DE2032320B2 - Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines leitenden Materials auf einem nichtleitenden anorganischen Substratmaterial - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines leitenden Materials auf einem nichtleitenden anorganischen Substratmaterial

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines leitenden Materials auf einem nichtleitenden anorganischen Substratmaterial.
Wenn bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen Leiterzüge auf nichtleitende anorganische Substratmaterialien aufgebracht werden, ist eine gute mechanische Haftung zwischen dem Substratmaterial und dem metallischen Leiter erwünscht. Eine gute mechanische Haftung kann erreicht werden, wenn die Leiterzüge bei verhältnismäßig hohen Temperaturen aufgebracht werden. Um aber die Eindringtiefe von Diffusionen bei Transistoren nicht mehr zu verändern, können in den auf die Diffusion folgenden Prozeß-Schritten, zu denen auch das Aufbringen von Leiterzügen gehört, nur solche Temperaturen angewendet werden, die die Diffusion nicht nachteilig beeinflussen. Auch übermäßiges Erhitzen von ohmschen Kontakten wie PtSi ist unerwünscht, weil dabei in Gegenwart eines abzuscheidenden Metalls Zersetzungen stattfinden können.
Wegen dieser Forderungen können nur ganz bestimmte Metalle verwendet werden, die bei diesen niedrigen Temperaturen aufgebracht werden können und gleichzeitig auf dem nichtleitenden anorganischen Substratmaterial gut haften. So konnten bisher Wolfram und Molybdän als Ersatz für Aluminium zur Herstellung von Leiterzügen nicht verwendet werden, weil diese Metalle riicht be» hirirsicheiid niedrigen Temperaturen aufgebracht werden können und eine gute Haftung auf
Unterlagen aus Siliciumdioxid nicht erhalten werden kann. Bisher war, wenn Wolfram oder Molybdän verwendet wurde, eine metallische Zwischenschicht erforderlich. Beispielsweise wurde als solche das auf Siliciumdioxid vorzüglich haftende Chrom verwendet, um eine Abnahme der Haftung während das Verfahrens zu verhindern.
Es können somit zur Herstellung von Schaltkreisen
ίο auf anorganischen Substratmaterialien Leiterzug-Substrat-Systeme verwendet werden mit von Natur aus guter Haftung, beispielsweise das System Aluminium/ Aluminiumoxid, oder leitende Materialien, die nur bei hohen Temperaturen aufgebracht werden können, oder Leiterzug-Substrat-Systeme, in denen eine metallische Zwischenschicht zur Verbesserung der Haftung angewendet wird. Bei allen drei Verfahren sind nur bestimmte Materialien verwendbar und die Parameter des Verfahrens sind auf bestimmte Werte beschränkt
Aufgabe der Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines leitenden Materials auf einem nichtleitenden anorganischen Substratmaterial anzugeben, das ermöglicht, eine größere Anzahl von Metallen bei niedrigen Temperaturen auf eine nichtleitende anorganische Unterlage aufzubringen unter Erhalt einer hervorragenden Haftung der Metalle auf derselben.
Das Verfahren der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gitter an der Oberfläche des nichtleitenden anorganischen Substratmaterials Plätze des Kations teilweise durch Fremdatome ersetzt werden, und daß auf dieses Substratmaterial eine leitende Schicht aufgebracht wird.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden in dem Gitter an der Oberfläche des nichtleitenden Substratmaterials die Plätze des Kations teilweise durch Fremdatome, die eine tiefere oder höhere positive Kernladung als das Kation besitzen, ersetzt. Vorzugsweise eignen sich hierzu Beryllium, Magnesium, Bor, Aluminium, Phosphor, Zirkonium, Tantal, Chrom oder Eisen. Die Fremdatome werden durch Diffusion oder durch Ionenbombardement in die Oberfläche des Substratmaterials eingeführt. Geeignete Substratmaterialien sind Oxide, Nitride oder Carbide des Siliciums oder Germaniums.
