DE19515564B4 - Elektrode für ein Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

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Abstract

Elektrode für ein Halbleiterbauelement, mit
einem Halbleitersubstrat (10),
einem isolierenden Zwischenschichtfilm (11), der ein Kontaktloch (17) besitzt und auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet ist,
einer Titannitrid-Sperrschicht (13), die auf dem isolierenden Zwischenschichtfilm (11) derart ausgebildet ist, daß sie das Halbleitersubstrat (10) über das Kontaktloch (17) berührt, wobei die Sperrschicht einen Abschnitt, der in dem Kontaktloch angeordnet ist, und einen Abschnitt aufweist, der außerhalb des Kontaktlochs angeordnet ist,
einer auf der Sperrschicht (13) ausgebildeten Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) und
einer Verzerrungsentlastungsschicht (14), die einen Abschnitt, der in dem Kontaktloch (17) angeordnet ist, und einen Abschnitt aufweist, der außerhalb des Kontaktlochs angeordnet ist, wobei der Abschnitt außerhalb des Kontaktlochs mehr als 40% des Abschnitts der Sperrschicht (13) bedeckt, der außerhalb des Kontaktlochs angeordnet ist, und der Abschnitt außerhalb des Kontaktlochs eine Filmdicke von mindestens 10 nm aufweist und entweder eine Schicht aus Al3Ti oder eine intermetallische, Al3Ti enthaltende Verbundschicht...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verdrahtungselektrode für Halbleiter und auf ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Metallsystem einer Elektrode, das eine Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung (im folgenden auch als Al-Legierungsschicht bezeichnet) besitzt und innerhalb der Al-Legierungsschichten auf Grund der Miniaturisierung auftretende Fehler (sogenannte Al-Hohlräume) verringern kann.
  • Seit kurzem sind mit den Fortschritten der Technologie zur Integrierung von Elementen Methoden zur Miniaturisierung und Mehrfachschichtung (multilayering) zunehmend wichtig geworden. Aufgrund des Fortschreitens der Miniaturisierung erhebt sich das Bedürfnis nach Gestaltung von feineren Breiten der Verdrahtung in einer Al-Legierungsschicht. Allerdings ist es, wie in 4 gezeigt ist, bekannt, daß dann, wenn die Drahtbreiten kleiner als 2 μm oder 3 μm werden, Al-Hohlräume in der Al-Legierungsschicht auftreten können. Solche Al-Hohlräume bzw. Aluminium-Lücken werden als bzw. auf Grund einer Streß- bzw. Beanspruchungsausbreitung erzeugt, die auf der Zugbeanspruchung beruht, die im Inneren der Al-Legierungsschicht während der Wärmebehandlung auftritt. Weiterhin treten die Al-Hohlräume dann auf, wenn verschiedene dünne Filme mehrfach geschichtet werden, da ein solcher mehrfachgeschich teter Aufbau Zugbeanspruchungen im Inneren des Elements hervorruft.
  • Falls diese Al-Hohlräume beträchtlich groß werden, wird der Zuverlässigkeitsfaktor zu einem großem Problem. Es können beispielsweise die nachstehenden Probleme auftreten: Fehlende Verbindung der Al-Legierungsverdrahtung; Vergrößerung des Verdrahtungswiderstands auf Grund der Verringerung des Querschnitts der Al-Legierungsschicht; Zerstörung der Elemente auf Grund der Wärmeerzeugung; Verzögerungen bei der Arbeitsgeschwindigkeit; Elektromigration auf Grund des Anlegens von starken Strömen und so weiter.
  • Bislang besteht ein herkömmliches Verfahren, das zur Verringerung des Auftretens von Al-Hohlräumen eingesetzt wurde, darin, Kupfer in die Verdrahtungselektrode aus Aluminium und Silizium (Al-Si) zu mischen, um eine Al-Si-Cu-Verdrahtung zu bilden, wobei das Kupfer die Bewegung der Al-Atome verhindert.
  • Eine derartige Verdrahtungselektrode ist in der JP-A-63-152147 offenbart. Dort ist beschrieben, daß das Auftreten von Al-Hohlräumen weiter verringert werden kann, wenn die Kristalloberfläche der Al-S-Cu-Verdrahtung in der (111)-Ebene orientiert ist. Da die (111)-Ebene sehr dicht beziehungsweise am dichtesten mit Al-Atomen gefüllt ist, wird, anders ausgedrückt, die Bewegung eines Al-Atoms durch die anderen Al-Atome verhindert oder es wird die Bewegung der Al-Atome zur Verringerung der Zugbeanspruchung im Inneren der Al-Legierungsschicht verhindert, was zu einem geringeren Auftreten von Al-Hohlräumen führt.
  • Jedoch besitzt die (111)-Ebenenorientierung der Verdrahtung aus Al-Si-Cu eine enge Beziehung zu der darunterliegenden Kristallstruktur. Es wurde zum Beispiel gefunden, wie dies in der JP-B-3-3395 , der JP-A-4-42537 und der JP-A-3-262127 offenbart ist, daß es schwierig ist, die Kristallober fläche der Al-Legierung in dem Fall, daß ein metallischer Nitridfilm mit hohem Schmelzpunkt wie etwa eine Schicht aus Titannitrid (TiN) unter der Al-Legierungsschicht als ein Barrierenmetall eingefügt ist, korrekt zu orientieren.
  • Folglich muß hinsichtlich der in der JP-A-63-152147 offenbarten Verdrahtungselektrode die darunterliegende Kristallstruktur sorgfältig betrachtet werden, um die Orientierung der Verdrahtung aus Al-Si-Cu zu verbessern, so daß aus diesen Gründen Verbesserungen der Produktivität beziehungsweise Herstellungsrate nicht erhofft werden können.
  • Der Aufsatz von M. Mändl, H. Hoffmann und P. Köcher "Diffusion barrier properties of Ti/TiN investigated by transmission electron microscopy" in J. Appl. Phys., ISSN 0021-8979, 1990, Vol. 68, No. 5, Seiten 2127–2132, offenbart die Verwendung von AlSi als Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht und behandelt Diffusionsbarrieren aus Ti/TiN, welche direkt auf einem Siliziumsubstrat oder auf einem oxidierten Substrat gebildet sind. Auf der Ti/TiN-Barriere sind flache Kristallite ausgebildet, welche durch Glühen bei 450°C an der Grenzfläche zur AlSi-Leitung entstehen.
  • Der Aufsatz von Y. Koubuchi, S. Ishida, M. Sahara, Y. Tanigaki, u. a. "Effects of Si an electromigration of Al-Cu-Si/TiN layered metallization" in J. Vac. Sci. Technol. B, ISSN 0734-211X, 1992, Vol. 10, No. 1, Seiten 143–148, offenbart die Verwendung von den Materialien Al-1%Si und Al-0,5%Si-0,5%Si-0,5%Cu sowie Al-0,5%Cu als Leitungsschichten und von TiN-Barrieren zum Bilden einer Metallisierungsebene. An der Grenzfläche zwischen der TiN-Barriere und dem Material Al-0,5%Cu bildet sich beim Glühen bei 500°C eine TiAl3-Verbindung aus, deren Dicke sich nicht exakt abschätzen läßt.
  • Aus dem Aufsatz von H. Wendt, J. Willer, D. Emmer, S. Irl "Process Integration for Barrier Lagers an Al-Alloys using a Sputtering Cluster Tool" in Microelectronic Engineering, ISSN 0167-9317, 1992, Vol. 19, Seiten 371–374, ist die Verwendung von Aluminium-Legierungen wie AlSiCu als Metallisierungen in Kontaktlöchern und als Interconnect bekannt. Des weiteren wird die Verwendung einer Ti/TiN-Barriere offenbart, wobei die obere Ti-Lage dem Ausbilden einer TiAl3-Verbindung an der Grenzfläche zu der Aluminium-Legierung dient. Inwieweit das Ti dabei beim Glühen aufgebraucht wird, ist nicht offenbart.
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des vorstehend erläuterten Problems geschaffen und zielt auf die Bereitstellung einer Elektrodenstruktur ab, die das Auftreten von Al-Hohlräumen im Inneren der Al-Legierungsschichten verhindern kann, und zwar unabhängig von der Orientierung einer Al-Legierungsschicht, die oberhalb einer Schicht aus Titannitrid angeordnet ist.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auf der Grundlage der Herstellungsbedingungen und so weiter Verfahren untersucht, die das Auftreten von Al-Hohlräumen in Al-Legierungsschichten unabhängig von ihrer Orientierung verhindern können. Bei diesen Untersuchungen wurde gefunden, daß die Bedingungen bei der Schichterzeugung der Schicht aus Titannitrid das Auftreten von Al-Hohlräumen drastisch verringern können, obwohl bislang angenommen wurde, daß diese Titannitridschicht beziehungsweise deren Herstellungsbedingungen in keinerlei Beziehung mit dem Auftreten der Al-Hohlräume stehen.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Information, die von den Erfindern aus den Ergebnissen ihrer Untersuchungen zusammengetragen wurde. Eine in Übereinstimmung mit der Erfindung stehende Elektrodenstruktur (Elektrodengestaltung) besitzt die nachstehenden Eigenheiten: Sie ist auf einem Halbleitersubstrat mit einem Isolator-Zwischenschichtfilm, der eine einer Kontaktfläche des Substrats entsprechende Öffnung besitzt, aufgebaut; eine Grenzschicht (Barrierenschicht), deren Zusammensetzung Titannitrid enthält, berührt das Halbleitersubstrat über die Öffnung in dem Isolator-Zwischenschichtfilm; eine Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung ist oberhalb der Grenzschicht gebildet; und es ist zwischen der Grenzschicht und der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung eine Verzerrungsentspannungsschicht mit einem Film vorhanden, der eine Dicke von mehr als 10 nm besitzt und aus einer intermetallischen Verbindung hergestellt ist, deren Zusammensetzung zumindest Aluminium und Titan enthält.
