JPH01230249A - 薄膜の形成方法 - 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、金属薄膜の形成方法に係り、特にＳｉＯ□膜
上にタングステン等の高融点金属薄膜を接着性よく形成
する薄膜の形成方法に関するものである。

〔従来の技術〕

ＬＳＩの高集積化が進むにつれ、低抵抗で融点が高い電
極や配線材料が必要になってきた。そのため、タングス
テン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）など
の高融点金属膜のスパッタリング法、真空蒸着法などが
研究されてきた。その中でも、膜中の不純物が少なく抵
抗が低い高融点金属膜を、ＬＳＩ表面の段差部分にカバ
レッジよく形成するためには、化学的気相成長（Ｃｈｅ
ｍ−１ｃａｌ　Ｖ　ａｐｏｒ　Ｄ　ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
　、略してＣＶＤという）法が適している。

最も一般的なＣＶＤ法である熱ＣＶＤ法でＷ膜を形成す
る例では、原料ガスに例えば六弗化タングステン（ＷＦ
Ｇ）を用いる。上記方法では、第１６３回ミーティング
・オブ・ザ・エレクトロケミカル・ソサエティ・イクス
テンデッド・アブストラクト、８３−１．第６５７頁（
１９８３）　　（Ｌ６３ｒｄ　Ｍｔｇ。

ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏ
ｃ、　ＥｘｔｅｎｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔ、　８３−１
．６５７　（１９８３）　）に示されているように、シ
リコン（Ｓｉ）基板上にＷ膜を形成できる。しかし、酸
化シリコン（Ｓｉｎ、）上には形成できない。これは、
ＣＶＤの初期の段階でＷＦＧとＳｉとが次式のように容
易に反応するが、ＳｉＯ□とは反応しないためである。

２ＷＦ、＋３Ｓｉ→２Ｗ↓＋３ＳｉＦ、↑　（１）その
結果、Ｓｉ上にだけ選択的にＷ膜を形成することができ
る。上記現象は高融点金属一般について成立する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術ではＳｉ上にだけ高融点金属膜を形成でき
る。しかし、ＬＳＩの配線形成に高融点金属のＣＶＤ法
を適用するためには、ＳｉＯ□膜上にも高融点金属膜を
形成する必要がある。

そのため２例えばＷでは多量の水素（Ｈ２）を同時に流
して高温（７００℃以上）でＣＶＤを行ったり、ＷＦ、
をレーザ光で光分解することによって、５ｉ０２上に膜
形成を行う試みがされており、上記の方法で一応膜形成
が行われることは確認されている。しかし、前者の場合
は高温で反応させるため、ＳｉとＳｉｏ２との界面にＷ
が侵入して行くエンクローチメントという現象が生じ、
また、後者の場合は５ｉｎ２とＷとの付着性が十分でな
い。

本発明の目的は、Ｓｉｏ２上にも、ＣＶＤ法によって接
着性がよい高融点金属膜をエンクローチメントなく形成
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、基板との接着性がよく薄膜の構成原子と置
換反応し易い原子を含む中間層を、あらかじめ上記基板
上に形成しておくことにより達成される。

さらに望ましいのは、５ｉｎ２膜上に中間層として薄い
ＳｉＮ膜を低温光ＣＶＤ法で形成したのち、高融点金属
膜のＣＶＤを行うことである。

〔作用〕

本発明における中間層の１つである低温光ＣｖＤ−５ｉ
Ｎ膜の特異な性質をまず説明する。

ジシラン（ＳｉｚＨ，）とアンモニア（ＮＨ３）を低圧
水銀ランプ光（波長１８５ｎ　ｍ　）により光化学反応
させると、ＳｉＮ膜を形成することができる。

上記光ＣＶＤ法では、基板加熱がない室温の状態でもＳ
ｉＮ膜が形成できるが、その場合、膜中の窒素（Ｎ）と
大気中の酸素（０□）が置換反応をしてＳｉｏ２膜ば変
化する。上記現象は、室温で形成したＳｉＮ膜中の５ｉ
−Ｎ結合が、不安定なためと考えられ、上記基板温度を
高くして行くとなくなる。

