(57)【要約】      （修正有）【課題】シリコン窒化膜を堆積してもシート抵抗が上昇しない配線構造を提供する。【解決手段】半導体基板上に第一の高融点金属膜５を形成する工程と、前記第一の高融点金属膜上に高融点金属窒化物の反応物７を持つ第二の高融点金属膜６Ａを形成する工程と、前記第二の高融点金属膜上にシリコン窒化膜８を形成する工程とからなる。これにより、シリコン窒化膜の膜質を変化させることなく、また成膜時のパーティクルの発生を従来方法と同等としたまま、シリコン窒化膜下の高融点金属のシート抵抗の上昇を最小限に抑えることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第一の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第一の高融点金属膜上に高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第二の高融点金属膜上にシリコン窒化膜を形成する工程とからなる半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に第一の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第一の高融点金属膜上に高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第二の高融点金属膜上に前記第二の高融点金属の窒化膜を形成する工程と、
前記高融点金属窒化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程とからなる半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体基板上に第一の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第一の高融点金属膜上に高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第二の高融点金属膜上にシリコン窒化膜を形成するとともに、前記第二の高融点金属膜上面の少なくとも一部を高融点金属窒化物に変化させる工程とからなる半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に第一の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第一の高融点金属膜上に高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜を形成する工程と、
前記第二の高融点金属膜上に前記第二の高融点金属の窒化膜を形成する工程と、
前記高融点金属窒化膜上にシリコン窒化膜を形成するとともに、前記第二の高融点金属膜上面の少なくとも一部を高融点金属窒化物に変化させる工程とからなる半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第二の高融点金属膜の抵抗率は前記第一の高融点金属膜よりも高いことを特徴とする請求項１〜４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第二の高融点金属膜の窒化物の抵抗率は前記第一の高融点金属膜の窒化物の抵抗率よりも低いことを特徴とする請求項１〜５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第二の高融点金属膜の窒化膜中の窒素原子の拡散係数が前記第一の高融点金属膜の窒化膜中でのそれよりも小さいことを特徴とする請求項１〜６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第一および第二の高融点金属は、Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗのいずれかであることを特徴とする請求項１〜７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第一の高融点金属はＷであり、第二の高融点金属はＴｉであることを特徴とする請求項１〜４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板上と、前記半導体基板上に形成された第一の高融点金属膜と、
前記第一の高融点金属膜上に形成された高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜と、
前記第二の高融点金属膜上に形成されたシリコン窒化膜とからなる半導体装置。
【請求項１１】
半導体基板上と、
前記半導体基板上に形成された第一の高融点金属膜と、
前記第一の高融点金属膜上に形成された高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜と、
前記第二の高融点金属膜上に形成された前記第二の高融点金属の窒化膜と、
