(57)【要約】      （修正有）【課題】ダマシン構造の金属配線形成において、バリアメタル膜形成工程を省略し、タングステンのグレインサイズを大きくし、電気抵抗の低いタングステン配線を形成する方法を提供する。【解決手段】半導体基板の上部に絶縁膜及びグルー膜を形成する段階と、上記グルー膜及び絶縁膜の一部を除去してトレンチを形成する段階と、トレンチ側壁に絶縁膜を形成する段階と、トレンチ内部をクリーニングする段階と、ＡＬＤ法により核生成を行う段階と、トレンチ及びグルー膜を含む上記半導体基板の上部にＣＶＤ法によりタングステン膜を形成する段階と、上記絶縁膜が露出されるまで研磨工程を実施してダマシン構造のタングステン配線を形成する段階からなる。【選択図】  図３ｅ
2008091844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上部に絶縁膜及びグルー膜を形成する段階;
上記グルー膜及び絶縁膜の一部を除去してトレンチを形成する段階;
上記トレンチ及びグルー膜を含む上記半導体基板の上部に金属膜を形成する段階;及び
上記絶縁膜が露出されるまで研磨工程を実施し、金属配線を形成する段階を含む半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２】
上記グルー膜は、チタン(Ti)とチタン窒化膜(TiN)が積層して構成された請求項1に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項３】
上記グルー膜は、イン-シチュまたはエクス-シチュで形成する請求項1に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項４】
上記グルー膜のチタン(Ti)は10Å〜200Åの厚さで形成し、上記グルー膜のチタン窒化膜(TiN)は50Å〜200Åの厚さで形成する請求項2に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項５】
上記トレンチを埋め込む前に上記トレンチの側面にスペーサを形成する段階;及び
上記トレンチの内部をクリーニングする段階をさらに含む請求項1に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項６】
上記スペーサ形成工程は、上記トレンチを含む上記半導体基板の上部に絶縁膜を形成する段階;及び
エッチング工程を実施して上記トレンチの側面に上記スペーサを形成する段階を含む請求項5に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項７】
上記絶縁膜は、酸化膜または窒化膜を利用して10Å〜200Åの厚さで形成する請求項6に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項８】
上記スペーサ形成工程時に上記トレンチの上部の縁部が除去される請求項5に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項９】
上記クリーニング工程は、RFプリクリーニングまたはROプリ-クリーニングを用いる請求項5に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１０】
上記スペーサを形成しない場合、上記クリーニング工程を実施して上記トレンチの上部の縁部を除去する請求項5に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１１】
上記金属膜は、タングステンを用いてイン-シチュで形成する請求項1に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１２】
上記タングステン形成工程時に核生成をまず行った後、上記核をシード(seed)として上記タングステンを形成する請求項11に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１３】
上記タングステン核生成方法は、ALD方法またはPNL方法またはLRW方法を用いる請求項12に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１４】
上記LRW方法によるタングステン核生成方法は、第1のB2H6/WF6ガス、SiH4/WF6ガス及び第2のB2H6/WF6ガスを順次噴射して上記核を生成する請求項13に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１５】
上記第1のB2H6/WF6ガスとSiH4/WF6ガスを噴射する時は250℃〜400℃の温度で実施し、上記第2のB2H6/WF6ガスを噴射する時は350℃〜450℃の温度で実施する請求項14に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１６】
上記第1及び第2のB2H6/WF6ガスを噴射する工程は1回ずつだけ実施し、上記SiH4/WF6ガスを噴射する工程は1回〜5回程度実施する請求項14に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１７】
