DE69733596T2

DE69733596T2 - Verfahren zur Herstellung eines Al/Ti Schichtverbindungsleiters

Info

Publication number: DE69733596T2
Application number: DE69733596T
Authority: DE
Inventors: Tadashi 7-12 Narita; Yusuke 7-12 Harada
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: KR100353657B1; KR980012400A; EP0818821A3; EP0818821A2; JPH1027797A; DE69733596D1; TW337605B; US5982037A; EP0818821B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Al/Ti-Schichtverbindung, die verstärkt als Verbindung oder dergleichen für eine Halbleitervorrichtung verwendet wird.
Beschreibung der zugehörigen Technik:
Eine Al/Ti-Stapel- oder Schichtverbindung kennt man als eine Verbindung, die hervorragenden Widerstand gegen Elektromigration (EM) bietet. Da über Ti (normalerweise an einer (0002)-Oberfläche oder -Ebene orientiert) ausgebildetes Al fest an einer (111)-Ebene orientiert ist und eine Verbindung, in der eine geringe Menge Ti in eine Al-Schicht eingetreten ist, verstärkt wird, hat man erwogen, den EM-Widerstand zu verbessern. Es ist jedoch bekannt, dass bei Verwendung einer Struktur, die ausgebildet wird, indem eine Ti-Schicht und eine Al-Schicht einfach aufeinander gestapelt werden, beide Schichten an einer Grenzfläche zwischen den Schichten durch eine Wärmebehandlung (entsprechend der häufigen Verwendung von Wärmebehandlung während eines Fertigungsprozesses einer Halbleitervorrichtung) bei einer Temperatur von 400°C oder darüber eine chemische Reaktion erfahren, wodurch die Leitungswiderstände erhöht werden. Dies wurde zum Beispiel offenbart in einem Dokument I: Appl. Phys. Lett., Band 23, Nr. 2, 15, S. 99 (1973) und einem Dokument II: J. Appl. Phys, 69(7), S. 3907 (1991). Daher hat man eine Si-haltige Al-Schicht als die Al-Schicht in der Al/Ti-Schichtverbindung verwendet. Dies deshalb, weil die Reaktion zwischen Al und Ti dank des Si-Gehalts in der Al-Schicht gehemmt werden kann. Dies wurde zum Beispiel beschrieben in einem von der Erfindern dieser Anmeldung vorgeschlagenen Dokument III, "Extended Abstracts of the 1994 International Conference on Solid State Devices and Materials", Yokohama, 1994, Seiten 952 bis 954.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit detaillierten Untersuchungen, die die Erfinder der vorliegenden Anmeldung durchgeführt haben, wurde es klar, dass in Übereinstimmung mit der Si- Konzentration, wenn in der Al-Schicht der Al/Ti-Schichtverbindung Si enthalten war, Nadellöcher in der Al-Schicht auftreten würden. Dies wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Eine Ti-Schicht mit einer Dicke von 50 nm und eine (später im Detail zu beschreibende) Al-Schicht mit einer Dicke von 500 nm wurden durch einen Aufstäubprozess über einem BPSG-Film (Borphosphorsilikatglas-Film) eines Siliziumsubstrats kontinuierlich ausgebildet, auf dessen Oberfläche der BPSG-Film (Borphosphorsilikatglas-Film) ausgebildet war, um eine Auswerteprobe herzustellen. Jedoch wurden Proben von fünf Standards oder Niveaus hergestellt, in denen die Al-Schicht dargestellt ist in Form einer (1): Al-Cu-Schicht (d.h. einer Al-Cu-Legierungsschicht mit Si-Gehalt null), (2): Al-0,3%Si-Cu-Schicht, (3): Al-0,5%Si-Cu-Schicht, (4): Al-0,8%Si-Cu-Schicht und (5): Al-2.0%Si-Cu-Schicht. Al-0,3%Si und Al-0,5%Si heißt hier, dass Si in den Verhältnissen von 0,3 Gewichtsprozent bzw. 0,5 Gewichtsprozent zu Al enthalten ist. Übrigens wurde eine Filmbildungsbedingung im Aufstäubzeitpunkt wie folgt eingestellt: Filmbildungstemperatur, Filmbildungsdruck und Leistung der Ti-Schicht wurden jeweils auf 100°C, 3 mTorr (1 Torr = 133 Pa) und 1 kW eingestellt. Weiterhin wurden Filmbildungstemperatur, Filmbildungsdruck und Leistung der Al-Schicht jeweils auf 250°C, 2 mTorr und 9 kW eingestellt.
