JP2009026864A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【目的】コンタクトプラグを従来よりも低抵抗化する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体基体上にＳｉＯ_２膜を形成する工程（Ｓ１０２）と、ＳｉＯ_２膜にコンタクトホールを形成する工程（Ｓ１０４）と、コンタクトホール内にＴｉ膜を形成する工程（Ｓ１０６）と、Ｔｉ膜を窒化処理する工程（Ｓ１０８）と、コンタクトホール側壁に形成されたＴｉＮ膜を除去する工程（Ｓ１１０）と、コンタクトホール内にＷ膜を堆積させる工程（Ｓ１１４）と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に係り、例えば、デバイス部分と銅（Ｃｕ）配線とを接続するためのコンタクトプラグを配置した半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線材料を従来のアルミニウム（Ａｌ）合金から低抵抗の銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。そして、上述した近年の半導体集積回路のパターン微細化に伴い、Ｃｕ配線と基板拡散層とを接続するためのコンタクトホールやＣｕ配線とトランジスタのゲート電極とを接続するためのコンタクトホールの径も小さくなっている。これに伴い、コンタクトホールのアスペクト比が高くなってきている。そのため、コンタクトプラグにおけるコンタクト抵抗の上昇が深刻化してきている。

従来、コンタクトプラグは、例えば以下のように形成される。まず、基板表面、コンタクトホール壁面及びコンタクトホール底面にチタン（Ｔｉ）膜を形成する。そして、底面のシリコン（Ｓｉ）基板上にチタンシリサイド（ＴｉＳｉ_２）を形成する。そして、基板表面、コンタクトホール壁面及びコンタクトホール底面のＴｉ膜を窒化して、窒化チタン（ＴｉＮ）を形成する。そして、基板表面、コンタクトホール壁面及びコンタクトホール底面にＴｉＮ膜が形成された状態からタングステン（Ｗ）膜でコンタクトホールを埋め込むことでコンタクトプラグを形成していた（例えば、特許文献１参照）。
ここで、プラグとなるＷ膜を成膜する場合、６フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスと還元ガスとしての水素（Ｈ_２）などを供給する化学気相成長（ＣＶＤ）法が用いられる。その際、バリアメタル層を形成しておかないとＷ膜の成膜中にＷＦ_６のフッ素（Ｆ）がコンタクトホール底面をＦアタック（エッチング）することによりコンタクト界面にダメージを与え、デバイスの特性にも影響を与える。そのため、ＴｉＮをバリアメタル層として形成しておくことによりＦアタックを防止している。さらに、このような観点から、有機Ｔｉ原材料を用いた熱ＣＶＤ法や無機原材料である四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）を用いた熱ＣＶＤ法等により、ＴｉＮ膜をＴｉ膜上に形成することや、Ｔｉ膜を窒化させた後にさらなるＴｉＮ膜を成長させることも試みられている。

一方で、近年の半導体集積回路の高集積化に伴ってコンタクトホールの径が小さくなっている。しかしながら、コンタクトホールの径が小さくなるのに対して、バリアメタルとなるＴｉＮ膜の膜厚は変わらずに径が大きいときと同じ膜厚で形成すると、Ｗ膜のコンタクトプラグに対する体積が減少していくことになる。そのため、抵抗値の高いＴｉＮ膜が占める体積の比率が大きくなりコンタクト抵抗が増大してしまうといった問題があった。
特表２００１−５２３０４３号公報

本発明は、上述したような従来の問題点を克服し、コンタクトプラグを従来よりも低抵抗化する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の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絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部内に高融点金属膜を形成する高融点金属膜形成工程と、
前記高融点金属膜を窒化処理する窒化工程と、
前記開口部側壁に形成された前記高融点金属膜の窒化物を除去する除去工程と、
前記除去工程の後前記開口部内にコンタクトプラグ材料を堆積させる堆積工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様の半導体装置は、
半導体基板上に形成された高融点金属の窒化膜と、
前記高融点金属の窒化膜上に形成されたコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグの側面側に接触して配置された絶縁膜と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、コンタクトプラグを従来よりも低抵抗化することができる。

実施の形態１．
以下、実施の形態１について、図面を用いて説明する。
図１は、実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
図１において、実施の形態１の半導体装置の製造方法では、ＳｉＯ_２膜形成工程（Ｓ１０２）と、コンタクトホール形成工程（Ｓ１０４）と、Ｔｉ膜形成工程（Ｓ１０６）と、窒化処理工程（Ｓ１０８）と、エッチング工程（Ｓ１１０）と、表面改質処理工程（Ｓ１１２）と、Ｗ膜形成工程（Ｓ１１４）と、研磨工程（Ｓ１１６）という一連の工程を実施する。

