JPS63250463A - 金属薄膜形成方法 - 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〕 本発明は金属薄膜形成方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、表面の一部に絶縁薄膜を形成している基板の、前
記絶縁薄膜を形成していない部分にタングステンＷを選
択成長させるのに、減圧下の反応槽に以下のガス系の導
入又はガス系の導入の切換によりで行われている。

（イ）第一段階で、（ＷＦ、　　十不活性ガス）の混合
ガスの導入、次いで第二段階で、（ｗｐａ＋Ｈｔ）の混
合ガスの導入。

又は （＝＝１　　段階の別なく、最初から（ＷＦ、　＋Ｈ宜
）の混合ガスの導入。

上記（イ）、（ロ）の場合共、Ｗ選択成長は以下の反応
によりて進行する。

（１）　　ＷＦ６　＋　３／２Ｓｉ→へＶ＋３／２Ｓｉ
Ｆ、↑（１）の反応はＳｉ基板そのものによる還元反応
で、（１）の反応に比べ高速であるが、ＷＥｓ厚が２０
０〜３００Ｘ堆積すると理想的には、数十秒以内に停止
する。

その後は、（ＩＩ）の反応が（１）の反応によって生じ
たＷ膜の上でのみ進行し、よってＷ膜の選択成長が可能
になると考えられている。なお、（ａ）の場合も（１）
の反応速度は（１）の反応速度に比べて十分に速いため
、反応はやはシ、反応（＋）→反応（ＩＩ）のシーケン
スで起こると考えてよい。

〔従来技術の問題点〕

第４図に示すように下地がシリコン面（１）（ドープド
シリコン、ポリシリコン、ドープドポリシリコンについ
ても同様）の場合には、　（ＩＩ）の反応が進行する際
、実際には（１）の反応が完全に停止せず、そのため小
孔（９）ＫおけるＷ　Ｍ　（２）の成長に伴ない、図に
示すようにエンクローチメント（３）、シリコン・コン
サンブシ冒ン（４）、ワームホール（５ンなどのような
下地シリコン（１）にＷ膜が侵入する現象や、シリコン
部位の空洞（６）化といった現象が惹起される。

これが浅い接合部の電流リーク、コンタクト不良の原因
となるなどの問題を生ずる。なお、第４図において（７
）は不純物拡散層（浅い接合部）を表わしている。また
（８）はＳｉ０．　、ＰＳＧなどの絶縁薄膜を表わして
いる。

また（１）の反応は低速であるため、比較的高速のコー
ルドウオール枚葉型装置でも実用的成膜速度は高々、１
００ＯＸ／分であシ量産性が低いなどの問題がある。

また、従来の水素還元により生成されたＷ膜はグレイン
サイズ（粒径）が大きく表面形状が粗いので、アルミス
パッタなどのような後処理工程との整合性に難があるな
どの問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は上述の各問題点を解決し、良質でかつ生産性を
向上させ得る金属薄膜の形成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〕

上記目的は、金属元素を含んだガスと不活性ガスとの混
合ガス又は前記金属元素を含んだガスと水素へとの混合
ガスを減圧下の反応楕円に導入して、表面の一部に絶縁
薄膜を形成している基板の、前記絶縁薄膜を形成してい
ない部分に前記金属元素をもった金属薄膜を所定の厚さ
にまで堆積させた後、シリコン８ｉ元累を含む還元性ガ
スを前記いづれかの混合ガスに添加して前記金属薄膜の
成長を継続させることを特徴とする金属薄膜形成方法に
よって達成される。

〔作　用〕

■　第一段階によって生成される例えば２００〜２００
０１程度のＷ薄膜はｎ　＋、ｐ＋相方の浅い接合部に対
して優れた電気的特性（リーク電流１０　”人、コンタ
クト抵抗ｎ＋に対しては０．５　Ｘ　ｌ　Ｏ−’Ωｉ、
ｐ＋に対しては１，５Ｘ１０’Ω−）を有している。

■　これを厚膜化する時、例えばシリコンを含む還元性
ガスとして５ｊＨｘＦ４−ｘ、　５ｉＨｙＣ４−ｙ　を
添加する事により、次の還元反応が支配的になる。即（
ｌｉｉ）　　ＷＦａ　＋−Ｓ　１ＨｘＦ、−ｘ→Ｗ−１
−−８　ＩＦ、　−）−３鵬（Ｘ＝ｌ〜４）Ｑｖ）　　
ＷＦ６　＋３／２ＳＩＨｙＣ４−Ｙ＋　（３−Ｙ）Ｈｔ
→Ｗ＋　３／２８ｉＦ４−（６−３／２ｙ）ＨＣｔ（ｙ
＝０〜４）反応ｇ＋＋）　（ｌｖ）共に反応（Ｉｔ）よ
り速い還元反応であり従来の水素還元法によるＷＭ堆積
の１０〜４０倍程度（ｌｏｏｏｏ　〜ｔ５０００　Ｘ／
ｍ１ｎ）の高速成長が可能になる。

