半導体集積装置の製造方法
【課題】金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効なバリアメタルを提供する。
【解決手段】半導体集積装置のバリアメタル１４として、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いる。これにより、金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効にバリア機能を発揮させる。
【解決手段】半導体集積装置のバリアメタル１４として、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いる。これにより、金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効にバリア機能を発揮させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路などにおけるコンタクトに用いられるバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路などの半導体集積装置を形成するには、半導体ウエハ上に成膜、酸化拡散、エッチング等を繰り返し施して多数のトランジスタ、キャパシタ、抵抗器等を形成してこれらを配線パターンで接続する。また、集積回路の高性能化、多機能化の要請により、線幅等の一層の高微細化及び高集積化が求められており、更に、回路自体を絶縁層を介して積み上げて階層構造とする多層化も行なわれるようになった。
このような状況下において、配線断面積や接続部の断面積の減少により抵抗が上昇する傾向があるので、配線材料としては現在一般的に用いられているアルミニウムから、成膜がアルミニウム程容易ではないが、エレクトロマイグレーションに対する耐性も高く、しかも抵抗率も比較的小さいことから銅が用いられる傾向にある。
【０００３】
また、トランジスタ素子に用いるゲート電極としては、一般的にはドープドポリシリコン層を単独で用いたり、このドープドポリシリコン層にモリブデンシリサイド層やタングステンシリサイド層を積層した２層構造のものを用いたりしているが、より抵抗率を小さくするために、２層構造のゲート電極において上層のシリサイド層を単独の金属層、例えばタングステン層で置き換えることなどが検討されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、銅やタングステンは、金属単独では非常に活性で他の元素と反応し易く、例えば金属銅は非常に酸化し易いので、これが比較的多くの酸素成分を含むＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）のＳｉＯ２ 層間絶縁膜等と接すると金属銅中にＳｉＯ２ 層間絶縁膜中の酸素成分が拡散して金属銅と酸化してしまい、この抵抗値が大きくなるのみならず、剥離も発生するといった問題があった。
また、２層構造のゲート電極の一層に金属タングステン膜を用いた場合には、下層のドープドポリシリコン層中からシリコン原子が、後の熱工程において上層の金属タングステン膜中に拡散してこれと反応し、抵抗値が大きなタングステンシリサイドになってしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、これらの金属銅や金属タングステンの反応を防止するために、従来より用いられていたＴｉＮ（チタンナイトライド）等のバリアメタルを用いることも考えられるが、このＴｉＮ層は金属銅膜や金属タングステン膜との相性、例えば密着性が十分ではなく、好ましいバリアメタルではない。
また、最近の半導体集積回路の更なる高集積化、多層化及び動作速度の高速化の要請により、例えばゲート電極を例にとれば、更に各層を薄膜化して抵抗値を下げることや、エッチング加工時等のアスペクト比を緩くすることが望まれている。
【０００６】
しかしながら、ゲート電極を構成するタングステン膜などは、この薄膜化が進むと、下地層である例えばポリシリコン層との密着性や耐熱性が劣化してくるという問題がある。そこで、この場合にも、バリアメタルとして両層間に従来周知のＴｉＮ膜を介在させることも考えられるが、この場合には、ＴｉＮ膜とポリシリコン層との界面が酸化するなどして、特性が劣化するという問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効なバリアメタル及びその形成方法を提供することにある。本発明の他の目的は、薄膜化しても特性の良好なゲート電極及びその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に規定する発明は、半導体集積装置のバリアメタルとして、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いるようにしたものである。
このバリアメタルは、半導体集積装置のビアホールやコンタクトホールに用いられ、例えば一面が配線用銅膜と接している。また、このバリアメタルは、半導体集積装置のゲート電極におけるポリシリコン層とタングステン層との界面に介在される。
【０００８】
これにより、例えば配線用銅膜中に、これに隣接する層中から酸素原子等が拡散して侵入することを防止でき、銅膜が酸化されることを阻止することができる。また、バリアメタルと配線用銅膜との密着性も高く維持することができる。
また、バリアメタルをゲート電極に適用した場合には、ポリシリコン層中のシリコン原子がタングステン層中に拡散して侵入することを防止することができ、また、両層との密着性も高く維持することができる。
このようなバリアメタルは、１つの工程で形成することもでき、Ｗ層或いはＷＳｉ層の成膜工程とこの層の窒化工程とよりなる２工程で形成することもできる。
【０００９】
１つの工程で形成するには、Ｗ層或いはＷＳｉ層の成膜ガスとＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）ガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つのガスを同時に供給し、ＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する。
２工程で形成するには、まず成膜工程でＷ層或いはＷＳｉ層を形成し、次に、窒化工程で上記Ｗ層或いはＷＳｉ層を窒化してＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する。この窒化工程では、ＭＭＨガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つのガスを用いる。
窒化処理に、ＭＭＨガス或いはＮＨ３ ガスを用いる場合にはプラズマレスの熱処理で窒化処理を行ない、また、Ｎ２ ガスを用いる場合にはプラズマを用いた窒化処理を行なう。
上述のように２工程でバリアメタルの形成を行なう場合には、成膜工程と窒化工程とを同一の処理装置内で行なうのがよく、また、この場合には、両工程の間に、装置内に残留する成膜ガスを不活性ガスにより排気するパージ工程を組み入れるのが副生成物抑制の見地から好ましい。
【００１０】
請求項１４に規定する発明は、半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、ポリシリコン層と、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層したものである。
【００１１】
更に、本発明は、半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層したものである。
これにより、薄膜化しても、抵抗値が小さく、しかも、マイグレーション等が起こり難くて耐久性に優れたゲート電極とすることができる。
この場合、高融点金属としてはタングステンを主に用いることができる。また、ゲート酸化膜としては、この上層にポリシリコン層を用いる場合には、シリコン酸化膜を適用し、上層が直接バリアメタルとなる場合には、タンタルオキサイドを適用する。
【００１２】
このようなゲート電極を形成する場合には、少なくともバリアメタルを形成する成膜工程と、高融点金属層を形成する成膜工程とを同一成膜装置内で行なうようにする。これにより、異なる成膜工程毎に半導体ウエハ等を成膜装置から搬入搬出させる操作が不要となり、成膜操作を効率的に行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１乃至１３に規定する発明によれば、バリアメタルとしてＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いることにより、例えば配線用銅膜の酸化を防止することができる。
また、このバリアメタルをゲート電極に用いることにより、タングステン層がシリコン元素と反応することを防止することができる。
バリアメタルを形成する際に、１つの工程で行なうことにより、工程数を削減することができる。
また、バリアメタルを形成する際に、ＭＭＨガスを用いる場合には、プロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が発生し難くなり、パーティクル対策上有利である。
請求項１４乃至１９に規定する発明によれば、ポリシリコン−メタルのゲート電極やメタルのゲート電極にＷＦｘ膜よりなるバリアメタルを用いることにより、バリア性は勿論のこと密着性及び耐熱性を向上させることができ、薄膜化及び多層化に対応したゲート電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ｃｕデュアルダマシン配線に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
【図２】コンタクトホールに適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
【図３】ゲート電極に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
【図４】バリアメタルを形成するための熱処理装置を示す概略構成図である。
【図５】Ｃｕデュアルダマシンプロセスを説明するための図である。
【図６】図３に示すゲート電極の部分を示す拡大図である。
【図７】ゲート酸化膜としてＴａ２ Ｏ５ を用いた時のゲート電極の拡大断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係るバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
まず、本発明のバリアメタル及びその形成方法について説明する。
図１はＣｕデュアルダマシン配線に適用したバリアメタルを示す拡大断面図、図２はコンタクトホールに適用したバリアメタルを示す拡大断面図、図３はゲート電極に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
