(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された境界金属膜表面を５．２ｋＰａ以上の圧力雰囲気でＳｉＨ４ガスを利用して処理する段階と、
前記処理が行われた境界金属膜表面上に流量比率が［ＷＦ６］／［ＳｉＨ４］≦１であるＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用してタングステンシード層を形成する段階と、
前記タングステンシード層が形成された境界金属膜上にＷＦ６ガスを利用して、厚さが４，０００〜５，０００Åであると共にグレーンサイズの平均値が３，５００〜４，０００Åであるタングステン膜を形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項２】
前記境界金属膜は、チタン膜及び窒化チタン膜を順次的に形成していることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項３】
前記境界金属膜表面を処理する段階の圧力雰囲気は、１２ｋＰａであることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項４】
大気圧未満の圧力雰囲気で前記タングステンシード層を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項５】
０．５２〜０．６５ｋＰａの圧力雰囲気で前記タングステンシード層を形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項６】
ＷＦ６ガスにＨ２ガスを混合させたＷＦ６＋Ｈ２ガスを利用して前記タングステン膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項７】
半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜内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の内壁に沿って境界金属膜を形成する段階と、
前記境界金属膜表面を５．２ｋＰａ以上の圧力雰囲気でＳｉＨ４ガスを利用して処理する段階と、
前記処理が行われた境界金属膜表面上に流量比率が［ＷＦ６］／［ＳｉＨ４］≦１であるＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用してタングステンシード層を形成する段階と、
前記タングステンシード層が形成された境界金属膜にＷＦ６ガスを利用して、厚さが４，０００〜５，０００Åであると共にグレーンサイズの平均値が３，５００〜４，０００Åであるタングステン膜を形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項８】
前記境界金属膜はチタン膜及び窒化チタン膜を順次的に形成していることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項９】
前記境界金属膜表面を処理する段階の圧力雰囲気は、１２ｋＰａであることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項１０】
大気圧未満の圧力雰囲気でタングステンシード層を形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項１１】
０．５２〜０．６５ｋＰａの圧力雰囲気で前記タングステンシード層を形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項１２】
ＷＦ６ガスにＨ２ガスを混合したＷＦ６＋Ｈ２ガスを利用してタングステン膜を形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のタングステン膜製造方法。
【請求項１３】
半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜内に形成されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールの内壁に沿って形成された境界金属膜と、
５．２ｋＰａ以上の圧力雰囲気でＳｉＨ４ガスを利用して前記境界金属膜表面を処理させ、この処理が行われた境界金属膜表面上に流量比率が［ＷＦ６］／［ＳｉＨ４］≦１であるＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用してタングステンシードを形成させた後、ＷＦ６ガスを利用して前記境界金属膜上に形成されたタングステン膜であって、厚さが４，０００〜５，０００Åであると共にグレーンサイズの平均値が３，５００〜４，０００Åであるタングステン膜と、
