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Dokumentenidentifikation DE60209835T2 16.11.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001289004
Titel Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
Anmelder Canon Sales Co. Inc., Tokio/Tokyo, JP;
Semiconductor Process Laboratory, Co. Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Shioya, Semiconductor Process Lab.Co. Ltd, Yoshimi, Tokyo 108-0075, JP;
Nishimoto, Semiconductor Process Lab.Co.Ltd, Yuhko, Tokyo 108-0075, JP;
Suzuki, Tomomi, Minato-ku, Tokyo 108-0073, JP;
Ohgawara, Shoji, Minato-ku, Tokyo 108-0073, JP;
Maeda, Semiconductor Process Lab. Co. Ltd., Kazuo, Tokyo 108-0075, JP
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Aktenzeichen 60209835
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.07.2002
EP-Aktenzeichen 020168688
EP-Offenlegungsdatum 05.03.2003
EP date of grant 15.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/318(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 21/321(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01L 23/532(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG a) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements und spezieller die Technologie zum Verhindern der Ausbreitung/Diffusion von Cu in einer Kupfer- (Cu) Leitungs- bzw. Verdrahtungsschicht in Verbindung mit der Mehrschicht-Verdrahtungstechnologie.

b) Beschreibung des Standes der Technik

Die LSI (large-scale integration – Hochintegration) wird durch Verbinden der Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Widerstände usw., die elektrisch getrennt auf einem Halbleiter-Substrat angeordnet sind, über Leitungsführungen hergestellt.

Die Technologie zum Verbinden der Elemente bei einer hohen Dichte ist die Mehrschicht-Verdrahtungstechnologie, wobei diese Mehrschicht-Verdrahtungstechnologie eine wichtige Technologie ist, die für die höhere Leistung der LSI entscheidend ist. Die parasitären Wirkungen der Widerstände, Kapazitäten usw. in der Mehrschicht-Verdrahtung haben einen großen Einfluss auf die Schaltungsleistung der LSI. Angesichts eines solchen Gesichtspunktes wird nun die Mehrschicht-Verdrahtung genutzt, in der die Cu (Kupfer)-Verdrahtung, die einen niedrigen Widerstand hat, und der isolierende Zwischenschicht-Film, der aus einem Material mit niedriger dielektrischer Konstante hergestellt ist, in Kombination verwendet werden. Bei diesem Herstellungsverfahren wird nun ein Einlassverfahren (burying process), d. h. das so genannte Damaszener-Verfahren angewendet.

Die Cu-Verdrahtungsschicht hat die Eigenschaft, dass Cu in der Cu-Verdrahtungsschicht bereit ist, in den isolierenden Zwischenschicht-Film bei dem Schritt zu diffundieren, bei dem ein Glühen oder eine ähnliche Temperaturerhörung angewendet wird. Wenn sich das Cu in der Cu-Verdrahtungsschicht in den isolierenden Zwischenschicht-Film ausbreitet, werden Nachteile wie der hervorgerufen, dass der Kriech- bzw. Leckstrom in dem isolierenden Zwischenschicht-Film erhöht wird. Aus diesem Grund wird die Ausbreitung/Diffusion von Cu in der Cu-Verdrahtungsschicht verhindert, indem ein isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung, wie ein Siliziumnitrid-Film, der eine Funktion zum Verhindern der Cu-Diffusion hat, zwischen der Cu-Verdrahtungsschicht und dem isolierenden Zwischenschicht-Film gebildet wird.

Die dielektrische Konstante (z. B. etwa &egr; = 5) des isolierenden Films, der die Diffusion/Ausbreitung von Cu verhindern kann, ist jedoch erheblich höher als die (z. B. etwa &egr; = 2,8) des isolierenden Films, der die niedrige dielektrische Konstante hat. Daher ist, selbst wenn der Hauptteil des isolierenden Zwischenschicht-Films durch den isolierenden Film mit der niedrigen dielektrischen Konstante gebildet wird, die parasitäre Kapazität zwischen den Cu-Verdrahtungschichten in der Mehrschicht-Verdrahtung wegen der Intervention des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung effektiv erhöht. Zum Beispiel wird in der Situation, in der die Gesamt-Filmdicke des isolierenden Zwischenschicht-Films auf 500 nm festgelegt wird, wenn einer Dicke des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung (etwa &egr; = 5) 100 nm zugeordnet werden und die verbleibende Dicke dem isolierenden Film mit der niedrigen dielektrischen Konstante (etwa &egr; = 2,8) zugeordnet wird, die effektive dielektrische Konstante des isolierenden Zwischenschicht-Films auf etwa 3,05 angehoben. Infolgedessen ist die Verzögerung des elektrischen Signals, das sich in der Verdrahtung der Mehrschicht-Verdrahtung in der LSI ausbreitet, d. h. die Verdrahtungs- bzw. Leitungsverzögerung, erhöht, wobei es möglich ist, dass diese Verzögerung ein fatales Problem verursachen kann.

Daher ist man darauf bedacht, dass die Filmdicke des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung verringert ist. Auf Grund des Einflusses durch den Schritt zum Ausbilden des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung auf der Cu-Verdrahtungschicht durch das Plasma-CVD-Verfahren, dem späteren Schritt zum Ausführen des Glühens bei etwa 400 bis 450°C usw. werden jedoch ohne weiteres Cu-Vorsprünge von dem Teil der Oberflächenschicht der Cu-Verdrahtungschicht erzeugt. Damit gibt es das Problem, dass das Cu von diesem Vorsprung aus verbreitet wird bzw. diffundiert.

Des Weiteren ist es nach dem Stand der Technik schwierig, den isolierenden Film mit der niedrigen dielektrischen Konstante als den isolierenden Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung zu verwenden, der die Ausbreitung von Cu verhindern kann. Infolgedessen wird ein Verfahren zum Ausbilden eines isolierenden Films, der eine niedrige dielektrische Konstante hat und die Ausbreitung von Cu verhindern kann, ernsthaft gewünscht.

Die Druckschrift US 2001/0 003 064 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, in dem ein aus Kupfer gefertigter Zwischenträger, der über einem Substrat liegt, bei einer genau festgelegten Temperatur, zum Beispiel bei 300° Celsius oder weniger vorbehandelt wird. Des Weiteren wird auf dem Kupfer ein dielektrischer Film bei einer Temperatur gebildet, die höher ist als die der Vorbehandlung.

