DE19838106A1 - Verfahren zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit von Wolframsilicid - Google Patents
Verfahren zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit von WolframsilicidInfo
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Abstract
Verfahren zur Ausbildung einer thermisch stabilen Wolframsilicidschicht. Aus ein Halbleitersubstrat werden nacheinander eine Polysilicium- und eine Wolframsilicidschicht aufgebracht und bei Raumtemperatur einem Stickstoffplasma ausgesetzt, so daß auf dem Wolframsilicid durch die einsetzende Nitrierungsreaktion eine dünne Schicht Wolframnitrid ausgebildet wird. Darauf wird dann eine Schicht Siliciumnitrid aufgebracht. Wegen der größeren thermischen Stabilität einer Wolframnitridschicht sinkt die Wahrscheinlichkeit, daß die Wolframsilicidschicht rekristallisiert, wenn dann die Siliciumnitridschicht aufgebracht wird. Hat die Wolframsilicidschicht rekristallisiert, kann das Wolframnitrid ferner die Lücken und Spalten an den Korngrenzen der Schicht aus Wolframsilicid auffüllen. Am Ende wird durch fotolithographische und Ätzverfahren eine Gate-Struktur im Halbleitersubstrat ausgebildet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
integrierter Schaltungen und im Besonderen ein Verfahren zur
Herstellung eines thermisch stabilen Wolframsilicids in der
Gate-Struktur einer Metalloxid-Halbleiter(MOS)-Vorrichtung.
Hitzbeständige Metallsilicide haben außergewöhnliche
Eigenschaften wie hoher Schmelzpunkt, Wärmebeständigkeit und
geringen spezifischen Widerstand. Deshalb werden sie in der
Halbleiterindustrie weithin zur Herstellung von VLSI-
Vorrichtungen verwendet. Das hitzebeständige Metallsilicid
wird gewöhnlich zwischen einer Silicium- und einer Aluminium
schicht ausgebildet und so deren Ohmscher Kontakt verbessert.
Das hitzebeständige Metallsilicid kann auch einen Teil der
Metallschicht des MOS-Gates stellen. Zumeist wird Wolfram
silicid (WSix) als hitzebeständiges Metallsilicid verwendet.
Wird eine dotierte Polysiliciumschicht auf eine Wolfram
silicidschicht gebracht, entsteht eine Polysilicium/
Wolframsilicid-Schicht, eine sogenannte Polycidschicht.
Polycidschichten werden in der industriellen Herstellung von
VLSIs regelmäßig verwendet, da im Gate Leiterschichten
ausgebildet werden müssen. Wolframsilicid wird gewöhnlich
durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) oder
durch Sputtering auf die andere Materialien aufgebracht. Nach
dem sauberen Auftragen der Polysilicium- und der Wolfram
silicidschicht wird durch Fotolithographie- und Ätzverfahren
die Polycidschicht strukturiert und die MOS-Gate-Struktur
ausgebildet. Da die Linienbreite der Leiterschicht genau
eingestellt werden muss, wird die Polycidschicht gleichfalls
in einem anisotrophen Trockenätzverfahren hergestellt.
In der Regel wird außer der Polysiliciumschicht und der
Wolframsilicidschicht auch eine Siliciumnitridschicht (Si3N4)
auf die Wolframsilicidschicht aufgebracht. Diese Silicium
nitridschicht dient als Abdeckung zum Schutz des Gate-
Anschlusses. Gewöhnlich wird die Siliciumnitridschicht durch
chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) ausgebildet.
Die Abscheidung von Siliciumnitrid auf einer Wolfram
silicidschicht erfordert aber regelmäßig sehr hohe Temperatu
ren. Die Wolframsilicidschicht rekristallisiert daher
gleichfalls, wobei dann Leerräume entstehen können und Risse
an den Korngrenzen im Siliciumnitrid.
Die Fig. 1A bis 1D sind Schnittdarstellung und zeigen,
wie die Schritte zur Herstellung einer Gate-Struktur
herkömmlich ablaufen. Siehe Fig. 1A. Zunächst wird ein
Halbleitersubstrat 100 bereitgestellt. Dann werden nacheinander
eine Polysiliciumschicht 102 und eine Wolframsilicidschicht
104 auf dem Substrat 100 ausgebildet. Die Polysiliciumschicht
102 wird beispielsweise durch chemische Niederdruck-
Gasphasenabscheidung erzeugt und die Wolframsilicidschicht
104 durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).
