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Dokumentenidentifikation DE102006004396B3 08.03.2007
Titel Verfahren zum Entfernen von Refraktärmetallschichten und zur Silizierung von Kontaktflächen
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Dupont, Audrey, 01097 Dresden, DE;
Goldbach, Matthias, Dr., 01099 Dresden, DE;
Fitz, Clemens, 01326 Dresden, DE
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 31.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006004396
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.03.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/321(2006.01)A, F, I, 20060131, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/336(2006.01)A, L, I, 20060131, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen von Abschnitten einer etwa mittels Kathodenstrahlzerstäubung (Sputtern) abgeschiedenen Depositionsschicht (5) aus einem Refraktärmetall geringer Dichte im Zuge der Herstellung einer Halbleitereinrichtung. Die Depositionsschicht (5) wird mittels mit Ozon angereicherter Schwefelsäure (SOM-Lösung) entfernt. Mittels der SOM-Lösung lässt sich die abgeschiedene Depositionsschicht (5) mit hoher Ätzselektivität sowohl gegenüber dem Silizid (51) des Refraktärmetalls geringer Dichte als auch gegenüber Refraktärmetallen hoher Dichte, etwa wärmebehandeltem Wolfram, entfernen. Das Verfahren vereinfacht die Ausbildung von Kontakten mit Kobaltsilizid (52), da nach der Silizidbildung mit der SOM-Lösung sowohl die nicht abreagierten Abschnitte einer Depositionsschicht (5) aus Kobalt als Ausgangsschicht für die Silizidbildung als auch eine Oxidationsschutzschicht (6) aus etwa mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschiedenem Titan gleichermaßen schnell und mit hoher Selektivität gegen das Kobaltsilizid (52) und andere, verdichtete Metallstrukturen (14) und Metallschichten (32) entfernt werden können.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen einer Depositionsschicht aus einem Refraktärmetall niedriger Dichte im Zuge der Herstellung einer Halbleitereinrichtung, bei dem Abschnitte der Depositionsschicht durch Einwirken einer Prozessflüssigkeit entfernt werden. Von der Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung eines Metallsilizids auf einer Substratoberfläche eines Substrats umfasst.

Schaltgeschwindigkeit und Leistungsaufnahme von Halbleitereinrichtungen sind eng mit Leitungs- und Übergangswiderständen innerhalb der Halbleitereinrichtung verbunden. Zur Reduzierung der Leitungswiderstände werden die Verbindungsleitungen innerhalb der Halbleitereinrichtung aus Metallen vorgesehen. Bei Feldeffekttransistoren bleibt der Übergangswiderstand zwischen den im Innern eines einkristallinen Halbleitersubstrats ausgebildeten Source/Drain-Bereichen und einer auf dem Halbleitersubstrat aufliegenden, metallisierten Kontaktstruktur maßgeblich, die den Source/Drain-Bereich mit in einer Metallisierungsebene oberhalb des Halbleitersubstrats ausgebildeten Verbindungsleitungen verbindet. Zur Reduzierung des Übergangswiderstands wird entlang der Übergangsflächen zwischen dem Siliziumsubstrat und der Kontaktstruktur ein Metallsilizid gebildet, dessen elektrischer Widerstand geringer ist als der eines Silizium/Metall-Übergangs.

Ein geeignetes Metallsilizid ist Kobaltsilizid. Zur Silizidbildung (Silizierung) wird eine Kobaltschicht auf das Siliziumsubstrat aufgebracht und bei einer Silizierungstemperatur von etwa 550 Grad Celsius wärmebehandelt. An das Siliziumsubstrat anschließende Abschnitte der Kobaltschicht reagieren mit dem Silizium des Siliziumsubstrats zu Kobaltmonosilizid CoSi. Nicht abreagierte Abschnitte der Kobaltschicht werden entfernt.

Während der Silizidbildung kann es auch in reiner Stickstoffumgebung durch Sauerstoff, der aus dem Substrat ausdiffundiert, zur Bildung von schlecht leitendem Kobaltoxid an der Oberfläche der Kobaltschicht, sowie zur Bildung von Kobaltsilizid-Agglomeraten kommen. Daher wird die Kobaltschicht vor der Silizierung durch eine Oxidationsschutzschicht abgedeckt. Für die Oxidationsschutzschicht wird ein Material gewählt, das leichter mit dem Sauerstoff reagiert als das Kobalt, oder das in gesputterter Form für Sauerstoff undurchdringlich ist, etwa Titan oder Titannitrid. Nach der Silizierung wird die Oxidationsschutzschicht zusammen mit den überschüssigen Abschnitten der Kobaltschicht entfernt.

Aus der Patentschrift US 6,743,721 ist eine Oxidationsschutzschicht aus einer Kobalt-Titan-Legierung zum Schutz einer Kobaltschicht bei der Silizidbildung bekannt.

Üblicherweise umfasst das Entfernen der Oxidationsschutzschicht sowie des überschüssigen Kobalts eine Abfolge unterschiedlicher Ätzprozesse, da während der Wärmebehandlung Zwischenverbindungen bzw. Legierungen aus den Material der Oxidationsschutzschicht und der Kobaltschicht entstehen, deren Entfernung einen Wechsel der Ätzlösung erforderlich machen.