Die Oberflächen der auf die oben beschriebene Weise hergestellten Proben wurden in einem Zustand vor dem nächsten Prozess unmittelbar nach Beendigung eines Abscheidungsprozesses wie z.B. Aufstäuben (nachfolgend "abgeschiedener Zustand" genannt) mit einem Rasterelektronenmikrokop (SEM) beobachtet und fotografiert. Hier wurden jeweils ungefähr 12.000-fach vergrößerte SEM-Fotografien mittels des Rasterelektronenmikrokops aufgenommen. Weiterhin wurde gemessen, ob in einem einer Fläche von 525 μm² entsprechenden Bereich in jeder Fotografie Nadellöcher erscheinen würden. Die Zahl der Nadellöcher mit einem größeren Durchmesser als ungefähr 0,05 μm wurde hier bei allen Proben mit den jeweiligen Standards gemessen. Die Zahl der Nadellöcher für die jeweiligen Standards, in denen die Si-Konzentrationen auf 0,3, 0,5 und 0,8 Gewichtsprozent eingestellt waren, wurden in 9 durch Balkendiagramme als Teil des Messergebnisses gezeigt. Aus 9 kann man erkennen, dass in einer Al/Ti-Schichtverbindung mit einer Al-Schicht, in der die Konzentration von Si auf 0,3 Gewichtsprozent eingestellt ist, keine Nadellöcher beobachtet werden, während in einer Al/Ti-Schichtverbindung mit einer Al-Schicht, in der die Konzentration von Si auf 0,5 Gewichtsprozent oder höher eingestellt ist, eine Anzahl von Nadellöchern beobachtet werden. 10(A) ist eine Ansicht, die eine Kopie einer Oberflächen-SEM-Fotografie einer Al/Ti-Schichtverbindung zeigt, in der die Konzentration von Si auf 0,8 Gewichtsprozent eingestellt ist, d.h. es wird eine Al-0,8%Si-Cu/Ti-Schicht ausgebildet. Außerdem veranschaulicht 10(B) eine Kopie einer Oberflächen-SEM-Fotografie einer Al-Cu/Ti-Schichtverbindung, in der die Konzentration von Si null ist, d.h. es wird eine Al-Cu-Schicht ausgebildet. Man erkennt, dass in 10(A) Nadellöcher P beobachtet werden und dass in 10(B) keine Nadellöcher beobachtet werden. Selbst wenn die in Form der jeweiligen Standards festgesetzten Proben 30 Minuten lang einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen von ungefähr 410°C, 450°C und 500°C unterzogen werden, bleibt die Situation, in der Nadellöcher auftreten, im Wesentlichen unverändert wie im abgeschiedenen Zustand. Aus der obigen Beschreibung kann man erkennen, dass die Nadellöcher in Übereinstimmung mit der Konzentration des in der Al-Schicht in der Al/Ti-Schichtverbindung enthaltenen Si auftreten.
Die Nadellöcher werden als ursächlich für Lücken angesehen, die wiederum eine Verminderung des Widerstandes gegen Elektromigration befürchten lassen. Mit fortschreitender Mikronisierung einer Halbleitervorrichtung, je mehr die Verbindung mikronisiert wird, wächst die Besorgnis.
Um dies zu vermeiden, wird erwogen, dass kein Si in der Al-Schicht enthalten sein darf, und wenn Si darin enthalten ist, Si in einer geringeren Menge (beispielsweise entsprechend 0,3 Gewichtsprozent auch bei der Maximumbeurteilung aus den unter Bezugnahme auf 9 beschriebenen experimentellen Ergebnissen) darin enthalten sein kann als eine Menge, die nötig ist, damit die Al-Schicht die Nadellöcher erzeugen kann. Dies wird jedoch eine Verminderung des Leitungswiderstandes aufgrund der Reaktion zwischen Ti und Al verursachen, wie oben schon beschrieben und wie nachfolgend anhand von 11 im Detail beschrieben wird. 11 ist ein Diagramm, erhalten durch Bestimmen der Änderungsrate des Flächenwiderstandes ΔR/R₀ aus einem Flächenwiderstand R₀ im abgeschiedenen Zustand einer jeden Probe mit den in den Experimenten verwendeten fünf Standards, um eine Entscheidung zu treffen, ob die Nadellöcher auftreten oder nicht, und eines Flächenwiderstandes einer jeden bei den Temperaturen von ungefähr 410°C, 450°C und 500°C wärmebehandelten Probe und Auftragen der Änderungsrate des Flächenwiderstandes in Bezug auf jede Temperatur für Wärmebehandlung. In 11 zeigt ein durch schwarze Punkte oder Kreise angezeigter Kennwert, dass die Al-Schicht in der Al/Ti-Schichtverbindung die Al-Cu-Schicht ist. Ein durch weiße Kreise angezeigter Kennwert zeigt, dass die Al-Schicht die Al-0,3%Si-Cu-Schicht ist. Ein durch schwarze Rechteckmarken angezeigter Kennwert zeigt, dass die Al-Schicht die Al-0,5%Si-Cu-Schicht ist. Ein durch weiße Rechteckmarken angezeigter Kennwert zeigt, dass die Al-Schicht die Al-0,8%Si-Cu-Schicht ist. Weiterhin zeigt ein durch weiße Dreieckmarken angezeigter Kennwert, dass die Al-Schicht die Al-2,0%Si-Cu-Schicht ist.
Man befindet aus den in 11 gezeigten Ergebnissen, dass die Änderung des Flächenwiderstandes vor und nach der Wärmebehandlung im Falle der Al/Ti-Schichtverbindung mit der AL-Schicht, in der die Konzentration von Si auf 0,3 Gewichtsprozent eingestellt ist, noch groß ist. Im Gegensatz dazu ist die Änderung des Flächenwiderstandes vor und nach der Wärmebehandlung der Proben im Falle der Al/Ti-Schichtverbindungen mit den AL-Schichten, in denen die Si-Konzentrationen auf 0,8 Gewichtsprozent bzw. 2,0 Gewichtsprozent eingestellt sind, ungefähr dieselbe. Aus den experimentellen Ergebnissen wird daher vorzugsweise Si in einer Konzentration von mindestens 0,8 Gewichtsprozent in der Al-Schicht eingeschlossen, um eine Zunahme des Leitungswiderstandes aufgrund der Reaktion zwischen Ti und Al zu kontrollieren. Dies kann aber nicht verhindern, dass Nadellöcher auftreten.
Es bestand Bedarf nach dem Erscheinen einer Al/Ti-Schichtverbindung mit einer Struktur, die im Stande ist, die Reaktion zwischen Ti und Al zu vermeiden und zu verhindern, dass Nadellöcher in der Al-Schicht auftreten. Außerdem war es erwünscht, ein Verfahren vorzuschlagen, das im Stande ist, so eine Al/Ti-Schichtverbindung leicht herzustellen.
Daher wurde festgestellt, dass die folgende Struktur für eine Al/Ti-Schichtverbindung geeignet ist, die eine Ti-Schicht (Titanschicht) und eine aus Al (Aluminium) oder einer Al-Legierung bestehende Al-Schicht aufweist, die in dieser Reihenfolge beide über einer Basis oder einem Substrat ausgebildet sind.