Siehe Fig. 1B. Dann wird eine Siliciumnitridschicht 106 auf
die Wolframsilicidschicht 104 aufgebracht, bspw. durch
chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung. Beim Aufbringen
des Siliciumnitrids auf die Wolframsilicidschicht 104
rekristallisiert zugleich die Wolframsilicidschicht 104, und
es resultiert eine körnige Wolframsilicidschicht 104' mit
einer Anzahl Leerräume und Spalten an den Korngrenzen 108.
Das Siliciumnitrid über der Wolframsilicidschicht sinkt
folglich langsam nach unten und in diese Lücken und Spalten
an den Korngrenzen 108, siehe Fig. 1B.
Danach erfolgen, wie in Fig. 1C gezeigt, Fotolithographie- und
Ätzverfahren, wobei für den Erhalt einer Gate-Struktur
110 Teile der Siliciumnitridschicht 106, der Wolfram
silicidschicht 104' und der Polysiliciumschicht 102 entfernt
werden.
Im Idealfall werden die Teile der Siliciumnitridschicht 106,
der Wolframsilicidschicht 104' und der Polysiliciumschicht
102 außerhalb des Gate-Bereichs beim Ätzen dieser Schichten
gänzlich entfernt, siehe Fig. 1C. Da aber ein Siliciumnitrid
material in den Lücken und Spalten an den Korngrenzen 108
der Wolframsilicidschicht 104' zugegen ist, kann man durch
den Ätzvorgang beim Strukturieren der Siliciumnitridschicht
106 nicht das ganze Siliciumnitridmaterial tief unten in den
Grenzabschnitten entfernen.
Es bleibt daher ein Rest Siliciumnitridschicht 106' zurück,
siehe Fig. 1D. Diese Siliciumnitridschicht 106' wirkt wie
eine harte Maske und verhindert das nachfolgende Ätzen der
Wolframsilicidschicht 104' und der Polysiliciumschicht 102.
Dadurch können bei Betrieb der Vorrichtungen Kurzschlüsse
zwischen den Bit-Leitungen auftreten und falsche Signale
entstehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
das die thermische Stabilität einer Schicht aus Wolframsilicid
verbessert.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer
thermisch stabilen Wolframsilicidschicht bereit, wobei in
einem Nitrierungsverfahren eine dünne Wolframnitridschicht
(WNx) auf der Wolframsilicidoberfläche ausgebildet wird. Die
dünne Wolframnitridschicht verringert nicht nur die
Rekristallisation der Wolframsilicidschicht, sondern sie
verhindert auch, dass bei der nachfolgenden Siliciumabscheidung
die Lücken und Spalten an den Korngrenzen der Wolfram
silicidschicht von Siliciumnitrid verfüllt werden. Somit lassen
sich die Wolframsilicid- und die Polysiliciumschicht unter
der Siliciumnitridschicht, wenn diese zur Bildung der Gate-
Struktur geätzt wird, leichter ätzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das nacheinander
Ausbilden einer Polysiliciumschicht und einer Wolfram
silicidschicht auf einem Halbleitersubstrat. Diese werden
dann bei Raumtemperatur einem Stickstoff(N2)-Plasma ausgesetzt,
so dass eine Nitrierungsreaktion einsetzt und über der
Wolframsilicidschicht eine dünne Wolframnitridschicht bildet.
Dann wird eine Schicht Siliciumnitrid auf die Wolfram
nitridschicht aufgebracht. Am Ende folgen Fotolithographie- und
Ätzverfahren zur Erzeugung einer Gate-Struktur auf dem
Halbleitersubstrat.
Weitere Ausführungsformen, Beispiele und Vorteile der Erfindung
sind der nachstehenden Beschreibung, den Beispielen und den
anliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt:
Fig. 1A bis 1D Schnittansichten von den Schritten zur
Herstellung einer Gate-Struktur gemäß dem herkömmlichen
Verfahren, und
Fig. 2A bis 2C Schnittansichten von den Schritten zur
Herstellung einer Gate-Struktur gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit
Bezug auf die anliegenden Abbildungen beschrieben. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen so weit als möglich gleiche oder
ähnliche Teile.
Die in den Fig. 2A bis 2C enthalten Schnittansichten zeigen
den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung einer Gate-Struktur
mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Siehe Fig. 2A. Zunächst wird ein Halbleitersubstrat 200
bereitgestellt. Dann werden nacheinander eine Polysilicium
schicht 202 und eine Wolframsilicidschicht 204 auf das Substrat
200 aufgebracht. Die Polysiliciumschicht 202 kann bspw. durch
chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung gebildet werden,
und die Wolframsilicidschicht 204 durch eine physikalische
Gasphasenabscheidung.
