JPH0290518A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置及びその製造方法に係り。

特に多層配線構造体の配線導体としてタングステンを用
いる場合に好適な半導体装置及びその製造方法に関する
。

〔従来の技術〕

半導体基板上に形成された絶縁層に電極取出し用のコン
タクト孔を設け、この深孔部にタングステンを全面にエ
ツチングにより埋込む技術は、従来から、Ｔｉ、ＴｉＷ
などのバリア膜（バリアメタルと称されているもの）の
上にタングステン膜をＣＶ　Ｄ　？Ａにより堆積させ、
全面エツチングによりコンタク１〜孔部内にのみ残す方
法が知られている。

この技術に関しては、例えば、アイ・イー・イー・イー
、国際多層配線会議録（１９８６）　、第４１９頁〜第
４２１頁（ＩＥＥＥ　ＶＬＳＩ　Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ
　ＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ、　１９８６．　ｐｐ、４１９〜４２１）において論
じられている。この報告によれば、コンタク１〜孔内に
埋込まれる導体層は、下記の（１）、（２）式による反
応を利用するもので、下地にＷＳｉｘ（Ｘ≧２．２）を
１０００人、その上にＷを８０００人析出して堆積させ
たものであり、４５０℃のＣＶ　Ｄ　’ｄ：、による。

ＷＦ、＋２．５ＳｉＨ４→ＷＳｉ、、、＋６ＩＩＦ＋２
Ｈ□・・・・・・・・・（１）ＷＦ６＋３Ｈ２−→Ｗ　
　　＋ＧＨＦ　　・・・・・・・・・・・・・・・（２
）あるいはまた、最近の報告によれば。

つまり、タングステンの原料としてＷＦ、を用い、これ
をモノシラン５ｉｌｌ、で反応させて、シリサイドＷＳ
ｉ、、を形成し、その°上にＷＦ６を水素ガスＨ２ある
いはモノシランガスＳｉＨ，で還元することによりタン
グステンＷを析出堆積することでコンタクト孔を埋込ん
でいる。シリサイドＷＳｉ、ｓは基板のシリコンＳＬと
その上に堆積したＷ間の接触抵抗を低減することができ
、Ｗの安定した平坦化埋込みが可能であるというもので
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術によれば、低抵抗であるＷを利用できる利
点はあるが、成長したＷ膜が柱状組織であること及び表
面の凹凸が大きいためＷ膜の全面エツチング（ｅｔｃｈ
−ｂａｃｋと称している）を均一に行うのが困難で、安
定に深孔部にＷを埋込めない。

つまり、深孔部でのＷ膜の被覆度（通常ステップカバレ
ジと称している）が十分でない。このようなＷ膜のエツ
チングの問題を回避するために、多結晶Ｓｉ　（ｐｏｌ
ｙ　Ｓｉ）をＷの代りに用いる方法も従来から検討され
ている。ｐｏｌｙｓｉ膜は粒径も小さく極めて平坦であ
るため（通常ステップカバレジが良いとされている）、
全面エツチングによる埋込みは容易であるが、抵抗をＦ
げるための不純物添加法が困難であり、また、不純物を
添加してもＷに比べて５０〜１００倍程度抵抗が高い。

このように当面の解決すべき課題は、ステップカバレジ
が良好で、かつ低抵抗なＷの特長を生かした導体層を形
成することにある。

本発明の目的は、上記課題を解決することにあり、その
第１の［１的はＷを導体層とした改良された半導体装置
を、そして第２の目的はその製造力ａ；をそれぞれ提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記本発明の第１の目的は、（１）半導体基板上の所定
領域にタングステン導体層パターンを有して成る半導体
装置において、前記半導体基板−１ニに予め前記タング
ステン導体層パターンに見合った同一形状のシリコン膜
パターンを設けておき、このシリコン膜パターンを還元
剤としてタングステン含有原料化合物ガスと反応せしめ
て前記シリコン膜を実質的にタングステン膜に置換した
タングステン導体層パターンで構成して成ることを特徴
とする半導体装置により、また、（２）半導体基板上に
設けられた層間絶縁膜と、この絶縁１模に設けられたコ
ンタクト孔を通して前記半導体基板と電気的に接続され
た導体層とを有して成る半導体装置において、前記導体
層がタングステン導体から成り、このタングステン導体
が、前記コンタクト孔内に予め形成されたシリコン膜を
還元剤としてタングステン含有原料化合物ガスと反応せ
しめて前記シリコン膜を実質的にタングステン膜に置換
した導体層で構成して成ることを特徴とする半導体装置
により、達成される。

また、上記本発明の第２の目的は、 （１）半導体基板上の所定領域にタングステン導体層パ
ターンを形成するに際し、予め前記タングステン導体層
パターンに見合った同一形状のシリコン膜パターンを形
成しておき、このシリコン膜パターンを還元剤としてタ
ングステン含有原料化合物ガスと反応させ、前記シリコ
ン膜パターンを実質的にタングステン膜パターンに置換
する工程を有することを特徴とする゛ト導体装置の製造
方法により、また、（２）を導体基板上に１層間絶縁膜
を形成する工程と、この層間絶縁膜にコンタクト孔パタ
ーンを設ける工程と、このコンタク１〜孔内にシリコン
膜を充てん形成する工程と、このシリコン膜を還元剤と
してタングステン含有原料化合物ガスと反応させること
により実質的にタングステン膜に置換する工程と１次い
で前記タングステン膜と電気的に接続され、かつ前記層
間絶縁膜上に延在する導体パターンを形成する工程とを
有することを特徴とする半導体装置の製造方法により、
達成される。

