DE4326211A1 - Chemisches Bedampfungsverfahren zum Beschichten von Halbleiterwafer mit Titansilicid - Google Patents

Chemisches Bedampfungsverfahren zum Beschichten von Halbleiterwafer mit Titansilicid

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Description

Die Erfindung betrifft ein chemisches Bedampfungsverfahren bei der Halbleiterwafer-Herstellung, und insbesondere zum Herstellen von Silicidschichten innerhalb von Kontaktöffnun­ gen, um den Kontaktierungswiderstand zu verringern.
Beim Herstellen integrierter Schaltung müssen elektrische Kontakte in isolierten Aktivbereichen in einem Wafer/ Substrat hergestellt werden. Die Aktivbereiche sind an Leiter hoher elektrischer Leitfähigkeit angeschlossen, die auf einem Isolierwerkstoff ausgebildet sind, der die Sub­ stratfläche bedeckt. Um den Leiter mit den Aktivbereichen zu verbinden, wird eine Öffnung im Isolator gebildet, damit der leitfähige Film die gewünschten Bereiche kontaktiert. Solche Öffnungen werden für gewöhnlich als Kontaktöffnungen oder abgekürzt "Kontakte" bezeichnet. Da Abmessungen für Transi­ stor-Aktivbereiche nur mehr 1 µ im Durchmesser betragen, liefern bekannte Verfahrensparameter unzulässig hohe Wider­ stände zwischen dem Aktivbereich und der leitenden Schicht. Ein Hauptweg zum Verringern des Kontaktwiderstandes besteht in der Bildung eines Metallsilicids über dem Aktivbereich vor dem Aufbringen des leitfähigen Films zur Bildung des Leiters. Ein allgemein bekanntes Metallsilicid ist TiSix, wobei x vorwiegend "2" ist. Das TiSix-Material wird typi­ scherweise durch Aufbringen einer dünnen Titanschicht auf dem Wafer vorgesehen, und kontaktiert die Aktivbereiche in den Kontaktöffnungen. Dann wird der Wafer einer Hochtempera­ turbehandlung unterzogen. Damit reagiert das Titan mit dem Silicium des aktiven Bereichs und bildet TiSix. Dieser Prozeß ist selbstprofilierend, da das TiSix nur dort geformt wird, wo das Titan die Siliciumaktivbereiche kontaktiert.
Überall sonst liegt der Titanfilm über einer Isolierschicht aus im wesentlichen nicht reagierenden SiO2.
Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Halbleiterwafer 10 be­ steht aus einem Substrat 12 mit einem Aktivbereich 14. Eine darüberliegende Schicht 16 aus Isolierwerkstoff, hauptsäch­ lich SiO2 in der Form von BPSG ist auf dem Substrat 12 auf­ gebracht und entsprechend geätzt, um eine Kontaktöffnung 18 zum Aktivbereich 14 zu bilden. Eine dünne Titanschicht 20 liegt über der Isolierschicht 16 und kontaktiert den Aktiv­ bereich 14. Die Hochtemperaturbehandlung wird in inerter Umgebung ausgeführt, wie Argon, und dabei reagiert das die Aktivschicht 14 kontaktierende Titanmetall zu TiSix und bildet den Bereich 22. Der übrige Teil der Schicht 20, der den Bereich 14 nicht kontaktiert, reagiert im wesentlichen nicht mit der darunterliegenden isolierenden SiO2 Schicht 16 und bleibt deshalb als elementares Titanmetall erhalten.
Für gewöhnlich wird ein Kontaktfüllmaterial wie Wolfram über dem Silicidbereich 22 abgelagert. Wolfram verbindet sich schlecht mit TiSix. Um dieses Problem zu meistern, wird eine Zwischenschicht, typischerweise TiN zwischen dem Silicidbe­ reich 22 und der Wolframschicht vorgesehen. TiN bezeichnet man oft auch als "Klebeschicht" für die Wolframschicht. Dies kann durch Vergüten des Wafers 10 mit der Titanschicht 20 in einer hauptsächlich aus Stickstoff bestehenden Atmosphäre vorgesehen werden. Unter diesen Bedingungen reagiert der untere Teil der Schicht 20 über dem Aktivbereich 14 mit dem Silicium und bildet TiSix, während der obere Teil der Titan­ schicht 20 über dem Kontaktbereich 14 und der übrige Teil der Schicht 20 über dem Isolierwerkstoff 16 mit dem Stick­ stoff der Atmosphäre reagiert und TiN bildet.
