JP3868043B2 - タングステン窒化膜の製造方法及びこれを用いた金属配線製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に基板又は下部配線膜等を侵蝕せずにコンタクトホール内又は下部金属配線層上のみに選択的に形成され、高温でも安定したタングステン窒化膜を形成する方法及びこれを用いた金属配線製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の集積度が増加するに伴い、金属配線の幅は段々狭まり、コンタクトホールではアスペクト比(aspect ratio)が増加しつつある。しかしながら、現在金属配線の材料として用いられるアルミニウム合金のような金属膜はスパッタリング等により形成されるので、コンタクトホール内における段差塗布性が不良であったり、ボイドのような欠陥が発生するようになる。その結果、金属配線間の断線等が来されて集積回路の信頼性が低下される。従って、化学気相蒸着方法により蒸着できるタングステンを用いて金属配線を形成する選択的タングステン化学気相蒸着方法(selective chemical vapor deposition-W：以下、SCVD-Wという)が注目を浴びている。
【０００３】
図１及び図２は化学気相蒸着方法にてタングステン膜を形成する方法を示している。
【０００４】
図１Ａを参照すると、シリコン基板上１０にイオンを注入してソース／ドレイン領域になる不純物領域１２を形成する。次いで、不純物領域１２の形成された基板１０の全面に、絶縁膜１３としてシリコン酸化膜を５００〜２０００Åの厚さで形成する。次に、図１Ｂのように前記絶縁膜１３とシリコン基板１０を所定の深さで蝕刻して金属配線の形成されるトレンチ１９を形成する。
【０００５】
次いで、前記絶縁膜１３の上部及びトレンチ１９の内部にチタン(Ti)膜を２００〜１５００Åの厚さで蒸着した後、熱処理を行う。熱処理によりシリコン基板１０とチタン膜とが反応して、基板との接触面のみにオーミック(ohmic) 層として作用するチタンシリサイド(TiSix)14 が形成される。次に、反応しないチタンの残留物を湿式蝕刻工程を用い取り除いて図１Ｃのような結果物を得る。
【０００６】
次に、図２Ｄのように拡散防止膜１５としてチタン窒化膜(TiN) を１５０〜９００Åの厚さで蒸着した後、その上にタングステン膜１６を１０００Å以上の厚さで蒸着する。
【０００７】
その後、化学機械ポリシング(chemical mechanical polishing：以下、ＣＭＰという) 等の方法にてエッチバックして、図２Ｅのようにトレンチ１９内のみにタングステン膜１６を残して金属配線を完成させる。
【０００８】
ところが、前述したように、選択的タングステン化学気相蒸着工程を用いて金属配線を形成する場合には、拡散防止膜のチタン窒化膜と金属配線膜のタングステン膜の物理的な特性(例えば、引っ張り力)が異なるために、両膜の界面におけるストレスが大きくなる。従って、タングステン膜がリフティングされる問題点が発生し、特に物理的な力を与えるＣＭＰ工程の適用時にチタン窒化膜／タングステン膜が絶縁膜からリフティングされ得る。
【０００９】
一方、前記不純物領域をP+不純物のホウ素(B) にて形成する場合、後続熱処理工程時不純物がチタンと反応してTiB2を形成する。従って、オーミックコンタクト特性を低下させ、コンタクト抵抗を高める問題が発生する。
【００１０】
前記のような問題点を解決するために、図３Ａのようにシリコン基板２０上に形成された不純物領域２２上にオーミック層としてタングステン膜２４、拡散防止膜としてタングステン窒化膜２５を形成した後、金属配線膜としてタングステン膜２６を形成する方法が提案された。
【００１１】
前記方法に応じて、蒸着温度６００℃、圧力０.１Torr 下でタングステンフッ化物(WF6) を６sccmに、水素(H2)を２００sccmのフロー率でフローさせて２００〜１５００Åの厚さでオーミック層のタングステン膜２４を形成した後、１５０〜９００Åの厚さで拡散防止膜のタングステン窒化膜２５を蒸着してから、その上にタングステン膜２６を１０００Å以上の厚さで蒸着する。次に、結果物をエッチバックして金属配線を完成する。金属配線の断面を走査電子顕微鏡にて撮影した写真が図３Ｂに示されている。
【００１２】
ところが、オーミック層としてタングステン膜を形成する場合には、シリコンとの接着特性に優れる反面、タングステンシリサイドを形成するためのタングステンとシリコンとの還元反応により、図３Ｂに示されたようにシリコン基板が侵蝕されて電気的な特性が劣化される更に他の問題点が発生する。侵蝕の問題は接合の深さ(junction depth)が０.１μm以下に浅くなる超高集積(ULSI)時代には尚更深刻な問題を引き起こす。かつ、タングステンとシリコンが５５０℃以上で反応するために、後続工程が前記温度より高い温度で行われる場合には、前記金属配線製造方法を半導体製造工程に適用することが困難である。
【００１３】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明の目的は前述した従来の問題点を解決するための半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の半導体装置は、導電層の形成されている半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、前記露出される導電層上にチタンシリサイド膜を形成することによりオーミック層を形成する段階と、窒素系ガス、タングステンソースガス、還元剤ガスの混合ガスを注入して前記コンタクトホールの内部のみに選択的にタングステン窒化膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とする。
