JP2004363402A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置の製造方法において、下地基板に、絶縁層を形成し、この絶縁層を貫通するコンタクトホールを形成する。このコンタクトホールの少なくとも内壁と、底部とに、Ti層を形成する。次に、Ti層を、Nラジカルを用いて窒化させて、Ti層上に、TiN層を形成する。その後、TiN層の形成されたコンタクトホール内部を埋め込む導電層を形成する。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置に関する。更に具体的には、基板と配線との間、あるいは、配線と配線との間を接続するコンタクトプラグを備える半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体基板と、絶縁層を介して基板上方に形成された金属配線とを接続するコンタクトプラグは、絶縁層を貫通するコンタクトホール内部に、導電部材を埋め込むことにより形成される。
【0003】
ここで、コンタクトホールを導電部材で埋め込んだコンタクトプラグの構造の1つに、コンタクトホール内壁にTi層を形成し、そのTi層上にTiN層を形成し、更に、TiN層上にコンタクトホールを埋め込むようにしてW層を形成した構造がある。この構造は、接触抵抗の軽減や、W層の基板への密着性確保の点で有効な構造である。
【0004】
また、コンタクトホールの底部に接するソース・ドレイン領域と、ゲート配線層とには、コバルトシリサイドや、チタンシリサイドを形成し、サリサイド構造のトランジスタとしたものが用いられる場合がある。このサリサイド構造は、ゲート電極の低抵抗化を図る上で、有効な構造である。また、近年、更なる低抵抗化が可能なNiSiを用いるサリサイド構造の研究が進められている。
【0005】
NiSi層を用いたサリサイド構造の形成においては、まず、Si基板上及びゲート配線のSi層上に、スパッタ法等でNi層を形成し、450℃以上の加熱処理を行う。これにより、Si基板、あるいは、ゲート配線上のSi層中のSiと、その上部に形成されたNiとが、450℃の加熱下で反応し、低抵抗であるNiSi(モノシリサイド)となる。その後、未反応のNiを除去することにより、必要部分に、NiSi層が形成される。しかし、ここで、550℃以上の熱が加えられた場合、NiSi(モノシリサイド)は、NiSi2(ダイシリサイド)へと変化する場合がある。しかし、NiSi2(ダイシリサイド)は、NiSi(モノシリサイド)に比して高抵抗であり、NiSi2(ダイシリサイド)では、ゲート電極の低抵抗化等の、サリサイド構造の効果を得ることができない。従って、NiSi層形成後の熱処理は、550℃以下で行う必要がある。
【0006】
一方、コンタクトプラグ形成のため、コンタクトホール下層に形成する、Ti/TiN層は、一般に、TiCl4の、H2やNH3による還元を利用して、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成することができる。この場合の成膜温度は600℃程度である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したように、NiSi層が形成されている場合、熱処理は、550℃以下で行う必要がある。このため、NiSi層が形成されている場合には、熱処理温度が550℃以下の状態にして、Ti/TiN層のCVD法による成膜を行うことが考えられる。しかし、熱処理温度を550℃以下に下げてTi/TiN層を形成する場合、Ti/TiN層へのClや、H等の残留量が高まってしまう。Ti/TiN層中のClやHの残量が多い場合、Ti/TiN層中に、Ti塩化物や、Ti水酸化物が多く取り込まれることとなり、その結果、Ti/TiN層の抵抗が高くなってしまう。
【0008】
また、Ti/TiN層中に、ClやHの残量が多い状態で、成膜後に大気中にさらした場合、塩素が大気中に放出される。このため、Ti/TiN層は、脆弱な構造となり、Ti層/TiN層自体にマイクロクラックが生じ、ひいては、半導体基板への密着性が低下し、Ti/TiN層が剥離してしまう場合がある。
【0009】
また、各層の具体的な状態を見ると、Ti層は、500℃の成膜を行った場合には、マイクロクラックは認められない。しかし、TiN層においては、550℃以下の成膜温度で形成する場合には、マイクロクラックの発生が顕著である。従って、CVD法により、Ti/TiN層を形成する場合には、成膜温度の低温化は困難である。
【0010】
