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JP3408527B2 - 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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JP3408527B2
JP3408527B2 JP2001277988A JP2001277988A JP3408527B2 JP 3408527 B2 JP3408527 B2 JP 3408527B2 JP 2001277988 A JP2001277988 A JP 2001277988A JP 2001277988 A JP2001277988 A JP 2001277988A JP 3408527 B2 JP3408527 B2 JP 3408527B2
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film
metal film
titanium nitride
plane
titanium
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弘光 阿部
剛史 原田
徹 樋野村
光成 佐竹
健一 國光
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Panasonic Holdings Corp
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特にコンタクトホール又はヴィアホ
ールにタングステン膜を埋め込んでプラグを形成する技
術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、半導体集積回路における下層
配線と上層配線との接続にはタングステンよりなるプラ
グ（タングステンプラグ）が使用されている。タングス
テンプラグは、層間絶縁膜に形成されたヴィアホールの
底面及び壁面並びに層間絶縁膜の上にチタン膜及び窒化
チタン膜等からなる密着層を堆積した後、該密着層の上
にＣＶＤ法によりタングステン膜を堆積し、その後、密
着層及びタングステン膜における層間絶縁膜の上に存在
する余分な部分をＣＭＰ（Chemical MechanicalPolishi
ng ）法により除去することによって形成される。
【０００３】タングステンプラグを形成する際に特に問
題になることは、密着層及びタングステン膜における層
間絶縁膜の上に存在する部分をＣＭＰ法により除去する
際に、ＣＭＰ工程の終点をいかに正確に制御するかであ
る。
【０００４】タングステン膜に対するＣＭＰ工程の終点
を精度良く検出することができない場合には、研磨過多
となってタングステンプラグの接続抵抗が著しく上昇し
たり、又は研磨不足となって隣り合うタングステンプラ
グ同士がショートしたりするなどの問題が発生する。
【０００５】そこで、例えば特開平８−１３９０６０号
公報においては、タングステン膜等の金属膜をＣＭＰ法
により研磨する際の終点を検出する方法が提案されてい
る。この終点検出方法は、密着層及び金属膜に対する研
磨が進み、層間絶縁膜が露出したときに基板ホルダー又
は定盤の回転トルクが変化する時点を終点とするもので
ある。
【０００６】ところが、前記従来のＣＭＰ法は、層間絶
縁膜が露出した時点を研磨終点とするため、研磨過多に
なりやすいという問題がある。
【０００７】そこで、ＣＭＰの被研磨膜がタングステン
膜から密着層に変化したときにおける基板ホルダー又は
定盤の研磨トルクの変化を検知してタングステン膜に対
する研磨の終点を検出し、その後、密着層の厚さと密着
層に対する研磨レートとから密着層を研磨するために要
する時間（研磨時間）を算出し、密着層の研磨時間が終
了したときをＣＭＰ工程の終点とする方法が提案されて
いる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、タングステ
ン膜に対するＣＭＰ工程の終点を精度良く検出すること
ができないという問題に直面した。
【０００９】図８（ａ）及び（ｂ）は、ＣＶＤ法により
堆積された密着層の上にＣＶＤ法によりタングステン膜
を堆積し、タングステン膜及び密着層に対してＣＭＰ法
を行なった場合における、時間経過と回転トルクとの関
係を示している。図８（ａ）に示す場合には、回転トル
クが急激に増加しているので、被研磨膜がタングステン
膜から密着層に変化したことを確実に検出できるが、図
８（ｂ）に示す場合には、回転トルクの変化が小さいの
で、被研磨膜がタングステン膜から密着層に変化したこ
と、つまりタングステン膜に対するＣＭＰ工程の終点を
確実に検出することはできない。
【００１０】タングステン膜に対するＣＭＰ工程の終点
を確実に検出できないと、タングステン膜に対する研磨
量が大きくばらつくので、タングステン膜の研磨残りが
発生したり又はタングステン膜の表面にリセスが形成さ
れたりしてしまう。
【００１１】前記に鑑み、本発明は、絶縁膜に形成され
た凹部の底面及び壁面並びに絶縁膜の上に第１の金属膜
を堆積した後、該第１の金属膜の上に第２の金属膜を堆
積し、その後、第１の金属膜と第２の金属膜との積層膜
に対してＣＭＰ法を行なう場合に、第２の金属膜に対す
るＣＭＰ工程の終点を精度良く検出できるようにするこ
とを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上の絶縁膜
に形成された凹部の底面及び壁面に堆積された第１の金
属膜と、凹部における第１の金属膜の上に埋め込まれた
第２の金属膜とを備え、第２の金属膜は、結晶面が（１
１０）面に配向しているタングステンの多結晶膜よりな
る。
【００１３】本発明に係る半導体装置によると、第２の
金属膜は、結晶面が（１１０）面に配向しているタング
ステンの多結晶膜よりなるため、第２の金属膜及び第１
の金属膜に対してＣＭＰを行なう場合、第２の金属膜に
対するＣＭＰ工程の終点検出を精度良く行なうことがで
きる。従って、ＣＭＰ工程における研磨過多及び研磨不
足を防止することができる。
【００１４】本発明に係る半導体装置において、第２の
金属膜の結晶面（１１０）は４°以下の半値幅で配向し
ていることが好ましい。
【００１５】このようにすると、第２の金属膜に対する
ＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度良く行なうことが
できる。
【００１６】本発明に係る半導体装置において、第１の
金属膜は、結晶面が（０００２）面に４°以下の半値幅
で配向しているチタン膜を有していることが好ましい。
【００１７】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性が確実に向上するので、第２
の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度
良く行なうことができる。
【００１８】本発明に係る半導体装置において、第１の
金属膜は、下層のチタン膜と上層の窒化チタン膜とを有
し、下層のチタン膜の厚さは１０ｎｍ以上であることが
好ましい。
【００１９】このようにすると、上層の窒化チタン膜の
結晶配向性が向上し、これに伴って、第２の金属膜とな
るタングステン膜の結晶配向性が確実に向上するので、
第２の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層
精度良く行なうことができる。
【００２０】本発明に係る半導体装置において、第１の
金属膜は、下層のチタン膜と上層の窒化チタン膜とを有
し、上層の窒化チタン膜は、複数の窒化チタン層の積層
膜よりなり、各窒化チタン層の厚さは４ｎｍ以下である
ことが好ましい。
【００２１】このようにすると、上層の窒化チタン膜の
上に成膜される第２の金属膜となるタングステン膜の結
晶配向性が確実に向上するので、第２の金属膜に対する
ＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度良く行なうことが
できる。
【００２２】本発明に係る半導体装置において、第１の
金属膜は、In-plane型Ｘ線回折装置を用いる２θ法で測
定した場合に結晶面が（２２０）面に２°以下の半値幅
で配向している窒化チタン膜を有していることが好まし
い。
【００２３】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性が確実に向上するので、第２
の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度
良く行なうことができる。
【００２４】この場合、窒化チタン膜には炭素が含まれ
ており、該炭素の濃度は５重量％以下であることが好ま
しい。
【００２５】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性がより確実に向上するので、
第２の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層
精度良く行なうことができる。
【００２６】また、この場合、窒化チタン膜は、有機チ
タン原料を用いるＣＶＤ法により成膜されていることが
好ましい。
【００２７】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性がより確実に向上するので、
第２の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層
精度良く行なうことができる。
【００２８】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半
導体基板上の絶縁膜に形成された凹部の底面及び壁面並
びに絶縁膜の上に第１の金属膜を堆積する工程と、第１
の金属膜の上に第２の金属膜を凹部が埋め込まれるよう
に堆積する工程と、第２の金属膜及び第１の金属膜にお
ける絶縁膜の上に存在する部分をＣＭＰ法により除去す
る工程とを備え、第２の金属膜は、結晶面が（１１０）
面に配向しているタングステンの多結晶膜よりなる。
【００２９】本発明に係る半導体装置の製造方法による
と、第２の金属膜は、結晶面が（１１０）面に配向して
いるタングステンの多結晶膜よりなるため、第２の金属
膜及び第１の金属膜に対してＣＭＰを行なう場合、第２
の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出を精度良く行な
うことができる。従って、ＣＭＰ工程における研磨過多
及び研磨不足を防止することができる。
【００３０】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、第２の金属膜の結晶面は４°以下の半値幅で配向し
ていることが好ましい。
【００３１】このようにすると、第２の金属膜に対する
ＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度良く行なうことが
できる。
【００３２】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、第１の金属膜は、結晶面が（０００２）面に４°以
下の半値幅で配向しているチタン膜を有していることが
好ましい。
【００３３】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性が確実に向上するので、第２
の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度
良く行なうことができる。
【００３４】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、第１の金属膜は、下層のチタン膜と上層の窒化チタ
ン膜とを有し、下層のチタン膜の厚さは１０ｎｍ以上で
あることが好ましい。
【００３５】このようにすると、上層の窒化チタン膜の
結晶配向性が向上し、これに伴って、第２の金属膜とな
るタングステン膜の結晶配向性が確実に向上するので、
第２の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層
精度良く行なうことができる。
【００３６】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、第１の金属膜は、下層のチタン膜と上層の窒化チタ
ン膜とを有し、上層の窒化チタン膜は、複数の窒化チタ
ン層の積層膜よりなり、各窒化チタン層の厚さは４ｎｍ
以下であることが好ましい。
【００３７】このようにすると、上層の窒化チタン膜の
