DE19506579C2

DE19506579C2 - Verfahren zur Herstellung von TiN-Schichten und die mit diesem Verfahren hergestellte Schicht

Info

Publication number: DE19506579C2
Application number: DE1995106579
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Chem Dr Weber; Claus-Peter Dipl Chem D Klages; Ralf Poeckelmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2015-02-25
Also published as: DE19506579A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Titannitridschichten mit einer nahezu 100%igen Kantenbedeckung, unter Verwendung eines CVD Verfahr ens mit speziell ausgewählten Prekusoren. Die Erfin dung betrifft weiterhin Titannitridschichten mit ei ner nahezu 100%igen Kantenbedeckung.

Titannitridschichten besitzen auf Grund ihrer ausge zeichneten Eigenschaften als Diffusionsbarriere in höchst integrierten Schaltungen eine zentrale Bedeu tung. Im Stand der Technik, sind deshalb bisher auch zahlreiche Verfahren zur Abscheidung von Titannitrid schichten auf Substraten, unter Verwendung von ver schiedenen Prekusoren und verschiedenen Verfahrens bedingungen beschrieben worden. Verfahrensmäßig wird dabei so vorgegangen, daß die Schichten mittels eines CVD Prozesses, bevorzugt mittels eines plasmasunter stützten CVD Prozesses, hergestellt werden. Der hier bei am meisten untersuchte und eingesetzte Prekursor ist dabei das Tetrakis(dimethylamido)-titan (DMATi).

In einer neueren Untersuchung berichten A. Weber et al, in J.Electrochem. Soc., Vol. 141, No. 3 March 1994 über die Abscheidung von Titannitrid, unter Verwen dung von DMATi, mittels eines ECR Plasmaprozesses bei Substrattemperaturen im Bereich von 100 bis 600°C. In dieser Publikation wird, insbesondere der Einfluß der Substrattemperatur beschrieben.

In der DE-PS 41 32 560 ist ebenfalls ein Verfahren, zur plasmaunterstützten Abscheidung von Schichten aus der Gasphase (PECVD), mit einer Mikrowellenanregung be schrieben. Dieses Verfahren soll unter anderem auch dazu dienen, die Kantenbedeckung der abgeschiedenen zu steigern.

Aus der US 5,262,199 und WO 93/182 01 A1 sind Verbin dungen des Typus Ti(OR)₄ und deren Verwendung in CVD- Prozessen zur Herstellung von Oxid-Schichten bekannt. Die JP 03-183 783 A betrifft die Herstellung von Ti tannitridschichten TiN durch Auftragen von Ti(OR)₄- Lösungen, Trocknen und Einbrennen in Stickstoff-Atmo sphäre .

Es hat sich jedoch nun gezeigt, daß mit den Verfahren des Standes der Technik nur eine ungenügende Kanten bedeckung erreicht werden kann. Die Kantenbedeckung ist jedoch besonders für den Einsatz von Titannitrid als Haft-, Kontakt- und Barriereschicht in höchstin tegrierten Schaltungen von größter Bedeutung. Für die Funktion als Diffusionsbarriere muß nämlich, die Schicht mit einer hohen Konformität abgeschieden wer den.

Ausgehend davon, ist es deshalb die Aufgabe der vor liegenden Erfindung, ein neues Verfahren und entspre chende Schichten zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst nahezu vollständige Kantenbedeckung ermög lichen.

Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruches 1, im Hinblick auf die Titannitridschichten durch die kennzeichnenden Merk male des Anspruches 9, gelöst.

Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildun gen auf.

