DE69738272T2

DE69738272T2 - Verfahren zur minimierung mechanischer spannungen in abgeschiedenen wolframsilizidschichten

Info

Publication number: DE69738272T2
Application number: DE69738272T
Authority: DE
Inventors: Sein G. Campbell KANG; John Y. Los Altos ADACHI; David Tigard BADT; Edward L. San Jose SILL
Original assignee: Genus Inc
Current assignee: Genus Inc
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1997-11-24
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JP3224548B2; EP0960435B1; DE69738272D1; EP0960435A4; WO1998025300A1; US5963836A; EP0960435A1; JP2000517110A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Verfahren zum Bearbeiten von Wafern als einem Schritt in der Herstellung von Integrierten Schaltkreisen (IC) und betrifft speziell die chemische Abscheidung aus der Gasphase und die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) von Wolframsilicid-Filmen.
EINSCHLÄGIGER STAND DER TECHNIK
Historisch ist das Erzeugen von Integrierten Schaltkreisen eine Prozedur der Erzeugung dünner Filme und Schichten verschiedener Materialien auf Wafern von Halbleiter-Basismaterial und das anschließende selektive Entfernen von Bereichen der Filme, um Strukturen und Schaltkreise zu schaffen. Ein typisches Wafer-Basismaterial ist dotiertes Silicium, wobei in den verschiedenen Prozessschemen auf dem dotierten Silicium oder auf Polysilicium oder Siliciumoxid, das auf dem Basismaterial erzeugt ist, Metallschichten erzeugt werden.
Auf dem Fachgebiet ist gut bekannt, dass es bestimmte Eigenschaften von Dünnfilmen gibt, die mehr oder weniger universell wünschenswert sind. Beispielsweise ist es wünschenswert, dass in der Halbleiterherstellung aufgebrachte Filme und in der Regel in allen Arten der Filmabscheidung eine gute Haftung auf den Oberflächen zeigen, auf die sie aufgebracht wurden. Ein anderes allgemein wünschenswertes Merkmal, das mit der Haftung in Verbindung steht, ist eine geringe mechanische Spannung des abgeschiedenen Films. Obgleich viele Filme nach der Abscheidung wärmebehandelt werden, können die Temperatur und die Zeit, die zur Wärmebehandlung erforderlich sind und selbst das Maß der mechanischen Spannung, bis zu der ein Film durch Wärmebehandeln verringert werden kann, stark durch die Spannung des abgeschiedenen Films beeinflusst werden. Auch können mit starken Spannungen versehene Filme sich vor dem Wärmebehandeln verformen und von den darunter liegenden Schichten ablösen wirksam bewerkstelligen.
Es gibt eine Reihe von gut entwickelten Technologien für die Abscheidung von Materialien in den Ultradünnschichten, die für IC-Fertigungsschemen erforderlich sind. Die Abscheidungsmethoden lassen sich grob in Methoden der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD) oder der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD) unterteilen. PVD-Prozesse schließen solche Prozesse ein wie Verdampfung und erneute Kondensation, bei denen ein Material und im typischen Fall ein Metall bis zu einer Temperatur erhitzt wird, bei der das Metall schmilzt und verdampft. Das Metall kondensiert sodann auf Oberflächen in der Regel in direkter Linie der Verdampfung unter Erzeugung eines Films.
Ein anderer PVD-Prozess ist der wohlbekannte Sputterprozess, bei dem ein Plasma eines normalerweise inerten Gases in der Nähe eines Targetmaterials erzeugt wird und das Target vorgespannt wird, um Ionen aus dem Plasma unter Beschuss des Targets anzuziehen. Die Atome des Targetmaterials werden durch Übertragung der Bewegungsenergie verdrängt und bilden einen atomaren Partikelfluss, der auf den umgebenden Oberflächen im Allgemeinen in direkter Linie der durch den Sputterprozess erodierten Targetoberfläche zusammenlaufen.
PVD-Prozesse haben gegenüber anderen Prozessen deutliche Vorteile, wie beispielsweise eine hohe Abscheidungsgeschwindigkeit und einen relativ einfachen Apparat zum Beschichten. Ebenfalls gibt es Nachteile und vor allem das ihnen innewohnende Unvermögen, für eine ausreichend abgestufte Bedeckung zu sorgen, d. h. auf Oberflächen, die über Austiefungen als Folge der vorangegangenen Schritte des Beschichten und Ätzens verfügen, sind PVD-Prozesse gegenüber Schattierungseffekten anfällig, die zu einer örtlichen Ungleichmäßigkeit der Beschichtungsdicke führen. Dieses Problem hat an Bedeutung zugenommen, wie die Dichte der Bauelemente größer geworden ist und die Geometrie der Bauelemente in der Abmessung abgenommen hat.
