FR2554132A1 - Procede de depot de siliciure metallique par depot de vapeur chimique, exalte par du plasma - Google Patents

Procede de depot de siliciure metallique par depot de vapeur chimique, exalte par du plasma Download PDF

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Abstract

PROCEDE DE DEPOT DE MINCES COUCHES CONDUCTRICES DE SILICIURE DE TITANE A FAIBLE RESISTIVITE. ON DEPOSE CONJOINTEMENT LE TITANE ET LE SILICIUM PAR DEPOT DE VAPEUR CHIMIQUE EXALTE PAR DU PLASMA. UN RECUIT A UNE TEMPERATURE SUPERIEURE A CELLE DU DEPOT REDUIT ENSUITE LA RESISTIVITE DE LA COUCHE. APPLICATION NOTAMMENT EN MICRO-ELECTRONIQUE.

Description

255413 2
L'invention a trait au dépôt de couches de siliciure métallique
et plus particulièrement au dép8t à basse température de couches de sili-
ciure de titane obtenues par le dép8t de vapeur chimique, activé par du plasma. Jusqu'à présent, des dispositifs à circuits intégrés ont fait un usage intensif de couches de polysilicium, aussi bien pour les grilles à autoréglage pour transistors à effet de champ que pour les interconnexions entre différents composants. Il était conventionnel de doper le silicium polycristallin déposé avec des éléments donneurs ou accepteurs afin de réduire sa résistivité jusqu'à la gamme de un milli- ohm/cm. Etant donné que l'épaisseur du film est limitée à un maximum de 0, 5 micron, afin de
permettre la reproductibilité ainsi qu'une couverture raisonnable pas-à-
pas, il est difficile d'obtenir des résistances de plaque inférieures à environ 20 ohms par cm carré. Une telle valeur est trop élevée pour des circuits intégrés complexes et à haut rendement car les chutes ohmiques sont trop importantes. Par conséquent, beaucoup d'efforts ont été faits
dans la recherche de siliciures métalliques réfractaires ayant des résis-
tivités volumétriques comprises entre 10 et 100 microohm/cm. De telles
valeurs permettraient de maintenir les résistances de plaque dans la gam-
me d'un ohm par cm carré, et par conséquent d'accroître sensiblement le
rendement dans des applications aux circuits intégrés.
Bien que des siliciures de titane, de tantale, de tungstène et de molyldène aient été préparés en utilisant un certain nombre de techniques et que leurs résistivités aient été réduites, la reproductibilité tant de la résistivité que de l'épaisseur s'est révélée mauvaise, tandis qu'il était difficile de faire des films et que la couche avait tendance à
"peler" en cas d'excursions thermiques. Il est connu de déposer conjointe-
ment, sous vide, du silicium et un métal réfractaire, puis de faire réagir le mélange pour obtenir le siliciure de riÈtal. Parmi d'autres problèmes qui se posent, il faut généralement opérer à haute température; or, cela
est indésirable du point de vue du mouvement de jonction dans des dispo-
sitifs de jonction relativement minces. De même, il est connu de déposer
des siliciures métalliques réfractaires à partir d'espèces chimiques ré-
actives gazeuses comprenant du silicium et un métal réfractaire approprié.
Dans ce cas également il peut être nécessaire de recourir à de hautes tem-
pératures pour obtenir la réaction, et du fait que les espèces gazeuses
se décomposent essentiellement à des températures différentes, il est ex-
trêmement difficile de réaliser un dépôt uniforme sur un grand nombre de pièces. En outre, il est connu de déposer un métal, tel que le titane, sur -2 différents types de substrats en utilisant le procédé de dépôt par vapeur chimique exalté par le plasma; toutefois, par exemple dans la publication
intitulée "Titanium Deposition Onto Copper Substrates Using the Cold-Plas-
ma Technique" par Rudes et al., pages 339 à 343 du Journal 1982 (Vol.9) "Thin Solid Films", il est indiqué que la couche de titane déposée n'était pas très pure (les impuretés étant le cuivre et le chlore), et qu'elle était poreuse. Cette publication ne mentionne ni le besoin, ni le désir de déposer une couche de siliciure de titane, pas plus qu'elle ne décrit
ou suggère le fait que toute couche d'alliage à base de titane, par exem-
ple du siliciure de titane, ainsi déposée serait capable de subir un re-
cuit à une température aussi basse que 6000C et aussi d'être pratiquement non-poreuse et d'une pureté relativement élevée, tout en étant facilement
reproductible dans une fabrication en grande série.
Il existe donc une nécessité de trouver un procédé économique pour effectuer le dépôt à basse température ainsi que le recuit de siliciures
métalliques à faible résistivité, à haut degré de pureté, à porosité rela-
tivement faible, avec d'excellentes reproductibilité et uniformité, et qui
convient par ailleurs pour des applications microélectroniques.
Conformément à un mode de réalisation de l'invention, l'un des buts de celle-ci consiste à prévoir un procédé pour le dép8t, par vapeur chimique, d'un film à faible résistivité comprenant un siliciure de métal réfractaire. Un autre but de l'invention consiste à prévoir un procédé pour
effectuer le dép8t, par vapeur chimique, de siliciure de titane.
Par ailleurs, l'invention a pour but de prévoir un procédé de dé-
p8t, par vapeur chimique, de siliciure de titane à des températures rela-
tivement basses.
En outre, l'invention a pour but de prévoir un procédé de dép8t, par vapeur chimique, de couches reproductibles de siliciure de titane,
ces couches ayant une faible résistivité de plaque.
Cependant, un autre but de l'invention consiste à prévoir un film conducteur à faible résistivité, comprenant du siliciure de titane et qui
convient pour des applications microélectroniques.
Conformément à un mode de réalisation de l'invention, il est dé-
crit un procédé de dép8t par vapeur chimique, exalté par le plasma, d'un
film à faible résistivité comprenant un siliciure de métal réfractaire.
Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, il est dé-
crit un procédé de dép8t, par vapeur chimique, éxalté par le plasma, d'un
film à faible résistivité comprenant du siliciure de titane.
- 3 - Selon un autre mode possible de réalisation de l'invention, il est décrit un procédé de dép8t par vapeur chimique, exalté par le plasma, d'un film composite comprenant des couches de silicium et de siliciure de
titane afin d'obtenir des couches conductrices à faible résistivité, adhé-
rentes et à grain fin, destinées à être utilisées dans la fabrication de
composants microélectroniques.