又反応（Ｉｌｌ）　ＧＶ）は固相シリコンによる還元反
応（１）よυも生起し易い反応である為、厚膜化の際、
反応（１）によるシリコン下地へのダメージは１００Ａ
以下のレベル迄軽減される。

こうして本発明によるガス系切換を用いてシリコンコン
タクト上にＷ膜を選択成長させれば、上記０項で述べた
様に優れた電気的特性を備えたま１１μｍ以上の厚膜化
が可能になる。

なお第一段階を用いず、第二段階のガス系のみによシ厚
膜化した時は？接合部に対する抵抗値が数１０倍増加す
る。ｎ＋に対しては問題なし。

〔第１実施例〕 第１図は本発明の方法が適用されるＣＶＤ（Ｃｂｅｍｒ
ｃａｌＶａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）　　装置
の概略図であるが、真空槽ｑ１の一方の側壁部には反応
ガス噴出ノズルＣ３１１が設けられ、底壁部の一端部に
は排気口０２が形成され、これは図示せずともＪＩｃ空
ポンプに接続される。

真空槽（１）内には加熱機構を備えたサセプタ一時が設
けられ、この上にウェハー（ロ）が設置される。

ウェハー（ロ）としてはシリコンウェハーが用いられ、
第２図に示すようにシリコン（１）の上には絶縁薄膜と
しての約１．ｌｊｍ厚のＰ２Ｏ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌ
Ｌｃｍｔｅ　ｇｌａｓｓ）の薄膜Ｇ５１が堆積され、こ
れに約１μｍ径のコンタクトホールとしての小孔□□□
が多数、形成されている。

また、小孔間の下方のシリコン領域にはイオン打ち込み
によりｎ＋、ｐ＋不純物拡散層３ｎが形成されている（
打ち込み深さ２０００〜３ｏＯｏＸ、表面不純物濃度１
０　”　ａ　ｉ’ｉｎｓ／（ｄ）。

ウェハー（至）はサセプター環の加熱機構によシ約３０
０℃に加熱される。ノズルＣ３１１からはＷＦ６、鴇、
を１：　１００の割合で混合した反応ガスＧ、が真空槽
■内に３分間、噴出される。かくして、小孔（至）内に
第２図に示されるように約１０００１のＷ膜秀が形成さ
れる。

その後、第２の段階としてＷＦ、：１４：　Ｓ　ｉＨ，
＝３：１００　：　ｓの割合の反応混合ガスＧ、に切如
換え、かつウェハー図の加熱温度を約３２０℃に設定し
て、３分間、Ｗ膜を堆積させた。第３図においてｃ９が
このとき堆積されたＷ膜である。

上記手順に従って堆積したＷ膜厚は凡そ５ｓｏｏＸであ
り、その電気的特性は、リーク電流については通常のア
ルミスパクタによる配線と同根ｆｉｎ”ｐ＋型接合につ
いてはアルミ配線の約−倍である事がわかった。

〔第２実施例〕 第１実施例と同じ第１図の装置を用い、ウェハー（ロ）
も同様な構成のものを用い、第１段階も゛同じ条件で成
膜操作を行なった。

第２段階ではガス混合比をＷＦ、　：　Ｈ，：　ＳｔＨ
，＝　ｓ　：５００　：　６に切シ換えたが、その他は
同じ条件にして約１．２μｍ／分のＷ膜堆積速度を得た
。

第１、第２実施例で共通な作用、効果は以下の通りであ
る。

■　第一段階反応で反応（１）と（１）にようＮ型、Ｐ
型相方の拡散層に対して良好なコンタクト特性を有する
Ｗ薄膜（第２図における關）を成長させることができる
。

Ｗ薄膜は２００〜２０００１程度の膜厚であるので、こ
の時点ではシリコン接合部はＷ膜の侵入による損傷をこ
うむっておらず、リーク電流もアルミスパクタによる配
線、と同程度である。

■　次に第二段階では（１）　（１）の反応に代わって
反応（ｉｌｌ）　ＯＶ）が支配的になる。反応（Ｉｌｌ
）　（ｌｖ）は反応（１）よりも生起し易い反応である
ので、反応（＋）の進行は抑止されて、シリコン下地へ
のダメージは厚膜堆積時にも極小化されると考えられる
。