本発明のさらに好ましい条件を述べると以下のとおりで
ある６ まず、」−４己シリコン膜パターンをタングステン膜に
置換するに際し、このシリコン膜パターンの少なくとも
底部領域に、予めバリア膜として低抵抗体層を形成して
おき、シリコン膜パターンがタングステン膜に置換され
たとき、このバリア膜、ヒにタングステンＩＩが形成さ
れるようにすることである。このバリア膜は、シリコン
膜がその表面から深さ方向に順次タングステンに置換さ
れて行くときその界面で置換を停止する役割を果す。し
たがって、このバリア膜は低抵抗体であると共にＣＶＤ
の温度域（５５００℃）においてＷと反応しにくい熱的
に安定な材質であることが望ましく、具体的には、例え
ばＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａなどの遷移金属元素単体、ある
いはその窒化物、もしくはそのケイ化物、アルミニウム
窒化物、コバルトケイ化物およびＴｉ−Ｗ合金の群から
選ばれて成るいずれか１種の導体層から成り、その好ま
しい厚みは５００〜３０００人、より好ましくは１００
０〜２０００人である。ＡΩ、　Ａｕ、　Ａ４などは反
応し易く好ましくない。なお、この種のバリア膜の形成
は必ずしも必要としないが、例えば半導体基板とタング
ステンとの直接の接続を好まない場合とか、タングステ
ン化の対象となるシリコン膜の底部界面で確実にタング
ステン置換反応を停止させたい場合などに有効である。

次に、上記シリコン膜をタングステン膜に置換する工程
における反応条件として好ましくは、上記タングステン
含有原料ガスがシリコン膜により容易にタングステンに
還元され得るタングステン化合物、例えばタングステン
ハロゲン化物、とりわけタングステンフッ化物ＷＦ、か
ら成ることであり、上記シリコン膜パターンの形成され
た半導体基板を２００〜６００℃に加熱した状態で前記
タングステン含有原料ガスに晒すことである。

上記シリコン１１！！Ｉパターンをタングステン膜に置
換するに当っては、前処理として予めこのシリコン膜の
表面にタングステン析出反応制御膜を形成したのち、こ
の反応制御膜を介してタングステン含有原料化合物を反
応させ、シリコン膜をタングステン化することが好まし
い。シリコン膜をタングステン化するいわゆるＳＬのＷ
への置換反応は膜の表面からその内部深さ（もしくは厚
み）方向に進行するのが望ましいが、特別な前処理を施
さなければ通常は表面全体が優先的にタングステン化し
てしまい深さ方向の反応は極めて遅くなり十分な厚さの
タングステン化が得られにくくなる。

したがって例えば３００ｎｍを越えるような厚みのタン
グステン化を必要とする場合には、上記のごとく反応制
御膜の形成が有効となる。この反応制御膜の作用はシリ
コン膜表面全体のタングステン化を遅らせ、シリコン膜
の深さ方向のタングステン化を促進し、全体として厚い
タングステン膜への置換を可能とする。この種の反応制
御膜としては。

シリコン酸化膜が好ましいが、反応υＪ期においてシリ
コン膜表面のタングステン化の核の発生を妨害し、膜の
深さ方向への反応を促進する作用効果を有する薄膜であ
れば、その他の材質から成る股でも良く、１〜３ｎｍの
薄い膜とすることが望ましい。そして、前処理の容易さ
と、その作用効果から実用上シリコン酸化膜を形成する
のが好ましく、化学薬品でシリコン膜表層に薄い酸化膜
を形成する周知のケミカルオキサイド（ＣＩ＋ｅｍｉｃ
ａｌ　０ｘｉｄｅ）と称される酸化処理が実用的である
。また、この反応制御膜は、シリコン膜のタングステン
置換反応が終了した時点で不要となり除去される。

〔作用〕

上述のとおり本発明においては、ステップカバレジの良
さは、シリコン膜を形成することで実現し、タングステ
ン膜の形成は、このシリコン膜の形状に見合ってシリコ
ン膜自身を還元剤とすることでタングステン含有原料化
合物ガスからタングステンを析出させることにより、シ
リコン膜を実質的にタングステン膜に置換することによ
り品質の良好なタングステン導体層を実現するものであ
る。

前述の従来技術と基本的に異なる点は、タングステン含
有原料化合物ガスを例えばＷＦ、としたとき、タングス
テンの析出する反応メカニズムが下記（４）式に示すよ
うに、半導体基板上に予め形成したシリコン膜パターン
を還元剤として進行することである。

