JPH0656841B2 - タングステンの選択成長方法 - Google Patents
タングステンの選択成長方法Info
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- JPH0656841B2 JPH0656841B2 JP62260334A JP26033487A JPH0656841B2 JP H0656841 B2 JPH0656841 B2 JP H0656841B2 JP 62260334 A JP62260334 A JP 62260334A JP 26033487 A JP26033487 A JP 26033487A JP H0656841 B2 JPH0656841 B2 JP H0656841B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09B—ORGANIC DYES OR CLOSELY-RELATED COMPOUNDS FOR PRODUCING DYES, e.g. PIGMENTS; MORDANTS; LAKES
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体デバイスの製造において、シリコン
(Si)基板上またはAl膜上等に、電極や配線層とな
るタングステン(W)膜を選択的に成長させる減圧気相
成長方法に関する。
(Si)基板上またはAl膜上等に、電極や配線層とな
るタングステン(W)膜を選択的に成長させる減圧気相
成長方法に関する。
(従来の技術とその問題点) 従来のタングステンの減圧気相成長方法では反応ガスと
してWF6とH2が用いられてきた。即ちH2によってW
F6を還元させるという、いわゆるH2還元反応を用いて
タングステンを選択成長させる方法である。
してWF6とH2が用いられてきた。即ちH2によってW
F6を還元させるという、いわゆるH2還元反応を用いて
タングステンを選択成長させる方法である。
Si,Al等の金属膜上にのみこのH2還元反応が進行
し易く、SiO2等の絶縁膜上には進行し難いという、
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の場合、一般に以下のように説明できる。
し易く、SiO2等の絶縁膜上には進行し難いという、
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の場合、一般に以下のように説明できる。
(K.C.Saraswat,VLSI Symposium 1984参照) 2WF6(g)+3Si(s) →2W(s)+3SiF4(g)…… WF6(g)+3H2(g) →W(g)+6HF(g)………… 上記反応のSi還元反応はSi上でのみ行なわれ、S
iO2上では行なわれない。このことが選択成長の第1
の原因である。
iO2上では行なわれない。このことが選択成長の第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、一般的に絶縁
膜の代表であるSiO2の場合、SiとOの結合は結合
エネルギーの大きな共有結合であり、安定であるため、
SiO2表面は化学的に不活性である。一方金属の場合
は金属結合であるかまたはSiのように弱い共有結合で
あって、金属表面はSiO2に比べて化学的に活性であ
る。前述のの反応は、表面での吸着解離反応が式の
律速条件であり、表面の化学的な活性度がH2の吸着解
離反応に大きい影響を与えることは容易に推察出来る。
このことにより選択成長が可能となる。
る。ここでは定量的な議論は省略するが、一般的に絶縁
膜の代表であるSiO2の場合、SiとOの結合は結合
エネルギーの大きな共有結合であり、安定であるため、
SiO2表面は化学的に不活性である。一方金属の場合
は金属結合であるかまたはSiのように弱い共有結合で
あって、金属表面はSiO2に比べて化学的に活性であ
る。前述のの反応は、表面での吸着解離反応が式の
律速条件であり、表面の化学的な活性度がH2の吸着解
離反応に大きい影響を与えることは容易に推察出来る。
このことにより選択成長が可能となる。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら従来のWF6とH2を反応ガスとして用いた
方法においては、以下に記す欠点がある。
方法においては、以下に記す欠点がある。
(1) 金属膜がSiである場合には、前述の式の反
応の次にの反応が進行するが、式の反応速度が式
の反応速度に比べて通常数倍から数十倍も大きいため、
下地のSiがSiF4となって食われて行く(いわゆる
「Si消費」であり通常は500〜2000Å程度を消
費する)、そのためSi層がダメージを受ける。下地の
Si層に、デバイス上では拡散層が形成されて、それが
