(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置において、ゲート電極または配線に利用されるＷＳｉＸ膜であって、
該ＷＳｉＸ膜は、下地膜の多結晶シリコン膜上に、ＷＦ６をＳｉＣｌ２Ｈ２で還元して、ＷＳｉＸを堆積する還元ＣＶＤ法を用いて堆積され、堆積後、熱処理を施すことにより形成されており、
堆積後の実施される熱処理の温度は、７００−８５０℃の範囲に選択されており、当該熱処理は、雰囲気中に酸素を含まない環境中で実施されており、
堆積直後において、前記下地膜の多結晶シリコン膜との界面における、ＷＳｉＸ膜のＳｉ／Ｗ組成比を面内平均して得られる原子数比Ｘの平均値は、２．０−２．２範囲に選択され、
前記下地膜の多結晶シリコン膜との界面から離れるに従って、ＷＳｉＸ膜のＳｉ／Ｗ組成比Ｘは増加しており、
前記下地膜の多結晶シリコン膜との界面から離れる領域において、ＷＳｉＸ膜のＳｉ／Ｗ組成比を面内平均して得られる原子数比Ｘの平均値は、前記２．０−２．２範囲より大きく、２．６以下の範囲に選択され、
堆積後、熱処理を施された該ＷＳｉＸ膜は、複数のグレインから形成され、
少なくとも＜００１＞配向するグレインと＜１０１＞配向するグレインとを含み、
含まれる各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、前記＜００１＞配向するグレインの比率は、その他の配向方位を有するグレインの比率のいずれよりも高く、
堆積後、熱処理を施された該ＷＳｉＸ膜中に含有される各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、
＜００１＞配向するグレインの比率が５０％以上である
ことを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜。
【請求項２】
堆積後、熱処理を施された該ＷＳｉＸ膜中に含有される各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、
＜１０１＞配向するグレインの比率が最小である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置用ＷＳｉ膜。
【請求項３】
堆積後、熱処理を施された該ＷＳｉＸ膜中に含有される各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、
＜１０１＞配向するグレインの比率が１０％以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用ＷＳｉ膜。
【請求項４】
堆積後、熱処理を施された該ＷＳｉＸ膜において観測されるＸ線回折パターンにおいて、
前記＜００１＞配向するグレインに由来する（００２）ピークの強度Ｉ００２と前記＜１０１＞配向するグレインに由来する（１０１）ピークの強度Ｉ１０１との比、Ｉ１０１／Ｉ００２が１０％以下である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置用ＷＳｉ膜。
【請求項５】
シリコン基板上に、少なくともゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜上に多結晶シリコン層、ＷＳｉＸ層、絶縁層が順次積層されてなる電極とを設ける半導体装置であって、
前記多結晶シリコン層上に積層されているＷＳｉＸ層は、請求項１〜４のいずれか一項に記載する半導体装置用ＷＳｉ膜を用いた層である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
シリコン基板上に、少なくとも多結晶シリコン層、ＷＳｉＸ膜、絶縁膜が順次積層されてなる配線を設ける半導体装置であって、
前記多結晶シリコン層上に積層されているＷＳｉＸ層は、請求項１〜４のいずれか一項に記載する半導体装置用ＷＳｉ膜を用いた層である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
シリコン基板上に、少なくともゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜上に多結晶シリコン層、ＷＳｉＸ層、絶縁層が順次積層されてなる電極と、少なくとも多結晶シリコン層、ＷＳｉＸ膜、絶縁膜が順次積層されてなる配線とを設ける半導体装置であって、
前記多結晶シリコン層上に積層されているＷＳｉＸ層は、請求項１〜４のいずれか一項に記載する半導体装置用ＷＳｉ膜を用いた層である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか一項に記載する半導体装置用ＷＳｉ膜を製造する方法であって、
該製造方法は、少なくとも下記の工程１と工程２を具えている
工程１：下地膜の多結晶シリコン膜上に、ＷＦ６をＳｉＣｌ２Ｈ２で還元して、ＷＳｉＸを堆積する還元ＣＶＤ法を用いて、前記ＷＳｉＸ膜を堆積する工程；
工程２：前記ＷＳｉＸ膜の堆積後、７００−８５０℃の範囲かつ雰囲気中に酸素を含まない環境中で熱処理を施す工程
ことを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜の製造方法。
【請求項９】
請求項５〜７のいずれか一項に記載する半導体装置を製造する方法であって、
