JP2001351878A - 半導体装置用ＷＳｉ膜、ならびにそのＷＳｉ膜を用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多結晶シリコン層など下地層とＷＳｉ_ｘ膜の
間での剥がれ発生が抑制され、下地に対する密着性に優
れ、また、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ膜の提供。 【解決手段】 下地層の多結晶シリコン膜３上にＷＦ_６
をＳｉＣｌ_２Ｈ_２で還元してＷＳｉ_ｘ膜４を形成する
際、初期成長のＳｉ／Ｗ組成比Ｘは、ＷＳｉ_２と近い、
２．０〜２．２の範囲に選択し、その後、表面にＳｉＯ
_２カバー膜１０を被覆後、グレインの成長を進めるた
め、温度７００〜８５０℃において熱処理を施し、＜０
０１＞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ＷＳ
ｉ膜とする。

Description

【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
ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_２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ＷＳｉ_ｘ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）。ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ膜を形成できるため、低抵抗化を図る
際、ＷＳｉ_ｘ膜形成に応用されている。しかしながら、
ＣＶＤ法で形成したＷＳｉ_ｘ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Ｗ
Ｓｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＳｉＨ_４（シラン）を用い、ＷＦ_６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ＷＳｉ_ｘ膜は、ＷＦ_６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、ＷＦ_６とＳｉＣｌ_２Ｈ
_２（ジクロロシラン；以下、ＤＣＳと略す）を原料とし
て、ＳｉＨ_４（シラン）に代えて、ＤＣＳでＷＦ_６の還
元を行う、所謂ＤＣＳ還元ＣＶＤ法が開発された。ＤＣ
Ｓ還元ＣＶＤ法で作製したＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ膜を用い、例えば、ゲート表面を
覆うＳｉＯ_２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、ＷＳｉ_ｘ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ＣＶ
Ｄ成長法を利用して作製されるＷＳｉ_ｘ膜において、Ｗ
Ｓｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ膜の膜剥がれが防
止されることを見出した。従って、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ膜であって、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ
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、ＷＳｉ_ｘ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、＜１０
１＞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、ＷＳ
ｉ_ｘ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Ｉ_００２と前記＜１０１＞配向するグレイ
ンに由来する（１０１）ピークの強度Ｉ_１０１との比、
Ｉ_１０１／Ｉ_００２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、ＷＳｉ_ｘ膜は、下地層上にＷＦ
_６をＳｉＣｌ_２Ｈ_２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ＷＳｉ_ｘ膜との界面におけるＳ
ｉ／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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳ
ｉ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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Ｗ
Ｓｉ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、Ｗ
Ｆ_６をＳｉＣｌ_２Ｈ_２で還元してＷＳｉを堆積するＤＣ
Ｓ還元ＣＶＤ法で作製するものである。また、かかるＷ
Ｓｉ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、ＳｉＯ_ｘ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、ＳｉＯ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ膜自体の内部歪みは相当に緩和される
が、加えて、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳ
ｉ_ｘ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、＜００
１＞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ＷＳｉ_ｘ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Ｉ
_００２と前記＜１０１＞配向するグレインに由来する
（１０１）ピークの強度Ｉ_１０１との比、Ｉ_１０１／Ｉ
_００２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、ＷＳｉ
_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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Ｃ
ＶＤ法でＷＳｉ_ｘ膜を堆積する際、堆積初期における核
形成条件を、ＷＦ_６／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ＷＳｉ_２と近い組成比、例えば、界面ではＳ
ｉ／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
ＷＳｉ_２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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_ｘ膜となり、Ｗ
Ｏ_ｘ、特に、蒸発性に富むＷＯ_３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Ｄ
ＣＳ還元ＣＶＤ法でＷＳｉ_ｘ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、
ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ膜、その上
を覆う絶縁膜の構成となし、前記ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ膜４とを
積層している。このＷＳｉ_ｘ膜４上には、ＳｉＯ_２カバ
ー膜５が被覆されている。配向性の制御されたＷＳｉ_ｘ
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ＷＳｉ_ｘ膜９が積層され、
最上層にカバー層としてＳｉＯ_２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、ＷＳｉ_ｘ膜９には、グレイン相互の境界が
判別される。また、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ膜９は、下地
層の多結晶シリコン膜８とＷＳｉ_ｘ膜９との界面に近傍
において、ＷＦ_６をＳｉＣｌ_２Ｈ_２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：
ＷＳｉ_２と近い、２．１程度となる条件を選択してい
る。また、表面にＳｉＯ_２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ＷＳｉ_ｘ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】ＷＳｉ_ｘ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Ｉ_１０１は最小であり、ま
た、（００２）回折ピーク強度Ｉ_００２が最も大きなも
のとなっている。（１０１）回折ピーク強度Ｉ
_１０１は、＜１０１＞配向のグレインに由来し、（００
２）回折ピーク強度Ｉ_００２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Ｉ_１０１／Ｉ_００２は、６．９％となって
おり、配向性の指標Ｉ_１０１／Ｉ_００２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Ｗ
Ｓｉ_ｘ膜、具体的には、ＷＦ_６をＳｉＣｌ_２Ｈ_２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：ＷＳｉ_２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Ｉ_１０１は最小ではなくなり、また、（００２）回
折ピーク強度Ｉ_００２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Ｉ_１０１／Ｉ_００２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のに示すＸ線回析スペクトルと図３
のにＸ線回析スペクトルとを比較すると、本発明のＷ
Ｓｉ_ｘ膜においては、従来のＷＳｉ_ｘ膜と較ると、＜１
０１＞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：ＷＳｉ_２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ＷＳｉ_ｘ
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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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
ＷＳｉ_ｘ膜２９との界面において、ＷＯ_２、ＷＯ_３なら
びにＳｉＯ_２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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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：ＷＳｉ_２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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ膜１４とを積層している。
このＷＳｉ_ｘ膜１４上には、ＳｉＯ_２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Ｗ
Ｓｉ_ｘ膜１４は、前記実施例１に用いた手法、すなわ
ち、ＷＦ_６をＳｉＣｌ_２Ｈ_２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：ＷＳｉ
_２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ＷＳｉ_ｘ膜であ
る。なお、表面にＳｉＯ_２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ＷＳｉ_ｘ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Ｉ_１０１／Ｉ_００２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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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Ｓｉ
Ｏ_２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ＷＳｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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：ＷＳｉ_２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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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Ｉ
_１０１／Ｉ_００２を１０％以下に制御したＷＳｉ_ｘ膜１
９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Ｉ_１０１／Ｉ_００２を１０％以下に
制御したＷＳｉ_ｘ膜２２を形成し、最表面にＳｉＯ_２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、Ｓ
ｉ露出面を被覆する厚さ１０ｎｍ程度の薄いＳｉＯ_２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ＷＳｉ_ｘ膜においては、多結晶シリコン膜１
８と配向性が制御されたＷＳｉ_ｘ膜１９との界面におい
て、ＷＯ_２、ＷＯ_３ならびにＳｉＯ_２酸化膜の発生が抑
制されており、揮発性のＷＯ_３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、ＳｉＯ_ｘ膜を利用する際にも、多結晶シリコン膜１
８と配向性が制御されたＷＳｉ_ｘ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ＳｉＯ_２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ＷＳｉ
_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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：ＷＳｉ_２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７０
０℃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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、＜１
０１＞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Ｉ
_００２と前記＜１０１＞配向するグレインに由来する
（１０１）ピークの強度Ｉ_１０１との比、Ｉ_１０１／Ｉ
_００２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ＷＯ_２、ＷＯ_３ならびにＳｉＯ_２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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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、に、回折
強度比Ｉ_１０１／Ｉ_００２が１０％以下の膜からのＸ線
回折を、に、回折強度比Ｉ_１０１／Ｉ_００２が３６％
の膜からのＸ線回折をそれぞれ示す。

