DE4238080C2

DE4238080C2 - Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4238080C2
Application number: DE4238080A
Authority: DE
Inventors: Kenichi Mori; Katsuhiro Tsukamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-11-11
Filing date: 1992-11-11
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: DE4238080A1; KR970009274B1; US5534730A; KR930011279A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungs struktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Sputtern und CVD (Chemical Vapor Deposition = Gasphasenab scheidung) sind als Schichtablagerungstechniken wohlbekannt. Sputtern hat den Vorteil, dass eine Schicht ohne die Notwen digkeit des Einstellens des Gasflusses und der Temperatur, wie in dem Fall der Benutzung von CVD, leicht erhalten wird. Ein Verfahren zur Ausbildung einer oberen leitenden Schicht mit Sputtern wird später noch beschrieben.

Bezugnehmend auf Fig. 17 wird eine Zwischenschichtisolier schicht 3 auf einer unteren leitenden Schicht 5 ausgebildet. Ein Durchgangsloch 6, welches die untere leitende Schicht 5 erreicht, wird in der Zwischenschichtisolierschicht 3 ausge bildet. Ar-Ionen werden zum Zusammenprall mit einer Aluminium platte 1 gebracht, und aufgrund des Zusammenpralles fallen die Aluminiumatome nach unten. Dieser Prozess wird fortgesetzt bis als Ergebnis der in Fig. 19 gezeigte Zustand, über den in Fig. 18 gezeigten Zustand, erreicht ist. Das Bezugszeichen 7 be zeichnet eine obere leitende Schicht aus Aluminium.

Jedoch fallen in der Praxis die Aluminiumatome nicht wie in Fig. 17 gezeigt senkrecht nach unten. Der Fall der Aluminiuma tome wird, verursacht durch den Zusammenprall mit Ar-Ionen, in verschiedenen Richtungen beobachtet, wie in Fig. 20 gezeigt. In der Ecke 10 des Durchgangsloches 9 wird ein Aluminiumfilm nur schwierig ausgebildet.

Die Öffnungsgröße des Durchgangsloches 9 ist, übereinstimmend mit der kleiner werdenden Größe der Vorrichtungen, kleiner ge worden. Die Dicke der Zwischenschichtisolierschicht 3 ist un ter Berücksichtigung der Möglichkeit eines Defektes im wesent lichen auf einen konstanten Wert festgelegt. Darum wird das Längenverhältnis (Lochtiefe/Öffnungsgröße des Loches) des Durchgangsloches unvermeidlich erhöht. Ein größeres Längenver hältnis macht es für die Aluminiumatome noch schwieriger die Ecke 10 des Durchgangsloches 9 zu erreichen. Das bringt Pro bleme mit sich, die nachfolgend beschrieben werden.

Fig. 21 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung, bei der eine obere leitende Schicht 7 aus Aluminium auf einer Zwischenschichtisolierschicht 3 mit einem Durchgangsloch 9 mit großem Längenverhältnis ausgebildet wird.

Fig. 22 zeigt den Zustand der Halbleitervorrichtung nach der Ausbildung der oberen leitenden Schicht 7. Es ist zu sehen, dass die Öffnung des Durchgangsloches 9 mit Aluminium ver schlossen ist bevor das Innere des Durchgangsloches 9 voll ständig mit Aluminium gefüllt ist, was in einem Hohlraum 11 in dem Durchgangsloch 9 resultiert. Der Hohlraum 11 verursacht einen höheren elektrischen Widerstand in der Aluminiumschicht im Durchgangsloch 9. Das führt zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Elektromigration in diesem Teil. Elektromigration ist ein Phänomen, bei dem Metallatome verfrachtet werden, wenn eine hohe Strombelastung an dem Metall anliegt. Wenn die Me tallatome in der zu der Stromrichtung entgegengesetzten Rich tung wandern, wird auf der Kathodenseite kein Aluminium mehr sein und so ein Hohlraum gebildet, wohingegen sich das Alumi nium auf der Anodenseite sammelt und Aufwürfe und Whisker (Haarkristalle) bildet. Der durch die Elektromigration verur sachte Defekt beinhaltet einen Anstieg des Verbindungswider standes und Verbindungsunterbrechung aufgrund von Hohlräumen und Kurzschlüssen zwischen Mehrschichtverbindungen aufgrund von Aufwürfen und Whiskern.

Darum wird eine obere leitende Schicht unter Benutzung eines CVD-Verfahrens ausgebildet, wenn das Längenverhältnis eines Durchgangsloches groß ist. Bei dem CVD-Verfahren wird eine Schicht durch die Berührung des Gases mit der Schicht bilden den Fläche ausgebildet. Gas kann sich leicht in die Ecke eines Durchgangsloches ausbreiten. Das bedeutet, dass das Innere ei nes Durchgangsloches vollständig ausgefüllt werden kann, sogar dann, wenn das Durchgangsloch ein großes Längenverhältnis hat.