Die Druckschrift US 6 013 578 offenbart einen Metall-Verdrahtungsaufbau, der eine Leitungsführung, einen Isolationsfilm, der die Leitungsführung elektrisch isoliert, und eine Umwandlungsschicht aufweist, die, wenn die Dichte eines Teils des Isolationsfilms angrenzend an die Leitungsführung erhöht ist oder indem Verunreinigungen zum Isolationsfilm hinzugefügt werden, gebildet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bereitzustellen, das die Kapazität zwischen Verdrahtungsschichten der Mehrschicht-Verdrahtung verringern kann, indem die Erzeugung von Vorsprüngen einer Cu-Verdrahtungsschicht, die die Filmdicke eines isolierenden Films zum Verhindern einer Cu-Ausbreitung verringert, verhindert und es möglich gemacht wird, einen isolierenden Film, dessen dielektrische Konstante niedrig ist, als den isolierenden Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung/Diffusion zu verwenden.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bereit, das die Schritte zum Ausbilden eines Silizium enthaltenden, isolierenden Films auf einer Leitungs- bzw. Verdrahtungsschicht, die in der Hauptsache aus Kupfer (Cu) hergestellt ist, das über dem Halbleiter-Substrat ausgebildet ist, und das Aussetzen des Silizium enthaltenden, isolierenden Films einer Atmosphäre oder einem Plasma aus einem Kohlenwasserstoff-(CxHy)-Gas umfasst.

Daher kann auf der Oberflächenschicht des Silizium enthaltenden, isolierenden Films eine Kohlenstoff enthaltende Schicht gebildet werden. Die Kohlenstoff enthaltende Schicht hat eine Ätzbeständigkeit gegenüber den gasförmigen oder flüssigen Ätzmitteln für den Silizium enthaltenden, isolierenden Film. Infolgedessen kann nicht nur eine Sperrfunktion gegenüber den Kupferpartikeln der Kupfer-Verdrahtungsschicht, sondern auch eine Ätz-Stopperfunktion, die verwendet wird, wenn die dicke, auf der isolierenden Sperrschicht gebildete, isolierende Zwischenschicht geätzt wird, für den Silizium enthaltenden, isolierenden Film durch das einfache Verfahren bereitgestellt werden.

Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bereit, das die Schritte des Aussetzens einer Oberfläche einer Kupfer (Cu)-Verdrahtungsschicht, die über einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, einem Plasma aus einem Gas, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Ammoniak-Gas, einem Mischgas aus Stickstoff und Wasserstoff, einem CF4-Gas, einem C2F6-Gas und einem NF3-Gas besteht, des Aussetzens der Oberfläche der Kupfer (Cu)-Verdrahtungsschicht einer Atmosphäre oder einem Plasma aus Gas, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Ammoniak-Gas, einem Ethylendiamin-Gas, einem Beta-Diketon-Gas, einem Mischgas, das aus dem Ammoniak-Gas und einem Kohlenwasserstoff-(CxHy)-Gas besteht, und Ammoniak-Gas und dem Kohlenwasserstoff-(CxHy)-Gas und dem Mischgas, das aus dem Stickstoff-Gas und dem Kohlenwasserstoff-(CxHy)-Gas besteht, umfasst.

Wenn die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht durch die Atmosphäre oder das Plasma des Gases in der Situation bearbeitet wird, in der der natürliche Oxidfilm auf der Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht im Voraus entfernt wird, wird eine Verbundschicht (oder eine Verbindungsschicht), in der ein Element wie N, H, C oder dergleichen, die in diesen Gasen enthalten sind, mit Cu kombiniert oder verbunden wird, auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht gebildet. Wenn das Ethylendiamin-Gas, das &bgr;-Diketon-Gas, das Gas der Zusammensetzung, das denen ähnlich ist, oder dergleichen verwendet wird, wird das Ganze auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht gebildet.

Dann wird der isolierende Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung/Diffusion auf der Cu-Verdrahtungsschicht gebildet, die einer Oberflächenbehandlung unterzogen wird. Da zu dieser Zeit die oben genannte Verbundschicht auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht ausgebildet ist, kann die Erzeugung von Vorsprüngen vom Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht in dem Schritt zum Ausbilden des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung oder dem Schritt zum Anwenden eines späteren Glühverfahrens unterdrückt werden. Dementsprechend kann eine Ausbreitung von Cu verhindert werden, selbst wenn die Filmdicke des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung/Diffusion verringert ist.

Zusätzlich kann der Oberflächenschichtteil (Verbundschicht) der Cu-Verdrahtungsschicht ebenso als der Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung/Diffusion fungieren. Daher kann die Ausbreitung von Cu verhindert werden, selbst wenn der isolierende Film, dessen dielektrische Konstante niedrig, aber dessen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung nicht hoch ist, als der isolierende Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung verwendet wird.

Da infolgedessen der Anstieg der Kapazität zwischen den Cu-Verdrahtungsschichten verhindert werden kann, kann die Mehrschicht-Verdrahtung für die Hochleistungs-LSI mit einer kleinen Leitungsverzögerung hergestellt werden.

Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bereit, das die Schritte des Aussetzens einer Oberfläche einer Kupfer (Cu)-Verdrahtungsschicht, die über einem Halbleiter-Substrat ausgebildet ist, einem Plasma aus einem Ammoniak-Gas, des Ausbildens eines Silizium enthaltenden, isolierenden Films auf der Kupfer (Cu)-Verdrahtungsschicht und es Aussetzens des Silizium enthaltenden, isolierenden Films einer Atmosphäre oder einem Plasma umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer Atmosphäre oder einem Plasma aus einem Mischgas, das aus einem Ammoniak-Gas und einem Kohlenwasserstoff-(CxHy)-Gas zusammengesetzt ist, einer Atmosphäre oder einem Plasma aus einem Mischgas, das aus einem Stickstoff-Gas und dem Kohlenwasserstoff-(CxHy)- Gas zusammengesetzt ist, einem Plasma aus dem Stickstoff-Gas und einer Atmosphäre aus dem Ammoniak-Gas besteht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst der natürliche Oxidfilm auf der Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht entfernt, indem die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht einem Plasma aus dem Ammoniak-Gas ausgesetzt wird.

Dann wird der Silizium enthaltende, isolierende Film auf dieser Cu-Verdrahtungsschicht gebildet. Um zu diesem Zeitpunkt die parasitäre Kapazität zum Beispiel um die Cu-Verdrahtung herum zu verringern, wird der Silizium enthaltende, isolierende Film gebildet, dessen dielektrische Konstante relativ niedrig ist. In diesem Falle ist der Silizium enthaltende, isolierende Film noch der isolierende Film, dessen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung/Diffusion zu diesem Zeitpunkt nicht hoch ist.

Daraufhin wird dieser isolierende Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem oben genannten Gas, zum Beispiel dem Mischgas, das aus Ammoniak-Gas und Kohlenwasserstoff-(CxHy)-Gas besteht, ausgesetzt.

