JPH01319679A

JPH01319679A - 半導体装置の製造プロセスに適用される改良された選択ｃｖｄ

Info

Publication number: JPH01319679A
Application number: JP14143188A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Hirase; 育生平瀬; Toru Sumiya; 透角谷; Denis Rufin; ドウニ・ルファン; Shack Michael; ミカエル・シャック; Yoshiyuki Ukishima; 禎之浮島; Masato Shishikura; 宍倉　真人; Masamichi Matsuura; 正道松浦
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Ulvac Inc
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Ulvac Inc
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1989-12-25
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JP2954219B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業−１−の利用分野〕本発明は選択ＣＶＤに関し、より具体的には、半導体装
？＆の製造プロセスに対する適用の改良に関する。

〔従来の技術〕

選択ＣＶ　Ｄ　（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　ｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）はＴｉ　、Ｗ、
Ｍｏ　、Ｔａ等の高融点金属の薄膜を形成するために用
いられており、半導体装置、特に集積度か極めて高いＬ
ＳＩの製造プロセスにおいて重要な技術である。以下、
Ｗ膜を形成する場合について説明するか、この説明は他
の高継点金属膜を形成する場合にも同様にあてはまる。

第１図（Ａ）は、シリコン基板１の表面を厚い５ｉ０２
膜（フィールド酸化膜）２で覆い、該Ｓ　１０２膜２に
コンタクトホール３を開口したシリコンウェハーを示し
ている。このシリコンウェハーに選択ＣＶＤを適用し、
Ｗ薄膜を形成する場合の操作は、ＷＦ６を原料ガスに用
いる以外は通の熱処理によるＣＶＤと同様である。しか
し、第１図（Ｂ）に示すように、この選択ＣＶＤにおい
てはシリコン基板］の露出表面にのみＷ膜４が選択的に
堆積し、フィールド酸化膜２の表面にはＷ膜の堆積は生
じない。選択ＣＶＤと称されるのはこのためである。

−１−記のように、選択ＣＶＤはＰ　Ｅ　Ｐ　（ｐｈｏ
ｔ。

ｅｎｇｒａｖｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　）を行なわなく
ても所定形状のＷ膜パターンを形成できるため、超ＬＳ
Ｉプロセスに必要な微細加工技術として期待されている
。

具体的には、ＰＥＰを必要としない配線形成、多層配線
技術における各配線層間のコンタクト形成等に対する応
用か考えられる。

次に、選択ＣＶＤにおけるメカニスムについて説明する
。

ます、選択ＣＶＤにおけるＷ膜の気相成長反応は次の二
通りである。

・２ＷＦ６＋３Ｓｉ →　３Ｓ　ｉ　Ｆ４　＋４Ｗ　　　・・・■・ＷＦ６＋
３Ｈ２→　Ｗ　＋　６　ＨＦ　　・・■」二記二つの気
相成長反応のうち、反応■は露出したＳｉ表面を必要と
する。従って、この反応は当然ながら８１表面でのみ選
択的に進行する。また、反応■による気相成長には一定
の限界があり、８１表面を覆うＷ膜か一定の厚さに成長
した後は反応か進行しない。一方、反応■による気相成
長は半導体表面たけてなく金属表面でも進行するか、５
ｉ０２等の絶縁膜表面では進行しない。これは、金属や
半導体表面か反応■を促進する触媒表面を提供するため
と考えられる。

−に記の理由から、選択ＣＶＤによるＷ膜の形成は次の
二通りの方法の何れかで行なわれている。

（ａ）最初は反応■による自己制御的なＷ膜の気相成長
を行ない、次いてＷ膜を触媒表面として反応■による気
相成長を行なう。

（ｂ）最初から、反応■によるＷ膜の気相成長を行なう
。

」−記従来の選択ＣＶＤには次のような欠点がある。

第一の欠点は、反応■および■の何れにおいても選択性
か充分でないことである。このため、例えは第１図（Ｂ
）の場合、フィールド酸化膜２の表面も部分的にＷ膜が
形成されてしまう。これは、場合によっては配線間の短
絡をもたらすことになる。