【００１５】
かつ、前記目的を達成するために本発明による半導体装置の金属配線は、導電層の形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、前記コンタクトホールにより露出された導電層上にタングステン窒化膜を蒸着する段階と、前記タングステン窒化膜の形成された結果物を熱処理してタングステン窒化膜内のタングステンがシリコン基板と反応して薄いタングステンシリサイド膜からなるオーミック層を形成させる段階と、イン−シーツ（ｉｎ ｓｉｔｕ）方法にて窒素系ガス、タングステンソースガス及び、還元剤ガスの混合ガスを注入して、前記オーミック層上にタングステン窒化膜を連続的に蒸着して拡散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜上に金属膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記タングステンソースガスはWF6 又はWCl6を、前記窒素系ガスはN2,NH3又はメチル-ハイドライジンを、前記還元剤ガスはH2,SiH4,SiH2Cl2又はPH3を用いることが望ましい。
【００１７】
かつ、前記窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５ 乃至１００であることが望ましく、２乃至７は更に望ましい。そして、前記還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることが望ましく、２０乃至５０は更に望ましい。
【００１９】
本発明によると、シリコン基板又は下部金属配線を露出させるコンタクトホール内部のみに選択的にタングステン窒化膜を形成することができるので、信頼度の高い金属配線を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。
【００２１】
タングステン窒化膜の成長装置
図４は本発明によるタングステン窒化膜を蒸着するための化学気相蒸着(CVD) 反応室の断面図である。
【００２２】
図４を参照すると、ウェーハをローディングするためのサセプタ(susceptor) ３０が反応室４０の下部に設けられている。上部にはウェーハ３２の温度を反応に適した温度に上昇させる役割を果たすＩＲランプ３９が設けられている。タングステンソースガスと窒素系ガスは第１ガス注入口３４を通して注入され、サセプタ３０上にローディングされるウェーハ３２に水平にフローされる。還元剤ガスは第２ガス注入口３６を通して注入された後、メッシュノズル３８を通してウェーハ３２に垂直にフローされて、第１ガス注入口３４から注入されるガスと反応してウェーハ３２上にタングステン窒化膜を形成する。そして、第１及び第２ガス注入口３４,３６ と反対側に形成されている排出口４２を通して反応の完了したガスが外部に排出される。
【００２３】
タングステン窒化膜の製造
前記反応室４０内の真空度を１０-6Torr以下に設定して、反応室内で発生され得る汚染源を最少化する。次に、前記サセプタ３０上に不純物領域の形成されたシリコン基板又はアルミニウム(Al)、タングステン(W) 、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、銅(Cu)、白金(Pt)等のような純粋金属、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つから構成された下部金属配線膜の形成されたシリコン基板をローディングする。反応室４０内の温度をＩＲランプ３９により２００〜７００℃まで上昇させた後、第１及び第２ガス注入口３４,３６ を通して反応ガスを注入する。前記反応ガスは０.０１ 〜１Torrの圧力で注入することが望ましい。この際、第１ガス注入口３４に注入されるタングステンソースガスとしてはWF6 又はWCl6を、前記窒素系ガスとしてはN2,NH3 又はメチル-ハイドライジンを用いることが望ましい。かつ、第２ガス注入口３６に注入される還元剤ガスとしてはH2,SiH4,SiH2Cl2又はPH3のうち選択された何れか一つのガスを用いることが望ましい。窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５ 乃至１００であることが望ましく、２乃至７は更に望ましい。そして、還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることが望ましく、２０乃至５０は更に望ましい。
【００２４】
図５及び図６にはNH3ガス とタングステンソースガスとのフロー比に応じて変化するタングステン窒化膜の成長を示す走査電子顕微鏡(SEM) の断面写真が示されている。
【００２５】
コンタクトホールの形成されたシリコン基板を化学気相蒸着装置の反応室（図４の４０参照）にローディングした後、蒸着温度６００℃、圧力０.１Torr、WF6フロー率６sccm、N2フロー率２００sccmに工程条件を工程させて、NH3フロー率 を０,１０,２０,４０sccm にそれぞれ異なるようにしてタングステン窒化膜を形成した後、その結果を測定したＳＥＭ写真を図５Ａ乃至図６Ｄにそれぞれ示した。
【００２６】
コンタクトホール内に純粋タングステン膜だけが形成された図５Ａの写真を見ると、従来技術の問題点で説明したように、基板の侵蝕現象が大変深刻なことが分かる。その反面、NH3フロー率 を１０sccmにした場合には、図５Ｂのように侵蝕現象が抑制されたものの、薄膜はほとんど成長せず、コンタクトホールの底部の表面だけに核が形成された。NH3フロー率 を２０sccmにした場合には、図６Ｃのようにタングステン窒化膜がコンタクトホール内の基板部分と側壁だけで選択的に成長され、コンタクトホール以外のシリコン酸化膜上では成長しなかった。ところが、図６ＤのようにNH3フロー率 を４０sccmに増加した場合には、タングステン窒化膜の選択的成長特性が無くなり、基板の全面に成長する現象を示した。
