JP2013074271A - デバイスの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリング法により、被処理基板の一面に形成されたチタンナイトライド膜上にタングステンシリサイド膜を形成する際に、タングステンシリサイド膜に含ませるシリコン原子の割合を微細制御することを可能にする、デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】被処理基板の一面１０３ａに、チタンナイトライド膜１０９、タングステンシリサイド膜１１０、タングステン膜１１１の順に堆積してなるデバイスの製造方法であって、タングステンシリサイド膜１１０をスパッタリング法により形成する際に、タングステン原子からなるターゲット１０２と、シリコン原子を含むプロセスガスを少なくとも用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、デバイスの製造方法および製造装置に関するものである。

半導体デバイスを動作させる機能素子は、配線層を介して、外部回路と電気的に接続されるように構成される。配線層を構成する材料としては、高融点金属であり、低抵抗のＷ（タングステン）膜が、よく用いられる（特許文献１）。一般に、Ｗ膜は、絶縁層を構成する酸化膜上に形成されるが、酸化膜の表面に直接形成されることはなく、バリア層として機能するＴｉＮ膜を介して形成される。

図６のグラフは、酸化膜の表面に直接形成されたＷ膜と、酸化膜の表面にＴｉＮ膜を介して形成されたＷ膜とで、比抵抗の膜厚依存性について比較したものである。図５のグラフに示されるように、Ｗ膜の比抵抗は、酸化膜の表面に、直接形成された場合には１０［μΩ／ｃｍ］程度であるのに対し、ＴｉＮ（チタンナイトライド）膜を介して形成された場合には２０［μΩ／ｃｍ］以上となることが知られている。そこで、Ｗ膜の比抵抗を低くするために、ＴｉＮ膜とＷ膜の間にＷＳｉ（タングステンシリサイド）膜を挟んだ構成が広く適用されている。ＷＳｉ膜を挟むことにより、実際に、Ｗ膜の比抵抗は低くなり、１０［μΩ／ｃｍ］に近づくことが確認されている。

また、Ｗ膜の比抵抗を所望の大きさとするために、Ｓｉ原子を所望の割合で含むＷＳｉ膜を、Ｗ膜の下に形成する方法がとられている。Ｓｉ原子を所望の割合で含むＷＳｉ膜は、スパッタリング法によりＷＳｉ膜を形成する際に、ターゲット（母材）として、Ｓｉ原子を所望の割合で含むＷＳｉターゲットを選択して用いることにより、得られている。ただし、実際には、ＷＳｉターゲットを選択したとしても、形成するＷＳｉ膜に含ませるＳｉ膜の割合を微細制御するには限界があり、ＷＳｉ膜上に、Ｗ膜を所望の比抵抗となるように形成することは難しいとされている。

ところで、所望の比抵抗を有するＷ膜を複数種類得るためには、所望の比抵抗に対応するように調整した割合で、Ｓｉ原子を含んだＷＳｉ膜を複数種類形成する必要があり、それにともなって、ＷＳｉ膜の形成に用いるターゲットを複数種類用いなければならない。

さらに、ＴｉＮ膜、ＷＳｉ膜、Ｗ膜は、それぞれを構成する材料からなる、ターゲットの母材を用いた、スパッタリング法により形成される。したがって、ＴｉＮ膜の形成用、ＷＳｉ膜の形成用、Ｗ膜の形成用に、３種類のターゲットの母材が必要となる。

しかしながら、スパッタリング法による従来の成膜装置では、各チャンバに備えられるスパッタリング用ターゲットの母材は、一種類のみである。すなわち、従来の成膜装置の構成は、一種類の母材を用いた成膜処理のみを行う構成となっている。したがって、連続して複数種類の成膜処理を行う場合には、成膜の種類ごとに別々のチャンバを用いる必要があり、チャンバの設置スペースを複数設けなければならない。

また、処理が終わるたびに、被処理体を、次の処理を行うチャンバへ搬送する必要がある。そのため、被処理体の搬送作業にかかる時間および被処理体の出入りにともなうチャンバ内の排気作業にかかる時間が生じ、一つの処理が終わってから次の処理が始まるまでの時間が長くなる。その結果として、成膜処理するための時間が短くなる。

特開２０１０−１９９３４９号公報

本発明は、以上のような点を考慮してなされたものであり、スパッタリング法により、被処理基板の一面に形成されたＴｉＮ膜上にＷＳｉ膜を形成する際に、ＷＳｉ膜に含ませるＳｉ原子の割合を微細制御することを可能にする、デバイスの製造方法を提供する。