なお、反応■における選択性の低下は、■の反応で生成
した５ｉＦ３と５ｉ０２とが一ド記式■のように反応し
、Ｓｉ粒子が形成されることによると考えられる。即ち
、この８１粒子の表面では反応■によるＷの堆積か行な
われる。

Ｓ　ｉ　ＦＸ　　→　Ｓｉ＋ＳｉＦ４　　　・・■また
、反応■における選択性の低下も、上記■の反応で形成
されるＳｉに起因すると考えられる。

第二の欠点は、例えば第１図（Ｂ）の状態でＷ膜４を形
成したとき、シリコン基板１とＷ膜４の間に望ましいコ
ンタクト特性か得られないことである。ここでいうコン
タクト特性とは、両者間のコンタクト抵抗、両者の界面
状態、およびＷ膜４のモホロジー（ｍｏｒｐｈｏ　ｌ　
ｏｇｙ）をいう。この問題は、次に述べるように、シリ
コン基板１の露出表面に存在する薄いナチュラルオキサ
イド膜に起因する。

シリコン基板１の露出表面のナチュラルオキサイド膜が
全く存在しないか、或いは均一で且つ極めて薄い場合、
第２図（Ａ）に示すようにＷＦ６はシリコン基板コの全
表面と接触する。このため、前記反応■はシリコン基板
］の表面で均一に進行し、限定気相成長による均一な厚
さのＷ膜４ユか形成される。続いて式■による気相成長
を行なったときにも、第２図（Ｃ）に示すように均一な
膜厚のＷ膜４゜か形成される。従って、この場合にはシ
リコンも（板１とＷ膜４の間の界面形状、並びにＷ膜４
のモホロジーは良好である。また、ナチュラルオキサイ
ド膜の介在によるコンタクト抵抗の増大も生じないから
、優れたコンタクト特性か得られる。

これに対し、シリコン基板１の露出表面か厚さの不均一
な薄いナチュラルオキサイド膜５で覆われている場合、
反応■の限定気相成長は第３図（Ａ）（Ｂ）に示すよう
に進行する。即ち、ＷＦ６はナチュラルオキサイＩ・膜
５の薄い部分で優先的に８１と反応するため、Ｗ膜４１
は不均一な厚さて形成され、且つ局部的にシリコン基板
１に侵入した状態で形成される。従って、シリコン基板
］−とＷ膜４１の間には、第２図（Ｂ）のような良好な
界面は得られない。のみならず、式■の反応で消費され
るＳｌは堆積されるＷよりも多いから、第３図（Ｂ）に
示したように表面には大きな凹凸か形成される。従って
、続いて式■によるＷの気相成長を行なった後も、Ｗ膜
４２の表面には大きな凹凸か残ることになる。

ナチュラルオキサイド膜５の膜厚かもっと厚く、且つ不
均一である場合、第４図（Ａ）（Ｂ）に示すように、反
応■によるＷの限定気相成長はナチュラルオキサイド膜
５の薄い部分でのみ進行し、ＷＦ６が侵入した部分にの
みＷ膜４、か深く形成される。従って、Ｗ膜４１とシリ
コン基板１との界面状態は更に悪くなる。また、第４図
（Ｂ）の状態で式■による気相成長を行なうと、Ｗ膜４
１か形成された部分でのみ反応■が進行するため、粒子
状のＷ膜４２か形成される。このため、反応■による気
相成長を継続して連続的なＷ膜を形成したとしても、得
られたＷ膜は大きな粒子の集合であるためモホロジーか
悪く、表面の凹凸は極めて大きくなる。Ｗ膜表面の凹凸
か大きいと、例えばその」二にＡＪ２膜からなる配線を
形成する場合に良好なカバレッジか得られず、接触抵抗
が増大することになる。また、第４図（Ｃ）に示される
ように、このこの場合にはＷ膜とシリコン基板との間に
ナチュラルオキサイ）・膜５か介在するため、両者の間
のコンタクト抵抗が増大することになる。

