JPH02231714A

JPH02231714A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH02231714A
Application number: JP5170689A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kajiwara; 梶原　愼二; Hitoshi Ito; 仁伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-03-03
Filing date: 1989-03-03
Publication date: 1990-09-13

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に電極形成方
法に関する。

（従来の技術）半導体装置の高集積化は、構成素子の微細化によっても
たらされている。例えば、Ｉ　Ｍ　ＤＲＡＭ、２　５　
６　Ｋ　ＳＲＡＭは１〜１．２μ量の設計基準で作られ
、更に、集積度を上げるため半導体装置は、サブミクロ
ンの設計基準で作られようとしている。

しかし、この微細化のために、半導体装置の製造プロセ
スにいろいろな問題が生じている。例えば、配線を例に
取ると、設計基準の縮小で配線幅は小さくなり、かつ、
配線長そのものは増大する一方である。しかも、能動素
子の集積度向上で電気的に接続しなければならない箇所
が増大し、かつ、個々の接続孔のアスベクト比（−コン
タクト深さ／コンタクト幅）は増大する一方である。こ
のため、通常のＡｊ７　・１％Ｓｉによる配線では、配
線が切れるオーブン不良、接続孔底部での段切れ、コン
タクト抵抗の増大、エレクトロ・マイグレーションなど
が続発し、信頼性の高い配線を形成するのが困難になり
つつある。

これらの問題を解決するため、新しい配線材料及び新し
い配線構造が求められている。例えば、コンタクト抵抗
の増大を防止するため、高融点金属やＴｉＮ／Ｔｉ構造
の拡散障壁層を１或はＡ，ｊｐ−ｓｉ合金とＳｉ基板と
の間に設けたり、高融点金属膜による配線を試みたりし
ている。このように、配線のための新しい材料として、
高融点金属膜あるいはそれらのシリサイド膜の利用が注
目されている。タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｌ）、
モリブデン（ＭＯ）などの高融点金属膜あるいはそれら
のシリサイド膜をコンタクトの拡散陣璧層として用いた
り、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート電極に
用いたりする試みがある。

これらの高融点金属膜あるいはそれらのシリサイド膜は
、高速スパッタリング法で形成される場合が多かったが
、近年、気相成長法（　ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔ１ｏｎ．　Ｃ　Ｖ　Ｄ　）で形成するこ
とが試みられている。特に数Ｔｏｒｒの減圧下でこれら
の薄膜を形成する減圧ＣＶＤ法では反応ガスのいわゆる
「回り込み」現象が起こり、アスベクト比の大きな溝の
底部にも基板表面の平坦部と同じ均一な膜厚の高融点金
属膜を形成できる。このため、微細なデザイン・ルール
で設計され、ピッチの小さい配線ラインとスペースを持
ち、狭小な接続孔を持つ超ＬＳＩのメタライゼーション
にとって、減圧ＣＶＤ法は、有効な薄膜形成方法であ，
ると考えられている。

特に、一回のＣＶＤ工程で、Ｗを基板上の特定の領域に
しか形成しない、いわゆるＷの選択ＣＶＤ法は、半導体
装置の製造プロセスを簡略化し、自己整合的に電気的に
信頼性の高いＷ膜を形成できるため、実用上長所の多い
薄膜形成方法として注目されている。

Ｗの選択ＣＶＤ法とは、Ｗのハロゲン化物（通常は、六
フッ化タングステン（ＷＦ６）を用いる）と水素との混
合ガスを原料ガスとして、ＣＶＤでシリコン、アルミニ
ウム及びその合金、Ｗなどの高融点金属などの上にのみ
Ｗ膜を形成し、シリコン酸化膜などの絶縁膜上には形成
しないＷ膜の形成方法をいう。

しかし、従来のＷの選択ＣＶＤ法では、堆積初期過程で
はかならずＷの堆積が基板物質によるＷＦ６の還元反応
で生じるため、Ｗの堆積は基板物質の消費を招き、著し
い場合は、例えば、シリコン基板の拡散層を形成した接
合部にＷを堆積しようとすると、下地拡散層の破壊をも
たらす場合が度々みられた。この基板物質の消費を再現
性よく抑制することが難しく、また、通常、選択性を保
ち、かつ、実用的な堆積速度でＷ膜を厚く形成すること
は困難であるため、同技術の実用化が阻まれていた。

