JP3564884B2

JP3564884B2 - Tungsten film formation method

Info

Publication number: JP3564884B2
Application number: JP20297396A
Authority: JP
Inventors: 哲哉桑島
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: JPH1032248A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＬＳＩの配線形成等に用いるに好適なＷ（タングステン）膜形成法に関し、特にＷ膜の気相堆積に用いる反応室内でプラズマ処理によりＴｉＮ（チタンナイトライド）層の露出部を再窒化することにより下地に対する熱履歴の負荷を軽減すると共にＷ成膜処理の簡略化を図ったものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩの配線形成にあっては、絶縁膜に設けた接続孔にＷプラグを埋込むことで配線の平坦性を向上させることが知られている。そして、Ｗプラグ形成に用いられるＷ膜形成法としては、図８に示す方法が提案されている。
【０００３】
ステップ１０では、図９，１０に示すようにＳｉ（シリコン）等の半導体基板２０の表面を覆うＳｉＯ_２等の絶縁膜２２に接続孔２２ａを形成した後、スパッタ処理によりＴｉ（チタン）層２４ａ及びＴｉＮ層２４ｂを順次に形成する。接続孔２２ａは、一例としてＰ型半導体基板２０の表面に設けたＮ^＋型不純物ドープ領域２０ａに配線を接続するのを可能にするものである。ＴｉＮ層２４ｂは、絶縁膜２２に対するＷの密着性を向上させると共に半導体とＷの相互拡散を防ぐバリア性の導電層であり、Ｔｉ層２４ａは、コンタクト抵抗を低減するための導電層である。
【０００４】
次に、ステップ１２では、基板２０をランプアニール装置の処理室内の所定位置にセットし、Ｎ_２（又はＮＨ_３）ガス雰囲気中でアニール処理を行なうことによりＴｉ層２４ａの露出部及びＴｉＮ層２４ｂの露出部を窒化する。このような窒化処理が終ったときは、ランプアニール装置の処理室から基板２０を外部に取出す。
【０００５】
次に、ステップ１４では、ＷのＣＶＤ（ケミカル・ベーパー・デポジション）に用いる反応室内の所定位置に基板２０をセットし、反応室にＳｉＨ_４ガスを流すことによりＴｉ層２４ａの窒化部及びＴｉＮ層２４ｂの窒化部を覆ってアモルファスＳｉ膜（図示せず）を形成する。そして、ステップ１６では、反応室にＷＦ_６＋ＳｉＨ_４ガスを流すことによりアモルファスＳｉ膜上にＷの核（図示せず）を形成する。この後、ステップ１８では、反応室にＷＦ_６＋Ｈ_２ガスを流すことによりＷの核を覆って所望の厚さのＷ膜２６を形成する。
【０００６】
ステップ１４及び１６は、それぞれイニシエーションステップ及びニュークリエーションステップと呼ばれるもので、メインステップとしてのステップ１８の準備工程である。
【０００７】
ステップ１２において窒化処理を行なう第１の目的は、Ｗ膜２６のはがれを防止することにある。すなわち、スパッタ処理を終った段階では、ＴｉとＴｉＮとでカバレッジに差がある（Ｔｉの方が回り込みやすい）ため、図９に示すように基板（ウエハ）２０の端部近傍ではＴｉ層２４ａがＴｉＮ層２４ｂで覆われず、露出状態となることが多い。このような状態でステップ１８でＷ膜２６を形成すると、図９に示すようにＷ膜２６は、基板２０の端部近傍でＴｉ層２４ａに直接接触して形成される。Ｔｉ層２４ａに直接接触して形成されたＷ膜部分は、はがれやすく、パーティクル発生の原因となる。そこで、ステップ１２では、Ｔｉ層２４ａの露出部を窒化（ＴｉＮ化）してＷ膜２６のはがれを防止している。
【０００８】
ステップ１２において窒化処理を行なう第２の目的は、ＴｉＮ層２４ｂのバリア性を向上させることにある。すなわち、スパッタ処理を終った段階では、ＴｉＮ層２４ｂが柱状構造になっており、バリア性に欠ける。このような状態でステップ１８でＷ膜２６を形成すると、図１０に示すようにＴｉＮ層２４ｂが破れてＷが破線Ｂに示すようにＮ^＋型領域２０ａ内に入り込み、ＰＮ接合のリーク電流増大を招くことがある。そこで、ステップ１２では、ＴｉＮ層２４ｂの露出部を窒化してバリア性を向上させている。
【０００９】
ステップ１４，１６においてアモルファスＳｉ膜形成及びＷ核形成を行なうのは、ＴｉＮ層２４ｂのバリア性を補足すると共にＷ膜２６の膜質を向上させるためである。
【００１０】
図９，１０に示したようにＷ膜２６を形成した後、配線形成に際しては、一例として絶縁膜２２の上面が露呈されるまでＷ膜２６及びＴｉＮ／Ｔｉ層２４をエッチバックし、接続孔２２ａ内にはＷ膜２６及びＴｉＮ／Ｔｉ層２４を残存させる。そして、絶縁膜２２の上面に配線材層としてＡｌ合金層を被着した後Ａｌ合金層をホトリソグラフィ及び選択エッチング処理によりパターニングして接続孔２２ａ内のＷ膜２６及びＴｉＮ／Ｔｉ層２４につながる配線層を形成する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術によると、ランプアニール処理により窒化処理を行なっているため、下地に対する熱履歴の負荷が大きく、図１０に示すようにＴｉ層２４ａとＮ^＋型領域２０ａとの反応によりチタンシリサイド層Ｓが形成されることがある。また、絶縁膜２２を層間絶縁膜とし、層２４ａ，２４ｂ，２６からなる導電層を接続孔２２ａを介してＡｌ合金等からなる下層配線に接続する場合には、下層配線を構成するＡｌ合金層にヒロック、ノジュール、ボイド等の不良が発生することもある。
【００１２】
