JP3328359B2

JP3328359B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3328359B2
Application number: JP06878093A
Authority: JP
Inventors: 力博神; 塚健志貝; 田与洋太
Original assignee: Kawasaki Microelectronics Inc
Current assignee: Kawasaki Microelectronics Inc
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 2002-09-24
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JPH06283606A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置およびその
製造方法に関し、特に半導体基板または下層配線と上層
配線との間の接続孔を埋め込みながら、上層配線の優先
結晶配向性を制御しつつ上下層を接続する半導体装置お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体基板または下層配線
（以下、代表的に下層配線という）と上層配線とを接続
するために両層間に介在する層間絶縁膜に接続孔（コン
タクトホールまたはビュア）を開口し、この接続孔を直
接上層配線材料で埋め込んだり、あるいは導電膜で埋め
込んだ後に上層配線を積層することが行われている。こ
こで配線材料としてはアルミニウム（Ａｌ）がよく用い
られている。

【０００３】一方、半導体装置の微細化、高集積化が進
むにつれて浅い拡散層において配線材料であるアルミニ
ウムの拡散層へのスパイクや基板シリコンのアルミニウ
ム配線への析出などの問題が生じてきている。そのた
め、電極配線材料としてアルミニウム中にあらかじめ１
％程度のシリコンが混入されたアルミニウム合金の使
用、および、アルミニウム合金とシリコン拡散層のコン
タクト部にアルミニウムとシリコンの相互拡散を防ぐた
めに拡散バリア層（バリアメタルと呼ぶ）を用いるよう
になっている。これは、接続孔の埋め込み、すなわちプ
ラグを形成する際においても同様である。

【０００４】バリアメタルとして現在最も有望な材料と
考えられているのが窒化チタン（チタンナイトライド）
である。チタンナイトライド（ＴｉＮ）は、バリア性に
優れているのみならず比較的低抵抗であること、および
同じチタン化合物であるチタンシリサイドによりシリコ
ン基板との低抵抗コンタクトを容易に実現できるため成
膜に連続性がもてること、さらにコンタクト孔にタング
ステンプラグを適用する場合タングステンとの密着性に
優れていること等がその理由である。

【０００５】アルミニウムまたはアルミニウム合金配線
のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性には（１１
１）に配向した膜が優れているといわれており、そのた
めの方法として特開平３−２６２１２７号公報には、Ｔ
ｉＮ膜を（１１１）に配向させてその上に（１１１）配
向のＡｌ配線層を形成させる方法が開示されている。

【０００６】一方、接続孔を埋め込むためのコンタクト
プラグとして、バリアメタルにＴｉＮを用いたタングス
テン（Ｗ）プラグの代わりにＣＶＤ−ＴｉＮプラグを単
に埋め込む技術がAbstract of the 1991 International
Conference on Solid StateDevices and Materials, Y
okohama, 1991, ｐｐ．２１０−２１２に開示されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開平３−
２６２１２７号公報においては、バリア性と高信頼性を
持つバリアメタルである（１１１）配向のＴｉＮ膜は、
Ｔｉをスパッタ法で直接堆積することにより成膜した後
に窒化することにより、あるいは反応性スパッタリング
法によって成膜されており、コンタクトプラグ形成には
不向きであるという問題があった。

【０００８】しかしながら、チタンナイトライドを従来
のＣＶＤ法で成膜した場合、配線に利用できるような膜
質が得られるのは（２００）に配向した場合であり、
（１１１）に配向したチタンナイトライド膜はバリアメ
タルの本質的な目的である拡散バリア層として機能が悪
くなることが報告されている。

【０００９】上述のＣＶＤ−ＴｉＮでコンタクトホール
を埋め込む方法では、埋め込み材料であるＴｉＮの配向
性について何ら考慮されていないため、被覆性を考慮す
ると従来のＣＶＤ−ＴｉＮでは（２００）に配向したＴ
ｉＮで埋め込むこととなり、膜質は良好で配線に適した
ものとなるが、上層の配線材料であるＡｌの配向性も
（２００）となってしまい、（１１１）に配向しないた
め配線の信頼性が低下するという問題があった。一方、
ＣＶＤ法によって（１１１）に配向したＴｉＮを形成
し、コンタクトホールを埋め込む場合、ＣＶＤ−ＴｉＮ
（１１１）は膜質が十分とはいえず、配線抵抗の上昇や
バリア性の低下を招く等の問題があった。