Die leitende Schicht besteht aus Übergangsmetallen wie Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän oder Wolfram. Sie wird bei einer Temperatur von 500°C oder einer darunterliegenden Temperatur aufgebracht.
Die Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung erläutert.
Als Substratmaterial wird ein isolierendes Material mit guten dielektrischen Eigenschaften verwendet. Als solches kommen Oxide, Nitride, Carbide und ähnliche Verbindungen des Siliciums oder Germaniums in Frage. Vorzugsweise werden Siliciumdioxid und Siliciumnitrid verwendet. Das Verhalten von Siliciumdioxid in integrierten Schaltungen ist am besten bekannt, so daß dieses als Substratmaterial in einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel verwendet wird.
Auf einem Siliciumwafer wird nach bekannten Verfahren eine Siliciumdioxidschicht erzeugt. Das Siliciumdioxid besitzt eine RaumnetzUruktur, in der jedes Siliciumatom mit vier Silicium Nachbaratomen je ein Sauerstoffatom teilt und alle Valenzen des Siliciums abgesättigt sind.
Das mit einer Siliciumdioxidschicht bedeckte Sub-
lung in bekannter Weise gereinigt Es wird beispielsweise mit heißer Chromschwefelsäure geätzt, mit destilliertem Wasser gespült und getrocknet.
An der Oberfläche der so behandelten Siliciumdioxidschicht werden Siliciumatome teilweise durch Fremdatome ersetzt die durch Festkörperdiffusion, durch Diffusion aus der Dampfphase oder durch Ionenbombardement eingeführt werden können.
Ersetzt man beispielsweise in der Oberflächenschicht Siliciumatome teilweise durch Aluminiumatome, oder ι ο besetzt man Gitterleerstellen mit Aluminiumatomen, so erhöht sich mit jedem an Stelle eines Siliciumatoms in das gegebene Elektronengerüst eingetretenen Aluminiumatom die negative Ladung des Gitteranions um eine Einheit, weil das eingetretene Aluminiumutom eine positive Kernladung weniger als das Siliciumai.om aufweist
Es können auch andere Atome anstelle von Silicium in das Siliciumdioxidgitter eintreten; als solche kommen Eisen, Chrom, Magnesium, Tantal, Zirkonium, Bor oder Beryllium in Frage. Für jedes anstelle eines Siliciumatoms in das Siliciumdioxidgitter eingebaute Berylliumatom erhöht sich die Ladung des Gitters um zwei negative Einheiten, weil Beryllium zwei positive Kernladungen weniger als Silicium besitzt.
Anderseits können auch Fremdatome, die eine höhere positive Kernladung als Silicium besitzen, an die Stelle von Siliciumatomen treten. Als ein solches Atom kommt beispielsweise Phosphor in Frage. Phosphor besitzt eine positive Kernladung mehr als Silicium, so daß sich für jedes anstelle eines Siliciumatoms eingetretene Phosphoratom die positive Ladung des Gitters um eine Einheit erhöht. Über diese positiven Ladungen kann Sauerstoff einfach gebunden werden und die aufzubringende Metallschicht kann über die restliche Valenz des Sauerstoffs mit der Oberfläche des Substratmaterials verbunden werden.
Wenn, wie oben angegeben, Siliciumatome im Siliciumdioxidtetraeder durch Aluminiumatome ersetzt werden sollen, werden einige monomolekulare Schichten Aluminium (ungefähr 2 nm) mittels Vakuumverdampfung oder Kathodenzerstäubung auf die oxidierte Oberfläche des Siliciumwafers aufgebracht. Das Aluminium wird mittels Festkörperdiffusion bei ungefähr 4000C in die Oberfläche der Siliciumdioxidschicht eindiffundiert. Die Diffusion wird unter solchen Bedingungen durchgeführt, daß nur wenige Schichten der Oberfläche beeinflußt werden, denn nur an der Oberfläche soll eine Schicht negativer Ladungen in hoher Konzentration vorhanden sein. Dadurch wird vermieden, daß die Eigenschaften des übrigen Substratmaterials durch den Sauerstoff oder andere Metalle auf unkontrollierbare und unreproduzierbare Weise beeinflußt werden. Es ist auch vorteilhaft, wenn die Schichtdicke des Substratmaterials unbeeinflußt bleibt. Letzteres trifft nicht zu, wenn wie vorgeschlagen wurde, zur Verbesserung der Haftung zwischen der Siliciumdioxidschicht und der aufzubringenden Metallschicht eine Zwischenschicht aus einem anderen Metall aufgebracht wird, die eine endliche Schichtdicke besitzt.
