專利名稱：半導(dǎo)體器件中的互連系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件中的互連系統(tǒng)，并且特別涉及一種具有Ti2N化合物的新的金屬互連系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及制造這樣一類半導(dǎo)體器件的方法。
在諸如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存貯器(DRAMs)之類的半導(dǎo)體器件中，互連系統(tǒng)更加精細(xì)的圖形以及器件元件更高的集成度與微型化已得到充分發(fā)展。對(duì)更精細(xì)的互連系統(tǒng)圖形，提出了分別用多晶硅上的硅化物(多晶硅化物)和硅化鎢作DRAM中的柵電極或字線和位線。在這種結(jié)構(gòu)中，通常將多晶硅化物用于在位線與構(gòu)成存貯器單元的金屬-氧合物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)源/漏區(qū)之間作接觸以及作電容器的接觸。
隨著更高集成度和微型化的進(jìn)一步進(jìn)展，出現(xiàn)了硅化鎢或多晶硅化物的電阻率往往會(huì)引起半導(dǎo)體器件的運(yùn)行速度下降的問題，于是，就希望能有一種電阻率更低并且在較高溫度下穩(wěn)定性更高的新的導(dǎo)電材料。
日本專利公報(bào)JP-A-7(1995)-155775提出用氮化鈦(TiN)作為高熔點(diǎn)金屬化合物在單層導(dǎo)電層中取代硅化鎢和多晶硅化物并且還能用TiN形成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFETs)中的柵電極或互連系統(tǒng)。但是，在此公報(bào)中，對(duì)在熱處理中TiN的不穩(wěn)定性未予詳述。
日本專利公報(bào)JP-A-59(1984)-39049提出用諸如鈦(Ti)、鋯(Zr)和釩(V)之類過渡金屬的氮化物、硼化物或碳化物作半導(dǎo)體器件中的互連系統(tǒng)。其中還提出過，由于過渡金屬的氮化物在與半導(dǎo)體層的直接接觸中表現(xiàn)有更高的電阻率，要在半導(dǎo)體層與氮化物之間插入一層純過渡金屬以降低接觸電阻。
JP-A-59-39049中未提起過渡金屬的氮化物具有比純過渡金屬更高的電阻率使整個(gè)電阻增加。此外，只是作為氮化物的舉例談到TiN而未在其中談到當(dāng)進(jìn)行熱處理時(shí)TiN的不穩(wěn)定性。
“固態(tài)薄膜”60期(1979)第237-247頁由W.J.Garcean等人所著一文中告訴人們在Ti和Pt之間插入的一層TiN層對(duì)于避免形成Ti-Pt的金屬間化合物是一層有效的擴(kuò)散壁壘。并且還談到TiN的電阻率隨著氮的含量而改變隨著氮的原子百分?jǐn)?shù)在0和35之間增加電阻率增加達(dá)100微歐姆-厘米左右，并且隨著氮含量在百分之35的原子數(shù)以上小量增長而不連續(xù)地劇烈下降至40微歐姆-厘米左右。
在上述文章中，未談及將TiN用作互連系統(tǒng)的下層，并且也未在其中提到在電阻率劇烈變動(dòng)之后TiN的熱穩(wěn)定性。
本發(fā)明的一項(xiàng)目的是要提供一種與TiN膜相比具有更低電阻率、更高熱穩(wěn)定性以及在絕緣膜上具有優(yōu)越附著力的新的半導(dǎo)體器件中的互連系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種形成上述互連系統(tǒng)的方法。
本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件包括一片半導(dǎo)體基片、一層上覆半導(dǎo)體基片的絕緣膜、以及形成在絕緣膜上并包含一層Ti2N膜的一個(gè)互連圖形。
本發(fā)明還提供一種制造具有一種互連系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件的方法，它包含的步驟有，形成一層上覆半導(dǎo)體基片的TiN膜、在TiN膜上形成一層Ti膜、以及熱處理TiN膜和Ti膜由TiN膜和Ti膜形成一層Ti2N膜。
按照本發(fā)明并按本發(fā)明的方法制造的半導(dǎo)體器件，獲得一個(gè)包含一層Ti2N膜的新的互連系統(tǒng)，它有更低的電阻率和更高的熱穩(wěn)定性以及在絕緣膜上的優(yōu)越附著力。
從以下參照附圖所作的說明中將會(huì)明顯看出本發(fā)明的上述和其它目的、特性和優(yōu)點(diǎn)。


圖1A和1B為本發(fā)明第一實(shí)施例具有一互連系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件的連續(xù)生產(chǎn)步驟截面圖；圖2為示出在一次快速熱退火中TiN膜和Ti膜的薄層電阻隨退火溫度變化的曲線圖；圖3A和3B為本發(fā)明第二實(shí)施例包含一互連系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件的連續(xù)生產(chǎn)步驟截面圖；圖4為示出在一次快速熱退火中TiN/Ti/TiN膜的薄層電阻隨退火溫度變化的曲線圖；圖5是為顯示本發(fā)明第二實(shí)施例互連系統(tǒng)的組成和晶體取向在TiN/Ti/TiN膜的退火之后進(jìn)行的X射線衍射譜線圖。