２ＷＦ、＋３ＳＬ　（シリコン闘　→２Ｗ＋３ＳｉＦ４
・・・・・・（４）つまり、シリコン膜パターン（ＳＬ
）を消費しながら、シリコン膜パターンの形状に見合っ
てタングステン膜が形成されるものであり、その意味か
ら本発明では置換という表現をとっている。いしたがっ
て、本発明においてはシリコン膜パターンがすべて還元
剤として消費尽されるとタングステンの析出反応は自然
に停止される。したがって、シリコン膜の形成されてい
ない基板」二にはタングステンは析出しない。一方、従
来技術の場合は、タングステンの原料ガス（Ｗ＋”６）
と還元剤としてのＳｉＨ４及びｌ−Ｉ２とを同時に半導
体基板−Ｌに送給して、全面にＷを析出堆積するもので
ある。この反応メカニズムの相異によって１本発明によ
り形成されたタングステン導体層は、従来の柱状組織と
は異なり、比較的ち密な等方的な形状を有している。

上述のとおり、本発明においては反応初期の段階で、シ
リコン膜パターン（以下、単に５１１１ｍと略称）表面
全面にわたり薄いＷ膜が形成されると、膜厚（深さ）方
向のＷＦ５と８１との反応の進行は極めて遅くなり、つ
いにはＳＬのＷ置換はシリコン膜のごく薄い部分で止っ
てしまう。したがって、Ｗ置換膜に成る程度の厚みを要
する場合には、タングステン析出反応制御膜を８１膜上
に形成してから適切なＣＶ　Ｄ温度（２００〜６００℃
）で反応させれば、Ｓｉ膜表面に−様なＷ膜が形成され
にくくなるので、その分だけＷ［？６とＳｉとの反応は
Ｓｉ膜の深さ方向に奥まで進み、厚いＳｉ膜でもＷ膜に
置換することができる。この結果、タングステン析出反
応制御膜（多くの場合シリコン酸化膜が好適）の厚さと
ＣＶＤ温度を適正に選べば、厚さ１μｍｎものＳ用膜を
Ｗ膜に置換することが可能である。

また、このＷ置換反応をＳｉ膜とその下地（多くの場合
半導体基板表面）との界面で止めたい場合には、その界
面に前述のバリア膜を設ければよい。また、Ｓｉ膜をＷ
膜に置換したのち、従来技術のようにＷＦ、を還元する
ためのｌ−Ｉ２　ｙ　Ｓ　Ｉ　Ｈ４等を加えると、ＷＦ
６からのＷの析出反応が進み。

本発明で置換されたＷ膜の隙間、或いはその上部に更に
Ｗを析出し得ることは云うまでもない。

以下、第１図を用いて、Ｓｉ膜のＷ膜への置換反応の様
子をさらに具体的に説明する。

ここではＳｉ膜の代りに直接ｐ型（１００）　Ｓ　ｉ単
結晶基板上にＷＦ６を反応させて、その表面をＷ膜化す
る原理実験についてＷの成長膜厚の形成時間依存性を示
している。ＣＶＤ条件はＷＦ、とＮ２との流量はそれぞ
れ２０．２０００ｓｃｃｎ＋、形成温度は３００〜６５
０℃、全圧力は０，７５ｔｏｒｒであった。

第１図（ａ）は希釈した１％ＨＦ水溶液で６０秒間洗浄
してＳＬ基板表面の酸化膜を除去した後、かかるＳｉ単
結晶基板を低圧ＣＶＤ装置に導入した場合の結果を示し
たものである。３００℃においては、Ｓｉ基板上に形成
されるＷ膜厚はほぼｌ　Ｏｎ　＋ｎ程度で形成時間に依
らず一定である。３５０℃においては、Ｗの一定膜厚は
ほぼ極大をとり３００　ｎ　ｍ程度になる。２００℃よ
り低い温度では反応はほとんど進まずＷ膜は形成されな
かった。また、形成温度を６００℃を越える高温にする
と、Ｓｊ基扱とＷＦ、との反応により主としてタングス
テンシリサイドが形成され１表面の凹凸は大きくなり、
膜の電気抵抗も著しく増大した。

したがって、Ｗ成長に望ましいＣＶＤ温度領域としては
、２００〜６００℃が、より望ましくは３００〜５５０
℃である。この第１図（ａ）の各曲線から、ＣＶＤの温
度のコン１へロールのみでも、成る程度の膜厚の範囲内
でＷ成長の膜厚を制御し得ることが理解できよう。

第１図（ｂ）は、１１０°Ｃに熱した硝酸処理によりＳ
ｉ単結晶表面に１．Ｉｎｔｏの酸化膜（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌＯｘｉｄｅ）をタングステンの析出反応制御膜として
形成した後、Ｗ膜を成長させた結果を示したものである
。３００℃においては、同図（ａ）と異なり、Ｗ膜）’
Ｉ［は形成時間とともに増大した。３５　（１’Ｃ〜６
００て〕と形成温度が高くなるに従い、ｌ−１Ｆ洗浄で
酸化膜を除去した場合（同図（、、））と同等の結果と
なった。つまり、このように形成温度が高くなると、上
記反応制御膜として形成した酸化膜（Ｓｉｎ２）白身が
ＷＦＧによりエツチングされ、もはや反応制御膜として
の機能を失っているためと思われる。したがって、この
ような高温度領域で反応させる場合には、上記酸化膜の
厚さをさらに厚くすれば反応制御膜としての機能を維持
し、形成時間に見合ったＷ膜厚が得られることになる。

