JPS63153273A - 金属薄膜の選択堆積方法 - 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 本発明は半導体装置内で使用する金属配線を形成する金
属薄膜の堆積方法に関するものであり、特に、必要な部
分にのみ堆積を行う選択堆積を、選択性、均一性および
平坦性が高く、基板中への金属膜の食い込みが小さい状
態で行う方法に関する。

従来の技術 従来金属ハロゲン化物ガスを用いたＣＶＤ法による金属
薄膜の選択堆積は、金属・・ロゲン化物ガスおよび還元
性のガスを含む一定の反応雰囲気に一定の温度に保った
基板を暴すことによって行われるのが通例であった。堆
積工程を二つの段階に分け、まず第一の段階では還元性
ガスを含まない反応雰囲気を用いて基板物質の還元作用
のみを利用した堆積を行い、次に、第一段階の堆積によ
って基板表面が基板材料による還元反応を抑制するに十
分な厚さの連続的な金属膜で被覆され、第一段階の堆積
が実効的に停止した後に、反応雰囲気中に還元性ガスを
混入し、そのガスの還元作用のみを用いて第二の段階の
堆積を行った例もあるが、両段階の基板温度は同一に保
たれることが多かった。基板温度を変化させた例もある
が、第一段階の温度を第二段階のそれより低くした例は
なかつた〇 発明が解決しようとする間雇点 基板物質の還元作用を用いて金属薄膜の選択堆積を行う
場合、本質的に還元材料として使用された基板材料が消
費され金属が基板中に食い込む現象が起きるのだが、従
来の方法では基板表面のわずかな状態の変化によって反
応の進行状態が大きく変化するため、単に均一な食い込
み層が形成されるのみではなく、試料間でその厚さが変
化したり試料内で部分的に深く食い込まれた領域が形成
されたりする。また、堆積を行うために還元作用を持つ
基板物質を露出させた部分と堆積を行わないために前記
物質を絶縁物膜で覆った部分との境界領域において、基
板物質と絶縁物膜との界面への食い込み（以下エンクロ
ーチメントと記す）が発生したり、基板中に細長い穴（
以下ウオームホールと記す）が形成されたりすることも
あった。

さらに、使用する基板物質および反応雰囲気によって具
体的な膜厚は異なるものの、ある膜厚以上の堆積を行っ
念場合に選択性が劣化するという問題点があった。

本発明者は以との様な従来の金属薄膜の選択堆積方法の
諸欠点にかんがみて種々考案研究した結果、本発明を完
成するに至ったものである。

問題点を解決するための手段 本発明の金属薄膜の選択堆積方法において、堆積工程は
基板物質の還元作用のみを利用する第一段階と、反応雰
囲気中に混入したガスの還元作用のみを利用する第二段
階とに分けて行われ、その第一段階は第二段階に比較し
て低い基板温度で行われる。

作用 本質的に基板材料の消費および金属の基板中への食い込
み現象が起きる基板材料の還元作用による堆積が行われ
る第一段階において、基板温度が低く保たれてｉるため
に反応が低い速度で穏やかに進行し、次の様な作用が得
られる。

■　基板表面状態にわずかな変化が存在した場合にも反
応の進行状況の変化が小さい。

■　この段階の反応が実効的に停止するまでの反応時間
すなわち基板表面が基板物質の還元作用による反応を抑
制するに十分な厚さの連続的な金属膜によって被覆され
るまでの時間が一１反応雰囲気の変更および安定に要す
る時間に比較してはるかに長く、雰囲気が不安定な期間
に反応が不均一に進行する量が少ない。

また、連続的な金属膜堆積の後に直ちに反応雰囲気を除
去し、エンクローチメントなどの不均一な反応の進行を
抑制することができる。

■　選択性劣化の原因となる反応生成物の生成速度が小
さく、その除去を迅速に行なうことによって選択性悪化
を防止することができる。

実施例 以下、図面に基づいて本発明について実施例を用いて、
更に詳しく説明する。

第１図には本発明にかかる金属薄膜の選択堆積を行うた
めのガスフロー、全圧力および基板温度のシーケンスの
一例を、第２図には上記シーケンスを用いて堆積を行な
った試料形状の一例を示す。

