DE10014917A1 - Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht

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Abstract

Die Kontaktschicht wird beispielsweise als Liner für die Herstellung von elektrischen Kontakten in Kontaktlöchern verwendet. Erfindungsgemäß wird die Kontaktschicht in zwei Schritten hergestellt, wobei in einem ersten Schritt eine erste Kontaktschicht (7) abgeschieden wird, bei der lediglich ein kleiner Anteil der auszustäubenden Partikel (21) ionisiert wird. In einem zweiten Aufstäubschritt wird eine zweite Kontaktschicht (8) aufgestäubt, bei deren Herstellung ein größerer Anteil der aufzustäubenden Partikel (21) ionisiert wird. Durch dieses Vorgehen wird sichergestellt, dass die erste Kontaktschicht (7) durch ein schonendes Aufstäuben als Schutzschicht auf dem Substrat (1) angeordnet ist, bevor die zweite Kontaktschicht (8) aufgestäubt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung einer Kontaktschicht auf einem Substrat.
Integrierte Schaltkreise bestehen unter anderem aus elektri­ schen Bauelementen wie Dioden, Widerständen, Transistoren usw., die durch elektrische Leitungen miteinander verbunden sind.
Die elektrischen Bauelemente werden beispielsweise in einem Halbleitersubstrat aus Silizium gebildet und weisen als e­ lektrisch leitende Gebiete dotierte Diffusionsgebiete auf. Um die dotierten Diffusionsgebiete an elektrische Leitungen an­ zuschließen, die meist aus einem Metall wie Aluminium oder Kupfer bestehen, wird eine isolierende Schicht vorzugsweise aus einem Bor- und/oder Phosphordotierten Silikatglas, bzw. einem Siliziumoxid auf der Substratoberfläche angeordnet. In der isolierenden Schicht werden Kontaktlöcher gebildet, die die darunterliegenden, anzuschließenden Bereiche, wie Metal­ lisierungsebenen oder dotierte Diffusionsgebiete freilegen.
Üblicherweise wird eine sogenannte Liner-Schicht z. B. aus Ti­ tan, Titannitrid, Tantal oder Tantalnitrid abgeschieden, wel­ che die Silikatglasoberfläche, die Seitenwände des Kontakt­ lochs und die elektrisch anzuschließenden Bereiche am Boden des Kontaktlochs, wie das Diffusionsgebiet, bedeckt. Dieses Vorgehen ist zum Beispiel in der Offenlegungsschrift EP 0 751 566 A2 beschrieben.
Die Liner-Schicht dient dabei als Haftschicht für die nach­ folgende Metallisierung aus Aluminium, Wolfram oder Kupfer.
Zusätzlich hat die Liner-Schicht die Aufgabe, als Barrieren­ schicht gegen die Diffusion von Aluminium, Kupfer bzw. Wolf­ ram und dessen gasförmige Substanzen zu wirken, um die Diffu­ sionsgebiete zu schützen.
Darüber hinaus hat die Liner-Schicht die Aufgabe, einen nie­ derohmigen Kontakt zwischen dem dotierten Diffusionsgebiet und dem Metall der Kontaktlochfüllung zu bilden.
Die Abscheidung einer Liner-Schicht wird üblicherweise mit einem Aufstäubprozess (Sputterprozeß), auch PVD-Prozeß (phy­ sical vapor deposition) genannt, durchgeführt. Diese Prozesse sind zum Beispiel in der Druckschrift A. Tolia et al., "In­ tegrated IMP Ti and MOCVD TiN for 300 mm W Barrier and Liner for Sub 0.18 µm IC Processing", SPIE Vol. 3883 (SPIE Confe­ rence on Multilevel Interconnect Technology III, Santa Clara 1999) S. 130-135, angegeben.