【００２７】
従って、窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比を調節することにより、タングステン窒化膜をコンタクトホール内でのみ選択的に成長させ得ることが分かった。このような事実は図６Ｃに形成されたタングステン窒化膜のＸ線回折分析結果を示す図７を参照すると更に明確になる。図７を見ると、結晶方向の相異なるβ-W2N位相のピークが三つ確認される。これは、シリコン基板上に選択的にタングステン窒化膜が形成されたことを示すものである。
【００２８】
金属配線製造方法
前述したタングステン窒化膜の製造方法を用いて半導体装置の金属配線を形成する方法を図８乃至図１１を参考して説明する。
【００２９】
第１実施例
図８Ａを参照すると、不純物領域１０２の形成されたシリコン基板１００上に絶縁膜１０３、例えばシリコン酸化膜を５００〜２０００Åの厚さで形成する。この際、前記シリコン酸化膜の代りにシリコン窒化膜又はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜に不純物を添加した膜を絶縁膜１０３として用いることもできる。次いで、写真蝕刻工程にて前記絶縁膜１０３を乾式蝕刻して不純物領域１０２を露出させるコンタクトホール１１０を形成する。
【００３０】
図８Ｂを参照すると、前記絶縁膜１０３の上部及びコンタクトホール１１０の内部にti膜を２００〜１５００Åの厚さで蒸着する。次に、熱処理を行い前記コンタクトホール１１０により露出されたシリコン基板１００と反応させて、その接触面のみにTiSix膜１０４ を形成する。反応しないTiの残留物は湿式蝕刻工程を用いて取り除く。前記TiSix膜１０４ はオーミック層として作用する。
【００３１】
図８Ｃを参照すると、シリコン基板１００の温度を２００〜７００℃まで上昇させ、窒素系ガス、タングステンソースガス及び還元剤ガスをフローさせて、コンタクトホール１１０により露出された基板１００と絶縁膜１０３の側壁のみにタングステン窒化膜１０５を選択的に蒸着させる。ここで、窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５〜１００ にし、還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０〜５００にする。
【００３２】
図８Ｄを参照すると、タングステン窒化膜１０５を形成した後、イン−シーツ方法にて前記コンタクトホール１１０の内部のみに金属薄膜１０８を蒸着させて金属配線を形成する。この際、前記金属膜はAl,W,Mo,Co,Ti,Cu,Pt 等の純粋金属、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つを用いて形成することが望ましい。
【００３３】
第２実施例
第２実施例が第１実施例と異なる点は、絶縁膜を蝕刻して形成したコンタクトホール（図８Ａの１１０参照）内に金属配線を形成せず、図９Ａに示されたように絶縁膜１０３及び基板１００を蝕刻してトレンチ１０９を形成した後、金属配線膜を形成することである。トレンチ１０９の形成後、図９Ｂのようにオーミック層としてTiSix膜１０４ 、拡散防止膜としてタングステン窒化膜１０５を順番に形成した後、金属膜としてタングステン膜１０８を形成して金属配線を完成する工程は第１実施例と同一である。トレンチ１０９を形成する理由はコンタクトホールのアスペクト比が増加する問題を解決するためである。
【００３４】
第３実施例
第３実施例が第１及び第２実施例と著しく相異なる点は、オーミック層としてチタンシリサイド膜の代りにＣＶＤ方法にてタングステン又はタングステンシリサイド等のタングステン化合物を蒸着してコンタクト抵抗を下げ、拡散防止膜のタングステン窒化膜をイン−シーツ方法にてＣＶＤ方法により蒸着するという点である。
【００３５】
図１０Ａを参照すると、通常の素子分離工程によりシリコン基板１００上に活性領域を分離させるための素子分離領域１０１を形成した後、イオン注入工程により不純物領域、例えばN+又はP+接合１０２を前記活性領域に形成する。次いで、結果物上に絶縁膜１０３、例えばＢＰＳＧを塗布して段差部分を平坦化させる。
【００３６】
図１０Ｂを参照すると、写真蝕刻工程により前記絶縁膜１０３を蝕刻してシリコン基板１００の不純物領域１０２を露出させるコンタクトホール１１０を形成する。
【００３７】
図１０Ｃを参照すると、前記コンタクトホール１１０の形成された結果物上にＣＶＤ方法によりタングステン系統のオーミック層１２４を形成する。この際、前記オーミック層１２４は下記の四つの方法により形成され得る。
【００３８】
▲１▼シリコンの侵蝕が発生しない程度の短時間にタングステンソースガスをフローさせてタングステンオーミック層１２４を蒸着する。
【００３９】
▲２▼蒸着の初期には窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比を２以下に下げて、コンタクトホールの底部のみに浅くも豊富なタングステンを有するオーミック層１２４を形成してシリコン侵蝕を防止する。次に、窒素系ガスのフロー量を増加させて窒素系ガス：タングステンソースガスの割合を２〜１００、更に望ましくは２〜７に調整して、コンタクトホール１１０内にタングステン窒化膜１２５を形成する。このようにすると、シリコンの侵蝕の発生も防止でき、タングステン窒化膜もコンタクトホール内のみで選択的に形成され得る。
【００４０】
▲３▼タングステンソースガスにSiH4 又はSiH2Cl2ガスを混合して５００℃以上で蒸着してタングステンシリサイドを形成することによりオーミック層１２４を形成する。
【００４１】
