DE19612450A1 - Halbleitereinrichtung und Herstellungsverfahren derselben - Google Patents

Halbleitereinrichtung und Herstellungsverfahren derselben

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung. Speziell betrifft sie eine verbesserte Halbleitervorrichtung bei der eine Schrumpfung eines Zwischenschichtisolierfilms reduziert ist und bei der eine Filmdehnung vermin­ dert ist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren einer solchen Halbleitervorrichtung.
Ein durch ein CVD- (Chemisches Abscheiden aus der Gasphase) Verfahren unter der Verwendung von Silangas (SiH₄) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) gebildeter Siliziumoxidfilm ist geeignet einen Zwischenraum der so klein wie 0,25 µm oder kleiner ist, zwischen extrem fein gemusterten Verbindungen zu füllen und weist auch noch ein gutes Fließvermögen auf, so daß er die Eigen­ schaft der Eigenplanarisierung aufweist. Aus diesem Grund wurde dieses Ver­ fahren als das Verfahren der nächsten Generation der Planarisierung eines Zwischenschichtisolierfilms anstatt das der Anmelderin bekannte normalerweise verwendete SOG- (Spin On Glas) Verfahren bezeichnet. Dieses der Anmelderin bekannte Verfahren ist detailliert in der Veröffentlichung "Novel Self-plana­ rizing CVD Oxide for interlayer dielectric applications" (Technical digest of IEDM 1994) und in einer anderen Veröffentlichung "Planarisation for sub­ micron devices utilizing a New Chemistry" (Proceedings of DUMIC conference 1995) beschrieben. Die Bildungsreaktion eines Siliziumoxidfilms gemäß dem der Anmelderin bekannten Verfahren ist so, wie durch die folgenden chemi­ schen Formeln gezeigt ist:
SiH₄ + 2H₂O₂ → Si(OH)₄ + 2H₂ (1a)
SiH₄ + 3H₂O₂ → Si(OH)₄ + 2H₂O + H₂ (1b)
SiH₄ + 4H₂O₂ → Si(OH)₄ + 4H₂O (1c)
nSi(OH)₄ → nSiO₂ + 2nH₂O (2)
Zuerst ändert sich SiH₄ zu Silanol (Si(OH)₄) durch eine Oxidationsreaktion des H₂O₂ (Reaktionsformeln 1a, 1b, 1c). Das so erzeugte Silanol weist eine durch eine Hydrolyse oder durch thermische Energie verursachte Dehydrierungspoly­ merisationsreaktion auf und ändert sich zu Siliziumoxid (SiO₂) (Reaktionsformel (2)). Wenn eine solche Reaktion auf einem Substrat abläuft, wird ein Siliziumoxidfilm, der als ein Zwischenschichtisolierfilm dient, gebil­ det.
Ein Verfahren zum Bilden eines Zwischenschichtisolierfilms unter Verwendung des obigen, der Anmelderin bekannten Verfahrens wird im folgenden beschrie­ ben.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird ein Substrat 11 vorbereitet. Das Substrat 11 enthält ein Siliziumsubstrat, ein darauf gebildetes Element und eine Isolier­ schicht (nicht gezeigt). Erste und zweite Aluminiumverbindungen 12a und 12b werden auf dem Substrat 11 gebildet. Es wird ein erster Plasmaoxidfilm 13 so gebildet, daß die erste und die zweite Aluminiumverbindung 12a und 12b be­ deckt werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird ein Siliziumoxidfilm 14 durch ein CVD-Verfah­ ren, das SiH₄ und H₂O₂ verwendet, gebildet. Der Siliziumoxidfilm 14 füllt einen Zwischenraum zwischen der ersten Aluminiumverbindung 12a und der zweiten Aluminiumverbindung 12b.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird ein zweiter Plasmaoxidfilm 15 auf dem Sili­ ziumoxidfilm 14 gebildet und somit wird ein planarisierter Zwischenschichtiso­ lierfilm 16 fertiggestellt.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist der durch das CVD-Verfahren, das SiH₄ und H₂O₂ verwendet, gebildete Siliziumoxidfilm 14 in der Lage den Zwischenraum zwi­ schen den extrem fein strukturierten Verbindungen zu füllen und weist auch eine gute Selbst-Planarisierungseigenschaft auf, da das während dem Filmbil­ dungsprozeß erzeugte Silanol ein gutes Fließvermögen aufweist.
