JP2007005423A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄いシリコンウェハに反り量の少ないバリアメタル膜を形成できる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】バリアメタル膜であるＴｉＮ膜をシリコンウェハの表面側に形成した後、シリコンウェハの裏面側を研削して１００μｍ以下の厚さにした直径が６インチ以上で厚さが１００μｍ以下のシリコンウェハにおいて、ＴｉＮ膜のＸ線回折スペクトルの強度比（ＴｉＮ（１１１）／ＴｉＮ（２００））を０．２〜３．０とすることで、シリコンウェハの反り量を２．０ｍｍ以下と小さくすることができる。
また、ガス流量比Ａｒ：Ｎを１：２〜１：３とし、ガス圧を０．２〜０．８Ｐａとすることで、ＴｉＮ膜のＸ線回折スペクトルの強度比（ＴｉＮ（１１１）／ＴｉＮ（２００））を０．２〜３．０とすることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、薄いシリコンウェハに反り量の少ないバリアメタル膜を形成できる半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置のアルミニウム電極やアルミニウム配線は、一般的にスパッタリング成膜法を用いて形成される。電極・配線材料としては、純アルミニウムにシリコンを少量含有させたアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ: アルミシリコン）が用いられる。シリコンウェハとアルミニウム合金膜が接合するコンタクト部の膜構成は、電極・配線を形成するときの温度（形成温度）によって各種の膜構成がある。形成温度が３００℃以下の場合では、膜構成はアルミニウム合金膜を直接形成する単層膜が用いられる。形成温度が３５０℃以上の場合では、膜構成はバリアメタル膜であるＴｉＮ（窒化チタン）膜を介してアルミニウム合金膜を形成する積層膜が用いられる。場合によっては、ＴｉＮ膜とシリコンウェハの間に純チタン膜を介在させて密着性を向上させる。
このバリアメタル膜を形成する理由は、アルミニウム合金膜の形成時やアルミニウム合金膜形成後のアフターアニール時に、下地のシリコンウェハにアルミニウム合金膜からアルミニウムが侵入してアルミスパイク（アルミニウム突起）が形成されることを防止するためである。アルミスパイクが形成され、そのアルミスパイクがｐｎ接合を突き破ると、半導体装置の漏れ電流を増大させるなど電気的特性に不具合が発生するため、アルミスパイクの発生は防止する必要がある。

バリアメタル膜形成方法としては、純チタンターゲットと窒素ガスによる反応性スパッタが一般的に使用される。純チタンターゲットを設置したスパッタチャンバー内に、純アルゴンガスと純窒素ガスを、制御された流量計によって一定量流し、純チタンターゲットに電力を印加して対向配置されたシリコンウェハへＴｉＮ膜を形成する方法である。
また、前記とは別に、ＴｉＮ膜の形成方法で、指向性スパッタ法によって成膜されたバリアメタルであるＴｉＮ膜に熱処理を施こして、熱処理前後でのＴｉＮ膜のストレス量を３．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ² （３．０×１０Ｎ／ｃｍ² ）以下とすることでＴｉＮ膜にクラックを生じ難くすることが開示されている（例えば、特許文献１）。
特開平１０−６５００４号公報

近年、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワースイッチング素子の電気的特性を改善のために、１００μｍ程度の薄い半導体基板を用いることが注目を集めている。
図８は、従来の薄い半導体基板を用いたＩＧＢＴの要部断面図である。これは、３００μｍ程度の厚いシリコンウェハの表面側にＩＧＢＴチップとなるウェル領域５２、エミッタ領域５３、ゲート絶縁膜５４、ゲート電極５５、層間絶縁膜５６、純チタン膜５７、バリアメタル膜としてＴｉＮ膜５８およびエミッタ電極５９などの表面構造を形成した後、シリコンウェハの裏面側を研削して厚さを１００μｍ程度に薄くし、この薄いシリコンウェハ５１の裏面にコレクタ領域６０およびコレクタ電極６１などの裏面構造を形成する。最後にシリコンウェハ５１をスクライブラインに沿って切断してＩＧＢＴチップを形成する。

