DE4325706C2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode oder einer Verdrahtungsschicht.
In den letzten Jahren sind mit einer Erhöhung der Inte­ grationsdichte einer Halbleiteranordnung die Dicke und Breite einer Verdrahtungsschicht verkleinert und eine mehrlagige Verdrahtungsstruktur entwickelt worden. Als Verdrahtungsmaterial wurde aufgrund ihres niedrigen Ver­ drahtungswiderstands und ihrer hohen bzw. guten Verar­ beitbarkeit herkömmlicherweise eine Aluminium (Al) als Hauptbestandteil enthaltende Al-Legierung verwendet.
Auch wenn die Querschnittsfläche einer Verdrahtungs­ schicht verkleinert wird, verkleinert sich jedoch eine für die Verdrahtungsschicht erforderliche Signalstrom­ menge oder -größe nicht. Aus diesem Grund wird eine Stromdichte erhöht; dabei tritt in nachteiliger Weise aufgrund einer Ionenwanderung (im folgenden auch als IW bezeichnet) eine Unterbrechung der Verdrahtungsschicht auf. Bei der Entwicklung einer mehrlagigen Verdrahtung erhält zudem die Verdrahtungsschicht eine komplexe Wär­ mehysterese. Folglich tritt aufgrund von Spannungswan­ derung (stress migration) (im folgenden auch als SW be­ zeichnet) eine durch die auf die Verdrahtungsschicht wirkende thermische Spannung verursachte Unterbrechung der Verdrahtungsschicht auf. Obgleich Hochgeschwindigkeitsbetrieb und niedriger Strom- oder Energiebedarf eines Schaltelements in hohem Maße angestrebt werden, kann bei einer solchen Anordnung Al wegen seiner Mate­ rialeigenschaften den Anforderungen nicht ohne weiteres genügen.
Edelmetalle, wie Kupfer (Cu) und Silber (Ag), deren spe­ zifischer Widerstand niedriger ist als der von Al, wäh­ rend ihr Schmelzpunkt höher ist als der von Al, haben große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und sind als Werk­ stoffe der nächsten Generation untersucht worden.
Die elektrischen spezifischen Widerstände, die Schmelz­ punkte und die Selbstdiffusionskoeffizienten bzw. -bei­ werte von Al, Wolfram (W), Cu und Ag sind in Tabelle 1 angegeben. Dabei läßt sich der Diffusionsbeiwert D (cm2/s) eines Metalls durch folgende Gleichung aus­ drücken:
D = D0exp(-Q/kBT)
Darin bedeutet: kB = Boltzmannsche Konstante; die Ein­ heit von D0 = cm2/s, die Einheit von Q = eV, und die Einheit von T = K. In Tabelle 1 sind D0 und Q angege­ ben.
Tabelle 1
Gemäß Tabelle 1 liegen der Schmelzpunkt und der Selbst­ diffusionsbeiwert des Edelmetalls, wie Cu oder Ag, hö­ her als die entsprechenden Werte von Al, während der spezifische Widerstand des Edelmetalls niedriger ist als der von Al. Es ist allgemein bekannt, daß ein Ver­ drahtungsmaterial eines hohen Schmelzpunkts und eines größeren Selbstdiffusionsbeiwerts ausgezeichnete IW- und SW-Widerstände bzw. -Beständigkeit aufweist. Die IW-Beständigkeit ist aus dem folgenden Grund verbes­ sert: Die Schaltgeschwindigkeit der Anordnung bestimmt sich durch das Produkt aus Verdrahtungswiderstand R und Kondensator (Kapazität) C. Da nämlich der Selbstdiffu­ sionsbeiwert des Edelmetalls, wie Cu oder Ag, ausrei­ chend kleiner ist als der von Al, ist die Atomdiffusion in Kristallkörnern und einer Kristallkorngrenzfläche sowie an den Oberflächen einer Verdrahtungsschicht als Pfade oder Strecken verringert.
Demzufolge ist ein Edelmetall, wie Cu oder Ag, Al bezüg­ lich Zuverlässigkeit und elektrischem spezifischen Wi­ derstand weit überlegen; eine durch eine lange Verdrah­ tungsschicht hervorgerufene RC-Verzögerung (-Laufzeit) kann durch Verwendung einer Edelmetall-Verdrahtungs­ schicht bei einer Anordnung entspannt oder gemildert werden. Damit kann eine Herabsetzung der Schaltgeschwin­ digkeit unterdrückt werden. Weiterhin können der Strom­ verbrauch in einem Verdrahtungsabschnitt herabgesetzt und die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsschicht verbes­ sert werden.
Wenn Cu als Verdrahtungsmaterial verwendet wird, wird eine Metall-Verdrahtungsschicht herkömmlicherweise nach folgendem Verfahren geformt: Gemäß Fig. 1A wird ein Oxidfilm 302 auf einem Halbleitersubstrat 301 aus z. B. Silizium geformt. Gemäß Fig. 1B wird ein Cu-Film 303 durch (Kathoden-)Zerstäubung auf dem Oxidfilm 302 er­ zeugt. Gemäß Fig. 1C wird auf dem Cu-Film 303 mittels einer Photoresisttechnik ein Resistmuster 304 geformt. Schließlich wird der Cu-Film 303 unter Verwendung des Resistmusters 304 als Maske nach reaktiver Ionenätz- bzw. RIE-Technik zur Ausbildung einer Cu-Verdrahtungs­ schicht gemustert.
Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch folgendes:
Da dann, wenn eine Cu-Verdrahtungsschicht geformt wer­ den soll, kein Halogenid eines hohen Dampfdrucks bei etwa Atmosphärentemperatur vorhanden ist, muß das reak­ tive Ionenätzen bei einer hohen Temperatur von 300°C oder höher erfolgen. Beim Ätzen des Cu-Films 303 wird das Resistmuster 304 zersetzt, weil dessen Wärmebestän­ digkeit im allgemeinen etwa 200°C beträgt. Aus diesem Grund verkleinert sich gemäß Fig. 1D eine Musterbreite, oder die Oberfläche der Verdrahtungsschicht erfährt eine(n) Verformung oder Verzug, so daß eine Cu-Verdrah­ tungsschicht einer vorbestimmten Form nicht erzeugbar ist.
Ein Cu-Film besitzt keine Säurebeständigkeit, weil auf dem Cu, im Gegensatz zu einem Al-Film, kein Passivie­ rungsfilm geformt ist oder wird. Beim Veraschen des Re­ sistmusters 304 zum Entfernen desselben (vgl. Fig. 1E) werden aus diesem Grund die Oberfläche und das Innere einer Cu-Verdrahtungsschicht 305 oxidiert, wobei sich der (elektrische) spezifische Widerstand der Cu-Verdrah­ tungsschicht 305 erhöht. Außerdem diffundieren Cu-Atome 306 in (aus) der Cu-Verdrahtungsschicht 305 in einen tiefen Abschnitt bzw. Bereich des Oxidfilms 302 ein, weil Cu in einem Oxidfilm mit hoher Geschwindigkeit dif­ fundiert (wird), so daß im Element ein Betriebsfehler auftritt. Die Adhäsionseigenschaften zwischen der Ver­ drahtungsschicht und einer isolierenden Zwischenschicht oder einem Passivierungsfilm werden ungünstig beein­ flußt.
Als Verfahren zur Lösung der durch das Veraschen hervor­ gerufenen Probleme ist ein Verfahren zur Ausbildung einer sog. vergrabenen Verdrahtungsschicht vorgeschla­ gen worden. Bei diesem Verfahren wird eine als Verdrah­ tungsschicht dienende Rille in der Substratoberfläche geformt, wobei ein Verdrahtungsmaterial durch chemi­ sches Aufdampfen bzw. nach der CVD-Methode in der Rille selektiv gezüchtet, d. h. zum Aufwachsen gebracht wird.
Bei Verwendung eines organischen Lieferanten als Quel­ lengas für selektives chemisches Aufdampfen werden je­ doch Verunreinigungen, wie Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomem, in die vergrabene Verdrahtungs­ schicht eingeschleppt; ein niedrigerer spezifischer Wi­ derstand als die ursprüngliche Eigenschaft des Materi­ als kann damit nicht erreicht werden.
EP-0509835 A2 zeigt ein Verfahren zum Ausbilden eines Kontaktabschnitts mit einem Kontaktloch in einer dielektrischen Schicht, die in einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. Hierbei ist zu erkennen, dass die Verdrahtungskapsel eine nach oben gewölbte Krümmung aufweist.
Ein weiteres Verfahren und eine weitere Vorrichtung zur Bereitstellung verbesserter Ohmscher-Kontakte zwischen Aluminium-Metallisierungsschichten ist aus EP-042926 A1 bekannt.
JP 3-153034 A offenbart eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat, einem auf dem Halbleitersubstrat erzeugten und eine Fläche, in welcher eine Rille geformt ist, aufweisenden Isolierfilm, einer auf einer Innenfläche der Rille erzeugten ersten Sperrschicht und einer aus einem Metall gebildeten, in der Rille eingebetteten Elektroden- Verdrahtungsschicht.
Weiterhin ist aus "Formation of TiN-encapsolated Coper Structure in NH3 Ambient" von J. Li, z. B. Mayer und anderen, veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. 60 (24), 15. Juni 1992 die Herstellung einer mit einer TiN-Schicht eingekapselten Kupfer-Verdrahtungsschicht bekannt. Insbesondere ist aus dieser Druckschrift ersichtlich, dass sich die TiN-Schicht auf der Kupferoberfläche als Seitenrandbarriere innerhalb eines Zwischenraums eignet.
JP-3-171733 zeigt des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit den folgenden Schritten:
Erzeugen eines Metallfilms auf einem auf einem Halbleitersubstrat erzeugten Isolierfilm, Mustern des Metallfilms zur Bildung einer Elektrode und/oder eines Verdrahtungsmusters, Oxidieren des Metallfilms und Reduzieren des Metalloxidfilms zur Bildung einer Elektroden- Verdrahtungsschicht, die im Wesentlichen aus einem Metall besteht, das eine Hauptkomponente hat, die das Metalloxid bildet.
Aus EP-0310108 A2 sind des Weiteren Werkstoffe für eine Sperrschicht entnehmbar.
Schließlich zeigt JP-03-155138 A ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit den Schritten:
Erzeugen eines Metalloxidfilms auf einem auf einem Halbleitersubstrat erzeugten Isolierfilm, Mustern des Metalloxidfilms zur Bildung einer Elektrode, Reduzieren des Metalloxidfilms zur Bildung einer Elektroden- Verdrahtungsschicht.
Die Erfindung ist nun im Hinblick auf die obigen Gege­ benheiten entwickelt worden. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem Schritt der Ausbildung bzw. Erzeugung einer Elektrode oder Verdrahtungsschicht ausgezeichneter IW- und SW-Beständigkeit ohne Herbeifüh­ rung einer Erhöhung des spezifischen Widerstands infol­ ge einer Verunreinigung o. dgl.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren entsprechend den Patentansprüchen 1, 9 oder 12. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Die Reduktion kann mittels einer Wärmebehandlung in einer reduzierenden Gasatmosphäre, die Wasserstoff und Kohlenstoff enthält, durchgeführt werden. Wahlweise kann die Reduktion durch Kontaktierung des Metalloxid­ films mit einem Film aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Chrom, Vanadium, Niob, Nickel, Titan und Tantal erfolgen. Die Reduktion des Metalloxidfilms kann nach den Mustern dieses Films in Form einer Elektrode oder Verdrahtung durchgeführt werden.
Bevorzugt erfolgt das Entfernen des Metalloxidfilms nach einer Polier- oder Abhebemethode (lift-off method).
Bevorzugt ist ein Material der Sperrschicht polykristal­ lin, wobei Sauerstoff längs der Korngrenzen vorhanden ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird vor dem Erzeugen des als Elektrode oder Verdrahtungsschicht dienenden Metallfilms der ein Metall, das als Elektrode oder Ver­ drahtungsschicht dient, enthaltende Metalloxidfilm er­ zeugt. Dies bedeutet, daß anstelle des Metallfilms, in welchem eine eine Erhöhung des (elektrischen) spezifi­ schen Widerstands verursachende Verunreinigung wie Kohlenstoff oder Wasserstoff, an das als Elektrode oder Verdrahtungsschicht dienende Metall gebunden ist, der Metalloxidfilm, in welchem Sauerstoff an ein Metall ge­ bunden ist, erzeugt wird.
Als Filmerzeugungsbedingungen für den Metalloxidfilm wird eine Verringerung oder Abnahme der normalen freien Energie (standard free energy) während der Erzeugung des Metalloxidfilms kleiner eingestellt als die von je­ weils Wasserstoff- und Kohlenstoffoxid.
Hierbei ist die Verringerung oder Abnahme der normalen freien Energie eine Verringerung der freien Energie in .einem Gesamtsystem während der Erzeugung eines Oxids durch Reaktion oder Umsetzung von Bestandteilsatomen, d. h. sie repräsentiert Stabilität. Beispielsweise wird eine Verringerung oder Abnahme der normalen freien Ener­ gie von Wasser (H2O), das ein Oxid von Wasserstoff ist, als die Größe definiert, die durch Subtrahieren der ge­ samten freien Energie der rechten Seite des Systems von der gesamten freien Energie der linken Seite des Sy­ stems in der Reaktionsformel 2H + O → H2O, bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck auftre­ tend, erhalten wird. Je größer diese Größe ist, um so leichter schreitet die Umsetzung von der linken Seite der Formel zur rechten Seite hin fort.
Die obigen Filmbildungsbedingungen werden aus dem folgenden Grund gewählt: Wenn der Metalloxidfilm in einer wasserstoff- oder kohlenstoffhaltigen reduzierenden Gasatmosphäre geglüht wird, wird er bevorzugt durch die Oxidation von Wasserstoff oder Kohlenstoff reduziert. Der Metalloxidfilm kann mithin zuverlässig reduziert werden, so dass ein hochreiner, als Elektrode oder Verdrahtungsschicht verwendbarer Metallfilm erzeugt werden kann.