また、比較的低温での成膜が可能なスパッタ法によりTi/TiN層を形成することも考えられる。しかし、スパッタ法を用いる場合、形成される膜の段差被覆性が低く、従って、形成された膜は、コンタクトホール開口部が厚くなり、ホール底部や、側壁への成膜量が少ないものとなる。即ち、スパッタ法を用いると、Ti/TiN層は、所謂ボトルネック形状に形成されてしまい、続いて行われるW層の成膜において、コンタクトホール内への充填が不十分となる場合がある。このため、コンタクトプラグ内に、ボイドが生じ、コンタクト抵抗が高抵抗化してしまう。
【0011】
従って、スパッタ法は、比較的低温で成膜ができるものの、例えば、コンタクトホール開口径が130nm、コンタクトホールの深さが1600nmといった、アスペクト比が10を越えるような、HAC(ハイアスペクトコンタクト)に導電部材を充填する場合には用いることができない。
【0012】
以上説明したように、コンタクトホールに導電部材を埋め込んでプラグを形成する際、CVD法を用いる場合には、高温での処理が必要となる。しかし、基板上にシリサイド膜であるNiSiが形成されている場合には、NiSi(モノシリサイド)が高抵抗の、NiSi2(ダイシリサイド)に変質してしまうことが考えられるため、高温での処理ができない。一方、比較的低温での成膜が可能であるスパッタ法では、HACの充填が不十分となってしまう。
【0013】
従って、この発明は、以上の問題を解決し、コンタクトプラグを形成する際、コンタクトホールがHACである場合にも、低温での形成を可能にした改良した半導体装置の製造方法を提案するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
従って、この発明による半導体装置の製造方法は、下地基板に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層を貫通するコンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程と、
前記少なくとも前記コンタクトホール内壁と、前記コンタクトホール底部とに、Ti層を形成するTi層形成工程と、
前記Ti層を、Nラジカルを用いて窒化させて、TiN層を形成するTiN層形成工程と、
前記TiN層の形成された前記コンタクトホール内部を埋め込む導電層を形成する導電層形成工程と、
を、備えるものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【0016】
実施の形態.
図1は、この発明の実施の形態における半導体装置100を説明するための断面模式図である。
図1に示すように、半導体装置100において、Si基板2には、拡散層4が形成されている。拡散層4上には、NiSi層6が形成されている。
【0017】
Si基板2表面及びNiSi層6上を覆うようにして絶縁層8が形成されている。絶縁層8には、その表面から、NiSi層6表面にまで達するコンタクトプラグ10が形成されている。コンタクトプラグ10の表面と、絶縁膜8の表面とは同じ高さになっている。
【0018】
コンタクトプラグ10は、コンタクトホール12に、Ti層14/TiN層16/W層18を埋め込むことにより形成されている。具体的に、コンタクトホール12は、絶縁層8の表面から、NiSi層6まで、絶縁層8を貫通し、底部において、NiSi層6を露出させる開口である。また、Ti層14は、コンタクトホール12の内壁に接して形成されている。TiN層16は、Ti層14の内側に、Ti層14に接して形成されている。更に、W層は、TiN層16の内側に、TiN層16に接し、かつ、コンタクトホール12内部を埋め込んで形成されている。
【0019】
また、コンタクトプラグ10の上部、かつ、絶縁層8の上部には、配線層20が形成され、配線層20を埋め込むようにして、絶縁層8上部には、絶縁層22が形成されている。
【0020】
以上のように構成された半導体装置100において、NiSi層6を、Si基板2の拡散層4上に形成することにより、低抵抗化が図られている。また、下方に形成されたNiSi層6と、絶縁層8を介して上方に形成された配線層20とは、コンタクトプラグ10により接続されている。
【0021】
また、コンタクトプラグ10は、上述のように、コンタクトホール12に、Ti層14、TiN層16、W層18を埋め込んで形成されている。ここで、Ti層14を形成することにより、Si基板2と反応させて、TiSixを形成することで、コンタクトプラグ10の接触抵抗の軽減が図られている。また、TiN層16により、W層18を形成する際の、Ti層14への腐蝕ガスのアタックから、Ti層14が保護され、また、W層18の密着性が確保されている。
【0022】
また、コンタクトプラグ10においては、以下に説明するような製造方法により、Ti層14中の残留水素、残留塩素の量が、少なくなっている。これにより、Ti層14/TiN層16の高抵抗化の防止や、マイクロクラックの防止が図られている。
