JP6082577B2 - タングステン配線層の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、タングステン配線層の形成方法に関し、特に、タングステン配線層の低抵抗化を図ることができるものに関する。

従来、半導体装置の配線層として、タングステン（Ｗ）を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載のものでは、先ず、シリコン基板上にＳｉＯ_２膜からなる絶縁層を形成し、この絶縁層にシリコン基板に達するコンタクトホ−ルを形成し、四塩化チタンと水素ガスを用いるＣＶＤ法によりコンタクトホ−ル内にチタン膜を形成する。そして、チタン膜表面に、四塩化チタンとアンモニアとを導入して、ＣＶＤ法により窒化チタン膜を形成する。最後に、窒化チタン膜をアンモニアでアニ−ル処理した後、窒化チタン膜上にタングステン膜を形成する。

ところで、上記従来例の如く絶縁層とタングステン膜との間に下地層として窒化チタン膜を形成する場合、絶縁層表面に下地層を形成することなく直接タングステン膜を形成する場合と比較して、タングステン膜自体の抵抗値が倍以上に上昇することが知られている。このタングステン膜を半導体装置の配線層に適用すると、配線抵抗の上昇を招く。

他方で、下地層を、ＴｉＮ膜と、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＷからなる群から選択される少なくとも一つの金属のシリサイド膜から形成されるバッファ膜との二層構造とすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このように下地層を二層構造とすると、生産工程が増えて生産性が悪くなり、コスト高を招く。

また、下地層を、Ｔａ膜またはＴａＮ膜の一層構造とすることも提案されている（例えば、特許文献３参照）。これによれば、上記特許文献２記載のものよりも生産工程を減らすことができて生産性が向上する。然し、下地層とタングステン膜とは同一の処理室で形成することができないため、使用する成膜装置は下地層形成用の処理室とタングステン膜形成用の処理室とを別個に備える必要があり、設備コストを低減することができない。

特開２００１−２１０６０６号公報 特開２００６−３１０８４２号公報 特開２０１２−１１４２３３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、低抵抗のタングステン膜を形成できる低コストのタングステン配線層の形成方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、処理室に成膜対象物とタングステン製のターゲットとを配置し、この処理室にスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、前記ターゲットをスパッタリングすることで前記成膜対象物の表面にタングステン膜を形成する本発明のタングステン膜の形成方法は、前記ターゲットに電力投入している間、前記成膜対象物に高周波電力を投入するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットに電力投入している間、成膜対象物に高周波電力を投入するようにしたため、成膜対象物に高周波電力を投入しない場合と比較して、低抵抗のタングステン膜を形成できる。これは、得られるタングステン膜の結晶粒が大きくなるためであると考えられる。本発明者らの実験では、タングステン膜の比抵抗値を９以下になることが確認された。尚、本発明では、従来例の如くＴｉＮ膜やＴａ膜といった下地層を形成する必要がないため、使用する成膜装置は下地層形成用の処理室を備える必要がないため、設備コストを大幅に低減できる。

また、上記課題を解決するため、本発明のタングステン配線層の形成方法は、成膜対象物の表面に、タングステンを含有する核形成層をスパッタリングにより形成する第１工程と、第１工程にて核形成層を形成した成膜対象物の表面に、上記タングステン膜の形成方法を用いてタングステン膜を形成する第２工程とを含むことを特徴とする。本発明において、核形成層とは、成膜対象物の表面にタングステンの原子やその化合物の分子が不連続に形成されたものをいう。尚、本発明において、核形成層がタングステン、窒化タングステン及び酸化タングステンの中から選択される少なくとも１種で構成されていれば、タングステン膜の結晶粒をより大きくでき、タングステン膜をより一層低抵抗化できる。

本発明において、第１工程と第２工程とを同一の処理室にて連続して行う場合には、第１工程でターゲットに投入される電力を第２工程でターゲットに投入される電力よりも小さくすると共に、第１工程で投入される高周波電力を第２工程で投入される高周波電力よりも大きくすることが好ましい。これによれば、タングステン製のターゲットを用いたスパッタや反応性スパッタにより核形成層を形成する場合に、容易に核形成層を形成できて有利である。

