DE69522397T2 - Kontaktstruktur mit metallischer Sperrschicht und Herstellungsverfahren - Google Patents

Kontaktstruktur mit metallischer Sperrschicht und Herstellungsverfahren

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Diffusionsbereich, der in einem Siliziumsubstrat gebildet ist, einer metallischen Verdrahtungsschicht und einer ohmschen Kontaktstruktur, die eine Titansilicidschicht auf dem Diffusionsbereich, eine erste Titannitridschicht auf der Titansilicidschicht und eine zweite Titannitridschicht auf der ersten Titannitridschicht aufweist, wobei die zweite Titannitridschicht körnig ist.
  • In einem Kontakt verwendet man hauptsächlich Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Material zur Bildung einer metallischen Verdrahtung, die ohmisch mit einem Störstellendiffusionsbereich verbunden ist, der auf einem Siliziumsubstrat gebildet ist. In diesem Fall reagiert eine einlagige Verdrahtung aus Aluminium oder Aluminiumlegierung während einer Wärmebehandlung in einem Kontaktdiffusionsbereich mit Silizium und erzeugt Legierungszacken oder Siliziumknoten, die eine Vergrößerung des Kontaktwiderstands verursachen. Als Gegenmaßnahmen gegen dieses Problem benutzt man Mittel wie z. B. ein Verfahren, einen Barrieren-Metallfilm zwischen eine metallische Verdrahtung und einen Störstellendiffusionsbereich usw. zu legen. Als so einen Barrieren-Metallfilm verwendet man hauptsächlich Titannitrid. Die konventionelle Titannitrid-Barriere ist jedoch ein einlagiger Film und hat eine (111)-Kristallorientierung. Die US-A-5049975 offenbart eine Vorrichtung mit einer Mehrschichtstruktur, bei der eine der Schichten eine (111)-Kristallorientierung hat. Bei dieser Kristallorientierung tritt das Problem auf, dass sie eine schlechte Beständigkeit gegen schnelle oder Hochtemperatur-Wärmebehandlung hat, wie zum Beispiel in der JP-A-05-13368 beschrieben.
  • Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Titannitridschicht körnig ist und beide Titannitridschichten im wesentlichen aus (200)-orientierten Kristallen bestehen.
  • Vorzugsweise liegt die Dicke der Silicidschicht im Bereich 16 nm bis 48 nm.
  • Vorzugsweise weist die metallische Verdrahtungsschicht ein hochschmelzendes Metall auf.
  • Vorzugsweise beträgt die Dicke der ersten Titannitridschicht 2 nm.
  • Vorzugsweise liegt die Dicke der zweiten Titannitridschicht im Bereich 30 nm bis 100 nm.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Bildung so einer Halbleitervorrichtung geschaffen, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
  • Bildung des Störstellendiffusionsbereiches in dem Substrat,
  • Bildung einer Titanschicht auf dem Diffusionsbereich,
  • Wärmebehandlung der Titanschicht, um die erste Titannitridschicht zu bilden, und
  • Bildung der zweiten Titannitridschicht auf der ersten Titannitridschicht durch reaktive Zerstäubung.
  • Vorzugsweise wird die Titanschicht in einer Dicke im Bereich 10 nm bis 30 nm gebildet.
  • Vorzugsweise umfasst die Wärmebehandlung der Titanschicht einen schnellen Glühprozess.
