DE102004010354A1 - Process for forming thin layers of tungsten or tungsten - Google Patents

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DE102004010354A1
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Paul Rich
Stephen Robert Burgess
James Francis Edward O'sullivan
Nicholas Rimmer
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    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sputtern einer dünnen Wolframschicht oder einer Wolfram enthaltenden dünnen Schicht von einem Wolfram-Target auf einen Halbleiterwafer unter Verwendung von Krypton oder Xenon als Sputtergas.The invention relates to a method for sputtering a thin layer of tungsten or a thin layer containing tungsten from a tungsten target onto a semiconductor wafer using krypton or xenon as the sputtering gas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von dünnen Wolframschichten oder Wolfram enthaltenden dünnen Schichten und insbesondere solche Verfahren, welche zum Herstellen von Gate-Schichtlagen (gate stack layers) auf Wafern als Teil der Ausbildung von Halbleiterbauteilen verwendet werden.The present invention relates to Method of making thin Tungsten layers or thin layers containing tungsten and in particular such methods, which are used to produce gate layer layers (gate stack layers) are used on wafers as part of the formation of semiconductor devices become.

Zum Herstellen von Halbleiterbauteilen im Bereich kleiner als 100 nm wird über neue Gate-Anordnungen mit niedrigem elektrischen spezifischen Widerstand nachgedacht, um die RC-Verzögerung zu reduzieren. Ein Beispiel für eine in Betracht gezogene Gateelektroden-Anordnung umfasst einen Schichtaufbau aus Polysilizium/Wolframnitrit/Wolfram. Dieser Schichtaufbau ist deshalb vorteilhaft, weil das W/WN einen wesentlich niedrigeren spezifischen Widerstand hat als das im Stand der Technik bekannte WSi oder Poly-Si und wegen seiner Fähigkeit nachfolgenden hohen Temperaturen (beispielsweise 1000 Grad Celsius) zum Kondensatortempern (high temperature capacitor anneals), welche von einigen Speicherbauteiltechnologien benötigt werden, zu widerstehen. Physikalisches Aufdampfen (PVD) wird gegenüber chemischem Aufdampfen (CVD) bevorzugt, weil CVD-Prozesse zu Fluor-Kontamination führen.For the production of semiconductor components in the area smaller than 100 nm is used with new gate arrangements low electrical resistivity thought about the RC delay too to reduce. An example for a considered gate electrode arrangement comprises a layer structure made of polysilicon / tungsten nitrite / tungsten. This layer structure is advantageous because the W / WN a much lower resistivity than that known in the art WSi or Poly-Si and because of its ability subsequent high Temperatures (for example 1000 degrees Celsius) to heat the capacitor (high temperature capacitor anneals) which are used by some memory device technologies needed are going to resist. Physical vapor deposition (PVD) is compared to chemical Vapor deposition (CVD) preferred because CVD processes lead to fluorine contamination.

Bei einem derartigen Schichtaufbau ist es notwendig, dass der spezifische elektrischen Widerstand der WN/W-Schichten so niedrig wie möglich ist und im bekannten Stand der Technik beträgt der spezifische elektrische Widerstand für aufgesputtertes Wolfram 11 bis 12 μOhm cm bei einer Temperatur der Wafer-Auflageplatte von 250°C.With such a layer structure it is necessary that the specific electrical resistance of the WN / W layers as low as possible is and in the known prior art is the specific electrical Resistance for sputtered tungsten 11 to 12 μOhm cm at one temperature the wafer platen of 250 ° C.

Der spezifische elektrische Bahnwiderstand (bulk resistivity) von Wolfram beträgt 5,5 μOhm cm, wobei dies vermuten lässt, dass eine Verbesserung möglich ist und die Erfinder haben deshalb darüber nachgedacht, den spezifische elektrischen Widerstand von gesputterten dünnen Wolframschichten weiter zu reduzieren.The specific electrical railway resistance (bulk resistivity) of tungsten 5.5 µOhm cm, which suggests that improvement is possible is and the inventors have therefore thought about the specific electrical resistance of sputtered thin layers of tungsten to reduce.

