DE102004062472B4

DE102004062472B4 - Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsleitung unter Verwendung einer bei niedriger Temperatur gebildeten Barrierenmetallschicht

Info

Publication number: DE102004062472B4
Application number: DE102004062472A
Authority: DE
Inventors: Chang-Soo Ichon Park
Original assignee: Hynix Semiconductor Inc
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: US7375024B2; KR20050107966A; JP2005322882A; KR100688055B1; US20050250314A1; DE102004062472A1; CN1697156A; CN100431134C

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsleitung in einem Halbleiterbauelement, mit den Schritten:
Bilden einer Zwischenschichtisolationsschicht auf einem Substrat;
Ätzen vorbestimmter Regionen der Zwischenschichtisolationsschicht, um eine Vielzahl von Kontaktöffnungen zu bilden;
Bilden einer ohmschen Metallschicht auf den Kontaktöffnungen und der geätzten Zwischenschichtisolationsschicht;
Bilden einer Keimschicht auf der ohmschen Metallschicht;
Bilden einer Metallschicht auf der Keimschicht und wiederholtes Nitridieren der Metallschicht, um eine Barrierenmetallschicht zu bilden;
Bilden einer Metallverbindungsleitung auf der Barrierenmetallschicht durch Vergraben der Kontaktöffnungen; wobei die Keimschicht eine Siliziumschicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements; und weiter insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsleitung durch Verwendung einer bei niedriger Temperatur gebildeten Barrierenmetallschicht.
Verfahren der vorstehend genannten Art sind aus dem US 6,849,545 B2 , dem US 5,552,339 , dem US 6,579,788 B1 und dem US 6,287,964 B1 bekannt.
Eine in großem Ausmaß vorgenommene Integration eines Halbleiterbauelements hat zu einer kontinuierlichen Abnahme der Designnorm geführt, und somit ist es auch notwendig, eine angemessene Technologie zum Füllen eines Kontaktlochs oder eines Durchgangslochs mit einer großen Höhe und einer Größe unterhalb eines halben Mikrometers zu entwickeln, um eine Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen sicherzustellen und die Massenproduktion zu realisieren. Diese Technologie zum Füllen des Kontaktlochs oder des Durchgangslochs hat einen großen Einfluss auf einen Gesamtprozess einer Bildung von multiplen Metallverbindungsleitungen.
Für die Technologie zum Füllen des Kontaktlochs oder des Durchgangslochs ist es die üblichste Methode, ein Kontaktloch mit einer Wolframschicht zu füllen, die durch ein Abdeckungsabscheidungsverfahren gebildet wird, und dann einen chemisch mechanischen Polier(CMP)-prozess mit der Wolframschicht durchzuführen.
1A und 1B sind Querschnitte, die ein herkömmliches Verfahren zum Füllen einer Wolframschicht in eine Kontaktöffnung durch Verwendung eines Abdeckungsabscheidungsverfahrens zeigt.
Gemäß 1A wird eine Isolationsschicht 12 auf einem Substrat 11 gebildet, und dann geätzt, um eine Kontaktöffnung 13 zu bilden. Eine auf Metallnitriden basierte Adhäsionsschicht wird auf der Isolationsschicht 12 zum Zweck des Sicherns eines niedrigen Kontaktwiderstands und einer Adhäsion mit einer Oxidschicht gebildet. Hier werden für die Adhäsionsschicht eine Titan(Ti)-schicht 14 und eine Titannitridschicht 15 gebildet. Eine Wolfram(W)-schicht 16 wird auf der Titannitridschicht 15 derart gebildet, dass die Wolframschicht 16 ausreichend in die Kontaktöffnung 13 eingefüllt wird. Derzeit wird ein chemischen Dampfabscheidungs(CVD)-verfahren mit einer guten Stufenabdeckungseigenschaft verwendet. Die Wolframschicht 16 wird auch in einer Dicke gebildet, die größer ist als ein Radius der Kontaktöffnung 13.
Gemäß 1B werden die Wolframschicht 16, Titannitridschicht 15 und die Titanschicht 14 durch einen Trockenätzprozess oder einen CMP-Prozess entfernt, welche ausgeführt werden, bis die Wolframschicht 16 nur noch innerhalb der Kontaktöffnung 13 verbleibt. Anschließend wird ein Nassreinigungsprozess durchgeführt, um auf einer Oberfläche der oben resultierenden Substratstruktur verbleibende Teilchen aus Metallrückständen zu entfernen.
Das obige herkömmliche Verfahren sollte jedoch in multiplen Schritten mit Verwendung verschiedener Vorrichtungen durchgeführt werden. Somit ist dieses herkömmliche Verfahren nachteilig darin, dass Gesamtkosten zur Bildung einer Abdeckwolframschicht sehr hoch sind und eine Ausbeute von Halbleiterbauelementen aufgrund einer verlängerten Verarbeitungszeit gering ist.
Aus diesem Grund wird ein anderes Verfahren zur Bildung einer selektiven Wolframschicht innerhalb einer Kontaktöffnung vorgeschlagen. Anders als bei dem obigen herkömmlichen Verfahren zur Bildung der Abdeckungswolframschicht ist das Verfahren zur selektiven Wolframschichtbildung ein Verfahren des selektiven Bildens von Pfropfen in einer unterschiedlichen Wachstumsrate in Abhängigkeit von Bodenverbindungsleitungsmaterialien, die innerhalb von Kontaktöffnungen exponiert sind, wie etwa reine Metalle, Metallsilizid und N/P+ Silizium. Das Verfahren zur selektiven Wolframschichtbildung verwendet insbesondere die Tatsache, dass dann, wenn mindestens mehr als zwei Verbindungsleitungen gebildet werden, verbunden durch ein Durchgangsloch ohne Bildung einer Adhäsionsschicht, eine Bodenmetallschicht, welche durch das Durchgangsloch, welches die Verbindungsleitungen verbindet, exponiert ist, ein einkristallines/polykristallines Silizium und eine in den Seitenwänden des Durchgangslochs gebildete Isolationsschicht, z. B. eine Siliziumoxidschicht, verschiedene Abscheidungseigenschaften aufweisen.
2 ist ein Querschnitt eines durch Verwendung eines herkömmlichen selektiven Wolframschichtbildungsverfahrens gebildeten Pfropfens.
Wie dargestellt, wird eine Isolationsschicht 22 auf einer Bodenverbindungsleitung 21 gebildet und dann geätzt, um eine Kontaktöffnung 23 zu bilden, die Bodenverbindungsleitung 21 exponiert. Ein Wolframpfropfen 24, welcher die Kontaktöffnung 23 füllt, wird durch Verwendung eines Unterschieds in einer selektiven Abscheidungscharakteristik zwischen der Bodenverbindungsleitung 21 und der Isolationsschicht 22, welche zu den Seitenwänden der Kontaktöffnung 23 wird, gebildet.
Gemäß dem selektiven Wolframschichtbildungsverfahren wächst der Wolframpfropfen 24 jedoch von einer Bodenoberfläche der Kontaktöffnung 23 nach oben, wobei jedoch das Wachstum der Wolframschicht 24, die innerhalb der Kontaktöffnung 23 gebildet wird, fortschreitet, so dass die Wolframschicht 24 in Seitenregionen hinüberfließt. In diesem Fall wird, ähnlich zu dem Abdeckungswolframschichtbildungsverfahren, ein CMP-Prozess verwendet, um den übergeflossenen Teil des Wolframpfropfens 24 zu entfernen, und im Anschluss daran wird ein Nassreinigungsprozess durchgeführt.
Wenn die Bodenverbindungsleitung 21 ein Siliziumsubstrat ist, wächst und diffundiert der Wolframpfropfen 24, welcher auf einem Abschnitt des Siliziumsubstrats 21, welches durch die Kontaktöffnung 23 exponiert ist, abgeschieden wurde, in Richtung des Siliziumsubstrats 21, wodurch Wurmlöcher gebildet werden, welche zu Leckströmen und daraufhin zu fehlerhaften Bauelementen führen. Als ein Ergebnis ist diese selektive Wolframschichtbildungsmethode nur begrenzt in Verwendung für den Fall des Füllens der auf mindestens zwei Verbindungsleitungsstrukturen gebildeten Kontaktlöcher.
