DE10240116A1

DE10240116A1 - Verfahren zur Herstellung lokaler Verbindungsbarrierenschichten

Info

Publication number: DE10240116A1
Application number: DE10240116A
Authority: DE
Inventors: Fred Austin Hause; Gert Burbach; Volker Kahlert
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-11
Also published as: US20050101120A1

Abstract

In einem Barrierenherstellungsprozess wird eine Haftschicht aus hochschmelzendem Metall an Seitenwänden und dem unteren Bereich eines Grabens abgeschieden und anschließend wird eine Nitridschicht aus dem hochschmelzenden Metall auf der Haftschicht gebildet. Nach Herstellung der Nitridschicht wird das Substrat einer Wärmebehandlung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre unterzogen, um weiterhin restliches hochschmelzendes Metall in Nitrid umzuwandeln, wodurch die Barriereneigenschaften der Nitridschicht in einem anschließenden Prozess zum Auffüllen eines Kontaktmetalls, etwa von Wolfram, verbessert werden.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere das Herstellen lokaler Verbindungsbarrierenschichten (LIB-Schichten) in Metallverbindungsstrukturen integrierter Schaltungen.

In jüngster Zeit wurden hochschmelzende Metalle (d.h. Wolfram (W), Titan (Ti), Molybdän (Mo) und Tantal (Ta)) in großem Umfange für diverse Anwendungen in Verbindungssystemen von integrierten Schaltungen auf Siliciumbasis verwendet. Im Wesentlichen ist ein lokales Verbindungssystem eine Verdrahtungsschicht mit Leitungen und Kontaktlöchern, die die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Schaltungselementen entsprechend der erforderlichen Schaltungsfunktion herstellen. Häufig wird Wolfram u.a. für zwei wichtige Anwendungen bei der Herstellung lokaler Verbindungen verwendet. Eine Anwendung besteht in der Verwendung als ein Anschlusspfropfen, d.h. einem leitenden Element, das vollständig ein Kontaktloch zwischen Aluminiumleitungen oder zwischen einer Metallleitung und dem Kontaktbereich eines Schaltungselements füllt. Wolfram wird oft als Anschlussfüllmaterial in Technologien verwendet, in denen die minimale Strukturgröße kleiner als 1 Mikrometer ist, da Wolfram, das mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) abgeschieden ist, bessere Eigenschaften hinsichtlich des Auffüllens von Kontaktlöchern als Aluminium zeigt. Die zweite etwas weniger wichtigere Rolle von CVD-Wolfram besteht darin, als eine Verbindungsleitung aus im Wesentlichen den zuvor aufgeführten Gründen zu fungieren.

Mit Bezug zu den 1a bis 1c werden einige Beispiele entsprechender Anwendungen erläutert, in denen Wolfram für Verbindungsstrukturen integrierter Schaltungen verwendet wird.

1a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer typischen Verbindungsstruktur 100 mit einem Graben 3, der mit Wolfram 3' gefüllt ist und in einer dielektrischen Schicht 2 ausgebildet ist, beispielsweise einer Siliciumoxidschicht, die zuvor auf einer Scheibe 1, beispielsweise einer Siliciumscheibe, aufgewachsen wurde. Auf diese Weise werden leitende ebene Leitungen, die Wolfram aufweisen und die elektrisch separate Elemente und/oder Schaltungen auf der Scheibe 1 verbinden, gebildet.

In 1b ist ein weiteres Beispiel einer Anwendung von Wolfram aufgeführt, wobei Wolfram als ein Anschlusselement zum Auffüllen von leitenden Kontaktlöchern verwendet ist. In dem in 1b dargestellten speziellen Beispiel wurde Wolfram 4' verwendet, um beispielsweise mittels eines bekannten chemischen Dampfabscheideverfahrens ein Kontaktloch 4, das zuvor in einer dielektrischen Schicht 2 gebildet wurde, zu füllen. Auf diese Weise wird ein vertikaler elektrischer Kontakt beispielsweise zum Anschluss an eine Metallschicht 5, die in der dielektrischen Schicht 2 eingebettet ist, gebildet.

