JP2005260105A

JP2005260105A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005260105A
Application number: JP2004071924A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Tanaka; 克彦田中
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】タングステンプラグの形成又は形成後の熱処理に際して、ハロゲンイオンによる侵蝕が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、ハロゲン元素を含む原料ガスを用いて高融点金属化合物の核形成膜を堆積するステップと、核形成膜の表面及び粒界にシリコン膜を堆積するステップと、ハロゲン元素を含む原料ガスを用い、核形成膜及びシリコン膜を埋め込んで高融点金属化合物のバルク層を堆積するステップとを有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、更に詳細には、タングステンプラグを備える半導体装置に、特に好適に適用される半導体装置、及び、その製造方法に関する。

近年、半導体装置の金属配線の材料として、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び銅（Ｃｕ）などの材料が主に用いられている。また、配線層の間を接続するプラグとして、化学気相堆積（ＣＶＤ）法により成膜されるタングステン、スパッタ法により成膜されるアルミニウム及び銅が主に用いられており、このうち、特にタングステンは良好な導電性を有し、且つ扱いが容易なので、多用されている。

ＣＶＤ法を用いたタングステンの成膜に際しては、一般的に、原料ガスとしてハロゲン化ガスであるＷＦ₆ガスを、還元ガスとしてＨ₂ガス又はＳｉＨ₄ガスを用いる。また、成膜の初期に、膜厚が数十nｍ程度に相当する核形成膜を成膜することによって、窒化チタン（ＴｉＮ）膜などの下地膜上へのスムーズな成膜を行うことで、下地膜との良好な密着性を確保した後、バルク層の形成を行っている。

ところで、ＣＶＤ法を用いてタングステンを成膜する際に、ハロゲン化ガスを原料ガスとして用いるので、成膜の際にハロゲンイオンが発生し、下層へ拡散する。ここで、ハロゲンイオンは強い反応性を有するため、拡散先の金属配線、絶縁膜、又は、シリコン基板等と反応することによってこれらの層を侵蝕（attack）し、半導体装置の動作特性に悪影響を与えるという問題がある。

例えば、ハロゲンイオンとしてフッ素イオンが金属配線中に拡散すると、金属配線を構成するチタンやアルミニウムなどの金属と反応して、フッ化金属が生成される。また、フッ素イオンがシリコン基板に拡散すると、シリコン基板を構成するシリコンと反応して、Ｓｉ₂Ｆ₆ガスが生成され、シリコン基板に空洞が生じてしまう。

また、ＣＶＤ法を用いて成膜されたタングステン膜中には、ハロゲンイオンが残留することが知られている。残留したハロゲンイオンは、タングステンプラグ形成後の後工程の熱処理の際に拡散し、例えばコンタクトの界面近傍で下地膜と反応することによって、コンタクト抵抗が上昇し、半導体装置の動作特性を低下させるという問題もある。

上記問題を解決するため、特許文献１では、核形成膜としてタングステン膜に代えてケイ化タングステン（ＷＳｉx）膜を成膜している。同特許文献によれば、ケイ化タングステンはハロゲンイオンと反応し易いので、ハロゲンイオンの拡散を抑制し、ハロゲンイオンによる侵蝕を抑制できるものとしている。
特開２００２−１７０７８６号公報

本発明は、上記に鑑み、特許文献１に記載の発明とは別に、タングステンプラグの形成又は形成後の熱処理に際して、ハロゲンイオンによる侵蝕が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、ハロゲン元素を含む原料ガスを用いて高融点金属化合物の核形成膜を堆積するステップと、
前記核形成膜の表面及び粒界にシリコン膜を堆積するステップと、
ハロゲン元素を含む原料ガスを用い、前記核形成膜及びシリコン膜を埋め込んで前記高融点金属化合物のバルク層を堆積するステップとを有することを特徴としている。