該製造方法は、少なくとも、前記多結晶シリコン層上に積層されているＷＳｉＸ層は、請求項１〜４のいずれか一項に記載する半導体装置用ＷＳｉ膜を用いて作製する工程を具えており、
前記請求項１〜４のいずれか一項に記載する半導体装置用ＷＳｉ膜の作製は、請求項８に記載の半導体装置用ＷＳｉ膜の製造方法を用いて行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を構成するゲート電極・配線材料に利用されるタングステン・シリサイド（ＷＳｉ）膜、ならびにそのＷＳｉ膜を用いた半導体装置に関する。より具体的には、低抵抗であり、剥がれの要因となる異常酸化を防止し、密着性も向上したＷＳｉ膜とその製造方法、このＷＳｉ膜を、ゲート電極・配線材料を構成するＷＳｉ層に利用してなる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＷＳｉは、例えば、ドープド・多結晶シリコンと比較し、遥かに高い導電性を持ち、その高い導電性を利用して、従来の多結晶シリコンを部分的に置き換え、半導体装置のゲート電極や配線自体の低抵抗化を図る目的で、広く使用されている。例えば、これまでも、ＬＳＩの微細化ならびに高集積化に大きな寄与を果たしてきたが、今後、更なる微細化ならびに高集積化を行う上では、ＷＳｉ膜自体、その一層の低抵抗化が要求されている。
【０００３】
一般に、従来半導体装置に用いられているＷＳｉｘ膜では、Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘは、下地への圧縮歪みを回避するため、化学量論組成であるＷＳｉ２から相当に変移した値、例えば、２．６程度のものとなっている。このＷＳｉｘの抵抗率の更なる低抵抗化をする際、原理的に最も有効な手法は、シリサイド膜のＳｉ／Ｗ組成比Ｘを下げる、具体的には、２．６値とすることが主である（特開平９−２４６２０６号公報）。ＷＳｉｘ膜の成膜方法として、主にスパッタ法とＣＶＤ法が利用されている。ＣＶＤ法を用いると、比較的にＳｉ／Ｗ組成比の低いＷＳｉｘ膜を形成できるため、低抵抗化を図る際、ＷＳｉｘ膜形成に応用されている。
しかしながら、ＣＶＤ法で形成したＷＳｉｘ膜は、下地との密着性が弱いため、後工程で下地から剥がれるという問題を生じ易いことが指摘されている。この剥がれの原因の一つは、後工程として実施される熱酸化工程において、下地とＷＳｉｘ膜との界面で異常酸化が発生し、それに伴い密着性が損なわれることが挙げられる（ジャーパン  ジャーナル  アプライズ  フィジックス，１９９８年、３５巻  ｐａｒｔ  １、Ｎｏ．  ２Ａ、５８４〜５８８ページ、同誌，１９９９年、３８巻、ｐａｒｔ  ２、Ｎｏ．  ２Ｂ、  Ｌ２０９〜２１１）。
【０００４】
また、ＣＶＤ成膜法によりＷＳｉｘ膜を形成する際、当初は、原料ガスとして、ＷＦ。（六フッ化タングステン）とＳｉＨ４（シラン）を用い、ＷＦ６の還元をシランで行う方法が利用されていた。このシラン還元法で作製したＷＳｉｘ膜は、ＷＦ６に由来するフッ素原子が多量に含有される。このフッ素原子を多く含むことに付随する要因により、下地との密着性が悪く、従って、膜剥がれの問題はより顕著であった。
【０００５】
上述のシラン還元法における密着性が悪いという課題を解決するため、ＷＦ６とＳｉＣｌ２Ｈ２（ジクロロシラン；以下、ＤＣＳと略す）を原料として、ＳｉＨ４（シラン）に代えて、ＤＣＳでＷＦ６の還元を行う、所謂ＤＣＳ還元ＣＶＤ法が開発された。ＤＣＳ還元ＣＶＤ法で作製したＷＳｉｘ膜にも、僅かにフッ素原子が含まれるものの、その含有量は、シラン還元法における含有量より、おおよそ３桁低くできることが報告されている。この差異が、下地との密着性向上に大きく寄与している。現在では、ＷＳｉｘの成膜には、このＤＣＳ還元ＣＶＤ法が使われている。
【０００６】
しかしながら、ＤＣＳ還元ＣＶＤ法によって作製されるＷＳｉｘ膜であっても、Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘが低い場合には、下地との界面における異常酸化による剥がれは、依然として残されている。この下地との界面における異常酸化に起因する剥がれを抑制する一つの手段として、特開平８−１５３８０２号公報には、Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘを２．８以上に選択することが有効であるとの記載があるが、このように、Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘを２．８以上とすることは、ＷＳｉｘ膜を用いる本来の目的である低抵抗化とは、相反すものである。
【０００７】
ゲート電極や配線において、ＷＳｉｘ膜は下地の多結晶シリコン層上に積層し、この積層構造全体として、ゲート電極や配線の抵抗を低くする目的で利用されるが、部分的にあるいは全部に剥がれが発生したのでは、反って、ゲート電極や配線の抵抗増大、さらには、デバイスの不作動などの不良発生の要因ともなってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置用の電極・配線材料として、上述するような、剥がれの発生もなく、まら低抵抗なＷＳｉｘ膜が望まれ、その成膜技術の開発が待たれている。
