DE3783405T2

DE3783405T2 - Halbleiteranordnung mit einer duennschicht-verdrahtung und verfahren zum herstellen derselben.

Info

Publication number: DE3783405T2
Application number: DE8787111993T
Authority: DE
Inventors: Mamoru Maeda; Kato Takashi; Ito Tanashi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-08-19
Filing date: 1987-08-18
Publication date: 1993-08-05
Anticipated expiration: 2007-08-19
Also published as: KR900006486B1; EP0256557A2; EP0256557A3; DE3783405D1; KR880003408A; EP0256557B1; US5148259A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein gesehen auf Halbleitervorrichtungen, die Dünnfilm-Verdrahtungsschichten aus Aluminium haben, und auf Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Verdrahtungsschichten. Mehr ins einzelne gehend bezieht sich die Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung mit einer Dünnfilm-Verdrahtungsschicht aus Aluminium, das Kohlenstoff enthält, und auf ein Verfahren zur Hersteilung einer solchen Dünnfilm-Verdrahtungsschicht aus Aluminium mit darin enthaltenem Kohlenstoff.
Die GB-A-2 041 983 beschreibt eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen, die den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 10 entspricht. In dem bekannten Verfahren sind die Halbleitervorrichtungen mit einer Silicium-Aluminium-Legierung metallisiert, indem man sie einer Mischung aus Silan- und Aluminium-Alkyl- Dampf bei erhöhter Temperatur und verringertem Druck ausgesetzt hat.
In IEEE Transactions on Magnetics, Band SC 20, Nr. 1 (Februar 1985), Seiten 94-103 sind Untersuchungen erörtert, die an Schichtstrukturen und homogenen Legierungsfilmen gemacht worden sind, die synthetisch durch Sputter-Abscheidung hergestellt und für VLSI-Mehrschicht- Verbindungs-Technologie zu verwenden sind. Der größere Anteil der darin enthaltenen Studien schließen Buckel- Bildung, Widerstand vor und nach einem Glühen, Film- bzw. Dünnschicht-Abscheidung und -Struktur) Reproduzierbarkeit, elektrische Kurzschlüsse zwischen den Schichten und Trockenätzen ein. In dieser Arbeit ist gezeigt worden, daß mit Silicium und Titan legiertes und mit Titan geschichtetes Aluminium Vorteile gegenüber bekannten Materialien der Technologie zur Herstellung von (Zwischen-)Verbindungen und integrierten Schaltkreisen bietet.
Ein integrierter Schaltkreis wird hergestellt, indem man Elemente auf einem Halbleitersubstrat und Verbindungen der Elemente mittels einer metallenen Dünnfilm-Verdrahtungsschicht bildet. Die Größe der Elemente und der Verdrahtungsschicht ist so verringert, daß erhöhte Integrationsdichte des integrierten Schaltkreises erreicht ist. Gegenwärtig ist jedoch die Integrationsdichte eines integrierten Schaltkreises durch eine Begrenzung der Verringerung der Größe der Verdrahtungsschicht eingeschränkt.
Wenn die Film- bzw. Schichtdichte der Verdrahtungsschicht außerordentlich klein gewählt wird, treten leicht Unterbrechungen der Verdrahtungsschicht auf, und zwar an einer stufenförmigen Stelle der Verdrahtungsschicht. Desweiteren wird üblicherweise Aluminium als Verdrahtungsschicht verwendet, jedoch ist die Elektromigration in der Aluminium- Verdrahtungsschicht mit steigender Stromdichte vergrößert und es treten leicht freie Stellen in einem Anteil der Aluminium-Verdrahtungsschicht auf, wo Aluminiumatome fehlen. Eine Unterbrechung tritt in einem solchen Anteil der Aluminium-Verdrahtungsschicht auf, wo eine solche freie Stelle bzw. Lücke erzeugt ist. Andererseits wird ein Buckel an der Stelle der Aluminium-Verdrahtungsschicht erzeugt, wo übermäßig viele Aluminiumatome vorhanden sind und ein solcher Buckel kann leicht einen Kurzschluß zwischen auf dem Halbleitersubstrat vorhandenen Schichten verursachen. Wenn außerdem die Aluminium-Verdrahtungsschicht auf einem dotierten Bereich z. B. einer Siliciumschicht gebildet wird, diffundiert das Aluminium leicht in den dotierten Bereich in Form eines Spike (nadelförmiges Gebilde) und schließt eine Verbindung zwischen der Siliciumschicht und dem dotierten Bereich kurz.
Die oben beschriebenen Probleme einer Aluminium-Verdrahtungsschicht beruhen alle auf der Tatsache, daß im Falle von Aluminiumatomen leicht eine Migration (Wanderung) auftreten kann. Die Migration schließt die Elektromigration und die Spannungs-Migration ein. Während die Elektromigration von der Stromdichte abhängt, ist die Spannungs- Migration von der Stromdichte unabhängig. Eine (mechanische) Spannung wirkt von einer oder mehreren Schichten ausgehend, die mit der Aluminium-Verdrahtungsschicht in Beruhrung sind, auf die Aluminium-Verdrahtungsschicht. Durch diese mechanische Spannung werden bei hohen Temperaturen die Aluminiumatome leicht bzw. stark beweglich. Wenn die Aluminium-Verdrahtungsschicht nach der Erhitzung wieder abgekühlt ist, treten daher, auf mechanischer Spannung beruhend, leicht Unterbrechungen in der Aluminium-Verdrahtungsschicht auf. Wenn eine Halbleitervorrichtung erzeugt wird, wird die Halbleitervorrichtung üblicherweise Prozessen mit hohen Temperaturen ausgesetzt und es ist somit außerordentlich schwierig, die spannungsbedingte Migration in der Aluminium-Verdrahtungsschicht zu unterdrücken.
ES sind dementsprechend Versuche unternommen worden, diejenigen oben beschriebenen Probleme zu beheben, die bei der Verwendung von Aluminiumlegierung, wie z. B. Kupfer enthaltendes Aluminium und Silicium enthaltendes Aluminium, für Verdrahtungsschichten bei diesen auftreten. Wenn jedoch Kupfer enthaltendes Aluminium für eine Verdrahtungsschicht verwendet wird, und diese Verdrahtungsschicht mittels reaktiven Ionenätzens (RIE) unter Verwendung von Chlorgas geätzt wird, ist festgestellt worden, daß nach dem Ätzen Kupfer-Reste an der Oberfläche der Verdrahtungsschicht verbleiben und daß das Problem auftritt, daß es schwierig ist, diesen Kupfer-Rest zu entfernen.
Andererseits treten auch dann Probleme auf, wenn Silicium enthaltendes Aluminium für die Verdrahtungsschicht verwendet wird, obwohl Silicium dann am Eindiffundieren in die Verdrahtungsschicht gehindert ist, wenn die Verdrahtungsschicht aus Silicium enthaltendem Aluminium auf einer Siliciumschicht gebildet ist. Wenn z. B. eine Siliciumschicht einen n+-dotierten Bereich hat und die Verdrahtungsschicht außerdem ein Kontaktloch überdeckt, das sich örtlich über dem n+-dotierten Bereich befindet und diesen freiliegen läßt, tritt auf dem n+-dotierten Bereich vorzugsweise in der Nähe der Wand des Kontaktloches ein Festkörperphasen-Epitaxie-Wachstum des Siliciums auf, das in der Verdrahtungsschicht enthalten ist. Da das epitaxial gewachsene Silicium p-Typ Silicium ist, bildet sich ein p-n-Übergang in dem Kontaktbereich zwischen dem n+ -dotierten Bereich und der darauf befindlichen Verdrahtungsschicht und der Widerstand und der Kontaktbereich vergrößert sich.
Um Buckel zu verringern, die in der Aluminium-Verdrahtungsschicht erzeugt sind, ist eine übliche Halbleiteranordnung, die eine Vielzahl Aluminium-Verdrahtungsschichten hat, vorgesehen, bei der zwischen zwei benachbarten Aluminium-Verdrahtungsschichten eine Metallschicht eingefugt ist. Es ist jedoch unmöglich, Buckel in der Aluminium- Verdrahtungsschicht vollständig auszuschließen und die voranstehend beschriebenen Probleme beruhen auf der Erzeugung von Buckeln.