Anschließend wird das dominierende leitfähige Material des auszubildenden Leiters aufgebracht. Der Silicidbereich 22 ist hochleitfähig und zeigt weniger elektrischen Widerstand zwischen dem Leiter und dem Aktivbereich 14 als wäre der Silicidbereich 22 nicht vorhanden. Die Herstellung solcher Silicide und Titansilicide sind in Wolf, et al. "Silicon Processing For the VLSI Era, Vol. 2 - Process Integration", pages 143-150, erläutert.
Da die Abmessungen immer kleiner und die Kontaktöffnungen immer tiefer und schmäler werden, erhält man senkrechte Kon­ taktwandungen und die meisten Beschichtungsverfahren sind nicht in der Lage, einen ausreichend Kontakt mit dem Aktiv­ bereich 14 herzustellen. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Dort ist der Aktivbereich 14a des Substrats 12a erheblich kleiner als der Aktivbereich 14 in Fig. 1. Somit ist die Kontaktöffnung 18a zum Aktivbereich 14 wesentlich schmäler und die Beschaltungsdichte ist maximiert. Das Verhältnis der Tiefe der Kontaktöffnung 18a zur Breite ist größer als in Fig. 1. Solche schmalen Kontaktöffnungen 18a können ver­ hindern, daß die Schicht 20a einen brauchbaren Kontakt mit dem Bereich 14a macht, wie dies Fig. 2 zeigt. Somit kann auch das gewünschte TiSix und der elektrische Kontakt nicht gebildet werden.
TiSix kann direkt abgelagert werden, im Gegensatz einer Substratreaktion mit elementarem Titan. Ein Weg besteht in einer chemischen Niederdruckbedampfung unter Verwendung von Titantetrachlorid und Silan gemäß der folgenden Formel:
TiCl4+2SiH4 TiSi2+4HCl+2H2+Beiprodukte.
Die chemische Niederdruck-Bedampfung besitzt einen wesent­ lichen Vorteil bezüglich einer herausragenden Konformität, die ausreichend ist, um die gewünschte Beschichtung bei Kon­ taktierungen mit dem vorgenannten hohen Abmessungsverhältnis zu erzielen. Ein erhebliches Problem, das mit der vorstehen­ den Reaktion verknüpft ist, liegt darin, daß zum Ausführen der Reaktion Temperaturen über 700°C erforderlich sind. Die meisten handelsüblichen Reaktoren für chemische Bedampfung bestehen aus Aluminium, das eine Schmelztemperatur von etwa 600°C hat. Somit würde man andere Materialien und damit teuerere Reaktoren benötigen, um die obige Reaktion durch­ zuführen, ohne daß der Reaktor schmilzt.
Ein anderer, bei der Hochtemperaturablagerung von Titan­ silicidschichten auftretender Nachteil besteht in einer konkurrierenden Reaktion des TiCl4 mit dem Silicium des Substrats. Diese Reaktion konkurriert mit der Reaktion bei der Niederdruck-Bedampfung und führt zu einem unerwünschten bzw. ungesteuerten Verbrauch von Silicium aus dem Substrat.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Herstellen eines Titan­ silicidfilms ist in US-PS 4,568,565 erläutert. Hier werden Titanhalide und Hydrosilicide, die auch Silane bezeichnet werden, verwendet. Das Verfahren benötigt jedoch lichthohe Intensität. Dies hat den Nachteil, daß das Verfahren um­ ständlicher wird und außerdem muß man versuchen, daß im Re­ aktor uniformes Licht erzeugt wird. Dies ist keine leichte Aufgabe. Ferner ist die Abdeckung insbesondere in Öffnungen mit hohem Abmessungsverhältnis unsicher bei Prozessen mit Lichtenergie, da die Seitenwandungen der Öffnungen nicht voll belichtet werden können. Der Leistungsgrad des Verfah­ rens ist ebenso problematisch, wie beispielsweise aus Sp. 7, Z. 19 bis 28, der Patentschrift hervorgeht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein che­ misches Bedampfungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 3 anzugeben, mit dem es möglich ist, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine einwandfreie Kontaktierung des Aktivbereichs zu schaffen.
Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. auch 3 gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend im einzelnen erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Halbleiterwafer nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Halbleiterwafer nach dem Stand der Technik mit sehr schmaler Kontaktöff­ nung;
Fig. 3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß herge­ stellten Halbleiterwafer.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Energiequelle durchgeführt werden, die im wesentlichen aus thermischer Energie besteht. Alternativ kann auch eine andere oder zu­ sätzliche Energiequelle wie RF oder Plasmaenergie verwendet werden. Wie in den Ansprüchen 1 und 3 angegeben ist, kann in den Reaktor entweder gasförmiges Titanhalid oder alternativ oder auch zusätzlich hierzu ein gasförmiger titanorgano­ metallischer Vorläufer eingebracht werden.