Wird die Oxidationsschutzschicht aus Titan vorgesehen, so erfolgt im ersten Schritt eine Ätzung mit einer SC1-Lösung und im zweiten Schritt eine Ätzung mit einer SOPM-Lösung.

Die SC1-Lösung (RCA standard clean 1) enthält deionisiertes Wasser H2O, Wasserstoffperoxid H2O2 und Ammoniumhydroxid typischerweise im Verhältnis 50:2:1 und wird bei Temperaturen zwischen 25 und 70 Grad Celsius angewendet.

Die SOPM-Lösung (sulfuric ozone peroxide mixture) enthält Schwefelsäure H2SO4, und Wasserstoffperoxid H2O2 im Verhältnis von beispielsweise 84:1 und ist mit mehr als 100 g/m3 Ozon angereichert. Eine typische Anwendungstemperatur ist 100 Grad Celsius. Für eine Mischung, die Schwefelsäure (H2SO4) und Wasserstoffperoxid (H2O2) enthält, sind die Bezeichnungen SPM-Lösung (sulphuric acid peroxide mixture) und Piranha-Lösung geläufig.

Besteht die Oxidationsschutzschicht aus Titannitrid, so folgt einer ersten Ätzung mit einer SC1-Lösung im zweiten Schritt eine Ätzung mit einer SC2-Lösung, der sich in einem dritten Schritt eine erneute Ätzung mit einer SC1-Lösung anschließen kann.

Die SC2-Lösung (RCA standard clean 2) enthält deionisiertes Wasser H2O, Wasserstoffperoxid H2O2 und Salzsäure HCl typischerweise im Verhältnis 20:1:1 und wird typischerweise bei Temperaturen zwischen 20 und 70 Grad Celsius eingesetzt.

Die Gateelektroden der Feldeffekttransistoren bestehen in einem an das Gatedielektrikum anschließenden Abschnitt aus einer dotierten Polysiliziumschicht. In Transistoranordnungen, wie sie etwa für Speicherzellenfelder üblich sind, bilden die Gateelektroden der Auswahltransistoren mehrerer elektrisch parallel geschalteter Speicherzellen Abschnitte einer zusammenhängenden Verbindungsleitung (Wortleitung), über die jeweils eine Gruppe von Speicherzellen adressiert werden. Zur Reduzierung des elektrischen Leitungswiderstandes einer solchen Wortleitung werden die Gateelektroden mit einer zusätzlichen niederohmigen Metallschicht vorgesehen, die auf der dotierten Polysiliziumschicht der Gateelektrode aufliegt. Das Material der Metallschicht ist üblicherweise Wolfram. Die Metallschicht wird üblicherweise durch eine Kappenschicht aus Siliziumnitrid abgedeckt.

Nach Ausbildung einer Gateelektrode und der Source/Drain-Bereiche eines Transistors wird ein Zwischenlagendielektrikum (interlayer dielectric, ILD), meist ein Borphoshorsilikatglas (BPSG), auf das Halbleitersubstrat aufgebracht, das das Halbleitersubstrat und die Gateelektrode bedeckt. Oberhalb des Zwischenlagendielektrikums werden in einer Metallisierungsebene Verbindungsleitungen zwischen den im Halbleitersubstrat ausgebildeten Bauelementen ausgebildet. Bevor die Verbindungsleitungen ausgebildet werden, wird das Zwischenlagendielektrikum über den anzuschließenden Source/Drain-Bereichen und den Gateelektroden geöffnet. Mittels einer gepufferten Oxidätzung (buffered oxide etch, BOE-Lösung) mit einer Ätzlösung, die NH4F und HF enthält, wird natives Siliziumoxid, das sich auf der Siliziumoberfläche der Source/Drain-Bereiche bildet, entfernt. In die Öffnungen werden Kontaktstrukturen eingebracht, die die Source/Drain-Bereiche bzw. Gateelektroden mit den im weiteren Verlauf auszubildenden Verbindungsstrukturen in der Metallisierungsebene verbinden.

Die Silizierung wird nach der Reinigung der Siliziumoberflächen der Source/Drain-Bereiche mit der BOE-Lösung ausgeführt. Die Silizierung kann alternativ als selbstjustierter Prozess vor der Abscheidung des Zwischenlagendielektrikums erfolgen (Salizierung, self-aligned silicidation).

In beiden Fällen liegt die Kobaltschicht abschnittsweise auch auf der Metallschicht der Gateelektrode auf.

Beim Entfernen der Oxidationsschutzschicht und des nicht abreagierten Kobalts wird die Metallschicht der Ätzflüssigkeit ausgesetzt. Bei Verwendung einer Piranha-Lösung als Ätzflüssigkeit wird das Wolfram angeätzt und die Wolframschicht geschädigt, so dass der elektrische Widerstand der Wolframschicht erhöht wird.

