JP2765569B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
係り、特に窒化チタン膜とアルミニウム膜とを構成要素
として含む積層膜からなる配線を有する半導体装置を製
造するのに好適な方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】アルミニウムを含む化合物として、例え
ば有機アルミニウム化合物を原料とし、減圧化学気相成
長法（ＬＰＣＶＤ法）によりアルミニウム薄膜を製造す
る方法によれば、高純度でカバレッジの優れたアルミニ
ウム薄膜の形成が原理的に可能である。 【０００３】そのため、微細化された半導体装置の配線
アルミニウム薄膜の形成に応用するためのＬＰＣＶＤ法
ならびに装置などの研究開発が盛んに進められている。
従来の有機アルミニウム化合物の一種であるトリイソブ
チルアルミニウム（ＴＩＢＡ）を原料として、アルミニ
ウム薄膜を形成するＬＰＣＶＤ法ならびに装置について
は例えばソリッド ステート テクノロジー１２月号
（１９８２年）第６２頁から第６５頁（Solid State Te
chnology, December（１９８２）ｐｐ６２−６５）にお
いて論じられている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】従来のＬＰＣＶＤ法お
よび装置によって形成されるアルミニウム薄膜はカバレ
ッジが優れていて純度も極めて高いとされているが、形
成されたアルミニウム薄膜の表面が粗く、微視的に見る
と薄膜表面にはかなりの凹凸が生じるという問題があっ
た。また、この表面の凹凸は同一装置を用いて同一条件
でアルミニウム膜形成を繰返しても必ずしも再現しない
という問題もあった。アルミニウム薄膜の平滑性が悪化
する原因については不明ではあるが、アルミニウム膜形
成前に試料に施される試料表面活性化処理により膜表面
の平滑性は大きく変化する。この試料表面活性化処理は
試料表面におけるアルミニウムの核生成を促進すること
を目的として行われるもので、上述した従来のＬＰＣＶ
Ｄ法の代表的なソリッド ステート テクノロジー１２
月号（１９８２年）に記載の方法においては、加熱した
試料を四塩化チタンに関することを以てこの活性化処理
としている。（以下四塩化チタン処理という。）発明者
らはこの四塩化チタン処理が活性化処理として必ずしも
最善ではなく、試料の材質やその表面状態のわずかな差
異の影響を受けやすく、上記アルミニウム膜表面の凹凸
の発生もしくは再現性不足の原因となっていることを見
出した。 【０００５】またアルミニウムのＬＰＣＶＤ法を半導体
装置の配線アルミニウム薄膜の形成に応用する場合、微
細化されたコンタクトホール部におけるアルミニウム配
線とシリコン基板との接続部の熱的安定性を高める必要
からアルミニウム、シリコン間にバリア層を挿入するこ
とが不可欠となりつつある。バリア層として例えば反応
性スパッタ法によって形成された窒化チタン膜が提案さ
れているが、反応性スパッタ法ではカバレッジが不足す
るため垂直に加工された微小スルーホール底部にバリア
層として必要な厚さの窒化チタン膜を形成することは極
めて困難である。 【０００６】また、反応性スパッタ法ではスルーホール
上部に、底部よりも厚く窒化チタン膜が形成されるた
め、その上にＬＰＣＶＤ法でアルミニウム膜を形成し、
スルーホールをアルミニウムで埋込もうとすると、スル
ーホール内部に空洞が発生するという問題もあった。 【０００７】さらに、アルミニウムのＬＰＣＶＤ法は半
導体素子に対してプラズマ放電に起因する損傷を与えな
いという大きな特長を有するが、バリア層の形成に反応
性スパッタ法を用いることにより素子が損傷を受けると
アルミニウムのＬＰＣＶＤ法の利点が生かされないこと
も問題であった。 【０００８】ＬＰＣＶＤ法によるアルミニウム膜に匹敵
するガバレッジの得られるバリア層の形成方法を確立す
ることがアルミニウムのＬＰＣＶＤ法を実用化する上で
不可欠である。 【０００９】従来のＬＰＣＶＤ法および装置はこの点に
ついて配慮されていなかったため半導体装置への応用は
大きく制約されていた。 【００１０】本発明の目的は試料上にカバレッジが優れ
たバリア層を形成し、しかも特別な活性化処理を施すこ
となく、上記バリア層上にＬＰＣＶＤ法により良質のア
ルミニウム膜を再現性よく形成することのでき、損傷が
少なく、長寿命の半導体装置の製造方法を提供すること
にある。また、 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記目的はアルミニウム
膜形成にさきだち、下部電極上に形成された誘電体膜上
に、ＬＰＣＶＤ法を用いて試料上に窒化チタン膜を形成
し、しかる後望ましくは試料を大気に晒すことなく該窒
化チタン膜上にＬＰＣＶＤ法によってアルミニウム膜を
形成することにより達成される。なお必要に応じてアル
ミニウム膜形成にさぎだって、例えば水素や窒素ガス雰
囲気中で熱処理を施してもよい。ただし大気、特に酸素
や水分に試料を晒さないことが望ましい。窒化チタン膜
の原料として四塩化チタン及びアンモニアを用い、アル
ミニウム膜の原料としてトリイソブチルアルミニウムを
用いる場合に最も好ましい結果が得られるが、他の原料
例えば窒化チタン膜の原料として四塩化チタン及び窒素
等、アルミニウム膜の原料としてトリメチルアルミニウ
ム、トリエチルアルミニウム等を用いてもよい。また窒
化チタン膜の形成方法としてはＬＰＣＶＤ法の代わりに
