JP2005064458A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Atsushi Nishimura
淳 西村
Toru Hinomura
徹 樋野村
Atsushi Ikeda
敦 池田
Takenobu Kishida
剛信 岸田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a tungsten plug without defects even in a minute hole. <P>SOLUTION: After a contact hole 12a is formed in an insulating film 12, a first tungsten film 15 is formed on the wall surface and bottom surface of the contact hole 12a, respectively. After that, a second tungsten film 16 is formed with the first tungsten film 15 as a seed layer, and the contact hole 12a is filled. In forming the first tungsten film 15, the mean value of the grain diameter of a crystal grain at the part formed on the bottom surface of the contact hole 12a in the first tungsten film 15 is suppressed to 30 nm or smaller. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体素子や配線の上にタングステンプラグが設けられた半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which a tungsten plug is provided on a semiconductor element or a wiring and a manufacturing method thereof.

従来より、絶縁膜によって覆われた半導体素子や下層配線に電流や信号を供給するための電極として、絶縁膜を貫通して設けられたタングステンプラグが用いられている（例えば特許文献１参照）。   Conventionally, a tungsten plug provided through an insulating film has been used as an electrode for supplying a current or a signal to a semiconductor element or a lower layer wiring covered with the insulating film (see, for example, Patent Document 1).

図９は、従来のタングステンプラグを有する半導体装置の断面構造を示している。図９に示すように、半導体素子等を含む半導体集積回路（図示せず）が上面に設けられ且つシリコンからなる半導体基板１０１の上に、酸化シリコンからなる絶縁膜１０２が形成されている。絶縁膜１０２には、半導体素子に達するようにコンタクトホール１０２ａが設けられており、コンタクトホール１０２ａの壁面には、チタン膜１０３、窒化チタン膜１０４及び第１のタングステン膜１０５が順次積層されており、第１のタングステン膜１０５の上には、コンタクトホール１０２ａの内部を充填するように、第２のタングステン膜１０６が設けられている。   FIG. 9 shows a cross-sectional structure of a conventional semiconductor device having a tungsten plug. As shown in FIG. 9, a semiconductor integrated circuit (not shown) including a semiconductor element or the like is provided on an upper surface, and an insulating film 102 made of silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 101 made of silicon. A contact hole 102a is provided in the insulating film 102 so as to reach the semiconductor element, and a titanium film 103, a titanium nitride film 104, and a first tungsten film 105 are sequentially stacked on the wall surface of the contact hole 102a. On the first tungsten film 105, a second tungsten film 106 is provided so as to fill the inside of the contact hole 102a.

従来の半導体装置において、第１のタングステン膜１０５は、プラグ本体部となる第２のタングステン膜１０６をコンタクトホール１０２ａ内に結晶成長する際のシード層としての機能を有する。また、チタン膜１０３及び窒化チタン膜１０４は、第１のタングステン膜１０５と絶縁膜１０２との密着性を向上するための密着層としての機能を有する。   In the conventional semiconductor device, the first tungsten film 105 functions as a seed layer when the second tungsten film 106 serving as the plug body portion is crystal-grown in the contact hole 102a. In addition, the titanium film 103 and the titanium nitride film 104 function as an adhesion layer for improving adhesion between the first tungsten film 105 and the insulating film 102.

従来の半導体装置の製造方法においては、まず、半導体基板１０１の上に絶縁膜１０２を形成した後、該絶縁膜１０２にコンタクトホール１０２ａを形成し、その後、絶縁膜１０２の上に全面にわたってチタン膜１０３及び窒化チタン膜１０４を順次堆積する。これにより、コンタクトホール１０２ａの壁面及び底面（つまりコンタクトホール１０２ａの下側に露出した半導体基板１０１の上面）がチタン膜１０３及び窒化チタン膜１０４によって覆われる。   In a conventional method for manufacturing a semiconductor device, first, an insulating film 102 is formed on a semiconductor substrate 101, a contact hole 102a is formed in the insulating film 102, and then a titanium film is formed on the entire surface of the insulating film 102. 103 and a titanium nitride film 104 are sequentially deposited. As a result, the wall surface and bottom surface of the contact hole 102a (that is, the upper surface of the semiconductor substrate 101 exposed below the contact hole 102a) is covered with the titanium film 103 and the titanium nitride film 104.

次に、フッ化タングステンの水素化シリコン還元反応を用いたＣＶＤ（chemical vapor deposition ）法により、窒化チタン膜１０４の上に、コンタクトホール１０２ａが途中まで埋まるように第１のタングステン膜１０５を形成する。続いて、フッ化タングステンの水素還元反応を用いたＣＶＤ法により、第１のタングステン膜１０５の上に、コンタクトホール１０２ａの内部が完全に埋まるように第２のタングステン膜１０６を形成する。   Next, a first tungsten film 105 is formed on the titanium nitride film 104 so that the contact hole 102a is partially filled by CVD (chemical vapor deposition) using a silicon hydride reduction reaction of tungsten fluoride. . Subsequently, a second tungsten film 106 is formed on the first tungsten film 105 so as to completely fill the inside of the contact hole 102a by a CVD method using a hydrogen reduction reaction of tungsten fluoride.

その後、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing ）法により、コンタクトホール１０２ａの外側の第２のタングステン膜１０６、第１のタングステン膜１０５、窒化チタン膜１０４及びチタン膜１０３、言い換えると、絶縁膜１０２の上側に堆積された第２のタングステン膜１０６、第１のタングステン膜１０５、窒化チタン膜１０４及びチタン膜１０３を順次研磨除去する。これにより、コンタクトホール１０２ａの内部に、第１のタングステン膜１０５及び第２のタングステン膜１０６からなるプラグが形成される。
特開２００１−６０５６４号公報 Thereafter, the second tungsten film 106, the first tungsten film 105, the titanium nitride film 104, and the titanium film 103 outside the contact hole 102a are deposited on the upper side of the insulating film 102 by a CMP (chemical mechanical polishing) method. The second tungsten film 106, the first tungsten film 105, the titanium nitride film 104, and the titanium film 103 are sequentially polished and removed. As a result, a plug made of the first tungsten film 105 and the second tungsten film 106 is formed inside the contact hole 102a.
JP 2001-60564 A

しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法においては、図１０に示すように、コンタクトホール１０２ａにおけるタングステン膜の埋め込み不良が生じてシーム（空隙）１０７が形成され、その結果、該欠陥に起因して半導体装置の信頼性が低下してしまうという問題が生じる。また、この問題は、コンタクトホールの微細化又は高アスペクト比化に伴って顕著になる。   However, in the conventional method of manufacturing a semiconductor device, as shown in FIG. 10, a poor filling of the tungsten film in the contact hole 102a occurs, and a seam 107 is formed. As a result, the defect is caused by the defect. There arises a problem that the reliability of the semiconductor device is lowered. In addition, this problem becomes conspicuous as the contact hole is miniaturized or the aspect ratio is increased.

前記に鑑み、本発明は、微細ホールにおいても欠陥のないタングステンプラグを形成できるようにすることを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to make it possible to form a tungsten plug having no defect even in a fine hole.

前記の目的を達成するために、本願発明者らが、前述のタングステンプラグにおけるシーム発生原因について検討した結果、次のような知見が得られた。   In order to achieve the above object, the present inventors have examined the cause of seam generation in the tungsten plug described above, and as a result, the following knowledge has been obtained.

第１に、コンタクトホール１０２ａのアスペクト比（コンタクトホール１０２ａの開口径に対する深さの比）が大きくなるに従って、第１のタングステン膜１０５の被覆性（カバレッジ）が低下するので、コンタクトホール１０２ａの下部における第１のタングステン膜１０５の堆積よりも、コンタクトホール１０２ａの開口部における第１のタングステン膜１０５（つまり絶縁膜１０２の上面における第１のタングステン膜１０５の堆積）が促進される。このため、図１１に示すように、第１のタングステン膜１０５は、コンタクトホール１０２ａの開口部において、その周縁から中心に向けてオーバーハングするように形成されてしまう。その結果、該第１のタングステン膜１０５をシード層として第２のタングステン膜１０６を堆積すると、コンタクトホール１０２ａの内部に第２のタングステン膜１０６が充填されるよりも前に、コンタクトホール１０２ａの開口部が第２のタングステン膜１０６によって塞がれてしまう。   First, as the aspect ratio of the contact hole 102a (the ratio of the depth to the opening diameter of the contact hole 102a) increases, the coverage (coverage) of the first tungsten film 105 decreases. The first tungsten film 105 in the opening of the contact hole 102a (that is, the deposition of the first tungsten film 105 on the upper surface of the insulating film 102) is promoted more than the deposition of the first tungsten film 105 in FIG. Therefore, as shown in FIG. 11, the first tungsten film 105 is formed so as to overhang from the periphery toward the center in the opening of the contact hole 102a. As a result, when the second tungsten film 106 is deposited using the first tungsten film 105 as a seed layer, the contact hole 102a is opened before the contact hole 102a is filled with the second tungsten film 106. The portion is blocked by the second tungsten film 106.

