JP3248489B2

JP3248489B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3248489B2
Application number: JP20232198A
Authority: JP
Inventors: 祥雄大下
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2002-01-21
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP2000036473A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法に係り、詳しくは、半導体基板を覆う絶縁膜の接
続孔又は接続溝に、窒化チタンからなるバリア金属膜を
ＣＶＤ(ChemicalVapor Deposition:化学的気相成長)法
により成膜する半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の代表として知られているマ
イクロプロセッサやメモリ等のＬＳＩ（大規模集積回
路）は、集積度の向上につれて個々の素子の寸法は益々
微細化されてきており、これに伴って各素子を構成する
半導体領域の寸法も微細化されている。また、各半導体
領域に対して配線を接続する場合、同配線を埋め込むた
めに絶縁膜に形成するコンタクトホールやビアホール等
の接続孔も微細化されて、同接続孔のアスペクト比は高
くなりつつある。最近のＬＳＩは、集積度の点で優れて
いるＭＯＳトランジスタによって構成されたＭＯＳＬＳ
Ｉが主流になっている。

【０００３】このようなＬＳＩにおいて、例えば高速向
きのマイクロプロセッサ等では、動作上特に配線の抵抗
値が問題となるので、その配線材料としては抵抗値の低
い金属を用いることが望まれている。従来から、ＬＳＩ
を含めた半導体装置の配線材料としては、電気的特性、
加工性等の点で優れているアルミニウム（Ａｌ）または
アルミニウムを主成分とするアルミニウム系金属が用い
られてきている。しかしながら、同アルミニウム系金属
は、エレクトロマイグレーション耐性、ストレスマイグ
レーション耐性に弱いという欠点がある。このため、ア
ルミニウム系金属に代わってそれよりも抵抗値が小さく
て、エレクトロマイグレーション耐性、ストレスマイグ
レーション耐性に優れている銅（Ｃｕ）又は銅を主成分
とする銅系金属が用いられる傾向にある。また、微細な
接続孔に対して埋め込み性に優れているタングステン
（Ｗ）が用いられる場合もある。

【０００４】ところで、上述したような金属からなる配
線を微細な深さの半導体領域に接続する場合、アニール
等の熱処理時に配線が浅い半導体領域を突き抜けるアロ
イスパイク現象等を引き起こし易くなる。このため、配
線を半導体領域に直接に接続させることなく、バリア金
属膜を介して接続させることが行われている。このバリ
ア金属膜としては、一般に高融点金属膜が多く用いられ
ているが、その中でも窒化チタン（ＴｉＮ）膜が広く用
いられている。同窒化チタン膜は、バリア性に優れてい
るだけでなく、比較的抵抗値が低く、また、熱処理時に
特性が変化しないという安定性を備えている。

【０００５】ここで、窒化チタン膜の成膜は、一般に、
ＰＶＤ(Physical Vapor Deposition:物理的気相成長)法
の代表であるスパッタ法、あるいはＣＶＤ法により行わ
れている。スパッタ法はＣＶＤ法に比較して、成膜速度
が大きいという利点を有している。しかしながら、微細
化され、さらにアスペクト比が高くなる傾向にある接続
孔に窒化チタン膜を成膜する場合、スパッタ法では接続
孔の底部までわたって均一膜厚で窒化チタン膜を埋め込
むことが困難となる。このため、図４に示すように、接
続孔５１の表面５２、側面５３及び底面５４に成膜され
る窒化チタン膜５５の膜厚に差が生ずるようになり、埋
め込み性に劣るいわゆる段差被覆性（ステップカバレッ
ジ）の悪い膜が成膜される。このように、スパッタ法に
よる成膜がステップカバレッジに劣るのは、成膜原理に
起因しており、スパッタ時にイオンの衝撃によりチタン
ターゲットから半導体基板に飛来するチタン粒子があま
り異方性を有していないためである。

【０００６】一方、ＣＶＤ法によれば、図５に示すよう
に、埋め込み性に優れたステップカバレッジの良好な窒
化チタン膜５５を成膜することができる。このＣＶＤ法
では、反応ガスが接続孔５１の内部及び外部に回り込む
ように完全な異方性を有しているので、接続孔５１の内
外にわたって略均一な膜厚で窒化チタン膜５５を成膜す
ることができるようになる。それゆえ、微細な接続孔に
対する窒化チタン膜の成膜は、ＣＶＤ法を利用して行わ
れることが多い。