▲４▼タングステン窒化膜の障壁金属をシリコン基板上に直接蒸着した後、タングステン窒化膜のタングステン元素がその下部のシリコンと反応してタングステンシリサイドを形成し得るように、アニールしてオーミック層１２４を形成する。
【００４２】
図１１Ｄを参照すると、前記オーミック層１２４を蒸着した同一チャンバ内で、第１実施例と同一な方法を用いて拡散防止膜１２５、即ちタングステン窒化膜を５００Å以上の厚さになるように蒸着する。
【００４３】
図１１Ｅを参照すると、前記拡散防止膜１２５の形成された結果物上に金属配線膜１２８を蒸着する。前記金属配線膜１２８はアルミニウムや銅のような配線用金属を蒸着して金属配線を形成することが望ましい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によると、絶縁膜上には蒸着させず、コンタクトホールの側壁及びコンタクトホールにより露出されたシリコン基板又は下部金属配線層のみにタングステン窒化膜を選択的に形成することができる。従って、拡散防止膜としてタングステン窒化膜を形成した後、金属配線膜としてタングステン膜を形成すると、両膜間の物理的な特性が類似であるために、従来の金属配線膜から発生したリフティング問題が解決される。そして、本発明の第３実施例に応じてオーミック層を形成すると、基板侵蝕の問題も解決され、後続の高温工程でも安定した半導体素子を形成することができる。かつ、チタン膜を用いてオーミック層を形成する時に発生したコンタクト抵抗増加の問題も解決される。
【００４５】
本発明は前記実施例に限られず、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】チタン/チタン窒化膜/タングステン膜からなる従来の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図２】図１に続く工程別断面図である。
【図３】同図Ａはタングステン/タングステン窒化膜/タングステン膜からなる従来の金属配線製造方法を説明するための断面図であり、同図Ｂは同図Ａに示された金属配線の走査電子顕微鏡断面写真である。
【図４】本発明によるタングステン窒化膜を蒸着するための反応室の断面図である。
【図５】 NH3 フロー率に応じて選択的に成長するタングステン窒化膜の断面を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図６】図５と同様の走査電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明により形成されたタングステン窒化膜のＸ線回折結果を示したグラフである。
【図８】本発明の第１実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図９】本発明の第２実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１１】図１０に続く工程別断面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に基板又は下部配線膜等を侵蝕せずにコンタクトホール内又は下部金属配線層上のみに選択的に形成され、高温でも安定したタングステン窒化膜を形成する方法及びこれを用いた金属配線製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の集積度が増加するに伴い、金属配線の幅は段々狭まり、コンタクトホールではアスペクト比(aspect ratio)が増加しつつある。しかしながら、現在金属配線の材料として用いられるアルミニウム合金のような金属膜はスパッタリング等により形成されるので、コンタクトホール内における段差塗布性が不良であったり、ボイドのような欠陥が発生するようになる。その結果、金属配線間の断線等が来されて集積回路の信頼性が低下される。従って、化学気相蒸着方法により蒸着できるタングステンを用いて金属配線を形成する選択的タングステン化学気相蒸着方法(selective chemical vapor deposition-W：以下、SCVD-Wという)が注目を浴びている。
【０００３】
図１及び図２は化学気相蒸着方法にてタングステン膜を形成する方法を示している。
【０００４】
図１Ａを参照すると、シリコン基板上１０にイオンを注入してソース／ドレイン領域になる不純物領域１２を形成する。次いで、不純物領域１２の形成された基板１０の全面に、絶縁膜１３としてシリコン酸化膜を５００〜２０００Åの厚さで形成する。次に、図１Ｂのように前記絶縁膜１３とシリコン基板１０を所定の深さで蝕刻して金属配線の形成されるトレンチ１９を形成する。
【０００５】
次いで、前記絶縁膜１３の上部及びトレンチ１９の内部にチタン(Ti)膜を２００〜１５００Åの厚さで蒸着した後、熱処理を行う。熱処理によりシリコン基板１０とチタン膜とが反応して、基板との接触面のみにオーミック(ohmic) 層として作用するチタンシリサイド(TiSix)14 が形成される。次に、反応しないチタンの残留物を湿式蝕刻工程を用い取り除いて図１Ｃのような結果物を得る。
【０００６】
次に、図２Ｄのように拡散防止膜１５としてチタン窒化膜(TiN) を１５０〜９００Åの厚さで蒸着した後、その上にタングステン膜１６を１０００Å以上の厚さで蒸着する。
【０００７】
その後、化学機械ポリシング(chemical mechanical polishing：以下、ＣＭＰという) 等の方法にてエッチバックして、図２Ｅのようにトレンチ１９内のみにタングステン膜１６を残して金属配線を完成させる。
【０００８】
ところが、前述したように、選択的タングステン化学気相蒸着工程を用いて金属配線を形成する場合には、拡散防止膜のチタン窒化膜と金属配線膜のタングステン膜の物理的な特性(例えば、引っ張り力)が異なるために、両膜の界面におけるストレスが大きくなる。従って、タングステン膜がリフティングされる問題点が発生し、特に物理的な力を与えるＣＭＰ工程の適用時にチタン窒化膜／タングステン膜が絶縁膜からリフティングされ得る。
