DE69836117T2 - Stabilisierung von Titanpolyzid mittels einer porösen Sperrschicht - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Einbeziehung von Metallpolyzidverfahren und insbesondere die Verhinderung von Formationen mit hohem Widerstand aufgrund von Agglomerationen und Inversionen in Leitern und anderen Strukturen integrierter Schaltungen, welche mit hoher Integrationsdichte gebildet werden.
  • Bei den derzeitigen höchstintegrierten Schaltungen (ULSI), insbesondere jenen, welche bei der Komplementärtechnik der Metalloxid-Halbleiter (CMOS-Technik) verwendet werden, werden Polysilicium-Transistor-Gate-Elektroden verwendet, die mit einer Metallsilicidschicht mit niedrigem Widerstand bedeckt sind. Entsprechende Strukturen können für Steuer-Gate permanenter Speicherzellen verwendet werden. Diese Kombination von Schichten wird in der Literatur oft als Polyzidstruktur bezeichnet. Diese Polyzidstruktur sorgt für einen niedrigen Flächenwiderstand, um die Leistungsfähigkeit des Schaltkreises zu verbessern, indem die RC-Zeitkonstanten-Signalausbreitungszeiten verringert werden, da der Verbindungswiderstand häufig die Leistungsfähigkeit des ULSI-integrierten Schaltkreises begrenzt. Der niedrige Flächenwiderstand der Polyzidstruktur wird noch wichtiger, wenn mit Steigerungen der Integrationsdichte die Querschnittsabmessungen verringert werden.
  • Bei dem Verfahren, welches angewendet wird, um die Polyzidstruktur zu bilden, wird ein hochtemperaturbeständiges Metallsilicid auf unstrukturiertem dotiertem Polysilicium abgeschieden. Dann wird ein Dielektrikum abgeschieden, um die Silicidschicht zu bedecken und elektrisch zu isolieren. Die Schichtfolge wird strukturiert und dann erhitzt, um das Silicid zu kristallisieren, um ihre niedrigen Flächenwiderstandseigenschaften auszubilden. Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, werden dann unter Verwendung von Abstandhaltern und Ionenimplantationen Source- und Drain-Regionen gebildet, gefolgt von einer Temperbehandlung, um die Implantationsbeschädigungen zu korrigieren und die Source- und Drain-Regionen auf eine gewünschte Position, Dotierstoff/Fremdstoff-Konzentration und -Profil diffundieren zu lassen, im Allgemeinen als „Eintreiben" bezeichnet. Es ist insbesondere erforderlich, dass die Polyzidstruktur ihre niedrigen Flächenwiderstandseigenschaften während des Temperverfahrens erreicht und ihre niedrigen Widerstandseigenschaften durch andere Hochtemperaturverfahren hindurch beibehält, wie z.B. Dielektrikum-Rückfluss-Temperbehandlungen, welche oft bei Temperaturen von mehr als 850°C durchgeführt werden.
  • Als ein Gate-Leiter in ULSI- und anderen integrierten Schaltkreisen wird häufig Titansilicid verwendet, da es unter den hochtemperaturbeständigen Metallsiliciden den niedrigsten Flächenwiderstand aufweist. Titansilicid ist jedoch ein polymorphes Material, welches sowohl Phasen mit hohem als auch mit niedrigem Widerstand aufweist. Die Niedertemperaturphase (z.B. C49, welche im Allgemeinen gebildet wird, wenn es abgeschieden wird) weist einen relativ hohen Widerstand auf und muss durch ein Temperverfahren bei einer Temperatur von mehr als 700°C in die Phase mit niedrigem Widerstand (z.B. C54) umgewandelt werden. Die Phasenumwandlung wird schwieriger mit abnehmenden Querschnittsabmessungen der Polyzidstruktur, wenn die Korngröße mit der Breite oder der Dicke des Leiters vergleichbar wird. Für kleinere Leiter als 0,5 μm oder im sogenannten Halbmikrometer-Maßstab oder kleiner werden für eine vollständige Phasenumwandlung Temperaturen von mehr als 850°C benötigt. Es wurde jedoch beobachtet, dass diese erhöhten Temperaturen einen Rückgang der niedrigen Widerstandseigenschaften solcher feinen Leiter bewirken, insbesondere verglichen mit dem Flächenwiderstand, welcher erreicht werden sollte.