電気特性上の致命的な欠点をもたらすのである。
応の次にの反応が進行するが、式の反応速度が式
の反応速度に比べて通常数倍から数十倍も大きいため、
下地のSiがSiF4となって食われて行く(いわゆる
「Si消費」であり通常は500〜2000Å程度を消
費する)、そのためSi層がダメージを受ける。下地の
Si層に、デバイス上では拡散層が形成されて、それが
電気特性上の致命的な欠点をもたらすのである。
(2) 金属膜がAlである場合には、前述の式の反
応のみによってタングステンは成長するが、下地が融点
の低いAlであるため反応温度(基板温度)を400℃
以下としなければならない。しかし通常の反応において
は、成膜速度は基板温度に大きく依存する為、400℃
での成膜速度はせいぜい300〜500Å/minであ
り十分な生産性を有するとは言えない。選択成長では通
常、0.7〜1μm/minの成長速度が必要である。
応のみによってタングステンは成長するが、下地が融点
の低いAlであるため反応温度(基板温度)を400℃
以下としなければならない。しかし通常の反応において
は、成膜速度は基板温度に大きく依存する為、400℃
での成膜速度はせいぜい300〜500Å/minであ
り十分な生産性を有するとは言えない。選択成長では通
常、0.7〜1μm/minの成長速度が必要である。
(発明の目的) 本発明は、下地がSiの場合にはSi消費を抑制し、下
地がAlの場合には成膜速度を向上させる、タングステ
ンの選択成長方法を提供することを目的とする。
地がAlの場合には成膜速度を向上させる、タングステ
ンの選択成長方法を提供することを目的とする。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、金属膜上に絶縁膜よりなるマスクパターンを
形成し、反応ガスとして、WF6、H2、およびWF6と
同じかそれより少ない量のSiの水素化合物を用いて金
属膜上にのみタングステンを成長させるタングステンの
選択成長方法である。
形成し、反応ガスとして、WF6、H2、およびWF6と
同じかそれより少ない量のSiの水素化合物を用いて金
属膜上にのみタングステンを成長させるタングステンの
選択成長方法である。
(作用) 本発明の方法は前述のSi還元反応の式が、H2還元
反応の式よりも、反応速度が1桁以上大きいことに着
目して得られものである。即ち、下層のSiを用いずに
反応ガスにSiを含んだガスを用いることにより、結果
としてSi還元反応と同様の大きな成長速度を得ようと
するものである。そのメカニズムについては詳細は不明
であるが実験結果に基ずいた説明を以下に記す。
反応の式よりも、反応速度が1桁以上大きいことに着
目して得られものである。即ち、下層のSiを用いずに
反応ガスにSiを含んだガスを用いることにより、結果
としてSi還元反応と同様の大きな成長速度を得ようと
するものである。そのメカニズムについては詳細は不明
であるが実験結果に基ずいた説明を以下に記す。
先ず第1にWF6はSi上にWFn(n=1〜6)の状
態で吸着または吸着解離する。
態で吸着または吸着解離する。
WF6+*→*WFn+(6−n)F…… (*印は吸着点を示す) その状態において、WFnは下地Siまたは反応ガスS
iH4またはH2により還元され成長する。
iH4またはH2により還元され成長する。
この場合、もっとも反応する確率の高い反応種はSiH
4、下地Si、次にH2の順となることは、WF6流量に
対してSiH4流量を十分低く抑えた場合、下地のSi
消費が増大すること、および、下地のSiまたはSiH
4とWF6との反応生成ガスであるSiF4の挙動によっ
て説明出来る。
4、下地Si、次にH2の順となることは、WF6流量に
対してSiH4流量を十分低く抑えた場合、下地のSi
消費が増大すること、および、下地のSiまたはSiH
4とWF6との反応生成ガスであるSiF4の挙動によっ
て説明出来る。
第1図にWF6,H2の反応ガスに5sccmのSiH4
を加えた場合aと、そうでない場合の反応生成ガスSi
F4のフラグメントピークSiF3 +のマススペクトルの
ピーク高さの挙動を示す。
を加えた場合aと、そうでない場合の反応生成ガスSi
F4のフラグメントピークSiF3 +のマススペクトルの
ピーク高さの挙動を示す。
SiH4なしの場合は前述のSi還元反応が途中で停止
するが、SiH4を加えた場合のaでは、SiH4とWF
6の反応は途中で停止せず、且つ、反応生成ガスSiF4
の量はSiH4なしの場合に比べて十分に大きい。また
SiH4を微量(1sccm)を加えた場合のbでは、
斜線で示すc部(凸部)が観察され、この斜線部cは下
地SiのSi消費量に相当する。このことはSiH4の
添加流量により下地SiのSi消費量を抑制出来ること
を示している。
