DE19960503B4

DE19960503B4 - Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringen Übergangsverlust sowie Verfahren zur Herstellung derselben

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Publication number: DE19960503B4
Application number: DE19960503A
Authority: DE
Inventors: Christopher S. San Jose Blair; Irfan A. Santa Clara Saadat
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: US5998873A; KR100315963B1; DE19960503A1; KR20000047632A

Abstract

Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringen Übergangsverlust zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen, die ein Halbleitersubstrat umfassen, wobei die Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur folgendes umfaßt:
eine Verbindungsschicht aus dielektrischem Material (120, 316), die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) angeordnet ist, wobei die Verbindungs-Schicht aus dielekterischem Material (120, 316) wenigstens eine darin eingebracht Kontaktöffnung (318, 320, 322) aufweist, die sich von einer oberen Oberfläche der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316) bis zu einem festgelegten Bereich des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) erstreckt,
eine Kobalt-Silizid Grenzschicht (122, 328), die auf der Oberfläche des festgelegten Bereichs des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) angeordnet ist und mit der Grundfläche der Kontaktöffnung (318, 320, 322) ausgerichtet ist;
eine Kobalthaftschicht (124, 324), die an der Oberfläche der Seitenwände der Kontaktöffnung (318, 320, 322) angeordnet ist;
eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht (126, 326), die auf den Oberflächen der Metallhaftschicht (124, 324) und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strukturen von integrierten Schaltkreisen und speziell auf Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen für einen Einsatz in integrierten Schaltkreisen. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen.
Typische integrierte Schaltkreise (Integretated Circuits, ICs) umfassen Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen, die einer Vielzahl von unterschiedlichen Zwecken dienen, wie z.B. dem Weiterleiten von elektrischen Signalen zwischen einzelnen Vorrichtungselementen in dem IC, der Energieversorgung und dem Bereitstellen von Verbindungen zu Masse und zu externen Vorrichtungen.
US-A-5,565,708 beschreibt eine Kontaktstruktur mit einem Kontaktloch in einer dielektrischen Schicht, wobei die Kontaktstruktur eine TiSi-Schicht am Kontaktlochboden, eine Ti-Schicht an den Seitenwänden des Kontaktloches und eine Barrierenschicht aus TiN sowie einen leitenden Abschluß aus W im Kontaktloch und Anschlüsse aus Al auf der dielektrischen Schicht aufweist.
Die US-A-5,049,975 zeigt in einem Kontaktloch zu einem Substrat eine Ti-Schicht und darauf eine TiN-Schicht, welche einer thermischen Behandlung unterworfen werden, wobei sich TiSi am Boden bildet und eine Al-Abscheidung das Kontaktloch füllt.
Die US-A-5,236,852 beschreibt eine Kontaktstruktur mit einem Kontaktloch in einem Halbleiter und nennt als Materialien Ti bzw. die Alternativen Co oder Ni. Hinsichtlich des Kontaktabschlusses wird eine Füllung aus Al, W oder Cu beschrieben.
Die US-A-4,994,410 beschreibt eine Kontaktstruktur in einem Kontaktloch aus einer Schicht aus Ti oder Co und einer aufliegenden W-Schicht, wobei im Falle des Ti eine TiSi-Schicht am Kontaktlochboden zum Substrat hin und eine TiN-Schicht zur Atmosphäre hin entsteht, jedoch im Falle anderer Stoffe nur noch ein Silizium und kein Nitrid gebildet werden soll.
Die US-A-5,457,069 zeigt eine Kontaktstruktur in einem Kontaktloch mit einer CoTi-Kontaktschicht und einer aufliegenden W-Schicht, die gemeinsam wärmebehandelt werden. Hieraus ergibt sich eine Kontaktstruktur mit einer CoSi-Schicht und einer TiW-Schicht zum Substrat hin und im übrigen CoTi bzw. W.
Die US-A-5,094,981 befaßt sich mit dem Vorhandensein oder Fehlen von Saliziden im Kontaktloch sowie eine Ti-Schicht mit aufliegender Sperrschicht aus WSi oder W.
1 stellt eine grundlegende Metall-Verbindungs-Struktur 10 dar, die auf einem Halbleitersubstrat 12 angeordnet ist. Die Metall-Verbindungsstruktur 10 umfaßt eine strukturierte Metallschicht 14, eine Verbindungsschicht 16 aus dielektrischem Material und Kontakte 18, 20 und 22. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 ist ein konventioneller MOS-Transistor ausgebildet, der eine Source-Zone (Quellzone) 24, eine Drain-Zone (Abflußzone) 26, Gate-Seitenwand-Abstandselemente 28 und 30, eine Polysilizium-Gate-Schicht 32 und eine Gate-Oxidschicht 34 umfaßt. Die Kontakte 18, 20 und 22 der Metall-Verbindungs-Struktur 10 stellen eine elektrische Verbindung zwischen der strukturierten Metallschicht 14 und verschiedenen Teilen des MOS-Transistors zur Verfügung, nämlich entsprechend zu der Source-Zone 24, der Polysilizium-Gate-Schicht 32 und der Drain-Zone 26.