  • Durch Anordung beziehungsweise Ausstattung der Verzerrungsentspannungsschicht (Deformationsrelaxationsschicht) mit einem dicken Film (10 nm oder mehr) wird die Verzerrung, die im Inneren der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung wirkt, entlastet beziehungsweise beseitigt und es kann somit unabhängig von der Orientierung der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung das Auftreten von Al-Hohlräumen im Innern der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung unterdrückt werden.
  • Anders ausgedrückt kann die vorliegende Erfindung die nachstehenden Merkmale aufweisen: bezogen auf die Linien- beziehungsweise Leitungsbreite der Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht von 1 μm ist die Dicke der Verzerrungsentspannungsschicht, die eine intermetallische, Aluminium und Titan enthaltende Verbindung ist und zwischen der Grenzschicht (Sperrschicht) und der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung einzubringen ist, derart festgelegt, daß die Al-Hohlräume, deren Breite oberhalb 0,3 μm liegt, effektiv auf Null gebracht werden können. Anders ausgedrückt, hat die Verzerrungsentlastungsschicht vorzugsweise eine Dicke, die das Auftreten von Al-Hohlräumen, deren Breite ungefähr ein Drittel der Zeilen- bzw. Leitungsbreite der Aluminiumlegierungs-Ver drahtungsschicht oder mehr beträgt, unterdrücken kann. Eine solche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehende Filmdicke ermöglicht eine drastische Verringerung von Al-Hohlräumen zu erreichen. Eine solche Filmdicke ist bei einer Recktanz- beziehungsweise Reaktionsschicht, die durch die Reaktion der Titannitrid- und Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschichten bei der Durchführung des herkömmlichen Verfahrens gebildet wurde, nicht erreichbar.
  • Zusätzlich ist es erwünscht, daß die Verzerrungsrelaxationsschicht so ausgebildet wird, daß sie zumindest 40% der Grenzfläche zwischen der Sperrschicht und der Aluminiumlegierungsschicht bedeckt.
  • Ferner kann die Verzerrungsentspannungsschicht entweder eine Schicht aus Al3Ti oder eine intermetallische Verbindung sein, die Al3Ti enthält. Ti, das in der Titannitridschicht enthalten ist, kann zwischen die Aluminiumgitter eindringen und die Verzerrungsentspannungsschicht aus Al3Ti oder einer intermetallischen, Al3Ti enthaltenden Verbindung bilden, wobei die Verzerrung (Deformation), die auf Grund der in dem Inneren der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung auftretenden Zugbeanspruchung auftritt, entlastet beziehungsweise beseitigt wird. Demzufolge kann das Auftreten von Al-Hohlräumen im Innern der Al-Legierungsschicht unabhängig von der Orientierung der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung unterdrückt werden.
  • Weiterhin ist es wünschenswert, daß der Sauerstoffpegel an der Innenseite der Sperrschichten und an der Grenzfläche zwischen der Sperrschicht und der Verzerrungsentspannungsschicht unterhalb von 1 at% liegt. Hierbei ist es für Aluminium (Al) und Titan (Ti) einfacher, miteinander zu reagieren.
  • Durch das Vorsehen einer Schicht zum Verhindern von Legierungsspikes beziehungsweise Legierungsspitzen (Legierungsspitzen-Verhinderungssschicht) zwischen der Sperr schicht und dem Halbleitersubstrat kann darüber hinaus das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt werden, während gleichzeitig das Auftreten von Legierungsspitzen verhindert wird.
  • In diesem Fall wird die erste Titannitridschicht als die Sperrschicht angeordnet und eine zweite Schicht aus Titannitrid, die verglichen mit der ersten Schicht unterschiedliche Eigenschaften hat, wird als die Legierungsspitzen-Verhinderungsschicht angeordnet. Bei dieser Art von Aufbau können Titannitridschichten, die aus dem gleichem Material hergestellt sind, eingesetzt werden, um das Auftreten sowohl von Al-Hohlräumen als auch von Legierungsspitzen gleichzeitig zu unterdrücken.
  • Ein auf der vorliegenden Erfindung beruhendes Herstellungsverfahren für eine Verdrahtungselektrode enthält grundsätzlich die nachstehenden Schritte: einen Schritt der Ausbildung eines Isolator-Zwischenschichtfilms auf einem Halbleitersubstrat; einen Schritt zur Ausbildung einer Öffnung in dem Isolator-Zwischenschichtfilm, die die Oberfläche des Substrats freilegt; einen Schritt zur Ausbildung einer ersten Titannitridschicht auf dem Isolator-Zwischenschichtfilm in einem Zustand, bei dem die erste Titannitridschicht die Oberfläche des Substrats über die Öffnung berührt; einen Schritt zur Ausbildung einer Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung auf der ersten Titannitridschicht; und einen Schritt zur Durchführung einer Wärmebehandlung nach der Ausbildung der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung. Bei dieser Ausgestaltung ist das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Ausbildung der ersten Titannitridschicht durch reaktives Sputtern durchgeführt wird, wobei Titan im Innern des mit Stickstoffgas gespeisten Sputtergeräts als Target angebracht wird und die Bedingung, daß die Gleichstrom-Leistungsdichte 5,5 W/cm2 oder weniger beträgt, erfüllt ist, und daß weiterhin die Schritte zur Ausbildung der ersten Titannitridschicht und der Verdrahtungsschicht aus Aluminiumlegierung kontinuierlich durchgeführt werde, wobei die Atmosphäre bei dieser Erzeugung im Vakuumzustand gehalten wird.
  • Aufgrund der Ausbildung der ersten Titannitridschicht unter der Bedingung, daß die Gleichstromleistungsdichte unterhalb 5,5 W/cm2 liegt und gleichzeitig die Ausbildung der Filme aus dem ersten Titannitrid und der Aluminiumlegierungs-Schichten kontinuierlich in einem Vakuum durchgeführt wird, wird die Reaktion zwischen der ersten Titannitridschicht und der Aluminiumlegierungsschicht gefördert und es läßt sich folglich eine Verzerrungsentspannungsschicht mit einem dicken Film beziehungsweise großer Filmdicke erzielen.
  • Weiterhin ist es erwünscht, daß der erste Titannitridfilm, der unmittelbar nach der Filmerzeugung erhalten wird, einen spezifischen Widerstand von 180 μΩcm bis 1000 μΩcm besitzt und eine Druckbeanspruchung von 0 bis 90 MPa aufweist.
  • Ferner lassen sich durch einfache Hinzufügung eines Schritts der Ausbildung einer zweiten, Legierungsspitzen verhindernden Titannitridschicht auf der in der Öffnung des isolierenden Zwischenschichtfilms freiliegenden Oberfläche vor der Ausbildung der ersten Titannitridschicht das Auftreten von Al-Hohlräumen und Legierungsspitzen gleichzeitig unterdrücken, wie vorstehend erläutert wurde. Da sowohl die erste als auch die zweite Schicht aus dem gleichen Titannitridmaterial hergestellt werden, lassen sich in diesem Fall die Schritte zur Herstellung derselben vereinfachen.
  • Weiterhin ist es erwünscht, daß der Schritt zur Ausbildung der zweiten Titannitridschicht mit Hilfe eines reaktiven Sputterverfahrens unter der Bedingung durchgeführt wird, daß die Gleichstrom-Leistungsdichte im Inneren des Sputtergeräts auf einen Wert oberhalb von 6,96 W/cm2 festgelegt ist. Durch Ausbildung der zweiten Titannitridschicht in dieser Weise kann dieser die Funktion als Schicht zur Verhinderung von Le gierungsspitzen, die das Auftreten von Legierungsspitzen noch weiter verringert, verliehen werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer Elektrodengestaltung für die Verdrahtung in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2A bis 2E Querschnittsansichten, die jeweils die zugrunde liegende Elektrodengestaltung bei den unterschiedlichen hauptsächlichen Herstellungsschritten zeigen;
  • 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den Bedingungen für die Erzeugung des Films der Titannitridschicht und dem Auftreten von Al-Hohlräumen;
  • 4 eine Ansicht der Elektrode mit einem Al-Hohlraum zusammen mit einer Angabe der Breite des Al-Hohlraums;
  • 5 und 6 eine graphische Darstellung einer Analyse der Zusammensetzungsverteilung der Verdrahtungselektrode gemäß 1, die mittels eines Auger-Elektronenspektroskopiegeräts erhalten wurde;
  • 7 eine graphische Darstellung von Ergebnissen einer Röntgenstrahlen-Beugungsmessung der Verdrahtungselektroden;
  • 8 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Verdrahtungselektrode mit Al-Hohlräumen, die bei Betrachtung mittels Querschnitts-Transmissions-Elektrodenmikroskopie erhalten wurde;
  • 9 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Verdrahtungselektrode gemäß 1, die durch Beobachtung mit tels einer Querschnitts-Transmissions-Elektronenmikroskopie erhalten wurde;
  • 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Auftreten und fehlenden Auftreten von Al-Hohlräumen und dem Belegungsverhältnis der Zwischenschicht, die als Verzerrungsentspannungsschicht wirkt;
  • 11 eine Ansicht zur Darstellung der Definition des Belegungsverhältnisses gemäß 10;
  • 12 eine graphische Darstellung von Analysenergebnissen der Titannitridschichten, die durch Röntgenstrahl-Photoemissions-Spektroskopie erhalten wurden, wobei die chemische Verschiebung gezeigt ist, die den chemischen Bindungszustand von Ti2p3/2 repräsentiert;
  • 13 eine graphische Darstellung von Intensitäten, die bei der Al-(111)-Ebene der Verdrahtungselektroden mit Hilfe einer Röntgenstrahl-Beugungsmessung untersucht wurden;
  • 14 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Intensität der Röntgenstrahlbeugung bei der Al (111)-Ebene der Verdrahtungselektrode und der Glühtemperatur;
  • 15 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Intensität der Röntgenstrahlenbeugung bei der Al3Ti(202)-Ebene und der Glühtemperatur;
  • 16 eine Darstellung des Aufbaus des Sputtergeräts;
  • 17 eine schematische Schnittansicht, die das Auftreten einer Legierungsspitze (Legierungsspike) veranschaulicht;
  • 18 eine Querschnittsansicht einer Verdrahtungselektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 19A bis 19C Querschnittsansichten der Verdrahtungselektrode gemäß 18, die jeweils eine Darstellung eines hauptsächlichen Herstellungsschritts zeigen;
  • 20 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Vergleichs zwischen dem zweiten Ausführungsbeispiel und Beispielen 1 bis 3, die hinsichtlich der Dichte von Al-Hohlräumen und dem Leckstrom bewertet wurden;
  • 21 eine schematische Ansicht des Aufbaus zum Messen des Leckstroms;
  • 22 eine Darstellung der Röntgenstrahlbeugung der Titannitridschichten, wenn die Leistungsdichte während deren Herstellung verändert wird;
  • 23 eine Kennliniendarstellung beziehungsweise Kennfelddarstellung der Beziehung zwischen der Leistungsdichte und dem Leckstrom;
  • 24A und 24B graphische Darstellungen, die jeweils eine Analyse der Verteilungszusammensetzung einer Verdrahtungselektrode zeigen, die durch ein Auger-Elektronspektroskopiegerät erhalten wurde, wobei 24A den Fall zeigt, daß eine Legierungsspitzen verhindernde Titannitridschicht als eine Grenzschicht ausgebildet wird, und 24B den Fall zeigt, daß eine Al-Hohlräume verhindernde Titannitridschicht als Sperrschicht (Grenzschicht) gebildet wird;
  • 25 eine graphische Darstellung des Auftretens von Leckströmen, wobei die Filmdicke der ersten und zweiten Titannitridschicht variiert ist; und
  • 26 eine graphische Darstellung des Auftretens von Al-Hohlräumen, wobei die Dicke der ersten und der zweiten Titannitridschicht variiert ist.