を備えてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項１４】
前記境界金属膜はチタン膜及び窒化チタン膜を順次的に形成したものであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記タングステン膜は、比抵抗が９．９〜１０．１μΩｃｍであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法に関するもので、より詳しくはタングステン膜の比抵抗を減少させることができる半導体素子のタングステン膜製造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は、半導体基板上に多結晶膜、酸化膜、絶縁膜及び金属膜などのような薄膜を多層に形成させた後、写真工程、エッチング工程及びイオン注入工程を通じて半導体素子直接回路のパターンを半導体基板上に形成させて完成する。
【０００３】
ここで、最近の半導体素子は高集積化によってデザインルール（ＤｅｓｉｇｎＲｕｌｅ）が微細化し、これによってコンタクトホールの縦横比（Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ）もまた相対的に大きくなっている。
【０００４】
従って、前述のようなコンタクトホールの縦横比の増加で従来のスパッタリング方法では、金属配線として使用されるアルミニウム膜を効果的にコンタクトホールを埋没させることはできなかった。
【０００５】
これによって最近には金属化学物を気化させた後、化学的反応を通じて金属を蒸着する化学気相蒸着方法が導入されている。最も一般化された方法が、コンタクトホール内での埋没特性が優秀なタングステン化学気相蒸着方法である。
【０００６】
化学気相蒸着方法を用いたタングステン膜の形成過程を図１を参照に調べてみると、まず半導体基板１０上に酸化膜などでなる絶縁膜１１を形成させた後、コンタクトホール１２が形成されるように絶縁膜１１の一部分を除去させる。
【０００７】
そして、絶縁膜１１上の表面に沿ってそれぞれ約７００Åの厚さを有するチタン膜１３及び窒化チタン膜１５が順次的に行われる境界金属膜１６を形成させた後、０．５９〜５．２ｋＰａ（４．５〜４０Ｔｏｒｒ）程度の圧力雰囲気でＳｉＨ４ガスを利用して境界金属膜１６の表面を処理する。
続いて、前述と同一な圧力雰囲気で流量比率が［ＷＦ６］：［ＳｉＨ４］＝１：１〜３：１程度であるＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用して、前記境界金属膜１６上にタングステンシード層を形成させた後、ＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用して境界金属膜１６上に約４４００Å程度の厚さのタングステン膜１８を形成させる。
【０００８】
しかし、前述のように形成させたタングステン膜１８はコンタクトホール内に容易に埋没されるが、その比抵抗が従来の金属配線で利用されていたアルミニウム膜より４〜５倍程度高いのでこれを金属配線で利用する場合には半導体素子の動作速度の低下及び電力消耗が増加するなどの問題点が発生した。
【０００９】
これはポリクリスタル（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）構造からなるタングステン膜１８のグレーンサイズ（Ｇｒａｉｎ Ｓｉｚｅ）の平均値が約２，０００〜２，５００Å程度に形成されてグレーンバウンダリー（Ｇｒａｉｎ Ｂｏｕｎｄａｒｙ）が占める面積が大きくなってグレーンバウンダリーでの電気的抵抗によって比抵抗が増加するためである。
【００１０】
これによって最近にはタングステン膜の形成時、タングステン膜の比抵抗を減少させることができるディボラン（Ｄｉｂｏｒａｎｅ：Ｂ２Ｈ６）ガスを工程ガスに添加させることで、タングステン膜の比抵抗を１１．４〜１１．７μΩｃｍから８〜９μΩｃｍ程度に減少させる技術が開発されているが、一般的な半導体素子製造工程には利用しないでいた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ディボランガスの添加は、ポリクリスタル構造からなるタングステン膜のクレーンサイズを増加させたが、ディボランガスの添加を要求するタングステン膜の形成では既存の製造装置にディボランを利用するためのガス配管及び流量制御機などの別途の設置、タングステン膜の埋没特性の低下及び工程窓（Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｗｉｎｄｏｗ）の減少などの問題点があった。
【００１２】