2 stellt eine konventionelle und verbesserte Ausführungsform eines Metall-Verbindungs-Kontakts 40 dar, der eine erste metallische Schicht 42, eine zweite metallische Schicht 44 und ein zentrales Abschlußelement (d.h. einen Kern) 46 umfaßt. Für eine weitergehende, allgemeine Beschreibung von Metall-Verbindungs-Strukturen wird auf die US-5,514,622 von Bornstein et al. verwiesen. Der Inhalt dieses US-Patents wird durch diesen Verweis vollständig in die vorliegende Beschreibung mit einbezogen. Die erste metallische Schicht 42 des Metall-Verbindungs-Kontakts 40 ist üblicherweise eine Haftschicht aus Titan, während die zweite metallische Schicht 44 eine Titannitrid-(TiN) Schicht ist. Das zentrale Abschlußelement 46 besteht typischerweise aus Wolfram (W). Standardisierte Depositionsverfahren für die Abschlußelemente aus Wolfram verwenden WF₆. Das Vorhandensein einer TiN-Schicht in dem Metall-Verbindungs-Kontakt wirkt wie eine Sperrschicht, um zu verhindern, daß WF₆ während des Depositionsvorgangs des Wolfram-Abschlußelements mit dem Silizium der Source-Zone, der Drain-Zone oder der Polysilizium Gateschicht reagiert. Eine Titanschicht in dem Metall-Verbindungs-Kontakt wird eingesetzt, um die Haftung der TiN-Schicht an der Ti-Schicht sowie auch die Haftung des Wolfram-Abschlußelements an der TiN-Schicht zu verbessern. Das Vorhandensein der Ti-Schicht in dem Metall-Verbindungs- Kontakt verbessert auch den Kontaktwiderstand zwischen der strukturierten Metallschicht und den verschiedenen Teilen des MOS-Transistors, nämlich der Source-Zone, der Polysilizium-Gateschicht und der Drain-Zone.

Die Ti- und TiN-Schichten, die in den Metall-Verbindungs-Kontakten eingesetzt werden, werden häufig einem thermischen Aufheizprozess ausgesetzt, um den Kontaktwiderstand weiter zu verbessern. Dazu wird üblicherweise eine Vorrichtung für ein thermisches Schnell-Aufheizen (Rapid Thermal Annealing RTA) bei Temperaturen in einem Bereich von 600 °C bis 700 °C eingesetzt. Die Daten in der unten gezeigten Tabelle 1 zeigen die Auswirkungen eines solchen RTA-Verfahrens, nämlich, daß der Kontaktwiderstand sich umgekehrt proportional verhält zu der Temperatur des RTA-Verfahrens. Deshalb vermindert sich vorteilhafterweise der Kontaktwiderstand mit steigender Temperatur. Tabelle 1

RTA Temperatur	Mittlerer Kontaktwiderstand zwischen strukturiertem Metall und Polysilizium
Kein RTA	3,9 Ohm/Fläche [Ohms/square]
600 °C	2,9 Ohm/Fläche
650 °C	2,6 Ohm/Fläche
700 °C	2,3 Ohm/Fläche

Eine Erhöhung der Temperatur des RTA-Verfahrens erhöht jedoch auch die Übergangsverluste der P+ Source und/oder Drain, was für die Vorrichtungscharakteristiken eines integrierten Schaltkreises nachteilig ist. Diese Auswirkungen der RTA-Verfahrenstemperatur auf den Übergangsverlust wird durch die in der unten gezeigten Tabelle 2 dargestellten Daten gezeigt. Tabelle 2

RTA-Temperatur Mittlerer P+-Übergangsverlust log (Ampere)

Kein RTA –10,3

600 °C –9,9

650 °C –9,3

700 °C –9,0
Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, einen Metall-Verbindungs-Kontakt und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen, der sowohl einen kleinen Kontaktwiderstand als auch ein geringen Übergangsverlust aufweist. Zusätzlich soll das Verfahren zu dessen Herstellung mit den standardisierten Herstellungstechniken für integrierte Schaltkreise kompatibel sein.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 3 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur gemäß den Ansprüchen 6 bzw. 8 vor.