第２に、第１のタングステン膜１０５は、前述のＣＶＤ法により微小な結晶粒（グレイン）からなる多結晶体として形成されるが、このとき、コンタクトホール１０２ａが微細化されると、特に、コンタクトホール１０２ａの直径が０．１８μｍ以下になると、コンタクトホール１０２ａの底面上に形成される第１のタングステン膜１０５のグレインの粒径（グレインサイズ）が著しく増大する。その結果、該第１のタングステン膜１０５をシード層として堆積される第２のタングステン膜１０６におけるコンタクトホール１０２ａの底面上に形成される部分では柱状構造が成長しにくくなり、コンタクトホール１０２ａの内部を第２のタングステン膜１０６によって十分に埋め込むことが困難になる。   Second, the first tungsten film 105 is formed as a polycrystalline body made of fine crystal grains by the above-described CVD method. At this time, when the contact hole 102a is miniaturized, in particular, When the diameter of the contact hole 102a is 0.18 μm or less, the grain size (grain size) of the first tungsten film 105 formed on the bottom surface of the contact hole 102a is remarkably increased. As a result, the columnar structure is less likely to grow in the portion formed on the bottom surface of the contact hole 102a in the second tungsten film 106 deposited using the first tungsten film 105 as a seed layer. It is difficult to sufficiently fill the second tungsten film 106.

以上のように、半導体装置の微細化、つまりコンタクトホール１０２ａの高アスペクト比化に伴って、第１のタングステン膜１０５のカバレッジの低下と、ホール底面上での第１のタングステン膜１０５のグレインサイズの増大とが顕著になり、その結果、第２のタングステン膜１０６をモホロジ良く形成することが困難となる。このため、第１のタングステン膜１０５及び第２のタングステン膜１０６からなるプラグの内部においてシーム１０７の増大等の不良が生じて、半導体装置の信頼性が劣化してしまう。   As described above, with the miniaturization of the semiconductor device, that is, with the increase in the aspect ratio of the contact hole 102a, the coverage of the first tungsten film 105 is reduced and the grain size of the first tungsten film 105 on the bottom surface of the hole. As a result, it becomes difficult to form the second tungsten film 106 with good morphology. For this reason, defects such as an increase in the seam 107 occur inside the plug formed of the first tungsten film 105 and the second tungsten film 106, and the reliability of the semiconductor device is deteriorated.

本願発明者らは、以上の知見に基づいて、シード層となる第１のタングステン膜と、プラグ本体部となる第２のタングステン膜とを備えた半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜におけるプラグ形成用ホールの底面上に形成されている部分の結晶粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制するという発明を想到した。   Based on the above knowledge, the inventors of the present application provide a first tungsten film in a method for manufacturing a semiconductor device including a first tungsten film serving as a seed layer and a second tungsten film serving as a plug body. The inventors have conceived an invention in which the average value of the crystal grain size of the portion formed on the bottom surface of the plug forming hole is suppressed to 30 nm or less.

具体的には、本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶縁膜に設けられたホールにタングステンプラグを埋め込む方法を前提とし、タングステンプラグとなる第１のタングステン膜をホールの壁面及び底面の上に形成する工程と、第１のタングステン膜をシード層として、タングステンプラグとなる第２のタングステン膜を形成し、ホールを埋め込む工程とを備え、第１のタングステン膜を形成する工程において、第１のタングステン膜におけるホールの底面上に形成されている部分の結晶粒の粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制する。   Specifically, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is based on the premise that a tungsten plug is embedded in a hole provided in an insulating film, and the first tungsten film to be a tungsten plug is formed on the wall surface and bottom surface of the hole. Forming a first tungsten film as a seed layer, forming a second tungsten film serving as a tungsten plug, and embedding holes, and forming the first tungsten film, The average value of the grain size of the portion of the tungsten film formed on the bottom surface of the hole is suppressed to 30 nm or less.

本発明の半導体装置の製造方法によると、シード層となる第１のタングステン膜を形成する際に、ホール底面上の第１のタングステン膜の結晶粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制するため、ホールのアスペクト比が大きい場合であっても、該第１のタングステン膜をシード層として、ホールの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜を形成することができる。このため、ホールに埋め込まれた第１のタングステン膜及び第２のタングステン膜よりなるプラグにおいて、シーム等の欠陥を低減できるため、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when forming the first tungsten film serving as the seed layer, in order to suppress the average value of the crystal grain size of the first tungsten film on the bottom of the hole to 30 nm or less, Even if the aspect ratio of the hole is large, the second tungsten film with good morphology can be formed inside the hole using the first tungsten film as a seed layer. Therefore, since a defect such as a seam can be reduced in the plug formed of the first tungsten film and the second tungsten film embedded in the hole, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

本発明の半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜を形成する工程よりも前に、ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に密着層を形成する工程と、密着層に対して熱処理を行なって密着層の表面を清浄化する工程とをさらに備え、第１のタングステン膜は、清浄化された密着層の表面上に形成されることが好ましい。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, before the step of forming the first tungsten film, a step of forming an adhesion layer on each of the wall surface and bottom surface of the hole, and a heat treatment on the adhesion layer And a step of cleaning the surface of the adhesion layer, and the first tungsten film is preferably formed on the cleaned surface of the adhesion layer.

このようにすると、ホール底面上の密着層の表面に生じた、好ましくない変質部分又は汚染を除去することができるので、該密着層を第１のタングステン膜を形成するための下地層として適切に改質できる。これにより、ホール底面上の密着層の上においても、第１のタングステン膜を、その結晶粒径の平均値が確実に３０ｎｍ以下となるように形成できる。このため、ホールのアスペクト比が大きい場合であっても、ホールの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜を確実に形成できるので、低欠陥のタングステンプラグを確実に形成することができる。   In this way, undesirable alteration or contamination generated on the surface of the adhesion layer on the bottom surface of the hole can be removed, so that the adhesion layer is appropriately used as an underlayer for forming the first tungsten film. Can be modified. Thereby, even on the adhesion layer on the bottom surface of the hole, the first tungsten film can be formed so as to ensure that the average value of the crystal grain size is 30 nm or less. For this reason, even if the aspect ratio of the hole is large, the second tungsten film having a good morphology can be reliably formed inside the hole, so that a low-defect tungsten plug can be reliably formed.

前述の熱処理（密着層清浄化）を行なう場合、熱処理を行なう工程と第１のタングステン膜を形成する工程とは同一反応室内において大気開放することなく連続的に行なわれることが好ましい。   In the case of performing the above-described heat treatment (adhesion layer cleaning), it is preferable that the heat treatment step and the first tungsten film formation step are continuously performed in the same reaction chamber without opening to the atmosphere.

このようにすると、密着層の表面を清浄化した後、第１のタングステン膜を形成するまでの間に、密着層の表面が再び汚染される危険性を排除できる。この場合、熱処理を行なう工程が、反応室内に熱処理ガスを導入して所定の期間にわたって反応室内を昇温した後、反応室から熱処理ガスを排気する工程を含むと、熱処理ガスを用いて密着層の表面の汚染等を確実に除去して、該密着層を、第１のタングステン膜を形成するための下地層として適切に改質することができる。尚、熱処理ガスとしては、例えばアルゴンガスと水素ガスとの混合ガスを用いることが好ましい。このようにすると、密着層の表面の酸化を防止しながら、密着層の表面に生じた汚染等を確実に除去できるため、熱処理に起因して半導体装置の性能が劣化することがない。   In this way, it is possible to eliminate the risk that the surface of the adhesion layer is contaminated again after the surface of the adhesion layer is cleaned and before the first tungsten film is formed. In this case, when the heat treatment step includes a step of introducing a heat treatment gas into the reaction chamber and raising the temperature in the reaction chamber over a predetermined period, and then exhausting the heat treatment gas from the reaction chamber, the adhesion layer is formed using the heat treatment gas. Thus, the adhesion layer can be appropriately modified as a base layer for forming the first tungsten film. As the heat treatment gas, for example, a mixed gas of argon gas and hydrogen gas is preferably used. In this way, contamination and the like generated on the surface of the adhesion layer can be reliably removed while preventing the oxidation of the surface of the adhesion layer, so that the performance of the semiconductor device does not deteriorate due to the heat treatment.

本発明の半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜を形成する工程を、例えばフッ化タングステンガスと水素化シリコンガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施してもよい。この場合、水素化シリコンガスの流量に対するフッ化タングステンガスの流量の比は８．４以上に設定されることが好ましい。このようにすると、第１のタングステン膜の成膜速度を反応律速領域まで向上させることができるため、カバレッジが良好な第１のタングステン膜を確実に形成することができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of forming the first tungsten film may be performed using, for example, a CVD method using tungsten fluoride gas and silicon hydride gas as source gases. In this case, the ratio of the flow rate of tungsten fluoride gas to the flow rate of silicon hydride gas is preferably set to 8.4 or more. In this way, the deposition rate of the first tungsten film can be increased to the reaction rate-determining region, so that the first tungsten film with good coverage can be reliably formed.