上に成膜される第２の金属膜となるタングステン膜の結
晶配向性が確実に向上するので、第２の金属膜に対する
ＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度良く行なうことが
できる。
【００３８】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、第１の金属膜は、In-plane型Ｘ線回折装置を用いる
２θ法で測定した場合に結晶面が（２２０）面に２°以
下の半値幅で配向している窒化チタン膜を有しているこ
とが好ましい。
【００３９】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性が確実に向上するので、第２
の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層精度
良く行なうことができる。
【００４０】この場合、窒化チタン膜には炭素が含まれ
ており、該炭素の濃度は５重量％以下であることが好ま
しい。
【００４１】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性がより確実に向上するので、
第２の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層
精度良く行なうことができる。
【００４２】また、この場合、窒化チタン膜は、有機チ
タン原料を用いるＣＶＤ法により成膜されていることが
好ましい。
【００４３】このようにすると、第２の金属膜となるタ
ングステン膜の結晶配向性がより確実に向上するので、
第２の金属膜に対するＣＭＰ工程の終点検出をより一層
精度良く行なうことができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の第１の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１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｃ）を
参照しながら説明する。
【００４５】まず、図１（ａ）に示すように、半導体基
板１０の上に、第１のチタン膜１１、第１の窒化チタン
膜１２、第１のアルミニウム膜１３及び第２の窒化チタ
ン膜１４からなる下層の金属配線を形成した後、該下層
の金属配線の上を含む半導体基板１０の上に全面に亘っ
て、ノンドープのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）又はフッ
素がドープされたシリコン酸化膜（ＳｉＯＦ）よりなる
層間絶縁膜１５を形成する。
【００４６】次に、プラズマＣＶＤ法により、層間絶縁
膜１５の上にハードマスクとなるシリコン酸窒化膜１６
を形成した後、層間絶縁膜１５に対してシリコン酸窒化
膜１６をマスクとして選択的にエッチングを行なって、
層間絶縁膜１５にヴィアホール１７を形成する。尚、第
１のチタン膜１１及び第１の窒化チタン膜１２は密着層
となり、第２の窒化チタン膜１４はヴィアホール１７を
形成する際の反射防止膜となる。また、シリコン酸窒化
膜１６は、ハードマスクになると共に、層間絶縁膜１５
と後工程で形成される上層の金属配線との密着層として
の機能をも有する。
【００４７】層間絶縁膜１５にヴィアホール１７を形成
する工程において、層間絶縁膜１５を構成するシリコン
酸化膜と、ハードマスクを構成するシリコン酸窒化膜１
６とのエッチング選択性が十分に高くない場合には、シ
リコン酸窒化膜１６の表面が荒れてしまう場合がある。
シリコン酸窒化膜１６に表面荒れが発生すると、後工程
で堆積される、第２のチタン膜１８（図１（ｃ）を参
照）、第３の窒化チタン膜１９（図１（ｄ）を参照）及
びタングステン膜２０（図２（ａ）を参照）の結晶配向
性が低下する恐れがある。
【００４８】そこで、シリコン酸窒化膜１６に対して、
アルゴンによるスパッタエッチングを、熱酸化膜に換算
して１０ｎｍ以上の厚さに相当する程度に行なって、シ
リコン酸化膜１６の表面モフォロジーを改善する。この
ようにすると、ヴィアホール１７の底部もエッチングさ
れるので、図１（ｂ）に示すように、ヴィアホール１７
の底面は第１のアルミニウム膜１３の表面部に後退す
る。
【００４９】次に、図１（ｃ）に示すように、イオン化
スパッタ法、コリメーションスパッタ法又は遠距離スパ
ッタ法等の高指向性スパッタ法により、ヴィアホール１
７の底面及び壁面並びに層間絶縁膜１５の上に、１０ｎ
ｍ以上の厚さを持つ第２のチタン膜１８を堆積する。こ
のようにすると、最密結晶配向面である（０００２）面
の結晶配向性に優れ且つ配向強度の半値幅が４°以下で
ある第２のチタン膜１８が得られる。尚、第２のチタン
膜１８における最近接原子間の距離は約２．９５Åとな
る。
【００５０】次に、図１（ｄ）に示すように、ＴＤＭＡ
Ｔ（Tetrakis-DiMethyl-Amino-Titanium）を原料とする
ＬＰＣＶＤ法を複数回行なうことにより、第２のチタン
膜１８の上に第３の窒化チタン膜１９を堆積する。
【００５１】第３の窒化チタン膜１９の堆積方法は、Ｔ
ＤＭＡＴの熱分解により、炭素（Ｃ）を含有するＴｉＣ
Ｎ膜を形成する第１ステップと、窒素及び水素の雰囲気
中でプラズマ処理を行なって、ＴｉＣＮ膜中から炭素を
除去する第２ステップとからなり、これら第１ステップ
及び第２ステップを繰り返し行なうことにより、膜厚を
徐々に増大させて所望の膜厚を得る。
【００５２】第１ステップの条件は、ＴＤＭＡＴの流量
を２５０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）に、基板の表面温度
を約４５０℃に、成長時間を９秒に設定する。第２ステ
ップの条件は、プラズマ処理のチャンバー圧力を１７
３．３Ｐａに、基板印加バイアス電力のパワーを８００
Ｗに、プラズマ処理時間を５０秒に設定する。この場
合、高周波プラズマの加速電圧の絶対値は３０Ｖ以上に
なる。
【００５３】前述のＬＰＣＶＤ法を１サイクル行なう
と、約５．０ｎｍの厚さを持つ窒化チタン膜が得られる
ので、第１の実施形態においては、前述のＬＰＣＶＤ法
を２サイクル行なうことにより、約１０．０ｎｍの厚さ
を持つ第３の窒化チタン膜１９を形成する。
【００５４】第２のチタン膜１８の最密結晶配向面であ
