Способ изготовления тонкопленочной металлической структуры вольфрама на кремнии

Изобретение относится к полупроводниковой микро- и наноэлектронике и может быть использовано в производстве интегральных схем, при формировании электродов в транзисторах и обкладок конденсаторов, при формировании контактов и проводящих областей на поверхности кремния, в качестве проводящих, термостабильных и барьерных слоев в системах металлизации. Сущность изобретения: способ изготовления тонкопленочной металлической структуры вольфрама на кремнии включает создание на подложке из кремния нанометрового подслоя адгезионного промотера и последующее нанесение тонкой пленки вольфрама методом газофазного химического осаждения по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом при пониженном давлении. В качестве адгезионного промотера используют силицид вольфрама W₅Si₃. Изобретение позволяет улучшить качество получаемой металлической структуры вольфрама на кремнии с одновременным упрощением технологического процесса. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковой микро- и наноэлектронике и может быть использовано в производстве интегральных схем (ИС): при формировании электродов в транзисторах и обкладок конденсаторов, при формировании контактов и проводящих областей на поверхности кремния, в качестве проводящих, термостабильных и барьерных слоев в системах металлизации. Газофазное химическое осаждение (CVD) вольфрама - основной процесс многоуровневой межконтактной металлизации вследствие хорошей конформности покрытий.

Известен способ изготовления тонкопленочной металлической структуры вольфрама на кремнии, включающий нанесение тонкой пленки вольфрама на кремний CVD-методом по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом в реакторе пониженного давления с активацией водорода [Маликов И.В., Плющева С.В., Шаповал С.Ю. «Газофазное осаждение тонких пленок вольфрама с применением ВЧ-активации», Высокочистые вещества, 1991, №4, с.177-182].

Однако при всех положительных свойствах вольфрамовой металлизации (вольфрам не подвержен электромиграции, устойчив к термическим воздействиям, отличается высокой термостабильностью, низкой активностью окисления, хорошей проводимостью и др.) пленки вольфрама имеют низкую структурную целостность и часто отслаиваются из-за плохой адгезии вольфрама к кремнию, что затрудняет их практическое использование в технологии ИС.

Известен способ изготовления тонкопленочной металлической структуры вольфрама на кремнии, принятый за прототип [Handbook of semiconductor manufacturing technology/ ed. Y.Nishi, R.Doering, Marcell Dekker Inc., N.Y., USA, 2000, p.342-345]. Способ включает нанесение тонкой пленки вольфрама методом газофазного химического осаждения по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом в реакторе пониженного давления с активацией водорода на подложку из кремния, покрытую нанометровым подслоем адгезионного промотера. В качестве промотера использовали нитрид титана толщиной 30-50 нм для улучшения адгезии пленки вольфрама к кремнию. Нанесение пленки нитрида титана (TiN) - самостоятельный процесс, который входит как дополнительная стадия в общую технологическую схему и требует дорогостоящего оборудования. Для получения пленок TiN применяют процессы реактивного магнетронного распыления либо с коллимацией, либо с ионизацией распыленных частиц.

Однако качество получаемых структур не всегда отвечает требованиям современной техники. Формирование подслоя TiN связано с использованием дополнительных реагентов, что нежелательно в технологии ИС, так как любой реагент - потенциальный источник загрязнений и непредсказуемый источник помех. Помимо TiN, на стадии зародышеобразования дополнительно вводят силан (SiH₄), что еще более усложняет технологический процесс.

Представленное изобретение решает задачу улучшения качества получаемой металлической структуры вольфрама на кремнии с одновременным упрощением технологического процесса.

Технический эффект при этом заключается в получении целостностных и стабильных гетероструктур благодаря формированию нанометрового подслоя силицида вольфрама (W₅Si₃) высокой плотности. Кроме того, происходит упрощение технологического процесса за счет совмещения в одном процессе стадий получения подслоя промотера и пленки вольфрама.

Поставленная задача достигается способом изготовления тонкопленочной металлической структуры вольфрама на кремнии, включающим создание нанометрового подслоя адгезионного промотера с последующим нанесением тонкой пленки вольфрама методом газофазного химического осаждения по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом на подложку из кремния при пониженном давлении. Новизна способа заключается в том, что в качестве адгезионного промотера используют силицид вольфрама W₅Si₃.