Dementsprechend bestehen Forderungen hinsichtlich einer Verdrahtungsschicht, die effektiv beitragen kann zu weiterer Steigerung der Integrationsdichte der integrierten Schaltung, und für - ein Verfahren- zur Erzeugung einer solchen Verdrahtungsschicht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und nützliche Halbleitervorrichtung zu schaffen, die eine Dünnfilm-Verdrahtungsschicht aus Aluminium hat, das Kohlenstoff enthält, und ein Verfahren anzugeben, nach dem eine Dünnfilm-Verdrahtungsschicht aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium herzustellen ist.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist es möglich, in wirksamer Weise das Entstehen von Buckeln zu verhindern und auch die Erzeugung von Elektromigration und Spannungs-Migration in der Verdrahtungsschicht zu unterdrücken, die eine außerordentlich geringe Schichtdicke hat.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung vorzusehen, die eine Vielzahl Dünnfilm-Verdrahtungsschichten aufweist, die aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium hergestellt sind und eine oberhalb und unterhalb einer jeden Verdrahtungsschicht gebildete Metallschicht besitzen. Entsprechend der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist es möglich, den spezifischen Widerstand der Verdrahtungsschicht zu verringern, der auf dem in der Verdrahtungsschicht enthaltenen Kohlenstoff beruht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnfilm-Verdrahtungsschicht anzugeben, bei der plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (CVD) benutzt ist, um die Verdrahtungsschicht herzustellen, die aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium besteht. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, in wirksamer Weise die Erzeugung von Buckeln zu verhindern und auch die Erzeugung von Elektromigration und Spannungs-Migration in der Verdrahtungsschicht zu unterdrücken, die außerordentlich geringe Schichtdicke besitzt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnfilm-Verdrahtungsschicht anzugeben, bei dem Magnetron-Plasma CVD angewendet ist, um die Verdrahtungsschicht herzustellen, die aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium besteht. Dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend ist es möglich, in gesicherter Weise die Schichtdicke der Verdrahtungsschicht zu steuern.
Andere Aufgaben und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der beigefügten Figuren gegebenen Detailbeschreibung hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines wesentlichen Teils einer bekannten Halbleitervorrichtung, die eine Vielzahl aus Aluminium bestehender Verdrahtungsschichten hat;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils einer ersten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung, die eine Dünnfilm-Verdrahtungsschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung hat;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem der spezifische Widerstand über dem Atomprozentanteil des Kohlenstoffs aufgetragen ist, um eine erste Ausführungsform des Verfahrens der Herstellung der erfindungsgemäßen Dünnfilm-Verdrahtungsschicht zu erläutern;
Fig. 4 zeigt ein System der Plasma-verstärkten chemischen Dampfabscheidung (CVD), das für die erste Ausführungsform des Verfahrens verwendet ist;
Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Ionenintensität, aufgetragen über der Argon-Sputter-Ätzzeit (1 Torr = 133,3 Pa);
Fig. 6 zeigt Diagramme des spezifischen Widerstandes und der Abscheiderate, aufgetragen über der Menge gelösten Wasserstoffs;
Fig. 7 zeigt Diagramme des spezifischen Widerstandes und des Atomprozentanteils von Kohlenstoff, aufgetragen über der Magnetfeldintensität (1 Gauss = 10&supmin;&sup4; T);
Fig. 8 zeigt ein Diagramm des spezifischen Widerstandes, aufgetragen über der Prozeßtemperatur (1 Gauss = 10&supmin;&sup4; T);
Fig. 9 zeigt Diagramme der Abscheiderate und des spezifischen Widerstandes, aufgetragen über der Hochfrequenzleistung (1 Torr = 133,3 Pa);
Fig. 10A und 10B zeigen Querschnittsansichten von nach bekannten Methoden hergestellten Dünnfilmen;
Fig. 10C zeigt eine Querschnittsansicht eines nach erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dünnfilms, wobei Plasma-verstärktes CVD angewendet ist;
Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Anteils einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung, die Dünnfilm-Verdrahtungsschichten entsprechend der vorliegenden Erfindung hat;
Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung, die Dünnfilm-Verdrahtungsschichten entsprechend der vorliegenden Erfindung hat;
Fig. 13 zeigt ein Diagramm der Dicke der Reaktionsschicht, aufgetragen über der Temper-Temperatur;
Fig. 14A bis 14C zeigen Querschnittsansichten, die der Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Dünnfilme der dritten Ausführungsform nach Fig. 12 dienen;
Fig. 15A und 15B zeigen Darstellungen zur Erläuterung der Elektronenbewegung im Plasma;
Fig. 16 zeigt allgemein ein System zur Magnetron-Plasma chemischen Dampfabscheidung (MPCVD), das für die zweite Ausführungsform des Verfahrens der Herstellung der erfindungsgemäßen Dünnfilm-Verdrahtungsschicht verwendet ist;
Fig. 17 zeigt eine Verteilung der Magnetfeldintensität auf einer Silicium-Waferscheibe (1 Gauss = 10&supmin;&sup4; T);
Fig. 18A und 18B zeigen Darstellungen der Arten der Elektronenbewegung;
Fig. 19 zeigt eine Dickenverteilung eines Aluminiumfilms auf einer Silicium-Waferscheibe (1 Gauss = 10&supmin;&sup4; T);
Fig. 20 zeigt ein Diagramm der Abscheiderate, aufgetragen über der Dichte der Hochfrequenzleistung (1 Gauss = 10&supmin;&sup4; T);
Fig. 21 zeigt ein Diagramm der Abscheiderate, aufgetragen über der Flußrate von Trimethylaluminium (TMA)-Trägergas;
Fig. 22 zeigt magnetische Kraftlinien, die mittels eines Magnetfeldes erzeugt sind, das auf der Silicium- Waferscheibe herrscht;
Fig. 23 zeigt ein Diagramm der Abscheiderate, aufgetragen über der Dichte der Hochfrequenzleistung (1 Torr = 133,3 Pa);
Fig. 24 zeigt ein Diagramm des spezifischen Widerstandes, aufgetragen über der Magnetfeldintensität (1 Gauss = 10&supmin;&sup4; T); und die
Fig. 25A und 25B zeigen Diagramme der Röntgen-Strahl- Intensität, aufgetragen über dem Röntgen-Diffraktionswinkel, für Aluminiumfilme, die Kohlenstoff enthalten und die jeweils mittels plasmaverstärktem CVD bzw. MPCVD hergestellt sind, wobei die Diagramme für die Zeit nach Durchführung des Temperprozesses gelten.

INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer üblichen Halbleitervorrichtung mit einer Vielzahl von Aluminium-Verdrahtungsschichten. In Fig. 1 sind eine Vielzahl von Aluminium- Verdrahtungsschichten 1 auf einer Siliciumdioxid (SiO&sub2;)-Oxidschicht 3 ausgebildet. Oberhalb und unterhalb einer jeden Aluminium-Verdrahtungsschicht 1 ist je eine Metallschicht 2 ausgebildet. Die Erzeugung von Buckeln ist bis auf ein gewisses Ausmaß reduziert, verglichen mit dem Fall, bei dem nur eine einzige Aluminium-Verdrahtungsschicht vorgesehen ist. Es ist jedoch unmöglich, Buckel in der Aluminium-Verdrahtungsschicht 1 vollständig zu eliminieren und die voranstehend beschriebenen Probleme treten aufgrund der Erzeugung von Buckeln auf.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Probleme der bekannten Halbleitervorrichtung dadurch, daß einem Verdrahtungsschicht aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium erzeugt ist.