前記高融点金属窒化膜上に形成されたシリコン窒化膜とからなる半導体装置。
【請求項１２】
前記第二の高融点金属膜の結晶粒の大きさが前記第一の高融点金属膜よりも小さいことを特徴とする請求項１０〜１１記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第二の高融点金属膜の抵抗率は前記第一の高融点金属膜よりも高いことを特徴とする請求項１０〜１１記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第二の高融点金属膜の窒化物の抵抗率は前記第一の高融点金属膜の窒化物の抵抗率よりも低いことを特徴とする請求項１０〜１１または１３記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第一および第二の高融点金属膜は、Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗのいずれかであることを特徴とする請求項１０〜１４記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記第一の高融点金属はＷであり、第二の高融点金属はＴｉであることを特徴とする請求項１０〜１１記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点金属を用いたゲート電極からなる半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の高速化を図るためにはゲート電極および金属配線の低抵抗化が必要であり、これを実現するために例えばゲート電極では高融点金属膜／バリアメタル層／多結晶シリコン膜からなるポリメタル構造が開発されている。
【０００３】
ポリメタル構造ゲート電極の形成プロセスを以下に説明する。図７に示すように、半導体基板１０１上にゲート酸化膜１０２を形成し、ドープトポリシリコン膜１０３を形成する。続いて自然酸化膜を除去後、バリアメタル層としてＴｉＮ膜１０４、高融点金属膜としてＷ膜１０５をスパッタ法にて順次堆積する。続いて、減圧気相化学成長法（Ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ法：ＬＰ-ＣＶＤ法）にて、シリコン窒化膜１０７を堆積し、ゲートパターニングを行うことによって、ポリメタル構造を形成することができる。
【０００４】
ここで、従来技術の課題のひとつとして、シート抵抗の上昇が挙げられていた。この原因は、特許文献１によると、シリコン窒化膜形成時に炉内への酸素の巻き込みが起こり、高融点金属膜が異常酸化するためであるとされており、この課題に対しては、シリコン窒化膜装置へのウエハ導入時における酸素の巻き込み量を１ｐｐｍ以下に抑えることによって解決できたと思われていた。
【特許文献１】特開平７−９４７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シート抵抗の上昇の原因についてさらに詳細に調査した結果、シリコン窒化膜装置へのウエハ導入時における酸素の巻き込み量を１ｐｐｍ以下に抑えても、高融点金属膜のシート抵抗は上昇してしまうことを我々は見出した。また、これは、シリコン窒化膜堆積初期ステップにおけるＮＨ3導入時の高融点金属膜の窒化によるものであることがわかった。
【０００６】
すなわち、シリコン窒化膜堆積工程の処理ステップは特許文献１によると以下のようになっている。まず、(1)反応炉に隣接して設けられたロードロック室の内部を窒素ガスで置換してロードロック室の内部の酸素濃度を１ｐｐｍ以下に低減した状態で、ロードロック室の内部に高融点金属膜が形成されているシリコン基板を投入する。次に、(2)シリコン基板をロードロック室から７００℃の温度に保たれ且つ減圧されている反応炉内に移送した後、炉内の温度を７６０℃に上昇させる。続いて、(3)反応炉内に６００ｓｃｃｍのＮＨ3ガスを５分間程度流し、その後(4)６０ｓｃｃｍのＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを導入し、全圧４０Ｐａの圧力下で高融点金属膜上にシリコン窒化膜を形成する。
【０００７】
しかしながら、上記手法により高融点金属膜上にシリコン窒化膜を堆積すると、図８に示すように、高融点金属膜は、上記ステップ(3)における５分間のＮＨ3ガスの導入過程において、表面層が高融点金属窒化膜であるＷＮｘ膜１０６に変化し、またそのために高融点金属であるＷ膜１０５の膜厚がＷ膜１０５Ａの様に減少し、その結果シート抵抗値は上昇してしまうことがわかった。
【０００８】
このシート抵抗の上昇を抑えるためには、ＮＨ3ガスによる高融点金属膜の窒化を最小限に留めることが効果的である。
【０００９】
ひとつの方法として、ステップ(3)のＮＨ3ガスの導入時間を短縮することが有効であると考えられるが、これを行うと、不十分なＮＨ3ガス雰囲気下でＳｉＨ2Ｃｌ2を導入することになり、高融点金属上にシリコン膜が局所的に堆積され部分的に高融点金属珪化物が形成される可能性がある。また、シリコン膜がチューブ中にパーティクルとして堆積される可能性もあり、この場合は歩留まり低下をもたらす。