【０００７】ここで、ＣＶＤ法による窒化チタン膜の成
膜方法は、用いるチタンの原料ガスの種類により二つの
方法に大別できる。その一方法は、原料ガスとして四塩
化チタン（ＴｉＣｌ_４）等の無機金属材料を使用する方
法である。その他の方法は、原料ガスとしてＴＤＥＡＴ
(Tetrakis-Diethlamino-Titanium:テトラキス・デエチ
ルアミノ・チタン）、ＴＤＭＡＴ(Tetrakis-Dimethlami
no-Titanium:テトラキス・デメチルアミノ・チタン）等
の有機金属材料を使用する方法である。前者では、上述
の無機金属原料ガスとともにアンモニア（ＮＨ_３）等の
窒素化合物を用いて、加熱された雰囲気中で化学反応さ
せて窒化チタン膜を成膜して、半導体基板上に堆積させ
る。後者では、上述の有機金属原料ガスに窒素が含まれ
ているので、窒素化合物を用いなくとも、同原料ガスを
熱分解させることにより窒化チタン膜を成膜して、同様
に半導体基板上に堆積させる。ただし、後者でも、膜質
の改善等を目的として、原料ガスにアンモニア等の窒素
化合物を加える場合がある。いずれのＣＶＤ法でも、良
好なステップカバレッジを有する窒化チタン膜を成膜す
ることができる。

【０００８】例えば特開平７−２０１７７９号公報に
は、上述のように原料ガスとして四塩化チタンガス及び
アンモニアガスを用いて、ＣＶＤ法により窒化チタン膜
を成膜するようにした半導体装置の製造方法が開示され
ている。

【０００９】ところで、ＣＶＤ法による上述の二つの成
膜方法を比較した場合、前者では、窒化チタン膜を成膜
するにあたり比較的高い略５００℃以上の基板温度が必
要になる。しかし、半導体装置を構成している各種の絶
縁膜として特性上誘電率の低い材料の使用が望まれてお
り、また今後さらに低誘電率材料の使用が予想されるこ
とを考慮すると、多くの低誘電率材料は耐熱性に劣るの
で、略４００℃以上のプロセス温度は回避する必要があ
る。この点で、上述の基板温度は高すぎて望ましくな
い。一方、後者では、略４００℃以下の基板温度で、窒
化チタン膜を成膜できるので、前者のような不都合は生
じない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、有機金
属原料ガスを用いたＣＶＤ法により窒化チタン膜を成膜
する従来の半導体装置の製造方法では、成膜された窒化
チタン膜の埋め込み性と膜質とがトレードオフの関係に
あるので、基板温度が低いという利点を維持するのが困
難になる、という問題がある。すなわち、有機金属原料
ガスを用いたＣＶＤ法は、上述したように略４００℃以
下の比較的低い温度で埋め込み性に優れた窒化チタン膜
を成膜できるが、その反面、成膜された窒化チタン膜は
比抵抗が高くなったり、経時的に比抵抗が上昇したりす
るので、膜質は低下するようになる。窒化チタン膜の膜
質を向上させたい場合には基板温度を高くすればよい
が、この場合には、窒化チタン膜の埋め込み性が悪くな
ってくる。さらに前述したように低誘電率材料に対して
影響を与えるようになる。

【００１１】従来において、基板温度が低いという利点
を維持したままで、窒化チタン膜の埋め込み性及び膜質
の向上を両立させることができなかったのは、以下の理
由による。一般に、良好なステップカバレッジを実現す
るためには、基板温度を下げることにより、原料ガスと
基板表面との反応性を低下させる必要がある。これは、
それによって未反応の原料ガスが多量に生じて、接続孔
の底部に到達して埋め込みに寄与するためである。ま
た、比抵抗やバリア性を左右する膜質は、基板温度の低
下に伴って均質な膜が形成されにくくなるので低下す
る。一方、基板温度が上がると、原料ガスと基板表面と
の反応性は高まるので、原料ガスの分解が進み、反応性
の高い分子が多く生成されるため成膜に寄与するように
なる。したがって、均質な膜が形成され易くなるため、
膜質が向上する。しかしながら、反応性の高まりによっ
て接続孔の角部において消費される成膜種が多くなるの
で、底部に到達する成膜種が少なくなるため、埋め込み
性は低下するようになる。

【００１２】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、有機金属原料ガスを用いたＣＶＤ法により窒化
チタン膜を成膜するにあたり、基板温度が低いという利
点を維持したままで、埋め込み性及び膜質の向上を両立
させることができるようにした半導体装置の製造方法を
提供することを目的としている。

