DE19732432A1 - Verfahren zur Bildung eines TiN-Films unter Verwendung einer CVD-Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Bildung eines TiN-Films unter Verwendung einer CVD-Vorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Titanni­ trid(TiN)-Films unter Verwendung einer chemischen Dampfabschei­ dungs(CVD)-Vorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines TiN-Films, welches Verfahren in einfacher Weise auf die Bildung eines diffusionsbeständigen Films, reflexionsbeständigen Films, einer Kontaktschicht und einer Kondensatorelektrode unter Verwendung einer CVD-Vorrichtung angewandt werden kann.
Im allgemeinen sind CVD-Verfahren Verfahren zur Bildung eines er­ wünschten Films durch Zuführen einer oder mehrerer Verbindung(en) oder eines einfachen Gases, das aus den Filmmaterialien besteht, auf ei­ nem Substrat zur Bildung eines erwünschten Films durch chemische Um­ setzungen in einem gasförmigen Zustand oder auf der Oberfläche des Sub­ strats.
Diese CVD-Verfahren stammen aus der Entwicklung der Technik für epi­ taxiales Wachstum, wobei die hoch entwickelte Technik für Vorrichtungen fortentwickelt worden ist, um derzeit eine Grundtechnik auf dem Gebiet der LSI vorzusehen.
Da die CVD-Filmbildung auf der Anwendung chemischer Reaktionen be­ ruht, sind Faktoren, wie Temperatur, Druck, Mischungsverhältnis von Gasen und Konzentration sehr wichtig. In Abhängigkeit des Typs und des Ziels des durch CVD-Verfahren zu bildenden Films, sollten beispielsweise Materialien, Reaktionstyp und Aufbau des Reaktors vorausgehend sorg­ fältig geprüft werden.
Die Materialien, welche durch ein CVD-Verfahren gebildet werden kön­ nen, werden in Abhängigkeit des Typs der Materialien, wie amorphe Mate­ rialien (Isolationsfilm), Polykristalle (Polysilizium), Monokristalle (Silizi­ um, Germanium) oder des Filmtyps, wie Isolationsfilm, Metallfilm oder Halbleiterfilm, bestimmt.
Ein Verfahren zu Bildung eines Films unter Verwendung eines herkömmli­ chen CVD-Verfahrens wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 be­ schrieben.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer CVD-Vorrichtung, welche ein Verfahren zur Filmbildung unter Verwendung eines herkömmlichen, thermischen CVD- Verfahrens erläutert. In der Vorrichtung sind eine Reaktionskammer 10, ein Suszeptor bzw. eine Aufnahmeeinrichtung 11, welche horizontal in der Reaktionskammer angeordnet ist, ein Duschkopf bzw. eine Brause 13 und ein Wafer 12 auf der Aufnahmeeinrichtung 11 vorgesehen. Weiterhin sind Im oberen Teil der Reaktionskammer 10 ein erstes Gaszufuhrrohr 14, wel­ ches mit der Brause 13 verbunden ist, und ein erstes Regulierventil 15, welches den Gasstrom des ersten Gaszufuhrrohrs 14 reguliert, vorgese­ hen. Auf der linken Seite der Reaktionskammer 10 sind Flüssigkeitsquel­ le, eine Thermostatkammer 18, welche durch konstantes Verdampfen der Flüssigkeitsquelle Gas erzeugt, ein zweites Gaszufuhrrohr 16, durch wel­ ches das Gas strömt, und ein zweites Regulierventil 17, welches den Gas­ strom des zweiten Gaszufuhrrohrs 16 reguliert, vorgesehen.
