JP3963494B2 - 半導体装置およびその形成方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置およびその形成方法に係り、特にコンタクトホールやブァイアホールなどのような開口部を埋没する半導体装置およびその形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の配線方法は半導体装置の速度、収率および信頼性を決める要因となるために、半導体製造構造中で最も重要な位置を占めている。従来の集積度の低い半導体装置において、金属の段差塗布性は大きく問題にならなかった。ところが、最近半導体装置の高集積化に応じて接触口の直径はハーフミクロン程度に非常に小さくなり、半導体基板に形成された不純物注入領域は一層薄くなった。したがって、従来のアルミニウムを利用して配線を形成する方法は、１μｍ以下の接触口が埋め立てにくく、ボイドが形成され金属配線層の信頼性を低下させるために改善する必要性がある。
【０００３】
半導体初期段階では純粋アルミニウムを使用して金属配線層を形成したが、アルミニウム層はシンタリング段階で温度が上がるにつれてシリコン基板からシリコン原子を吸収して接合スパイキングを発生するために、アルミニウムをシリコンで過飽和させたＡｌ−１％Ｓｉが金属配線層の材料として広く用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、このようなＡｌ−１％Ｓｉを使用して半導体装置の配線を形成する場合、約４５０℃以上の温度で熱処理する時にＡｌ膜中のシリコンが析出されＳｉ残査を形成し、接触口ではシリコン粒子固相エピタキシャル成長を通じてＳｉ−ノジュールが形成され配線の抵抗や接触抵抗を増加させる。金属配線層とシリコン基板間の前記のような反応によるＡｌスパイキングやＳｉ残査またＳｉーノジュールの形成を防止するために、配線層とシリコン基板または絶縁層の間に拡散防止膜を形成するのが公知されている。例えば、米国特許第４，８９７，７０９号（横山等）では拡散防止膜として窒化チタン膜を接触口の内壁に形成する方法が記載されている。また、日本国特許公開公報第６１−１８３９４２号では障壁層として高融点金属膜（Ｔｉ）と窒化チタン膜（ＴｉＮ）からなる二重膜を形成し熱処理して、半導体基板と接続する接触口の底部でＴｉ層は半導体基板と反応して熱的に安定した化合物で構成された高融点金属シリサイド層を形成することにより、障壁効果を向上させるのが開示されている。通常、このような拡散防止膜は窒素雰囲気でアニーリングする工程を行う。拡散防止膜をアニーリングしない場合は４５０℃以上の温度でアルミニウムやアルミニウム合金をスパッタリングするとか、以後にシンタリングする場合に接合スパイキング現象が発生して望ましくない。前記拡散防止膜として通常窒化チタン（ＴｉＮ）膜やＴｉＷ（Ｎ）膜が用いられている。前記ＴｉＮ膜やＴｉＷ（またはＴｉＷＮ膜）などは薄膜形成時にアルミニウムやシリコンの拡散を完璧に防止することのできない微細組織上の欠陥や粒子境界が存する。
【０００５】
また、Ｊ．Ｂ．スチメルとＢ．Ｎ．メロトラは“酸素スタッフィング”方法によって粒子境界での拡散経路を遮断させる方法を提案した（参照文献：“Effects of Oxygen on Reactively Sputtered TiN Film" by J. B. Stimmel and B. N. Mehrotra, in Tungsten and Other Refractory Metals for VLSI Application III., V.A.Wells. ed, pp.375〜382, Materials Research Society, 1988)。一般に、ＴｉＮを蒸着した後に大気に露出させると、大気中の酸素により少量の酸素が混入され拡散障壁効果が高まる。これをスタッフィング効果という。スチメルとメロトラはかれらの論文で酸素は粒子境界だけでなく障壁金属の表面で“酸化物の形態に存在する”と教示しており、スタッフィング効果を例示していることが判る。
【０００６】
ところが、ＴｉまたはＴｉＮを蒸着して障壁層を形成した後、大気に露出させたり、酸素を混入させＴｉＮを蒸着したり、酸素の混入された窒素雰囲気でアニーリングする場合に接触抵抗が増加することができる。したがって、大気露出時間、蒸着時の酸素混入量、アニーリング時の酸素混入量および温度などの条件に応じてＴｉＮ膜の障壁特性が変化する。障壁金属のアニーリングは４５０〜５５０℃の温度でＮ2 雰囲気下で３０〜６０分間行うのが最適であると知られている。
【０００７】
しかしながら、拡散防止膜をアニールさせる時に誘導される酸素スタッフィング効果は拡散防止膜の表面の酸化をもたらして、後続の工程でアルミニウムを使用して接触口を埋没しようとする時に接触性などの問題を発生して半導体装置の信頼性に阻害要因として作用する。このような阻害要因を抑制するために、金属膜の湿潤性を向上させる湿潤層の挿入およびシリル化層の形成と水素化処理後に接触口を埋没させる方法などが提案されたことがある。
【０００８】
また、ヒガタマサフミは障壁金属とアルミニウム配線との湿潤性を向上させ、配線の質と収率を向上させるために、障壁層であるＴｉＮ層を熱処理した後、ＳｉやＯ2 をイオン注入する方法を提示した（日本国特許公開公報第８８−１７６０３５号）ことがあり、ヒロシ等（ＶＭＩＣ１７０〜１７６、１９９１）はアルミニウムスパッタ前にＴｉを蒸着した後、連続して高温アルミニウムを蒸着して０．５μｍ、アスペクト比１．６のブァイアホールを埋め立てたが、Ｔｉが薄い場合は埋め立て効果が少なくなると発表した。
【０００９】
しかしながら、接触口が０．５μｍ以下に小さくなるにつれて従来の技術では接触口が完全に埋没されなくなり、接触口内に空いたボイドを作って信頼性が低下することもできる。
【００１０】
図１〜図３は従来の開口部（コンタクトホール）埋没配線構造を示す断面図である。
【００１１】
先ず、図１〜図３を参照して従来のコンタクトホール埋没配線構造を説明することにする。
【００１２】
