DE69517158T2 - Verfahren zum auftragen von wolframnitrid unter verwendung eines silicium enthaltenden gases - Google Patents

Verfahren zum auftragen von wolframnitrid unter verwendung eines silicium enthaltenden gases

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von dynamischen Freizugriffsspeichern, und insbesondere auf die Abscheidung von Wolframnitrid.
  • Wolframnitrid stellt sich als extrem vielversprechendes Material für Planarkondensator- und Gateelektrodenanwendungen dar. Wolframnitrid ist bei hohen Temperaturen stabil und verhindert die elektrische Verschlechterung in Kondensatoranwendungen und dient als Sperre zwischen polykristallinem Silizium und Wolfram, wenn es als Strapping-Schicht mit niedrigem Widerstand in einer Gateelektrode verwendet wird. Bei einem Verfahren bereiteten Alex Lahav, Karen A. Grimm und Ilan A. Blech, wie sie in ihrem Artikel "Measurement of Thermal Expansion Coefficients W, WSi, WN und WSiN Thin Film Metallisations", Journal of Applied Physics 67(2), January 15, 1990, Seite 734 beschrieben haben, Wolframnitrid unter Einsatz von reaktivem Sputtern und erhielten gute Filmeigenschaften.
  • Obwohl Sputtern hochqualitative Filme liefern kann, ist die Oberflächenstufenabdeckung für manche Anwendungen nicht adäquat. Es wäre vorzuziehen, einen verbesserten Stufenabdeckungsprozeß, wie chemische Dampfabscheidung CVD zu haben.
  • Nagajima u. a. haben in einem Artikel mit dem Titel "Preparation of of Tungsten Nitride Film by CVD Method Using WF&sub6;", der in der Ausgabe vom Dezember 1987 des Journal of Elec trochemical Society: SOLID-STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY" erschienen ist, die chemische Dampfabscheidung von Wolframnitrid aus NH&sub3; und WF&sub6;-Quellengasen in einem konventionellen Heißwand-CVD-System demonstriert. Obwohl Heißwand-CVD- Systeme einen Vorteil mit Bezug auf den Waferdurchsatz bieten, sind normalerweise die Prozeßsteuerung und die Reinheit für Anwendungen gemäß dem Stand der Technik typischerweise nicht adäquat. Demgegenüber sind Einzelwafer-Kaltwand-Abscheidesysteme zu bevorzugen.
  • Für einen CVD-Prozeß bieten WF&sub6; und NH&sub3; die Vorteile, daß sie leicht erhältlich sind und hohe Abscheideraten schaffen. WF&sub6;, NH&sub3; bilden jedoch bei tiefen Temperaturen (< 50ºC) ein Adukt, und selbst bei ein Kaltwandsystem gibt es eine minimal akzeptable Wandtemperatur, um die Aduktformation zu verhindern. Desweiteren können Nebenprodukte der Abscheidereaktionen einen Eingriff in Silizium oder polykristalline Siliziumsubstrate bilden, und deshalb muß der Prozeß modifiziert werden, um Eingriffe zu vermindern, ohne Kompromisse hinsichtlich der Adhäsion oder des Widerstandes eingehen zu müssen.
  • JP-A-6232181 und Patents Abstracts of Japan, Ausgabe 18, Nr. 599 (E-1631), 15.11.1994, beschreiben einen Feldeffekttransistor, bei dem eine Metallgateelektrode aus WSiN vorgesehen ist.
  • Die US-A-5250453 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Transistors, bei dem zur Herstellung einer Gateelektrode WSiN durch Sputtern oder Dampfabscheidung abgeschieden wird.
  • Es besteht somit ein Bedarf für einen CVD-Wolframnitridprozeß mit guter Anhaftung und hohen Abscheideraten, während angeformte Filme mit niedrigem Widerstand und mit minimalem Siliziumeindringen gebildet werden.
  • Das Verfahren der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert; die übrigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Entwicklungen der Erfindung.
  • Die Erfindung ist ein Verfahren zum Abscheiden von Wolframnitrid unter Einsatz von chemischer Dampfabscheidung. Das Verfahren verwendet eine Quellengasmischung mit einem auf Silizium basierenden Gas zum Abscheiden des Wolframnitrids über ein Abscheidesubstrat.