Силицид W₅Si₃ имеет структурное соответствие как к вольфраму, так и к кремнию, отличается высоким совершенством границы раздела пленка-подложка, что делает его хорошим адгезионным промотером вольфрама к кремнию. Кроме того, плотная структура силицида W₅Si₃ препятствует образованию других силицидов с более высоким содержанием кремния и более низкой проводимостью.

Подслой силицида вольфрама W₅Si₃ может быть получен любыми способами.

Наиболее технологично создание подслоя силицида вольфрама проводить обработкой кремниевой подложки перед нанесением пленки вольфрама парами гексафторида вольфрама в том же реакторе при температуре 100-200°С в течение 10-20 минут. В этих условиях образуется тонкий поверхностный слой активного кремния и благоприятное соотношение вольфрама к кремнию приводит к формированию стабильной плотной силицидной пленки постоянного состава W₅Si₃, которая является диффузионным барьером, как для гексафторида вольфрама, так и для кремния, что и приводит к прекращению реакции силицирования. В результате создается самоограниченный слой силицида W₅Si₃ толщиной ~20 нм с высокой проводимостью, который обеспечивает хорошую адгезию вольфрама.

Оптимальный вариант CVD-процесса - газофазное осаждение вольфрама по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом с использованием ВЧ-активированного водорода при температурах от 200°С и более.

Использование ВЧ-активированного водорода в процессе газофазного химического осаждения позволяет снижать температуру процесса до комнатной. Снижение температуры важное условие при формировании контактов к полупроводниковым слоям, особенно при переходе на наноуровни. Однако при таких условиях качественные пленки могут быть получены только при температурах более 200°С.

По предложенной технологии получены тонкие пленки вольфрама толщиной порядка 100 нм и удельным сопротивлением 8×10^-6 Ом×см, близким к сопротивлению объемного металла.

На чертеже представлен общий вид установки для изготовления тонкопленочной металлической структуры вольфрама на кремнии.

Установка состоит из следующих основных частей: кварцевый реактор 1, печь сопротивления 2 с контролируемым нагревом и точным поддержанием температуры с помощью ВРТ, кремниевые пластины 3, система вакуумирования 4, включающая азотные ловушки, форвакуумный насос и насос типа "Ruts" с приборами контроля вакуума «ВТ-2А» и «ВДГ-1», источник гексафторида вольфрама 5 с вентилем точной регулировки и датчиком давления, система подачи и очистки водорода 6 с установкой «Палладий 0,5» для очистки водорода за счет фильтрации через палладиевые фильтры, индуктор ВЧ-генератора 7 с частотой 13,56 МГц и мощностью до 500 Вт для возбуждения плазмы, датчик давления 8 для контроля давления парогазовой смеси в реакторе, система загрузки 9.

В качестве источника вольфрама использовали чистый гексафторид вольфрама, соответствующий ТУ 6-02-18-137-87.

В качестве подложек использовали пластины высокоомного кремния с ориентацией <100>.

Предварительно подложку из кремния обрабатывали парами гексафторида вольфрама в течение 10-20 минут при температуре 100-200°С.

Осаждения вольфрама проводили при пониженном давлении, варьируя температуру от 200 до 500°С в зависимости от типа CVD-процесса. В обычном режиме CVD-процесс протекает при температурах выше 350°С. Для снижения температуры осаждения пленок вольфрама использовали активацию водорода, что позволяет получать качественные пленки при температурах более 200°С.

Более высокие температуры процесса нежелательны в технологии формирования интегральных схем, так как приводят к дополнительным плохо контролируемым источникам структурных нарушений

Измерение толщины пленок проводили на профилометре Talystep. Электросопротивление пленок измеряли четырехзондовым контактным методом.

Изучение химических взаимодействий поверхностных слоев подложки кремния с пленкой вольфрама проводили методом тонкопленочной рентгеновской дифрактометрии.

Состояние поверхности образца контролировали с помощью атомно-силовой микроскопии (атомно-силовой микроскоп АСМ Р-04).

К тому же визуально контролировали наличие видимых дефектов и нарушение целостности покрытия.

Приведенные примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

Пример 1.

Получение тонких пленок вольфрама восстановлением его гексафторида водородом проводили в установке, представленной на чертеже.