【００１３】上記課題を解決するために、請求項１記載
の発明は、半導体基板を覆う絶縁膜の接続孔又は接続溝
に窒化チタンからなるバリア金属膜を介して配線を形成
する半導体装置の製造方法であって、上記接続孔又は接
続溝を含む上記半導体基板上に、化学的気相成長法によ
りチタン及びハロゲン元素を含む有機金属原料ガスを使
用して、上記半導体基板を１５０〜４００℃で加熱して
窒化チタン膜を成膜する窒化チタン膜成膜工程と、上記
窒化チタン膜を所望の形状にパターニングする窒化チタ
ン膜パターニング工程と、上記窒化チタン膜上に導電性
材料からなる配線を形成する配線形成工程とを含むこと
を特徴としている。

【００１４】請求項２記載の発明は、半導体基板を覆う
絶縁膜の接続孔又は接続溝に窒化チタンからなるバリア
金属膜を介して配線を形成する半導体装置の製造方法で
あって、上記接続孔又は接続溝を含む上記半導体基板上
に、化学的気相成長法により有機金属原料ガスとしてＴ
ｉ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₃Ｘ、Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₂Ｘ₂、
Ｔｉ（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₃Ｘ又はＴｉ（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₂
Ｘ₂（ただし、Ｘはハロゲン元素）を使用して、上記半
導体基板を１５０〜４００℃で加熱して窒化チタン膜を
成膜する窒化チタン膜成膜工程と、上記窒化チタン膜を
所望の形状にパターニングする窒化チタン膜パターニン
グ工程と、上記窒化チタン膜上に導電性材料からなる配
線を形成する配線形成工程とを含むことを特徴としてい
る。

【００１５】請求項３記載の発明は、半導体基板を覆う
絶縁膜の接続孔又は接続溝に窒化チタンからなるバリア
金属膜を介して配線を形成する半導体装置の製造方法で
あって、上記接続孔又は接続溝を含む上記半導体基板上
に、化学的気相成長法によりチタン及びハロゲン元素を
含む有機金属原料ガス及び窒素化合物ガスを使用して、
上記半導体基板を１５０〜４００℃で加熱して窒化チタ
ン膜を成膜する窒化チタン膜成膜工程と、上記窒化チタ
ン膜を所望の形状にパターニングする窒化チタン膜パタ
ーニング工程と、上記窒化チタン膜上に導電性材料から
なる配線を形成する配線形成工程とを含むことを特徴と
している。

【００１６】また、請求項４記載の発明は、請求項１、
２又は３記載の半導体装置の製造方法に係り、上記ハロ
ゲン元素は、塩素、フッ素又は臭素からなることを特徴
としている。

【００１７】また、請求項５記載の発明は、請求項３又
は４記載の半導体装置の製造方法に係り、上記有機金属
原料ガスとして、Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₃Ｘ、Ｔｉ（Ｎ
（ＣＨ₃）₂）₂Ｘ₂、Ｔｉ（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₃Ｘ又はＴｉ
（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₂Ｘ₂（ただし、Ｘはハロゲン元素）
を使用することを特徴としている。

【００１８】また、請求項６記載の発明は、請求項３、
４又は５記載の半導体装置の製造方法に係り、上記窒素
化合物ガスとして、アンモニアガスを使用することを特
徴としている。

【００１９】また、請求項７記載の発明は、請求項１乃
至６のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法に係
り、上記窒化チタン膜成膜工程をプラズマ発生雰囲気中
で行うことを特徴としている。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。 ◇第１実施例図１（ａ）〜（ｃ）及び図２（ｄ）〜（ｆ）は、この発
明の第１実施例である半導体装置の製造方法を工程順に
示す工程図、また、図３は同半導体装置の製造方法の実
施に使用されるＣＶＤ装置の構成を示す構成図である。
以下、図１（ａ）〜（ｃ）及び図２（ｄ）〜（ｆ）を参
照して、同半導体装置の製造方法について工程順に説明
する。まず、図１（ａ）に示すように、例えばシリコン
単結晶からなり、表面が酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）か
らなる素子分離領域２によって素子形成領域３が絶縁分
離された半導体基板１を用意する。素子分離領域２は周
知のＬＯＣＯＳ(LocalOxidation Of Silicon)技術によ
り形成する。素子形成領域３の略中央位置には、酸化シ
リコン膜からなるゲート絶縁膜４、多結晶シリコン膜か
らなるゲート電極５及び酸化シリコン膜からなるサイド
ウォール絶縁膜６が形成されている。

【００２１】次に、図１（ｂ）に示すように、素子形成
領域３にゲート電極５によるセルフアライン法により、
Ｐ型不純物又はＮ型不純物をイオン打ち込みして、ゲー
ト電極５の両側にソース領域７及びドレイン領域８を形
成する。

