Способ формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНКИ ДИСИЛИЦИДА ТИТАНА НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Колос Владимир Владимирович Адашкевич Сергей Владимирович Стельмах Вячеслав Фомич Маркевич Мария Ивановна Чапланов Аркадий Михайлович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Способ формирования плнки дисилицида титана на кремниевой подложке, включающий очистку поверхности кремниевой подложки, нанесение на поверхность кремниевой подложки плнки титана методом вакуумного напыления, нанесение на плнку титана плнки нитрида титана методом реактивного вакуумного напыления без контакта подложки с атмосферой и быструю термическую обработку кремниевой подложки с нанеснными плнками титана и нитрида титана, отличающийся тем, что перед нанесением плнки нитрида титана проводят дополнительную термическую обработку кремниевой подложки с нанеснной плнкой титана с выдержкой при температуре напыления титана в течение от 12 до 240 с и последующим охлаждением до температуры 10050 С в среде инертного газа, в частности аргона, в течение более 20 с. Изобретение относится к области формирования тонких пленок силицидов металлов и может использоваться в технологии производства кремниевых интегральных микросхем. Известен способ формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке 1, включающий нанесение пленки титана на кремниевую подложку, нанесение пленки аморфного кремния на пленку титана и быструю термическую обработку кремниевой подложки с нанесенными пленками титана и аморфного кремния. Вышеуказанный способ отличается простотой, однако не обеспечивает требуемого для субмикронной технологии производства интегральных микросхем качества пленок дисилицида титана модификации С 54 с высокой электропроводностью. Данный способ не обеспечивает также однородность структуры по глубине и поверхности кремниевой подложки вследствие неконтролируемого проникновения нежелательных примесей (кислорода, азота и др.) в пленку титана сквозь пленку аморфного кремния. 16839 1 2013.02.28 Известен способ формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке 2, включающий нанесение пленки титана на кремниевую подложку, быструю термическую обработку кремниевой подложки с нанесенной пленкой титана в среде азота с одновременным формированием защитного слоя нитрида титана. Данный способ сравнительно прост за счет совмещения процессов быстрого термического отжига и формирования нитрида титана, однако не может обеспечить стабильность толщины, структуры, фазового состава и электрических свойств дисилицида титана вследствие проникновения нежелательных примесей (кислорода, азота и др.) в пленку титана на начальном этапе формирования защитного слоя нитрида титана в процессе быстрого термического отжига, когда толщина слоя нитрида титана еще не достигла величины,необходимой для обеспечения диффузионного барьера от проникновения технологических примесей в пленку титана, что приводит к увеличению электрического сопротивления, снижению стабильности и воспроизводимости электрического сопротивления и толщины формируемых пленок дисилицида титана на кремниевой подложке. Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке 3, включающий очистку поверхности кремниевой подложки, нанесение на поверхность кремниевой подложки пленки титана методом вакуумного напыления, нанесение на пленку титана пленки нитрида титана методом реактивного вакуумного напыления без контакта подложки с атмосферой и быструю термическую обработку кремниевой подложки с нанесенными пленками титана и нитрида титана. Данный способ исключает проникновение нежелательных примесей (кислорода и др.) в пленку титана, обеспечивает повышение стабильности характеристик дисилицида титана и параметров кремниевых интегральных микросхем. Вместе с тем при использовании этого способа избыточный азот, содержащийся в защитной пленке нитрида титана, диффундирует в пленку титана и приводит к нестабильности толщины и электрического сопротивления пленок дисилицида титана, что приводит к снижению процента выхода годных изделий. При наличии рельефа поверхности кремниевой подложки нестабильность характеристик дисилицида титана, связанная с диффузией избыточного азота из пленки нитрида титана в пленку титана, увеличивается. Предлагаемое изобретение решает задачу снижения электрического сопротивления,повышения стабильности и воспроизводимости электрического сопротивления и толщины пленок дисилицида титана на кремниевой подложке. Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке, включающем очистку поверхности кремниевой подложки, нанесение на поверхность кремниевой подложки пленки титана методом вакуумного напыления, нанесение на пленку титана пленки нитрида титана методом реактивного вакуумного напыления без контакта подложки с атмосферой и быструю термическую обработку кремниевой подложки с нанесенными пленками титана и нитрида титана, перед нанесением пленки нитрида титана проводят дополнительную термическую обработку кремниевой подложки с нанесенной пленкой титана с выдержкой при температуре напыления титана в течение от 12 до 240 с и последующим охлаждением до температуры 10050 С в среде инертного газа, в частности аргона, в течение более 20 с. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке отличается от известного тем, что перед нанесением пленки нитрида титана проводят дополнительную термическую обработку кремниевой подложки с нанесенной пленкой титана с выдержкой при температуре напыления титана в течение от 12 до 240 с и последующим охлаждением до температуры 10050 С в среде инертного газа, в частности аргона, в течение более 20 с. 16839 1 2013.02.28 Использования идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. Физико-технической основой предложенного способа является следующее. Формирование пленок дисилицида титана структурной модификации С 54 на кремниевой подложке с требуемыми для субмикронной технологии производства интегральных микросхем высокой электропроводностью, стабильностью толщины, структурно-фазового состава и высоким выходом годных существенно зависит от стабильности свойств и структурного совершенства пленки титана, вступающей в твердофазную реакцию формирования силицида титана в процессе быстрого термического отжига. Это связано с преобладанием механизмов поверхностной диффузии атомов титана в нанокластерах титана в приповерхностной области пленки при их ограниченной диффузии на границе раздела кремниевая подложка - титан, где атомыв основном химически активны, а зернаимеют столбчатую структуру с переменной плотностью атомов. Непосредственно после нанесения пленки титана на кремниевую подложку ее приповерхностная область имеет повышенную химическую активность и нестабильную структуру, насыщенную оборванными межатомными связями. Дополнительная термическая обработка кремниевой подложки с нанесенной пленкой титана с выдержкой при температуре напыления титана от 12 до 240 с и последующим охлаждением до температуры 10050 С в среде инертного газа, например аргона, в течение более 20 с обеспечивает рекристаллизацию и уплотнение пленки титана, запаривание оборванных межатомных связей с одновременным повышением структурной однородности пленки титана по всей ее толщине (от кремниевой подложки до поверхности) и уменьшением энергии поверхностных состояний. Температура напыления титана определяется необходимостью получения минимальных механических напряжений в системе титан - подложка. По мере увеличения температуры напыления титана механические напряжения в системе титан - подложка переходят от сжимающих к растягивающим. Уровень минимальных (по модулю) механических напряжений, как правило, находится в диапазоне температур напыления титана от 200 до 450 С в зависимости от конструктивного исполнения источника напыления, скорости нанесения титана и давления в камере напыления. При температурах напыления титана менее 200 С в структуре титан - подложка возникают напряжения сжатия более 1 ГПА, а при температурах более 450 С - напряжения растяжения более 1 ГПА, что ухудшает адгезию пленок титана и приводит к формированию дефектов в структуре кремния. В случае выдержки при температуре напыления титана менее 12 с процессы поверхностной диффузии осажденных атомов (кластеров) пленки титана и уменьшения энергии поверхностных состояний остаются незавершенными, что приводит к последующему взаимодействию пленки титана с избыточным азотом из пленки нитрида титана и, как следствие, к увеличению электрического сопротивления, ухудшению стабильности и воспроизводимости электрического сопротивления и толщины формируемых пленок дисилицида титана. Время выдержки при температуре напыления титана более 240 с приводит к неоправданному увеличению времени технологического цикла. Напуск инертного газа в вакуумную камеру в процессе термической обработки с понижением температуры позволяет ускорить процессы конвективного теплообмена в вакууме. Давление инертного газа ограничивается сверху возможностями откачных средств,так, например, увеличение давления в камере от 410-3 до 110-2 мм рт. ст. уменьшает время между регенерацией криогенных вакуумных насосов в два раза. Давление инертного газа снизу ограничивается эффективностью теплообмена в вакууме. Время охлаждения определяется динамикой теплообмена и не может быть менее 20 с. Верхний предел времени охлаждения не лимитируется. 16839 1 2013.02.28 При температуре охлаждения более 150 С не происходят эффективная рекристаллизация, запаривание оборванных межатомных связей и уменьшение энергии поверхностных состояний пленки титана, что так же, как при малом времени выдержки при температуре напыления титана, приводит к последующему взаимодействию пленки титана с избыточным азотом из пленки нитрида титана, увеличению электрического сопротивления, ухудшению стабильности и воспроизводимости электрического сопротивления и толщины формируемых пленок дисилицида титана. При уменьшении температуры охлаждения время, необходимое для охлаждения подложки, увеличивается в экспоненциальной зависимости. При температуре охлаждения менее 50 С неоправданно увеличивается время технологического цикла и ухудшается стабильность поддержания температуры. Существенным является то, что обеспечение структурной однородности пленки титана осуществляют до нанесения на нее технологической защитной пленки нитрида титана,которая в этом случае зафиксировала бы поверхностную неоднородность титана и привела бы к нежелательному легированию азотом границ зерен в поликристаллической пленке титана. Преимущество указанного положительного эффекта проявляется с уменьшением толщины пленки титана при повышении степени интеграции микросхем. Реализация предлагаемого способа формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке подтверждается следующими конкретными примерами. В качестве подложек использовались кремниевые пластины диаметром 200 мм с ориентацией (100), легированные бором с удельным сопротивлением 12 Омсм (марки КДБ 12). На пластинах методом локального окисления формировались резисторы размером 808 мкм. Поверхность резисторов имплантировалась мышьяком с дозой 21015 см-2 и энергией 80 кэВ через слой 