JP4457884B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コンタクトプラグを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
近年、半導体集積回路装置の高集積化に伴い、半導体装置の加工寸法を微細にする各種プロセス技術開発が進められている。このプロセス技術開発の一つとして、半導体装置内の各素子と各配線間や各配線間を接続する、いわゆるコンタクトプラグの形成技術がある。コンタクトプラグは、シリコン(Si)基板上に堆積した層間絶縁膜にコンタクトパターンを持つ溝を形成した後、その溝にWを埋め込み、その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法によりWを研磨して平坦化して形成する。また、Wを配線材料として用いた場合、W膜の下層に密着層としてチタン(Ti)膜、Ti膜とW膜の間に、バリア層としてチタンナイトライド(TiN)膜を設けている(特許文献1参照)。
以下に、このような、W膜、Ti膜及びTiN膜の3層構造からなる従来のコンタクトプラグを有する半導体装置及びその製造方法について説明する。
図6(a)〜(e)は、従来のコンタクトプラグを有する半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
まず、図6(a)に示すように、半導体素子の形成された半導体基板1の上に、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜2を形成する。次に、フォトリソグラフィ法により、層間絶縁膜2の上にコンタクトパターンを有するフォトレジスト(図示せず)を形成する。その後、ドライエッチング法により、このフォトレジストをマスクとして層間絶縁膜2をエッチングし、半導体基板1と接するコンタクトホール3を形成する。
次に、図6(b)に示すように、スパッタリング法により、層間絶縁膜2の上にコンタクトホール3を覆うようにTi膜4を堆積する。
次に、図6(c)に示すように、ウエハ全体に窒素雰囲気中で650℃の熱処理を施すことによりコンタクトホール3の底部のTi膜4をTiSi2膜5に変質し、シリサイド層を形成する。
次に、図6(d)に示すように、スパッタ法により、Ti膜4の上にコンタクトホール3を覆うようにTiN膜6を堆積する。続けて、反応ガスにWF6ガスとSiH4ガスとを用いたCVD法により、TiN膜6の上にコンタクトホール3を埋め込むようにW膜7を堆積する。
次に、図6(e)に示すように、CMP法により、W膜7、TiN膜6及びTi膜4を研磨し、コンタクトホール3以外の部分に層間絶縁膜2を露出させ、コンタクトホール3にW膜7、TiN膜6及びTi膜4を残して、コンタクトプラグを完成させる。
特開平11−87265号公報
しかしながら、従来のコンタクトプラグを有する半導体装置及びその製造方法では以下のような問題が発生する。
半導体集積回路の微細化が加速するにつれて配線パターンが縮小化され、コンタクトホールの開口径の微細化・高アスペクト比化が進んでいる。一方、Ti膜4及びTiN膜6は、バリア膜として機能するためコンタクトホール3の開口径が微細化された場合であっても一定の膜厚が必要である。そのため、コンタクトホール3の開口径が微細化された場合には、コンタクトホール3の開口径に占めるTi膜4及びTiN膜6の割合が大きくなり、W膜7の埋め込みが困難となる。これにより、図7に示すように、コンタクトホール3にW膜7の埋め込まれない部分、すなわちボイド8が顕著となり、コンタクト抵抗が上昇したり、最悪の場合には、Wの埋め込み不良が発生しコンタクト抵抗が正常に取れなくなったりすることとなる。
また、90nm以下のデザインルールにおいては、pn接合のシャロー化に対応するため、上層配線とSi基板とがコンタクトする部分(以下、シリサイド層とする。)を、チタンシリサイド(TiSi2)からコバルトシリサイド(CoSi2)及びニッケルシリサイド(NiSi)へ移行している。ここで、NiSiは500℃以上の高温の熱処理が加わると、Siの拡散反応が進みすぎてSi組成の異なるNiSi2を生成し、コンタクト層の抵抗を上昇させる。したがって、650℃の高温の熱処理を加える従来のコンタクトプラグを有する半導体装置の製造方法をNiSiのシリサイド層を有する半導体装置に適用することは困難となる。
本発明は、開口径が微細化され、高アスペクト比化されたコンタクトホールに対して、Ti膜及びTiN膜の機能を保持したまま、W膜の埋め込み特性を向上させる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。また、高温プロセスを用いない半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜に形成され半導体基板に接続する溝と、溝を覆うように形成された第1の金属を含む導電膜と、溝を埋めるように形成された第2の金属を含む導電膜とを有する半導体装置において、溝の底部の第1の金属を含む導電膜は、金属窒化膜である。
これにより、第1の金属を含む導電膜と金属窒化膜の機能を保持したまま第2の金属を含む導電膜と金属窒化膜を単層で形成することができるため、第2の金属を含む導電膜の埋め込み特性を向上させることができる。
また、本発明に係る半導体装置は、半導体基板の上面には、TiSi2層、CoSi2層又はNiSi層のいずれか1つが形成されている。
また、本発明に係る半導体装置は、第1の金属はTiである。
また、本発明に係る半導体装置は、第1の金属を含む導電膜と第2の金属を含む導電膜の間に第3の金属を含む導電膜を有する。
