurden gebildet und ihre Druckspannungen gemessen. Die Ergebnisse
waren wie in 4 gezeigt. Wie aus 4 ersehen
werden kann, nimmt die Druckspannung scharf ab, wenn das Si/Ti-Atomverhältnis X
1 oder mehr beträgt.
Wenn die Druckspannung am TiSiN-Film 14 hoch ist, werden
die Vorrichtungscharakteristiken (d.h. Betriebsgeschwindigkeit,
elektrische Zuverlässigkeit
und dgl.) der Halbleitervorrichtung mit dem TiSiN-Film 14 verschlechtert
und der TiSiN-Film 14 wird vom SiO2-Film 12 abblättern. Daher
sollte das Si/Ti-Atomverhältnis
X besser 1 oder mehr betragen.
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Je
niedriger das Si/Ti-Atomverhältnis
ist, desto niedriger ist der elektrische Widerstand des TiSiN-Films 14.
Selbst wenn der TiSiN-Film 14 einen relativ hohen Widerstand
hat, wird der Widerstand der gebildeten Verdrahtungsschicht nicht
beeinträchtigt,
vorausgesetzt, daß der
TiSiN-Film 14 hinreichend dünn ausgebildet wird. Außerdem werden
keine Probleme entstehen, selbst wenn der TiSiN-Film 14 siliziumreich
erzeugt wird, wie oben erwähnt
wurde. Darüber
hinaus kann ein dünner
Film aus Ti oder dgl. auf dem SiO2-Film 12 vorab ausgebildet
werden, so daß der
TiSiN-Film 14 am SiO2-Film 12 stärker als
ansonsten haften kann.
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Wie
bereits erläutert
wurde, ist die ternäre
Verbindung aus Ti, Si und N amorph. Die Spannung (stress) des TiSiN-Films 14 ist
daher niedrig (z.B. 1,7 × 109 dyn/cm2), wodurch
es unwahrscheinlich wird, daß die
Charakteristiken der Halbleitervorrichtung verschlechtert werden.
Darüber
hinaus hat der TiSiN-Film 14 keine Kristallkorngrenzen,
da TiSiN amorph wie Glas ist. Keine Verunreinigungen können durch
die Kristallkorngrenzen des TiSiN-Films 14 in beliebige
Nachbarschichten oder Filme diffundieren, wohingegen Verunreinigungen durch
einen polykristallinen dünnen
Film aus TiN oder TiW, der konventionell verwendet wurde und Kristallgrenzen
hat, diffundieren können.
Somit besitzt der TiSiN-Film 14 ideale Barriereeigenschaften.
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Die
nachstehend angegebene Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften von TiSiN
mit verschiedenen Si/Ti-Atomverhältnissen Tabelle
1
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Danach
wird, wie in 3C gezeigt wird, ein Cu-Film 15,
der zur Hauptleitungsschicht verarbeitet wird, auf dem TiSiN- Film 14 durch
Sputtern auf eine Dicke von 400 nm ausgebildet. Der TiSiN-Film 14 und
der Cu-Film 15 können
kontinuierlich gebildet werden, ohne die Struktur an die Atmosphäre zu bringen.
Während oder
nach dem Sputtern wird die Struktur bei 200 bis 700°C gebrannt,
wodurch Cu in die Rille 13 zurückfließt, wie in 3D gezeigt
wird. Die obere Fläche
des Cu-Films 15 wird dadurch flach gemacht. Es ist möglich, den Anteil
der oxidierenden Gase (z.B. Sauerstoff oder Wasserdampf) in der
Brennatmosphäre
zu verringern (auf 1 ppm oder weniger) oder ein reduzierendes Gas
(z.B. Wasserstoff) zur Brennatmosphäre zuzugeben.
-
Danach
wird die Struktur von 3D an ihrer Oberfläche geätzt, wodurch
der TiSiN-Film 14 und der Cu-Film 15 entfernt
werden, außer
an den Stellen, die sich in der Rille 13 befinden, wie
in 3E erläutert
ist. Eine vergrabene Verdrahtungsschicht aus Cu wird dadurch in
der Oberfläche
des SiO2-Films 12 gebildet. Der Ätzprozeß kann ein
RIE-Verfahren (reaktives Ionenätzen)
oder Ionenabtragung (ion milling) sein oder kann durch Polieren
ersetzt werden. Der so erhaltene Cu-Leiter hat eine hohe Verläßlichkeit.
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Der
TiSiN-Film 14, der als Barrierenmetallschicht in Beispiel
1 verwendet wird, bleibt selbst bei hohen Temperatur amorph. Das
kommt daher, daß das
Si/Ti-Atomverhältnis
hoch ist – d.h.
daß der
Film 14 aus der ternären
Verbindung (TiSiN) silizium-(Si)-reich
ist. Die Experimente, die von den Erfindern ausgeführt wurden, zeigten,
daß die
ternäre
Verbindung aus Ti, Si und N thermisch stabil war und nicht kristallisierte,
sondern amorph blieb, selbst nachdem die Struktur von 3C bei
750°C 30
min gebrannt wurde. Da er amorph ist, erlaubt es der TiSiN-Film 14 nicht,
daß Verunreinigungen
durchdiffundieren, anders als ein TiN-Film, der polykristallin ist
und Kristallkorngrenzen hat. Der TiSiN-Film 14 kann daher als effektive
Barriere fungieren. Außerdem ist,
da die ternäre
Verbindung (d.h. das Material des Films 14) siliziumreich
ist, die Spannung (stress) des TiSiN-Films 14 niedrig genug,
um die Charakteristiken der Halbleitervorrichtung zu verbessern.
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Beispiel 2
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5A bis 5D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschichten
in einer Halbleitervorrichtung nach dem zweiten Beispiel der Erfindung
erläutern.
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Zunächst wird,
wie in 5A gezeigt ist, ein SiO2-Film 32, der als isolierender
Film verwendet wird, auf einem Halbleitersubstrat 31 ausgebildet.
Ein TiSiN-Film 34, d.h. eine Barrierenmetallschicht oder
eine Bindungsschicht aus einer ternären Verbindung, wird auf dem
SiO2-Film 32 auf eine Dicke von
10 bis 25 nm durch Sputtern abgeschieden. Dann wird ein Cu-Film 35,
der zur Hauptleitungsschicht verarbeitet werden soll, auf dem TiSiN-Film 34 in
einer Dicke von 400 nm gebildet. Wie in Beispiel 1 hat der TiSiN-Film 34 ein
hohes Si/Ti-Atomverhältnis – d.h. der
Film 34 ist reich an Silizium.
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Dann
wird, wie in 5B gezeigt ist, ein Resist-Muster 36 auf
dem Cu-Film 35 durch Photolithographie ausgebildet. Wie
in 5C gezeigt ist, werden der Cu-Film 35 und
TiSiN-Film 34 einer selektiven Ätzung unterworfen, wobei das
Resist-Muster 36 als
Maske verwendet wird, und zwar durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung
von einem Gas auf Chlorbasis, Ionenabtragung (ion milling) oder
Naßätzen unter
Verwendung einer Säure.
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Wie
in 5D gezeigt ist, wird das Resist-Muster 36 durch Ätzen mit
einem organischen Lösungsmittel
oder Gasphasenoxidation (down-flow-ashing) unter Verwendung einer
Mischung von Sauerstoffgas und einem Gas auf Fluorbasis oder durch
reaktives Ionenätzen
unter Verwendung von Sauerstoffgas entfernt. Als Ergebnis werden
der TiSiN-Film 34 und der Cu-Film 35 zu Verdrahtungsschichten
mit jeweils einer TiSiN-Filmschicht,
die als Barrierenmetallschicht fungiert, ausgebildet.
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Auch
in Beispiel 2 bestehen die Barrierenmetallschichten aus einer ternären Verbindung
aus Ti, Si und N. Daher erzielt Beispiel 2 dieselben Vorteile wie
Beispiel 1.
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Beispiel 3
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6A bis 6D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschicht
in einer Halbleitervorrichtung gemäß dem dritten Beispiel dieser
Erfindung erläutern.
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Wie
in 6A gezeigt ist, wird ein SiO2-Film 42,
der als Isolierfilm verwendet wird, auf einem Halbleiter-Substrat 41 ausgebildet.
Ein TiSiN-Film 44, d.h. eine Barrierenmetallschicht oder
eine Bindungsschicht aus einer ternären Verbindung, wird auf dem
SiO2-Film 42 auf eine Dicke von
10 bis 25 nm durch Sputtern abgeschieden. Dann wird ein Cu-Film 45,
der zur Hauptleitungsschicht ausgebildet wird, auf dem TiSiN-Film 44 in einer
Dicke von 40 nm ausgebildet. Bis dahin ist das Verfahren des Herstellungsbeispiels 3 exakt
dasselbe wie das Verfahren des Herstellungsbeispiels 2.
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Dann
wird ein TiSiN-Film 47, ein Film aus einer ternären Verbindung
aus Ti, Si und N, durch Sputtern auf dem Cu-Film 45 in
einer Dicke von 10 bis 25 nm ausgebildet. Ein Kohlenstoff-Film 48 wird
auf dem TiSiN-Film 47 in einer Dicke von 10 nm ausgebildet.
Außerdem
wird auf dem Kohlenstoff-Film 48 eine Resist-Muster 46 mittels
Photolithographie ausgebildet.
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Dann
wird, wie in 6B gezeigt wird, der Kohlenstoff-Film 48 durch
reaktives Ionenätzen
unter Verwendung von Sauerstoffgas unter Verwendung des Resist-Musters 46 als
Maske mit einem Muster versehen. Die dreischichtige Struktur unter
dem Kohlenstoff-Film 48 wird einer selektiven Ätzung unterworfen,
wobei das Resist-Muster 46 und der mit einem Muster versehene
Kohlenstoff-Film 48 als Maske verwendet werden, und zwar
durch reaktives Ionenätzen
unter Verwendung eines Gases auf Chlorbasis, Ionenabtragung oder
Naßätzen unter
Verwendung einer Säure.
Als Ergebnis werden auf dem SiO2-Film mit
dem Bezugszeichen 42 Streifen gebildet, die jeweils aus
einem Teil des TiSiN-Films 44, einem Teil des Cu-Films 45,
einem Teil des TiSiN-Films 47, einem Teil des Kohlenstoff-Films 48 und
einem Teil des Resist-Musters 46 bestehen.
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Dann
wird, wie in 6C gezeigt ist, das Resist-Muster 46 durch
Gasphasenoxidation unter Verwendung einer Mischung aus Sauerstoffgas
und einem Gas auf Fluorbasis entfernt. Danach wird ein Film 49 aus einer
ternären
Verbindung mit Ti, Si und N durch Sputtern auf der gesamten Oberfläche der
resultierenden Struktur mit einer Dicke von 10 bis 30 nm ausgebildet.
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Wie
in 6D gezeigt ist, wird der TiSiN-Film 49 durch
das RIE-Verfahren oder Ionenabtragung geätzt, was den TiSiN-Film 49 nur
auf den Seiten jedes Streifens, der aus dem TiSiN-Film 44,
dem Cu-Film 45 und dem TiSiN-Film 47 besteht,
hinterläßt. Schließlich wird
der Kohlenstoff-Film 48 durch Ätzen mit einer Lösungsmischung
aus Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure oder durch Veraschung (oxidative
Verbrennung) unter Verwendung von Sauerstoffplasma oder durch reaktives Ionenätzen unter
Verwendung von Sauerstoffgas entfernt. Als Ergebnis werden Verdrahtungsschichten
ausgebildet, die jeweils eine Hauptleitungsschicht (Cu) 45 und
Barrierenmetallschichten (TiSiN) 44, 47 und 49,
die die Hauptleitungsschicht 45 vollständig bedecken und umgeben,
aufweisen.
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Es
erübrigt
sich festzustellen, daß Beispiel
3 dieselben Vorteile wie Beispiel 2 erzielt. Es hat darüber hinaus
einen weiteren Vorteil: Durch die gründliche Bedeckung mit den Barrierenmetallschichten 44, 47 und 49 sind
die Verdrahtungsschichten verläßlicher
als die von Beispiel 2.
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In
den Beispielen 1, 2 und 3 werden die Verdrahtungsschichten aus Cu
gebildet. Alternativ können
die Verdrahtungsschichten auch aus anderen Metallen wie Al, Ag oder
Au ausgebildet werden. Darüber
hinaus können
sie aus einer Legierung auf Cu-Ag-Basis
hergestellt werden, was bevorzugt ist, da diese einen niedrigen
Widerstand hat und bei niedrigen Temperaturen wieder verfließen kann,
da ihr Schmelzpunkt niedrig ist (770°C). Außerdem können sie jeweils eine Cu-Schicht
und eine Ag-Schicht, die eine über
der anderen sein, oder können
aus einer Cu-Ag-Legierung bestehen. In jedem Fall werden die Verdrahtungsschichten
durch Sputtern ausgebildet, beispielsweise direkt auf dem TiSiN-Film 44.
Die nachstehend angegebene Tabelle 2 zeigt die physikalischen Eigenschaften
verschiedener Cu-Ag-Legierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung.
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Die
Härte eines
Metalls ist eine wichtige physikalische Eigenschaft, wenn die Oberfläche der
Metallschicht einer chemomechanischen Polierung unterworfen wird,
um selektiv die Metallschicht in Rillen oder Kontaktlöchern zu
hinterlassen. Die Experimente der Erfinder mit verschiedenen Legierungen
auf Cu-Ag-Basis ergaben, daß eine
Cu-Ag-P-Legierung, die aus 88 %Cu, 5 % Ag und 7 % P besteht, einen
Schmelzpunkt von 640°C
und einen Fließpunkt
von 720°C
hat. Das bedeutet, daß wenn
Ag und P zu Cu zugegeben werden, die so gebildete Legierung leicht
so ausgebildet werden kann, daß sie
in Rillen fließt.