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、半導体装置用の配線材料に適する特性、すなわち、多結晶シリコン層などの下地上に成膜でき、下地層とＷＳｉｘ膜の間での剥がれ発生が抑制されており、下地に対する密着性に優れ、また、ＷＳｉｘ膜本来の低抵抗化の特徴も保持した、新規な膜の構造を示す半導体装置用ＷＳｉｘ膜を提供することにある。また、かかる新規な膜の構造を示すＷＳｉｘ膜を多結晶シリコン層などの下地上に再現性よく、作製する方法を提供することもその目的とする。具体的には、多結晶シリコン層などの下地上に成膜した際、下地層と近接する領域（初期成膜領域）のＷＳｉｘ膜の組成を所望の範囲として、膜全体として、新規な膜の構造を示すＷＳｉｘ膜を作製する方法を提供することもその目的とする。
さらに、本発明の最終的な目的は、前記の製造方法をそのゲート電極や配線の作製工程に利用して、本発明にかかる新規な構成のＷＳｉｘ膜を用い、例えば、ゲート表面を覆うＳｉＯ２膜形成工程である、熱酸化工程後における剥離発生を防止し、ＷＳｉｘ膜の剥がれに起因する電気的な不良のない半導体装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決すべく、鋭意研究を進めた結果、ＤＣＳ還元ＣＶＤ成長法を利用して作製されるＷＳｉｘ膜において、ＷＳｉｘ膜全体の平均Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘに依らず、膜の初期成長（以下、核形成と記す）時の条件、すなわち下地との界面付近におけるＳｉ／Ｗ組成比を制御すると、形成されるＷＳｉｘ膜を構成する複数のグレインの配向性分布を制御できることを見出した。加えて、ＷＳｉｘ膜の膜剥がれを引き起こす、下地との界面付近における異常酸化の進行と、ＷＳｉｘ膜を構成する複数のグレインの配向性分布との間に相関があり、＜００１＞配向するグレインの体積比率が高いほど、また、＜１０１＞配向するグレインの体積比率が低いほど、前記異常酸化の進行が抑制され、結果として、ＷＳｉｘ膜の膜剥がれが防止されることを見出した。従って、ＷＳｉｘ膜全体の平均Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘ自体は、低抵抗化に適する値を選択した際、ＷＳｉｘ膜を構成する複数のグレインの配向性分布において、＜００１＞配向するグレインの体積比率が高いほど、また、＜１０１＞配向するグレインの体積比率が低いほど、異常酸化、膜剥がれの発生をより効果的に抑制でき、同時に、最適に選択される平均Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘに由来する低抵抗化の利点も保持できることを見出し、本発明を完成するに至った。従って、本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜は、ＷＳｉｘ膜を構成する複数のグレインの配向性分布において、＜００１＞配向するグレインの体積比率をより高くする、また一方、＜１０１＞配向するグレインの体積比率はより低くするように、その初期成長時の条件を制御して、ＤＣＳ還元ＣＶＤ法により成長して得られるＷＳｉｘ膜である。
【００１１】
すなわち、本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜は、半導体装置において、ゲート電極または配線に利用されるＷＳｉｘ膜であって、
ＷＳｉｘ膜は、複数のグレインから形成され、
少なくとも＜００１＞配向するグレインと＜１０１＞配向するグレインとを含み、
含まれる各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、前記＜００１＞配向するグレインの比率は、その他の配向方位を有するグレインの比率のいずれよりも高いことを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜である。
好ましくは、ＷＳｉｘ膜中に含有される各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、
＜００１＞配向するグレインの比率が５０％以上であることを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜とする。または、好ましくは、ＷＳｉｘ膜中に含有される各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、
＜１０１＞配向するグレインの比率が最小であることを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜とする。より好ましくは、ＷＳｉｘ膜中に含有される各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、
＜１０１＞配向するグレインの比率が１０％以下であることを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜とする。
例えば、ＷＳｉｘ膜において観測されるＸ線回折パターンにおいて、