る（０００２）面の結晶配向性が優れ且つ配向強度の半
値幅が４°以下であるため、該第２のチタン膜１８の上
に堆積される第３の窒化チタン膜１９の結晶配向性が向
上する。すなわち、基板の表面に対して垂直方向の配向
面を測定するIn-plane型Ｘ線回折装置を用いる２θ法の
測定では、第３の窒化チタン膜１９の（２２０）面の結
晶配向性が優れ且つ配向強度の半値幅は２°以下とな
る。
【００５５】次に、図２（ａ）に示すように、ＣＶＤ法
により、第３の窒化チタン膜１９の上にタングステン膜
２０を堆積する。タングステン膜２０の堆積工程は第１
ステップと第２ステップとからなり、第１ステップとし
ては、ＷＦ6 をＳｉＨ4 で還元することによりタングス
テン膜の核を形成し、第２ステップとしては、ＷＦ6を
Ｈ2 で還元することにより、タングステン膜２０をヴィ
アホール１９に充填する。
【００５６】第３の窒化チタン膜１９の結晶配向性が優
れているため、該第３の窒化チタン膜１９の上に堆積さ
れるタングステン膜２０の最密結晶配向面である（１１
０）面の配向が促進され、一般的に用いられているＸ線
回折法のロッキングカーブ測定では、配向強度の半値幅
が４°以下となる。
【００５７】次に、図２（ｂ）に示すように、タングス
テン膜２０、第３の窒化チタン膜１９及び第２のチタン
膜１８に対してＣＭＰ法を行なって、これらの積層膜に
おけるシリコン酸窒化膜１６の上に存在する部分を除去
することにより、ヴィアホール１７の内部に、タングス
テン膜２０、第３の窒化チタン膜１９及び第２のチタン
膜１８よりなるプラグ２１を形成する。
【００５８】次に、図２（ｃ）に示すように、プラグ２
１及びシリコン酸窒化膜１６の上に、第３のチタン膜２
２、第４の窒化チタン膜２３、第２のアルミニウム膜２
４及び第５の窒化チタン膜２５からなる上層の金属配線
を形成する。
【００５９】第１の実施形態によると、高指向性スパッ
タ法により１０ｎｍ以上の厚さを持つ第２のチタン膜１
８を堆積するため、第２のチタン膜１８の最密結晶配向
面である（０００２）面の結晶配向性が優れ且つ配向強
度の半値幅が４°以下になるので、該第２のチタン膜１
８の上に堆積される第３の窒化チタン膜１９の結晶配向
性が優れ、これに伴って、第３の窒化チタン膜１９の上
に堆積されるタングステン膜２０の最密結晶配向面であ
る（１１０）面の結晶配向性が向上する。
【００６０】図３は、高指向性スパッタ法により堆積さ
れた第２のチタン膜１８の厚さと、タングステン膜２０
の（１１０）面の配向強度の半値幅との関係を示してお
り、第２のチタン膜１８の厚さが１０ｎｍ以上である
と、タングステン膜２０の（１１０）面の配向強度の半
値幅が４°以下になることが分かる。
【００６１】従って、タングステン膜２０に対するＣＭ
Ｐ工程の終点検出を精度良く行なえるので、密着層とな
る第３の窒化チタン膜１９及び第２のチタン膜１８に対
するＣＭＰ工程の終点検出も精度良く行なうことがで
き、これによって、研磨過多及び研磨不足を防止するこ
とができる。
【００６２】ところで、層間絶縁膜１５がＳｉＯＦ膜よ
りなる場合に、タングステン膜２０及び密着層に対して
ＣＭＰ法を行なった後のシリコン酸窒化膜１６の厚さが
１００ｎｍ以下になると、層間絶縁膜１５中の遊離フッ
素が上層の金属配線中にパイルアップするため、上層の
金属配線が層間絶縁膜１５から剥がれやすくなる。
【００６３】ところが、第１の実施形態によると、ＣＭ
Ｐ法の終点検出を精度良くできるため、研磨過多が発生
しないので、シリコン酸窒化膜１６の厚さを１００ｎｍ
以上に制御できる。このため、上層の金属配線の層間絶
縁膜１５からの剥離を確実に防止することができる。
【００６４】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
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１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｃ）を参照しな
がら説明する。
【００６５】第１の実施形態と同様にして、図１（ａ）
に示すように、半導体基板１０の上に、第１のチタン膜
１１、第１の窒化チタン膜１２、第１のアルミニウム膜
１３及び第２の窒化チタン膜１４からなる下層の金属配
線を形成した後、半導体基板１０の上に全面に亘って層
間絶縁膜１５を形成する。次に、層間絶縁膜１５の上に
シリコン酸窒化膜１６を形成した後、層間絶縁膜１５に
対してシリコン酸窒化膜１６をマスクとして選択的にエ
ッチングを行なって、層間絶縁膜１５にヴィアホール１
７を形成する。
【００６６】次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン
酸窒化膜１６に対して、アルゴンによるスパッタエッチ
ングを行なって、シリコン酸化膜１６の表面モフォロジ
ーを改善した後、図１（ｃ）に示すように、高指向性ス
パッタ法により、ヴィアホール１７の底面及び壁面並び
に層間絶縁膜１５の上に、約５ｎｍの厚さを持つ第２の
チタン膜１８を堆積する。
【００６７】次に、図１（ｄ）に示すように、ＴＤＭＡ
Ｔを原料とするＬＰＣＶＤ法を複数回行なうことによ
り、第２のチタン膜１８の上に第３の窒化チタン膜１９
を堆積する。
【００６８】第３の窒化チタン膜１９の堆積方法は、Ｔ
ＤＭＡＴの熱分解により、炭素（Ｃ）を含有するＴｉＣ
Ｎ膜を形成する第１ステップと、窒素及び水素の雰囲気
中でプラズマ処理を行なって、ＴｉＣＮ膜中から炭素を
除去する第２ステップとからなり、これら第１ステップ
及び第２ステップを繰り返し行なうことにより、膜厚を
徐々に増大させて所望の膜厚を得る。
【００６９】第１ステップの条件は、ＴＤＭＡＴの流量
を２５０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）に、基板の表面温度
を約４００℃に、成長時間を７秒に設定する。このよう
に、従来及び第１の実施形態に比べて、基板の表面温度
を少し低くすると共に成長時間を少し短くしているた
め、第１ステップで成長するＴｉＣＮの膜厚は、従来及
び第１の実施形態における膜厚（約５．０ｎｍ）よりも
薄くなり、約３．５ｎｍになる。これにより、第２ステ
ップにおいてＴｉＣＮ膜から炭素を引き抜く際の効率が
向上する。すなわち、第１ステップで成長するＴｉＣＮ