【0023】
図2は、この発明の実施の形態における半導体装置100の製造方法を説明するためのフロー図である。また、図3〜図7は、半導体装置100の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
以下、図2〜図7を参照して、この発明の実施の形態100における半導体装置の製造方法を説明する。
【0024】
まず、図3に示すように、Si基板2に形成された拡散層4上に、NiSi層6を形成する(ステップS2)。ここでは、NiSi層6は、Si基板2全面に、スパッタ法等により、Ni層を形成した後、熱処理を行うことにより、NiとSiと結合させて形成する。このとき、ゲート電極(図示せず)上にも、最上層に形成されたのSi層のSiと、Niとが反応してNiSi層が形成される。その後、反応せずに残ったNi層が除去され、拡散層4上及びゲート電極(図示せず)上の必要な部分に、NiSi層が形成される。このようにして、サリサイド構造が形成され低抵抗化が図られる。
【0025】
次に、NiSi層6及び、Si基板2の露出する部分を覆うようにして、絶縁層8を形成する(ステップS4)。その後、絶縁層8に、コンタクトホール12を形成する(ステップS6)。コンタクトホール12は、絶縁層8上に、コンタクトホール12を形成する位置において開口するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層8をエッチングすることにより形成する。ここで形成するコンタクトホール12は、絶縁層8の表面から、NiSi層6の表面まで絶縁層8を貫通し、その底部において、SiNi層6を露出する。
【0026】
次に、図4に示すように、絶縁層8の表面と、コンタクトホール12の側壁及び底部に、Ti層14を形成する(ステップS8)。ここで、Ti層14は、PE−CVD(Plasma Enhanced−Chemical Vapor Deposition;プラズマ励起化学気相成長)法により、TiCl4及びH2を用いて、成膜温度500℃で、例えば、膜厚20nmになるように成膜する。
【0027】
次に、図5に示すように、TiN層16を形成する(ステップS10)。ここでは、Si基板2の温度を300℃に保ち、触媒温度を1200℃とする。また、反応ガスとして、NH3を200cc程度導入して、30Paの圧力下で、5〜10分程度Ti層14を窒化する。これにより、Nラジカル、あるいは、NHラジカルが発生し、NラジカルによりTi膜14の表面が窒化し、TiN層16が形成される。ここで、窒化に寄与するNラジカルや、NHラジカルは、容易にコンタクトホール12底部に到達するため、コンタクトホール内のTi層14を均一に窒化することができるため、形成されたTiN層16は、均一な膜となる。また、Nラジカルは、Ti層14の窒化と共に、Ti層14中に残留するHやClを置換し、これを、Ti層14中から引き抜き、Ti層14の残留水素(H)や残留塩素(Cl)を減少させることができる。
【0028】
また、NH3を触媒で分解すると、10E12/cm3に達するほどの多量のHラジカルが、Nラジカル発生と共に発生する。この大量に生成したHラジカルは、Ti層14表面に到達すると、Ti層14表面のHやClと結びつき、Ti層14中から、HやClを引き抜き、Ti層14の残留水素(H)や残留塩素(Cl)を減少させることができる。450℃、500℃で成膜されたTiは、1.5E13atm/cm3程度、1.2E13atm/cm3程度の塩素(Cl)や、5E21atm/cm3程度の水素(H)を含むが、上述のようにすることで、塩素(Cl)を、5E12/cm3程度、水素(H)を、2E21atm/cm3にまで低減することができる。
【0029】
次に、図6に示すように、W層18を形成する(ステップS12)。W層18は、CVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相成長)法により、コンタクトホール12内部を含めて、TiN層16上全面に成膜する。ここで、Ti層14/TiN層16は、コンタクトホール12に均一に成膜されているため、ボトルネック状態が解消され、かつボイドがない状態で、W層18も均一に形成することができる。
【0030】
次に、図7に示すように、絶縁層8の表面に成膜されたW層18、TiN層16、及び、Ti層14を除去する(ステップS14)。ここでは、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、絶縁層6表面上の、W層18、TiN層16、Ti層14を除去し、コンタクトホール12内部にのみこれらの積層膜を残す。これにより、コンタクトプラグ10が形成される。
