JPH03147328A

JPH03147328A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH03147328A
Application number: JP28568789A
Authority: JP
Inventors: Tomio Katada; 堅田　富夫; Kyoichi Suguro; 恭一須黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-01
Filing date: 1989-11-01
Publication date: 1991-06-24

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わり、特に安定で
信頼性の高い、低抵抗電極配線層を形成するための半導
体装置の製造方法に関する。

（従来の技術）従来、半導体装置の電極や配線としては、多結晶シリコ
ンが広く使用されている。しかしながら、半導体装置の
高集積化、高速化に伴い、電極配線の抵抗による信号伝
達遅延が重大な問題となってきている。特に、大容量、
高集積化の進展しているＭＯＳ−ＬＳ　Ｉの分野では、
ゲート電極に使用されている多結晶シリコンが第１層配
線と共用になるので、ここでの抵抗値がデバイスの高速
動作の障害となっている。

そこで、多結晶シリコンに代わる配線材料として、熱的
な安定性と電気的な低抵抗性を有する高融点金属のシリ
サイドが使用されつつある。

また最近では、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属そのものも電極
配線として使用しようという試みもある。ＷやＭｏは、
その電気抵抗率が多結晶シリコンよりも２桁も低く、ま
たシリサイドの抵抗率の１ノ４〜ｉ／３であり低抵抗の
電極配線として６望視されている。

高融点金属を用いた電極配線を形成する一例としては、
シリコン基板上にゲート酸化膜を介して多結晶シリコン
膜をＬＰＣＶＤ法で堆積し、その上にＴ１Ｎ１％及びＷ
膜をスパッタリングにより順次堆積する。次いで、通常
のフォトリソグラフィとＳＦ６ガスを用いた反応性イオ
ンエツチングにより、これらをパターニングすることに
より電極の形成を完了する。

かくして形成された電極配線は、その後に続く多結晶シ
リコンやシリサイドで通常用いられている後酸化工程や
、層開絶縁膜堆禎工程を経なければならない。後酸化工
程では８００〜９（１０℃といった高温での酸化性雰囲
気に晒され、絶縁膜堆積工程は通常４００〜５００℃で
行われる。

しかし、ＷやＭｏといった高融点金属や純金属は酸化に
対して耐性がなく、数９１）１程度の残留酸素が存在す
る雰囲気での熱処理で容易に酸化してしまう。このため
、高融点金属を用いた電極配線は、その後に続く後酸化
や絶縁膜堆積工程により、抵抗上昇や膜剥がれ、さらに
甚だしい場合は配線自体の消失といった問題が起こる。

そこで最近、高融点金属を用いた電極配線を形成した後
に、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気中で６００〜８００℃
に加熱することにより、電極配線の表面に金属窒化物層
を形成する方法が試みられている。この方法では、電極
配線の表面に形成された金属窒化物層が保護膜とて作用
するため、その後に続く後酸化や絶縁膜堆積工程を経て
も抵抗上昇や膜剥がれが生じない。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、高温のアンモニア雰囲気中で窒化処理
すると、アンモニアの拡散が速いことから、電極配線の
表面のみでなく電極配線内をアンモニアが拡散し、電極
配線内部及びゲート酸化膜の表面をも窒化する。電極配
線内部が窒化されると抵抗の増大を招き、さらにゲート
酸化膜の表面が窒化されるとトランジスタ特性（例えば
しきい値Ｖ　ＴＨ）が変化したり、ゲート耐圧が劣化す
ることになり、高融点金属を用いるメリットが半減する
。また、ゲート酸化膜の窒化を防止するために窒化処理
時間を短くすると電極表面の金属窒化物層が極めて薄く
なり、保護膜として作用しなくなる。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属を用いた電極
配線にあっては、後酸化や絶縁膜堆積工程による電極配
線の酸化を防止する必要があり、これに高温アンモニア
雰囲気中での窒化処理を行っている。しかしこの方法で
は、電極配線の表面のみを窒化することは困難であり、
電極配線の内部さらには下地のゲート酸化膜等を窒化し
てしまい、これが配線抵抗の増大や素子特性劣化を招く
要因となっていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、高融点金属又はその珪化物を用いた
電極配線の表面のみを窒化処理することができ、電極配
線内部の窒化や下地のゲート酸化膜の窒化等を防止して
配線抵抗の増大及び素子特性劣化の要因をなくすことが
でき、スルーブツト及び歩留りの向上をはかり得る半導
体装置の製造方法を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、高融点金属又はその珪化物を用いた電
極配線の表面のみに窒化物層を形成することにあり、こ
のために窒化処理を従来よりも低温で又は高速に行うこ
とにある。