  • Vorzugsweise umfasst die Wärmebehandlung der Titanschicht Lampenglühen in einer Stickstoff- oder Ammoniak-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich 800ºC bis 900 ºC.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren, die Vorrichtung nach Bildung der Titannitridschicht wärmezubehandeln. Noch mehr bevorzugt umfasst die Wärmebehandlung der Vorrichtung, die Vorrichtung auf eine Temperatur im Bereich 850ºC bis 950ºC zu erwärmen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen ersten Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die körnige Titannitridkristalle zeigt,
  • Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die säulenförmige Titannitridkristalle zeigt,
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen zweiten Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • Fig. 5 ist ein Graph, der die Wirkung der Glasflusstemperatur auf den Schichtwiderstand für Kontakte mit der allgemeinen Struktur von Fig. 4 zeigt, und
  • Fig. 6 ist eine graphische Darstellung von Röntgenbeugung, die die Wirkung der Lampenglühtemperatur auf die Kristallstruktur von Titannitrid in Kontakten mit der allgemeinen Struktur von Fig. 4 zeigt.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Kontaktes, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 1 wird ein erster Zwischenschicht-Isolierfilm 2 aus einem CVD-Oxid (SiO&sub2;), einem Phosphosilikatglas (PSG) usw. auf einem Siliziumsubstrat 1 abgeschieden. Danach wird der erste Zwischenschicht-Isolierfilm 2 gemustert, um ein erstes Kontaktloch 9 zu bilden. Als Nächstes wird auf dem Siliziumsubstrat 1 mit dem darin gebildeten ersten Kontaktloch 9 Störstellendiffusion durchgeführt, um eine Störstellendiffusionsschicht 3 zu bilden. Ferner wird durch Zerstäubung ein Titanfilm 4 mit einer Dicke von 10 nm bis 30 nm auf der Störstellendiffusionsschicht 3 abgeschieden. Als Nächstes wird in einer N2-Umgebung bei einer Temperatur im Bereich von 800ºC bis 900ºC schnelles Wärmeglühen wie z. B. Lampenglühen am Titanfilm 4 durchgeführt, um so den Titanfilm 4 in ein Titansilicid 5 mit einem Dickenbereich von ungefähr 16 nm bis 48 nm und ein erstes Titannitrid 6 mit einer Dicke von ungefähr 2 nm umzuwandeln. Ferner wird durch Reaktivzerstäubung ein zweites Titannitrid 7 mit einem Dickenbereich von 30 nm bis 100 nm auf dem Titannitrid 6 abgeschieden. Die Reaktivzerstäubungsbedingungen umfassen 100% N2-Gas, einen Gasdruck von 4 mm Torr und eine Leistung von 6 kW. In diesem Zeitpunkt nimmt die Kristallorientierung des durch Reaktivzerstäubung gebildeten Titannitrides tendenziell (200) als Hauptachse an, wie in der Druckschrift "Solid State Devices and Materials", Tokio, 1988, Seiten 569-572, berichtet wurde. Kristalle mit (200) als Hauptachse sind körnige Kristalle. Ferner wird an dem resultierenden Erzeugnis eine Musterung durchgeführt, und das zweite Titannitrid 7, das erste Titannitrid 6 und der Titanfilm 4 werden nacheinander geätzt. Danach wird durch Zerstäubung eine Aluminiumlegierung 8 mit einem Dickenbereich von ungefähr 300 nm bis 700 nm auf dem zweiten Titannitrid 7 abgeschieden.
  • Da in Übereinstimmung mit der vorliegenden Kontaktstruktur eine Mehrzahl von Titannitridschichten aufeinander gestapelt sind und die Titannitride in Form der körnigen Kristalle orientiert sind, kann ein stabiler Kontakt erzielt werden, der niedrigen Widerstand und wenig Siliziumdiffusion bieten kann. Dies wird später im Abschnitt einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Es wird aber angenommen, dass durch Lampenglühen mit einer Temperatur von 800ºC oder darüber ein unteres Titannitrid ein Film wird, der durch Erzeugung einer Kristallorientierung dafür mit (200) als Hauptachse erhalten wird, und in Übereinstimmung mit dem unteren Titannitrid ein oberes Titannitrid ebenfalls ein Film wird, der durch Erzeugung von mehr Kristallorientierung dafür mit (200) als Hauptachse erhalten wird. Es wird angenommen, dass die Siliziumdiffusion vermindert wurde, da Korngrenzen, die für fest mit einem Siliziumdiffusionsweg verbunden gehalten werden, nicht orientierungsmäßig, sondern in zufälligen Abständen verbreitet werden, indem die Titannitride in der durch (200) verkörperten Form der körnigen Kristalle gebildet werden, wie typischerweise in Fig. 2 gezeigt, im Vergleich mit einer in Fig. 3 gezeigten Struktur, die einen durch (111) dargestellten konventionellen säulenförmigen Kristall zeigt, und Siliziumdiffusionswege, die einen Diffusionsstrom zwischen den oberen und unteren Titannitriden fließen lassen, sind infolge einer Stapelstruktur schwer zu verbinden und unterdrücken Siliziumdiffusion in das Siliziumsubstrat, wodurch die Siliziumdiffusion verhindert werden kann.
