JPH01253241A

JPH01253241A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH01253241A
Application number: JP7969288A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ito; 仁伊藤; Renpei Nakada; 錬平中田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1989-10-09
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JP2692845B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に基板の表
面処理方法に関する。

（従来の技術）半導体装置の高集積化は、構成素子の微細化および高密
度化によってもたらされる。

例えば、現在ＩＭＤＩ’ｔＡ８　２５６ＫＳＲＡＭは１
〜１．２　μｒｎの設計基準で作られており、デバイス
によっては更に微細なサブミクロンの設計基べｔで作ら
れようとしているものもある。

しかしこの微細化および高密度化に伴い、半導体装置の
製造プロセスにはいろいろな問題が生じてきている。

例えば、配線を例にとると、設計基準の縮小で配線幅は
小さくなるのに対し、能ｖＪ素子の増大で配線が複雑と
なり、電気的に接続しなければならない箇所も増大して
おり、また配徨長そのものは増大する一方である。

このため、通常用いられているアルミニウムあるいはア
ルミニウムを主体とした合金（Ａｌ：１％Ｓｉ等）によ
る配線では、配線が切れるオーブン不良、配線への電気
的ストレスの増大によるエレクトロマイグレーションの
発生等を初め次のような問題も生じてきている。

例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）においては
、シリコン基板内に基板と反対の導電型を持つ拡散層が
形成されるが、この拡散層の深さは、ゲート長の制御性
をあげるためにますます浅くなる傾向にある。このよう
に浅い拡散層上に、通常の写真食刻法、反応性イオンエ
ツチング法等を用いて配線のためのコンタクト孔を形成
した後、更に通常の方法によりＡＩ：Ｓｉ合金膜からな
るアルミニウム配線を形成し熱処理を行うと、Ｓｉ原子
とＡ１原子との相互拡散によりＡＩ原子がＳｉ基板側に
深く入り込んで拡散層を破壊するいわゆる「ビット」と
称する現象がしばしば発生する。

また、この電気的接続は絶縁層に形成されるコンタクト
孔を介して行われるが、コンタクト孔のアスペクト比（
＝コンタクト深さ／コンタクト幅）は増大する一方であ
る。このため、コンタクト孔底部での段切れ、コンタク
ト抵抗の増大等の問題も続発し、半導体装置の信頼性の
向上を阻む大きな問題となって（＼た。

これらの問題を解決するため、新しい配線材料や新しい
配Ｆｉｌｌ造が提案されている。

そこで、タングステンやモリブデン（ＭＯ）等の高融点
金属あるいはそれらのシリサイド膜を介在させコンタク
トの拡散Ｉ５壁層とした構造や、電界効果トランジスタ
のゲート電極どして上記高融点金属あるいはそれらのシ
リサイド膜を用いたものも提案されている。

例えば、コンタクト孔内に露呈するシリコン基板と配線
層としてのＡ１あるいはＡＩ：Ｓｉ合金との間に、原子
の相互拡散を抑制する目的で障壁層を設ける方法がある
。この場合、マグネトロンスパッタリング法でチタン（
Ｔｉ）を形成した後にシーケンシャルに化成スパッタリ
ング法で窒化チタンを形成し拡散障壁層として用いる方
法等が用いられている。

しかし、従来の方法では、薄膜形成の再現性に乏しく、
特にコンタクト孔のアスペクト比が珊大ケるとスパッタ
リング法では均一な障壁層を形成するのが困難であった
。

そこで、最近は気相成長法を用いて高融点金属膜あるい
はそれらのシリサイド膜を形成する試みがなされている
。

特に、数Ｔｏｒｒの減圧下でこれらの薄膜を形成する減
圧ＣＶＤ法によれば、反応ガスのいわゆる１回り込み」
現象が起こり、アスペクト比の大きな溝あるいはコンタ
クト孔の底部にも基板表面の平坦部と同様均一な膜厚の
高融点金属膜を形成することができる。

このため、上述のように微細なデザインルールで設計さ
れ、微細な幅をもつ配線ラインが高密度に配列され、狭
小な接続部（コンタクト孔）をもつ超ＬＳＩの配線のた
めのメタライゼーションにとって、減圧ＣＶＤ法は極め
て有効な薄膜形成方法である。

