DE3901114A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer halbleitervorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung und insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Ausbildung von Elektroden und Vebindungsstellen bei Halbleitervorrichtungen.
Im allgemeinen haben die Widerstandswerte von Elektroden und Verbindungsstellen bei Halbleitervorrichtungen, insbesondere von MOS (Metalloxidhalbleiter)-Typ-Transistoren eine signifikante Wirkung auf die Betriebsgeschwindigkeit und auch auf den Freiheitsgrad ihrer Ausbildung. Deshalb sollen diese Widerstandswerte so klein wie möglich sein. Aus diesem Grund hat man verschiedene Verfahren durchgeführt, bei denen ein feuerfestes Metall (mit einem hohen Schmelzpunkt und einem verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand) verwendet wird, um die Gate-Elektroden und Verbindungsstellen zu bilden. Wird ein feuerfestes Metall auf einem polykristallinen Siliziumfilm bei einem MOS-Typ-Transistor abgeschieden, dann ist die Arbeitsfunktion des Gate an dem MOS-Kondensatorteil häufig die gleiche wie im Falle eines üblichen polykristallinen Silizium-Gate. Mit anderen Worten wird die Arbeitsfunktion des Gate verändert, wenn der feuerfeste Metallfilm allein als ein einzelschichtiges Strukturgate verwendet wird. Deshalb ist ein Aufbau, bei dem der feuerfeste Metallfilm auf dem polykristallinen Siliziumfilm laminiert ist, vorteilhafter als eine einzelschichtige Struktur aus dem feuerfesten Metall.
Das Verfahren zur Herstellung von MOS-Type-Halbleitervorrichtungen umfaßt jedoch im allgemeinen verschiedene Hochtemperaturverfahren. Insbesondere erfordert das Herstellungsverfahren einen Nachoxidationsprozeß (später ausführlich beschrieben) von etwa 700°C bis 800°C und einen Zwischenschichtenfilm-Nivellierungsprozeß von beispielsweise von etwa 700°C bis 850°C. Diese Temperaturen liegen erheblich oberhalb der Temperaturen, bei denen sich das feuerfeste Metall mit Silizium in einem polykristallinen Siliziumfilm verbindet (beispielsweise 550°C bis 600°C bei Wolfram). Um eine solche chemische Reaktion zwischen dem polykristallinen Siliziumfilm und dem feuerfesten Metallfilm zu vermeiden, wird ein Metallnitridfilm oder ein Metallcarbidfilm dazwischen abgeschieden, um zu vermeiden, daß die leitfähigen Filme und die feuerfesten Metallfilme miteinander reagieren.
Das Nachoxidationsverfahren wird durchgeführt, um Defekte und Schäden bei dem Substrat, die während des Ätzens oder der Ionenimplantation eingeführt werden, zu beheben. Das Nachoxidationsverfahren soll auch die Gate-Charakteristika eines MOS-Kondensators und eines MOS-Typ-Transistors verbessern. Der feuerfeste Metallfilm wird jedoch leicht bei dem Nachoxidationsverfahren oxidiert. Insbesondere in einer Atmosphäre von Sauerstoff von etwa 900°C (das sind die normalen Oxidationsbedingungen für einen polykristallinen Polysiliziumfilm) oder in einer Atmosphäre von O2-H2O von etwa 800°C wird der feuerfeste Metallfilm erheblich oxidiert. Als Ergebnis nehmen dann unvermeidbar die Widerstandswerte der Gate-Elektrode und der Verbindungsstellen, die aus dem feuerfesten Metall hergestellt sind, zu.
Um eine solche Erhöhung der Widerstandswerte der Elektroden und Verbindungsstellen zu vermeiden, ist es erforderlich, nur den Siliziumfilm zu oxidieren, während der feuerfeste Film nicht oxidiert wird. Dies kann man dadurch erzielen, daß man das Oxidationsverfahren in einer Atmosphäre aus Wasserstoff, enthaltend einigen Prozent Dampf bei etwa 900°C, durchführt. Ein solches Oxidationsverfahren erfordert jedoch Wasserstoff hoher Konzentration bei einer hohen Temperatur. Deshalb beteht bei einem solchen Verfahren manchmal Explosionsgefahr. Außerdem ist bei diesem Verfahren die Oxidationsgeschwindigkeit des polykristallinen Siliziumfilms sehr langsam. Als Ergebnis erfordert die erforderliche Oxidation des polykristallinen Siliziumfilms unabdingbar ein lang andauerndes Verfahren. Dies ist eine Beschränkung bei der Herstellung von MOS-Type-Transistoren.