ただし本実施例は、原料ガスとして六フッ化タングステ
ン（ｗｙ、と記す）を、ｗｙ６を還元するガスとして水
素（Ｈ２と記す）を選び、さらに希釈用ガスとしてアル
ゴン（ムｒと記す）を使用して、タングステン（Ｗと記
す）膜の堆積を行うものとし、基板としては第２図１に
示され丸裸に堆積を行う部分にＷＦ６を還元する作用を
持つシリコｙ　（８１と記す）基板２を露出させ、その
他の部分を二酸化シリコン（ｉ！！ｉｏ２　　と記す）
膜２で覆ったものを使用するとし友。シリコン表面には
半導体装置として必要な構造の白金属配線を除いた部分
が形成されている。８１０２　膜２としては熱酸化膜、
ＰＥＧ。

ＢＰｆ９Ｇ、Ｎ８Ｇ７１どのｃｖｎ膜、プラスマＧｖＤ
膜などが使用され、半導体基板表面全面に堆積し、その
上にレジストパターン（図示せず）を形成した後に湿式
もしくは乾式のエツチングによって必要な部分の８１０
２　膜２が選択的に除去され、次いでレジスト膜が除去
される。

この様な基板を拡散炉型、コールドウオール型その他の
形式のＣｖＤ装置に装着し、第一の段階の堆積を行うた
めに１ｏｏ〜２５０℃程度の第一基板温度τ１　に加熱
し念後に、ムｒによって希釈されたＷＦ６ガスを供給す
る。この結果、Ｓｉ還元反応によってＳｉの露出した部
分にのみＷ膜３が堆積される。そして、基板温度その他
の条件によって決まるある時間の後に、第２図すに示す
様に露出したＳｉ基板１上に連続的なＷ膜３が堆積され
、ＷＦ６ガスが５ｉ基板表面に接触する量が減少してＳ
ｉ還元反応の進行が停止した状態に至り、原料ガスの供
給が停止され、第一段階の堆積が終了する。このときの
Ｗ膜厚は第３図に例示された様に基板温度によって変化
し、この場合は３６０℃付近で極大値を持ち、それ以下
の温度では温度の低下とともに減少して２５０’Ｃ’以
下では１５ｎ墓程度未満と極めて薄くなる。従ってこの
櫟に低い基極温度でＳｉ還元反応による堆樟を行うこと
により、表面付近での基極物質の消費の量を極めて小さ
な値に抑え、そのことによる半導体装置の特性変化の量
を実用上問題にならない範囲に抑制することができる。

またこの段階で堆積される金属膜は現実には必ずしも平
坦、均一なものではなく、第２図すに示された様に、た
とえば基板表面に比較的厚い自然酸化膜４が残留してい
るためにＷＦ。