Aus der US 2004/0115952 A1 ist eine Ätzflüssigkeit bekannt, die Kobalt und Titannitrid selektiv gegen Kobaltsilizid und Wolfram ätzt. Die Ätzflüssigkeit besteht aus Schwefelsäure und einem jodhaltigen Oxidationsmittel. Die Wirkung von jodhaltigen Rückständen in den funktionellen Bereichen des Halbleitersubstrats sowie das Ausmaß einer Verunreinigung der Halbleitersubstrate und der Prozessmittel mit Jod bei Anwendung jodhaltiger Oxidationsmittel sind weit gehend unbekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und schnelles Verfahren zum Entfernen von Refraktärmetallschichten zur Verfügung zu stellen. Von der Aufgabe wird ein Verfahren zur Ausbildung von Refraktärmetallsiliziden auf Siliziumoberflächen umfasst.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein weiteres die Aufgabe lösendes Verfahren ist im Patentanspruch 2 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich in einem ersten Aspekt auf das Entfernen etwa einer mittels Kathodenstrahlzerstäubung, Gasphasenabscheidung (CVD) oder ALD (atomic layer deposition) abgeschiedenen Depositionsschicht aus einem Refraktärmetall geringer Dichte, die im Zuge der Herstellung einer Halbleitereinrichtung auf ein Substrat aufgebracht wird. Die Depositionsschicht wird durch Einwirken einer Prozessflüssigkeit entfernt, wobei erfindungsgemäß als Prozessflüssigkeit mit Ozon angereicherte Schwefelsäure (sulfuric acid ozone mixture, SOM-Lösung) verwendet wird.

Refraktärmetalle im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind entsprechend der geläufigen Verwendung des Begriffs Refraktärmetall im Bereich der Halbleitertechnologie die Metalle der IV. bis VIII. Nebengruppe mit Schmelztemperaturen von über 1400 Grad Celsius. Refraktärmetalle im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind demnach neben V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ru, Hf, Ta, W, Re, Os und Ir insbesondere auch Co und Ni.

Die Dicke der Depositionsschicht kann bis zu mehreren 100 nm betragen. Bevorzugt wird die Depositionsschicht mit einer Schichtdicke von unter 50 nm vorgesehen.

Dabei werden einer etwa 96%igen Schwefelsäure bevorzugt 50 bis 200 g/m3 Ozon beigefügt. Die SOM-Lösung wirkt bei einer Temperatur von mindestens 80 Grad Celsius und höchstens 140 Grad Celsius auf die Depositionsschicht ein.

Bevorzugt wird der Schwefelsäure etwa 100 g/m3 Ozon beigefügt. Das Entfernen der Depositionsschicht wird bei einer Temperatur von etwa 100 Grad Celsius durchgeführt.

SOM-Lösungen werden als Variante zu SPM-Lösungen (sulfuric acid hydrogen peroxide mixture, „Piranha"-Lösung) bisher ausschließlich zur Entfernung organischer Materialien eingesetzt. Die Entfernung von Metallschichten erfolgt üblicherweise mit den bereits beschriebenen SC1- und SC2-Lösungen. SC1- und SC2-Lösungen entfernen Metallschichten mit geringer Selektivität gegen andere Metalle, und weitgehend unabhängig von deren Dichte und deren Formierungsgeschichte (ALD, CVD, Kathodenstrahlzerstäubung, elektrochemische Abscheidung). Demgegenüber konnte gezeigt werden, dass die SOM-Lösung unter den beschriebenen Bedingungen Refraktärmetalle geringer Dichte selektiv gegen Refraktärmetalle hoher Dichte zurückbilden kann, bzw. ein mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschiedenes Metall geringer Dichte gegen dasselbe, aber mittels ALD abgeschiedene und/oder durch Temperung verdichtete Metall. Dabei wird das Material der Depositionsschicht zunächst oxidiert und das dabei entstehende Oxidationsprodukt in der SOM-Lösung gelöst. Der Prozess geht umso schneller vor sich, je geringer die Dichte der jeweiligen Metallschicht ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht demnach in vorteilhafter Weise das Entfernen einer ersten Metallstruktur selektiv gegen eine zweite Metallstruktur, wobei die erste und die zweite Metallstruktur aus unterschiedlichen Refraktärmetallen oder Legierungen daraus bestehen. Die erste und zweite Metallstruktur können auch aus demselben Refraktärmetall bzw. derselben Legierung bestehen, weisen aber durch unterschiedliche Vorbehandlungen unterschiedliche Dichten auf.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt insbesondere im Zusammenhang mit einem Verfahren zur Herstellung eines Metallsilizids aus einem Refraktärmetall geringer Dichte auf einer Substratoberfläche eines Substrats zu tragen.

Dazu wird ein Substrat bereitgestellt, das eine Halbleiterstruktur aus Silizium aufweist. Die Halbleiterstruktur schließt abschnittsweise an die Substratoberfläche an. Auf die Substratoberfläche wird etwa mittels Kathodenstrahlzerstäubung, Gasphasenabscheidung (CVD) oder ALD (atomic layer deposition) eine Depositionsschicht aus dem Refraktärmetall geringer Dichte aufgebracht.

Die Dicke der Depositionsschicht kann bis zu mehreren 100 nm betragen. Bevorzugt wird die Depositionsschicht mit einer Schichtdicke von unter 50 nm vorgesehen.

Im Zuge einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur unter 700 Grad Celsius wird entlang einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterstruktur und der Depositionsschicht das Metallsilizid gebildet. Die nicht silizierten Abschnitte der Depositionsschicht werden mittels einer Prozessflüssigkeit entfernt, wobei erfindungsgemäß als Prozessflüssigkeit mit Ozon angereicherte Schwefelsäure (SOM-Lösung) verwendet wird.