  • In 1 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gezeigt, das eine Elektrodengestaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel besitzt, wobei der Umgebungsbereich eines Kontaktlochs 17 dargestellt ist. Auf einem Siliziumsubstrat (Halbleitersubstrat) 10 sind ein isolierender Zwischenschichtfilm (Isolator-Zwischenschichtfilm) 11, der Öffnungen wie etwa das Kontaktloch 17 besitzt, und eine Titanschicht 12 ausgebildet. Eine Titansilizidschicht 16 ist zwischen der Titanschicht 12 und dem Siliziumsubstrat 10 gebildet. Weiterhin ist auf der Oberseite der Titanschicht 12 und der Titansilizidschicht 16 eine Titannitridschicht 13 als Sperrschicht (Barrierenschicht) ausgebildet und es sind weiterhin darauf eine Al-Legierungsschicht 15, die aus Al-Si(1,0 Gewichts%)-Cu(0,5 Gewichts%) zusammengesetzt ist, und ein Schutzfilm 18 als ein isolierender Film gebildet.
  • Zur Herstellung dieser Art der Verdrahtungselektrode wird nach der Ausbildung der Titanschicht 12, der Titannitridschicht 13 und der Al-Legierungsschicht 15 auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 10 ein Glühprozess beziehungsweise Glühschritt durchgeführt, um den Widerstand der Kontaktfläche des Substrats mit dem Elektrodensystem zu verringern, wonach der Schutzfilm 18 ausgebildet wird. Hierbei wird zur Ausbildung der Titanschicht 12 und der Titannitridschicht 13 das in 16 gezeigte Gleichstrom-Magnetron-Sputtergerät eingesetzt. Dies bedeutet, daß Argongas (Ar-Gas) in das Innere der Kammer des Sputtergeräts geleitet und eine Spannung zwischen dem Ti-Target und der Heizeinrichtung angelegt wird. Auf Grund dessen werden die Ti-Targets durch die Ar-Ionen gesputtert beziehungsweise Ti freigesetzt und es wird auf dem Wafer (Substrat) ein Ti-Film abgeschieden. Während der Abscheidung von Ti reagiert, falls ein Gasreaktionsmittel N2 verteilt be ziehungsweise zugeführt wird, der Stickstoff in N2 mit Ti, um hierdurch TiN auf der Oberseite des Substrats zu bilden.
  • Hierbei haben die Erfinder die Bedingungen für die Filmerzeugung durch TiN variiert, um das Auftreten von Al-Hohlräumen zu beobachten und zu untersuchen. Die Bedingungen waren die Gleichstrom-Leistungsdichte (die durch Division der elektrischen Leistung, die zwischen dem Ti-Target und der Heizeinrichtung angelegt wurde, durch die Fläche des Ti-Targets erhalten wurde) und die Heizeinrichtungstemperatur während der Filmerzeugung mittels TiN (als Substrattemperatur bezeichnet). Die Ergebnisse ihrer Untersuchung sind in 3 gezeigt. In 3 bezeichnet das Symbol O ein Probenbauteil mit einer Breite der Aluminiumverdrahtung von 1 μm, in der keine Al-Hohlräume mit einer Breite von oberhalb 0,3 μm entdeckt wurden. Das Symbol X bezieht sich andererseits auf ein Probenbauteil mit einer Breite der Aluminiumverdrahtung von 1 μm, in der Al-Hohlräume mit einer Breite von mehr als 0,3 μm entdeckt wurden. Hierbei ist die Breite eines Al-Hohlraums in 4 definiert. Aus der in 3 gezeigten Beziehung ist ersichtlich, daß das Auftreten von Al-Hohlräumen in dem Bereich unterhalb der durchgezogenen Linie, die als Grenzlinie in der graphischen Darstellung markiert ist, erheblich abfällt. Insbesondere ist festzustellen, daß bei der Bedingung, daß die Gleichstrom-Leistungsdichte 5,5 W/cm2 oder weniger ist, das Auftreten von Al-Hohlräumen begrenzt beziehungsweise vermieden werden kann, und zwar unabhängig von der Temperatur des Substrats zum Zeitpunkt der Ausbildung des TiN-Films.
  • Gemäß der Untersuchung des vorstehenden Sachverhalts für den Fall der Herstellung der Verdrahtungselektrode ergibt sich, daß Titan aus der Titannitridschicht in die Al-Legierungsschicht während des Glühvorgangs (400°C bis 480°C), der zur Verringerung des elektrischen Verbindungswiderstands nach der Ausbildung der Al-Legierungsschicht durchgeführt wird, oder der Wärmebehandlung (300°C bis 480°C), die während und nach der Ausbildung des Schutzfilms durchgeführt wird, diffundiert und sich hierbei die nachstehende Reaktion und die Ausbildung einer Zwischenschicht einstellt. Al + TiN – AlN + Ti (1) Ti + xAl – TiAlx (2)(Hierbei bezeichnet x eine beliebige Zahl.)
  • Aufgrund des Auftretens der in den Gleichungen (1) und (2) gezeigten Reaktionen wird eine Ti-Diffusionsschicht (als eine Verzerrungsentlastungsschicht oder Verzerrungsentspannungsschicht, Stressentlastungsschicht beziehungsweise Beanspruchungsentlastungsschicht bezeichnet) im Innern der Al-Legierung gebildet, und es kann hierbei angenommen werden, daß die Verzerrung beziehungsweise Störung innerhalb der Al-Legierung entspannt beziehungsweise entlastet wird und daß die Ausbildung von Al-Hohlräumen unterdrückt wird.
  • Anders ausgedrückt führt gemäß 1 das Glühen der Titannitridschicht 13 und der Al-Legierungsschicht 15 zu einer Reduzierung von TiN durch Al und zu der Erzeugung von Ti. Dieses Ti diffundiert in der Al-Legierungsschicht 15 in einer solchen Weise, daß die Verzerrung beziehungsweise Störung im Innern der Al-Legierungsschicht gestreut beziehungsweise verteilt wird. Unter Zugrundelegung dessen kann davon ausgegangen werden, daß die Verzerrungsentlastungsschicht (beziehungsweise Störungsentlastungsschicht oder Verwerfungsentlastungsschicht) 14 gebildet wird. Falls eine Verzerrung beziehungsweise Verwerfung innerhalb der Al-Legierungsschicht auf Grund einer Zugbeanspruchung vorhanden ist, tritt das diffundierte Ti in die Räume zwischen den Al-Gittern ein und erweitert derartige Räume, wodurch die Störung beziehungsweise Verwerfung entlastet wird und folglich die Verzerrungsentlastungsschicht 14 gebildet wird. Auf Grund dieser Verzerrungsentlastungsschicht ist die Verzerrung beziehungsweise Verwerfung entlastet oder entspannt und als Ergebnis hiervon wird das Auftreten von Al-Hohlräumen im Innern der Al-Legierungsschicht 15 unabhängig von der Orientierung einer solchen Al-Legierungsschicht 15 unterdrückt.
  • Es ist bekannt, daß die Al-Hohlräume das Resultat einer durch Streß beziehungsweise Belastung hervorgerufenen Wanderung sind, die auftritt, wenn eine Zugbelastung während des Erwärmungsprozesses auf den inneren Bereich der Al-Legierung einwirkt. Der vorstehend beschriebene Mechanismus zum Unterdrücken des Auftretens von Al-Hohlräumen ist aktiv, wenn Ti aus der Titannitridschicht 13 in die Al-Legierungsschicht 15 ausstreut beziehungsweise wandert und eine Verzerrungsentlastungsschicht (Verzerrungsrelaxationsschicht) 14 bildet, die die Zugbelastungsverzerrung im Innern der Al-Legierungsschicht relaxiert beziehungsweise entlastet und hierdurch das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt.
