JP4191900B2 - 半導体装置のタングステンコンタクトプラグの形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置のタングステンコンタクトプラグの形成方法に係り、より詳細には、半導体装置のコンタクトホール(contact hole)にバリヤメタル(barrier metal)とCVD(chemical vapour deposition) タングステンでコンタクトプラグを形成する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の素子高集積化の傾向に従って素子と配線の占める平面積が次第に縮まり、素子高集積化のための一つの方法として、装置構成の立体化、配線の多層化がなされている。その結果、素子と配線、配線と上層配線を連結するコンタクトの個数は多くなり、割り当てられた平面上の大きさは小さくなり、コンタクトは深さは相対的に更に小さくなったり、むしろ更に深くなったりして、コンタクト断面のアスペクト比(aspect ratio)は大きくなる。そして、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、深いコンタクトホールを詰めてコンタクトを形成することも次第に難しくなっている。
【0003】
半導体装置で素子電極と配線を連結するコンタクトは、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、層間絶縁膜上にメタル層を積層してパターニングしてメタル配線を形成する過程でメタル層が積層される時、コンタクトホールを詰める(充填する)ことによって形成されることが多い。そして、メタル配線の材質としては電気電導性が高く、スパッタリング(sputtering)作業に便利なアルミが幅広く使用された。一方、コンタクトでのアスペクト比が大きくなると、オーバーハング(over hang)とかボイド(void)現象により一回のスパッタリング工程でコンタクトホールを詰めにくいので、一旦積層されたアルミの融点の低い特性を利用して、加熱でリフロー(reflow)させる方法を使用することになる。アルミリフローによってオーバーハングを無くし、コンタクトホールの空間にアルミが更に詰めされるようにすることである。簡単に、リフローで完了し得ることもあるが、大抵は段差の改善された状況で、再びアルミスパッタリングを実施してコンタクトを形成する。
【0004】
アルミを利用するコンタクト形成において、他の問題点は、アルミがトランジスター電極連結のためにシリコン基板と接する場合に、シリコン元素がアルミへ拡散されて、界面に尖った空間が発生され、正常的な電気的連結を妨害するスパイキ(spike)現象である。従って、このような拡散を防止する目的でコンタクトメタルを形成する前に、基板に拡散障壁としてチタンのようなバリヤメタルを薄く積層して使用する。
【0005】
しかし、半導体装置の素子高集積化に従ってコンタクトのアスペクト比はさらに大きくなり、アルミメタルによるコンタクトの形成が難しくなり、空間の詰めに優れたCVDタングステンをコンタクトの形成用で使用することが多くなっている。CVDタングステンは工程でWF6とSiH4又はH2ガスをソースガスとして使用して、下記の基礎化学式によって形成される。
2WF6 + 3SiH4 = 2W + 6H 2 + 3SiF4 ・・・(化学式1)
WF6 + SiH4 = W + 2HF + H 2 + SiF4 ・・・(化学式2)
WF6 + 3H2 = W + 6HF ・・・(化学式3)
【0006】
CVDタングステンで間隔閉塞(gap fill)がよく出来上がったコンタクトプラグを効率的に形成するためには、CVD工程の条件を変えて複数の段階で実施する方法が提案された。
【0007】
一方、タングステンの場合もアルミと同様に、シリコンと接すると、シリコン元素がタングステンへ拡散されて、スパイキ現象が発生するので、バリヤメタルとしてチタン層とチタン窒化膜を順次に積層して使用する。この際、チタン窒化膜を更に使用する理由はチタン層が単独でバリヤメタルとして使用される場合に、CVDタングステンの形成のためのWF6ガスと接触してSiH4又はH2ガスとの反応より強い下記のような化学反応を発生させるためである。
2WF6 + 3Ti = 2W + 3TiF4・・・(化学式4)
【0008】
しかし、チタン窒化膜層400をチタン層300上に積層する場合にも、チタン窒化膜層400は多空性を有する物質であり、特に、積層環境の気空部分で酸素の作用によって酸化膜が気空を十分に詰めない場合、又は積層の時の環境によってストレスが作用し、亀裂とか穴のような弱みのある場合にはWF6ガスが容易にチタン窒化膜層400を透過してチタン層300と反応できるし、このような反応によってチタン層300が除去されると、この上にあるチタン窒化膜層400は容易に亀裂し、浮くようになる(図1参照)。
【0009】
特に、浮く現象はストレスの酷いコンタクトホールの入口の端で時々発生する。このような状態でタングステン510がCVD工程によって積層されると、バリヤメタルが役割を果たさなくてシリコンの拡散によるスパイキ現象が発生してコンタクト抵抗の増加する問題点を発生させ得るし、浮かれたチタン窒化膜層400の両表面に付いて他の表面より突出される部分を作る火山(volcano)現象を発生させることもある(図2参照)。そして、このような突出部は一般的なRIE(reactive ion etching)のエッチバック(etch back)で除去されないで、層内又は層間にショート(short)を発生させ得るので問題になる。
【0010】
このような火山現象を防止するためには、一般的に、コンタクトの入口の曲率半径を大きくして部分的なストレスを縮め、チタン窒化膜の造成及びアニーリング条件を正確に統制してチタン窒化膜を多空性が小さく、緻密な組織に作らなければならない。しかし、半導体装置の高集積化によって、平面積の小さなコンタクトが多くなるので、コンタクトの入口の曲率半径を大きくすることが難しいし、チタン窒化膜の積層及びアニーリング工程の条件管理が難しいので、浮く現象及び火山現象の完全な防止は難しかった。
【0011】
