JPH04133321A - 金属薄膜の化学的気相成長方法 - 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の電極または配線に用いるための金
属薄膜の堆積方法、特に化学的気相成長法に関するもの
である。

［従来の技術］ 化学的気相成長を用いたアルミニウムの選択成長とは、
アルミニウム薄膜を絶縁性材料上には堆積させずに、金
属または半導体材料上にのみ堆積するものである。この
アルミニウムの選択成長では基板材質の差異のみを利用
して薄膜堆積の選択性を実現しているために、アルミニ
ウムを堆積する部分の基板表面は理想的な金属や半導体
の材質か露出されており、かつアルミニウムか堆積しな
い表面領域には汚染や損傷の無い均質な絶縁性薄膜とな
っている必要かある。しかしなから、現実のＬＳＩ製造
プロセスにおいては、これらの表面は理想的な状態とは
なっていないのが普通である。

金属や半導体の表面はほとんとの場合、自然酸化膜層や
表面汚染層に覆われており、また絶縁性薄膜表面は組成
や堆積法の差異に基づく膜質変化、あるいはプロセス中
に発生した損傷か存在する。

これらのために、凹凸の激しいアルミニウム膜か成長し
たり、絶縁性薄膜上にアルミニウム核か発生しやすくな
る場合かしばしばある。

第３図は、半導体装置の製造プロセスにおいて、従来の
アルミニウムの選択成長技術を用いてピアホール埋め込
みを行う際の、埋め込み工程の部分のみを示した図であ
って、１はンリコン基板、２は絶縁膜パターン、３は第
１層配線パターン、４は層間絶縁膜、５は１間絶縁膜に
開口されたピアホールである。第３図（ａ）は層間絶縁
膜４にピアホール５が開口された状態のピアホール部分
の断面構造を示している。この試料をＣＶＤ装置にセン
トしてアルミニウムの選択成長を行ってピアホール部分
を埋め込むか、その際にピアホール内に露出した第１層
のアルミニウム配線表面には自然酸化膜層か形成されて
いるために、これを取り除くための前処理か必要である
。この前処理法としては、希弗酸液などを用いてアルミ
ニウム表面を軽くエツチングする方法や、試料をＣＶＤ
装置内にセントして真空に引いた後にＲＦプラズマやＥ
ＣＲなとを用いて表面をエツチングし、続いてＣＶＤ反
応炉内にて速やかにアルミニウムの選択成長を行う方法
なとかある。前者の方法では、表面をエツチングした後
に大気中に放置されることになり再びアルミニウム表面
か酸化されてしまい、それはと有効ではないが、後者の
場合、高真空に保ち、かつ短時間の間に堆積を開始する
ことにより自然酸化膜形成が防止され、良質なアルミニ
ウム膜の堆積か可能となる。しかしながら、ＲＰエツチ
ングを行って損傷を受けた絶縫膜表面では第３図（ｂ）
に示すようにアルミニウム核７が発生し、いわゆる選択
性が劣化してしまうという問題がある。この選択性劣化
の問題はアルミニウム堆積前処理としてのＲＦエツチン
グに限ったことてはなく、例えば絶縁性薄膜がプラズマ
ＣＶＤを用いて堆積したシリコン窒化膜等の場合には、
材料自身の性質やストイキオメトリからのずれ、プラズ
マによる損傷等に起因して、熱酸化を用いて堆積したシ
リコン酸化膜よりも核が発生しやすかった。

［発明が解決しようとする課題］ このように選択性が劣化し絶縁膜上にアルミニウム核か
発生した場合には、以後の工程で全面に堆積するアルミ
ニウム膜に凹凸か発生し、配線パターンの微細加工か困
難になるとともに、膜質劣化による電気抵抗率増大、マ
イクレーンヨン耐性劣化なとの諸々の問題か生しる。

