JPS62109973A - 化学蒸着タングステン用のモリブデン接着層 - Google Patents

化学蒸着タングステン用のモリブデン接着層

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JPS62109973A JP23639386A JP23639386A JPS62109973A JP S62109973 A JPS62109973 A JP S62109973A JP 23639386 A JP23639386 A JP 23639386A JP 23639386 A JP23639386 A JP 23639386A JP S62109973 A JPS62109973 A JP S62109973A
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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】 [発明の背景] 本発明は基体上に薄いタングステン膜を形成する技術に
関するものであって、更に詳しく言えば、二酸化シリコ
ンや窒化シリコンのごとき誘電体表面上に密着性のタン
グステン膜を形成するための方法に関する。
半導体素子の製造に際しては、集積回路の構成要素を形
成するため各種の誘電体表面上に薄い金属層または金属
膜を堆積することが所望される場合が多い。このような
金属膜の堆積工程はしばしば「メタライズ」と呼ばれる
。メタライズによって得られる層に付随する応力は様々
に変化し、またかかる層間の界面の化学結合度も様々に
変化するため、ある種の金属は誘電体に対して十分に密
着するとは言えないことが判明している。その−例とし
て、化学蒸着法(CVD法)によって二酸化シリコン上
に設置されたタングステンの場合が挙げられる。このこ
とは、ジャーナル・オン・ジ・エレクトロケミカル・ソ
サエティ (Journal of’the Elec
trochemical 5ociety)第121巻
第2号の298〜303頁に所載のシー・エム・メリア
−スミスCC,M、Mclliar−9mith )等
の論文「半導体のメタライズ用の化学蒸着タングステン
」中に報告されている。
とは言え、誘電体表面上に密着性のタングステン膜を形
成することはやはり望ましいのである。
なぜなら、タングステンは高い導電率を示し、かつ膜の
厚さが小さくて電流密度の大きい区域においても(アル
ミニウムの場合のように)移動することがないからであ
る。このような移動現象はしばしば「エレクトロマイグ
レーション」と呼ばれており、それはメタライズ層の一
部を分離させることがある。更にまた、シリコンはアル
ミニウム中に溶解し得るものであって、両者が接触した
場合には、シリコンかアルミニウム表面に侵入して2つ
の表面間に空隙を生じることになる。このような現象は
しばしば「スパイキング」と呼ばれる。
シリコンはタングステンに溶解せず、またタングステン
は高い導電率およびエレクトロマイグレーションに対す
る抵抗性を有するから、集積回路のコンタクト用孔や接
続用孔をタングステンで充填しようという努力がなされ
てきた。その実例としては、1985年5月付けの米国
特許出願第733445号明細書中に開示された方法が
挙げられる。かかる方法においては、タングステンは金
属表面および半導体表面上に選択的に堆積されており、
その場合の付着性は満足すべきものである。
なお、かかる方法の場合、誘電体表面上へのタングステ
ンの堆積は所望されていない。
ところで、コンタクト用孔や接続用孔の充填と同時にメ
タライズ層の形成を可能にするような方法でタングステ
ンを堆積することができれば有利なはずである。そうす
れば、製造効率が向上すると共に接触界面の数が減少す
るから、素子の性能は改汲されることになる。
メタライズ層の付着性の問題は、通例、非付着性の材料
間に付着増強物質または「接合用接着剤(glue)層
」を使用することによって解決されてきた。しかしなが
ら、化学蒸着法によって形成されるタングステン膜用に
適した付着増強物質を得るのは困難であった。
化学蒸着タングステン用の付着増強物質としては、ケイ
化タングステンが知られている。しかしながら、ケイ化
タングステン(WSi2)の層を堆積するのは困難であ
