DE19600946A1 - Verfahren zur Verbesserung der Qualität einer Titannitridschicht, die Kohlenstoff und Sauerstoff enthält - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der Qualität einer Titannitridschicht, die Kohlenstoff und Sauerstoff enthält

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Qualität einer Titannitrid (TiN)-Schicht, welche gewöhnlich als eine Leimschicht von Wolfram und als Diffusionsschranken­ schicht in Aluminium (Al)-Metallisierungsprozessen verwendet wird, und mehr im einzelnen ein Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen, welche in der TiN-Schicht vorhanden sind.
Allgemein wird in Halbleiterfertigungsprozessen die TiN- Schicht überall als Diffusionsschrankenschicht und Leim­ schicht verwendet. Die TiN-Schicht wird gewöhnlich durch zwei Verfahren gebildet, von denen das eine die physikalische Ab­ scheidung von Feststoffen aus der Gasphase ist (nachfolgend als PVD-Verfahren bezeichnet) und das andere die chemische Abscheidung von Feststoffen aus der Gasphase ist (nachfolgend als CVD-Verfahren bezeichnet). Jedoch wird im allgemeinen das CVD-Verfahren (chemical vapor deposition) zum Bilden der TiN- Schicht verwendet wegen der ausgezeichneten Stufenbeschich­ tung (step-coverage).
Die TiN-Schicht wird hergestellt durch Pyrolysieren von Aus­ gangsmaterialien wie beispielsweise Tetrakisdimethylyaminoti­ tan (TDMAT) und Tetrakisdiäthylyaminotitan (TDEAT), und die TiN-Schicht ist porös.
Da jedoch die durch Pyrolysieren hergestellte Schicht Karbide und Oxide enthält, weist sie einen hohen spezifischen Wider­ stand auf von etwa 10⁴ µOhm cm oder mehr. Ferner absorbiert die TiN-Schicht, wenn sie der Luft ausgesetzt wird, aufgrund ihrer Porosität Feuchtigkeit und Sauerstoff. Falls die TiN- Schicht etwa vierundzwanzig Stunden lang ausgesetzt wird, kann der spezifische Widerstand dreieinhalbmal so hoch sein wie der Widerstand der nicht ausgesetzten TiN-Schicht. Folg­ lich verschlechtert sich die Qualität der TiN-Schicht.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Verminderung des spezifischen Widerstandes der TiN-Schicht, welche der Luft ausgesetzt wird, durch Eliminieren von Verun­ reinigungen darin unter Verwendung von Plasmagasen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaf­ fen zum Herstellen einer Titannitrid(TiN)-Schicht, welches die Schritte umfaßt, daß die TiN-Schicht aus Ausgangsmateria­ lien gebildet wird, und daß die TiN-Schicht unter Verwendung der Wasserstoff- und Stickstoff-Plasmagase exponiert wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Herstellen einer Titannitrid(TiN)-Schicht, welches die Schritte umfaßt, daß die TiN-Schicht aus Aus­ gangsmaterialien gebildet wird, und daß die TiN-Schicht unter Verwendung des Wasserstoff-Plasmagases exponiert wird.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung be­ schrieben.
Zuerst wird die TiN-Schicht in dem CVD-Verfahren gebildet durch Pyrolysieren von TDMAT oder TDEAT. Dann wird die pri­ märe Plasmabehandlung angewendet auf die TiN-Schicht unter Verwendung der Stickstoff- und Wasserstoffgase. Das heißt, die TiN-Schicht wird den Stickstoff- und Wasserstoffgasen ausgesetzt.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die primären Bedin­ gungen folgende:
  • 1) die Menge des Stickstoffgases:
    100-500 S·cm³ (engl. sccm)
  • 2) die Menge des Wasserstoffgases: 100-500 S·cm³
  • 3) die Temperatur: 200-500°C
  • 4) der Druck: 0,5-5 Torr
  • 5) die HF-Leistung: 200-700 W
  • 6) die Verarbeitungszeit: 10-60 Sekunden.
Zu diesem Zeitpunkt wird die primäre Plasmabehandlung durch­ geführt ohne Verzögerungszeit in der Kammer, wo die TiN- Schicht gebildet wird, oder in einer anderen mit der Luftex­ ponierung der TiN-Schicht zusammenhängenden Kammer.
Nach dem primären Behandeln der TiN-Schicht wird die sekun­ däre Plasmabehandlung durch das Stickstoffgas durchgeführt.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die sekundären Be­ handlungsbedingungen folgende:
  • 1) die Menge des Stickstoffgases: 100-500 S·cm³
  • 2) die Temperatur: 200-500°C
  • 3) der Druck: 0,5-5 Torr
  • 4) die HF-Leistung: 200-700 W
  • 5) die Verarbeitungszeit: 10-60 Sekunden.
Die aktiven Wasserstoffionen in der primären Plasmabehandlung dringen in die TiN-Schicht ein und dissoziieren die Bindungen von -C≡N=C=N- und =C=O Radikalen, welche in der TiN-Schicht vorhanden sind, wodurch die chemische Verbindung mit den dis­ soziierten Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen gebildet wird. Andererseits bestehen die durch diese chemische Verbindung gebildeten Nebenprodukte aus CH₄ und H₂O, die ausgestrahlt (emaniert) werden.
Ferner verhindern die aktiven Stickstoffionen, daß die Sauer­ stoffionen, die in der Verarbeitungskammer vorhanden sind, in der TiN-Schicht absorbiert werden, und besetzen die Leerstel­ len, die durch Ausstrahlung (Emanation) von CH₄ und H₂O ge­ bildet werden.
