DE19626386A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Halbleiterelements, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, bei dem doppelte Wolframsilicidfilme mit unterschiedlichen Konstruktionen beim Bilden einer Gate-Elektrode verwendet werden, und das insbe­ sondere zur Herstellung eines hochintegrierten Halbleiterele­ ments geeignet ist.
Wenn eine Gate-Elektrode mittels lediglich einem Polysilicium im Halbleiterelement gebildet wird, gilt, je höher integriert das Halbleiterelement ist, umso größer ist der Widerstand der Wortleitung und dadurch, umso niedriger die Arbeitsgeschwin­ digkeit des Halbleiterelements.
Es ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements bekannt, das die vorstehend angeführte Zunahme des Wider­ stands und die Abnahme der Arbeitsgeschwindigkeit verhindern kann. Bei diesem Verfahren wird ein Metallsilicid, wie bei­ spielsweise Wolfram(-silicid) mit niedrigem Widerstand auf die Gate-Elektrode laminiert.
Nachfolgend wird dieses herkömmliche Herstellungsverfahren mehr im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterele­ ments zur Darstellung des herkömmlichen Herstellungsverfah­ rens für ein Halbleiterelement mit einer Gate-Elektrode unter Ausbildung mittels eines Wolframsilicidfilms.
Bei dem herkömmlichen Verfahren wird zunächst ein (nicht gezeigter) Elementisolieroxidfilm auf einem Siliciumsubstrat 1 durch das LOCOS-Verfahren gebildet.
Daraufhin wird ein Gate-Oxidfilm 2 auf dem Siliciumsubstrat l gebildet und ein Polysiliciumfilm 3 wird auf dem Gate-Oxid­ film 2 abgeschieden, wie in Fig. 1 gezeigt. Daraufhin wird ein Wolframsilicidfilm 4 niedrigen Widerstands auf dem Poly­ siliciumfilm 3 abgeschieden.
Im folgenden werden die Probleme dieses vorstehend angeführ­ ten herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung einer Halblei­ tervorrichtung diskutiert.
Da der Widerstand des Gate niedrig sein muß, um eine hohe Integration und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Halb­ leiterelements zu erzielen, muß zunächst die Dicke des Wolf­ ramsilicidfilms relativ groß sein im Vergleich zu derjenigen des Polysiliciumfilms bei dem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements.
Darüber hinaus muß die Dicke des Wolframsilicidfilms erhöht werden, während die Dicke des Polysiliciumfilms verringert werden muß, um seine Topologie bei dem herkömmlichen Verfah­ ren zur Herstellung eines Halbleiterelements zu verbessern.
Fluoratome, die in dem Wolframsilicidfilm enthalten sind, werden in den nachfolgenden Prozessen unter hoher Temperatur in den Gate-Oxidfilm hinein difundiert, wodurch die Ver­ schlechterung des Gate-Oxidfilms beschleunigt wird und die Herstellungsausbeute und die Zuverlässigkeit des Halbleiter­ elements verringert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehend genannten Probleme beim Stand der Technik zu überwinden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements zu schaf­ fen, durch welches der Widerstand der Gate-Elektrode des Ele­ ments verringert und ihre Topologie verbessert wird. Außerdem sollen durch das erfindungsgemäße Verfahren die Zuverlässig­ keit und die Herstellungsausbeute des Elements verbessert werden, um eine hohe Integration des Elements zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.
Demnach schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, Bilden eines Gate- Oxidfilms auf dem Halbleitersubstrat und eines Polysilicium­ films auf dem Gate-Oxidfilm, Bilden eines unteren Wolfram­ silicidfilms amorphen Aufbaus auf dem Polysiliciumfilm, und Bilden eines oberen Wolframsilicidfilms amorphen Aufbaus und mit einer Mehrzahl von kleinen Körnern, zwischen denen Spalte festgelegt sind, wobei der obere Wolframsilicidfilm auf dem unteren Wolframsilicidfilm seriell gebildet wird, wobei der untere Wolframsilicidfilm und der obere Wolframsilicidfilm durch ein chemisches Niederdruck-Dampfabscheidungsverfahren gebildet werden, und Kristallisieren des jeweiligen amorphen Aufbaus des unteren Wolframsilicidfilms und des oberen Wolf­ ramsilicidfilms gleichzeitig, wobei Oxidfilme auf den Ober­ flächen der Mehrzahl von kleinen Körnern gebildet werden, die im oberen Wolframsilicidfilm kristallisiert sind, indem der untere Wolframsilicidfilm und der obere Wolframsilicidfilm einer Wärmebehandlung unterworfen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung bei spiel­ haft näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Halbleiterelements zur Ver­ deutlichung eines herkömmlichen Verfahrens zur Her­ stellung des Halbleiterelements mit einer Gate-Elek­ trode, die durch einen Wolframsilicidfilm gebildet ist, und
Fig. 2A bis 2G Querschnittsansichten eines Halbleiterelements zur Verdeutlichung eines Verfahrens zur Herstellung einer Gate-Elektrode durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren zur Herstellung eines Halbleiterelements.