【００１０】すなわち、従来のコンタクト用のＣＶＤ−
ＴｉＮ技術では、積層するＡｌのＥＭ耐性が良好な配向
膜の形成性を考慮した技術となっていなかった。この原
因は、Ａｌの（１１１）配向性膜形成に有利な、（１１
１）配向のＣＶＤ−ＴｉＮを実現する場合には、一般に
被覆性が劣化する傾向に有るからである。従って、（１
１１）配向性のＣＶＤ−ＴｉＮにより良好な被覆性を実
現することは困難であった。

【００１１】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解消し、半導体基板もしくは下層配線と上層配線とを接
続するために、上下配線層間の接続孔を埋め込みなが
ら、アルミニウムまたはその合金からなる上層配線の下
地として拡散バリア性と配線の高信頼性を併せ持つバリ
アメタルとなる被覆性の良い（１１１）配向窒化チタン
膜を形成することにより、上層配線の優先結晶配向性を
制御して、配線層を平坦化するとともに高信頼の配線の
実現と工程の簡略化を図った半導体装置およびその製造
方法を提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、上層のアルミニウムまたはその合金
配線の下地にバリアメタルとして用いられる窒化チタン
の配向性と被覆性について鋭意研究した結果、被覆性を
支配する表面反応と供給反応に於いて、表面反応領域の
プロセス条件に於いても、従来のシリコン、酸化シリコ
ン上では（２００）配向となるが、Ｔｉ（００２）上で
は（１１１）配向となることを見いだし、本発明に至っ
たものである。

【００１３】すなわち、本発明の第１の態様は、半導体
基板上の導電性領域または下層配線と上層配線を接続す
る接続孔において、この接続孔の底面の導電性領域また
は下層配線上に形成された（２００）に配向した第１の
窒化チタン膜と、この第１の窒化チタン膜上に表面被覆
率５０％以上で形成された第２の窒化チタン膜の結晶配
向性を制御する薄膜もしくは粒と、この薄膜もしくは粒
上に積層されたこの薄膜もしくは粒によって（１１１）
に配向した第２の窒化チタン膜と、この第２の窒化チタ
ン膜上に積層された、前記上層配線層を構成するアルミ
ニウムまたはその合金膜とを有することを特徴とする半
導体装置を提供するものである。

【００１４】また、本発明の第２の態様は、半導体基板
上の導電性領域または下層配線とアルミニウムまたはそ
の合金からなる上層配線との間の接続孔を介して前記半
導体基板または下層配線と上層配線とを接続して半導体
装置を製造するに際し、まず、前記接続孔の底面の前記
半導体基板の導電性領域または下層配線上に（２００）
に配向する条件で（２００）に配向した窒化チタンをＣ
ＶＤ法により堆積して、前記接続孔の全部を埋め込むま
たは前記接続孔の底表面および側表面を覆う、（２０
０）に配向した第１の窒化チタン膜を形成し、次いで、
この第１の窒化チタン膜上に（１１１）に配向した第２
の窒化チタン膜の形成に有効な薄膜もしくは前記第１の
窒化チタン膜上に散在する第２の窒化チタン膜の核成長
中心となる粒を表面被覆率５０％以上で被覆し、次い
で、ＣＶＤ法により同一の条件で、上層配線層を構成す
るアルミニウムまたはその合金の配向性を（１１１）と
させるのに有効な（１１１）に配向した第２の窒化チタ
ン膜を形成した後、この第２の窒化チタン膜の上に前記
上層配線層を構成するアルミニウムまたはその合金膜を
積層することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供
するものである。

【００１５】また、本発明の第３の態様は、半導体基板
上の導電性領域または下層配線とアルミニウムまたはそ
の合金からなる上層配線との間の接続孔を介して前記半
導体基板または下層配線と上層配線とを接続して半導体
装置を製造するに際し、まず、前記接続孔の底面の前記
半導体基板の導電性領域または下層配線上に（２００）
に配向する条件でＣＶＤ法により（２００）に配向した
窒化チタンを堆積して、前記接続孔の上縁部を超えて
（２００）に配向した第１の窒化チタン膜を形成し、次
いで、前記接続孔の上縁上に積層された第１の窒化チタ
ン膜をエッチバックした後、続いて、この第１の窒化チ
タン膜上に（１１１）に配向した第２の窒化チタン膜の
形成に有効な薄膜あるいは散在する第２の窒化チタン膜
の核成長中心となる粒を表面被覆率５０％以上で被覆
し、次いで、上層配線層を構成するアルミニウムまたは
その合金の配向性を（１１１）とさせるのに有効な（１
１１）に配向した第２の窒化チタン膜を形成した後、こ
の第２の窒化チタン膜の上に前記上層配線を構成するア
ルミニウムまたはその合金膜を積層することを特徴とす
る半導体装置の製造方法を提供するものである。

