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Dokumentenidentifikation DE4325706A1 10.02.1994
Titel Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Anmelder Kabushiki Kaisha Toshiba, Kawasaki, Kanagawa, JP
Erfinder Matsuo, Mie, Yokohama, Kanagawa, JP;
Okano, Haruo, Tokio/Tokyo, JP;
Hayasaka, Nobuo, Yokosuka, Kanagawa, JP;
Suguro, Kyoichi, Yokohama, Kanagawa, JP;
Miyajima, Hideshi, Tokio/Tokyo, JP;
Wada, Jun-ichi, Yokohama, Kanagawa, JP
Vertreter Feiler, L., Dr.rer.nat.; Hänzel, W., Dipl.-Ing.; Kottmann, D., Dipl.-Ing, Pat.-Anwälte, 81675 München
DE-Anmeldedatum 30.07.1993
DE-Aktenzeichen 4325706
Offenlegungstag 10.02.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.02.1994
IPC-Hauptklasse H01L 21/90
IPC-Nebenklasse H01L 23/532   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung oder Ausbildung einer in einer Rille angeordneten Verdrahtungsschicht, umfassend die folgenden Schritte: Erzeugen eines Metalloxidfilms aus einem Metalloxid mit einer Abnahme oder Verringerung der normalen freien Energie, die kleiner ist als eine Verringerung oder Abnahme der normalen freien Energie eines Wasserstoffoxids oder Kohlenstoffoxids, auf einem auf einem Halbleitersubstrat (1) geformten Isolierfilm (2) und Reduzieren des Metalloxidfilms zur Ausbildung einer Elektroden-Verdrahtungsschicht (5) aus einem Metall, das eine Hauptkomponente des Metalloxids ist. Auf diese Weise läßt sich eine Elektroden-Verdrahtungsschicht hoher IW- und SM-Beständigkeit ohne Einführung einer Erhöhung des (elektrischen) spezifischen Widerstands infolge einer Verunreinigung o. dgl. erhalten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Elektrode oder einer Verdrahtungsschicht.

In den letzten Jahren sind mit einer Erhöhung der Integrationsdichte einer Halbleiteranordnung die Dicke und Breite einer Verdrahtungsschicht verkleinert und eine mehrlagige Verdrahtungsstruktur entwickelt worden. Als Verdrahtungsmaterial wurde aufgrund ihres niedrigen Verdrahtungswiderstands und ihrer hohen bzw. guten Verarbeitbarkeit herkömmlicherweise eine Aluminium (Al) als Hauptbestandteil enthaltende Al-Legierung verwendet.

Auch wenn die Querschnittsfläche einer Verdrahtungsschicht verkleinert wird, verkleinert sich jedoch eine für die Verdrahtungsschicht erforderliche Signalstrommenge 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 Wärmehysterese. Folglich tritt aufgrund von Spannungswanderung (stress migration) (im folgenden auch als SW bezeichnet) 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 Materialeigenschaften den Anforderungen nicht ohne weiteres genügen.

Edelmetalle, wie Kupfer (Cu) und Silber (Ag), deren spezifischer Widerstand niedriger ist als der von xAl, während ihr Schmelzpunkt höher ist als der von Al, haben große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und sind als Werkstoffe der nächsten Generation untersucht worden.

Die elektrischen spezifischen Widerstände, die Schmelzpunkte und die Selbstdiffusionskoeffizienten bzw. -beiwerte 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 ausdrücken:

D = Q0exp(-Q/kBT).

Darin bedeutet: kB = Boltzmannsche Konstante; die Einheit von D0 = cm2/s, die Einheit von Q = eV, und die Einheit von T = K. In Tabelle 1 sind D0 und Q angegeben. Tabelle 1



Gemäß Tabelle 1 liegen der Schmelzpunkt und der Selbstdiffusionsbeiwert des Edelmetalls, wie Cu oder Ag, höher als die entsprechenden Werte von Al, während der spezifische Widerstand des Edelmetalls niedriger ist als der von Al. Es ist allgemein bekannt, daß ein Verdrahtungsmaterial eines hohen Schmelzpunkts und eines größeren Selbstdiffusionsbeiwerts ausgezeichnete IW- und SW-Widerstände bzw. -Beständigkeit aufweist. Die IW-Beständigkeit ist aus dem folgenden Grund verbessert: Die Schaltgeschwindigkeit der Anordnung bestimmt sich durch das Produkt aus Verdrahtungswiderstand R und Kondensator (Kapazität) C. Da nämlich der Selbstdiffusionsbeiwert des Edelmetalls, wie Cu oder Ag, ausreichend 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 bezüglich Zuverlässigkeit und elektrischem spezifischen Widerstand weit überlegen; eine durch eine lange Verdrahtungsschicht hervorgerufene RC-Verzögerung (-Laufzeit) kann durch Verwendung einer Edelmetall-Verdrahtungsschicht bei einer Anordnung entspannt oder gemildert werden. Damit kann eine Herabsetzung der Schaltgeschwindigkeit unterdrückt werden. Weiterhin können der Stromverbrauch in einem Verdrahtungsabschnitt herabgesetzt und die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsschicht verbessert 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 303durch (Kathoden-)Zerstäubung auf dem Oxidfilm 302 erzeugt. 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-Verdrahtungsschicht gemustert.

Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch folgendes:

Da dann, wenn eine Cu-Verdrahtungsschicht geformt werden soll, kein Halogenid eines hohen Dampfdrucks bei etwa Atmosphärentemperatur vorhanden ist, muß das reaktive Ionenätzen bei einer hohen Temperatur von 300°C oder höher erfolgen. Beim Ätzen des Cu-Films 303 wird das Resistmuster 304 zersetzt, weil dessen Wärmebeständigkeit 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-Verdrahtungsschicht einer vorbestimmten Form nicht erzeugbar ist.

Ein Cu-Film besitzt keine Säurebeständigkeit, weil auf dem Cu, im Gegensatz zu einem Al-Film, kein Passivierungsfilm geformt ist oder wird. Beim Veraschen des Resistmusters 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-Verdrahtungsschicht 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 diffundiert (wird), so daß im Element ein Betriebsfehler auftritt. Die Adhäsionseigenschaften zwischen der Verdrahtungsschicht und einer isolierenden Zwischenschicht oder einem Passivierungsfilm werden ungünstig beeinflußt.

Als Verfahren zur Lösung der durch das Veraschen hervorgerufenen Probleme ist ein Verfahren zur Ausbildung einer sog. vergrabenen Verdrahtungsschicht vorgeschlagen worden. Bei diesem Verfahren wird eine als Verdrahtungsschicht dienende Rille in der Substratoberfläche geformt, wobei ein Verdrahtungsmaterial durch chemisches Aufdampfen bzw. nach der CVD-Methode in der Rille selektiv gezüchtet, d. h. zum Aufwachsen gebracht wird.

Bei Verwendung eines organischen Lieferanten als Quellengas für selektives chemisches Aufdampfen werden jedoch Verunreinigungen, wie Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome, in die vergrabene Verdrahtungsschicht eingeschleppt; ein niedrigerer spezifischer Widerstand als die ursprüngliche Eigenschaft des Materials kann damit nicht erreicht werden.

Die Erfindung ist nun im Hinblick auf die obigen Gegebenheiten 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 Herbeiführung einer Erhöhung des spezifischen Widerstands infolge einer Verunreinigung o. dgl.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren der im Patentanspruch 1 angegebenen Art.