ガスが８１基極と接触しにくくなっていた部分において
は薄く、たとえばイオン注入やドライエッチ工程で発生
したダメージ５が残留していた部分においては厚くなる
のだが、しかし、この様に基極温度を低くシ、金属堆積
膜厚を小さくした場合には当然この隊な原因による堆積
膜厚の変動量も小さくなり、堆積膜の平坦性の劣化や半
導体装置の特性変化を実用上問題とならない程度に抑え
ることができる。第２図すにおいて、７はＷ堆積前の８
１基板表面である。さらに、特に５１０２　膜に被覆さ
れた領域の端部に加わるストレスが大きい場合には二ン
クａ−チメント８が発生するのだが、その量も少くとも
平坦部分に連続的な金属膜が堆積された直後においては
平坦部の膜厚の減少に伴なって小さなものとなり、半導
体装置の特性に顕著な影響を与えるには至らない。その
上、基板温度が低く堆積速度が低いために、堆積開始時
および終了時に不安定かつ不均一な反応雰囲気、に暴さ
れるごとの影響も小さく、不均一な堆積が行なわれたり
、部分的に異常なＷの基板中への入り込みが生じたりす
ることがない。また、Ｓｉ還元反応進行中に発生する副
産物たとえば５ｉＦｚ　（ｘ　＝１〜３）が５ｉｎ２　
膜上で長時間滞留するとＷＦ６との反応によってＷＦｘ
（！＝Ｏ〜６）の堆積を生じ、選択性を悪化させるＷ堆
積膜になるのだが基板温度が低（Ｓｉ還元反応の進行が
緩やかであり、反応副産物の生成濃度が低いためにその
排気が迅速に行われ、堆積核発生も抑制される。

ただし、基板物質による還元反応で堆積される金属膜の
厚さと基板温度との関係は、基板の表面状態や反応ガス
圧などの各種の条件および他の原料ガスや基板物質を用
いる場合には当然その特性によって大きく変化し、必ず
しも第３図に示した例と一致するわけではない。しかし
、いずれの場合にも定性的には第３図と同様な変化を示
し、ある程度以下の低い基板温度を選ぶことによって上
記の様な良好な結果を得ることができる。

なお、第３図は４ｏｏ℃程度以上に基板温度を上昇させ
た場合にも２５０’Ｃ程度以上に低下させた場合と同様
に８上還元反応による堆積膜厚は減少することを示して
いる。しかしそのときの膜厚が２Ｓｏ℃程度以下の場合
と比較して厚いことに加え、以下の様な理由によって第
一段階の基板温度としてこの様な高い値を選ぶことは不
適当であると言える。

＆）反応が急激に進行するために反応副産物が短時間に
高濃度に発生し、その排気を迅速に行うことが困難であ
る。そのため、絶縁膜上に堆積膜が発生して選択性劣化
の原因となる。

ｂ）反応速度が速いために反応開始時および終了時の不
均一かつ不安定な雰囲気中で進行する反応の量が大きく
なる。そのため、堆積膜厚、膜質の不均一性が大きくな
ったり、部分的に異常に大きな金属膜の基板中への食い
込みが発生したりする可能性がある。

Ｃ）基板物質の還元作用によって連続的な金属膜が堆積
されるに要する時間が短かくなり、一方、原料ガスの供
給を停止し、排出するまでに要する時間は使用する装置
の構造、構成によって決まるある値以下には短くするこ
とができないため、連続的な膜の堆積の後も相対的に長
い時間基板を反応雰囲気に暴すことになる。このことは
エンクローチメントの成長や部分的な基板中への金属の
異常に大きな食い込みや、そしてそのことによる半導体
装置の特性劣化の原因となる。なぜなら、第４図にエン
クローチメントについて例示されている様に、平坦領域
の、それも厚い自然酸化膜やダメージなどの残留がない
部分での基板物質の還元作用による堆積が停止した後に
も、原料ガスの供給が続けられた場合には、エンクロー
チメント成長や、自然酸化膜が残留した部分の周辺やダ
メージの残留した部分などでの金属膜堆積はさらに進行
するからである。

次に、τ２にまで基板温度を上昇させた後にＷＦ。

およびＨ２を含む雰囲気中で第２段階のＨ２還元による
堆積が行われ、第２図Ｏの様に所定の膜厚のＷ膜１ｏが
得られる。このとき、第１段階での堆積によって平坦な
Ｗ膜に被覆された基板上に堆積が行われるため、表面の
比較的平坦な均一性の高いＷ膜１ｏを得ることができる
。また、第１段階中に８ｉ０２　膜２上に形成されるＷ
堆積膜の量が少いため、厚い膜の堆積を行なった場合に
も選択性の悪化が発生しない。なお、本例ではＨ２還元
による堆積を１条件で１度に行なっているが、もちろん
必要ならばそれをさらにいくつかの段階に分けてそれぞ
れ異なった条件で行なってもよい。