するが、SiH4を加えた場合のaでは、SiH4とWF
6の反応は途中で停止せず、且つ、反応生成ガスSiF4
の量はSiH4なしの場合に比べて十分に大きい。また
SiH4を微量(1sccm)を加えた場合のbでは、
斜線で示すc部(凸部)が観察され、この斜線部cは下
地SiのSi消費量に相当する。このことはSiH4の
添加流量により下地SiのSi消費量を抑制出来ること
を示している。
またSiH4の添加量の増加に伴いタングステンの成長
速度も増大する(最大1μm/min)が、SiH4/
WF6流量比が1を上回ると選択性は悪化する。
速度も増大する(最大1μm/min)が、SiH4/
WF6流量比が1を上回ると選択性は悪化する。
以上は下地がSiの場合について述べたものであるが、
下地がAlの場合もSiH4を添加することにより40
0℃以下の低温で高速成膜が可能となる。
下地がAlの場合もSiH4を添加することにより40
0℃以下の低温で高速成膜が可能となる。
(実施例) 本発明によるタングステンの選択成長の方法における典
型的な成膜条件は、 WF6:10sccm H2:100〜500sccm SiH4:5〜10sccm 基板温度:200〜350℃ ガス圧力:0.1Torr 成膜時間:1分 である。
型的な成膜条件は、 WF6:10sccm H2:100〜500sccm SiH4:5〜10sccm 基板温度:200〜350℃ ガス圧力:0.1Torr 成膜時間:1分 である。
この条件における成膜速度は1μm/minである。
この成膜条件において、各パラメータの効果を以下に記
す。
す。
WF6とSiH4の流量については、流量比が重要であ
り、SiH4/WF6が1より大きくなると選択性が失わ
れ易く、且つ、タングステン膜中のSi含有量が大きく
なる。このことはタングステンの成長に関して余分なS
iH4はWF6と反応しSiリッチなタングステンシリサ
イド(WSix)を生成する為であると考えられる。
り、SiH4/WF6が1より大きくなると選択性が失わ
れ易く、且つ、タングステン膜中のSi含有量が大きく
なる。このことはタングステンの成長に関して余分なS
iH4はWF6と反応しSiリッチなタングステンシリサ
イド(WSix)を生成する為であると考えられる。
またH2流量の効果について、本方法においては、タン
グステンの成長はSiH4とWF6による反応が主となっ
ていることから、H2は不要ではなかろうかとも考えら
れるが、H2の使用をやめてその代わりにキャリアーガ
スであるアルゴンを同流量導入した場合と比べてみる
と、H2の有用性がはっきりする。H2を使用するとWの
成長速度は10〜200%低下するが、選択性が改善さ
れることが分かった。典型的な例で言えば、8000Å
/minの成長速度において、H2の代わりにアルゴン
を同流量流した系では1〜1.5分間だけ選択性を維持
出来るが、H2を用いることによりこれを2〜2.5分
程度まで延長させ、完全な選択性を保つことが出来、よ
り深い穴に適用出来るという利点がある。
グステンの成長はSiH4とWF6による反応が主となっ
ていることから、H2は不要ではなかろうかとも考えら
れるが、H2の使用をやめてその代わりにキャリアーガ
スであるアルゴンを同流量導入した場合と比べてみる
と、H2の有用性がはっきりする。H2を使用するとWの
成長速度は10〜200%低下するが、選択性が改善さ
れることが分かった。典型的な例で言えば、8000Å
/minの成長速度において、H2の代わりにアルゴン
を同流量流した系では1〜1.5分間だけ選択性を維持
出来るが、H2を用いることによりこれを2〜2.5分
程度まで延長させ、完全な選択性を保つことが出来、よ
り深い穴に適用出来るという利点がある。
更に重要なことは、内部応力に関する改善効果である。
下地がSiの場合、下地のSiのダメージを抑えること
により、下地のSiとW膜の密着性は著しく低下し、膜
の剥がれが発生する。この剥がれはコンタクト孔におい
ては自然剥離することはないが、実際のデバイス用被処
理基板上に共存するライン部での自然剥離が大きい問題
となる。
下地がSiの場合、下地のSiのダメージを抑えること
により、下地のSiとW膜の密着性は著しく低下し、膜
の剥がれが発生する。この剥がれはコンタクト孔におい
ては自然剥離することはないが、実際のデバイス用被処
理基板上に共存するライン部での自然剥離が大きい問題
となる。
H2を用いる本発明の方法による成長においては、自然
剥離はないが、H2の代わりにアルゴンを同流量流した
系、即ちWF6とSiH4のみの系ではライン上での自然
剥離が観察される。この現象は、内部応力が、前者は4
×109dyne/cm2程度であるが、後者は8×10
9dyne/cm2程度とほぼ2倍に大きくなっていると
いう測定結果と対応する。理由には膜中に取り込まれる