上記第2のB2H6/WF6ガス噴射工程時、非晶質状態のタングステンまたはベータ(β)状態のタングステン核が生成される請求項14に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項１８】
上記核を生成した後、350℃〜450℃の温度でH2ガスを用いて上記タングステンを形成する請求項12に記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の金属配線形成方法に関するものであり、特に、バリアメタル膜の形成工程を省略して配線抵抗を減少させるための半導体素子の金属配線形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
70nmと60nmの素子において一般的なダマシン構造を用いて金属配線を形成する場合、下記のような問題が発生する。
【０００３】
第一に、金属配線ピッチ(pitch)が減少しながら金属配線の抵抗値が急激に増加するが、これを図1のグラフで示している。
【０００４】
図1を参照すれば、素子のデザイン規則が減少するにつれて抵抗値とキャパシタンス値が急激に増加することを示す。
【０００５】
第二に、シングルダマシン構造を適用して金属配線を形成する場合、トレンチの内部にバリアメタル膜が占める領域により金属配線の抵抗が増加する問題が発生する。これによりバリアメタル膜の膜厚を減少させて金属配線の抵抗を確保しようとしたが、図2に示された通りバリアメタル膜の膜厚の減少が60nm以下で極限に到達した。
【０００６】
第三に、比抵抗が高いタングステン核生成ターゲットを最小化して金属配線の抵抗特性を改善しようとしたが、図2に示された通りタングステン核生成の減少が60nm以下で極限に到達した。
【０００７】
第四に、グレインサイズが大きいほどタングステンの比抵抗が減少するが、トレンチのしきい値数(CriticalDimension; CD)がタングステンのグレインサイズを決定するため、素子が縮小化するにつれてトレンチのしきい値数(Critical Dimension;CD)の減少によりグレインサイズが減少せざるを得ない。
【０００８】
第五に、絶縁膜の上部にタングステンを蒸着する場合、接着(adhesion)の問題により絶縁膜とタングステン間にふくれ上がる現象(lifting)が発生し、絶縁膜とタングステンとの間にチタン(Ti)とチタン窒化膜(TiN)をグルー層(gluelayer)として用いた。しかし、チタン窒化膜(TiN)の上部でタングステン核の生成時に十分に生成されないことによりグレインの成長は速いが、グレインサイズが減少して比抵抗が増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した問題を解決するために案出された本発明の目的は、バリアメタル膜形成工程を省略し、配線抵抗を減少させるための半導体素子の金属配線形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施例による半導体素子の金属配線形成方法は、半導体基板の上部に絶縁膜及びグルー膜を形成する段階と、上記グルー膜及び絶縁膜の一部を除去してトレンチを形成する段階と、上記トレンチ及びグルー膜を含む上記半導体基板の上部に金属膜を形成する段階と、上記絶縁膜が露出されるまで研磨工程を実施して金属配線を形成する段階を含む半導体素子の金属配線形成方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
上述した通り、本発明の効果は、次の通りである。
【００１２】
第一に、トレンチ内にバリアメタル膜を形成せずにタングステンを埋め込むことにより、タングステンの体積を極大化させて金属配線抵抗を減少させることができる。
【００１３】
第二に、トレンチの内部でタングステン核の生成時にバリアメタル膜であるチタン窒化膜(TiN)の上部でタングステン核を生成するのでなく、第1絶縁膜の上部で生成することにより、タングステンのグレインサイズが増加するようになり、これにより比抵抗が減少する効果を得ることができる。
【００１４】
第三に、エッチングされた第1絶縁膜の上部にのみグルー膜が形成されることにより、タングステン形成工程時にグルー膜が第1絶縁膜とタングステンとの間にふくれ上がる現象を防止する役割をする。
【００１５】
第四に、トレンチ内でB2H6/WF6ガスとSiH4/WF6ガスを用いてタングステン核を生成することにより、タングステン形成工程時にトレンチ内で第1絶縁膜とタングステンとの間の接着力を増加させ、比抵抗を改善することができる。
第五に、金属配線の物質であるタングステンを60nm、50nmまたは45nmでも電気的特性抵抗なしに使用可能である。
【００１６】
第六に、タングステンを用いて上記のように改善された金属配線を形成することにより、費用節減の効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明すれば、次の通りである。
【００１８】
図3a〜図3eは、本発明の一実施例による半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【００１９】