しかし、酸化しやすい金属膜を形成温度の高いＣＶＤ法
で形成すると、基板をＣＶＤ炉内から取り出ずときに生
じる、形成した金ＦＡ膜表面の酸化が常に問題になった
。

また、素子間を接続する配線は、配線の自由度および動
作速度の向上の目的から、多層化が必須となっている。

多層配線は配線金属と層間絶縁膜との積層の繰り返しに
よって形成される。このため基板表面の段差は多層化す
ればするほど大きくなり、特に配線の交差部や上層配線
と下層配線との接続部（ヴイアホール）での段差は大き
く被覆率の低下による配線の信頼性の低下が大きな問題
となっている。

そこで、この問題を解決するため、熱処理等により層間
絶縁膜を平坦化したり、ヴイアホールを導電性物質で埋
め込みヴイアホール段差をなくしたすするなど、基板表
面の平坦化のためのいろいろな方法が提案されている。

この平坦化方法の１つとして、タングステン膜等の高融
点金属膜を減圧ＣＶＤ法により選択的に形成する方法が
ある。この方法では、ある特定の条件下では、−回のＣ
ＶＤ工程で基板上の特定の領域にのみタングステン膜等
の高融点金属膜を形成することができる。この方法は、
選択ＣＶＤ法と呼ばれ、半導体装置の製造プロセスを簡
略化し、信頼性の高い薄膜を自己整合的に形成できるた
め、実用性の高い薄膜形成方法として注目されている。

タングステンの選択ＣＶＤ法は、六フフ化タングステン
（ＷＦｓ＞等のタングステンのハロゲン化物と水素（Ｈ
２）との混合ガスを反応ガスとして、シリコン、アルミ
ニウムおよびその合金、高融点金属等の導体上にのみ選
択的にタングステン膜を気相成長させるもので、シリコ
ン酸化膜等の絶縁膜上にはタングステン膜は形成されな
いという特徴をもつデバイス形成上極めて有効な方法で
ある。

従来、アルミニウムおよびその合金上のヴイアホールに
タングステンを選択成長させる場合には、選択性の向上
および成膜の安定性向上のため、希フッ酸による前処理
を行っている。ところが、タングステン膜とアルミニウ
ムおよびその合金とのヴイアコンタクト抵抗が畠くなる
という問題があった。

本死明者等はタングステンとアルミニウムＪ５よびその
合金のヴイアコンタクト抵抗が高くなる原因について調
べた結果、アルミニウムおよびその合金の表面にヴイア
コンタクトの開孔時に形成されたと考えられる絶縁性の
高いフン化物、炭化物、酸化物あるいはその混合物が存
在することを見出だした。

しかしこれ等フン化物、炭化物、酸化物ｔよ、蒸気圧が
高く化学的に極めて安定な化合物であるため化学的に除
去することは困難である。

そこでスパッタリング法などにより真空中で物理的に除
去するのが最も効率的である。

しかし、物理的処理をおこなった後、連続的にタングス
テン膜の形成工程に入ると、スパッタリングにより、酸
化膜表面に形成された（ダングリングボンドであると考
えられる）ダメージにより、酸化股上にも膜の形成が行
われ、選択成長ができないという問題があった。

〔発明の構成〕

（弁明が解決しようとする課題）本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、前記欠点を
解決し、容易に信頼性の高い半導体装置を提供すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段）そこで本発明では、薄膜を形成した後、その薄膜形成装
置内でその薄膜表面を所定のガス雰囲気にさらし表面処
理するようにしている。

また、本発明では、ドライエツチングによりシリコン酸
化膜を処理した後、表面を所定のガス雰囲気にさらし表
面！２！Ｌ即するようにしている。

さらにまた、選択ＣＶＤ法による薄膜の形成に先立ち、
基板表面を表面を所定のガス雰囲気にさらし表面処理す
るようにしている。

（作用）上記第１の構成により、薄膜を形成した後、その薄膜形
成装置内でその薄膜表面を、窒素、水素、酸素、アルゴ
ン、ヘリウムのうち少なくとも一つ以上を含むガス雰囲
気で処理するようにしているため、表面に安定な処理層
を形成することができ。

薄膜形成装置外に出した際に表面が酸化をうけることも
ない。

また、上記第２の構成により、表面を所定のフｆス雰囲
気にさらし表面処理するようにしているため、スパッタ
リング、反応性イオンエッヂング、ケミカルドライエツ
チング等のドライエツチングを施され活性になったシリ
コン酸化膜の表面にはダングリングボンドが多数存在し
ているが、表面を所定のガス雰囲気にさらし表面処理す
ることにより表面のダングリングボンドにガス分子およ
びガス原子を吸着させ、シリコン酸化膜表面をガスの吸
着に対して不活性にすることができる。