また、本発明は、被処理基板の一面に形成されたＴｉＮ膜上に、ＷＳｉ膜とＷ膜とを順に形成する処理を、同一チャンバ内において行うことを可能とする、デバイスの製造装置を提供する。

本発明の請求項１に係るデバイスの製造方法は、被処理基板の一面に、チタンナイトライド膜、タングステンシリサイド膜、タングステン膜の順に堆積してなるデバイスの製造方法であって、前記タングステンシリサイド膜をスパッタリング法により形成する際に、タングステン原子からなるターゲットと、シリコン原子を含むプロセスガスを少なくとも用いることを特徴とする。

本発明の請求項２に係るデバイスの製造方法は、請求項１において、前記タングステンシリサイド膜を形成する同一チャンバにおいて、前記タングステン膜を形成することを特徴とする。

本発明の請求項３に係るデバイスの製造方法は、請求項１または２において、前記チタンナイトライド膜を形成するチャンバから、前記タングステンシリサイド膜および前記タングステン膜を形成するチャンバまで、前記被処理基板を減圧雰囲気中にて移動させることを特徴とする。

本発明の請求項４に係るデバイスの製造装置は、スパッタリング処理用のチャンバと、前記チャンバ内に配された、被処理基板の支持台と、前記支持台の温度を制御する手段と、前記チャンバ内に配されたＷ原子からなるターゲットと、前記支持台と前記ターゲットとの間に電圧を印加する手段と、前記チャンバ内を減圧するための排気手段と、前記チャンバ内における、前記支持台と前記ターゲットとの間の領域に導入する、シリコン原子を含むプロセスガスの供給手段と、前記チャンバと前記供給手段との間に配され、前記シリコン原子の割合を制御する手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

本発明に係るデバイスの製造方法によれば、Ｓｉ原子が、ガス状態でターゲットに供給される。そのため、ガス圧力を調整することにより、ＴｉＮ膜上に形成されるＷＳｉ膜に含ませるＳｉ原子の割合を微細制御することができる。したがって、ＴｉＮ膜上に所望の膜質のＷＳｉ膜を形成することができ、その結果として、所望の比抵抗のＷ膜を、ＷＳｉ膜上に形成することができる。

また、本発明に係るデバイスの製造装置によれば、ＴｉＮ膜上にＷＳｉ膜を形成するスパッタリング処理（リアクティブスパッタ処理）と、ＷＳｉ膜上にＷ膜を形成するスパッタリング処理とを、一つのターゲットのみを用いて行うことができる。したがって、二つのスパッタリング処理を同一のチャンバ内で行うことができ、従来のように、二つのスパッタリング処理の間に行う、チャンバ内の排気、被処理基板の搬送等の作業が不要となり、それにかかる時間を短縮することができる。

（ａ）本発明におけるデバイスの製造装置の断面図である。（ｂ）本発明のデバイスの製造装置により処理される、基板の一面を拡大した図である。 本発明を適用しうるマルチチャンバの構成を模式的に示した図である。 プロセスガスの圧力とＷＳｉ膜のシート抵抗との関係を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）ＷＳｉ膜を構成する結晶核の成長を説明する図である。 各プロセス条件により形成されるＷ膜のシート抵抗を比較するグラフである。 Ｗ膜の膜厚と比抵抗の関係を示すグラフである。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

＜第一実施形態＞
図１（ａ）は、第一実施形態に係るデバイスの製造装置１００の断面図である。製造装置１００は、スパッタリング処理用のチャンバ１０１と、チャンバ１０１内に配された、被処理基板（被処理体）１０３の支持台１０４と、支持台１０４の温度を制御する手段Ｔと、チャンバ１０１内に配されたＷ原子からなるターゲット１０２と、支持台１０４とターゲット１０２との間に電圧を印加する手段（電圧印加手段）Ｅとを備えている。

また、製造装置１００は、チャンバ１０１内を減圧するための排気手段１０５と、チャンバ１０１内における、支持台１０４とターゲット１０２との間の領域に、プラズマ雰囲気Ｐを発生させるために導入する、シリコン原子を含むプロセスガスの供給手段（ガス供給手段）１０６と、チャンバ１０１と供給手段１０６との間に配され、シリコン原子の割合を制御する手段（ガス制御手段）１０７とを備えている。

