Способ химического осаждения из газовой фазы пленок вольфрама

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ПЛЕНОК ВОЛЬФРАМА(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Наливайко Олег Юрьевич Солодуха Виталий Александрович Каленик Вера Ивановна Сидерко Александр Александрович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Способ химического осаждения из газовой фазы пленки вольфрама, включающий осаждение на полупроводниковую подложку со сформированными активными и пассивными элементами адгезионного слоя, осаждение зародышевого слоя вольфрама восстановлением гексафторида вольфрама моносиланом при температуре от 360 до 475 С и давлении от 4 до 60 мм рт.ст. с подачей или без подачи азота, прекращение подачи моносилана и гексафторида вольфрама, создание в реакторе давления для осаждения основного слоя и осаждение основного слоя вольфрама восстановлением гексафторида вольфрама водородом при температуре от 360 до 475 С и давлении от 70 до 90 мм рт.ст., отличающийся тем, что перед осаждением зародышевого слоя проводят выдержку пластины в потоке моносилана при его расходе от 40 до 100 см 3/мин в течение 25-100 с при температуре и давлении осаждения зародышевого слоя. Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к технологии осаждения пленок вольфрама из газовой фазы, и может быть использовано при создании межкомпонетных соединений полупроводниковых приборов. Пленки вольфрама широко используются в микроэлектронных приборах для обеспечения соединений между элементами прибора 1, так как они имеют высокую стойкость к электромиграции, превосходное покрытие ступеньки топологического рельефа и не образовывают бугорков (шипов). Пленки вольфрама используются как для формирования контактных столбиков для соединения различных уровней алюминиевой разводки, так и непосредственно для формирования межкомпонетных соединений. Известен способ химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) пленок вольфрама 2, включающий формирование на полупроводниковой подложке промежуточного адгезионного слоя поверх слоя оксида кремния с контактными окнами и осаждение вольфрама 15149 1 2011.12.30 с использованием гексафторида вольфрама (6), аргона , азота (2) и водорода (2) при температуре от 450 до 475 С, давлении от 20 до 760 мм рт.ст. В данном способе для улучшения адгезии к диоксиду кремния вначале проводится осаждение на подложку (например, распылением материала с мишени) тонкого адгезионного слоя титана и нитрида титана (или ). Кроме того, для снижения поверхностной шероховатости и повышения коэффициента отражения используется азот, который подается в реактор во время всего процесса осаждения, включая начальную стадию зародышеобразования, стадии между осаждениями и стадию основного осаждения. К недостаткам данного способа можно отнести то, что при осаждении толстой пленки вольфрама непосредственно на адгезионный слой нитрида титана имеется большая неоднородность и невоспроизводимость толщины и поверхностного сопротивления пленок вольфрама. При использовании водорода для восстановления гексафторида вольфрама возможно протекание нежелательных реакций 6 и(который формируется в результате восстановления 6 водородом) с кремнием и титаном. Эти нежелательные реакции приводят к повреждению структуры прибора и, как следствие, к высоким токам утечки, высоким контактным сопротивлениям и проблемам адгезии вольфрама и, как следствие, к снижению выхода годных кристаллов. Известен также способ химического осаждения из газовой фазы пленок вольфрама 3,включающий обработку полупроводниковой подложки с адгезионным слоем в смеси реакционных газов, содержащей гексафторид вольфрама, водород и газ-носитель, преимущественно азот при давлении от 1 до 9 мм рт.ст., температуре от 430 до 500 С,соотношении 2/6 от 5 до 30, в котором осаждение пленки вольфрама проводится, по крайней мере, в две стадии, при этом на первой стадии путем восстановления гексафторида вольфрама моносиланом осаждается пленка вольфрама, имеющая хорошее покрытие ступеньки, а на второй стадии путем восстановления гексафторида вольфрама водородом осаждается пленка вольфрама, имеющая гладкую поверхность. Использование моносилана (4) на начальной стадии осаждения вольфрама уменьшает тенденцию воздействия на кремний и титан гексафторида вольфрама или(который формируется в результате восстановления водородом). Зародышевый слой улучшает адгезию вольфрама к поверхности подложки. Однако при использовании давлений от 1 до 9 мм рт.ст. скорость осаждения пленок вольфрама достаточно низкая, что приводит к снижению производительности оборудования. Кроме того, пленки вольфрама, осажденные методом ХОГФ с использованием азота, имеют высокую неоднородность толщины как по пластине, так и между пластинами, что, в конечном итоге, приводит к снижению выхода годных кристаллов. Наиболее близким по технической сущности решением является способ химического осаждения из газовой фазы пленки вольфрама, включающий осаждение на полупроводниковую подложку со сформированными активными и пассивными элементами адгезионного слоя, осаждение зародышевого слоя вольфрама восстановлением гексафторида вольфрама моносиланом при температуре от 360 до 475 С и давлении от 4 до 60 мм рт.