(57)【要約】  【課題】  微細ホールにおいても欠陥のないタングステンプラグを形成できるようにする。  【解決手段】  絶縁膜１２にコンタクトホール１２ａを形成した後、第１のタングステン膜１５をコンタクトホール１２ａの壁面及び底面のそれぞれの上に形成する。その後、第１のタングステン膜１５をシード層として第２のタングステン膜１６を形成し、コンタクトホール１２ａを埋め込む。第１のタングステン膜１５を形成する際に、第１のタングステン膜１５におけるコンタクトホール１２ａの底面上に形成されている部分の結晶粒の粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に設けられたホールにタングステンプラグを埋め込む方法であって、
前記タングステンプラグとなる第１のタングステン膜を前記ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に形成する工程と、
前記第１のタングステン膜をシード層として、前記タングステンプラグとなる第２のタングステン膜を形成し、前記ホールを埋め込む工程とを備え、
前記第１のタングステン膜を形成する工程において、前記第１のタングステン膜における前記ホールの底面上に形成されている部分の結晶粒の粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のタングステン膜を形成する工程よりも前に、
前記ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に密着層を形成する工程と、
前記密着層に対して熱処理を行なって前記密着層の表面を清浄化する工程とをさらに備え、
前記第１のタングステン膜は、清浄化された前記密着層の表面上に形成されることを特徴する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理を行なう工程と前記第１のタングステン膜を形成する工程とは同一反応室内において大気開放することなく連続的に行なわれることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理を行なう工程は、前記反応室内に熱処理ガスを導入して所定の期間にわたって前記反応室内を昇温した後、前記反応室から前記熱処理ガスを排気する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理ガスは、アルゴンガスと水素ガスとからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１のタングステン膜を形成する工程は、フッ化タングステンガスと水素化シリコンガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記水素化シリコンガスの流量に対する前記フッ化タングステンガスの流量の比は８．４以上に設定されることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２のタングステン膜を形成する工程は、フッ化タングステンガスと水素ガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記水素ガスの流量に対する前記フッ化タングステンガスの流量の比は０．２４以上に設定されることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記密着層は、チタン膜と窒化チタン膜とが順次積層された積層膜であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ホールの開口径は０．１８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
絶縁膜に設けられたホールに埋め込まれたタングステンプラグを備えた半導体装置であって、
前記タングステンプラグにおける前記ホールの底面上に形成されている部分は柱状構造を有し、且つ該柱状構造の底部の直径の平均値は３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
前記絶縁膜と前記タングステンプラグとの間に密着層が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載に半導体装置。
【請求項１４】
前記密着層は、チタン膜と窒化チタン膜とが順次積層された積層膜であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記ホールの開口径は０．１８μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体素子や配線の上にタングステンプラグが設けられた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、絶縁膜によって覆われた半導体素子や下層配線に電流や信号を供給するための電極として、絶縁膜を貫通して設けられたタングステンプラグが用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図９は、従来のタングステンプラグを有する半導体装置の断面構造を示している。図９に示すように、半導体素子等を含む半導体集積回路（図示せず）が上面に設けられ且つシリコンからなる半導体基板１０１の上に、酸化シリコンからなる絶縁膜１０２が形成されている。絶縁膜１０２には、半導体素子に達するようにコンタクトホール１０２ａが設けられており、コンタクトホール１０２ａの壁面には、チタン膜１０３、窒化チタン膜１０４及び第１のタングステン膜１０５が順次積層されており、第１のタングステン膜１０５の上には、コンタクトホール１０２ａの内部を充填するように、第２のタングステン膜１０６が設けられている。
【０００４】
従来の半導体装置において、第１のタングステン膜１０５は、プラグ本体部となる第２のタングステン膜１０６をコンタクトホール１０２ａ内に結晶成長する際のシード層としての機能を有する。また、チタン膜１０３及び窒化チタン膜１０４は、第１のタングステン膜１０５と絶縁膜１０２との密着性を向上するための密着層としての機能を有する。