Und zwar enthält die Al-Schicht in einem an die Ti-Schicht angrenzenden Abschnitt Si (Silizium) in einer Konzentration, die eine Grenzflächenreaktion zwischen Ti und Al zu hemmen im Stande ist. Außerdem wird die Konzentration des in einem auf der Seite über dem angrenzenden Abschnitt liegenden Abschnitt enthaltenen Si maximal auf eine niedrigere Konzentration auf eine Konzentration eingestellt, die es zulässt, dass der obere Al-Schicht-Abschnitt Nadellöcher erzeugt.
Dementsprechend kann man eine Al/Ti-Schichtverbindung erhalten, die eine Al-Schicht mit einer Struktur aufweist, in der Si in einer nötigen Menge nur in einem Abschnitt enthalten ist, der erforderlich ist, um die Reaktion zwischen Ti und Al zu hemmen, und in anderen Abschnitten als dem Abschnitt nicht bis zum Äußersten Si enthalten ist (einschließlich des Falles, dass kein Si enthalten ist). Daher kann man eine Al/Ti-Schichtverbindung realisieren, die die Reaktion zwischen Ti und Al und das Auftreten der Nadellöcher zu verhindern im Stande ist.
Es wird erwogen, dass nach Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Konzentration des im oberen Al-Schicht-Abschnitt enthaltenen Si vorzugsweise maximal 0,3 Gewichtsprozent sein darf. Dies deswegen, weil, wenn die Obergrenze der Si-Konzentration auf diese Weise eingestellt wird, es im Sinne der anhand von 9 beschriebenen experimentellen Ergebnisse für verhinderbar gehalten wird, dass die Nadellöcher in der Al-Schicht auftreten. Außerdem ist es günstig, die Dicke des oberen Al-Schicht-Abschnitts dicker als jene des Al-Schicht-Abschnitts zu machen, der dem an die Ti-Schicht angrenzenden Abschnitt entspricht. Dies deswegen, weil, wenn der an die Ti-Schicht angrenzende Al-Schicht-Abschnitt übermäßig dick ist, das Verhältnis desselben zu der Al-Schicht zunimmt und die Gefahr des Auftretens der Nadellöcher größer wird. Daher wird der Al-Schicht-Abschnitt, der dem an die Ti-Schicht angrenzenden Abschnitt entspricht, letzten Endes relativ dünn gemacht. Ist in so einem Fall die Dicke des oberen Al-Schicht-Abschnitts dünner als diejenige des Al-Schicht-Abschnitts, der dem an die Ti-Schicht angrenzenden Abschnitt entspricht, wird Folgendes bedacht: (1): da der obere Al-Schicht-Abschnitt für Si anfällig ist, das in dem an die Ti-Schicht angrenzenden Abschnitt enthalten ist, tritt leicht eine Gefahr auf, die zur Erzeugung der Nadellöcher führt, und (2): da die Gesamtdicke der Al/Ti-Schichtverbindung dünn wird, nimmt der Leitungswiderstand zu. Im Hinblick auf die Bestimmung, auf welchen Grad die Konzentration von Si in dem an die Ti-Schicht angrenzenden Al-Schicht-Abschnitt, d.h. die Si-Konzentration, die die Reaktion zwischen Ti und Al zu hemmen im Stande ist, eingestellt werden sollte, kann die Si-Konzentration unter Berücksichtigung der Bestimmung, bis zu welchen Grad die Änderung des Leitungswiderstandes erlaubt werden sollte, so niedrig wird möglich eingestellt werden. Die Si-Konzentration ist nicht unbedingt darauf beschränkt. Da man sagen kann, dass eine Kontrollwirkung auf die Widerstandsänderung im Wesentlichen gesättigt wird, wenn die Si-Konzentration 0,8 Gewichtsprozent übersteigt, befindet man aus den unter Bezugnahme auf 11 beschriebenen experimentellen Ergebnissen (d.h., da die Änderungsrate des Widerstandes im Falle des Standards, in dem die Si-Konzentration 0,8 Gewichtsprozent ist, und des Standards, in dem die Si-Konzentration 2,0 Gewichtsprozent ist, ungefähr dieselbe ist), dass die Si-Konzentration auf eine Konzentration jenseits von 0,8 Gewichtsprozent und so niedrig wie möglich eingestellt werden darf.
Die US-A-5 355 020 zeigt, auf z.B. einer Ti/TiN-Schicht eine Schicht aus z.B. Al-1%Si und darauf eine Schicht aus z.B. reinem Al auszubilden.
