DE19620022A1 - Verfahren zur Herstellung einer Diffusionssperrmetallschicht in einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung einer Diffusionssperrmetallschicht in einer Halbleiter­ vorrichtung, welche verhindern kann, daß das Material einer Metallverdrahtung in die darunter liegende Schicht diffundiert während der Ausbildung der Metallverdrahtung der Halbleiter­ vorrichtung, und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Her­ stellung einer Diffusionssperrmetallschicht, welche in einem tiefen und engen Kontakt verwendet werden kann.

Im allgemeinen wird eine Rubidiumoxidschicht (RuO₂) als Dif­ fusionssperrmetallschicht in einer hochintegrierten Halblei­ tervorrichtung eines DRAM von mehr als 256M verwendet, und als Klebe- oder Verbindungsschicht für eine Metallverdrahtung verwendet, die aus Aluminium, Wolfram oder Kupfer besteht. Beim Stand der Technik wird die Rubidiumoxidschicht durch das Verfahren der physikalischen Dampfablagerung (PVD) oder der chemischen Dampfablagerung (CVD) hergestellt. Bei dem PVD-Verfahren werden Rubidium und Sauerstoff miteinander zur Ausbildung der Rubidiumoxidschicht miteinander verbunden. Im Falle des CVD-Verfahrens werden Rubidiumquellengas und Sauer­ stoff miteinander verbunden, um die Rubidiumoxidschicht durch das Verfahren der metallorganischen chemischen Dampfablage­ rung (MOCVD) herzustellen.

Wenn die Rubidiumoxidschicht durch das CVD-Verfahren herge­ stellt wird, werden allerdings Verunreinigungen in die Rubi­ diumoxidschicht eingebracht. Dies erhöht den Widerstandswert der Schicht. Wenn PVD verwendet wird, ist die Stufenabdeckung der Rubidiumoxidschicht schlecht, und kann durch Reaktion der Rubidiumoxidschicht mit Silizium eine Silizidschicht ausge­ bildet werden. Darüber hinaus ist während der Ablagerung der Rubidiumoxidschicht die Oxidationsrate zu gering, als daß ei­ ne stabile Rubidiumoxidschicht ausgebildet werden könnte.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Diffusions­ sperrmetallschicht in einer Halbleitervorrichtung, welche die Ausbildung einer Silizidschicht an der Grenzfläche zwischen Rubidium und der Siliziumschicht verhindern kann, und welche eine stabile Rubidiumoxidschicht bei hoher Temperatur ausbil­ den kann.

Um den Vorteil der vorliegenden Erfindung zu erzielen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Diffusionssperrmetall­ schicht in einer Halbleitervorrichtung zum Verhindern der Diffusion eines Materials einer Metallverdrahtung in der Halbleitervorrichtung in eine Siliziumschicht unter der Metallverdrahtung zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte aufweist: Aussetzen der Oberfläche der Silizium­ schicht gegenüber einem Sauerstoffplasma, um eine Ausbildung von Silizid an der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht und der Diffusionssperrmetallschicht zu verhindern; Herstel­ len einer ersten Diffusionssperrmetallschicht auf der Sili­ ziumschicht; Implantieren von Sauerstoffionen in die erste Diffusionssperrmetallschicht; und Herstellen einer zweiten Diffusionssperrmetallschicht auf der ersten Diffusionssperr­ metallschicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell­ ter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1A bis 1F Querschnittsansichten von Herstellungsschrit­ ten zur Ausbildung- einer Diffusionssperrmetallschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 1A bis 1F sind Querschnittsansichten, welche Herstel­ lungsschritte zur Ausbildung einer Rubidiumoxidschicht als Diffusionssperrmetallschicht zeigen.

Wie aus Fig. 1A hervorgeht, wird eine Isolierschicht 3 auf einem Siliziumsubstrat 1 und einer Feldoxidschicht 2 herge­ stellt, und wird eine leitfähige Schicht 4 auf der Feldoxid­ schicht 2 ausgebildet. Dann wird eine Isolierschicht 5 auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet, und wer­ den die Isolierschichten 3 und 5 selektiv zur Ausbildung ei­ nes Kontaktlochs entfernt, wodurch ein vorbestimmter Abschnitt des Siliziumsubstrats 1 und der leitfähigen Schicht 4 freige­ legt werden.

Wie in Fig. 1B gezeigt ist, wird die gesamte Oberfläche des Substrats 1 einem O₂-Plasma 6 ausgesetzt. Hierbei gelangt das O₂-Plasma 6 an die gesamte Oberfläche des Substrats 1, auf welcher die leitfähige Schicht 4 und die Isolierschicht 5 vorgesehen sind. Das O₂-Plasma wird bei niedriger Leistung unterhalb von 50 W erzeugt, und bei einem Gasfluß von 5 bis 50 sccm (Standard-Kubikzentimeter), in einer Kammer für die plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung (PECVD). Wie vor­ anstehend geschildert ist es durch Ausführung der Behandlung mit dem O₂-Plasma möglich, die Erzeugung von Silizid an der Grenzfläche zwischen Rubidium und Silizium während der fol­ genden Wärmebehandlung zu verhindern, und möglich, eine sta­ bile Rubidiumoxidschicht bei hoher Temperatur zu erzeugen.

