JP2014045066A

JP2014045066A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2014045066A
Application number: JP2012186434A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 隆司佐藤
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: JP5938301B2

Abstract

【課題】従来のＴｉペースト処理はアルゴンガスのみを用いるが、このようなアルゴン雰囲気下でＴｉペーストのスパッタ処理を行った後、製品ウエハにＴｉＮ膜の成膜のためスパッタ処理を行うと不安定なＴｉＮ膜となりやすくＴｉＮ膜が目標とする膜厚以上に成膜されてしまうという問題がある。
【解決手段】アルゴン（Ａｒ）ガスを流して、Ｔｉペースト処理を行い、このＴｉペースト処理後、窒素ガスの流量比が７５％以上となるようにアルゴンガスと窒素ガスを流してターゲットの窒化を促進し、その後アルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ２）ガスを流してＴｉＮ膜の成膜を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にスパッタ処理の成膜処理工程を有する半導体装置の製造方法に適用して有効な技術である。

半導体装置の製造におけるスパッタ処理の一つとしてのＴｉＮの成膜プロセスにおいて、Ｔｉペースト（又はＴｉダミー）によるシールド板からの膜剥離防止に関する技術を記載したものとして次のような公開公報が有る。

（１）特開平９−２６８３６７号公報（特許文献１）
段落００１１に、「プラズマ処理によるＴｉＮの成膜プロセスにおいて、防着シールド板からの剥離異物抑制のためにＴｉを数μｍペーストする必要がある」旨の記載がある。

（２）特開２００２−３０２７６３号公報（特許文献２）
段落００６４と段落００６５に、「ＴｉＮが連続的にシールドに付着していくとＴｉＮ膜の応力が高く且つシールドとの密着性が弱いため膜ハガレが発生してパーティクルとなるためにＴｉスパッタを行い膜ハガレを防止する」、「Ｔｉ膜はシールド、ＴｉＮ膜との密着性が高くＴｉＮ膜のハガレ防止の効果（壁塗り効果）がある」旨の記載がある。

特開平９−２６８３６７号公報特開２００２−３０２７６３号公報

特許文献１は、Ｔｉペースト処理後の製品ウエハへのＴｉＮ膜成膜処理時、特にＴｉペースト直後の１〜２ロットの製品ウエハへのＴｉＮ膜スパッタ処理時に、ＴｉＮ膜の膜厚が厚くなってしまう場合がある。
特許文献２においても、前記特許文献１と同様に、Ｔｉペースト後のＴｉＮ膜成膜処理特にＴｉペースト直後の１〜２ロットの製品ウエハへのＴｉＮ膜スパッタ時に、ＴｉＮ膜の膜厚が目標とする膜厚以上に成膜されてしまう場合がある。
その他の課題と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

１つの実施の形態による半導体装置の製造方法は、Ｔｉペースト後チャンバー内に多量の窒素ガスを導入して、ターゲットの窒化を促進し、その後アルゴンガス、窒素ガスをチャンバー内に導入してそれらをプラズマ化してＴｉＮ膜を半導体ウエハ上に成膜するものである。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、Ｔｉペースト処理後の製品ウエハへのＴｉＮ膜成膜工程で目標とする膜厚を有するＴｉＮ膜の成膜処理を達成することができる。

実施の形態１に係わるスパッタ処理工程を示す概略図面であり、（ａ）はＴｉペースト処理工程を示し、（ｂ）はＴｉＮ膜処理工程を示す概略図である。図１（ａ）のＴｉペースト処理でのスパッタ処理条件を示す図である。図１（ｂ）のＴｉＮ膜処理工程のスパッタ処理条件を示す図である。実施の形態１に係わるスパッタ処理工程を用いた製品例と従来条件のスパッタ処理を用いた製品例それぞれの断面ＳＥＭ像を示す図である。実施の形態１に係わるスパッタ処理と従来条件のスパッタ処理それぞれにより形成されたＴｉＮ膜の層抵抗のバラツキを示す図。実施の形態１に係わるスパッタ処理工程を用いる製品の一例を示す構造断面斜視図。実施の形態２に係わるスパッタ処理工程でのＴｉペースト処理工程のスパッタ処理条件を示す図である。従来のＴｉペースト処理のスパッタ処理条件を示す図である。