Als Nächstes wird das beschichtete Substrat bei Raumtemperatur
einem Stickstoffplasma ausgesetzt, wobei eine Nitridhärtung
erfolgt. Dabei wird ein dünne Wolframnitridschicht 206 (WNx)
auf der Wolframsilicidschicht 204 gebildet. Die Nitridhärtung
erfolgt etwa 5 Minuten und die so gebildete Wolframnitrid
schicht 206 hat eine Dicke von etwa 5 nm. Zudem besteht die
Wolframnitridschicht 206 aus einem wolframreichen Material,
wie die Auger-Elektronenspektroskopie (AES) zeigt. Mit anderen
Worten: Die Wolframnitridschicht 206 enthält einen hohen
Prozentsatz Wolfram, so dass deren Eigenschaften denen einer
Wolframsilicidschicht 204 ähnlich sind.
Dann wird eine Siliciumnitridschicht 208 auf die Wolfram
nitridschicht 206 aufgebracht, Fig. 2B. Die Silicium
nitridschicht 208 kann durch chemische Niederdruck-Gasphasen
abscheidung aufgebracht werden. Bei der Abscheidung des
Siliciumnitrids rekristallisiert die darunterliegende
Wolframsilicidschicht, und es entstehen eine große Anzahl
Kristallkörner und im weiteren zahlreiche Lücken und Spalten
an den Korngrenzen der rekristallisierten Schicht 204' aus
Wolframsilicid. Das Wolframnitrid aus der darüberliegenden
Wolframnitridschicht 206' dringt somit in diese Lücken und
Risse und verfüllt diese, wobei dann die in Fig. 2B gezeigte
Struktur entsteht.
Danach wird durch Fotolithographie- und Ätzverfahren ein Teil
der Siliciumnitridschicht 208, der Wolframnitridschicht 206',
der Wolframsilicidschicht 204' und der Polysiliciumschicht
202 entfernt, Fig. 2C. Am Ende hat man dann eine ganze Gate-
Struktur 210.
Die Wolframnitridschicht 206' hat Eigenschaften, die denen
der Wolframsilicidschicht 204' sehr ähnlich sind. Zudem sind
die Lücken und Risse an den Korngrenzen der rekristallisierten
Wolframsilicidschicht 204' durch aktivierte Stickstoffatome
aus dem Plasma verfüllt. Dies verhindert, dass die später
aufgebrachte Siliciumnitridschicht 208 in die Lücken der
Wolframsilicidschicht eindringt und diese auffüllt. Es bleibt
daher kein Rest Siliciumnitridschicht auf der Wolfram
silicidschicht zurück. Die Gegenwart eines Rests Nitridschicht
kann wie eine unerwünschte harte Maske wirken, wenn die
Wolframsilicid- und die Polysiliciumschichten zur Bildung
der Gate-Struktur geätzt werden.
Da über der Wolframsilicidschicht eine Wolframnitridschicht
liegt, hat die Wolframsilicidschicht zudem eine höhere
Wärmebeständigkeit. Die Rekristallisierungstemperatur der
Wolframsilicidschicht liegt nämlich um bis zu 50EC höher als
die einer Wolframsilicidschicht ohne Wolframnitridlage. Zudem
kann die Wolframnitridschicht in der gleichen Reaktionsvorrich
tung erzeugt werden, wie man sie für die weiter erforderlichen
Ablagerungsschritte braucht.
