(57)【要約】【課題】  タングステン層のドライエッチングによるパターニング後に、タングステンの溶出・硬化によって配線層間が短絡する事故を防止する。【解決手段】  タングステン層を、酸素を含む混合ガスのプラズマを用いてドライエッチングし、その後処理として、水素を含み酸素を含まないガスを用いて、プラズマ処理する。プラズマ処理によって、酸化窒素が除かれ、その後に硝酸となってタングステン層を溶出・硬化させることが防止される。【選択図】  図１
2006332512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にタングステン膜を堆積する工程と、
酸素及び窒素を含むエッチングガスを用いて、前記タングステン膜を選択的にエッチングする工程と、
水素を含み酸素を含まないガスのプラズマを用いて、前記エッチングされたタングステン膜をプラズマ処理する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記水素を含み酸素を含まないガスがＨ2単独ガスである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記水素を含み酸素を含まないガスが、Ｈ2ガスとＮ2及びＡｒの少なくとも一方を含むガスとの混合ガスである、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記エッチング工程と前記プラズマ処理工程とを別のチャンバで行う、請求項１〜３の何れか一に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、半導体装置の製造方法に関し、更に詳しくは、タングステン膜をドライエッチングした後の後処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の配線層として、タングステン（Ｗ）膜とポリシリコン膜との積層膜などの形でタングステン膜が広く利用されている。タングステン膜を含む配線層は、一般に塩素系ガス雰囲気下で選択的ドライエッチングによってパターニングされ、所望の配線パターンに形成される。従来は、ドライエッチングによるパターニングの後は、有機系の薬液を用いて洗浄し、半導体ウエハ上に残留するハロゲンガスを除去する後処理が行われていた。
【０００３】
特許文献１は、塩素系ガスのプラズマを用いたドライエッチングの後に行う後処理工程として、半導体基板をプラズマ処理室に搬送し、酸素（Ｏ2）及び窒素（Ｎ2）の混合ガスを用いて、プラズマ処理する技術を記載している。該特許文献１に記載の技術は、この混合ガスのプラズマ処理によって、半導体ウエハ上に残留する塩素を除去することで、システム内に滞留する塩素によって搬出入用チャンバの壁が腐食して汚染源となるパーティクルを発生させることを防止している。
【特許文献１】特開２００４−３１９５４０号公報（段落００３５，００３９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、タングステン膜などの高融点金属の配線膜に要求される寸法精度が益々高くなっている。このため、高融点金属層のパターニングに際しては、従来の塩素系ガスにＣＦ４、Ｏ２、及び、Ｎ２を加えた混合ガスが、プラズマエッチングに使用されるようになってきた。
【０００５】
高融点金属の内でも、特にタングステン膜を、前記混合ガスを使用するプラズマエッチングでパターニングすると、その後にタングステン膜が溶出・硬化する問題が頻発するようになってきた。溶出・硬化したタングステン膜は、薬液洗浄を用いた後処理によっても容易に除去できず、前記特許文献に記載の後処理によっても除去できないものであった。溶出・硬化したタングステンは、タングステン配線間に短絡故障を発生させる原因になる。