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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet der Herstellung
integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere Halbleiterelemente mit
Metallsilizidbereichen in leitenden Silizium enthaltenden Gebieten,
um den Schichtwiderstand dieser Gebiete zu reduzieren.
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In
modernen integrierten Schaltungen mit äußerst hoher Packungsdichte
werden die Bauteilstrukturen ständig
kleiner, um die Leistungsfähigkeit und
Funktionalität
des Bauteils zu steigern. Das Schrumpfen der Strukturgrößen zieht
jedoch gewisse Probleme nach sich, die teilweise die mittels der
reduzierten Strukturgrößen gewonnenen
Vorteile aufheben können.
Im Allgemeinen führt
die Reduzierung der Strukturgrößen von
beispielsweise einem Transistorelement zu einer geringeren Kanallänge in dem Transistorelement
und führt
damit zu einer höheren Stromtreiberfähigkeit
und einer verbesserten Schaltgeschwindigkeit des Transistors. Beim
Verringern der Strukturgrößen dieser
Transistorelemente wird jedoch der ansteigende elektrische Widerstand
von Leitungen und Kontaktgebieten, d.h. von Gebieten, die einen
elektrischen Kontakt zur Peripherie des Transistorelements herstellen,
ein dominierender Aspekt, da die Querschnittsfläche dieser Leitungen und Gebiete
mit geringer werdenden Strukturgrößen ebenfalls kleiner wird.
Die Querschnittsfläche
bestimmt jedoch in Kombination mit den in den Leitungen und Kontaktgebieten
enthaltenen Material u.a. den Widerstand der entsprechenden Leitung
oder des Kontaktgebiets.
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Die
zuvor genannten Probleme können
beispielhaft für
eine typische kritische Strukturgröße in dieser Hinsicht, die
auch als kritische Dimension (CD) bezeichnet wird, etwa die Ausdehnung
des Kanals eines Feldeffekttransistors, der sich unter einer Gateelektrode
zwischen einem Sourcegebiet und einem Draingebiet des Transistors
bildet, dargestellt werden. Das Verringern dieser Ausdehnung des
Kanals, die für
gewöhnlich
als Kanallänge
bezeichnet wird, kann deutlich die Bauteilleistungsfähigkeit
hinsichtlich der Abfall- und Anstiegszeiten während des Schattens des Transistorelements
aufgrund der geringeren Kapazität
zwischen der Gateelektrode und dem Kanal und aufgrund des verringerten
Widerstands des kürzeren
Kanals verbessern. Das Reduzieren der Kanallänge zieht jedoch die Verringerung der
Größe von Leitungen,
etwa der Gateelektrode des Feldeffekttransistors, die für gewöhnlich aus
Polysilizium gebildet ist, und der Kontaktgebiete, die elektrischen
Kontakt zu den Drain- und Sourcegebieten des Transistors liefern,
nach sich, so dass folglich der verfügbare Querschnitt für den Ladungsträgertransport
verringert ist. Folglich zeigen die Leitungen und die Kontaktgebiete
einen höheren
Widerstand, sofern der reduzierte Querschnitt nicht durch Verbessern
der elektrischen Eigenschaften des Materials, das die Leitungen
und die Kontaktgebiete, etwa die Gateelektrode und die Drain- und
die Sourcekontaktgebiete, bildet, kompensiert wird.
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Es
ist daher von besonderer Bedeutung, die Eigenschaften von leitenden
Gebieten zu verbessern, die im Wesentlichen aus Halbleitermaterial, etwa
Silizium, aufgebaut sind. Beispielsweise sind in modernen integrierten
Schaltungen die einzelnen Halbleiterelemente, etwa Feldeffekttransistoren, Kondensatoren
und dergleichen hauptsächlich
auf der Basis von Silizium aufgebaut, wobei die einzelnen Bauelemente
durch Siliziumleitungen und Metallleitungen verbunden sind. Während der
Widerstand der Metallleitungen verbessert werden kann, indem das üblicherweise
verwendete Aluminium durch beispielsweise Kupfer ersetzt wird, sind
Prozessingenieure mit einer herausfordernden Aufgabe konfrontiert,
wenn eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von Silizium
enthaltenden Halbleiterleitungen und Halbleiterkontaktgebieten erforderlich
ist.
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Typischerweise
werden diese Silizium enthaltenden Gebiete so behandelt, um einen
Metallsilizidbereich darauf zu erhalten, der einen deutlich kleineren
Schichtwiderstand als Silizium aufweist, selbst wenn dieses stark
dotiert ist.