Die SOM-Lösung greift auch bei langer Einwirkzeit das Metallsilizid nicht an. Der elektrische Kontaktwiderstand des Metallsilizids bleibt in vorteilhafter Weise unverändert.

Das Refraktärmetall zur Metallsilizidbildung kann etwa Ti, Ni oder Co sein. Insbesondere in Verbindung mit solchen Refraktärmetallen, die während der Silizidbildung auch in Stickstoffumgebung mit aus dem Substrat ausdiffundierenden Sauerstoff unter Bildung eines Metalloxids reagieren, kommt ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zu tragen.

In diesem Fall wird nach dem Abscheiden der Depositionsschicht eine Oxidationsschutzschicht auf die Depositionsschicht aufgebracht. Die Oxidationsschutzschicht unterdrückt eine Oxidation der Depositionsschicht und des darunter liegenden Siliziums während der thermischen Behandlung des Substrats.

Die Dicke der Oxidationsschicht kann bis zu 200 nm betragen. Bevorzugt wird die Oxidationsschutzschicht in einer Schichtdicke von unter 50 nm aufgebracht.

Wird auch die Oxidationsschutzschicht aus einem Refraktärmetall geringer Dichte vorgesehen und etwa mittels Kathodenstrahlzerstäubung aufgebracht, dann kann diese durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise zusammen mit den nicht abreagierten Abschnitten der Depositionsschicht in einem einzigen, schnellen Nassätzschritt entfernt werden. Dabei eventuell vorübergehend entstehende Legierungen aus dem Material der Depositionsschicht und dem Material der Oxidationsschutzschicht bedingen keinen Wechsel der Ätzlösung sondern werden, sofern sie überhaupt entstehen, in gleicher Weise wie die Ausgangsmaterialien entfernt. Gegenüber herkömmlichen Verfahren ergibt sich eine vorteilhafte, deutliche Ersparnis an Prozesszeit und eingesetzter Prozesskomplexität.

Als Material der Depositionsschicht wird in bevorzugter Weise Ti, Co oder Ni oder eine Legierung daraus gewählt.

Jedenfalls dann, wenn als Material der Depositionsschicht Co gewählt wird, wird eine Oxidationsschutzschicht vorgesehen. Das bevorzugte Material dafür ist Titan oder eine Titanlegierung, etwa CoTi. Die Ätzraten der SOM-Lösung für gesputtertes Titan und gesputtertes Co sind sehr hoch.

Die thermische Behandlung erfolgt bei der zur Bildung des jeweiligen Silizids erforderlichen Temperatur. Wird demnach als Material der Depositionsschicht Co gewählt, so erfolgt die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 300 Grad Celsius und höchstens 600 Grad Celsius. Dabei wird als Metallsilizid Kobaltmonosilizid CoSi gebildet.

Nach dem Entfernen der nicht zu Metallsilizid umgewandelten Abschnitte der Depositionsschicht wird eine thermische Folgebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 700 Grad Celsius ausgeführt. Dabei wird das CoSi in CoSi2 umgesetzt, dessen elektrischer Widerstand geringer ist als der des CoSi.

Ein weiterer wesentlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt dann zum Tragen, wenn vor dem Abscheiden der Depositionsschicht im Substrat eine abschnittsweise an die Substratoberfläche anschließende Metallstruktur aus einem Refraktärmetall hoher Dichte ausgebildet wird. Das Refraktärmetall hoher Dichte ist ein solches, das entweder eine hohe spezifische Dichte aufweist, und/oder infolge des jeweiligen Abscheidungsverfahrens und/oder durch eine geeignete Wärmebehandlung verdichtet ist. Beispielsweise weist üblicherweise eine mittels elektrochemischer Abscheidung oder mittels ALD abgeschiedene Schicht eine höhere Dichte auf als eine mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschiedene Schicht aus dem selben Element.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich auch gegenüber solchen Metallstrukturen als selektiv. Die Metallstruktur kann eine im Substrat vergrabene Struktur oder eine oberhalb des Substrats vorgesehen Struktur sein, etwa eine Verbindungsleitung oder ein Teil einer Gateelektrode eines Transistors.

Insbesondere im Zusammenhang mit Kontaktkonzepten, die die gleichzeitige Ausbildung von Kontaktstrukturen zu Gateelektroden und Source/Drain-Bereichen von Transistoranordnungen vorsehen, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu weiteren signifikanten Vorteilen.

Solche Kontaktkonzepte sehen vor, dass vor dem Abscheiden der Depositionsschicht auf dem Substrat eine Gateelektrode eines ersten Transistors ausgebildet wird. Die Gateelektrode weist eine Metallschicht aus einem Refraktärmetall hoher Dichte auf. Das Refraktärmetall hoher Dichte ist wiederum ein solches, das entweder eine hohe spezifische Dichte aufweist, und/oder infolge des jeweiligen Abscheidungsverfahrens und/oder durch eine geeignete Wärmebehandlung verdichtet ist.

Im Substrat wird ein Source/Drain-Bereich des ersten oder eines zweiten Transistors ausgebildet. Die Metallschicht der Gateelektrode wird mindestens abschnittsweise freigelegt.

