(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成したコンタクト孔内にバリアメタル膜を介してタングステン膜が埋め込まれた半導体装置において、
前記バリアメタル膜が、チタン膜と不活性ガスを含んだ第１のチタンナイトライド膜と不活性ガスを含まない第２のチタンナイトライド膜とが順次積層された積層膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板上にフローティングゲート及びコントロールゲートとが積層され、前記フローティングゲート及びコントロールゲートに隣接するように形成された拡散層上にコンタクトするコンタクト孔内にバリアメタル膜を介してタングステン膜が埋め込まれた半導体装置において、
前記バリアメタル膜が、チタン膜と不活性ガスを含んだ第１のチタンナイトライド膜と不活性ガスを含まない第２のチタンナイトライド膜とが順次積層された積層膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上に形成したコンタクト孔内にバリアメタル膜を介してタングステン膜を埋め込む半導体装置の製造方法において、
前記コンタクト孔を含む基板上面にチタン膜をスパッタ形成する工程と、
前記基板の端部をクランプで固定した状態で、前記チタン膜を被覆するように窒素雰囲気中に導入された高温の不活性ガスにより加熱しながら第１のチタンナイトライド膜をスパッタ形成する工程と、
前記基板を単に載置台上に載せた状態で、前記第１のチタンナイトライド膜を被覆するように１００％の窒素雰囲気中で第２のチタンナイトライド膜をスパッタ形成する工程と、
前記コンタクト孔内に前記チタン膜と第１のチタンナイトライド膜と第２のチタンナイトライド膜との積層膜から成るバリアメタル膜を介してタングステン膜を埋め込む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４】
半導体基板上にフローティングゲート及びコントロールゲートとが積層され、前記フローティングゲート及びコントロールゲートに隣接するように形成された拡散層上にコンタクトするコンタクト孔内にバリアメタル膜を介してタングステン膜が埋め込まれた半導体装置の製造方法において、
前記コンタクト孔を含む基板上面にチタン膜をスパッタ形成する工程と、
前記基板の端部をクランプで固定した状態で、前記チタン膜を被覆するように窒素雰囲気中に導入された高温の不活性ガスにより加熱しながら第１のチタンナイトライド膜をスパッタ形成する工程と、
前記基板を単に載置台上に載せた状態で、前記第１のチタンナイトライド膜を被覆するように１００％の窒素雰囲気中で第２のチタンナイトライド膜をスパッタ形成する工程と、
前記コンタクト孔内に前記チタン膜と第１のチタンナイトライド膜と第２のチタンナイトライド膜との積層膜から成るバリアメタル膜を介してタングステン膜を埋め込む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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、更に言えばコンタクト孔内にバリアメタル膜を介してタングステン膜を埋め込む際のバリアメタル膜の膜剥がれ等の発生を抑止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の半導体装置とその製造方法について図９を参照しながら説明する。
【０００３】
図９において、５１は半導体基板で、５２は前記基板表層に形成した拡散層である。そして、前記基板５１を被覆するように、例えばＴＥＯＳ膜５３、ＢＰＳＧ膜５４及びＴＥＯＳ膜５５から成る層間絶縁膜が形成されており、この層間絶縁膜に前記拡散層５２上にコンタクトするコンタクト孔が形成され、このコンタクト孔内に、例えばおよそ５００〜８００Åの膜厚のチタン膜５６及びおよそ１０００〜１５００Åの膜厚のチタンナイトライド膜５７から成るバリアメタル膜を介してタングステン（Ｗ）膜５８が埋め込み形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなコンタクト孔内にバリアメタル膜を介してタングステン膜を埋め込む技術において、以下に説明する問題が発生する場合があった。
【０００５】
即ち、従来広く用いられていた第１のスパッタ装置では、ウエハの端部をクランプと呼ばれる複数の爪（全周をクランプするものでも良い。）で固定した状態で、窒素（Ｎ２）雰囲気中に高温（およそ２００〜３００℃前後）のＡｒガス等を導入してガスヒートしながら加熱処理して、例えばチタンナイトライド膜の形成を行っていた。
【０００６】
そのため、前記クランプの位置したウエハの端部にはチタンナイトライド膜が形成されないことになる。このようなウエハの一部にチタンナイトライド膜の形成されない箇所があると、金属膜剥がれを起こしたり、またタングステン膜の埋め込みの際にボルケーノ異常が発生することがあった。
【０００７】
そこで、ウエハ全面にチタンナイトライド膜を形成すること（全面スパッタ）ができるように、載置台上に単にウエハを載せた状態で１００％の窒素（Ｎ２）雰囲気中でスパッタ蒸着させる第２の装置も用いられてきている。しかしながら、この第２の装置では、前述した第１の装置と異なり、ウエハはクランプにより固定されていないため、Ａｒガス等を導入したウエハ裏面からのガスヒート加熱処理を施すことができず、積極的な加熱の無い無温調スパッタ処理となる。そのため、第２の装置で形成したチタンナイトライド膜は、上記第１の装置で形成したチタンナイトライド膜に比して膜質的に、バリア性の乏しいものであった。
【０００８】