また、本発明に係る半導体装置は、高融点金属化合物の核形成膜と、該核形成膜の周囲を囲むシリコン膜と、前記核形成膜及びシリコン膜を覆う前記高融点金属化合物のバルク層とを有する配線を備えることを特徴としている。

本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、核形成膜の表面及び粒界に堆積されたシリコン膜を有する半導体装置を製造できる。この場合、ハロゲン元素を含む原料ガスを用いたバルク層の堆積、或いはバルク層の堆積後の熱処理に際して、核形成膜の表面及び粒界に堆積されたシリコン膜がハロゲンイオンと強く結合することによって、下層へのハロゲンイオンの拡散を抑制し、ハロゲンイオンによる侵蝕を抑えることが出来る。本発明をコンタクトプラグの製造に適用する場合には、これによって、従来問題となっていた後工程の熱処理の際の下地膜でのフッ素イオンの反応を抑え、コンタクト抵抗の上昇を抑制することが出来る。

本発明の好適な実施態様では、前記高融点金属化合物がタングステンである。この場合、前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₄であり、基板温度が250℃〜500℃の範囲であることが望ましく、この際には、4torr〜40torr程度の低圧下で成膜するのが望ましい。或いは、前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉ₂Ｈ₆であり、基板温度が200℃〜450℃の範囲であることが望ましく、この際には、4torr〜40torr程度の低圧下で成膜するのが望ましい。これらの基板温度及び圧力の範囲に設定することによって、核形成膜の界面や粒界に効率的にシリコン膜を堆積させることができる。

本発明の好適な実施態様では、前記高融点金属化合物が窒化タングステンである。この場合、前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₄であり、基板温度が250℃〜500℃の範囲であることが望ましく、この際には、4torr〜40torr程度の低圧下で成膜するのが望ましい。或いは、前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉ₂Ｈ₆であり、基板温度が200℃〜450℃の範囲であることが望ましく、この際には、4torr〜40torr程度の低圧下で成膜するのが望ましい。これらの基板温度及び圧力の範囲に設定することによって、核形成膜の界面や粒界に効率的にシリコン膜を堆積させることができる。なお、窒化タングステンから成る高融点金属化合物は一般的に、上記ＳｉＨ₄又はＳｉ₂Ｈ₆と、ＷＦ₆及びＮＨ₃とを用いて成膜される。ＮＨ₃に代えてヒドラジン類を用いることも出来る。

本発明の好適な実施態様では、前記高融点金属化合物がケイ化タングステンである。この場合、前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₄であり、基板温度が250℃〜500℃の範囲であることが望ましく、この際には、0.3torr〜40torr程度の低圧下で成膜するのが望ましい。或いは、前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉ₂Ｈ₆であり、基板温度が200℃〜450℃の範囲であることが望ましく、この際には、0.3torr〜40torr程度の低圧下で成膜するのが望ましい。或いは、前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₂Ｃｌ₂であり、基板温度が450℃〜550℃の範囲であることが望ましく、この際には、0.3torr〜40torr程度の低圧下で成膜するのが望ましい。これらの基板温度及び圧力の範囲に設定することによって、核形成膜の界面や粒界に効率的にシリコン膜を堆積させることができる。なお、ケイ化タングステンから成る高融点金属化合物は一般的に、上記ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、又はＳｉＨ₂Ｃｌ₂と、ＷＦ₆とを用いて成膜される。

本発明に係る半導体装置によれば、上記本発明に係る半導体装置の製造方法の場合と同様に、ハロゲン元素を含む原料ガスを用いたバルク層の堆積、或いはバルク層の堆積後の熱処理に際して、核形成膜の表面及び粒界に堆積されたシリコン膜がハロゲンイオンと強く結合することによって、下層へのハロゲンイオンの拡散を抑制し、ハロゲンイオンによる侵蝕を抑えることが出来る。