前記＜００１＞配向するグレインに由来する（００２）ピークの強度Ｉ００２と前記＜１０１＞配向するグレインに由来する（１０１）ピークの強度Ｉ１０１との比、Ｉ１０１／Ｉ００２が１０％以下であることを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜とすることが好ましい。
さらに、本発明においては、ＷＳｉｘ膜は、下地層上にＷＦ６をＳｉＣｌ２Ｈ２で還元して形成され、
前記形成の直後において、前記下地とＷＳｉｘ膜との界面におけるＳｉ／Ｗ組成比を面内平均して得られる原子数比Ｘの平均値が２．０−２．２範囲であることを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜であることが好ましい。
また、例えば、本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜においては、ＷＳｉｘ膜は下地層上に形成した後、
７００−８５０℃において熱処理が施されていることを特徴とする半導体装置用ＷＳｉ膜とすることができる。
【００１２】
一方、本発明の半導体装置の一つの態様は、シリコン基板上に、少なくともゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜上に多結晶シリコン層、ＷＳｉｘ層、絶縁層が順次積層されてなる電極とを設ける半導体装置であって、
前記ＷＳｉｘ層は、上記のいずれかに記載する本発明に係る半導体装置用ＷＳｉ膜を用いた層であることを特徴とする半導体装置である。
また、本発明の半導体装置の別の態様は、シリコン基板上に、少なくとも多結晶シリコン層、ＷＳｉｘ膜、絶縁膜が順次積層されてなる配線を設ける半導体装置であって、
前記ＷＳｉｘ層は、上記のいずれかに記載する本発明に係る半導体装置用ＷＳｉ膜を用いた層であることを特徴とする半導体装置である。
加えて、本発明の半導体装置の更なる態様は、シリコン基板上に、少なくともゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜上に多結晶シリコン層、ＷＳｉｘ層、絶縁層が順次積層されてなる電極と、少なくとも多結晶シリコン層、ＷＳｉｘ膜、絶縁膜が順次積層されてなる配線とを設ける半導体装置であって、
前記ＷＳｉｘ層は、上記のいずれかに記載する本発明に係る半導体装置用ＷＳｉ膜を用いた層であることを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜について、より詳しく説明する。
本発明のＷＳｉ膜は、ＷＦ６をＳｉＣｌ２Ｈ２で還元してＷＳｉを堆積するＤＣＳ還元ＣＶＤ法で作製するものである。また、かかるＷＳｉ膜は、半導体装置において、ゲート電極、配線導電性膜として用いられるが、その際、Ｓｉ基板上に形成したゲート酸化膜上に、下層膜として、多結晶シリコン膜を堆積し、その上に本発明のＷＳｉ膜が形成され、多結晶シリコン膜／ＷＳｉ膜の積層構造によりゲート電極として機能する。同じく、配線は通常、層間絶縁膜、例えば、ＳｉＯｘ膜の上に形成されるが、その際にも、下層膜として、多結晶シリコン膜を堆積し、その上に本発明のＷＳｉ膜が形成され、多結晶シリコン膜／ＷＳｉ膜の積層構造により配線導電性膜として機能する。
【００１４】
すなわち、本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜は、一般に、下層膜の多結晶シリコン膜とＷＳｉ膜とは同形状にパターニングされ、ゲート電極、配線導電性膜として用いられる。従って、ゲート酸化膜や層間絶縁膜、例えば、ＳｉＯｘ膜との密着性自体は、従来から利用されている多結晶シリコン膜を用いることで、十分に高くまた、信頼性にも優れたものとなっている。また、この多結晶シリコン膜上に形成するＷＳｉｘ膜は、複数のグレインから形成され、少なくとも＜００１＞配向するグレインと＜１０１＞配向するグレインとを含み、前記＜００１＞配向するグレインを主な要素とするものの、＜１０１＞配向するグレインの比率は最小限とすることにより、ＷＳｉｘ膜と下層の多結晶シリコン膜との密着性を高め、特に、その後、酸化処理工程を曝された際、ＷＳｉｘ膜と下層の多結晶シリコン膜の界面における異常酸化の発生、それに付随する剥離をも抑制できる効果が得られている。
【００１５】
下層膜として、多結晶シリコン膜を設けるため、ＷＳｉｘ膜自体の内部歪みは相当に緩和されるが、加えて、ＷＳｉｘ膜自体を成長した複数のグレインからなるものとすることで、更に内部歪みを解消したものとなる。さらに、その状態では、ＷＳｉｘ膜の電気伝導度は、高濃度にドーピングされた多結晶シリコン膜の電気伝導度と比較しても、格段に高く、ゲート電極幅自体が狭くなった際、配線抵抗を十分に低減することができる。従って、上記するグレインの成長を図るため、多結晶シリコン膜上にＤＣＳ還元ＣＶＤ法で堆積したＷＳｉｘ膜に対して、堆積後、７００℃以上の温度で、好ましくは、７００℃〜８５０℃の範囲で、熱処理を施す。この熱処理工程においては、不要な熱酸化が生じないように、雰囲気中に酸素を含まない環境、例えば、不活性ガス中において実施する。かかる熱処理により、＜００１＞配向するグレインが優先的に成長し、それに伴い、＜１０１＞配向するグレインの成長は抑制され、本発明の目的とする＜００１＞配向するグレインを主な要素とするものの、＜１０１＞配向するグレインの比率は最小限とするＷＳｉｘ膜がより容易に形成される。例えば、観測されるＸ線回折パターンにおいて、前記＜００１＞配向するグレインに由来する（００２）ピークの強度Ｉ００２と前記＜１０１＞配向するグレインに由来する（１０１）ピークの強度Ｉ１０１との比、Ｉ１０１／Ｉ００２が１０％以下とする高い配向の選択性が得られる。