Ces différents buts, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres encore, propres à la présente invention, ressortiront davantage
à la lecture de la description plus détaillée qui suit.
Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, on effectue
le dép8t d'un film de siliciure de titane, qui est en substance du disili-
ciure de titane, en opérant par dép8t de vapeur chimique. Les types pré-
férés de réactifs sont le silane (SiH4) et le tétrachlorure de titane (TiCl4) qui sont véhiculés jusqu'à l'intérieur d'une chambre de réaction par un gaz porteur inerte tel que l'argon. Attendu que le SiH4 et le TiCl4
se décomposent à des températures différentes, une décomposition thermi-
que est inapplicable pour produire des films ayant des compositions et
épaisseurs uniformes sur une zone réactionnelle étendue. Suivant la pré-
sente invention, la réaction de décomposition se déroule dans un plasma
à une température relativement basse, grace à un champ électrique alter-
natif, en appliquant un procédé désigné en général par l'expression
"dépôt par vapeur chimique exalté par le plasma" (PECVD pour Plasma-
enhanced chemical vapor deposition).
Le point de départ du procédé suivant l'invention réside dans l'agencement d'une chambre évacuable de réaction qui comprend des moyens destinés à supporter et chauffer les pièces destinées à recevoir le dépôt, celles-ci pouvant être, par exemple, des substrats microélectroniques. Un tel appareil est décrit plus en détail par exemple dans le brevet US n 4 223 048 délivré le 16 Septembre 1980 à George Engle, un co-inventeur de la présente invention. De plus, l'appareil doit comporter des moyens
capables d'entretenir une décharge de plasma à proximité de la pièce. Ce-
la s'obtient en appliquant un signal à radio-fréquence entre des électro-
des placées -près des pièces à traiter. De préférence, ce signal à radio-
fréquence sera pulsé à une cadence comparable au temps de passage des es-
pèces réactives sur les pièces afin d'obtenir un dépôt uniforme sur un grand nombre de ces pièces. On trouvera davantage de détails concernant cette technique en se référant au brevet US n 4 401 507 délivré le 30
Août 1983, également à George Engle.
Le dépôt peut s'opérer sous vide, dans la gamme d'un torr. On a -4 constaté qu'il était possible d'obtenir des dépôts satisfaisants avec des rapports SiH4 /TiCl4 compris entre 2 et 10. Les combinaisons de faible grosseur de grain et de faible résistivité ont été obtenues en effectuant
des dépôts à 4500C, suivis d'un recuit atmosphérique au voisinage d'envi-
ron 600 à environ 700 C. L'un des avantages qu'offre ce type de dépt est qu'il produit un film déposé de siliciure de titane à grain fin, ce qui est préférable pour des considérations de sensibilité au décapage et de recouvrement des bords. Avec ce procédé, des films de siliciure de titane d'une épaisseur de 2000 A possèdent des résistances de plaque sensiblement
inférieures à un ohm par cm carre.
Des substrats microélectroniques caractéristiques présentent cer-
taines zones o le silicium est à nu et d'autres recouvertes d'une couche
isolante, par exemple en dioxyde de silicium. On a découvert que la ré-
sistance de plaque d'un dép8t déterminé de siliciure de titane est infé-
rieure sur le silicium à ce qu'elle est sur l'oxyde, peut-être en raison de l'incorporation du silicium au cours de la phase de recuit. De même,
le siliciure de titane a davantage tendance à se troubler ou à peler lors-
qu'il est déposé sur l'oxyde. Pour obtenir un dép8t optimal pour des ap-
plications électroniques, on a constaté qu'il est commode de déposer une mince couche (par exemple de 300 à 600 A) de silicium amorphe avant de procéder au dépôt du siliciure. D'une façon analogue, une mince couche de o
silicium amorphe (par exemple de 300 A) appliquée après le dép8t de sili-
ciure sert à protéger la partie siliciure contre les effets nocifs de l'oxygène et de l'azote pendant le recuit à 6500C. Avant le dépôt, on a constaté qu'il est efficace de chauffer les pièces à traiter dans de l'hydrogène et de les décaper dans un plasma de C2 F6 sous argon pendant environ quatre minutes. Il semble que ce processus diminue le voile tout
en améliorant l'adhérence des films déposés.
Des exemples-types de conditions particulières prévues pour le dépôt d'un film à trois couches, du genre décrit plus haut, sont indiqués ci-dessous. Couche Temp.e Press. Ecoul. de Ecoul. de Ecoul.d' Radio-fréCe. Temps oC torr SiH4 TiCl4 argon en circuit/
sccm sccm sccm hors circuit mn.
m/sec
1 450 0,75 248 0 840 9/24 6
2 450 0,75 248 75 1200 11/35 18
3 450 0,75 248 0 840 9/24 3
Cette séquence produit une première couche de silicium amorphe O
d'une épaisseur d'environ 600, une seconde couche de siliciure de tita-
o ne d'environ 1800 A et une troisième couche de silicone amorphe d'environ o 300 A. Un des avantages qu'offre le procédé de dépot suivant l'invention, avec ses trois couches déposées et distinctes, réside dans le fait que ce dépôt adhère parfaitement au substrat sous-jacent composé de silicium ou de dioxyde de silicium. Après un recuit ambiant à 6500C, la résistivité de plaque se situerait dans la gamme de 0,5 à 1 ohm par cm carré. Des couches plus minces de siliciure de titane donnaient des valeurs plus
élevées de résistivité de plaque. Celle-ci était insensible à des écou-
lements de TiCl4 compris dans la gamme de 30 à 90 sccm, mais à 75 sccm on obtenait les films les plus clairs après recuit. L'analyse du film déposé ne révélait pratiquement aucune concentration d'oxygène, tandis
que le rapport silicium/titane était très proche de 2.
Calculée d'après la valeur mesurée de la résistance d'un ohm par o cm carré et l'épaisseur de 1800 A du diliciure de titane, sa résistivité est inférieure à 18 microohm/cm, ce qui équivaut en substance à la valeur obtenue avec du disiliciure de titane moyen que l'on aurait fait réagir à des températures beaucoup plus élevées. Calculée d'après l'épaisseur totale de 2400 A du film conducteur à trois épaisseurs ou couches, sa
résistivité moyenne est inférieure à 24 microohm/cm. Ainsi, avec le pro-
cédé de dép8t décrit ci-dessus on peut obtenir des films minces ayant une
faible résistance de plaque.
Bien que l'invention ait été décrite en se référant plus particu-
lièrement à des modes préférés de réalisation, il apparaîtra clairement
à tout spécialiste dans l'art que diverses modifications peuvent être ap-
portées à l'invention sans s'écarter toutefois des principes de base de celle-ci.