Elemente niedriger oder höherer Wertigkeit können in das dielektrische Substratmaterial mittels Diffusion aus der Dampfphase oder durch Ionenbombardement eingeführt werden. Die Eindringtiefe des Elements ist im ersten Fall durch die Diffusionstemperatur und im letzteren durch das Beschleunigungspotential genau bestimmbar.
auf die so vorbereitete Oberfläche des Substratmaterials, beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum oder mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht Als leitende Materialien sind Übergangsmetalle wie Wolfram oder Molybdän besonders geeignet Sie wurden seither nur deshalb nicht verwendet weil ihre Abscheidungstemperaturen zu hoch waren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Übergangsmetalle bei Temperaturen von 500°C und darunterliegenden Temperaturen abgeschieden. Es ist überraschend, daß ζ. B. bei einer so niedrigen Temperatur wie 325° C eine vorzügliche Haftung von Wolfram auf einem Substratmaterial erreicht wird, während unter sonst gleichen Bedingungen, aber ohne Einführung von Fremdatomen in das Substratmaterial eine sehr schlechte Haftung erhalten wird. Die Abscheidung von Wolfram kann beispielsweise durch Reduktion von Wolframhexafluorid WF6 mit Wasserstoff unter Atmosphärendruck vorgenommen werden. Substrattemperaturen von 250° C bis 5000C sind geeignet. Die Abscheidungsgeschwindigkeit wird so gewählt, daß ungefähr 30 bis 600 nm je Sekunde, vorzugsweise 100 nm je Sekunde abgeschieden werden.
Die Abscheidungsvorrichtung besteht ganz aus Edelstahl, bis auf die Mischvorrichtung und das Reaktionsrohr, die aus Quarzglas hergestellt sind. Zur Reduktion wird hochgereinigtes Wolframhexafluorid verwendet. Ei:; Empfänger aus spektroskopisch reinem Graphit, der mit Wolfram bei hohen Temperaturen überzogen wurde, findet Verwendung, um die Entgasung der Röhre während der Abscheidung zu verhindern. Außer Wolfram können auch andere Übergangsmetalle wie Vanadium, Niob, Tantal oder Molybdän verwendet werden.
Das Übergangsmetall Wolfram beispielsweise vermag, weil es während der Abscheidung ionisiert wird, mit dem Gitteranion des Substratmaterials Bindungen einzugehen. So werden die negativen Ladungen des Siliciumdioxidgitters, in dem die Siliciumatome teilweise durch Aluminiumatome ersetzt sind, durch die positiven Wolframionen neutralisiert. In der gleichen Weise vermag Wolfram oder die anderen Übergangsmetalle Bindungen mit Nitriden oder Carbiden als Substratmaterialien einzugehen. Die Abscheidung der Übergangsmetalle erfolgt in allen Fällen bei Temperaturen unterhalb 5000C und die Haftung zum Substratmaterial ist hervorragend.
Zum Nachweis der vorzüglichen Haftung wurden eine Reihe von Versuchen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt. Aluminiumoxid (AI2O3) wurde mittels Kathodenzerstäubung auf eine Siliciumdioxidoberfläche aufgetragen. Durch nachfolgende Abscheidung von Wolfram bei Temperaturen herabreichend bis zu 350°C wurden gut haftende Überzüge erhalten, was mit Abschältests (Klebeband-Test) und Ätztests nachgewiesen werden konnte.