図3aを参照すれば、セルゲート、ソース及びドレイン選択トランジスタゲート、そして、ソース及びドレインなどの構造が形成された半導体基板(100)の上部に層間絶縁膜(102)、第1絶縁膜(104)及びグルー膜(106)を順次形成する。この時、第1絶縁膜(104)は酸化膜で形成し、グルー膜(106)はチタン(Ti)とチタン窒化膜(TiN)が積層して構成される。グルー膜(106)は、イン-シチュ(in-situ)またはエクス-シチュ(ex-situ)で形成し、グルー膜(106)のチタン(Ti)は10Å〜200Åの厚さで形成し、グルー膜(106)のチタン窒化膜(TiN)は50Å〜200Åの厚さで形成する。グルー膜(106)は、後続工程であるタングステン形成工程時に第1絶縁膜(104)とタングステンとの間がふくれ上がる現象を防止するために形成する。
【００２０】
その後、グルー膜(106)の上部にマスクパターン(108)を形成する。この時、マスクパターン(108)はシリコン酸化窒化膜(SiON)、アモルファスカーボン層(a-Carbon)、下部反射防止膜(BottomAnti Reflective Coating; BARC)及びフォトレジスト膜が順次積層された構造で形成する。マスクパターン(108)の形成工程時にグルー膜(106)はエッチング停止膜として作用し、後続のトレンチエッチング工程時にハードマスク膜として使われる。
【００２１】
図3bを参照すれば、マスクパターン(108)をマスクにしてグルー膜(106)及び第1絶縁膜(104)を順次エッチングしてシングルダマシンパターンであるトレンチ(110)を形成した後、マスクパターン(108)を除去する。
【００２２】
図3cを参照すれば、トレンチ(110)を含む全体構造の上部に第2絶縁膜を形成する。この時、第2絶縁膜は酸化膜または窒化膜を用いて10Å〜200Åの厚さで形成する。第2絶縁膜エッチング工程を実施してトレンチ(110)の側面にスペーサ(112)を形成する。この時、スペーサ(112)形成工程時にトレンチ(110)の上部縁部が除去され、後続工程であるタングステン形成工程とクリーニング(cleaning)工程によりトレンチ(110)の入口部分でオーバーハング(over-hang)が発生することを抑制する。トレンチ(110)の側面にスペーサ(112)を形成することは、トレンチ(110)間のスペース(space)の幅を確保するためである。もし、スペーサ(112)形成工程を省略する場合、後続工程であるタングステン形成工程の前にRF(RadioFrequency)エッチングクリーニングを実施してトレンチ(110)上部の縁部を除去する。
【００２３】
その後、トレンチ(110)の内部をクリーニングする。この時、クリーニング工程はRFプリクリーニング(pre-cleaning)またはRO(ReactiveIon)プリ-クリーニングを用いる。
【００２４】
図3dを参照すれば、トレンチ(110)が埋め込まれるように全体構造の上部に金属膜(114)を形成する。この時、金属膜(114)はタングステンを用いてイン-シチュで形成する。タングステン形成工程時、核生成をまず行った後に核をシード(seed)としてタングステンを形成する。この時、タングステン核の生成方法は単原子蒸着(AtomicLayer Deposition; ALD)方法またはPNL(Pulsed Nucleation Layer)方法またはLRW(Low Rs W)方法を用いて実施する。LRWを用いたタングステン核生成方法を詳細に説明すれば、次の通りである。
【００２５】
ウエハ上に第1のB2H6/WF6ガス、SiH4/WF6ガス及び第2のB2H6/WF6ガスを順次噴射して核を生成するが、第1のB2H6/WF6ガスとSiH4/WF6ガスを噴射する時は250℃〜400℃の温度で実施し、第2のB2H6/WF6ガスを噴射する時は350℃〜450℃の温度で実施する。ここで、第1及び第2のB2H6/WF6ガスを噴射する工程は1回ずつだけ実施するが、SiH4/WF6ガスを噴射する工程は1回〜5回程度実施してタングステン核生成ターゲットを調節する。第2のB2H6/WF6ガス噴射工程時に非晶質状態のタングステンまたはベータ(β)状態のタングステン核が生成されるが、これをシードとしてタングステン形成工程時にグレインサイズが増加する。
【００２６】
タングステン核を生成した後、H2ガスを用いてタングステンを形成する。この時、タングステンは350℃〜450℃の温度で形成する。
【００２７】
図3eを参照すれば、第1絶縁膜(104)の上部が露出されるまで研磨工程を実施して金属配線(116)を形成する。この時、研磨工程時にグルー膜(106)も除去される。
【００２８】
上記のように、トレンチ(110)内にバリアメタル膜を形成せずにタングステンを埋め込むことにより、タングステンの体積を極大化させて金属配線の抵抗を減少させることができる。また、トレンチ(110)の内部でタングステン核の生成時にバリアメタル膜であるチタン窒化膜(TiN)の上部でタングステン核を生成するのでなく、第1絶縁膜(104)の上部で生成することにより、タングステンのグレインサイズが増加するようになり、これにより比抵抗が減少する効果が得られる。