CVD-Prozesse umfassen die Abscheidung aus Gasen, die in die Prozesskammer eingedüst werden und im typischen Fall bei einem im Vergleich zum Atmosphärendruck sehr geringen Druck. In diesen Prozessen werden ein oder mehrere Materialien, die Komponenten eines oder mehrerer gasförmiger Präkursoren sind, durch chemische Zersetzung und/oder Rekombination zur Abscheidung auf einer Oberfläche gezwungen. Energiezuführung durch Wärme und gelegentlich unterstützt durch Plasmaenergie werden zum Steuern der chemischen Reaktionen eingesetzt, die eine Abscheidung zum Ergebnis haben.
Mithilfe der CVD-Methoden lassen sich zahlreiche Materialien abscheiden, wobei das Gebiet jedoch auf solche Materialien beschränkt ist, die entweder als Gas oder als ein Dampf in eine Kammer eingeführt werden können. Beispielsweise kann ein Film aus metallischem Wolfram auf einer beheizten Substratoberfläche abgeschieden werden, indem Wolframhexafluorid (WF₆) zu der Oberfläche gemeinsam mit einem reduzierenden Gas, wie beispielsweise Wasserstoff strömt. Die resultierende chemische Reaktion an einer heißen Substratoberfläche reduziert das WF₆ und hinterlässt einen Wolfram-Film auf dem Substrat unter Erzeugung von HF-Gas. In der Halbleiterfertigung wird als Kontaktfilm zwischen Transistor-Gates und Verbindungskanälen Wolfram verwendet.
In anderen wohlbekannten CVD-Prozessen wird Silicium als Silan (SiH₄), Disilan (Si₂H₆) oder als Dichlorsilan (SiH₂Cl₂) gemeinsam mit WF₆ zur Erzeugung eines Films aus Wolframsilicid (W_xSi_y) bereitgestellt, bei dem es sich um einen für Kontakte bevorzugten Film handelt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wolframsilicid-Filme.
Ein spezifischer elektrischer Widerstand für elektrische Kontakte an Bauelementen in einem Halbleiterschaltkreis und eine geringe mechanische Filmspannung sind beides in hohen Maßen wünschenswerte Merkmale für CVD-abgeschiedene Wolframsilicid-Filme. Bedauerlicherweise ist es so, dass Abscheidungsbedingungen, die einen geringen spezifischen Widerstand unterstützen nicht notwendigerweise eine geringe mechanische Spannung fördern bzw. umgekehrt.
Der spezifische Widerstand und die Filmspannung vor und nach der Wärmebehandlung hängen von einer Reihe von Variablen ab, wie beispielsweise Heiztisch- und Substrattemperatur in einem CVD-Reaktor, Plasmaleistung (sofern angewendet), das Verhältnis von Silicium zu Wolfram in dem abgeschiedenen Film, Kammerdruck während der Abscheidung, Durchflussraten und Geschwindigkeit der Gase während der Abscheidungsschritte, Wärmebehandlungsdauer und -temperatur und vieles mehr. Diese Variablen und die Ergebnisse ihrer Variation sind auf dem Fachgebiet nach langen Jahren des Abscheiden von Wolframsilicid relativ gut bekannt, und konkurrierende Randbereiche werden in der Regel im typischen Fall durch unterschiedliche Hersteller von CVD-Reaktoren und durch Herstellung von Integrierten Schaltkreisen (IC) realisiert, wobei die Hersteller die CVD-Reaktoren verwenden, indem sie Methoden und Hardware zur präzisen Steuerung der Variablen entwickeln.
Selbst obwohl die Variablen wohlbekannt sind und von vielen Fachleuten reichlich Erfahrung gesammelt worden ist und zahlreiche Patente erteilt worden sind, gibt es noch immer feine wechselseitige Abhängigkeiten unter den Variablen, deren gründliches Verständnis noch offen bleibt, sowie Ursachen und Wirkungen, die wahrscheinlich noch nicht so gut erkannt sind, wie man bisher auf dem Fachgebiet angenommen hat. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung gehen davon aus, dass sie mehr als einen dieser Umstände bei der Abscheidung von Wolframsilicid entdeckt haben und haben Verfahren entwickelt, um noch mehr wünschenswerte Filme unter noch günstigeren Umständen bereitzustellen, als bisher für möglich angesehen wurde.
Die Prozesseffekte, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entdeckt und dokumentiert worden sind, sowie die als Ergebnis eingeleiteten Schritte zur Schaffung neuer und besserer Prozesse sind nachfolgend eingehend detailliert und bilden die Grundlage der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die EP-A-0704551 offenbart ein Verfahren zum Abscheiden eines Wolframsilicid-Films auf einem Substrat in einer CVD-Reaktorkammer, welches Verfahren das Einführen von WF₆ und Dichlorsilan in die Kammer zur Abscheidung des Wolframsilicid-Films auf dem Substrat umfasst, und das Einstellen des Zuflusses von WF₆ während der Fortführung des Dichlorsilan-Flusses für eine Zeitdauer, nachdem der WF₆-Fluss eingestellt worden ist.
Die Erfindung gewährt ein Verfahren zum Abscheiden von Wolframsilicid-Film entsprechend der Offenbarung in dem beigefügten Anspruch 1.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine idealisierte Seitenansicht im Aufriss eines Einzelwafer-CVD-Reaktors und eines Gas-Zuführsystems.