Die Reduktion kann mittels einer Wärmebehandlung in einer reduzierenden Gasatmosphäre, die Wasserstoff und Kohlenstoff enthält, durchgeführt werden. Wahlweise kann die Reduktion durch Kontaktierung des Metalloxidfilms 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.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren der im Patentanspruch 9 angegebenen Art.

Bevorzugt erfolgt das Entfernen des Metalloxidfilms nach einer Polier- oder Abhebemethode (lift-off method).

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Halbleiteranordnung der im Patentanspruch 12 angegebenen Art.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung auch eine Halbleiteranordnung der im Patentanspruch 16 angegebenen Art.

Bevorzugt ist ein Material der Sperrschicht polykristallin, 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 Verdrahtungsschicht dient, enthaltende Metalloxidfilm erzeugt. Dies bedeutet, daß anstelle des Metallfilms, in welchem eine eine Erhöhung des (elektrischen) spezifischen 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 gebunden 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 jeweils 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 Energie von Wasser (H2O), das ein Oxid von Wasserstoff ist, als die Größe definiert, die durch Subtrahieren der gesamten freien Energie der rechten Seite des Systems von der gesamten freien Energie der linken Seite des Systems in der Reaktionsformel 2H + O → H2O, bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck auftretend, 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 oxidiert 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 Verdrahtungsschicht gewählt wird, kann letztere hohe IW- und SW-Beständigkeit aufweisen, wobei ein niedriger (elektrischer) 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 Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer herkömmlichen Metall-Verdrahtungsschicht,

Fig. 2A bis 2D Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ausbildung einer Ab(wärts)strom-CVD-Vorrichtung, die bei der ersten Ausführungsform der Erfindung benutzt wird,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ausbildung einer anderen, bei der ersten Ausführungsform der Erfindung benutzten Abstrom- CVD-Vorrichtung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bei der ersten Ausführungsform eingesetzten Poliervorrichtung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Polierabschnitts der Poliervorrichtung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung eines Poliermechanismus,

Fig. 8A und 8B graphische Darstellungen zur Erläuterung einer erfindungsgemäß erreichten Wirkung,

Fig. 9A bis 9D Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung eingesetzten Plasma-CVD-Vorrichtung,

Fig. 11A bis 11E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer bei der dritten Ausführungsform der Erfindung eingesetzten Plasma-CVD-Vorrichtung,

Fig. 13A bis 13E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer vierten Ausführungsform (der Erfindung),

Fig. 14A bis 14E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer fünften Ausführungsform,

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer bei der fünften Ausführungsform eingesetzten Vorspannungs- oder Vormagnetisierungs-Zerstäubungsvorrichtung,

Fig. 16A bis 16E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer sechsten Ausführungsform,

Fig. 17A bis 17F Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer siebten Ausführungsform,

Fig. 18A bis 18E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Speicherzelle gemäß einer achten Ausführungsform,

Fig. 19A bis 19E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Kontaktelektrode gemäß einer neunten Ausführungsform,

Fig. 20A bis 20E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zehnten Ausführungsform,

Fig. 21A bis 21G Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer elften Ausführungsform,

Fig. 22, 23, 26 und 27 Schnittansichten von nach einem herkömmlichen Verfahren erhaltenen Metall-Verdrahtungsschichten,

Fig. 24A bis 24H Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zwölften Ausführungsform,

Fig. 25 eine Schnittansicht einer mittels der Erzeugungsschritte gemäß der zwölften Ausführungsform erhaltenen Metall-Verdrahtungsschicht,

Fig. 28A bis 28E Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer dreizehnten Ausführungsform,

Fig. 29 eine Schnittansicht einer mittels der Erzeugungsschritte gemäß der dreizehnten Ausführungsform erhaltenen Metall-Verdrahtungsschicht,

Fig. 30 eine graphische Darstellung des Analyseergebnisses an einem AES-Element in der Tiefenrichtung einer nach einem herkömmlichen Verfahren erhaltenen Metall-Verdrahtungsschicht,

Fig. 31 eine graphische Darstellung des Analyseergebnisses an einem AES-Element in der Tiefenrichtung einer mittels der Erzeugungsschritte gemäß der dreizehnten Ausführungsform erhaltenen Metall-Verdrahtungsschicht,

Fig. 32 eine Schnittansicht einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer vierzehnten Ausführungsform,

Fig. 33 und 34 (Schnitt-)Ansichten zur Darstellung der Ablagerungszustände von unter Verwendung einer normalen (Kathoden-)Zerstäubungsvorrichtung erhaltenen Metallfilmen,

Fig. 35 eine Darstellung des Ablagerungszustands von Metallatomen in einer Rille,

Fig. 36A und 36B schematische Darstellungen einer bei der fünfzehnten Ausführungsform (der Erfindung) eingesetzten Zerstäubungsvorrichtung und

Fig. 37A bis 37D Schnittansichten zur Verdeutlichung der Schritte bei der Erzeugung einer mittels der Vorrichtung nach Fig. 36 erhaltenen Cu-Verdrahtungsschicht.

Im folgenden ist die Erfindung in Beispielen beschrieben.

Beispiel 1

Die Fig. 2A und 2D veranschaulichen in Schnittansicht die Schritte bei der Erzeugung oder Ausbildung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 2A wird ein Bor-Phosphor-Silikatglas- bzw. BPSG-Film 2 einer Dicke von 1,0 µm auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 1 erzeugt. Nach einer Photoresistmethode wird ein Photoresistmuster auf dem BPSG-Film 2 ausgebildet, worauf letzterer unter Benutzung des Photoresistmusters als Maske durch reaktives Ionenätzen bzw. nach der RIE-Methode geätzt wird. Sodann 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 Boden- bzw. Sohlenfläche der Rille 3 dienenden Bereich geformt werden.

Gemäß Fig. 2B wird ein deckenartiger CuO-Film 4 (Metalloxidfilm) einer Dicke von 0,6 µm auf der Gesamtoberfläche 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 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 O&sub2; 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(HF2 (Kupfer-bis-(hexafluoracetylacetonat)) 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(HFA)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 Halbleitersubstrat 1 aufgesprüht, um den CuO-Film 4 zu erzeugen. Der Sauerstoffgehalt des CuO-Films 4 betrug 30%; das Kristallgefüge des CuO-Films 4 war ein kubisches System.