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Das
feuerfeste Metall, eine Komponente der Barrierenmetallschicht, ist
nicht auf Ti beschränkt.
Stattdessen können
Zr, Hf, Mo, W oder dgl. ausgewählt
und erforderlichenfalls verwendet werden. Auch wenn eines dieser
feuerfesten von Ti verschiedenen Metalle als Komponente der Barrierenmetallschicht
verwendet wird, wird die Spannung in der Schicht (d.h. die aus der
ternären
Verbindung besteht) klein sein, vorausgesetzt daß die Schicht siliziumreich
ist, wie in den Beispielen 1, 2 und 3.
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In
den Beispielen 1, 2 und 3 werden die Verdrahtungsschichten auf einem
Isolierfilm ausgebildet. Nichtsdestotrotz kann die Erfindung bei
beliebigen anderen Typen von Verdrahtungsschichten und elektrischen
Kontakten angewendet werden. Darüber
hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausbildung von
Verdrahtungsschichten beschränkt.
Sie kann vielmehr ebenso bei der Bildung von Elektroden angewandt werden.
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Beispiel 4
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Eine
Halbleitervorrichtung nach dem vierten Beispiel dieser Erfindung
wird nun beschrieben. Beispiel 4 ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptoberfläche einer
Schicht durch CDE (chemisches Trockenätzen – Chemical Dry Etching), Polieren
oder dgl. geglättet
wird, bevor eine Barrierenmetallschicht darauf ausgebildet wird.
Es ist erwünscht,
daß die
Oberfläche
der Schicht auf eine mittlere Rauhigkeit von 1 nm oder weniger geglättet wird.
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Ein
nach einem CVD-Verfahren gebildeter BPSG-Film hat beispielsweise
eine Oberflächenrauhigkeit mit
einer mittleren Tiefe von 5 nm und einer größten Tiefe von 50 nm. Wenn
die Oberfläche
des BPSG-Films poliert wird, wird seine Rauhigkeit auf 0,6 nm im
Durchschnitt und 13 nm maximal reduziert. Wenn TiN oder dgl. auf
der geglätteten
BPSG-Film-Oberfläche
abgeschieden wird, wird eine Barrierenmetallschicht ausgebildet
werden, die eine hinreichend gleichmäßige Dicke hat und keine exzessiv
dünnen
Teile aufweist. Die so gebildete Barrierenmetallschicht kann als
wirksame Barriere dienen.
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Wenn
BPSG nach einem CVD-Verfahren als Film 52 auf einem Halbleiter-Substrat 51 abgeschieden wird,
wird ein BPSG-Film 52, der als Isolierfilm verwendet wird,
auf dem Substrat 51 ausgebildet, wie in 7A gezeigt
ist. Der Film 52 ist etwas uneben. D.h. er hat eine rauhe
Oberfläche.
Wenn eine Barrierenmetallschicht 54 aus TiN durch Sputtern
auf der rauhen Oberfläche
des BPSG-Films 52 abgeschieden wird, wird er dünne Teile
aufweisen, die an den Seiten der Zähne aufgrund des Schatteneffekts
ausgebildet werden, wie in 7A gezeigt
ist. Diese Teile sind zu dünn,
um effektiv als Barrieren zu wirken. Die Metallschicht 54 kann
insgesamt als Barriere nicht funktionieren.
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In
Beispiel 4 wird, wie in 7B gezeigt
ist, die obere Oberfläche
eines BPSG-Films 52 geglättet und eine Barrierenmetallschicht 54 durch
Sputtern auf der geglätteten
Oberfläche
des BPSG-Films 52 ausgebildet. Die Schicht 54 hat
daher eine gleichmäßige Dicke
und kann als effektive Barriere dienen. Eine Barrierenmetallschicht,
die nach diesem Verfahren gebildet wird, kann von gleichmäßiger Dicke
sein, selbst wenn sie vergleichsweise dünn ausgebildet wird, so daß, wie in
Zukunft verlangt werden wird, Verdrahtungsschichten zur Verfügung gestellt
werden, die einen niedrigen Widerstand haben. Im Hinblick darauf
wird das Verfahren zur Ausbildung einer Barrierenmetallschicht,
das in Beispiel 4 angewandt wurde, als vorteilhaft angesehen.
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Das
Verfahren der Ausbildung von Verdrahtungsschichten auf der geglätteten Oberfläche des
Isolierfilms wird in größerer Ausführlichkeit
nun beschrieben. Zunächst
wird TiN, das ein Atomverhältnis
von Ti zu N im Bereich von 0,95:1,05 bis 1,05:0,95 hat, auf der
geglätteten
Oberfläche
des isolierenden Films abgeschieden. Genauer gesagt, wird der TiN-Film
durch Sputtern mittels eines Gleichstrommagnetron-Sputter-Apparats unter
Verwendung eines TiN-Targets, dessen Ti zu N-Atomverhältnis in
den oben erwähnten
Bereich fällt,
ausgebildet, wobei Argon mit einer Zuflußgeschwindigkeit von 40 sccm
bei einem Druck von 0,3 Pa und einer elektrischen Leistung von etwa
1 kW zugeführt
wird. Der so gebildete TiN-Film
kann ein stabiles Ti zu N-Atomverhältnis haben.
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Der
TiN-Film kann durch chemisches Sputtern unter Verwendung eines Ti-Targets
und eines N-haltigen Gases ausgebildet werden. In diesem Fall muß das Verhältnis der
Durchflußgeschwindigkeiten
zwischen Argon und Stickstoff je nach dem Material des Substrats,
auf dem der TiN-Film ausgebildet wird, eingestellt werden. Beispielsweise
muß, um
einen TiN-Film mit einem Ti zu N-Atomverhältnis von 1:1 durch chemisches Sputtern
auf einem Si-Substrat auszubilden, das Verhältnis der Durchflußraten zwischen
Argon und Stickstoff auf 1:1 festgelegt werden. Zur Ausbildung eines
TiN-Films mit einem Ti zu N-Atomverhältnis von 1:1 durch chemisches
Sputtern auf einem SiO2-Substrat muß das Verhältnis der
Durchflußraten
zwischen Argon und Stickstoff auf 1,5:1 eingestellt werden. Somit
kann nur, wenn das Verhältnis
der Durchflußraten
zwischen Argon und Stickstoff auf Grundlage des Substratmaterials
eingestellt wird, ein TiN-Film gebildet werden, der ein Atomverhältnis von
Ti zu N im Bereich von 0,95:1,05 bis 1,05:0,95 hat. Mit einem stabilen
Ti zu N-Atomverhältnis hat der
TiN-Film eine verbesserte Kristallinität und daher ausgezeichnete
Barriereeigenschaften.
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Danach
wird der als Barrierenmetallschicht verwendete TiN-Film mit einem Sauerstoffplasma
bearbeitet, so daß dessen
Oberfläche
erzwungenermaßen
oxidiert wird. Genauer gesagt, wird die Oberfläche des TiN-Films in einem
Sauerstoffplasma-Bearbeitungsgerät mit einer
Sauerstoffzuflußrate
von 500 sccm bei einer Hochfrequenzleistung von 800 W bei einem
Druck von 1 Torr bei Raumtemperatur 10 min lang oxidiert. Alternativ
kann die Oberfläche
des TiN-Films mit Ozon oxidiert werden.
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So
oberflächenoxidiert
hat der TiN-Film stark verbesserte Barrierenmetallschichten.
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Der
Grund, warum der TiN-Film verbesserte Barriereeigenschaften hat,
wird unter Bezugnahme auf die 8A, 8B und 9 erläutert. In
den 8A und 8B werden
ein Halbleiter-Substrat 61, ein SiO2-Film 62,
der als Isolierfilm dient, ein TiN-Film 64, der als Barrierenmetallschicht
verwendet wird, ein Cu-Film 65, der als Hauptleitungsschicht
verwendet wird, TiN-Korngrenzen 67 und ein Film 69 aus
einem Oxid (TiO2) der Metallkomponente (Ti)
der Barrierenmetallschicht gezeigt.
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Wenn
der Cu-Film 65 auf dem TiN-Film 64 durch kontinuierliche
Cu-Abscheidung ausgebildet worden wäre, würde sich an der Grenzfläche zwischen
dem TiN-Film 64 und dem Cu-Film 65 kein TiO2-Film bilden, wie in 8A erläutert ist.
Dann würde
Cu leicht in den TiN-Film 64 durch die TiN-Korngrenzen 67 eindiffundieren.
In Beispiel 4 hat der TiN-Film 64 eine Oberfläche, die
erzwungen bei niedrigen Temperaturen oxidiert wurde, wodurch ein
TiO2-Film 69 gebildet wird, wie
in 8B gezeigt ist. Der TiO2-Film 69 bedeckt
die gesamte Oberfläche
des TiN-Films 64 und füllt
die TiN-Korngrenzen. Dies erhöht
die Sperreigenschaften des TiN-Films 64. Wie oben angegeben
wurde, kann der TiO2-Film 69 bei
niedrigen Temperaturen gebildet werden. Die erzwungene Oberflächenoxidation
kann daher eingesetzt werden, um eine weitere Verdrahtungsschicht
auf der Verdrahtungsschicht auszubilden, die den TiN-Film 64 und
den Cu-Film 65 umfaßt.
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9 ist
ein Graph, der darstellt, wie die diffundierte Cu-Menge und der
Kontaktwiderstand zwischen einem Cu-Film (obere Schicht) und einem
W-Film (untere Schicht) von der Dicke eines zwischen dem Cu-Film und
einem TiN-Film ausgebildeten TiO2-Films
abhängt.
Wie 9 nahelegt, kann die Diffusion von Cu kontrolliert
werden, wenn TiO2 überhaupt zwischen der Cu-Schicht
und dem TiN-Film ausgebildet wird. Dies bedeutet, daß das TiO2 Sperreigenschaften besitzt und mit dem
TiN-Film zur Verhinderung einer Diffusion des Cu in den W-Film zusammenwirken
kann.
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Wie
aus 9 offensichtlich hervorgeht, erhöht sich
der Kontaktwiderstand stark, wenn die Dicke des TiO2-Films
etwa 2 nm übersteigt,
was den Widerstand der aus dem Cu und dem W-Film gebildeten Verdrahtungsschicht
erhöht.
Dies kommt daher, weil TiO2 einen hohen
Widerstand aufweist. Je dicker der TiO2-Film ist,
desto größer ist
der Kontaktwiderstand zwischen dem Cu-Film und dem W-Film. Die Verdrahtungsschicht aus
dem W-Film, dem TiN-Film, dem TiO2-Film
und dem Cu-Film hat unvermeidlich einen hohen Widerstand. Als Konsequenz
verschlechtert diese Verdrahtungsschicht die Charakteristiken der
Halbleitervorrichtung, in die sie eingebaut wird. Daher hat der
TiO2-Film vorzugsweise eine Dicke von 2
nm oder weniger.
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Beispiel
4 setzt drei Techniken in Kombination ein: die Oberflächenglättung des
TiN-Films, die Begrenzung des Ti/N-Atomverhältnisses und die erzwungene
Oberflächenoxidation
des TiN-Films. Dennoch können nur
eine dieser Techniken oder beliebige zwei davon eingesetzt werden,
vorausgesetzt daß die
resultierenden Verdrahtungsschichten der Halbleitervorrichtung gute
Charakteristiken verleihen.
-
In
Beispiel 4 wird ein Cu-Film als Hauptleitungsschicht verwendet.
Alternativ kann die Hauptleitungsschicht aus einem anderen Metall
wie Al, Ag, Au oder dgl. oder aus einer Legierung auf Cu-Ag-Basis
ausgebildet werden. Darüber
hinaus ist das feuerfeste Metall, d.h. die Komponente der Barrierenmetallschicht,
nicht auf Ti beschränkt;
stattdessen können
Zr, Hf, Mo, W oder dgl. ausgewählt
und erforderlichenfalls verwendet werden. Darüber hinaus kann die Verdrahtungsschicht
auf einer weiteren Verdrahtungsschicht oder einer Halbleitervorrichtung
ausgebildet werden, so daß ein
Kontakt damit gebildet wird, und nicht auf einem Isolierfilm wie
in Beispiel 4. Ferner kann Beispiel 4 nicht nur bei der Bildung
einer Verdrahtungsschicht Anwendung finden, sondern auch bei der
Bildung einer Elektrode.
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Beispiel 5
-
Das
fünfte
Beispiel (Beispiel 5) der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Beispiel 5 betrifft die Bildung von vergrabenen Verdrahtungsschichten
und ist dem Grundsatz nach dasselbe wie Beispiel 1.
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Zunächst wird,
wie in 3A gezeigt wird, ein SiO2-Film 12 auf einem Halbleiter-Substrat 11 mittels eines
CVD-Verfahrens oder dgl. ausgebildet. Der SiO2-Film 12,
der als isolierender Film verwendet wird, kann durch entweder einen
Polyimid-Film oder einen fluordotierten SiO2-Film
ersetzt werden. Danach wird eine Rille 13 durch reaktives
Ionenätzen
oder dgl. in der Oberfläche
des SiO2-Films 12 erzeugt. Danach
wird, wie in 3B gezeigt ist, ein TiSiN-Film 14,
d.h. ein Film aus einer ternären
Verbindung, auf dem SiO2-Film 12 zu einer
Dicke von 25 nm ausgebildet. Dieser Film 14 dient als Diffunsionssperrschicht
oder Bindungsschicht. Ti wird als Komponente des Films 14 aus
dem folgenden Grund verwendet:
Amorphes Ta36Si14N50 ist als Material
für Barrierenmetallschichten
bekannt (E. Kolawa et al., Sputtered Ta-Si-N Diffusion Barriers
in Cu Metallizations for Si, EDL. Band 12, Nr. 6, Juni 1991, Seiten
321 – 323).