本発明の半導体装置の製造方法において、第２のタングステン膜を形成する工程を、例えばフッ化タングステンガスと水素ガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施してもよい。この場合、水素ガスの流量に対するフッ化タングステンガスの流量の比は０．２４以上に設定されることが好ましい。このようにすると、第２のタングステン膜の成膜速度を反応律速領域まで向上させることができるため、シームが低減された低欠陥のプラグを確実に形成することができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of forming the second tungsten film may be performed using, for example, a CVD method using tungsten fluoride gas and hydrogen gas as source gases. In this case, the ratio of the tungsten fluoride gas flow rate to the hydrogen gas flow rate is preferably set to 0.24 or more. In this case, since the deposition rate of the second tungsten film can be improved to the reaction rate-limiting region, a low-defect plug with reduced seam can be reliably formed.

本発明の半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜を形成する前に、ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に密着層を形成する場合、該密着層は、チタン膜と窒化チタン膜とが順次積層された積層膜であることが好ましい。このようにすると、絶縁膜と第１のタングステン膜との間の密着性を確実に向上させることができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when forming an adhesion layer on each of the wall surface and the bottom surface of the hole before forming the first tungsten film, the adhesion layer includes a titanium film and a titanium nitride film. Is preferably a laminated film in which are sequentially laminated. In this way, the adhesion between the insulating film and the first tungsten film can be reliably improved.

本発明に係る半導体装置は、絶縁膜に設けられたホールに埋め込まれたタングステンプラグを備えた半導体装置を前提とし、タングステンプラグにおけるホールの底面上に形成されている部分は柱状構造を有し、且つ該柱状構造の底部の直径の平均値は３０ｎｍ以下である。   The semiconductor device according to the present invention is premised on a semiconductor device provided with a tungsten plug embedded in a hole provided in an insulating film, and the portion formed on the bottom surface of the hole in the tungsten plug has a columnar structure, And the average value of the diameter of the bottom part of this columnar structure is 30 nm or less.

すなわち、本発明の半導体装置は、前述の本発明の半導体装置の製造方法によって得られる半導体装置であるため、タングステンプラグにおけるシーム等の欠陥を低減できるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。   That is, since the semiconductor device of the present invention is a semiconductor device obtained by the above-described method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, defects such as seams in the tungsten plug can be reduced, so that the reliability of the semiconductor device can be improved. it can.

本発明の半導体装置において、絶縁膜とタングステンプラグとの間に、例えばチタン膜と窒化チタン膜との積層膜よりなる密着層が設けられていることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that an adhesion layer made of, for example, a laminated film of a titanium film and a titanium nitride film is provided between the insulating film and the tungsten plug.

このようにすると、タングステンプラグを構成するタングステン膜と絶縁膜との間の密着性を確実に向上させることができる。   In this way, the adhesion between the tungsten film constituting the tungsten plug and the insulating film can be reliably improved.

以上に説明した、本発明の効果は、プラグ形成用ホールの開口径が０．１８μｍ以下である場合に、特に、次世代半導体装置で想定される開口径０．１１μｍのプラグ形成用ホールを対象とした場合に、極めて顕著なものとなる。   The effect of the present invention described above is particularly applicable to a plug forming hole having an opening diameter of 0.11 μm assumed in a next-generation semiconductor device when the opening diameter of the plug forming hole is 0.18 μm or less. In this case, it becomes extremely remarkable.

本発明によると、ホール内にタングステンプラグを形成する際に、シード層となる第１のタングステン膜におけるホール底面上の部分の結晶粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制するため、ホールのアスペクト比が大きい場合であっても、ホールの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜（プラグ本体部）を形成することができる。従って、シーム等の欠陥が低減されたタングステンプラグを形成できるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。   According to the present invention, when a tungsten plug is formed in a hole, the average value of the crystal grain size of the portion on the bottom surface of the hole in the first tungsten film serving as the seed layer is suppressed to 30 nm or less. Even when the thickness is large, it is possible to form the second tungsten film (plug body portion) with good morphology inside the hole. Accordingly, since a tungsten plug with reduced defects such as seams can be formed, the reliability of the semiconductor device can be improved.

以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図１に示すように、半導体素子等を含む半導体集積回路（図示せず）が上面に設けられ且つ例えばシリコンからなる半導体基板１１の上に、例えば酸化シリコンからなる膜厚約１．５μｍの絶縁膜１２が堆積されている。また、絶縁膜１２には、半導体基板１１の上面の一部分、例えば半導体素子に達するようにコンタクトホール１２ａが設けられている。本実施形態では、コンタクトホール１２ａの開口部の直径は例えば約０．１８μｍである。コンタクトホール１２ａの壁面及び底面（つまりコンタクトホール１２ａの下側に位置する半導体基板１１の上面）のそれぞれの上には、例えば膜厚が約５．５ｎｍのチタン膜１３と、例えば膜厚が約１１ｎｍの窒化チタン膜１４と、例えば膜厚が約１７ｎｍの第１のタングステン膜１５とがこの順に形成されている。さらに、第１のタングステン膜１５の上には、コンタクトホール１２ａの内部を充填するように、第２のタングステン膜１６が設けられている。   FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a semiconductor integrated circuit (not shown) including a semiconductor element or the like is provided on the upper surface, and an insulating film having a thickness of about 1.5 μm made of, for example, silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 11 made of, for example, silicon. A film 12 is deposited. The insulating film 12 is provided with a contact hole 12a so as to reach a part of the upper surface of the semiconductor substrate 11, for example, a semiconductor element. In the present embodiment, the diameter of the opening of the contact hole 12a is, for example, about 0.18 μm. On each of the wall surface and the bottom surface of the contact hole 12a (that is, the upper surface of the semiconductor substrate 11 positioned below the contact hole 12a), for example, a titanium film 13 having a film thickness of about 5.5 nm and a film thickness of about An 11 nm titanium nitride film 14 and a first tungsten film 15 having a thickness of about 17 nm, for example, are formed in this order. Further, a second tungsten film 16 is provided on the first tungsten film 15 so as to fill the inside of the contact hole 12a.

尚、コンタクトホール１２ａに埋め込まれた第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６は、半導体基板１１上の半導体素子と電気的に接続されている。言い換えると、第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６は、半導体素子の電極を絶縁膜１２の上面に取り出すためのプラグとなる。   Note that the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16 embedded in the contact hole 12 a are electrically connected to the semiconductor element on the semiconductor substrate 11. In other words, the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16 serve as plugs for taking out the electrodes of the semiconductor element to the upper surface of the insulating film 12.

また、チタン膜１３及び窒化チタン膜１４は、プラグとなるタングステン膜（つまり第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６）と絶縁膜１２との密着性を向上させるための密着層として機能する。   Further, the titanium film 13 and the titanium nitride film 14 function as an adhesion layer for improving the adhesion between the tungsten film (that is, the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16) serving as a plug and the insulating film 12. To do.

また、第１のタングステン膜１５としては、フッ化タングステン（ＷＦ6 ）の水素化シリコン（ＳｉＨ4 ）還元反応により形成されたタングステン膜を用いると共に、第２のタングステン膜１６としては、フッ化タングステンの水素（Ｈ2 ）還元反応により形成されたタングステン膜を用いている。 Further, as the first tungsten film 15, a tungsten film formed by a silicon hydride (SiH 4 ) reduction reaction of tungsten fluoride (WF 6 ) is used, and as the second tungsten film 16, tungsten fluoride is used. A tungsten film formed by a hydrogen (H 2 ) reduction reaction is used.

本実施形態の半導体装置の特徴は、高アスペクト比（具体的には直径が約０．１８μｍ、深さが約１．５μｍ、アスペクト比が約８）のコンタクトホール１２ａの底面上において、第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値が３０ｎｍ以下に抑制されていることである。これにより、第１のタングステン膜１５上にモホロジが良好な第２のタングステン膜１６が形成されるため、コンタクトホール１２ａ内部の第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６を、シームが低減された低欠陥のプラグとして用いることができる。尚、実際には、第１のタングステン膜１５をシード層として第２のタングステン膜１６を成膜した際に、第１のタングステン膜１５と第２のタングステン膜１６とは一体化するが、該一体化したタングステン膜におけるコンタクトホール１２ａの底面上に形成されている部分は柱状構造を有し、且つ該柱状構造の底部の直径の平均値は３０ｎｍ以下となる。   The feature of the semiconductor device of the present embodiment is that the first aspect is provided on the bottom surface of the contact hole 12a having a high aspect ratio (specifically, the diameter is about 0.18 μm, the depth is about 1.5 μm, and the aspect ratio is about 8). That is, the average grain size of the tungsten film 15 is suppressed to 30 nm or less. As a result, the second tungsten film 16 having good morphology is formed on the first tungsten film 15, so that the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16 inside the contact hole 12 a are reduced in seam. It can be used as a low defect plug. Actually, when the second tungsten film 16 is formed using the first tungsten film 15 as a seed layer, the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16 are integrated. The portion of the integrated tungsten film formed on the bottom surface of the contact hole 12a has a columnar structure, and the average diameter of the bottom of the columnar structure is 30 nm or less.