このような短絡故障の発生は、タングステン膜のエッチング後から薬液洗浄開始までの時間が、例えば６時間以上になると特に顕著になる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑み、混合ガスを利用したプラズマエッチングによって、タングステン層を選択的にエッチングする際に溶出・硬化したタングステンを除去することによって、信頼性が高い配線を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にタングステン膜を堆積する工程と、酸素及び窒素を含むエッチングガスを用いて、前記タングステン膜を選択的にエッチングする工程と、水素を含み酸素を含まないガスのプラズマを用いて、前記エッチングされたタングステン膜をプラズマ処理する工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法によると、酸素及び窒素を含むエッチングガスを用いてパターニングされた半導体ウエハの表面に付着する酸化窒素が、プラズマ処理工程で水素ガスによって除去されるので、その後に半導体ウエハを大気中に放置しても硝酸が生成されることはなく、タングステンが溶出・固化することがないので、エッチングされたタングステン層配線間における短絡の発生が防止できる。
【０００９】
前記水素を含み酸素を含まないガスとしては、Ｈ2単独ガス、Ｈ2ガスとＮ2及びＡｒの少なくとも一方を含むガスとの混合ガスなどが使用できる。
【００１０】
前記エッチング工程と前記プラズマ処理工程とを別のチャンバで行うことも同一のチャンバ内で行うこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を説明する前に、従来の方法で発生する問題の原因について説明する。従来の方法における問題は、図６に示すようなメカニズムによって発生することが突き止められた。同図は、従来の製造方法における半導体ウエハの各工程段階をその断面図で示すもので、符号３１は半導体基板上に形成された絶縁層（下地層）、符号３２はタングステン膜、符号３３はホトレジストマスクを示す。近年のタングステン膜３２のエッチングでは、エッチングガスにＯ２とＮ２とが含まれるため、エッチング後のウエハ表面、例えばホトレジストマスク３３の露出した表面には、窒素酸化物（ＮＯ2）が残留する（同図（ａ））。このウエハ３０を大気中に取り出すと、残留した窒素酸化物が水分（Ｈ2Ｏ）と反応し、硝酸（ＨＮＯ3）を生成する（同図（ｂ））。硝酸はタングステンを溶解するため、ウエハ３０を大気中に放置すると、パターニング後のタングステンが硝酸中に溶出し、その溶出物３４がパターニングされた隣接配線間にまたがって成長する（同図（ｃ））。さらにウエハを長時間にわたって放置すると、成長した溶出物３４から、窒素や水分が脱離して固形タングステン（Ｗ）に変化する（同図（ｄ））。従来の薬液洗浄によっては、この固形タングステン３４は除去できず、配線間にまたがったタングステン３４が配線間ショートを多発させていたものである。
【００１２】
前記窒素酸化物は、特許文献１に記載のＮ２とＯ２の混合ガスのプラズマによる後処理を行った場合にも除去されず、上記問題は解決されない。また、この混合ガスにＨ２を添加しても、混合ガス中にＯ２が存在する限り、後処理の雰囲気中に水分（Ｈ２Ｏ）を発生させる。したがって、図６（ｂ）及び（ｃ）に示したタングステンの溶出を後処理工程中に生じさせることになり、問題の解決にはならない。従って、本発明は、窒素を含むガスを使用したプラズマエッチングによってパターニングされたタングステン膜３２を、水素を含み酸素を含まないガスを用いたプラズマ処理によって後処理する工程を採用することによって、上記問題を解決するものである。以下、本発明の実施形態について、更に図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。本製造方法は、半導体基板上に拡散層や電極を形成することでトランジスタの拡散層などの回路構造を作成する工程（ステップＳ１）と、その上に下地層としての層間絶縁膜を形成する工程（ステップＳ２）と、その層間絶縁膜上にタングステン膜を堆積する工程（ステップＳ３）と、酸素及び窒素を含むエッチングガスを用いて、タングステン膜を選択的にドライエッチングする工程（ステップＳ４）と、水素ガス又は水素ガスと酸素以外のガスとの混合ガスのプラズマを用いて、エッチングされたタングステン膜をプラズマ処理する工程（ステップＳ５）と、プラズマ処理されたタングステン膜上に更に層間絶縁膜及びタングステン層などの上層配線層を形成する工程（ステップＳ６）とを有する。
【００１４】
