JP5674433B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板を使用する半導体素子の製造方法に関し、特には該製造方法の一部であるウエハ製造工程におけるコンタクトホール埋め込みプラグを形成するエッチバックエッチング処理の方法に関するものである。

半導体基板表面の所定の領域と直接コンタクトにより電極を形成する材料は、主にＣＶＤ法によりその基板上に成膜される。すなわち、半導体基板表面を覆う絶縁膜にコンタクトホールを形成したのち、ＣＶＤ法によりタングステン（Ｗ）膜を形成してコンタクトホールをＷ膜により充填し、接続用の電極を形成する方法が一般に用いられている。まず、周知の方法により絶縁膜にコンタクトホールを形成し、ＣＶＤ法によりタングステンの埋め込みプラグでそのコンタクトホールを埋め、金属配線を形成して半導体基板とのコンタクトを取る方法である。
しかし、Ｗ膜は上記絶縁膜の全面にわたって形成されるので、コンタクトホール以外のＷ膜を除去するエッチバックエッチング工程が必要となる。

ここで、タングステン膜を２段階でエッチングする方法が開示されており、第１段階目のエッチングとしては、フッ素系ガスを用いたタングステン膜の高速エッチングを行い、タングステン膜を５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚で残す。次いで第２段階目のエッチングとして、塩素と酸素の混合ガスを用い、第１段階で残ったタングステン膜をエッチングする方法が開示されており、更に基板を冷却することが記載されている（例えば特許文献１参照）。

また、ウエハにエッチング処理等を施す際のウエハの冷却方法として、冷却水や冷却ガスを用いた方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。

特開平６−４５３２６号公報 特開２００３−１００８５６号公報

しかしながら、従来のようにタングステン層をエッチングする際にウエハの冷却を常時行なっていると、タングステン層の一部が最終的に残存してしまう（膜残り）ことがあった。タングステン層の膜残りが発生すると、ウエハにおいて配線のショートが発生して歩留り低下の要因となる。

そこで本発明は、タングステン層の膜残りの発生を抑制することを目的とする。

上記課題は、以下の本発明によって解決される。
即ち本願請求項１に係る発明は、
半導体基板、コンタクトホールを備えた絶縁膜、前記絶縁膜の表面および前記コンタクトホールの表面を被覆する被覆層、並びに、前記コンタクトホールを埋込み且つ前記コンタクトホール上および前記被覆層上に堆積されたタングステン層を、この順に有するウエハを準備するウエハ準備工程と、
前記ウエハを冷却せずに、前記タングステン層を前記被覆層が露出しない範囲でドライエッチングする第１のタングステン層エッチング工程と、
前記ウエハを冷却せずに、前記タングステン層を前記被覆層が露出しない範囲で、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする第２のタングステン層エッチング工程、および前記ウエハを冷却しつつ、前記被覆層が露出するまで、前記タングステン層を前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする第３のタングステン層エッチング工程を備える第１の低速タングステン層エッチング工程と、
エッチング処理を行なわずに前記ウエハを冷却する冷却工程と、
前記ウエハを冷却しつつ、前記コンタクトホール内の前記タングステン層を前記絶縁膜の高さまで、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする第２の低速タングステン層エッチング工程と、
をこの順に有する半導体素子の製造方法である。

本発明によれば、タングステン層の膜残りの発生が抑制された半導体素子の製造方法が提供される。

本発明におけるタングステン層のエッチングの工程を説明するための概略断面図である。 本発明におけるタングステン層のエッチングの工程を説明するための概略断面図である。 本発明におけるタングステン層のエッチングの工程を説明するための概略断面図である。 本発明におけるタングステン層のエッチングの工程を説明するための概略断面図である。 ウエハを載せ且つ該ウエハを冷却するための機構を備えたウエハ支持部材を表す概略断面図である。 ウエハを冷却するための冷却ガスを流すためのガス溝を有する導電性プレートを示す概略図である。