  • Die Verzerrungsentlastungsschicht 14 muß eine ausreichende Dicke haben, um das Auftreten von Al-Hohlräumen zu unterdrücken. Falls die Elektrode eine TiN/Al-Gestaltung besitzt, wird angenommen, daß die vorstehend beschriebene Reaktion auf Grund des Glühvorgangs nach der Aufbringung von Al auftritt. Auch wenn dies der Fall ist, kann unterstellt werden, daß die durch die Reaktion erzeugte Filmschicht nicht gut als Verzerrungsentlastungsschicht wirken kann, wenn sie dünn ist. Selbst wenn die Diffusion von Ti in den inneren Bereich der Al-Legierungsschicht auftritt, ist, wenn die durch die Reaktion hergestellte Schicht sehr dünn ist, kurzgesagt eine solche Schicht nicht im Stande, das Auftreten von Al-Hohlräumen zu unterdrücken. Dieser Sachverhalt läßt sich aus einer analogen Betrachtung der in 3 gezeigten Ergebnisse bekräftigen. Wie in 3 gezeigt ist, sind selbst bei der gleichen Filmerzeugungsgestaltung Unterschiede bei dem Auftreten von Al-Hohlräumen vorhanden. Es kann angenommen werden, daß dies nichts anderes als die Tatsache ist, daß die Dicke der Diffusionsschicht, die beim Diffundieren von Ti ins Innere der Al-Legierungsschicht gebildet wird, in Abhängig keit von den sich verändernden Bedingungen bei der Ausbildung des TiN-Films variiert.
  • Die Erfinder haben die jeweiligen Zusammensetzungen der Probenbauteile, bei denen Al-Hohlräume auftraten, beziehungsweise bei denen keine Al-Hohlräume vorhanden waren, unter Benutzung eines Auger-Elektronenspektroskopiegeräts analysiert. Die 5 und 6 zeigen die Ergebnisse der Analyse unter besonderer Berücksichtigung der Tiefe des Teils, bei dem der isolierende Zwischenschichtfilm gebildet wurde. Beide Profile in 5 und 6 zeigen die Zusammensetzung entlang der unterschiedlichen Tiefen zusammen mit der Verteilung der Komponentenelemente nach dem Glühen, das nach der Ausbildung des Films aus der Al-Legierung durchgeführt wird. 5 zeigt die Ergebnisse der Untersuchung für diejenigen Probenbauelemente, die in 3 mit X bezeichnet sind, während in 6 die Ergebnisse für diejenigen Probenbauelemente gezeigt sind, die in 3 mit O markiert sind. Verglichen mit denjenigen Bauteilen, die in 5 gezeigt sind und Al-Hohlräume besitzen, besaßen die in 6 dargestellten Probenbauteile, bei denen das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt war, die als die Verzerrungsentlastungsschicht wirkende Ti-Diffusionsschicht im Innern der Al-Legierung. Es wurde bestätigt, daß die erzeugten Ti-Diffusionsschichten erhebliche Dicke besaßen.
  • Falls folglich die Diffusionsschicht, die gebildet wird, wenn Ti in das Innere der Al-Legierungsschicht diffundiert, sehr dünn ist, dann treten wie bei den Probenbauteilen, die in 3 mit X markiert sind, Al-Hohlräume auf. Aus diesem Ergebnis erschließt sich, daß die Verzerrungsentlastungsschicht 14 bezüglich einer Verdrahtungsbreite 1 μm eine Dicke haben muß, die Breiten von Al-Hohlräumen oberhalb von 0,3 μm praktisch auf Null verringert. Anders ausgedrückt, muß die Verzerrungsentlastungsschicht 14 eine Dicke haben, die Al-Hohlräume mit einer Breite von mehr als einem Drittel der Verdrahtungsbreiten auf praktisch Null verringert.
  • Weiterhin wird wie bislang zur Verhinderung des Hindurchtretens der Elemente der Al-Legierung (Al, Si usw.) durch das Sperrmetall (sogenannte Legierungsspikes beziehungsweise Legierungsspitzen) der TiN-Film der Atmosphäre nach der Ausbildung und Erwärmung und Behandlung ausgesetzt, so daß Sauerstoff in den Kristallkorngrenzen enthalten beziehungsweise eingebaut wird. Die Erfinder haben weiterhin gefunden, daß Al-Hohlräume in einem Fall, bei dem eine Al-Legierungsschicht nach dem Aussetzen der gebildeten Titannitridschicht gegenüber der Atmosphäre gebildet wird, zahlreich auftreten. Dies liegt wahrscheinlich daran, daß die Oxidation der Oberfläche der Titannitridschicht das Auftreten der vorstehend erläuterten Reaktion erschwerte und folglich Ti nicht in das Innere der Al-Legierung diffundieren konnte. Von den Erfindern wurde erkannt, daß es deshalb wichtig ist, keinen Sauerstoff während der Ausbildung der Titannitridschicht einzubauen und diese nach der Ausbildung von TiN nicht der Atmosphäre auszusetzen, sondern daß der Vorgang der Filmerzeugung vielmehr kontinuierlich in einem Vakuum durchgeführt werden sollte.
  • Wie aus den 5 und 6 ersichtlich ist, wurde kein Sauerstoff in dem Inneren der Schichten aus Al-Legierung und Titannitrid sowie an der Grenzfläche zwischen diesen ermittelt. Dies ist der Unterschied zwischen den üblichen Herstellungsverfahren und beruht auf der Tatsache, daß die Titannitridschicht nach deren Filmerzeugung nicht der Atmosphäre ausgesetzt wird. Der dennoch ermittelte Sauerstoff im Inneren des isolierenden Zwischenschichtfilms, in der Titanschicht sowie bei der Grenzfläche zwischen der Titannitridschicht und der Titanschicht war durch das Vorhandensein von SiO2 in dem isolierenden Zwischenschichtfilm bedingt.
  • Ferner wurde eine Röntgenstrahl-Beugungsmessung an diesen Probenbauteilen durchgeführt und es wurde, wie in 7 gezeigt ist, eine breite Spitze, die die Verbindung TiAlx mit dem Hauptbestandteil TiAl3 anzeigt, um den Bereich herum ge funden, bei dem der erfaßte Winkel beziehungsweise Detektionswinkel 2 θ gleich 39,3° ist. Weiterhin wurde gefunden, daß eine solche Spitze noch deutlicher bei denjenigen Probenbauteilen, bei denen Al-Hohlräume unterdrückt sind, als bei Probenbauteilen mit vorhandenen Al-Hohlräumen auftritt. Aus den in den 3 und 5 bis 7 gezeigten Ergebnissen ergibt sich somit klar, daß die intermetallische Verbindungsschicht zwischen den Metallen Aluminium und Titan, die auf Grund der Diffusion von Titan aus der Titannitridschicht in das Innere der Al-Legierung gebildet wird, das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt.
  • Die 8 und 9 zeigen Spuren beziehungsweise Wiedergaben von Bildern der Querschnittsansichten des Films aus den Materialien, bei denen Al-Hohlräume auftraten (die in 3 mit X bezeichneten Probenbauteile), beziehungsweise bei denen das Auftreten von solchen Hohlräumen unterdrückt war (die in 3 mit O bezeichneten Probenbauteile), wie sie bei einem Transmissionselektronenmikroskop beobachtet beziehungsweise erzeugt wurden. Durch 8 läßt sich bestätigen, daß bei dem Material, bei dem Al-Hohlräume auftraten, eine Schicht (im folgenden auch als Reaktionsschicht zur Unterscheidung gegenüber der vorstehend angegebenen Verzerrungsentlastungsschicht bezeichnet) mit einer Dicke von ungefähr 7 nm zwischen der Al-Legierungsschicht und der Titannitridschicht gebildet wurde. Auf der anderen Seite war, wie in 9 gezeigt ist, bei dem Material, bei dem das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt war, eine Verzerrungsentlastungsschicht zwischen der Al-Legierungsschicht und der Titannitridschicht gebildet, die deutlich dicker als diejenige in 8 ist und eine Dicke von 10 nm besitzt. Falls daher die Verzerrungsentlastungsschicht 14 eine Dicke von 10 nm oder mehr besitzt, ergibt sich, daß die durch die Zugbeanspruchung im Innern der Al-Legierung hervorgerufene Verzerrung beziehungsweise Verwerfung ausreichend verringert beziehungsweise entlastet werden kann, so daß das Auftreten von Al-Hohlräumen ausreichend unterdrückt werden kann.
  • Weiterhin haben die Erfinder ein Transmissionselektronenmikroskop zur Bestimmung der geeigneten oder korrekten Belegungsrate der herzustellenden Verzerrungsentlastungsschicht an der Grenzfläche der Al-Legierungsschicht und der Titannitridschicht benutzt. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Belegungsrate der Verzerrungsentlastungsschicht an der Grenzfläche der Al-Legierungsschicht und Titannitridschicht und dem Vorhandensein/Fehlen von Al-Hohlräumen. Die Bedeckungsrate R der Verzerrungsentlastungsschicht ist folgendermaßen definiert: R = Σli/L = (li + l2)/L × 100(%) (3)
  • Hierbei repräsentiert li (wie etwa l1, l2 in 11) eine Länge jeder Verzerrungsentlastungsschicht und L die Gesamtlänge der Grenzfläche zwischen der Al-Legierungsschicht und der Titannitridschicht, wie dies in 11 gezeigt ist. Es ist hierbei anzumerken, daß l1 und l2 die Länge von jeder der Inseln der Verzerrungsentlastungsschicht repräsentiert, falls diese an der Grenzfläche zwischen der Al-Legierungsschicht und Titannitridschicht gestreut beziehungsweise aufgeteilt ist (siehe 11).
  • Aus 10 ist ersichtlich, daß die Verzerrungsentlastungsschicht das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrücken kann, falls sie mehr als 40% der Grenzfläche abdeckt.
  • Um die Unterschiede zwischen den Bedingungen, bei denen Al-Hohlräume auftreten können, und den Bedingungen, bei denen das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt ist, klarzustellen, wurde, wie in 12 dargestellt ist, ein Probenbauteil, bei dem die Dichte der Titannitridfilm ausgebildet war, mittels Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS = X-ray photoelectron spectroscopy) hinsichtlich der Größe der Verschiebung (chemischen Verschiebung) in der Bindungsenergie von Elektronen in dem Ti2p3/2-Niveau des Atoms bei Ti, das heißt bei Titannitrid (durch die chemische Bindung von Ti mit Stickstoff gebildet) gemessen und wurde gleichfalls untersucht. Bei dem Zustand, bei dem Al-Hohlräume auftraten, betrug die chemische Verschiebung des Ti2p3/2 in der Titannitridschicht 1,51 eV, während die chemische Verschiebung in der Titannitridschicht bei dem Zustand, bei dem das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt war, kleiner war als 1,32 eV. Das letztere legt nahe, daß der Bindungszustand von Stickstoff und Titan schwach war und daß es folglich für das Titan des Titannitrids einfacher war, in die Al-Legierungsschicht zu diffundieren.
