DD227828A1 - Verfahren zur thermischen behandlung von mikroelektronischen schichtsystemen - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur thermischen Behandlung von mikroelektronischen Schichtsystemen findet Anwendung in der VLSI-Technik, vorwiegend fuer die Metallisierung und Kontaktierung. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine homogene, schnelle, grossflaechige thermische Behandlung von mirkoelektronischen Schichtsystemen zur Erzielung hochwertiger, VLSI-gerechter Eigenschaften bereitzustellen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem grossflaechig ein Halbleitersubstrat mit einem aufgebrachten mikroelektronischen Schichtsystem einem oder mehreren inkohaerenten elektromagnetischen Strahlungsimpulsen, vorzugsweise des sichtbaren und nahen IR-Bereiches, ausgesetzt wird, deren Dauer der Waermediffusionszeit durch das Halbleitersubstrat entspricht und ein oder mehrere verschiedene thermische Prozesse ausgeloest werden.

Description

Verfahren zur thermischen Behandlung von mikroelektronischen Schichtsystemen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von mikroelektronischen Schichtsystemen mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere für die Metallisierung und Kontaktierung in der VLSI-Technik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im Zusammenhang mit der Herstellung von Halbleiterbauelementen kleiner Dimensionen und von integrierten Schaltkreisen hoher Packungsdichte entstehen qualitativ neue Anforderungen an die Y/erkstoffe und Eigenschaften der mikroelektronischen Schichtsysteme sowie ihre Herstellungs- und Behandlungsverfahren.

Es ist bekannt, daß durch geeignete Temperbehandlung vorher abgeschiedener Schwermetall-Silicium-Schichtkombinationen (Sandwich bzw. alternierende Schichtfolgen) oder entsprechender Mischschichten die Herstellung von Schwermetallsilicidschichten möglich ist. Die i. a. verwendeten Temperzeiten im Bereich zwischen ca. 10 min und 1 h und die zulässigen Temperaturen < 1000 ⁰C schränken die Anwendbarkeit derartiger Temperverfahren in der VLSI-Technik zunehmend ein.

«Ι Λ

Ähnliche Probleme treten bei der üblichen Temperung anderer Substanzen des vorliegenden Schichtsystems bzw. des darunterliegenden bulk-Si auf.

Einen möglichen Ausweg stellt hier der Übergang zur thermischen Kurzzeitbehandlung dar.

Versuche, die Silicierung im Schmelzregime mittels Laser-Impulse (Einwirkungszeiten 10 ^ - 10 s) zu realisieren, führten zu Inhomogenitäten der Silicidschicht (Gemische verschiedener S.ilicidphasen, Segregationen, zellulare Strukturen, Oberflächenerscheinungen, die mit dem vorübergehenden Aufschmelzen im Zusammenhang stehen; G.J. van Gurp et al. Appl. Phys. Lett. _35, 273 (1979)). Die gleichen Nachteile besitzt die Elektronen- (G. Majni et al., Vakuum _32, 11 (1982) ) und die I onenimpu-ls be arbeitung (L. J. Chen et al. , Appl. Phys. Lett. _40, 595 (1982) ) in diesem Bearbeitungsregime.

Definierte einphasige Silicidschichten konnten dagegen durch Festphasenreaktionen mit Laser- und Elektronenstrahl (T. Shibata et-al., J. Electrochem. Soc. 128, 637 (1981) ) für spezielle Schichtsysteme erreicht werden. Vorzugsweise wird 'dabei die Si-Scheibe mit dem Laser- oder Elektronenstrahl abgerastert, wobei die lokale Einwirkungszeit im ms-Bereich liegt.

Bei den genannten Lösungswegen im Schmelz- und Festphasenregime wird jedoch die Strahlungsenergie nur in einer Oberflächenschicht von einigen/um deponiert. Das führt zu unterschiedlichen Energiedeponierungen in Abhängigkeit vom Schicht- und Substratmaterial und seiner Dotierung und Strukturierung. Insbesondere verursacht dies bei der Anwendung von Lasern bei Schichtsystemen mit unterschiedlichem Reflexionsgrad, aus denen sich üblicherweise die Bauelernentestrukturen aufbauen, Interferenz- und Reflexionserscheinungen und damit die genannten unterschiedlichen Energiedeponierungen (C. Mill Proc. "Lasereffects in ion implanted Semiconductors", Catania, Italien 1978).