Wie in Fig. 1C gezeigt ist, wird eine erste Rubidiumschicht 7 in einer Dicke von 100 Å bis 500 Å (1 Å = 10 nm) in einer PVD-Sputter-Kammer auf der Gesamtoberfläche des Substrats 1 ausgebildet, auf welcher die leitfähige Schicht 4 und die Isolierschicht 5 vorgesehen sind. Dann wird O₂ in die ge­ samte Oberfläche der ersten Rubidiumschicht 7 implantiert. Hierbei wird die Implantierung mit O₂ unter Berücksichti­ gung des Projektionsbereichs Rp entsprechend der Dicke der ersten Rubidiumschicht 7 durchgeführt. Wenn beispielsweise die Dicke der ersten Rubidiumschicht 200 Å beträgt, wird O₂ bei einer Dosis von 10¹⁵ bis 10¹⁹ Ionen/cm² und bei einer Energie von 50 keV implantiert.

Wie in Fig. 1D gezeigt ist, wird eine zweite Rubidiumschicht 9 unter denselben Bedingungen wie bei der Herstellung der ersten Rubidiumschicht 7 ausgebildet. Dann wird mit dem Sub­ strat 1, auf welchem die erste und zweite Rubidiumschicht 7 und 9 ausgebildet werden, eine Wärmebehandlung in einem Rohr durchgeführt, in welchem Argon und Sauerstoff oder Stickstoff und Sauerstoff gemischt sind, über einen Zeitraum von 1 Stun­ de bis 5 Stunden. Hierdurch wird, wie in Fig. 1E gezeigt ist, eine endgültige Rubidiumoxidschicht 10 ausgebildet. Hierbei beträgt der Fluß von Argon/Sauerstoff oder Stickstoff/Sauer­ stoff, der in das Rohr eingebracht wird, annähernd 100 sccm/ 10 sccm bis 2000 sccm/300 sccm, und die Temperatur in dem Rohr beträgt annähernd 400°C bis 700°C. Wie voranstehend geschildert wird O₂ zwischen der ersten und zweiten Rubi­ diumschicht implantiert, und wird eine Wärmebehandlung in dem Rohr durchgeführt, so daß eine stabile Rubidiumoxidschicht ausgebildet werden kann. Fig. 1F ist eine Querschnittsansicht, welche eine Vorrichtung zeigt, bei welcher eine Metallverdrah­ tung 11 unter Verwendung einer Rubidiumoxidschicht 10 als Diffusionssperre ausgebildet wird. Die Metallverdrahtung 11 wird aus Aluminium, Wolfram oder Kupfer hergestellt.

Gemäß der voranstehend geschilderten, vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Ausbildung von Silizid an der Grenzfläche zwischen der Rubidiumschicht und der Siliziumschicht zu ver­ hindern. Daher kann eine stabile Rubidiumoxidschicht erhalten werden. Unter Verwendung der stabilen Rubidiumoxidschicht als Diffusionssperre wird ermöglicht, daß verhindert werden kann, daß das Material der Metallverdrahtung diffundiert und einen Metallstopfen mit niedrigem Widerstand ausbildet.

Zwar wurden zu Erläuterungszwecken die bevorzugten Ausfüh­ rungsformen der Erfindung beschrieben, jedoch wird Fachleuten auf diesem Gebiet auffallen, daß verschiedene Änderungen, zu­ sätzliche Maßnahmen oder andere Maßnahmen möglich sind, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterla­ gen ergeben und von den beiliegenden Patentansprüchen umfaßt sein sollen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer Diffusionssperrmetall­ schicht in einer Halbleitervorrichtung, um zu verhindern, daß das Material einer Metallverdrahtung in der Halblei­ tervorrichtung in eine Siliziumschicht unter der Metall­ verdrahtung hineindiffundiert, mit folgenden Schritten:
Aussetzen der Oberfläche der Siliziumschicht einem Sauer­ stoffplasma, um eine Ausbildung von Silizid an der Grenz­ fläche zwischen der Siliziumschicht und der Diffusions­ sperrmetallschicht zu verhindern;
Herstellen einer ersten Diffusionssperrmetallschicht auf der Siliziumschicht;
Implantieren von Sauerstoffionen in die erste Diffusions­ sperrmetallschicht; und
Herstellen einer zweiten Diffusionssperrmetallschicht auf der ersten Diffusionssperrmetallschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Diffusionssperrmetallschicht jeweils eine Rubidiumschicht sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das O₂-Plasma bei einer niedrigen Leistung unterhalb von 50 W und einem Gasfluß von 5 sccm bis 50 sccm in einer PECVD- Kammer hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Sauerstoffionen einer Dosis von 10¹⁵ bis 10¹⁹ Ionen/cm² entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diffusionssperrmetallschicht in einer Dicke von 100 Å bis 500 Å ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Ausbildung der zweiten Diffusionssperr­ metallschicht den Schritt der Oxidation der ersten und zweiten Diffusionssperrmetallschicht umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsschritt eine in einem Rohr durchgeführte Wärmebehandlung ist, wobei in dem Rohr Argon und Sauer­ stoff oder Stickstoff und Sauerstoff über einen Zeitraum von 1 Stunde bis 5 Stunden gemischt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß von Argon/Sauerstoff oder Stickstoff/Sauerstoff in dem Rohr annähernd 100 sccm/10 sccm bis 2000 sccm/300 sccm beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem Rohr annähernd 400°C bis 700°C beträgt.