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    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sputtern einer dünnen Wolframschicht oder einer Wolfram enthaltenden dünnen Schicht von einem Wolfram-Target auf einen Halbleiterwafer unter Verwendung von Krypton oder Xenon als Sputtergas.
    公开号:DE102004010354A1
    申请号:DE200410010354
    申请日:2004-03-03
    公开日:2004-09-23
    发明作者:Stephen Robert Burgess；James Francis Edward O'sullivan；Paul Rich；Nicholas Rimmer
    申请人:Aviza Europe Ltd；
    IPC主号:C23C14-14
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betrifftVerfahren zum Herstellen von dünnenWolframschichten oder Wolfram enthaltenden dünnen Schichten und insbesonderesolche Verfahren, welche zum Herstellen von Gate-Schichtlagen (gatestack layers) auf Wafern als Teil der Ausbildung von Halbleiterbauteilen verwendetwerden.
    [0002] Zum Herstellen von Halbleiterbauteilenim Bereich kleiner als 100 nm wird über neue Gate-Anordnungen mitniedrigem elektrischen spezifischen Widerstand nachgedacht, um dieRC-Verzögerung zureduzieren. Ein Beispiel füreine in Betracht gezogene Gateelektroden-Anordnung umfasst einen Schichtaufbauaus Polysilizium/Wolframnitrit/Wolfram. Dieser Schichtaufbau istdeshalb vorteilhaft, weil das W/WN einen wesentlich niedrigerenspezifischen Widerstand hat als das im Stand der Technik bekannteWSi oder Poly-Si und wegen seiner Fähigkeit nachfolgenden hohenTemperaturen (beispielsweise 1000 Grad Celsius) zum Kondensatortempern (hightemperature capacitor anneals), welche von einigen Speicherbauteiltechnologienbenötigtwerden, zu widerstehen. Physikalisches Aufdampfen (PVD) wird gegenüber chemischemAufdampfen (CVD) bevorzugt, weil CVD-Prozesse zu Fluor-Kontamination führen.
    [0003] Bei einem derartigen Schichtaufbauist es notwendig, dass der spezifische elektrischen Widerstand derWN/W-Schichten so niedrig wie möglichist und im bekannten Stand der Technik beträgt der spezifische elektrischeWiderstand füraufgesputtertes Wolfram 11 bis 12 μOhm cm bei einer Temperaturder Wafer-Auflageplattevon 250°C.
    [0004] Der spezifische elektrische Bahnwiderstand (bulkresistivity) von Wolfram beträgt5,5 μOhmcm, wobei dies vermuten lässt,dass eine Verbesserung möglichist und die Erfinder haben deshalb darüber nachgedacht, den spezifischeelektrischen Widerstand von gesputterten dünnen Wolframschichten weiterzu reduzieren.
    [0005] Argon wird nahezu universell zumSputtern von Metallschichten auf Siliziumwafer verwendet, obwohleine Verbesserung bei der gesputterten Schichtdicke an der Basisvon Ausnehmungen mit hohem Geometrieverhältnis beispielsweise in WO 02/053796,welches eine Anmeldung der Anmelder darstellt, und EP 1096036 berichtet wurde. Dies wird beispielsweisedurch Reduktion des Sputterdruckes (reduzierte Streuung von gesputtertenWerkstoff) erreicht, was mit einigen Alternativen Edelgasen im Vergleichzu Argon möglichist und/oder wo der von den alternativen Sputtergasen zur Verfügung gestellteVorteil der mehr rechtwinklige Ausstoß von gesputterten Werkstoffvon der Oberflächedes Targets ist.
    [0006] Die Erfindung betrifft in einer Hinsichtein Verfahren zum Sputtern einer dünnen Wolframschichten odereiner dünnenWolfram enthaltenden Schicht von einem Wolfram-Target auf einenHalbleiterwafer, wobei Krypton oder Xenon als Sputtergas verwendetwird.
    [0007] Man kann dem Oberbegriff entnehmen,dass das prinzipielle Interesse der Anmelder bei diesem Verfahrenin diesem Falle darin liegt, eine feldartige Ablagerung und nichtdie oben erwähntenAblagerungen in Ausnehmungen mit hohem Geometrieverhältnis zuerzeugen. Die Verwendung von Gasen mit höherem Atomgewicht für dieseletztgenannten Ablagerungen ist nicht naheliegend, weil unter diesen Umständen eineMotivation zum Erzielen eines Ausstoßwinkels nahe 90° nicht vorhandenund tatsächlichim Hinblick auf eine gleichmäßige Ablagerung nichtbesonders wünschenswertist, wenn die die Ablagerung aufnehmende Oberfläche alles andere als vollständig ebenist.