Die einzige Änderung, welche zur Ausbildung einer Wolfram
nitridschicht nach der Ausbildung der Wolframsilicidschicht
erforderlich ist, besteht in dem Einleiten von Stickstoffplasma
in den Reaktor. Ohne Wechsel der Reaktorvorrichtung kann somit
während des ganzen Ablagerungsverfahrens die Niederdruckat
mosphäre in der Reaktorvorrichtung bestehen, was die Kosten
dieses Herstellungsverfahren senkt.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist daher die Nitrierungs
reaktion, bei der man bei Raumtemperatur gasförmiges
Stickstoffplasma einsetzt und eine Schicht Wolframnitrid auf
der Wolframsilicidschicht ausbildet. Die Wolframnitridschicht
fungiert als Sperre, so dass das Siliciumnitrid nicht in die
Lücken und Risse der Wolframsilicidschicht, welche bei der
Rekristallisation entstehen, dringt. Deshalb bleibt kein Rest
einer Siliciumnitridschicht auf der Wolframsilicidschicht
zurück, die das Ätzverfahren beeinflussen und die Vorrichtung
erheblich schädigen könnte.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die Nitrierungs
reaktion bei Raumtemperatur erfolgt. Der gesamte Wärmeaufwand
wird so nicht größer. Die auf der Wolframsilicidschicht
ausgebildete Wolframnitridschicht besitzt zudem eine
Schutzwirkung, indem die Schicht aus Wolframsilicid nun
thermisch stabiler ist. Die Rekristallisierungstemperatur
der erfindungsgemäßen Wolframsilicidschicht ist in der Tat
fast 50°C höher als die einer Wolframsilicidschicht, auf der
keine Wolframnitridschicht ist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist, dass die Nitrierungsreak
tion und die Abscheidungen in der gleichen Vorrichtung erfolgen
können. Somit sind keine zusätzlichen Gerätschaften notwendig.
Die neuen Verfahrensschritte sind zudem einfach und nicht
kostenwirksam.
Claims (10)
1. Verfahren zur Ausbildung einer thermisch stabilen
Wolframsilicidschicht, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, auf dem eine Polysiliciumschicht und eine Wolframsilicidschicht aufgebracht sind;
Ausbilden einer Wolframnitridschicht auf der Wolframsilicidschicht;
Ausbilden einer Siliciumnitridschicht auf der Wolframschicht; und
Entfernen von Teilen der Siliciumnitridschicht, der Wolframnitridschicht, der Wolframsilicidschicht und der Polysiliciumschicht zum Erhalt einer Gate-Struktur.
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, auf dem eine Polysiliciumschicht und eine Wolframsilicidschicht aufgebracht sind;
Ausbilden einer Wolframnitridschicht auf der Wolframsilicidschicht;
Ausbilden einer Siliciumnitridschicht auf der Wolframschicht; und
Entfernen von Teilen der Siliciumnitridschicht, der Wolframnitridschicht, der Wolframsilicidschicht und der Polysiliciumschicht zum Erhalt einer Gate-Struktur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt mit der
Ausbildung der Wolframnitridschicht das Durchführen einer
Nitrierungsreaktion mit Hilfe eines Stickstoffplasmas
umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Nitrierungsreaktion
zur Bildung der Wolframnitridschicht bei Raumtemperatur
erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Nitrierungsreaktion
zur Bildung der Wolframnitridschicht fünf Minuten dauert.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wolframnitridschicht
eine Dicke von etwa 5 nm hat.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der
Ausbildung der Wolframnitridschicht ein plasmagestütztes
chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren umfasst.
7. Verfahren zur Ausbildung einer thermisch stabilen
Wolframsilicidschicht, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats;
Ausbilden einer Polysiliciumschicht auf dem Halbleitersubstrat;
Ausbilden einer Wolframsilicidschicht auf der Polysiliciumschicht;
Durchführen einer Nitrierungsreaktion mit Hilfe eines Stickstoffplasmas zur Ausbildung einer Wolfram nitridschicht auf der Wolframsilicidschicht;
Ausbilden einer Siliciumnitridschicht auf der Wolframnitridschicht; und
Einsetzen von Fotolithographie- und Ätzverfahren zur Entfernung von Teilen der Siliciumnitridschicht, der Wolframnitridschicht, der Wolframsilicidschicht und der Polysiliciumschicht und zum Erhalt einer Gate- Struktur.
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats;
Ausbilden einer Polysiliciumschicht auf dem Halbleitersubstrat;
Ausbilden einer Wolframsilicidschicht auf der Polysiliciumschicht;
Durchführen einer Nitrierungsreaktion mit Hilfe eines Stickstoffplasmas zur Ausbildung einer Wolfram nitridschicht auf der Wolframsilicidschicht;
Ausbilden einer Siliciumnitridschicht auf der Wolframnitridschicht; und
Einsetzen von Fotolithographie- und Ätzverfahren zur Entfernung von Teilen der Siliciumnitridschicht, der Wolframnitridschicht, der Wolframsilicidschicht und der Polysiliciumschicht und zum Erhalt einer Gate- Struktur.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Nitrierungsreaktion
zur Bildung der Wolframnitridschicht bei Raumtemperatur
erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Nitrierungsreaktion
zur Bildung der Wolframnitridschicht für eine Dauer von
5 Minuten erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wolframnitridschicht
eine Dicke von etwa 5 nm hat.
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