Wie in der obigen Reaktionsformel (2) gezeigt ist, wird jedoch in dem Sili­ ziumoxidfilm eine große Spannung aufgrund der Filmschrumpfung verursacht, da das Silanol eine Dehydrierungskondensationsreaktion aufweist, die während des Prozesses verursacht ist, in dem das Silanol sich zu Siliziumoxid ändert. Wenn die Spannung zu groß ist, tritt ein Riß in dem Siliziumoxidfilm selbst auf oder die Zuverlässigkeit einer in der unterliegenden Schicht zur Verfügung ge­ stellten Metallverbindung wird nachteilig beeinträchtigt.
Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Schwierigkeiten lösen. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist, eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die so verbessert ist, daß die Filmspannung in einem Siliziumoxidfilm verringert ist.
Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleitervorrich­ tung zur Verfügung gestellt werden.
Eine Halbleitervorrichtung entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat auf. Auf dem Substrat ist eine erste und eine zweite Metallverbindung gebildet. Es ist ein Siliziumoxidfilm auf dem Substrat so zur Verfügung gestellt, daß die erste und die zweite Metallverbindung be­ deckt sind und daß ein Raum zwischen der ersten Metallverbindung und der zweiten Metallverbindung gefüllt ist. Die chemische Formel des Siliziumoxid­ films enthält eine Si-F Bindung.
Bei der Halbleitervorrichtung entsprechend dem ersten Aspekt der vorliegen­ den Erfindung sind, da die Si-F Bindungen in einen Zwischenschichtisolierfilm eingebaut sind, die SiOH Bindungen darin weniger als die die in einem der An­ melderin bekannten Zwischenschichtisolierfilm enthalten sind. Daher läuft die folgende Dehydrierungskondensationsreaktion entspannter ab, so daß die Film­ schrumpfung verringert wird und daher die Filmspannung vermindert wird. Weiter weist das Einführen der Si-F Bindungen in den Zwischenschichtisolier­ film die weiteren Effekte auf, daß die Dielektrizitätskonstante des Zwischen­ schichtisolierfilms verringert wird und daß die restlichen Si-OH Bindungen verringert werden.
Entsprechend einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung ge­ mäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Siliziumoxid­ film durch ein Verfahren des chemischen Abscheidens aus der Gasphase, das ein Mischgas aus Wasserstoffperoxid und einem Ausgangsstoffgas, das ein mit einem Fluoratom verbundenes Siliziumatom aufweist, verwendet, gebildet. Folglich sind die Si-F Bindungen in den erzeugen Zwischenschichtisolierfilm eingebracht. Als Ergebnis sind die in dem Silanol enthaltenen Si-OH Bindungen weniger im Vergleich zu einem der Anmelderin bekannten Verfahren. Daher wird die folgende Dehydrierungskondensationsreaktion nicht so stark ausge­ führt und die Filmschrumpfung wird reduziert. Dadurch wird ein Zwischen­ schichtisolierfilm mit verringerter Filmspannung zur Verfügung gestellt.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen
Fig. 1-3 jeweils eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung in dem ersten bis dritten Schritt eines Herstellungsverfahrens einer Halbleiter­ vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung:
Fig. 4 die chemische Formel des in der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung gebildeten Siliziumoxidfilms:
Fig. 5 die chemische Formel eines durch ein der Anmelderin bekanntes Ver­ fahren gebildeten Zwischenschichtisolierfilms und
Fig. 6 bis 8 jeweils eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung in dem ersten bis dritten Schritt eines der Anmelderin bekannten Herstellungs­ verfahrens einer Halbleitervorrichtung.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Bezug zu den Figuren beschrieben.
1. Ausführungsform
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, werden eine erste und eine zweite Aluminiumverbin­ dung 2a und 2b auf einem Substrat 1 gebildet. Ein erster Plasmaoxidfilm 3 wird auf dem Substrat 1 so gebildet, daß er die erste und die zweite Aluminiumver­ bindung 2a und 2b bedeckt. Der erste Plasmaoxidfilm 3 wird durch ein Plasma- CVD-Verfahren gebildet. Die allgemeinen Bedingungen zum Bilden des ersten Plasmaoxidfilms 3 sind wie folgt. Die Bildungstemperatur ist 300°C, der Druck ist 750 mTorr (ca. 100 Pa), die Hochfrequenzleistung ist 500 W und das Roh­ materialgas besteht aus SiH₄ und die Stickstoffoxid bzw. Stickoxid (N₂O). Die Dicke des gebildeten ersten Plasmaoxidfilms 3 ist 1000 Å (100,0 nm). Es kann auch durch das CVD-Verfahren, das TEOS (Tetraethoxysilan) und Sauerstoff als das Rohmaterialgas verwendet, gebildet werden (in diesem Fall ist die Bil­ dungstemperatur bevorzugt 400°C, ist der Druck bevorzugt 5 Torr (ca. 666,5 Pa) und ist die Hochfrequenzleistung bevorzugt 500 W).