  • Ferner gibt es einen weiteren Wert der Bewertung des Zustands der Titannitridschicht. Zum Beispiel war der sich nach der Filmerzeugung ergebende spezifische Widerstand nach der Ausbildung des Titannitrids unter den gleichen Bedingungen wie bei den in 3 mit X markierten Probenbauteilen, bei denen Al-Hohlräume auftraten, ungefähr 80 μΩcm bis 170 μΩcm. Auf der anderen Seite betrug der spezifische Widerstand des Titannitrids, der nach dessen Ausbildung unter denselben Bedingungen wie bei den in 3 mit O markierten Probenbauteilen gemessen wurde, 180 μΩcm–1000 μΩcm. Weiterhin ergab sich bei Messung der Filmbeanspruchung des Titannitrids unmittelbar nach der Filmerzeugung eine Druckbeanspruchung des Probenbauteils, das unter den Bedingungen, bei denen Al-Hohlräume auftraten, hergestellt wurde, die hoch ist und oberhalb 100 MPa liegt, während die Druckbeanspruchung für ein Probenbauteil, das unter den Bedingungen, bei denen das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt war, hergestellt wurde, relativ niedrig war und bei 0–90 MPa lag. Hieraus läßt sich ableiten, daß Titannitrid, das unter Bedingungen unterhalb der Grenzlinie in 3 aufgebaut wurde, einen relativ groben Film mit einem schwachen Bindungszustand von Stickstoff und Titan bildete und das Titan in dem Titannitrid leichter in das Innere der Al-Legierungsschicht diffundiert.
  • In der Vergangenheit wurde allgemein angenommen, daß Al-Hohlräume in der nachstehenden Weise unterdrückt werden. So wurde es zum Beispiel, wie durch die in der JP-A-63-152147 offenbarte Gestaltung der Metallverdrahtung veranschaulicht ist, für notwendig gehalten, daß die Kristallebene der Verdrahtung aus Al-Si-Cu in der Al(111)-Ebene orientiert wird. Dieses Verfahren zielt auf die Verringerung der Anzahl von Defekten (Fehlstellen) und Verzerrungen beziehungsweise Verwerfungen in dem Inneren der Verdrahtung aus Al-Si-Cu ab und unterdrückt hierdurch das Auftreten von Al-Hohlräumen. Allerdings haben die Erfinder die in 3 gezeigten Probenbauteile untersucht und an diesen Al-Legierungs-Röntgenstrahl-Beugungsmessungen durchgeführt, sowie herausgefunden, daß sowohl die Probenbauteile, bei denen Al-Hohlräume unterdrückt waren, als auch die Probenbauteile, bei denen Al-Hohlräume auftraten, in der Al(111)-Ebene orientiert sind und daß, wie in 13 veranschaulicht ist, im Unterschied zu den vorstehenden Lösungsvorschlägen die Beugungsintensität bei dem Probenbauteil, bei dem das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt war, kleiner war. Daher haben die Erfinder nach der Untersuchung herausgefunden, was bislang noch niemand festgestellt hatte, daß die Al(111)-Orientierung nicht die hauptsächliche Bedingung bei der Unterdrückung des Auftretens von Al-Hohlräumen ist.
  • Die Beugungsintensitäten für die Al(111)- und die Al3Ti(202)-Ebene für unterschiedliche Glühtemperaturen sind in 14 beziehungsweise 15 gezeigt. Wenn die Glühtemperatur höher wird, wird die Beugungsintensität für die Al3Ti(202)-Ebene, die bei dem Diffundieren von Ti aus der Titannitridschicht in die Al-Legierungsschicht gebildet wird, größer, während die Beugungsintensität für die Al(111)-Ebene abnimmt. Hieraus ergibt sich für das Beispiel, das die Schicht aufweist, die Ti enthält, das aus der Titannitridschicht in die Al-Legierungsschicht diffundiert ist, das heißt bei dem Beispiel, bei dem Al-Hohlräume unterdrückt sind, klar, daß die Al(111)-Ebenenorientierung kleiner ist und daß eine Verbesserung der Orientierung der Al(111)-Ebene das Auftreten von Al-Hohlräumen nicht unterdrücken würde.
  • Zudem sollte, wie in 15 veranschaulicht ist, zur Förderung der Produktion von Al3Ti, das zu der Verzerrungsentlastungsschicht 14 wird, die an die Al-Legierungsschicht 15 angelegte Glühtemperatur nach der Filmerzeugung oberhalb 350°C liegen und das wäre noch sehr viel besser, wenn sie auch mehr als 420°C festgelegt würde. Dies ist durch den Sachverhalt bedingt, daß unterhalb 350°C die Röntgenstrahl-Beugungsintensität der intermetallischen Verbindung aus Al und TiN nicht erfaßt wurde und daß die Beugungsintensität derselben sich rasch vergrößerte, wenn die Glühtemperatur oberhalb 420°C lag.
  • Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel für dieses Ausführungsbeispiel erläutert.
  • Gemäß 1 sind der isolierende Zwischenschichtfilm 11 und die Titanschicht 12 auf der Oberseite des siliziumsubstrats 10 gebildet, wobei eine Titansilizidschicht 16 zwischen der Titanschicht 12 und dem Siliziumsubstrat 12 gebildet ist. Ferner sind die Titannitridschicht (Sperrschicht) 13, die aus Al-Si(1,0 Gew.%)-Cu(0,5 Gew.%) bestehende Al-Legierungsschicht 15 und der durch einen isolierenden Film gebildete Schutzfilm 18 auf der Oberseite der Titanschicht 12 ausgebildet. Weiterhin ist die Verzerrungsentlastungsschicht 14, die eine diffundiertes Ti enthaltende Al-Legierungsschicht ist, an der Grenzfläche zwischen der Titannitridschicht 13 und der Al-Legierungsschicht 15 gebildet.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E das Verfahren zur Herstellung des in 1 dargestellten Halbleiterbauelements erläutert. Zunächst werden, wie in 2A gezeigt ist, der isolierende Zwischenschichtfilm 11, wie etwa PSG (Phosphor Silikat Glas), das mit Hilfe eines CVD-Verfahrens (chemische Dampfabscheidung) oder mittels Sputterverfahren gebildet ist, und, wie in 2B dargestellt ist, das Kontaktloch 17 mittels Photolithographie zur Freilegung der Oberflächenkontaktfläche des Siliziumsubstrats 10 gebildet.
  • Bei dem in 2C dargestellten Prozeß beziehungsweise Vorgang wird unter Einsatz des in 16 dargestellten Sputtergeräts (Spratzgeräts) eine Titanschicht 12 durch Sputtern mit einer Dicke von 20 nm, eine 80 nm dicke Titannitridschicht 13 durch reaktives Sputtern von Ti in einer Atmosphäre, die aus einer Mischung aus Argon und Stickstoff besteht, und eine 450 nm dicke Al-Legierungsschicht 15, die aus Al-Si(1,0 Gew.%)-Cu(0,5 Gew.%) besteht, durch Sputtern kontinuierlich beziehungsweise aufeinanderfolgend hergestellt und Abschnitte dieser Schichten werden elektrisch mit der Oberflächenkontaktfläche des Siliziumsubstrats 10 verbunden. Während der Durchführung der vorstehend erwähnten Sputtervorgänge werden die Titanschicht 12, die Titannitridschicht 13 und die Al-Legierungsschicht 15 der Luft nicht ausgesetzt und werden kontinuierlich in einem Vakuum gebildet. Daher enthalten die Innenbereiche dieser Schichten und ihrer Grenzflächen keinen beziehungsweise im wesentlichen keinen Sauerstoff, wobei die Sauerstoffkonzentration unterhalb 1 at% liegt.
  • Die effektive Substrattemperatur wird während der Ausbildung der Titanschicht 12, der Titannitridschicht 13 und der Al-Legierungsschicht 15 auf einen gewissen Wert festgelegt. Da die Titannitridschicht 13 durch Reagierenlassen von Titan in einem Plasma mit einer N2-Ar-Atmosphäre gebildet wird, wirken sich die Bedingungen für die Herstellung des Films wie etwa die effektive Substrattemperatur, der Filmerzeugungsdruck, das Verhältnis der Strömungsraten von N2-Ar-Gasen, die Gleichstromleistungsdichte oder dergleichen, in geringfügiger Weise auf das chemische Zusammensetzungsverhältnis, die Kristallstruktur und das Ausmaß der Diffusion von Titan aus der Titannitridschicht 13 in die Al-Legierungsschicht 15 aus. Auf Grund dessen wurden die Substrattemperatur, der Filmerzeu gungsdruck, das Verhältnis der Strömungsraten der N2-Ar-Gase und die Gleichstromleistungsdichte bei diesem Ausführungsbeispiel auf 300°C, 5,5 mTorr, 1:1 beziehungsweise 4,4 W/cm2 festgelegt.
  • Nach der Filmerzeugung der Al-Legierungsschicht 15 werden die Titanschicht 12, die Titannitridschicht 13 und die Al-Legierungsschicht 15 mit Muster beziehungsweise Formgebung versehen und derart bearbeitet, daß sie gleich der in 2D gezeigten Al-Verdrahtungsgestaltung sind. Dann werden das Siliziumsubstrat 10, die Titanschicht 12, die Titannitridschicht 13 und die Al-Legierungsschicht 15 bei einer Temperatur von 400°C bis 480°C geglüht, um den Kontaktwiderstand zwischen dem Substrat 10 und der Al-Verdrahtungsgestaltung beziehungsweise -Verdrahtungsstruktur zu verringern.