さらにまた、上記第３の構成により、選択ＣＶＤ法によ
る薄膜の形成に先立ち、基板表面を表面を所定のガス雰
囲気にさらし表面処理するようにしているため、まずア
ルミニウムＪ３よびその合金の表面に形成されたフッ化
物、炭化物、酸化物あるいはその混合物をスパッタリン
グにより除去できるためヴイアコンタクト抵抗を低くす
ることができる。そして、また、真空中でのスパッタリ
ングにより生じた酸化膜表面のダメージは、基板を窒素
、酸素あるいは水分を含む雰囲気中で処理することによ
り、スパッタリングによって生じたシリコンのダングリ
ングボンドに−Ｎ１−０．−ＯＨを結合することにより
回復することができ、選択性を維持することができる〈実施例）以下、本弁明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

実施例１第１図（ａ）乃至第１図（ｄ）は、本発明の半導体装置
の製造方法における１実施例の工程を示す図である。

まず、第１図（ａ）に示すごとく、素子形成のなされた
シリコン基板１１上に、絶縁膜１２を介して１１１８０
００へのアルミニウム層を堆積し、ＰＥＰ工程と反応性
イオンエツチング（ＲＩＥ）工程とによって、このアル
ミニウム層をパターニングし、第１のアルミニウム配線
層１３を形成する。

次いで、第１図（ｂ）に示すごとく、プラズマＣＶＤ法
により、シラン（Ｓ　ｉ　Ｈ４）と酸素（０２）とを原
料ガスとして用いて、層間絶縁膜として、膜厚１４００
０人の酸化シリコンＰ３１４を堆積する。

続いて、ＰＥＰ工程とフッ素系ガスを用いた反応性イオ
ンエツヂング（ＲＩＥ）工程とによって、第１図（Ｃ）
に承りごとく、酸化シリコン膜１４内にヴイアホール１
５を形成する。

この後、スパッタリング装置内で、上記ａｔの表面をエ
ツチングする。ここでエツチング条件としてはアルゴン
（Ａｒ）ガスの流ｍ　１０　ｃｃ／Ｉｉｎ、圧力２　Ｘ
　１０　’Ｔｏｒｒ、高周波電力３００Ｗ、基板バイア
ス−８００Ｖ、エツチング時間を約１分として、第１の
アルミニウム配線層１３の表面を約１２０人、酸化シリ
コンＷＡ１４表面を約１５０Ａエツヂングする。

このようにして、ダイアホール１５内に付着するフッ化
物、炭化物、酸化物等を除去した後、この基板を大気中
に１０分間放置する。この工程で、シリコンのダングリ
ングボンドに−Ｎ、−０．−０１−Ｉを結合することで
、スパッタリングにより生じた酸化シリコン膜１４表面
のダメージは回復する。

そして最後に、第１図（ｄ）に示すごとく、選択ＣＶＤ
法により、ダイアボール１５内にのみ選択的にタングス
テンＷＡ１６を埋め込む。このタングステン膜１６の堆
積条件は、通常のコールトウ４−ルタイブのＣＶＤ装置
を用い、堆積温度３００°Ｃ１ｊ（を槓圧力０．２１Ｏ
ｒｒ１六フフ化タンクステンＷ　Ｆ　Ｇ流ｍ　１０　ｃ
ｃ／ｍｉｎ、シランＳ　ｉ　Ｈ４流吊１０ＣＣ／ｌｉｎ
、水素Ｈ２流Ｅｖ　５００　ｃｃ／ｎｉｎとした。

この時の成長速度は約５００人／旧ｎであった。

このようにして、極めて選択性よくヴイアホール１５内
にタングステン膜１６を埋め込むことができ、コンタク
ト性も極めて良好なものとなっている。

なお、上記実施例では、・アルミニウムと酸化シリコン
が混在する基板の表面処理について説明したが、シリコ
ン、モリブデン、タングステン、チタン、チタンナイト
ライド等と酸化シリコンが混在する基板の表面処理につ
いても有効である。

また、上記実施例では、大気中で表面処理を行ったが、
表面処理に用いるガスとしては、酸素、窒素、水蒸気な
どでもよい。さらには、水等の液体でもよい。また処Ｔ
ｇＵｇ度は、０℃〜４００　”Ｃの範囲とする。

実施例２次に、本発明の第２の実施例について説明する。

まず、第２図＜ａ）に示すごとく、素子形成のなされた
シリコン基板２１上に、ＣＶＤ法により絶縁膜２２を形
成した後、マグネトロンスパッタリング法により、アル
ミニウムシリコン合金膜（Ａｌ：５ｉ）２３を形成し、
通常のリソグラフィーによりこれをバターニングする。