    [0008] Die Ablagerung erfolgt bevorzugtin einer Vakuumkammer mit einem Kryptondruck von weniger als 10mTorr und es ist besonders bevorzugt, dass der Kryptondruck kleinerals 6 mTorr ist.
    [0009] Es ist bevorzugt, dass der sich ergebende spezifischeelektrische Widerstand der dünnenWolframschicht kleiner als 11 μOhmcm ist. Die dem Target, welches einen Durchmesser von einer 330mm aufweist, zugeführteLeistung kann über3 kW liegen, was einer Leistungsdichte von etwa 1 Watt cm–1 entspricht.
    [0010] Der Wafer wird während der Ablagerung bevorzugtauf einer Auflageplatte angeordnet und die Plattentemperatur beträgt zwischen200°C und 400°C und/oderdie Auflageplatte wird mit einer negativen Gleichspannung vorgespannt,beispielsweise durch Anlegen einer HF-Leistung an die Auflageplattemit einer Frequenz von 13,56 MHz. Das oben anfänglich sehr breit ausgeführte Verfahrenkann angepasst werden, wobei beispielsweise das Sputtern ein reaktivesSputtern ist. Die Sputtergase enthalten dabei Stickstoff und dieabgelagerte dünneSchicht ist Wolframnitrit.
    [0011] In diesem Falle können die Sputtergase fernerArgon enthalten und das Verhältnisvon Argon zu Krypton oder Xenon kann derart gewählt werden, dass die Spannungin der abgelagerten dünnen Schichtminimiert wird.
    [0012] Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifftein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus aus Wolfram/Wolframnitritauf einem Wafer, wobei eine dünneSchicht aus Wolframnitrit auf einen Wafer gesputtert wird und einedünne Schichtaus Wolfram auf die dünneSchicht aus Wolframnitrit gesputtert wird, wobei die beiden Sputterprozessein einer einzigen Kammer unter Verwendung eines einzigen Targetsausgeführtwerden.
    [0013] Vorzugsweise wird der Wafer auf einerAuflageplatte angeordnet und die Temperatur der Auflageplatte für die beidenSputterprozesse im Wesentlichen gleichgehalten.
    [0014] In einer bevorzugten Weiterbildungenwird die dünneWolframschicht unter Verwendung des zuvor definierten Verfahrensaufgesputtert und/oder die dünneWolframnitrit-Schicht wird unter Verwendung des oben definiertenVerfahrens abgelagerten oder das Sputtergas ist in dem letztgenanntenFall vollständigArgon.
    [0015] Die Erfindung umfasst ferner dieAusbildung eines Gate-Schichtaufbaus unter Verwendung der zuvordefinierten Verfahren zum Ausbildung eines Schichtaufbaus.
    [0016] Ein weiterer Aspekt der Erfindungbetrifft ein Verfahren zur Verwendung von Krypton beim Sputternvon Wolframnitrit und Wolfram auf eine Substratsoberfläche ohneAusnehmungen, wobei das Sputtern von WN und W in derselben Kammerunter Verwendung eines einzigen Wolfram-Targets ausgeführt wird.Eine Anwendung eines derartigen Verfahrens ist das Sputtern einesGate-Schichtaufbaus auf eine Polysiliziumoberfläche auf einem Siliziumwafer, beispielsweisezum Ausbilden eines Speicherbauteiles, und die Erfindung umfassteinen derartigen Schichtaufbau.
    [0017] Obwohl die Erfindung voranstehenddefiniert wurde, versteht es sich, dass diese jede erfinderische Kombinationder Merkmale umfasst, die voranstehend oder in der nachfolgendenBeschreibung ausgeführtsind.