本発明に係る半導体素子の製造方法は、以下の（１）、（２）、（３）、（４）、（４’）、および（５）の各工程をこの順に有する。
（１）ウエハ準備工程
半導体基板、コンタクトホールを備えた絶縁膜、前記絶縁膜の表面および前記コンタクトホールの表面を被覆する被覆層、並びに、前記コンタクトホールを埋込み且つ前記コンタクトホール上および前記被覆層上に堆積されたタングステン層を、この順に有するウエハを準備する
（２）第１のタングステン層エッチング工程
前記ウエハを冷却せずに、前記タングステン層を前記被覆層が露出しない範囲でドライエッチングする
（３）第２のタングステン層エッチング工程
前記ウエハを冷却せずに、前記タングステン層を前記被覆層が露出しない範囲で、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする
（４）第３のタングステン層エッチング工程
前記ウエハを冷却しつつ、前記被覆層が露出するまで、前記タングステン層を前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする
（尚、前記（３）第２のタングステン層エッチング工程と（４）第３のタングステン層エッチング工程とを併せて、第１の低速タングステン層エッチング工程と称す）
（４’）冷却工程
エッチング処理を行なわずに前記ウエハを冷却する
（５）第４のタングステン層エッチング工程（第２の低速タングステン層エッチング工程）
前記ウエハを冷却しつつ、前記コンタクトホール内の前記タングステン層を前記絶縁膜の高さまで、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする

従来のように、タングステン層をエッチングする際にウエハの冷却を常時行なっていると、タングステン層の一部が最終的に残存してしまう（膜残り）ことがあった。この膜残りの発生メカニズムは明確ではないものの、タングステン層の中でより強く冷却された部分のエッチング速度が低下して他の部分とのエッチング速度に差異が生じ、そのエッチング速度が低下した部分のタングステン層が最終的に残存しているものと推察される。
これに対し上記（１）〜（５）の各工程をこの順に有する本発明は、上記の通り第１および第２のタングステン層エッチング工程でウエハの冷却を行なわずにタングステン層のドライエッチングを行なっており、エッチング速度に差異が生じず、エッチングがタングステン層の面内で均一に進行し、膜残りの発生が抑制されるものと推察される。

また、タングステン層のドライエッチングが進行して被覆層が露出する際にウエハの冷却が行なわれていない場合、コンタクトホール内のプラグロスが生じ、その結果タングステン膜のカバレージが低下したり、断線が生じることがあった。
これに対し上記（１）〜（５）の各工程をこの順に有する本発明は、被覆層が露出するまでエッチングを行なう第３および第４のタングステン層エッチング工程でウエハを冷却しつつドライエッチングを行なっており、コンタクトホール内のプラグロスが低減される。
尚、「プラグロス」とは、コンタクトホール内に埋め込まれたタングステン層がエッチバックエッチングにてエッチングされ、タングステン層が後退しロスが生じる現象を意味する。

尚、前記（４）第３のタングステン層エッチング工程と、前記（５）第４のタングステン層エッチング工程と、の間に（４’）エッチング処理を行なわずに前記ウエハを冷却する冷却工程を有する。

第３のタングステン層エッチング工程が終了する迄にウエハの温度は上昇しており、そのまま第４のタングステン層エッチング工程によってエッチングを施すと、薄膜バリアの場合は、バリアとなる被覆層がエッチングされて該被覆層の荒れ（下地荒れ）が発生することがある。しかし第３のタングステン層エッチング工程の後にエッチング処理を行なわずにウエハを冷却してから第４のタングステン層エッチング工程を行なうことにより、前記下地荒れが効果的に防止される。

以下、上記（１）〜（５）の各工程について図面を用いて詳細に説明する。

（１）ウエハ準備工程
ウエハ準備工程では、図１に示すように、半導体基板１と、コンタクトホール３を備えた絶縁膜２と、前記絶縁膜２の表面および前記コンタクトホール３の表面を被覆する被覆層４と、前記コンタクトホール３を埋込み且つ前記コンタクトホール３上および前記被覆層４上に堆積されたタングステン層５と、をこの順に有するウエハを準備する。