【００１６】
かかる熱処理工程に要する熱処理時間は、熱処理温度により適宜選択されるものであるが、ＷＳｉｘ膜内における結晶化が十分に進み、複数の配向を示すグレインが得られるに十分な時間とする。一方、例えば、ゲート酸化膜下に不要な拡散が生じ、所望の電気特性を損なわない範囲に、熱処理温度、時間を選択する。例えば、自己整合的な打ち込みを利用する際、この打ち込み後の活性化熱処理が施されている。上層の配線膜として、本発明のＷＳｉｘ膜を利用する際、前記の結晶化を目的とした熱処理の温度を８５０℃以下とすることで、不要に過剰な熱拡散し、所望のキャリア濃度分布が損なわれることを回避できる。また、ドレイン、ソース電極において、半導体表面と電極金属の間で、不要に過剰な反応が進み、接触抵抗の上昇を起こす懸念も、熱処理の温度を８５０℃以下に選択することで、払拭することができる。
【００１７】
一方、多結晶シリコン膜上にＤＣＳ還元ＣＶＤ法でＷＳｉｘ膜を堆積する際、堆積初期における核形成条件を、ＷＦ６／ＤＣＳの流量比を制御することにより、堆積直後、上記の熱処理を実施する前、下地層の多結晶シリコン膜界面付近のＳｉ／Ｗ組成比Ｘを化学量論的組成比ＷＳｉ２と近い組成比、例えば、界面ではＳｉ／Ｗ組成比Ｘを２．０〜２．２の範囲に選択すると好ましい。このとき、界面においては、化学量論的組成比ＷＳｉ２と極力に近い組成としても構わないが、界面から離れるに従って、Ｓｉの組成は増すようにすることが望ましい。具体的には、界面から離れる領域では、多くとも、Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘを２．６以下、好ましくは２．４前後とすることが好ましい。堆積後、上記の熱処理を実施すると、下地層の多結晶シリコン膜から熱拡散されるＳｉにより、Ｓｉの組成は増す。この点をも考慮すると、界面ではＳｉ／Ｗ組成比Ｘをより２．０に近い２．１前後の範囲に選択するとより好ましい。
【００１８】
この堆積初期における核形成条件で堆積されたＷＳｉｘ膜を上記の温度範囲で熱処理を施すと、極めて高い再現性で、含まれる各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、前記＜００１＞配向するグレインの比率は、５０％以上、一方、＜１０１＞配向するグレインの比率は、１０％以下の範囲とすることができる。また、熱処理を施し、Ｓｉ／Ｗ組成が均一化した後も、なおＷＳｉｘ膜は相対的にタングステンの含有比率が高く保たれ、より低抵抗な導電性膜となる。
【００１９】
半導体装置自体は、上記の下層膜の多結晶シリコン膜とＷＳｉ膜とを同形状にパターニングして、ゲート電極を形成した後、イオン注入時のチャンネル防止膜として、Ｓｉ露出面を被覆する厚さ１０ｎｍ程度の薄いＳｉＯ２膜を熱酸化により形成する。この熱酸化工程において、ＷＳｉ膜も酸化雰囲気中に曝され、表面に酸化膜が生成するが、その際、＜００１＞配向するグレインが主とされた本発明のＷＳｉ膜においては、下地層の多結晶シリコン膜からも速やかにシリコンが拡散で供給され、生成する酸化膜は、ＳｉＯｘ膜となり、ＷＯｘ、特に、蒸発性に富むＷＯ３などの生成が防止される。このため、異常酸化はなく、更に、下地層との界面における剥離も防止される。
【００２０】
本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜は、付加的に設ける、前記のグレインの成長を促進する熱処理工程、ならびに、界面近傍におけるＳｉ／Ｗ組成比Ｘの制御を除き、それ以外は、従来の多結晶シリコン膜上にＤＣＳ還元ＣＶＤ法でＷＳｉｘ膜を堆積する際の条件、手順を利用することができる。加えて、本発明の半導体装置も、ゲート電極や配線膜に利用するＷＳｉ膜を除き、その他の構成要素は、従来のこの種の半導体装置、より具体的には、自己整合的なイオン打ち込みを利用する半導体装置と本質的に同じである。ゲート電極や配線膜は、それぞれ、ゲート酸化膜上に、多結晶シリコン層、ＷＳｉｘ膜、その上を覆う絶縁膜、あるいは、下層の層間絶縁膜上に、多結晶シリコン層、ＷＳｉｘ膜、その上を覆う絶縁膜の構成となし、前記ＷＳｉｘ膜のパターニングされた端面をも、前記絶縁膜が被覆する形状とされる。
【００２１】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は本発明における最良の実施の形態の一例を示すものであるものの、これらの実施例に本発明は限定されるものではない。
【００２２】
（実施例１）
本実施例は、本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜を、ゲート電極に適用した第一の実施形態に一例を示す。
図１は、本発明のＷＳｉ膜を利用するゲート電極構成の一例を模式的に示す断面図である。図１に示すゲート電極構成は、シリコン基板（Ｓｉ基板）１上に形成されている所定膜厚のゲート酸化膜２に対して、ゲート電極として、ドープした多結晶シリコン膜３と、本発明に係る配向性の制御されたＷＳｉｘ膜４とを積層している。このＷＳｉｘ膜４上には、ＳｉＯ２カバー膜５が被覆されている。配向性の制御されたＷＳｉｘ膜４は、異なる配向性を示す複数のグレインを含有しており、少なくとも＜１０１＞配向のグレインと＜００１＞配向のグレインが存在している。