本発明は、絶縁性薄膜上への核発生を防ぎ選択性を安定
に確保した状態で、金属材料なとの上に平滑で良質なア
ルミニウム薄膜を選択成長する方法を提供することにあ
る。特に選択成長前にＲＦエツチング等により基板をク
リーニングしたときの絶縁膜上へのアルミニウム核発生
を防止することか本発明の主要な目的の１っである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明においては、絶縁性薄膜上におけるアルミニウム
核発生を防ぐために絶縁性薄膜よりもさらに核発生の程
度を低く抑えることかできるアモルファス性半導体薄膜
を用いて基板の一部を保護した状態でアルミニウムの選
択成長を行うものである。アモルファス性半゛導体薄膜
による部分的な基板表面の保護方法としては、（１）基
板上に単にアモルファス性半導体薄膜パターンを形成す
る方法、（２）アモルファス性半導体薄膜を全面または
部分的に形成した後、レーザーアニールや固相エピタキ
ノヤル成長等を用いてアモルファス性半導体薄膜の全部
または一部を結晶化させる方法、（３）基板上に結晶性
半導体薄膜パターン（単結晶、多結晶いずれも可）を形
成した後、この半導体薄膜パターン表面をイオン照射等
によってアモルファス化する方法なとかある。

［作用〕 アルミニウムの選択成長においては、アルミニウムの堆
積は導電性基板上で進行し、絶縁性基板上では進行しな
い。両者の中間である半導体基板上の場合には、おおよ
そ、アルミニウム堆積は可能と考えてよいか、例外的な
場合かある。通常シリコン半導体装置の基板として用い
られる単結晶シリコンウェハや、電極材料として用いら
れる多結晶シリコンにおいては、一般に用いられる条件
下ではドーパントの種類やその濃度によらず、選択成長
条件においてアルミニウムの堆積か可能である。ところ
か、蒸着やスパッタ、熱ＣＶＤなとの方法を用いて比較
的低温で堆積したアモルファス状のシリコン材料基板上
には、通常の選択成長条件下においてアルミニウムの堆
積は進行しない。

同様に、単結晶や多結晶ノリコン材料であっても、ＲＦ
エツチング等のイオン照射によって衝撃を受はアモルフ
ァス状になった場合には、これらの基板上にはアルミニ
ウムは堆積しなくなる。絶縁性薄膜かイオン照射される
とアルミニウム選択成長時に高密度のアルミニウム核か
発生するのと対照的に、アモルファス性半導体では核発
生かきわめて低いことか実験的に確認された。以上のこ
とから、アモルファス性を有する半導体基板の上てはア
ルミニウム核発生を抑制でき、絶縁性薄膜をアモルファ
ス性半導体材料で保護することによって、アルミニウム
選択成長における選択性を大幅に改善することか可能と
なる。

［実施例］ （実施例１） 第１図（よ２、多層配線におけるピアホール埋め込みを
例とした本発明の第１の実施例を説明する図である。

第１図（ａ）はシリコン基板ｌの上に絶縁膜パターン２
、第１層配線パターン３か形成されており、この上に層
間絶縁膜４とアモルファスシリコン薄膜８を順次堆積し
た後リソグラフィおよびエツチング技術を用いてピアホ
ール５を開口したものである。

アモルファスシリコン薄膜８は本発明における重要な構
成要素であり、これにより層間絶縁膜４の上のアルミニ
ウム核発生を防止するものである。

アモルファスシリコン薄膜の膜質は、組成や堆積法の違
いによってこれまで種々のものか知られているか、本発
明においてはこれらの何れでもその目的に用いることが
できる。例えばドーパントに関しては、ノンドープやリ
ンドープ、ポロンドープなと何れも可能であり、酸素や
炭素、水素等を含むアモルファスンリコン膜でも十分使
用できる。

また、堆積法に関しても、スパッタや蒸着の他に熱ＣＶ
ＤやプラズマＣＶＤ等を用いてもよい。膜厚は目的に応
して自由に選ぶことかでき、ピンホールかなくマスクと
しての効果か得られる程度以上に厚ければよいので、こ
こでは５００人とした。