従って、第２の装置で形成したチタンナイトライド膜は、第１の装置で形成したチタンナイトライド膜に比してバリア性が劣り、上述したようなボルケーノ異常の発生やリーク電流の発生、またコンタクト抵抗の上昇等の問題が発生する不具合があった。
【０００９】
このように従来のバリアメタル膜の形成においては、一長一短な問題があり、バリアメタル膜の構成の最適化を図る必要があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み為されたもので、図５に示すように半導体基板１上に形成したコンタクト孔内にバリアメタル膜１１を介してタングステン（Ｗ）膜１２が埋め込まれた半導体装置において、前記バリアメタル膜１１が、チタン（Ｔｉ）膜８と、高温のＡｒガスにより加熱処理された第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９と、上記Ａｒガスによる加熱処理がされない無加熱の第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０との積層膜であることを特徴とする。
【００１１】
また、その製造方法は、図２に示すように前記コンタクト孔を含む基板上面にチタン（Ｔｉ）膜８をスパッタ形成し、その上に図３に示すように窒素雰囲気中で高温のＡｒガスで加熱しながら第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９をスパッタ形成する。続いて、図４に示すように前記第１のチタンナイトライド膜９を被覆するように１００％の窒素雰囲気中で第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０をスパッタ形成し、図５に示すように前記コンタクト孔内に前記チタン膜８と第１のチタンナイトライド膜９と第２のチタンナイトライド膜１０との積層膜から成るバリアメタル膜１１を介してタングステン（Ｗ）膜１２を埋め込む工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置とその製造方法に係る一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１において、１は例えば、Ｐ型の半導体基板で、２は前記基板表層に形成したＮ型の拡散層である。そして、前記基板１を被覆するように、例えばＴＥＯＳ膜３、ＢＰＳＧ膜４及びＴＥＯＳ膜５から成る層間絶縁膜が形成されており、この層間絶縁膜上に形成したレジスト（ＰＲ）膜６をマスクにして前記拡散層２上にコンタクトするコンタクト孔７を形成する。
【００１４】
次に、図２において、前記レジスト（ＰＲ）膜６を除去した後に、前記コンタクト孔７を含む基板（層間絶縁膜）上全面にチタン（Ｔｉ）膜８をおよそ５００Åの膜厚でスパッタ形成する。
【００１５】
続いて、図３において、前記チタン（Ｔｉ）膜８上に第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９をおよそ５００Åの膜厚でスパッタ形成する。本工程では、スパッタ装置内のあるチャンバー（ウエハ端部を固定するクランプを有する従来例に示した第１の装置に相当）部で、窒素（Ｎ２）雰囲気中に高温の不活性ガス（本実施形態ではＡｒガスを用いている。）を導入してガスヒートしながら加熱処理（およそ２００℃前後）し、第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９を形成している。
【００１６】
更に、図４において、第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９上に第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０をおよそ１０００Åの膜厚でスパッタ形成する。本工程では、スパッタ装置内のあるチャンバー（全面スパッタ可能な従来例に示した第２の装置に相当）部で１００％の窒素（Ｎ２）雰囲気中で無加熱処理した第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０を形成している。ここで、バリアメタル膜の全体の膜厚はおよそ２０００Åとした。これは、コンタクト抵抗の低減化を図る上では厚膜化が必要であり、後述するコンタクト孔内へのタングステン（Ｗ）膜埋め込み具合（薄膜の方が埋まり易い）との兼ね合いから、バランスを取って現行条件に設定している。
【００１７】
図６は第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９と第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０の積層膜厚に対する抵抗値の関係を示す図であり、これによると第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０のみを１０００Å形成した場合の抵抗値の平均は、およそ２１２．６１Ωで、最大では６４４．６８Ω、最小でも３７．４１Ωと非常に高い。また、第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０のみを１５００Å（または２０００Å）形成した場合の抵抗値の平均は、およそ３３．５４Ω（または２７．９４Ω）で、最大では４５．８８Ω（または２８．８３Ω）、最小では２８．５９Ω（または２７．５４Ω）であった。しかし、このような第２のチタンナイトライド膜だけの場合には、従来の問題が発生するため採用できない。そこで、本実施形態で用いた条件である第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９を５００Å形成し、第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０を１０００Å形成した場合の抵抗値の平均は、およそ３３．３７Ωで、最大では４６．５２Ω、最小では２８．５８Ωと従来用いられていた構成と同等の抵抗値を得ることができる。更に実験では、第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９を１０００Å形成し、第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０を１０００Å形成した場合の抵抗値を測定した。この場合の抵抗値の平均は、およそ２８．４８Ωで、最大では２９．６０Ω、最小では２７．７７Ωと更に低い抵抗値を得られることが実証できた。しかしながら、この場合に、チタン膜を含めた全体の膜厚は２５００Åとなり、上述したようにコンタクト孔内にタングステン膜を埋め込む際の埋め込み具合を考慮して、本実施形態では採用しなかった。