即ち本発明は、素子が形成された半導体基板上にＷやＭ
ｏ等の高融点金属又はその珪化物を含む電極配線層を形
成し、その後に熱処理、酸化処理又は絶縁膜堆積を行う
工程を有する半導体装置の製造方法１゛こおいて、電極
配線層を形成した後で、且つ後工程の熱処理、酸化処理
又は絶縁膜堆積を行う前に、Ｎ２又はＮＨ，等の窒素を
含む雰囲気中で電極配線層の表面をプラズマ窒化又はラ
ンプ加熱により窒化して、該表面に窒化物層を形成する
ようにした方法である。

（作用）本発明によれば、金属層又はその珪化物を含む電極配線
層を設けた構造の半導体装置を熱処理又は層間絶縁膜堆
積といった熱工程を経る工程を行う際に、Ｙ・めアンモ
ニア又は活性な窒素原子を含む雰囲気内で金属層の表面
を窒化処理することにより、電極配線の露出部を金属窒
化物又はシリコン窒化物を含む層にする。金属窒化物は
純金属に比べ、平衡酸素分圧が高い。即ち、このことは
金属窒化物が酸化され難いということである。また、シ
リコン窒化膜は酸素拡散の白゛効なバリアとなりうる。

従って、これら窒化物を含む層を電極配線の表面に形成
することにより、電極配線の耐酸化性が飛躍的に向上す
る。それによって、その後の熱工程での電極配線の酸化
に対するプロセスマージンが拡大し、炉の構成や雰囲気
条件を厳密に制御する必要がなくなるので、生産のスル
ーブツト及び歩留りを向上させることが可能となる。

また、窒化処理をプラズマ雰囲気中で行ったり、ランプ
加熱により短時間で行うことにより、金属電極の表面の
みに金属窒化物層を形成することができる。従って、窒
素原子の金属電極内への拡散を抑制することができ、配
線抵抗の増大や素子特性の劣化等を未然に防止すること
が可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例方法に係わる半導体装置
の製造工程を示す断面図である。

まず、第１図（ａ）に示す如く、比抵抗６Ω・ＣＩ、面
方位（］、　ＯＯ）のｐ型Ｓｔ基板］１上に、プラズ７
ＣＶＤ法で厚さ０．８μｍＳｉＯ２膜１Ｓｉ形成し、そ
の上にスパッタ法でバッファ層として厚さ　５０ｎ−の
ＴｔＮ膜１３を形成する。ここで、５ｉ０２膜１２の形
成に用いるプラズマ雰囲気中では、導入ガスを５ｉｎ４
とＮ２０との混合ガス、基板温度を３５０℃とした。ま
た、ＴｉＮ膜１３の形成に用いるスパッタ法では、基板
温度を２００℃に保持し、ＴｉのターゲットをＮ２とＡ
ｒ（５０％ずつ）の混合ガス中（圧力５　ｘ　１０−’
Ｔｏｒｒ）でスパッタリングした。

次いで、Ｎ２，５ｉｎ４及びＷＦ６の混合ガスを用いた
ＬＰｃＶＤ法により、第１図（ｂ）に示す如＜ＴｉＮ膜
１膜上３上膜（高融点金属膜）１４を約１５０ｎｍ形成
した。ここで、ガスの圧力は、Ｎ２を０．１７３Ｔｏｒ
ｒ　、　　Ｓ　ｉ　Ｈａを０．０１３Ｔｏｒｒ　。

ＷＦ６を０．０８５Ｔｏｒｒの各分圧に保持し、基板温
度は４２０℃に保持した。

次いで、第１図（Ｃ）に示す如く、通常のりソグラフイ
と反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）を用いてＷ膜１
４及びＴｉＮ膜１３を選択エツチングし、配線パターン
を加工する。その後、Ｗ膜１４の表面にプラズマ窒化に
より保護層としてのＷ２Ｎ膜１５（窒化物層）を形成し
た。

この窒化物層の厚さはは１〜３０ｎｍの範囲がよく、特
に５〜２０ｎｍの範囲が望ましい。

−例としてここで、窒化物層の形成は次のようにして行
った。即ち、前記Ｗ膜１４を形成しバターニングした試
料を、真空装置（例えば、石英管に高周波のワークコイ
ルを設けたもの）内にセットし、ターボ分子ポンプを用
いて１×１０−’Ｔｏｒｒに減圧した後、窒素（Ｎ２）
を１００ｓｃｃ■導入して真空装置内の圧力を０．３３
Ｔｏｒｒとする。この状態で、１３．５８ＭＨｚの高周
波電力を印加し、プラズマを１０分間発生させる。この
とき、基板表面をランプによる輻射熱で約５００℃に加
熱した。この窒素プラズマ処理により、ＷＩ１１４の表
面にＷ２Ｎに近い組成のタングステン窒化物が形成され
ていることが光電子分光法により確認されたが、窒化物
層中にｌＯ〜７０　ａｔ■％の窒素が存在するものが好
ましい。

