Brevet FR2578272A1 — publié le 19860905

Procédé de formation sur un substrat d'une couche de siLiciure de tungstène, utilisable notamment pour La réalisation de couches d'interconnexion des circuits intégrés La présente invention a pour objet un procé- dé de formation d'une couche de siLiciure de tungstè- ne. De façon plus précise, elle concerne la réa- lisation de couches d'interconnexion pour la fabrica- tion de circuits intégrés. Dans les domaines de la microélectronique et plus particulièrement celui des circuits intégrés au silicium utilisant des transistors MOS ou bipolaires, iL est nécessaire de relier ces dispositifs élémentai- res entre eux ainsi qu'aux autres composants du cir- cuit et aux alimentations extérieures, ce qui est ef- fectué au moyen de couches minces conductrices appe- Lées couches d'interconnexion. Jusqu'à présent, ces couches d'intercon- nexion ont été réalisées en aluminium, qui présente la propriété d'être très conducteur, mais a l'inconvé- nient de réagir avec le silicium, même lorsque celui- ci est sous la forme de SiO2 pour former des alliages aluminium-silicium. Avec les problèmes de miniaturisation des circuits, les tailles latérales des composants ont di- minué pour permettre la mise en place d'un nombre plus important de composants sur un même circuit. De ce fait, l'épaisseur des différentes couches a diminué et les problèmes de réaction des couches d'interconnexion avec le silicium sont devenus importants. - Afin d'éviter ces interactions, on a inter- calé entre l'aluminium et les composés contenant du silicium des couches servant de barrières de diffusion réalisées par exemple en chrome ou en tungstène. Pour avoir un meiLleur alignement de la source et du drain des transistors MOS, on a aussi utilisé des grilles de silicium poLycristaLlin forte- ment dopé pour faire de l'auto-aLignement. Ainsi, on a remplacé progressivement l'aluminium par du silicium polycristallin fortement dopé, mais celui-ci a L'in- convénient de ne pas être assez conducteur. Aussi, Les recherches actuelles se sont orientées vers L'emploi de nouveaux matériaux tels que Les siliciures de métaux réfractaires pour la réalisa- tion des couches d'interconnexion et pour shunter le silicium polycristaLLin de grille. En effet, Les siLi- ciures de métaux réfractaires sont intéressants car ils sont stables aux températures élevées utilisées lors des traitements thermiques de fabrication des circuits intégrés et ils présentent une conductivité électrique élevée. Ces siliciures peuvent être formés à haute température par croissance thermique à partir d'une couche métallique déposée sur du silicium poly- cristallin, mais l'emploi de températures élevées est néfaste car elles font évoluer les caractéristiques physico-chimiques et électroniques des autres couches et des composants déjà formés sur le circuit intégré. Des essais de fabrication des siLiciures ré- fractaires à plus basses températures n'ont pas abouti jusqu'à présent en raison du fait que la formation du siliciure est bloquée par la présence de traces d'oxy- gène comme il est indiqué par D.J. Silversmith, D.D Rathman and R.W. Mountain dans "Thin Solid Films", 93, 413, 1982. La présente invention a précisément pour objet un procédé de formation sur un substrat d'une couche de siliciure de tungstène, qui ne nécessite pas l'emploi de températures élevées et qui peut être mis en oeuvre à l'échelle industrielle. Le procédé selon l'invention de formation sur un substrat d'une couche de siliciure de tungstè- ne, se caractérise en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: a) - déposer sur ledit substrat une première couche de- silicium amorphe hydrogéné, b) - déposer sur ladite première couche une deuxième couche de tungstène amorphe hydrogéné, c) - déposer sur ladite deuxième couche une troisième couche de silicium amorphe hydrogéné, et d) - soumettre le substrat revêtu ainsi obtenu à un traitement de recuit effectué à une température supérieure ou égale à 550 C en atmosphère d'hy- drogène. L'utilisation, selon le procédé de l'inven- tion, de deux couches de silicium amorphe hydrogéné entre Lesquelles est disposée une couche de tungstène amorphe hydrogéné, permet d'éviter les problèmes de formation du siliciure de tungstène liés à la présence de traces d'oxygène. En effet, pour déposer les cou- ches hydrogénées, il est nécessaire d'opérer en pré- sence d'hydrogène, ce qui rend le milieu de dépôt très réducteur et on évite ainsi l'incorporation d'oxygène dans les couches de silicium et de tungstène, et on sature d'hydrogène la surface libre de ces couches, ce qui empêche la formation d'un oxyde natif au contact de l'air, la présence