JP4071029B2 - 半導体素子の配線形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の配線形成方法に関するもので、より詳細には、障壁金属層としてのチタニウム膜とチタニウム窒化膜との形成において、チタニウム膜の上部に露出され、かつ、上部チタニウムが大気中の酸素と結合して形成された絶縁膜であるチタニウム酸化膜をプラズマ工程を行って除去した後、チタニウム窒化膜を蒸着することにより、チタニウムとチタニウム窒化膜をそれぞれ異なるチャンバーで蒸着でき、それによって一つのチャンバーのフェイル時にも、他のチャンバーが駆動されてチャンバー装備の部分的なシステムの使用が可能であるので、チャンバー装備のスループット時間を短縮できる半導体素子の配線形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、半導体素子を製造する方法において、上部層と下部層との間に電気的な伝導線の役割を果たす金属配線が多層で形成される場合には、その層間を絶縁させるための層間絶縁膜が多く使われている。その層間絶縁膜は、上部にコンタクトホール形成部位を形成するため、感光膜を積層してその部位をエッチングすることによって、コンタクトホールを形成し、その内部には金属層を埋め立てて金属配線を形成する。
【0003】
このような金属配線はビットライン及びワードライン等として使われてゲート電極及びキャパシター等を上・下部及び水平で電気的に連結して半導体素子を構成するようになる。
【0004】
図1は従来の半導体素子の配線形成方法で形成した配線の熱処理後の状態を示す図面である。
【0005】
図1に示すように、所定の下部構造を有している半導体基板上に導電層と誘電層とを順次に形成した後、誘電層の上部にコンタクトホール形成のための感光膜を塗布する。
【0006】
そして、感光膜をマスクとして誘電層をエッチングして誘電層内にコンタクトホールを形成する。次に、コンタクトホールが形成された誘電層上に金属層のチタニウムと障壁層のチタニウム窒化膜とを順次に蒸着することによって、二重層構成の障壁金属層を形成する。
【0007】
この時、障壁金属層においては、金属層のチタニウム蒸着の後、チタニウムが大気中に露出される場合、チタニウム層上に絶縁膜のチタニウム酸化膜が形成されることを防止するために、超高真空内で金属層と障壁層とを順次に蒸着する。
【0008】
次いで、障壁層上に化学気相蒸着法を用いてタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような従来の半導体素子の配線形成方法では、障壁金属層は金属層のチタニウムを蒸着した後、チタニウムが大気中に露出される場合、チタニウム層上に絶縁膜のチタニウム酸化膜が形成されることを防止するために、金属層と障壁層とを連続して蒸着する時、超高真空下のマルチ・チャンバーで構成されたクラスター装備を使わなければならない。
【0010】
しかし、このような超高真空下のマルチ・チャンバーで構成されたクラスター装備は高価であり、高い真空度を維持するためにはクラスター装備の構造部が複雑になる問題があった。
【0011】
さらに、マルチ・チャンバーで構成されたクラスター装備は装備のフェイル時、スループットも低くなる問題があった。
【0012】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、障壁金属層としてのチタニウム膜とチタニウム窒化膜との形成において、チタニウム膜の上部に露出され、かつ、上部チタニウムが大気中の酸素と結合して形成された絶縁膜であるチタニウム酸化膜をプラズマ工程を行って除去した後、チタニウム窒化膜を蒸着することにより、チタニウムとチタニウム窒化膜をそれぞれ異なるチャンバーで蒸着でき、それによって一つのチャンバーのフェイル時にも、他のチャンバーが駆動されてチャンバー装備の部分的なシステムの使用が可能であるので、チャンバー装備のスループット時間を短縮させる半導体素子の配線形成方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明の半導体素子の配線形成方法は、所定の下部構造を有する半導体基板上に導電層と誘電層とを順次に蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、第1チャンバー内でコンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着した後、熱工程を行う段階と、第2チャンバー内で金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去する段階と、第2チャンバー内で酸化膜が除去され露出される金属層の上部に、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの障壁層を形成する段階と、障壁層の上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【0014】
また、請求項13記載の半導体素子の配線形成方法は、所定の下部構造を有している半導体基板上に導電層と誘電層とを順次に蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、第1チャンバー内でコンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着する段階と、第2チャンバー内で金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去した後、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの障壁層を形成する段階と、障壁層が蒸着された結果物に熱工程を施す段階と、熱工程を施した障壁層上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【0015】
本発明によれば、金属層の上部の酸化膜を、プラズマ工程を行って除去した後、酸化膜が除去された金属層上に障壁層を蒸着時に、熱化学気相蒸着工程を行って50Å程度の厚さに障壁層を蒸着した後、プラズマ処理することによって、蒸着された障壁層内の不純物を除去して比抵抗を下げることができる。なお、以下、酸化膜を絶縁膜ともいう。
【0016】
また、障壁層蒸着時、熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理段階を繰り返して所望の厚さの障壁層を蒸着することが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。
【0018】
図2ないし図6は本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【0019】
図2に示すように、所定の下部構造を有する半導体基板100上に導電層110と誘電層120とを順次に蒸着する。次に、感光膜130を塗布してコンタクトホール形成部位140を形成する。