【０００５】
従来の半導体装置の製造方法においては、まず、半導体基板１０１の上に絶縁膜１０２を形成した後、該絶縁膜１０２にコンタクトホール１０２ａを形成し、その後、絶縁膜１０２の上に全面にわたってチタン膜１０３及び窒化チタン膜１０４を順次堆積する。これにより、コンタクトホール１０２ａの壁面及び底面（つまりコンタクトホール１０２ａの下側に露出した半導体基板１０１の上面）がチタン膜１０３及び窒化チタン膜１０４によって覆われる。
【０００６】
次に、フッ化タングステンの水素化シリコン還元反応を用いたＣＶＤ（chemical vapor deposition ）法により、窒化チタン膜１０４の上に、コンタクトホール１０２ａが途中まで埋まるように第１のタングステン膜１０５を形成する。続いて、フッ化タングステンの水素還元反応を用いたＣＶＤ法により、第１のタングステン膜１０５の上に、コンタクトホール１０２ａの内部が完全に埋まるように第２のタングステン膜１０６を形成する。
【０００７】
その後、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing ）法により、コンタクトホール１０２ａの外側の第２のタングステン膜１０６、第１のタングステン膜１０５、窒化チタン膜１０４及びチタン膜１０３、言い換えると、絶縁膜１０２の上側に堆積された第２のタングステン膜１０６、第１のタングステン膜１０５、窒化チタン膜１０４及びチタン膜１０３を順次研磨除去する。これにより、コンタクトホール１０２ａの内部に、第１のタングステン膜１０５及び第２のタングステン膜１０６からなるプラグが形成される。
【特許文献１】特開２００１−６０５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法においては、図１０に示すように、コンタクトホール１０２ａにおけるタングステン膜の埋め込み不良が生じてシーム（空隙）１０７が形成され、その結果、該欠陥に起因して半導体装置の信頼性が低下してしまうという問題が生じる。また、この問題は、コンタクトホールの微細化又は高アスペクト比化に伴って顕著になる。
【０００９】
前記に鑑み、本発明は、微細ホールにおいても欠陥のないタングステンプラグを形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本願発明者らが、前述のタングステンプラグにおけるシーム発生原因について検討した結果、次のような知見が得られた。
【００１１】
第１に、コンタクトホール１０２ａのアスペクト比（コンタクトホール１０２ａの開口径に対する深さの比）が大きくなるに従って、第１のタングステン膜１０５の被覆性（カバレッジ）が低下するので、コンタクトホール１０２ａの下部における第１のタングステン膜１０５の堆積よりも、コンタクトホール１０２ａの開口部における第１のタングステン膜１０５（つまり絶縁膜１０２の上面における第１のタングステン膜１０５の堆積）が促進される。このため、図１１に示すように、第１のタングステン膜１０５は、コンタクトホール１０２ａの開口部において、その周縁から中心に向けてオーバーハングするように形成されてしまう。その結果、該第１のタングステン膜１０５をシード層として第２のタングステン膜１０６を堆積すると、コンタクトホール１０２ａの内部に第２のタングステン膜１０６が充填されるよりも前に、コンタクトホール１０２ａの開口部が第２のタングステン膜１０６によって塞がれてしまう。
【００１２】
第２に、第１のタングステン膜１０５は、前述のＣＶＤ法により微小な結晶粒（グレイン）からなる多結晶体として形成されるが、このとき、コンタクトホール１０２ａが微細化されると、特に、コンタクトホール１０２ａの直径が０．１８μｍ以下になると、コンタクトホール１０２ａの底面上に形成される第１のタングステン膜１０５のグレインの粒径（グレインサイズ）が著しく増大する。その結果、該第１のタングステン膜１０５をシード層として堆積される第２のタングステン膜１０６におけるコンタクトホール１０２ａの底面上に形成される部分では柱状構造が成長しにくくなり、コンタクトホール１０２ａの内部を第２のタングステン膜１０６によって十分に埋め込むことが困難になる。
【００１３】
以上のように、半導体装置の微細化、つまりコンタクトホール１０２ａの高アスペクト比化に伴って、第１のタングステン膜１０５のカバレッジの低下と、ホール底面上での第１のタングステン膜１０５のグレインサイズの増大とが顕著になり、その結果、第２のタングステン膜１０６をモホロジ良く形成することが困難となる。このため、第１のタングステン膜１０５及び第２のタングステン膜１０６からなるプラグの内部においてシーム１０７の増大等の不良が生じて、半導体装置の信頼性が劣化してしまう。
【００１４】
本願発明者らは、以上の知見に基づいて、シード層となる第１のタングステン膜と、プラグ本体部となる第２のタングステン膜とを備えた半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜におけるプラグ形成用ホールの底面上に形成されている部分の結晶粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制するという発明を想到した。
【００１５】
具体的には、本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶縁膜に設けられたホールにタングステンプラグを埋め込む方法を前提とし、タングステンプラグとなる第１のタングステン膜をホールの壁面及び底面の上に形成する工程と、第１のタングステン膜をシード層として、タングステンプラグとなる第２のタングステン膜を形成し、ホールを埋め込む工程とを備え、第１のタングステン膜を形成する工程において、第１のタングステン膜におけるホールの底面上に形成されている部分の結晶粒の粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制する。