Gemäß dem herkömmlichen Verfahren der Filmbildung, wie oben be­ schrieben, wird ein TiN-Film nach dem thermischen CVD-Modus unter Verwendung von TDMAT{Ti[N(C₂H₅)₂]₄} oder TDEAT{Ti[N(CH₃)₂]₄} als dessen Quelle abgeschieden. Im unteren Teil der Reaktionskammer 10 der CVD-Vorrichtung wird der Wafer 12 auf der Aufnahmeeinrichtung 11, wel­ che eine Heizfunktion besitzt, angeordnet. Wenn das zweite Regulierventil 17 geöffnet wird, wird eine Quelle, wie Ti[N(C₂H₅)₂]₄ oder Ti[N(CH₃)₂]₄ unter Verwendung eines Trägergases, wie He, Ar, H₂ oder N₂/NH₃, der Brause 13 in der Reaktionskammer 10 zugeführt. Ebenso strömt bei Öff­ nung des ersten Regulierventils 15 das Reaktionsgas, wie N₂/H₂ oder NH₃ In die Brause 13 der Reaktionskammer 10, um den TiN-Film auf dem Wafer 12 aus Dampf abzuscheiden.
Andererseits zeigt Fig. 2 den Aufbau einer CVD-Vorrichtung, welche ein Verfahren der Filmbildung unter Verwendung des herkömmlichen Plas­ ma-CVD-Verfahrens erläutert. Diese Vorrichtung besitzt eine Reaktions­ kammer 20, eine Aufnahmeeinrichtung 21, welche horizontal in der Reak­ tionskammer 20 angeordnet ist, einen Duschkopf bzw. eine Brause 23 und einen Wafer 22 auf der Aufnahmeeinrichtung 21. Zusätzlich sind im obe­ ren Teil der Reaktionskammer 20 ein erstes Gaszufuhrrohr 24, welches mit der Brause 23 verbunden ist, ein erstes Regulierventil 25, welches den Gasstrom des ersten Gaszufuhrrohrs 24 reguliert, und ein RF-Generator 29, welcher das durch das erste Regulierventil 25 strömende Gas aktiviert, vorgesehen. Auf der linken Seite der Reaktionskammer 20 sind eine Flüs­ sigkeitsquelle, eine Thermostatkammer 28, welche durch konstantes Ver­ dampfen der Flüssigkeitsquelle Gas erzeugt, ein zweites Gaszufuhrrohr 26, durch welches das Gas strömt, und ein zweites Regulierventil 27, wel­ ches den Gasstrom des zweiten Gaszufuhrrohrs 26 reguliert, vorgesehen.
Gemäß dem herkömmlichen Verfahren der Filmbildung, wie oben be­ schrieben, wird ein TiN-Film nach dem Plasma-CVD-Modus unter Verwen­ dung von Ti[N(C₂H₅)₂]₄ oder Ti[N(CH₃)₂]₄ als dessen Quelle abgeschie­ den. Im unteren Teil der Reaktionskammer 20 der CVD-Vorrichtung wird der Wafer 22 auf der Aufnahmeeinrichtung 21, welche eine Heizfunktion besitzt, angeordnet. Dann wird das zweite Regulierventil 27 geöffnet, so daß eine Quelle, wie Ti[N(C₂H₅)₂]₄ oder Ti[N(CH₃)₂]₄ in der Thermostat­ kammer unter Verwendung eines Trägergases, wie He, Ar, H₂ oder N₂/NH₃, der Brause 23 in der Reaktionskammer zugeführt wird. Nach Ak­ tivieren des Reaktionsgases, wie N₂/H₂ oder NH₃, durch Anlegen eines Stroms von 0,01-5 kW mittels des RF-Generators 29 strömt das Reak­ tionsgas in die Brause 23 der Reaktionskammer 20, um auf dem Wafer 22 den TiN-Film aus Dampf abzuscheiden.
Gemäß den herkömmlichen Techniken wird TiN bei der Filmbildung mit­ tels dem CVD-Verfahren angewandt, um die Stufenabdeckung aufgrund der Steigerung bei der Integration einer Halbleitervorrichtung zu ergän­ zen.