なお、上記プラズマ窒化は、プラズマが安定に発生する
条件、例えば０．０１〜０．５　Ｔｏｒｒの圧力下で３
〜３０分行うのがよい。また、基板加熱手段としてラン
プ加熱を用いたが、別の方法としてウェハを設置するサ
セプタにカーボン製のものを採用することにより、プラ
ズマを発生させる際の高周波電力でこのサセプタを誘導
加熱させてウェハの温度を高めるようにしてもよい。

次いで、基板温度を４５０℃に設定し、アルゴン（Ａｒ
）により希釈されたＳｉＨ４と０２との混合ガスを用い
た常圧化学気相成長（ＡＰ−ＣＶＤ）法により、第１図
（ｄ）に示す如く層間絶縁膜である５ｉ０２膜１６を１
μｍ堆積する。

以上により配線の形成を完了する。

ここで、従来の方法により形成された配線、即ち表面窒
化処理を施さなかった配線では、層間絶縁膜形成後に抵
抗の上昇や一部膜剥がれが起きていた。しかし、本実施
例方法により形成された配線では、抵抗の上昇や層間膜
の剥がれ等の異常は一切見られず良好なものであった。

この違いを調査するため、層間絶縁膜のみを選択的に除
去して、高感度薄膜Ｘ線回折により表面を分析測定した
ところ、本実施例方法による配線表面は、第２図（ａ）
に示すようにタングステンとその窒化物のピークしか見
られず、層間膜堆積工程による変化は見られない。これ
に対し、従来の方法による場合は、第２図（ｂ）に示す
ように層間膜堆積後、新たにタングステン酸化物（ＷＯ
３）のピークが強く見られるようになった。つまり、本
実施例方法では、タングステンの酸化が抑えられ、耐酸
化性が著しく向上したことが判る。

また、プラズマ雰囲気で窒化処理を行うことにより、基
板温度をさほど高くしなくても電極表面の窒化は十分で
あった。基板温度が低いことは窒素原子の拡散が遅いこ
とを意味し、配線内部の窒化やゲート酸化膜］３の窒化
を防止することができ、配線抵抗の増大や素子特性の劣
化を未然に防止することが可能となる。また、窒素雰囲
気を得るためのガスとしてＮ２を用いているので、Ｎｌ
（、を用いた場合に比して排気系が簡略化される利点も
ある。

第３図は本発明の第２の実施例方法を説明するための工
程断面図であり、この図では配線電極と拡散層とのコン
タクト部の様子を示している。

まず、第３図（ａ）に示す如く、例えばｐ型ＳｉＭ板３
１表面の所望領域にｎ型不純物、例えば砒素をイオン注
入した後、９００℃、３０分間の熱処理を施してｎ＋型
型数散層３２形成した。

続いて、ＬＰＣＶＤ法により基板３１全面に５ｉｎ２膜
３３を堆積した後、通常のフォトリソグラフィ法と反応
性イオンエツチング技術により該ＳｉＯ２膜３３を選択
的に除去して前記拡散層３２に対応する部分にコンタク
トホール３４を開孔した。

次いで、第３図（ｂ）に示す如く、縦型ＬＰ−ＣＶＤ炉
内で前記コンタクトホール３４を含む５ｉ０２膜３３全
３３全さ５０口■の多結晶Ｓｉ膜３５を酸素の取り込み
を少なくした条件にて堆積した後、該多結晶シＳｉ膜３
５に飛程距離（Ｒｐ）が表面から４０ｎｍ程度と界面付
近になるように砒素イオンを加速電圧８５ｋｃＶの条件
で注入した。この砒素イオン注入により、多結晶Ｓｔ膜
３５内に前記拡散層３２と同一導伝型の不純物が導入さ
れると共に、前記Ｓｉ２！板３１と多結晶Ｓｉ膜３５の
界面に生成した自然酸化膜がミキシングされ、多結晶Ｓ
ｉ膜３５が拡散層３２に対して良好にコンタクトされた
。

