DE3439853A1 - Verfahren zum niederschlagen von metallsilizidschichten auf ein substrat - Google Patents

Verfahren zum niederschlagen von metallsilizidschichten auf ein substrat

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Description

Verfahren zum Niederschlagen von Metal1-silizidschichten auf ein Substrat.
Die Erfindung bezieht sich auf das Ablagern oder Niederschlagen von Metallsilizidschichten, und insbesondere auf .das Niederschlagen von Titansilizidschichten bei niedrigen Temperaturen unter Anwendung des plasmaverstärkten chemischen Aufdampfens (plasma-enhanced chemical vapor
15 deposition).
Bisher wurde bei integrierten Schaltungen in großem Umfange von Polysiliziumschichten Gebrauch gemacht, u. zw. für selbstfluchtende Tore bei Feldeffekttransistoren und für elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten. Gewöhnlich wurde polykristallines Silizium mit gebräuchlichen Donator-oder Akzeptorelementen dotiert, um seinen spezifischen Widerstand in den Bereich von einem Milliohmzentimeter herabzusetzen. Da aus verschiedenen Gründen, z.B. der Ausbildung der Muster und der Erzielung einer vernünftigen Schritt- oder Stufendichte, auf maximal etwa 0,5 Mikron begrenzt ist, ist es schwierig, Schichtwiderstände von weniger als etwa 20 Ohm pro Quadrat zu erhalten. Ein solcher Wert ist für komplexe integrierte Schaltungen von hoher Leistung zu groß , weil die ohmschen Spannungsabfälle zu groß werden. Es wurde daher viel Mühe aufgewendet, um hitzebeständige Metallsilizide zu finden, die einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10 bis 100 Mikroohmzentimeter aufweisen. Solche Werte könnten Schichtwiderstände im Bereich von 1 Ohm pro Quadrat er-
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geben, was eine bedeutende Vergrößerung der Leistung bei integrierten Schaltungen ermöglichen würde.
Obzwar Suizide von Titan, Tantal, Wolfram und Molybdän mit Hilfe verschiedener Techniken hergestellt wurden und niedrige spezifische Widerstände zeigten, war die Reproduzierbarkeit sowohl hinsichtlich des spezifischen Widerstandes als auch hinsichtlich der Dicke schlecht, war es schwierig den Schichten bestimmte Muster zu geben und neigten die Schichten zum Ablösen unter thermischen Schwankungen. Es ist bekannt, gleichzeitig Silizium und ein hitzebeständiges Metall im Vakuum niederzuschlagen und dann das Gemisch zwecks Bildung des Metallsilizids zur Reaktion zu bringen. Ein Problem besteht unter anderem darin, daß gewöhnlich eine hohe ! Temperatur erforderlich ist; dies ist wegen der Bewegung der Übergänge bei flachen Einrichtungen mit übergängen nachteilig. Es ist auch bekannt, hitzebeständige Metallsilizide aus gasförmigen Reaktionsstoffen , die Silizium und ein passendes hitzebeständiges Metall umfassen, niederzuschlagen. Auch hier wieder sind hohe Temperaturen für die Rekation erforderlich, und da die gasförmigen Reaktionsstoffe typischerweise bei unterschiedlichen Temperaturen zerfallen, ist es überaus schwierig, einen gleichmäßigen Niederschlag über eine große Anzahl von Werkstücken zu erhalten. Des weiteren ist es bekannt, ein Metall, z.B. Titan, unter Verwendung eines Systems des plasmaverstärkten chemischen Aufdampfens auf Substrate verschiedener Art niederzuschlagen, doch wird z.B. in dem Artikel "Titanium Deposition Onto Copper Substrates Using the Cold-Plasma Technique" von Ruder et al in der Zeitschrift Thin Solid Films, Band 9, 1982, s. 339-343 berichtet, daß die aufgebrachte Titanschicht nicht sehr rein (Kupfer-und Chlorverunreinigungen) und porös war. In diesem Artikel findet sich kein Hinweis auf einen Bedarf oder Wunsch nach Ablagerung einer Titansilizidschicht,
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noch wird in irgendeiner Weise offenbart oder nahegelegt, daß irgendeine Schicht einer Titanlegierung wie beispielsweise Titansilizid, die auf die beschriebene Weise niedergeschlagen würde, bei einer niedrigen Temperatur von 600° Celsius ausgeglüht werden könnte, im wesentlichen unporös sein würde, eine relativ große Reinheit hätte und bei der Massenproduktion leichter reproduzierbar wäre. Es bestand daher ein Bedarf für die Schaffung eines wirtschaftlichen Verfahrens zum bei einer niedrigen Temperatur stattfindenden Niederschlagen und Ausglühen von hitzebeständigen Metallsiliziden, die einen niedrigen spezifischen Widerstand, einen hohen Reinheitsgrad, eine verhältnismäßig geringe Porosität, eine gute Reproduzierbarkeit und eine hervorragende Gleichmäßigkeit aufweisen und auch in anderweitiger Hinsicht für Anwendungen auf dem Gebiete der Mikroelektronik geeignet sind.
Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum chemischen Aufdampfen eines Films von kleinem spezifischen Widerstand '", der ein Metallsilizid mit einem hitzebeständigen Metall aufweist, zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum chemischen Aufdampfen von Titansilizid zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum chemischen Aufdampfen von Titansilizid bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen zu schaffen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum chemischen Aufdampfen von reproduzierbaren Titansilizidschichten mit kleinem spezifischen Schichtwiderstand zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist schließlich die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines für mikroelek-
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tronische Anwendungen geeigneten, Titansilizid aufweisenden, leitenden Films von niedrigem spezifischem Widerstand.
Eine Ausführungsform der Erfindung schafft ein Verfahren zum plasmaverstärkten chemischen Aufdampfen eines Films von kleinem spezifischen Widerstand, der ein Metallsilizid mit einem hitzebeständigen Metall aufweist.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung schafft ein Verfahren zum plasmaverstärkten chemischen Aufdampfen eines Films von kleinem spezifischen Widerstand, der Titansilizid aufweist.
Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum plasmaverstärkten chemischen Aufdampfen eines zusammengesetzten Films aus Silizium- und Titansilizidschichten zwecks Bildung bei der Fertigung mikroelektronischer Bauteile verwendbarer, festhaftender, fein gemusterter, leitender Schichten von kleinem spezifischen Widerstand.
Die vorstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden detaillierteren Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Film von Titansilizid, das im wesentlichen Titandisilizid ist, durch chemisches Aufdampfen niedergeschlagen. Die bevorzugten Reagenzstoffe sind Siliziumwasserstoff (SiH4) und Titantetrachlorid (TiCl4), die durch einen inerten gasförmigen Träger, z.B. Argon, in eine Reaktionskammer gebracht werden. Da SiH4 und TiCl4 bei unterschiedlichen Temperaturen zerfallen,ist der thermische Zerfall kein passendes Mittel, um Filme von gleichmäßiger Zusammensetzung und Dicke über eine ausgedehnte Reaktionszone zu
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.-Γ:-*:: i.Xi.:. 3439*53
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erzeugen. Gemäß der Erfindung findet die Zerfallsreaktion in einem Plasma bei verhältnismäßig niederen Temperaturen durch ein elektrisches Wechselfeld mittels eines Prozesses statt, der gewöhnlich als "plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen" (plasma-enhanced chemical vapor deposition = PECVD) bezeichnet wird.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Vorsehen einer evakuierbaren Reaktionskammer mit Mitteln zum Tragen und Erhitzen der Werkstücke für das Niederschlagen, wobei die Werkstücke beispielsweise mikroelektronische Substrate sein können. Solch eine Vorrichtung ist in näheren Einzelheiten z.B. in der US-PS 4,223,048 vom 16. September 1980 von George Engle , einem Miter-
!5 finder in Sachen der vorliegenden Erfindung, beschrieben. Der Apparat muß zusätzlich Mittel zum Aufrechterhalten einer Plasmaentladung in der Nähe des Werkstückes aufweisen. Dies wird durch Anlegen eines HF-Signales an eine in der Nähe des Werkstückes befindliche Elektrode erreicht.
Das HF-Signal wird vorzugsweise mit einer Rate gepulst oder getastet, die der Laufzeit der Reaktionsstoffe über die Werkstücke hinweg entspricht, um einen gleichmäßigen Niederschlag über eine große Zahl von Werkstücken zu erzielen. Nähere Einzelheiten dieser Technik sind in der am 30. August 1983 herausgegebenen US-PS 4,401,507 von George Engle beschrieben.
Die Ablagerung findet in einem Vakuum im Bereich von einem Torr statt. Es wurde gefunden, daß mit SiH./ TiCL.-Verhältnissen im Bereich von 2 bis 10 zufriedenstellende Niederschlage erhalten werden können.
Die Kombination einer kleinen Korngröße mit einem niedrigen spezifischen Widerstand ist das Ergebnis eines Niederschlagens bei 450 Grad Celsius mit anschließendem
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atmosphärischen Ausglühen in der Nähe von etwa 600 bis etwa 700 Grad Celsius. Ein Vorteil dieses Abscheidens besteht darin, daß es für den abgelagerten Titansilizidfilm zu einer relativ kleinen Korngröße führt, die im Hinblick auf die Ätzbarkeit und die Kantendichte bevorzugt wird. Titansilizidfilme mit einer Dicke von 2000 Ä haben bei einem solchen Prozess typische Schichtwiderstände von weniger als 1 Ohm pro Quadrat.