Wenn TDMAT{Ti(N(C₂H₅)₂]₄} als Quelle verwendet wird, ist der Druck im Gaszustand hoch, im Falle der Verwendung einer einzigen Quelle bei der thermischen Zersetzung, so daß die Dampfabscheidung ohne Verwendung weiterer Reaktanten durchgeführt werden kann. Es treten jedoch einige Probleme auf, wie ein hoher Gehalt an Kohlenstoff und Sauerstoff (30%), Instabiler Film aufgrund des Alterungseffekts.
Wenn andererseits TDEAT{Ti[N(CH₃)₂]₄} als Quelle verwendet wird, kann es aufgrund seines geringen Gasdrucks nicht als einzelne Quelle verwen­ det werden. Im Falle der Verwendung von NH₃ werden durch überschüssi­ ge Gasphasenreaktionen Teilchen gebildet, so daß das Verfahren schwierig durchzuführen ist.
Die vorliegende Erfindung ist daher auf ein Verfahren zur Bildung eines TiN-Films unter Verwendung einer CVD-Vorrichtung gerichtet, welches Im wesentlichen eines oder mehrere der Probleme aufgrund von Beschrän­ kungen und Nachteilen des Standes der Technik überwindet.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bildung eines TiN-Films unter Verwendung einer Vielzahl von CVD-Vorrichtungen vor­ zusehen, bei welchem Verfahren TMEAT{Ti[N(CH₃C₂H₅)]4{ eingesetzt wird, das Eigenschaften aufweist, welche zwischen TDMAT und TDEAT lie­ gen.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteil­ hafte bzw. bevorzugte Ausführungsformen des anmeldungsgemäßen Ver­ fahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Bildung eines Titan­ nitridfilms unter Verwendung einer CVD-Vorrichtung, umfassend die Schritte:
Einbringen eines Substrats in eine Kammer der CVD-Vorrichtung;
Vorsehen einer Titan und Stickstoff beinhaltenden Quelle;
Verdampfen der Quelle, um dadurch ein Quellengas zu erzeugen;
Zuführen des Quellengases und eines reaktiven Gases in die Kam­ mer, um auf dem Substrat einen Titannitridfilm zu bilden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zei­ gen
Fig. 1 eine grafische Darstellung des Aufbaus einer CVD-Vorrichtung, wel­ che ein Verfahren zur Filmbildung unter Verwendung eines herkömmli­ chen thermischen CVD-Verfahrens erläutert;
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Aufbaus einer CVD-Vorrichtung, wel­ che ein Verfahren der Filmbildung unter Verwendung eines herkömmli­ chen Plasma-CVD-Verfahrens erläutert;
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Aufbaus einer CVD-Vorrichtung, wel­ che ein Verfahren der Filmbildung unter Verwendung eines thermischen CVD-Verfahrens gemäß der Erfindung erläutert; und
Fig. 4 eine grafische Darstellung des Aufbaus einer CVD-Vorrichtung, wel­ che ein Verfahren der Filmbildung unter Verwendung eines Plasma-CVD- Verfahrens gemäß der Erfindung erläutert.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevor­ zugte Ausführungsformen, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeich­ nungen gezeigt sind, näher erläutert.
