JPH03151634A - 選択タングステン成長方法および装置 - 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］ この発明は、半導体素子の製造においてコンタクト孔へ
タングステンを埋め込むための選択タングステン成長方
法および装置に関し、特に減圧気相成長によるタングス
テン埋め込み前にコンタクト孔に露出している導電層を
前処理することに特徴のある選択タングステン成長方法
および装置に関する。

［従来の技術］ コンタクト孔に導電物質を埋め込んで電極や配線層間の
コンタクトをとる場合に、導電物質としてタングステン
を埋め込む技術が知られている。

例えば、Ｓｉ基板やＡ１配線膜の上に、５ｉｏ２等の絶
縁膜よりなるマスクパターンを形成してコンタクト孔を
作り、このコンタクト孔にタングステンを減圧気相成長
（減圧ＣＶＤ）で埋め込む。

タングステンは、コンタクト孔に露出したＳｉ基板やＡ
１配線膜の上にだけ成長し、絶縁膜」−には成長しない
。このようなタングステン成長方法を選択タングステン
ＣＶＤ法と呼ぶ。

選択タングステンＣＶＤ法はＷＦ６ガスとＨ２ガスを使
用し、Ｈ２還元反応によって選択成長を行っている。Ｓ
ｉやＡ１等の導電層上にのみこのＨ２還元反応が進行し
やすくてＳ　ｉ　０２等の絶縁膜上ではこの還元反応が
進行しにくいという選択成長のメカニズムに関しては、
詳細は不明であるが、例えばＳｉへの選択成長の場合、
一般に以下の反応が進行すると考えられている（Ｋ、　
Ｃ。

５ａｒａｓｖａｔ、　ＶＬＳＩ　Ｓｙｓ＋ｐｏｓｉｕａ
＋　１９８４参照）。

２ＷＦ　６　（ｇ）　　＋　３　Ｓ　ｉ　（ｓ）−”　
　２Ｗ（Ｓ）　＋３　Ｓ　ｉ　Ｆ４　（ｇ）　−（１）
Ｗ　Ｆ　ｂ　（ｇ）　　＋　３　Ｈ２（ｇ）−Ｗ（ｓ）
　＋６ＨＦ（ｇ）　　　　−（２）ここで、（ｇ）およ
び（Ｓ）の記号はそれぞれガス状態と固体状態を示す。

上記（１）式の反応はＳｔ還元反応であってＳｉ上での
み起こり、ＳｉＯ□上では起こらない。これが選択成長
の第１の原因である。

第２の原因には膜表面の化学活性の違いが挙げられる。

ここでは定量的な議論は省略するが、絶縁膜の代表であ
るＳｉＯ２を例にとると、ＳｉとＯの結合は、結合エネ
ルギーの大きな共有結合であって安定であり、ＳｉＯ２
表面は化学的に不活性である。一方、導電層の代表であ
る金属の場合は金属結合であり、またＳｉの場合は弱い
共有結合であって、いずれもその表面は５ｉ０２に比べ
て化学的に活性である。ところで上述の（２）式の反応
は表面での吸着解離反応が律速条件であり、表面の化学
的な活性度がＨ２の吸着解離反応に大きな影響を与える
ことは容易に推察できる。このことにより選択成長が可
能となる。

露出した導電層がＡ１の場合は上述の（１）式の反応が
以下の反応に置き代わる。

ＷＦ　６　（ｇ）　＋２　Ａ　Ｉ　（ｓ）−”　　’Ｗ
（ｓ）　　＋２Ａ　Ｉ　Ｆ３　（ｇ）　　　−（１）上
記（３）式の反応に引き続いて前述の（２）式の反応が
起こり、Ｓｉの場合と同様にＡＩ膜上にもタングステン
の選択成長が可能となる。

一方、最近になってこのＨ２還元反応にかわってＳｉＨ
４還元反応を用いた選択タングステン成長方法が発表さ
れた。このＳｉＨ４還元反応は上述の（２〉式のＨ２の
かわりにＳｉＨ４を用いるものである。反応式は以下の
ようになる。

