JP2694950B2 - 高融点金属膜の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、高融点金属膜の形成方法に係わり、例えば
信頼性の高い高融点金属からなる電極を形成する方法に
関する。 （従来の技術） 従来、不純物拡散層の形成された半導体基板と電極配
線とのコンタクトを形成するのに第２図に示すような方
法が用いられている。すなわち、まず、第２図（ａ）に
示すように素子分離領域（２）の形成された半導体基板
（１）上に厚さ約0.8μｍのシリコン酸化膜（３）を気
相成長法を用いて形成する。（４）は基板と逆導電型の
拡散層であり、イオン注入により、形成したものであ
る。次いで、第２図（ｂ）に示すように、周知のフォト
エッチング工程と反応性イオンエッチング工程等によ
り、前記シリコン酸化膜（３）の所望の部位に前記拡散
層（４）と接続するためのコンタクトホール（５）を開
口する。その後、第２図（ｃ）に示すようにスパッタリ
ング法等を用いて例えばAl/Si合金からなる配線金属
（６）を約0.8μｍの厚さに被着し、この被着配線金属
膜（６）を、周知のフォトエッチング工程及び反応性イ
オンエッチング工程を経てパターニングすることにより
回路を形成する。（このコンタクト形成方法を、以下第
１のコンタクト形成方法と呼ぶことにする。） しかしながら集積回路の集積度が向上し、素子の微細
化が進むのに伴い、前記第１のコンタクト形成方法を用
いた場合、以下に示す二つの問題点が明らかとなってき
た。第一の問題点は、前記コンタクトホール（５）の底
部に配線金属（６）中に含まれているシリコン等の物質
（Si）が析出する現象の生じることである。 このシリコン等の物質の析出の結果、コンタクトホー
ル（５）の実効的な接触面積は減少し、コンタクト抵抗
が増大してしまう。また、前記シリコン等の析出が著し
い場合はコンタクト部の導通が取れなくなる等の問題が
生じる。 第二の問題点は、素子の微細化が進むのに伴い、コン
タクトホール（５）の開口径に対する深さの比（アスペ
クト比）が増大する、すなわち極めて細い溝となるの
で、前記スパッタリング法を用いて配線金属膜を被着さ
せた場合、配線金属（６）がコンタクトホールの底部に
充分形成されない現象の生じることである。これは、シ
ャドウイング効果と呼ばれるコンタクトホール上部、特
に、開口部の角部に配線金属（６）となる金属粒子が多
く被着するために前記開口部は、遮蔽される。このシャ
ドウイング効果によりコンタクト部分における断線不良
を低起こす。これら二つの問題点は素子の信頼性を低下
させる大きな要因となっている。 上記した第１のコンタクト形成方法の問題点を解決す
る方法として最近、高融点金属のハロゲン化物を用いた
気相成長法により、拡散層や電極等の上に形成されたコ
ンタクトホールに選択的に高融点金属膜を埋め込む等の
方法が試みられている。例えば、高融点金属のハロゲン
化物である六弗化タングステン（WF₆）ガスとシラン（S
iH₄）ガスとを含む混合ガスを反応容器内に導入する。
この容器内の基板に対して気相成長法により前記基板に
形成されたコンタクトホール内部に選択的に高融点金属
であるタングステン（Ｗ）膜を埋め込むことが可能であ
る。すなわち、第３図（ａ）に示すように前記第１のコ
ンタクト形成方法と同様の手法でコンタクトホール
（５）を形成した半導体基板（１）を内部を減圧とした
反応容器に挿入する。第２図は同一のものは、同一の符
号を付して示した。次いで約400℃の高温雰囲気中でWF₆
ガスとSiH₄ガスの混合ガスを導入する。この結果、前記
コンタクトホール（５）の内部にのみタングステン
（Ｗ）膜（９）が成長しコンタクトホール（５）が埋め
込まれる。この後、スパッタリング法等を用いてAl/Si
合金等の配線金属（６）が約0.8μｍの厚さに被着し、
この被着配線（６）を、前記第１のコンタクト形成方法
と同様の手法でパターニングすることにより回路を形成
する。このコンタクト形成方法を、以下第２のコンタク
ト形成方法と呼ぶ。 第２のコンタクト形成方法を用いることにより、第１
のコンタクト形成方法における二つの問題点に解決され
る。すなわち、配線材であるAl/Si合金と基板Siとの接
触が無いためコンタクトホール内でのシリコン（Si）析
出が防止される。更に、コンタクトホールはスパッタリ
ング法と異なり、気相の反応を利用するのでタングステ
ン膜が拡散層（４）上に良好に埋め込まれるためコンタ
クト部に於ける段差が無くなり断線不良が防止される。 しかしながら、前記第２のコンタクト形成方法を盛ん
に試みた結果、シリコン等の基板（１）とタングステン