Üblicherweise sind die von dem Sputter-Target abgesputterten Partikel zu ca. 95% neutral geladen, so dass sie nicht durch eine Beschleunigungsspannung zu einer Elektrode hin beschleu­ nigt werden können. Da Kontaktlöcher oftmals ein großes As­ pektverhältnis (Verhältnis der Kontaktlochtiefe zu dem Kon­ taktlochdurchmesser) aufweisen, werden ionisierte Verfahren der PVD-Schichtabscheidung verwendet. Ionisierte PVD- Verfahren verwenden ein Wechselmagnetfeld, in dem Elektronen beschleunigt werden und die Partikel auf ihrem Weg von dem Sputter-Target zu dem zu beschichtenden Substrat durch Stöße ionisieren. Die ionisierten Partikel können zum Substrat hin beschleunigt werden und in etwa senkrecht auf das Substrat treffen, so dass die Kontaktlöcher an ihrem Boden bedeckt werden.
Der Nachteil der ionisierten PVD-Verfahren liegt in der star­ ken Schädigung der dotierten Diffusionsgebiete durch die hohe Einschlagenergie der Partikel, die zu Kristallstörungen und Kristallversetzungen und starken Aufladeeffekten führen.
Weiterhin ist es nachteilig, dass es an einer Seitenwand des Kontaktlochs zu einem Abtrag der Silikatglasschicht kommen kann, wodurch Siliziumoxid von der Seitenwand, an dem Boden des Kontaktlochs, auf dem Diffusionsgebiet und damit in die Kontaktschicht eingebaut wird, was zu einer Erhöhung des Kon­ taktwiderstandes führt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Abscheidung einer Kontaktschicht mit einem verringerten Kontaktwiderstand anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht durch Aufstäuben von Parti­ keln mit den Schritten: Anordnen eines Substrats in einer Aufstäubkammer, auf dem eine dielektrische Schicht angeordnet ist, in der ein Graben gebildet ist; erzeugen eines Plasmas in der Aufstäubkammer; aufstäuben einer ersten Kontaktschicht in dem Graben in einem ersten Schritt und aufstäuben einer zweiten Kontaktschicht auf die erste Kontaktschicht in einem zweiten Schritt, wobei in der Aufstäubkammer die Anzahl der ionisierten Partikel im Verhältnis zu der Gesamtzahl der Partikel in dem ersten Schritt kleiner ist, als in dem zwei­ ten Schritt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der schonenden Aufstäubung einer ersten Kontaktschicht, die als Schutz für das Aufstäuben einer zweiten Kontaktschicht dient. Dadurch kann eine Schädigung eines dotierten Diffusionsgebie­ tes, welches am Boden eines Grabens in einem Substrat ange­ ordnet ist, vermieden werden. Zusätzlich wird ein Abtrag von Siliziumoxid von den Grabenseitenwänden durch die Schutz­ schicht reduziert, so dass weniger Siliziumoxid in die Kon­ taktschicht am Boden des Grabens eingebaut wird. Dadurch wird der Kontaktwiderstand in vorteilhafterweise reduziert, was einen niederohmigen Kontakt zur Folge hat. Durch diese Vorge­ hen ist es möglich, die Ionisationsrate der aufzustäubenden Partikel in dem ersten Schritt gering zu halten, wodurch die Schädigung der dotierten Diffusionsgebiete am Boden des Gra­ bens und die Schädigung bzw. der Siliziumoxidabtrag an den Grabenseitenwänden reduziert werden.
Zusätzlich wird durch die Kombination einer ersten Kontakt­ schicht mit einer zweiten Kontaktschicht, die mittels eines ionisierten PVD-Verfahren aufgestäubt wird, die Bodenbede­ ckung des Grabens verbessert, da auch Gräben mit großem As­ pektverhältnis mit einer Kontaktschicht versehen werden kön­ nen.
