DE4237587C2 - Chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur Schaffung einer vorherrschend TiSi¶x¶ enthaltenden, elektrisch leitfähigen Schicht - Google Patents
Chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur Schaffung einer vorherrschend TiSi¶x¶ enthaltenden, elektrisch leitfähigen SchichtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur
Schaffung einer konformen, elektrisch leitfähigen Schicht auf einem
Halbleiterwafer.
Bei der Verarbeitung von integrierten Schaltungen muß ein Kontakt
hergestellt werden zu isolierten, innerhalb eines Wafers/Substrats
ausgebildeten Bauelementbereichen. Die aktiven Bauelementbereiche sind
mittels elektrisch gut leitfähiger Verbindungsleitungen verbunden, die
über einem Isolatormaterial, das die Substratoberfläche bedeckt, ausge
bildet sind. Um eine elektrische Verbindung zwischen dem leitfähigen
Pfad und den aktiven Bauelementbereichen zu schaffen, ist in dem Isola
tor eine Öffnung vorgesehen, damit die leitfähige Schicht die gewünsch
ten Bereiche berühren kann. Solche Öffnungen werden typischerweise
als Kontaktöffnungen bezeichnet.
Als sich die Abmessungen aktiver Bereiche bei Transistoren einem
Mikrometer im Durchmesser näherten, führten übliche Verfahrenspara
meter zu untolerierbar gesteigertem Widerstand zwischen dem aktiven
Bereich oder der aktiven Fläche und der leitfähigen Schicht. Ein Weg,
derartigen Kontaktwiderstand zu verringern, ist die Bildung eines Metall
silicids über dem aktiven Bereich vor der Aufbringung der leitfähigen
Schicht zur Bildung der Verbindungsleitungen. Ein übliches Metallsili
cidmaterial ist TiSix, in dem x vorherrschend "2" ist. Das TiSix-Material
wird bereitgestellt, indem man zuerst eine dünne Schicht aus Titan auf
den Wafer aufbringt, die mit den aktiven Bereichen innerhalb der Kon
taktöffnungen in Berührung steht. Danach wird der Wafer einer Wärme
behandlung bei hoher Temperatur unterworfen. Das veranlaßt das Titan,
mit dem Silicium der aktiven Bereiche zu reagieren, wodurch das TiSix
gebildet wird. Ein derartiges Verfahren wird als selbstausrichtend be
zeichnet, da das TiSix nur dort gebildet wird, wo das Titanmetall mit
den akti
ven
Siliciumbereichen in Berührung steht. Überall sonst
liegt der aufgebrachte Titanfilm unter einer iso
lierenden und im wesentlichen nicht-reaktiven SiO2-
Schicht.
Etwas derartiges ist in Fig. 2 veranschaulicht.
Gezeigt ist ein Halbleiterwafer 10, der einen
Substratkörper 12 mit einem darin abgebildeten
aktiven Bereich 14 aufweist. Eine darüberliegende
Schicht 16 aus isolierendem Material, vorherrschend
SiO2 in Form von BPSG, wurde oben auf dem Substrat
12 vorgesehen und geeignet geätzt, um eine Kontakt
öffnung 18 zum aktiven Bereich 14 auszubilden. Eine
dünne Schicht 20 aus Titan ist über der isolieren
den Schicht 16 aufgebracht und steht mit dem akti
ven Bereich 14 in Berührung. Der Hochtemperatur-
Wärmebehandlungsschritt wird in einer inerten Um
gebung wie Argon durchgeführt, um Titanmetall, das
den aktiven Bereich 14 berührt, zu TiSix reagieren
zu lassen, wodurch der veranschaulichte TiSix-Be
reich 22 ausgebildet wird. Der verbleibende Bereich
der Schicht 20, der den Bereich 14 nicht berührt,
ist im wesentlichen nicht reaktiv mit seiner darun
terliegenden isolierenden SiO2-Schicht 16 und ver
bleibt dadurch als elementares Titanmetall.
Ein Kontaktfüllmetall wie Wolfram wird typischer
weise oben auf den Silicidbereich 22 aufgebracht.
Wolfram haftet schlecht an TiSix. Um dieses Problem
zu überwinden, wird zwischen dem Silicidbereich 22
und einer darüberliegenden Wolframschicht eine ver
mittelnde Schicht, typischerweise aus TiN, ange
ordnet. TiN wird üblicherweise als eine "Klebe
schicht" für die metallische Wolframschicht be
zeichnet. Eine solche kann geschaffen werden, indem
man den Wafer 10 mit der Titanschicht 20 in einer
Atmosphäre wärmebehandelt, die vorherrschend Stick
stoff enthält. Unter solchen Bedingungen wird der
untere Bereich der Schicht 20, der über dem aktiven
Bereich 14 liegt, mit dem Silicium unter Bildung
des TiSix reagieren, während der obere Bereich der
Schicht 20 des Titans über dem Kontaktbereich 14,
und der verbleibende Bereich der Schicht 20 über
dem isolierenden Material 16 mit dem Stickstoff der
Atmosphäre unter Bildung von TiN reagiert.