  • Weiterhin wird der isolierende Film, der als Schutzfilm 18 dient, mit Hilfe eines CVD-Verfahrens oder eines Sputterverfahrens bei einer Temperatur von 300°C bis 480°C gebildet und es wird hierdurch eine Gestaltung, die gleichartig der in 2E gezeigt ist, erhalten.
  • Während des vorstehend erwähnten Glühens bei 400–480°C, das auf die Verringerung des Widerstandswerts der elektrischen Verbindung abzielt, und während des Glühvorgangs bei 300–480°C, die während der Ausbildung des Schutzfilms 18 eingesetzt wird, diffundiert Titan aus der Titannitridschicht 13 in die Al-Legierungsschicht 15 und es treten die in den Gleichungen (1) und (2) gezeigten Reaktionen auf, um die Verzerrungsentlastungsschicht 14 zu bilden. In diesem Fall wird die Verzerrungsentlastungsschicht 14 in Übereinstimmung mit der in 3 gezeigten Beziehung zu einer Schicht, die die Anzahl von Al-Hohlräumen mit Breiten oberhalb von 0,3 μm bei einer Verdrahtungsbreite von 1 μm effektiv auf 0 verringert. Dies bedeutet, daß die Verzerrungsentlastungsschicht 14 zu einer Schicht wird, die das Auftreten von Al-Hohlräumen, deren Hohlraumbreite größer als ungefähr ein Drittel der Verdrahtungsbreite ist, unterdrücken kann.
  • Wie vorstehend erläutert, kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Auftreten von Al-Hohlräumen dadurch unterdrückt werden, daß die Verzerrungsentlastungsschicht 14, die eine intermetallische Verbindungsschicht ist, die als hauptsächlich aus TiAl3 bestehendes TiAlx bezeichnet werden kann, zwischen der Titannitridschicht 13 und der Al-Legierungsschicht 15 gebildet wird.
  • Da die Diffusion von Titan aus der Titannitridschicht 13 in die Al-Legierungsschicht 15 für die Erzeugung der Verzerrungsentlastungsschicht 14 in starken Maße von der Filmqualität von Titannitrid abhängt, gibt es einige Beschränkungen, bei den Bedingungen für die Filmerzeugung. Die Gleichstromleistungsdichte, die, wie vorstehend erwähnt, die Filmqualität am stärksten beeinflußt, sollte auf 5,5 W/cm2 oder weniger festgelegt werden. Während der Filmerzeugung der Titannitridschicht 13 ist es wünschenswert, daß die effektive Substrattemperatur auf 200–350°C festgelegt wird. Auf der anderen Seite ist anzumerken, daß die schlechte Benetzbarkeit von Titannitrid durch Al und die Anhebung der Substrattemperatur während der Filmbildung von Al auf über 200°C dazu führen, daß Al an der Innenseite des Kontaktlochs 17 anhaftet. Folglich könnte die Stufenbedeckung von Al sich verschlechtern und es ist auf Grund der Tatsache, daß das Auftreten von Al-Hohlräumen mit einer solchen schlechten Benetzbarkeit verknüpft sein kann, bevorzugt, daß die Substrattemperatur während der Filmbildung von Al auf weniger als 200°C, zum Beispiel auf 100–150°C, festgelegt wird. Da auch der Filmerzeugungsdruck des N2-Ar-Gases eng mit der Reaktivität des reaktiven Sputterns zusammenhängt und sich auch auf die Lebensdauer einer Absaugpumpe auswirkt, sollte er auf 2 bis 7 mTorr festgelegt werden. Da das Gasmischungsverhältnis von N2-Ar sowohl die Reaktivität beziehungsweise das Reaktionsvermögen des reaktiven Sputterns als auch die Abscheidungs rate beeinflußt, sollte der Partialdruck des N2-Gases auf 33–75% festgelegt werden.
  • Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Konzentration von Sauerstoff im Innern der Titannitridschicht 13, die als Sperrschicht dient, annähernd unterhalb 1 at% festgelegt, während die Sauerstoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen der Titannitridschicht 13 und der Verzerrungsentlastungsschicht 14 im wesentlichen unter 1 at% festgelegt ist. Aufgrund dessen ist es für Al und Titannitrid einfacher, miteinander zu reagieren und es ist daher leichter, die Verzerrungsentlastungsschicht 14 mit der bezeichneten Dicke beziehungsweise Entwurfsdicke zu bilden.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Titannitridschicht 13, die bei der Ausbildung der Verzerrungsentlastungsschicht 14 benutzt wird, als eine Diffusionssperrschicht, um das Diffundieren von Al in das Si-Substrat 10 zu verhindern und weiterhin das Diffundieren von Si (aus dem Si-Substrat 10) und von Ti (aus der Titanschicht 12) in die Al-Legierungsschicht 15 zu vermeiden. Statt der vorstehenden Gestaltung kann auch die nachstehende Gestaltung eingesetzt werden: es werden beziehungsweise sind zwischen die Titannitridschicht 13 und die Titanschicht 12 und/oder zwischen die Titannitridschicht 13 und die Titansilizidschicht Metalle mit hohen Schmelzpunkten, Nitridverbindungen aus Metallen mit hohen Schmelzpunkten, Silizidverbindungen aus Metallen mit hohen Schmelzpunkten oder dergleichen, die sämtlich als Diffusionssperrschichten wirken können, eingefügt. Ebenso können an Stelle der Titansilizidschicht 16 und der Titanschicht 12 Metalle mit hohen Schmelzpunkten, Silizidverbindungen aus Metallen mit hohen Schmelzpunkten und dergleichen eingesetzt werden.
  • Weiterhin ist die Al-Legierung der Al-Legierungsschicht 15 nicht lediglich auf Al-Si-Cu beschränkt, sondern es können auch andere Legierungen wie etwa reines Aluminium, Al-Ti-Si, Al-Cu, Al-Si, Al-Ti, Al-Cu-Ti und so weiter verwendet werden.
  • Zusätzlich können die Grenz-, Titansilizid- und Titan-Schichten mehrfach geschichtet sein oder nicht. Der einzig wesentliche Punkt bei der Unterdrückung von Al-Hohlräumen besteht darin, daß sowohl die Al-Legierungsschicht 15 als auch die Titannitridschicht 13, die bei der Ausbildung der Verzerrungsentlastungsschicht wesentlich ist, in direktem gegenseitigem Kontakt stehen. Abgesehen hiervon bestehen keine weiteren Beschränkungen hinsichtlich der Struktur, Orientierung und so weiter für diese Schichten.
  • Es wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Bei dem vorstehend erläuterten ersten Ausführungsbeispiel wurde das Auftreten von Al-Hohlräumen dadurch unterdrückt, daß die traditionellen Bedingungen für die Ausbildung des Films der Titannitridschicht 13 geändert wurden und daß die Verzerrungsentlastungsschicht 14 gebildet wurde. Auch wenn diese Gestaltung die ausreichende Unterdrückung des Auftretens von Al-Hohlräumen sicherstellt, ist das Problem vorhanden, daß Legierungsspikes beziehungsweise Legierungsspitzen wie etwa Al-Spikes möglicherweise auftreten können.
  • Hierbei sei angemerkt, daß mit dem Ausdruck "Legierung" im vorstehenden und nachfolgenden Text auch stets "Komposition" gemeint ist.
  • Eine Legierungsspitze ist, wie in 17 dargestellt ist, eine Erscheinung, bei der die Verdrahtungsmaterialien Al, Ti und Si miteinander reagieren, um eine Verbindung zu bilden, die die Eigenschaften des Bauelements (Tr-Eigenschaften) nachteilig beeinflußt. Bei Betrachtung dieses Aspekts hinsichtlich des herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung der Titannitridschicht ergibt sich, daß die Leistungsdichte während der Ausbildung der Titannitridschicht relativ hoch ist und daß der Film nach der Filmbildung der Titannitridschicht der Luft ausgesetzt wird. Daher wird in diesem Fall das Auftreten von Legierungsspitzen durch die relative Härte des Films aus TiN verhindert. Falls aber die Leistungsdichte gemäß den vorstehenden Erläuterungen auf unter 5,5 W/cm2 abgesenkt wird, um das Auftreten von Al-Hohlräumen zu unterdrücken, läßt sich vermuten, daß die Reaktion zwischen den Metallen und dem Siliziumsubstrat in starkem Maße veranlaßt wird, was zu dem Auftreten von Legierungsspitzen führt. Daher tritt ein Konflikt hinsichtlich der Einstellung der Leistungsdichte auf, da die Unterdrückung von Al-Hohlräumen und die Unterdrückung von Legierungsspitzen in einer einander widersprechenden Beziehung stehen.
  • Ein Weg zur Unterdrückung des Auftretens von Legierungsspitzen kann darin bestehen, die Dicke des Films der Titannitridschicht zu vergrößern. Anders ausgedrückt wird durch Verdickung des Films die Bildung einer Verbindung aus Al, Ti und Si, die zu einer Legierungsspitze führen, unterdrückt. Jedoch kann eine einfache Verdickung der Titannitridschicht zu Fehlern bei der Al-Verdrahtung wie etwa einem Bruch führen.
  • Demgemäß wird seitens der Erfinder vorgeschlagen, eine Schicht zur Verhinderung von Legierungsspitzen (Legierungsspitzen-Verhinderungsschicht), die sich von der Erzeugung der Titannitridschicht für die Unterdrückung von Al-Hohlräumen unterscheidet, zwischen der Titannitridschicht (Verzerrungsentlastungsschicht) und dem Siliziumsubstrat vorzusehen. Konkret gesagt bedeutet dies bei diesem Aufbau, daß eine Titannitridschicht 20, die unterschiedliche Eigenschaften verglichen mit der Titannitridschicht 13 besitzt, unterhalb der Titannitridschicht 13, die das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt und in Berührung mit der Al-Legierungsschicht steht, angeordnet wird. Folglich wird eine Gestaltung mit zweischichtiger Sperrmetallstruktur gebildet. Die Einzelheiten des zweiten Ausführungsbeispiels werden nachstehend erläutert.