In einer vorteilhaften Ausprägung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist in dem zweiten Schritt ein Wechselmagnetfeld in der Aufstäubkammer vorhanden. Dadurch wird in vorteilhafter­ weise ermöglicht, dass mit einem elektrischen Feld eine ge­ richtete Aufstäubung durchgeführt werden kann, bei der auch Gräben mit hohem Aspektverhältnis am Boden und an den Seiten­ wänden mit aufzustäubenden Partikeln bedeckt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Druck in der Aufstäub­ kammer in dem ersten Schritt kleiner ist, als in dem zweiten Schritt. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Druck in der Aufstäubkammer in dem ersten Schritt 2 bis 50 mal geringer ist, als in dem zweiten Schritt. Durch den ge­ ringeren Druck kann die Anzahl der ionisierten Partikel in dem ersten Schritt im Vergleich zu dem zweiten Schritt ver­ ringert werden, was zu einer geringeren Schädigung des Do­ tiergebiets in dem ersten Schritt führt. Dadurch ist es mög­ lich, die Ionisationsrate der aufzustäubenden Partikel zu re­ duzieren, wodurch die Schädigung der dotierten Diffusionsge­ biete am Boden des Grabens und die Schädigung bzw. der Sili­ ziumoxidabtrag an den Grabenseitenwänden reduziert sind. Üb­ licherweise werden für Aufstäubprozesse Drücke von 0,1333 Pa bis 6,665 Pa (1 bis 50 mTorr) verwendet.
Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sieht vor, dass das Substrat auf einem Träger ange­ ordnet ist und auf der dem Träger zugewandten Seite des Sub­ strats eine Elektrode angeordnet ist, die während des zweiten Schritts mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird. Dieses Vorgehen wird als Rückaufstäubprozeß (Rücksputtern) bezeich­ net. Dabei wird mit einer geringen Rate das auf das Substrat aufgestäubte Material wieder von dem Substrat abgetragen. Dies führt zu einer verbesserten Bedeckung des Grabenbodens, was bei Gräben mit hohem Aspektverhältnis ein Vorteil ist, da in diesem Fall der Grabenboden schwierig zu bedecken ist.
Weiter ist es vorteilhaft, dass in der Aufstäubkammer in dem ersten Schritt die Anzahl der ionisierten Partikel im Ver­ hältnis zu der Gesamtzahl der Partikel kleiner als 5%, insbe­ sondere kleiner als 2% ist. Durch dieses Vorgehen wird eine Schädigung des Dotiergebiets mit ionisierten Partikeln ver­ ringert.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass in der Aufstäubkammer in dem zweiten Schritt die Anzahl der ionisierten Partikel im Verhältnis zu der Gesamtzahl der Partikel größer als 5%, ins­ besondere größer als 40% ist. Durch dieses Vorgehen kann in dem zweiten Schritt eine verbesserte Bedeckung des Grabenbo­ dens erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens weisen die aufzustäubenden Partikel in dem ersten Schritt eine geringere kinetische Energie auf, als in dem zweiten Schritt. Durch dieses Vorgehen wird ebenfalls ei­ ne Schädigung des Dotiergebiets vermindert. In einer beson­ ders vorteilhaften Ausprägung diese Verfahrens weisen die aufzustäubenden Partikel in dem ersten Schritt eine kineti­ sche Energie auf, die kleiner als 10 eV ist. In dem zweiten Schritt ist eine kinetische Energie der Partikel von mehr als 100 eV von Vorteil.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels und anhand von Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 erfindungsgemäß aufgestäubte Kontaktschicht;
Fig. 2 Aufstäubkammer.
In Fig. 1 ist ein Substrat 1 dargestellt, in dem ein Diffu­ sionsgebiet 2 angeordnet ist. Üblicherweise ist das Substrat 1 aus Silizium und die Diffusionsgebiete sind mit Bor, Phos­ phor oder Arsen dotiert. Auf dem Substrat 1 ist eine die­ lektrische Schicht 3 angeordnet, die üblicherweise aus einem dotierten Silikatglas besteht. In der dielektrischen Schicht 3 ist ein Graben 4 gebildet, der das Diffusionsgebiet 2 zu­ mindest teilweise freilegt. Bei dem Graben 4 handelt es sich beispielsweise um ein Kontaktloch. Auf der dielektrischen Schicht 3, den Grabenseitenwänden 5 und dem Grabenboden 6 ist eine erste Kontaktschicht 7 angeordnet. Auf der ersten Kon­ taktschicht 7 ist eine zweite Kontaktschicht 8 angeordnet.
