JP2682268B2 - 導電構造体を半導体素子内に選択的に封入する工程 - Google Patents
導電構造体を半導体素子内に選択的に封入する工程Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に半導体素子を
製作する方法に関し、更に詳しくは、半導体素子内の導
電構造体上に保護用コーティングを選択的に形成する方
法に関する。
製作する方法に関し、更に詳しくは、半導体素子内の導
電構造体上に保護用コーティングを選択的に形成する方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子メーカが顧客の性能に対する
要求を満足するために高性能集積回路を設計し続けるに
したがって、これに対応して素子内の信号転送速度を早
くする必要性から、低い電気抵抗を有する導電材料を使
用することが要求される。バルク抵抗の低い耐熱性金属
は、半導体素子内のゲート電極、部分的相互接続部、コ
ンデンサ・プレートに使用する潜在的な可能性を有する
金属として考えられていた。
要求を満足するために高性能集積回路を設計し続けるに
したがって、これに対応して素子内の信号転送速度を早
くする必要性から、低い電気抵抗を有する導電材料を使
用することが要求される。バルク抵抗の低い耐熱性金属
は、半導体素子内のゲート電極、部分的相互接続部、コ
ンデンサ・プレートに使用する潜在的な可能性を有する
金属として考えられていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】耐熱性金属を導電体と
して使用することは、これらの金属が半導体素子の構造
内で一般的に使用されている他の材料との両立性を欠い
ているため、制限されていた。例えば、耐熱性金属は、
通常素子の製作中に遭遇する高温にさらされると、簡単
に酸化する。更に、これらの耐熱性金属は、VLSI素
子の製作に使用する処理用の化学薬品と接触すると、化
学的に劣化する。また、導電性のリードおよびトランジ
スタ・ゲート上に堆積したパッシベーション・ガラスの
ような一般的なパッシベーション材料の場合、耐熱性金
属とうまく接着しない。
して使用することは、これらの金属が半導体素子の構造
内で一般的に使用されている他の材料との両立性を欠い
ているため、制限されていた。例えば、耐熱性金属は、
通常素子の製作中に遭遇する高温にさらされると、簡単
に酸化する。更に、これらの耐熱性金属は、VLSI素
子の製作に使用する処理用の化学薬品と接触すると、化
学的に劣化する。また、導電性のリードおよびトランジ
スタ・ゲート上に堆積したパッシベーション・ガラスの
ような一般的なパッシベーション材料の場合、耐熱性金
属とうまく接着しない。
【0004】純粋な耐熱性金属の代わりに耐熱性金属の
ケイ化物が一般的に使用されてきたが、その理由は、こ
れらのケイ化物の既存の処理技術との両立性の程度が高
いからである。高性能のVLSI素子に耐熱性金属のケ
イ化物を使用する場合の欠点は、選択した耐熱性金属の
バルク電気抵抗が6−12μΩ−cmであるのに対し
て、これらのケイ化物が60ないし100μΩ−cmと
いう固有の高い電気抵抗を有していることである。耐熱
性金属のケイ化物のバルク電気抵抗が大きいと、最新技
術によるVLSI素子の要求する高い信号転送速度を達
成することができない。したがって、トランジスタ・ゲ
ート、相互接続部、コンデンサ・プレート、電気的リー
ド等として使用するために実質的に純粋な耐熱性金属を
適用することを可能にする方法が提供されれば、有利で
ある。
ケイ化物が一般的に使用されてきたが、その理由は、こ
れらのケイ化物の既存の処理技術との両立性の程度が高
いからである。高性能のVLSI素子に耐熱性金属のケ
イ化物を使用する場合の欠点は、選択した耐熱性金属の
バルク電気抵抗が6−12μΩ−cmであるのに対し
て、これらのケイ化物が60ないし100μΩ−cmと
いう固有の高い電気抵抗を有していることである。耐熱
性金属のケイ化物のバルク電気抵抗が大きいと、最新技
術によるVLSI素子の要求する高い信号転送速度を達
成することができない。したがって、トランジスタ・ゲ
ート、相互接続部、コンデンサ・プレート、電気的リー
ド等として使用するために実質的に純粋な耐熱性金属を
適用することを可能にする方法が提供されれば、有利で
ある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明を実行する場合、
Al2 O3 の封入層によって酸化および他の形態の化学
的劣化から保護した耐熱性金属導電構造体を有する半導
体素子を製作する方法を提供する。封入の工程は、Al
成分と耐熱性金属成分を有する合金層を耐熱性金属の導
電体の露出した表面領域に選択的に形成することによっ
て行われる。合金を導電体の表面に形成すると、酸化反
応が行われ、これによって合金層が酸化され、耐熱性金
属導電体上にAl2 O3 の保護層が形成する。本発明の
1つの実施例では、素子領域をその上に有する基板を設
ける。絶縁層を形成して基板上に位置させ、耐熱性金属
の導電体を水平面および実質的に垂直な壁面を有する素
子領域に形成する。Al2 O3 の層を選択的に形成して
耐熱性金属の導電体上に位置させるが、ここでこのAl
2 O3 層は耐熱性金属の導電体の水平面および実質的
に垂直な壁面上に位置する。
Al2 O3 の封入層によって酸化および他の形態の化学
的劣化から保護した耐熱性金属導電構造体を有する半導
体素子を製作する方法を提供する。封入の工程は、Al
成分と耐熱性金属成分を有する合金層を耐熱性金属の導
電体の露出した表面領域に選択的に形成することによっ
て行われる。合金を導電体の表面に形成すると、酸化反
応が行われ、これによって合金層が酸化され、耐熱性金
属導電体上にAl2 O3 の保護層が形成する。本発明の
1つの実施例では、素子領域をその上に有する基板を設
ける。絶縁層を形成して基板上に位置させ、耐熱性金属
の導電体を水平面および実質的に垂直な壁面を有する素
子領域に形成する。Al2 O3 の層を選択的に形成して