【０００９】
一方、前記不純物領域をP+不純物のホウ素(B) にて形成する場合、後続熱処理工程時不純物がチタンと反応してTiB2を形成する。従って、オーミックコンタクト特性を低下させ、コンタクト抵抗を高める問題が発生する。
【００１０】
前記のような問題点を解決するために、図３Ａのようにシリコン基板２０上に形成された不純物領域２２上にオーミック層としてタングステン膜２４、拡散防止膜としてタングステン窒化膜２５を形成した後、金属配線膜としてタングステン膜２６を形成する方法が提案された。
【００１１】
前記方法に応じて、蒸着温度６００℃、圧力０.１Torr 下でタングステンフッ化物(WF6) を６sccmに、水素(H2)を２００sccmのフロー率でフローさせて２００〜１５００Åの厚さでオーミック層のタングステン膜２４を形成した後、１５０〜９００Åの厚さで拡散防止膜のタングステン窒化膜２５を蒸着してから、その上にタングステン膜２６を１０００Å以上の厚さで蒸着する。次に、結果物をエッチバックして金属配線を完成する。金属配線の断面を走査電子顕微鏡にて撮影した写真が図３Ｂに示されている。
【００１２】
ところが、オーミック層としてタングステン膜を形成する場合には、シリコンとの接着特性に優れる反面、タングステンシリサイドを形成するためのタングステンとシリコンとの還元反応により、図３Ｂに示されたようにシリコン基板が侵蝕されて電気的な特性が劣化される更に他の問題点が発生する。侵蝕の問題は接合の深さ(junction depth)が０.１μm以下に浅くなる超高集積(ULSI)時代には尚更深刻な問題を引き起こす。かつ、タングステンとシリコンが５５０℃以上で反応するために、後続工程が前記温度より高い温度で行われる場合には、前記金属配線製造方法を半導体製造工程に適用することが困難である。
【００１３】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明の目的は前述した従来の問題点を解決するための半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の半導体装置は、導電層の形成されている半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、前記露出される導電層上にチタンシリサイド膜を形成することによりオーミック層を形成する段階と、窒素系ガス、タングステンソースガス、還元剤ガスの混合ガスを注入して前記コンタクトホールの内部のみに選択的にタングステン窒化膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とする。
【００１５】
かつ、前記目的を達成するために本発明による半導体装置の金属配線は、導電層の形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、前記コンタクトホールにより露出された導電層上にタングステン窒化膜を蒸着する段階と、前記タングステン窒化膜の形成された結果物を熱処理してタングステン窒化膜内のタングステンがシリコン基板と反応して薄いタングステンシリサイド膜からなるオーミック層を形成させる段階と、イン−シーツ（ｉｎ ｓｉｔｕ）方法にて窒素系ガス、タングステンソースガス及び、還元剤ガスの混合ガスを注入して、前記オーミック層上にタングステン窒化膜を連続的に蒸着して拡散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜上に金属膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記タングステンソースガスはWF6 又はWCl6を、前記窒素系ガスはN2,NH3又はメチル-ハイドライジンを、前記還元剤ガスはH2,SiH4,SiH2Cl2又はPH3を用いることが望ましい。
【００１７】
かつ、前記窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５ 乃至１００であることが望ましく、２乃至７は更に望ましい。そして、前記還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることが望ましく、２０乃至５０は更に望ましい。
【００１９】
本発明によると、シリコン基板又は下部金属配線を露出させるコンタクトホール内部のみに選択的にタングステン窒化膜を形成することができるので、信頼度の高い金属配線を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。
【００２１】
タングステン窒化膜の成長装置
図４は本発明によるタングステン窒化膜を蒸着するための化学気相蒸着(CVD) 反応室の断面図である。
【００２２】
図４を参照すると、ウェーハをローディングするためのサセプタ(susceptor) ３０が反応室４０の下部に設けられている。上部にはウェーハ３２の温度を反応に適した温度に上昇させる役割を果たすＩＲランプ３９が設けられている。タングステンソースガスと窒素系ガスは第１ガス注入口３４を通して注入され、サセプタ３０上にローディングされるウェーハ３２に水平にフローされる。還元剤ガスは第２ガス注入口３６を通して注入された後、メッシュノズル３８を通してウェーハ３２に垂直にフローされて、第１ガス注入口３４から注入されるガスと反応してウェーハ３２上にタングステン窒化膜を形成する。そして、第１及び第２ガス注入口３４,３６ と反対側に形成されている排出口４２を通して反応の完了したガスが外部に排出される。
【００２３】
タングステン窒化膜の製造
