JPS60147136A - 半導体装置用電極・配線 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置用電極・配線に係り、特に高融点金
属からなる微細ゲート電極あるいは段差部を有する基板
上に高融点金属配線を設定する必要のある半導体装置に
好適な電極・配線金属に関する。

〔発明の背景〕

従来、ＭＯ８（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅＩｎｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒ）型集積回路のゲート電極・配線とし
て、多結晶シリコンが広く用いられてきた。しかしなが
ら、約３μｍ以上の配線幅を用いる高密度・高集積メモ
リでは、その低杭による信号遅延が問題となってくるた
め、低抵抗のゲート電極・配線として、ＷやＭｏ等の高
融点金属あるこれらのシリサイドが用いられようとして
いる。これらの高融点金属膜は電子ビーム蒸着法あるい
はスパッタリング法により形成するのが一般的である。

このようにして得られた上記金属膜４は第１図（ａ）に
模式的に示したように、膜の結晶粒が膜面に垂直方向に
長く、かつ規則正しく並んだ柱状構造をしている。この
ような構造を有する金属を所定のゲート電極形状に加工
後、上記金属をマスクとして、Ａｓ、Ｂ。

Ｐ等のイオンを通常のイオン打込法でＳｉ基板内に打込
む場合、上記の結晶構造に起因したチャネリング現象（
規則正しく並んだ金属結晶格子間を打込イオンが、金属
原子衝突することなく奥深く浸入する現象）が生じ、ゲ
ート電極が打込イオンのマスクにならないため、ＭＯＳ
トランジスタを作成できないという問題があった。

また、上記結晶構造を有する金属上に、Ｓｉ半導体素子
製造上用いらハる　りん酸ガラス（ＰＳＧ：　ｐｈｏｓ
ｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ　ｇｌａｓｓ）が接触した状
態で約１０００℃近傍の高温熱処理を行なうと、金属膜
中をＰＳＧから　りんが拡散し、ＭｏＳトランジスタ特
性が変動するという欠点があった。この現象の一例とし
て、Ｗゲート電極上に、各種りん濃度を有するＰＣＧ膜
を被覆した後、高温熱処理を行なったとき生じたＭＯ８
素子のフラットバンド電圧（ＶＦＢ）変動を第２図に示
す。

Ｄ 柱状結晶構造に起堆して、集積回路製造過程で生じる上
記以外の問題として金属配線の断線がある。第１図（ａ
）に示すように、段差端部３では柱状結晶か不均一にな
るため、金属膜４を所定の配線形状を得るためのドライ
エツチング工程で、段差端部でのエツチング速度が局所
的に速くなり第１図（ｂ）に示すように開孔８が発生し
、断線を生じる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記柱状結晶構造に起因したチャネリン
グ現象、りんの拡散あるいは断線を低減した半導体装置
用電極・配線を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記の各欠点は柱状結晶構造に起因したものである。チ
ャネリングは第３図（ａ）に示すように膜内で結晶格子
が一定方向に規則正しく並んでいるために生じる現象で
ある。従って、この現象を阻止するためには、第３図（
ｂ）に示すように膜面垂直方向に対し、結晶の配向が異
なる結晶粒が複数偏重なってい゛れば、打込まれたイオ
ンは金属の結晶格子に衝突し、チャネリング現象は生じ
ない。

なお、第３図の格子状模様９は結晶の格子を示す。

次に、りんの拡散は柱状結晶の粒界で主に生じるととも
に、一般的に柱状結晶構造を有する金属膜は、膜形成時
の基板温度が３００℃程度以下の低温の場合に得られ、
結晶粒内に多数の結晶欠陥が存在するため、結晶欠陥を
通して環が拡散する。

一方膜形成時の基板温度が約６００℃以上で得られる金
属膜は柱状結晶を有せず、膜面垂直方向に複数個の結晶
粒が重なっており、結晶粒内に存在する結晶欠陥は柱状
結晶構造より２〜３桁以上少なくなる。従って、りんの
粒界および結晶欠陥を通しての拡散をほとんど阻止する
ことができる。

また、前述の段差端部での開孔は、平坦部と段差部で結
晶性が極端に異なるため生じるものであように、膜面方
向に対し、複数個の結晶粒が重なるようにすれば良い。

すなわち、本発明において、膜垂直方向に複数個の多重
結晶粒を有する金属膜は、基板温度を高く保った状態で
スパッタリングやＣＶＤによって上記成膜時の温度は、
Ｗの場合は約８００℃以上、くなってチャネリング防止
の効果が不十分になる。

上記成膜時の温度は高ければ高いほど好ましい膜が得ら
れる。しかし、温度に高温になると、反応管など装置の
損傷が大きくなるので、温度の上限は使用された装置に
よって主として制限される。