次いで、第３図（Ｃ）に示す如く、スパッタ蒸着法によ
りＴｉターゲットを窒素とアルゴンとの混合ガス（５０
％ずつ）でスパッタリングして、多結晶Ｓｔ膜３５上に
反応障壁層として厚さ５０ｎｓのＴｔＮ膜３６を堆積し
た。続いて、第３図（ｄ）に示す如くスパッタ蒸着法に
よりＴｉＮ膜３膜上６上さ　１５０ｎｌのＷ膜３７を堆
積した。その後、第３図（ｅ）に示す如く、通常のフォ
トリソグラフィとＳＦ６ガスを用いた反応イオンエツチ
ングにより、Ｗ膜３７．ＴｉＮ膜３６及び多結晶Ｓｔ膜
３５を順次選択的に除去して、多結晶Ｓｔ膜３５．Ｔｉ
Ｎ膜３６及びＷ膜３７からなる３層構造の配線を形成し
た。

次いで、上記試料を真空装置の中にセットし、真空装置
内をターボ分子ポンプ等を用いて１×１Ｏ−７Ｔｏｒｒ
に威圧した後、アンモニア（ＮＨ３）を＋００ｓｅｃｍ
導入して０Ｊ３Ｔｏｒｒとした状態で、１．３．５８　
Ｍｌｌｚの高周波電力（２００Ｗ）を印加し、プラズマ
を１０分間発生させる。このとき、基板は故意には加熱
しなかった。このアンモニアプラズマ処理により、第３
図（ｒ）に示す如くＷ膜３７の表面にＷ２Ｎの組成に近
いタングステン窒化膜３８が形成される。

次いで、第３図（ｇ）及び（ｈ）に示す如く、基板温度
を４５０℃に設定し、配線上にＡｒにより希釈されたＳ
ｉｎ、と０２の混合ガスを用いた常圧化学気相成長（Ａ
ＰＣＶＤ）法により層間絶縁膜である５ｉｎ２膜３９を
０．５μｍ堆積する。以上により配線の形成を完了する
。なお、第３図（ｈ）は同図（ｇ）のＸ−Ｘ線に沿う断
面図である。

かくして形成された配線では、抵抗の上昇や層間膜の剥
がれ等の異常は一切見られず良好なものであった。

第４図にＷ　／　Ｔ　ｉ　Ｎ　／　Ａ　ｓ注入多結晶Ｓ
ｉからなる３層配線に０．５μｍの八ＰＣＶＤ　　５ｉ
Ｏｚ膜を被着した後、８５０℃３０分のＮ２アニールを
行い、パッドを開口し、Ｗ／ＴｉＮ／Ｓｉ層のシート抵
抗を測定した結果を示す。ここで、３層配線の配線幅は
０，１５〜１．４μｍ１配線長は１■とし、それぞれの
層の厚さはＷ　：　１５０ｍ５　。

Ｔ　ｉＮ　：　５０ｎｍ、　　Ｓ　ｉ　：　５０ｎｓと
した。配線幅に対し、シート抵抗をプロットすると、第
４図に示すようにＷの表面窒化有無によってシート抵抗
の大きな差異が生ずる。Ｗの表面を本実施例のように１
０〜２０口１程度窒化した場合、０．３μｍ幅でも０，
７Ω／口、０，１５μ−幅で０．８Ω／口と低抵抗であ
り、酸化による抵抗増加は見られない。

これに対し、Ｗの表面窒化なしのものでは、１桁以上の
著しい抵抗増加が見られ、且つＷ配線の表面は局所的に
Ｗ酸化物が大きく成長していた。このことからもＷ表面
の窒化物の耐酸化性向上効果が大きいことが判る。また
、本実施例では、Ｗについて説明したがＭｏや他の金属
についても全く同様の耐酸化性向上効果が見られる。耐
酸化性向上効果は、Ｗの表面に形成するＷ窒化物層の厚
みが３〜５ｎｓ程度の場合にも確認された。

第５図は本発明の第３の実施例方法を説明するための工
程断面図であり、ＣＭＯ５構造の例を示している。

まず、第５図（ａ）に示す如く、比抵抗５Ω・ｃｍ、面
方位（１００）のｎ型Ｓｉ基板５１にｌ０００℃乾燥酸
素中にて１００１の５ｆＯｚ５２を形成し、Ｂ”をＩ　
ＭｅＶで２×ｌＯ目ａｍ−２イオン注入し１０００℃に
おいて６０分の熱処理を行い、ボロン濃度がＩ　Ｘ　１
０”ｃ−〇程度のｐ型ウェル５３を形成する。

