DE10017233A1 - Verfahren zum Deponieren einer Schicht - Google Patents

Verfahren zum Deponieren einer Schicht

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Deponieren einer Schicht auf einer exponierten Oberfläche einer isolierenden Materialschicht. Das Verfahren umfaßt die Behandlung der exponierten Oberfläche mit Wasserstoff oder einer gasförmigen Quelle von Wasserstoff in der Anwensenheit eines Plasmas vor oder während der Deposition einer metallischen Schicht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Deponieren einer Schicht auf einer exponierten Oberfläche einer isolierenden Materialschicht.
Es ist seit längerem bekannt, daß die Kornstruktur einer deponierten Schicht be­ einflußt werden kann durch die Struktur der Schicht, auf welcher sie deponiert ist. Diese Beziehung wurde diskutiert im Zusammenhang mit Aluminiumschichten, die auf Titan deponiert waren, in der US-PS 55 23 259 und auf Titannitridschichten in der US-PS 52 42 860. Vielleicht die vollständigste und jüngste Veröffentlichung im Stand der Technik bezüglich der Kornstruktur von Metalleitern auf Barriereschich­ ten, und wie eine bevorzugte Kornstruktur erreicht werden kann, ist enthalten in der WO 99/10921. Es gibt jedoch keine Anzeige im Stand der Technik hinsichtlich der Beziehung zwischen der Struktur von metallischen deponierten Schichten und isolierenden Schichten, auf welchen sie aufliegen. Darüber hinaus gibt der Stand der Technik keine Anzeige wie solch eine isolierende Schicht behandelt werden kann, um die deponierte Schichtstruktur für diesen Zweck zu verbessern.
Zusätzlich zu diesen Zusammensetzungen ist bei einer anderen Technologie, bei welcher dies von Bedeutung ist, die Herstellung von akustischen Wellengeräten, wobei die Orientierung der piezoelektrischen Schicht signifikant sein kann, bei der Leistungsfähigkeit dieses Gerätes.
Somit besteht, entsprechend einem ersten Aspekt, die Erfindung aus einem Ver­ fahren zum Deponieren einer Metallschicht oder Schichten auf der exponierten Oberfläche einer zuvor deponierten isolierenden Schicht auf einem Substrat mit einer Behandlung der exponierten Oberfläche mit Wasserstoff oder einer gasför­ migen Wasserstoffquelle in der Anwesenheit eines Plasmas vor der Deposition der metallischen Schicht oder der Schichten.
Überraschenderweise wurde herausgefunden, daß die Exposition gegenüber Wasserstoff die Struktur mindestens der exponierten Oberfläche der isolierenden Schicht ändert, dahingehend, daß die Orientierung einer metallischen Schicht und insbesondere einer piezoelektrischen Schicht, die anschließend auf dem Substrat verbessert wird. Dies kann daran liegen, daß Wasserstoff in die exponierte Ober­ fläche implantiert wird, oder daran, daß der Wasserstoff die exponierte Oberfläche beispielsweise durch Ätzen modifiziert, oder eine Kombination der beiden Vorgän­ ge.
Es wird bevorzugt, daß das Ausmaß der Wasserstoffbehandlung derart ist, daß das volle Halbwellenmaximum (FWHM) der oszillierenden Kurve auf einer vorbe­ stimmten kristallographischen Ebene einer deponierten Schicht geringer ist als 2,5°.
Das Plasma kann ein induktiv gekoppeltes Plasma sein, wobei in diesem Fall das Substrat auf einer hochfrequenzvorgespannten Platte plaziert werden kann, die erhitzt sein kann. Alternativ kann das Plasmaverfahren ein reaktives Ionenätzen sein. In dem ersten Fall kann die Verfahrenszeit für die Wasserstoffbehandlung zwischen 35 und 24 Minuten liegen, und im zweiten Fall kann die Behandlungspe­ riode mehr als 5 Minuten und weniger als 15 Minuten betragen.
Typischerweise ist das Substrat ein Halbleiter wie etwa Silizium oder die isolieren­ de Schicht kann Siliziumdioxid sein. Dort, wo das Verfahren zum Einsatz kommt in der Form eines akustischen Wellengerätes, verlangt man vorzugsweise von der deponierten Schicht, daß sie eine schmale Röntgenstrahlungsbeugungsspitzen­ halbbreite besitzt auf (002), so daß sie als piezoelektrischer dünner Film wirkt. Diese deponierte Schicht ist vorzugsweise Aluminiumnitrid. Man bevorzugt, daß das Aluminiumnitrid deponiert wird bei einer Temperatur unterhalb von 500°C.