2 ist ein idealisierter Querschnitt eines Wolframsilicid-Films auf einem Substrat und veranschaulicht ein von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entdecktes Phänomen.
3 ist ein Fließschema des Verfahrens und stellt die Schritte in der Ausführung einer nicht beanspruchten Ausführungsform dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es gilt als wohlbekannt, dass es mehrere Gemeinsamkeiten in CVD-Prozessen gibt. Beispielsweise werden nahezu alle kommerziellen CVD-Prozesse und einschließlich solche zum Herstellen von Filmen des Wolframsilicids bei einem Gesamtdruck in der Prozesskammer weit unterhalb Atmosphärendruck ausgeführt. Im typischen Fall gelangt eine Kammer zum Einsatz, die so ausgelegt ist, dass sie hermetisch abgeschlossen werden kann, und mit einem Apparat zum Erhitzen von Substraten ausgestattet ist, die beschichtet werden sollen. Der Apparat ist außerdem zum Einströmen lassen von Prozessgasen in die Kammer vorgesehen, während sich Substrate darin befinden und erhitzt werden, sodass Filme abgeschieden werden. In einigen Prozessen wird durch Plasmaunterstützung sowie durch Wärme Energie zugeführt und ein Apparat zum Zünden und Aufrechterhalten eines Plasmas vorgesehen, und es können bestimmte Gase dem Prozessgemisch zugesetzt werden, wie beispielsweise inertes Argon, um die Aufgabe des Plasmas zu unterstützen.
Einige CVD-Reaktoren sind Chargenreaktoren, worin mehrere Substrate gleichzeitig behandelt werden können, während einige Einzelsubstrat-Reaktoren sind, die im typischen Fall mit Maschinen verwendet werden, die als Cluster-Geräte bezeichnet werden, worin Substrate (auch bezeichnet als Wafer oder Platten) sequentiell durch mehrere Einzelsubstrat-Kammern gefahren werden, die während der Prozessschritte isoliert sind.
Sowohl in den Einzelsubstrat-Kammern als auch den Chargensystemen wird die CVD-Reaktorkammer zwischen den Prozesszyklen auf einen relativ hohen Vakuumwert gepumpt, d. h. zu einem sehr viel niedrigeren Druck, als er während der Bearbeitung besteht. Beispielsweise kann der Druck in einem typischen Abscheidungsprozess in der Prozesskammer bei 500 mTorr (1 Torr = 133 Pa) liegen, während im Verlaufe des Abpumpens der Druck auf unterhalb von 10 mTorr abgesenkt wird. Die Aufgabe eines solchen Abpumpen besteht in der Entfernung der Prozessgase aus der Kammer, bevor ein Wafer (oder mehrere Wafer) nach dem Bearbeiten entnommen wird/werden. Damit wird sichergestellt, dass der Abscheidungsprozess beendet ist und es ermöglicht, dass Restgase abgepumpt werden bevor ein neuer Wafer bearbeitet wird.
Ein typischer Prozesszyklus umfasst etwas vereinfachte, jedoch anwendbar sowohl auf Chargenreaktoren als auch auf Einzelsubstrat-Reaktoren und unter der Annahme eines Ausgangspunktes unmittelbar bei Fertigstellung einer Abscheidung die Schritte: (1) Unterbrechen des Zustroms von Prozessgasen zu dem Reaktor; (2) Abpumpen der Kammer bis zu einem hohen Vakuum; (3) Öffnen des Überführungsventils zur Luftabsperrung oder Überführungsvolumen unter Vakuum; (4) Entnahme des/der bearbeiteten Wafers oder Wafer; (5) Einetzen eines/mehrerer unbearbeiteten Wafers oder Wafer; (6) die nachfolgenden Bearbeitungsschritte, die ein Herstellen des Zustroms von Prozessgasen für vorbestimmte Zeitabstände zur Ausführung des Prozesses umfassen. Sofern die Förderleistung nicht variabel ist, erfolgt das Abpumpen (Schritt 2), einfach aufgrund der Unterbrechung des Gaszustroms in Schritt 1. Häufiger jedoch können ein oder mehrere Drosselventile in den Vakuumpumpleitungen geöffnet werden, nachdem der Gaszustrom unterbrochen wurde, um die für das Abpumpen erforderliche Zeit zu verkürzen.
Im typischen Fall wird in diesem nicht geschützten Prozessablauf Wärme zu einem Heiztisch, in dem sich die zu beschichtenden Wafer befinden, (um die Wafer zu erhitzen) während der Abpumpphase weiterhin zugeführt. Dieses gilt aus mehreren Gründen, unter anderem weil die genaue Temperaturregelung entscheidend ist und das Ein- und Ausschalten der Stromzufuhr zu dem Heiztisch schwer zu kontrollierende Temperaturschwankungen hervorrufen würde. Ein anderer besteht darin, dass der Heiztisch im typischen Fall eine erhebliche Wärmemasse hat und die Temperatur sich daher nur verhältnismäßig langsam ändern lässt.
