JP3628570B2

JP3628570B2 - タングステン薄膜の形成方法、半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3628570B2
Application number: JP34929499A
Authority: JP
Inventors: 憲治谷
Original assignee: 旭化成マイクロシステム株式会社
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JP2001168062A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タングステン薄膜の形成方法と、コンタクトホール内へのタングステン堆積工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高密度化に伴い、配線についても微細化および多層化が進んでいる。
従来の多層配線構造の半導体装置の製造方法では、下部配線層の上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜にフォトリソグラフィー工程およびドライエッチング工程によってコンタクトホールを形成した後、上部配線層をなすアルミニウム（Ａｌ）合金からなる膜を、スパッタリング法により堆積していた。すなわち、絶縁膜上へのアルミニウム合金膜形成と同時に、コンタクトホール内にもアルミニウム合金を埋め込むことが行われていた。
【０００３】
しかしながら、より一層の微細化が進んでコンタクトホールの寸法が著しく小さくなると、上述の方法で得られた多層配線構造には、配線層間の接続不良が生じやすいという問題が生じてきた。そのため、近年では、絶縁膜のコンタクトホール内に「配線プラグ」としてタングステン（Ｗ）を存在させる工程（配線プラグ形成工程）を行い、この配線プラグと絶縁膜の上にアルミニウム合金膜を形成することが行われている。
【０００４】
配線プラグ形成工程は、例えば以下のようにして行われる。先ず、コンタクトホールが形成された絶縁膜上とコンタクトホールの壁面および底面に、タングステンと絶縁膜との密着性を向上させる目的で、チタン（Ｔｉ）膜と窒化チタン（ＴｉＮ）膜をこの順に形成する。次に、その上に、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスとモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスと水素（Ｈ_２）を材料ガスとして用いたＣＶＤ法により、タングステン膜を堆積する。その後、プラズマエッチング法により絶縁膜上のタングステン膜を除去することにより、コンタクトホール内にのみタングステンを残してタングステンプラグとする。
【０００５】
このような従来の配線プラグ形成工程には、以下のような問題点がある。
上述の方法で密着層を形成すると、図３に示すように、窒化チタン膜４の膜厚は、絶縁膜２の上と比較して、コンタクトホール２１の壁面２１ａおよび底面２１ｂの方が薄くなる。特に、コンタクトホール２１の角部２１ｃには、窒化チタン膜４が堆積され難く、チタン膜３の露出が生じ易い。
【０００６】
このように、窒化チタン膜４が著しく薄い部分やチタン膜３が露出している部分では、次工程であるタングステンの堆積時に、チタンとフッ化タングステンの反応が生じ易い。この反応により成長速度の速いＴｉＷが生じて、コンタクトホール２１の上にタングステンが異常成長する恐れがある。
その対策として、従来は、ＣＶＤ法によるタングステン膜の堆積を、フッ化タングステンガスとモノシランガスを導入してタングステンの核を形成する核形成工程と、フッ化タングステンガスと水素を導入して前記核からタングステンを成長させる成長工程との２段階で行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＶＤ法によるタングステン膜の堆積を核形成工程と成長工程との２段階で行う従来の方法では、コンタクトホール上でのタングステンの異常成長を防止する効果は不十分である。
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものであり、コンタクトホール内に密着層を介してタングステンプラグを形成する方法において、タングステンの堆積時に、コンタクトホール上でのタングステンの異常成長を確実に防止できるようにすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスとモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを導入してタングステンの核を形成する核形成工程と、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスと水素（Ｈ_２）を導入して前記核からタングステンを成長させる成長工程と、を有する化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により、チタン（Ｔｉ）またはチタン化合物からなる薄膜の上にタングステン薄膜を形成する方法において、モノシランガスを所定時間導入する第１工程と、この第１工程の後にフッ化タングステンガスとモノシランガスを所定時間導入する第２工程と、を複数回繰り返すインキュベーション工程を、核形成工程の初期に行うことを特徴とするタングステン薄膜の形成方法を提供する。
【０００９】
すなわち、このインキュベーション工程は、モノシランガスを所定時間導入する第１工程と、フッ化タングステンガスとモノシランガスを所定時間導入する第２工程とからなり、これらの工程をこの順に複数回繰り返す工程である。