次いで、第５図（ｂ）に示す如く、フィールド酸化膜を
形成する部分にチャネルストップイオン注入を行った後
に　０．６μｍのフィールド酸化膜５４を形成する。続
いて、トランジスタ形成領域のＳｉ表面層を露出した後
、酸素及び水蒸気分圧を１　ｐｐｍ以下にコントロール
したＡｒ中にて１０００℃３０分の熱処理し、さらに８
５０℃、１０％ＭＣＩを含む乾燥酸素中で７〜ｔｏｎ■
のゲート酸化Ｈ５５を形成する。その後、ＳｉＨ，を用
いたＬＰＣＶＤ法で５Ｏｒ＋＋ｗの多結晶Ｓｉ膜５６を
堆積する。堆積温度は６２０℃で、ＳｉＨ４流量は５０
〜１０１００５ｅ　、　０．１Ｔｏｒｒの圧力でＳｉの
堆積速度は１０〜１５ｎｍ／ｇｉｎである。多結晶Ｓｉ
膜５６に対してｎチャネルＭＯ８−ＦＥＴ形成領域には
Ａｓ”イオンを１２ｋｅＶで１．　Ｘ　１０”ｃｍ　’
イオン注入し、ｐチャネルＭＯ８−ＦＥＴ形成領域には
ＢＦ２″′イオンをｌ０ＫｅｙでＩ　Ｘ　１０”ｃｍ２
イオン注入する。選択的なイオン注入はレジストマスク
を用いて行う。

次いで、この状態の試料を真空装置の中にセットし、真
空装置内を５００１　／ｓｅｅの排気容量のターボ分子
ポンプを用いて１　ｘ　ｔｏ−’Ｔｏｒｒに減圧した後
に基板表面にハロゲンランプを照射し、Ｓｉ基板温度を
４５０〜７００　”Ｃの温度に昇温する。

１分後に、Ｎ　Ｈ３、Ｗ　Ｆ　ｂ　、　Ｈ２及びＡ「を
各々Ｉ００ｓｅｃｍ　、　４００ｓｅｃｍ　、　　５０
０５ｃｍ、　５００ｓｅｃｍ流して、スロットルバルブ
を用いて全圧０．２Ｔｏｒｒにコントロールする。１０
０ｓｅｅの堆積時間で５０ｎ■のＷ、Ｎ膜５７を形成し
、続いてＮ２．ＳｉＨ。

及びＷＦ、の混合ガスを用いて各々Ｏ，１７３Ｔｏｒｒ
　。

０．０１３　Ｔｏｒｒ、　０．０６５　Ｔｏｒｒ圧に保
持し、４５０℃の基板温度でＷ、Ｎ膜５７上に１５０ｎ
ｓのＷ＠５８を形成する。

次いで、第５図（Ｃ）に示すように、エキシマレーザ・
リソグラフィ技術を用いて所望の電極・配線形状のレジ
ストパターンを形成し、さらにＣｇｚ／Ｈｅガス系反応
性イオンエツチング技術を用いＷ　（ｆ５０ｎｓ）／　
Ｗ　２　Ｎ　（５Ｃ１ｒｕ＋）　／　Ａ　ｓドープ及び
Ｂドープ多結晶Ｓ　ｉ　　（５０ｎｍ）積層構造をエツ
チングする。続いて、レジストを酸素プラズマアッシン
グで剥離した後、エチレングリコール洗浄、アルコール
洗浄、脱イオン純水洗浄、窒素中にて乾燥させる。ソー
ス、ドレイン上のＳｉｎ、の残メケを３〜５ｎ膳として
ｎチャネルＭＯ８−ＦＥＴ形成領域にはＡｓ”イオンを
２０ＫｅＶでＩ　Ｘ　１０１４ｃｍ−２イオン注入し注
入層５つを形成する。ｐチャネルＭＯ３−ＦＥＴ形成領
域にはＧｅ＋を１ＯＫｅＶでＩ　Ｘ　１０Ｉ１０ｌ５’
イオン注入しＳｉ基板の表面を非晶質化した後に、ＢＦ
２イオンを２０ＫｅＶでＩ　Ｘ　１．０”ｃｍ−２イオ
ン注入し注入層６０を形成し、窒素中にて８５０”Ｃ１
３０分の熱処理を行う。

次いで、Ｓｉ基板を真空槽に入れターボ分子ポンプを用
いてＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒに減圧した後に、ランプ
を用いて基板を５００℃に昇温しで１分後に窒素を１０
０〜５００ｓｃｃ■導入し、スロットバルブを用いＩ　
Ｘ　１Ｏ−２Ｔｏｒｒにした状態で、２．４５Ｇｔｌｚ
のマイクロ波（パワー：　５（ＩＯＶ〜１にν）を加え
る。