Werden nun nacheinander die Depositionsschicht und die Oxidationsschicht mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschieden, die Silizidbildung durchgeführt sowie die Depositionsschicht und die Oxidationsschutzschicht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens entfernt, so werden weder das Metallsilizid noch die Metallschicht der Gateelektrode angegriffen.

Insbesondere dann, wenn als das Refraktärmetall der Metallstruktur im Halbleitersubstrat bzw. der Metallschicht der Gateelektrode gesputtertes Wolfram vorgesehen wird, ergibt sich in SOM bei 100 Grad Celsius eine vorteilhaft hohe Ätzselektivität gegenüber gesputtertem Ti und gesputtertem Co von mehr als 300:1.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Entfernen der nicht abreagierten Abschnitte der Depositionsschicht eine Spülung (rinse) mit einer Spülflüssigkeit durchgeführt, wobei die Spülflüssigkeit zeitweise mit HCl versetzt wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Verunreinigung der Spülvorrichtung durch Metallrückstände reduziert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind einander entsprechende Strukturen jeweils mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet.

1 Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat mit Silizium- und Metalloberflächen nach Abscheiden des Refraktärmetalls und einer Oxidationsschutzschicht im Zuge einer Prozessierung nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

2 Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat mit Silizium- und Metalloberflächen nach Silizidbildung im Zuge einer Prozessierung nach der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

3 Querschnitt durch eine Transistorstruktur nach der Ausbildung von Kontaktöffnungen in einem Zwischenlagendielektrikum im Zuge einer Prozessierung nach einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

4 Querschnitt durch eine Transistorstruktur nach der Silizidbildung im Zuge einer Prozessierung nach der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

5 Querschnitt durch eine Transistorstruktur nach Entfernen einer Oxidationsschutzschicht und überschüssigen Metalls im Zuge einer Prozessierung nach der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

6 Querschnitt durch eine Transistorstruktur nach der Ausbildung von Kontakten in einem Zwischenlagendielektrikum im Zuge einer Prozessierung nach der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die 1 und 2 beziehen sich auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, das ein Halbleitersubstrat 1 betrifft, in dem eine Halbleiterstruktur 13 als dotierter Abschnitt des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet ist. Die Halbleiterstruktur 13 ist beispielsweise ein Source/Drain-Bereich eines Transistors, ein Anoden- oder Kathodenbereich einer Diode oder eines anderen Halbleiterbauelements oder eine Verbindungsstruktur.

In einem anderen Abschnitt des Halbleitersubstrats 1 ist eine Metallstruktur 14 eingebracht. Die Metallstruktur 14 ist beispielsweise eine weitere Verbindungsstruktur. Die Metallstruktur 14 ist in diesem Beispiel durch eine Isolatorstruktur 21 von der Halbleiterstruktur 12 separiert.

Die Metallstruktur 14 ist aus gesputtertem Wolfram.

Auf die abschnittsweise durch die Halbleiterstruktur 13, die Metallstruktur 14 und die Isolatorstruktur 21 gebildete Substratoberfläche 10 wird mittels Kathodenstrahlzerstäubung (Sputtern) eine etwa 15 Nanometer dicke Depositionsschicht 5 aus Kobalt Co aufgebracht. Alternative Refraktärmetalle geringer Dichte sind etwa gesputtertes Titan Ti und gesputtertes Nickel Ni.

Auf die Depositionsschicht 5 aus Co wird mittels Kathodenstrahlzerstäubung eine Oxidationsschutzschicht 6 abgeschieden. Die Oxidationsschutzschicht 6 enthält als weiteres Refraktärmetall geringer Dichte Titan und wird in einer Schichtdicke von etwa 20 Nanometern abgeschieden.

Die 1 zeigt ein Halbleitersubstrat 1 mit einer Halbleiterstruktur 12, einer Isolatorstruktur 21 und einer Metallstruktur 14, welche abschnittsweise an eine Substratoberfläche 10 des Halbleitersubstrats 1 anschließen. Auf der Substratoberfläche 10 liegt eine Depositionsschicht 5 auf. Die Depositionsschicht 5 ist durch eine Oxidationsschutzschicht 6 abgedeckt.

Das Halbleitersubstrat 1 wird für die Dauer von etwa 20 Sekunden in einer Stickstoffumgebung einer Wärmebehandlung bei etwa 540 Grad Celsius unterzogen. Ein Teil der Depositionsschicht 5 siliziert.

Entlang der Grenzfläche zwischen der Halbleiterstruktur 13 und der Depositionsschicht 5 wird Kobaltmonosilizid CoSi 51 gebildet. Eine Oxidation des Kobalts der Depositionsschicht 5 oder des Halbleitersubstrats 1, etwa durch aus der Isolatorstruktur 21 austretenden Sauerstoff, wird durch die Oxidationsschutzschicht 6 unterdrückt.

Eine Nassätzung mit einer Ätzlösung wird durchgeführt. Dazu wird die Ätzlösung auf das Halbleitersubstrat 1 aufgesprüht. Alternativ wird das Halbleitersubstrat 1 in die Ätzlösung getaucht.