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Mit
Bezug zu 1a bis 1c wird
ein typischer konventioneller Prozessablauf zur Herstellung von
Metallsilizidbereichen auf einem Silizium enthaltenden leitenden
Gebiet beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors 100,
der in einem Substrat 101 hergestellt ist, das ein Siliziumsubstrat oder
ein anderes geeignetes Substrat zur Aufnahme des Feldeffekttransistors 100 sein
kann. Die Abmessungen des Feldeffekttransistors 100 sind
durch eine Flachgrabenisolation 103 definiert, die aus
einem isolierenden Material, etwa Siliziumdioxid, gebildet sein
kann. Eine Gateisolationsschicht 106, die beispielsweise
Siliziumdioxid aufweist, trennt eine Gateelektrode 109,
die im Wesentlichen Polysilizium aufweist, von dem Potenzialtopfgebiet 102,
das N- und/oder P-Dotieratome enthalten kann, abhängig von
den erforderlichen Eigenschaften des Feldeffekttransistors 100.
Ferner sind Source- und Draingebiete, beide durch das Bezugszeichen 105 gekennzeichnet,
in dem Potenzialtopfgebiet 102 vorgesehen und sind invers
zu dem Potenzialtopfgebiet 102 dotiert. Das Oberflächengebiet
des Potenzialtopfgebiets 102, das unter der Gateisolationsschicht 106 liegt,
wird auch als das Kanalgebiet bezeichnet. Der laterale Abstand in 1a,
der die Drain- und Sourcegebiete 105 trennt, wird als die
Kanallänge
bezeichnet. Seitenwandabstandselemente 107 mit beispielsweise
Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid sind angrenzend zu den Seitenwänden der
Gateelektrode 109 ausgebildet. Auf den Drain- und Sourcegebieten 105 und
auf der Gateelektrode 109 sind Metallsilizidbereiche 108 gebildet,
die typischerweise ein Kobaltsilizid (CoSi2)
in einem niederohmigen Zustand aufweisen, um den Widerstand des
entsprechenden Silizium enthaltenden leitenden Gebiets, etwa die
Gateelektrode 109 und die Source- und Draingebiete 105,
zu reduzieren.
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Die
in 1a gezeigte Struktur wird typischerweise durch
die folgenden Prozessschritte hergestellt. Zunächst wird nach der Herstellung
der Flachgrabenisolation 103 mittels Ätzen von Gräben und Wiederbefüllung mit
Siliziumdioxid die Gateisolationsschicht 106 beispielsweise
durch einen Oxidationsprozess gebildet. Anschließend wird eine Polysiliziumschicht
abgeschieden und so strukturiert, um die Gateelektrode 109 mittels
fortschrittlicher fotolithografischer Verfahren zu bilden. Anschließend wird ein
erster Implantationsschritt ausgeführt, um leicht dotierte Gebiete
in den Source- und Draingebieten 105 zu definieren und
anschließend
werden die Seitenwandabstandselemente 107 gebildet, die
als eine Implantationsmaske in einem anschließenden Implantationsschritt
zum Definieren der Source- und Draingebiete 105 dienen.
Danach wird eine Schicht aus hochschmelzendem Metall, beispielsweise
mit Titan, Tantal, Zirkon, Kobalt, Nickel und dergleichen auf der
in 1a gezeigten Struktur abgeschieden. Typischerweise
wird das Metall durch Sputterabscheidung in einer Sputteranlage
mit einem entsprechenden Abscheidematerial zur Bereitstellung des erforderlichen
Metalls abgeschieden.
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1b zeigt
schematisch eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Teils des Draingebiets 105 einschließlich der
Schicht aus hochschmelzendem Metall 110, die auf dem Draingebiet 105 abgeschieden
ist. Auf der Schicht aus hochschmelzendem Metall 110 ist
eine Deckschicht 111 angeordnet und kann typischerweise
Titan oder Titannitrid aufweisen, wenn das hochschmelzende Metall
der Schicht 110 im Wesentlichen Kobalt aufweist. Die Deckschicht 111 wird
typischerweise durch Sputterabscheidung gebildet, wobei das Substrat 101 in
einer separaten Abscheidekammer zur Bildung der Deckschicht 111 behandelt
wird.
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Anschließend wird
ein erster Ausheizschritt bei einer ersten Durchschnittstemperatur,
typischerweise im Bereich von 440–600°C für Kobalt als das hochschmelzende
Metall, durchgeführt,
um eine chemische Reaktion zwischen dem hochschmelzenden Metall
in der Schicht 110 und dem Silizium in dem Draingebiet 105 in
Gang zu setzen. Anzumerken wäre
dazu, dass eine entsprechende Reaktion selbstverständlich auch
in der Gateelektrode 109 und dem Sourcegebiet 105 stattfindet.