Eine Aufgabe der Erfindung betrifft deshalb ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen. Bei diesem Verfahren kann man die Oxidation des feuerfesten Metallfilms, der als Elektroden und Verbindungsleitungen verwendet wird, vermeiden.
Kurz gesagt, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung zur Verfügung gestellt, welches die Stufen umfaßt:
Ausbilden eines leitfähigen Films auf einem Halbleitersubstrat,
Ausbilden eines ersten Films auf dem leitfähigen Film, um eine Reaktion zwischen dem leitenden Film und einem Film aus einem feuerfesten Metall zu verhindern,
Ausbilden eines Films aus einem feuerfesten Metall auf dem reaktionsbeständigen Film,
Ausbilden eines zweiten Films auf der freigelegten Oberfläche des Films aus einem feuerfesten Metall, um eine Oxidation der freigelegten Oberfläche des Films aus dem feuerfesten Metall zu verhindern und
Aussetzen des Halbleitersubstrats einer oxidierenden Atmospshäre.
Die Erfindung wird zum besseren Verständnis unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben, worin bedeuten
Fig. 1a bis 1d sind Querschnitte und beschreiben das Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2a bis 2e sind Querschnitte und beschreiben das Herstellungsverfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, bei welcher die Bezugsziffern identische oder entsprechende Teile bedeuten, wird in den Fig. 1a bis 1d eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
In Fig. 1a wird ein Siliziumoxidfilm 2 mit einer Dicke von etwa 12 nm auf einem Halbleiter(silizium)substrat 1 als Gate-Isolierfilm ausgebildet. Anschließend wird ein polykristalliner Siliziumfilm 3 von etwa 200 nm auf dem Siliziumoxidfilm 2 unter Anwendung von CVD (chemische Dampfabscheidung) od. dgl. ausgebildet. Dann wird das Substrat 1 einer Atmosphäre von Phosphoroxichlorid bei 950°C während eines Zeitraums von etwa 20 bis 30 min ausgesetzt. Dadurch wird Phosphor (P) in den polykristallinen Siliziumfilm 3 eingeführt. Auf diese Weise wird ein phosphordotierter polykristalliner Siliziumfilm 3 a als erster leitfähiger Film ausgebildet, wie dies in Fig. 1b gezeigt wird.
Weiterhin wird ein Titannitrid (TiN)-Film 4 von etwa 20 nm mittels einer reaktiven Sputter-Technik auf dem phosphordotierten polykristallinen Siliziumfilm 3 a als ein erster Film, um die Reaktion zwischen dem leitenden Film und dem feuerfesten Metallfilm zu vermeiden, ausgebildet. Dann wird ein feuerfester Metallfilm 5, z. B. aus Wolfram (W), von etwa 20 nm Dicke mittels einer Sputter-Technik auf dem Titannitridfilm 4 als ein zweiter leitender Film abgeschieden. Der Titannitridfilm 4 kann auch mittels einer CVD (chemische Dampfabscheidung) zum Unterschied von der reaktiven Sputter-Technik ausgebildet werden. Der Wolframfilm 5 kann auch unter Verwendung einer CVD-Technik anstelle einer Sputter-Technik ausgebildet werden.