Die Fig. 2A bis 2C zeigen ein Verfahren zur Bildung einer Gate-Elektrode mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterelements.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements wird zunächst ein (nicht gezeigter) Ele­ mentisolieroxidfilm auf einem Siliciumsubstrat 11 durch das LOCOS-Verfahren gebildet.
Daraufhin wird ein Gate-Oxidfilm 12 auf dem Siliciumsubstrat 11 gebildet, und ein Polysiliciumfilm 13 wird auf dem Gate- Oxidfilm 12 abgeschieden, wie in Fig. 2A gezeigt.
Daraufhin werden WF₆- und SiH₄-Gase auf dem Polysiliciumfilm 13 bei einer Temperatur zwischen etwa 440°C und 480°C durch das chemische Niederdruckdampfabscheidungsverfahren (LPCVD) abgeschieden, um Filme mit einer Gesamtdicke zwischen etwa 1300 Å und 1500 Å zu bilden. Zwischen den beiden Filmen wird ein unterer Wolframsilicidfilm 14 amorphen Aufbaus mit einer Dicke zwischen etwa 700 Å und 800 Å auf dem Polysiliciumfilm 13 gebildet. Außerdem wird ein oberer Wolframsilicidfilm 15 amorphen Aufbaus mit einer Dicke zwischen etwa 500 Å und 800 Å auf dem unteren Wolframsilicidfilm 14 gebildet, wobei der obere Wolframsilicidfilm 15 eine Mehrzahl von Körnern aufweist, wie in Fig. 2B gezeigt.
Wie in Fig. 2C gezeigt, werden daraufhin der untere Wolfram­ silicidfilm 14 und der obere Wolframsilicidfilm 15 einer Wär­ mebehandlung unter Sauerstoffatmosphäre mit einer Temperatur zwischen etwa 700°C und 900°C unterworfen, um kristallisiert zu werden.
In diesem Fall wird Sauerstoff in die Spalte zwischen den amorphen Siliciumschichten aus den kleinen Körnern im oberen Wolframsilicidfilm 15 im Laufe der vorstehend genannten Kri­ stallisation implantiert, während die Oberflächen des kri­ stallisierten Kornsystems dünn oxidiert werden, wodurch auf den Oberflächen dünne Oxidfilme 16 gebildet werden.
Die Oxidfilme 16 fangen Fluoratome im oberen Wolframsilicid­ film 15 ein, wodurch verhindert wird, daß die Fluoratome aus dem oberen Wolframsilicidfilm 15 in nachfolgenden Prozessen in den Gate-Oxidfilm 12 difundiert werden.
Der Widerstandswert Rs der Gate-Elektrode in bezug auf die Dicke des Polysiliciumfilms und die doppelt gebildeten Wolf­ ramsilicidfilme ergibt sich wie folgt.
Zunächst wurde der Widerstand Rs mit etwa 9 Ω/ gemessen, wenn die Dicke des Polysiliciumfilms 13 etwa 700 Å beträgt, und wenn die Gesamtdicke der oberen und unteren Wolfram­ silicidfilme etwa 1300 Å beträgt.
Ferner wurde der Widerstand Rs mit etwa 13 Ω/ gemessen, wenn die Dicke des Polysiliciumfilms 13 etwa 1000 Å beträgt, und die Gesamtdicke der oberen und unteren Wolframsilicid­ filme etwa 1000 Å beträgt.
