DE10050044B4 - Verfahren zur Herstellung eines Wolframpolycidgates mit einer durch einen schnellen thermischen Prozess erzeugten Nitridsperrschicht - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ausbildung eines Gates auf einem Halbleitersubstrat (40), mit folgenden Schritten:
Ausbildung einer Gateoxidschicht (44) auf dem Substrat (40);
Ausbildung einer Polysiliziumschicht (46) oben auf der Gateoxidschicht (44);
Ausbildung einer Wolframsilizidschicht (52) über der Polysiliziumschicht (46);
Ausbildung einer Wolframnitridsperrschicht (56) oben auf der Wolframsilizidschicht (52) unter Verwendung eines schnellen thermischen Prozesses unter Verwendung eines stickstoffhaltigen Gases und unter einem Druck von einer Atmosphäre; und
Musterbildung und Ätzung der Wolframnitridsperrschicht (56), der Wolframsilizidschicht (52), der Polysiliziumschicht (46) und der Gateoxidschicht (44), um das Gate auszubilden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung des Gates eines Metalloxidhalbleitertransistors (MOS-Transistors), und insbesondere ein Verfahren zur Ausbildung einer Polycid-Gatestruktur.
• Metalloxidhalbleitergeräte (MOS-Geräte) gehören zu den populärsten Geräten in der modernen Halbleiterindustrie. Ein MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) weist im allgemeinen drei Kontakte auf: eine Gateelektrode, einen Sourcebereich und einen Drainbereich. Das Gate steuert den durch den Transistor fließenden Strom. Genauer gesagt wird in einem MOS-Transistor Strom mit einer bestimmten Polarität (positiver Strom für einen p-Kanal-MOSFET) und negativer Strom für einen n-Kanal-MOSFET) vom Sourcebereich zum Drainbereich durch einen Kanal unter Steuerung durch das Gate geleitet. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel für einen Metall-Gate-MOS-Transistor, der ein Metallgate 10 oben auf einem Oxid 11 aufweist, das sich oben auf einem Substrat 12 befindet (wodurch die "MOS-Struktur" ausgebildet wird). Der MOS-Transistor weist einen Sourcebereich 14 und einen Drainbereich 16 auf, die in dem Substrat 12 vorgesehen sind, und eine zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen. Der Sourcebereich 14 und der Drainbereich 16 befinden sich an gegenüberliegenden Enden des Gates 10. Ein Kanalbereich 18 trennt dem Sourcebereich 14 von dem Drainbereich 16, und ist im wesentlichen unterhalb des Gates 10 zu diesem ausgerichtet angeordnet.
• Wenn im Betrieb eine Spannung an das Metallgate 10 angelegt wird, führt das erzeugte elektrische Feld zu einer Umverteilung der Ladung in dem Kanalbereich 18. Beispielsweise zieht eine positive Spannung negative Ladungen an den Kanalbereich 18 an. Weist der Kanalbereich 18 normalerweise den p-Typ auf, dann kann die angezogene negative Ladung die Leitfähigkeit des Kanalbereichs in den n-Typ umwandeln. Die Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 zwischen dem Sourcebereich 14 und dem Drainbereich 16 wird so invertiert, und bildet dort einen leitfähigen Kanal aus.
• Bei der in 1 dargestellten Metallgatestruktur wird das Metallgate 10 üblicherweise aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium hergestellt. Bei einem typischen Prozeß muß infolge des niedrigen Schmelzpunktes von Aluminium dieses abgelagert werden, nachdem der Sourcebereich 14 und der Drainbereich 16 mit einem Hochtemperaturbehandlungsprozeß behandelt wurden. Darüber hinaus erfordert die Musterbildung bei dem Metallgate 10 bestimmte Positionierungstoleranzen, wodurch die Packungsdichte der integrierten Schaltung negativ beeinflußt wird.
• Um diese Nachteile der Metallgatestruktur zu überwinden, wurde eine Polysiliziumgatestruktur entwickelt. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Polysiliziumgatestruktur. Infolge des hohen Schmelzpunktes von Polysilizium kann das Polysilizium-Gate 20 vor der Ausbildung des Sourcebereichs 22 und des Drainbereichs 24 abgelagert werden. Darüber hinaus weist das dotierte Polysilizium 20 eine niedrige Austrittsarbeit auf (häufig auch als Schwellenspannung bezeichnet), im Vergleich zu Aluminium, so daß weniger Leistung benötigt wird, und der Transistor schneller arbeiten kann.