【００１６】ここで、前記薄膜あるいは粒、前記第２の
窒化チタン膜およびアルミニウムまたはその合金膜は、
スパッター法により形成されるのが好ましい。また、上
記各態様において、前記薄膜あるいは粒は、チタンであ
るのが好ましい。

【００１７】また、本発明の第４の態様は、半導体基板
上の導電性領域または下層配線とアルミニウムまたはそ
の合金からなる上層配線との間の接続孔を介して前記半
導体基板または下層配線と上層配線とを接続半導体装置
の製造するに際し、まず、前記接続孔の底面の前記半導
体基板の導電性領域または下層配線上に（２００）に配
向する条件で（２００）に配向した窒化チタンをＣＶＤ
法により堆積して、前記接続孔の全部を埋め込むまたは
前記接続孔の底表面および側表面を覆う、（２００）に
配向した第１の窒化チタン膜を形成し、次いで、この第
１の窒化チタン膜上に（１１１）に配向した第２の窒化
チタン膜の形成に有効なチタン膜を形成し、続いて、こ
のチタン膜の一部を窒化処理して（１１１）に配向した
第２の窒化チタン膜を形成した後、この第２の窒化チタ
ン膜の上に前記上層配線層を構成するアルミニウムまた
はその合金膜を積層することを特徴とする半導体装置の
製造方法を提供するものである。

【００１８】

【発明の作用】本発明の半導体装置およびその製造方法
は、半導体基板上の導電性領域もしくは下層配線と上層
配線とを接続する接続孔を含むコンタクト部において、
予め被覆性に優れた（２００）に配向した窒化チタン
（ＴｉＮ）膜をコンタクト部分に被覆性良く形成した
後、ＴｉＮの配向性を（１１１）に変えるための薄膜層
を一旦形成し、再び、ＴｉＮ（１１１）配向膜を形成す
ることにより、コンタクト部を埋め込み、上層のアルミ
ニウム（Ａｌ）またはその合金（以下、Ａｌ系合金とい
う）配線を形成することによりなる配線接続構造を持つ
半導体装置およびその製造方法である。この際、Ａｌ系
合金配線は（１１１）に配向する結果、優れたＥＭ耐性
を実現することができる。このＴｉＮの配向性を変える
ための薄膜層は表面被覆率５０％以上であれば、薄膜状
のチタンでもよいし、チタン粒子（原子）が散在して被
着している場合でもよい。本発明は半導体基板とのコン
タクトだけでなく、多層金属配線間にも適用することが
できる。また、半導体基板表面がシリサイド化されてい
る場合にも、同様な効果がえられる。

【００１９】本発明の第２の態様の半導体装置の製造方
法においては、コンタクト部の一部または全部をＣＶＤ
法によりＴｉＮ（２００）で被覆または埋め込んだ後に
ＴｉＮの配向性を変える薄膜層を表面被覆率５０％以上
で被覆し、再びＣＶＤ法により同一条件下でＴｉＮ（１
１１）配向膜を形成し、例えば、ＣＶＤ法またはスパッ
タ法によって上層Ａｌ系合金配線層を形成する。また、
本発明の第３の態様においては、コンタクト部の全部を
ＣＶＤ法によりＴｉＮ（２００）で埋め込んだ後、エッ
チバックして平坦化し、例えば、スパッター法等によっ
て、ＴｉＮ配向性制御薄膜層、ＴｉＮ（１１１）および
Ａｌ系合金配線層を形成する。さらに本発明の第４の態
様では、コンタクト部へのＣＶＤ法によるＴｉＮ（２０
０）の堆積後、Ｔｉ膜を積層後、このＴｉ膜の表面側の
一部を窒化処理してＴｉＮ（１１１）を形成後、Ａｌ系
合金配線層を堆積する。

【００２０】

【実施例】本発明に係る半導体装置およびその製造方法
を添付の図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明す
る。