Von diesem Standpunkt beruhen in der Patentbeschreibung die Beschreibungen auf einem Einzelwafer-Reaktor eines Typs, der als eine Maschine vom Cluster-Gerät ausgebildet sein soll, obgleich zahlreiche Ausführungsformen der Erfindung CVD-Systeme anderer Arten betreffen und dafür gelten. Es ist davon auszugehen, dass die Beschreibungen auch auf Chargenreaktoren anwendbar sind. In den Fällen, bei denen dieses nicht der Fall ist, wird auf den Reaktortyp speziell Bezug genommen.
Dementsprechend zu der vorstehend aufgeführten nicht geschützten Verfahrensfolge wird ein Wafer, bei dem die Bearbeitung mithilfe der Abscheidungsschritte für Wolframsilicid (in diesem Fall) beendet ist, während des Abpumpens bei Prozesstemperatur gehalten, bevor das Ventil zum Durchsatz des Volumens geöffnet wird. Ferner wird ein neuer Wafer, der von dem Transfervolumen in den Reaktor gegeben wurde und auf den Heiztisch aufgebracht wurde, bis zur Bearbeitungstemperatur erhitzt, bevor die Prozessgase in den Reaktor einströmen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, dass einige der Annahmen, die von Entwicklern und Wissenschaftlern bisher zugrunde gelegt wurden, nicht ganz korrekt sind. Beispielsweise ist von Mitarbeitern auf dem Fachgebiet angenommen worden, dass eine Abscheidung durch Unterbrechung des Stroms der Prozessgase zum CVD-Reaktor und das Auspumpen der Kammer bis zu einem Druckwert ausreichend unterhalb des Prozessdrucks abgebrochen wird. Die Erfinder gehen sehr wohl davon aus, dass es nicht so etwas gibt wie ein perfektes Vakuum. Vakuumwerte sind relativ. Darüber hinaus ist die Förderleistung stets begrenzt, sodass das Auspumpen über eine Zeitdauer ausgeführt werden muss. Ferner befindet sich ein Wafer, fit den der Prozess scheinbar beendet ist, noch auf dem Heiztisch und wird beheizt, während das Abpumpen noch vonstatten geht.
Ebenfalls sind sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung bewusst, dass WF₆ ein relativ feuchtes Gas ist in dem Sinn, dass es zum Anhaften an den Innenflächen von Rohrverzweigungen, Kammerwänden und anderen Oberflächen neigt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung legen daher theoretisch zugrunde, dass selbst dann, wenn der Zustrom von Prozessgasen eingestellt wird und die Förderleistung erhöht wird, um ein Abpumpen zu erzielen, noch ausreichend WF₆ in der Prozesskammer verfügbar sein würde, um eine gewisse Abscheidung von Wolfram fortzusetzen oder eines sehr wolframreichen Films auf dem Wafer auf dem beheizten Heiztisch. In diesem Fall könnte eine dünne Schicht eines wolframreichen Films auf der Oberfläche des gerade hergestellten Wolframsilicid-Films abgeschieden werden, sodass, wenn dieses tatsächlich so ist, der dünne wolframreiche Film (bei dem es sich um reines Wolfram handeln könnte) die Filmcharakteristik, wie beispielsweise den spezifischen elektrischen Widerstand und mechanische Spannung im gerade abgeschiedenen Zustand messbar beeinflussen könnte.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ihre Theorie getestet und festgestellt, dass sie zutreffend ist und die konventionelle Denkweise fehlerhaft ist. Der gleiche Effekt ist darüber hinaus zu Beginn eines Prozesszyklus festgestellt worden, nachdem ein neuer Wafer in einer Prozesskammer auf den Heiztisch gelegt wurde und bevor Prozessgase in die Kammer einströmten. Was tatsächlich unter bestimmten Bedingungen eintritt, ist, dass ein wolframreicher Film auf einem Wafer gebildet wird, bevor die geplante Bearbeitung beginnt, und ein anderer dünner wolframreicher Film auf dem Wafer gebildet wird, nachdem von Anderen die Bearbeitung für abgeschlossen angesehen wird.
Zum Zwecke der Veranschaulichung sowohl des Standes der Technik als auch der vorliegenden Erfindung zeigt 1 einen idealisierten Aufriss im Querschnitt eines Einzelwafer-CVD-Reaktors. In 1 schließt eine Einzelwafer-CVD-Reaktorkammer 11 einen beheizten Heiztisch 13 ein, auf dem ein Wafer 15 zur Bearbeitung aufgelegt ist, eine Pumpöffnung 21, durch die hindurch Gase evakuiert werden (diese Öffnung kann in den meisten Fällen zur Steuerung der Förderleistung gedrosselt werden), einer Transferöffnung 28, durch die hindurch Wafer eingesetzt und in den Reaktor eingesetzt und aus diesem herausgenommen werden (normalerweise zu einem Zwischenbereich, der auf einem relativ hohen Vakuum gehalten wird) und sowohl ein Duschkopfabzweig 17 als auch ein Ringabzweig 19 zum Eindüsen von Prozessgasen in den CVD-Reaktor. Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird es offensichtlich sein, dass es sich hierbei um eine vereinfachte Darstellung handelt und es zahlreiche konventionelle Elemente gibt, die nicht gezeigt sind.