また、本発明に係る半導体装置は、第3の金属を含む導電膜はTiNである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程(a)と、絶縁膜に、半導体基板に接続する溝を形成する工程(b)と、絶縁膜上に溝を覆うように第1の金属を含む導電膜を堆積する工程(c)と、第1の金属を含む導電膜に窒素プラズマを照射する工程(d)と、工程(d)の後に、第1の金属を含む導電膜上に溝を埋め込むように第2の金属を含む導電膜を堆積する工程(e)を有する。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(d)では、絶縁膜上部の第1の金属を含む導電膜及び溝底部の第1の金属を含む導電膜における第1の金属が窒化されて金属窒化膜を形成している。
これにより、第1の金属を含む導電膜と金属窒化膜の機能を保持したまま第2の金属を含む導電膜と金属窒化膜を単層で形成することができるため、第2の金属を含む導電膜の埋め込み特性を向上させることができる。また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、高温のプロセスを用いることがないため、NiSiのシリサイド層を有する半導体装置にも適用することができる。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1の金属はTiである。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上面には、TiSi2層、CoSi2層又はNiSi層のいずれか1つが形成されている。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(d)は、500℃以下で行う。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(c)と工程(d)は、大気開放せずに連続して行う。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(d)の後であって工程(e)の前に、第1の金属を含む導電膜上に第1の溝を覆うように第3の金属を含む導電膜を堆積する工程(f)を有する。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第3の金属を含む導電膜はTiNである。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(d)と工程(f)は、大気開放せずに連続して行う。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、工程(d)と工程(f)は、同一チャンバ内で連続して行う。
本発明に係るコンタクトプラグを有する半導体装置及びその製造方法によると、Ti膜及びTiN膜の機能を保持したままTi膜及びTiN膜を単層で形成することができるため、W膜の埋め込み特性を向上させることができる。また、本発明に係るコンタクトプラグを有する半導体装置の製造方法は、高温のプロセスを用いることがないため、NiSiのシリサイド層を有する半導体装置にも適用することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
第1の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板101の上面に形成されたNiSi層102と、半導体基板101の上に堆積された層間絶縁膜103と、層間絶縁膜103に設けられたコンタクトホール104の側部に形成されたTi膜105と、コンタクトホール104の底部に形成されたTiN膜106と、Ti膜105とTiN膜106の上からコンタクトホール104を埋め込むように形成されたW膜107とからなる。
本発明の第1の実施形態によれば、コンタクトホール104の側部に形成されたTi膜105とコンタクトホール104の底部に形成されたTiN膜106が単層となっているので、コンタクトホール104の開口径に対するバリア膜の占める割合が低くなり、コンタクトホール104の開口径が微細化され、アスペクト比が高くなった場合であってもW膜を確実に埋め込むことができる。これにより、ボイドが広がることにより起こるコンタクト抵抗の上昇を抑制し、配線不良が生じるのを防ぐことができる。
図2(a)〜(e)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
まず、図2(a)に示すように、半導体素子の形成されたSiよりなる半導体基板101の上に、物理的気相成長法により、ニッケル(Ni)(図示せず)を堆積する。その後、約500℃の熱処理により、半導体基板101の上面にNiSi層102を形成する。次に、CVD法により、半導体基板101の上に層間絶縁膜103を形成する。ここで、層間絶縁膜103としては、USG(Undoped silicade Glass)を用いる。次に、フォトリソグラフィ法により、層間絶縁膜103の上にコンタクトパターンを有するフォトレジスト(図示せず)を形成する。ここで、コンタクトパターンは、100nmである。その後、ドライエッチング法により、このフォトレジストをマスクとして層間絶縁膜103をエッチングし、NiSi層102と接するコンタクトホール104を形成する。その後、スパッタリング法により、コンタクトホール104底部のNiSi層102にクリーニングを行う。
次に、図2(b)に示すように、スパッタリング法により、層間絶縁膜103の上にコンタクトホール104を覆うように、Ti膜105を、DCパワー2250W、アルゴン流量58sccm(約20mTorr)で、厚さ約20nm堆積する。
