JPH06112159A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンタクトホール１２にタングステンを選択
的に埋め込んで電極を形成する際に、コンタクトホール
１２外にタングステンが形成されないようにし、且つ、
コンタクトホール１２内に形成されるタングステン電極
の形状が悪化することを防止する。 【構成】 コンタクトホール１２の上端または途中まで
タングステンを選択的に埋め込んでタングステン成長領
域１３ａを形成する第１工程と、ＳｉＯ₂ 層１１の表面
に成長したタングステンの島１４をエッチングによって
除去する工程とその後コンタクトホール１２にタングス
テンを選択的に埋め込む工程とを交互にそれぞれ１回ま
たは複数回行うことによってコンタクトホール１２の上
端までタングステンを埋め込む第２工程とにより、タン
グステン電極１３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
関し、より詳細には絶縁層に設けられたスルーホールに
非絶縁物を選択的に埋め込む工程を有する半導体装置の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体装置の製造方法について、
コンタクトホールに金属を埋め込む場合を例にとって説
明する。

【０００３】図４は、コンタクトホール周辺の構造を簡
単に示す断面図である。図に示したように、シリコン基
板内に形成されたｎ^＋拡散層２０の表面には酸化シリコ
ン（ＳｉＯ₂ ）膜２１が堆積されており、このＳｉＯ₂
膜２１にはコンタクトホール２２が設けられている。そ
して、このコンタクトホール２２内にタングステンが埋
め込まれることにより、タングステン電極２３が形成さ
れている。

【０００４】ここで、近年の半導体集積回路の微細化に
より、コンタクトホール２２の幅Ｗと深さＬとの比Ｌ／
Ｗ（図４参照）は、大きくなる傾向にある。そして、Ｌ
／Ｗが大きくなるほど、コンタクトホール２２内に埋め
込んだタングステン電極２３の被覆性を確保することが
困難になる。このようなタングステン電極２３の被覆性
の悪化は、タングステン電極２３上に形成される配線パ
ターン（図示せず）とｎ^＋拡散層２０との電気的接続の
信頼性を損なう原因となる。

【０００５】これに対して、選択ＣＶＤ法を用いてコン
タクトホール２２内に選択的にタングステンを堆積させ
ることによって、被覆性に優れたタングステン電極２３
を形成する試みが行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、選択Ｃ
ＶＤ法を用いても、コンタクトホール２２内だけにタン
グステンを堆積させることは実際には困難であり、いわ
ゆる「選択性の崩れ」が生じてしまう場合がある。

【０００７】例えば、図５に示したように、コンタクト
ホール２２内のみならず、ＳｉＯ₂膜２１の上面にもタ
ングステンの島２４が生じてしまう場合がある。このよ
うなタングステンの島２４は、ＳｉＯ₂ 膜２１上に配線
パターン（図示せず）を形成した際に、配線の短絡を引
き起こす原因となる。

【０００８】また、図６（ａ）に示したように、コンタ
クトホール２２の底面（すなわちｎ^＋拡散層２０上）に
タングステンが堆積されるだけでなく（同図中２３
ａ）、側面や開口付近（すなわちＳｉＯ₂ 膜２１上）に
タングステンの島２３ｂが形成されてしまう場合もあ
る。このような場合にそのまま堆積を続けると、タング
ステンの島２３ｂはさらに成長して図６（ｂ）に２３
ｂ′で示すようになり、形状の悪いタングステン電極２
３が形成されてしまう。タングステン電極２３がこのよ
うな形状に形成された場合には、後の工程で配線パター
ンを形成したときに、この配線パターンとｎ^＋拡散層２
０との電気的接続の信頼性が損なわれる。

【０００９】「選択性の崩れ」は、例えば六弗化タング
ステン（ＷＦ₆ ）とシラン（ＳｉＨ₄ ）とを用いた選択
ＣＶＤ法の場合であれば、適切な前処理を行ったり、成
膜条件を適切な値に設定することで、ある程度は低減さ
せることができる。しかし、成膜条件を厳密に設定する
にも限界があること、前処理によってはＳｉＯ₂ 膜２１
に変質をきたす場合があること、コンタクトホール２２
の形成工程等の前工程でＳｉＯ₂ 膜２１の表面に残った
不純物が「選択性の崩れ」の原因となってしまうこと等
により、完全に無くすことは非常に困難である。

