Полупроводниковое устройство, обладающее двухслойной силицидной структурой и способы его изготовления /варианты/

 

Изобретение относится к MOS полупроводниковому запоминающему устройству, в частности к полупроводниковому устройству, повышающему высокотемпературную стабильность силицида титана, применяемого для изготовления вентильной линии полицида в DRAM (памяти произвольного доступа). Сущность: двухслойный силицид получают осаждением металла, образующего силицид при предопределенной первой температуре, на поликристаллический кремний для образования первого слоя силицида металла и последующим осаждением металла, образующего силицид при второй температуре, которая ниже первой температуры, для образования второго слоя силицида металла; поскольку нестабильность известного полупроводникового устройства, построенного на силициде титана, начинает проявляться при более высокой температуре последующего отжига в печи, то можно избежать роста зерен, пластическую деформацию и агломерацию. 3 с. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к MOS полупроводниковому запоминающему устройству, в частности к полупроводниковому устройству, повышающему всокотемпературную стабильность силицида титана, применяемого для изготовления вентильной линии полицида в DRAM (памяти произвольного доступа).

В полупроводниковых приборах силицид тугоплавкого металла, подобный силициду титана, обычно применяется для снижения сопротивления внутренней проводки.

Силицид титана получают путем соединения титана (Ti), являющегося тугоплавким металлом, с кремнием (Si), это соединение отличается высокой электрической проводимостью и замечательной термостойкостью. Силицид титана удобен для микроструктурной обработки и потому широко используется для построения больших интегральных полупроводниковых запоминающих устройств. Силицид титана наносят на самовыравнивающийся силицид (SALICIDE) благодаря тому, что он имеет малое сопротивление (подробности можно найти в IEDM 9-12, декабрь, 1990, с. 249-262).

Фиг. 1 иллюстрирует пример формирования силицида титана по известному способу. На шаге, изображенном на фиг. 1А, выращивают слой 2 из двуокиси кремния толщиной около на монокристаллической кремниевой подложке 1, чье удельное сопротивление составляет 5-25 Ом см при температуре около 920^oC, путем температурного окисления. Затем термически разлагают силан (SiH₄) при температуре около 625^oC при давлении 250 мТорр путем вакуумного осаждения химических паров (LDCVD) для нанесения поликристаллического кремниевого слоя 3 на верхнюю часть слоя 2 из двуокиси кремния до придания ему толщины около . После завершения нанесения поликристаллического кремниевого слоя 3 в него (в слой 3) внедряют фосфор (P) известным способом внедрения ионов. Иону передается энергия около 30 кэВ для внедрения с плотностью около 510¹⁵ ионов/см². Для предотвращения порчи поверхности поликристаллического кремниевого слоя 3 в процессе внедрения ионов выполняется отжиг в печи при температуре 900^oC в течение 30 мин. После завершения отжига в печи на верхнюю поверхность поликристаллического кремния 3 напыляется титановый слой толщиной , полученная структура подвергается кратковременному (около 20 с) отжигу в печи при температуре около 800^oC в атмосфере аргона (Ar). Этот кратковременный отжиг в печи обеспечивает взаимодействие поликристаллического кремния 3 и титана 4, в результате чего образуется силицид титана 5, что иллюстрирует фиг. 1B.

Точка плавления силицида титана находится в окрестности 1540^oC, т.е. 1813K в градусах абсолютной шкалы, и его высокотемпературная нестабильность начинает проявляться при температуре 814^oC, численно составляющей 0,6 от абсолютной температуры. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, силицид тугоплавкого металла становится нестабильным при определенной температуре, которую можно вычислить умножением температуры плавления в градусах абсолютной шкалы на 0,6. В зависимости от используемых технологических приемов точка плавления силицида титана варьируется в некоторых пределах, но, вообще говоря, высокотемпературная нестабильность начинает проявляться с температуры 900^oC.

Поэтому во время последующего отжига в печи при температуре 900^oC или выше в силициде титана развиваются пластические деформации и рост зерен. В это же время наблюдается явление агломерации в однородной тонкой пленке по причине эпитаксиального роста кремния, приводящего к разрывам тонкой пленки, микроструктура которой напоминает островки.

Другими словами, как иллюстрирует позиция 6 на фиг. 1C, силицид титана представляет собой прерывистую тонкую пленку в форме отдельных островков, в промежутках между которыми оказывается обнаженной поверхность поликристаллического кремния 3. Из-за прерывистости структуры силицида титана сопротивление внутренней проводки значительно повышается. Как уже сказано, повышение сопротивления проводки отрицательно сказывается на рабочие характеристики полупроводникового запоминающего устройства и снижает надежность его работы.