この方法によれば、核形成工程の初期に前記インキュベーション工程を行うことにより、図１（ａ）に示すように、１回目の第２工程でチタン３０とタングステンの反応によりＴｉＷ核３１が生じた場合でも、図１（ｂ）に示すように、２回目以降の第２工程で、このＴｉＷ核３１の上にＷ核３２が形成される。すなわち、ＴｉＷ核３１の上面がＷ核３２で覆われる。その結果、ＴｉＷ核の成長が抑制される。
【００１０】
本発明はまた、上側に配線層が形成される絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホール内と絶縁膜上に、チタン（Ｔｉ）およびチタン化合物からなる密着層を形成する工程と、この密着層の上にタングステンを堆積する工程とを有する半導体装置の製造方法において、タングステンの堆積は、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスとモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを導入してタングステンの核を形成する核形成工程と、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスと水素（Ｈ_２）を導入して前記核からタングステンを成長させる成長工程と、を有する化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により行い、モノシランガスを所定時間導入する第１工程と、この第１工程の後にフッ化タングステンガスとモノシランガスを所定時間導入する第２工程と、を複数回繰り返すインキュベーション工程を、核形成工程の初期に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１１】
この方法によれば、タングステンの堆積を、本発明のタングステン薄膜の形成方法で行うことにより、密着層の窒化チタン膜が著しく薄い部分やチタン膜が露出している部分に、チタンとタングステンの反応が生じた場合でも、上述のメカニズムによってＴｉＷ核の成長が抑制される。その結果、コンタクトホールの上にタングステンが異常成長することが抑制される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態では、配線プラグ形成工程のタングステン堆積工程として、本発明のタングステン薄膜の形成方法を行っている。この実施形態の配線プラグ形成工程を図２に示す。
【００１３】
先ず、シリコン基板上に所定のプロセスを施すことにより、表面に下層配線１０を有するウエハ１を形成し、このウエハ１の表面に、シリコン酸化膜（絶縁膜）２を形成する。
ここで、下層配線１０は、膜厚３００Åのチタン（Ｔｉ）膜１１、膜厚１０００Åの窒化チタン（ＴｉＮ）膜１２、膜厚２００Åのチタン膜１３、膜厚４０００Åのアルミニウム合金膜（Ｓｉ含有率：１ｗｔ％、Ｃｕ含有率：０．５ｗｔ％）１４、膜厚３００Åのチタン膜１５、および膜厚３００Åの窒化チタン膜１６を順次スパッタリング法により形成した後、これらの積層膜に対してフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程を行うことにより形成される。
【００１４】
シリコン酸化膜２は、ＣＶＤ法とスピンオングラス法との併用で、表面が平坦になるように形成する。また、シリコン酸化膜２の膜厚は下層配線１０の上部で１００００Åとする。
次に、このシリコン酸化膜２に対して、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程を行うことにより、上下の配線を接続するコンタクトホール（バイアホール）２１を形成する。
【００１５】
次に、コンタクトホール２１の壁面および底面（下層配線１０をなす窒化チタン膜１６の表面）を含むウエハ全面に、スパッタリング法によりチタン膜３を３００Åの膜厚で形成した後、窒化チタン膜４を１０００Åの膜厚で形成する。図２（ａ）はこの状態を示す。
次に、この窒化チタン膜４の上に、シリコン酸化膜２上での膜厚が６０００Åとなるように、ＣＶＤ法によりタングステン膜５を形成する。具体的には、下記の表１に示す条件でＳｔｅｐ１〜１６を順次行う。
【００１６】
【表１】

【００１７】
ステップ１はウエハの加熱工程であり、図２（ａ）の状態のウエハをＣＶＤ装置に入れ、水素（Ｈ_２）、アルゴン（Ａｒ）、および窒素（Ｎ_２）の混合ガス雰囲気下で、３０Ｔｏｒｒ、４５０℃に１０秒間保持する。
次のステップ２で、この雰囲気内にモノシランガスを１５ｍｌ／ｓｅｃの流量で３秒間導入する。次のステップ３で、フッ化タングステンガスとモノシランガスを３秒間導入する。ここで、フッ化タングステンガスの流量は３０ｍｌ／ｓｅｃ、モノシランガスの流量は１５ｍｌ／ｓｅｃとする。次のステップ４で、全てのガスを排気することを５秒間行う。
【００１８】
このステップ２〜４と同じ工程をステップ５〜７、ステップ８〜１０として繰り返す。
次のステップ１１で、モノシランガス、水素ガス、アルゴンガス、および窒素ガスを各流量で導入する。３秒後に、次のステップ１２で、この雰囲気内にさらにフッ化タングステンガスを導入する。このステップ１２は、フッ化タングステンガスの流量３０ｍｌ／ｓｅｃ、モノシランガスの流量１５ｍｌ／ｓｅｃで、１０秒間行う。
【００１９】
次のステップ１３では、フッ化タングステンガスとモノシランガスの導入を止め、アルゴンガスの流量を２倍にする。この状態で１０秒間保持することにより、雰囲気内に存在する気体を、水素ガス、アルゴンガス、および窒素ガスのみとする。
次のステップ１４で、アルゴンガスの流量を１０００ｍｌ／ｓｅｃに変え、水素ガスの流量を７００ｍｌ／ｓｅｃに変えて、この雰囲気内に、フッ化タングステンガスを９５ｍｌ／ｓｅｃの流量で６５秒間導入する。次のステップ１５ではステップ１３と同じパージ工程を行い、次のステップ１６では、ステップ４と同じ排気工程を行う。