この様子を示したものが次の第１図（ｅ）である。

第１図（ｃ）は、酸化膜の厚さを」二記第り図（ｂ）の
１．ｌｎｍから、１．５ｎｍに増加させた場合のＷ膜の
成長結果を示したものである。酸化膜の形成は、８００
℃の乾燥０２中でＳｉ単結晶表面に１．５ｎｍの熱酸化
膜を形成したものである。この場合、４００℃以下では
酸化膜の影響で連続的なＷ膜が成長しなかったが、４５
０℃では、形成時間と共に著しくＷ成長膜厚が増大した
。ただし、酸化膜厚が３旧口を越えると、形成温度６０
０℃においてもＷ膜は成長しなかった。また、１．Ｏｎ
ｏ＋より薄い酸化膜厚は、はぼ自然酸化膜厚と同等であ
り制御良く形成することが困難であった。以上の結果か
ら、形成温度２００〜６００℃において、ＷＩＩ！ｌ￥
厚にしてＩ３００　ｎ　ｕ＋程度の置換反応がおこるこ
と、さらに表面に１．０・〜３．Ｏｎｍの酸化膜を形成
すれば、置換反応はさらに増長され、Ｗ膜厚にして１μ
ｍ程度にまで達することがわかった。

このように１反応時の基板温度、もしくはタングステン
析出反応制御膜を設ける場合にはその厚さと適正な基板
温度とを選択することにより、Ｓｉ基板上に形成されろ
Ｗ膜の厚さを任意に選定することができる。以上の例で
は５ｉｌｌｉパターンに代り、Ｓｉ単結晶基板自身の表
面をＷ化することを主体に説明したが、任意の形状に形
成したＳＬ膜パターンをＷ膜に置換する場合も全く同様
に理解できる。

〔実施例〕

以下、図面により、本発明の代表的実施例を示す。

実施例１ 第２図（ａ）−（ｉ）は、ＭＯ３ＦＥ’ｒにおけるコン
タクト部および多層配線の接続孔へのＷ導体埋込みの例
を工程順に表わした半導体装置の要部断面図を示す。

まず、第２図（ａ）に示すように、ｐ型（１００）Ｓｉ
基板１上に、フィールド酸化膜２、厚さ１５ｒ＋ｎ＋の
ゲート酸化膜２′を形成した後、多結晶シリコン膜３（
厚さ３００ｎｍ）を低圧ＣＶＤ法で堆積させ、不純物を
添加し低抵抗化した後、ゲート電極形状に通常のリソグ
ラフィー技術を用いてパターニングした。次いで多結晶
シリコンゲー＋−、ｉｔ　Ｉ４３をマスクとして、Ａｓ
を用いたイオン打込みを行ない、続く熱処理により、ソ
ース・ドレイン領域４を形成した。その後、　ＨＬ　Ｉ
）　（ｌｌｉｇｂ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　１．ｏｗ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）の５
ｉｎ２膜５をＣＶＤ法で堆積させた後、全面ドライエツ
チングにより、ゲート周辺部にのみＨＬＤ［５を残し、
いわゆるＬ　Ｄ　Ｄ　（Ｌｉｇｈｔｌｙ　Ｄｏｐｅｄ　
Ｄｒａｉｎ）構造を形成した。

その後、第２図（ｂ）に示すようにＢ　ｌ）　Ｓ　Ｇ（
Ｂａｒｏｎ　ｄｏｐｅｄ　ＰＳＧ）　ｉ％６を厚さ７０
０ｎｍ程ＣＶＤ法で堆積させた後、Ｎ２中で９００℃で
アニールし、ＢＰＳＧ膜の緻密化を行なった後１通常の
ホトリソグラフィー技術を用いて直径０．６μｍのコン
タク１−穴りを形成した。

次に、第２図（ｃ）に示すように、反応性スパッタリン
グによ−り窒化チタン（ＴｉＮ）膜導体７（厚さ１５０
ｎｍ）を全面に堆積した後、低圧ＣＶＤ法により、形成
温度６２５℃で多結晶シリコン膜３′（厚さ４００ｎｎ
＋）を堆積した後、全面が平坦になるようにフオトレジ
スｌ−１！！４８を塗布した。

その後、第２図（ｄ）に示すように、ｓＦ、を用いたド
ライエツチングを全面で行ない、窒化チタン膜７と多結
晶シリコン膜３′をコンタクト穴り内部にのみ残した。

その後、試料を１１０℃で加熱したＨＮＯ，中に１分間
浸して、多結晶シリコン膜３′表面に厚さ１　、　Ｉｎ
ｎの薄い酸化膜２′を形成した。

その後、第２図（ｅ）に示すように、ＷＦｂを用いたＣ
ＶＤ法により、前記多結晶シリコン膜３′をすべてタン
グステン膜９に置換した。Ｃ■１〕条件は、ガス流量Ｗ
　Ｆ　ｓ　／　Ｎ　２　＝　２０　／　２０００ｓｅｃ
ｍ　。