Auch wenn als Quellen- oder Lieferantmaterial der organische 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 Lieferanten 13 zu verfestigen. Bei dieser Ausführungsform wird Cu(HFA)2 als organischer Cu-Lieferant 13 benutzt. Für den gleichen Zweck können jedoch Cu(DPM)2, (Kupferbis-(dipivaloylmethanat)) oder Cu (ACAC)&sub2;(Kupfer-bis- (acetylacetonato)) als Acetylaceto-Typ, Cucl oder CuCl2 als Cu-Chlorid, η5C5H5CuPMe3 ((Cyclopentadienyl)kupfer- (trimethylphosphin)), η5-C5H5CuPEt3 ((Cyclopentadienyl) kupfer(triethylphospin)), (HFA)Cu( 2-Butyn) ((Hexafluoracetylacetonato)kupfer(2-buthyn)), (HFA)Cu(1,5-COD) ((Hexafluoracetylacetonato)kupfer (1,5-cyclooctadien)) oder die in Tabelle 2 angegebenen Verbindungen eingesetzt werden. Tabelle 2



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 Gasgemisches 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 miteinander 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-Verdrahtungsschicht 4 zu bilden. Das Polieren des CuO-Films 4 erfolgt mittels einer in Fig. 5 gezeigten Poliervorrichtung. Wenn dabei das als zu polierendes Substrat dienende Halbleitersubstrat 1 auf einen Auflege- oder Ladeabschnitt 15 aufgelegt wird, wird das Halbleitersubstrat 1 zu einem Polierabschnitt 16 überführt, in welchem die Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 poliert wird. Nach Abschluß des Polierens wird das Halbleitersubstrat 1 zu einem Bürsten/Wasserwaschabschnitt 17 gefördert 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 Poliervorgang 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 Halbleitersubstrat 1 auf dem Drehtisch 22 in Drehung versetzt wird. Beim Polieren wird eine Polierflüssigkeit über ein entsprechendes Speiserohr 21 dem Drehtisch 22 ständig zugespeist. Wenn das Polieren im Polierabschnitt 16 abgeschlossen ist und das Halbleitersubstrat 1 zum Austragabschnitt gefördert werden soll, wird über ein entsprechendes Speiserohr 19 destilliertes Wasser zugespeist, um die benutzte Polierflüssigkeit vom Drehtisch 22 abzuspülen.

Ein Poliermechanismus ist folgender: Gemäß Fig. 7 wird die unebene Oberfläche einer Scheibe mit Hilfe von Polierteilchen 23 und eines Polyurethangewebes 24 einer porösen Struktur mechanisch poliert und mittels einer Polierflüssigkeit chemisch geätzt. Als Ergebnis erfolgt unter dem angegebenen synergistischen (synagetic) Effekt eine Glättung auf das Atomniveau. Bei dieser Ausführungsform 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 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 Minderung 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 erhalten werden kann. Das Volumen des CuO-Films verringert sich dabei um etwa 20%.

Druck, Temperatur und Behandlungszeit im Reduktionsschritt können in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt und von der Struktur des CuO-Films 4 gewählt werden. Wenn beispielsweise der CuO-Film 4 einen Sauerstoffgehalt von 50% mit einer Dicke von 1,5 µm ausgebildet werden soll, werden der Druck auf einen Unterdruck von etwa 10 Torr eingestellt, und der CuO-Film 4 eine Stunde lang bei einer Temperatur von 300°C geglüht. Wenn dabei der Druck niedrig eingestellt werden soll, kann dem CuO- Film 4 auf diese Weise einfach Sauerstoff entzogen werden, obgleich dabei die Oberfläche der erhaltenen Cu- Verdrahtungsschicht rauh 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 Erläuterung 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 Widerstands eines masseartigen (bulk-like) Cu-Films. Dagegen konnte in dem nach dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform erhaltenen Cu-Film keine Verunreinigung nachgewiesen werden. Der spezifische Widerstand des Cu- Films betrug 1,82 µΩcm und war damit dem des masseartigen Cu-Films gleich.

Wie oben erwähnt, wird bei dieser Ausführungsform eine Bindung zwischen Cu und einer Verunreinigung, wie Kohlenstoff oder Wasserstoff, durch positive bzw. zwangsweise Erzeugung des CuO-Films 4 verhindert, wobei letzterer zur Bildung der Cu-Verdrahtungsschicht 5 reduziert wird. Aus diesem Grund weist die Cu-Verdrahtungsschicht 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 enthaltene Cu-Atome nicht in den BPSG-Film 2 ein. Demzufolge 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 Verdrahtungsmuster zu bilden. Aus diesem Grund treten bei dieser Ausführungsform die durch Beeinträchtigung bzw. Zersetzung eines Resistmusters oder Veraschung des Resistmusters verursachten Probleme nicht auf.

Die Fig. 9A bis 9D sind Schnittansichten zur Verdeutlichung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht 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 erhaltenen Gebildes ein deckenartiger CuO-Film 34 (Metalloxidfilm) erzeugt. Die Erzeugung des CuO-Films 34 erfolgt unter Verwendung einer in Fig. 10 gezeigten Plasma-CVD-Vorrichtung auf die im folgenden beschriebene Weise.

Zunächst wird das Halbleitersubstrat 31 in einer Kammer 36, die auf einem Druck von 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 eingeleitet. Der Kammer 36 werden O2-Gas und Cu(HFA)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 Gasspeiseabschnitt 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 eingespeist.

Das O2-Gas, Cu(HFA)2 und Ar-Gas werden mittels eines Brausekopfes 38 mit in vorbestimmten Abständen angeordneten Öffnungen miteinander vermischt. Eine Mikrowelle aktiviert das O2-Gas und zersetzt das Cu(HFA)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 10 Torr und einer Temperatur von 400°C in einer 100% H2 enthaltenden reduzierenden Gasatmosphäre zwecks Reduzierung des CuO-Films 34, wodurch ein Cu-Film 35 einer Dicke von etwa 0,4 µm erzeugt wird. Schließlich wird der Cu-Film 35 mit Ausnahme des in der Rille 33 befindlichen Teils durch Polieren abgetragen, wodurch eine Cu-Verdrahtungsschicht 35 aus hochreinem Cu und eines niedrigen spezifischen Widerstands fertiggestellt wird.

Mit dem vor stehend beschriebenen Verfahren kann die gleiche Wirkung, wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben, erzielt werden. Da bei der zweiten Ausführungsform das Polieren nach dem Reduzieren 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 ausgefüllt sein.

Die Fig. 11A bis 11E veranschaulichen in Schnittansicht die Schritte der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 11A wird ein Siliziumoxidfilm 52 einer Dicke von 1,0 µm auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 51 abgelagert. Im Siliziumoxidfilm 52 wird auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform 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 Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes abgelagert. Der TiN- Film 54 unterdrückt die Diffusion von Cu in das Halbleitersubstrat 51 und verbessert die Adhäsionseigenschaften mit Cu bei gleichzeitiger Verhinderung einer erneuten 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 Gettern oder Eindiffundieren in die Sperrschicht gehindert werden. Außerdem muß die Menge einer festen Lösung der Sperrschicht in einem Metall klein sein, und die Sperrschicht darf praktisch keine Verbindung mit einem Metall 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 erhaltenen Gebildes ein deckenartiger CuO-Film 55 ausgebildet. Die Erzeugung des CuO-Films 55 erfolgt unter Verwendung einer in Fig. 12 dargestellten Parallelplatten-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 gleichen Bezugsziffern wie vorher bezeichnet. Der Unterschied zwischen den CVD-Vorrichtungen nach Fig. 12 und Fig. 10 besteht darin, daß gemäß Fig. 12 das Halbleitersubstrat 51 an einer Kathodenseite angeordnet ist und eine vorteilhaftere Richtwirkung aufweist. Bei Verwendung von gasförmigem H2O als Oxidiergas und bei Durchführung der Filmerzeugung wie bei der zweiten Ausführungsform 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 750 Torr und einer Temperatur 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-Verdrahtungsschicht 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 wirksamer verhindert und die Adhäsionseigenschaften zwischen dem TiN-Film 54 und der Verdrahtungsschicht effektiv verbessert werden.