プラズマ化学気相成長法（ＰＣＶＤ法）を用いることも
できる。さらに真空紫外光を放射する光源を用いた光Ｃ
ＶＤ法を用いてもよい。光ＣＶＤ法では光エネルギーに
より化学反応が促進されるため通常のＬＰＣＶＤ法より
も低温で高速の窒化チタン膜形成が可能となる。 【００１２】 【作用】化学気相成長法（ＣＶＤ法）による窒化チタン
膜はアルミニウム、シリコン間のバリア層として機能す
る。また、ＣＶＤ法で形成された窒化チタン膜はカバレ
ッジが優れており、スルーホール底部に形成される膜の
厚さとスルーホール上部に形成される膜の厚さはほぼ等
しいことがわかった。このため、該窒化チタン膜上にＬ
ＰＣＶＤ法でアルミニウム膜を形成すると、内部に空洞
を生じさせることなくスルーホールを完全にアルミニウ
ムで埋込むことが可能であることを見出した。また発明
者らの検討によればその表面はアルミニウムの核生成を
促進する作用を有するので、該窒化チタン膜上に特別な
表面活性化処理を施すことなくＬＰＣＶＤ法によって良
質のアルミニウム膜を形成できることがわかった。まず
従来の四塩化チタン処理によると、アルミニウムの核生
成を促す働きを有すると考えられる試料表面に吸着され
たチタン原子の面密度は試料の材質やその表面状態に著
しく依存し、従って局所的な密度分布も大であった。よ
ってこの上にＬＰＣＶＤ法で形成されるアルミニウム膜
も密度分布に対応して、局所的に表面状態が大きく変化
した。さらにチタンが密に吸着されていると思われる部
分であってもその密度がなお不足であるために、その上
のアルミニウム膜表面の平滑性は従来のスパッタ法や真
空蒸着法による膜表面の平滑性に比して著しく劣るとい
う問題があった。 【００１３】また発明者らはある種の材料、例えば電子
ビーム蒸着したパラジウムや反応性スパッタ法により形
成した窒化チタン等の表面に対しては上記の四塩化チタ
ン処理を行わなくてもＬＰＣＶＤ法によりアルミニウム
を堆積させられることを見出した。その場合試料上にお
けるアルミニウム膜表面の均一性は四塩化チタン処理を
行った場合よりも良好となったが、平滑性そのものはな
お不十分であった。 【００１４】これに対し本発明のＣＶＤ法により窒化チ
タン膜表面には以上に述べた方法に比して著しく平滑性
の優れたアルミニウム膜を形成できることがわかった。
この原因は明らかではないが、以下の理由によるものと
推測される。ＣＶＤ法によって形成された窒化チタン膜
表面にはチタン原子が均一に分布し、またチタン原子の
面密度はＣＶＤ中の原料ガスの流量比を調整することに
より最適な値とできる。該窒化チタン膜上にＬＰＣＶＤ
法でアルミニウム膜を形成すると、表面が平滑で良質な
膜が再現性よく得られる。ＣＶＤ法によって形成した窒
化チタン膜上のアルミニウム膜表面の平滑性は反応性ス
パッタ法による窒化チタン膜上よりも優れているが、こ
の原因としては次のようなことが考えられる。従来の反
応性スパッタ法ではスパッタガスとしてアルゴン、窒素
を用いる。このため形成された窒化チタン膜表面にはア
ルゴン、窒素が吸着するが、かかるガス原子、もしくは
分子の吸着により、膜表面のチタン原子のアルミニウム
の核生成を促す働きが弱められると推測される。また、
反応性スパッタ法では表面のチタン原子の密度を最適な
値となるように制御することは極めて困難である。窒化
チタン膜の形成方法としてはＬＰＣＶＤ法が最適である
がＰＣＶＤ法の場合にもこれに準じる効果が得られる。
ＬＰＣＶＤ法の方が適している理由はＰＣＶＤ法ではプ
ラズマ放電によるイオン衝撃によって反応容器内壁等か
ら水、酸素等が脱離するため、これらにより窒化チタン
膜表面が汚染されチタン原子の面密度が減少したり、局
所的な密度分布が生じるためであると考えられる。ま
た、プラズマ放電による素子損傷を皆無とするためには
窒化チタン膜の形成にＰＣＶＤ法を用いないことが必要
となる。 【００１５】本発明の製造方法を実施する際に用いる装
置は試料を大気に晒すことなく窒化チタン膜とアルミニ
ウム膜を連続的に形成できることが望ましい。試料を大
気に晒すことにより窒化チタン膜表面のチタン原子の面
密度が減少し、局所的な密度分布が生じるためと推測さ
れる。さらに窒化チタン膜を形成する反応容器とアルミ
ニウム膜を形成する反応容器とは別個である方がより好
ましい結果が得られる。これは反応容器内に四塩化チタ
ンが残留すると有機アルミニウム化合物と反応して生成
物がアルミニウム膜中に混入し、その結果アルミニウム
膜の膜質劣化がもたらされるためである。 【００１６】 【実施例】以下本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。 【００１７】（参考例１）図１乃至図２を用いて説明す
る。本実施例は本発明をシリコン集積回路の配線形成に
適用した例である。図１（ａ）はシリコン基板１０１上
にＣＶＤ法でリンシリケートガラス（ＰＳＧ）膜１０２
を厚さ１μｍ形成した後開口部寸法０.７μｍ角のコン
タクトホール１０３を垂直に開孔した試料を示す。コン
タクトホール１０３底部のシリコン基板１０１表面には
高濃度のリンが拡散されている。表面キャリア濃度は２
×１０10cm-3である。かかる試料を図２に示す本発明の
製造装置に設置する。図２の装置は窒化チタン反応容器
２０１とアルミニウム反応容器２０２とを別個に具えそ
の間は遮断バルブ２０３により遮断されている。各反応
容器２０１及び２０２はそれぞれ専用の排気系２０４及
び２０５を備える。排気系２０４及び２０５はそれぞれ
