JP2014067866A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、窒化チタンバリア膜上にタングステンをCVD法で形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming tungsten on a titanium nitride barrier film by a CVD method.
DRAM等の半導体装置では、微細化に伴って、メモリセルの活性領域をラインパターンに形成し、さらに活性領域と交差する方向に延在するトレンチを基板に形成し、そのトレンチ内にワード線(ゲート)を埋め込んだ、埋め込みワードライン構造のトランジスタアレイが採用されている。F63、F45世代のDRAMでは、トレンチ幅はそれぞれ65nm、45nm程度に形成される。 In a semiconductor device such as a DRAM, the active region of a memory cell is formed in a line pattern along with miniaturization, and a trench extending in a direction crossing the active region is formed in a substrate, and a word line ( A transistor array with a buried word line structure in which a gate is buried is employed. In F63 and F45 generation DRAMs, the trench widths are about 65 nm and 45 nm, respectively.
埋め込みワードラインの形成方法は、半導体(シリコン)基板表面にハードマスクとなる窒化シリコン(SiN)膜を成膜し、パターニング後、ドライエッチングによりトレンチ構造を形成する。トレンチ内の露出する半導体(シリコン)基板表面をIn-Situ Steam Generation(ISSG)法により熱酸化してゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜を形成した後、窒化チタン(TiN)などでバリア膜を形成し、メインの導電体となるタングステン(W)を形成する。TiNとWの成膜にはステップカバレジの良好なCVD法が採用される。成膜したTiN膜及びW膜はエッチバックしてその表面が基板表面よりも低く、好ましくは基板表面に形成する拡散層よりも低くなるようにする。その後、後退したTiN膜及びW膜表面に酸化シリコン膜などを成膜し、CMP等で平坦化することでキャップ絶縁膜を形成すると埋め込みワードラインが完成する。このような埋め込みワードライン構造は、たとえば、特許文献1に示されている。 The buried word line is formed by forming a silicon nitride (SiN) film serving as a hard mask on the surface of a semiconductor (silicon) substrate, patterning, and then forming a trench structure by dry etching. An exposed semiconductor (silicon) substrate surface in the trench is thermally oxidized by an in-situ steam generation (ISSG) method to form a silicon oxide film that becomes a gate insulating film, and then a barrier film is formed using titanium nitride (TiN) or the like. Then, tungsten (W) to be a main conductor is formed. For the deposition of TiN and W, a CVD method with good step coverage is adopted. The formed TiN film and W film are etched back so that the surface thereof is lower than the substrate surface, preferably lower than the diffusion layer formed on the substrate surface. Thereafter, a silicon oxide film or the like is formed on the surfaces of the receded TiN film and W film, and planarized by CMP or the like to form a cap insulating film, thereby completing a buried word line. Such a buried word line structure is shown in Patent Document 1, for example.
背景技術に示すように、埋め込みワードライン用のトレンチなどの段差を有する構造にタングステン(W)をバルクで埋設するためにW−CVDが使用される。このW−CVDは、核形成ステップとメイン成膜ステップからなり、核形成ガスとしてSiH4やB2H6が使用される。特に、F38以降は、トレンチ幅が32nmへと縮小されており、Wバルク抵抗低減の要求がさらに厳しくなっている。この点で、B2H6はバルク抵抗を50%近く下げられるので期待されている。 As shown in the background art, W-CVD is used to bury tungsten (W) in a bulk structure in a stepped structure such as a trench for a buried word line. This W-CVD includes a nucleation step and a main film formation step, and SiH 4 or B 2 H 6 is used as a nucleation gas. In particular, after F38, the trench width has been reduced to 32 nm, and the demand for reducing the W bulk resistance has become more severe. In this respect, B 2 H 6 is expected because it can reduce the bulk resistance by nearly 50%.
しかし、本発明者らの検討によれば、バリア膜であるTiN膜上に上記バルク抵抗低減のためのW−CVD条件を適用すると、下地のゲート絶縁膜との密着性が低下し、TiN膜とゲート絶縁膜の界面が剥離して欠陥部を形成してしまうことが確認された。 However, according to the study by the present inventors, when the W-CVD condition for reducing the bulk resistance is applied to the TiN film as the barrier film, the adhesion with the underlying gate insulating film is lowered, and the TiN film It was confirmed that the interface between the gate insulating film and the gate insulating film peeled off to form a defective portion.
また、この問題は、埋め込みワードラインの形成に限らず、バリア膜としてTiN膜を形成し、その上にWを上記CVD条件で形成する場合に、TiN膜と下地膜との密着性低下を引き起こしている。 This problem is not limited to the formation of the buried word line, and when a TiN film is formed as a barrier film and W is formed thereon under the above CVD conditions, the adhesion between the TiN film and the base film is reduced. ing.
本発明の一実施形態によれば、
窒化チタンを含むバリア膜を形成する工程と、
前記窒化チタン上にシランまたはジボランガスとタングステン化合物を用いたCVD法によりタングステン核を形成する工程と、
前記タングステン核を用いてCVD法によりタングステン膜を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記タングステン核を形成する工程の前に、前記窒化チタンを含むバリア膜をアルゴン、水素、アンモニアを含む雰囲気中でプラズマ処理することを特徴とする半導体装置の製造方法、
が提供される。
According to one embodiment of the present invention,
Forming a barrier film containing titanium nitride;
Forming a tungsten nucleus on the titanium nitride by a CVD method using silane or diborane gas and a tungsten compound;
Forming a tungsten film by a CVD method using the tungsten nucleus;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
Before the step of forming the tungsten nucleus, the barrier film containing titanium nitride is subjected to plasma treatment in an atmosphere containing argon, hydrogen, and ammonia,
Is provided.