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird auf dem ersten Plasmaoxidfilm 3 ein Sili­ ziumoxidfilm (im folgenden als "HSO-Film" bezeichnet) 4 durch das CVD-Verfahren, das SiH₄ und H₂O₂ verwendet, gebildet. Ein Merkmal der vorlie­ genden Ausführungsform liegt in dem Verfahren des Bildens des HSO-Films 4. Genauer ist die Ausführungsform durch Zugabe von Fluorsilan (SiHx F4-x) zu SiH₄ gekennzeichnet. Das Fluorsilan kann nur als ein Rohstoffgas verwendet werden. Das in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Fluorsilan ist ein Difluorsilan (SiH₂F₂). Typische Bedingungen zum Bilden des HSO-Films sind die folgenden:
Bildungstemperatur: 1°C (bevorzugt innerhalb eines Bereiches von -10°C bis 100°C)
Bildungsdruck: 850 m Torr (bevorzugt innerhalb eines Bereiches von 200 mTorr bis 600 Torr)
Gasfluß: SiH₄ 40SCCM (Standardkubikzentimeter pro Minute)
SiH₂F₂: 40SCCM
N₂: 500SCCM
H₂=₂: 0,65 g/min.
Wenn die Bildungstemperatur 100°C oder höher ist, werden Körnchen bzw. Körner erzeugt und es wird kein Film gebildet. Wenn der Bildungsdruck 600 Torr überschreitet, werden Körnchen bzw. Körner erzeugt und es wird kein Film gebildet.
Der unter den obigen Bedingungen gebildete Siliziumoxidfilm weist die che­ mische Formel auf, die in Fig. 4 als Diagramm gezeigt ist. Wie aus Fig. 2 er­ sichtlich ist, weist, wenn SiH₄ und SiH₂F₂ verwendet werden, die chemische Formel des Siliziumoxidfilms die im folgenden gezeigte Einheit auf, d. h. eine Einheit mit einem ersten und einem zweiten Siliziumatom, die miteinander durch ein Sauerstoffatom gebunden sind, wobei das erste Siliziumatom weiter drei Sauerstoffatome bindet und das zweite Siliziumatom zwei Fluoratome bin­ det:
Zum Vergleich ist die molekulare Struktur eines durch ein der Anmelderin be­ kanntes Verfahren (CVD-Verfahren, das SiH₄ und H₂O₂ verwendet) gebildeten Siliziumoxidfilms in Fig. 5 gezeigt. Der durch das der Anmelderin bekannte Verfahren gebildete Siliziumoxidfilm ist durch Si-O Bindungen und Si-OH Bin­ dungen aufgebaut. Wenn einerseits das oben beschriebene Gassystem verwen­ det wird, besteht das hergestellte Silanol aus 75% Si-OH Bindungen und 25% Si-F Bindungen. Da die Si-F Bindungen unter den oben beschriebenen Filmbil­ dungsbedingungen sehr stabil sind, werden sie in den Siliziumoxidfilm so wie sie sind aufgenommen. Andererseits besteht, wenn das Rohmaterialgas 100% SiH₄ ist, d. h. wenn SiH₄ 80SCCM ist, das erzeugte Silanol aus 100% Si-OH Bindungen. Folglich weist der Siliziumoxidfilm der vorliegenden Ausführungs­ form in dem Silanol, das in dem Filmbildungsprozeß erzeugt wurde, weniger Si-OH Bindungen auf, im Vergleich mit dem durch das der Anmelderin be­ kannte Verfahren hergestellte Silanol. Somit ist die folgende Dehytrierungs­ kondensationsreaktion entspannt. Damit wird die Filmschrumpfung reduziert und die Filmspannung entspannt.
Weiterhin weist das Einbringen von Si-F Bindungen in den Film die Effekte auf, daß die Dielektrizitätskonstante des Films verringert wird und daß die Rest Si-OH Bindungen vermindert werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird auf dem HSO-Film 4 ein zweiter Plasmaoxidfilm 5 gebildet. Die Bedingungen zum Bilden des zweiten Plasmaoxidfilms 5 können oder können nicht die gleichen Bedingungen sein, wie die zum Bilden des ersten Plasmaoxidfilms 3. Sogar wenn die Bedingungen unterschiedlich sind, würden sie nicht die durch die vorliegende Ausführungsform bedingten Effekte beeinflussen.
