DE69432352T2

DE69432352T2 - Herstellungsverfahren für Halbleiteranordnung mit besserer Haftung zwischen dielektrischen Lagen

Info

Publication number: DE69432352T2
Application number: DE1994632352
Authority: DE
Inventors: Maurizio Bacchetta; Luca Zanotti; Giuseppe Queirolo
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1994-12-30
Filing date: 1994-12-30
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2014-12-31
Also published as: DE69432352D1

Description

Gebiet der Anmeldung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements mit verbesserter Adhäsion an der Trennfläche zwischen den Schichten aus dielektrischem Material, von der Art, die die Schritte des Bildens einer ersten Schicht aus dielektrischem Material an mindestens einem Teil eines Aufbaus, der in einem Substrat aus Halbleitermaterial begrenzt ist, und des Bildens einer zweiten Schicht aus dielektrischem Material, die die mindestens eine Zone der ersten Schicht überlagert, umfasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Halbleiter-Bauelement, das mit dem Verfahren erhalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine ternäre dielektrische Verbindung aus Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff, die insbesondere für die Verwendung als Adhäsionsschicht zwischen übereinander angeordneten dielektrischen Materialien angezeigt ist.
Stand der Technik
In der vorliegenden elektronischen und optoelektronischen Technik ist die Bedeutung der dielektrischen Materialien, die bei der Verwirklichung von sogenannten Halbleiter-Bauelementen verwendet werden, wohlbekannt. Dieser Begriff bezieht sich auf ein Bauelement, bei dessen Betrieb die physikalischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials, das einen grundlegenden Teil davon bildet, ausgenutzt werden. Ein Halbleiter-Bauelement kann beispielsweise im mikroelektronischen Bereich eine oder mehr integrierte elektronische, in einem Halbleitermaterial gebildete Schaltungen aufweisen.
Bei einem Halbleiter-Bauelement haben Schichten aus dielektrischen Materialien – elektrische und thermische – Isolationsfunktionen zwischen unterschiedlichen Zonen des Bauelements oder zwischen dem Bauelement und der äußeren Umgebung und/oder fungieren als Barrieren für verschmutzende Substanzen, die von der äußeren Umgebung kommen.
Typische dielektrische Materialien auf dem speziellen Gebiet der Mikroelektronik, d.h. der integrierten Schaltungen, sind – dotierte oder nicht dotierte – Siliziumoxide, Siliziumoxynitride und Siliziumnitride.
Bei dem Aufbau einer integrierten Schaltung wird gewöhnlich eine bestimmte Anzahl an Schichten aus dielektrischem Material übereinander angeordnet. Bei den unterschiedlichen Herstellungsschritten des integrierten elektronischen Bauelements werden diese Schichten, die in ihrer Zusammensetzung identisch oder unterschiedlich sind, nacheinander gebildet. Dies erfolgt zum Beispiel in einigen – abschließenden, dazwischenliegenden oder intermetallischen – Passivierungsschritten, d.h. zwischen zwei Metallisierungsstufen des Bauelements. Die isolierende Fähigkeit einer Mehrfachschicht ist höher als die einer einzelnen Schicht. Oft werden nach dem Bilden einer Schicht und vor dem Bilden der nächsten Schicht Zwischenarbeitsgänge durchgeführt. Zum Beispiel wird eine sogenannte Opferschicht gebildet, die dann ganz oder teilweise entfernt wird, oder es wird die erste Schicht teilweise entfernt. Auf jeden Fall befinden sich bei der folgenden Schicht Teile der Oberfläche zumindest teilweise mit der direkt darunter angeordneten Schicht oder Schichten in Kontakt.
Der Bedarf nach einem guten Betrieb der Schaltung und damit der Integrität des Halbleiter-Bauelements macht es erforderlich, dass die Schichten aus dielektrischem Material in den Kontaktzonen fest aneinander haften. Allerdings passiert es manchmal, wie bekannt ist, bei der vorliegenden Technik, dass die Schichten der übereinander angeordneten dielektrischen Materialien Adhäsionsprobleme zeigen und die Tendenz haben, sich abzulösen. Dieses Phänomen ist als Abschälen bekannt.
Die Interpretation dieses Problems ist für den Fachmann noch nicht ausreichend deutlich oder vollständig.
Das Problem der schlechten Adhäsion existiert hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass die Materialien in Form von Schichten vorliegen. Jedes Material in Schichtform zeigt tatsächlich eine innere Spannung, die ein Biegen der Schicht bewirkt, wenn sie einer anderen Schicht überlagert wird. Wenn die Spannung besonders hoch ist, so dass an der Trennfläche Kräfte erzeugt werden, die größer als die Adhäsionskräfte zwischen den Schichten sind, tritt ein Abschälen auf.
Ein sehr wichtiger Grund für eine fehlgeschlagene Adhäsion sind die gegenwärtigen Schichtbildungsverfahren.