Mit Ta als einer Komponente ist diese Legierung bei hohen Temperaturen
relativ stabil. Wie aus 10 ersichtlich
ist, ist die freie Standardbildungsenergie eines Nitrids bei einer beliebigen
Temperatur bei Verwendung von Ti, Zr oder dgl. im Absolutwert größer als
die freie Standardbildungsenergie eines Nitrids bei einer beliebigen
Temperatur unter Verwendung von Ta. Es folgt, daß die Bindung zwischen Ti,
Zr oder dgl. und N stabiler ist als die Bindung zwischen Ta und
N. Die nachstehend angegebene Tabelle 3 zeigt die Standardbildungsenthalpien (–ΔHf)(kcal/Metall,
Atom) verschiedener Silizide. Wie sich aus Tabelle 3 versteht, ist,
je größer die
Enthalpie ist, um so stabiler die Bindung zwischen dem Metall und
Silizium. Offensichtlich ist die Standardbildungsenthalpie eines
Silizids von Ti, Zr, Hf oder dgl. im Absolutwert größer als
die Standardbildungsenthalpie eines Silizids von Ta. Somit sollte
man besser Ti, Zr, Hf oder dgl. und nicht Ta mit Stickstoff oder
einem Halbleiter zur Ausbildung einer stabilen und effektiven Barrierenmetallschicht
kombinieren.
-
-
Die
in den Halbleitervorrichtungen verwendeten Barrierenmetallschichten
müssen
so dünn
wie möglich
ausgebildet werden, damit die Verdrahtungsschichten, die jeweils
eine Barrierenmetallschicht aufweisen, einen hinreichend niedrigen
Widerstand haben. Daher wird gefordert, daß Barrierenmetallschichten
zur Verfügung
gestellt werden, die unter strengen Bedingungen funktionieren können.
-
Ta-Si-N
und Ti-Si-N wurden bezüglich
ihrer Sperreigenschaften gegen Al verglichen. Im Fall einer Sperrschicht
aus Ta-Si-N mit einer Dicke von 30 nm reagierte Ta mit Al am Schmelzpunkt
des Al (ungefähr 660°C) unter
Bildung einer Verbindung von Ta und Al. Die Ta-Si-N-Barriereschicht
war als Barriere gegen Al nicht wirksam. Andererseits reagierte
das Ti der Ti-Si-N-Sperrschicht
mit derselben Dicke (d.h. 30 nm) mit Al überhaupt nicht. Die Ti-Si-N-Barriereschicht
blieb stabil und erwies sich besser als die Ta-Si-N-Barriereschicht. In
anderen Worten ist Ti als Sperrmetall stabiler als Ta. Daher wird
der TiSiN-Film als Barrierenmetallschicht in Beispiel 5 verwendet.
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Genauer
gesagt wird der TiSiN-Film
14 durch Sputtern mittels eines
Gleichstrommagnetron-Sputterapparats unter Verwendung eines Ti-Silizidtargets
und unter Zufuhr von Argon mit einer Zuflußrate von 0 bis 39 sccm und
Stickstoff mit einer Durchflußrate
von 40 bis 1 sccm bei einem Druck von 0,3 Pa und einer elektrischen
Leistung von etwa 1 kW ausgebildet. Der so gebildete Film
14 ist
amorph, wie durch Überprüfung eines
tatsächlich
gebildeten TiSiN-Films mittels XRD-Analyse bewiesen wurde. Außerdem blieb
der Film
14 selbst dann amorph, wenn er auf 750°C erhitzt
wurde. Sein Atomverhältnis
war selbst nach dem Brennen stabil. Ternäre Verbindungen aus Ti, Si
und N mit verschiedenen Atomverhältnissen
wurden bei 600°C
30 min gebrannt und bezüglich
Veränderungen
in ihren Atomverhältnissen
untersucht. Die Ergebnisse waren wie in der folgenden Tabelle 4
gezeigt. Tabelle
4
Vor
dem Brennen | Nach
dem Brennen |
TiSi2,2N3,4 | TiSi2,1N2,9 |
TiSi2,2N3,2 | TiSi2,4N2,8 |
TiSi2,1N2,9 | TiSi2,4N3,1 |
-
Das
Verfahren zur Ausbildung der TiSiN-Barriereschicht ist nicht auf
das oben beschriebene beschränkt.
Beispielsweise kann das Sputtern unter Verwendung von Ti-Targets
und Si-Targets,
die in einem mosaikartigen Muster angeordnet sind, ausgeführt werden.
Alternativ kann das Sputtern unter Verwendung eines Kollimators
ausgeführt
werden. Darüber
hinaus kann die TiSiN-Barriere durch ein CVD-Verfahren unter Verwendung
von TiCl3-Gas, NH3-Gas
und SiH4-Gas gebildet werden. Darüber hinaus
kann sie durch ein CVD-Verfahren unter Verwendung einer Mischgasatmosphäre aus einer
organischen Gasquelle wie TMAT (Tetrakis-dimethyl-aminotitan) und
SiH4-Gas,
SiCl4-Gas oder SiHxCly-Gas bei der Temperatur von 350°C und einem
Druck von 0,5 Torr gebildet werden. Das CVD-Verfahren kann unter Verwendung von
Plasma oder angeregten Spezies ausgeführt werden. Ein beliebiges
Verfahren kann eingesetzt werden, vorausgesetzt daß der resultierende
Film aus einer ternären
Verbindung von Ti, Si und N besteht. Im allgemeinen ist ein CVD-Verfahren
zur Ausbildung eines TiSiN-Films,
der Rillen und Löcher
mit einem hohen Seitenverhältnis
ausfüllt,
vorteilhaft, da dieses Verfahren eine konforme Abscheidung erzielen
kann.
-
Der
Widerstand von TiSiN hängt
von der TiSiN-Zusammensetzung ab. Genauer gesagt ist, je kleiner das
Atomverhältnis
von N ist, desto geringer der Widerstand. Auch gibt es den Trend,
daß der
Widerstand umgekehrt proportional zum Partialdruck von N2 während
des Sputterns ist, wie aus 11A ersehen
werden kann. Darüber
hinaus ist, wie in den 11B und 11C gezeigt wird, je größer die Leistung ist, desto
niedriger der Widerstand. Ein beliebiger TiSiN-Film ist amorph,
wenn er durch Sputtern gebildet wird. Wenn der TiSiN-Film eine extrem
niedrige N2-Konzentration hat, wird er beim
Brennen (bei etwa 600°C)
kristallisieren und seine Barriereeigenschaften werden abnehmen.
-
Der
TiSiN-Film mit einem relativ hohen Widerstand wird jedoch nicht
den Widerstand der im TiSiN-Film inkorporierten Verdrahtungsschicht
beeinflussen, vorausgesetzt daß er
dünn ist.
Somit braucht, so lange der TiSiN-Film dünn genug ist, um als Barriereschicht
zu wirken, die TiSiN-Zusammensetzung nicht eingeschränkt zu sein.
Nichtsdestotrotz ist, wenn der TiSiN-Film in eine LSI-Verdrahtungsschicht
integriert werden soll, es günstig,
daß sein
Widerstand so niedrig wie möglich
ist, um den Kontaktwiderstand der LSI-Verdrahtungsschicht zu minimieren.
-
TiSiN-Filme
mit verschiedenen Si/Ti-Atomverhältnissen
X wurden gebildet, und die Druckspannungen bei ihnen wurden gemessen.
Die Ergebnisse waren wie in 12 dargestellt.
Der Graph von 12 ist sehr ähnlich zum Graphen von 4,
ist aber dadurch verschieden, daß die Spannung (Stress) an
mehreren Probenpunkten gemessen wurde. Wie aus 12 hervorgeht,
ist es wünschenswert,
daß das
Atomverhältnis
von Si zu Ti 0,7 oder mehr oder vorzugsweise 1 oder mehr beträgt, um die
Druckspannung des TiSiN-Films (d.h. die Belastung des Halbleiterelements,
das den TiSiN-Film beinhaltet) zu verringern. Wenn der TiSiN-Film
auf eine Weise eingesetzt wird, daß die von der Druckspannung
herrührende
Belastung kein Problem verursacht, ist das Si/Ti Atomverhältnis X
in keiner Weise beschränkt.
-
Um
den TiSiN-Film haftfähiger
zu machen, kann ein dünner
Ti-Film auf dem
TiSiN-Film gebildet werden. TiSiN hat eine wesentlich größere Haftfähigkeit
als TiN und TiN/Ti. Wenn eine Struktur, die eine SiO2-
oder Si3N4-Schicht
und einen TiN-Film und einen TiSiN-Film, die beide auf dieser Grundschicht
abgeschieden werden, umfaßt,
durch ein CMP-Verfahren
(chemomechanisches Polieren) geätzt
wird, wobei ein Druck von 400 g/cm2 an die
Struktur angelegt und Silica als Polierkörner verwendet wird, blättert der
TiN-Film von der Grundschicht ab, der TiSiN-Film jedoch nicht. TiSiN
ist stabiler und leichter zu verarbeiten als TiN.
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Wie
oben angegeben ist die ternäre
Verbindung aus Ti, Si und N amorph. Die Spannung (Stress) bei einem
TiSiN-Film ist relativ gering (z.B. 1,7 × 109 dyn/cm2) und geringer als die Spannung bei einem
kristallinen Film. Daher wird ein TiSiN-Film, der in eine Halbleiter-Vorrichtung
eingebaut ist, weniger leicht negative Einflüsse auf die Halbleiter-Vorrichtung ausüben. Wie
der Begriff "amorph" andeutet, hat der
TiSiN-Film keine Kristallkorngrenzen (ähnlich wie eine Glasschicht).
Dadurch, daß er
keine Kristallgrenzen hat, kann der TiSiN-Film eine ideale Barriere
für Verunreinigungen
bilden, anders als die bisher verwendeten polykristallinen Filme
(z.B. TiN-Filme und TiW-Filme) die Kristallgrenzen haben.
-
Von
den amorphen Legierungen enthalten einige keinen Stickstoff. Diese
sind NiNb, MgZn, CuZr und dgl. Diese amorphen Legierungen wurden
durch instabile Verarbeitung wie beispielsweise Abschreckung gebildet.
Unvermeidlicherweise sind sie thermisch instabil und können bei
hohen Temperaturen leicht kristallisieren. Schlimmer noch können sie
leicht mit dem Metall einer Verdrahtungsschicht unter Bildung einer
intermetallischen Verbindung reagieren, die den Widerstand der Verdrahtungsschicht
erhöhen
würde.
NiNb, MgZn, CuZr und dgl. sind als Material für Barriereschichten nicht geeignet.
Das bestmögliche
Material für
Barriereschichten ist eine Verbindung aus einem feuerfesten Metall,
einem Halbleiter und Stickstoff.
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Nachdem
der TiSiN-Film 14 auf dem SiO2-Film 12,
wie in 3B gezeigt ist, ausgebildet
wurde, wird ein Cu-Film 15, der zur Hauptverdrahtungsschicht
weiterverarbeitet wird, auf eine Dicke von 400 nm durch Sputtern
oder dgl. auf dem TiSiN-Film 14 abgeschieden, wie in 3C erläutert ist.
Da der TiSiN-Film 14 und der
Cu-Film 15 nacheinander abgeschieden werden, ohne der Luftatmosphäre ausgesetzt
zu werden, ist der TiSiN-Film 14 wesentlich
haftfähiger
zum Cu-Film 15 als ein Film aus TiN oder dgl. Da es an
den Cu-Film 15 fest anhaftet, wird TiSiN nicht abgestoßen oder
koaguliert im nachfolgenden Brennschritt trotz der Oberflächenspannung
von Cu nicht. Daher kann TiSiN ohne weiteres Rillen oder Löcher, die
in der Oberfläche
des SiO2-Films 12 erzeugt wurden,
ausfüllen.
-
Dann
wird, wie in 3D gezeigt ist, die Struktur
von 3C bei 200 bis 700°C während oder nach dem Sputtern
gebrannt, wodurch Cu in die Rille 13 zurückfließt. Die
Oberfläche
des Cu-Films 15 wird dadurch eingeebnet. Dann wird die
resultierende Struktur (3D) an
ihrer Oberfläche
geätzt,
wodurch der TiSiN-Film 14 und der Cu-Film 15 entfernt
werden, mit Ausnahme von den Teilen, die in der Rille 13 liegen,
wie in 3E erläutert ist. Eine vergrabene
Verdrahtungsschicht aus Cu wird dadurch in der Oberfläche des
SiO2-Films 12 ausgebildet. Dieses Ätzverfahren
kann reaktives Ionenätzen
(RIE-Methode) oder Ionenabtragung sein oder kann durch CMP oder
Polieren ersetzt werden. Die so erhaltene Cu-Verdrahtung hat eine hohe Verläßlichkeit.
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Um
zu bestimmen, ob der TiSiN-Film als Barriere gegen Cu wirksam ist
oder nicht, wurde die Struktur von 3E tatsächlich gebildet,
und einem Verbindungs-Leck-Test (junction-leak-Test) unterworfen.