【図４】本発明のＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ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…ＳｉＯ_２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…ＳｉＯ_２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…ＳｉＯ_２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…ＷＯ_２、ＷＯ_３とＳｉＯ_２酸化膜 ２９…配向性を制御していない、異常酸化のあったＷＳ
ｉｘ膜 ３０…層間絶縁膜 ３１…多結晶シリコン膜 ３２…ＷＯ_２、ＷＯ_３とＳｉＯ_２酸化膜 ３３…配向性を制御していない、異常酸化のあったＷＳ
ｉｘ膜 ３４…層間絶縁膜

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【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ＷＳｉ_ｘ膜であって、 ＷＳｉ_ｘ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。
2. 【請求項２】 ＷＳｉ_ｘ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
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置用ＷＳｉ
   膜。
3. 【請求項３】 ＷＳｉ_ｘ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。
4. 【請求項４】 ＷＳｉ_ｘ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に記載の半導体装置用ＷＳｉ
   膜。
5. 【請求項５】 ＷＳｉ_ｘ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Ｉ_００２と前記＜１０１＞配向するグレイ
   ンに由来する（１０１）ピークの強度Ｉ_１０１との比、
   Ｉ_１０１／Ｉ_００２が１０％以下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。
6. 【請求項６】 ＷＳｉ_ｘ膜は、下地層上にＷＦ_６をＳｉ
   Ｃｌ_２Ｈ_２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ＷＳｉ_ｘ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
   とする請求項１に記載の半導体装置用ＷＳｉ膜。
7. 【請求項７】 ＷＳｉ_ｘ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
   特徴とする請求項１に記載の半導体装置用ＷＳｉ膜。
8. 【請求項８】 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、ＷＳ
   ｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ層は、請求項１〜７のいずれかに記載する
   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。
9. 【請求項９】 シリコン基板上に、少なくとも多結晶シ
   リコン層、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ層は、請求項１〜７のいずれかに記載する
   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。
10. 【請求項１０】 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、Ｗ
    Ｓｉ_ｘ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、ＷＳｉ_ｘ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ＷＳｉ_ｘ層は、請求項１〜７のいずれかに記載する
    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。