Von diesem Punkt an wird das vorherrschende leitfä
hige Material der zu bildenden Verbindungsleitung aufge
bracht. Der Silicidbereich 22
ist hochgradig leitfähig und verringert den elek
trischen Widerstand zwischen der Verbindungsleitung und dem
aktiven Bereich 14.
Die Bildung solcher Silicide,
und insbesondere Titansilicid, sind beschrieben in
Wolf et al., "Silicon Processing For The VLSI Era,
Vol. 2 - Process Integration", Lattice Press, 1990 Seiten 143-150.
Da die Vorrichtungsabmessungen weiterhin schrumpfen und die
Kontaktöffnungen tiefer und schmäler werden, werden die Kontaktwände
vertikal, und mit den meisten der Metallabscheidungsmethoden gelingt es
nicht, die nötige Stufenbedeckung zu schaffen, um angemessenen
Kontakt mit dem aktiven Bereich 14 zu erzeugen. Derartiges ist in Fig. 3
veranschaulicht. Dort ist der aktive Bereich 14a des Substrats 12a
erheblich kleiner gezeigt als der aktive Bereich 14 in Fig. 2.
Dementsprechend wird der aktive Bereich 14 mit einer erheblich
schmaleren Kontaktöffnung 18a versehen, wodurch die Schaltungsdichte
maximiert wird. Wie offensichtlich ist, ist das Verhältnis der Tiefe der
Kontaktöffnung 18a relativ zu ihrer Weite größer als das Verhältnis von
Tiefe zu Weite der Kontaktöffnung 18 in Fig. 2. Solch enge
Kontaktöffnungen 18a mit hohem Längenverhältnis können dazu führen,
daß die Schicht 20a nicht in der Lage ist, einen nennenswerten Kontakt
mit dem Bereich 14a herzustellen. Dementsprechend werden das
gewünschte TiSix und der elektrische Kontakt nicht gebildet.
Das Aufbringen einer konformen Schicht mit guter Stufenbedeckung
mittels eines CVD-Prozesses ist aus der EP 0 450 106 A1 bekannt. Ein
metallorganischer Titanvorläufer und Ammonik werden thermisch oder
zusätzlich in einem Plasma angeregt und zur Reaktion gebracht, was zur
Bildung einer Titannitrid-Schicht führt.
Aus der DE 40 12 901 A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen einer
Titannitridschicht in einem kaltwandigen CVD-Reaktor bekannt. Bei
diesem Verfahren werden Titannitridschichten durch thermisches
chemisches Aufdampfen bei niedrigem Druck aus NH₃-TiCl₄-
Mischungen abgeschieden.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es jedoch nicht um
Titannitridschichten, sondern um die Ausbildung einer vorherrschend
TiSix enthaltenden elektrisch leitfähigen Schicht.
Aus Reynolds, G.J., Cooper III, C.B., und Gaczi, P.J. "Selective titanium
disilicide by low-pressure chemical vapor deposition", J. Appl.
Phys. 65 (8), 15. April 1989, ist ein Verfahren zum Abscheiden von
Titandisilicid (TiSi₂) durch einen CVD-Prozeß bei niedrigem Druck
bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das TiSi₂ auf Silizium
oder Siliziumdioxid-Substraten unter Verwendung von Titantetrachlorid
und Silan hergestellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine kon
forme Schicht mit guter Stufenbedeckung und somit sicher einen TiSix-
Bereich auf aktiven Bereichen eines Wafers zu erzeugen vermag.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das chemische Dampfabscheidungsver
fahren gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend be
schrieben unter Bezugnahme auf die folgenden begleitenden Zeichnun
gen.