本発明の一実施形態によれば、タングステン核を形成する前に窒化チタンを含むバリア膜をプラズマ処理することで、バリア膜中の不純物が抜けて高密度化することでバリア性が向上する。また、タングステン膜成長時に使用する原料ガスによるダメージを低減し、密着性劣化を抑制できる。更に、プラズマ処理追加によって窒化チタン膜のストレスも緩和されるため、バリア膜とタングステン膜との密着性向上に寄与している。加えて、プラズマ処理により膜中の不純物が抜けることで、バリア膜の比抵抗が低減する。 According to one embodiment of the present invention, the barrier property including titanium nitride is plasma-treated before the tungsten nuclei are formed, whereby impurities in the barrier film are removed and the density is increased, thereby improving the barrier property. Further, it is possible to reduce damage due to the source gas used during the growth of the tungsten film and suppress deterioration of adhesion. Furthermore, since the stress of the titanium nitride film is relieved by the addition of plasma treatment, it contributes to improving the adhesion between the barrier film and the tungsten film. In addition, the specific resistance of the barrier film is reduced by removing impurities in the film by the plasma treatment.
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態例について説明するが、本発明はこの実施形態例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments.
(実施形態例1)
まず、図1(a)の平面図を参照して、本実施形態例の半導体装置の主要部分の配置について説明する。図1(a)では、容量部分の構造については省略されている。半導体基板1上にとメモリセル領域MCAの周囲に周辺回路領域PFAが存在する。図1(a)では、X方向にメモリセル領域MCAと周辺回路領域PFAが隣り合っているがこの限りではない。
(Example 1)
First, with reference to the plan view of FIG. 1A, the arrangement of the main part of the semiconductor device of this embodiment will be described. In FIG. 1A, the structure of the capacity portion is omitted. A peripheral circuit area PFA exists on the semiconductor substrate 1 and around the memory cell area MCA. In FIG. 1A, the memory cell area MCA and the peripheral circuit area PFA are adjacent to each other in the X direction.
メモリセル領域MCAにおいて、X方向に傾きを有するX’方向に直線で延在する素子分離領域2と、素子分離領域2に隣接してX’方向に直線で延在する活性領域1aと、が等ピッチ間隔でY方向に繰り返し配置されている。活性領域1aは、素子分離領域2によってY方向に電気的に分離されている。複数の素子分離領域2および複数の活性領域1aに跨って、Y方向に直線で延在する埋め込みワード線(以下、ワード線)3と埋め込みダミーワード線(以下、ダミーワード線)3’が配置されている。図では一部の構成が省略されているが、隣接する二つのダミーワード線3’の間に2本のワード線3が均等間隔で配置されている。すなわち、各々のダミーワード線3’およびワード線3は、同一の幅、および間隔で配置されている。ダミーワード線3’は、ワード線3と同じ構成で形成されるが、各々のワード線3は対応するトランジスタのゲート電極として機能するのに対し、ダミーワード線3’は、ダミーワード線3’の両側に隣接するトランジスタを電気的に分離する素子分離機能を有する。これにより、活性領域1aは、Y方向に素子分離領域2で絶縁分離され、延在するX’方向にダミーワード線3’で絶縁分離され独立した島状活性領域を構成する。ここで、説明を容易にするために、隣接するダミーワード線3をX方向に向かって3’−1,3’−2,ワード線3をX方向に向かって3−1,3−2と称す。X’方向に延在する一つの島状活性領域は、ダミーワード線3’−1とダミーワード線3’−2で挟まれ、さらに、ダミーワード線3’−1とワード線3−1に隣接する容量コンタクト接続領域1bと、ワード線3−1とワード線3−2に隣接するビット線コンタクト接続領域1cと、ワード線3−2とダミーワード線3’−2に隣接する他方の容量コンタクト接続領域1bと、で構成されている。一方の容量コンタクト接続領域1bと、一方のワード線3と、ビット線コンタクト接続領域1cとで一つのトランジスタTr1Aが構成される。また、ビット線コンタクト接続領域1cと、他方のワード線3と、他方の容量コンタクト接続領域1bとで他の一つのトランジスタTr1Bが構成される。したがって、ビット線コンタクト接続領域1cは、二つのトランジスタTr1A及びTr1Bで共有される構成となっている。各々のビット線コンタクト接続領域1c上にはビット線コンタクト5cが設けられ、各々のビット線コンタクト5cに接続してX方向に延在するビットラインゲート5(以降BLG5)が配置されている。各々の容量コンタクト接続領域1b上には、容量コンタクト7が設けられ、各々の容量コンタクト7上にはキャパシタ(図示せず)が設けられている。一方、周辺回路領域PFAにおいて、活性領域1aをX方向に長い島状の複数の領域に分けるように配置された素子分離領域2が配置されている。なお、活性領域1aの長手方向ならびに数についてはこの限りではない。活性領域1aのほぼ、中心の直上にゲート絶縁膜を介してBLG5が配置されている。図1aではY方向に複数並んだ活性領域1aの中心を貫いて、BLG5がY方向に延在しているが必ずしもこのようになっている必要は無い。 In the memory cell region MCA, an element isolation region 2 extending in a straight line in the X ′ direction having an inclination in the X direction, and an active region 1 a extending in a straight line in the X ′ direction adjacent to the element isolation region 2 are provided. It is repeatedly arranged in the Y direction at equal pitch intervals. The active region 1a is electrically isolated in the Y direction by the element isolation region 2. A buried word line (hereinafter referred to as word line) 3 and a buried dummy word line (hereinafter referred to as dummy word line) 3 ′ extending in a straight line in the Y direction are arranged across the plurality of element isolation regions 2 and the plurality of active regions 1a. Has been. Although a part of the configuration is omitted in the figure, two word lines 3 are arranged at equal intervals between two adjacent dummy word lines 3 '. That is, the dummy word lines 3 ′ and the word lines 3 are arranged with the same width and interval. The dummy word line 3 ′ is formed in the same configuration as the word line 3, but each word line 3 functions as a gate electrode of a corresponding transistor, whereas the dummy word line 3 ′ is a dummy word line 3 ′. Have an element isolation function for electrically isolating adjacent