Wie bekannt ist, werden die Schichten aus dielektrischem Material, außer der ersten, die gewöhnlich thermisch erhalten werden kann, durch Abscheiden gebildet. Das gebräuchlichste Verfahren ist die chemische Abscheidung in der Dampfphase, die als CVD (chemische Abscheidung) bekannt ist. Chemische Precursoren der Elemente, die abgeschieden werden sollen, werden im gasförmigen Zustand in einem Reaktor reagiert. Gewöhnlich wird ein chemischer Precursor für jedes der in der zu bildenden Verbindung enthaltenen Elemente verwendet.
Ein Dielektrikum, das mittels des CVD-Verfahrens abgeschieden wird, ist bezüglich des Aufbaus und der Zusammensetzung in der Abscheidungsrichtung nicht ganz gleichmäßig, selbst wenn die Verfahrensparameter gut gesteuert werden. Insbesondere sind, wenn das plasmaverstärkte CVD (PECVD)-Verfahren angewendet wird, bei dem eine spezieller Reaktor verwendet wird und die reaktiven Arten in der Reaktionskammer in Form von Plasma erzeugt werden, in den ersten Stufen der Abscheidung die Abscheidungsparameter nicht voll steuerbar. Es gibt zwischen dem Entzünden des Plasmas und dem stationären Betriebszustand des Reaktors eine kurze Zeit der Beruhigung, bevor die Abscheidungsgeschwindigkeit den stationären Zustand erreicht. Die Ungleichmäßigkeit bezüglich des Aufbaus und der Zusammensetzung in den Oberflächenbereichen behindert die Adhäsion der folgenden Schicht mit der Oberfläche, auf der die Abscheidung stattfindet.
Darüber hinaus muss in Betracht gezogen werden, dass eine Sättigung der Oberflächenbindungen aufgrund von vorhandenen störenden Atomen oder sogar einer reinen Unterbrechung des Abscheidungsverfahrens die Adhäsion mit der nachfolgenden Schicht erschwert. Dies kann zum Beispiel in dem Fall auftreten, in dem vor dem Abscheiden der nachfolgenden Schicht die freie Oberfläche zur Entfernung einer Opferschicht einer vorangehenden Behandlung, wie beispielsweise einem chemischen Ätzen, unterworfen wurde.
Die unterschiedlichen Herstellungsschritte für das Bauelement spielen eine weitere wichtige Rolle bei der Verschlimmerung der Adhäsionsschwierigkeiten. Mechanische Spannungen erzeugen eine innere Spannung, zum Beispiel während der Abtrennphase der einzelnen Bauelemente durch Schneiden des Halbleiterchips, auf dem unterschiedliche integrierte Schaltungen ausgebildet sind. Weiterhin müssen Temperaturschwankungen und ein Angriff von kontaminierenden Stoffen aus der äußeren Umgebung, der während des Herstellungszyklus der Schaltung auftreten kann, in Betracht gezogen werden. Diese Wirkungen arbeiten in Richtung auf den Abbau der Zwischenschichtbindungen.
Von Experimenten her ist bekannt, dass die fehlende Adhäsion je nach der Zusammensetzung und dem Aufbau der die Schichten bildenden Materialien mehr oder weniger kritisch ist. Andererseits müssen bekannte Verfahren zum Verbessern der Adhäsion je nach der Zusammensetzung der in Kontakt befindlichen Schichten und nach dem Verfahren, dem die Oberfläche unterworfen wird, auf der die Abscheidung stattfindet, unterschiedlich gewählt werden.
In dem Fall, in dem die Materialien zum Beispiel – dotierte oder nicht dotierte – Siliziumoxide sind, um die Adhäsion zwischen den Schichten der dielektrischen Materialien zu erhöhen, bestehen einige bekannte Verfahren darin, die freie Oberfläche, auf der die Abscheidung stattfindet, in geeigneter Weise zu behandeln.
Um die Adhäsion zwischen den Schichten eines Halbleiter-Bauelements sicherzustellen, ist vorgeschlagen worden, mechanisch die Rauheit der Oberfläche und damit die Angriffsfläche für die abzuscheidenden Reaktionsmittel zu erhöhen. Eine bekannte Lösung forciert dazu auf, die Oberfläche mittels des sogenannten Sputterverfahrens mit Stickstoff- oder Edelgasionen, zum Beispiel Argon, im Plasma zu bombardieren. Diese Lösung wird gewöhnlich im Fall von Siliziumoxiden und insbesondere für die Siliziumoxide, die unter Verwendung von TEOS (Tetraethylorthosilicat) als chemischen Precursor für das Silizium abgeschieden werden, angewendet.
Eine andere Lösungsart, die von dem Stand der Technik vorgeschlagen wird, ist in dem Fall verwendbar, in dem die Oberfläche störende chemische Elemente, zum Beispiel Reste eines vorhergehenden Ätzverfahrens, aufweist. In diesem Fall wird, um die chemische Einheitlichkeit der Trennfläche zu verbessern, mittels chemischen Ätzens im Plasma (Trockenätzen) mit Ionen unterschiedlicher Art, zum Beispiel Sauerstoff oder Gemische aus N2 und NH3, oder in Lösung (Nassätzen) eine Reinigung durchgeführt.