Die Ätzlösung ist eine SOM-Lösung (sulfuric ozone mixture) und enthält eine etwa 96%ige Schwefelsäure H2SO4, die mit 50 bis 200 g/m3 Ozon angereichert ist. Die Temperatur der Ätzlösung beträgt zwischen 80 Grad Celsius und 140 Grad Celsius. Die Einwirkzeit der Ätzlösung beträgt bei den genannten Schichtdicken zwischen 1 und 15 Minuten.

Die Ätzlösung entfernt die Oxidationsschutzschicht 6 sowie die nicht an der Silizidbildung beteiligten Abschnitte der Depositionsschicht 5. Die Metallstruktur 14, das Kobaltmonosilizid 51 sowie die Isolatorstruktur 12 werden von der Ätzlösung nicht in nennenswertem Umfang angegriffen. Insbesondere bleibt der elektrische Widerstand der Metallstruktur 14 und des Kobaltmonosilizids 51 weit gehend unbeeinflusst.

Wird auf einer Metallstruktur 14 aus Wolfram eine 15 Nanometer dicke Kobaltschicht als Depositionsschicht 5 und eine etwa 20 Nanometer dicke Titanschicht als Oxidationsschutzschicht 6 aufgebracht und nach einer zur Bildung von Kobaltsilizid typischen Wärmebehandlung von etwa 540 Grad Celsius über 20 Sekunden durch die genannte Ätzlösung wieder entfernt, so verschlechtert sich der Kontaktwiderstand der Metallstruktur 14 lediglich um maximal 15%. Die Verwendung diverser SC1- und SC2-Lösungen führt dagegen zu einer Verschlechterung von mindestens 100%.

Die 3 bis 6 beziehen sich auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die die Ausbildung silizierter Kontakte für Transistorstrukturen betrifft.

Auf einem Abschnitt einer Substratoberfläche 10 eines Halbleitersubstrats 1 ist ein Gatedielektrikum 20 ausgebildet. Oberhalb des Gatedielektrikums 20 ist eine Gateelektrode 3 ausgebildet. Eine Polysiliziumschicht 31 der Gateelektrode 3 liegt auf dem Gatedielektrikum 20 auf. Eine Metallschicht 32 der Gateelektrode 3 liegt auf der Polysiliziumschicht 31 auf. Die Metallschicht 32 ist aus Wolfram. Eine Kappenschicht 33 deckt die Metallschicht 32 ab. Die Kappenschicht 33 ist aus Siliziumnitrid. An vertikalen Seitenwänden ist die Gateelektrode 3 durch Gatespacer 34 aus Siliziumnitrid eingefasst.

Auf einander gegenüberliegenden Seiten der Gateelektrode 3 sind im Halbleitersubstrat 1 zwei Source/Drain-Bereiche 11, 12 ausgebildet. Die beiden Source/Drain-Bereiche 11, 12 sind dotierte Gebiete von einem ersten Leitfähigkeitstyp und innerhalb eines Abschnitts des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet, der eigenleitend ist oder einen dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegen gesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist.

Isolatorstrukturen 21 begrenzen die Transistorstruktur gegenüber im Halbleitersubstrat 1 benachbarten Halbleiterstrukturen.

Eine Schicht aus Borphosphorsilikatglas wird über das Halbleitersubstrat 1 einschließlich der Gateelektrode 3 abgeschieden und planarisiert. Die planarisierte Schicht aus Borphosphorsilikatglas bildet eine Zwischenlagendielektrikum (ILD, interlayer dielectric) 4. Korrespondierend zu den Source/Drain-Bereichen 11, 12 und der Gateelektrode 3 werden Kontaktöffnungen 41, 42, 43 durch das Zwischenlagendielektrikum 4 und durch die Kappenschicht 33 der Gateelektrode 3 eingebracht.

Gemäß 3 werden durch die Kontaktöffnungen 41, 42 die beiden Source/Drain-Bereiche 11, 12 und durch die Kontaktöffnung 43 die Metallschicht 32 der Gateelektrode 3 freigelegt.

Mit einer gepufferten Oxidätzung bzw. einer BOE-Lösung wird natives Siliziumoxid von der Oberfläche der freigelegten Abschnitte der Source/Drain-Bereiche 11, 12 entfernt.

Mittels Kathodenstrahlzerstäubung wird eine etwa 15 Nanometer dicke Depositionsschicht 5 aus Kobalt abgeschieden. Im Anschluss wird wiederum durch Kathodenstrahlzerstäubung eine etwa 20 Nanometer dicke Oxidationsschutzschicht 6 aus Titan abgeschieden.

Das Halbleitersubstrat 1 wird in einer Stickstoffumgebung für etwa 20 Sekunden auf eine Temperatur von 540 Grad Celsius erwärmt. Ein Abschnitt der Depositionsschicht 5 siliziert. Entlang der Grenzflächen zwischen der Depositionsschicht 5 und dem Halbleitersubstrat 1 wird Kobaltmonosilizid 51 gebildet. Auf dem Siliziumoxid der Isolatorstrukturen 21, dem BPSG des Zwischenlagendielektrikums 4 und dem Siliziumnitrid der Kappenschicht 33 aufliegende Abschnitte der Depositionsschicht 5 bleiben im Wesentlichen unverändert.