Bei dem Substrat 1 handelt es sich üblicherweise um ein Trä­ germaterial, welches aus Silizium gebildet sein kann. Das Diffusionsgebiet 2 stellt z. B. einen Source-Drain-Kontakt ei­ nes Transistors dar. Die dielektrische Schicht 3 hat in die­ sem Ausführungsbeispiel die Funktion eines intermetallischen Dielektrikums. Die erste Kontaktschicht 7 und die zweite Kon­ taktschicht 8 haben die Funktion einer Haftschicht, die ein später in dem Graben 4 abgeschiedenes Metall 9 anbinden. Wei­ terhin haben die erste Kontaktschicht 7 und die zweite Kon­ taktschicht 8 die Funktion einer Diffusionsbarriere, welche das Diffusionsgebiet 2 vor dem Metall 9 schützt. Darüber hin­ aus hat die erste Kontaktschicht 7 und die zweite Kontakt­ schicht 8 die Funktion, einen niederohmigen Übergang zwischen dem Metall 9 und dem Diffusionsgebiet 2 zu ermöglichen.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung wird üblicherweise her­ gestellt, indem ein Substrat 1 mit einem darin eingebrachten Diffusionsgebiet 2 bereitgestellt wird. Auf das Substrat 1 wird anschließend eine dielektrische Schicht 3 abgeschieden, welche so strukturiert wird, dass ein Graben 4 entsteht. Der Graben 4 ist üblicherweise so angeordnet, dass das Diffusi­ onsgebiet 2 zumindest teilweise freigelegt wird. Anschließend wird in einem Reinigungsschritt die Oberfläche des freigeleg­ ten Diffusionsgebiets 2 gereinigt. In dem anschließend nach­ folgenden zweistufigen Aufstäubprozeß (Sputter-Prozeß) wird Titan aufgestäubt. Es wird zunächst die erste Kontaktschicht 7 gebildet, wobei eine Elektrode 11, die in der Nähe des Sub­ strats 1 angeordnet ist, nicht mit einer Wechselspannung be­ aufschlagt wird. Dadurch kann die Ionisierung gering gehalten werden. In dem nächsten Verfahrensschritt wird die zweite Kontaktschicht 8 aufgestäubt, wobei bei diesem Aufstäubprozeß die Elektrode 11, die in der Nähe des Substrats 1 angeordnet ist, mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird. Die Wech­ selspannung führt dazu, dass Ionen gerichtet in den Kontakt­ lochbereich beschleunigt werden, was zu einer höheren Bede­ ckung des Kontaktlochbodens 6 führt. In einem anschließenden Prozeß wird das Metall 9 auf die zweite Kontaktschicht 8 auf­ gebracht.
Ein alternatives Herstellungsverfahren der in Fig. 1 darge­ stellten Struktur stäubt die erste Kontaktschicht 7 auf, in­ dem der Druck in einer Aufstäubkammer 10 um einen Faktor von 2 bis 50 geringer ist, als der Druck in der Aufstäubkammer 10 während des Aufstäubens der zweiten Kontaktschicht 8. Die Aufstäubkammer 10 ist üblicherweise mit Argon gefüllt und vorzugsweise wird der Argondruck in der Aufstäubkammer bei dem Aufstäuben der ersten Kontaktschicht 7 auf etwa 0,5332 Pa (4 mTorr) eingestellt. Bei dem Aufstäuben der zweiten Kon­ taktschicht 8 wird der Druck auf etwa 35 Millibar erhöht.
Alternativ kann nach beiden genannten Aufstäubprozessen eine Titannitridschicht mit einem PVD/CVD-Verfahren aufgewachsen werden.
Anschließend wird das Substrat abgekühlt und aus der Auf­ stäubanlage entfernt.
In einem anschließenden Temperaturschritt wird das aufge­ stäubte Titan in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre mit dem Silizium des Diffusionsgebiets zumindest teilweise zu einem Titannitrid und einem Titansilizid umgewandelt.