  • Das Verfahren ist bei der Herstellung einer Kondensatorelektrode, eines Kontaktstopfens und einer Gateelektrode aufgrund der guten Anhaftung, dem minimalen Siliziumeindringen und dem geringen Widerstand des gemäß dem Verfahren der Erfindung abgeschiedenen Wolframnitrids nutzbar.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist ein nicht planarer Speicherkondensator mit einer Wolframnitrid-Kondensatorelektrode ausgebildet, die gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist.
  • Die Fig. 1 bis 3 sind Schnittdarstellungen eines Halbleiters während verschiedener Herstellungsschritte.
  • Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Teils eines Halbleitersubstrats mit verschiedenen darauf gefertigten Strukturen und mit einer ersten Kondensatorelektrode.
  • Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der Fig. 1 nach der Bildung einer dielektrischen Schicht.
  • Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung der Fig. 2 nach der Bildung einer Wolframnitridelektrode.
  • Fig. 4A ist eine Schnittdarstellung eines Durchgangslochs, das in dem Substrat gebildet ist und mit einer Schicht aus Wolframnitrid gefüllt ist.
  • Fig. 4B ist eine Schnittdarstellung der Fig. 4A nach einer chemischen mechanischen Planarisierung der Wolframnitridschicht der Fig. 4A.
  • Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung einer Gateelektrode mit einer Wolframnitrid-Sperrschicht.
  • Eine Wolframnitridschicht wird durch das Verfahren gemäß der Erfindung gebildet, wobei Wolframnitrid chemisch von einem Quellengas mit einem auf Silizium basierenden Gas wie Silan dampfabgeschieden wird. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein nicht planarer Halbleiterspeicherkondensator mit einer Wolframnitridkondensatorelektrode gebildet. Obwohl die Erfindung auf jede Zahl von nicht planaren Kondensatoren anwendbar ist, einschließlich Grabenkondensatoren und einer Vielzahl von Stapelkondensatoren, zeigen die Fig. 1 bis 3 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines gestapelten Kondensators.
  • Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung einer teilweise bearbeiteten Halbleitervorrichtung 1 mit einer versenkten Bitleitung 5, einer Wortleitung 10, die über einer Feldoxidschicht 15 liegt, und Feldeffekttransistoren 20. Eine dünne Oxidschicht 25 wurde aus einer Kontaktfläche 30 des Substrats 35 entfernt, und eine polykristalline Siliziumschicht 40 (im folgenden auch als "Polysilizium" oder "Poly"-Schicht bezeichnet) wurde abgeschieden und liegt über dem Substrat 35 und kontaktiert die Kontaktfläche 30 des Substrats 35. Die Polyschicht 40 wurde dotiert und mit einer Fotomaske (nicht dargestellt) strukturiert, um eine Speicherknotenplatte oder eine erste Elektrode des erfindungsgemäßen Kondensators zu bilden.
  • In Fig. 2 ist eine dielektrische Schicht 45, vorzugsweise Tantaloxid, abgeschieden und überliegt die polykristalline Siliziumschicht 40.
  • In Fig. 3 ist eine Wolframnitridschicht 50 konform durch chemische Dampfabscheidung in einer Abscheidekammer abgeschieden, um über der dielektrischen Schicht 45 zu liegen, wodurch eine zweite Elektrode des Speicherkondensators gebildet wird. Während der chemischen Dampfabscheidung wird ein Quellengas mit zumindest einer Wolframquelle wie Wolframhexafluorid, das mit Ammoniak kombiniert ist, mit Trägergasen kombiniert, die Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder andere Gase umfassen können. Andere Wolframquellen wie Wolframcarbonyl können verwendet werden. Die Quellengase umfassen auch ein auf Silizium basierendes Gas wie Silan, organisches Silan oder eine Verbindung, die eine Mehrfachordnung von Silan ist, beispielsweise Disilan und Trisilan. Das Quellengas wird auf einem Druck gehalten, der chemische Dampfabscheidung durchführt, typischerweise innerhalb des Druckbereiches zwischen 13 Pa und 13 kPa (0,1 und 100 Torr), einschließlich der Endpunkte. Die Temperatur des Abscheidesubstrats wird auf 300ºC gehalten, obwohl andere Temperaturen verwendet werden können. Die Temperatur der Abscheidekammerwände wird auf einer Temperatur gehalten, die die Aduktbildung minimiert; in diesem Ausführungsbeispiel werden die Wände auf einer Temperatur gehalten, die größer ist als 25ºC, obwohl andere Temperaturen, die geringer sind als die Temperatur des Abscheidesubstrats, die Aduktbildung minimieren. In einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Quellengag Wolframhexafluorid, Ammoniak, Argon und Wasserstoff. In diesem Fall haben während der Abscheidung der Wolframnitridschicht 20 das Wolframhexafluorid, das Ammoniak, das Argon und der Wasserstoff Flußraten von 50 sccm, 150 sccm, 80 sccm bzw. 80 sccm. Wenn Silan der Quellengasmischung zugefügt wird, ist die Flußrate des Silans gleich 4 sccm, was 1,098% der Gesamtflußrate der Quellengasmischung mit dem zugefügten Silan ist.