【0020】
この時、導電層110としてチタニウム(Ti)シリサイドまたはコバルト(Co)シリサイドを適用する。また、シリサイドをサリサイド(salicide)方式でも形成できる。
【0021】
次いで、図3に示すように、感光膜130をマスクとして用いて下部導電層110の上部まで誘電層120をエッチングするエッチング工程を行う。これによって誘電層120内にコンタクトホール150を形成する。
【0022】
そして、図4に示すように、コンタクトホール150が形成された誘電層120の上部の全体に金属層163でチタニウムを蒸着した後、熱工程を行ってチタニウムの蒸着状態を均一にする。
【0023】
次いで、後続の工程で障壁層を蒸着するために金属層163が蒸着された半導体基板を他のチャンバーに移動する。
【0024】
この時、金属層163であるチタニウム膜の上部が大気に露出される。露出されたチタニウム膜の上部チタニウムは大気うちの酸素と結合反応されてチタニウム膜上には絶縁膜170のチタニウム酸化膜が形成されるようになる。
【0025】
ところが、絶縁膜170が金属層163と障壁層との間に位置する場合、コンタクト抵抗が高まるという問題があるので、絶縁膜170を除去しなければならない。
【0026】
したがって、図5に示すように、金属層163の上部に形成された絶縁膜170のチタニウム酸化膜をプラズマ処理して除去した後、同チャンバーで障壁層166としてチタニウム窒化膜を蒸着する。
【0027】
プラズマ処理時、プラズマは N2、H2、N2/H2、N2/H2/He及びN2/H2/Arガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して、 N2、H2、He、及びArガスはそれぞれ0〜2slm(standard liters per minute:1分間当たり供給される量)程度の範囲で供給する。
【0028】
また、プラズマ処理条件は100W〜5kW程度の電力と300〜800℃の温度範囲で0.1〜100Torr程度の圧力で10秒〜10分間行う。
【0029】
この時、絶縁膜170を除去するためのプラズマ処理工程と障壁層166の蒸着工程は同じチャンバーで行う。絶縁膜170のチタニウム酸化膜はプラズマ処理で、下記の式1のような反応を経て除去する。
【0030】
【式1】
TiO2+2H2+1/2N2→ TiN+2H2O↑
【0031】
ここで、障壁層166のチタニウム窒化膜はテトラ(ジメチルアミン)チタニウムとTi((CH3)2N)4を原料ガスで使用して熱化学気相蒸着法で蒸着したので、障壁層166はCとO等を多量含めるようになり、よって比抵抗が高くなる。
【0032】
したがって、熱化学気相蒸着法で障壁層166を積層した後、同チャンバー内でプラズマ処理を行って障壁層166内の不純物を除去することによって、比抵抗を下げる必要がある。この時、プラズマ処理では熱化学気相蒸着法で蒸着された障壁層166の表面部における約50Å程度の深さにある不純物のみを除去することができる。
【0033】
したがって、障壁層166の蒸着時、熱化学気相蒸着工程を行って30〜70Å程度、好ましくは50Å程度の厚さで障壁層166の表面を蒸着した後、プラズマ処理する。これによって障壁層166内の不純物が除去されて比抵抗が低減するようになる。さらに、熱化学気相蒸着工程を行って50Å程度の厚さで障壁層166を蒸着した後、プラズマ処理する。このように、蒸着された障壁層166内の不純物を除去する方法で蒸着しようとする厚だけ熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理段階とを繰り返して蒸着することが好ましい。
【0034】
この時、プラズマ処理においての処理ガスは、N2、H2、N2/H2、N2/H2/He及びN2/H2/Arガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用すると共に、N2、H2、He及びArガスをそれぞれ0〜2slm程度の範囲で供給する。
【0035】
また、プラズマ処理条件は100W〜5kW程度の電力と300〜800℃の温度範囲で0.1〜100Torr程度の圧力で10秒〜10分間行うことが好ましい。
【0036】
続いて、図6に示すように、障壁層166上に化学気相蒸着法でタングステンを蒸着してコンタクトを埋め立てた後、化学機械的錬磨工程またはR.I.E(Reactive Ion Etch)工程を経てタングステン・プラグ180を形成する。
【0037】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る半導体素子の配線形成方法では、障壁金属層としてのチタニウム膜とチタニウム窒化膜との形成において、チタニウム膜の上部に露出され、かつ、上部チタニウムが大気中の酸素と結合して形成された絶縁膜であるチタニウム酸化膜をプラズマ工程を行って除去した後、チタニウム窒化膜を蒸着することにより、チタニウムとチタニウム窒化膜をそれぞれ異なるチャンバーで蒸着でき、それによって一つのチャンバーのフェイル時にも、他のチャンバーが駆動されてチャンバー装備の部分的なシステムの使用が可能であるので、チャンバー装備のスループット時間を短縮できる非常に有用な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は従来の半導体素子の配線形成方法で形成された配線の熱処理後の状態を示す図面である。
【図2】 本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図3】 本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図4】 本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図5】 本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図6】 本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【符号の説明】
100 半導体基板、110 導電層、120 誘電層、130 感光膜、140 コンタクトホール形成部位、150 コンタクトホール、160 障壁金属層、163 金属層、166 障壁層、170 絶縁膜、180 タングステン・プラグ。
Claims (24)
- 所定の下部構造を有する半導体基板上に導電層を蒸着し、その導電層上に誘電層を蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、
前記感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、
第1チャンバー内で前記コンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着した後、熱工程を行う段階と、
第2チャンバー内で前記金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去する段階と、