Die Fig. 3 und 4 sind grafische Darstellungen des Aufbaus des Verfahrens der Filmbildung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfin­ dung unter Verwendung von CVD.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung des Aufbaus einer CVD-Vorrichtung, welche ein Verfahren der Filmbildung unter Verwendung eines thermi­ schen CVD-Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Diese Vorrichtung besitzt eine Reaktionskammer 30, ei­ ne Aufnahmeeinrichtung 31, welche horizontal in der Reaktionskammer 30 angeordnet ist, einen Duschkopf bzw. eine Brause 33 und einen Wafer 32 auf der Aufnahmeeinrichtung 31. Weiterhin sind im oberen Teil der Re­ aktionskammer 30 ein erstes Gaszufuhrrohr 34, welches mit der Brause 33 verbunden ist, und ein erstes Regulierventil 35, welches den Gasstrom des ersten Gaszufuhrrohrs 34 reguliert, vorgesehen. Auf der linken Seite der Reaktionskammer 30 sind eine Flüssigkeitsquelle, eine Thermostat­ kammer 38, welche durch konstantes Verdampfen der Flüssigkeitsquelle Gas erzeugt, ein zweites Gaszufuhrrohr 36, durch welches das Gas strömt, und ein zweites Regulierventil 37, welches den Gasstrom des zweiten Gas­ zufuhrrohrs 36 reguliert, vorgesehen.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren der Bildung eines TiN-Films wird der Wafer 32 auf der Aufnahmeeinrichtung 31. welche eine Heizfunk­ tion besitzt, im unteren Teil der Reaktionskammer 30 angeordnet.
Dann wird das zweite Regulierventil 37 geöffnet, so daß die TMEAT{Ti[N- (CH₃C₂H₅]₄}-Quelle in der Thermostatkammer 38 unter Verwendung ei­ nes Trägergases, wie He, Ar, H₂ oder N₂/NH₃, der Brause 33 in der Reak­ tionskammer 30 zugeführt wird. Ebenso wird das erste Regulierventil 35 geöffnet, so daß das Reaktionsgas, wie N₂/H₂ oder NH₃, in den Duschkopf 32 der Reaktionskammer 30 strömt, um das CVD-Verfahren durchzufüh­ ren.
Die Dampfabscheide-Temperatur in der Reaktionskammer 30 beträgt 25-450°C und der Druck beträgt 0,1333 Pa-101,32 kPa (10-3-760 Torr).
Der TiN-Film wird auf einem Misch- bzw. Verbundhalbleiter, wie Silizium oder GaAs, einem Dielektrikum, wie SiO₂, SiN₄, Polymeren oder derglei­ chen, einem Metall, wie Ti, Cu, Al, W, Mo oder dergleichen, einem hochdie­ lektrischen Film, wie Ta₂O₅, BST, PZT oder dergleichen, abgeschieden.
Es ist bevorzugt, die Temperatur der Quelle bei 40-150°C während der Abscheidung des TiN-Films zu halten.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des Aufbaus einer CVD-Vorrichtung, welche ein Verfahren der Filmbildung unter Anwendung eines Verfahrens der chemischen Dampfabscheidung im Plasma (PECVD) gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Diese Vorrichtung be­ sitzt eine Reaktionskammer 40, eine Aufnahmeeinrichtung 41, welche ho­ rizontal in der Reaktionskammer 40 angeordnet ist, einen Duschkopf bzw. eine Brause 43 und einen Wafer 42 auf der Aufnahmeeinrichtung 41. Wei­ terhin sind im oberen Teil der Reaktionskammer 40 ein erstes Gaszufuhr­ rohr 44, welches mit der Brause 43 verbunden ist, ein erstes Regulierventil 45, welches den Gasstrom des ersten Gaszufuhrrohrs 44 reguliert, und ein RF-Generator 49, welcher das durch das erste Regulierventil 45 strömen­ de Gas aktiviert, vorgesehen. Auf der linken Seite der Reaktionskammer 40 sind eine Flüssigkeitsquelle, eine Thermostatkammer 48, welche durch konstantes Verdampfen der Flüssigkeitsquelle Gas erzeugt, ein zweites Gaszufuhrrohr 46, durch welches das Gas strömt, und ein zweites Regu­ lierventil 47, welches den Gasstrom des zweiten Gaszufuhrrohrs 46 regu­ liert, vorgesehen.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren der Filmbildung wird der Wa­ fer 42 auf der Aufnahmeeinrichtung 41, welche eine Heizfunktion besitzt, Im unteren Teil der Reaktionskammer 40 angeordnet. Dann wird das zwei­ te Regulierventil 47 geöffnet, so daß die TMEAT{Ti[N(CH₃C₂H₅)]₄}-Quel­ le in der Thermostatkammer 48 unter Verwendung eines Trägergases, wie He, Ar, H₂ oder N₂/NH₃, zu der Brause 43 in der Reaktionskammer 40 zu­ geführt wird.
