(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の下部構造を有する半導体基板上に導電層を蒸着し、その導電層上に誘電層を蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、
前記感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、
第１チャンバー内で前記コンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着した後、熱工程を行う段階と、
第２チャンバー内で前記金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去する段階と、
前記第２チャンバー内で前記酸化膜が除去され露出される金属層の上部に、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの窒化膜である障壁層を形成する段階と、
前記障壁層の上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の配線形成方法。
【請求項２】
前記導電層はチタニウム（Ｔｉ）シリサイドまたはコバルト（Ｃｏ）シリサイドを使用して積層することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項３】
前記金属層としてチタニウムを使用することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項４】
前記プラズマ処理時、プラズマはＮ2、Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2／Ｈｅ及びＮ2／Ｈ2／Ａｒガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項５】
前記Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅ及びＡｒガスはそれぞれ０〜２ｓｌｍの範囲のガス量で供給することを特徴とする請求項４記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項６】
前記プラズマ処理条件は１００Ｗ〜５ｋＷの電力と３００〜８００℃の温度範囲で０．１〜１００Ｔｏｒｒの圧力で１０秒〜１０分間行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項７】
前記障壁層はＴｉ（（ＣＨ3）2Ｎ）4を原料ガスとしてチタニウム窒化膜を蒸着することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項８】
前記障壁層は熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を繰り返して所望の厚さの障壁層を蒸着することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項９】
前記熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を一回行うごとに３０〜７０Åの厚さの障壁層を形成することを特徴とする請求項８記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１０】
前記プラズマ処理時、プラズマはＮ2、Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2／Ｈｅ及びＮ2／Ｈ2／Ａｒガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項８記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１１】
前記Ｎ2、Ｈ2、Ｈ2及びＡｒガスはそれぞれ０〜２ｓｌｍの範囲のガス量で供給されることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１２】
前記プラズマ処理条件は１００Ｗ〜５ｋＷの電力と３００〜８００℃の温度範囲で０．１〜１００Ｔｏｒｒの圧力で１０秒〜１０分間行うことを特徴とする請求項８記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１３】
所定の下部構造を有している半導体基板上に導電層を蒸着し、その導電層上に誘電層を蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、
前記感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、
第１チャンバー内で前記コンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着する段階と、
第２チャンバー内で前記金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去した後、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの窒化膜である障壁層を形成する段階と、
前記障壁層が蒸着された結果物に熱工程を施す段階と、
前記熱工程を施した障壁層上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子の配線形成方法。
【請求項１４】
前記導電層はチタニウム（Ｔｉ）シリサイドまたはコバルト（Ｃｏ）シリサイドを使用して積層することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１５】