又１反応（ｉｌｌ）　ｆｌｙ）は反応（ＩＩ）よりも速
い反応である為、２５００〜１２０００Ｘ／ｍ　ｉ　ｎ
の高速成長が可能とナル。

■　表面形状に対するＳｉＨ４還元の作用機序は明らか
でないが、経験的に著しい改善が見られる。

第１、第２実施例とも得られたＷ膜は非常に滑らかな表
面形状を呈している。

■　第１、第２実施例に於ては共に、Ｓ　ＩＨ，／ＷＦ
。

の流量比が２以下に抑えられているので、以下の非選択
的シリサイド反応（Ｖ）　（’１０を惹起する事なく選
択成長が維持される。

（Ｖ）　　ＷＦ、　＋２ＳｉＨｘＦ、−ｘ　＋　（７−
２ｘ　）”ｘ→Ｗ８　＋　！　＋　（１４−２ｘ　）　
ＨＰ（ｖｏ　　ＷＦｓ　＋　２ＳＩＨｙＣ４−ｙ　＋（
７２７）Ｈ！→ＷＳｉ！　＋　６ＨＦ　＋　（Ｊ　２ｙ
）ＨＣｔ以上、本発明の実施例について説明したが、勿
論、本発明はこれに限定されることなく本発明の技術的
発想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、以上の実施例では、シリコンを含む還元性ガス
としてＳｉＨ４を用いたが、これに代えて８　＋ｌ（Ｐ
’ｓ　、Ｓｉ４Ｆ１％ＳｉＨ，Ｆ、　５ｉＨＣ７，、、
Ｓ　ＩＨ２ｃｔ、　、　ＳｉＨｃ４．８ｉＣ４等のガス
を用いても良い。又上記ガスの任意の組合せによる複合
ガスを用いても良い。

又以上の実施例では、第一段階としてＷＦ、　／Ｈ。

系、第二段階としてＷＦ、　／５ｉ）（、／Ｈｔ糸のガ
ス系切換を用いたが、各段階、又は両段層を工ちを含ま
ないガス系で鵬の代わシに不活性ガス（例えば、Ｈｅ、
入ｒなど）と置き換えても良い。

また以上の実施例では二段階切換方式を用いたが、この
代わりにＷＦ、　／不活性ガスーＷＦ、　／Ｈ，→ＷＦ
、　／Ｓ　ｉＨ，／不活性ガスーＷＦ、　／ＳｔＨ，／
Ｈ，等の多段プロセスを用いても良い。

要は（１）　（１）の還元反応の後、（ｌｌｉ）　ＯＶ
）の還元反応を用いるプロセスであれば良い。

又以上の実施例では金属元素を含むガスとしてＷＦ・ガ
スが用いられたが、選択成長させる金属の種類に応じて
他の金属元素を含むガスを用いてもよい。

〔発明の効果〕

■　初期に反応（１）　（ｉｆ）を用いて、例えばＮ型
、Ｐ型相方の拡散１−に良好なコンタクト特性を有する
タングステン薄膜を形成し、その後、反応（Ｉｌｌ）　
ＯＶ）を用いて、シリコン下地に損傷を与える事なく該
タングステン薄膜を厚膜化するので、これによりリーク
電流のないＮ型、Ｐ型相方に良好なコンタクト特性を有
するタングステン配線が実現される。

■　気相シリコンによる還元反応を用いるので選択タン
グステンの成長速度は従来の水素還元法の１０〜４０倍
に高速化される。

■　タングステン膜の表面形状は従来の水素還元法に比
べて著しく平担化され、後工程（アルミスバクタなど）
との整合性が改善される。

■　気相シリコンによる還元反応を用いる場合、常にＳ
ｉ元累を含むガスの総流曾を例えばＷＦ６流量の２倍以
下に抑えると、反応が非選択性のシリサイド反応に移行
する事なく、良好な選択性が維持される。

本発明は以上のような各効果を奏して、良質の薄膜を形
成することができ、生産性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するためのＣＶＤ装置の概
略断面図、第２図は第１実施例の第１段階でシリコン・
コンタクト上に選択的にタングステンを成長させたウェ
ハーの部分拡大断面図、第３図は同実施例の第２段階で
同ウェハーに継続的にタングステンを成長させたウェハ
ーの部分拡大断面図及び第４図は従来の水素還元法によ
りシリコン・コンタクト上に選択的にタングステン膜を
成長させたウェハーの部分拡大断面図であって、下地シ
リコンが受ける損傷を説明するための図である。 なお図において、

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属元素を含んだガスと不活性ガスとの混合ガス
   又は前記金属元素を含んだガスと水素Ｈ＿２との混合ガ
   スを減圧下の反応槽内に導入して、表面の一部に絶縁薄
   膜を形成している基板の、前記絶縁薄膜を形成していな
   い部分に前記金属元素をもった金属薄膜を所定の厚さに
   まで堆積させた後、シリコンＳｉ元素を含む還元性ガス
   を前記いづれかの混合ガスに添加して前記金属薄膜の成
   長を継続させることを特徴とする金属薄膜形成方法。
2. （２）前記還元性ガスはＳｉＨｘＦ＿４−ｘ（Ｘ＝１〜
   ４）及び／又はＳｉＨｙＣｌ＿４−ｙ（ｙ＝０〜４）で
   ある前記第１項に記載の金属薄膜形成方法。
3. （３）前記金属元素を含んだガスはＷＦ＿６ガスである
   前記第１項又は第３項のいずれかに記載の金属薄膜形成
   方法。
4. （４）前記還元性ガスの総流量はＷＦ＿６ガスの流量の
   ２倍以下である前記第３項に記載の金属薄膜形成方法。
5. （５）前記所定の厚さは２００乃至２０００Åである前
   記第４項に記載の金属薄膜形成方法。