JP3632198B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高度に微細化、高集積化したメモリ素子や論理演算素子等の電極および配線層の形成工程を改良した半導体装置の製造方法に係り、特に、多結晶シリコン膜中に不純物を導入すると共にその上に金属とシリコンの化合膜を設けて形成される電極および配線層上の層間絶縁膜の成膜状態を良好にすることができる半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、所謂半導体製造におけるスケーリング法則に従ってメモリ素子や論理演算素子等の半導体集積回路が微細化および高集積化されるに伴い、高速化並びに電極および配線層の微細化も益々進行している。この電極および配線層としては多結晶シリコン膜に不純物を導入して低抵抗としたものが多用されているが、従来、その注入量は１Ｅ１５ａｔｍｓ／ｃｍ^２ 程度の低濃度のものであった。しかし、昨今では高速化の要求を実現するために、１Ｅ１６ａｔｍｓ／ｃｍ^２ 程度の高濃度の不純物を注入するようになってきた。
【０００３】
ここで、図５および図６を参照して、従来の半導体装置の電極および配線層の形成方法を説明する。まず、図５（ａ）に示したようにシリコン基板１１１上に絶縁膜１１２を形成して、この絶縁膜１１２上に例えば熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ；化学的気相成長）法により電極および配線層のための多結晶シリコン膜１１３を形成する。続いて、電極および配線層の抵抗を下げるために、高濃度（例えば１Ｅ１６ａｔｍｓ／ｃｍ^２ 程度）の不純物イオン１１４を多結晶シリコン膜１１３内に注入する。不純物イオン１１４を注入した後、図５（ｂ）に示したように、多結晶シリコン膜１１３上に例えば熱ＣＶＤ法によりタングステンシリコン（ＷＳｉ）膜１１５を形成する。その後、図５（ｃ）に示したように、フォトリソグラフィ技術を用いてゲート電極および配線層のパターンを有するレジスト膜１１６を形成する。このレジスト膜１１６をマスクとして、図６（ａ）に示したように、塩素系反応ガスにより多結晶シリコン膜１１３およびタングステンシリコン膜１１５のエッチングを順次行って、パターンに従った電極および配線層を形成する。その後、図６（ｂ）に示したように、タングステンシリコン膜１１５および絶縁膜１１２上に例えば熱ＣＶＤ法により酸化膜（ＳｉＯ_２ ）等の層間絶縁膜１１７を形成する。層間絶縁膜１１７を形成した後、半導体特性を決定するための熱処理、例えば窒素（Ｎ_２ ）ガスを用いて８００〜９５０℃の熱処理を行う。このようにして高濃度の不純物イオンを導入することにより、低抵抗の電極および配線層を形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の方法では、電極および配線層の低抵抗化を図るために高濃度に注入された不純物イオン１１４は、半導体特性を決定するための熱処理によりタングステンシリコン膜１１５および層間絶縁膜１１７の界面まで移動する。タングステンシリコン膜１１５の表面には、図７に示したように、タングステンシリコンと大気中の酸素および水が反応して自然酸化膜１１８が形成されている。このタングステンシリコン膜１１５上の自然酸化膜１１８中に不純物イオン１１４が取り込まれて自然酸化膜１１８が変質する。この自然酸化膜１１８の変質によりタングステンシリコン膜１１５と層間絶縁膜１１７の密着性が低下するため、層間絶縁膜１１７の絶縁不良および層間絶縁膜１１７の剥がれが発生するという問題があった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、多結晶シリコン膜により低抵抗な電極および配線層を形成すると共に、電極および配線層上に成膜する層間絶縁膜の絶縁不良および剥がれを防止して、層間絶縁膜の成膜状態を良好にすることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に第１の絶縁膜を形成した後、この第１の絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、多結晶シリコン膜に対して不純物を導入する工程と、多結晶シリコン膜上に金属とシリコンの化合膜を形成する工程と、多結晶シリコン膜および金属とシリコンの化合膜を電極および配線形状にそれぞれ加工する工程と、熱処理を施して多結晶シリコン膜中の不純物を外方拡散させる工程と、金属とシリコンの化合膜の表面に形成された自然酸化膜の少なくとも変質部分を除去する工程と、基板および金属とシリコンの化合膜上に第２の絶縁膜を形成する工程とを含むものである。
