JP2005158947A

JP2005158947A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005158947A
Application number: JP2003394187A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nishimura; 淳西村; Toru Hinomura; 徹樋野村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】微細及び高アスペクト比孔に対して原子層堆積（ＡＬＤ法）によってタングステン電極を形成する際の密着性の低下、及び後工程におけるウエハベベル部からのパーティクルの発生を抑制する。
【解決手段】密着層の窒化チタン１０３上にＡＬＤ法によって第１のタングステン１０４を堆積した後、孔の底部及び壁面の上以外の第１のタングステン１０４を除去する。次に第１のタングステン１０４を除去した部分にＣＶＤ法によって第２のタングステン１０５を堆積する。次に孔の中の第１のタングステン１０４及び絶縁膜１０２上の第２のタングステン１０５の上に第３のタングステン１０６を堆積する。この構成により、窒化チタン１０３と第３のタングステン１０６との密着性が向上する。また第１のタングステン１０４はウエハベベル部に堆積されないため、後工程におけるパーティクルの発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に半導体基板上の絶縁性または導電性の膜の上にタングステンからなる電極を形成する電極形成方法に関するものである。

昨今半導体集積回路の微細化が加速し、それに伴いコンタクト及びヴィアの微細化、高アスペクト比化も加速している。従来よりタングステンを電極に用いた半導体集積回路が実用化されている。微細化、高アスペクト比化の進んだコンタクト及びヴィアに対しては、原子層堆積法（ＡＬＤ法）を用いたタングステン電極の形成方法が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

以下図５を参照しながら、ＡＬＤ法を用いて形成したタングステン電極を有する従来の半導体装置の製造方法について説明する。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、左図は半導体装置の断面図を示し、右図はウエハの斜視図を示している。

まず図５（ａ）に示すように、シリコンよりなる半導体基板２００の上に、電極用の孔を有する絶縁膜２０１を形成した後、該絶縁膜２０１の上部、及び孔の底面及び壁面に密着層となるチタン膜（高融点金属膜）２０２を堆積し、その上に密着層となる窒化チタン膜（高融点金属膜）２０３を堆積する。次に、第１のタングステン２０４を、フッ化タングステンと水素化ホウ素（または水素化シリコン）を用いたＡＬＤ法により窒化チタン膜２０３上に堆積する。

その後、図５（ｂ）に示すように、第２のタングステン膜２０５を、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２０４上に堆積させる。

次に、図５（ｃ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術を用いて、絶縁膜２０１の上に存在する部分（孔の底部及び壁面上以外の絶縁膜上面の導電膜）を除去して、タングステン電極を形成する。
特開２００２−３８２７１号公報

しかしながら、上記従来の製造方法では、上記密着層窒化チタン膜２０３とＡＬＤ法により堆積した第１のタングステン２０４との密着性が悪いため、孔の底部及び壁面上以外の絶縁膜上面に膜剥がれが発生する。

また、上記絶縁膜２０１上に存在する導電膜部分をＣＭＰ法により正常に除去することができない。すなわち、従来の手法で成膜した導電膜は膜の上面より順次研磨されていくが、ＡＬＤ法で成膜した膜は研磨時に膜はがれが発生し、研磨が均一に進行しない、またはがれた膜がウエハ表面を傷つけるなどの弊害が発生するおそれがある。

また、ＡＬＤ法により堆積した第１のタングステン２０４はウエハベベル部まで堆積されるため、絶縁膜２０１上に存在する導電体部分をＣＭＰ法により除去した後もウエハベベル部では第１のタングステン２０４が残り、後工程におけるパーティクルの発生源となる。

