JPS63275114A - 基板上に低応力耐火金属層を形成する方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、一般に基板上への導電性皮膜の付着に関す
るもので、具体的には、半導体表面上に比較的厚い耐火
金属皮膜を形成させる化学蒸着法に関するものである。

Ｂ、従来技術 ＶＬＳ　Ｉ技術開発において、半導体チップ上に存在す
るマイクロエレクトロニクス・デバイスの寸法を縮小し
、これにより動作速度を増大する努力が絶えず行なわれ
ている。マイクロエレクトロニクス業界では、タングス
テン、モリブデン等の耐火金属を、導電性皮膜として使
用するための研究が行なわれている。しかし、現在の付
着技術には、いくつかの欠点がある。

ＶＬＳ　Ｉに用いられる耐火金属は、一般に、スパッタ
リング、蒸着、および化学蒸着の３つの方法のうちの１
つにより付着させる。スパッタリングまたは蒸着法の主
要な利点は、反応生成物が揮発性のものだけでなく、は
とんどの金属に適用できることである。しかしスパッタ
リングや蒸着は、複雑で高価な装置を必要とすることが
多く、ウェーハの表面構造の起伏がはげしい場合には、
被覆が不均一になりがちである。

耐火金属の化学蒸着（ｃＶＤ）には、スパッタリングや
蒸着よりすぐれたいくつかの特徴がある。

耐火金属のＣＶＤは、他の方法に比べて被覆が良好で、
装置の複雑性が低く、付着する被覆の純度が高い。また
用途によっては、選択的ＣＶＤで、フォトリングラフィ
のステップを追加する必要がない。選択的化学蒸着法は
、耐火金属または他の金属を、ある種の化学反応性を有
する領域にのみに付着させる方法である。たとえば、六
フッ化タングステンは、シリコンまたは多結晶シリコン
・ゲートとは反応するが、周囲の二酸化シリコン絶縁領
域とは反応しない。

しかし、過去にＣＶＤ法で形成させたタングステン皮膜
には、多くの制限があった。次式のように、六フッ化タ
ングステンの水素還元により副生成物としてフッ化水素
酸を生成する。

３　Ｈ２＋　Ｗ　Ｆ　ｅ→Ｗ十Ｅ３ＨＦ　　（１）これ
は、ＨＦが多結晶シリコン・ゲートの周囲の二酸化シリ
コン領域をエツチングして、デバイスを破壊する可能性
があるため好ましくない。この方法で形成した皮膜の厚
みは、最良の吠態で再現することが難しく、皮膜表面が
でこぼこになることが多い。水素還元法で形成したタン
グステン皮膜は、高度の応力を受けるため、皮膜が基板
からはく離することがある。この方法では、付着速度は
比較的遅＜、４００℃未満の温度では、タングステンは
毎分３０ないし５０人しか付着しない。

付着速度が遅いことは、厚い皮膜が必要な場合に不利で
ある。また、１０００人のタングステンを付着させた後
は、選択性がなくなり、タングステンが、二酸化シリコ
ンや他の周囲領域にも付着するようになる。

タングステン皮膜は、次式のように、六フッ化タングス
テンのシリコン還元によっても形成されてきた。

２ＷＦｓ＋３Ｓｉ→２Ｗ＋３ＳｉＦ＋　　　（２）この
反応の副生成物は、四フッ化シリコンで、これは揮発性
であるが、通常半導体材料とは反応しない。また、付着
速度は水素還元法よりはるかに速く、タングステンが毎
分５００ないし６００人付着丈る。しかし、この反応に
は２つの重要な欠点がある。第１に、水素還元と同様に
、この方法で形成した皮膜は高度の応力を受ける。シリ
コン原子がＷＦ６によりタングステンと置換されると、
タングステン原子のほうが大きいため、皮膜内に応力を
生じる。第２に、シリコン還元法では反応を起こすため
のシリコンが必要である。タングステンが伺着するにつ
れて、下の領域からのシリコンの量が次第に減少する。

これによって反応は自己制限的となり、通常３００ない
し４００人の皮膜しか付着しない。従来技術の１つは、
アルゴン・プラズマ処理を用いて、シリコン上にタング
ステンの付着のための核形成サイトを増加させ、これに
より、利用できるシリコン量を増加させる方法を開示し
ている。しかし、この方法でも、シリコン還”元法で形
成される皮膜の厚みが約１０００人に増加するに過ぎな
い。この厚みより厚くするには、他のタングステン付着
法が必要である。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 この方法の目的は、改善された方式で、半導体表面上に
耐火金属層を付着させることにある。