ナチュラルオキサイド膜の介在によるコンタクト抵抗の
増大は、下地がシリコンの場合に限らず、他の半導体ま
たは金属である場合にも同様に生じる問題である。

なお、第３図（Ｃ）および第４図（Ｃ）に示したＷ膜４
とシリコン基板］との間の界面状態の悪化は、半導体装
置の製造において致命的な欠陥をもたらすことか多い。

即ち、バイポーラトランジスタのエミッタ電極として用
いるＷ膜４を形成する場合、シリコン基板１に深く侵入
して形成され−つ　− たＷ膜４１のためにエミッタ接合が破壊されるからであ
る。

第５図（Ａ）（Ｂ）は、」−記第二の欠点に関連して生
じる最悪の事態を示している。即ち、コンタクトホール
３の底面に露出したシリコン基板表面か比較的厚いナチ
ュラルオキサイド膜５で覆われている場合である。この
ような場合、ナチュラルオキサイド膜はコンタクトホー
ル周縁部で比較的弱いから、第５図（Ａ）に示すように
、反応■の限定気相成長においてＷＦ６はこの部分から
優先的に侵入する。その結果、コンタクトホールの周縁
部では他の部分よりもｓｌの消費が激しくなるため、第
５図（Ｂ）に示すように空洞６が形成されてしまうこと
になる。

〔発明か解決しようとする課題〕

本発明は選択ＣＶＤにおける」二記の欠点を解決するた
めになされたもので、その具体的な課題は次の通りであ
る。

第一の課題は、選択ＣＶＤにおける選択性を改良するこ
とである。即ち、例えば第１図（Ａ）＝　　１０　　＝（Ｂ）に示した場合おいて、コンタクトポール３をＷ膜
４て埋める一方、フィールド酸化膜２の上に付着される
Ｗ粒子を劇的に減少し、望ましくは皆無とすることか可
能な方法を提供することである。

第二の課題は、選択ＣＶＤにより半導体または金属の下
地表面に高融点金属膜を形成する際、両者間のコンタク
ト特性を改善することである。

より具体的には、下地表面を覆っているナチュラルオキ
サイド膜を確実に除去した状態で、選択ＣＶＤを行なう
方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明における上記第一の課題は、半導体または金属が
露出している第一の表面と、厚い絶縁膜で覆われた第二
の表面とを有する゛１′、導体ウェハーをＣＶＤ反応容
器内に配置し、該反応容器内に高融点金属のハロゲン化
物を含む原料ガスを導入して化学的気相成長反応を行な
うことにより、前記第一の表面に選択的に高融点金属膜
を形成する選択ＣＶＤ法において、前記化学的気相成長
反応の一］］− 途中またはその終了後に、ＮＦ３を含むガスをエッチャ
ントとするドライエツチングで前記半導体ウェハーを処
理することを特徴とする方法（第一発明という）によっ
て達成される。

本発明における」１記第二の課題は、半導体または金属
か露出している第一の表面と、厚い絶縁膜で覆われた第
二の表面とを有する半導体ウェハーをＣＶＤ反応容器内
に配置し、該反応容器内に高融点金属のハロゲン化物を
含む原料ガスを導入して化学的気相成長反応を行なうこ
とにより、前記第一の表面に選択的に高融点金属膜を形
成する選択ＣＶＤ法において、前記化学的気相成長反応
を行なうに先立って、ＮＦ３を含むガスをエッチャント
とするトライエツチングで前記半導体ウェハーを処理す
ることを特徴とする方法（第二発明という）によって達
成される。

第一発明および第二発明の何れにおいても、その要点は
、ＮＦ３を含むガスをエッチャントとするケミカルドラ
イエツチングで半導体ウェハーを処理する点にある。即
ち、第一発明では、この処理を選択ＣＶＤを途中で中断
して行なう中間処理、または選択ＣＶＤの完了後に行な
う後処理として行なう。これに対し、第二発明では、選
択ＣＶＤを行なうに先立ち、その前処理としてＮＦ３に
よるケミカルドライエツチングを行なう。なお、第一発
明と第二発明とを組合せ、ＮＦ３によるケミカルトライ
エツチングを選択ＣＶＤの前と、選択ＣＶＤの途中また
は終了後の両方で行なってもよい。