その上、ランプアニール処理の後ＷのＣＶＤ処理の前に基板２０が大気にさらされるため、ＴｉＮ層２４ｂの表面に水分や汚染物質等が付着しやすい。従って、Ｗの異常成長を防ぐためにもイニシエーションステップ１４やニュークリエーションステップ１６は不可欠であり、工程的に複雑さを免れない。また、Ｗの異常成長によりパーティクル発生を招くこともある。
【００１３】
さらに、Ｗ膜２６を形成する際に図１０に示すようにＷ膜２６にボイドＶが生ずることがある。すなわち、ＷのＣＶＤ処理では、接続孔２２ａの底部におけるＴｉＮ層２４ｂの厚さが重要であるが、ＴｉＮ層２４ｂは接続孔２２ａの底部でのカバレッジが良好でない。接続孔２２ａの底部で所要のカバレッジを得るためには、ＴｉＮ層２４ｂの堆積厚さを大きくする必要がある。しかし、このようにすると、図１０に示すように接続孔２２ａの開口端近傍でＴｉＮ層２４ｂの一部が張り出して接続孔２２ａの底部近傍のＷ堆積を抑制し、ボイドＶを発生させる。
【００１４】
この発明の目的は、下地に対する熱履歴の負荷を軽減すると共にＷ成膜処理を簡略化することができる新規なＷ膜形成法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るＷ膜形成法は、
基板を覆う絶縁膜の上にチタン層を形成する工程と、
前記チタン層の上にチタンナイトライド層を形成する工程と、
前記チタンナイトライド層を形成した後前記基板を大気にさらすことなくタングステン堆積用の反応室内にセットして該反応室内においてヒドラジン、モノメチルヒドラジン又はジメチルヒドラジンのいずれかを用いるプラズマ処理により前記チタンナイトライド層の露出部を再窒化すると共に前記チタン層の露出部を窒化する工程であって、前記チタンナイトライド層の露出部ではストイキオメトリーでないチタンナイトライドをストイキオメトリーなチタンナイトライドに変換するように再窒化を行なうものと、
前記反応室内において前記チタンナイトライド層の再窒化部及び前記チタン層の窒化部を覆ってタングステンを気相堆積してタングステン膜を形成する工程と
を含むものである。
【００１７】
このような方法によれば、ランプアニール処理に比べて低温で処理可能なプラズマ処理により窒化処理を行なうようにしたので、下地に対する熱履歴の負荷を軽減することができる。また、ＷＣＶＤ用の反応室内において窒化処理及びＷ成膜処理を続けて行なうようにしたので、被処理基板を大気にさらすことなくＷ成膜処理に移ることができ、イニシエーションステップ及びニュークリエーションステップを短縮又は省略することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態に係るＷ膜形成法を示すものである。
【００２２】
ステップ１０では、図２，３に示すようにＳｉ等の半導体基板２０の表面を覆うＳｉＯ_２等の絶縁膜２２に接続孔２２ａを形成した後、例えばスパッタ処理によりＴｉ層２４ａ及びＴｉＮ層２４ｂを順次に形成する。図１〜３において、図７〜９と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２３】
Ｔｉ層２４ａを形成するためのスパッタ処理において、処理条件は、
温度：１００〜２００［℃］
パワー：８００〜２０００［Ｗ］
圧力：３〜５［ｍＴｏｒｒ］
層２４ａの厚さ：２０〜４０［ｎｍ］
とすることができる。
【００２４】
ＴｉＮ層２４ｂを形成するためのスパッタ処理において、処理条件は、
温度：１００〜２００［℃］
パワー：４０００〜６０００［Ｗ］
圧力：３〜５［ｍＴｏｒｒ］
層２４ｂの厚さ：６０〜１２０［ｎｍ］
とすることができる。
【００２５】
Ｔｉ層２４ａ及びＴｉＮ層２４ｂは、スパッタ処理の代りにＥＣＲプラズマを利用した化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて形成することもできる。
【００２６】
Ｔｉ層２４ａの形成するための条件は、
ガス：ＴｉＣｌ_４＋Ｎ_２＋Ａｒ
圧力：１〜５［ｍＴｏｒｒ］
マイクロ波パワー：２〜５［ｋＷ］
とすることができる。
【００２７】
また、Ｔｉ層２４ｂの形成するための条件は、
ガス：ＴｉＣｌ_４＋ＮＨ_３＋Ｎ_２＋Ｈ_２＋Ａｒ
圧力：１〜５［ｍＴｏｒｒ］
マイクロ波パワー：２〜５［ｋＷ］
とすることができる。
【００２８】
スパッタ処理あるいはＣＶＤ法で形成したＴｉＮ層２４ｂは、前記のように柱状構造を有しているだけでなく、いずれも化学量論的（ストイキオメトリー）な組成ではないＴｉ_ｘＮ_{（１−ｘ）} という組成であり、原子レベルにおける欠陥を含んでいる。
【００２９】
Ｔｉ層２４ａ及びＴｉＮ層２４ｂの成長は、接続孔２２ａの周辺部での厚さをＴ_Ａとし、接続孔２２ａの底部での厚さをＴ_Ｂとすると、通常、Ｔ_Ｂ＜Ｔ_Ａとなるように進行する。例えば、Ｔｉ層２４ａの場合、Ｔ_Ａ＝２０［ｎｍ］とすると、Ｔ_Ｂ＝５〜１０［ｎｍ］となり、ＴｉＮ層２４ｂの場合、Ｔ_Ａ＝１００［ｎｍ］とすると、Ｔ_Ｂ＝８〜１２［ｎｍ］となる。このことから、底部カバレッジは、Ｔｉの方がＴｉＮより良好であることがわかる。
【００３０】
次に、ステップ１２Ａでは、基板２０を大気にさらすことなくＷＣＶＤ用の反応室内の所定位置にセットし、プラズマ処理によりＴｉ層２４ａの露出部及びＴｉＮ層２４ｂの露出部を窒化する。
【００３１】
プラズマ処理においては、
ヒドラジンＮ_２Ｈ_４、
モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）ＣＨ_３ＮＨ・ＮＨ_２、
ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）（ＣＨ_３）_２Ｎ・ＮＨ_２
等を原料ガスとして用いることができる。
【００３２】
