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Dokumentenidentifikation DE4219529C2 26.05.1994
Titel Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen in CMOS-Technik mit "local interconnects"
Anmelder Deutsche ITT Industries GmbH, 79108 Freiburg, DE
Erfinder Wilmsmeyer, Klaus, Dipl.-Phys. Dr., 7819 Denzlingen, DE
DE-Anmeldedatum 15.06.1992
DE-Aktenzeichen 4219529
Offenlegungstag 16.12.1993
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.05.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.05.1994
IPC-Hauptklasse H01L 21/334

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der fortgeschrittenen CMOS-Technik werden sogenannte "local interconnects" zur Erhöhung der Packungsdichte herangezogen. Man versteht darunter die Einführung von definierten Leitbahnen aus z. B. Polysiliciden nach der Source-Drain-Implantation und vor der Abscheidung einer Zwischenoxidschicht. Es resultieren auf diese Weise vergrabene Kontakte, die eine direkte Verbindung zwischen der Polysiliciumschicht und den aktiven Bereichen ohne Metallverbindung ermöglichen.

Das übliche Verfahren zur Herstellung von "local interconnects" (nachfolgend als LI bezeichnet) läuft zunächst mit den üblichen Schritten der CMOS-Herstellung ab. Nach der Source-Drain-Implantation werden dann dünne Schichten eines hitzebeständigen Metalls wie z. B. Titan und alpha-Silicium in Form einer Doppelschicht aufgesputtert. Das alpha-Silicium wird dann in einem Photoprozeß entsprechend strukturiert und in einer Stickstoffatmosphäre getempert, so daß sich überall da wo Silicium und Metall in Berührung ist, das entsprechende Silicid ausbildet. Durch selektives Ätzen wird dann das nicht umgesetzte Metall und im Falle von Titan gegebenenfalls entstandenes Titannitrid entfernt und die Wafer einem zweiten Temperungsprozeß unterworfen, in dessen Verlauf das ursprüngliche C49- Silicid in das niederohmigere C54-Silicid übergeführt wird. Anschließend wird der herkömmliche CMOS-Prozeß mit Silox- BPSG-Beschichtung fortgeführt.

Bei diesen Verfahren werden außer der Bildung der LI in einem selbstjustierenden Prozeß auch Source-, Drain- und Gate-Gebiete siliciert und damit niederohmiger gemacht (Salicide-Verfahren).

Besonders für kleine Strukturen weist das herkömmliche Verfahren jedoch eine Reihe von Nachteilen auf:

Der oben erwähnte Strukturierprozeß muß mittels anisotropen Ätzens (RIE) vorgenommen werden, um ein Unterätzen zu vermeiden. Dabei besteht aber die Gefahr, daß in den Gate- Ecken 9 sogenannte Filaments von alpha-Silicium stehenbleiben, die im Verlauf des weiteren Prozesses durch Bildung von Metallsilicid-Brücken Kurzschlüsse verursachen können. Will man dies vermeiden, muß stark überätzt werden, was wiederum den Nachteil hat, daß dabei ein Teil des Metalls abgetragen wird und somit dieses dann außerhalb der LI-Gebiete wesentlich dünner ist, als in den Bereichen, wo die "local interconnects" erzeugt werden. Das bedeutet aber, daß bei der anschließenden Silicidherstellung a) auf den erstengenannten Bereichen zu wenig Silicid sich ausbildet und diese damit hochohmig werden, und b) auf den LI-Bereichen sich zuviel Silicid bildet, mit der Gefahr von Verbindungsfehlern mit Sperrströmen. Siehe hierzu den Artikel "Electrical Characterization of Submicron Titanium Silicon Local Interconnect Technologie; ESSDERC 89 p. 903) von M.G. Pitt et al in ESSDERC 89, Seite 903 ff, wo die erwähnte Problematik in Verbindung mit der Titansilicid- Bildung beschrieben wird.

Die Wirksamkeit der Entfernung des alpha-Silicium aus den Gate-Ecken durch Überätzen hängt wesentlich von der Form der Spacer ab, die die Ränder des eigentlichen Polysilicium-Gate isolieren. Die Spacerform und hier insbesondere deren Flankensteilheit unterliegt jedoch im allgemeinen Prozeßschwankungen, so daß die Zuverlässigkeit der Filament-Beseitigung nicht gegeben ist.

