DE3814432A1

DE3814432A1 - Duennschichtwiderstand und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3814432A1
Application number: DE19883814432
Authority: DE
Inventors: Jun Osanai; Takashi Hasaka
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1987-04-30
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1988-11-10
Also published as: FR2614726A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtwiderstand in einer Halbleitereinrichtung mit hoher Integration und hoher Dichte, beispielsweise D/A- oder A/D-Wandlerschaltungen.

Zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen finden normaler weise Nickel-Chrom-Legierungen oder Chrom-Siliziumoxid- Legierungen Verwendung. Die Ausbildung der Dünnschichtwider stände erfolgt mit Hilfe eines Naßätzverfahrens. Bei der Ver wendung von Nickel-Chrom-Legierungen kann eine Mischung von Salpetersäure, Salzsäure und Wasser oder eine Mischung von Salzsäure und Wasser Verwendung finden. Im Fall von Chrom- Silizium-Legierungen finden Mischungen von Salzsäure und Wasser oder Mischungen von Schwefelsäure und Wasser Ver wendung.

Bei bekannten Verfahren erfolgt eine Ausbildung der Dünn schichtwiderstände mit Hilfe eines Naßätzverfahrens durch chemische Reaktion. Dabei erfolgt das Ätzen isotropisch unter Verursachung von Unterschneidungen, weshalb die Steuerung der Größe des Widerstands schwierig ist. Deshalb können be trächtliche Abweichungen von den angestrebten Widerstands werten auftreten, so daß die Anwendung dieses Verfahrens bei Präzisionseinrichtungen äußerst schwierig ist. Ferner enthält die benutzte Ätzlösung schädliche Materialien wie Chrom, wo durch sich weitere Schwierigkeiten ergeben können, insbesondere im Hinblick auf die fabrikationsmäßige Herstellung, auf Umwelt probleme und die verursachten Kosten ergeben können.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen Dünnschichtwiderstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei unter möglichst weitgehender Vermeidung von Schwierigkeiten der genannten Art angestrebte Widerstandswerte genauer einge halten werden können.

Schwierigkeiten der genannten Art können weitgehend ver mieden werden, wenn zur Herstellung des Dünnschichtwider stands Wolframsilizid mit mehr als 70 Atomprozent aber weniger als 90 Atomprozent Silizium verwendet wird. Ein Dünnschichtwiderstand aus Wolframsilizid zeigt geringe Ab weichungen seines Widerstandswerts auf und besitzt einen niedrigen Temperaturkoeffizient desWiderstands. Ferner kann ein Trockenätzverfahren Verwendung finden. Da das Trocken ätzen eine sehr genaue Ausbildung der dünnen Schicht er möglicht, kann ein zuverlässiger Dünnschichtwiderstand mit sehr hoher Genauigkeit hergestellt werden. Ein Dünnschicht widerstand aus Wolframsilizid kann direkt auf eine Isolier schicht aufgetragen werden oder thermisch auf einem Substrat ausgebildet werden. Vorzugsweise wird eine aus nicht dotiertem polykristallinem Silizium oder amorphen Silizium bestehende Zwischenschicht zwischen dem Dünnschichtwiderstand aus der Wolfram-Siliziumverbindung und der Isolierschicht eingesetzt.

In diesem Fall wird die Schicht aus Wolframsilizid durch Auf sprühen oder chemische Aufdampfung auf nicht dotiertes poly kristallines Silizium oder eine Schicht aus amorphem Silizium aufgebracht, die auf eine Isolierschicht auf einem Substrat vorgesehen ist. Die Schicht aus Wolframsilizid und die nicht dotierte polykristalline oder amorphe Siliziumschicht werden gleichzeitig ausgebildet. Kontaktöffnungen werden durch die Isolierschicht vorgesehen, um einen elektrischen Anschluß zumindest für das Substrat und die Gate-Elektrode vorzusehen. Eine verdrahtende Metallschicht wird aufgetragen und die Ausbildung von Wolframsilizid erfolgt unabhängig für die Elektrodenteile durch Naßätzen und für die Verdrahtungs teile durch Trockenätzen. Ferner wird eine Wärmebehandlung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Dünnschichtwiderstands gemäß der Erfindung in einer Halbleitereinrichtung,

Fig. 2 ein im Vergleich zu Fig. 1 abgewandeltes Ausführungs beispiel,

Fig. 3a bis g Schnittansichten zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung eines Dünnschichtwiderstands gemäß der Erfindung,

Fig. 4a und 4b Ansichten zur Erläuterung der Verdrahtung bei dem Herstellungsverfahren entsprechend Fig. 3; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Flächenwiderstands in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem Dünnschicht widerstand gemäß der Erfindung.