Bei diesem Schritt kann das Verfahren durch die beiden folgenden Schritte ausgeführt werden. Spezieller kann zuerst der Silizium enthaltende, isolierende Film entweder der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem Ammoniak-Gas oder dem Plasma aus dem Stickstoff-Gas ausgesetzt werden, wobei dann ein solcher Film dem Plasma aus dem CXHY-Gas ausgesetzt wird. Andererseits kann nach einer entgegengesetzten Folge der oben genannten zwei Schritte zuerst der Silizium enthaltende, isolierende Film dem Plasma aus dem Kohlenwasserstoff-(CxHy)-Gas ausgesetzt werden, wobei dann ein solcher Film entweder der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem Ammoniak-Gas oder dem Plasma aus dem Stickstoff-Gas ausgesetzt wird.

Auf diese Weise kann die Filmqualität des Silizium enthaltenden, isolierenden Films in einen isolierenden Film mit einer hohen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung geändert werden, indem der Silizium enthaltende, isolierende Film, dessen dielektrische Konstante niedrig, aber dessen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung nicht hoch ist, der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem oben genannten Gas ausgesetzt wird. Demzufolge kann der isolierende Film, dessen dielektrische Konstante niedrig ist, als der isolierende Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung verwendet werden, der die Ausbreitung von Cu verhindern kann. Daher kann, da nicht nur die Ausbreitung/Diffusion von Cu in der Cu-Verdrahtungsschicht, sondern auch der Anstieg der parasitären Kapazität um die Cu-Verdrahtungsschicht herum verhindert werden kann, die Mehrschicht-Verdrahtung für die Hochleistungs-LSI mit einer kleinen Leitungsverzögerung hergestellt werden.

Da zusätzlich der natürliche Oxidfilm auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht durch das Plasma aus dem Ammoniak-Gas entfernt und dann der Silizium enthaltende, isolierende Film auf der Cu-Verdrahtungsschicht ausgebildet ist, kann das Adhäsionsvermögen zwischen der Cu-Verdrahtungsschicht und dem Silizium enthaltenden, isolierenden Film verbessert werden. Daher kann die Zuverlässigkeit der Mehrschicht-Verdrahtung verbessert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht, die die Plasma-CVD-Anlage zeigt, die beim Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

2A und 2B schematische Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;

3 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Bezugsprobe vor dem Glühen zeigt;

4 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie der Bezugsprobe nach dem Glühen zeigt;

5 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe (bearbeitet durch ein NH3 + C7H14-Gasplasma) entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor dem Glühen zeigt;

6 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe (bearbeitet durch ein NH3 + C7H14-Gasplasma) entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nach dem Glühen zeigt;

7A und 7B schematische Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;

8 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe 1A (bearbeitet durch eine NH3-Gasatmosphäre) entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor dem Glühen zeigt, das nicht durch die Erfindung abgedeckt wird;

9 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe 1A (bearbeitet durch ein NH3-Gasatmosphäre) entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nach dem Glühen zeigt, das nicht durch die Erfindung abgedeckt wird;

10 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe 2A (NH3 + CH4-Gasplasma-Verfahren) entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor dem Glühen zeigt;

11 eine grafische Darstellung, die eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe 2A (NH3 + CH4-Gasplasma-Verfahren) entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nach dem Glühen zeigt; und

12A bis 12E schematische Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.

(Erläuterung der Anlage zur Halbleiterherstellung, die beim Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß den Ausführungsbeispielen verwendet wird.)

1 ist eine schematische Schnittansicht, die die Plasma-CVD-Anlage zeigt, die in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Die im Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements entsprechend den Ausführungsbeispielen verwendete Anlage zur Halbleiterherstellung ist die Plasma-CVD-Anlage (CVD – chemical vapor deposition für chemische Aufdampfung) 15. Gemäß 1 umfasst diese Anlage 15 grundsätzlich eine Kammer 10, in der die Filmbildung und das Plasmaverfahren auf das Halbleitersubstrat angewendet werden, ein Gas-Einspeisungssystem 11, das die Gase in die Kammer 10 einspeist, und ein Gas-Ablasssystem 13, das den Druck in der Kammer 10 verringert. In der Kammer 10 werden zwei Elektroden, d. h. eine untere Elektrode 18 und eine obere Elektrode 12 bereitgestellt. Unter der unteren Elektrode 18 ist eine Heizvorrichtung 22 zum Erwärmen des Halbleitersubstrats 14 angeordnet. Außerdem ist auf einem oberen Teil und einem Seitenteil der unteren Elektrode 18 ein zylindrischer Suszeptor 16 angeordnet, auf dem das Halbleitersubstrat 14 geladen wird.

Eine hochfrequente Energieversorgung 20 von 380 kHz als NF (Niederfrequenz) ist mit der unteren Elektrode 18 verbunden, während eine hochfrequente Energieversorgung 26 von 13,56 MHz als HF (Hochfrequenz) mit der obere Elektrode 12 verbunden ist. Wenn die hochfrequente Energie in das Gas in der Kammer 10 von einer dieser beiden oder von beiden hochfrequenten Energieversorgungen 20, 26 eingespeist wird, kann das Gas in den Plasmazustand versetzt werden.

Die obere Elektrode 12 kann auch als Schauerkopf verwendet werden, um Gas in die Kammer 10 einzuspeisen. Mit diesem Schauerkopf ist ein Gas-Einspeisungsrohr 17 verbunden. Mit dem Gas-Einspeisungsrohr 17 sind eine HMDSO ((Si(CH3)3)2O) Gasleitung 28, eine CH4- oder C2H2-Gasleitung 30, eine NH3-Gasleitung 32, eine N2O-Gasleitung 34, eine NF3-Gasleitung 36 und eine N2-Gasleitung 38 verbunden. Dann werden in diesen Gasleitungen 28, 30, 32, 34, 36 bzw. 38 ein Massendurchflussmesser 37 und Gas-Einspeisungsventile 39, 39a bereitgestellt.

Die N2-Gasleitung 38 ist mit dem Massendurchflussmesser 37 und dem Gas-Einspeisungsventil 39 verbunden, die in den übrigen Gasleitungen 28, 30, 32, 34, 36 jeweils über ein Gasventil bereitgestellt werden. Demzufolge kann das N2-Gas in die übrigen Gasleitungen 28, 30, 32, 34, 36 als Spülgas eingespeist werden.

Die obigen Gasleitungen werden lediglich als ein Beispiel gezeigt. Natürlich können solche Gasleitungen entsprechend variiert werden, um ein gewünschtes Gas einzuspeisen.

Im Gas-Ablasssystem 13, das mit der Kammer 10 verbunden ist, werden ein Ablassventil 23 und eine Ablasspumpe 24 bereitgestellt.