図１に示すようなＣｕデュアルダマシン配線を形成するデュアルダマシンプロセスは、半導体集積装置すなわち半導体集積回路において、デバイスの高性能化及び多機能化を実現する上で、配線の多層化が必要となり、この時、上層と下層の配線を接続する際に、配線とビアプラグを同時に形成して工程数の削減、配線の低コスト化及び低アスペクト比化を実現するプロセスである。
【００１６】
図１において、２は例えば半導体ウエハ等の基板であり、４はこの基板２の表面に形成された下層の配線であり、この周囲は例えばＳｉＯ２ 絶縁膜６により絶縁されている。下層の配線４は、例えば金属銅の薄膜で形成される。８は例えばＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）により形成されたＳｉＯ２ よりなる層間絶縁膜であり、上記ＳｉＯ２ 絶縁膜６と下層の配線４上を覆うように形成される。この層間絶縁膜８は、上述のようにＳＯＧにより塗布形成されるので、比較的多くの酸素分子が含まれている。
【００１７】
１０は上記下層の配線４の一部を露出させるようにして上記層間絶縁膜８に形成されたビアホールであり、１２は上記層間絶縁膜８の表面に形成される配線溝である。１４は本発明に係るＷＮｘ（タングステンナイトライド）或いはＷＳｉＮｘ（タングステンシリサイドナイトライド）よりなる薄いバリアメタルであり、上記ビアホール１０の内壁面及び上記配線溝１２の内壁面に形成される。１６は例えば金属銅よりなる上層の配線であり、この配線の形成時に上記ビアホール１０内も埋め込んでビアホールプラグ１６Ａも同時に形成される。
この場合、配線１６の幅Ｌ１は、１μｍ以下、例えば０．２μｍ程度であり、また、バリアメタル１４の厚さＬ２は、０．０５〜０．０２μｍ程度である。
【００１８】
このようにデュアルダマシンプロセスにおいて、銅薄膜よりなる上層の配線１６及び金属銅のビアホールプラグ１６ＡとＳＯＧにより形成された層間絶縁膜８との間に、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４を介在させたので、このバリアメタル１４により層間絶縁膜８中の酸素分子が金属銅よりなるビアプラグ１６Ａや上層の配線１６中へ拡散して侵入することができず、従って、金属銅が酸化されるのを阻止することができる。このため、ビアホールプラグ１６Ａや上層の配線１６を低い抵抗値のままで維持でき、また、この密着性が劣化することもないので、金属銅が剥がれることも防止することができる。
【００１９】
図２は本発明のバリアメタルをコンタクトホールに適用した時の図を示しており、図中、１８は基板２に形成されたトランジスタのソース或いはドレインであり、ここではソースとして話を進める。２０はソース１８を含むトランジスタ全体を被って絶縁するための層間絶縁膜であり、この絶縁膜２０は、図１にて説明したと同様に、ＳＯＧにより形成されたＳｉＯ２ 膜よりなる。２２は、上記ソース１８の表面を露出させるようにして形成されたコンタクトホールであり、この内壁面と層間絶縁膜２０の上面には、本発明に係るＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４が形成されている。そして、このコンタクトホール２２内は金属銅よりなるコンタクトホールプラグ２４Ａにより埋め込まれ、同時にこの上部に金属銅が積層形成されてパターンエッチングにより配線２４が形成される。尚、図示例では、層間絶縁膜２０上のバリアメタル１４もパターンエッチングされた状態を示している。
【００２０】
この場合にも、ＳｉＯ２ よりなる層間絶縁膜２０と金属銅よりなるコンタクトホールプラグ２４Ａ及び配線２４との間に、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４を介在させるようにしたので、層間絶縁膜２０中の酸素分子がコンタクトホールプラグ２４Ａや配線２４中に拡散して侵入することを阻止することができる。従って、これらを構成する金属銅の酸化を防ぎ、低い抵抗値に維持できるのみならず、密着性が劣化することも防止してこれが剥がれることも阻止することができる。
【００２１】
図３は本発明のバリアメタルをゲート電極に適用した時の図を示しており、図中、１８及び１９は、それぞれ基板２の表面に形成されたトランジスタ素子のソース及びドレインであり、これらの間に薄いゲート酸化膜２６が形成されている。そして、このゲート酸化膜２６上にゲート電極２８が形成されるが、このゲート電極２８は、下層より例えばリンドープのポリシリコン層３０、本発明のＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４及び金属タングステン層３２を順次積層した３層構造になっている。
この場合にも、ポリシリコン層３０と金属タングステン層３２との間に、本発明のバリアメタル１４を介在させるようにしたので、このバリアメタル１４によりポリシリコン層３０中のシリコン原子が金属タングステン層３２に拡散して侵入することを阻止でき、従って、金属タングステン層３２がシリサイド化されることを防止することができる。このため、金属タングステン層３２の抵抗値が低下することを防止することができるのみならず、この金属タングステン層３２が剥離することも防止することができる。
【００２２】
次に、上述したような本発明のバリアメタル１４の形成方法について説明する。
図４はバリアメタルを形成するための処理装置を示す概略構成図であり、まず、この処理装置を説明する。図示するように、この処理装置は、例えばアルミニウム製の円筒体状の処理容器３４を有しており、この容器３４内には、基板２を載置する載置台３６が設けられる。載置台３６内には、基板２を所定のプロセス温度に加熱するための加熱ヒータ３８が設けられている。尚、加熱ヒータ３８に替えて、処理容器の下方に加熱ランプを設けて、基板２をランプ加熱するようにしてもよい。
【００２３】
この処理容器３４及び載置台３６はそれぞれアースされており、載置台３６は、高周波を使用する時に下部電極を兼用するようになっている。処理容器３４の底部には、排気口４０が設けられ、この排気口４０には、真空ポンプ４２を介設した真空排気系が接続される。処理容器３４の側壁には、ゲートバルブ４１を介してロードロック室４４が連結されており、処理容器３４内との間で基板２の受け渡しを行なうようになっている。
【００２４】
また、この処理容器３４の天井部には、絶縁材４６を介して多数のガス噴射孔５０を有するシャワーヘッド部４８が設けられている。このシャワーヘッド部４８には、スイッチ５２及びマッチング回路５４を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源５６が接続されており、必要に応じてシャワーヘッド部４８に、高周波電力を印加してこれを上部電極と兼用させ、プラズマ処理を行なうことができるようになっている。プラズマ印加の手法は、これに限定されず、下部電極に高周波電力を印加するようにしてもよいし、また、上下の電極に高周波電力を印加するようにしてもよい。
そして、このシャワーヘッド部４８には、複数のガス源が、それぞれ開閉弁５８及びマスフローコントローラ６０を介して連結されている。ガス源としては、ＷＦ６ 源６２、ＭＭＨ源６４、ＳｉＨ４ 源６６、ＮＨ３ 源６８、Ｎ２ 源７０、Ａｒ源７２、Ｈ２ 源７４等がそれぞれ必要に応じて設けられ、選択的に使用される。また、ＳｉＨ４ ガスに替えて、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）、ジクロルシランを用いてもよい。
【００２５】
次に、上記した装置を用いて行なわれる本発明のバリアメタルの形成方法を具体的に説明する。
まず、このバリアメタルの形成方法には、１つの工程で一気にバリアメタルを形成する方法等がある。以下、その方法について順に説明する。ここでは、前述したＣｕデュアルダマシンプロセスによりデュアルダマシン配線（図１参照）を行なう場合を例にとって説明する。尚、本発明のバリアメタルをコンタクトホールやゲート電極に適用する場合にも、バリアメタル形成の前後の工程は異なるが、バリアメタルの形成方法は全て同じである。
【００２６】
（１）１工程によるＷＳｉＮｘの形成（プラズマレス）。
まず、１工程でＷＳｉＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。まず、図４に示す処理装置とは別の装置で、図５（Ａ）に示すように基板２のＳｉＯ２ 絶縁層６と下層の配線４を覆ってＳＯＧによりＳｉＯ２ 層間絶縁膜８を全面に形成する。そして、この層間絶縁膜８に配線パターンに沿って配線溝１２をエッチング等により形成し（図５（Ｂ））、更に、この配線溝１２内の所定の位置に、ビアホール１０をエッチング等により形成して下層の配線４を露出させる（図５（Ｃ））。
ここまで基板２に対して処理を施したならば、この基板２を図４に示した処理装置内へ搬入してバリアメタルの形成に移る。
【００２７】
基板２を処理容器３４の載置台３６上に載置したならば、容器３４内を密閉し、基板２を所定のプロセス圧力に維持すると共にシャワーヘッド部４８から所定の処理ガスを導入し、これと共に処理容器３４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持してバリアメタルの形成プロセスを行なう。処理ガスとしては、ＷＦ６ ガス、ＳｉＨ４ ガス及びＭＭＨガスをそれぞれ供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、一気にＷＳｉＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を所定の厚みだけ成膜する（図５（Ｄ））。
ここでは基板２として、８インチウエハを用いており、この時の各処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、２〜２０ｓｃｃｍ程度、、ＳｉＨ４ ガスが、１０〜３００ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜１０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は０．４〜８０Ｔｏｒｒ程度である。シランに替えてジクロルシランを用いる場合には、他のガスの流量、プロセス圧力は同じで、プロセス温度が５５０℃〜６５０℃程度である。尚、これらの数値は、後述する数値も含めて単に一例を示したに過ぎず、適宜最適条件を求めて変更するのは勿論である。
【００２８】
このような方法により、１工程でバリアメタル１４を形成することができ、工程数の削減が可能となる。
このようにして、バリアメタル１４の形成が完了したならば、例えばこの基板２を処理装置から搬出し、ＣＶＤ等により配線メタルとして金属銅を表面に堆積させてビアホール１０と配線溝１２内を同時に埋め込み、これにより、ビアホール１０は、ビアホールプラグ１６Ａにより埋め込まれ、配線溝１２には上層の配線１６が形成される（図５（Ｅ））。尚、この金属銅のＣＶＤ処理は、バリアメタルを形成した処理装置と同一処理装置内で行なうようにしてもよい。
【００２９】
次に、金属銅が堆積された基板を処理装置から取り出し、これにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理等を施すことにより、上面の不要な金属銅を研磨除去し、上層の配線パターンを形成する（図５（Ｆ））。これにより、Ｃｕデュアルダマシン配線を完了することになる。