Die Halbleitervorrichtung wird fertiggestellt, wenn eine zusätzliche Alumi­ niumverbindung auf dem zweiten Plasmaoxidfilm 5 gebildet wird, obwohl dies nicht in den Figuren gezeigt ist.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird die Ungleichheit a<b hergestellt, wobei a die Dicke der ersten und der zweiten Aluminiumverbindung 2a und 2b in dem HSO-Film 4 bzw. des auf der ersten und zweiten Aluminium­ verbindung liegenden HSO-Films 4 darstellt und b die Dicke des HSO-Films 4, der auf dem Substrat 1 liegt und der zwischen der ersten Aluminiumverbindung 2a und der zweiten Aluminiumverbindung 2b liegt, darstellt.
Weiterhin, wenn PH₃ oder B₂H₆ in das Rohmaterialgas beim Bilden des HSO-Films 4 eingespeist wird, ein mit Borionen oder Phosphorionen dotierter Sili­ ziumoxidfilm erhalten. Wenn Borionen oder Phosphorionen implantiert werden, wird der Gettereffekt erzeugt.
Bevorzugt ist die Menge der Borionen oder der Phosphorionen, die implantiert werden sollen, 5 bis 10 mol%.
2. Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem SiH₂F₂ als Fluorsilan verwendet wurde. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt und die Verwendung von Trifluorsilan (SiHF₃) und Monofluorsilan (SiH₃F) erzeugt einen ähnlichen Effekt.
Wenn für das Fluorsilan das Trifluorsilan verwendet wird, weist die typische chemische Formel des erhaltenen Siliziumoxidfilms die folgende Einheit auf:
Wenn für das Fluorsilan das Monofluorsilan verwendet wird, weist die che­ mische Formel des erhaltenen Zwischenschichtisolierfilms die folgende Einheit auf:
3. Ausführungsform
Während in den obigen Ausführungsformen ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem Fluorsilan als eine Siliziumverbindung verwendet wurde, kann ein ähn­ licher Effekt erhalten werden, sogar wenn eine Silizium-organische Verbin­ dung, die eine organische Gruppe (Alkylgruppe) enthält, typischerweise TEFS (Triethoxyfluorsilan), verwendet wird.
In diesem Fall wird die Dicke des Zwischenschichtisolierfilms die Beziehung a = b erfüllen (siehe Fig. 3).

Claims (12)

1. Eine Halbleitervorrichtung mit
einem Substrat (1),
einer auf dem Substrat (1) gebildeten ersten und zweiten Metallverbindung (2a, 2b) und
einem auf dem Substrat (1) gebildeten Siliziumoxidfilm (4), der die erste und zweite Metallverbindung (2a, 2b) bedeckt und der einen Raum zwischen der ersten Metallverbindung (2a) und der zweiten Metallverbindung (2b) füllt, wobei die chemische Formel des Siliziumoxidfilms (4) eine Si-F Bindung enthält.
2. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Formel des Siliziumoxidfilms (4) eine Einheit mit einem ersten und einem zweiten Siliziumatom, die miteinander durch ein Sauerstoffatom ge­ bunden sind, aufweist, wobei das erste Siliziumatom weiter drei Sauerstoffatome bindet und das zweite Siliziumatom ein bis drei Fluoratome bindet.
3. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Ungleichung a<b erzeugt ist, wobei a die Dicke des Siliziumoxidfilms (4), der auf der ersten und der zweiten Metallverbindung (2a, 2b) liegt, darstellt und b die Dicke des Siliziumoxidfilms (4), der auf dem Substrat (1) liegt und der zwischen der ersten Metallverbindung (2a) und der zweiten Metallverbin­ dung (2b) liegt, darstellt.
4. Die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumoxidfilm (4) Boratome oder Phosphoratome enthält.
5. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Boratome oder die Phosphoratome mit 5 bis 10 mol% enthalten sind.
6. Die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmaoxidfilm vorgesehen ist, der die erste und die zweite Verbindung (2a, 2b) bedeckt.
7. Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit den Schritten:
Vorbereiten eines Substrats (1) mit einer darauf gebildeten Metallverbindung (2a, 2b) und
Bilden eines Siliziumoxidfilms (4) auf dem Substrat (1), der die Metallverbin­ dung (2a, 2b) bedeckt, durch ein Verfahren des chemischen Abscheidens aus der Gasphase, das ein gemischtes Gas aus Wasserstoffperoxid und aus einem Ausgangsmaterialgas mit einem mit einem Fluoratom verbundenen Siliziumatom verwendet.
8. Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Difluorsilan als das Ausgangsmaterialgas verwendet wird.
9. Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Trifluorsilan oder Monofluorsilan als das Ausgangsmaterialgas verwendet wird.
10. Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Fluoralkoxysilan als das Ausgangsmaterialgas verwendet wird.
11. Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumoxidfilm (4) bei einer Temperatur von -10°C bis 100°C gebildet wird.
12. Das Verfahren zur Herstellung eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumoxidfilm (4) unter einem Druck von 200 mTorr bis 600 Torr gebildet wird.
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