【００２２】次に、図１（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法
により、酸化シリコン膜からなる膜厚が略１μｍの絶縁
膜９を半導体基板１の全面に形成した後、周知のフォト
リソグラフィ技術により、ソース領域７及びドレイン領
域８を露出するように、直径が略０．２μｍのコンタク
トホール１０を開口する。同コンタクトホール１０の開
口は、フォトレジスト膜をマスクとしたドライエッチン
グにより行い、開口後のフォトレジスト膜は酸素ガスを
用いたアッシングにより除去した。また、開口後にコン
タクトホール１０の底部に形成された自然酸化膜を、希
釈したフッ酸（ＨＦ）水溶液により除去した後、半導体
基板１を水洗した。次に、ＣＶＤ法により、コンタクト
ホール１０にチタン膜を堆積した後、熱処理を施してソ
ース領域７及びドレイン領域８の表面にチタンシリサイ
ド（ＴｉＳｉ_２）１１を形成する。同チタンシリサイド
１１は、ソース領域７及びドレイン領域８に後の工程で
配線を接続したときに、コンタクト抵抗を低下させる目
的で行う。これにより、ＬＳＩを構成するＭＯＳトラン
ジスタの主要部が完成する。

【００２３】次に、以上の工程で得られた半導体基板１
を、図３に示すような、ＣＶＤ装置１３の容器（チャン
バ）１４に収容して、バリア金属膜としての窒化チタン
膜を成膜する。ＣＶＤ装置１３は、同図に示すように、
半導体基板１を容器１４内で保持するための基板保持部
１５を有し、半導体基板１は基板保持部１５により保持
された状態で、基板加熱機構１６により加熱されるよう
になっている。この基板加熱温度により基板温度が決定
される。容器１４の外部には有機金属原料ガス保管容器
１７が設けられて、同保管容器１７にはチタンの原料ガ
スである例えばモノクロルトリスジメチルアミノチタン
〔Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３Ｃｌ〕が保管されていて、
同保管容器１７は原料ガスが保管容器加熱機構１８によ
り加熱されている。ここで、この例で用いられるチタン
の原料ガスは、上述したようにハロゲン元素の一種であ
る塩素（Ｃｌ）を含んでいることが特徴になっている。

【００２４】有機金属原料ガス保管容器１７の原料ガス
は、マスフローコントローラ１９及びバルブ２０を介し
て気化器２１に供給される。一方、窒素（Ｎ_２）キャリ
アガスは、マスフローコントローラ２２及びバルブ２３
を介して気化器２１に供給される。これにより、原料ガ
ス及び窒素キャリアガスは気化器２１で混合されて、容
器１４の内部のシャワーヘッド２４を通じて半導体基板
１に供給される。容器１４の内部の圧力は、圧力調整バ
ルブ２５及び不要ガスを外部に排気する真空ポンプ２６
によってコントロールされる。チタンの原料ガスは蒸気
圧が低いので、室温において液体である材料が多い。こ
のため、この例においては、窒素キャリアガスを用いる
気化器２１を使用して、容器１４の内部及び外部におけ
る原料ガスの液化を防止するために、図示しないヒータ
ーにより容器１４及び排気系を加熱するようにしてい
る。また、必要に応じてアンモニア等の窒素化合物を原
料ガスとして供給できるように、マスフローコントロー
ラ２７、バルブ２８及び気化器２９からなる供給ライン
がシャワーヘッド２４に設けられている。さらに、この
供給ラインにはプラズマ源３０が設けられて、窒素ある
いはアンモニア等を予め分解して、反応性の高いラジカ
ルを半導体基板１に供給することが可能になっている。
このような供給ラインを設けることにより、成膜する窒
化チタン膜の膜質をより改善することが可能になる。

【００２５】次に、ＣＶＤ装置１３を用いた窒化チタン
膜の具体的な成膜方法について説明する。まず、図１
（ｃ）の工程で得られた半導体基板１を容器１４の基板
保持部１５に保持させた状態で、基板加熱機構１６によ
り半導体基板１を略３５０℃に加熱する。基板温度が安
定した後、有機金属原料ガス保管容器１７に保管されて
いる有機金属原料ガスであるＴｉ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３
Ｃｌをマスフローコントローラ１９及びバルブ２０を通
じて気化器２１に供給するとともに、窒素キャリアガス
をマスフローコントローラ２２及びバルブ２３を通じて
気化器２１に供給して両ガスを混合する。