［デバイスの製造方法］
図１に示した製造装置１００を用いたデバイスの製造方法について、説明する。まず、第一工程として、被処理基板１０３を搬入し、排気手段１０５により減圧したチャンバ１０１内を、シリコン（Ｓｉ）原子を含むプロセスガス雰囲気とする。シリコン（Ｓｉ）原子を含むプロセスガスとしては、例えばＳｉＨ_４分子を不活性ガスに含めたものがあり、その場合には、プロセスガス中に混在させるＳｉＨ_４分子の割合は、１％程度であることが望ましい。

プロセスガスは、ガス供給手段１０６により供給され、ガス制御手段１０７を介して、Ｓｉ原子がプロセスガスに所望な割合で含まれるように制御した上で、チャンバ１０１内に導入される。なお、チャンバ１０１内に搬入された時点で、被処理基板の一面（被処理面）１０３ａには、絶縁層をなすＳｉＯ_２膜と、バリア層をなすＴｉＮ膜とが順に積層されている。

そして、ターゲット１０２に、電圧印加手段Ｅを用いて電圧を印加し、プラズマ励起させたガス雰囲気に含まれるＳｉイオンと、ターゲット１０２を構成するＷ原子とを反応させることにより、ターゲット１０２の表面に、ＷＳｉ分子を生成させる。そして、生成されたＷＳｉ分子からなるＷＳｉ膜を、スパッタリング法を用いてＴｉＮ膜上に形成する。

続いて、第二工程として、第一工程において導入したＳｉ原子を含んだガスを排気した上で、ガス制御手段１０７を用いて、Ｓｉ原子を含まないように制御された不活性ガスのみのプロセスガスをチャンバ１０１内に導入し、チャンバ１０１内を不活性ガス雰囲気とする。そして、ターゲット１０２に、電圧印加手段Ｅを用いて電圧を印加し、プラズマ励起させたガス雰囲気によるスパッタリング法を用いて、ターゲット１０２を構成するＷ原子からなるＷ膜を、第一工程において形成したＷＳｉ膜上に形成する。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の製造装置１００を用いて、上述した第一工程および第二工程の処理を行うことにより製造されたデバイス１１２の断面のうち、領域Ａを拡大した図である。デバイス１１２は、被処理基板１０３の一面（被処理面）１０３ａに、ＳｉＯ２膜１０８、ＴｉＮ膜１０９、ＷＳｉ膜１１０とＷ膜１１１とが順に形成されてなる。

第一実施形態に係るデバイスの製造装置１００によれば、ＴｉＮ膜１０９上にＷＳｉ膜１１０を形成するスパッタリング処理（リアクティブスパッタ処理）と、ＷＳｉ膜１１０上にＷ膜１１１を形成するスパッタリング処理とを、一つのターゲット１０２のみを用いて行うことができる。したがって、二つのスパッタリング処理を同一のチャンバ１０１内で行うことができ、従来のように、二つのスパッタリング処理の間に行う、チャンバ１０１内の排気、被処理基板１０３の搬送等の作業が不要となり、それにかかる時間を短縮することができる。

上述したデバイスの製造方法は、第一工程処理と第二工程処理とを同一のチャンバにおいて行う場合を例として説明したが、第一工程処理と第二工程処理とは別々のチャンバにおいて行ってもよい。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第一工程処理および第二工程処理の前後において用いられる、複数のチャンバと、各チャンバ間を結ぶ搬送室とを備えたマルチチャンバ２００、３００を模式的に示した図である。

図２（ａ）は、第一工程処理と第二工程処理とを同一のチャンバにおいて行う場合に対応している。マルチチャンバ２００を用いてプロセス処理を行う場合における、被処理基板の搬送経路について説明する。まず、被処理基板は、外部からロード室２０１に搬入される。そして、ロード室２０１において一定時間待機した後に、被処理基板を、ロード室２０１からチャンバ２０２内に搬送され、被処理体の一面にＴｉＮ膜が形成される。続いてチャンバ２０３において、被処理基板の一面に、ＴｉＮ膜上を介して、ＷＳｉ膜およびＷ膜が形成される。続いて、被処理基板はチャンバ２０３からアンロード室２０５に搬送され、一定時間待機した後に、アンロード室２０５から外部に搬出される。