以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置、つまり図１に示す半導体装置の製造方法について説明する。   A semiconductor device according to an embodiment of the present invention, that is, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG.

図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。   2A to 2E are cross-sectional views showing respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

まず、図２（ａ）に示すように、半導体素子等を含む半導体集積回路（図示せず）が上面に設けられた半導体基板１１の上に、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）法等を用いて、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜１２を堆積する。続いて、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、絶縁膜１２に、直径が約０．１８μｍ、深さが約１．５μｍのコンタクトホール１２ａを半導体基板１１上の半導体素子に達するようにパターニング形成する。   First, as shown in FIG. 2A, a chemical vapor deposition (CVD) method or the like is used on a semiconductor substrate 11 provided with a semiconductor integrated circuit (not shown) including a semiconductor element or the like on the upper surface. Then, an insulating film 12 made of, for example, silicon oxide is deposited. Subsequently, a contact hole 12a having a diameter of about 0.18 μm and a depth of about 1.5 μm is patterned in the insulating film 12 so as to reach the semiconductor element on the semiconductor substrate 11 by using a photolithography method and a dry etching method. Form.

次に、図２（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法等を用いて、絶縁膜１２の上に全面にわたって、例えば膜厚が約５．５ｎｍのチタン膜１３と、例えば膜厚が約１１ｎｍの窒化チタン膜１４とを順次堆積する。これにより、コンタクトホール１２ａの壁面及び底面（コンタクトホール１２ａに露出する半導体基板１１の上面）が、チタン膜１３と窒化チタン膜１４との積層膜、つまり密着層によって覆われる。   Next, as shown in FIG. 2B, for example, a CVD method or the like is used to form a titanium film 13 having a film thickness of, for example, about 5.5 nm and a film thickness of, for example, about 11 nm on the entire surface of the insulating film 12. The titanium nitride film 14 is sequentially deposited. As a result, the wall surface and bottom surface of the contact hole 12a (the upper surface of the semiconductor substrate 11 exposed in the contact hole 12a) are covered with the laminated film of the titanium film 13 and the titanium nitride film 14, that is, the adhesion layer.

その後、窒化チタン膜１４までが形成された半導体基板１１を、例えばタングステン膜形成用のＣＶＤ装置の反応室に投入し、該反応室内に、例えば圧力が約１．２×１０4 Ｐａ（約９０Ｔｏｒｒ）の熱処理用のガスを導入する。その後、前記反応室内を例えば約４５０℃に昇温して、窒化チタン膜１４の表面に熱処理を施す。熱処理用のガスとしては、例えば、流量が約２８００mL/min（標準状態）のアルゴン（Ａｒ）ガスと、流量が約１０００mL/min（標準状態）の水素（Ｈ2 ）ガスとの混合ガスを用いる。そして、例えば約３０秒間にわたって半導体基板１１に対して熱処理を行なった後、例えば約３０秒間にわたって前記反応室から熱処理用のガスを排気する。 Thereafter, the semiconductor substrate 11 on which the titanium nitride film 14 is formed is put into a reaction chamber of a CVD apparatus for forming a tungsten film, for example, and the pressure is set to about 1.2 × 10 4 Pa (about 90 Torr, for example) in the reaction chamber. ) Gas for heat treatment is introduced. Thereafter, the temperature in the reaction chamber is raised to, for example, about 450 ° C., and the surface of the titanium nitride film 14 is subjected to heat treatment. As the gas for heat treatment, for example, a mixed gas of argon (Ar) gas having a flow rate of about 2800 mL / min (standard state) and hydrogen (H 2 ) gas having a flow rate of about 1000 mL / min (standard state) is used. . Then, for example, after the heat treatment is performed on the semiconductor substrate 11 for about 30 seconds, the heat treatment gas is exhausted from the reaction chamber for about 30 seconds, for example.

この熱処理により、窒化チタン膜１４の表面を、第１のタングステン膜１５を成長するための下地として適するように改質することができる。この熱処理の具体的な効果については後述する。   By this heat treatment, the surface of the titanium nitride film 14 can be modified to be suitable as a base for growing the first tungsten film 15. Specific effects of this heat treatment will be described later.

次に、前述のＣＶＤ装置の反応室に第１の原料ガスを導入し、例えば温度が約４５０℃で且つ圧力が約４．０×１０3 Ｐａ（約３０Ｔｏｒｒ）という条件に設定して、図２（ｃ）に示すように、窒化チタン膜１４の上に例えば膜厚約１７ｎｍの第１のタングステン膜１５をコンタクトホール１２ａが途中まで埋まるように堆積する。ここで、第１のタングステン膜１５を形成するための第１の原料ガスとしては、例えば、流量が約４２mL/min（標準状態）のフッ化タングステン（ＷＦ6 ）ガスと、流量が約５mL/min（標準状態）の水素化シリコン（ＳｉＨ4 ）ガスとの混合ガスを用いる。これにより、コンタクトホール１２ａの開口部におけるオーバーハングを防止しながら、第１のタングステン膜１５をカバレッジ良く形成できる。また、第１のタングステン膜１５を形成する際の下地となる窒化チタン膜１４は、前述の熱処理により、第１のタングステン膜１５の成長に適するように改質されているため、コンタクトホール１２ａの底面上においても、第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制することができる。 Next, the first source gas is introduced into the reaction chamber of the above-described CVD apparatus, and for example, the temperature is set to about 450 ° C. and the pressure is set to about 4.0 × 10 3 Pa (about 30 Torr). As shown in FIG. 2C, a first tungsten film 15 having a film thickness of, for example, about 17 nm is deposited on the titanium nitride film 14 so that the contact hole 12a is partially filled. Here, as the first source gas for forming the first tungsten film 15, for example, tungsten fluoride (WF 6 ) gas having a flow rate of about 42 mL / min (standard state) and a flow rate of about 5 mL / min. A mixed gas with min (standard state) silicon hydride (SiH 4 ) gas is used. Thereby, the first tungsten film 15 can be formed with good coverage while preventing an overhang in the opening of the contact hole 12a. Further, since the titanium nitride film 14 which is a base when forming the first tungsten film 15 is modified by the above-described heat treatment so as to be suitable for the growth of the first tungsten film 15, the contact hole 12a Even on the bottom surface, the average grain size of the first tungsten film 15 can be suppressed to 30 nm or less.

ここで、第１のタングステン膜１５を形成する工程は、前述の熱処理工程でＣＶＤ装置の反応室から熱処理用のガスを排気した後に該反応室を大気開放することなく第１の原料ガスを連続的に導入することによって実施されることが好ましい。このようにすると、熱処理によって改質された窒化チタン膜１４の表面が再び汚染されたり又は変質したりする危険性を排除できるため、第１のタングステン膜１５のグレインサイズを確実に小さくすることができる。   Here, in the step of forming the first tungsten film 15, the first source gas is continuously supplied without venting the reaction chamber after the heat treatment gas is exhausted from the reaction chamber of the CVD apparatus in the above-described heat treatment step. It is preferably carried out by introducing them. In this way, the risk of the surface of the titanium nitride film 14 modified by heat treatment being contaminated or altered again can be eliminated, so that the grain size of the first tungsten film 15 can be reliably reduced. it can.

次に、前述のＣＶＤ装置の反応室に第２の原料ガスを導入し、例えば温度が約４５０℃で且つ圧力が約１．２×１０4 Ｐａ（約９０Ｔｏｒｒ）という条件に設定して、図２（ｄ）に示すように、第１のタングステン膜１５の上に例えば膜厚約２００ｎｍの第２のタングステン膜１６をコンタクトホール１２ａが完全に埋まるように形成する。ここで、第２のタングステン膜１６を形成するための第２の原料ガスとしては、例えば、流量が約１２０mL/min（標準状態）のフッ化タングステンガスと、流量が約５００mL/min（標準状態）の水素（Ｈ2 ）ガスとの混合ガスを用いる。尚、第２のタングステン膜１６を形成する際の下地となる第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値はコンタクトホール１２ａの底面上においても３０ｎｍ以下に抑制されているので、第２のタングステン膜１６をモホロジ良く形成することができる。 Next, the second source gas is introduced into the reaction chamber of the above-described CVD apparatus, and for example, the temperature is set to about 450 ° C. and the pressure is set to about 1.2 × 10 4 Pa (about 90 Torr). As shown in FIG. 2D, a second tungsten film 16 of, eg, a thickness of about 200 nm is formed on the first tungsten film 15 so that the contact hole 12a is completely filled. Here, as the second source gas for forming the second tungsten film 16, for example, a tungsten fluoride gas having a flow rate of about 120 mL / min (standard state) and a flow rate of about 500 mL / min (standard state). ) With a hydrogen (H 2 ) gas. Note that the average value of the grain size of the first tungsten film 15 which is the base when forming the second tungsten film 16 is suppressed to 30 nm or less even on the bottom surface of the contact hole 12a. The film 16 can be formed with good morphology.