前記反応室４０内の真空度を１０-6Torr以下に設定して、反応室内で発生され得る汚染源を最少化する。次に、前記サセプタ３０上に不純物領域の形成されたシリコン基板又はアルミニウム(Al)、タングステン(W) 、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、銅(Cu)、白金(Pt)等のような純粋金属、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つから構成された下部金属配線膜の形成されたシリコン基板をローディングする。反応室４０内の温度をＩＲランプ３９により２００〜７００℃まで上昇させた後、第１及び第２ガス注入口３４,３６ を通して反応ガスを注入する。前記反応ガスは０.０１ 〜１Torrの圧力で注入することが望ましい。この際、第１ガス注入口３４に注入されるタングステンソースガスとしてはWF6 又はWCl6を、前記窒素系ガスとしてはN2,NH3 又はメチル-ハイドライジンを用いることが望ましい。かつ、第２ガス注入口３６に注入される還元剤ガスとしてはH2,SiH4,SiH2Cl2又はPH3のうち選択された何れか一つのガスを用いることが望ましい。窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５ 乃至１００であることが望ましく、２乃至７は更に望ましい。そして、還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることが望ましく、２０乃至５０は更に望ましい。
【００２４】
図５及び図６にはNH3ガス とタングステンソースガスとのフロー比に応じて変化するタングステン窒化膜の成長を示す走査電子顕微鏡(SEM) の断面写真が示されている。
【００２５】
コンタクトホールの形成されたシリコン基板を化学気相蒸着装置の反応室（図４の４０参照）にローディングした後、蒸着温度６００℃、圧力０.１Torr、WF6フロー率６sccm、N2フロー率２００sccmに工程条件を工程させて、NH3フロー率 を０,１０,２０,４０sccm にそれぞれ異なるようにしてタングステン窒化膜を形成した後、その結果を測定したＳＥＭ写真を図５Ａ乃至図６Ｄにそれぞれ示した。
【００２６】
コンタクトホール内に純粋タングステン膜だけが形成された図５Ａの写真を見ると、従来技術の問題点で説明したように、基板の侵蝕現象が大変深刻なことが分かる。その反面、NH3フロー率 を１０sccmにした場合には、図５Ｂのように侵蝕現象が抑制されたものの、薄膜はほとんど成長せず、コンタクトホールの底部の表面だけに核が形成された。NH3フロー率 を２０sccmにした場合には、図６Ｃのようにタングステン窒化膜がコンタクトホール内の基板部分と側壁だけで選択的に成長され、コンタクトホール以外のシリコン酸化膜上では成長しなかった。ところが、図６ＤのようにNH3フロー率 を４０sccmに増加した場合には、タングステン窒化膜の選択的成長特性が無くなり、基板の全面に成長する現象を示した。
【００２７】
従って、窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比を調節することにより、タングステン窒化膜をコンタクトホール内でのみ選択的に成長させ得ることが分かった。このような事実は図６Ｃに形成されたタングステン窒化膜のＸ線回折分析結果を示す図７を参照すると更に明確になる。図７を見ると、結晶方向の相異なるβ-W2N位相のピークが三つ確認される。これは、シリコン基板上に選択的にタングステン窒化膜が形成されたことを示すものである。
【００２８】
金属配線製造方法
前述したタングステン窒化膜の製造方法を用いて半導体装置の金属配線を形成する方法を図８乃至図１１を参考して説明する。
【００２９】
第１実施例
図８Ａを参照すると、不純物領域１０２の形成されたシリコン基板１００上に絶縁膜１０３、例えばシリコン酸化膜を５００〜２０００Åの厚さで形成する。この際、前記シリコン酸化膜の代りにシリコン窒化膜又はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜に不純物を添加した膜を絶縁膜１０３として用いることもできる。次いで、写真蝕刻工程にて前記絶縁膜１０３を乾式蝕刻して不純物領域１０２を露出させるコンタクトホール１１０を形成する。
【００３０】
図８Ｂを参照すると、前記絶縁膜１０３の上部及びコンタクトホール１１０の内部にti膜を２００〜１５００Åの厚さで蒸着する。次に、熱処理を行い前記コンタクトホール１１０により露出されたシリコン基板１００と反応させて、その接触面のみにTiSix膜１０４ を形成する。反応しないTiの残留物は湿式蝕刻工程を用いて取り除く。前記TiSix膜１０４ はオーミック層として作用する。
【００３１】
図８Ｃを参照すると、シリコン基板１００の温度を２００〜７００℃まで上昇させ、窒素系ガス、タングステンソースガス及び還元剤ガスをフローさせて、コンタクトホール１１０により露出された基板１００と絶縁膜１０３の側壁のみにタングステン窒化膜１０５を選択的に蒸着させる。ここで、窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５〜１００ にし、還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０〜５００にする。
【００３２】
図８Ｄを参照すると、タングステン窒化膜１０５を形成した後、イン−シーツ方法にて前記コンタクトホール１１０の内部のみに金属薄膜１０８を蒸着させて金属配線を形成する。この際、前記金属膜はAl,W,Mo,Co,Ti,Cu,Pt 等の純粋金属、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つを用いて形成することが望ましい。