この段階の基板温度は３００〜６００’Ｃ程度の範囲か
ら各種の条件および要件に従って選ばれる。

ただし、第３図に示された様に基板物質の還元作用によ
って堆積する金属膜の厚さはいくつかの条件によって定
まるある温度、すなわちこの例の場合には約３６０℃に
おいて極大値を持ち、この温度付近に第２段階の基板温
度を設定した場合には、その初期においてさらに基板物
質の還元作用による金属の堆積が進行し、エンクローチ
メントの成長や基板中への金属の異常な食い込みが生じ
たり、また、基板物質の還元作用による反応副産物と水
素などの還元性ガスとの反応、たとえばＳｉＦ４　＋　
２１２　　→Ｓ１↓＋４ＨＦ　　　　　　　（１）によ
って絶縁膜上に金属堆積の核（この場合にはＳｉ）が発
生し、選択性が劣化したりする可能性がある。もちろん
この場合にはすでに連続的な金属膜で基板表面が覆われ
た状態から反応が進行するのであり、第３図に示されて
いる基板表面が露出された状態から反応が開始された場
合に到達する膜厚にまで堆積が続くわけではないのであ
るが、それでも、ある程度基板物質による還元反応が進
行することは確かである。従って、第２段階の堆積をそ
の様な基板温度で行うことは好ましくなく、より低い温
度かもしくはより高い温度で行うべきである。そしてさ
らに、■基板温度を高くするほど水素還元による堆積速
度が増加し、所要の膜厚を得るために必要な堆積時間が
減少する。■基板温度を高くするほど水素による原料ガ
スの還元が完全に行われ、ＷＦ４．ＷＦ５などの還元が
不完全であるために発生する物質が漢中もしくは基板と
堆積膜との界面付近に残留する量が減少し、膜の密着性
が向上する。■この場合には、基板温度を高くしても従
来の方法で堆積を行なった場合の様に選択性が劣化した
り異状な金属膜の食い込みが発生したりすることがない
。などのことを考慮すれば、基板物質の還元作用による
膜堰膜厚が極大値をとる温度よりも高い温度を第２段階
の基板温度として選ぶことが望ましい。

これに対して従来の方法でＷ膜の堆積を行う場合のシー
ケンスの例は第６図および第６図に示されている。まず
第６図は一定の温度に加熱した基板上をＷＦ６およびＨ
２を含む反応雰囲気に曇してＳｉ還元およびＨ２還元に
よる堆積を連続的に行わせる方法、第６図は、まずＷＦ
、のみを含む雰囲気中で８１　還元による堆積を行なっ
た後に、ＷＦ、およびＨ２を含む雰囲気中でＨ２還元に
よる堆積を行う方法であり、それぞれ１ステツプ法およ
び２ステツプ法と呼ばれる。２ステツプ法の場合の２つ
の段階（ステップ）における基板温度は同一にするのが
通例であり、密着性に関する検討を行う目的で変化させ
た例もあるが、むしろ第１段階の方を高くするものであ
った。

この内第６図のシーケンスを用いて第２図の場合と同様
の基板上にＷ膜の堆積を行なった例を第７図に示す。ま
ず、第１段階の基板温度が第２図の場合に比較して高い
ためにＷＦ６と８１　との反応を抑制するために必要な
Ｗ膜厚が厚く、Ｓｌ還元反応の停止時のＷ膜３の厚みが
第７図すに示された様に第２図すの場合に比較して厚く
なる。従って、自然酸化膜４の残留やダメージ６の残留
にともなうＷ膜厚の不均一性および表面の非平坦性、並
ヒにエンクローチメント発生量も大きくなる。