Während
dieses ersten Ausheizschritts unterliegen das Metall der Schicht 110 z.B.
das Kobalt, und das Silizium in dem Gebiet 105 einer Diffusionswanderung
und bilden ein Kobaltmonosilizid. Wenn diese Reaktion stattfindet, wirkt
die Deckschicht 111, wenn diese im Wesentlichen Titan aufweist,
als eine so genannte Getterschicht, die vorzugsweise mit Sauerstoffatomen
reagiert, die in der Ausheizumgebung vorhanden sind, um damit Titanoxid
zu bilden. Daher verringert die Titandeckschicht 111 die
Oxidation des darunter liegenden Kobalts 110, wodurch ansonsten
ein Kobaltoxid entstehen könnte
und den Widerstand der schließlich
erhaltenen Silizidschicht erhöhen
könnte. Bei
der Diffusion während
des ersten Ausheizschrittes neigen jedoch Kobalt und Titan dazu,
eine Verbindung zu bilden, die im Wesentlichen keine Reaktion mit
Silizium ausführt
und damit nicht zu einem Silizidbereich mit geringen ohmischen Widerstand
beiträgt.
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Wenn
andererseits die Deckschicht 111 im Wesentlichen Titannitrid
aufweist, dient die Deckschicht 111 im Wesentlichen als
eine inerte Schicht während
des ersten Ausheizschrittes, zeigt jedoch lediglich eine moderate
Fähigkeit,
das darunter liegende Kobalt vor der Oxidation mit Restsauerstoff
in der Ausheizatmosphäre
zu schützen.
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Ferner
bauen sich während
des Ausheizens und der Bildung des Kobaltmonosilizids Korngrenzen auf,
in denen sich Titan ansammeln kann, wenn eine Titandeckschicht 111 verwendet
wird.
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Schließlich werden
die Deckschicht 111 und das Kobalt der Schicht 110,
das nicht reagiert hat, mittels eines selektiven Nassätzprozesses
entfernt. Anschließend
wird ein zweiter Ausheizschritt bei einer höheren Durchschnittstemperatur
als der erste Ausheizschritt durchgeführt, typischerweise im Bereich
von 650–700°C, wenn Kobalt
in der Schicht 110 verwendet ist, um das Kobaltmonosilizid
in ein stabileres Kobaltdisilizid umzuwandeln, das einen deutlich geringeren
Schichtwiderstand als das Kobaltmonosilizid aufweist. Wie zuvor
angemerkt wurde, kann sich im Falle einer Titandeckschicht 111 das
Titan an den Korngrenzen des Kobaltmonosilizids angesammelt haben,
und somit kann der Hauptdiffusionsweg für die chemische Reaktion während des
zweiten Ausheizschrittes durch das angesammelte Titan deutlich eingeschränkt sein.
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Wie
in 1c gezeigt ist, kann sich während des anfänglichen
Ausheizschrittes eine Kobalttitanschicht 112 gebildet haben
und somit ist eine Dicke des Silizidbereichs 108 verringert.
Aufgrund des angesammelten Titans an den Korngrenzen kann ferner die
Grenzfläche 113 des
schließlich
erhaltenen Silizidbereichs 108 und des darunter liegenden
Silizium enthaltenden Gebiets 105 relativ rau sein und
daher einen erhöhten
elektrischen Widerstand aufgrund der erhöhten Streuung von Ladungsträgern aufweisen. Wenn
eine Titannitridschicht als die Deckschicht 111 verwendet
wird, kann die Erzeugung der Kobalttitanschicht 112 im
Wesentlichen vermieden werden, aber stattdessen kann der schließlich erhaltene
Silizidbereich 108 eine beträchtliche Menge Kobaltoxid aufweisen,
wodurch ebenso der elektrische Widerstand des Silizidbereichs 108 erhöht wird.
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Die
Patentschrift
US 5 451 545 offenbart
einen Prozess zum Bilden von stabilen lokalen Verbindungsleitungen
und Silizidstrukturen in aktiven Gebieten. Der Prozess umfasst das
Abscheiden eines Titan/Titannitrid/Titan/Silizium-Schichtstapels über einer
Feldeffekttransistorstruktur und das anschließende Strukturieren der Siliziumschicht,
um die lokalen Verbindungsleitungen zu definieren. Bei einer Wärmebehandlung
bildet das Titan der oberen Titanschicht im Bereich der definierten
lokalen Verbindungsleitungen mit dem Silizium der darüber liegenden
Siliziumschicht ein Silizid. Das Titan der unteren Titanschicht
bildet ein Silizid mit dem Silizium des darunter liegenden aktiven
Gebietes in Bereichen in denen sie in Kontakt sind, wobei in diesen
Bereichen die abgeschiedene Siliziumschicht in dem erwähnten Strukturierungsschritt
entfernt worden sein kann. Die Titan/Titannitrid-Schichten werden
z. B. mittels reaktiver Sputtertechniken und die Titan/Silizium-Schichten
werden mittels eines konventionellen Sputterprozesses abgeschieden.