半導体基板１としては、シリコン基板のほか、サファイヤ（ＳＯＳ）基板や石英（ＳＯＱ）基板が使用される。尚、半導体基板１には、選択的に不純物拡散層が形成されていてもよく、不純物拡散層が形成されている場合には該不純物拡散層上にコンタクトホール３が形成される。

まず、半導体基板１の表面に層間絶縁膜としてＣＶＤ法により約１．５μｍの厚さに酸化シリコン膜等の絶縁膜２を形成する。
次いで、絶縁膜２にリソグラフィー工程とＲＩＥ法により直径０．５μｍのコンタクトホール３を形成したのち、密着層として全面にＷ膜、Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜等から選択される被覆層４を形成する。被覆層４としてＴｉＮ膜を形成する場合であれば、ＡｒとＮ_２との混合ガス雰囲気内でＴｉをスパッタする反応性スパッタ法により形成する。被覆層４の厚さを約０．０５μｍとすることにより、後続の工程で形成するＷ膜との密着性を確保できる。
次に６フッ化タングステン（ＷＦ_６）を原料とする熱ＣＶＤ法によりタングステン（Ｗ）層５を約０．５μｍの厚さに形成する。この時の成長条件は、基板温度４０℃，ＷＦ_６の流量５０ＳＣＣＭである。また還元剤として水素（Ｈ_２）を１ＳＬＭ添加する。

（２）第１のタングステン層エッチング工程
次に、前記ウエハを冷却せずに、タングステン（Ｗ）層５を被覆層４が露出しない範囲で高速でドライエッチングする。尚、第１〜第４のタングステン層エッチング工程においては、エッチング装置として例えば反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）が用いられる。

第１のタングステン層エッチング工程では、反応ガスとしてＳＦ_６／Ａｒを用い１１０／９０ＳＣＣＭの流量で装置内に導入し、ガスの圧力を３０Ｐａに調整したのち、電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を６００Ｗ程度導入して上記反応ガスを励起し、プラズマを発生させてＷ層５に高速でエッチングを施す。この際、上記の通りウエハの冷却は行なわない。図２に示すように、厚さ約０．２μｍのＷ層５を残す。尚、この時のＷ層５のエッチング速度は５００ｎｍ／ｍｉｎであった。
冷却を行なわないとは、ウエハが存在する環境の温度のままとすることを表し、例えば後述の冷却ガス等による冷却を施さないことを指す。
ウエハの冷却を行なわないため、Ｗ層５のエッチングを面内で均一に進めることができＷ層５の膜残りが抑制される。また、高速でエッチングを行なっており処理時間の短縮が図られる。

（３）第２のタングステン層エッチング工程
次に、前記ウエハを冷却せずに、タングステン（Ｗ）層５を被覆層４が露出しない範囲で、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする。

第２のタングステン層エッチング工程では、第１のタングステン層エッチング工程で残したＷ層５を低速度でエッチングし、厚さ約０．１μｍのＷ層５を残す。反応ガスとしては前記第１のタングステン層エッチング工程と同じガスが用いられ、その反応ガスの流量を８０／４０ＳＣＣＭに、ガスの圧力を２５Ｐａに調整し、且つ電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を３００Ｗ程度導入して上記反応ガスを励起し、プラズマを発生させてＷ層５に低速でエッチングを施す。この際、上記の通りウエハの冷却は行なわない。尚、この時のＷ層５のエッチング速度は１５０ｎｍ／ｍｉｎであった。
ウエハの冷却を行なわないため、Ｗ層５のエッチングを面内で均一に進めることができＷ層５の膜残りが抑制される。また、より低速でエッチングを行なっておりＷ膜５の薄膜を残すためのコントロール性を高めることができる。

（４）第３のタングステン層エッチング工程
次に、前記ウエハを冷却しつつ、前記被覆層４が露出するまで、前記タングステン層５を前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする。