上記実施形態では、ステップＳ４のドライエッチング工程に後続し、ドライエッチングされたウエハを大気中に取り出す前に、ステップＳ５により、水素ガスを含み酸素を含まないガスのプラズマによるプラズマ処理を行う構成を採用する。これにより、ステップＳ４でウエハ上に付着した窒素酸化物が、ステップＳ５で水素ガスによって還元処理されて除去される。従って、その後にウエハが大気中に取り出され、ウエハ表面が大気中の水分と接触しても、表面に硝酸が生成されない。このため、ウエハを大気中に放置した際にもタングステンの溶出・固化が生じることはない。これによって、タングステン配線間での短絡故障が防止でき、信頼性が高い配線層を有する半導体装置が得られる。
【００１５】
図２は、本発明の製造方法を実施するためのプラズマ処理装置の構成を例示している。プラズマ処理装置１０は、上部にアンテナ１６を有する減圧処理用チャンバ１１と、アンテナ１６に高周波電源を印加する高周波電源１２と、チャンバ１１内に配置され試料１７を載置する試料台１３と、試料台１３を介して試料１７にバイアス電源を印加するバイアス電源１４と、チャンバ１１内にガスを導入する配管系１５とを有する。試料台１３上に載置されたウエハ１７には、配管系１５からエッチング用のガス又は後処理用のガスの何れかのガスが供給される。チャンバ１１内に供給されたガスは、アンテナ１６から印加された高周波電源１２によってプラズマ１８となってウエハ１７上に照射される。配管系１５からは、エッチング時にはＣＦ４、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２の混合ガスが導入され、また、後処理用のプラズマ処理では、Ｈ2単体ガス、Ｈ2とＮ2の混合ガス、又は、Ｈ2とＡｒの混合ガスなどが供給される。本プラマ処理装置１０では、ドライエッチングのプラズマ処理と後処理用のプラズマ処理とを、同じチャンバ１１内で行う。
【００１６】
図３は、本発明の製造方法を実施する別の装置であって、ドライエッチングのプラズマ処理と後処理のプラズマ処理とを別のチャンバで行う半導体製造システムを例示している。本システム２０は、タングステン膜や絶縁層などをドライエッチングするエッチング処理室２１と、後処理用のプラズマ処理室２２と、双方の処理室２１、２２の間でウエハを搬送する搬送装置２３を収容し、双方の処理室２１、２２に扉を介して隣接する搬送室２４と、搬送室２４に扉を介して隣接するロードロック室２５と、各室を減圧する図示しない減圧装置とを有する。搬送室２４は、常時は減圧状態に維持されており、各室の圧力調整後に扉を開くことで、エッチング処理室２１、後処理用プラズマ処理室２２、及び、ロードロック室２５とそれぞれ連通する。
【００１７】
本半導体製造システム２０では、ウエハは、まず、大気圧に開放されたロードロック室２５に搬入される。次いで、ロードロック室２５は、減圧装置を用いて、搬送室２４と同じレベルの圧力にまで減圧排気される。ロードロック室２５と搬送室２４とが同じ圧力になると、扉が開けられ、搬送装置２３によって、ウエハがロードロック室２５から搬送室２４に搬入される。ウエハは、更に、搬送装置２３によって、搬送室２４を経由して、減圧されたエッチング処理室２１に搬入される。エッチング処理室２１では、ＣＦ４、Ｏ２、Ｎ２、及び、Ｃｌ２の混合ガスによって、タングステン膜の選択的エッチングが行われる。
【００１８】
ウエハは、タングステン膜のエッチング後に、更に搬送室２４を介して、減圧された後処理用のプラズマ処理室２２内に搬入される。後処理用のプラズマ処理室２２では、Ｈ2ガス又はＨ２とＮ２の混合ガスなどを用いて、プラズマ処理が行われる。このプラズマ処理後に、ウエハは、搬送室２４を経由して、再び減圧されたロードロック室２５に搬送される。ロードロック室２５では、大気圧になるまで窒素が導入された後に、ウエハがシステム２０外に搬出され、その後の工程が始まるまで保管される。本システム２０では、減圧状態を維持したまま、前述のエッチング処理と後処理用のプラズマ処理とが行われるため、更に効果的にタングステン膜の溶出・硬化が防止できる。
〔実施例１〕