Eine Titannitrid/Titan-Opferschicht, die nachfolgend ganzflächig wieder
entfernt wird, ist in der Patentschrift nicht offenbart.
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Die
Patentschrift
US 5 874 342 und
die darin einbezogene Patentschrift
US
5 902 129 offenbaren einen Prozess zur Ausbildung von Kobaltsilizid,
wobei eine Kobaltschicht mit einer Titan/Titannitrid-Deckschicht
beschichtet wird, wobei die Titannitrid-Schicht die Titanschicht
vor einem Kontakt mit Sauerstoff enthaltenden Gasen schützt. Die
Titan- und die Titannitrid-Schicht
können
in der gleichen oder in getrennten Abscheidekammern gebildet werden.
Eine Titannitrid/Titan-Deckschicht, wobei die Titanschicht als Getterschicht
dient, wird in den Patentschriften nicht offenbart.
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Folglich
gibt es, obwohl der konventionelle Prozessablauf eine deutliche
Verbesserung des Gesamtwiderstandes eines Silizium enthaltenden
leitenden Gebiets durch Herstellung von Silizidbereichen in diesen
Gebieten erlaubt, dennoch Raum für
Verbesserungen hinsichtlich der Qualität des silizidierten Bereichs
und hinsichtlich der Prozessoptimierung.
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Verfahren
zur Herstellung eines silizidierten Bereichs in einem Silizium enthaltenden
leitenden Gebiet, wobei ein Stapel aus Schichten vorgesehen ist,
in dem eine oder mehrere Metallschichten das Metall zur Bildung
des Metallsilizidbereichs tiefem, während andere Schichten in dem
Stapel vorgesehen sind, um die darunter liegende Metallschicht während der
Ingangsetzung einer chemischen Reaktion zwischen dem Metall und
dem Silizium zu schützen.
Ferner kann gemäß einem
Aspekt das komplexe Abscheideverfahren, das zwei separate Abscheidekammern
erfordert, deutlich vereinfacht werden, indem ein In-Situ-Verfahren
zur Herstellung des Schichtstapels bereitgestellt wird, wodurch
das Abscheiden der Metallschicht und der schützenden Schichten in einer
einzelnen Abscheidekammer möglich
ist.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung
von Gebieten mit reduziertem Widerstand in einem Silizium enthaltenden
leitenden Gebiet das Bereitstellen eines Substrats mit dem darauf
gebildeten Silizium enthaltenden leitenden Gebiet und das Abscheiden
eines Schichtstapels auf dem Silizium enthaltenden leitenden Gebiet,
wobei der Schichtstapel eine erste und eine zweite Metallschicht,
die als eine Opferschicht dient und eine Metallstickstoffverbindungsschicht
aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht
angeordnet ist, wobei zumindest das Abscheiden der zweiten Metallschicht
und der Metallstickstoffverbindungsschicht in-situ unter Verwendung
des gleichen Metalls und unter Bildung eines graduellen Überganges
zwischen der zweiten Metallschicht und der Metallstickstoffverbindungsschicht
ausgeführt
wird. Ferner umfasst das Verfahren das Wärmebehandeln des Substrats,
um einen Metallsilizidbereich in dem Silizium enthaltenden leitenden
Gebiet zu bilden, und das ganzflächige
Entfernen der Opferschicht.
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird; es zeigen:
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1a–1c schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterelements mit einem silizidierten
Bereich, der entsprechend einem typischen konventionellen Prozess
hergestellt ist; und
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2a–2d schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterelements während diverser Herstellungsstadien
gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Anzumerken
ist, dass die 1a–1c und 2a–2d lediglich
anschaulicher Natur sind und die Abmessungen und Gebiete, die darin gezeigt
sind, sind nicht maßstabsgetreu.