このような理由によって、温度の上限は、はぼ１１００
℃になるが、耐熱性のすぐれた製造装置が開発されれば
、さらに高い温度で行なってもよいことはいうまでもな
い。なお、基板に高周波を印加して膜の形成を行なえば
、上記温度を若干低くすることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第４図を用い示す。

実施例１゜ Ｓｔ基板１上に２０μｍのゲート５ｉｏｚ膜２および所
定の素子段差３を形成後、基板温度８００℃に加熱した
状態で通常のＡｒガスによるスパッタリング法でＷ膜４
を形成した（第４図（ａ）、（ｄ））。そして、Ｗを反
応性スパッタエツチング法で、所定のゲート電極４′お
よび配線形状４Ｎに加工後（第４図（ｂ）、（ｅ））、
Ａｓのイオン打込を８０ＫｅＶで行なった。この後、熱
処理を行ない、ＭＯ８）−ランジスタのソース、ドレイ
ン等′の接合層５を形成し、絶縁膜６．引出し用Ａ１電
極７．Ａｌ配線７′を形成加工しＭＯ３型集積回路を作
製した。

上記の基板温度で形成したＷは、従来の基板温度３００
℃以下で形成した場合と異なり、柱状結晶構造を示さず
、Ｗの膜面方向に対し、３〜４個の結晶粒が重なった膜
が得られた。このような膜を用いた場合、チャネリング
現象、ＰＳＧ膜からの　りんの拡散および段差部でのＷ
配線の断線等が生ずることなく、良好な集積回路を得る
ことができた。したがって本発明によれば従来の柱状結
晶構造金属膜の欠点を克服できる良好なゲート電極配線
を得ることができる。なお、上記ＷをＭＯあるいはＴａ
にした場合は、基板温度が６００℃か６７００℃でＷの
本実施例と同様の効果を持つ金属膜を得ることができた
。

実施例２ 実施例１で基板温度２００℃てＷ膜を形成し、続いて、
酸素雰囲気中５００℃でＷを完全に酸化した後、０．５
％のＨ２Ｏを含むＨ２雰囲気中で、１０００℃の加熱処
理を行ない、Ｗ酸化物を還元し、再びＷ膜を得た。そし
て以後の工程は実施例１と全く同様の方法を用い、ＭＯ
８型集積回路を作製した。このようにして得られたＷ膜
は完全に柱状結晶構造が無くなり１段差部の結晶粒は平
坦部とほとんど均一化され、実施例１以上に断線の少な
い良好なＷ配線を得ることができた。

なお実施例には、膜形成時基板温度の高温化、および膜
形成後の酸化還元法による多重結晶粒化を示したが、本
発明は上記実施例に限定されるものではなく、多重結晶
粒の金属膜が得られる他の　７方法によっても同じ効果
が得られることは明白であり、本発明の技術思想を逸脱
しない範囲で変更し得るものである。

〔発明の効果〕

上記説明から明らかなように本発明によればチャネリン
グ現象を有効に防止することができ、Ｗ。

Ｍｏ、Ｔａなど高融点金属を電極と配線に用いた半導体
装置の実用化に極めて有用である。

なお、電極配線として、上記金属のシリサイドを用い°
た場合は、従来の方法で形成しても、イオン打込み時の
チャネリングは発生しないが、上記りんの拡散が著るし
く問題になっていた。本発明により柱状結晶を減少もし
くは消失させると、このような　りんの拡散も効果的に
防止できるので、本発明はシリサイドを用いた半導体装
置に適用しても、極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図は素子平坦部および段差上に形成さ
れた金属膜の断面での結晶粒構造を示す。 第２図はＷゲート電極上に形成したＰＣＧ膜中のりん酸
化物濃度と、そのＭＯ８素子のフラットバンド電圧（Ｖ
ＦＢ）の関係を示す図である。また第４図はＭＯ８型集
積回路の製造工程を示す工程図である。 １・・・Ｓｉ基板、２・・・ゲートＳｉＯ膜、３・・・
素子段差、４．４’　、４’・・・高融点金属、５・・
・接合層、６・・・絶縁膜、７・・・ＡＩ電極、７′・
・・ＡＩ配線、８・・・ドライエツチングにより生じた
金属膜の開孔部、第　１　回 （ｄｉ　（ｂ 第　２　砺 ＰＳＧ　Ｉ＋Ｐ２Ｏ５μ（ｍｏ／’ｌ’）第　３　図 第　４　目 （４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高融点金属からなる電極・配線を有する半導体装置
   において、該金属の結晶粒が金属膜垂直方向に対し、柱
   状構造を有せず、複数個の多重結晶粒か−らなることを
   特徴とする半導体装置用電極・配線。 ２、上記金属が、Ｗ（タングステン）またはＭＯ（モリ
   ブデン）またはＴ　ａ　（タンタル）またはそれら相互
   の化合物あるいは混合物あるいはそれらを基にした混合
   物あるいは化合物であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の半導体装置用電極・配線。