【００１６】
本発明の半導体装置の製造方法によると、シード層となる第１のタングステン膜を形成する際に、ホール底面上の第１のタングステン膜の結晶粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制するため、ホールのアスペクト比が大きい場合であっても、該第１のタングステン膜をシード層として、ホールの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜を形成することができる。このため、ホールに埋め込まれた第１のタングステン膜及び第２のタングステン膜よりなるプラグにおいて、シーム等の欠陥を低減できるため、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜を形成する工程よりも前に、ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に密着層を形成する工程と、密着層に対して熱処理を行なって密着層の表面を清浄化する工程とをさらに備え、第１のタングステン膜は、清浄化された密着層の表面上に形成されることが好ましい。
【００１８】
このようにすると、ホール底面上の密着層の表面に生じた、好ましくない変質部分又は汚染を除去することができるので、該密着層を第１のタングステン膜を形成するための下地層として適切に改質できる。これにより、ホール底面上の密着層の上においても、第１のタングステン膜を、その結晶粒径の平均値が確実に３０ｎｍ以下となるように形成できる。このため、ホールのアスペクト比が大きい場合であっても、ホールの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜を確実に形成できるので、低欠陥のタングステンプラグを確実に形成することができる。
【００１９】
前述の熱処理（密着層清浄化）を行なう場合、熱処理を行なう工程と第１のタングステン膜を形成する工程とは同一反応室内において大気開放することなく連続的に行なわれることが好ましい。
【００２０】
このようにすると、密着層の表面を清浄化した後、第１のタングステン膜を形成するまでの間に、密着層の表面が再び汚染される危険性を排除できる。この場合、熱処理を行なう工程が、反応室内に熱処理ガスを導入して所定の期間にわたって反応室内を昇温した後、反応室から熱処理ガスを排気する工程を含むと、熱処理ガスを用いて密着層の表面の汚染等を確実に除去して、該密着層を、第１のタングステン膜を形成するための下地層として適切に改質することができる。尚、熱処理ガスとしては、例えばアルゴンガスと水素ガスとの混合ガスを用いることが好ましい。このようにすると、密着層の表面の酸化を防止しながら、密着層の表面に生じた汚染等を確実に除去できるため、熱処理に起因して半導体装置の性能が劣化することがない。
【００２１】
本発明の半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜を形成する工程を、例えばフッ化タングステンガスと水素化シリコンガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施してもよい。この場合、水素化シリコンガスの流量に対するフッ化タングステンガスの流量の比は８．４以上に設定されることが好ましい。このようにすると、第１のタングステン膜の成膜速度を反応律速領域まで向上させることができるため、カバレッジが良好な第１のタングステン膜を確実に形成することができる。
【００２２】
本発明の半導体装置の製造方法において、第２のタングステン膜を形成する工程を、例えばフッ化タングステンガスと水素ガスとを原料ガスとするＣＶＤ法を用いて実施してもよい。この場合、水素ガスの流量に対するフッ化タングステンガスの流量の比は０．２４以上に設定されることが好ましい。このようにすると、第２のタングステン膜の成膜速度を反応律速領域まで向上させることができるため、シームが低減された低欠陥のプラグを確実に形成することができる。
【００２３】
本発明の半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜を形成する前に、ホールの壁面及び底面のそれぞれの上に密着層を形成する場合、該密着層は、チタン膜と窒化チタン膜とが順次積層された積層膜であることが好ましい。このようにすると、絶縁膜と第１のタングステン膜との間の密着性を確実に向上させることができる。
【００２４】
本発明に係る半導体装置は、絶縁膜に設けられたホールに埋め込まれたタングステンプラグを備えた半導体装置を前提とし、タングステンプラグにおけるホールの底面上に形成されている部分は柱状構造を有し、且つ該柱状構造の底部の直径の平均値は３０ｎｍ以下である。
【００２５】
すなわち、本発明の半導体装置は、前述の本発明の半導体装置の製造方法によって得られる半導体装置であるため、タングステンプラグにおけるシーム等の欠陥を低減できるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００２６】
本発明の半導体装置において、絶縁膜とタングステンプラグとの間に、例えばチタン膜と窒化チタン膜との積層膜よりなる密着層が設けられていることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、タングステンプラグを構成するタングステン膜と絶縁膜との間の密着性を確実に向上させることができる。
【００２８】