Das bevorzugte Titanhalid ist TiCl4. Andere Materialien sind Titantetraborid, Titantetrafluorid, Titantetraiodid und Sub­ halide. Ein bevorzugter titanorganometallischer Vorläufer besteht aus einer Verbindung der Formel Ti(NR2)4, mit R als einem kohlenstoffenthaltenden Radikal. Ein Beispiel ist Tetradimetylamid Titan (TDMAT). Dies wird üblicherweise in den Reaktor durch Hindurchperlen eines Inertgases wie He durch die TDMAT Flüssigkeit eingeführt, so daß TDMAT ver­ dampft, das dann in den Reaktor eintritt. Eine andere Tech­ nik zum Injizieren von TDMAT-Gas in den Reaktor besteht aus Atomisieren der TDMAT-Flüssigkeit und Injizieren der Flüs­ sigkeit in den Reaktor, die im wesentlichen sofort zu TDMAT- Gas verdampft. Eine weitere Technik zum Injizieren von TDMAT-Gas in den Reaktor besteht darin, daß TDMAT in Fest­ form im Reaktor eingebracht ist, die Festform sublimiert und dadurch TDMAT-Gas in den Reaktor injiziert wird. Diese Ver­ fahren sind dem Durchschnittsfachmann bekannt. Andere Bei­ spiele für organische Titanvorläufer sind: Tetradiethylamido Titan, Bis-cyclopentadienyl Titan Diazid und Tris-2,2′Bi­ pyridin Titan.
Für n=2 wird die ausgewählte Temperatur für die wirksame Beschichtung erwartungsgemäß niedrig bei etwa 400°C sein. Dabei beträgt die ausgewählte Temperatur vorzugsweise zwi­ schen etwa 400°C und 800°C. Noch stärker bevorzugt ist eine Temperatur zwischen etwa 400°C und 650°C, um die mit hohen Beschichtungstemperaturen verbundenen Probleme zu vermeiden, die eingangs beschrieben worden sind.
Für n=3 beträgt die ausgewählte Temperatur für die effektive Beschichtung erwartungsgemäß nur mehr etwa 300°C. Dabei ist die ausgewählte Temperatur vorzugsweise zwischen etwa 300°C und 800°C. Noch stärker bevorzugt ist eine Temperatur zwi­ schen etwa 300°C und 650°C, um die vorgenannten Hochtempera­ turprobleme zu vermeiden.
Der vorzugsweise vorgesehene Druck ist für die chemische Be­ dampfung niedrig, nämlich gleich oder kleiner als etwa 100 Torr, vorzugsweise etwa zwischen 0,5 und 30 Torr.
Ein grober Bereich volumetrischer Verhältnisse von Titan­ halid und/oder titanorganometallischem Vorläufer im Verhält­ nis zu SinH2n+2 kann erwartungsgemäß verwendet werden, näm­ lich zwischen 1 : 100 und 100 : 1. Das vorzugsweise benutzte volumetrische Verhältnis ist erwartungsgemäß zwischen etwa 1 : 10 bis 10 : 1. Eine Mischung gasförmiger Verbindungen der Formel SinH2n+2 kann außerdem benutzt werden, wie Kombina­ tionen aus Si2H6 und Si3H8. Eine Trägergasströmung wird fer­ ner vorgesehen, um die Gasverteilung über der Waferfläche zu kontrollieren und eine gute Gleichförmigkeit des Films auf dem Wafer zu erzielen. Vorzugsweise wird als Trägergas ein Edelgas wie Helium oder Argon verwendet.
Beispielsweise kann die Strömung für einen 6 Liter-Reaktor zwischen etwa 1 bis 30 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute cm3/Min) Titanhalid und/oder titanorganometallischer Vorläufer betragen, wobei etwa 15 sccm bevorzugt werden, und zwischen 1 bis 500 sccm für SinH2n+2 Verbindung(en), wobei etwa 25 sccm bevorzugt werden. Die bevorzugte Trägergasströ­ mung beträgt etwa zwischen 100 und 2000 sccm. Vorzugsweise ist die Strömung etwa 500 sccm. Die Beschichtungsgeschwin­ digkeit des Films bei diesen Bedingungen ist erwartungsgemäß 500 /Min.
Bei den vorgenannten Bedingungen besteht erwartungsgemäß der abgelagerte Film aus einer Kombination von Titansiliciden, wie solche gemäß der Formel TiSi, TiSi2 und Ti5Si3, wobei die Quantität TiSi2 vorherrscht. Folgende Reaktionen sind beispielhaft:
nTiCl4 + SinH2n+2 → nTiSi + 4nHCl + H2+Beiprodukte
nTiCl4 + 2SinH2n+2 → nTiSi2 + 4nHCl + 2H2 + Beiprodukte
TiCl4 + SinH2n+2 → Ti5Si3 + HCl + H2 + Beiprodukte
TDM4T + Si2H6 → TiSi2 + organische Beiprodukte
TDMAT + SinH2n+2 → (n/2)TiSi2 + organische Beiprodukte.