半導体基板２上にソース／ドレイン領域となる不純物拡散領域４が形成されており、前記結果物上に不純物拡散領域４の表面一部を露出させるコンタクトホール（開口部）６を有する絶縁層８が形成されている。ここで、ＭＯＳ構造においてゲート電極構造については説明の便宜上示されていない。前記コンタクトホール６の側面、コンタクトホール６によって露出された前記不純物拡散領域４および前記絶縁層８上にオーミックコンタクト層であるＴｉ層（図示せず）と拡散防止膜であるＴｉＮ層１０が順に形成されている。そして、前記ＴｉＮ層１０上にはコンタクトホールを埋没しながらＡｌ層１２が形成されている。
【００１３】
一方、前記従来のコンタクト埋没配線構造は次のように製造する。
【００１４】
先ず、半導体基板２上に通常のＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）方法によってフィールド酸化膜（図示せず）を形成した後、前記フィールド酸化膜の間の半導体基板２に不純物を注入してソース／ドレイン領域を形成するための不純物拡散領域４を形成する。
【００１５】
次に、前記結果物上に通常のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法によって酸化シリコンＳｉＯ2 のような絶縁物質を蒸着して絶縁層８を形成する。次いで、前記絶縁層８上にコンタクトホール６の形成のためのフォトレジストパターン（図示せず）を形成し、前記フォトレジストパターンを蝕刻マスクとして前記不純物拡散領域４が露出されるまで前記絶縁層８を蝕刻して開口部６を形成する。次に、前記開口部６の側面、開口部６により露出された前記不純物拡散領域４および前記絶縁層８上にスパッタリング方法によって３００〜９００Å厚さでＴｉを蒸着してオーミックコンタクト層であるＴｉ層（図示せず）を形成した後、前記Ｔｉ層上にスパッタリング方法によって６００〜２０００Å厚さで拡散防止膜であるＴｉＮ層１０を形成する。
【００１６】
次に、前記結果物上にスパッタリング方法によってＡｌを蒸着して開口部６を埋没するＡｌ層１２を形成する。
【００１７】
以上の従来のコンタクト埋没配線構造およびその形成方法において、オーミックコンタクト層であるＴｉ層、拡散防止膜であるＴｉＮ層１０およびＡｌ層１２は主としてスパッタリング方法により形成されるが、既存のスパッタリング方法による蒸着はコンタクトホールのアスペクト比が増えるにつれて、図１および図２に示したようにボイド１４を形成するようになり素子の信頼性を低下させる。また、従来の技術によると、Ａｌ層の段差塗布性が不良になり、配線の短絡を誘発させることにより、素子の信頼性を低下させる。
【００１８】
図４は前記図１〜図３の拡散防止膜上にアルミニウムを蒸着する時にアルミニウム膜の初期核生成を説明するために示した図であり、側壁部分に形成されるアルミニウム膜の初期核生成を説明するために障壁部分を詳細に拡大して示した図を含める。
【００１９】
参照符号１０はＴｉＮ層、１０ａはＴｉＮグレン、１２はＡｌ層、１２ａはＡｌグレンを示す。
【００２０】
図４を参照して開口部の側壁に形成されるＴｉＮ層の性質およびアルミニウム層の表面形態を説明する。
【００２１】
先ず、開口部の側壁部位に形成されたＴｉＮ層の表面は蒸着時にターゲットと通常垂直状態に置かれているので、スパッタされた原子の数が相対的に少なく蒸着される。特に、このような傾向はコリメーション技術を使用した時に著しく現れる。また、ＴｉＮは（１１１）方向へ成長しようとする傾向があるので、図４に示したように柱状のグレンを有する。
【００２２】
一方、スパッタリング方法やＣＶＤ方法で得られるＴｉＮ層は通常に非晶質でないので、特にスパッタされた原子の数が相対的に少なく形成される接触口の側壁部分では粗い表面を持つようになる。したがって、粗い拡散防止膜の側壁に形成されるアルミニウム原子の初期蒸着特性が不良になる。言い換えれば、相対的に大きいＴｉＮグレンの周辺ではアルミニウムの核生成が均一に生じることなく図４に示したようにアルミニウムが不均一で不連続的に蒸着される。
【００２３】
したがって、後続の工程のアルミニウムを蒸着して熱処理しても接触口では前記図４に示したようにボイドが発生する。このような接触口内でのボイドは高い段差を有する接触口ではさらに生じやすくなり、前述したように半導体装置の信頼性を低下させる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、拡散防止膜の平滑な表面を形成させ高段差の接触口を効果的に埋没できる半導体装置を提供することにある。
【００２５】
本発明の他の目的は、前記拡散防止膜の表面がグレン境界なく滑らかな半導体装置を製造するのに適合する方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を達成するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、その内部に形成された開口部を含む絶縁層と、前記開口部の両側壁に、高融点金属または高融点金属化合物を成膜後、別途当該高融点金属または高融点金属化合物の表面を不活性ガス中でプラズマ印加により平滑化した拡散防止膜と、前記拡散防止膜上に形成されている金属層と、を具備することを特徴とする半導体装置である。
【００２８】
また本発明の半導体装置において、前記高融点金属はＴｉであり、高融点金属化合物はＴｉＮであることを特徴とする。
【００２９】
また本発明の半導体装置において、前記開口部は、前記半導体基板の不純物拡散領域を露出するコンタクトホールまたは前記半導体基板上に形成された下部導電層を露出するブァイアホールであることを特徴とする。
【００３０】
また本発明の半導体装置において、前記金属層は、ＡｌまたはＡｌ合金であることを特徴とする。
【００３１】
また、上記目的を達成するための本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、その内部に形成された開口部を含む絶縁層と、前記開口部の両側壁に、高融点金属または高融点金属化合物を成膜後、別途当該高融点金属または高融点金属化合物の表面を不活性ガス中でプラズマ印加により平滑化した拡散防止膜と、前記拡散防止膜の形成されている前記開口部に埋没された金属層と、を具備することを特徴とする半導体装置である。