Es ist im Stand der Technik bekannt, daß die FWHM-Oszillationskurve einer Beu­ gungsspitze eine gute Anzeige ist vom Ausmaß der Orientierung. Diese Oszillati­ onskurve wird erhalten, indem man eine Probe in einem Röntgenstrahl rotiert, der auf die zu inspizierende Oberfläche gerichtet ist. Ein spezieller Winkel der Kurve erzeugt eine Reflektionsspitze, und durch die Oszillation der Probe um diese Spit­ ze ist es möglich, den Oszillationswinkel zu bestimmen, der erforderlich ist, um die Probe von der Hälfte der maximalen Intensität auf einer Seite der Spitze zum ent­ sprechenden Punkt auf der anderen Seite der Spitze zu bewegen. Dieser Winkel wird als FWHM-Messung bezeichnet, und je enger der Winkel ist, um so besser ist die Struktur geordnet.
Bei einem Experiment wurde Aluminiumnitrid auf einer Unterschicht von Alumini­ um (welches eine Elektrode bildet) deponiert und wiederum auf einer Titanadhä­ sionsschicht deponiert auf einer isolierenden Schicht aus Siliziumdioxid. Das Sili­ ziumdioxid war behandelt worden auf einem der drei Wege und die FWH- Oszillationskurve der Aluminiumnitridmessung ergab sich zu (002).
Die experimentellen Ergebnisse waren wie folgt:
Verfahren
"ICP" bedeutet induktiv gekoppeltes Plasma mit einem Hochfrequenzspannungs­ anschluß hauptsächlich induktiv gekoppelt an ein Plasma und einem Hochfre­ quenzspannungsanschluß, angeschlossen an die Substratplatte.
"RIE" wird hier verwendet im Industriestandardeinsatz, was bedeutet, daß die Verfahrensleistung hauptsächlich oder exklusiv an den Substrathalter angelegt wird. Jedes "reaktive" Element hinsichtlich des Ätzens ist insignifikant bei den be­ richteten experimentellen Verfahren, da Siliziumdioxid insignifikant reaktiv ist mit Wasserstoff. Das hauptsächliche Ätzverfahren ist Sputtern und aufgrund der ge­ ringen Masse der Wasserstoffionen geht das Ätzen langsam vor sich.
Das Standardverfahren ist ein sehr kurzes Argonätzen, welches im allgemeinen eingesetzt wird, um die Oberfläche eine Substrates vor der Deposition zu reinigen.
Die beiden anderen Verfahren, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung entwic­ kelt wurden, zeigen den Vorteil einer Wasserstoffvorbehandlung an, wobei die FWHM-Messung um mehr als die Hälfte reduziert wird oder, um es anders auszu­ drücken, mit einer über 100%igen Verbesserung der Orientierung.
Obwohl, wie zuvor erwähnt, das Ätzen ein Teil dessen ist, was mit der Oberfläche geschieht, ist herauszustellen, daß das Ätzausmaß des Siliziumdioxids unter Ein­ satz von Wasserstoff beträchtlich geringer ist als bei Argon (~ 21 Å/min beim "RIE"-Verfahren, 6 Å/min beim ICP-Verfahren, verglichen mit 450-650 Å/min beim "Standard"-Verfahren).
Im Lichte dieser Betrachtungen wird es als wahrscheinlicher angesehen, daß Wasserstoff implantiert wird in die Oberfläche des Substrats unter Verbesserung der Kornstruktur dieser Oberfläche, oder es kann sein, daß der Wasserstoff in der Oberfläche vorteilhafte Bedingungen erzeugt für die Kornorientierung der nachfol­ gend deponierten Schicht. Dieses Verfahren ist, obwohl es die Herstellung von gesamt akustischen Wellengeräten ermöglicht, kommerziell durchführbar trotz der langen Verfahrenszeiten. Es wurde jedoch auch festgestellt, daß ein 80 mm (80 µm) Titanfilm, der auf eine Siliconscheibe in einem cryogenisch gepumpten Vaku­ umsystem aufgesputtert wurde, welches für einen langen Zeitraum leer stand (et­ wa 10 Stunden oder mehr) ein Ti<002< : <011< XRD-Verhältnis ergibt, welches hoch ist (<10 : 1). Ein Vakuum würde unter solchen Bedingungen einen hohen Wasserstoffgehalt besitzen aufgrund der hinlänglich bekannten Unfähigkeit von cryogenen Pumpen Wasserstoff gut zu pumpen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt dementsprechend darin, die erste oder nachfolgende metallische Schichten eines vielschichtigen Aufbaues mit atomarem Wasserstoff typischerweise in einem Plasma zu behandeln. Dieses könnte am bequemsten ausgeführt werden gleichzeitig mit einem metallischen Sputterverfah­ ren, z. B. Titan, Titannitrid, Titanoxid, Wolfram, Wolframnitrid, Tantal, Tantalnitrid, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Aluminiumnitrid.