2 толщиной 10 нм. Примесь мышьяка активировалась при температуре 900 С. Перед нанесением пленок титана поверхность подложек очищалась в буферном растворе плавиковой кислоты с последующим высокочастотным ионным травлением в плазме аргона. Высокочастотное ионное травление, нанесение пленок титана методом магнетронного напыления толщиной 301,5 нм, нитрида титана методом реактивного магнетронного напыления толщиной 502,5 нм и термическая обработка выполнялись в кластерной установке вакуумного напыления 5500 фирмы. В процессе термической обработки в вакуумную камеру подавался инертный газ аргон. Расход аргона выбирался из соображений наилучшей равномерности температуры по пластине и составлял 151 см 3/мин. Быстрая термическая обработка формирования силицида титана выполнялась на установке 8108 фирмы. Контакты к резисторам формировались по стандартной технологии металлизации с вольфрамовыми столбиками для интегральных микросхем с проектными нормами 0,35 мкм. Элементный состав пленок изучался методом послойной Оже-спектрометрии на спектрометре -660 фирмы. Толщина пленок силицидов измерялась методом растровой электронной микроскопии поперечного скола структур на микроскопе 4800 фирмы . Результаты исследования процесса формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке представлены в табл. 1 и 2. Стандартное отклонение сопротивления резисторов с 2, Среднее сопротивление резисторов с 2, Ом/кв Наличие азота на границе раздела титан - кремний Таблица 1 Результаты исследования процесса формирования пленки дисилицида титана Режимы термообработки Характеристики структур Стандартное отклонение сопротивления резисторов с 2,Среднее сопротивление резисторов с 2, Ом/кв Наличие азота на границе раздела титан - кремний 1 325 6 есть 25 240 есть 3,3 6,7 63-70 0,5 2 325 12 есть 50 93 нет 2,9 3,5 70-75 0,5 3 325 60 есть 100 54 нет 3,0 3,7 71-75 0,5 4 325 240 есть 150 29 нет 3,0 3,7 70-75 0,5 5 325 300 есть 200 16 есть 3,3 4,6 65-72 0,5 6 325 60 нет 100 54 есть 3,4 12,6 62-70 0,5 7 325 Прототип есть 3,4 12,7 62-70 0,5 Примечания- напряжения в структуре указаны по модулю (сжатия или растяжения)- температура не стабильна в процессе и от процесса к процессу- время, необходимое для снижения температуры от температуры напыления титана до температуры охлаждения. Таблица 2 Результаты исследования процесса формирования пленки дисилицида титана при различных температурах напыления титана Режимы термообработки Характеристики структур напряжения сжатия, а знаком -напряжения рас Примечания- знаком (-) показаны тяжения- время, необходимое для снижения температуры от температуры напыления титана до температуры охлаждения. 5 16839 1 2013.02.28 Резисторы со слоем дисилицида титана в данном случае использовались как способ оценки электрического сопротивления пленок дисилицида титана. Поскольку сопротивление областей, имплантированных мышьяком, в 20 раз превышает сопротивление силицида(от 60 до 70 Ом/кв для областей и от 2,9 до 3,4 Ом/кв для дисилицида титана), то сопротивлением этих областей можно пренебречь. Стабильность и воспроизводимость электрического сопротивления пленок силицидов титана оценивались по стандартному отклонению сопротивления резисторов по выборке. Исходя из известного отношения толщины пленки силицида титанак толщине пленки титана, вступившего в реакцию , /2,51 4, при использовании способа изобретения практически вся пленка титана вступает в реакцию формирования силицида. При использовании способа прототипа часть пленки титана расходуется на другие взаимодействия, как описывалось выше. Следует отметить, что благодаря использованию в способе дополнительной термической обработки существенно повышается эффективность выполнения всех последующих технологических операций. Во-первых, после термической обработки ослабляются процессы взаимодействия атомов технологических примесей кислорода, углерода, азота и др. с химически активными поверхностным слоем и границами зерен нестабилизированной, как в прототипе, пленки титана. Стабилизация пленки титана существенно повышает эффективную толщину титана, вступающего в реакцию формирования силицида. Во-вторых, на этапе формирования пленки дисилицида титана модификации С 54 с высокой электропроводностью в структурно однородной пленке титана протекают процессы взаимной диффузии атомов кремния из кремниевой подложки в пленку титана и атомов титана из пленки титана в кремниевую подложку. При этом исключается образование модификации типа С 49 с низкой электропроводностью, а также кластеров окислов и нитридов кремния и титана. Как видно из табл. 1, предлагаемый способ формирования пленки дисилицида титана на кремниевой подложке позволяет снизить среднее сопротивление резисторов и, соответственно, структур 2 на 10 , стандартное отклонение сопротивления резисторов(структур 2) в 3,5 раза, а также снизить расходование титана на нежелательные взаимодействия с примесными газами и уменьшить разброс толщины силицида в 2 раза. Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет решить задачу снижения электрического сопротивления, повышения стабильности и воспроизводимости электрического сопротивления и толщины пленок дисилицида титана на кремниевой подложке. Источники информации 1., 2, 34,/ . // . . . - 1988. - . 64. - о. 1. - . 344-353. 2. Пилипенко В.А. Быстрые термообработки в технологии СБИС. - Минск Изд. центр БГУ, 2004. - 531 с. 3. Патент США 005550084 А, МПК 01 21/4401 21/48, 1996. 4. Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. - М., 1986. - С. 176. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6