Ein Verfahren zum Auffüllen eines Durchgangsloches mit einer leitenden Schicht durch ein CVD-Verfahren wird nachfolgend be schrieben. Dieses Verfahren ist z. B. in 1990 IEEE June 12-13, 1990 VMIC Conference pp. 219-225 "CONTACT HOLE FILL WITH LOW TEMPERATURE LPCVD TiN" Ivo J. Raaijmakers et al. offenbart.

Fig. 23 zeigt, dass die Zwischenschichtisolationsschicht 19 selektiv zur Ausbildung eines Durchgangsloches 21, welches den dotierten Bereich 17 erreicht, geätzt wird. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet ein Siliziumsubstrat und das Bezugszeichen 15 eine Feldoxidschicht.

Fig. 24 zeigt, dass auf dem freiliegenden dotierten Bereich 17 durch den Sauerstoff der Atmosphäre eine natürliche Oxid schicht 23 gebildet wird. Da die Anwesenheit einer natürlichen Oxidschicht 23 die elektrische Verbindung zwischen dem dotier ten Bereich 17 und einer später auszubildenden TiN-Schicht verringern würde, wird die natürliche Oxidschicht 23 wie folgt reduziert.

Fig. 25 zeigt, dass durch Sputtern eine Ti-Schicht 25 auf der ganzen Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates 13 ausgebildet wird.

Fig. 26 zeigt, dass das Siliziumsubstrat 13 für 30 Sekunden einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 650°C unterzogen wird. Der Teil der Ti-Schicht, der in Kontakt mit der Zwischenschichtisolierschicht 19 ist, wird eine TiN (O)-Schicht 29. Die TiN (O)-Schicht 29 ist eine TiN-Schicht mit in dieser Schicht verteiltem Sauerstoff.

Aus dem betreffenden Teil der Ti-Schicht, die in Kontakt mit dem dotierten Bereich 17 steht, diffundiert Ti in den dotier ten Bereich 17 und wird in dem dotierten Bereich 17 an Si ge bunden, was in der Bildung von TiSi_x 27 (O < x < 2) resul tiert. Da TiSi_x reduzierend ist, reagiert ein Teil des TiSi_x mit dem O der natürlichen Oxidschicht und wird zu TiSiO. So wird die natürliche Oxidschicht reduziert.

Fig. 27 zeigt, dass durch ein CVD-Verfahren eine TiN-Schicht 31 auf der ganzen Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates 13 ausgebildet wird. Das Durchgangsloch 21 kann vollständig mit der TiN-Schicht 31 aufgefüllt werden, sogar dann wenn das Län genverhältnis des Durchgangsloches 21 groß ist, da die Ausbil dung mit einem CVD-Verfahren durchgeführt wird.

Fig. 28 zeigt, dass eine Al-Cu-Schicht 33 auf der TiN-Schicht 31 ausgebildet wird. Die Al-Cu-Schicht 33 dient zur Verbesse rung der Leitfähigkeit der Verbindungsschicht.

In dem oben beschriebenen konventionellen Verfahren wird das Silizium zur Bildung des TiSi_x 27 vom dotierten Bereich 17 zur Verfügung gestellt. Wenn die Reaktion zwischen Ti und Si zu stark ist, wird das TiSi_x 27 durch den dotierten Bereich 17, wie in Fig. 29 gezeigt, brechen und den pn-Übergang beschädi gen. Daraus folgt, dass ein Leckstrom auftritt.

Die Dicke der oberen Verbindungsschicht ist aufgrund ihrer dreischichtigen Struktur aus Al-Cu-Schicht 33, TiN-Schicht 31 und TiN (O)-Schicht 29 groß. Das führt zu einem größeren ge stuften Bereich in den über der oberen Verbindungsschicht ge legenen Schichten mit Problemen, wie der Möglichkeit der Ver bindungsunterbrechung in einer Verbindungsschicht über der auf der oberen Verbindungsschicht liegenden Schicht.

Aus der DE 40 13 143 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur bekannt, bei dem eine natürliche Oxidschicht auf einer unteren leitenden Schicht vor der Ausbildung einer Titan-Silizidschicht mit einem Silangas entfernt wird.

Aus der US 5 049 975 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleiter vorrichtung und eine entsprechende Verbindungsstruktur be kannt, wobei eine untere leitende Schicht und eine Isolier schicht darauf gebildet werden. Ein Durchgangsloch wird in die Isolierschicht geätzt. Das Durchgangsloch wird mit Titan ge füllt. Es wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, so dass sich das Titan in Titansilizid umwandelt. Es wird eine obere lei tende Schicht gebildet, so dass die Titansilizidschicht die untere leitende Schicht mit der oberen leitenden Schicht ver bindet.