ＷＦ　　をモノシラン（　Ｓ　ｉＨ　４　）で還元して
Ｗ薄膜を形成する方法では、このシリコン基板へのＷの
食い込みを抑制し、更に、シリコン基板表面温度が２０
０℃〜５００℃と低い堆積温度で約１μ１／１ｎの堆積
が可能である。しかし、下地拡散層の不純物の種類およ
び不純物濃度が異なると、Ｗ膜堆積初期に発生する堆積
の遅れ時間があるため、一定時間で同じアスベクト比の
コンタクト孔の埋め込みが難しいという問題があった。

さらに、Ｗ　／　Ｓ　ｉの相互作用を抑制するため、付
着力が低下し、Ｗ膜が剥がれ易いという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）以上のように従来のＷ選択ＣＶＤ法では、Ｗと下地基板
との反応による拡散層等の破壊を生じるといった問題が
あった。

本発明はこのような問題点を解決し、Ｗの選択ＣＶＤに
より電気的信頼性の高い配線を得ることを可能とした半
導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は半導体基板をおおう絶縁膜に接続孔を開け、こ
の接続孔に選択的にタングステン、モリブデン、チタン
のうち少なくとも１つ以上の金属薄膜またはそのシリサ
イド膜を化学的気相成長法で形成し、該金属薄膜又はそ
のシリサイド膜のうえに選択的にＷ薄膜を化学的気相成
長法で形成する。

（作用）本発明によればシリコン基板表面またはＡｊｐ＊Ｓｉ＠
Ｃｕ表面に形成するタングステン、モリブデン、チタン
のうち少なくとも１つ以上の金属薄膜又はそのシリサイ
ド膜は１０００人以下と薄いため、これら薄膜を形成す
るときのソースガスと下地との反応は小さい。これら薄
膜のうえにＷを堆積する際には、これら薄膜がＷＦＢの
反応障壁となるためＷと下地ＳｉまたはＡｌｐ　−Ｓ１
・Ｃｕとの反応はなくなる。またＷ膜が堆積する下地の
表面状態が一定になるため、Ｗの堆積の遅れ時間の違い
がなくなる。Ｗは金属又はシリサイドと接触するため付
着力も十分であり、コンタクト抵抗の低い信頼性の良好
な電極配線が得られる。

？実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明す
る。第１図（ａ）〜（ｄ）はＣＭＯＳ集積回路に本発明
を適用した実施例である。素子分離されたｐ型シリコン
基板１にｎ型ウエル２を形成し、ｐ，ｎ各領域にゲート
酸化膜３，６を介してゲート電極４，７を形成し、イオ
ン注入によりソース、ドレインとなるｐ　型層５　　，
５　　、ｎｌ２型層８　．８■を形成した後、全面に二酸化シリコン膜
９を堆積して、この二酸化シリコン膜９に電気的接続を
とるための接続孔１０を開ける（第１図（ａ））。

次にこの基板を化学的気相成長装置に入れて、接続孔１
０内に膜厚の薄いモリブデン（ＭＯ）膜１１を堆積する
（第１図（ｂ））。

しかる後に、同じ装置の反応炉内に六フッ化タングステ
ン（Ｗ　Ｆ　６　）　、モノシラン（　Ｓ　ｉＨ　４　
）を導入して、シラン還元反応によりＷ膜１２をＭｏｌ
ｌｌｌ上に選択的に成長する。これにより接続孔１０は
Ｗ膜１２によって埋め込まれる（第１図《Ｃ》）。