【００３２】
また、上記目的を達成するための本発明は、半導体基板上に絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層に開口部を形成する段階と、前記絶縁層、前記開口部を通じて露出された基板および前記開口部の側壁に、拡散防止膜となる高融点金属または高融点金属化合物を形成する段階と、前記開口部の両側壁に形成された拡散防止膜の表面に不活性ガス中でプラズマ印加する段階と、前記プラズマ印加された拡散防止膜上に金属層を形成する段階と、を具備することを特徴とする半導体装置の形成方法である。
【００３３】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記プラズマは、不活性ガスを利用したＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマまたはＭＥプラズマ装置を利用して形成することを特徴とする。
【００３４】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記不活性ガスに水素を添加してプラズマ処理効果を増大させることを特徴とする。
【００３５】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記金属層をＣＶＤ方法で形成することを特徴とする。
【００３６】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記拡散防止膜を形成する段階後に熱処理する段階をさらに具備することを特徴とする。
【００３７】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記金属層を形成する段階後に熱処理して前記開口部を埋没させる段階をさらに具備することを特徴とする。
【００３８】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記開口部を埋没させる段階後に第２の金属層をさらに形成することを特徴とする。
【００３９】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記金属層を第１の温度で１次蒸着した後、第２の温度で２次蒸着させることを特徴とする。
【００４０】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記第１の温度は前記第２の温度より低いことを特徴とする。
【００４１】
また、上記目的を達成するための本発明は、半導体基板上に絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層に開口部を形成する段階と、前記絶縁層、前記開口部を通じて露出された基板および前記開口部の側壁に第１拡散防止膜となる高融点金属または高融点金属化合物を形成する段階と、前記開口部の両側壁に形成された第１拡散防止膜の表面に不活性ガス中でプラズマ印加する段階と、前記プラズマ印加された第１拡散防止膜上に第２拡散防止膜を形成する段階と、前記第２拡散防止膜の形成された基板の全面に金属層を形成する段階と、前記金属層を熱処理して前記開口部を埋没する段階と、を具備することを特徴とする半導体装置の形成方法である。
【００４２】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記第２拡散防止膜を形成する段階後に連続して真空を破らず前記金属層を形成することを特徴とする。
【００４３】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記金属層を形成する段階後に第２の金属層をさらに形成することを特徴とする。
【００４４】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記第２拡散防止膜を形成する段階後に熱処理する段階をさらに具備することを特徴とする。
【００４５】
また本発明の半導体装置の形成方法において、前記第１拡散防止膜の表面をプラズマ印加する段階後に熱処理する段階をさらに具備することを特徴とする。
【００４６】
また、上記目的を達成するための本発明は、半導体基板上に絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層に開口部を形成する段階と、前記絶縁層、前記開口部を通じて露出された基板および前記開口部の側壁に第１拡散防止膜となる高融点金属または高融点金属化合物を形成する段階と、前記開口部の両側壁に形成された第１拡散防止膜の表面に不活性ガス中でプラズマ印加する段階と、前記プラズマ印加された第１拡散防止膜上に第２拡散防止膜を形成する段階と、前記第２拡散防止膜の形成された基板の全面に高温スパッタリングして前記開口部に金属層を埋没させる段階と、を具備することを特徴とする半導体装置の形成方法である。
【００４７】
【作用】
上述のように構成された請求項１〜２０に記載の本発明の半導体装置およびその形成方法は、滑らかな拡散防止膜の側壁に形成される金属層、すなわちアルミニウム層がアルミニウム原子の初期蒸着特性の良さにより、アルミニウム膜の段差塗布性が良好であり、均一で連続的な膜に蒸着される。
【００４８】
【実施例】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施例をさらに詳細に説明する。
【００４９】
先ず、図５を参照して本発明による半導体装置の構造を説明する。
【００５０】