Die Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur für einem Einsatz in integrierten Schaltkreisen gemäß der Erfindung ermöglicht einen kleinen Kontaktwiderstand zwischen einer strukturierten Metallschicht und Teilen eines MOS-Transistors. Sie ermöglicht ebenso einen geringeren Übergangsverlust in dem zugehörigen integrierten Schaltkreis (IC). Die Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur gemäß der Erfindung umfaßt eine Verbindungsschicht aus dielektrischem Material (typischerweise SiO₂) auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats eines ICs. Die Verbindungsschicht aus dielektrischem Material hat eine Kontaktöffnung, die sich von ihrer oberen Oberfläche bis zu einem festgelegten Bereich des Halbleitersubstrats erstreckt, z.B. einer Source-Zone, einer Drain-Zone oder einer Polysilizium-Gateschicht eines MOS-Transistors. Die Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur gemäß der Erfindung umfaßt ferner eine Grenzschicht aus einem Metallsilizid, die auf der Oberfläche des festgelegten Bereichs des Halbleitersubstrats angeordnet ist, der mit der Grundfläche der Kontaktöffnung ausgerichtet ist. Die Grenzschicht aus Metallsilizid ermöglicht den gewünschten, geringen Kontaktwiderstand. Die Grenzschicht kann entweder aus Kobaltsilizid oder aus Nickelsilizid bestehen und weist eine Dicke in einem Bereich von 〈10 bis 50 nm〉 (100 Angström bis 500 Angström) auf. Die Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur umfaßt ferner eine Metallhaftschicht, die an den Oberflächen der Seitenwände der Kontaktöffnung vorgesehen ist. Eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht, die auf der Oberfläche sowohl der Metallhaftschicht als auch der Grenzschicht aus Metallsilizid vorgesehen ist, sowie ein leitendes Abschlußelement (z.B. ein Wolfram-Abschlußelement), das den verbleibenden Raum der Kontaktöffnung füllt, sind ebenfalls Teil der Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur gemäß der Erfindung. Die hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht kann aus Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Wolframnitrid (WN) oder einer Kombination dieser Materialien hergestellt sein.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur, die einen kleinen Kontaktwiderstand und einen geringen Übergangsverlust aufweist, zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen zur Verfügung. Die Verfahrensschritte umfassen folgendes: Zuerst wird ein Halbleitersubstrat zur Verfügung gestellt, das wenigstens einen festgelegten Bereich umfaßt (z.B. eine Drain-Zone, eine Source-Zone oder eine Polysilizium-Gateschicht eines MOS-Transistors). Daraufhin wird eine Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats deponiert. Daraufhin wird wenigstens eine Kontaktöffnung gebildet, die sich durch die Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material erstreckt, um einen festgelegten Bereich freizulegen. Daraufhin wird eine Metallhaftschicht (entweder aus Kobalt oder Nickel) auf der Oberfläche der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material, der Seitenwand der Kontaktöffnung und dem festgelegten, freigelegten Bereich deponiert. Eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht wird dann auf der Oberfläche der Metallhaftschicht deponiert, woraufhin das Metall der Metallhaftschicht mit dem Silizium des freigelegten, vorbestimmten Bereichs reagiert, so daß eine Grenzschicht aus Metallsilizid gebildet wird. Da die Metallhaftschicht entweder aus Kobalt oder aus Nickel gebildet ist, handelt es sich bei der aus der Reaktion resultierenden Grenzschicht entweder um eine Grenzschicht aus Kobaltsilizid oder um eine Grenzschicht aus Nickelsilizid. Abschließend wird eine leitende Abschlußschicht auf der Oberfläche der hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht deponiert, wodurch der verbleibende Raum der Kontaktöffnung aufgefüllt wird. Da eine Grenzschicht aus Nickelsilizid und eine Grenzschicht aus Kobaltsilizid bei geringen Temperaturen hergestellt werden kann (z.B. bei Temperaturen in einem Bereich 450 °C bis 500 °C), wird durch den Prozeß gemäß der Erfindung der Übergangsverlust des ICs nicht erhöht.
Durch die nachfolgend detaillierte Beschreibung der Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen zeigen, in denen die Prinzipien der Erfindung umgesetzt werden, wird ein besseres Verständnis der Merkmale und der Vorteile der Erfindung erzielt. Dabei zeigen:
1 eine Querschnittsansicht, die eine konventionelle Metall-Verbindungs-Struktur darstellt,
2 eine Querschnittsansicht, die einen konventionellen Metall-Verbindungs-Kontakt darstellt, der Titan und eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht umfaßt;
3 eine Querschnittsansicht, die eine Kontakt-Struktur gemäß der Erfindung mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringen Übergangsverlust darstellt;
4 eine Querschnittsansicht, die eine Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur gemäß der Erfindung mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringem Übergangsverlust darstellt, die mit einem MOS-Transistor eingesetzt ist, der eine Salizid (Self Aligned Silizid)-Source-Zone, eine Salizid-Drain-Zone und eine Salizid-Polysilizium-Gateschicht umfaßt.
5 bis 11 sind Querschnittsansichten, die einzelnen Schritte in einem Verfahren gemäß der Erfindung darstellen.