第一発明および第二発明の同れにおいても、化学的気相
成長反応は、低圧ＣＶ　Ｄ　（ＬＰＣＶＤ　）によるの
か好ましい。また、何れの方法においても、選択ＣＶＤ
て形成される高融点金属は、Ｗのみに限定されず、Ｔｉ
　、Ｍｏ　、Ｔａ等の選択ＣＶＤか可能な他の高融点金
属であってもよい。

〔作用〕

第一発明におけるＮＦ３によるトライエ・ソチングは、
選択ＣＶＤの不十分な選択性のために絶縁膜上に被着し
た高融点金属の粒子または膜を除去するために行なうも
のである。即ち、既述の式■■等により絶縁膜表面に非
選択的に堆積された高融点金属の粒子または膜は、ＮＦ
３によるドライエツチング処理で完全に除去される。そ
の場合、半導体または金属表面」二に式■■のみ反応で
選択的に被着された高融点金属も同時にエツチングされ
る。しかし、両者を比較した場合、絶縁膜表面に非選択
的に堆積された高融点金属の量は著しく少ない。従って
、エツチング時間等の処理条件を選択することによって
、実質的には絶縁膜表面に被着された高融点金属のみを
選択的に除去することができる。その結果、選択ＣＶＤ
における選択性は著しく向」ニジ、絶縁膜表面に非選択
的に被着される高融点金属を大幅に減少し、好ましくは
皆無とすることができる。

なお、第一発明におけるでＮＦ３によるトライエツチン
グ処理は、選択ＣＶＤの終了後の後処理として行なうよ
りも、選択ＣＶＤを途中で中断して行なう中間処理の方
が効果的である。何故なら、ＣＶＤ工程の終了後には比
較的多量の被着金属を除去しなけれはならないのに対し
、ＣＶＤニー　１４　＝程の途中てあれは、彼ぜ１し始めたはかりの極く僅かの
量の金属を除去するたけて足りるからである。

第二発明におけるＮＦ３による）・ライエツチングは、
選択ＣＶＤの下地表面（半導体表面または金属表面）を
覆っているナチュラルオキザイド膜を除去するために行
なうものである。この前処理によってナチュラルオキザ
イド膜か除去される結果、選択ＣＶＤにより形成された
高融点金属膜と下地層との間のコンタクト抵抗増大を回
避できる。また、第２図〜第５図で説明したような問題
も回避でき、良好なコンタクト特性を得ることかできる
。

第一発明および第二発明の何れにおいても、ＮＦ３によ
るトライエッチンク処理はＣＶＤ装置の中で行なうこと
かできる。その処理の条件は、個々の具体的なケースに
応じて適宜設定する。しかし、一般的なエツチング条件
は次の通りである。

・ＮＦ３の全圧または分圧：１０−２〜１００　Ｔｏｒｒ　（通常の装置の場合、１
〜５００８ＣＣＨの流量に対応する）・温度：５０℃〜５５０℃ ・エツチング時間く第一発明〉後処理：１０秒〜３分中間処理、５秒〜　１分く第二発明〉前処理：１０秒〜３分〔実施例〕以下、実施例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。

実施例１（第一発明）選択ＣＶＤを適用すべき試料として、第１図（Ａ）に示
した構造を有するシリコンウェハーを作成した。即ち、
シリコン基板１の表面に厚さ８０００人（７）　ＣＶ　
Ｄ　　Ｓ　ｔ　Ｏ２膜２を形成し、次いでＰＥＰ及びＲ
ＩＥを行なうことにより、夫々２．３．５１Ｕの直径を
有する多数のコンタクトホール３をＣＶＤ−３ｉ０２膜
２に開孔した。