Gemäß der Erfindung findet zur Herstellung des Dünnschicht widerstands Wolframsilizid Verwendung, das mehr als 70 Atom prozent aber weniger als 90 Atomprozent Silizium enthält, um einen Dünnschichtwiderstand in einer Halbleitereinrichtung herzustellen. Im folgenden soll das Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtwiderstands entsprechend Fig. 1 und 2 näher erläutert werden.

Eine Schicht 4 aus Wolframsilizid wird auf eine Isolierschicht 2 aufgebracht. Die Schicht 4 aus Wolframsilizid wird durch eine Maske aufgebracht und durch Photoätztechnik in der ge wünschten Form ausgebildet, um einen benötigten Widerstands wert zu erzielen. Da ein Trockenätzverfahren zum Ätzen von Wolframsilizid benutzt werden kann, führt das Ätzen nur zu einer geringen Divergenz des Musters, so daß eine genaue Steuerung der Größe der Schicht aus Wolframsilizid erfolgen kann, wobei Abweichungen von dem gewünschten Widerstandswert verringert werden können. Nach der Abbildung des Musters der Wolframsilizidschicht werden Kontaktöffnungen durch die Iso lierschicht vorgesehen, um eine elektrische Verbindung mit Gate-Elektroden und dotierten Bereichen in dem Substrat herzu stellen. Dann wird eine zur Verdrahtung dienende Metallschicht aufgetragen und in der benötigten Form ausgebildet. Bei diesem Verfahren wird ein Kontakt zwischen dem verdrahtenden Metall 3 und der Schicht 4 aus Wolframsilizid hergestellt, welche später einen Dünnschichtwiderstand bildet. Aluminium oder ein Metall auf Aluminiumbasis wie Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Ti-W etc. findet im allgemeinen für die Metallschicht 3 Verwendung, obwohl auch andere Metalle zum Zwecke der Verdrahtung verwendbar sind. Die Schicht 4 aus Wolframsilizid kann beispielsweise durch chemische Aufdampfung aufgebracht werden. Bei einem der artigen Verfahren kann eine Schicht aus Wolframsilizid durch chemische Dampfreaktion von Wolfram-Hexafluorid (WF₆) und ebenfalls gasförmigem Silan (SiH₄) in dem Temperaturbereich zwischen 0 und 800°C aufgewachsen werden. Bei dieser Reaktion steigt der Siliziumgehalt mit einer Verringerung der Menge von gasförmigem WF₆ an, sowie mit einer Erhöhung der Menge des gasförmigen SiH₄ und einer Erhöhung der Wachstumstemperatur. Die Erhöhung des Siliziumgehalts führt zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands. Deshalb kann der spezifische Wider stand von Wolframsilizid bei dessen Verwendung als Dünnschicht widerstand durch die Änderung der Gasströmung und der Wachstums temperatur gesteuert werden. Eine Schicht aus Wolframsilizid kann auch durch andere chemische Aufdampfreaktionen aufge wachsen werden, beispielsweise unter Verwendung von gas förmigem WF₆ und gasförmigem Dichlorsilan (SiH₂Cl₂) in einem Temperaturbereich zwischen 200 und 900°C. Der Vorteil der chemischen Aufdampfung besteht darin, daß die Zusammensetzung der Schicht aus Wolframsilizid in einfacher Weise durch Änderung der Gasmenge und der