3 stellt eine Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur 100, 102 und 104 mit einem kleinen Kontakwiderstand und einem geringem Übergangsverlust gemäß der Erfindung dar, die mit einem MOS-Transistor eingesetzt ist, der auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 106 (d.h. eines auf Silizium basierenden Substrats) ausgebildet ist. Der MOS-Transistor umfaßt eine Source-Zone 108, eine Drain-Zone 110, eine Polysilizium-Gateschicht 112, Gate-Seitenwand-Abstandselemente 114 und 116 und eine Gate-Oxidschicht 118. All diese Elemente werden durch Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt. Jeder der Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen 100, 102 und 104 grenzen an eine Verbindungsschicht 120 aus dielektrischem Material an, die das Halbleitersubstrat 106 überlagert. Die Verbindungs-Schicht 120 aus dielektrischem Material ist typischerweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid gebildet, gleichwohl auch andere geeignete dielektrische Materialien im Stand der Technik bekannt sind. Die Verbindungs-Schicht 120 aus dielektrischem Material umfaßt drei (in Worten: 3) Kontaktöffnungen, die sich von der oberen Fläche der Verbindungschicht aus dielektrischem Material bis zu den festgelegten Bereichen des Halbleitersubstrats erstrecken (d.h. der Source-Zone, der Drain-Zone und der Polysilizium-Gateschicht). Eine der drei Kontaktöffnungen erstreckt sich bis zu der Source-Zone 108 des MOS-Transistors, so daß ein Teil der Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur 100 gebildet wird, wie sie in 3 dargestellt ist. Auf ähnlich Weise erstreckt sich eine andere Kontaktöffnung bis zu der Drain-Zone 110 des MOS-Transistors, um einen Teil der Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur 104 zu bilden, während sich noch eine weitere Kontaktöffnung bis zu der Polysilizium-Gateschicht 112 erstreckt, um einen Teil der Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur 102 zu bilden.
Jede der Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen 100, 102, 104 umfaßt ebenfalls eine Grenzschicht 122 aus Metallsilizid, die mit der Grundfläche der Kontaktöffnung ausgerichtet ist. Die aus Metallsilizid bestehende Grenzschicht 122 der Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur 100 steht in Kontakt mit der Source-Zone 108 des MOS-Transistors und ist in der Source-Zone 108 ausgebildet. Auf der anderen Seite steht die aus Metallsilizid bestehende Grenzschicht 122 der Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur 102 und 104 entsprechend in Kontakt mit der Polysilizium-Gateschicht 112 und der Drain-Zone 110 des MOS-Transistors und ist jeweils in diesen ausgebildet. Die Grenzschicht 122 aus Metallsilizid besteht entweder aus Kobaltsilizid oder aus Nickelsilizid und weist eine typische Dicke in einem Bereich von 100 Angström bis 500 Angström auf. Durch die Grenzschicht 122 aus Metallsilizid wird eine Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand zur Verfügung gestellt. In den Grenzschichten aus Metallsiliziden werden Nickel oder Kobalt eingesetzt, weil ihre entsprechenden Silizide bei relativ geringeren Temperaturen gebildet werden können, wodurch ein erhebliches Erhöhen des Übergangsverlusts vermieden wird.
Jeder der Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen 100, 102, 104 umfaßt auch eine Metallhaftschicht 124, die an den Oberflächen der Seitenwände der Kontaktöffnungen vorgesehen sind. Wenn eine Grenzschicht aus Kobaltsilizid eingesetzt wird, ist die Metallhaftschicht 124 eine Kobalthaftschicht, wohingegen die Metallhaftschicht 124 eine Nickelhaftschicht ist, wenn eine Grenzschicht aus Nickelsilizid verwendet wird. Die Dicke der Metallhaftschicht liegt typischerweise in einem Bereich von 〈7,5 nm bis 30 nm〉 (75 Angström bis 300 Angström). Die Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen umfassen ferner eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht 126 (z.B. TiN), die auf der Oberfläche der Metallhaftschicht 124 vorgesehen ist. Ferner umfassen die Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen ein leitendes Abschlußelement 128 (z.B. ein Abschlußelement aus Wolfram), das den verbleibenden Raum der Kontaktöffnungen füllt.
Die Verwendung einer Grenzschicht aus Kobaltsilizid oder Nickelsilizid auf der Grundfläche der Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur, die in direktem Kontakt mit den festgelegten Bereichen steht, stellt eine Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand zur Verfügung. Diese Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur kann ohne den Einsatz von Hochtemperaturschritten hergestellt werden, wodurch eine Erhöhung des Übergangsverlusts vermieden wird.