この他にも、火山現象の防止のための様々な方法が紹介された。USP.5,552,339にシリコン層とタングステンプラグの間のいわば、通常的な接合層(glue layer)に非晶質シリコン層を積層し、タングステンプラグを形成する方法が、USP.5,874,355にバリヤメタルをアニーリングする工程で窒素プラズマを印加してチタン窒化膜の多空性膜質を改善する方法が紹介された。又、USP.5,672,543にはチタン窒化膜のストレスを縮めるためのバッファ(buffer)層が形成される方法も紹介された。しかし、このような方法も新たな段階が追加されたり、これによる新たな問題点を除去するために、工程の条件を維持しにくい問題点がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、タングステンコンタクトプラグを形成する時、発生されるバリヤメタルの浮く現象及びこれによる火山現象を防止するタングステンコンタクトプラグの形成方法を提供することである。
【0013】
本発明の他の目的は、既存の工程に簡単な変形をすることによって、効果的に火山現象を防止できるタングステンコンタクトプラグの形成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】
前述のような目的を達成するために、本発明は半導体装置の製造において、絶縁膜層にコンタクトホールを形成する段階と、コンタクトホール上にチタン層を形成する段階と、チタン層上にチタン窒化膜層を形成する段階と、チタン窒化膜層上にCVD微細タングステン層を50Å以下で積層する段階と、微細タングステン層が積層された状態で熱処理する段階と、CVDを進行してタングステンでコンタクトホールを充填する(詰める)段階とを含む。
【0015】
本発明の微細タングステンの積層の段階において、タングステンソースガスのWF6で由来されたフッ素(F)元素がチタン窒化膜を通じてチタン層へ透過して入ることになる。ただし、この量はタングステンの厚さが微細であるので、一定範囲に限定される。そして、次の段階で熱処理によってシリコン層とバリヤメタルの各層の間には元素の拡散及び結合、例えば、シリサイド化(silicidation)及びナイトライド化(nitridization)が成り、流入されたフッ素元素はチタン層の全面に均等に拡散される。この結果、チタン層には隣近物質層の他の元素と共にTi 、TiF4及びF2成分が混在して、安定した固溶体を成す。
【0016】
そして、タングステンプラグの形成のための本格的なCVDタングステン積層段階において、フッ素元素が多数発生されるが、既に、内部のバリヤメタルチタン層にはフッ素元素が存在して固溶体を成して、固溶体内で均衡を維持するので、発生されたフッ素のチタン層への流入は抑制される。
【0017】
このような現象は物質が一定の固溶度を有すると、追加的な反応をしない性質を利用して、工程に影響を与えない最小限の量で先反応を起こることである。これはシリコン層底面を有するコンタクトホールにプラグ形成のためのアルミをスパッタリングによって積層する工程で、一部のシリコン元素が含まれたアルミをアルミターゲットで使用することと同一な原理を有する。
【0018】
即ち、アルミターゲットを形成する時、一部のシリコンを含ませて使用する場合には、スパッタリングによって積層されたアルミ層がコンタクト底面でシリコン層と接する場合にも既にアルミ層の全面にかけてシリコン元素が含まれており、固溶体として安定した状態を維持しているので、基板のシリコン元素がアルミ層へ拡散される傾向を緩和させる。その結果、基板のシリコン元素の移動によって界面にボイドが発生するスパイキ現象を抑制させ得る。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図3乃至図6は、本発明の一実施形態の各工程段階を示す断面図である。
図3は、下部構造の形成された上に層間絶縁膜200が形成された状態で、下部導電層との電気的な接続のために、層間絶縁膜200にコンタクトホール110を形成した状態を示す。コンタクトホール底面には下部構造の導電層が露出されるが、別に図示しない。層間絶縁膜200はCVD酸化膜で構成されている。
【0020】
図4は、図3で層間絶縁膜200に形成されたコンタクトホール110にバリヤメタル層のTi 層300及びTiN層400を各各100Å乃至200Åほど、CVDで積層した状態を示す。バリヤメタルは同一な設備で、時間に従ってソースガスを調節しながら、インシチュー法(In situ)で進行させることが工程効率を高めるので望ましい。又、CVDでバリヤメタルを積層することはスパッタリング工程によって積層することに比べて、膜質に作用するストレスが少なく、後続工程で膜に亀裂が発生することを抑制させ得るためである。
【0021】
図5は、図4と同様に、バリヤメタルの積層された状態で20Å乃至30ÅほどにCVD微細タングステン層500を積層した状態を示す。このような過程で、ソースガスのWF6はSiH4等と反応してタングステンが表面に積層され、HF ガスとかSiF4 、 H2などが発生されながら、一部のWF6粒子は多空性のチタン窒化膜層400を貫通してチタン層300と反応してTiF4を形成して、チタン及び未反応したWF6と混合された状態を成すことになる。
【0022】
次の熱処理工程は大抵RTP(rapid thermal processing)装備で進行され、チタンは750℃以上の温度でただ一度に、又は600℃乃至700℃の温度と750℃以上の温度を経ながら、界面のシリコンと共にチタンシリサイドを形成する。その結果、このような過程は界面抵抗を低める役割をする。
【0023】
大抵、窒素又は酸素の含まれた雰囲気で成され、窒素雰囲気で成される場合に、チタン窒化膜層400の多空性の材質が充填され、ガス粒子の透過がよくされない堅固な材質に改善される効果もあり、別のチタン窒化膜層400のない場合にも、表面にチタン窒化膜が形成されることもある。そして、高温によって元素の拡散が早めになって、前段階のTiF4及びF元素もチタン層300に均等に分布される。
【0024】