また、最近にはコンタクトホール内にはタングステン膜をプラグに形成し、その上部にアルミニウム膜を形成させた金属配線を利用することで、前述したアルミニウム膜の埋没特性による欠陥及びタングステン膜の高い比抵抗のような問題点を解決した。
【００１３】
しかし、前述のようにタングステン膜及びアルミニウム膜からなる金属配線の場合には、タングステン膜を形成させた後、ＣＭＰまたはエッチバックなどのような平坦化工程を追加的に遂行しなければならなかった。
【００１４】
このような平坦化工程の遂行は、半導体素子製造工程数を増加させたので、半導体素子製造による費用の増加をもたらしたし、また、平坦化工程の遂行による追加的な不良発生の可能性を含むなどの問題点があった。
【００１５】
本発明の目的は、従来の製造装置を改造せずにそのまま使用しても比抵抗が減少されたタングステン膜を形成する半導体素子のタングステン膜製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の半導体素子のタングステン膜製造方法は、半導体基板上に形成された境界金属膜表面を５．２×１０３Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）以上の圧力雰囲気でＳｉＨ４ガスを利用して処理する段階と、その流量比率が［ＷＦ６］／［ＳｉＨ４］≦１であるＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用して前記処理が行われた前記境界金属膜表面上にタングステンシード層（Ｗ Ｓｅｅｄ Ｌａｙｅｒ）を形成する段階と、前記タングステンシード層が形成された境界金属膜上にＷＦ６ガスを利用して、厚さが４，０００〜５，０００Åであると共にグレーンサイズの平均値が３，５００〜４，０００Åであるタングステン膜（Ｗ Ｆｉｌｍ）を形成させる段階と、を備えてなる。
【００１７】
本発明の請求項２記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記境界金属膜は、チタン膜（Ｔｉ  Ｆｉｌｍ）及び窒化チタン膜（ＴｉＮ  Ｆｉｌｍ）を順次的に形成する。
【００１８】
本発明の請求項３記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記境界金属膜表面を処理する段階の圧力雰囲気は、好ましくは１２×１０３Ｐａ（９０Ｔｏｒｒ）である。
本発明の請求項４記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記タングステンシード層は、大気圧未満の圧力雰囲気で形成させる。
【００１９】
本発明の請求項５記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記タングステンシード層は、０．５２〜０．６５ｋＰａ（４〜５Ｔｏｒｒ）の圧力雰囲気で形成させる。
【００２０】
本発明の請求項６記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記タングステン膜はＷＦ６ガスにＨ２ガスを混合させたＷＦ６＋Ｈ２ガスを利用して形成させる。
【００２１】
本発明の請求項７記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜内にコンタクトホールを形成させる段階と、前記コンタクトホールの内壁に沿って境界金属膜を形成させる段階と、前記境界金属膜表面を５．２ｋＰａ（４０Ｔｏｒｒ）以上の圧力雰囲気でＳｉＨ４ガスを利用して処理させる段階と、その流量比率が［ＷＦ６］／［ＳｉＨ４］≦１であるＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用して前記処理が行われた前記境界金属膜表面上にタングステンシード層（Ｗ Ｓｅｅｄ Ｌａｙｅｒ）を形成させる段階と、前記タングステンシード層が形成された境界金属膜上にＷＦ６ガスを利用して、厚さが４，０００〜５，０００Åであると共にグレーンサイズの平均値が３，５００〜４，０００Åであるタングステン膜（Ｗ Ｆｉｌｍ）を形成させる段階と、を備えてなる。
【００２２】
本発明の請求項８記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記境界金属膜はチタン膜及び窒化チタン膜を順次的に形成する。
本発明の請求項９記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記境界金属膜表面を処理する段階の圧力雰囲気は、好ましくは１２ｋＰａ（９０Ｔｏｒｒ）である。
【００２３】
本発明の請求項１０記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、タングステンシード層は、大気圧未満の圧力雰囲気で形成させる。