膜の厚さが約３．５ｎｍであるため、第２ステップにお
いてＴｉＣＮ膜から炭素が効率良く引き抜かれるので、
窒化チタン膜の結晶配向性が向上する。第２ステップの
条件は、プラズマ処理のチャンバー圧力を１７３．３Ｐ
ａに、基板印加バイアス電力のパワーを８００Ｗに、プ
ラズマ処理時間を５０秒にする。この場合、従来に比べ
て、基板印加バイアス電力のパワーを大きくすると共に
プラズマ処理時間を長くして、窒化チタン膜中の残留炭
素量を減少させる。
【００７０】従来の条件で第１ステップ及び第２ステッ
プを行なうと、ＴｉＣＮ膜中の残留炭素量は約１０％で
あって、窒化チタン膜は最密結晶配向面である（１１
１）面に若干配向する程度であるが、第２実施形態の条
件で第１ステップ及び第２ステップを行なうと、ＴｉＣ
Ｎ膜中の残留炭素量を５％以下に減少させることができ
ると共に、窒化チタン膜の結晶配向性が向上する。すな
わち、In-plane型Ｘ線回折装置の２θ法で測定した場合
に、窒化チタン膜の結晶面が（２２０）面に配向し、配
向強度の半値幅としては２°以下になる。
【００７１】前述のＬＰＣＶＤ法を１サイクル行なう
と、約３．５ｎｍの厚さを持つ窒化チタン膜が得られる
ので、第２実施形態においては、前述のＬＰＣＶＤ法を
２サイクル行なうことにより、約７．０ｎｍの厚さを持
つ第３の窒化チタン膜１９を形成する。
【００７２】尚、第２実施形態においては、第１ステッ
プで成長するＴｉＣＮ膜の厚さを約３．５ｎｍにした
が、ＴｉＣＮ膜の厚さが４．０ｎｍ以下であれば、第２
ステップにおいてＴｉＣＮ膜から炭素を効率良く引き抜
くことができる。
【００７３】第２の実施形態においては、前述の処理条
件によって第３の窒化チタン膜１９を堆積するため、第
３の窒化チタン膜１９の結晶配向性が向上すると共に、
（０００２）面に高く配向する第２のチタン膜１８の最
近接原子間の距離（２．９５Å）と、第３の窒化チタン
膜１９の（１１１）面における最近接原子間の距離
（２．９９Å）とが非常に近い値になる。このため、第
３の窒化チタン膜１９の結晶配向性が一層向上する。
【００７４】次に、図２（ａ）に示すように、ＣＶＤ法
により、第３の窒化チタン膜１９の上にタングステン膜
２０を堆積する。タングステン膜２０の堆積工程は第１
ステップと第２ステップとからなり、第１ステップとし
ては、ＷＦ6 をＳｉＨ4 で還元することによりタングス
テン膜の核を形成し、第２ステップとしては、ＷＦ6を
Ｈ2 で還元することにより、タングステン膜２０をヴィ
アホール１９に充填する。
【００７５】第３の窒化チタン膜１９の結晶配向性が優
れているため、該第３の窒化チタン膜１９の上に堆積さ
れるタングステン膜２０の最密結晶配向面である（１１
０）面の結晶配向性が向上し、一般的に用いられている
Ｘ線回折法のロッキングカーブ測定では、配向強度の半
値幅が４°以下となる。
【００７６】次に、図２（ｂ）に示すように、タングス
テン膜２０、第３の窒化チタン膜１９及び第２のチタン
膜１８に対してＣＭＰ法を行なって、これらの積層膜に
おけるシリコン酸窒化膜１６の上に存在する部分を除去
する。
【００７７】次に、図２（ｃ）に示すように、プラグ２
１及びシリコン酸窒化膜１６の上に、第３のチタン膜２
２、第４の窒化チタン膜２３、第２のアルミニウム膜２
４及び第５の窒化チタン膜２５からなる上層の金属配線
を形成する。
【００７８】第２の実施形態によると、ＬＰＣＶＤ法に
より堆積された４．０ｎｍ以下の厚さを持つ窒化チタン
膜を複数層例えば２層積み上げて、第３の窒化チタン膜
１９を堆積するため、第３の窒化チタン膜１９の結晶配
向性が向上し、配向強度の半値幅としては４°以下にな
るので、該第３の窒化チタン膜１９の上に堆積されるタ
ングステン膜２０の最密結晶配向面である（１１０）面
の結晶配向性が優れる。
【００７９】図４は、第３の窒化チタン膜を構成する１
サイクルにより成長する窒化チタン膜の厚さと、タング
ステン膜２０の（１１０）面の配向強度の半値幅との関
係を示しており、１サイクルにより成長する窒化チタン
膜の厚さが４ｎｍ以下であると、タングステン膜２０の
（１１０）面の配向強度の半値幅が４°以下になること
が分かる。
【００８０】図５は、第３の窒化チタン膜を構成する１
サイクルにより成長する窒化チタン膜に対するプラズマ
処理時間と、タングステン膜２０の（１１０）面の配向
強度の半値幅との関係を示している。
【００８１】従って、タングステン膜２０に対するＣＭ
Ｐ工程の終点検出を精度良く行なえるので、密着層とな
る第３の窒化チタン膜１９及び第２のチタン膜１８に対
するＣＭＰ工程の終点検出も精度良く行なうことがで
き、これによって、研磨過多及び研磨不足を防止するこ
とができる。
【００８２】（第３の実施形態）以下、本発明の第３の
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１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｃ）を参照しな
がら説明する。
【００８３】第１の実施形態と同様にして、図１（ａ）
に示すように、半導体基板１０の上に、第１のチタン膜
１１、第１の窒化チタン膜１２、第１のアルミニウム膜
１３及び第２の窒化チタン膜１４からなる下層の金属配
線を形成した後、半導体基板１０の上に全面に亘って層
間絶縁膜１５を形成する。次に、層間絶縁膜１５の上に
シリコン酸窒化膜１６を形成した後、層間絶縁膜１５に
対してシリコン酸窒化膜１６をマスクとして選択的にエ
ッチングを行なって、層間絶縁膜１５にヴィアホール１
７を形成する。
【００８４】次に、図１（ｂ）に示すように、図１
（ｂ）に示すように、シリコン酸窒化膜１６に対して、
アルゴンによるスパッタエッチングを行なって、シリコ
ン酸化膜１６の表面モフォロジーを改善した後、図１
（ｃ）に示すように、高指向性スパッタ法により、ヴィ
アホール１７の底面及び壁面並びに層間絶縁膜１５の上
に、約５ｎｍの厚さを持つ第２のチタン膜１８を堆積す
る。
【００８５】次に、図１（ｄ）に示すように、ＴＤＭＡ
Ｔを原料とするＬＰＣＶＤ法を複数回行なうことによ
り、第２のチタン膜１８の上に第３の窒化チタン膜１９
を堆積する。
【００８６】第３の窒化チタン膜１９の堆積方法は、第
１の実施形態と同様であって、ＴＤＭＡＴの熱分解によ
り、炭素（Ｃ）を含有するＴｉＣＮ膜を形成する第１ス
