DE10010583A1 - Verfahren zur Strukturierung und Reinigung von silizidierten Siliziumscheiben - Google Patents
Verfahren zur Strukturierung und Reinigung von silizidierten SiliziumscheibenInfo
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Abstract
Bekannte einstufige Verfahren zur Strukturierung und Reinigung von silizidierten Siliziumscheiben lassen metallische Reste auf der Siliziumscheibenoberfläche zurück. Je nach Konzentration der Reste führt dies zum Ausfall der Bauelemente. Nachfolgende Prozessschritte werden ungünstig beeinflußt. DOLLAR A Durch Anwendung eines zweistufigen, naßchemischen Verfahrens das nach dem Aufbringen des Metalls und Durchführung einer ersten Wärmebehandlung zur Bildung eines Silizids angewandt wird. Dabei wird in der ersten Stufe unter Verwendung von Ammoniak das Silizid strukturiert, während in der zweiten Stufe unter Verwendung von Salzsäure die metallischen Reste von der Scheibenoberfläche vollständig entfernt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung und Reini
gung von silizidierten Siliziumscheiben gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Naßchemische Verfahren, wie beispielweise Reinigungen, sind bei der Herstel
lung von integrierten Schaltkreisen besonders wichtig, um die Rückstände von
bereits abgearbeiteten Prozeßschritten zu entfernen und damit eine Verun
reinigung von nachfolgenden Betriebsmitteln zu verhindern. Grundsätzlich
wird zwischen organischen und anorganischen Rückständen unterschieden.
Bei der Entfernung von den anorganischen Rückständen, zu der auch die
Stoffgruppe der Metalle zählt, ist besondere Sorgfalt geboten, da diese Ele
mente unter anderem eine starke Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer
verursachen und damit zu einem Totalausfall der Bauelemente führen können.
Neben den immer höheren Anforderungen an die Reinheit der einzelnen Pro
zeßschritte und damit an die Reinigungen, führt die fortschreitende Integrati
on im Bereich der Bauelemente zu immer kleineren Strukturgrößen, die nun
mehr unter 1 µm liegen. Mit der Verkleinerung mußten auch die Kontaktan
schlußflächen der einzelnen Bauelemente ebenfalls stark verringert werden.
Um die erhöhten Kontaktwiderstände der einzelnen Bauelemente, d. h. die er
höhten Verlustleistungen bzw die vergrößerten Zeitkonstanten innerhalb der
Schaltung zu kompensieren, wird im sub m Bereich in den Kontaktanschluß
flächen eine stöchiometrische Verbindung zwischen einem Metall und Silizium
hergestellt. Dieser Vorgang wird Silizidierung genannt. Außer den Elementen
Kobalt und Nickel wird hierzu insbesondere Titan verwendet. Der Prozeß der
Silizidierung wird im allgemeinen nach den im folgenden Abschnitt beschrie
benen Prozessschritten durchgeführt.
Nach dem Aufbringen des für die Bildung des Silizids verwendeten Me
talls, üblicherweise durch Aufdampfen oder Sputtern, wird durch eine nach
folgende Wärmebehandlung, beispielsweise durch eine schnelle Temperatur
behandlung (RTA Prozeß), das Silizid gebildet. Hierbei bildet sich das Silizid nur
auf den freigelegten Siliziumflächen. Anschließend wird durch einen Ätzprozeß
das nicht reagierte Metall entfernt. Häufig findet dann eine weitere Wärmebe
handlung statt, um die niederohmigste Phase des Silizids zu bilden. Da die Pro
zeßschritte für die Silizidierung im Herstellungsprozeß vor den Prozeßschritten
der Leiterbahnabscheidung liegen, aus Kostengründen jedoch die gleichen Be
triebsmittel benutzt werden, ist es besonders wichtig eine Verschleppung von
Metallen, beispielsweise in Form von Resten auf der Scheibenoberfläche, auf
nachfolgende Betriebsmittel zu verhindern. Beispielsweise genügen bei Eisen
und Nickel geringste Spuren im Bereich von einigen 1010 Atomen/cm3, um ei
nen erhöhten Leckstrom zwischen den pn-Übergängen der Bauelemente zu
verursachen. Es sind deshalb Lösungen zu suchen, die eine Verschleppung von
Spuren solcher Metalle zwischen den Betriebsmitteln zuverlässig verhindern.
Im bisherigen Stand der Technik gemäß der Druckschrift DE 197 41 891 A1 wird
nach dem Abscheiden des zur Silizidierung verwendeten Metalls eine erste
Wärmebehandlung zur Bildung des Silizids durchgeführt. Anschließend wird
das nicht reagierte Metall durch eine naßchemische Behandlung mittels einem
Gemisch aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und Wasser entfernt. Durch einen
weiteren Temperaturschritt wird dann die niederohmige Phase des verwende
ten Silizids gebildet.
