JP2657488B2 - 金属薄膜形成方法 - Google Patents

金属薄膜形成方法

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JP2657488B2 JP62085479A JP8547987A JP2657488B2 JP 2657488 B2 JP2657488 B2 JP 2657488B2 JP 62085479 A JP62085479 A JP 62085479A JP 8547987 A JP8547987 A JP 8547987A JP 2657488 B2 JP2657488 B2 JP 2657488B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、絶縁膜上には形成されず、基板の表面が露
出した部分にのみ形成されるようにした金属薄膜形成方
法に関する。
〔従来の技術〕
従来、表面の一部に絶縁薄膜を形成している基板の、
前記絶縁薄膜を形成していない部分にタングステンWを
選択成長させるのに、還元性ガスとしてはH2を用いてい
る。
第4図に示すようにSi基板(1)の上に絶縁薄膜
(2)を形成していない部分、すなわち基板の表面が露
出した部分(孔)(3)にタングステンWを成長させる
場合には次の反応によって成長が進行する。
(i)WF6+3/2Si→W+3/2SiF4 上記(i)の反応はSi基板(1)そのものによる還元
反応で、(ii)の反応に比べ高速であるが、W膜が200
〜300Åに堆積すると自動的に停止する(第4図におい
て(4)で示すW膜)。その後は(ii)の反応が(i)
の反応によって生じたW膜(4)の上でのみ進行し、W
膜(5)の成長が継続される。
第5図に示すようにSi基板(1)の上に導電性物質
(例えば、各種金属、メタルシリサイド、メタルナイト
ライドなど)で成る薄膜(6)が形成され、この上に絶
縁薄膜(2)が部分的に形成されていて、これが形成さ
れていない部分、すなわち基板の表面が露出した部分
(孔)(3)にW膜(5)を形成する場合には、上記
(ii)の反応が導電性物質の薄膜(6)の表面上でのみ
進行しW膜(5)の選択成長が可能になると考えられ
る。
然しながら第6図に示すように導電性物質がアルミニ
ウムAl(13)である場合には、当初(i)に代れる次の
置換反応 (iii)WF6+2Al→W+2AlF3 が生起し、その後、(ii)の反応が継続するという報告
がある(Stacy,Broadkent & Norcott;J.Electrochem S
oc.132(2) 444) 〔従来技術の問題点〕 第4図に示すように下地がシリコン面(ドープドシリ
コン、ポリシリコン、ドープドポリシリコンについても
同様)の場合には、(ii)の反応が進行する際、実際に
は(i)の反応が完全に停止せず、そのためW膜(5)
の成長に伴ない、第7図に示すように(第4図は理想的
にW膜が成長された場合を示している)、エンクローチ
メント(8)、シリコン・コンサンプション(9)、ワ
ームホール(10)などのような下地のSi基板(1)にW
膜が侵入する現象や、シリコン部位の空洞(11)化とい
った現象が惹起される。これが浅い接合部の電流リー
ク、コンタクト不良の原因となるなどの問題を生ずる。
なお、第7図において(12)は不純物拡散層(浅い接合
部)を表わしている。
また、第6図に示すように、下地がアルミニウムAl
(13)の場合には、反応(iii)で生じる副生成物AlF3
は不揮発性であり、水素還元で堆積されたW膜(5)と
アルミニウムAl(13)層との間にAlF3を含む薄い層(1
4)が介在する。AlF3は不導体であるので、この層(1
4)の介在によりコンタクト抵抗の増大又はコンタクト
不良による歩留り低下を起こすなどの問題を生ずる。
その他、下地によらない問題点としては、反応(ii)
は反応(i)に比べて遅い反応であるため、実用的成膜
速度は高々、1000Å/分であって、これを超えることは
ない。
また、W膜の表面形状が粗いなどの問題点がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は上述の各問題点を解決し、良質でかつ生産性
を向上させ得る金属薄膜の形成方法を提供することを目
的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、少なくとも金属元素を含んだガスと還元
性ガスとを減圧下の反応槽内に導入して、前記金属元素
の金属薄膜が、基板の表面の一部を覆っている絶縁薄膜
上には形成されず、前記絶縁薄膜で覆われておらず前記
基板の表面が露出した部分にのみ形成されるようにした
金属薄膜形成方法において、前記金属元素を含んだガス
はWF6ガスであり、前記還元性ガスは前記WF6ガスに対し
て還元性を有するSiHXF4-X(X=1〜4)及び/又はSi
HyCl4-y(y=0〜4)ガスであることを特徴とする金
属薄膜形成方法によって達成される。
〔作用〕
上記の金属元素を含んだガスをWF6、及び還元性ガス
をSiHXF4-X(X=1〜4)又はSiHySl4-y(y=0〜
4)としたので、次の気相シリコンによる還元反応が導