本発明の好適な実施態様では、前記高融点金属化合物がタングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステンである。なお、窒化タングステンで核形成膜を、タングステンでバルク層をそれぞれ構成し、或いは、ケイ化タングステンで核形成膜を、タングステンでバルク層をそれぞれ構成することも好ましい態様であり、良好な本発明の効果を得ることが出来る。ケイ化タングステンで核形成膜を、タングステンでバルク層をそれぞれ構成する場合には、ＳｉＨ₄又はＳｉ₂Ｈ₆を用いて成膜することが望ましい。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。半導体装置１０は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１上に形成された層間絶縁膜１２と、層間絶縁膜１２上に形成された上部配線層１８とを備える。シリコン基板１１の表面領域には、図示しないソース・ドレイン拡散層が形成されている。上部配線層１８には金属配線や別のプラグが形成されている。

層間絶縁膜１２には、層間絶縁膜１２を貫通するコンタクトホール１３が設けられている。コンタクトホール１３の底部及び内壁には、窒化チタンから成る下地膜（バリアメタル膜）１４が形成されている。下地膜１４上には、膜厚が10nm程度に相当する、タングステンから成る核形成膜１５が形成されている。核形成膜１５上には、コンタクトホール１３の内側を埋め込んで、バルク層１６が形成されている。下地膜１４、核形成膜１５、及びバルク層１６はコンタクトプラグ１７を構成する。核形成膜１５の表面及び粒界には、微量のシリコンが堆積されている。

本実施形態例に係る半導体装置１０によれば、バルク層１６の成膜、或いはバルク層１６の成膜後の熱処理に際して、核形成膜１５の表面及び粒界に堆積されたシリコンがフッ素イオンと強く結合することによって、下層へのフッ素イオンの拡散を抑制し、フッ素イオンによる侵蝕を抑えることが出来る。これによって、従来問題となっていた後工程の熱処理の際の下地膜１４でのフッ素イオンの反応を抑え、コンタクト抵抗の上昇を抑制することが出来る。なお、本実施形態例では、ソース・ドレイン拡散層が形成されたシリコン基板と上層配線層との間を接続するコンタクトプラグについて示したが、配線層同士の間を接続するビアプラグにも同様に適用することが出来る。

図２（ａ）〜（ｃ）、及び図３（ｄ）〜（ｆ）はそれぞれ、上記半導体装置１０を製造する、本実施形態例に係る半導体装置の製造方法の製造段階を示す断面図である。先ず、図２（ａ）に示すように、表面領域に図示しないソース・ドレイン拡散層が形成されたシリコン基板１１上に層間絶縁膜１２を成膜する。次いで、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより層間絶縁膜１２をパターニングし、層間絶縁膜１２を貫通するコンタクトホール１３を形成する。引き続き、図２（ｃ）に示すように、コンタクトホール１３内及び層間絶縁膜１２上に、窒化チタンから成る下地膜１４を成膜する。

下地膜１４の成膜に後続する、核形成膜１５の形成からバルク層１６の形成までの一連の工程は、図４に示すフローに従う。先ず、図２（ｃ）に示した状態の基板（ウエハ）を、図示しないＣＶＤ装置の中に導入し、基板を450℃に加熱する（ステップＳ１）。次いで、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスでチャンバ内をパージする（ステップＳ２）。引き続き、Ｈ₂ガス、及びＳｉＨ₄ガスをそれぞれ所定の流量で導入し、アルゴンガスをパージする（ステップＳ３）。引き続き、原料ガスであるＷＦ₆ガスを所定の流量で導入する（ステップＳ４）。これによって、図３（ｄ）に示すように、下地膜１４上に膜厚が数十nm程度に相当する核形成膜１５の成膜を行う。

次に、アルゴンガスでチャンバ内をパージする（ステップＳ５）。次いで、基板温度を450℃に保ちつつ、分圧が0.7Torrに成るようにＳｉＨ₄ガスを導入し、アルゴンガスをパージする（ステップＳ６）。これによって、図３（ｅ）に示すように、核形成膜１５の表面及び粒界に微量のシリコンを堆積させる。