transistors on both sides. As a result, the active region 1a is insulated and isolated by the element isolation region 2 in the Y direction, and is isolated by the dummy word line 3 'in the extending X' direction to form an independent island-like active region. Here, for ease of explanation, the adjacent dummy word lines 3 are 3′-1, 3′-2 in the X direction, and the word lines 3 are 3-1, 3-2 in the X direction. Call it. One island-like active region extending in the X ′ direction is sandwiched between the dummy word line 3′-1 and the dummy word line 3′-2, and is further connected to the dummy word line 3′-1 and the word line 3-1. Adjacent capacitor contact connection region 1b, bit line contact connection region 1c adjacent to word line 3-1 and word line 3-2, and the other capacitor adjacent to word line 3-2 and dummy word line 3′-2. And a contact connection region 1b. One capacitor contact connection region 1b, one word line 3, and bit line contact connection region 1c constitute one transistor Tr1A. The bit line contact connection region 1c, the other word line 3, and the other capacitor contact connection region 1b constitute another transistor Tr1B. Therefore, the bit line contact connection region 1c is configured to be shared by the two transistors Tr1A and Tr1B. A bit line contact 5c is provided on each bit line contact connection region 1c, and a bit line gate 5 (hereinafter referred to as BLG 5) extending in the X direction is connected to each bit line contact 5c. A capacitor contact 7 is provided on each capacitor contact connection region 1b, and a capacitor (not shown) is provided on each capacitor contact 7. On the other hand, in the peripheral circuit region PFA, an element isolation region 2 is arranged so as to divide the active region 1a into a plurality of island-like regions that are long in the X direction. The longitudinal direction and number of the active regions 1a are not limited to this. BLG 5 is disposed almost directly above the center of active region 1a via a gate insulating film. In FIG. 1a, the BLG 5 extends in the Y direction through the center of a plurality of active regions 1a arranged in the Y direction, but this is not necessarily required.
活性領域1aのうち、BLG5が被さっていない領域すなわちBLG5によって二つに分けられた領域が周辺コンタクト接続領域1dとなる。周辺コンタクト接続領域1d上には、周辺コンタクト8が設けられ、各々の周辺コンタクト7’上には、周辺配線が設けられている。 Of the active region 1a, a region that is not covered with BLG5, that is, a region divided into two by BLG5 becomes peripheral contact connection region 1d. A peripheral contact 8 is provided on the peripheral contact connection region 1d, and a peripheral wiring is provided on each peripheral contact 7 '.
次に、図1(b)の断面図を参照する。半導体基板1表面に同じ幅および間隔で形成された複数のワードトレンチ3b内に、In-Situ Steam Generation酸化膜3c(以降ISSG3c)を介してメタルワードライン3dが各々埋設されている。メタルワードライン3dの上面を覆うようにキャップ絶縁膜3eが埋設されている。この各々のワードトレンチ3b内に形成された構造がワード線3とダミーワード線3’となる。キャップ絶縁膜3eを覆うように第1層間絶縁膜4が設けられている。隣接する二つのワード線3−1,3−2間に位置する活性領域1aからなるビット線コンタクト接続領域1cの上面には、第1層間絶縁膜4を貫通するビット線コンタクトプラグ5d−1およびその上面に接続されX方向に延在するBLG上層膜5e−1が積層配置され、配線の形状に形成されている。BLG上層膜5e−1の上面及び側壁にはシリコン窒化膜からなるサイドウォール絶縁膜5fが設けられ、ビット線コンタクトプラグ5d−1とBLG上層膜5e−2およびサイドウォール絶縁膜5fでメモリセル領域MCRのBLG5−1を形成している。 Next, reference is made to the cross-sectional view of FIG. Metal word lines 3d are respectively buried in a plurality of word trenches 3b formed on the surface of the semiconductor substrate 1 with the same width and interval through an In-Situ Steam Generation oxide film 3c (hereinafter, ISSG 3c). A cap insulating film 3e is embedded so as to cover the upper surface of the metal word line 3d. The structure formed in each word trench 3b becomes a word line 3 and a dummy word line 3 '. A first interlayer insulating film 4 is provided so as to cover the cap insulating film 3e. On the upper surface of the bit line contact connection region 1c formed of the active region 1a located between two adjacent word lines 3-1 and 3-2, a bit line contact plug 5d-1 penetrating the first interlayer insulating film 4 and A BLG upper layer film 5e-1 connected to the upper surface and extending in the X direction is laminated and formed in the shape of a wiring. A side wall insulating film 5f made of a silicon nitride film is provided on the upper surface and side wall of the BLG upper layer film 5e-1, and the bit line contact plug 5d-1, the BLG upper layer film 5e-2, and the side wall insulating film 5f serve as a memory cell region. MCR BLG5-1 is formed.