る。SiH4とWF6との反応によってかかる層を形成
するには特殊な装置が必要である。他方、スパッタリン
グによる接合用接着剤層の形成はもっと簡単であって、
複雑な装置を必要としない。化学蒸着タングステン用の
付着増強物質としては、スパッタリングによって堆積さ
せたチタンおよびクロムが提唱された。しかしながら、
それらは満足すべきものと言えないことが判明している
。プロシーディングズ・オン・ジ・インターナショナル
・コンファレンス・オン・ケミカル・ベーパ・デポジシ
ョン(Proceed ings of the In
ternational Conrerence on
 Chemical Vapor Depositlo
n)の第3版591〜599頁に所載のジエイ・アイ・
フェデラー(J、1.Pederer )等の報告「タ
ングステンおよびモリブデン被膜の密着性の研究」中に
は、付着力が劣る理由として、クロムと化学蒸着ガスと
の間に置換反応が起こることが述べられている。このよ
うな置換反応により、クロム層はエツチングされて除去
されてしまう。
米国特許第4404234号明細書中には、スパッタリ
ングによって誘電体表面上にタングステン膜を堆積する
方法が開示されている。この方法に従えば、スパッタリ
ングによって形成されるメタライズ層の付着力を増強さ
せるために、二酸化シリコンの誘電体表面を化学蒸着タ
ングステンまたは化学蒸着モリブデンによって部分的に
被覆している。部分的に堆積されたタングステンまたは
モリブデンは誘電体表面上に小さな島を形成し、それに
より誘電体表面を粗面化して付着力を増強させる。残念
ながらこの方法は、超高密度集積回路(VLSI)およ
び極超高密度集fa回路(USLl)用途において要求
されるような、部品密度が高くかつアスペクト比が大き
い集積回路を製造する目的には不適当である。
スパッタリングによって形成されるメタライズ層は、化
学蒸着法によって形成されるメタライズ層のような均一
性を示さないばかりでなく、その対象となる表面の形状
に順応しない。このことは、ジャーナルφオン・アプラ
イド・フィジックス(J、AI)り1.Phys、)第
54(6)巻(1983年6月)中に所載のアイ・ニー
・ブレツクおよびエッチ・ニー・バンダー・プラス(1
,A、Blech & H,A。
Vander Plas )の論文「直流ブレーナ・マ
グネトロン・スパッタリング装置における階段状被覆の
シミュレーションおよび測定」中に説明されている。更
に詳しく述べれば、この論文には、平坦でない領域上に
スパッタリングにより形成した層の被覆(この論文中で
は「階段状被覆」と呼ばれている)について論じられて
いる。スパッタリングにより形成した層がこのように形
状順応性に欠ける理由は、スパッタリングが被覆すべき
表面から遠く離れた金属供給源を有するライン・オン・
サイト(1ine−of−site)形の処理方法であ
り、そのために一様な金属の堆積が困難であることにあ
る。
化学蒸着法においては、金属供給源が基層の表面に接触
するガスであり、そのため表面上のいかなる箇所におい
ても金属が均等に堆積し得るのである。このような訳で
、(1/2より大きい高さ7幅比を有する)アスペクト
比の大きい平坦でない領域をスパッタリング法によって
充填することは困難である。
本発明は、化学蒸着法によって形成されかつVLSIお
よびULS I用途に適合した密着性のタングステン・
メタライズ層を得るための簡便な方法に対する当業界の
要望に応えて開発されたものである。
[発明の概要コ 本発明は、一般的に述べれば、化学蒸着法によって誘電
体表面上に密着性のタングステン膜を形成するための方
法を提供することである。かかる目的を達成するために
、付着増強物質または接合用接着剤層としてモリブデン
が使用される。かかるモリブデン接着層はタングステン
を化学蒸着するための反応性ガスにより侵食されず、ま
た平坦な領域ばかりでなく (特に高さ7幅比が1より
大きいような)アスペクト比の大きい平坦でない領域に
おいても二酸化シリコンに対するタングステンの優れた
密着性をもたらす。更に詳しく述べれば、本発明は二酸
化シリコンまたは窒化シリコンから成る誘電体表面上に
連続した形状順応性のタングステン膜を形成するための
方法に関する。かかる方法は、スパッタリングによって