Alternativ können, wie in 1c gezeigt ist, Kontaktlöcher oder Leitungen 6 mit Wolfram gefüllt werden, um ein vordefiniertes Gebiet 7 der Scheibe 1, beispielsweise ein stark dotiertes Gebiet, zu kontaktieren.

Selbstverständlich kann Wolfram auch für eine Kombination zweier oder mehrerer der zuvor dargestellten Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise können, wie in 1c dargestellt ist, ebene Leitungen 3' und vertikale Anschlussbereiche 4' und 6' zur Kontaktierung separater Elemente und/oder Schaltungen sowie für Metallschichten 5 und vordefinierte Gebiete 7 verwendet werden.

Typischerweise erfordert die Verwendung von Wolfram zum Bilden von Kontaktlochfüllungen und/oder lokaler Verbindungen eine Trägerschicht, die unterhalb des Wolframs herzustellen ist. Dies gilt insbesondere aus zwei Gründen: erstens, Wolfram weist einen hohen Widerstand auf, ungefähr zweimal so hoch als jener von Aluminium-Legierungsschichten; zweitens, Wolframschichten haften schlecht an Oxid- und Nitridschichten.

Folglich werden vor dem Auffüllen der Gräben und/oder Kontaktlöcher mit Wolfram entsprechende Kontakt- und Haftschichten durch CVD oder Sputter-Abscheidung aufgebracht.

Gegenwärtig sind die am häufigsten verwendeten Materialien für die Kontakt- und Haftschichten Titan (Ti) und Titannitrid (TiN). Alternativ können andere hochschmelzende Metalle und Nitride hochschmelzender Metalle, etwa z.B. Tantal (Ta) und Tantalnitrid (TaN) für diesen Zweck verwendet werden.

Häufig wird eine dünne Schicht aus Titan (30-50 nm dick) unter einer Titannitrid-Haftschicht verwendet, da Titan einen geringeren Kontaktwiderstand zu dem Siliciumsubstrat aufweist als Titannitrid. Die Haftschicht wird benötigt aufgrund der äußerst schlechten Haftung von Wolfram, das durch CVD auf Isolatoren, etwa thermischem Oxid, und Oxid und Siliciumnitrid, die mittels plasmaverstärktem CVD, abgeschieden wird. Wolfram haftet jedoch gut an Titannitrid und Titannitrid wiederum haftet gut an diesen Isolatoren. Somit ergibt sich ein Verfahren, das das Ausbilden von Schichten ermöglicht, die eine gute Haftung zu dem Substrat und einen geringen Kontaktwiderstand aufweisen.

Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung der Wolfram-Verbindungsstrukturen mit Kontakt/Haftschichten wird im Folgenden mit Bezug zu den 2a bis 2c beschrieben. Obwohl eine Beschreibung eines Prozessablaufes zur Herstellung ebener Verbindungsleitungen aufgeführt wird, sollte es selbstverständlich sein, dass der Prozessablauf auch zur Herstellung anderer Verbindungsstrukturen, beispielsweise vertikaler Kontaktlochfüllungen, angewendet werden kann.

2a zeigt eine Halbleiterstruktur 200 mit einem Graben 3, der in einer dielektrischen Schicht 2 gebildet ist, die auf einem Substrat 1 aufgebracht ist. Eine Kontaktschicht 9 und eine Haft/Barrierenschicht 10 sind auf einer Oberfläche 8 der dielektrischen Schicht 2 gebildet. Ein Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 200 kann wie folgt sein.

In einem ersten Schritt wird das gewünschte leitfähige Muster als die Vertiefung oder der Graben 3 definiert, der durch konventionelle Fotolithografie- und Ätzverfahren in der Oberfläche 8 der dielektrischen Schicht 2 gebildet wird, die beispielsweise ein Siliciumoxid und/oder Nitrid oder ein organisches Polymermaterial aufweist. Danach werden die Kontaktschicht 9 mit z.B. Titan oder Tantal und die darüberliegende Haft/Barrierenschicht 10, die beispielsweise Titannitrid oder Tantalnitrid aufweisen, nacheinander durch gut bekannte Verfahren, etwa physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische Dampfabscheidung (CVD) und plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) abgeschieden.