そこで、第１図（ａ）に示すように、Ｓｉｎ、膜２上に
低温光ＣＶＤ法によってＳｉＮ膜３を形成したのち、Ｗ
のＣＶＤを行えばよいと考えた。すなわち、Ｓ　ｉ０２
膜２上に薄い低温光ＣＶＤ−８ｉＮ膜３を形成しておけ
ば、 Ｗ　Ｆ、＋　２５ｉＮ−＋ＷＳｉ２＋　２　Ｎ　Ｆ、　
　　（２）で示す反応がＷのＣＶＤの初期の段階で生じ
、結果として、第１図（ｂ）に示すように、薄いＷＳｉ
２膜４を介してＳｉＯ□膜２とＷ膜５が、接着性よく形
成できる。ここで、反応式（２）で示した反応が生じる
ためには、ＳｉＮ膜中の５ｉ−Ｎ結合が切断される必要
があるが、基板温度としては４５０℃で十分である。そ
のため、７００℃以上のＣＶＤにおけるようなエンクロ
ーチメント現象はない。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による薄膜の形成方法の第１実施例を示
し、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ製造工程を説明する
断面図、第２図（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施例を
説明する工程断面図、第３図は本発明の第３実施例を示
す断面図、第４図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の第
４実施例の製造工程を示す断面図である。

第１実施例 本実施例は、Ｓｉ○２膜上に中間層として薄いＳｉＮ膜
を光ＣＶＤ法で形成したのち、ＷＦＧを原料ガスとした
熱ＣＶＤ法によりＷ膜を形成したものである。第１図に
おいて、５ｉＪＪ板１上の全面に厚さ１５０ｎｍの５ｉ
０２膜２を有するウェハを、光ＣＶＤ装置内に設置して
所定の圧力まで減圧したのち、低圧水銀ランプを光源に
用いた光ＣＶＤ法により、厚さ５ｎｍのＳｉＮ膜３を（
ａ）に示すように形成した。この際、原料ガスとしてジ
シラン（ＳｉｚＨｉ）とアンモニア（ＮＨ３）を使用し
た。

また、基板加熱は行っていない。つぎに、上記ウェハを
直ちにＷの減圧ＣＶＤ装置内に移し、Ｗの熱ＣＶＤを行
った。この際、原料ガスとしてＷＦ６を、キャリアガス
としてＨ２を使用し、それらの比率は１／１００とした
。また、基４２ｉ２温度は４５０℃とした。上記の方法
により、第１図（ｂ）に示すように付着性がよいＷ膜５
を形成することができた。上記ウェハのＷ膜５とＳｉｏ
、膜２との界面を、オーシュ電子分光分析法で調べた結
果、薄いＷＳｉ、層４が存在することが判った。このこ
とから、光ＣＶＤ−３ｉＮ膜３中のＮ原子が、ＷＦ。

あるいはその分解生成物中のＷ原子と置換反応を起こし
たことが確認された。

なお１本実施例ではＷのＣＶＤを、減圧ＣＶＤ装に内に
ウェハを移して行ったが、ＳｉＮ膜を形成するために用
いた光ＣＶＤ装置内でそのまま引き続いて行うことも可
能である。原料ガスは減圧ＣＶＤと同じものでよい。

第２実施例 本実施例は、Ｓｉｎ、膜上に形成した中間層である光Ｃ
ＶＤ−５ｉＮ膜をホトリソグラフィによりパターニング
したのち、ＷＦ、を原料ガスに、レーザを光源に用いた
光ＣＶＤ　（レーザＣＶＤ）法により残された中間層上
にだけ、Ｗ膜を形成したものである。以下第２図にした
がって説明する。