以上に説明した、本発明の効果は、プラグ形成用ホールの開口径が０．１８μｍ以下である場合に、特に、次世代半導体装置で想定される開口径０．１１μｍのプラグ形成用ホールを対象とした場合に、極めて顕著なものとなる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、ホール内にタングステンプラグを形成する際に、シード層となる第１のタングステン膜におけるホール底面上の部分の結晶粒径の平均値を３０ｎｍ以下に抑制するため、ホールのアスペクト比が大きい場合であっても、ホールの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜（プラグ本体部）を形成することができる。従って、シーム等の欠陥が低減されたタングステンプラグを形成できるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図１に示すように、半導体素子等を含む半導体集積回路（図示せず）が上面に設けられ且つ例えばシリコンからなる半導体基板１１の上に、例えば酸化シリコンからなる膜厚約１．５μｍの絶縁膜１２が堆積されている。また、絶縁膜１２には、半導体基板１１の上面の一部分、例えば半導体素子に達するようにコンタクトホール１２ａが設けられている。本実施形態では、コンタクトホール１２ａの開口部の直径は例えば約０．１８μｍである。コンタクトホール１２ａの壁面及び底面（つまりコンタクトホール１２ａの下側に位置する半導体基板１１の上面）のそれぞれの上には、例えば膜厚が約５．５ｎｍのチタン膜１３と、例えば膜厚が約１１ｎｍの窒化チタン膜１４と、例えば膜厚が約１７ｎｍの第１のタングステン膜１５とがこの順に形成されている。さらに、第１のタングステン膜１５の上には、コンタクトホール１２ａの内部を充填するように、第２のタングステン膜１６が設けられている。
【００３２】
尚、コンタクトホール１２ａに埋め込まれた第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６は、半導体基板１１上の半導体素子と電気的に接続されている。言い換えると、第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６は、半導体素子の電極を絶縁膜１２の上面に取り出すためのプラグとなる。
【００３３】
また、チタン膜１３及び窒化チタン膜１４は、プラグとなるタングステン膜（つまり第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６）と絶縁膜１２との密着性を向上させるための密着層として機能する。
【００３４】
また、第１のタングステン膜１５としては、フッ化タングステン（ＷＦ6 ）の水素化シリコン（ＳｉＨ4 ）還元反応により形成されたタングステン膜を用いると共に、第２のタングステン膜１６としては、フッ化タングステンの水素（Ｈ2 ）還元反応により形成されたタングステン膜を用いている。
【００３５】
本実施形態の半導体装置の特徴は、高アスペクト比（具体的には直径が約０．１８μｍ、深さが約１．５μｍ、アスペクト比が約８）のコンタクトホール１２ａの底面上において、第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値が３０ｎｍ以下に抑制されていることである。これにより、第１のタングステン膜１５上にモホロジが良好な第２のタングステン膜１６が形成されるため、コンタクトホール１２ａ内部の第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６を、シームが低減された低欠陥のプラグとして用いることができる。尚、実際には、第１のタングステン膜１５をシード層として第２のタングステン膜１６を成膜した際に、第１のタングステン膜１５と第２のタングステン膜１６とは一体化するが、該一体化したタングステン膜におけるコンタクトホール１２ａの底面上に形成されている部分は柱状構造を有し、且つ該柱状構造の底部の直径の平均値は３０ｎｍ以下となる。
【００３６】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置、つまり図１に示す半導体装置の製造方法について説明する。
【００３７】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【００３８】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体素子等を含む半導体集積回路（図示せず）が上面に設けられた半導体基板１１の上に、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）法等を用いて、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜１２を堆積する。続いて、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、絶縁膜１２に、直径が約０．１８μｍ、深さが約１．５μｍのコンタクトホール１２ａを半導体基板１１上の半導体素子に達するようにパターニング形成する。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法等を用いて、絶縁膜１２の上に全面にわたって、例えば膜厚が約５．５ｎｍのチタン膜１３と、例えば膜厚が約１１ｎｍの窒化チタン膜１４とを順次堆積する。これにより、コンタクトホール１２ａの壁面及び底面（コンタクトホール１２ａに露出する半導体基板１１の上面）が、チタン膜１３と窒化チタン膜１４との積層膜、つまり密着層によって覆われる。
【００４０】
その後、窒化チタン膜１４までが形成された半導体基板１１を、例えばタングステン膜形成用のＣＶＤ装置の反応室に投入し、該反応室内に、例えば圧力が約１．２×１０4 Ｐａ（約９０Ｔｏｒｒ）の熱処理用のガスを導入する。その後、前記反応室内を例えば約４５０℃に昇温して、窒化チタン膜１４の表面に熱処理を施す。熱処理用のガスとしては、例えば、流量が約２８００mL/min（標準状態）のアルゴン（Ａｒ）ガスと、流量が約１０００mL/min（標準状態）の水素（Ｈ2 ）ガスとの混合ガスを用いる。そして、例えば約３０秒間にわたって半導体基板１１に対して熱処理を行なった後、例えば約３０秒間にわたって前記反応室から熱処理用のガスを排気する。
【００４１】
この熱処理により、窒化チタン膜１４の表面を、第１のタングステン膜１５を成長するための下地として適するように改質することができる。この熱処理の具体的な効果については後述する。
【００４２】