Eine Antireflexionsschicht (T. Shibata, s.o.) verbesserte die Situation, stellt aber zumindest einen zusätzlichen Verfahrensschritt dar. Bei Anwendung von Elektronenstrahlen erfordern die Vakuumbedingungen ebenfalls einen zusätzlichen Aufwand. Außerdem besteht in diesem Pail die Gefahr der Erzeugung von Strahlenschäden (speziell an empfindlichen Grenzflächen), die eine zusätzliche Ausheilbehandlung erfordern.

Zur Silicierung mittels thermischer Kurzzeitbehandlungen im Bereich weniger Sekunden, bei denen für die Energiedeponierung inkohärente Lichtquellen oder Wärme strahler eingesetzt werden können, liegen bisher nur wenige Informationen vor (D.F. Downey, Solid State Technology (1982), 87). Gegenüber der Laser- und Elektronenbestrahlung bestehen Torteile in bezug auf die Erreichung der Schichthomogenität. Mit Problemen bei der Erhaltung der in vorhergehenden Verfahrensschritten erzeugten Dotierungsprofile muß wegen der schon beachtlichen Behandlungszeiten gerechnet werden. Es muß auch ein merklicher Einfluß der Atmosphäre in Betracht gezogen werden, dessen Beseitigung einen zusätzlichen Aufwand erfordert.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine technologisch einfache thermische Behandlung von mikroelektronischen Schichtsystemen zur Erzielung hochwertiger, VLSI-gerechter Eigenschaften.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur homogenen, schnellen, großflächigen thermischen Behandlung von auf Halbleitersubstraten aufgebrachten, atis Elementen, Verbindungen oder Gemengen bestehenden dünnen Schichten als Bestandteil eines Schichtsystems auf dotiertem Halbleitergebiet, insbesondere für die Metallisierung und Kontaktierung, zu schaffen, das eine unerwünschte Beeinflussung der Ergebnisse vorhergehender Bearbeitungsschritte vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem großflächig ein Halbleitersubstrat mit einem aufgebrachten mikroelektronischen Schichtsystem einem oder mehreren inkohärenten elektromagnetischen Strahlungsimpulsen, vorzugsweise des sichtbaren und nahen IR-Bereiches, -ausgesetzt wird, deren Dauer . der Wärmediffusionszeit durch das Halbleitersubstrat entspricht und ein oder mehrere verschiedene thermische Prozesse ausgelöst werden.

Die elektromagnetische Strahlung wird in der Oberflächenschicht absorbiert und in ?/ärme umgesetzt, ohne daß hierbei Schmelzen an irgendeiner Stelle auftritt.

Die Dauer des Strahlungsimpulses t ist gemäß

t ^ d²/D , ' . (1)

zu wählen. Hierbei sind d die Dicke des Substrats und D die über die Temperatur gemittelte Temperaturleitfähigkeit des Substrats. Die Einhaltung dieser Vorschrift ermöglicht die homogene Verteilung der zugeführten Energie in der kürzest möglichen Zeit. Dadurch werden unerwünschte Rückwirkungen auf die Ergebnisse vorhergehender Teilschritte des Fertigung spro ze s se s, besonders laterale und vertikale .Verschiebungen von Konzentrationsprofilen vermieden.

Die homogene Verteilung der zugeführten Energie bietet den weiteren Vorzug, mehrere notwendige thermische Behandlungen für aufeinanderfolgende Schichten des Schichtsystems durch einen Strahlungsimpuls zu realisieren. Durch diesen kann man in mindestens einer der Schichten eine oder mehrere der folgenden Veränderungen durch die Aktivierung kristallοgraphischer Umwandlungen und/oder chemischer Reaktionen erreichen:

- Umwandlung amorpher,oder teilkristalliner Bestandteile einer Verbindung oder eines Gemisches zweier oder mehrerer Komponenten in eine kristalline Phase

- Modifikationswechsel einer kristallinen Phase

- Umwandlung einer noch unbeständigen kristallinen Phase oder eines Phasengemischs in eine beständige Phase.

Im Ergebnis einer oder mehrerer solcher Veränderungen wird zusätzlich die herstellungsbedingte Defektdichte weitgehend beseitigt, erfolgt eine Schichthomogenisierung und werden die elektrischen Parameter verbessert und stabilisiert. V/eiter kann der elektrische Kontakt zwischen jeweils zwei Schichten mit leitendem oder halbleitendem Charakter verbessert werden. Gleichzeitig wird für das durch Gl. (1) definierte Bearbeitungsregime eine an sich bekannte Ausheilung von Strahlenschäden und Dotantenaktivierung im halbleitenden Substrat oder .in anderen halbleitenden Schichten bewirkt.