【００２３】
図２は、本実施例の図１に示すゲート電極構成例について、前記した各膜や層の断面を示す、透過型電子顕微鏡写真の測定例である。図２には、図１に示す断面図と対応して、Ｓｉ基板６の表面に、均一な膜厚のゲート酸化膜７が作製されており、このゲート酸化膜７との密着性に優れるドープした多結晶シリコン膜８を介して、配向性の制御されたＷＳｉｘ膜９が積層され、最上層にカバー層としてＳｉＯ２カバー膜１０が覆っている断面が示されている。この図２に示す透過型電子顕微鏡写真を詳細に観察すると、下地層の多結晶シリコン膜８と同様、ＷＳｉｘ膜９には、グレイン相互の境界が判別される。また、ＷＳｉｘ膜９を構成する個々のグレインは、それぞれ、独自の配向を有するように成長したグレインであること判別できる。また、下地層の多結晶シリコン膜８とＷＳｉｘ膜９との界面は、互いに密な接触を持ち、優れた密着性を示し、実際に膜剥がれの痕跡すらない。
【００２４】
本実施例に利用したＷＳｉｘ膜９は、下地層の多結晶シリコン膜８とＷＳｉｘ膜９との界面に近傍において、ＷＦ６をＳｉＣｌ２Ｈ２で還元して形成される初期成長のＳｉ／Ｗ組成比Ｘは、化学当量論的組成：ＷＳｉ２と近い、２．１程度となる条件を選択している。また、表面にＳｉＯ２カバー膜１０の被覆前、グレインの成長を進めるため、温度８５０℃において、２０分間熱処理を施している。その結果、前記熱処理において、＜００１＞配向のグレインが優先に成長し、一方、＜１０１＞配向のグレインの成長は最小限に抑えられている。図３の▲１▼に、本実施例の条件で作製される下地層の多結晶シリコン膜８上のＷＳｉｘ膜９について、Ｘ線回析により、膜を形成するグレインの配向性を評価した結果を示す。
【００２５】
ＷＳｉｘ膜９中には、複数の配向性を示すグレインの存在に対応して、複数の回折ピークが観測されており、図３に明示する４種の回折ピークの強度中、（１０１）回折ピーク強度Ｉ１０１は最小であり、また、（００２）回折ピーク強度Ｉ００２が最も大きなものとなっている。（１０１）回折ピーク強度Ｉ１０１は、＜１０１＞配向のグレインに由来し、（００２）回折ピーク強度Ｉ００２は、＜００１＞配向のグレインに由来しており、本実施例においては、両者の回折ピーク強度比Ｉ１０１／Ｉ００２は、６．９％となっており、配向性の指標Ｉ１０１／Ｉ００２は１０％以下に制御されている。
【００２６】
なお、従来の配向性が制御されていないＷＳｉｘ膜、具体的には、ＷＦ６をＳｉＣｌ２Ｈ２で還元して形成される初期成長のＳｉ／Ｗ組成比Ｘを、化学当量論的組成：ＷＳｉ２からは大きく変移した、２．６程度となる条件を選択して、同様の膜厚に成膜した試料について、Ｘ線回析により、膜を形成するグレインの配向性を評価した。図３の▲２▼に、その評価結果の一例を示すが、４種の回折ピークの強度中、（１０１）回折ピーク強度Ｉ１０１は最小ではなくなり、また、（００２）回折ピーク強度Ｉ００２は、他の回折ピークと大差ない範囲となっている。配向性の指標Ｉ１０１／Ｉ００２は、３６％となっており、＜１０１＞配向のグレインは最小の比率とは言えず、また、＜００１＞配向のグレインを主な成分とするものとは言えない状態である。
【００２７】
図３の▲１▼に示すＸ線回析スペクトルと図３の▲２▼にＸ線回析スペクトルとを比較すると、本発明のＷＳｉｘ膜においては、従来のＷＳｉｘ膜と較ると、＜１０１＞配向のグレインの体積比率が減少し、かわりに＜００１＞配向のグレインの体積比率が増加している。すなわち、初期成長のＳｉ／Ｗ組成比Ｘを、化学当量論的組成：ＷＳｉ２と近い、２．１程度となる条件を選択することで、膜全体のグレインの配向性分布が制御され、＜００１＞配向のグレインは高い選択性で成長されていることが判る。
【００２８】
従来の配向性が制御されていないＷＳｉｘ膜を利用するゲート電極では、＜１０１＞配向のグレインの体積比率は相対的に高く、また、＜００１＞配向のグレインの体積比率も膜全体を支配するには遥かに及ばず、そのため、後工程において実施する熱酸化工程において、下地層の多結晶シリコン膜とＷＳｉｘ膜との界面において、異常酸化の現象が頻度高く観測される。この異常酸化の現象に付随して、図７に一例を示すような前記界面において膜剥がれが発生することも多い。図７は、膜剥がれが発生したゲート電極について、膜剥がれにより、ＷＳｉｘ膜が欠損し、下地層の多結晶シリコン膜が露出している箇所を観察した走査型電子顕微鏡写真の一例である。図６に、この膜剥がれ、ＷＳｉｘ膜が欠損する部分における状況を模式的に断面図として示す。下地層の多結晶シリコン膜２７は、Ｓｉ基板２５上に形成されているゲート酸化膜２６上を覆うように残留している。すなわち、ゲート酸化膜２６と下地層の多結晶シリコン膜２７との密着性は十分に高いものの、後工程において、層間絶縁膜３０を形成するための熱酸化を施す際、多結晶シリコン膜２７と配向性が制御されていないＷＳｉｘ膜２９との界面において、ＷＯ２、ＷＯ３ならびにＳｉＯ２酸化膜２８が発生する。この異常酸化で生成する酸化タングステンが気化蒸散する際、界面での剥がれを引き起こす。さらに、遊離した、異常酸化を受けたＷＳｉｘ膜２９は、その機械的強度が損なわれており、部分的に欠損するため、一層膜剥がれの拡大が進む。