窒化処理の結果として、ＴｉＮ層２４ｂの露出部が再窒化され、スパッタ処理あるいはＣＶＤ法で形成しただけではストイキオメトリーな組成でないＴｉ_ｘＮ_{（１−ｘ）} がストイキオメトリーなＴｉＮに変換されるので、ＴｉＮ層２４ｂの露出部は完全にＴｉＮ化され、また原子レベルでの欠陥が減少する。このため、ＴｉＮ層２４ｂのバリア性が向上する。また、基板２０の端部近傍では、図２に示すようにＴｉ層２４ａの露出部が窒化され、Ｔｉ層２４ａは、ＴｉＮ層２４ｂに連続するＴｉＮ層２４ｃで覆われる。
【００３３】
次に、ステップ１４では、ステップ１２Ａで用いたのと同じ反応室内にＳｉＨ_４ガスを流すことによりＴｉＮ層２４ｂ，２４ｃを覆ってアモルファスＳｉ膜（図示せず）を形成する。これは、イニシエーションステップであり、その処理条件は、
温度：４００〜５００［℃］
圧力：０．５［Ｔｏｒｒ］
ＳｉＨ_４流量：１０〜５０［ｓｃｃｍ］
処理時間：３０〜６０［秒］
とすることができる。
【００３４】
次に、ステップ１６では、ステップ１４で用いたのと同じ反応室内にＷＦ_６＋ＳｉＨ_４ガスを流すことによりアモルファスＳｉ膜上にＷの核を形成する。これは、ニュークリエーションステップであり、その処理条件は、
温度：４００〜５００［℃］
圧力：１［Ｔｏｒｒ］
ＷＦ_６流量：２０［ｓｃｃｍ］
ＳｉＨ_４流量：１０［ｓｃｃｍ］
処理時間：６０〜１２０［秒］
Ｗ核の膜厚：１０〜５０［ｎｍ］
とすることができる。
【００３５】
次に、ステップ１８では、ステップ１６で用いたのと同じ反応室内にＷＦ_６＋Ｈ_２ガスを流すことによりＷの核を覆ってブランケット状のＷ膜２６を形成する。これは、メインステップであり、その処理条件は、
温度：４００〜５００［℃］
圧力：４０〜９０［Ｔｏｒｒ］
ＷＦ_６流量：５０〜１００［ｓｃｃｍ］
Ｈ_２流量：４００〜２０００［ｓｃｃｍ］
膜２６の厚さ：４００〜１０００［ｎｍ］
とすることができる。
【００３６】
上記したＷ膜形成法によれば、ステップ１２Ａの窒化処理により層２４ｂのＴｉ_ｘＮ_{（１−ｘ）} が完全なＴｉＮとなり、ＴｉＮ層２４ｂのバリア性が向上する。従って、図１０に破線Ｂで示したような破れを防止することができる。また、基板２０の端部近傍では、図２に示すようにＴｉ層２４ａを覆うＴｉＮ層２４ｃの上にＷ膜２６が形成されるので、Ｗ膜２６がはがれにくくなり、Ｗ膜２６のはがれによるパーティクル発生を防止することができる。
【００３７】
ステップ１２Ａの窒化処理は、Ｎ_２プラズマ処理により４００〜５００［℃］程度の低温で行なわれるので、下地に対する熱履歴の負荷が軽減される。従って、図３に示すようにＮ^＋型領域２０ａに対してコンタクトをとる場合に層２４ａのＴｉと領域２０ａのＳｉとが反応してチタンシリサイドが形成されるような事態は生じない。
【００３８】
プラズマ処理によるＴｉＮ，Ｔｉの窒化処理ステップ１２Ａ，Ｗの核を形成するためのイニシエーションステップ１４及びニュークリエーションステップ１６，ブランケット状のＷを形成するステップ１８の処理は、すべて単一の反応室（チャンバ）の中で行なわれるので、被処理基板２０は、窒化処理の後大気にさらされることなくＷ成膜処理を受けることになり、ＴｉＮ層２４ｂ，２４ｃの表面への水分、汚染物質等の付着を回避することができる。従って、イニシエーションステップ１４及びニュークリエーションステップ１６では、従来に比べて３０〜５０％程度処理時間を短縮することができる。場合によっては、ステップ１６，１４を省略することができる。ステップ１４，１６を省略すると、危険なＳｉＨ_４ガスを使わずに済むため、設備が簡単になると共に安全性が向上する。また、ＴｉＮ層２４ｂ，２４ｃの清浄な表面にＷ膜２６を成長させるので、異常成長が起こりにくくなり、異常成長によるパーティクル発生を防止することができる。
【００３９】
図４及び図５は、比較例に係るＷ膜形成法によるＷ膜形成状況を示すもので、図４が基板端部の状況を示し、図５が接続孔の状況を示している。図４，５において、図２，３と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４０】
図４，５の比較例は、ＴｉＮ層２４ｂをＴｉ層２４ａの窒化により形成した点で図１〜３の実施形態と異なり、他の点では図１〜３の実施形態と同様である。すなわち、図１のステップ１０に相当するステップでは、絶縁膜２２の上に接続孔２２ａを覆って前述したと同様にしてスパッタ処理により２０〜４０［ｎｍ］の厚さのＴｉ層２４ａを形成する。そして、図１のステップ１２Ａに相当するステップでは、ＷＣＶＤ用の反応室内においてＮ_２プラズマ処理によりＴｉ層２４ａの露出部を窒化して５〜２０［ｎｍ］の厚さのＴｉＮ層２４ｂを形成する。このときの窒化処理の条件は、前述したのと同じにすることができる。この後は、図１のステップ１４，１６，１８と同様の処理によりＴｉＮ層２４ｂの上に接続孔２２ａを埋めるように４００〜１０００［ｎｍ］の厚さのＷ膜２６を形成する。
【００４１】
図４，５に関して上記したＷ膜形成法によれば、図１〜３に関して上記したＷ膜形成法と同様の作用効果が得られる他、図１０に示したようなボイドＶの発生を防止できる効果がある。すなわち、先に例示したように接続孔２２ａの底部においてはＴｉの方がＴｉＮよりカバレッジが良好であり、しかもＮ_２プラズマ処理では接続孔２２ａの内外でほぼ均一に窒化が進行する。このため、Ｔｉ層２４ａの窒化により得られる図５のＴｉＮ層２４ｂは、図３のＴｉＮ層２４ｂに比べて接続孔２２ａの開口端近傍での張り出しが小さくなり、接続孔２２ａの底部近傍でのＷ堆積を妨げることは少ない。従って、ボイドを発生させずにＷ膜２６を形成することができる。
【００４２】
また、図４，５のＷ膜形成法によれば、ＴｉＮのスパッタ処理が不要であるため、工程が簡単となる利点もある。
【００４３】