前記第2チャンバー内で前記酸化膜が除去され露出される金属層の上部に、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの窒化膜である障壁層を形成する段階と、
前記障壁層の上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の配線形成方法。 - 前記導電層はチタニウム(Ti)シリサイドまたはコバルト(Co)シリサイドを使用して積層することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記金属層としてチタニウムを使用することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理時、プラズマはN2、H2、N2/H2、N2/H2/He及びN2/H2/Arガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記N2、H2、He及びArガスはそれぞれ0〜2slmの範囲のガス量で供給することを特徴とする請求項4記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理条件は100W〜5kWの電力と300〜800℃の温度範囲で0.1〜100Torrの圧力で10秒〜10分間行うことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記障壁層はTi((CH3)2N)4を原料ガスとしてチタニウム窒化膜を蒸着することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記障壁層は熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を繰り返して所望の厚さの障壁層を蒸着することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を一回行うごとに30〜70Åの厚さの障壁層を形成することを特徴とする請求項8記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理時、プラズマはN2、H2、N2/H2、N2/H2/He及びN2/H2/Arガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項8記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記N2、H2、H2及びArガスはそれぞれ0〜2slmの範囲のガス量で供給されることを特徴とする請求項10記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理条件は100W〜5kWの電力と300〜800℃の温度範囲で0.1〜100Torrの圧力で10秒〜10分間行うことを特徴とする請求項8記載の半導体素子の配線形成方法。
- 所定の下部構造を有している半導体基板上に導電層を蒸着し、その導電層上に誘電層を蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、
前記感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、
第1チャンバー内で前記コンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着する段階と、
第2チャンバー内で前記金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去した後、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの窒化膜である障壁層を形成する段階と、
前記障壁層が蒸着された結果物に熱工程を施す段階と、
前記熱工程を施した障壁層上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の配線形成方法。 - 前記導電層はチタニウム(Ti)シリサイドまたはコバルト(Co)シリサイドを使用して積層することを特徴とする請求項13記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記金属層としてチタニウムを使用することを特徴とする請求項13記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理時、プラズマはN2、H2、N2/H2、N2/H2/He及びN2/H2/Arガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項13記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記N2、H2、He及びArガスはそれぞれ0〜2slmの範囲のガス量で供給することを特徴とする請求項16記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理条件は100W〜5kWの電力と300〜800℃の温度範囲で0.1〜100Torrの圧力で10秒〜10分間行うことを特徴とする請求項13〜請求項16のいずれか1に記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記障壁層はTi((CH3)2N)4を原料ガスとしてチタニウム窒化膜を蒸着することを特徴とする請求項13記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記障壁層は熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を繰り返して所望の厚さの障壁層を形成することを特徴とする請求項13記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を一回行う時ごとに30〜70Åの厚さの障壁層を形成することを特徴とする請求項20記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理時、プラズマはN2、H2、N2/H2、N2/H2/He及びN2/H2/Arガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項20記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記N2、H2、He及びArガスはそれぞれ0〜2slmの範囲のガス量で供給することを特徴とする請求項22記載の半導体素子の配線形成方法。
- 前記プラズマ処理条件は100W〜5kWの電力と300〜800℃の温度範囲で0.1〜100Torrの圧力で10秒〜10分間行うことを特徴とする請求項20または請求項21記載の半導体素子の配線形成方法。
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