Aus der US 4 870 033 ist es bekannt, eine Metallschicht auf einer Isolierschicht, die aus Siliziumdioxid besteht, abzuscheiden. Die Metallschicht kann mit dem Siliziumdioxid regie ren.

Aus GB 2 148 946 A ist ein Verfahren zum Abscheiden von dünnen Schichten aus Titansilizid niedrigen Widerstandes zu entneh men. Das Verfahren weist das gemeinsame Abscheiden von Titan und Silizium durch plasmaverstärktes chemisches Dampfabschei den bei einer niedrigen Temperatur auf. Eine Wärmebehandlung oberhalb der Abscheidungstemperatur verringert den Schichtwi derstand.

Aus der US 4 985 750 ist eine Halbleitervorrichtung mit einer Kupferverdrahtung bekannt, bei der eine Metallschicht aus Ti, Al oder Pt auf einer Isolierschicht, die über einem Halblei tersubstrat mit einem dotierten Bereich ausgebildet ist und über dem dotierten Bereich ein Durchgangsloch aufweist, auf den Seitenwänden des Durchgangsloches und auf dem dotierten Bereich in dem Durchgangsloch ausgebildet ist. Das Ti wird durch Sputtern eines Ti-Targets abgeschieden. An der Grenzflä che zwischen dem Titan und dem dotierten Bereich wird Titansi lizid mit den oben beschriebenen Nachteilen gebildet. Über der Metallschicht wird vor der Ausbildung der Kupferverdrahtung eine Barrierenschicht aus TiN, W, WN, ZrN, TiC, WC, Ta, TaN oder TiW gebildet. Die Barrierenschicht aus TiN wird durch Sputtern eines Ti-Targets in Anwesenheit von Ar + N₂-Gas ausge bildet. Dieses bringt die oben beschriebenen Nachteile.

Aus der JP 64-59937 (A) und dem zugehörigen Abstract ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, bei der in einem Durchgangsloch einer Isolierschicht über einem dotierten Bereich eine 3- lagige Schicht aus einer Ti-Schicht, einer TiN-Schicht und ei ner Al-haltigen Schicht durch Abscheidung ausgebildet ist. Auch hier führt die unten liegende Ti-Schicht zu den oben be schriebenen Problemen.

Aus Einspruch N. G., Cohen S. S., Gildenblat G. Sh., VLSI ELEC TRONICS - Microstructure Science, Vol 15, VLSI Metalization, ACADEMIC PRESS INC., Orlando . . ., 1987, Seiten 107 bis 140 ist allgemein die Möglichkeit bekannt, Titansilizid durch CVD mit Silan und TiCl₄ abzuscheiden. Außerdem wird der weiter oben genannte Vorteil des CVD-Verfahrens bei großem Längenverhält nis des Durchgangsloches erwähnt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung bereitzustellen, bei dem die leitende Verbindung auch bei großem Längenverhältnis eines Durchgangsloches ausge bildet werden kann, ohne dabei übermäßig in eine untere lei tende Schicht einzudringen, und eine solche Verbindungsstruk tur vorzusehen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder eine Verbindungsstruktur nach Anspruch 14.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet.

Es ist ein Vorteil, dass eine Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung geschaffen wird, die ei ne leitende Schicht, welche zur Reduzierung einer natürlichen Oxidschicht benutzt wird, aufweist, die nicht übermäßig in ei ne untere leitende Schicht eindringt.

Daraus folgt, dass ein Verfahren zur Herstellung einer Verbin dungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrich tung bereitgestellt wird, das die Beschädigung eines pn- Überganges verhindern kann.

Es ist ein Vorteil, dass eine Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt wird, bei der der elektrische Widerstand der leitenden Schicht in einem Durchgangsloch reduziert werden kann.

Es wird außerdem eine Verbindungsstruktur für leitende Schich ten einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt, bei der der gestufte Bereich reduziert werden kann.

Entsprechend einem Gesichtspunkt wird eine auf einer unteren leitenden Schicht ausgebildete Isolierschicht durch Ätzen se lektiv entfernt um ein Durchgangsloch, welches die untere lei tende Schicht erreicht, auszubilden. Eine natürliche Oxid schicht wird auf der unteren leitenden Schicht in dem Durch gangsloch gebildet. Mit einem CVD-Verfahren unter Benutzung eines Titan enthaltenden Gases und eines Silizium enthaltenden Gases, oder durch ein Sputter-Verfahren mit Titansilizid als Ziel, wird zur Reduzierung der natürlichen Oxidschicht eine Titansilizidschicht auf der natürlichen Oxidschicht ausgebil det. Dann wird eine leitende Verbindungsschicht zum elektri schen Verbinden einer oberen leitenden Schicht und einer unte ren leitenden Schicht ausgebildet. Am Schluss wird eine obere leitende Schicht auf einer Isolierschicht zur elektrischen Verbindung mit der leitenden Verbindungsschicht ausgebildet.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt sind eine auf einer unteren leitenden Schicht ausgebildete Isolationsschicht mit einem Durchgangsloch, welches bis zu der tieferen leitenden Schicht reicht, eine in dem Durchgangsloch auf der unteren leitenden Schicht ausgebildete Titansilizidschicht, und eine aus TiN ge bildete leitende Verbindungsschicht zum elektrischen Verbinden der Titansilizidschicht und der oberen leitenden Schicht vor gesehen. Es ist kein TiN (O) in dem Durchgangsloch. Eine obere leitende Schicht, welche elektrisch mit der leitenden Verbindungsschicht verbunden ist, wird auf der Isolationsschicht ausgebildet.