体表面で生起すると考えられる。
上記の反応(iv)(v)は共に反応(ii)より速い還
元反応であり、従来の水素還元によるW膜堆積の10〜40
倍程度(10000〜15000Å/min)の高速成長が可能にな
る。
又、気相シリコン還元反応(iv)(v)は固相シリコ
ン還元反応(i)よりも生起し易い反応である為、(i
v)(v)の還元反応によりW膜を堆積する場合、
(i)によるシリコン下地へのダメージ(エンクローチ
メント、シリコン・コンサンプション、ワームホール)
は殆んど観測にかからないレベル(100Å以下)に迄軽
減される。従ってタングステン選択成長法をLSI製造に
応用する際、最大の難点となっている電流リークの問題
が解決される。
更に、(iv)(v)は(iii)よりも生起し易い反応
である為、Al又はAl合金表面上に不揮発性弗化物(Al
F3)を生じない。この為Al配線間の層間配線に、W選択
成長法を適用する際、最大の難点となっている導通不良
の問題が解決される。
上記還元性ガスをWF6流量の2倍以下にすることで、
以下に挙げる非選択性シリサイド反応は抑制され、WSi2
膜でなく選択W膜の堆積が可能となる。
(vi) WF6+2SiHXF4-X +(7−2X)H2→WSi2+(14−2X)HF (vii) WF6+2SiHyCl4-y +(7−2y)H2→WSi2+6HF +(8−2y)HCl 〔第1実施例〕 第1図は本発明の方法が適用されるCVD(Chemical Va
pour Deposition)装置の概略図であるが、真空槽(3
0)の一方の側壁部には反応ガス噴出ノズル(31)が設
けられ、底壁部の一端部には排気口(32)が形成され、
これは図示せずとも真空ポンプに接続される。
真空槽(30)内には加熱機構を備えたサセプター(3
3)が設けられ、この上にウェハー(34)が設置され
る。ウェハー(34)としてはシリコンウェハーが用いら
れ、第2図に示すようにSi基板(1)の上には絶縁薄膜
としての1μm厚のPSG(Phosphosilicate glass)の薄
膜(35)が堆積され、これに1μm径の小孔(36)が多
数、形成されている。
ウェハー(34)はサセプター(33)の加熱機構により
約320℃に加熱される。噴出ノズル(31)からはWF6
H2、SiH4を5:500:6の割合で混合した混合ガスGが真空
槽(30)内に噴出される。上述した反応がウェハー(3
4)上で行われ、W膜が基板の表面が露出した部分にの
み堆積し、すなわちW膜が選択的に小孔(36)に成長す
る。
すなわち、反応(ii)と並行してX=4とした反応
(iv)が進行し高速成膜を実現すると共に、反応(i)
の進行を抑止してシリコン下地へのダメージを極小化し
たと考えられる。又SiH4/WF6の流量比を2以下に設定
する事により非選択性のシリサイド反応(vi)は抑制さ
れて、選択性を維持したまゝすなわち絶縁膜上には形成
されず、基板の表面が露出した部分にのみ形成されると
いう状態で、W厚膜(膜厚>1μm)の形成が可能とな
った。第2図における(37)はこのようにして形成され
たW膜を示すものである。
成膜後、W膜堆積の様子を電子顕微鏡で観察した結
果、以下の諸特性を得た。
1)成長速度は12000Å/分である。これは同一実験装
置を用いた水素還元のみによる、320℃での成膜速度300
Å/分の約40倍に相当する。
2)この時、下地シリコンへのダメージ(エンクローチ
メント、シリコンコンサンプション、ワームホール)は
SEM観察の検知レベル以下(100Å以下)であった。
3)十分な選択性が維持されている。
4)堆積されたW膜の表面形状は極めて滑らかである。
〔第2実施例〕 第1実施例のウェハー(34)の代わりに第3図に示す
ようにAl(13)膜上に絶縁薄膜としてのPSGの薄膜(3
5)を1μm厚で形成し、これに1μm径の小孔(36)
を多数、穿ったウェハー(40)を用いて第1図の装置内
で成膜を行った。この時の成膜温度は第1実施例と同様
に320℃であるが、噴出ノズル(31)からの混合ガスの
ガス混合比はWF6:H2:SiH4=1:100:1である。
本実施例の作用においても、第1実施例と同様に、反
応(ii)と並行してX=4とした反応(iv)が進行し、
高速成膜を実現すると共に、反応(iii)の進行を抑止
して、Al表面上での不導体弗化物のAlF3の生成が回避さ
れると考えられる。選択性については第1実施例と同様
である。第3図において、(39)はこのようにして形成
されたW膜を表わしている。
W膜の表面形状に与えるSiH4添加の作用機序は明らか
でないが、経験的に著しい改善が見られる。
成膜後、W膜の電子顕微鏡観察を行ったところ次の諸
特性を得た。
1)成長速度2600Å/分。これはSiH4を添加しない場合
の凡そ20倍の成長速度に相当する。
2)SiH4添加をしない場合、稀に観察されるW膜のAl下
地からの剥離(うき上がり)が全く観察されない。これ
は界面にAlF3層がない事を示唆するものである。
3)十分な選択性が維持されている。
4)堆積された膜の表面形状は極めて滑らかである。
以上、本発明の実施例について説明したが、勿論、本
発明はこれに限定されることなく本発明の技術的発想に
基づいて種々の変形が可能である。