Die Fig. 13A bis 13E veranschaulichen in Schnittansicht die Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform 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 erhaltenen Gebildes ein TiN-Film 64 ausgebildet. Gemäß Fig. 13C wird auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes ein deckenartiger CuO-Film 65 (Metalloxidfilm) 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 umgeben ist, poliert.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren werden offensichtlich die gleichen Wirkungen wie bei der dritten Ausführungsform 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 verringert ist, die Rille 63 vollständig mit einer Cu-Verdrahtungsschicht 66 ausgefüllt sein.

Die Fig. 14A bis 14E veranschaulichen im Schnitt Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 14A wird ein Siliziumoxidfilm 72 einer Dicke von 1,0 Å bzw. µm auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 71 abgelagert, worauf im Siliziumoxidfilm 72 eine Rille 73 geformt wird. Gemäß Fig. 14B wird ein TiN-Film 74 einer Dicke von 0,1 µm in Anpassung an die Gesamtoberfläche des bisher erhaltenen Gebildes nach einem CVD-Verfahren auf dieser Gesamtoberfläche erzeugt. Dieser Film ist sowohl innerhalb als auch außerhalb der Rille jeweils gleichmäßig mit gleicher 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 Vorspannungsbzw. Vormagnetisierungs-Zerstäubungsvorrichtung gemäß Fig. 15 auf die im folgenden beschriebene Weise.

Eine Hochfrequenzspannung von einer Hochfrequenzstromversorgung 78 wird über einen Anpaßkasten 77 an ein Cu- Target 67 angelegt. Ferner wird eine Hochfrequenzspannung von einer Hochfrequenzstromversorgung 69 über einen Anpaßkasten 68 an das Halbleitersubstrat 71 angelegt; auf diese Weise wird eine Hochfrequenz-Vorspannung 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 1 × 10-3 Torr. Auf diese Weise wird der CuO-Film 75 mit einer in Fig. 14C gezeigten Form erhalten. Es ist darauf hinzuweisen, daß der CuO-Film 75 durch Anlegung einer Gleichstrom-Vorspannung an das Halbleitersubstrat 71 erzeugt werden kann. Wenn eine Ablagerung durch (Kathoden-)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 werden, 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 Siliziumoxidfilm 72 mit Ausnahme des in der Rille 73 befindlichen Siliziumoxidfilms 72 freigelegt ist. Schließlich erfolgt gemäß Fig. 14E ein 30 min langes Glühen in einem 100% H2 enthaltenden Plasma eines Drucks von 10 mTorr und einer Temperatur von 200°C zwecks Reduzierung des CuO-Films 75, so daß eine Cu-Verdrahtungsschicht 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-Verdrahtungsschicht 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 besitzender Aluminiumoxidfilm 83 erzeugt, auf dem wiederum ein Photoresistmuster 84 ausgebildet wird. Gemäß Fig. 16B wird der Aluminiumoxidfilm 83 unter Verwendung des Photoresistmusters 84 als Maske zur Ausbildung einer 0,3 µm tiefen Rille 85 im Aluminiumoxidfilm 83 geätzt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Muster größe des Photoresistmusters 84 so gewählt ist, daß die Breite der Rille 85 auf 0,4 µm eingestellt ist.

Gemäß Fig. 16 erfolgt sodann eine CVD-Behandlung unter Steuerung bzw. Einstellung einer Richtung zwecks Ausbildung 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 Verwendung einer in Fig. 12 dargestellten Parallelplatten- Plasma-CVD-Vorrichtung statt. Als Filmerzeugungsbedingungen 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 einfach steuerbar ist.

Gemäß Fig. 16D wird das Halbleitersubstrat 81 in ein organisches Lösungsmittel, z. B. Ethylenglycoltrimethylether eingetaucht und mit einer Ultraschallwelle gereinigt, um das Photoresistmuster 84 und den darauf befindlichen 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 1 Atmosphäre bzw. 1 Bar bei einer Temperatur von 500°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit 20% H2 und 80% N2 zwecks Reduzierung des CuO- Films 86, wodurch eine Cu-Verdrahtungsschicht 87 fertiggestellt 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 beschriebenen Ausführungsform erzielt werden.

Die Fig. 17A bis 17F sind Schnittansichten zur Darstellung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.

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 Kohlenstofffilm 95 einer Dicke von 0,04 µm auf dem CuO-Film 94 erzeugt, worauf auf dem Kohlenstoffilm 95 ein Photoresistmuster 96 geformt wird. Gemäß Fig. 17C wird der Kohlenstoffilm 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 Photoresistmusters 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 Effekt eines Plasmas und eines Gases auf Halogenbasis, wie Cl2-Gas, wird ein Cu-Oxychlorid (Metallhalogenid) erzeugt. Obgleich bei dieser Ausführungsform die Substrattemperatur auf 250°C eingestellt ist, kann die Temperatur 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 mehrlagige 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 1 Atmosphäre bzw. 1 Bar 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 vor stehend beschriebenen Verfahren kann offensichtlich die gleiche Wirkung wie bei der sechsten Ausführungsform erzielt werden. Da bei der siebten Ausführungsform 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 Heranziehung des Kohlenstoffilms 95 als Maske bei einer Substrattemperatur von 300°C statt, so daß durch ein Cl2- Plasma ein Cu-Chlorid produziert wird. Wenn dabei der Dampfdruck eines Cu-Halogenids oder eines Sauerstoffhalogenids hoch ist, kann ein ein anderes Halogen, wie Fluor oder Brom, enthaltendes Gas benutzt werden. Weiterhin kann der Kohlenstoffilm 95 (auf dem Gebilde) belas sen oder einer Veraschung durch Plasma-Abwärtsströmung von O2 und F2 zwecks Reduzierung durch Glühen unterworfen werden. In jedem Fall kann eine aus hochreinem Cu bestehende Cu-Verdrahtungsschicht geformt werden. Da der Kohlenstoffilm eine höhere Wärmebeständigkeit besitzt als die Resistschicht, kann der untenliegende Kohlenstoffilm weiterhin als Maske dienen, auch wenn die darüberliegende Resistschicht durch Ätzen deformiert wird.

Die Fig. 18A bis 18E zeigen in Schnittansicht die Schritte bei der Erzeugung einer Speicherzelle gemäß einer achten 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 isolieren bzw. zu trennen. Auf dem Halbleitersubstrat 101 werden nacheinander ein als Gateisolierfilm 103 dienender Siliziumoxidfilm und ein als Gateelektrode 104 dienender erster n&spplus;-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 Gebilde werden unter Verwendung der Gateelektrode 104 als Maske Arsenionen implantiert, um damit eine n&spplus;-Sourcezone 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 Siliziumoxidfilm 106 auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes erzeugt. Der Siliziumoxidfilm 106 auf der Drainzone 105b wird zur Ausbildung eines Speicherknotenpunktkontakts 107 geätzt. Gemäß Fig. 18C wird auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes ein zweiter n&spplus;-Polysiliziumfilm 108 abgelagert. Letzterer wird gemäß Fig. 18D auf photolithographischem Wege und durch isotropes Ätzen zu einer unteren Kondensatorelektrode gemustert, wobei auf dem Polysiliziumfilm 108 ein als Kondensatorisolierfilm 109 dienender Ta2O5-Film geformt 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 erzeugte 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. Anschließend erfolgt ein 30 min langes Glühen bei einer Temperatur 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 Reduzierschritt und der Musterungsschritt können ersichtlicherweise auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt 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 Verunreinigung verhindert werden. Wenn eine Spannung einer vorbestimmten Größe an die obere Kondensatorelektrode angelegt wird, kann in dieser zuverlässig eine vorbestimmte Ladungsmenge aufgespeichert werden. Damit kann ein durch die im Kondensator aufgespeicherte Ladung verursachter Informationsfehler vermieden werden. Obgleich bei dieser Ausführungsform Ni als Material für die obere Kondensatorelektrode benutzt wird, kann anstelle von Ni ein metallischer Werkstoff, wie Pt oder Pd, einer großen Arbeitsfunktion (work function) benutzt werden.