耐熱性金属の導電体上に位置させるが、ここでこのAl
2 O3 層は耐熱性金属の導電体の水平面および実質的
に垂直な壁面上に位置する。
【0006】
【実施例】本発明の種々の特長を図面を参照して詳細に
説明する。図1(a)ないし図1(d)は、本発明の1
実施例による工程の段階を断面で示し、ここで耐熱金属
の導電体を形成し、この耐熱金属の導電体はこの導電体
を封入するアルミナ(Al2O3)層を有する。このAl
2O3層によって酸素(O2 )の拡散に対する障壁が設け
られ、これによって、引き続いて行われる基板の処理の
期間中その下に位置する耐熱性金属の酸化を防止する。
または、このAl2O3 層によって、その下に位置する
耐熱性金属が半導体素子の製作中に一般的に使用される
処理化学薬品と接触して化学的に劣化することが防止さ
れる。この耐熱金属の導電体は半導体素子に使用するパ
ターン化したいずれの導電層でもよい。更に詳しくは、
この耐熱金属の導電体はトランジスタ・ゲート、部分的
相互接続部、配線リード等である。このような構造体
は、導電性素子を介して高い電気的信号転送速度の要求
されるスタテックRAM(SRAM)、ダイナミックR
AM(DRAM)、マイクロプロセッサ、Bi−CMO
S素子またはその他の集積回路構造に使用することがで
きる。
説明する。図1(a)ないし図1(d)は、本発明の1
実施例による工程の段階を断面で示し、ここで耐熱金属
の導電体を形成し、この耐熱金属の導電体はこの導電体
を封入するアルミナ(Al2O3)層を有する。このAl
2O3層によって酸素(O2 )の拡散に対する障壁が設け
られ、これによって、引き続いて行われる基板の処理の
期間中その下に位置する耐熱性金属の酸化を防止する。
または、このAl2O3 層によって、その下に位置する
耐熱性金属が半導体素子の製作中に一般的に使用される
処理化学薬品と接触して化学的に劣化することが防止さ
れる。この耐熱金属の導電体は半導体素子に使用するパ
ターン化したいずれの導電層でもよい。更に詳しくは、
この耐熱金属の導電体はトランジスタ・ゲート、部分的
相互接続部、配線リード等である。このような構造体
は、導電性素子を介して高い電気的信号転送速度の要求
されるスタテックRAM(SRAM)、ダイナミックR
AM(DRAM)、マイクロプロセッサ、Bi−CMO
S素子またはその他の集積回路構造に使用することがで
きる。
【0007】図1(a)は、本発明の1実施例による半
導体素子の製作に使用する幾つかの処理段階で既に処理
された半導体基板の一部を断面で示す。図示の基板は、
半導体基板12の一部10を含み、この半導体基板12
はこの基板12の素子領域16上に位置する導電体14
を有する。絶縁層18は基板12の表面上に配設されて
導電体14を基板12から電気的に絶縁する。絶縁層1
8は基板12を熱的に酸化させることにによって得た熱
成長による絶縁層、または、化学的気相法(CVD)に
よって堆積したS iO2 層である。また、絶縁層18は
CVDによって形成された不純物を添加したケイ酸塩ガ
ラス(SG)でもよく、この場合BSGを形成するため
のボロン(B)、PSGを形成するためのリン(P)ま
たはBPSGを形成するためのBとPの組み合わせのよ
うな添加不純物の原子がこのケイ酸塩ガラスに含まれ
る。導電体14は、タングステン(W),モリブデン
(Mo),クロム(Cr)、コバルト(Co)およびプ
ラチナ(Pt)によって構成されるグループから選択し
た耐熱性金属によって構成される半導体素子の上述した
電気的導電性を有する素子である。 1つの実施例で
は、導電体14はスパッタリング堆積法によって絶縁層
上に堆積したW金属である。W層の堆積厚さは、形成さ
れる導電構造の種類によって決まり、例えば、耐熱金属
の導電体14がトランジスタ・ゲート電極である場合、
このW層は約80ないし120ナノメートルの厚さに堆
積される。この導電体14が例えば部分的相互接続部の
ような電気配線構造である場合、このW層は750ない
し1250ナノメートルの厚さに堆積される。W層のス
パッタリングによる堆積は、例えば減圧状態の不活性雰
囲気内でWのターゲットから高周波(RF)スパッタリ
ングによって行われる。または、このW層はCVD法に
よっても堆積することが可能であり、この場合、下記の
反応にしたがって六弗化タングステン(WF6 )が過剰
水素(H2 )反応する。
導体素子の製作に使用する幾つかの処理段階で既に処理
された半導体基板の一部を断面で示す。図示の基板は、
半導体基板12の一部10を含み、この半導体基板12
はこの基板12の素子領域16上に位置する導電体14
を有する。絶縁層18は基板12の表面上に配設されて
導電体14を基板12から電気的に絶縁する。絶縁層1
8は基板12を熱的に酸化させることにによって得た熱
成長による絶縁層、または、化学的気相法(CVD)に
よって堆積したS iO2 層である。また、絶縁層18は
CVDによって形成された不純物を添加したケイ酸塩ガ
ラス(SG)でもよく、この場合BSGを形成するため
のボロン(B)、PSGを形成するためのリン(P)ま
たはBPSGを形成するためのBとPの組み合わせのよ
うな添加不純物の原子がこのケイ酸塩ガラスに含まれ
る。導電体14は、タングステン(W),モリブデン
(Mo),クロム(Cr)、コバルト(Co)およびプ
ラチナ(Pt)によって構成されるグループから選択し
た耐熱性金属によって構成される半導体素子の上述した
電気的導電性を有する素子である。 1つの実施例で
は、導電体14はスパッタリング堆積法によって絶縁層
上に堆積したW金属である。W層の堆積厚さは、形成さ
れる導電構造の種類によって決まり、例えば、耐熱金属
の導電体14がトランジスタ・ゲート電極である場合、
このW層は約80ないし120ナノメートルの厚さに堆
積される。この導電体14が例えば部分的相互接続部の
ような電気配線構造である場合、このW層は750ない
し1250ナノメートルの厚さに堆積される。W層のス
パッタリングによる堆積は、例えば減圧状態の不活性雰
囲気内でWのターゲットから高周波(RF)スパッタリ
