DE19600946B4 - 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 Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Nachbehandlung einer mittels eines Vakuumverfahrens gebildeten TiN-Schicht, bei dem die gebildete TiN-Schicht in einem ersten Schritt einem H2-N2-Plasma ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die TiN-Schicht in einem nachfolgenden zweiten Schritt einem N2-Plasma ausgesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verbesserung der Qualität einer Titannitrid (TiN)-Schicht, welche gewöhnlich als eine Haftschicht von Wolfram und als Diffusionsbarriereschicht 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.
  • Die Druckschrift JP 03-135018 A lehrt ein Verfahren zur Bildung ei ner Aluminiumlegierungsschicht auf einer TiN-Sperrschicht, um eine Elektronenwanderung dazwischen zu verhindern. Dies wird erreicht, indem die Aluminiumlegierungsschicht gebildet wird, ohne die Oberfläche der TiN-Sperrschicht Luft auszusetzen. Diese Druckschrift offenbart keine zweistufige Plasmabehandlung.
  • Die Druckschrift JP 02-310918 A offenbart ein Verfahren zur Bildung einer Metallnitriddünnschicht auf einer ersten Metalldünnschicht zur Verwendung mit einer ohmschen Elektrode. Die Oberfläche des Metallnitrids wird einem Stickstoff enthaltenden plasma ausgesetzt, um die Qualität der Metallnitriddünnschicht als Sperrschicht zu verbessern. Die Metallnitriddünnschicht wird in Gegenwart von Stickstoff-gas wärmebehandelt, um darin gebildetes Ti2N in TiN umzuwandeln.
  • Die Druckschrift JP 02-254166 A offenbart ein Verfahren zum Erhalten einer Goldfärbung, indem eine TiN-Dünnschicht in einer reduzierten Atmosphäre bei einem vorbestimmten Prozentanteil von H2 und N2 und vorbestimmten Bedingungen geglüht wird.
  • Druckschrift JP 02-149663 A lehrt ein Verfahren zur Bildung einer TiN-Schicht, um eine Goldfärbung zu erhalten. Dies wird erreicht, indem das TiN-Verhältnis gesteuert und mit einem Stickstoffionenstrahl unter einem Winkel von 45° bestahlt wird.
  • Druckschrift JP 63-303062 A offenbart eine Vorrichtung, um eine erste und eine zweite Metalldünnschicht auf ein Halbleitersubstrat aufzustäuben.
  • Druckschrift JP 58-1068 A offenbart ein Verfahren zur Bildung einer Metallnitriddünnschicht mit gleichförmigem und stabilem Glanz, indem eine Gleichstrom-Glühentladung in einer Mischgasatmosphäre ausgeführt wird.
  • Allgemein wird in Halbleiterfertigungsprozessen die TiN-Schicht überall als Diffusionsbarriereschicht und Haftschicht verwendet. Die TiN-Schicht wird gewöhnlich durch zwei Verfahren gebildet, von denen das eine die physikalische Abscheidung 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 Stufenbeschichtung (step-coverage).
  • Die TiN-Schicht wird hergestellt durch Pyrolysieren von Ausgangsmaterialien wie beispielsweise Tetrakisdimenthylaminotitan (TDMAT) und Tetrakisdiethylaminotitan (TDEAT), und die TiN-Schicht ist porös.
  • Da jedoch die durch Pyrolysieren hergestellte Schicht Karbide und Oxide enthält, weist sie einen hohen spezifischen Widerstand 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. Folglich verschlechtert sich die Qualität der TiN-Schicht.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Verminderung des spezifischen Widerstandes der TiN-Schicht, welche der Luft ausgesetzt wird, durch Eliminieren von Verunreinigungen darin unter Verwendung von Plasmagasen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gezeigt.