【００３３】
第２実施例
第２実施例が第１実施例と異なる点は、絶縁膜を蝕刻して形成したコンタクトホール（図８Ａの１１０参照）内に金属配線を形成せず、図９Ａに示されたように絶縁膜１０３及び基板１００を蝕刻してトレンチ１０９を形成した後、金属配線膜を形成することである。トレンチ１０９の形成後、図９Ｂのようにオーミック層としてTiSix膜１０４ 、拡散防止膜としてタングステン窒化膜１０５を順番に形成した後、金属膜としてタングステン膜１０８を形成して金属配線を完成する工程は第１実施例と同一である。トレンチ１０９を形成する理由はコンタクトホールのアスペクト比が増加する問題を解決するためである。
【００３４】
第３実施例
第３実施例が第１及び第２実施例と著しく相異なる点は、オーミック層としてチタンシリサイド膜の代りにＣＶＤ方法にてタングステン又はタングステンシリサイド等のタングステン化合物を蒸着してコンタクト抵抗を下げ、拡散防止膜のタングステン窒化膜をイン−シーツ方法にてＣＶＤ方法により蒸着するという点である。
【００３５】
図１０Ａを参照すると、通常の素子分離工程によりシリコン基板１００上に活性領域を分離させるための素子分離領域１０１を形成した後、イオン注入工程により不純物領域、例えばN+又はP+接合１０２を前記活性領域に形成する。次いで、結果物上に絶縁膜１０３、例えばＢＰＳＧを塗布して段差部分を平坦化させる。
【００３６】
図１０Ｂを参照すると、写真蝕刻工程により前記絶縁膜１０３を蝕刻してシリコン基板１００の不純物領域１０２を露出させるコンタクトホール１１０を形成する。
【００３７】
図１０Ｃを参照すると、前記コンタクトホール１１０の形成された結果物上にＣＶＤ方法によりタングステン系統のオーミック層１２４を形成する。この際、前記オーミック層１２４は下記の四つの方法により形成され得る。
【００３８】
▲１▼シリコンの侵蝕が発生しない程度の短時間にタングステンソースガスをフローさせてタングステンオーミック層１２４を蒸着する。
【００３９】
▲２▼蒸着の初期には窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比を２以下に下げて、コンタクトホールの底部のみに浅くも豊富なタングステンを有するオーミック層１２４を形成してシリコン侵蝕を防止する。次に、窒素系ガスのフロー量を増加させて窒素系ガス：タングステンソースガスの割合を２〜１００、更に望ましくは２〜７に調整して、コンタクトホール１１０内にタングステン窒化膜１２５を形成する。このようにすると、シリコンの侵蝕の発生も防止でき、タングステン窒化膜もコンタクトホール内のみで選択的に形成され得る。
【００４０】
▲３▼タングステンソースガスにSiH4 又はSiH2Cl2ガスを混合して５００℃以上で蒸着してタングステンシリサイドを形成することによりオーミック層１２４を形成する。
【００４１】
▲４▼タングステン窒化膜の障壁金属をシリコン基板上に直接蒸着した後、タングステン窒化膜のタングステン元素がその下部のシリコンと反応してタングステンシリサイドを形成し得るように、アニールしてオーミック層１２４を形成する。
【００４２】
図１１Ｄを参照すると、前記オーミック層１２４を蒸着した同一チャンバ内で、第１実施例と同一な方法を用いて拡散防止膜１２５、即ちタングステン窒化膜を５００Å以上の厚さになるように蒸着する。
【００４３】
図１１Ｅを参照すると、前記拡散防止膜１２５の形成された結果物上に金属配線膜１２８を蒸着する。前記金属配線膜１２８はアルミニウムや銅のような配線用金属を蒸着して金属配線を形成することが望ましい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によると、絶縁膜上には蒸着させず、コンタクトホールの側壁及びコンタクトホールにより露出されたシリコン基板又は下部金属配線層のみにタングステン窒化膜を選択的に形成することができる。従って、拡散防止膜としてタングステン窒化膜を形成した後、金属配線膜としてタングステン膜を形成すると、両膜間の物理的な特性が類似であるために、従来の金属配線膜から発生したリフティング問題が解決される。そして、本発明の第３実施例に応じてオーミック層を形成すると、基板侵蝕の問題も解決され、後続の高温工程でも安定した半導体素子を形成することができる。かつ、チタン膜を用いてオーミック層を形成する時に発生したコンタクト抵抗増加の問題も解決される。
【００４５】
本発明は前記実施例に限られず、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】チタン/チタン窒化膜/タングステン膜からなる従来の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図２】図１に続く工程別断面図である。
【図３】同図Ａはタングステン/タングステン窒化膜/タングステン膜からなる従来の金属配線製造方法を説明するための断面図であり、同図Ｂは同図Ａに示された金属配線の走査電子顕微鏡断面写真である。
【図４】本発明によるタングステン窒化膜を蒸着するための反応室の断面図である。
【図５】 NH3 フロー率に応じて選択的に成長するタングステン窒化膜の断面を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図６】図５と同様の走査電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明により形成されたタングステン窒化膜のＸ線回折結果を示したグラフである。
【図８】本発明の第１実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図９】本発明の第２実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１１】図１０に続く工程別断面図である。