例えば、以上の実施例ではWF6ガスに対して還元性を
有するガスとしてSiH4を用いたが、これに代えてSiH
F3、SiH2F2、SiH3F、SiHCl3、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4
等のガスを用いても良い。又上記ガスの任意の組合せに
よる複合ガスを用いても良い。
又以上の実施例ではシリコン下地及びAl合金下地のサ
ンプルのウェハーを用いたが、膜の高速成長、表面形状
の改善の点よりすればこれに限らず他の導電性物質下地
例えば、Mo、W、Ti、MoSix、WSix、TiSix、TiN、WNを
下地とするものでも良い。
又以上の実施例では還元性ガスとしてH2ガスとSiH4
混合ガス等を用いたが、SiH4のみでも良い。
〔発明の効果〕
(1)WF6ガスに対して還元性を有するガスとしてSiHXF
4-X(X=1〜4)、又はSiHyCl4-y(y=0〜4)のガ
スを用いる事により、WF6の気相シリコン還元が固相シ
リコン還元を抑止して、シリコン基板上の浅い接合部位
に対するダメージを殆んど完全に阻止する。従ってVLSI
シリコン接合部位へのコンタクト配線材料として選択W
プロセスを適用する際、最大の難点となっている接合リ
ークの問題が解決される。
(2)WF6の気相シリコン還元がアルミ合金表面でのAl
←→W置換反応を抑止して、不揮発性二次生成物、即ち
アルミ弗化物の生成を阻止するので、アルミ合金配線の
層間配線材料として選択Wプロセスを適用する際、最大
の難点となっているコンタクト不良の問題が解決され
る。
(3)気相シリコン還元反応を利用するので例えば選択
タングステン成長速度が従来の水素還元法の10〜40倍に
高速化され、VLSI製造の量産性向上に寄与する。
(4)タングステン膜の表面形状(モフオロジー)は従
来に較べて著しく平坦化され、他プロセス(例えば選択
Wによる層間配線以後のアルミスパッタプロセス)との
整合性改善に寄与する。
(5)上項に於て、気相シリコン反応を用いる場合、WF
6ガスに対して還元性を有するSiHXF4-X(X=1〜4)
及び/又はSiHyCl4-y(y=0〜4)ガスをWF6流量の2
倍以下とするので反応が非選択性のシリサイド反応に移
行する事なく良好な選択性が維持される、などの種々の
効果を本発明の方法は奏することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法を実施するためのCVD装置の概略
断面図、第2図は第1実施例でシリコン下地上に選択タ
ングステンを成長させたウェハーの部分拡大断面図、第
3図は第2実施例でアルミ合金上に選択タングステンを
成長させたウェハーの部分拡大断面図、第4図は従来の
水素還元法によりシリコン下地上に選択タングステン膜
を理想的に成長させたウェハーの部分拡大断面図、第5
図は従来の水素還元法により導電性物質下地の上に選択
タングステン膜を理想的に成長させたウェハーの部分拡
大断面図、第6図は従来の水素還元法によりアルミ合金
下地の上に選択タングステン膜を成長させたウェハーの
部分拡大断面図及び第7図は従来の水素還元法によりシ
リコン下地上に選択タングステン膜を成長させたウェハ
ーの部分拡大断面図であって、下地シリコンが受ける損
傷を説明するための図である。 なお、図において、 (34)(40)……ウェハー G……混合ガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 生田 哲也 茅ヶ崎市萩園2767 萩園寮B117 (72)発明者 中山 泉 平塚市菫平12−12−2−707 パレ平塚 すみれ平 (56)参考文献 特開 昭59−72132(JP,A) 特開 昭62−1228(JP,A) 特開 昭61−221376(JP,A) 特開 昭60−57925(JP,A) 特開 昭61−210180(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも金属元素を含んだガスと還元性
    ガスとを減圧下の反応槽内に導入して、前記金属元素の
    金属薄膜が、基板の表面の一部を覆っている絶縁薄膜上
    には形成されず、前記絶縁薄膜で覆われておらず前記基
    板の表面が露出した部分にのみ形成されるようにした金
    属薄膜形成方法において、前記金属元素を含んだガスは
    WF6ガスであり、前記還元性ガスは前記WF6ガスに対して
    還元性を有するSiHXF4-X(X=1〜4)及び/又はSiHy
    Cl4-y(y=0〜4)ガスであり、前記還元性ガスの総
    流量はWF6ガスの流量の2倍以下であることを特徴とす
    る金属薄膜形成方法。
  2. 【請求項2】前記還元性ガスと水素ガスとを併用するよ
    うにした前記第1項に記載の金属薄膜形成方法。
  3. 【請求項3】前記還元性ガスがSiHF3、SiH2F2、SiH3F、
    SiH3Clガスのいずれか又はこれらの混合ガスである前記
    第1項又は第2項のいずれかに記載の金属薄膜形成方
    法。
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