  • Für Titansilicid wird diese thermische Instabilität und der Rückgang der Leitfähigkeit primär durch eine Silicium-Agglomeration bewirkt, wenn Silicium von der benachbarten (z.B. darunter befindlichen) Polysiliciumschicht aus in die Silicidschicht diffundiert. Das diffundierte Silicium scheidet sich ab, wodurch Siliciumkörnchen vergrößert oder gebildet werden, welche groß genug werden, um einen bedeutenden Teil des Querschnitts der Silicidschicht zu füllen, wenn nicht sogar deren gesamten Querschnitt. Da die Siliciumkörnchen einen nicht unwesentlichen spezifischen Widerstand aufweisen, kann man erkennen, dass Agglomerationen von Silicium die Leistungsfähigkeit und/oder die Produktionsausbeute der integrierten Schaltung beeinträchtigen können. (Die Zuverlässigkeit von „als gut getesteten" Bauelementen wird im Allgemeinen nicht beeinflusst, da ein hoher Widerstand auf Strukturen mit minimalen Abmessungen während der Untersuchung entweder der Leistungsfähigkeit, wie z.B. der maximalen Taktfrequenz, oder der Funktionsfähigkeit des Bauelements einfach erkannt werden kann.)
  • Eine stärkere Form der Zersetzung wird als Polyzidinversion bezeichnet, für welche die Agglomeration als Vorstufen-Phänomen angesehen werden kann. Die Polyzidinversion tritt während Temperverfahren bei höheren Temperaturen und/oder für längere Zeitperioden als die Temperverfahren, bei welchen eine Agglomeration beobachtet wird, auf. Bei der Polyzidinversion diffundieren sowohl Silicium als auch Titan in ihre komplementären Schichten (z.B. Titan in das dotierte Polysilicium ebenso wie Silicium in das Silicid), mit dem Ergebnis, dass das Silicium und das Silicid an lokalen, statistisch verteilten Stellen die Schichten vertauschen. Die Effekte können stärker werden, da beide Schichten unterbrochen werden und an einigen Stellen das Titan das sehr dünne Gate-Oxid der Transistoren durchdringen kann, was einen Ausfall des Bauelements verursacht.
  • Somit müssen, wenn die Integrationsdichte steigt und die Querschnittsabmessungen der Leiter entsprechend kleiner werden, die Temperatur und/oder die Dauer der Temperbehandlung, um eine Phase des Silicids mit niedrigem Widerstand zu erzeugen, erhöht werden, was die Wahrscheinlichkeit vergrößert, dass eine Agglomeration und möglicherweise eine Polyzidinversion auftritt. Somit wird das „Verfahrensfenster" kleiner, und die Verfahrensparameter werden wichtiger, wenn die Integrationsdichte steigt.
  • Obwohl einige Verfahren bekannt sind, welche das „Verfahrensfenster" etwas vergrößern können, ist keines für die derzeitigen oder absehbaren Größen der Strukturelemente vollständig erfolgreich, und jedes führt zu zusätzlichen Problemen, welche überwunden werden müssen. Zum Beispiel wird durch eine Verdickung der Silicidschicht die Querschnittsfläche der Verbindung vergrößert, ohne dass die Leitungsbreite vergrößert wird. Das vergrößerte Geometrieverhältnis der so hergestellten Leiter führt jedoch zu zusätzlichen Schwierigkeiten bei der Verringerung der Auflösung lithographischer verfahren zum Gate-Ätzen und bei der Herstellung einer hohlraumfreien Lückenfüllung. Deswegen kann dieses Mittel nicht einfach über den Halbmikrometermaßstab hinaus ausgedehnt werden.