2b zeigt die Halbleiterstruktur 200 mit einer darauf gebildeten Wolframschicht 11. Die Wolframschicht 11 wird beispielsweise durch eine chemische Dampfabscheidung aufgebracht, um die Vertiefung 3 zu füllen. Um ein vollständiges Auffüllen der Vertiefung 3 sicherzustellen, wird die Wolframschicht als eine ganzflächige Schicht mit Materialüberschuss mit einer übermäßigen Dicke abgeschieden, um die Vertiefung 3 zu überfüllen und um ferner die Bereiche der Schichten 9, 10 außerhalb des Grabens 3 zu bedecken.

2c zeigt die Halbleiterstruktur 200 mit einer Wolfram-Verbindungsleitung 11' nach Entfernung der überschüssigen Dicke der Wolframschicht 11 sowie der Schichten 9 und 10 außerhalb des Grabens 3 durch beispielsweise einen chemisch-mechanischen Polier- (CMP) Prozess.

Die Schicht 10, die in 2c gezeigt ist, dient als eine Haftschicht und fungiert ferner als eine Diffusionsbarriere. Das heißt, sie verhindert ferner im Wesentlichen, dass Produkte und Nebenprodukte der chemischen Reaktion zum Füllen des Grabens 3 mit Wolfram mit der Kontaktschicht 9 reagieren. In Anwendungen, in denen keine Kontaktschichten erforderlich sind, dient die Haftschicht 10 ebenso als eine Diffusionsbarriere, wobei hierbei Produkte der chemischen Reaktion an einem Reagieren mit der darunterliegenden Halbleiter- oder dielektrischen Schicht gehindert werden.

Ein Verhindern einer Reaktion der Produkte aus der chemischen Reaktion für das Abscheiden von Wolfram (beispielsweise Wolframfluorid (WF₆)) hat sich als ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von Wolfram-Verbindungsstrukturen erwiesen. Tatsächlich gilt, dass, wenn eine Diffusion solcher Produkte durch die Barrierenschicht nicht verhindert wird, einige Probleme auftreten. Zum Beispiel, in jenen Anwendungen, in denen eine Titankontaktschicht unterhalb einer Titannitridbarrierenschicht gebildet wird, kann Wolframfluorid (WF₆), das mit Titan reagiert, leitfähige Erhebungen erzeugen, die wiederum zu ebenen internen Kurschlüssen oder zu Kurzschlüssen zwischen Ebenen führen können, wodurch die elektrische Leistungsfähigkeit der Elemente und/oder Schal tungen, die auf dem Substrat hergestellt sind, negativ beeinflusst oder beeinträchtigt werden können. Wie ferner zuvor erläutert ist, kann in Anwendungen, in denen keine Kontakttitanschichten verwendet werden, WF₆, das durch Titannitrid diffundiert, die darunterliegende Silicium- oder Silicium enthaltende Schicht schädigen.

Konventionelle Verfahren zur Herstellung von lokalen Verbindungsbarrierenschichten haben sich jedoch als nicht sehr geeignet gezeigt, angemessene Barriereneigenschaften zum Schützen der darunterliegenden Schicht vor der reaktiven Chemie der Wolframabscheidung bereit zu stellen. Es erscheint vielmehr so, dass die geringe Barriereneffizienz der konventionellen Barrierenschichten aus organischen Verunreinigungen resultiert, die in den konventionellen Titannitridbarrierenschichten während der Abscheidung eingefangen werden.