Die nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Plasma-CVD-Anlage ist in dieser Weise aufgebaut. Zuerst wird, während der Druck in der Kammer 10 durch das Gas-Ablasssystem 13 verringert wird, das vorher bestimmte Gas vom Gas-Einspeisungsrohr 17 in die Kammer 10 eingespeist, um das Innere der Kammer 10 auf einen vorher bestimmten Druck einzustellen. Dann wird das Gas durch Anlegen einer hochfrequenten Spannung an die untere Elektrode 18 und die obere Elektrode 12 in einen Plasmazustand versetzt. Da das Gas auf diese Weise in einen Plasmazustand versetzt ist, kann die Filmbildung von verschiedenen Filmen und das Plasmaverfahren auf das Halbleitersubstrat angewendet werden. Natürlich kann das Halbleitersubstrat in der Gasatmosphäre auch bearbeitet werden, wenn es nicht in den Plasmazustand versetzt wird.

(Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements der vorliegenden Ausführungsbeispiele)

1. Erstes Ausführungsbeispiel

2A und 2B sind schematische Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird zuerst ein Halbleitersubstrat 40 gemäß 2A vorbereitet. Das heißt, vorher bestimmte Halbleiterelemente (nicht dargestellt) werden auf dem Halbleitersubstrat 40 gebildet, wobei Cu- (Kupfer) Verdrahtungsschichten 44, die jeweils in einer Verdrahtungsaussparung 42a in einem isolierenden Film 42 eingelassen sind, über dem Halbleitersubstrat 40 so gebildet sind, dass die Halbleiterelemente mit den Cu-Verdrahtungsschichten 44 elektrisch verbunden sind.

Die Cu-Verdrahtungsschicht 44 ist in der Verdrahtungsaussparung 42a über eine Sperrmetallschicht 44a, die zum Beispiel aus einer TiN-Schicht, einer TaN-Schicht oder dergleichen hergestellt ist, eingelassen. Die Sperrmetallschicht 44a und die Cu-Verdrahtungsschicht 44 werden in die Verdrahtungsaussparung 42a eingelassen, indem die Filme, die auf der Verdrahtungsaussparung 42a und auf dem isolierenden Film 42 ausgebildet sind, von der Oberfläche auf Grund des chemischen, mechanischen Polier- (chemical mechanical polishing – CMP) Verfahrens entfernt werden. Nachdem der Film der Cu-Verdrahtungsschicht 44 ausgebildet ist oder die Cu-Verdrahtungsschicht durch das CMP-Verfahren eingelassen worden ist, wird das Glühverfahren auf diese Cu-Verdrahtungsschicht 44 in einer nicht oxidierenden Gasatmosphäre (z. B. Wasserstoff-Gas) angewendet.

Danach wird das Halbleitersubstrat 40 in die Kammer 10 der oben genannten Plasma-CVD-Anlage 15 befördert. Dann wird eine Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht 44 auf dem Halbleitersubstrat 40 dem Plasma aus NH3-(Ammoniak-) Gas, dem Plasma aus dem Mischgas, das aus N2 (Stickstoff) und H2 (Wasserstoff) besteht, dem Plasma aus CF4-Gas, dem Plasma aus C2F6-Gas oder dem Plasma aus NF3-Gas ausgesetzt. Der auf einem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm wird durch diesen Schritt entfernt.

Daraufhin wird die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht 44 der Atmosphäre oder dem Plasma des Gases, das das NH3-(Ammoniak-) Gas, das CXHY-Gas (Kohlenwasserstoff-Gas) oder dergleichen enthält, zum Beispiel in der gleichen Kammer 10 oder einer anderen Kammer der gleichen Anlage ausgesetzt. Demzufolge wird gemäß 2B eine Verbundschicht (oder eine Verbindungsschicht) 44b auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildet, da das Element wie N, H, C oder dergleichen im obigen Gas in dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 mit dem Cu kombiniert oder verbunden wird.

Als ein besonderes Beispiel des in diesem Schritt verwendeten Gases gibt es das NH3-(Ammoniak-) Gas, ein Ethylendiamin-Gas, ein &bgr;-Diketon-Gas, ein Mischgas aus dem NH3-(Ammoniak-) Gas und dem CXHY-Gas (Kohlenwasserstoff-Gas), ein Mischgas aus dem N2 (Stickstoff) und dem CXHY-Gas (Kohlenwasserstoff-Gas) oder dergleichen. In diesem Fall kann als das CXHY-Gas ein beliebiges der Gase von CH4 (Methan), C2H2 (Azethylen), C2H4 (Ethylen), C3H8 (Propan), C4H8 (Butylen), C4H10 (Butan), C6H6 (Benzol), C6H12 (Cyclohexan) und C7H14 (Methyl-Cyclohexan) verwendet werden.

Wenn das Ethylendiamin-Gas, das &bgr;-Diketon-Gas, das Gas von der Zusammensetzung, die ähnlich denen ist, oder dergleichen unter diesen Gasen verwendet wird, wird das Ganze auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildet. Als ein Beispiel des &bgr;-Diketon-Gases kann Hexafluor-Azethylazeton (C5H2O2F6) verwendet werden.

Dann wird ein isolierender Film 4b zum Verhindern einer Cu-Ausbreitung bzw. -Diffusion 46, der aus einem Siliziumnitrid-Film hergestellt ist, oder dergleichen auf der Cu-Verdrahtungsschicht 40 gebildet, die durch das Plasma-CVD-Verfahren einer Oberflächenbehandlung unterzogen wird. Da zu dieser Zeit die Verbundschicht 44b auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 ausgebildet ist, kann die Erzeugung von Cu-Vorsprüngen vom Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 unterdrückt werden. Demzufolge kann die Cu-Ausbreitung verhindert werden, selbst wenn eine Filmdicke des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung verringert ist.

Außerdem kann in dem späteren Schritt, in dem das Glühverfahren angewendet wird, die auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete Verbundschicht 44b die Erzeugung von Vorsprüngen vom Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 unterdrücken.

Zusätzlich kann die auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete Verbundschicht 44b auch als der Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung/Diffusion fungieren. Daher kann die Cu-Ausbreitung verhindert werden, selbst wenn der isolierende Film, dessen dielektrische Konstante niedrig, aber dessen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung nicht hoch ist, z. B. der Silizium enthaltende, isolierende Film, dessen dielektrische Konstante etwa 4 beträgt, als der isolierende Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung verwendet wird.

Da der Anstieg der Kapazität zwischen den Cu-Verdrahtungsschichten 44 verhindert werden kann, kann infolgedessen die Mehrschicht-Verdrahtung für die Hochleistungs-LSI mit einer kleinen Leitungsverzögerung hergestellt werden.