また、上記課題を解決するため、上記タングステン膜の形成方法または上記タングステン配線層の形成方法を実施する本発明のスパッタリング装置は、処理室と、この処理室に対向配置されたステージ及びタングステン製のターゲットと、処理室にスパッタガスを導入するガス導入手段と、ターゲットに電力投入する電源とを備え、前記ステージに高周波電力を投入する高周波電源を更に備えることを特徴とする。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施形態のタングステン配線層の形成工程を概略的に説明する図。 本発明のタングステン配線層の形成方法を実施し得るスパッタリング装置の構成を概略的に示す図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２実施形態のタングステン配線層の形成工程を概略的に説明する図。 実験結果を示すグラフ。 実験結果を示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、実験結果を示すＳＥＭ像。 実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、コンタクトホールを形成したＳｉＯ_２膜たる絶縁層の表面に、本発明のタングステン膜の形成方法を用いてタングステン（Ｗ）膜からなる配線層を形成する場合を例に、本発明の第１実施形態のタングステン配線層の形成方法を説明する。

本実施形態では、図１（ａ）に示すように、基板（例えばシリコンウエハ）上に、公知の方法で、ＳｉＯ_２膜たる絶縁層Ｉを所定膜厚で形成し、微細形状たるコンタクトホールＨをパターニング形成する。以下、これを成膜対象物たる処理基板Ｗという。そして、図１（ｂ）に示すように、コンタクトホールＨを含むＳｉＯ_２膜Ｉ表面に、タングステン膜Ｆ１からなる配線層を形成する。本実施形態において、配線層たるタングステン膜Ｆ１は、図２に示すスパッタリング装置ＳＷを用いて形成される。以下、スパッタリング装置ＳＷの構成を説明する。

図２に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、マグネトロン方式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段を介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１を有し、この真空チャンバ１は処理室（成膜室）１０を画成する。真空チャンバ１の天井部にはカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、タングステン製であり、処理基板Ｗの輪郭より大きな表面積でかつ公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。また、ターゲット２は、図示省略のバッキングプレートに装着した状態で、そのスパッタ面２１を下方にして絶縁体Ｉ１を介して真空チャンバ１に取り付けられる。更に、ターゲット２はＤＣ電源Ｅ１に接続され、スパッタ中、ターゲット２に負の直流電位が印加されるようになっている。

磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よく処理基板Ｗに付着させる公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向させてステージ４が絶縁体Ｉ２を介して配置され、処理基板Ｗがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようになっている。この場合、ターゲット２と処理基板Ｗとの間の間隔は、処理基板Ｗの直径よりも小さくなるように設定されている。ステージ４には高周波電源Ｅ２が接続され、ＤＣ電源Ｅ１からターゲット２に電力投入されている間、ステージ４を介して処理基板Ｗに高周波電力を投入できるようになっている。また、ステージ４にはヒータ４１が内蔵されており、成膜中、処理基板Ｗを所定温度に加熱できるようになっている。

真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスを導入するガス管５が接続されている。このガス管５には、マスフローコントローラ６が介設され、図示省略のガス源に連通している。これにより、流量制御されたスパッタガスを処理室１０に導入できる。尚、スパッタガスには、酸素ガスや窒素ガス等の反応ガスも含まれるものとする。また、ガス管５とマスフローコントローラ６とが、本発明のガス導入手段を構成するものとする。

真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる図示省略の真空排気装置に通じる排気管７が接続されている。上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により上記電源Ｅ１，Ｅ２の稼働、マスフローコントローラ６の稼働や真空排気装置の稼働等を統括管理するようになっている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いたタングステン配線層の形成方法について説明する。

先ず、タングステン製のターゲット２が装着された真空チャンバ１内（処理室１０）は、予め真空排気手段を作動させて所定の真空度（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きしておく。その後、図示省略の搬送ロボットにより処理室１０のステージ４に処理基板Ｗを載置し、処理基板Ｗを所定温度（例えば、１５０℃）に加熱し、マスフローコントローラ６を制御してアルゴンガスを所定の流量で導入し、ＤＣ電源Ｅ１よりターゲット２に所定の負の電位を印加（電力投入）して処理室１０にプラズマ雰囲気を形成する。本実施形態では、ターゲット２に電力投入している間、高周波電源Ｅ２よりステージ４を介して処理基板Ｗに高周波電力を投入する。これにより、スパッタリングにてコンタクトホールＨを含む絶縁層Ｉの表面全体に亘って低抵抗のタングステン膜Ｆ１からなる配線層Ｔが形成される（図１（ｂ）参照）。このとき、ターゲット２に投入される電力は、０．５ｋＷ〜１０ｋＷの範囲に、ステージ４に投入される高周波電力は、１３．５６ＭＨｚ、１００〜５００Ｗの範囲に、アルゴンガスの分圧は、０．１〜２．０Ｐａの範囲に設定することが好ましい。