Folglich wurden einige Lösungen im Stand der Technik vorgeschlagen, um dieses Problem zu beheben. In einem Versuch Haft/Barrierenschichten zu erhalten, die im wesentlichen frei von Verunreinigungen sind, wurde eine der Abscheidung nachgeschaltete Plasmabehandlung vorgeschlagen, um in den Titannitridbarrierenschichten während der Abscheidung eingefangene organische Verunreinigungen zu entfernen. Dabei wird im Wesentlichen während der der Abscheidung nachgeschalteten Behandlung die Titannitridbarrierenschicht in eine Plasmaatmosphäre bei erhöhter Temperatur eingeführt. Das Aufwärmen der Barrierenschicht erhöht die Mobilität der in der Schicht eingefangenen Verunreinigungen. Ferner erzeugt der Ionenbeschuss während der Plasmabehandlung einen Schaden an dem Oberflächenbereich des Substrats, wodurch zusätzlich die Diffusion der Verunreinigungen verbessert wird und damit es ermöglicht wird, dass die eingefangenen Verunreinigungen von der Barrierenschicht entfernt werden.

Es entsteht jedoch ein weiteres Problem, wenn eine standardmäßige der Abscheidung nachgeschaltete Plasmabehandlung zum Entfernen organischer Verunreinigungen von der abgeschiedenen Titannitridhaft/Barrierenschicht ausgeführt wird.

Es zeigt sich, dass die Plasmabehandlung ein Entfernen der organischen Verunreinigungen lediglich bis zu einer Tiefe von ungefähr 3,5-7,5 nm zulässt. Da folglich die Titannitridhaft/Barrierenschichten für gewöhnlich mit einer Dicke von ungefähr 30 bis 50 nm abgeschieden werden, kann eine einzelne der Abscheidung nachgeschaltete Plasmabehandlung lediglich die organischen Verunreinigungen aus dem oberen Bereich der Barrierenschichten entfernen, wohingegen der untere Bereich der Barrierenschichten weiterhin von organischen Verunreinigungen kontaminiert bleibt.

Um verunreinigungsfreie Barrierenschichten zu erhalten, die eine gute Barriereneffizienz zeigen, wurde vorgeschlagen, die Barrierenschichten durch aufeinanderfolgendes Ausführen eines Abscheideschritts und eines Plasmaausheilungsschritts zu bilden. Das heißt, der in 2a schematisch dargestellte Abscheidevorgang wird in mehrere Abscheideschritte unterteilt, wobei sehr dünne Titannitridzwischenschichten nacheinander abgeschieden werden, und wobei jede Titannitridzwischenschicht einzeln einer Plasmabehandlung nach der Abscheidung unterzogen wird.

Diese Sequenz ist schematisch in den 3a bis 3c dargestellt, wobei der Einfachheit halber die Herstellung einer Titannitridschicht 10 auf einem Teil der Unterseite des Grabens 3 aus den 2a bis 2c dargestellt ist. Der besseren Klarheit halber, ist in den 3a bis 3c die Titankontaktschicht 9 der 2a bis 2c weggelassen.

Wie aus 3a ersichtlich ist, wird eine erste Titannitridzwischenschicht 12a mit einer Dicke von ungefähr 3,5-7,5 nm abgeschieden. Diese Dicke entspricht im Wesentlichen der Tiefe, bis zu der eine thermische Behandlung zum Entfernen organischer Verunreinigungen, die in der Zwischenschicht 12a während der Abscheidung eingefangen werden, wirksam ist. Wenn die Zwischenschicht 12a abgeschieden ist, wird diese einer Plasmabehandlung unterzogen und Verunreinigungen werden von der gesamten Dicke der Zwischenschicht 12a entfernt.

Während eines nächsten Schritts, wie dies in 3b gezeigt ist, wird eine weitere Titannitridzwischenschicht 12b auf der ersten Zwischenschicht 12a abgeschieden und anschließend einer Plasmabehandlung unterzogen. Da die zusätzliche Schicht 12b ebenfalls bis zu einer Dicke abgeschieden ist, die der Tiefe entspricht, bis zu der die Plasmabehandlung zum Entfernen der Verunreinigungen wirksam ist, wird eine Zwischenschicht 12c nach der thermischen Behandlung erhalten, die im Wesentlichen frei von Verunreinigungen ist. Die Sequenz wird fortgesetzt durch Ausführen einer Zwischenabscheidung und mit Ausheizschritten, bis eine endgültige Schicht 12 mit einer gewünschten Dicke erhalten wird, wie dies in 3c dargestellt ist.