【００２６】次に、混合ガスを気化噐２１からシャワー
ヘッド２４を通じて、容器１４内の半導体基板１に供給
する。このとき、窒素キャリアガスの流量を略２００ｓ
ｃｃｍ(standard cubic centimeter per minute)に、同
窒素キャリアガスにより運ばれる原料ガスＴｉ（Ｎ（Ｃ
Ｈ_３）_２）_３Ｃｌの量を略０．０５ｇ／分に、成膜時間
を５〜１０分間に設定した条件で、図２（ｄ）に示すよ
うに、膜厚が略２００ｎｍの窒化チタン膜１２を成膜し
た。

【００２７】この結果、コンタクトホール１０の表面に
おける膜厚Ａと底部における膜厚Ｂとの差が極めて小さ
くなった、埋め込み性に優れた窒化チタン膜１２が成膜
され、同図に示すように略９０％のステップカバレッジ
が得られた。また、成膜された窒化チタン膜１２の比抵
抗を測定したところ、略１５０μΩｃｍ以下の値が得ら
れた。一方、原料ガスとして従来のＴＤＥＡＴを用い
て、この例と略同じ成膜条件で窒化チタン膜を成膜し
て、同窒化チタン膜質のステップカバレッジ及び比抵抗
を測定した。この結果、略８０％のステップカバレッジ
及び略３００μΩｃｍの比抵抗が得られた。両者を比較
して明らかなように、この例による結果は、ステップカ
バレッジ及び比抵抗のいずれもが従来例のそれよりも優
れており、基板温度が低いという利点を維持したまま
で、埋め込み性及び膜質の向上を両立させることができ
ることを示している。

【００２８】この例により、基板温度が低いという利点
を維持したままで、窒化チタン膜の埋め込み性及び膜質
の向上を両立させることができるのは、チタンの原料ガ
スに、上述したようにハロゲン元素の一種である塩素が
含まれているためである。同塩素の存在により、以下の
ような二つの作用が生ずる。その一つは、塩素は電気陰
性度が大きいため、原料ガスと基板表面との反応性が低
下することである。すなわち、大きな電気陰性度に基づ
いて塩素が、成膜時の熱分解により生じたチタンを含む
反応中間体から電子を引き付けるので、反応中間体にお
いて電子の偏りが生じるようになる。この結果、塩素は
過剰な電子によって負になる一方、反応中間体において
反応に寄与する電子の数が減少するので、反応性が低下
する。他の一つは、塩素を含んだ成膜種が基板表面に吸
着されることにより、基板表面に塩素が存在するように
なるため、従来例と比較してより高い基板温度において
も、原料ガスと基板表面との反応性が低下することであ
る。すなわち、基板表面に吸着した塩素は他の成膜種が
基板表面に吸着されるのを阻止するように働く。この
結果、略４００℃以下の温度で、従来よりも高い基板温
度においても、反応性を低下させることができるように
なる。このことは、窒化チタン膜の埋め込み性を向上さ
せることができるとともに、温度が高くなった分、膜質
も向上させることができることを示している。したがっ
て、原料ガスに塩素を含ませることにより、特に後者の
作用によって、基板温度が低いという利点を維持したま
まで、窒化チタン膜の埋め込み性及び膜質の向上を両立
させることができるようになる。

【００２９】次に、図２（ｅ）に示すように、周知のフ
ォトリソグラフィ技術により、窒化チタン膜１２を所望
の形状にパターニングする。次に、図２（ｆ）に示すよ
うに、スパッタ法により、膜質が０．３〜０．５μｍの
アルミニウム膜を形成した後、所望の形状にパターニン
グすることにより配線３１を形成する。次に、略５００
℃で同配線３１の安定化のための熱処理を施した。以上
によって、半導体装置が製造される。

【００３０】以上のようにして得られた半導体装置を検
査した結果、配線３１によるアロイスパイクは発見され
ず、窒化チタン膜１２が良好なバリア性を有しているこ
とを確認した。

【００３１】なお、この例において、原料ガスに含ませ
た塩素が窒化チタン膜１２又は配線３１等の膜中に残留
していることが懸念される。残留している塩素の量が多
いと、配線腐食の原因となる。そこで、膜中の残留塩素
濃度をＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy：二
次イオン質量分析装置)により、定量的に分析した。こ
の結果、略１０¹⁷／ｃｍ³以下の微量の塩素濃度が測定
されたが、配線腐食は何ら認められなかった。