【００１０】また、「選択性の崩れ」に起因する配線の
短絡や配線との電気的接続の信頼性悪化を防止する方法
としては、タングステン電極２３の形成後、全面にレジ
ストを形成し、このレジストとともにＳｉＯ₂ 膜２１上
のタングステンをエッチングして除去する方法が考えら
れる。しかし、この方法ではレジスト塗布工程とエッチ
ング工程とが新たに加わることとなるので、工程数が増
加し、スループット（単位時間あたりに処理できるウエ
ハの枚数）が低下してしまう。また、この方法は、Ｓｉ
Ｏ₂ 膜２１の上面に成長したタングステン（図５参照）
を除去することはできるが、このＳｉＯ₂ 膜２１の側面
にタングステンが成長した場合（図６（ａ）参照）の解
決策とはならず、かかる場合の配線の信頼性の悪化を防
止することはできない。

【００１１】なお、このような欠点は、コンタクトホー
ルに金属を埋め込む場合に限定されるものではなく、絶
縁層に設けられたスルーホールに非絶縁物を選択的に埋
め込む工程であれば、他の場合（例えばスルーホール内
にシリコン等の半導体材料を埋め込む場合）にも生じ得
るものである。

【００１２】本発明は、このような従来技術の欠点に鑑
みてなされたものであり、スルーホールに非絶縁物を選
択的に埋め込む際に、このスルーホール外で非絶縁物が
形成されず、且つ、スルーホール内に形成される非絶縁
物の形状が悪化することのない、半導体装置の製造方法
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる半導体装
置の製造方法は、絶縁層に設けられたスルーホールに非
絶縁物を選択的に埋め込む選択的埋込工程を有する半導
体装置の製造方法であって、この選択的埋込工程が、前
記スルーホールの途中まで前記非絶縁物を選択的に埋め
込む第１工程と、前記絶縁層の表面に成長した前記非絶
縁物をエッチングによって除去する工程と前記スルーホ
ールに前記非絶縁物を選択的に埋め込む工程とを交互に
行うことにより前記スルーホールの上端付近まで前記非
絶縁物を埋め込む第２工程と、を含むことを特徴とす
る。

【００１４】

【作用】本発明では、スルーホールに非絶縁物を選択的
に埋め込む工程の間に、絶縁層の表面（上面のみならず
スルーホールの側面を含む）に成長した非絶縁物をエッ
チングによって除去する工程を１回または複数回行なう
ことにより、かかる絶縁層の表面で非絶縁物が形成され
ることを実質的に防止する。さらに、これにより、スル
ーホール内に形成される非絶縁物の形状が悪化すること
も防止する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の１実施例について説明する。
本実施例では、例えば六弗化タングステン（ＷＦ₆ ）と
シラン（ＳｉＨ₄ ）とを用いた選択ＣＶＤ法により、図
４と同様のタングステン電極を形成する場合を例にとっ
て説明する。

【００１６】以下、本実施例に係わる半導体装置の製造
方法について、図１および図３（ａ）を用いて説明す
る。ここで、図１は本実施例の製造方法を示す工程断面
図であり、図３（ａ）は本実施例で使用する半導体装置
の製造装置（コールドウォール型のＣＶＤ装置）を示す
概略断面図である。

【００１７】まず、シリコン基板に対して、ひ素（Ａ
ｓ）の不純物拡散を行うことにより、ｎ_＋型拡散層１０
を形成する。

【００１８】次に、シラン（ＳｉＨ₄ ）と酸素
（Ｏ₂ ）とを原料ガスとして用いた常圧ＣＶＤ法によ
り、厚さ１００００Ａ（オングストローム、以下同じ）
のＳｉＯ₂ 膜１１を形成する。続いて、このＳｉＯ₂ 膜
１１を９００℃の窒素（Ｎ₂ ）雰囲気下でアニールす
る。

【００１９】写真蝕刻法および反応性イオンエッチン
グ法を用いて、ＳｉＯ₂ 膜１１の所望の場所にコンタク
トホール１２を開孔する（図１（ａ）参照）。

【００２０】自然酸化膜を除去するための前処理とし
て希ＨＦ処理を施す。

【００２１】図３（ａ）に示したような基板移載器３
２を用い、このシリコン基板を、予備室３１を介して成
膜用チャンバー３５内に搬入する。

【００２２】基板加熱装置３３を用いてシリコン基板
を加熱した後、ガス導入口３６からＷＦ₆ ガスを流量５
０sccmで、ＳｉＨ₄ ガスを流量３０sccmで、それぞれ導
入を開始する。そして、成膜温度３００℃、ガス圧４mT
orr の条件下で、コンタクトホール１２の底面から８０
００Ａの位置までタングステンの選択成長を行うことに
より、タングステン成長領域１３ａを形成する。また、
このとき、ＳｉＯ₂ 膜１１の表面には、半径５００Ａの
半球形のタングステンの島１４が形成された（図１
（ｂ）参照）。なお、同図では、ＳｉＯ₂ 膜１１の上面
に形成された島１４のみ示したが、コンタクトホール１
２内のＳｉＯ₂ 膜１１面にも形成される場合がある。