次に、図２（ｅ）に示すように、化学機械的研磨（ＣＭＰ）法により、コンタクトホール１２ａの外側の第２のタングステン膜１６、第１のタングステン膜１５、窒化チタン膜１４及びチタン膜１３、つまり絶縁膜１２の上面よりも上側に位置する第２のタングステン膜１６、第１のタングステン膜１５、窒化チタン膜１４及びチタン膜１３を順次研磨除去する。これにより、図１に示す本実施形態の半導体装置が完成する。   Next, as shown in FIG. 2E, the second tungsten film 16, the first tungsten film 15, the titanium nitride film 14, and the titanium film outside the contact hole 12a are formed by chemical mechanical polishing (CMP). 13, that is, the second tungsten film 16, the first tungsten film 15, the titanium nitride film 14, and the titanium film 13 positioned above the upper surface of the insulating film 12 are sequentially polished and removed. Thereby, the semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 1 is completed.

以上に説明したように、本実施形態によると、シード層となる第１のタングステン膜１５を形成する際に、コンタクトホール１２ａの底面上においても第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制できる。このため、コンタクトホール１２ａのアスペクト比が大きい場合であっても、該第１のタングステン膜１５をシード層として、コンタクトホール１２ａの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜１６を形成することができる。これにより、コンタクトホール１２ａに埋め込まれた第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６よりなるプラグにおいて、シーム等の欠陥を低減できるため、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。   As described above, according to the present embodiment, when the first tungsten film 15 serving as the seed layer is formed, the average value of the grain size of the first tungsten film 15 is also obtained on the bottom surface of the contact hole 12a. It can be suppressed to 30 nm or less. Therefore, even when the aspect ratio of the contact hole 12a is large, the second tungsten film 16 having good morphology can be formed inside the contact hole 12a using the first tungsten film 15 as a seed layer. it can. Thereby, defects such as seams can be reduced in the plug made of the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16 embedded in the contact hole 12a, and a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

また、以上に説明した本実施形態の効果は、プラグ形成用ホールの開口径が０．１８μｍ以下である場合に、特に次世代半導体装置で想定される開口径０．１１μｍのプラグ形成用ホールを対象とした場合に、極めて顕著なものとなる。   The effect of the present embodiment described above is that when the opening diameter of the plug forming hole is 0.18 μm or less, the plug forming hole having an opening diameter of 0.11 μm, which is assumed in the next-generation semiconductor device, is obtained. When targeted, it becomes extremely prominent.

図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における密着層（窒化チタン膜１４）に対する前述の熱処理の効果を説明するための図である。具体的には、図３において、該熱処理を行なった場合における第１のタングステン膜１５（コンタクトホール１２ａの底面上に形成されている部分）のグレインサイズの分布を、該熱処理を行なわなかった場合と比較して示している。尚、図３において、横軸は第１のタングステン膜１５のグレインサイズを表し、縦軸はグレインの個数を表している。また、実線は熱処理を行なった場合のグレインサイズの分布を表し、破線は熱処理を行なわなかった場合のグレインサイズの分布を表している。   FIG. 3 is a diagram for explaining the effect of the above-described heat treatment on the adhesion layer (titanium nitride film 14) in the method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Specifically, in FIG. 3, the grain size distribution of the first tungsten film 15 (the portion formed on the bottom surface of the contact hole 12a) when the heat treatment is performed is the case where the heat treatment is not performed. It shows in comparison with. In FIG. 3, the horizontal axis represents the grain size of the first tungsten film 15, and the vertical axis represents the number of grains. The solid line represents the grain size distribution when the heat treatment is performed, and the broken line represents the grain size distribution when the heat treatment is not performed.

図３に示すように、第１のタングステン膜１５の下地となる窒化チタン膜１４に対する熱処理を行なった後に第１のタングステン膜１５を形成する場合の方が、該熱処理を行なわなかった場合と比べて、タングステン膜のグレインサイズの平均値及びばらつきが小さくなる。具体的には、前述の熱処理後に形成された第１のタングステン膜１５のグレインサイズについては、平均値が約２６ｎｍであり、標準偏差σが約５．８ｎｍであり、最小値が約５ｎｍであり、最大値が約６５ｎｍである。それに対して、前述の熱処理を行なわずに形成されたタングステン膜のグレインサイズについては、平均値が約３７ｎｍであり、標準偏差σが約１０．８ｎｍである。このように、窒化チタン膜１４に対する熱処理を行なうことにより、コンタクトホール１２ａの底面上においても第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制できると共に、該グレインサイズのバラツキを小さくすることができる。   As shown in FIG. 3, the case where the first tungsten film 15 is formed after performing the heat treatment on the titanium nitride film 14 which is the base of the first tungsten film 15 is compared with the case where the heat treatment is not performed. Thus, the average value and variation of the grain size of the tungsten film are reduced. Specifically, regarding the grain size of the first tungsten film 15 formed after the aforementioned heat treatment, the average value is about 26 nm, the standard deviation σ is about 5.8 nm, and the minimum value is about 5 nm. The maximum value is about 65 nm. On the other hand, the grain size of the tungsten film formed without performing the above-described heat treatment has an average value of about 37 nm and a standard deviation σ of about 10.8 nm. Thus, by performing the heat treatment on the titanium nitride film 14, the average value of the grain size of the first tungsten film 15 can be suppressed to 30 nm or less even on the bottom surface of the contact hole 12a, and the variation in the grain size is reduced. can do.

本実施形態において、窒化チタン膜１４に対する熱処理を行なうことと、第１のタングステン膜１５のグレインサイズが低下することとの因果関係は明らかではないが、本願発明者らは次のように推測している。すなわち、窒化チタン膜１４の形成終了から第１のタングステン膜１５の形成開始までの間に窒化チタン膜１４の表面に生じた何らかの変質又は汚染等を前述の熱処理によって除去することができ、それにより窒化チタン膜１４の表面が、第１のタングステン膜１５を形成するための下地として適するように改質されるものと考えられる。尚、半導体装置のさらなる微細化、つまりコンタクトホール１２ａのさらなる微細化・高アスペクト比化に合わせて、コンタクトホール１２ａの底面上における第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍよりもさらに小さく抑制できることが好ましい。   In the present embodiment, the causal relationship between performing the heat treatment on the titanium nitride film 14 and reducing the grain size of the first tungsten film 15 is not clear, but the inventors of the present application presume as follows. ing. That is, any alteration or contamination generated on the surface of the titanium nitride film 14 from the end of the formation of the titanium nitride film 14 to the start of the formation of the first tungsten film 15 can be removed by the heat treatment described above. It is considered that the surface of the titanium nitride film 14 is modified so as to be suitable as a base for forming the first tungsten film 15. Note that the average grain size of the first tungsten film 15 on the bottom surface of the contact hole 12a is further increased from 30 nm in accordance with further miniaturization of the semiconductor device, that is, further miniaturization / high aspect ratio of the contact hole 12a. It is preferable that it can be suppressed small.

以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６のそれぞれを形成する工程における具体的な条件を検討した結果について説明する。   Hereinafter, a result of studying specific conditions in the process of forming each of the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16 in the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment will be described.

まず、コンタクトホール１２ａの底面上においても第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を約３０ｎｍ以下に抑制するための具体的な条件を検討した結果について図面を参照しながら詳細に説明する。   First, the results of examining specific conditions for suppressing the average grain size of the first tungsten film 15 to about 30 nm or less also on the bottom surface of the contact hole 12a will be described in detail with reference to the drawings.

図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜１５を形成する工程に用いる第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量と、第１のタングステン膜１５の成膜速度との関係を示すグラフである。図４において、横軸はフッ化タングステンガスの流量を表し、縦軸は第１のタングステン膜１５の成膜速度を表している。また、図４に示す各データは、第１の原料ガスのうちの水素化シリコンガスの流量を約１０mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。   FIG. 4 shows the flow rate of tungsten fluoride gas in the first source gas used in the step of forming the first tungsten film 15 in the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and the first 3 is a graph showing a relationship with a film formation rate of a tungsten film 15; In FIG. 4, the horizontal axis represents the flow rate of the tungsten fluoride gas, and the vertical axis represents the deposition rate of the first tungsten film 15. Each data shown in FIG. 4 is measured with the flow rate of the silicon hydride gas in the first source gas fixed at about 10 mL / min (standard state).

図４に示すように、第１の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量が増大するにつれて、第１のタングステン膜１５の成膜速度が向上する一方、該流量が約４２mL/min（標準状態）に達すると、第１のタングステン膜１５の成膜速度はほとんど増大しなくなる。従って、第１の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）以上に設定することにより、第１のタングステン膜１５を反応律速領域で成膜できることが分かる。   As shown in FIG. 4, as the flow rate of the tungsten fluoride gas in the first source gas increases, the deposition rate of the first tungsten film 15 increases, while the flow rate is about 42 mL / min (standard state). When reaching the above, the deposition rate of the first tungsten film 15 hardly increases. Therefore, it can be seen that the first tungsten film 15 can be formed in the reaction rate-determining region by setting the flow rate of the tungsten fluoride gas in the first source gas to about 42 mL / min (standard state) or more.