【００２１】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）
は、それぞれ本発明の第１の態様の半導体装置の実施例
を示す断面構造模式図である。以下の実施例において
は、下層の半導体基板として第一導電型シリコン基板、
ＴｉＮの配向性を（１１１）に変える薄膜の材料として
チタン（Ｔｉ）、上層配線としてアルミニウム（Ａｌ）
を用いる場合を代表例として説明するが、本発明はこれ
に限定されないことはいうまでもない。

【００２２】図１（ａ）に示す本発明の半導体装置の一
実施例のコンタクト部の構造は、本発明の第２の態様の
半導体装置の製造方法によって得られるもので、この実
施例においては、第一導電型のシリコン基板１上に形成
された反対導電型の高濃度拡散層領域２があり、この高
濃度拡散層領域２上の層間絶縁膜（例えば、ＢＰＳＧな
ど）３を開孔して、アルミニウム６と窒化チタン（１１
１）５とチタン７と窒化チタン（２００）４とを構成要
素とする上層配線層と高濃度拡散層２を電気的に接続す
るための接続孔がある。この接続孔の底面のシリコン高
濃度拡散層２および側面ならびに周辺の絶縁膜３表面上
には被覆性がよく、膜質が良好でバリア性が有効な（２
００）配向窒化チタン４が被覆、積層されている。ま
た、この接続孔は主に（１１１）に優先配向した窒化チ
タン５により埋め込まれており、接続孔部から絶縁膜３
上にわたって形成されている。この窒化チタン５上に
（１１１）配向のアルミニウム６が形成されている。ま
た、（２００）配向窒化チタン４の上で、窒化チタン５
の下地には窒化チタンの（１１１）優先配向を促進する
のに有効なチタン７が少なくとも、（２００）配向窒化
チタン４の表面上に少なくとも５０％以上の被覆率で存
在する。ここでは、高濃度拡散層２について示したが、
あらかじめ、基板表面がシリサイド化されていても同様
な効果を得ることができる。また、チタン層７が連続す
る膜となっている場合には（００２）結晶配向している
と、より窒化チタンの（１１１）結晶配向を促進する効
果がある。

【００２３】図１（ｂ）に示す本発明の半導体装置のコ
ンタクト部の構造は、本発明の第２および第４の態様の
半導体装置の製造方法によって得られるもので、この実
施例においては、第一導電型のシリコン基板１上に形成
された反対導電型の高濃度拡散層領域２があり、この高
濃度拡散層領域２上の絶縁膜３を開孔して、アルミニウ
ム６と窒化チタン（１１１）５とチタン７と窒化チタン
（２００）４とを構成要素とする上層配線層と高濃度拡
散層２を電気的に接続するための接続孔がある。この接
続孔の底面のシリコン高濃度拡散層２および側面ならび
に周辺の絶縁膜３表面上には被覆性がよく、膜質が良好
でバリア性が有効な（２００）配向窒化チタン４が被
覆、積層されている。この接続孔は主に（１１１）に優
先配向したアルミニウム６により埋め込まれており、接
続孔部から絶縁膜３上にわたって形成されている。この
アルミニウム６の下地には（１１１）配向の窒化チタン
５が形成されている。また、窒化チタン５の下地には窒
化チタンの（１１１）優先配向を促進するのに有効なチ
タン７が少なくとも、（２００）配向窒化チタン４の表
面上に少なくとも５０％以上の被覆率で存在する。ここ
では、高濃度拡散層２について示したが、あらかじめ、
基板表面がシリサイド化されていても同様な効果を得る
ことができる。また、チタン層７が連続する膜となって
いる場合には（００２）結晶配向していると、より窒化
チタンの（１１１）結晶配向を促進する効果がある。