未反応の四塩化チタン、トリイソブチルアルミニウムを
吸着するためのトラップを排気ポンプと反応容器２０
１、２０２との間に具備している。はじめに試料２０７
は窒化チタン反応容器２０１内の試料台２０６上に設置
される。反応容器２０１内を排気系２０４により５×１
０-7Torrまで排気後ヒーター台２０９内のヒーターによ
り試料台２０６を介して試料２０７を加熱し、その表面
温度を３５０℃に保つ。しかる後四塩化チタン導入口２
１１とアンモニア導入口２１２からそれぞれ四塩化チタ
ン、アンモニアを５ｍｌ／分、２０ｍｌ／分の流量で導
入した。四塩化チタンを蓄えた容器は１０℃に保たれて
いるので気化した四塩化チタンが導入口２１１に至るま
でに凝縮することはない。反応容器２０１内の圧力は排
気系２０４に具えられたコンダクタンスバルブの調整に
より０.５Torrに調整した。８分間この状態を保ったと
ころ試料２０７上には１００ｎｍの窒化チタン膜が形成
され試料は図１（ｂ）の如くなった。窒化チタン膜１０
４はコンタクトホール１０３の底部や側壁にも平坦部と
同等の厚さ形成される。窒化チタン膜１０４を分析した
ところチタンと窒素の組成比は１：１であり膜中に含ま
れる塩素、酸素はそれぞれ１原子％以下であった。また
膜の抵抗率は約１００μΩ・cmであった。四塩化チタン
とアンモニアの導入を停止し、窒化チタン反応容器２０
１内を再び５×１０-7Torrまで排気した後、排気系２０
５によって５×１０-7Torrまで排気されたアルミニウム
反応容器２０２との間の遮断バルブ２０３を開く。しか
る後転送棒２０８を用いて試料２０７を試料台２０６と
共にアルミニウム反応容器２０２に転送し、ヒーター台
２１０上に設置する。転送棒２０８と試料台２０６との
間はねじにより固定されているので、これを切離し転送
棒２０８を再び窒化チタン反応容器２０１内に移動すれ
ば遮断バルブ２０３を閉じることができる。あらかじめ
加熱されたヒーター台２１０からの熱により試料２０７
の表面の濃度が２５０℃に保たれた後、ＴＩＢＡ導入口
からＴＩＢＡを７０ｍｌ／分導入してアルミニウムの堆
積を行った。アルミニウム反応容器２０２内の圧力は排
気系２０５に備えられたコンダクタンスバルブの調整に
より０.５Torrとした。堆積速度は１５０ｎｍ／分であ
る。５分間の堆積により図１（ｃ）に示すように厚さ７
５０ｎｍのアルミニウム膜１０５が窒化チタン膜１０４
上に形成された。アルミニウム膜１０５表面はほぼ平滑
であり凹凸は±５０ｎｍに抑えられた。従来公知の方
法、装置では同一の膜厚に対し±２００ｎｍであった。
またコンタクトホール１０３内にもアルミニウムが埋め
込まれた。なお、微小なコンタクトホールへの埋込性は
アルミニウム膜表面の平滑性に強く依存し、平滑性が不
足する膜の場合大きなコンタクトホールにはカバレッジ
よく膜が形成されるのに対し、微小なコンタクトホール
では空洞が生じたりする。本発明の方法では窒化チタン
膜のカバレッジが優れており、コンタクトホール上部に
も底部とほぼ同等の膜厚の窒化チタン膜が形成され、し
かもアルミニウム膜の平滑性が大幅に向上したため、従
来よりも微小なコンタクトホールに対しても埋込みが可
能となった。かかるアルミニウム膜１０５に通常のホト
リソグラフィー工程によってパターニングを施したとこ
ろ図１（ｄ）のようになった。アルミニウム膜１０５に
抵抗率は２.８μΩcmであり窒化チタン膜１０４のバリ
ア効果によりコンタクトホール１０３内のコンタクト部
は５５０℃３時間の窒素中熱処理を施しても劣化せず、
０.７μｍ角のコンタクトホール１０３のコンタクト抵
抗は熱処理前の値１.３×１０-7Ωcm2をほぼ維持した。
なお、高濃度のボロンを拡散し表面キャリア濃度が５×
１０10cm-2である０.７μｍ角のコンタクトホールのコ
ンタクト抵抗は前記熱処理の前後で共に２.９×１０-7
Ωcm2であった。 【００１８】（実施例１） 本実施例は本発明をシリコン集積回路の配線形成に適用
した例である。ＭＯＳトランジスタ、キャパシタ、抵抗
等を作製したシリコン基板上に参考例１と同様の装置を
用いて、参考例１と同様の方法で窒化チタン膜とアルミ
ニウム膜との積層膜からなる配線を作製した。窒化チタ
ン膜の厚さは１００ｎｍ、アルミニウム膜の厚さは７５
０ｎｍである（以下これを試料Ａという）。一方同様の
シリコン基板上に従来の方法、すなわち反応性スパッタ
法で窒化チタン膜を形成した。窒化チタン膜の形成には
平行平板型スパッタ装置を用い、アルゴン、窒素をそれ
ぞれ２０ｍｌ／分、１０ｍｌ／分導入して圧力を１ｍＴ
ｏｒｒとした後、チタンターゲット１３．５６ｋＨｚ、
１０Ｗ／ｃｍ２の高周波電力を５分間印加した。しかる
後基板を大気に晒すことなく該窒化チタン上にＣＶＤ法
でアルミニウム膜を形成し窒化チタン膜とアルミニウム
膜との積層膜からなる配線を作製した。アルミニウム膜
の形成に用いた装置、形成方法は参考例１と同様であ
る。窒化チタン膜の厚さは平坦な基板上において１００
ｎｍであり、アルミニウム膜の厚さは７５０ｎｍである
（以下これを試料Ｂという）。まず、試料Ａ，Ｂの耐エ
レクトロマイグレーション性を加速試験によって評価し
た。試験に用いたパターンは平坦な基板上の幅１μｍ、
長さ２ｍｍの配線パターンと、開口部径１μｍのコンタ
クトホールを１０００個直列に接続したコンタクトホー
ルパターンである。コンタクトホール間は幅３μｍ長さ
３μｍの配線で接続されている。またコンタクトホール
部の基板にはあらかじめ５×１０−１０ｃｍ−３のボロ
ンが拡散されている。試験条件は、周囲温度２５０℃で