ングによって行われる。または、このW層はCVD法に
よっても堆積することが可能であり、この場合、下記の
反応にしたがって六弗化タングステン(WF6 )が過剰
水素(H2 )反応する。
【0008】 WF6 + 3H2 − W + 6HF (1) W層の堆積に続いて、従来のフォトリゾグラフィを使用
して、先ずこのW層上にフォトレジスト・パターンを形
成することによって導電体14を形成する。次に、CF
2 Cl2 、CFCl3 、CF3 Clのような炭化水素ガ
スまたはCF3 Br等のような臭化炭化水素ガスとO2
を使用して、選択的かつ異方性的にエッチングを行う。
この異方性の反応イオン・エッチングは方向性のエッチ
ングであり、ここでWは横方向よりも縦方向により早く
多数回エッチングされ、これによって実質的に垂直な側
壁を有する構造を形成する。更に、Wがその下に位置す
る絶縁層18よりもはるかに早い速度でエッチングされ
るという点でこのエッチングは選択的である。したがっ
て、パターン化されていないW層の部分を完全に除去し
ても、絶縁層18は比較的少量しか除去されていない。
本発明を実行する場合、他のWのエッチング方法もまた
本発明から逸脱することなく使用することができること
を理解しなければならない。例えば、水酸化カリウムお
よびフェリシアン化カリウムによって構成される液体エ
ッチング溶液によってこのW層を等方性的にエッチング
することができる。次に、フォトレジスト・パターンを
除去することによって導電体14の形成が完了し、その
結果、図1(a)に示す構造が得られる。
して、先ずこのW層上にフォトレジスト・パターンを形
成することによって導電体14を形成する。次に、CF
2 Cl2 、CFCl3 、CF3 Clのような炭化水素ガ
スまたはCF3 Br等のような臭化炭化水素ガスとO2
を使用して、選択的かつ異方性的にエッチングを行う。
この異方性の反応イオン・エッチングは方向性のエッチ
ングであり、ここでWは横方向よりも縦方向により早く
多数回エッチングされ、これによって実質的に垂直な側
壁を有する構造を形成する。更に、Wがその下に位置す
る絶縁層18よりもはるかに早い速度でエッチングされ
るという点でこのエッチングは選択的である。したがっ
て、パターン化されていないW層の部分を完全に除去し
ても、絶縁層18は比較的少量しか除去されていない。
本発明を実行する場合、他のWのエッチング方法もまた
本発明から逸脱することなく使用することができること
を理解しなければならない。例えば、水酸化カリウムお
よびフェリシアン化カリウムによって構成される液体エ
ッチング溶液によってこのW層を等方性的にエッチング
することができる。次に、フォトレジスト・パターンを
除去することによって導電体14の形成が完了し、その
結果、図1(a)に示す構造が得られる。
【0009】図1(b)に示すように、この工程では引
き続いて基板12にアルミ(Al)層20を堆積する。
アルミ層20は、導電体14に連続する層として、好ま
しくは約50ないし100ナノメートルの厚さに堆積さ
れる。本発明の1実施例では、アルミ層20はアルゴン
(Ar)雰囲気内でAlターゲットからのRFスパッタ
リングにょって堆積される。アルミ層20は、またシリ
コン(Si)または銅(Cu)を含有するAl合金また
はこれらの組み合わせを含有するAl合金として堆積す
ることもできる。または、Al層20はAl複合有機金
属化合物の熱分解によって形成することもできる。例え
ば、約200ないし300℃の温度で不活性雰囲気内で
熱分解反応を実行することによって、トリイソブチルア
ルミ(CH2 CH(CH3 )2 )3 Al)を分解してA
l膜を形成することができる。
き続いて基板12にアルミ(Al)層20を堆積する。
アルミ層20は、導電体14に連続する層として、好ま
しくは約50ないし100ナノメートルの厚さに堆積さ
れる。本発明の1実施例では、アルミ層20はアルゴン
(Ar)雰囲気内でAlターゲットからのRFスパッタ
リングにょって堆積される。アルミ層20は、またシリ
コン(Si)または銅(Cu)を含有するAl合金また
はこれらの組み合わせを含有するAl合金として堆積す
ることもできる。または、Al層20はAl複合有機金
属化合物の熱分解によって形成することもできる。例え
ば、約200ないし300℃の温度で不活性雰囲気内で
熱分解反応を実行することによって、トリイソブチルア
ルミ(CH2 CH(CH3 )2 )3 Al)を分解してA
l膜を形成することができる。
【0010】Al層20を導電体14に堆積した後、基
板12に対して熱エネルギーを与え、導電体14の耐熱
性金属とAl層20のAlの間で反応を誘起する。1実
施例では、化学量論的比率WAl12を有する2つの金属
層の界面の領域内に合金を形成する。前に指摘したよう
に、他の耐熱性金属を使用して導電体14を形成するこ
ともできる。幾つかのAl/耐熱性金属合金の形成は、
最近の刊行物、例えば、「E.G Colgan他によ
るThin−film Reactionsof AL
with Co,Cr,Mo,Ta,Ti and
W」,J.Mater.Ref.,4(4),1989
に述べられている。上述した耐熱性金属とAlとの反応
にょって得ることのできるその他の合金には、TiAl
3 ,TaAl3 ,MoAl12,CrX AlY およびCo
p Alq が含まれ、ここでx,y,pおよびqは整数で
ある。この反応は、急速熱焼鈍(RTA)装置内で行わ
れることが好ましく、この場合、基板12は例えば、非
干渉性光源からの強力な広い帯域幅の放射を約15ない
し240秒間受ける。干渉性光源、レーザ光源、アーク
・ランプ等のその他の放射源を使用することができるこ
とを当業者は理解し、これらの光源の場合には、Al/
耐熱性金属合金を形成するために異なった焼鈍時間が必
要である。また、Al/耐熱性金属合金は、約400な
いし500℃の温度の不活性雰囲気内で炉による焼鈍に
よって形成することもできる。この点で、本発明の工程
によれば、WAl12合金は、Al層20と導電体14が
相互に密着する領域内のみで選択的に形成されている。