ＷＦ６（ｇ）　　＋３／４　Ｓ　ｉ　Ｈａ　　（ｇ）→
Ｗ（ｓ）　＋３／４　Ｓ　ｉ　Ｆａ　（ｇ）　＋　３Ｈ
Ｆ　（ｇ）・・・（４） このＳｉＨ４還元反応の場合も、導電層と絶縁膜の膜表
面の化学活性の違いがタングステンの選択成長に大きな
影響を与えることは、Ｈ２還元反応と同様である。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、ＳｉやＡ１の表面は酸化されやすく大気中で
自然酸化膜が形成される。ＳＬの場合、自然酸化膜が存
在するとその上にタングステンの成長は起こらない。部
分的に自然酸化膜が存在する場合でもジャンクションリ
ークの発生やコンタクト抵抗の増大という問題を引き起
こす。Ｓｉの自然酸化膜を除去する方法は、現在、ＨＦ
やＢＨＦ等によるウェットエツチングが主であるが、こ
の方法は、エツチングの再現性に問題があり、水洗によ
る悪影響などもある。

露出した導電層がＡＩの場合は自然酸化膜が存在しても
その上にタングステン膜は形成されるが、コンタクト抵
抗が大きくなる。ＡＩの自然酸化膜については、これを
除去するための最適なウェットエツチング液が無いこと
が問題である。

ウェットエツチングに関するこれらの問題を解決するた
めに、最近、プラズマエツチングを利用することが検討
されている。すなわち、コンタクト孔に露出した導電層
をＡｒガスやＨ２ガスのプラズマで物理的にエツチング
して、導電層上の自然酸化膜を除去しようとするもので
ある。しかし、このようなプラズマエツチングを行うと
、プラズマにより絶縁膜上に活性点が形成される。この
プラズマエツチングの後にタングステンの減圧気相成長
を行うと、」二連の活性点を核として絶縁膜−ににもタ
ングステンが成長しやすくなってしまう。

すなわち、選択性の悪化を引き起こす。このような状態
では、絶縁膜上にもタングステンが成長して選択タング
ステン成長が不可能となったり、あるいは選択タングス
テン成長が可能であってもその成膜条件がきわめて限定
されてしまう。

また、」二連のプラズマエツチングでは酸化膜のエツチ
ング速度が小さく、短時間でエツチングを終了するには
大きな電力を供給しなければならない。そのために基板
へのダメージが大きくなる。

この発明の目的は、選択タングステン成長の前処理段階
にプラズマエツチングを採用するに当たり、選択性の悪
化を引き起こさずに低ダメージで導電層」−の自然酸化
膜を除去できる選択タングステン成長方法および装置を
提供することである。

［課題を解決するための手段および作用］上記の目的を
達成するために、この発明に係る選択タングステン成長
方法では、タングステンの減圧気相成長の前段階として
、露出した導電層の表面を反応性イオンエツチングによ
ってエツチングすることを特徴としている。

導電層としてはＡ１等の金属配線膜やＳｉ（例えば、不
純物をドーピングした拡散層）を挙げることができる。

導電層は、その上に選択タングステン成長が可能なもの
であれば何でもよい。

反応性イオンエツチングで自然酸化膜を除去するように
すると、絶縁膜」−に活性点が生じにくく、選択性の悪
化が起こらない。また、物理的なイオンエツチングと比
較してエツチング速度も大きくなる。

ＡＩの自然酸化膜を除去するには、エツチングガスとし
て塩素系のガスを使用する。塩素系のガスの例としては
、ＢＣ１３、ＣＣ１４などが挙げられる。塩素系のガス
と不活性ガス（例えばＡｒ。

Ｈｅ）との混合ガスを用いてもよい。

Ｓｉの自然酸化膜を除去するには、エツチングガスとし
てフッ素系のガスを使用する。フッ素系ガスの例として
は、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６などが挙げられる。フ
ッ素系のガスと不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい
。

この発明では、反応性イオンエツチングの処理中に基板
を加熱することが望ましい。基板加熱をするとエツチン
グ速度が大きくなり、エツチング時間を短縮したり供給
電力を小さくしたりできる。