先ず、本願発明者の本願に先立った検討により新たに判明した問題点を図８をもとに下記する。

半導体装置の製造において、高真空のチャンバー内に不活性ガスを導入し、プラズマ化されたイオンを金属ターゲットにぶつけ、物理的粒子衝撃によって金属粒子を叩き出し、この金属粒子を対向する半導体基板（半導体ウエハ）表面に堆積させるスパッタ処理が用いられる。このスパッタ処理の一つであるＴｉＮの成膜プロセスはＴｉターゲットを用いて成膜を行うが、製品ウエハ約２００枚処理毎に１回、Ｔｉペースト処理を行なっている。これは、数百枚程度の処理量を超えると、シールド板にＴｉＮ堆積と膜応力の関係で、その剥がれ起因によりパーティクルが多くなる。そのため、剥がれを抑制するため及び製品ウエハへの汚染を防止するためにＴｉペースト処理を行っている。窒化チタン（Ｔｉ）や窒化タングステン（ＴｉＷ）などのような窒素化合物は応力値が一般的に高く膜剥がれが生じやすい。

図８は従来のＴｉペースト処理でのスパッタ処理条件を示す図である。図８からわかるようにＴｉペースト処理の際はアルゴンガスのみを用いる。このようなアルゴン雰囲気下でＴｉペーストのスパッタ処理を行った後、製品ウエハにＴｉＮ膜の成膜のためスパッタ処理を行うと不安定なＴｉＮ膜となりやすくＴｉＮ膜が目標とする膜厚以上に成膜されてしまう。

製品ウエハ（ロット）へのＴｉＮ膜成膜時に、膜厚が通常の約２倍程度成膜される場合があることを発明者は発見した。発明者によれば、目標値（設計値）の約２．４倍〜２．６倍厚くなった例を確認した。ＴｉＮ膜の膜厚がこのように過剰に厚いと、後のドライエッチング工程での異常エッチングとなり、正常なパターン形成ができなくなり製品ウエハは廃棄となり、また、ドライエッチング装置の稼動停止となり、製造コストの上昇をまねくことになる。

以下、図面を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明する。しかし、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。ただし、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除く。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。ただし、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除く。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む）についても同様である。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係わるスパッタ処理工程を示す概略図面であり、（ａ）はＴｉペースト処理工程を示し、（ｂ）はＴｉＮ膜処理工程を示す概略図である。
図１に示すように、陰極７とそれと対向する陽極８とこれらを囲むシールド板３を有するチャンバーを有し、前記陰極７に高圧電源２が接続されるスパッタ装置を用いてスパッタ処理が成される。

本実施の形態１では、図１（ａ）に示すように、Ｔｉターゲット１を陰極７に設置し、それと対向する陽極８にダミーウエハ６を設置し、チャンバー内に導入されたアルゴンガスをプラズマ化４し、そのプラズマ化されたアルゴンイオンをＴｉターゲット１にぶつけてシールド板３上にＴｉ膜５のペーストを行う。ダミーウエハ６は陽極８の保護のために用いられるものであり、ダミーウエハ６上にもＴｉ膜５は形成される。
次に図１（ｂ）に示すように陽極８上からダミーウエハ６を除いた後、製品ウエハ１１を陽極８上に設置し、チャンバー内にはアルゴン、窒素ガスを導入し、このガスをプラズマ化９して、プラズマ化されたアルゴンイオンをＴｉターゲット１にぶつけて製品ウエハ１１上にＴｉＮ膜１０を成膜する。

図２は前記図１（ａ）のＴｉペースト処理時のスパッタ処理条件を示す図である。図２に示すように、ステップ（ＳＴＥＰ）１〜８工程を有し、ステップ（ＳＴＥＰ）１、２で９５ｓｃｃｍのアルゴン（Ａｒ）ガスを流して、Ｔｉペースト処理を行う、この時の時間とパワーは図２に示す通りである。そして、ステップ（ＳＴＥＰ）３で真空引きを行う。

その後ステップ（ＳＴＥＰ）４、５でアルゴンガスを３５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１０７ｓｃｃｍ流してターゲット１の窒化を促進する。この時の窒素ガスの流量比は７５％であり、従来（図８）よりも多い流量比となっている。又、時間とパワーは図２に示す通りである。