【００２３】その後、成膜用チャンバー３５内のＷＦ₆
ガスおよびＳｉＨ₄ ガスを完全に排気する。

【００２４】アルゴン（Ａｒ）ガスで５パーセントに
希釈された弗素（Ｆ₂ ）ガスの導入を開始する。このと
きの流量は２００sccmとした。そして、ガス圧０．１To
rrの条件下で高周波導入用電極３４に高周波を印加して
放電を行わせ、出力１００ワットのプラズマエッチング
を行う。このプラズマエッチングでタングステンを５０
０Ａエッチングすることにより、タングステンの島１４
が除去される（図１（ｃ）参照）。このとき、タングス
テン成長領域１３ａの上端部付近も５００Ａエッチング
されて、同図に１３ａ′で示すようになる。

【００２５】その後、成膜用チャンバー３５内のガスを
排気する。

【００２６】続いて、ガス導入口３６から流量５０sc
cmのＷＦ₆ ガスおよび流量３０sccmのＳｉＨ₄ ガスの導
入を開始する。そして、成膜温度３００℃、ガス圧４mT
orrの条件下で、２５００Ａのタングステンの選択成長
を行うことによりタングステン成長領域１３ｂを形成す
る。これにより、タングステン電極１３を得ることがで
きる。

【００２７】以上のような製造工程により、コンタクト
ホール１２外でタングステンが形成されることを実質的
に防止することができ、且つ、形状が良好なタングステ
ン電極を得ることができた。

【００２８】本実施例では、タングステン成長領域１３
ｂを形成するための選択成長に要する時間は非常に短い
ので、ＣＶＤの選択性は十分に保たれている。したがっ
て、このタングステン成長領域１３ｂを形成した後で
の、ＳｉＯ₂ 膜１１上のタングステンの島１４を除去す
るためのエッチングは不要であった。但し、ＳｉＯ₂ 膜
１１の膜厚が厚いこと等の理由によって２回目の選択成
長（上記工程）で成長させるタングステンの厚さが大
きくなるような場合には、上記工程と同様の条件での
エッチングをさらに行った後に成膜用チャンバー３５か
らウエハを搬出することとしてもよい。

【００２９】図２（ａ）は、選択成長によりコンタクト
ホール１２内に形成されるタングステンの厚さとＳｉＯ
₂ 膜１１上に形成されるタングステンの厚さとの関係を
示すグラフである。図において、横軸は、選択ＣＶＤ法
によるタングステンの堆積を行う時間である。また、縦
軸は、選択成長によりコンタクトホール１２内に形成さ
れたタングステン成長領域１３ａの高さＴ_c （図２
（ｂ）参照）、および、このときＳｉＯ₂ 膜１１上に形
成されるタングステンの島１４の厚さＴ_SiO2（同図参
照）である。

【００３０】図２（ａ）のグラフによれば、成膜の厚さ
（タングステン電極１３の高さ）や成膜温度に応じて、
選択成長を行う工程数を何回に分割すべきか（すなわ
ち、選択成長の途中で上記工程のようなエッチング工
程を何回行えばよいか）を知ることができる。

【００３１】例えば、成膜温度を３５０℃、成膜厚さを
１００００Ａとすれば、タングステン成長領域１３ａの
高さＴ_c が４５００Ａ増加すると、タングステンの島１
４の厚さＴ_SiO2が５００Ａになる。したがって、上述の
工程と同様Ｔ_SiO2が５００Ａになる度にエッチング工程
を行うのであれば、Ｔ_c が４５００Ａとなったときに１
回目のエッチング工程を行う。このエッチングによって
Ｔ_c は４０００Ａとなるので、次にＴ_SiO2が５００Ａに
なるまで選択成長を行うと、Ｔ_c ＝８５００Ａとなる。
このときに２回目のエッチング工程を行う。これにより
Ｔ_c ＝８０００Ａとなる。そして、最後に、Ｔ_c ＝１０
０００Ａになるまで選択成長を行う。