Gemäß einem Gesichtspunkt wird die natürliche Oxidschicht un ter Verwendung einer durch ein CVD-Verfahren oder ein Sputter- Verfahren gebildeten Titansilizidschicht reduziert. Genauer wird die natürliche Oxidschicht durch Ausbildung einer Titan silizidschicht reduziert. Das zur Ausbildung der Titansilizid schicht benutzte Silizium wird im Fall des CVD-Verfahrens von einem Silizium enthaltenden Gas zugeführt, und im Fall des Sputterns von einem Ziel (im weiteren Target) genannt. Dadurch kann die Titansilizidschicht davon abgehalten werden übermäßig in die untere leitende Schicht einzudringen.

Eine weitere Anwendung ist eine Verbindungsstruktur für lei tende Schichten, die nach dem ersten genannten Gesichtspunkt hergestellt wird, TiN, nicht TiN (O), wird in dem Durchgangs loch ausgebildet. TiN hat im Vergleich zu TiN (O) einen nied rigeren elektrischen Widerstand. Dadurch kann der elektrische Widerstand der leitenden Schicht in dem Durchgangsloch redu ziert werden.

Ein weiterer Gesichtspunkt erlaubt eine Reduzierung in dem ge stuften Bereich, da die obere leitende Schicht von einer Ein zelschichtstruktur gebildet wird.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines MOS-Feldeffekttransistors der entsprechend einer ersten Ausführungsform herge stellt wird;

Fig. 2 bis 7 Schnittansichten eines MOS-Feldeffekttransistors der ersten Ausführungsform, die die jeweiligen ersten bis sechsten Herstellungsschritte 1 bis 6 zeigen;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 9 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer dritten Ausführungsform;

Fig. 10 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer vierten Ausführungsform;

Fig. 11 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer fünften Ausführungsform;

Fig. 12 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer sechsten Ausführungsform;

Fig. 13 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten entsprechend der sechsten Ausfüh rungsform; die einen Herstellungsschritt davon zeigt;

Fig. 14 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer siebten Ausführungsform;

Fig. 15 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer achten Ausführungsform;

Fig. 16 eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt nach einer neunten Ausführungsform;

Fig. 17 bis 19 Schnittansichten, die einen ersten, einen zweiten bzw. einen dritten Schritt der Bildung einer Alumi niumschicht mit einem idealen Sputter-Verfahren zei gen;

Fig. 20 eine Schnittansicht die eine Bildung einer Alumini umschicht durch tatsächliches Sputtern darstellt;

Fig. 21 und 22 Schnittansichten, die einen ersten Schritt bzw. ei nen zweiten Schritt der Bildung einer Aluminium schicht durch Sputtern in einem Durchgangsloch mit einem großen Längenverhältnis zeigen;

Fig. 23 bis 28 Schnittansichten einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung, die jeweils einen der ersten bis sechsten Schritte der Herstellung dieser zeigen;

Fig. 29 eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung, die den Zustand einer Titansilizidschicht, der einen pn- Übergang zerstört, zeigen.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines MOS-Feldeffekttransistors entsprechend einer ersten Ausführungsform. Dotierte Bereiche 37 sind mit einem Abstand dazwischen auf dem Siliziumsubstrat 35 ausgebildet. Der Feldeffekttransistor umfasst eine Gate- Oxidschicht 39 und eine Gate-Elektrode 41. Auf dem Silizium substrat 35 ist eine Zwischenschicht-Isolierschicht 43 ausge bildet. Ein Durchgangsloch 49, welches den dotierten Bereich 37 erreicht, ist in der Zwischenschichtisolierschicht 43 aus gebildet. Eine TiSi_x-Schicht (Titansilizidschicht) 51 ist auf dem dotierten Bereich 37 und an der Seitenwand des Durchgangs loches 49 ausgebildet. Das Durchgangsloch 49 ist mit einer TiN-Schicht 53 aufgefüllt. Eine Al-Schicht 55 ist auf der Zwi schenschicht-Isolierschicht 43 zur elektrischen Verbindung mit der TiN-Schicht 53 ausgebildet. Das Bezugszeichen 45 bezeich net eine Isolierschicht.