Weiterhin ist aus der Druckschrift: J. Electrochem. Soc., Vol. 144, No. 7, S. 2437
ein naßchemisches Verfahren bekannt, das nach der Silizidbildung das nicht
reagierte Metall mit einem Gemisch aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid
und Wasser entfernt. In einer nachfolgenden Wärmebehandlung wird dann,
entsprechend dem verwendeten Silizid, die niederohmige Phase gebildet.
Die bisher bekannten Verfahren entfernen das nach der ersten Wärmebe
handlung nicht reagierte Metall in einem einstufigen, naßchemischen Verfah
ren, entweder unter Verwendung von Ammoniak oder Schwefelsäure. Zwar
weisen beide Verfahren bei entsprechender Zusammensetzung der verwende
ten Gemische die notwendige geringe Ätzrate zum gebildeten Silizid auf, je
doch werden von keinem der bisher bekannten Verfahren die metallischen Re
ste in den nicht silizierten Bereichen der Siliziumscheiben vollständig entfernt.
Dies konnte mit Hilfe von analytischen Verfahren wie Atomabsorptionsspek
troskopie (AAS) und Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA),
sowie Messungen der Ladungsträgerlebensdauer nachgewiesen werden. Wäh
rend die Werte der Ladungsträgerlebensdauer vor dem Silizidierungsschritt im
Mittel über 109 µs und damit im Normalbereich lagen, wurden nach den einstu
figen Verfahren nur Werte unter 10 µs gemessen. In umfangreichen Testreihen
konnten dabei mehrere Quellen der Verunreinigung festgestellt werden. Ne
ben den Resten der zur Silizidierung verwendeten Metalle, lassen sich Spuren
von Übergangsmetallen wie beispielsweise Eisen, Zink und Nickel aus den für
die nasschemischen Verfahren verwendeten hochreinen Ausgangslösungen
nachweisen. Des weiteren finden sich, bedingt durch die Mehrfachnutzung der
Betriebsmittel, Spuren der Leiterbahnmetalle wie beispielsweise Aluminium.
Gerade Aluminium bildet bevorzugt mit Titan sehr dünne Restschichten, die
weder mit dem Ammoniakgemisch oder dem Schwefelsäuregemisch ätzbar
sind. Diese Restschichten können unter anderem hochohmige, nicht reprodu
zierbare Nebenschlüsse zwischen den einzelnen Bauelementen einer Schaltung
verursachen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur vollständigen
Entfernung der metallischen Reste nach der Bildung des Silizids anzugeben,
das eine geringe Ätzrate zu den gebildeten Siliziden aufweist und sowohl ein
fach als auch wirtschaftlich anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs ge
nannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Günstige Aus
gestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß sich bei der Silizidierung
durch die Einführung eines zweistufigen, naßchemischen Verfahrens der er
findungsgemäßen Art, anstelle des bisherigen einstufigen, naßchemischen Ver
fahrens, sowohl die bisher nicht ätzbaren Aluminium-Titanverbindungen als
auch die Spuren der Übergangsmetalle wie Eisen und Nickel, sowie die Reste
aus den zur Silizidierung verwendeten Metalle zuverlässig von der Schei
benoberflächen entfernen lassen. Da im ersten Schritt im Wesentlichen das
nicht zur Silizidbildung benötigte Metall entfernt wird, kann dieser Schritt als
nasschemische Strukturierung bezeichnet werden. In Folge lässt sich der zwei
te Verfahrensschritt, der die verbliebenen metallischen Reste entfernt, als nas
schemischen Reinigungsschritt bezeichnen. Es zeigte sich in unerwarteter Wei
se, daß das erfindungsgemäße zweistufige, nasschemisches Reinigungsverfah
ren unter Verwendung von Ammoniak in einem ersten Verfahrensschritt und
von Salzsäure in dem zweiten Verfahrensschritt eine vollständige Entfernung
der metallischen Reste erreicht. Weiterhin unerwartet war, dass sich durch die
Wahl der Temperatur und des Mischungsverhältnisses mit weiteren Inhaltsstof
fen, bestehend aus Wasserstoffperoxid und Wasser, sich die in beiden nas
schemischen Stufen verwendeten wässerigen Lösungen derart einstellen las
sen, dass innerhalb von üblichen Prozesszeiten keine Abnahme der Siliziddicke
festgestellt werden konnte. Dies konnte anhand von Messungen des elektri
schen Widerstandes der gebildeten Silizidschicht gezeigt werden. Des weiteren
zeigte sich aus den Ergebnissen der analytischen Verfahren AAS und ESCA in
Verbindung mit den Messungen der Ladungsträgerlebensdauer, dass sich die
Reihenfolge der Prozessschritte nicht vertauschen lässt. Erst diejenigen Silizi
umscheiben die beide Verfahrensschritte in der beschriebenen Reihenfolge er
halten, zeigen Ladungsträgerlebensdauerzeiten im Bereich oberhalb von 100 µs.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels anhand
der Bildung von Titansilizid näher erläutert.