Hierbei ist es bevorzugt, daß die bei etwa 40-150°C verdampfte TMEAT- Quelle in die Brause 43 der Reaktionskammer zusammen mit dem Reak­ tionsgas strömt. Nach Aktivieren des Reaktionsgases, wie N₂/H₂ oder NH₃, durch Öffnen des ersten Regulierventils 45 unter Anwendung eines Stroms von 10-500 kW mittels des RF-Generators 49 strömt das Reak­ tionsgas in die Brause 43 der Reaktionskammer 40, um den TiN-Film auf dem Wafer 42 aus Dampf abzuscheiden.
Es ist bevorzugt, die Dampfabscheide-Temperatur in der Reaktionskam­ mer 40 bei 25-450°C und den Druck bei 0,1333 Pa-101,32 kPa (10-3- 760 Torr) zu halten.
Der TiN-Film wird auf einem Misch- bzw. Verbundhalbleiter, wie Silizium, GaAs oder dergleichen, Dielektrikum, wie etwa SiO₂, SiN₄, Polymeren oder dergleichen, einem Metall, wie Ti, Cu, Al, W, Mo oder dergleichen, ei­ nem hochdielektrischen Film, wie Ta₂O₅, BST, PZT oder dergleichen, ab­ geschieden.
Bei der Abscheidung des TiN-Films ist es bevorzugt, daß die Quellentem­ peratur bei 40-150°C gehalten wird.
Gemäß der oben beschriebenen Erfindung kann ein TiN-Film besserer Qualität (mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 20%) durch Verwen­ dung der TMEAT-Quelle erhalten werden, verglichen mit dem durch TDMAT gebildeten. Weiterhin wird ein stabilerer Film erhalten, so daß eine rasche Zunahme der Resistivität aufgrund einer Alterung nicht auftritt, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise praktisch durchgeführt werden kann.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bildung eines Titannitridfilms unter Verwendung ei­ ner CVD-Vorrichtung, umfassend die Schritte:
Einbringen eines Substrats in eine Kammer der CVD-Vorrichtung;
Vorsehen einer Titan und Stickstoff beinhaltenden Quelle;
Verdampfen der Quelle, um dadurch ein Quellengas zu erzeugen;
Zuführen des Quellengases und eines reaktiven Gases in die Kam­ mer, um auf dem Substrat einen Titannitridfilm zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das reaktive Gas N₂/H₂ oder NH₃ ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Quelle in das Quellen­ gas durch ein Verdampfungsgas überführt wird, wobei das Verdampfungs­ gas aus der He, Ar, H₂ und N₂/NH₃ umfassenden Gruppe gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Temperatur der Kammer während der Abscheidung des TiN-Films 25-450°C beträgt und der Druck 0,1333 Pa-101,32 kPa (10-3-760 Torr) beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Temperatur der Quelle während der Abscheidung des TiN-Films 40-150°C beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der TiN-Film in ei­ nem Halbleiter, Dielektrikum, Metall oder hochdielektrischen Film abge­ schieden wird.
7, Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Halbleiter Silizium oder ein Mischhalbleiter ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Dielektrikum um SiO₂, SiN₄ oder Polymere handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Metall aus der Ti, Cu, Al, W und Mo umfassenden Gruppe gewählt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der hochdielektrische Film aus der Ta₂O₅, BST und PZT umfassenden Gruppe gewählt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das CVD-Verfah­ ren auf dem thermischen CVD-Modus beruht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das CVD-Verfah­ ren auf dem Plasma-CVD-Modus beruht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die Quelle ein Ti- [N(CH₃C₂H₅)] beinhaltet.
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