Die erste Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. Bezug nehmend auf Fig. 2 ist ein dotierter Bereich 59 in einem Sili ziumsubstrat 57 ausgebildet. Das Bezugszeichen 65 ist eine Feldoxidschicht. Eine Zwischenschicht-Isolierschicht 61 ist überall auf dem Siliziumsubstrat 57 ausgebildet. Ein Durch gangsloch 63, welches den dotierten Bereich 59 erreicht, ist in der Zwichenschicht-Isolierschicht 61 ausgebildet.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine natürliche Oxidschicht 67 durch den Sauerstoff in der Atmosphäre auf dem dotierten Be reich 59 ausgebildet.

Um die natürliche Oxidschicht 67 zu reduzieren ist mit einem CVD-Verfahren eine Titansilizidschicht 69, wie in Fig. 4 ge zeigt, ausgebildet. Die Bedingungen sind wie folgt.

Temperatur: 700-800°C
Druck: 20-40 Pa
Gasfluss:
TiCl₄ 25 sccm
SiH₄ 50-200 sccm
Schichtwachstumsrate: 20-40 nm/min.

Die durch dieses CVD ausgebildete Titansilizidschicht besteht aus TiSi_x, wobei für x gilt: 0 < x < 2. Es ist x < 2 gehalten, da Titansilizid für x = 2 stabil wird, was in einer schwachen Reduzierung resultiert, die die Reduzierung einer natürlichen Oxidschicht zeigende Reaktionsformel ist:

TiSi_x + SiO_y TiSi_xO_y + Si

SiO_y repräsentiert eine natürliche Oxidschicht. y ist ein Wert nahe 2. Das bedeutet, dass die Schicht nicht aus SiO₂ besteht, da die natürliche Oxidschicht nicht mit einem positiven Über schuss von Sauerstoff für das Silizium ausgebildet wurde. Es ist außerdem anzumerken, dass nicht das gesamte Titansilizid zu TiSi_xO_ywird. Die Mehrheit des Titansilizids bleibt wie es ist, und nur ein wenig TiSi_xO_y befindet sich in dem Titansili zid. Die obige Formel ist nur ein Beispiel zur Darstellung der Reduzierung einer natürlichen Oxidschicht, und die natürliche Oxidschicht kann in der Praxis durch verschiedene Reaktionen reduziert werden. Die natürliche Oxidschicht kann auch durch die Ausbildung einer Titansilizidschicht durch Sputtern mit Titansilizid als Target reduziert werden.

Die TiN-Schicht 71 wird auf der Titansilizidschicht 69 ausge bildet, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Bedingungen waren wie folgt:

Temperatur: 400-800°C (bevorzugterweise 400 -800°C)
Druck: 1-100 Pa
Gasfluss:
TiCl₄ 25 sccm
NH₃ 25-100 sccm
Verdünnungsgas: N₂ 0-300 sccm (bevorzugterweise 250 sccm)
Schichtwachstumsrate: 7-15 nm/min

Ar kann als Verdünnungsgas benutzt werden.

Bezugnehmend auf Fig. 6 werden die TiN-Schicht 71 und die Ti tansilizidschicht 69 überall geätzt um die Titansilizidschicht 69 und die TiN-Schicht 71 nur in dem Durchgangsloch 63 zu be lassen.

Bezugnehmend auf Fig. 7 ist eine Al-Schicht 73 auf der Zwi schenschicht-Isolierschicht 61 mit einem Sputterverfahren aus gebildet. Dies vervollständigt die erste Ausführungsform.

Die Herstellungszeitdauer kann reduziert werden, da die erste Ausführungsform die Titansilizidschicht 69 und die TiN-Schicht 71 sukzessive mit einem CVD-Verfahren ausbildet. Der elektri sche Widerstand kann reduziert werden, da die Titannitrid schicht ausschließlich aus TiN gebildet wird. Es ist bekannt, dass der elektrische Widerstand proportional zur Menge des Sauerstoffs im TiN ansteigt. Dies ist beschrieben in 1987 Ame rican Vaccum Society "Nitrogen, Oxygen and Argon Incorporati on During Reactive Sputter Deposition of Titanum Nitride" pp. 1723-1729.

Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten, hergestellt mit einer zweiten Ausführungs form. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die natürliche Oxidschicht auf dem dotierten Bereich 77 durch eine Titansili zidschicht 81, die auf dem dotierten Bereich 77 mit einem se lektiven CVD-Verfahren gebildet wird, entfernt. Eine TiN- Schicht 83 ist durch ein CVD-Verfahren ausgebildet. Die Halb leitervorrichtung mit der vorliegenden Verbindungsstruktur für leitende Schichten umfasst ein Siliziumsubstrat 75, eine Feldoxidschicht 79, eine Zwischenschichtisolationsschicht 85, ein Durchgangsloch 87, und eine Al-Schicht 89.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten die mit einer dritten Ausführungsform her gestellt wurde. Die dritte Ausführungsform umfasst eine W- Schicht 105 als obere leitende Schicht. Da die W-Schicht 105 keine gute Bindungskraft zur Zwischenschichtisolierschicht 101 hat, werden die TiN-Schicht 99 und die Titansilizidschicht 97 nicht vollständig geätzt und verbleiben. Die Halbleitervor richtung mit der vorliegenden Verbindungsstruktur für leitende Schichten umfasst ein Siliziumsubstrat 91, einen dotierten Be reich 93, eine Feldoxidschicht 95, und ein Durchgangsloch 103.

Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten, hergestellt mit einer vierten Ausführungs form. Die vierte Ausführungsform verwendet eine Titansilizid schicht 113 und eine TiN-Schicht 115 als die obere leitende Schicht. Die vierte Ausführungsform hat einen Vorteil in der Vereinfachung des Schrittes zur Ausbildung der oberen leiten den Schicht, da die das Durchgangsloch 119 füllende leitende Schicht die obere leitende Schicht darstellt. Die Halbleiter vorrichtung mit der vorliegenden Verbindungsstruktur für lei tende Schichten umfasst ein Siliziumsubstrat 107, einen do tierten Bereich 109, eine Feldoxidschicht 111 und eine Zwi schenschicht-Isolierschicht 117.

Fig. 11 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten, hergestellt mit einer fünften Ausführungs form. Bei der fünften Ausführungsform ist das Durchgangsloch 135 nicht vollständig mit einer TiN-Schicht 129 ausgefüllt, und eine W-Schicht 131 ist in dem offenen Raum ausgebildet. Die W-Schicht 131 ist mit einem CVD-Verfahren ausgebildet. Da W einen niedrigen elektrischen Widerstand im Vergleich zu TiN hat, ist es möglich den elektrischen Widerstand in der fünften Ausführungsform im Vergleich zu der ersten Ausführungsform weiter zu senken. Die Halbleitervorrichtung mit der vorliegen den Verbindungsstruktur für leitende Schichten umfasst ein Si liziumsubstrat 121, einen dotierten Bereich 123, eine Fel doxidschicht 125, eine Titansilizidschicht 127, eine Zwischen schicht-Isolierschicht 133 und eine Al-Schicht 137.

Fig. 12 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten hergestellt mit ein sechsten Ausführungs form. Das Durchgangsloch 151 ist mit der TiN-Schicht 149 ge füllt. Die obere leitende Schicht wird nur durch eine einzige Schicht, bestehend aus der Al-Schicht 153, gebildet. Daher ist die Dicke der oberen leitenden Schicht gering, so dass die sich über der oberen leitenden Schicht erstreckende Schicht und die Zwischenschicht-Isolierschicht 147 in dieser Hinsicht einen reduzierten gestuften Teil haben werden. Die Halbleiter vorrichtung mit der vorliegenden Verbindungsstruktur für lei tende Schichten umfasst ein Siliziumsubstrat 141, einen do tierten Bereich 143, eine Feldoxidschicht 145 und eine Zwi schenschicht-Isolierschicht 147.

Fig. 13 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten, hergestellt mit der sechsten Ausführungs form, wobei (a)-(e) deren Herstellungsschritte zeigen. Be zugnehmend auf Fig. 13(a) ist das Durchgangsloch 151 in der Zwischenschicht-Isolierschicht 147 ausgebildet.

Bezugnehmend auf Fig. 13(b) ist die TiN-Schicht 149 durch ein CVD-Verfahren ausgebildet. Die Bedingungen sind wie folgt:

Temperatur: 700°C
Druck: 50 Pa
Gasfluss:
TiCl₄ 25 sccm
NH₃ 25 sccm
Verdünnungsgas: N₂ 250 sccm.

Bezugnehmend auf Fig. 13(c) wurde die auf der Zwischenschicht- Isolierschicht 147 ausgebildete TiN-Schicht 149 durch Ätzen entfernt.

Bezugnehmend auf Fig. 13(d) wird die Al-Schicht 153 auf der Zwischenschicht-Isolierschicht 147 mit einem Sputterverfahren ausgebildet.

Bezugnehmend auf Fig. 13(e) wurde eine vorbestimmte Struktur auf die Al-Schicht 153 gebracht. Obwohl das Durchgangsloch 151 in der vorliegenden Ausführungsform ausschließlich mit der TiN-Schicht 149 vollständig ausgefüllt ist, kann das Durch gangsloch 151 ausschließlich mit einer Titansilizidschicht aufgefüllt sein.