以上説明したように、ターゲット２に電力投入している間、処理基板Ｗに高周波電力を投入するようにしたため、絶縁層Ｉの表面全体に亘って低抵抗のタングステン膜Ｆ１を形成でき、タングステン配線層の低抵抗化を図ることができる。これは、処理基板Ｗに高周波電力を投入しない場合と比較して、タングステン膜Ｆ１の結晶粒が大きくなることによるものと考える。本実施形態では、従来例の如くＴｉＮ膜やＴａ膜といった下地層を形成する必要がないため、スパッタリング装置ＳＭは下地層形成用の処理室を備える必要がなく、設備コストを大幅に低減できる。

次に、コンタクトホールを形成したＳｉＯ_２膜たる絶縁層表面に、スパッタリングにより、タングステンを含有する核形成層を形成し、この核形成層の表面に、本発明のタングステン膜の形成方法を用いてタングステン膜を形成して配線層を得る場合を例に、本発明の第２実施形態のタングステン配線層の形成方法を説明する。

本実施形態では、上記第１実施形態と同様の処理基板Ｗ（図３（ａ）参照）を用い、図３（ｂ）に示すように、コンタクトホールＨを含むＳｉＯ_２膜Ｉ表面に、タングステンを含有する核形成層Ｎを形成する。ここで、核形成層Ｎとは、ＳｉＯ_２膜Ｉ表面にタングステンの原子やその化合物の分子が不連続に形成されたものをいう。タングステンの化合物は、窒化タングステンや酸化タングステンであることが好ましく、それらが混在してもよい。そして、この核形成層Ｎが形成されたＳｉＯ_２膜Ｉ表面にタングステン膜Ｆ２を形成して配線層Ｔを得る。本実施形態において、核形成層Ｎ及びタングステン膜Ｆ２は、図２に示すスパッタリング装置ＳＷを用いて形成される。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いたタングステン配線層Ｔの形成方法について、核形成層Ｎとして窒化タングステンを形成する場合を例に説明する。

先ず、タングステン製のターゲット２が装着された真空チャンバ１内（処理室１０）は、予め真空排気手段を作動させて所定の真空度（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きしておく。その後、図示省略の搬送ロボットにより処理室１０のステージ４に処理基板Ｗを載置し、処理基板Ｗを所定温度（例えば、１５０℃）に加熱し、マスフローコントローラ６を制御してアルゴンガス及び窒素ガスを所定の流量で導入し、ＤＣ電源Ｅ１よりターゲット２に所定の負の電位を印加（電力投入）して処理室１０にプラズマ雰囲気を形成する。本実施形態においても、ターゲット２に電力投入している間、高周波電源Ｅ２よりステージ４を介して処理基板Ｗに高周波電力を投入する。これにより、コンタクトホールＨを含む絶縁層Ｉの表面に、窒化タングステンからなる核形成層Ｎが形成される（図３（ｂ）参照）。このとき、ターゲット２に投入される電力は、０．２ｋＷ〜５．０ｋＷの範囲に、ステージ４に投入される高周波電力は、１３．５６ＭＨｚ、２００〜１０００Ｗの範囲に、アルゴンガスの流量は、２０〜１００ｓｃｃｍの範囲に、窒素ガスの流量は０〜２０ｓｃｃｍの範囲に、処理室１０の圧力は、０．１〜２．０Ｐａの範囲に設定することが好ましい。また、核形成層Ｎの厚さｄは、０．３ｎｍ〜５．０ｎｍの範囲であることが好ましい。この範囲を外れると、タングステン膜の結晶粒を大きくすることができない。尚、核形成層Ｎの厚さｄは、断面視での最大の厚さをいうものとする。

次に、窒素ガスの導入を停止し、ターゲット２に投入する電力を大きくすると共に処理基板Ｗに投入する高周波電力を小さくする。これにより、プラズマ雰囲気が維持され、上記核形成層Ｎが形成された絶縁層Ｉ表面に、低抵抗のタングステン膜Ｆ２が形成され、タングステン配線層Ｔが得られる（図３（ｂ）参照）。このとき、ターゲット２に投入される電力は、０．５ｋＷ〜１０ｋＷの範囲に、ステージ４に投入される高周波電力は、１３．５６ＭＨｚ、１００〜５００Ｗの範囲に、アルゴンガスの流量は、２０〜２００ｓｃｃｍの範囲に、処理室１０の圧力は、０．１〜２．０Ｐａの範囲に設定することが好ましい。