膜（９）との密着性が非常に低いという問題点が明らか
となってきた。例えば、１μｍ以上のタングステン膜
（９）を堆積させた場合、自己歪みにより膜剥がれ（1
0）が生じコンタクト不良を引起こした。また１μｍ以
下のタングステン堆積を行った場合でも、＋200〜−100
度の温度範囲で熱履歴試験を行った結果、同様の膜剥が
れが生じコンタクト不良を引起こした。 従って、上記第２のコンタクト形成方法を用いる場合
に於いても、半導体装置の信頼性を維持することは困難
であり、集積回路の高密度化を阻む重大な問題となって
いる。 又、コンタクトを形成するのでなくシリコン等の基板
上に高融点金属膜を例えば配線として形成する場合で
も、熱湯あるいは液体窒素等に前記高融点金属膜の形成
された基板がさらされる時には、膜はがれが生じる等の
問題があった。 （発明が解決しようとする問題点） 以上、述べたように電極、配線等を形成するに際し、
シリコン等の下地基板と高融点金属膜との密着性が低い
ためコンタクト不良を低起こすという問題があった。 本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、上記第
２のコンタクト形成方法を用いて、下地基板と膜はがれ
がなく密着性の良い高融点金属膜を堆積させ、良好な埋
め込みコンタクト等を形成することを目的とする。 〔発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために本発明による方法では、
化学的気相成長法により基板上の所望の領域に選択的に
高融点金属膜を形成する工程の直後に高融度金属膜を形
成した温度を越える温度で熱処理を加えることを特徴と
する。 （作用） 上記した方法によれば、下地基板と高融点金属膜との
間の密着性が改善されるため、膜剥がれの無い信頼性の
高いコンタクト形成が可能となる。 （実施例） 以下、本発明による実施例について、図面を参照しつ
つ詳細に説明する。第１図は、本発明による高融点金属
膜の製造方法の一実施例を示す製造工程断面図である。
第１図（ａ）に示す様に例えば素子分離領域（２）の形
成されたＰ型シリコン（Si）基板（１）にAs等のイオン
の注入によりn⁺型拡散層（４）を形成し、この後基板全
面に絶縁膜として二酸化シリコン（SiO₂）膜（３）をCV
D法により形成する。この後、第１図（ｂ）に示すよう
に周知の写真蝕刻工程を経てSiO₂膜（３）をエッチング
し、n⁺型拡散層（４）に電極を接続するためのコンタク
トホール（５）を形成する。 このようにして形成された基板を、反応炉内に配置し
て、この反応炉中にWF₆ガス、水素（H₂）ガス及びシラ
ン（SiH₄）ガスの混合ガスを導入する。ここで、コンタ
クトホール（５）の形成により露出せしめられた拡散層
（４）上には、選択気相成長法によりタングステン
（Ｗ）膜（９）が堆積し約１〔μｍ〕の厚さで前記コン
タクトホール（５）内を良好にすべて埋め込む。この
時、選択成長の条件は基板温度を300℃、反応炉内圧力
を0.01〜5Torr、WF₆/H₂/SiH₄のモル比を1/10/1に設定し
た。この後すぐに、WF₆ガス、水素（H₂）ガス及びシラ
ン（SiH₄）ガスの混合ガスの導入を停止すると同時に前
記半導体基板（１）の表面温度が300℃を下回らない内
に前記反応炉内で連続して周知のランプアニール法によ
り前記半導体基板を500℃に加熱し、180秒間窒素（N₂）
ガス中で熱処理を加えた。この後第１図（ｄ）に示す様
にAl/Si等の膜を蒸着し、これをパターニングして配線
（６）として形成する。この実施例によれば、タングス
テン（Ｗ）膜（９）を形成し、コンタクトホール（５）
を埋め込んだ後半導体基板の温度をＷ膜（９）を形成し
た時の温度を下回らせる事なく、引続きタングステン
（Ｗ）膜（９）を形成した時の温度を越える温度で熱処
理を加えることにより、Ｗ膜（９）と基板（１）とが密
着性良く接合し、Ｗ膜の剥がれることが無くなった。こ
の結果、直径２〔μｍ〕コンタクトホールに対し前記熱
履歴試験後の膜剥がれによる不良率は従来例においては
75％であったものが、本実施例を用いた場合０％とな
り、膜剥がれが完全に防止されることが示された。 さらにこの実施例による効果を説明するために前記熱
処理を前記Ｗ膜（９）を堆積させた後、一旦反応炉の外
部に取出しその後周知のホットウォールタイプのアニー
ル炉を用いて例えばフォーミングガス雰囲気中で行った
場合の実験結果について述べる。ここでは、基板温度を
一旦外部に出して低下させるため基板と前記タングステ
ン（Ｗ）膜との間は従来の技術で説明したように歪みが
生じ、同様に膜剥がれが生じる。その為その後熱処理を
してもその結果は十分に発揮されず、前記熱履歴試験後