１×１０２Ａ／ｃｍ２の電流を各パターンに通電した。
各パターンそれぞれ１００個について試験を行い５０個
が断線した時間を寿命とした。試料Ａの配線パターンの
寿命は３７時間、コンタクトホールパターンの寿命は３
３時間であり、試料Ｂの配線パターンの寿命は３２時
間、コンタクトホールパターンの寿命は１１時間であっ
た。試料Ａの配線パターンの寿命が試料Ｂよりも長いの
は、試料Ａのアルミニウム膜の方が平滑で緻密であるた
めと考えられる。コンタクトホールパターンの寿命が試
料Ａの方が長いのは上記理由に加え、試料Ａにおいて
は、ほぼ完全にコンタクトホールがアルミニウムで埋め
込まれているのに対し、試料Ｂでは空洞が生じている場
合があるためと考えられる。特にコンタクトホールパタ
ーンにおいて本発明の装置、方法による試料Ａは従来の
装置、方法による試料Ｂに対し飛躍的に寿命が向上し
た。 【００１９】次に試料Ａ，Ｂ上のキャパシタの容量−電
圧特性を測定した。測定に用いたキャパシタは、ボロン
を拡散した抵抗率１０Ωcmのシリコン基板上に厚さ３０
ｎｍの熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜上に厚さ３００
ｎｍ，３００μｍ角の多結晶シリコン電極が形成されて
たものである。かかる多結晶シリコン上に窒化チタンと
アルミニウムの積層膜を形成し、多結晶シリコン電極と
同じくパターニングを施して３００μｍ角とした。多結
晶シリコン電極形成後のフラットバンド電圧を１ＭＨｚ
の高周波電圧−容量特性から求めたところ試料Ａ，Ｂと
も−０.９２Ｖであったが、窒化チタンとアルミニウム
の積層膜を形成した後には試料Ａのキャパシタのフラッ
トバンド電圧は−０.９３Ｖであり、試料Ｂは−１.２２
Ｖであった。試料Ｂのフラットバンド電圧は大きく変動
した原因は反応性スパッタ法による窒化チタン膜形成中
にキャパシタの受けた損傷によると考えられる。しかる
後、試料Ａ，Ｂに４５０℃、３０分の水素雰囲気中熱処
理を放して再びフラットバンド電圧を測定した。試料Ａ
のキャパシタは−０.９２Ｖ、試料Ｂのキャパシタは−
１.１３Ｖ であった。水素雰囲気中熱処理によっても試
料Ｂのフラットバンド電圧は元のレベルまで回復しなか
った。通常、フラットバンド電圧を変動させる原因とな
る。プラズマ放電によってキャパシタの受けた損傷の大
部分は４５０℃３０分の水素雰囲気中熱処理によって回
復可能とされているが、本実施例の試料Ｂではほとんど
変化しなかった。原因は不明であるが、窒化チタン膜が
水素を通し難い物質であるため、水素雰囲気中熱処理の
効果が窒化チタン膜よりも下層に及ばないためと考えら
れる。このように、従来の反応性スパッタ法を用いた場
合に基板上のトランジスタ、キャパシタ等の素子の受け
た損傷を通常の熱処理によって完全に回復させることは
困難であるが、本発明の装置、方法によれば素子にほと
んど損傷を与えることなく半導体装置の配線を形成する
ことが可能となる。 【００２０】 【発明の効果】本発明によれば試料上にカバレッジが優
れたバリア層を形成し、しかる後特別な活性化処理を施
すことなく、上記バリア層上にＬＰＣＶＤ法により良質
のアルミニウム膜を再現性よく形成することができ、ま
た損傷の少ない長寿命の半導体装置を得ることができ
る。
係り、特に窒化チタン膜とアルミニウム膜とを構成要素
として含む積層膜からなる配線を有する半導体装置を製
造するのに好適な方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】アルミニウムを含む化合物として、例え
ば有機アルミニウム化合物を原料とし、減圧化学気相成
長法（ＬＰＣＶＤ法）によりアルミニウム薄膜を製造す
る方法によれば、高純度でカバレッジの優れたアルミニ
ウム薄膜の形成が原理的に可能である。 【０００３】そのため、微細化された半導体装置の配線
アルミニウム薄膜の形成に応用するためのＬＰＣＶＤ法
ならびに装置などの研究開発が盛んに進められている。
従来の有機アルミニウム化合物の一種であるトリイソブ
チルアルミニウム（ＴＩＢＡ）を原料として、アルミニ
ウム薄膜を形成するＬＰＣＶＤ法ならびに装置について
は例えばソリッド ステート テクノロジー１２月号
（１９８２年）第６２頁から第６５頁（Solid State Te
chnology, December（１９８２）ｐｐ６２−６５）にお
いて論じられている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】従来のＬＰＣＶＤ法お
よび装置によって形成されるアルミニウム薄膜はカバレ
ッジが優れていて純度も極めて高いとされているが、形
成されたアルミニウム薄膜の表面が粗く、微視的に見る
と薄膜表面にはかなりの凹凸が生じるという問題があっ
た。また、この表面の凹凸は同一装置を用いて同一条件
でアルミニウム膜形成を繰返しても必ずしも再現しない
という問題もあった。アルミニウム薄膜の平滑性が悪化
する原因については不明ではあるが、アルミニウム膜形
成前に試料に施される試料表面活性化処理により膜表面
の平滑性は大きく変化する。この試料表面活性化処理は
試料表面におけるアルミニウムの核生成を促進すること
を目的として行われるもので、上述した従来のＬＰＣＶ
Ｄ法の代表的なソリッド ステート テクノロジー１２
月号（１９８２年）に記載の方法においては、加熱した
試料を四塩化チタンに関することを以てこの活性化処理
としている。（以下四塩化チタン処理という。）発明者