Sodann wird die sekundäre Plasmabehandlung angewendet auf die TiN-Schicht, auf welche die primäre Plasmabehandlung angewen­ det worden ist, derart, daß die Belegung von Stickstoff in der TiN-Schicht maximiert wird.
Infolgedessen kann eine Anzahl von Verbindungen zwischen Ti­ tan und Stickstoff durch Plasmabehandlung erzielt werden. Dementsprechend ist die Dichte der TiN-Schicht, auf welche die Plasmabehandlungen angewendet werden, größer als die Dichte der TiN-Schicht, auf welche die Plasmabehandlungen nicht angewendet werden, und es kann die TiN-Schicht erzielt werden, die den niedrigen spezifischen Widerstand aufweist.
Tabelle 1 zeigt eine Veränderung des spezifischen Widerstan­ des der TiN-Schicht mit der Luftexponierungszeit (exposure time at the air) in dem Fall, in dem die TiN-Schicht gebildet wird.
Tabelle 1
Spezifischer Widerstand der TiN-Schicht
Ferner sind in Tabelle 1 die sekundären Behandlungsbedingun­ gen die gleichen wie die primären Behandlungsbedingungen, ab­ gesehen davon, daß nur das Nitridplasmagas verwendet wird, dessen Menge 300 S·cm³ beträgt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist der spezifische Widerstand der TiN-Schicht beträchtlich vermindert.
Ferner zeigt Tabelle 2 den Unterschied in der Spannung, und Tabelle 3 zeigt die Verminderung von Sauerstoff- und Kohlen­ stoffatomen in der TiN-Schicht.
Tabelle 2
Spannung der TiN-Schicht
Tabelle 3
Zusammensetzung der TiN-Schicht
Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden beschrieben.
Die primäre Plasmabehandlung, die nur eines der Stickstoff- und Wasserstoffgase aufweist, wird angewendet auf die TiN- Schicht, die durch Pyrolysieren von TDMAT oder TDEAT gebildet wird. Diesmal sind alle Behandlungsbedingungen die gleichen wie die der obenerwähnten Ausführungsform.
Natürlich kann auch nur eine der zweistufigen Behandlungen verwendet werden gemäß den Merkmalen der TiN-Schicht.
Wie oben angegeben, zeigt die Erfindung die Wirkung, daß der spezifische Widerstand der TiN-Schicht abnimmt durch Elimi­ nieren der Verunreinigungen darin und durch Vermindern ihrer Porosität. Dementsprechend kann die Erfindung die elektrische Stabilität der TiN-Schicht erhöhen.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zum Zweck der Erläuterung offenbart worden sind, haben die Fachleute Verständnis dafür, daß verschiedene Abwandlungen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne von dem Rahmen und Gedanken der Erfindung abzuweichen, die in den Ansprüchen offenbart sind.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen einer Titannitrid(TiN)-Schicht, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß die TiN-Schicht aus Ausgangsmaterialien gebildet wird,
und daß die TiN-Schicht unter Verwendung der Wasserstoff- und Stickstoff-Plasmagase exponiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Exponierung der TiN-Schicht gebildet wird in der Kammer, welche eine Temperatur im Bereich von 200-500°C, einen Druck im Bereich von 0,5-5 Torr und eine Hochfrequenzleistung im Bereich von 200-700 W aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Wasserstoff- bzw. Stickstoff-Plasmagases 100-500 S·cm³ beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Exponierung der TiN-Schicht 10-60 Sekunden lang durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Exponierung der TiN-Schicht den Schritt umfaßt, daß die TiN-Schicht wieder exponiert wird unter Verwendung des Stickstoff-Plasmagases.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Wiederexponierung der TiN-Schicht unter Verwendung des Stickstoff-Plasmagases gebildet wird in der Kammer, welche eine Temperatur im Bereich von 200-500°C, einen Druck im Bereich von 0,5-5 Torr und eine Hochfre­ quenzleistung im Bereich von 200-700 W aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Stickstoff-Plasmagases in dem Schritt der Wiederexponierung 100-500 S·cm³ beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Wiederexponierung der TiN-Schicht 10-60 Sekunden lang durchgeführt wird.
9. Verfahren zum Herstellen einer Titannitrid(TiN)-Schicht, gekennzeichnet durch die Schritte, daß die TiN-Schicht aus Ausgangsmaterialien gebildet wird,
und daß die TiN-Schicht unter Verwendung des Wasserstoff- Plasmagases exponiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Exponierung der TiN-Schicht gebildet wird in der Kammer, welche eine Temperatur im Bereich von 200-500°C, einen Druck im Bereich von 0,5-5 Torr und eine Hochfrequenzleistung im Bereich von 200-700 W aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Wasserstoff-Plasmagases 100-500 S·cm³ beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Exponierung der TiN-Schicht 10-60 Sekunden lang durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Exponierung der TiN-Schicht den Schritt umfaßt, daß die TiN-Schicht wieder exponiert wird unter Verwendung des Stickstoff-Plasmagases.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Wiederexponierung der TiN-Schicht unter Verwendung des Stickstoff-Plasmagases gebildet wird in der Kammer, welche eine Temperatur im Bereich von 200-500°C, einen Druck im Bereich von 0,5-5 Torr und eine Hochfre­ quenzleistung im Bereich von 200-700 W aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Stickstoff-Plasmagases in dem Schritt der Wiederexponierung 100-500 S·cm³ beträgt.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Wiederexponierung der TiN-Schicht 10-60 Sekunden lang durchgeführt wird.
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