JPS6372156A - 半導体装置 - 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、高融点金属もしくはその化合物よりなる電極
配線を備えた半導体装置に係り、特に、電極配線層の熱
的安定性の向上ならびに装置の信頼性の向上に好適な電
極配線構造とした、高集積度を有する半導体装置に関す
る。

〔従来の技術〕

タングステンをはじめとする高融点金属もしくはその化
合物は、半導体装置の電極材料や相互配線材料として広
く用いられている６例えば、タングステンを電極配線材
料として用いた半導体装置については、アイ・イー・イ
ー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド−ステート・サ
ーキット（Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
５ｏｌｉｄ　−５ｔａｔｅ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ）、Ｓ　Ｃ
−１０（１９７５年）、第９２〜９７頁において論じら
れている。

ところが、従来の装置に用いられているタングステン層
は一般に多結晶質であったため、本発明者の実験による
と、温度６００℃以上の熱処理によリ、多結晶質タング
ステン層は基板のシリコン結晶と接続する界面付近にお
いてシリコンとタングステンとが反応することが明らか
になった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の半導体装置のように、多結晶質タングステン
層を電極配線に用いた場合、熱処理によるタングステン
とシリコンとの反応の結果、両者界面近傍においてタン
グステンシリサイドが形成されることにより、基板との
接続部におけるコンタクト抵抗が増加するばかりでなく
、半導体装置の微細化、高集積化に際して浅い接合のつ
き抜けを生じるという問題があった。

本発明の目的は、タングステンをはじめとする高融点金
属もしくはその化合物よりなる電極配線を備えた半導体
装置において、前述のような熱処理に伴なう半導体基板
との接続界面部における高融点金属とシリコンとの反応
を抑制し、信頼性ならびに耐熱性の高い電極配線構造と
することのできる半導体装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的はｙｓ電極配線層形成するに際して、少なくと
も半導体基板と接する界面部分に形成される高融点金属
もしくはその化合物を単結晶とすることにより、達成さ
れる。

そのために、クラスタ・イオンビーム法を利用すること
により、単結晶の高融点金属もしくはその化合物を半導
体基板上に形成できることを確認した。クラスタ・イオ
ンビーム法によれば、低い基板温度で単結晶成長が可能
である。その理由は、たとえば、ジャパニーズ・ジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊｐｎ、　Ｊ、
　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　）１９　（１９８０）、　
ｐ、　Ｌ１８１に記載のように、高真空中で精度良くイ
オンの量やエネルギーを制御でき、表面のスパッタ清浄
化や核形成位置の設定や吸着原子の表面拡散の促進が有
効に行われるためである。なお、クラスタ・イオンビー
ム法以外の方法による単結晶形成は、コンタクトホール
直径０．５ｐ以下、温度４００℃以上によるスパッタ法
によっていた。

しかし、本発明の特徴は、電極配線層のうち半導体基板
と接する界面部分が単結晶化して形成されていることに
あり、単結晶の形成方法に限定されず、上記クラスタ・
イオンビーム法以外の、通常のスパッタ法など他の方法
を用いても可能であることはいうまでもない。

〔作用〕

単結晶の高融点もしくはその化合物よりなる電極配線層
を用いることにより、半導体基板と接続している電極配
線層の基板との界面が均一であり。

かつ、粒界のないエピタキシャル層よりなる電極配線層
においては高温での熱処理に際して電極部へのシリコン
の拡散が抑えられるため、著しく高い熱的安定性が得ら
れる。そのため、熱処理にともなう電極配線層と半導体
基板との界面における反応が抑制され、電極配線層およ
び半導体基板の両者界面の劣化を有効に防止することが
できる。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を説明する。

実施例　１ 面方位（１００）のシリコン基板に、１×１０２０／ｄ
のボロンをドープしたｐ型拡散層を形成した後、基板表
面に厚さ５０００人のシリコン酸化膜を被着させた。通
常のホトエツチングにより、シリコン酸化膜層に接続孔
を開孔し、シリコン基板を露出させた。この基板表面に
、クラスタ・イオンビーム法により厚さ２０００人のタ
ングステン薄膜を堆積した。蒸着は常温で行い、また、
蒸着中の真空度は２Ｘ１０−’Ｐａ以下であった。本実
施例では、クラスタイオンの加速電圧は３ｋＶ、イオン
化電子電流は１００ｍＡ、イオン化電子電圧は３００ｖ
で行った。蒸着速度は、膜厚１００Å以下の蒸着初期に
は２０人／ｍｉｎとし、以後は２００人／ｗｉｎであっ
たが、蒸着初期より高速で蒸着してもイオンチャネリン
グによる評価ではほとんど膜質に変化は見られなかった
。