    [0018] Die Erfindung kann auf verschiedeneWeise ausgeführtwerden und eine spezielle Ausführungsformwird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügt Zeichnung beschrieben. Diesezeigt in:
    [0019] 1 denspezifische elektrischen Widerstand einer gesputterten dünnen Wolframschichtaufgetragen überden Argondruck fürbestimmte Ablagerungsbedingungen;
    [0020] 2 denspezifischen elektrischen Widerstand einer gesputterten dünnen Wolframschichtin Abhängigkeitvon einer Temperatur der Auflageplatte, mit ansonsten den Bedingungenwie bei 1;
    [0021] 3 eineTabelle der charakteristischen Schicht-Eigenschaften für eine dünne Wolframnitritschicht,welche jeweils bei 200°Cund 400°Cabgelagerte wurde, unter Verwendung eines Gemisches aus Argon undStickstoff;
    [0022] 4 einDiagramm des spezifischen elektrischen Widerstandes aufgetragen über denDruck, füreine dünneSchicht, welche mittels Argon abgelagert wurde und für eine dünne Schicht,welche mittels Krypton abgelagert wurde;
    [0023] 5 einegrafische Darstellung der Veränderungdes spezifischen elektrischen Widerstandes in Abhängigkeitvon einer Vorspannung der Auflageplatte während einer Krypton induziertenAblagerung;
    [0024] 6 einegrafische Darstellung der Veränderungdes spezifischen elektrischen Widerstandes in Abhängigkeitvon einer Targetleistung ohne Vorspannung;
    [0025] 7 einenVergleich von charakteristischen Schicht-Eigenschaften für eine dünne WolframnitritSchicht, welche unter Verwendung von Argon abgelagert wurde miteiner dünnenWolframnitrit-Schicht, welche unter Verwendung von Krypton abgelagertwurde;
    [0026] 8 eineTabelle fürProzessbedingungen bei der Ablagerung mittels Argon beziehungsweise Krypton;und
    [0027] 9 eineTabelle fürProzessbedingungen bei der Ablagerung von Wolfram.
    [0028] Das für diesen Prozess verwendeteSputtersystemen war ein Trikon Technologies Inc. Sigma®-fxP®-Einzel-Wafer-Multikammer-Cluster-Sputterwerkzeug,bei dem die Wafer einzeln auf einer geheizten Auflageplatte mitder Vorderseite nach oben gegenübereinem feststehenden Target mit einem dahinter angeordneten beweglichenMagnetron angeordnet werden.
    [0029] Die Wafer werden von Atmosphäre zum Vakuumtransportiert und dann unter Vakuum in eine Vorreinigungskammertransportiert, wo diese ausgegast werden. Typischerweise werdensie gereinigt gesputtert. Die Wafer werden dann unter Vakuum in eineAblagerungskammer transportiert, wo sie auf der Auflageplatte angeordnetsind. Es versteht sich, dass es einen starken kommerziellen Vorteildarstellt, in der Lage zu sein, sowohl WN- als auch W-Lagen in derselbenProzesskammer abzulagern. Dies erfordert, dass die Temperatur derAuflageplatte und das Target fürbeide Prozesse gleich sind, da es unpraktikabel ist, die Temperaturzu ändernoder das Target auszutauschen ohne dass dadurch die Kammer einenerheblich komplexeren Aufbau erhält,wodurch man den Vorteil bezüglichEinfachheit, Bauraum und Kosten beim ausführen der beiden Prozesse inein und derselben Kammer verlieren würde. Die WN-Schicht wird mittelsreaktivem Sputtern ausgebildet, wobei dem Sputteredelgas Stickstoffzugesetzt wird, um das Nitrit aus dem Metalltarget auszubilden. DieProzesstemperatur der Auflageplatte wird als Kompromiss zwischenden beiden Prozessen und für beideProzesse geeigneten gewählt.
    [0030] Fürdie Experimente wurden 150 mm Siliziumwafer und ein 99,999 % reinesWolfram-Target der Firma an Honywell für das Sputtern verwendet. Der elektrischespezifische Schicht-Widerstand wurde mit einer automatischen Vier-Punkt-Messespitze gemessenund die Dicke wurde mittels Betrachtung eines Schnittes durch denWafer unter einem Elektronenmikroskop gemessen. Alle Wafer wurdenin einem separaten Modul fürzwei Minuten unter einer Heizlampe, der eine Leistung von 2 kW zugeführt wurde,ausgegast.
    [0031] 1 zeigtden spezifischen elektrischen Widerstand von gesputtertem Wolframin Abhängigkeitvom Argondruck bei 1 kW zugeführterLeistung und einer Temperatur der Auflageplatte von 200°C (ohne Klammerndes Wafers). Es ist ersichtlich, dass es einen erheblichen Effektdes Druckes auf den spezifischen elektrischen Widerstand gibt, wobeium 6 mTorr herum ein Minimum auftritt. Diese Beobachtung eines Minimumsdes spezifischen elektrischen Widerstandes mit höherem spezifischen elektrischen Widerstandsowohl fürniedrigere als auch spezifischen elektrischen Widerstand sowohlfür niedrigere alsauch höhereDrückeist wohlbekannt, wobei die Literatur verschiedene miteinander konkurrierende Erklärungen dafür gibt,warum dies so auftritt.