図１〜３のＷ膜形成法又は図４，５のＷ膜形成法によりＷ膜２６を形成した後は、図６に示すように配線を形成することができる。すなわち、絶縁膜２２の上面が露呈されるまでＷ膜２６及びＴｉＮ／Ｔｉ層２４をエッチバックし、接続孔２２ａ内にはＷ膜２６及びＴｉＮ／Ｔｉ層２４を残存させる。そして、絶縁膜２２の上面に配線材層としてＡｌ合金層を被着した後Ａｌ合金層をホトリソグラフィ及び選択的ドライエッチング処理によりパターニングして接続孔２２ａ内のＷ膜２６及びＴｉＮ／Ｔｉ層２４につながる配線層２８を形成する。
【００４４】
このような配線形成法にあっては、ＴｉＮ／Ｔｉ層２４をエッチバックせずに残しておき、ＴｉＮ／Ｔｉ層２４及び配線材層の積層を所望の配線パターンに従ってパターニングするようにしてもよい。また、ＴｉＮ／Ｔｉ層２４をエッチバックした場合、配線材層の下にＴｉＮ等の下地層を敷き、下地層及び配線材層の積層をパターニングしてもよい。
【００４５】
図７は、この発明のＷ膜形成法を２層目以降の配線形成に応用した例を示すものである。
【００４６】
絶縁膜３０の上に配線層３２を覆って層間絶縁膜３４を形成した後、ホトリソグラフィ及び選択的ドライエッチング処理により配線層３２に達する接続孔３４ａを絶縁膜３４に形成する。そして、絶縁膜３４の上に接続孔３４ａを覆って図１〜３のＷ膜形成法又は図４，５のＷ膜形成法によりＴｉＮ／Ｔｉ層３６及びＷ膜３８を形成する。この後、図６に関して前述したと同様にしてＷ膜３８及びＴｉＮ／Ｔｉ層３６のエッチバック（Ｗ膜３８のみのエッチバックでも可）、配線材層の被着（配線材層の下にＴｉＮ等の下地層を被着可）、被着層のパターニング等の処理を行なうことにより接続孔３４ａ内のＷ膜３８及びＴｉＮ／Ｔｉ層３６につながる配線層４０を形成する。
【００４７】
この発明に係るＷ膜形成法は、前述したように下地に対する熱履歴の負荷が軽減されたものであるから、ＴｉＮ／Ｔｉ層３６及びＷ膜３８を形成する際に、配線層３２を構成するＡｌ又はＡｌ合金層に対する熱履歴の負荷が小さく、Ａｌ又はＡｌ合金層におけるヒロック、ノジュール、ボイド等の不良を低減することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、プラズマ処理によりチタンナイトライド層の表面を再窒化するようにしたので、下地に対する熱履歴の負荷を軽減することができ、配線形成歩留りが向上する効果が得られるものである。
【００４９】
また、ＷＣＶＤ用の反応室内において窒化処理の後被処理基板を大気にさらすことなくＷ成膜処理を行なうようにしたので、イニシエーションステップやニュークリエーションステップを短縮又は省略することができ、工程の簡略化を達成できる効果もある。
【００５０】
さらに、Ｗ膜は、Ｔｉ層上に形成されることなく、ストイキオメトリーなＴｉＮ層上に形成されるので、Ｗ膜は、はがれにくくなり、Ｗ膜のはがれによるパーティクル発生を防止することができる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るＷ膜形成法を示すフローチャートである。
【図２】図１の方法による基板端部のＷ膜形成状況を示す断面図である。
【図３】図１の方法による接続孔のＷ膜形成状況を示す断面図である。
【図４】比較例に係るＷ膜形成法による基板端部のＷ膜形成状況を示す断面図である。
【図５】図４の比較例に係る接続孔のＷ膜形成状況を示す断面図である。
【図６】この発明のＷ膜形成法の一応用例としての配線形成法を説明するための断面図である。
【図７】この発明のＷ膜形成法の他の応用例としての配線形成法を説明するための断面図である。
【図８】従来のＷ膜形成法を示すフローチャートである。
【図９】図８の方法において窒化処理をしないときの基板端部のＷ膜形成状況を示す断面図である。
【図１０】図８の方法における問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
２０：半導体基板、２２：絶縁膜、２２ａ：接続孔、２４：ＴｉＮ／Ｔｉ層、２４ａ：Ｔｉ層、２４ｂ：ＴｉＮ層、２６：Ｗ膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a W (tungsten) film suitable for use in forming wiring of an LSI, and more particularly, to a method for forming an exposed portion of a TiN (titanium nitride) layer by plasma treatment in a reaction chamber used for vapor deposition of a W film. By nitriding, the load of the thermal history on the base is reduced and the W film formation process is simplified.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in forming wiring of an LSI, it has been known that the flatness of wiring is improved by embedding a W plug in a connection hole provided in an insulating film. As a method of forming a W film used for forming a W plug, a method shown in FIG. 8 has been proposed.