【００３２】このように、この例の構成によれば、コン
タクトホール１０を含む半導体基板１上に、化学的気相
成長法によりチタン及び塩素を含む有機金属原料ガスを
使用して、窒化チタン膜１２を成膜した後、同窒化チタ
ン膜１２を所望の形状にパターニングし、次に同窒化チ
タン膜１２上に導電性材料からなる配線を形成するよう
にしたので、有機金属原料ガスを用いたＣＶＤ法により
窒化チタン膜を成膜するにあたり、基板温度が低いとい
う利点を維持したままで、埋め込み性及び膜質の向上を
両立させることができる。

【００３３】◇第２実施例図３のＣＶＤ装置を使用して、成膜条件を変えて窒化チ
タン膜を成膜した。この例の半導体装置の製造方法の構
成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なるところ
は、チタンの原料ガスとしてジクロルビスジメチルアミ
ノチタンＴｉ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_２Ｃｌ_２及アンモニア
を使用するようにした点である。すなわち、同図のＣＶ
Ｄ装置１３を用いて、図１（ｃ）の工程で得られた半導
体基板１を容器１４の基板保持部１５に保持させた状態
で、基板加熱機構１６により半導体基板１を略３００℃
に加熱した。基板温度が安定した後、有機金属原料ガス
保管容器１７に保管されている有機金属原料ガスである
Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_２Ｃｌ_２をマスフローコントロ
ーラ１９及びバルブ２０を通じて気化器２１に供給する
とともに、窒素キャリアガスをマスフローコントローラ
２２及びバルブ２３を通じて気化器２１に供給して両ガ
スを混合する。さらに、アンモニアをマスフローコント
ローラ２７及びバルブ２８を通じて気化器２９に供給す
る。

【００３４】次に、混合ガスを気化噐２１から、アンモ
ニアガスを気化噐２９からシャワーヘッド２４を通じ
て、容器１４内の半導体基板１に供給する。このとき、
窒素キャリアガスの流量を略２００ｓｃｃｍに、同窒素
キャリアガスにより運ばれる原料ガスＴｉ（Ｎ（Ｃ
Ｈ_３）_２）_２Ｃｌ_２の量を略０．０５ｇ／分に、アンモ
ニアガスの流量を略５０ｓｃｃｍに、成膜時間を５〜１
０分間に設定した条件で、窒化チタン膜１２を成膜し
た。この結果、埋め込み性に優れた窒化チタン膜が成膜
され、略８０％のステップカバレッジが得られた。ま
た、成膜された窒化チタン膜の比抵抗を測定したとこ
ろ、略１３０μΩｃｍ以下の値が得られた。

【００３５】また、膜中の残留塩素濃度を分析したとこ
ろ、略５×１０¹⁷／ｃｍ³以下の微量の塩素濃度が測定
されたが、配線腐食は何ら認められなかった。ただし、
アンモニアガスを供給しなかった場合には、膜中の残留
塩素濃度は、１０¹⁹／ｃｍ³のオーダが測定された。こ
れは、第１実施例に比較して基板温度が低下しているた
めと考えられる。これも、アンモニアガスの供給によ
り、上述のように減少させることができる。なお、第１
実施例よりもステップカバレッジが低下したのは、アン
モニアガスにより塩素濃度を減少した結果、成膜種の基
板表面における反応性が高くなったことに起因してい
る。要は、低い基板温度で膜質に優れた窒化チタン膜が
許容されるステップカバレッジが得られる範囲内で、ア
ンモニアガス流量又は基板温度が適宜選択される。ま
た、塩素の残留濃度を減少させるには、キャリアガスと
して水素（Ｈ₂）を使用するのが有効である。

【００３６】このように、この例の構成によっても、第
１実施例において述べたのと略同様の効果を得ることが
できる。これに加えて、この例によれば、窒化チタン膜
を成膜する基板温度をさらに低下させることができる。

【００３７】◇第３実施例図３のＣＶＤ装置を使用して、成膜条件を変えて窒化チ
タン膜を成膜した。この第３実施例の半導体装置の製造
方法の構成が、上述の第２実施例のそれと大きく異なる
ところは、チタンの原料ガスとしてＴｉ（Ｎ（ＣＨ_３）
_２）_２Ｃｌ _２及アンモニアを使用するにあたり、プラズ
マ源を駆動するようにした点である。すなわち、同図の
ＣＶＤ装置１３を用いて、図１（ｃ）の工程で得られた
半導体基板１を容器１４の基板保持部１５に保持させた
状態で、第２の実施例と略同様な方法で窒化チタン膜を
成膜するにあたり、プラズマ源３０を略１ｋｗのマイク
ロ波で駆動して、プラズマ発生雰囲気中で成膜を行っ
た。この結果、埋め込み性に優れた窒化チタン膜が成膜
され、略７５％のステップカバレッジが得られた。ま
た、成膜された窒化チタン膜の比抵抗を測定したとこ
ろ、プラズマにより膜質が緻密になって略１００μΩｃ
ｍ以下の値が得られた。