  • Kurzzeit-Temperverfahren (RTA-Verfahren), bei welchen die Wafer-Temperaturen schnell herauf- und wieder herabgefahren werden, können das Verfahrensfenster dadurch vergrößern, dass die Zeit verringert wird, während der eine Diffusion und somit Agglomeration und Polyzidinversion auftreten kann. Aufgrund der mit kleiner werdenden Querschnittsabmessungen der Leiter steigenden Schwierigkeit der Herstellung einer Phase mit geringem Widerstand ist RTA im Allgemeinen für Leitungsbreiten im Halbmikrometermaßstab nicht ausreichend. Bei Verringerung der Wärmemenge wird im Allgemeinen kein vollständiger Phasenübergang erzeugt, und dies führt zu einem Kompromiss zwischen der Leistungsfähigkeit (z.B. der Signalausbreitungsgeschwindigkeit) und der Produktionsausbeute der Bauelemente bei kleinen Größen der Strukturmerkmale. Durch Zugabe von Phasenumwandlungsbeschleunigern, wie z.B. metallischen, wie sie in US-Patentschrift 5 510 295 mit dem Titel „Method for Lowering the Phase Transformation Temperature of a Metal Silicide" offenbart werden, kann die Verfahrenstemperatur verringert werden, wird jedoch nicht die thermische Gesamtstabilität verbessert, solange nicht die folgenden Verfahrenstemperaturen niedrig gehalten werden können, und somit wird keine wirksame Vergrößerung des Verfahrensfensters bereitgestellt.
  • EP-A-0 682 359 offenbart ein Halbleiterbauelement, welches ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, eine erste leitfähige Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wie z.B. eine Polysiliciumschicht, welche unter Verwendung eines Dotierstoffes auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, eine siliciumreiche Nitriddünnschicht, welche auf der ersten leitfähigen Schicht ausgebildet ist, und eine zweite leitfähige Schicht, wie z.B. eine hochtemperaturbeständige Metall- oder Metallsilicidschicht, welche auf der siliciumreichen Nitriddünnschicht ausgebildet ist, bei welcher die siliciumreiche Nitriddünnschicht eine Ausdiffusion von Dotierstoff aus der ersten leitfähigen Schicht in die zweite leitfähige Schicht verhindert und eine wechselseitige Diffusion zwischen der zweiten leitfähigen Schicht und der ersten leitfähigen Schicht blockiert.
  • EP-A-0 780 889 offenbart ein Verfahren zum selektiven Abscheiden eines hochtemperaturbeständigen Metallsilicids auf den ungeschützten Siliciumbereichen der Oberfläche eines Einkristall- oder Polysilicium-Silicium-Wafers, wobei das Verfahren einen Schritt des Vorbereitens der Oberfläche umfasst und aus dem Bilden einer Siliciumoxid- oder Siliciumoxynitridschicht mit einer Dicke von weniger als oder gleich 1 nm auf dieser Oberfläche und aus einem Schritt der selektiven Gasphasenabscheidung eines hochtemperaturbeständigen Metallsilicids auf der gebildeten Siliciumoxid- oder Siliciumoxynitridschicht besteht.
  • Somit ist zu sehen, dass Verfahren, welche für eine zuverlässige Herstellung von Silicidstrukturen mit hoher Ausbeute sorgen, wenn die Größe der Strukturmerkmale über den Halbmikrometermaßstab hinaus verringert wird, kleine oder vernachlässigbare Verfahrensfenster gegen eine Siliciumagglomeration und/oder Prozessinversion aufweisen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bildung eines Metallsilicid-Leiters in einer integrierten Schaltung bereitzustellen.
  • Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Metallsilicid-Leiter mit einer verbesserten thermischen Stabilität bereitzustellen, welcher weniger empfänglich für thermische Zersetzung durch Agglomeration und Inversion ist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die niedrigen Flächenwiderstandseigenschaften polymorpher Metallsilicide, und insbesondere von Titansiliciden, auf Strukturen auszudehnen, die kleiner sind als die Strukturmerkmale im Halbmikrometermaßstab.