【００２９】
本発明の配向性が制御されたＷＳｉｘ膜は、下地層の多結晶シリコン膜界面の近傍においては、化学当量論的組成：ＷＳｉ２と近い、２．１程度になり、相対的ににタングステン比率を残る部分より高めており、同時に、膜全体としては、＜００１＞配向のグレインが高い選択性で成長されているので、その両者の効果が相乗的に作用し、下地層の多結晶シリコン膜との間で密着性が高く、酸化も進行しない良好な界面結合が形成できている。膜剥がれに伴う、下地層の多結晶シリコン膜とＷＳｉｘ膜との導通不良、配線抵抗の上昇は、本質的に回避されている。
【００３０】
（実施例２）
本実施例は、本発明の半導体装置用ＷＳｉ膜を、配線に適用した第二の実施形態に一例を示す。
図４は、本発明のＷＳｉ膜を利用する配線構成の一例を模式的に示す断面図である。図４に示す配線の構成は、シリコン基板（Ｓｉ基板）１１上に形成されている所定膜厚の層間絶縁膜１２上に設ける配線として、ドープした多結晶シリコン膜１３と、本発明に係る配向性の制御されたＷＳｉｘ膜１４とを積層している。このＷＳｉｘ膜１４上には、ＳｉＯ２カバー膜１５が被覆されている。本実施例に用いる配向性の制御されたＷＳｉｘ膜１４は、前記実施例１に用いた手法、すなわち、ＷＦ６をＳｉＣｌ２Ｈ２で還元して形成される初期成長のＳｉ／Ｗ組成比Ｘを、化学当量論的組成：ＷＳｉ２に近い、２．１程度となる条件を選択して、膜全体のグレインの配向性分布を制御して、＜００１＞配向のグレインが高い選択性で成長されているＷＳｉｘ膜である。なお、表面にＳｉＯ２カバー膜１５の被覆前、グレインの成長を進めるため、温度８５０℃において、２０分間熱処理を施している。この配線に利用した場合にも、実施例１において述べたと同様の機構により、下地層の多結晶シリコン膜１３上のＷＳｉｘ膜１４について、Ｘ線回析により、膜を形成するグレインの配向性を評価すると、配向性の指標Ｉ１０１／Ｉ００２は１０％以下に制御されている。
【００３１】
本実施例においても、下地層のドープした多結晶シリコン膜１３上に積層したＷＳｉｘ膜１４は、下地層との密着性がよく、また、低抵抗化が図られている。また、この配線上にさらに層間絶縁膜を熱酸化により形成する際にも、下地層のドープした多結晶シリコン膜１３と配向性の制御されたＷＳｉｘ膜１４との界面において、異常酸化の発生は防止され、剥がれの発生を本質的に発生しないものとなっている。
【００３２】
以上、本発明の半導体装置用ＷＳｉｘ膜をゲート電極・配線に利用する代表的な態様において、その膜剥がれ防止効果を検証した例について説明したが、半導体装置を構成する導電性材料として、下地層のドープした多結晶シリコン膜上に積層した複合導電性材料膜として、他の用途に用いる際にも同様な効果が得られることは勿論のことである。すなわち、これら複合導電性材料膜が形成される、ゲート酸化膜や層間絶縁膜のＳｉＯ２に対して、優れた密着性を有する多結晶シリコン膜を下地層として、その上に密着性を高めたＷＳｉｘ膜を積層し、一体の複合導電性材料膜とするので、全体の抵抗は、ＷＳｉｘ膜の平均的なＳｉ／Ｗ組成比Ｘを低抵抗化に最適な範囲に適宜選択し、但し、下地層の多結晶シリコン膜と接する界面近傍においてのみ、Ｓｉ／Ｗ組成比Ｘを化学当量論的組成：ＷＳｉ２に近い、２．１程度となる条件を選択して、膜全体のグレインの配向性分布を制御して、膜剥がれを回避することができる。
【００３３】
（実施例３）
本実施例は、本発明の半導体装置用ＷＳｉｘ膜をゲート電極ならびに、層間絶縁膜上に設ける上層配線に利用した半導体装置の実施形態の一例を示す。
図５は、本発明のＷＳｉｘ膜を利用して、ゲート電極ならびに上層配線を作製した半導体装置の構成例を模式的に示す断面図である。図５に示す半導体装置の構成では、Ｓｉ基板１６上に形成されたゲート酸化膜１７、その上に多結晶シリコン膜１８、配向性の指標Ｉ１０１／Ｉ００２を１０％以下に制御したＷＳｉｘ膜１９の積層構造を有するゲート電極に形成されている。ゲートの左右にイオン打ち込みで形成されている拡散層領域の表面に設けたソース（またはドレイン）に対して、全面を被覆するように層間絶縁膜２０を積層し、コンタクト２４を介して、上層配線として、多結晶シリコン膜２１、配向性の指標Ｉ１０１／Ｉ００２を１０％以下に制御したＷＳｉｘ膜２２を形成し、最表面にＳｉＯ２膜からなる層間絶縁膜２３が被覆されている。
【００３４】
かかる構造とする際、イオン注入時のチャンネル防止膜として、ゲート電極のパターニング後、Ｓｉ露出面を被覆する厚さ１０ｎｍ程度の薄いＳｉＯ２膜を熱酸化により形成する。この熱酸化工程において、酸化雰囲気にゲート電極も曝されるが、本発明の配向性が制御されたＷＳｉｘ膜においては、多結晶シリコン膜１８と配向性が制御されたＷＳｉｘ膜１９との界面において、ＷＯ２、ＷＯ３ならびにＳｉＯ２酸化膜の発生が抑制されており、揮発性のＷＯ３に由来する膜の脆弱化や剥離は生じない。また、その後、層間絶縁膜２０として、ＳｉＯｘ膜を利用する際にも、多結晶シリコン膜１８と配向性が制御されたＷＳｉｘ膜１９との界面における剥離は生じない。
【００３５】
同様に、上層配線も所定の形状にパターニングされた後、それを被覆するＳｉＯ２膜からなる層間絶縁膜２３を作製する工程においても、パターニングされた多結晶シリコン膜２１と配向性が制御されたＷＳｉｘ膜２２は酸化雰囲気に曝される。その際、配向性が制御されたＷＳｉｘ膜２２においては、異常酸化の発生はなく、また、多結晶シリコン膜２１との界面における剥離も発生しない。