Argon wird nahezu universell zum Sputtern von Metallschichten auf Siliziumwafer verwendet, obwohl eine Verbesserung bei der gesputterten Schichtdicke an der Basis von Ausnehmungen mit hohem Geometrieverhältnis beispielsweise in WO 02/053796, welches eine Anmeldung der Anmelder darstellt, und EP 1096036 berichtet wurde. Dies wird beispielsweise durch Reduktion des Sputterdruckes (reduzierte Streuung von gesputterten Werkstoff) erreicht, was mit einigen Alternativen Edelgasen im Vergleich zu Argon möglich ist und/oder wo der von den alternativen Sputtergasen zur Verfügung gestellte Vorteil der mehr rechtwinklige Ausstoß von gesputterten Werkstoff von der Oberfläche des Targets ist.Argon is used almost universally for sputtering metal layers on silicon wafers, although an improvement in the sputtered layer thickness at the base of recesses with a high geometry ratio is described, for example, in WO 02/053796, which is an application by the applicants, and EP 1096036 was reported. This is achieved, for example, by reducing the sputtering pressure (reduced scattering of sputtered material), which is possible with some alternative noble gases compared to argon and / or where the advantage provided by the alternative sputtering gases is the more rectangular ejection of sputtered material from the surface of the target is.

Die Erfindung betrifft in einer Hinsicht ein Verfahren zum Sputtern einer dünnen Wolframschichten oder einer dünnen Wolfram enthaltenden Schicht von einem Wolfram-Target auf einen Halbleiterwafer, wobei Krypton oder Xenon als Sputtergas verwendet wird.The invention relates in one respect a method for sputtering a thin layer of tungsten or a thin one Tungsten containing layer from a tungsten target to one Semiconductor wafers, with krypton or xenon used as sputtering gas becomes.

Man kann dem Oberbegriff entnehmen, dass das prinzipielle Interesse der Anmelder bei diesem Verfahren in diesem Falle darin liegt, eine feldartige Ablagerung und nicht die oben erwähnten Ablagerungen in Ausnehmungen mit hohem Geometrieverhältnis zu erzeugen. Die Verwendung von Gasen mit höherem Atomgewicht für diese letztgenannten Ablagerungen ist nicht naheliegend, weil unter diesen Umständen eine Motivation zum Erzielen eines Ausstoßwinkels nahe 90° nicht vorhanden und tatsächlich im Hinblick auf eine gleichmäßige Ablagerung nicht besonders wünschenswert ist, wenn die die Ablagerung aufnehmende Oberfläche alles andere als vollständig eben ist.You can see from the generic term that the principal interest of the applicant in this procedure in this case there is a field-like deposit and not the above mentioned Deposits in recesses with a high geometry ratio produce. The use of higher atomic weight gases for this the latter deposits is not obvious, because in these circumstances a There is no motivation to achieve an ejection angle close to 90 ° and indeed with regard to an even deposit not particularly desirable is when the surface receiving the deposit is anything but completely flat is.

Die Ablagerung erfolgt bevorzugt in einer Vakuumkammer mit einem Kryptondruck von weniger als 10 mTorr und es ist besonders bevorzugt, dass der Kryptondruck kleiner als 6 mTorr ist.The deposit is preferred in a vacuum chamber with a krypton pressure of less than 10 mTorr and it is particularly preferred that the krypton pressure be smaller than 6 mTorr.

Es ist bevorzugt, dass der sich ergebende spezifische elektrische Widerstand der dünnen Wolframschicht kleiner als 11 μOhm cm ist. Die dem Target, welches einen Durchmesser von einer 330 mm aufweist, zugeführte Leistung kann über 3 kW liegen, was einer Leistungsdichte von etwa 1 Watt cm–1 entspricht.It is preferred that the resulting electrical resistivity of the thin tungsten layer is less than 11 μOhm cm. The power supplied to the target, which has a diameter of 330 mm, can be more than 3 kW, which corresponds to a power density of approximately 1 watt cm −1 .