Wenn somit ein Edelmetall (bzw. edleres Metall), wie Cu, als Metall für eine Elektrode oder ein Verdrahtungs­ schicht gewählt wird, kann letztere hohe IW- und SW-Be­ ständigkeit aufweisen, wobei ein niedriger (elektri­ scher) spezifischer Widerstand erzielbar ist.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A bis 1E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer herkömmlichen Metall-Verdrahtungsschicht,
Fig. 2A bis 2D Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer er­ sten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ausbil­ dung einer Ab(wärts)strom-CVD-Vorrichtung, die bei der ersten Ausführungsform der Er­ findung benutzt wird,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ausbil­ dung einer anderen, bei der ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung benutzten Abstrom- CVD-Vorrichtung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bei der ersten Ausführungsform eingesetzten Polier­ vorrichtung,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Polier­ abschnitts der Poliervorrichtung nach Fig. 5,
Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung eines Po­ liermechanismus,
Fig. 8A und 8B graphische Darstellungen von Auger- Analyse-Spektren zur Erläuterung einer erfindungsgemäß eingereichten Wirkung,
Fig. 9A bis 9D Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zwei­ ten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung einge­ setzten Plasma-CVD-Vorrichtung,
Fig. 11A bis 11E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer drit­ ten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer bei der dritten Ausführungsform der Erfindung einge­ setzten Plasma-CVD-Vorrichtung,
Fig. 13A bis 13E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer vier­ ten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 14A bis 14E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer fünf­ ten Ausführungsform,
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer bei der fünften Ausführungsform eingesetzten Vor­ spannungs- oder Vormagnetisierungs-Zerstäu­ bungsvorrichtung,
Fig. 16A bis 16E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer sechsten Ausführungsform,
Fig. 17A bis 17F Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht,
Fig. 18A bis 18E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Speicherzelle gemäß einer siebten Ausfüh­ rungsform,
Fig. 19A bis 19E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Kontaktelektrode gemäß einer achten Ausfüh­ rungsform,
Fig. 20A bis 20E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer neun­ ten Ausführungsform,
Fig. 21A bis 21G Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zehn­ ten Ausführungsform,
Fig. 22, 23, 26 und 27 Schnittansichten von nach einem herkömmlichen Verfahren erhaltenen Metall-Verdrahtungsschichten,
Fig. 24A bis 24H Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer elften Ausführungsform,
Fig. 25 eine Schnittansicht einer mittels der Erzeu­ gungsschritte gemäß der elften Ausfüh­ rungsform erhaltenen Metall-Verdrahtungs­ schicht,
Fig. 28A bis 28E Schnittansichten zur Veranschauli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zwölften Ausführungsform,
Fig. 29 eine Schnittansicht einer mittels der Erzeu­ gungsschritte gemäß der zwölften Ausfüh­ rungsform erhaltenen Metall-Verdrahtungs­ schicht,
Fig. 30 eine graphische Darstellung des Analyseer­ gebnisses an einem AES-Element in der Tie­ fenrichtung einer nach einem herkömmlichen Verfahren erhaltenen Metall-Verdrahtungs­ schicht,
Fig. 31 eine graphische Darstellung des Analyseer­ gebnisses an einem AES-Element in der Tie­ fenrichtung einer mittels der Erzeugungs­ schritte gemäß der zwölften Ausführungs­ form erhaltenen Metall-Verdrahtungsschicht,
Fig. 32 eine Schnittansicht einer Metall-Verdrah­ tungsschicht;
Fig. 33 und 34 (Schnitt-)Ansichten zur Darstellung der Ablagerungszustände von unter Verwen­ dung einer normalen (Kathoden-)Zerstäubungs­ vorrichtung erhaltenen Metallfilmen,
Fig. 35 eine Darstellung des Ablagerungszustands von Metallatomen in einer Rille,
Fig. 36A und 36B schematische Darstellungen einer Eingesetzten Zerstäubungsvorrichtung und
Fig. 37A bis 37D Schnittansichten zur Verdeutli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer mittels der Vorrichtung nach Fig. 36 erhal­ tenen Cu-Verdrahtungsschicht.
Im folgenden ist die Erfindung in Beispielen beschrie­ ben.
Beispiel 1
Die Fig. 2A und 2D veranschaulichen in Schnittansicht die Schritte bei der Erzeugung oder Ausbildung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 2A wird ein Bor-Phosphor-Silikatglas- bzw. BPSG-Film 2 einer Dicke von 1,0 µm auf einem aus Silizi­ um bestehenden Halbleitersubstrat 1 erzeugt. Nach einer Photoresistmethode wird ein Photoresistmuster auf dem BPSG-Film 2 ausgebildet, worauf letzterer unter Benut­ zung des Photoresistmusters als Maske durch reaktives Ionenätzen bzw. nach der RIE-Methode geätzt wird. So­ dann erfolgt ein Veraschen des Photoresistmusters zur Bildung einer Rille 3 einer Breite von 0,4 µm und einer Tiefe von 0,3 µm. Bei der Ausbildung des zu ätzenden BPSG-Films 2 kann, worauf hinzuweisen ist, eine aus SiN o. dgl. bestehende Ätzstopperschicht auf einem als Bo­ den- bzw. Sohlenfläche der Rille 3 dienenden Bereich ge­ formt werden.
Gemäß Fig. 2B wird ein deckenartiger CuO-Film 4 (Metall­ oxidfilm) einer Dicke von 0,6 µm auf der Gesamtoberflä­ che des erhaltenen Gebildes geformt. Die Ausbildung des CuO-Films 4 erfolgt unter Verwendung einer in Fig. 3 dargestellten Ab(wärts)strom-CVD-Vorrichtung (downflow CVD apparatus) auf die im folgenden beschriebene Weise.
Genauer gesagt: der in einer Kammer 6 herrschende Druck wird auf (20 mTorr) 2,664 PA gehalten; die Temperatur im Inneren der Kammer 6 wird mittels einer Heizeinheit 7 auf 300°C eingestellt, und das als Ziel- oder Targetsubstrat dienende Halbleitersubstrat 1 gemäß Fig. 2A wird in die Kammer 6 eingebracht.
Eine Mikrowelle von einer Mikrowellenleistungsquelle 11 wird über einen Wellenleiter 12 auf O2 aufgestrahlt, um ein aktives Sauerstoffgas zu erzeugen, das über ein Rohr 14 in die Kammer 6 eingespeist wird. Gleichzeitig wird ein organischer Cu- Lieferant 13 aus Cu(HFAC)2 (Kupfer-bis-(hexafluoracetyl­ acetonat)) in einem auf 150°C gehaltenen Gefäß 9 mit Hilfe von als Trägergas dienendem Ar-Gas einer Strömungsmenge von 50 sccm (Standard cm3/min) über ein Rohr 10, auf 180°C gehalten, in die Kammer 6 eingespeist.
Das Aktivgas von Sauerstoff, Cu(HFAC)2 und das Ar-Gas (bzw. gasförmige Ar) werden durch einen Brausekopf 8 mit in vorbestimmten Abständen angeordneten Öffnungen vermischt; das Gasgemisch wird auf das Halbleitersub­ strat 1 aufgesprüht, um den CuO-Film 4 zu erzeugen. Der Sauerstoffgehalt des CuO-Films 4 beträgt 30%; das Kri­ stallgefüge des CuO-Films 4 ist ein kubisches System.
Auch wenn als Quellen- oder Lieferantmaterial der orga­ nische Lieferant 13 verwendet wird, ermöglicht es die von Anfang an erfolgende Ausbildung oder Erzeugung des CuO-Films 4 ohne Erzeugung eines Cu-Films, eine Bindung einer Verunreinigung, wie Kohlenstoff oder Wasserstoff, am Cu zu verhindern. Im vorliegenden Fall wird CuO als Kupferoxid gewählt, weil CuO in Kupferoxiden stabil ist.
Obgleich die Strömungsmenge von Ar sowie die Temperatur im Gefäß 9 zweckmäßig gewählt werden können, muß die Temperatur im Rohr 10 um etwa 10°C höher sein als die Temperatur des Gefäßes 9, um damit den organischen Lie­ feranten 13 zu verfestigen. Bei dieser Ausführungsform wird Cu(HFAC)2 als organischer Cu-Lieferant 13 benutzt. Für den gleichen Zweck können jedoch Cu(DPM)2, (Kupfer-bis-(dipivaloyl­ methanat)) oder Cu(ACAC)2 (Kupfer-bis-(acetylacetonato)) als Acetylaceto-Typ, CuCl oder CuCl2 als Cu-Chlorid, η5-C5H5CuPEt3 ((Cyclopentadienyl)kupfer(trimethylphospin)), (HFAC)Cu(2- Butyn) (Hexafluoracetylacetonato)kupfer(2-butyn)), (HFAC)Cu(1,5-COD) ((Hexafluoracetylacetonato)kupfer(1,5- cyclooctadien)) oder die in Tabelle 2 angegebenen Verbindungen eingesetzt werden.
Tabelle 2
Kurzbezeichnungen
Chemische Bezeichnung
Cu(HFAC)2 Kupfer-bis-(hexafluoracetylacetonat)
Cu(PPN)2 Kupfer-bis-(pentafluorpropanoylpivaloylmethanato)
Cu(nona-F)2 Kupfer-bis-(trifluorethylaminohexafluorpentanol)
(CuO-t-Bu)4 Kupfer(tert.-butoxid)
(t-BuO)CuPMe3 (tert.-Butoxy)kupfer(trimetylphospin)
(ACAC)CuPMe3 (Acetylacetonat)kupfer(trimethylphospin)
(TFAC)CuPMe3 (Trifluoracetylacetonat)kupfer(trimethylphosphin)
(HFAC)CuPMe3 (Hexafluoracetylacetonat)kupfer(trimethylphosphin)
(HFAC)Cu(COD) (Hexafluoracetylacetonat)kupfer(1,5-cyclooctadien)
(HFAC)Cu(VTMS) (Hexafluoracetylacetonat)kupfer(vinyltrimethylsilan)
(HFAC)Cu(2-butyn) (Hexafluoracetylacetonat)kupfer(2-butyn)
(HFAC)Cu(BTMSA) (Hexafluoracetylacetonat)kupfer(bis(trimethylsilyl)acetylen)
(HFAC)Cu(2-pentyn) (Hexafluoracetylacetonat)kupfer(2-pentyn)
Obgleich bei dieser Ausführungsform der CuO-Film durch Plasma-Abwärtsstrom von gasförmigem O2 erzeugt wird, kann anstelle des gasförmigen O2 ein H2O-Dampf für die Filmerzeugung benutzt werden. Bei Verwendung eines Gas­ gemisches aus H2O-Dampf und gasförmigem O2 kann die gleiche Wirkung, wie oben beschrieben, erzielt werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein oxidierendes Gas und ein organischer Lieferant (organic source) so miteinan­ der gemischt werden können, daß beide getrennt in die Kammer 6 eingespeist werden (vgl. Fig. 4).
Gemäß Fig. 2C wird der CuO-Film 4, mit Ausnahme des in der Rille 3 befindlichen CuO-Films 4, durch Polieren entfernt oder abgetragen, um damit eine CuO-Verdrah­ tungsschicht 4 zu bilden. Das Polieren des CuO-Films 4 erfolgt mittels einer in Fig. 5 gezeigten Poliervorrich­ tung. Wenn dabei das als zu polierendes Substrat die­ nende Halbleitersubstrat 1 auf einen Auflege- oder Lade­ abschnitt 15 aufgelegt wird, wird das Halbleitersub­ strat 1 zu einem Polierabschnitt 16 überführt, in wel­ chem die Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 poliert wird. Nach Abschluß des Polierens wird das Halbleiter­ substrat 1 zu einem Bürsten/Wasserwaschabschnitt 17 ge­ fördert und dort gewaschen, um Polierflüssigkeit und Polierstaub, die am Halbleitersubstrat 1 anhaften, zu entfernen. Sodann wird das Halbleitersubstrat 1 zu einem Austragabschnitt 18 überführt, worauf der Polier­ vorgang abgeschlossen ist.
Fig. 6 veranschaulicht schematisch die Ausgestaltung des Polierabschnitts 16. Dieser ist durch einen oberen Ring 20 und einen Drehtisch oder -teller 22 gebildet, wobei das am oberen Ring 20 angebrachte Halbleitersub­ strat 1 auf dem Drehtisch 22 in Drehung versetzt wird. Beim Polieren wird eine Polierflüssigkeit über ein entsprechendes Speiserohr 21 dem Drehtisch 22 ständig zu­ gespeist. Wenn das Polieren im Polierabschnitt 16 abge­ schlossen ist und das Halbleitersubstrat 1 zum Austrag­ abschnitt gefördert werden soll, wird über ein entspre­ chendes Speiserohr 19 destilliertes Wasser zugespeist, um die benutzte Polierflüssigkeit vom Drehtisch 22 abzu­ spülen.
Ein Poliermechanismus ist folgender: Gemäß Fig. 7 wird die unebene Oberfläche einer Scheibe mit Hilfe von Po­ lierteilchen 23 und eines Polyurethangewebes 24 (einer porösen Struktur) mechanisch poliert und mittels einer Polierflüssigkeit chemisch geätzt. Als Ergebnis erfolgt unter dem angegebenen synergistischen Ef­ fekt eine Glättung auf das Atomniveau. Bei dieser Aus­ führungsform wird als Polierflüssigkeit eine alkalische wässrige Lösung, die Amin als Hauptkomponente enthält, benutzt, während kolloidales SiO2 als Polierteilchen verwendet wird.
Schließlich erfolgt gemäß Fig. 2D ein Glühen unter einem Druck von 99,99 PA (750 mTorr) und bei einer Temperatur von 500°C während einer Zeitspanne von 30 min in einer reduzierenden Gasatmosphäre aus 20% H2 und 80% Ar, um den CuO-Film 4 zu reduzieren; hierdurch wird eine Cu-Verdrahtungsschicht 5 aus Cu, als das Metall, welches die Hauptkomponente des CuO-Films 4 bildet, fertiggestellt. Eine chemische Reaktionsformel der obigen Reaktion oder Umsetzung ist nachstehend angegeben:
CuO + H2 → Cu + H2O
Die Umsetzung erfolgt bei einer Temperatur von 250°C oder höher. Da in diesem Fall eine Abnahme oder Minde­ rung der normalen freien Energie bei der Erzeugung von CuO kleiner ist als die während der Erzeugung von H2O, wird durch Oxidation von H bevorzugt CuO reduziert. Der CuO-Film 4 kann somit zuverlässig reduziert werden, so daß eine Cu-Verdrahtungsschicht 5 aus hochreinem Cu er­ halten werden kann. Das Volumen des CuO-Films verrin­ gert sich dabei um etwa 20%.
Druck, Temperatur und Behandlungszeit im Reduktions­ schritt können in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt und von der Struktur des CuO-Films 4 gewählt werden.