この試料をＣＶＤ装置にセットしてアルミニウムの選択
成長を行ってピアホール部分を埋め込むのであるか、そ
の際にピアホール内に露出した第１層のアルミニウム配
線表面には自然酸化膜層か形成されているために、これ
を取り除くための前処理か必要である。この前処理法と
しては、希弗酸液などを用いてアルミニウム表面を軽く
エツチングする方法や、試料をＣＶＤ装置内にセットし
て真空に引いた後にｌ？ＦプラズマやＥＣＲなとを用い
て表面をエツチングし、ついてＣＶＤ反応炉内にて速や
かにアルミニウムの選択成長を行う方法なとかある。前
者の方法では、表面をエツチングした後に大気中に放置
されることになり再びアルミニウム表面か酸化されてし
まい、それはと有効ではないが、後者の場合、高真空に
保ちかつ短時間の間に堆積を開始することにより自然酸
化膜形成が防止され、良質なアルミニウム膜の堆積か可
能となる。

ここてＲＦエツチング条件はＲＩＥモードを用い、アル
ゴンガス圧力５ｍＴｏｒｒ、　ＲＦパワー１５０Ｗ、エ
ツチング時間を５分間としたか、アルミニウム表面の酸
化物層か除去され、かつアモルファスノリコン層か全て
エツチングされてしまわない程度であれば他のエツチン
グ条件でも構わない。なお、ＲＦエツチングを行う際に
イオン衝撃によって結晶性のシリコン表面がアモルファ
ス化することか知られていることから、本実施例におけ
るようなＲＦエツチングを行う場合には、アモルファス
シリコン薄膜８を、多結晶シリコンや単結晶シリコンな
との結晶性シリコン薄膜に置き換えることか可能である
。

ＲＦエツチングに引き続いて速やかにアルミニウムを選
択成長することにより、第１図（ｂ）に示すようにピア
ホール内部にアルミニウム６が埋め込まれる。このとき
層間絶縁膜上はアモルファスシリコン薄膜で覆われてい
るため、従来問題となっていたようなアルミニウム核発
生を抑制することがてきる。アルミニウムの堆積条件は
特開昭６３−０３３５６９．特開昭６３−０４７３６４
．または、特開昭６３−２８２２７４に開示されている
方法と同様でよい。

第１図（Ｃ）は、ＣＦ４　・酸素の混合ガスプラズマを
用いてアモルファスシリコン薄膜を除去した状態を示し
ている。この除去法については一般に知られている方法
の何れでも可能であるが、選択成長したアルミニウム膜
か実質上問題となるほどエツチングされないように注意
する必要かある。また、場合によっては本工程を省略し
、アモルファスシリコン薄膜をこのまま残しておくこと
も可能である。

以後の工程は第１図では省略しているか、例えば、通常
のスパッタ法を用いて全面にアルミニウムを堆積し、リ
ソグラフィとエツチング技術を用いてアルミニウム配線
を形成する。なお、選択成長アルミニウム６の表面には
通常、自然酸化膜層が形成されており、コンタクト抵抗
の増大の原因となることから、このアルミニウム堆積前
には、１ｎ−ｓｉｔｕでのＲＦエツチングを行うことが
望ましい。

第１図は、本発明を用いて第１−２層配線間のピアホー
ル埋め込みを行う場合について示したものであるか、更
に配線層数が多い多層配線を構成する場合についても同
図と同様な工程を繰り返すことによって実現可能である
ことは言うまでもない。また、第１図に示した工程はピ
アホール埋め込みのみならずコンタクトホール埋め込み
にも応用可能である。その場合には、コンタクトホール
はシリコン基板ｌに開口しているために、ＲＦエツチン
グを行った場合にはコンタクトホール内のシリコン基板
表面がアモルファス化されてアルミニウムの堆積か不可
能となってしまう。従ってｌ？Ｆエツチングは用いず希
弗酸等によるウェットエツチングが望ましい。コンタク
トホール内にシリコンが露出しておらず、窒化チタンや
タングステン、シリサイドなとシリコン以外の導電材料
で構成されている場合にはＲＦエツチングを行うことは
何ら問題か無い。