Der Wafer wird während der Ablagerung bevorzugt auf einer Auflageplatte angeordnet und die Plattentemperatur beträgt zwischen 200°C und 400°C und/oder die Auflageplatte wird mit einer negativen Gleichspannung vorgespannt, beispielsweise durch Anlegen einer HF-Leistung an die Auflageplatte mit einer Frequenz von 13,56 MHz. Das oben anfänglich sehr breit ausgeführte Verfahren kann angepasst werden, wobei beispielsweise das Sputtern ein reaktives Sputtern ist. Die Sputtergase enthalten dabei Stickstoff und die abgelagerte dünne Schicht ist Wolframnitrit.The wafer is preferred during deposition arranged on a platen and the plate temperature is between 200 ° C and 400 ° C and / or the support plate is biased with a negative DC voltage, for example by applying an RF power to the platen with a frequency of 13.56 MHz. The procedure, which was initially carried out very broadly can be adjusted, for example sputtering is a reactive Is sputtering. The sputter gases contain nitrogen and deposited thin The layer is tungsten nitrite.

In diesem Falle können die Sputtergase ferner Argon enthalten und das Verhältnis von Argon zu Krypton oder Xenon kann derart gewählt werden, dass die Spannung in der abgelagerten dünnen Schicht minimiert wird.In this case, the sputtering gases can also Contain argon and the ratio from argon to krypton or xenon can be chosen such that the voltage in the deposited thin layer is minimized.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus aus Wolfram/Wolframnitrit auf einem Wafer, wobei eine dünne Schicht aus Wolframnitrit auf einen Wafer gesputtert wird und eine dünne Schicht aus Wolfram auf die dünne Schicht aus Wolframnitrit gesputtert wird, wobei die beiden Sputterprozesse in einer einzigen Kammer unter Verwendung eines einzigen Targets ausgeführt werden.Another embodiment of the invention relates a method for producing a layer structure of tungsten / tungsten nitrite on a wafer, being a thin one Layer of tungsten nitrite is sputtered onto a wafer and a thin layer made of tungsten on the thin Layer of tungsten nitrite is sputtered using the two sputtering processes in a single chamber using a single target accomplished become.

Vorzugsweise wird der Wafer auf einer Auflageplatte angeordnet und die Temperatur der Auflageplatte für die beiden Sputterprozesse im Wesentlichen gleichgehalten.The wafer is preferably placed on a Platen arranged and the temperature of the platen for the two Sputter processes essentially kept the same.

In einer bevorzugten Weiterbildungen wird die dünne Wolframschicht unter Verwendung des zuvor definierten Verfahrens aufgesputtert und/oder die dünne Wolframnitrit-Schicht wird unter Verwendung des oben definierten Verfahrens abgelagerten oder das Sputtergas ist in dem letztgenannten Fall vollständig Argon.In a preferred further development, the thin tungsten layer is sputtered on using the previously defined method and / or the thin layer of tungsten nitrite is deposited using the method defined above, or the sputtering gas is completely argon in the latter case.

Die Erfindung umfasst ferner die Ausbildung eines Gate-Schichtaufbaus unter Verwendung der zuvor definierten Verfahren zum Ausbildung eines Schichtaufbaus.The invention also includes Formation of a gate layer structure using the previously defined procedures for the formation of a layer structure.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung von Krypton beim Sputtern von Wolframnitrit und Wolfram auf eine Substratsoberfläche ohne Ausnehmungen, wobei das Sputtern von WN und W in derselben Kammer unter Verwendung eines einzigen Wolfram-Targets ausgeführt wird. Eine Anwendung eines derartigen Verfahrens ist das Sputtern eines Gate-Schichtaufbaus auf eine Polysiliziumoberfläche auf einem Siliziumwafer, beispielsweise zum Ausbilden eines Speicherbauteiles, und die Erfindung umfasst einen derartigen Schichtaufbau.Another aspect of the invention relates to a method of using krypton in sputtering of tungsten nitrite and tungsten on a substrate surface without Recesses, with the sputtering of WN and W in the same chamber using a single tungsten target. One application of such a method is sputtering Gate layer structure on a polysilicon surface on a silicon wafer, for example for forming a memory device, and the invention comprises such a layer structure.

Obwohl die Erfindung voranstehend definiert wurde, versteht es sich, dass diese jede erfinderische Kombination der Merkmale umfasst, die voranstehend oder in der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt sind.Although the invention is above was defined, it is understood that this is any inventive combination of the features included above or in the following Description executed are.