Aufgrund eines Unterschieds in den selektiven Abscheidungseigenschaften zwischen einem Material zum Bilden der Seitenwände der Kontaktöffnung und der Bodenverbindungsleitung, wird darüber hinaus eine Lücke zwischen dem selektiv gebildeten Wolframpfropfen und den Seitenwänden der Kontaktöffnung gebildet, was zu einer schlechten Morphologie führt und zu einer Abnahme in der Zuverlässigkeit einer oberen Verbindungsleitung, verursacht durch das überfließende Wolfram.
3 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen Metallpfropfens, welcher durch Verwendung einer chemischen Dampfabscheidungsmethode in eine Kontaktöffnung gefüllt ist.
Wie dargestellt, wird eine Isolationsschicht 33 auf einem siliziumbasierten Substrat 31, welches mit einer Störstellenschicht versehen ist, gebildet und dann geätzt, um eine Kontaktöffnung 34 zu bilden. Eine Titanschicht 35 und eine Titannitridschicht 36 werden aus der durch obiges resultierenden Substratstruktur gebildet.
Als nächstes wird eine Kupfer(Cu)-schicht 37 auf der Titannitridschicht 36 gebildet, und eine auf solch einem Material, wie Aluminium, Titan und Tantal, basierende Metallschicht 38 wird auf der Kupferschicht 37 gebildet, angeordnet auf nicht geätzten Abschnitten der Isolationsschicht 33 durch Verwendung eines physikalischen Dampfabscheidungs(PVD)-verfahrens, d. h. eines Sputterverfahrens.
Anschließend wird die Metallschicht 38 durch Exponieren gegenüber der Atmosphäre oder durch die Verwendung von Sauerstoffplasma oxidiert, wodurch eine Metallabscheidungsbarrierenschicht 39 gebildet wird.
Auf einem exponierten Abschnitt der Kupferschicht 37 wird selektiv ein Metallfutter 40 gebildet. Anschließend wird ein Metallpfropfen 41, der eine durch das Me tallfutter 40 umfasste Region füllt, durch Verwenden eines metallorganischen chemischen Dampfabscheidungs(MOCVD)-verfahrens gebildet. Hier ist der Metallpfropfen 41 aus Aluminium hergestellt.
Wenn eine Höhe der Kontaktöffnung ansteigt, während ein Durchmesser der Kontaktöffnung abrupt abnimmt, dann ist jedoch ein Nachteil der Verwendung eines Sputterverfahrens, wie etwa eines Ionenmetallplasma(IMP)-verfahrens, eines lange-Wurf-Sputtern (englisch long throw sputtering) (LTS)-verfahrens oder eines kollimierten Sputterverfahrens zum Bilden der Titannitridschicht 36, welche eine Barrierenmetallschicht ist, betont. Das bedeutet, dass ein Richtungssinn eines abgeschiedenen Materials zunimmt, und somit eine Stufenabdeckfähigkeit an einem Boden der Kontaktöffnung 34 zunimmt, jedoch an Seitenwänden der Kontaktöffnung 34 abnimmt, und als ein Ergebnis eine Keimerzeugung, die zum Bilden des Metallpfropfens 41 notwendig ist, an den Seitenwänden der Kontaktöffnung 34 nicht auftritt. In diesem Fall wird der Metallpfropfen 41 an einer Bodenoberfläche der Kontaktöffnung 34 gebildet und wächst nach oben, und dann, wenn die Höhe der Kontaktöffnung 34 gering ist, ähnlich zu dem selektiven Wolframschichtabscheidungsverfahren, fließt der Metallpfropfen 41 in Seitenregionen über, oder, wenn die Höhe der Kontaktöffnung 34 groß ist, dann wird eine Zeit zum Bilden des Metallpfropfens 41 verlängert. Da die Metallabscheidungsbarrierenschicht 39 oberhalb eines Abschnitts der Barrierenmetallschicht 36 durch einen vorbestimmten Oxidationsprozess gebildet wird, wächst der Metallpfropfen 41 auch nicht auf der Metallabscheidungsbarrierenschicht 39.
4A ist ein Diagramm, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft darstellt, wenn eine aus Titannitrid (TiN) gebildete Barrierenmetallschicht auf einer Kontaktöffnung abgeschieden wird, dessen Höhe groß ist, z. B. ein Längenverhältnis von etwa 7.5 aufweist, durch Verwenden einer IMP-Methode, welche eine von physikalischen Abscheidungsmethoden ist, die in der Lage sind, eine Stufenabdeckungseigenschaft an einer Bodenoberfläche der Kontaktöffnung durch Erhöhen des Richtungssinns zu verbessern.
Unterdessen ist 4B ein Diagramm, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft darstellt, wenn eine Metallschicht auf einer Barrierenmetallschicht durch Ausführen eines CVD-Verfahrens gebildet wird. In diesem Fall wird die Barrierenmetallschicht aus Titan hergestellt und auf einer Kontaktöffnung abgeschieden, deren Höhe gering ist, z. B. ein Längenverhältnis von etwa 2.5 aufweist, durch Verwenden einer IMP-Methode.
Gemäß 4A wird etwa 50% einer Dicke der Barrierenmetallschicht an einem Bodenteil der Kontaktöffnung aufgefunden. An Seitenwänden der Kontaktöffnung kann die Barrierenmetallschicht jedoch kaum erkannt werden. Ein Unterschied in der Dicke der Barrierenmetallschicht an dem Bodenteil und an den Seitenwänden verstärkt einen Unterschied in der Zeit, um zu Anfang keine im Zuge des Abscheidens einer Wolframschicht nach dem Exponieren der Barrierenmetallschicht gegenüber Luft zu erzeugen. Der Grund für dieses Ergebnis ist eine stark variierende Sauerstoffmenge in der dünnen Barrierenmetallschicht, die durch eine natürliche Oxidationsreaktion erhalten wurde, da die Dichte der Barrierenmetallschicht in Abhängigkeit von diesen unterschiedlichen Dicken variiert, wenn die Barrierenmetallschicht gegenüber Luft exponiert wird.
Das bedeutet, dass die Dicke der Barrierenmetallschicht abnimmt, gemessen von einem Eingang der Kontaktöffnung zu den Seitenwänden der Kontaktöffnung, und diese Abnahme in der Dicke verstärkt wird, wenn das Längenverhältnis zunimmt. Als ein Ergebnis dieser verringerten Dicke der Barrierenmetallschicht verringert sich eine Dicke der Wolframschicht, wenn man nach unten auf den Bodenteil der Kontaktöffnung geht. Dieses Ergebnis ist auch in der 4B dargestellt, in welcher eine Wolframschicht auf einer auf der Kontaktöffnung mit einem niedrigen Längenverhältnis abgeschiedenen Barrierenmetallschicht gebildet ist. Da die Abscheidung an dem Eingang und der Oberfläche der Kontaktöffnung schnell voranschreitet, wird an dem Eingang ein Vorsprung erzeugt, wodurch Lücken in der Wolframschicht zum Gebrauch in einem Pfropfen erzeugt werden.
Um die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, wird vorgeschlagen, eine auf einem Material, wie etwa Titannitrid, aufgebaute Barrierenmetallschicht durch Verwendung einer CVD-Methode mit einer guten Stufenabdeckungseigenschaft zu bilden.
Da die Titannitridschichtabscheidung jedoch bei einer hohen Temperatur vonstatten geht und eine inorganische Verbindung, wie etwa Titantetrachlorid (TiCl₄) als ein Quellengas verwendet wird, reagiert Titan, welches zum Verringern eines Kontaktwiderstandes an einem Bodenteil einer Kontaktöffnung verwendet wird, exzessiv mit einem Siliziumsubstrat, da die Abscheidungstemperatur des Titannitrids hoch wird. Diese exzessive Reaktion zwischen dem Titan und dem Siliziumsubstrat führt zu einem Anstieg in den Leckströmen, wodurch weiter Defekte in Bauelementen erzeugt werden.