Fig. 2 zeigt einen wesentlichen Teil einer ersten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung, die eine erfindungsgemäße Dünnfilm-Verdrahtungsschicht aufweist. In Fig. 2 umfaßt eine Halbleitervorrichtung ein Silicium- Substrat 11, eine Diffusionsschicht 12, eine SiO&sub2;-Oxidschicht 13 und eine Verdrahtungsschicht 14. Die Verdrahtungsschicht 14 bildet einen wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung und diese Verdrahtungsschicht ist ein Aluminiumfilm, der Kohlenstoff enthält.
Es wird nunmehr eine Beschreibung der Methode gegeben, Kohlenstoff mit dem Aluminium zu vermischen. Wenn ein Aluminiumfilm mit Kohlenstoff mittels einer Ionenimplantation dotiert wird, steigt der spezifische Widerstand der Aluminiumschicht graduell an, wenn 0,1 Atomprozent oder mehr Kohlenstoff in den Aluminiumfilm implantiert wird. Der Kohlenstoff präzipitiert bzw. scheidet sich jedoch aus dem Aluminiumfilm bei einem Wärmeprozeß mit 450ºC aus. Es ist zu beachten, daß Kohlenstoff aus dem Aluminiumfilm deswegen präzepitiert, weil keine chemische Bindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Aluminium vorliegt und der Kohlenstoff präzipitiert aus dem Aluminiumfilm infolge des thermischen Prozesses unterhalb einer Löslichkeitsgrenze von 0,1 Atomprozent Kohlenstoff.
Wenn der Kohlenstoff in den Aluminiumfilm derart eingefügt wird, daß eine chemische Bindung zwischen dem Kohlenstoff und Aluminium vorliegt, tritt die Präzipitation des Kohlenstoffs nicht einmal nach dem thermischen Prozeß auf.
In diesem Falle jedoch kann der Aluminiumfilm, der den Kohlenstoff enthält, nicht länger als eine Verdrahtungsschicht verwendet werden, wenn der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff einen vorgegebenen Wert übersteigt, nämlich weil der spezifische Widerstand exponentiell mit dem Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff den vorgegebenen Wert übersteigt.
Fig. 3 zeigt den spezifischen Widerstand, aufgetragen über dem Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff, und zwar vor und nach dem thermischen Prozeß, wo der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff (C/(Al+C)) verändert ist. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, gibt es eigentlich keinen Anstieg des spezifischen Widerstandes für Atomprozent-Gehalte an Kohlenstoff von 20% und weniger. Es ist auch zu ersehen, daß der spezifische Widerstand nach dem thermischen Prozeß bei 450ºC für 20 oder weniger Atomprozent Kohlenstoff ungefähr auf die Hälfte geht. Der vorgegebene Wert des Atomprozent-Gehaltes an Kohlenstoff ist in Fig. 3 beispielsweise 30%.
Entsprechend dem Ergebnis einer Röntgenuntersuchung hat der Kohlenstoff enthaltende Aluminiumfilm eine fein orientierte Kristallstruktur und es ist dies so zu betrachten, daß der Kohlenstoff in die Korngrenzen eintritt. Die Korngröße des Aluminiumfilms, der durch eine plasmaverstärkte CVD-Abscheidung vor Anwendung des thermischen Prozesses erzeugt worden ist, liegt in der Größenordnung von 20 nm. Aus diesem Grunde ist es möglich, Migration der Aluminiumatome sogar während des thermischen Prozesses zu unterdrücken und das Kristallwachstum wird nicht groß bzw. rasch. Die Korngröße des Aluminiumfilms, der Kohlenstoff enthält, liegt in der Größenordnung 50 nm sogar nachdem er einem thermischen Prozeß bei 600ºC, 30 Minuten lang, unterworfen worden ist. Die Elektromigration, die durch Anstieg der Stromdichte verursacht wird, wird zusätzlich unterdrückt und es gibt keine Bildung von Buckeln. Wenn die Effekte der Elektromigration während der mittleren Lebensdauer (MTF) beobachtet werden ist festgestellt worden, daß die nutzbare Lebensdauer des Aluminiumfilms, der Kohlenstoff enthält, länger ist als die eines üblichen Aluminiumfilms. MTF beträgt 0,65 eV für einen Film aus reinem Aluminium, wohingegen MTF für den Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilm, der mittels Magnetron-Plasma-CVD hergestellt ist, was noch nachfolgend beschrieben wird, 0,73 eV beträgt. Die Zuverlässigkeit des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms ist verglichen mit einem bekannten Aluminiumfilm verbessert. Der Buckel entsteht nach einem thermischen Prozeß bei 400ºC im Falle eines üblichen Aluminiumfilms, der keinen Kohlenstoff enthält. Ein Kohlenstoff enthaltender Aluminiumfilm hat jedoch höhere Eigenschaften, verglichen mit denen des bekannten Aluminiumfilms, weil sich Buckel selbst nach einem thermischen Prozeß bei 600ºC nicht bilden.
Mittels eines optoelektronischen Röntgen-Analysators ist die chemische Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen und den Aluminiumatomen gemessen worden. Die vollständige chemische Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen und den Aluminiumatomen wurde bestätigt. Bei der vorliegenden Erfindung befindet sich der Aluminiumfilm mit feiner Kristallstruktur und mit einem Gehalt an Kohlenstoff in einem Zustand, in dem die Kohlenstoffatome chemisch an die Aluminiumatome gebunden sind. Dementsprechend ist die Tatsache, daß die Korngröße des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms 100 nm oder kleiner ist, außerordentlich wichtig für die Realisierung einer extrem feinen bzw. dünnen Verdrahtungsschicht, und zwar besonders deshalb, weil die Dicke der Verdrahtungsschicht kürzlich 1 um oder weniger geworden ist.
Wenn elektrische Verbindungselemente auf dem Silicium- Substrat gebildet sind, müssen Kontakte hergestellt werden. Bekannte Vorrichtungen leiden jedoch an den Problemen, daß Silicium aus dem Silicium-Substrat leicht in den Aluminiumfilm eindiffundiert. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch- ist es möglich, diese Silicium-Diffusion in den Aluminiumfilm, der Kohlenstoff enthält, dadurch zu verhindern, indem man dem Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilm Silicium hinzufügt. Die Migration der Siliciumatome ist auch durch den Aluminiumfilm begrenzt, der Kohlenstoff und Silicium enthält. Am Kontaktteil tritt sehr wenig Festkörperphasen-Epitaxiewachstum von Silicium auf. Das Ergebnis ist, daß der Kontaktwiderstand außerordentlich klein ist. In diesem Falle ist es notwendig, den Atomprozent-Gehalt an Silicium unterhalb einer Löslichkeitsgrenze von 2% zu halten, da Silicium aus dem Aluminiumfilm, der Kohlenstoff enthält, dann präzipitiert, wenn diese Löslichkeitsgrenze überschritten wird.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung zur plasmaverstärkten CVD-Abscheidung (nachfolgend der Einfachheit halber als Plasma-CVD bezeichnet), die zur Bildung des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms angewendet wird. Generell gilt, daß dann wenn ein Aluminiumfilm mittels thermischen CVD-Verfahrens erzeugt wird, bei dem die Gasquelle der Pyrolyse unterworfen ist, auf dem Aluminiumfilm wesentliche Oberflächen-Irregularitäten erzeugt werden. Auch bei dem bei der vorliegenden Erfindung angewendeten Plasma-CVD-Verfahren werden Oberflächen-Irregularitäten auf dem Aluminiumfilm erzeugt, wenn der Aluminiumfilm bei einer Temperatur oberhalb einer solchen Temperatur hergestellt wird, bei der Pyrolyse auftritt. Die Oberflächen- Irregularitäten werden aufgrund der großen Kohäsion des Aluminiums erzeugt und dieses Phänomen ist beim thermischen CVD-Verfahren unvermeidbar.
Bei der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend das Plasma-CVD-Verfahren angewendet, um das organometallische Gas anzuregen, um die chemische Bindung zu vergrößern, und der Aluminiumfilm wird bei einer Temperatur unterhalb der Pyrolyse-Temperatur hergestellt. Das Plasma-CVD-Verfahren ist vorteilhaft, weil die chemische Bindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Aluminium durch die Anwendung des Plasmas eine vollständige wird.