また、Ｓｉ還元反応が大きな速度で急激に進行し、反応
副産物も短時間に大量に生成されるため、その排気が迅
速には行われず５１０２　膜２上のＷ堆積核９の発生量
も大きくなる。

さらに、反応速度が速いために８１還元反応停止後直ち
に原料ガス供給を停止することは不可能であり、第７図
すの状態に至った後も実効的に比較的長い期間Ｗｙ６ガ
スに基板を暴すことになる。

そして、仁の期間に自然酸化膜が残留した部分の周辺や
ダメージの残留した部分および５１０２　膜被覆領域端
でのみＷ堆積が進み、その結果、第７図Ｏに示された様
にＷ膜３の膜厚不均一性１表面非平坦性および基板中へ
のＷ食い込み量が増加する。

その上、堆積開始および停止時の反応雰囲気が不安定か
つ不均一な期間に反応が進行する度合が大きくなるため
、不均一性はさらに大きくなり、部分的に異常なＷの食
い込みが発生する確率も大きくなる。

そして、この櫟に第１段階で堆積されるＷ膜３の均一性
および表面平坦性が劣っているために、第７図ｄに示す
様に、第２段階終了時に形成されるＷ膜２０の均一性２
表面平坦性も第２図Ｃの場合に比較して劣ったものとな
る。また、第１段階で形成される５１０２　膜表面のＷ
堆積核９の量が多゛いため、選択性も悪化する。

なお、第６図のシーケンスを用いた場合にも第７図と同
様の結果が得られるが、選択性がさらに悪化し、ウオー
ムホールが発生する可能性が大きくなる。

次に第８図および第９図に本発明にかかる金属薄膜の選
択堆積を行うためのシーケンスの第２および第３の例を
示す。

まず第８図では第１段階の堆積のためにも第２段階のそ
れと同様のＷＦ６およびＮ２　を含む反応雰囲気が使用
されている。この場合にも、ある程度以下に基板温度を
下げるとＮ２による還元反応の速度が極度に遅くなり、
第１段階に必要な堆積時間内でのＮ２還元反応の憩行を
まったく無視できる様になるため、第１図のシーケンス
で堆積を行なった場合とほぼ同一の結果を得ることがで
きる。

一方第９図では第１段階の堆積を開始する以前に水素雰
囲気中で第１段階の基板温度よりも高い温度での加熱が
行なわれている。この加熱は、基板表面に残留した水分
その他の不純物を除去する目的で行われるものであり、
この効果により選択性の劣化およびＷの異常な食い込み
の発生をさらに確実に防止することができる。この処理
は水素などの還元性雰囲気のほかにＮ２ｓムｒ、Ｈｅ　
　などの不活性雰囲気や単純な真空のもとでも行なうこ
とができる。また、ＨＣｊｌなどの反応性雰囲気のもと
て表面汚染層の除去を行うことも可能である。また、温
度としては通常は第２段階での基板温度と同程度の３０
０〜６００℃が適当であるが、基板の構造によっては１
ｏｏｏ℃程度に加熱して表面自然酸化膜の除去を行うこ
とも可能である。

以上ここでは主として原料ガスｗｙ、、還元性ガスＨ２
および希釈用ガスムｒを用いて第２図ａの様にＳｌを部
分的に８１０２　膜で被覆した基板上にＷ膜を堆積する
場合について述べたが、もちろんこれ以外のガス種や基
板構造を用いても同様に本発明の方法で金属膜の選択堆
積を行うことが可能である。たとえば原料ガスとしては
ＷＣｌ６．　ＭｏＦ６゜ＭｏＣｌ５．　ＴａＦ５．丁ａ
ｃ１５．　ＴｉＦａ、τ１０１４などを、希釈ガスとし
てはＮ２．Ｈ・などを使用することができる。