また、基板加熱により、反応生成物の基板からの離脱が
促進される。Ａ１の場合を例にとると、Ａ１の自然酸化
膜を反応性イオンエツチングによって除去する場合は、
反応生成物のＡｌＣｌ３が基板に残留してこれが大気中
のＨ２Ｏと反応してＨＣＩになり、ＡＩを腐食すること
がある。これをアフターコロ−ジョンと呼ぶ。このアフ
ターコロ−ジョンを防ぐ一つの手段として、基板を加熱
する方法があり、これによってＡｌＣｌ３が基板に残留
するのを防いでいる。したがって、Ａ１の自然酸化膜を
反応性イオンエツチングによって除去する場合に基板加
熱をすることは、エツチング速度の向上に加えてアフタ
ーコロ−ジョンの防止にも役立っている。

通常の半導体プロセスではコンタクト孔を有するパター
ンをホトレジストで形成する場合が多いが、このような
場合は基板加熱ができない。これに対して、選択タング
ステンＣＶＤ法では上記パターンをＳｉＯ２等の絶縁膜
で形成しているので、ＡＩ配線膜などに影響を与えない
温度まで基板加熱が可能である。

導電層およびエツチングガスの種類にもよるが、この発
明における反応性イオンエツチングの代表的な処理条件
は以下の通りである。

高周波電力　　　５０〜５００Ｗ ガス流量　　　　５〜５０ＳＣＣｍ 基板温度　　　　２０〜３００℃ エツチング時間　３０〜３００秒 この発明の方法によれば、エツチング後でも選択タング
ステン成長の選択性が悪化しないので、タングステンの
減圧気相成長の条件をあまり厳しくしなくても済む。エ
ツチング後の選択タングステン成長の代表的な成膜条件
は以下の通りである。

ＷＦ６ガス流量　１〜２０ｓｅｃｍ ガス混合比　　　Ｓ　ｉ　Ｈ４／ＷＦ６＝０．２〜１．
０ 圧力　　　　　　０．０１〜０．　２Ｔｏｒｒ基板温度
　　　　１８０〜３５０℃ 成膜時間　　　　０．５〜１０ｍ１ｎ これに対して、従来の物理的なイオンエツチングによっ
て前処理したものに選択タングステンＣＶＤで成膜する
場合は、選択性の悪化によって成１ 膜条性が次のように限定されてしまう。

ガス混合比　　　Ｓ　ｉＨａ　／　Ｗ　Ｆ　６＝０．２
〜０．８ 基板温度　　　　２００〜２３０℃ 成膜時間　　　　０．５〜１ｍ１ｎ この発明に係る選択タングステン成長装置では、タング
ステンの減圧気相成長室と、この減圧気相成長室に連通
可能な反応性イオンエツチング室とを備えていて、反応
性イオンエツチング室には基板加熱機構を備えている。

［実施例］ 次に、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の装置の一実施例の正面断面図であり
、第２図はその平面図である。この選択タングステン成
長装置は、中央にセパレーション室１０があり、その両
側に反応性イオンエツチング室１２（以下、単にエツチ
ング室と呼ぶ。）と２ 減圧気相成長室１４（以下、ＣＶＤ室と呼ぶ。）とが、
ゲート弁１８．２０を介して接続されている。セパレー
ション室１０にはさらにロードロック室１６（第２図参
照）が接続されている。

エツチング室１２にはエツチング電極２２と対向電極２
４とがあり、いわゆる平行平板型のプラズマ電極を構成
している。エツチング電極２２の表面には基板２８を取
り付けることができ、エツチング電極２２の内部には基
板２８を加熱するための加熱ランプ２６がある。加熱手
段としては抵抗加熱ヒータ等のその他の加熱源を利用し
てもよい。基板温度測定はエツチング電極２２の温度を
熱電対で測定する。基板２８を加熱ランプ２６で直接加
熱する方式では、放射温度計で基板温度を測定する。エ
ツチング電極２２はインピーダンス整合器３０を経由し
て高周波電源３２に接続されている。一方、対向電極２
４は接地されている。