In dem Test wurde die Kontaktfläche
zwischen dem TiSiN-Film und dem Cu-Film auf 300 × 80 μm2 festgesetzt
und die Struktur bei 600°C
30 min gebrannt. Selbst nach dem Brennen im Bildungsgas erhöhte sich
der Leckstrom bei umgekehrter Vorspannung nicht. Somit wies der
TiSiN-Film gute Barriereeigenschaften auf. Die Struktur wurde ferner
durch Atom-Absorptionsanalyse bezüglich der Cu-Diffusion in das
Silizium-Substrat untersucht. Selbst nach dem Brennen im Bildungsgas
war die Cu-Konzentration im Silizium-Substrat gleich oder kleiner
als die Nachweisgrenze (d.h. 2 × 1012/cm3). Das bedeutet,
daß der
TiSiN-Film gute Barriereeigenschaften hatte. Es ergab sich auch,
daß ein
TiSiN-Film effektiv als Barriere diente, selbst wenn seine Dicke
5 nm betrug.
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Daher
kann der TiSiN-Film 14 als ausgezeichnete Barrierenmetallschicht
angesehen werden, da er ein Durchdiffundieren von Cu verhindert,
fest an den SiO2-Film 12 (die Unterschicht)
anhaftet und einen niedrigen Kontaktwiderstand zu dem Cu-Film (der
oberen Schicht) und dem SiO2-Film 12 hat.
Darüber
hinaus hat der TiSiN-Film 14 ausreichende Barriereeigenschaften,
selbst wenn er dünn
ausgebildet wird. Da der TiSiN-Film 14 und der Cu-Film 15 nacheinander
durch Sputtern ausgebildet werden, kann das Verfahren der Bildung
der Verdrahtungsschicht vereinfacht werden.
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Die
Verdrahtungsschicht von Beispiel 5 ist vergraben. Statt dessen kann
aber auch eine Verdrahtungsschicht auf dem SiO2-Film 12 ausgebildet
werden, die sich nicht in einer Rille 13, die in der Oberfläche des Films 12 erzeugt
wird, befindet, indem die Barrierenmetallschicht aus einer ternären Verbindung
eines Metalls (Ti, Zr oder Hf), einem Halbleiter (z.B. Silizium)
und Stickstoff und der Cu-Film, der auf der Barrierenmetallschicht
ausgebildet wird, mit einem Muster versehen werden. Außerdem kann
das als Halbleiter verwendete Si ersetzt werden durch ein beliebiges
anderes Element der Gruppe IV oder eine Halbleiter-Verbindung wie III-V,
II-VI, II-IV-VI, II-IV-V, III-IV-VI, I-III-VI oder II-V-VII. Der
als Hauptverdrahtungsschicht verwendete Cu-Film kann durch einen
Film aus Al, Au, Ag oder W oder einen Film aus einer Legierung von
zwei oder mehreren dieser Metalle ersetzt werden.
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Beispiel 6
-
13A bis 13D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Verdrahtungsschicht
in einer Halbleiter-Vorrichtung
des Beispiels 6 der vorliegenden Erfindung erläutern.
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Zunächst wird,
wie in 13A gezeigt ist, ein SiO2- oder ONO (SiO2/Si3N4/SiO2)-Film 72,
der als Gate-isolierender Film verwendet wird, auf einem Si-Substrat 71 in
einer Dicke von 60 nm ausgebildet. Dann wird, wie in 13B gezeigt ist, ein amorpher Legierungsfilm 73 aus
Ti, Si und N auf dem Film 72 ausgebildet. Im allgemeinen
hat ein amorpher Film relativ glatte Oberflächen und erzeugt in der Regel
keine Oberflächenzustände. Anders
als ein polykristalliner Film hat ein amorpher Film aufgrund des
Fehlens von Kristallachsen eine gleichmäßige Austrittsarbeit. Er hat
daher eine stabile Durchbruchsspannung und verleiht der Halbleitervorrichtung,
in die er eingebaut wird, stabile Charakteristiken.
-
Danach
wird, wie in 13C gezeigt ist, ein W-Film 74 auf
dem Legierungsfilm 73 in einer Dicke von 100 bis 150 nm
ausgebildet. Da er amorph ist, wirkt der Legierungsfilm 73 aus
Ti, Si und N als effektive Barriere gegen Wolfram (W) und verhindert
die Diffusion von Wolfram aus dem W-Film 74 in den Gate-Isolierfilm 72. Danach
werden, wie in 13D gezeigt ist, der Gate-Isolierfilm 72,
der Legierungsfilm 73 und der W-Film 74 durch
Photolithographie und reaktives Ionenätzen verarbeitet, wodurch eine
Gate-Elektrodenstruktur ausgebildet wird.
-
MOSFETs
vom n-Channel- und p-Channel-Typ jeweils mit einer Gate-Elektrodenstruktur
dieses Typs wurden hergestellt und getestet. Man fand, daß ihre Schwellenspannung
mit 0,6 eV sehr niedrig war, und sie wurden als geeignet zum Niederspannungsbetrieb
angesehen. Wenn eine Polysiliziumschicht anstelle des amorphen Legierungsfilms 73 auf
dem Gate-Isolierfilm 72 ausgebildet würde, sollte diese Schicht zu
einer n+-Typ oder p+-Typ
Polysiliziumschicht verarbeitet werden, um eine solch niedrige Schwellenspannung
dem n-Kanal oder p-Kanal MOSFET zu verleihen. Im Hinblick darauf
hilft die Gate-Elektrode von Beispiel 6, die Zahl der Herstellungsschritte
für das
MOSFET stark zu verringern.
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In
Beispiel 6 wird die Legierung aus Ti, Si und N, die amorph ist,
als amorphes Metall verwendet. Statt dessen kann auch ein beliebiges
anderes amorphes Metall verwendet werden. Außerdem kann Wolfram (W), das
als Material für
die Gate-Elektrode
verwendet wird, durch Al, Ag, Au oder Cu oder eine Legierung aus
beliebigen dieser Metalle ersetzt werden.
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Beispiel 7
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14A bis 14D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschichten
in einer Halbleitervorrichtung nach dem Beispiel 7 der Erfindung
erläutern.
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Zunächst wird,
wie in 14A gezeigt ist, ein SiO2-Film 82 auf dem Halbleiter-Substrat 81 ausgebildet. Dann
wird ein TiSiN-Film 83, d.h. ein Diffusionsbarrierefilm
oder eine Bindungsschicht aus einer ternären Verbindung auf dem SiO2-Film 82 durch
Sputtern auf eine Dicke von 10 nm gebildet. Ein Al-Cu- oder Al-Si-Cu-Legierungsfilm 84,
der als Hauptverdrahtungsschicht verwendet wird, wird auf den TiSiN-Film 83 auf
eine Dicke von 400 nm ausgebildet. Außerdem wird ein Film 85 aus
einer ternären
Verbindung von Ti, Si und N auf dem Legierungsfilm 84 durch
Sputtern in einer Dicke von 10 nm gebildet. Der Film 85 hat
einen niedrigere Reflexion als Al und Cu, die hinreichend gering
bei allen Wellenlängen
des Lichts, das zur Belichtung in der Photolithographie eingesetzt
wird, ist. Daher ist der Film bei der Kontrolle der Reflexion des
Belichtungslichts, das in der Photolithographie appliziert wird,
wirksam.
-
Als
nächstes
wird ein Photoresistfilm auf dem Film 85 ausgebildet. Wie
in 14B gezeigt ist, wird der Photoresistfilm zu einem
Resistmuster 86 mittels Photolithographie ausgebildet.
Anders als TiN ist die ternäre Verbindung
aus Ti, Si und N beständig
gegen SH (Mischung aus Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure). Daher
kann das Resistmuster 86 leicht von der oberen Barrierenmetallschicht 85 abgelöst werden,
falls erforderlich, wie z.B. im Fall, daß die Photolithographie wiederholt
werden muß.
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Dann
werden, wie in 14C gezeigt ist, die Hauptverdrahtungsschicht 84 und
Barrierenmetallschichten 83 und 85 durch reaktives
Ionenätzen
unter Verwendung eines Gases auf Chlorbasis, durch Ionenabtragung
oder durch Naßätzen unter
Verwendung einer Säure
oder durch ein ähnliches
Verfahren verarbeitet. Da die ternäre Verbindung mit verdünnter Flußsäure geätzt werden
kann, ist verdünnte
Flußsäure ein
effektives Naßätzmittel
für die
Barrierenmetallschichten 83 und 85.
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Als
nächstes
wird, wie in 14D gezeigt ist, das Resistmuster 86 durch
Naßätzen unter
Verwendung eines organischen Lösungsmittels
oder Gasphasenätzen
unter Verwendung einer Mischung von Sauerstoffgas und einem Gas
auf Fluorbasis, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von Sauerstoffgas
oder durch Plasmaoxidation entfernt, wobei das Muster 86 dem
Sauerstoffplasma ausgesetzt wird. Als Ergebnis werden Verdrahtungsschichten
ausgebildet, die jeweils zwei Filme 83 und 85 haben,
die aus einer ternären Verbindung
von Ti, Si und N bestehen und als Barrierenmetallschichten fungieren.
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Beispiel 8
-
15A bis 15C sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung von Verdrahtungsschichten
in einer Halbleitervorrichtung gemäß Beispiel 8 dieser Erfindung
erläutern.
Wie in 15A gezeigt ist, wird ein Halbleiter-Substrat 91 ,
das Verunreinigungen eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, hergestellt.
Eine Elementisolierender Film 92 und eine Diffusionsschicht 93 vom
zweiten Leitfähigkeitstyp
werden in der oberen Oberfläche
des Substrats 91 gebildet. Ein leitender Film 94 mit
einer Oberschicht aus W oder W-Silizid wird erzeugt. Ein Zwischenschicht-Isolierfilm 95 wird
auf der resultierenden Struktur ausgebildet, so daß er das
Substrat 91 und den leitfähigen Film 94 bedeckt.
Kontaktlöcher 96 und 97 werden
in dem Isolierfilm 95 gebildet, die die Diffusionsschicht 93 und
den leitenden Film 94 exponieren.
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Danach
wird ein Legierungsfilm gemäß dieser
Erfindung auf der Struktur von 15A ausgebildet. Speziell
wird, wie in 15B gezeigt ist, ein Ti-Si-N-
oder Zr-Si-N- oder Hf-Si-N-Legierungsfilm 98 auf
der Struktur in einer Dicke von 5 bis 100 nm ausgebildet. Die Dicke
des Films 98 wird gemäß dem Seitenverhältnis (d.h.
im Verhältnis
von Durchmesser zu Tiefe) der Kontaktlöcher 96 und 97 verändert. Je
größer das
Seitenverhältnis
ist, desto dicker sollte der Film 98 sein. Danach wird
die Struktur in eine Sputterkammer unter Vakuum verbracht und ein
Al-Film 99 auf dem Legierungsfilm 89 in einer
Dicke von 0,4 bis 0,8 μm
durch Sputtern in der Sputterkammer ausgebildet.
-
Dann
wird der Al-Film 99 auf 500 bis 600°C während 30 s bis 5 min erhitzt.
Das Erhitzen wird im Vakuum ausgeführt, so daß die Oberfläche des
Al-Films 99 nicht oxidiert werden kann. Die Oberfläche des Al-Films 99 wird
dadurch eingeebnet. Der Al-Film 99 wird dann in das gewünschte Verdrahtungsmuster
gebracht. So werden Kontakte und Drähte gleichzeitig gebildet.
-
Im
allgemeinen wird ein Al-Film erhitzt, indem eine Barrierenmetallschicht
verwendet wird, die eine Multischichtstruktur aus TiN/Ti oder Ti/TiN/Ti
hat, und dies aus zwei Gründen:
Erstens ist es, da der Kontaktwiderstand zwischen einer TiN-Schicht
und einer Si-Schicht hoch ist, notwendig, ein Silizid an der Grenzfläche zwischen
den TiN- und Si-Schichten
durch Einlagerung eines Ti-Films zwischen diesen Schichten zu bilden. Zweitens
muß eine
Ti-Schicht zwischen den TiN- und Si-Schichten vorgesehen werden,
da die Benetzbarkeit des Aluminiums abnimmt, weil die Oberfläche der
TiN-Schicht oxidiert ist, um die Bildung von Korngrenzen zu verhindern.
Die Verdrahtungsstruktur nach dem Beispiel 8 muß nur eine Barrierenmetallschicht
haben. Daher dient sie zu einer starken Verringerung der Anzahl
der Schritte zur Herstellung der Halbleitervorrichtung und daher
zur Verringerung der Herstellungskosten derselben.
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Die
Verdrahtungsschicht jedes der oben beschriebenen Beispiele, die
eine Barrierenmetallschicht aufweist, kann auch durch ein beliebiges
anderes Verfahren als die oben beschriebenen Methoden gebildet werden.
Außerdem
kann die Barrierenmetallschicht aus einer Verbindung eines feuerfesten
Metalls (Zr, Hf, W, Mo oder dgl.), einem Halbleiter und Stickstoff
(N) anstelle einer ternären
Verbindung von Ti, Si und N hergestellt werden. Darüber hinaus
kann das als Halbleiter verwendete Si durch ein beliebiges anderes
Element der Gruppe IV oder eine Halbleiter-Verbindung wie III-V,
II-VI, II-IV-VI,
II-IV-V, III-IV-VI, I-III-VI oder II-V-VII ersetzt werden. Die Verdrahtungsschicht
kann durch einen Film aus Cu, Al, Ag, Au, W oder durch einen Film
einer Legierung von zwei oder mehreren dieser Metalle ersetzt werden.