  • In einem Kondensator und bei anderen Anwendungen vermindert der Zusatz von Silan zu dem Quellengas das Eindringen in jedes siliziumbasiernde Material, das dem Wolframnitrid ausgesetzt ist, verbessert die Anhaftung des Wolframnitrids an seiner unterliegenden Schicht und reduziert den Volumenwiderstand des Wolframnitrids. Für die meisten Anwendungen sollte die Flußrate des Silans oder anderer auf Silizium basierender Gase innerhalb des Bereichs von 0,5% bis 5% der Gesamtflußrate des Quellengases, das das auf Silizium basierende Gas enthält, fallen, obwohl auch Flußraten von 0,1% bis 5% der Gesamtflußrate verwendet werden können.
  • Es ist möglich, die erste Elektrode des Kondensators unter Einsatz des Wolframnitrids zu bilden, wenn es gemäß dem oben beschriebenen Verfahren abgeschieden wird. Es ist auch denkbar, daß nur die erste Elektrode Wolframnitrid ist. In diesem Fall kann die zweite Elektrode, die über dem Dielektrikum liegt, aus anderem Material wie Polysilizium bestehen.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird die chemische Dampfabscheidung von Wolframnitrid unter Einsatz eines Quellengases, das Silan enthält, verwendet, um ein Durchgangsloch mit Wolframnitrid 100 zu füllen, vgl. 4A. Fig. 4B zeigt den Wolframnitridkontaktstopfen 105 nach chemisch-mechanischem Polieren der Wolframnitridschicht 100, die in Fig. 4A dargestellt ist. Der Kontaktstopfen 105 kontaktiert die leitende Schicht 106.
  • Alternativ kann das Wolframnitrid unter Einsatz eines Quellengases, das Silan enthält, abgeschieden werden, wobei das abgeschiedene Wolframnitrid nicht das Durchgangsloch füllt, sondern stattdessen das Durchgangsloch auskleidet, wodurch ein Sperrenmaterial gebildet wird. In diesem Fall wird Wolfram abgeschieden, um die Teile des Durchgangslochs zu füllen, die nicht von Wolframnitrid gefüllt sind.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 dargestellt ist, wird die chemische Dampfabscheidung von Wolframnitrid aus einem Abscheidungsgas, das Silan enthält, in Feldeffekttransistoranwendungen eingesetzt, um eine Wolframnitridsperrschicht 130 zu bilden, die zwischen eine Wolframschicht und eine polykristallinen Siliziumschicht 140 eingefügt ist. In diesem Fall werden freiliegende Teile des Wolframnitrids 130, der Wolframschicht 135 und der polykristallinen Siliziumschicht 140 in unstrukturierten Bereichen entfernt, um eine Gateelektrode zu bilden, die über einem Substrat 150 liegt, und Gateoxid 160 von maskierten Teilen des Wolframnitrids 130, der Wolframschicht 135 und der polykristallinen Siliziumschicht 140. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird keine polykristalline Siliziumschicht 140 gebildet, und die Gateelektrode enthält das Wolframnitrid 130 und die Wolframschicht 135.
  • Obwohl spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, soll die Erfindung nur als durch die Ansprüche beschränkt gelesen werden.