本発明の効果を確認するために、図４に示すような試料３０を作成し、これをパターニングした後に、本発明に従うプラズマ処理を行った。また、これと比較するための比較例の試料を同様な形状に作成した。各試料は、同図に示すように、下地層を成す絶縁膜３１上にタングステン膜３２を堆積し、その上にホトレジストマスク３３を形成し、これをマスクとしてパターニングを行うことで、タングステン配線層とした。
【００１９】
図５は、本発明に従う処理を行った試料について、工程段階毎の断面の様子を模式的に示している。パターニング直後のウエハには、従来の方法で得られたウエハと同様に、窒素酸化物ＮＯ2がホトレジストマスク３３などの露出した表面に付着している（図５（ａ））。パターニング後の試料３０は、大気中に取り出す前に水素ガス及びアルゴンの混合ガスによるプラズマ処理を行った。プラズマ処理により、試料表面に付着した窒素酸化物が、水素によって還元され除去された（図５（ｂ））。その後は、ウエハ３０が大気中に放置された際に、ウエハ表面と大気中の水分とが接触しても、既に窒素酸化物が除去されているため硝酸は生成されない（図５（ｃ））。このため、ウエハ表面に露出しているタングステン膜３２が、硝酸によって溶解することはなく、溶出・硬化したタングステンによる配線間の短絡が生じ難い、信頼性が高い配線が得られた。
【００２０】
各試料のエッチング処理と後処理は、図２に示したプラズマ処理装置１０を用いて行った。各試料におけるタングステン膜３２のエッチングでは、処理ガスとしてＣＦ４、Ｏ２、Ｎ２、及び、Ｃｌ２の混合ガスを用いた。ここで本発明方法の実施例である試料Ａについては、エッチング後に、試料を試料台上に保持したまま、処理ガスをＨ２とＡｒの混合ガスに切り替えて、後処理用のプラズマ処理を行った。また、比較例１の試料Ｂについては、後処理用のガスにＯ２とＮ２の混合ガスを用いた。また、比較例２の試料Ｃについては、エッチング後に後処理を行わなかった。Ａ、Ｂ、Ｃの３つの試料を大気中に６時間放置した後に、有機系の薬液で洗浄した。製品完成後に、各試料Ａ、Ｂ、Ｃについて、タングステン配線間のショートの有無を調べた。タングステン配線間のショートの発生率は、試料Ａが僅かに２％であり、試料Ｂが６０％、試料Ｃが５０％と高率であった。以上のことから、タングステン配線層のエッチング後に、Ｈ２ガスを含みＯ2ガスを含まないガスを用いたプラズマ処理をすることで、タングステン配線間のショートが大幅に低減することがわかった。なお、本実施例では、後処理用のプラズマのガスとして、Ｈ２とＡｒの混合ガスを用いたが、Ｏ２を含まずＨ２を含むガスなら、例えばＨ２単独ガスや、Ｈ２とＮ２の混合ガスでも同様の効果が得られる。
【００２１】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の半導体装置の製造方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の半導体装置の製造方法は、タングステン配線層又はタングステン層を含む配線層を有する半導体装置の製造に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート。
【図２】本発明方法を実施するプラズマ処理装置の構成を示す模式的断面図。
【図３】本発明方法を実施する半導体製造装置を示す模式的平面図。
【図４】本発明方法を実施する対象となる半導体ウエハ試料の断面図。
【図５】図４の半導体ウエハにおける各処理段階における様子を示す断面図。
【図６】従来の半導体ウエハにおけるタングステンの溶出・硬化の様子を示す工程段階毎の断面図。
【符号の説明】
【００２４】
１０：プラズマ処理装置
１１：減圧処理チャンバ
１２：高周波電源
１３：試料台
１４：バイアス電源
１５：配管系
１６：アンテナ
１７：半導体ウエハ
１８：プラズマ
２０：半導体製造装置
２１：エッチング処理室
２２：後処理用のプラズマ処理室
２３：搬送装置
２４：搬送室
２５：ロードロック室
３０：半導体ウエハ試料
３１：下地層（絶縁層）
３２：タングステン膜
３３：ホトレジストマスク
【図１】
2006332512.tif 000003
【図２】
2006332512.tif 000004
【図３】
2006332512.tif 000005
【図４】
2006332512.tif 000006
【図５】
2006332512.tif 000007
【図６】
2006332512.tif 000008