  • Um diese und andere Aufgaben der Erfindung zu erfüllen, wird ein Verfahren zur Verbesserung der thermischen Stabilität einer Metallpolyzidstruktur bereitgestellt, wie es in Patentanspruch 1 beansprucht ist. Weitere Erscheinungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
  • Die vorstehenden und andere Aufgaben, Erscheinungsformen und Vorteile sind besser zu verstehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer Gate-Struktur ist (welche auch eine Leiterstruktur verkörpert), wobei 1 nicht Teil der Erfindung ist, und die 2A, 2B und 2C eine Folge von Verfahrensschritten zur Bildung einer Gate- oder Verbindungsstruktur unter Anwendung eines Polyzidverfahrens gemäß der Erfindung veranschaulichen.
  • Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1, ist dort ein Feldeffekttransistor-Gate oder eine Verbindungsstruktur 100 einer Gestaltung, welche dem Fachmann auf dem Gebiet der Halbleiter bekannt und geläufig ist, im Querschnitt dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass, obwohl die Gestaltung bekannt ist, die Darstellung hinsichtlich der tatsächlich gebildeten Struktur in gewissem Maße idealisiert ist, abhängig von der Größe, in welcher sie hergestellt wird. Das heißt bezüglich des Obigen, wenn die Querschnittsabmessungen der Polysiliciumschicht 25 und der Metallsilicidschicht 30 zusammen mehr als einen Mikrometer betragen, kann die dargestellte Struktur sehr der dargestellten Art und Weise nur mit Siliciumagglomerations-Einschlüssen (z.B. 45), welche für den Betrieb des Bauelements nicht bedeutsam sind und funktionell nicht nachweisbar sein können, entsprechen, und ist so gebildet worden.
  • In Systemen jedoch, bei denen die Größen der Strukturelemente weniger als einen halben Mikrometer betragen, vergrößert sich ein Agglomerationseinschluss wie jener, welcher bei 45 dargestellt ist, auf die relative Größe, die bei 55 dargestellt ist, und somit ist die abgebildete Struktur im Stand der Technik vor der vorliegenden Erfindung nicht zuverlässig herzustellen, und 1 sollte im Hinblick darauf als stark idealisiert verstanden werden. Dementsprechend weisen, obwohl die Gestaltung bekannt ist, die realisierten Strukturen, welche dieser entsprechen, nicht die kleinen Größen der Strukturelemente auf, welche sonst unter Anwendung der derzeitigen lithographischen Techniken möglich sind. Außerdem bietet die Erfindung sogar bei größeren Größen der Strukturelemente den Vorteil der thermischen Stabilität, wodurch die tolerable Wärmemenge in den folgenden Verfahren vergrößert werden kann. Dementsprechend kann kein Teil der 1, soweit er, außer eine idealisierte Gestaltung darzustellen, die tatsächlich gebildeten Strukturen darstellt, hinsichtlich der vorliegenden Erfindung als Stand der Technik angesehen werden.
  • Die Struktur 100 ist auf dem Substrat 5 (z.B. Glas oder Halbleiter) ausgebildet, in welchem durch herkömmliche Techniken Isolierungsstrukturen gemäß einer individuellen Bauelementgestaltung ausgebildet sein können. Wenn an einer Stelle, welche der Ebene des Zeichnungsquerschnitts entspricht, ein Feldeffekttransistor gebildet werden soll, werden die Source- und Drain-Implantationen 15 durch herkömmliche Techniken, welche auf dem Fachgebiet wohlbekannt sind, entweder vor oder nach (z.B. selbstausgerichtet an den Seitenwänden 40) der Struktur 100 gebildet. Die Implantationen und andere Verfahren, welche erforderlich sein können, um (nicht dargestellte) Strukturen gemäß anderer Erscheinungsformen einer bestimmten Bauelementgestaltung zu bilden, sind für die Ausführung der Erfindung unwichtig, außer der Verwendung einer Wärmemenge für Verfahren wie, in dem Fall von Source- und Drain-Regionen, der Temperbehandlung, um Implantationsbeschädigungen an dem Substrat zu reparieren, und der Diffusion implantierter Dotierstoffe/Fremdstoffe in die Region 15', welche als ein Verdienst der Erfindung bereitgestellt wird. Die Gate-Isolatorschicht 10 (z.B. Oxid) wird ebenfalls durch Abscheidung oder Anwachsen auf eine gewünschte Dicke (z.B. 4 bis 10 nm (40 bis 100 Ångström)) durch Techniken, die auf dem Fachgebiet wohlbekannt und geläufig sind, bereitgestellt.