エツチング室１２には真空排気系とガス導入系が接続さ
れているがその図示は省略しである。

ＣＶＤ室１４は、その基本構成はエツチング室１２と同
じである。すなわち、ＣＶＤ電極３４と対向電極３６と
で平行平板型プラズマ電極が構成され、ＣＶＤ電極３４
の内部には加熱ランプ３８がある。ＣＶＤ室１４の基板
加熱手段も各種の加熱方式を選択できる。ＣＶＤ電極３
４はインピーダンス整合器４０を経由して高周波電源４
２に接続され、対向電極３６は接地されている。エツチ
ング室１４にも真空排気系とガス導入系が接続されてい
るがこの図示も省略しである。

次に、この装置の基本的な動作を説明する。

まず、選択タングステン成長を行うための基板を準備す
る。この基板は、絶縁膜にコンタクト孔がおいていて導
電層が露出しているものである。

ロードロック室１６を大気にしてから基板をロードロッ
ク室１６に導入する。ロードロック室１６を真空に排気
してから、セパレーション室１０を経由して基板をエツ
チング室１２に搬送する。エツチング室１２のエツチン
グ電極２２に基板２８をセットしたら、基板２８を加熱
ランプ２６で加熱する。そして、反応ガスを導入して、
エッチングミ極２２に高周波電力を供給し、プラズマを
発生させる。この反応性イオンエツチングによって導電
層上の自然酸化膜を除去する。次に、基板２８をゲート
弁１８、セパレーション室１０、ゲト弁２０の順に通過
させて、大気にさらすことなくＣｖＤ室１４に入れる。

ＣＶＤ電極３４に基板をセットシたら、基板を加熱ラン
プ３８で加熱する。そして、タングステン成長用の反応
ガスを導入して、ＣＶＤ電極２２に高周波電力を供給し
、プラズマを発生させる。このＣＶＤによって、露出し
た導電層上にのみタングステンを選択成長させる。成膜
の完了した基板はセパレーション室１０を経由してロー
ドロック室１６から取り出される。

次に、Ａ１配線膜上にタングステンを成長させたときの
具体的な実験例を説明する。第３図はこのときの基板断
面の模式図である。第３図（ａ）に示すように、下地の
Ｓｉ基板４８の」二にはＡ１配線膜４６があり、その」
−にＳｉＯ２絶縁膜４４が形成されている。絶縁膜４４
にはコンタクト孔５ ５０が形成され、Ａｔ配線膜４６が露出している。

ただし、露出したＡ１配線膜４６の表面には自然酸化膜
（Ａｔ２０３　）５２が生じている。

この基板を反応性イオンエツチングで前処理して自然酸
化膜５２を除去した。このときの条件は以下の通りであ
る。

導入ガス ガス流量 圧力 高周波電力 基板温度 エツチング速度 エツチング深さ エツチング時間 Ｃ１３ ０ｓｃｃｍ ｍＴｏｒｒ ００Ｗ ２０°Ｃ ２００Ａ／ｍ１ｎ ２００人 ｍｉｎ 第３図（ｂ）は自然酸化膜５２を除去した状態であり、
反応性イオンエツチングによって若干の凹所５３が形成
されている。

次に、選択タングステンＣＶＤを行い、第３図６ （Ｃ）に示すようにＡ１配線膜４６の上にだけタングス
テン５４を成長させる。このときの条件は以下の通りで
ある。

導入ガス　　　　ＷＦ６とＳｉＨ４ ガス流量　　　　ＷＦ６　１０ｓｃｃｍ１０５ｃ　　９
ｓｅｃｍ 圧力　　　　　　０．　　ＩＴｏｒｒ 高周波電力　　　１００Ｗ 基板温度　　　　２５０℃ 成膜厚さ　　　　１μｍ 成膜時間　　　　ｌ　ｍ　ｉ　ｎ 以上の実験では反応性イオンエツチングによる前処理の
ときに基板加熱をしていない（基板温度２０℃）が、基
板加熱をするとエツチング速度が向上した。すなわち、
他の条件を同じにして基板温度を５０〜３００℃にする
と、エツチング速度は４００〜１００ＯＡ／ｍｉ　ｎに
向上した。