Wenn korrosive Elemente, wie etwa Chlor (Cl) innerhalb der Metallbarrierenschicht verbleiben, dann werden auch ein Metallpfropfen und eine Verbindungsleitung korrodiert, was zu einer elektrischen Unterbrechung führt, was weiterhin fehlerhafte Bauelemente erzeugt.
Im Falle der Verwendung eines CVD oder MOCVD-Verfahrens mit Verwendung von metallischen organischen Materialien ist es möglich, die Abscheidung bei einer niedrigen Temperatur vorzunehmen; es steigt jedoch ein spezifischer Widerstand an, da kohlenstoffhaltige Störstellen innerhalb einer abgeschiedenen Schicht verbleiben und sich eine Stufenabdeckungseigenschaft an Seitenwänden und einem Bodenteil einer Kontaktöffnung verschlechtert. Insbesondere in dem Fall, indem Kupfer zum Bilden einer Metallverbindungsleitung verwendet wird, wird eine Barrierenmetallschicht zum Verhindern von Diffusion von Kupfer mit einer größeren Dicke im Vergleich mit dem Fall der Verwendung eines Aluminiumpfropfens zusammen mit der Verwendung einer CVD-Methode gebildet. Im Falle der Verwendung von Tantalnitrid, welches eine bessere Barriereneigenschaft gegenüber Kupfer aufweist jedoch einen höheren spezifischen Widerstand als Titannitrid aufweist, als das Barrierenmetallmaterial, wird ein Effekt eines durch Verwendung von Kupfer als Verbindungsleitungsmaterial erhaltener verbesserter Widerstand schwerwiegend verringert. Wenn eine Breite der Verbindungsleitung 0.2 μm beträgt, dann weist beispielsweise ein Verfahren zum Bilden einer Kupferverbindungsleitung mit Verwendung eines einzelnen damaszierten Prozesses einen verminderten Widerstand der Verbindungsleitung um 11% verglichen mit einem dualen damaszierten Prozess auf, der die Kontaktöffnung füllt und die Verbindungsleitung gleichzeitig bildet. Insbesondere im Vergleich mit dem einzelnen damaszierten Prozess wird die Barrierenmetallschicht dick gebil det, um die Diffusion von Kupfer zu verhindern, wenn der duale damaszierte Prozess verwendet wird, wegen eines erhöhten Mengenverhältnisses. Aufgrund einer hoch diffundierfähigen Eigenschaft, diffundiert das Kupfer zu einer inneren Seite des siliziumbasierten Substrats sogar auch bei einer niedrigen Temperatur von 200°C, wenn die Barrierenmetallschicht auf dem siliziumbasierten Substrat dünn ausgebildet ist, wodurch eine ein tiefes Niveau aufweisende Falle in der Form einer Verbindung aus Kupfer und Silizium gebildet wird, was die Bauelementeigenschaften weiter verschlechtert.
Aus diesem Grund wir der einzelne damaszierte Prozess öfter verwendet, um die Kontaktöffnung mit Aluminium durch die Verwendung eines herkömmlichen Abdeckwolframschichtbildungsprozess oder eines Zurückätzprozesses zu füllen und anschließend eine Kupferverbindungsleitung zu bilden. Im Falle der Verwendung von Aluminium durch die Verwendung einer CVD-Methode werden Kristallisationskerne nicht gleichförmig an dem durch Anwenden einer PVD-Methode erhaltenen Substrat gebildet, oder an einer durch Verwendung einer organischen Verbindung abgeschiedenen Barrierenmetallschicht. Dieses nichtgleichförmige Erzeugen der Kristallisationskerne führt zu einer rauen Oberfläche. Auch wenn das CVD-Verfahren und das PVD-Verfahren nacheinander ausgeführt werden, ohne dass sie der Luft ausgesetzt werden, um das obige Problem zu lösen, kann es weiterhin schwierig sein, einen Pfropfen zu bilden, aufgrund einer schlechten Stufenabdeckungseigenschaft an Seitenwänden der Kontaktöffnung, dessen Höhe groß ist. Um die Abscheidungstemperatur zu senken, welche das Problem des CVD-Verfahrens ist, oder daher ein anderes Verfahren der Verwendung sowohl eines atomaren Schichtabscheidungsverfahrens als auch eines Plasmas vorgeschlagen; dieses vorgeschlagene Verfahren kann jedoch weiterhin nachteilig sein, da es die Verwendung neuer Vorrichtungen zum Ausführen dieses vorgeschlagenen Verfahrens benötigt, und diese Tatsache kann die Herstellungskosten nachteilig erhöhen.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsleitung in einem Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, welches in der Lage ist, eine gewünschte Stufenabdeckungseigenschaft einer Barrierenmetallschicht sicherzustellen sowie gleichzeitig die Barrierenmetallschicht bei einer niedrigen Temperatur zu bilden.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer Metallverbindungsleitung in einem Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt mit den Schritten: Bilden einer Zwischenschichtisolationsschicht auf einem Substrat; Ätzen vorbestimmter Regionen der Zwischenschichtisolationsschicht, um eine Vielzahl von Kontaktöffnungen zu bilden; Bilden einer ohmschen Metallschicht auf den Kontaktöffnungen und der geätzten Zwischenschichtisolationsschicht; Bilden einer Keimschicht auf der ohmschen Metallschicht; Bilden einer Metallschicht auf der Keimschicht und wiederholtes Nitrieren der Metallschicht, um eine Barrierenmetallschicht zu bilden; und Bilden einer Metallverbindungsleitung auf der Barrierenmetallschicht durch Vergraben der Kontaktöffnungen, wobei die Keimschicht eine Siliziumschicht ist.
Das obige und andere Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich mit Bezug auf die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vorgenommen wird, in denen:
1A und 1B Querschnitte sind, die ein herkömmliches Verfahren zum Bilden eines Wolframpfropfens durch Verwendung einer Abdeckungsabscheidungsmethode darstellen;
2 ein Querschnitt ist, der grob einen Wolframpfropfen zeigt, der durch Verwendung eines herkömmlichen selektiven Wolframschichtbildungsverfahrens gebildet wurde;
3 ein Querschnitt ist, welcher ein herkömmliches Verfahren zum Füllen einer Kontaktöffnung durch Verwenden eines chemischen Dampfabscheidung(CVD)-verfahrens zeigt;
4A ein Diagramm ist, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft einer auf einer eine große Höhe aufweisenden Kontaktöffnung durch Verwendung eines Ionenmetallplasma(IMPA)-verfahrens gebildeten Barrierenmetallschicht zeigt;
4B ist ein Diagramm, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft einer Barrierenmetallschicht zeigt, welche durch Verwendung der IMP-Methode auf einer eine geringe Höhe aufweisenden Kontaktöffnung gebildet ist, Ausführen eines CVD-Verfahrens;
5A bis 5G Querschnitte sind, die ein Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsleitungsstruktur in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
6 ein Querschnitt einer Metallverbindungsleitungsstruktur in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein Querschnitt einer Metallverbindungsleitungsstruktur in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8A ein Diagramm ist, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft einer niedrigen Temperatur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildeten Barrierenmetallschicht darstellt;
8B ist ein Diagramm, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft einer Aluminiumverbindungsleitung darstellt, die auf einer bei einer niedrigen Temperatur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung abgeschiedenen Barrierenmetallschicht gebildet ist; und
9A und 9B Querschnitte sind, die ein Verfahren zur Bildung einer Metallverbindungsleitung unter Verwendung eines dualen damaszierten Verfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsleitung unter Verwendung einer bei einer niedrigen Temperatur in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildeten Barrierenmetallschicht wird nun im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
5A bis 5G sind Querschnitte, die ein Verfahren zur Bildung einer Metallverbindungsleitung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
Gemäß 5A wird eine Isolationsschicht 53 auf einen siliziumbasierten Substrat 51 gebildet, welches mit einem Halbleiterbauelement 52, wie etwa einer Gatestruktur oder einer Bitleitung, versehen ist. Es wird dann die Isolationsschicht 53 durch Verwendung eines fotolithografischen Prozesses und eines trockenen Ätzprozesses geätzt, wodurch Kontaktöffnungen 54 erhalten werden, die das Substrat 41 und das Halbleiterbauelement 52 exponieren. Hier sind die Kontaktöffnungen 54 Kontaktlöcher oder Durchgangslöcher zum Verbinden des Halbleiterbauelements 52 und des siliziumbasierten Substrats 51 mit einer Metallverbindungsleitung. Da das Ausmaß der Integration eines Halbleiterbauelements erhöht wurde, wird die Höhe jeder Kontaktöffnung 54 groß und ein Unterschied in der Höhe zwischen den Kontaktöffnungen 54 wird betont.