d'oxygène inhibant la formation du siliciure de tungstène. De ce fait, il n'est pas nécessaire de maintenir le substrat sous vide entre chaque opération de dépôt, ce qui facilite la mise en oeuvre du procédé. Par ailleurs, le fait d'utiliser du tungstè- ne amorphe, à structure plus ouverte, donc à liaisons W-W plus faibles, contenant de plus des défauts de structure, permet de faciliter la diffusion du sili- cium dans Le tungstène lors du traitement thermique de recuit conduisant à la formation du siliciure de tungstène. De même, l'utilisation de siLicium amorphe avec des liaisons Si-Si plus faibles, facilite au dé- part la séparation des atomes de siLicium qui vont diffuser vers le tungstène. Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on réalise une étape complé- mentaire consistant à soumettre au moins certaines zones du substrat revêtu des trois couches à une im- plantation ionique, avant de réaliser l'étape d) de recuit. Les ions utilisés pour cette implantation peu- vent être des ions de tungstène, des ions de silicium ou des ions d'un élément ne réagissant ni avec le tungstène, ni avec le silicium, par exemple de xénon, de krypton. Cette implantation permet de créer des dé- fauts supplémentaires dans les couches de silicium amorphe hydrogéné et dans La couche de tungstène amor- phe hydrogéné, ce qui permet d'obtenir lors de l'étape de recuit, une vitesse de diffusion des atomes de si- licium et des atomes de tungstène, beaucoup plus im- portante et de former ainsi beaucoup plus rapidement la couche de siliciure de tungstène. De plus, on peut réaliser l'implantation ionique seulement sur.certaines zones du substrat, ce qui permet de former ensuite la couche de siliciure de tungstène seulement sur les zones du substrat, qui ont été soumises à l'implantation. Ceci présente un grand intérêt pour la réalisation des couches d'intercon- nexion des circuits intégrés, car on peut ainsi éviter l'étape finale de gravure du siliciure de tungstène qui pose certains problèmes de réalisation. En effet, grâce à cette implantation, lors de l'étape suivante de recuit, le siliciure de tungs- tène se forme beaucoup plus rapidement sur les zones implantées que sur les zones non implantées, la vites- se de formation du siliciure de tungstène sur les zones implantées étant environ 50 à 100 fois plus im- portante. De ce fait, en choisissant la durée du trai- tement de recuit de façon appropriée, on peut former la couche de siliciure de tungstène uniquement sur les zones implantées. Après cette opération, on élimine par des procédés classiques les couches déposées sur les zones non soumises à l'implantation ionique, qui sont constituées pratiquement par du silicium et du tungstène beaucoup plus faciles à éliminer que le si- liciure de tungstène. Pour le dépôt des différentes couches, on utilise avantageusement la pulvérisation cathodique réactive. Ainsi, la première couche de silicium amor- phe hydrogéné peut être déposée par pulvérisation ca- thodique réactive d'une cible de silicium en présence d'hydrogène en utilisant par exemple un mélange gazeux formé d'hydrogène et d'un gaz inerte tel que l'argon, la proportion d'hydrogène dans le mélange pouvant aller jusqu'à 40 %. Généralement, on opère à une température de 30 à 350 C en utilisant un appareillage de pulvérisa- tion cathodique à diode radiofréquence, et l'on choi- sit les conditions de dépôt de façon à obtenir une o vitesse de dépôt supérieure à 20A par minute. On peut aussi réaliser cette pulvérisation cathodique au moyen de dispositifs à magnétron, ce qui permet d'opérer avec des vitesses de formation plus élevées. Il est également possible d'obtenir le dépôt de la couche de silicium amorphe hydrogéné par décom- position d'un silane présent dans un mélange gazeux de silane et d'hydrogène par décharge luminescente. Les mélanges gazeux utilisés contiennent généralement de à 100Z de silane tel que du SiH4 et l'on opère de préférence à une température de 30 à 350 C. Le dépôt de la troisième couche de silicium amorphe hydrogéné peut être réalisé de la même façon que celui de la première couche, par exemple par pul- vérisation cathodique réactive en utilisant un mélange d'argon et d'hydrogène, mais de préférence à une tem- pérature inférieure, par exemple à la température am- biante, en choisissant les conditions de dépôt pour avoir une faible vitesse de dépôt. La deuxième couche de tungstène amorphe hy- drogéné peut être aussi déposée par pulvérisation ca- thodique réactive en présence d'hydrogène, en utili- sant un mélange gazeux d'hydrogène et d'un gaz rare tet que l'argon, contenant jusqu'à 40% d'hydrogène. On opère de préférence à la température ambiante et on choisit Les conditions de dépôt pour obtenir une vi- tesse de dépôt très faible, par exemple de l'ordre de o 15 A par minute. On pourrait aussi former cette couche de tungstène amorphe hydrogéné en utilisant d'autres procédés, par exemple l'évaporation réactive, la dé- composition thermique ou assistée par plasma d'un gaz ou d'un mélange de gaz contenant du tungstène et de l'hydrogène. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la des- cription qui suit d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, donné bien entendu à titre il- lustratif et non limitatif en référence au dessin uni- que annexé qui représente un circuit intégré CMOS. Sur cette figure, on a représenté en coupe longitudinale un inverseur CMOS permettant d'illus- trer la mise en place d'une couche de connexion entre les zones actives du circuit. Après avoir réalisé les éLéments constitu- tifs du circuit intégré, c'est-à-dire les zones acti- ves telles que les sources 2 et 8 et Les drains 4 et 6 des transistors du circuit, les grilles 12 et 14 de ces transistors, Les oxydes de grille 13 et 15 corres- pondants et l'oxyde de champ 16, on dépose sur L'en- semble du circuit intégré une couche d'isolant 18 gé- néralement en oxyde de silicium, puis on grave cette couche d'isolant afin de réaliser les trous de contact électrique tels que 20 et 22 des zones actives ainsi que ceux des grilles. Ensuite, on dépose sur la couche d'isolant gravée 18 une couche conductrice et on réa- Lise les connexions voulues telLes que La connexion 24 entre le drain 4 du transistor à canal N et Le drain 6 du transistor à canal P de l'inverseur. Pour réaliser cette connexion 24, on utilise le procédé de l'invention. Dans ce but, on dépose tout d'abord sur l'ensemble du substrat (couche d'oxyde gravée 18) une première couche de silicium amorphe hydrogéné par pul- vérisation cathodique réactive d'une cible de sili- cium, en utilisant un dispositif de pulvérisation ca- thodique à diode radiofréquence et un mélange gazeux comportant 20% d'hydrogène et 80% d'argon et en opé- rant dans les conditions suivantes: - température: 200 C, - puissance du faisceau excitateur: 1,25 W/cm - vitesse de dépôt: 130 A/min. - durée: 4 min - pression: 8.103 Torr On obtient ainsi une couche de silicium amorphe hydrogéné de 52 nm d'épaisseur. On dépose ensuite sur cette première couche de silicium amorphe hydrogéné une couche de tungstène amorphe hydrogéné par pulvérisation cathodique réac- tive d'une cible de tungstène, en utilisant un mélange gazeux comportant 20% d'hydrogène et 80% d'argon et en opérant dans les conditions suivantes: - température: température ambiante, - puissance du faisceau excitateur: 0,35 W/cm2 o - vitesse de dépôt: 15 A/min - durée: 15 min pression: 1,8.10 Torr On obtient ainsi une couche de tungstène amorphe hydrogéné de 22,5 nm d'épaisseur. Après cette opération, on dépose une troi- sième couche de silicium amorphe hydrogéné par pulvé- risation cathodique d'une cible de silicium en utili- sant un mélange gazeux comprenant 20% d'hydrogène et 80% d'argon et en opérant dans les conditions suivan- tes: - température: température ambiante, -puissance: 0,625 W/cm2 on - vitesse de dépôt: 30 A/min. - durée: 15 min On obtient ainsi une couche de silicium amorphe hydrogéné de 45 nm d'épaisseur. Apres ces différentes opérations, on soumet le substrat revêtu-des trois couches à une implanta- tion ionique uniquement sur les zones du substrat qui correspondent à la jonction 24 à réaliser, en utili- sant des ions tungstène et les conditions d'implanta- tion suivantes: - température: ambiante - durée: 4 heures - dose d'implantation: 1016 atomes/cm, - énergie du faisceau: 190 keV Ainsi, on crée des défauts dans les zones des trois couches soumises à l'implantation. Après cette opération, on soumet le substrat à un traitement thermique de recuit sous atmosphère d'hydrogène à une température de 650 C pendant 10 heu- res. On forme ainsi une couche de siliciure de tungstène de formule WSi2 sur les zones du substrat qui correspondent à la jonction 24 à réaliser. Dans ces conditions, sur les zones du subs- trat, qui n'ont pas été soumises à l'implantation, la couche de siliciure de tungstène n'a pas eu le temps de se former car la vitesse de diffusion entre les atomes de tungstène et de silicium est trop lente par rapport à la vitesse de diffusion de ces mêmes atomes dans les zones soumises à l'implantation. Pour obtenir la jonction 24, il suffit alors d'éliminer le tungstène et le silicium sur les zones du substrat qui n'ont pas été soumises à l'implanta- tion et ceci peut être effectué par gravure humide HF-NO3H pour éliminer Si et