Ferner sind die Grenzen zwischen benachbarten Materialschichten
und Gebieten als scharfe Linien dargestellt, wohingegen in tatsächlichen
Bauteilen diese Grenzen durch graduelle Übergänge gebildet sein können, wie dies
typisch für
Bauelemente ist, die durch Herstellungsschritte mit Diffusionsprozessen
hergestellt werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, beabsichtigen die detaillierte Beschreibung
und die Zeichnungen nicht, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen Ausführungsformen
stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung
dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Im
Folgenden werden anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung im Hinblick auf einen Feldeffekttransistor mit Silizium
enthaltenden leitenden Gebieten beschrieben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein,
dass die vorliegende Erfindung auf ein beliebiges Silizium enthaltendes
leitendes Gebiet, das in einer integrierten Schaltung vorgesehen
ist, anwendbar ist. Beispielsweise können gewisse Chipflächen oder
einzelne Halbleiterelemente durch Polysiliziumleitungen verbunden
sein, die entsprechend zu den Entwurfserfordernissen eine relativ
geringe Querschnittsfläche
aufweisen können,
so dass eine Verbesserung der Leitfähigkeit dieser Leitungen deutlich
zu einer Verbesserung der Gesamtleistungsfähigkeit der integrierten Schaltung
beiträgt.
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2a zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 200 in
Form eines Feldeffekttransistors, der im Wesentlichen die gleichen
Komponenten und Teile aufweist, die bereits in 1a beschrieben
sind. Die entsprechenden Komponenten und Teile sind durch die gleichen
Bezugszeichen mit Ausnahme einer führenden "2" anstelle einer
führenden "1" bezeichnet. Das Halbleiterelement 200 umfasst
also Flachgrabenisolationen 203, die in einem Substrat 201 gebildet
sind, wobei das Substrat 201 ein beliebiges geeignetes
Substrat einschließlich
beispielsweise eines Siliziumsubstrats, eines Silizium-auf-Isolator-Substrat
und dergleichen sein. Drain- und Sourcegebiete 205 sind
in einem Potenzialtopfgebiet 202 getrennt angeordnet, das
einen zentralen Bereich aufweist, auf dem eine Gateisolationsschicht 206 gebildet
ist, die elektrisch eine Gateelektrode 209 von dem Potenzialtopfgebiet 202 isoliert.
Ferner sind Seitenwandabstandselemente 207 an den Seitenwänden der
Gateelektrode 202 angeordnet.
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Der
Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterelements 200 kann
im Wesentlichen die gleichen Prozessschritte aufweisen, die bereits
mit Bezug zu 1a beschrieben sind. Daher wird
eine entsprechende Beschreibung weggelassen.
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Ferner
umfasst das in 2a gezeigte Halbleiterelement 200 einen
Schichtstapel 220 (der weiter unten detaillierter beschrieben
wird), der für
die nachfolgende Bildung der silizidierten Bereiche in den Drain-
und den Sourcegebieten 205 und der Gateelektrode 209 vorgesehen
ist.
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2b zeigt
schematisch eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Bereichs des Halbleiterelements 200 mit dem Schichtstapel 220 und
einem Bereich des darunter lie genden Silizium enthaltenden Gebiets,
beispielsweise des Gebiets 205. Entsprechend einer speziellen
Ausführungsform
umfasst der Schichtstapel 220 drei Schichten, eine erste Metallschicht 221,
eine zweite Schicht 222 in Form einer Metallstickstoffverbindungsschicht
und eine dritte Schicht 223 in Form einer zweiten Metallschicht Die
erste Metallschicht 221 kann ein hochschmelzendes Metall
oder eine geeignete Legierung davon einschließlich beispielsweise Kobalt,
Titan, Zirkon, Tantal, Wolfram, Nickel und dergleichen aufweisen.
Die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 kann eine Metallstickstoffverbindung,
etwa Metallnitrid, aufweisen, das aus einem der zuvor genannten
hochschmelzenden Metalle gebildet ist Die zweite Metallschicht 223 kann
ein Metall oder eine Legierung von Metallen einschließlich beispielsweise
jener der zuvor genannten Metalle aufweisen unter Verwendung des
gleichen Metalls wie in der Metallstickstoffverbindung. Die Dicke
der einzelnen Schichten 221, 222 und 223 ist
so gewählt
um den spezifischen Erfordernissen zu genügen. Das heißt, die
erste Metallschicht 221 ist die Materialquelle für den in
und auf dem Silizium enthaltenden leitenden Gebiet 205 zu
bildenden Metallsilizidbereich. Daher wird die Dicke der ersten Metallschicht 221 so
gewählt
um die erforderliche Dicke der zu bildenden Silizidbereiche zu erhalten.
Die Dicke der Metallstickstoffverbindungsschicht 222, die als
eine inerte Schicht, d.h., als eine Diffusionsbarrierenschicht,
die im Wesentlichen Diffusion von der ersten Metallschicht 221 in
die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 und/oder zu
der zweiten Metallschicht 223 und eine chemische Reaktion
zwischen der ersten Metallschicht 221 und der Metallstickstoffverbindungsschicht 222 behindert,
in den nachfolgenden Prozessschritten zur Bildung der Metallsilizidbereiche
dient, wird so gewählt,
um einen ausreichenden Schutz für
die darunter liegende erste Metallschicht 221 in dem anschließenden Ausheizschritt sicherzustellen.