Dementsprechend ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Al/Ti-Schichtverbindung, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung und spezielle Gestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Beschreibung schließt zwar mit Ansprüchen, die den als die Erfindung angesehenen Gegenstand namentlich aufzeigen und klar beanspruchen, die Erfindung, die Aufgaben und Merkmale der Erfindung und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung dürften aber besser verständlich sein aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine Ansicht zur Beschreibung einer ersten Ausführungsform und eine Querschnittsansicht ist, die typisch eine Struktur einer Al/Ti-Schichtverbindung zeigt;
2(A) und 2(B) jeweils Ansichten zur Beschreibung eines Prozesses insbesondere zum Ausbilden einer Al-Schicht sind und jeweils Ansichten zur Erläuterung von Beispielen sind, in denen Al-Schichten mit voneinander verschiedener Zusammensetzung mittels einer Filmbildungskammer und einem Ziel ausgebildet werden;
3 eine Ansicht ist, die eine Kopie einer Fotografie zeigt, erhalten durch Beobachten der Oberfläche einer Probe (Al/Ti-Schichtverbindung) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform mit einem Rasterelektronenmikroskop;
4 eine Ansicht zur Beschreibung der ersten Ausführungsform und eine Ansicht zur Erläuterung der Wirkung ist, einen Flächenwiderstand der in 1 gezeigten Al/Ti-Schichtverbindung nach Wärmebehandlung zu kontrollieren;
5 eine Prozesszeichnung (Nr. 1) zur Beschreibung einer zweiten Ausführungsform ist und eine Ansicht ist, die ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtverbindung unter Verwendung eines Stopfens aus W (Wolfram) zeigt;
6 eine auf 5 folgende Prozesszeichnung (Nr. 2) zur Beschreibung der zweiten Ausführungsform ist;
7 eine Prozesszeichnung (Nr. 1) zur Beschreibung einer dritten Ausführungsform ist und eine Ansicht ist, die ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtverbindung unter Verwendung eines Al-Hochtemperatur-Aufstäubprozesses oder eines Al-Hochtemperatur-Rückflussprozesses zeigt;
8 eine auf 7 folgende Prozesszeichnung (Nr. 2) zur Beschreibung der dritten Ausführungsform ist;
9 eine Ansicht zur Beschreibung der Beziehung zwischen der Konzentration des in einer Al-Schicht einer Al/Ti-Schichtverbindung enthaltenen Si und des Auftretens von Nadellöchern darin ist;
10 eine Ansicht ist, die Kopien von Oberflächen-SEM-Fotografien im Zeitpunkt des Auftretens und Nichtauftretens von Nadellöchern zeigt; und
11 eine Ansicht zur Beschreibung der Beziehung zwischen Si-Konzentrationen _von Al-Schichten in Al/Ti-Schichtverbindungen und der Änderungsrate des Flächenwiderstandes nach Wärmebehandlung der Al/Ti-Schichtverbindungen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsformen, die jeweils eine Al/Ti-Stapel- oder Schichtverbindung und die vorliegende Erfindung eines Verfahren zur Herstellung einer Al/Ti-Schichtverbindung veranschaulichen, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Übrigens zeigen die jeweiligen für deren Beschreibung verwendeten Zeichnungen schematisch die Beziehung zwischen den Dimensionen, Formen und der Anordnung von Strukturelementen bis zu dem Grad, dass die vorliegende Erfindung verstanden werden kann. Einander ähnliche Strukturelemente in den jeweiligen Zeichnungen sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung bestimmter gemeinsamer Elemente wird daher weggelassen.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 1 bis 4 eine erste Ausführungsform beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Al/Ti-Stapel- oder Schichtverbindung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform typisch zeigt. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 11 ein beliebiges Substrat oder eine Basis, auf dem bzw. der eine Al/Ti-Schichtverbindung ausgebildet ist. Die Bezugszeichen 13, 15, 15a, 15b und 17 bezeichnen jeweils eine Ti-Schicht, eine Al-Schicht, einen an die Ti-Schicht 13 angrenzenden Al-Schicht-Abschnitt, einen auf der Seite über dem Al-Schicht-Abschnitt 15a liegenden Al-Schicht-Abschnitt und die Al/Ti-Schichtverbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der an die Ti-Schicht 13 angrenzende Al-Schicht-Abschnitt 15a ist ein Abschnitt, der Si (Silizium) in einer Konzentration enthält, die die Grenzflächenreaktion zwischen Ti und Al zu hemmen im Stande ist. Der obere Al-Schicht-Abschnitt 15b ist ein Abschnitt, in dem die Konzentration von Si maximal (die Konzentration von Si kann null sein) auf eine niedrigere Konzentration als eine Konzentration eingestellt ist, die es der oberen Al-Schicht-Abschnitt 15b erlaubt, Nadellöcher zu erzeugen.
Die Probe, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, kann wie folgt hergestellt werden: Man betrachte jetzt ein Beispiel, in dem ein Siliziumsubstrat 11 mit einem über dessen Oberfläche ausgebildeten BPSG-Film (Borphosphorsilikatglas-Film) (nicht gezeigt) als die Basis 11 verwendet wird. (1) Eine Ti-Schicht 13 mit einer Dicke von 50 nm, (2) eine Al-0,8%Si-Cu-Schicht enthaltend 0,8 Gewichtsprozent Si zu Al, enthaltend Cu (Kupfer) und mit einer Dicke von 50 nm, (3) eine Cu-Al-Schicht enthaltend Cu ohne Si und mit einer Dicke von 45 nm werden durch den Aufstäubprozess und ohne Vakuumunterbrechung einer Filmbildungskammer kontinuierlich über dem BPSG-Film des Siliziumsubstrats 1 ausgebildet. Eine Aufstäubbedingung zum Ausbilden der Ti-Schicht 13 kann auf eine Bedingung eingestellt werden, unter der eine Filmbildungstemperatur (Substratheiztemperatur) definiert ist als geeignete Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 300°C, der in der Filmbildungskammer herrschende Druck definiert ist als geeignete Drücke im Bereich von 1 mTorr bis 6 mTorr und die Leistung definiert ist als geeignete Leistungen im Bereich von 1 kW bis 3 kW. Eine Aufstäubbedingung zum Ausbilden der Al-0,8%Si-Cu-Schicht kann auf eine Bedingung eingestellt werden, unter der die Filmbildungstemperatur definiert ist als geeignete Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 600°C, der Druck in der Filmbildungskammer definiert ist als geeignete Drücke im Bereich von 1 mTorr bis 6 mTorr und die Leistung definiert ist als geeignete Leistungen im Bereich von 8 kW bis 12 kW. Erwähnt seien die folgenden zwei Verfahren als Beispiele für ein Verfahren zum kontinuierlichen Ausbilden der Ti-Schicht, Al-0,8%Si-Cu-Schicht und Cu-Al-Schicht im Vakuum der Filmbildungskammer.