    [0032] 2 zeigtden spezifischen elektrischen Widerstand von gesputtertem Wolframin Abhängigkeitvon einer Temperatur der Auflageplatte mit denselben Prozessbedingungenwie bei 1, bei einemArgondruck von 6 mTorr. Wie fürMetalle üblich, fällt derspezifische elektrische Widerstand mit steigender Ablagerungstemperatur.Die in der Fig. angegebenen Temperaturen sind die jeweiligen Temperaturender Auflageplatte mit nicht geklammertem Wafer. In einem stationären Zustandohne Sputtern erzielt eine Temperatur der Auflageplatte von 400°C eine Temperaturdes Siliziumwafers von annähernd 280°C, wobeibeispielsweise bei einem Druck von weniger als 50 mTorr keine signifikanteGasleitung auftritt. Es wurde keine Substrat-Vorspannung angelegt.
    [0033] DünneSchichten aus Wolframnitrit, welche bei einer Temperatur der Auflageplattevon 200°C und400°C abgelagertwerden, haben im Wesentlichen dieselben Eigenschaften. In 3 sind Ergebnisse für einenProzess mit 38 Sekunden Vorheizen, 1 kW angewendete Leistung und60 sccm Argon und 70 sccm Stickstoff angegebenen.
    [0034] Es hat sich gezeigt, dass eine Substitution desArgon mit Krypton den spezifischen elektrischen Widerstand des gesputtertenWolfram bei gleichem Target und gleicher Targetleistung, gleichemPumpensystem, gleicher Temperatur für die Auflageplatte und gleichemAbstand zwischen Target und Substrat signifikant reduziert.
    [0035] 4 veranschaulichtden spezifischen elektrischen Widerstand von Wolfram sowohl für Argonals auch fürKrypton in Abhängigkeitvom Druck. Das Sputtern erfolgte unter Anwendung von 1 kW Leistungauf das Target ohne Vorspannung des Substrats. Für dieselbe angewandte Leistungwar die Sputterrate höher,die Targetspannung höherund der Targetstrom niedriger, wie aus 8 ersichtlich. Mit Krypton betrug dieAblagerungsrate 84 nm pro kW/min und für Argon 65 nm pro kW/min. Wieaus 4 ersichtlich, lagertKrypton und Argon das Wolfram herab bis auf etwa 10 mTorr mit demselbenspezifischen elektrischen Widerstand ab. Unterhalb von 10 mTorrexistieren Drücke,bei denen Krypton das Wolfram mit niedrigerem spezifischen elektrischen Widerstandabgelagert als Argon. Es wird erwartet, dass weitere Experimenteergeben, dass es einen minimalen spezifischen elektrischen Widerstandfür Wolframgibt, welches mittels Krypton aufgesputtert wird, wobei niedrigereDrückedünne Schichtenmit höheremspezifischen elektrischen Widerstand erzeugen. Es ist zu bemerken,dass bei Drückeoberhalb von 10 mTorr das Wolfram von Argon mit einem niedrigerenspezifischen elektrischen Widerstand abgelagert wird als von Krypton,was aus den Datenpunkten bei 14 mTorr ersichtlich ist, wo der spezifischeelektrische Widerstand von Wolfram 12,27 μOhm cm für Argon und 15,6 μOhm cm für Krypton ist.Das Anlegen einer Substratvorspannung mittels einer HF-Leistungmit einer Frequenz von 13,56 MHz an die Auflageplatte reduziertden spezifischen elektrischen Widerstand sowohl für Argonals auch für Krypton.Die in 5 dargestelltenErgebnisse wurden mit Krypton bei einem Druck von 7 mTorr ermittelt.
    [0036] Eine Erhöhung der Targetleistung reduziert denspezifischen elektrischen Widerstand für mit Krypton gesputtertesWolfram, währendes den spezifischen elektrischen Widerstand beim Sputtern mit Argonerhöht. 6 zeigt den Einfluss derTargetleistung auf den spezifischen elektrischen Widerstand für Kryptonbei 2 mTorr ohne an das Substrat angelegte Vorspannung. Wie aus 6 ersichtlich, kann ohneVorspannung ein spezifischer elektrischer Widerstand von etwa 8,5 μOhm cm erzieltwerden. Es sind weiterführendeExperimente mit Vorspannung und höherer Targetleistung und zusätzlich reduziertenSputterdrückengeplant.