Auf eine bereits in Oxidflächen und freien Siliziumflächen strukturierte Schei
benoberfläche, wird eine Schicht aus Titan in der Dicke von beispielweise 500 Å
vorzugsweise durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht. Anschließend
wird in einer ersten Wärmebehandlung die Titanschicht beispielsweise bei 750
Grad Celsius 30 sec geglüht. Dabei bildet sich über den offen liegenden Silizi
umflächen Titansilizid. Anschließend wird in einem ersten naßchemischen Ver
fahrensschritt mit einem Gemisch aus konzentrierter Ammoniaklösung, kon
zentrierter Wasserstoffperoxidlösung und Wasser, vorzugsweise im Verhältnis
von 1 : 1 : 1, das überschüssige Titan in Lösung gebracht und entfernt. In einem
zweiten darauffolgenden Verfahrensschritt mit einem Gemisch aus konzen
trierter Salzsäure, konzentrierter Wasserstoffperoxidlösung und Wasser wer
den dann die verbliebenen metallischen Verunreinigungen, insbesondere die
Titan-Aluminiumverbindungen von der Scheibenoberfläche entfernt. Das Mi
schungsverhältnis der einzelnen Bestandteile liegt dabei vorzugsweise bei
1 : 1 : 5. Beide Verfahrensschritte werden in handelsüblichen temperaturgeregel
ten Reinigungsbecken durchgeführt. Die Siliziumscheiben werden nach der
Behandlung mit Ammoniak bzw Salzsäure jeweils mit mindestens einem Spül
gang in reinem Wasser nachbehandelt und anschließend in einer Schleuder ge
trocknet. Während die Badtemperatur im ersten Verfahrensschritt in einem Be
reich zwischen 10 Grad Celsius und 30 Grad Celsius, vorzugsweise bei 25 Grad
eingestellt wird, ist es bei dem zweiten Verfahrensschritt vorteilhaft, wenn die
Badtemperatur im Bereich zwischen 45 und 85 Grad Celsius, vorzugsweise bei
65 Grad Celsius liegt. Durchgeführte Analysen an den Scheiben ergaben, dass
nach dem zweiten Verfahrensschritt die Auflösungsgrenzen von AAS und ESCA
hinsichtlich den metallischen Verunreinigungen unterschritten werden. Des
weiteren lagen die Werte der Ladungsträgerlebensdauer im Normalbereich.
Gleichfalls ergaben sich aus den Messungen des Oberflächenwiderstandes kei
ne Anzeichen für metallische Restschichten auf den Scheibenoberflächen.
Claims (5)
1. Verfahren zur Strukturierung und Reinigung von teilweise silizidierten
Siliziumscheiben, mittels wässeriger Lösungen,
- - dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Strukturierung der Siliziumscheiben in einer ersten wässerigen Lö sung durchgeführt wird, die mindestens die Bestandteile Ammoniak und Wasserstoffperoxid enthält, und
- - die Reinigung der Siliziumscheiben in einer zweiten wässerigen Lösung durchgeführt wird, die mindestens die Bestandteile Salzsäure und Was serstoffperoxid enthält, und
- - die Temperatur und das Mischungsverhältnis der Inhaltsstoffe von bei den wässerigen Lösungen derart eingestellt wird, daß diese wässerigen Lösungen eine geringe Ätzrate gegenüber den silizidierten Bereichen der Siliziumscheiben aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk
turierung der Siliziumscheiben in der ersten Lösung durchgeführt wird,
in der das Mischungsverhältnis der Bestandteile konzentrierter Ammo
niaklösung, konzentrierter Wasserstoffperoxidlösung und Wasser vor
zugsweise bei 1 : 1 : 1 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Reinigung der Siliziumscheiben in der zweiten Lösung
durchgeführt wird, in der das Mischungsverhältnis der Bestandteile
konzentrierter Salzsäure, konzentrierter Wasserstoffperoxidlösung und
Wasser vorzugsweise bei 1 : 1 : 5 liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Temperatur der ersten Lösung in einem Bereich zwischen
10°C und 30°C vorzugsweise bei 25°C liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Temperatur der zweiten Lösung in einem Bereich zwi
schen 45°C und 85°C vorzugsweise bei 65°C liegt.
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2000
- 2000-03-03 DE DE2000110583 patent/DE10010583A1/de not_active Withdrawn
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