  • Es wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Kontaktes, die die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 4 wird ein erster Zwischenschicht-Isolierfilm 12 aus einem CVD-Oxid, einem Phosphosilikatglas usw. auf einem Siliziumsubstrat 11 abgeschieden. Danach wird der erste Zwischenschicht-Isolierfilm 12 gemustert, um ein erstes Kontaktloch 19 zu bilden. Als Nächstes wird auf dem Siliziumsubstrat 11 mit dem darin gebildeten ersten Kontaktloch 9 Störstellendiffusion durchgeführt, um eine Störstellendiffusionsschicht 13 zu bilden. Ferner wird durch Zerstäubung ein Titanfilm 14 mit einem Dickenbereich von 10 nm bis 30 nm auf der Störstellendiffusionsschicht 13 abgeschieden.
  • Als Nächstes wird in einer N2-Umgebung bei einer Temperatur von 800ºC bis 900ºC Lampenglühen am Titanfilm 14 durchgeführt, um so den Titanfilm 14 in ein Titansilicid 15 mit einem Dickenbereich von ungefähr 16 nm bis 48 nm und ein erstes Titannitrid 16 mit einer Dicke von ungefähr 2 nm umzuwandeln. Ferner wird durch Reaktivzerstäubung ein zweites Titannitrid 17 mit einem Dickenbereich von 30 nm bis 100 nm auf dem Titannitrid 16 abgeschieden. Weiterhin wird mittels CVD Wolfram 18 mit einem Dickenbereich von 200 nm bis 400 nm auf dem zweiten Titannitrid 17 abgeschieden, und es wird eine Musterung am Wolfram 18 durchgeführt, um das Wolfram 18, das zweite Titannitrid 17, das erste Titannitrid 16 und den Titanfilm 14 nacheinander zu ätzen.
  • Als Nächstes wird ein zweiter Zwischenschicht-Isolierfilm 20 wie z. B. ein Siliziumoxidfilm, ein Phosphosilikatglas oder dergleichen auf dem ersten Zwischenschicht-Isolierfilm 12 abgeschieden. Bei einer Temperatur von 850ºC bis 950ºC wird ein Glasfluss zum zweiten Zwischenschicht-Isolierfilm 20 hergestellt, gefolgt von einer Musterung, wodurch ein zweites Kontaktloch 21 im zweiten Zwischenschicht-Isolierfilm 20 gebildet wird. Ferner wird durch Zerstäubung eine Aluminiumlegierung 22 mit einem Dickenbereich von ungefähr 300 nm bis 700 nm auf dem zweiten Zwischenschicht-Isolierfilm 20 abgeschieden.
  • Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit einer Glasflusstemperatur von einem Schichtwiderstand einer Wolframverdrahtung in dem in Fig. 4 gezeigten Kontakt zur Beschreibung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass selbst im Falle einer bei einer Temperatur von ungefähr 850ºC bis 950ºC durchgeführten Hochtemperatur-Wärmebehandlung, was mit einer konventionellen Vorrichtung oder einem konventionellen Verfahren nicht erreicht werden könnte, keine wesentliche Vergrößerung des Kontaktschichtwiderstands stattfindet und die Barriereneigenschaften der Titannitride aufrechterhalten werden.
  • Dieses Phänomen wurde flüchtig in der ersten Ausführungsform berührt, wird aber für von der Kristallstruktur jedes Titannitrides abhängig gehalten. Konventionelle Titannitride, die im Allgemeinen weit und breit verwendet wurden, bestehen aus säulenförmigen Kristallen, die typischerweise in Fig. 3 gezeigt sind, wie oben erwähnt. Da die Titannitride aus den säulenförmigen Kristallen bestehen, werden aufgrund der Vollständigkeit der Kristallstruktur im Zeitpunkt der Hochtemperatur-Wärmebehandlung Spannungen auf den Titannitriden konzentriert, weshalb leicht Brüche auftreten. Infolge der säulenförmigen Korngrenzen werden ferner Atome zu interkristalliner Diffusion gebracht, so dass sie leicht durch die Titannitride hindurchtreten können.
  • In dem konventionellen Beispiel wird daher angenommen, dass von einem Siliziumsubstrat gelieferte Siliziumatome durch Titannitride hindurchtreten und mit Wolfram reagieren, um ein Wolframsilicid zu werden, wodurch eine Vergrößerung des Widerstands eines Kontakts verursacht wird.