    [0037] Es versteht sich, dass es nicht immerpraktikabel ist, die Targetleistungsdichte zu erhöhen, daes sich um sehr dünneSchichten handelt und die Ablagerungen von dünnen Schichten zu kurz werden kann,um die Ablagerungen präziseSteuern zu können.
    [0038] Es wurde dann im Wolframnitrit-Prozessdas Argon mit Krypton ersetzt, wobei auf das Target 1 kW Leistungangewendet wurde mit 60 sccm Argon oder Krypton und 70 sccm Stickstoff,wobei die Ergebnisse in 7 dargestelltensind. Es ist ersichtlich, dass ein starker Effekt auf die Spannungder dünnen Schichtvorliegt, was auf eine andere Struktur der dünnen Schicht hindeutet, welchemöglicherweise dieBarriereleistungsfähigkeitund Stabilitätbeeinflusst.
    [0039] Es ist daher möglich, Argon und Krypton mit demStickstoff zu mischen, um Wolframnitrit-Barrieren mit spezifischenSpannungseigenschaften auszubilden, beispielsweise nominell null.Unterschiedliche Mischungen von Argon und Krypton im Bereich von0% bis 100% könnenfür beideProzesse in der gleichen Kammer verwendet werden. 9 zeigt den Effekt der Änderungdes Sputtergases auf die Spannung in der dünnen Wolframschicht. Die Gasströme von Argonund Krypton sind derart gewählt, dassder niedrigst möglichespezifische elektrische Widerstand erzielt wird. Wie ersichtlich,kann die Spannung der dünnenSchicht von Druckspannung bis Zugspannung durch Wechsel von Argonzur Krypton geändertwerden, was wiederum indiziert, dass es möglich ist, eine dünne Schichtmit null Spannung abzulagern. Weitere Verbesserungen bezüglich des spezifischenelektrischen Widerstandes von Wolfram können durch die Verwendung vonXenon oder Xenon-Mischungen erzielt werden, wobei Xenon eine wesentlichhöheremolare Masse als Krypton und Argon hat.
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] Verfahren zum Sputtern einer dünnen Wolframschichtoder einer Wolfram enthaltenden dünnen Schicht von einem Wolfram-Targetauf einen Halbleiterwafer unter Verwendung von Krypton oder Xenon alsSputtergas.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Ablagerung in einer Vakuumkammer mit einem Kryptondruckvon weniger als 10 mTorr durchgeführt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Kryptondruck kleiner als 6 mTorr ist.
    [4] Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstandder dünnenWolframschicht kleiner als 11 μOhmcm ist.
    [5] Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass dem Target eine Leistung von größer alsetwa 1 Watt pro Zentimeter zugeführtwird.
    [6] Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer während der Ablagerung auf einer Auflageplatteangeordnet wird und die Plattentemperatur zwischen 200°C und 400°C beträgt.
    [7] Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageplatte mit einer negativenGleichspannung vorgespannt wird.
    [8] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Sputtern reaktives Sputtern ist; das Sputtergas Stickstoffenthältund die abgelagerte dünneSchicht Wolframnitrit ist.
    [9] Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtergas ferner Argon enthält.
    [10] Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass das Verhältnisvon Argon zu Krypton oder Xenon derart gewählt ist, dass die Spannungin der abgelagerten dünnenSchicht minimiert wird.
    [11] Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus ausWolfram/Wolframnitrit auf einem Wafer, wobei eine dünne Schichtaus Wolframnitrit auf einen Wafer gesputtert wird und eine dünne Schichtaus Wolfram auf die dünneSchicht aus Wolframnitrit gesputtert wird, wobei die beiden Sputterprozessein einer einzigen Kammer unter Verwendung eines einzigen Targetsausgeführtwerden.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass der Wafer auf einer Auflageplatte angeordnet und die Temperaturder Auflageplatte für diebeiden Sputterprozesse im Wesentlichen gleichgehalten wird.
    [13] Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,dass die dünneSchicht aus Wolfram unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einemder Ansprüche1 bis 7 aufgesputtert wird.
    [14] Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis13, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht aus Wolfram oderdie Wolfram enthaltende dünneSchicht unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 8 bis 10 abgelagertwird.
    [15] Eine Gate-Anordnung hergestellt mit den Verfahrengemäß wenigstenseinem der Ansprüche11 bis 14.
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    2011-06-01| R005| Application deemed withdrawn due to failure to request examination|Effective date: 20110304 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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