上記方法により形成したタングステン薄膜の結晶方位を
電子線回折により調べた。その結果、少なくとも接続孔
内に形成されたタングステン層は接続孔のサイズよりも
大きい一つの結晶粒より成っており、表面方位（１００
）のシリコン基板を用いた場合、接続孔の領域のタング
ステン薄膜は表面方位（１１０）に配向していることを
確認した。

実施例　２ 実施例１と同様の方法でシリコン基板上にタングステン
薄膜を形成した後、９００℃で３０分間熱処理してから
オージェ分析を行った。このとき、タングステン層をス
パッタ法により徐々に除去して。

タングステン層表面からの深さ方向のタングステン信号
強度（タングステン量に対応する）を測定した。

第１図には、実施例１で述べた方法によりシリコン基板
と接続している領域を単結晶化したタングステン薄膜の
場合を実線曲線で、従来法の多結晶質タングステン薄膜
の場合を破線曲線で、それぞれ、９００℃、３０分間の
熱処理後のタングステン量の深さ方向分布を示した。従
来法による多結晶膜の場合、熱処理によるシリコン基板
との界面で反応を生じ、タングステンシリサイドが形成
された結果、もとのシリコン基板表面より３０００人の
深さまでタングステンが存在していた。一方１本発明に
よる単結晶膜では、熱処理後もシリコン基板との反応を
生じることなく、タングステン膜形成直後と同様の分布
であることが確認された。

また１本発明による単結晶タングステン薄膜をボロン（
３ｘｌＯ”／ａＪ）ドープしたｐ型基板およびリン（２
Ｘ１０”／ａＪ）ドープしたｎ型基板上に形成して、そ
れぞれについてタングステン層とシリコン基板との接触
抵抗を測定した結果、いずれの場合も、ｌＸｌ０”’Ω
・ｄ以下の抵抗値が得られた。これは、多結晶膜を用い
た場合と同程度か。

むしろ若干小さくなっていることを示している。

実施例　３ タングステン薄膜の他、チタン、ジルコニウム、ハフニ
ウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブ
デンについて、それぞれ実施例１の方法による単結晶膜
と従来法による多結晶膜とを形成し、シリコン基板との
反応開始温度を求めた。

その結果を第１表にまとめて示す。

第１表　　下地Ｓｉ基板と各種金属 薄膜の構成元素の種類によって反応開始温度は異なるが
、いずれの構成元素よりなる電極配線層の場合も、単結
晶薄膜を用いることにより、多結晶薄膜の場合に比較し
て、約５０％、反応開始温度が上昇することがわかった
。

さらに、第１表に示したそれぞれの高融点金属の化合物
（たとえばシリサイド）についても反応開始温度を調べ
た結果、いずれの場合も、単結晶薄膜の方が多結晶薄膜
よりはるかに高温領域まで。

シリコン基板との反応を生じないことがわかった。

〔発明の・効果〕

以上説明したように、本発明によれば、電極配線に用い
る高融点金属層のうち、少なくともシリコン基板と接す
る界面部分を単結晶化することにより、シリコン基板と
の反応開始温度を約５０％上昇させることができ、電極
配線層の熱的安定性が飛躍的に向上する。さらに、単結
晶薄膜を用いることにより、半導体基板との界面の均一
化が向上し、基板との接続部での電極配線層のはがれを
有効に防止することができる。この結果、本発明による
電極配線を高集積半導体装置に用いることにより、装置
の信頼性ならびに性能を著しく向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例による単結晶化タングステン膜と
従来法による多結晶質タングステン膜について熱処理後
のタングステン量の深さ方向分布を比較して示した図で
ある。 く符号の説明〉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高融点金属もしくはその化合物よりなる電極配線を
   備えた半導体装置において、少なくとも半導体基板と接
   する界面部分に形成される電極配線層が高融点金属もし
   くはその化合物の単結晶であることを特徴とする半導体
   装置。 ２、前記高融点金属として、チタン、ジルコニウム、ハ
   ーフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、
   モリブデン、タングステンの中から選ばれた少なくとも
   １種を用い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。 ３、前記半導体基板と接する界面部分に形成される前記
   電極配線層の面方位を｛１１０｝とすることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。