板12に対して熱エネルギーを与え、導電体14の耐熱
性金属とAl層20のAlの間で反応を誘起する。1実
施例では、化学量論的比率WAl12を有する2つの金属
層の界面の領域内に合金を形成する。前に指摘したよう
に、他の耐熱性金属を使用して導電体14を形成するこ
ともできる。幾つかのAl/耐熱性金属合金の形成は、
最近の刊行物、例えば、「E.G Colgan他によ
るThin−film Reactionsof AL
with Co,Cr,Mo,Ta,Ti and
W」,J.Mater.Ref.,4(4),1989
に述べられている。上述した耐熱性金属とAlとの反応
にょって得ることのできるその他の合金には、TiAl
3 ,TaAl3 ,MoAl12,CrX AlY およびCo
p Alq が含まれ、ここでx,y,pおよびqは整数で
ある。この反応は、急速熱焼鈍(RTA)装置内で行わ
れることが好ましく、この場合、基板12は例えば、非
干渉性光源からの強力な広い帯域幅の放射を約15ない
し240秒間受ける。干渉性光源、レーザ光源、アーク
・ランプ等のその他の放射源を使用することができるこ
とを当業者は理解し、これらの光源の場合には、Al/
耐熱性金属合金を形成するために異なった焼鈍時間が必
要である。また、Al/耐熱性金属合金は、約400な
いし500℃の温度の不活性雰囲気内で炉による焼鈍に
よって形成することもできる。この点で、本発明の工程
によれば、WAl12合金は、Al層20と導電体14が
相互に密着する領域内のみで選択的に形成されている。
【0011】WAl12合金を形成すると、Al層20の
残りの未反応部分を図1(c)に示すように基板12か
ら除去する。Al層20の未反応部分は、湿式化学エッ
チング工程、乾式プラズマ・エッチング工程、またはこ
れらの組み合わせによって除去することができる。本発
明の1実施例では、硝酸,リン酸,酢酸および水の混合
物によって構成される湿式化学エチング溶液を使用し
て、Al層20残りの未反応部分の実質的に全てを等方
性的に除去する。または、水酸化アンモニアおよび過酸
化水素を含有する薬品の溶液のような他の湿式エッチン
グ溶液を使用することもできる。更に、Alと選択的反
応するエッチング・ガスを使用した反応性イオン・エッ
チング工程のような乾式プラズマ・エッチング工程を使
用することができる。Al層20の残りの未反応部分を
除去することによって、基板12上に導電構造が作ら
れ、これは導電構造の全ての露出面に設けられた封入用
の合金層22を有する。図1(c)に示すように、合金
層22は、未反応金属を導電体14の内部に封入するこ
の導電体14の水平および垂直面上に連続的に延びる。
導電体14を合金層22によって封入した後、O2 ガス
と合金層22のAl成分との間のガスと固体との反応よ
って酸化反応を行い、Al2 O3 の封入層を形成する。
このAl2 O3の形成反応は下記のよう行われると信じ
られている。
残りの未反応部分を図1(c)に示すように基板12か
ら除去する。Al層20の未反応部分は、湿式化学エッ
チング工程、乾式プラズマ・エッチング工程、またはこ
れらの組み合わせによって除去することができる。本発
明の1実施例では、硝酸,リン酸,酢酸および水の混合
物によって構成される湿式化学エチング溶液を使用し
て、Al層20残りの未反応部分の実質的に全てを等方
性的に除去する。または、水酸化アンモニアおよび過酸
化水素を含有する薬品の溶液のような他の湿式エッチン
グ溶液を使用することもできる。更に、Alと選択的反
応するエッチング・ガスを使用した反応性イオン・エッ
チング工程のような乾式プラズマ・エッチング工程を使
用することができる。Al層20の残りの未反応部分を
除去することによって、基板12上に導電構造が作ら
れ、これは導電構造の全ての露出面に設けられた封入用
の合金層22を有する。図1(c)に示すように、合金
層22は、未反応金属を導電体14の内部に封入するこ
の導電体14の水平および垂直面上に連続的に延びる。
導電体14を合金層22によって封入した後、O2 ガス
と合金層22のAl成分との間のガスと固体との反応よ
って酸化反応を行い、Al2 O3 の封入層を形成する。
このAl2 O3の形成反応は下記のよう行われると信じ
られている。
【0012】 WAl12 + 10.5O2 − 6Al2 O3 + WO3 (2) ここで三酸化タングステン(WO3 )はこの反応のガス
生成物である。反応(2)は、RTA装置内で約600
ないし800℃で行うのが望ましい。1つの方法では、
基板12をRTA装置内の反応チャンバ内に載置し、酸
素をチャンバ内に導入して酸素雰囲気を作る。上述の反
応温度およびO2 が過剰な状態では、形成されたAl2
O3 の層は基板12をRTA装置内に滞留させておく時
間によって決まる厚さを有する。例えば、RTA装置内
で基板12に約15ないし300秒間広帯域幅の放射を
行えば、導電体14の表面に形成されるAl2 O3層は
約10ないし20ナノメートルの厚さを有する。また、
反応(2)によるAl2 O3層の形成は従来の対流炉で
行うこともできる。
生成物である。反応(2)は、RTA装置内で約600
ないし800℃で行うのが望ましい。1つの方法では、
基板12をRTA装置内の反応チャンバ内に載置し、酸
素をチャンバ内に導入して酸素雰囲気を作る。上述の反
応温度およびO2 が過剰な状態では、形成されたAl2
O3 の層は基板12をRTA装置内に滞留させておく時
間によって決まる厚さを有する。例えば、RTA装置内
で基板12に約15ないし300秒間広帯域幅の放射を
行えば、導電体14の表面に形成されるAl2 O3層は
約10ないし20ナノメートルの厚さを有する。また、
反応(2)によるAl2 O3層の形成は従来の対流炉で
行うこともできる。
【0013】図1(d)は、合金層22の酸化によって
導電体14の表面上に形成されたAl2 O3の保護層を
示す。合金層22を酸化した結果、合金層22の存在す
る基板12の領域内のみで、封入層24が選択的に形成
される。導電性構造を選択的に封入する工程は、酸素の