Nach der Bildung der Kontaktöffnungen 54 wird ein nasser Ätzprozess zum Entfernen der natürlichen Oxidschicht und verbleibender Unreinheiten auf jeder Bodenoberfläche der Kontaktöffnungen 54 ausgeführt. Derzeit wird der nasse Ätzprozess durchgeführt, indem zunächst die obige Substratstruktur in ein Bad aus Schwefelsäure (H₂SO₄) für etwa 5 Minuten getaucht wird, und dann in ein Bad aus verdünnter Flusssäure (HF) für etwa 90 Sekunden getaucht wird. Hier liegt ein Verdünnungsverhältnis der Flusssäure mit Bezug auf eine Verdünnungschemikalie bei etwa 200 zu etwa 1.
Als nächstes wird ein trockener Ätzprozess unter Verwendung eines hochdichten Plasmas mit einer guten richtungsgebenden Eigenschaft ausgeführt, um die natürliche Oxidschicht zu entfernen, die auf den Bodenoberflächen der Kontaktöffnungen 54 verbleibt, oder um eine hochpolymerisierte Schicht, welche ein Material wie etwa Kohlenstofffluorid (CF) enthält, welche auf den Bodenoberflächen der Kontaktöffnungen 54 bleibt, zu entfernen, nachdem der Trockenätzprozess zuvor ausgeführt wurde, um die Kontaktöffnungen 54 zu bilden.
Wenn die Kontaktöffnungen 54 zwei aufeinanderfolgenden Ätzprozessen ausgesetzt werden, dann ist es wie oben beschrieben möglich, die Oberflächen der Kontaktöffnungen 54 ohne Unreinheiten und ohne die natürliche Oxidschicht sauber zu halten.
Gemäß 5B wird eine ohmsche Schicht 55 durch Verwenden eines physikalischen Dampfabscheidungs(PVD)-verfahrens mit einer schlechten Stufenabdeckungseigenschaft an Seitenwänden der Kontaktöffnung 54, dessen Höhe groß ist, gebildet. Ein Ionenmetallplasma(IMP)-verfahren, ein lange-durch-Sputtern(LTS)-verfahren und ein kollimiertes Sputterverfahren sind Beispiele des PVD-Verfahren zum Bilden der ohmschen Metallschicht 55. Hier wird die ohmsche Metallschicht 55 vorzugsweise aus einem Material wie etwa Titan (Ti) oder Titannitrid (TiN) gefertigt, welches als ein stabilisierendes Material mit niedrigem Widerstand zum Absenken eines Kontaktwiderstands dient. In der Zeit wird eine Dicke der ohmschen Metallschicht 55 bestimmt, in dem eine maximale Dicke der Isolationsschicht 53 und ein Durchmesser der Kontaktöffnung 54 berücksichtigt werden. Auch werden elektrische Eigenschaften, wie etwa Leckströme und Kontaktwiderstand, ermittelt, um eine optimale Dicke der ohmschen Kontaktschicht 55 zu bestimmen.
Gemäß 5C wird eine Keimschicht 56 zum Bilden einer Wolframschicht auf der ohmschen Metallschicht 55 gebildet. In der Zeit ist die Keimschicht 56 eine Siliziumschicht oder eine wasserstoffhaltige amorphe Silizium(SiH_x)-schicht, wobei x ein atomares Verhältnis von Wasserstoff repräsentiert, welches in einem Bereich von etwa 0 ≤ x ≤ etwa 4 liegt.
Als ein Beispiel zum Bilden der amorphen Siliziumschicht als die Keimschicht 56 wird das siliziumbasierte Substrat 51 in eine Kammer transferiert und dann auf eine Temperatur zwischen etwa 400°C bis etwa 500°C in einem Vakuum erhitzt. Gleichzeitig werden Ar und SiH₄-Gase in die Kammer eingeströmt, und ein Zustand mit niedrigem Druck, beispielsweise in einem Bereich von etwa 1,33 hPa bis etwa 13,3 hPa, wird aufrechterhalten. Unter diesen aufrechterhaltenden Bedingun gen wird die amorphe Siliziumschicht an einer Oberflächenreaktionsregion gebildet. Da die amorphe Siliziumschicht durch eine Oberflächenreaktion gebildet wird, weist die amorphe Siliziumschicht eine gute Stufenabdeckungseigenschaft auf. Weiterhin steigt eine Dicke der Keimschicht 56 mit Abhängigkeit von Zeit und Temperatur an, und wird durch Berücksichtigung einer Dicke der oben erwähnten Wolframschicht bestimmt, welche anschließend gebildet wird.
Gemäß 5D wird die zuvor erwähnte Wolframschicht 57 auf der Keimschicht 56 insbesondere durch eine Reduktionsreaktion von Silizium gebildet. Reduktionsreaktion von Silizium zum Bilden der Wolframschicht 57 wird induziert, in den Wolframhexafluorid(WF₆)-gas der Keimschicht 56 zur Verfügung gestellt wird. Diese Siliziumreduktionsreaktion wird wie folgt ausgedrückt: 2WF₆(g) + 3Si(s) → 2W(s) + 3SiF₄(g) Gleichung 1Während der Siliziumreduktionsreaktion wird das innerhalb eines Bodenabschnittes der Keimschicht 56 existierende Silizium durch eine Menge verbraucht, die etwa 1.2 bis etwa 1.3 mal der Dicke der Wolframschicht 57 entspricht, und verbleibt mit einer vorbestimmten Dicke nach der Bildung der Wolframschicht 57. Die Wolframschicht 57 funktioniert insbesondere als eine Klebeschicht.
Produkte der obigen Siliziumreduktionsreaktion, wie etwa nichtreagiertes WF₆, SiF₄ und SiHF₃ können unterdessen weiterhin zurückbleiben, indem sie an einer inneren Seite und einer Oberfläche der Wolframschicht 57 absorbiert werden. Daher wird die Wolframschicht 57 einem gemischten Gas aus Ar und H₂ für eine vorbestimmte Zeit exponiert, um diese absorbierten Produkte zu entfernen.
In dem Fall, indem Kupfer als ein Metallverbindungsleitungsmaterial verwendet wird, ist es notwendig, eine Dicke der Wolframschicht 57 zum Zwecke der Stärkung einer Diffusionsbarriereneigenschaft zu erhöhen.
Die Wolframschicht 57 weist eine selbstbegrenzende Eigenschaft auf, wenn sie auf die Keimschicht 56 abgeschieden wird, obwohl diese Eigenschaft in Abhängigkeit eines Prozessrezepts zum Bilden der Wolframschicht 57 abhängt. Es werden daher die Schritte des Bildens der Wolframschicht 57 und des Nitridie rens der Wolframschicht 57 wiederholt, wodurch eine Wolframnitrid(WN)-schicht erhalten wird.
Die Bildung der Wolframnitridschicht 57A wird mit Bezug auf 5e detaillierter beschrieben.