らはこの四塩化チタン処理が活性化処理として必ずしも
最善ではなく、試料の材質やその表面状態のわずかな差
異の影響を受けやすく、上記アルミニウム膜表面の凹凸
の発生もしくは再現性不足の原因となっていることを見
出した。 【０００５】またアルミニウムのＬＰＣＶＤ法を半導体
装置の配線アルミニウム薄膜の形成に応用する場合、微
細化されたコンタクトホール部におけるアルミニウム配
線とシリコン基板との接続部の熱的安定性を高める必要
からアルミニウム、シリコン間にバリア層を挿入するこ
とが不可欠となりつつある。バリア層として例えば反応
性スパッタ法によって形成された窒化チタン膜が提案さ
れているが、反応性スパッタ法ではカバレッジが不足す
るため垂直に加工された微小スルーホール底部にバリア
層として必要な厚さの窒化チタン膜を形成することは極
めて困難である。 【０００６】また、反応性スパッタ法ではスルーホール
上部に、底部よりも厚く窒化チタン膜が形成されるた
め、その上にＬＰＣＶＤ法でアルミニウム膜を形成し、
スルーホールをアルミニウムで埋込もうとすると、スル
ーホール内部に空洞が発生するという問題もあった。 【０００７】さらに、アルミニウムのＬＰＣＶＤ法は半
導体素子に対してプラズマ放電に起因する損傷を与えな
いという大きな特長を有するが、バリア層の形成に反応
性スパッタ法を用いることにより素子が損傷を受けると
アルミニウムのＬＰＣＶＤ法の利点が生かされないこと
も問題であった。 【０００８】ＬＰＣＶＤ法によるアルミニウム膜に匹敵
するガバレッジの得られるバリア層の形成方法を確立す
ることがアルミニウムのＬＰＣＶＤ法を実用化する上で
不可欠である。 【０００９】従来のＬＰＣＶＤ法および装置はこの点に
ついて配慮されていなかったため半導体装置への応用は
大きく制約されていた。 【００１０】本発明の目的は試料上にカバレッジが優れ
たバリア層を形成し、しかも特別な活性化処理を施すこ
となく、上記バリア層上にＬＰＣＶＤ法により良質のア
ルミニウム膜を再現性よく形成することのでき、損傷が
少なく、長寿命の半導体装置の製造方法を提供すること
にある。また、 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記目的はアルミニウム
膜形成にさきだち、下部電極上に形成された誘電体膜上
に、ＬＰＣＶＤ法を用いて試料上に窒化チタン膜を形成
し、しかる後望ましくは試料を大気に晒すことなく該窒
化チタン膜上にＬＰＣＶＤ法によってアルミニウム膜を
形成することにより達成される。なお必要に応じてアル
ミニウム膜形成にさぎだって、例えば水素や窒素ガス雰
囲気中で熱処理を施してもよい。ただし大気、特に酸素
や水分に試料を晒さないことが望ましい。窒化チタン膜
の原料として四塩化チタン及びアンモニアを用い、アル
ミニウム膜の原料としてトリイソブチルアルミニウムを
用いる場合に最も好ましい結果が得られるが、他の原料
例えば窒化チタン膜の原料として四塩化チタン及び窒素
等、アルミニウム膜の原料としてトリメチルアルミニウ
ム、トリエチルアルミニウム等を用いてもよい。また窒
化チタン膜の形成方法としてはＬＰＣＶＤ法の代わりに
プラズマ化学気相成長法（ＰＣＶＤ法）を用いることも
できる。さらに真空紫外光を放射する光源を用いた光Ｃ
ＶＤ法を用いてもよい。光ＣＶＤ法では光エネルギーに
より化学反応が促進されるため通常のＬＰＣＶＤ法より
も低温で高速の窒化チタン膜形成が可能となる。 【００１２】 【作用】化学気相成長法（ＣＶＤ法）による窒化チタン
膜はアルミニウム、シリコン間のバリア層として機能す
る。また、ＣＶＤ法で形成された窒化チタン膜はカバレ
ッジが優れており、スルーホール底部に形成される膜の
厚さとスルーホール上部に形成される膜の厚さはほぼ等
しいことがわかった。このため、該窒化チタン膜上にＬ
ＰＣＶＤ法でアルミニウム膜を形成すると、内部に空洞
を生じさせることなくスルーホールを完全にアルミニウ
ムで埋込むことが可能であることを見出した。また発明
者らの検討によればその表面はアルミニウムの核生成を
促進する作用を有するので、該窒化チタン膜上に特別な
表面活性化処理を施すことなくＬＰＣＶＤ法によって良
質のアルミニウム膜を形成できることがわかった。まず
従来の四塩化チタン処理によると、アルミニウムの核生
成を促す働きを有すると考えられる試料表面に吸着され
たチタン原子の面密度は試料の材質やその表面状態に著
しく依存し、従って局所的な密度分布も大であった。よ
ってこの上にＬＰＣＶＤ法で形成されるアルミニウム膜
も密度分布に対応して、局所的に表面状態が大きく変化
した。さらにチタンが密に吸着されていると思われる部
分であってもその密度がなお不足であるために、その上
のアルミニウム膜表面の平滑性は従来のスパッタ法や真
空蒸着法による膜表面の平滑性に比して著しく劣るとい
う問題があった。 【００１３】また発明者らはある種の材料、例えば電子
ビーム蒸着したパラジウムや反応性スパッタ法により形
成した窒化チタン等の表面に対しては上記の四塩化チタ
ン処理を行わなくてもＬＰＣＶＤ法によりアルミニウム
を堆積させられることを見出した。その場合試料上にお
けるアルミニウム膜表面の均一性は四塩化チタン処理を
行った場合よりも良好となったが、平滑性そのものはな
お不十分であった。 【００１４】これに対し本発明のＣＶＤ法により窒化チ
タン膜表面には以上に述べた方法に比して著しく平滑性
の優れたアルミニウム膜を形成できることがわかった。
この原因は明らかではないが、以下の理由によるものと