Anschließend werden der Wolframfilm 5, der Titannitridfilm 4, der phosphordotierte polykristalline Siliziumfilm 3 a und der Siliziumoxidfilm 2 eliminiert, wobei ein Teil zurückbleibt, der eine Gate-Elektrode 9 bildet. Die Eliminierung erfolgt durch fotografisches Ätzen, Reaktivätzen od. dgl., wie dies in Fig. 1b gezeigt wird. Dann wird das Substrat 1 einer Ammoniakatmosphäre bei 600°C während 30 min ausgesetzt und thermisch behandelt (in Kombination mit Stickstoff). Als Ergebnis bildet sich ein Wolframnitridfilm 6 von etwa 10 nm auf der Oberfläche des Wolframfilms 5 aus. Der Wolframnitridfilm 6 dient als zweiter Film, um zu vermeiden, daß die freigelegte Oberfläche des feuerfesten Metallfilms oxidiert wird. Dann wird eine n--Typ-Source-Region 7 und eine n--Type-Drain-Region 8 durch Phosphorionenimplantation und Diffusion ausgebildet. Schließlich wird eine Seitenwand 10, welche ein Isolierfilm aus Siliziumoxid ist, auf der Seitenwand der Gate-Elektrode 9 ausgebildet.
Anschließend wird eine Arsen (As)-Ionenimplantation auf den Teilen, die tiefer als die Source- und Drain-Region 7 und 8 liegen, unter Verwendung der Seitenwand 10 als Maske wirksam. Dann wird Arsen diffundiert unter Ausbildung einer n⁺-Typ-Source-Region 7 a und einer n⁺-Typ-Drain-Region 8 a. Weiterhin wird ein Isolierfilm (nicht gezeigt) auf der gesamten Oberfläche ausgebildet. Dann werden die Metallfilme (nicht gezeigt), die mit den Source- und Drainregionen 7 und 8 und der Gate-Elektrode 9 verbunden sind, ausgebildet.
Anschließend wird das Substrat 1 etwa 60 min bei etwa 800°C einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt, wobei ein Wasserstoff-Verbrennungsoxidatiosverfahren stattfindet. Dieses Verfahren dient dazu, Defekte und Schäden in den Source- und Draindiffusionsbereichen 7, 7 a, 8 und 8 a zu eliminieren. Außerdem sollen durch diese Verfahren auch die Gate-Charakteristika bei der Vorrichtung verbessert werden. Speziell werden bei dem Nachoxidationsverfahren die Defekte und Schäden an der Substratoberfläche, die während des Ionenimplantationsverfahrens unter Ausbildung von Diffusionsschichten oder des Ätzverfahrens unter Ausbildung der vorerwähnten Oberfläche entstehen können, repariert. Zusätzlich werden die schrägen Ecken der Gate-Elektrode durch diesen Oxidationsprozeß abgerundet. Auf diese Weise kann man eine Kontraktion eines elektrischen Feldes, welches in der Nachbarschaft solcher schrägen Ecken ausgebildet wird, vermeiden. Auch bei Durchführung des Oxidationsverfahrens dient der Wolframnitridfilm 6 zum Schutz der Oberfläche des feuerfesten Metallfilms 5 vor einer Oxidation.
Deshalb werden die Widerstandswerte von Gate-Elektroden und Verbindungsstellen von MOS-Type-Transistoren, die nach dem vorerwähnten Verfahren hergestellt wurden, nicht erhöht. Außerdem kann bei dieser Ausführungsform die Siliziumregion allein oxidiert werden, ohne daß der feuerfeste Metallfilm 5 oxidiert wird. Daher ist der Freiheitsgrad bei dem Verfahren zur Ausbildung der Gate-Elektrode und der Verbindungsstücke aus feuerfestem Metall erheblich verbessert.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2a bis 2e beschrieben. Die Verfahren der Fig. 2a und 2b sind die gleichen wie bei den Fig. 1a und 1b. Deshalb wird die Beschreibung hier fortgelassen. Wie aus Fig. 2b hervorgeht, werden ein Siliziumoxidfilm 2, ein phosphordotierter polykristalliner Siliziumfilm 3 a, ein Titannitridfilm 4 und ein Wolframfilm 5 nacheinander auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden. Anschließend werden die abgeschiedenen Filme eliminiert, wobei vorgeschriebene Teile zurückbleiben, die in gewünschtes Muster bilden, wie dies in Fig. 2c gezeigt wird.