Fig. 4 zeigt allgemein ein Plasma-CVD-System, das für eine erste Ausführungsform des Verfahrens der Herstellung der erfindungsgemäßen Dünnfilm-Verdrahtungsschicht verwendet wird. Wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, ist ein(e) Silicium-(Si)-Wafer bzw. -Scheibe 21 in einer Plasmakammer 20 des Parallelplatten-Typs angeordnet. Ein Hochfrequenzgenerator 22 erzeugt Hochfrequenz mit 13,56 MHz und außerhalb der Kammer 20 ist eine Heizeinrichtung 23 in einer Position unterhalb der Siliciumscheibe 21 vorgesehen. Ein organometallisches Gas wie Trimethylaluminium (Al(CH&sub3;)&sub3;, TMA)-Gas, das mit Wasserstoffgas verdünnt ist, wird in die Kammer 20 durch eine Brausedüse 24 der oberen Elektrode zugeführt. In diesem Falle wird das TMA-Gas auf eine Temperatur abgekühlt, die unterhalb des Schmelzpunktes mit 15ºC liegt. Zum Beispiel sind dies 5ºC.
In Fig. 5 ist das Diagramm der Ionenintensität, aufgetragen über der Argon-Sputter-Ätzzeit, wiedergegeben. Die Abscheidung wird bei einer Hochfrequenzleistung von 1 kW, einem Gasdruck von 600 Pa (4,5 Torr) und einer Prozeßtemperatur von 450ºC, 30 Minuten lang, ausgeführt. Aus dem analysierten Ergebnis, das in Fig. 5 gezeigt ist, ist zu ersehen, daß vor dem thermischen Prozeß Wasserstoff in dem Film zu beobachten ist, angezeigt durch eine ausgezogene Kurve H(b), zusätzlich zu Kohlenstoff, angezeigt durch eine gestrichelte Kurve C(b). Nach dem thermischen Prozeß bei 450ºC jedoch ist der Wasserstoff, wie durch die doppelt punktierte gestrichelte Kurve H(a) gezeigt ist, vermindert, wohingegen der Kohlenstoff durch eine einfach punktiert gestrichelte Kurve C(a) angezeigt ist. Es ist zu beobachten, daß die Abnahme an Wasserstoff durch den thermischen Prozeß verursacht ist, der CH&sub3;-Bestandteil beseitigt, der nicht zerlegt wird und in den Film vor dem thermischen Prozeß eingeschlossen ist. Aus diesem Grunde ist es notwendig, den thermischen Prozeß nach der Abscheidung des Films durchzuführen. In Fig. 5 zeigt die Ordinate die Intensität in beliebigen Einheiten an und ein Bereich, der einer Meßgrenze entspricht, ist durch eine gestrichelte Linie in der Gegend der Einheit 10³ angezeigt.
Der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff in dem Aluminiumfilm kann durch Verändern der Hochfrequenzleistung und der Menge gelösten Wasserstoffs gesteuert werden. Fig. 6 zeigt die Abscheiderate und den spezifischen Widerstand, aufgetragen über der Menge gelösten Wasserstoffs. Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß der spezifische Widerstand hoch ist und die Abscheiderate klein ist, wenn die Menge gelösten Wasserstoffs einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Menge gelösten Wasserstoffes über ungefähr dem 60-fachen des Trägergases (oder des Gases der Quelle) liegen muß. Das Trägergas kann ein anderes Gas als das organometallische Gas (TMA-Gas) sein. Zum Beispiel kann dies eine Gasmischung aus metallorganischem Gas und Silan-(SiH&sub4;)-Gas sein.
Es ist möglich, ein magnetisches Feld während der Plasma- CVD-Abscheidung anzuwenden und damit ein Magnetron-Plasma- CVD-Verfahren zu benutzen, um so die Plasmareaktion zu verstärken und dementsprechend einen Film herzustellen, der außerordentlich kleinen spezifischen Widerstand hat.
Eine ins einzelne gehende Beschreibung des Magnetron- Plasma-CVD-Verfahrens wird in der vorliegenden Erfindungsbeschreibung weiter unten im Zusammenhang mit einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. In der folgenden Tabelle sind der Gasdruck, die Filmdicke, der spezifische Widerstand und der Kohlenstoff-Atomprozent-Gehalt von Filmen miteinander verglichen, die mittels Plasma-CVD-(PCVD)- und mittels Magnetron-Plasma-CVD-(MPCVD)-Verfahren hergestellt sind. Dabei geben die in Klammern gesetzten Werte solche Werte an, die nach einem thermischen Prozeß bei 450ºC, 25 Minuten lang, zu erhalten gewesen sind. Tabelle Abscheidemethode PCVD MPCVD Druck (Pa) Filmdicke (nm) spezifischer Widerstand (Ohm·cm) Atomprozent-Gehalt (%)
Wie dies aus der Tabelle zu ersehen ist, ist es wünschenswert, daß der Gasdruck in einem solchen Bereich hoch ist, daß die Plasmaerzeugung stabil ist und daß der spezifische Widerstand kleiner wird, so wie die Intensität des magnetischen Feldes, wie in Fig. 7 gezeigt, ansteigt. Wie dies aus Fig. 7 zu ersehen ist, kann der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff und der spezifische Widerstand klein gemacht werden durch Steuern der Intensität des magnetischen Feldes und der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff und der spezifische Widerstand können speziell mit einer Intensität des magnetischen Feldes von 2·10&supmin;² T (200 Gauss) oder mehr klein gemacht werden.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm des spezifischen Widerstandes, aufgetragen über der Prozeßtemperatur. Wie dies aus Fig. 8 zu ersehen ist, sind der thermische Prozeß bei 300ºC oder höherer Temperatur und das Magnetron-Plasma- CVD-Verfahren mit einer Intensität des magnetischen Feldes mit 0,78 T (780 Gauss) dahingehend wirksam, den spezifischen Widerstand zu verringern.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm der Abscheiderate und des spezifischen Widerstandes, aufgetragen über der Hochfrequenzleistung. Die Abscheiderate steigt mit ansteigender Hochfrequenzleistung. Der spezifische Widerstand unterliegt jedoch einer eigentümlichen Veränderung. Mit anderen Worten heißt dies, daß dann, wenn die Abscheidung bei niedriger Hochfrequenzleistung erfolgt, das Problem besteht, daß die Abscheiderate niedrig wird und die relative Aufnahme von Sauerstoff ansteigt, womit der spezifische Widerstand ansteigt. Wenn andererseits die Hochfrequenzleistung außerordentlich hoch ist, tritt unerwünschterweise auf, daß ein Polymer gebildet wird (d. h., daß der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff zu hoch ist). Dementsprechend ist es zu empfehlen, daß die Hochfrequenzleistung in einem Bereich von 300 W bis 800 W gehalten wird.
Die Fig. 10A und 10B zeigen Querschnittsansichten von Filmen, die nach üblicher Methode hergestellt sind, wobei das thermische CVD-Verfahren und das übliche Verfahren mit jeweils Dampfabscheidung oder Sputtern angewendet worden ist. Wenn ein Aluminiumfilm 30 auf einer SiO&sub2;-Oxidschicht mittels thermischen CVD-Verfahrens hergestellt worden ist, wobei sich die Oxidschicht 29 auf einer Silicium-Schicht (oder -Substrat) 28 befindet, ergeben sich wesentliche Oberflächen-Irregularitäten auf dem Aluminiumfilm 13, wie dies die Fig. 10A zeigt. Wenn ein Aluminiumfilm 31 auf der SiO&sub2;-Oxidschicht 29 mittels Dampfabscheidung oder Sputtern abgeschieden worden ist, und daraufhin der Film einem thermischen Prozeß bei 450ºC unterworfen worden ist, dann entsteht auf dem Aluminiumfilm 31, wie dies in Fig. 10B gezeigt ist, ein Buckel 32.