図５を参照すれば、半導体基板３１にソース／ドレイン領域になる不純物拡散領域３３が形成されている。ここで、本発明の説明をより明らかにするために、ＭＯＳ構造でのゲート領域に対する図示と説明は略することにする。前記不純物はＮ＋あるいはＰ＋のうちのいずれか１つであり得る。前記不純物拡散領域の左右にはフィールド酸化物がさらに形成されることもできる。ここで、前記半導体基板３１に形成された不純物拡散領域３３はコンタクトホールやブァイアホールのような開口部の下部のシリコン層に上部導電層を埋没する埋没構造を提供しようとする本発明の目的を達成するのに適したシリコン層の例示に過ぎない。一例に、前記半導体基板に形成された不純物拡散領域３３は半導体基板上の任意の下部構造物上に形成されたポリシリコン層のような下部導電層（図示せず）に代替されることができる。この時、後述する本発明のコンタクトホール埋没構造に関する実施例は前記下部導電層上に形成されたブァイアホールの埋没構造にそのまま適用され得る。
【００５１】
前記結果物上に前記不純物拡散領域を露出させる開口部（接触口）を有する絶縁層３５が形成されている。前記絶縁層３５は酸化シリコンのような絶縁物質からなる。前記開口部は半導体基板の不純物拡散領域３３を露出するコンタクトホールだけでなく、半導体基板上に形成されたポリシリコン層のような下部導電層を露出するブァイアホールであり得る。
【００５２】
次に、前記開口部の側面、開口部により露出された前記不純物拡散領域３３および前記絶縁層３５上にＴｉ層（図示せず）を形成した後、前記Ｔｉ層上に拡散防止膜であるＴｉＮ層３７を形成する。次いで、前記結果物上にスパッタリング方法によってＡｌを蒸着して開口部を埋没する金属層４１を形成する。
【００５３】
図５は開口部の側壁に形成された拡散防止膜および金属層を拡大して金属層の初期核生成を説明するための図を含めている。本発明の特徴要素として開口部内部の側壁にグレン境界（grain boundary）のない平滑な拡散防止膜３７が形成されている。このように滑らかな拡散防止膜３７の側壁に形成されるアルミニウム原子の初期蒸着特性が良好である。言い換えれば、均一なＴｉＮグレンまたは平滑なＴｉＮの表面によりアルミニウム膜の核生成が均一に起こり、したがって、アルミニウム膜が従来の技術とは異なって均一で連続的に蒸着されている。
【００５４】
（実施例１）
図６Ａ〜図６Ｄは本発明による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示す断面図であり、前記図６Ｂおよび図６Ｃは開口部の側壁に形成された拡散防止膜の表面を説明するために拡大して示した図を含む。
【００５５】
図６Ａは半導体基板３１上に開口部を有する絶縁膜３５を形成する段階を示す。
【００５６】
半導体基板３１上に通常のＬＯＣＯＳ方法によってフィールド酸化膜（図示せず）を形成した後、前記フィールド酸化膜３２の間の半導体基板３１にＮ＋またはＰ＋不純物を注入してソース／ドレイン領域を形成するための不純物拡散領域３３を形成した。ここで、前記フィールド酸化膜の形成工程は任意的であり、前述したように、前記不純物拡散領域は本発明の目的に応じてポリシリコン層のような任意のシリコン層に代替され得る。
【００５７】
次に、前記結果物上に通常のＣＶＤ法により酸化シリコンＳｉＯ2 のような絶縁物質を蒸着して絶縁物質層を形成した。前記絶縁物質層は含燐含硼素ガラス（ＢＰＳＧ）を使用して形成し、約０．８μｍ〜１．６μｍの厚さで形成した。次いで、前記絶縁物質層上に開口部の形成のためのフォトレジストパターン（図示せず）を形成し、前記フォトレジストパターンを蝕刻マスクとして前記不純物拡散領域３３が露出されるまで前記絶縁物質層を蝕刻して開口部を有する絶縁層３５を形成した。
【００５８】
図６Ｂは前記開口部の形成された基板の全面に拡散防止膜３７を形成する段階を示す。
【００５９】
絶縁層３５の全表面、開口部６６の内面および半導体基板６１の露出された表面上に拡散防止膜３７を形成した。より詳細には、２ｍＴｏｒｒのアルゴン雰囲気でスパッタリング方法によりチタン（Ｔｉ）を約２００〜３００Åの厚さで蒸着してＴｉ層を形成したり、アルゴンのガス量（ガス流速）が３０〜５０ｓｃｃｍ、窒素のガス量（ガス流速）が５０〜８０ｓｃｃｍの条件下でスパッタリング方法によってチタンナイトライドを約３００〜５００Åの厚さで蒸着して拡散防止膜３７を形成した。前記Ｔｉ層を蒸着する際の蒸着速度は約５００Å／ｍｉｎとする。また、蒸着時に基板の温度はＴｉ蒸着やＴｉＮ蒸着の両方とも２００℃である。
【００６０】
特に、前記Ｔｉ層やＴｉＮ層を蒸着する時にコリメータ技術を使用することもでき、コリメータの大きさは５／８インチ、アスペクト比は１．５対１である。また、開口部の側壁に形成されたＴｉＮ層の表面状態は図６Ｂに示したように、特にスパッタされた原子の数が相対的に少なく形成される接触口の側壁では粗い表面を有するようになる。
【００６１】
図６ＣはＴｉＮ層３７の表面をプラズマ印加する段階を示す。
【００６２】
前記ＴｉＮ層３７の表面をアルゴンプラズマを利用してプラズマ印加するが、前記プラズマ印加はＥＣＲプラズマを利用したりＲＦプラズマまたはＭＥプラズマ装置を利用して行う。
【００６３】
具体的に、前記アルゴンプラズマを利用した蝕刻は側壁に形成されたＴｉＮ層とアルゴンイオン（Ａｒ＋）の衝突またはＴｉＮ層でアルゴンイオンの運動量の吸収を通じてＴｉＮ層が削られるようになり、表面の滑らかなＴｉＮ層３９ｂと滑らかでないＴｉＮ層３９ａを形成した。
【００６４】
先ずＥＣＲプラズマを利用してプラズマ印加する方法を説明する。
【００６５】
ＥＣＲプラズマを利用して８０ｗａｔｔ（約−５０Ｖ）のＲＦバイアスを印加した状態でＴｉＮ層３７の表面をプラズマ印加する。より詳細に、ＥＣＲプラズマ装置はマイクロウェーブパワー１ｋｗ（マグネトロン周波数２．４５ＧＨｚ）、アルゴン圧力５ｍＴｏｒｒ、基板の温度は常温の条件で工程を遂行した。前記プラズマ印加では基準酸化膜ＳｉＯ2 が１００Å蝕刻される時にＴｉＮ層は約３０Å蝕刻される。特に、ＥＣＲプラズマ装置を使用する場合、基板にバイアスを小さく印加できるという長所があり、水素添加による表面処理効果も増加され得る。
【００６６】
次に、ＲＦプラズマまたはＭＥプラズマ装置を利用してプラズマ印加する方法を説明する。前記スパッタリング装置は１３．５６ＭＨｚの周波数、９６０Ｖのバイアス電圧、７ｍＴｏｒｒのアルゴン雰囲気および基板の温度は２００℃の条件下でプラズマ印加を行った。この際、プラズマ印加は酸化膜ＳｉＯ2 １００Åを基準として蝕刻し、また１００Å以上に蝕刻してもその効果は同様である。