全圧力０．７５ｔｏｒｒ、温度３５０℃、形成時間３０
分であった。窒化チタン膜７は、主として置換反応のバ
リアの他に、ＷとＳｉ基板４との反応抑止バリアとして
の働きを持つ、したがって、前の第１図（ｃ）工程では
全面にＴｉＮ７を形成したが穴り内にのみ選択的に形成
するプロセスがあればそれでもよい。また、第１図（ｄ
）工程ではコンタク］・穴り内部にのみ残したが、場合
によっては、ＴｉＮ７膜をエツチング除去せず、穴７の
外部に残しても差しつかえない。むしろ、この上にＡＱ
等の導体層が後の工程で形成される場合には、この′ｌ
″ｉＮがＡＱｌｊＪに対してもバリアとして作用し好ま
しく信頼性の向上に役立つ。コンタクト穴１１内に残し
た多結晶シリコン３′をＷに置換後１表面に一部残され
た酸化膜２′は、ＨＦ水溶液により取り除く。

その後、第２図（ｆ）に示すように、Ａｎ膜１０（厚さ
５００ｎｍ）、モリブデンシリサイド膜１１（厚さ１０
１００ｎを順次堆積し、通常のホトリソグラフィー技術
を用いて堆積構造のＡＱ配線を形成した後、プラズマＳ
　ｉ　Ｏ／　Ｓ　ＯＯ（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　ＧＩＩＪｓＳ
）／プラズマＳｉＯ積層膜１２（厚さ、それぞれ：１Ｏ
Ｏｎ　ｍ／３００ｎ　ｍ／３００ｎ　ｍ、合計１μｍ）
を堆積した後、通常のホトリソグラフィー技術を用いて
、積層膜１２にモリブデンシリサイド膜１１に達する直
径０．５μｍの接続孔ｈ　’　を形成した。

その後、第２図（ｇ）に示すように、全面に低圧ＣＶＤ
法によって、非晶質Ｓｉ膜３″′を厚さ５００ｎｍ堆積
した後、全面ドライエツチングにより非晶質Ｓｉ膜；３
′を接続孔部１＋　１内にのみ残す。

この場合、ΔＱ配線１０の耐熱性を考えＳｉ、Ｉｌ、。

を用いて５００℃という低温で８１を堆積したため。

形成されたＳｉ膜は多結晶状ではなく非晶質になった。

その後、市記第１図（ｄ）工程と同様にして１１０℃に
熱したＩ−Ｉ　Ｎ　ＯＪ中で試料を処理し、非晶質Ｓｉ
膜３り上に厚さ１．３ｎｍの薄い酸化膜２りを形成した
。

その後、第２図（ｈ）に示すように、ＷＦ、を用いたＣ
ＶＤ法により、非晶質Ｓｉ膜３′をすべてタングステン
膜９に置換した。その後、第２図（ｅ）工程を同様にし
て表面に一部残された酸化膜２″′は、ＩＩＦ水溶液に
より取除いた。ＣＶＤ条件は、ガス流量Ｗ　Ｆ　、　／
　Ａ　ｒ　＝　２０７２０００ｓｅｃｔｏ　、全圧力０
．５ｔｏｒｒ温度３５０℃、形成時間３０分であった。

接続孔部ｈ′内の非晶質Ｓｉ膜３′をタングステン９へ
の置換後、接続孔を完全にタングステン膜９で充たすた
めに、さらにＩ（、を加えた通常のＷＦ６＋Ｈ２による
タングステンＣＶ　ｌ）を行なった。

この場合のＣＶＤ条件は、ガス流量ＷＦ、／Ｈ２＝２０
　／　２０００ｓｅｃｍ　、全圧力Ｑ、５ｔｏｒｒ、温
度：３５０℃、形成時間は１０分であった。このｒ−ｔ
　２を加えたＷ　−Ｃ：、　ＶＤにより、タングステン
膜がさらに１００　ｎ　ｍ程成長した他、置換後のタン
グステン膜の隙間をタングステンで充たし緻密化する効
果を持った。なお。

この通常のＷ−ＣＶＤを用いた理由は、前述の作用の項
に反応式（４）を示したとおり、Ｓｉ膜をＷ膜に置換す
る際には体積変化が生じ、Ｓｉ膜が３モルに対し、Ｗ膜
が２モルの割合で置換され。

元のＳｉ膜はＷ膜に置換されることにより体ｆａが１／
２〜１／３減少することになる。そこでこの減少により
生じる膜中の隙間や窪みを埋め＝ｌ’坦化するためにＷ
を補う１］的で形成したものである。

このＣＶＤ条件によればＷ膜上の領域にのみ選択的にＷ
を析出させることができる。

その後、第２図（ｉ）に示すように、ＡＭ膜１０　（厚
さ９００ｎｒｎ）をスパッタ法により堆積し、通常のホ
トリソグラフィー技術を用いて、２にη目のΔＱ配線を
形成した。