    •
  • Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
  • Zuerst wird die TiN-Schicht in dem CVD-Verfahren gebildet durch Pyrolysieren von TDMAT oder TDEAT. Dann wird die primäre 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 Bedingungen folgende:
    • 1) Gasfluss des Stickstoffgases: 100–500 Norm-cm3/min
    • 2) Gasfluss des Wasserstoffgases: 100 – 500 Norm-cm3/min
    • 3) die Temperatur: 200 – 500°C
    • 4) der Druck: (0,5 – 5 Torr) 66,661 – 666,61 Pa
    • 5) die HF-Leistung: 200 – 700 W
    • 6) die Verarbeitungszeit: 10 – 60 Sekunden
  • Zu diesem Zeitpunkt wird die primäre Plasmabehandlung ohne Verzögerungszeit in der Kammer durchgeführt, in der die TiN-Schicht gebildet wird, oder in einer anderen mit der Luftexponierung der TiN-Schicht zusammenhängenden Kammer.
  • Nach dem primären Behandeln der TiN-Schicht wird die sekundäre Plasmabehandlung durch das Stickstoffgas durchgeführt.
  • In der bevorzugten Ausführungsform sind die sekundären Behandlungsbedingungen folgende:
    • 1) Gasfluss des Stickstoffgases: 100–500 Norm-cm3/min
    • 2) die Temperatur: 200–500°C
    • 3) der Druck: (0,5–5 Torr) 66,661–666,61 Pa
    • 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 dissoziierten Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen gebildet wird. Andererseits bestehen die durch diese chemische Verbindung gebildeten Nebenprodukte aus CH4 und H2O, die abgegeben (emaniert) werden.
  • Ferner verhindern die aktiven Stickstoffionen, daß die Sauerstoffionen, die in der Verarbeitungskammer vorhanden sind, in der TiN-Schicht absorbiert werden, und besetzen die Leerstellen, die durch Abgabe (Emanation) von CH4 und H2O gebildet werden.
  • Sodann wird die sekundäre Plasmabehandlung angewendet auf die TiN-Schicht, auf welche die primäre Plasmabehandlung angewendet worden ist, derart, daß die Belegung von Stickstoff in der TiN-Schicht maximiert wird.
  • Infolgedessen kann eine Anzahl von Verbindungen zwischen Titan 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 einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist.
  • Tabelle 1 zeigt eine Veränderung des spezifischen Widerstandes 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
    Figure 00050001
    Figure 00060001
  • Ferner sind in Tabelle 1 die sekundären Behandlungsbedingungen die gleichen wie die primären Behandlungsbedingungen, abgesehen davon, daß nur das Nitridplasmagas verwendet wird, dessen Menge 300 NOrm-cm3/min 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 Kohlenstoffatomen in der TiN-Schicht. Tabelle 2 Spannung der TiN-Schicht
    Figure 00060002
  • 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 gleicher. 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 Eliminieren der Verunreinigungen darin und durch Vermindern ihrer Porosität. Dementsprechend kann die Erfindung die elektrische Stabilität der TiN-Schicht erhöhen.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Nachbehandlung einer mittels eines Vakuumverfahrens gebildeten TiN-Schicht, bei dem die gebildete TiN-Schicht in einem ersten Schritt einem H2-N2-Plasma ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die TiN-Schicht in einem nachfolgenden zweiten Schritt einem N2-Plasma ausgesetzt wird.
  2. Verfahren zur Nachbehandlung einer mittels eines Vakuumverfahrens gebildeten TiN-Schicht, bei dem die gebildete TiN-Schicht in einem ersten Schritt einem H2-Plasma ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die TiN-Schicht in einem nachfolgenden zweiten Schritt einem N2-Plasma ausgesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Behandlungsschritt in einer Kammer durchgeführt werden, in der eine Temperatur im Bereich von 200–500°C, ein Druck im Bereich von 66,661–666,61 Pa und eine Hochfrequenzleistung im Bereich von 200–700 W aufrechterhalten werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten und zweiten Behandlungsschritt ein Gasfluss an Wasserstoff- und/oder Stickstoff-Plasmagas im Bereich von 100–500 Norm-cm3/min aufrechterhalten wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten und zweiten Behandlungschritts die TiN-Schicht 10–60 Sekunden ausgesetzt wird.
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