【００６７】
その結果、図６Ｃに示したように、開口部の側壁に形成されたＴｉＮグレンの粗い表面がプラズマ印加され滑らかな表面を有するＴｉＮ層が形成される。
【００６８】
図６Ｄは開口部を埋没する金属層４１を形成する段階を示す。
【００６９】
具体的に、前記開口部の側壁、開口部により露出された前記不純物拡散領域３３上にスパッタリング方法によってＡｌを蒸着して開口部を埋没する金属層４１を形成した。この時、前記金属層４１の蒸着は蒸着温度２００℃、アルゴン圧力４ｍＴｏｒｒで遂行して蒸着速度５０〜１５０Å／秒に調節した。さらに望ましくは蒸着速度を１２５Å／秒に調節する。前述したように、平滑なＴｉＮ層上に形成されるＡｌ層は均一な核生成がなされるために、蒸着特性および段差被覆特性が向上する。
【００７０】
一方、より優れた段差被覆性を得るために、前記Ａｌ金属層を１００℃以下の温度で５０〜１５０Å／秒の蒸着速度でアルミニウムを１次蒸着した後、２００℃以上の温度で１００〜１５０Å／秒の高い蒸着速度で蒸着させることができる。この場合、低温での優れた段差被覆性と高温での原子流動度との向上効果を同時に得ることができる。
【００７１】
（実施例２）
図７Ａ〜７Ｃは本発明による半導体装置の配線層形成方法の第２実施例を示す断面図である。
【００７２】
第２実施例は金属層を低温で形成し真空熱処理する段階を除いては前記第１実施例と同様である。前記第１実施例と同様の符号は同様の部材を示す。
【００７３】
先ず、第１実施例の図６Ａ〜６Ｃの段階は同様の手順で施す。
【００７４】
図７Ａは第１金属層４３ａを形成する段階を示す。具体的に、開口部の側壁、開口部により露出された基板および拡散防止膜上にＡｌまたはアルミニウム合金（例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）からなる第１金属層４３ａを形成した。前記第１金属層４３ａはＤＣマグネトロン装置を利用して２００℃以下、望ましくは２５℃の温度、真空度５．０Ｅ−７Ｔｏｒｒ以下、望ましくは５．０Ｅ−８Ｔｏｒｒ以下で１００Å／秒の蒸着速度で形成した。
【００７５】
また、前記第１金属層４３ａを形成する時に、開口部の入口でオーバハング現象を減らすために２ｍＴｏｒｒ以下の真空度で低圧スパッタリングやコリメーション工程を使用することができる。
【００７６】
図７Ｂは前記形成された第１金属層４３ａを熱処理する段階を示す。
【００７７】
具体的に、前記開口部に形成された第１金属層４３ａを前記ＤＣマグネトロン装置の温度を上げたり他の高温のチェインバに移送させ真空熱処理する。前記真空熱処理は前記第１金属層４３ａを形成させた後、真空ブレーキなく前記アルミニウム合金の溶融点の０．５〜０．９の温度、例えば４５０℃以上の高温で１０ｍＴｏｒｒ以下のアルゴン雰囲気、窒素雰囲気あるいは還元性雰囲気で２分間加熱することにより、低温スパッタリングされたアルミニウム合金の原子を移動させ、前記図７Ｂに示したように開口部を埋没するようになり埋没された第１金属層４３ｂを形成した。この際、蒸着時や真空熱処理時の真空度が向上するにつれ熱処理の温度が低くなり得る。
【００７８】
図７Ｃは前記埋没された第１金属層４３ｂ上に第２金属層４７を形成する段階を示す。具体的に、前記埋没された第１金属層４３ｂ上に前記第１金属層４３ａと同様の物質で第２金属層４７を形成した。しかしながら、前記第２金属層４７の形成は前述したオーバハング現象が少なく発生する場合は前記第１金属層４３ａを所望の厚さに形成した後、熱処理して開口部を埋没することができるので、前記第２金属層４７を形成する段階は不要であり得る。
【００７９】
（実施例３）
図８Ａ〜８Ｃは本発明による半導体装置の配線層形成方法の第３実施例を示す断面図である。
【００８０】
第３実施例は第１金属層４３ｃ，４３ｄを形成する時に、２００℃以下の低い温度で金属物質を１次で蒸着した後、４００℃以上の高温で２次で蒸着することを除いては前記第２実施例と同様である。前記第２実施例と同様の符号は同様の部材を示す。
【００８１】
先ず、第１実施例の図６Ａ〜６Ｃ段階は同様の手順で施す。
【００８２】
図８Ａは第１金属層４３ｃ，４３ｄを形成する段階を示す。
【００８３】
開口部の側壁、開口部により露出された基板および拡散防止膜上にＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕからなる第１金属層４３ｃ，４３ｄを形成した。具体的に、前記第１金属層４３ｃ，４３ｄは２００℃以下の低い温度で所望の厚さ（総厚さ）の１／２以下を前記１次でＡｌまたはＡｌ合金（例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）を蒸着した後、４００℃以上の高温、望ましくは４５０℃の温度で２次でＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕを蒸着して第１金属層４３ｃ，４３ｄを形成した。この際、蒸着速度は２００℃以下の低温では１００Å／秒以下、４００℃以上の高温では１５０Å／秒の速度で行う。
【００８４】
図８Ｂは前記形成された第１金属層４３ｃ，４３ｄを熱処理する段階を示す。具体的に、前記開口部に形成された第１金属層４３ｃ，４３ｄをＤＣマグネトロン装置の温度を上げたり他の高温のチェインバに基板を移送させ真空熱処理する。このような真空熱処理はアルミニウム膜表面の原子が移動して図８Ｂに示したように開口部を埋没するようになり、埋没された第１金属層４３ｅを形成した。この際、蒸着時や真空熱処理時の真空度が向上するにつれて熱処理の温度が低くなり得る。
【００８５】
図８Ｃは前記埋没された第１金属層４３ｅ上に第２金属層４９を形成する段階を示す。具体的に、前記埋没された第１金属層４３ｅ上に前記第１金属層４３ｃ，４３ｄと同様の物質で第２金属層４９を形成した。
【００８６】
前記第２金属層４９の形成は、前述したオーバハング現象が少なく発生する場合には前記第１金属層４３ｂを所望の厚さに形成した後、熱処理して開口部を埋没することができるので、前記第２金属層４９を形成する段階は不要であり得る。