Wenn beispielsweise der CuO-Film 4 mit einem Sauerstoffgehalt von 50% und mit einer Dicke von 1,5 µm ausgebildet werden soll, werden der Druck auf einen Unterdruck von etwa 1,332 PA (10 Torr) eingestellt, und der CuO-Film 4 eine Stunde lang bei einer Temperatur von 300°C geglüht. Wenn dabei der Druck niedrig eingestellt wird, kann dem CuO-Film 4 auf diese Weise einfach Sauerstoff entzogen werden, obgleich dabei die Oberfläche der erhaltenen Cu-Verdrahtungsschicht rau oder grob ist. Wenn dagegen der CuO-Film 4 über einen langen Zeitraum hinweg langsam bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur reduziert wird, kann eine aus hochreinem Cu bestehende Cu- Verdrahtungsschicht erhalten werden.
Die Fig. 8A und 8B sind graphische Darstellungen zur Er­ läuterung einer mit der Erfindung erzielten Wirkung. Fig. 8A veranschaulicht das Auger-Analyseergebnis bei einem nach einem herkömmlichen Verfahren, d. h. nach CVD-Technik unter Verwendung von H2, erzeugten Cu-Film; Fig. 8B veranschaulicht das Auger-Analyseergebnis bei einem nach dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform erzeugten Cu-Film. Aus Fig. 8A geht hervor, daß der nach dem herkömmlichen Verfahren erhaltene Cu-Film eine Verunreinigung, wie C oder F, enthält. Der spezifische Widerstand des Cu-Films wurde mit 16,3 µΩcm gemessen; er beträgt etwa das Zehnfache des spezifischen Wider­ stands eines masseartigen (bulk-like) Cu-Films. Dagegen konnte in dem nach dem Verfahren gemäß dieser Ausfüh­ rungsform erhaltenen Cu-Film keine Verunreinigung nach­ gewiesen werden. Der spezifische Widerstand des Cu- Films betrug 1,82 µΩcm und war damit dem des massearti­ gen Cu-Films gleich.
Wie oben erwähnt, wird bei dieser Ausführungsform eine Bindung zwischen Cu und einer Verunreinigung, wie Koh­ lenstoff oder Wasserstoff, durch positive bzw. zwangs­ weise Erzeugung des CuO-Films 4 verhindert, wobei letz­ terer zur Bildung der Cu-Verdrahtungsschicht 5 redu­ ziert wird. Aus diesem Grund weist die Cu-Verdrahtungs­ schicht 5 die ursprünglichen Eigenschaften von Cu, d. h. niedrigen (elektrischen) spezifischen Widerstand sowie hohe IW- und SW-Beständigkeit, auf. Da außerdem CuO ein stabiles Kupferoxid ist, diffundieren im CuO-Film 4 ent­ haltene Cu-Atome nicht in den BPSG-Film 2 ein. Demzufol­ ge kann ein fehlerhafter Betrieb oder eine fehlerhafte Arbeitsweise eines im Halbleitersubstrat 1 erzeugten Elements verhindert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der CuO-Film 4, mit Ausnahme des in der Rille 3 befindlichen CuO- Films 4, durch Polieren abgetragen, um ein Verdrahtungs­ muster zu bilden. Aus diesem Grund treten bei dieser Ausführungsform die durch Beeinträchtigung bzw. Zerset­ zung eines Resistmusters oder Veraschung des Resistmu­ sters verursachten Probleme nicht auf.
Die Fig. 9A bis 9D sind Schnittansichten zur Verdeutli­ chung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Ver­ drahtungsschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 9A wird, wie bei der ersten Ausführungsform, in einem eine Cu-Diffusion verhindernden BPSG-Film 32 auf einem Halbleitersubstrat 31 eine Rille 33 einer Breite von 0,4 µm und einer Tiefe von 0,3 µm geformt. Gemäß Fig. 9B wird auf der Gesamtoberfläche des so er­ haltenen Gebildes ein deckenartiger CuO-Film 34 (Metall­ oxidfilm) erzeugt. Die Erzeugung des CuO-Films 34 er­ folgt unter Verwendung einer in Fig. 10 gezeigten Plas­ ma-CVD-Vorrichtung auf die im folgenden beschriebene Weise.
Zunächst wird das Halbleitersubstrat 31 in einer Kammer 36, die auf einem Druck 0,666 PA (5 mTorr) gehalten wird, auf ein anodenseitiges Heizelement 37 aufgelegt. Durch letzteres wird das Halbleitersubstrat 31 auf 250°C erwärmt.
Eine Mikrowelle von einer Mikrowellenenergiequelle 42 wird über einen Anpaßkasten 41 in die Kammer 36 einge­ leitet. Der Kammer 36 werden O2-Gas und Cu(HFAC)2, als organischer Cu-Lieferant 39, zugespeist. Das O2-Gas wird über ein Rohr 43 in einer Strömungsmenge von 50 sccm von einem nicht dargestellten Gasspeiseab­ schnitt her in die Kammer 36 eingespeist. Andererseits wird oder ist dabei der organische Cu-Lieferant 39 in ein auf 100°C gehaltenes Gefäß 45 eingefüllt, und er wird über ein auf einer Temperatur von 150°C gehaltenes Rohr 40 mittels eines als Trägergas dienenden Ar-Gases einer Strömungsmenge von 100 sccm in die Kammer 36 ein­ gespeist.
Das O2-Gas, Cu(HFAC)2 und Ar-Gas werden mittels eines Brausekopfes 38 mit in vorbestimmten Abständen angeord­ neten Öffnungen miteinander vermischt. Eine Mikrowelle aktiviert das O2-Gas und zersetzt das Cu(HFAC)2, so dass auf dem Halbleitersubstrat 31 der CuO-Film 34 erzeugt wird.
Gemäß Fig. 9C erfolgt anschließend 30 min lang ein Glühen bei einem Druck von 1,33 PA (10 Torr) und einer Temperatur von 400°C in einer 100% H2 enthaltenden reduzierenden Gasatmosphäre zwecks Reduzierung des CuO-Films 34, wo­ durch ein Cu-Film 35 einer Dicke von etwa 0,4 µm er­ zeugt wird. Schließlich wird der Cu-Film 35 mit Ausnah­ me des in der Rille 33 befindlichen Teils durch Polie­ ren abgetragen, wodurch eine Cu-Verdrahtungsschicht 35 aus hochreinem Cu und eines niedrigen spezifischen. Wi­ derstands fertiggestellt wird.
Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann die gleiche Wirkung, wie in Verbindung mit der ersten Aus­ führungsform beschrieben, erzielt werden. Da bei der zweiten Ausführungsform das Polieren nach dem Reduzie­ ren des CuO-Films 34 erfolgt, kann auch dann, wenn das Volumen des CuO-Films 34 verringert wird, die Rille 33 vollständig mit der Cu-Verdrahtungsschicht 35 ausge­ füllt sein.
Die Fig. 11A bis 11E veranschaulichen in Schnittansicht die Schritte der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungs­ schicht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfin­ dung.
Gemäß Fig. 11A wird ein Siliziumoxidfilm 52 einer Dicke von 1,0 µm auf einem aus Silizium bestehenden Halblei­ tersubstrat 51 abgelagert. Im Siliziumoxidfilm 52 wird auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungs­ form eine Rille 53 geformt. Gemäß Fig. 11B wird ein als Sperrschicht dienender TiN-Film 54 einer Dicke von 0,09 µm durch (Kathoden-)Zerstäubung auf der Gesamtober­ fläche des so erhaltenen Gebildes abgelagert. Der TiN- Film 54 unterdrückt die Diffusion von Cu in das Halblei­ tersubstrat 51 und verbessert die Adhäsionseigenschaften mit Cu bei gleichzeitiger Verhinderung einer erneu­ ten Oxidierung von Cu. Die Sperrschicht, z. B. der TiN- Film 54, muß den im folgenden angegebenen Bedingungen genügen. Eine Diffusion in die Metall-Sperrschicht darf kaum auftreten; Metallatome dürfen nicht an einem Get­ tern oder Eindiffundieren in die Sperrschicht gehindert werden. Außerdem muß die Menge einer festen Lösung der Sperrschicht in einem Metall klein sein, und die Sperr­ schicht darf praktisch keine Verbindung mit einem Me­ tall bilden. Die Säurebeständigkeit der Sperrschicht ist so verbessert oder muß so verbessert sein, daß der elektrische spezifische Widerstand der Sperrschicht nicht erhöht wird.
Gemäß Fig. 11C wird auf der Gesamtoberfläche des so er­ haltenen Gebildes ein deckenartiger CuO-Film 55 ausge­ bildet. Die Erzeugung des CuO-Films 55 erfolgt unter Verwendung einer in Fig. 12 dargestellten Parallelplat­ ten-Plasma-CVD-Vorrichtung. Die den Teilen der CVD- Vorrichtung gemäß Fig. 10 entsprechenden Teile bei der CVD-Vorrichtung nach Fig. 12 sind dabei mit den glei­ chen Bezugsziffern wie vorher bezeichnet. Der Unter­ schied zwischen den CVD-Vorrichtungen nach Fig. 12 und Fig. 10 besteht darin, daß gemäß Fig. 12 das Halbleiter­ substrat 51 an einer Kathodenseite angeordnet ist und eine vorteilhaftere Richtwirkung aufweist. Bei Verwen­ dung von gasförmigem H2O als Oxidiergas und bei Durch­ führung der Filmerzeugung wie bei der zweiten Ausfüh­ rungsform wird der CuO-Film 55 eines Sauerstoffgehalts von 25% und eines kubischen Systems als Kristallgefüge erhalten. Gemäß Fig. 11D werden der CuO-Film 55 und der TiN-Film 54 durch Polieren abgetragen, bis der TiN-Film 54, mit Ausnahme seines in der Rille 53 befindlichen Teils, freigelegt ist, so daß der CuO-Film 55 nur in der Rille 53 zurückbleibt.
Schließlich erfolgt gemäß Fig. 11E ein 30 min langes Glühen bei einem Druck von 99,9 PA (750 Torr) und einer Temperatur tur von 500°C in einer 100% Co erhaltenden reduzierten Gasatmosphäre, um damit den CuO-Film 55 zu reduzieren und damit eine vom TiN-Film 54 umgebende Cu-Verdrah­ tungsschicht 56 fertigzustellen.
Beim beschriebenen Verfahren kann ersichtlicherweise die gleiche Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden. Da bei der dritten Ausführungsform der als Sperrschicht dienende TiN-Film 54 in der Rille 53 erzeugt wird, können eine Diffusion von Cu-Atomen wirk­ samer verhindert und die Adhäsionseigenschaften zwi­ schen dem TiN-Film 54 und der Verdrahtungsschicht effek­ tiv verbessert werden.
Die Fig. 13A bis 13E veranschaulichen in Schnittansicht die Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrah­ tungsschicht gemäß einer vierten Ausführungsform der Er­ findung. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungs­ form und der dritten Ausführungsform besteht darin, daß bei ersterer ein Polieren nach dem Reduzieren eines CuO-Films stattfindet.
Gemäß Fig. 13A wird ein Siliziumoxidfilm 62 mit einer Rille 63 auf einem Halbleitersubstrat 61 geformt. Gemäß Fig. 13B wird dann auf der Gesamtoberfläche des so er­ haltenen Gebildes ein TiN-Film 64 ausgebildet. Gemäß Fig. 13C wird auf der Gesamtoberfläche des so erhalte­ nen Gebildes ein deckenartiger CuO-Film 65 (Metalloxid­ film) geformt. Die Vorgänge bis zu diesem Schritt sind die gleichen wie bei der dritten Ausführungsform.
Gemäß Fig. 13D wird der CuO-Film 65 zur Ausbildung eines Cu-Films 66 durch Glühen in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit gasförmigem CO reduziert. Schließlich wird gemäß Fig. 13E der Cu-Film 66 zur Fertigstellung einer Cu-Verdrahtungsschicht, die vom TiN-Film 64 umge­ ben ist, poliert.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren werden offensicht­ lich die gleichen Wirkungen wie bei der dritten Ausfüh­ rungsform erzielt. Da bei der vierten Ausführungsform der CuO-Film 65 nach seinem Reduzieren poliert wird, kann auch dann, wenn das Volumen des CuO-Films 65 ver­ ringert ist, die Rille 63 vollständig mit einer Cu-Ver­ drahtungsschicht 66 ausgefüllt sein.
Die Fig. 14A bis 14E veranschaulichen im Schnitt Schrit­ te bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 14A wird ein Siliziumoxidfilm 72 einer Dicke von 1 µm auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 71 abgelagert, worauf im Silizium­ oxidfilm 72 eine Rille 73 geformt wird. Gemäß Fig. 14B wird ein TiN-Film 74 einer Dicke von 0,1 µm in Anpas­ sung an die Gesamtoberfläche des bisher erhaltenen Ge­ bildes nach einem CVD-Verfahren auf dieser Gesamtober­ fläche erzeugt. Dieser Film ist sowohl innerhalb als auch außerhalb der Rille jeweils gleichmäßig mit glei­ cher Dicke ausgebildet. Gemäß Fig. 14C wird ein CuO- Film 74 (Metalloxidfilm) eines Sauerstoffgehalts von 35 %, einer Dicke von 0,6 µm und eines kubischen Systems als Kristallgefüge auf der Gesamtoberfläche des bisher erhaltenen Gebildes erzeugt. Die Erzeugung des CuO- Films 75 erfolgt unter Verwendung einer Vorspannungs- bzw. Vormagnetisierungs-Zerstäubungsvorrichtung gemäß Fig. 15 auf die im folgenden beschriebene Weise.
Eine Hochfrequenzspannung von einer Hochfrequenzstrom­ versorgung 78 wird über einen Anpaßkasten 77 an ein Cu- Target 67 angelegt. Ferner wird eine Hochfrequenzspan­ nung von einer Hochfrequenzstromversorgung 69 über einen Anpaßkasten 68 an das Halbleitersubstrat 71 ange­ legt; auf diese Weise wird eine Hochfrequenz-Vorspan­ nung über das Cu-Target 67 und das Halbleitersubstrat 71 angelegt. Dabei werden ein Ar-Gas (40 sccm) und ein O2-Gas (40 sccm) zum Zerstäuben von Cu in eine Kammer 79 eingespeist. Der Druck in der Kammer beträgt 0,133 PA (1 × 10-3 Torr). Auf diese Weise wird der CuO-Film 75 mit einer in Fig. 14C gezeigten Form erhalten. Es ist dar­ auf hinzuweisen, daß der CuO-Film 75 durch Anlegung einer Gleichstrom-Vorspannung an das Halbleitersubstrat 71 erzeugt werden kann. Wenn eine Ablagerung durch (Ka­ thoden-)Zerstäubung stattfinden soll, braucht weiterhin nur ein Ar-Gas in die Kammer 79 eingespeist zu werden. Nachdem ein Cu-Film oder ein Cu-reicher Film abgelagert ist, kann das O2-Gas in die Kammer 79 eingespeist wer­ den, wobei der CuO-Film 75 durch chemische Zerstäubung kontinuierlich abgelagert werden kann.