Die Wolframschicht 57, die in 5d dargestellt ist, wird wie dargestellt durch die Siliziumreduktionsreaktion gebildet und anschließend nitridiert. Diese aufeinanderfolgenden Schritte werden wiederholt, um die Wolframschicht 57 in die oben erwähnte Wolframnitridschicht 57A zu transformieren, welche eine Barrierenmetallschicht ist. Hier dient die Wolframnitridschicht 57A insbesondere als eine Diffusionsbarrierenmetallschicht. In der Zeit wird die Wolframschicht 57 durch Verwenden eines Fernplasmaverfahrens unter Verwendung eines Gases, welches Stickstoff enthält, wie etwa NH₃, N₂H₄ oder N₂, nitridiert.
Wenn die Wolframschicht 57 bei einer Temperatur größer als etwa 300°C abgeschieden wird, dann steigt eine Abscheidungsrate der Wolframschicht 57 schnell an, was zu einer Abnahme in der Dichte der Wolframschicht 57 führt. Wenn beispielsweise ein Gesamtdruck bei etwa 0,66 hPa zum Zeitpunkt der Abscheidung liegt und etwa 15 sccm des WF₆ Gases unter etwa 2 slm der Ar Gases verwendet werden, dann liegt die Abscheidungsrate bei einer Temperatur von etwa 240°C bei etwa 1.1 nm pro Minute, verändert sich jedoch auf etwa 165 nm pro Minute bei einer Temperatur von etwa 290°C.
Wenn die Abscheidungsrate ansteigt, ist es wie oben beschrieben schwierig eine Dicke der Barrierenschicht welche zu einer nachfolgenden Schicht in Abhängigkeit von einem Durchmesser der Kontaktöffnung 54 wird, genau zu kontrollieren. Der gewünschte Dickenbereich der Barrierenmetallschicht liegt bei etwa 2 nm bis etwa 30 nm.
Wenn die Abscheidungstemperatur auf etwa 450°C ansteigt, dann reagiert unterdessen das Quellengas WF₆ zum Bilden der Wolframschicht 57 mit der Keimschicht 56, um ein Wolframsilizid (Wsix) zu bilden, wobei x ein atomares Verhältnis von Silizium repräsentiert, welches kleiner oder gleich etwa 2 ist. Die chemi sche Reaktion zwischen dem Quellengas und der Keimschicht 56 wird wie folgt ausgedrückt. 2WF₆(g) + 7Si(s) → 2Wsi₂(s) + 3SiF₄(g) Gleichung 2
Die Bildung der Wolframsilizidschicht verursacht einen abrupten Anstieg des spezifischen Widerstands. Beispielsweise liegt ein spezifischer Widerstand von Wolfram bei etwa 5 Ω-cm bis etwa 10 Ω-cm, wenn Wolfram über einer Klebeschicht aus Titannitrid/Titanwolfram abgeschieden wird. Wenn Wolfram auf einem Siliziumsubstrat bei einer Temperatur zwischen etwa 236°C bis etwa 292°C abgeschieden wird, dann liegt ein spezifischer Widerstand des Wolframs in einem Bereich von etwa 31.7 μΩ-cm bis etwa 114 μΩ-cm. Wolframsilizid weist jedoch einen hohen spezifischen Widerstand von etwa 500 μΩ-cm auf, wenn es auf dem Siliziumsubstrat bei einer Temperatur von etwa 500°C abgeschieden wird.
In dem Fall, dass ein Reaktionsdruck ansteigt, dann steigt auch eine selbstbeschränkte Dicke der Wolframschicht 57 an. Wenn beispielsweise ein Reaktionsdruck in der Größenordnung von etwa 0,066 PA, etwa 0,133 Pa oder etwa 0,266 Pa ansteigt, dann verändert sich eine selbstbeschränkte Dicke der Wolframschicht 57 in der Größenordnung von etwa 18 nm, etwa 32 nm bzw. 60 nm. In der Zeit liegt eine Abscheidungstemperatur bei etwa 345°C, und es werden etwa 20 sccm des WF₆ Gases und etwa 2 slm des Ar Gases verwendet.
Da die selbstbeschränkte Dicke der Wolframschicht 57 ansteigt, ist es notwendig, ein optimales Prozessrezept zu bestimmen, in dem verschiedene Parameter berücksichtigt werden. Bei detaillierterer Betrachtung der Parameter wird während der Bildung der Keimschicht 56 das SiH₄ Gas mit Parametern, wie etwa einer Temperatur, die in einem Bereich von etwa 400°C bis etwa 500°C variiert, zugeführt, es wird ein Fernplasmaverfahren verwendet oder nicht verwendet, es wird der Exponierzeit des SiH₄ Gases variiert, und es wird dann eine Veränderung in einer Abscheidungsrate der Wolframschicht 57 in Abhängigkeit von einer Abscheidungstemperatur, die zwischen etwa 200°C bis etwa 300°C, und einem Druck, der zwischen etwa 0,133 Pa bis etwa 1,33 hPa liegt, gemessen. Im Falle der Verwendung der Fernplasmamethode ist es möglich, die Keimschicht 56 bei einer Temperatur unterhalb von etwa 400°C zu bilden.
In dem Schritt des Bildens der Wolframnitridschicht 57A, d. h. der Barrierenmetallschicht, können einer Reaktionskammer Reaktionsquellen individuell nacheinander zur Verfügung gestellt werden, oder es kann ein inertes Gas für eine vorbestimmte Zeit in der Mitte des zur Verfügungstellens jeder Reaktionsquelle zur Verfügung gestellt werden. Durch dieses spezielle zur Verfügung stellen der Reaktionsquellen ist es möglich, Stufenabdeckungseigenschaften der abgeschiedenen Schichten zu verbessern und innerhalb der abgeschiedenen Schichten exsistierende Störstellen zu entfernen.
Gemäß 5F wird eine Aluminium(Al)-schicht 58A in die Öffnungen 54 durch Verwenden eines typischen Abscheidungsverfahrens gefüllt, welches eine gute Stufenabdeckungseigenschaft aufweist, wie etwa ein chemischen Dampfabscheidungs(CVD)-verfahren oder ein atomares Schichtabscheidungs(ALD)-verfahren. Als nächstes wird dann die Aluminiumschicht 58A der Luft ausgesetzt. Derzeit wird, obwohl es nicht dargestellt ist, aufgrund dieses Exponierens auf einer Oberfläche der ersten Aluminiumschicht 58A eine natürliche Oxidschicht gebildet. Die natürliche Oxidschicht wird dann durch einen physikalischen Ätzprozess unter Verwendung von Ar-Plasma entfernt. Wenn die erste Aluminiumschicht 58A nicht der Luft ausgesetzt wird, dann kann dieser physikalische Ätzprozess weggelassen werden.
Als nächstes wird eine zweite Aluminiumschicht 58B auf der ersten Aluminiumschicht 58A durch Verwendung eines physikalischen Dampfabscheidungs(PVD)-prozesses gebildet. Im Anschluss daran wird ein Zurückflussprozess ausgeführt, um die zweite Aluminiumschicht 58B einzuebnen. Hier wird der Zurückflussprozess durchgeführt, in dem eine thermische Behandlung mit der obigen Substratstruktur in einem Vakuum durchgeführt wird. Die thermische Behandlung insbesondere durchgeführt bei einer Temperatur zwischen etwa 350°C bis etwa 500°C für etwa einige Sekunden bis einige Minuten, vorzugsweise für etwa 30 Sekunden bis etwa 180 Sekunden, in einer Atmosphäre aus einem inerten Gas, wie etwa Ar.
Gemäß 5G führt die Hitze, die der resultierenden Substratstruktur während des Zurückflussprozesses und des physikalischen Ätzprozesses zum Entfernen der natürlichen Oxidschicht zugeführt wird, zu einem Entfernen einer Grenzschicht zwischen der ersten Aluminiumschicht 58A und der zweiten Aluminiumschicht 58B, wodurch sich eine einzelne Schicht einer Aluminiumverbindungsleitung 58 bildet. Das bedeutet, dass die Aluminiumverbindungsleitung 58 gebildet wird, wenn Aluminiumstoffe der ersten und der zweiten Aluminiumschichten 58A und 58B fließen, um in die Öffnungen 54 gefüllt zu werden, während gleichzeitig eine obere Oberfläche der Aluminiumverbindungsleitung 58 aufgrund des Zurückflussprozesses eingeebnet wird.
