JP3625652B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【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、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールにアルミニウム(Al)又はアルミニウム合金からなる配線を埋め込む技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜に形成されるコンタクトホールも微細化、高アスペクト比化されてきている。微細化されたコンタクトホールを良好に導通させるために配線材料の金属を埋め込む方法として、高温Alスパッタ、高温Alリフロー、タングステンCVD、などがある。これらのうち高温Alスパッタ、高温AlリフローはタングステンCVDに比べ、低抵抗材料でコンタクトホールを埋め込むことができることと、配線とプラグとを同時に形成できるため低コストである点で注目されている。
【0003】
高温Alスパッタとは、基板を400〜500℃に加熱した状態で、Al若しくはAl合金などのAl系材料をスパッタすることにより、Alをリフローさせ、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール内にAl系材料で埋め込む技術である。
【0004】
層間絶縁膜上に設けられた配線とSi基板の拡散層を電気的に接続するコンタクトホールにAl系材料を埋め込む場合には、AlがSi基板の拡散層に異常拡散するうスパイクと呼ばれる現象により生ずる接合リークを防止するために、バリアメタルが必要である。一般に、バリアメタルにはTiN膜やTiW膜が用いられており、TiN膜を使用する場合は、通常はコンタクト抵抗を低くするために、TiN/Tiの積層構造で用いられている。
【0005】
また、高温スパッタでAlを埋め込むためにはTiN膜16に直接Al17を形成すると、Alのリフローが完全でなく、図2に示すようなボイド18が生じやすいため、濡れ性を良くするためにバリア膜であるTiN膜上にTi膜を形成したTi/TiN/Ti構造で用いる。
【0006】
しかしながら、微細化が進み、コンタクトホールがハーフミクロン以下になると、スパッタによりバリアメタルを形成する場合、コンタクトホール底部のバリア膜厚が薄くなるため、従来のTiN膜ではバリア性が十分でなくなる。
【0007】
そこで、バリア性を高めるために、例えば特開平7−29853号公報にバリアメタルのTiN膜を窒素処理することにより、バリア性を高める方法が示されている。
【0008】
すなわち、図3(a)に示すように、拡散層12が形成されたSi基板11上に形成された層間絶縁膜13にコンタクトホール14を形成する。その上に、図3(b)に示すようにTi膜15を形成し、続けてTiN膜16を形成する。そして、窒素雰囲気中でアニールすることによって、図2(c)のように、TiN改質膜16aを形成し、バリア性を高める方法が示されている。
【0009】
また、特開平5−259116号公報には、図4に示すようにバリア膜としてバリア性の高いTiON膜19を使うTi20/TiON19/Ti15構造とすることが示されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特開平7−29853号公報では、濡れ層としてTiNを用いているが、コンタクトホールをAl系材料で埋め込む場合、Tiが濡れ層として大変優れている。
【0011】
しかしながら、バリア膜となるTiN膜上に直接Ti膜を形成した場合、ボイドが発生しやすい。これは、バリア膜がバリア性向上処理(窒素処理又は窒素及び酸素雰囲気アニール処理)中に、多少酸化され、それより上に形成されたAl系材料とTi膜との界面の酸化されて、濡れ性が悪くなるからである。特開平5−259116号公報でも、TiON膜上に濡れ層としてTiを形成しているため、Tiが酸化して濡れ性が悪くなる。
【0012】
濡れ層のTiの酸化を防止する方法として、例えば、特開平6−85084号公報によれば、層間絶縁膜に開けたコンタクトホール内に、Al系材料を埋め込む際にコンタクトホールに酸化防止膜としてノンドープポリシリコン膜や不純物導入ポリシリコン膜をコンタクトホール側壁部に形成する方法が提案されている。
【0013】
しかしながら、これらの膜は抵抗が高く、コンタクトホール抵抗を下げるためにコンタクトホール底部の膜を除去する必要があり、工程が複雑となる問題がある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、表面に拡散層が形成されたシリコン基板上に堆積した層間絶縁膜に0.5μm程度の径のコンタクトホールを形成する工程と、
バリアメタルとしての第1の高融点金属膜及び厚さ0.15〜0.22μmの第1の窒化チタン膜を形成し、酸素及び窒素雰囲気で熱処理することにより、上記第1の窒化チタン膜のバリア性を向上させる工程と、厚さ0.06〜0.08μmの第2の窒化チタン膜及び第2の高融点金属膜及び第1のアルミニウムを含む配線膜を順次同一雰囲気中で、大気にさらすことなく形成した後、第2のアルミニウムを含む配線膜を上記コンタクトホールに埋設する工程とを有することを特徴とするものである。
【0015】
また、請求項2に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、上記第1の高融点金属膜及び第2の高融点金属膜はチタンであり、且つ、上記第2の高融点金属の窒化膜は窒化チタンであ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である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態に基づいて、本発明について詳細に説明する。
【0017】
図1は本発明の一実施の形態の半導体装置の製造工程図であり、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は第1のTiN膜、6aは改質TiN膜、7は第2のTiN膜、8は第2のTi膜、9aは第1のAl系配線膜、9bは第2のAl系配線膜である。
【0018】