Claims (9)

REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S
1. Procédé de dép8t de siliciure de titane à basses températures, caractérisé par le dépôt par vapeur chimique, exalté par du plasma, d'une
espèce de silicium gazeux et d'une espèce de titane gazeux.
2. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que
ladite espèce de silicium gazeux comprend du silane et que ladite espèce
de titane gazeux comprend du tétrachlorure de titane.
3. Procédé selon la Revendication 2, caractérisé par le fait que le rapport entre le silane et le tétrachlorure de titane est situé entre
deux et dix.
4. Procédé selon l'uns quelconque des Revendications 1 à 3, carac-
térisé par le fait que le dépôt s'effectue sous basse pression et que la-
dite espèce de silicium gazeux et ladite espèce de titane gazeux sont dé-
posées conjointement.
5. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que l'on forme une couche composite comprenant du siliciure de titane sur un substrat, et qu'il comprend en outre les phases qui consistent à
a) déposer une mince couche de silicium amorphe sur ledit subs-
trat, et b) déposer une couche dudit siliciure de titane sur ladite
mince couche de silicium amorphe en faisant réagir ladite espèce de sili-
cium gazeux et ladite espèce de titane gazeux dans dil plasma.
6. Procédé selon la Revendication 5, caractérisé en outre par le dép8t d'une seconde couche de silicium sur ladite couche de siliciure de
titane.
7. Procédé selon la Revendication 5, caractérisé en outre par le recuit de ladite couche conductrice composite à une température supérieure
à la température à laquelle on effectue lesdites phases de dép8t.
8. Procédé selon la Revendication 7, caractérisé par le fait que
le recuit s'effectue à une température comprise entre environ 600 et envi-
ron 7000 C.
9. Procédé selon la Revendication 5, caractérisé par le fait que
ladite couche conductrice comprenant du siliciure de titane a une résis-
tivité inférieure à environ 24 microohm/cm.
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