次に、前述のＣＶＤ装置の反応室に第１の原料ガスを導入し、例えば温度が約４５０℃で且つ圧力が約４．０×１０3 Ｐａ（約３０Ｔｏｒｒ）という条件に設定して、図２（ｃ）に示すように、窒化チタン膜１４の上に例えば膜厚約１７ｎｍの第１のタングステン膜１５をコンタクトホール１２ａが途中まで埋まるように堆積する。ここで、第１のタングステン膜１５を形成するための第１の原料ガスとしては、例えば、流量が約４２mL/min（標準状態）のフッ化タングステン（ＷＦ6 ）ガスと、流量が約５mL/min（標準状態）の水素化シリコン（ＳｉＨ4 ）ガスとの混合ガスを用いる。これにより、コンタクトホール１２ａの開口部におけるオーバーハングを防止しながら、第１のタングステン膜１５をカバレッジ良く形成できる。また、第１のタングステン膜１５を形成する際の下地となる窒化チタン膜１４は、前述の熱処理により、第１のタングステン膜１５の成長に適するように改質されているため、コンタクトホール１２ａの底面上においても、第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制することができる。
【００４３】
ここで、第１のタングステン膜１５を形成する工程は、前述の熱処理工程でＣＶＤ装置の反応室から熱処理用のガスを排気した後に該反応室を大気開放することなく第１の原料ガスを連続的に導入することによって実施されることが好ましい。このようにすると、熱処理によって改質された窒化チタン膜１４の表面が再び汚染されたり又は変質したりする危険性を排除できるため、第１のタングステン膜１５のグレインサイズを確実に小さくすることができる。
【００４４】
次に、前述のＣＶＤ装置の反応室に第２の原料ガスを導入し、例えば温度が約４５０℃で且つ圧力が約１．２×１０4 Ｐａ（約９０Ｔｏｒｒ）という条件に設定して、図２（ｄ）に示すように、第１のタングステン膜１５の上に例えば膜厚約２００ｎｍの第２のタングステン膜１６をコンタクトホール１２ａが完全に埋まるように形成する。ここで、第２のタングステン膜１６を形成するための第２の原料ガスとしては、例えば、流量が約１２０mL/min（標準状態）のフッ化タングステンガスと、流量が約５００mL/min（標準状態）の水素（Ｈ2 ）ガスとの混合ガスを用いる。尚、第２のタングステン膜１６を形成する際の下地となる第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値はコンタクトホール１２ａの底面上においても３０ｎｍ以下に抑制されているので、第２のタングステン膜１６をモホロジ良く形成することができる。
【００４５】
次に、図２（ｅ）に示すように、化学機械的研磨（ＣＭＰ）法により、コンタクトホール１２ａの外側の第２のタングステン膜１６、第１のタングステン膜１５、窒化チタン膜１４及びチタン膜１３、つまり絶縁膜１２の上面よりも上側に位置する第２のタングステン膜１６、第１のタングステン膜１５、窒化チタン膜１４及びチタン膜１３を順次研磨除去する。これにより、図１に示す本実施形態の半導体装置が完成する。
【００４６】
以上に説明したように、本実施形態によると、シード層となる第１のタングステン膜１５を形成する際に、コンタクトホール１２ａの底面上においても第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制できる。このため、コンタクトホール１２ａのアスペクト比が大きい場合であっても、該第１のタングステン膜１５をシード層として、コンタクトホール１２ａの内部にモホロジが良好な第２のタングステン膜１６を形成することができる。これにより、コンタクトホール１２ａに埋め込まれた第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６よりなるプラグにおいて、シーム等の欠陥を低減できるため、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００４７】
また、以上に説明した本実施形態の効果は、プラグ形成用ホールの開口径が０．１８μｍ以下である場合に、特に次世代半導体装置で想定される開口径０．１１μｍのプラグ形成用ホールを対象とした場合に、極めて顕著なものとなる。
【００４８】
図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における密着層（窒化チタン膜１４）に対する前述の熱処理の効果を説明するための図である。具体的には、図３において、該熱処理を行なった場合における第１のタングステン膜１５（コンタクトホール１２ａの底面上に形成されている部分）のグレインサイズの分布を、該熱処理を行なわなかった場合と比較して示している。尚、図３において、横軸は第１のタングステン膜１５のグレインサイズを表し、縦軸はグレインの個数を表している。また、実線は熱処理を行なった場合のグレインサイズの分布を表し、破線は熱処理を行なわなかった場合のグレインサイズの分布を表している。
【００４９】
図３に示すように、第１のタングステン膜１５の下地となる窒化チタン膜１４に対する熱処理を行なった後に第１のタングステン膜１５を形成する場合の方が、該熱処理を行なわなかった場合と比べて、タングステン膜のグレインサイズの平均値及びばらつきが小さくなる。具体的には、前述の熱処理後に形成された第１のタングステン膜１５のグレインサイズについては、平均値が約２６ｎｍであり、標準偏差σが約５．８ｎｍであり、最小値が約５ｎｍであり、最大値が約６５ｎｍである。それに対して、前述の熱処理を行なわずに形成されたタングステン膜のグレインサイズについては、平均値が約３７ｎｍであり、標準偏差σが約１０．８ｎｍである。このように、窒化チタン膜１４に対する熱処理を行なうことにより、コンタクトホール１２ａの底面上においても第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制できると共に、該グレインサイズのバラツキを小さくすることができる。
【００５０】