図２は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図２では、図１のＳｉＯ_２膜形成工程（Ｓ１０２）から窒化処理工程（Ｓ１０８）までを示している。

図２（ａ）において、絶縁膜形成工程となるＳｉＯ_２膜形成工程（Ｓ１０２）として、基板拡散層やゲート電極といったデバイス部分が形成された基板２００の表面にＣＶＤ（化学気相成長）法によって、例えば、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２膜の薄膜を堆積し、絶縁膜となるＳｉＯ_２膜２１０を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。また、基板２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウェハを用いる。ここでは、デバイス部分の図示を省略している。

図２（ｂ）において、開口部形成工程となるコンタクトホール形成工程（Ｓ１０４）として、リソグラフィー工程とドライエッチング工程でデバイス部分と接続するためのコンタクトホール構造である開口部１５０をＳｉＯ_２膜２１０内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィー工程を経てＳｉＯ_２膜２１０の上にレジスト膜が形成された基板２００に対し、露出したＳｉＯ_２膜２１０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０を形成すればよい。

図２（ｃ）において、高融点金属膜形成工程となるＴｉ膜形成工程（Ｓ１０６）として、開口部形成工程により形成された開口部１５０内壁（側壁及び底面）並びにＳｉＯ_２膜２１０表面に高融点金属のＴｉを用いたＴｉ膜２１２を形成する。Ｔｉ膜２１２は、指向性のある成膜方法により形成されると好適である。ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いてＴｉ膜２１２を形成する。四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）、水素（Ｈ_２）、及びアルゴン（Ａｒ）の混合ガスを流し、所定のチャンバー内圧力と基板温度を設定し、基板の対極電極にプラズマを発生させる。このようにして、ＴｉＣｌ_４をＨ_２で還元処理することによりＴｉ膜２１２を形成することができる。指向性を持たせることで、開口部１５０側壁に形成されるＴｉ膜２１２の膜厚（ｔ_１）をＳｉＯ_２膜２１０表面及び開口部１５０底面に形成されるＴｉ膜２１２の膜厚（ｔ_２）より薄くすることができる。例えば、ＳｉＯ_２膜２１０表面及び開口部１５０底面に形成されるＴｉ膜２１２の膜厚を２ｎｍに、開口部１５０側壁に形成されるＴｉ膜２１２の膜厚を１ｎｍに形成する。形成方法は、プラズマＣＶＤ法に限るものではなく、物理気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法の１つであるスパッタ法を用いても構わない。そして、開口部１５０の底部に形成された密着層となるＴｉ膜２１２は開口部１５０底部に形成された基板２００の酸化膜をＴｉで還元、除去し、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ_２）膜２１４を形成する。これによりＴｉ膜２１２の２〜２．５倍の膜厚でＴｉＳｉ_２膜２１４を形成することができる。ＴｉＳｉ_２膜２１４を形成することによりオーミックコンタクトを確保することができる。

図２（ｄ）において、窒化処理工程（Ｓ１０８）として、Ｔｉ膜２１２を窒化処理して、Ｔｉ膜２１２の窒化物である窒化チタン（ＴｉＮ）膜２１６に転化させる。ＴｉＣｌ_４を用いてＴｉ膜２１２を形成する場合、開口部１５０内壁（側壁及び底面）並びにＳｉＯ_２膜２１０表面には、塩素（Ｃｌ）が多く含まれたＴｉ膜２１２が形成されてしまう。そのため、ＴｉＳｉ_２膜２１４内にもＣｌが多く含まれた状態となる。そのままでは、コンタクトとしての抵抗が高くなり密着性が悪くなってしまう。そこで、Ｔｉ膜２１２上に、アンモニア（ＮＨ_２）ガス或いは窒素（Ｎ_２）ガスを流し、プラズマを発生させることで、Ｔｉ膜２１２をＴｉＮ膜２１６に転化させるとともに、Ｔｉ膜２１２内及びＴｉＳｉ_２膜２１４内から塩素（Ｃｌ）を除去することができる。

図３は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図３では、図１のエッチング工程（Ｓ１１０）から研磨工程（Ｓ１１６）までを示している。

図３（ａ）において、除去工程の一例となるエッチング工程（Ｓ１１０）として、開口部１５０側壁に形成されたＴｉＮ膜２１６をエッチングして除去する。ここでは、特に、等方性のウェットエッチング処理により開口部１５０側壁のＴｉＮ膜２１６を除去する。