Andererseits zeigt die Fig. 10C eine Querschnittsansicht eines Films, der gemäß der ersten- Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels Verwendung des Plasma-CVD-Verfahrens hergestellt worden ist. Wenn auf der SiO&sub2;-Oxidschicht 29 ein Kohlenstoff enthaltender Aluminiumfilm 33 mittels Plasma-CVD-Verfahren und vorzugsweise mittels Magnetron-Plasma-CVD-Verfahren mit einer Magnetfeldintensität von 0,78 T (780 Gauss) hergestellt worden ist, ist auf dem Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilm kein Buckel erzeugt worden und es ist ersichtlich, daß der Film 33 weniger Migration von Aluminiumatomen aufweist.
Fig. 11 zeigt einen wesentlichen Teil einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung mit erfindungsgemäßen Dünnfilm-Verdrahtungsschichten. In Fig. 11 besteht eine Vielzahl Verdrahtungsschichten 41 aus Kohlenstoff enthaltendem Silicium, die auf einer Siliciumdioxid- (SiO&sub2;)-Oxidschicht 43 ausgebildet sind. Auf der Oberseite und der Unterseite einer jeden Verdrahtungsschicht 41 ist eine Metallschicht 42 ausgebildet. Der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff, enthalten in den Verdrahtungsschichten 41, liegt z. B. im Bereich von 10% bis 30%. Die Metallschicht 42 kann aus Aluminium bestehen, das geringen Atomprozent- Gehalt an Kohlenstoff in der Größenordnung von 0,1% oder weniger enthält oder es können dies andere Metalle wie etwa Titan (Ti) und Wolfram (W) sein. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den spezifischen Widerstand der Verdrahtungsschichten 41 im Ganzen weiter zu verringern und auch unerwünschte, auf die Verdrahtungsschicht 41 einwirkende Spannungseffekte zu verringern, und zwar dies zusätzlich zu den Wirkungen, die bei der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform zu erhalten sind.
Fig. 12 zeigt einen wesentlichen Teil einer dritten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung mit erfindungsgemäßen Dünnfilm-Verdrahtungsschichten. In Fig. 12 umfaßt eine Halbleitervorrichtung ein Silicium-(Si)-Substrat 46 eine SiO&sub2;-Oxidschicht 47, die auf dem Silicium-Substrat 46 ausgebildet ist, ein in der SiO&sub2;-Oxidschicht 47 vorhandenes Kontaktloch 47a, erste und zweite Verdrahtungsschichten 48, die aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium bestehen, eine Metallschicht 49, die zwischen der ersten und der zweiten Verdrahtungsschicht 48 vorgesehen ist, und eine Diffusionsschicht 50 unterhalb des Kontaktloches 47a. Die erste Verdrahtungsschicht 48, die direkt auf der SiO&sub2;- Oxidschicht 47 ausgebildet ist, ist durch das Kontaktloch 47a hindurch mit der Diffusionsschicht 50 in Kontakt. Die erste Verdrahtungsschicht 48 enthält auch Silicium (Si) um zu verhindern, daß Silicium aus dem Silicium-Substrat 46 in die erste Verdrahtungsschicht 48 hineindiffundiert, die in erster Linie aus Aluminium besteht. Wenn z. B. die Metallschicht 49 aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium besteht, ist der Atomprozent-Gehalt an Kohlenstoff, enthalten in der ersten Verdrahtungsschicht 48, groß gewählt, verglichen mit demjenigen der Metallschicht 49.
Fig. 13 zeigt ein Diagramm der Dicke der Reaktionsschicht, aufgetragen über der Temper- bzw. Glühtemperatur. Wenn z. B. ein Film aus reinem Aluminium auf einer Si- Schicht hergestellt wird, und dann einem Glüh- bzw. Temperprozeß (30 min) unterworfen wird, bildet sich eine Reaktionsschicht auf der Si-Schicht bei Temper-Temperaturen oberhalb ungefähr 400ºC, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist. Wenn jedoch ein Film aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium auf der Si-Schicht hergestellt ist und dann dem Temperprozeß (30 min) unterworfen wird, bildet sich die Reaktionsschicht erst bei Temper-Temperaturen von ungefähr 500ºC und darüber, wie dies Fig. 13 zeigt. Wenn die erste Verdrahtungsschicht 48 dementsprechend aus Kohlenstoff enthaltendem Aluminium mit einem Kohlenstoff-Atomprozent Gehalt größer als derjenige, der in der zweiten Verdrahtungsschicht 48 enthalten ist, hergestellt ist, ist es möglich, die Bildung der Reaktionsschicht auf der Diffusionsschicht 50 zu verhindern und auch möglich, den spezifischen Widerstand der ersten und der zweiten Verdrahtungsschicht 48 insgesamt zu minimieren, und zwar zusätzlich zu den Wirkungen, die mit der oben beschriebenen ersten Ausführungsform zu erhalten sind. Natürlich ist es bei der vorliegenden Ausführungsform möglich, mehr als zwei Verdrahtungsschichten wie im Falle der zweiten Ausführungsform nach Fig. 11 vorzusehen.
Als nächstes wird eine Beschreibung des Verfahrens der Herstellung der Dünnfilm-Verdrahtungsschichten in der Halbleitervorrichtung, gezeigt in Fig. 12, beschrieben, und zwar mit Bezug auf die Fig. 14A bis 14C. In den Fig. 14A bis 14C sind diejenigen Einzelheiten, die die gleichen wie diejenigen entsprechenden Einzelheiten in Fig. 12 sind, mit denselben Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
Gemäß Fig. 14A wird zunächst die SiO&sub2;-Oxidschicht 47 auf dem Si-Substrat 46 mit einer Film-Dicke von 7·10&supmin;&sup7; m (7000 Å) durch thermische Oxidation oder CVD-Verfahren hergestellt.
Als zweites wird (siehe Fig. 14B) das Kontaktloch 47a in der SiO&sub2;-Oxidschicht 47 mittels bekannten Musterverfahrens hergestellt und es werden durch das Kontaktloch 47a Dotierungen in das Si-Substrat 46 implantiert und diese derart aktiviert, daß sie die Diffusionsschicht 50 bilden. Zusätzlich wird die erste Verdrahtungsschicht 48 auf der SiO&sub2;- Oxidschicht 47 mittels eines Plasma-CVD-Vefahrens mit einer Dicke 2·10&supmin;&sup7; m (2000 Å) hergestellt, wobei die erste Verdrahtungsschicht 48 aus 15 Atomprozent Kohlenstoff enthaltendem Aluminium besteht und wobei sich der Kohlenstoff im Zustand einer chemischen Bindung an das Aluminium befindet. Das Plasma-CVD-Verfahren wird mittels eines Plasma-CVD-Systems des Parallelplatten-Typs bei einem Gasdruck von 307 Pa (2,3 Torr) in einem Hochfrequenzplasma mit 13,56 MHz ausgeführt, so daß mit Zuführen einer Mischung aus TMA-Gas und verdünntem Wasserstoff in das Plasma Aluminium abgeschieden wird. Es ist erforderlich, daß die Substrat-Temperatur relativ niedrig in einem Bereich von 50ºC bis 100ºC gehalten wird, um die Korngröße klein zu halten.
Es ist wünschenswert, daß die erste Verdrahtungsschicht 48, die direkten Kontakt mit der Diffusionsschicht 50 (d. h. mit dem Si-Substrat 46) hat, zusätzlich 1 bis 2 Atomprozent Silicium enthält, um die Eindiffusion von Silicium aus dem Silicium-Substrat 46 in die erste Verdrahtungsschicht 48, die in erster Linie aus Aluminium besteht, zu verhindern. Das Silicium kann in der Weise in die erste Verdrahtungsschicht 48 eingebracht werden, indem man das Plasma-CVD-Verfahren mit einer Gasmischung aus TMA-Gas, Wasserstoff und gasförmigem Silan (SiH&sub4;) ausführt.
Als Drittes wird die Metallschicht 49 auf der ersten Verdrahtungsschicht 48 mit einer Filmdicke von 6·10&supmin;&sup7; in (6000 Å) mittels CVD-Verfahrens oder Sputtern hergestellt.