【００２４】図１（ｃ）に示すコンタクト部の構造は、
本発明の第２および第４の態様の半導体装置の製造方法
によって得られるもので、この実施例においては、第一
導電型のシリコン基板１上に形成された反対導電型の高
濃度拡散層領域２があり、この高濃度拡散層領域２上の
層間絶縁膜（例えば、ＢＰＳＧなど）３を開孔して、ア
ルミニウム６と窒化チタン（１１１）５とチタン７と窒
化チタン（２００）４を構成要素とする上層配線層と高
濃度拡散層２を電気的に接続するための接続孔があり、
その底面のシリコン高濃度拡散層２および側面および周
辺の絶縁膜３の表面上に対し被覆性がよく、膜質が良好
でバリア性が有効な（２００）に配向した窒化チタン４
により完全に埋め込まれており、接続孔部から絶縁膜３
上にわたって形成されている。また、窒化チタン（２０
０）４の上には窒化チタン（１１１）５の下地として窒
化チタンの（１１１）優先配向を促進するのに有効なチ
タン７が少なくとも、（２００）配向窒化チタン４の表
面上に少なくとも５０％以上の被覆率で存在している。
このチタン７の上には（１１１）に優先配向した窒化チ
タン５が形成され、この窒化チタン（１１１）５上に
（１１１）配向のアルミニウム６が形成されている。こ
こでは、高濃度拡散層について示したが、あらかじめ、
基板表面がシリサイド化されていても同様な効果を得る
ことができる。また、チタン層７が連続する膜となって
いる場合には（００２）結晶配向していると、より窒化
チタンの（１１１）結晶配向を促進する効果がある。

【００２５】次に、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）および
（ｄ）に示すコンタクト部の構造を持つ本発明の半導体
装置の各実施例についての製造方法の具体的実施例につ
いて、図２および図３に示す工程図を用いて具体的に説
明する。

【００２６】図２（ａ）〜（ｄ）および（ｅ）は、図１
（ａ）に示すコンタクト部の構造を得るための本発明の
第２の態様の半導体装置の製造方法の一実施例につい
て、各工程をコンタクト部の断面構造模式図により示し
たものである。図２（ａ）に示すように、第一導電型の
シリコン基板１上には反対導電型の高濃度拡散層領域２
が形成されていた。酸化シリコンからなる層間絶縁膜３
を基板１上に約１μｍ形成し、この高濃度拡散層領域２
上の絶縁膜３をパターニングした後、ドライエッチング
により除去し、０．２μｍ径の接続孔を開孔した。

【００２７】次いで、図２（ｂ）に示すように、ＣＶＤ
法により（２００）に配向した窒化チタン４を、接続孔
の底面の高濃度拡散層２および接続孔側面の絶縁膜３の
表面ならびに接続孔外の絶縁膜３の上表面上に膜厚０．
０２μｍだけ形成した。この時窒化チタン５の成膜条件
は、真空度０．１Ｔｏｒｒ、基板加熱温度６５０℃、Ｔ
ｉＣｌ₄蒸気が２ｓｃｃｍ、アンモニアガスおよび水素
ガスの流量が共に１０ｓｃｃｍであった。この条件はシ
リコン、酸化シリコン上に形成すると窒化チタン４の優
先結晶配向が（２００）となる条件であった。（２０
０）配向窒化チタン４の被覆性は良好であった。ところ
で、ＣＶＤ法による（２００）配向窒化チタン膜の膜厚
は５ｎｍ以上あればよい。続いて、図２（ｃ）に示すよ
うに、スパッターによりチタン膜７を窒化チタン（２０
０）４上に形成した。チタン７は接続孔外の平坦部では
窒化チタン（２００）４上に膜厚５ｎｍだけ形成した。
また、高濃度拡散層２上に相当する接続孔の底面部分で
は、チタン７は５０％以上の被覆率で形成されていた。

【００２８】続いて、図２（ｄ）では窒化チタン５をチ
タン７上に形成した。この時の窒化チタン５の成膜条件
は真空度０．１Ｔｏｒｒ、基板加熱温度６５０℃、Ｔｉ
Ｃｌ ₄蒸気が２ｓｃｃｍ、アンモニアガスおよび水素ガ
スの流量が共に１０ｓｃｃｍであった。この条件は、酸
化シリコン上に形成すると窒化チタン５の優先結晶配向
が（２００）となる条件であるが、予めチタン７を形成
しているので、チタン７の影響により（１１１）に優先
結晶配向した。また、被覆性は良好であり、形成膜厚を
０．１μｍとすることにより、接続孔は窒化チタン５に
より埋め込むことができた。最後に、図２（ｄ）ではア
ルミニウム６をスパッター法により窒化チタン５上に約
０．８μｍ形成した。窒化チタン５は（１１１）に優先
結晶配向しており、アルミニウム６は同様に（１１１）
に優先結晶配向した。このアルミニウム６／窒化チタン
５／チタン７からなる上層配線層はパターニングされ
て、上層配線となった。ここで、チタン７は連続膜でな
くても、上述の一定（５０％）以上の被覆性を持って形
成されているならば、同様に窒化チタン５は（１１１）
に優先結晶配向する。