【００１８】
更に言えば、第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９の膜厚をおよそ１０００Åとし、第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０の膜厚をおよそ５００Åとした場合には、ウエハ端部（第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９を形成する際のクランプ位置に相当）で膜剥がれが発生した。これは、第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９の膜厚に比して第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０の膜厚が薄すぎ、被覆力が弱かったためと考察する。
【００１９】
そして、図５において、チタン（Ｔｉ）膜８と第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９と第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０との積層膜から成るバリアメタル膜１１にバリアアニール処理を施した後、このバリアメタル膜１１上にタングステン（Ｗ）膜を形成し、このタングステン（Ｗ）膜をエッチバックしてコンタクト孔内に埋め込んだ後、このタングステン（Ｗ）膜１２上に不図示の金属配線を形成して、半導体装置を形成している。尚、本実施形態では、バリアアニール処理としておよそ４００℃の窒素（Ｎ２）雰囲気中で、３０分程度アニール処理することで、バリアメタルのバリア性向上と、コンタクト抵抗の安定化を図っている。更に言えば、４５０℃程度まで処理温度を高めてもコンタクト抵抗の安定化を図ることができる。
【００２０】
図７は上記バリアアニール処理条件に対する抵抗値の関係を示す図である。尚、このデータは、本実施形態で用いた条件である第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９を５００Å形成し、第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０を１０００Å形成したものに対するデータである。これによると、４５０℃で３０分処理した場合の抵抗値の平均は、およそ３３．３７Ωで、最大では４６．５２Ω、最小では２８．５８Ωであった。また、本実施形態で用いた条件である４００℃で３０分処理した場合の抵抗値の平均は、およそ２７．５４Ωで、最大では２８．１９Ω、最小では２７．０６Ωと上記条件に比して抵抗値を下げることができた。更に実験では処理時間中の温度低下に適用できるか検証するために、３７５℃で３０分処理した場合も検証した。この場合の抵抗値の平均は、およそ２７．３１Ωで、最大では２８．０８Ω、最小では２６．７６Ωとなり、温度低下による抵抗値上昇への影響は少ないと検証できた。更に言えば、本実験では３７５℃で３０分処理した場合に最も低い抵抗値を得ることができたが、本実施形態で採用しなかった理由は、リーク電流の発生を抑止するためにコンタクト孔部の形状を安定化するにはある程度の温度（４００℃程度）でアニール処理を施す必要があるためである。
【００２１】
このように本発明では、従来例のタングステン（Ｗ）膜を全面形成した際にクランプによりチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜が形成されなかった箇所での膜剥がれという問題を、第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９上に全面スパッタ形成可能な第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０で被覆することで解消することができる。
【００２２】
ボルケーノ発生やリーク電流の発生、またコンタクト抵抗の上昇等の問題をかかえた第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜１０の下層に、高温のＡｒガスによるガスヒート加熱されることで膜自体が緻密になり、上記問題が発生し難い第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜９を形成することで対応している。
【００２３】
このように本発明のバリアメタル膜の構成は、従来の２種のバリアメタル膜がかかえていた問題をそれぞれが補う形で抑止することができ、これに起因する不良品の発生を抑止することができる。
【００２４】
以下、本発明をフローティングゲート及びコントロールゲートを有する不揮発性半導体記憶装置に適用した実施の形態について、図８を参照しながら説明する。
【００２５】
図８において、例えばＰ型の半導体基板２１の表層には、Ｎ型の拡散領域（拡散深さの深い方を便宜的にソース領域と呼び、浅い方をドレイン領域とする。）２２が相互に離隔して形成されている。