【0031】
その後、図1に示すように、コンタクトプラグ10上、及び、絶縁層6表面上に配線層20を形成する(ステップS16)。更に、この配線層20を覆うように、絶縁層6表面上に絶縁層22を形成する(ステップS18)。
以上のようにして、半導体装置100を得ることができる。
【0032】
以上説明したように、この実施の形態においては、先ず、低い成膜温度でも均一に形成できるTi層14をコンタクトホール12内に形成し、その後、このTi層14を、Nラジカルを用いて窒化してTiN層16を形成する。また、ここで、Ti層14の成膜温度は、500℃程度であり、TiN層16成膜の際の基板温度は300℃程度である。従って、低い成膜温度で、均一にTi層14/TiN層16を形成することができる。これにより、NiSi層6のNiSi2(ダイシリサイド)化を抑えつつ、低抵抗で、接触の良好なコンタクトプラグ10を形成することができる。なお、基板温度が300℃程度であっても、触媒によりNH3が十分に活性化されているため、Ti層14の窒化は十分に行うことができる。
【0033】
また、Ti層14中に残留するHや、Clは、TiN層16形成の際、Tiと反応して、Ti層14中にTi水素化物や、Ti塩化物を形成し、これが、高抵抗や、脆弱性の原因となる。しかし、この実施の形態によれば、Nラジカル、NHラジカルを用いることにより、Ti層14中に残留するHやClを還元し、これを、Ti膜14中から引き抜くことができる。従って、Ti層14中に残留するHやClが原因の、コンタクトプラグ10の高抵抗化や、脆弱化を抑えることができる。
【0034】
また、実施の形態では、NH3を触媒で分解することにより、Nラジカルを発生させると同時に、10E12/cm3に達するほどの多量のHラジカルを発生させることができる。この発生量は、高周波励起によるプラズマ密度に比べ、10〜100倍程度大きい値である。これは、触媒を用いた場合、ガス同士の衝突による3次元での衝突ではなく、固体である触媒との2次元での衝突であるため、解離確率が高いためである。この大量のHラジカルは、Ti層14表面に到達すると、Ti表面のHやClと結びつき、Ti層14中からこれを引き出すことができる。従って、この実施の形態では、高抵抗化や、脆弱性の原因となるTi層14中の残留水素、残留塩素を更に減少させることができる。これにより、更に、コンタクトプラグ10の高抵抗化や、脆弱化を抑えることができる。
【0035】
ただし、この発明において、Nラジカルの発生は、NH3を触媒で分解するものに限るものではなく、他の方法により発生させたものであってもよい。Nラジカルの発生方法としては、例えば、N2を、触媒により分解して発生させる場合が考えられる。この場合には、触媒温度を2000℃以上とする必要がある。また、NH3を導入する代わりに、N2と、H2を同時に導入するものであってもよい。これによっても、Nラジカル及びHラジカルを発生させることができ、NH3を分解した場合と同様の効果を得ることができる。
【0036】
また、この実施の形態では、Ti層14の形成において、PE−CVD法を用いているため、スパッタ法を用いた際に問題となるマイクロクラックの発生等を抑えることができる。従って、接触の良好で低抵抗なコンタクトプラグ10を得ることができる。ただし、この発明において、Ti層14の成膜方法は、PE−CVD法に限るものではない。Ti層14の成膜は、Ti層14を成膜するコンタクトホールのアスペクト比等を考慮し、マイクロクラック等を避けられるものであれば他の方法によるものであってもよい。他の成膜方法としては、例えば、他のCVD法や、あるいは、スパッタ法等が考えられる。
【0037】
また、この実施の形態では、Ti層を窒化する場合について説明した。しかし、この発明は、Tiの窒化以外にも、例えば、Taや、W等の他の高融点金属に適用することもできる。また、例えばInやGa等の窒化に適用することも可能である。また、ここで、Tiに代えてTaを用いた場合、W層18に代えて、Cuを用いるとよい。
【0038】
また、この実施の形態では、TiN層16上部に、W層18を形成して、コンタクトホールを埋め込む場合について説明したが、この発明はこれに限るものではなく、他の導電部材を用いるものであってもよい。また、導電部材の埋め込み方法も、CVD法により成膜するものに限るものではない。
【0039】
また、この実施の形態では、サリサイド技術を用いて形成した拡散層4上のNiSi層6にコンタクトプラグ10を形成する場合について説明しが、この発明は、これに限るものではない。この発明において、コンタクトプラグは、NiSi層に直接接続するものである必要はなく、例えば、他の方法により、他の部分にNiSi層が形成されているために、ある程度、加熱処理温度を低くする必要がある場合のコンタクトプラグの形成に適用することができる。また、NiSi層がある場合に限るものでもなく、加熱処理温度が制限されるような全ての場合に適用することができる。