本実施形態において、窒化チタン膜１４に対する熱処理を行なうことと、第１のタングステン膜１５のグレインサイズが低下することとの因果関係は明らかではないが、本願発明者らは次のように推測している。すなわち、窒化チタン膜１４の形成終了から第１のタングステン膜１５の形成開始までの間に窒化チタン膜１４の表面に生じた何らかの変質又は汚染等を前述の熱処理によって除去することができ、それにより窒化チタン膜１４の表面が、第１のタングステン膜１５を形成するための下地として適するように改質されるものと考えられる。尚、半導体装置のさらなる微細化、つまりコンタクトホール１２ａのさらなる微細化・高アスペクト比化に合わせて、コンタクトホール１２ａの底面上における第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を３０ｎｍよりもさらに小さく抑制できることが好ましい。
【００５１】
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法において、第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６のそれぞれを形成する工程における具体的な条件を検討した結果について説明する。
【００５２】
まず、コンタクトホール１２ａの底面上においても第１のタングステン膜１５のグレインサイズの平均値を約３０ｎｍ以下に抑制するための具体的な条件を検討した結果について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５３】
図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜１５を形成する工程に用いる第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量と、第１のタングステン膜１５の成膜速度との関係を示すグラフである。図４において、横軸はフッ化タングステンガスの流量を表し、縦軸は第１のタングステン膜１５の成膜速度を表している。また、図４に示す各データは、第１の原料ガスのうちの水素化シリコンガスの流量を約１０mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。
【００５４】
図４に示すように、第１の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量が増大するにつれて、第１のタングステン膜１５の成膜速度が向上する一方、該流量が約４２mL/min（標準状態）に達すると、第１のタングステン膜１５の成膜速度はほとんど増大しなくなる。従って、第１の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）以上に設定することにより、第１のタングステン膜１５を反応律速領域で成膜できることが分かる。
【００５５】
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のタングステン膜１５の形成後の時点で得られたコンタクトホール１２ａの電子顕微鏡写真であって、図５（ａ）は第１の原料ガスにおける水素化シリコンガスの流量が５mL/min（標準状態）の場合、図５（ｂ）は該流量が３０mL/min（標準状態）の場合をそれぞれ示している。尚、図５（ａ）及び（ｂ）に示す各データは、第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）に固定して得られたものである。
【００５６】
図５（ａ）に示すように、水素化シリコンガスの流量が約５mL/min（標準状態）の場合、第１のタングステン膜１５はコンタクトホール１２ａの底面上においてもほぼ設定した通りの膜厚で形成されている。それに対して、図５（ｂ）に示すように、水素化シリコンガスの流量が約３０mL/min（標準状態）の場合、コンタクトホール１２ａの底面上において第１のタングステン膜１５の膜厚が設定値よりも小さくなっている。このように、第１の原料ガスのうちの水素化シリコンガスの流量が小さい程、第１のタングステン膜１５におけるコンタクトホール１２ａの底面被覆率（ボトムカバレッジ）が向上していることが確認できる。
【００５７】
図６は、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜１５の底面被覆率と第１の原料ガスのうちの水素化シリコンガスの流量との関係を測定した結果を示している。図６において、横軸は水素化シリコンガスの流量を表し、縦軸は第１のタングステン膜１５の底面被覆率を表している。ここで、底面被覆率は、コンタクトホール１２ａの底面上における第１のタングステン膜１５の膜厚の、コンタクトホール１２ａの外側における第１のタングステン膜１５の膜厚に対する比率を意味する。尚、図６に示す各データは、第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。
【００５８】
図６に示すように、第１のタングステン膜１５の底面被覆率は、水素化シリコンガスの流量が小さくなるにつれて向上していくことがわかる。特に、水素化シリコンガスの流量が約５mL/min（標準状態）の場合には、第１のタングステン膜１５の底面被覆率は約６３％にまで向上する。図６から明らかなように、第１の原料ガスにおける水素化シリコンガスの流量は５mL/min（標準状態）以下であることが好ましい。このようにすると、第１のタングステン膜１５の底面被覆率を向上することができる。言い換えると、コンタクトホール１２ａの開口部における第１のタングステン膜１５のオーバーハングを防止でき、それによって第１のタングステン膜１５上に第２のタングステン膜１６をモホロジ良く形成することができる。
【００５９】
このように、本実施形態では、第１のタングステン膜１５の形成に用いる第１の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を約４２mL/min（標準状態）とした場合、水素化シリコンガスの流量を約５mL/min（標準状態）に設定することにより、言い換えると、水素化シリコンガスに対するフッ化タングステンガスの流量比を８．４に設定することにより、反応律速領域の成膜条件で第１のタングステン膜１５を形成できる。その結果、カバレッジが良好な第１のタングステン膜１５を形成することができる。