以上のようにして形成された配線では、微細なピアホー
ルが良好に埋め込まれ、しかも層間絶縁膜上にアルミニ
ウム核か発生しないことから、高いマイグレーシコン耐
性を確保することかでき、微細かつ高密度のＬＳＩを実
現することかできる。

（実施例２） 第２図は、コンタクトホール埋め込みを例とした本発明
の第２の実施例を説明する図である。

第２図（ａ）はシリコン基板ｌの上にコンタクトホール
９なる開口を有する絶縁膜パターン２か形成された状態
を示している。この基板を希弗酸液等で洗浄してコンタ
クトホール９内のシリコン表面の自然酸化膜を除去した
後、ＣＶＤ装置内に設置して第２１ｍ（ｂ）に示すよう
にアモルファスシリコン薄膜８を堆積する。このアモル
ファスシリコン薄膜８は以後の工程で部分的に固相エピ
タキシャル成長させるために、酸素や炭素なとの汚染が
少ない良質な膜である必要があるのて、ＬＰＣＶＤやＭ
ｅＥなとの堆積法を用いるのが望ましい。また、アモル
ファスシリコン薄膜８の膜厚が数１００人以内と薄い場
合にはｌＲ別なドーパントを必要としない場合もあるか
、高濃度のリンやひ素、はう素なとのドーパントを含む
薄膜を用いた方かコンタクト特性の点て有利である。つ
いて、熱処理を行うことにより、第２図（ｃ’）に示す
ようにコンタクトホール部分のアモルファスノリコンを
固相エビタギノヤル成長させ、固相エビタキンヤル成長
シリコシ１０に変換させる。シリコン基板から固相エピ
タキシャル成長する距離は、熱処理温度と熱処理時間を
変えることによって自由に設定することかできる。例え
ば、第２図に示されるようにコンタクトホール部分の絶
縁膜パターンの膜厚とほぼ一致さぜる程度の長さにする
以外にも、アモルファスシリコンの膜厚と同程度の長さ
にととめ、コンタクトホールの低部にのみ制限すること
や、逆にコンタクトホールからはみ出させて、絶縁膜の
上面にまで延ばすなとの方法か可能である。第２図（Ｃ
）に示された構造の場合、引き続いて行われるアルミニ
ウムの選択成長において、コンタクトホールの側面から
もアルミニウムか成長するため、堆積時間か短縮される
利点かある。−数的な熱処理条件は、５５０℃から６０
０℃程度の温度で数分から数時間の条件か選ばれる。ま
た、シリコン基板ｌの面方位は何れでも慣わないか、面
方位によって同相エピタキシャル成長の方向性か変化す
ることに注意を払う必・要かある。このようにアモルフ
ァスシリコン薄膜のうちコンタクトホール領域のみを結
晶性シリコンに変質させた状態でアルミニウムの選択成
長を行うことにより、第２図（ｄ）に示すようにコンタ
クトホールをアルミニウムで埋め込む構造か実現される
。アルミニウムの選択成長の条件は、実施例１て述へら
れているものと同様である。アルミニウムか堆積されて
いない絶縁膜パターン２上のアモルファスシリコン薄膜
は、薄い場合にはこのまま残しておいても良いか、通常
はＲＦエツチング等を用いて除去し、第２図（ｅ）の構
造とする。なお、アモルファスシリコン薄膜の除去は第
２図（Ｃ）の工程に引き続いて実施することも可能であ
る。この場合、例えばにＯＨを含むエツチング液等を用
いることによってアモルファスシリコンのみを選択的に
エツチングし、固相エピタキシャル成長ソリコンのエツ
チングを防止する工夫か必要かある。このようにすれば
、アルミニウムを選択成長する前に高温の熱処理を施す
二とができ、固相エビタキンヤノ１、成長シリコン内の
ドーパントを十分に活性化することか可能どなる。最後
に第２図（ｆ’）に示されるように、全面にアルミニウ
ム薄膜を堆積しりソグラフイとエツチング技術を用いて
第１層配線パターン３を形成する。アルミニウム膜の堆
積前には、選択成長アルミニウム６の表面自然酸化膜を
、ＲＦエツチングなとを用いて除去し、コンタクト抵抗
の増大を防ぐ必要がある。アルミニウムの堆積は、スパ
ッタや蒸着、ｃｖＤ法の何れを用いても構わない。また
、アルミニウム膜内にシリコンや銅なとの不純物を含ん
でぃてもよく、また、チタンや窒化チタン、シリサイド
なと、他の金属や合金との多層構造の膜なとてあっても
構わない。