-
In
den Beispielen 1 bis 8 wird die Barrierenmetallschicht in eine Verdrahtungsschicht
oder eine Elektrode inkorporiert. Nichtsdestoweniger kann die Barrierenmetallschicht
auch bei Kontakten, die jeweils eine Verdrahtungsschicht und eine
weitere Verdrahtungsschicht oder eine Halbleitervorrichtung verbinden,
eingesetzt werden.
-
Beispiel 9
-
16 ist
ein schematischer Querschnitt, der eine Halbleitervorrichtung nach
dem Beispiel 9 dieser Erfindung zeigt. 17A bis 17J sind Schnitte, die die Schritte der Ausbildung
dieser Halbleitervorrichtung erläutern.
-
Zunächst wird,
wie in 17A gezeigt wird, Bor (B) in
ein Silizium-Substrat 201 implantiert und anschließend durch
Erhitzen diffundiert, wodurch eine p-Region 202 mit einer
Tiefe von etwa 1 μm
ausgebildet wird. Dann wird, wie in 17B gezeigt
wird, ein etwa 600 nm dicker Oxidfilm 203 auf vorbestimmten
Teilen des Silizium-Substrats 201 ausgebildet und damit
eine Element-isolierende Region gebildet. Danach wird, wie in 17C gezeigt ist, ein etwa 10 nm dicker Oxidfilm 204 auf
der resultierenden Struktur ausgebildet und die Ionen 205 in
das Siliziumsubstrat 201 und die p-Region 202 implantiert.
-
Danach
wird der Oxidfilm 204 von der in 17C abgebildeten
Struktur entfernt. Dann wird, wie in 17D gezeigt
ist, ein etwa 10 nm dicker Gate-Oxidfilm 206 auf der Struktur
gebildet und ein etwa 200 nm dicker Polysilizium-Film 207 auf dem Gate-Oxidfilm 206 ausgebildet.
Die resultierende Struktur wird in einer POCl3-Atmosphäre bei 850°C während etwa
60 min erhitzt und dadurch Phosphor (P) in den Polysilizium-Film 207 eingeführt. Anstelle
von Phosphor kann eine andere n-Typ-Verunreinigung oder p-Typ-Verunreinigung in den
Polysilizium-Film 207 eingebracht werden. Die einzubringende
Verunreinigung hängt
von der Schwellenspannung ab, die für den herzustellenden Transistor
gewünscht
wird. Die Verunreinigung kann entweder aus einer Gasphasenquelle
oder einer Festphasenquelle eingeführt werden. Alternativ können Ionen
der Verunreinigung in den Polysilizium-Film 207 implantiert
werden. Gleichgültig
welches Verfahren eingesetzt wird, sollte die Verunreinigung in
einer solchen Menge eingebracht werden, daß der Film 207 eine
Verunreinigungs-Konzentration von etwa 2 × 1020 cm–3 oder
mehr hat.
-
Dann
wird der auf natürliche
Weise während
des Erhitzens der Struktur gebildete Oxidfilm vom Polysilizium-Film 207 entfernt.
Die Struktur wird einer chemischen Sputterung unter Verwendung eines
WSix-Targets in einer Atmosphäre, die
Ar und N2 enthält, unterworfen. Ein WSixNy-Film 208 mit
einer Dicke von etwa 5 nm wird dabei durch chemisches Sputtern gebildet,
wie in 17E dargestellt ist. Der WSixNy-Film 208 kann mittels
eines CVD-Verfahrens unter Verwendung eines Gassystems wie WSi6+SiH4+NH3 gebildet werden. Dann wird ein WSix-Film 209 mit einer Dicke von 200
bis 300 nm durch Sputtern unter Verwendung eines WSix-Targets
in einer Ar-Atmosphäre gebildet.
-
Danach
wird, wie in 17F gezeigt ist, ein Resistmuster 210 durch
Photolithographie bei der Herstellung zur Ausbildung einer Gate-Elektrode
oder einer Verdrahtungsschicht gebildet. Unter Verwendung des Resist-Musters 210 als
Maske werden der Polysilizium-Film 207, der WSixNy-Film 208 und
der WSix-Film 209 durch reaktives
Ionenätzen
mit einem Muster versehen, wie in 17G dargestellt
ist.
-
Ferner
wird, wie in 17G gezeigt wird, das Resistmuster 210 durch
Gasphasenätzen
(asher) entfernt und dadurch eine Gate-Elektrode oder Verdrahtungsschicht
gebildet. Die resultierende Struktur wird in einer Sauerstoffatmosphäre bei 800°C 30 min
oxidiert. Als Ergebnis wird ein Oxidfilm 211 auf dem Substrat 201 und
auf und an den Seiten der Gate-Elektrode oder der Verdrahtungsschicht
gebildet. Der so gebildete Oxidfilm 211 dient zur Verhinderung
der Bildung von Defekten im Substrat 201 im anschließenden Erhitzungsschritt,
obwohl die Verunreinigungs-Ionen direkt in das Silizium-Substrat 201 implantiert
wurden.
-
Die
in diesem Fall gebildete Vorrichtung ist eine nMOS-Vorrichtung. Zur
Herstellung einer CMOS-Vorrichtung wird eine Resist-Maske gebildet
und Ionen in das Substrat 201 durch die Resist-Maske implantiert. Wenn
das der Fall ist, verhindert der Oxidfilm 211 die Kontamination
des Substrats 201 mit dem Resist. Im anschließenden Erhitzungsschritt
reagiert ein Teil des WSixNy-Films 208 mit
dem Oxidfilm, der natürlich
auf dem Polysilizium-Film 207 gebildet wird. Ein WSixNyOz-Film 213 wird
dadurch gebildet. Dieser Film 213 besitzt Barriereeigenschaften.
-
Danach
wird Arsen (As) in das Substrat 201 und die p-Region 202
bei 60 keV auf eine Konzentration von 5 × 1015cm–3 Ionen
implantiert. Die resultierende Struktur wird einer Oxidation in
einer Sauerstoff (02) Atmosphäre bei 900°C während etwa 60 min unterworfen
und so ein Oxidfilm 214 gebildet, wie in 17I dargestellt wird. Dank dieser Oxidation werden
die Endteile des Oxidfilms an der Gate-Elektrode dicker als der Mittelteil,
wodurch sich die Gate-Durchschlagsspannung verbessert, wie im Teil "Beschreibung des
Standes der Technik" beschrieben
wurde. Das Ausmaß,
bis zu dem die Oxidation ausgeführt
werden sollte, hängt
von der Gate-Durchschlagsspannung
ab, die man von dem herzustellenden Transistor erwünscht.
-
Es
ist auch notwendig, diese Oxidation so auszuführen, daß das Atomverhältnis x
von Silizium im WSix-Film 209 nicht
unter 1,8 fällt.
Selbst wenn x etwas kleiner ist als 2 (d.h. die stöchiometrische
Si-Menge), wird der Film 209 kein Silizium aus dem Polysilizium-Film 207 absorbieren,
und das Atomverhältnis
von Wolfram (W), das größer ist
als der Normalwert, erhöht
die Spannung, jedoch nur auf 1 bis 3 × 109 dyn/cm2. Wenn der WSix-Film 209 wolframreicher
ist als WSi1,8, wird WO3 gebildet,
was zwangsläufig
das Volumen des WSix-Films 209 erhöht und möglicherweise
die Abblätterung
der Gate-Elektrode verursacht. So muß die Oxidation im Hinblick
auf die Dicke und Breite des WSix-Films 209 (d.h.
die Gate-Elektrode)
so ausgeführt
werden, daß das
Atomverhältnis
x von WSix unter 1,8 fällt.
-
Danach
wird, wie in 17J gezeigt ist, eine Zwischen-Isolierschicht 215 auf
der Struktur abgeschieden und ein Kontaktloch 216 in einem
gewünschten
Teil der Isolierschicht 215 hergestellt. Außerdem wird
Aluminium (Al) in der Isolierschicht 215 und im Kontaktloch 216 abgeschieden.
Der resultierende Al-Film wird mit einem Muster versehen und so
eine Verdrahtung 217 gebildet.
-
18 ist
ein Graph, der die Ig-Vg-Charakteristik einer Gate-Elektrode, die
nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
gebildet wurde, darstellt. Wie aus 18 hervorgeht,
wird die Gate-Durchschlagsspannung nicht wie in einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung verschlechtert.
-
Oben
erläutert
wurde ein Verfahren zur Herstellung einer nMOS-Vorrichtung. Nichtsdestoweniger kann
auch eine pMOS-Vorrichtung
hergestellt werden, indem lediglich die n-Typ-Verunreinigung, die Ionen-implantiert
wird, durch die p-Typ-Verunreinigung,
die ebenfalls Ionen-implantiert wird, ausgetauscht wird. Außerdem kann
eine CMOS-Vorrichtung hergestellt werden, indem lediglich eine Resist-Maske
auf einem gewünschten
Teil der Struktur ausgebildet wird, und dann Verunreinigungs-Ionen
in die Struktur unter Verwendung der Resistmaske implantiert werden.
-
Beispiel 10
-
19A bis 19J sind
Schnitte, die Schritte der Bildung der Halbleitervorrichtung gemäß dem Beispiel
10 dieser Erfindung erläutern.
-
Zunächst werden,
wie in den 19A, 19B und 19C gezeigt ist, auf exakt dieselbe Weise wie
in Beispiel 9 eine p-Region und ein Element-isolierender Oxidfilm 303 auf
der Oberfläche
eines Silizium-Substrats 301 gebildet; dann wird ein Oxidfilm 304 auf
der resultierenden Struktur ausgebildet und Ionen 305 in
die Struktur implantiert, so daß ein
Wert für
die Schwellenspannung des herzustellenden Transistors festgelegt
wird. Außerdem
wird wie in Beispiel 9 der Oxidfilm 304 entfernt und ein
Gate-Oxidfilm 206 auf der Struktur ausgebildet. Danach
wird, wie in 19D gezeigt ist, ein Polysilizium-Film 307 auf
dem Gate-Oxidfilm 206 gebildet. Die Struktur von 19D wird in einer POCl3-Atmosphäre erhitzt
und so Phosphor (P) in den Polysiliziumfilm 307 eingeführt.
-
Danach
wird die Struktur mit verdünnter
Flußsäure oder
dgl. behandelt, wodurch der während
der Erwärmung
der Struktur natürlich
gebildete Oxidfilm vom Polysilizium-Film 307 entfernt wird.
Dann wird unter Verwendung eines W-Targets in einer Atmosphäre mit Ar
und N2 chemisch gesputtert. Ein WNx-Film 308 mit einer
Dicke von etwa 5 nm wird dadurch auf dem Polysilizium-Film 307 gebildet,
wie in 19E dargestellt ist. Dann wird
die Struktur einer Sputterung in einer Ar-Atmosphäre unter Verwendung eines WSix-Targets unterworfen und dadurch ein WSix-Film 309 mit einer Dicke von etwa
200 nm gebildet.
-
Dann
wird, wie in 19F gezeigt ist, das Resist-Muster 310 mit
derselben Form wie die zu bildende Gate-Elektrode auf dem WSix-Film 309 mittels Photolithographie
ausgebildet. Unter Verwendung des Resist-Musters 310 als
Maske werden der WSix-Film 309,
der WNx-Film 308 und der Polysilizium-Film 307 durch reaktives
Ionenätzen
mit einem Muster versehen.
-
Dann
wird, wie in 19G gezeigt ist, das Resist-Muster 310 mittels
Oxidation entfernt und dadurch eine Gate-Elektrode oder Verdrahtungsschicht gebildet.
Die resultierende Struktur wird einer Oxidation in einer Sauerstoff
(02) Atmosphäre
bei 800°C
während
30 min unterworfen. Als Ergebnis wird ein Oxidfilm 311 auf dem
Substrat 301 und auf und an den Seiten der Gate-Elektrode
oder der Verdrahtungsschicht gebildet. Während dieser thermischen Oxidation
reagiert ein Teil des WNx-Films 308 mit
dem Polysilizium des Films 307 und auch mit dem auf dem Polysilizium-Film 307 gebildeten
Oxidfilm. Ein WSixNy-
oder WSixNyOz-Film 313 wird dadurch gebildet.
-
Ferner
wird Arsen (As) in das Substrat 301 und die p-Region 302
bei 60 keV auf eine Konzentration von 5 × 1015 cm–3 Ionen
implantiert, wodurch die Diffusionsschichten 312 gebildet
werden. Die resultierende Struktur wird einer Oxidation in einer
Sauerstoffatmosphäre
(02) bei 900°C
während
etwa 60 min unterworfen und so ein Oxidfilm 314 gebildet,
wie in 19I dargestellt ist. Dank dieser
Oxidation werden die Endteile des Oxidfilms an der Gate-Elektrode
dicker als der Mittelteil und so die Gate-Durchschlagsspannung verbessert, wie
im Teil "Stand der
Technik" beschrieben
wurde. Das Ausmaß,
in dem die Oxidation ausgeführt
werden sollte, hängt
von der vom herzustellenden Transistor gewünschten Gate-Durchschlagsspannung
ab.
-
Danach
wird, wie in 19J gezeigt ist, eine Zwischen-Isolierschicht 315 auf
der Struktur abgeschieden und ein Kontaktloch 316 in einem
gewünschten
Teil der Isolierschicht 315 erzeugt. Außerdem wird Aluminium (Al)
auf der Isolierschicht 315 und im Kontaktloch 316 abgeschieden.