Der CVD-Reaktor 11 ist über ein Gaszufuhrabzweig 23 mit einer Gasinjektoreinheit 25 verbunden, die Gasbehälter einschließt, Ventile, Strömungsregler und dergleichen zum Einspritzen und Mischen der dem Reaktor 11 zugeführten Gase, um Abscheidungsprozesse zu bewerkstelligen. Diese Verteilereinheit ist aus einer Reihe von Gründen relativ kompliziert, unter anderem weil einige der verwendeten Gase sehr toxisch sind und von der übrigen Anlage entfernt gehalten werden müssen, sowie wegen der Tatsache, dass einige Gase vorgemischt sein können und aufgrund von Reaktionen in der Gasphase andere Gase nicht vorgemischt werden können.
2 ist ein idealisierter Querschnitt eines Wolframsilicid-Films 29 in der abgeschiedenen Form in einem CVD-Reaktor auf einem Substrat 31. Die Erfinder haben entdeckt, dass in vielen, wenn nicht in den meisten kommerziellen Prozessen eine sehr dünne Schicht (33, 35) (im typischen Fall mit einer Dicke von wenigen Atomdurchmessern, jedoch mit einer von Fall zu Fall variierenden Dicke) aus reinem Wolfram oder einem wolframreichen Film auf beiden Seiten der gezielt abgeschiedenen Wolframsilicid-Schicht 29 bei Wafern anzutreffen sind, die in kommerziell verfügbaren Reaktoren bearbeitet werden. Die Erfinder haben ebenfalls entdeckt, dass die wolframreichen Filme in einigen Fällen erhabener waren als andere, und die Erfinder haben mit Erfolg die verursachenden Faktoren isoliert. Ferner sind die wolframreichen Filme mit der mechanischen Spannung im abgeschiedenen Zustand im speziellen in Korrelation gebracht worden. Das Vorhandensein dieser wolframreichen Filme war entweder auf der Substratseite oder der offenen Seite des Wolframsilicid-Films oder auf beiden Seiten erhöht nachgewiesenermaßen messbar die mechanische Spannung im abgeschiedenen Zustand.
Durch sorgfältige experimentelle Untersuchung haben die Autoren die Quellen für die wolframreichen Filme auf beiden Seiten von gezielt abgeschiedenen Filmen isoliert. Die Fakten sind folgende:

1. Wenn ein Wafer vor einem Prozesszyklus auf einem beheizten Heiztisch gebracht wird und die Transfertür geschlossen wird, wird der Wafer mit seiner im Vergleich zu dem Heiztisch geringen thermisch wirksamen Masse rasch auf Prozesstemperatur aufgeheizt. Darüber hinaus ist in den mit WF₆ verwendeten Reaktoren das in der vermutlich ausgepumpten Kammer noch vorhandene Gas auf einem endlichen Partialdruck. Dieses ist darauf zurückzuführen, dass WF₆ ähnlich wie Wasserdampf an den Abzweig- und Kammerflächen haftet und nur langsam verdampft und abgepumpt wird. Dieses ist ein Phänomen, das auf dem Fachgebiet als Ausgasen und in Bezug auf beispielsweise Wasserdampf relativ gut bekannt ist. Als Ergebnis des Vorhandenseins von WF₆ und einer entsprechenden Wafertemperatur wird eine dünne Schicht Wolfram oder ein sehr dünner wolframreicher Film abgeschieden, bevor die geplanten Abscheidungsschritte in Angriff genommen werden.
2. Am Ende der vorgesehenen Abscheidungsschritte, wenn die Prozessgase abgeschaltet werden und das Auspumpen vorgenommen wird, ist WF₆ wiederum als Rückstand in dem Reaktor vorhanden, und durch Ausgasen aus den Oberflächen in den Abzweigungen und der Reaktorkammer wird auf der Oberseite des vorgesehenen Wolframsilicid-Films ein weiterer dünner wolframreicher Film abgeschieden.
3. Wenn bei Start der vorgesehenen Bearbeitungsschritte WF₆ und das reduzierende Gas (beispielsweise Silan, Disilan, Dichlorsilan) gleichzeitig eingeschaltet werden, besteht eine begrenzte Möglichkeit dafür, dass eine geringe Menge an WF₆ die Waferoberfläche vor dem reduzierenden Gas erreichen wird, womit der anfängliche wolframreiche Film noch stärker wird.
4. Wenn am Ende der vorgesehenen Bearbeitungsschritte WF₆ und das reduzierende Gas gleichzeitig abgeschaltet werden, besteht eine begrenzte Möglichkeit dafür, dass WF₆ in der Kammer länger zurückbleibt als das reduzierende Gas, oder dass das Verhältnis von WF₆ zu dem reduzierenden Gas zu einem Zeitpunkt sehr viel größer sein wird als erwartet und der wolframreiche Postprozess-Film noch stärker wird.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben mithilfe von Methoden der Filmanalyse und Experimenten das Vorhandensein von wolframreichen Filmen vor und nach dem Prozess nachgewiesen sowie die Wirkung dieser unerwünschten Filme auf die Merkmale des Films im abgeschiedenen Zustand. Nachfolgend werden Methoden und ein Apparat zur Vermeidung dieser wolframreichen Schichten präsentiert und dadurch die Merkmale des abgeschiedenen Films verbessert.