Wenn ein MOS-Transistor selbst ausrichtende Silizidschichten (d.h. Salizidschichten; salicide layers = self aligned silicide layer) auf den oberen Flächen der Source-Zone, der Drain-Zone und der Polysilizium-Gateschicht umfaßt, wie es normalerweise der Fall ist, ermöglicht die Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur gemäß der Erfindung durch ein Bereitstellen einer zusätzlichen Grenzschicht aus Metallsilizid an der Grundfläche der Kontaktöffnungen noch ei nen relativ kleinen Kontaktwiderstand und einen relativ geringen Übergangsverlust. Diese Grenzschicht aus Metallsilizid ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich eine Kontaktöffnung bis zu einer Salizid-Polysilizium-Gateschicht erstreckt, da ein Teil (oder die Gesamtheit) der Salizidschicht, die auf der Polysilizium-Gateschicht angeordnet ist, normalerweise durch die Ausbildung solcher Kontaktöffnungen entfernt worden ist. Dieses teilweise oder vollständige Entfernen der Salizidschicht entsteht dadurch, daß normalerweise auf der Polysilizium-Gateschicht eine nicht so ausgeprägte Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material vorhanden ist wie auf der Source-Zone oder der Drain-Zone innerhalb desselben MOS-Transistors. 4 zeigt Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen 200, 202 und 204 gemäß der Erfindung, wobei die Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen auf einem Halbleitersubstrat 206 hergestellt worden sind, das einen MOS-Transistor mit Salizid-Source-Zonen und Salizid-Drain-Zonen sowie eine Salizid-Polysilizium-Gateschicht umfaßt. Der in 4 dargestellte MOS-Transistor umfaßt eine zusätzliche Source-Salizidschicht 208, eine Drain-Salizidschicht 210 und eine Polysilizium-Gate-Salizidschicht 212. Diese Salizidschichten können durch jegliche im Stand der Technik bekannten Metallsilizide gebildet werden, z.B. durch Titansilizid, Kobaltsilizid, Wolframsilizid oder Nickelsilizid.
Die Erfindung stellt ferner ein Herstellungsverfahren für eine Metall-Verbindungs-Struktur zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen zur Verfügung, die einen kleinen Kontaktwiderstand und einen geringen Übergangsverlust aufweist. Die 5 bis 11 stellen verschiedene Schritte solch eines Herstellungsprozesses dar. Die Verfahrensschritte gemäß der Erfindung umfassen folgendes: Zuerst wird ein Halbleitersubstrat 300 (d.h. ein auf Silizium basierendes Substrat) mit einem MOS-Transistor 302 zur Verfügung gestellt, der auf dessen Oberfläche angeordnet ist, wie in 5 gezeigt ist. Der MOS-Transistor 302 umfaßt eine Source-Zone 304, eine Drain-Zone 306, Gate-Seitenwand-Abstandelemente 308 und 310, eine Polysilizium-Gateschicht 312 und eine Gate-Oxidschicht 314. Daraufhin wird eine Verbindungs-Schicht 316 aus dielektrischem Material, die typischerweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht und eine Dicke von etwa einem Mikrometer aufweist, auf der Oberfläche des MOS-Transistors deponiert. Darauffolgend werden Kontaktöffnungen 318, 320 und 322 (z.B. mit einem Durchmesser von 0,3 Mikrometern) in der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material eingebracht. Dazu werden z.B. konventionelle photolithographische und anisotrope Ätztechniken eingesetzt. Jede der Kontaktöffnungen erstreckt sich durch die Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material, wodurch ein festgelegter Bereich des Halbleitersubstrats freigelegt wird. Die resultierende Struktur ist in 6 dargestellt.
Nachfolgend wird eine Metallhaftschicht 324, die entweder aus Kobalt oder aus Nickel besteht, auf der Oberfläche der Verbindungs-Schicht 316 aus dielektrischem Material, den Seitenwandflachen der Kontaktöffnungen und den festgelegten, freigelegten Bereichen des Halbleitersubstrats deponiert. Da der Bereich der Metallhaftschicht 324, der die festgelegten Bereich des Halbleitersubstrats bedeckt, ein Vorläufer der Grenzschicht entweder aus Kobaltsilizid oder aus Nickelsilizid ist, muß die Metallhaftschicht 324 entweder eine Kobalthaftschicht oder eine Nickelhaftschicht sein. Die Metallhaftschicht 324 hat eine typische Dicke in einem Bereich von 〈7,5 nm bis 30 nm〉 (75 Angström bis 300 Angström). Eine bevorzugte Dicke beträgt 〈10nm〉 (100 Angström). Die Metallhaftschicht 324 kann durch eine auf Sputtern basierende Gasphasenabschei dung nach physikalischem Verfahren (Physical Vapor Deposition Verfahren, PVD) deponiert werden. Die resultierende Struktur ist in 7 dargestellt.
Nachfolgend wird eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht 326 auf der Oberfläche der Metallhaftschicht 324 deponiert. Dazu wird üblicherweise ein Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (Chemical Vapor Deposition Verfahren, CVD) gemäß dem Stand der Technik eingesetzt. Die Dicke der TiN-Schicht liegt im allgemeinen in einem Bereich von 100 Angström bis 400 Angström, wobei eine bevorzugte Dicke in einem Bereich von 〈10 bis 20 nm〉 (100 Angström bis 200 Angström) liegt. Die daraus resultierende Struktur ist in 8 dargestellt.
Das Metall (entweder Kobalt oder Nickel) der Metallhaftschicht 324 reagiert dann mit dem Silizium der festgelegten Bereiche des Halbleitersubstrats, nämlich der Source-Zone 304, der Drain-Zone 306 und der Polysilizium-Gateschicht 312, so daß in diesem Bereichen Grenzschichten 328 aus Metallsilizid (entweder Kobaltsilizid oder Nickelsilizid) gebildet werden. Die Dicke der Grenzschicht 328 aus Metallsilizid liegt typischerweise in einem Bereich zwischen {10 bis 50nm} (100 Angström und 500 Angström). Die resultierende Struktur ist in 9 dargestellt.
