DE4237587A1 - - Google Patents

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Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Kontakttechnolo­ gie bei der Halbleiterwafer-Verarbeitung, und ins­ besondere das Schaffen von Silicidschichten in Kontaktöffnungen zum Verringern des Kontaktwider­ stands.
Bei der Verarbeitung von integrierten Schaltungen muß ein Kontakt hergestellt werden zu isolierten, innerhalb eines Wafers/Substrats ausgebildeten aktiven Vorrichtungsbereichen. Die aktiven Vorrich­ tungsbereiche sind mittels elektrisch hochgradig leitfähiger Wege oder Leitungen verbunden, die über einem Isolatormaterial, das die Substratoberfläche bedeckt, angefertigt sind. Um eine elektrische Verbindung zwischen dem leitfähigen Weg und den aktiven Vorrichtungsbereichen zu schaffen, ist in dem Isolator eine Öffnung vorgesehen, um es dem leitfähigen Film zu ermöglichen, die gewünschten Bereiche zu berühren. Solche Öffnungen werden typischerweise als Kontaktöffnungen oder einfach als "Kontakte" bezeichnet.
Als sich die Abmessungen aktiver Bereiche bei Transistoren einem Mikrometer im Durchmesser näher­ ten, führten übliche Verfahrensparameter zu untole­ rierbar gesteigertem Widerstand zwischen dem akti­ ven Bereich oder der aktiven Fläche und der leit­ fähigen Schicht. Ein hauptsächlicher Weg, derarti­ gen Kontaktwiderstand zu verringern, ist die Bildung eines Metallsilicids über dem aktiven Be­ reich vor der Aufbringung des leitfähigen Films zur Bildung des leitfähigen Streifens. Ein übliches, gebildetes Metallsilicidmaterial 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 Kontaktöffnungen 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 selbst­ ausrichtend bezeichnet, da das TiSix nur dort ge­ bildet wird, wo das Titanmetall mit den aktiven 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 Titanmetal.
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 ist. 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 des zu bildenden Streifens aufge­ bracht. Der Silicidbereich 22, der gebildet wird, ist hochgradig leitfähig und schafft weniger elek­ trischen Widerstand zwischen dem Streifen und dem aktiven Bereich 14, als wenn der Silicidbereich 22 nicht vorhanden wäre. Die Bildung solcher Silicide, und insbesondere Titansilicid, sind beschrieben in Wolf et al., "Silicon Processing For The VLSI Era, Vol. 2 - Process Integration," Seiten 143-150.
Da die Vorrichtungsabmessungen weiterhin schrumpfen und die Kontaktöffnungen tiefer und schmäler wer­ den, werden die Kontaktwände vertikal, und den meisten der Metallabscheidungstechniken 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 maxi­ miert wird. Wie offensichtlich ist, ist das Ver­ hältnis 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, wie ge­ zeigt, versagt, einen nennenswerten Kontakt mit dem Bereich 14a herzustellen. Dementsprechend werden das gewünschte TiSix und der elektrische Kontakt nicht gebildet.
Es wäre wünschenswert, diese Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen positiven TiSix-Bereich auf den aktiven Bereichen 14 und 14a zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das chemische Dampfabscheidungsverfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 24. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden begleitenden Zeichnungen.
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 gleichförmigen Schicht aus TiSix 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 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, 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 des über dem Wafer abgeschie­ denen Films zu erhalten. Das bevorzugte Trägergas ist ein Edelgas wie Helium oder Argon, wobei die bevorzugte Flußgeschwindigkeit eines derartigen Gases von etwa 50 Standard Kubikzentimeter pro Minute (sccm) bis etwa 2000 sccm ist. Man glaubt, daß die am meisten bevorzugte Flußgeschwindigkeit etwa 150 sccm ist.