Ein außerhalb der Erfindung liegendes Verfahren ist ein Verfahren, das eine so genannte Mehrfachkammer-Aufstäubvorrichtung mit einer Mehrzahl von Filmbildungskammern verwendet, die die Übertragung einer Probe zwischen den jeweiligen Filmbildungskammern in Vakuum zu ermöglichen im Stande ist, ohne dass die Probe der Atmosphäre ausgesetzt wird. In diesem Fall wird ein Ziel aus Ti in einer bestimmten Kammer der Mehrfachkammer platziert und wird ein Ziel mit der Zusammensetzung Al-0,8%Si-Cu innerhalb einer anderen Kammer bereitgestellt. Weiterhin wird ein Ziel mit der Zusammensetzung Al-Cu in einer weiteren Kammer platziert. In diesem Zustand wird die Probe zwischen diesen Kammern verschoben oder übertragen, um kontinuierlich jeweilige Filmbildungs-Prozessschritte durchzuführen. Das andere Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung ist ein Verfahren, insbesondere einen Prozess zum Ausbilden einer Al-Schicht zu ersinnen. Und zwar benötigt das vorliegende Verfahren sowohl eine Filmbildungskammer für die Ti-Schicht als auch eine Filmbildungskammer für die Al-Schicht, verwendet aber nur eine Filmbildungskammer, was die Al-Schicht anbetrifft. Dieses Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf 2(A) und 2(B) im Detail beschrieben. Eine (Zahlwort) Filmbildungskammer wird als die Filmbildungskammer für die Ausbildung der Al-Schicht verwendet. Ein Ziel 23, das kein Si enthält oder Si in einer Konzentration enthält, die niedriger als eine Konzentration ist, die nötig ist, damit die Al-Schicht Nadellöcher erzeugen kann, auch wenn Si vorhanden ist, wird innerhalb einer (Zahlwort) Filmbildungskammer 21 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Ziel 23 mit der Zusammensetzung A-Cu, d.h. ein Ziel 23 bestehend aus Al-Cu, das kein Si enthält oder 0,3 Gewichtsprozent Si zu Al oder weniger Si enthält, wenn Si enthalten ist, innerhalb der Filmbildungskammer 21 platziert. Übrigens bezeichnet das Bezugszeichen 25 in 2 einen Wafer. In einem ersten Prozess zum Ausbilden der Al-0,8%Si-Cu-Schicht wird zum Beispiel ein Mischgas aus Argon (Ar) und Monosilan (SiH₄) als Aufstäubgas verwendet (siehe 2(A)). Als Alternative zu Monosilan kann ein anderes Silangas verwendet werden, z.B. Disilan (Si₂H₆). Wird ein durch Mischen von Monosilan mit einem Fließverhältnis von ungefähr einem Zehntel von Ar mit Ar erhaltenes Gas als das Aufstäubgas zum Aufstäuben eines Al-Cu-Ziels verwendet, kann die Al-0,8%Si-Cu-Schicht ausgebildet werden. In einem zweiten Prozess zum Ausbilden der Al-Cu-Schicht wird nur Ar ohne das Monosilan als das Aufstäubgas verwendet (siehe 2(B)).
Bei der auf diese Weise ausgebildeten Probe wird bedacht, dass die Al-0,8%Si-Cu-Schicht im Wesentlichen den Al-Schicht-Abschnitt 15a bildet, der an die in 1 beschriebene Ti-Schicht angrenzt. Weiterhin wird bedacht, dass die Al-Cu-Schicht im Wesentlichen den oberen Al-Schicht-Abschnitt 15b ausbildet.
In Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Herstellungsprozedur wird eine Auswerteprobe hergestellt, insbesondere in einem Zustand, in dem die Aufstäubbedingung zum Ausbilden der Ti-Schicht 13 auf eine Bedingung eingestellt ist, unter der die Filmbildungstemperatur als 100°C definiert ist, der in der Filmbildungskammer herrschende Druck als 3 mTorr definiert ist und die Leistung als 1 kW definiert ist, die Aufsputterbedingung zum Ausbilden der Al-0,8%Si-Cu-Schicht und der Al-Schicht auf eine Bedingung eingestellt ist, unter der die Filmbildungstemperatur als 250°C definiert ist, der in der Filmbildungskammer herrschende Druck als 2 mTorr definiert ist und die Leistung als 9 kW definiert ist. Als Nächstes wird die Oberfläche der Probe in einem abgeschiedenen Zustand mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet und fotogra fiert. Eine Kopie oder Spur der resultierenden Fotografie ist in 3 dargestellt. Als Nächstes wird bestimmt, ob in einem einer Fläche von 525 μm² entsprechenden Bereich in der Fotografie Nadellöcher erscheinen oder nicht. Allerdings wird hier die Zahl der Nadellöcher gemessen, die jeweils mehr als 0,05 μm Durchmesser haben. Bei dieser Probe wurden keine Nadellöcher beobachtet.
Weiterhin wird die Änderungsrate des Flächenwiderstandes ΔR/R₀ aus einem Flächenwiderstand R₀ dieser Probe im Zeitpunkt des abgeschiedenen Zustandes sowie Flächenwiderständen bestimmt, die erhalten werden, indem die Probe 30 Minuten lang einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen von ungefähr 410°C, 450°C und 500°C unterzogen wird. Das Ergebnis der Bestimmung wurde in 4 zusammen mit Vergleichsbeispielen gezeigt. Übrigens zeigt das Vergleichsbeispiel 1 ein Beispiel, in dem die ganze Al-Schicht aus einer Al-Cu-Schicht besteht, d.h. sie zeigt einen Standard mit einer Al-Cu/Ti-Schichtverbindung. Das Vergleichsbeispiel 2 zeigt ein Beispiel, in dem die ganze Al-Schicht aus Al-0,8%Si-Cu besteht, d.h. sie zeigt ein Niveau oder einen Standard mit einer Al-0,8%Si-Cu/Ti-Schichtverbindung. Die bei diesen Vergleichsbeispielen verwendeten Bedingungen zum Ausbilden von Proben entsprechen den in der Ausführungsform verwendeten Bedingungen. Selbstverständlich hat die in der Ausführungsform verwendete Probe eine niedrigere Änderungsrate des Widerstandes als die eine im Vergleichsbeispiel 1 verwendete Probe. Andererseits hat die im Vergleichsbeispiel 2 verwendete Probe eine niedrigere Änderungsrate des Widerstandes als eine in der Ausführungsform verwendete Probe, hat aber Nadellöcher erzeugt (siehe 10(A)).