Dann wird ein polykristalliner Siliziumfilm 21 von etwa 20 nm Dicke auf der gesamten Oberfläche durch chemische Dampfabscheidungstechnik ausgebildet, wie dies in Fig. 2d gezeigt wird. Weiterhin wird das Substrat 1 einer Atmosphäre von Stickstoff von 800°C während 30 min ausgesetzt. Dann wird das Substrat 1 einer speziellen thermischen Behandlung unterworfen. Als Ergebnis wird ein Wolframsilicidfilm 20 auf der Oberfläche des Wolframfilms 5 ausgebildet, auf welchem die Muster zuvor ausgebildet wurden. Der Wolframsilicidfilm 20 dient als zweiter Film zur Vermeidung, daß die freigelegte Oberfläche des feuerfesten Metallfilms oxidiert wird. Hier bleibt der polkristalline Siliziumfilm 21 an den Seitenwänden des Substrats 1 und des phosphordotierten polykristallinen Siliziumfilms 3 a.
Dann werden eine Source-Region 17 und eine Drain-Region 18 in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet. Anschließend wird das Substrat 1 bei etwa 900°C während 60 min einem Wasserstoff-Verbrennungsoxidationsverfahren unterworfen. Der Zweck dieses Verfahrens ist es, Defekte und Störungen in den Source- und Drainregionen 17 und 18, die während des Ätzens oder der Ionenimplantation eingebracht worden sind, zu eliminieren. Eingeschlossen in das Verfahren ist auch eine Verbesserung der Gate-Charakteristika der Vorrichtung. Als Ergebnis verbleibt der polykristalline Siliziumfilm 21 als ein Oxidfilm 22, wie dies in Fig. 2e gezeigt wird. In diesem Fall wird der Wolframfilm 5 nicht oxidiert, weil der Wolframsilicidfilm 20, der die Oxidation verhindert, zuvor auf der Oberfläche davon ausgebildet wurde.
Ein so hergestellter MOS-Type-Transistor hat die gleichen Vorteile wie ein gemäß der ersten Ausführungsform hergestellter.
Bei diesen ersten und zweiten Ausführungsformen wurden ein MOS-Typ-Transistor mit einer LDD (schwachgedobten Drain- und Source-)Struktur als Beispiel gezeigt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann auch auf andere MOS-Type-Transistoren oder alle anderen Transistoren, bei denen man feuerfeste Metalle verwendet, angewendet werden.
Weiterhin ist das feuerfeste Metall, das bei den Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben wird, nicht auf Wolfram beschränkt, sondern kann auch Molybdän sein. Insbesondere ist die Erfindung bei allen feuerfesten Metallen, die für Elektroden und Zwischenverbindungen bei Halbleitervorrichtungen gebraucht werden und die während der erforderlichen Oxidationsverfahren bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung oxidiert werden, anwendbar.
Wie vorher dargelegt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein feuerfester Metallfilm mit Stickstoff, Kohlenstoff oder Silizium kombiniert. Als Ergebnis wird die Oberfläche des feuerfesten Metalls mit einem Nitridfilm, einem Carbidfilm oder einem Silicidfilm beschichtet. Daher wird das feuerfeste Metall auch dann nicht oxidiert, wenn das Substrat einer Atmosphäre von Plasmasauerstoff oder einer Atmosphäre von trockenem Sauerstoff während des Oxidationsverfahrens ausgesetzt ist. Deshalb bleibt der Widerstandswert der Oberfläche des feuerfesten Metallfilms im wesentlichen unverändert. Darüber hinaus ist das Material des zweiten Films, das dazu dient, die freigelegte Oberfläche des feuerfesten Metallfilms vor einer Oxidation zu schützen, nicht auf das vorerwähnte TiN beschränkt, sondern man kann auch andere Metallverbindungen, wie TiC, TiCN, WN, WC, WCN, HfN, HfC, HfCN, CrC, ZrN und ZrCN, verwenden.