誘電体表面上にモリブデンを堆積して連続したモリブデ
ン層を形成し、次いで化学蒸着法によってそのモリブデ
ン層上にタングステンを堆積する工程を有することを特
徴とする。
本発明の主たる目的は、二酸化シリコンに対する化学蒸
着タングステン膜の付着性を向上させ、それにより集積
回路用として適する連続した形状順応性のメタライズ層
を形成するための方法を提供することにある。その他の
目的は、以下の詳皿な説明を読めは自ら明らかとなろう
[好適な実施の態様の説明] 本発明に従って処理し得る誘電体表面としては、二酸化
シリコンおよび窒化シリコンの表面が挙げられる。かか
る誘電体は、電子工業界において利用されるトランジス
タおよび集積回路中に最も普通に見られるものである。
これらの誘電体は、絶縁層を形成する目的でシリコン・
ウェーハやチップの半導体表面のごとき基体上にスパッ
タリングによって堆積することができる。また二酸化シ
リコン層はシリコン基体の半導体表面を酸化することに
よっても形成することができる。更にまた、二酸化シリ
コン層はシラン同族体(すなわち、5iHaや5iC1
zH2)と酸素源(すなわち、02やN20)との反応
に基づく化学蒸着法またはプラズマ促進化学蒸着法によ
って基体上に堆積することもできる。なお、プラズマ促
進化学蒸着法とは、高周波発生器によってプラズマを発
生させ、それによりガスの活性を高めて一層低い温度で
の化学蒸着を可能にする方法である。
上記のごとき誘電体表面は、連続した平坦な表面であっ
てもよいし、あるいはまたパターン形成を受けた平坦で
ない表面であってもよい。後者の例としては、パターン
形成によって下側の基体(シリコン層、或いはタングス
テン、アルミニウムまたはモリブデンの層)を露出させ
たコンタクト用孔や接続用孔を含むシリコン・ウェーハ
の表面が挙げられる。このようなパターン形成を受けた
誘電体表面は当業界において公知の方法によって得るこ
とができる。かかる方法の実例としては、誘電体の表面
をホトレジストで処理し、次いでマスクを通して放射エ
ネルギーに暴露することから成る写真食刻法が挙げられ
る。パターン形成済みの誘電体表面が写真食刻法によっ
て得られる場合には、コンタクト用孔の深さは約10オ
ングストローム乃至3ミクロンの範囲内にあることが好
ましく、また約500オングストローム乃至1ミクロン
の範囲内にあることが最も好ましい。
かかる誘電体表面上には、付着増強物質または接合用接
着剤層としてモリブデンがスパッタリングによって堆積
される。ここで言う「スパッタリング」とは、金属材料
製の電極を不活性ガス(たとえばアルゴン)のイオンで
衝撃することにより金属原子を電極からたたき出して金
属膜を堆積するような方法を指す。この場合のアルゴン
・イオンは、アルゴンに高周波を照射することによって
発生される。アルゴン・イオンを引寄せるため、電極に
は直流電流が流される。電極を衝撃するアルゴン・イオ
ンは電極上の金属原子をたたき出し、その結果として金
属原子の蒸気圧が高まる。系内か金属原子で飽和すると
、それらは基体表面を含む低温の表面上に凝縮する。こ
のようなプラズマの発生は、基体上に凝縮する金属原子
が所望の厚さの層を形成するまで継続される。
上記のごときモリブデン接着層を形成するためには、当
業界において公知であるほとんど任意のスパッタリング
法が使用可能である。その実例としては、グロー放電ス
パッタリング法、円筒マグネトロン・スパッタリング法
、ブレーナ・マグネトロン拳スパ・ンタリング法、Sガ
ン・マグネトロン・スパッタリング法およびイオンビー
ム蒸着法が挙げられる。なお、これらのスパッタリング
法はボッセンおよびカーノ(Vossen & Ker
n )著[シン・フィルム・プロセシズ(Thin F
ilm Processes ) J  (アカデミツ
ク・プレス社、1978年)の12〜204頁に一層詳
しく記載されている。また、スパッタリングによってか
かるモリブデン接着層を形成するためにはほとんど任意
の装置が使用可能である。かかる装置は上記のボッセン
およびカーノの著書中に一層詳しく記載されている。な
お、これらの装置は使用するマグネトロンの形状(たと
えば、円形、プレーナ形、円筒形など)に応じて様々な
形態を取り得る。
モリブデン接着層が形成される結果、誘電体表面は化学