Wenn beispielsweise das Metallnitrid in der Metallstickstoffverbindungsschicht 222 Titannitrid
ist, liegt eine typische Schichtdicke im Bereich von ungefähr 10–100 nm.
Die Dicke derzweiten Metallschicht 223, die in dem anschließenden Ausheizschritt
als eine Getterschicht dient, die mit Sauerstoffatomen oder anderen
reaktiven Nebenprodukten zur Bildung eines Metalloxids oder einer
anderen Verbindung dient, wird folglich vorzugsweise so gewählt um im
Wesentlichen alle Sauerstoffatome oder Molekühle, die die Oberfläche der
zweiten Metallschicht 223 treffen, aufzubrauchen. Typischerweise
ist eine Dicke im Bereich von 10–30 nm ausreichend, um den
Grad der ungewünschten
Oxidation in der ersten Metallschicht 221 in einem tolerierbaren
Bereich zu halten.
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In
einer speziellen Ausführungsform
umfassen die erste Metallschicht 221 und die zweite Metallschicht 223 im
Wesentlichen das gleiche Metall und die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 weist
im Wesentlichen ein Metallnitrid auf, das aus dem gleichen Metall
gebildet ist, das die ers ten und zweiten Metallschichten bildet.
Die Verwendung des gleichen Metalls für die erste Metallschicht 221,
die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 und die zweite
Metallschicht 223 bietet die folgenden Vorteile.
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Vorzugsweise
werden bei der Herstellung integrierter Schaltungen mit äußerst hoher
Packungsdichte auf Substrate mit großem Durchmesser Metallschichten
durch physikalische Dampfabscheidung abgeschieden, etwa der Sputterabscheidung,
aufgrund des relativ hohen Grades an Gleichförmigkeit, der über die
gesamte Substratoberfläche
hinweg erreicht werden kann. Während
der Sputterabscheidung wird das Substrat, etwa das Substrat 201,
in eine Reaktionskammer (nicht gezeigt) eingeführt, die ein Abscheidematerial
enthält,
d.h. für
gewöhnlich ein
scheibenförmiges
Material, das auf dem Substrat abzuscheiden ist, und eine Einrichtung
zum Erzeugen einer Plasmaumgebung enthält. Typischerweise wird ein
Plasma unter Verwendung eines Edelgases, etwa Argon, erzeugt, um
Ionen und Elektronen auf das Abscheidematerial zu lenken, um Atome
des Abscheidematerials freizusetzen. Ein Teil der freigesetzten
Atome bewegt sich dann auf das Substrat zu und kondensiert darauf,
um eine Metallschicht, etwa die erste Metallschicht 221,
zu bilden. Die Prozessparameter der Sputterabscheidung, etwa der
Kammerdruck, die der Plasma erzeugenden Einrichtung zugeführte Leistung,
eine Gleichstrom- oder Wechselstromvorspannung, die dem Substrat
zugeführt wird,
der Abstand zwischen dem Abscheidematerial und dem Substrat, die
Dauer des Abscheidevorganges und dergleichen, können so gesteuert werden, um
die Dicke der ersten Metallschicht 221 in Übereinstimmung
mit Entwurtserfordemissen einzustellen. Da Sputterabscheideanlagen
und -prozesse im Stand der Technik bereits bekannt sind, wird eine
detaillierte Beschreibung davon weggelassen.
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Nachdem
die erste Metallschicht 221 mit der erforderlichen Dicke
abgeschieden worden ist, wird ein Stickstoff enthaltendes Gas, beispielsweise
Stickstoff (N2) der Plasmaumgebung zugesetzt.
Es wurde herausgefunden, dass viele hochschmelzenden Metalle, etwa
Titan, Zirkon, Tantal, Wolfram und dergleichen Stickstoffverbindungen
während
der Sputterabscheidung bei Anwesenheit von Stickstoff bilden, so dass
die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 als eine Metallnitridschicht
gebildet werden kann. Wiederum können
die Abscheideprozessparameter einschließlich der Parameter, die zuvor
aufgeführt
sind, und insbesondere die Durchflussrate von Stickstoff, das der
reaktiven Plasmaumgebung zugesetzt wird, so gesteuert werden, um
die Dicke und die Eigenschaften der Metallstickstoffverbindungsschicht 222 einzustellen.