Obwohl Barrierenschichten, die relativ frei von Verunreinigungen sind, und die verbesserte Barriereneigenschaften zeigen, mit der sequenziellen Abscheidung und dem Ausheizen, wie es zuvor beschrieben ist, erhalten werden können, beinhaltet die Sequenz einige Nachteile, die diese weniger attraktiv für Anwendungen bei der Herstellung von integrierten Schaltungen erscheinen lässt. Der wichtigste Nachteil liegt in der Tatsache begründet, dass die Abscheidesequenz sehr zeitaufwändig ist. Da folglich die Herstellung von Verbindungsbarrierenschichten ein wesentlicher Schritt der gängigsten Technologien zur Herstellung integrierter Schaltungen ist, führt die Anwendung der zuvor beschriebenen Abscheidesequenz zu einer gesamten Einschränkung des Herstellungsprozesses, wodurch die Herstellungskosten ansteigen.

Angesichts der zuvor erläuterten Probleme ist es daher wünschenswert, ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungsbarrierenschichten bereit zu stellen, wobei eines oder mehrere der zuvor aufgeführten Probleme gelöst oder verringert werden.

Im Allgemeinen beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass das Abscheiden einer Schicht eines Nitrids eines hochschmelzenden Metalls gemäß den verbreitetsten Abscheideverfahren dazu führt, dass restliches hochschmelzendes Metall in der Schicht aus Nitrid und hochschmelzendem Metall zusammen mit organischen Verunreinigungen eingefangen wird. Ferner können die Barriereneigenschaften einer Schicht eines Nitrids mit einem hochschmelzenden Metall verbessert werden, indem das restliche hochschmelzende Metall in ein Metallnitrid umgewandelt wird. Es wird daher davon ausgegangen, dass die Barriereneigenschaften einer Schicht eines hochschmelzenden Metallnitrids weniger von den darin eingefangenen organischen Verunreinigungen beeinflusst werden, wenn ausreichend restliches hochschmelzendes Metall nach der Abscheidung in hochschmelzendes Metallnitrid umgewandelt wird. Folglich wird nach der Abscheidung eine Wärmebehandlung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre ausgeführt, um einen wesentlichen Anteil des restlichen hochschmelzenden Metalls in hochschmelzendes Metallnitrid umzuwandeln.

Gemäß einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht mit einem hochschmelzenden Metallnitrid, wobei das Verfahren das Abscheiden einer Schicht mit einem hochschmelzenden Metallnitrid und das Ausführen einer Wärmebehandlung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre an der abgeschiedenen Schicht mit dem hochschmelzenden Metallnitrid umfasst, um das restliche hochschmelzende Metall in der abgeschiedenen Schicht in hochschmelzendes Metallnitrid umzuwandeln.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Barrierenschicht für lokale Verbindungen. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer ersten Schicht mit einem hochschmelzenden Metall und das Abscheiden einer zweiten Schicht mit einem hochschmelzenden Metallnitrid auf der ersten Schicht mit dem hochschmelzenden Metall. Das Verfahren umfasst ferner das Wärmebehandeln der zweiten Schicht mit dem hochschmelzenden Metallnitrid in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, um restliches hochschmelzendes Metall in der zweiten Schicht in hochschmelzendes Metallnitrid umzuwandeln.