Die zweite Verdrahtungsschicht 48 wird auf der Metallschicht 49 mit einer Dicke von 2·10&supmin;&sup7; m (2000 Å) in der gleichen Weise wie die erste Verdrahtungsschicht hergestellt. Es ist nicht wesentlich, daß die zweite Verdrahtungsschicht 48 zusätzlich zum Kohlenstoff auch Silicium enthält.
Die erste Ausführungsform des Verfahrens der Herstellung einer erfindungsgemäßen Dünnfilm-Verdrahtungsschicht, so wie voranstehend speziell mit Bezug auf die Fig. 4 beschrieben, sieht die Anwendung des Plasma-CVD-Verfahrens vor. Das Plasma-CVD-Verfahren erfordert jedoch relativ hohe Hochfrequenzleistung, um den hohen Gasdruck zu erhalten, der sich bei der Zersetzung ergibt. Wenn jedoch hohe Hochfrequenzleistung benutzt wird, wird leicht die Silicium-Wafer-Scheibe beschädigt. Es ist daher notwendig, die Filmdicke des Films stabil zu steuern, die mittels des Plasma-CVD-Verfahrens hergestellt wird.
Die Fig. 15A und 15B zeigen Diagramme zur Erläuterung der Elektronenbewegung im Plasma, wobei Fig. 15A die Elektrodenbewegung für denjenigen Fall zeigt, in dem kein Magnetfeld angewendet ist, und Fig. 15B die Elektronenbewegung für den Fall zeigt, bei dem ein Magnetfeld vorliegt. Im Falle der Fig. 15A bewegt sich ein Elektron e im Plasma in einer Richtung entgegengesetzt derjenigen eines elektrischen Feldes E, wobei Kollisionen mit Teilchen A auftreten.
Andererseits führt im Falle der Fig. 15B das Elektron e Kreisbewegungen aus. Somit wird die mittlere freie Weglänge Lamda e des Elektrons e groß und das Elektron e führt mehr Zusammenstöße mit den Teilchen A aus. Das Ergebnis ist, daß mehr Anregungen der Gasteilchen vorliegen und die Plasmareaktion verstärkt ist.
Entsprechend üblichem Atzen liegt der Gasdruck in der Größenordnung von 1,37 Pa (10&supmin;² Torr). Aus diesem Grunde ist die Bedingungen Lamda e sehr viel größer re erfüllt und es liegen keine besonderen Abhängigkeiten zwischen dem Gasdruck, der Leistung und der Trägergasmenge vor.
Die vorliegenden Erfinder haben jedoch festgestellt, daß im Falle des MPCVD-Verfahrens der Gasdruck in einem Bereich von 67 Pa (0,5 Torr) bis 667 Pa (5 Torr) liegt und relativ hoch ist, verglichen mit dem voranstehend beschriebenen Wert von 1,33 Pa (10&supmin;² Torr), und daß wegen dieses relativ hohen Gasdruckes es möglich ist, die Filmdicke des Films, der mittels des MPCVD-Verfahrens hergestellt ist, dann stabil zu steuern ist, wenn eine vorgegebene Bedingung zwischen Gasdruck, Hochfrequenzleistung und Magnetfeldstärke erfüllt ist.
Es wird dementsprechend nunmehr eine Beschreibung mit Bezug auf die zweite Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Dünnfilm-Verdrahtungsschicht, ausgeführt mit MPCVD-Verfahren, beschrieben. Allgemein zeigt Fig. 16 ein MPCVD-System, wie es für die zweite Ausführungsform verwendet wird. Wie es in Fig. 16 gezeigt ist, ist eine Silicium-(Si)-Wafer-Scheibe 61 in eine Plasmakammer 60 eines Parallelplatten-Typs plaziert. Ein Hochfrequenzgenerator 62 erzeugt ein 13,56 MHz-Signal und außerhalb der Kammer 60 ist in einer Position unterhalb der Silicium-Wafer-Scheibe 61 ein Heizer 63 vorgesehen. Ein Magnet 65 ist außerhalb der Kammer 60 unterhalb des Heizers 63 angeordnet. Ein metallorganisches Gas wie z. B. Trimethylaluminium-(Al(CH&sub3;)&sub3;; TMA)-Gas ist mit Wasserstoffgas verdünnt und wird in die Kammer 60 durch Brausedüsen 64 der oberen Elektrode eingeleitet. In diesem Falle ist das TMA-Gas auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von 15ºC abgekühlt, z. B. auf 5ºC.
Fig. 17 zeigt eine Verteilung der Magnetfeldintensität auf der Si-Wafer-Scheibe 61, und zwar getrennt für die Horizontalkomponente und die Vertikalkomponente. Die Horizontalkomponente ist entlang einer Richtung aufgenommen, die parallel der oben liegenden Oberfläche der Si- Wafer-Scheibe 61 ist. Die Vertikalrichtung ist in eine Richtung senkrecht zur oberen Oberfläche der Si-Wafer- Scheibe 61 aufgenommen. Die auf dem Magnetfeld beruhende Bewegung des Elektrons e in dem Plasma kann grob gesehen in eine in Fig. 18A gezeigte wendelförmige Bewegung und in eine in Fig. 18B gezeigte zykloidische Bewegung zerlegt werden. Die wendelförmige Bewegung wird durch die vertikale Magnetfeldkomponente bewirkt, wohingegen die zykloidische Bewegung durch die horizontale Magnetfeldkomponente erzeugt wird, nämlich wenn das durch die horizontale Magnetfeldkomponente abgelenkte Elektron an der Kathode reflektiert wird und selbst driftet. Im Falle eines derart angelegten Magnetfeldes, daß die magnetischen Kraftlinien die Si-Wafer-Scheibe 61 nicht durchdringen (wie dies noch nachfolgend in Verbindung mit Fig. 22 beschrieben werden wird) ergibt sich eine Magnetfeld- Intensitätsverteilung, wie sie in Fig. 17 gezeigt ist.
Dann ergibt sich hauptsächlich zykloidische Bewegung im zentralen Anteil der Si-Wafer-Scheibe 61 und wendelförmige Bewegung liegt in Anteilen rechts und links des zentralen Anteils der Silicium-Wafer-Scheibe 61 vor.
Fig. 19 zeigt eine Verteilung der Dicke eines Aluminiumfilms auf der Silicium-Wafer-Scheibe 61. Wie dies aus Fig. 19 zu ersehen ist, verringert sich die Abscheiderate im zentralen Anteil der Si-Wafer-Scheibe 61 so, wie die Dichte der Hochfrequenzleistung abnimmt, nämlich weil der Radius der zykloidischen Elektronenbewegung entsprechend der Verringerung der Dichte der Hochfrequenzleistung ansteigt und es gibt dort keinen wesentlichen Einfluß auf das Magnetfeld.
Bei einer Dichte von 1,0 W/cm² der Hochfrequenzleistung werden die Wirkungen der zykloidischen und der wendelförmigen Elektronenbewegungen auf die Abscheidung ungefähr gleich und es ist möglich, einen Film zu bilden, der gleichmäßige Filmdicke hat. Desweiteren liegt dann, wenn die Dichte der Hochfrequenzleistung z. B. auf 1,3 W/cm² erhöht ist, im wesentlichen zykloidische Elektronenbewegung vor und die Plasmareaktion ist im zentralen Anteil der Si-Wafer-Scheibe 61 verstärkt, womit die Abscheiderate nur im zentralen Anteil der Si-Wafer-Scheibe 61 vergrößert wird. Das Ergebnis ist, daß die Dichte der Hochfrequenzleistung in einem vorgegebenen Bereich zu halten ist, um einen Film zu bilden, der gleichmäßige Dicke hat.