Wie oben beschrieben weist die Aluminiumverbindungsleitung 58 eine verbesserte kristalline Qualität auf, da die Aluminiumverbindungsleitung 58 aus der ersten Aluminiumschicht 58A hervorgeht, welche durch ein Kornwachstum hergestellt wurde.
Nach der Bildung der Aluminiumverbindungsleitung 58 wird eine antireflektierende Beschichtungsschicht 59 auf der Aluminiumverbindungsleitung 58 durch Verwenden einer PVD-Methode gebildet. In der Zeit wird die antireflektierende Beschichtungsschicht 59 aus einem Material, wie etwa Titan und Titannitrid, gebildet, und kann als eine einzelne Schicht dieses ausgewählten Materials oder in gestapelten Schichten dieser Materialien gebildet werden.
In Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird statt der Verwendung von Wolfram als ein Material zum Bilden der Verbindungsleitung, beispielsweise eines Pfropfens, Aluminium zusammen mit der Verwendung der CVD-Methode verwendet. In dem Fall der Verwendung eines vorbestimmten Prozesses zum Bilden der Aluminiumverbindungsleitung und des Ausführens dieses vorbestimmten Prozesses bei einer Temperatur größer als eine Grenzschichtreaktionsinitiationstemperatur, wird die Wolframschicht auf eine Temperatur (T) in einem Bereich von etwa 400°C ≤ T ≤ etwa 500°C erhitzt, ohne gegenüber Luft exponiert zu sein, und wird dann den Fernplasmaprozess unter Verwendung eines vorbestimmten Gases, wie etwa NH₃ oder N₂, ausgesetzt, so dass die Wolframschicht in das Wolframnitrid (WN_x) transformiert wird, wobei x ein atomares Verhältnis repräsentiert, welches kleiner oder gleich etwa 2 ist.
Derzeit dient die Wolframnitridschicht als die Barrierenmetallschicht zum Verhindern, dass das Aluminium der im folgenden gebildeten Aluminiumverbindungsleitung mit den unterhalb der Aluminiumverbindungsleitung angeordneten Bodenschichten diffundiert und reagiert.
Unterdessen ist es für das Vergraben der ersten Aluminiumschicht in die Kontaktöffnungen durch Verwenden der CVD-Methode möglich, die erste Aluminiumschicht durch Verwendung einer selektiven Wachstumseigenschaft einer Aluminiumverbindung, wie etwa Dimethylaluminiumhydrid (DMAH) oder Methylpyrrolidinalan (MPA), welches nur auf einem leitenden Material gebildet wird, nur auf der Wolframnitridschicht zu bilden. Daher wird die erste Aluminiumschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 250°C bis etwa 400°C und bei einem Druck von zwischen etwa 1,33 hPa bis etwa 13,3 hPa gebildet.
Die Verwendung einer Aluminiumverbindung mit der oben erwähnten selektiven Wachstumseigenschaft zersetzt organische Komponenten bei einer niedrigen Temperatur, da die Aluminiumverbindung in das Substrat diffundiert. Als Ergebnis wird ein Effekt des Verhinderns oder Minimierens einer Abnahme in einer Bauelementausbeute, verursacht durch Teilchen, die durch eine instabile Reaktion erzeugt werden, zur Verfügung gestellt, in dem ein Prozessrezept gesteuert wird, welches die Abnahme in der Bauelementausbeute verursacht.
Dementsprechend können herkömmlicher Weise verwendete Aluminiumverbindungen, die nicht die ausgewählte Wachstumseigenschaft aufweisen, wie etwa Trimethylaluminium (TMA), Triisobutylaluminium (TIBA) und Dimethylethylaminealane (DMEAA), eine Kristallisationskernerzeugung auf der Isolationsschicht herausbringen, außer für die Barrierenmetallschicht und einer Eigenschaft eines Reaktionsgases, welches sich in Dampf zersetzt, während der Metallpfropfen, beispielsweise die Aluminiumverbindungsleitung, innerhalb der Kontaktöffnungen, auf welchen die Barrierenmetallschicht gebildet wird, selektiv gebildet wird. Wenn der Metallpfropfen anschließend auf der gesamten Oberfläche der Substratstruktur, welche durch Bilden der Barrierenmetallschicht auf den Kontaktöffnungen ohne gegenüber der Luft ausgesetzt zu sein, präpariert wird, gebildet wird, dann ist es weiterhin möglich, dass die Bauelementausbeute unabhängig von einem verwendeten Abscheidungsverfahren aufgrund der Teilchenerzeugung weiterhin abnimmt.
6 ist ein Querschnitt, welcher eine Metallverbindungsleitung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Hier werden die gleichen Bezugszeichen, die in der ersten Ausführungsform verwendet wurden, für die gleichen Konfigurationselemente in dieser Zeichnung verwendet, und eine Bildung derartiger Konfigurationselemente wird nicht im Detail beschrieben.
Zusätzlich zu der Verwendung der Aluminiumschicht 58 als der Pfropfen zum Füllen der Kontaktöffnungen, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, zeigt die zweite Ausführungsform insbesondere beispielhaft die Verwendung der Aluminiumschicht 58 als eine Verbindungsleitung.
Wie in dieser Zeichnung dargestellt ist, wird die Aluminiumschicht 58 auf einer Barrierenmetallschicht 57A durch Ausführen eines CVD-Verfahrens gebildet. Hier wird die Barrierenmetallschicht aus Wolframnitrid gebildet und bei einer niedrigen Temperatur zusammen mit einer guten Stufenabdeckungseigenschaft gebildet. Zusätzlich zu dem CVD-Verfahren kann die Aluminiumschicht 58 auch durch Verwenden einer ALD-Methode oder multisequenzenen Schritten des alternierenden Zuführens von Reaktionsgasen gebildet werden.
Als nächstes wird eine Kupferschicht 60 auf der Aluminiumschicht 58 durch Verwenden der gleichen Methode wie oben beschrieben gebildet. In der Zeit wird die Kupferschicht 60 nicht der Atmosphäre ausgesetzt, und es wird eine Dicke der Kupferschicht 60 durch Berücksichtigung einer gewünschten Menge an Kupfer, welches in die Aluminiumschicht 58 implantiert werden soll, bestimmt. Es werden dann Kupferatome innerhalb der Aluminiumschicht 58 dispergiert, und um eine Zuverlässigkeit durch ein Kornwachstum zu verbessern wird ein thermischer Prozess in einer Kammer ausgeführt, welche in einem Vakuum und in einer Atmosphäre eines inerten Gases, wie etwa Ar, für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird. Während der thermische Prozess ausgeführt wird, wird die Aluminiumschicht 58 eingeebnet.
Anschließend wird eine antireflektierende Beschichtungsschicht 59 auf der Kupferschicht 60 und der eingeebneten Aluminiumschicht 58 gebildet, wodurch eine eingeebnete Metallverbindungsstruktur mit einer guten Zuverlässigkeit erhalten wird.
Wenn es notwendig ist eine Störstelle, wie etwa Silizium, welches in der Lage ist, eine Toleranz gegenüber elektrischer Trennung einer Metallverbindungsleitung, verursacht durch einen auf die Metallverbindungsleitung ausgeübten Stress, zu verbessern, hinzuzufügen, dann wird eine siliziumhaltige Verbindung sequenziell mit Wasserstoffgas und einem inerten Gas während der Abscheidung der Wolframnitridschicht 57A und dann der Aluminiumschicht 58 hinzugefügt. In diesem Fall ist eine Konzentration des Siliziums, welches innerhalb der Aluminiumschicht 58 enthalten sein kann, während eines nachfolgenden thermischen Prozesses niedrig, und somit wird eine Spur des Siliziums diffundieren, während das meiste des Siliziums innerhalb der Wolframnitridschicht 57A verbleibt, indem es zusammen agglomeriert.