Fig. 14 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten, hergestellt mit einer siebten Ausführungs form. Der dotierte Bereich 157 ist auf dem Siliziumsubstrat 155 ausgebildet. Das bis in den dotierten Bereich 157 reichen de Durchgangsloch 169 ist in der Zwischenschicht- Isolierschicht 161 ausgebildet. Die TiSi₂-Schicht 165 ist ent lang der inneren Wand des Durchgangsloches 169 ausgebildet. Die TiN-Schicht 163 ist im Inneren der TiSi₂-Schicht 165 aus gebildet. Die TiN-Schicht 171 ist auf der Zwischenschicht- Isolierschicht 161 zum Einrichten des elektrischen Kontaktes mit der TiN-Schicht 163 und der TiSi₂-Schicht 165 ausgebildet. Die W-Schicht 167 ist auf der TiN-Schicht 171 ausgebildet. Die obere leitende Schicht wird von einer Zweischichtstruktur aus der TiN-Schicht 171 und der W-Schicht 177 gebildet um die Dic ke der oberen leitenden Schicht zu reduzieren.

Die siebte Ausführungsform kann durch die Ausbildung einer TiN-Schicht 171 und dann einer W-Schicht 167 auf der in Fig. 6 gezeigten Zwischenschicht-Isolierschicht 161, gefolgt von einem Strukturierungsschritt, implementiert werden.

Fig. 15 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten, hergestellt mit einer achten Ausführungs form. Im Vergleich mit der Zweischichtstruktur der oberen lei tenden Schicht in der siebten Ausführungsform aus Fig. 14 hat die obere leitende Schicht der achten Ausführungsform eine Einzelstruktur, gebildet ausschließlich von der TiN-Schicht 187. Daher werden die sich über der oberen leitenden Schicht erstreckende Schicht und außerdem die darunterliegende Zwi schenschicht-Isolierschicht 179 eine in dieser Hinsicht weiter reduzierten gestuften Teil haben. Die Halbleitervorrichtung mit der vorliegenden Verbindungsstruktur für leitende Schich ten umfasst ein Siliziumsubstrat 173, eine Feldoxidschicht 175, einen dotierten Bereich 177, eine Zwischenschicht- Isolierschicht 179, eine TiSi₂-Schicht 181, eine TiN-Schicht 183 und ein Durchgangsloch 185.

Fig. 16 ist eine Schnittansicht einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten, hergestellt mit einer neunten Ausführungs form. In der vorliegenden Ausführungsform ist die, das Durch gangsloch 197 füllende TiN-Schicht 195 als die obere leitende Schicht eingeführt. Die Halbleitervorrichtung mit der vorlie genden Verbindungsstruktur für leitende Schichten umfasst ein Siliziumsubstrat 189, eine Feldoxidschicht 191, einen dotier ten Bereich 193 und eine Zwischenschicht-Isolierschicht 199. Die neunte Ausführungsform weist den Herstellungsschritt aus Fig. 13(b), gefolgt von einem Strukturierungsschritt der TiN- Schicht 149 auf.

Entsprechend einem Gesichtspunkt wird das für die Bildung ei ner Titansilizidschicht benutzte Silizium von einem Silizium enthaltenden Gas bereitgestellt. Dadurch kann die Titansili zidschicht davon abgehalten werden übermäßig in die untere leitende Schicht einzudringen. Dadurch kann das Problem der Störung des pn-Übergangs, verursacht durch das übermäßige Ein dringen der Titansilizidschicht in die untere leitende Schicht, verhindert werden.

Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt besteht das in einem Durchgangsloch ausgebildete Titannitrid nur aus TiN. Darum kann der elektrische Widerstand der leitenden Schicht in einem Durchgangsloch im Vergleich zu den Fällen, in denen das Titan nitrid aus TiN und TiN (O) besteht, reduziert werden.

Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt kann die Dicke der oberen leitenden Schicht reduziert werden. Darum kann die auf der oberen leitenden Schicht ausgebildete Schicht ihre Stufe reduziert bekommen. Da die Stufe in der Schicht reduziert wer den kann, kann eine Verbindungsunterbrechung der Verbindungs schicht, die auf dieser Schicht ausgebildet ist, verhindert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung, die eine obere leitende Schicht (73) und eine untere leitende Schicht (59) elektrisch verbindet, mit folgenden Schritten:
selektives Ätzen einer auf der unteren leitenden Schicht (59) ausgebildeten Isolierschicht (61) zur Ausbildung eines Durchgangsloches (63), welches die untere leitende Schicht (59) erreicht,
wobei sich eine natürliche Oxidschicht (67) auf der unteren leitenden Schicht (59) in dem Durchgangsloch (63) ausbildet,
Ausbildung einer Titansilizidschicht (69) direkt auf der natürlichen Oxidschicht (67) mit einem CVD-Verfahren unter gleichzeitiger Benutzung eines Titan enthaltenden Gases und eines Silizium enthaltenden Gases, wobei die natürliche Oxidschicht (67) reduziert wird,
Ausbildung einer leitenden Verbindungsschicht (71) in dem Durchgangsloch (63) zum elektrischen Verbinden der oberen leitenden Schicht (73) und der unteren leitenden Schicht (59), und
Ausbildung der oberen leitenden Schicht (73) auf der Isolierschicht (61) zum elektrischen Verbinden mit der leitenden Verbindungsschicht (71).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Verbindungsschicht (71) durch ein CVD-Verfahren ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Verbindungsschicht (71) mit TiN oder Ti gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schritt des Reduzierens der natürlichen Oxidschicht (67) den Schritt der Ausbildung einer Titansilizidschicht (69) auf der Isolierschicht (61), auf der Seitenwand des Durchgangsloches (63) und auf der natürlichen Oxidschicht (67) aufweist,
wobei der Schritt der Ausbildung der leitenden Verbindungsschicht (71) den Schritt der Ausbildung einer leitenden Verbindungsschicht (71) auf der Titansilizidschicht (69) zum Füllen des Durchgangsloches (63) und das Wegätzen der Titansilizidschicht (69) und der leitenden Verbindungsschicht (71) auf der Isolierschicht (61) aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die obere leitende Schicht als eine TiN-Schicht (99) gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die obere leitende Schicht durch eine Zweischichtstruktur aus einer TiN-Schicht (99) und einer W- Schicht (105) gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Reduzierens der natürlichen Oxidschicht (67) den Schritt der selektiven Ausbildung einer Titansilizidschicht (61) auf der natürlichen Oxidschicht (67) durch ein selektives CVD-Verfahren aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Ausbildung der oberen leitenden Schicht die Schritte der Ausbildung einer anderen leitenden Schicht (105) auf der auf der Isolierschicht (101) verbleibenden leitenden Verbindungsschicht (99) und die Strukturierung der Titansilizidschicht (97), der leitenden Verbindungsschicht (99) und der anderen leitenden Schicht (105) zur Ausbildung der oberen leitenden Schicht aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die andere leitende Schicht (105) mit Wolfram gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Ausbildung der oberen leitenden Schicht den Schritt der Strukturierung der leitenden Verbindungsschicht (115) und der Titansilizidschicht (113) auf der Isolierschicht (117) zur Ausbildung der oberen leitenden Schicht aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
Ausbildung der leitenden Verbindungsschicht (129) auf der Titansilizidschicht (127),
Ausbildung einer vergrabenen leitenden Schicht (131) auf der leitenden Verbindungsschicht (129), die das Durchgangsloch (135) auffüllt, und
den Schritt des Wegätzens der Titansilizidschicht (127) auf der Isolierschicht (133), der leitenden Verbindungsschicht (129), und der vergrabenen leitenden Schicht (131).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrabene leitende Schicht (131) mit Wolfram gebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Verbindungsschicht (71) durch Ausfüllen des ganzen Hohlraumes des Durchgangsloches (63) zwischen der Titansilizidschicht (69) und der oberen leitenden Schicht (73) gebildet wird.

14. Verbindungsstruktur für leitende Schichten einer Halbleitervorrichtung zum elektrischen Verbinden einer oberen leitenden Schicht (73) und einer unteren leitenden Schicht (59) mit:
einer Isolierschicht (61), die ausgebildet ist auf der unteren leitenden Schicht (59), mit einem Durchgangsloch (63), welches die untere leitende Schicht (59) erreicht,
einer Titansilizidschicht (69), die auf der unteren leitenden Schicht (59) in dem Durchgangsloch (63) gemäß Anspruch 1 gebildet ist,
einer leitenden Verbindungsschicht (71), die aus TiN oder Ti in dem Durchgangsloch (63) ausgebildet ist, die Titansilizidschicht (69) und die obere leitende Schicht (73) elektrisch verbindet und den gesamten Hohlraum des Durchgangsloches (63) zwischen der Titansilizidschicht (69) und der oberen leitenden Schicht (73) ausfüllt,
wobei TiN (O) in dem Durchgangsloch (63) nicht existiert und
wobei die obere leitende Schicht (73), die mit der leitenden Verbindungsschicht (71) elektrisch verbunden ist, auf der Isolierschicht (61) ausgebildet ist.

15. Verbindungsstruktur nach Anspruch 14, bei der die Seitenwand des Durchgangsloches (63) eine darauf ausgebildete Titansilizidschicht (69) aufweist.

16. Verbindungsstruktur nach Anspruch 14, bei der die untere leitende Schicht (59) einen Silizium enthaltenden Störstellenbereich aufweist.

17. Verbindungsstruktur nach Anspruch 14, bei der die untere leitende Schicht (59) einen Source/Drain-Bereich aufweist.

18. Verbindungsstruktur nach Anspruch 14, bei der die leitende Verbindungsschicht (99) und die obere leitende Schicht (99) aus dem gleichen Material gebildet sind.

19. Verbindungsstruktur nach Anspruch 18, bei der die obere leitende Schicht des weiteren eine andere leitende Schicht (105) enthält.

20. Verbindungsstruktur nach Anspruch 19, bei der die andere leitende Schicht (105) Wolfram aufweist.