蒸着法において見られるような侵食性の反応体ガスに暴
露されることがなくなる。プラズマおよびモリブデン蒸
気の存在下では誘電体表面材料の置換が起こることはな
いから、誘電体表面はそのま−の状態に保たれる。スパ
ッタリングはライン・オン・サイトの幾何学的位置関係
(ジオメトリイ)に依存するから、このスパッタリング
工程においては、コンタクト用孔、接続用孔等のアスペ
クト比の大きい領域が一様に充填されることはない。と
は言え、スパッタリングにより誘電体表面上には連続し
たモリブデン接着層が形成される。
ここで言う「連続した」層とは、少なくとも誘電体の高
位の表面(すなわち、コンタクト用孔、接続用孔等のア
スペクト比の大きい領域の内部の表面を除いた平坦な表
面)を完全に被覆するような被膜を意味する。また、「
アスペクト比の大きい平坦でない領域」とは、たとえば
写真食刻法によって高位表面の一部を除去し、それによ
って一般に約1/2より大きい高さ7幅比を有するよう
な孔を形成した区域を指す。要するに、コンタクト用孔
の側壁や底壁はモリブデン接着層によって被覆される必
要はないのである。モリブデン接着層がコンタクト用孔
を包囲する高位表面を被覆しさえすれば、この孔は後続
の工程においてタングステンにより充填されるから満足
すべき結果が得られることになる。
スパッタリングにより形成されるモリブデン接着層がコ
ンタクト用孔、接続用孔などの内部の表面を被覆する必
要はないとは言え、かかるモリブデン接着層がそれらの
表面を被覆しても本発明の範囲から逸脱するわけではな
い。実際には、それが可能であれば、平坦でない領域を
含めた誘電体の全表面の形状に順応した一様なモリブデ
ン層を形成することが好ましい。
モリブデン接着層の厚さは、誘電体表面上における該層
の連続性を維持しながら該層の応力をできるだけ小さく
するように選定される。実際には、約250乃至100
0オングストロームの厚さを有するモリブデン接着層が
好適であり、また約500オングストロームの厚さを有
するモリブデン接着層が最も好適である。とは言え、そ
れよりも薄くて連続した層を均一に形成することができ
るのであれば、その方が望ましい場合もある。本発明の
方法においては、スパッタリングにより形成されるモリ
ブデン接着層の厚さの上限は規定されない。とは言え、
モリブデン接着層が厚過ぎると、コンタクト用孔や接続
用孔をふさぐことがある。
連続したモリブデン接着層の堆積に続き、化学蒸着法に
よってタングステン・メタライズ層が堆積される。かか
るタングステン・メタライズ層は連続した形状順応性の
ものである。ここで言う[形状順応性とは、高位の平坦
な領域およびアスペクト比の大きい平坦でない領域を含
む基層表面の全体を被覆するような層を意味する。その
結果、コンタクト用孔、接続用孔等のアスペクト比(高
さ7幅比)の大きい領域はタングステンによって充填さ
れることになる。その理由は、化学蒸着法が気相中の成
分を反応させることにより表面の位置で膜を生成させる
ような材料合成法であることによる。
化学蒸着法はライン・オン・サイトの幾何学的位置関係
に依存しない。すなわち、ガスに接触する表面上の全て
の位置が膜の生成部位を成す。本発明を使用した場合、
最大3ミクロンの厚さを有するタングステン・メタライ
ズ層を形成することができる。それよりも厚いタングス
テン・メタライズ層は、応力が大き過ぎて不適当である
と信じられる。なお、好適な厚さの範囲は約500オン
グストローム乃至2ミクロンである。
本発明においては、実質的に任意のタングステン化学蒸
合法を使用することができる。最も普通のタングステン
化学蒸着法は、WF6またはWCl6を還元するという
ものである。とりわけ、WF6 +3H,=→W↓+6
HF↑の反応に基づくタングステン化学蒸着法が本発明
にとって好適である。化学蒸着法に関する一層詳細な説
明は、カークーオズ7− (Kirk−OthIler
 )編「エンサイクロペディアφオン・ケミカル・テク
ノロジー(Encyclopedia ol’ Che
mical Technology ) J  (第3
版)の第13巻636頁並びに上記のボッセンおよびカ
ーン著「シン・フィルム・ブロセシズ」(1978年)
の257〜319頁に見出される。