Weitere Vorteile, Aufgaben und Merkmale sowie Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen identische oder entsprechende Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind.
1a bis 1c zeigen Beispiele entsprechender Anwendungen, in denen ein hochschmelzendes Metall zur Herstellung von Verbindungsstrukturen integrierter Schaltungen verwendet wird;
2a bis 2c zeigen eine typische konventionelle Prozesssequenz zur Herstellung von Verbindungsstrukturen aus einem hochschmelzenden Metall;
3a bis 3c zeigen typische bekannte Abscheide- und Plasmaausheizschritte, die sequenziell ausgeführt werden, um eine Verbindungsbarrierenschicht aus einem hochschmelzenden Metallnitrid herzustellen; und
4a und 4b zeigen einen Prozess zur Herstellung einer Verbindungsbarrierenschicht mit einem hochschmelzenden Metallnitrid gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte klar sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten anschaulichen Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn diese zur Herstellung von Haft/Barrierenschichten aus Titannitrid für Verbindungen angewendet wird. Aus diesem Grunde werden Beispiele im Folgenden angegeben, in denen entsprechende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf die Herstellung von Haft/Barrierenschichten aus Titannitrid für Verbindungen angewendet sind. Selbstverständlich ist dadurch die vorliegende Erfindung weder auf die Herstellung von Haft/Barrierenschichten beschränkt, noch ist die vorliegende Erfindung auf Anwendungen eingeschränkt, in denen Titannitrid verwendet wird; vielmehr kann die vorliegende Erfindung in jeder Situation angewendet werden, in der die Verwirklichung anderer Schichten eines beliebigen hochschmelzenden Metallnitrids erforderlich ist.
In den 4a und 4b sind die bereits mit Bezug zu den 1a bis 1c, 2a bis 2c und 3a bis 3c beschriebenen Merkmalen durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 4a ist ein Abscheideschritt gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Verbindungsbarrierenschichten dargestellt. In 4a bezeichnet Bezugszeichen 1 einen beliebigen Ausschnitt eines Halbleitersubstrats, beispielsweise einer Siliciumscheibe, auf der eine dielektrische Schicht 2, beispielsweise eine Siliciumdioxidschicht 2, gebildet ist. Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Graben, der in der dielektrischen Schicht 2 gebildet ist, beispielsweise entsprechend konventioneller Fotolithografie- und Ätzverfahren. Bezugszeichen 12 kennzeichnet eine hochschmelzende Metallnitridschicht, beispielsweise eine Titannitridschicht, die auf der dielektrischen Schicht 2 abgeschieden ist.
In 4b ist die Sachlage dargestellt, nachdem die Schicht 12 aus 4a einem schnellen Ausheizvorgang unterzogen wurde. Bezugszeichen 12' kennzeichnet eine hochschmelzende Metallschicht, insbesondere eine Titannitridschicht, nachdem diese einem schnellen Ausheizprozess unterzogen worden ist, während andere Merkmale, die jenen zu 4a äquivalent sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Eine anschauliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung startet mit einem Abscheideschritt, wie dies in 4a gezeigt ist. Die Schicht 12 aus einem hochschmelzenden Metallnitrid, beispielsweise Titannitrid, wird auf der dielektrischen Schicht 2 abgeschieden. Die hochschmelzende Metallschicht 12 wird während eines einzelnen Abscheideschritts mit einer Dicke abgeschieden, die der endgültigen, für die Schicht 12 benötigten Dicke entspricht. Beispielsweise kann eine Dicke im Bereich von 10 bis 50 nm vorgesehen werden. Zum Zwecke des Abscheidens der hochschmelzenden Metallnitridschicht 12 können herkömmliche Abscheideverfahren angewendet werden, beispielsweise ein chemischer Dampfabscheideprozess. Alternativ kann ein physikalischer Dampfabscheideprozess sowie ein plasmaverstärkter Abscheideprozess zu diesem Zwecke angewendet werden. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die spezielle Weise beschränkt ist, in der die Schicht 12 abgeschieden wird.
