JP2012114233A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造工程の増加を招くことなく、タングステン配線の低抵抗化できる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、基板表面に、微細形状を有する絶縁層を形成した後、この微細形状を含む絶縁層表面に、Ｔａ膜またはＴａＮ膜からなる下地層を形成する工程と、下地層の表面に、タングステンから膜なる配線層を形成する工程とを含む。
【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、タングステン配線層の低抵抗化を図ることができるものに関する。

従来、半導体装置の配線層として、タングステン（Ｗ）を利用したものが知られている。このタングステン配線層を、微細形状を有する絶縁層表面に形成するのに際しては、密着性を高める等の理由から、その抵抗値が配線抵抗として影響を与えない程度の厚みで下地層たるＴｉＮ膜が形成される。

例えば、特許文献１では、先ず、シリコン基板上にコンタクトホ−ル（微細形状）を形成したＳｉＯ_２膜たる絶縁層を形成し、四塩化チタンと水素ガスを用いて、ＣＶＤによりコンタクトホ−ル内にチタン膜を形成する。そして、チタン膜表面に、四塩化チタンとアンモニアとを導入して、ＣＶＤによりＴｉＮ膜を形成する。最後に、窒化チタン膜をアンモニアでアニ−ル処理した後、窒化チタン膜上にタングステン膜からなる配線層を形成する。

ところで、上記絶縁層とタングステン膜たる配線層との間にＴｉＮからなる下地層を介在させた場合、絶縁層表面に直接タングステン膜を形成した場合と比較して、タングステン膜自体の抵抗値が倍以上に上昇することが知られている。このことは、半導体装置に適用したときの配線抵抗の上昇を招く。

このような場合、下地層を、ＳｉＯ_２膜上に形成したＴｉＮ膜と、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＷから形成される群から選択される少なくとも一つの物質で非晶質の第２金属シリサイド膜から形成されるバッファ膜と、から構成することが提案されている（特許文献２参照）。然し、このように下地層を二層構造とすると、生産工程が増えて生産性が悪く、製造コストも高くなる場合がある。

特開２００１−２１０６０６号公報 特開２００６−３１０８４２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、生産工程の増加を招くことなく、タングステン配線層を低抵抗化できる半導体装置の製造方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の半導体装置の製造方法は、処理すべき基板表面に、微細形状を有する絶縁層を形成した後、この微細形状を含む絶縁層表面に、Ｔa膜またはＴａＮ膜からなる下地層を形成する工程と、下地層の表面に、タングステン膜からなる配線層を形成する工程とを、含むことを特徴とする。

本発明によれば、第２金属シリサイド膜から形成されるバッファ膜の替わりにＴa膜またはＴａＮ膜を用いることで、または、第２金属シリサイド膜から形成されるバッファ膜なしに下地層としてＴa膜またはＴａＮ膜を用いることで、配線膜の抵抗値を、下地層としてＴｉＮ膜を用いる従来例と比較して半分以下にすることができる。これは、下地層としてＴa膜またはＴａＮ膜を介在させることで、その後に形成される配線層たるタングステンの結晶粒が、ＴｉＮ膜からなる下地層を介在させる従来例のものと比較して大きくなることに起因しているものと考えられる。これにより、上記他の従来例のように他の中間層（バッファ層）を形成する必要がないため、少ない工程でタングステンからなる低抵抗の配線層を形成でき、製造コストの上昇を抑制できる。

本発明においては、前記配線層を形成する工程において、真空チャンバ内でタングステン製のターゲットに前記基板を対向配置し、所定圧力の真空チャンバ内に、希ガスからなるスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングすることで前記配線層が形成され、スパッタリング中、真空チャンバ内のスパッタガスの分圧を０．６〜１．２Ｐａの範囲に設定することが好ましい。これによれば、タングステンからなる配線層の抵抗値を一層低くできる。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の半導体装置の製造工程を概略的に説明する図。 本発明の半導体装置の製造方法を実施し得るスパッタリング装置の構成を概略的に示す図。 実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、コンタクトホールを形成したＳｉＯ_２膜たる絶縁層に、Ｔａ膜からなる下地層Ｔ１と、タングステン（Ｗ）膜からなる配線膜Ｔ２を形成する本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する。