【００２６】
また、ソース領域２２の両側の基板２１上にはおよそ１００Å乃至２００Åの膜厚のゲート酸化膜２４を介しておよそ１０００Å乃至２０００Åの膜厚の導電化されたポリシリコン膜から成るフローティングゲート（ＦＧ）２５が形成されている。更に、前記ソース領域２２及びドレイン領域２２の間の基板１１上には、およそ３００Å乃至４００Åの膜厚のトンネル酸化膜２６を介しておよそ１０００Å乃至２０００Åの膜厚のポリシリコン膜とおよそ１０００Å乃至２０００Åの膜厚のタングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）膜から成るコントロールゲート（ＣＧ）２７が形成されている。前記コントロールゲート２７のソース領域２２側の端部は、前記トンネル酸化膜２６を介してフローティングゲート２５の上方に配置されている。
【００２７】
尚、前記ソース領域２２及びコントロールゲート２７は、いずれも一方向（紙面に垂直な方向）に延びており、ソース領域２２の両側には複数のドレイン領域２２及び複数のコントロールゲート２７が前記一方向に沿って配列されている。そして、コントロールゲート２７は、不揮発性半導体記憶装置のワード線として作用する。
【００２８】
そして、前記基板２１上のフローティングゲート２５及びコントロールゲート２７を被覆するように例えば、ＬＰ−ＴＥＯＳ膜，ＢＰＳＧ膜，プラズマＴＥＯＳ膜から構成された層間絶縁膜２８が形成されている。尚、ＢＰＳＧ膜は、層間絶縁膜２８の平坦性を向上させるために介在させている。
【００２９】
このような構成の不揮発性半導体記憶装置において、前記層間絶縁膜２８に不図示のレジスト膜をマスクにして前記ドレイン領域２２上にコンタクトするコンタクト孔を形成し、このコンタクト孔を含む基板（層間絶縁膜２８）上の全面にバリアメタル膜２９を形成する。
【００３０】
このバリアメタル膜２９に本発明を適用する。即ち、チタン膜を形成した後、その上に窒素（Ｎ２）雰囲気中に高温の不活性ガス（例えば、Ａｒガス等）を導入してガスヒートしながら加熱処理（およそ２００〜３００℃前後）し、第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜をおよそ５００Åの膜厚で形成し、更にこの第１のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜上に１００％の窒素（Ｎ２）雰囲気中で無加熱処理し第２のチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜をおよそ１０００Åの膜厚で形成するものである。
【００３１】
そして、このバリアメタル膜２９を介してタングステン（Ｗ）膜から成るタングステンプラグ３０を埋設し、その上に金属配線３１を形成することで、前記ドレイン領域２２にコンタクトして成る当該不揮発性半導体記憶装置のビット線が形成される。
【００３２】
本実施形態においても、従来のようなバリアメタル膜に起因するボルケーノの発生やリーク電流の発生、またコンタクト抵抗の上昇等の問題について、本発明を採用することで解消することができる。
【００３３】
ここで、前述した金属配線３１が形成されるコンタクト孔は、図６に示すようにフローティングゲート２５とコントロールゲート２７が積層されて成る不揮発性半導体記憶装置の高段差部に形成されるため、深くなることが避けられず、このコンタクト孔内にアルミニウム等から成る配線膜を形成した場合に、そのステップカバレッジが悪化することになる。従って、このようなコンタクト孔内に前述したタングステンプラグ３０を埋設し、このタングステンプラグ３０上に金属配線３１を形成する際に、タングステン膜の異常堆積を抑制するために、本発明を適用することで金属配線３１のステップカバレッジを良好にすることができる。
【００３４】
尚、本実施形態では、フローティングゲート２５の上部から側部にまたがるようにトンネル酸化膜２６を介してコントロールゲート２７が積層されて成る、いわゆるスプリットゲート型の不揮発性半導体記憶装置に適用した例を示したが、フローティングゲート上の全面にコントロールゲートが積層されて成る、いわゆるスタックドゲート型の不揮発性記憶装置に適用しても良い。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、バリアメタル膜の構成を最適化したことで、従来のバリアメタル膜がかかえていた問題を解消することができ、これに起因する不良品の発生を抑止することができ、生産性を向上させることができる。
【００３６】
また、本発明をフローティングゲート及びコントロールゲートとを有する不揮発性半導体記憶装置のような高段差部を有する領域に形成するコンタクト孔内にタングステン膜を埋め込むものに適用すれば、タングステン膜の埋め込み工程の改善が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】チタンナイトライド膜の構成条件と抵抗値との関係を示す図である。
【図７】バリアアニール条件と抵抗値との関係を示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図９】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【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】
0004165977.tif 000008
【図８】
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【図９】
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