Gemäß Fig. 14D werden der CuO-Film 75 und der TiN-Film 74 nach einer Rückätzmethode entfernt, bis der Silizium­ oxidfilm 72 mit Ausnahme des in der Rille 73 befindli­ chen Siliziumoxidfilms 72 freigelegt ist. Schließlich erfolgt gemäß Fig. 14E ein 30 min langes Glühen in einem 100% H2 enthaltenden Plasma eines Drucks von 1,33 PA (10 mTorr) und einer Temperatur von 200°C zwecks Reduzie­ rung des CuO-Films 75, so daß eine Cu-Verdrahtungs­ schicht 76 eines niedrigen spezifischen Widerstands in einer selbstjustierten Form erzeugt werden kann. Mit diesem Verfahren werden die gleichen Wirkungen wie bei der dritten Ausführungsform erzielt.
Die Fig. 16A bis 16E veranschaulichen in Schnittansicht die Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrah­ tungsschicht gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 16A wird auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 81 ein Siliziumoxidfilm 82 geformt. Auf letzterem wird ein eine Dicke von 0,8 µm besitzen der Aluminiumoxidfilm 83 erzeugt, auf dem wiederum ein Photoresistmuster 84 ausgebildet wird. Gemäß Fig. 16B wird der Aluminiumoxidfilm 83 unter Verwendung des Pho­ toresistmusters 84 als Maske zur Ausbildung einer 0,3 µm tiefen Rille 85 im Aluminiumoxidfilm 83 geätzt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Mustergröße des Pho­ toresistmusters 84 so gewählt ist, daß die Breite der Rille 85 auf 0,4 µm eingestellt ist.
Gemäß Fig. 16C erfolgt sodann eine CVD-Behandlung unter Steuerung bzw. Einstellung einer Richtung zwecks Ausbil­ dung eines CuO-Films 86 auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes zwecks Ausfüllung (to bury) der Nut 85. Die Erzeugung des CuO-Films 86 findet unter Verwen­ dung einer in Fig. 12 dargestellten Parallelplatten- Plasma-CVD-Vorrichtung statt. Als Filmerzeugungsbedin­ gungen wird ein Plasma bei einem Unterdruckgrad von 10-4 Torr erzeugt. Auf diese Weise können die Ionen einer guten Linearität erzeugt werden; damit kann eine Filmerzeugung durchgeführt werden, deren Richtung ein­ fach steuerbar ist.
Gemäß Fig. 16D wird das Halbleitersubstrat 81 in ein or­ ganisches Lösungsmittel, z. B. Ethylenglycoltrimethyl­ ether eingetaucht und mit einer Ultraschallwelle gerei­ nigt, um das Photoresistmuster 84 und den darauf befind­ lichen CuO-Film 86 abzuheben. Als Ergebnis verbleibt der CuO-Film 86 nur in der Rille 85 zurück. Schließlich erfolgt gemäß Fig. 16E ein 30 min langes Glühen bei einem Druck von 101325 PA (1 Atmosphäre) bei einer Tempe­ ratur von 500°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit 20% H2 und 80% N2 zwecks Reduzierung des CuO- Films 86, wodurch eine Cu-Verdrahtungsschicht 87 fertig­ gestellt wird.
Auch bei Anwendung des Verfahrens des Entfernens eines unnötigen CuO-Films 86 im beschriebenen Abhebevorgang kann die Cu-Verdrahtungsschicht 87 ohne eine Erhöhung des spezifischen Widerstands geformt werden. Aus diesem Grund kann die gleiche Wirkung wie bei der vorher be­ schriebenen Ausführungsform erzielt werden.
Die Fig. 17A bis 17F sind Schnittansichten zur Darstel­ lung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Ver­ drahtungsschicht.
Gemäß Fig. 17A wird auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 91 ein Siliziumoxidfilm 92 geformt. Auf letzterem wird durch Zerstäubung ein TiN-Film 93 einer Dicke von 0,1 µm erzeugt; auf dem TiN-Film 93 wird durch chemische Zerstäubung ein CuO-Film 94 einer Dicke von 0,6 µm gebildet. Dabei kann ein Film, etwa ein Nb-Film, der als Sperrschicht wirkt, anstelle des TiN-Films 93 vorgesehen werden.
Gemäß Fig. 17B wird durch Zerstäubung ein Kohlenstoff­ film 95 einer Dicke von 0,04 µm auf dem CuO-Film 94 er­ zeugt, worauf auf dem Kohlenstoffilm 95 ein Photoresist­ muster 96 geformt wird. Gemäß Fig. 17C wird der Kohlen­ stoffilm 95 in einem RIE-Verfahren unter Verwendung von CF4(CHF3) + O2-Gas und unter Benutzung des Photoresistmusters 96 als Maske geätzt; ein Ätzen nur des Photore­ sistmusters 96 erfolgt durch Plasma-Abwärtsströmung von F2 und O2, um dieses Muster zu entfernen. Gemäß Fig. 17D werden der CuO-Film 94 und der TiN-Film 93 unter Heranziehung des gemusterten Kohlenstoffilms 95 als Maske geätzt. Dieses Ätzen erfolgt unter folgenden Bedingungen: Die Temperatur des Halbleitersubstrats 91 wird auf 250°C gehalten, durch einen synergetischen Ef­ fekt eines Plasmas und eines Gases auf Halogenbasis, wie Cl2-Gas, wird ein Cu-Oxychlorid (Metallhalogenid) erzeugt. Obgleich bei dieser Ausführungsform die Sub­ strattemperatur auf 250°C eingestellt ist, kann die Tem­ peratur im Plasma 250°C oder mehr betragen.
Gemäß Fig. 17E wird das Halbleitersubstrat 91 einem O2- Plasma ausgesetzt und (die entsprechende Schicht 95) durch Veraschung entfernt. Als Ergebnis wird eine mehr­ lagige Verdrahtungsstruktur aus dem CuO-Film 94 und dem TiN-Film 93 erhalten. Schließlich erfolgt gemäß Fig. 17F ein 30 min langes Glühen bei einem Druck von 101325 PA (1 Atmosphäre) und einer Temperatur von 500°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit 20% H2 und 80% Ar zwecks Reduzierung des CuO-Films 94, wodurch eine mehrlagige Verdrahtungsstruktur aus einem Cu-Film 96 und dem TiN-Film 93 fertiggestellt wird.
Beim vorstehend beschriebenen Verfähren kann offensicht­ lich die gleiche Wirkung wie bei der sechsten Ausfüh­ rungsform erzielt werden.
Da der Cu-Film 96 auf dem TiN-Film 93 geformt ist, kann eine Diffusion von Cu-Atomen wirksam verhindert werden, während die Adhäsionseigenschaften zwischen TiN-Film und Cu-Film 96 effektiv verbessert werden oder sein können. Dabei kann der Cu-Film 96 durch Reduzieren des CuO-Films 94 im Schritt gemäß Fig. 17A erzeugt werden, anstatt den Cu-Film 96 durch Reduzieren des CuO-Films 94 im Schritt gemäß Fig. 17F zu erzeugen. In diesem Fall findet im Schritt gemäß Fig. 17C ein Ätzen des Cu-Films 96 nach RIE-Technik unter Heranzie­ hung des Kohlenstoffilms 95 als Maske bei einer Sub­ strattemperatur von 300°C statt, so daß durch ein Cl2- Plasma ein Cu-Chlorid produziert wird. Wenn dabei der Dampfdruck eines Cu-Halogenids oder eines Sauerstoffha­ logenids hoch ist, kann ein ein anderes Halogen, wie Fluor oder Brom, enthaltendes Gas benutzt werden. Wei­ terhin kann der Kohlenstoffilm 95 (auf dem Gebilde) be­ lassen oder einer Veraschung durch Plasma-Abwärtsströ­ mung von O2 und F2 zwecks Reduzierung durch Glühen un­ terworfen werden. In jedem Fall kann eine aus hochrei­ nem Cu bestehende Cu-Verdrahtungsschicht geformt wer­ den. Da der Kohlenstoffilm eine höhere Wärmebeständig­ keit besitzt als die Resistschicht, kann der untenlie­ gende Kohlenstoffilm weiterhin als Maske dienen, auch wenn die darüberliegende Resistschicht durch Ätzen de­ formiert wird.
Die Fig. 18A bis 18E zeigen in Schnittansicht die Schritte bei der Erzeugung einer Speicherzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 18A wird ein thermischer Oxidationsfilm 102 nach einem normalen LOCOS-Verfahren (lokale Oxidation von Silizium) auf einem aus Silizium bestehenden p-Typ- Halbleitersubstrat 101 erzeugt, um ein Element zu iso­ lieren bzw. zu trennen. Auf dem Halbleitersubstrat 101 werden nacheinander ein als Gateisolierfilm 103 dienen­ der Siliziumoxidfilm und ein als Gateelektrode 104 die­ nender erster n+-Polysiliziumfilm erzeugt; diese Filme werden auf photolithographischem Wege und durch RIE- Technik so gemustert, daß der Gateisolierfilm 103 und die Gateelektrode 104 entstehen. In das so erhaltene Ge­ bilde werden unter Verwendung der Gateelektrode 104 als Maske Arsenionen implantiert, um damit eine n+-Sourcezo­ ne 105a und eine Drainzone 105b zu erzeugen und damit einen als Schalttransistor dienenden oder wirkenden MOSFET auszubilden.
Gemäß Fig. 18B wird nach einem CVD-Verfahren ein Sili­ ziumoxidfilm 106 auf der Gesamtoberfläche des so erhal­ tenen Gebildes erzeugt. Der Siliziumoxidfilm 106 auf der Drainzone 105b wird zur Ausbildung eines Speicher­ knotenpunktkontakts 107 geätzt. Gemäß Fig. 18C wird auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes ein zweiter n+-Polysiliziumfilm 108 abgelagert. Letzterer wird gemäß Fig. 18D auf photolithographischem Wege und durch isotropes Ätzen zu einer unteren Kondensatorelek­ trode gemustert, wobei auf dem Polysiliziumfilm 108 ein als Kondensatorisolierfilm 109 dienender Ta2O5-Film ge­ formt wird. Die Erzeugung des letzteren Films erfolgt nach einem thermischen CVD-Verfahren unter Verwendung von Ta(OC2H5)5 und O2. Schließlich wird gemäß Fig. 18E ein als obere Kondensatorelektrode dienender Ni-Film 110 erzeugt, wodurch eine Kondensatorelektrode einer mehrlagigen Struktur fertiggestellt wird. Die Erzeugung des Ni-Films 110 findet auf im folgenden beschriebene Weise statt.
Nach einem CVD-Verfahren, bei dem ein O2-Plasma mit Ni(ACAC)2 reagiert, wird ein NiO-Film erzeugt. Anschlie­ ßend erfolgt ein 30 min langes Glühen bei einer Tempera­ tur von 600°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit 10% H2 und 90% Ar zwecks Reduzierung des NiO-Films, um damit den Ni-Film 110 auszubilden. Letzterer wird in Form der oberen Kondensatorelektrode gemustert. Der Re­ duzierschritt und der Musterungsschritt können ersichtlicherweise auch in umgekehrter Reihenfolge durchge­ führt werden.
Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann der Ni-Film 110, der kaum eine Verunreinigung enthält, als obere Kondensatorelektrode erhalten werden. Aus diesem Grund kann eine Erhöhung des spezifischen Widerstands der oberen Kondensatorelektrode infolge einer Verunrei­ nigung verhindert werden. Wenn eine Spannung einer vor­ bestimmten Größe an die obere Kondensatorelektrode ange­ legt wird, kann in dieser zuverlässig eine vorbestimmte Ladungsmenge aufgespeichert werden. Damit kann ein durch die im Kondensator aufgespeicherte Ladung verur­ sachter Informationsfehler vermieden werden. Obgleich bei dieser Ausführungsform Ni als Material für die obe­ re Kondensatorelektrode benutzt wird, kann anstelle von Ni ein metallischer Werkstoff, wie Pt oder Pd, einer großen Austrittsarbeit (work function) benutzt werden.
Obgleich bei dieser Ausführungsform der als Kondensator­ isolierfilm 109 dienende Ta2O5-Film nach einem CVD-Ver­ fahren unmittelbar erzeugt wird, kann dieser Film auch nach dem Erzeugen und Oxidieren eines Ta-Films gebildet werden. Genauer gesagt: Nach der Erzeugung des Ta-Films wird auf diesem ein NiO-Film erzeugt, worauf ein 30 min langes Glühen bei 800°C in einer Ar-Gasatmosphäre zum Oxidieren des Ta-Films und Reduzieren des NiO-Films er­ folgt. Wenn danach der Ta2O5-Film und der Ti-Film auf photolithographischem Wege und durch reaktives Ionen­ ätzen (RIE) gemustert werden, kann eine in Fig. 18E ge­ zeigte Speicherzelle erhalten werden. Wenn der NiO-Film ungenügend reduziert ist, kann ein zusätzliches Glühen bei etwa 500°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit H2 vorgenommen werden.
Die Fig. 19A bis 19E veranschaulichen im Schnitt die Schritte bei der Erzeugung oder Ausbildung einer Kon­ taktelektrode gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 19A wird ein thermischer Oxidationsfilm 112 auf einem p-Halbleitersubstrat 111 aus p-Silizium nach dem normalen LOCOS-Verfahren zur Isolierung oder Freile­ gung eines Elements ausgebildet. In die Substratoberflä­ che werden Arsenionen zur Erzeugung einer n+-Diffusions­ schichtzone 113 implantiert. Gemäß Fig. 19B wird auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes nach einem CVD-Verfahren ein Siliziumoxidfilm 114 geformt, worauf der auf der Diffusionsschichtzone 113 befindli­ che Siliziumoxidfilm 114 auf photolithographischem Wege und nach einem RIE-Verfahren zur Ausbildung eines Kon­ taktlochs 115 geätzt wird.