現(xiàn)在，參照附圖對(duì)本發(fā)明作更具體地描述，其中用相同或相似的標(biāo)號(hào)表示相似構(gòu)成的成份。
參閱圖1A，在制造本發(fā)明第一實(shí)施例具有一互連系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件中，首先在硅基片11上形成一層由SiO2制成的絕緣膜12。然后，通過濺射或化學(xué)汽相淀積(CVD)在整個(gè)SiO2膜的表面上形成一層覆蓋層TiN膜，隨后相似地通過使用濺射或CVD技術(shù)在TiN膜上形成一層Ti膜。
隨后，使用干法刻蝕或濕法刻蝕技術(shù)使TiN膜和Ti膜兩層膜經(jīng)受一次選擇性刻蝕，使得在絕緣膜12上留下一個(gè)包含TiN膜圖形13和Ti膜圖形14的兩層(TiN/Ti)結(jié)構(gòu)的互連圖形。在此例中，TiN膜和Ti膜兩層膜最好是用同一淀積技術(shù)即不論是濺射或是CVD技術(shù)進(jìn)行連續(xù)淀積，無需在這些淀積技術(shù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
圖1中所示是基片溫度在約700℃和約900℃之間經(jīng)在約為30秒和約120秒之間的一段時(shí)間在氮?dú)夥罩袑?duì)TiN膜13和Ti膜14進(jìn)行過一次熱處理或快速熱退火(RTA)所形成的器件。在這次熱處理中TiN膜13和氮?dú)夥罩械牡獢U(kuò)散進(jìn)Ti膜14使得由TiN膜13和Ti膜14兩層形成如圖1B中所示的一層Ti2N膜15，其中所淀積的TiN膜13和Ti膜14兩者中的Ti與氮的原子比在退火之后基本上變?yōu)?∶1。這樣形成的T2N膜15是熱穩(wěn)定的并在經(jīng)過制造多層互連系統(tǒng)的數(shù)次熱處理之后基本上未表現(xiàn)出其特性有逆轉(zhuǎn)變化。在圖1B中，在退火之后在絕緣膜12和Ti2N膜15之間可能留下一層低厚度的TiN膜。
為了證實(shí)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明對(duì)第一實(shí)施例的樣品薄層電阻的改變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，所得結(jié)果示于圖2中，其中繪出了薄層電阻隨對(duì)樣品進(jìn)行快速熱退火的溫度的變化曲線。
每一樣品有包括一層在底面上的50毫微米厚的TiN膜和一層在頂面上的250毫微米厚的Ti膜兩層膜，兩層都是覆蓋膜。一組樣品在700℃至900℃的溫度下在氮?dú)夥罩薪?jīng)受30秒鐘的快速熱退火(RTN)，而另一組則在類似的溫度下在氬氣氛中經(jīng)受快速熱退火(RTAr)。
所淀積的兩層膜如圖2中所示有約2Ω/方塊的薄層電阻。經(jīng)受氬氣氛快速熱退火(RTAr)的樣品所產(chǎn)生薄膜的薄層電阻較差，增高到7Ω/方塊，而經(jīng)受氮?dú)夥湛焖贌嵬嘶?RTN)的樣品所產(chǎn)生的薄膜則保持有一可予接受的薄層電阻，它約為4Ω/方塊，因而適用作DRAM中的導(dǎo)電膜。
不同的結(jié)果可以歸因于氮?dú)夥蘸蜌鍤夥账斐傻?。具體地說，在氬氣氛中對(duì)兩層膜進(jìn)行的快速熱退火，使從第一層TiN膜擴(kuò)散出的氮形成低電阻Ti2N不充分。然而，通過從氮?dú)夥找约皬腡iN膜向Ti膜熱擴(kuò)散氮使得至少在Ti和TiN膜兩部分中產(chǎn)生了一層T2N膜。
參閱圖3A，在制造本發(fā)明第二實(shí)施例具有互連系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件中，在半導(dǎo)體基片11上形成一層SiO2膜12，接著通過濺射或CVD在其上連續(xù)形成第一TiN膜、Ti膜以及第二TiN膜。
隨后，用干法刻蝕或濕法刻濕技術(shù)對(duì)所形成的膜進(jìn)行選擇性刻蝕，使得在絕緣膜12上留下一個(gè)包含有第一TiN膜圖形16、Ti膜圖形17以及第二TiN膜圖形18三層結(jié)構(gòu)(TiN/Ti/TiN)的互連圖形。
此后，在700℃與900℃之間的溫度下對(duì)互連圖形進(jìn)行30秒鐘左右的RTN或RtAr處理步驟，使氮從第一和第二TiN膜圖形16和18向Ti膜圖形17中擴(kuò)散。結(jié)果使得，除Ti膜圖形17的中心部分20保持為Ti膜之外，其余Ti膜圖形17以及第一和第二TiN膜圖形16和18都變成Ti2N膜的圖形19。由于互連圖形的主要部分是由Ti2N作成的，因而與TiN膜相比，所產(chǎn)生的互連圖形具有更低的電阻率和更高的熱穩(wěn)定性。
在以上的結(jié)構(gòu)中，通過進(jìn)行更長一段時(shí)間的快速熱退火或調(diào)節(jié)Ti和TiN膜的厚度，還可以使包含Ti膜17的中心部分在內(nèi)的整個(gè)互連圖形都變成Ti2N膜19。