そして、ステップ（ＳＴＥＰ）６、７でアルゴンガスを５７ｓｃｃｍ、窒素ガスを８５ｓｃｃｍ流す、この時の時間とパワーは図２に示す通りである。

そして、ステップ（ＳＴＥＰ）８で真空引きを行う。時間とパワーは図２に示す通りである。図２において、ｓｃｃｍはＳｔａｎｄａｒｄｃｃ／ｍｉｎ．の略であり、１分間当たりの流量を示す。又、Ｎ２流量比とは、（Ｎ２流量）／（Ｎ２流量＋Ａｒ流量）の１００分率で示した値である。

図３は、前記図１（ｂ）のＴｉＮ膜処理工程のスパッタ処理条件を示す図である。図３に示すように、ステップ（ＳＴＥＰ）１〜３工程を有し、ステップ（ＳＴＥＰ）１、２でアルゴン（Ａｒ）ガスを５７ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ２）ガスを８５ｓｃｃｍ流してＴｉＮ膜の成膜を行う。時間とパワーは、図３に示す通りである。そして、ステップ（ＳＴＥＰ）３でチャンバー内を真空引きする。図３におけるｓｃｃｍは図２と同様の意味であり、１分間当たりの流量を示す。

図４は、実施の形態１に係わるスパッタ処理工程を用いた製品例と従来条件のスパッタ処理を用いた製品例それぞれの断面ＳＥＭ像を示す図である。図４の（Ａ）が実施の形態１に沿って処理された半導体装置であり、上段ＳＥＭ像はアルミニウム（ＡＬ）配線４１とその上に形成されたＴｉＮ膜から成る反射防止膜４２の長さ方向に沿った断面ＳＥＭ像である。また下段は、前記上段に示す配線４１とＴｉＮ膜（反射防止膜）４２の長さ方向に直交する方向の断面ＳＥＭ像である。

図４の（Ｂ）は従来条件を適用して処理された半導体装置であり、上段ＳＥＭ像はアルミニウム（ＡＬ）配線４３とその上に形成されたＴｉＮ膜から成る反射防止膜４４の長さ方向に沿った断面ＳＥＭ像である。また下段は、前記上段に示す配線４３とＴｉＮ膜（反射防止膜）４４の長さ方向に直交する方向の断面ＳＥＭ像である。

図４において、（Ａ）のＴｉＮ膜（反射防止膜）４２の厚さＨ１は７５０Åであり、目標とする値すなわち、設計値どおりの値であった。一方図４（Ｂ）のＴｉＮ膜（反射防止膜）４４の厚さＨ２は１９５０Åであり、設計値を大幅に上回る値となった。

次に図５は実施の形態１に係わるスパッタ処理と従来条件のスパッタ処理それぞれにより形成されたＴｉＮ膜の層抵抗のバラツキを比較する図である。図５でのスパッタ処理によるＴｉＮ膜は、Ｔｉペースト後にＴｉペースト時に用いるダミーウエハとは異なる別のダミーウエハを製品ウエハの代わりに用いこのダミーウエハ全面に成膜されたものである。そして、実施の形態１に係わるスパッタ処理と従来条件のスパッタ処理それぞれで各一枚のダミーウエハを用いている。又、バラツキの値は、ダミーウエハ面内任意の９点の範囲Ｒ（Range）すなわち９点中最大値と最小値の差である。

図６からわかるように、従来条件での方法では２．６Ω／ｓｑのバラツキであったが実施の形態の方法によれば、２．２Ω／ｓｑまで低減した。これは、従来値から１５．４％の低減である。

次に図６は実施の形態１の製造方法を具体的な半導体装置に適用した例を示す一部構造断面斜視図である。図６に示すように、シリコン基板７３にＮウエル６５、Ｐウエル７０が形成され、Ｎウエル６５にＰ型ＭＯＳＦＥＴが、Ｐウエル７０にＮ型ＭＯＳＦＥＴがそれぞれ形成されている。そして、前記Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴそれぞれのソース領域６８、ドレイン領域６９に埋め込み金属６３が接続され、この埋め込み金属６３を介してアルミニウム（ＡＬ）の金属配線６２が接続される。さらに、このアルミニウム（ＡＬ）の金属配線６２上には本実施の形態１に沿って形成されるＴｉＮ膜から成る反射防止膜６１を有している。