推測される。ＣＶＤ法によって形成された窒化チタン膜
表面にはチタン原子が均一に分布し、またチタン原子の
面密度はＣＶＤ中の原料ガスの流量比を調整することに
より最適な値とできる。該窒化チタン膜上にＬＰＣＶＤ
法でアルミニウム膜を形成すると、表面が平滑で良質な
膜が再現性よく得られる。ＣＶＤ法によって形成した窒
化チタン膜上のアルミニウム膜表面の平滑性は反応性ス
パッタ法による窒化チタン膜上よりも優れているが、こ
の原因としては次のようなことが考えられる。従来の反
応性スパッタ法ではスパッタガスとしてアルゴン、窒素
を用いる。このため形成された窒化チタン膜表面にはア
ルゴン、窒素が吸着するが、かかるガス原子、もしくは
分子の吸着により、膜表面のチタン原子のアルミニウム
の核生成を促す働きが弱められると推測される。また、
反応性スパッタ法では表面のチタン原子の密度を最適な
値となるように制御することは極めて困難である。窒化
チタン膜の形成方法としてはＬＰＣＶＤ法が最適である
がＰＣＶＤ法の場合にもこれに準じる効果が得られる。
ＬＰＣＶＤ法の方が適している理由はＰＣＶＤ法ではプ
ラズマ放電によるイオン衝撃によって反応容器内壁等か
ら水、酸素等が脱離するため、これらにより窒化チタン
膜表面が汚染されチタン原子の面密度が減少したり、局
所的な密度分布が生じるためであると考えられる。ま
た、プラズマ放電による素子損傷を皆無とするためには
窒化チタン膜の形成にＰＣＶＤ法を用いないことが必要
となる。 【００１５】本発明の製造方法を実施する際に用いる装
置は試料を大気に晒すことなく窒化チタン膜とアルミニ
ウム膜を連続的に形成できることが望ましい。試料を大
気に晒すことにより窒化チタン膜表面のチタン原子の面
密度が減少し、局所的な密度分布が生じるためと推測さ
れる。さらに窒化チタン膜を形成する反応容器とアルミ
ニウム膜を形成する反応容器とは別個である方がより好
ましい結果が得られる。これは反応容器内に四塩化チタ
ンが残留すると有機アルミニウム化合物と反応して生成
物がアルミニウム膜中に混入し、その結果アルミニウム
膜の膜質劣化がもたらされるためである。 【００１６】 【実施例】以下本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。 【００１７】（参考例１）図１乃至図２を用いて説明す
る。本実施例は本発明をシリコン集積回路の配線形成に
適用した例である。図１（ａ）はシリコン基板１０１上
にＣＶＤ法でリンシリケートガラス（ＰＳＧ）膜１０２
を厚さ１μｍ形成した後開口部寸法０.７μｍ角のコン
タクトホール１０３を垂直に開孔した試料を示す。コン
タクトホール１０３底部のシリコン基板１０１表面には
高濃度のリンが拡散されている。表面キャリア濃度は２
×１０10cm-3である。かかる試料を図２に示す本発明の
製造装置に設置する。図２の装置は窒化チタン反応容器
２０１とアルミニウム反応容器２０２とを別個に具えそ
の間は遮断バルブ２０３により遮断されている。各反応
容器２０１及び２０２はそれぞれ専用の排気系２０４及
び２０５を備える。排気系２０４及び２０５はそれぞれ
未反応の四塩化チタン、トリイソブチルアルミニウムを
吸着するためのトラップを排気ポンプと反応容器２０
１、２０２との間に具備している。はじめに試料２０７
は窒化チタン反応容器２０１内の試料台２０６上に設置
される。反応容器２０１内を排気系２０４により５×１
０-7Torrまで排気後ヒーター台２０９内のヒーターによ
り試料台２０６を介して試料２０７を加熱し、その表面
温度を３５０℃に保つ。しかる後四塩化チタン導入口２
１１とアンモニア導入口２１２からそれぞれ四塩化チタ
ン、アンモニアを５ｍｌ／分、２０ｍｌ／分の流量で導
入した。四塩化チタンを蓄えた容器は１０℃に保たれて
いるので気化した四塩化チタンが導入口２１１に至るま
でに凝縮することはない。反応容器２０１内の圧力は排
気系２０４に具えられたコンダクタンスバルブの調整に
より０.５Torrに調整した。８分間この状態を保ったと
ころ試料２０７上には１００ｎｍの窒化チタン膜が形成
され試料は図１（ｂ）の如くなった。窒化チタン膜１０
４はコンタクトホール１０３の底部や側壁にも平坦部と
同等の厚さ形成される。窒化チタン膜１０４を分析した
ところチタンと窒素の組成比は１：１であり膜中に含ま
れる塩素、酸素はそれぞれ１原子％以下であった。また
膜の抵抗率は約１００μΩ・cmであった。四塩化チタン
とアンモニアの導入を停止し、窒化チタン反応容器２０
１内を再び５×１０-7Torrまで排気した後、排気系２０
５によって５×１０-7Torrまで排気されたアルミニウム
反応容器２０２との間の遮断バルブ２０３を開く。しか
る後転送棒２０８を用いて試料２０７を試料台２０６と
共にアルミニウム反応容器２０２に転送し、ヒーター台
２１０上に設置する。転送棒２０８と試料台２０６との
間はねじにより固定されているので、これを切離し転送
棒２０８を再び窒化チタン反応容器２０１内に移動すれ
ば遮断バルブ２０３を閉じることができる。あらかじめ
加熱されたヒーター台２１０からの熱により試料２０７
の表面の濃度が２５０℃に保たれた後、ＴＩＢＡ導入口
からＴＩＢＡを７０ｍｌ／分導入してアルミニウムの堆
積を行った。アルミニウム反応容器２０２内の圧力は排
気系２０５に備えられたコンダクタンスバルブの調整に
より０.５Torrとした。堆積速度は１５０ｎｍ／分であ
る。５分間の堆積により図１（ｃ）に示すように厚さ７
５０ｎｍのアルミニウム膜１０５が窒化チタン膜１０４