參閱圖4，對(duì)第二實(shí)施例的樣品所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表示出優(yōu)良的結(jié)果，其中的每一樣品具有一層50毫微米厚的第一TiN膜、一層200毫微米厚的Ti膜以及一層50毫微米厚的第二TiN膜，它們?nèi)际歉采w膜。對(duì)樣品所作的快速熱退火是在700℃和900℃之間溫度下的氬氣氛或氮?dú)夥罩羞M(jìn)行了30秒鐘。如圖4中所示，隨著溫度提高，在4Ω/方塊左右產(chǎn)生薄層電阻峰值，而后在約100℃及更高的溫度下降至3Ω/方塊左右。在750℃以上的RTN處理溫度以及800℃左右的RTAr處理溫度時(shí)電阻突降表明在三層膜中產(chǎn)生低阻的Ti2N。這種發(fā)生在RTN處理中的較低溫度下的下降是由于除了來自第一和第二TiN膜之外又增加了來自氣氛中的氮擴(kuò)散。其它一些樣品也經(jīng)受了在約30秒鐘至約120秒鐘之間的一段時(shí)間的RTN處理，并由于增加了氮擴(kuò)散從而產(chǎn)生Ti2N膜以致表現(xiàn)出電阻的進(jìn)一步下降。
參閱圖5，示出了通過對(duì)第二實(shí)施例的互連系統(tǒng)進(jìn)行X射線衍射觀測的譜線圖。在圖5中，將光的強(qiáng)度相對(duì)于淀積后的以及在700℃、及時(shí)750℃、800℃、850℃和900℃的快速熱退火之后的結(jié)構(gòu)的衍射角度(2θ)繪成曲線。在相應(yīng)于起始于Ti膜的(100)和(002)的Ti取向衍射角度處淀積后的膜表現(xiàn)出強(qiáng)峰值，并在提高了快速熱退火溫度時(shí)在與退火后的Ti2N膜相對(duì)應(yīng)的衍射角度表現(xiàn)有更強(qiáng)的峰值。此外，當(dāng)提高了溫度，在Ti2N的其它取向當(dāng)中的(103)、(112)和(200)取向處表現(xiàn)有更強(qiáng)的譜線峰值。它進(jìn)一步表明了在退火之后基本上未留下或產(chǎn)生Ti。
由于以上的實(shí)施例只是用示例作說明的，因而本發(fā)明不受以上實(shí)施例的限制，對(duì)于那些由專業(yè)技術(shù)人員所能易于從中作出的各種修改和變換均不超脫本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，它包括一片半導(dǎo)體基片、一層覆蓋著所述半導(dǎo)體基片的絕緣膜、以及形成在所述絕緣膜上并包含一層Ti2N膜在內(nèi)的一個(gè)互連圖形。
2.按照權(quán)利要求1所確定的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的互連圖形還包括在所述絕緣膜和所述Ti2N膜之間的一層TiN膜。
3.按照權(quán)利要求1所確定的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的互連圖形對(duì)于300毫微米的互連圖形厚度有4Ω/方塊以下的薄層電阻。
4.按照權(quán)利要求1所確定的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述的互連圖形在所述的Ti2N膜內(nèi)有一層Ti膜。
5.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它包括形成一層TiN膜覆蓋在一片半導(dǎo)體基片上并在所述TiN膜上形成一層Ti膜的步驟，熱處理所述TiN膜和所述Ti膜使得由所述TiN膜和所述Ti膜形成一層Ti2N膜。
6.按照權(quán)利要求5所確定的一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述熱處理步驟是在氮?dú)夥罩袑?shí)現(xiàn)的。
7.按照權(quán)利要求5所確定的一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述的熱處理是在700℃與900℃之間的一個(gè)溫度下經(jīng)約30秒鐘與約120秒鐘之間的一段時(shí)間進(jìn)行的。
8.按照權(quán)利要求5所確定的一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它還包括在所述Ti膜上形成另一層TiN膜的步驟，其中所述熱處理步驟還從所述另一層TiN膜形成Ti2N膜。
9.按照權(quán)利要求8所確定的一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述的熱處理不是在氬氣氛中就是在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行的。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件中的互連系統(tǒng)包括有一層TiO
文檔編號(hào)H01L21/768GK1189692SQ9810018
公開日1998年8月5日 申請(qǐng)日期1998年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月4日
發(fā)明者約翰·馬克·德賴蘭 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社