Ein wesentlicher Vorzug des Verfahrens besteht auch darin, daß die Bestrahlung von der Substratrückseite erfolgen kann, deren optische Eigenschaften in der Regel homogener als auf der Prozeßseite sind.

Ein weiterer Vorzug des Verfahrens besteht darin, daß bekannte elektromagnetische Strahlungsquellen bereitgestellt und in einer Bestrahlungskammer unter Verwendung von Reflektoren angeordnet werden, so daß die Bestrahlung mit geringer Standardabweichung und guter Reproduzierbarkeit großflächig das 'gesamte Substrat erfaßt. Bezeichnet man mit P die großflächig absorbierte auf die Fläche bezogene Leistung, so ergibt sich für den Zusammenhang zwischen der eingebrachten Energiedichte jF'dt' und der erreichten Maximal temperatur T _ genähert der Zusammenhang

JS dt· = d /c γ

c P dT (2)

Hier ist c die mittlere spezifische Wärme des Substratmaterials, g dessen Dichte und T die Temperatur vor der Behandlung.

Die Anwendung von Gl. (1) führt zu hohen Geschwindigkeiten des Temperaturanstiegs bzw. im Anschluß an.die homogene Erhitzung auch des Abfalls der Substrattemperatür.-In solchen Fällen, wo die Gefahr des Entstehens unzulässig hoher mechanischer Spannungen oder von Defekten vorhanden ist, kann dem durch eine großflächige Vor- und/oder Nachheizung be-

gegnet werden. Zweckmäßigerweise legt man die Vor- und/oder Nachheizung in· einen solchen Temperaturbereich, in dem gleichzeitig keine kristallographischen Umwandlungen, chemische Reaktionen und/oder Diffusionsvorgänge mit merklicher Geschwindigkeit ablaufen. Bei Anwendung der Yorheizung wird die durch Gl. (2) gegebene Energiedichte anteilig erniedrigt, was auch zu einem schonenderen Betrieb der Strahlungsquelleη genutzt werden kann.

Wegen der durch Gl. (l) festgelegten kurzen Bearbeitungszeit wird die Gefahr der Probenkontamination durch die in der Bestrahlungskammer enthaltenen Restverunreinigungen verringert und sogar unter einschränkenden Forderungen ein Verzicht auf Vakuum oder Schutzgas möglich.

Es ist auch möglich, mehrere Energieimpulse in kurzem zeitrlichem Abstand nacheinander auf die Probe einwirken zu lassen. Als vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Blitzlampenanlage zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlungsimpulse erwiesen.

Die vorliegende Erfindung läßt sich unter Nutzung der beschriebenen Vorzüge auf die thermische Behandlung von Leitbahn- und Kontaktsystemen der VLSI-Technik anwenden, die Silicide oder - in Kombination mit PoIy-Si - Polyci-de zu ihrer Realisierung auf Si-Substraten vorteilhaft ausnutzt. Für die hochintegrierte MIS-Technik sind dabei die Schwermetalldisilicide der Elemente Mo, W, Ta und Ti von besonderem Interesse. Zunächst ist es notwendig, auf Si eine dünne Schicht des Schwermetalls oder eine alternierende Schichtfolge Schwermetall/Si oder eine entsprechende Mischschicht mit den für die Mikroelektronik üblichen Verfahren auf dem bereits bearbeiteten Si-Substrat abzuscheiden. Das durch Gl. (1) definierte Bestrahlungsregime gestattet, mit einer durch Gl. (2) grob abgesteckten Energiedichte die Silicierung vorzunehmen oder zu vollenden. Durch diese Behandlung stellen sich die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften des MoSi₂, , TaSi₂ oder TiSi₂ und eine geringe Defektdichte ein,

und es entsteht die notwendige Stabilität gegenüber nachfolgenden technologischen Teilschritten bzw. für eine hohe Betriebslebensdauer und -zuverlässigkeit.

Der Aufbau des gesaraten Leitbahn- und Kontaktsystems erfordert leitende (Schwermetallsilicid, Schwermetallpolycid) und isolierende (ζ,.Β. SiO₂) Schichten, die z. T. mit dem Halbleitersubstrat (S/D-Gebiete) und untereinander über Durchführungen (Vias) kontaktiert sind. Es ist ein Vorzug der vorliegenden Erfindung, daß durch Wahl einer geeigneten Energiedichte auch mehrere Ebenen gleichzeitig durch einen Strahlungsimpuls behandelt werden können, wobei eine unzulässige Beeinflussung der Lage der pn-Übergänge, z. B. in den S/D-Gebieten vermieden wird.