１０分間の窒素プラズマ窒化によってＷ膜５８の表面に
約１５〜２０ｎ＊のＷ２　Ｎ膜６１を形成する。

このとき、ソース・ドレイン上のＳｉｎ、の表面も窒化
されるが、Ｓ　ｉ　ＯＸ　ＮＹ　　（Ｘ−１，８。

Ｖ”０．２）のいわゆるオキシナイトライド６２になる
。また、多結晶Ｓ　ｉ　Ｍ　５６の側壁には約ｌｒｖの
Ｓｉ、Ｎ、が形成される。

次いで、減圧す能な縦型炉に基板ウェハをセットし、Ｉ
　Ｘ　１Ｏ−７Ｔｏｒｒに減圧した後に窒素１ｏｆＩ／
ｓｉｎを流して１気圧とし、８００℃まで５分以内に昇
温した後に水素を２００ｓｅｃｍ　、水蒸気を２０ｓＣ
ＣＩｌ導入して３０分酸化する。この酸化工程によって
、第５図（ｄ）に示すように多結晶Ｓｉ膜５Ｂノ側壁に
は２０ｎｓの酸化膜６３が、ソース、ドレイン上にはｆ
ｌｉｎｓの酸化８６４が形成される。このとき、Ｎ２希
釈水素／水蒸気酸化以外に６００〜８００℃のＮ２希釈
の酸素中にて１気圧以上の高圧で酸化してもよい。また
同様に、８００℃以下の低温にて酸素ラジカルを用いた
プラズマ酸化で後酸化してもよい。さらに、陽極酸化な
どの方法を用いてもよい。この後に基板温度を４５０℃
としてＡ「で希釈されたＳｉＨ，と０２混合ガスを用い
たＡＰＣＶＤ法によって、全面にＳ　ｉ　Ｏ２膜６５を
２００ｎａ堆積する。

次いで、第５図（ｅ）に示すように、ＣＨＦ。

とＮ２ガスを用いた反応性イオンエツチングによって電
極争配線の側壁部に選択的に５ｉｎ２を残置し、続いて
Ｓｉ基板を真空槽に入れ、ターボ分子ポンプを用いてＩ
　Ｘ　１Ｏ−７Ｔｏｒｒに減圧する。その後、ランプを
用いて基板を５００℃に昇温して１分後に窒素を１００
〜５００ｓｅｃｍ導入し、スロットルバルブを用いてＩ
　Ｘ　１Ｏ−２Ｔｏｒｒにした状態テ２．４５Ｇｔｌｚ
　（１）　？イクロ波（バ’７−：５００Ｖ〜１ｋＷ　
）を加える。１０分の窒化によって再度Ｗ膜５８の表面
のＷ２Ｎ膜６１の厚みを２０ｎｍとする。

そして、ｎチャネルＭＯ８−ＦＥＴ形成領域にはＡｓ＋
イオンを３０ＫｅＶで３．５Ｘ　１０”ｃｍ−２イオン
注入し注入層６６を、ｐチャネルＭＯ８−ＦＥＴ形成領
域には、ＢＦ２　イオンを２０ＫｃＶで５　Ｘ　１０”
Ｃｌ−２イオン注入し注入層６７を形成し、ＡＰ−ＣＶ
Ｄ法によって０．５．ｕ　ｍの５ｉｎ２膜６８を堆積す
る。１０００℃３０秒のＡｒ熱処理を行うことによって
ソース争ドレインを形成する。この後ソース争ドレイン
にＮｉＳｉ２．Ｃｏ５ｔ２゜ＴｉＳｉ２などを形成して
もよい。この工程の後、ＢＰＳＧ膜、プラズマ５ｉｎ２
膜を堆積しコンタクトホールを開孔して電極・配線を形
成ずればＭ２Ｓ−ＦＥＴが完成する。

このようにして０，３μｍゲート長の　１００段のＣＭ
Ｏ５のリングオシレータを試作したところ遅延時間はｌ
０ｐｓｅｅとなり従来のＷボリザイドを用い場合に比べ
１／１０に低下した。ちなみにゲートのシート抵抗は０
，６〜０．７Ω／口と低く表面窒化による抵抗増加は１
０％以下に抑えることができた。また、本実施例方法を
用いることによってＷの酸化に起因する全開がれや抵抗
増加は全く観察されなかった。本実施例で用いたプラズ
マ窒化によりＷ表面に形成したＷ窒化物を明確に示す薄
膜Ｘ線回折スペクトルを第６図に示す。この図から、配
向性の強いＷ２　Ｎ　（Ｉｌｌ）のピークが明確に観察
される。なお、第６図において、横軸のθはブラック角
度を示している。