Die 4 zeigt die Depositionsschicht 5, deren nicht auf Silizium aufliegende Abschnitte das Zwischenlagendielektrikum 4 als konforme Schicht abdecken und dabei die Kontaktöffnungen 41, 42, 43 auskleiden. In einem an das Halbleitersubstrat 1 anschließenden Abschnitt ist die Depositionsschicht 5 vollständig in das Kobaltmonosilizid 51 umgesetzt. Bei der Bildung des Kobaltmonosilizids 51 wird Silizium des Halbleitersubstrats 1 verbraucht. Die Oxidationsschutzschicht 6 bedeckt die remanenten Abschnitte der unverbrauchten Depositionsschicht 5 sowie das Kobaltmonosilizid 51.

Eine Nassätzung mit einer Ätzlösung wird durchgeführt. Als Ätzlösung wird eine SOM-Lösung verwendet. Die SOM-Lösung ist 96%ige Schwefelsäure H2SO4, die mit etwa 100 g/m3 Ozon angereichert ist. Die Temperatur der Ätzlösung beträgt etwa 100 Grad Celsius. Die Einwirkzeit der Ätzlösung beträgt etwa 3 Minuten.

Die Ätzlösung entfernt die Oxidationsschutzschicht 6 sowie die nicht an der Silizidbildung beteiligten Abschnitte der Depositionsschicht 5. Die Metallstruktur 14 und das primäre Kobaltsilizid 51 werden von der Ätzlösung nicht in nennenswerten Umfang angegriffen. Insbesondere bleibt der elektrische Übergangs- oder Kontaktwiderstand zur Metallstruktur 14und zum Kobaltmonosilizid 51 weit gehend unbeeinflusst. Die Ätzrate des durch Kathodenstrahlzerstäubung abgeschiedenen Titans beträgt etwa 100 nm/min, die des auf gleiche Weise abgeschiedenen Kobalts deutlich mehr als 100 nm/min. Das mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschiedene und ebenfalls der Wärmebehandlung zur Silizidbildung unterzogene Wolfram wird nur in vergleichsweise geringem Umfang, mit einer Ätzrate von weniger als 0,3 nm/min, angegriffen. Die Selektivität gegenüber Wolfram ist in beiden Fällen größer 300:1. Der elektrische Widerstand des Kobaltmonosilizids bleibt auch nach einer Einwirkzeit der Ätzlösung von 9 Minuten unverändert.

Das Halbleitersubstrat 1 mit dem Kobaltmonosilizid 51 wird für 20 Sekunden einer weiteren Wärmebehandlung bei 750 Grad Celsius umgesetzt. Dabei wird das Kobaltmonosilizid CoSi 51 in ein Kobaltdisilizid CoSi2 52 umgesetzt und ein zusätzlicher Anteil Silizium aus dem Halbleitersubstrat 1 verbraucht. Das Kobaltdisilizid 52 weist einen geringeren elektrischen Widerstand Kontaktwiderstand auf als das Kobaltmonosilizid 51.

Die 5 zeigt das Kobaltdisilizid 52 am Boden der Kontaktöffnungen 41, 42. Die unreagierten Abschnitte der Depositionsschicht 5 sowie die Oxidationsschutzschicht 6 sind vollständig entfernt. Die Oberfläche der Metallschicht 32 der Gateelektrode 3 ist unverändert.

Eine Adhäsions- bzw. Initialschicht 7 wird mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschieden. Das Material der Adhäsionsschicht 7 ist etwa Titan bzw. Titannitrid. Die Adhäsionsschicht 7 kleidet die Kontaktöffnungen 41, 42, 43 aus. Mittels eines weiteren Abscheidungsverfahrens, etwa durch W-CVD, elektrochemische Abscheidung oder Kathodenstrahlzerstäubung, wird ein Kontaktmetall 8 abgeschieden. Das Kontaktmetall 8 ist Wolfram. Es füllt die Kontaktöffnungen 41, 42, 43 vollständig aus. Mittels eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens wird der oberhalb des Zwischenlagendielektrikums 4 abgeschiedene Anteil des Kontaktmetalls 8 bis zur Oberkante des Zwischenlagendielektrikums 4 zurückgebildet. Das Kontaktmetall 8 in den Kontaktöffnungen 41, 42 bildet Source/Drain-Kontakte 81, 82 aus. Aus dem Kontaktmetall 8 in der Kontaktöffnung 43 geht ein Gatekontakt 83 hervor.

Anhand der dargestellten Transistorstruktur wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Kobaltsilizidbildung lediglich beispielhaft erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Kontaktierung lediglich eines Source/Drain-Bereichs eines ersten Transistors in Verbindung mit der Gatekontaktierung eines zweiten Transistors Anwendung finden. Auch andere als planare Transistorstrukturen, etwa FinFets, RCATs oder vertikale Transistorstrukturen können jeweils zumindest teilweise in entsprechender Weise kontaktiert werden. Die Transistorstrukturen können in Logikschaltungen oder Speicherzellenfeldern integriert sein.