さらに、アルミニウム（ＡＩ！　）膜１３を堆積して、
通常の写真食刻法と反応性イオンエッチングを用いてＡ
ｌ膜１３をパターニングする（第１図（ｄ））。

以下に実際に用いた手順に従って、更に詳細に説明する
。Ｍｏ膜とＷ膜の形成にはｊｆ！２図に示す気相成長装
置を用いた。この気相成長装置は反応炉２１と排気系２
２を有する。反応炉２１には、ストップバルブを介して
、六フッ化タングステン（ＷＦ）、モノシラン＜ＳＬＨ
４）、水素（Ｈ　）、五フッ化モリブデン（　Ｍ　ｏ　
Ｆ　ｓ　）の各ガスの真空ライン２３，２４，２５．２
６が接続されてでおり、これらのバルブの開閉で所一望
の反応性ガスを反応炉に導入する。

素子形成された基板に絶縁膜を堆積して接続孔を開孔し
て、清浄化処理をおこなった基板ｌを石英性基板支持具
２７に設置する。しかる後に、排気系２２により反応炉
２１内を真空に排気し、ライン２３のバルブを開してＨ
２ガスを流しながら、基板支持具２７の下方に設置して
ある赤外線ランブ加熱器２８を点灯して基板１を２００
〜５００℃に加熱する。

例えば、基板１の温度が３００℃に安定し、圧力がＯ．
ｉ　Ｔｏｒｒに安定したら、ライン２４のストツブバル
ブを開にしてＭ　ｏ　Ｆ　ｓガスを１〜５　０　ｃｃ／
＊１ｎ　ｓ　１　０分間流した。この時、Ｍ　ｏ　Ｆ　
５は主に水素ガスにより還元され、Ｍｏ膜が選択的に、
ｎ　型拡散層およびｐ　型拡散層上に約４００人堆積し
た。

その後、ライン２３．２４のストップバルブを閉にして
一度反応炉２１内を真空に排気し、ライン２５．２６の
ストップバルブを開いて反応炉２１にＷ　Ｆ　　１Ｓ　
ｉＨ　４を導入する。これにより、Ｂシラン還元反応によりＷ膜がＭｏ膜上に選択的に堆積し
、ｎ　型拡散層およびｐ　型拡散層上に形成された接続
孔はＷ膜によって同じ膜厚で埋められた。

この場合、平坦な基板表面が形成されるため、通常のス
パッタリング法により均一なＡｇ膜が堆積でき、電気的
信頼性の高い配線を作ることができた。

次に本発明を配線層間の接続部に適用した実施例を第３
図により説明する。第３図（ａ）は、素子形成されたシ
リコン基板３１にＳｉＯ２膜３２を８０００人形成し、
さらに、Ａｊ７ｅＳｉ−Ｃｕ膜を８０００人形成して通
常の光露光法と反応性イオンエッチングで所望の配線３
３をパターン形成した後、層間絶縁膜３４を１μ量形成
し、配線のための接続孔３５を開けた状態である。かか
る基板を適宜化学的処理あるいは物理的処理を施して、
清浄なＡＤφＳｉ＊Ｃｕ表面およびシリコン酸化膜表面
を形成したのち、前゛記実施例と同じ反応炉に入れて、
水素を２００〜３　０　０　０　ｃｃ／　ｓｉｎ流し、
２００〜４５０℃の所定温度に基板を加熱する。

しかる後に、水素ガスの流量を適宜堆積条件に設定して
安定した後、Ｔ　ｉＣ　１　４を１〜１　０　０　ｃｃ
／■１ｎ，１０分間流す。このとき、上記温度域で、Ｔ
　ｉＣ　ＩＩ　４が気相中で分解して、基板上に堆積す
ることはみられなかった。この時、ＴｉＣｇ４は主に水
素ガスにより還元され、Ｔｉｌｌ３６が選択的に、第一
層目ＡｆＩφＳｉｅＣｕ配線３３の表面上に約３００人
堆積した（第３図（ｂ））。その後、一度反応炉内を真
空に排気し、ストップバルブを開いて反応炉にＷ　Ｆ　
　ＳＳ　ｉＨ　４を導入する。シラン還元反応によりＷ
膜がＴｉ膜上に選択的に堆積し、接続孔３５はＷ膜３７
によって埋められた。