【００３８】また、膜中の残留塩素濃度を分析したとこ
ろ、プラズマによって窒素ラジカルが効率よく塩素の残
留濃度を減少させる結果、略１×１０¹⁷／ｃｍ³以下の
微量の塩素濃度が測定されたが、配線腐食は何ら認めら
れなかった。なお、第２実施例よりもステップカバレッ
ジが低下したのは、プラズマの影響を多少受けたためで
ある。

【００３９】このように、この例の構成によっても、第
２実施例において述べたのと略同様の効果を得ることが
できる。

【００４０】◇第４実施例図３のＣＶＤ装置を使用して、成膜条件を変えて窒化チ
タン膜を成膜した。この第４実施例の半導体装置の製造
方法の構成が、上述の第１実施例のそれと大きく異なる
ところは、チタンの原料ガスとしてＴｉ（Ｎ（ＣＨ_３）
_２）_３Ｃｌに代えてＴｉ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_２Ｃｌ_２を
使用するようにした点である。すなわち、同図のＣＶＤ
装置１３を用いて、図１（ｃ）の工程で得られた半導体
基板１を容器１４の基板保持部１５に保持させた状態
で、基板加熱機構１６により半導体基板１を略３００℃
に加熱した。基板温度が安定した後、有機金属原料ガス
保管容器１７に保管されている有機金属原料ガスである
Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_２Ｃｌ_２をマスフローコントロ
ーラ１９及びバルブ２０を通じて気化器２１に供給する
とともに、窒素キャリアガスをマスフローコントローラ
２２及びバルブ２３を通じて気化器２１に供給して両ガ
スを混合する。

【００４１】次に、混合ガスを気化噐２１から、アンモ
ニアガスを気化噐２９からシャワーヘッド２４を通じ
て、容器１４内の半導体基板１に供給する。このとき、
窒素キャリアガスの流量を略２００ｓｃｃｍに、同窒素
キャリアガスにより運ばれる原料ガスＴｉ（Ｎ（Ｃ
Ｈ₃）₂）₂Ｃｌ₂の量を略０．０５ｇ／分に、成膜時間を
５〜１０分間に設定した条件で、窒化チタン膜１２を成
膜した。膜中の残留塩素濃度を分析したところ、略１０
¹⁹／ｃｍ³台の微量の塩素濃度が測定された。ただし、
この塩素濃度値は高いので、膜質を改善するため、次
に、基板温度を３５０℃に上げて、プラズマ源３０を略
１ｋｗのマイクロ波で駆動して、略１０分間、アンモニ
アプラズマ処理を行った。次に、改めて、膜中の残留塩
素濃度を分析したところ、略１×１０¹⁷／ｃｍ³以下の
微量の塩素濃度が測定されたが、配線腐食は何ら認めら
れなかった。また、塩素の残留濃度を減少させるには、
窒素キャリアガスと同時に、あるいは単独で水素ガスを
使用するのが有効である。このように、この例の構成に
よっても、第１実施例において述べたのと略同様の効果
を得ることができる。

【００４２】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、有機金属
原料ガスに含ませるハロゲン元素は、塩素に限ることな
く、フッ素又は臭素を用いても略同様な効果を得ること
ができる。

【００４３】また、基板温度は、実施例で示した例に限
らず、１５０〜４００℃であれば、窒化チタン膜の埋め
込み性を低下させることなく、成膜することができる。
また、窒化チタン膜を成膜する対象は、コンタクトホー
ル等の接続孔に限らず、単に配線を走行させるために絶
縁膜に形成した配線埋め込み用の接続溝であってもよ
い。また、窒化チタン膜を成膜するために用いる有機金
属原料ガスは、実施例で示した例に限らず、、Ｔｉ（Ｎ
（ＣＨ_３）_２）_３Ｘ、Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_２Ｘ _２、
Ｔｉ（Ｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_２）_３Ｘ又はＴｉ（Ｎ（Ｃ
_２Ｈ_５）_２）_２Ｘ_２（ただし、Ｘはハロゲン元素）で示
されるような化合物であれば、任意の材料を選択するこ
とができる。また、絶縁膜は、酸化シリコン膜に限らず
に、窒化シリコン膜、ＢＳＧ(BoroSilicate Glass)膜、
ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）膜、あるいはＢＰＳ
Ｇ(Boro-Phospho Silicate Glass)等を用いることがで
きる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の半導体
装置の製造方法によれば、接続孔又は接続溝を含む半導
体基板上に、化学的気相成長法によりチタン及びハロゲ
ン元素を含む有機金属原料ガスを使用して、半導体基板
を１５０〜４００℃で加熱して窒化チタン膜を成膜した
後、同窒化チタン膜を所望の形状にパターニングし、次
に同窒化チタン膜上に導電性材料からなる配線を形成す
るようにしたので、有機金属原料ガスを用いたＣＶＤ法
により窒化チタン膜を成膜するにあたり、基板温度が低
いという利点を維持したままで、埋め込み性及び膜質の
向上を両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例である半導体装置の製造
方法を工程順に示す工程図である。