【0040】
なお、この発明において、下地基板には、例えば、実施の形態におけるSi基板2が該当し、導電層には、例えば、W層18が該当する。また、例えば、実施の形態において、それぞれ、ステップS4、ステップS6を実行することにより、この発明の絶縁膜形成工程、コンタクトホール形成工程が実行される。また、例えば、ステップS8、ステップS10、ステップS12を実行することにより、それぞれ、この発明の、金属層形成工程、窒化層形成工程、導電層形成工程が実行される。更に、例えば、ステップS2を実行することにより、この発明のNiSi層形成工程が実行される。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、コンタクトホールに、Ti層を形成した後、Nラジカルを用いてこれを窒化することにより、TiN層を形成することができる。従って、比較的低温で、コンタクトホールに、膜質の良好な、Ti層/TiN層を形成することができる。これにより、比較的低温での処理が必要な場合にも、マイクロクラックの発生等の不良を抑え、低抵抗のコンタクトプラグを形成することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態における半導体装置を説明するための断面模式図である。
【図2】この発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するためのフロー図である。
【図3】この発明の実施の形態における半導体装置の製造過程における状態を説明するための断面模式図である。
【図4】この発明の実施の形態における半導体装置の製造過程における状態を説明するための断面模式図である。
【図5】この発明の実施の形態における半導体装置の製造過程における状態を説明するための断面模式図である。
【図6】この発明の実施の形態における半導体装置の製造過程における状態を説明するための断面模式図である。
【図7】この発明の実施の形態における半導体装置の製造過程における状態を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
100 半導体装置
2 Si基板
4 拡散層
6 NiSi層
8 絶縁層
10 コンタクトプラグ
12 コンタクトホール
14 Ti層
16 TiN層
18 W層
20 配線層
22 絶縁層
Claims (6)
- 下地基板に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層を貫通するコンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程と、
前記少なくとも前記コンタクトホール内壁と、前記コンタクトホール底部とに、Ti層又はTa層又はW層を形成する金属層形成工程と、
前記Ti層又はTa層又はW層を、Nラジカルを用いて窒化させて、TiN層又はTaN層又はWN層を形成する窒化層形成工程と、
前記TiN層又はTaN層又はWN層の形成された前記コンタクトホール内部を埋め込む導電層を形成する導電層形成工程と、
を、備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁膜形成工程に先立って、前記下地基板上に、NiSi層を形成するNiSi層形成工程を備え、
前記コンタクトホールは、その底部において、前記NiSi層表面を露出する位置に形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記窒化層形成工程は、NH3を触媒で分解することにより発生したラジカルを用いて行うことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記窒化層形成工程は、N2と、H2とを、触媒により分化することにより発生したラジカルを用いて行うことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属層形成工程は、CVD法を用いて行うことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記窒化層形成工程は、基板温度が550度以下で行うことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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