ст., с подачей или без подачи азота, прекращение подачи моносилана и гексафторида вольфрама, создание в реакторе давления для осаждения основного слоя и осаждение основного слоя вольфрама восстановлением гексафторида вольфрама водородом при температуре от 360 до 475 С и давлении от 70 до 90 мм рт.ст. 4. Однако и данный способ не лишен недостатков. Наличие на поверхности адгезионного слоя микротрещин или микроканалов приводит к образованию дефектных центров зародышеобразования, когда концентрация гексафторида вольфрама низкая. Скорость реакции на дефектных центрах выше, чем на нормальных центрах, потому что дефекты уменьшают свободную энергию, необходимую для зародышеобразования, что приводит к образованию крупных кристаллитов. Результирующий зародыш может содержать высокий уровень кремния, что может привести к неоднородной скорости удаления вольфрама 2 15149 1 2011.12.30 при последующей химико-механической полировке. Кроме того, когда зародыши в зародышевом слое не полностью покрывают поверхность подложки, на поверхности адгезионного слоя остаются вакансии. При последующем росте основного слоя эти вакансии могут оставаться незаполненными, потому что обычно адгезионным слоем является слой, который не способствует диссоциации водорода на его поверхности и, следовательно, восстановлению гексафторида вольфрама водородом. Вакансии оставляют место для роста больших зерен, что приводит к неоднородности толщины и поверхностного сопротивления пленки вольфрама. При таких условиях крупные кристаллиты вольфрама приводят к ухудшению заполнения контактных окон, отсутствию контактов и снижению выхода годных кристаллов. В основу изобретения положена задача повышения однородности поверхностного сопротивления зародышевого и основного слоя вольфрама, исключения образования крупных кристаллитов, улучшения заполнения контактных отверстий пленками вольфрама и, в конечном итоге, повышения выхода годных кристаллов. Сущность изобретения заключается в том, что в способе химического осаждения из газовой фазы пленки вольфрама, включающем осаждение на полупроводниковую подложку со сформированными активными и пассивными элементами адгезионного слоя,осаждение зародышевого слоя вольфрама восстановлением гексафторида вольфрама моносиланом при температуре от 360 до 475 С и давлении от 4 до 60 мм рт.ст., с подачей или без подачи азота, прекращение подачи моносилана и гексафторида вольфрама, создание в реакторе давления для осаждения основного слоя и осаждение основного слоя вольфрама восстановлением гексафторида вольфрама водородом при температуре от 360 до 475 С и давлении от 70 до 90 мм рт.ст. перед осаждением зародышевого слоя проводят выдержку пластины в среде моносилана с потоком от 40 до 100 см 3/мин в течение 25-100 с при температуре и давлении осаждения зародышевого слоя. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ осаждения пленки вольфрама химическим осаждением из газовой фазы отличается от известного тем, что перед осаждением зародышевого слоя проводят выдержку пластины в среде моносилана с потоком от 40 до 100 см 3/мин в течение 25-100 с при температуре и давлении осаждения зародышевого слоя. Использование идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. На стадии зародышеобразования происходит рост тонкой пленки вольфрама за счет восстановления гексафторида вольфрама моносиланом и водородом. Абсорбирование моносилана (выдержка в моносилане) на поверхности подложки происходит на специальном шаге программы, при этом моносилан адсорбируется на поверхности адгезионного слоя(например, пленки ) и даже может разлагаться, образуя тонкий монослой кремния. Абсорбированный моносилан способствует уменьшению времени, необходимого для инициации зародышеобразования, до 5 секунд и менее, что приводит к однородному зародышеобразованию, исключает формирование крупных кристаллитов и способствует улучшению заполнения контактных окон. При потоках моносилана менее 40 см 3/мин и длительности менее 25 с не обеспечивается равномерное покрытие всей поверхности подложки моносиланом. Использование потока моносилана выше 100 см 3/мин нецелесообразно из-за повышения вероятности протекания реакции разложения моносилана в газовой фазе, что может привести к высокому содержанию частиц в камере осаждения и встраиванию этих частиц в растущую пленку. При длительности более 100 с может происходить образование неоднородного слоя кремния, кроме того, снижается производительность оборудования. Температура выдержки в моносилане должна соответствовать температуре стадии зародышеобразования, в противном случае невозможно перейти на стадию зародышеобра 3 15149 1 2011.12.30 зования без потери производительности. Увеличение давления приводит к осаждению более мелких кластеров зародышей и также уменьшает поверхностные вакансии. Более высокое давление приводит к более короткому среднему пути пробега молекул газа,следовательно, увеличивается скорость соударения (столкновения) и плотность поверхностного покрытия зародышами. Однако использование давления более 60 мм рт.