  • Vor der vorliegenden Erfindung wurde die Gate/Verbindungs-Struktur der 1 gebildet durch Abscheiden einer Polysiliciumschicht 25, gefolgt von einer Schicht eines Metallsilicids 30 wie Titansilicid und einer Schicht 35 eines schützenden Dielektrikums. Die Gate/Verbindungs-Strukturen wurden dann strukturiert und getempert, um in der Metallsilicidschicht 30 eine Phase mit niedrigem Flächenwiderstand auszubilden, relativ zu dem Flächenwiderstand der Phase des Metallsilicids, wie es abgeschieden wurde. Dann konnten die Seitenwände 40 gebildet werden und gemäß dem Rest der Gestaltung andere Verfahren wie Source- und Drain-Implantationen, gefolgt von einer Temperbehandlung, Eintriebsdiffusion und Ähnlichem, durchgeführt werden.
  • Bei kleineren Größen der Strukturelemente jedoch, bei welchen die Temperbehandlung, um die Phase mit niedrigem Flächenwiderstand zu erzeugen, höhere Temperaturen und/oder längere Temperzeiten erforderlich macht, wie oben beschrieben, kann Silicium aus der Polysiliciumphase 25 in die Metallsilicidschicht 30 diffundieren und sich an willkürlichen Stellen abscheiden, um Agglomerationseinschlüsse, wie z.B. 45 oder 55, zu bilden, welche einen hohen Widerstand aufweisen. Diese Diffusion wird insbesondere an den Korngrenzen verstärkt, an welchen das diffundierende Silicium entlang wandert.
  • Außerdem beginnt an einem gewissen Punkt, vorausgesetzt, die Temperatur ist hoch genug, das Metall aus der Schicht 30, in die Polysiliciumschicht 25 zu diffundieren, und bildet in sehr ähnlicher Weise Metallsilicideinschlüsse 65. Dieses Phänomen wird in Betracht der gleichzeitigen Siliciumdiffusion aus dem Polysilicium in das Metallsilicid und der Metalldiffusion aus dem Metallsilicid in das Polysilicium als Polyzidinversion bezeichnet. In schwereren Fällen kann, wenn das Phänomen der Polyzidinversion entsteht, das sich abscheidende Metallsilicid die Oxidschicht 10 durchdringen, wie bei 75 abgebildet, was zu einem Ausfall des Bauelements führt, wie oben beschrieben.
  • Es versteht sich, dass eine Agglomeration und/oder Inversion beabsichtigt während der Temperbehandlung auftreten kann, um eine Phase des polymorphen Metallsilicids mit niedrigem Flächenwiderstand auszubilden, oder während der folgenden Wärmebehandlungsschritte oder einer Kombination davon, und zu statistisch verteilten Regionen mit einem relativ hohen Widerstand führt. Im Allgemeinen summieren sich die Agglomerationseffekte, und die Agglomeration kann als Vorstufenphänomen für die Polyzidinversion angesehen werden, deren Beginn durch die Temperatur und den Grad der Agglomeration bestimmt wird, welche an einem bestimmten Punkt des Herstellungsverfahrens stattgefunden hat.
  • Deswegen kann man es so betrachten, dass die Struktur gemäß der Gestaltung aus 1 ein Maß an thermischer Instabilität aufweist, welcher die Größe, in welcher sie hergestellt werden soll, oder Verfahren, welche für die Bildung des Restes der Gestaltung erforderlich sind, entgegenkommen können oder nicht. Die Erfindung stellt einen Mechanismus bereit, durch welchen die Diffusion an Korngrenzen entlang merklich verringert werden kann, wodurch eine merklich erhöhte thermische Stabilität der in 1 abgebildeten Struktur bereitgestellt wird, ungeachtet der Größe, in welcher sie hergestellt wird, und dementsprechend ermöglicht wird, dass die Gestaltung der 1 zuverlässig mit Größen der Strukturelemente hergestellt wird, die zuvor nicht wirtschaftlich durchführbar oder sogar nicht möglich waren.