Die Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden und eine spezielle Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügt Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in:The invention can be applied to various Executed way and a special embodiment is described below with reference to the accompanying drawings. This shows in:

1 den spezifische elektrischen Widerstand einer gesputterten dünnen Wolframschicht aufgetragen über den Argondruck für bestimmte Ablagerungsbedingungen; 1 the specific electrical resistance of a sputtered thin layer of tungsten plotted against the argon pressure for certain deposition conditions;

2 den spezifischen elektrischen Widerstand einer gesputterten dünnen Wolframschicht in Abhängigkeit von einer Temperatur der Auflageplatte, mit ansonsten den Bedingungen wie bei 1; 2 the specific electrical resistance of a sputtered thin tungsten layer as a function of a temperature of the platen, with the other conditions as in 1 ;

3 eine Tabelle der charakteristischen Schicht-Eigenschaften für eine dünne Wolframnitritschicht, welche jeweils bei 200°C und 400°C abgelagerte wurde, unter Verwendung eines Gemisches aus Argon und Stickstoff; 3 a table of the characteristic layer properties for a thin tungsten nitride layer, which was deposited at 200 ° C and 400 ° C, respectively, using a mixture of argon and nitrogen;

4 ein Diagramm des spezifischen elektrischen Widerstandes aufgetragen über den Druck, für eine dünne Schicht, welche mittels Argon abgelagert wurde und für eine dünne Schicht, welche mittels Krypton abgelagert wurde; 4 a diagram of the specific electrical resistance plotted against the pressure for a thin layer which was deposited by means of argon and for a thin layer which had been deposited by means of krypton;

5 eine grafische Darstellung der Veränderung des spezifischen elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von einer Vorspannung der Auflageplatte während einer Krypton induzierten Ablagerung; 5 a graphical representation of the change in specific electrical resistance as a function of a bias of the platen during a krypton-induced deposition;

6 eine grafische Darstellung der Veränderung des spezifischen elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von einer Targetleistung ohne Vorspannung; 6 a graphic representation of the change in the specific electrical resistance as a function of a target power without bias;

7 einen Vergleich von charakteristischen Schicht-Eigenschaften für eine dünne Wolframnitrit Schicht, welche unter Verwendung von Argon abgelagert wurde mit einer dünnen Wolframnitrit-Schicht, welche unter Verwendung von Krypton abgelagert wurde; 7 a comparison of characteristic layer properties for a thin tungsten nitride layer which was deposited using argon with a thin tungsten nitride layer which was deposited using krypton;

8 eine Tabelle für Prozessbedingungen bei der Ablagerung mittels Argon beziehungsweise Krypton; und 8th a table for process conditions for deposition using argon or krypton; and

9 eine Tabelle für Prozessbedingungen bei der Ablagerung von Wolfram. 9 a table for process conditions in the deposition of tungsten.

Das für diesen Prozess verwendete Sputtersystemen war ein Trikon Technologies Inc. Sigma®-fxP®-Einzel-Wafer-Multikammer-Cluster-Sputterwerkzeug, bei dem die Wafer einzeln auf einer geheizten Auflageplatte mit der Vorderseite nach oben gegenüber einem feststehenden Target mit einem dahinter angeordneten beweglichen Magnetron angeordnet werden.The sputtering system used for this process was a Trikon Technologies Inc. Sigma ® -fxP ® single wafer multi-chamber cluster sputtering tool, in which the wafers were placed individually on a heated platen face up against a fixed target with one behind it Movable magnetron can be arranged.

Die Wafer werden von Atmosphäre zum Vakuum transportiert und dann unter Vakuum in eine Vorreinigungskammer transportiert, wo diese ausgegast werden. Typischerweise werden sie gereinigt gesputtert. Die Wafer werden dann unter Vakuum in eine Ablagerungskammer transportiert, wo sie auf der Auflageplatte angeordnet sind. Es versteht sich, dass es einen starken kommerziellen Vorteil darstellt, in der Lage zu sein, sowohl WN- als auch W-Lagen in derselben Prozesskammer abzulagern. Dies erfordert, dass die Temperatur der Auflageplatte und das Target für beide Prozesse gleich sind, da es unpraktikabel ist, die Temperatur zu ändern oder das Target auszutauschen ohne dass dadurch die Kammer einen erheblich komplexeren Aufbau erhält, wodurch man den Vorteil bezüglich Einfachheit, Bauraum und Kosten beim ausführen der beiden Prozesse in ein und derselben Kammer verlieren würde. Die WN-Schicht wird mittels reaktivem Sputtern ausgebildet, wobei dem Sputteredelgas Stickstoff zugesetzt wird, um das Nitrit aus dem Metalltarget auszubilden. Die Prozesstemperatur der Auflageplatte wird als Kompromiss zwischen den beiden Prozessen und für beide Prozesse geeigneten gewählt.The wafers change from atmosphere to vacuum transported and then under vacuum into a pre-cleaning chamber transported where these are outgassed. Typically they sputtered cleaned. The wafers are then placed in a vacuum Deposition chamber transported where it is placed on the platen are. It is understood that there is a strong commercial advantage represents being able to have both WN and W locations in the same Deposit process chamber. This requires that the temperature of the Platen and the target for Both processes are the same because the temperature is impractical to change or replace the target without the chamber becoming unified significantly more complex structure, giving you the advantage in terms of Simplicity, installation space and costs when executing the two processes in one and the same chamber would lose. The WN layer is created using reactive sputtering, the sputtering noble gas being nitrogen is added to form the nitrite from the metal target. The Process temperature of the platen is used as a compromise between the two processes and for both Processes chosen appropriately.