前記金属層としてチタニウムを使用することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１６】
前記プラズマ処理時、プラズマはＮ2、Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2／Ｈｅ及びＮ2／Ｈ2／Ａｒガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１７】
前記Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅ及びＡｒガスはそれぞれ０〜２ｓｌｍの範囲のガス量で供給することを特徴とする請求項１６記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１８】
前記プラズマ処理条件は１００Ｗ〜５ｋＷの電力と３００〜８００℃の温度範囲で０．１〜１００Ｔｏｒｒの圧力で１０秒〜１０分間行うことを特徴とする請求項１３〜請求項１６のいずれか１に記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項１９】
前記障壁層はＴｉ（（ＣＨ3）2Ｎ）4を原料ガスとしてチタニウム窒化膜を蒸着することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２０】
前記障壁層は熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を繰り返して所望の厚さの障壁層を形成することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２１】
前記熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理工程を一回行う時ごとに３０〜７０Åの厚さの障壁層を形成することを特徴とする請求項２０記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２２】
前記プラズマ処理時、プラズマはＮ2、Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2／Ｈｅ及びＮ2／Ｈ2／Ａｒガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して形成することを特徴とする請求項２０記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２３】
前記Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅ及びＡｒガスはそれぞれ０〜２ｓｌｍの範囲のガス量で供給することを特徴とする請求項２２記載の半導体素子の配線形成方法。
【請求項２４】
前記プラズマ処理条件は１００Ｗ〜５ｋＷの電力と３００〜８００℃の温度範囲で０．１〜１００Ｔｏｒｒの圧力で１０秒〜１０分間行うことを特徴とする請求項２０または請求項２１記載の半導体素子の配線形成方法。
【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配線形成方法に関するもので、より詳細には、障壁金属層としてのチタニウム膜とチタニウム窒化膜との形成において、チタニウム膜の上部に露出され、かつ、上部チタニウムが大気中の酸素と結合して形成された絶縁膜であるチタニウム酸化膜をプラズマ工程を行って除去した後、チタニウム窒化膜を蒸着することにより、チタニウムとチタニウム窒化膜をそれぞれ異なるチャンバーで蒸着でき、それによって一つのチャンバーのフェイル時にも、他のチャンバーが駆動されてチャンバー装備の部分的なシステムの使用が可能であるので、チャンバー装備のスループット時間を短縮できる半導体素子の配線形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、半導体素子を製造する方法において、上部層と下部層との間に電気的な伝導線の役割を果たす金属配線が多層で形成される場合には、その層間を絶縁させるための層間絶縁膜が多く使われている。その層間絶縁膜は、上部にコンタクトホール形成部位を形成するため、感光膜を積層してその部位をエッチングすることによって、コンタクトホールを形成し、その内部には金属層を埋め立てて金属配線を形成する。
【０００３】
このような金属配線はビットライン及びワードライン等として使われてゲート電極及びキャパシター等を上・下部及び水平で電気的に連結して半導体素子を構成するようになる。
【０００４】
図１は従来の半導体素子の配線形成方法で形成した配線の熱処理後の状態を示す図面である。
【０００５】
図１に示すように、所定の下部構造を有している半導体基板上に導電層と誘電層とを順次に形成した後、誘電層の上部にコンタクトホール形成のための感光膜を塗布する。
【０００６】
そして、感光膜をマスクとして誘電層をエッチングして誘電層内にコンタクトホールを形成する。次に、コンタクトホールが形成された誘電層上に金属層のチタニウムと障壁層のチタニウム窒化膜とを順次に蒸着することによって、二重層構成の障壁金属層を形成する。
【０００７】
この時、障壁金属層においては、金属層のチタニウム蒸着の後、チタニウムが大気中に露出される場合、チタニウム層上に絶縁膜のチタニウム酸化膜が形成されることを防止するために、超高真空内で金属層と障壁層とを順次に蒸着する。
【０００８】