【００８７】
（実施例４）
第４実施例は前記第３実施例の第２金属層の形成後に再び２次真空熱処理する段階を除いては前記第３実施例と同様である。
【００８８】
具体的に、前記第３実施例の工程を順に進んだ後、２次真空熱処理を施す。前記２次真空熱処理は前記１次真空熱処理の温度、例えば４５０℃と同様であったり低い温度で施す。
【００８９】
（実施例５）
図９Ａ〜９Ｃは本発明による半導体装置の配線層形成方法の第５実施例を示す断面図であり、図９Ａは開口部の側壁に形成された拡散防止膜の表面を説明するために拡大して示した図を含む。
【００９０】
第５実施例は第１金属層を形成する前に第２拡散防止膜を形成することを除いては前記第３実施例および第４実施例と同様である。また、第５実施例で前記第４実施例と同様の部材は同様の符号で表す。
【００９１】
先ず、第１実施例の図６Ａ〜６Ｃの段階は同様の手順で施す。
【００９２】
図９Ａは第２拡散防止膜４２および第１金属層４３ｆを形成する段階を示す。
先ず、図６Ｃの段階後、第１拡散防止膜を４５０℃の窒素雰囲気で熱処理して拡散防止膜の耐熱性を向上させる。前記耐熱性の向上は酸素スタッフィング効果と下部に形成されたＴｉ層のシリサイド化に起因する。言い換えれば、ＴｉＮ層の下部のＴｉが後に形成されるアルミニウムと反応する場合にＡｌ3 Ｔｉが形成され、約４５０℃でシリコンと約１５％程度の高溶解度を有するＡｌ3 Ｔｉにより接合スパイキング現象を生じやすい。したがって、ＴｉとＳｉとの反応を誘導してＴｉＳｉ2 ／ＴｉＮの状態にすれば拡散防止膜の耐熱性が向上する。また、熱処理後にも開口部の側壁での第１拡散防止膜であるＴｉＮの表面は平滑な状態を維持する。
【００９３】
次に、開口部の側壁、開口部により露出された基板および第１拡散防止膜上に湿潤性を向上させるためにＴｉまたはＴｉＮを１００〜２００Åの厚さで沈積させ第２拡散防止膜４２を形成した。特に、開口部の側壁の平滑な表面上に形成される第２拡散防止膜４２であるＴｉＮは非常に小さくて一定した大きさに形成される。
【００９４】
次にＡｌまたはアルミニウム合金、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕからなる第１金属層４３ｆを形成した。前記第１金属層は開口部の側壁の平滑な表面上に形成されるＴｉＮが非常に小さくて一定した大きさに形成されるために、第１金属層の形成初期の均一な核生成を得ることができ、これにより優れた被覆性を有する。前記第１金属層４３ｆは前記第３実施例および第４実施例と同様に２段階で金属層を形成させることもできる。
【００９５】
図９Ｂは前記形成された第１金属層４３ｆを熱処理する段階を示す。
【００９６】
具体的に、前記開口部に形成された第１金属層４３ｆを真空熱処理する。このような真空熱処理はアルミニウム膜表面の原子が移動して、図９Ｂに示したように開口部を埋没するようになり、埋没された第１金属層４３ｇを形成した。前記埋没された第１金属層はアルミニウムの蒸着初期の均一な核生成および優れた被覆性を有するようになり、熱処理時の埋没特性が向上して半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００９７】
また、前記第１金属層の形成後に熱処理による埋没方法以外に４００℃以上の高温スパッタリングにより埋没された第１金属層の形成も可能である。
【００９８】
図９Ｃは前記埋没された第１金属層４３ｇ上に第２金属層５１を形成する段階を示す。具体的に、前記埋没された第１金属層４３ｇ上に前記第１金属層４３ｇと同様の物質で第２金属層５１を形成した。
【００９９】
前記第２金属層５１の形成は、前述したオーバハング現象が少なく発生する場合は前記第１金属層４３ｇを所望の厚さに形成した後、熱処理して開口部を埋没することができるので、前記第２金属層５１を形成する段階は不要であり得る。
（実施例６）
図１０Ａ〜１０Ｃは本発明による半導体装置の配線層形成方法の第６実施例を示す断面図である。
【０１００】
第６実施例はＣＶＤ方法で第１金属層を形成した後、真空熱処理して開口部を埋没したりまたはアルミニウム合金をスパッタリングし真空熱処理して開口部を埋没することを除いては前記第２実施例〜第５実施例と同様である。前記第２実施例でと同一の符号は同一の部材を示す。
【０１０１】
先ず、第１実施例の図６Ａ〜６Ｃ段階は同様の手順で施す。
【０１０２】
図１０Ａは第１金属層４３ｈを形成する段階を示す。
【０１０３】
開口部の側壁、開口部により露出された基板および拡散防止膜上に、例えばＡｌからなる第１金属層４３ｈをＣＶＤ方法で形成した。より詳細にはアルミニウムまたはアルミニウム合金の蒸着は公知された通常のＣＶＤ方法により遂行することができる。
【０１０４】
例えば、トリイソブチルアルミニウム（Triisobutyl Aluminum、以下ＴＩＢＡという）、ＤＭＡＨ（Dimethyl Aluminum Hydride:（ＣＨ3 ）2 ＡｌＨ）などのような有機金属化合物をソースとして利用して遂行する。
【０１０５】
ＴＩＢＡを使用して蒸着する場合、コールドウォール型装置を使用し、ＴＩＢＡの流入時に気相温度は９０℃以下、望ましくは８４℃〜８６℃を維持し、担体ガスとしてはアルゴンのような不活性ガスをバブリングさせて使用する。この時、アルゴンガスの流速は約７リットル／ｍｉｎなのが望ましい。ＴＩＢＡの熱分解時に蒸着温度は約２５０℃程度であるが、蒸着速度が早くて望ましくない。蒸着速度は温度が下がれば減少するので、蒸着速度を低めるために、より低い温度で遂行することもできる。前記条件で蒸着速度は約１０００Å／ｍｉｎであり、接触口の大きさが０．２μｍの場合はＴＩＢＡを利用して約１分間アルミニウムを蒸着する。
【０１０６】