また、図６の埋め込み金属６３のバリアメタル７２に本実施の形態１に沿って形成されるＴｉＮ膜を用いても良い。

このような実施の形態１によれば、前記したように、Ｔｉペースト後の製品ウエハへのスパッタ処理において、設計値に沿った膜厚で成膜することができる。又、成膜後のドライエッチング工程での異常エッチングや製品ウエハの廃棄、ドライエッチング装置の稼動停止等がなくなり、製造コストの上昇も防ぐことができる。このような効果は、Ｔｉペースト処理時のスパッタ処理条件を工夫することによりターゲット１の窒化を促進することができそれにより達成できたものと思われる。

又、図２に示すように、スパッタ処理条件は、アルゴンガス、窒素ガスの窒素流量比を大きくして流すステップ４とステップ５を追加するものであるため、従来条件からの変更リスクを少なくしている。

＜実施の形態２＞
図７は、実施の形態２に係わるスパッタ処理工程でのＴｉペースト処理工程のスパッタ処理条件を示す図である。図７に示すように、ステップ（ＳＴＥＰ）１〜６工程を有し、ステップ（ＳＴＥＰ）１、２で９５ｓｃｃｍのアルゴン（Ａｒ）ガスを流して、Ｔｉペースト処理を行う、この時の時間とパワーは図７に示す通りである。そして、ステップ（ＳＴＥＰ）３で真空引きを行う。

その後ステップ（ＳＴＥＰ）４、５でアルゴンガスを３５ｓｃｃｍ、窒素ガスを１０７ｓｃｃｍ流して（Ｎ２流量比７５％）ターゲット１の窒化を促進する。

その後、製品ウエハ１１上へのＴｉＮ膜１０の成膜処理を行なう。このＴｉＮ膜処理工程のスパッタ処理条件は、実施の形態１の図３に示す条件と同様なものとする。

この実施の形態２では、図２に比べステップを減らすことができＴｉペースト処理の処理時間を短縮することができる。

実施の形態２において、窒素ガスの流量比は７５％であるが変形例として、それ以上の値でも良く、上限は１００％とする。

このような実施の形態２においても、Ｔｉペースト処理後の製品ウエハへのスパッタ処理において、設計値に沿った膜厚で成膜することができる。又、成膜後のドライエッチング工程での異常エッチングや製品ウエハの廃棄、ドライエッチング装置の稼動停止等がなくなり、製造コストの上昇も防ぐことができる。

１：Ｔｉターゲット
２：高圧電源
３：シールド板
４：アルゴンガスプラズマ
５：Ｔｉ薄膜
６：ダミーウエハ
７：陰極
８：陽極
９：アルゴン、窒素ガスプラズマ
１０：ＴｉＮ膜
１１：製品ウエハ
４１、４３、６２：アルミニウム配線
４２、４４、６１：反射防止膜（ＴｉＮ膜）
６３：埋め込み金属
６４：層間絶縁膜
６５：Ｎウエル
６６：高融点金属のシリサイド層
６７：素子分離領域（ＳＴＩ）
６８：ソース領域
６９：ドレイン領域
７０：Ｐウエル
７１：ゲート領域
７２：バリアメタル
７３：シリコン基板

Claims

チャンバー内のシールド板にＴｉペースト処理を行なうステップを有するスパッタ処理工程により半導体ウエハ上に絶縁膜を成膜する半導体装置の製造方法であって、前記Ｔｉペースト後チャンバー内に多量の窒素ガスを導入して、ターゲットの窒化を促進し、その後アルゴンガス、窒素ガスをチャンバー内に導入してそれらをプラズマ化してＴｉＮ膜を前記半導体ウエハ上に成膜する半導体装置の製造方法。
前記Ｔｉペースト後チャンバー内に導入する多量の窒素ガスはＴｉＮ膜成膜時の窒素ガス流量よりも多い請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記多量の窒素ガスを導入して、ターゲットの窒化を促進した後チャンバー内を真空引きする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記Ｔｉペースト後チャンバー内を真空引きしその後チャンバー内に多量の窒素ガスを導入して、ターゲットの窒化を促進する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記Ｔｉペースト後チャンバー内にはアルゴンガスも導入する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記Ｔｉペースト後チャンバー内に導入される窒素ガスとアルゴンガスの比は、窒素が７０％以上である請求項５記載の半導体装置の製造方法。
前記ＴｉＮ膜は、金属配線の反射防止膜として形成される請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記ＴｉＮ膜は、埋め込み金属６３のバリアメタルとして形成される請求項１記載の半導体装置の製造方法。