一方、周辺回路領域PFAにおいては、活性領域1aの中心部分の直上に、酸化膜または高誘電率膜(Hi−K膜)またはHi−K膜の積層膜からなるゲート絶縁膜5aとメタルゲート5bとBLG下層膜5d−2とBLG上層膜5e−2が順に積層され配線の形状に形成され、これらの上面及び側壁にはシリコン窒化膜からなるサイドウォール絶縁膜5fが設けられ、周辺回路領域PFAのBLG5−2を構成している。 On the other hand, in the peripheral circuit region PFA, a gate insulating film 5a and a metal gate 5b made of an oxide film, a high dielectric constant film (Hi-K film) or a laminated film of Hi-K films are directly above the central portion of the active region 1a. And a BLG lower layer film 5d-2 and a BLG upper layer film 5e-2 are sequentially stacked to form a wiring shape, and a sidewall insulating film 5f made of a silicon nitride film is provided on the upper surface and side walls thereof, and the peripheral circuit region PFA BLG5-2.
メモリセル領域MCRのBLG5−1及び周辺回路領域PFAのBLG5−2を覆うように、全面にシリコン酸化膜からなる第2層間絶縁膜6が設けられている。容量コンタクト接続領域1bとなる活性領域1aの上面には、第2層間絶縁膜6および第1層間絶縁膜4を貫通して容量コンタクトプラグ7が接続されている。周辺コンタクト接続領域1dとなる活性領域1aの上面には、第2層間絶縁膜6および第1層間絶縁膜4を貫通して配線コンタクトプラグ8が接続されている。配線コンタクトプラグ8上面に接続されて周辺回路配線9が配置されている。容量コンタクトプラグ7及び周辺回路配線9の上面を含む全面にシリコン窒化膜からなるストッパー膜10とシリコン酸化膜からなる第3層間絶縁膜11が設けられている。 A second interlayer insulating film 6 made of a silicon oxide film is provided on the entire surface so as to cover BLG5-1 in the memory cell region MCR and BLG5-2 in the peripheral circuit region PFA. A capacitor contact plug 7 is connected to the upper surface of the active region 1 a serving as the capacitor contact connection region 1 b through the second interlayer insulating film 6 and the first interlayer insulating film 4. A wiring contact plug 8 is connected to the upper surface of the active region 1a to be the peripheral contact connection region 1d through the second interlayer insulating film 6 and the first interlayer insulating film 4. A peripheral circuit wiring 9 is connected to the upper surface of the wiring contact plug 8. A stopper film 10 made of a silicon nitride film and a third interlayer insulating film 11 made of a silicon oxide film are provided on the entire surface including the upper surfaces of the capacitor contact plug 7 and the peripheral circuit wiring 9.
容量コンタクトプラグ7の上面に到達するように第3層間絶縁膜11とストッパー膜10を貫通するシリンダーホール12aを開口し、シリンダーホールの内側と底部を覆うように下部電極12bが設けられている。これにより、下部電極12bは、容量コンタクトプラグ7の上面に接続する。下部電極表面12bを覆うように、容量絶縁膜12cおよび上部電極12dが設けられ、下部電極12bと容量絶縁膜12cおよび上部電極12dにより、キャパシタ12を構成している。キャパシタ12を覆うように、第4層間絶縁膜13が設けられている。第4層間絶縁膜13を貫通する配線コンタクト14が設けられ、配線コンタクト14上面には配線層15が接続されている。配線15を覆うように、保護絶縁膜16が全面に設けられている。 A cylinder hole 12a penetrating the third interlayer insulating film 11 and the stopper film 10 is opened so as to reach the upper surface of the capacitor contact plug 7, and a lower electrode 12b is provided so as to cover the inside and bottom of the cylinder hole. As a result, the lower electrode 12b is connected to the upper surface of the capacitor contact plug 7. A capacitor insulating film 12c and an upper electrode 12d are provided so as to cover the lower electrode surface 12b, and the capacitor 12 is constituted by the lower electrode 12b, the capacitor insulating film 12c, and the upper electrode 12d. A fourth interlayer insulating film 13 is provided so as to cover the capacitor 12. A wiring contact 14 penetrating the fourth interlayer insulating film 13 is provided, and a wiring layer 15 is connected to the upper surface of the wiring contact 14. A protective insulating film 16 is provided on the entire surface so as to cover the wiring 15.
次に本発明の製造方法について、図面を参照して説明する。
まず、図2に示すように、半導体基板1にSTI2を形成することで、活性領域1aを区画する。図2(a)は図1(a)に相当する平面図、図2(b)は図2(a)のA−A’断面を示す。
Next, the manufacturing method of this invention is demonstrated with reference to drawings.
First, as shown in FIG. 2, the active region 1 a is partitioned by forming STI 2 on the semiconductor substrate 1. 2 (a) is a plan view corresponding to FIG. 1 (a), and FIG. 2 (b) shows an AA ′ cross section of FIG. 2 (a).
次に、図3に示すように、ハードマスク3aを半導体基板1上に形成し、エッチングしてワードトレンチ3b及びダミーワードトレンチ3b’を形成する。ワードトレンチ3b及びダミーワードトレンチ3b’内に露出する半導体基板1をISSGにより酸化してゲート絶縁膜3cを形成する。ゲート絶縁膜3cは、5nm程度が好ましい。図3(a)は図1(a)に相当する平面図、図3(b)は図3(a)のA−A’断面、図3(c)は図3(a)のB−B’断面を示す。ここでは、半導体基板1のエッチング量よりSTI2のエッチング量より小さくなるように形成することで、図3(c)に示すようにサドル部1bが形成される。 Next, as shown in FIG. 3, a hard mask 3a is formed on the semiconductor substrate 1 and etched to form a word trench 3b and a dummy word trench 3b '. The semiconductor substrate 1 exposed in the word trench 3b and the dummy word trench 3b 'is oxidized by ISSG to form a gate insulating film 3c. The gate insulating film 3c is preferably about 5 nm. 3A is a plan view corresponding to FIG. 1A, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 3A, and FIG. 3C is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 'Show cross section. Here, the saddle portion 1b is formed as shown in FIG. 3C by forming the semiconductor substrate 1 so as to be smaller than the etching amount of the STI 2.