次に、アルゴンガスでチャンバ内をパージする（ステップＳ７）。次いで、Ｈ₂ガス及びＷＦ₆ガスを所定の流量で導入する（ステップＳ８）。これによって、図３（ｆ）に示すように、タングステンから成るバルク層１６をコンタクトホール１３内及び層間絶縁膜１２上に成膜して、コンタクトホール１３内を完全に埋め込む。引き続き、アルゴンガスでチャンバ内をパージした後（ステップＳ９）、図３（ｆ）に示した状態の基板をＣＶＤ装置から搬出する（ステップＳ１０）。

次に、エッチバックを行うことによって、層間絶縁膜１２上のバルク層１６、核形成膜１５、及び下地膜１４を除去する。次いで、公知の方法により、層間絶縁膜１２上に上部配線層１８を形成することによって、図１に示した半導体装置１０を完成することが出来る。

本実施形態例に係る半導体装置の製造方法は、上記実施形態例に係る半導体装置１０の製造に好適に適用される。なお、核形成膜１５の表面及び粒界にシリコンを堆積する際の基板温度を450℃としたが、250℃〜500℃の範囲であればよい。また、シリコン層１６を形成する際のＳｉＨ₄ガスの分圧を0.7Torrとしたが、0.1Torr〜3Torrの範囲であればよい。シリコン層１６はＳｉ₂Ｈ₆ガスを用いることによって堆積することもでき、この場合、シリコンを堆積する際の基板温度は200℃〜450℃の範囲であればよい。配線層同士の間を接続するビアプラグにも、上記製造方法を同様に適用することが出来る。

以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した半導体装置及びその製造方法も、本発明の範囲に含まれる。

実施形態例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、実施形態例に係る半導体装置の製造方法の製造段階を示す断面図である。図３（ｄ）〜（ｆ）はそれぞれ、実施形態例に係る半導体装置の製造方法の、図２に後続する製造段階を示す断面図である。実施形態例に係る半導体装置の製造方法の、核形成膜の形成からバルク層の形成までの一連のフローを示すフローチャートである。

符号の説明

１０：半導体装置
１１：シリコン基板
１２：層間絶縁膜
１３：コンタクトホール
１４：下地膜
１５：核形成膜
１６：バルク層
１７：コンタクトプラグ
１８：上部配線層

Claims

ハロゲン元素を含む原料ガスを用いて高融点金属化合物の核形成膜を堆積するステップと、
前記核形成膜の表面及び粒界にシリコン膜を堆積するステップと、
ハロゲン元素を含む原料ガスを用い、前記核形成膜及びシリコン膜を埋め込んで前記高融点金属化合物のバルク層を堆積するステップとを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記高融点金属化合物がタングステンである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₄であり、基板温度が250℃〜500℃の範囲である、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉ₂Ｈ₆であり、基板温度が200℃〜450℃の範囲である、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記高融点金属化合物が窒化タングステンである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₄であり、基板温度が250℃〜500℃の範囲である、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉ₂Ｈ₆であり、基板温度が200℃〜450℃の範囲である、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記高融点金属化合物がケイ化タングステンである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₄であり、基板温度が250℃〜500℃の範囲である、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉ₂Ｈ₆であり、基板温度が200℃〜450℃の範囲である、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を堆積するステップは、原料ガスがＳｉＨ₂Ｃｌ₂であり、基板温度が450℃〜550℃の範囲である、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
高融点金属化合物の核形成膜と、該核形成膜の周囲を囲むシリコン膜と、前記核形成膜及びシリコン膜を覆う前記高融点金属化合物のバルク層とを有する配線を備えることを特徴とする半導体装置。
前記高融点金属化合物がタングステン、窒化タングステン、又は、ケイ化タングステンである、請求項１２に記載の半導体装置。