上に形成された。アルミニウム膜１０５表面はほぼ平滑
であり凹凸は±５０ｎｍに抑えられた。従来公知の方
法、装置では同一の膜厚に対し±２００ｎｍであった。
またコンタクトホール１０３内にもアルミニウムが埋め
込まれた。なお、微小なコンタクトホールへの埋込性は
アルミニウム膜表面の平滑性に強く依存し、平滑性が不
足する膜の場合大きなコンタクトホールにはカバレッジ
よく膜が形成されるのに対し、微小なコンタクトホール
では空洞が生じたりする。本発明の方法では窒化チタン
膜のカバレッジが優れており、コンタクトホール上部に
も底部とほぼ同等の膜厚の窒化チタン膜が形成され、し
かもアルミニウム膜の平滑性が大幅に向上したため、従
来よりも微小なコンタクトホールに対しても埋込みが可
能となった。かかるアルミニウム膜１０５に通常のホト
リソグラフィー工程によってパターニングを施したとこ
ろ図１（ｄ）のようになった。アルミニウム膜１０５に
抵抗率は２.８μΩcmであり窒化チタン膜１０４のバリ
ア効果によりコンタクトホール１０３内のコンタクト部
は５５０℃３時間の窒素中熱処理を施しても劣化せず、
０.７μｍ角のコンタクトホール１０３のコンタクト抵
抗は熱処理前の値１.３×１０-7Ωcm2をほぼ維持した。
なお、高濃度のボロンを拡散し表面キャリア濃度が５×
１０10cm-2である０.７μｍ角のコンタクトホールのコ
ンタクト抵抗は前記熱処理の前後で共に２.９×１０-7
Ωcm2であった。 【００１８】（実施例１） 本実施例は本発明をシリコン集積回路の配線形成に適用
した例である。ＭＯＳトランジスタ、キャパシタ、抵抗
等を作製したシリコン基板上に参考例１と同様の装置を
用いて、参考例１と同様の方法で窒化チタン膜とアルミ
ニウム膜との積層膜からなる配線を作製した。窒化チタ
ン膜の厚さは１００ｎｍ、アルミニウム膜の厚さは７５
０ｎｍである（以下これを試料Ａという）。一方同様の
シリコン基板上に従来の方法、すなわち反応性スパッタ
法で窒化チタン膜を形成した。窒化チタン膜の形成には
平行平板型スパッタ装置を用い、アルゴン、窒素をそれ
ぞれ２０ｍｌ／分、１０ｍｌ／分導入して圧力を１ｍＴ
ｏｒｒとした後、チタンターゲット１３．５６ｋＨｚ、
１０Ｗ／ｃｍ２の高周波電力を５分間印加した。しかる
後基板を大気に晒すことなく該窒化チタン上にＣＶＤ法
でアルミニウム膜を形成し窒化チタン膜とアルミニウム
膜との積層膜からなる配線を作製した。アルミニウム膜
の形成に用いた装置、形成方法は参考例１と同様であ
る。窒化チタン膜の厚さは平坦な基板上において１００
ｎｍであり、アルミニウム膜の厚さは７５０ｎｍである
（以下これを試料Ｂという）。まず、試料Ａ，Ｂの耐エ
レクトロマイグレーション性を加速試験によって評価し
た。試験に用いたパターンは平坦な基板上の幅１μｍ、
長さ２ｍｍの配線パターンと、開口部径１μｍのコンタ
クトホールを１０００個直列に接続したコンタクトホー
ルパターンである。コンタクトホール間は幅３μｍ長さ
３μｍの配線で接続されている。またコンタクトホール
部の基板にはあらかじめ５×１０−１０ｃｍ−３のボロ
ンが拡散されている。試験条件は、周囲温度２５０℃で
１×１０２Ａ／ｃｍ２の電流を各パターンに通電した。
各パターンそれぞれ１００個について試験を行い５０個
が断線した時間を寿命とした。試料Ａの配線パターンの
寿命は３７時間、コンタクトホールパターンの寿命は３
３時間であり、試料Ｂの配線パターンの寿命は３２時
間、コンタクトホールパターンの寿命は１１時間であっ
た。試料Ａの配線パターンの寿命が試料Ｂよりも長いの
は、試料Ａのアルミニウム膜の方が平滑で緻密であるた
めと考えられる。コンタクトホールパターンの寿命が試
料Ａの方が長いのは上記理由に加え、試料Ａにおいて
は、ほぼ完全にコンタクトホールがアルミニウムで埋め
込まれているのに対し、試料Ｂでは空洞が生じている場
合があるためと考えられる。特にコンタクトホールパタ
ーンにおいて本発明の装置、方法による試料Ａは従来の
装置、方法による試料Ｂに対し飛躍的に寿命が向上し
た。 【００１９】次に試料Ａ，Ｂ上のキャパシタの容量−電
圧特性を測定した。測定に用いたキャパシタは、ボロン
を拡散した抵抗率１０Ωcmのシリコン基板上に厚さ３０
ｎｍの熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜上に厚さ３００
ｎｍ，３００μｍ角の多結晶シリコン電極が形成されて
たものである。かかる多結晶シリコン上に窒化チタンと
アルミニウムの積層膜を形成し、多結晶シリコン電極と
同じくパターニングを施して３００μｍ角とした。多結
晶シリコン電極形成後のフラットバンド電圧を１ＭＨｚ
の高周波電圧−容量特性から求めたところ試料Ａ，Ｂと
も−０.９２Ｖであったが、窒化チタンとアルミニウム
の積層膜を形成した後には試料Ａのキャパシタのフラッ
トバンド電圧は−０.９３Ｖであり、試料Ｂは−１.２２
Ｖであった。試料Ｂのフラットバンド電圧は大きく変動
した原因は反応性スパッタ法による窒化チタン膜形成中
にキャパシタの受けた損傷によると考えられる。しかる
後、試料Ａ，Ｂに４５０℃、３０分の水素雰囲気中熱処
理を放して再びフラットバンド電圧を測定した。試料Ａ
のキャパシタは−０.９２Ｖ、試料Ｂのキャパシタは−
１.１３Ｖ であった。水素雰囲気中熱処理によっても試
料Ｂのフラットバンド電圧は元のレベルまで回復しなか
った。通常、フラットバンド電圧を変動させる原因とな
る。プラズマ放電によってキャパシタの受けた損傷の大