Das vorstehend in einigen Aspekten beschriebene System von 1 hat zusätzlich zu den bereits diskutierten Elementen ein Absperrventil 27 in der Gaszuführungsleitung nach der Injektoreinheit und dem Durchflussregler. Ebenfalls gibt es einen mit Ventil versehenen Einlass 26 hinter dem Absperrventil 27. Da die Verteilereinheit in der Gasinjektoreinheit 25 notwendigerweise sehr viel länger und kompliziert ist, gibt es eine erhebliche Oberfläche, auf der WF₆ adsorbiert werden kann. Durch das Schließen von Ventil 27 nach Beendigung des Prozesses und indem es während der gesamten Zeit des Abpumpens und des Wafertransfers durch die Öffnung 28 geschlossen gehalten wird, haben die Erfinder entdeckt, dass wolframreiche Filme vor und nach dem Prozess auf ein Minimum gehalten werden können. Es ist festgestellt worden, dass der Wert für die mechanische Spannung im abgeschiedenen Zustand für Filme, die unter Bedingungen abgeschieden wurden, worin ein Ventil 27 verwendet wurde, wie es beschrieben wurde, wesentlich kleiner ist als wenn das Ventil verwendet wird. Beispielsweise betrug in einem Prozess zum Abscheiden eines Wolframsilicid-Films unter Verwendung von Dichlorsilan als das reduzierende Gas, die mechanische Spannung im abgeschiedenen Zustand, die in einem System gemessen wurde, worin ein Absperrventil, wie das Ventil 27 nicht zur Anwendung gelangte, mehr als 1,4 E10 dyn/cm², während die mechanische Spannung im abgeschiedenen Zustand in einem ähnlichen System, in welchem ein Absperrventil wie das Ventil 27 verwendet wurde, mit kleiner als 1 E10 dyn/cm² gemessen wurde.
3 ist ein Fließschema, welches kombinierte Ausführungsformen veranschaulicht. Die Schritte in einem Zyklus lassen sich von einer beliebigen einfachen Stelle durch einen gesamten Zyklus beschreiben, da sich die Zyklusfolge wiederholt. Aus Gründen der Einfachheit beginnt die Beschreibung von 3 an der Stelle (Schritt 37), wo die vorgesehenen Prozessschritte beendet sind. An dieser Stelle wird der Gasfluss eingestellt, ausser für das reduzierende Gas. Der Fluss des reduzierenden Gases wird fortgesetzt, um einen hohen Anteil von reduzierendem Gas an etwaigem Rest-WF₆ in dem Reaktor zu gewährleisten, womit sichergestellt wird, dass jegliche fortgesetzte Abscheidung nicht wolframreich ist.
In einigen Fällen ist nachgeschaltet ein mit Ventil versehener Einlass für reduzierendes Gas (siehe Element 26 von 1) vorgesehen, in welchem Fall das Absperrventil 27 geschlossen und der mit Ventil versehene Einlass 26 geöffnet sind. Dieser Umstand wird dargestellt durch Schritt 39 von 3. Der Nachfluss von reduzierendem Gas wird für eine gewisse Zeitdauer fortgesetzt, was durch Schritt 41 dargestellt wird.
Bei Schritt 43 wird der Nachfluss des reduzierenden Gases angehalten und bei Schritt 45 das Auspumpen der Kammer vorgenommen. Bei Schritt 47 wird das Schlitz-Transferventil (Elementen Nummer 28 in 1) geöffnet und der fertige Wafer entnommen und bei Schritt 49 ein neuer Wafer eingesetzt. Das Schlitzventil wird wiederum nach dem Wafertransfer bei Schritt 51 geschlossen. Die Pumpgeschwindigkeit wird sodann gedrosselt (Schritt 53) und der Vorfluss an reduzierendem Gas unmittelbar bei Schritt 55 gestartet. Bei Schritt 56 wird das Absperrventil 27 wiederum geöffnet und bei Schritt 57 der Fluss des Prozessgases gestartet und kann mit unterschiedlichen Mengen und verschiedenen Gasen durch alle konventionellen Prozessschritte fortgesetzt werden, die eingerichtet sind, bis der gewünschte Film gebildet ist. Der Prozessfluss kehrt sodann zu Schritt 37 zurück, wo der Fluss des Prozessgases wiederum am Ende der Bearbeitung eingestellt wird.
Der Vorfluss von reduziertem Gas, der Nachfluss von reduziertem Gas und die Verwendung des Absperrventils, um ein Ausgasen aus den Abzweigungen in den CVD-Reaktor hinein auf ein Minimum zu halten, haben insgesamt von Seiten der Erfinder den Effekt von mechanischer Filmspannung in abgeschiedenen Zustand demonstriert.