Der resultierende Al-Film wird unter Bildung einer Verdrahtung 317 mit
einem Muster versehen.
-
Beispiel 11
-
20A bis 20L sind
Schnitte, die die Schritte der Bildung einer Halbleitervorrichtung
gemäß Beispiel
11 dieser Erfindung erläutern.
-
Zunächst werden,
wie in den 20A, 20B und 20C gezeigt ist, auf exakt dieselbe Weise wie
in Beispiel 9, eine p-Region 402 und
ein Element-isolierender Oxidfilm 403 in der Oberfläche eines
Silizium-Substrats 401 gebildet. Dann wird ein Oxidfilm
auf der resultierenden Struktur ausgebildet und Ionen 405 in
die Struktur implantiert, so daß ein
Wert für
die Schwellenspannung des herzustellenden Transistors festgesetzt
wird.
-
Dann
wird, wie in 20D erläutert ist, der Oxidfilm 404 entfernt
und ein Tunneloxidfilm 406 mit einer Dicke von etwa 10
nm auf dem Silizium-Substrat 401 gebildet. Die resultierende
Struktur wird einer Nitrierung in einer NH3-Atmosphäre bei 1000°C während etwa
30 s und ferner einer Reoxidation bei 1000°C während etwa 30 s unterworfen.
Die Nitrierung und Reoxidation dienen zur Verringerung der Oberflächenzustände des Tunneloxidfilms 406 und
der Elektroneneinfangfähigkeit
(trapping) des Tunneloxidfilms 406. Dann wird ein Polysiliziumfilm 407 mit
einer Dicke von 200 nm auf der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur
gebildet. Die Struktur wird in einer POCl3-Atmosphäre bei 850°C während etwa
60 min erhitzt und dadurch Phosphor (P) in den Polysiliziumfilm 407 eingeführt.
-
Danach
wird, wie in 20E gezeigt ist, ein Oxidfilm 408,
der etwa 10 nm dick ist, auf dem Polysiliziumfilm 407 durch
thermische Oxidation gebildet und ein SiN-Film 409 mit
einer Dicke von etwa 10 nm auf dem Oxidfilm 408 durch ein
LPCVD-Verfahren
ausgebildet. Die Oberfläche
des SiN-Films 409 wird bei 900°C während etwa 30 min oxidiert
und so ein Oxidfilm 410 gebildet. Dann wird, wie in 20F gezeigt ist, ein Polysilizium-Film 411 auf
dem Oxidfilm 410 zu einer Dicke von 200 nm ausgebildet.
Die resultierende Struktur wird in einer POCl3-Atmosphäre bei 850°C während etwa
60 min erhitzt und so Phosphor in den Polysiliziumfilm 411 eingeführt.
-
Danach
wird die Struktur von 20F mit
beispielsweise verdünnter
Flußsäure behandelt
und so der natürlich
während
des Erhitzens der Struktur gebildete Oxidfilm vom Polysilizium-Film 411 entfernt.
Unter Verwendung eines W-Targets
in einer Atmosphäre
mit Ar und N2 wird ein chemisches Sputtern
durchgeführt.
Ein WNx-Film 412 mit einer Dicke
von etwa 5 nm wird dadurch auf dem Polysiliziumfilm 411 ausgebildet,
wie in 20G erläutert ist. Dann wird die Struktur
in einer Argonatmosphäre
unter Verwendung eines WSix-Targets gesputtert,
wodurch ein WSix-Film 413 mit einer
Dicke von etwa 200 nm auf dem WNx-Film 412 ausgebildet wird.
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Dann
wird, wie in 20H gezeigt ist, ein Resistmuster 414 mit
derselben Form wie die zu bildende Gate-Elektrode auf dem WSix-Film 413 mittels Photolithographie
erzeugt. Unter Verwendung des Resist-Musters 414 als Maske
werden der WSix-Film 413, der WNx-Film 412 und
zwei Polysilizium-Filme 407 und 411 mittels reaktiven
Ionenätzens
(RIE-Methode) mit einem Muster versehen. Danach wird das Resist-Muster 414 durch
Veraschen entfernt und so ein Floating-Gate und ein Kontroll-Gate oder eine Verdrahtungsschicht 415 eines
EEPROM gebildet.
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Die
resultierende Struktur wird der Oxidation in einem Sauerstoffatmosphäre (02)
bei 800°C
während 30
min unterworfen. Ein Oxidfilm 416 wird dadurch auf dem
Substrat 401 und auf und an den Seiten der Gate-Elektroden
oder Verdrahtungsschicht ausgebildet, wie in 20J erläutert ist.
Während
dieser thermischen Oxidation reagiert ein Teil des WNx-Films 412 mit
dem Polysilizium-Film 411 und auch mit dem natürlich auf
dem Polysilizium-Film 411 gebildeten Oxidfilm. Ein WSixNy- oder WSixNyOz-Film 417 wird
dadurch an der Grenzfläche
zwischen dem Polysilizium-Film 411 und dem WSix-Film
gebildet. Der größere Teil
des Stickstoffs wird aus dem WNx-Film 412 entfernt,
wodurch der Film 412 sich in einen W-Film oder WSi-Film
umwandelt. Dann wird Arsen (As) in das Substrat 401 und
die p-Region 302 bei 60 keV auf eine Konzentration von 5 × 1015 cm–3 Ionen
implantiert und so die Diffusionsschicht 418 gebildet.
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Danach
wird, wie in 20K gezeigt ist, die resultierende
Struktur einer Oxidation in einer Sauerstoff (O2)-Atmosphäre bei 900°C während etwa
60 min unterworfen und so ein Oxidfilm 419 gebildet. Aufgrund
dieser Oxidation werden die Endteile des Oxidfilms an der Gate-Elektrode
dicker als der Mittelteil und so die Gate-Durchschlagsspannung verbessert,
wie im Teil "Stand
der Technik" beschrieben
wurde. Das Ausmaß,
in dem die Oxidation ausgeführt
werden sollte, hängt
von der Gate-Durchschlagsspannung,
die von dem herzustellenden Transistor gewünscht wird, ab. Aus dem folgenden
Grund muß jedoch
die Oxidation so ausgeführt werden,
daß das
Atomverhältnis
x von Silizium im WSix-Film 413 nicht
unter 1,8 fällt.
Wenn der WSix-Film 413 W-reicher
ist als WSi1,8, wird WO3 gebildet,
was unvermeidlich zu einer Erhöhung
des Volumens des WSix-Films 413 führt und möglicherweise das Abblättern der
Gate-Elektrode verursacht.
Daher muß die
Oxidation so ausgeführt
werden, daß das
Atomverhältnis
x von WSix nicht unter 1,8 fällt, im
Hinblick auf die Dicke und Breite der Gate-Elektrode.
-
Danach
wird, wie in 20 L gezeigt ist, eine
Zwischenisolierschicht 420 auf der Struktur abgeschieden
und ein Kontaktloch 421 in der Isolierschicht 420 erzeugt.
Ferner wird Aluminium (Al) auf der Isolierschicht 420 und
im Kontaktloch 421 abgeschieden. Der resultierende Al-Film
wird mit einem Muster versehen und so eine Verdrahtung 422 gebildet.
Als Ergebnis wird eine MOS-Halbleitervorrichtung hergestellt.
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Beispiel 12
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21A bis 21L sind
Schnitte, die die Schritte der Bildung einer Halbleitervorrichtung
gemäß dem Beispiel
12 dieser Erfindung erläutern.
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Zunächst werden,
wie in den 21A, 21B und 21C gezeigt ist, auf exakt dieselbe Weise wie
in Beispiel 9 eine p-Region 502 und ein Element-isolierender
Oxidfilm 503 in der Oberfläche eines Silizium-Substrats 501 gebildet;
ein Oxidfilm 504 wird dann auf der resultierenden Struktur
ausgebildet und Ionen 505 in die Struktur implantiert,
so daß ein
Wert für
die Schwellenspannung des herzustellenden Transistors festgelegt
wird.
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Dann
wird, wie in 21D erläutert ist und wie in Beispiel
9 der Oxidfilm 504 entfernt und ein Gate-Oxidfilm 506 auf
der gesamten Oberfläche
der Struktur ausgebildet. Ein Polysilizium-Film 507 wird
dann auf dem Gate-Oxidfilm 506 gebildet. Phosphor wird
dann in den Polysilizium-Film 507 eingeführt. Dann
wird, wie in den 21E gezeigt ist und wie in Beispiel
9, ein Oxidfilm, wie beispielsweise ein natürlich gebildeter Oxidfilm,
entfernt und die resultierende Struktur chemisch gesputtert, wodurch
ein WSixNy-Film 508 auf
den Polysiliziumfilm 507 gebildet wird. Dann wird gesputtert,
wodurch ein WSix-Film 509 auf dem
WSixNy-Film 508 gebildet
wird.
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Danach
wird, wie in 21F gezeigt ist, ein SiN-Film 510 durch
ein CVD-Verfahren auf eine Dicke von 200 nm abgeschieden und anschließend durch
Photolithographie zu einem Resistmuster 511 mit derselben Form
als Gate-Elektrode oder Gate-Verdrahtung, die gebildet werden soll,
auf dem WSix-Film 509 verarbeitet. Unter
Verwendung des Resist-Musters 511 als
Maske werden der SiN-Film 510, der WSix-Film 509,
der WSixNy-Film 508 und
der Polysilizium-Film 507 durch reaktives Ionenätzen mit
einem Muster versehen.
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Dann
wird, wie in 21G gezeigt ist, das Resist-Muster 511 durch
Veraschen entfernt und so eine Gate-Elektrode oder Verdrahtung 512 gebildet.
Der auf dem WSix-Film 509 abgeschiedene
SiN-Film 510 dient zur Verhinderung, daß die Ionen in eine Quelle
implantiert werden, und ein Drain eine Kanalregion erreicht, und
zur Verhinderung der Oberflächenoxidation
des WSix-Films 509.
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Die
resultierende Struktur wird einer Oxidation in einer Sauerstoff
(O2)-Atmosphäre bei 800°C während 30 min unterworfen. Ein
Oxidfilm 513 wird dadurch auf den Seiten der Gate-Elektrode
gebildet, wie in 21H dargestellt ist. Dank dieser
Oxidation werden die Endteile des Oxidfilms an der Gate-Elektrode
dicker als der Mittelteil und so die Gate-Durchschlagsspannung verbessert, wie
im Teil "Stand der
Technik" beschrieben
wurde. Der Grad, bis zu dem die Oxidation ausgeführt werden sollte, hängt von
der Gate-Durchschlagsspannung, die
vom herzustellenden Transistor gewünscht wird, ab. Aus dem folgenden
Grund muß jedoch
die Oxidation so ausgeführt
werden, daß das
Atomverhältnis
x von Silizium im WSix 509 nicht
unter 1,8 fällt.
Wenn der Film 509 W-reicher ist als WSi1,8,
wird WO3 gebildet, was zwangsläufig zu
einer Erhöhung
des Volumens des Films 409 führt und möglicherweise das Abblättern der
Gate-Elektrode verursacht. Daher muß die Oxidation so ausgeführt werden,
daß das
Atomverhältnis
x von WSix nicht unter 1,8 fällt, im
Hinblick auf die Dicke und Breite des WSix-Films 509.
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Während dieser
thermischen Oxidation reagiert ein bereits gebildeter WNx-Film mit dem Polysilizium-Film 507 und
auch mit dem natürlich
auf dem Polysilizium-Film 506 gebildeten Oxidfilm. Ein
WSixNy- oder WSixNyOz-Film
wird dadurch an der Grenzfläche
zwischen dem Polysilizium-Film 507 und dem WSix-Film 509 gebildet.
Der größere Teil
des Stickstoffs wird vom WNx-Film entfernt,
wodurch der WNx-Film sich in einen W-Film
oder WSi-Film umwandelt.
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Danach
wird Arsen (As) in das Substrat 501 bei 60 keV auf eine
Konzentration von 5 × 1014 cm–3 implantiert und so
eine n-Typ-Diffusionsschicht 514 gebildet. Dann wird, wie
in 21I gezeigt ist, eine SiN-Schicht 515 in
einer Dicke von 100 nm auf der resultierenden Struktur mittels eines
CVD-Verfahrens abgeschieden.
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Ferner
wird, wie in 21J gezeigt ist, die SiN-Schicht 515 einer
anisotropen Ätzung
durch reaktives Ionenätzen
unterworfen und so die SiN-Schicht 515 mit Ausnahme der
Teile 516 (SiN-Wandteile), die auf den Seiten der Gate-Elektrodenstruktur
liegen, entfernt. Die Oxidation wird mit der resultierenden Struktur
bei 800°C
etwa 30 min ausgeführt
und so ein Oxidfilm auf dem Substrat 501 gebildet. Danach
wird, wie in 21K gezeigt ist, Arsen (As)
in das Substrat 501 Ionen-implantiert und bei einer hohen
Temperatur von 950°C
während
einer kurzen Zeit von etwa 30s gebrannt, wodurch die Diffusionsschicht 518 gebildet
wird. Die Diffusionsschicht 518 hat einen flachen Teil,
der direkt unterhalb der SiN-Wände 516 und
an der Seite der Kanalregion liegt. Der flache Teil dieser Diffusionsschicht 518 kontrolliert
den Short-Channel-Effekt. Aufgrund des tiefen Teils der Diffusionsschicht 518 wird
der Flächenwiderstand
der Diffusionsschicht 518 niedrig und so die Steuerungseffizienz
des Transistors erhöht.
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Danach
wird, wie in 21 L gezeigt ist, eine
Isolierzwischenschicht 519 auf der Struktur abgeschieden
und ein Kontaktloch 520 in einem gewünschten Teil der Isolierschicht 519 erzeugt.