In Fig. 2 ist eine Aufstäubanlage dargestellt, die aus einer Aufstäubkammer 10 besteht, in der eine Elektrode 11 und eine Kathode 12 angeordnet sind. An der Kathode 12 wird das Auf­ stäubmaterial 13 (Sputter-Target) angeordnet. Auf der Elekt­ rode 11 ist ein Träger 14 angeordnet, auf dem das Substrat 1 angeordnet ist. In der Aufstäubkammer 10 befindet sich ein Argonplasma 15, welches aus positiv geladenen Argonionen be­ steht. Die Aufstäubkammer 10 wird durch einen Gaseinlaß 16 mit Argon gefüllt und durch einen Gasauslaß 17, der eine Pum­ pe 18 aufweist, abgepumpt. Die Stromversorgung 19 (Gleich­ spannung oder Hochfrequenz sind möglich) ist an die Kathode 12 angeschlossen und beschleunigt Argonionen auf das Auf­ stäubmaterial, so dass die aufzustäubenden Partikel 21 aus dem Aufstäubmaterial 13 herausgeschlagen werden. Mit einem zusätzlichen Wechselmagnetfeld können die herausgeschlagenen, aufzustäubenden Partikel 21 ionisiert werden. Die ionisier­ ten, aufzustäubenden Partikel 21 werden durch ein elektri­ sches Feld zu dem Substrat 1 hin beschleunigt. Die Elektrode 11 kann zusätzlich mit dem Hochfrequenzgenerator 20 mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden, so dass es zu einer Ver­ besserung der Bodenbedeckung im Kontaktloch sowie zu Rückauf­ stäubprozessen an dem Substrat 1 kommt. Rückaufstäubprozesse sind als Rücksputterprozesse aus der Literatur bekannt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht durch Auf­ stäuben von Partikeln (21) mit den Schritten:
  • - Anordnen eines Substrats (1) in einer Aufstäubkammer (10), auf dem eine dielektrische Schicht (3) angeordnet ist, in der ein Graben (4) gebildet ist;
  • - erzeugen eines Plasmas in der Aufstäubkammer (10);
  • - aufstäuben einer ersten Kontaktschicht (7) in dem Graben (4) in einem ersten Schritt,
dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kontaktschicht (8) auf die erste Kontaktschicht (7) in einem zweiten Schritt aufgestäubt wird, wobei in der Aufstäubkammer (10) die Anzahl der ionisierten Partikel (21) im Verhältnis zu der Gesamtzahl der Partikel in dem ersten Schritt kleiner ist, als in dem zweiten Schritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt ein Wechselmagnetfeld in der Aufstäub­ kammer (10) vorhanden ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Aufstäubkammer (10) in dem ersten Schritt kleiner ist, als in dem zweiten Schritt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Aufstäubkammer (10) in dem ersten Schritt 2 bis 50 mal geringer ist, als in dem zweiten Schritt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrats (1) auf einem Träger (14) angeordnet ist und auf der dem Träger (14) zugewandten Seite des Substrats (1) eine Elektrode (11) angeordnet ist, die während des zweiten Schritts mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufstäubkammer (10) in dem ersten Schritt die Anzahl der ionisierten Partikel (21) im Verhältnis zu der Gesamtzahl der Partikel (21) kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 2% ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufstäubkammer (10) in dem zweiten Schritt die Anzahl der ionisierten Partikel (21) im Verhältnis zu der Gesamtzahl der Partikel (21) größer als 5%, insbesondere größer als 40% ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktschicht (7) und die zweite Kontaktschicht (8) mit einer im wesentlichen konformen Schichtdicke gebildet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktschicht (7) und die zweite Kontaktschicht (8) das gleiche chemische Element umfassen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzustäubenden Partikel (21) in dem ersten Schritt eine geringere kinetische Energie aufweisen, als in dem zweiten Schritt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzustäubenden Partikel (21) in dem ersten Schritt eine kinetische Energie aufweisen, die kleiner als 10 eV ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzustäubenden Partikel (21) in dem zweiten Schritt eine kinetische Energie aufweisen, die größer als 100 ev ist.
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