続いて、図4に示すように、ワードトレンチ3b及びダミーワードトレンチ3b’内に導電膜を形成する。導電膜3dは、TiNであるバリア膜3d−1、タングステンシード層3d−2、タングステン層3d−3を順次形成する。図4(a)は図1(a)に相当する平面図、図4(b)は図4(a)のA−A’断面を示す。 Subsequently, as shown in FIG. 4, a conductive film is formed in the word trench 3b and the dummy word trench 3b '. The conductive film 3d sequentially forms a barrier film 3d-1, which is TiN, a tungsten seed layer 3d-2, and a tungsten layer 3d-3. 4A is a plan view corresponding to FIG. 1A, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG.
ここで、背景技術の問題点を、図5を用いて説明する。図5(a)は、従来の導電膜3d形成のフローシートを示す。図3に示したISSG処理後、TiNであるバリア膜3d−1とタングステンシード層3d−2ならびにタングステン層3d−3の順に成膜する。ここで、タングステンシード層3d−2とタングステン層3d−3は、一つのプロセス中の各成膜ステップとして実現される。具体的には、TiNであるバリア膜3d−1は、熱CVD法にて、650℃、267Pa(2Torr)にて、1nmずつTiCl4とNH3で成膜するステップと、NH3でCl引き抜きを行うステップを繰り返して5nmを成膜する。タングステンシード層3d−2は、WF6ガスをSiH4または、B2H6で還元してタングステン(W)の核を形成し、そのW核を基にして、タングステン層3d−3を成長させる。ここでは4nmのシード層3d−2を成膜し、その後、56nmのW層3d−3を成長させる(Wの合計厚みは60nm)。 Here, problems of the background art will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows a conventional flow sheet for forming a conductive film 3d. After the ISSG treatment shown in FIG. 3, a barrier film 3d-1, which is TiN, a tungsten seed layer 3d-2, and a tungsten layer 3d-3 are formed in this order. Here, the tungsten seed layer 3d-2 and the tungsten layer 3d-3 are realized as each film forming step in one process. Specifically, the barrier film 3d-1 is TiN, at a thermal CVD method, 650 ° C., at 267 Pa (2 Torr), and the step of forming at TiCl 4 and NH 3 by 1 nm, Cl withdrawal in NH 3 The step of performing is repeated to form a film of 5 nm. The tungsten seed layer 3d-2 reduces the WF 6 gas with SiH 4 or B 2 H 6 to form tungsten (W) nuclei, and grows the tungsten layer 3d-3 based on the W nuclei. . Here, a 4 nm seed layer 3d-2 is formed, and then a 56 nm W layer 3d-3 is grown (the total thickness of W is 60 nm).
ここで、W核を形成した後にB2H6でガス浸潤(ソーク)した場合、バルク低抗を低減させることができる。具体的には、ソークにより、核形成膜(下地)の膜質が変化し、主となるW層3d−3の配向性が変化することで、W層3d−3のグレインサイズが拡大し抵抗が低減する。しかしながら、W層3d−3の成膜後に、膜応力によりゲート絶縁膜3cとバリア膜3d−1の間に剥れ欠陥Dが生じる事がある(図5(b)参照)。剥れ欠陥Dは、SiH4還元よりB2H6還元の方が顕著に現れる。また、B2H6還元では、ボロン(B)漏れが発生する可能性がある。ここでボロン漏れとは、W膜中に残留したボロンがゲート絶縁膜3cとバリア膜3d−1を通過し、Si基板中へ拡散して、トランジスタの特性に影響することである。 Here, when gas infiltration (soak) is performed with B 2 H 6 after forming the W nucleus, the bulk resistance can be reduced. Specifically, the soaking changes the film quality of the nucleation film (underlying) and changes the orientation of the main W layer 3d-3, thereby increasing the grain size of the W layer 3d-3 and increasing the resistance. To reduce. However, after the formation of the W layer 3d-3, a peeling defect D may occur between the gate insulating film 3c and the barrier film 3d-1 due to film stress (see FIG. 5B). The exfoliation defect D appears more markedly in the B 2 H 6 reduction than in the SiH 4 reduction. Further, boron (B) leakage may occur in the B 2 H 6 reduction. Here, boron leakage means that boron remaining in the W film passes through the gate insulating film 3c and the barrier film 3d-1, diffuses into the Si substrate, and affects the characteristics of the transistor.
剥れ欠陥Dが生じないように、ソーク処理を省略すると、例えば、60nmのタングステンの比抵抗はSiH4還元(比較例1)で30.6μΩcm、B2H6還元(比較例2)では18.5μΩcmであった。 If the soak treatment is omitted so that the peeling defect D does not occur, for example, the specific resistance of 60 nm tungsten is 30.6 μΩcm in SiH 4 reduction (Comparative Example 1) and 18 in B 2 H 6 reduction (Comparative Example 2). It was 5 μΩcm.