Исходя из сказанного, целью изобретения является создание полупроводникового устройства, сохраняющего однородность поверхности силицида титана во время высокотемпературного отжига в печи, и способа его изготовления.

Следующей целью изобретения является создание полупроводникового устройства с улучшенной характеристикой высокотемпературной нестабильности в сравнении с достигаемой известными технологиями и способами его изготовления.

Для достижения названных целей изобретения создано полупроводниковое устройство с двухслойной силицидной структурой, имеющее кремниевую подложку предопределенной монокристаллической структуры, окисный слой, образованный на всей поверхности монокристаллической кремниевой подложки, поликристаллический кремниевый слой, выращенный на всей поверхности окисного слоя, первый слой силицида металла, нанесенный осаждением металла, образующего силицид при предопределенной первой температуре на верхней поверхности поликристаллического кремниевого слоя, и второй слой силицида металла, выращенный осаждением металла, образующего силицид при предопределенной второй температуре, которая ниже первой температуре, на верхней поверхности металла, образующего силицид при названной первой температуре.

Для достижения другой цели изобретения разработан способ изготовления полупроводникового устройства с двухслойной силицидной структурой, включающий в себя формирование окисного слоя на всей поверхности монокристаллической кремниевой подложки, выращивание поликристаллического кремниевого слоя на всей поверхности окисного слоя, образование первого слоя силицида металла на верхней поверхности поликристаллического слоя путем осаждения металла, образующего силицид при предопределенной первой температуре, и образование второго слоя силицида металла на верхней поверхности металла, образующего силицид при первой температуре, осаждением металла, образующего силицид при второй температуре, которая ниже названной первой температуры.

На фиг. 1 показан в разрезе процесс изготовления полупроводникового устройства известным способом; на фиг. 2 показан в разрезе один вариант способа изготовления полупроводникового устройства, соответствующего изобретению; на фиг. 3 показан в разрезе другой вариант способа изготовления полупроводникового устройства, соответствующего изобретению; на фиг, 4 представлена таблица, позволяющая сравнить поверхностные сопротивления полупроводниковых устройств, изготовленных известным и изобретенным способами.

Фиг. 2 иллюстрируют вариант способа изготовления двухслойного силицида, соответствующий изобретению.

На фиг. 2A изображен слой двуокиси кремния (SiO₂) 8 толщиной около , нанесенный на монокристаллическую кремниевую подложку 7, удельное сопротивление которой составляет от 5 до 25 Омсм при температуре 920^oC, путем термического окисления. После термического разложения силана (SiH₄) при температуре около 625^oC при атмосферном давлении 250 мТорр путем вакуумного осаждения химических паров осаждается поликристаллический кремниевый слой 9 толщиной около на верхней поверхности слоя двуокиси кремния 8. Затем известным способом внедрения ионов в поликристаллический кремниевый слой 9 внедряют фосфор (P). Внедряемым ионам сообщается энергия около 30 кэВ, внедрение осуществляется с плотностью около 5 10¹⁵ ионов/см². Чтобы предотвратить повреждение поверхности поликристаллического кремниевого слоя 9 в ходе внедрения ионов, выполняется травление забуферированным HF-раствором, получаемым растворением гидрофлорида (HF) в воде в пропорции 1:100. После завершения травления на верхнюю поверхность поликристаллического кремниевого слоя 9 наносится слой тантала 10 толщиной способом напыления, а затем на него наносится слой титана 11 толщиной способом напыления. После завершения напыления слоя титана 11 готовая структура подвергается кратковременному печному отжигу (около 20 с) при температуре 800^oC в атмосфере аргона (Ar). В ходе кратковременного отжига в печи, как иллюстрирует фиг. 2B, поликристаллический кремний взаимодействует с танталом 10, образуя силиция тантала (TaSi₂) 12, и поликристаллический кремний 9 взаимодействует с титаном 11, образуя силицид титана (TiSi₂) 13.

Фиг. 3 иллюстрирует другой вариант способа изготовление двухслойного силицида, соответствующего изобретению.