• Der Nachteil der Polysilizium-Gatestruktur besteht darin, daß Polysilizium im allgemeinen einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als Aluminium, und nur einen schlechten Kontakt mit einer Aluminiumverbindungseinrichtung ausbildet. Daher ist die Zeitverzögerung beim Aufladen des Gates bei Polysilizium-Gates erheblich größer. Aus diesem Grund wurde die Ausbildung von Metallsilizidschichten oben auf Polysiliziumschichten entwickelt, wodurch eine Gatestruktur erhalten wird, die als Polycidgate bezeichnet wird, und in 3 dargestellt ist. Das Polycid weist einen erheblich niedrigeren spezifischen Widerstand auf, und bildet einen besseren Kontakt mit Aluminium als Polysilizium. Zur Ausbildung des Polycids wird eine Polysiliziumplatte 32 auf einem dünnen Gateoxid 30 ausgebildet. Dann wird Silizid 34 ausgebildet, durch Reaktion eines Metalls wie beispielsweise Wolfram mit dem oberen Abschnitt der Polysiliziumplatte 32.
• Eine Abdeck-Siliziumnitridschicht 36 wird dann mittels chemischer Dampfablagerung unter niedrigem Druck bei einer Temperatur von etwa 780 °C abgelagert, um das darunterliegende Silizid 34 zu passivieren. Wenn der voranstehend geschilderte Prozeß nicht sorgfältig gesteuert wird, werden buckelförmige Defekte oder ein Trübungsdefekt ausgebildet. Diese Defekte, von denen man annimmt, daß sie infolge der Ausbildung von Oxiden auftreten, die reich an Metallen sind, und in einer Sauerstoffumgebung bei niedrigen oder mittleren Temperaturen erzeugt werden, können die Ausbeute verringern, infolge einer Fehlausrichtung bei der Photolithographie oder von Kurzschlüssen.
• Die DE 198 38 106 A1 offenbart ein Verfahren zur Ausbildung einer Wolframsilizidschicht auf einem Halbleitersubstrat, welche eine gute Wärmebeständigkeit aufweist. Genauer werden nebeneinander eine Wolframsilizidschicht und eine Polysiliziumschicht aufgebracht und einem Stickstoffplasma ausgesetzt, so dass eine dünne Wolframnitridschicht entsteht, worauf sodann eine Siliziumnitridschicht ausgebildet wird.
• Die EP 0 362 081 B1 offenbart das Ausbilden von Wolframsilizid auf einer Seite einer auf einem Siliziumplättchen ausgebildeten Wolframschicht und von Wolframnitrid auf der dem Siliziumplättchen entgegengesetzten Seite der Wolframschicht, wobei das Wolframnitrid durch einen thermischen Prozess mithilfe von NH₃ ausgebildet wird.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
• 1 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine Metallgate-FET-Struktur;
• 2 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine Polysiliziumgate-FET-Struktur;
• 3 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine Polycidgate-FET-Struktur; und
• 4 bis 8 Querschnittsansichten zur Erläuterung verschiedener Stufen bei der Herstellung eines Wolframpolycidgates gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 40 mit Isolierbereichen 42. Das Siliziumsubstrat 40 kann ein herkömmliches Siliziumsubstrat des p-Typs sein, eine Epitaxieschicht oder eine Schicht mit Silizium auf einem Isolator. Die Isolationsbereiche 42 werden typischerweise als Feldoxide bezeichnet, die eine Dicke von etwa 300 bis 1000 nm aufweisen. Oben auf dem Siliziumsubstrat 40 befindet sich eine dünne Schicht aus Siliziumoxid 44. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist das Siliziumoxid 44 eine Dicke von etwa 10 nm auf, und wird als Gateoxid verwendet, um den Gateleiter und das Substrat 40 zu isolieren.
• Wie aus 5 hervorgeht, wird eine Polysiliziumschicht 46 mit einer Dicke von etwa 10 nm abgelagert, unter Verwendung eines geeigneten Prozesses der chemischen Dampfablagerung unter niedrigem Druck (LPCVD). Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet der LPCVD-Prozeß die Polysiliziumschicht 46 durch die Zerlegung von Silan (SiH₄) bei etwa 500 bis 650 °C und einem Druck von etwa 27 bis 133 Pa aus, entsprechend der Reaktion SiH₄ → Si + 2H₂. Weiterhin wird vorzugsweise die Polysiliziumschicht 46 in-situ während der Ausbildung der Schicht mit Dotierstoffen des n-Typs oder des p-Typs dotiert.
• Weiterhin wird eine Schicht 52 aus Wolframsilizid (Wsi_x) mit einer Dicke von etwa 80 nm abgelagert. Der Parameter "x" bei Wsi_x gibt die Anzahl an Siliziumatomen an, und kann zur Bestimmung eines Parameters verwendet werden, der als "spezifischer Atomwert" bekannt ist. Die Wolframsilizidschicht 52 wird durch chemische Dampfablagerung ausgebildet. Die Ablagerungstemperatur beträgt vorzugsweise 550 °C.