拡散に対して不浸透性の封入層を作る手段を設ける利点
を有し、これによって、その後に行われる基板12の処
理期間中に封入された導電構造のいずれの部分の酸化お
も防止することができる。また、封入層24によって、
その下に位置するWがその後に行われる回路の製作段階
中に一般的に使用される処理化学薬品と接触することに
よって化学的に劣化するのを防止することができる。
導電体14の表面上に形成されたAl2 O3の保護層を
示す。合金層22を酸化した結果、合金層22の存在す
る基板12の領域内のみで、封入層24が選択的に形成
される。導電性構造を選択的に封入する工程は、酸素の
拡散に対して不浸透性の封入層を作る手段を設ける利点
を有し、これによって、その後に行われる基板12の処
理期間中に封入された導電構造のいずれの部分の酸化お
も防止することができる。また、封入層24によって、
その下に位置するWがその後に行われる回路の製作段階
中に一般的に使用される処理化学薬品と接触することに
よって化学的に劣化するのを防止することができる。
【0014】酸化工程の期間中、酸化反応は実質的に合
金層22内で行われ、O2 は合金層22を介して殆ど拡
散せず、したがって導電体14の下に位置する金属とは
殆ど反応しない。図2はオージェ電子分光法によるデー
タを示し、これは本発明の方法によって準備した試料か
ら得た最高のピークとスパッタ時間(分)をプロットし
たものである。図2に示すように、(O)の線で示す酸
素濃度は、試料に対する深さと比例するスパッタ時間の
関数として急速に降下している。図2に示すデータは、
表面から始まる実施的に10ないし20ナノメータ範囲
内でかつ実際上完全に合金層22の領域内でガスと固体
との酸化反応が発生していることを示している。酸化反
応を合金層22内に閉じ込めることによって、導電体1
4内に存在するその下に位置する耐熱性金属の完全性が
保持される。また、オージェのデータは、酸化反応を行
って封入層24を形成した後、合金層22のいずれの未
反応部分も存在していないことを示している。合金層2
2が完全に酸化したことは、表面に(W)の線によって
示すWが存在しないことによって証明される。
金層22内で行われ、O2 は合金層22を介して殆ど拡
散せず、したがって導電体14の下に位置する金属とは
殆ど反応しない。図2はオージェ電子分光法によるデー
タを示し、これは本発明の方法によって準備した試料か
ら得た最高のピークとスパッタ時間(分)をプロットし
たものである。図2に示すように、(O)の線で示す酸
素濃度は、試料に対する深さと比例するスパッタ時間の
関数として急速に降下している。図2に示すデータは、
表面から始まる実施的に10ないし20ナノメータ範囲
内でかつ実際上完全に合金層22の領域内でガスと固体
との酸化反応が発生していることを示している。酸化反
応を合金層22内に閉じ込めることによって、導電体1
4内に存在するその下に位置する耐熱性金属の完全性が
保持される。また、オージェのデータは、酸化反応を行
って封入層24を形成した後、合金層22のいずれの未
反応部分も存在していないことを示している。合金層2
2が完全に酸化したことは、表面に(W)の線によって
示すWが存在しないことによって証明される。
【0015】これ以上詳細に説明しなくても、当業者
は、前述の説明を使用して、本発明を完全に利用するこ
とができると信じることができる。したがって、以下の
特定の好適な実施例は、単なる例示のためのものであっ
て、いかなる方法でもこの開示の残りの部分を限定する
ものではない。 実 例 1 当業者は、他の導電構造を本発明の工程によって形成す
ることができることを理解する。例えば、ポリシリコン
層とその上に位置する封入された耐熱性金属層を有する
多層トランジスタ・ゲートを上述した工程によって形成
することができる。図3(a)は本発明の他の実施例を
示し、これは本発明にしたがって幾つかの処理段階を経
たゲート構造を断面で示す。このゲート構造は、半導体
基板30の一部を含み、この基板30はその素子領域3
4上に位置する複合トランジスタ・ゲート32を有す
る。ゲト絶縁層36が基板30上に配設され、これによ
ってトランジスタ・ゲート32を基板30から分離す
る。トランジスタ・ゲート32は、ゲート絶縁層36上
に位置するポリシリコン層38,ポリシリコン層38上
に位置する拡散障壁層40,および拡散障壁層40上に
位置する耐熱性金属層42によって構成される。拡散障
壁層40は、例えば窒化チタン酸(TiN)のような窒
化耐熱性金属によって構成されることが望ましい。技術
上周知の方法でソースおよびドレイン領域43,44が
基板30内に形成されることが望ましく、これらのソー
スおよびドレイン領域は、トランジスタ・ゲート32を
注入マスクとして使用して基板30の導電性と逆の導電
性のイオン種のイオン注入によってトランジスタ・ゲー
ト32の端部と位置合わせされる。またはこれらのソー
スおよびドレイン領域43,44は、基板30の導電性
と逆の導電性の添加不純物原子を熱拡散することによっ
て形成することもできる。図3(a)に示すゲート構造
は、DRAM,SRAM,マイクロプロセッサ等の多数
の半導体素子の高速トランジスタ・ゲートとして使用す
ることができる。
は、前述の説明を使用して、本発明を完全に利用するこ
とができると信じることができる。したがって、以下の
特定の好適な実施例は、単なる例示のためのものであっ
て、いかなる方法でもこの開示の残りの部分を限定する
ものではない。 実 例 1 当業者は、他の導電構造を本発明の工程によって形成す
ることができることを理解する。例えば、ポリシリコン
層とその上に位置する封入された耐熱性金属層を有する
多層トランジスタ・ゲートを上述した工程によって形成
することができる。図3(a)は本発明の他の実施例を
示し、これは本発明にしたがって幾つかの処理段階を経
たゲート構造を断面で示す。このゲート構造は、半導体
基板30の一部を含み、この基板30はその素子領域3
4上に位置する複合トランジスタ・ゲート32を有す
る。ゲト絶縁層36が基板30上に配設され、これによ
ってトランジスタ・ゲート32を基板30から分離す