Daraus erkennt man, dass bei so einer Al/Ti-Schichtverbindung eine Zunahme des Leitungswiderstandes aufgrund der Reaktion zwischen Ti und Al vermindert werden kann und auch verhindert werden kann, dass Nadellöcher auftreten.
Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben.
Die zweite Ausführungsform zeigt einen Fall, in dem eine Al/Ti-Schichtverbindung und ein Herstellungsverfahren dafür auf eine Mehrschicht-Verbindungsstruktur für eine Halbleitervorrichtung angewendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Beschreibung eines Beispiels gegeben, in dem die Al/Ti-Schichtverbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung im Anschluss an eine zweite Schichtverbindung auf Verbindungen aufgebracht wird. Weiterhin wird eine Beschreibung eines Beispiels gegeben, in dem in einem Innenschicht-Isolierfilm definierte Durchgangslöcher mit einem Stopfen aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt wie z.B. einem Stopfen aus W (Wolfram) gefüllt werden und die Verbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darauf ausgebildet wird. Diese Beschreibung wird nun unter Bezugnahme auf 5 und 6 gegeben. 5 und 6 sind Prozesszeichnungen, in denen die Art von Proben in Hauptprozessen von Prozessen zum Ausbilden einer Mehrschichtverbindung durch Querschnittsansichten gezeigt ist.
Zuerst wird ein Zwischen-Isolierfilm 33 über einem Siliziumsubstrat 31 ausgebildet, und danach wird ein Durchgangsloch 33a im Zwischen-Isolierfilm 33 definiert. Als Nächstes wird eine erste, zum Beispiel aus W (Wolfram) bestehende Schichtverbindung 35 über dieser Probe ausgebildet. Als Nächstes wird ein Innenschicht-Isolierfilm 37 über der Probe ausgebildet, und danach wird ein Durchgangsloch 37a im Innenschicht-Isolierfilm 37 definiert (siehe 5(A)). Über der Probe mit dem darin definierten Durchgangsloch 37a werden in dieser Reihenfolge erst eine TiN-Schicht 39 und eine W-Schicht ausgebildet. Die W-Schicht wird so dick ausgebildet, dass das Durchgangsloch 37a ausgefüllt werden kann. Weiterhin wird die Probe auf ihrer ganzen Oberfläche zurückgeätzt, so dass ein W-Stopfen 41 innerhalb des Durchgangslochs 37a ausgebildet wird (siehe 5(B)).
Eine Ti-Schicht 43, eine erste Al-Schicht 45a, die Si (Silizium) in einer Konzentration enthält, die die Grenzflächenreaktion zwischen Ti und Al zu hemmen im Stande ist, und eine zweite Al-Schicht 45b, deren Si-Konzentration maximal eine Konzentration wird, die niedriger ist als eine Konzentration, die es der Al-Schicht erlaubt, Nadellöcher zu erzeugen, werden ohne Vakuumunterbrechung mittels des Aufstäubprozesses alle kontinuierlich über der Probe mit dem bereits darin ausgebildeten W-Stopfen 41 abgeschieden. Eine Aufstäubbedingung zum Ausbilden dieser Schichten 43, 45a und 45b kann auf die Bedingung eingestellt werden, die in den in der ersten Ausführungsform beschriebenen Bereich fällt. Als Verfahren zum kontinuierlichen Ausbilden dieser Schichten 43, 45a und 45b kann eines der beiden in der ersten Ausführungsform beschriebenen Verfahren gewählt werden. Da in diesem Zeitpunkt die Ti-Schicht einen spezifischen Widerstand entsprechend dem zehnfachen spezifischen Widerstand von Al hat, nimmt ihr Leitungswiderstand zu, wenn die Dicke der Ti-Schicht übermäßig dick ist, und Ti erzeugt keinen Film, wenn seine Dicke übermäßig dünn ist. Daher wird die Dicke der Ti-Schicht zum Beispiel auf ungefähr 50 nm eingestellt. Da die Dicke der ersten Al-Schicht 45a unter der Annahme, dass es die Reaktion zwischen Ti und Al hemmen kann, vorzugsweise so dünn wie möglich festgesetzt werden kann, wird deren Dicke zum Beispiel auf ungefähr 50 nm eingestellt. Weiterhin wird die Konzentration des in der ersten Al-Schicht 45a enthaltenen Si zum Beispiel auf 0,8 Gewichtsprozent zu Al eingestellt. Die Dicke der zweiten Schicht 45b wird auf Dicken im Bereich von 450 nm bis 700 nm Gesamtdicke einschließlich derjenigen der ersten Al-Schicht 45a eingestellt. Speziell beschrieben, wird die Dicke der zweiten Al-Schicht 45b unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen der Breite jeder Verbindung und der Filmdicke so gewählt, dass ein gewünschter Leitungswiderstand erhalten wird. Weiterhin wird die Konzentration des in der zweiten Al-Schicht 45b enthaltenen Si auf 0,3 Gewichtsprozent zu Al oder weniger eingestellt (der prozentuale Gehalt von Si kann natürlich null sein). Als Nächstes werden diese Schichten 43, 45a und 45b zu einer zweiten Schichtverbindungsgestaltung strukturiert und gesintert, um eine zweite Schichtverbindung 47 zu erhalten (siehe 6A)). Übrigens kann die Reihenfolge des Strukturierens und Sinterns umgekehrt werden. Und wird gewünscht, dritte und spätere Schichtverbindungen auszubilden, wird ein Innenschicht-Isolierfilm 49 entsprechend einer zweiten Schicht abgeschieden, wie in 6(B) gezeigt, und danach wird ein Durchgangsloch 49a im Innenschicht-Isolierfilm 49 definiert. Nachher werden die unter Bezugnahme auf 5(B) bis 6(B) beschriebenen Prozesse wiederholt.