この実施例では、バリアメタル１４に窒素原子を混入させるガスとしてＭＭＨガスを用いたが、これに替えて、ＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを用いてもよいし、必要に応じてキャリアガスとして不活性ガス、例えばＡｒガスを用いてもよい。また、ＳｉＨ４ ガスに替えて、ジクロルシラン、ジシラン等を用いてもよいのは勿論である。
【００３０】
（２）１工程によるＷＮｘの形成（プラズマレス）。
次に、１工程でＷＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。図５（Ｄ）に示す工程以外は全て上述した操作と同じであるので、図５（Ｄ）に示す工程を行なう場合のみを説明する。ここでは、処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＭＭＨガスを供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤにより、一気にＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を所定の厚みだけ成膜する。
この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜８０ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜２０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
この場合には、使用する処理ガスの種類が２種類で済み、ガス供給系の構成を非常に簡単化できる。また、この場合にも、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを用いてもよいのは勿論である。
【００３１】
（３）２工程によるＷＳｉＮｘの形成。
次に、２工程でＷＳｉＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。ここでは、図５（Ｃ）に示す工程を経た後、図４に示す処理装置内で、まずＷＳｉ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＳｉＨ４ ガスを用い、これらをキャリアガス、例えばＡｒガスを用いて、或いは用いないで供給し、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷＳｉ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、２〜８０ｓｃｃｍ程度、ＳｉＨ４ ガスが５〜４０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。尚、ＳｉＨ４ に替えてジクロルシラン、ジシラン等を用いてもよいのは勿論である。
【００３２】
このようにしてＷＳｉ膜の形成が完了したならば、ＷＦ６ ガスとＭＭＨガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記ＷＳｉ膜を窒化処理してＷＳｉＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜２０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜１０Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このようにＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低いので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上、非常に有利である。
【００３３】
ここでＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガスやＮ２ ガスを用いてもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ２ ガスをパージして成膜で用いたＷＦ６ ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ３ ガスを用いる場合には、ＷＦ６ ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ６ ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ３ ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。
【００３４】
また、ＭＭＨガスに替えてＮ２ ガスを用いる場合には、スイッチ５２を投入して高周波電力を上部電極（シャワーヘッド部）４８と下部電極（載置台）３６との間に印加し、内部にプラズマを立ててプラズマ窒化処理を行なう。この時のＮ２ ガスの供給量は、５０〜３００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス温度は３００〜４５０℃程度であり、プロセス圧力は０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。
このように、２つの工程を同一処理装置内で行なえば、ウエハ搬送に要する時間を節約できるのでスループットを向上できるが、上記成膜工程と窒化工程を別々の処理装置で実行してもよいのは勿論である。
【００３５】
（４）２工程によるＷＮｘの形成。
次に、２工程でＷＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。ここでは図５（Ｃ）に示す工程を経た後、図４に示す装置内で、まず、Ｗ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＨ２ ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
【００３６】
このようにして、Ｗ膜の形成が完了したならば、ＷＦ６ ガスとＨ２ ガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記Ｗ膜を窒化処理してＷＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜１０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このように、ＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上有利となる。
【００３７】
ここでも、先の（３）で説明したようにＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガスやＮ２ ガスを用ていもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ２ ガスをパージして成膜で用いたＷＦ６ ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ３ ガスを用いる場合には、ＷＦ６ ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ６ ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ３ ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。
【００３８】
また、ＭＭＨガスに替えてＮ２ ガスを用いる場合には、スイッチ５２を投入して高周波電力を上部電極（シャワーヘッド部）４８と下部電極（載置台）３６との間に印加し、内部にプラズマを立ててプラズマ窒化処理を行なう。この時のＮ２ ガスの供給量は、５０〜３００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス温度は３００〜４５０℃程度であり、プロセス圧力は０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。
このように、２つの工程を同一処理装置内で行なえば、ウエハ搬送に要する時間を節約できるのでスループットを向上できるが、上記成膜工程と窒化工程を別々の処理装置で実行してもよいのは勿論である。
以上のようにして各方法で形成したバリアメタル１４は、特性検査の結果、酸素原子或いはシリコン原子に対するバリア性が十分に高いことを確認することができた。
【００３９】
次に、本発明のゲート電極及びその形成方法について説明する。
ここでは図３において説明したゲート電極２８について更に詳しく説明する。図６は図３に示すゲート電極の部分を示す拡大図である。バリアメタル１４としては、ここではタングステンナイトライド（ＷＮｘ）を用いた場合を例にとって説明する。図３において説明したように、例えばシリコン単結晶よりなる半導体ウエハ等の基板２のゲート酸化膜２６の両側には、ソース１８、ドレイン１９が形成されている。ゲート酸化膜２６としては、ここではシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）を用いている。
【００４０】
また、例えばリンドープのポリシリコン層３０は、前述したように他の成膜装置で成膜され、その後、この基板２を図４に示すような成膜装置へ搬入する。
ＷＮｘ膜の形成には、前述したようにプラズマレスの熱ＣＶＤにより１工程で形成する場合と、２工程で形成する場合とがあり、どちらを用いていてもよい。
まず、１工程でＷＮｘ膜を形成する場合には、前述したように処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＭＭＨガスを供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤにより、一気にＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４をポリシリコン層３０上に所定の厚みだけ成膜する。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜８０ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜２０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
【００４１】
この場合には、使用する処理ガスの種類が２種類で済み、ガス供給系の構成を非常に簡単化できる。また、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを用いてもよいのは勿論である。
また、２工程でＷＮｘ膜を形成する場合には、前述したようにまず、最初にＷ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＨ２ ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
【００４２】