この後、第２図（ｂ）に示すごとく、プラズマＣＶＤ法
により、層間絶縁膜として、酸化シリコン膜２４を堆積
し、通常のリソグラフィー工程と反応性イオンエッヂン
グ工程とによって、内径１μｍ１深さ１．４μｍのコン
タクト孔２５を形成する。このようにして形成されたコ
ンタクト孔２５の底部のアルミニウムシリコン合金膜２
３表面には、空気中の酸素によって表面が酸化されてで
きた酸化膜と、さらにコンタクト孔２５の開孔に際して
の反応性イオンエツチング時に表面がダメージを受けた
ところに、エツチングガスのフッ素Ｆおよび炭素Ｃを取
り込むことによってこれらの元素からなる薄膜などから
なる付＠層２６が形成されている。

そこで、第２図（Ｃ）に示すごとく、配線層としてのタ
ングステン膜２７の形成に先立ちまず、前記実施例１と
同様にして、アルゴンのマグネトロンスパッタリングに
より基板表面をエツチングする。これによりアルミニウ
ムシリコン合金ＷＡ２３表面の付着層２６は除去される
。しかし、アルゴンプラズマによって酸化シリコン膜２
４表面もダメージを受けており、この状態ではタングス
テンの選択成長は不可能であるため、次の工程を付加す
る。

すなわち、マグネトロンスパッタリング後、０゜２　Ｔ
Ｏｒｒ、５００℃の窒素Ｎ２雰囲気中に２分間表面をさ
らす。これにより酸化シリコン膜２４表面のダングリン
グボンドに窒素が吸着して不活性になるものと思われる
。

この後、第２図（ｄ）に示すごとく、選択ＣＶＤ法によ
り、コンタクト孔内にタングステン膜２７を埋め込む。

この時のタングステン膜の選択成長条件は、堆ｇｌ温度
２８０℃、六フッ化タングステンＷ　Ｆ　ｓ流量１０　
ｃｃ／ｍｉｎ、シランＳｉＨ４流量４　ｃｃ／ｎｉｎ、
水素Ｎ２流Ｅｉ　１０００　ｃｃ／ｌｉｎとした。

そして、このＣＶＤ装置内でそのまま窒素ガスを流しつ
つ高周波放電を行い、３分間のプラズマ処理を行う。

このようにして、極めて選択性よくコンタクト孔内にタ
ングステン膜２７が狸め込まれ、かつ、タングステンＦ
Ａ２７の表面は窒化されて安定な状態となっており、酸
化されることはない。

なお上記実施例では、５００℃に基板を加熱し窒素雰囲
気に酸化シリコン表面をさらす方法について説明したが
、窒素雰囲気に限定されることなく、水素、アルゴン、
ヘリウム等の気体雰囲気でもよい。また、基板を加熱す
る代わりに、窒素プラズマ、水素プラズマを用いてもよ
い。このときは放電出力をｉｏｏｗ以下とするのが望ま
しい。

また、上記実施例では、タングステン膜の成長後のプラ
ズマ処理によって表面を安定化させるようにしたが、こ
の安定化処理は単に熱処理のみでもよいし、マイクロ波
放電でもよい。熱処理温度としては、９０〜６００℃の
範囲となるように設定する。さらに、用いるガスとして
も、水素、窒素等も有効である。

更に、上記実施例では、タングステン膜の安定化処理に
ついて説明したが、チタン、タンタル等信の金属膜にも
適用可能であることはいうまでもない。また、化学的気
相成長法による成膜工程のみならず物理的気相成長法に
よる成膜工程にも適用可能である。

実施例３次に、本発明の第３の実施例について説明する。

先ず、第３図（ａ）に示すごとく、素子分離用の絶縁膜
として酸化シリコン膜３２を形成し素子分離のなされた
ｐ型の単結晶シリコン基板３１内に、ヒ素を用いて不純
物拡散を行いｎ型の拡散層３３を形成した後、更に表面
に酸化シリコン膜３４を形成し、これを通常のリソグラ
フィー工程と反応性イオンエツチング工程とによって、
コンタクト孔３５を形成する。