Nachdem eine gewünschte
Dicke erreicht ist, wird die Stick stoffzufuhr unterbrochen, wobei
die Plasmaumgebung weiterhin aufrechterhalten wird, so dass zunehmend
mehr Metall als Metallnitrid auf dem Substrat abgeschieden wird.
Dieser Prozess setzt sich fort, bis im Wesentlichen das gesamte
restliche Stickstoffgas aufgebraucht ist, so dass schließlich eine
im Wesentlichen "reine" Metallschicht 223 erzeugt
wird.
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Ferner
wird Stickstoff, der in dem Abscheidematerial eingefangen ist, oder
ein beliebiges Metallnitrid, das auf dem Abscheidematerial und an
den Kammerwänden
abgeschieden wird, während
des Abscheidevorgangs ohne Stickstoffzufuhr entfernt, so dass die
Kontamination mit Metallnitrid in einem anschließenden Sputterabscheideprozess
minimal ist. Der Abscheideprozess für die zweite Metallschicht 223 wird
beendet, wenn eine erforderliche Dicke erreicht ist, oder wenn ein
erforderliches Maß an "Reinigung" in der Abscheidekammer
erreicht ist. Da die zweite Metallschicht 223 lediglich
als eine Opferschicht dient, ist die Dicke nicht kritisch, so lange
eine minimale erforderliche Wirksamkeit im Aufnehmen von Sauerstoffatomen
sichergestellt ist. Folglich kann gemäß dieser speziellen Ausführungsform
ein Schichtstapel 220 mit den drei Schichten 221, 222 und 223 in
einer In-Situ-Sputterabscheidung erzeugt werden, wobei deutlich
der Durchsatz und die Anlagenleistungsfähigkeit verbessert sind.
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Gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform
kann die erste Metallschicht 221 in einer ersten Plasmaumgebung
abgeschieden werden, um beispielsweise eine Kobaltschicht 221 zu
bilden, und anschließend
wird das Substrat 201 einer zweiten Plasmaumgebung mit
einem zweiten Abscheidematerial, beispielsweise Titan, und einer
Stickstoff enthaltenden Gaskomponente ausgesetzt. Nach der Abscheidung
einer Titannitridschicht wird die Zufuhr des Stickstoff enthaltenden
Gases unterbrochen und, wie zuvor mit Bezug zu der vorhergehenden
Ausführungsform
beschreben ist, wird allmählich
eine Titanschicht 223 abgeschieden, wobei gleichzeitig
das Sputterabscheidematerial dekontaminiert wird, wie dies zuvor
beschrieben ist. Auf diese Weise kann eine Materialzusammensetzung
gewählt
werden, wobei die erste Metallschicht 221 so gewählt ist,
um einen optimierten Silizidbereich zu erhalten, und wobei die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 und die
zweite Metallschicht 223 so gewählt sind, um einen optimalen
Schutz der ersten Schicht 221 während der anschließenden Wärmebehandlung
zu gewährleisten.
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Als
ein nächster
Prozessschritt wird eine Wärmebehandlung
ausgeführt,
um eine chemische Reaktion zwischen dem Silizium in dem Silizium
enthaltenden leitenden Gebiet 205 und der ersten Metallschicht 221 in
Gang zu setzen. Dazu kann abhängig
von der Art des in der ersten Metallschicht 221 enthaltenden
Metalls gemäß einer
Ausführungsform ein
erster Ausheizschritt mit einer ersten Durchschnittstemperatur ausgeführt werden,
um die chemische Reaktion zwischen dem Metall in der ersten Metallschicht 221 und
dem darunter liegenden Silizium in Gang zu setzen, um eine Metallsiliziumverbindung
zu bilden. Während
dieses Ausheizschrittes verhindert die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 im
Wesentlichen eine Aufwärts-
und Abwärtsdiffusion von
Material der ersten und der zweiten Metallschicht 221, 223,
was besonders vorteilhaft ist, wenn die erste und die zweite Metallschicht
jeweils ein unterschiedliches Metall aufweisen. Des Weiteren reagiert die
Metallstickstoffverbindungsschicht 222 im Wesentlichen
nicht mit dem Metall der ersten Metallschicht 221. Ferner
wird ein reaktives Element, insbesondere Sauerstoff, der in der
Umgebung vorhanden sein kann, im Wesentlichen durch die zweite Metallschicht 223 durch
Ausbildung einer Verbindung, etwa eines Oxids, mit diesem reaktiven
Elementen verbraucht.
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Anschließend werden
die Metallstickstoffverbindungsschicht 222 und die zweite
Metallschicht 223 selektiv entfernt und ebenso wird ein Überschussmaterial
der ersten Metallschicht 221, das nicht mit dem darunter
liegenden Silizium reagiert hat, entfernt. Eine derartige Entfernung
kann durch Ausführen
einer Vielzahl bekannter Nassätzprozesse erreicht
werden.