  • Unter Bezugnahme auf die 2A bis 2C wird nun das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der Struktur der 1 mit kleinen Querschnittsabmessungen und mit stark verbesserter thermischer Stabilität gemäß der Erfindung beschrieben. Unter Annahme der vorherigen Bildung der Isolierungsstrukturen 7, wie erforderlich, und der Bildung des Gate-Oxids 10 zu einer bevorzugten, aber nicht entscheidenden Dicke von 1 bis 8 nm (10 bis 80 Ångström) wird eine dotierte Polysiliciumschicht 25 abgeschieden, wie in 2A dargestellt. Die Dotierung kann durch herkömmliche Implantationstechniken oder durch Dotierung vor Ort während der Abscheidung durchgeführt werden. Geeignete und bevorzugte Dotierstoffe sind Arsen und Phosphor für N+ und Bor für P+, und die Konzentration oder Dosierung des Dotierstoffes sollte ausreichend sein, um die Austrittsarbeit des Polysiliciums zu stabilisieren. Das dotierte Polysilicium kann getempert werden, um den (die) Dotierstoff(e) zu verteilen, wie es gewünscht oder erforderlich sein kann.
  • Wie ferner in 2A dargestellt ist, wird eine Opferoxidschicht 20 durch herkömmliche thermische Oxidationstechniken und vorzugsweise durch Anwachsen während einer Kurzzeit-Temperbehandlung für etwa sechzig Sekunden bei etwa 925°C in einer Sauerstoffatmosphäre abgeschieden. Da die Oxidschicht 20 eine Opferoxidschicht ist, ist ihre Dicke nicht entscheidend, obwohl eine derzeit bevorzugte Dicke etwa 5 nm (50 Ångström) beträgt. Die Oxidschicht wirkt als eine Schutzschicht, um ein Anwachsen von Nitrid auf der Polysiliciumschicht 25 zu verhindern. Sie ermöglicht auch die Entfernung der Oxynitridschicht 50, welche erfindungsgemäß gebildet wird, wie es unten noch erörtert wird. Als Nächstes wird vorzugsweise durch eine weitere Kurzzeit-Temperbehandlung (RTA) in einer Ammoniakatmosphäre für dreißig Sekunden bei einer Temperatur von etwa 1050°C ein Nitridierungsverfahren durchgeführt. Die Temperatur und die Dauer der RTA sollte an die Dicke der Opferoxid-Dünnschicht 20 angepasst sein, wie sie vom Fachmann aus deren bevorzugten Dicke und den oben angegebenen bevorzugten Nitridierungsparametern extrapoliert werden können.
  • Das Nitridierungsverfahren, egal wie es durchgeführt wird, dient dazu, die Korngrenzen der Polysiliciumschicht 25 zumindest nahe deren Oberfläche mit Stickstoffteilchen (dargestellt durch die Schraffierung) anzureichern, während die Oxid-Dünnschicht 20 in eine Oxynitrid-Dünnschicht 20' umgewandelt wird, wie in 2B dargestellt. Ein chemisches Nassablöse- oder ein anderes selektives Ätzverfahren wird dann angewendet, um die Opferoxid/Oxynitrid-Dünnschicht 20/20' zu entfernen und das stickstoffangereicherte dotierte Polysilicium freizulegen.
  • Als Nächstes wird, wie in 2C dargestellt, durch herkömmliche Techniken direkt auf das freiliegende Polysilicium eine Metallsilicidschicht 30 (z.B. Titansilicid) abgeschieden. Es sollte in diesem Zusammenhang angemerkt werden, dass die Erfindung nicht danach strebt, irgendeine Form einer Diffusions-Sperrschicht zwischen der Polysiliciumschicht und der Metallsilicidschicht zu verwenden, welche die elektrischen Eigenschaften der Verbundschicht und/oder den ohmschen Kontakt des Metallsilicids zu der dotierten Polysilicidschicht an den Gate-Stellen beeinträchtigen könnte. Im Gegensatz dazu kann die Sperre, die von der Erfindung bereitgestellt wird, als eine „poröse Sperre" angesehen werden, da sie im Wesentlichen nur entlang der Korngrenzen innerhalb des Polysiliciums vorliegt und somit die Grenzfläche mit anderen Strukturen nicht beeinflusst.