Obgleich bei dieser Ausführungsform der als Kondensatorisolierfilm 109 dienende Ta2O5-Film nach einem CVD-Verfahren 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 erfolgt. Wenn danach der Ta2O5-Film und der Ti-Film auf photolithographischem Wege und durch reaktives Ionenätzen (RIE) gemustert werden, kann eine in Fig. 18E gezeigte 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 Kontaktelektrode gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 19A bis 19E veranschaulichen im Schnitt die Schritte bei der Erzeugung oder Ausbildung einer Kontaktelektrode gemäß einer neunten 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 Freilegung eines Elements ausgebildet. In die Substratoberfläche werden Arsenionen zur Erzeugung einer n&spplus;-Diffusionsschichtzone 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 befindliche Siliziumoxidfilm 114 auf photolithographischem Wege und nach einem RIE-Verfahren zur Ausbildung eines Kontaktlochs 115 geätzt wird.

Gemäß Fig. 19C wird ein 50 nm dicker NiO-Film 116 nach einem CVD-Verfahren auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes erzeugt. Gemäß Fig. 19D erfolgt ein 30 min langes Glühen bei 350°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre 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. 19E erfolgt anschließend ein 30 min langes Glühen bei 800°C in einer N2 -Gasatmosphäre zum Silizifizieren des Ni-Films 117 zwecks Ausbildung eines Ni2Si-Films 118. Mit anderen Worten: Beim Glühen wird der Ni-Film 117 auf der Diffusionsschichtzone 113 in den Ni2Si-Film 118 umgewandelt, während der auf der gegenüberliegenden Seite befindliche Ni-Film 117 in einen NiN-Film umgewandelt wird. Daraufhin 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 photolithographischem Wege und nach RIE-Technik mit einer vorbestimmten Form gemustert wird, um eine Kontaktelektrode 119 auszubilden, wodurch die Verbindung zwischen der Diffusionsschichtzone 113 und der Kontaktelektrode 119 hergestellt wird.

Da beim oben beschriebenen Verfahren der kaum eine Verunreinigung enthaltende Ni2Si-Film 118 erhalten bzw. geschaffen werden kann, kann ein Kontaktwiderstand herabgesetzt sein. Bei dieser Ausführungsform wird nach dem Reduzieren des Ni-Films 117 der Ni2Si-Film 118 silifiziert. Das Silifizieren des Ni2Si-Films 118 kann jedoch auch gleichzeitig mit der Reduktion des Ni-Films 117 erfolgen. Wenn weiterhin ein Metall (z. B. Ni bei dieser Ausführungsform) mit einer Abnahme oder Verringerung der normalen freien Energie bei der 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 erzeugt werden; das damit erhaltene Gebilde kann zum Oxidieren des Metallfilms und Reduzieren des NiO-Films geglüht werden. Dies bedeutet, daß der Ni-Film durch Reduktion durch Glühen in fester Phase anstelle der Reduktion durch Glühen in einer Gasatmosphäre erzeugt wird.

Als Material für die Kontaktelektrode 119 wird bevorzugt ein Metall wie V, Zr, Hf, Mo, Ti, Ta oder Cr einer großen Arbeitsfunktion bei Verwendung einer n&spplus;-Diffusionsschicht benutzt, während ein Metall wie Pt, Pd oder Ir einer großen Arbeitsfunktion bevorzugt als Material einer Kontaktelektrode 119 benutzt wird, wenn eine p&spplus;-Diffusionsschicht verwendet wird.

Die Fig. 20A bis 20E sind Schnittansichten zur Darstellung der Schritte bei der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung. Ein Unterschied zwischen der zehnten Ausführungsform und jeder der ersten bis neunten Ausführungsformen besteht darin, daß bei der zehnten Ausführungsform 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 Gesamtoberfläche 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(HFA)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 Ausnahme 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 dienender Ti-Film 126 auf der Gesamtoberfläche des so erhaltenen Gebildes abgelagert.

Gemäß Fig. 20D erfolgt ein 30 min langes Glühen bei einem Druck von 1 Atmosphäre, einer Temperaturanstiegsgröße 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-Verdrahtungsschicht 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-Verdrahtungsschicht 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 Reduziermittel benutzt werden. Wenn darüber hinaus ein Reduziermittel wie Ni benutzt wird, kann der Reduziermetallfilm, z. B. Ni-Film, gleichzeitig mit der Oxidation des Reduziermetalls mittels eines reduzierenden Gases reduziert werden. Die Erfindung ist ersichtlicherweise nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Obgleich beispielsweise bei erster bis siebter Ausführungsform der CuO-Film mit Hilfe von Wasserstoff reduziert wird, kann er anstelle von Wasserstoff auch unter Verwendung von Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid reduziert werden. Bei Verwendung von Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid sind die chemischen Reaktionsformeln der Reduktion von CuO folgende:

CuO + C → Cu + CO

CuO + CO → Cu + CO2.

Obgleich bei den obigen ersten bis siebten Ausführungsformen der CuO-Film als Metalloxidfilm erzeugt wird, kann auch ein Cu2O-Film, der ebenso wie der CuO-Film stabil ist, benutzt werden. Die chemischen Reaktionsformeln 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 amorphes 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 Kristallgefüge 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 Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können auch die folgenden Verfahren angewandt werden. Insbesondere werden ein Gas, wie ein organisches Kupfermaterial oder ein Kupferchlorid eines hohen Dampfdrucks, als Quellen- bzw. Lieferantgas dienend, und ein Gas wie O2 oder H2O (in Gasform) mit O benutzt, wobei diese Gase in einem Plasma miteinander reagieren. Darüberhinaus kann der CuO-Film durch eine Reaktion zwischen einem organischen Kupfermaterial 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. Wahlweise kann ein Kupferoxidfilm dadurch erzeugt werden, daß ein im voraus erzeugter Cu-Film einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre unterworfen wird.