このようにして、Ｗ膜の形成が完了したならば、ＷＦ６ ガスとＨ２ ガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記Ｗ膜を窒化処理してＷＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜１０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このように、ＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上有利となる。
【００４３】
ここでも、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガスやＮ２ ガスを用いてもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ２ ガスをパージして成膜で用いたＷＦ６ ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ３ ガスを用いる場合には、ＷＦ６ ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ６ ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ３ ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。
【００４４】
このようにして、１工程で或いは２工程でＷＮｘ膜のバリアメタル１４を形成したならば、同一処理容器３４内で上層のタングステン層３２を形成する。このタングステン層３２の成膜操作は、先に示した２工程によるＷＮｘ膜の前段のＷ膜の成膜工程と同じであり、処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＨ２ ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を所定の厚さだけ堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。この時の各層の厚さは、例えば１Ｇビットの容量に対応するメモリのデザインルールに適用できるように、ゲート酸化膜２６が２０Å程度、ポリシリコン層３０が５００Å程度、バリアメタル１４が５０Å程度、タングステン層３２が５００Å程度である。
【００４５】
このようにしてタングステン層３２を形成することにより、ゲート電極２８を形成する。このように、バリアメタル１４とタングステン層３２は金属材料として同一の材料、すなわちタングステンを用いているので、同一の成膜装置内で連続的に成膜することができ、基板の搬出搬入操作が不要になって生産性を向上させることができる。
また、ポリシリコン−メタルゲート電極に、このようにバリアメタルとしてＷＮｘ層を用いることにより、抵抗値も非常に少なく、両層間の密着性及び耐熱性も高く維持でき、高いバリア性を発揮させることができる。特に、バリアメタル１４を５０Å程度まで薄膜化しても上述したような十分なバリア性を備えており、半導体集積回路の薄膜化及び多層化に対応することができる。
ここで、本発明のゲート電極と従来において一般的に用いられていたゲート電極の特性を評価したので、その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１中において、比較例１、２は従来のゲート電極を示し、比較例１はポリシリコン層とタングステンシリサイド層のゲート電極、比較例２はポリシリコン層とチタンシリサイド層のゲート電極をそれぞれ示す。
表１から明らかなように、ゲート電極として特性上重要な抵抗値及び耐熱性において共に優れているのみならず、ＨＦ（フッ化水素）に対する腐食性を示す耐薬品性や成膜時のエッチング特性も良好であることが判明する。尚、成膜時のエッチング特性が少ないことは、膜厚のコントロール性が良好であることを意味し、薄い膜厚のゲート電極を精度良く作ることができることになる。
これに対し、比較例１は耐熱性は良好であるが、重要な要素である抵抗値がかなり大きく、好ましくない。また、比較例２は抵抗値が大きいのみならず、耐熱性も評価の基準となる８５０℃よりも低く、好ましくない。
【００４８】
尚、上記実施例では、ゲート酸化膜２６としてＳｉＯ２ を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ゲート酸化膜２６として更に薄膜化に対応したタンタルオキサイド（Ｔａ２ Ｏ５ ）を用いることもできる。
図７はゲート酸化膜としてＴａ２ Ｏ５ を用いた時のゲート電極の拡大断面図を示している。図７に示すゲート電極の場合には、ポリシリコン層を用いないで、Ｔａ２ Ｏ５ のゲート酸化膜２６上に、ＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を直接形成し、更にこの上にタングステン層３２を形成している。
このバリアメタル１４及びタングステン層３２の成膜は、先に示したように同一の成膜装置内で連続的に処理することにより形成すればよい。この場合にも、前述したと同様にＷＮｘ膜のバリアメタル１４が有効にバリア性を発揮するのみならず、ポリシリコン層を省略できた分だけゲート電極２８の厚みを更に小さくでき、ゲート酸化膜２６、バリアメタル１４及びタングステン層３２を含めた全体の厚みを例えば１０００Å程度までに小さくでき、４Ｇビットの容量のメモリのデザインルールにも適用することができる。
尚、本発明実施例で用いるＷＮｘやＷＳｉＮｘは、他の主要な膜同様、ＣｌＦ３ ガスを含むガスでクリーニングできる。適当な枚数のウエハに成膜処理をする毎にクリーニングを行えば、パーティクルの発生が抑えられ、高品質の成膜が可能となる。
また、上記実施例では、高融点金属材料としてタングステンを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えばモリブデン（Ｍｏ）を用いてもよい。また、上記実施例では、基板として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用することができるのは勿論である。
【符号の説明】
【００４９】
２ 基板
４ 下層の配線
６ ＳｉＯ２ 絶縁膜
８ 層間絶縁膜
１０ ビアホール
１２ 配線溝
１４ バリアメタル
１６ 上層の配線（配線用銅膜）
１６Ａ ビアホールプラグ
１８ ソース
１９ ドレイン
２０ 層間絶縁膜
２２ コンタクトホール
２４ 配線（配線用銅膜）
２４Ａ コンタクトホールプラグ
２６ ゲート酸化膜
２８ ゲート電極
３０ ポリシリコン層
３２ タングステン層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路などにおけるコンタクトに用いられるバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路などの半導体集積装置を形成するには、半導体ウエハ上に成膜、酸化拡散、エッチング等を繰り返し施して多数のトランジスタ、キャパシタ、抵抗器等を形成してこれらを配線パターンで接続する。また、集積回路の高性能化、多機能化の要請により、線幅等の一層の高微細化及び高集積化が求められており、更に、回路自体を絶縁層を介して積み上げて階層構造とする多層化も行なわれるようになった。
このような状況下において、配線断面積や接続部の断面積の減少により抵抗が上昇する傾向があるので、配線材料としては現在一般的に用いられているアルミニウムから、成膜がアルミニウム程容易ではないが、エレクトロマイグレーションに対する耐性も高く、しかも抵抗率も比較的小さいことから銅が用いられる傾向にある。
【０００３】
また、トランジスタ素子に用いるゲート電極としては、一般的にはドープドポリシリコン層を単独で用いたり、このドープドポリシリコン層にモリブデンシリサイド層やタングステンシリサイド層を積層した２層構造のものを用いたりしているが、より抵抗率を小さくするために、２層構造のゲート電極において上層のシリサイド層を単独の金属層、例えばタングステン層で置き換えることなどが検討されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、銅やタングステンは、金属単独では非常に活性で他の元素と反応し易く、例えば金属銅は非常に酸化し易いので、これが比較的多くの酸素成分を含むＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）のＳｉＯ２ 層間絶縁膜等と接すると金属銅中にＳｉＯ２ 層間絶縁膜中の酸素成分が拡散して金属銅と酸化してしまい、この抵抗値が大きくなるのみならず、剥離も発生するといった問題があった。
また、２層構造のゲート電極の一層に金属タングステン膜を用いた場合には、下層のドープドポリシリコン層中からシリコン原子が、後の熱工程において上層の金属タングステン膜中に拡散してこれと反応し、抵抗値が大きなタングステンシリサイドになってしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、これらの金属銅や金属タングステンの反応を防止するために、従来より用いられていたＴｉＮ（チタンナイトライド）等のバリアメタルを用いることも考えられるが、このＴｉＮ層は金属銅膜や金属タングステン膜との相性、例えば密着性が十分ではなく、好ましいバリアメタルではない。
また、最近の半導体集積回路の更なる高集積化、多層化及び動作速度の高速化の要請により、例えばゲート電極を例にとれば、更に各層を薄膜化して抵抗値を下げることや、エッチング加工時等のアスペクト比を緩くすることが望まれている。
【０００６】
しかしながら、ゲート電極を構成するタングステン膜などは、この薄膜化が進むと、下地層である例えばポリシリコン層との密着性や耐熱性が劣化してくるという問題がある。そこで、この場合にも、バリアメタルとして両層間に従来周知のＴｉＮ膜を介在させることも考えられるが、この場合には、ＴｉＮ膜とポリシリコン層との界面が酸化するなどして、特性が劣化するという問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効なバリアメタル及びその形成方法を提供することにある。本発明の他の目的は、薄膜化しても特性の良好なゲート電極及びその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に規定する発明は、半導体集積装置のバリアメタルとして、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いるようにしたものである。
このバリアメタルは、半導体集積装置のビアホールやコンタクトホールに用いられ、例えば一面が配線用銅膜と接している。また、このバリアメタルは、半導体集積装置のゲート電極におけるポリシリコン層とタングステン層との界面に介在される。
【０００８】
これにより、例えば配線用銅膜中に、これに隣接する層中から酸素原子等が拡散して侵入することを防止でき、銅膜が酸化されることを阻止することができる。また、バリアメタルと配線用銅膜との密着性も高く維持することができる。
また、バリアメタルをゲート電極に適用した場合には、ポリシリコン層中のシリコン原子がタングステン層中に拡散して侵入することを防止することができ、また、両層との密着性も高く維持することができる。