Erfindungsgemäß wird somit so vorgegangen, daß aus schließlich mit Titanalkoholaten als Prekursor in einem Remoteplasma- oder Plasmadownstreamprozeß gear beitet wird. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß wenn derartige Verfahrensbedingungen eingehalten werden, Titannitridschichten hergestellt werden kön nen, die eine nahezu 100%ige Kantenbedeckung aufwei sen. Dies ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß beim erfindungsgemäßen plasmagestützen Down stream- oder Remoteverfahren eine nahezu selektive Abspaltung der Alkoxidgruppen eintritt. Günstig wirkt sich weiter die geringe chemische Reaktivität der Ti tanalkoholate aus, da damit der Schichtbildungsprozeß langsamer verläuft, als bei den Prekursoren des Stan des der Technik und die schichtbildenden Spezies so mit genügend Zeit zur Oberflächendiffusion haben. Es hat sich gezeigt, daß mit diesem vorstehend beschrie benen Verfahren, sogar eine Kantenbedeckung von 100% erreicht werden kann. Weiter vorteilhaft bei dem er findungsgemäßen Verfahren ist, daß die Titanalkohola te nicht toxisch und die Reaktionsprodukte nicht kor rosiv sind.

Als Titanalkoholate können erfindungsgemäß alle Alko holate der allgemeinen Formel Ti(OR)₄ eingesetzt wer den, bei denen R ein Alkylrest ist. Besonders bevor zugt ist es, wenn der Alkylrest ausgewählt ist, aus der Gruppe -CH₃, -C₂H₅, n-C₃H₇, i-C₃H₇, n-C₄H₉, i-C₄H₉, t- C₄H₉. Ganz besonders bevorzugt, ist die Verwendung von Isopropylat.

Bei den stickstoffhaltigen Plasmagasen ist es bevor zugt, wenn dieses entweder Ammoniak und oder Stick stoff ist. Der Einsatz eines stickstoffhaltigen Plas magases beim erfindungsgemäßen Verfahren ist zwin gend, da der eingesetzte Prekursor ja keinen Stickstoff enthält. Auf diese Maßnahme wurde bereits von A. We ber et al in (J. Electrchem. Soc., Vol. 141, No. 3 March 1994) hingewiesen, worin festgestellt wird, daß der Stickstoff der Titannitridschicht ausschließ lich aus dem Plasmagas und nicht dem Prekursor stammt.

Bevorzugt beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es wenn, zusätzlich eine Anregung des Plasmas entweder mit Hilfe von Hochfrequenzwellen oder mit Mikrowel len, mit oder ohne Magnetfeldverstärkung bzw. mit Hilfe eines Elektronzyklotronresonanz(ECR) Modus, erfolgt. Vorteilhafterweise liegen die Abscheidetem peraturen im Bereich von 100 bis 600°C.

Als Substrate können alle aus dem Stand der Technik, für Gasphasenabscheidungen bekannten, eingesetzt wer den. Beispiele hierfür sind Silicium, Siliciumdioxid, Metalle, Keramiken.

Die Erfindung betrifft weiterhin Titannitrid schichten, die mittels eines plasmagestützten CVD Prozesses hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Titannitridschichten zeichnen sich besonders dadurch aus, daß sie eine nahezu 100%ige Kantenbedeckung auf weisen und das ihr Sauerstoff- und Kohlenstoffanteil bevorzugt < 2 at % ist. Dieses überraschende Ergebnis ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß beim erfindungsgemäßen Herstellungsprozeß die Alkoholat gruppen abgespalten werden und aus dem Reaktionsraum entfernt werden, so daß die Quelle für Sauerstoff und Kohlenstoffkontamination entfernt ist. Damit zeigen sich die erfindungsgemäßen Titannitridschichten de nen, gegenüber dem Stand der Technik, z. B. den Schich ten wie sie bei Mayr und Stock (DE 35 12 825 A1) er wähnt sind, deutlich überlegen. Diese Schichten wei sen nämlich eine Sauerstoff und Kohlenstoffkontamina tion von < 10 Atom-% auf.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zei gen:

Fig. 1, den schematischen Aufbau einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens.