本実施例で１ｉコンタクト穴、およびＡ１１）配線間の
接続孔が、タングステン膜９により埋め込まれているた
め、平坦な多層配線構造が得ら扛、ＡＱ配線の段切れ等
の問題が大幅に改善された。また、ソース・ドレインと
のコンタク１〜抵抗、およびＡＱ膜の層間のコンタク１
〜抵抗は、従来のＷの埋め込みを用いない場合と比べて
、低減した。本実施例においては、コンタク；・部での
バリアメタルとして、Ｔ　ｉ　Ｎ膜７１層間接続孔では
、モリブデンシリサイ１〜膜１１を用いたが、これらい
ずれの膜にも他にＷ、Ｔｊ、Ｔａ、の遷移金属元素単体
、あるいはその窒化物、もしくはそのケイ化物（シフサ
イド）やアルミニウム窒化物、コバ用ｌ−ケイ化物、さ
らにはｒｉＷなどの合金膜を用いても同等の効果が得ら
れる。

また１層間絶縁膜としては、第１層［１に１３ＰｓＧ膜
６、第２層目にＰ　−Ｓ　ｉ○／　Ｓ　ＯＧ　／　Ｐ　
−８ｉＯ重ね膜１２を用いたが、代オ］りにｒ’　Ｓ　
Ｇ、ポリイミド系の耐熱性有機高分子絶縁物等を用いて
も同様の構造が得られる。

実施例２ 以下、本発明の他の実施例を第３図により説明する。第
３図に、本発明を用いたＭＯＳＦＥＴのコンタクト部へ
のＷ埋込み例の断面工程図を示す。

なお、この実施例の特徴点は、以下の説明から明らかで
あるが、予め説明しておくと、シリコン膜３′のダンゲ
ステン置換反応時に、その表面に形成する反応制御膜（
実施例２では酸化ＩＶ：（で）を省略したものである。

第３図（ａ）に示すように、実施例１と同様のプロセス
を用いてＬＤＤ構造のゲート電極を形成する。その後、
スパッタ法によりチタン膜１３（厚さ５０ｎｍ）を全面
に堆積した。

その後、同図（ｂ）に示すように、Ｎ２中で７００℃、
３０分加熱し、チタン膜１３とソース・ドレイン領域４
のシリコンとを反応させチタンシリサイド１４をソース
・ドレイン領域４の表層部にのみ形成した。フィールド
酸化膜２及びＨＬＤＳｉＯ□膜５」二の未反応のチタン
膜１３は、過酸化水素と水酸化アンモニウムとの水溶液
（■２０２＋ＮＨ４ＯＨ＋５Ｈ２０）でエツチングし取
り去った。ソノ後Ｌ：　、　Ｐ　−Ｓ　ｉ　Ｏ／　Ｓ　
ＯＧ　／　Ｐ　−Ｓ　ｉ　Ｏ／ＳＯＧ／Ｐ−８ｉＯ５層
から構成された層間膜６（厚さ、それぞれが２００　ｎ
　ｍで合計１μｍ）を堆積した後１通常のホトリソグラ
フィー技術を用いて、直径０．５μｍのコンタクト穴１
１を形成した。

その後、同図（ｃ）に示すように、りんを添加した非晶
質シリコン［３’　を厚さ５００ｎｍ堆積した後、全面
ドライエツチングにより、コンタクト部に深さ約３００
ｎｍ残すまでエツチングを行なった。

この後、同図（ｄ）に示すようにＷＦ６とのＣＶ　１）
法により非晶質シリコン１１Ａ３’　をすべてＷ膜９に
置換した。ＣＶＤ条件は、ガス流量ＷＦ、／Ｎ　２＝　
２０　／　２０００ｓｅｃｍ、全圧力０．５ｔｏｒｒ、
デポジション温度３５０℃、４０分であった。なお、こ
の場合には、非晶質Ｓｉ膜３り上にはあらかじめ酸化膜
は形成しなかった。この後、コンタクトの穴の四部を充
たすために、５ｉＩＩ４とＩＩ２とを加えた通常のＷ−
ＣＶＤをさらに行なった。この場合のｃ　Ｖ　Ｄ条件は
、ガス流量Ｗ　Ｆｂ／　Ｓ　ｘ　Ｈ４／　Ｉｌｚ　＝　
１０／　１０７２０００ｓｅｃｍ＋、全圧力０．１ｔｏ
ｒｒ、デポジション温度２５０℃、５分であった。なお
、コンタクト穴の四部を十分にＷで充たす必要がない場
合には、このＳ　ｉ　Ｈ４とＨ３とを加えたｗ−ｃｖｏ
は行なう必要はない。

さらに同図（ｅ）に示すように、ＡＱ膜１０を厚さ７０
０ｎｍ程堆積させ、通常のホトリソグラフィー技術を用
いてＡＱ配線パターン１０を形成した。

本実施例では、チタンシリサイド］４はソース・ドレイ
ン領域４の抵抗を低減するだけでなく、非晶質シリコン
ｌ１ｌ１３’のタングステンへの置換バリアとしての効
果を持つ、このようにして作製したＭＯＳＦＥＴは、寄
生抵抗が低減したため、チタンシリサイド１４、タング
ステン膜９を用いない場合に比べて、相互コンダクタン
スｇ、の向上が見られた。

実施例３ 以下１本発明の他の実施例を第４図を用いて説明する。

第４図は９本発明を高濃度拡散層部のコンタクトへ応用
した試料の断面を示した工程図である。この実施例の特
徴点は、バリア収を省略したところにある。

第４図（ａ）に示すように、Ｐ型（１００）シリコン基
板１（担抗率９−１２ΩＣＸＢ）上に、フィールド酸化
膜２を形成した後、Ａｓをドーズ量５×ＩＱ”ａｎ−２
，エネルギー８０ＫｅＶでイオン打込みを行なった後、
９５０℃、３０分、Ｎ２中で加熱して、高濃度拡散層４
を形成した。