次いで、障壁層上に化学気相蒸着法を用いてタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような従来の半導体素子の配線形成方法では、障壁金属層は金属層のチタニウムを蒸着した後、チタニウムが大気中に露出される場合、チタニウム層上に絶縁膜のチタニウム酸化膜が形成されることを防止するために、金属層と障壁層とを連続して蒸着する時、超高真空下のマルチ・チャンバーで構成されたクラスター装備を使わなければならない。
【００１０】
しかし、このような超高真空下のマルチ・チャンバーで構成されたクラスター装備は高価であり、高い真空度を維持するためにはクラスター装備の構造部が複雑になる問題があった。
【００１１】
さらに、マルチ・チャンバーで構成されたクラスター装備は装備のフェイル時、スループットも低くなる問題があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、障壁金属層としてのチタニウム膜とチタニウム窒化膜との形成において、チタニウム膜の上部に露出され、かつ、上部チタニウムが大気中の酸素と結合して形成された絶縁膜であるチタニウム酸化膜をプラズマ工程を行って除去した後、チタニウム窒化膜を蒸着することにより、チタニウムとチタニウム窒化膜をそれぞれ異なるチャンバーで蒸着でき、それによって一つのチャンバーのフェイル時にも、他のチャンバーが駆動されてチャンバー装備の部分的なシステムの使用が可能であるので、チャンバー装備のスループット時間を短縮させる半導体素子の配線形成方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明の半導体素子の配線形成方法は、所定の下部構造を有する半導体基板上に導電層と誘電層とを順次に蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、第１チャンバー内でコンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着した後、熱工程を行う段階と、第２チャンバー内で金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去する段階と、第２チャンバー内で酸化膜が除去され露出される金属層の上部に、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの障壁層を形成する段階と、障壁層の上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項１３記載の半導体素子の配線形成方法は、所定の下部構造を有している半導体基板上に導電層と誘電層とを順次に蒸着した後、感光膜を塗布してコンタクトホール形成部位を形成する段階と、感光膜をマスクとして用いてコンタクトホールエッチング工程を行ってコンタクトホールを形成する段階と、第１チャンバー内でコンタクトホールが形成された誘電層の全体に金属層を蒸着する段階と、第２チャンバー内で金属層の上部に形成された酸化膜を、プラズマ処理工程を行って除去した後、熱化学気相蒸着法を用いた障壁層の蒸着と障壁層内の不純物の除去のためのプラズマ処理を繰り返し遂行して所望の厚さの障壁層を形成する段階と、障壁層が蒸着された結果物に熱工程を施す段階と、熱工程を施した障壁層上にタングステンを蒸着した後、化学機械的錬磨工程を行ってタングステン・プラグを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、金属層の上部の酸化膜を、プラズマ工程を行って除去した後、酸化膜が除去された金属層上に障壁層を蒸着時に、熱化学気相蒸着工程を行って５０Å程度の厚さに障壁層を蒸着した後、プラズマ処理することによって、蒸着された障壁層内の不純物を除去して比抵抗を下げることができる。なお、以下、酸化膜を絶縁膜ともいう。
【００１６】
また、障壁層蒸着時、熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理段階を繰り返して所望の厚さの障壁層を蒸着することが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。
【００１８】
図２ないし図６は本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【００１９】
図２に示すように、所定の下部構造を有する半導体基板１００上に導電層１１０と誘電層１２０とを順次に蒸着する。次に、感光膜１３０を塗布してコンタクトホール形成部位１４０を形成する。
【００２０】
この時、導電層１１０としてチタニウム（Ｔｉ）シリサイドまたはコバルト（Ｃｏ）シリサイドを適用する。また、シリサイドをサリサイド（ｓａｌｉｃｉｄｅ）方式でも形成できる。
【００２１】
次いで、図３に示すように、感光膜１３０をマスクとして用いて下部導電層１１０の上部まで誘電層１２０をエッチングするエッチング工程を行う。これによって誘電層１２０内にコンタクトホール１５０を形成する。
【００２２】
そして、図４に示すように、コンタクトホール１５０が形成された誘電層１２０の上部の全体に金属層１６３でチタニウムを蒸着した後、熱工程を行ってチタニウムの蒸着状態を均一にする。
【００２３】
次いで、後続の工程で障壁層を蒸着するために金属層１６３が蒸着された半導体基板を他のチャンバーに移動する。
【００２４】
この時、金属層１６３であるチタニウム膜の上部が大気に露出される。露出されたチタニウム膜の上部チタニウムは大気うちの酸素と結合反応されてチタニウム膜上には絶縁膜１７０のチタニウム酸化膜が形成されるようになる。
【００２５】
ところが、絶縁膜１７０が金属層１６３と障壁層との間に位置する場合、コンタクト抵抗が高まるという問題があるので、絶縁膜１７０を除去しなければならない。