図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のタングステン膜１５の形成後の時点で得られたコンタクトホール１２ａの電子顕微鏡写真であって、図５（ａ）は第１の原料ガスにおける水素化シリコンガスの流量が５mL/min（標準状態）の場合、図５（ｂ）は該流量が３０mL/min（標準状態）の場合をそれぞれ示している。尚、図５（ａ）及び（ｂ）に示す各データは、第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）に固定して得られたものである。   5A and 5B are electron micrographs of the contact hole 12a obtained at the time after the formation of the first tungsten film 15 in the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. FIG. 5A shows the case where the flow rate of the silicon hydride gas in the first source gas is 5 mL / min (standard state), and FIG. 5B shows the case where the flow rate is 30 mL / min (standard state). Show. Each data shown in FIGS. 5A and 5B is obtained by fixing the flow rate of tungsten fluoride gas in the first source gas to about 42 mL / min (standard state). .

図５（ａ）に示すように、水素化シリコンガスの流量が約５mL/min（標準状態）の場合、第１のタングステン膜１５はコンタクトホール１２ａの底面上においてもほぼ設定した通りの膜厚で形成されている。それに対して、図５（ｂ）に示すように、水素化シリコンガスの流量が約３０mL/min（標準状態）の場合、コンタクトホール１２ａの底面上において第１のタングステン膜１５の膜厚が設定値よりも小さくなっている。このように、第１の原料ガスのうちの水素化シリコンガスの流量が小さい程、第１のタングステン膜１５におけるコンタクトホール１２ａの底面被覆率（ボトムカバレッジ）が向上していることが確認できる。   As shown in FIG. 5A, when the flow rate of the silicon hydride gas is about 5 mL / min (standard state), the first tungsten film 15 has a film thickness almost as set on the bottom surface of the contact hole 12a. It is formed with. On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the flow rate of the silicon hydride gas is about 30 mL / min (standard state), the film thickness of the first tungsten film 15 is set on the bottom surface of the contact hole 12a. It is smaller than the value. Thus, it can be confirmed that the bottom coverage of the contact hole 12a in the first tungsten film 15 is improved as the flow rate of the silicon hydride gas in the first source gas is smaller.

図６は、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜１５の底面被覆率と第１の原料ガスのうちの水素化シリコンガスの流量との関係を測定した結果を示している。図６において、横軸は水素化シリコンガスの流量を表し、縦軸は第１のタングステン膜１５の底面被覆率を表している。ここで、底面被覆率は、コンタクトホール１２ａの底面上における第１のタングステン膜１５の膜厚の、コンタクトホール１２ａの外側における第１のタングステン膜１５の膜厚に対する比率を意味する。尚、図６に示す各データは、第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。   FIG. 6 shows the result of measuring the relationship between the bottom surface coverage of the first tungsten film 15 and the flow rate of the silicon hydride gas in the first source gas in the method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment. Yes. In FIG. 6, the horizontal axis represents the flow rate of the silicon hydride gas, and the vertical axis represents the bottom surface coverage of the first tungsten film 15. Here, the bottom surface coverage means the ratio of the film thickness of the first tungsten film 15 on the bottom surface of the contact hole 12a to the film thickness of the first tungsten film 15 outside the contact hole 12a. Each data shown in FIG. 6 is measured with the flow rate of tungsten fluoride gas of the first source gas fixed at about 42 mL / min (standard state).

図６に示すように、第１のタングステン膜１５の底面被覆率は、水素化シリコンガスの流量が小さくなるにつれて向上していくことがわかる。特に、水素化シリコンガスの流量が約５mL/min（標準状態）の場合には、第１のタングステン膜１５の底面被覆率は約６３％にまで向上する。図６から明らかなように、第１の原料ガスにおける水素化シリコンガスの流量は５mL/min（標準状態）以下であることが好ましい。このようにすると、第１のタングステン膜１５の底面被覆率を向上することができる。言い換えると、コンタクトホール１２ａの開口部における第１のタングステン膜１５のオーバーハングを防止でき、それによって第１のタングステン膜１５上に第２のタングステン膜１６をモホロジ良く形成することができる。   As shown in FIG. 6, it can be seen that the bottom coverage of the first tungsten film 15 increases as the flow rate of the silicon hydride gas decreases. In particular, when the flow rate of the silicon hydride gas is about 5 mL / min (standard state), the bottom coverage of the first tungsten film 15 is improved to about 63%. As is apparent from FIG. 6, the flow rate of the silicon hydride gas in the first source gas is preferably 5 mL / min (standard state) or less. In this way, the bottom coverage of the first tungsten film 15 can be improved. In other words, the overhang of the first tungsten film 15 in the opening of the contact hole 12a can be prevented, whereby the second tungsten film 16 can be formed on the first tungsten film 15 with good morphology.

このように、本実施形態では、第１のタングステン膜１５の形成に用いる第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）とした場合、水素化シリコンガスの流量を約５mL/min（標準状態）に設定することにより、言い換えると、水素化シリコンガスに対するフッ化タングステンガスの流量比を８．４に設定することにより、反応律速領域の成膜条件で第１のタングステン膜１５を形成できる。その結果、カバレッジが良好な第１のタングステン膜１５を形成することができる。   Thus, in the present embodiment, when the flow rate of tungsten fluoride gas in the first source gas used for forming the first tungsten film 15 is about 42 mL / min (standard state), silicon hydride gas Is set to about 5 mL / min (standard state), in other words, by setting the flow ratio of tungsten fluoride gas to silicon hydride gas to 8.4, the film formation conditions in the reaction rate controlling region can be increased. A first tungsten film 15 can be formed. As a result, the first tungsten film 15 with good coverage can be formed.

また、第１のタングステン膜１５の形成工程において、フッ化タングステンガス及び水素化シリコンガスのそれぞれの流量が約４２mL/min及び約５mL/min（標準状態）に限られるものではないことは言うまでもない。例えば、フッ化タングステンガスの流量が４２mL/min（標準状態）以上であってもよく、水素化シリコンガスの流量が５mL/min（標準状態）以下であってもよい。すなわち、水素化シリコンガスに対するフッ化タングステンガスの流量比の値が８．４以上であれば、第１のタングステン膜１５をカバレッジ良く形成することが可能である。   Needless to say, in the step of forming the first tungsten film 15, the flow rates of the tungsten fluoride gas and the silicon hydride gas are not limited to about 42 mL / min and about 5 mL / min (standard state), respectively. . For example, the flow rate of tungsten fluoride gas may be 42 mL / min (standard state) or more, and the flow rate of silicon hydride gas may be 5 mL / min (standard state) or less. That is, if the value of the flow ratio of tungsten fluoride gas to silicon hydride gas is 8.4 or more, the first tungsten film 15 can be formed with good coverage.

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜１６を形成する工程の具体的な条件を検討した結果について図面を参照しながら詳細に説明する。   Next, a result of studying specific conditions of the step of forming the second tungsten film 16 in the method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

図７は、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜１６を形成するための第２の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量と、第２のタングステン膜１６の成膜速度との関係を示すグラフである。図７において、横軸はフッ化タングステンガスの流量を表し、縦軸は第２のタングステン膜１６の成膜速度を表している。尚、図７に示す各データは、第２の原料ガスのうちの水素ガスの流量を７００mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。   FIG. 7 shows the flow rate of tungsten fluoride gas in the second source gas for forming the second tungsten film 16 and the formation of the second tungsten film 16 in the method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment. It is a graph which shows the relationship with a film | membrane speed | velocity. In FIG. 7, the horizontal axis represents the flow rate of the tungsten fluoride gas, and the vertical axis represents the deposition rate of the second tungsten film 16. Each data shown in FIG. 7 is measured with the flow rate of hydrogen gas of the second source gas fixed at 700 mL / min (standard state).

図７に示すように、第２の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量が増大するにつれて、第２のタングステン膜１６の成膜速度が向上する一方、該流量が約１２０mL/min（標準状態）に達すると、第２のタングステン膜１６の成膜速度はほとんど変化しなくなる。従って、第２の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量を約１２０mL/min（標準状態）以上に設定することにより、第２のタングステン膜１６を反応律速領域で成膜できることがわかる。   As shown in FIG. 7, as the flow rate of the tungsten fluoride gas in the second source gas increases, the deposition rate of the second tungsten film 16 increases, while the flow rate is about 120 mL / min (standard state). When this value is reached, the deposition rate of the second tungsten film 16 hardly changes. Therefore, it can be seen that the second tungsten film 16 can be formed in the reaction rate-determining region by setting the flow rate of the tungsten fluoride gas in the second source gas to about 120 mL / min (standard state) or more.