Der ausgewählte Druck ist bevorzugt etwa 150 mTorr bis etwa 100 Torr, wobei 400 mTorr am meisten be­ vorzugt ist. Solche Bedingungen werden im allgemei­ nen 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 Flußgeschwindigkeit für den metallorgani­ schen 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 metall­ organischen Titanvorläufers von etwa 5 sccm und eine SiH4-Flußgeschwindigkeit von etwa 400 sccm. Die Helium- oder Argonflußgeschwindigkeit ist unter solchen Bedingungen bevorzugt etwa 150 sccm, wobei die Temperatur und der Druck bei etwa 400°C bzw. etwa 400 mTorr gehalten werden. Unter derartigen Bedingungen wird der gewünschte Film bei einer ge­ schätzten Geschwindigkeit von etwa 50 Å bis etwa 100 Å pro Minute abgeschieden werden. Die bevorzug­ te Dicke des abgeschiedenen Films ist etwa 200 Å bis etwa 1000 Å.
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 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 (28)

1. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur Schaffung einer gleichförmigen Schicht (60) aus TiSix auf einem Halbleiterwafer (50) in einem che­ mischen Dampfabscheidungs-Reaktor, folgende Schrit­ te aufweisend:
Anordnen eines Wafers (50) innerhalb des Reaktors;
Einführen ausgewählter Mengen eines gasförmigen metallorganischen Vorläufers, gasförmigen Silans und eines Trägergases in den Reaktor; und
Halten des Reaktors bei einem ausgewählten Druck und einer ausgewählten Temperatur, die wirksam sind, den Vorläufer und das Silan zur Abscheidung eines Film auf dem Wafer (50) zur Reaktion zu bringen, wobei der Film TiSix enthält.
2. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenver­ hältnisses von metallorganischem Titanvorläufer zu Silan von 1 : 300 bis 1 : 10.
3. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach Anspruch 2, bei dem die Mengen an Gasen ausge­ wählt sind zur Schaffung eines Volumenverhältnisses von metallorganischem Titanvorläufer zu Silan von etwa 1 : 80.
4. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die aus­ gewählte Temperatur etwa 100°C bis etwa 500°C, und der ausgewählte Druck etwa 150 mTorr bis etwa 100 Torr ist.
5. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die ausge­ wählte Temperatur etwa 400°C und der ausgewählte Druck etwa 400 mTorr ist.
6. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Trä­ gergas mindestens ein Edelgas enthält, wobei die Menge an Trägergas etwa 50 sccm bis etwa 2000 sccm beträgt.
7. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenverhältnisses von metallorganischem Titanvorläufer zu Silan von 1 : 300 bis 1 : 10, und das Trägergas bei einer Flußgeschwindigkeit von etwa 50 sccm bis etwa 2000 sccm geliefert wird; und die ausgewählte Temperatur etwa 100°C bis etwa 500°C beträgt und der ausgewählte Druck etwa 150 mTorr bis etwa 100 Torr beträgt.
8. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Gase in dem Reaktor zur Abscheidung eines eine Mischung aus TiSix und TiN aufweisenden Films auf dem Wafer (50) zur Reaktion gebracht werden.
9. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das weiterhin den Schritt des Wärmebehandelns des abgeschiedenen TiSix-Films (60) aufweist, um Silicium aus dem Wafer (50) zu inkorporieren und dadurch den Kon­ taktwiderstand zu verringern.
10. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach Anspruch 9, bei dem das Wärmebehandeln in einer vorherrschend N2 oder NH3 enthaltenden Atmo­ sphäre ausgeführt wird.
11. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem der metallorganische Titanvorläufer im wesentlichen aus Ti(NR2)4 besteht, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus H und einem Kohlenstoff enthaltenden Radikal.
12. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenverhältnisses von metallorganischem Titan­ vorläufer zu Silan von 1 : 300 bis 1 : 10.
13. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die ausgewählte Temperatur etwa 400°C und der ausge­ wählte Druck etwa 400 mTorr sind.
14. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenverhältnisses von metallorganischem Titan­ vorläufer zu Silan von 1 : 300 bis 1 : 10 und die aus­ gewählte Temperatur etwa 400°C und der ausgewählte Druck etwa 400 mTorr ist.
15. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das Trägergas mindestens ein Edelgas enthält, und die Menge an Trägergas etwa 50 sccm bis etwa 2000 sccm beträgt.
16. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der metallorganische Titanvorläufer im wesentlichen aus Ti(N(C2H5)2)4 besteht.
17. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das weiterhin den Schritt der Wärmebehandlung des abgeschiedenen TiSix-Films (60) aufweist, um Silicium aus dem Wafer (50) zu inkorporieren und dadurch den Kon­ taktwiderstand zu verringern.
18. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der metallorganische Titanvorläufer im wesentlichen aus Ti(N(CH3)2)4 besteht.
19. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-18, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenverhältnisses von metallorganischem Titan­ vorläufer zu Silan von 1 : 300 bis 1 : 10.
20. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem die ausge­ wählte Temperatur etwa 400°C und der ausgewählte Druck etwa 400 mTorr sind.
21. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-18, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenverhältnisses von metallorganischem Titan­ vorläufer zu Silan von 1 : 300 bis 1 : 10 und die aus­ gewählte Temperatur etwa 400°C und der ausgewählte Druck etwa 400 mTorr sind.
22. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem das Trägergas mindestens ein Edelgas enthält und die Menge an Trägergas etwa 50 sccm bis etwa 2000 sccm beträgt.
23. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, das weiterhin den Schritt des Wärmebehandelns des abgeschiedenen TiSix-Films (60) aufweist, um Silicium aus dem Wafer (50) zu inkorporieren und dadurch den Kontaktwiderstand zu verringern.
24. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren zur Schaffung einer gleichförmigen Schicht (60) aus TiSix auf einem Halbleiterwafer (50) in einem che­ mischen Dampfabscheidungsreaktor, folgende Schritte aufweisend:
Anordnen eines Wafers (50) in dem Reaktor;
Einführen ausgewählter Mengen gasförmigen Ti(NR2)4- Vorläufers, gasförmigen Silans und eines Trägerga­ ses in den Reaktor, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus H und einem Kohlenstoff enthaltenden Radikal, die Mengen an Ti(NR2)4-Vor­ läufer und Silan in einem Volumenverhältnis von Ti(NR2)4 zu Silan von 1 : 300 bis 1 : 10 vorgesehen sind und, die Menge an Trägergas etwa 50 sccm bis 200 sccm beträgt und mindestens ein Edelgas ent­ hält; und
Halten des Reaktors bei einem ausgewählten Druck und einer ausgewählten Temperatur, die wirksam sind, um den Vorläufer und das Silan zur Abschei­ dung eines Films auf dem Wafer (50) zur Reaktion zu bringen, wobei der Film eine Mischung aus TiSix und TiN enthält, die ausgewählte Temperatur etwa 100°C bis etwa 500°C beträgt und der ausgewählte Druck etwa 150 mTorr bis etwa 100 Torr beträgt.
25. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach Anspruch 24, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenverhält­ nisses von Ti(NR2)4-Vorläufer zu Silan von etwa 1 : 80, und die Menge an Trägergas etwa 50 sccm bis etwa 2000 sccm beträgt.
26. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach Anspruch 24 oder 25, weiterhin aufweisend den Schritt des Wärmebehandelns des abgeschiedenen TiSix-Films (60), um Silicium aus dem Wafer (50) zu inkorporieren und dadurch den Kontaktwiderstand zu verringern.
27. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem der Ti(NR2)4-Vorläufer im wesentlichen aus Ti(N(CH3)2)4 besteht.
28. Chemisches Dampfabscheidungsverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem die Mengen an Gasen ausgewählt sind zur Schaffung eines Volumenverhältnisses von Ti(NR2)4-Vorläufer zu Silan von etwa 1 : 80, und die Menge an Trägergas etwa 50 sccm bis etwa 2000 sccm beträgt.
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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