Diese Verfahren, die wahlweise nacheinander angewendet werden, sind jedoch nicht ausreichend wirksam, um ein Ablösen von benachbarten Schichten zu verhindern, falls diese Siliziumoxynitride und Siliziumnitride enthalten. Diese Materialien zeigen eine besonders hohe Eigenspannung, und daher sind die oben erwähnten mechanischen und chemischen Verfahren zum Verbessern der Abscheidungsoberfläche nicht wirksam.
Wenn die benachbarten Schichten Siliziumoxynitride und Siliziumnitride aufweisen, ist vorgeschlagen worden, zum Beispiel wie in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0627753 desselben Anmelders beschrieben, zwischen. benachbarten Schichten aus dielektrischem Material eine Oxidschicht und insbesondere eine Siliziumdioxidschicht, d.h. stöchiometrisches Siliziumoxid, das entweder dotiert oder nicht dotiert ist, anzuordnen.
Dieses Verfahren zeigt den Nachteil, dass es hauptsächlich dort wirksam ist, wo die Schichten aus dielektrischem Material aus Siliziumnitriden und -oxynitriden bestehen. Dieses Verfahren ist insbesondere dann unwirksam, wenn es für Siliziumoxidschichten verwendet wird.
Ein Siliziumkomplex mit der Zusammensetzung SiC_xO_y ist aus der WO-A-90/09883 bekannt, bei der der Kohlenstoffgehalt beispielsweise 25% beträgt. Eine die Adhäsion verbessernde Schicht zwischen zwei SOG-Schichten ist aus der JP-A-6181201 bekannt, wobei die Adhäsionsschicht ein keramischer Film ist, der Silizium, Sauerstoff und vorzugsweise Kohlenstoff enthält.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem ist es, die wirksame Adhäsion zwischen Schichten eines Halbleiter-Bauelements sicherzustellen, und zwar unabhängig von dem chemischen Aufbau derselben und von den Merkmalen ihrer Oberflächenebene.
Zusammenfassung der Erfindung
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements mit verbesserter Adhäsion an der Trennfläche zwischen Schichten aus dielektrischem Material gelöst, bei dem eine Adhäsionsschicht gebildet wird, die ein nicht stöchiometrisches Siliziumoxid mit einem bestimmten Kohlenstoffgehalt umfasst (Anspruch 1). Ein entsprechendes Halbleiter-Bauelement ist im Anspruch 10 beschrieben. Ein nicht stöchiometrisches Siliziumoxidmaterial der Erfindung ist im Anspruch 14 angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise gefunden, dass das Vorhandensein von Kohlenstoff in der Adhäsionsschicht es ermöglicht, eine wirksame Adhäsion zwischen einer ersten Schicht aus dielektrischem Material und einer zweiten Schicht aus dielektrischem Material, die in einem Halbleiter-Bauelement übereinander angeordnet sind, zu erreichen, und zwar unabhängig von der chemischen Zusammensetzung und dem Oberflächenzustand der Schichten. Die Schicht wird gebildet, bevor die zweite dielektrische Schicht bei niedriger Temperatur und in einer Atmosphäre gebildet wird, die im Wesentlichen frei von exogenen oxidativen Substanzen ist. In der vorliegenden Beschreibung bedeuten exogene oxidative Substanzen oxidative Substanzen und insbesondere Sauerstoff, die nicht von denselben Molekülen stammen, die das Silizium und den Kohlenstoff für die Schicht liefern. Die Adhäsionsschicht ist dünn verglichen mit der Dicke der beiden Schichten aus dielektrischem Material, zwischen denen sie angeordnet ist.
Ausführliche Beschreibung
Gemäß der vorliegenden Erfindung auf dem Anwendungsgebiet der integrierten elektronischen Halbleiter-Bauelemente umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit verbesserter Adhäsion an der Trennfläche zwischen Schichten aus dielektrischem Material zuerst die herkömmlichen Arbeitsgänge zum Herstellen von integrierten Schaltungen. Ein integrierter Schaltungsaufbau wird in einem Halbleitermaterialsubstrat, zum Beispiel monokristallinem Silizium, gebildet. Üblicherweise wird hier kurz der Begriff Aufbau verwendet, um unterschiedslos auf eine integrierte Schaltung am Ende deren Ausbildung, d.h. nach dem Bilden der Metallisierungsstreifen, oder auf ein Bauelement in einem anderen Herstellungsschritt Bezug zu nehmen. Auf jeden Fall weist ein Aufbau gewöhnlich Schichten aus leitfähigem Material in seinen oberen Teilen auf.