この発明の他の目的は、付着させた耐火金属が平滑で、
応力が低く、シたがってはく離し難くなるようにするこ
とにある。

この発明の他の目的は、耐火金属の付着を比較的高速で
行なうことにある。

この発明の他の目的は、付着させる耐火金属の厚みが、
基板上で利用できるシリコンの量によって制限を受けな
いようにすることにある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 この発明は、４００℃未満の温度で、従来のＣＶＤの３
倍ないし４倍の速度で、低応力のブランケット・タング
ステン皮膜を付着させる方法を提供する。この方法の第
１のステップでは、シリコン基板を設ける。第２のステ
ップでは、六フッ化タングステンをシリコン基板上を通
過させて、揮発性の四フッ化シリコンと、タングステン
の自己制限層を形成させる。この方法の第３のステップ
では、シランまたはジシランを高周波電力により分解し
てシリコンを生成させ、同時にプラズマを燃焼させる。

非晶質のシリコン（Ｓｔ：Ｈ）層が形成される。次にこ
の層を、シリコン上に六フッ化タングステンを通過させ
る第２のステップを繰り返してタングステンで置換する
。シリコンをすべて確実にタングステンに変換させるた
めに、シリコン層の厚みは自己制限厚み未溝に制限され
る。

非晶質のシリコン層をプラズマ付着させる第３のステッ
プと、このシリコンを六フッ化タングステンに露出する
第２のステップを、必要な厚みに達するまで、繰り返し
行なう。

Ｅ、実施例 次に、この発明の好ましい実施例について説明する。こ
の発明によれば、耐火金属を付着させるのに、３つの主
要な工程がある。第１はシリコンの初期領域を設けるこ
と、第２はこの領域を、耐火金属の六フッ化物、たとえ
ば六フッ化タングステンに露出させて、シリコンの一部
分をタングステンで置換すること、第３は第２のシリコ
ン層をプラズマ付着させることである。このシリコン層
は、反応が自己制限的になる厚みより厚みを薄くする。

露出工程およびプラズマ付着工程は、必要な金属層の厚
みが得られるまで繰り返して行なう。

初期シリコン領域を形成するには、少なくとも３つの方
法がある。第１は、シリコン・ウェーハ全体に均一なタ
ングステンの層が必要な場合で、裸のシリコン・ウェー
ハを反応室中に置く。第２は、最も普通の場合で、前処
理の結果、シリコン基板にすでにパターン付けた領域が
あり、これらの領域の一部はシリコンであり、一部は絶
縁体の表面である。耐火金属の六フッ化物と反応するシ
リコンが無い領域、たとえば二酸化シリコン絶縁領域ま
たはガリウム砒素デバイス上面に、タングステンを付着
させる必要がある場合は、パターンを付けたシリコンを
、プラズマまたはスパッタ付着法により、基板上に付着
させることができる。

この領域を六フッ化タングステンなど耐火金属の六フッ
化物に露出させる第２のステップは、本出願人に譲渡さ
れた米国特許第４８１７０８７号明細書に開示されてい
るような周知の方法で行なう。数オングストロームのタ
ングステンがＪｆ［されると、次の反応は、反応剤Ｗ　
Ｆ　ｓによって進行し、ＷＦ６は付着したタングステン
中を通過してシリコンへ拡散し、化学反応を起こしてタ
ングステンとフッ化シリコンを生成する。皮膜がある厚
みになると、タングステンは反応がさらに進むのを防止
する拡散バリアとして作用する。表面を前処理しない場
合は、自己制限皮膜厚みは３００ないし４００人である
ことがわかっている。

シリコンを六フッ化タングステンに露出して、タングス
テンで置換すると、シリコン原子よりタングステン原子
のほうが大きいため、皮膜内に応力が生じる。皮膜の応
力が高くなると、基板からタングステンがはく離するこ
とが多い。プラズマによるシリコンの付着は、応力を緩
和する１つの手段であることが判明している。プラズマ
付着により、タングステン上にシリコン層を付着させる
と、タングステン皮膜にシリコンが衝突するため、皮膜
の応力が緩和され、事実上応力が除去される。

この発明の１実施例では、前もってパターンを付けたシ
リコン基板を、通常のＣＶＤ反応器中で、３６０℃で、
２００ミリトルの六フッ化タングステン１５ｓｅｃｍに
２分間露出する。これにより、自己制限厚み３００ない
し４００Åのタングステン皮膜が形成される。