(1) Erstes Beispiel

Nachfolgend wird nun ein erstes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Als erstes wird die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschichten 44 auf dem Halbleiter-Substrat 40 unter Zwei-Schritt-Bedingungen, die im Folgenden beschrieben werden, durch Verwendung der oben genannten Plasma-CVD-Anlage 15 ausgeführt.

(Erster Schritt)

  • NH3-Durchflussrate ... 500 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Temperatur des Suszeptors 16 (Halbleiter-Substrat 40) ... 375°C
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 10 Sekunden

Im ersten Schritt wird der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm entfernt.

(Zweiter Schritt)

  • NH3-Durchflussrate ... 500 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Bearbeitungszeit ... 60 Sekunden

Danach wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) mit einer Dicke von 100 nm in der gleichen Kammer der Plasma-CVD-Anlage 15 oder einer anderen Kammer unter folgenden Film-Bildungsbedingungen als ein Beispiel gebildet.

  • HMDSO-Durchflussrate ... 50 sccm
  • N2O-Durchflussrate ... 100 sccm
  • NH3-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 20 von 380 kHz ... 150 W

(2) Zweites Beispiel

Nachfolgend wird dann ein zweites Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Als erstes wird die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschichten 44 auf dem Halbleiter-Substrat 40 unter Zwei-Schritt-Bedingungen, die im Folgenden beschrieben werden, durch Verwendung der oben genannten Plasma-CVD-Anlage 15 ausgeführt.

(Erster Schritt)

Der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm wird durch Ausführung des Verfahrens unter den gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel entfernt.

(Zweiter Schritt)

  • NH3-Durchflussrate ... 200 sccm
  • CN4-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W Bearbeitungszeit ... 30 Sekunden

Daraufhin wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) mit einer Dicke von 100 nm durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel gebildet.

(3) Drittes Beispiel

Nachfolgend wird dann ein drittes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Als erstes wird die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschichten 44 auf dem Halbleiter-Substrat 40 unter Zwei-Schritt-Bedingungen, die im Folgenden beschrieben werden, durch Verwendung der oben genannten Plasma-CVD-Anlage 15 ausgeführt.

(Erster Schritt)

Der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm wird durch Ausführung des Verfahrens unter den gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel entfernt.

(Zweiter Schritt)

  • Ethylendiamin-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Bearbeitungszeit ... 60 Sekunden

Danach wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) mit einer Dicke von 100 nm durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel gebildet.

(4) Viertes Beispiel

Nachfolgend wird dann ein viertes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Als erstes wird die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschichten 44 auf dem Halbleiter-Substrat 40 unter Zwei-Schritt-Bedingungen, die im Folgenden beschrieben werden, durch Verwendung der oben genannten Plasma-CVD-Anlage 15 ausgeführt.

(Erster Schritt)

Der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm wird durch Ausführung des Verfahrens unter den gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel entfernt.

(Zweiter Schritt)

  • Ethylendiamin-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 30 Sekunden

Daraufhin wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) mit einer Dicke von 100 nm durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel gebildet.

(5) Fünftes Beispiel

Nachfolgend wird dann ein fünftes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Als erstes wird die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschichten 44 auf dem Halbleiter-Substrat 40 unter Zwei-Schritt-Bedingungen, die im Folgenden beschrieben werden, durch Verwendung der oben genannten Plasma-CVD-Anlage 15 ausgeführt.

(Erster Schritt)

Der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm wird durch Ausführung des Verfahrens unter den gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel entfernt.

(Zweiter Schritt)

  • Ethylendiamin-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 30 Sekunden

Danach wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) mit einer Dicke von 100 nm durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel gebildet.

(Nachbearbeitung)

Dann wird als Nachbearbeitung die Oberflächenbehandlung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) unter folgenden Bedingungen ausgeführt.

  • Ethylendiamin-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Bearbeitungszeit ... 60 Sekunden

(6) Sechstes Beispiel

Nachfolgend wird dann ein sechstes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Als erstes wird die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschichten 44 auf dem Halbleiter-Substrat 40 unter Zwei-Schritt-Bedingungen, die im Folgenden beschrieben werden, durch Verwendung der oben genannten Plasma-CVD-Anlage 15 ausgeführt.

(Erster Schritt)

Der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm wird durch Ausführung des Verfahrens unter den gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel entfernt.

(Zweiter Schritt)

  • Ethylendiamin-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 30 Sekunden

Dann wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) mit einer Dicke von 100 nm durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel gebildet.

(Nachbearbeitung)

Daraufhin wird als Nachbearbeitung die Oberflächenbehandlung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) unter folgenden Bedingungen ausgeführt.

  • Ethylendiamin-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 60 Sekunden

Wenn, wie beim fünften Beispiel und beim sechsten Beispiel, die Oberfläche des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 der Atmosphäre oder dem Plasma des Ethylendiamin-Gases ausgesetzt wird, nachdem ein solcher Silizium enthaltender, isolierender Film 46 ausgebildet ist, kann die Cu-Ausbreitung weit mehr verhindert werden.

(Durch die Erfinder dieser Anmeldung durchgeführter Test)

Die Erfinder dieser Anmeldung prüften die Wirkungen des oben genannten Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

(1) Bildung der Bezugsprobe

Als erstes wird eine Bezugsprobe gebildet, um die Wirkungen des oben genannten Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu prüfen. Während spezieller kein Verfahren auf die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht 44 des Halbleitersubstrats 40 angewendet wird, wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) auf der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildet. Als der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 wird der Film verwendet, der die Filmeigenschaft hat, deren Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung gering ist, so dass das Cu in der Cu-Verdrahtungsschicht 44 ohne weiteres ausgebreitet wird, wenn dieser Film zum Beispiel vier Stunden lang bei 450°C geglüht wird. Als die Filmbildungs-Bedingungen werden unter den Filmbildungs-Bedingungen des isolierenden Films zum Verhindern der Cu-Ausbreitung im ersten Beispiel die Bedingungen verwendet, die nur HMDSO als das Gas nutzen, wie im Folgenden beschrieben wird.

  • HMDSO-Durchflussrate ... 50 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 20 von 380 kHz... 150 W

(2) Bildung der Testprobe

Danach wird durch das folgende Verfahren die Testprobe gebildet.

Als erstes wird der natürliche Oxidfilm auf dem Oberflächenschichtteil entfernt, indem die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht 44 auf dem Halbleitersubstrat 40 dem NH3-Plasma ausgesetzt wird, wobei die oben genannte Plasma-CVD-Anlage 15 verwendet wird. Dann wird die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschicht 44 durch das HF-Plasma (der Druck: 0,266 kPa (2,0 Torr)) des Mischgases ausgeführt, das aus dem NH3-Gas und C7H14 (Methyl-Cyclohexan) besteht. Daraufhin wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 auf der Cu-Verdrahtungsschicht 44 unter den Bedingungen gebildet, die mit den Filmbildungs-Bedingungen der oben genannten Bezugsprobe identisch sind.

