JP2001156023A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｔｉ原子に対するＮ原子の比（膜中窒素比
率）が小さいＴｉＮをそのままバリアメタルとして用い
ると、アルミニウムとシリコンとの相互拡散反応を完全
に防ぐことができないという問題点がある。 【解決手段】 前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形
成した後、コンタクトホール底面及び側面を覆うように
スパッタリングにより高融点金属膜を形成し、該高融点
金属膜上に前記コンタクトホール底面及び側面を覆うよ
うに、不活性ガスと窒素との混合ガスで、且つスパッタ
リングのターゲットが窒化しないような該窒素の流量比
とする雰囲気中でのスパッタリングにより高融点金属の
窒化膜を順次形成する。次に、酸素及び窒素を含む雰囲
気中でアニールすることにより、前記高融点金属の窒化
膜を高融点金属の酸化窒化膜とし、前記高融点金属膜
を、前記シリコン基板と反応させることにより高融点金
属のシリサイド膜とする。その後、所望の形状に配線を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に、層間絶縁膜上に設けられた配線層と
半導体基板に形成された拡散層とを電気的に接続するコ
ンタクトホール部において、配線層と拡散層との相互拡
散反応を防止し、オーミックコンタクトを得るバリアメ
タルの形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置のコンタクトホールに
おける配線層と半導体基板に形成された拡散層との相互
拡散反応を防止するために、高融点金属やその合金、化
合物からなるバリアメタルを用いるのが一般的となって
いる。半導体装置の高集積化、微細化に伴い、拡散防止
性に優れるＴｉＮを用いる場合が多くなっている。

【０００３】ＴｉＮを形成する方法として、一般的に
は、Ｔｉターゲットを窒素を含む雰囲気でスパッタリン
グすることにより行われる。

【０００４】また、近年、半導体装置の高集積化、微細
化に伴い、コンタクトホールの径が微細になり、アスペ
クト比が高くなってきている。通常のスパッタリング技
術においては、スパッタ粒子が、ある程度ランダムな方
向性をもっているため、図２のようにコンタクトホール
上部で、オーバーハングを有する形状になる。したがっ
て、コンタクト底部での被覆性が悪くなり、バリア性を
得るに必要な膜厚を得るのが困難になりつつある。図2
は従来技術の問題点の説明に供する図であり、図2にお
いて、２１はシリコン基板、２２は拡散層、２３は層間
絶縁膜、２４はコンタクトホール、２５はＴｉＮ／Ｔｉ
膜を示す。

【０００５】これを解消するために、特にスパッタ粒子
が基板に対して略垂直に入射するように工夫されたスパ
ッタリング方式が実用化されている。

【０００６】例えば、ターゲットと半導体基板との間
に、多数の孔を開けた基板（コリメート板）を設置し、
基板に対し略垂直な方向のスパッタ粒子のみを通す、コ
リメートスパッタ法がある。また、ターゲットと基板と
の間の距離を通常のスパッタリング装置よりも大きくし
て、基板には基板に対し略垂直な方向のスパッタ粒子の
みが到達するロングスロースパッタ法がある。

【０００７】これらは、通常のスパッタ方式に比べ、タ
ーゲットからスパッタされた全粒子数に対する基板に到
達する粒子が少ないため、成膜速度が低下してしまう。
したがって、通常のスパッタ方式に比べ、スパッタパワ
ーを上げて成膜速度を上げることで、実用的な成膜時間
に抑えている。

【０００８】更に、ＴｉＮを成膜する場合、図３のよう
にターゲット表面が窒化される場合は、窒化されない場
合に比べ、成膜速度が約１／３になる。そこで、特開平
７−２２１０４６号公報、特開平８−１８８８７０号公
報のように窒素の流量比を減らすことで、ターゲット表
面を窒化させずに、ＴｉＮを形成する方法が提案されて
いる。この方法では、ターゲット表面のＴｉＮ粒が形成
されていないため、ターゲットからのパーティクルの発
生を抑えられる利点もある。図３（ａ）は窒素の流量比
と成膜速度との関係を示す図であり、図３（ｂ）は窒素
と窒化膜中の窒素比率との関係を示す図である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たターゲット表面を窒化させずに、ＴｉＮを形成する方
法では、図３のように膜中のＴｉ原子に対するＮ原子の
比（膜中窒素比率（チタンを１としたときの窒素の
量））が小さいＴｉＮが形成される。これをそのままバ
リアメタルとして用いると、アルミニウムとシリコンと
の相互拡散反応を完全に防ぐことができないという問題
点がある。

【００１０】また、特開平６−６１１７９号公報や、特
開平７−２２１０４６号公報に、膜中窒素比率が小さい
ＴｉＮをバリアメタルとして用いる際、窒素雰囲気中で
熱処理することで、窒化させ、バリア性を向上する方法
が提案されている。しかし、この方法を用いても、バリ
ア性が完全でない場合がある。特に近年コンタクトホー
ル内をＡｌ系合金材料によって埋め込むＡｌリフロー法
も用いられ、このとき４００℃以上の高温を用いるの
で、バリア性の完全化が要求される。