  • 18 zeigt eine Querschnittsansicht der Verdrahtungselektrode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der in 18 dargestellte Aufbau unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Aufbau dahingehend, daß die Sperrschichtstruktur beim Aufbau gemäß 18 eine zweischichtige Gestaltung ist, die aus einer Titannitridschicht 13 für die Bildung einer Verzerrungsentlastungsschicht und einer weiteren Titannitridschicht 20 zum Verhindern von Legierungsspitzen gebildet ist. Abgesehen von diesem Unterschied haben jedoch beide Gestaltungen die gleiche Struktur. Es ist hierbei anzumerken, daß die Reaktionsschichten der Verzerrungsentlastungsschicht 14, der Titansilizidschicht 16 und des Schutzfilms 18 gemäß 1 in 18 entfallen beziehungsweise nicht dargestellt sind.
  • Das Verfahren zur Herstellung dieses Aufbaus wird nachstehend erläutert. Wie in 2B gezeigt ist, werden nach der Ausbildung des Kontaktlochs 17 in dem isolierenden Zwischenschichtfilm 11 die Titanschicht 12 und die Schicht 20 zur Verhinderung von Legierungsspitzen mittels des gleichen Sputterverfahrens wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet, wie in 19A gezeigt ist. Danach wird, wie in 19B dargestellt ist, die Titannitridschicht 13 zur Verhinderung von Al-Hohlräumen ausgebildet und es wird dann, wie in 19C gezeigt ist, eine Al-Legierungsschicht 15, die aus Al-Si-Cu besteht, gebildet. Es ist hierbei anzumerken, daß die gleichen Sputtergeräte, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel eingesetzt wurden, hierbei benutzt werden und daß die Filme kontinuierlich in einem Vakuum gebildet werden.
  • Danach werden diese Schichten gemäß der Darstellung in den 2D und 2E einer Musterformgebung unterzogen und es wird nach deren Glühen (bei einer Temperatur von 350–480°C, vorzugsweise bei 420°C oder mehr) der aus einem isolierendem Film bestehende Schutzfilm 18 darauf gebildet. Auf Grund dieses Glühvorgangs führt die Reaktion zwischen der Ti tannitridschicht 13 und der Al-Legierungsschicht 15 in der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel zu der Diffusion von Titan aus der Titannitridschicht 13 in die Al-Legierungsschicht 15, wodurch eine Verzerrungsentlastungsschicht (in 18 nicht dargestellt) an der Grenzfläche zwischen diesen Schichten gebildet wird.
  • Hierbei sind die Bedingungen für die Filmerzeugung der ersten (darunterliegenden) Titannitridschicht 20 und der zweiten (darüberliegenden) Titannitridschicht 13 in Tabelle 1 gezeigt. Um zu unterschiedlichen Eigenschaften derselben zu gelangen, wird die erste Titannitridschicht 20 mit einer Gleichstromleistungsdichte von 8,7 W/cm2 gebildet, während die Gleichstromleistungsdichte für die zweite Titannitridschicht 13 auf 4,4 W/cm2 festgelegt wird. Weiterhin wird hinsichtlich der Dicken dieser Filme bei der ersten Titannitridschicht 20 eine Dicke von 70 nm eingesetzt, während die Dicke der zweiten Titannitridschicht 13 auf 30 nm festgelegt wird, so daß deren Gesamtdicke auf 100 nm festgelegt ist.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel wird hierbei unter Vergleich desselben mit Vergleichsbeispielen 1 bis 3 beschrieben. Diese Vergleichsbeispiele besitzen lediglich eine Titannitridschicht und sie wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, bei unterschiedlichen Gleichstromleistungsdichten hergestellt, um sie jeweils gegenseitig unterschiedlich zu gestalten. Weiterhin wurde die Dicke ihrer Titannitridschichten auf 100 nm festgelegt, um der Gesamtdicke des vorstehend erläuterten, zwei Titannitridschichten besitzenden Aufbaus zu entsprechen. Andererseits wurden die Dicken der Titan- und Al-Legierungsschicht gleichförmig auf 20 nm beziehungsweise 450 nm bei diesem Ausführungsbeispiel und bei den Vergleichsbeispielen festgelegt. Tabelle 1
    Leistungsdichte (W/cm2) Ar-Strömungsrate (SCCM) N2-Strömungsrate (SCCM) Druck (mTorr) Substrat-Temperatur (°C)
    Zweites Ausführungsbeispiel 1. TiN 8,7 90 90 5,5 270
    2. TiN 4,4 90 90 5,5 270
    Vergleichsbeispiel 1 4,4 90 90 5,5 270
    Vergleichsbeispiel 2 5,2 90 90 5,5 270
    Vergleichsbeispiel 3 8,7 90 90 5,5 270
  • Es wurden die Al-Hohlraum-Dichte und der Leckstrom bei diesem Ausführungsbeispiel und bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 untersucht, wobei die Untersuchungsergebnisse in 20 gezeigt sind. Weiterhin erfolgte hinsichtlich der Legierungsspitzen die Untersuchung dadurch, daß die Leckstromwerte der Kontakte (die Anzahl der Kontakte betrug 1350) unter Einsatz der in 21 gezeigten Verdrahtungsgestaltung beobachtet wurden. Weiterhin wurde hinsichtlich der Al-Hohlräume die Anzahl von Al-Hohlräumen für jede Verdrahtung beziehungsweise jeden Verdrahtungsabschnitt mit einer Breite von 1 μm und einer Länge von 1 mm, das heißt die Al-Hohlraum-Dichte, bewertet.
  • Aus 20 ist ersichtlich, daß bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 mit Gleichstromleistungsdichten von 4,4 W/cm2 beziehungsweise 5,2 W/cm2 das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückt war, jedoch auf Grund ihrer großen Leckströme angenommen werden kann, daß in ihnen Legierungsspitzen auftreten.
  • Auf der anderen Seite ist beim Vergleichsbeispiel 3, das eine Gleichstromleistungsdichte von 8,7 W/cm2 besitzt, der Leck-Strom klein und das Auftreten von Legierungsspitzen unterdrückt, jedoch treten Al-Hohlräume auf. In dieser Weise ver halten sich das Unterdrücken von Al-Hohlräumen und das Unterdrücken von Al-Legierungsspitzen hinsichtlich der Einstellung des Leistungspegels gegenläufig zueinander und es müssen die einzelnen Herstellungsbedingungen optimiert werden, um beide Anforderungen zu erfüllen, wenn lediglich eine einzige Titannitridschicht benutzt wird. Im Gegensatz hierzu ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, das zwei Titannitridschichten besitzt, das Auftreten von Al-Hohlräumen auf Grund der oberen Titannitridschicht verhindert, und weiterhin auf Grund der Tatsache, daß der Leckstrom klein ist, das Auftreten von Legierungsspitzen gleichfalls in einfacher Weise durch die untere Titannitridschicht unterdrückt.
  • 22 zeigt die Ergebnisse der Analyse mittels Röntgenstrahlbeugungsmessung (XRD = X-ray diffractometry), wenn die Gleichstrom- beziehungsweise Gleichspannungs-Leistungsdichte der Einzelschicht-Titannitridschicht geändert wird. Aus 22 ist ersichtlich, daß sich die Orientierung von TiN(200) bei zunehmender Gleichstrom-Leistungsdichte verändert. Es kann daher angenommen werden, daß dieser Unterschied der physikalischen Eigenschaften, der durch die Veränderung der Orientierung hervorgerufen wird, im großen Umfang zu dem Auftreten von Al-Hohlräumen und Legierungsspitzen beiträgt.
  • 23 zeigt die Beziehung zwischen der Gleichstromleistungsdichte der Einzelschicht-Titannitridschicht und dem Leckstrom. Aus 23 ist ersichtlich, daß ein Verlagerungspunkt beziehungsweise eine Verhaltensänderung dann, wenn die Gleichstrom-Leistungsdichte gleich 6,96 W/cm2 ist, derart vorhanden ist, daß der Leckstrom kleiner wird, wenn die Gleichstrom-Leistungsdichte größer als dieser Wert ist. Daher sollte die Titannitridschicht 20, die Legierungsspitzen verhindert, mit einer Gleichstrom-Leistungsdichte von 6,96 W/cm2 oder mehr gebildet werden, um das Auftreten von Legierungsspitzen ausreichend zu unterdrücken.
  • Weiterhin kann nach der Filmbildung die erste TiN-Schicht 20 derart gebildet werden, daß sie zum Beispiel einen spezifischen Widerstand von weniger als 200 μΩcm und eine relativ hohe Druckbeanspruchung oberhalb 100 Mpa besitzt. Dabei ist es, wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel unmittelbar nach der Filmbildung erläutert wurde, hinsichtlich der zweiten TiN-Schicht 13, die zu der Bildung der das Auftreten von Al-Hohlräumen unterdrückenden Verzerrungsentlastungsschicht beiträgt, bevorzugt, daß diese zweite Schicht 13 einen spezifischen Widerstandswert von 180–1000 μΩcm und eine Filmbelastung beziehungsweise Filmbeanspruchung von 0–90 Mpa besitzt.
  • Nachfolgend wird erläutert, wie die unterschiedlichen, in 1 gezeigten Filmerzeugungsbedingungen zu unterschiedlichen Eigenschaften der gleichen Titannitridschicht führen. Die 24A und 24B zeigen die Ergebnisse der Analyse der Komposition, die entlang beziehungsweise in unterschiedlichen Tiefen, entlang der Tiefen beziehungsweise Tiefenrichtungen der Abschnitte, in denen der isolierende Zwischenschichtfilm nicht gebildet war, mittels eines Auger-Elektronenspektroskopiegeräts aufgenommen wurden. 24A zeigt die Zusammensetzung, wenn eine Titanschicht 12, eine Titannitridschicht 20 für die Verhinderung von Legierungsspitzen und eine Al-Schicht 15 auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Auf der anderen Seite zeigt 24B die Zusammensetzung, wenn eine Titanschicht 12, eine Titannitridschicht 13 für die Vermeidung von Al-Hohlräumen und eine Al-Schicht 15 auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 10 gebildet werden. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß beide unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben. Hierbei wird, wenn eine Al-Schicht 15 oberhalb einer Titannitridschicht 20, die Legierungsspitzen verhindert, gebildet wird, eine dünne Raktionsschicht auf Grund der Reaktion der beiden Schichten ausgebildet. Jedoch ist diese Reaktionsschicht wie vorstehend erläutert, sehr dünn und trägt folglich nicht zur Unterdrückung von Al-Hohlräumen bei.