Das Sputterverfahren erfordert ein Plasma zur Erzeugung der Argonionen, die erforderlich sind für das Verfahren aus dem Argongas, welches der Vakuumver­ fahrenskammer zugeführt wird. Wasserstoffbeigaben in gesteuerten kleinen Men­ gen würden ionisiert werden durch die elektrischen Felder, die anwesend sind in­ nerhalb des Vakuumbehälters (oder könnten zuvor ionisiert werden): Somit würde atomarer Wasserstoff inkorporiert innerhalb mindestens der Oberfläche auf dem gesputterten Film, wodurch dessen kristallographische Struktur bevorzugt modifi­ ziert wird.
Diese strukturelle Modifikation, mindestens der Oberfläche, ermöglicht einen hö­ heren Anteil einer bevorzugten Kristallorientierung bei einem nachfolgend depo­ nierten Metalleiter. Somit könnte eine Schicht einer metallischen Barrierestruktur, die zwischen einer isolierenden Schicht und einer leitenden Schicht liegt, kristallo­ graphisch modifiziert werden durch den Einsatz dieser Wasserstoffbehandlung, die bewirkt, daß weiter hierauf deponierte Schichten eine bevorzugte Struktur be­ sitzen. Zusätzlich oder alternativ könnten die Schichten, die diese bevorzugte Kri­ stallographie erfordern, selbst gesputtert werden in der Anwesenheit von Wasser­ stoff oder anschließend behandelt werden mit atomarem Wasserstoff. Dieser be­ vorzugte Aufbau ist dadurch gekennzeichnet, daß er verbesserte funktionale Fä­ higkeiten besitzt aufgrund seiner regelmäßigen geordneten Kristallographie, d. h. einer reduzierten Empfänglichkeit gegenüber Elektromigration und ist häufig ge­ kennzeichnet durch einen höheren Anteil an <111< Kristallorientierung.
Zusammenfassend wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Verfügung gestellt zum Deponieren einer Schicht auf einer exponierten Oberfläche einer isolierenden Materialschicht. Das Verfahren umfaßt die Behandlung der exponierten Oberflä­ che mit Wasserstoff oder einer gasförmigen Wasserstoffquelle in der Anwesenheit eines Plasmas vor oder während der Deposition einer metallischen Schicht.
Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich angegeben werden, daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung lediglich um eine solche beispielhaften Cha­ rakters handelt und daß verschiedene Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Deponieren einer metallischen Schicht auf einer exponierten Oberfläche einer zuvor deponierten Isolationsschicht auf einem Substrat durch die Behandlung der exponierten Oberfläche mit Wasserstoff oder ei­ ner gasförmigen Wasserstoffquelle in der Anwesenheit eines Plasmas vor oder während der Deposition der metallischen Schicht.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser­ stoffbehandlung die exponierte Oberfläche modifiziert.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasser­ stoff in die exponierte Oberfläche implantiert wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausmaß der Wasserstoffbehandlung derart ist, daß die Röntgenstrahlenbrechungsspitzenhalbbreite auf einer kristallographischen Ebene einer deponierten metallischen Schicht verengt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli­ sche Schicht Aluminiumnitrid ist.
6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Plasma ein induktiv gekoppeltes Plasma ist.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf einer hochfrequenzvorgespannten Platte plaziert wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte er­ hitzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma reaktives Ionenätzen ist.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Behand­ lungszeit geringer als 5 Minuten ist.
11. Verfahren zum Deponieren einer metallischen Schicht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Modifikation ihrer kristallographischen Struktur durchge­ führt wird durch den Einsatz von atomarem Wasserstoff.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli­ sche Schicht deponiert wird durch Sputtern und molekularer Wasserstoff beigegeben wird zu einem metallischen Sputterverfahren.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht Titan ist oder eine Titanlegierung und die Modi­ fikation die Verstärkung der <002< kristallographischen Orientierung des Titans oder der Legierung einschließt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder Titannitrid ist, wobei die Modifikation die Verstär­ kung der <111< kristallographischen Orientierung der metallischen Schicht einschließt.
15. Verfahren zur Herstellung eines akustischen Wellengerätes, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man eine metallische Schicht deponiert gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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