次に、図2(c)に示すように、410℃の窒素/水素雰囲気中、RFパワー750Wでプラズマ窒化を照射することにより、Ti膜105の一部を窒化処理し、TiN膜106とする。このとき、上記のプラズマ窒化の照射は、指向性を有するため、層間絶縁膜103上部のTi膜105及びコンタクトホール104底部のTi膜105は窒化処理されるが、コンタクトホール104側部のTi膜105はほとんど窒化処理されない。
次に、図2(d)に示すように、W−CVD法又はW−ALD(Atomic Layer Deposition)法により、Ti膜105及びTiN膜106の上に、コンタクトホール104を埋め込むように、W膜107を堆積する。
次に、図2(e)に示すように、CMP法により、W膜107、Ti膜105及びTiN膜106を研磨し、コンタクトホール104以外の部分に層間絶縁膜103を露出させ、コンタクトホール104にW膜107、Ti膜105及びTiN膜106を残して、コンタクトプラグを完成させる。
第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、コンタクトホール104の側部のTi膜105とコンタクトホール104の底部のTiN膜106を単層で形成することができるので、コンタクトホール104の開口径に対するバリア膜の占める割合が低くなり、コンタクトホール104の開口径が微細化され、アスペクト比が高くなった場合であってもWを確実に埋め込むことができる。また、層間絶縁膜103の上部のTi膜105及びコンタクトホール104の底部のTi膜105にTiN膜106が形成されるため、WF6により異常物質が形成されることはなく、配線不良の発生を防止することができる。
さらに、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、500℃以上の熱処理を含まないので、NiSi層102はNiSi2を生成することがなく、シリサイド層の抵抗の上昇を抑えることができる。
なお、第1の実施形態では、シリサイド層としてNiSi層102を用いたが、TiSi2層又はCoSi2層でもよい。また、図2(b)に示すTi膜105の堆積工程と、図2(c)に示すTi膜105の一部を窒化処理する工程は、大気開放せずに連続して行うことができる。
図3は、上記のプラズマ窒化の照射の指向性を示す解析図である。TiN膜には、MO−CVD−TiN(Metal Organic CVD TiN) 膜を用いている。図3に示すように、プラズマ窒化の処理前は、層間絶縁膜上部、コンタクトホール底部及びコンタクトホール側部にほぼ一定の膜厚でMO−TiNが堆積されているが、プラズマ窒化処理後には、層間絶縁膜上部及びコンタクトホール底部のMO−TiNのみが堆積収縮している。これにより、上記のプラズマ窒化の照射は指向性を有していることが確認できる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
第2の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板201の上面に形成されたNiSi層202と、半導体基板201の上に堆積された層間絶縁膜203と、層間絶縁膜203に設けられたコンタクトホール204の側部に形成されたTi膜205と、コンタクトホール204の底部に形成された第1のTiN膜206と、Ti膜205及び第1のTiN膜206の上からコンタクトホール204を覆うように形成された第2のTiN膜207と、第2のTiN膜207の上からコンタクトホール204を埋め込むように形成されたW膜208とからなる。
本発明の第2の実施形態によれば、コンタクトホール204の側部に形成されたTi膜205とコンタクトホール204の底部に形成された第1のTiN膜206が単層となっているので、コンタクトホール204の開口径に対するバリア膜の占める割合が低くなり、コンタクトホール204の開口径が微細化され、アスペクト比が高くなった場合であってもW膜を確実に埋め込むことができる。これにより、ボイドが広がることにより起こるコンタクト抵抗の上昇を抑制し、配線不良が生じるのを防ぐことができる。また、本発明の第2の実施形態は、Ti膜205と第1のTiN膜206とからなる層の上にさらに第2のTiN膜207を有しているため、W膜208に対するバリア性を高くすることができる。なお、第1のTiN膜206があるため、第2のTiN膜207の膜厚は薄くてよく、第2のTiN膜によりW膜208の埋め込みが困難となることはない。
図5(a)〜(e)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
まず、図5(a)に示すように、半導体素子の形成されたSiよりなる半導体基板201の上に、物理的気相成長法により、Ni(図示せず)を堆積する。その後、約500℃の熱処理により、半導体基板201の上面にNiSi層202を形成する。次に、CVD法により、半導体基板201の上に層間絶縁膜203を形成する。ここで、層間絶縁膜203としては、USGを用いる。次に、フォトリソグラフィ法により、層間絶縁膜203の上にコンタクトパターンを有するフォトレジスト(図示せず)を形成する。ここで、コンタクトパターンは、100nmである。その後、ドライエッチング法により、このフォトレジストをマスクとして層間絶縁膜203をエッチングし、NiSi層202と接するコンタクトホール204を形成する。その後、スパッタリング法により、コンタクトホール204底部のNiSi層202にクリーニングを行う。
次に、図5(b)に示すように、スパッタリング法により、層間絶縁膜203の上にコンタクトホール204を覆うように、Ti膜205を、DCパワー2250W、アルゴン流量58sccm(約20mTorr)で、厚さ約20nm堆積する。
次に、図5(c)に示すように、410℃の窒素/水素雰囲気中、RFパワー750Wでプラズマ窒化を照射することにより、Ti膜205の一部を窒化処理し、第1のTiN膜206とする。このとき、上記のプラズマ窒化の照射は、指向性を有するため、層間絶縁膜203上部及びコンタクトホール204底部のTi膜205は窒化処理されるが、コンタクトホール204側部のTi膜205はほとんど窒化処理されない。