Wolfram, das direkt auf einem Siliciumdioxidsubstrat unter sonst gleichen Bedingungen abgeschieden wurde, wies, wenn es unterhalb 5500C abgeschieden wurde, eine sehr schlechte Haftung auf und schälte sich spontan ab, wenn es unterhalb 500°C abgeschieden wurde.
Weiterhin wurde Wolfram auf einem aus der Dampfphase abgeschiedenen Alumosilikatglas, in dem die Siliciumgitterplätze zu 30% durch Aluminium ersetzt waren, abgeschieden. Es wurde eine gleich gu;c Haftung des Metalls wie auf dem mittels Kathodenzerstäubung abgeschiedenen Aluminiumoxid erhalten. Molybdän haftete besser auf dem Alumosilicatglas als auf dem mittels Kathodenzerstäubung abgeschiedenen
Aluminiumoxid. In beiden Fällen wurde jedoch eine weitaus bessere Haftung erhalten als für Wolfram, das direkt auf Siliciumdioxid abgeschieden wurde.
Vergleichsversuche wurden auch durchgeführt zwischen Wolfram und nicht behandelten Siliciumdioxidoberflächen einerseits und mit Aluminium behandelten Siliciumdioxidoberflächen andererseits. Eine 5 nm dicke Aluminiumschicht wurde durch eine Maske hindurch auf dem mittleren Teil eines mit einer Oxidschicht versehenen Siliciumwafers bei Temperaturen von 400° C niedergeschlagen und bei der gleichen Temperatur eindiffundiert Topographische Aufnahmen mit Röntgenstrahlen, gemessen an dem Hochtemperaturfilm (5500C) aui der behandelten Substratunterlage, ergaben einen schwachen Kontrast in dem durch die Maske nicht abgedeckten mittleren Bereich, was der Beweis für eine gute Haftung war, während in der peripheren Zone, die den mittleien behandelten Teil umgab, ein hoher Kontrast und damit eine schlechte Haftung zu beobachten war.
In einem weiteren, dem vorhergehenden Test analogen Versuch, der bei 345° C durchgeführt wurde, wurde in dem durch die Maske nicht abgedeckten mittleren Bereich kein Kontrast und damit gute Haftung von Wolfram auf dem Substraimaterial erhalten, während in der peripheren Zone, die den mittleren behandelten Bereich umgab, ein hoher Kontrast und damit schlechte Haftung zu beobachten war. Dieser Versuch zeigt, daß selbst bei der tiefen Substrattemperatur von 345°C eine gute Haftung des abgeschiedenen Films auf der Unterlage erhalten wurde.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines leitenden Materials a J einem nichtleitenden anorganischen Substratmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gitter an der Oberfläche des nichtleitenden anorganischen Substratmaterials Plätze des Kations teilweise durch Fremdatome ersetzt werden, und daß auf dieses Substratmaterial eine leitende Schicht aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gitter Plätze des Kations teilweise durch Fremdatome, die eine tiefere oder höhere positive Kernladung als das Kation besitzen, ersetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gitter Plätze des Kations teilweise durch die Fremdatome Beryllium, Magnesium, Bor, Aluminium, Phosphor, Zirkonium, Tantal, Chrom oder Eisen ersetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatome durch Diffusion oder durch Ionenbombardement in das Gitter eingeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtleitendes Substratmaterial aus Oxiden, Nitriden oder Carbiden des Siliciums oder Germaniums verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitende Schicht aus Übergangsmetallen verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht auf das Substratmaterial bei einer Temperatur von 500° C oder darunterliegenden Temperaturen aufgebracht wird.
DE2032320A 1969-06-30 1970-06-30 Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines leitenden Materials auf einem nichtleitenden anorganischen Substratmaterial Expired DE2032320C3 (de)

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