以上に示したプロセスを用いることによって、アルミニ
ウムの選択成長に際して絶縁膜パターン上にしばしば発
生するアルミニウム核を低減することかでき、微細なコ
ンタクトホールの埋め込み平坦化を安定に実現すること
が可能となる。その他にも、選択成長の処理時間か短縮
されることや、選択成長アルミニウムかシリコン基板１
に直接に接触しないため、接合や能動素子なとの特性劣
化を低減できる等の特長を有する。選択成長アルミニウ
ム６とシリコン基板１との拡散、反応等による特性劣化
を確実に防止する方法として、アモルファスシリコンを
堆積する前の第２図（ａ）の状態でコンタクトホール内
にエピタキシャル成長しゃすい材料、例えばコバルトシ
リサイド等の金属シリサイドをエピタキシャル成長させ
る方法が有効である。コバルトシリサイドは、コバルト
を堆積した後に熱処理を行ってシリコン基板１と接触し
ている部分のみをシリサイド化し、その後で未反応のコ
バルトを除去することてコンタクトポール内にのみ残す
ことかできる。このようにした後に、アモルファスノリ
コン薄膜８を堆積して熱処理することにより、コンタク
トホール部分のアモルファスシリコンのみを結晶性シリ
コンに変換することかできる。

本実施例では、アモルファス半導体薄膜８を変換する場
合について述べたが除去することによっても同様の効果
を実現できる。

（実施例３） 実施例３ては、本発明の実施例２における熱処理をレー
ザービーム等の照射に変えて配線パターン形成に応用し
た例を示す。はじめに、最上面かコンタクトホールやピ
アホール等の開口のある絶縁膜パターンで構成されてい
る基板上の全面にアモルファスシリコンを堆積する。こ
のアモルファスシリコン薄膜上にレーサービーム等を照
射し、コンタクトホールやピアホール上を含んた配線パ
ターンを描画することによって、この部分を結晶性シリ
コンに変換する。この状態でアルミニウムの選択成長を
行うと結晶性シリコンパターン上にのみアルミニウムか
成長する。ついでＲＦエツチング等によりアルミニウム
か堆積されていない部分のアモルファスシリコンを除去
することによって、アルミニウム配線か形成される。

単結晶シリコン上に選択成長したアルミニウムの結晶性
は、基板ソリコンの面方位によっても異なるか、何れに
しても結晶粒径か大きく単結晶に近い状態になることか
分かっている。従って、アモルファスシリコンを結晶化
させて大粒径の結晶性薄膜とすることによって、その上
に単結晶に近いアルミニウム薄膜パターンを形成するこ
とか可能となる。以上のようにして形成したアルミニウ
ム配線パターンは、結晶粒界の密度か極めて少ないこと
から、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレ
ーノヨン耐性に極めて優れたものとなる。

上記実施例ではアモルファスシリコンを部分的に結晶化
させた後にアルミニウムの選択成長を行っているか、ア
モルファスシリコン全面を結晶化させ、その上の全面に
アルミニウムを堆積しても良い。この場合には、引き続
いてリソグラフィとエツチング技術を用いた配線パター
ンへの加工工程か必要となるか、マイグレーション耐性
を向上させるという基本的な目的は達成することかてき
る。