本発明の請求項１１記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、前記タングステンシード層は、０．５２〜０．６５ｋＰａ（４〜５Ｔｏｒｒ）の圧力雰囲気で形成させる。
【００２４】
本発明の請求項１２記載の半導体素子のタングステン膜製造方法によると、タングステン膜は、ＷＦ６ガスにＨ２ガスを混合したＷＦ６＋Ｈ２ガスを利用して形成させる。
【００２５】
本発明の請求項１３記載の半導体素子は、半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜内に形成されたコンタクトホールと、前記コンタクトホールの内壁に沿って形成された境界金属膜と、５．２ｋＰａ（４０Ｔｏｒｒ）以上の圧力雰囲気でＳｉＨ４ガスを利用して前記境界金属膜表面を処理させて、その流量比率が［ＷＦ６］／［ＳｉＨ４］≦１であるＷＦ６＋ＳｉＨ４ガスを利用して前記処理が行われた前記境界金属膜表面上にタングステンシードを形成させた後、ＷＦ６ガスを利用して前記境界金属膜上に形成されたタングステン膜であって、厚さが４，０００〜５，０００Åであると共にグレーンサイズの平均値が３，５００〜４，０００Åであるタングステン膜と、を備えてなる。
【００２６】
本発明の請求項１４記載の半導体素子によると、前記境界金属膜はチタン膜及び窒化チタン膜を順次的に形成する。
本発明の請求項１５記載の半導体素子によると、前記タングステン膜は、その比抵抗が９．９〜１０．１μΩｃｍである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施例を添付した図面を参照に詳しく説明する。
図２乃至図４は本発明による半導体素子のタングステン膜形成方法の一実施例を説明するための断面図で、図５は、一般的な半導体素子のタングステン膜を形成させることができる製造装置を示す構成図である。
【００２８】
まず、図５を参照に製造装置を調べてみると、半導体基板Ｓを安着させることができるチャック機能をするヒータブロック５０が備えられている。
ここで、ヒータブロック５０は半導体基板Ｓの裏面を加熱させる役割を遂行することで、タングステン膜の形成時、半導体基板Ｓを設定された工程条件による温度に加熱させることである。
【００２９】
そして、半導体基板Ｓが安着されているチャンバー５１内に工程ガスが均一に流入されるようにホールが複数個に形成されているシャワーヘッド５２が備えられる。
また、シャワーヘッド５２の上側にはそれぞれの流量制御機５４から流入されるガスを混合させることができるガス混合機５６が備えられている。
即ち、流量制御機５４を利用して設定された工程条件に合うようにそれぞれの工程ガスをガス混合機５６に流入させて、工程ガスを混合させた後、シャワーヘッド５２を通じてチャンバー５１内に均一にガスを流入させるものである。流量制御機５４は複数で構成され、ＳｉＨ４ガス流量制御機５４ａ、ＷＦ６ガス流量制御機５４ｂ及びＨ２ガス流量制御機５４ｃを備える。
【００３０】
そして、チャンバー５１の一側にチャンバー５１内を工程条件による圧力雰囲気に形成させることができるように真空ポンプ５８及び圧力調節バルブ６０が備えられている。
【００３１】
このような構成からなる製造装置を用いて、本発明の一実施例によるタングステン膜の製造工程を調べてみると、まず、図２を参照すると、半導体基板２０上に酸化膜などからなる絶縁膜２１を形成させた後、絶縁膜２１にコンタクトホール２２が形成できるように絶縁膜２１の所定部分を除去させる。
【００３２】
ここで、コンタクトホール２２は、通常のフォトリソグラフィー工程を遂行して形成させることもできる。
続いて、コンタクトホール２２が形成された絶縁膜２１上にチタン膜２３及び窒化チタン膜２５が順次的に行われる境界金属膜２６を形成させる。
ここで、境界金属膜２６は、絶縁膜２１の表面のみではなく、コンタクトホール２２の側壁及びコンタクトホール２２の下部表面にも形成させる。
【００３３】
このような境界金属膜２６は、その上部に形成させるタングステン膜２８との接着力などを向上させ、コンタクトホール２２の形成によってコンタクトホール２２の底面に露出される半導体基板２０が損傷されることを防止するために形成させることで、設定された工程条件などによって作業者がスパッタリング方法または化学気相蒸着方法などを選択して形成させることもできる。その厚さは一般的に２，０００Å以下に形成させる。
【００３４】
継続して、境界金属膜２６が形成された半導体基板２０を図５のヒータブロック５０上に固定させた後、境界金属膜２６上に形成させるタングステン膜２８の容易な形成のためにチャンバー５１内を真空ポンプ５８及び圧力調節バルブ６０を利用して５．２ｋＰａ（４０Ｔｏｒｒ）以上の圧力雰囲気に維持した後、ＳｉＨ４ガス流量制御機５４ａを通じてＳｉＨ４ガスを供給して境界金属膜２６表面を処理する処理工程を遂行する。