る。トランジスタ・ゲート32は、ゲート絶縁層36上
に位置するポリシリコン層38,ポリシリコン層38上
に位置する拡散障壁層40,および拡散障壁層40上に
位置する耐熱性金属層42によって構成される。拡散障
壁層40は、例えば窒化チタン酸(TiN)のような窒
化耐熱性金属によって構成されることが望ましい。技術
上周知の方法でソースおよびドレイン領域43,44が
基板30内に形成されることが望ましく、これらのソー
スおよびドレイン領域は、トランジスタ・ゲート32を
注入マスクとして使用して基板30の導電性と逆の導電
性のイオン種のイオン注入によってトランジスタ・ゲー
ト32の端部と位置合わせされる。またはこれらのソー
スおよびドレイン領域43,44は、基板30の導電性
と逆の導電性の添加不純物原子を熱拡散することによっ
て形成することもできる。図3(a)に示すゲート構造
は、DRAM,SRAM,マイクロプロセッサ等の多数
の半導体素子の高速トランジスタ・ゲートとして使用す
ることができる。
【0016】図3(b)に示すように、Al層45を設
けることによって耐熱性金属42を封入し、トランジス
タ・ゲート32を整合的にその上に位置させることがで
きる。上で説明した工程の段階を使用して、基板30は
熱エネルギーを受けてAl層45と耐熱性金属層42と
の間の界面の領域にAl/耐熱性金属合金を形成する。
Al/耐熱性金属合金は、Al層45と密着している耐
熱性金属層42の露出面のみに選択的に形成され、トラ
ンジスタ・ゲート32の他の部分には形成されないこと
に留意すること。
けることによって耐熱性金属42を封入し、トランジス
タ・ゲート32を整合的にその上に位置させることがで
きる。上で説明した工程の段階を使用して、基板30は
熱エネルギーを受けてAl層45と耐熱性金属層42と
の間の界面の領域にAl/耐熱性金属合金を形成する。
Al/耐熱性金属合金は、Al層45と密着している耐
熱性金属層42の露出面のみに選択的に形成され、トラ
ンジスタ・ゲート32の他の部分には形成されないこと
に留意すること。
【0017】前述したのと同じ方法で、Al層45の未
反応部分を基板30から除去し、酸化反応を行って、図
3(c)に示すように、耐熱性金属層42のみを封入す
るAl2 O3 層46を選択的に形成する。本発明の選択
的な工程によって複合トランジスタ・ゲート32が製作
されたが、ここでこの複合トランジスタ・ゲート32は
封入された耐熱性金属層を有し、この耐熱性金属層は、
集積回路を完成するために使用する後続の処理段階で発
生する酸化およびその他の形態の化学的劣化から完全に
保護される。 実 例 2 図4は、本発明の工程によって製作された部分的相互接
続部を断面で示す。この部分的相互接続構造は半導体基
板50,第1導電層52,第2導電層54,およびAl
2 O3によって封入された耐熱性金属リード56によっ
て構成される。第1導電層52は第1絶縁層58によっ
て基板50から電気的に絶縁され、第2導電層54は第
2絶縁層60によって第1導電層から電気的に絶縁され
る。耐熱性金属リード56によって第1導電層52と第
2導電層54との間に導電経路が形成されてこれら2つ
の導電層の間に電気的接続が設けられるが、これらの2
つの導電層はそうでなければ相互に電気的に絶縁されて
いる。先ず耐熱性金属層を整合的に設けることによって
耐熱性金属リード56を形成し、これは第1導電層5
2,第2絶縁層60の端部および第2導電層54の上に
位置する。この耐熱性金属は、W,Mo,Cr,Coお
よびPtによって構成されるグループから選択される。
次に、耐熱性金属層はパターン化されて従来のフォトリ
ゾグラフィおよび異方性反応エッチングを使用してエッ
チングされ、リード・セグメント62を形成する。エッ
チングの後、フォトレジスト・パターンをリード・セグ
メント62から除去し、Alの層を整合的に設けて第1
導電層52,リード・セグメント62および第2導電層
54上に位置させる。前に説明したのと同じ方法で、A
l/耐熱性金属合金をリード・セグメノト62とその上
に位置するAl層との間の界面のリード・セグメント6
2の表面上に選択的に形成する。この合金を形成すると
酸化反応を行い、Al2 O3 層64を形成してリード・
セグメント62を封入する。 実 例 3 Al2 O3 によって構成される封入層24は十分高い絶
縁定数を有しているので、コンデンサの絶縁材料として
使用することができる。図1(d)に示す導電構造を更
に処理し、本発明の半導体素子内に高性能のコンデンサ
を形成することができる。高性能のコンデンサを製作す
るためには、先ず図1(d)に示す構造を準備する。導
電体14と封入層24を形成すると、第2導電層を設
け、次いでこれをパターン化およびエッチングして、図
5に示すように、上部プレート70を形成することがで
きる。この上部プレート70はポリシリコン耐熱性金属
のケイ化物,Al,Cu等の多数の導電性材料から作る
ことができる。本発明の関係する当業者の水準に応じた
方法で、本発明によって更に工程段階を実行し、集積回
路素子の製作を完了する。フォトマスク層の特定の形態
とシーケンスによって、本発明の工程を別の工程段階を
更に使用する完全な工程の全体を構成する一部として使
用することが可能であり、これによって、DRAM,S
RAM,データ・プロセッサ素子,Bi−CMOS素
子,バイポーラ素子等を製作することができる。
反応部分を基板30から除去し、酸化反応を行って、図
3(c)に示すように、耐熱性金属層42のみを封入す
るAl2 O3 層46を選択的に形成する。本発明の選択
的な工程によって複合トランジスタ・ゲート32が製作
されたが、ここでこの複合トランジスタ・ゲート32は
封入された耐熱性金属層を有し、この耐熱性金属層は、
集積回路を完成するために使用する後続の処理段階で発
生する酸化およびその他の形態の化学的劣化から完全に
保護される。 実 例 2 図4は、本発明の工程によって製作された部分的相互接
続部を断面で示す。この部分的相互接続構造は半導体基
板50,第1導電層52,第2導電層54,およびAl