このようなバリアメタルは、１つの工程で形成することもでき、Ｗ層或いはＷＳｉ層の成膜工程とこの層の窒化工程とよりなる２工程で形成することもできる。
【０００９】
１つの工程で形成するには、Ｗ層或いはＷＳｉ層の成膜ガスとＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）ガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つのガスを同時に供給し、ＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する。
２工程で形成するには、まず成膜工程でＷ層或いはＷＳｉ層を形成し、次に、窒化工程で上記Ｗ層或いはＷＳｉ層を窒化してＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する。この窒化工程では、ＭＭＨガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つのガスを用いる。
窒化処理に、ＭＭＨガス或いはＮＨ３ ガスを用いる場合にはプラズマレスの熱処理で窒化処理を行ない、また、Ｎ２ ガスを用いる場合にはプラズマを用いた窒化処理を行なう。
上述のように２工程でバリアメタルの形成を行なう場合には、成膜工程と窒化工程とを同一の処理装置内で行なうのがよく、また、この場合には、両工程の間に、装置内に残留する成膜ガスを不活性ガスにより排気するパージ工程を組み入れるのが副生成物抑制の見地から好ましい。
【００１０】
請求項１４に規定する発明は、半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、ポリシリコン層と、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層したものである。
【００１１】
更に、本発明は、半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層したものである。
これにより、薄膜化しても、抵抗値が小さく、しかも、マイグレーション等が起こり難くて耐久性に優れたゲート電極とすることができる。
この場合、高融点金属としてはタングステンを主に用いることができる。また、ゲート酸化膜としては、この上層にポリシリコン層を用いる場合には、シリコン酸化膜を適用し、上層が直接バリアメタルとなる場合には、タンタルオキサイドを適用する。
【００１２】
このようなゲート電極を形成する場合には、少なくともバリアメタルを形成する成膜工程と、高融点金属層を形成する成膜工程とを同一成膜装置内で行なうようにする。これにより、異なる成膜工程毎に半導体ウエハ等を成膜装置から搬入搬出させる操作が不要となり、成膜操作を効率的に行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１乃至１３に規定する発明によれば、バリアメタルとしてＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いることにより、例えば配線用銅膜の酸化を防止することができる。
また、このバリアメタルをゲート電極に用いることにより、タングステン層がシリコン元素と反応することを防止することができる。
バリアメタルを形成する際に、１つの工程で行なうことにより、工程数を削減することができる。
また、バリアメタルを形成する際に、ＭＭＨガスを用いる場合には、プロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が発生し難くなり、パーティクル対策上有利である。
請求項１４乃至１９に規定する発明によれば、ポリシリコン−メタルのゲート電極やメタルのゲート電極にＷＦｘ膜よりなるバリアメタルを用いることにより、バリア性は勿論のこと密着性及び耐熱性を向上させることができ、薄膜化及び多層化に対応したゲート電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ｃｕデュアルダマシン配線に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
【図２】コンタクトホールに適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
【図３】ゲート電極に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
【図４】バリアメタルを形成するための熱処理装置を示す概略構成図である。
【図５】Ｃｕデュアルダマシンプロセスを説明するための図である。
【図６】図３に示すゲート電極の部分を示す拡大図である。
【図７】ゲート酸化膜としてＴａ２ Ｏ５ を用いた時のゲート電極の拡大断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係るバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
まず、本発明のバリアメタル及びその形成方法について説明する。
図１はＣｕデュアルダマシン配線に適用したバリアメタルを示す拡大断面図、図２はコンタクトホールに適用したバリアメタルを示す拡大断面図、図３はゲート電極に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
図１に示すようなＣｕデュアルダマシン配線を形成するデュアルダマシンプロセスは、半導体集積装置すなわち半導体集積回路において、デバイスの高性能化及び多機能化を実現する上で、配線の多層化が必要となり、この時、上層と下層の配線を接続する際に、配線とビアプラグを同時に形成して工程数の削減、配線の低コスト化及び低アスペクト比化を実現するプロセスである。
【００１６】
図１において、２は例えば半導体ウエハ等の基板であり、４はこの基板２の表面に形成された下層の配線であり、この周囲は例えばＳｉＯ２ 絶縁膜６により絶縁されている。下層の配線４は、例えば金属銅の薄膜で形成される。８は例えばＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）により形成されたＳｉＯ２ よりなる層間絶縁膜であり、上記ＳｉＯ２ 絶縁膜６と下層の配線４上を覆うように形成される。この層間絶縁膜８は、上述のようにＳＯＧにより塗布形成されるので、比較的多くの酸素分子が含まれている。
【００１７】
１０は上記下層の配線４の一部を露出させるようにして上記層間絶縁膜８に形成されたビアホールであり、１２は上記層間絶縁膜８の表面に形成される配線溝である。１４は本発明に係るＷＮｘ（タングステンナイトライド）或いはＷＳｉＮｘ（タングステンシリサイドナイトライド）よりなる薄いバリアメタルであり、上記ビアホール１０の内壁面及び上記配線溝１２の内壁面に形成される。１６は例えば金属銅よりなる上層の配線であり、この配線の形成時に上記ビアホール１０内も埋め込んでビアホールプラグ１６Ａも同時に形成される。
この場合、配線１６の幅Ｌ１は、１μｍ以下、例えば０．２μｍ程度であり、また、バリアメタル１４の厚さＬ２は、０．０５〜０．０２μｍ程度である。
【００１８】
このようにデュアルダマシンプロセスにおいて、銅薄膜よりなる上層の配線１６及び金属銅のビアホールプラグ１６ＡとＳＯＧにより形成された層間絶縁膜８との間に、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４を介在させたので、このバリアメタル１４により層間絶縁膜８中の酸素分子が金属銅よりなるビアプラグ１６Ａや上層の配線１６中へ拡散して侵入することができず、従って、金属銅が酸化されるのを阻止することができる。このため、ビアホールプラグ１６Ａや上層の配線１６を低い抵抗値のままで維持でき、また、この密着性が劣化することもないので、金属銅が剥がれることも防止することができる。
【００１９】
図２は本発明のバリアメタルをコンタクトホールに適用した時の図を示しており、図中、１８は基板２に形成されたトランジスタのソース或いはドレインであり、ここではソースとして話を進める。２０はソース１８を含むトランジスタ全体を被って絶縁するための層間絶縁膜であり、この絶縁膜２０は、図１にて説明したと同様に、ＳＯＧにより形成されたＳｉＯ２ 膜よりなる。２２は、上記ソース１８の表面を露出させるようにして形成されたコンタクトホールであり、この内壁面と層間絶縁膜２０の上面には、本発明に係るＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４が形成されている。そして、このコンタクトホール２２内は金属銅よりなるコンタクトホールプラグ２４Ａにより埋め込まれ、同時にこの上部に金属銅が積層形成されてパターンエッチングにより配線２４が形成される。尚、図示例では、層間絶縁膜２０上のバリアメタル１４もパターンエッチングされた状態を示している。
【００２０】
この場合にも、ＳｉＯ２ よりなる層間絶縁膜２０と金属銅よりなるコンタクトホールプラグ２４Ａ及び配線２４との間に、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４を介在させるようにしたので、層間絶縁膜２０中の酸素分子がコンタクトホールプラグ２４Ａや配線２４中に拡散して侵入することを阻止することができる。従って、これらを構成する金属銅の酸化を防ぎ、低い抵抗値に維持できるのみならず、密着性が劣化することも防止してこれが剥がれることも阻止することができる。
【００２１】
図３は本発明のバリアメタルをゲート電極に適用した時の図を示しており、図中、１８及び１９は、それぞれ基板２の表面に形成されたトランジスタ素子のソース及びドレインであり、これらの間に薄いゲート酸化膜２６が形成されている。そして、このゲート酸化膜２６上にゲート電極２８が形成されるが、このゲート電極２８は、下層より例えばリンドープのポリシリコン層３０、本発明のＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４及び金属タングステン層３２を順次積層した３層構造になっている。
この場合にも、ポリシリコン層３０と金属タングステン層３２との間に、本発明のバリアメタル１４を介在させるようにしたので、このバリアメタル１４によりポリシリコン層３０中のシリコン原子が金属タングステン層３２に拡散して侵入することを阻止でき、従って、金属タングステン層３２がシリサイド化されることを防止することができる。このため、金属タングステン層３２の抵抗値が低下することを防止することができるのみならず、この金属タングステン層３２が剥離することも防止することができる。
【００２２】
次に、上述したような本発明のバリアメタル１４の形成方法について説明する。
図４はバリアメタルを形成するための処理装置を示す概略構成図であり、まず、この処理装置を説明する。図示するように、この処理装置は、例えばアルミニウム製の円筒体状の処理容器３４を有しており、この容器３４内には、基板２を載置する載置台３６が設けられる。載置台３６内には、基板２を所定のプロセス温度に加熱するための加熱ヒータ３８が設けられている。尚、加熱ヒータ３８に替えて、処理容器の下方に加熱ランプを設けて、基板２をランプ加熱するようにしてもよい。