基板としては、ＷＦ６を原料ガスとする場合に限っても
、ＴｉＳｉ２．　ｗｓｉ２．ム１−８ｉなどの８１を含
む化合物やムｌ　、　ＴｉなどのＷＦ６を還元する作用
を持った元素を含む化合物を５ｉ０２．　Ｓｉ声４その
他各種の絶縁物膜で部分的に被覆した構造のものが使用
できる。

発明の効果 本発明による金属薄膜の選択堆積方法は以上の様な構成
によりなるものであり、基板表面状態の変化によって大
きな影響を受けることなく、均一でかつ平坦な金属膜を
、基板中への金属の異常な食い込みの発生および堆積膜
厚増大時の選択性の悪化を防止しながら選択的に堆積す
ることを可能にする方法である。従って本発明にかかる
金属薄膜の選択堆積方法は極めて産業上価値の高いもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる金属薄膜の選択堆積を行うため
のシーケンスの一例を示す図、第２図は第１図の７−ケ
ンスによって堆積を行なった場合の堆積開始前（第２図
ｍ）１，８１還元反応による堆積の終了時（第２図ｂ）
、Ｈ２還元による堆積の終了時（第２図Ｏ）での形状を
示す断面図、第３図はＷＦ６を含みＨ２を含まない反応
雰囲気中で露出した８１　基板表面上に堆積を行なった
場合の。 基板表面が連続的なＷ膜で被覆されて反応が停止した後
に得られるＷ膜厚と基板温度との関係の一例を示す特性
図、第４図は同様の雰囲気中で堆積を行なった場合の露
出した８１基板上での堆積Ｗ膜厚および５１０２　膜で
被覆された領域の端部でのエンクローチメント成長量と
反応時間との関係の一例を示す特性図、第６図および第
６図は本発明に至る前段階の方法で金属薄膜の選択堆積
を行うためのシーケンスの例を示す図、第７図は第６図
のシーケンスによって堆積を行なった場合の堆積開始前
（第７図ｍ）、８１還元によって８１基板上に連続的な
Ｗ膜が堆積された時点（第７図ｂ）、ガス供給の停止に
よってＳｉ還元による堆積の段階が終了した時点（第７
図Ｏ）およびＨ２還元による堆積の終了時（第７図ｄ）
での形状を示す断面図、第８図および第９図は本発明に
かかる金属薄膜の選択堆積を行うためのシーケンスの第
２゜第３の例をそれぞれ示す図である。 １・・・・・・８１基板、２・・・・・・５１０２　膜
、３・・・・・・Ｗ膜、４・・・・・・８１　基板表面
上に残留した比較的厚い自然酸化膜、６・・・・・・８
１基板表面付近に残留したダメージ、６・・・・・・５
ｉｎ２／　Ｓｉ基板界面付近のストレス、７・・・・・
・Ｗ堆積前のＳｉ基板表面、８・・・・・・ＳｉＯ２／
８１基板界面のエンクローチメント。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
５１１ ゛　憾 、Ｑ　　　　　　　　　　　　　　　　Ｏ讐　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ζノ第３図 基穆、ｌ及　（’（１） 第４１１１ ＃ｌ墳司ト間Ｃ７ｎｊＡ） 餓５図 ’　）（２”ＩＡｆＣ，Ｌ　；よる１１員第６図 第７図　　　　　　　９−Ｗ萄Ｕ ２０−−−Ｗ裏 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属ハロゲン化物ガスを原料とするＣＶＤ法を使用し、
   基板物質による原料ガスの還元反応のみによって、基板
   表面が上記の直接反応を抑制するに十分な厚さの金属堆
   積膜で被覆され、上記反応による堆積が実効的に停止す
   るまで堆積を行う第１の工程と、次に反応雰囲気中に還
   元性のガスを混入し、そのガスによる還元反応によって
   さらに堆積を続け所望の膜厚の堆積膜を得る第２の工程
   とを有し、上記の２段階の堆積工程の内第１の工程を第
   ２の工程に比較して低い基板温度において行うようにし
   た金属薄膜の選択堆積方法。