Gemäß Fig. 19C wird ein 50 nm dicker NiO-Film 116 nach einem CVD-Verfahren auf der Gesamtoberfläche des so er­ haltenen Gebildes erzeugt. Gemäß Fig. 19D erfolgt ein 30 min langes Glühen bei 350°C in einer reduzierenden Gasatmo­ sphäre mit 20% H2 und 80% Ar zwecks Reduzierung des NiO-Films 116, um damit einen Ni-Film 117 einer Dicke von 40 nm auszubilden. Gemäß Fig. 15E erfolgt anschlie­ ßend ein 30 min langes Glühen bei 800°C in einer N2-Gas­ atmosphäre zum Silizifizieren des Ni-Films 117 zwecks Ausbildung eines Ni2Si-Films 118. Mit anderen Worten: Beim Glühen wird der Ni-Film 117 auf der Diffusions­ schichtzone 113 in den Ni2Si-Film 118 umgewandelt, wäh­ rend der auf der gegenüberliegenden Seite befindliche Ni-Film 117 in einen NiN-Film umgewandelt wird. Darauf­ hin werden der nicht umgesetzte Ni-Film 117 und der NiN-Film durch Naßätzung entfernt. Schließlich wird auf der gesamten Oberfläche des erhaltenen Gebildes durch Zerstäubung ein Al-Legierungsfilm erzeugt, der auf pho­ tolithographischem Wege und nach RIE-Technik mit einer vorbestimmten Form gemustert wird, um eine Kontaktelek­ trode 119 auszubilden, wodurch die Verbindung zwischen der Diffusionsschichtzone 113 und der Kontaktelektrode 119 hergestellt wird.
Da beim oben beschriebenen Verfahren der kaum eine Ver­ unreinigung enthaltende Ni2Si-Film 118 erhalten bzw. ge­ schaffen werden kann, kann ein Kontaktwiderstand herab­ gesetzt sein. Bei dieser Ausführungsform wird nach dem Reduzieren des Ni-Films 117 der Ni2Si-Film 118 silifi­ ziert. Das Silifizieren des Ni2Si-Films 118 kann jedoch auch gleichzeitig mit der Reduktion des Ni-Films 117 er­ folgen. Wenn weiterhin ein Metall (z. B. Ni bei dieser Ausführungsform) mit einer Abnahme oder Verringerung der normalen freien Energie beider Ausbildung eines Oxids des Metalls, welche Verringerung oder Abnahme größer ist als die einer Verringerung oder Abnahme der normalen freien Energie bei der Erzeugung eines Oxids eines Metalls und von Silizium, die Kontaktelektrode 119 bildend, verwendet wird, kann auf dem NiO-Film ein Metallfilm aus einem Metall wie Ti, Mg, Li oder Ca er­ zeugt werden; das damit erhaltene Gebilde kann zum Oxi­ dieren des Metallfilms und Reduzieren des NiO-Films ge­ glüht werden. Dies bedeutet, daß der Ni-Film durch Re­ duktion durch Glühen in fester Phase anstelle der Reduk­ tion durch Glühen in einer Gasatmosphäre erzeugt wird.
Als Material für die Kontaktelektrode 119 wird bevor­ zugt ein Metall wie V, Zr, Hf, Mo, Ti, Ta oder Cr einer großen Austrittsarbeit bei Verwendung einer n+-Diffu­ sionsschicht benutzt, während ein. Metall wie Pt, Pd oder Ir einer großen Austrittsarbeit bevorzugt als Mate­ rial einer Kontaktelektrode 119 benutzt wird, wenn eine p+-Diffusionsschicht verwendet wird.
Die Fig. 20A bis 20E sind Schnittansichten zur Darstel­ lung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Ver­ drahtungsschicht gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung. Ein Unterschied zwischen der neunten Aus­ führungsform und jeder der ersten bis achten Ausfüh­ rungsformen besteht darin, daß bei der neunten Ausfüh­ rungsform anstelle eines Gasphasen-Reduziermittels ein Festphasen-Reduziermittel benutzt wird.
Gemäß Fig. 20A wird auf einem Halbleitersubstrat 121 aus Silizium ein SiO2-Film 122 erzeugt. In letzterem wird eine Rille 124 geformt, worauf auf der Gesamtober­ fläche des so erhaltenen Gebildes ein 50 nm dicker Nb- Dünnfilm 123 als Sperrschicht ausgebildet wird. Gemäß Fig. 20B wird auf der Gesamtoberfläche dieses Gebildes nach einem H2O-Plasmaabwärtsstrom-CVD-Verfahren unter Verwendung von Cu(HFAC)2 als organischer Cu-Lieferant ein 600 nm dicker CuO-Film 125 erzeugt. Gemäß Fig. 20C werden der CuO-Film 125 und der Nb-Dünnfilm 123 durch Polieren abgetragen, bis der Nb-Dünnfilm 123 mit Ausnah­ me des in der Rille 124 befindlichen Teils freigelegt bzw. entfernt ist und der CuO-Film 125 nur in der Rille 124 verbleibt. Danach wird ein als Reduziermittel die­ nender Ti-Film 126 auf der Gesamtoberfläche des so er­ haltenen Gebildes abgelagert.
Gemäß Fig. 20D erfolgt ein 30 min langes Glühen bei einem Druck von 1 Atmosphäre, einer Temperaturanstiegs­ größe von 20°C/min und einer Temperatur von 300°C in einer Gasatmosphäre mit 90% Ar und 10% H2, so daß der CuO-Film 125 durch den Ti-Film 126 reduziert und damit eine vom Nb-Dünnfilm 123 umgebene Cu-Verdrahtungs­ schicht 127 geformt wird. Dabei wird der Ti-Film 126 zu einem TiO-Film 128 oxidiert. Obgleich in diesem Schritt das Volumen des CuO-Films 125 verringert wird, entsteht kein Spalt zwischen der Cu-Verdrahtungsschicht 127 und der Rille 124. Schließlich wird gemäß Fig. 20E der TiO- Film 128 durch Naßätzen entfernt, worauf die Schritte für die Erzeugung oder Ausbildung der Cu-Verdrahtungs­ schicht 127 abgeschlossen sind.
Obgleich bei dieser Ausführungsform der Ti-Film 126 zum Reduzieren des CuO-Films 125 benutzt wird, kann auch ein aus V, Cr, Ni oder Nb bestehender Film als Reduzier­ mittel benutzt werden. Wenn darüber hinaus ein Reduzier­ mittel wie Ni benutzt wird, kann der Reduziermetall­ film, z. B. Ni-Film, gleichzeitig mit der Oxidation des Reduziermetalls mittels eines reduzierenden Gases redu­ ziert werden. Die Erfindung ist ersichtlicherweise nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Ob­ gleich beispielsweise bei erster bis siebter Ausfüh­ rungsform der CuO-Film mit Hilfe von Wasserstoff redu­ ziert wird, kann er anstelle von Wasserstoff auch unter Verwendung von Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid reduziert werden. Bei Verwendung von Kohlenstoff oder Kohlenmono­ xid sind die chemischen Reaktionsformeln der Reduktion von CuO folgende:
CuO + C → Cu + CO
CuO + CO → Cu + CO2
Obgleich bei den obigen ersten bis siebten Ausführungs­ formen der CuO-Film als Metalloxidfilm erzeugt wird, kann auch ein Cu2O-Film, der ebenso wie der CuO-Film stabil ist, benutzt werden. Die chemischen Reaktionsfor­ meln der Reaktion von Cu2O sind folgende:
Cu2O + H2 → 2Cu + H2O (155°C oder höher)
Cu2O + CO → 2Cu + CO2 (200°C oder höher)
Der CuO-Film besteht vorzugsweise aus einem Gemisch von CuO-Molekülen, Cu-Atomen und O-Atomen, und er besitzt vorzugsweise ein feines Kristallgefüge oder ein amor­ phes Gefüge (eine amorphe Struktur) als Kristallgefüge. Auf ähnliche Weise besteht der Cu2O-Film vorzugsweise aus einem Gemisch aus Cu2O-Molekülen, Cu-Atomen und O-Atomen, und er besitzt bevorzugt ein feines Kristall­ gefüge oder eine amorphe Struktur als Kristallgefüge. Das Verhältnis zwischen Cu- und O-Atomen braucht durch den gesamten Film hindurch nicht gleichmäßig zu sein. Beispielsweise ist auch eine Struktur annehmbar, bei welcher das Verhältnis bzw. der Anteil von O-Atomen im oberen Teil der Schicht vergrößert sein kann.
Die Erzeugung eines Kupferoxidfilms, wie des CuO-Films, ist nicht auf die Verfahren gemäß obigen Ausführungsfor­ men beschränkt, vielmehr können auch die folgenden Ver­ fahren angewandt werden. Insbesondere werden ein Gas, wie ein organisches Kupfermaterial oder ein Kupferchlo­ rid eines hohen Dampfdrucks, als Quellen- bzw. Liefe­ rantgas dienend, und ein Gas wie O2 oder H2O (in Gas­ form) mit O benutzt, wobei diese Gase in einem Plasma miteinander reagieren. Darüberhinaus kann der CuO-Film durch eine Reaktion zwischen einem organischen Kupfer­ material oder einem kupferorganischen Material oder einem Kupferchlorid, als Quellengas dienend, und einem Gas wie ein O-Radikales oder O3 mit zumindest O erzeugt werden. In diesem Fall wird ein Sauerstoffplasma von einem Substraterwärmungsabschnitt zu einer Quellengas- Stromaufseite zugeführt, wobei die Substrattemperatur vorzugsweise auf 100 bis 500°C eingestellt ist. Wahl­ weise kann ein Kupferoxidfilm dadurch erzeugt werden, daß ein im voraus erzeugter Cu-Film einer Wärmebehand­ lung in einer oxidierenden Atmosphäre unterworfen wird.
Obgleich bei obiger Ausführungsform ein Kupferoxidfilm, z. B. ein CuO-Film, als Metalloxidfilm benutzt wird, kann auch ein derer Metalloxidfilm, z. B. ein Silber­ oxidfilm, anstelle des Kupferoxidfilms verwendet wer­ den. In diesem Fall wird bevorzugt ein Film aus Ag2O oder AgO, das in Silberoxiden vergleichsweise stabil ist, benutzt. Ag2O oder AgO wird in einer Reaktion mit Wasserstoff bei 100°C oder mehr reduziert, wobei Ag2O oder AgO bei 110°C oder höher zu metallischem Ag und gasförmigem Sauerstoff zersetzt wird.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen werden als Ver­ fahren oder Methoden zur Erzeugung eines Metalloxid­ films ein Parallelplatten-Plasma-CVD-Verfahren, ein Ab­ wärtsstrom-CVD-Verfahren und eine (Kathoden-)Zerstäu­ bung angewandt. Der Metalloxidfilm kann jedoch auch durch Ablagerung bzw. Fällung, Plattieren oder Galvani­ sieren oder aber Oxidationsverbrennung eines ein Metall enthaltenden organischen Materials erzeugt werden. Bei dem mit Ablagerung oder Niederschlagung arbeitenden Ver­ fahren wird beispielsweise ein O2-Gas unter Benutzung eines Metallieferanten zugespeist, wobei die chemische Ablagerung oder Niederschlagung zur Erzeugung eines Me­ talloxidfilms durchgeführt wird; wahlweise kann ein Me­ talloxidfilm unmittelbar unter Verwendung eines Metall­ oxidfilms als Quelle oder Lieferant erzeugt werden. Beim Galvanisieren wird ein Metalloxidfilm durch strom­ loses Galvanisieren oder Elektrogalvanisieren erzeugt. Bei der Oxidationsverbrennung wird ein ein Metall ent­ haltendes organisches Material in einem organischen Lö­ sungsmittel gelöst, worauf das (die) Lösungsmittel bzw. Lösung auf ein Substrat aufgestrichen und einer zwangs­ weisen Oxidationsverbrennung mittels eines Brenners oder Schweißbrenners in einer Oxidgasatmosphäre unter­ worfen wird, um damit einen Metalloxidfilm zu bilden.
Bevor der nach einem der angegebenen Verfahren erzeugte Metalloxidfilm reduziert wird, kann zusätzlich die fol­ gende Verarbeitung vorgenommen werden. Genauer gesagt: der Metalloxidfilm wird in einer Sauerstoffatmosphäre geglüht, um seine Oxidation zu verbessern oder zu erhö­ hen, so daß (von O-Atomen verschiedene) Atome, die an die Metallatome gebunden sind, durch O-Atome ersetzt werden. Auf diese Weise kann eine Verunreinigung, wie C, F oder H, im Metall zur Reinigung desselben besei­ tigt werden. Da weiterhin der auf beschriebene Weise ge­ formte Metalloxidfilm ein massiver Film einer hohen Dichte ist, wird der Reinheitsgrad des Films bei dessen Reduktion weiter erhöht, so daß ein Metallfilm eines niedrigen spezifischen Widerstands erhalten wird.
Ein untenliegender Film zur Erzeugung des Metalloxid­ films wird wie folgt gewonnen: Ein Siliziumoxidfilm mit einem Material bzw. Stoff, wie B oder P, das bzw. der einen Einfluß auf die Unterdrückung von Cu hat, ein aus Aluminiumoxid oder Titanoxid bestehender Metalloxidfilm oder ein aus Al, V, Nb, Ag, Ti oder Ta bestehender Me­ tallfilm kann unabhängig als Einzelschicht benutzt wer­ den, oder es kann eine mehrlagige Struktur durch Kombi­ nation dieser Filme gebildet werden. Zur Verhinderung der Diffusion von Cu und zur Verbesserung der Adhäsions­ eigenschaften kann eine Klebmittelschicht benutzt wer­ den. In den obigen Metallen enthaltenes V, Nb und Ta bilden keine zwischenmetallischen Verbindungen zusammen mit Cu, und diese Metalle diffundieren mit hoher Ge­ schwindigkeit in den Cu-Film ein. Beim Ablagern oder Niederschlagen der Metalle auf der Oberfläche des Cu- Films gleichzeitig mit der Reduktion eines Cu-Oxids kann daher der Cu-Film selbst passiviert werden bzw. eine Eigenpassivierung zeigen.