• Wie nunmehr aus 6 hervorgeht, wird eine dünne Nitridsperrschicht 56 über der Wolframsilizidschicht 52 unter Verwendung eines schnellen thermischen Prozesses (RTP) abgelagert. Bei einer spezifischen Ausführungsform wird die Nitridschicht 56 in einer Einrichtung des Typs Centura 5200 ausgebildet, die von Applied Materials hergestellt wird. Im einzelnen läßt man NH₃-Gas in die Prozeßkammer bei einer Temperatur von mehr als 750 °C fließen, bei einer Flußrate von etwa 3 Liter pro Minute, einem Druck von etwa einer Atmosphäre, und etwa 60 Sekunden lang. Unter diesen Bedingungen wird die Nitridsperrschicht 56 mehr als 5 nm dick, und besteht aus Wolframnitrid (WN_x). Bevorzugt beträgt die minimale Dicke der Nitridsperrschicht 56 5 nm.
• Die Nitridsperrschicht 56 dient zur Verringerung mechanischer Spannungen, und dazu, ein anomales Wachstum der Wolframsilizidschicht 52 zu verhindern. Durch Ausbildung der Nitridschicht mittels RTP ist darüber hinaus die sich ergebende Nitridschicht 56 dicht und gleichmäßig. Darüber hinaus wird ein Kontakt von Sauerstoff mit der Wolframsilizidschicht 52 wirksamer verhindert. Dies führt zu einer verringerten Wahrscheinlichkeit für das Auftreten buckelförmiger oder trübungsartiger Defekte. Da die Nitridschicht 56 mittels RTP ausgebildet wird, anstatt ein N₂-Plasma einzusetzen, kann die Bearbeitung in derselben Kammer erfolgen, ohne den Wafer in eine andere Kammer befördern zu müssen, die für ein N₂-Plasma ausgelegt ist. Hierdurch wird das Risiko eines Kontakts mit Sauerstoff weiter verringert. Schließlich ist die Durchsatzrate unter Verwendung von RTP erheblich größer als bei dem N₂-Plasmaverfahren.
• Als nächstes wird, wie aus 7 hervorgeht, eine Siliziumnitridschicht 57 über der Nitridsperrschicht 56 ausgebildet. Die Siliziumnitridschicht 57 wird bei einer Prozeßtemperatur von 800 °C hergestellt, mit SiH₂Cl₂ und NH₃ als Reaktanden. Die Dicke der Siliziumnitridschicht 57 beträgt vorzugsweise 200 nm.
• Schließlich werden, wie in 8 gezeigt ist, die Materialschichten mit einem Muster versehen, und geätzt, unter Verwendung einer Photolackschicht, um eine Gatestruktur 80 auszubilden. Dieses Muster wird unter Einsatz üblicher Photolackbeschichtungs-, Belichtungs- und Entwicklungsprozessen hergestellt.
• Der Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Der RTP-Prozeß, der zur Ausbildung der Nitridsperrschicht 56 eingesetzt wird, stellt Wärmeenergie zur Verfügung, welche interne, thermische Spannungen in der Wolframsilizidschicht 52 verringert. Der RTP-Prozeß stellt auch Wärmeenergie dazu zur Verfügung, eine Phasentransformation des Wolframsilizids von der hexagonalen Phase mit hohem Widerstand auf die tetragonale Phase mit niedrigem Widerstand zu fördern.
• Zwar wurde die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben, jedoch wird darauf hingewiesen, daß sich hierbei verschiedene Änderungen vornehmen lassen, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen, die aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen hervorgeht und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein sollen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ausbildung eines Gates auf einem Halbleitersubstrat (40), mit folgenden Schritten: Ausbildung einer Gateoxidschicht (44) auf dem Substrat (40); Ausbildung einer Polysiliziumschicht (46) oben auf der Gateoxidschicht (44); Ausbildung einer Wolframsilizidschicht (52) über der Polysiliziumschicht (46); Ausbildung einer Wolframnitridsperrschicht (56) oben auf der Wolframsilizidschicht (52) unter Verwendung eines schnellen thermischen Prozesses unter Verwendung eines stickstoffhaltigen Gases und unter einem Druck von einer Atmosphäre; und Musterbildung und Ätzung der Wolframnitridsperrschicht (56), der Wolframsilizidschicht (52), der Polysiliziumschicht (46) und der Gateoxidschicht (44), um das Gate auszubilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin eine Siliziumnitridschicht (57) über der Wolframnitridsperrschicht (56) vor dem Mustererzeugungs- und Ätzschritt ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die minimale Dicke der Wolframnitridsperrschicht (56) 5 nm beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der schnelle thermische Prozess bei mehr als 750 °C über einen Zeitraum von mehr als 60 Sekunden bei einem Fluss von NH₃ von etwa 3 Liter pro Minute durchgeführt wird.