Wachstumstemperatur geändert werden kann, und daß eine Schicht aus Wolframsilizid mit gleichförmiger Dicke und Qualität in einfacherer Weise erhalten werden kann, wenn geeignete Wachstumsbedingungen eingestellt werden. Neben der chemischen Aufdampfung kann eine physikalische Aufdampfung beispielsweise durch Aufsprühen benutzt werden, um das Wolframsilizid aufzutragen. Da die Schicht 4 aus Wolfram silizid eine schlechte Adhäsion auf einer Schicht aus Silizium oxid aufweist, wobei die Adhäsion bei Verwendung eines chemi schen Aufdampfverfahrens besonders schlecht ist, werden vor dem Auftragen von Wolframsilizid besondere Maßnahmen ge troffen. Beispielsweise kann die Oberfläche der Isolierschicht 2 gewaschen und leicht durch ein Naßätzverfahren geätzt werden, bevor die Schicht aus Wolframsilizid aufgetragen wird. Vorzugs weise wird eine Schicht 5 aus polykristallinem Silizium (Poly- Si) oder aus amorphem Silizium (α-Si) zwischen der Schicht 4 aus Wolframsilizid und der Isolierschicht 2 eingesetzt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schicht aus polykristallinem Silizium oder aus α-Si hat eine gute Adhäsion sowohl zu der Schicht 4 aus Wolframsilizid als auch zu der Isolierschicht 2. Durch die Verwendung einer Schicht aus polykristallinem Silizium oder einer Schicht aus amorphem Silizium kann deshalb erreicht werden, daß die Adhäsion zwischen dem Dünnschicht widerstand und der Isolierschicht wesentlich verbessert wird. Ferner kann sowohl die Schicht aus polykristallinem Silizium oder amorphem Silizium durch ein Trockenätzverfahren geätzt werden, so daß die Schicht aus polykristallinem oder amorphem Silizium zusammen mit der Schicht aus Wolframsilizid geätzt werden kann, wenn das Muster des Dünnschichtwiderstands ausge bildet wird. Der spezifische Widerstand des Dünnschichtwider stands kann ferner durch Wärmebehandlung gesteuert werden, welche nach der Auftragung der Schicht 4 aus Wolframsilizid oder nach deren Ausbildung entsprechend einem Muster durchge führt wird. Eine Isolierschicht kann zwischen die Schicht 4 aus Wolframsilizid und die Verdrahtungsschicht 3 eingesetzt werden, so daß teilweise ein Kontakt zwischen dem Dünnschichtwider stand 4 und der Verdrahtung 3 vorhanden ist. Das Einsetzen einer Isolierschicht ist insbesondere erforderlich, wenn die Ätz-Selektivität zwischen der Verdrahtungsschicht 3 und der Schicht 4 aus Wolframsilizid gering ist, so daß die Schicht aus Wolframsilizid unerwünscht weggeätzt wird, wenn das Ätzen der Verdrahtungsschicht 3 erfolgt. Falls die Ätz rate der Schicht 3 ausreichend größer als diejenige der Schicht 4 aus Wolframsilizid ist, kann die Schicht 3 direkt auf die Schicht 4 aus Wolframsilizid aufgetragen werden. Wenn eine Isolierschicht eingesetzt wird, wird ein Schritt für die Her stellung des Kontakts zwischen der Schicht 4 aus Wolfram silizid und der Verdrahtung 3 hinzugefügt. Die Isolierschicht kann auch eine Oxidschicht aus dem Silizid sein.