図6は、図5の状態で熱処理を進行し、本格的なタングステン層510の積層を実施してタングステンプラグを形成した状態を示す断面図である。このような段階においては、タングステンが3500Å乃至5000Åほどの厚さに積層されてコンタクトホールを詰め、バリヤメタルと同一な装備でIn situ形態(インシチュー法)で進行することができる。従来の場合、バリヤメタル積層の後のアニーリングする段階とタングステンプラグの形成段階での工程条件によって、チタン窒化膜層400が影響を受けて、WFガスの透過が加速化になり、チタン窒化膜層400の外れと火山現象が時々発生されるが、本発明ではチタン層300がTiF4とF元素を雇用しているので工程条件のマージンを広めて進行することができる
【0025】
この段階の以降、タングステン層510に対してパターニング作業を実施して、配線として利用することもできるし、CMPで上層のタングステンを全部除去した状態で既に形成されたグローブ(globe)に詰めされたタングステン層を配線として利用することもできるし、アルミ配線を新たに形成する方法を使用することもできる。
【0026】
【発明の効果】
本発明によると、既存工程の変化による大きな負担なしタングステンプラグを形成しながら火山現象が発生することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のタングステンコンタクトプラグの形成過程で、チタン窒化膜の浮く現象が発生した状態を示す断面図である。
【図2】従来のタングステンコンタクトプラグの形成過程で、図1に続けてタングステン積層が繋がって火山現象を発生した状態を示す断面図である。
【図3】本発明の一実施形態の各段階を示す断面図である。
【図4】本発明の一実施形態の各段階を示す断面図である。
【図5】本発明の一実施形態の各段階を示す断面図である。
【図6】本発明の一実施形態の各段階を示す断面図である。
【符号の説明】
110 コンタクトホール
200 層間絶縁膜
300 チタン(Ti)層
400 チタン窒化膜 (TiN) 層
500 微細タングステン
510 タングステン層
Claims (4)
- 半導体装置のタングステンコンタクトプラグの形成方法において、絶縁膜層に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上にチタン層を形成する段階、
前記チタン層上にチタン窒化膜を形成する段階と、
前記チタン窒化膜上にCVD方法で微細タングステン層を50Å以下の厚さで積層する段階と、
前記微細タングステン層が積層された状態で熱処理する段階と、
CVD方法でタングステンを積層して前記コンタクトホールを充填する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置のタングステンコンタクトプラグの形成方法。 - 前記熱処理過程は窒素雰囲気で750℃以上の温度で成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置のタングステンコンタクトプラグの形成方法。
- 前記微細タングステン層は20Å乃至30Åの厚さで積層されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置のタングステンコンタクトプラグの形成方法。
- 前記チタン層、前記チタン窒化膜及び前記タングステン層はインシチュー法で形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置のタングステンコンタクトプラグの形成方法。
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US7741226B2 (en) * | 2008-05-06 | 2010-06-22 | International Business Machines Corporation | Optimal tungsten through wafer via and process of fabricating same |
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US9589808B2 (en) * | 2013-12-19 | 2017-03-07 | Lam Research Corporation | Method for depositing extremely low resistivity tungsten |
US9831183B2 (en) * | 2014-08-07 | 2017-11-28 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Contact structure and method of forming |
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US5552339A (en) * | 1994-08-29 | 1996-09-03 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company | Furnace amorphous-SI cap layer to prevent tungsten volcano effect |
TW310461B (ja) * | 1995-11-10 | 1997-07-11 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | |
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US6180506B1 (en) * | 1998-09-14 | 2001-01-30 | International Business Machines Corporation | Upper redundant layer for damascene metallization |
US6207558B1 (en) * | 1999-10-21 | 2001-03-27 | Applied Materials, Inc. | Barrier applications for aluminum planarization |
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