В кварцевый реактор (1) помещали пьедестал с кремниевыми пластинами (3) площадью 1.5×1.5 см². Максимальное количество одновременно обрабатываемых кремниевых пластин 10 штук. С помощью системы вакуумирования (4) доводили давление до 0.13 Па. Открывали вентиль подачи WF₆ (5) и создавали давление в реакторе 10 Па. Перед проведением CVD-процесса до начала осаждения вольфрамовой пленки кремниевую подложку обрабатывали парами гексафторида вольфрама, подаваемого из системы (5) в течение 15 минут при температуре 200°С, поддерживаемой высокоточным регулятором температуры (2). При этом образуется активный слой кремния. Что и приводит к образованию силицида вольфрама W₅Si₃ высокой плотности (14.523 г/см³). Этот силицид является барьером для дальнейшего проникновения гексафторида вольфрама, и реакция силицирования прекращается и образуется самоограниченный подслой силицида W₅Si₃ толщиной ~20 нм.

Далее проводили газофазное осаждение пленки вольфрама. В реактор (1) из системы (6) подавали водород, который проходил очистку через палладиевые фильтры. Общее давление в реакторе доводили до 53.2 Па. Температура проведения процесса составила 400°С. Длительность процесса осаждения определялась требуемой толщиной наращиваемой пленки вольфрама.

Удельное сопротивление полученных пленок вольфрама толщиной 150 нм более приближалось к сопротивлению объемного металла и составляло 8×10^-6 Ом·см.

Визуальный контроль с помощью микроскопа показал отсутствие нарушения целостности покрытия и видимых дефектов.

Атомно-микроскопические измерения показали равномерность покрытия по всей поверхности подложки. Пленка сплошная, а средняя шероховатость при толщине пленки 100 нм была на уровне 8-12 нм.

Пример 2. То же, что в примере 1, только газофазное осаждение вольфрама по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом проводили с использованием ВЧ-активированного водорода. При этом температура газофазного осаждения вольфрама составляла 100°С.

Полученные пленки вольфрама при той же толщине покрытия (150 нм)имели более высокое удельное сопротивление 62×10^-6 Ом·см, что делает их непригодными для решения поставленной задачи.

Пример 3. То же, что в примере 2, только газофазное осаждение вольфрама по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом с использованием ВЧ-активированного водорода проводили при температуре 200°С.

Удельное сопротивление полученных пленок вольфрама толщиной 150 нм приближалось к сопротивлению объемного металла и снизилось до величины 11×10^-6 Ом·см.

Визуальный контроль с помощью микроскопа показал отсутствие нарушения целостности покрытия и видимых дефектов.

Атомно-микроскопические измерения показали равномерность покрытия по всей поверхности подложки, средняя шероховатость при толщине пленки 150 нм была на уровне 8-12 нм.

Таким образом, использование ВЧ-активированного водорода позволило снизить температуру CVD-процесса на 200°С.

Как следует из сказанного выше, предлагаемое изобретение позволяет создавать нанометровый подслой адгезионного промотера силицида вольфрама состава W₅Si₃ высокой плотности 14.523 г/см³, в то время как плотность адгезионного промотера в прототипе TiN 5.44 г/см³. Что, в свою очередь, позволяет получать тонкопленочную стабильную металлическую структуру вольфрама на кремнии с высокой проводимостью, хорошей адгезией и структурной целостностью, хорошей отражательной способностью и термостабильностью. Удельное сопротивление полученных тонких пленок вольфрама приблизилось к сопротивлению объемного металла (5,5×10^-6 Ом·см) и составляло 8×10^-6 Ом·см.

1. Способ изготовления тонкопленочной металлической структуры вольфрама на кремнии, включающий создание нанометрового подслоя адгезионного промотера с последующим нанесением тонкой пленки вольфрама методом газофазного химического осаждения по реакции восстановления гексафторида вольфрама водородом на подложку из кремния при пониженном давлении, отличающийся тем, что в качестве адгезионного промотера используют силицид вольфрама W₅Si₃.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания подслоя силицида вольфрама перед нанесением пленки вольфрама кремниевую подложку обрабатывают парами гексафторида вольфрама в том же реакторе при температуре 100-200°С в течение 10-20 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газофазное химическое осаждение проводят с активацией водорода при температуре более 200°С.