Die beispielhafte Vorrichtung, gemäß Fig. 1, besteht aus einem Rezipienten 1, der hier eine Höhe von 350 mm und einem Durchmesser von 500 mm aufweist. Im Rezipienten 1, ist ein Substrattisch 2, mit einem Durchmesser von 100 mm angeordnet. Der Substrattisch 2, steht dabei mit einer Heizversorgung 3, über eine Leitung 4, in Kontakt, so daß er mit einer Temperatur bis maximal 1000°C beaufschlagbar ist. Über dem Sub strattisch 2 ist ein Gasverteilerring 5 angeordnet, in den über die Zuführung 6, der Prekursor zugeführt werden kann. Der Rezipient 1 ist über eine Pumpenan ordnung, hier Turbomolekularpumpe 7, die mit einer Vorpumpe 8 in Verbindung steht evakuierbar. Die Saug leistung der Turbomolekularpumpe beträgt bis zu 1500 l/s die der Vorpumpe bis 60 m³/h. Das Plasmagas wird über die Zuleitung 9 in den Rezipienten 1 zugeführt. In der Ausführungsform nach Fig. 1, ist die Vorrich tung so aufgebaut, daß der Rezipient 1 mit einer ECR- Kammer 10 verbunden ist, die mit entsprechenden obe ren Magneten 11 und unteren Magneten 12 versehen ist. Die ECR-Kammer steht ihrerseits mit einem Mikrowel lengenerator 13 in Verbindung, s.d. entsprechende Mikrowellen eingekoppelt werden können.

Mit einer wie vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurde Titan(IV)isopropylat (temperiert auf 25°C) über die Zuführung 6 und dem Gasverteilerring 5 in den Rezipienten eingebracht. Die Zuführung des Prekursors erfolgte, ohne Trägergas, in den Downstreambereich des ECR Mikrowellenplasmas. Beim durchgeführten Ver such wurden folgende Verfahrensbedingungen eingehal ten:

2,5 · 10^-7 m³/sec Stickstoff
3,3 · 10^-8 m³/sec Titan(IV)-isopropylat
MW-Leistung: 400 W
oberer Magnet: 180 A
unterer Magnet: 120 A
Substrattemperatur: 30 0°C
Druck: 0,12 Pa
100 nm dicke TiN-Schicht
Wachstumsrate: 2 nm/min
Spez. Widerstand: 800 µΩcm
Schichtzusammensetzung Ti: 48 at %, N: 48 at %,
O: 1,9 at %, C: 1,8 at %
Konformität 100% in 1 × 1 µm Kontaktloch

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von TiN-Schichten auf Substraten mittels eines CVD Prozesses unter Verwendung von stickstoffhaltigen Plasmagasen, dadurch gekennzeichnet, daß als Prekursoren Ti tanalkoholate der allgemeinen Formel Ti(OR)₄, worin R ein Alkylrest ist, eingesetzt werden, und daß im Remote - bzw. Downstream Plasmabe reich gearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Alkylrest R ausgewählt wird, aus der Gruppe -CH₃, -C₂H₅, n-C₃H₇, i-C₃H₇, n-C₄H₉, i- C₄H₉, t-C₄H₉.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Alkylrest ein i-C₃H₇ Rest ist.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Stick stoff und/oder Ammoniak als Plasmagas gearbei tet wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ist, daß als Sub strate Silicium, Siliciumdioxid, Metalle, Kera miken eingesetzt werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mittels Hochfrequenzwellen oder Mikrowellen mit oder ohne Magnetfeldverstärkung oder mittels Eletron Cyclotron Resonance (ECR) Modus angeregt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Abscheidetemperatur im Bereich von 100 bis 600° C gearbeitet wird.

8. TiN-Schichten auf Substraten hergestellt, nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine nahezu 100% Kantenbedec kung des Substrates vorliegt.

9. TiN-Schichten nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, das sie einen Sauerstoff- und Kohlen stoffanteil kleiner als 2 at % aufweisen.