Fig. 20 zeigt ein Diagramm der Abscheiderate, aufgetragen über der Dichte der Hochfrequenzleistung. Die Abnahme der Abscheiderate im Bereich hoher Dichte der Hochfrequenzleistung ist für die vorliegende Ausführungsform eigentümlich, bei der das Magnetfeld dazu angelegt ist, um die Plasmareaktion magnetisch zu stärken. Bei einer besonders erwünschten Ausführungsform wird die Dichte der Hochfrequenzleistung in einem Bereich von 0,5 W/cm² bis 2,0 W/cm² gewählt und ein optimaler Bereich für die Abscheidung eines Aluminiumfilms aus TMA-Gas ist 1,0 W/cm² bis 1,5 W/cm².
Fig. 21 zeigt ein Diagramm der Abscheiderate, aufgetragen über der Flußrate des TMA-Trägergases. Dieses in Fig. 21 gezeigte Diagramm ist zu erhalten, wenn man TMA-Gas als Quellengas benutzt, die Menge verdünnenden Wasserstoffs 1,5 l/min, die Dichte der Hochfrequenzleistung 1 W/cm², die Intensität des Magnetfeldes 0,78 T (780 Gauss) und der Gasdruck 307 Pa (2,3 Torr) betragen. Es sei beachtet, daß die Abscheiderate im zentralen Anteil der Si-Wafer-Scheibe 61 für TMA-Trägergas-Flußrate mit 15 ml/min oder mehr abnimmt, weil die mittlere freie Weglänge der Elektronen, die zykloidische Bewegungen ausführen, infolge der großen Moleküle des TMA-Gases abnimmt und die Anregung des TMA- Gases ungenügend wird. Mit anderen Worten heißt dies, daß, um die gewünschten Effekte des angewendeten Magnetfeldes zu erzielen, die Dichte der Hochfrequenzleistung oder die Intensität des Magnetfeldes derart gesteigert werden muß, daß die mittlere freie Weglänge Lamda e und der Larmor- Radius re ungefähr gleich groß werden.
Fig. 22 zeigt die magnetischen Kraftlinien, die infolge des magnetischen Feldes auftreten, das der Si-Wafer- Scheibe überlagert ist, und das sogenannte Planar-Magnetron wird dazu verwendet, das magretische Feld anzulegen. Wie dies in Fig. 22 gezeigt ist, wird das TMA-Gas in ein magnetisches Feld, angezeigt durch die magnetischen Kraftlinien 70, in Vertikalrichtung, wie dies durch die Pfeile 71 gezeigt ist, zugeführt. Die magnetischen Kraftlinien 70 durchdringen nicht die Si-Wafer-Scheibe 61, sondern sind oberhalb der Si-Wafer-Scheibe 61 in einer Schleife verteilt. Außerdem ist es wichtig, daß die Intensität des Magnetfeldes zu den (nicht dargestellten) Brausedüsen, durch die hindurch das TMA-Gas zugeführt wird, schwächer ist. Infolge dieser Maßnahmen ergibt sich aufgrund des TMA-Gases auf der Oberfläche der Si-Wafer-Scheibe 61 eine Abscheidung, wobei das TMA-Gas allein durch die zykloidische Elektronenbewegung in der Nähe der Oberfläche der Si-Wafer-Scheibe 61 angeregt ist. Mit anderen Worten heißt dies, daß die plasmachemische Reaktion mittels des angewendeten Magnetfeldes örtlich auf die Oberfläche der Si-Waferscheibe 61 konzentriert ist. Da die Abscheidung im wesentlichen in der Nähe der Oberfläche der Si-Wafer-Scheibe 61 erfolgt, ist es in diesem Falle möglich, einen abgestuften Anteil der Verdrahtungsschicht zufriedenstellend zu bilden. Da die Magnetfeldintensität zu den Brausedüsen hin schwächer ist, ist es andererseits möglich, das TMA-Gas mittels zykloidischer Elektronenbewegung in einer ersten Stufe schwach anzuregen und dann die Reaktion in einer späteren Stufe zu verstärken.
Fig. 23 zeigt ein Diagramm der Abscheiderate, aufgetragen über der Dichte der Hochfrequenzleistung. Weil die mittlere freie Weglänge der Elektronen dann abnimmt, wenn der Gasdruck gesteigert ist, ist es möglich, die Abscheidung des Gases zu verstärken, wenn nicht die Magnetfeldintensität und die Dichte der Hochfrequenzleistung entsprechend auf hohe Werte gebracht sind. Wie dies aus Fig. 23 zu ersehen ist, muß in demjenigen Falle, in dem die Intensität des Magnetfeldes konstant ist, die Dichte der Hochfrequenzleistung um einen Betrag vergrößert werden, der einem Betrag der Vergrößerung des Gasdruckes entspricht.
Es ist daher ersichtlich, daß die Intensität des Magnetfeldes oder die Dichte der Hochfrequenzleistung auf einen größeren Wert gebracht werden müssen als ein vom Gasdruck abhängig vorgegebener Wert, nämlich weil die Gasmoleküle auf einen Energiepegel angeregt werden müssen, der größer oder gleich der Aktivierungsenergie ist, bei der Filmabscheidung auftritt. Mit anderen Worten heißt dies, daß es notwendig ist, einen Wert P (Magnetfeldintensität) multipliziert mit der Dichte der Hochfrequenzleistung auf einen solchen festgelegt wird, der der Aktivierungsenergie proportional ist, bei der Abscheidung erfolgt und der in einem vorgegebenen Bereich liegt. Konkret ausgedrückt, ist es wünschenswert, daß die Magnetfeldintensität in einem Bereich vom 0,2 T (200 Gauss) bis 1,5 T (1500 Gauss) die Dichte der Hochfrequenzleistung in einem Bereich von 0,5 W/cm² bis 2,0 W/cm² und der Gasdruck in einem Bereich von 133 Pa (1 Torr) bis 667 Pa (5 Torr) liegt und daß in diesem Falle der oben angegebene Wert W, gegeben durch die Magnetfeldintensität, die Dichte der Hochfrequenzleistung und den Gasdruck, in einen Bereich von 20·10&supmin;&sup4; T·W/cm² ·133,3 Pa bis 3000·10&supmin;&sup4; T·W/cm²·133,3 Pa liegt. Fig. 24 zeigt ein Diagramm des spezifischen Widerstandes, aufgetragen über der Magnetfeldintensität. Aus Fig. 24 ist zu ersehen, daß der spezifische Widerstand klein ist und in der Größenordnung von 20 uOhm·cm dann liegt, wenn die Magnetfeldintensität bei einem Wert oberhalb 0,2 T (200 Gauss) liegt.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform des Verfahrens ist es daher möglich, die Filmdicke der Verdrahtungsschicht, die mittels MPCVD hergestellt ist, stabil zu steuern und extrem dünne Verdrahtungsschicht mit gleichmäßiger Filmdicke herzustellen.
Als nächstes wird eine Beschreibung zum Diagramm der Röntgen-Intensität, aufgetragen über dem Röntgen-Diffraktionswinkel, für Aluminiumfilme gegeben, die Kohlenstoff enthalten und die mittels Plasma-CVD-Verfahren und MPCVD- Verfahren jeweils hergestellt sind. Das Diagramm ist nach erfolgtem Temperprozeß aufgenommen. Die Fig. 25A und 25B zeigen Diagramme der Röntgenintensität, aufgetragen über dem Röntgen-Diffraktionswinkel, und zwar für Aluminiumfilme, die Kohlenstoff enthalten und die jeweils mittels Plasma-CVD- oder MPCVD-Verfahren hergestellt worden sind, wobei diese Diagramme nach Durchführung eines Temperprozesses bei 500ºC und 25 Minuten Dauer aufgenommen sind. Die Intensität des magnetischen Feldes bei dem MPCVD-Verfahren lag bei 0,78 T (780 Gauss) für das Diagramm der Fig. 25B. Die Intensität des Magnetfeldes kann aber auch auf einem beliebigen Wert über 0,2 T (200 Gauss) liegen.