Für die Experimente wurden 150 mm Siliziumwafer und ein 99,999 % reines Wolfram-Target der Firma an Honywell für das Sputtern verwendet. Der elektrische spezifische Schicht-Widerstand wurde mit einer automatischen Vier-Punkt-Messespitze gemessen und die Dicke wurde mittels Betrachtung eines Schnittes durch den Wafer unter einem Elektronenmikroskop gemessen. Alle Wafer wurden in einem separaten Modul für zwei Minuten unter einer Heizlampe, der eine Leistung von 2 kW zugeführt wurde, ausgegast.For the experiments were 150 mm silicon wafer and a 99.999% pure The company's tungsten target at Honywell was used for sputtering. The electric one specific layer resistance was measured with an automatic four-point measuring tip and the thickness was determined by considering a section through the Wafers measured under an electron microscope. All wafers were in a separate module for two minutes under a heating lamp, which was supplied with a power of 2 kW, outgassed.

1 zeigt den spezifischen elektrischen Widerstand von gesputtertem Wolfram in Abhängigkeit vom Argondruck bei 1 kW zugeführter Leistung und einer Temperatur der Auflageplatte von 200°C (ohne Klammern des Wafers). Es ist ersichtlich, dass es einen erheblichen Effekt des Druckes auf den spezifischen elektrischen Widerstand gibt, wobei um 6 mTorr herum ein Minimum auftritt. Diese Beobachtung eines Minimums des spezifischen elektrischen Widerstandes mit höherem spezifischen elektrischen Widerstand sowohl für niedrigere als auch spezifischen elektrischen Widerstand sowohl für niedrigere als auch höhere Drücke ist wohlbekannt, wobei die Literatur verschiedene miteinander konkurrierende Erklärungen dafür gibt, warum dies so auftritt. 1 shows the specific electrical resistance of sputtered tungsten as a function of argon pressure at 1 kW of power and a temperature of the platen of 200 ° C (without clamping the wafer). It can be seen that there is a significant effect of pressure on electrical resistivity, with a minimum occurring around 6 mTorr. This observation of a minimum electrical resistivity with higher electrical specific Resistance for both lower and specific electrical resistance for both lower and higher pressures is well known, with the literature providing various competing explanations for why this occurs.

2 zeigt den spezifischen elektrischen Widerstand von gesputtertem Wolfram in Abhängigkeit von einer Temperatur der Auflageplatte mit denselben Prozessbedingungen wie bei 1, bei einem Argondruck von 6 mTorr. Wie für Metalle üblich, fällt der spezifische elektrische Widerstand mit steigender Ablagerungstemperatur. Die in der Fig. angegebenen Temperaturen sind die jeweiligen Temperaturen der Auflageplatte mit nicht geklammertem Wafer. In einem stationären Zustand ohne Sputtern erzielt eine Temperatur der Auflageplatte von 400°C eine Temperatur des Siliziumwafers von annähernd 280°C, wobei beispielsweise bei einem Druck von weniger als 50 mTorr keine signifikante Gasleitung auftritt. Es wurde keine Substrat-Vorspannung angelegt. 2 shows the specific electrical resistance of sputtered tungsten as a function of a temperature of the platen with the same process conditions as in 1 , at an argon pressure of 6 mTorr. As is customary for metals, the specific electrical resistance decreases with increasing deposition temperature. The temperatures indicated in the figure are the respective temperatures of the platen with the wafer not clipped. In a stationary state without sputtering, a temperature of the support plate of 400 ° C. achieves a temperature of the silicon wafer of approximately 280 ° C., with no significant gas line occurring, for example, at a pressure of less than 50 mTorr. No substrate bias was applied.