本実施形態では、図１（ａ）に示すように、基板（例えばＳｉウエハ）上に、公知の方法で、ＳｉＯ_２膜たる絶縁層Ｉを所定膜厚で形成し、微細形状Ｈをパターニング形成する（以下、これを「処理基板Ｗ」という）。そして、図１（ｂ）に示すように、微細形状Ｈを含むシリコン酸化物膜Ｉ表面の全体に亘って、Ｔａからなる下地層Ｔ１を形成する。この下地層Ｔ１表面に、タングステン膜からなる配線膜Ｔ２を形成する。そして、本実施形態では、下地層Ｔ１及び配線膜Ｔ２は、同一の構成を有するスパッタリング装置にて夫々形成される。以下、このスパッタリング装置ＳＷの構成を、配線層Ｔ２を形成する場合を例に説明する。

図１に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、マグネトロン方式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段を介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１を有し、成膜室を画成する。真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、タングステン製であり、処理基板Ｗの輪郭より大きな表面積でかつ公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。他方、下地層Ｔ１を形成するものではＴａ製のものが用いられる。また、ターゲット２は、図示省略のバッキングプレートに装着した状態で、そのスパッタ面２１を下方にして絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１に取り付けられる。更に、ターゲット２はＤＣ電源Ｅに接続され、スパッタ中、ターゲット２に負の直流電位が印加される。

ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よく処理基板Ｗに付着させる公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向させてステージ４が配置され、処理基板Ｗがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようになっている。この場合、ターゲット２と処理基板Ｗとの間の間隔は、処理基板Ｗの直径よりも小さくなるように設定されている。また、真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガス導入するガス管４が接続されている。このガス管４には、マスフローコントローラ５が介設され、図示省略のガス源に連通している。これにより、流量制御されたスパッタガスが真空チャンバ１内に導入できる。

真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる図示省略の真空排気装置に通じる排気管６が接続されている。上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により上記電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ５の稼働や真空排気装置の稼働等を統括管理するようになっている。

次に、ターゲット２の種類のみが異なる上記構成のスパッタリング装置ＳＭを用いた下地層Ｔ１及び配線層Ｔ２の形成について説明する。

先ず、Ｔａ製のターゲット２が装着された真空チャンバ１内は、予め真空排気手段を作動させて所定の真空度（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きしておく。その後、真空チャンバ１内のステージ４に処理基板Ｗをセットし、マスフローコントローラ５を制御してアルゴンガスを所定の流量で導入し、ＤＣ電源ＥよりＴａ製のターゲット２に所定の負の電位を印加（電力投入）して真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、スパッタリングにて微細形状Ｈを含む絶縁層Ｉの表面全体に亘ってＴａ膜たる下地層Ｔ１が形成される。このとき、成膜時の条件（アルゴンガスの分圧やターゲットへの投入電力等）から定まる成膜レートを基に、スパッタ時間を設定し、所望の膜厚の下地層Ｔ１が形成される。

次に、下地層Ｔ１が形成された処理基板Ｗ１を真空チャンバ１から取り出し、タングステン製のターゲット２が装着されたスパッタリング装置のステージ４に処理基板Ｗをセットする（上記同様、真空チャンバ内は所定の真空度（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きしておく）。その後、真空チャンバ１内に、マスフローコントローラ５を制御してアルゴンガスを所定の流量で導入し、ＤＣ電源Ｅよりタングステン製のターゲット２に所定の負の電位を印加（電力投入）して真空チャンバ２内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、下地膜Ｔ１の表面全体に亘ってタングステン膜たる配線膜Ｔ２が形成される。この場合もまた、ターゲット２への投入電力、スパッタ時間やアルゴンガスの導入量（ひいては、成膜時のアルゴンガスの分圧）を適宜制御して所望の膜厚の下地層が形成される。このとき、真空チャンバ１内のスパッタガスの分圧を０．６〜１．２Ｐａの範囲に設定することが好ましい。この範囲内であれば、タングステン膜Ｔ２の抵抗値を効果的に低くできる。