【０００７】
本発明による半導体装置の製造方法では、多結晶シリコン膜および金属とシリコンの化合膜を電極および配線形状にそれぞれ加工したのち、熱処理を施すと、多結晶シリコン膜に導入された不純物が外方拡散して金属とシリコンの化合膜の表面上に形成された自然酸化膜に取り込まれて、自然酸化膜の一部が変質する。この自然酸化膜の変質部分が洗浄等により除去されたのち、第２の絶縁膜が形成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
図１ないし図３は本発明の一実施の形態に係る電極および配線層の形成方法を工程順に表すものである。まず、図１（ａ）に示したように、基板、例えばシリコン基板１１上に、例えばＣＶＤ法により膜厚４００ｎｍのＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ）ＣＶＤ膜からなる第１の絶縁膜としての絶縁膜（ＳｉＯ_２ ）１２を形成する。続いて、例えば熱ＣＶＤ法により絶縁膜（ＳｉＯ_２ ）１２上に配線層のための例えば膜厚５５ｎｍの多結晶シリコン膜１３を形成する。次いで、この多結晶シリコン膜１３に対して高濃度の不純物イオン１４の注入を行う。このときのイオン注入の条件は例えば次のように設定する。
イオン種：砒素イオン（ＡＳ^＋ ）
エネルギー：７０ＫｅＶ
イオン注入量：１Ｅ１６ａｔｍｓ／ｃｍ^２
【００１０】
次に、図１（ｂ）に示したように、例えば熱ＣＶＤ法により膜厚７０ｎｍのタングステンシリコン（ＷＳｉ）膜１５を形成する。このときの熱ＣＶＤの条件は例えば次のように設定する。
温度：３６０℃
ガス：ＷＦ_６ ／ＳｉＨ_４ ＝１０／４５０ｓｃｃｍ
容器内圧力：４６．７Ｐａ
【００１１】
次に、図１（ｃ）に示したように、フォトリソグラフィ技術を用いて配線パターンを有するレジスト膜１６を形成する。このレジスト膜１６をマスクとして、図２（ａ）に示したように、塩素系反応ガス（ＳＦ_６ ＝６ｓｃｃｍ；ＣＨ_４ Ｆ_２ ＝２３ｓｃｃｍ；Ｃｌ_２ ＝８０ｓｃｃｍ）を用いたエッチングを行い、タングステンシリコン膜１５および多結晶シリコン膜１３を順次選択的に除去する。その後、レジスト膜１６を除去する。このとき、タングステンシリコン膜１５は大気中の水分および酸素（Ｏ_２ ）と反応し、図２（ｂ）に示したように、タングステンシリコン膜１５の表面上には膜厚１．０ｎｍ程度の自然酸化膜（ＳｉＯ_２ ）１７が生成される。
【００１２】
次に、イオン注入により導入された多結晶シリコン膜１３中の過剰な不純物（ＡＳ^＋ ）を外方拡散させると共に自然酸化膜１７を膜厚２．５〜３．０ｎｍまで成長させるために熱処理、例えば拡散炉でのアニールを施す。このときの熱処理の条件は、例えば窒素（Ｎ_２ ）雰囲気中において、図４に示したように、処理開始時の処理温度は７００℃として、温度上昇時には温度変化率を５℃／分として８００℃に到達したら、その後８００℃で１０分間加熱する。その後、温度変化率を３℃／分として７００℃まで温度を下降させる。
【００１３】
この熱処理により過剰な不純物（ＡＳ^＋ ）がタングステンシリコン膜１５の表面に拡散し、自然酸化膜１７中に取り込まれる。その結果、自然酸化膜１７の一部が変質して砒素シリケードガラス（ＡｓＳＧ）膜１７ａが形成される。そこで、図２（ｃ）に示したように、沸酸系溶剤１８により自然酸化膜１７を洗浄して砒素シリケードガラス膜１７ａを除去する。このときの洗浄処理の条件は例えば次のように設定する。
装置：酸洗浄装置
薬液：フッ化水素（ＨＦ）：水（Ｈ_２ Ｏ）＝１：４００
洗浄時間：９０秒
除去膜厚：１ｎｍ（熱酸化膜換算）
【００１４】
次に、図３に示したように、第２の絶縁膜として、例えばＣＶＤ法によりＴＥＯＳＣＶＤ膜からなる膜厚１２０ｎｍの層間絶縁膜１９を形成する。この層間絶縁膜１９を形成した後、半導体特性を決定するための熱処理、例えば窒素（Ｎ_２ ）ガスを用いた例えば９００℃の拡散炉でのアニールを１０分間行う。
【００１５】