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2c zeigt
schematisch die Metallsiliziumverbindung 225, die in und
auf dem Silizium enthaltenden leitenden Gebiet 205 gebildet
ist, nach der Entfernung des Überschussmaterials.
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Anschließend wird
eine weitere Wärmebehandlung,
etwa ein zweiter Ausheizschritt, bei einer höheren Durchschnittstemperatur
als die erste Wärmebehandlung
durchgeführt,
um die Metallsiliziumverbindung in ein Metallsilizid überzuführen, das
einen deutlich geringeren Widerstand als das Silizium in dem Gebiet 205 oder
die Metallsiliziumverbindung 225 aufweist.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterelement 200 nach Beendigung der
zweiten Wärmebehandlung,
wobei Metallsilizidbereiche 208 in und auf den Source-
und Draingebieten 205 und der Gateelektrode 209 gebildet
sind. Aufgrund des Vorsehens der Metallstickstoffverbindungsschicht 222 während der
ersten Wärmebehandlung
ist die Grenzfläche zwischen
dem Silizium und dem Metallsilizidgebiet 208 deutlich verbessert,
selbst wenn das Metall der ersten Metallschicht 221 sich
von jenem der zweiten Metallschicht 223 unterscheidet,
da eine Diffusionsaktivität
zwischen diesen beiden Schichten im Wesentlichen vermieden wird.
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Obwohl
die bisher beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen sich auf einen
Schichtstapel 220 mit drei unterschiedlichen Schichten
beziehen, kann der Schichtstapel 220 eine beliebige geeignete
Anzahl an Schichten aufweisen, um die erforderliche Diffusionsbarrierenfunktion
und die erforderliche Getter-Funktion zu erreichen. Insbesondere kann
der Übergang
zwischen der Metallstickstoffverbindungsschicht 222 und
der zweiten Metallschicht 223 ein gradueller Übergang
sein, in dem das Verhältnis
von Metall zu Metallnitrid allmählich
variiert, so dass die Oberseite des Schichtstapels 220 eine verbesserte
Getter-Effizienz zeigt, wohingegen der Bereich auf der ersten Metallschicht 221 die
geforderten diffusionshindernden Eigenschaften zeigt. Dies gilt
insbesondere für
Ausführungsformen,
in denen ein In-Situ-Abscheideprozess angewendet wird, wobei die
Zufuhr von Stickstoffgas so gesteuert sein kann, dass die erforderliche
Metallnitrid- und Metallkonfiguration in der Metallstickstoffverbindungsschicht
und der zweiten Metallschicht erhalten wird. Ferner kann in einem
erläuternden
Beispiel einer Ausführungsform
eines Schichtstapels die erste Metallschicht 221 und die
Metallstickstoffverbindungsschicht 222 in einem In-Situ-Prozess
abgeschieden werden, um eine Metallschicht 221 und eine
entsprechende Nitridschicht 222 zu bilden, wohingegen die zweite
Metallschicht 223 aus einem unterschiedlichen Material
in einem separaten Abscheideprozess gebildet werden kann.
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Anzumerken
ist, dass in anderen Ausführungsformen
mehr als drei Schichten in dem Schichtstapel 220 verwendet
werden können,
um eine erforderliche schützende
Abdeckung für
das silizidbildende Metall zu erhalten.
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In
anderen Ausführungsformen
soll, insbesondere wenn eine In-Situ-Abscheidung für zwei oder
drei Schichten verwendet wird, der Begriff Schicht eine Schicht
beschreiben, die im Wesentlichen durch ihre Funktion anstatt durch
ihre Grenze zu einer darüber
liegenden oder darunter liegenden Schicht definiert ist. Beispielsweise
soll eine Metallnitridschicht, die durch Sputterabscheiden mit Zufuhr von
Stickstoff abgeschieden wird, und eine Schicht, die nach Erreichen
einer gewissen Dicke des Metallnitrids durch Unterbrechen der Stickstoffzufuhr
gebildet wird, als zumindest zwei Schichten aufgrund der Getter-Funktion
der schließlich
gebildeten Schicht und der Inert-Wirkung der vorhergehenden Schicht aufgefasst
werden, obwohl eine deutliche physikalische Grenze dazwischen nur
schwierig zu definieren ist.
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Weitere
Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann auf diesem Gebiet angesichts dieser Beschreibung offenkundig.
Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich gedacht und
dient dem Zwecke, den Fachmann die allgemeine Art des Ausführens der vorliegenden
Erfindung nahe zu bringen. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten
und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
aufzufassen.