JPH06140372A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH06140372A
JPH06140372A JP4288031A JP28803192A JPH06140372A JP H06140372 A JPH06140372 A JP H06140372A JP 4288031 A JP4288031 A JP 4288031A JP 28803192 A JP28803192 A JP 28803192A JP H06140372 A JPH06140372 A JP H06140372A
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義明 山田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】窒化チタン膜上に成長したタングステンをＳＦ
6 等のガスでエッチングする際、窒化チタンの表面に粒
状のフッ化チタンが形成されるのを防ぎ、配線の短絡等
を防止する。 【構成】ビアホール形成後、チタン膜４，窒化チタン膜
５をスパッタリング法により、そしてタングステン膜６
を化学気相成長法により順次形成する。次にＳＦ6 によ
りビアホール内以外のタングステン膜６をエッチング除
去する。その後、アルゴンガスによりエッチングし、窒
化チタン膜５の表面のフッ素を除去する。次いてアルミ
ニウム合金膜７を被着し、パターニングしてアルミニウ
ム配線を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
関し、特に層間絶縁膜に設けた開口部をタングステン膜
により埋設した半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の高集積化により、配線の微
細化及び多層化が進んできている。そのため、半導体や
配線間を接続するために層間絶縁膜に設けた開口部（以
後ビアホールという）も微細化されてきている。しか
し、ビアホールの幅は小さくなっても深さはほとんど変
化せず、このビアホールの幅に対する深さの比をアスペ
クト比というがアスペクト比は増大するばかりである。
このアスペクト比の増大により、従来より使われてきた
配線金属であるアルミニウム合金膜をスパッタリング法
で被着する際、ビアホール内の被覆性が悪くなり、ビア
ホール内での断線による半導体装置の劣化や信頼性を悪
化させるという問題が発生してきている。
【０００３】そこで、ビアホールを化学気相成長法で形
成した高融点金属、特にタングステンにより埋設する方
法が用いられるようになってきている。タングステンに
よるビアホール埋設法としては、２通りの方法がある。
一つは、金属や半導体のみの上に選択的にタングステン
膜を成長させて埋設する方法であるが、この方法では、
選択性がくずれて、絶縁膜上にもタングステンが粒状に
成長してしまい配線間を短絡してしまったり、浅い接合
ではリークが発生しやすい、あるいは接続抵抗、特にＰ
型拡散層に対する接続抵抗が高く不安定である等の問題
があり、いまだ解決されていない。
【０００４】二つめの方法は、タングステン膜を基板表
面全体に成長し、ビアホールを埋設した後、タングステ
ン膜を全面エッチングして、平坦部でのタングステン膜
を除去し、ビアホール内のタングステン膜のみを残し、
埋設する方法である。以下この埋設法の例を、図３を用
いて説明する。
【０００５】まず図３（Ａ）に示すように、素子が形成
されたシリコン基板２１上に電極や配線等の多結晶シリ
コン層２２とシリコン酸化膜２３を形成したのち、この
シリコン酸化膜２３の所望の位置に素子及び多結晶シリ
コン層２２に達するビアホールを形成する。次に図３
（Ｂ）に示すように、スパッタリング法によりチタン膜
２４を１０〜１００ｎｍ，窒化チタン膜２５を５０〜２
００ｎｍの厚さに順次形成する。
【０００６】次に図３（Ｃ）に示すように、六弗化タン
グステン（ＷＦ6 ）を水素（Ｈ2 ）で還元してタングス
テン膜２６を窒化チタン膜２５上に成長する。タングス
テン膜の成長膜厚は、ビアホールの幅とほぼ同等の膜厚
以上が必要である。またＷＦ6 をＨ2 で還元する前に、
ＷＦ6 をシラン（ＳｉＨ4 ）で還元してタングステン膜
を１０〜２００ｎｍの厚さに成長したほうが良い。これ
は直接Ｈ2 でＷＦ6 を還元してタングステン膜を成長す
る際、窒化チタン膜によりＷＦ6 とシリコン基板の反応
を完全に防ぐことができず、接合が破壊されたり、接続
抵抗が高く不安定になったりすることがあるためであ