  • Nachstehend werden die Auswirkungen der Dicken der Filme der ersten Titannitridschicht 20 und der zweiten Titannitridschicht 13 auf den Leckstrom und auf das Auftreten von Al-Hohlräumen erläutert. Die Ergebnisse sind in den 25 und 26 gezeigt. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß gute Resultate hinsichtlich des Leckstroms und der Al-Hohlräume selbst dann erzielt werden, wenn das Verhältnis der Dicken dieser beiden Schichten geändert wird. Bezüglich der beiden Titannitridschichten arbeiten folglich beide Schichten selbst dann effektiv, wenn eine der beiden Schichten dünn ausgebildet wird.
  • Auch wenn das gleiche Material, das bei der Erzeugung der Titannitridschicht 13, die Al-Hohlräume verhindert, auch bei der Ausbildung der Titannitridschicht 20 eingesetzt wurde, kann auch Titanwolfram (TiW), Wolframsilizid (WSix), Molybdensilizid (MoSix) zur Herstellung der Schicht für die Vermeidung von Legierungsspitzen eingesetzt werden. Wenn jedoch wie bei dem vorstehend erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel die Titannitridschicht 13 aus dem gleichen Material wie die Titannitridschicht 20 hergestellt wird, können beide Schichten in einem kontinuierlichen Prozeß hergestellt werden, und es ergibt sich der Vorteil der Ermöglichung der Vereinfachung des Herstellungsverfahrens, da die Ätzprozesse zur Ätzung derselben mittels des gleichen Verfahrens durchgeführt werden können.
  • Auch wenn die erste und die zweite Titannitridschicht 20 und 13 unter Veränderung der Gleichstrom-Leistungsdichte während der Filmerzeugung aus Titannitrid hergestellt wurden, kann die Gleichstrom-Leistungsdichte auch allmählich bei dem Fortschreiten des Vorgangs der Filmerzeugung aus Titannitrid geändert werden. In einem solchen Fall muß die Sputterbedingung so gesteuert werden, daß die Gleichstrom-Leistungsdichte am Beginn des Filmerzeugungsvorgangs oberhalb 6,96 W/cm2 liegen sollte, und daß die Gleichstrom-Leistungsdichte bei der Beendigung des Filmerzeugungsvorgangs unterhalb 5,5 W/cm2 liegen sollte.
  • Ferner ist es nicht notwendig, daß die Schicht 20 zur Verhinderung von Legierungsspitzen kontinuierlich mit der Titannitridschicht 13 zur Vermeidung von Al-Hohlräumen ausgebildet wird. Diese Schicht zur Verhinderung von Legierungsspitzen kann an einer gewissen Stelle bzw. manchen Stellen zwischen der Titannitridschicht 13 und dem Siliziumsubstrat 10 gebildet werden. Zum Beispiel können hinsichtlich der Titanschicht, der Titannitridschicht 20 (die Legierungsspitzen verhindert) und der Titanschicht alle diese drei Schichten zwischen dem Siliziumsubstrat 10 und der Titannitridschicht 13 angeordnet werden.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine Elektrodenverdrahtungsgestaltung für Halbleiterbauelemente geschaffen, bei der das Auftreten von Al-Hohlräumen in einer Aluminium-Kompositionsverdrahtung unabhängig von der Orientierung dieser Aluminium-Kompositionsverdrahtung unterdrückt werden kann. Ein isolierender Zwischenschichtfilm 11, eine Titannitridschicht 13, die als eine Sperrschicht dient, eine Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht 15 und ein Schutzfilm 18 werden oberhalb eines Siliziumsubstrats 10 zur Bildung der Elektrodengestaltung ausgebildet. Hierbei wird eine Verzerrungsentlassungsschicht 14 mit einer Filmdicke von im wesentlichen mehr als 10 nm zwischen der Titannitridschicht 13 und der Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht 15 gebildet. Die Verzerrungsentlastungsschicht 14 ist eine intermetallische Verbindung, deren Zusammensetzung Aluminium und Titan enthält. Auf Grund der Verzerrungsentlastungsschicht kann die Anzahl von Al-Hohlräumen mit Breiten von mehr als 0,3 μm bei einer Verdrahtungsbreite von 1 μm in der Praxis auf Null reduziert werden.

Claims (15)

  1. Elektrode für ein Halbleiterbauelement, mit einem Halbleitersubstrat (10), einem isolierenden Zwischenschichtfilm (11), der ein Kontaktloch (17) besitzt und auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet ist, einer Titannitrid-Sperrschicht (13), die auf dem isolierenden Zwischenschichtfilm (11) derart ausgebildet ist, daß sie das Halbleitersubstrat (10) über das Kontaktloch (17) berührt, wobei die Sperrschicht einen Abschnitt, der in dem Kontaktloch angeordnet ist, und einen Abschnitt aufweist, der außerhalb des Kontaktlochs angeordnet ist, einer auf der Sperrschicht (13) ausgebildeten Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) und einer Verzerrungsentlastungsschicht (14), die einen Abschnitt, der in dem Kontaktloch (17) angeordnet ist, und einen Abschnitt aufweist, der außerhalb des Kontaktlochs angeordnet ist, wobei der Abschnitt außerhalb des Kontaktlochs mehr als 40% des Abschnitts der Sperrschicht (13) bedeckt, der außerhalb des Kontaktlochs angeordnet ist, und der Abschnitt außerhalb des Kontaktlochs eine Filmdicke von mindestens 10 nm aufweist und entweder eine Schicht aus Al3Ti oder eine intermetallische, Al3Ti enthaltende Verbundschicht ist, wobei die Verzerrungsentlastungsschicht an einer Grenzfläche zwischen der Sperrschicht und der Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) angeordnet ist.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Verzerrungsentlastungsschicht (14) außerhalb des Kontaktlochs eine Filmdicke besitzt, die die Anzahl von Al-Hohlräumen in der Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15), die Hohlraumbreiten von ungefähr einem Drittel der Verdrahtungsbreite oder mehr besitzen, im wesentlichen auf Null reduziert.
  3. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentration in der Sperrschicht (13) annähernd unterhalb 1 at% ist und daß die Sauerstoffkonzentration an einer Grenzfläche zwischen der Sperrschicht und der Verzerrungsentlastungsschicht ungefähr unterhalb 1 at% liegt.
  4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schicht (20) zur Verhinderung von Legierungsspitzen, die zwischen der Sperrschicht (13) und dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist.
  5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (13) und die Schicht (20) zur Verhinderung von Legierungsspitzen Titannitridschichten sind, deren jeweilige Filmeigenschaften unterschiedlich sind.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, mit den Schritten: Ausbilden eines isolierenden Zwischenschichtfilms (11) auf der Oberseite eines Halbleitersubstrats (10), Ausbilden eines Kontaktlochs (17) in dem isolierenden Zwischenschichtfilm (11), Ausbilden einer ersten Titannitridschicht (13) oberhalb des isolierenden Zwischenschichtfilms (11) unter Einsatz eines Sputtergeräts, das mit einem Stickstoffgas gespeist wird und einen Titan-Target enthält, wobei ein reaktives Sputtern unter der Bedingung, daß eine Gleichstrom-Leistungsdichte gleich 5,5 W/cm2 oder weniger beträgt, eingesetzt wird und die erste Titannitridschicht hierdurch auf dem isolierenden Zwischenschichtfilm (11) aufgebracht wird und das Halbleitersubstrat (10) über das Kontaktloch (17) berührt, Ausbilden einer Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) auf der Oberseite der ersten Titannitridschicht (13), wobei die Schritte der Ausbildung der ersten Titannitridschicht (13) und der Aluminiumlegierungs-Ver drahtungsschicht (15) kontinuierlich in einem Vakuum durchgeführt werden, und Glühen des Substrats (10), auf dem die erste Titannitridschicht (13) und die Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) ausgebildet sind, so daß TiAl3 an der Grenzfläche zwischen der ersten Titannitridschicht (13) und der Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) entsteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt der Ausbildung einer zweiten Titannitridschicht (20) zum Verhindern von Legierungsspitzen auf der Oberseite des isolierenden Zwischenschichtfilms (11), der das Kontaktloch (17) aufweist, wobei der Schritt der Ausbildung der zweiten Titannitridschicht (20) vor der Erzeugung der ersten Titannitridschicht (13) durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Ausbildung einer zweiten Titannitridschicht (20) den Schritt des Durchführens eines reaktiven Sputterns im Innern des Sputtergerätes unter der Bedingung, daß die Gleichstrom-Leistungsdichte 6,96 W/cm2 oder mehr ist, enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand und eine unmittelbar nach der Filmerzeugung vorhandene Filmbeanspruchung der zweiten Titannitridschicht 200 μΩcm oder weniger beziehungsweise 100 Mpa oder mehr betragen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der ersten Titannitridschicht (13) unmittelbar nach der Filmerzeugung bei 180–1000 μΩcm liegt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar nach der Filmerzeugung vorhandene Druckbeanspruchung der ersten Titannitridschicht (13) höchstens 90 MPa beträgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Ausbildung der ersten Titannitridschicht (13) den Schritt der Erzeugung der ersten Titannitridschicht (13) bei einer Substrattemperatur von 200–350°C enthält.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Ausbildung der Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) den Schritt der Erzeugung der Aluminiumlegierungs-Verdrahtungsschicht (15) bei einer Substrattemperatur von 200°C oder weniger enthält.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glühtemperatur während des Glühschritts bei 350–480°C liegt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur oberhalb 420°C liegt.
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