【００３６】
また、成膜時においては、下地層の多結晶シリコン膜１８とＷＳｉｘ膜１９との界面におけるＳｉ／Ｗ組成比を面内平均して得られる原子数比Ｘの平均値は２．０−２．２の範囲とされ、例えば、化学当量論的組成：ＷＳｉ２に近い、２．１程度となる条件を選択しており、前記熱酸化によりチャンネル防止膜を形成する工程を実施する前に、上記の非酸化雰囲気において７００℃以上で熱処理を施すことにより、＜００１＞配向のグレインの成育を促進ししている。この＜００１＞配向のグレインの成育を図る、非酸化雰囲気中での熱処理は、下地層の多結晶シリコン膜１８とＷＳｉｘ膜１９とのより緻密な接合にも効果的である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のＷＳｉｘ膜は、複数のグレインから形成され、少なくとも＜００１＞配向するグレインと＜１０１＞配向するグレインとを含むが、含まれる各種の配向方位を有するグレインの体積比率において、前記＜００１＞配向するグレインの比率が主であり、＜１０１＞配向するグレインの比率は最小限に抑えられ、例えば、Ｘ線回折パターンにおいて、前記＜００１＞配向するグレインに由来する（００２）ピークの強度Ｉ００２と前記＜１０１＞配向するグレインに由来する（１０１）ピークの強度Ｉ１０１との比、Ｉ１０１／Ｉ００２が１０％以下となるように配向性が制御されているため、通常、その下地層に用いる多結晶シリコン層との密着性に優れ、また、酸化雰囲気下に曝されても、異常酸化の発生が抑制される。従って、界面近傍において、成膜時のＳｉ／Ｗ組成比Ｘを２．０−２．２の範囲に選択し、相対的にタングステンが過剰な組成としても、界面におけるＷＯ２、ＷＯ３ならびにＳｉＯ２酸化膜の発生が抑制され、膜剥がれも防止される。このような配向性が制御されているＷＳｉｘ膜をゲート電極及び／または配線膜に用いる本発明の半導体装置においては、ＷＳｉ膜の異常酸化、剥がれに起因する電気的な不良が回避される。加えて、界面近傍において、成膜時のＳｉ／Ｗ組成比Ｘを２．０−２．２の範囲とするように、相対的にタングステン組成が高くでき、より低抵抗化が可能であり、優れた電気特性を有する半導体装置が高い再現性で得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＷＳｉｘ膜を多結晶シリコン層上に形成した適用した第一の実施形態の一例を示し、本発明に係る半導体装置に含有されるゲート電極の構成を模式的にに示す断面図である。
【図２】図１に模式的に示すゲート電極を構成する各膜や層をなす結晶の構造を示す透過型電子顕微鏡写真の一例である。
【図３】ゲート電極に用いられた、多結晶シリコン膜上に形成したＷＳｉｘ膜中のグレイン配向性を分析したＸ線回折結果の一例を対比して示す図であり、▲１▼に、回折強度比Ｉ１０１／Ｉ００２が１０％以下の膜からのＸ線回折を、▲２▼に、回折強度比Ｉ１０１／Ｉ００２が３６％の膜からのＸ線回折をそれぞれ示す。
【図４】本発明のＷＳｉｘ膜を配線に適用した、第二の実施形態の例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明のＷＳｉｘ膜をゲート電極ならびに配線に適用した、本発明の半導体装置の実施形態の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】配向性を制御していない従来のＷＳｉｘ膜を利用したゲート電極において発生する異常酸化に伴う膜剥がれの状況を模式的に示す断面図である。
【図７】図６に模式的に示した、配向性を制御していない従来のＷＳｉｘ膜を利用したゲート電極において発生する異常酸化に伴う膜剥がれの発生箇所において、膜剥がれ表面に露出すゲート電極を構成する各膜や層をなす結晶の構造を示す走査型電子顕微鏡写真の一例である。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板
２…ゲート酸化膜
３…多結晶シリコン膜
４…配向性の制御されたＷＳｉｘ膜
５…ＳｉＯ２カバー膜
６…Ｓｉ基板
７…ゲート酸化膜
８…多結晶シリコン膜
９…配向性の制御されたＷＳｉｘ膜
１０…ＳｉＯ２カバー膜
１１…Ｓｉ基板
１２…層間絶縁膜
１３…多結晶シリコン膜
１４…配向性の制御されたＷＳｉｘ膜
１５…ＳｉＯ２カバー膜
１６…Ｓｉ基板
１７…ゲート酸化膜
１８…多結晶シリコン膜
１９…配向性の制御されたＷＳｉｘゲート膜
２０…層間絶縁膜
２１…多結晶シリコン膜
２２…配向性の制御されたＷＳｉｘ配線膜
２３…層間絶縁膜
２４…コンタクト
２５…Ｓｉ基板
２６…ゲート酸化膜
２７…多結晶シリコン膜
２８…ＷＯ２、ＷＯ３とＳｉＯ２酸化膜
２９…配向性を制御していない、異常酸化のあったＷＳｉｘ膜
３０…層間絶縁膜
３１…多結晶シリコン膜
３２…ＷＯ２、ＷＯ３とＳｉＯ２酸化膜
３３…配向性を制御していない、異常酸化のあったＷＳｉｘ膜
３４…層間絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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