テップと、窒素及び水素の雰囲気中でプラズマ処理を行
なって、ＴｉＣＮ膜中から炭素を除去する第２ステップ
とからなり、これら第１ステップ及び第２ステップを繰
り返し行なうことにより、約１０．０ｎｍの厚さを持つ
第３の窒化チタン膜１９を形成する。
【００８７】次に、図２（ａ）に示すように、第３の窒
化チタン膜１９の上にタングステン膜２０を堆積する。
【００８８】タングステン膜２０の堆積工程は第１ステ
ップと第２ステップとからなり、第１ステップとして
は、ＷＦ6 をＳｉＨ4 で還元することによりタングステ
ン膜の核を形成する。第１ステップの条件としては、Ｗ
Ｆ6 ガスの流量を４０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）に、Ｓ
ｉＨ4 ガスの流量を３０ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）に、
基板の表面温度を約４００℃に、成長時間を２０秒に設
定すると共に、ＷＦ6 ガスはＳｉＨ4 ガスよりも１秒間
だけ先に導入する。第２ステップとしては、ＷＦ 6 をＨ
2 で還元することにより、タングステン膜２０をヴィア
ホール１９に充填する。第２ステップの条件としては、
ＷＦ6 ガスの流量を１００ｍｌ／ｍｉｎ（標準状態）
に、Ｈ2 ガスの流量を１０００ｍｌ／ｍｉｎ（標準状
態）に設定する。
【００８９】この場合、第１ステップで導入する混合ガ
スの流量比、つまり（ＳｉＨ4 ガスの流量）／（ＷＦ6
ガスの流量）の値を１以下に設定しているため、成膜の
初期段階において、核となるタングステン膜中のシリコ
ンの含有量が減少するので、その上に成長するタングス
テン膜が核の結晶性を引き継ぎ易くなる。このため、タ
ングステン膜２０の最密結晶配向面である（１１０）面
の結晶配向性が向上するので、一般的に用いられている
Ｘ線回折法のロッキングカーブ測定では、配向強度の半
値幅が４°以下となる。
【００９０】また、第３の実施形態においては、第１ス
テップでＷＦ6 ガスをＳｉＨ4 ガスよりも１秒間だけ先
に導入するため、タングステン膜２０の（１１０）面の
結晶配向性が一層向上する。その理由は、成膜の初期段
階において、核となるタングステン膜中のシリコンの含
有量が一層減少するためである。
【００９１】次に、図２（ｂ）に示すように、タングス
テン膜２０、第３の窒化チタン膜１９及び第２のチタン
膜１８に対してＣＭＰ法を行なって、これらの積層膜に
おけるシリコン酸窒化膜１６の上に存在する部分を除去
する。
【００９２】次に、図２（ｃ）に示すように、プラグ２
１及びシリコン酸窒化膜１６の上に、第３のチタン膜２
２、第４の窒化チタン膜２３、第２のアルミニウム膜２
４及び第５の窒化チタン膜２５からなる上層の金属配線
を形成する。
【００９３】第３の実施形態によると、タングステン膜
２０を堆積する工程の第１ステップで導入するガスの混
合比であるＳｉＨ4 ／ＷＦ6 を１以下に設定しているた
め、タングステン膜２０の最密結晶配向面である（１１
０）面の結晶配向性が向上し、配向強度の半値幅が４°
以下と優れる。
【００９４】図６は、ＳｉＨ4 ガスの流量を３０ｍｌ／
ｍｉｎ（標準状態）で一定に保った状態で、ＷＦ6 ガス
の流量を変化させたときに得られるタングステン膜２０
の（１１０）面の配向強度の半値幅との関係を示してい
る。
【００９５】図７は、ＷＦ6 ガスの流量を４０ｍｌ／ｍ
ｉｎ（標準状態）で一定に保った状態で、ＳｉＨ4 ガス
の流量を変化させたときに得られるタングステン膜２０
の（１１０）面の配向強度の半値幅との関係を示してい
る。
【００９６】従って、タングステン膜２０に対するＣＭ
Ｐ工程の終点検出を精度良く行なえるので、密着層とな
る第３の窒化チタン膜１９及び第２のチタン膜１８に対
するＣＭＰ工程の終点検出も精度良く行なうことがで
き、これによって、研磨過多及び研磨不足を防止するこ
とができる。
【００９７】尚、第１の実施形態においては、高指向性
スパッタ法により１０ｎｍ以上の厚さを持つ第２のチタ
ン膜１８を堆積することにより、タングステン膜２０の
（１１０）面の結晶配向性を向上させ、第２の実施形態
においては、ＬＰＣＶＤ法により成膜された４ｎｍ以下
の窒化チタン膜を積層して第３の窒化チタン膜１９を成
膜することにより、タングステン膜２０の（１１０）面
の結晶配向性を向上させ、第３の実施形態においては、
第１ステップで導入するガスの混合比であるＳｉＨ4 ／
ＷＦ6 の値を１以下に設定することにより、タングステ
ン膜２０の（１１０）面の結晶配向性を向上させたが、
第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態を
２つ以上組み合わせると、タングステン膜２０の（１１
０）面の結晶配向性はより一層向上する。
【００９８】
【発明の効果】本発明に係る半導体装置及びその製造方
法によると、第２の金属膜及び第１の金属膜に対してＣ
ＭＰを行なう場合、第２の金属膜に対するＣＭＰ工程の
終点検出を精度良く行なうことができるので、ＣＭＰ工
程における研磨過多及び研磨不足を防止することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、第１〜第３の実施形態に係
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２】（ａ）〜（ｂ）は、第１〜第３の実施形態に係
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】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法に
おいて、高指向性スパッタ法により堆積された第２のチ
タン膜の厚さと、タングステン膜の（１１０）面の配向
強度の半値幅との関係を示す特性図である。
【図４】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法に
おいて、第３の窒化チタン膜を構成する１サイクルによ
り成長する窒化チタン膜の厚さと、タングステン膜の
（１１０）面の配向強度の半値幅との関係を示す特性図
である。
【図５】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法に
おいて、第３の窒化チタン膜を構成する１サイクルによ