また、他の方法として、前記第１金属層４３ｈはＤＭＡＨなどのようなアルミニウム水素化物を使用して蒸着させる。この際、前記アルミニウム水素化物の熱分解を防止するために、低温で前記アルミニウム水素化物を保管し、蒸着工程は５０℃以上の温度で遂行する。不活性ガスであるアルゴンを利用してソースの気相状態を調節することができ、蒸着速度を落とすためには基板の温度を下げたり、またはソースの量を減少させる。アルミニウム水素化物を利用した蒸着方法は適切なソースを使用すれば蒸着温度を下げることができる。蒸着工程は０．０１ないし１０Ｔｏｒｒの圧力および５０〜１５０℃の反応チャンバで遂行する。
【０１０７】
前記ＣＶＤ方法による第１金属層４３ｈは開口部の側壁に形成された滑らかなＴｉＮ表面で形成されるために、図１０Ａに示したように被覆性よく形成される。 図１０Ｂは前記形成された第１金属層４３ｈを熱処理して開口部を埋没する段階を示す。
【０１０８】
具体的に、前記開口部に形成された第１金属層４３ｈを真空を破らず真空熱処理したり前記形成された第１金属層上にＡｌ合金、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕをスパッタリングして真空熱処理を施す。このような真空熱処理はアルミニウム膜表面の原子が移動して、図８Ｂに示したように開口部を埋没するようになり、埋没された第１金属層４３ｉを形成した。この際に、蒸着時や真空熱処理時の真空度が向上するにつれて熱処理の温度が下がり得る。
【０１０９】
一方、前記ＣＶＤ方法による第２金属層の形成時に開口部の大きさの１／２以上の厚さで蒸着する場合、継ぎ目なく開口部を埋没することができ前記真空熱処理を遂行せず開口部を埋没することができる。もし、継ぎ目が発生しても後の真空熱処理を通じて除去することができる。したがって、前記真空熱処理は選択的である。
【０１１０】
図１０Ｃは前記埋没された第１金属層４３ｉ上に第２金属層５３を形成する段階を示す。具体的に、前記埋没された第１金属層４３ｉ上に前記第１金属層４３ｉと同様の物質でスパッタリングにより第２金属層５３を形成した。または、前記埋没された第１金属層４３ｉ上に前記第１金属層４３ｉと同様の物質でスパッタリングにより第２金属層５３を形成した後に真空熱処理する。
【０１１１】
前記第２金属層５３の形成は前述したオーバハング現象が少なく発生する場合は前記第１金属層４３ｈを所望の厚さに形成した後、熱処理して開口部を埋没することができるので、前記第２金属層５３を形成する段階は不要であり得る。
【０１１２】
（比較例）
図１１および図１２は本発明によリプラズマ印加されたＴｉＮの表面と従来技術により蝕刻されていない状態のＴｉＮ表面を撮影した写真である。具体的に、図１１に示した本発明によるＴｉＮの表面はグレン境界がなく平滑な表面を持っており、図１２に示した従来技術によるＴｉＮの表面は粗い状態に観察された。
なお、以上の実施例においては、高融点金属としてＴｉをまた高融点金属化合物としてＴｉＮを用いたものであるが、本発明に用いられる高融点金属としては、例えばＭｏやＷなども可能であり、これらの化合物として、ＴｉＮやＴｉＷＮなどが用いられてもよい。また本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない範囲内において種々の改変をなし得ることはもちろんである。
【０１１３】
【発明の効果】
以上で説明したように、請求項１〜２０に記載の本発明によると、滑らかな拡散防止膜の側壁に形成される金属層、すなわちアルミニウム層がアルミニウム原子の初期蒸着特性の良さにより、アルミニウム膜の段差塗布性が良好であり、均一で連続的な膜に蒸着される。したがって、高段差の接触口をボイドなく効果的に埋没することができ、素子の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の開口部の埋没配線構造を示す断面図である。
【図２】 従来の開口部の埋没配線構造を示す断面図である。
【図３】 従来の開口部の埋没配線構造を示す断面図である。
【図４】 前記図１〜図３の拡散防止膜上にアルミニウムを蒸着する時、アルミニウム膜の初期核生成を説明するために示した図である。
【図５】 本発明による半導体装置の配線層の構造を説明するための図であり、開口部の側壁に金属層の初期核生成を説明するために拡大して示した図を含む図面である。
【図６】 （Ａ）〜（Ｄ）は本発明による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示す断面図であり、前記（Ｂ）および（Ｃ）は開口部の側壁に形成された拡散防止膜の表面を説明するために拡大して示した図を含む図面である。
【図７】 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明による半導体装置の配線層形成方法の第２実施例を示す断面図である。
【図８】 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明による半導体装置の配線層形成方法の第３実施例を示す断面図である。
【図９】 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明による半導体装置の配線層形成方法の第５実施例を示す断面図であり、前記（Ａ）は開口部の側壁に形成された拡散防止膜の表面を説明するために拡大して示した図を含む図面である。
【図１０】 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明による半導体装置の配線層形成方法の第６実施例を示す断面図である。
【図１１】 本発明によりプラズマ印加されたＴｉＮの表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１２】 従来技術による、プラズマ印加されていない状態のＴｉＮの表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
３１ 半導体基板
３３ 不純物拡散領域
３５ 絶縁層
３７ 拡散防止膜
４１ 金属層

Claims (20)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、その内部に形成された開口部を含む絶縁層と、