本発明は上記の課題を解決するもので、ＡＬＤ法を用いたタングステン電極形成において、タングステン電極と密着層窒化チタン等の高融点金属膜との密着性を向上させ、かつウエハベベル部のタングステン残りを防止することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を堆積する工程と、絶縁膜上に孔を形成する工程と、孔の中に高融点金属膜を堆積する工程と、高融点金属膜上に原子層堆積法を用いて第１のタングステンを堆積する工程と、孔の底部及び壁面上以外の第１のタングステンを除去する工程と、第１のタングステンを除去した部分にＣＶＤ法を用いて第２のタングステンを堆積する工程と、孔の中の第１のタングステン、及び孔の底部及び壁面上以外の第２のタングステンの上にＣＶＤ法を用いて第３のタングステンを堆積することを特徴とする。

この方法により、上記高融点金属膜と第３のタングステンとの密着性が向上し、また上記第１のタングステンはウエハベベル部に堆積されないため、後工程におけるパーティクルの発生も抑制することができる。すなわち、この発明によると、後工程で、絶縁膜上に存在する部分をＣＭＰ法により正常に除去することができる。なぜなら、孔の底部及び壁面上以外の絶縁膜表面の第１のタングステンは取り除かれることになり、ＣＭＰの際、研磨する部分には第１のタングステンが存在しないということになるからである。

上記の半導体装置の製造方法においては、上記孔の底部及び壁面上以外の第１のタングステンを除去する方法として、フッ化炭素を用いたタングステンＣＶＤ装置におけるチャンバクリーニング法を使用することが好ましい。上記の半導体装置の製造方法においては、タングステンとフッ化炭素の化学反応において、フッ化炭素の供給律速領域を使用することが好ましい。

上記の半導体装置の製造方法においては、上記孔の底部及び壁面上以外の第１のタングステンを除去する方法として、フッ化硫黄を用いたタングステンエッチバック法を使用することが好ましい。上記の半導体装置の製造方法においては、タングステンとフッ化硫黄の化学反応において、フッ化硫黄の供給律速領域を使用することが好ましい。

上記の半導体装置の製造方法においては、上記孔の底部及び壁面の上以外の第１のタングステンを除去した後、第１のタングステンを除去した部分にＣＶＤ法を用いて第２のタングステンを堆積する際、フッ化タングステンの水素化シリコン還元反応におけるフッ化タングステンの供給律速領域を使用することが好ましい。

以上のように、本発明によれば、高融点金属膜と第３のタングステンとの密着性が向上し、また第１のタングステンはウエハベベル部に堆積されないため、後工程におけるパーティクルの発生も抑制することができる。

したがって、ＡＬＤ法を用いたタングステン電極形成において、タングステン電極と高融点金属膜との密着性を向上させ、かつウエハベベル部のタングステン残りを防止する半導体装置の製造方法を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について、図１を参照しながら説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において、左図は半導体装置の断面図を示し、右図はウエハの斜視図を示している。

まず図１（ａ）に示すように、シリコンよりなる半導体基板１００の上にコンタクト用の孔を有する絶縁膜１０１を形成した後、該絶縁膜１０１の上部及び孔の底面及び壁面に密着層となるチタン膜（第１の高融点金属膜）１０２、その上に密着層となる窒化チタン膜（第２の高融点金属膜）１０３を堆積する。次に、第１のタングステン１０４を３００℃、５ｔｏｒｒ（≒６６５Ｐａ）、ＷＦ₆流量２０ｓｃｃｍ、Ｂ₂Ｈ₆流量１５０ｓｃｃｍで原子層堆積（ＡＬＤ法）の手法を用いて、５nm堆積する。

次に、図１（ｂ）に示すように、上記孔の底部及び壁面の上以外の第１のタングステン１０４を、チャンバ温度が４５０℃のタングステンＣＶＤ装置において、Ｃ₂Ｆ₆を用いたプラズマドライエッチングによるチャンバクリーニングにより除去する。この際、タングステンとＣ₂Ｆ₆の化学反応において、Ｃ₂Ｆ₆の供給律速領域を使用する。こうすることにより、上記孔の底部及び壁面の上以外の第１のタングステン１０４だけを選択的に除去することができる。