上記で得られたシリコンウェハーに対し、本発明の選択
ＣＶＤを適用した。この選択ＣＶＤは、第６図に示すコ
ールドウオール型のＬ　Ｐ　Ｇ　Ｖ　Ｄ装置を用いて行
なった。Ｌ、Ｐ　ＣＶ　Ｄ装置の反応容器９内には、加
熱源としてハロゲンランプ８を備えた石英製のボッ）・
プレー１−７か中央部に設けられている。

まず、シリコンウェハー試料］０を反応容器９内のホッ
トプレート７上に載置した。続いて、ロータリーポンプ
、メカニカルツースターポンプ及びターボモレキュラー
ポンプを順次用いることにより、容器内を排気した。容
器内の圧力は、キャパシタンスマノメータを用いて常時
モニターし、ＣｖＤの間は０．１〜１．０１”ｏｒｒ以
下の圧力に保持した。

次いで、ホットプレー１−７によりシリコンウェハー］
Ｏを加熱した。その際、ＩＲ温度計１１−によりシリコ
ンウェハー１０の温度をモニターし、ＣＶＤの間はウェ
ハーの温度を５００’Ｃに制御した。一般的には、２５
０°Ｃ〜６５０°Ｃの温度が可能である。

上記のようにしてシリコンウェハーを加熱しながら、タ
ングステン源であるＷＦ６、還元剤であるＨ２を反応容
器内に導入することにより、既述の式■による選択ＣＶ
Ｄを行なった。キャリアガスとしては、アルゴン又はヘ
リウムを用いた。

ＷＦ６およびＨ２の供給量は次の通りである。

ＷＦ６：　　　１５　ＳＣＣＭＨ２：　　　２００　ＳＣＣＭ約１分間たけＣＶＤを行なった後、」１記のＣＶＤガス
の供給を停止した。次いで、反応容器内にＮＦ３を導入
し、下記の条件でドライエツチングを行なった。

ＮＦ３（７）供給量：　　１００　ＳＣＣＭ反応容器内
のＮＦ、圧：　　０．３　Ｔｏｒｒウェハー温度、３５
０°Ｃエツチング時間：　１分ドライエツチング処理を行なった後、シリコンウェハー
試料１０を取出し、ＳＥＭでその表面を観察した。第７
図はそのＳＥＭ写真を示している。

この図から分るように、５ｉ０２膜２の表面には殆どＷ
粒子か被着されていない。

比較のために、ＮＦ３によるドライエツチングを行なわ
なかった点を除き、上記と同様に選択ＣＶＤを行なった
。第８図は、そのシリコンウェハー表面のＳＥＭ写真で
ある。図から明らかなように、この場合にはＳｉ○２膜
２の表面に多くのＷ粒子か被着している。

」１記の二つの結果は、Ｗの選択ＣＶＤにおける不十分
な選択性がＮＦ３によるドライエツチングで補われ、結
果的に選択ＣＶＤにおける充分な選択性が得られたこと
を示している。

実施例２（第一発明）この実施例では、ますＷの選択ＣＶＤを１分間行なった
後、ＮＦ３によるドライエツチングを２０秒間行ない、
次いて再びＷの選択ＣＶＤを１分間行なった。それ以外
は実施例］と全く同様に行なった。

こうして得られたシリコンウェハー表面をＳＥＭ写真で
観察したところ、第７図と同様、５ｉ０２膜２の上には
殆どＷ粒子の被着は見られなかった。

実施例３（第二発明）実施例で１用いたと同じシリコンウェハー試料をＬＰＣ
ＶＤ装置の反応容器内に設置し、下記の条件てＮＦ３に
よるドライエツチングを行なった。

ＮＦ３の供給量：　　１００８ＣＣＭ反応容器内のＮＦ３圧：　　０．３　Ｔｏｒｒウェハー
温度＝３５０℃ エツチング時間、１分次に、下記の条件で式■によるＷの選択ＣＶＤを行ない
た。