(3) Testverfahren und Testergebnisse

Als erstes wurde hinsichtlich der Bezugsprobe bzw. der Testprobe die Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) durch das Hg-Sondierungsverfahren geprüft. Dann wurde, nachdem die Bezugsprobe bzw. die Testprobe vier Stunden lang bei 450°C geglüht wurden, die Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 noch einmal durch das Hg-Sondierungsverfahren geprüft.

3 zeigt eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie der Bezugsprobe vor dem Glühen, 4 zeigt eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie der Bezugsprobe nach dem Glühen, 5 zeigt eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie der Testprobe vor dem Glühen, wobei 6 eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie der Testprobe nach dem Glühen zeigt. Eine Abszisse dieser grafischen Darstellungen kennzeichnet die Intensität des elektrischen Feldes (MV/cm), wobei eine Ordinate davon den Kriechstrom (A/cm2) kennzeichnet.

Entsprechend der I-V-Kennlinie nach dem Silizium enthaltenden, isolierenden Film 46 der Bezugsprobe (vor dem Glühen) gemäß 3 hatte der Film eine vorher bestimmte, dielektrische Durchschlagsspannung, obwohl eine solche Spannung entsprechend der Lage im Halbleitersubstrat etwas variierte. Daraufhin, wenn die Bezugsprobe vier Stunden lang bei 450°C geglüht wurde, ist viel Kriechstrom durch den Silizium enthaltenden, isolierenden Film 46 bei einer niedrigen elektrischen Feldintensität entsprechend der Lage im Halbleitersubstrat geflossen, wie anhand des Vergleiches zwischen 3 und 4 deutlich wird. Damit wurde bestätigt, dass es eine Tendenz gibt, wonach die dielektrische Durchschlagsspannung durch das Glühen gesenkt wird.

Mit anderen Worten bedeutet dies, dass, wenn das vorher bestimmte Verfahren nicht auf die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht 44 angewandt wird, das Cu anders als im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Cu-Verdrahtungsschicht 44 ohne weiteres in den isolierenden Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung 46 (Silizium enthaltender, isolierender Film) ausgebreitet werden kann, dessen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung durch das Glühen geschwächt wurde.

Bei der Testprobe wurde die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht dem HF-Plasmaverfahren (13,56 MHz) durch Verwendung des Mischgases ausgesetzt, das aus NH3-Gas und C7H14-(Methyl-Cyclohexan-) Gas besteht. Wie anhand des Vergleiches zwischen 5 und 6 deutlich wird, zeigte sich keine Verringerung der dielektrischen Durchschlagsspannung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46, selbst wenn das Glühen angewandt wurde. Damit wurde bestätigt, dass eine solche dielektrische Durchschlagsspannung gleichwertig oder höher ist als die, die vor dem Glühen erreicht wurde.

Wie oben beschrieben ist, wurde basierend auf der Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie geprüft, dass, wenn die Oberflächenbehandlung der Cu-Verdrahtungsschicht 44 durch Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgeführt wurde, die dielektrische Durchschlagsspannung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 (isolierender Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung) auf der Cu-Verdrahtungsschicht 44 nach dem Glühen gleichwertig oder höher ist als die Spannung, die vor dem Glühen erreicht wurde, wobei damit die Ausbreitung von Cu in der Cu-Verdrahtungsschicht 44 in den Silizium enthaltenden, isolierenden Film 46 verhindert werden kann.

2. Zweites Ausführungsbeispiel

7A und 7B sind schematische Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.

Da nach dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht gebildete, natürliche Oxidfilm entfernt wird, wird daraufhin der Silizium enthaltende, isolierende Film, dessen dielektrische Konstante relativ niedrig ist, auf der Cu-Verdrahtungsschicht gebildet und dann das vorher bestimmte Verfahren auf diesen Silizium enthaltenden, isolierenden Film angewandt, wobei die Filmqualität des Silizium enthaltenden, isolierenden Films in den isolierenden Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung geändert werden kann, dessen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung hoch ist, um die Ausbreitung von Cu zu verhindern.

Nach dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird zuerst das Halbleitersubstrat 40 mit der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gemäß 7A wie im ersten Ausführungsbeispiel vorbereitet.

Das Halbleitersubstrat 40 wird dann in die Kammer 10 der oben genannten Plasma-CVD-Anlage befördert, wobei danach der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm entfernt wird, indem die Oberfläche der Cu-Verdrahtungsschicht 44 auf dem Halbleitersubstrat 40 dem Plasma aus dem NH3-(Ammoniak-) Gas ausgesetzt wird.

Daraufhin wird gemäß 7B ein Silizium enthaltender, isolierender Film 46a auf der Cu-Verdrahtungsschicht 44, von deren Oberfläche der natürliche Oxidfilm entfernt ist, in der gleichen Kammer 10 oder einer anderen Kammer der gleichen Anlage gebildet. Wenn der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a durch das HMDSO enthaltende Reaktionsgas oder dergleichen ausgebildet ist, kann zu dieser Zeit der Film gebildet werden, dessen dielektrische Konstante etwa 3,5 bis 4 beträgt. In diesem Fall ist der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a der isolierende Film, dessen Fähigkeit zum Verhindern der Cu-Ausbreitung nicht so hoch ist. Als der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a können der Siliziumnitrid-Film, der Siliziumoxid-Film, der Siliziumoxid-Nitrid-Film usw. verwendet werden.

Dann wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem Mischgas, das aus dem NH3-(Ammoniak-) Gas und dem CXHY-(Kohlenwasserstoff-) Gas besteht, der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem Mischgas, das aus dem N2-(Stickstoff-) Gas und dem CXHY-(Kohlenwasserstoff-) Gas besteht, dem Plasma aus dem N2-(Stickstoff-) Gas oder der Atmosphäre aus dem NH3-(Ammoniak-) Gas in der gleichen Kammer 10 oder in einer anderen Kammer der gleichen Anlage ausgesetzt.

Es ist vorzuziehen, dass als das Plasma aus dem Mischgas, das aus dem NH3-Gas und dem CXHY-Gas besteht, das Plasma aus dem Mischgas, das aus dem N2-Gas und dem CXHY-Gas besteht, und das Plasma aus dem N2-Gas das HF-Plasma von 13,56 MHz oder das NF-Plasma von 380 kHz verwendet werden sollten.