7 ist ein Querschnitt, welcher eine Metallverbindungsleitungsstruktur in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der dritten Ausführungsform wird insbesondere eine Kupferschicht mit dem niedrigsten Widerstand bezüglich einer Verbindungsleitung auf einer Barrierenmetallschicht, d. h. bei einer niedrigen Temperatur abgeschiedenen Wolframnitridschicht, gebildet. Auch in dieser dritten Ausführungsform werden die gleichen Bezugszeichen, die in der ersten und der zweiten Ausführungsform erscheinen, für die gleichen Konfigurationselemente verwendet.
Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform, in der die Aluminiumschicht verwendet wird, um Kontaktöffnungen zu füllen sowie gleichzeitig eine Metallverbindungsleitung zu bilden, wird dargestellt eine Kupferschicht 61 auf einer Wolframnitridschicht 57A gebildet, welche eine Barrierenmetallschicht ist, durch Verwendung einer CVD-Methode, und es wird dann eine antireflektierende Beschichtungsschicht 59 auf der Kupferschicht 61 gebildet.
Da Kupfer hoch diffundierbar ist, werden die Schritte des Bildens einer amorphen Siliziumschicht, des Bildens einer Wolframschicht und des Ausführens eines Nitridierungsprozesses mit der Wolframschicht einige Male wiederholt, um ein Auftreten einer Kupferdiffusion, verursacht durch thermische Energie, die während nachfolgenden Prozessen zum Bilden einer vielschichtigen Verbindungsleitungsstruktur an das Substrat 51 angelegt werden, zu verhindern.
Derzeit können eine Dicke der Wolframnitridschicht 57A oder die Anzahl von Wiederholungen der obigen sequenziellen Schritte variieren aufgrund eines Unterschieds in einer Temperatur der nachfolgenden thermischen Prozessen in Abhängigkeit von einem verwendeten Halbleiterbauelement. Daher ist es notwendig, die optimale Dicke zu bestimmen und die Anzahl von Wiederholungsschritten zum Bilden der Wolframnitridschicht 57A für jedes angewendete Halbleiterbauelement.
Im Falle des Bildens der oben erwähnten Wolframnitridschicht 57A, die als die Barrierenmetallschicht dient und eine gute Stufenabdeckungseigenschaft aufweist, auf einer anderen Barrierenmetallschicht 55, aus Ti oder TiN, gebildet durch ein PVD-Verfahren, wird eine Barriereneigenschaft gegenüber der Kupferdiffusion durch eine nicht nachfolgende Schicht, gebildet zwischen den obigen beiden Barrierenmetallschichten 57A und 55, und einen Unterschied im Kristallgitter dieser beiden Barrierenmetallschichten 57A und 55 verbessert. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, die Schritte des Bildens einer Metallschicht und des Nitridierens der Metallschicht zu dem Zweck der Stärkung der Barrierenschicht zu wiederholen. Das bedeutet, dass es möglich ist, die Metallschicht zu bilden und die Metallschicht zu nitridieren, mit gewünschten Dicken in einem Schritt. Wie oben beschrieben weist die Wolframnitridschicht 57A eine gute Barriereneigenschaft gegenüber der Kupferdiffusion auf, und somit ist es möglich, die Kupferdiffusion bis zu einer Temperatur von etwa 600°C für etwa 30 Minuten zu verhindern, wenn die Wolframnitridschicht 57A eine Dicke von etwa 8 nm aufweist. In dem Fall, in dem die Wolframnitridschicht 57A eine Dicken von etwa 25 nm aufweist, ist es möglich, die Kupferdiffusion bis zu einer Temperatur von etwa 790°C für etwa 30 Minuten zu verhindern.
Während ein Gas, welches eine selektive Wachstumseigenschaft zur Verfügung stellt, wie etwa Cu(hfac)TMVS zusammen mit Ar-Gas einem erhitzten Substrat in 51 in einer Reaktionskammer zur Verfügung gestellt wird, wird eine Abdeckungs abscheidungseigenschaft beobachtet, da das zum Bilden der Metallverbindungsleitung verwendete Kupfer gleichförmig auf einer Bodenoberfläche, Seitenwänden und einer oberen Oberfläche jeder Kontaktöffnung 54 durch Ausführen eines CVD-Verfahrens abgeschieden wird. Hier sind hfac und TMVS des Cu(hfac)TMVS die Abkürzungen von Hexafluoracetylacetonat bzw. Trimethylvinylsilan. D. h., dass die Bodenoberfläche, Seitenwände und obere Oberfläche jeder Kontaktöffnung untereinander verschiedene Stufenabdeckungseigenschaften aufweisen, da verursacht durch eine schlechte Stufenabdeckungseigenschaft verschiedene Zeiten zur Initiierung einer Erzeugung von Kristallisationskernen vorhanden sind. Diese nicht gleichförmige Stufenabdeckungseigenschaft wird im Detail in den 8A und 8B beschrieben.
Insbesondere ist 8A ein Diagramm, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft einer bei niedriger Temperatur abgeschiedenen Barrierenmetallschicht darstellt.
Wie dargestellt, wird die Barrierenmetallschicht auf einer Kontaktöffnung gebildet, dessen Höhe groß ist, z. B. mit einem Längenverhältnis von etwa 7 und einer kritischen Dimension von etwa 0.3 μm, bei einer niedrigen Temperatur. Es wird dargestellt, dass derzeit die Barrierenmetallschicht eine gute Stufenabdeckungseigenschaft aufweist, wenn eine Dicke der Barrierenmetallschicht etwa 5 nm beträgt.
Die Wolframschicht wird beispielsweise auf der Barrierenmetallschicht durch Verwenden eines CVD-Verfahrens abgeschieden, um die Stufenabdeckungseigenschaft der Barrierenmetallschicht, die auf einer amorphen Siliziumschicht bei einer Temperatur unterhalb von etwa 400°C durch eine selektive Wachstumsbedingung gebildet ist, zu testen. Wie in dieser Zeichnung dargestellt, wird die Kontaktöffnung mit der Aluminiumschicht ohne die Erzeugung von Lücken gefüllt.
8B ist ein Diagramm, welches eine Stufenabdeckungseigenschaft einer Aluminiumverbindungsleitung zeigt, die auf einer bei einer niedrigen Temperatur abgeschiedenen Barrierenmetallschicht gebildet ist.
Wie dargestellt, wird ein aluminiumbasiertes organisches Verbindungsmaterial mit einer selektiven Wachstumseigenschaft auf der Barrierenmetallschicht vollständig in eine Kontaktöffnung gefüllt, dessen Höhe groß ist, z. B. ein Längenverhältnis von etwa 20 und eine kritische Dimension von etwa 0.3 μm aufweist.
Die Verwendung der oben beschriebenen Barrierenmetallschicht mit einer guten Stufenabdeckungseigenschaft kann auf einen einzelnen oder einen dualen damaszierten Prozess angewendet werden.
9A und 9B sind Querschnitte, die ein Verfahren zur Herstellung eines Verfahrens zum Bilden einer Metallverbindungsleitung unter Verwendung eines damaszierten Prozesses darstellen. Hier werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Konfigurationselemente verwendet, wie sie in der ersten bis zu der dritten Ausführungsform durchgehend beschrieben wurden.
Gemäß 9A wird eine damaszierte Struktur durch Verwenden eines typischen Verfahrens gebildet. Das bedeutet, dass eine erste Isolationsschicht 53, eine Ätzbarrierenschicht 62 und eine zweite Isolationsschicht 63 sequenziell auf einem Substrat 51 gebildet werden, welches mit einem zuvor gebildeten Bauelement 42, wie etwa einer Gatestruktur oder einer Bitleitung, versehen ist. Anschließend wird die zweite Isolationsschicht 63 geätzt, um einen Graben zu bilden, in welchem eine Verbindungsleitung gebildet werden wird, und dann wird die erste Isolationsschicht 43 geätzt, um die oben erwähnten (nicht dargestellten) Kontaktöffnungen zu bilden, auf welchen Pfropfen gebildet werden. Anschließend werden eine Keimschicht 56 und eine Barrierenmetallschicht 57A sequenziell auf der oben resultierenden Substratstruktur gebildet.
