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 Schicht

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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
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.
DE4237587A 1991-11-08 1992-11-06 Chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur Schaffung einer vorherrschend TiSi¶x¶ enthaltenden, elektrisch leitfähigen Schicht Expired - Lifetime DE4237587C2 (de)

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