Bei diesem Schritt kann das Verfahren durch zwei Schritte ausgeführt werden, die im Folgenden beschrieben werden. Spezieller kann als erstes der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 entweder der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem NH3-Gas oder dem Plasma aus dem N2-Gas ausgesetzt werden, wobei dann ein solcher Film der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem CXHY-Gas ausgesetzt werden kann. Andererseits kann nach der entgegengesetzten Folge zu den oben genannten zwei Schritten zuerst der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem CXHY-Gas ausgesetzt werden, wobei ein solcher Film dann entweder der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem NH3-Gas oder dem Plasma aus dem N2-Gas ausgesetzt wird.

In diesem Fall kann das gleiche Gas als das CXHY-Gas verwendet werden, das im ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurde.

Auf diese Weise wird die Filmqualität des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46a durch Bearbeiten des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 durch das obige Gas geändert, wobei damit dieser Film 46a als der isolierende Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung fungieren kann, um die Ausbreitung von Cu zu verhindern. Mit anderen Worten, der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a, der die niedrige dielektrische Konstante hat, kann als der isolierende Film zum Verhindern der Cu-Ausbreitung verwendet werden, der die Ausbreitung von Cu verhindern kann. Da der Anstieg der parasitären Kapazität um die Cu-Verdrahtung der Mehrschicht-Verdrahtung herum verhindert werden kann, kann demzufolge die Mehrschicht-Verdrahtung für die Hochleistungs-LSI mit einer kleinen Leitungsverzögerung hergestellt werden.

Da außerdem der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm durch das Plasma aus dem NH3-Gas entfernt und daraufhin der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a auf der Cu-Verdrahtungsschicht 44 ausgebildet ist, kann das Adhäsionsvermögen zwischen der Cu-Verdrahtungsschicht 44 und dem Silizium enthaltenden, isolierenden Film 46a verbessert werden. Daher kann die Zuverlässigkeit der Mehrschicht-Verdrahtung verbessert werden.

(1) Erstes Beispiel (durch die Erfindung nicht abgedeckt)

Nachfolgend wird ein erstes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Zuerst wird das Halbleitersubstrat 40 in die Kammer 10 der oben genannten Plasma-CVD-Anlage befördert, wobei dann der auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 gebildete, natürliche Oxidfilm unter den Bedingungen entfernt wird, die im Folgenden beschrieben werden.

  • NH3-Durchflussrate ... 500 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Temperatur des Suszeptors 16 (Halbleiter-Substrat 40) ... 375°C
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 10 Sekunden

Wiederum wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a mit einer Dicke von 100 nm zum Beispiel unter folgenden Filmbildungs-Bedingungen als ein Beispiel in der gleichen Kammer 10 oder einer anderen Kammer gebildet.

  • HMDSO-Durchflussrate ... 50 sccm
  • N2O-Durchflussrate ... 100 sccm
  • NH3-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)

Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 20 von 380 kHz... 150 W Anschließend wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a unter folgenden Bedingungen bearbeitet.

  • NH3-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... nicht angelegt (0W)
  • Bearbeitungszeit ... 60 Sekunden

(2) Zweites Beispiel (durch die Erfindung nicht abgedeckt)

Nachfolgend wird dann ein zweites Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Zuerst wird der natürliche Oxidfilm auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel entfernt. Danach wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a mit einer Dicke von 100 nm gebildet.

Dann wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a unter folgenden Bedingungen bearbeitet.

  • NH3-Durchflussrate ... 500 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 20 von 380 kHz... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 60 Sekunden

(3) Drittes Beispiel (durch die Erfindung nicht abgedeckt)

Nachfolgend wird ein drittes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Zuerst wird der natürliche Oxidfilm auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel entfernt, wobei danach der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a so gebildet wird, dass er eine Dicke von 100 nm hat.

Daraufhin wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a unter folgenden Bedingungen bearbeitet.

  • NH3-Durchflussrate ... 200 sccm
  • CH4-Durchflussrate ... 200 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 60 Sekunden

(4) Viertes Beispiel

Nachfolgend wird ein viertes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Zuerst wird der natürliche Oxidfilm auf dem Oberflächenschichtteil der Cu-Verdrahtungsschicht 44 durch das gleiche Verfahren wie im ersten Beispiel entfernt, wobei dann der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a so gebildet wird, dass er eine Dicke von 100 nm hat.

Danach wird der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a durch zwei Schritte bearbeitet, die im Folgenden beschrieben werden.

(Erster Schritt)

  • NH3-Durchflussrate ... 500 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 30 Sekunden

(Zweiter Schritt)

  • CH4-Durchflussrate ... 500 sccm
  • Druck ... 0,133 kPa (1 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 100 W
  • Bearbeitungszeit ... 30 Sekunden

(Durch die Erfinder dieser Anmeldung durchgeführter Test)

Die Erfinder dieser Anmeldung bildeten Testproben 1A, 2A auf der Basis des Herstellungsverfahrens nach dem ersten Beispiel bzw. dem vierten Beispiel gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und prüften dann die Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46a durch das gleiche Verfahren wie das im Test des ersten Ausführungsbeispiels.

8 zeigt eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe 1A vor dem Glühen, 9 zeigt eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie der Testprobe 1A nach dem Glühen, 10 zeigt eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie einer Testprobe 2A vor dem Glühen, wobei 11 eine Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie der Testprobe 2A nach dem Glühen zeigt.

Gemäß der Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46a der Testprobe 1A (der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a wird in der NH3-Atmosphäre (Druck: 0,066 kPa (0,5 Torr)) bearbeitet) zeigte sich keine Verschlechterung der dielektrischen Durchschlagsspannung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46a, wie anhand des Vergleiches zwischen 8 und 9 deutlich wird, selbst nachdem das Glühen ausgeführt wurde. Damit wurde bestätigt, dass die dielektrische Durchschlagsspannung gleichwertig oder höher ist als die, die vor dem Glühen erreicht wurde.

Außerdem zeigte sich bei der Strom- (I) Spannungs- (V) Kennlinie des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46a der Testprobe 2A (der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a wird durch das Mischgas, das aus dem NH3-Gas und dem CH4-Gas besteht (Druck: 0,532 kPa (0,5 Torr)), bearbeitet) keine Verschlechterung der dielektrischen Durchschlagsspannung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46a, wie anhand des Vergleiches zwischen 10 und 11 deutlich wird, selbst nachdem das Glühen ausgeführt wurde. Damit wurde bestätigt, dass die dielektrische Durchschlagsspannung gleichwertig oder höher ist als die, die vor dem Glühen erreicht wurde.