り成長する窒化チタン膜に対するプラズマ処理時間と、
タングステン膜の（１１０）面の配向強度の半値幅との
関係を示す特性図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法に
おいて、タングステン膜を成長させる際のＷＦ6 ガスの
流量と、得られるタングステン膜の（１１０）面の配向
強度の半値幅との関係を示し示す特性図である。
【図７】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法に
おいて、タングステン膜を成長させる際のＳｉＨ4 ガス
の流量と、タングステン膜の（１１０）面の配向強度の
半値幅との関係を示し示す特性図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、従来の方法、つまりＣＶ
Ｄ法により堆積された密着層の上にＣＶＤ法によりタン
グステン膜を堆積し、タングステン膜及び密着層に対し
てＣＭＰ法を行なった場合における、時間経過と回転ト
ルクとの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０ 半導体基板 １１ 第１のチタン膜 １２ 第１の窒化チタン膜 １３ 第１のアルミニウム膜 １４ 第２の窒化チタン膜 １５ 層間絶縁膜 １６ シリコン酸窒化膜 １７ ヴィアホール １８ 第２のチタン膜 １９ 第２の窒化チタン膜 ２０ タングステン膜 ２１ 第３の窒化チタン膜 ２２ 第３のチタン膜 ２３ 第４の窒化チタン膜 ２４ 第２のアルミニウム膜 ２５ 第５の窒化チタン膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋野村 徹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 佐竹 光成 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 國光 健一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開2001−85430（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−112155（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−186260（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−64908（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−5604（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−144626（ＪＰ，Ａ) 国際公開99／013501（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/3205 H01L 21/3213 H01L 21/768 H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/44 - 21/445 H01L 29/40 - 29/51

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上の絶縁膜に形成された凹部
    の底面及び壁面並びに前記絶縁膜の上に第１の金属膜を
    堆積する工程と、 前記第１の金属膜の上に第２の金属膜を前記凹部が埋め
    込まれるように堆積する工程と、 前記第２の金属膜及び前記第１の金属膜における前記絶
    縁膜の上に存在する部分をＣＭＰ法により除去し、前記
    凹部の内部に前記第２の金属膜及び前記第１の金属膜を
    形成する工程とを備え、 前記第２の金属膜は、結晶面が（１１０）面に配向して
    いるタングステンの多結晶膜よりなり、かつ前記結晶面
    は４°以下の半値幅で配向し、 前記タングステンの多結晶膜に対する前記ＣＭＰ法は、
    回転トルクの変化を検知して研磨の終点を検出する こと
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記第１の金属膜を堆積する工程は、フ
    ッ素がドープされたシリコン酸化膜からなる前記絶縁膜
    と前記絶縁膜上に形成されたシリコン酸窒化膜とに形成
    された凹部の底面及び壁面並びに前記シリコン酸窒化膜
    の上に前記第１の金属膜を堆積する工程であり、 前記第２の金属膜及び前記シリコン酸窒化膜の上に上層
    の金属配線を形成する工程をさらに備えることを特徴と
    する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記第１の金属膜は、結晶面が（０００
    ２）面に４°以下の半値幅で配向しているチタン膜を有
    していることを特徴とする請求項１または請求項２に記
    載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記第１の金属膜は、下層のチタン膜と
    上層の窒化チタン膜とを有し、 前記下層のチタン膜の厚さは１０ｎｍ以上であることを
    特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の半
    導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記第１の金属膜は、下層のチタン膜と
    上層の窒化チタン膜とを有し、 前記上層の窒化チタン膜は、複数の窒化チタン層の積層
    膜よりなり、前記複数の窒化チタン層をそれぞれの厚さが４ｎｍ以下
    になるように形成した後、プラズマ処理を行なって前記
    複数の窒化チタン層に含まれる炭素を除去する 工程をさ
    らに備えていることを特徴とする請求項１〜請求項４の
    何れか１つ に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記第１の金属膜は、In-plane型Ｘ線回
    折装置を用いる２θ法で測定した場合に結晶面が（２２
    ０）面に２°以下の半値幅で配向している窒化チタン膜
