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

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 Download PDF

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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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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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