Ausführungsbeispiel

Di^e Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Im ersten Beispiel soll eine Leitbahnebene auf der Basis von Molybdändisilicid (MoSip) hergestellt werden. Dazu werden auf (10O)-Si nacheinander mit bekannten Verfahren hergestellt; 0,15/um thermisch oxydiertes SiO₂, 0,3/um CYD-PoIy-Si sowie 0,43 /um einer alternierenden Schichtfolge aus gesputterten Mo- und Si-Schichten der Dicke.von jeweils 10 bis 20 mn. Dabei entspricht das Verhältnis von Ho/Si der Stöchiometrie des

Die Silicierung erfolgt durch Bestrahlung in einer Blitzlampe nap ρ ar a tür von der unbeschichteten Rückseite des Substrats.

Mit der im Lampenfeld umgesetzten elektrischen Energie von 65 kJ wird am Ende des Lichtimpulses (10 ms) im Si-Substrat mit einer Scheibendicke von 300 ,um eine homogene Maximaltemperatur von ca. 1400 ⁰C erreicht. Die absorbierte Energiedichte ist 135 + 7 J/cm².

Dabei wird einphasiges tetragonales MoSi₂ mit einem spezifischen Widerstand von 80 bis 90/uilcm erhalten. Die Zeit von ΙΟ ms ist ausreichend zum Ausgleich von Stöchiometrieinhomogenitäten in der Ausgangsmischschicht. Im Substrat kommt es zu keiner nachteiligen Diffusionsverbreiterung der flachen, d.h. etwa £ 0,3/um tief liegenden pn-Übergänge.

Die Silicierung wurde unter !^-Atmosphäre durchgeführt, jedoch konnte kein Unterschied festgestellt werden, wenn die thermische Behandlung in Luft erfolgte.

Im zweiten Beispiel wird die CVD-Poly-Si-Schicht vor dem Aufbringen der alternierenden Mo/Si-Schichtfolge durch . Ionenimplantation mit 2 · 10 P /cm oder mit 2 · 10¹⁶ As⁺/cm² (W_o = 150 keV) dotiert. Zu den S/D-Gebieten des Substrats (hergestellt durch Ionenimplantation von 10¹⁶ As⁺/cm² (W₀ = 150 keV) ) ist die SiO₂-Schicht geöffnet.

Nach Bestrahlung des gesamten Schichtsystems mit einem Blitzlampenimpuls der Energiedichte 135 J/cm erreicht man für das dotierte PoIy-Si einen spezifischen Widerstand von 5OO,uI2cm (P-dotiert) bzw. 15OO/uJ2cin (As-dotiert), während der spezifische Widerstand des MoSip wie in Ausführungsbeispiel 1 80 bis 90 ,uflcm beträgt. Durch denselben Blitzlampenimpuls erfolgt eine Reduzierung des Kontaktwiderstands des Polycid-Leitbahnsystems zu den S/D-Gebieten ohne störende Verlagerung der zu diesen gehörenden pn-Übergänge.

Claims (7)

1. Patentanspruch

   1. Verfahren zur thermischen Behandlung von mikroelektronischen Schichtsystemen, insbesondere Schichtkoinbinationen mit dotierten Halbleiterge"bieten, mittels elektromagnetischer Strahlung für die TLSI-Technik, beispielsweise für Metallisierungs- und Kontaktierungszwecke, dadurch gekennzeichnet, daß großflächig ein Halbleitersubstrat mit

   einem aufgebrachten mikroelektronischen Schichtsystem einem oder mehreren inkohärenten elektromagnetischen Strahlungsimpulsen, vorzugsweise des sichtbaren und nahen IR-Bereiches, ausgesetzt wird, deren Dauer der Wärmediffusionszeit durch das Halbleitersubstrat entspricht und ein oder mehrere verschiedene thermische Prozesse ausgelöst werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlungsimpulse eine Blitzlampenanlage verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vor- und/oder Nachheizung des Halbleitersubstrats mit definiertem Temperatur-Zeit-Verlauf durchge_r. führt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Strahlungsimpuls auf der Substratrückseite auftrifft und die Vor- und/oder Hachheizung auf der Substratvorderseite erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat aus einkristallinem Silicium besteht.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall ein Schwermetall wie Mo, W, Ti oder Ta verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtsystem Metallschichten und Siliciumschichten oder Metall-Silicium-Mischschichten enthält.