Ferner wird Aluminium (Al) auf der Isolierschicht 519 und
im Kontaktloch 520 abgeschieden. Der resultierende Al-Film
wird zur Bildung einer Verdrahtung 521 mit einem Muster
versehen. Als Ergebnis wird eine MOS-Halbleitervorrichtung hergestellt.
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Beispiel 13
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Die
dreizehnte Ausführungsform
dieser Erfindung wird unter Bezug auf die 22A und 22B beschrieben. Diese Figuren sind Schnitte,
die die Struktur einer Halbleitervorrichtung von Beispiel 13 erläutern.
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Wie
in 22A gezeigt ist, werden ein
Siliziumoxid-Film 602 mit einer Dicke von 10 nm, ein Polysilizium-Film 603 mit
einer Dicke von 100 nm, und ein Wolframsilizid-Film 604 mit
einer Dicke von 200 nm übereinander
in der erwähnten
Reihenfolge auf einem Silizium-Substrat 601 ausgebildet.
Die resultierende vierschichtige Struktur wird auf 800 bis 900°C erhitzt
und so ein WSinNy-Film 605 an
der Grenzfläche
zwischen dem Polysilizium-Film 603 und dem Wolframsilizid-Film 604 ausgebildet,
wie in 22B dargestellt ist. Der WSinNy-Film 605 (d.h.
eine reaktionshemmende Schicht) enthält Stickstoff, der in einer
so hohen Konzentration wie 1021 cm–3 oder
mehr segregiert ist.
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Die
in 22B gezeigte Struktur kann
zur Bereitstellung einer Gate-Elektrode des Typs verarbeitet werden,
der in den Beispielen 9 bis 12 dargestellt wurde.
Die Wolframsilizid (WSix)-Schicht 604 kann
durch eine Metallsilizidschicht ersetzt werden, die mindestens eine
Hauptkomponente aus Mo, V, Nb, Ta, Co oder Ti hat. Auch in diesem
Fall kann die Struktur von 22B zur
Bildung derselben Gate-Elektrode, wie sie in den Beispielen 9 bis
12 verwendet wurde, verarbeitet werden.
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Beispiel 14
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23A bis 23E sind
Schnitte, die die Schritte der Bildung einer Halbleitervorrichtung
gemäß Beispiel
14 dieser Erfindung erläutern.
Die ähnlichen
oder identischen Komponenten wie die in den 3A bis 3E werden
mit denselben Zahlen in den 23A bis 23E bezeichnet und nicht im Detail beschrieben.
-
Zunächst wird,
wie in 23A gezeigt wird, ein SiO2-Film 12 auf einem Halbleiter-Substrat 11 mittels eines
CVD-Verfahrens oder
dergleichen ausgebildet. Dann wird eine Rille 13 durch
reaktives Ionenätzen
oder dgl. in der Oberfläche
des SiO2-Films 12 erzeugt. Der
SiO2-Film 12, der als Isolierfilm
verwendet wird, kann durch entweder einen Polyimid-Film oder durch
einen fluordotierten SiO2-Film ersetzt werden.
Es ist wünschenswert,
die Oberflächen
der Rille 13 mittels CDE oder Polieren zu glätten, vorzugsweise
auf eine mittlere Rauhigkeit von 1 nm oder weniger.
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Dann
wird, wie in 23B dargestellt ist, ein TiSiN-Film 14', d.h. eine
Schicht aus einer teniären
Verbindung aus Ti, Si und N, zu einer Dicke von 20 nm auf dem SiO2-Film 12 und in der Rille 13 ausgebildet.
Dieser Film 14' dient
als Diffusionsbarriereschicht oder Bindungsschicht. Ti wird als
das feuerfeste Metall der Barrierenmetallschicht verwendet; dieses
Metall ist jedoch nicht auf Ti beschränkt. Es können auch Zr, Hf, Mo, W oder
dgl. ausgewählt
und verwendet werden. Genauer gesagt wird der TiSiN-Film 14' durch chemisches
Sputtern mittels einer Gleichstrom-Magnetron-Sputtervorrichtung unter Verwendung
eines Ti-Silizid-Targets (z.B. eines TiSi0,6-Targets)
gebildet, wobei Argon mit einer Zuflußgeschwindigkeit von 0 bis
39 sccm und Stickstoff in einer Zuflußgeschwindigkeit von 40 bis
1 sccm bei einem Druck von 0,3 Pa und einer elektrischen Leitung von
etwa 1 kW zugeführt
wird.
-
Ein
TiSiN-Film wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren tatsächlich gebildet
und durch TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) untersucht. Wie
aus einer TEM-Aufnahme gemäß 24A und einer vergrößerten TEM-Aufnahme gemäß 24B hervorgeht, fand man, daß der TiSiN-Film amorph war
und TiN-Mikrokristallkörner
mit einem Durchmesser von etwa 2 nm enthielt. Es wurde nicht beobachtet,
daß sich Kristallkorngrenzen
durch den TiSiN-Film erstreckten. Das bedeutet, daß der TiSiN-Film
als effektive Barriere fungieren kann. Außerdem fand man, daß der TiSiN-Film, der Mikrokristallkörner enthält, einen
niedrigen Widerstand hat. D.h. der TiSiN-Film wies ausgezeichnete
Barriere-Eigenschaften und einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand
auf.
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Wie
erwähnt,
kann Ti durch ein beliebiges anderes feuerfestes Metall ersetzt
werden. Selbst dann wird ein amorpher Film zur Verfügung gestellt,
der mikrokristalline Körner
des Nitrids dieses feuerfesten Metalls enthält. Diese Körner werden nicht anwachsen,
selbst wenn der Film bei hohen Temperaturen (z.B. 750°C) gebrannt
wird. Keine Kristallkorngrenzen werden im Film so ausgebildet, daß sie sich
durch den TiSiN-Film erstrecken. Daher werden die Barriere-Eigenschaften
des Films in keiner Weise verschlechtert.
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Das
Verfahren und die Bedingung zur Bildung des TiSiN-Film 14' sind nicht
auf die oben angegebenen beschränkt.
Beispielsweise kann das Sputtern unter Verwendung von Ti-Targets und Si-Targets,
die in einem mosaikartigen Muster angeordnet sind, ausgeführt werden.
Alternativ kann das Sputtern unter Verwendung eines Ti-Kollimators
ausgeführt
werden. Ferner kann der TiSiN-Film 14' nach einem CVD-Verfahren unter Verwendung von TiCl3-Gas, NH3-Gas und
SiH4-Gas
gebildet werden. Darüber
hinaus kann der Film nach einem CVD-Verfahren unter Verwendung einer
organischen Gasquelle (z.B. TMAT oder Tetradimethylaminotitan) anstelle
von TiCl4 gebildet werden. Die CVD-Bedingungen
zur Bildung des Films sind beispielsweise eine Temperatur von 350°C und ein
Druck von 0,5 Torr. Im allgemeinen ist das CVD-Verfahren zur Bildung
eines TiSiN-Films, der Rillen und Löcher mit hohem Seitenverhältnis ausfüllt, vorteilhaft,
da dieses Verfahren eine gleichmäßige Abscheidung
ermöglicht.
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Ein
dünner
Ti-Film kann auf dem SiO2-Film 12 vorab
ausgebildet werden, so daß der
TiSiN-Film 14' an
den SiO2-Film 12 fester
als sonst haftet. Im allgemeinen ist die Spannung in einem amorphen
Film niedrig. Die Spannung in einem Film einer ternären Verbindung
aus Ti, Si und N ist niedriger als die Spannung in einem kristallinen
Film, da die ternäre
Verbindung amorph ist. (Die Spannung im TiSiN-Film 14' beträgt beispielsweise 1,7 × 109 dyn/cm2). Die Wahrscheinlichkeit,
daß der
Film 14' die
Charakteristika des herzustellenden Halbleiterelements verschlechtert,
ist gering.
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Dann
wird, wie in 23C gezeigt ist, ein Cu-Film 15,
der zu einer Hauptverdrahtungsschicht verarbeitet wird, auf dem
TiSiN-Film 14 in einer Dicke von 400 nm durch Sputtern
oder dgl. abgeschieden. Da der TiSiN-Film 14' und der Cu-Film 15 nacheinander
abgeschieden werden, ohne daß man
sie der Atmosphäre aussetzt,
ist der TiSiN-Film 14' wesentlich
haftfähiger
zum Cu-Film 15 als ein Film aus TiN oder dgl.
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Durch
die feste und stabile Anhaftung an den Cu-Film 15 wird
TiSiN nicht abgestoßen
oder koaguliert im anschließenden
Brennschritt trotz der Oberflächenspannung
des Cu nicht. Daher kann TiSiN Rillen oder Löcher, die in der Oberfläche des
SiO2-Films 12 erzeugt wurden, leicht
ausfüllen.
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Danach
wird, wie in 23D gezeigt ist, die Struktur
der 23C beim 200 bis 700°C während oder nach
dem Sputtern gebrannt, wodurch Cu in die Rille 13 zurückfließt. Die
obere Oberfläche
des Cu-Films 15 wird dadurch eingeebnet. Es ist möglich, den
Gehalt oxidierender Gase (z.B. Sauerstoff oder Wasserdampf) (auf
1 ppm oder weniger) in der Brennatmosphäre zu reduzieren oder ein reduzierendes
Gas (z.B. Wasserstoff) der Brennatmosphäre zuzusetzen.
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Die
resultierende Struktur (23D)
wird an ihrer oberen Oberfläche
geätzt
und dadurch der TiSiN-Film 14' und der Cu-Film 15 entfernt, außer an den
Stellen, die sich in der Rille 13 befinden, wie in 23E erläutert
wird. Eine vergrabene Verdrahtungsschicht aus Cu wird dadurch in
der Oberfläche
des SiO2-Films 12 gebildet. Dieser Ätzprozeß kann reaktives
Ionenätzen
oder Ionenabtragen sein oder kann durch Polieren ersetzt werden.
Der so erhaltene Cu-Leiterdraht hat eine hohe Verläßlichkeit.
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Um
zu bestimmen, ob der TiSiN-Film 14' als Barriere gegen Cu wirksam
ist oder nicht, wurde die Struktur von 23E tatsächlich gebildet
und einem Verbindungs-Leck-Test unterworfen. In dem Test wurde die Kontaktfläche zwischen
dem TiSiN-Film und dem Cu-Film auf 300 × 80 μm2 im
Bildungsgas festgesetzt, und die Struktur bei 600°C 30 min
gebrannt. Selbst nach dem Brennen erhöhte sich der Leckstrom bei
umgekehrter Vorspannung nicht. Somit wies der TiSiN-Film gute Barriereeigenschaften
auf. Die Struktur wurde außerdem durch
Atomabsorptionsanalyse bezüglich
der Cu-Diffusion in das Silizium-Substrat untersucht. Die Cu-Konzentration
im Silizium-Substrat war gleich oder kleiner als die Nachweisgrenze
(d.h. 2 × 1012/cm3). Dies bedeutet,
daß der
TiSiN-Film gute Barriereeigenschaften hatte. Man fand auch, daß ein TiSiN-Film
effektiv als Barriere diente, selbst wenn seine Dicke 5 nm beträgt.
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Im
Hinblick darauf kann der TiSiN-Film 14' als ausgezeichnete Barrierenmetallschicht
angesehen werden, selbst wenn er dünn ausgebildet wird. Da der
TiSiN-Film 14' und
der Cu-Film 15 nacheinander durch Sputtern gebildet werden,
kann das Verfahren der Ausbildung der Verdrahtungsschicht vereinfacht
werden.
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Die
Verdrahtungsschicht von Beispiel 14 ist vergraben. Stattdessen kann
aber eine Verdrahtungsschicht auf dem SiO2-Film 12 und
nicht in der Rille 13 durch Bildung eines Musters einer
Barrierenmetallschicht aus einem Cu-Film, der auf dem SiO2-Film 12 gebildet wird, und einem
Cu-Legierungsfilm, der auf dem Cu-Film gebildet wird, ausgebildet
werden. Außerdem
kann das als Halbleiter verwendete Si durch ein beliebiges anderes
Element der Gruppe IV (z.B. Si, Ge, C oder dgl.) oder eine binäre Halbleitervorrichtung
wie III-V (z.B. GaAs, InP, InSb, BN, GaP oder dgl.), II-VI (z.B.
ZnSe, ZnS, CdS, CdTe oder dgl.), eine ternäre Halbleitervorrichtung II-IV-V,
II-IV-VI, III-IV-VI
oder II-V-VII ersetzt werden. Der als Hauptverdrahtungsschicht verwendete Cu-Film
kann durch einen Film aus Al, Au, Ag oder W oder einen Film einer
Legierung aus zwei oder mehreren dieser Metalle ersetzt werden.
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Beispiel 15
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26A bis 26D sind
Schnitte, die die Schritte der Ausbildung einer Halbleitervorrichtung
nach dem Beispiel 15 dieser Erfindung erläutern. Unter Bezug auf diese
Figuren wird erläutert,
wie die Vorrichtung hergestellt wird. In der folgenden Erklärung sind
die Komponenten, die ähnlich
oder identisch denen in den 13A bis 13E sind, mit denselben Zahlen in den 26A bis 26D bezeichnet
und werden nicht im Detail beschrieben.
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Zunächst wird,
wie in 26A gezeigt ist, ein SiO2 oder ONO(SiO2/Si3N4/SiO2)
Film 72, der als Gate-Isolierfilm verwendet wird, auf einem
Si-Substrat 71 in einer Dicke von 60 nm ausgebildet.