次に、本発明による解決手段について説明する。図6(a)は、本発明に係る導電膜3d形成のフローシートを示す。図3に示したISSG処理後、TiNであるバリア膜3d−1を成膜し、プラズマ処理(Ar/H2/NH3)により、ゲート絶縁膜3cとバリア膜3d−1の密着性を向上させる。具体的には、並行平板型のプラズマ処理装置で以下の処理条件にてプラズマ処理する。 Next, the solution means by this invention is demonstrated. FIG. 6A shows a flow sheet for forming a conductive film 3d according to the present invention. After the ISSG treatment shown in FIG. 3, a barrier film 3d-1 that is TiN is formed, and the adhesion between the gate insulating film 3c and the barrier film 3d-1 is improved by plasma treatment (Ar / H 2 / NH 3 ). Let Specifically, plasma processing is performed under the following processing conditions using a parallel plate type plasma processing apparatus.
Ar=1200〜1900sccm
H2=1600〜2200sccm
NH3=1200〜1900sccm
RFパワー=300〜800W
(RFパワーは、プラズマダメージの影響によって調整)
なお、処理装置は、リモート型でもかまわない。次にWである核形成W3d−2ならびにメインW3d−3の順に成膜する。
Ar = 1200-1900 sccm
H 2 = 1600~2200sccm
NH 3 = 1200~1900sccm
RF power = 300 ~ 800W
(RF power is adjusted by the influence of plasma damage)
The processing device may be a remote type. Next, the nucleation W3d-2 and the main W3d-3, which are W, are formed in this order.
この核形成時に、SiH4で還元し、B2H6ソークを行う場合を実施例1、B2H6で還元し、B2H6ソークを行う場合を実施例2とする。 During this nucleation is reduced with SiH 4, B 2 H 6 was reduced when performing soak in Example 1, B 2 H 6, it is referred to as Example 2 when performing B 2 H 6 soak.
このようにプラズマ処理(Ar/H2/NH3)を追加することにより、ISSG3cとバリア膜3d−1の間の剥れを低減することができる。また、実施例1では、核形成W3d−2(SiH4W核層)でB貫通が阻止され、B漏れが起こりにくくなる。実施例2の場合、60nmのタングステン層の比抵抗は14.6μΩcmとなり、比較例2よりも低減されていることが確認された。 By adding the plasma treatment (Ar / H 2 / NH 3 ) in this way, peeling between the ISSG 3c and the barrier film 3d-1 can be reduced. Further, in Example 1, the nucleation W3d-2 (SiH 4 W nucleation layer) prevents B penetration, and B leakage hardly occurs. In the case of Example 2, the specific resistance of the 60 nm tungsten layer was 14.6 μΩcm, which was confirmed to be lower than that of Comparative Example 2.
次に、図7(a)及び図7(b)に示すように、バリア膜3d−1とシード層3d−2ならびにW層3d−3をワードトレンチ3bの底から1/2程度まで、エッチバックし、ワードライン3、ダミーワードライン3’を形成する。 Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, the barrier film 3d-1, the seed layer 3d-2, and the W layer 3d-3 are etched to about ½ from the bottom of the word trench 3b. The word line 3 and the dummy word line 3 ′ are formed.
次に、図8(a)及び図8(b)に示すように、半導体基板1全面にCVDにより、酸化膜であるキャップ絶縁膜3eを成膜し、CMPでマスク窒化膜3aをストップ膜として平坦化する。その後、ここでマスク窒化膜3aを除去しても良い。 Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a cap insulating film 3e that is an oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by CVD, and the mask nitride film 3a is used as a stop film by CMP. Flatten. Thereafter, the mask nitride film 3a may be removed here.
次に、図9(a)及び図9(b)に示すように、半導体基板1全面にCVDにより、酸化膜である第一層間絶縁膜4を成膜し、CMPで平坦化した後、リソグラフィとドライエッチングにより、周辺回路領域PFAの第一層間絶縁膜4とマスク窒化膜3aを取り除く。 Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, a first interlayer insulating film 4 that is an oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by CVD and planarized by CMP. The first interlayer insulating film 4 and the mask nitride film 3a in the peripheral circuit region PFA are removed by lithography and dry etching.
次に、図10(a)及び図10(b)に示すように、半導体基板1全面にゲート絶縁膜5aとメタルゲート5bを成膜後、リソグラフィとドライエッチングにより、周辺回路領域PFAのゲート絶縁膜5aとメタルゲート5bのみを残す。 Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, after the gate insulating film 5a and the metal gate 5b are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, the gate insulation of the peripheral circuit region PFA is performed by lithography and dry etching. Only the film 5a and the metal gate 5b are left.
次に、図11(a)及び図11(b)に示すように、リソグラフィとドライエッチングにより、ビットコンタクトホール5cを開口する。次に、図12(a)及び図12(b)に示すように、ビットコンタクトホール5cの内部を含む半導体基板1全面にP−ドープポリシリコンであるBLG下層膜/ビットコンタクトプラグ5dを成膜し、CMPで平坦化する。 Next, as shown in FIGS. 11A and 11B, a bit contact hole 5c is opened by lithography and dry etching. Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, a BLG underlayer film / bit contact plug 5d made of P-doped polysilicon is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 including the inside of the bit contact hole 5c. And planarized by CMP.
次に、図13(a)、図13(b)及び図13(c)に示すように、TiNであるバリア膜5e−1を成膜し、プラズマ処理(Ar/H2/NH3)により、BLG下層膜/ビットコンタクトプラグ5dとバリア膜5e−1の密着性を向上させる。 Next, as shown in FIG. 13A, FIG. 13B, and FIG. 13C, a barrier film 5e-1 that is TiN is formed, and plasma treatment (Ar / H 2 / NH 3 ) is performed. The adhesion between the BLG underlayer film / bit contact plug 5d and the barrier film 5e-1 is improved.