2 O3によって封入された耐熱性金属リード56によっ
て構成される。第1導電層52は第1絶縁層58によっ
て基板50から電気的に絶縁され、第2導電層54は第
2絶縁層60によって第1導電層から電気的に絶縁され
る。耐熱性金属リード56によって第1導電層52と第
2導電層54との間に導電経路が形成されてこれら2つ
の導電層の間に電気的接続が設けられるが、これらの2
つの導電層はそうでなければ相互に電気的に絶縁されて
いる。先ず耐熱性金属層を整合的に設けることによって
耐熱性金属リード56を形成し、これは第1導電層5
2,第2絶縁層60の端部および第2導電層54の上に
位置する。この耐熱性金属は、W,Mo,Cr,Coお
よびPtによって構成されるグループから選択される。
次に、耐熱性金属層はパターン化されて従来のフォトリ
ゾグラフィおよび異方性反応エッチングを使用してエッ
チングされ、リード・セグメント62を形成する。エッ
チングの後、フォトレジスト・パターンをリード・セグ
メント62から除去し、Alの層を整合的に設けて第1
導電層52,リード・セグメント62および第2導電層
54上に位置させる。前に説明したのと同じ方法で、A
l/耐熱性金属合金をリード・セグメノト62とその上
に位置するAl層との間の界面のリード・セグメント6
2の表面上に選択的に形成する。この合金を形成すると
酸化反応を行い、Al2 O3 層64を形成してリード・
セグメント62を封入する。 実 例 3 Al2 O3 によって構成される封入層24は十分高い絶
縁定数を有しているので、コンデンサの絶縁材料として
使用することができる。図1(d)に示す導電構造を更
に処理し、本発明の半導体素子内に高性能のコンデンサ
を形成することができる。高性能のコンデンサを製作す
るためには、先ず図1(d)に示す構造を準備する。導
電体14と封入層24を形成すると、第2導電層を設
け、次いでこれをパターン化およびエッチングして、図
5に示すように、上部プレート70を形成することがで
きる。この上部プレート70はポリシリコン耐熱性金属
のケイ化物,Al,Cu等の多数の導電性材料から作る
ことができる。本発明の関係する当業者の水準に応じた
方法で、本発明によって更に工程段階を実行し、集積回
路素子の製作を完了する。フォトマスク層の特定の形態
とシーケンスによって、本発明の工程を別の工程段階を
更に使用する完全な工程の全体を構成する一部として使
用することが可能であり、これによって、DRAM,S
RAM,データ・プロセッサ素子,Bi−CMOS素
子,バイポーラ素子等を製作することができる。
【0018】
【発明の効果】したがって、本発明によって、導電性の
構造上に封入層を選択的に形成する方法が提供され、こ
の方法は上述した利点を完全に満足する。本発明を特定
の図示による実施例を参照して説明および図示したが、
これは本発明をこれらの図示した実施例に限定すること
を意図するものではない。当業者は、本発明の精神から
逸脱することなく変形と変更を行うことができることを
認識する。例えば、種々の方法を使用して合金とAl 2
O3 の未反応部分の両方をエッチグすることが可能であ
り、この方法には電子サイクロトロン共鳴エッチング,
スパッタ・エッチング等が含まれる。したがって、この
ような全ての変形および変更を上記の特許請求の範囲お
よびそれと等価なもの範囲に含まれるものとして包含す
ることを意図するものである。
構造上に封入層を選択的に形成する方法が提供され、こ
の方法は上述した利点を完全に満足する。本発明を特定
の図示による実施例を参照して説明および図示したが、
これは本発明をこれらの図示した実施例に限定すること
を意図するものではない。当業者は、本発明の精神から
逸脱することなく変形と変更を行うことができることを
認識する。例えば、種々の方法を使用して合金とAl 2
O3 の未反応部分の両方をエッチグすることが可能であ
り、この方法には電子サイクロトロン共鳴エッチング,
スパッタ・エッチング等が含まれる。したがって、この
ような全ての変形および変更を上記の特許請求の範囲お
よびそれと等価なもの範囲に含まれるものとして包含す
ることを意図するものである。
【図1】本発明の1実施例にょる工程段階を断面で示
す。
す。
【図2】本発明にしたがって製作した試料から得たオー
ジェ電子分光法によるデータを示す。
ジェ電子分光法によるデータを示す。
【図3】本発明の他の実施例にょる工程段階を断面で示
す。
す。
【図4】本発明の工程にしたがって製作した部分的相互
接続部を断面で示す。
接続部を断面で示す。
【図5】本発明の工程にしたがって製作した高性能トラ
ンジスタを断面で示す。図1,2,3,4および5にお
いて、種々の素子の縮尺は同一でないことが理解でき
る。例えば、一部の素子の寸法は、明確化のために相互
に対して誇張して示してある。
ンジスタを断面で示す。図1,2,3,4および5にお
いて、種々の素子の縮尺は同一でないことが理解でき
る。例えば、一部の素子の寸法は、明確化のために相互
に対して誇張して示してある。
12 基板 14 耐熱性金属の導電体 16 素子領域 18 絶縁層 22 Al合金層 24 Al2 O3 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スタンレイ・エム・フィリピアク アメリカ合衆国テキサス州フラガ−ビ ル、デマレット・ストリ−ト1502 (56)参考文献 特開 昭62−136044(JP,A) 特開 平1−61920(JP,A)
Claims (3)
- 【請求項1】半導体素子内の導電構造体を選択的に封入
する方法であって: 素子領域(16)を有する基板(12)を設ける段階; 前記基板(12)を覆うように絶縁層(18)を形成す
る段階; 前記素子領域(16)上に、水平表面と実質的鉛直な壁
表面とを有する耐熱性金属の導電体(14)を形成する
段階;前記基板上にAl層(20)を堆積する段階; 前記基板を焼鈍して前記Al層と前記導電体との間にA
l合金層(22)を選択的に形成し、Al層の未反応部
分を残す段階; 前記絶縁層(18)の表面から未反応Alをエッチング