Die Silicidbildung bei der ersten Temperung ist zudem für die Nicht-LI-Bereiche ein empfindlicher Prozeß, da er von zwei konkurrierenden Reaktionen bestimmt wird. Ist nämlich das hitzebeständige Metall Titan, so bildet sich von der der Oberfläche her Titannitrid ausbilden und von der Trennfläche Titan/Silicium Titansilicid. Aus diesem Grund sind Prozeßschritte unerwünscht, welche die Oberfläche des reaktiven Titan unbeabsichtigt beeinträchtigen können so z. B. die obengenannten Schritte des Ätzens und Ablackens im Rahmen des Photoprozesses. Es ist zu befürchten, daß durch Verunreinigung, wozu auch eine Oxydation zählt, die Nitridbildung und ebenso auch die Silicidbildung unreproduzierbar werden.

Im J. Vac. Sci. Technol. B9 (4), Juli/August 1991 auf Seite 1950, r. Sp. Abs. 2, wird bereits ein Verfahren erwähnt, bei dem eine Titansilicidschicht für LI durch Sputtern von alpha-Silicium und Titan mit nachfolgendem Tempern erzeugt wird. Wesentlich ist dabei ein geringer Sauerstoffgehalt der Schicht, der bewirkt, daß sie bis zu 900°C stabil ist.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungen stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Verfahren derart abzuändern, daß die ihm anhaftenden Nachteile entfallen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert, wobei in den einzelnen Figuren im Schnittbild die einzelnen Verfahrensschritte zusammengefaßt dargestellt sind und für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Von den Figuren zeigen

Fig. 1 bis Fig. 4 die herkömmlichen Schritte der LI- Technik,

Fig. 5 bis 8 die Schritte im Rahmen der Erfindung zur Herstellung des Salicide-Teils, die

Fig. 9 bis 11 die Herstellung des LI-Silicides.

Bei der herkömmlichen LI-Technologie wird zunächst der übliche CMOS-Prozeß bis nach der p+-Diffusion durchgeführt (Fig. 1). Die dabei erhaltene Struktur zeigt das Substrat 1 mit den Source/Drain-Gebieten 31, 32, dem Feldoxidbereich 2, dem Gate-Oxid 22, der Polysiliciumschicht 7 und den Spacern 6. Dieser Aufbau wird nun durch eine aufgesputterte Doppelschicht aus Titan 4 und amorphen Alpha-Silicium 5 abgedeckt.

In einem Photoprozeß wird dann das Photolackmuster 8 erzeugt, wodurch die Bereiche der späteren "local interconnects" festgelegt werden (Fig. 2). Anschließend wird durch anisotropes Ätzen (RIE) die freiliegende Siliciumschicht 5 bis zur Titanschicht abgetragen und danach die Ätzmaske (Photolackschicht 8) entfernt (Fig. 3).

Durch Tempern bildet sich an den Stellen, an denen die Titanschicht 4 mit Silicium in Berührung steht, eine Schicht 10 aus Titansilicid. Das als Konkurrenzreaktion gebildete Titannitrid sowie überschüssiges Titan wird selektiv durch Ätzen entfernt und in einem zweiten Temperungsprozeß das Silicid der C49-Konfiguration in das niederohmigere der C54 Kristallstruktur übergeführt (Fig. 4). Anschließend wird der Standard-CMOS-Prozeß mit der Silox-Bor-Phosphor-Silikatglas-Beschichtung fortgesetzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das anhand der Fig. 5 bis 11 dargestellt ist, erfolgt eine Auftrennung der Verfahrensschritte in die Silicidbildung und in die Herstellung der "local interconnects". Ausgehend von einem n-dotierten Substrat 1 werden wiederum nach dem herkömmlichen CMOS-Prozeß Source- und Drain-Zonen 31, 32 eindiffundiert. Die letztlich resultierende Struktur ist in Fig. 5 gezeigt. Sie ist bis auf die fehlende Doppelschicht aus Titan 4 und amorphen Silicium 5 mit Fig. 1 identisch.

Im nächsten Verfahrensschritt wird auf der Oberfläche lediglich eine Titanschicht 4 aufgesputtert (Fig. 6). Danach wird durch Tempern bei 600°-800°C Titansilicid in den Bereichen erzeugt, in denen das Metall direkt auf Silicium aufliegt Schicht 10 in Fig. 7). Anschließend wird durch selektives Ätzen das nichtumgesetzte Titan entfernt und ein zweiter Temperungsschritt bei 800-1000°C durchgeführt, um den Flächenwiderstand des gebildeten Silicids weiter zu verringern (Fig. 8).