Dünne Schichten aus Wolframnitrit, welche bei einer Temperatur der Auflageplatte von 200°C und 400°C abgelagert werden, haben im Wesentlichen dieselben Eigenschaften. In 3 sind Ergebnisse für einen Prozess mit 38 Sekunden Vorheizen, 1 kW angewendete Leistung und 60 sccm Argon und 70 sccm Stickstoff angegebenen.Thin layers of tungsten nitrite, which are deposited at a temperature of the platen of 200 ° C and 400 ° C, have essentially the same properties. In 3 results are given for a process with 38 seconds preheating, 1 kW power applied and 60 sccm argon and 70 sccm nitrogen.

Es hat sich gezeigt, dass eine Substitution des Argon mit Krypton den spezifischen elektrischen Widerstand des gesputterten Wolfram bei gleichem Target und gleicher Targetleistung, gleichem Pumpensystem, gleicher Temperatur für die Auflageplatte und gleichem Abstand zwischen Target und Substrat signifikant reduziert.It has been shown that a substitution of the Argon with krypton the specific electrical resistance of the sputtered Tungsten with the same target and the same target power, the same Pump system, same temperature for the platen and the same Distance between target and substrate significantly reduced.

4 veranschaulicht den spezifischen elektrischen Widerstand von Wolfram sowohl für Argon als auch für Krypton in Abhängigkeit vom Druck. Das Sputtern erfolgte unter Anwendung von 1 kW Leistung auf das Target ohne Vorspannung des Substrats. Für dieselbe angewandte Leistung war die Sputterrate höher, die Targetspannung höher und der Targetstrom niedriger, wie aus 8 ersichtlich. Mit Krypton betrug die Ablagerungsrate 84 nm pro kW/min und für Argon 65 nm pro kW/min. Wie aus 4 ersichtlich, lagert Krypton und Argon das Wolfram herab bis auf etwa 10 mTorr mit demselben spezifischen elektrischen Widerstand ab. Unterhalb von 10 mTorr existieren Drücke, bei denen Krypton das Wolfram mit niedrigerem spezifischen elektrischen Widerstand abgelagert als Argon. Es wird erwartet, dass weitere Experimente ergeben, dass es einen minimalen spezifischen elektrischen Widerstand für Wolfram gibt, welches mittels Krypton aufgesputtert wird, wobei niedrigere Drücke dünne Schichten mit höherem spezifischen elektrischen Widerstand erzeugen. Es ist zu bemerken, dass bei Drücke oberhalb von 10 mTorr das Wolfram von Argon mit einem niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand abgelagert wird als von Krypton, was aus den Datenpunkten bei 14 mTorr ersichtlich ist, wo der spezifische elektrische Widerstand von Wolfram 12,27 μOhm cm für Argon und 15,6 μOhm cm für Krypton ist. Das Anlegen einer Substratvorspannung mittels einer HF-Leistung mit einer Frequenz von 13,56 MHz an die Auflageplatte reduziert den spezifischen elektrischen Widerstand sowohl für Argon als auch für Krypton. Die in 5 dargestellten Ergebnisse wurden mit Krypton bei einem Druck von 7 mTorr ermittelt. 4 illustrates the specific electrical resistance of tungsten for both argon and krypton as a function of pressure. The sputtering was carried out using 1 kW of power on the target without prestressing the substrate. For the same power applied, the sputtering rate was higher, the target voltage was higher, and the target current was lower, as from 8th seen. With krypton the deposition rate was 84 nm per kW / min and for argon 65 nm per kW / min. How out 4 As can be seen, krypton and argon deposit the tungsten down to about 10 mTorr with the same specific electrical resistance. Pressures below 10 mTorr exist at which krypton deposits the tungsten with a lower specific electrical resistance than argon. Further experiments are expected to show that there is a minimum electrical resistivity for tungsten sputtered using krypton, with lower pressures producing thin layers with higher electrical resistivity. It should be noted that at pressures above 10 mTorr, the tungsten of argon is deposited with a lower electrical resistivity than that of krypton, which can be seen from the data points at 14 mTorr, where the specific electrical resistance of tungsten is 12.27 μOhm cm for argon and 15.6 μOhm cm for krypton. Applying a substrate bias to the platen using RF power at a frequency of 13.56 MHz reduces the electrical resistivity for both argon and krypton. In the 5 The results shown were determined with krypton at a pressure of 7 mTorr.