以上説明したように、タングステン膜Ｆ２の形成に先立って核形成層Ｎを形成するようにしたため、核形成層Ｎを形成しない場合（上記第１実施形態）と比較して、タングステン膜Ｆ２をより一層低抵抗化でき、タングステン配線層Ｔの更なる低抵抗化を達成できる。これは、核形成層Ｎを形成しない場合と比較して、タングステン膜Ｆ２の結晶粒がより大きくなることによるものと考えられる。本実施形態では、従来例の如くＴｉＮ膜やＴａ膜といった下地層を形成する必要がなく、核形成層Ｎとタングステン膜Ｆ２とを同じ処理室１０にて連続して形成できるため、設備コストを大幅に低減できる。

次に、本発明の上記効果を確認するために、上記構成のスパッタリング装置ＳＭを用いて以下の実験を行った。実験１では、処理基板Ｗ１として、φ３００ｍｍのシリコンウエハＳの表面全体に亘ってＳｉＯ_２膜Ｉを形成したものを用いた。この処理基板Ｗ１をステージ４上に載置し、処理基板Ｗ１の温度を１５０℃に加熱した。尚、タングステン製のターゲット２と処理基板Ｗとの間の距離を６０ｍｍに設定した。処理室１０にスパッタガスとしてアルゴンガスを１５０ｓｃｃｍの流量で導入し、ターゲット２への投入電力を２．５ｋＷに設定した。ターゲット２に電力投入される間、ステージ４を介して処理基板Ｗ１に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を投入した。投入する高周波電力を０〜５５０Ｗで変化させて、ＳｉＯ_２膜Ｉ上にタングステン膜Ｆ１を６０ｎｍの膜厚で形成し、タングステン膜Ｆ１の比抵抗値（シート抵抗値）を夫々測定した。比抵抗値は処理基板Ｗ１のセンター及びエッジの２箇所で測定し、その測定結果を図４にて実線で示す。本実験によれば、高周波電力が０Ｗの場合には、センターの比抵抗値は１５．７６μΩ・ｃｍ、エッジの比抵抗値は１０．４５μΩ・ｃｍと夫々高い一方で、処理基板Ｗ１に高周波電力を投入すると、比抵抗値が低くなることが確認された。特に、高周波電力が３５０Ｗの場合に、センターの比抵抗値が９．７９μΩ・ｃｍ、エッジの比抵抗値が９．６８μΩ・ｃｍと最も低くなった。

実験２では、ＳｉＯ_２膜Ｉ表面に、タングステンからなる核形成層Ｎを１．０ｎｍの厚さでスパッタリングにより形成した。核形成層Ｎの形成に際しては、基板温度を１５０℃とし、アルゴンガスの流量を５０ｓｃｃｍとし、ターゲット２への投入電力を０．２ｋＷとし、処理基板Ｗ１への投入電力を１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗとした。その後、上記実験１と同様に、処理基板Ｗ１に投入する高周波電力を０〜５５０Ｗで変化させてタングステン膜Ｆ２を５９ｎｍの厚さで形成し（すなわち、配線層Ｔ全体の厚さを６０ｎｍとした）、タングステン膜Ｆ２の比抵抗値を夫々測定した。その測定結果を図４にて破線で示す。本実験によれば、核形成層Ｎを形成することにより、上記実験１よりも低抵抗のタングステン膜Ｆ２が得られることが確認された。高周波電力が３５０Ｗの場合、センターの比抵抗値が９．１４μΩ・ｃｍ、エッジの比抵抗値が８．８８μΩ・ｃｍであった。

実験３では、核形成層Ｎの厚さを０〜５ｎｍで変化させ、配線層Ｔのトータルの厚さが６０ｎｍとなるようにタングステン膜Ｆ２を形成した。つまり、核形成層Ｎの厚さが１ｎｍの場合、タングステン膜Ｆ２の厚さを５９ｎｍとした。得られたタングステン膜Ｆ２の比抵抗値を測定し、その測定結果を図５に示す。尚、核形成層Ｎの形成条件は上記実験２と同じとし、タングステン膜Ｆ２の形成条件は上記実験１と同じとした。本実験によれば、低抵抗のタングステン膜Ｆ２を得るには、核形成層Ｎの厚さを０．３以上５．０ｎｍ未満の範囲に設定することが好ましく、０．５〜１ｎｍの範囲に設定することがより好ましく、２ｎｍ以上では比抵抗値（センター）が上昇することが確認された。