Der spezifische Widerstand an der Kontaktstelle zwischen der Schicht 4 aus Wolframsilizid und der Verdrahtung 3 kann sehr niedrig und gleichförmig gemacht werden, wenn die Verdrahtung 4 aus einem Metall auf Aluminiumbasis besteht. Eine Wärmebe handlung nach der Ausbildung der Verdrahtung (beispielsweise bei 400°C während 20 Minuten) ist besonders geeignet, den spezifischen Widerstand an der Kontaktstelle niedrig und gleich förmig zu halten.

Fig. 5 zeigt den Flächenwiderstand von Wolframsilizid in Ab hängigkeit von der Temperatur, wenn 75 Atomprozent Silizium enthaltendes Wolframsilizid in einer Wasserstoffatmosphäre bei 420°C einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Dieses Wolframsilizid hat einen Temperaturkoeffizienten des Wider stands von +400 ppm/°C. Obwohl dieses Wolframsilizid einen etwas ungünstigeren Temperaturkoeffizienten des Widerstands im Vergleich zu einer Nickel-Chrom-Legierung hat, dessen Temperaturkoeffizient ±100 ppm/°C beträgt, ist es äquivalent einer Cr-SiO-Legierung, deren Temperaturkoeffizient +200 bis -400 ppm/°C beträgt. Dies zeigt, daß Wolframsilizid in adäquater Weise als Widerstand verwendbar ist. Wenn eine Schicht aus Wolframsilizid durch ein reaktives Ionen-Ätzver fahren geätzt wird, welches eines der Trockenätzverfahren ist, können Muster mit weitergehenderer Miniaturisierung und höherer Genauigkeit hergestellt werden. Wenn beispielsweise eine Schicht aus Wolframsilizid mit einer Dicke von 1200 Å einem Flächenwiderstand von etwas 128 Ohm bei Raum temperatur mit einem Ionen-Ätzverfahren hergestellt wird, ist die Fläche des Dünnschichtwiderstands, die für dieselbe Genauigkeit des spezifischen Widerstands benötigt werden, die gleiche der geringer im Vergleich zu einem Dünnschicht widerstand aus einer Ni-Cr-Legierung oder einer Cr-SiO- Legierung, die einen höheren Flächenwiderstand als Wolfram silizid hat.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 soll die Herstellung eines Dünnschichtwiderstands aus Wolframsilizid in einer Halbleitereinrichtung näher erläutert werden. Fig. 3a zeigt einen Schritt, bei dem eine Schicht 2′ aus Siliziumoxid durch ein chemisches Aufdampfverfahren auf einer thermischen Silizium oxidschicht 2 auf einem Siliziumsubstrat 1 aufgebracht wird. Eine Zwischenschicht aus nicht dotierten polykristallinem Silizium wird in einer Dicke von etwa 500 Å über der chemisch aufgedampften Siliziumoxidschicht 2′ aufgetragen. Das Ein setzen einer nicht dotierten Schicht aus polykristallinem Silizium gewährleistet eine gute Adhäsion zwischen der Oxidschicht 2′ und einer darauf aufzutragenden Schicht aus Wolframsilizid. Für die Zwischenschicht kann auch nicht dotiertes amorphes Silizium Verwendung finden. Fig. 3b zeigt einen Schritt, bei dem eine Schicht aus Wolframsilizid mehr als 70 Atomprozent aber weniger als 90 Atomprozent Silizium bis zu einer Dicke von 500 bis 1500 Å auf die nicht dotierte Schicht 5 aus polykristallinem Silizium durch Aufsprühen oder ein chemisches Aufdampfverfahren aufgebracht wird. Die Zu sammensetzung aus Silizium und Wolfram in dem Wolframsilizid wird durch Änderung der Zusammensetzung des Auftragungs bereiches beim Aufsprühen und durch Änderung der Strömung von gasförmigem SiH₄ und gasförmigen WF₆ bei dem chemischen Auf dampfverfahren gesteuert. Die Schicht 4 aus Wolframsilizid und die nicht dotierte Zwischenschicht 5 aus polykristalli nem Silizium werden durch ein reaktives Ionenätzverfahren unter Verwendung eines Photowiderstandsmaterials als Maske geeignet ausgebildet, wonach das Photowiderstandsmaterial entfernt wird, wie in Fig. 3c dargestellt ist. Während dieses Ätzvorgangs finden unterschiedliche Ätzgase für Wolframsilizid und das nicht dotierte polykristalline Silizium Verwendung. Bei spielsweise wird SF₆ oder gasförmiges C₂ClF₅ für das Wolfram silizid und gasförmiges CCl₄ für das nichtdotierte poly kristalline Silizium verwandt. Das Ätzen kann jedoch auch kontinuierlich durchgeführt werden, indem das Gas bei Beendigung des Ätzens des Wolframsilizids geändert wird. Fig. 3d zeigt einen Schritt, bei dem Kontaktöffnungen durch die Schicht 2′ aus Siliziumoxid und die thermische Schicht 2 aus Siliziumoxid durch ein Trockenätzverfahren oder ein Naßätzverfahren unter Verwendung eines Photowiderstands materials als Maske ausgebildet werden. Nach dem Entfernen des Photowiderstandsmaterials wird ein Verdrahtungsmetall 3 aus Aluminium oder einer Al-Si-Legierung bis zu einer Dicke von 5000 bis 10 000 Å aufgetragen.

Fig. 3e zeigt einen Schritt, bei dem nach Maskenbildung mit Hilfe des aufgetragenen Photowiderstandsmaterials, wobei nur Elektrodenbereiche der Schicht 3 aus Wolframsilizid freigelegt werden und die anderen Bereiche durch das Photo widerstandsmaterial abgedeckt werden, ein Naßätzverfahren durchgeführt wird. Die Draufsicht entsprechend dieser Stufe ist in Fig. 4a dargestellt. Fig. 3f zeigt einen Schritt, bei dem nach der Entfernung des Photowiderstandsmaterials ein weiterer photolitographischer Prozeß durchgeführt wird, um ein Muster des Verdrahtungsbereichs herzustellen, wobei die Schicht 4 aus Wolframsilizid und deren Elektrodenbereiche durch das Photowiderstandsmaterial abgedeckt werden. Fig. 4b zeigt eine entsprechende Draufsicht.