Auf dem Aufbau ist eine erste Schicht aus schützendem dielektrischem Material angeordnet, die konform zu dem Aufbau selbst ist. Das dielektrische Material kann zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid sein, je nach der Funktion, die sie erfüllen soll. Es ist zum Beispiel bekannt, dass Siliziumoxynitride und Siliziumnitride ausreichend als Barriere gegen das Eindringen von Wasser und Natrium von den außen in das Bauelement dienen. Aus diesem Grund werden im Allgemeinen Siliziumoxynitrid- und Siliziumnitridschichten für das Gebiet der Bauelemente verwendet, die in Kunststoffgehäusen eingekapselt sind, die bekanntermaßen nicht gegen Feuchtigkeit und andere äußere kontaminierende Stoffe isolieren.
Das Ausbilden der ersten Schicht aus dielektrischem Material findet auf herkömmliche Weise statt, gewöhnlich mittels eines der folgenden Verfahren: chemische Niederdruck-Abscheidung (LPCVD), chemische Atmosphärendruck-Abscheidung (APCVD) oder chemische Unterdruck-Abscheidung (SACVD) oder mittels Plasmaverstärkung (PECVD).
Zwischenvorgänge, wie sie oben beschrieben sind, können nacheinander durchgeführt werden, zum Beispiel das Ausbilden einer Opferschicht mit anschließendem Ätzen der Schicht selbst oder nur teilweisem Ätzen der dielektrischen Schicht. Im Umfang der vorliegenden Erfindung läßt die freie obere Oberfläche, wenn sie in dieser Phase der Herstellung des Bauelements auftritt und auf der die nachfolgende Schicht gebildet wird, zumindest in einer Zone Teile der ersten Schicht aus dielektrischem Material unbedeckt.
Danach erfolgt das Bilden einer zweiten Schicht aus dielektrischem Material durch Verfahren, die denen zum Bilden der ersten Schicht aus dielektrischem Material analog sind. Diese zweite Schicht überlagert die erste zumindest in der oben angegebenen Zone.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird an der Trennfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht und vor dem Ausbilden der zweiten Schicht eine dünne dielektrische Adhäsionsschicht gebildet. Sie befindet sich mit der ersten und zweiten Schicht aus dielektrischem Material zumindest in der oben angeführten Zone in Kontakt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dies eine ternäre Verbindung aus Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise die Schicht, die als Kleber fungiert, eine Dicke, die vergleichsweise gering in Bezug auf die beiden Schichten ist, zwischen denen sie angeordnet ist, und in der Größenordnung von ein paar Nanometern oder mehreren zehn Nanometern liegt. Genauer gesagt, kann aus praktischen Verfahrensteuerungsgründen ein bevorzugter Bereich zwischen 5 nm und 50 nm definiert werden. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung entspricht allerdings die minimale ausreichende Dicke einer monatomaren Schicht (Monoschicht), d.h. einer Dicke, die gleich den atomaren Abmessungen (1 nm) ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Adhäsions-Zwischenschicht bei einer Temperatur, die symptomatisch unter 500°C liegt, und in einer Atmosphäre erhalten, die im Wesentlichen frei von exogenen oxidativen Substanzen gehalten wird, d.h. anders als die, die nur von dem Molekül kommen, das dazu verwendet wird, um das Silizium und den Kohlenstoff für die Schicht zur Verfügung zu stellen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kommt das Oxidationsmittel, zum Beispiel Sauerstoff, das für die Oxidation des Siliziums verwendet wird, von demselben Molekül, das das Silizium und den Kohlenstoff liefert.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird die Adhäsionsschicht durch ein plasmaverstärktes chemisches Abscheidungsverfahren gebildet. Die Verfahrenstemperatur liegt zwischen 100°C und 500°C und der Druck zwischen 0,2 – 10 torr (0,03 – 1,33 kPa). Die chemischen Precursoren für die Abscheidung werden, ohne einen speziellen Precursor für den Sauerstoff einzuführen, in den Reaktor eingebracht, wie es gewöhnlich der Fall ist, wenn eine Sauerstoff enthaltende Verbindung, zum Beispiel stöchiometrisches Siliziumoxid, abgeschieden werden soll.
In der Praxis wird bei der bevorzugten Ausführungsform eine einzelne chemische Quelle verwendet, die flüssig oder gasförmig ist und die drei chemischen Elemente Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff und wahlweise Wasserstoff umfasst. Das Silizium dient dazu, ein Dielektrium von Silizium zu bilden, und der Sauerstoff dient zur Oxidation von Silizium. Der Kohlenstoff wird teilweise in Form von Gas freigesetzt und ist teilweise in der Schicht eingebunden.
Die verwendete Quelle wird unter einer der Verbindungen, die gewöhnlich im vorliegenden Stand der Technik als spezielle Precursoren von Silizium verwendet werden, ausgewählt. Vorzugsweise handelt es sich um Tetraethylorthosilikat (bekannt als TEOS) oder Tetramethylcyclotetrasiloxan (auch bekannt als TMCTS) oder dergleichen. Diese Verbindungen bilden gewöhnlich die Grundlage für die Abscheidung von Siliziumoxid zusammen mit separaten Sauerstoffquellen.