る。
【０００７】次に図３（Ｄ）に示すように、六弗化イオ
ウ（ＳＦ6 ）をエッチングガスとして用い、ドライエッ
チング法によりタングステン膜２６を、平坦部での窒化
チタン膜２５が露出するまで全面エッチングを行ない、
ビアホール内のみにタングステン膜２６を残す。その後
図３（Ｅ）に示すように、スパッタリング法にてアルミ
ニウム合金膜２７を０．５〜２．０μｍ程度の厚さに形
成し、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチン
グ技術によりアルミニウム合金膜２７と窒化チタン膜２
５を所望の形状にパターニングし、アルミニウム配線を
完成させる。
【０００８】この方法は、たとえばコンファレンス プ
ロシーディングス オブタングステン アンド アザー
アドバンスト メタルズ フォー ＵＬＳＩ アプリ
ケーションズ （Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ ａｎｄ Ｏｔｈ
ｅｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌｓ ｆｏｒ ＵＬ
ＳＩ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）１９９０年，Ｐ−３
６９〜３７７に記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この従来の半導体装置
の製造方法では、窒化チタン膜上のタングステン膜をＳ
Ｆ6 等のプラズマにより全面エッチングする際、窒化チ
タン膜の表面もＳＦ6 プラズマにさらされるため、窒化
チタン膜の表面にも弗素が被着し残留する。この弗素は
活性であるため、窒化チタン膜と反応して弗化チタンＴ
ｉＦ3 等が窒化チタン膜上に粒状に形成されることがあ
る。窒化チタン膜中に窒化されていない未反応のチタン
が存在すると、特に多くの粒状の弗化物が形成されやす
い。
【００１０】また、大気中の水分と弗素が反応し、弗化
水素が形成され、この弗化水素により窒化チタン膜の表
面が弗化され粒状のチタンの弗化物が形成される。これ
は、水分を多く含む雰囲気中において窒化チタン膜の表
面に粒状のチタンの弗化物が形成されやすいことからも
わかる。この粒状のチタンの弗化物により、配線形成の
為のアルミニウム合金膜のエッチングが良好に行なわれ
なくなり、配線間で短絡したり、アルミニウム配線がこ
の粒状物の上を走る場合、アルミニウム合金の被覆性が
悪化し、半導体装置の歩留り及び信頼性を悪化させると
いう問題がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、層間絶縁膜に開口部を形成した後、窒化チタ
ン膜を全面に形成し、さらにその上に化学気相成長法に
よりタングステン膜を成長し、次に弗素を含むガスを反
応ガスとするエッチング法にてタングステン膜を全面エ
ッチングし、層間絶縁膜の開口部内にのみタングステン
膜を残すことにより、開口部をタングステンで埋設する
半導体装置の製造方法であり、弗素を含むガスによりタ
ングステン膜を全面エッチングした後、露出した窒化チ
タン膜の表面に被着した弗素を除去する工程又は、窒化
チタン膜の表面を酸化する工程を含むという特徴を有し
ている。
【００１２】
【実施例】次に本発明について図面を用いて説明する。
図１（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の第１の実施例を説明する
ための主要工程における半導体チップの断面図である。
【００１３】まず図１（Ａ）に示すように、素子が形成
されたシリコン基板１及びその上の多結晶シリコン層２
上にシリコン酸化膜３を形成したのち、このシリコン酸
化膜３の所望の位置に素子に達するビアホールを形成す
る。
【００１４】次に図１（Ｂ）に示すように、スパッタリ
ング法によりチタン膜４を１０〜１００ｎｍ，窒化チタ
ン膜５を５０〜２００ｎｍの厚さに順次形成する。チタ
ン膜４は、シリコン基板１や多結晶シリコン層２との接
続抵抗を低く安定にするために必要であり、ビアホール
の底で１０ｎｍ以上の膜厚があったほうが望ましく、ビ
アホールの深さや径により膜厚は決定される。また窒化
チタン膜５はシリコン基板のシリコンと、タングステン
を成長させる原料ガスであるＷＦ6 との反応を防止する
ために必要である。
【００１５】次に図１（Ｃ）に示すように、減圧化学気
相成長法によりタングステン膜６を０．５〜１．０μｍ
の厚さに形成する。ビアホールを完全に平坦化するため