−１０＝ 六フッ化タングステンの流量をＯにした後、シランの高
周波プラズマ分解により、非晶質シリコンを付着させる
。２００ミリトル、３６０℃で４００ｓｅｃｍのシラン
の流量を、２００Ｗの高周波プラズマ中で６０〜１２０
秒間維持する。付着するシリコンの全量は、自己制限厚
み未満に制限して、後の処理でシリコンがすべて確実に
タングステンで置換されるようにする。

次に、非晶質のシリコンを２００ミリトル、３６０℃の
六フッ化タングステンに２４０〜３８０秒間露出して、
タングステンで置換する。

プラズマによる非晶質シリコンの付着と、このシリコ・
ンの六フッ化タングステンへの露出を、タングステンが
必要な厚みに達するまで繰り返す。

次にタングステンを、従来のフォトリソグラフィおよび
乾式エツチングにより、必要な形状にパターン付けする
。

上記の実施例では、六フッ化タングステンの流量を２０
０ミリトルで１５ｓｅｃｍとした。しかし、この発明で
は、六フッ化タングステンの流量を、１５０ないし２５
０ミリトルで、１５ｓｅｃｍないし３０ｓｅｃｍの範囲
とすることができる。反応室温度は、３１５ないし４０
０℃、六フッ化タングステンへの露出時間は２００ない
し３００秒の範囲とすることができる。

同様に、この発明では、シランの流量は１５０〜２５０
ミリトルで、２００ないし６００ｓｅｃｍの間にとるこ
とができる。良好な温度範囲は、３１５ないし４００℃
である。厚み２０００人の密着皮膜を形成させるための
総付着時間は、６００ないし８００秒である。

これらの操作条件は、最適でない結果が許容される場合
には変えることができ、また、他のＣＶＤ反応器を使用
する場合には、かなり変わってくる。

この発明は、特にＦＥＴゲート構造に適する。

タングステンが、ゲート領域上の多結晶シリコンと置換
して、低抵抗のオーミック接点を形成する。

この方法は比較的低温で行なわれるため、ガリウム砒素
デバイスにも容易に適用できる。金属ケイ化物のように
、他の点ではゲート構造に適した材料は、必要な低抵抗
を得るには、高温のアニーリングを必要とする。一般に
高温はガリウム砒素技術には適さない。ガリウム砒素ウ
ェーハ上にはシリコンが無いため、この発明の原理に基
づいて、シリコンの初期層を、好ましくはプラズマを用
いて付着させ、ガリウム砒素のタングステンのゲートを
形成させる。

上記の説明は、タングステンの付着に関するものである
が、モリブデン等、他の耐火金属も同様の方法で付着さ
せることができる。すなわち、六フッ化タングステンの
代わりに六フッ化モリブデンを使用すればよい。他の耐
火金属についての実験は行なわなかったが、従来技術の
結果から、タングステンと同様の結果が得られることは
明らかである。他の耐火金属（または他の一般金属）も
、ＣＶＤ法により、気状の耐火金属化合物のシリコン還
元により、シリコン上に付着させることができる。

Ｆ０発明の効果 上述のごとく、この発明によれば、平滑で、応力が低く
、はく離しにくい耐火金属層が与えられる。

出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１） （ａ）基板上にシリコン材料の領域を設け、 （ｂ）上記シリコン材料の領域を、気相の６フツ化耐火
   金属にさらすことにより上記シリコン材料の少なくとも
   表面を該耐火金属に変換し、 （ｃ）上記耐火金属上にプラズマ付着により、シリコン
   の上記耐火金属への変換が自己制限的となるよりも小さ
   い厚さをもつシリコン材料の層を付着し、 （ｄ）上記シリコン材料の層を上記気相の６フッ化耐火
   金属にさらすことにより上記シリコン材料を上記耐火金
   属に変換する工程を有する、 基板上に低応力耐火金属層を形成する方法。
2. （２） （ａ）シリコン材料の領域を設け、 （ｂ）上記シリコン材料の領域を６フッ化タングステン
   にさらすことにより、上記領域の少なくとも表面をタン
   グステン層に変換し、 （ｃ）上記タングステン層上に、シリコンのタングステ
   ンへの変換が自己制限的となるよりも小さい厚さをもつ
   アモルファス・シリコン層をプラズマ付着し、 （ｄ）上記アモルファス・シリコン層を　フッ化タング
   ステンにさらすことにより上記アモルファス・シリコン
   層をタングステンに変換する工程を有する、 低応力微細粒タングステン皮膜の形成方法。