Als Verbindungsgruppe, die bei der Bildung der Schicht nützlich ist, sind alle metallischen – organischen Moleküle, die die für die Abscheidung notwendige Art enthalten, d.h. Silizium und Sauerstoff, in Verbindung mit Kohlenstoff oder anderen organischen Gruppen in Betracht zu ziehen. Zum Beispiel
worin R', '', ''' jede organische Gruppe sein können und gleich oder unterschiedlich voneinander sein können und/oder andere Gruppen, die Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten, oder ähnliche Moleküle darstellen können.
Die Formel kann verallgemeinert als -[-O-Si-[O-Rx]₃]_n dargestellt werden, worin Rx eine Alkylgruppe, aliphatische oder aromatische Gruppe ist, die vorzugsweise 1 bis 12 Kohlenstoffatome umfasst.
Die Zusammensetzung und insbesondere der Kohlenstoffgehalt, der in der Adhäsionsschicht vorhanden ist, variieren je nach dem als Precursor verwendeten Molekül und nach den in dem Plasma erzeugten Zuständen (Dichte, Temperatur, Energie) zur Bildung der Schicht.
Das Abscheiden im Plasma kann mittels des standardmäßigen PECVD-Typs erfolgen, d.h. bei dem ein Hochfrequenzgenerator zur Herstellung des Plasma verwendet wird. Andere verwendbare Plasmaabscheidearten sind Elektronenzykotronresonanz (ECR-PECVD), bei der ein Mikrowellengenerator vorhanden ist und das bekannte Phänomen der Zyklotronresonanz oder HDCVD (High Density CVD) verwendet wird, bei dem ein Hochfrequenzgenerator und ein Magnetfeldgenerator gleichzeitig dazu verwendet werden, die Plasmadichte zu erhöhen.
Das gleichzeitige Bestehen der Tatsache, dass bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung spezifische Sauerstoffprecursoren nicht umfasst sind und dass das Abscheidungsverfahren bei einer relativ niedrigen Temperatur stattfindet, ermöglicht die Bildung einer Verbindung, die einen Kohlenstoffgehalt aufweist. In dem Fall, in dem eine der beiden Zustände nicht erfüllt ist, wie das bei bekannten Abscheideverfahren auftritt, ist die erhaltene Verbindung reines Siliziumoxid. Tatsächlich ist die erhaltene Verbindung bei einem Nichtvorhandensein von Sauerstoff aber einer hohen Temperatur um 700°C, zum Beispiel unter Verwendung einer Abscheidung der LPCVD-Art, im Wesentlichen frei von Kohlenstoff, wie in dem Artikel von S. Rojas, A. Modelli und W.S. Wu in J. Vac. Sci. Technol. B8 (6), Nov./Dez. 1990 beschrieben. Andererseits entspricht die Anwendung von niedrigen Temperaturen und das Hinzufügen von Sauerstoffprecursoren zum Beispiel dem bekannten Abscheiden von Siliziumoxid im Plasma.
Es sollte nicht vergessen werden, dass ein vernachlässigbares Vorhandensein von exogenem Sauerstoff in Bezug auf die Precursoren, die in der Abscheidung wirken, zum Beispiel weniger als ein paar sccm für einen Gesamtfluss von Hunderten von sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt und eine Modifikation der Zusammensetzung der erhaltenen Schicht zulassen kann. Darüber hinaus können einige als Precursor verwendete Moleküle eine bestimmte Sauerstoffmenge erfordern, um die Kohlenstoffkonzentration in der abgeschiedenen Schicht zu modifizieren.
Plasmaverstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Dissoziierung der Quellenmoleküle für die Abscheidung selbst bei den niedrigen gewählten Verfahrenstemperaturen.
Die mit diesem Verfahren erhaltene Adhäsionsschicht umfasst vorzugsweise die folgende Atomkonzentration in 10²¹ Atome/cm³
von 15 bis 27 für das Silizium,
von 28 bis 50 für den Sauerstoff,
von 2,5 bis 4,5 für den Kohlenstoff.
Darüber hinaus umfasst die Verbindung auch einen kleinen Prozentsatz an Wasserstoff, d.h. von 0,8 * 10²¹ bis 1,3 10²¹ Atome/cm³.
Das Vorhandensein eines Prozentsatzes an Kohlenstoff in unterschiedlichen Anteilen in dieser dünnen Adhäsionsschicht ist entscheidend für die Sicherstellung der Adhäsion zwischen den beiden Schichten aus dielektrischem Material, zwischen denen sie angeordnet wird.
Die Adhäsion findet experimentell für jede Art dielektrischer Schicht, ob Siliziumoxynitride oder Siliziumnitride oder Siliziumoxide, statt. Im letzteren Fall führt eine Schicht aus stöchimetrischem Siliziumoxid, das im bereits beschriebenen Stand der Technik verwendet wird, nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Und andererseits ist das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, ähnlich dem Stand der Technik, selbst bei der Adhäsion zwischen Schichten aus Siliziumoxynitriden und Siliziumnitriden wirksam.