puis HCl-NO3H pour élimi- ner W.. La couche de siliciure de tungstène ainsi obtenue de formule WSi2 présente une épaisseur d'envi- o ron 650 A et une résistivité de l'ordre de pJ.cm. Dans un autre exemple de réalisation, on dé- pose la première couche de silicium amorphe hydrogéné par décomposition de silane à partir d'un mélange com- portant 10% SiH4 et 90% d'hydrogène par décharge lumi- nescente à 50 kHz à 300 C avec une vitesse de dépôt de o l'ordre de 133 A/min pendant une durée de 4 min, ce qui permet d'obtenir une couche de silicium amorphe hydrogéné de 54 nm d'épaisseur. On réalise ensuite les opérations de dépôt de la couche de tungstène amorphe hydrogéné, de dépôt de la couche de silicium amorphé hydrogéné, d'implan- tation ionique et de recuit dans les mêmes conditions que celles décrites précédemment. On obtient ainsi une couche de siliciure de tungstène WSi2 sur les zones du substrat qui corres- pondent à la jonction 24, et celle-ci présente une épaisseur et une résistivité électrique équivalentes à celles obtenues en réalisant le dépôt de la première couche par pulvérisation cathodique réactive. On constate ainsi que le procédé de l'inven- tion est très avantageux pour la réalisation de cou- ches d'interconnexion car il ne nécessite pas l'emploi de températures élevées qui pourraient nuire aux ca- ractéristiques physico-chimiques et aux propriétés électroniques des composants déjà réalisés sur le substrat. Par ailleurs, il permet d'éviter les probLè- mes posés par la gravure d'une couche de siliciure de tungstène. Ce procédé peut également être utilisé pour la réalisation de multicouches d'interconnexion sépa- rées par des couches d'isolant à base d'oxyde de sili- cium. En effet, on peut obtenir le dépôt de la couche d'oxyde isolant à une température sensiblement du même ordre que celles utilisées dans l'invention et la pré- sence d'oxygène inhibe la formation du siliciure, ce qui garantit l'isolation entre les couches de siliciu- re métallique, même avec des épaisseurs très faibles d'isolant. REVENDICATIONS 1. Procédé de formation sur un substrat d'une couche de siliciure de tungstène, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: a) - déposer sur ledit substrat une première couche de silicium amorphe hydrogéné, b) - déposer sur ladite première couche une deuxième couche de tungstène amorphe hydrogéné, c) - déposer sur ladite deuxième couche une troisième couche de silicium amorphe hydrogéné, et d) soumettre le substrat revêtu ainsi obtenu à un traitement de recuit effectué à une température supérieure ou égale à 550 C en atmosphère d'hy- drogène. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on soumet au moins certaines zones du substrat revêtu des trois couches à une implanta- tion ionique en utilisant des ions choisis parmi les ions de tungstène, de silicium et d'éléments ne réa- gissant ni avec le tungstène ni avec le silicium, avant de réaliser l'étape d) de recuit. 3. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les ions sont des ions de tungstène. 4. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 2 et 3, caractérisé en ce que l'4mplantation ionique est réalisée seulement sur certaines zones du substrat et en ce que l'on effectue le traitement thermique de recuit pendant une durée telle que l'on forme la couche de siliciure de tungstène seulement sur les zones du substrat qui ont été soumises à l'im- plantation ionique. 5. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la première et la troisième couches de silicium amorphe hydrogéné sont déposées-par pulvé- - risation cathodique réactive en présence d'hydrogène. 6. Procédé seLon La revendication 5, carac- térisé en ce que La première couche est déposée à une température de 30 à 350"C. 7. Procédé seLon la revendication 5, carac- térisé en ce que la troisième couche est déposée à la température ambiante. 8. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la première couche de silicium amor- phe hydrogéné est formée par décomposition d'un mélan- ge gazeux contenant du silane et de L'hydrogène par décharge luminescente. 9. Procédé seLon La revendication 8, carac- térisé en ce que te mélange gazeux comprend de 10% à % de silane. 10. Procédé selon L'une quelconque des re- vendications 1 à 9, caractérisé en ce que la deuxième couche de tungstène amorphe hydrogéné est déposée par pulvérisation cathodique réactive. 11. Siliciure de tungstène de formule WSi2 obtenu par mise en oeuvre du procédé selon l'une queL- conque des revendications 2 à 10. 12. Utilisation du procédé selon l'une queL- conque des revendications 1 à 9, pour la réalisation des couches d'interconnexion des circuits intégrés.