Als nächstes wird eine Metallschicht 64 mit einem niedrigen Wert des spezifischen Widerstands durch Verwenden einer CVD-Methode durch Gebrauch einer Verbindung, die eine selektive Abscheidungscharakteristik bezüglich der Bodenschichten unterhalb der Metallschicht 64 zur Verfügung stellt, gebildet. Hier wird die Metallschicht 64 durch Verwenden eines Materials wie etwa Kupfer oder Aluminium gebildet. Durch die CVD-Verfahren ist es möglich, die Metallschicht 64 gleichförmig auf dem Substrat 51, der (nicht dargestellten) Kontaktöffnung und dem Bauelement 52 ohne Erzeugung von Teilchen zu bilden.
Gemäß 9B werden ein chemisch mechanischer Polier(CMP)-prozess und ein Reinigungsprozess ausgeführt. Derzeit wird die Metallschicht 64 eingeebnet, bis sie eine Höhe aufweist, die niedriger ist, als die der zweiten Isolationsschicht 63.
Obwohl es nicht dargestellt ist, wird ein thermischer Prozess zum Rekristallisieren der Metallschicht 64 ausgeführt, und es kann dann eine weitere Metallbarrierenschicht nur auf der exponierten Metallschicht 64 durch Wiederholen der Schritte des selektiven Bildens einer weiteren Metallschicht und des Nitridierens dieser anderen Metallschicht gebildet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt den Gebrauch von Wolfram als die Metallschicht auch beispielhaft dar; die Metallschicht kann jedoch aus einem Material hergestellt sein, welches aus Molybdän (Mo) und hochschmelzenden Metallen ausgewählt ist, die eine Reduktionsreaktion der Keimschicht induzieren.
In Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Metallschicht, die in der Lage ist, als Barrierenmetallschicht zu dienen, gleichförmig auf der gesamten Oberfläche der präparierten Substratstruktur gebildet, die einen Höhenunterschied bei einer Temperatur unterhalb von etwa 400°C durch Verwenden einer durch Liefern von Reaktionsgasen in sequenziellen Schritten und einer in Abhängigkeit von einem Typ und einem Status der Bodenschichten, die unterhalb der Metallschicht gebildet sind, auftretenden selektiven Abscheidungscharakteristik, induzierten Oberflächenreaktion, aufweist. Als ein Ergebnis ist es möglich, Bauelementinstallationskosten im Vergleich mit dem Fall der Abdeckungsabscheidung einer Aluminiumschicht und eines nachfolgenden Ätzprozesses zu reduzieren, und es können auch Kosten, die sich auf ein Investment für Fabrikausrüstung beziehen, durch Verwenden herkömmlich verwendet PVD und CVD-Vorrichtungen reduziert werden.
Darüber hinaus wird die Anzahl der Schritte reduziert, um den Pfropfen und die Verbindungsleitung zu bilden, wodurch Ausbeute und Produktivität für die Halbleiterbauelemente erhöht werden.
In der Multischicht-Verbindungsleitungsstruktur mit hohem Längenverhältnis ist es darüber hinaus möglich, Herstellungskosten und Ausbeute von Halbleiterbauelementen zu reduzieren, da das Vergraben der Kontaktöffnung und das Bilden der Verbindungsleitung unabhängig von einem Ort der Metallverbindungsleitung durchgeführt werden können, indem sie bei einer Produktherstellungstechnologie unabhängig von einem Trend der kontinuierlichen Verkleinerung angewendet wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsleitung in einem Halbleiterbauelement, mit den Schritten: Bilden einer Zwischenschichtisolationsschicht auf einem Substrat; Ätzen vorbestimmter Regionen der Zwischenschichtisolationsschicht, um eine Vielzahl von Kontaktöffnungen zu bilden; Bilden einer ohmschen Metallschicht auf den Kontaktöffnungen und der geätzten Zwischenschichtisolationsschicht; Bilden einer Keimschicht auf der ohmschen Metallschicht; Bilden einer Metallschicht auf der Keimschicht und wiederholtes Nitridieren der Metallschicht, um eine Barrierenmetallschicht zu bilden; Bilden einer Metallverbindungsleitung auf der Barrierenmetallschicht durch Vergraben der Kontaktöffnungen; wobei die Keimschicht eine Siliziumschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei der Schritt des Bildens der Barrierenmetallschicht die Schritte einschließt: Abscheiden der Metallschicht auf der Keimschicht durch die Verwendung einer durch eine Reduktion der Keimschicht induzierten Oberflächenreaktion; und Nitridieren der Metallschicht, um die Metallschicht in die Barrierenmetallschicht zu transformieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Nitridierens der Metallschicht durch Verwenden eines Fernplasmaverfahrens ausgeführt wird, um die Metallschicht in die Barrierenmetallschicht zu transformieren.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Nitridierens der Metallschicht durch Liefern eines stickstoffhaltigen Gases, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus NH₃, N₂H₄ und N₂ besteht, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Metallschicht aus Wolfram besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Barrierenmetallschicht aus Wolframnitrid besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Bildens der Metallschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 200°C bis etwa 300°C und einem Druck zwischen etwa 0,133 Pa bis 1,33 hPa durchgeführt wird.
Verfahrens nach Anspruch 2, wobei die Metallschicht durch Verwendung Molybdän oder einem hochschmelzenden Metall gebildet wird, welches eine Reduktionsreaktion der Keimschicht induziert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht eine wasserstoffhaltige amorphe Siliziumschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht gebildet wird durch Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur zwischen etwa 400°C bis etwa 500°C bei gleichzeitigem Liefern eines siliziumhaltigen Gases an das erhitzte Substrat.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Keimschicht durch Erhitzen des Substrats bei einer Temperatur zwischen etwa 400°C bis etwa 500°C bei gleichzeitigem Liefern eines siliziumhaltigen Gases an das erhitzte Substrat gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens der Keimschicht und der Barrierenmetallschicht durch sequenzielles Liefern von Reaktionsquellen in einem separaten Schritt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens der Keimschicht und der Barrierenmetallschicht durch Liefern eines inerten Gases für eine vorbestimmte Zeit zwischen einem Intervall eines Lieferns von Reaktionsquellen in einem separaten Schritt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens der Metallverbindungsleitung die Schritte einschließt: Bilden einer ersten Aluminiumschicht durch Verwenden eines chemischen Dampfabscheidungsverfahrens oder eines atomaren Schichtabscheidungsverfahrens; Bilden einer zweiten Aluminiumschicht durch Verwenden eines physikalischen Dampfabscheidungsverfahren; und Ausführen eines Rückflussprozesses mit den ersten und zweiten Aluminiumschichten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei bei dem Schritt des Bildens der ersten Aluminiumschicht eine Reaktionsquelle ein Dimethylaluminiumhydrid (DMAH) oder Methylpyrrolidinalan (MPA) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens der Metallverbindungsleitung die Schritte einschließt: Bilden einer Aluminiumschicht durch Verwenden eines chemischen Dampfabscheidungsverfahrens bis die Aluminiumschicht in die Kontaktöffnungen gefüllt ist; Bilden einer Kupferschicht auf der Aluminiumschicht; und Implantieren von Kupferatomen in die Aluminiumschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens der Metallverbindungsleitung den Schritt des Bildens einer Kupferschicht auf der Barrierenmetallschicht durch Verwenden eines chemischen Dampfabscheidungsverfahrens einschließt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Bildens der Kupferschicht durch Verwendung einer Reaktionsquelle aus [cu(hfac)TMVS] durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Bildens der Kupferschicht durch Verwendung einer Reaktionsquelle aus [cu(hfac)TMVS] durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin den Schritt des Bildens einer antireflektierenden Beschichtungsschicht aufweisend.