СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВОЛЬФРАМА НА КРЕМНИИ
METHOD OF PREPARING THIN-FILM METAL STRUCTURE OF TUNGSTEN ON SILICON

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.
4
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 (SiH), что еще более усложняет технологический процесс.
Представленное изобретение решает задачу улучшения качества получаемой металлической структуры вольфрама на кремнии с одновременным упрощением технологического процесса.
5
3
Технический эффект при этом заключается в получении целостностных и стабильных гетероструктур благодаря формированию нанометрового подслоя силицида вольфрама (WSi) высокой плотности. Кроме того, происходит упрощение технологического процесса за счет совмещения в одном процессе стадий получения подслоя промотера и пленки вольфрама.
5
3
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 WSi.
5
3
5
3
Силицид WSi 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 WSi препятствует образованию других силицидов с более высоким содержанием кремния и более низкой проводимостью.
5
3
Подслой силицида вольфрама WSi может быть получен любыми способами.
5
3
5
3
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 WSi, 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 WSi 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.
-6
По предложенной технологии получены тонкие пленки вольфрама толщиной порядка 100 нм и удельным сопротивлением 8×10 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.
2
3
6
5
3
5
3
В кварцевый реактор (1) помещали пьедестал с кремниевыми пластинами (3) площадью 1.5×1.5 см. Максимальное количество одновременно обрабатываемых кремниевых пластин 10 штук. С помощью системы вакуумирования (4) доводили давление до 0.13 Па. Открывали вентиль подачи WF (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 WSi высокой плотности (14.523 г/см). Этот силицид является барьером для дальнейшего проникновения гексафторида вольфрама, и реакция силицирования прекращается и образуется самоограниченный подслой силицида WSi 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.
-6
Удельное сопротивление полученных пленок вольфрама толщиной 150 нм более приближалось к сопротивлению объемного металла и составляло 8×10 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.
-6
Полученные пленки вольфрама при той же толщине покрытия (150 нм)имели более высокое удельное сопротивление 62×10 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.
-6
Удельное сопротивление полученных пленок вольфрама толщиной 150 нм приближалось к сопротивлению объемного металла и снизилось до величины 11×10 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.
5
3
3
3
-6
-6
Как следует из сказанного выше, предлагаемое изобретение позволяет создавать нанометровый подслой адгезионного промотера силицида вольфрама состава WSi высокой плотности 14.523 г/см, в то время как плотность адгезионного промотера в прототипе TiN 5.44 г/см. 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 Ом·см) и составляло 8×10 Ом·см.