Как изображено на фиг. 3A, слой двуокиси кремния (SiO₂) 15 толщиной около выращен на монокристаллической кремниевой подложке 14, удельное сопротивление которой при температуре 920^oC составляет от 5 до 25 Омсм, путем термического окисления. После термического разложения силана SiH₄ при давлении около 250 мТорр путем вакуумного осаждения химических паров поликристаллический кремниевый слой 16 толщиной около осаждается на верхнюю поверхность слоя двуокиси кремния 15. Затем известным способом внедрения ионов в поликристаллический кремниевый слой 16 внедряется фосфор. Внедряемым ионам сообщается энергия около 30 кэВ, внедрение осуществляется с плотностью около 510¹⁵ ионов/см². Чтобы предотвратить повреждение поверхности поликристаллического кремниевого слоя 16 в ходе внедрения ионов, выполняется травление забуферированным HF-раствором, получаемым растворением гидрофлорида (HF) в воде в пропорции 1:100. Как изображено на фиг. 3B, после завершения травления слой силицида тантала 17 толщиной наносится на верхнюю поверхность поликристаллического кремниевого слоя 16 способом напыления с использованием составной мишени из силицида тантала. Затем на него (на слой 17) наносится слой силицида титана 18 толщиной способом напыления с использованием составной мишени из силицида титана. После завершения напыления слоя силицида титана 18 готовая структура подвергается кратковременному печному отжигу (около 20 с) при температуре 800^oC в атмосфере аргона (Ar). Этот кратковременный печной отжиг переводит двухслойный силицид из аморфного в кристаллическое состояние, изображенное на фиг. 3B.

Точка плавления силицида тантала соответствует 2200^oC, т.е. 2473K в градусах абсолютной шкалы. Умножение температуры по шкале Кельвина на 0,6 дает 1483,8K; его (силицида тантала) высокотемпературная нестабильность начинает проявляться с температуры 1210,8^oC, которая, очевидно, значительно выше 814^oC, с которой начинает проявляться нестабильность силицида титана. Двухслойная силицидная структура, составленная из силицида тантала и силицида титана, не подвержена росту зерен, пластической деформации и агломерации, которые свойственны известному способу, даже при осуществлении последующего печного отжига при температуре 900^oC и даже выше.

Высокотемпературная стабильность двухслойного силицида, составленного из силицида тантала и силицида титана в соответствии с изобретением, подверглась измерению и сравнению с таковой силицида титана, полученного известным способом; результаты сведены в таблицу, изображенную на фиг. 4. В таблицу занесены данные, полученные в результате замеров после выполнения печного отжига двухслойного силицида, соответствующего изобретению, и силицидного слоя, образованного известным способом, в азотной атмосфере (N₂) в течение 30 мин при температурах 850, 900, 950 и 1000^oC соответственно. Как можно видеть на фиг. 4, при использовании известного способа агломерация силицида титана начинается при температуре 950^oC, что обуславливает значительное повышение поверхностного сопротивления. Более конкретно, поверхностное сопротивление составляет 2,2 Ом/кВ при 850^oC, но достигает 5,3 Ом/кВ при 950^oC, что означает двукратное увеличение. Более того, поверхностное сопротивление при 1000^oC становится очень большим, достигая 2940 Ом/кВ. Однако, как можно заметить, поверхностное сопротивление двухслойной силицидной структуры из силицидов тантала и титана возрастает незначительно, поскольку при 850^oC оно равно 3,8 Ом/кВ и при 1000^oC поднимается до 5,3 Ом/кВ.

Хотя силицид тантала используется в качестве нижнего силицидного слоя в одном варианте осуществления изобретения, в другом варианте осуществления изобретения можно использовать в качестве нижнего слоя силицид молибдена, силицид вольфрама и тому подобные материалы, имеющие более высокие точки плавления, чем таковая силицида титана, используемого в качестве верхнего силицидного слоя.

Силицид вольфрама и силицид молибдена плавятся при температуре соответственно 2165 и 1980^oC, т.е. соответственно при 2438 и 2253K в градусах абсолютной шкалы. Умножение 0,6 на эти температуры соответственно дает 1462,8 и 1351,8K. Следовательно, высокотемпературная нестабильность начинает проявляться с температуры 1189,8^oC у силицида вольфрама и с температуры 1078,8^oC у силицида молибдена.

Эти температуры значительно выше 814^oC, с которой силицид титана начинает проявлять температурную нестабильность. Следовательно, не будет происходить агломерация в ходе последующего печного отжига при температуре 900^oC и выше.