図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜１６を形成するための第２の原料ガス、つまりフッ化タングステンガス及び水素ガスのそれぞれの流量と、形成される第２のタングステン膜１６におけるコンタクトホール１２ａの側面被覆率（サイドカバレッジ）との関係を示しており、図８（ａ）はフッ化タングステンガスの流量と側面被覆率との関係を示し、図８（ｂ）は水素ガスの流量と側面被覆率との関係を示している。図８（ａ）において、横軸はフッ化タングステンガスの流量を表し、縦軸は第２のタングステン膜１６の側面被覆率を表している。図８（ｂ）において、横軸は水素ガスの流量を表し、縦軸は第２のタングステン膜１６の側面被覆率を表している。ここで、側面被覆率は、コンタクトホール１２ａの壁面（側面）上における第２のタングステン膜１６の膜厚の、コンタクトホール１２ａの外側における第２のタングステン膜１６の膜厚に対する比率を意味する。尚、図８（ａ）に示す各データは、第２の原料ガスのうちの水素ガスの流量を約７００mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。また、図８（ｂ）に示す各データは、第２の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を９５mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。   FIGS. 8A and 8B show the second source gas for forming the second tungsten film 16, that is, the tungsten fluoride gas and the hydrogen gas, in the method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment. 8 shows the relationship between the flow rate and the side coverage (side coverage) of the contact hole 12a in the second tungsten film 16 to be formed. FIG. 8A shows the relationship between the flow rate of tungsten fluoride gas and the side coverage. FIG. 8B shows the relationship between the flow rate of hydrogen gas and the side coverage. In FIG. 8A, the horizontal axis represents the flow rate of the tungsten fluoride gas, and the vertical axis represents the side coverage of the second tungsten film 16. In FIG. 8B, the horizontal axis represents the hydrogen gas flow rate, and the vertical axis represents the side coverage of the second tungsten film 16. Here, the side coverage means the ratio of the film thickness of the second tungsten film 16 on the wall surface (side surface) of the contact hole 12a to the film thickness of the second tungsten film 16 outside the contact hole 12a. In addition, each data shown to Fig.8 (a) is measured by fixing the flow volume of the hydrogen gas of 2nd raw material gas to about 700 mL / min (standard state). Further, each data shown in FIG. 8B is measured by fixing the flow rate of tungsten fluoride gas in the second source gas at 95 mL / min (standard state).

図８（ａ）に示すように、水素ガスの流量を固定した場合、第２のタングステン膜１６の側面被覆率は、フッ化タングステンの流量を８０mL/min（標準状態）から増大させるに従って向上していき、フッ化タングステンの流量が１２０mL/min（標準状態）になると、ほぼ反応律速状態に達する。   As shown in FIG. 8A, when the flow rate of hydrogen gas is fixed, the side coverage of the second tungsten film 16 increases as the flow rate of tungsten fluoride is increased from 80 mL / min (standard state). When the flow rate of tungsten fluoride reaches 120 mL / min (standard state), the reaction rate is almost controlled.

また、図８（ｂ）に示すように、フッ化タングステンの流量を固定した場合、第２のタングステン膜１６の側面被覆率は、水素ガスの流量を約９００mL/min（標準状態）から減少させるに従って向上していき、水素ガスの流量が約５００mL/min（標準状態）になると、ほぼ反応律速状態に達する。   Further, as shown in FIG. 8B, when the flow rate of tungsten fluoride is fixed, the side coverage of the second tungsten film 16 decreases the flow rate of hydrogen gas from about 900 mL / min (standard state). As the flow rate of hydrogen gas reaches about 500 mL / min (standard state), the reaction rate is almost controlled.

従って、本実施形態では、第２のタングステン膜１６の形成に用いる第２の原料ガスとして、流量が約１２０mL/min（標準状態）のフッ化タングステンと、流量が約５００mL/min（標準状態）の水素ガスとを用いることにより、言い換えると、水素ガスに対するフッ化タングステンガスの流量比を０．２４に設定することにより、反応律速領域の成膜条件で第２のタングステン膜１６を形成できる。その結果、モホロジが良好な第２のタングステン膜１６を形成することができる。   Therefore, in the present embodiment, tungsten fluoride having a flow rate of about 120 mL / min (standard state) and a flow rate of about 500 mL / min (standard state) are used as the second source gas used for forming the second tungsten film 16. In other words, by setting the flow ratio of tungsten fluoride gas to hydrogen gas to 0.24, the second tungsten film 16 can be formed under the film formation conditions in the reaction rate-determining region. As a result, the second tungsten film 16 with good morphology can be formed.

また、第２のタングステン膜１６の形成工程において、フッ化タングステンガス及び水素ガスのそれぞれの流量が約１２０mL/min（標準状態）及び約５００mL/min（標準状態）に限られるものではないことは言うまでもない。図７及び図８（ａ）、（ｂ）を用いて説明したように、例えば、フッ化タングステンガスの流量が約１２０mL/min（標準状態）以上であっても良く、水素ガスの流量が５００mL/min（標準状態）以下であってもよい。すなわち、水素ガスに対するフッ化タングステンガスの流量比の値が０．２４以上であれば、モホロジが良好な第２のタングステン膜１６を形成することが可能である。   Further, in the step of forming the second tungsten film 16, the flow rates of the tungsten fluoride gas and the hydrogen gas are not limited to about 120 mL / min (standard state) and about 500 mL / min (standard state). Needless to say. As described with reference to FIGS. 7 and 8A and 8B, for example, the flow rate of tungsten fluoride gas may be about 120 mL / min (standard state) or more, and the flow rate of hydrogen gas is 500 mL. It may be less than / min (standard state). In other words, if the value of the flow ratio of tungsten fluoride gas to hydrogen gas is 0.24 or more, the second tungsten film 16 with good morphology can be formed.

尚、本実施形態において、第１のタングステン膜１５の形成前に、第１のタングステン膜１５の下地となる窒化チタン膜１４に対する熱処理工程は必須工程ではない。すなわち、コンタクトホール１２ａの底面上においてもグレインサイズの平均値が３０ｎｍ以下となるように第１のタングステン膜１５を形成できればよいのである。このためには、窒化チタン膜１４の表面が清浄化された状態で第１のタングステン膜１５の成膜を行なえればよい。従って、窒化チタン膜１４の形成後に、熱処理以外の他の方法によって窒化チタン膜１４の表面を清浄化してもよい。或いは、例えば、窒化チタン膜１４を形成した後、直ちに第１のタングステン膜１５を形成してもよい。このようにすると、窒化チタン膜１４の表面が変質したり又は汚染されたりする前に第１のタングステン膜１５を形成できるため、第１のタングステン膜１５におけるコンタクトホール１２ａの底面上に形成されている部分のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制することができる。   In the present embodiment, before the first tungsten film 15 is formed, the heat treatment process for the titanium nitride film 14 that is the base of the first tungsten film 15 is not an essential process. That is, it is only necessary to form the first tungsten film 15 so that the average grain size is 30 nm or less even on the bottom surface of the contact hole 12a. For this purpose, the first tungsten film 15 may be formed with the surface of the titanium nitride film 14 being cleaned. Therefore, after the formation of the titanium nitride film 14, the surface of the titanium nitride film 14 may be cleaned by a method other than heat treatment. Alternatively, for example, the first tungsten film 15 may be formed immediately after the titanium nitride film 14 is formed. In this way, the first tungsten film 15 can be formed before the surface of the titanium nitride film 14 is altered or contaminated, so that the first tungsten film 15 is formed on the bottom surface of the contact hole 12a. The average value of the grain size of the existing portion can be suppressed to 30 nm or less.

また、本実施形態において、チタン膜１３と窒化チタン膜１４との積層膜よりなる密着層に対して、アルゴンガスと水素ガスとの混合ガスよりなる熱処理用ガスを用いて熱処理を行なった。しかし、密着層として、チタン膜１３と窒化チタン膜１４との積層膜に代えて、窒化チタン膜の単層膜、又は窒化タンタル膜若しくは窒化タングステン膜等を用いてもよい。また、熱処理用ガスとしては、アルゴンガスと水素ガスとの混合ガスに限られず、還元性又は非酸化性を有するガスを用いることができる。このようにすると、熱処理温度を４５０℃程度の高温に設定した場合にも、半導体装置表面、具体的には密着層の表面の酸化を防止しながら、密着層の表面に生じた汚染等を確実に除去できるため、熱処理に起因して半導体装置の性能が劣化することがない。また、熱処理用ガスを用いずに、他の方法によって密着層に対する熱処理を行なってもよいことは言うまでもない。   Further, in the present embodiment, heat treatment is performed on the adhesion layer made of the laminated film of the titanium film 13 and the titanium nitride film 14 using a heat treatment gas made of a mixed gas of argon gas and hydrogen gas. However, instead of the laminated film of the titanium film 13 and the titanium nitride film 14, a single layer film of a titanium nitride film, a tantalum nitride film, a tungsten nitride film, or the like may be used as the adhesion layer. Further, the heat treatment gas is not limited to a mixed gas of argon gas and hydrogen gas, and a gas having a reducing property or a non-oxidizing property can be used. In this way, even when the heat treatment temperature is set to a high temperature of about 450 ° C., the surface of the semiconductor device, specifically, the surface of the adhesion layer is prevented from being oxidized, and contamination generated on the surface of the adhesion layer is surely prevented. Therefore, the performance of the semiconductor device does not deteriorate due to heat treatment. Needless to say, the adhesion layer may be heat-treated by other methods without using the heat treatment gas.