Als Verfahren zur Erzeugung einer Verdrahtungsschicht sind vorstehend ein Verfahren zur Erzeugung oder Ausbil­ dung eines Verdrahtungsmusters aus einem Metalloxidfilm zur Verkleinerung des Verdrahtungsmusters sowie ein Ver­ fahren zum Reduzieren eines Metalloxidfilms zwecks Aus­ bildung eines Verdrahtungsmusters beschrieben worden. Ein Kupferoxid ist beispielsweise gegenüber Sauerstoff stabiler als metallisches Kupfer, und das Kupferoxid läßt sich leicht polieren, weil seine Härte etwa das Dreifache derjenigen von Kupfer beträgt. Außerdem kann das Verfahren zur Ausbildung eines Verdrahtungsmusters unter Verkleinerung desselben in einfachen Verfahrens­ schritten ausgeführt werden, weil der Dampfdruck eines Kupferhalogenoxids beim Ätzen höher ist als derjenige von Kupferhalogenid.
Die Fig. 21A bis 21G veranschaulichen im Schnitt je­ weils die Schritte der Erzeugung einer Metall-Verdrah­ tungsschicht gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 21A wird auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 131 ein SiO2-Filn 132 erzeugt. Die­ ser Film 132 wird zur Ausbildung einer Rille 133 bear­ beitet. Gemäß Fig. 21B wird auf dem Halbleitersubstrat 131, in welchem die Rille 133 geformt ist, ein eine Dicke von 30 nm besitzender und als Metallschicht zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften zwischen einer Diffusionssperre und einem darunterliegenden Film die­ nender Nb-Film 134 erzeugt. Gemäß Fig. 21C erfolgt die Durchführung eines Plasmaabwärtsstrom-CVD-Verfahrens mit H2O unter Verwendung von (HFAC)2 Cu als organische Quelle bzw. organischer Lieferant zwecks Ausbildung eines CuO-Films 135 einer Dicke von 600 nm (6000 Å). Ge­ mäß Fig. 21D wird das so erhaltene Gebilde einem Läppen zur Ausbildung einer CuO-Verdrahtungsschicht 136 einer in der Rille 133 vergrabenen Form unterworfen.
Auf dem Halbleitersubstrat 131 wird gemäß Fig. 21E ein Ti-Film 137 erzeugt. Das erhaltene Gebilde wird 30 min lang bei einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von +20°C/min, einem Druck von 1 Atmosphäre und einer Tempe­ ratur von 300°C in einer 90% Ar und 10% H2 enthalte­ nen Atmosphäre geglüht. Dabei wird gemäß Fig. 21F die CuO-Verdrahtungsschicht 136 zur Umwandlung in eine Cu- Verdrahtungsschicht 138 reduziert, während der Ti-Film zur Umwandlung in einen TiO-Film 139 oxidiert wird. Da das Volumen des Ti-Films während seiner Oxidation zu­ nimmt, wird auch bei einer Volumenverkleinerung des TiO-Films während der Reduktion von CuO kein Spalt oder Zwischenraum zwischen der Cu-Verdrahtungsschicht 138 und den Seitenwänden bzw. Flanken der Rille 133 gebil­ det. Schließlich wird gemäß Fig. 21G der TiO-Film 139 durch Naßätzen entfernt, wobei eine Cu-Verdrahtungs­ schicht geformt werden kann.
Obgleich bei dieser Ausführungsform Ti als Reduziermit­ tel für CuO, benutzt wird, kann auch V, Cr, Ni, Nb oder dergleichen verwendet werden. Darüber hinaus kann wäh­ rend des Glühens ein als Reduziermittel dienendes Me­ tall durch das reduzierende Gas gleichzeitig mit der Oxidation eines reduzierten Metalls reduziert werden.
Beispiel 2
Als Verfahren zum Formen einer Rille in einem Halblei­ tersubstrat zur Ausbildung einer Verdrahtungsschicht in der Rille ist folgendes Verfahren bekannt: Im Substrat wird eine Rille geformt, und auf der Gesamtoberfläche des Substrats wird ein Cu-Film erzeugt, der in der Form einer Decke vorliegt; der vorliegende oder verbliebene Cu-Film wird so poliert, daß der Cu-Film nur in der Rille zurückbleibt. Da jedoch ein Metall, wie Cu, weich ist und ausgezeichnete Biegsamkeit und Umformbarkeit be­ sitzt, läßt sich der Metallbereich leichter polieren als das Halbleitersubstrat, so daß letzteres nicht ohne weiteres flach ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist auch folgendes Verfahren bekannt: Ein aus einem Me­ tall, wie W, einer vergleichsweise großen Härte wird auf dem aus einem weichen Metall bestehenden Cu-Film er­ zeugt, um die Poliereigenschaften zu verbessern; sodann wird die Oberseite des so erhaltenen Gebildes poliert.
Bei diesem Verfahren treten die in Fig. 22 veranschau­ lichten Probleme auf. Genauer gesagt: in dem auf einem Halbleitersubstrat erzeugten SiO2-Film 141 ist oder wird eine Rille 142 zur Ausbildung einer Verdrahtungs­ schicht geformt, und ein Sperrmetallfilm 143 wird dar­ auf gebildet. Auf dem Sperrmetallfilm 143 wird ein Cu- Film erzeugt, worauf das so erhaltene Gebilde poliert wird. Auf diese Weise wird eine Cu-Verdrahtungsschicht 144 geformt, in welcher beim Polieren durch die Polier­ mittelteilchen Kratzer 145 auftreten. Dabei hängt die Poliergeschwindigkeit von einer Mustergröße ab; dabei tritt eine sog. Durchbiegungs- oder Auswaschungserschei­ nung auf, bei welcher im Mittelbereich der Cu-Verdrah­ tungsschicht 144 ein vertiefter Abschnitt entsteht. In dem Bereich, in welchem diese Erscheinung auftritt, ist die IW-Beständigkeit infolge einer Spannungskonzentra­ tion verschlechtert. Außerdem wird in einem Bereich 146 einer kleinen Musterbreite die Cu-Verdrahtungsschicht 144 aufgrund der Durchbiegungs- bzw. Auswascherschei­ nung teilweise abgetragen.
Gemäß Fig. 23 befindet sich ein Kontaktbereich 153 zwi­ schen der Oberseite 151 einer Cu-Verdrahtungsschicht und einer Flanke 152 einer Rille an einem oberen Ende der Rille. Wenn die Cu-Verdrahtungsschicht 154 eine in Aufwärtsrichtung vorstehende Form aufweist, diffundiert Cu 155 als Hauptkomponente der Cu-Verdrahtungsschicht 154 aus einer Grenzfläche 158 zwischen einem Sperrenme­ tall 156, das auf der Flanke geformt ist, und einen auf der Oberseite der Cu-Verdrahtungsschicht geformten Sper­ renmetall 157 in einen Isolierfilm 159 ein, wodurch ein fehlerhafter Betrieb eines (daraus hergestellten) Ele­ ments sowie ein Kurzschluß zwischen den Verdrahtungs­ schichten herbeigeführt werden.
Die elfte Ausführungsform der Erfindung weist das fol­ gende kennzeichnende Merkmal auf: Wenn ein Metalloxid zu einem Metall reduziert wird, verkleinert sich das Vo­ lumen des Metalloxids; eine Verdrahtungsschicht weist dabei aufgrund von Metallkoagulation, durch Oberflächen­ spannung verursacht, eine gekrümmte Oberfläche einer in Aufwärtsrichtung vorstehenden Form auf. Die Verdrah­ tungsschicht mit der genannten Form wird kaum mit einer konzentrierten (mechanischen) Spannung beaufschlagt, so daß sie für Spannungswanderung beständig ist. Außerdem ist die Verdrahtungsschicht in der Rille enthalten, und ihre Oberseite ist mit einem Metal beschichtet, das vom Metall der Verdrahtungsschicht verschieden ist. Da hierdurch die Länge einer Diffusionsstrecke eines Me­ talls vergrößert ist, kann eine Diffusion des Metalls unterdrückt werden.
Die Fig. 24A bis 24H sind Schnittansichten zur Veran­ schaulichung der Schritte bei der Erzeugung oder Ausbil­ dung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zwölf­ ten Ausführungsform der Erfindung. Gemäß Fig. 24A wird ein thermischer Oxidfilm bzw. SiO2-Film 162 einer Dicke von 1,0 µm auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 161 erzeugt, wobei auf dem thermischen Oxid­ film bzw. SiO2-Film 162 durch (Kathoden-)Zerstäubung ein Kohlenstoff-(C-)Film 163 mit einer Dicke von 0,01 µm geformt wird. Auf dem SiO2-Film 162 wird auf photolithographischem Wege eine Resistschicht gebildet, worauf der C-Film 163 und der SiO2-Film 162 unter Benut­ zung der Resistschicht als Maske durch reaktives Ionen­ ätzen (RIE-Verfahren) geätzt werden. Anschließend er­ folgt ein Veraschen des Resistmusters durch ein abwärts strömendes Plasma aus Fluor und Sauerstoff mit H2O zwecks Ausbildung einer Rille 164 einer Breite von 0,3 µm und einer Tiefe von 0,4 µm. Infolgedessen ver­ bleibt gemäß Fig. 24B der C-Film 163 nur auf den vorste­ henden Bereichen des SiO2-Films 162, wobei die Rille 164, deren Innenseite oder Innenfläche durch den SiO2- Film 164 definiert ist, geformt wird.
Gemäß Fig. 24C wird auf der Gesamtoberfläche des Halb­ leitersubstrats 161 durch Zerstäubung ein Nb-Film 165 einer Dicke von 0,04 µm erzeugt. Gemäß Fig. 24D wird ein CuO-Film 166 einer Dicke von 0,4 µm durch Kollimati­ ons-Zerstäubung erzeugt. Der CuO-Film wird gemäß Fig. 24E mit Ausnahme des in der Rille 164 erzeugten Teils desselben durch Polieren zur Ausbildung der CuO- Verdrahtungsschicht 166 entfernt. Beim Polieren des CuO-Films und des Nb-Films 165 wird als Polierlösung al­ kalisches kolloidales Siliziumoxid eines pH-Werts von etwa 8,5 benutzt, während ein vergleichsweise weiches Kissen oder Polster aus aufgeschäumtem Polyurethan als Poliergewebe oder -tuch benutzt wird. Eine auf das Halb­ leitersubstrat beim Polieren wirkende Belastung wird auf etwa 30 g/cm2 eingestellt. Die Zuführgeschwindig­ keit der Polierlösung wird auf 200 ml/min eingestellt; die Drehzahl des Halbleitersubstrats und eines Drehti­ sches beträgt 100/min. Die Poliergeschwindigkeit des CuO-Films beträgt dabei 0,8 µm/min. Der nur auf den vor­ stehenden Bereichen des SiO2-Films 162 verbliebene C- Film 163 wird unter den angegebenen Bedingungen kaum po­ liert, so daß der Kohlenstoff 163 als Polierstopper zur Beendigung des Polierens in der Position dieses Films 163 dient.
Gemäß Fig. 24F erfolgt anschließend ein 30 min dauern­ des Glühen bei 500°C in einer reduzierenden Gasatmosphä­ re mit 20% H2 und 80% Ar zwecks Reduzierung der CuO- Verdrahtungsschicht 166, wodurch eine Cu-Verdrahtungs­ schicht 167 geformt wird. Auf die in Fig. 24G gezeigte Weise wird ein W-Film 168 einer Dicke von 0,05 µm nach einem selektiven CVD-Verfahren unter Verwendung von WF6 und SiH4 lediglich auf der Cu-Verdrahtungsschicht 167 geformt. Wenn dabei der W-Film 168 höher ragt als der vorstehende oder hochragende Bereich des SiO-Films 162, kann ein überschüssiger W-Film durch Polieren abgetra­ gen werden, um die Oberfläche des so erhaltenen Gebil­ des flach auszugestalten. Schließlich wird gemäß Fig. 24H der C-Film 163 durch Veraschen mittels eines Sauerstoffplasmas entfernt. Der C-Film 163 kann auch durch ein Sauerstoffplasma entfernt werden, bevor die CuO-Verdrahtungsschicht 166 reduziert wird.
Bei der auf oben beschriebene Weise erzeugten Verdrah­ tungsschicht ist gemäß Fig. 25 eine Rille 172 in einem auf einer Halbleiteranordnung (einem Halbleitersub­ strat) erzeugten SiO2-Film 171 geformt; auf den Flanken 173 und einer Bodenfläche oder Sohle 174 der Rille ist ein Nb-Film 175 ausgebildet, während ein W-Film 178 auf einer Oberseite 177 der Verdrahtungsschicht erzeugt ist. Dabei ist der Berührungs- bzw. Kontaktpunkt zwi­ schen der Oberseite 177 der Verdrahtungsschicht und der Flanke 173 der Nut mit P bezeichnet; der Winkel zwischen der Flanke 173 der Nut und einer Tangente X der Oberseite 177 am Punkt P ist mit Θ bezeichnet. Ein Win­ kel zwischen der Oberseite 177 und einer Tangente Y am Scheitel der Oberseite 177 ist mit Θ' bezeichnet. Dabei besitzt die Oberseite 177 eine in Aufwärtsrichtung ra­ gende Form, und der Punkt P muß aus dem im folgenden an­ gegebenen Grund zwischen einem oberen Ende Q und einem unteren Ende R der Flanke 173 der Rille liegen. Da sich nämlich das Volumen des CuO-Films beim Glühen von CuO zur Reduktion zu Cu verkleinert, wirkt eine Kraft im Sinne einer Verkleinerung der Oberfläche des CuO-Films, so daß die Oberfläche, d. h. die Oberseite 177 der Ver­ drahtungsschicht, eine nahezu kreisförmige bzw. kreisbo­ genförmige Gestalt erhält. Infolgedessen liegt der Punkt P zwischen den oberen und unteren Enden Q bzw. R. In diesem Fall genügen die Winkel Θ und Θ' den Bedingun­ gen O < Θ < 90° und Θ < Θ'.