第３のタングステン層エッチング工程では、被覆層４の露出を検知しながら、図３に示すように、第２のタングステン層エッチング工程で残したＷ層５を低速度でエッチングする。反応ガスとしては前記第１のタングステン層エッチング工程と同じガスが用いられ、その反応ガスの流量を８０／４０ＳＣＣＭに、ガスの圧力を２５Ｐａに調整し、且つ電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を３００Ｗ程度導入して上記反応ガスを励起し、プラズマを発生させてＷ層５に低速でエッチングを施す。この際、上記の通りウエハの冷却を行なう。尚、この時のＷ層５のエッチング速度は１３０ｎｍ／ｍｉｎであった。
被覆層４を露出させるにあたってウエハの冷却を行なっているため、被覆層４へのダメージが効果的に減少され、コンタクトホール内のプラグロスが抑制される。また、より低速でエッチングを行なっておりＷ膜５の薄膜の除去が正確に行なわれる。
尚、被覆層４が露出するまでＷ層５のエッチングを行なう際に、エッチングの進行をより正確にコントロールするため、被覆層４の露出を検知しながら行なうことが好ましい。被覆層４の露出の検知は、一般的にエッチングで使用される終点判定装置でエッチングガスと被エッチング膜の反応性ガスやエッチングガスの量、被エッチング膜の有無を発行分光器にて経過監視してエッチングの終りを検知する方法により行なわれる。

（４’）冷却工程
第３のタングステン層エッチング工程の後、第４のタングステン層エッチング工程の前に、エッチング処理を行なわずに前記ウエハを冷却する。具体的には、高周波電力の導入を停止し、一定の冷却時間を設けて冷却を行なう。
ウエハを冷却してから第４のタングステン層エッチング工程を行なっており、被覆層４の荒れ（下地荒れ）が効果的に防止される。

（５）第４のタングステン層エッチング工程
次に、前記ウエハを冷却しつつ、コンタクトホール３内のタングステン層５を絶縁層２の高さまで、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする。

第４のタングステン層エッチング工程では、用いる反応ガスやそのエッチングの条件等を前記第３のタングステン層エッチング工程と同じにして行なうことができる。尚、反応ガスや条件等を変更してもよく、例えば、被覆層４へのダメージとプラグロスを少なくするために導入する高周波電力を下げて２００Ｗ程度としてもよい。これにより、図４に示すように、コンタクトホール３内のタングステン層５を絶縁層２の高さまでエッチングする。この際、上記の通りウエハの冷却を行なう。
ウエハの冷却を行なっているため、被覆層４へのダメージが効果的に減少され、コンタクトホール内のプラグロスが抑制される。

その後、絶縁膜２上に残った被覆層４がドライエッチングにより除去され、金属配線を形成して、該金属配線と半導体基板１とのコンタクトが、コンタクトホール３内に形成されたタングステン（Ｗ）層５（埋込みプラグ）によって取られる。

ここで、前記第３および第４のタングステン層エッチング工程においてウエハを冷却する方法について、詳細に説明する。

冷却方法としては、特に限定されるものではなく、冷却水を循環させる方法や冷却用ガスを用いる方法が挙げられる。
図５に、前記ウエハと、該ウエハを載せ該ウエハを冷却するための機構を備えたウエハ支持部材を表す概略断面図を示す。このウエハ支持部材１１は、板状のセラミック体製のウエハステージ１２の上面をウエハ１０を載せる載置面１４とするとともに、ウエハステージ１２の下面側に配置される導電性プレート１８と、からなる。

ウエハステージ１２を形成する板状セラミック体は円盤状をなし、その外径はウエハ１０とほぼ同じ大きさとするとともに、板厚は５ｍｍ〜２０ｍｍの間で形成してある。板状セラミック体の材質としては、アルミナ質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化硼素質焼結体、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体等を用いることができ、窒化アルミニウム質焼結体、窒化硼素質焼結体、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体を用いることがより好ましい。