1
Substrat
10
Substratoberfläche
11
Source/Drain-Bereich
12
Source/Drain-Bereich
13
Halbleiterstruktur
14
Metallstruktur
20
Gatedielektrikum
21
Isolatorstruktur
3
Gateelektrode
31
Polysiliziumschicht
32
Metallschicht
33
Kappenschicht
34
Gatespacer
4
Zwischenlagendielektrikum
41
Kontaktöffnung
42
Kontaktöffnung
43
Kontaktöffnung
5
Depositionsschicht
51
Kobaltmonosilizid
52
Kobaltdisilizid
6
Oxidationsschutzschicht
7
Adhäsionsschicht
8
Kontaktmetall
81
Source/Drain-Kontakt
82
Source/Drain-Kontakt
83
Gatekontakt


Anspruch[de]
Verfahren zum Entfernen einer Depositionsschicht (5) aus einem Refraktärmetall niedriger Dichte im Zuge der Herstellung einer Halbleitereinrichtung, bei dem Abschnitte der Depositionsschicht (5) durch Einwirken einer Prozessflüssigkeit entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessflüssigkeit mit Ozon angereicherte hochkonzentrierte Schwefelsäure (SOM-Lösung) verwendet wird. Verfahren zur Ausbildung eines Metallsilizids (51) auf einer Substratoberfläche (10) eines Substrats (1) mit den Schritten:

– Bereitstellen des Substrats (1), wobei das Substrat (1) eine abschnittsweise an die Substratoberfläche (10) anschließende Halbleiterstruktur (11, 12, 13) aus Silizium aufweist;

– Abscheiden einer Depositionsschicht (5) aus einem Refraktärmetall niedriger Dichte auf die Substratoberfläche (10);

– Thermische Behandlung des Substrats (1), wobei entlang einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterstruktur (11, 12, 13) und der Depositionsschicht (5) das Metallsilizid (51) gebildet wird; und

– Entfernen nicht silizierter Abschnitte der Depositionsschicht (5) mittels einer Prozessflüssigkeit,

dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessflüssigkeit mit Ozon angereicherte Schwefelsäure (SOM-Lösung) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

– nach dem Abscheiden der Depositionsschicht (5) eine Oxidationsschutzschicht (6) auf die Depositionsschicht (5) aufgebracht wird, wobei die Oxidationsschutzschicht (6) eine Oxidation der Depositionsschicht (5) während der thermischen Behandlung unterdrückt; und

– wobei die Oxidationsschutzschicht (6) nach der thermischen Behandlung mittels der Prozessflüssigkeit in einem Zug gemeinsam mit der Depositionsschicht (5) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Depositionsschicht (5) Ti, Co oder Ni oder eine Legierung daraus gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Oxidationsschutzschicht (6) Ti, Cr, V oder eine Legierung daraus oder mit Co gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Depositionsschicht (5) Co gewählt wird und die thermische Behandlung bei einer Temperatur von mindestens 300 Grad Celsius und höchstens 600 Grad Celsius ausgeführt wird, so dass als Metallsilizid (51) CoSi gebildet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entfernen der nicht zu Metallsilizid (51) umgewandelten Abschnitte der Depositionsschicht (5) eine thermische Folgebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 700 Grad Celsius ausgeführt wird, wobei das CoSi (51) in CoSi2 (52) umgesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der Depositionsschicht (5) im Substrat (1) eine abschnittsweise an die Substratoberfläche (10) anschließende Metallstruktur (14) ausgebildet wird, wobei die Metallstruktur (14) aus einem Refraktärmetall hoher Dichte hervorgeht, wobei das Refraktärmetall hoher Dichte ein solches ist, das entweder eine hohe spezifische Dichte aufweist, und/oder infolge des jeweiligen Abscheidungsverfahrens und/oder durch eine geeignete Wärmebehandlung verdichtet ist. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der Depositionsschicht (5)

– auf dem Substrat (1) eine Gateelektrode (3) eines ersten Transistors ausgebildet wird, die eine Metallschicht (32) aus einem Refraktärmetall aufweist, wobei die Metallschicht (32) aus einem Refraktärmetall hoher Dichte hervorgeht, wobei das Refraktärmetall hoher Dichte ein solches ist, das entweder eine hohe spezifische Dichte aufweist, und/oder infolge des jeweiligen Abscheidungsverfahrens und/oder durch eine geeignete Wärmebehandlung verdichtet wird;

– die Halbleiterstruktur als ein Source/Drain-Bereich (11, 12) des ersten oder eines zweiten Transistors ausgebildet wird; und

– die Metallschicht (32) der Gateelektrode (3) abschnittsweise oder vollständig freigelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als das Refraktärmetall hoher Dichte Wolfram vorgesehen wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen der Depositionsschicht (5) die Prozessflüssigkeit in einer Spülvorrichtung in einem Spülprozess mittels einer Spülflüssigkeit entfernt wird, wobei der Spülflüssigkeit zeitweise HCl beigefügt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessflüssigkeit hochkonzentrierte Schwefelsäure verwendet wird, der Schwefelsäure 50 bis 200 g/m3 Ozon beigefügt werden und das Entfernen der Depositionsschicht bei einer Temperatur der Prozessflüssigkeit von mindestens 80 Grad Celsius und höchstens 140 Grad Celsius erfolgt. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessflüssigkeit 75 bis 96%ige Schwefelsäure verwendet wird, der Schwefelsäure etwa 100 g/m3 Ozon beigefügt werden und das Entfernen der Depositionsschicht bei einer Temperatur der Prozessflüssigkeit von etwa 100 Grad Celsius erfolgt.






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