Obgleich bei obiger Ausführungsform ein Kupferoxidfilm, z. B. ein CuO-Film, als Metalloxidfilm benutzt wird, kann auch ein anderer Metalloxidfilm, z. B. ein Silberoxidfilm, anstelle des Kupferoxidfilms verwendet werden. 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 Verfahren oder Methoden zur Erzeugung eines Metalloxidfilms ein Parallelplatten-Plasma-CVD-Verfahren, ein Abwärtsstrom-CVD-Verfahren und eine (Kathoden-)Zerstäubung angewandt. Der Metalloxidfilm kann jedoch auch durch Ablagerung bzw. Fällung, Plattieren oder Galvanisieren oder aber Oxidationsverbrennung eines ein Metall enthaltenden organischen Materials erzeugt werden., Bei dem mit Ablagerung oder Niederschlagung arbeitenden Verfahren wird beispielsweise ein O2-Gas unter Benutzung eines Metallieferanten zugespeist, wobei die chemische Ablagerung oder Niederschlagung zur Erzeugung eines Metalloxidfilms durchgeführt wird; wahlweise kann ein Metalloxidfilm unmittelbar unter Verwendung eines Metalloxidfilms als Quelle oder Lieferant erzeugt werden. Beim Galvanisieren wird ein Metalloxidfilm durch stromloses Galvanisieren oder Elektrogalvanisieren erzeugt. Bei der Oxidationsverbrennung wird ein ein Metall enthaltendes organisches Material in einem organischen Lösungsmittel gelöst, worauf das (die) Lösungsmittel bzw. Lösung auf ein Substrat aufgestrichen und einer zwangsweisen Oxidationsverbrennung mittels eines Brenners oder Schweißbrenners in einer Oxidgasatmosphäre unterworfen wird, um damit einen Metalloxidfilm zu bilden.

Bevor der nach einem der angegebenen Verfahren erzeugte Metalloxidfilm reduziert wird, kann zusätzlich die folgende Verarbeitung vorgenommen werden. Genauer gesagt: der Metalloxidfilm wird in einer Sauerstoffatmosphäre geglüht, um seine Oxidation zu verbessern oder zu erhöhen, 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 beseitigt werden. Da weiterhin der auf beschriebene Weise geformte 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 Metalloxidfilms 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 Metallfilm kann unabhängig als Einzelschicht benutzt werden, oder es kann eine mehrlagige Struktur durch Kombination dieser Filme gebildet werden. Zur Verhinderung der Diffusion von Cu und zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften kann eine Klebmittelschicht benutzt werden. In den obigen Metallen enthaltenes V, Nb und Ta bilden keine zwischen metallischen Verbindungen zusammen mit Cu, und diese Metalle diffundieren mit hoher Geschwindigkeit 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 Ausbildung eines Verdrahtungsmusters aus einem Metalloxidfilm zur Verkleinerung des Verdrahtungsmusters sowie ein Verfahren zum Reduzieren eines Metalloxidfilms zwecks Ausbildung 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 Verfahrensschritten ausgeführt werden, weil der Dampfdruck eines Kupferhalogenoxids beim Ätzen höher ist als derjenige von Kupferhalogenid.

Die Fig. 21A bis 21G veranschaulichen im Schnitt jeweils die Schritte der Erzeugung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 21A wird auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 131 ein SiO2-Film 132 erzeugt. Dieser Film 132 wird zur Ausbildung einer Rille 133 bearbeitet. 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 dienender Nb-Film 134 erzeugt. Gemäß Fig. 21C erfolgt die Durchführung eines Plasmaabwärtsstrom-CVD-Verfahrens mit H2O unter Verwendung von (HFA)2Cu als organische Quelle bzw. organischer Lieferant zwecks Ausbildung eines CuO-Films 135 einer Dicke von 600 nm (6000 Å). Gemäß 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 Temperatur von 300°C in einer 90% Ar und 10% H2 enthaltenen 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 zunimmt, 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 gebildet. Schließlich wird gemäß Fig. 21G der TiO-Film 139 durch Naßätzen entfernt, wobei eine Cu-Verdrahtungsschicht geformt werden kann.

Obgleich bei dieser Ausführungsform Ti als Reduziermittel für CuO benutzt wird, kann auch V, Cr, Ni, Nb oder dergleichen verwendet werden. Darüber hinaus kann während des Glühens ein als Reduziermittel dienendes Metall durch das reduzierende Gas gleichzeitig mit der Oxidation eines reduzierten Metalls reduziert werden.

Beispiel 2

Als Verfahren zum Formen einer Rille in einem Halbleitersubstrat 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 besitzt, 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 Metall, wie W, einer vergleichsweise großen Härte wird auf dem aus einem weichen Metall bestehenden Cu-Film erzeugt, um die Poliereigenschaften zu verbessern; sodann wird die Oberseite des so erhaltenen Gebildes poliert.

Bei diesem Verfahren treten die in Fig. 22 veranschaulichten Probleme auf. Genauer gesagt: in dem auf einem Halbleitersubstrat erzeugten SiO2-Film 141 ist oder wird eine Rille 142 zur Ausbildung einer Verdrahtungsschicht geformt, und ein Sperrmetallfilm 143 wird darauf 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 Poliermittelteilchen Kratzer 145 auftreten. Dabei hängt die Poliergeschwindigkeit von einer Mustergröße ab; dabei tritt eine sog. Durchbiegungs- oder Auswaschungserscheinung auf, bei welcher im Mittelbereich der Cu-Verdrahtungsschicht 144 ein vertiefter Abschnitt entsteht. In dem Bereich, in welchem diese Erscheinung auftritt, ist die IW-Beständigkeit infolge einer Spannungskonzentration verschlechtert. Außerdem wird in einem Bereich 146 einer kleinen Musterbreite die Cu-Verdrahtungsschicht 144 aufgrund der Durchbiegungs- bzw. Auswascherscheinung teilweise abgetragen.

Gemäß Fig. 23 befindet sich ein Kontaktbereich 153 zwischen 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 Sperrenmetall 156, das auf der Flanke geformt ist, und einem auf der Oberseite der Cu-Verdrahtungsschicht geformten Sperrenmetall 157 in einen Isolierfilm 159 ein, wodurch ein fehlerhafter Betrieb eines (daraus hergestellten) Elements sowie ein Kurzschluß zwischen den Verdrahtungsschichten herbeigeführt werden.

Die zwölfte Ausführungsform der Erfindung weist das folgende kennzeichnende Merkmal auf: Wenn ein Metalloxid zu einem Metall reduziert wird, verkleinert sich das Volumen des Metalloxids; eine Verdrahtungsschicht weist dabei aufgrund von Metallkoagulation, durch Oberflächenspannung verursacht, eine gekrümmte Oberfläche einer in Aufwärtsrichtung vorstehenden Form auf. Die Verdrahtungsschicht 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 Metall beschichtet, das vom Metall der Verdrahtungsschicht verschieden ist. Da hierdurch die Länge einer Diffusionsstrecke eines Metalls vergrößert ist, kann eine Diffusion des Metalls unterdrückt werden.

Die Fig. 24A bis 24H sind Schnittansichten zur Veranschaulichung der Schritte bei der Erzeugung oder Ausbildung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß einer zwölften 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 Oxidfilm 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 Benutzung der Resistschicht als Maske durch reaktives Ionenätzen (RIE-Verfahren) geätzt werden. Anschließend erfolgt 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 verbleibt gemäß Fig. 24B der C-Film 163 nur auf den vorstehenden 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 Halbleitersubstrats 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 Kollimations-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 alkalisches 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 Halbleitersubstrat beim Polieren wirkende Belastung wird auf etwa 30 g/cm2 eingestellt. Die Zuführgeschwindigkeit der Polierlösung wird auf 200 ml/min eingestellt; die Drehzahl des Halbleitersubstrats und eines Drehtisches beträgt 100/min. Die Poliergeschwindigkeit des CuO-Films beträgt dabei 0,8 µm/min. Der nur auf den vorstehenden Bereichen des SiO2-Films 162 verbliebene C- Film 163 wird unter den angegebenen Bedingungen kaum poliert, 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 dauerndes Glühen bei 500°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre mit 20% H2 und 80% Ar zwecks Reduzierung der CuO- Verdrahtungsschicht 166, wodurch eine Cu-Verdrahtungsschicht 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 abgetragen werden, um die Oberfläche des so erhaltenen Gebildes 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 Verdrahtungsschicht ist gemäß Fig. 25 eine Rille 172 in einem auf einer Halbleiteranordnung (einem Halbleitersubstrat) 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 zwischen 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 R bezeichnet. Ein Winkel zwischen der Oberseite 177 und einer Tangente Y am Scheitel der Oberseite 177 ist mit R&min; bezeichnet. Dabei besitzt die Oberseite 177 eine in Aufwärtsrichtung ragende Form, und der Punkt P muß aus dem im folgenden angegebenen 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 Verdrahtungsschicht, eine nahezu kreisförmige bzw. kreisbogenförmige Gestalt erhält. Infolgedessen liegt der Punkt P zwischen den oberen und unteren Enden Q bzw. R. In diesem Fall genügen die Winkel R und R&min; den Bedingungen O < R < 90° und R < R&min;.