Die zweite Ausführungsform wurde in dem Fall beschrieben, in dem die Al/Ti-Schichtverbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf die zweite und spätere Verbindungen aufgebracht wird. Dies deswegen, weil Ti eine schlechte Barriere für AI besitzt, weshalb eine Al-Spitze erzeugt wird, wenn die Al/Ti-Schichtverbindung in einem Zustand verwendet wird, in dem sie direkten Kontakt mit dem Siliziumsubstrat 31 hat, wenn die Al/Ti-Schichtverbindung als die erste Schichtverbindung verwendet wird, so dass ein Leckdefekt auftreten kann. Wird jedoch die Al/Ti-Schichtverbindung 47 (siehe die in 6(A) gezeigte Struktur) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nach der Implantation des W-Stopfens im Durchgangsloch 33a des Zwischen-Isolierfilms 33 in dem unter Verwendung von 5(A) beschriebenen Prozess als die erste Schichtverbindung 35 aufgebracht, so kann der W-Stopfen verhindern, dass die Al-Spitze auftritt. Daher kann die Al/Ti-Schichtverbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung als die erste Schichtverbindung aufgebracht werden.
Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform beschrieben.
Die oben erwähnte zweite Ausführungsform beschrieb den Fall, in dem der W-Stopfen verwendet wird. Jedoch sind ein Verfahren namens "Al high-temperature sputtering (Hochtemperatur-Aluminiumaufstäuben)" (zum Beispiel ein Dokument: IEEE VLSI Multilevel Interconnection Conference, 1990, S. 42) und ein Verfahren namens "Al high-temperature reflowing (Hochtemperatur-Aluminiumrückfluss)" (z.B. ein Dokument: IEEE VLSI Multilevel Interconnection Conference, 1991, S. 326) ebenfalls als ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Verbindungsstruktur bekannt. Die Al/Ti-Schichtverbindung kann auch auf diese zwei Verfahren angewendet werden. Die dritte Ausführungsform beschreibt nun Beispiele für diese Verfahren. Diese Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 7 und 8 gegeben. 7 und 8 sind jeweils Prozesszeichnungen, in denen die Art von Proben in Hauptprozessen von Prozessen zum Ausbilden der Mehrschichtverbindung durch Querschnittsansichten gezeigt ist.
In Übereinstimmung mit der in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Prozedur wird ein Zwischen-Isolierfilm 33 über einem Siliziumsubstrat 11 ausgebildet und wird ein Durchgangsloch 33a im Zwischen-Isolierfilm 33 definiert. Weiterhin werden eine erste, aus W (Wolfram) bestehende Schichtverbindung 35, ein Innenschicht-Isolierfilm 37 und ein Durchgangsloch 37a jeweils über dem Zwischen-Isolierfilm 33 ausgebildet. Als Nächstes wird durch den Aufstäubprozess eine Ti-Schicht 43 über der Probe ausgebildet (siehe 7(A)). Eine Aufstäubbedingung zum Ausbilden der Ti-Schicht 43 kann auf die Bedingung eingestellt werden, die in den in der ersten Ausführungsform beschriebenen Bereich fällt. Als Nächstes werden eine erste Al-Schicht 45a, die Si (Silizium) in einer Konzentration enthält, die die Grenzflächenreaktion zwischen Ti und Al zu hemmen im Stande ist, und eine zweite Al-Schicht 45b, deren Si-Konzentration maximal eine Konzentration wird, die niedriger ist als eine Konzentration, die es der Al-Schicht erlaubt, Nadellöcher zu erzeugen, ohne Vakuumunterbrechung mittels des Aufstäubprozesses kontinuierlich über der Probe abgeschieden. Als Verfahren zum kontinuierlichen Ausbilden dieser Schichten 45a und 45b kann eines der beiden in der ersten Ausführungsform beschriebenen Verfahren gewählt werden. Im Hinblick auf eine Aufstäubbedingung zum Ausbilden der ersten Al-Schicht 45a und der zweiten Al-Schicht 45b kann die Filmbildungstemperatur zum Beispiel auf einen Temperaturbereich von 450°C bis 500°C eingestellt werden, wenn man zulässt, dass Al nach Filmbildung rückfließt (d.h., wenn der Hochtemperatur-Aufstäubprozess durchgeführt wird). Weiterhin kann der in der Filmbildungskammer herrschende Druck auf geeignete Drücke im Bereich von 1 mTorr bis 6 mTorr eingestellt werden und kann die Leistung auf geeignete Leistungen im Bereich von 8 kW bis 12 kW eingestellt werden. Daher wird das Innere des Durchgangslochs 37a mit der ersten Al-Schicht 45a und der zweiten Al-Schicht 45b gefüllt. Weiterhin wird eine Al/Ti-Schichtverbindung 47 über der Probe ausgebildet. Um einen Beschichtungskennwert am Durchgangsloch 37a zu verbessern, kann die Filmbildungstemperatur im Zeitpunkt der Ausbildung der ersten Al-Schicht 45a vorzugsweise auf eine niedrige Temperatur von 150°C oder weniger eingestellt werden. Man kann ein anderes Verfahren verwenden, um die erste Al-Schicht 45a und die zweite Al-Schicht 45b auszubilden. Und zwar kann man ein Verfahren (Hochtemperatur-Rückflussprozess) verwenden, bei dem die erste Al-Schicht 45a und die zweite Al-Schicht 45b in der Nähe von Raumtemperatur abgeschieden werden und danach ohne Vakuumunterbrechung in eine Atmosphäre mit hohen Temperaturen in Bereich von 450°C bis 500°C gebracht werden, um Rückfluss zu erzeugen, wodurch die Al-Schichten 45a und 45b in das Durchgangsloch 37a eingebettet werden. Die Dicken und Si-Konzentrationen der ersten Al-Schicht 45a und zweiten Al-Schicht 45b können auf die in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Dicken und Si-Konzentrationen eingestellt werden. Und wird gewünscht, dritte und spätere Schichtverbindungen auszubilden, wird ein Innenschicht-Isolierfilm 49 entsprechend einer zweiten Schicht abgeschieden, wie in 8 gezeigt, und danach wird ein Durchgangsloch 49a im Innenschicht-Isolierfilm 49 definiert. Nachher werden die unter Verwendung von 7(A) bis 8 beschriebenen Prozesse wiederholt. In Übereinstimmung mit den in der dritten Ausführungsform beschriebenen Verfahren können das Einbetten des Durchgangslochs und die Ausbildung der Al/Ti-Schichtverbindung gleichzeitig durchgeführt werden, weshalb der Durchsatz verglichen mit der zweiten Ausführungsform verbessert werden kann.