  • Die Abscheidung durch Sputtern oder die chemische Gasphasenabscheidung sind bevorzugte Techniken zum Abscheiden des Metallsilicids, vorzugsweise zu einer Dicke von 500 bis 1500 Ångström für Größen der Strukturelemente im Halbmikrometer- und Viertelmikrometermaßstab. Die Metallsilicidschicht 30 wird dann mit einer dielektrischen Schutzschicht 35, wie z.B. Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, einem Verbundstoff aus den beiden (z.B. ONO) oder Ähnlichem, bedeckt, um sie von anderen Elementen zu isolieren, welche später gemäß einer bestimmten Bauelementgestaltung gebildet werden können. Die resultierende Stapelstruktur wird dann (z.B. lithographisch) durch herkömmliche Techniken strukturiert, um wie gewünscht Gate/Verbindungs-Strukturen zu bilden. Eine Temperbehandlung, um eine Phase des polymorphen Metallsilicids mit niedrigem Widerstand auszubilden, kann vor oder nach der Strukturierung durchgeführt werden.
  • Um die Verarbeitung zu beenden, können Seitenwand-Abstandhalter 45 gebildet werden, und notwendige Implantationen und deren Temperbehandlungen können durchgeführt werden, was zu der Struktur der 1 führt. Die Anreicherung der Korngrenzen des Polysiliciums mit Stickstoff hat keinen erkennbaren Effekt auf die elektrischen Eigenschaften des Polysiliciums, während der so eingeführte Stickstoff merklich die Wanderung von Siliciumteilchen daran entlang hemmt und die Verfügbarkeit des Siliciums für eine Diffusion zu dem Metallsilicid an der Grenzfläche des Polysiliciums und des Metallsilicids verringert. Da eine solche Diffusion somit gehemmt wird, wird die Gestaltung der 1 zuverlässig in einer Struktur verwirklicht, welche eng der abgebildeten idealisierten Gestaltung entspricht, ohne Agglomeration und/oder Polyzidinversion, ungeachtet der Größe der Strukturelemente, in welcher die Struktur hergestellt wird. Man sollte sich bewusst sein, dass die Siliciumdiffusion gehemmt wird und die Siliciumverfügbarkeit an der Grenzfläche stark verringert wird, wenn nicht beides sogar vollständig vermieden wird. Dementsprechend werden, da die Siliciumdiffusion eine Vorstufe der Polyzidinversion ist, die Polyzidinversion und ein daraus folgender Ausfall der Bauelemente aufgrund der Durchdringung der Oxidschicht 10 wirksam unterdrückt, was zu einer stark gesteigerten Produktionsausbeute führt.
  • Um die Wirksamkeit der Erfindung hinsichtlich der Unterdrückung der Siliciumagglomeration in der Metallsilicidschicht 30 zu demonstrieren, wurde eine Teststruktur, welche ein 100 kbit-Gatefeld (wie es sich in Speichereinheiten findet) umfasst, mit einer Gate-Leitungsbreite (welche die Länge des Leitungskanals des Transistors definiert) von 0,4 μm (Größe der Strukturelemente kleiner als ein halber Mikrometer) hergestellt. Die Gate-Verbindungen bestanden aus einer 100 nm (1000 Ångström) dicken Schicht aus mit Phosphor dotiertem Polysilicium und einer 100 nm (1000 Ångström) dicken Schicht aus Titansilicid. Es wurden zwei Gruppen identischer Bauelemente hergestellt: eine als Kontrollgruppe über herkömmliche Techniken und die andere über das Verfahren der Erfindung, wie oben beschrieben. Alle anderen Verfahrensschritte der Herstellung außer der Bildung des Opferoxids und der Nitridierung gemäß der Erfindung waren für beide Probengruppen identisch.