【００３５】
処理工程によって境界金属膜２６上には約１００〜２００Å程度のシリコン層が形成されて、後で形成されるタングステン膜の形成に必要な熟成時間を減少させ、境界金属膜２６とタングステン膜との接着力を向上させ、また境界金属膜２６が損傷することを防止することができる。
【００３６】
ここで、前述のように５．２ｋＰａ（４０Ｔｏｒｒ）以上の圧力雰囲気で、境界金属膜２６表面を処理する工程は、前記の圧力条件に限定されるものではない。好ましくは１２ｋＰａ（９０Ｔｏｒｒ）以上の圧力雰囲気で境界金属膜２６の表面を処理することができる。
【００３７】
続いて、図３を参照すると、流量比率が［ＷＦ６］／［ＳｉＨ４］≦１になるようにＳｉＨ４流量制御機５４ａ及びＷＦ６流量制御機５４ｂを通じてＷＦ６及びＳｉＨ４ガスをそれぞれ供給して、処理工程が行われた境界金属膜２６上にタングステンシード層２７を形成させる。
ここで、タングステンシード層２７は、境界金属膜２６上に形成させるタングステン膜の均一度を向上させるために形成させる。
【００３８】
続いて、図４を参照すると、ＷＦ６ガス単独またはＷＦ６を主ガスとしてキャリアーガスにＨ２ガスを混合させたＷＦ６＋Ｈ２ガスを利用して、境界金属膜２６上にポリクリスタル構造のタングステン膜２８を形成させる。タングステン膜２８の厚さは約４，４００Åであり、グレーンサイズの平均値は従来の２，０００〜２，５００Åより増加された３，５００〜４，０００Å程度である。そして、タングステン膜の比抵抗は、９．９〜１０．１μΩｃｍで表れることが確認できた。比抵抗は従来より約１０％程度減少された値で、ディボランガスを添加する時と類似な値である。
【００３９】
即ち、前述のようにタングステン膜２８のグレーンサイズの増加によってポリクリスタル構造でグレーンのグレーンバウンダリーが占める面積が減少して、グレーンバウンダリーでの電気的抵抗を減少させることで比抵抗が減少されるのである。
【００４０】
前述したような構成でなる本発明の一実施例の特徴は既存の製造装置をそのまま利用するもので、単にチャンバー内を特定圧力雰囲気に維持し、工程ガスの流量比率を調整して境界金属膜の表面処理段階及びタングステンシード層の形成段階を遂行することだけで低い比抵抗を有するタングステン膜を効果的に形成することにある。
【００４１】
【発明の効果】
従って、既存の製造装置を変形することなく工程条件の簡単な変形によって、埋没特性が優秀な比抵抗を減少させたタングステン膜を形成することができる効果がある。
これによって最近の微細なパターンを要求する半導体素子の製造に積極的に応用することができるもので、半導体素子の配線及び界面抵抗が低くなって素子の速度向上だけではなく、金属配線の設計構造に柔軟性を提供することができる。
【００４２】
以上で、本発明は記載された具体例についてのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形および修正が可能であることは当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が添付された特許請求の範囲に属するのは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体素子のタングステン膜形成方法によって製造された半導体素子を示す断面図である。
【図２】本発明による半導体素子のタングステン膜形成方法の一実施例を説明するための工程断面図である。
【図３】本発明による半導体素子のタングステン膜形成方法の一実施例を説明するための工程断面図である。
【図４】本発明による半導体素子のタングステン膜形成方法の一実施例を説明するための工程断面図である。
【図５】一般的な半導体素子のタングステン膜を形成させることができる製造装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１０、２０、Ｓ  半導体基板
１２、２１  絶縁膜
１３、２３  チタン膜
１５、２５  窒化チタン膜
１６、２６  境界金属膜
１８、２８  タングステン膜
２７  タングステンシード層
５０  ヒータブロック
５２  シャワーヘッド
５４  流量制御機
５６  ガス混合機
５８  真空ポンプ
６０  圧力調節バルブ
【図１】
0003630597.tif 000002
【図２】
0003630597.tif 000003
【図３】
0003630597.tif 000004
【図４】
0003630597.tif 000005
【図５】
0003630597.tif 000006