次に、Wである核形成W5e−2ならびにメインW5e−3の順に成膜しBLG上層膜5eを形成する。さらに、キャップ絶縁膜5fを形成する。図13(c)は図13(b)のP2部分の拡大図を示す。この核形成時に、SiH4で還元しB2H6ソークを行う場合を実施例3、B2H6で還元しB2H6ソークを行う場合を実施例4とする。このようにプラズマ処理(Ar/H2/NH3)を追加することにより、BLG下層膜/ビットコンタクトプラグ5dとバリア膜5e−1の間の剥れを低減することができる。 Next, the nucleation W5e-2 and the main W5e-3 which are W are formed in this order to form the BLG upper layer film 5e. Further, a cap insulating film 5f is formed. FIG.13 (c) shows the enlarged view of P2 part of FIG.13 (b). This during nucleation, a and Example 4 When performing reduced B 2 H 6 soak in Example 3, B 2 H 6 the case of a reduced B 2 H 6 soak in SiH 4. By adding the plasma treatment (Ar / H 2 / NH 3 ) in this way, peeling between the BLG underlayer film / bit contact plug 5d and the barrier film 5e-1 can be reduced.
次に、図14(a)及び図14(b)に示すように、リソグラフィとドライエッチングでキャップ絶縁膜5f、BLG上層膜5eとBLG下層膜/ビットコンタクトプラグ5dとメタルゲート5bとゲート絶縁膜5aをビットラインゲート5A及びビットライン5Bのパターンにエッチングし、続いて、図15(a)及び図15(b)に示すように、全体を窒化膜または酸化膜のサイドウォール絶縁膜6aで覆う。ここで、BLG上層膜5eの上にキャップ絶縁膜5fを露出させるように、サイドウォール絶縁膜6aをエッチバックして、ビットラインゲート5A及びビットライン5Bの側面だけを覆うようにしても良い。次に、半導体基板1全面にビットラインゲート5A及びビットライン5Bを埋没するように第二層間絶縁膜6bを厚く成膜し、CMPで平坦化する。第二層間絶縁膜6bとしては、CVDによる酸化膜が望ましいが、SOD膜でも良い。SOD膜の場合は、SODを塗布後、熱処理を加えて改質し固体のSOD膜を形成する。 Next, as shown in FIGS. 14A and 14B, the cap insulating film 5f, the BLG upper layer film 5e, the BLG lower layer film / bit contact plug 5d, the metal gate 5b, and the gate insulating film are formed by lithography and dry etching. 5a is etched into the pattern of the bit line gate 5A and the bit line 5B, and then, as shown in FIGS. 15A and 15B, the whole is covered with a sidewall insulating film 6a made of a nitride film or an oxide film. . Here, the sidewall insulating film 6a may be etched back so as to expose the cap insulating film 5f on the BLG upper layer film 5e so as to cover only the side surfaces of the bit line gate 5A and the bit line 5B. Next, the second interlayer insulating film 6b is formed thick on the entire surface of the semiconductor substrate 1 so as to bury the bit line gate 5A and the bit line 5B, and is flattened by CMP. The second interlayer insulating film 6b is preferably an oxide film by CVD, but may be an SOD film. In the case of the SOD film, after applying the SOD, a heat treatment is applied to modify it to form a solid SOD film.
次に、図17(a)及び図17(b)に示すように、リソグラフィとドライエッチングで第二層間絶縁膜6の容量コンタクト接続領域ならびに周辺コンタクト接続領域にあたる位置に容量コンタクト接続領域ならびに周辺コンタクト接続領域に達する開口を形成し、導電材料で埋設することで容量コンタクト7ならびに周辺コンタクト8を形成する。 Next, as shown in FIGS. 17A and 17B, the capacitor contact connection region and the peripheral contact are located at positions corresponding to the capacitor contact connection region and the peripheral contact connection region of the second interlayer insulating film 6 by lithography and dry etching. An opening reaching the connection region is formed and buried with a conductive material to form the capacitor contact 7 and the peripheral contact 8.