Zahlreiche Modifizierungen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung sind im Rahmen der obigen Lehre möglich.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, umfassend folgende Stufen:
Ausbilden eines leitfähigen Films auf einem Halbleitersubstrat,
Ausbilden eines ersten Films auf dem leitfähigen Film, um eine Reaktion zwischen dem leitenden Film und einem Film aus einem feuerfesten Metall zu verhindern,
Ausbilden eines Films aus einem feuerfesten Metall auf dem reaktionsbeständigen Film,
Ausbilden eines zweiten Films auf der freigelegten Oberfläche des Films aus einem feuerfesten Metall, um eine Oxidation der freigelegten Oberfläche des Films aus dem feuerfesten Metall zu verhindern und
Aussetzen des Halbleitersubstrats einer oxidierenden Atmosphäre.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines leitfähigen Films auf einem Halbleitersubstrat die Stufe, einen isolierten Film zwischen dem Halbleitersubstrat und dem leitenden Film einzubringen, umfaßt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines leitfähigen Films auf einem Halbleitersubstrat die Stufe umfaßt, daß man ein Silizium enthaltendes Halbleitersubstrat wählt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe, die Ausbildung eines leitfähigen Films auf einem Halbleitersubstrat, die Stufe umfaßt, daß man einen polykristallinen Siliziumfilm mit Verunreinigungen dotiert und daß die Stufe der Ausbildung eines ersten Films auf dem leitfähigen Film die Stufe umfaßt, eine Metallverbindundg auf dem leitfähigen Film abzuscheiden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines ersten Films auf dem leitfähigen Film die Stufe umfaßt, einen Metallnitridfilm abzuscheiden.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines ersten Films auf dem leitfähigen Film die Stufe umfaßt, einen Metallcarbidfilm abzuscheiden.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines ersten Films auf dem leitfähigen Film die Stufe umfaßt, einen Metallnitridcarbidfilm abzuscheiden.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines ersten Films auf dem leitfähigen Film die Stufe umfaßt, einen Titannitrid enthaltenden Film abzuscheiden.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines zweiten Films auf der freigelegten Oberfläche des feuerfesten Metallfilms die Stufe umfaßt, einen Film enthaltend ein Nitrid, ein feuerfestes Metallcarbid oder ein feuerfestes Metallsilicid abzuscheiden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines zweiten Films auf der freigelegten Oberfläche auf dem feuerfesten Metallfilm die Stufe umfaßt, eine Film der Wolframnitrid und/oder Wolframsilicid enthält, abzuscheiden.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Aussetzung des Halbleitersubstrats gegenüber einer oxidierenden Atmosphäre die Stufe umfaßt, daß man die Temperatur der oxidierenden Atmosphäre auf oberhalb 700°C erhöht.
12. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, umfassende die Stufen:
Ausbildung eines isolierten Films auf einem Halbleitersubstrat,
Ausbildung eines leitenden Films auf dem isolierenden Film,
Ausbildung eines ersten Films auf dem leitfähigen Film, um eine Reaktion zwischen dem leitfähigen Film und einem feuerfesten Metallfilm zu vermeiden,
Ausbildung eines feuerfesten Metallfilms auf dem ersten Film,
Eliminieren eines Teils des feuerfesten Metallfilms auf dem ersten Film, wobei der leitfähige Film und der isolierende Film dann eine Gate-Elektrode bilden,
Ausbildung eines zweiten Films mit dem verbleibenden Teil des feuerfesten Metallfilms, um eine Oxidation der freigelegten Oberfläche des feuerfesten Metallfilms zu vermeiden,
Ausbilden eines Source-Bereiches und eines Drain-Bereiches auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats unter Verwendung der Gate-Elektrode als Maske und
Aussetzen des Halbleitersubstrats einer oxidierenden Atmosphäre.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines zweiten Films auf dem verbleibenden Teil des feuerfesten Metallfilms die Stufe umfaßt, daß man einen Film, enthaltend ein feuerfestes Metallnitrid, ein feuerfestes Metallcarbid oder ein feuerfestes Metallsilicid, abscheidet.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Ausbildung eines zweite Films auf dem verbleibenden Teil des feuerfesten Metallfilms die Stufe umfaßt, daß man einen Wolframnitridfilm oder einen Wolframsilicidfilm abscheidet.
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