Claims (24)
- 導電層の形成されている半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、
前記露出される導電層上にチタンシリサイド膜を形成することによりオーミック層を形成する段階と、
窒素系ガス、タングステンソースガス及び還元剤ガスの混合ガスを注入して前記コンタクトホールの内部のみに選択的にタングステン窒化膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とするタングステン窒化膜の製造方法。 - 前記導電層は不純物のドーピングされたシリコン又はアルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つから形成された金属配線層であることを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はそれらに不純物を添加した膜から形成されることを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記タングステンソースガスはＷＦ６又はＷＣｌ６であることを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記窒素系ガスはＮ２，ＮＨ３又はメチル−ハイドライジンを用いることを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記還元剤ガスはＨ２，ＳｉＨ４，ＳｉＨ２Ｃｌ２又はＰＨ３を用いることを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０．５乃至１００であることを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は２乃至７であることを特徴とする請求項７に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は２０乃至５０であることを特徴とする請求項９に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記コンタクトホールを形成する段階の後に、前記露出された導電層を所定の深さで蝕刻してトレンチを形成する段階を更に具備することを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記タングステン窒化膜を形成する段階の後に、イン−シーツ方法にて前記タングステン窒化膜上に金属膜を形成する段階を更に具備することを特徴とする請求項１に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 前記金属膜はアルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つから形成することを特徴とする請求項１２に記載のタングステン窒化膜の製造方法。
- 導電層の形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、
前記コンタクトホールにより露出された導電層上にタングステン窒化膜を蒸着する段階と、
前記タングステン窒化膜の形成された結果物を熱処理してタングステン窒化膜内のタングステンがシリコン基板と反応して薄いタングステンシリサイド膜からなるオーミック層を形成させる段階と、
イン−シーツ方法にて窒素系ガス、タングステンソースガス及び還元剤ガスの混合ガスを注入して、前記オーミック層上にタングステン窒化膜を連続的に蒸着して拡散防止膜を形成する段階と、
前記拡散防止膜上に金属膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とする半導体装置の金属配線製造方法。 - 前記導電層はアルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つから形成された金属配線層であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記導電層はＰ＋不純物のドーピングされたシリコンで形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はそれらに不純物を添加した膜から形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記拡散防止膜を形成する段階と金属膜を蒸着する段階は同一チャンバ内でイン−シーツに行われることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記タングステンソースガスはＷＦ６又はＷＣｌ６であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記窒素系ガスはＮ２，ＮＨ３又はメチル−ハイドライジンを用いることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記還元剤ガスはＨ２，ＳｉＨ４，ＳｉＨ２Ｃｌ２又はＰＨ３を用いることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０．５乃至１００であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
- 前記金属膜はアルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つから形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の金属配線製造方法。
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