Claims (14)

1. Verfahren zum Bilden einer Schicht aus Wolframnitrid, die Silizium enthält, auf einem Substrat unter Einsatz von chemischer Dampfabscheidung (CVD), wobei das Verfahren aufweist:
Vorsehen eines Substrats in einer Kammer,
Zuführen einer Quellengasmischung an die Kammer, die Wolfram und Stickstoff aufweist und in der Lage ist, Wolframnitrid abzuscheiden, wobei die Quellengasmischung ferner ein Silizium enthaltendes Gas aufweist,
Anlegen einer Temperatur an das Substrat,
Anlegen von Druck an die Quellengasmischung zum Abscheiden der Wolframnitridschicht, die Silizium enthält, auf dem Substrat, und
Einstellen einer Flußrate des Silizium enthaltenden Gases innerhalb eines Bereichs von 0,1% bis 5% der Gesamtflußrate der Quellengasmischung, die in die Kammer eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit ferner dem Schritt des Haltens der Temperatur einer Innenwand der Kammer auf einer Temperatur von mehr als 25ºC.
3. Verfahren nach Anspruch 1, mit weiterhin dem Schritt des Haltens der Temperatur der Innenwand der Kammer auf einer Temperatur, die die Bildung eines Adduktes aus Wolfram- und Stickstoffverbindungen, die in der Quellengasmischung enthalten sind, minimiert.
4. Verfahren nach Anspruch 1, mit weiterhin dem Schritt des Auffüllens eines Durchgangslochs während des Schritts des Abscheidens des Wolframnitrids, das Silizium enthält, zur Ausbildung eines elektrischen Kontaktes in dem Durchgangsloch.
5. Verfahren nach Anspruch 1, mit ferner:
Auskleiden von Seiten eines Durchgangsloches während des Schritts des Abscheidens der Schicht aus Wolframnitrid, die Silizium enthält, und
Auffüllen von verbleibenden Teilen des Durchgangslochs mit Wolfram.
6. Verfahren nach Anspruch 1, mit ferner der Ausbildung der Schicht aus Wolframnitrid, die Silizium enthält, zwischen einer Polysiliziumschicht und einer Wolframschicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, mit ferner dem Strukturieren der Polysiliziumschicht, der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid und der Wolframschicht und Entfernen unmaskierter Teile der Polysiliziumschicht, der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid und der Wolframschicht, um eine Gateelektrode zu bilden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Einstellen einer Flußrate des Silizium enthaltenden Gases aufweist, um in einem Bereich von 0,5% bis 5% der Gesamtflußrate der Quellengasmischung zu sein, die in die Kammer eingeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, mit ferner:
Bilden einer ersten Kondensatorelektrodenschicht, die über dem Substrat liegt,
Bilden einer dielektrischen Schicht, die über der ersten Kondensatorelektrodenschicht liegt,
Abscheiden der Schicht aus Silizium enthaltenden Wolframnitrid, um über der dielektrischen Schicht zu liegen, und
Bilden einer zweiten Kondensatorelektrode aus der Silizium enthaltenden Schicht von Wolframnitrid.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die dielektrische Schicht aus Tantaloxid gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Silizium enthaltende Quellengasmischung Silan aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 1, mit ferner:
Abscheiden der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid,
Strukturieren der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid, um eine Kondensatorelektrode zu definieren, und
Entfernen von unmaskierten Teilen der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid, wobei der verbleibende Teil der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid die Kondensatorelektrode bildet.
13. Verfahren nach Anspruch 1, mit ferner:
Abscheiden der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid, Strukturieren der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid, um eine Gateelektrode zu definieren, und
Entfernen unmaskierter Teile der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid, wobei der verbleibende Teil der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid zumindest einen Teil der Gateelektrode bildet.
14. Verfahren nach Anspruch 13, mit ferner:
Ausbilden einer Schicht aus Polysilizium, die über dem Substrat liegt, vor der Abscheidung der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid,
Bilden einer Schicht aus Wolfram, die über der Silizium enthaltenden Schicht aus Wolframnitrid liegt,
Strukturieren der Schicht aus Polysilizium und der Schicht aus Wolfram, um die Gateelektrode zu definieren, und
Entfernen unmaskierter Teile der Schicht aus Wolfram und der Schicht aus Polysilizium gemäß eines Musters, das während des Strukturierens definiert wurde, wobei die verbleibenden Teile der Schicht aus Wolfram und der Schicht aus Polysilizium weitere Teile der Gateelektrode bilden.
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