Die Wirksamkeit des Verfahrens wird durch das Fehlen des Abschälens zwischen den beiden Schichten aus dielektrischem Material gezeigt, wenn der gesamte Aufbau einer starken Spannung unterworfen wird, zum Beispiel wenn darüber eine dicke Schicht (0,8 – 1,0 μm) aus Wolfram oder andere Schichten mit hohen Zug- oder Druckkräften abgeschieden werden.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet in seiner bevorzugten Ausführungsform nicht einen Aufwand bezüglich zusätzlicher Verfahrensschritte, wie im Vergleich zu dem Stand der Technik. Das Verfahren lässt sich auch unter Verwendung von bekannter Ausstattung und Techniken leicht durchführen.
Die niedrige Verfahrenstemperatur ermöglicht auch die Verwendung in einem elektronischen Bauteil über leitfähige Streifen, die bekanntermaßen durch hohe Temperaturen beschädigt werden.
Das beschriebene Verfahren kann natürlich ständig wiederholt werden, um eine Adhäsion zwischen einer dritten, nachträglich gebildeten Schicht aus dielektrischem Material und der zweiten Schicht und so weiter zu ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine ternäre dielektrische Verbindung zur Verfügung gestellt, die besonders zur Verwendung als Adhäsionsschicht zwischen übereinander angeordneten dielektrischen Materialien geeignet ist, wie im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 14 und folgende definiert.
Die vorliegende Erfindung stellt genauer gesagt eine ternäre dielektrische Verbindung aus Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff einer oben bereits ausführlich beschriebenen Zusammensetzung zur Verfügung. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, als Adhäsionsverbindung zwischen Schichten aus dielektrischem Material in einem integrierten elektronischen Halbleiter-Bauelement verwendbar. Aber sie kann auch vorteilhaft in einem anderen als dem oben angegebenen Anwendungsgebiet verwendet werden, zum Beispiel in einem Halbleiter-Bauelement für Optoelektronik oder sogar für die Adhäsion zwischen dielektrischen Schichten, zum Beispiel transparenten oder reflektierenden Schichten, bei herkömmlichen optischen Anwendungen.
Ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht aus dielektrischer, Silizium aufweisender Verbindung wird beschrieben. Die Schicht wird durch das chemische Abscheidungsverfahren bei einer niedrigen Temperatur und in einer Atmosphäre erzeugt, die im Wesentlichen frei von exogenen oxidativen Substanzen ist, d.h. bei der das Oxidationsmittel in den Molekülen enthalten ist, die zum Liefern der Art von Atomen verwendet werden, die in der Schicht enthalten und nicht Sauerstoff sind. Insbesondere wird ein CVD-Verfahren im Plasma angewendet, und zwar ohne die wesentliche Zugabe von chemischen Precursoren für den Sauerstoff.
Das Verfahren ist bereits bezüglich der Bildung der ternären Adhäsionsverbindung beschrieben worden. Die Art des Verfahrens kann allerdings selbst zum Bilden unterschiedlicher Schichten, zum Bilden von dielektrischen, Silizium umfassenden Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann ein stöchiometrisches Siliziumoxid durch das Verfahren zum Bilden der Schicht erhalten werden, wie zuvor beansprucht und beschrieben, und zwar unter Verwendung eines unterschiedlichen Moleküls, das eine größere Menge an Sauerstoff enthält, um eine vollständige Oxidation der anderen Art von enthaltenen Atomen, d.h. von Silizium und wahlweise Kohlenstoff, zu ermöglichen. Darüber hinaus kann mit unterschiedlichen Molekülen, die zum Beispiel Stickstoff enthalten, eine Abscheidung zum Beispiel von Schichten aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumoxynitrid (SiO_xN_Y) erreicht werden.
Die Merkmale und Vorteile des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung sind in der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels davon dargelegt, das unten als nicht beschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen angegeben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen zeigen:
1 eine nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht eines Halbleiter-Bauelements, das eine Adhäsionsschicht nach der vorliegenden Erfindung aufweist,
2 ERDA-Spektren von zwei Proben der Adhäsionsschicht nach der vorliegenden Erfindung,
3 nukleare Reaktionsspektren für dieselben Proben wie in der obigen Figur,
4 und 5 jeweilige RBS-Spektren der Probe von 2 und
6 ein SIMS-Spektrum eines elektronischen Bauelements, umfassend das Übereinanderlagern von zwei dielektrischen Schichten mit einer dazwischenliegenden Adhäsionsschicht nach der vorliegenden Erfindung.