ここで、供給律速領域を使用することによる作用について説明する。供給律速領域では、反応が供給されるガス供給量に律速されるため、供給されたガスが次々に反応に寄与される。よって孔の内部にガスが供給される前に、絶縁膜表面で反応が起こり、その結果、孔の底部及び壁面の上以外の第１のタングステン１０４だけを選択的に除去することができる。

なお、Ｃ₂Ｆ₆を用いたが、これに代えてＳＦ₆を用いてもよい。その際は、上記孔の底部及び壁面の上以外の第１のタングステン１０４を、チャンバ圧力が１７０ｍｔｏｒｒ（≒２２６１０ｍＰａ）のタングステンエッチバック装置において、ＳＦ₆を用いたプラズマドライエッチングによるチャンバクリーニングにより除去する。この際、ＳＦ₆流量１４０ｓｃｃｍ、プラズマパワー２５０Wとし、タングステンとＳＦ₆の化学反応におけるＳＦ₆の供給律速領域で処理を行う。こうすることにより、上記孔の底部及び壁面の上以外の第１のタングステン１０４だけを選択的に除去することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、上記第１のタングステン１０４を除去した部分に第２のタングステンを４５０℃、３０ｔｏｒｒ（≒３９９０Ｐａ）、ＷＦ₆流量１０ｓｃｃｍ、ＳｉＨ₄流量１０ｓｃｃｍでＣＶＤの手法を用いて、５ｎｍ堆積する。この際、ＷＦ₆のＳｉＨ₄還元反応において、ＷＦ₆の供給律速領域を使用しているため、上記第１のタングステン１０４を除去した部分に第２のタングステン１０５を選択的に堆積させることができる。

ここで、供給律速領域を使用することによる作用について説明する。供給律速領域では、反応が供給されるガス供給量に律速されるため、供給されたガスが次々に反応に寄与される。よって、孔の内部にガスが供給される前に、絶縁膜表面で反応が起こり、その結果、孔の底部及び壁面の上以外の部分にだけ第２のタングステン１０５を選択的に成膜することができる。

次に、第３のタングステン１０６を４５０℃、９０ｔｏｒｒ（≒１１９７０Ｐａ）、ＷＦ₆流量１２０ｓｃｃｍ、Ｈ₂流量５００ｓｃｃｍで１９５ｎｍ堆積する。

次に、図１（ｄ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により上記絶縁膜１０１の上に存在する部分を除去して、タングステン電極を形成する。

この実施の形態によれば、ＣＭＰで研磨される部分には第１のタングステン１０４は存在しないので、上記絶縁膜２０１上に存在する導電膜部分をＣＭＰ法により正常に除去することができる。

図２（ａ）に密着層窒化チタン膜１０３とＡＬＤ法で堆積した第１のタングステン１０４との密着性を評価した結果を示し、図２（ｂ）に密着層窒化チタン１０３とＣＶＤ法で堆積した第２のタングステン１０５との密着性を評価した結果を示す。図２（ａ）は剥離テスト実施後のウエハ表面を走査型電子顕微鏡で観測した結果を示す。また、図２（ｂ）はダイヤモンドペンによるけがき、および剥離テスト実施後のウエハ表面を光学顕微鏡で観測した結果を示す。この結果より、ＡＬＤ法によって堆積したタングステンは密着層窒化チタンとの密着性が悪く、ＣＶＤ法によって堆積したタングステンは密着層窒化チタンとの密着性が良いことが分かる。

本発明の構造では、孔の内部のみ、ＡＬＤ法によって堆積したタングステンを使用し、孔の外部ではＣＶＤ法によって堆積したタングステンを使用しているので、従来の技術と比較して密着層窒化チタン１０３と第３のタングステン１０６との密着性は向上する。

この実施の形態による利点は以下のとおりである。利点は研磨時に膜はがれが発生し、研磨が均一に進行しない、またはがれた膜がウエハ表面を傷つけるなどの弊害が発生するおそれがなくなることである。すなわち、密着性が高いと膜の上面より順次研磨されていき、上記弊害が発生しない。