ст. нецелесообразно из-за повышения вероятности протекания реакции разложения моносилана в газовой фазе. Реализация предлагаемого способа осаждения пленок вольфрама подтверждается следующими конкретными примерами. В качестве подложек использовались пластины кремния КДБ-12(100) 725 (Импорт) диаметром 200 мм. Для исследования процесса зародышеобразования использовались пластины без топологического рельефа с предварительно осажденным слоем оксида кремния толщиной 1,0 мкм и напыленными адгезионными слоями / толщиной 20/50 нм. Для исследования процессов зародышеобразования и роста вольфрама использовались пластины с контактными окнами, сформированными в слое оксида кремния толщиной 1,0 мкм и напыленными слоями / толщиной 20/50 нм. Осаждение пленок вольфрама проводилось на установке -5000 с использованием реактора с теневым кольцом ( ) и поштучной обработки пластин. Использовались гексафторид вольфрама марки 4,8 (99,98 ), моносилан концентрат марки 5,0 (99,999 ), азот, аргон и водород марки 6,0 (99,9999 ). Температура в реакторе на стадии зародышеобразования и осаждения изменялась от 425 до 475 С. Давление на стадии зародышеобразования варьировалось от 4,5 до 60 мм рт.ст., а потоки 6 от 15 до 20 см 3/мин и 4 от 20 до 30 см 3/мин. На стадии осаждения основного слоя вольфрама давление составляло 90 мм рт.ст. Выдержка в моносилане перед началом зародышеобразования проводилась при потоке моносилана от 40 до 100 см 3/мин в течение от 25 до 100 с. В ряде процессов на стадии зародышеобразования использовался азот с водородом (300/600 см 3/мин), а в других процессах на стадии зародышеобразования использовался водород (2000 см 3/мин). Поток аргона составлял 2200 см 3/мин. После осаждения проводились измерения поверхностного сопротивления зародышевого слоя и его однородности на установке-75. Анализ поверхности зародышевого слоя проводился при помощи растровой электронной микроскопии на установке 4800. Кроме того, для оценки выхода годных были изготовлены тестовые структуры с контактными цепочками к активным областям, ПКК-1 и ПКК-2 с размерами контактов 0,4-0,5 мкм. В начале формировались активные области и топологический рисунок первого и второго уровня поликристаллического кремния (ПКК), затем проводилось осаждение межслойного диэлектрика. После химико-механической полировки межслойного диэлектрика (оксида кремния) в нем вскрывались контактные окна киобластям, а также к ПКК-1 и ПКК-2. Затем проводилось напыление слоев / толщиной 20/50 нм. Затем проводилось осаждение пленки вольфрама согласно предлагаемому изобретению. Далее проводилась химико-механическая полировка для удаления пленки вольфрама с планарной поверхности, при этом вольфрам остается только в контактных окнах (т.е. создаются вольфрамовые столбики). Затем проводится напыление слоев /, напыление слоя ,формирование алюминиевой разводки. Измерение контактных сопротивлений тестовых цепочек проводилось на установке АИК в 165 точках на пластине. Результаты исследования процесса осаждения вольфрама, характеристик получаемых пленок и анализа тестовых структур представлены в таблице, результаты анализа поверхности зародышевого слоя - на фиг. 1 и заполнения контактных окон - на фиг. 2. Как видно из таблицы, оптимальный поток моносилана на стадии выдержки находится в диапазоне от 40 до 100 см 3/мин при длительности от 25 до 100 с. Если поток меньше 4 Процент годных тестовых структур,Размер крупных зерен ,мкм 40 см 3/мин, а длительность меньше 25 с, наблюдается образование крупных кристаллитов и ухудшение однородности поверхностного сопротивления пленки вольфрама и, как следствие, снижение выхода годных кристаллов. Таблица Результаты исследования процесса осаждения вольфрама и тестовых структур. Параметры процесса Характеристики пленки вольфрама) в процессе 6 температура и давление выходят за пределы заявляемого. отс. - отсутствует. Анализ таблицы показывает, что предлагаемый способ позволяет исключить формирование крупных кристаллитов в зародышевом слое (фиг. 1) и пустот при заполнении контактных столбиков (фиг. 2), уменьшить разброс поверхностного сопротивления зародышевого слоя вольфрама в 1,552,35 раза, а разброс поверхностного сопротивления основного слоя вольфрама в 1,181,47 раза, повысить процент выхода годных тестовых структур в 1,811,99 раза. Если вышеуказанная последовательность не выполняется, эффект не достигается. Таким образом, предлагаемый способ осаждения пленки вольфрама химическим осаждением из газовой фазы позволяет решить задачу повышения однородности поверхностного сопротивления зародышевого и основного слоя вольфрама, исключения образования крупных кристаллитов, улучшения заполнения контактных отверстий пленками вольфрама и, в конечном итоге, повышения выхода годных кристаллов. Источники информации 1..., .4, ,, , , 2002, . 580-583. 2. Патент США 5028565, МПК 01 21/285, 02.07.1991. 3. Патент США 5407698, МПК 23 16/08, 18.04.1995. 4. Патент США 6066366, МПК 01 21/285,23 16/08, 23.05.2000. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6