  • Fig. 6 zeigt die Intensität von Röntgenbeugung einer in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten glasflussbehandelten Probe, die man durch Stapeln von ersten und zweiten Titannitriden auf ein Titansilicid erhält. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, kann man verstehen, dass die Kristallorientierung des gestapelten Titannitrides von einer Lampenglühtemperatur von Titan zur Bildung des ersten Titannitrides abhängt. Im Falle von bei einer Temperatur von 700ºC durchgeführtem Lampenglühen ist das Titannitrid mit (111) als Hauptachse kristallorientiert, während im Falle von bei einer Temperatur von 800ºC oder mehr durchgeführtem Lampenglühen das Titannitrid ein Film wird, der durch feste Kristallorientierung des Titannitrides mit (200) als Hauptachse erhalten wird. In der vorliegenden Ausführungsform kann gefolgert werden, dass das erste Titannitrid mittels Durchführung von Lampenglühen am Titanfilm bei einer hohen Temperatur von 800ºC oder höher mit (200) als Hauptachse kristallorientiert wird und das zweite Titannitrid auf Basis von Produktionsbedingungen, unter denen angenommen wird, dass das erste Titannitrid als gestapelter Kristall leicht auf die konventionelle (200) kristallorientiert wird, in einem Stapel gebildet wird, wodurch die Kristallorientierung des Titannitrides auf (200) erhalten wird. In Übereinstimmung mit der Struktur der in körniger Form wie im Falle von (200) kristallorientierten Titannitride werden die Spannungen bei Wärmebehandlung zerstreut, selbst wenn die Kristallstruktur vervollständigt wird, weshalb die Brüche nur schwer auftreten. Man glaubt, dass, selbst wenn die Diffusion der Korngrenzen stattfindet, die Wahrscheinlichkeit, dass die vom Siliziumsubstrat gelieferten Siliziumatome durch die Titannitride hindurchtreten, aufgrund der in körniger Form gebildeten Korngrenzen äußerst niedrig ist. Es wird angenommen, dass aus den obigen Gründen weniger durch den Kontakt fließender Leckstrom erzeugt wird, das Silicid nicht mit dem Wolfram reagiert und der Widerstand des Kontaktes nicht vergrößert wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zwar anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben, die Beschreibung soll aber nicht in einem einschränkenden Sinne ausgelegt werden. Anhand der Beschreibung ergeben sich für den Fachmann verschiedene Modifizierungen der Ausführungsbeispiele und außerdem weitere Ausführungsformen der Erfindung. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Patentansprüche solche Modifizierungen oder Ausführungsformen einschließen, wenn sie in den wahren Schutzbereich der Erfindung fallen.

Claims (11)

1. Halbleitervorrichtung mit einem Diffusionsbereich (3; 13), der in einem Siliziumsubstrat (1; 11) gebildet ist, einer metallischen Verdrahtungsschicht (8; 22) und einer ohmschen Kontaktstruktur, die eine Titansilicidschicht (5; 15) auf dem Diffusionsbereich (3; 13), eine erste Titannitridschicht (6; 16) auf der Titansilicidschicht (5; 15) und eine zweite Titannitridschicht (7; 17) auf der ersten Titannitridschicht (6; 16) aufweist, wobei die zweite Titannitridschicht (7; 17) körnig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Titannitridschicht (6; 16) körnig ist und beide Titannitridschichten (6, 7; 16, 17) im wesentlichen aus (200)-orientierten Kristallen bestehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dicke der Silicidschicht (5; 15) im Bereich 16 nm bis 48 nm liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die metallische Verdrahtungsschicht (8; 22) ein hochschmelzendes Metall aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dicke der ersten Titannitridschicht (6; 16) 2 nm beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dicke der zweiten Titannitridschicht (7; 17) im Bereich 30 nm bis 100 nm liegt.
6. Verfahren zur Bildung einer Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
Bildung des Störstellendiffusionsbereiches (3; 13) indem Substrat (1; 11),
Bildung einer Titanschicht (4; 14) auf dem Diffusionsbereich (3; 13),
Wärmebehandlung der Titanschicht (4; 14), um die erste Titannitridschicht (6; 16) zu bilden, und
Bildung der zweiten Titannitridschicht (7; 17) auf der ersten Titannitridschicht durch reaktive Zerstäubung.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei der die Titanschicht (4; 14) in einer Dicke im Bereich 10 nm bis 30 nm gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei der die Wärmebehandlung der Titanschicht (4; 14) einen schnellen Glühprozess umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 6, bei der die Wärmebehandlung der Titanschicht (4; 14) Lampenglühen in einer Stickstoff- oder Ammoniak-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich 800ºC bis 900ºC umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 6, welches umfasst, die Vorrichtung nach der Bildung der Titannitridschicht (17) wärmezubehandeln.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Wärmebehandlung der Vorrichtung umfasst, die Vorrichtung auf eine Temperatur im Bereich 850ºC bis 950ºC zu erwärmen.
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