水素原子の量の如何が関係していると考えられるが、現
在は未評価である。
剥離はないが、H2の代わりにアルゴンを同流量流した
系、即ちWF6とSiH4のみの系ではライン上での自然
剥離が観察される。この現象は、内部応力が、前者は4
×109dyne/cm2程度であるが、後者は8×10
9dyne/cm2程度とほぼ2倍に大きくなっていると
いう測定結果と対応する。理由には膜中に取り込まれる
水素原子の量の如何が関係していると考えられるが、現
在は未評価である。
基板温度は350℃以上では選択性が失われ易く、且つ
膜表面の平滑さが失われ易い傾向を有する。
膜表面の平滑さが失われ易い傾向を有する。
成膜において、反応ガスの導入順序は下地がSiの場合
に特に重要な意味を持つ。各反応ガスの流量制御を行な
うマスフローコントローラーの特性にもかなり大きく依
存するのであるが、典型的な導入順序は、先ずH2を導
入し、被処理基板温度が設定温度に達した後にSiH4
を導入する。その後10sec以内にWF6を導入する
という手順をとる。このように10sec以内という短
い時間にする理由は、SiH4を導入した後に長時間経
過してWF6を導入すると選択性が失われるからであ
る。
に特に重要な意味を持つ。各反応ガスの流量制御を行な
うマスフローコントローラーの特性にもかなり大きく依
存するのであるが、典型的な導入順序は、先ずH2を導
入し、被処理基板温度が設定温度に達した後にSiH4
を導入する。その後10sec以内にWF6を導入する
という手順をとる。このように10sec以内という短
い時間にする理由は、SiH4を導入した後に長時間経
過してWF6を導入すると選択性が失われるからであ
る。
一方、導入の順序を逆にして、WF6の導入後にSiH4
を導入すると、この場合は、選択性は保たれるが、下地
Siのダメージを大きくするという結果を生ずる。その
ためこの順序は採用出来ない。
を導入すると、この場合は、選択性は保たれるが、下地
Siのダメージを大きくするという結果を生ずる。その
ためこの順序は採用出来ない。
しかし、以上述べた本発明の典型的な方法によれば、下
地Siのダメージは十分に抑制出来るが、成長膜が引張
応力を有し、そのため、密着性が悪くなって生成膜が剥
がれ易くなるというケースが、時々生じる。
地Siのダメージは十分に抑制出来るが、成長膜が引張
応力を有し、そのため、密着性が悪くなって生成膜が剥
がれ易くなるというケースが、時々生じる。
この剥がれを解決するためには下地Siのダメージを必
要最小限に抑えることが必要となる。
要最小限に抑えることが必要となる。
そのため、成長速度を低下させると密着性に関して再現
性のある成膜が行なわれるようになるのに着目して、最
初のSiH4の流量を1〜2sccmに抑えて、低速
(500〜1000Å/min)で成長させ、次に、S
iH4流量を5〜10sccmに増加させて高速(50
00〜10,000Å/min)で成長を行なうとい
う、いわゆる2段階成長を行なう。これを二段階以上の
複数段階にすれば、その効果は一層である。
性のある成膜が行なわれるようになるのに着目して、最
初のSiH4の流量を1〜2sccmに抑えて、低速
(500〜1000Å/min)で成長させ、次に、S
iH4流量を5〜10sccmに増加させて高速(50
00〜10,000Å/min)で成長を行なうとい
う、いわゆる2段階成長を行なう。これを二段階以上の
複数段階にすれば、その効果は一層である。
なお、上記のSiH4の流量の代わりに、WF6流量,成
長温度もしくは全圧等の、成膜パラメーターの少なくと
も1ヶを変える複数段階の連続成膜でも、密着性に関し
て同様の効果が得られることが判明している。
長温度もしくは全圧等の、成膜パラメーターの少なくと
も1ヶを変える複数段階の連続成膜でも、密着性に関し
て同様の効果が得られることが判明している。
以上の例は、反応ガスとして従来のWF6,H2にSiH
4を加えたものであるが、SiH4の代わりにSi2H6
(ジシラン)を加えても概ね同様の結果が得られた。即
ち使用する反応ガスはSiの水素化合物であればよい。
4を加えたものであるが、SiH4の代わりにSi2H6
(ジシラン)を加えても概ね同様の結果が得られた。即
ち使用する反応ガスはSiの水素化合物であればよい。
(発明の効果) 本発明は、下地がSiの場合Si消費を抑制し、また、
下地がAlの場合低温で成膜速度を向上させる、タング
ステンの選択成長方法を提供する効果がある。
下地がAlの場合低温で成膜速度を向上させる、タング
ステンの選択成長方法を提供する効果がある。
第1図は、WF6,H2の反応ガスに5sccmのSiH
4を加えた場合aとそうでない場合の反応生成ガスSi
F4のフラグメントピークSiF3 +のマススペクトルの
ピーク高さの挙動を示す図。