Beispielhafte Beiprodukte sind erwartungsgemäß SiH3Cl, SiCl und SiH2Cl2. Beispielhafte organische Beiprodukte sind er­ wartungsgemäß (CH3)2NH2, CH3NH2 und CH4.
Die Erfindung wurde erfindungsgemäß ausgeführt mit Strö­ mungsvolumina von TiCl4, Si2H6 und Ar von 5, 10 und 400 sccm. Der Druck betrug 20 Torr und die Temperatur 530°C. Die Prozeßzeit betrug 100 s. Der Bahnwiderstand des abgelagerten Films wurde mit 20 Mikroohm cm bestimmt. Für das Verfahren wurde kein Laserlicht verwendet und demzufolge kein zusätz­ liches Licht "absorbierendes Gas", wie dies in US-PS 4,568, 565, Sp. 7, Z. 23 bis 28, offenbart ist. Demzufolge meistert die Erfindung die im Stand der Technik anzutreffenden Prob­ leme hinsichtlich der Verwendung von Licht hoher Intensität und in Bezug auf die hohen Temperaturen.
Fig. 3 zeigt einen Wafer 50, der erfindungsgemäß hergestellt wurde. Der Wafer 50 hat ein Substrat 52 mit einem eingeform­ ten Aktivbereich 54. Eine Isolierschicht 56 mit vorherr­ schend BPSG ist geätzt, um eine Kontaktöffnung 58 zu bilden. Mit dem vorbeschriebenen Verfahren wird eine Schicht 60 aus Titansilicid konform gebildet und liefert einen ausgezeich­ neten Kontakt mit dem Bereich 54.

Claims (10)

1. Chemisches Bedampfungsverfahren zum Herstellen einer konformen Schicht aus Titansilicid auf einem Halb­ leiterwafer in einem chemischen Bedampfungsreaktor, mit folgenden Schritten:
ein Wafer wird in den Reaktor gelegt, ausgewählte Mengen eines gasförmigen Titanhalids, eine gasförmige Verbindung der Formel SinH2n+2 mit "n" ganzzahlig gleich oder größer 2, und ein Trägergas werden in den Reaktor injiziert, und der Reaktor wird auf einem bestimmten Druck und einer be­ stimmten Temperatur gehalten, die zum Reagieren des TiCl4 und SinH2n+2 zum Ablagern eines Films auf dem Wafer wirksam sind, wobei der Film ein Titansilicid aufweist und das Ver­ fahren ohne Verwendung von Licht hoher Intensität durchge­ führt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Titanhalid TiCl4 verwendet wird.
3. Chemisches Bedampfungsverfahren zum Herstellen einer konformen Schicht aus Titansilicid auf einem Halblei­ terwafer in einem chemischen Bedampfungsreaktor, mit fol­ genden Schritten:
ein Wafer wird in den Reaktor gelegt, ausgewählte Mengen eines gasförmigen Titan organometallischen Vorläufers, eine gasförmige Verbindung der Formel SinH2n+2 mit "n" ganzzah­ lig gleich oder größer 2, und ein Trägergas werden in den Reaktor injiziert, und der Reaktor wird auf einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur gehalten, die zum Re­ agieren des TiCl4 und SinH2n+2 zum Ablagern eines Films auf dem Wafer wirksam sind, wobei der Film ein Titansilicid auf­ weist und das Verfahren ohne Verwendung von Licht hoher In­ tensität durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Titan organometallische Vorläufer ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einer Verbindung der Formel Ti(NR2)4, wobei R ein Kohlenstoff enthaltendes Radikal und bis-Cyclopentadienyltitandiazid oder deren Mischungen auf­ weist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Formel SinH2n+2 der Wert für "n" mit 2 oder 3 gewählt wird, der Druck im Reaktor auf weniger oder gleich etwa 100 Torr und die Temperatur zwischen etwa 300 und 800°C gehalten werden, und der auf dem Wafer abgelagerte Film Titansilicide der Formel TiSi, TiSi2 und Ti5Si3 aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktor eine Energiequelle verwendet wird, die im wesentlichen aus Wärmeenergie be­ steht, um die Temperatur zu halten.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei n=2, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Temperatur zwischen etwa 400°C und 650°C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit n=3, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Temperatur zwischen etwa 300°C und 650°C beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zwischen etwa 0,5 und etwa 30 Torr beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Titansilicid des Films vorherrschend TiSi2 ist.
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