    前記開口部の両側壁に、高融点金属または高融点金属化合物を成膜後、別途当該高融点金属または高融点金属化合物の表面を不活性ガス中でプラズマ印加により平滑化した拡散防止膜と、
    前記拡散防止膜上に形成されている金属層と、を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記高融点金属はＴｉであり、高融点金属化合物はＴｉＮであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記開口部は、前記半導体基板の不純物拡散領域を露出するコンタクトホールまたは前記半導体基板上に形成された下部導電層を露出するブァイアホールであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記金属層は、ＡｌまたはＡｌ合金であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  5. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、その内部に形成された開口部を含む絶縁層と、
    前記開口部の両側壁に、高融点金属または高融点金属化合物を成膜後、別途当該高融点金属または高融点金属化合物の表面を不活性ガス中でプラズマ印加により平滑化した拡散防止膜と、
    前記拡散防止膜の形成されている前記開口部に埋没された金属層と、
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  6. 半導体基板上に絶縁層を形成する段階と、
    前記絶縁層に開口部を形成する段階と、
    前記絶縁層、前記開口部を通じて露出された基板および前記開口部の側壁に、拡散防止膜となる高融点金属または高融点金属化合物を形成する段階と、
    前記開口部の両側壁に形成された拡散防止膜の表面に不活性ガス中でプラズマ印加する段階と、
    前記プラズマ印加された拡散防止膜上に金属層を形成する段階と、
    を具備することを特徴とする半導体装置の形成方法。
  7. 前記プラズマは、不活性ガスを利用したＥＣＲプラズマ、ＲＦプラズマまたはＭＥプラズマ装置を利用して形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
  8. 前記不活性ガスに水素を添加してプラズマ処理効果を増大させることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の形成方法。
  9. 前記金属層をＣＶＤ方法で形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
  10. 前記拡散防止膜を形成する段階後に熱処理する段階をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
  11. 前記金属層を形成する段階後に熱処理して前記開口部を埋没させる段階をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
  12. 前記開口部を埋没させる段階後に第２の金属層をさらに形成することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の形成方法。
  13. 前記金属層を第１の温度で１次蒸着した後、第２の温度で２次蒸着させることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
  14. 前記第１の温度は前記第２の温度より低いことを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の形成方法。
  15. 半導体基板上に絶縁層を形成する段階と、
    前記絶縁層に開口部を形成する段階と、
    前記絶縁層、前記開口部を通じて露出された基板および前記開口部の側壁に第１拡散防止膜となる高融点金属または高融点金属化合物を形成する段階と、
    前記開口部の両側壁に形成された第１拡散防止膜の表面に不活性ガス中でプラズマ印加する段階と、
    前記プラズマ印加された第１拡散防止膜上に第２拡散防止膜を形成する段階と、前記第２拡散防止膜の形成された基板の全面に金属層を形成する段階と、
    前記金属層を熱処理して前記開口部を埋没する段階と、を具備することを特徴とする半導体装置の形成方法。
  16. 前記第２拡散防止膜を形成する段階後に連続して真空を破らず前記金属層を形成することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の形成方法。
  17. 前記金属層を形成する段階後に第２の金属層をさらに形成することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の形成方法。
  18. 前記第２拡散防止膜を形成する段階後に熱処理する段階をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の形成方法。
  19. 前記第１拡散防止膜の表面をプラズマ印加する段階後に熱処理する段階をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の形成方法。
  20. 半導体基板上に絶縁層を形成する段階と、
    前記絶縁層に開口部を形成する段階と、
    前記絶縁層、前記開口部を通じて露出された基板および前記開口部の側壁に第１拡散防止膜となる高融点金属または高融点金属化合物を形成する段階と、
    前記開口部の両側壁に形成された第１拡散防止膜の表面に不活性ガス中でプラズマ印加する段階と、
    前記プラズマ印加された第１拡散防止膜上に第２拡散防止膜を形成する段階と、
    前記第２拡散防止膜の形成された基板の全面に高温スパッタリングして前記開口部に金属層を埋没させる段階と、を具備することを特徴とする半導体装置の形成方法。
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