【図２】同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図
である。

【図３】同半導体装置の製造方法の実施に使用されるＣ
ＶＤ装置の構成を示す構成図である。

【図４】スパッタ法による成膜方法の説明図である。

【図５】ＣＶＤ法による成膜方法の説明図である。

【符号の説明】

１半導体基板２素子分離領域３素子形成領域４ゲート絶縁膜５ゲート電極６サイドウォール絶縁膜７ソース領域８ドレイン領域９絶縁膜１０コンタクトホール１１チタンシリサイド１２窒化チタン膜１３ＣＶＤ装置１４容器（チャンバ）１５基板保持部１６基板加熱機構１７有機金属原料ガス保管容器１８保管容器加熱機構１９、２２、２７マスフローコントローラ２０、２３、２８バルブ２１、２９気化器２４シャワーヘッド２５圧力調整バルブ２６真空ポンプ３０プラズマ源３１配線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板を覆う絶縁膜の接続孔又は接
続溝に窒化チタンからなるバリア金属膜を介して配線を
形成する半導体装置の製造方法であって、前記接続孔又は接続溝を含む前記半導体基板上に、化学
的気相成長法によりチタン及びハロゲン元素を含む有機
金属原料ガスを使用して、前記半導体基板を１５０〜４
００℃で加熱して窒化チタン膜を成膜する窒化チタン膜
成膜工程と、前記窒化チタン膜を所望の形状にパターニングする窒化
チタン膜パターニング工程と、前記窒化チタン膜上に導電性材料からなる配線を形成す
る配線形成工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
【請求項２】半導体基板を覆う絶縁膜の接続孔又は接
続溝に窒化チタンからなるバリア金属膜を介して配線を
形成する半導体装置の製造方法であって、前記接続孔又は接続溝を含む前記半導体基板上に、化学
的気相成長法により有機金属原料ガスとしてＴｉ（Ｎ
（ＣＨ₃）₂）₃Ｘ、Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₂Ｘ₂、Ｔｉ
（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₃Ｘ又はＴｉ（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₂Ｘ₂
（ただし、Ｘはハロゲン元素）を使用して、前記半導体
基板を１５０〜４００℃で加熱して窒化チタン膜を成膜
する窒化チタン膜成膜工程と、前記窒化チタン膜を所望の形状にパターニングする窒化
チタン膜パターニング工程と、前記窒化チタン膜上に導電性材料からなる配線を形成す
る配線形成工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
【請求項３】半導体基板を覆う絶縁膜の接続孔又は接
続溝に窒化チタンからなるバリア金属膜を介して配線を
形成する半導体装置の製造方法であって、前記接続孔又は接続溝を含む前記半導体基板上に、化学
的気相成長法によりチタン及びハロゲン元素を含む有機
金属原料ガス及び窒素化合物ガスを使用して、前記半導
体基板を１５０〜４００℃で加熱して窒化チタン膜を成
膜する窒化チタン膜成膜工程と、前記窒化チタン膜を所望の形状にパターニングする窒化
チタン膜パターニング工程と、前記窒化チタン膜上に導電性材料からなる配線を形成す
る配線形成工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
【請求項４】前記ハロゲン元素は、塩素、フッ素又は
臭素からなることを特徴とする請求項１、２又は３記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記有機金属原料ガスとして、Ｔｉ（Ｎ
（ＣＨ₃）₂）₃Ｘ、Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₂Ｘ₂、Ｔｉ
（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₃Ｘ又はＴｉ（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₂Ｘ₂
（ただし、Ｘはハロゲン元素）を使用することを特徴と
する請求項３又は４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記窒素化合物ガスとして、アンモニア
ガスを使用することを特徴とする請求項３、４又は５記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記窒化チタン膜成膜工程をプラズマ発
生雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１乃至６のい
ずれか１に記載の半導体装置の製造方法。