さらにまた、基板上の全面に結晶性シリコン薄膜を堆積
するか、あるいは基板上の全面に堆積したアモルファス
シリコン薄膜の全部をレーザーアニールなとにより結晶
化させるなとの工程を行った後、これらの薄膜上にリソ
グラフィ技術を用いて配線パターンと同形状のマスクパ
ターンを形成し、この状態で全面にＲＦプラズマや低エ
ネルギーイオン注入を用いてイオン照射を行い、マスク
パターンを除去したときに現れる損傷を受けていない結
晶性シリコン表面にのみアルミニウムを選択成長し、こ
れにより配線パターンを形成することも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、絶縁膜上をアモルファス性半導体
で覆うことによって、絶縁膜上におけるアルミニウム核
の発生を大幅に抑制することかでき、高い選択性をもっ
てアルミニウムの選択成長を行うことか可能となる。と
くに選択成長前にＲＦエツチング等の前処理を行った場
合に絶縁膜上に発生する高密度のアルミニウム核を確実
に低減できる利点かある。また、シリコン薄膜の表面を
部分的にアモルファス領域と結晶領域とに分け、その上
にアルミニウムを選択成長することによって、優れた特
性の配線パターンを容易に得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ピアホール埋め込みプロセスを例とし本発明
の第１の実施例の説明図、第２図は、コンタクトホール
埋め込みプロセスを例としだ本発明の第２の実施例の説
明図、第３図は、アルミニウム選択成長を用いたピアホ
ール埋め込みプロセスの従来例の説明図である。 １・・・・・・・・・シリコン基板、２・・・・・・・
・・絶縁膜パターン、３・・・・・・・・・第１層配線
パターン、４・・団・・・・層間絶縁膜、５・・・・・
・・・・ピアホール、６・・・・・・・・・選択成長ア
ルミニウム、７・・・・・・・・・アルミニウム核、８
・・団・・・・アモルファスソリコン薄膜、９・・・・
・・・・・コンタクトホール、ＩＯ・・・・・・・・・
固相エビタキンヤル成長シリコン ピアホール （ａ） ６逼択成長アルミニウム （ｂ） ６遺択成長アルミニウム （ｃ） 第１図 本発明をピアホール埋め込みプロセス に用いた第１の実施例 ピアホール ７アルミニウム核 （ｂ） プロセスの従来例

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面の一部が金属である基板の前記金属表面上に
   のみ選択的にアルミニウムを堆積するアルミニウムの選
   択成長において、前記基板表面の金属を除いた領域に半
   導体薄膜パターンが形成され、前記基板をイオン照射し
   た後、前記金属上にアルミニウムを堆積することを特徴
   とする金属薄膜の化学的気相成長方法。
2. （２）表面の一部が金属または結晶性半導体であり他の
   表面部分が絶縁体である基板の前記金属または結晶性半
   導体表面上に選択的にアルミニウムを堆積するアルミニ
   ウムの選択成長において、前記基板上にアモルファス性
   半導体薄膜を形成し、前記アモルファス性半導体薄膜の
   一部を結晶性半導体薄膜に変換または除去した後、前記
   変換された結晶性半導体薄膜または、前記除去された後
   の前記基板表面の金属または結晶性半導体上にアルミニ
   ウムを堆積することを特徴とする金属薄膜の化学的気相
   成長方法。
3. （３）表面の一部が金属または結晶性半導体であり他の
   表面部分が絶縁体である基板の前記金属または結晶性半
   導体表面上に選択的にアルミニウムを堆積するアルミニ
   ウムの選択成長において、前記基板上に結晶性半導体薄
   膜を形成し、前記結晶性半導体薄膜の一部をアモルファ
   ス性半導体に変換または除去した後、前記変換された結
   晶性半導体薄膜または、前記除去された後の前記基板表
   面の金属または結晶性半導体上にアルミニウムを堆積す
   ることを特徴とする金属薄膜の化学的気相成長方法。