また、本実施形態において、窒化チタン膜１４つまり密着層に対して熱処理を行なう工程と、タングステン膜（第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６）を形成する工程とを同一の反応室内で行なったが、これに代えて、両工程を別々の反応室内で行なってもよい。   In the present embodiment, the step of performing a heat treatment on the titanium nitride film 14, that is, the adhesion layer, and the step of forming the tungsten film (the first tungsten film 15 and the second tungsten film 16) are performed in the same reaction chamber. However, instead of this, both steps may be performed in separate reaction chambers.

また、本実施形態において、半導体素子上において該素子と接続するコンタクトホールにおけるタングステンプラグの形成を例として説明したが、他の用途を持つホール、例えば配線上において該配線と接続するビアホールにおけるタングステンプラグの形成を対象としても、同様の効果が得られる。   In this embodiment, the formation of a tungsten plug in a contact hole connected to the element on the semiconductor element has been described as an example. However, a tungsten plug in a hole having another use, for example, a via hole connected to the wiring on the wiring. The same effect can be obtained even for the formation of.

以上、本願発明者らによってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明してきたが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能であることは言うまでもない。すなわち、前記実施例では、本発明を半導体集積回路の製造方法に適用した場合について説明したが、本発明は、タングステンを利用した電極形成プロセスを伴う全ての半導体集積回路の製造方法に適用可能である。   As mentioned above, although the invention made by the inventors of the present application has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments and can be modified without departing from the gist thereof. Needless to say. That is, in the above embodiment, the case where the present invention is applied to a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit has been described. However, the present invention is applicable to all methods for manufacturing a semiconductor integrated circuit involving an electrode formation process using tungsten. is there.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、絶縁膜に設けられた高アスペクト比のホールの内部に低欠陥のタングステンプラグを形成できるという格別の効果を有し、タングステンプラグを有する半導体装置及びその製造方法等として有用である。   The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention have a special effect that a low-defect tungsten plug can be formed inside a high aspect ratio hole provided in an insulating film. This is useful as a production method.

本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. （ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows each process of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における密着層に対する熱処理の効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the heat processing with respect to the contact | glue layer in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜の形成に用いるフッ化タングステンガスの流量と第１のタングステン膜の成膜速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the flow volume of the tungsten fluoride gas used for formation of the 1st tungsten film, and the film-forming speed | rate of the 1st tungsten film in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のタングステン膜の形成後の時点で得られたコンタクトホールの電子顕微鏡写真であって、（ａ）は、第１のタングステン膜の形成に用いる水素化シリコンガスの流量が５mL/min（標準状態）の場合、（ｂ）は該流量が３０mL/min（標準状態）の場合をそれぞれ示している。(A) And (b) is the electron micrograph of the contact hole obtained at the time after formation of the 1st tungsten film in the manufacturing method of the semiconductor device concerning one embodiment of the present invention, and (a) FIG. 5 shows the case where the flow rate of the silicon hydride gas used for forming the first tungsten film is 5 mL / min (standard state), and FIG. 5B shows the case where the flow rate is 30 mL / min (standard state). 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜の底面被覆率と、第１のタングステン膜の形成に用いる水素化シリコンガスの流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the bottom face coverage of a 1st tungsten film, and the flow volume of the silicon hydride gas used for formation of a 1st tungsten film in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜の形成に用いるフッ化タングステンガスの流量と第２のタングステン膜の成膜速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the flow rate of the tungsten fluoride gas used for formation of the 2nd tungsten film, and the film-forming speed | rate of the 2nd tungsten film in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. （ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜の側面被覆率と、第２のタングステン膜の形成に用いるフッ化タングステンガスの流量との関係を示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜の側面被覆率と、第２のタングステン膜の形成に用いる水素ガスの流量との関係を示す図である。(A) shows the relationship between the side coverage of the second tungsten film and the flow rate of the tungsten fluoride gas used to form the second tungsten film in the method of manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. (B) is a side coverage of the second tungsten film, and a flow rate of hydrogen gas used for forming the second tungsten film in the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship. 従来の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the conventional semiconductor device. 従来の半導体装置の製造方法の問題点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the problem of the manufacturing method of the conventional semiconductor device. 従来の半導体装置の製造方法の問題点を本願発明者らが検討した結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the result which this inventor examined the problem of the manufacturing method of the conventional semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

１１ 半導体基板
１２ 絶縁膜
１２ａ コンタクトホール
１３ チタン膜
１４ 窒化チタン膜
１５ 第１のタングステン膜
１６ 第２のタングステン膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Semiconductor substrate 12 Insulating film 12a Contact hole 13 Titanium film 14 Titanium nitride film 15 1st tungsten film 16 2nd tungsten film

Claims (15)

絶縁膜に設けられたホールにタングステンプラグを埋め込む方法であって、
前記タングステンプラグとなる第１のタングステン膜を前記ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に形成する工程と、
前記第１のタングステン膜をシード層として、前記タングステンプラグとなる第２のタングステン膜を形成し、前記ホールを埋め込む工程とを備え、
前記第１のタングステン膜を形成する工程において、前記第１のタングステン膜における前記ホールの底面上に形成されている部分の結晶粒の粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of embedding a tungsten plug in a hole provided in an insulating film,
Forming a first tungsten film to be the tungsten plug on each of a wall surface and a bottom surface of the hole;
Forming a second tungsten film to be the tungsten plug using the first tungsten film as a seed layer, and embedding the holes,
In the step of forming the first tungsten film, an average value of crystal grain sizes of a portion of the first tungsten film formed on the bottom surface of the hole is suppressed to 30 nm or less. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記第１のタングステン膜を形成する工程よりも前に、
前記ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に密着層を形成する工程と、
前記密着層に対して熱処理を行なって前記密着層の表面を清浄化する工程とをさらに備え、
前記第１のタングステン膜は、清浄化された前記密着層の表面上に形成されることを特徴する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。 Before the step of forming the first tungsten film,
Forming an adhesion layer on each of the wall and bottom of the hole;
A step of performing a heat treatment on the adhesion layer to clean the surface of the adhesion layer,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first tungsten film is formed on the cleaned surface of the adhesion layer. 前記熱処理を行なう工程と前記第１のタングステン膜を形成する工程とは同一反応室内において大気開放することなく連続的に行なわれることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the step of performing the heat treatment and the step of forming the first tungsten film are continuously performed in the same reaction chamber without opening to the atmosphere. 前記熱処理を行なう工程は、前記反応室内に熱処理ガスを導入して所定の期間にわたって前記反応室内を昇温した後、前記反応室から前記熱処理ガスを排気する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。   The step of performing the heat treatment includes a step of exhausting the heat treatment gas from the reaction chamber after introducing a heat treatment gas into the reaction chamber and heating the reaction chamber over a predetermined period. 4. A method for manufacturing a semiconductor device according to 3. 前記熱処理ガスは、アルゴンガスと水素ガスとからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the heat treatment gas includes argon gas and hydrogen gas. 前記第１のタングステン膜を形成する工程は、フッ化タングステンガスと水素化シリコンガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施され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。   2. The semiconductor device manufacturing method according to claim 1, wherein the step of forming the first tungsten film is performed by a CVD method using tungsten fluoride gas and silicon hydride gas as source gases. Method. 前記水素化シリコンガスの流量に対する前記フッ化タングステンガスの流量の比は８．４以上に設定されることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein a ratio of the flow rate of the tungsten fluoride gas to the flow rate of the silicon hydride gas is set to 8.4 or more. 前記第２のタングステン膜を形成する工程は、フッ化タングステンガスと水素ガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施され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。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of forming the second tungsten film is performed using a CVD method using tungsten fluoride gas and hydrogen gas as source gases. 前記水素ガスの流量に対する前記フッ化タングステンガスの流量の比は０．２４以上に設定されることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein a ratio of the flow rate of the tungsten fluoride gas to the flow rate of the hydrogen gas is set to 0.24 or more. 前記密着層は、チタン膜と窒化チタン膜とが順次積層された積層膜であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the adhesion layer is a laminated film in which a titanium film and a titanium nitride film are sequentially laminated. 前記ホールの開口径は０．１８μｍ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の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an opening diameter of the hole is 0.18 μm or less. 絶縁膜に設けられたホールに埋め込まれたタングステンプラグを備えた半導体装置であって、
前記タングステンプラグにおける前記ホールの底面上に形成されている部分は柱状構造を有し、且つ該柱状構造の底部の直径の平均値は３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including a tungsten plug embedded in a hole provided in an insulating film,
The portion of the tungsten plug formed on the bottom surface of the hole has a columnar structure, and the average value of the diameter of the bottom of the columnar structure is 30 nm or less. 前記絶縁膜と前記タングステンプラグとの間に密着層が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載に半導体装置。   The semiconductor device according to claim 12, wherein an adhesion layer is provided between the insulating film and the tungsten plug. 前記密着層は、チタン膜と窒化チタン膜とが順次積層された積層膜であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 13, wherein the adhesion layer is a laminated film in which a titanium film and a titanium nitride film are sequentially laminated. 前記ホールの開口径は０．１８μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 12, wherein an opening diameter of the hole is 0.18 μm or less.
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