の膜剥がれによる不良率は40％まで低下するのにとどま
る。この結果によっても本発明の有効性が示された。ま
た、この実施例において、タングステン膜（９）を形成
するのに適した温度範囲は250℃〜360℃であり、その後
の熱処理の温度は300℃〜600℃としたときに、良好な効
果が得られ、時に熱処理の温度は500℃〜550℃程度が最
も良好であった。 更に、タングステン膜（９）形成の温度を320℃の条
件にして形成するタングステン膜（９）の膜厚を変化さ
せて、それぞれ（ｉ）熱処理を行なった場合と（ii）行
なわない場合とで膜の状態を調べた結果を次の表１に示
す。（ｉ）と（ii）両方の場合ともに、基板を減圧の状
態から大気圧の状態に戻して、それぞれの膜はがれの有
無を調べた。 ここで、（ｉ）の熱処理は500℃の温度で180秒間とし
た。 この結果から形成する高融点金属膜の膜厚が厚くても
膜はがれは生じないという効果が得られることがわかっ
た。 上記実施例においてはＷ膜の成長工程においてWF₆ガ
ス、H₂ガス及びSiH₄ガスの混合ガスを用いた選択気相成
長法を用いたが、WF₆ガスとArガスを用いた選択気相成
長法を組合せた工程を用いても本実施例は有効であり、
又WF₆ガスとH₂ガスを用いた選択気相成長法と組合わせ
た工程を用いる場合においても同様に本実施例は有効で
ある。 また、高融点金属膜としては、Ｗ膜の他にモリブデン
（Mo）膜等他の高融点金属膜或いは高融点金属珪化物等
の選択気相成長膜でもよい。 又、上記実施例では熱処理を窒素（N₂）ガス雰囲気中
で行っているが、アルゴン（Ar）等の不活性ガスあるい
は水素（H₂）ガス等他のガス雰囲気中で行っても良い。
本発明は上記した実施例のようにコンタクトホール内の
高融点金属膜を埋め込む工程に引続き、温度を降下させ
ることなく前記コンタクトホール内に高融点金属膜を埋
め込む際に用いた温度を越える温度で熱処理を加える工
程を行えば、ガス雰囲気の種類、温度、前後の工程の種
類等に拘らず有効である。 更に実施例では半導体基板に配線をコンタクトさせる
場合についてのみ説明したが、多結晶シリコン膜、金属
珪化物膜、あるいは金属膜による電極配線等を下地とし
た場合も同様に本発明の方法を適用できる。 〔発明の効果〕 以上説明してきた様に、本発明の方法によればコンタ
クトホール内に高融点金属膜を埋め込む工程に引続き、
温度を降下させることなく前記コンタクトホール内に高
融点金属膜を埋め込む際に用いた温度を越える温度で熱
処理を加える工程を経させるため、高融点金属膜の密着
性が改善され、膜剥がれの無い信頼性の高いコンタクト
形成が可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の一実施例を示す製造工程断面図、第
２図および第３図は、従来のコンタクト形成方法を示す
製造工程断面図である。 １……Ｐ型Si基板、４……n⁺拡散層、2,3……SiO₂膜、
５……コンタクトホール、９……高融点金属膜、６……
配線。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．反応容器内に少なくとも高融点金属の化合物ガスを
   含むガスを原料ガスとして導入し、前記反応容器内に配
   置される基板上の所望の領域に、選択的に、化学的気相
   成長法により前記高融点金属膜を所定温度で形成する工
   程と、非還元性雰囲気で、前記所定温度を超える温度の
   熱処理を加える工程とを含むことを特徴とする高融点金
   属膜の形成方法。 ２．前記高融点金属膜の形成工程と前記熱処理を加える
   工程との間に、前記所定温度を下回る温度工程を経ない
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高融点金
   属膜の形成方法。 ３．前記化学的気相成長法を用いて形成する高融点金属
   膜は、タングステン膜、モリブデン膜あるいはこれらの
   シリサイド膜であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の高融点金属膜の形成方法。 ４．前記高融点金属膜を形成する工程から前記熱処理を
   加える工程まで、減圧下で行い、その後、前記反応容器
   内を大気圧にすることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の高融点金属膜の形成方法。 ５．前記熱処理は前記反応容器と別の容器内で行うこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高融点金属膜
   の形成方法。