Es ist nicht allein die mechanische Filmspannung, die in der Praxis der Ausführungsformen der Erfindung beeinflusst wird. Die Erfinder haben ebenfalls entdeckt, dass die bisher nicht vermutete Gegenwart von WF₆ ohne ausreichend reduzierendes Gas zu Beginn und am Ende der konventionellen Bearbeitung für einen erheblichen Anteil an Wurmlochbildung verantwortlich ist, da das WF₆ durch das Silicium oder die Polysilicium-Materialien auf dem Wafer reduziert wird. Darüber hinaus verringert die Ausführung der vorliegenden Erfindung, da sie Filme mit hohem Wolframgehalt verringert oder eliminiert, deren Vorhandensein an den Grenzflächen der Wolframsilicid-Filme festgestellt wird, auch die Abscheidung von wolframreichen Material mit hoher mechanischer Spannung auf den Wänden der CVD-Reaktorkammern und gewährt einen sauberen Prozess, der häufiger wiederholt werden kann, bevor eine Kammerwartung erforderlich ist.
Ein anderer Effekt des Vorhandenseins von wolframreichen Filmen vor und nach dem Prozess ist die Bildung von Hohlräumen während der Oxidationsprozesse, die den vorstehend diskutierten Abscheidungsschritten folgt. Im Verlaufe derartiger Oxidationsprozesse diffundieren überschüssige Siliciumatome in dem Wolframsilicid-Film durch den Silicid-Film hindurch zur Oberfläche und nehmen an der Oxidationsreaktion teil. Wenn für die Oxidation Silicium unzureichend verfügbar ist, was dann der Fall ist, wenn ein wolframreiches Wolframsilicid entweder an der Oberfläche vorhanden ist oder an der Grenzfläche Polysilicium/Silicid, dann besteht eine Neigung 1) zur Hohlraumbildung oder 2) Wolframoxid-Bildung.
Hohlräume werden an der Grenzfläche des Polysiliciums/Silicids nukleiert, wenn die einzige verfügbare Quelle für Silicium für den Oxidationsprozess das darunter liegende Polysilicium ist. Wenn Silicium von dem Polysilicium zu der Oberfläche durch defekte oder Nadellöcher in dem nativen Oxid transportiert wird, das auf dem Polysilicium vorhanden ist, werden Hohlräume erzeugt.
Wenn das Oxid an der Grenzfläche Polysilicium/Silicid intakt ist und eine bestimmte Dicke hat, die eine Diffusion des Siliciums von dem Polysilicium verhindert, dann besteht für das Wolfram in dem Wolframsilicid-Film die Neigung, während des Oxidationsprozesses Wolframoxid zu bilden. Wolframoxide sind unstabil und flüchtig und führen oftmals zu einer Delamination des Wolframsilicid-Films.
Beide vorstehend beschriebene Fälle lassen sich verhindern, indem eine Abscheidung eines wolframreichen Films nach der Abscheidung von Wolframsilicid vermieden wird. Noch effektiver ist sogar ein Verfahren, bei dem eine siliciumreiche äußere Oberflächenschicht von Wolframsilicid abgeschieden wird, worin der überschüssige Siliciumgehalt demjenigen angepasst ist oder einen solchen überschreitet, der für den Oxidationsprozess erforderlich ist. Beispielsweise erfordert das Oxidieren von Silicium bei 850°C für 30 Minuten näherungsweise 5E15 Atome/cm³ überschüssiges Silicium in der äußeren Filmschicht. Sämtliches Silicium, das für den Oxidationsprozess benötigt wird, ist in diesem Reaktionsschema lokal verfügbar, und es gibt keine treibende Kraft um zu bewirken, dass Siliciumatome von dem darunter liegendem Polysilicium oder Wolframatome von dem Wolframsilicid-Film migrieren.
Beim derzeitigen Stand ist das Problem der Hohlraumbildung auf eine Abscheidung von Polysilicium in einem separaten Prozess direkt auf eine zuvor abgeschiedene Wolframsiliciumschicht zurückgeführt worden. Auf dem Fachgebiet ist ebenfalls bekannt, in situ einen Film von Polysilicium auf eine Schicht von Wolframsilicid abzuscheiden, um eine Hohlraumbildung zu vermeiden. In der vorliegenden Erfindung werden jedoch in situ Schritte ausgeführt, um zu gewährleisten, dass der letzte Teil eines abgeschiedenen Wolframsilicid-Films nicht nur nicht wolframreich ist sondern auch bewusst siliciumreich.