【００２３】
この処理容器３４及び載置台３６はそれぞれアースされており、載置台３６は、高周波を使用する時に下部電極を兼用するようになっている。処理容器３４の底部には、排気口４０が設けられ、この排気口４０には、真空ポンプ４２を介設した真空排気系が接続される。処理容器３４の側壁には、ゲートバルブ４１を介してロードロック室４４が連結されており、処理容器３４内との間で基板２の受け渡しを行なうようになっている。
【００２４】
また、この処理容器３４の天井部には、絶縁材４６を介して多数のガス噴射孔５０を有するシャワーヘッド部４８が設けられている。このシャワーヘッド部４８には、スイッチ５２及びマッチング回路５４を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源５６が接続されており、必要に応じてシャワーヘッド部４８に、高周波電力を印加してこれを上部電極と兼用させ、プラズマ処理を行なうことができるようになっている。プラズマ印加の手法は、これに限定されず、下部電極に高周波電力を印加するようにしてもよいし、また、上下の電極に高周波電力を印加するようにしてもよい。
そして、このシャワーヘッド部４８には、複数のガス源が、それぞれ開閉弁５８及びマスフローコントローラ６０を介して連結されている。ガス源としては、ＷＦ６ 源６２、ＭＭＨ源６４、ＳｉＨ４ 源６６、ＮＨ３ 源６８、Ｎ２ 源７０、Ａｒ源７２、Ｈ２ 源７４等がそれぞれ必要に応じて設けられ、選択的に使用される。また、ＳｉＨ４ ガスに替えて、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）、ジクロルシランを用いてもよい。
【００２５】
次に、上記した装置を用いて行なわれる本発明のバリアメタルの形成方法を具体的に説明する。
まず、このバリアメタルの形成方法には、１つの工程で一気にバリアメタルを形成する方法等がある。以下、その方法について順に説明する。ここでは、前述したＣｕデュアルダマシンプロセスによりデュアルダマシン配線（図１参照）を行なう場合を例にとって説明する。尚、本発明のバリアメタルをコンタクトホールやゲート電極に適用する場合にも、バリアメタル形成の前後の工程は異なるが、バリアメタルの形成方法は全て同じである。
【００２６】
（１）１工程によるＷＳｉＮｘの形成（プラズマレス）。
まず、１工程でＷＳｉＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。まず、図４に示す処理装置とは別の装置で、図５（Ａ）に示すように基板２のＳｉＯ２ 絶縁層６と下層の配線４を覆ってＳＯＧによりＳｉＯ２ 層間絶縁膜８を全面に形成する。そして、この層間絶縁膜８に配線パターンに沿って配線溝１２をエッチング等により形成し（図５（Ｂ））、更に、この配線溝１２内の所定の位置に、ビアホール１０をエッチング等により形成して下層の配線４を露出させる（図５（Ｃ））。
ここまで基板２に対して処理を施したならば、この基板２を図４に示した処理装置内へ搬入してバリアメタルの形成に移る。
【００２７】
基板２を処理容器３４の載置台３６上に載置したならば、容器３４内を密閉し、基板２を所定のプロセス圧力に維持すると共にシャワーヘッド部４８から所定の処理ガスを導入し、これと共に処理容器３４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持してバリアメタルの形成プロセスを行なう。処理ガスとしては、ＷＦ６ ガス、ＳｉＨ４ ガス及びＭＭＨガスをそれぞれ供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、一気にＷＳｉＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を所定の厚みだけ成膜する（図５（Ｄ））。
ここでは基板２として、８インチウエハを用いており、この時の各処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、２〜２０ｓｃｃｍ程度、、ＳｉＨ４ ガスが、１０〜３００ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜１０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は０．４〜８０Ｔｏｒｒ程度である。シランに替えてジクロルシランを用いる場合には、他のガスの流量、プロセス圧力は同じで、プロセス温度が５５０℃〜６５０℃程度である。尚、これらの数値は、後述する数値も含めて単に一例を示したに過ぎず、適宜最適条件を求めて変更するのは勿論である。
【００２８】
このような方法により、１工程でバリアメタル１４を形成することができ、工程数の削減が可能となる。
このようにして、バリアメタル１４の形成が完了したならば、例えばこの基板２を処理装置から搬出し、ＣＶＤ等により配線メタルとして金属銅を表面に堆積させてビアホール１０と配線溝１２内を同時に埋め込み、これにより、ビアホール１０は、ビアホールプラグ１６Ａにより埋め込まれ、配線溝１２には上層の配線１６が形成される（図５（Ｅ））。尚、この金属銅のＣＶＤ処理は、バリアメタルを形成した処理装置と同一処理装置内で行なうようにしてもよい。
【００２９】
次に、金属銅が堆積された基板を処理装置から取り出し、これにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理等を施すことにより、上面の不要な金属銅を研磨除去し、上層の配線パターンを形成する（図５（Ｆ））。これにより、Ｃｕデュアルダマシン配線を完了することになる。
この実施例では、バリアメタル１４に窒素原子を混入させるガスとしてＭＭＨガスを用いたが、これに替えて、ＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを用いてもよいし、必要に応じてキャリアガスとして不活性ガス、例えばＡｒガスを用いてもよい。また、ＳｉＨ４ ガスに替えて、ジクロルシラン、ジシラン等を用いてもよいのは勿論である。
【００３０】
（２）１工程によるＷＮｘの形成（プラズマレス）。
次に、１工程でＷＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。図５（Ｄ）に示す工程以外は全て上述した操作と同じであるので、図５（Ｄ）に示す工程を行なう場合のみを説明する。ここでは、処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＭＭＨガスを供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤにより、一気にＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を所定の厚みだけ成膜する。
この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜８０ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜２０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
この場合には、使用する処理ガスの種類が２種類で済み、ガス供給系の構成を非常に簡単化できる。また、この場合にも、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを用いてもよいのは勿論である。
【００３１】
（３）２工程によるＷＳｉＮｘの形成。
次に、２工程でＷＳｉＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。ここでは、図５（Ｃ）に示す工程を経た後、図４に示す処理装置内で、まずＷＳｉ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＳｉＨ４ ガスを用い、これらをキャリアガス、例えばＡｒガスを用いて、或いは用いないで供給し、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷＳｉ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、２〜８０ｓｃｃｍ程度、ＳｉＨ４ ガスが５〜４０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。尚、ＳｉＨ４ に替えてジクロルシラン、ジシラン等を用いてもよいのは勿論である。
【００３２】
このようにしてＷＳｉ膜の形成が完了したならば、ＷＦ６ ガスとＭＭＨガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記ＷＳｉ膜を窒化処理してＷＳｉＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜２０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜１０Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このようにＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低いので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上、非常に有利である。
【００３３】
ここでＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガスやＮ２ ガスを用いてもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ２ ガスをパージして成膜で用いたＷＦ６ ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ３ ガスを用いる場合には、ＷＦ６ ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ６ ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ３ ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。
【００３４】
また、ＭＭＨガスに替えてＮ２ ガスを用いる場合には、スイッチ５２を投入して高周波電力を上部電極（シャワーヘッド部）４８と下部電極（載置台）３６との間に印加し、内部にプラズマを立ててプラズマ窒化処理を行なう。この時のＮ２ ガスの供給量は、５０〜３００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス温度は３００〜４５０℃程度であり、プロセス圧力は０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。
このように、２つの工程を同一処理装置内で行なえば、ウエハ搬送に要する時間を節約できるのでスループットを向上できるが、上記成膜工程と窒化工程を別々の処理装置で実行してもよいのは勿論である。