なお、本実施例はＷ　／　Ｗ　２　Ｎ　／　Ｓ　ｉ構造
について説明したがＷ／ＴｉＮ／Ｓｉ構造についても全
く同様の効果が得られた。ＴｉＮを用いた場合には、本
実施例で用いた熱工程より高い温度の熱工程を通しても
Ｗと多結晶Ｓｉとの間の相互反応は見られなかった。Ｔ
ｉＮを用いた場合、下地段差の厳しいときにはＬＰＣＶ
ＤＴｉＮ膜が有効である。典型的な成膜条件は、Ｔｉ　
（Ｎ　（ＣＨ３）　２　）　４を用いたＬＰＧＶＤで７
００〜８００℃、０．０１〜０．５Ｔｏｒｒの条件であ
り５〜２０ｎｍ／　ｓｉｎ程度の堆積速度が得られる。

次に、Ｗ／ＬＰＣＶＤ−Ｔ　ｉ　Ｎ／ｐｏｌｙ−３ｉ構
造を配線とした場合の実施例について説明する。第７図
は本発明の第４の実施例方法を説明するための工程断面
図である。

第７図（ａ）において比抵抗５Ω国、而方位（１００）
の口型Ｓｉ基板７１にＣＶＤ法により５００ｎｍの５ｉ
ｎ２膜７２を形成し、続いて同図（ｂ）においてＰＨ，
とＳｉ、Ｈ，とを用いたＬＰＣＶＤ法で５０ｒｖのリン
ドープ多結晶Ｓｉ膜７３を堆積する。堆積温度は５５０
℃で、ＰＨ。

及び５ｉ２Ｈ，流量は各々１０〜１５ｓｅｃｍ、　５０
〜１０１００５ｅであり、０．１〜０．５Ｔｏｒｒの圧
力でリンドープ多結晶Ｓ１の堆積速度は５〜Ｉｏｎｓ／
■Ｉｎである。リン濃度は１〜５　Ｘ　１０２０ｃｍ−
３である。

次いで、基板を真空装置の中にセットして、５００Ｉ／
　ｓｅｅの排気容量のターボ分子ポンプを用いてＩ　Ｘ
　１０−’Ｔｏｒｒに減圧した後に、基板表面にハロゲ
ンランプを照射し、Ｓｉ基板温度を７００〜８００℃の
温度に昇温し、１分後に２００℃〜３００℃にソース温
度を設定した。

Ｔ五　（Ｎ　（ＣＨｙ　）　２　）　ａを２００ｓｃｅ
ｓ　、　Ｎ　２を２００ｓｅｃｍ導入し、スロットバル
ブを用いて全圧０．０１〜０．５Ｔｏｒｒ　ｌこコント
ロールする。５〜２０ｒｉ−／■１ｎ程度の堆積速度が
得られる。２５０秒の堆積時間で第７図（Ｃ）のように
５０ｎ園のＴｉＮ膜７４を形成し、続いてＷの堆積室に
Ｓｉ基板を移動し、Ｈ２、ＳｉＨ，及びＷＦ、の混合ガ
スを用いて、各々Ｏ，ｌ７３Ｔｏｒｒ、　Ｏ，０１３Ｔ
ｏｒｒ、　０．０６５Ｔｏｒｒの分圧に保持し、４５０
℃の基板温度でＴｉＮ上こ１５０ｎｓのＷ膜７５を形成
する。

次いで、第７図（ｄ）のようにエキシマレーザリソグラ
フィ技術を用いて所望の電極・配線形状のレジストパタ
ーンを形成し、続いてＣ，１７２／ｌ（ｅガス系反応性
イオンエツチング技術を用いてＷ　（１５０ｎｓ　）　
／　Ｔ　ｉ　Ｎ　（５０ｎｇ＋）　／　Ｓ　ｉ（５０ｒ
ｖ）の積層構造をエツチングする。そして、レジストを
酸素プラズマアッシングで剥離した後、エチレングリコ
ール洗浄、アルコール洗浄、脱イオン純水洗浄、窒素中
にて乾燥させる。

しかる後に、Ｓｉ基板を真空槽に入れターボ分子ポンプ
を用いてＩ　Ｘ　１０””Ｔｏｒｒに減圧した後に、Ｎ
Ｈ，を１００〜５００ｓｅｃｍ導入しスロットバルブを
用いてＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒにした状態で、ランプ
を用いて基板を１０秒以内に１０００℃に昇温して５〜
３０秒間窒化してＷ膜７５の表面に１０〜２０ｎｍのＷ
２Ｎ膜７６を形成する。５〜６０秒間でもこの窒化は可
能である。このときの温度は９００〜１２００℃がよく
、特に　９００〜１０００℃が望ましい。