[0003]
In step 10, as shown in FIGS. 9 and 10, after a connection hole 22a is formed in an insulating film 22 such as SiO ₂ covering the surface of a semiconductor substrate 20 such as Si (silicon), a Ti (titanium) layer 24a is formed by sputtering. And a TiN layer 24b are sequentially formed. The connection hole 22a allows a wiring to be connected to the N ⁺ -type impurity-doped region 20a provided on the surface of the P-type semiconductor substrate 20 as an example. The TiN layer 24b is a conductive layer having a barrier property that improves the adhesion of W to the insulating film 22 and prevents interdiffusion between the semiconductor and W. The Ti layer 24a is a conductive layer for reducing the contact resistance.
[0004]
Next, in step 12, the substrate 20 is set at a predetermined position in the processing chamber of the lamp annealing apparatus, and annealing is performed in an N ₂ (or NH ₃ ) gas atmosphere to thereby expose the exposed portion of the Ti layer 24a and the TiN layer 24b. The exposed part is nitrided. When the nitriding process is completed, the substrate 20 is taken out of the processing chamber of the lamp annealing apparatus.
[0005]
Next, at step 14, W of CVD the substrate was set 20 in a predetermined position in the reaction chamber to be used for (chemical vapor deposition), nitride portion and TiN of Ti layer 24a by flowing SiH ₄ gas into the reaction chamber An amorphous Si film (not shown) is formed to cover the nitrided portion of the layer 24b. Then, in step 16, a nucleus (not shown) of W is formed on the amorphous Si film by flowing a WF ₆ + SiH ₄ gas into the reaction chamber. Thereafter, in step 18, a WF ₆ + H ₂ gas is caused to flow in the reaction chamber to cover the W nucleus and form a W film 26 having a desired thickness.
[0006]
Steps 14 and 16 are called an initiation step and a nucleation step, respectively, and are preparation steps of step 18 as a main step.
[0007]
The first purpose of performing the nitriding process in step 12 is to prevent the W film 26 from peeling off. That is, at the end of the sputter process, there is a difference in coverage between Ti and TiN (Ti is more likely to wrap around), so that the Ti layer 24a is near the end of the substrate (wafer) 20 as shown in FIG. In many cases, it is not covered with the TiN layer 24b and is exposed. When the W film 26 is formed in step 18 in such a state, the W film 26 is formed in direct contact with the Ti layer 24a near the end of the substrate 20, as shown in FIG. The W film portion formed in direct contact with the Ti layer 24a is easily peeled off, causing particles to be generated. Therefore, in step 12, the exposed portion of the Ti layer 24a is nitrided (formed into TiN) to prevent the W film 26 from peeling.
[0008]
The second purpose of performing the nitriding treatment in step 12 is to improve the barrier properties of the TiN layer 24b. That is, at the stage after the sputtering process, the TiN layer 24b has a columnar structure and lacks barrier properties. When the W film 26 is formed in step 18 in such a state, the TiN layer 24b is broken as shown in FIG. 10 and W enters the N ⁺ type region 20a as shown by the dashed line B, thereby increasing the leakage current of the PN junction. May be invited. Therefore, in Step 12, the exposed portion of the TiN layer 24b is nitrided to improve the barrier property.
[0009]
The formation of the amorphous Si film and the formation of W nuclei in steps 14 and 16 are performed to supplement the barrier properties of the TiN layer 24b and to improve the film quality of the W film 26.
[0010]
After forming the W film 26 as shown in FIGS. 9 and 10, when forming wiring, as an example, the W film 26 and the TiN / Ti layer 24 are etched back until the upper surface of the insulating film 22 is exposed, and the connection holes are formed. The W film 26 and the TiN / Ti layer 24 are left inside 22a. Then, after an Al alloy layer is applied as a wiring material layer on the upper surface of the insulating film 22, the Al alloy layer is patterned by photolithography and selective etching to connect to the W film 26 and the TiN / Ti layer 24 in the connection hole 22a. Form a wiring layer.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
According to the above-described prior art, since the nitriding treatment is performed by the lamp annealing treatment, the thermal history load on the base is large, and the titanium silicide layer is formed by the reaction between the Ti layer 24a and the N ⁺ type region 20a as shown in FIG. S may be formed. When the insulating film 22 is an interlayer insulating film and the conductive layer composed of the layers 24a, 24b and 26 is connected to the lower wiring made of Al alloy or the like through the connection hole 22a, the Al alloy layer forming the lower wiring is used. In some cases, defects such as hillocks, nodules, and voids may occur.