【００６０】
また、第１のタングステン膜１５の形成工程において、フッ化タングステンガス及び水素化シリコンガスのそれぞれの流量が約４２mL/min及び約５mL/min（標準状態）に限られるものではないことは言うまでもない。例えば、フッ化タングステンガスの流量が４２mL/min（標準状態）以上であってもよく、水素化シリコンガスの流量が５mL/min（標準状態）以下であってもよい。すなわち、水素化シリコンガスに対するフッ化タングステンガスの流量比の値が８．４以上であれば、第１のタングステン膜１５をカバレッジ良く形成することが可能である。
【００６１】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜１６を形成する工程の具体的な条件を検討した結果について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６２】
図７は、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜１６を形成するための第２の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量と、第２のタングステン膜１６の成膜速度との関係を示すグラフである。図７において、横軸はフッ化タングステンガスの流量を表し、縦軸は第２のタングステン膜１６の成膜速度を表している。尚、図７に示す各データは、第２の原料ガスのうちの水素ガスの流量を７００mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。
【００６３】
図７に示すように、第２の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量が増大するにつれて、第２のタングステン膜１６の成膜速度が向上する一方、該流量が約１２０mL/min（標準状態）に達すると、第２のタングステン膜１６の成膜速度はほとんど変化しなくなる。従って、第２の原料ガスにおけるフッ化タングステンガスの流量を約１２０mL/min（標準状態）以上に設定することにより、第２のタングステン膜１６を反応律速領域で成膜できることがわかる。
【００６４】
図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜１６を形成するための第２の原料ガス、つまりフッ化タングステンガス及び水素ガスのそれぞれの流量と、形成される第２のタングステン膜１６におけるコンタクトホール１２ａの側面被覆率（サイドカバレッジ）との関係を示しており、図８（ａ）はフッ化タングステンガスの流量と側面被覆率との関係を示し、図８（ｂ）は水素ガスの流量と側面被覆率との関係を示している。図８（ａ）において、横軸はフッ化タングステンガスの流量を表し、縦軸は第２のタングステン膜１６の側面被覆率を表している。図８（ｂ）において、横軸は水素ガスの流量を表し、縦軸は第２のタングステン膜１６の側面被覆率を表している。ここで、側面被覆率は、コンタクトホール１２ａの壁面（側面）上における第２のタングステン膜１６の膜厚の、コンタクトホール１２ａの外側における第２のタングステン膜１６の膜厚に対する比率を意味する。尚、図８（ａ）に示す各データは、第２の原料ガスのうちの水素ガスの流量を約７００mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。また、図８（ｂ）に示す各データは、第２の原料ガスのうちのフッ化タングステンガスの流量を９５mL/min（標準状態）に固定して測定されたものである。
【００６５】
図８（ａ）に示すように、水素ガスの流量を固定した場合、第２のタングステン膜１６の側面被覆率は、フッ化タングステンの流量を８０mL/min（標準状態）から増大させるに従って向上していき、フッ化タングステンの流量が１２０mL/min（標準状態）になると、ほぼ反応律速状態に達する。
【００６６】
また、図８（ｂ）に示すように、フッ化タングステンの流量を固定した場合、第２のタングステン膜１６の側面被覆率は、水素ガスの流量を約９００mL/min（標準状態）から減少させるに従って向上していき、水素ガスの流量が約５００mL/min（標準状態）になると、ほぼ反応律速状態に達する。
【００６７】
従って、本実施形態では、第２のタングステン膜１６の形成に用いる第２の原料ガスとして、流量が約１２０mL/min（標準状態）のフッ化タングステンと、流量が約５００mL/min（標準状態）の水素ガスとを用いることにより、言い換えると、水素ガスに対するフッ化タングステンガスの流量比を０．２４に設定することにより、反応律速領域の成膜条件で第２のタングステン膜１６を形成できる。その結果、モホロジが良好な第２のタングステン膜１６を形成することができる。
【００６８】
また、第２のタングステン膜１６の形成工程において、フッ化タングステンガス及び水素ガスのそれぞれの流量が約１２０mL/min（標準状態）及び約５００mL/min（標準状態）に限られるものではないことは言うまでもない。図７及び図８（ａ）、（ｂ）を用いて説明したように、例えば、フッ化タングステンガスの流量が約１２０mL/min（標準状態）以上であっても良く、水素ガスの流量が５００mL/min（標準状態）以下であってもよい。すなわち、水素ガスに対するフッ化タングステンガスの流量比の値が０．２４以上であれば、モホロジが良好な第２のタングステン膜１６を形成することが可能である。
【００６９】