Bei dem für diese Ausführungsform beschriebenen Verfahren betragen beispielsweise der Winkel R 16° und der Winkel R&min; 47°. Die Winkel R und R&min; hängen von den Adhäsionseigenschaften (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 Querschnittsform der Verdrahtungsschicht entspricht jedoch nahezu einem Kreis; eine (mechanische) Spannung kann sich daher leicht an der Verdrahtungsschicht konzentrieren. Wenn weiterhin W als ein Feuerfestmetall auf die Oberseite aufgetragen wird, kann eine an der Verdrahtungsschicht selbst wirkende Spannung verringert werden, so daß eine Verdrahtungsschicht ausgezeichneter Zuverlässigkeit erhalten werden kann. Wenn darüber hinaus ein Metall, das vom Metall der Verdrahtungsschicht verschieden ist, auf letztere aufgetragen wird, um eine Diffusion des Verdrahtungsschichtmaterials zu verhindern, wird die Grenzfläche zwischen der Verdrahtungsschicht und dem auf getragenen Metall (der Metallbeschichtung), d. h. eine Strecke P-Q, als Diffusionsstrecke 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 spezifischen Widerstands erhalten werden. Durch Wiederholung der Schritte nach den Fig. 24A bis 24H kann außerdem eine mehrlagige Verdrahtungsstruktur erzeugt werden. Bei diesem Beispiel wurde für die Ausbildung der obenliegenden W-Schicht die selektive CVD-Methode angewandt. Es kann jedoch auch das stromlose Galvanisierverfahren 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 Verdrahtungsschicht 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 unmittelbar 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 (Atmosphärentemperatur) 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 Isolierfilms eindiffundieren und damit einen Betriebs- oder Arbeitsfehler eines entsprechenden Elements herbeiführen.

Als Möglichkeit zur Lösung obigen Problems ist gemäß Fig. 27 ein Verfahren zur Erzeugung oder Ausbildung eines Sperrenmetalls 185 als Diffusionssperre zwischen dem SiO2-Film 182 und der Cu-Verdrahtungsschicht 183 bekannt. Ein Sperrenmetall oder eine Metallsperre ist jedoch im allgemein polykristallin, so daß die Cu-Atome 184 in einem Hochtemperaturschritt von einer Kristallkorngrenze in das Sperrenmetall eindiffundieren. Diese Erscheinung tritt auch bei einer in einer Rille vergrabenen Verdrahtungsschicht auf und wirft ein sehr ernsthaftes Problem auf.

Die dreizehnte Ausführungsform der Erfindung weist folgendes kennzeichnendes Merkmal auf: Eine als Sperrschicht oder Adhäsionsschicht dienende Metall- oder Metallnitridschicht und ein als Verdrahtungsschicht oder Elektrode zu benutzender Metalloxidfilm sind oder werden auf einem Isolierfilm geformt, der auf einem Halbleitersubstrat 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 Metallnitridschicht ist polykristallin, so daß eine Diffusion mit maximaler Geschwindigkeit in einer Kristallkorngrenze auftritt. Wenn ein Metalloxid zu einem Metall reduziert wird, oxidieren einige der mit Metallatomen kombinierten Sauerstoffatome die Kristallkorngrenze der Metall- oder Metallnitridschicht, indem sie die Kristallkorngrenze der Metall- oder Metallnitridschicht als Diffusionsstrecke nutzen. Es ist allgemein bekannt, daß ein Metalloxid oder Metallnitrid eine Kristallstruktur einer höheren Dichte als derjenigen eines Metalls aufweist, so daß es als ausgezeichnete Barriere oder Sperre für Diffusion benutzbar ist. Da gemäß der Erfindung eine als Diffusionsstrecke dienende bzw. wirkende Korngrenze bevorzugt blockiert ist, kann die Diffusion unterdrückt sein. Darüber hinaus erfolgt dabei die Oxidation der Sperrschicht längs der Kristallkorngrenze. Aus diesem Grund kann die Oxidation des Kristalls der Sperrschicht selbst unterdrückt sein oder werden, wobei die Diffusion unterdrückt sein kann, ohne bei der Ausbildung einer mehrlagigen Verdrahtungsstruktur eine Erhöhung des spezifischen Widerstands eines Kontaktabschnitts hervorzurufen.

Die Fig. 28A bis 28E veranschaulichen in Schnittansichten die Schritte bei der Ausbildung einer Metall-Verdrahtungsschicht gemäß der dreizehnten 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 photolithographischem Wege ein Resistmuster geformt wird; sodann wird der SiO2-Film 192 durch reaktives Ionenätzen unter Benutzung des Resistmusters als Maske geätzt. Hierauf erfolgt eine Veraschung des Resistmusters unter Ausbildung einer Rille 193 einer Breite von 0,3 µm und einer Tiefe von 0,4 µm. Gemäß Fig. 28B wird auf der Gesamtoberfläche des Halbleitersubstrats durch (Kathoden-)Zerstäubung 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 befindlichen 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 alkalisches kolloidales Siliziumoxid eines pH-Werts von etwa 8,5 benutzt. Als Poliertuch wird ein Polster oder Kissen aus einem Faservlies verwendet. Die beim Polieren auf das Halbleitersubstrat ausgeübte Belastung wird oder ist auf etwa 100 g/cm2 eingestellt; die Zufuhrmenge an Polierlösung beträgt 200 ml/min, die Drehzahl von Halbleitersubstrat und Drehtisch 100/min. Die Poliergeschwindigkeit 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-Verdrahtungsschicht 196, um damit eine Cu-Verdrahtungsschicht 197 zu formen.

Bei der auf oben beschriebene Weise geformten Verdrahtungsschicht sind gemäß Fig. 29 ein Oxidfilm 202 in einer in einem Halbleitersubstrat 201 ausgebildeten Rille 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 Verfahren 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 Tiefenrichtung 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 hergestellten Verdrahtungsstruktur, d. h. einer Verdrahtungsstruktur, die erhalten wurde durch aufeinanderfolgendes 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 veranschaulicht 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 Oberfläche der Nb-Schicht unter der Cu-Schicht vorhanden ist; ersichtlicherweise wird dabei die Nb-Oberfläche durch das Reduzieren von CuO oxidiert. Bei der angegebenen herkömmlichen Verdrahtungsschicht und der erfindungsgemäßen Verdrahtungsschicht wurde die Diffusion von Cu in die SiO2-Filme mittels eines Sekundärionenmassenspektrographen (SIMS) untersucht. Dabei wurde bezüglich der herkömmlichen Verdrahtungsschicht festgestellt, 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 Verdrahtungsschicht gleich. Eine durch Oxidation von Nb verursachte Erhöhung des spezifischen Widerstands wurde nicht festgestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß neben Nb als Sperrmetall auch W, Mo, Cr, V, Ta, Ti, Zr, Hf o. dgl. benutzt werden kann.