Diese Testergebnisse bedeuten, dass der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a die Ausbreitung von Cu von der Cu-Verdrahtungsschicht 44 verhindern kann. Auf diese Weise wurde bestätigt, dass der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a die Funktion zum Verhindern einer hohen Cu-Ausbreitung erhalten kann, wenn der Silizium enthaltende, isolierende Film 46a der NH3-Gasatmosphäre ausgesetzt oder durch das Plasma aus dem Mischgas, das aus dem NH3-Gas und dem CH4-Gas besteht, durch Verwendung des Herstellungsverfahrens nach dem zweiten Ausführungsbeispiel bearbeitet wird.

3. Drittes Ausführungsbeispiel

Nach dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel wird das Zwei-Schritt-Verfahren, das aus dem Ammoniak-Verfahren und dem CXHY-Verfahren besteht, auf den Silizium enthaltenden, isolierenden Film 46 auf der Kupfer-Verdrahtungsschicht 44 angewandt. Gegebenenfalls kann gemäß 12B ein Ein-Schritt-Verfahren, in dem der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 auf der Kupfer-Verdrahtungsschicht 44 der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem Kohlenwasserstoff-(CXHY-) Gas ausgesetzt wird, ausgeführt werden.

Zum Beispiel wird eine Kohlenstoff enthaltende Schicht 46b mit einer Dicke von etwa 5 nm durch Ausführung des Verfahrens unter folgenden Bedingungen gebildet.

  • C2H2-Durchflussrate ... 50 sccm
  • Druck ... 0,066 kPa (0,5 Torr)
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 26 von 13,56 MHz ... 0W
  • Leistung der hochfrequenten Energieeinspeisung 20 von 380 kHz... 150 W
  • Substrat-Temperatur ... 375°C

Diese Kohlenstoff enthaltende Schicht 46b hat eine Sperreigenschaft gegenüber den Kupferpartikeln der Kupfer-Verdrahtungsschicht 44 und hat eine ausreichende Ätzbeständigkeit gegenüber gasförmigen oder flüssigen Ätzmitteln für den Silizium enthaltenden, isolierenden Film.

Demzufolge kann nicht nur die Sperrfunktion gegenüber den Kupferpartikeln der Cu-Verdrahtungsschicht 44, sondern auch die Ätz-Unterbrecherfunktion, die verwendet wird, wenn Öffnungsteile 48a durch Ätzen des dicken, isolierenden Zwischenschicht-Films 48 auf den Silizium enthaltenden, isolierenden Film 46 gemäß 12D gebildet werden, für den Silizium enthaltenden isolierenden Film 46 durch das einfache Verfahren bereitgestellt werden.

In diesem Fall kann als das Kohlenwasserstoff-(CXHY-) Gas die Zusammensetzung, die im ersten Ausführungsbeispiel dargelegt wurde, zusätzlich zum C2H2 verwendet werden.

Beispiele, auf die das Verfahren angewendet wird, werden nachfolgend mit Bezug auf 12A bis 12C und 12D und 13B erläutert.

12A bis 12E sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zeigen. Der Silizium enthaltende, isolierende Film 46, der als isolierender Sperrfilm dient, wird auf der eingelassenen Cu-Verdrahtungsschicht 44 in der gleichen Weise wie im zweiten Ausführungsbeispiel gebildet, bis die Oberflächenbehandlung nach 7B angewandt wird. Dieser Zustand wird in 12A gezeigt. Daraufhin wird gemäß 12B die Oberflächenbehandlung unter den oben genannten Bedingungen durch die Anwendung der Atmosphäre oder des Plasmas des Kohlenwasserstoff- (CXHY-) Gases ausgeführt. Dann wird gemäß 12C der isolierende Zwischenschicht-Film 48 gebildet. Danach werden gemäß 12D die Öffnungsteile 48a durch Ätzen des isolierenden Zwischenschicht-Films 48 gebildet, wobei die Kohlenstoff enthaltende Schicht 46b als Ätz-Unterbrecher verwendet wird, um den Silizium enthaltenden, isolierenden Film 46 freizulegen. Daraufhin werden gemäß 12E die Öffnungsteile 48b durch Ätzen des Silizium enthaltenden, isolierenden Films 46 über die Öffnungsteile 48a gebildet, um die Verdrahtungsschicht freizulegen, die in der Hauptsache an deren unteren Teilen aus dem Kupferfilm 44 hergestellt ist. Dann wird die obere Verdrahtungsschicht, die mit der Verdrahtungsschicht verbunden ist, die in der Hauptsache aus dem Kupferfilm 44 hergestellt ist, über die Öffnungsteile 48b usw. gebildet.

Beim oben genannten wird die Verbundschicht 44b gemäß 2 auf der Oberflächenschicht des Kupferfilms 44 nicht gebildet, bevor der Silizium enthaltende, isolierende Film 46 ausgebildet ist. Es kann aber die Verbundschicht 44b gemäß 2 gebildet werden.

Mit dem oben genannten werden Einzelheiten der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die ersten bis dritten Ausführungsbeispiele erläutert. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist aber nicht auf die Beispiele beschränkt, die in den oben genannten Ausführungsbeispielen speziell gezeigt werden. Variationen und Modifikationen der oben genannten Ausführungsbeispiele im Bereich des Hauptinhaltes, der nicht von der vorliegenden Erfindung abweicht, sollten im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sein.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit den Schritten:

Ausbilden eines Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46) auf einer Leitungs- bzw. Verdrahtungsschicht (44), die in der Hauptsache aus Kupfer (Cu) hergestellt ist, das über einem Halbleiter-Substrat (40) ausgebildet ist; und

Aussetzen des Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46) einer Atmosphäre oder einem Plasma aus einem Kohlenwasserstoff- (CxHy) Gas.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, weiter mit den Schritten:

Aussetzen der Oberfläche der Verdrahtungsschicht (44), die in der Hauptsache aus Kupfer (Cu) hergestellt ist, einem Plasma aus einem Ammoniak-Gas vor dem Schritt der Ausbildung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46);

Aussetzen des Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46) einer Atmosphäre oder einem Plasma aus einem Ammoniak-Gas oder einem Plasma aus einem Stickstoff-Gas vor dem Schritt des Aussetzens des Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46) einer Atmosphäre oder einem Plasma aus einem Kohlenwasserstoff-Gas (CxHy).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, weiterhin mit den Schritten:

Aussetzen der Oberfläche der Verdrahtungsschicht (44), die in der Hauptsache aus Kupfer (Cu) hergestellt ist, einem Plasma aus einem Ammoniak-Gas vor dem Schritt der Ausbildung des Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46);

Aussetzen des Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46) einer Atmosphäre oder einem Plasma aus einem Ammoniakgas oder einem Plasma aus einem Stickstoff-Gas nach dem Schritt des Aussetzens des Silizium enthaltenden, isolierenden Films (46) der Atmosphäre oder dem Plasma aus dem Kohlenwasserstoff-Gas (CxHy).






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