窒化時間は６０秒以内に設定されたがその理由は時間が
長くなるに伴いアンモニアがゲート酸化膜下に侵入する
ことに起因する界面準位密度が問題になるからである。

第８図に７００℃、８５０℃及び１０００℃における窒
化時間と界面準位密度の関係を示す。７００℃では３０
分程度の時間窒化処理を行っても界面準位密度は１０”
ｃ−一２程度であるが、１０００℃では数分後に少しず
つ界面準位密度が増加し始め、５分後には８　Ｘ　１０
′。ｃｍ−２程度に増加し、３０分ではＩ　Ｘ　１．０
”ｃｍ−２程度になり、閾値電圧の制御及び電子、正孔
の移動度の制御が著しく難しくなる。

従って、１０００℃のような高温では１分以内の短時間
窒化処理が必要となる。８５０℃でも同様に短時間化が
必要である。この後に基板温度を４５０℃としてＡｒで
希釈されたＳｉ！（、と０２混合ガスを用いてＡＰＣＶ
Ｄ法によって５ｉｎ２膜７７を３００ｎ階堆積する。

この方法を用いて形成した配線は５ｉｎ２を堆積する際
にも酸化を殆どされず、シート抵抗は０，６〜０，７±
０，０２Ω／口の値が得られた。従って、０．１５〜１
．０μｍ幅の配線を抵抗増加や全開がれなく形成できた
。この構造の配線を９５０℃の高温で６時間放置しても
抵抗増加はなくむしろＷの結晶粒成長のため２０％の抵
抗減少が観察された。また、窒素中１０００〜１１００
℃で３０秒以内の短時間熱処理に対しても抵抗増加は起
こらなかった。従って、ドーピングを行っていないコン
タクトホールに対して最下層の多結晶Ｓｔから自己整合
で基板とのコンタクトを形成することが可能である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、配線層に用いる金属はＷに限るものでは
なく、低抵抗で融点の高いものであればよい。一般には
、元素周期表のＴＶｂ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、Ｖｂ族
（Ｖ、Ｎｌ）。

Ｔａ）又はｖｘｂ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）に属する金属を
用いることができ、またそれらの窒化物でもよい。また
、プラズマ窒化及び高温・高速窒化の条件等は、仕様に
応じて適宜食更可能である。その他、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果コ以上詳述したように本発明によれば、金属又はその珪化
物を用いた電極配線の表面のに窒化物層を形成する際に
、窒化処理を従来よりも低温で又は高速に行うことによ
り、高融点金属又はその珪化物を用いた電極配線の表面
のみを窒化処理することができ、電極配線内部の窒化や
下地のゲート酸化膜の窒化、さらに界面準位密度の１−
昇等を防止することができる。従って、配線抵抗の増大
及び素子特性劣化の要因をなくすことができ、スルーブ
ツト及び歩留りの向上をはかり得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例方法に係わる半導体装置
の製造工程を示す断面図、第２図は上記実施例方法によ
る作用を説明するためのもので、Ｗ膜表面の酸化が防止
されたことを表す分析結果示す特性図、第３図は本発明
の第２の実施例方法を説明するための工程断面図、第４
図はＷの窒化有無によるＷ　／　Ｔ　ｉ　Ｎ　／　Ｓ　
ｉ配線抵抗（シート抵抗で示す）と配線幅の関係を示す
特性図、第５図は本発明の第３の実施例方法を説明する
ための工程断面図、第６図はＷ膜表面上のＷ窒化物Ｘ線
回折パターンを示す特性図、第７図は本発明の第４の実
施例方法を説明するための工程断面図。第８図は窒化温
度と窒化時間に対する界面準位密度の関係を示す特性図
である。１１．３１，５１．７１・・・Ｓｔ基板、１３．３６．
７４・・・ＴｉＮ膜（バッファ用金属窒化物膜）、１４．３７．５８．７５・・・Ｗ膜（金属膜）、１５．
３８．５７，６１．７６・・・Ｗ、Ｎ膜（保護用金属窒
化物膜）、１６．３３，３９，６５．７７・・・５ｉｎ２膜、３５
．５６．７３・・・多結晶Ｓｉ膜、５５・・・ゲート酸
化膜。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に金属又はその珪化物を含む電極配
線層を形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で前記電極
配線層の表面をプラズマ窒化又はランプ加熱により窒化
して、該表面に窒化物層を形成する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）素子が形成された半導体基板上に金属又はその珪
化物を含む電極配線層を形成し、その後に熱処理、酸化
処理又は絶縁膜堆積を行う工程を有する半導体装置の製
造方法において、前記電極配線層を形成した後に、窒素
を含む雰囲気中で前記電極配線層の表面をプラズマ窒化
又はランプ加熱により窒化して、該表面に窒化物層を形
成し、次いで熱処理、酸化処理又は絶縁膜堆積を行うこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
（３）前記電極配線層は、金属／金属窒化物／多結晶シ
リコンの３層構造又は金属／金属窒化物の２層構造であ
ることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の
製造方法。