Fig. 32 ist eine Schnittansicht einer Metallverdrahtungsschicht gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung. 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 Verdrahtungsschicht geschieht wie folgt: Ein Sperrmetallfilm 213 und der CuO-Film werden auf der Gesamtoberfläche des SiO2-Films 212 erzeugt; ein Resist wird auf photolithographischem 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 Barrieren- bzw. Sperrmetall dienendes TiN besitzt eine zylindrische polykristalline Struktur, wobei ein bei der Reduktion von CuO zu Cu entstandenes Ti-Oxinitrid in bzw. an der Kristallkorngrenze von TiN vorhanden ist. Bei der für diese Ausführungsform beschriebenen Verdrahtungsstruktur kann die Diffusion von Cu in die untere Schicht in höherem Maße als beim Stand der Technik unterdrückt werden, ohne dabei eine Erhöhung des Kontaktwiderstand herbeizuführen. Auf diese Weise wird eine Elektrode oder eine Verdrahtungsschicht einer hohen SW- und IW-Beständigkeit sowie eines niedrigen (elektrischen) spezifischen Widerstands erhalten.

Beispiel 4

Erfindungsgemäß kann für die Erzeugung eines CuO-Films in einer Sauerstoffatmosphäre 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 aus allen Richtungen 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 nämlich 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 weiteres so formen, daß er gleichmäßig in,der Rille vergraben ist.

Andererseits ist ein Verfahren zum gleichmäßigen Vergraben bzw. Einlassen eines Cu-Films in einer Rille mittels des sog. Kollimations-Zerstäubens (collimation sputtering) bekannt. Bei dieser Methode ist ein Kollimator zwischen einem Zerstäubungstarget und einem Substrat angeordnet, und das Zerstäuben erfolgt unter Steuerung einer Richtung in der Weise, daß ein Auftreffwinkel von Metallatomen auf dem Substrat bei nahezu 90


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, umfassend folgende Schritte:

    Erzeugen eines Metalloxidfilms, im wesentlichen bestehend aus einem Metalloxid mit einer Abnahme der (einer kleineren) normalen freien Energie als eine Abnahme einer normalen freien Energie eines Wasserstoffoxids oder eines Kohlenstoffoxids, auf einem auf einem Halbleitersubstrat erzeugten Isolierfilm, und

    Reduzieren des Metalloxidfilms zur Bildung einer Elektroden-Verdrahtungsschicht, die im wesentlichen aus einem eine Hauptkomponente des Metalloxids bildenden Metall besteht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Oberfläche des Isolierfilms eine Rille für eine Elektrode oder Verdrahtung geformt und die Elektroden-Verdrahtungsschicht in der Rille ausgebildet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Verdrahtungsschicht im wesentlichen aus einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Kupfer und Silber, besteht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzieren des Metalloxidfilms durch Glühen in einer Wasserstoff oder Kohlenstoff enthaltenden Gasatmosphäre erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzieren des Metalloxidfilms in der Weise erfolgt, daß ein Film, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Chrom, Vanadium, Niob, Nickel, Titan und Tantal, mit dem Metalloxidfilm in Berührung oder Kontakt gebracht wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt eines Musterns des Metalloxidfilms in Form einer Elektrode oder einer Verdrahtung vor dem Reduzieren.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Metalloxidfilms auf dem Halbleitersubstrat in der Weise erfolgt, daß das Substrat, während es rotiert, (durch Zerstäubung) besprüht wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat so in Schwingung versetzt wird, daß eine senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats stehende Achse um mehr als -90° und weniger als +90° gegenüber einer Einfalls- oder Auftreffrichtung von aufzusprühenden Partikeln liegt.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, umfassend folgende Schritte:

    Erzeugen eines Isolierfilms mit einer einen Rillenabschnitt aufweisenden Oberfläche auf einem Halbleitersubstrat,

    Erzeugen eines Metalloxidfilms, im wesentlichen bestehend aus einem Metalloxid mit einer Abnahme der (einer kleineren) normalen freien Energie als eine Abnahme einer normalen freien Energie eines Wasserstoffoxids oder eines Kohlenstoffoxids, auf einer Gesamt(ober)fläche des Isolierfilms, einschließlich des Rillenabschnitts,

    Entfernen des auf einem vom Rillenabschnitt verschiedenen Abschnitt erzeugten Metalloxidfilms und

    Reduzieren des Metalloxidfilms zur Bildung einer Elektroden-Verdrahtungsschicht, die im wesentlichen aus einem eine Hauptkomponente des Metalloxids bildenden Metall besteht.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen des Metalloxidfilms auf (von) dem vom Rillenabschnitt verschiedenen Abschnitt nach einem Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe Polierverfahren und Abhebeverfahren, durchgeführt wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzieren des Metalloxidfilms durch Glühen in einer Wasserstoff oder Kohlenstoff enthaltenden Gasatmosphäre durchgeführt wird.
  12. 12. Halbleiteranordnung, umfassend:

    ein Halbleitersubstrat,

    einen auf dem Halbleitersubstrat erzeugten und

    eine Fläche, in welcher eine Rille geformt ist, aufweisenden Isolierfilm,

    eine auf einer Innenfläche der Rille erzeugte erste Sperrschicht,

    eine aus einem Metall gebildete, in die Rille eingebettete Elektroden-Verdrahtungsschicht mit einer mit einer konvexen Krümmung geformten Oberseite, die einen Tangentenpunkt an einer Fläche der ersten Sperrschicht an Seitenwänden oder Flanken der Rille aufweist, und

    eine die Elektroden-Verdrahtungsschicht bedeckende zweite Sperrschicht.
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Sperrschichten im wesentlichen aus mindestens einem Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf und ein Nitrid derselben, bestehen.
  14. 14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Verdrahtungsschicht im wesentlichen aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Kupfer und Silber besteht.
  15. 15. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem (Quer-)Schnitt der Rille ein Winkel R zwischen einer Tangente der gekrümmten Fläche am Tangentenpunkt und der Seitenfläche oder Flanke der ersten Sperrschicht die Bedingung 0 < R < 90° erfüllt.
  16. 16. Halbleiteranordnung, umfassend:

    ein Halbleitersubstrat,

    einen auf dem Halbleitersubstrat erzeugten Isolierfilm,

    eine auf dem Isolierfilm gebildete Sperrschicht und

    eine auf der Sperrschicht ausgebildete Elektroden-Verdrahtungsschicht,

    wobei längs einer Grenzfläche zwischen der Elektroden-Verdrahtungsschicht und der Sperrschicht Sauerstoff vorhanden ist.
  17. 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstoff der Sperrschicht polykristallin ist und Sauerstoff längs der Korngrenzen vorhanden ist.
  18. 18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht im wesentlichen aus mindestens einem Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe W, Mo, Cr, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf und ein Nitrid derselben, besteht.






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