【００１０】
その他の方法として、シリコン原子の供給ガスをＳｉＨ2Ｃｌ2ガスから、ＢＴＢＡＳ：ＳｉＨ2［ＮＨ2ＮＨ（Ｃ4Ｈ9）］2、もしくは、ＨＣＤ: Ｓｉ2Ｃｌ6に変更し、成膜温度を低下させＮＨ3ガスと高融点金属膜との反応量を減少させることも有効であると考えられるが、成膜温度の低下では、同時にシリコン窒化膜の膜質が低下し、ウエットエッチングレートの増加およびドライエッチング時のシリコン酸化膜との選択比の低下が起こる。ウエットエッチングレートの増加により微細パターンの寸法コントロールが難しくなり、また、シリコン酸化膜との選択比の低下により、セルフアライメントコンタクト(ＳＡＣ)のエッチングが難しくなるという課題が新たに発生してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は半導体基板上に第一の高融点金属膜を形成する工程と、前記第一の高融点金属膜上に高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜を形成する工程と、前記第二の高融点金属膜上にシリコン窒化膜を形成する工程とを備えている。
【００１２】
これにより、シリコン窒化膜の膜質を変化させることなく、また成膜時のパーティクルの発生を従来方法と同等としたまま、シリコン窒化膜下の高融点金属のシート抵抗の上昇を最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明では、第一の高融点金属膜上に高融点金属窒化物の反応物を持つ第二の高融点金属膜を形成することにより、シリコン窒化膜を堆積する際に起こっていた第一の高融点金属膜の窒化を、第二の高融点金属膜の窒化によって防ぐことができる。第二の高融点金属膜の窒化物の抵抗率は第一の高融点金属膜の窒化物のそれよりも低いため、シート抵抗の上昇が抑えられる。
【００１４】
このように、本発明を用いることによりポリメタルゲート電極のシート抵抗の上昇を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第一の実施形態）
以下、本発明の第一の実施形態について説明する。
【００１６】
図１に示すように、シリコン基板１上にゲート酸化膜２を３ｎｍ形成し、ドープトポリシリコン膜３を１００ｎｍ堆積する。続いて、自然酸化膜をＨＦで除去後、ＴｉＮ膜４を１０ｎｍ堆積し、Ｗ膜５を５０ｎｍ堆積する。ここで、ＴｉＮ膜４はドープトポリシリコン３とＷ膜５とが反応してＷＳｉｘ膜となるのを防止するバリア膜として働く。その後Ｔｉ膜６を１０ｎｍ形成し、続いて、減圧気相化学成長法（Ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ法：ＬＰ−ＣＶＤ法）にて、シリコン窒化膜８を１００ｎｍ堆積することによりポリメタルゲート構造を形成することができる。
【００１７】
ここで、ＬＰ−ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜堆積時のＷ膜上部での反応について詳しく説明する。
【００１８】
処理ステップは大きく以下の４ステップに分けられる。まず、(1)反応炉に隣接して設けられたロードロック室の内部を窒素ガスで置換してロードロック室の内部の酸素濃度を１ｐｐｍ以下に低減した状態で、ロードロック室の内部に高融点金属膜が形成されているシリコン基板を投入する。次に、(2)シリコン基板をロードロック室から７００℃の温度に保たれ且つ減圧されている反応炉内に移送した後、炉内の温度を７６０℃に上昇させる。続いて、(3)反応炉内に６００ｓｃｃｍのＮＨ3ガスを５分間程度流し、その後(4)６０ｓｃｃｍのＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを導入し、全圧４０Ｐａの圧力下で高融点金属膜上にシリコン窒化膜を形成する。
【００１９】
本発明の第一の実施形態は、Ｗ膜５上にＴｉ膜６が堆積されていることを特徴とする。Ｔｉ膜６が存在しない従来例では、前記(3)ステップのＮＨ3ガスの導入時において、Ｗ膜５表面にはＷＮｘ膜が徐々に形成され、シート抵抗は上昇していく。しかしながら、本実施形態の場合では、Ｗ膜５上にＴｉ膜６が存在しているため、本来Ｗ膜５の窒化に費やされるＮ原子はＴｉ膜６の窒化に費やされ、図２に示すようにＴｉ膜６の上層部もしくは全膜にわたってＴｉＮ膜７が形成され、残りのＴｉ膜は膜厚が減少し６Ａになり、後にシリコン窒化膜８が形成される。
【００２０】
図３に示すように、ＴｉＮの抵抗率はＷＮｘと比較して小さいため、Ｔｉ膜のＴｉＮ化によるシート抵抗の上昇は、Ｗ膜のＷＮｘ化による上昇と比較して小さく、本実施形態ではシート抵抗の上昇を抑えることができる。
【００２１】
さらに、初めに堆積したＴｉ膜の抵抗率はＷ膜のそれよりも大きいため、Ｔｉ膜がＴｉＮ膜に変化したとしても、配線全体としての抵抗の上昇率は従来例と比較して顕著ではなくなる。