第２図（ａ）に示すように、光ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜
３をＳｉＯ□膜２上の全面に形成する。原料ガスには第
１実施例と同じものを使用するが、基板温度は１００℃
に加熱した。これは、ホトリソグラフィのために１時間
程度大気にウェハをさらす間に、上記ＳｉＮ膜３中のＮ
原子と大気中の０原子が置換反応を起こして、上記Ｓｉ
Ｎ膜３の表面にＳｉＯ□の薄い膜が形成されるのを抑制
するためである。ＳｉＮ膜３のパターニング後、ウェハ
をレーザＣＶＤ装置内に移し、ＡｒＦエキシマレーザ（
発振波長１９３ｎ　ｍ　）光を、ウェハ上１−のところ
を平行に入射してＷの光ＣＶＤを行った。原料ガス、キ
ャリアガスは、第１実施例と同じＷＦ、とＨ２とである
が、それらの比率は１１５とした。また、基板温度は３
５０℃とした。Ｈ２の比率が第１実施例に較べてかなり
低いのは、レーザＣＶＤの場合にはＷＦ、が光励起され
反応性が高くなっているので、Ｈ２の比率が高いと、気
相中の反応でＷ原子が形成されて、ＳｉＮ膜がないＳｉ
ｏ２膜２の上にも降り積ってしまうからであり、基板温
度が低いのも同じ理由による。

上記方法で、ＳｉＯ□膜２上にパターニングで残された
ＳｉＮ膜３上にだけＷ膜５が形成された様子を示したの
が第２図（ｂ）である。ただし、ＳｉＮ膜３はＷＳｉＸ
膜４に変化している０本実施例の場合は、パターニング
する必要があるＳｉＮ膜３の厚さが、その上に形成しよ
うとするＷ膜５に較べて薄いので、その加工精度はＷ膜
５を直接加工するよりも高い、この結果、微細な線幅の
Ｗ配線の形成が可能であると考えられる。

第３実施例 第３図に示す第３実施例は、Ｓｉ上に部分的に存在する
Ｓｉｏ２膜によってできた段差部分にも、ステップカバ
レッジよくＷ膜が形成可能であることを示すものである
。第３図において、厚さ１．５μｍのＳｉｏ２膜２によ
ってできた段差があるＳｉ基板ｌ上で、全面に光ＣＶＤ
法により厚さ５ｎｍのＳｉＮ膜を形成したのち、Ｗ膜５
のＣＶＤを行った。ＳｉＮ膜とＷ膜５のＣＶＤに関する
詳細は第１実施例と同様である。その結果、第３図に示
すように薄いＷ　Ｓ　ｉｘ層４を介して、ステップカバ
レッジよくＷ膜５が形成できた。上記のように、光ＣＶ
ＤのＳｉＮ膜がＳｉｏ２膜２の段差の側面にも、上記Ｓ
ｉｎ、膜２の上面と同様に形成されるからである。