図４は、実施の形態１におけるウェットエッチング処理の仕方の一例を説明するための概念図である。
ここでは、図４に示すように、エッチング液３０４が溜められたエッチング槽３０２に図２（ｄ）の状態の基板３００を浸漬させることで、ウェットエッチングを行なう。エッチング液３０４としては、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）の混合液を用いると好適である。浸漬時間としては、例えば、３０ｓ〜６０ｓとすると好適である。開口部１５０側壁に形成されたＴｉＮ膜２１６は、開口部１５０底面に形成されたＴｉＮ膜２１６より薄く形成されているので、等方性のウェットエッチング処理により開口部１５０側壁に形成されたＴｉＮ膜２１６が先に除去される。そのため、ＴｉＮ膜２１６が開口部１５０底面に薄く残るように、開口部１５０側壁に形成されたＴｉＮ膜２１６を除去することができる。

ウェットエッチング処理の仕方は、図４に示すように基板３００をエッチング槽３０２内のエッチング液３０４の中に漬ける場合に限るものではない。
図５は、実施の形態１におけるウェットエッチング処理の仕方の他の一例を説明するための概念図である。
ここでは、図５に示すように、回転テーブル３１０上に基板３００を載置して、基板３００を回転させながら噴出口３１２からエッチング液３１４を基板３００に向けてシャワー状に噴出（供給）するように構成しても好適である。

次に、開口部１５０にコンタクトプラグ材料となるＷを堆積させることになるが、上述したように、開口部１５０側壁に形成されたＴｉＮ膜２１６が除去され、無くなっているので下地となる金属膜が存在しない。そのため、そのままではＷ膜の密着性が悪く開口部１５０内に堆積させにくい。そこで、開口部１５０側壁に露出したＳｉＯ_２膜２１０表面を改質する。
図３（ｂ）において、表面改質処理工程（Ｓ１１２）として、基板表面並びに開口部１５０内壁（側壁及び底面）を改質ガス雰囲気に晒す。ここでは、シランガス（ＳｉＨ_４）、Ｈ_２、及びアルゴン（Ａｒ）の混合ガスを供給して、この混合ガス雰囲気２１８に基板表面並びに開口部１５０内壁（側壁及び底面）を晒すことで、開口部１５０側壁に露出したＳｉＯ_２膜２１０表面を改質することができる。

図３（ｃ）において、堆積工程となるＷ膜形成工程（Ｓ１１４）として、ＣＶＤ法により、開口部１５０全体が埋まるように開口部１５０内及び基板２００表面にコンタクトプラグ材料となるＷ膜２６０を堆積（形成）させる。Ｗ膜２６０の堆積は、核生成ステップとホール埋め込みステップにより行なう。両ステップ共にプロセスガスとして、ＳｉＨ_４、ＷＦ_６、Ａｒ及びＨ_２を用いる。また、キャリアガスとしてＮ_２を用いる。まず、核生成ステップとして、基板を例えば３９０℃に加熱した後、ＷＦ_６ガスとＳｉＨ_４及びＨ_２の混合ガスとを交互に供給して開口部１５０側壁と開口部１５０底面とに同等の厚さでＷ膜２６０を堆積させる（コンフォーマル付着させる）。この時の圧力は、例えば、１×１０^４Ｐａとし、ガス量は、例えば、ＷＦ_６を０．５０Ｐａ・ｍ^３／ｓ（３００ｓｃｃｍ）、ＳｉＨ_４を１．０１Ｐａ・ｍ^３／ｓ（６００ｓｃｃｍ）、Ａｒを１０．１Ｐａ・ｍ^３／ｓ（６０００ｓｃｃｍ）、Ｈ_２を６．７２Ｐａ・ｍ^３／ｓ（４０００ｓｃｃｍ）、Ｎ_２を３．３４Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２０００ｓｃｃｍ）供給する。また、処理時間は、例えば２８ｓとする。その後、ホール埋め込みステップとして、ＳｉＨ_４、ＷＦ_６、Ａｒ及びＨ_２の混合ガスを連続的に供給することで開口部１５０全体を埋め込む。

ここで、開口部１５０側壁に露出したＳｉＯ_２膜２１０表面は改質されているので、金属膜が存在しなくてもＷ膜２６０を堆積させることができる。他方、開口部１５０底面にはＴｉＮ膜２１６が残っているので、ＴｉＮ膜２１６を下地となる金属膜としてＷ膜２６０を堆積させることができる。また、ＴｉＮ膜２１６が残っているので、ＴｉＳｉ_２膜２１４へのＦアタックを抑制することができる。