【００２９】ここで、前記薄膜、もしくは核成長中心粒
または原子を前記半導体基板の導電性領域もしくは下層
配線上に被覆率５０％以上で被覆するのは、５０％以上
の被覆において、ＴｉＮ（１１１）の良好な優先結晶配
向が得られるという理由による。

【００３０】ここでは、高濃度拡散層２上について示し
たが、あらかじめ、基板表面がシリサイド化されていて
も同様な効果を得ることができる。また、チタン層が連
続する膜となっている場合には（００２）結晶配向して
いると、より窒化チタンの（１１１）結晶配向を促進す
る効果がある。なお、アルミニウム６はＣＶＤ法によっ
て形成することができ、この場合にも（１１１）配向窒
化チタン５を下地としているので、（１１１）に配向す
る。

【００３１】なお、図２（ｅ）に示すように、本発明の
第２の態様においては、図２（ｃ）に示すチタン７を形
成後、同一成膜条件でＣＶＤ法によって形成される窒化
チタン（１１１）５の膜厚を０．０５μｍとすること
で、十分な優先結晶配向を得ることができ、アルミニウ
ム６をＣＶＤ法により窒化チタン５上に全圧１Ｔｏｒｒ
で２５０℃（ＣＨ₃）₂ＡｌＨをＨ₂キャリアーでチャ
ンバーに導入して約０．８μｍ形成し、接続孔をアルミ
ニウム６により完全に埋め込むことができた。この場合
にも、０．０５μｍの膜厚の窒化チタン５は十分に（１
１１）に優先結晶配向しており、アルミニウム６は同様
に（１１１）に優先結晶配向した。このアルミニウム６
／窒化チタン５／チタン７からなる上層配線層をパター
ニングして、上層配線とすることができた。こうして、
図１（ｂ）に示すコンタクト部の構造を得ることができ
た。なお、この場合には、（１１１）配向窒化チタン５
をスパッタ法によって成膜してもよい。

【００３２】図３（ａ）〜（ｄ）は、図１（ｃ）に示す
コンタクト部の構造を得るための本発明の第１の配線接
続方法の別の実施例について、各工程をコンタクト部の
断面構造模式図により示したものである。図３（ａ）に
示すように、第一導電型のシリコン基板１上には反対導
電型の高濃度拡散層領域２が形成されていた。酸化シリ
コンからなる層間絶縁膜３を基板１上に約１ミクロン形
成し、この高濃度拡散層領域２上の絶縁膜３をパターニ
ングした後、ドライエッチングにより除去し、０．２μ
ｍ径の接続孔を開孔した。

【００３３】次いで、図３（ｂ）に示すように、ＣＶＤ
法により（２００）に配向した窒化チタン４を、接続孔
の底面の高濃度拡散層２および接続孔側面の絶縁膜３の
表面ならびに接続外の絶縁膜３の上表面上に形成した。
膜厚０．１μｍとすることにより、接続孔を完全に埋め
込むことができた。この時窒化チタン５の成膜条件は、
真空度０．１Ｔｏｒｒ、基板加熱温度６５０℃、ＴｉＣ
ｌ₄蒸気が２ｓｃｃｍ、アンモニアガスおよび水素ガス
の流量が共に１０ｓｃｃｍであった。この条件はシリコ
ン、酸化シリコン上に形成すると窒化チタン４の優先結
晶配向が（２００）となる条件であった。（２００）配
向窒化チタン４の被覆性は良好であった。続いて、図３
（ｃ）に示すように、スパッターによりチタン膜７を
（２００）配向窒化チタン４上に形成した。チタン７は
窒化チタン４上に膜厚が５ｎｍだけ形成した。ここで、
チタン７は接続孔底面においても５０％以上の被覆率で
形成されていた。

【００３４】次いで、図３（ｄ）では窒化チタン５をチ
タン７上に形成した。この時の窒化チタン５の成膜条件
は真空度０．１Ｔｏｒｒ、基板加熱温度６５０℃、Ｔｉ
Ｃｌ ₄蒸気が２ｓｃｃｍ、アンモニアガスおよび水素ガ
スの流量が共に１０ｓｃｃｍであった。この条件は、酸
化シリコン上に形成すると窒化チタン５の優先結晶配向
が（２００）となる条件であるが、予めチタン７を形成
しているので、チタン７の影響により（１１１）に優先
結晶配向した。また、被覆性は良好であり、形成膜厚を
０．０５ミクロンとした。０．０５ミクロンとすること
で十分な（１１１）優先結晶配向となった。図３（ｄ）
ではアルミニウム６をスパッター法により窒化チタン５
上に約０．８ミクロン形成した。窒化チタン５は（１１
１）に優先結晶配向しており、アルミニウム６は同様に
（１１１）に優先結晶配向した。このアルミニウム６／
窒化チタン５／チタン７からなる上層配線層はパターニ
ングされて、上層配線となった。ここで、チタン７は連
続膜でなくても、上述の一定（５０％）以上の被覆性を
持って形成されているならば、同様に窒化チタン５は
（１１１）に優先結晶配向する。