Bei dem für diese Ausführungsform beschriebenen Verfah­ ren betragen beispielsweise der Winkel Θ 16° und der Winkel Θ' 47°. Die Winkel Θ und Θ' hängen von den Ad­ häsionseigenschaften (der Haftung) zwischen dem Metall der Verdrahtungsschicht und dem Sperrenmetall sowie einem Verfahren zur Erzeugung eines Metalloxids ab; sie können zweckmäßig geändert werden. Die Oberseite 177 der Verdrahtungsschicht weist eine in Aufwärtsrichtung ragende oder vorstehende gekrümmte Form auf. Die Quer­ schnittsform der Verdrahtungsschicht entspricht jedoch nahezu einem Kreis; eine (mechanische) Spannung kann sich daher leicht an der Verdrahtungsschicht konzentrie­ ren. Wenn weiterhin W als ein Feuerfestmetall auf die Oberseite aufgetragen wird, kann eine an der Verdrah­ tungsschicht selbst wirkende Spannung verringert wer­ den, so daß eine Verdrahtungsschicht ausgezeichneter Zu­ verlässigkeit erhalten werden kann. Wenn darüber hinaus ein Metall, das vom Metall der Verdrahtungsschicht ver­ schieden ist, auf letztere aufgetragen wird, um eine Diffusion des Verdrahtungsschichtmaterials zu verhin­ dern, wird die Grenzfläche zwischen der Verdrahtungs­ schicht und dem aufgetragenen Metall (der Metallbe­ schichtung), d. h. eine Strecke P-Q, als Diffusions­ strecke benutzt. Bei der Form der Verdrahtungsschicht gemäß dieser Ausführungsform erfolgt eine Diffusion nicht leichter als bei der herkömmlichen Form, welche der Bedingung P = Q genügt. Auf diese Weise kann eine Elektrode oder eine Verdrahtungsschicht hoher IW- und SW-Beständigkeit sowie eines niedrigen elektrischen spe­ zifischen Widerstands erhalten werden. Durch Wiederho­ lung der Schritte nach den Fig. 24A bis 24H kann außer­ dem eine mehrlagige Verdrahtungsstruktur erzeugt wer­ den. Bei diesem Beispiel wurde für die Ausbildung der obenliegenden W-Schicht die selektive CVD-Methode ange­ wandt. Es kann jedoch auch das stromlose Galvanisierver­ fahren angewandt werden. Das Material der obenliegenden Schicht ist nicht auf W beschränkt, sondern kann auch aus Cr, Pd o. dgl. bestehen.
Beispiel 3
Wenn bei der Herstellung einer herkömmlichen Verdrah­ tungsschicht Cu als Verdrahtungsmaterial benutzt wird, diffundiert dieses mit sehr hoher Geschwindigkeit in einen SiO2-Film ein. Diese Diffusion wirft ein Problem auf. Wenn gemäß Fig. 26 eine Cu-Verdrahtungsschicht 183 un­ mittelbar auf einem SiO2-Film 182 erzeugt wird, der auf dem Halbleitersubstrat 181 geformt ist, wie dies bei einer herkömmlichen Al-Verdrahtungsschicht der Fall ist, tritt auch bei niedriger Temperatur (Atmosphären­ temperatur) eine Diffusion von Cu-Atomen 184 in den SiO2-Film 182 auf, wobei Cu-Atome 184 aus der Cu-Verdrahtungsschicht 183 in den tiefen Bereich eines Iso­ lierfilms eindiffundieren und damit einen Betriebs- oder Arbeitsfehler eines entsprechenden Elements herbei­ führen.
Als Möglichkeit zur Lösung obigen Problems ist gemäß Fig. 27 ein Verfahren zur Erzeugung oder Ausbildung einer Sperrschicht 185 als Diffusionssperre zwischen dem SiO2-Film 182 und der Cu-Verdrahtungsschicht 183 be­ kannt. Ein Sperrschichtmetall ist jedoch im allgemein polykristallin, so daß die Cu-Atome 184 in einem Hochtemperaturschritt von einer Kristall­ korngrenze in das Sperrenmetall eindiffundieren. Diese Erscheinung tritt auch bei einer in einer Rille vergra­ benen Verdrahtungsschicht auf und wirft ein sehr ernst­ haftes Problem auf.
Die zwölfte Ausführungsform der Erfindung weist fol­ gendes kennzeichnendes Merkmal auf: Eine als Sperr­ schicht oder Adhäsionsschicht dienende Metall- oder Me­ tallnitridschicht und ein als Verdrahtungsschicht oder Elektrode zu benutzender Metalloxidfilm sind oder wer­ den auf einem Isolierfilm geformt, der auf einem Halb­ leitersubstrat erzeugt ist. Diese Schichten und Filme werden in reduzierender Atmosphäre zur Ausbildung der Elektrode oder Verdrahtungsschicht geglüht.
Ein Metall oder Metallnitrid in der Metall- oder Metall­ nitridschicht ist polykristallin, so daß eine Diffusion mit maximaler Geschwindigkeit in einer Kristallkorngren­ ze auftritt. Wenn ein Metalloxid zu einem Metall redu­ ziert wird, oxidieren einige der mit Metallatomen kombi­ nierten Sauerstoffatome die Kristallkorngrenze der Me­ tall- oder Metallnitridschicht, indem sie die Kristall­ korngrenze der Metall- oder Metallnitridschicht als Dif­ fusionsstrecke nutzen. Es ist allgemein bekannt, daß ein Metalloxid oder Metallnitrid eine Kristallstruktur einer höheren Dichte als derjenigen eines Metalls auf­ weist, so daß es als ausgezeichnete Barriere oder Sper­ re für Diffusion benutzbar ist. Da gemäß der Erfindung eine als Diffusionsstrecke dienende bzw. wirkende Korn­ grenze bevorzugt blockiert ist, kann die Diffusion un­ terdrückt sein. Darüber hinaus erfolgt dabei die Oxida­ tion der Sperrschicht längs der Kristallkorngrenze. Aus diesem Grund kann die Oxidation des Kristalls der Sperr­ schicht selbst unterdrückt sein oder werden, wobei die Diffusion unterdrückt sein kann, ohne bei der Ausbil­ dung einer mehrlagigen Verdrahtungsstruktur eine Erhö­ hung des spezifischen Widerstands eines Kontaktab­ schnitts hervorzurufen.
Die Fig. 28A bis 28E veranschaulichen in Schnittansich­ ten die Schritte bei der Ausbildung einer Metall-Ver­ drahtungsschicht gemäß der zwölften Ausführungsform der Erfindung. Wie in Fig. 28A gezeigt, wird auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 191 ein eine Dicke von 1,0 µm aufweisender thermisch oxidierter SiO2-Film 192 erzeugt, auf welchem auf photolithographi­ schem Wege ein Resistmuster geformt wird; sodann wird der SiO2-Film 192 durch reaktives Ionenätzen unter Be­ nutzung des Resistmusters als Maske geätzt. Hierauf er­ folgt eine Veraschung des Resistmusters unter Ausbil­ dung einer Rille 193 einer Breite von 0,3 µm und einer Tiefe von 0,4 µm. Gemäß Fig. 28B wird auf der Gesamt­ oberfläche des Halbleitersubstrats durch (Kathoden-)Zer­ stäubung ein 0,04 µm dicker Nb-Film 194 erzeugt.
Gemäß Fig. 28C wird ein 0,4 µm dicker CuO-Film 195 durch Kollimations-Zerstäubung erzeugt. Der CuO-Film 195 wird mit Ausnahme seines in der Rille 193 befindli­ chen Teils durch Polieren abgetragen, um eine CuO-Verdrahtungsschicht 196 zu bilden. Beim Polieren des CuO- Films 195 und des Nb-Films 194 wird als Polierlösung al­ kalisches kolloidales Siliziumoxid eines pH-Werts von etwa 8,5 benutzt. Als Poliertuch wird ein Polster oder Kissen aus einem Faservlies verwendet. Die beim Polie­ ren auf das Halbleitersubstrat ausgeübte Belastung wird oder ist auf etwa 100 g/cm2 eingestellt; die Zufuhrmen­ ge an Polierlösung beträgt 200 ml/min. die Drehzahl von Halbleitersubstrat und Drehtisch 100/min. Die Polier­ geschwindigkeit am CuO-Film beträgt dabei 0,8 µm/min.
Gemäß Fig. 28E erfolgt ein 30 min langes Glühen bei 500°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit 20% H2 und 80% Ar zwecks Reduzierung der CuO-Verdrahtungs­ schicht 196, um damit eine Cu-Verdrahtungsschicht 197 zu formen.
Bei der auf oben beschriebene Weise geformten Verdrah­ tungsschicht sind gemäß Fig. 29 ein Oxidfilm 202 in einer in einem Halbleitersubstrat 201 ausgebildeten Ril­ le und eine Cu-Verdrahtungsschicht 205 auf den Flanken 203 und der Sohle 204 der Rille erzeugt. In der Rille ist eine Cu-Verdrahtungsschicht 206 geformt. Beim Ver­ fahren gemäß den Fig. 28A bis 28E ist der NbO-Film 208 an der Kristallkorngrenze des Nb-Films 205 gebildet.
Die Fig. 30 und 31 veranschaulichen Profile in der Tie­ fenrichtung für den Fall, daß ein mehrlagiger Cu/Nb/­ SiO2-Dünnfilm einer Elementanalyse mittels eines Auger- Elektronenspektroskops (AES) unterworfen wird. In den Fig. 30 und 31 ist jeweils an der linken Seite eine als oberste Schicht dienende Cu-Schicht angegeben, während an der rechten Seite eine als darunterliegende oder untere Schicht dienende SiO2-Schicht dargestellt ist. Fig. 30 veranschaulicht das Tiefenrichtungs-Profil einer nach einem herkömmlichen Erzeugungsverfahren her­ gestellten Verdrahtungsstruktur, d. h. einer Verdrah­ tungsstruktur, die erhalten wurde durch aufeinanderfol­ gendes Erzeugen eines Nb-Films und eines Cu-Films auf einem SiO2-Film und Glühen dieser Filme bei 500°C in einer Ar/H2 (20%) enthaltenden Atmosphäre. Fig. 31 veran­ schaulicht andererseits das Tiefenrichtungs-Profil einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Verdrahtungsstruktur. Diese Verdrahtungsstruktur wird bzw. wurde wie folgt hergestellt: Auf einem SiO2-Film wird ein Nb-Film erzeugt, auf dem wiederum ein CuO-Film geformt wird, worauf diese Filme bei 500°C in einer Ar/H2 (20%) enthaltenden Atmosphäre zwecks Reduzierung von CuO zu Cu geglüht werden.
Bei der in Fig. 31 gezeigten Verdrahtungsschicht gemäß der Erfindung läßt sich nachweisen, daß O auf der Ober­ fläche der Nb-Schicht unter der Cu-Schicht vorhanden ist; ersichtlicherweise wird dabei die Nb-Oberfläche durch das Reduzieren von CuO oxidiert. Bei der angegebe­ nen herkömmlichen Verdrahtungsschicht und der erfin­ dungsgemäßen Verdrahtungsschicht wurde die Diffusion von Cu in die SiO2-Filme mittels eines Sekundärionenmas­ senspektrographen (SIMS) untersucht. Dabei wurde bezüg­ lich der herkömmlichen Verdrahtungsschicht festge­ stellt, daß beim Glühen bei 850°C Cu in den SiO2-Film eindiffundiert war, während für die erfindungsgemäße Verdrahtungsschicht festgestellt wurde, daß bei diesem Glühen kein Cu in den SiO2-Film eindiffundierte. Bei der erfindungsgemäßen Verdrahtungsschicht war ein bei der Ausbildung einer mehrlagigen Verdrahtungsstruktur erhaltener oder erzielter Kontaktwiderstand dem bei der nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Verdrah­ tungsschicht gleich. Eine durch Oxidation von Nb verur­ sachte Erhöhung des spezifischen Widerstands wurde nicht festgestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß ne­ ben Nb als Sperrmetall auch W, Mo, Cr, V, Ta, Ti, Zr, Hf o. dgl. benutzt werden kann.
Fig. 32 ist eine Schnittansicht einer Metallverdrah­ tungsschicht. Auf einem SiO2-Film 212, der auf einem Halbleitersubstrat 211 aus Silizium ausgebildet ist, sind ein Sperrenmetall- oder Metallsperrfilm 213 (TiN 0,08 µm/Ti 0,02 µm) und ein CuO-Film erzeugt; diese Filme sind zur Bildung einer Cu-Schicht 214 einer Dicke von 0,03 µm reduziert. Eine Verdrahtungsschicht einer Breite von 0,3 µm und einer Dicke von 0,4 µm ist durch die Cu-Schicht 214 gebildet. Die Ausbildung dieser Ver­ drahtungsschicht geschieht wie folgt: Ein Sperrmetall­ film 213 und der CuO-Film werden auf der Gesamtoberflä­ che des SiO2-Films 212 erzeugt; ein Resist wird auf pho­ tolithographischem Wege gemustert, und eine CuO/TiN/Ti- Verdrahtungsschicht wird durch reaktives Ionenätzen bei 180°C und Veraschung mit O2 ausgebildet. Danach wird das erhaltene Gebilde in einer reduzierenden Atmosphäre zur Formung der Verdrahtungsschicht geglüht. Als Barri­ eren- bzw. Sperrmetall dienendes TiN besitzt eine zylin­ drische polykr 10960 00070 552 001000280000000200012000285911084900040 0002004325706 00004 10841istalline Struktur, wobei ein bei der Re­ duktion von CuO zu Cu entstandenes Ti-Oxinitrid in bzw. an der Kristallkorngrenze von TiN vorhanden ist. Bei der für diese Ausführungsform beschriebenen Verdrah­ tungsstruktur kann die Diffusion von Cu in die untere Schicht in höherem Maße als beim Stand der Technik un­ terdrückt werden, ohne dabei eine Erhöhung des Kontakt­ widerstand herbeizuführen. Auf diese Weise wird eine Elektrode oder eine Verdrahtungsschicht einer hohen SW- und IW-Beständigkeit sowie eines niedrigen (elektri­ schen) spezifischen Widerstands erhalten.
Beispiel 4
Für die Erzeugung eines CuO-Films in einer Sauerstoffatmos­ phäre kann unter Anwendung eines Zerstäubungsverfahrens eine Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung benutzt werden, die einen Film mit hoher Geschwindigkeit in einem Hochvakuumzustand zu erzeugen vermag.
Da bei der Magnetronzerstäubung Cu-Atome ans allen Rich­ tungen auf ein Substrat aufgesprüht werden, hängt die Form des zu erzeugenden Films von einem erwarteten oder zu erwartenden Winkel ab, wobei der Film ohne weiteres die in Fig. 33 gezeigte Form aufweisen kann. Wenn näm­ lich ein CuO-Film 222 auf einem Isolierfilm 221, der eine Rille aufweist und auf einem Substrat ausgebildet ist, geformt wird, besitzt dieser CuO-Film 222 eine überhängende Form 223, wobei im Mittelbereich der Rille leicht eine Pore oder ein Hohlraum 224 entstehen kann. Aus diesem Grund läßt sich der Cu-Film nicht ohne weite­ res so formen, daß er gleichmäßig in der Rille vergra­ ben ist.