図２（ｂ）は、第一工程処理と第二工程処理とを別々のチャンバにおいて行う場合に対応している。マルチチャンバ３００を用いてプロセス処理を行う場合における、被処理基板の搬送経路について説明する。まず、被処理基板は、外部からロード室３０１に搬入される。そして、ロード室３０１において一定時間待機した後に、被処理基板を、ロード室３０１からチャンバ３０２内に搬送され、被処理体の一面にＴｉＮ膜が形成される。続いてチャンバ３０３において、被処理基板の一面に、ＴｉＮ膜上を介して、ＷＳｉ膜が形成される。続いてチャンバ３０４において、被処理基板の一面に、ＴｉＮ膜上を介して、Ｗ膜が形成される。続いて、被処理基板はチャンバ３０４からアンロード室３０５に搬送され、一定時間待機した後に、アンロード室３０５から外部に搬出される。なお、被処理基板のプロセス処理中および搬送中は、各チャンバを結ぶ搬送室２０６は減圧下にある。

次に、上述の第一工程においてチャンバ１０１内に導入する、Ｓｉ原子を含んだガス（プロセスガス）の圧力と、このプロセスガスを用いて被処理基板１０３に形成された、ＷＳｉ膜１１０のシート抵抗との関係について、図３を用いて説明する。図３は、プロセスガスの圧力とＷＳｉ膜１１０のシート抵抗との関係を示す、二つのグラフ（実線、点線）からなる。縦軸は、ＷＳｉ膜１１０のシート抵抗を示し、横軸がプロセスガスの圧力を示している。

実線のグラフは、上述の製造方法にしたがい、Ｗ原子からなるターゲットの母材と、Ｓｉ原子を含んだプロセスガスを用いた、スパッタリング処理により形成したＷＳｉ膜１１０のシート抵抗と、プロセスガスの圧力との関係を示したものである。点線のグラフは、従来の製造方法にしたがい、ＷＳｉ分子からなるターゲットの母材を用いた、スパッタリング処理により形成したＷＳｉ膜１１０のシート抵抗を示したものである。

実線のグラフによれば、プロセスガスの圧力とＷＳｉ膜１１０のシート抵抗とは、一次の比例関係にあり、圧力を高くするにつれて、シート抵抗が単調増加する傾向にある。したがって、上述の製造方法にしたがってプロセスガスの圧力を調整することにより、所望のシート抵抗のＷＳｉ膜１１０を形成することができる。

なお、ＷＳｉ膜１１０のシート抵抗は、ＷＳｉ膜１１０を構成する結晶核の密度と反比例の関係にある。すなわち、ＷＳｉ膜１１０を構成する結晶核の密度が大きいほど、ＷＳｉ膜１１０のシート抵抗は低くなり、結晶核の密度が小さいほど、ＷＳｉ膜１１０のシート抵抗は高くなる。

図４（ａ）は、第一工程を経て形成されたＷＳｉ膜１１０を構成する結晶核の密度が小さい場合に、この結晶核を中心として、ターゲット１０２から飛び出したＷ粒子１１１ａが、ＷＳｉ膜１１０上において、結晶粒１１１ｂを構成する様子を模式的に示した図である。結晶核の密度が小さい場合には、隣接する結晶核同志の距離が長くなるため、結晶核を中心として、Ｗ粒子１１１ａからなる少数の大きな結晶粒１１１ｂが形成される。

図４（ｂ）は、第一工程を経て形成されたＷＳｉ膜１１０を構成する結晶核の密度が大きい場合に、この結晶核を中心として、ターゲット１０２から飛び出したＷ粒子１１１ａが、ＷＳｉ膜１１０上において、結晶粒１１１ｃを構成する様子を模式的に示した図である。結晶核の密度が大きい場合には、隣接する結晶核同志の距離が短くなるため、結晶核を中心として、Ｗ粒子１１１ａからなる多数の小さな結晶粒１１１ｃが形成される。

図５は、５つのプロセス条件Ａ〜Ｅにより形成されたＷ膜のシート抵抗を比較するグラフである。縦軸はＷ膜のシート抵抗を示し、横軸は各プロセス条件の名称を示している。プロセス条件Ａ〜Ｃは、被処理基板の一面１０３ａに形成されたＴｉＮ膜１０９とＷ膜１１１との間に、ＷＳｉ膜１１０をリアクティブスパッタリング処理（上述した第一工程処理）により形成した場合に対応する。

プロセス条件Ｄは、被処理基板の一面１０３ａに形成されたＴｉＮ膜１０９とＷ膜１１１との間に、ＷＳｉ膜１１０をＰＶＤ処理（従来のスパッタリング処理）により形成した場合に対応する。プロセス条件Ｅは、被処理基板の一面１０３ａに形成されたＴｉＮ膜１０９とＷ膜１１１との間に、ＷＳｉ膜１１０を形成していない場合に対応する。