Der Widerstand Rs wurde mit etwa 11 Ω/ gemessen, wenn die Dicke des Polysiliciumfilms 13 etwa 700 Å und die Gesamtdicke der oberen und unteren Wolframsilicidfilme etwa 1300 Å beträgt.
Der Durchbruch des Gate-Oxidfilms als Funktion der Zeit in dem Halbleiterelement unter Verwendung der erläuterten dop­ pelten Siliciumfilme wurde als nahezu derselbe gemessen wie beim Stand der Technik.
Das heißt, in einem durch das erfindungsgemäße Verfahren her­ gestellten Halbleiterelement ist der Widerstand der Gate- Elektrode deutlich verringert, ohne die Durchbrucheigenschaft des Gate-Oxidfilms im Vergleich zu derjenigen gemäß dem Stand der Technik zu verschlechtern.
Aus dem vorstehend erläuterten geht hervor, daß das erfin­ dungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterele­ ments die folgenden Vorteile aufweist.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Fluor aus der Umge­ bung in die Oxidfilme implantiert und durch diese eingefan­ gen, wenn die doppelten Wolframsilicidfilme unter Sauerstoff­ atmosphäre einer Wärmebehandlung unterworfen werden, wodurch dünne Oxidfilme auf den Oberflächen der kleinen Körner in dem oberen Wolframsilicidfilm derart gebildet werden, daß die Fluoratome, die in dem oberen Wolframsilicidfilm derart ent­ halten sind, daran gehindert werden, während der nach folgen­ den Prozesse unter hoher Temperatur in den unteren Gate-Oxid­ film difundiert zu werden.
Demnach ist in Übereinstimmung mit dem Verfahren zur Herstel­ lung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfin­ dung nicht nur der Widerstand der Gate-Elektrode verringert, sondern darüber hinaus die Topologie verbessert, weil die Wolframsilicidfilme die Verschlechterung des Gate-Oxidfilms selbst dann verhindern, wenn ihre Dicke erhöht wird.
Das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung ist demnach zur Herstellung eines hochintegrierten Halbleiterelements aufgrund der Verringerung des Widerstands der Gate-Elektrode und eine Verbesserung der Topologie geeignet.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin­ dung zu Darstellungszwecken erläutert wurden, erschließen sich dem Fachmann verschiedene Modifikationen, Zusätze und Ersätze, ohne vom Schutzumfang der beiliegenden Zeichnungen abzuweichen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats,
Bilden eines Gate-Oxidfilms auf dem Halbleitersubstrat und eines Polysiliciumfilms auf dem Gate-Oxidfilm,
Bilden eines unteren Wolframsilicidfilms amorphen Auf­ baus auf dem Polysiliciumfilm, und Bilden eines oberen Wolframsilicidfilms amorphen Aufbaus und mit einer Mehrzahl von kleinen Körnern, zwischen denen Spalte festgelegt sind, wobei der obere Wolframsilicidfilm auf dem unteren Wolframsilicidfilm seriell gebildet wird, wobei der untere Wolframsilicidfilm und der obere Wolf­ ramsilicidfilm durch ein chemisches Abscheidungsverfah­ ren gebildet werden, und
Kristallisieren des jeweiligen amorphen Aufbaus des unteren Wolframsilicidfilms und des oberen Wolfram­ silicidfilms gleichzeitig, wobei Oxidfilme auf den Oberflächen der Mehrzahl von kleinen Körnern gebildet werden, die im oberen Wolframsilicidfilm kristallisiert sind, indem der untere Wolframsilicidfilm und der obere Wolframsilicidfilm einer Wärmebehandlung unterworfen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Dampfabscheidungsverfahren ein chemisches Niederdruckdampfabscheidungsverfahren verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bildung des unteren Wolframsilicidfilms und des oberen Wolframsilicidfilms verwendeten Gase WF₆ und SiH₄ umfassen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bildung des unteren Wolframsilicidfilms und des oberen Wolframsilicidfilms verwendeten Gase WF₆ und SiH₂Cl₂ umfassen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Wolframsilicidfilm und der obere Wolfram­ silicidfilm unter einer Temperatur zwischen 400°C und 500°C gebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidfilme im oberen Wolframsilicidfilm Fluor umfas­ sen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 700°C und 900°C ausgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter einer Sauerstoffatmosphäre ausgeführt wird.
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