[0012]
In addition, since the substrate 20 is exposed to the air after the lamp annealing process and before the W CVD process, moisture, contaminants, and the like easily adhere to the surface of the TiN layer 24b. Therefore, the initiation step 14 and the nucleation step 16 are indispensable for preventing abnormal growth of W, and the process is complicated. In addition, particles may be generated due to abnormal growth of W.
[0013]
Further, when the W film 26 is formed, a void V may occur in the W film 26 as shown in FIG. That is, in the W CVD process, the thickness of the TiN layer 24b at the bottom of the connection hole 22a is important, but the TiN layer 24b has poor coverage at the bottom of the connection hole 22a. In order to obtain the required coverage at the bottom of the connection hole 22a, it is necessary to increase the deposition thickness of the TiN layer 24b. However, in this case, as shown in FIG. 10, a part of the TiN layer 24b protrudes near the opening end of the connection hole 22a, suppressing the W deposition near the bottom of the connection hole 22a and generating a void V.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel W film forming method capable of reducing the load of thermal history on a base and simplifying a W film forming process.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The W film forming method according to the present invention comprises:
Forming a titanium layer on the insulating film covering the substrate;
Forming a titanium nitride layer on the titanium layer,
After forming the titanium nitride layer, the substrate is set in a tungsten deposition reaction chamber without exposing the substrate to the atmosphere, and the titanium nitride is subjected to a plasma treatment using any of hydrazine, monomethylhydrazine or dimethylhydrazine in the reaction chamber. Re-nitriding the exposed portion of the layer and nitriding the exposed portion of the titanium layer, wherein the exposed portion of the titanium nitride layer converts non-stoichiometric titanium nitride to stoichiometric titanium nitride. Re-nitriding
Forming a tungsten film by vapor-phase deposition of tungsten over the renitrided portion of the titanium nitride layer and the nitrided portion of the titanium layer in the reaction chamber.
[0017]
According to such a method, the nitriding process is performed by the plasma process that can be performed at a lower temperature than the lamp annealing process, so that the load of the thermal history on the base can be reduced. Further, since the nitridation process and the W film formation process are continuously performed in the reaction chamber for WCVD, the process can be shifted to the W film formation process without exposing the substrate to be processed to the atmosphere, and the initiation step and the nucleation step can be performed. It can be shortened or omitted.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a W film forming method according to an embodiment of the present invention.
[0022]
In step 10, as shown in FIGS. 2 and 3, after forming a connection hole 22a in an insulating film 22 made of SiO ₂ or the like covering the surface of a semiconductor substrate 20 made of Si or the like, the Ti layer 24a and the TiN layer 24b are formed by, for example, a sputtering process. Formed sequentially. 1 to 3, the same parts as those in FIGS. 7 to 9 are denoted by the same reference numerals, and the detailed description is omitted.
[0023]
In the sputtering process for forming the Ti layer 24a, the processing conditions are as follows:
Temperature: 100-200 [° C]
Power: 800 to 2000 [W]
Pressure: 3 to 5 [mTorr]
Thickness of layer 24a: 20 to 40 [nm]
It can be.
[0024]
In the sputtering process for forming the TiN layer 24b, the processing conditions are as follows:
Temperature: 100-200 [° C]
Power: 4000-6000 [W]
Pressure: 3 to 5 [mTorr]
Thickness of layer 24b: 60 to 120 [nm]
It can be.
[0025]
The Ti layer 24a and the TiN layer 24b can also be formed by using a chemical vapor deposition (CVD) method using ECR plasma instead of the sputtering process.
[0026]
Conditions for forming the Ti layer 24a are as follows:
Gas: TiCl ₄ + N ₂ + Ar
Pressure: 1 to 5 [mTorr]
Microwave power: 2 to 5 [kW]
It can be.
[0027]
The conditions for forming the Ti layer 24b are as follows:
Gas: TiCl ₄ + NH ₃ + N ₂ + H ₂ + Ar
Pressure: 1 to 5 [mTorr]
Microwave power: 2 to 5 [kW]
It can be.
[0028]
The TiN layer 24b formed by the sputtering process or the CVD method not only has the columnar structure as described above, but also does not have a stoichiometric (stoichiometric) composition of Ti _x N _{(1-x )} And contains defects at the atomic level.
[0029]
In the growth of the Ti layer 24a and the TiN layer 24b, assuming that the thickness at the peripheral portion of the connection hole 22a is T _A and the thickness at the bottom of the connection hole 22a is T _B , normally, T _B <T _A. Proceed as follows. For example, in the case of the Ti layer 24a, if T _A = 20 [nm], then T _B = 5 to 10 [nm], and in the case of the TiN layer 24b, if T _A = 100 [nm], T _B = 8 to [nm]. It becomes 12 [nm]. This indicates that Ti has better bottom coverage than TiN.
[0030]
Next, in step 12A, the substrate 20 is set at a predetermined position in the reaction chamber for WCVD without being exposed to the air, and the exposed portions of the Ti layer 24a and the exposed portions of the TiN layer 24b are nitrided by plasma processing .
[0031]
In plasma processing ,
Hydrate Rajin N ₂ H _4,
Monomethylhydrazine (MMH) CH ₃ NH.NH ₂ ,
Dimethyl hydrazine (DMH) (CH ₃ ) ₂ N · NH ₂
Can be used as a source gas.