次に、図5(d)に示すように、有機金属CVD法により、Ti膜205及び第1のTiN膜206の上に、コンタクトホール204を覆うように、第2のTiN膜207を、410℃、1.5Torrで、厚さ約4nm堆積する。次に、W−CVD法又はW−ALD法により、第2のTiN膜207の上に、コンタクトホール204を埋め込むように、W膜208を堆積する。
次に、図5(e)に示すように、CMP法により、W膜208、第2のTiN膜207、Ti膜205及び第1のTiN膜206を研磨し、コンタクトホール204以外の部分に層間絶縁膜203を露出させ、コンタクトホール204にW膜208、第2のTiN膜207、Ti膜205及び第1のTiN膜206を残して、コンタクトプラグを完成させる。
第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、コンタクトホール204の側部のTi膜205とコンタクトホール204の底部の第1のTiN膜206を単層で形成することができるので、コンタクトホール204の開口径に対するバリア膜の占める割合が低くなり、コンタクトホール204の開口径が微細化され、アスペクト比が高くなった場合であってもWを確実に埋め込むことができる。また、本発明の第2の実施形態は、Ti膜205と第1のTiN膜206とからなる層の上にさらに第2のTiN膜207を形成しているため、W膜208に対するバリア性を高くすることができる。また、層間絶縁膜203の上部のTi膜205及びコンタクトホール204の底部のTi膜205に第1のTiN膜206が形成されるため、WF6により異常物質が形成されることはなく、配線不良の発生を防止することができる。さらに、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、500℃以上の熱処理を含まないので、NiSi層202はNiSi2を生成することがなく、シリサイド層の抵抗の上昇を抑えることができる。
なお、第2の実施形態では、シリサイド層としてNiSi層202を用いたが、TiSi2層又はCoSi2層でもよい。また、図5(b)に示すTi膜205の堆積工程と、図5(c)に示すTi膜205の一部を窒化処理して第1のTiN膜を形成する工程は、大気開放せずに連続して行うことができる。また、図5(c)に示すTi膜205の一部を窒化処理して第1のTiN膜を形成する工程と、図5(d)に示す第2のTiN膜を堆積する工程は、大気開放せずに連続して行うことができる。また、図5(c)に示すTi膜205の一部を窒化処理して第1のTiN膜を形成する工程と、図5(d)に示す第2のTiN膜を堆積する工程は、同一チャンバにおいて連続して行うことができる。また、第1のTiN膜206があるため、第2のTiN膜207の膜厚は薄くてよく、第2のTiN膜によりW膜208の埋め込みが困難となることはない。
本発明は、コンタクトプラグを有する半導体装置及びその製造方法に有用である。
第1の実施形態に係る半導体装置の断面図 第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 プラズマ窒化処理の指向性を示す解析図 第2の実施形態に係る半導体装置の断面図 第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 従来の半導体装置の課題を示す断面図
符号の説明
101 半導体基板
102 NiSi層
103 層間絶縁膜
104 コンタクトホール
105 Ti膜
106 TiN膜
107 W膜
201 半導体基板
202 NiSi層
203 層間絶縁膜
204 コンタクトホール
205 Ti膜
206 第1のTiN膜
207 第2のTiN膜
208 W膜

Claims (5)

  1. 半導体基板上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜に形成され前記半導体基板に接続する溝と、
    前記溝の側壁に形成された単層からなる第1の導電膜と、
    前記溝の底部に形成された、前記第1の導電膜とは異なる材料からなり、かつ、単層からなる第2の導電膜と、
    前記溝の底部及び側壁において、前記第1の導電膜と前記第2の導電膜を覆うように形成された単層からなる第3の導電膜と、
    前記溝を埋めるように形成された第4の導電膜とを有する半導体装置において、
    前記第2の導電膜及び前記第3の導電膜は、前記第4の導電膜に対してバリア性を有する金属窒化膜であり、
    前記第3の導電膜は、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜と比較して、薄いことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記半導体基板の上面には、TiSi2層、CoSi2層又はNiSi層のいずれか1つが形成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1又は2に記載の半導体装置において、
    前記第1の導電膜はTi膜であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置において、
    前記第2の導電膜及び前記第3の導電膜はTiNであることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
    第4の導電膜は、W膜であることを特徴とする半導体装置。
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