Vorzugsweise wird die Schicht 12 durch CVD abgeschieden, wobei der Vorteil eines hohen Maßes an Konformität ausgenutzt wird, die durch dieses Abscheideverfahren erreichbar ist.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einer CVD-Abscheidung sowohl Reste des hochschmelzenden Metalls als auch organische Verunreinigungen in der Schicht 12 während des Abscheidens eingeschlossen werden. Insbesondere die Verunreinigungen werden für die geringen Barriereneigenschaften der abgeschiedenen Schicht 12 als verantwortlich betrachtet. Das heißt, wenn Wolfram für das Füllen des Grabens 3 verwendet wird, ohne dass ein anderer Schritt zur Verbesserung der Barriereneigenschaften der Schicht 12 ausgeführt wird, können die bei der chemischen Reaktion zum Abscheiden des Wolframs beteiligten Stoffe durch die Schicht 12 diffundieren und mit der darunterliegenden Schicht reagieren. Beispielsweise in dem in 4a dargestellten Falle können die Produkte mit der darunterliegenden dielektrischen Schicht 2 reagieren. In anderen Anwendungen, in denen eine darunterliegende Schicht aus hochschmelzendem Metall, beispielsweise eine Titanschicht, (in den 4a bis 4b nicht gezeigt) zwischen der dielektrischen Schicht 2 und der hochschmelzenden Metallschicht 12 gebildet ist, können diese Produkte mit der darunterliegenden Schicht reagieren. Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen konventionellen Lösungsansatz schlägt die vorliegende Erfindung eine alternative Lösung zum Verbessern der Barriereneigenschaften der hochschmelzenden Metallschicht 12 vor, wobei die organischen Verunreinigungen nicht oder nur zusätzlich aus der Schicht 12 entfernt werden. Es wurde tatsächlich festgestellt, dass die Barriereneigenschaften verbessert werden können, indem die Schicht 12 einer Wärmebehandlung, etwa einem raschen Ausheizvorgang, unterworfen wird, um die Reste des hochschmelzenden Metalls in der Schicht 12 in ein hochschmelzendes Metallnitrid umzuwandeln.
Dazu wird erfindungsgemäß, wie in 4b gezeigt ist, ein weiterer Schritt ausgeführt, in dem die Schicht 12 einer Wärmebehandlung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre unterzogen wird, die beispielsweise Ammoniak (NH₃) und/oder Stickstoff (N₂) aufweist.
In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Wärmebehandlung als ein schneller thermischer Ausglüh- (RTA) Prozess in einer Stickstoffatmosphäre mit einer Temperatur im Bereich von ungefähr 500 bis 800°C bei subatmosphärischen oder atmosphärischen Druckbedingungen ausgeführt. Die Dauer des RTA-Prozesses beträgt ungefähr 30 bis 120 Sekunden für eine Dicke von ungefähr 10 bis 50 nm der Schicht 12'.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform wird die Wärmebehandlung als ein schneller thermischer Ausheiz-(RTA) Prozess in einer Ammoniakatmosphäre mit einer Temperatur im Bereich von ungefähr 500 bis 800°C bei subatmosphärischen oder atmosphärischen Druckbedingungen ausgeführt. Die Dauer des RTA-Prozesses beträgt ungefähr 30 bis 120 Sekunden für eine Dicke der Schicht 12' von ungefähr 10 bis 50 nm.
Das Ausführen einer Wärmebehandlung an der abgeschiedenen hochschmelzenden Metallschicht 12, wie dies zuvor beschrieben ist, führt zu einer deutlich verbesserten Umwandlung von restlichem hochschmelzenden Metall in hochschmelzendes Metallnitrid. In einer Ausführungsform, wie in 4a gezeigt ist, wird im Wesentlichen das gesamte restliche hochschmelzende Metall in der Nähe eine oberen Fläche 12a der hochschmelzenden Metallnitridschicht 12', das in 4b als gestrichelte Fläche gezeigt ist, in ein hochschmelzendes Metallnitrid umgewandelt. Die Tiefe, bis zu der das restliche hochschmelzende Metall in hochschmelzendes Metallnitrid umgewandelt wird, kann durch die Temperatur der Wärmebehandlung und/oder die Dauer der Wärmebehandlung eingestellt werden. Es wurde festgestellt, dass das Umwandeln des restlichen hochschmelzenden Metalls in hochschmelzendes Metallnitrid zumindest an der oberen Fläche 12a der Schicht 12' die Barriereneigenschaften der Schicht 12' verbessert. Es wird angenommen, dass die Dichte der Schicht 12' in der oberen Fläche 12a erhöht wird, so dass eine Diffusion eines oder mehrerer der Produkte, die bei der Abscheidung von Wolfram beteiligt sind, effizienter verhindert wird.
Wenn daher eine Verbindungsbarrierenschicht entsprechend den erfindungsgemäßen Ausführungsformen, die zuvor beschrieben sind, vor dem Abscheiden des Wolframs oder eines anderen geeigneten hochschmelzenden Metalls gebildet wird, können die Schichten, die unter der hochschmelzenden Metallschicht liegen, zuverlässig geschützt werden und einen Schaden, der durch Diffusion von Produkten der Abscheidechemie durch die Barrierenschicht bewirkt werden, werden deutlich reduziert.