[0032]
As a result of the nitriding treatment, the exposed portion of the TiN layer 24b is renitrided, and Ti _x N _{(1-x), which} is not a stoichiometric composition if formed only by sputtering or CVD, is converted to stoichiometric TiN. Therefore, the exposed portion of the TiN layer 24b is completely converted to TiN, and defects at the atomic level are reduced. Therefore, the barrier properties of the TiN layer 24b are improved. In the vicinity of the end of the substrate 20, the exposed portion of the Ti layer 24a is nitrided as shown in FIG. 2, and the Ti layer 24a is covered with a TiN layer 24c continuous with the TiN layer 24b.
[0033]
Next, in step 14, an amorphous Si film (not shown) is formed to cover the TiN layers 24b and 24c by flowing SiH ₄ gas into the same reaction chamber used in step 12A. This is an initiation step, and its processing conditions are:
Temperature: 400 to 500 [° C]
Pressure: 0.5 [Torr]
SiH ₄ flow rate: 10 to 50 [sccm]
Processing time: 30-60 [seconds]
It can be.
[0034]
Next, in step 16, a nucleus of W is formed on the amorphous Si film by flowing WF ₆ + SiH ₄ gas into the same reaction chamber used in step 14. This is a nucleation step, and its processing conditions are:
Temperature: 400 to 500 [° C]
Pressure: 1 [Torr]
WF ₆ flow rate: 20 [sccm]
SiH ₄ flow rate: 10 [sccm]
Processing time: 60 to 120 [seconds]
Film thickness of W nucleus: 10 to 50 [nm]
It can be.
[0035]
Next, in step 18, a blanket-shaped W film 26 is formed by flowing WF ₆ + H ₂ gas into the same reaction chamber used in step 16 to cover the W nucleus. This is the main step, and its processing conditions are:
Temperature: 400 to 500 [° C]
Pressure: 40-90 [Torr]
WF ₆ flow rate: 50-100 [sccm]
H ₂ flow rate: 400~2000 [sccm]
Thickness of the film 26: 400 to 1000 [nm]
It can be.
[0036]
According to the W film forming method described above, the Ti _x N _(1-x) of the layer 24b becomes complete TiN by the nitriding treatment in step 12A, and the barrier property of the TiN layer 24b is improved. Therefore, it is possible to prevent the tear as shown by the broken line B in FIG. Further, in the vicinity of the end of the substrate 20, the W film 26 is formed on the TiN layer 24c covering the Ti layer 24a as shown in FIG. Particle generation can be prevented.
[0037]
Since the nitriding treatment of step 12A is performed at a low temperature of about 400 to 500 ° C. by the N ₂ plasma treatment, the load of the thermal history on the base is reduced. Therefore, as shown in FIG. 3, when contact is made with the N ⁺ -type region 20a, a situation in which Ti in the layer 24a reacts with Si in the region 20a to form titanium silicide does not occur.
[0038]
The steps of nitriding TiN and Ti by plasma treatment 12A, initiation step 14 for forming nuclei of W, nucleation step 16, and step 18 of forming blanket W are all performed in a single reaction chamber (chamber). ), The target substrate 20 is subjected to the W film forming process without being exposed to the air after the nitriding process, and adhesion of moisture, contaminants and the like to the surfaces of the TiN layers 24b and 24c. Can be avoided. Therefore, in the initiation step 14 and the nucleation step 16, the processing time can be reduced by about 30 to 50% as compared with the related art. In some cases, steps 16 and 14 can be omitted. Omitting steps 14 and 16 eliminates the use of dangerous SiH ₄ gas, which simplifies equipment and improves safety. In addition, since the W film 26 is grown on the clean surfaces of the TiN layers 24b and 24c, abnormal growth hardly occurs, and generation of particles due to abnormal growth can be prevented.
[0039]
4 and 5 show the state of W film formation by the W film formation method according to the comparative example . FIG. 4 shows the state of the edge of the substrate, and FIG. 5 shows the state of the connection holes. 4 and 5, the same parts as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0040]
Comparative Examples of 4 and 5 differs from the embodiment of FIGS. 1-3, a TiN layer 24b at a point which is formed by nitriding a Ti layer 24a, are otherwise similar to the embodiment of FIGS. In other words, in a step corresponding to step 10 in FIG. 1, a Ti layer 24a having a thickness of 20 to 40 [nm] is formed on the insulating film 22 by sputtering in a manner similar to that described above, covering the connection holes 22a. . Then, in the step corresponding to step 12A of FIG. 1 to form the thickness of the TiN layer 24b of the _{N 2} plasma treatment in a reaction chamber by nitriding the exposed portion of the Ti layer 24a 5 to 20 [nm] for WCVD . The conditions of the nitriding treatment at this time can be the same as those described above. Thereafter, a W film 26 having a thickness of 400 to 1000 [nm] is formed on the TiN layer 24b so as to fill the connection holes 22a by the same processing as in Steps 14, 16, and 18 in FIG.
[0041]
According to the W film forming method described above with reference to FIGS. 4 and 5, the same operation and effect as those of the W film forming method described above with reference to FIGS. 1 to 3 can be obtained, and the generation of the void V as shown in FIG. 10 can be prevented. effective. That is, in the bottom of the contact hole 22a as illustrated above have good coverage of TiN is more of Ti, yet the N ₂ plasma treatment progresses nitride substantially uniformly in and out of the connection hole 22a. For this reason, the TiN layer 24b of FIG. 5 obtained by nitriding the Ti layer 24a has a smaller protrusion near the opening end of the connection hole 22a than the TiN layer 24b of FIG. It does not hinder W deposition. Therefore, the W film 26 can be formed without generating a void.