プロセス条件Ａ〜Ｄのグラフと、プロセス条件Ｅのグラフとの比較から、Ｗ膜１１１のシート抵抗は、ＴｉＮ膜１０９上にＷＳｉ膜１１０を介してＷ膜１１１を形成することにより、ＴｉＮ膜上１０９に直接Ｗ膜１１１を形成した場合の半分程度になることが分かる。

また、プロセス条件Ａ〜Ｃのグラフと、プロセス条件Ｄのグラフとの比較から、ＷＳｉ膜を、リアクティブスパッタリング処理を行って形成した場合においても、プロセスガスの圧力を調整することにより、ＰＶＤ処理を行って形成した場合と同程度のシート抵抗のＷ膜を得られることが分かる。

そして、プロセス条件Ａ〜Ｃのグラフから、ＷＳｉ膜を形成する際のプロセスガスの圧力を高くすることにより、Ｗ膜のシート抵抗が僅かに低くなる傾向にあることが分かる。したがって、プロセスガスの圧力調整を行うことにより、形成されるＷ膜のシート抵抗を細かく管理することができる。

第一実施形態に係るデバイスの製造方法によれば、Ｓｉ原子が、ガス状態でターゲットに供給される。そのため、ガス圧力を調整することにより、ＴｉＮ膜上に形成されるＷＳｉ膜に含ませるＳｉ原子の割合を微細制御することができる。したがって、ＴｉＮ膜上に所望の膜質のＷＳｉ膜を形成することができ、その結果として、所望の比抵抗のＷ膜を、ＷＳｉ膜上に形成することができる。

また、第一実施形態に係るデバイスの製造方法によれば、プロセスガスの圧力を調整して、Ｗ膜の膜質を変化させることにより、所望のシート抵抗のＷ膜を形成することができる。Ｗ膜等の金属配線を所望の抵抗となるように形成しようとする場合、一般には、配線の長さと太さを調整する方法がとられるが、配線部を形成する領域が十分に確保できない場合や、配線部を、寸法ばらつきが大きく影響するようなサイズに加工する場合には、上述したデバイスの製造方法が有効となる。

本発明は、チタンナイトライド膜、タングステンシリサイド膜、タングステン膜を用いてなる、半導体装置等のデバイスの配線層を形成する場合に対し、広く適用することが出来る。

１００・・・製造装置、１０１・・・チャンバ、１０２・・・ターゲット、
１０３・・・被処理基板、１０３ａ・・・一面、１０４・・・支持台、
１０５・・・排気手段、１０６・・・プロセスガスの供給手段、
１０７・・・シリコン原子の割合を制御する手段、１０９・・・チタンナイトライド膜、１１０・・・タングステンシリサイド膜、１１１・・・タングステン膜、
Ｅ・・・電圧を印加する手段、Ｔ・・・温度を制御する手段。

Claims (4)

1. 被処理基板の一面に、チタンナイトライド膜、タングステンシリサイド膜、タングステン膜の順に堆積してなるデバイスの製造方法であって、
   前記タングステンシリサイド膜をスパッタリング法により形成する際に、タングステン原子からなるターゲットと、シリコン原子を含むプロセスガスを少なくとも用いることを特徴とするデバイスの製造方法。
2. 前記タングステンシリサイド膜を形成する同一チャンバにおいて、
   前記タングステン膜を形成することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載のデバイスの製造方法。
3. 前記チタンナイトライド膜を形成するチャンバから、前記タングステンシリサイド膜および前記タングステン膜を形成するチャンバまで、前記被処理基板を減圧雰囲気中にて移動させることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイスの製造方法。
4. スパッタリング処理用のチャンバと、
   前記チャンバ内に配された、被処理基板の支持台と、
   前記支持台の温度を制御する手段と、
   前記チャンバ内に配されたＷ原子からなるターゲットと、
   前記支持台と前記ターゲットとの間に電圧を印加する手段と、
   前記チャンバ内を減圧するための排気手段と、
   前記チャンバ内における、前記支持台と前記ターゲットとの間の領域に導入する、シリコン原子を含むプロセスガスの供給手段と、
   前記チャンバと前記供給手段との間に配され、前記シリコン原子の割合を制御する手段と、を少なくとも備えたことを特徴とするデバイスの製造装置。

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