Как сказано выше, поскольку полупроводниковое устройство с двухслойным силицидом, соответствующим изобретению, обладает повышенной высокотемпературной стабильностью, проявляющейся в последующем печном отжиге, предотвращаются рост зерен, пластическая деформация и агломерация, что существенно улучшает рабочие характеристики такого полупроводникового устройства.

Хотя изобретение описано и проиллюстрировано со ссылками на конкретные варианты его осуществления, для специалиста в данной области должно быть ясно, что в него могут быть внесены разнообразные изменения без выхода за пределы его объема, оставаясь в пределах его сущности, определяемой приложенной формулой.

Формула изобретения

1. Полупроводниковое устройство, обладающее двухслойной силицидной структурой, содержащее кремниевую подложку монокристаллической структуры, окисный слой, образованный на всей поверхности названной монокристаллической кремниевой подложки, поликристаллический кремниевый слой, выращенный на всей поверхности названного окисного слоя, первый слой силицида металла, второй слой силицида металла, отличающееся тем, что первый слой силицида металла получен осаждением металла, образующего силицид при первой температуре, на верхнюю поверхность поликристаллического кремниевого слоя, и второй слой силицида металла получен осаждением металла, образующего силицид при второй температуре, которая ниже первой температуры, на верхнюю поверхность названного металла, образующего силицид при первой температуре.

2. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что первый силицид металла получен осаждением тантала (Ta) или молибдена (Mo).

3. Полупроводниковое устройство по п.2, отличающееся тем, что второй слой силицида металла получен осаждением титана (Ti).

4. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина слоя осажденного металла, образующего названный силицид при первой температуре, составляет 5. Полупроводниковое устройство по п.4, отличающееся тем, что толщина слоя осажденного металла, образующего названный силицид при второй температуре, составляет 6. Полупроводниковое устройство по п.5, отличающееся тем, что толщина выращенного поликристаллического кремниевого слоя равна 7. Способ изготовления полупроводникового устройства, обладающего двухслойной силицидной структурой, заключающийся в том, что формируют окисный слой на всей поверхности монокристаллической кремниевой подложки, выращивают поликристаллический кремниевый слой на всей поверхности названного окисного слоя, получают первый слой силицида металла, получают второй слой силицида металла, отличающийся тем, что первый слой силицида металла получают путем осаждения металла, образующего силицид при первой температуре, на верхнюю поверхность поликристаллического кремниевого слоя, и второй слой силицида металла получают путем осаждения металла, образующего силицид при второй температуре, которая ниже первой температуры, на верхнюю поверхность названного металла, образующего силицид при первой температуре.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что первый слой силицида металла получают осаждением тантала (Ta), молибдена (Mo) или вольфрама (W).

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что второй слой силицида металла получают осаждением титана (Ti).

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что толщину слоя названного металла, образующего силицид при первой температуре, выбирают в пределах 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что толщину слоя названного металла, образующего силицид при второй температуре, выбирают в пределах 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что поликристаллический кремниевый слой выращивают путем осаждения термически разложенного силана (SiH₄) до достижения толщины названного слоя при 625^oC при давлении 250 мТорр путем вакуумированного осаждения химических паров.

13. Способ изготовления полупроводникового устройства, обладающего двухслойной силицидной структурой, заключающийся в том, что формируют окисный слой на всей поверхности монокристаллической кремниевой подложки, выращивают поликристаллический кремниевый слой на всей поверхности названного окисного слоя, получают первый слой силицида металла, получают второй слой силицида металла, отличающийся тем, что получают первый слой силицида металла на верхней поверхности поликристаллического кремниевого слоя, используют составную мишень, образующую силицид при предопределенной первой температуре, и получают второй слой силицида металла на верхней поверхности первого слоя силицида металла, образующего силицид при первой температуре, используют составную мишень, образующую силицид при второй температуре, которая ниже первой температуры.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что первый слой силицида металла получают осаждением с использованием составной мишени, изготовленной из силицида тантала, силицида молибдена или силицида вольфрама.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что второй слой силицида металла получают осаждением с использованием составной мишени, изготовленной из силицида титана.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что толщину слоя полученного силицида металла, образующего силицид при первой температуре, выбирают в пределах 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что толщину слоя полученного силицида металла, образующего силицид при второй температуре, выбирают в пределах 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что поликристаллический кремниевый слой выращивают толщиной путем термического разложения силана (SiH₄) при температуре 625^oC при давлении 250 мТорр с последующим вакуумным осаждением химических паров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4