図３にウエハベベル部におけるＡＬＤ法、ＣＶＤ法それぞれで堆積したタングステンの成膜状態を比較した結果を示す。図３では、横軸にウエハエッジからの距離をとり、縦軸にウエハエッジから3ｍｍの位置のタングステン膜厚を基準にしたウエハ表面のタングステン膜厚の比をとっている。グラフよりＡＬＤ法で堆積したタングステンはウエハエッジまで成膜されるが、ＣＶＤ法で堆積したタングステンはウエハエッジより１ｍｍの部分は成膜されないことがわかる。これは、成膜設備上の構造の違いによるものである。

本発明の構造では孔の内部のみ、ＡＬＤ法によって堆積したタングステンを使用し、孔の外部ではＣＶＤ法によって堆積したタングステンを使用しており、ウエハエッジより１ｍｍの部分はタングステンが成膜されない。したがって、ウエハベベル部のタングステン残りによる後工程におけるパーティクルの発生は抑制される。

図４に第２のタングステン１０５の堆積における成膜レートのＷＦ₆流量依存性結果を示す。図４では、横軸にＷＦ₆の流量をとり、縦軸にはタングステン（Nucleation膜）の堆積比（成膜レート）をとっている。グラフより、ＷＦ₆流量を低下させるとＷＦ₆の供給律速領域となることが分かる。本実施の形態では、ＷＦ₆流量を１０ｓｃｃｍとし、ＷＦ₆の供給律速領域で第２のタングステン１０５を堆積することにより、第１のタングステン１０４を除去した部分に第２のタングステン１０５を選択的に堆積させている。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体例を説明したが、本発明は、上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いうまでもない。前記実施例では、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すべての半導体集積回路の製造方法に適用可能である。

本発明における半導体装置の製造方法は、Ｗプラグ表面にボイドの開口穴の発生を抑制するものであり、半導体装置の信頼性等の向上に有用である。

本発明の実施の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。ＡＬＤ法タングステンおよびＣＶＤタングステンの密着層窒化チタンに対する密着性を比較した図である。ＡＬＤ法タングステンおよびＣＶＤタングステンのウエハベベル部での成膜状態を比較した図である。第２のタングステン１０５を堆積する際の成膜速度とＷＦ₆流量との関係を示す図である。従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

符号の説明

１００半導体基板
１０１電極用の孔を有する絶縁膜
１０２チタン膜（第１の高融点金属膜）
１０３窒化チタン膜（第２の高融点金属膜）
１０４第１のタングステン
１０５第２のタングステン
１０６第３のタングステン

Claims

半導体基板上に絶縁膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上に孔を形成する工程と、前記孔の中に高融点金属膜を堆積する工程と、前記高融点金属膜上に原子層堆積法を用いて第１のタングステンを堆積する工程と、前記孔の底部及び壁面上以外の前記第１のタングステンを除去する工程と、前記第１のタングステンを除去した部分にＣＶＤ法を用いて第２のタングステンを堆積する工程と、前記孔の中の第１のタングステン、及び前記孔の底部及び壁面上以外の第２のタングステンの上にＣＶＤ法を用いて第３のタングステンを堆積する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記孔の底部及び壁面上以外の前記第１のタングステンを除去する方法として、フッ化炭素を用いたタングステンＣＶＤ装置におけるチャンバクリーニングを使用することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
タングステンとフッ化炭素の化学反応において、フッ化炭素の供給律速領域を使用することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
前記孔の底部及び壁面上以外の前記第１のタングステンを除去する方法として、フッ化硫黄を用いたタングステンエッチバック法を使用することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
タングステンとフッ化硫黄の化学反応において、フッ化硫黄の供給律速領域を使用することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
前記孔の底部及び壁面の上以外の前記第１のタングステンを除去した後、前記第１のタングステンを除去した部分にＣＶＤ法を用いて第２のタングステンを堆積する際、フッ化タングステンの水素化シリコン還元反応におけるフッ化タングステンの供給律速領域を使用することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。