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Dann
wird, wie in 26B gezeigt ist, ein amorpher
Legierungsfilm 73' aus
Ti, Si und N auf dem Film 72 gebildet. Der amorphe Ligierungsfilm 73' hat TiN-Mikrokristallkörner mit
einem Durchmesser, der natürlich geringer
ist als die Dicke des Films 73'. Im allgemeinen hat ein amorpher
Film relativ glatte Oberflächen
und verursacht nicht leicht Oberflächenzustände, wenn er Seite an Seite
mit einem anderen Film in Kontakt gebracht wird. Anders als ein
polykristalliner Film hat ein amorpher Film keinen Unterschied in
der Austrittsarbeit, die von der Kristallorientierung abhängt. Er
hat daher eine stabile Durchbruchsspannung und verleiht einer Halbleitervorrichtung,
die ihn enthält,
stabile Charakteristiken. Außerdem
hat der Film 73 einen niedrigen Widerstand, da er TiN-Mikrokristallkörner enthält. Es folgt
daraus, daß eine
Gate-Elektrode mit
dem Film 73' ebenfalls
einen niedrigen Widerstand hat, was dazu beiträgt, die Betriebsgeschwindigkeit
des Transistors mit dieser Gate-Elektrode
zu erhöhen.
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Dann
wird, wie in 26C gezeigt ist, ein W-Film 74 auf
dem Legierungsfilm 73' in
einer Dicke von 300 nm ausgebildet. Der Legierungsfilm 73' aus Ti, Si
und N wirkt als effektive Barriere gegen Wolfram (W) und verhindert
die Diffusion von Wolfram aus dem W-Film 74 in den Gate-Isolierfilm 72.
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Dann
wird, wie in 26D gezeigt ist, der Gate-Isolierfilm 72,
der Legierungsfilm 73' und
der W-Film 74 durch Photolithiographie und reaktives Ionenätzen bearbeitet
und dadurch eine Gate-Elektrode hergestellt.
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In
Beispiel 15 wird der Film 73' aus
einer Ti-Si-N-Legierung eingesetzt. Nichtsdestoweniger kann auch ein
Film aus einem beliebigen anderen amorphen Material verwendet werden, vorausgesetzt
daß er
Mikrokristallkörner
enthält,
deren Durchmesser geringer ist als die Dicke des Films. Darüber hinaus
kann der W-Film 74, der als Hauptverdrahtungsschicht verwendet
wird, durch einen Film aus Al, Ag, Au oder Cu oder einen Film einer
Legierung aus zwei oder mehreren dieser Metalle ersetzt werden.
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Beispiel 16
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Eine
Halbleitervorrichtung nach der Ausführungsform sechzehn der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die 23A bis 23E,
wie sie in Beispiel 14 beschrieben wurden, erläutert. Beispiel 16 ist identisch
zu Beispiel 14, außer
daß Wolfram
(W) als feuerfestes Metall anstelle von Titan (Ti) verwendet wird.
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Zunächst wird,
wie in 23A und Beispiel 14 gezeigt
wird, ein SiO2-Film 12 auf einem
Halbleiter-Substrat 11 mittels eines CVD-Verfahrens oder
dgl. gebildet. Dann wird eine Rille 13 durch reaktives
Ionenätzen oder
dgl. in der Oberfläche
des SiO2-Films 12 erzeugt.
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Dann
wird, wie in 23B dargestellt ist, ein WSiN-Film 14', d.h. eine
Schicht aus einer ternären
Verbindung aus W, Si und N zu einer Dicke von 25 nm auf dem SiO2-Film 12 und in der Rille 13 ausgebildet.
Der WSiN-Film 14' dient
als Diffusionsbarriereschicht oder Bindungsschicht. Genauer gesagt
wird der WSiN-Film 14' durch
chemisches Sputtern mittels einer Gleichstrom-Magentron-Sputtervorrichtung
unter Verwendung eines W-Silizid-Targets in einer Atmosphäre einer
Mischung aus Argon und Stickstoff gebildet. Je größer das x/y-Verhältnis von
WXSiyN ist, desto
niedriger ist der spezifische Widerstand des WSiN, das durch das
chemische Sputtern gebildet wird. Wenn das Verhältnis x/y 5/3 oder mehr beträgt, wird
der W-Film Mikrokristallkörner von
W, WN oder W2N mit einem Durchmesser von
einigen Mikrometern enthalten.
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Auch
im Fall, in dem ein TixSiy-Target
verwendet wird, wird der resultierende TiSiN-Film TiN-Mikrokristallkörner mit
einem Durchmesser von einigen nm enthalten, wenn das Verhältnis x/y
5/3 oder mehr beträgt. Wenn
das Verhältnis
x/y geringer ist als 5/3, können
keine TiN-Mikrokristallkörner
im TiSiN-Film mit TEM beobachtet werden. TiN Mikrokristallkörner, wenn
es solche im TiSiN-Film gibt, haben einen Durchmesser von höchstens
0,8 nm.
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Ein
durch chemisches Sputtern unter Verwendung eines Ti
xSi
y-Targets
gebildeter Ti-Si-N-Film hat eine Zusammensetzung von Ti
xSi
yN
2, wobei das Verhältnis von
x/y beinahe gleich ist. Dies gilt nicht nur für Filme aus Ti-Silizid, sondern
auch für
Filme aus beliebigen anderen Metallsiliziden, wie aus der folgenden
Tabelle 5 hervorgeht:
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Das
chemische Sputtern wird bei einem Druck von 0,3 Pa und einer elektrischen
Leistung im Bereich von 0,5 bis 1,5 kW ausgeführt, während Argon und Stickstoff
mit einer Zuflußgeschwindigkeit
von 0 bis 39 sccm und Stickstoff mit einer Zuflußgeschwindigkeit von 40 bis
1 sccm zugeführt
werden.
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Alle
durch Sputtern gebildeten Filme sind amorph, wie durch Überprüfung tatsächlich gebildeter
Filme mittels XRD-Analyse bewiesen wurde. Ein beliebiger Film, in
dem das x/y-Verhältnis von
WXSiy von 5/3 oder mehr
beträgt,
enthält
Mikrokristallkörner
aus W, WN, W2N oder dgl., wie durch TEM-Untersuchungen bewiesen wurde.
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In
Beispiel 16 wird Sputtern zur Bildung der Barriereschicht eingesetzt.
Ein beliebiges anderes Verfahren kann stattdessen eingesetzt werden,
vorausgesetzt daß die
gebildete Barriereschicht aus einer ternären Verbindung aus W, Si und
N besteht und Mikrokristallkörner
aus W, WN, W2N, W5Si3, WSi2 oder dergleichen enthält.
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Danach
wird, wie in 23C gezeigt ist, wie in Beispiel
14 ein Cu-Film 15, der zu einer Hauptverdrahtungsschicht
verarbeitet wird, auf dem TiSiN-Film 14' in einer Dicke von 400 nm durch
Sputtern oder dgl. abgeschieden. Wie in 23D gezeigt
ist, wird die Struktur von 23C gebrannt,
wodurch Cu in die Rille 13 zurückfließt und die Oberfläche des
Cu-Films 15 eingeebnet wird. Dann wird die Struktur an
ihrer oberen Oberfläche
geätzt,
wodurch der TiSiN-Film 14' und
der Cu-Film 15 entfernt werden, außer an den Teilen, die sich
in der Rille 13 befinden, wie in 23E dargestellt
ist. Eine vergrabene Verdrahtungsschicht aus Cu wird dadurch in
der Oberfläche
des SiO2-Films 12 gebildet. Die
so erhaltene Cu-Verdrahtung hat eine hohe Zuverlässigkeit.
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Um
zu bestimmen, ob der TiSiN-Film 14' als Barriere gegen Cu wirksam
ist, wurde die Struktur von Beispiel 16 tatsächlich gebildet und einem Verbindungs-Leck-Test
oder Atom-Absorptions-Analyse
wie in Beispiel 14 unterworfen. Die Ergebnisse der Tests und die
Analysen zeigten, daß der
TiSiN-Film gute
Barriereeigenschaften hatte. Man fand, daß er effektiv als Barriere
diente, selbst wenn seine Dicke 5 nm betrug.
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Im
Hinblick darauf kann der TiSiN-Film 14' als ausgezeichnete Barrierenmetallschicht
angesehen werden, selbst wenn er dünn ausgebildet wird. Da der
TiSiN-Film 14' und
der Cu-Film 15 nacheinander durch Sputtern gebildet werden,
kann das Verfahren der Ausbildung der Verdrahtungsschicht vereinfacht
werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele
1 bis 16 beschränkt.
Beispielsweise kann das Verfahren von Beispiel 1 wiederholt ausgeführt werden
und damit die Struktur des 27 zur
Verfügung
gestellt werden, die zwei Verdrahtungsschichten aufweist. Wie in 27 gezeigt ist, umfaßt diese Struktur ein Substrat 701,
eine Element-isolierende Schicht 702, einen TiSi2-Film 703, Isolierzwischenschichten 704, 707, 711, 714 und 718,
Polysilizium-Filme 705 und 712, Si3N4-Schichten 706, 710, 713 und 717,
Ti-Si-N-Schichten 708, 715 und Cu-Schichten 709 und 716.
Außerdem
kann das Verfahren von Beispiel 1 zwei oder mehrmals ausgeführt werden,
so daß eine
Struktur mit zwei oder mehr Verdrahtungsschichten gebildet wird.
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Beispiel 17
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Eine
Halbleitervorrichtung nach Beispiel 17 wird unter Bezug auf die 28, 29A bis 29D und 30A und 30B erläutert.
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Eine
TiSi0,6N1,6-Legierungsschicht
und eine Cu-Schicht wurden auf einem Silizium (Si)-Substrat ausgebildet.
Die Struktur aus dem Si-Substrat, der TiSi0,6N1,6-Legierungsschicht und der Cu-Schicht
wurde geschnitten und ihr Querschnitt durch TEM photographiert. 28 ist die TEM-Aufnahme dieses Querschnitts der
Cu/TiSiN/Si-Struktur. Wie aus 28 ersehen
werden kann, enthielt die amorphe Ti-Si-N-Matrix TiN-Mikrokristallkörner, die
wie winzige schwarze Flecken in der TEM-Aufnahme aussehen. Die TiN-Mikrokristallkörner waren
klein und fein dispergiert. Man fand, daß sich keine Kristallkorngrenzen
in der Richtung der Dicke der Cu-TiSiN/Si-Struktur
erstreckten.
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Außerdem wurden
Ti-Si-N-Filme durch Sputtern unter Verwendung verschiedener Targets
aus TiSi2, TiSi, TiSi0,6 gebildet
und so das Ti/Si-Verhältnis
verändert.
Die Ti-Si-N-Filme wurden durch XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie)
analysiert. Die Ergebnisse dieser Analyse waren wie in den 29A bis 29D und 30A und 30B gezeigt. 29A bis 29D zeigen
XPS-Spektren von TiSiN-Filmen, die unter Verwendung von TiSi2 und TiSi als Targets gebildet wurden, während 30A bis 30C XPS-Spektren
von TiSiN-Filmen, die unter Verwendung von TiSi0,6 als
Target gebildet wurden, darstellen.
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Die
in den 29A bis 29D und 30A bis 30C gezeigten
Spektren haben einen SiO2-Peak und einen
TiO2-Peak, da die Ti-Si-N-Filme an den Oberflächen bei
Stehenlassen an der Atmosphäre
oxidiert werden. Der innere Teil aller Ti-Si-N-Filme bestand aus TiN, Si3N4 und Ti-Si-N, wie aus den 29A bis 29D und 30A bis 30C hervorgeht.
Außerdem
erhöht
sich, wie in den 29C und 30C gezeigt
ist, das Verhältnis
des TiN-Peaks zum Si3N4-Peak,
wenn das Si/Ti-Verhältnis
des Sputter-Targets herabgesetzt wird. Mit anderen Worten erhöhen sich
die TiN-Bindungen im Ti-Si-N-Film,
wenn das Si/Ti-Verhältnis des
Targets kleiner wird.
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Wie
oben erwähnt,
wurden keine TiN-Mikrokristallkörner
in dem Ti-Si-N-Film gefunden, der durch Sputtern unter Verwendung
von TiSi2 oder TiSi als Target gebildet
wurde, wohingegen TiN-Mikrokristallkörner im Ti-Si-N-Film, der durch
Sputtern unter Verwendung von TiSi0,6 gebildet
wurde, beobachtet wurden, da TiN-Bindungen in diesem Ti-Si-N-Film
zugenommen hatten.
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Wie
im Detail beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß die
Barriereschicht aus einer amorphen Legierung besteht, in der mikrokristalline
Körner
fein dispergiert sind und keine Korngrenzen bilden, die sich in
der Richtung der Dicke der Barriereschicht erstrecken. Daher kann
die Barriereschicht als effektive Barriere fungieren und die Charakteristik
der Halbleitervorrichtung, in die sie eingearbeitet wird, verbessern
und die Zuverlässigkeit
der Verdrahtungsschicht, in die sie eingearbeitet wird, erhöhen.
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Weitere
Vorteile und Modifikationen werden dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich
sein. Daher ist diese Erfindung in ihren weiteren Aspekten nicht
auf die speziellen Details und die hier gezeigten und beschriebenen
repräsentativen
Vorrichtungen beschränkt.
Es können
zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Geist und
Umfang des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er in den nachfolgenden
Ansprüchen
und ihren Äquivalenten
ausgedrückt
ist, abzuweichen.