適当な化学蒸着法は、(1)反応体ガスおよび希釈ガス
を(流量およびタイミングを調整しながら)反応器内に
輸送することにより、基体表面に反応体ガスを接触させ
て吸着させ、(2)反応体ガスの反応および反応体ガス
の表面への拡散のために必要な熱を供給し、かつ(3)
表面から脱着する副生ガスを輸送する諸工程から成るも
のである。適当な化学蒸着法の実例としては、低温CV
S法、高温CVD法、低圧CVD法、プラズマ促進CV
D法および常圧CVD法が挙げられる。なお、好適なの
は低圧CVD法である。
本発明においては、タングステンの化学蒸着を行うのに
適したほとんど任意の装置が使用可能である。かかる装
置としては、ボッセンおよびカーン著「シン・フィルム
Φブロセシズ」中に記載されているような、水平形、台
座形、たる形またはパンケーキ形の高温壁面反応器およ
び低温壁面反応器が挙げられる。
化学蒸着法を実施するのに適した条件としては、約30
0乃至700℃の範囲内の温度および約0゜1トル(T
orr)乃至約1気圧の範囲内の圧力を用いる。なお、
好適な温度範囲は約400乃至500℃であり、また好
適な圧力範囲は約1乃至2トルである。水素と六フッ化
タングステンとの比は、約3:1乃至1000:1の範
囲内にあればよい。
なお、好適な比の範囲は5:1乃至20:1であり、ま
た20:1付近の比が最も好適である。
かかる化学蒸芒法の実施後に得られた製品には、引き続
いて処理を施すことができる。本明細書中に記載した方
法によって基体上にタングステンを付着させた場合、得
られるメタライズ層は優れた密着性を示し、コンタクト
用孔および接続用孔は良好に被覆され、しかも基体の誘
電体材料の劣化はほとんどもしくは全く生じない。
本発明を一層詳しく説明するため、以下に実施例を示す
。なお、これらの実施例は本発明の範囲を制限するもの
と解すべきでない。
[実施例1〜18] これらの実施例においては、スパッタリングによってシ
リコン・ウェーハ上に接着層を形成するため、マテリア
ルズ・リサーチ社(MaterialsResearc
h Corp、)製の低温壁面反応器を使用した。
モリブデン、チタンおよびクロムから成る3種の金属接
着層を試験した。更にまた、化学蒸着法によって得られ
たポリシリコン層に対する密着性も試験した。なお、上
記の金属接着層は500オングストロームの厚さに形成
され、またポリシリコン層は約1000オングストロー
ムの厚さに形成された。かかる金属接着層およびポリシ
リコン層上に様々な厚さのタングステン・メタライズ層
を形成した。厚さの範囲は約0. 5乃至2.5ミクロ
ンであった。タングステンの化学蒸着は、水素および六
フッ化タングステンを約1o:1乃至20:1の比率で
使用しながら低温壁面反応器を約450℃で運転するこ
とによって行った。かがる化学蒸着は約10乃至25分
間にわたって継続された。こうして得られた積層物の密
着性を、後述の「試験手順」に記載された方法に従って
試験した。なお、個々の実施例におけるタングステン層
の厚さ、接着層の種類および付着力の評点(rat 1
ng)は下記第1表中に示されている。
実施例1は(誘電体表面ではなく)半導体表面に対する
タングステンの付着力レベルを例示するものであり、ま
た実施例2は二酸化シリコンから成る誘電体表面に対す
るタングステンの付着力レベルを例示するものである。
実施例1および2は本発明の範囲内に含まれない。これ
らは、本発明によった得られる製品の付着力レベルの評
価基準を与えるために示されている。
第1表 料タングステンの付着が起こらなかった。
上記の表によれば、あらゆる厚さの化学蒸着タングステ
ン層に対してモリブデンは優れた接着層を提供すること
がわかる。モリブデンとタングステンとの全ての組合せ
において得られる付着力の評点に匹敵する評点を与えた
のは、500オングストロームのチタン接着層と2.1
ミクロンのタングステン層との組合せのみであった。ク
ロムの場合、付着力は常に劣っており、また時にはタン
グステンの付着が起こらないこともあった。
(試験手順) 接着層の化学蒸着タングステンに対する付着性を評価す
るため、下記第2表中に示された段階的な付着力試験を
実施した。「テープ」を使用した場合、このテープは、
アメリカ合衆国ペンシルバニア州ピッツバーグ市所在の
ルバージ社(LePages、Inc、)から小成され