ＷＦ６　・　１０８ＣＣＭＨ２：　　２００９ＣＣＭ反応容器内の圧カニ　　０．３　Ｔｏｒｒウェハー温度
、６００°Ｃエツチング時間　　１分続いて、実施例１−のときと同じ条件で式■による選択
ＣＶＤを行ない、Ｗ膜を形成した。第９図は、この選択
ＣＶＤ後におけるシリコンウェハー表面のＳＥＭ写真を
示している。

また、比較のために、ＮＦ３による前処理を行なわない
で上記と同じ選択ＣＶＤを行なった。この場合のＳＥＭ
写真を第１０図に示す。

第９図および第１０図を比較ずれは、ＮＦ３のドライエ
ツチングによる効果か明らかである。即ち、第１０図で
はナチュラルオキサイド膜か除去されていないため、第
４図で説明したように、シリコン基板］に深く侵入した
Ｗ堆積部４ユか形成されている。これに対し、第９図で
はナチュラルオキサイド膜が予め除去されているため、
第２図で説明したと同じ良好な界面か形成されている。

また、第１０図ではＷ膜を構成する粒子が極めて大きく
、モホロジーか悪いのに対し、第９図ではＷ粒子か小さ
く、良好なモホロジーが得られている。

なお、コンタクト抵抗については特に４１１定しなかっ
たか、第９図の場合にはナチュラルオキサイド膜か介在
しないことから、コンタクト抵抗か低いことは明らかで
ある。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれは選択ＣＶＤの選択
性を向上でき、また選択ＣＶＤで形成された金属膜のコ
ンタクト特性を向上できる等、顕著な効果を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用対象である選択ＣＶＤの説明図、
第２図〜第５図は本発明が解決しようとする課題を示す
説明図、第６図は本発明の実施に用いたＬＰＣＶＤ装置
の説明図、第７図〜第１０図は本発明の効果を示すＳＥ
Ｍ写真である。１・・・シリコン基板、２・・・５ｉ０２膜、３・・コ
ンタクトホール、４・・・Ｗ膜、７・・ホットプレート
、８・ハロゲンランプ、９・・反応容器、１０・・・シ
リコンウェハー試料出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体または金属が露出している第一の表面と、
厚い絶縁膜で覆われた第二の表面とを有する半導体ウェ
ハーをＣＶＤ反応容器内に配置し、該反応容器内に高融
点金属のハロゲン化物を含む原料ガスを導入して化学的
気相成長反応を行なうことにより、前記第一の表面に選
択的に高融点金属膜を形成する選択ＣＶＤ法において、
前記化学的気相成長反応の途中またはその終了後に、Ｎ
Ｆ＿３を含むガスをエッチャントとするドライエッチン
グで前記半導体ウェハーを処理することを特徴とする方
法。
（２）半導体または金属が露出している第一の表面と、
厚い絶縁膜で覆われた第二の表面とを有する半導体ウェ
ハーをＣＶＤ反応容器内に配置し、該反応容器内に高融
点金属のハロゲン化物を含む原料ガスを導入して化学的
気相成長反応を行なうことにより、前記第一の表面に選
択的に高融点金属膜を形成する選択ＣＶＤ法において、
前記化学的気相成長反応を行なうに先立って、ＮＦ＿３
を含むガスをエッチャントとするドライエッチングで前
記半導体ウェハーを処理することを特徴とする方法。
（３）シリコンが露出している第一の表面と、厚い絶縁
膜で覆われた第二の表面とを有する半導体ウェハーをＣ
ＶＤ反応容器内に配置し、該反応容器内にＷＦ＿６を含
む原料ガスを導入して化学的気相成長反応を行なうこと
により、前記第一の表面に選択的に高融点金属膜を形成
する選択ＣＶＤ法において、前記化学的気相成長反応を
行なうに先立って、ＮＦ＿３を含むガスをエッチャント
とするドライエッチングで前記半導体ウェハーを処理す
ることを特徴とする方法。
（４）ＮＦ＿３を含むガスをエッチャントとするドライ
エッチングを、選択ＣＶＤの途中または終了後にも行な
う請求項２または３に記載の方法。