Die 1 zeigt schematisch ein Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Adhäsion zwischen Schichten aus dielektrischem Material, bei dem das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewendet wurde. Bezugszeichen 1 weist auf ein Substrat aus einem Halbleitermaterial hin, auf dem zuvor ein Schaltungsaufbau ausgebildet wurde, der insgesamt mit 2 angegeben ist und typischerweise im oberen Teil eine erste Schicht aus leitfähigem Material (Metallisierung) aufweist. Mit dem Aufbau ist eine erste Schicht aus dielektrischem Material 3 konform. Darüber ist eine Schicht 4 aus einem ebnenden Material, zum Beispiel SOG (drehbares Glas [Spin On Glass]) in den tieferen Bereichen des erhaltenen Aufbaus ausgebildet. Die zweite Schicht aus dielektrischem Material ist mit 5 angegeben. Wie zu sehen ist, ist zwischen den beiden Schichten 3 und 5 die dünne Adhäsionsschicht 6 ausgebildet, die sich mit beiden Schichten in dem Bereich über dem Aufbau 2, wo es keine Schicht 4 gibt, in Kontakt befindet. 7 bezeichnet eine zweite Schicht aus leitfähigem Material.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Ausbildung einer Adhäsionsverbindung nach der vorliegenden Erfindung wurde eine Reaktionskammer verwendet, die einen standardmäßigen Hochfrequenzreaktor der Einzelwafer-Bauart umfasst. Der Elektrodenabstand betrug 205 mils (Tausendstel eines Inch), und die Leistung des Plasmareaktors war 430 W. Ein Fluss an TEOS in einem Edelgas (He) mit einer Trägerfunktion für die Reagenzien, der sich insgesamt auf 600 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) beläuft, wurde in die Reaktionskammer ohne Zuführen von Oxidationsmitteln eingebracht. Die Verfahrenstemperatur wurde auf 390° (Sollwert) und einen Druck bis 9 torr (1,20 kPa) eingestellt.
Zwei unterschiedliche Adhäsionsverbindungsproben, die mit diesen Parametern gebildet wurden, wurden analysiert, um die Zusammensetzung der Adhäsionsschicht zu bestimmen. Die beiden Proben wurden durch umfangreiches Abscheiden auf einem dielektrischen Material erhalten. In den 2, 3, 4 und 5 sind die Ergebnisse gezeigt. Die beiden Proben sind in den Figuren mit 10 und 20 angegeben und unterscheiden sich bezüglich ihrer Dicke, d.h. 360 nm für die erste (10) und 150 nm für die zweite (20). Die Analysen sind von der nuklearen Art. Insbesondere wurde eine RBS (Rutherford Rückstreu- Spectrometrie)-Analyse vorgenommen, um die Silizium- und Sauerstoffkonzentrationen unter Verwendung eines Strahls aus Alpha-Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger zu bestimmen; sowie eine ERDA-Analyse, um die Wasserstoffkonzentration zu bestimmen; und eine Analyse der nuklearen, durch Neutronen bewirkten Reaktionen, um den Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlenstoffgehalt zu bestimmen. Die 2 zeigt ein Spektrum, das mit ERDA erhalten wird. Die im Wesentlichen vernachlässigbare Wasserstoffmenge ist ungefähr dieselbe wie diejenige, die in einem durch TEOS nach einem gewöhnlichen Verfahren erhaltenen Siliziumoxid vorhanden ist. Die 3 zeigt das Ergebnis einer Analyse der nuklearen Reaktionen für den Kohlenstoff. Insbesondere wird die Änderung der Konzentration als Funktion der Ladung während der Messung gezeigt. Die mit REF angegebene Probe wird als Vergleich verwendet. Die 4 und 5 zeigen die RBS-Spektren für die beiden Proben getrennt, die bei zwei verschiedenen Winkeln gemessen werden, sowie übereinander angeordnete simulierte theoretische Kurven.
Die Durchschnittskonzentrationen, die mit diesen Messungen erfasst werden, sind in der Tabelle 1 zusammengefasst, wo sie als 10²¹ Atome/cm³ angegeben werden.
Tabelle 1
Bei einem typischen Beispiel erfolgt eine Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung für einen intermetallischen Passivierungsschritt eines elektronischen Bauelements. Das Verfahren erfordert zunächst die Ausbildung einer ersten Siliziumoxidschicht auf einem Schaltungsaufbau. Die Ausbildung des Siliziumoxids findet mittels plasmaverstärktem chemischem Abscheiden und unter Verwendung von TEOS als Precursor für das Silizium statt. Durch Translation wird die mit TEOS erhaltene Verbindung kurz angegeben. Nach dem Abscheiden folgt ein Ätzverfahren und eine anschließende Oberflächenreinigung, die mit Standardverfahren durchgeführt wird. Als nächstes wird eine dielektrische Adhäsionsschicht ausgebildet, die mit dem oben beschriebenen Verfahren erhalten und von dem Abscheiden einer zweiten TEOS-Schicht gefolgt wird.
Die Ergebnisse der Adhäsionstests sind in der Tabelle gezeigt und zur Adhäsionsverbesserung mit Standardverfahren verglichen. Die Tests werden durchgeführt, indem über den Aufbau eine stark spannende Schicht angeordnet wird, die Titan und Titannitrid umfasst. Wie zu erkennen ist, zeigt nur der Aufbau, der die Adhäsionsschicht nach der vorliegenden Erfindung umfasst, ein paar Tage nach dem Abscheiden des Titans einen vernachlässigbaren Abschälbereich.