【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、シリコン基板に形成された拡散層と層間絶縁
膜上に形成された配線とをコンタクトホールを通して電
気的に接続する工程を有する半導体装置の製造方法にお
いて、前記層間絶縁膜の前記拡散層上領域に前記コンタ
クトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール底
面及び側面を覆うようにスパッタリングにより高融点金
属膜を形成した後、該高融点金属膜上に前記コンタクト
ホール底面及び側面を覆うように、不活性ガスと窒素と
の混合ガスで、且つスパッタリングのターゲットが窒化
しないような該窒素の流量比とする雰囲気中でのスパッ
タリングにより高融点金属の窒化膜を順次形成する工程
と、酸素及び窒素を含む雰囲気中でアニールすることに
より、前記高融点金属の窒化膜を高融点金属の酸化窒化
膜とし、前記高融点金属膜を、前記シリコン基板と反応
させることにより高融点金属のシリサイド膜とする工程
と、前記コンタクトホール内に埋設されるように配線材
料を堆積させ、所望の形状にパターニングすることによ
って配線を形成することを特徴とするものである。

【００１２】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
窒素の流量比が前記混合ガス全体の３０％以上、６０％
以下となる雰囲気中でスパッタリング行うことにより前
記高融点金属の窒化膜を形成することが望ましい。

【００１３】さらに、本発明の半導体装置は、前記アニ
ールの際の窒素と酸素を含む雰囲気における酸素の流量
比を０．００５％以上、且つ０．１％以下とすることが
望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、一実施の形態を用いて本発
明を詳細に説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施の形態の半導体装置
の製造工程を示す図である。図１において、１はシリコ
ン基板、２は拡散層、３は層間絶縁膜、４はコンタクト
ホール、５は第1のＴｉ膜、６はＴｉＮ膜、７はＴｉシ
リサイド膜、８はＴｉＯＮ膜、９は第2のＴｉ膜、１０
はＡｌ系合金膜を示す。

【００１６】以下、図１を用いて、本発明の半導体装置
の製造工程を説明する。

【００１７】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板１に拡散層２を形成し、層間絶縁膜として、シリコ
ン酸化膜3をＣＶＤ法により堆積する。次に、公知のリ
ソグラフィ技術とドライエッチング技術により、コンタ
クトホール4を形成する。ここで、層間絶縁膜の厚さは
１μｍ、コンタクトホールの径は０．５μｍである。

【００１８】次に、図１（ｂ）に示すように、コリメー
トスパッタ法もしくはロングスロースパッタ法により、
Ｔｉ膜５を０．０４μｍ成膜する。これはコンタクトホ
ール底部での膜厚が０．０１μｍに相当する。Ｔｉ膜５
の成膜はアルゴン雰囲気中で行い、スパッタパワーが７
〜１２ｋＷ、ガス圧は１〜３ｍＴｏｒｒである。

【００１９】次に、コリメートスパッタ法もしくはロン
グスロースパッタ法により、ＴｉＮ膜６を０．０８μｍ
成膜する。これは、コンタクトホール底部での膜厚が
０．０３μｍに相当する。ＴｉＮ膜の成膜は、アルゴン
と窒素とを混合した雰囲気で行い、スパッタパワーは７
〜１２ｋＷ、ガス圧は１〜３ｍＴｏｒｒ、全ガス流量に
対する窒素の流量比は３０〜６０％である。スパッタパ
ワーが１２ｋＷを超えると、アルゴンイオンの衝撃で、
ターゲットが変形し、７ｋＷより小さいとコンタクトホ
ール底部への被覆性が悪くなる。

【００２０】次に、図１（ｃ）に示すように、ランプア
ニール装置により、窒素と酸素との混合雰囲気中で熱処
理を行うことによって、窒化と酸化を行い、ＴｉＮ膜６
をＴｉＯＮ膜６ａに、コンタクトホール底部でのＴｉ膜
５をＴｉシリサイド膜５ａにする。アニール温度は４５
０〜５７５℃、アニール時間は3分、全ガス流量に対す
る酸素の流量比は０．１％である。これにより、バリア
性は高められ、また、Ｔｉシリサイド形成により、コン
タクト抵抗を下げる作用を有する。全ガス流量に対する
酸素の流量比は０．００５％以上で、０．１％以下が望
ましい。この流量比が０．００５％より低いとバリア性
が完全でなくなり、また、０．１％を超えるとＴｉＮが
高シート抵抗となり、コンタクト抵抗が上昇する。

【００２１】次に、図１（ｄ）に示すように、Ｔｉ膜７
を０．０４μｍ成膜する。これは、Ａｌ系合金とＴｉＯ
Ｎ膜６ａとの間の濡れ性を高め、コンタクトホールをＡ
ｌ系合金材料８によって埋め込みやすくするためのもの
である。