【００３５】ここでは、高濃度拡散層２上について示し
たが、あらかじめ、基板表面がシリサイド化されていて
も同様な効果を得ることができる。また、チタン層が連
続する膜となっている場合には（００２）結晶配向して
いると、より窒化チタンの（１１１）結晶配向を促進す
る効果がある。

【００３６】図３（ａ），（ｂ），（ｅ），（ｆ）は、
図１（ｄ）に示すコンタクト部の構造を得るための本発
明の第３の態様の配線接続方法の別の実施例について、
各工程をコンタクト部の断面構造模式図により示したも
のである。図３（ａ）および図３（ｂ）に示す工程は、
本発明の第２の態様の配線接続方法において、説明した
ので省略する。図３（ｂ）に示すように（２００）配向
窒化チタン４を用いて接続孔を完全に穴埋めした後、図
３（ｅ）に示すように窒化チタン４をＣｌ₂ガスにより
エッチバックした後、スパッター法によりＴｉ８／Ｔｉ
Ｎ９／Ａｌ１０を積層した。スパッターＴｉ８上のスパ
ッターＴｉＮ９は（１１１）に優先結晶配向しており、
スパッターＡｌ（アルミニウム）１０は同様に（１１
１）に優先結晶配向した。このアルミニウム１０／窒化
チタン９／チタン８からなる上層配線層１１はパターニ
ングされて、上層配線となる。ここで、チタン８は連続
膜でなくても、５０％以上の被覆性を持って形成されて
いるならば、窒化チタン９は（１１１）に優先結晶配向
する。

【００３７】ここでは、高濃度拡散層２上について示し
たが、あらかじめ、基板表面がシリサイド化されていて
も同様な効果を得ることができる。また、チタン層８が
連続する膜となっている場合には（００２）結晶配向し
ていると、より窒化チタン９の（１１１）結晶配向を促
進する効果がある。

【００３８】なお、本発明の第４の態様の配線接続方法
は、図２（ｃ）および図３（ｃ）の工程において、チタ
ン膜７を０．０５μｍに成膜した後で、その表面側の一
部を窒化処理（窒素ガス中でＲＴＡ処理（急速加熱処
理））することにより、（１１１）配向窒化チタン５を
形成するもので、図２（ｅ）すなわち図１（ｂ）および
図３（ｄ）すなわち図１（ｃ）に示す構造のコンタクト
部を得ることができる。ここで、この窒化処理条件はＮ
Ｈ₃１０００ｓｃｃｍ、８００℃、３０ｓｅｃのランプ
アニールとすることができる。

【００３９】上述した実施例においては、半導体基板１
の導電性領域２と上層配線層を構成するアルミニウム６
または１０との間の接続孔における配線接続方法につい
て説明したが、本発明はこれに限定されず、Ａｌ等から
なる多層金属配線における下層配線と上層配線間の接続
孔に適用するものであってもよい。また、上層配線およ
び下層配線を構成する金属としてＡｌを代表例として説
明したが、本発明はこれに限定されず、Ａｌ合金、Ｃ
ｕ、Ｃｕ合金などを用いてもよい。

【００４０】上記実施例においては、第１および第２の
ＴｉＮ膜をＣＶＤ法によって成膜し、そのＣＶＤの原料
系として、ＴｉＣｌ₄／ＮＨ₃／Ｈ₂系を用いている
が、本発明はこれに限定されず、ＴｉＮ膜の成膜におい
ても、その原料系は、チタン化合物を含む系であれば、
特に制限的ではなく、例えば、ＴｉＢｒ₄、ＴｉＩ₄な
どのハロゲン化チタンを用いるものやジエチルアミノチ
タンなどの有機化合物なども用いることができる。また
ＣＶＤのＴｉＮ成膜条件も、上記実施例に限定されず、
半導体基板上に直接成膜した時に膜質の良好なＴｉＮを
成膜する条件であればよく、例えばＴｉＣｌ₄／ＮＨ₃
／Ｈ₂系で、基板温度を６５０〜７５０℃、ＴｉＣｌ₄
とＮＨ₃の分圧比を１：１〜１：２５、ＮＨ₃とＨ₂の
分圧比を１：０〜１：１、全圧を１０ｍＴｏｒｒ〜１０
Ｔｏｒｒとすることができる。また、ＣＶＤ−Ａｌ（１
１１）の成膜条件も上記実施例に限定されない。