Entsprechend der obigen Beschreibung werden das Naßätzver fahren für die Elektrodenbereiche aus Wolframsilizid und das Trockenätzverfahren für die Verdrahtungsbereiche getrennt durchgeführt. Es ist zu beachten, daß das Ätzen für die Ver drahtungsbereiche durch ein Naßätzverfahren durchgeführt werden kann, falls nur eine geringere Integration und eine geringere Konzentration benötigt werden, und daß die Reihen folge des Ätzens der Elektrodenbereiche aus Wolframsilizid und der Verdrahtungsbereiche umgekehrt werden kann. Fig. 3g zeigt einen Schritt, bei dem nach Entfernen des auf dem Verdrahtungs metall verbleibenden Photowiderstandsmaterials eine Wärme behandlung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, beispiels weise aus Stickstoff oder Wasserstoff in einem Temperatur bereich zwischen 400 und 500°C durchgeführt wird, um das Verdrahtungsmetall 3, die mit Verunreinigungen dotierten Bereiche 6 und die Gate-Elektrode 7 zu sintern, und um eine Wärmebehandlung der Schicht 4 aus Wolframsilizid zu be wirken.

Claims

1. Dünnschichtwiderstand, der durch ein chemisches Aufdampf verfahren oder durch Aufsprühen auf eine Isolierschicht in einer Halbleitereinrichtung hergestellt ist, wobei minde stens Wolfram und Silizium in der Form einer Wolframsilizid- Legierung enthalten sind, welche Legierung mehr als 70 Atom prozent aber weniger als 90 Atomprozent Silizium enthält.

2. Dünnschichtwiderstand, der durch ein chemisches Aufdampf verfahren oder durch Aufsprühen auf einer Zwischenschicht zwischen dem Dünnschichtwiderstand und einer Isolierschicht in einer Halbleitereinrichtung hergestellt ist, wobei mindestens Wolfram und Silizium in der Form einer Wolframsilizid-Legie rung enthalten sind, die mehr als 70 Atomprozent aber weniger als 90 Atomprozent Silizium enthält.

3. Dünnschichtwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht aus nicht dotiertem polykristallinen Silizium besteht.

4. Dünnschichtwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschicht aus nicht dotiertem amorphem Silizium besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtwiderstands, der eine Wolframsilizid-Legierung auf einer Isolierschicht in einer Halbleitereinrichtung enthält, bei dem eine Schicht aus Wolframsilizid auf einer Isolierschicht der Halbleiter einrichtung durch Aufsprühen oder ein chemisches Auftrags verfahren aufgetragen wird, daß die Ausbildung eines Musters der Schicht aus Wolframsilizid mit Hilfe eines photolithographischen Verfahrens und durch ein Trocken ätzverfahren zur Ausbildung der benötigten Form des Dünnschichtwiderstands erfolgt, daß eine Schicht aus Verdrahtungsmetall nach Herstellung von Kontaktöffnungen durch die Isolierschicht aufgetragen wird, um eine elektri sche Verbindung mindestens zu einer Gate-Elektrode und mit Verunreinigungen dotierten Bereichen in einem Substrat der Halbleitereinrichtung herzustellen, daß eine Aus bildung eines Musters der Schicht aus dem Verdrahtungs metall erfolgt, wobei Elektrodenbereiche der Schicht aus Verdrahtungsmetall, die mit dem Dünnschichtwiderstand zu verbinden sind, durch ein Naßätzverfahren und der Ver drahtungsbereiche durch ein Trockenätzverfahren erfolgt, und daß eine Wärmebehandlung der Halbleitereinrichtung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtwiderstands, der eine Legierung aus Wolframsilizid auf einer Isolier schicht in einer Halbleitereinrichtung enthält, bei dem eine Zwischenschicht auf der Isolierschicht ausgebildet wird, bei dem eine Schicht aus Wolframsilizid auf der Zwischenschicht durch Aufsprühen oder ein chemisches Auf dampfverfahren hergestellt wird, bei dem die Ausbildung eines Musters der Schicht aus Wolframsilizid und der Zwischenschicht erfolgt und ein Trockenätzverfahren zur Herstellung der benötigten Form des Dünnschichtwider stands durchgeführt wird, bei dem eine Schicht aus Verdrahtungsmetall nach der Ausbildung von Kontaktöffnungen durch die Isolierschicht aufgetragen wird, um eine elektri sche Verbindung zu mindestens einer Gate-Elektrode und zu mit Verunreinigungen dotierten Bereichen in einem Sub strat der Halbleitereinrichtung herzustellen, bei dem die Ausbildung eines Musters der Schicht aus Verdrahtungsmetall erfolgt, wobei Elektrodenbereiche des Verdrahtungsmetalls, die mit dem Dünnschichtwiderstand zu verbinden sind, durch ein Naßätzverfahren und die Verdrahtungsbereiche durch ein Trockenätzverfahren geätzt werden, und daß eine Wärmebehandlung der Halbleitereinrichtung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus nicht dotiertem polykristallinem Silizium hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus nicht dotierten amorphem Silizium hergestellt wird.