まず、表面に拡散層2が形成されたシリコン基板1上に膜厚1.0μm程度の層間絶縁膜3が形成される。公知のリソグラフィ技術、ドライエッチング技術により、拡散層2に達するコンタクトホール4が層間絶縁膜3に形成される。コンタクトホール4の径は0.5μm程度である。
【0019】
続いて、例えばスパッタリングにより、0.02〜0.06μm、例えば0.03μm程度の膜厚の第1のTi膜5及び0.15〜0.22μm、例えば0.18μm程度の膜厚の第1のTiN膜6が形成される。
【0020】
続いて、第1のTiN膜6のバリア性の向上のために、500〜600℃、40分間の窒素処理又は窒素及び酸素雰囲気の炉内でアニール処理を行う。この処理により、第1のTiN膜6の膜質が変化し、TiNの結晶性が向上することと、TiN粒界にTiOxやTi(ON)xが取り込まれることにより、熱的、化学的に安定なTiN膜6aとなる。このTiN膜6aは膜中若しくは少なくとも膜表面に酸素を含んでいる。
【0021】
次に、同一雰囲気中で、大気にさらすことなく、好ましくは膜厚0.06〜0.08μm、例えば0.07μm程度の第2のTiN膜7と、好ましくは膜厚0.05〜0.07μm、例えば0.06μm程度の第2のTi膜8とAl又はAl合金からなるAl系配線膜(例えば、Al−Cu0.5%、Al−Si0.5%など)9を形成する。
【0022】
しかしながら、第2のTiN膜7の膜厚が0.05μmより薄い場合は、コンタクトホール底部付近のコンタクトホール側壁部に十分な厚さの第2のTiN膜7が付着せず、Alのリフローが完全でなくボイドが生じるという問題があり、また、0.1μmより厚いと第2のTiN膜7によりコンタクトホール上部が狭くなり、Al系配線膜9がコンタクトホール内に入りにくくなり、ボイドが生じるという問題がある。
【0023】
また、第2のTi膜8の膜厚が0.04μmより薄い場合は、コンタクトホール底部付近のコンタクトホール側壁部に十分な厚さの第2のTi膜8が付着せず、Alのリフローが完全でなく、ボイドが生じるという問題があり、また、0.12μmより厚いと第2のTi膜8によりコンタクトホール上部が狭くなり、Al系配線膜9がコンタクトホールに入りにくくなり、ボイドが生じるという問題がある。
【0024】
また、Al系配線膜9は高温スパッタ法によって基板温度50〜150℃、例えば100℃で、好ましくは0.27〜0.33μm、例えば0.3μmの厚さで、第1のAl系配線膜9aを形成し、続いて、基板温度470℃で好ましくは0.25〜0.6μm、例えば0.3μmの厚さで、第2のAl系配線膜9bを形成する。
【0025】
また、第2のAl系配線膜9bの基板温度が450℃より低いとAlのリフローが完全でなく、ボイドが生じるという問題がある。また、第1のAl系配線膜9aの膜厚が0.25μmより薄いと、第2のAl系配線膜9bの膜表面が荒れて、局所的にAlのリフローされないコンタクトホールが生じ、且つ、コンタクトホール底部付近のコンタクトホール側壁部に十分な厚さの第1のAl系配線膜9aが付着せず、Alのリフローが完全でなくボイドが生じるという問題があり、また、0.5μmより厚いと、第1のAl系配線膜によりコンタクトホール上部が狭くなり、第2のAl系配線膜9bが入りにくくなるという問題がある。また、第2のAl系配線膜9bの膜厚が0.17μmより薄いと、第2のAl系配線膜厚が不足し、且つ、Alリフローに十分な時間が与えられないので、ボイドが生じるという問題がある。
【0026】
このとき、第2のTi膜8と第1のAl系配線膜9aが反応して、Ti−Al合金膜8aとなる。この結果、コンタクトホール4内にボイドなく、拡散層2にスパイクなく、Al系配線膜9bによって埋め込まれる。
【0027】
改質されたTiN膜6aとTi膜8との間に別途TiN膜7を形成する理由は、TiN膜6aの膜中もしくは膜表面に含まれる酸素によってTi膜8が酸化され、Al系合金膜9との濡れ性が悪化し、ボイドが生じるのを防ぐことにある。また、TiN膜7上にさらにTi膜8を形成するのは、TiN膜単独では、Ti膜と比べると濡れ性が悪いので、0.5μm程度のコンタクトホール径ではある程度ボイドが生じてしまうからである。
【0028】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、Al系合金材料を0.5μm程度のコンタクトホールに埋め込む際、コンタクトホール内にボイドを発生することなく、かつ、拡散層スパイクを発生することなく埋め込むことができる。
【0029】
また、請求項2に記載の本発明を用いることにより、より濡れ性のよい層であるTi膜の酸化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造工程図である。
【図2】第1の従来技術の半導体装置の製造工程図である。
【図3】第2の従来技術の半導体装置の製造工程の一部断面図である。
【図4】従来技術の課題の説明に供する図である。
【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 第1のTiN膜
6a 改質TiN膜
7 第2のTiN膜
8 第2のTi膜
9a 第1のAl系配線膜
9b 第2のAl系配線膜
Claims (2)
- 表面に拡散層が形成されたシリコン基板上に堆積した層間絶縁膜に0.5μm程度の径のコンタクトホールを形成する工程と、
バリアメタルとしての第1の高融点金属膜及び厚さ0.15〜0.22μmの第1の窒化チタン膜を形成し、酸素及び窒素雰囲気で熱処理することにより、上記第1の窒化チタン膜のバリア性を向上させる工程と、厚さ0.06〜0.08μmの第2の窒化チタン膜及び第2の高融点金属膜及び第1のアルミニウムを含む配線膜を順次同一雰囲気中で、大気にさらすことなく形成した後、第2のアルミニウムを含む配線膜を上記コンタクトホールに埋設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。 - 上記第1の高融点金属膜及び第2の高融点金属膜はチタンであ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。
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