【００２２】次に、Ａｌ系合金材料８を０．６μｍ成膜
する。このとき基板の温度は４７０℃であり、これによ
りコンタクトホール４はＡｌ系合金材料８によって埋め
込まれる。

【００２３】表１に上述の実施例におけるＡｌスパイク
確認結果、表２に同アニール後ＴｉＮシート抵抗確認結
果を示す。窒素雰囲気中で熱処理することで、窒化させ
ただけではスパイクはなくならないが、酸素を加えるこ
とで、スパイクを抑えることができる。また、酸素のみ
の雰囲気でアニールすると、ＴｉＮが急速に酸化され、
高シート抵抗になるので、コンタクト抵抗が上昇する原
因になる。これを防ぐには窒素による窒化も必要であ
る。なお、熱処理による、窒化と酸化工程は、通常の拡
散炉を用いてもよい。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】本発明では、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量
比を低くし、ＴｉＮ膜が所望の膜厚になるまでに要する
時間を短くする。これにより、発生するパーティクルの
量を低減することが可能となる。しかし、窒素の流量比
を低くすることで、ＴｉＮ膜のバリア性も低くなる。

【００２７】そこで、本発明は、ＴｉＮ膜形成後に窒素
と酸素との混合雰囲気中で熱処理することにより、バリ
ア性の向上を図る。ここで、全ガス流量に対する酸素の
流量比を０．１％程度とすることでバリア性の向上のみ
ならず、シート抵抗を抑える効果も実現できる。

【００２８】尚、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量比を３０
％よりも低くすると、ＴｉＮ膜のバリア性が更に悪くな
り、後工程でのバリア性の向上が困難になる。また、Ｔ
ｉＮ膜形成時の窒素の流量比が６０％を超えると、Ｔｉ
Ｎ膜が所望の膜厚になるまでに要する時間が長くなると
ともに、発生するパーティクルの量が増加する。表３に
ＴｉＮスパッタ条件とバリア性に関する試験結果を示
す。

【００２９】

【表３】

【００３０】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明を
用いることにより、バリア性を完全化でき、コリメート
スパッタ法や、ロングスロースパッタ法を用いても、実
用的な成膜時間で高融点金属窒化物層が成膜でき、ター
ゲットからのパーティクルの発生を抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造工程
図である。

【図2】従来技術の問題点の説明に供する図である。

【図3】（ａ）は窒素の流量比と成膜速度との関係を示
す図であり、（ｂ）は窒素と窒化膜中の窒素比率との関
係を示す図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 拡散層 ３ 層間絶縁膜 ４ コンタクトホール ５ 第1のＴｉ膜 ６ ＴｉＮ膜 ７ Ｔｉシリサイド膜 ８ ＴｉＯＮ膜 ９ 第2のＴｉ膜 １０ Ａｌ系合金膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 AA01 BB25 CC01 DD06 DD37 DD41 DD78 DD84 DD86 FF16 FF22 5F033 HH08 HH18 HH27 HH33 HH35 JJ01 KK08 KK18 KK27 KK33 KK35 MM01 NN06 NN07 PP15 QQ11 QQ37 QQ70 QQ76 QQ78 WW04 WW06 XX28

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板に形成された拡散層と層間
   絶縁膜上に形成された配線とをコンタクトホールを通し
   て電気的に接続する工程を有する半導体装置の製造方法
   において、 前記層間絶縁膜の前記拡散層上領域に前記コンタクトホ
   ールを形成する工程と、 前記コンタクトホール底面及び側面を覆うようにスパッ
   タリングにより高融点金属膜を形成した後、該高融点金
   属膜上に前記コンタクトホール底面及び側面を覆うよう
   に、不活性ガスと窒素との混合ガスで、且つスパッタリ
   ングのターゲットが窒化しないような該窒素の流量比と
   する雰囲気中でのスパッタリングにより高融点金属の窒
   化膜を順次形成する工程と、 酸素及び窒素を含む雰囲気中でアニールすることによ
   り、前記高融点金属の窒化膜を高融点金属の酸化窒化膜
   とし、前記高融点金属膜を、前記シリコン基板と反応さ
   せることにより高融点金属のシリサイド膜とする工程
   と、 前記コンタクトホール内に埋設されるように配線材料を
   堆積させ、所望の形状にパターニングすることによって
   配線を形成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】 窒素の流量比が前記混合ガス全体の３０
   ％以上、６０％以下となる雰囲気中でスパッタリングを
   行うことにより前記高融点金属の窒化膜を形成すること
   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】 前記アニールの際の窒素と酸素を含む雰
   囲気における酸素の流量比を０．００５％以上、且つ
   ０．１％以下とすることを特徴とする、請求項1又は請
   求項２に記載の半導体装置の製造方法。