【００２９】
その上、エッチングされた第1絶縁膜(104)の上部にのみグルー膜(106)が形成されることにより、タングステン形成工程時にグルー膜(106)が第1絶縁膜(104)とタングステンとの間にふくれ上がる現象を防止する役割をし、トレンチ(110)内でB2H6/WF6ガスとSiH4/WF6ガスを用いてタングステン核を生成することにより、タングステン形成工程時にトレンチ(110)内で第1絶縁膜(104)とタングステンとの間の接着力を増加させ、比抵抗を改善することができる。
【００３０】
図4は、本発明に適用されるLRW(Low Rs W)方法を説明するために示した順序図である。
【００３１】
図4を参照すれば、LRW方法はB2H6ソースガス(10)を供給してウエハの表面に一層のソースを化学的に吸着させ、余分な物理的に吸着したソースをパージガスを流してパージさせた(11)後、一層のソースにWF6反応ガスを供給(12)し、一層のソースと反応ガスを化学反応させて所望のタングステン核を生成し、余分な反応ガスはパージガスを流してパージさせる(13)過程を第1サイクル(A)とし、第1サイクル(A)は1回のみ進行する。
【００３２】
第1サイクル(A)を進行した後、連続してSiH4ソースガス(14)を供給し、ウエハの表面に一層のソースを化学的に吸着させて余分な物理的に吸着したソースをパージガスを流してパージさせた(15)後、一層のソースにWF6反応ガスを供給(16)し、一層のソースと反応ガスを化学反応させて所望のタングステン核を生成し、余分な反応ガスはパージガスを流してパージさせる(17)過程を第2サイクル(B)とし、第2サイクル(B)は1回〜5回程度実施してタングステン核生成ターゲットを調節する。
【００３３】
第2サイクル(B)を進行した後、連続してB2H6ソースガス(18)を供給してウエハの表面に一層のソースを化学的に吸着させ、余分な物理的に吸着したソースをパージガスを流してパージさせた(19)後、一層のソースにWF6反応ガスを供給(20)し、一層のソースと反応ガスを化学反応させて所望のタングステン核を生成し、余分な反応ガスはパージガスを流してパージさせる(21)過程を第3サイクル(C)とし、第3サイクル(C)は1回のみ進行する。
【００３４】
図5は本発明を適用した時の抵抗値とキャパシタンス値を示したグラフである。
【００３５】
図5を参照すれば、金属配線のピッチが縮小化されるにつれて、即ち、素子が60nm以下に縮小化されるにつれて抵抗値とキャパシタンス値が減少するか、または一定の値を維持していることが分かる。
【００３６】
本発明の技術思想は、上記望ましい実施例により具体的に記述されたが、上記の実施例はその説明のためのものであり、その制限のためのものでないことを周知しなければならない。また、本発明の技術分野において通常の専門家であれば、本発明の技術思想の範囲内で多様な実施例が可能であることを理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】素子のデザイン規則が減少するにつれて増加する抵抗値とキャパシタンス値を示したグラフである。
【図２】バリアメタル膜とタングステン核ターゲットの厚さが減少するにより減少する抵抗値とキャパシタンス値を示したグラフである。
【図３ａ】本発明の一実施例による半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図３ｂ】本発明の一実施例による半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図３ｃ】本発明の一実施例による半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図３ｄ】本発明の一実施例による半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図３ｅ】本発明の一実施例による半導体素子の金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図４】本発明に適用されるLRW(Low Rs W)方法を説明するために示した順序図である。
【図５】本発明を適用した時の抵抗値とキャパシタンス値を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
100 :半導体基板
102 :層間絶縁膜
104 :第1絶縁膜
106 :グルー膜
108 :マスクパターン
110 :トレンチ
112 :スペーサ
114 :金属膜
116 :金属配線
【図１】
2008091844.tif 000003
【図２】
2008091844.tif 000004
【図３ａ】
2008091844.tif 000005
【図３ｂ】
2008091844.tif 000006
【図３ｃ】
2008091844.tif 000007
【図３ｄ】
2008091844.tif 000008
【図３ｅ】
2008091844.tif 000009
【図４】
2008091844.tif 000010
【図５】
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