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Folglich ist diese Beschreibung lediglich anschaulicher Art und ist für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemei ne Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin beschriebenen und gezeigten Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Schicht mit einem hochschmelzenden Metallnitrid, wobei das Verfahren umfasst: Abscheiden einer Schicht mit einem hochschmelzenden Metall; und Ausführen einer Wärmebehandlung mit der abgeschiedenen Schicht aus hochschmelzendem Metall in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, um restliches hochschmelzendes Metall in der abgeschiedenen Schicht in hochschmelzendes Metallnitrid umzuwandeln.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thermische Behandlung einen schnellen thermischen Ausheizprozess beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei der schnelle thermische Ausheizprozess bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 500 bis 700°C ausgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei der schnelle thermische Ausheizprozess für eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 30 bis 120 Sekunden ausgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stickstoff enthaltende Atmosphäre unter subatmosphärischen oder atmosphärischen Bedingungen erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht mit dem hochschmelzenden Metall durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hochschmelzende Metallnitridschicht auf einer Halbleiterstruktur gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Schicht mit hochschmelzendem Metall im Wesentlichen konform abgeschieden wird, um eine Unterseite und mehrere Seitenwände des zumindest einen Grabens und einer Kontaktöffnung, die in einer dielektrischen Schicht gebildet sind, zu bedecken.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schicht aus hochschmelzendem Metall eine Dicke im Bereich von ungefähr 10 bis 50 Nanometer aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stickstoff enthaltende Atmosphäre Ammoniak- und/oder Stickstoffgas aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die dielektrische Schicht Siliciumdioxid aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das hochschmelzende Metallnitrid Titannitrid und/oder Tantalnitrid aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsbarrierenschicht, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer ersten Schicht mit einem hochschmelzenden Metall; Abscheiden einer zweiten Schicht mit einem hochschmelzenden Metallnitrid; und Ausführen einer Wärmebehandlung in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, um restliches hochschmelzendes Metall der zweiten Schicht in hochschmelzendes Metallnitrid umzuwandeln.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Wärmebehandlung einen schnellen thermischen Ausheizprozess umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei der schnelle thermische Ausheizvorgang bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 500 bis 700°C ausgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei der schnelle thermische Ausheizprozess für eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 30 bis 120 Sekunden ausgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Stickstoff enthaltende Atmosphäre bei atmosphärischen und/oder subatmosphärischen Bedingungen erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Schicht mit dem hochschmelzenden Metall durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die zweite Schicht mit dem hochschmelzenden Metallnitrid durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die hochschmelzende Metallnitridschicht auf einer Halbleiterstruktur gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Schicht mit hochschmelzendem Metall im Wesentlichen konform abgeschieden wird, um eine Unterseite und mehrere Seitenwände eines Grabens und/oder eines Kontaktloches, die in einer dielektrischen Schicht gebildet sind, zu bedecken.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schicht aus hochschmelzendem Metall eine Dicke im Bereich von ungefähr 10 bis 50 Nanometer aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Dicke der ersten Schicht im Bereich von ungefähr 20 bis 70 Nanometer liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Stickstoff enthaltende Atmosphäre Ammoniak- und/oder Stickstoffgas aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei die dielektrische Schicht Siliciumdioxid aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das hochschmelzende Metallnitrid Titannitrid und/oder Tantalnitrid aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das hochschmelzende Metall Titan und/oder Tantal aufweist.