Andererseits ist ein Verfahren zum gleichmäßigen Vergra­ ben bzw. Einlassen eines Cu-Films in einer Rille mit­ tels des sog. Kollimations-Zerstäubens (collimation sputtering) bekannt. Bei dieser Methode ist ein Kolli­ mator zwischen einem Zerstäubungstarget und einem Sub­ strat angeordnet, und das Zerstäuben erfolgt unter Steuerung einer Richtung in der Weise, daß ein Auftreff­ winkel von Metallatomen auf dem Substrat bei nahezu 90° gegenüber dem Substrat liegt.
Bei der Ausbildung eines CuO-Films nach diesem Verfah­ ren entsteht jedoch im Mittelbereich einer Rille 233 ein Cu-Film einer Dichte gleich derjenigen eines CuO- Films 232, der auf einem vorstehenden oder hochragenden Abschnitt eines Isolierfilms 231 erzeugt ist. Da jedoch der Auftreffwinkel von Cu-Atomen gegenüber dem Substrat bei nahezu 90° liegt, wird auf jedem Flankenabschnitt der Rille ein CuO-Film 234 einer niedrigen Dichte er­ zeugt. Die Ätzgeschwindigkeit ist beim CuO-Film 234 er­ heblich höher als bei dem im Mittelbereich der Rille entstandenen CuO-Film, wobei ein Spalt oder Zwischen­ raum an jedem Flankenabschnitt einer herzustellenden Verdrahtungsschicht gebildet und dadurch die Zuverläs­ sigkeit der Verdrahtungsschicht beeinträchtigt wird. Es hat sich gezeigt, daß im Flankenabschnitt der Verdrah­ tung aufgrund von Zusammenziehung ein Spalt oder Zwi­ schenraum auch dann entsteht, wenn der CuO-Film zu einem Cu-Film reduziert wird. Fig. 35 veranschaulicht einen Zustand, in welchem Atome auf dem eine Rille auf­ weisenden Substrat in lotrechter Richtung abgelagert werden. Hierbei wird angenommen, daß keine Atomwande­ rung auf der Substratoberfläche vorliegt. Beispielswei­ se werden CuO-Atome 241 abgelagert, eine hochdichte Oberfläche auf einer Fläche 242 parallel zum Substrat unter Verringerung der Energie des Systems geformt und die Dichte des an dieser Stelle geformten Films ver­ gleichsweise hoch. Im Gegensatz dazu werden CuO-Atome auf einer senkrecht zum Substrat liegenden Fläche 243 in einer niedrigen Dichte abgelagert, so daß (dort) ein Film einer niedrigen Dichte entsteht. Dieses Problem be­ steht besonders im Schritt des Auffüllens einer Rille oder eines Lochs bei der Ausbildung eines Durchgangs­ lochs oder einer Kondensatorelektrode.
In einem weiteren Verfahren wird ein dünner Film oder Dünnfilm durch Schwingenlas­ sen eines Substrats gleichmäßig an den Seitenwänden bzw. Flanken der Rille erzeugt. Das Substrat wird dabei in Schwingbewegung versetzt, und Atome lagern sich dabei in hoher Dichte derart ab, daß ein Winkel i zwi­ schen der Einfallsrichtung der Atome (Partikel) und der Substratoberfläche nahe bei 90° liegt, so daß ein Film einer hohen Dichte entsteht.
Fig. 36A ist eine schematische Darstellung einer bei diesem Verfahren verwendeten Zerstäu­ bungsvorrichtung. Die Vorrichtung gemäß Fig. 36A weist eine Vakuumkammer 251 auf, in deren unterem Bereich ein Target 252 angeordnet ist. Darüber befindet sich ein Substrathalter 253a in einer dem Target 252 zugewandten Stellung; am Substrathalter 253 ist mittels eines nicht dargestellten statischen oder feststehenden Spannfut­ ters das Halbleitersubstrat 253 befestigt bzw. auf ge­ spannt. Der Abstand zwischen dem Target 252 und dem Halbleitersubstrat 253 ist größer als beim Stand der Technik, d. h. auf etwa 600 mm eingestellt. Außerdem ist der Vakuumgrad in der Vakuumkammer 251 auf 1/10 desjeni­ gen beim Stand der Technik, d. h. etwa 0,03 Pa einge­ stellt. Infolgedessen liegt die Einfalls- oder Auftreff­ richtung der aus dem Target 252 zerstäubten Atome auf das Halbleitersubstrat 253 gemäß Fig. 36 nahezu senk­ recht zu einer Targetoberfläche 255. Das Halbleitersub­ strat 253 wird dabei in Schwingbewegung versetzt.
Der Ausdruck "Schwingbewegung" bedeutet dabei, daß ein Winkel Θ zwischen der Auftreffrichtung 254a von Atomen und der Richtung 254b der Substrat-Mittelachse 256 mit einer Geschwindigkeit von 1°/s innerhalb eines Bereichs von ±90° (ausschließlich -90°), vorzugsweise in einem Bereich von ±45°, von 0° aus mittels eines Rotations­ motors 258 geändert wird, während das Halbleitersub­ strat 253 durch einen Rotationsmotor 257 für die Sub­ strat-Mittelachse mit einer Drehzahl von 10/min um eine Mittelachse 256 in Drehung versetzt wird (vgl. Fig. 35B). Als Möglichkeit zur Steuerung der Einfalls- oder Auftreffrichtung von Atomen kann außerdem die Kol­ limations-Zerstäubung durch Einfügung eines Kollimators zwischen das Target 252 und das Halbleitersubstrat 253 angewandt werden. Drehzahl, Neigungswinkel und Drehfre­ quenz des Halbleitersubstrats 253 können dabei zweckmä­ ßig gewählt werden. Beispielsweise kann folgende Metho­ de angewandt werden: Der Winkel Θ wird von 0° aus in einen Bereich von ±45° geändert; Atome werden an den Flanken der Rille in einem gewissen Maß abgelagert, und die Filmerzeugung erfolgt in der Weise, daß der Winkel Θ auf 90° festgelegt ist. Während das Halbleitersub­ strat 253 schwingt, kann es um seine Mittelachse 256 ro­ tieren, während die Mittelachse 256 eine Präzessions­ bewegung um eine senkrecht zur Targetoberfläche 255 ste­ hende Achse unter allmählicher Verkleinerung des genann­ ten Winkels Θ ausführen kann.
Die Fig. 37A bis 37D sind Schnittdarstellungen zur Ver­ deutlichung der Schritte bei der Erzeugung oder Ausbil­ dung einer Cu-Verdrahtungsschicht unter Anwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 36. Gemäß Fig. 37A wird eine Ril­ le 263 einer Breite von 0,6 µm und einer Tiefe von 0,4 µm in einem auf einem Halbleitersubstrat 261 geform­ ten SiO2-Film 262 ausgebildet. Auf der Oberseite des so erhaltenen Gebildes wird ein eine Dicke von 0,04 µm be­ sitzender und als Cu-Diffusionsbarriere oder -sperre dienender Nb-Film 264 erzeugt. Gemäß Fig. 37B findet in der Zerstäubungsvorrichtung gemäß Fig. 36 eine chemi­ sche Zerstäubung unter Verwendung eines Cu-Targets bei Zuführung von Ar-Gas und O2-Gas statt, so daß ein CuO- Film 265 einer Dicke von 0,04 µm erzeugt wird. Dabei entsteht im CuO-Film in der Rille 263 kein Spalt oder Zwischenraum.
Gemäß Fig. 37C werden der CuO-Film 265 und der Nb-Film 264 mit Ausnahme ihrer in der Rille 263 befindlichen Teile durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) unter Verwendung von kolloidalem Siliziumoxid zur Ausbildung einer CuO-Verdrahtungsschicht 266 abgetragen. Dabei kann kein Spalt oder Zwischenraum an den Flankenab­ schnitten der Rille 263 festgestellt werden. Schließ­ lich erfolgt ein 30 min langes Glühen bei 500°C in einer reduzierenden Atmosphäre mit 80% Ar und 20% H2 bei 1 Atmosphäre zwecks Erzeugung einer Cu-Verdrahtungs­ schicht 267 (vgl. Fig. 37D). Der spezifische Widerstand der beschriebenen Cu-Verdrahtungsschicht beträgt 1,8 µΩ/cm; an den Flankenabschnitten der Rille ist kein Spalt oder Zwischenraum festzustellen.
Für diese Ausführungsform sind die Schritte der Ausbil­ dung einer Cu-Verdrahtungsschicht beschrieben worden. Die Erfindung ist jedoch auf ein beliebiges Verfahren zur Ausbildung einer vergrabenen Verdrahtungsschicht unter Verwendung von Al oder Ag als Verdrahtungsmateri­ al anwendbar. Wenn darüber hinaus Kontakte zwischen den Schichten einer mehrlagigen Verdrahtungsschicht geformt werden sollen, kann eine hochdichte Elektrode ohne je­ den Spalt oder Zwischenraum ausgebildet werden. Auf die­ se Weise läßt sich eine Verdrahtungsschicht oder eine Elektrode einer hohen IW-Beständigkeit und hoher Zuver­ lässigkeit herstellen.
Die Erfindung ist keineswegs auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise kann der Metalloxidfilm ein Metallfilm sein, der Sauerstoff in einer Menge von 10% oder mehr enthält.
Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß ein Me­ talloxidfilm einer Abnahme oder Verringerung der normalen freien Energie, die kleiner ist als diejenige eines Wasserstoffoxids oder Kohlenstoffoxids, auf einem Sub­ strat erzeugt; das Substrat wird in einer Wasserstoff oder Kohlenstoff enthaltenden reduzierenden Gasatmosphä­ re geglüht, um den Metalloxidfilm zu reduzieren, und dabei eine Elektrode oder eine Verdrahtungsschicht aus einem Metall zu formen, das eine den Metalloxidfilm bil­ dende Hauptkomponente ist. Auf diese Weise kann eine Elektrode oder Metallverdrahtungsschicht hoher IW- und SW-Beständigkeit ohne Einführung einer Erhöhung des spe­ zifischen Widerstands infolge einer Verunreinigung er­ halten werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung, umfassend die folgenden Schritte in zeitlicher Reihenfolge:
Erzeugen eines Metalloxidfilmes (4), direkt auf einem auf einem Halbleitersubstrat (1) erzeugten Isolierfilm (2).
Mustern des Metalloxidfilmes (4) zur Bildung einer Elektrode und/oder eines Verdrahtungsmusters und
Reduzieren des gemusterten Metalloxidfilmes (4) zur Bildung einer Elektroden-Verdrahtungsschicht (5), wobei eine Rille (3) für eine Elektrode oder eine Verdrahtung in einer Oberfläche des Isolierfilmes gebildet und die Elektroden- Verdrahtungsschicht (5) in der Rille (3) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektroden- Verdrahtungsschicht (5) im wesentlichen aus Kupfer oder Silber besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reduktion des Metalloxidfilms (4) durch Wärmebehandlung in einer Wasserstoff oder Kohlenstoff enthaltenden Gasatmosphäre durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verarbeiten ein chemisch-mechanisches Polieren ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Metalloxidfilm (4) durch Kollimationssputtern gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erzeugung des Metalloxidfilmes (4) auf dem Halbleitersubstrat (1) durch Sputtern erfolgt, während das Halbleitersubstrat (1) gedreht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Halbleitersubstrat (1) so in Schwingung versetzt wird, dass eine senkrecht zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) stehende Achse um mehr als -90° und weniger als +90° gegenüber einer Einfallsrichtung von gesputterten Partikeln liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mustern ein reaktives Ionenätzen (RIE) beinhaltet.
9. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung, umfassend die folgenden Schritte in zeitlicher Reihenfolge:
Erzeugen eines Isolierfilmes (32) mit einer einen Rillenabschinitt (33) aufweisenden Oberfläche auf einem Halbleitersubstrat (31),
Erzeugen eines Metalloxidfilmes (34) direkt auf einer Gesamtoberfläche des Isolierfilmes (32), einschließlich des Rillenabschnittes (33),
Entfernen des auf einem vom Rillenabschnitt (33) unterschiedlichen Abschnitt erzeugten Metalloxidfilmes (34) und
Reduzieren des Metalloxidfilmes (34) zur Bildung einer Elektroden-Verdrahtungsschicht (35).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Entfernen des Metalloxidfilmes (34) von dem vom Rillenabschnitt (33) unterschiedlichen Abschnitt nach einem Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe Polierverfahren und Abhebevefahren, durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Reduzieren des Metalloxidfilmes (34) durch Wärmebehandlung in einer Wasserstoff oder Kohlenstoff enthaltenden Gasatmosphäre durchgeführt wird.
12. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung, umfassend die folgenden Schritte in zeitlicher Reihenfolge:
Erzeugen eines Metalloxidfilmes (124), direkt auf einem Halbleitersubstrat (121) gebildeten Isolierfilm (122, 123), und
Reduzieren des Metalloxidfilmes (124) zur Bildung einer Elektroden-Verdrahtungsschicht,
wobei das Reduzieren des Metalloxidfilmes (124) derart durchgeführt wird, dass ein Film (126), der im wesentlichen aus Chrom, Vanadium, Niob, Nickel, Titan und/oder Tantal ausgewählt ist, in Berührung mit dem Metalloxidfilm (124) gebracht wird,
und wobei in einer Oberfläche des Isolierfilmes (122) eine Rille (125) für wenigstens eine Elektrode und eine Verdrahtung geformt und die Elektroden-Verdrahtungsschicht (124) in der Rille (125) ausgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Elektroden- Verdrahtungsschicht im wesentlichen aus Kupfer oder Silber besteht.
14. Verfahren nach Anspruch 12, weiter mit einem Schritt eines Musterns des Metalloxidfilmes (124) in Form einer Elektrode oder einer Verdrahtung vor dem Reduzieren.
15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Erzeugung des Metalloxidfilmes (124) auf dem Halbleitersubstrat (121) durch Sputtern erfolgt, während das Substrat gedreht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Halbleitersubstrat so in Schwingung versetzt wird, dass eine senkrecht zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (121) stehende Achse um mehr als -90° und weniger als +90° gegenüber einer Einfallsrichtung von zu sputternden Partikeln liegt.
17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Metalloxidfilm (124) durch Kollimationssputtern gebildet wird.
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