Nunmehr wird eine Doppelschicht aus Titan 41 und amorphen alpha-Silicium 51 aufgesputtert, welche wiederum die gesamte Oberfläche des Bauteils abdeckt (Fig. 9).

Die Festlegung der LI-Bereiche erfolgt mittels eines Photoprozesses, wobei die verbleibende Ätzmaske die Bereiche abdeckt, in denen die LI&min;s erzeugt werden sollen. Nach dem Abätzen der alpha-Siliciumschicht 41 verbleibt die Struktur nach Fig. 10. Anschließend wird die Ätzmaske (Photolackschicht 8) entfernt und zur Bildung von Titansilicid in den LI-Bereichen die Struktur einer Temperung bei 600-800°C unterworfen. Danach wird das nichtumgesetzte Titan durch Ätzen entfernt und in einem zweiten Temperungsschritt bei 800-1000°C der Flächenwiderstand des gebildeten Silicids herabgesetzt, Umwandlung von C49-Silicid in C54-Silicid (Fig. 11).

Im Anschluß an diese Schritte wird das Verfahren entsprechend dem Standard-CMOS-Prozeß weitergeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist zwar mehr Schritte auf als das bislang angewendete, Grund hierfür ist die angestrebte Entkopplung der Herstellung des Source/Drain/Gate-Silicid und die des Silicids für die LI&min;s, was jedoch nur ein scheinbarer Nachteil ist, denn man erreicht auf diese Weise eine ganze Reihe von Vorteilen.

Im Gegensatz zum konventionellen Verfahren können die Schichtdicken der Metall- und der alpha-Siliciumschicht wesentlich dünner gehalten werden, da nur die LI-Bereiche aus ihnen hergestellt werden. Man erreicht dadurch eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit bei der Herstellung der Bauelemente.

Weitere Vorteile sind:

Durch die Auftrennung können beim Salicidverfahren, das in der Halbleitertechnik hinlänglich bekannt ist, der niedrige Flächenwiderstand beibehalten werden.

Die Zeit für das Überätzen des alpha-Siliciums kann wesentlich ausgedehnt werden und ist trotzdem unkritisch, weil das Metall außerhalb der LI-Bereiche nicht mehr gebraucht wird.

Selbst eine starke Überätzung des alpha-Siliciums garantiert auch bei anisotropen Prozeß an steilen Kanten einen sicheren alpha-Silicium-Abtrag, so daß keine Reste in den Gate-Ecken verbleiben.

Durch die starke Überätzung ist unabhängig von der Form der die Gate-Kanten bildenden Spacer gewährleistet, daß das alpha-Silicium vollständig entfernt wird.

Die oben erwähnte Möglichkeit, die Doppelschicht aus Metall und alpha-Silicium relativ dünn zu halten, erlaubt eine kürzere Ätzzeit, was eine bessere Maßhaltigkeit der Struktur zur Folge hat.

Die Metallschicht zur Source/Drain/Gate-Silicidbildung muß vor dem Tempern nicht noch andere Prozesse durchlaufen (Photoprozeß, Ablacken), die die eigentliche Silicidbildung stören können.

Das kleinere Angebot an Metall, im vorliegenden Beispiel Titan, vermeidet den sogenannten Silicon-Suckout-Effekt in den Bereichen der "local interconnects" und den aktiven Zonen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von CMOS-Bauelementen mit "local interconnects", gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    1. 1. Standard CMOS-Prozeß bis zur p+-Diffusion,
    2. 2. Aufsputtern einer Schicht (4) aus hitzebeständigem Metall,
    3. 3. Erste Temperung zur Ausbildung einer Metallsilicidschicht (10),
    4. 4. Selektives Ätzen der nicht umgesetzten Metallschicht (4),
    5. 5. Zweite Temperung,
    6. 6. Aufsputtern einer weiteren Schicht (41) aus hitzebeständigem Metall und einer darüberliegenden Schicht (52) aus amorphem Alpha-Silicium,
    7. 7. Photolithographieprozeß zur Strukturierung der Siliciumschicht (52) mit nachfolgender Ablackung und erste Temperung zur Ausbildung der Metallsilicidschichten (10),
    8. 8. Abätzen der verbliebenen Metallschicht (41),
    9. 9. Zweite Temperung,
    10. 10. Weiterführung des Standard-CMOS-Prozesses.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzefeste Metall, Titan, Wolfram, Molybdän oder Tantal ist.






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