また、ＷＦ_６の還元ガスとしてＳｉＨ_４及びＨ_２の混合ガスを用いているがこれに限るものではない。Ｗ膜２６０は、ＳｉＨ_４ガス、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガス、或いはＨ_２ガスのいずれかのガスとＷＦ_６ガスとを供給し、ＷＦ_６をＳｉＨ_４、Ｂ_２Ｈ_６、或いはＨ_２のいずれかで還元させてもよい。或いは、ＳｉＨ_４ガス、Ｂ_２Ｈ_６ガス、及びＨ_２ガスの混合ガスとＷＦ_６ガスとを供給し、ＷＦ_６を混合ガスで還元させてもよい。

図３（ｄ）において、研磨工程（Ｓ１１６）として、ＣＭＰ法によって、基板２００の表面を研磨して、開口部以外に表面に堆積したＷ膜２６０、及びＴｉＮ膜２１６を研磨除去する。その結果、図３（ｄ）に示すように平坦化することができる。以上のようにして、実施の形態１における半導体装置では、基板２００上に高融点金属の窒化膜であるＴｉＮ膜２１６が形成され、ＴｉＮ膜２１６上にコンタクトプラグとなるＷ膜２６０が形成される。そして、コンタクトプラグの側面側には、絶縁膜となるＳｉＯ_２膜２１０がＷ膜２６０と接触して配置される。このように、コンタクトプラグの側面にバリアメタル膜が無いのでその分プラグ抵抗を下げることができる。よって、コンタクトホールの径が小さくなった場合でも、抵抗値の低いＷ膜２６０が占める体積の比率が従来に比べて大きくなりコンタクト抵抗を低抵抗化させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、エッチングにより開口部１５０側壁のＴｉＮ膜２１６を除去したがこれに限るものではない。実施の形態２では、他の方法で開口部１５０側壁のＴｉＮ膜２１６を除去する場合について説明する。

図６は、実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
図６において、実施の形態２の半導体装置の製造方法では、エッチング工程（Ｓ１１０）の代わりに逆スパッタ工程（Ｓ１１１）としている点以外は、図１と同様である。よって、ＳｉＯ_２膜形成工程（Ｓ１０２）〜窒化処理工程（Ｓ１０８）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。

除去工程の他の例となる逆スパッタ工程（Ｓ１１１）として、図２（ｄ）の状態から開口部１５０側壁に形成されたＴｉＮ膜２１６を逆スパッタリングして除去する。例えば、スパッタ電力としてＲＦ４ｋＷ、ＤＣ５ｋＷとし、ガスはＡｒを用いると好適である。このように逆スパッタ法によりＴｉＮ膜２１６を除去してもよい。以降の表面改質処理工程（Ｓ１１２）〜研磨工程（Ｓ１１６）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。

以上のように、コンタクトプラグの側面のバリアメタル膜を無くすことでコンタクトプラグを従来よりも低抵抗化することができる。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。上述した各実施の形態では、開口部１５０底面にＴｉＮ膜２１６を残しているが、開口部１５０底面のＴｉＮ膜２１６も側壁と一緒に除去するように構成することもできる。その場合、開口部１５０底面のＴｉＳｉ_２膜２１４を下地となる金属膜としてＷ膜２６０を堆積させればよい。

また、以上において説明は省略したが、上記各実施の形態におけるコンタクトプラグとなるＷ膜と接続するようにＣｕ、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の材料を用いたＣｕ配線を形成することができる。さらに、層間絶縁膜の膜厚や層数、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。

また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれうることは言うまでもない。

実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 実施の形態１におけるウェットエッチング処理の仕方の一例を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるウェットエッチング処理の仕方の他の一例を説明するための概念図である。 実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。

符号の説明

１５０ 開口部
２００，３００ 基板
２１０ ＳｉＯ_２膜
２１２ Ｔｉ膜
２１６ ＴｉＮ膜
２６０ Ｗ膜

Claims (5)

1. 半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
   前記開口部内に高融点金属膜を形成する高融点金属膜形成工程と、
   前記高融点金属膜を窒化処理する窒化工程と、
   前記開口部側壁に形成された前記高融点金属膜の窒化物を除去する除去工程と、
   前記除去工程の後前記開口部内にコンタクトプラグ材料を堆積させる堆積工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記高融点金属膜の窒化物が前記開口部底面に残るように、前記開口部側壁に形成された前記高融点金属膜の窒化物を除去することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記高融点金属膜の窒化物は、ウェットエッチング処理により除去されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記高融点金属膜は、指向性のある成膜方法により形成されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の半導体装置の製造方法。
5. 半導体基板上に形成された高融点金属の窒化膜と、
   前記高融点金属の窒化膜上に形成されたコンタクトプラグと、
   前記コンタクトプラグの側面側に接触して配置された絶縁膜と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。

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