In den Zeichnungen ist
Fig. 1 eine graphische Schnittansicht eines Halb
leiterwafers, der gemäß vorliegender Erfindung
bearbeitet ist,
Fig. 2 ein graphischer Querschnitt eines Wafers
nach dem Stand der Technik und wie oben beim Stand
der Technik diskutiert;
Fig. 3 ein graphischer Querschnitt eines anderen
Wafers nach dem Stand der Technik und wie oben beim
Stand der Technik diskutiert.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein chemisches
Dampfabscheidungs-Verfahren (CVD) offenbart zur
Schaffung einer konformen Schicht, die vorherrschend TiSix
enthält, auf einem Halbleiterwafer in einem chemischen
Dampfabscheidungs-Reaktor. Das Verfahren weist auf
a) Anordnen eines Wafers in dem CVD-Reaktor (Reak
tor zur chemischen Dampfabscheidung); b) Einführen
bzw. Einspritzen ausgewählter Mengen eines gas
förmigen metallorganischen Titan-Vorläufers, gas
förmigen Silans (SiH4) und eines Trägergases in den
Reaktor; und c) Halten des Reaktors bei einem aus
gewählten Druck und einer ausgewählten Temperatur,
die wirksam sind, um den Vorläufer und das Silan
zur Reaktion zu bringen, um einen Film auf dem
Wafer abzuscheiden, wobei der abgeschiedene Film vorherrschend
TiSix aufweist.
Der bevorzugte metallorganische Titanvorläufer
besteht im wesentlichen aus Ti(NR2)4, wobei R aus
gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus H und
einem Kohlenstoff enthaltenden Radikal. Beispiele
beinhalten Ti(N(CH3)2)4 und Ti(N(C2H5)2)4.
Ti(N(CH3)2)4, allgemein bezeichnet als TMAT, was
die Abkürzung ist für Titantetradimethylamid
(Tetra(kis)-Dimethyl-Amino-Titan), wird
als der am meisten bevorzugte metallorganische
Titanvorläufer verstanden.
Ti(NR2)4 ist ein Beispiel eines metallorganischen
Vorläufers, wo Titan an N gebunden ist. Unter sol
chen Bedingungen wird etwas von dem Vorläufer in
eine Form von Titannitrid umgewandelt werden, was
dazu führt, daß der abgeschiedene Film eine im
wesentlichen homogene Mischung aus Titannitrid- und
TiSi2-Phasen ist. Es wird unter solchen Umständen
erwartet, daß der abgeschiedene Film etwa 80%
TiSix und 20% des Titannitrids aufweisen wird. Ein
solcher Film schafft einen weiteren deutlichen
Vorteil, indem er sowohl den Kontaktwiderstand
verringert als auch gute Diffusionssperreigenschaf
ten erhält, da Titannitrid ein bekanntes Diffu
sionssperrmaterial ist. Dementsprechend wird erwar
tet, daß eine getrennte Sperrschicht nicht ge
braucht werden wird und dementsprechend werden Zeit
und Materialien gespart.
Die Reaktion wird wie folgt gezeigt:
Ti(NR2)4 + SiH4 → TiSix + TiSiyN1-y
+ organische Nebenprodukte
+ organische Nebenprodukte
wo x vorherrschend 2, und y 0 bis 1 ist. Die
organischen Nebenprodukte werden im wesentlichen
mit dem Träger und nicht abreagierten Gasen ent
leert, und es wird nicht erwartet, daß sie einen
nennenswerten Teil des abgeschiedenen Films bilden.
Die Mengen an Gasen, die in dem chemischen Dampf
abscheidungs-Reaktor eingespeist werden, sind be
vorzugt so ausgewählt, daß sie ein Volumenverhält
nis von metallorganischem Titanvorläufer zu Silan
von 1 : 300 bis 1 : 10 liefern, wobei etwa 1 : 80 am meisten bevorzugt ist.
Ein Trägergasfluß ist vorgesehen zur Steuerung der Gasverteilung über
der Waferoberfläche, um eine gute Gleichförmigkeit bzw. Konformität
des über dem Wafer abgeschiedenen Films zu erhalten. Das bevorzugte
Trägergas ist ein Edelgas wie Helium oder Argon, wobei die bevorzugte
Flußgeschwindigkeit eines derartigen Gases von etwa 50 Kubikzentimetern
pro Minute bei Normalbedingungen = "Standard" Kubikzentimeter
pro Minute, abgekürzt "sccm", bis etwa 2000 sccm ist. Die am meisten
bevorzugte Flußgeschwindigkeit ist etwa 150 sccm.
Der ausgewählte Druck ist bevorzugt etwa 20 Pa bis etwa 13,3 kPa,
wobei 53 Pa am meisten bevorzugt ist. Solche Bedingungen werden im
allgemeinen als chemische Niederdruck-Dampfabscheidung (LPCVD)
bezeichnet. Die ausgewählte Temperatur ist bevorzugt etwa 100°C bis
etwa 500°C, wobei 400°C am meisten bevorzugt ist.