Die gewählten Reaktionsbedingungen zur Bildung der Grenzschicht aus Metallsilizid (z.B. Temperatur und Umgebungsgas) werden unter Berücksichtigung von drei Zielen bestimmt: (1) Fördern und Unterstützten der Reaktion des Metalls aus der Metallhaftschicht mit dem Silizium aus den vorbestimmten Bereichen; (2) Verhindern oder Dämpfen der Reaktion der Metallhaftschicht mit der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material; und (3) Verhindern einer merklichen Erhöhungen des Übergangsverlusts. Zur Steuerung des Übergangsverlusts ist es wichtig, die Reaktion auf einem relativ geringen Temperaturniveau zu halten, z.B. in einem Temperaturbereich zwischen 450 °C und 500 °C. Der Reaktionsschritt zur Erzeugung der Grenzschicht aus Metallsilizid kann in einem thermischen Schnellprozessor (Rapid Thermal Processor, RTP) entweder in einer Stickstoffumgebung oder in einer Ammoniakumgebung für eine Zeitraum zwischen 30 sec und 2 min durchgeführt werden. Hierzu wird auf die Veröffentlichung von Karen Maex und Rob Schreutelkamp, Self-Aligned Silizides for ULSI in Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 260, 133-144 (1992) verwiesen, die die Reaktionsbedingungen von Kobaltsiliziden detailliert diskutiert. Eine merkliche Erhöhung des Übergangsverlusts tritt im allgemeinen dann auf, wenn relativ hohe Reaktionstemperaturen vorhanden sind, d.h. Temperaturen in einem Bereich zwischen 600 °C und 700 °C oder noch höher. Das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet entweder eine Kobaltschicht oder eine Nickelschicht als Metallhaftschicht, da diese Schichten bei einer relativ niedrigen Reaktionstemperatur entsprechend in Grenzschichten aus Nickelsilizid und Grenzschichten aus Kobaltsilizid überführt werden können, wodurch eine deutliche Erhöhung des Übergangsverlusts vermieden wird.
Nachfolgend wird eine leitende Abschlußschicht 330, typischerweise eine Wolframabschlußschicht, auf der Oberfläche der TiN-Schicht 326 deponiert. Dadurch wird der verbleibende Raum der Kontaktöffnungen 318, 320 und 322 gefüllt, so daß ein leitendes Abschlußelement 338 gebildet wird. Die leitende Abschlußschicht 330 kann durch konventionelle CVD-Techniken gebildet werden. Die Dicke der leitenden Abschlußschicht 330 sollte größer sein als die Hälfte der Breite der Kontaktöffnungen, um sicherzustellen, daß diese vollständig gefüllt werden. Eine typische Dicke würde in einem Bereich von 〈350nm〉 (3500 Angström) liegen. Die resultierende Struktur, ist in 10 dargestellt.
Nachfolgend wird sämtliches Material der leitenden Abschlußschicht 330, der hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht 326 und der Metallhaftschicht 324 von der oberen Oberfläche der Verbindungsschicht 316 aus dielektrischem Material entfernt. Eine Ausnahme bilden die Bereiche der leitenden Abschlußschicht, die die Kontaktöffnung füllen (d.h. das leitende Abschlußelement 338), die Metallhaftschicht, die an den Seitenwänden der Kontaktöffnungen angebracht ist und die hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht, die in den Kontaktöffnungen angeordnet ist. Dieser Schritt zum Abtragen des Materials kann z.B. mittels chemisch mechanischer Poliertechniken (Chemical Mechanical Polishing, CMP) durchgeführt werden. Die Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen 332, 334 und 336 mit einem kleinem Kontaktwiderstand und einem geringen Übergangsverlust, die in 11 dargestellt sind, entsprechen denen, die in 3 dargestellt sind. Bei einem typischen Herstellungsverfahren zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen könnten zusätzliche Verfahrensschritte zur Bildung einer strukturierten Metallschicht, Depositionsschritte zur Bildung einer dielektrischem Materialschicht und weitere Konstruktionsschritte, die im Stand der Technik bekannt sind, folgen.
Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem Halbleitersubstrat beschrieben worden ist, das einen MOS-Transistor ohne eine Salizid-Source-Zone, eine Salizid-Drain-Zone und eine Salizid-Polysilizium-Gateschicht umfaßt, kann das Verfahren auch in Verbindung mit einem MOS-Transistor durchgeführt werden, der diese Salizidschichten oder Polycidschichten (polycide layers) umfaßt. Die aus einem Verfahren resultierende Struktur, das in Verbindung mit solch einer Salizid-Source-Zone, einer Salizid-Drain-Zone und einer Salizid-Polysilizium-Gateschicht angewendet worden ist, entspricht der in 4 gezeigten Struktur.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Metall-Verbindungs-Struktur
12: Halbleitersubstrat
14: Metallschicht
16: Verbindungsschicht aus dielektrischem Material
18, 20, 22: Kontakte
24: Source-Zone (Quellzone)
26: Drain-Zone (Abflußzone)
28, 30: Gate-Seitenwand-Abstandselemente
32: Polysilizium-Gate-Schicht
34: Gate-Oxidschicht
40: Metall-Verbindungs-Kontakt
42: Erste metallische Schicht
44: Zweite metallische Schicht
46: Zentrales Abschlußelement (Kern)
100, 102, 104: Metall-Verbindungs-Kontakt-Struktur
106: Halbleitersubstrat
108: Source-Zone
110: Drain Zone
112: Polysilizium-Gateschicht
114, 116: Gate-Seitenwand-Abstandselemente
118: Gate-Oxidschicht
120: Verbindungsschicht aus dielektrischem Material
122: Metallsilizid-Grenzschicht
124: Metallhaftschicht
126: Sperrschicht
128: Leitendes Abschlußelement
200, 202, 204: Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen
206: Halbleitersubstrat
208: Source-Salizidschicht
210: Drain-Salizidschicht
212: Polysilizium-Gate-Salizidschicht
300: Halbleitersubstrat
302: MOS-Transistor
304: Source-Zone
306: Drain-Zone
308, 310: Gate-Seitenwand-Abstandelemente
312: Polysilizium-Gateschicht
314: Gate-Oxidschicht
316: Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material
318, 320, 322: Kontaktöffnungen
324: Metallhaftschicht
324: Metallhaftschicht
326: Sperrschicht
328: Grenzschicht aus Metallsilizid
330: Leitende Abschlußschicht
332, 334, 336: Metall-Verbindungs-Kontakt-Strukturen
338: Leitendes Abschlußelement

Claims

Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringen Übergangsverlust zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen, die ein Halbleitersubstrat umfassen, wobei die Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur folgendes umfaßt: eine Verbindungsschicht aus dielektrischem Material (120, 316), die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) angeordnet ist, wobei die Verbindungs-Schicht aus dielekterischem Material (120, 316) wenigstens eine darin eingebracht Kontaktöffnung (318, 320, 322) aufweist, die sich von einer oberen Oberfläche der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316) bis zu einem festgelegten Bereich des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) erstreckt, eine Kobalt-Silizid Grenzschicht (122, 328), die auf der Oberfläche des festgelegten Bereichs des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) angeordnet ist und mit der Grundfläche der Kontaktöffnung (318, 320, 322) ausgerichtet ist; eine Kobalthaftschicht (124, 324), die an der Oberfläche der Seitenwände der Kontaktöffnung (318, 320, 322) angeordnet ist; eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht (126, 326), die auf den Oberflächen der Metallhaftschicht (124, 324) und der Metall-Silizid Grenzschicht (122, 328) angeordnet ist; und ein leitendes Abschlußelement (128; 338), das die Kontaktöffnung (318, 320, 322) auffüllt, dadurch gekennzeichnet, daß die hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht (126, 326) aus einem Material besteht, das aus der folgenden Materialgruppe ausgewählt ist: Titannitrid, Tantalnitrid, Wolframnitrid und Kombinationen davon.
Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht aus Kobaltsilizid (122, 328) eine Dicke in einem Bereich von 10 bis 50 nm aufweist und daß die Kobalthaftschicht (124, 324) eine Dicke in einem Bereich von 7,5 bis 30 nm aufweist.
Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringen Übergangsverlust zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen, die ein Halbleitersubstrat umfassen, wobei die Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur folgendes umfaßt: eine Verbindungsschicht aus dielektrischem Material (120, 316), die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) angeordnet ist, wobei die Verbindungs-Schicht aus dielekterischem Material (120, 316) wenigstens eine darin eingebracht Kontaktöffnung (318, 320, 322) aufweist, die sich von einer oberen Oberfläche der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316) bis zu einem festgelegten Bereich des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) erstreckt, eine Nickel-Silizid Grenzschicht (122, 328), die auf der Oberfläche des festgelegten Bereichs des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) angeordnet ist und mit der Grundfläche der Kontaktöffnung (318, 320, 322) ausgerichtet ist; eine Nickelhaftschicht (124, 324), die an der Oberfläche der Seitenwände der Kontaktöffnung (318, 320, 322) angeordnet ist; eine hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht (126, 326), die auf den Oberflächen der Metallhaftschicht (124, 324) und der Metall-Silizid Grenzschicht (122, 328) angeordnet ist; und ein leitendes Abschlußelement (128; 338), das die Kontaktöffnung (318, 320, 322) auffüllt, dadurch gekennzeichnet, daß die hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht (126, 326) aus einem Material besteht, das aus der folgenden Materialgruppe ausgewählt ist: Titannitrid, Tantalnitrid, Wolframnitrid und Kombinationen davon.
Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Abschlußelement (128, 338) ein Abschlußelement aus Wolfram ist.
Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der festgelegte Bereich des Halbleitersubstrats (106, 206, 300) ein Bereich eines Halbleiterelements ist, der aus der Gruppe folgender Bereiche ausgewählt ist: eine MOS-Transistor Source-Zone (108, 304), eine MOS-Transistor Drain-Zone (110, 306) und eine MOS-Transistor Polysilizium-Gateschicht (112, 312).
Verfahren zur Herstellung einer Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringen Übergangsverlust zum Einsatz in integrierten Schaltkreisen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (106, 206, 300) mit wenigstens einem festgelegten Bereich; Deponieren einer Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (106, 206, 300); Ausbilden wenigstens einer Kontaktöffnung (318, 320, 322) in der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316), wodurch der festgelegte Bereich freigelegt wird; Deponieren einer Kobalthaftschicht (124, 324) auf der oberen Oberfläche der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316), der Oberfläche der Seitenwände der Kontaktöffnung (318, 320, 322) und der Oberfläche des freigelegten, festgelegten Bereichs; Deponieren einer hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht (126, 326) auf der Oberfläche der Metallhaftschicht (124, 324); Reagieren von Kobalt aus der Kobalthaftschicht (124, 324) mit dem Silizium des freigelegten, festgelegten Bereichs, so daß eine Kobalt-Silizid-Grenzschicht (122, 328) gebildet wird; und Deponieren einer leitenden Abschlußschicht (128, 338) auf der Oberfläche der hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht (126, 326), wodurch die Kontaktöffnung (318, 320, 322) aufgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht (126, 326) eine Sperrschicht deponiert wird, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Titannitrid, Tantalnitrid, Wolframnitrid und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsschritt das Reagieren von Kobalt aus der Kobalthaftschicht mit dem Silizium aus dem freigelegten, festgelegten Bereich bei einer Temperatur in einem Bereich von 450 °C bis 500 °C für eine Zeitraum von 30 sec bis 2 min umfaßt, so daß eine Kobalt-Silizid Grenzschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 10 bis 50 nm gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Metall-Verbindungs-Kontaktstruktur mit einem kleinen Kontaktwiderstand und einem geringem Übergangsverlust zum Einsatz in integrierten Schaltkreisen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (106, 206, 300) mit wenigstens einem festgelegten Bereich; Deponieren einer Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (106, 206, 300); Ausbilden wenigstens einer Kontaktöffnung (318, 320, 322) in der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316), wodurch der festgelegte Bereich freigelegt wird; Deponieren einer Nickelhaftschicht (124, 324) auf der oberen Oberfläche der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (120, 316), der Oberfläche der Seitenwände der Kontaktöffnung (318, 320, 322) und der Oberfläche des freigelegten, festgelegten Bereichs; Deponieren einer hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht (126, 326) auf der Oberfläche der Metallhaftschicht (124, 324); Reagieren des Nickels aus der Nickelhaftschicht (124, 324) mit dem Silizium des freigelegten, festgelegten Bereichs, so daß eine Nickel-Silizid-Grenzschicht (122, 328) gebildet wird; und Deponieren einer leitenden Abschlußschicht (128, 338) auf der Oberfläche der hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht (126, 326), wodurch die Kontaktöffnung (318, 320, 322) aufgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als hochschmelzende, auf Metall basierende Sperrschicht (126, 326) eine Sperrschicht deponiert wird, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Titannitrid, Tantalnitrid, Wolframnitrid und Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitersubstrat (106, 206, 300) mit wenigstens einem festgelegten Bereich zur Verfügung gestellt wird, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: MOS-Transistor Source-Zone (108, 304), MOS-Transistor Drain-Zone (110, 306) und MOS-Transistor Polysilizium-Gateschicht (112, 312).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den folgenden Schritt umfaßt: Entfernen der leitenden. Abschlußschicht (338), der hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht (326) und der Kobalt- bzw. Nickelhaftschicht (324) von der oberen Oberfläche der Verbindungs-Schicht aus dielektrischem Material (316) nach dem Schritt des Deponierens einer leitenden Abschlußschicht (328), wobei das in der Kontaktöffnung (318, 320, 322) vorhandene Material der leitenden Abschlußschicht (338), der hochschmelzenden, auf Metall basierenden Sperrschicht (326) und der Kobalt- bzw. Nickelhaftschicht (324) nicht entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsschritt das Reagieren des Metalls aus der Kobalt- bzw. Nickelhaftschicht (124, 324) mit dem Silizium des freigelegten, festgelegten Bereichs bei einer Temperatur in einem Bereich von 450 °C bis 500 °C für einen Zeitraum vom 30 sec bis zu 2 min umfaßt, so daß eine Kobalt- bzw. Nickel-Silizid-Grenzschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 10 Angström bis 50 nm wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als leitende Abschlußschicht (128, 338) eine Wolframabschlußschicht deponiert wird.