これらの工程において、エミッタ電極５９はコンタクトホールを介してエミッタ領域５３およびウェル領域５２と接続する。具体的には、コンタクトホールのエミッタ領域５３およびウェル領域５２の表面に密着性を強化するための純チタン膜５７とバリアメタル膜であるＴｉＮ膜５８を形成し、その上にＡｌ−Ｓｉ膜でエミッタ電極５９を形成する。
そのため、図９に示すように、シリコンウェハ５１ａの裏面を研削する前の３００μｍの厚さＷ３の段階では、反りは発生しないが、シリコンウェハ５１ａを１００μｍ以下の厚さＷ４に研削して薄いシリコンウェハ５１にすると、図１０に示すように、シリコンウェハ５１は大きく反った状態となる。これは、バリアメタル膜であるＴｉＮ膜５８とシリコンウェハ５１との熱膨張係数の差でＴｉＮ膜５８をシリコンウェハ５１ａに形成した段階で、ＴｉＮ膜５８に対してシリコンウェハ５１ａが縮まる力つまり引っ張り応力として働く。シリコンウェハ５１ａが３００μｍと厚いときには、この応力でシリコンウェハ５１ａが反ることはないが、厚みが１００μｍ以下と薄いシリコンウェハ５１になると、この応力によりＴｉＮ膜５８側が凸となる反りが発生する。尚、この反り量Ｔ２はエミッタ電極５９であるＡｌ−Ｓｉ膜の影響は少なく、殆どがＴｉＮ膜５８の影響である。また、純チタン膜５７がＴｉＮ膜５８とシリコンウェハ５１の間に介在した場合でも純チタン膜５７の厚みが薄いために反りには影響を及ぼさない。

従来のＴｉＮ膜形成のスパッタ条件としては、純アルゴンガスと純窒素ガスの２種類のガス流量比であるＡｒ：Ｎ₂ が１：１とし、チャンバーのガス圧力を０．２Ｐａでスパッタを行っていた。そのとき、直径が６インチのシリコンウェハでは反り量Ｔ２は、図５の点線で示すように極めて大きくなり、５ｍｍ以上となる。
裏面構造を形成するために、コレクタ領域６０およびコレクタ電極６１の形成と、表面にはパッシベーション膜として厚いポリイミド膜の形成などが必要となる。しかし、シリコンウェハの反り量Ｔ２が２ｍｍを超えて大きくなると、ポリイミド膜のパターニングのための露光が精度良くできなくなる。また、反り量Ｔ２が５ｍｍ以上大きくなると、裏面研削後の次工程への搬送が困難となり、裏面構造の形成工程など次工程の処理ができなくなる。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、薄いシリコンウェハに反り量の少ないバリアメタル膜を形成できる半導体装置およびその製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するために、厚さが１００μｍ以下の半導体基板上にＴｉＮ膜を備えた半導体装置において、前記ＴｉＮ膜は、該ＴｉＮ膜に（１１１）を配向性を有する第１のＴｉＮ領域と（２００）の配向性を有する第２のＴｉＮ領域とが混在し、第１のＴｉＮ領域／第２のＴｉＮ領域のＸ線回折スペクトルの強度比を０．２〜３の範囲とする構成とする。
また、厚い半導体ウェハの表面側にＴｉＮを形成する工程と、前記厚い半導体ウェハの裏面側を研削してその厚さを１００μｍ以下とする工程を有する半導体装置の製造方法において、前記ＴｉＮ膜を形成する工程と、該ＴｉＮ膜に、（１１１）を配向性を有する第１のＴｉＮ領域と（２００）の配向性を有する第２のＴｉＮ領域とを混在させ、第１のＴｉＮ領域／第２のＴｉＮ領域のＸ線回折スペクトルの強度比を０．２〜３の範囲とする製造方法とする。

また、前記ＴｉＮ膜をスパッタ成膜法を用いて形成し、該スパッタ条件において、純アルゴンガスと純窒素ガスのガス流量比（Ａｒ：Ｎ）が１：２〜１：３であり、チャンバーのガス圧力が０．２Ｐａ以上であるとよい。
また、前記ガス流量比が１：２〜１：３の範囲にあり、前記ガス圧力が、０．３Ｐａ〜０．８Ｐａの範囲であるとよい。
また、半導体ウェハとＴｉＮ膜の間に純チタン膜を形成するとよい。
また、ＴｉＮ膜上にＡｌ−Ｓｉ膜の電極を形成するとよい。

この発明によれば、バリアメタル膜であるＴｉＮ膜をシリコンウェハの表面側に形成した後、シリコンウェハの裏面側を研削して１００μｍ以下の厚さにした直径が６インチ以上で厚さが１００μｍ以下のシリコンウェハにおいて、ＴｉＮ膜に（１１１）の配向性のＴｉＮを有する領域と（２００）の配向性のＴｉＮを有する領域を混在させ、そのＸ線回折スペクトルの強度比（ＴｉＮ（１１１）／ＴｉＮ（２００））を０．２〜３．０とすることで、シリコンウェハの反り量を２．０ｍｍ以下と小さくすることができる。
反り量を２．０ｍｍ以下とすることで、１００μｍの厚さのシリコンウェハにＩＧＢＴの裏面構造（コレクタ領域やコレクタ電極など）を形成することができる。
ＡｒとＮ₂ のガス流量比（Ａｒ：Ｎ₂ ）を１：２〜１：３とし、ガス圧を０．２〜０．８Ｐａとすることで、ＴｉＮ膜のＸ線回折スペクトルの強度比（ＴｉＮ（１１１）／ＴｉＮ（２００））を０．２〜３．０とすることができる。