【００３５】
（４）２工程によるＷＮｘの形成。
次に、２工程でＷＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。ここでは図５（Ｃ）に示す工程を経た後、図４に示す装置内で、まず、Ｗ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＨ２ ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
【００３６】
このようにして、Ｗ膜の形成が完了したならば、ＷＦ６ ガスとＨ２ ガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記Ｗ膜を窒化処理してＷＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜１０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このように、ＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上有利となる。
【００３７】
ここでも、先の（３）で説明したようにＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガスやＮ２ ガスを用ていもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ２ ガスをパージして成膜で用いたＷＦ６ ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ３ ガスを用いる場合には、ＷＦ６ ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ６ ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ３ ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。
【００３８】
また、ＭＭＨガスに替えてＮ２ ガスを用いる場合には、スイッチ５２を投入して高周波電力を上部電極（シャワーヘッド部）４８と下部電極（載置台）３６との間に印加し、内部にプラズマを立ててプラズマ窒化処理を行なう。この時のＮ２ ガスの供給量は、５０〜３００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス温度は３００〜４５０℃程度であり、プロセス圧力は０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。
このように、２つの工程を同一処理装置内で行なえば、ウエハ搬送に要する時間を節約できるのでスループットを向上できるが、上記成膜工程と窒化工程を別々の処理装置で実行してもよいのは勿論である。
以上のようにして各方法で形成したバリアメタル１４は、特性検査の結果、酸素原子或いはシリコン原子に対するバリア性が十分に高いことを確認することができた。
【００３９】
次に、本発明のゲート電極及びその形成方法について説明する。
ここでは図３において説明したゲート電極２８について更に詳しく説明する。図６は図３に示すゲート電極の部分を示す拡大図である。バリアメタル１４としては、ここではタングステンナイトライド（ＷＮｘ）を用いた場合を例にとって説明する。図３において説明したように、例えばシリコン単結晶よりなる半導体ウエハ等の基板２のゲート酸化膜２６の両側には、ソース１８、ドレイン１９が形成されている。ゲート酸化膜２６としては、ここではシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）を用いている。
【００４０】
また、例えばリンドープのポリシリコン層３０は、前述したように他の成膜装置で成膜され、その後、この基板２を図４に示すような成膜装置へ搬入する。
ＷＮｘ膜の形成には、前述したようにプラズマレスの熱ＣＶＤにより１工程で形成する場合と、２工程で形成する場合とがあり、どちらを用いていてもよい。
まず、１工程でＷＮｘ膜を形成する場合には、前述したように処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＭＭＨガスを供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤにより、一気にＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４をポリシリコン層３０上に所定の厚みだけ成膜する。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜８０ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜２０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
【００４１】
この場合には、使用する処理ガスの種類が２種類で済み、ガス供給系の構成を非常に簡単化できる。また、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを用いてもよいのは勿論である。
また、２工程でＷＮｘ膜を形成する場合には、前述したようにまず、最初にＷ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＨ２ ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが、５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
【００４２】
このようにして、Ｗ膜の形成が完了したならば、ＷＦ６ ガスとＨ２ ガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記Ｗ膜を窒化処理してＷＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜１０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このように、ＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上有利となる。
【００４３】
ここでも、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ３ ガスやＮ２ ガスを用いてもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ２ ガスをパージして成膜で用いたＷＦ６ ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ３ ガスを用いる場合には、ＷＦ６ ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ６ ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ３ ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。
【００４４】
このようにして、１工程で或いは２工程でＷＮｘ膜のバリアメタル１４を形成したならば、同一処理容器３４内で上層のタングステン層３２を形成する。このタングステン層３２の成膜操作は、先に示した２工程によるＷＮｘ膜の前段のＷ膜の成膜工程と同じであり、処理ガスとしてはＷＦ６ ガスとＨ２ ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を所定の厚さだけ堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ６ ガスが５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。この時の各層の厚さは、例えば１Ｇビットの容量に対応するメモリのデザインルールに適用できるように、ゲート酸化膜２６が２０Å程度、ポリシリコン層３０が５００Å程度、バリアメタル１４が５０Å程度、タングステン層３２が５００Å程度である。
【００４５】
このようにしてタングステン層３２を形成することにより、ゲート電極２８を形成する。このように、バリアメタル１４とタングステン層３２は金属材料として同一の材料、すなわちタングステンを用いているので、同一の成膜装置内で連続的に成膜することができ、基板の搬出搬入操作が不要になって生産性を向上させることができる。
また、ポリシリコン−メタルゲート電極に、このようにバリアメタルとしてＷＮｘ層を用いることにより、抵抗値も非常に少なく、両層間の密着性及び耐熱性も高く維持でき、高いバリア性を発揮させることができる。特に、バリアメタル１４を５０Å程度まで薄膜化しても上述したような十分なバリア性を備えており、半導体集積回路の薄膜化及び多層化に対応することができる。
ここで、本発明のゲート電極と従来において一般的に用いられていたゲート電極の特性を評価したので、その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１中において、比較例１、２は従来のゲート電極を示し、比較例１はポリシリコン層とタングステンシリサイド層のゲート電極、比較例２はポリシリコン層とチタンシリサイド層のゲート電極をそれぞれ示す。
表１から明らかなように、ゲート電極として特性上重要な抵抗値及び耐熱性において共に優れているのみならず、ＨＦ（フッ化水素）に対する腐食性を示す耐薬品性や成膜時のエッチング特性も良好であることが判明する。尚、成膜時のエッチング特性が少ないことは、膜厚のコントロール性が良好であることを意味し、薄い膜厚のゲート電極を精度良く作ることができることになる。
これに対し、比較例１は耐熱性は良好であるが、重要な要素である抵抗値がかなり大きく、好ましくない。また、比較例２は抵抗値が大きいのみならず、耐熱性も評価の基準となる８５０℃よりも低く、好ましくない。
【００４８】
尚、上記実施例では、ゲート酸化膜２６としてＳｉＯ２ を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ゲート酸化膜２６として更に薄膜化に対応したタンタルオキサイド（Ｔａ２ Ｏ５ ）を用いることもできる。
図７はゲート酸化膜としてＴａ２ Ｏ５ を用いた時のゲート電極の拡大断面図を示している。図７に示すゲート電極の場合には、ポリシリコン層を用いないで、Ｔａ２ Ｏ５ のゲート酸化膜２６上に、ＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を直接形成し、更にこの上にタングステン層３２を形成している。
このバリアメタル１４及びタングステン層３２の成膜は、先に示したように同一の成膜装置内で連続的に処理することにより形成すればよい。この場合にも、前述したと同様にＷＮｘ膜のバリアメタル１４が有効にバリア性を発揮するのみならず、ポリシリコン層を省略できた分だけゲート電極２８の厚みを更に小さくでき、ゲート酸化膜２６、バリアメタル１４及びタングステン層３２を含めた全体の厚みを例えば１０００Å程度までに小さくでき、４Ｇビットの容量のメモリのデザインルールにも適用することができる。