次に、本発明の上記効果を確認するために、上記構成のスパッタリング装置ＳＭを用いて以下の実験を行った。この実験では、処理基板Ｗとして、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜Ｉを形成したものを用いた。

ＴｉＷ膜の下地層Ｔ１を形成するのに際しては、ターゲット２として、Ｔａの純度が９９．９９９％で、スパッタ面２１の径がφ３９０ｍｍに作製したものを用い、ターゲット２と処理基板Ｗ１との間の距離を７０ｍｍに設定した。また、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、１００ｓｃｃｍの流量で導入し、ターゲットへの投入電力を５ＫＷに設定すると共に、成膜時間を３．５秒に設定した（下地層の膜厚が約１０ｎｍ）。

他方、タングステン膜の配線層Ｔ２を形成するのに際しては、ターゲット２として、タングステンの純度が９９．９９９％で、スパッタ面２１の径がφ４４０ｍｍに作製したものを用い、ターゲット２と処理基板Ｗとの間の距離を６０ｍｍに設定した。また、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、１５０ｓｃｃｍの流量で導入し、ターゲットへの投入電力を４ＫＷに設定すると共に、成膜時間を４３秒に設定した（配線層の膜厚が約１００ｎｍ）。

上記実験によれば、タングステン膜のシート抵抗値が約１１μΩｃｍ以下であり、ＴｉＮを介在させた上記従来例のもの（約２０μΩｃｍ）と比較して、半分以下の値にすることが確認できた。なお、上記条件で成膜したときのタングステン膜のＦＩＢ−ＳＩＭ像により、公知の方法で下地層としてＴｉＮ膜を１０ｎｍの膜厚で形成し、ＴｉＮ膜表面にタングステン膜を上記と同一条件で形成したものと比較して、タングステンの結晶粒が大きくなっていることが確認された。

次に、配線層Ｔ２形成時に、真空チャンバ１内のアルゴン分圧を変化させる以外は、上記と同条件で成膜を行う他の実験を行った。図３は、成膜時の真空チャンバ１内におけるアルゴン分圧とタングステン膜の比抵抗値との関係を示すグラフである。これによれば、アルゴン分圧が０．６〜１．２Ｐａの範囲内であるとき、比抵抗値を最も低くでき、その範囲がずれると、比抵抗値が上昇することが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、同一構成を有するスパッタリング装置ＳＭにより下地層Ｔ１と配線層Ｔ２とを夫々形成するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の成膜方法により下地層Ｔ１と配線層Ｔ２とを形成することができる。また、上記実施形態では、下地層をＴａ膜としたものを例に説明したが、ＴａＮ膜を用いることができる。このような場合には、スパッタリング中、スパッタガスと共に窒素からなる反応性ガスを導入し、上記と同一のスパッタリング装置を用いて反応性スパッタリングにてＴａＮ膜を形成すればよい。特に実験結果を示して説明しないが、下地層をＴａＮ膜とした場合もまた、タングステン膜のシート抵抗値を、ＴｉＮを用いる従来例より低くできることが確認された。

ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、４…ガス管、５…マスフローコントロータ、Ｗ…処理基板、Ｉ…ＳｉＯ_２膜（絶縁層）、Ｈ…微細形状、Ｔ１…下地層（Ｔａ膜）、Ｔ２…配線膜（タングステン膜）。

Claims (2)

1. 処理すべき基板表面に、微細形状を有する絶縁層を形成した後、この微細形状を含む絶縁層表面に、Ｔa膜またはＴａＮ膜からなる下地層を形成する工程と、
   下地層の表面に、タングステン膜からなる配線層を形成する工程とを、含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記配線層を形成する工程において、真空チャンバ内でタングステン製のターゲットに前記基板を対向配置し、所定圧力の真空チャンバ内に、希ガスからなるスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングすることで前記配線層が形成され、
   スパッタリング中、真空チャンバ内のスパッタガスの分圧を０．６〜１．２Ｐａの範囲に設定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。

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