次いで、希フン酸処理をおこない、コンタクト孔３５の
底部および酸化シリコン膜３４の表面をエツチングし清
浄化する。

このようにして清浄化のなされた基板表面を、第３図（
ｂ）に示すごとく、６００℃の窒素Ｎ２雰囲気中（Ｎ２
流５ｋ　１００　ｃｃ／ｎ＋ｉｎ）に３０分間さらす。

このとき、コンタクト孔３５の底部の拡散層３３表面が
窒化されることはない。仮に窒化されたとしても、数原
子層以内である。一方、酸化シリコン酸化膜表面のダン
グリングボンドＤには窒素が＠着して、５ｉ−Ｎ−Ｎあ
るいは３ｉ″＝Ｎ結合をつくることにより、酸化シリコ
ン膜３４表面のダングリングボンド密度は大幅に減少す
る。

この後、第３図（Ｃ）に示すごとく、５ｉ２）（＜　Ｃ
ｌ２−ＨＣＩ系のガス雰囲気中で、コンタクト孔３５の
底部の拡散層３３表面から単結晶シリコン膜３６を選択
的にエピタキシャル成長させる。

この時の成長温度条件は７００〜１０００℃とする。

このようにして単結晶シリコン膜３６が極めて選択性よ
くコンタクト孔３５内に形成される。窒素雰囲気中での
加熱処理を行わない場合は、酸化シリコン膜３４表面の
ダングリングボンドに、５ｉ２Ｈｎｃ１２が吸着し易い
ことから、長時間滞留する間にこの５ｉ２Ｈ４Ｃ１２が
熱分解を生じ、酸化シリコン膜３４表面にも単結晶シリ
コン膜が成長してしまっていたのに対し、この加熱処理
によって選択性が向上する。ここで、ＨＣＩは酸化シリ
コン膜表面をクリーニングすることにより選択性を高め
ている。

なお、この後、通常の方法で、この単結晶シリコン膜３
６にコンタクトするように、Ａｌ：３ｉ膜からなる配線
層が形成される。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の方法によれば、薄膜
を形成した後、その薄膜形成装置内でその薄膜表面を所
定のガス雰囲気にさらし表面処理するようにしているた
め、表面に安定な処理層を形成することができ、薄膜形
成装置外に出した際にも安定である。

また、本発明では、ドライエツチングによりシリコン酸
化膜を処理した後、表面を所定のガス雰囲気にさらし表
面処理するようにしているため、シリコン酸化膜表面を
ガスの吸着に対して不活性にすることができる。

さらにまた、選択ＣＶＤ法による薄膜の形成に先立ち、
基板表面を表面を所定のガス雰囲気にさらし表面処理す
るようにしているため、全工程によって生じたシリコン
のダングリングボンドに−Ｎ、−〇、−ＯＨを結合する
ことにより回復することができ、選択性を維持すること
ができる

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｄ）は本発明筒１の実施例の
半導体装置の製造方法を示す図、第２図（ａ）乃至第２
図（ｄ）は本発明筒２の実施例の半導体装置の製造方法
を示す図、第３図（ａ）乃至第３図（Ｃ）は本発明筒３
の実施例の半導体装置の製造方法を示す図である。１１・・・シリコン基板、１２・・・絶縁膜、１３・・
・第１のアルミニウム層、１４・・・酸化シリコン膜、
１５・・・ヴイアホール、１６・・・タングステン膜、
２１・・・シリコン基板、２２・・−絶縁膜、２３・・
・アルミニウムシリコン合金膜、２４・・・酸化シリコ
ン膜、２５・・・コンタクト孔、２６・・・付着層、２
７・・・タングステン膜、３１・・・単結晶シリコン基
板、３２・・・酸化シリコン膜、３３・・・拡散層、３
４・・・酸化シリコン膜、３５・・・コンタクト孔、３
６・・・単結晶シリコン膜。第１図（０）第１図ｆｂｌ第１図（Ｃ１第１図（ｄ）第２図（０）第２図（ｂ）パ第２図（Ｃ）第２図＋ｄ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）薄膜形成装置内に被処理基板を設置し薄膜を形成
する薄膜形成工程と前記薄膜形成装置内に被処理基板を設置したままでその
薄膜表面を所定のガス雰囲気にさらし表面を安定化する
表面処理工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（２）ドライエッチングによりシリコン酸化膜を処理す
る工程と該シリコン酸化膜表面を所定のガス雰囲気にさらし安定
化する表面処理工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（３）半導体基板の表面に形成されたシリコン酸化膜表
面にコンタクト孔を形成する工程とこのコンタクト孔内をスパッタリングにより清浄化する
清浄化工程と半導体基板表面を所定のガス雰囲気または液体雰囲気に
さらし安定化する表面処理工程と選択的気相成長法により、前記コンタクト孔内に選択的
に導体層を形成する導体層形成工程とを含むことを特徴
とする半導体装置の製造方法。