この発明の半導体装置は、図４に示すように薄いシリコンウェハ１を半導体基板として、前記ＴｉＮ膜８を備え、さらにＡｌ−Ｓｉ膜からなるエミッタ電極９を備えている。ＴｉＮ膜８は（１１１）の配向性を有する第１のＴｉＮ領域と（２００）の配向性を有する第２のＴｉＮ領域とが混在している。第１のＴｉＮ領域／第２のＴｉＮ領域のＸ線回折スペクトルの強度比が０．２〜３の範囲である。以下において、実施例を用いて詳細に説明する。

図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、同図（ａ）から同図（ｅ）は工程順に示した要部工程断面図である。これはＴｉＮ膜を有するＩＧＢＴが多数形成される半導体ウェハとしてのシリコンウェハの工程断面図である。
厚さＷ１が３００μｍ程度の厚いシリコンウェハ１ａの表面側にＡ部の拡大図である図２に示すように、シリコンウェハ１ａの表面層にウェル領域およびエミッタ領域を形成し、表面にゲート絶縁膜４を介してゲート電極５を形成し、その上に層間絶縁膜６を形成し、層間絶縁膜６にコンタクトホール７を開口する（同図（ａ））。
つぎに、Ｂ部の拡大図である図３に示すように、コンタクトホール７の底面のエミッタ領域上と層間絶縁膜６上に純チタン膜７を形成し、純チタン膜７上にバリアメタル膜としてＴｉＮ膜８を形成し、このＴｉＮ膜８上にＡｌ−Ｓｉ膜でエミッタ電極９を形成する。前記の純チタン膜７はシリコンウェハ１ａとＴｉＮ膜８の双方と密着性が良いために形成する。尚、ウェル領域２、エミッタ領域３、ゲート絶縁膜４、ゲート電極５、層間絶縁膜６、純チタン膜７、ＴｉＮ膜８およびエミッタ電極９を含めて表面構造という（同図（ｂ））。

ここでＴｉＮ膜８の形成方法について説明する。純チタンターゲットを設置したスパッタチャンバー内に、純アルゴンガスと純窒素ガスを、制御された流量計によって一定量流し、純チタンターゲットに電力を印加して対向配置されたシリコンウェハ１ａ上にＴｉＮ膜８を形成する。
この時スパッタチャンバー内へ配置したターゲットとシリコンウェハ１ａの間隔は、１００〜２００ｍｍの範囲である。そしてシリコンウェハ１ａは３００℃を保つように加熱した。
純アルゴンガスと純窒素ガスの２種類のガス流量比Ａｒ：Ｎ₂ ＝１：２、１：３とし、チャンバー内のガス圧力を０．２Ｐａ以上とする。
つぎに、シリコンウェハ１ａの裏面を研削して、厚さＷ２が１００μｍ以下の薄いシリコンウェハ１とする（同図（ｃ））。

つぎに、Ｃ部の拡大図である図４に示すように、シリコンウェハ１の裏面にコレクタ領域１０を形成し、コレクタ領域１０上に裏面電極であるコレクタ電極１１を形成する。尚、コレクタ領域およびコレクタ電極を含めて裏面構造という（同図（ｄ））。
つぎに、シリコンウェハ１をスクライブライン１２に沿って切断してＩＧＢＴチップとする（同図（ｅ））。尚、図２〜図４における最外周の細実線は、図１におけるＡ部〜Ｃ部を囲む細実線に相当する。
図５は、ガス流量比をパラメータとしたガス圧と反り量の関係を示す図である。シリコンウェハの厚みは１００μｍで、直径は６インチである。ガス圧を０．１Ｐａ〜１．０Ｐａの範囲で可変して、図６に示すシリコンウェハの反り量Ｔ１を測定する。ガス流量比はＡｒ：Ｎ₂ ＝１：１、１：２、１：３とした。但し、Ａｒ：Ｎ₂ ＝１：１は従来のガス流量比であり、比較のために示した。