にはタングステン膜６の成長膜厚はビアホールの幅
（径）とほぼ同等以上の膜厚が必要である。またタング
ステン膜６は、被覆性の良好な水素によりＷＦ6 を還元
する方法により主に形成されるが、この前に、ＳｉＨ4
によりＷＦ6 を還元し若干のタングステン膜を成長させ
ておいたほうが安定にタングステン膜６が形成される。
タングステン膜６の成長は４００〜５００℃の温度で数
百ｍＴｏｒｒの圧力で行なう。
【００１６】次に図１（Ｄ）に示すように、ＳＦ6 とア
ルゴンの混合ガス雰囲気中でドライエッチング法により
タングステン膜６を全面エッチングし平坦部での窒化チ
タン膜５の表面を露出させ、ビアホール内のみにタング
ステン膜６を残す。引き続き、アルゴンガスのみによる
スパッタエッチング法により、窒化チタン膜５の表面を
エッチングし、窒化チタン膜５の表面に被着した弗素を
除去する。このアルゴンによるスパッタエッチングは、
タングステン膜のエッチング後、大気にさらすこと無く
同一真空中で行なったほうが良い。これは大気中の水分
にふれることでチタンの弗化物の粒子が形成される恐れ
があるためである。
【００１７】また、窒化チタン膜５の表面に被着した弗
素の除去方法としては、純水にひたすことにより弗素を
水洗してしまう方法、あるいは、１５０℃以上の高温で
熱処理し、弗素を解離してしまう方法、あるいは、アル
カリ性水溶液につけて窒化チタン膜５の表面を若干エッ
チングしてしまう方法を用いることができる。
【００１８】次に図１（Ｅ）に示すように、アルミニウ
ム合金膜７を０．５〜２．０μｍの厚さにスパッタリン
グ法により形成した後、通常のフォトリソグラフィ技術
及びドライエッチング技術によりアルミニウム合金膜
７，窒化チタン膜５を所望の形状にパターニングしてア
ルミニウム配線を完成させる。
【００１９】このように第１の実施例によれば、窒化チ
タン膜５の表面に被着した弗素を除去しているため、粒
子状のチタンの弗化物が形成されることがなくなる。こ
のため、短絡等の恐れのない配線を精度良く形成でき
る。
【００２０】図２（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の第２の実施
例を説明するための半導体チップの断面図である。
【００２１】まず図２（Ａ）に示すように、第１の実施
例同様にシリコン基板１上のシリコン酸化膜３の所望の
位置にビアホールを形成した後、スパッタリング法によ
りチタン膜４Ａを０．０５〜０．２μｍの厚さに形成す
る。
【００２２】次に図２（Ｂ）に示すように、窒素あるい
はアンモニア雰囲気中で６００〜８００℃の温度でチタ
ン膜４Ａを窒化し、窒化チタン膜５Ａとする。この時、
ビアホールの底ではシリコンとチタンが反応し、チタン
シリサイド層８が形成され、このチタンシリサイド層に
より接続抵抗は小さく安定したものとなる。
【００２３】次に図２（Ｃ）に示すように、第１の実施
例同様に減圧化学気相成長法によりタングステン膜を全
面に成長したのち、ＳＦ6 とアルゴンの混合ガス雰囲気
中でドライエッチングしてビアホール内のみにタングス
テン膜６を残す。
【００２４】次に図２（Ｄ）に示すように、酸素あるい
は酸素にアルゴンを加えたプラズマ等、少なくとも酸素
を含むプラズマにより露出した窒化チタン膜５Ａの表面
を処理することにより、窒化チタン膜５Ａの表面を酸化
し、酸化窒化チタン膜９を形成する。この時タングステ
ン膜表面には酸化タングステン膜１０が形成される。
【００２５】また、窒化チタン膜５Ａの表面の酸化は、
この他、酸素雰囲気中で赤外線ランプによりシリコン基
板を加熱することにより行なう方法もある。これら窒化
チタン膜５Ａの表面の酸化は、タングステン膜６のエッ
チング後大気にさらすことなく同一真空中で行なったほ
うが良いのは第１の実施例と同様である。また、この窒
化チタン膜５Ａの表面の酸化の時、表面に被着した弗素
は除去する必要は無い。酸化チタンは安定なため、弗素
が表面に被着していても弗化チタン等は形成されにくい
ためである。
【００２６】次に図２（Ｅ）に示すように、アルミニウ
ム合金膜７を０．５〜２．０μｍの厚さにスパッタリン
グ法により形成した後、アルミニウム合金膜７、窒化チ
タン膜５Ａを所望の形状にパターニングしてアルミニウ
ム配線を完成させる。アルミニウム合金膜７を形成する
前に、アルゴンガスを用いたスパッタエッチングにより
窒化チタン膜５Ａの表面の酸化膜層を除去したほうが良
い。
【００２７】第１の実施例においては、窒化チタン膜の
表面から弗素を除去しているだけなので、再び弗素を含