次に、図1に示すように、半導体基板1全面に配線膜を成膜し、リソグラフィとドライエッチングで周辺回路配線9を形成する。次に、CVDにより半導体基板1全面にシリコン窒化膜からなるストッパー膜10とシリコン酸化膜からなる第3層間絶縁膜11を成膜し、リソグラフィとドライエッチングでシリンダーホール12aを開口する。次に、シリンダーホール12aの底と内側を含む半導体基板1全面に薄くTiNを形成し、エッチングによりシリンダーホール12aの底と内側だけを残して、下部電極12bを形成する。次に、下部電極12bの内側を含む半導体基板1全面に容量絶縁膜12c,上部電極膜12dの順に成膜し、リソグラフィとドライエッチングでメモリセル領域MCA上の容量絶縁膜12c,上部電極膜12dのみ残るようにエッチングする。これにより、下部電極12bと容量絶縁膜12cと上部電極膜12dで構成されるキャパシタ12が形成される。次に、キャパシタ12の隙間部分を含む半導体基板1全面に第四層間絶縁膜13をCVDで成膜し、リソグラフィとドライエッチングで第四層間絶縁膜13と第三層間絶縁膜11とストッパー膜10を開口して、導電膜を埋め込むことで、周辺回路配線9に接続する配線コンタクト14を形成し、配線コンタクト14の上に配線コンタクト14に接続するように、配線15を形成し、半導体基板1全面を保護絶縁膜16で覆う。なお、本実施例では、下部電極の内側を容量として使用するキャパシタを用いて説明したが、クラウン型キャパシタ等他の形のキャパシタを使用しても良い。 Next, as shown in FIG. 1, a wiring film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, and peripheral circuit wiring 9 is formed by lithography and dry etching. Next, a stopper film 10 made of a silicon nitride film and a third interlayer insulating film 11 made of a silicon oxide film are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by CVD, and a cylinder hole 12a is opened by lithography and dry etching. Next, TiN is thinly formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 including the bottom and inside of the cylinder hole 12a, and the lower electrode 12b is formed by etching, leaving only the bottom and inside of the cylinder hole 12a. Next, a capacitive insulating film 12c and an upper electrode film 12d are formed in this order on the entire surface of the semiconductor substrate 1 including the inside of the lower electrode 12b, and the capacitive insulating film 12c and the upper electrode film 12d on the memory cell region MCA are formed by lithography and dry etching. Etch so that only remains. Thereby, the capacitor 12 composed of the lower electrode 12b, the capacitive insulating film 12c, and the upper electrode film 12d is formed. Next, a fourth interlayer insulating film 13 is formed by CVD on the entire surface of the semiconductor substrate 1 including the gap portion of the capacitor 12, and the fourth interlayer insulating film 13, the third interlayer insulating film 11, and the stopper film 10 are formed by lithography and dry etching. The wiring contact 14 connected to the peripheral circuit wiring 9 is formed by burying the conductive film and the wiring 15 is formed on the wiring contact 14 so as to be connected to the wiring contact 14. The entire surface is covered with a protective insulating film 16. In this embodiment, the description has been given using the capacitor that uses the inside of the lower electrode as a capacitor. However, other types of capacitors such as a crown type capacitor may be used.
1.半導体基板
1a.活性領域
1b.容量コンタクト接続領域
1c.ビットコンタクト接続領域
1d.周辺コンタクト接続領域
2.素子分離領域(STI)
3.埋め込みワード線(3−1,3−2)
3a.マスク窒化膜
3b.ワードトレンチ
3c.In-Situ Steam Generation酸化膜(ISSG)
3d.メタルワードライン
3d−1.バリア膜
3d−2.核形成W
3d−3.メインW
3e.キャップ絶縁膜
3’.埋め込みダミーワード線(3’−1,3’−2)
4.第一層間絶縁膜(酸化膜/窒化膜)
5A.ビットラインゲート(BLG)
5B.ビットライン
5a.ゲート絶縁膜
5b.メタルゲート
5c.ビットコンタクトホール
5d.BLG下層膜/ビットコンタクトプラグ
5e.BLG上層膜
5e−1.バリア膜(TiN)
5e−2.核形成W
5e−3.メインW
5f.サイドウォール絶縁膜
6.第二層間絶縁膜
7.容量コンタクト
8.周辺コンタクト
9.周辺回路配線
10.ストッパー膜
11.第三層間絶縁膜
12.キャパシタ
12a.シリンダーホール
12b.下部電極
12c.容量絶縁膜
12d.上部電極
13.第四層間絶縁膜
14.配線コンタクト
15.配線
16.保護絶縁膜
D.剥れ欠陥
MCA.メモリセル領域
PFA.周辺回路領域
Tr1.セルトランジスタ
Tr2.周辺トランジスタ
1. Semiconductor substrate 1a. Active region 1b. Capacitance contact connection region 1c. Bit contact connection region 1d. Peripheral contact connection region Element isolation region (STI)
3. Embedded word line (3-1, 3-2)
3a. Mask nitride film 3b. Word trench 3c. In-Situ Steam Generation oxide film (ISSG)
3d. Metal word line 3d-1. Barrier film 3d-2. Nucleation W
3d-3. Main W
3e. Cap insulating film 3 '. Embedded dummy word line (3'-1, 3'-2)
4). First interlayer insulating film (oxide film / nitride film)
5A. Bit line gate (BLG)
5B. Bit line 5a. Gate insulating film 5b. Metal gate 5c. Bit contact hole 5d. BLG underlayer / bit contact plug 5e. BLG upper layer film 5e-1. Barrier film (TiN)
5e-2. Nucleation W
5e-3. Main W
5f. 5. Side wall insulating film Second interlayer insulating film 7. Capacitive contact 8. Peripheral contact 9. Peripheral circuit wiring 10. Stopper film 11. Third interlayer insulating film 12. Capacitor 12a. Cylinder hole 12b. Lower electrode 12c. Capacitance insulating film 12d. Upper electrode 13. Fourth interlayer insulating film 14. Wiring contact 15. Wiring 16. Protective insulating film D. Peeling defect MCA. Memory cell area PFA. Peripheral circuit region Tr1. Cell transistor Tr2. Peripheral transistor
Claims (10)
前記窒化チタン上にシランまたはジボランガスとタングステン化合物を用いたCVD法によりタングステン核を形成する工程と、
前記タングステン核を用いてCVD法によりタングステン膜を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記タングステン核を形成する工程の前に、前記窒化チタンを含むバリア膜をアルゴン、水素、アンモニアを含む雰囲気中でプラズマ処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a barrier film containing titanium nitride;
Forming a tungsten nucleus on the titanium nitride by a CVD method using silane or diborane gas and a tungsten compound;
Forming a tungsten film by a CVD method using the tungsten nucleus;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
Before the step of forming the tungsten nucleus, the barrier film containing titanium nitride is subjected to plasma treatment in an atmosphere containing argon, hydrogen, and ammonia.
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