[0042]
In addition, according to the W film forming method shown in FIGS. 4 and 5, there is also an advantage that the process is simplified because the sputtering process of TiN is unnecessary.
[0043]
After the W film 26 is formed by the W film forming method of FIGS. 1 to 3 or the W film forming method of FIGS. 4 and 5, wirings can be formed as shown in FIG. That is, the W film 26 and the TiN / Ti layer 24 are etched back until the upper surface of the insulating film 22 is exposed, and the W film 26 and the TiN / Ti layer 24 are left in the connection holes 22a. Then, an Al alloy layer is applied as a wiring material layer on the upper surface of the insulating film 22, and then the Al alloy layer is patterned by photolithography and selective dry etching to form a W film 26 and a TiN / Ti layer 24 in the connection hole 22a. Is formed.
[0044]
In such a wiring forming method, the TiN / Ti layer 24 may be left without being etched back, and the lamination of the TiN / Ti layer 24 and the wiring material layer may be patterned according to a desired wiring pattern. . When the TiN / Ti layer 24 is etched back, a base layer of TiN or the like may be laid under the wiring material layer, and the underlying layer and the wiring material layer may be patterned.
[0045]
FIG. 7 shows an example in which the W film forming method of the present invention is applied to the formation of the second and subsequent wiring layers.
[0046]
After the interlayer insulating film 34 is formed on the insulating film 30 so as to cover the wiring layer 32, a connection hole 34a reaching the wiring layer 32 is formed in the insulating film 34 by photolithography and selective dry etching. Then, the TiN / Ti layer 36 and the W film 38 are formed on the insulating film 34 by the W film forming method of FIGS. 1 to 3 or the W film forming method of FIGS. Thereafter, in the same manner as described above with reference to FIG. 6, the W film 38 and the TiN / Ti layer 36 are etched back (or the W film 38 alone may be etched back), and the wiring material layer is deposited (TiN under the wiring material layer). A wiring layer 40 connected to the W film 38 and the TiN / Ti layer 36 in the connection hole 34a is formed by performing a process such as patterning of the deposited layer.
[0047]
In the method of forming a W film according to the present invention, since the load of the thermal history on the base is reduced as described above, the wiring layer 32 is formed when the TiN / Ti layer 36 and the W film 38 are formed. The thermal history load on the Al or Al alloy layer is small, and defects such as hillocks, nodules, and voids in the Al or Al alloy layer can be reduced.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since so as to re-nitriding the surface of the titanium nitride layer by plasma treatment, it is possible to reduce the load on the thermal history of the base, the effect of wiring formation yield is improved It is obtained.
[0049]
Further, since the W film forming process is performed without exposing the substrate to be processed to the atmosphere after the nitriding process in the reaction chamber for WCVD, the initiation step and the nucleation step can be shortened or omitted, and the process can be simplified. There is also an effect that can be achieved.
[0050]
Further, since the W film is formed on the stoichiometric TiN layer without being formed on the Ti layer, the W film is hardly peeled off, and the generation of particles due to the peeling of the W film can be prevented. There is also an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a W film forming method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which a W film is formed at an end of a substrate by the method of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state of forming a W film of a connection hole by the method of FIG. 1;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state of forming a W film at an end of a substrate by a W film forming method according to a comparative example .
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a W film formation state of a connection hole according to the comparative example of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a wiring forming method as one application example of the W film forming method of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a wiring forming method as another application example of the W film forming method of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart showing a conventional W film forming method.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state of forming a W film at an edge of the substrate when nitriding is not performed in the method of FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a problem in the method of FIG. 8;
[Explanation of symbols]
20: semiconductor substrate, 22: insulating film, 22a: connection hole, 24: TiN / Ti layer, 24a: Ti layer, 24b: TiN layer, 26: W film.

Claims

Forming a titanium layer on the insulating film covering the substrate;
Forming a titanium nitride layer on the titanium layer,
After forming the titanium nitride layer, the substrate is set in a reaction chamber for tungsten deposition without exposing the substrate to the atmosphere, and the titanium nitride is subjected to a plasma treatment using any of hydrazine, monomethylhydrazine or dimethylhydrazine in the reaction chamber. Re-nitriding the exposed portion of the layer and nitriding the exposed portion of the titanium layer, wherein the exposed portion of the titanium nitride layer converts non-stoichiometric titanium nitride to stoichiometric titanium nitride. Re-nitriding
Forming a tungsten film by vapor-depositing tungsten over the renitrided portion of the titanium nitride layer and the nitrided portion of the titanium layer in the reaction chamber.

Forming a connection hole for wiring in an insulating film covering the substrate;
Forming a titanium layer over the insulating film to cover the connection hole;
Forming a titanium nitride layer on the titanium layer,
After forming the titanium nitride layer, the substrate is set in a reaction chamber for tungsten deposition without exposing the substrate to the atmosphere, and the titanium nitride is subjected to a plasma treatment using any of hydrazine, monomethylhydrazine or dimethylhydrazine in the reaction chamber. Re-nitriding the exposed portion of the layer and nitriding the exposed portion of the titanium layer, wherein the exposed portion of the titanium nitride layer converts non-stoichiometric titanium nitride to stoichiometric titanium nitride. Re-nitriding
Forming a tungsten film by vapor-phase deposition of tungsten so as to cover the renitrided portion of the titanium nitride layer and fill the connection hole in the reaction chamber.

3. The tungsten film forming method according to claim 1, wherein the step of forming the tungsten film includes a step of sequentially forming an amorphous silicon film and a nucleus of tungsten before forming the tungsten film.