【００２２】
図４に各高融点金属膜と各高融点金属窒化膜の抵抗率の実測値、および、この値から計算で求めた従来例と本実施形態の構造でのシート抵抗値を示す。ここで、Ｗ膜の抵抗率はＴｉＮ膜上に堆積した場合の抵抗率であり、ＳｉＯ上に堆積した場合よりも大きな値となっている。従来例の構造では、抵抗率の非常に高いＷＮｘが形成されるため、配線のシート抵抗は２０％程度増加するが、本実施形態の構造ではシート抵抗の上昇は５％程度に抑えられることがわかる。なお、この計算では本実施形態でのＴｉＮ形成膜厚は、従来構造でのＷＮｘ化膜厚とほぼ同じ膜厚になると仮定している。
【００２３】
（第二の実施形態）
以下、本発明の第二の実施形態について説明する。
【００２４】
図５に示すように、シリコン基板１１上にゲート酸化膜１２を３ｎｍ形成し、ドープトポリシリコン膜１３を１００ｎｍ堆積する。続いて、自然酸化膜をＨＦで除去後、ＴｉＮ膜１４を１０ｎｍ堆積し、Ｗ膜１５を５０ｎｍ堆積する。ここで、ＴｉＮ膜１４はドープトポリシリコン１３とＷ膜１５とが反応してＷＳｉｘ膜となるのを防止するバリア膜として働く。その後Ｔｉ膜１６を５ｎｍ形成し、引き続いてＴｉＮ膜１７を１０ｎｍ形成する、続いて、減圧気相化学成長法（Ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ法：ＬＰ−ＣＶＤ法）にて、シリコン窒化膜１８を１００ｎｍ堆積することによりポリメタルゲート構造を形成することができる。
【００２５】
ここで、ＬＰ−ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜堆積時のシリコン基板上での反応について詳しく説明する。
【００２６】
処理ステップは大きく以下の４ステップに分けられる。まず、(1)反応炉に隣接して設けられたロードロック室の内部を窒素ガスで置換してロードロック室の内部の酸素濃度を１ｐｐｍ以下に低減した状態で、ロードロック室の内部に高融点金属膜が形成されているシリコン基板を投入する。次に、(2)シリコン基板をロードロック室から７００℃の温度に保たれ且つ減圧されている反応炉内に移送した後、炉内の温度を７６０℃に上昇させる。続いて、(3)反応炉内に６００ｓｃｃｍのＮＨ３ガスを５分間程度流し、その後(4)６０ｓｃｃｍのＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを導入し、全圧４０Ｐａの圧力下で高融点金属膜上にシリコン窒化膜を形成する。
【００２７】
本発明の第二の実施形態は、Ｗ膜１５上にＴｉ膜１６およびＴｉＮ膜１７が堆積されていることを特徴とする。Ｔｉ膜１６およびＴｉＮ膜１７が存在しない従来例では、前記(3)ステップのＮＨ３ガスの導入時において、Ｗ膜１５表面にはＷＮｘ膜が徐々に形成され、シート抵抗は上昇していく。しかしながら、本実施形態の場合では、Ｗ膜１５上にＴｉ膜１６およびＴｉＮ膜１７が存在しているため、本来Ｗ膜１５の窒化に費やされるＮ原子はＴｉ膜１６の窒化に費やされ、図６に示すようにＴｉ膜１６の上層部もしくは全膜がＴｉＮ化し、初期ＴｉＮ膜１７の膜厚が増加し、新たにＴｉＮ膜１７Ａが形成される。それに伴ってＴｉ膜の膜厚は１６Ａの様に減少し、続いてシリコン窒化膜１８が形成されることとなる。ここで、本実施形態においてＴｉ膜１６上にＴｉＮ膜１７を堆積している理由は、ＴｉＮ膜１７をＮ原子の拡散に対するバリア膜とするためである。ＴｉＮ膜１７が存在することにより、ＮＨ3ガスが直接Ｔｉ膜１６と反応するのを避け、また、ＴｉＮ表面に達したＮ原子がＴｉ膜１６に拡散するのを遅らせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明にかかる半導体装置は、高融点金属からなるゲート電極を有し、高性能な半導体装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第一の実施形態における膜構造を示した図
【図２】本発明の第一の実施形態における膜構造を示した図
【図３】各種高融点金属膜および高融点金属窒化膜の抵抗率を示した図
【図４】シリコン窒化膜堆積前後の従来例および本発明におけるシート抵抗値を示した図
【図５】本発明の第二の実施形態における膜構造を示した図
【図６】本発明の第二の実施形態における膜構造を示した図
【図７】従来例における膜構造を示した図
【図８】従来例における膜構造を示した図
【符号の説明】
【００３０】
１、１１、１０１  シリコン基板
２、１２、１０２  ゲート酸化膜
３、１３、１０３  ドープトポリシリコン膜
４、１４、１０４  ＴｉＮ膜
５、１５、１０５、１０５Ａ  Ｗ膜
６、６Ａ、１６、１６Ａ  Ｔｉ膜
７、１７、１７Ａ  ＴｉＮ膜
８、１８、１０７  シリコン窒化膜
１０６  ＷＮｘ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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