Tabelle 2
Darüber hinaus zeigt die 6 das SIMS (Sekundäre Ionenmassenspektroskopie)-Spektrum, das auf demselben oben beschriebenen Aufbau TEOS/Adhäsionsschicht/TEOS ausgeführt wird. Dies zeigt deutlich das Vorhandensein von Kohlenstoff in der Adhäsionsschicht. Es sollte nicht vergessen werden, dass es durch dieses Messverfahren möglich ist, die Konzentration der chemischen Elemente in der Schicht direkt auf dem fertigen Bauelement quantitativ zu bestimmen, und zwar im Unterschied zu der nuklearen Messung, die die durch die quantitativen nuklearen Messungen erhaltenen als Standard nimmt.
Natürlich sind Modifikationen und Änderungen des oben beschriebenen Verfahrens als nicht beschränkendes Beispiel möglich, allerdings fallen alle unter den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements mit verbesserter Adhäsion an der Trennfläche zwischen Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid, umfassend die folgenden Schritte: Bilden einer ersten Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid (3) an mindestens einem Teil eines Aufbaus (2), der in einem Substrat aus Halbleitermaterial (1) definiert ist, und Bilden einer zweiten Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid (5), die mindestens eine Zone der ersten Schicht überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass es den zusätzlichen Schritt des Bildens einer Adhäsions-Zwischenschicht (6), die ein nicht stöchiometrisches, Kohlenstoff aufweisendes Siliziumoxid umfasst, wobei der Kohlenstoff in dem Siliziumoxid im Bereich von 2,5 * 10²¹ bis 4,5 * 10²¹ Atome/cm³ enthalten ist, in der mindestens einen Zone, in der die erste und zweite Schicht überlagert sind, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bildens der Adhäsions-Zwischenschicht (6) bei einer Temperatur von weniger als 500°C und in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die im Wesentlichen frei von exogenen oxidativen Substanzen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsions-Zwischenschicht (6) mittels plasmaverstärkten chemischen Aufdampfens erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsions-Zwischenschicht (6) durch plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen von mindestens einer Verbindung in der Gruppe -[-OSi[ORx]3]n erhalten wird, wobei Rx eine Alkylgruppe, eine aliphatische oder aromatische Gruppe ist, die vorzugsweise 1 bis 12 Kohlenstoffatome umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die Tetraethylorthosilicat und Tetramethylcyclotetrasiloxan und deren Gemische umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bildens der Adhäsions-Zwischenschicht (6) bei einer Temperatur zwischen 100°C und 500°C und bei einem Druck zwischen 0,03 kPa und 1,30 kPa (0,210 torr) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht stöchiometrische Siliziumoxid folgendes umfasst: 15 * 10²¹ bis 27 * 10²¹ Atome/cm³ Silizium, 28 * 10²¹ bis 50 * 10²¹ Atome/cm³ Sauerstoff.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht stöchiometrische Siliziumoxid auch 0,8 * 10²¹ bis 1,3 * 10²¹ Atome/cm³ Wasserstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Adhäsions-Zwischenschicht (6) zwischen 1 nm und 50 nm beträgt.
Halbleiter-Bauelement der Bauart, umfassend: eine erste Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid (3), die auf mindestens einem Teil eines Aufbaus (2) angeordnet ist, die in einem Substrat (1) eines Halbleitermaterials definiert ist, eine zweite Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid (5), die mindestens eine Zone der ersten Schicht (3) überlagert, und eine Adhäsionsschicht (6), die zwischen den Schichten angeordnet ist, die der mindestens einen Zone, in der sie übereinander angeordnet sind, entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsions-Zwischenschicht (6) ein nicht stöchiometrisches, Kohlenstoff enthaltendes Siliziumoxid umfasst, wobei der Kohlenstoff im Siliziumoxid im Bereich von 2,5 * 10²¹ bis 4,5 * 10²¹ Atome/cm³ enthalten ist.
Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht stöchiometrische Siliziumoxid folgendes umfasst: von 15 * 10²¹ bis 27 * 10²¹ Atome/cm³ Silizium, von 28 * 10²¹ bis 50 * 10²¹ Atome/cm³ Sauerstoff.
Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht stöchiometrische Siliziumoxid auch 0,8 * 10²¹ bis 1,3 * 10²¹ Atome/cm³ Wasserstoff umfasst .
Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Adhäsions-Zwischenschicht zwischen 1 nm und 50 nm beträgt.
Nicht stöchiometrisches, Kohlenstoff enthaltendes Siliziumoxid zur Verwendung als Adhäsions-Verstärkungsschicht zwischen überlagerten Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid (3, 4), umfassend: 15 * 10²¹ bis 27 * 10²¹ Atome/cm³ Silizium, 28 * 10²¹ bis 50 * 10²¹ Atome/cm³ Sauerstoff und 2,5 * 10²¹ bis 4,5 * 10²¹ Atome/cm³ Kohlenstoff.
Siliziumoxid nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es auch 0,8 * 10²¹ bis 1,3 * 10²¹ Atome/cm³ Wasserstoff umfasst.
Siliziumoxid nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Form einer Schicht mit einer Dicke zwischen 1 nm und 50 nm vorliegt.