尚、本実施形態において、第１のタングステン膜１５の形成前に、第１のタングステン膜１５の下地となる窒化チタン膜１４に対する熱処理工程は必須工程ではない。すなわち、コンタクトホール１２ａの底面上においてもグレインサイズの平均値が３０ｎｍ以下となるように第１のタングステン膜１５を形成できればよいのである。このためには、窒化チタン膜１４の表面が清浄化された状態で第１のタングステン膜１５の成膜を行なえればよい。従って、窒化チタン膜１４の形成後に、熱処理以外の他の方法によって窒化チタン膜１４の表面を清浄化してもよい。或いは、例えば、窒化チタン膜１４を形成した後、直ちに第１のタングステン膜１５を形成してもよい。このようにすると、窒化チタン膜１４の表面が変質したり又は汚染されたりする前に第１のタングステン膜１５を形成できるため、第１のタングステン膜１５におけるコンタクトホール１２ａの底面上に形成されている部分のグレインサイズの平均値を３０ｎｍ以下に抑制することができる。
【００７０】
また、本実施形態において、チタン膜１３と窒化チタン膜１４との積層膜よりなる密着層に対して、アルゴンガスと水素ガスとの混合ガスよりなる熱処理用ガスを用いて熱処理を行なった。しかし、密着層として、チタン膜１３と窒化チタン膜１４との積層膜に代えて、窒化チタン膜の単層膜、又は窒化タンタル膜若しくは窒化タングステン膜等を用いてもよい。また、熱処理用ガスとしては、アルゴンガスと水素ガスとの混合ガスに限られず、還元性又は非酸化性を有するガスを用いることができる。このようにすると、熱処理温度を４５０℃程度の高温に設定した場合にも、半導体装置表面、具体的には密着層の表面の酸化を防止しながら、密着層の表面に生じた汚染等を確実に除去できるため、熱処理に起因して半導体装置の性能が劣化することがない。また、熱処理用ガスを用いずに、他の方法によって密着層に対する熱処理を行なってもよいことは言うまでもない。
【００７１】
また、本実施形態において、窒化チタン膜１４つまり密着層に対して熱処理を行なう工程と、タングステン膜（第１のタングステン膜１５及び第２のタングステン膜１６）を形成する工程とを同一の反応室内で行なったが、これに代えて、両工程を別々の反応室内で行なってもよい。
【００７２】
また、本実施形態において、半導体素子上において該素子と接続するコンタクトホールにおけるタングステンプラグの形成を例として説明したが、他の用途を持つホール、例えば配線上において該配線と接続するビアホールにおけるタングステンプラグの形成を対象としても、同様の効果が得られる。
【００７３】
以上、本願発明者らによってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明してきたが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能であることは言うまでもない。すなわち、前記実施例では、本発明を半導体集積回路の製造方法に適用した場合について説明したが、本発明は、タングステンを利用した電極形成プロセスを伴う全ての半導体集積回路の製造方法に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、絶縁膜に設けられた高アスペクト比のホールの内部に低欠陥のタングステンプラグを形成できるという格別の効果を有し、タングステンプラグを有する半導体装置及びその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における密着層に対する熱処理の効果を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜の形成に用いるフッ化タングステンガスの流量と第１のタングステン膜の成膜速度との関係を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のタングステン膜の形成後の時点で得られたコンタクトホールの電子顕微鏡写真であって、（ａ）は、第１のタングステン膜の形成に用いる水素化シリコンガスの流量が５mL/min（標準状態）の場合、（ｂ）は該流量が３０mL/min（標準状態）の場合をそれぞれ示している。
【図６】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第１のタングステン膜の底面被覆率と、第１のタングステン膜の形成に用いる水素化シリコンガスの流量との関係を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜の形成に用いるフッ化タングステンガスの流量と第２のタングステン膜の成膜速度との関係を示す図である。
【図８】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜の側面被覆率と、第２のタングステン膜の形成に用いるフッ化タングステンガスの流量との関係を示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における、第２のタングステン膜の側面被覆率と、第２のタングステン膜の形成に用いる水素ガスの流量との関係を示す図である。
【図９】従来の半導体装置の断面図である。
【図１０】従来の半導体装置の製造方法の問題点を説明するための図である。
【図１１】従来の半導体装置の製造方法の問題点を本願発明者らが検討した結果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７６】
１１    半導体基板
１２    絶縁膜
１２ａ  コンタクトホール
１３    チタン膜
１４    窒化チタン膜
１５    第１のタングステン膜
１６    第２のタングステン膜
【図１】
2005064458.tif 000003
【図２】
2005064458.tif 000004
【図３】
2005064458.tif 000005
【図４】
2005064458.tif 000006
【図５】
2005064458.tif 000007
【図６】
2005064458.tif 000008
【図７】
2005064458.tif 000009
【図８】
2005064458.tif 000010
【図９】
2005064458.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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