ガス圧を０．２Ｐａ以上とし、ガス流量比をＡｒ：Ｎ₂ ＝１：２〜１：３とすると、反り量Ｔ１は２ｍｍ以下となり、ＩＧＢＴの裏面構造を形成する十分に小さな反り量Ｔ１とすることができる。また、ガス圧を０．３Ｐａ〜０．８Ｐａとすると、ガス流量比を１：２、１：３で、反り量Ｔ１を０．４ｍｍと極めて小さくできる。また、ガス圧を０．４Ｐａ〜０．７Ｐａとすると、ガス流量比に関係なく、反り量Ｔ１を０．３ｍｍ程度と大幅に低減できる。
また、従来のガス流量比であるＡｒ：Ｎ₂ ＝１：１ではガス圧を０．２Ｐａの場合、反り量Ｔ１は５ｍｍ以上となる。
図７は、ＴｉＮ膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。図の縦軸は回折Ｘ線の強度であり、横軸は回折角（２θ）である。この図は、ガス流量比をＡｒ：Ｎ₂ ＝１：２として、ガス圧を０．３Ｐａとして形成したＴｉＮ膜である。

図７のＸ線回折スペクトルではＴｉＮ（１１１）とＴｉＮ（２００）にピーク強度が現れる。そのため、ＴｉＮ膜はＴｉＮの配向性（１１１）を有する領域とＴｉＮの配向性（２００）を有する領域が混在していることが判る。このＴｉＮ膜のＸ線回折スペクトルの強度比（ＴｉＮ（１１１）／ＴｉＮ（２００）＝Ａ／Ｂ）を０．２〜３．０とすることで、シリコンウェハの反り量Ｔ１を２ｍｍ以下とすることができて、ＩＧＢＴの裏面構造を形成とその後の工程を処理するのに十分に小さな反り量Ｔ１とすることができる。
尚、ＴｉＮ膜のＸ線回折スペクトルの強度比（ＴｉＮ（１１１）／ＴｉＮ（２００））が０．２〜３．０となるガス圧は０．２Ｐａ以上で、ガス流量比Ａｒ：Ｎ₂ は１：２〜１：３である。
尚、前記の説明は薄いシリコンウェハ１を用いて製作したＩＧＢＴについて説明したが、これに限らず、薄いシリコンウェハ１を用いて製作するダイオードやＭＯＳＦＥＴなどの半導体装置の場合にもバイアメタル膜としてＴｉＮ膜を必要とするときには、本発明を適用することができる。

この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、（ａ）から（ｅ）は工程順に示した要部工程断面図 図１（ａ）のＡ部拡大図 図１（ｂ）のＢ部拡大図 図１（ｄ）のＣ部拡大図 ガス流量比をパラメータとしたガス圧と反り量の関係を示す図 反った状態のシリコンウェハ ＴｉＮ膜のＸ線回折スペクトルの図 従来の薄い半導体基板を用いたＩＧＢＴの要部断面図 ＴｉＮ膜が被覆した厚いシリコンウェハの断面図 ＴｉＮ膜が被覆した薄いシリコンウェハが反った状態の断面図

符号の説明

１ 薄いシリコンウェハ
１ａ 厚いシリコンウェハ
２ ウェル領域
３ エミッタ領域
４ ゲート絶縁膜
５ ゲート電極
６ 層間絶縁膜
７ 純チタン膜
８ ＴｉＮ膜
９ エミッタ電極
１０ コレクタ領域
１１ コレクタ電極
１２ スクライブライン

Claims (6)

1. 厚さが１００μｍ以下の半導体基板上にＴｉＮ膜を備えた半導体装置において、
   前記ＴｉＮ膜は、該ＴｉＮ膜に（１１１）を配向性を有する第１のＴｉＮ領域と（２００）の配向性を有する第２のＴｉＮ領域とが混在し、第１のＴｉＮ領域／第２のＴｉＮ領域のＸ線回折スペクトルの強度比が０．２〜３の範囲であることを特徴とする半導体装置。
2. 厚い半導体ウェハの表面側にＴｉＮを形成する工程と、前記厚い半導体ウェハの裏面側を研削してその厚さを１００μｍ以下とする工程を有する半導体装置の製造方法において、
   前記ＴｉＮ膜を形成する工程と、該ＴｉＮ膜に、（１１１）を配向性を有する第１のＴｉＮ領域と（２００）の配向性を有する第２のＴｉＮ領域とを混在させ、第１のＴｉＮ領域／第２のＴｉＮ領域のＸ線回折スペクトルの強度比が０．２〜３の範囲とするものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記ＴｉＮ膜をスパッタ成膜法を用いて形成し、該スパッタ条件において、純アルゴンガスと純窒素ガスのガス流量比（Ａｒ：Ｎ）が１：２〜１：３であり、チャンバーのガス圧力が０．２Ｐａ以上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。
4. 前記ガス流量比が１：２〜１：３の範囲にあり、前記ガス圧力が、０．３Ｐａ〜０．８Ｐａの範囲であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 半導体ウェハとＴｉＮ膜の間に純チタン膜を形成す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。
6. ＴｉＮ膜上にＡｌ−Ｓｉ膜の電極を形成す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。

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