Bei einem CVD-Reaktor von etwa 6 Litern ist die bevorzugte Flußge
schwindigkeit für den metallorganischen Titanvorläufer etwa 2 sccm bis
etwa 50 sccm, mit einer bevorzugten Flußgeschwindigkeit des SiH4 von
etwa 100 sccm bis etwa 2000 sccm. Am meisten bevorzugt ist eine
Flußgeschwindigkeit des metallorganischen Titanvorläufers von etwa 5 sccm
und eine SiH4-Flußgeschwindigkeit von etwa 400 sccm. Die Helium-
oder Argonflußgeschwindigkeit ist unter solchen Bedingungen be
vorzugt etwa 150 sccm, wobei die Temperatur und der Druck bei etwa
400°C bzw. etwa 53 Pa gehalten werden. Unter derartigen Bedin
gungen wird der gewünschte Film bei einer geschätzten Geschwindigkeit
von etwa 5 nm bis etwa 10 nm pro Minute abgeschieden werden. Die
bevorzug
te Dicke des abgeschiedenen Films ist etwa 20 nm
bis etwa 100 nm.
Fig. 1 veranschaulicht einen erfindungsgemäß bear
beiteten Wafer 50. Zu dem Wafer 50 gehört ein Sub
stratkörper 52 mit einem darin ausgebildeten ak
tiven Bereich 54. Eine isolierende Schicht 56,
vorherrschend BPSG, wurde bereitgestellt und zur
Bildung einer Kontaktöffnung 58 geätzt. Durch die
oben beschriebene Verfahrensweise wird eine
Schicht 60 aus vorherrschend TiSix gleichförmig geschaffen und
stellt einen hervorragenden Kontakt mit dem Bereich
54 her. Wo der metallorganische Titanvorläufer an
N gebunden ist, wird der Bereich 60 auch eine Phase
vom TiN-Typ aufweisen.
An diesem Punkt mag es wünschenswert sein, den
abgeschiedenen TiSix-Film einer Wärmebehandlung zu
unterwerfen, um Silicium aus dem aktiven Bereich 54
in den Film zu inkorporieren und dadurch eine bes
sere Verbindung herzustellen und den Kontaktwider
stand weiter zu verringern. Eine bevorzugte Umge
bung für eine solche Wärmebehandlung würde im we
sentlichen aus einer Stickstoff enthaltenden Umge
bung bestehen, wie N2 oder NH3. Danach kann die
leitfähige Schicht aufgebracht und geätzt werden.
Claims (12)
1. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur Schaffung einer vorherrschend TiSix
enthaltenden, konformen, elektrisch leitfähigen Schicht (60) auf
einem Halbleiterwafer (50) in einem chemischen Dampfabschei
dungs-Reaktor, folgende Schritte aufweisend:
- a) Anordnen eines Wafers (50) innerhalb des Reaktors;
- b) Einführen eines gasförmigen metallorganischen Titanvorläufers, gasförmigen Silans und eines Trägergases in den Reaktor; und
- c) Halten des Reaktors bei einem Druck und einer Temperatur, die wirksam sind, den Vorläufer und das Silan zur Abscheidung der Schicht auf dem Wafer (50) zur Reaktion zu bringen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Gase zur Schaffung eines
Volumenverhältnisses von metallorganischem Titanvorläufer zu
Silan von 1 : 300 bis 1 : 10 eingeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Gase zur Schaffung eines
Volumenverhältnisses von metallorganischem Titanvorläufer zu
Silan von etwa 1 : 80 eingeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Tempera
tur etwa 100°C bis etwa 500°C und der Druck etwa 20 Pa
bis etwa 13,3 kPa beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Temperatur
etwa 400°C und der Druck etwa 53 Pa beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Träger
gas mindestens ein Edelgas enthält, wobei das Trägergas bei einem
Durchsatz von etwa 50 cm²/min bis etwa 2000 cm³/min (unter Normalbedingungen)
eingeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Gase in
dem Reaktor zur Abscheidung einer eine Mischung aus TiSix und
TiN aufweisenden Films auf dem Wafer (50) zur Reaktion ge
bracht werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das weiterhin den
Schritt des Wärmebehandelns der abgeschiedenen TiSix-Schicht (60)
aufweist, um Silicium aus dem Wafer (50) zu inkorporieren und
dadurch den Widerstand der Schicht zu verringern.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Wärmebehandeln in einer
vorherrschend N2 oder NH3 enthaltenden Atmosphäre ausgeführt
wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der metall
organische Titanvorläufer im wesentlichen aus Ti(NR2)4 besteht,
wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus H und
einem Kohlenstoff enthaltenden Radikal.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der metall
organische Titanvorläufer im wesentlichen aus Ti(N(C2H5)2)4 besteht.
12. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der An
sprüche 1 bis 10, bei dem der metallorganische Titanvorläufer im
wesentlichen aus Ti(N(CH3)2)4 besteht.
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