む雰囲気にさらされると、弗化チタン等が粒状に成長す
る恐れがあるが、本第２の実施例では窒化チタン膜の表
面が酸化されているため、再び弗素を含む雰囲気にさら
されても粒状の弗化チタン等が形成されることは無い。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、窒化チタ
ン膜上のタングステン膜を弗素を含むガスにてドライエ
ッチングした後、露出した窒化チタン膜の表面に被着し
た弗素を除去するか、あるいは窒化チタン膜の表面を酸
化することにより、タングステン膜のエッチング後、長
時間大気に放置しておいても、窒化チタン膜の表面に粒
状の弗化チタン等が形成されることはなくなる。したが
って、タングステン膜で埋設されたビアホールを有する
アルミニウム配線を短絡等もなく精度良く形成できるた
め、半導体装置の歩留り及び信頼性を向上させることが
できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を説明するための半導体
チップの断面図。
【図２】本発明の第２の実施例を説明するための半導体
チップの断面図。
【図３】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
半導体チップの断面図。
【符号の説明】
１，２１ シリコン基板 ２，２２ 多結晶シリコン層 ３，２３ シリコン酸化膜 ４，４Ａ，２４ チタン膜 ５，５Ａ，２５ 窒化チタン膜 ６，２６ タングステン膜 ７，２７ アルミニウム合金膜 ８ チタンシリサイド層 ９ 酸化窒化チタン膜 １０ 酸化タングステン膜

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に形成された層間絶縁膜に
    開口部を形成する工程と、この開口部を含む表面に窒化
    チタン膜を形成したのち化学気相成長法によりタングス
    テン膜を成長させ開口部を埋める工程と、弗素を含むガ
    スを反応ガスとするエッチング法により前記タングステ
    ン膜をエッチングし前記開口部内のみにタングステン膜
    を残したのち露出した前記窒化チタン膜の表面の弗素を
    除去する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製
    造方法。
  2. 【請求項２】 窒化チタン膜の表面の弗素を不活性ガス
    のプラズマによるエッチングにより除去する請求項１記
    載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 不活性ガスのプラズマによるエッチング
    は、タングステン膜をエッチングする工程と同一真空中
    で行なう請求項２記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 窒化チタン膜の表面の弗素を純水での水
    洗により除去する請求項１記載の半導体装置の製造方
    法。
  5. 【請求項５】 窒化チタン膜の表面の弗素を１５０℃以
    上の高温にさらして除去する請求項１記載の半導体装置
    の製造方法。
  6. 【請求項６】 窒化チタン膜の表面の弗素をアルカリ性
    水溶液につけて除去する請求項１記載の半導体装置の製
    造方法。
  7. 【請求項７】 半導体基板上に形成した層間絶縁膜に開
    口部を形成する工程と、この開口部を含む全面に窒化チ
    タン膜を形成したのち化学気相成長法によりタングステ
    ン膜を成長させ開口部を埋める工程と、弗素を含むガス
    を反応ガスとするエッチング法により前記タングステン
    膜をエッチングし前記開口部内のみにタングステン膜を
    残したのち露出した前記窒化チタン膜の表面を酸化する
    工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項８】 窒化チタン膜の表面を酸素を含むプラズ
    マ処理により酸化する請求項７記載の半導体装置の製造
    方法。
  9. 【請求項９】 窒化チタン膜の表面を酸素を含む雰囲気
    中でのランプアニールにより酸化する請求項７記載の半
    導体装置の製造方法。
  10. 【請求項１０】 窒化チタン膜の表面の酸化はタングス
    テン膜をエッチングする工程と同一真空中で行なう請求
    項８または請求項９記載の半導体装置の製造方法。
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