【００３２】図２からわかるように、選択成長を開始し
てから所定時間内（例えば成膜温度が３５０℃の時は１
分以内）はタングステンの島１４の成長はほとんど行わ
れない。このとき、ＳｉＯ₂ 膜１１の表面にはタングス
テンの微小な核が形成される。このような場合には、Ｓ
ｉＯ₂ 膜１１の表面のタングステンを除去するためには
１００Ａ程度のエッチングを行えば十分であった。した
がって、例えば成膜温度を３００℃、成膜厚さ１０００
０Ａの場合には、最初にＴ_c ＝６０００Ａとなるまで選
択成長を行った後、１００Ａのエッチング工程を行い、
さらに選択成長を行ってＴ_c を４１００Ａ増加させるこ
ととしてもよい。これにより、エッチング工程に要する
時間を短縮することができる。

【００３３】本発明を適用するためには、コンタクトホ
ール１２の底面上（すなわちｎ^＋型拡散層１０上）での
タングステンの成長が開始されてから一定時間ずれてＳ
ｉＯ₂ 膜１１の表面での成長が開始されるようにするこ
と、すなわちタングステンの成長をコンタクトホール１
２への選択成長によって行うことが必要である。したが
って、ＷＦ₆ ガスの流量とＳｉＨ₄ ガスの流量との比
は、両者の成膜開始時間に差が生じるように設定しなけ
ればならない。例えば、成膜温度が２５０℃の場合であ
れば、ＳｉＨ₄ ガスの流量がＷＦ₆ ガスの流量の１０倍
以上であるような場合には両者の開始時間に差が生じ
ず、選択成長が行われないので、本発明を適用すること
はできない。また、成膜条件が選択成長の要件を満たし
ていても、自然膜を除去するための前処理（上記工程
）が不適切であるために選択成長が行われないような
場合には、本発明を適用することはできない。

【００３４】本実施例では図３（ａ）で示したような半
導体製造装置を使用したが、製造装置の構成は特に限定
されるものではない。図３（ｂ）に本発明に使用できる
半導体装置の製造装置の他の構成例を示す。図３（ａ）
に示した装置はタングステンの選択成長工程（上記工程
，）とエッチング工程（上記工程）とを同一のチ
ャンバー内で行うように構成されているが、図３（ｂ）
に示した半導体製造装置ではタングステンの成長を行う
チャンバー３５とエッチングを行うチャンバー３７とが
別個に設けられている。

【００３５】このような構成の半導体製造装置を使用す
る場合は、上述の工程〜を行った後、基板移載器３
２を用いてシリコン基板を予備室３１から成膜用チャン
バー３５に搬入して上記工程と同様の選択成長工程を
行い、その後、このシリコン基板を基板移載器３２を用
いて成膜用チャンバー３５から搬出し、予備室３１を介
してエッチング用チャンバー３７に搬入する。そして、
ガス導入口３６′からＡｒガスで希釈されたＦ₂ ガスを
導入しつつ高周波導入用電極３４を用いて上記工程と
同様のエッチングを行い、その後再び基板移載器３２を
用いてシリコン基板を成膜用チャンバー３５内に搬入
し、上記工程と同様の選択成長工程を行う。

【００３６】さらに、図３（ｂ）に示した半導体装置で
は１回目の選択成長（上記工程）と２回目の選択成長
（上記工程）とを同一のチャンバー（成膜用チャンバ
ー３７）内で行うこととしたが、これらの工程，を
別個のチャンバー内で行うこととしてもよい。

【００３７】このように、選択成長を行う工程やエッチ
ングを行う工程をそれぞれ別個のチャンバー内で行うこ
ととすれば、複数個のシリコン基板に対する処理を平行
して行うことができるので、半導体装置の製造に要する
時間を全体として短縮することができる。

【００３８】本実施例では、導体層としてｎ^＋型拡散層
１０を用い、この上にタングステン電極を形成する場合
を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、導体層として、ｐ^＋型拡散層、ポ
リシリコン、シリサイド（例えばモリブデンシリサイド
など）、合金あるは金属（例えばアルミニウム合金やタ
ングステンなど）等を使用する場合にも、本発明を適用
することができる。