Die Ausführungsformen, die jeweils die Al/Ti-Schichtverbindung und das erfinderische Verfahren zu deren Herstellung veranschaulichen, wurden oben beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf die oben erwähnten Ausführungsform beschränkt. In der obigen Beschreibung wurde die Cu enthaltende Al-Legierung als die Al-Schicht erwähnt. Man kann im Wesentlichen aber auch eine aus Al und Si bestehende Al-Schicht verwenden. Alternativ kann man als die Al-Schicht eine Al-Schicht verwenden, die ein Element, das aus anderen Elementen als Cu ausgewählt wird, z.B. Ti, Ni (Nickel), Co (Kobalt) und Cr (Chrom), oder eine Mehrzahl von Elementen enthält.
In Übereinstimmung mit der in der obigen Beschreibung gezeigten Al/Ti-Schichtverbindung enthält eine Al-Schicht in einem an eine Ti-Schicht angrenzenden Abschnitt Si (Silizium) in einer Konzentration, die eine Grenzflächenreaktion zwischen Ti und Al zu hemmen im Stande ist. Außerdem wird die Al-Schicht so ausgebildet, dass die Konzentration des in einem auf der Seite über dem angrenzenden Abschnitt liegenden Abschnitt enthaltenen Si maximal auf eine niedrigere Konzentration auf eine Konzentration eingestellt ist, die es zulässt, dass der obere Al-Schicht-Abschnitt Nadellöcher erzeugt. Daher erhält man eine Al/Ti-Schichtverbindung, die die Al-Schicht mit einer Struktur aufweist, in der Si in einer nötigen Menge nur in dem Abschnitt enthalten ist, der erforderlich ist, um die Reaktion zwischen Ti und Al zu hemmen, und in anderen Abschnitten als dem obigen Abschnitt nicht bis zum Äußersten Si enthalten ist (einschließlich des Falles, dass kein Si darin enthalten ist). Daher kann man eine Al/Ti-Schichtverbindung realisieren, die die Reaktion zwischen Ti und Al zu hemmen und das Auftreten der Nadellöcher zu verhindern im Stande ist.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren zur Herstellung der Al/Ti-Schichtverbindung der vorliegenden Erfindung kann man leicht eine Al/Ti-Schichtverbindung herstellen, die die Reaktion zwischen Ti und Al zu hemmen und das Auftreten von Nadellöchern zu verhindern im Stande ist.
Daher kann die vorliegende Erfindung auf Verbindungen für eine noch mehr mikronisierte Halbleitervorrichtung und deren Herstellung oder dergleichen angewendet werden und ist in den Ansprüchen definiert.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Al/Ti-Schichtverbindung, das Folgendes umfasst: eine Ti-Schicht (13, 43) als eine erste Verbindungsschicht auf einem Substrat (11, 31) auszubilden; und eine aus Al oder einer Al-Legierung bestehende Al-Schicht auf der Ti-Schicht (13, 43) auszubilden; wobei die Al-Schicht durch einen Aufstäubprozess im Vakuum ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Ausbilden der Al-Schicht einen ersten Schritt, eine Al-Grenzflächenschicht (15a, 45a) auf der Ti-Schicht (13, 43) auszubilden, indem als Aufstäubgas ein aus einem Inertgas und einem Silangas bestehendes Mischgas verwendet wird, derart, dass die Grenzflächenschicht (15a, 45a) eine Siliziumkonzentration von 0,8 Gewichtsprozent oder mehr hat, und einen zweiten Schritt umfasst, auf der Grenzflächenschicht (15a, 45a) eine zweite Verbindungsschicht (15b, 45b) auszubilden, indem als Aufstäubgas ein Inertgas verwendet wird, derart, dass die zweite Verbindungsschicht (15b, 45b) eine Siliziumkonzentration von 0,3 Gewichtsprozent oder weniger hat, wobei der erste Schritt und der zweite Schritt innerhalb derselben Filmbildungskammer durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Schritt und der zweite Schritt so durchgeführt werden, dass die zweite Verbindungsschicht (15b, 45b) mit einer größeren Dicke als diejenige der Grenzflächenschicht (15a, 45a) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Substrat (11, 31) eine BPSG-Schicht enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ausbilden der Ti-Schicht (13, 43) durch Aufstäuben durchgeführt wird.