Eine Erhöhung der Targetleistung reduziert den spezifischen elektrischen Widerstand für mit Krypton gesputtertes Wolfram, während es den spezifischen elektrischen Widerstand beim Sputtern mit Argon erhöht. 6 zeigt den Einfluss der Targetleistung auf den spezifischen elektrischen Widerstand für Krypton bei 2 mTorr ohne an das Substrat angelegte Vorspannung. Wie aus 6 ersichtlich, kann ohne Vorspannung ein spezifischer elektrischer Widerstand von etwa 8,5 μOhm cm erzielt werden. Es sind weiterführende Experimente mit Vorspannung und höherer Targetleistung und zusätzlich reduzierten Sputterdrücken geplant.Increasing the target power reduces the electrical resistivity for krypton sputtered tungsten while increasing the electrical resistivity when argon sputtered. 6 shows the influence of the target power on the specific electrical resistance for krypton at 2 mTorr without bias applied to the substrate. How out 6 can be seen, a specific electrical resistance of approximately 8.5 μOhm cm can be achieved without bias. Further experiments with preload and higher target performance and additionally reduced sputter pressures are planned.

Es versteht sich, dass es nicht immer praktikabel ist, die Targetleistungsdichte zu erhöhen, da es sich um sehr dünne Schichten handelt und die Ablagerungen von dünnen Schichten zu kurz werden kann, um die Ablagerungen präzise Steuern zu können.It goes without saying that it is not always it is practical to increase the target power density because it is very thin Layers and the deposits of thin layers can become too short, to make the deposits precise To be able to control.

Es wurde dann im Wolframnitrit-Prozess das Argon mit Krypton ersetzt, wobei auf das Target 1 kW Leistung angewendet wurde mit 60 sccm Argon oder Krypton und 70 sccm Stickstoff, wobei die Ergebnisse in 7 dargestellten sind. Es ist ersichtlich, dass ein starker Effekt auf die Spannung der dünnen Schicht vorliegt, was auf eine andere Struktur der dünnen Schicht hindeutet, welche möglicherweise die Barriereleistungsfähigkeit und Stabilität beeinflusst.The argon was then replaced with krypton in the tungsten nitrite process, 1 kW power being applied to the target with 60 sccm argon or krypton and 70 sccm nitrogen, the results in 7 are shown. It can be seen that there is a strong effect on the tension of the thin layer, suggesting a different structure of the thin layer, which may affect barrier performance and stability.

Es ist daher möglich, Argon und Krypton mit dem Stickstoff zu mischen, um Wolframnitrit-Barrieren mit spezifischen Spannungseigenschaften auszubilden, beispielsweise nominell null. Unterschiedliche Mischungen von Argon und Krypton im Bereich von 0% bis 100% können für beide Prozesse in der gleichen Kammer verwendet werden. 9 zeigt den Effekt der Änderung des Sputtergases auf die Spannung in der dünnen Wolframschicht. Die Gasströme von Argon und Krypton sind derart gewählt, dass der niedrigst mögliche spezifische elektrische Widerstand erzielt wird. Wie ersichtlich, kann die Spannung der dünnen Schicht von Druckspannung bis Zugspannung durch Wechsel von Argon zur Krypton geändert werden, was wiederum indiziert, dass es möglich ist, eine dünne Schicht mit null Spannung abzulagern. Weitere Verbesserungen bezüglich des spezifischen elektrischen Widerstandes von Wolfram können durch die Verwendung von Xenon oder Xenon-Mischungen erzielt werden, wobei Xenon eine wesentlich höhere molare Masse als Krypton und Argon hat.It is therefore possible to mix argon and krypton with the nitrogen to form tungsten nitrite barriers with specific stress properties, for example nominally zero. Different mixtures of argon and krypton in the range of 0% to 100% can be used for both processes in the same chamber. 9 shows the effect of the change of the sputtering gas on the tension in the thin tungsten layer. The gas flows from argon and krypton are selected in such a way that the lowest possible specific electrical resistance is achieved. As can be seen, the stress of the thin layer can be changed from compressive stress to tensile stress by changing from argon to krypton, which in turn indicates that it is possible to deposit a thin layer with zero stress. Further improvements in the specific electrical resistance of tungsten can be achieved by using xenon or xenon mixtures, with xenon having a much higher molar mass than krypton and Ar gon has.