ている幅3/4インチのセロハンテープNo、6100
であった。
「エツチング」の場合は、表面上に点の列を形成するよ
うにしてタングステンを黒色のワックスで被覆した。被
覆後の表面をエツチング液に暴露することにより被覆さ
れていない部分のタングステン層を除去した。かかるエ
ツチング液は、30gのに3 Fe  (CN)6.1
0gのNaOHおよび100+nlのH2Oから成るも
のであった。ワックスを除去した後、残留するタングス
テン層の付着力を検査した。
「けがき」の場合は、ダイヤモンド・ペンを用いてタン
グステン層に6〜8本の線を刻んだ。そして、けがき線
の位置における付着力を検査した。
第2表 付着力の評価 ひとりでに剥離することはない。        l真
鍮ワイヤのブラシ(ブラシ掛け)に耐える。  2.0
縁端部に沿ったブラシ掛けに耐えるが、2.2粘着テー
プ試験で剥離する。
粘着テープ試験に耐える            3.
0(エツチングなしの場合)。
エツチング(黒色ワックス、エツチング液    3.
1使用)に耐える。
エツチング線に沿った2回目のブラシ掛け   4.0
に耐える。
エツチング線に沿った粘着テープ試験に     5.
0耐える。
けがきに耐える。                5
.1ブラシ掛けに耐える。             
 e、。
けがき線に沿った粘着テープ試験に耐える。   7.
0モリブブン接告層および化学蒸着タングステン層の厚
さは広範囲にわたって変化させることができる。以上の
説明に基づけば、本発明の範囲から逸脱することなしに
その他の様々な実施の態様が可能であることは当業者に
とっても自明であろう。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、二酸化シリコンまたは窒化シリコンから成る誘電体
    表面上に連続した形状順応性のタングステン膜を形成す
    るための方法において、(a)スパッタリングによって
    モリブデンを堆積して前記誘電体表面上に連続したモリ
    ブデン層を形成し、次いで(b)化学蒸着によって約3
    ミクロン以下の厚さを有する連続した形状順応性のタン
    グステン層を前記モリブデン層上に形成する工程を有す
    ることを特徴とする方法。 2、前記誘電体表面が1/2より大きい高さ/幅比を有
    するアスペクト比の大きい平坦でない領域を含む特許請
    求の範囲第1項記載の方法。 3、前記誘電体表面が写真食刻法によるパターン形成を
    受けていて、前記平坦でない領域においてシリコン、タ
    ングステン、アルミニウムおよびモリブデンの中から選
    ばれた材料から成る下側層が露出している特許請求の範
    囲第2項記載の方法。 4、パターン形成を受けた前記誘電体表面が集積回路の
    一部であり、かつアスペクト比の大きい前記平坦でない
    領域がコンタクト用孔および接続用孔である特許請求の
    範囲第3項記載の方法。 5、前記モリブデン層が約250乃至1000オングス
    トロームの厚さに形成される特許請求の範囲第1項記載
    の方法。 6、前記タングステン層が約500オングストローム乃
    至2ミクロンの厚さに形成される特許請求の範囲第1項
    記載の方法。 7、前記タングステン層を形成するための前記化学蒸着
    工程がWF_6とH_2との気体混合物の反応によって
    達成される特許請求の範囲第1項記載の方法。 8、前記モリブデン層が約500オングストロームの厚
    さに形成され、前記タングステン層が約500オングス
    トローム乃至2ミクロンの厚さに形成され、かつ前記タ
    ングステン層を形成するための前記化学蒸着工程が約4
    00乃至500℃の温度、約1乃至2トルの圧力および
    約10:1乃至25:1のH_2/WF_6比の条件下
    で実施される特許請求の範囲第1項記載の方法。
JP23639386A 1985-10-07 1986-10-06 化学蒸着タングステン用のモリブデン接着層 Granted JPS62109973A (ja)

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