Aus der Fig. 25A ist zu ersehen, daß die Körner des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms, der mittels Plasma- CVD-Verfahren hergestellt ist, generell auf der (111)- Ebene orientiert sind, wohingegen, wie aus Fig. 25B ersichtlich, die Körner des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms, der mittels MPCVD-Verfahren hergestellt ist, generell auf der Ebene (200) orientiert sind. Die Korngröße des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms, der mittels MPCVD-Verfahren hergestellt ist, beträgt 60 nm oder weniger, und zwar sogar nachdem der Temperprozeß ausgeführt worden ist, und sie ist beträchtlich klein, verglichen mit derjenigen des konventionellen Aluminiumfilms.
Wie dies voranstehend beschrieben ist, ist der spezifische Widerstand des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms, der mittels des MPCVD-Verfahrens hergestellt ist, klein gegenüber demjenigen eines mittels Plasma-CVD-Verfahren hergestellten Films. Außerdem ist die Textur des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms, der mittels des MPCVD- Verfahrens hergestellt ist, fein (dicht), verglichen mit derjenigen eines mittels Plasma-CVD-Verfahren hergestellten Films. Es ergibt sich, daß die Zuverlässigkeit des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms, der mittels des MPCVD-Verfahrens hergestellt ist, hoch ist vergleichsweise derjenigen eines mittels Plasma-CVD-Verfahrens hergestellten Films.
Ein Vergleich der Fig. 25A und 25B miteinander zeigt, daß die oben beschriebenen Vorteile des Kohlenstoff enthaltenden Aluminiumfilms, der mittels MPCVD-Verfahren hergestellt ist, gegenüber einem solchen, der mittels Plasma-CVD-Verfahren hergestellt ist, auf der Korn- Orientierung auf der (200)-Ebene beruhen, und zwar zusätzlich zu der Tatsache, daß der Aluminiumfilm Kohlenstoff enthält.
Desweiteren ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern daß Variationen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Rahmen der durch die Ansprüche definierten Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit einer ersten Schicht (11, 12; 28, 29; 42, 43; 46, 47, 49) und einer zweiten Schicht (14; 33; 41; 48), die auf der ersten Schicht ausgebildet ist, wobei diese zweite Schicht eine Dünnfilm-Verdrahtungsschicht aus Aluminium ist und wenigstens Kohlenstoff enthält, gekennzeichnet dadurch, daß in dieser zweiten Schicht (14; 33; 41; 48) die Korngröße des Aluminiums, das Kohlenstoff enthält, kleiner oder gleich 100 nm ist und daß in dieser zweiten Schicht (14; 33; 41; 48) 30 Atom-% oder weniger Kohlenstoff in einem solchen Zustand enthalten ist, in dem der Kohlenstoff chemisch an das Aluminium gebunden ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Schicht (11, 46) aus Silizium besteht und die zweite Schicht (14; 48) außerdem Silizium enthält.

3. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die zweite Schicht (14; 33; 41; 48) 2 Atom-% oder weniger Silizium enthält.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß desweiteren eine dritte Schicht (42; 49) vorgesehen ist, die aus Metall besteht und auf der zweiten Schicht (41; 48) ausgebildet ist und daß eine vierte Schicht (41; 48) auf dieser dritten Schicht (42; 49) ausgebildet ist, wobei diese vierte Schicht (41; 48) ein Dünnfilm aus Aluminium ist, das Kohlenstoff enthält.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die dritte Schicht (42; 49) aus entweder Wolfram oder Titan besteht.

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die dritte Schicht (42; 49) aus Aluminium besteht, das Kohlenstoff enthält, wobei die dritte Schicht (42; 49) einen Kohlenstoff-Atomprozentanteil enthält, der klein gegenüber den Kohlenstoff-Atomprozentanteilen ist, die in der zweiten Schicht (41; 48) und der vierten Schicht (41; 48) enthalten sind.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die zweite Schicht (41; 48) einen Kohlenstoff- Atomprozentanteil enthält, der größer ist als der Kohlenstoff-Atomprozentanteil , der in der vierten Schicht (41; 48) enthalten ist.

8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß eine Vielzahl von Paaren des Typs der dritten Schicht und des Typs der vierten Schicht auf der vierten Schicht (41) in abwechselnder Folge vorgesehen sind, so daß jede Schicht des dritten Typs sich sandwichartig zwischen zwei Schichten des vierten Typs befindet.

9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Körner in der zweiten Schicht (14; 33; 41; 48) allgemein auf der (200) Ebene orientiert sind.

10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem auf einer ersten Schicht (11, 13; 28, 29; 42, 43; 46, 47, 49) eine zweite Dünnfilmschicht (14; 33; 41; 48) ausgebildet wird und dieses Verfahren den Verfahrensschritt umfaßt, Aluminium, das wenigstens Kohlenstoff enthält, auf dieser ersten Schicht (11, 13; 28, 29; 42, 43; 46, 47, 49) abzuscheiden, wobei ein organometallisches Gas als Gasquelle verwendet wird und das organometallische Gas Aluminium als metallische Komponente enthält, gekennzeichnet dadurch, daß diese Abscheidung als Plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung bei einer Temperatur unterhalb der Pyrolyse-Temperatur des organometallischen Gases derart ausgeführt wird, daß sich die zweite Dünnfilmschicht (14; 33; 41; 48) bildet, in der die Korngröße des Kohlenstoff-enthaltenden Aluminiums kleiner oder gleich 100 nm ist, und daß dieses Verfahren desweiteren den Verfahrensschritt einschließt, die erste Schicht (11, 13; 28, 29; 42, 43; 46, 47, 49) und die zweite Schicht (14; 33; 41; 48) einem thermischen Prozeß bei einer Temperatur größer oder gleich 300ºC zu unterwerfen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß der Verfahrensschritt des Abscheidens des Aluminiums einschließt, Aluminium abzuscheiden, das Silizium zusätzlich zu dem Kohlenstoff enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß für die Plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung eine Gasmischung aus dem organometallischen Gas und Silan-Gas verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß das organometallische Gas Trimethylaluminium-Gas ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß das für die Plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung verwendete organometallische Gas mit Wasserstoffgas in einer Menge verdünnt ist, die ungefähr das 60-fache des organometallischen Gases ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur des Trimethylaluminium-Gases unterhalb 15ºC liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß der Verfahrensschritt der Plasma-unterstützten chemischen Dampfabscheidung des Aluminiums mit einem Magnetron-Plasma durchgeführt wird, wobei die Plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung auf der ersten Schicht (11, 13; 28, 29; 42, 43; 46, 47, 49) mit Plasma-chemischer Reaktion ausgeführt wird, wobei mittels eines magnetischen Feldes (70) eine örtliche Konzentrierung auf der Oberfläche der ersten Schicht (11, 13; 28, 29; 42, 43; 46, 47, 49) bewirkt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, daß die Intensität des magnetischen Feldes und/oder die Rf-Leitungsdichte und/oder der Gasdruck derart ausgewählt ist (sind), daß die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Plasma unter magnetfeldfreier Bedingung ungefähr die gleiche ist, wie der Lamor-Radius (re) der Elektronen in dem Plasma unter Einwirkung des überlagerten Magnetfeldes.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet dadurch, daß die Intensität des Magnetfeldes im Bereich von 2·10&supmin;² T (200 Gauss) bis 1,5·10&supmin;¹ T (1 500 Gauss), die RF-Leistungsdichte im Bereich von 0,5·10&sup4; W/m² bis 2,0·10&sup4; W/m² und der Gasdruck im Bereich von 133,3 Pa (1 Torr) bis 666,6 Pa (5 Torr) liegen.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet dadurch, daß ein Wert P, der definiert ist als:

Magnetfeldintensität (T)·RF-Leistungsdichte (W/m²)/Gasdruck (Pa)

in einem Bereich von 0,15 T·W/Pa·m² (20 Gauss·W/cm²·Torr) bis 22,5 T·W/Pa·m² (3000 Gauss·W/cm²·Torr) liegt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet dadurch, daß das Magnetfeld (70) mittels eines Planar-Magnetrons derart über der ersten Schicht erzeugt wird, daß die Kraftlinien des Magnetfeldes in einer Schleife über dieser ersten Schicht verteilt sind, ohne in die erste Schicht einzudringen.