【００２０】
ここで、ステップ２〜１２が核形成工程に相当し、ステップ２〜９がインキュベーション工程に相当し、ステップ１４が成長工程に相当する。また、ステップ２，５，８がインキュベーション工程の第１工程に相当し、ステップ３，６，９がインキュベーション工程の第２工程に相当する。
なお、インキュベーション工程の第１工程および第２工程の時間は、それぞれ例えば１〜５秒の範囲内とする。また、雰囲気温度や圧力は通常の核形成工程と同じでよい。例えば、温度を４００〜５００℃、圧力を１０〜４０Ｔｏｒｒとする。また、第２工程でのフッ化タングステンガスとモノシランガスの流量比も、通常の核形成工程と同じでよい。例えば、（ＷＦ_６／ＳｉＨ_４）＝０．５〜２．０とする。
【００２１】
これにより、コンタクトホール２１内とシリコン酸化膜２上に、密着層（チタン膜３および窒化チタン膜４）を介してタングステンが堆積される。図２（ｂ）はこの状態を示す。
このようにしてタングステン膜５を形成することにより、密着層の窒化チタン膜４が著しく薄い部分やチタン膜３が露出している部分に、チタンとタングステンの反応が生じた場合でも、上述のメカニズムによってＴｉＷ核の成長が抑制される。その結果、コンタクトホール２１の上にタングステンの異常成長が生じないようなる。
【００２２】
次に、ＳＦ_６とＡｒとを主たるエッチングガスとする反応性イオンエッチングにより、タングステン膜６をエッチバックする。これにより、コンタクトホール２１内にのみタングステンが埋め込まれて、タングステンプラグ６１が形成される。図２（ｃ）はこの状態を示す。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタングステン薄膜の形成方法によれば、フッ化タングステンガス、モノシランガス、水素ガスを材料ガスとして用いたＣＶＤ法により、チタン（Ｔｉ）またはチタン化合物からなる薄膜の上にタングステン薄膜を形成する方法において、ＴｉＷ核の成長が抑制される。
【００２４】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、コンタクトホール内に密着層を介してタングステンプラグを形成する方法において、タングステンの堆積時に、コンタクトホール上にタングステンの異常成長が生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインキュベーション工程による作用を説明する図であって、（ａ）は、インキュベーション工程の１回目の第２工程でＴｉＷ核が生じた状態を示し、（ｂ）は、２回目以降の第２工程でＴｉＷ核の上にＷ核が形成された状態を示す。
【図２】実施形態の配線プラグ形成工程を説明する図であって、（ａ）はタングステン堆積工程前の状態、（ｂ）はタングステン堆積工程後の状態、（ｃ）は絶縁膜上のタングステン膜を除去した後の状態、をそれぞれ示すウエハの部分断面図である。
【図３】従来技術の問題点を説明する図であって、コンタクトホール付近の部分拡大図である。
【符号の説明】
１表面に下層配線を有するウエハ
１０下層配線
１１チタン膜
１２窒化チタン膜
１３チタン膜
１４アルミニウム合金膜
１５チタン膜
１６窒化チタン膜
２シリコン酸化膜（上側に配線層が形成される絶縁膜）
２１コンタクトホール
３チタン膜
４窒化チタン膜
５タングステン膜
５１タングステンプラグ

Claims

フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスとモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを導入してタングステンの核を形成する核形成工程と、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスと水素（Ｈ_２）を導入して前記核からタングステンを成長させる成長工程と、を有する化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により、チタン（Ｔｉ）またはチタン化合物からなる薄膜の上にタングステン薄膜を形成する方法において、
モノシランガスを所定時間導入する第１工程と、この第１工程の後にフッ化タングステンガスとモノシランガスを所定時間導入する第２工程と、を複数回繰り返すインキュベーション工程を、核形成工程の初期に行うことを特徴とするタングステン薄膜の形成方法。
上側に配線層が形成される絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホール内と絶縁膜上に、チタン（Ｔｉ）およびチタン化合物からなる密着層を形成する工程と、この密着層の上にタングステンを堆積する工程とを有する半導体装置の製造方法において、
タングステンの堆積は、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスとモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを導入してタングステンの核を形成する核形成工程と、フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスと水素（Ｈ_２）を導入して前記核からタングステンを成長させる成長工程と、を有する化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により行い、
モノシランガスを所定時間導入する第１工程と、この第１工程の後にフッ化タングステンガスとモノシランガスを所定時間導入する第２工程と、を複数回繰り返すインキュベーション工程を、核形成工程の初期に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。