【００２６】
したがって、図５に示すように、金属層１６３の上部に形成された絶縁膜１７０のチタニウム酸化膜をプラズマ処理して除去した後、同チャンバーで障壁層１６６としてチタニウム窒化膜を蒸着する。
【００２７】
プラズマ処理時、プラズマは  Ｎ2、Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2／Ｈｅ及びＮ2／Ｈ2／Ａｒガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用して、  Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅ、及びＡｒガスはそれぞれ０〜２ｓｌｍ（standard liters per minute:１分間当たり供給される量）程度の範囲で供給する。
【００２８】
また、プラズマ処理条件は１００Ｗ〜５ｋＷ程度の電力と３００〜８００℃の温度範囲で０．１〜１００Ｔｏｒｒ程度の圧力で１０秒〜１０分間行う。
【００２９】
この時、絶縁膜１７０を除去するためのプラズマ処理工程と障壁層１６６の蒸着工程は同じチャンバーで行う。絶縁膜１７０のチタニウム酸化膜はプラズマ処理で、下記の式１のような反応を経て除去する。
【００３０】
【式１】
ＴｉＯ2＋２Ｈ2＋１／２Ｎ2→  ＴｉＮ＋２Ｈ2Ｏ↑
【００３１】
ここで、障壁層１６６のチタニウム窒化膜はテトラ（ジメチルアミン）チタニウムとＴｉ（（ＣＨ3）2Ｎ）4を原料ガスで使用して熱化学気相蒸着法で蒸着したので、障壁層１６６はＣとＯ等を多量含めるようになり、よって比抵抗が高くなる。
【００３２】
したがって、熱化学気相蒸着法で障壁層１６６を積層した後、同チャンバー内でプラズマ処理を行って障壁層１６６内の不純物を除去することによって、比抵抗を下げる必要がある。この時、プラズマ処理では熱化学気相蒸着法で蒸着された障壁層１６６の表面部における約５０Å程度の深さにある不純物のみを除去することができる。
【００３３】
したがって、障壁層１６６の蒸着時、熱化学気相蒸着工程を行って３０〜７０Å程度、好ましくは５０Å程度の厚さで障壁層１６６の表面を蒸着した後、プラズマ処理する。これによって障壁層１６６内の不純物が除去されて比抵抗が低減するようになる。さらに、熱化学気相蒸着工程を行って５０Å程度の厚さで障壁層１６６を蒸着した後、プラズマ処理する。このように、蒸着された障壁層１６６内の不純物を除去する方法で蒸着しようとする厚だけ熱化学気相蒸着工程とプラズマ処理段階とを繰り返して蒸着することが好ましい。
【００３４】
この時、プラズマ処理においての処理ガスは、Ｎ2、Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2、Ｎ2／Ｈ2／Ｈｅ及びＮ2／Ｈ2／Ａｒガスのうち、少なくとも一つ以上のガスを使用すると共に、Ｎ2、Ｈ2、Ｈｅ及びＡｒガスをそれぞれ０〜２ｓｌｍ程度の範囲で供給する。
【００３５】
また、プラズマ処理条件は１００Ｗ〜５ｋＷ程度の電力と３００〜８００℃の温度範囲で０．１〜１００Ｔｏｒｒ程度の圧力で１０秒〜１０分間行うことが好ましい。
【００３６】
続いて、図６に示すように、障壁層１６６上に化学気相蒸着法でタングステンを蒸着してコンタクトを埋め立てた後、化学機械的錬磨工程またはＲ．Ｉ．Ｅ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈ）工程を経てタングステン・プラグ１８０を形成する。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る半導体素子の配線形成方法では、障壁金属層としてのチタニウム膜とチタニウム窒化膜との形成において、チタニウム膜の上部に露出され、かつ、上部チタニウムが大気中の酸素と結合して形成された絶縁膜であるチタニウム酸化膜をプラズマ工程を行って除去した後、チタニウム窒化膜を蒸着することにより、チタニウムとチタニウム窒化膜をそれぞれ異なるチャンバーで蒸着でき、それによって一つのチャンバーのフェイル時にも、他のチャンバーが駆動されてチャンバー装備の部分的なシステムの使用が可能であるので、チャンバー装備のスループット時間を短縮できる非常に有用な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は従来の半導体素子の配線形成方法で形成された配線の熱処理後の状態を示す図面である。
【図２】  本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図３】  本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図４】  本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図５】  本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【図６】  本発明に係る半導体素子の配線形成方法を順次に示す断面図である。
【符号の説明】
１００  半導体基板、１１０  導電層、１２０  誘電層、１３０  感光膜、１４０  コンタクトホール形成部位、１５０  コンタクトホール、１６０  障壁金属層、１６３  金属層、１６６  障壁層、１７０  絶縁膜、１８０  タングステン・プラグ。
【図１】
0004071029.tif 000002
【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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