このように本実施の形態では、高濃度に注入された不純物イオン（Ａｓ^＋ ）１４を外方拡散させるための熱処理を施すことにより自然酸化膜１７に取り込まれて形成された砒素シリケードガラス膜１７ａを、沸酸系溶剤１８で洗浄して除去している。従って、層間絶縁膜１９とタングステンシリコン膜１５との密着性が低下しないため、層間絶縁膜１９がタングステンシリコン膜１５から剥がれることがなくなり、層間絶縁膜１９の絶縁不良を防止することができる。従って、高濃度の不純物導入によるゲート電極および配線層の低抵抗化を図ると共に、安定した層間絶縁膜１９を形成することができる。
【００１６】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定するものではなく、その均等の範囲で種々変形可能である。例えば、不純物を外方拡散するための熱処理の温度は８００℃としたが、７５０〜８５０℃の範囲内であればよく、高温で長時間の熱処理ほど効果的である。また、熱処理のガスには窒素ガスを用いたが、自然酸化膜上にさらに酸化膜を形成できる酸化性のガスを用いるようにしてもよい。また、自然酸化膜１７を洗浄する際に、自然酸化膜１７の除去膜厚を１ｎｍとしたが、砒素シリケードガラス膜１７ａを除去できればよいので自然酸化膜１７の除去量は微量でよい。更に、薬液条件および処理時間は半導体特性が変動しない範囲で適宜選択可能である。また、上記実施の形態においては、金属とシリコンの化合膜としてタングステンシリコン膜を用いて説明したが、金属としてはタングステン以外のチタン（Ｔｉ）等の高融点金属を用いる場合にも適用できるものである。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、不純物の外方拡散のための熱処理により金属とシリコンの化合膜の表面上に形成された自然酸化膜の変質部分を洗浄したあとに第２の絶縁膜を形成するようにしたので、第２の絶縁膜と、金属とシリコンの化合膜との密着性が低下することがなくなり、第２の絶縁膜の剥がれおよび絶縁不良を防止することができる。従って、高濃度の不純物導入による低抵抗な電極および配線層を形成することができると共に、第２の絶縁膜の成膜状態を安定させることが可能となり、製品の歩留まり率の向上を図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電極および配線層の形成方法を工程ごとに表す断面図である。
【図２】図１に続く工程を表すための断面図である。
【図３】図２に続く工程を表すための断面図である。
【図４】熱処理を施す際の温度変化を表す図である。
【図５】従来の電極および配線層の形成方法を工程ごとに表す断面図である。
【図６】図５に続く工程を表すための断面図である。
【図７】従来の電極および配線層の形成工程における自然酸化膜の形成状況を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１１…シリコン基板、１２…絶縁膜（第１の絶縁膜）、１３…多結晶シリコン膜、１４…不純物イオン、１５…タングステンシリコン膜、１６…レジスト膜、１７…自然酸化膜、１７ａ…砒素シリケードガラス膜（変質部分）、１８…沸酸系溶剤、１９…層間絶縁膜（第２の絶縁膜）

Claims (2)

1. 基板上に第１の絶縁膜を形成した後、この第１の絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
   前記多結晶シリコン膜に対して不純物を導入する工程と、
   前記多結晶シリコン膜上に金属とシリコンの化合膜を形成する工程と、
   前記多結晶シリコン膜および前記金属とシリコンの化合膜を電極および配線形状にそれぞれ加工する工程と、
   熱処理を施して前記多結晶シリコン膜中の不純物を外方拡散させる工程と、
   前記金属とシリコンの化合膜の表面に形成された自然酸化膜の少なくとも変質部分を除去する工程と、
   前記基板および前記金属とシリコンの化合膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記自然酸化膜の変質部分を沸酸系溶剤で洗浄することにより除去することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。

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