他方で、実験４では、タングステン膜Ｆ２の形成に先立ち、ＳｉＯ_２膜Ｉ上に窒化タングステンからなる核形成層Ｎを５ｎｍの厚さで反応性スパッタにより形成した。核形成層Ｎの形成に際しては、基板温度を２００℃とし、ターゲット２への投入電力を２ｋＷとし、処理基板Ｗ１への投入電力を１３．５６ＭＨｚ、１０００Ｗとし、スパッタガスとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用い、アルゴンガスの流量を９７ｓｃｃｍ、窒素ガスの流量を３ｓｃｃｍとした。また、タングステン膜Ｆ２の形成に際しては、ターゲット２への投入電力を４ｋＷとし、処理基板Ｗ１への投入電力を１３．５６ＭＨｚ、３００Ｗとし、スパッタガスたるアルゴンガスの流量を１５０ｓｃｃｍとした。形成されたタングステン膜Ｆ２の比抵抗値を測定したところ、８．７４μΩ・ｃｍと低抵抗であった（発明品）。これに対する比較のため、核形成層を形成することなく、上記条件でＳｉＯ_２膜上にタングステン膜を直接形成し、このタングステン膜の比抵抗値を測定したところ、９．５８μΩ・ｃｍであった（比較品）。これらの発明品及び比較品のＳＥＭ像を図６に示す。図６(ａ)に示す発明品は、図６（ｂ）に示す比較品よりもタングステン膜の結晶粒が大きいことが確認された。これより、核形成層Ｎを形成することで、タングステン膜の結晶粒がより大きくなり、より一層低抵抗のタングステン膜が得られることが判った。

実験５では、上記実験４における窒素ガス流量を３〜２０ｓｃｃｍで変化させて（このとき、スパッタガスの総流量は１００ｓｃｃｍ）核形成層Ｎを形成し、その後、タングステン膜を形成した。得られたタングステン膜の比抵抗値を夫々測定し、その測定結果を図７に示す。本実験によれば、窒素ガスの流量が３〜１０ｓｃｃｍの範囲のときに（このとき、総流量基準での窒素ガスの流量比は３〜１０％の範囲）、核形成層を形成しない場合の比抵抗値（９．５８μΩ・ｃｍ）よりも低抵抗のタングステン膜が得られることが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、酸化タングステンからなる核形成層を形成する場合の実験結果を示して説明していないが、この場合も窒化タングステンからなる核形成層を形成した場合と同様に、タングステン膜の比抵抗値を、核形成層を形成しない場合より低くできることが確認された。この場合、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素含有ガス（酸素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス等）との混合ガスを用いればよい。

Ｅ１…ＤＣ電源、Ｅ２…高周波電源、Ｆ１，Ｆ２…タングステン膜、Ｎ…核形成層、ＳＭ…スパッタリング装置、Ｔ…タングステン配線層、Ｗ…処理基板（成膜対象物）、２…ターゲット、４…ステージ、５…ガス管（ガス導入手段）、６…マスフローコントローラ（ガス導入手段）、１０…処理室。

Claims (5)

1. 処理室に成膜対象物とタングステン製のターゲットとを配置し、この処理室にスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、前記ターゲットをスパッタリングすることで、前記成膜対象物の表面に、タングステンの原子またはタングステンの化合物の分子が不連続に形成されてなる核形成層を０．３ｎｍ〜５ｎｍの厚さで形成する第１工程と、
   処理室に前記第１工程にて核形成層を形成した成膜対象物とタングステン製のターゲットとを配置し、この処理室にスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、前記ターゲットをスパッタリングすることで、前記核形成層を形成した成膜対象物の表面に、タングステン膜を形成する第２工程とを含み、当該第２工程にてタングステン膜を形成する間、前記成膜対象物に高周波電力を投入することを特徴とするタングステン配線層の形成方法。
2. 前記核形成層は、タングステン、窒化タングステン及び酸化タングステンの中から選択される少なくとも１種で構成されることを特徴とする請求項１記載のタングステン配線層の形成方法。
3. 前記核形成層は、０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の厚さを有するタングステンで構成されることを特徴とする請求項１または２記載のタングステン配線層の形成方法。
4. 請求項１または２記載のタングステン配線層の形成方法であって、前記核形成層が、反応性スパッタリングにより形成する窒化タングステンで構成されるものにおいて、
   前記第１工程にて処理室に導入される窒化ガスの流量比を総流量基準で３〜１０％の範囲に設定することを特徴とするタングステン配線層の形成方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載のタングステン配線層の形成方法であって、第１工程と第２工程とを同一の処理室にて連続して行うものにおいて、
   第１工程でターゲットに投入される電力を第２工程でターゲットに投入される電力よりも小さくすると共に、第１工程で投入される高周波電力を第２工程で投入される高周波電力よりも大きくしたことを特徴とするタングステン配線層の形成方法。