部分は４５０℃３０分の水素雰囲気中熱処理によって回
復可能とされているが、本実施例の試料Ｂではほとんど
変化しなかった。原因は不明であるが、窒化チタン膜が
水素を通し難い物質であるため、水素雰囲気中熱処理の
効果が窒化チタン膜よりも下層に及ばないためと考えら
れる。このように、従来の反応性スパッタ法を用いた場
合に基板上のトランジスタ、キャパシタ等の素子の受け
た損傷を通常の熱処理によって完全に回復させることは
困難であるが、本発明の装置、方法によれば素子にほと
んど損傷を与えることなく半導体装置の配線を形成する
ことが可能となる。 【００２０】 【発明の効果】本発明によれば試料上にカバレッジが優
れたバリア層を形成し、しかる後特別な活性化処理を施
すことなく、上記バリア層上にＬＰＣＶＤ法により良質
のアルミニウム膜を再現性よく形成することができ、ま
た損傷の少ない長寿命の半導体装置を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例を説明するための図。
【図２】本発明の参考例を説明するための図。
【符号の説明】
１０３…コンタクトホール、１０４…窒化チタン膜、１
０５…アルミニウム膜、２０１…窒化チタン反応容器、
２０２…アルミニウム反応容器、２０３…遮断バルブ。
０５…アルミニウム膜、２０１…窒化チタン反応容器、
２０２…アルミニウム反応容器、２０３…遮断バルブ。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．反応室内に設けられた台に、キャパシタとしての誘
電体膜が形成された基体を載せる工程と、 前記反応室内を減圧する工程と、前記反応室内に設けられた加熱手段により、 前記基体を
加熱した状態で、 前記反応室内にチタン及び窒素を含む原料ガスを導入
し、前記誘電体膜に、化学気相成長反応により窒化チタ
ン膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体
装置の製造方法。 ２．前記基体は、前記加熱手段により前記台を加熱する
ことにより、加熱されることを特徴とする請求項１記載
の半導体装置の製造方法。 ３．前記窒化チタン膜を形成する工程の後、前記窒化チ
タン膜に第２の導電膜を形成する工程を有することを特
徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 ４．前記第２の導電膜はアルミニウム膜であることを特
徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8204484A JP2765569B2 (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8204484A JP2765569B2 (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体装置の製造方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62004812A Division JP2776807B2 (ja) | 1987-01-14 | 1987-01-14 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0917791A JPH0917791A (ja) | 1997-01-17 |
| JP2765569B2 true JP2765569B2 (ja) | 1998-06-18 |
Family
ID=16491296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8204484A Expired - Lifetime JP2765569B2 (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体装置の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2765569B2 (ja) |
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Family Cites Families (7)
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| JPS61144872A (ja) * | 1984-12-19 | 1986-07-02 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
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| JP2776826B2 (ja) * | 1988-04-15 | 1998-07-16 | 株式会社日立製作所 | 半導体装置およびその製造方法 |
-
1996
- 1996-08-02 JP JP8204484A patent/JP2765569B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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|---|---|
| JPH0917791A (ja) | 1997-01-17 |
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