【００４１】上記実施例においては、（１１１）配向Ｔ
ｉＮ膜５および９の下地に薄膜としてスパッタ法によっ
てＴｉ７および８を被覆したけれども、Ｔｉ７および８
を被覆する方法は、特に制限されず、（００２）配向Ｔ
ｉ７および８を（２００）配向ＴｉＮ膜４上に表面被覆
率５０％以上に被覆できればどのような方法であっても
よい。また、上記実施例においては、この（００２）配
向Ｔｉ７は、ＣＶＤ−ＴｉＮ５の配向性を決定する成膜
初期の核形成、すなわち将来（１１１）配向となるＴｉ
Ｎの核形成に用いられるものである。

【００４２】また、上述の例では、上記薄膜の材料とし
て、Ｔｉを挙げているが、本発明はこれに限定されず、
ＴｉＮ５または９の膜の配向性がアルミニウム系合金配
線の配向性を良好に制御する配向性となるようにするこ
とができれば、どのような材料であってもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の半導体装
置およびその製造方法によれば、半導体基板または下層
配線と上層配線との間の接続孔を埋め込みながら、バリ
ア性の有効な（２００）配向窒化チタン膜と上層アルミ
ニウム系合金配線の（１１１）配向を促進する（１１
１）配向窒化チタン膜（特に、ＣＶＤ−ＴｉＮ（１１
１）膜）を積層することができるので配線の平坦化がで
きるばかりか、高信頼性の極めて優れた配線を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）は、本
発明に係る半導体装置の接続孔部の各実施例の構造を示
す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）および（ｅ）は、本発明の半
導体装置の製造方法の実施例の工程図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）および（ｅ），（ｆ）は、本
発明の半導体装置の製造方法の別の実施例の工程図であ
る。

【符号の説明】

１第１導電型シリコン基板２反対導電型高濃度拡散層３層間絶縁膜４ＣＶＤ−ＴｉＮ（２００）５ＣＶＤ−ＴｉＮ（１１１）６Ａｌ（１１１）７Ｔｉ８スパッタＴｉ９スパッタＴｉＮ１０スパッタＡｌ１１上層配線（Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ積層配線）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−264258（ＪＰ，Ａ) 特開平５−13366（ＪＰ，Ａ) 特開平３−262127（ＪＰ，Ａ) 特開平６−260445（ＪＰ，Ａ) 特開平５−190493（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開525637（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上の導電性領域または下層配線
とアルミニウムまたはその合金からなる上層配線との間
の絶縁膜に開孔された接続孔を介して前記導電性領域ま
たは下層配線と上層配線とを接続して半導体装置を製造
するに際し、まず、前記接続孔の底面の前記半導体基板の導電性領域
または下層配線上から当該接続孔周辺の前記絶縁膜表面
上にかけて（２００）に配向する条件で（２００）に配
向した窒化チタンをＣＶＤ法により堆積して、前記接続
孔の全部を埋め込むまたは前記接続孔の底表面および側
表面を覆う、（２００）に配向した第１の窒化チタン膜
を形成し、次いで、この第１の窒化チタン膜上に（１１１）に配向
した第２の窒化チタン膜の形成に有効なチタン薄膜もし
くは前記第１の窒化チタン膜上に散在する第２の窒化チ
タン膜の核成長中心となるチタン粒を表面被覆率５０％
以上で被覆し、次いで、ＣＶＤ法によりシリコン、酸化シリコン上に形
成すると優先結晶配向が（２００）になる条件で、上層
配線層を構成するアルミニウムまたはその合金の配向性
を（１１１）とさせるのに有効な（１１１）に配向した
第２の窒化チタン膜を形成した後、この第２の窒化チタン膜の上に前記上層配線層を構成す
るアルミニウムまたはその合金膜を積層することを特徴
とする半導体装置の製造方法。