第４図は、下地５ｆ４８の上に選択タングステン成長を
行った例である。下地５ｉ４８の上には５ｉ０２絶縁膜
４４があり、これにコンタクト孔５０が形成されている
。下地５ｉ４８が露出した表面には自然酸化膜５６（Ｓ
ｉＯ２）が生じている。

この基板を反応性イオンエツチングで前処理して自然酸
化膜５６を除去した。このときの条件は以下の通りであ
る。

導入ガス ガス流量 圧力 高周波電力 基板温度 エツチング速度 エツチング深さ エツチング時間 Ｆ４ ０ｓｃｃｍ ｍＴｏｒｒ ００Ｗ ２０°Ｃ ４００人／ｍ１ｎ ２００人 ０．５ｍ１ｎ ところで、この反応性イオンエツチングによってＳ　ｉ
　Ｏ２絶縁膜４４もエツチングされることになるが、そ
のエツチング深さは１００〜２００人である。絶縁膜４
４は薄くても１０００人程度あるので、この程度のエツ
チングは問題ない。

次に、第４図（ｂ）の状態の基板に対して選択タングス
テンＣＶＤを行い、第４図（Ｃ）に示すように下地５ｉ
４８の上にだけタングステン５４を成長させた。このと
きの成膜条件は第３図（Ｃ）の選択タングステンＣＶＤ
と同じである。

［発明の効果］ この発明の選択タングステン成長方法では、タングステ
ンの減圧気相成長の前段階として、露出した導電層の表
面を反応性イオンエツチングによってエツチングしてい
るので、物理的なプラズマエツチングと比較して選択性
の悪化を引き起こさずに済む。また、エツチング速度も
向」ニするので、投入電力を小さくでき、基板のダメー
ジが少ない。

反応性イオンエツチング中に基板加熱をすると、エツチ
ング速度がさらに向」ニする。また、基板加熱により、
反応生成物の基板からの離脱を促進し、基板への再付着
を防ぐ。

９ この発明の選択タングステン成長装置では、タングステ
ンの減圧気相成長室と反応性イオンエツチング室とを連
通可能にしているので、導電層上の自然酸化膜を除去し
た基板は大気に触れることなく減圧気相成長室に移送で
きる。反応性イオンエツチング室は基板加熱機構を備え
ているので、反応性イオンエツチング中の基板加熱を可
能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の装置の一実施例の正面断面図、 第２図はこの装置の平面図、 第３図は導電層がＡ１膜の場合の処理工程を示す基板断
面図、 第４図は導電層がＳｉの場合の処理工程を示す基板断面
図である。 １２・・・反応性イオンエツチング室 １４・・・減圧気相成長室 ２６・・・加熱ランプ ２８・・・基板 ０ ４４・・・絶縁膜 ４６・・・Ａ１配線膜（導電層） ５０・・・コンタクト孔 ５２・・・自然酸化膜 ５４・・・タングステン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の導電層上に絶縁膜よりなるマスクパターン
   を形成して導電層を部分的に露出させ、露出した導電層
   上にのみ減圧気相成長によってタングステンを選択的に
   成長させる選択タングステン成長方法において、 前記減圧気相成長の前段階として、前記露出した導電層
   の表面を反応性イオンエッチングによってエッチングす
   ることを特徴とする選択タングステン成長方法。
2. （２）前記反応性イオンエッチングの処理中に基板を加
   熱することを特徴とする請求項１記載の選択タングステ
   ン成長方法。
3. （３）導電層上に絶縁膜よりなるマスクパターンを形成
   して導電層を部分的に露出させた基板に対して、露出し
   た導電層上にのみ減圧気相成長によってタングステンを
   選択的に成長させる選択タングステン成長装置において
   、 タングステンの減圧気相成長室と、 前記減圧気相成長室に連通可能な反応性イオンエッチン
   グ室とを備え、 前記反応性イオンエッチング室が基板加熱機構を備えて
   いることを特徴とする選択タングステン成長装置。