その後、同図（ｂ）に示すように、Ｉ）　Ｓ　Ｇ膜１５
を低圧ＣＶＤ法により厚さ９００ｎｍ堆積した後、直径
０．４μｒｎのコンタクト穴を形成し、多結晶シリコン
膜３′　（厚さ５００ｎｍ）を。

５ｉＨ２Ｃｆｉ、とＨＣＱを用いた低圧ＣＶＤ法により
、高濃度拡散層４−ヒのみに選択的に成長させた。

コノ場合、ＣＶＤ１１度を高温（）９００℃）にすると
、シリコン成長膜は、多結晶から単結晶へと移行する。

その後、７０℃に加熱した水酸化アンモニウムと過酸化
水素との水溶液（Ｎ　ＩＩ、　ＯＩＩ　＋　ｌＩ２０２
＋５０２０）中で試料を１０分間加熱し、表面に１．５
ｎ　ｍの薄い酸化膜２′をＷ析出反応制御膜として形成
した。

その後。同図（Ｑ）に示すように、コンタクト穴りに選
択的に埋め込んだ多結晶シリコン３′を、ＷＦ、を用い
たＣＶＤ法により、すべてＷに置換した。ＣＶＤ条件は
、ガス流：ｌＷＦ、／Ｎ２＝２０／２０００ｓｃｃａ＋
、全圧力０，７５ｔｏｒｒ、温度３００℃、形成時間１
２分であった。ＳｉのＷへの置換反応は、このＣＶＤ条
件では高濃度拡散層４部では不純物添加をしない場合に
比べて約１／２以下に遅くなるため、Ｗ置換反応を高濃
度拡散層４と多結晶シリコン３′の界面付近で制御良く
止めることができた。

このあと、酸化膜２′は、ＨＦ水溶液で取り除く。

その後、アルミニウム膜１０（厚さ１μｍ）をスパッタ
法により堆積し、通常のホトリソグラフィー技術を用い
てアルミニウム配線パターン１ｏを形成した。このよう
にして形成したコンタク１への接触抵抗は、ｌＸｌ０−
７ΩａｌＩ２以下と良好でしかも接合のリーク特性の劣
化は見られなかった。

以上の実施例は、いずれも層間絶縁膜に設けたコンタク
１−穴内にシリコン膜を埋込んで、これをタングステン
膜に置換することにより導体として電気的に接続するも
のであったが、次の実施例４は平面的な回路パターンの
導体とするものである。

実施例４ 以下、本発明の他の実施例を第５図を用いて説明する。

第５図は、本発明を用いたＷ電極配線パターンの製造方
法を示す。工程図である。

第５図（ａ）に示すように、■）型（あるいはＮ型）の
シリコン結晶基板１表面に、フィールド酸化膜およびゲ
ート酸化膜２（厚さ１０ｎｍ）に、ＴｉＮ膜７（厚さ２
００　ｎ　ｍ　）　、多結晶シリコン膜３（厚さ５００
ｎｍ）を低圧ＣＶＤ法により順次堆積した。

その後、同図（ｂ）に示すように、通常のホ１へリソグ
ラフィー技術により、ＴｉＮ膜７と多結晶シリコン膜３
の重ね膜を加りし、′電極配線パターン３を形成する。

その後、熱間Ｍ　（１１０℃）処理し、多結晶シリコン
膜コ３上に１．５ｎｍの酸化膜２″を形成し、これをタ
ングステン析出反応制御膜とした。

その後、同図（Ｃ）し示すように、実施例１と同様のＷ
Ｆ６との置換反応を用いて多結晶シリコン膜３をタング
ステン膜９に置換した。本実施例によれば、加工した多
結晶シリコン電極配線パターン３のみを選択的にタンク
ステン電極配線パターン９に置換することができる。ま
た１本実施例のように、ＴｉＮ膜７を用いれば絶縁膜と
の接着性は極めて良好であった。

この実施例のように、シリコン膜上の反応制御膜（酸化
膜）の膜厚（１，５ｎｍ）をその他の領域の酸化膜２（
薄い部分でもゲート酸化膜と同一の１０ｎｍ）より薄く
することにより、ＷＦ６とシリコンとの反応をシリコン
電極配線パターン３のみに選択的に進行させることがで
きる。また、シリコン電極配線パターン３のタングステ
ン化（置換）は、その表層部から進行するので必要に応
じ完全に置換せずに大半置換したところで多少の未置換
部を残した状態で停止することもできる。多層配線構造
体の種類によっては、むしろこの様な未置換部を積極的
に残した方が好ましい場合もある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シリコンのタングステンへの置換反応
により、微細接続孔に、平面が平坦でしかも被覆性の優
れたタングステンの埋込みを形成することができる。本
発明は、従来より行なわれている多結晶シリコンの埋込
み技術との互換性に優れ、通常の半導体装置を用いて容
易に実現できるために、経済性、効率のＬから優れてい
る。