【００３９】加えて、例えばバイアホール等、コンタク
トホール以外のスルーホールにも適用できることも、も
ちろんである。

【００４０】また、本実施例では、絶縁膜として常圧Ｃ
ＶＤ法で形成したＳｉＯ₂ 膜１１を用いたが、例えば、
燐（Ｐ）や硼素（Ｂ）を添加したＳｉＯ₂ 膜や、減圧Ｃ
ＶＤ或いはプラズマＣＶＤで形成したＳｉＯ₂ 膜或いは
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜等を絶縁膜として使用した場合にも本発明
を適用することができる。

【００４１】さらに、本実施例ではタングステンのエッ
チングに使用するガスとしてＡｒガスで５パーセントに
希釈されたＦ₂ ガスを使用したが（上記工程）、タン
グステンのエッチングを行うことができるものであれ
ば、他のガスを使用してもよいことはもちろんである。
但し、接触抵抗を低減させることやチャンバー内でのダ
ストの発生を抑制すること等の観点からすれば、弗素を
含むガスを使用することが望ましい。すなわち、弗素
（Ｆ₂ ）以外では、例えば、六弗化硫黄（ＳＦ₆ ）、四
弗化炭素（ＣＦ₄ ）、三弗化窒素（ＮＦ₃ ）などをエッ
チングガスとして使用することが望ましい。

【００４２】併せて、本実施例ではタングステンを選択
成長させて電極を形成する場合を例にとって説明した
が、他の非絶縁物を選択成長させて電極を形成する場合
にも本発明を適用することができる。

【００４３】例えば、非絶縁物としてチタンシリサイド
を用いる場合であれば、まず、上述の工程〜を行っ
た後、基板加熱装置３３を用いてシリコン基板を加熱
し、さらに、ガス導入口３６から四塩化チタン（ＴｉＣ
ｌ₄ ）ガスを流量１sccmで、ＳｉＨ₄ ガスを流量５０sc
cmで、それぞれ導入を開始する。そして、成膜温度７５
０℃、ガス圧５mTorr の条件下でコンタクトホール１２
の途中までチタンシリサイドの選択成長を行う。さら
に、ガスを排気した後塩素（Ｃｌ₂ ）ガスを導入し（こ
の場合はＡｒガスで希釈する必要はない）、高周波導入
用電極３４に高周波を印加して放電を行わせ、プラズマ
エッチングによって絶縁膜上のチタンシリサイドを除去
する。その後、上述の１回目と同様の条件で再びチタン
シリサイドの選択成長工程を行い、コンタクトホール１
２内をチタンシリサイドで完全に埋め込む。

【００４４】また、本発明は、非絶縁物としてシリコン
等の半導体材料を使用する場合にも適用することができ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、スルーホールに非絶縁物を選択的に埋め込む際
に、このスルーホール内外で不要な非絶縁物が形成され
ず、且つ、スルーホール内に形成される非絶縁物の形状
が悪化することのない、半導体装置の製造方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる半導体装置の製造方
法を示す工程断面図である。

【図２】（ａ）は本発明における選択成長を説明するた
めのグラフであり、（ｂ）はかかる選択成長を説明する
ため断面図である。

【図３】（ａ），（ｂ）ともに、本発明の実施に際して
使用できる半導体装置の製造装置の構成例を示す概略断
面図である。

【図４】従来の半導体装置の構造を簡単に示す断面図で
ある。

【図５】従来の半導体装置の製造方法の欠点を説明する
ための構造断面図である。

【図６】（ａ），（ｂ）ともに、従来の半導体装置の製
造方法の欠点を説明するための構造断面図である。

【符号の説明】

１１，２１ 酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜 １２，２２ コンタクトホール １３，２３ タングステン成長領域 １４，２４ タングステンの島 ２３ａ，２３ｂ タングステンの成長領域 ３１ 予備室 ３２ 基板移載器 ３３ 基板加熱装置 ３４ 高周波導入用電極 ３５，３７ チャンバー ３６，３６′ ガス導入口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁層に設けられたスルーホールに非絶縁
   物を選択的に埋め込む選択的埋込工程を有する半導体装
   置の製造方法であって、 この選択的埋込工程が、 前記スルーホールの途中まで前記非絶縁物を選択的に埋
   め込む第１工程と、 前記絶縁層の表面に成長した前記非絶縁物をエッチング
   によって除去する工程と前記スルーホールに前記非絶縁
   物を選択的に埋め込む工程とを交互に行うことにより前
   記スルーホールの上端付近まで前記非絶縁物を埋め込む
   第２工程と、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。