尚、本発明実施例で用いるＷＮｘやＷＳｉＮｘは、他の主要な膜同様、ＣｌＦ３ ガスを含むガスでクリーニングできる。適当な枚数のウエハに成膜処理をする毎にクリーニングを行えば、パーティクルの発生が抑えられ、高品質の成膜が可能となる。
また、上記実施例では、高融点金属材料としてタングステンを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えばモリブデン（Ｍｏ）を用いてもよい。また、上記実施例では、基板として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用することができるのは勿論である。
【符号の説明】
【００４９】
２ 基板
４ 下層の配線
６ ＳｉＯ２ 絶縁膜
８ 層間絶縁膜
１０ ビアホール
１２ 配線溝
１４ バリアメタル
１６ 上層の配線（配線用銅膜）
１６Ａ ビアホールプラグ
１８ ソース
１９ ドレイン
２０ 層間絶縁膜
２２ コンタクトホール
２４ 配線（配線用銅膜）
２４Ａ コンタクトホールプラグ
２６ ゲート酸化膜
２８ ゲート電極
３０ ポリシリコン層
３２ タングステン層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積装置のバリアメタルとして、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いたことを特徴とするバリアメタル。
【請求項２】
前記バリアメタルは、前記半導体集積装置のビアホール或いはコンタクトホールに用いられることを特徴とする請求項１記載のバリアメタル。
【請求項３】
前記バリアメタルは、少なくとも一面が配線用銅膜と接していることを特徴とする請求項１または２記載のバリアメタル。
【請求項４】
前記バリアメタルは、前記半導体集積装置のゲート電極におけるポリシリコン層とタングステン層との界面に介在されることを特徴とする請求項１または２記載のバリアメタル。
【請求項５】
バリアメタルを形成する方法において、ＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を１つの工程で形成するようにしたことを特徴とするバリアメタルの形成方法。
【請求項６】
前記工程では、ＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）ガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つを用いることを特徴とする請求項５記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項７】
バリアメタルを形成する方法において、Ｗ層或いはＷＳｉ層を形成する成膜工程と、前記層を窒化してＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する窒化工程とを有することを特徴とするバリアメタルの形成方法。
【請求項８】
処理室内に付着したＷＮｘ又はＷＳｉＮｘを、ＣｌＦ３ ガスを含むガスを用いてクリーニングする工程を有する請求項５乃至７記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項９】
前記窒化工程は、ＭＭＨガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つを用いることを特徴とする請求項７記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１０】
前記窒化工程においてＭＭＨガス或いはＮＨ３ ガスを用いる場合には、プラズマレスの窒化処理を行なうことを特徴とする請求項９記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１１】
前記窒化工程においてＮ２ ガスを用いる場合には、プラズマ窒化処理を行なうことを特徴とする請求項９記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１２】
前記成膜工程と窒化工程は、同一の処理装置内で行なわれることを特徴とする請求項７乃至１１記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１３】
前記成膜工程と窒化工程との間には、成膜時に用いた成膜ガスを不活性ガスにより排気するパージ工程が行なわれることを特徴とする請求項１２記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１４】
半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、ポリシリコン層と、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層してなるゲート電極。
【請求項１５】
半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層してなるゲート電極。
【請求項１６】
前記高融点金属は、タングステンであることを特徴とする請求項１４または１５記載のゲート電極。
【請求項１７】
前記ゲート酸化膜は、シリコン酸化膜よりなることを特徴とする請求項１４または１６記載のゲート電極。
【請求項１８】
前記ゲート酸化膜は、タンタルオキサイドよりなることを特徴とする請求項１５または１６記載のゲート電極。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の半導体集積装置のゲート電極の形成方法において、少なくともバリアメタルを形成する成膜工程と、高融点金属層を形成する成膜工程とを同一成膜装置内で行なうようにしたことを特徴とするゲート電極の形成方法。
【請求項１】
半導体集積装置のバリアメタルとして、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いたことを特徴とするバリアメタル。
【請求項２】
前記バリアメタルは、前記半導体集積装置のビアホール或いはコンタクトホールに用いられることを特徴とする請求項１記載のバリアメタル。
【請求項３】
前記バリアメタルは、少なくとも一面が配線用銅膜と接していることを特徴とする請求項１または２記載のバリアメタル。
【請求項４】
前記バリアメタルは、前記半導体集積装置のゲート電極におけるポリシリコン層とタングステン層との界面に介在されることを特徴とする請求項１または２記載のバリアメタル。
【請求項５】
バリアメタルを形成する方法において、ＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を１つの工程で形成するようにしたことを特徴とするバリアメタルの形成方法。
【請求項６】
前記工程では、ＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）ガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つを用いることを特徴とする請求項５記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項７】
バリアメタルを形成する方法において、Ｗ層或いはＷＳｉ層を形成する成膜工程と、前記層を窒化してＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する窒化工程とを有することを特徴とするバリアメタルの形成方法。
【請求項８】
処理室内に付着したＷＮｘ又はＷＳｉＮｘを、ＣｌＦ３ ガスを含むガスを用いてクリーニングする工程を有する請求項５乃至７記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項９】
前記窒化工程は、ＭＭＨガス、Ｎ２ ガス、ＮＨ３ ガスの内、いずれか１つを用いることを特徴とする請求項７記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１０】
前記窒化工程においてＭＭＨガス或いはＮＨ３ ガスを用いる場合には、プラズマレスの窒化処理を行なうことを特徴とする請求項９記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１１】
前記窒化工程においてＮ２ ガスを用いる場合には、プラズマ窒化処理を行なうことを特徴とする請求項９記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１２】
前記成膜工程と窒化工程は、同一の処理装置内で行なわれることを特徴とする請求項７乃至１１記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１３】
前記成膜工程と窒化工程との間には、成膜時に用いた成膜ガスを不活性ガスにより排気するパージ工程が行なわれることを特徴とする請求項１２記載のバリアメタルの形成方法。
【請求項１４】
半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、ポリシリコン層と、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層してなるゲート電極。
【請求項１５】
半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層してなるゲート電極。
【請求項１６】
前記高融点金属は、タングステンであることを特徴とする請求項１４または１５記載のゲート電極。
【請求項１７】
前記ゲート酸化膜は、シリコン酸化膜よりなることを特徴とする請求項１４または１６記載のゲート電極。
【請求項１８】
前記ゲート酸化膜は、タンタルオキサイドよりなることを特徴とする請求項１５または１６記載のゲート電極。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の半導体集積装置のゲート電極の形成方法において、少なくともバリアメタルを形成する成膜工程と、高融点金属層を形成する成膜工程とを同一成膜装置内で行なうようにしたことを特徴とするゲート電極の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２４６３７９（Ｐ２００９−２４６３７９Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６５１２４（Ｐ２００９−１６５１２４）
【出願日】平成２１年７月１３日（２００９．７．１３）
【分割の表示】特願平１０−２０７１９８の分割
【原出願日】平成１０年７月７日（１９９８．７．７）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１３日（２００９．７．１３）
【分割の表示】特願平１０−２０７１９８の分割
【原出願日】平成１０年７月７日（１９９８．７．７）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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