Typische mikroelektronische Substrate haben Bereiche von freiliegendem Silizium und andere Bereiche, die mit einem Isolator, z.B. einer Schicht von Siliziumdioxyd , abgedecktes Silizium aufweisen. Es wurde gefunden, daß der Schichtwiderstand eines gegebenen Titansilizid-Niederschlags über Silizium kleiner ist als über Oxyd, und zwar möglicherweise infolge einer Siliziumeinlagerung während des Glühprozesses. Außerdem ist das Titansilizid eher nebelartig und neigt eher zum Abschälen oder Abheben,wenn es über Oxyd abgelagert wird. Zur Optimierung des Niederschlags für mikroelektronische Anwendungen hat es sich als förderlich erwiesen, vor der Silizidablagerung eine dünne Schicht - z.B. 300 bis 600 A-von amorphem Silizium niederzuschlagen. In ähnlicher Weise dient eine dünne Schicht von amorphem Silizium - z.B. 300 A- im Anschluß an die Silizidablagerung der Isolierung des Silizidteiles gegen schädliche Wirkungen von Sauerstoff oder Stickstoff während des Glühprozesses bei 650 Grad Celsius. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Werkstücke vor dem Niederschlagen in Wasserstoff zu erhitzen und für etwa vier Minuten in einem C„ F--Argon-Plasma zu ätzen. Dieser
Δ D
Vorgang scheint die nebelartige Struktur herabzusetzen und die Haftfähigkeit des niedergeschlagenen Films zu vergrößern.
Beispielsweise spezifische Bedingungen für das Nieder-
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schlagen eines Films aus drei Schichten gemäß vorstehendem sind die folgenden:
Schicht Temp Druck SiH4-Fluß TiCL4-Fluß Argon-Fluß HF ein/aus Zeit 5
C torr scan scan scan msec min
1 450 ο,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
Diese Folge ergibt eine erste Schicht von amorphem Silizium mit einer Dicke von etwa 600 A , eine zweite Titansilizidschicht mit einer Dicke von etwa 1800 A und eine dritte Schicht von amoprhem Silizium mit einer Dicke von etwa
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xo 300 A. Ein Vorteil des angegebenen Ablagerungsprozesses mit seinen drei separat niedergeschlagenen Schichten besteht darin, daß der Niederschlag sehr gut an einem darunter befindlichen Substrat aus Silizium oder Siliziumdioxyd haftet. Im Anschluß an ein Ausglühen bei 650 Grad Celsius lag der spezifische Widerstand im Bereich von 0,5 bis 1 Ohm pro Quadrat. Dünnere Schichten von Titansilizid ergaben höhere spezifische Schichtwiderstände. Der spezifische Schichtwiderstand war unempfindlich gegen TiCL4-Flüsse im Bereich von 30-90 sccm, aber der Wert von 75 sccm ergab nach dem Ausglühen die klarsten Filme. Die Analyse der niedergeschlagenen Filme zeigt praktisch keine Sauerstoffkonzentration und ein Verhältnis Silizium/Titan von sehr nahe bei 2.
unter Zugrundelegung des gemessenen Widerstandswertes von
c 1 Ohm pro Quadrat und der Dicke von 1800 A des Titansilizids ist dessen spezifischer Widerstand kleiner als 18 Mikroohmzentimeter, ein Wert also, der im wesentlichen dem Wert entspricht, der für Bulk-Titandisilizid mit wesentlich höheren Reaktionstemperaturen erhalten wird. Ausgehend von
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der Gesamtdicke von 2400 A für den aus drei Schichten bestehenden leitenden Film, beträgt dessen mittlerer spezifischer Widerstand weniger als 24 Mikroohmzentimeter. Nach dem vorstehend beschriebenen Ablagerungsverfahren können somit dünne Filme mit kleinen Schichtwiderständen erhalten werden.
Die Erfindung wurde im Vorstehenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, und es ist offensichtlich, daß ein Durchschnittsfachmann zahlreiche Abwandlungen und Anpassungen vornehmen kann, ohne den Rahmen der grundlegenden Erfindung zu überschreiten.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zum Niederschlagen von Titansilizid bei niedrigen Temperaturen, gekennzeichnet durch plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen einer gasförmigen Siliziumspezies und einer gasförmigen Titanspezies.
    2. Verfahren nach Anspruch I^ dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Siliziumspezies Siliziumwasserstoff und die gasförmige Titanspezies Titantetrachlorid aufweist.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Siliziumwasserstoff (Silane) und Titantetrachlorid zwischen zwei und zehn liegt.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagen bei einem niedrigen Druck stattfindet und die gasförmige Siliziumspezies sowie die gasförmige Titanspezies gleichzeitig abgelagert werden.
    Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Bildung einer Titansilizid aufweisenden zusammengesetzten leitenden Schicht auf einem Substrat, wobei auf dem Substrat eine dünne Schicht von amorphem Silizium niedergeschlagen wird und auf der dünnen Schicht von amorphem Silizium eine dünne Schicht des Titansilizids dadurch niedergeschlagen wird, daß die gasförmige Siliziumspezies und die gasförmige Titan-
    -2-
    spezies in einem Plasma zur Reaktion gebracht werden.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekonnte zeichnet, daß auf der Schicht von Titansilizid eine zweite Schicht von Silizium niedergeschlagen wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte leitende Schicht
    Q bei einer Temperatur, die größer ist als die Temperatur, bei der die Verfahrensschritte des Niederschlagens oder Ablagerns durchgeführt werden, ausgeglüht wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausglühen bei einer Temperatur von 600 bis etwa 700 Grad Celsius durchgeführt wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Titansilizid aufweisende leitende Schicht einen spezifischen Widerstand von weniger als etwa 24 Mikroohmzentimeter hat.
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