本実施例の一つの特徴は、Ｗが段差の部分からＳｉｎ、
膜２の下に潜り込んで行く、いわゆるエンクローチメン
トといわれる現象がないことである。

このことは、つぎの第４実施例で示すような、Ｍ○Ｓト
ランジスタのソースやドレインに電極を形成する場合に
重要である。

第４実施例 第４図に示す第４実施例は、ＰＳＧ　（りんを含有した
５ｉｎ−）上の配線とＭＯＳ　（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄ
ｅ−Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　）　−Ｆ　Ｅ　Ｔ　
（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の
コンタクトホール内のソース、ドレインに、Ｗ電極を形
成したものである。第４図（ａ）はＭＯＳ−ＦＥＴ上の
ＰＳＧＳｅＯ２極を形成するためのコンタクトホールが
形成された状態を示している。まず、第４図（ｂ）に示
すように本ウェハの上の全面に光ＣＶＤ法によってＳｉ
Ｎ膜３を形成した。ＳｉＮ膜３に対する光ＣＶＤの詳細
は第２実施例と同様である。上記ＳｉＮ膜３は、コンタ
クトホール内のソース７およびドレイン８の領域にも、
上記ＰＳＧ膜６上と同様に形成されている。つぎに、電
極、配線のためのバターニングをＳｉＮ膜３に対して行
ったのち、ＷのＣＶＤを行った。Ｗ（７１ＣＶＤ法は第
２実施例に示したのと同様である。その結果、第４図（
ｃ）に示すようにＳｉＮ膜３の残した部分にだけＷ［１
９５が形成され、コンタクトホール内のソース７および
ドレイン８に対する電極と、ＰＳＧ上の配線とを同時に
形成することができた。なお、本実施例において、ＰＳ
Ｇ膜６上にＳｉＮ膜３を形成したのち、コンタクトホー
ルのエツチングを行う方法は望ましくない。それは、コ
ンタクトホールの側面におけるＰＳＧＳｅＯ２出した部
分には、ＷのＣＶＤができないからである。ただし、コ
ンタクトホール部だけに選択的に金属ＣＶＤをレーザな
どを用いて行い、その後全面金属ＣＶＤを行うことは可
能である。

また、本実施例におけるゲート電極の形成法として、本
発明の方法を用いることもできる。

上記各実施例は、いずれもＷの場合について示したが、
同様なことは、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍ　ｏ　
）などの場合にも実施できる。金属の原料ガスも弗化物
（ＷＦ、、ＴｉＦ、、ＭｏＦ、）だけでなく、塩化物（
ＷＣＩＩ、、　Ｔｉ１１４．　ＭｏＣ１，）やカルボニ
ル化合物（Ｗ　（Ｇ　Ｏ）ｓ　、Ｔｌ（Ｇ　Ｏ）　ａ　
−Ｍｏ　（ＣＯ）ｓ　）も用いることができる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による薄膜の形成方法は、基板上に
化学的気相成長法により薄膜を形成する薄膜の形成方法
において、上記基板との接着性がよく、かつ、上記薄膜
の構成原子と置換反応しやすい原子を含む中間層を、上
記基板上にあらかじめ形成したのち、薄膜を形成するこ
とにより。

Ｓｉｎ、膜とＳｉ上とに高融点金属膜のＣＶＤを行うこ
とができる。したがって、ＬＳＩの電極や配線材料とし
て、高融点金属膜を同時に形成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による薄膜の形成方法の第１実施例を示
す、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ製造工程を説明する
断面図、第２図（ａ）および（ｂ）は本発明の第２実施
例を説明する工程断面図、第３図は本発明の第３実施例
を示す断面図、第４図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明
の第４実施例の製造工程を示す断面図である。 １・・・基板（Ｓｉ基板） ２・・・酸化シリコン膜 ３・・・中間層（ＳｉＮ膜） ５・・・薄膜 代理人弁理士　　中　村　純之助 第１図 第２図 ＋５Ｏ（ｓ；ＡＭ）　　　２：ｔｌｉＪｔｚす：ｙニー
Ｄ　　３：ＹｂＶｈｔｓ；ｓＲ）　”’４ｇ第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に化学的気相成長法により薄膜を形成する薄
   膜の形成方法において、上記基板との接着性がよく、か
   つ、上記薄膜の構成原子と置換反応しやすい原子を含む
   中間層を、上記基板上にあらかじめ形成したのち、上記
   薄膜を形成することを特徴とする薄膜の形成方法。 ２、上記中間層は、光化学反応を利用した化学的気相成
   長法により形成することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載した薄膜の形成方法。 ３、上記薄膜は、タングステンまたはチタンあるいはモ
   リブデンであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項に記載した薄膜の形成方法。 ４、上記中間層は、窒化シリコンであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
   した薄膜の形成方法。 ５、上記基板は、該基板上の全面あるいは部分的に酸化
   シリコン膜が存在していることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載した薄膜の形
   成方法。