Um zu gewährleisten, dass die äußere Schicht eines abgeschiedenen Wolframsilicid-Films nicht wolframreich ist, werden die vorstehend in Verbindung mit 3 beschriebenen Schritte ausgeführt, wobei die Schritte des Nachflusses von reduzierendem Gas und die Verwendung eines Absperrventils eingehalten werden. Um noch für eine weitere Sicherheit zu Vermeidung einer Hohlraumbildung in der nachfolgenden oxidativen Überarbeitung zu sorgen, wird eine siliciumreiche Oberfläche an dem Wolframsilicid-Film geschaffen, indem der Fluss des reduzierenden Gases in dem letzten Teil der konventionellen Abscheidung von Wolframsilicid erhöht wird. Nimmt man beispielsweise ein Verhältnis des Silicium-führenden Gases zu WF₆ für eine konventionelle Bearbeitung zu einer Zeit t an, so wird in der vorliegenden Erfindung dieses Verhältnis während eines letzten Teils der Zeit t um vielleicht 10% erhöht, um zu gewährleisten, dass der letzte Teil des abgeschiedenen Films siliciumreich sein wird.
Ferner haben die Erfinder einen besonderen Vorteil in der Praxis der Erfindung in Verbindung mit der Erzeugung von Wolframsilicid-Filmen unter Verwendung von Dichlorsilan festgestellt. Die Hersteller haben herausgefunden, dass es wünschenswert ist, die Wärmebehandlungszeit und -temperatur soweit wie es machbar ist zum großen Teil herabzusetzen, da vertikale und laterale Elementabmessungen mit zunehmender Elementdichte Chip-Design abgenommen haben. Es ist bekannt, dass der spezifische elektrische Widerstand nach der Wärmebehandlung zu einem geringeren Maß abnimmt, wenn Wärmebehandlungszeit und -temperatur verringert werden, und dass der spezifische elektrische Widerstand nach der Wärmebehandlung eine Funktion des spezifischen Widerstandes im abgeschiedenen Zustand und des Verhältnisses von Silicium zu Wolfram (Si:W) ist. Leider erzeugen jedoch die gleichen Schritte, die den spezifischen elektrischen Widerstand im abgeschiedenen Zustand verringern, jedoch eine höhere mechanische Spannung im abgeschiedenen Zustand, was eine höhere Wärmebehandlungstemperatur und eine längere Wärmebehandlungszeit erforderlich macht.
Durch die Praxis der vorliegenden Erfindung kann Si:W verringert werden und andere Variablen so gehandhabt werden, dass der spezifische elektrische Widerstand im abgeschiedenen Zustand geringer ist, während die mechanische Spannung im abgeschiedenen Zustand ebenfalls niedrig gehalten wird. Ein geringer spezifischer elektrischer Widerstand im abgeschiedenen Zustand wird durch Verminderung des Gesamtdruckes der Kammer bis etwa 250 mTorr gewährt, was ein niedriges Si:W liefert. In der Wärmebehandlung wird demzufolge weniger Si benötigt, um aus dem Wolframsilicid-Film zu diffundieren, weshalb eine niedrigere als die übliche Temperatur zur Beendigung der Wärmebehandlung benötigt wird.
Für den Fachmann auf dem Gebiet wird offensichtlich, dass es zahlreiche Abänderungen und Alternativen an den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gibt. Beispielsweise gibt es zahlreiche Formen von Absperrventilen, die sich verwirklichen lassen und an einer anderen Stelle als der vorstehend dargestellten Stelle anordnen lassen. Darüber hinaus gibt es mehrere Möglichkeiten, wie man für eine Verringerung des Gas-Vorflusses und Nachflusses sorgen kann. Die Länge der Zeitdauer für derartige Flüsse des reduzierenden Gases wird ebenfalls in Abhängigkeit von einer Reihe von Umständen variieren, von denen die meisten mit der speziellen Anlagenkonfiguration zusammenhängen. In ähnlicher Weise gibt es zahlreiche andere Abänderungen, die vorgenommen werden könnten. Die Erfindung ist lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.

Claims

Verfahren zum Abscheiden eines Wolframsilicid-Films auf einem Substrat (31) in einer Kammer eines CVD-Reaktors (11) umfassend die Schritte: (a) Einführen von WF₆ und eines Silicium führenden reduzierenden Gases in die Kammer des CVD-Reaktors für eine erste Zeitdauer bei einem ersten Verhältnis von Silicium führendem reduzierendem Gas zu WF₆, um eine Abscheidung des Wolframsilicid-Films (29) auf dem Substrat (31) zu erzielen; sodann (b) Herstellen eines zweiten Verhältnisses von Silicium führendem reduzierenden Gas zu WF₆, das größer ist als das erste Verhältnis, für eine zweite Zeitdauer, die kürzer ist als die erste Zeitdauer, wodurch für eine siliciumreiche Schicht auf dem Wolframsilicid-Film (29) gesorgt wird; und danach (c) Anhalten des Stroms von WF₆ unter gleichzeitiger Fortführung des Stroms des Silicium führenden reduzierenden Gases ohne Unterbrechung für eine Zeitdauer nach dem Anhalten des WF₆.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt des Vorströmens des Silicium führenden reduzierenden Gases in die Kammer des CVD-Reaktors (11) vor dem Schritt (a), wodurch eine vorzeitige Bildung des wolframreichen Films (33, 35) auf dem Substrat (31) verhindert wird, bevor die geplanten Verfahrensschritte beginnen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (31) ein Halbleiterwafer in einer Herstellungsphase des Integrierten Schaltkreises ist.