4を加えた場合aとそうでない場合の反応生成ガスSi
F4のフラグメントピークSiF3 +のマススペクトルの
ピーク高さの挙動を示す図。
Claims (5)
- 【請求項1】金属膜上に絶縁膜よりなるマスクパターン
を形成し、反応ガスとして、WF6、H2、および、W
F6と同じかそれより少ない量のSiの水素化合物を用
いて金属膜上にのみタングステンを成長させることを特
徴とするタングステンの選択成長方法。 - 【請求項2】Siの水素化合物がSiH4であることを
特徴とする特許請求の範囲第1項のタングステンの選択
成長方法。 - 【請求項3】Siの水素化合物がSi2H6であることを
特徴とする特許請求の範囲第1項のタングステンの選択
成長方法。 - 【請求項4】反応ガスの導入の順序が、H2,Siの水
素化合物、WF6の順序であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項のタングステンの選択成長方法。 - 【請求項5】成長温度、WF6のガス流量、または、S
iの水素化合物のガス流量、のうち少なくとも一つの条
件を異にする複数段階の成膜を連続して行うことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載のタングステンの選択
成長方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62260334A JPH0656841B2 (ja) | 1987-10-15 | 1987-10-15 | タングステンの選択成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62260334A JPH0656841B2 (ja) | 1987-10-15 | 1987-10-15 | タングステンの選択成長方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01101626A JPH01101626A (ja) | 1989-04-19 |
JPH0656841B2 true JPH0656841B2 (ja) | 1994-07-27 |
Family
ID=17346548
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62260334A Expired - Lifetime JPH0656841B2 (ja) | 1987-10-15 | 1987-10-15 | タングステンの選択成長方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0656841B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5084417A (en) * | 1989-01-06 | 1992-01-28 | International Business Machines Corporation | Method for selective deposition of refractory metals on silicon substrates and device formed thereby |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4629635A (en) * | 1984-03-16 | 1986-12-16 | Genus, Inc. | Process for depositing a low resistivity tungsten silicon composite film on a substrate |
JPS61250172A (ja) * | 1985-04-25 | 1986-11-07 | Fujitsu Ltd | タングステンシリサイド膜の成長方法 |
JP2657488B2 (ja) * | 1987-04-07 | 1997-09-24 | 日本真空技術 株式会社 | 金属薄膜形成方法 |
JP2553346B2 (ja) * | 1987-04-08 | 1996-11-13 | 日本真空技術株式会社 | 金属薄膜形成方法 |
JP2592844B2 (ja) * | 1987-07-10 | 1997-03-19 | 株式会社東芝 | 高融点金属膜の形成方法 |
-
1987
- 1987-10-15 JP JP62260334A patent/JPH0656841B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH01101626A (ja) | 1989-04-19 |
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