また、微細接続孔への埋込みに限らず、所望のシリコン
配線パターンを形成しておき、これをそのパターンに見
合った形状を保持しつつタングステン配線パターンに置
換することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明するためのシリコン基板
の温度をパラメータとし、シリコン基板りのＷ成長膜厚
の形成時間依存性を示した特性曲線図である。第２図、
第３図、第４図及び第５図はそれぞれ本発明の異なる実
施例を示す工程説明用要部断面図である。 図において、 １、・・・　シリコン結晶基板 ２．２’　、２“、２ｂ′　　・・・　シリコン酸化膜
３．３′・・・　多結晶（又は非晶質）シリコン膜４、
・・・　ソース・ドレイン領域 ５、−　１１ＬＤ−９ｉＯ，膜 ６、・・・　ＢＰＳＧ膜 ６′、・・　Ｐ　−Ｓ　ｉ　Ｏ／　Ｓ　ＯＣＥ　／　Ｐ
　−Ｓ　ｉ　Ｏ／Ｓ　ＯＧ　／　Ｐ　−Ｓ　ｉ、　０層
間絶縁膜７、・・・　Ｔ　ｉ　Ｎ膜 ８、　・・・ ９．　・・・ １０、　・・・ １１、　・・・ １２、　・・ １３、　・・・ １４　、　・・・ １５、・・・ ホトレジスト膜 タングステン膜 アルミニウム膜 モリブデンシリサイド膜 Ｐ−８ｉｏ／ＳＯＧ／Ｐ−８ｉｏ膜 チタン膜 チタンシリサイド ＰＳＧ膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上の所定領域にタングステン導体層パタ
   ーンを有して成る半導体装置において、前記半導体基板
   上に予め前記タングステン導体層パターンに見合った同
   一形状のシリコン膜パターンを設けておき、このシリコ
   ン膜パターンを還元剤としてタングステン含有原料化合
   物ガスと反応せしめて前記シリコン膜を実質的にタング
   ステン膜に置換したタングステン導体層パターンで構成
   して成ることを特徴とする半導体装置。 ２、半導体基板上に設けられた層間絶縁膜と、この絶縁
   膜に設けられたコンタクト孔を通して前記半導体基板と
   電気的に接続された導体層とを有して成る半導体装置に
   おいて、前記導体層がタングステン導体から成り、この
   タングステン導体が、前記コンタクト孔内に予め形成さ
   れたシリコン膜を還元剤としてタングステン含有原料化
   合物ガスと反応せしめて前記シリコン膜を実質的にタン
   グステン膜に置換した導体層で構成して成ることを特徴
   とする半導体装置。 ３、半導体基板上の所定領域にタングステン導体層パタ
   ーンを形成するに際し、予め前記タングステン導体層パ
   ターンに見合った同一形状のシリコン膜パターンを形成
   しておき、このシリコン膜パターンを還元剤としてタン
   グステン含有原料化合物ガスと反応させ、前記シリコン
   膜パターンを実質的にタングステン膜パターンに置換す
   る工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法
   。 ４、半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、こ
   の層間絶縁膜にコンタクト孔パターンを設ける工程と、
   このコンタクト孔内にシリコン膜を充てん形成する工程
   と、このシリコン膜を還元剤としてタングステン含有原
   料化合物ガスと反応させることにより実質的にタングス
   テン膜に置換する工程と、次いで前記タングステン膜と
   電気的に接続され、かつ前記層間絶縁膜上に延在する導
   体パターンを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。 ５、上記シリコン膜の少なくとも底部領域に、予めバリ
   ア膜として低抵抗体層を形成する工程を有することを特
   徴とする請求項３もしくは４記載の半導体装置の製造方
   法。 ６、上記シリコン膜の表面に予めタングステン析出反応
   制御膜を形成したのち、この反応制御膜を介して前記シ
   リコン膜をタングステン膜に置換する工程と、次いでこ
   の反応制御膜を除去する工程とを有することを特徴とす
   る請求項３、４もしくは５記載の半導体装置の製造方法
   。 ７、上記シリコン膜をタングステン膜に置換する工程に
   おける反応条件として、上記タングステン含有原料ガス
   はシリコンにより容易にタングステンに還元され得るタ
   ングステン化合物から成り、かつ上記半導体基板は２０
   ０〜６００℃の加熱下において上記タングステン含有原
   料ガス雰囲気中に晒されて成ることを特徴とする請求項
   ３、４、５もしくは６記載の半導体装置の製造方法。 ８、上記タングステン含有原料化合物ガスが、タングス
   テンハロゲン化物から成ることを特徴とする請求項３、
   ４、５、６もしくは７記載の半導体装置の製造方法。 ９、上記バリア膜が、遷移金属元素単体、あるいはその
   窒化物、もしくはそのケイ化物、窒化アルミニウム、コ
   バルトケイ化物およびチタンタングステン合金の群から
   成る導体の１種から選択されて成ることを特徴とする請
   求項５記載の半導体装置の製造方法。 １０、上記タングステン析出反応制御膜が１〜３ｎｍ厚
   みのシリコン酸化物膜から成ることを特徴とする請求項
   ６記載の半導体装置の製造方法。