によって除去する段階;および 前記Al合金層(22)を酸化して、前記耐熱性金属の
導電体(14)の上に位置するAl2O3層(24)を
形成する段階であって、もって前記Al2O3層(2
4)は前記耐熱性金属の導電体(14)の前記水平表面
および実質的鉛直な壁表面上のみに位置させる段階; によって構成されることを特徴とする方法。 - 【請求項2】MOSトランジスタ・ゲートを選択的に封
入する方法であって: 素子領域(34)を有する基板(30)を設ける段階; 前記基板(30)上に絶縁層(36)を形成する段階; 前記素子領域(34)上にゲート電極(32)を形成す
る段階であって、前記ゲート電極(32)が前記絶縁層
(36)の直接上に位置するポリシリコン層(38)
と、該ポリシリコン層(38)上に位置するTiN層
(40)と、該TiN層(40)上に位置する耐熱性金
属層(42)とによって構成される段階; 前記ゲート電極(32)と前記絶縁層(36)との上に
Al層(45)を形成する段階; Alと耐熱性金属とを反応させてAl合金層を形成する
段階; 前記絶縁層(36)から未反応Alをエッチングによっ
て除去する段階;および 前記Al合金を酸化して、前記耐熱性金属層(42)の
露出した表面領域上のみにAl2O3層(46)を形成
する段階; によって構成されることを特徴とする方法。 - 【請求項3】半導体素子内に低抵抗の導電体を製作する
方法であって: 素子領域(16)を有する単結晶シリコン基板(12)
を設ける段階; 前記基板を酸化して、二酸化シリコン絶縁層(18)を
形成する段階; 前記絶縁層にW層を堆積させる段階; 前記W層上にフォトレジスト・パターンを形成する段
階; 素子領域(16)を有する単結晶シリコン基板(12)
を設ける段階; 前記基板を酸化して、二酸化シリコン絶縁層(18)を
形成する段階; 該絶縁層(18)にW層(14)を堆積させる段階; 前記W層上にフォトレジスト・パターンを形成する段
階; 前記W層をエッチングして、前記基板(12)の前記素
子領域(16)上にW導電体(14)を形成する段階; 前記フォトレジスト・パターンを除去する段階; 前記基板上にAl層(20)を堆積させる段階; 前記基板を焼鈍して、前記Al層と前記W導電体との間
にWAl12層(22)を選択的に形成し、Al層の未
反応部分を残す段階; 前記基板から前記Al層の未反応部分をエッチングによ
って除去する段階;および 前記WAl12層を酸化して、前記W導電体(14)を
封入するAl2O3層(24)を選択的に形成する段
階; によって構成されることを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US526071 | 1990-05-21 | ||
US07/526,071 US5126283A (en) | 1990-05-21 | 1990-05-21 | Process for the selective encapsulation of an electrically conductive structure in a semiconductor device |
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JPH04229623A JPH04229623A (ja) | 1992-08-19 |
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Family
ID=24095798
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP3142753A Expired - Lifetime JP2682268B2 (ja) | 1990-05-21 | 1991-05-20 | 導電構造体を半導体素子内に選択的に封入する工程 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5126283A (ja) |
EP (1) | EP0462700B1 (ja) |
JP (1) | JP2682268B2 (ja) |
KR (1) | KR0140379B1 (ja) |
DE (1) | DE69112293T2 (ja) |
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US6713783B1 (en) | 1991-03-15 | 2004-03-30 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Compensating electro-optical device including thin film transistors |
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JP2717237B2 (ja) | 1991-05-16 | 1998-02-18 | 株式会社 半導体エネルギー研究所 | 絶縁ゲイト型半導体装置およびその作製方法 |
US5310602A (en) * | 1991-11-12 | 1994-05-10 | Cornell Research Foundation | Self-aligned process for capping copper lines |
US6624450B1 (en) | 1992-03-27 | 2003-09-23 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device and method for forming the same |
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JP3417751B2 (ja) * | 1995-02-13 | 2003-06-16 | 株式会社東芝 | 半導体装置の製造方法 |
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