    を有し、 前記窒化チタン膜には炭素が含まれており、該炭素の濃
    度は５重量％以下であることを特徴とする請求項１〜請
    求項５の何れか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記第１の金属膜は、In-plane型Ｘ線回
    折装置を用いる２θ法で測定した場合に結晶面が（２２
    ０）面に２°以下の半値幅で配向している窒化チタン膜
    を有し、 前記窒化チタン膜は、有機チタン原料を用いるＣＶＤ法
    により成膜されていることを特徴とする請求項１〜請求
    項６の何れか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項８】 半導体基板上の絶縁膜に形成された凹部
    の底面及び壁面並びに前記絶縁膜の上に第１の金属膜を
    堆積する工程と、 前記第１の金属膜の上に第２の金属膜を前記凹部が埋め
    込まれるように堆積する工程と、 前記第２の金属膜及び前記第１の金属膜における前記絶
    縁膜の上に存在する部分をＣＭＰ法により除去する工程
    とを備え、 前記第１の金属膜は、結晶面が（０００２）面に４°以
    下の半値幅で配向しているチタン膜を有し、 前記第２の金属膜は、結晶面が（１１０）面に配向して
    いるタングステンの多結晶膜よりなることを特徴とする
    半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記第１の金属膜は、下層のチタン膜と
    上層の窒化チタン膜とを有し、 前記下層のチタン膜の厚さは１０ｎｍ以上であることを
    特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記第１の金属膜は、下層のチタン膜
    と上層の窒化チタン膜とを有し、 前記上層の窒化チタン膜は、複数の窒化チタン層の積層
    膜よりなり、前記複数の窒化チタン層をそれぞれの厚さが４ｎｍ以下
    になるように形成した後、プラズマ処理を行なって前記
    複数の窒化チタン層に含まれる炭素を除去する工程をさ
    らに備えていることを特徴とする請求項８または請求項
    ９ に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記第２の金属膜の結晶面は４°以下
    の半値幅で配向し、 前記タングステンの多結晶膜に対する前記ＣＭＰ法は、
    回転トルクの変化を検知して研磨の終点を検出すること
    を特徴とする請求項８〜請求項１０の何れか１つに記載
    の半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項１２】 半導体基板上の絶縁膜に形成された凹
    部の底面及び壁面並びに前記絶縁膜の上に第１の金属膜
    を堆積する工程と、 前記第１の金属膜の上に第２の金属膜を前記凹部が埋め
    込まれるように堆積する工程と、 前記第２の金属膜及び前記第１の金属膜における前記絶
    縁膜の上に存在する部分をＣＭＰ法により除去する工程
    とを備え、 前記第１の金属膜は、In-plane型Ｘ線回折装置を用いる
    ２θ法で測定した場合に結晶面が（２２０）面に２°以
    下の半値幅で配向している窒化チタン膜を有し、 前記窒化チタン膜には炭素が含まれており、該炭素の濃
    度は５重量％以下であり、前記第２の金属膜は、結晶面が（１１０）面に配向して
    いるタングステンの多結晶膜よりなることを特徴とする
    半導体装置の製造方法。
  13. 【請求項１３】 半導体基板上の絶縁膜に形成された凹
    部の底面及び壁面並びに前記絶縁膜の上に第１の金属膜
    を堆積する工程と、 前記第１の金属膜の上に第２の金属膜を前記凹部が埋め
    込まれるように堆積する工程と、 前記第２の金属膜及び前記第１の金属膜における前記絶
    縁膜の上に存在する部分をＣＭＰ法により除去する工程
    とを備え、 前記第１の金属膜は、In-plane型Ｘ線回折装置を用いる
    ２θ法で測定した場合に結晶面が（２２０）面に２°以
    下の半値幅で配向している窒化チタン膜を有し、 前記窒化チタン膜は、有機チタン原料を用いるＣＶＤ法
    により成膜されており、前記第２の金属膜は、結晶面が（１１０）面に配向して
    いるタングステンの多結晶膜よりなることを特徴とする
    半導体装置の製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記第２の金属膜の結晶面は４°以下
    の半値幅で配向し、 前記タングステンの多結晶膜に対する前記ＣＭＰ法は、
    回転トルクの変化を検知して研磨の終点を検出すること
    を特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の半導
    体装置の製造方法。
  15. 【請求項１５】 半導体基板上の絶縁膜に形成された凹
    部の底面及び壁面並びに前記絶縁膜の上に第１の金属膜
    を堆積する工程と、 前記第１の金属膜の上に第２の金属膜を前記凹部が埋め
    込まれるように堆積する工程と、 前記第２の金属膜及び前記第１の金属膜における前記絶
    縁膜の上に存在する部分をＣＭＰ法により除去する工程
    とを備え、 前記第２の金属膜を堆積する工程において、最初のステ
    ップで導入するガスの混合比であるＳｉＨ 4 ／ＷＦ 6 の流
    量比を１以下に設定することにより、前記第２の金属膜
    は、結晶面が（１１０）面に配向しているタングステン
    の多結晶膜よりなることを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
  16. 【請求項１６】 前記第２の金属膜の結晶面は４°以下
    の半値幅で配向し、 前記タングステンの多結晶膜に対する前記ＣＭＰ法は、
    回転トルクの変化を検知して研磨の終点を検出すること
    を特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方
    法。
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