導電性プレート１８は、アルミニウム、ステンレス鋼、超鋼合金等の金属材料、導電性セラミックス、サーメット材、あるいは金属とセラミックスの複合材料等よりなる。
導電性プレート１８の上面には、ウエハ１０を冷却するための冷却ガスを流すためのガス溝が形成してあり、Ｈｅ等の不活性ガスを流すようになっている。ガス溝のパターン形状としては、冷却ガスが導電性プレート１８とウエハステージ１２との間隙全体に万遍に行き渡るようなパターン形状であることが好ましく、例えば図６に示すような、中心から外周に向かって延びる複数個の放射状の溝１７Ａと外周付近に一周形成された円周状の溝１７Ｂとからなるパターン形状を採用することができる。なお、図６に示すパターン形状に限定されるものではなく、上述したように導電性プレート１８とウエハステージ１２との間隙全体に万遍に行き渡るようなパターン形状であれば良い。
また、導電性プレート１８の中心部にはウエハステージ１２との間隙の溝１７Ａおよび１７Ｂに不活性ガスを導くためのガス導入孔２０を形成してある。尚、図５および図６では冷却ガスのガス導入孔２０は１つのみ設けられているが、複数設けてもよい。複数設けることによりウエハの被覆層４へのダメージがより抑制され、且つコンタクトホール３内のＷ層５のプラグロス分布の向上が図れる。
更には、導電性プレート１８における冷却ガスを流すための態様としては、ガス溝に限られず、ブラスト処理によって粗面化された表面を有し、その粗面の凹部部分に冷却ガスが流される態様でも良い。
尚、導電性プレート１８内には、更に冷却水を流す通路を設けて導電性プレート１８内に冷却水を循環させてもよい。

前記第３および第４のタングステン層エッチング工程においてウエハを冷却する際には、図５および図６に示すウエハ支持部材１１において、ガス導入孔２０から溝１７Ａおよび１７Ｂに不活性ガスを導入することにより冷却が行なわれる。また、冷却水を流す通路を導電性プレート１８内に備える場合には、該通路に冷却水を循環させることによっても冷却が行なわれる。

特にガス導入孔２０が１箇所である場合、その１点がより集中的に冷却される為に、ウエハ１０の該ガス導入孔２０の上部に相当する部分がより強く冷却される。そのため、従来の半導体素子の製造方法では、ウエハ１０の該ガス導入孔２０の上部に相当する部分のＷ層５が、ウエハ１０のその他の部分のＷ層５に比べてエッチング速度が低下し、他の部分とのエッチング速度に差異が生じ、そのエッチング速度が低下した部分のＷ層５が最終的に残存するものと推察される。しかし、本発明に係る製造方法によれば、上記の通り第１および第２のタングステン層エッチング工程でウエハの冷却を行なわずにタングステン層のドライエッチングを行なっており、エッチング速度に差異が生じず、エッチングがタングステン層の面内で均一に進行し、膜残りの発生が抑制されるものと推察される。

１ 半導体基板
２ 絶縁膜
３ コンタクトホール
４ 被覆層
５ タングステン層
１０ ウエハ
１１ ウエハ支持部材
１２ ウエハステージ
１４ 載置面
１７Ａ，１７Ｂ 溝
１８ 導電性プレート
２０ ガス導入孔

Claims (1)

1. 半導体基板、コンタクトホールを備えた絶縁膜、前記絶縁膜の表面および前記コンタクトホールの表面を被覆する被覆層、並びに、前記コンタクトホールを埋込み且つ前記コンタクトホール上および前記被覆層上に堆積されたタングステン層を、この順に有するウエハを準備するウエハ準備工程と、
   前記ウエハを冷却せずに、前記タングステン層を前記被覆層が露出しない範囲でドライエッチングする第１のタングステン層エッチング工程と、
   前記ウエハを冷却せずに、前記タングステン層を前記被覆層が露出しない範囲で、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする第２のタングステン層エッチング工程、および前記ウエハを冷却しつつ、前記被覆層が露出するまで、前記タングステン層を前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする第３のタングステン層エッチング工程を備える第１の低速タングステン層エッチング工程と、
   エッチング処理を行なわずに前記ウエハを冷却する冷却工程と、
   前記ウエハを冷却しつつ、前記コンタクトホール内の前記タングステン層を前記絶縁膜の高さまで、前記第１のタングステン層エッチング工程よりも低速なエッチング速度にてドライエッチングする第２の低速タングステン層エッチング工程と、
   をこの順に有する半導体素子の製造方法。

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