  • In den Proben der Gruppe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, betrug der mittlere Flächenwiderstand, Rs, 1,86 Ohm/☐ (eng dem erwarteten Rs von C54 TiSi entsprechend) mit einer 100%igen Produktionsausbeute (wobei ein Widerstandsfehler als ein Flächenwiderstand von mehr als 3,0 Ohm/☐ definiert ist). Im Vergleich dazu wies die Kontrollprobe, bei welcher die herkömmliche Verfahrensführung angewendet wurde, um die Polyzidleitungen zu bilden, einen mittleren Rs von 3,68 Ohm/☐ auf (welcher mit dem Vorliegen von Agglomerationseinschlüssen in bedeutendem Volumen und bedeutender Fläche relativ zu den Querschnittsabmessungen der Verbindungen zusammenhängt), und es wurde nur eine Produktionsausbeute von 8% erreicht. Die 100%ige Produktionsausbeute ist ein Zeichen für eine wesentliche und sehr bedeutende Vergrößerung des Fensters für die Herstellungsverfahrensparameter, wodurch bei der Ausführung der Erfindung ermöglicht wird, zuverlässig Polyzid- Gate/Verbindungs-Strukturen in viel kleineren Größen der Strukturelemente mit wirtschaftlich annehmbaren Produktionsausbeuten auszubilden. Die Vergrößerung der thermischen Stabilität der Polyzidstruktur (und jeder anderen Struktur, welche irgendeine thermische Instabilität aufgrund von Siliciumdiffusion aufweist) und die Vergrößerung der tolerablen Wärmemenge sind, obwohl sie auf Basis dieses Tests nicht quantifizierbar sind, sicherlich ebenso wertzuschätzen.
  • In Anbetracht des Vorstehenden ist zu sehen, dass die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Bildung eines Metallsilicidleiters in einer integrierten Schaltung bereitstellt, welches außer auf Titansilicide auch auf Silicide anderer hochtemperaturbeständiger Metalle wie Platin, Wolfram, Kobalt, Nickel und Molybdän anwendbar ist. Die Technik der Erfindung scheint die thermische Stabilität jeder Struktur vergrößern zu können, die eine Polysiliciumschicht enthält, da die poröse Sperre, welche durch die Anreicherung der Korngrenzen des Polysiliciums durch Stickstoffteilchen gebildet wird, in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nur die Polysiliciumschicht beeinflusst und die thermische Beweglichkeit der Siliciumteilchen daran entlang stark hemmt, so dass sie die Diffusion über jede Grenzfläche mit jedem anderen Material hemmt. Es kann daher angenommen werden, dass die Erfindung auch andere Dünnschichten oder Körper aus darauf aufgebrachtem Material stabilisiert. Überdies stellt die Erfindung eine Technik zur Ausdehnung der niedrigen Flächenwiderstandseigenschaften polymorpher Metallsilicide, und insbesondere von Titansilicid, auf kleinere Strukturen als solche im Halbmikrometermaßstab bereit.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Verbesserung der thermischen Stabilität einer Metallpolyzidstruktur, welche eine Schicht Metallsilicid (30) enthält, die auf einer Schicht Polysilicium (25) aufgebracht ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anreichern der Korngrenzen der Polysiliciumschicht (25) mit Stickstoff nahe einer Oberfläche der Polysiliciumschicht (25) und Bilden einer Metallsilicidschicht (30) direkt auf der Oberfläche der Polysiliciumschicht (25), dadurch gekennzeichnet, dass der Anreicherungsschritt die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Opferoxidschicht (20) auf der Oberfläche der Polysiliciumstruktur; Wärmebehandlung der Polysiliciumstruktur und des Oxids in einer Stickstoffatmosphäre, um eine Oxynitridschicht (20') aus der Opferoxidschicht (20) zu bilden, und Entfernen der Oxynitridschicht (20'), um die Polysiliciumstruktur freizulegen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, welches den weiteren Schritt des Bildens der Polysiliciumstruktur auf einem Substrat oder einer Halbleiterschicht einer integrierten Schaltung umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Polyzidstruktur ein Leiter ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Polyzidstruktur ein Transistor-Gate bildet.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Polyzidstruktur ein Steuer-Gate einer permanenten Speicherzelle bildet.
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