この後、第２層目のＡＩ配線３８を形成する（第３図（
Ｃ））。

この場合、平坦な基板表面が形成されるため、通常のス
パッタリング法により均一なＡＩ膜が堆積でき、電気的
信頼性の高い配線を作ることができた。このようにして
Ｗ膜を堆積すると、．一層目のＡｊｌ−Ｓｉ＠Ｃｕ膜と
Ｗとの間にはＴｉ膜が介在し、また一層目１　争Ｓｉｓ
Ｃｕ膜にＴｉ膜を堆積するときは、Ｔ　ｉ　ＣＲ　，を
用いると、ＴＬとＡｇ−Ｓｌ−Ｃｕの界面にはｃｌ原子
が取り込まれにくく、このため電気的特性に優れた接続
孔埋込みが行われる。

なお、上記実施例では、Ｗ膜の下地となる遷移金属薄膜
として、Ｍｏ％Ｔ１の場合を示したが、Ｗ膜の下地とし
てＷでもよく、更に、これらのシリサイド薄膜でも効果
があった。また、用いる金属薄膜またはそのシリサイド
膜は下地表面がシリコンであるかＡｆＩ−Ｓｉ会Ｃｕで
あるかの組合せにはよらなかった。シリサイドを形成す
る場合には、水素ガスの代わりにまたは水素ガスに混合
して、モノシランあ２るいはジシランを用いた。

【発明の効果］以上、述べてきたように本発明によれば選択ＣＶＤによ
りＷ膜を堆積する表面は、タングステン、モリブデン、
チタンの金属薄膜またはそのシリサイド膜であるため、
Ｗと拡散層間での相互反応が無くなり、またＷ膜が堆積
する下地の表面状？を一定にすることができるため堆積
の遅れ時間の違いもなくなり、更に、Ｗは金属と接触す
るなめ付着力の低下がなくなり、良好な電極配線を形成
することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施例によるＭＯ
Ｓ集積回路の製造工程を示す図、第２図は、実施例に用
いた気相成長装置を示す図、第３図（ａ）〜（ｃ）は第
２の実施例による電極配線の形成工程を示す図である。１・・・シリコン基板、２・・・ｎ型ウエル、３，６・
・・ゲート酸化膜、４．７・・・ゲート電極、５　．５
■ｌ・・・ｐ　型拡散層、８　，８■・・・ｎ　型拡散層、
、ｌ９・・・二酸化シリコン膜、１０・・・接続孔、１１・
・・Ｍｏ膜、１　２　・Ｗ膜、１３・ＡｆＪ配線、２　
１　−・・反応炉、２２・・・排気系、２３〜２６・・
・ガス導入ライン、２７・・・基板支持具、２８・・・
赤外線ランプ加熱器、３１・・・シリコン基板、３２・
・・ＳｉＯ■膜、３３・・・第１層配線、３４・・・Ｓ
ｉＯ■膜、３５・・・接続孔、３６・・・ＴＬ膜、３７
・・・Ｗ膜、３８・・・第２層配線。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所望の素子が形成された半導体基板に絶縁膜を形
成する工程と、該絶縁膜の所定の領域に接続孔を開孔す
る工程と、該接続孔内にタングステン、モリブデン、チ
タンのうち少なくとも１つ以上の金属薄膜またはそのシ
リサイド膜を化学的気相成長法で選択的に埋込み形成す
る工程と、上記金属薄膜またはそのシリサイド膜のうえ
に選択的にタングステン薄膜を化学的気相成長法で形成
する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造
方法。
（２）接続孔の底面は、半導体基板の表面であることを
特徴とする請求項（１）記載の半導体装置の製造方法。
（３）接続孔の底面は、金属膜の表面であることを特徴
とする請求項（１）記載の半導体装置の製造方法。
（４）接続孔にタングステン、モリブデン、チタンのう
ち少なくとも１つ以上の金属薄膜またはそのシリサイド
膜を選択的に形成する工程と、該金属薄膜またはそのシ
リサイド膜のうえに選択的にタングステン薄膜を形成す
る工程は、同一の化学的気相成長装置で連続的に行うこ
とを特徴とする請求項（１）記載の半導体装置の製造方
法。