Claims (15)

Verfahren zum Sputtern einer dünnen Wolframschicht oder einer Wolfram enthaltenden dünnen Schicht von einem Wolfram-Target auf einen Halbleiterwafer unter Verwendung von Krypton oder Xenon als Sputtergas.Process for sputtering a thin layer of tungsten or a thin layer of tungsten containing a tungsten target on a semiconductor wafer using krypton or xenon as Sputtering. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagerung in einer Vakuumkammer mit einem Kryptondruck von weniger als 10 mTorr durchgeführt wird.A method according to claim 1, characterized in that the deposit in a vacuum chamber with a krypton pressure less than 10 mTorr. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryptondruck kleiner als 6 mTorr ist.A method according to claim 2, characterized in that the krypton pressure is less than 6 mTorr. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand der dünnen Wolframschicht kleiner als 11 μOhm cm ist.Method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the specific electrical resistance the thin Tungsten layer less than 11 μOhm cm. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Target eine Leistung von größer als etwa 1 Watt pro Zentimeter zugeführt wird.Method according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the target has a power greater than fed about 1 watt per centimeter becomes. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer während der Ablagerung auf einer Auflageplatte angeordnet wird und die Plattentemperatur zwischen 200°C und 400°C beträgt.Method according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the wafer is deposited on a platen is arranged and the plate temperature is between 200 ° C and 400 ° C. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageplatte mit einer negativen Gleichspannung vorgespannt wird.Method according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the platen with a negative DC voltage is biased. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern reaktives Sputtern ist; das Sputtergas Stickstoff enthält und die abgelagerte dünne Schicht Wolframnitrit ist.A method according to claim 1, characterized in that sputtering is reactive sputtering; the sputtering gas nitrogen contains and the deposited thin Layer of tungsten nitrite. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtergas ferner Argon enthält.Method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the sputtering gas further contains argon. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Argon zu Krypton oder Xenon derart gewählt ist, dass die Spannung in der abgelagerten dünnen Schicht minimiert wird.A method according to claim 9, characterized in that the relationship from argon to krypton or xenon is chosen such that the voltage in the deposited thin Layer is minimized. Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus aus Wolfram/Wolframnitrit auf einem Wafer, wobei eine dünne Schicht aus Wolframnitrit auf einen Wafer gesputtert wird und eine dünne Schicht aus Wolfram auf die dünne Schicht aus Wolframnitrit gesputtert wird, wobei die beiden Sputterprozesse in einer einzigen Kammer unter Verwendung eines einzigen Targets ausgeführt werden.Process for the production of a layer structure Tungsten / tungsten nitrite on a wafer, leaving a thin layer of tungsten nitrite is sputtered onto a wafer and a thin layer made of tungsten on the thin Layer of tungsten nitrite is sputtered using the two sputtering processes in a single chamber using a single target accomplished become. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer auf einer Auflageplatte angeordnet und die Temperatur der Auflageplatte für die beiden Sputterprozesse im Wesentlichen gleichgehalten wird.A method according to claim 11, characterized in that the wafer is placed on a platen and the temperature the platen for the the two sputtering processes are essentially kept the same. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht aus Wolfram unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufgesputtert wird.A method according to claim 11 or 12, characterized in that the thin Layer of tungsten using a method according to a of claims 1 to 7 is sputtered on. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht aus Wolfram oder die Wolfram enthaltende dünne Schicht unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 8 bis 10 abgelagert wird.Method according to at least one of claims 11 to 13, characterized in that the thin layer of tungsten or the thin containing tungsten Layer deposited using the method of claims 8-10 becomes. Eine Gate-Anordnung hergestellt mit den Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 14.A gate arrangement made with the methods according to at least one of the claims 11 to 14.
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