JPH02246159A - 半導体装置の配線構造及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、半導体装置に用いて好適な配線構造及びそ
の形成方法に関する。

（従来の技術） 半導体装置は通常下地（基板又はこの基板上に設けたエ
ピタキシャル層）に例えばンース及びトレインといった
電極領域を具え、この電極領域に配線層を接触させて設
けた構成となっている。この電極領域は、通常は、高濃
度不純物拡散層（以下単に高濃度不純物層という、）で
構成されており、半導体装置の微細化に伴ない、この高
濃度不純物層も益々薄層化してきている。このため、例
えばシリコンの下地の場合、従来のように金属配線層と
してアルミニウム（Ａｊ２）層をこの高濃度不純物層に
ｉｉＩ接接触させて設けた。徒、オーミックコンククト
を形成するためのＡβシンター処理を行うと、高濃度不
純物層が薄いため、Ａ１が高濃度不純物層と反応した時
にＡｆが高濃度不純物層を突き抜けて拡散してＰＮ接合
を破壊してしまう場合があった。その結果、半導体装置
の製造歩留りが著しく悪かった。

そこで、／ｌのこのような拡散を防ぐ目的でＡｆとシリ
コシの下地と４１層との闇に拡散バリア層としてＴｉ８
２層を設ける技術が提案されている（例えば文献Ｉ：ジ
ャーナル　オブ　バキューウム　サイエンス　テクノロ
ジー（Ｊａｒｎａｌｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　５ｃｉｅｎｃ
ｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ９ｙ）　、Ｂ　４　（６）、Ｎｏ
ｖ／Ｄｅｃ　（１９８６）　、ｐｐ　１４０９〜１４１
５）　。

この発明の説明に先立ち、この文献Ｉに開示されている
技術を用いて、拡散バリア層と金属配線層とから成る配
線構造を、シリコンの下地中の高濃度不純物層上に、設
ける方法につき、ＮＭＯ８構造の半導体装１１を例に挙
げて簡単に説明する。

第２図（Ａ）〜（Ｆ）はこの従来技術の説明図であって
、各図は半導体装置の製造の主要段階での断面図で示し
である。

先ず、下地１０としてのＰ型シリコン基板の表面上にＬ
ＯＣＯ８法によりフィールド酸化膜１２を形成した徒ド
ライ酸化によりゲート酸化膜１４を形成する（第２図（
Ａ））。

次に、これら両酸化膜１２及び１４上に減圧ＣＶＤ法に
よってポリシリコンを形成した後、このポリシリコンに
リンを拡散させてリンドープドポリシリコン層１６％形
成しく第２図（Ｂ）’）　、この層１６を、ホトリソグ
ラフィー技術及びエツチング技術を用いて、リンドープ
ドポリシリコンからなるゲート電極１８を形成する（第
２図（Ｃ））。

次に、このゲート電極１８をマスクとして用いてＡｓ令
ビイオン下地１０に注入した後、活性化のためのアニー
ルを例えば９００℃の温度で約３０分間行い、よってＮ
＋ソース及びトレイン電極領域として供する高濃度不純
物層２０及び２２を形成する（第２図（Ｄ））。

次に、この高濃度不純物層２０及び２２上の絶縁層（例
えばＢＰＳＧＪＩｌ闇絶締ＩＩＩ）２６１Ｆｒ設けた後
、この絶縁膜２６及び下側のゲート酸化１１１４にこの
高濃度不純物層２０及び２２の表面を少なくとも部分的
に露出する窓（又はコンタクトホール）２４を形成しく
第２図（Ｅ）’）　、その後に、この高濃度不純物層２
０の露出面及び絶縁層２６上に拡散バリア層２８として
Ｔｉ８２層を設け、続いてその上側に金属配線層として
／１層３０！設けた徒、これら両層２８及び３０のバタ
ーニシグを行って配線バクーンを形成し、第２図（Ｆ）
に示すような配線構造３２１ｖ得ていた。

このような配線構造３２であると、Ｔ　ｉ　Ｂ　２の拡
散バリア層２日によって上側のＡＩ２金属配線層３０の
Ａｆが下側の下地１０の高濃度不純物層２０及び２２中
へ拡散するのを防止することが出来るので、Ａｆが高濃
度不純物層２０及び２２を突き抜ける現象を抑えること
が出来る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、文献■：「シン　ソ　リ　ッ　ドフィル
ム（Ｔｈｉｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ）、　　１５３
、（１９８７）、ｐｐ３２９〜３３９」に、高温アニー
ルによってＴｉＢ２のボロン（Ｂ）がシリコンの下地中
にどの程度拡散するかの実験結果が示されている。

第３図は、この文献■に報告された実験結果を示すデー
タであって、横軸に下地表面からの深さ（ｕｍ）を採り
、及び縦軸にボロン濃度（原子／ｃｍ３）！採って示し
である。この実験では、シリコン下地上にＴｉ８２層を
形成した後、１０００”Ｃで１８０分間、窒素雰囲気中
でアニルを行ったものであり、曲線工で示すＢ＋＋のデ
ータ及び曲線■で示す３１０のデータからも明らかなよ
うに、測定器の測定限界である１ｏ１７原子／ｃｍ”程
度以上の濃度を示しているのは、表面からｌｕｍ強程度
の深さまでであり、この程度の深さまでボロン（Ｂ）が
拡散していることが分る。

このように、ボロン（Ｂ）がシリコン中へ′拡散すると
、下地１０中に形成されでいる高濃度不純物層２０．２
２及びＰＮＷｉ合等に悪影響を与える恐れがある。特に
、拡散バリア層２８を形成するＴ　ｉ　Ｂ　２の多結晶
の粒界からボロン（Ｂ）が偏析していると考えられるの
で、このボロンがその影響を及ぼす恐れが大である。

例えば、高濃度不純物層２０及び２２であるＮ◆リソー
ス極領域及びＮ◆ドレイシ電電極域域中ボロンが拡散す
ると、これら領域中のキャリア濃度がボロンによって相
殺される結果、第一に、ソース及びトレイン自体の抵抗
値が半導体装置の設計時の抵抗値よりも高くなってしま
い、そのため、このような半導体装Ｍを組み込んで形成
した回路では信号伝播速度の低下を招くという問題が生
じ、第二に、Ｔ　ｉ　８２層２８とソース及びトレイン
電極領域２０及び２２巻のオーミックコシタクトも不良
となり、そのため、設計通りのトランジスタの電流−電
圧特性が得られなくなるという問題が生じる。

また、ボロンが極端に高濃度の状態でこれらＮ◆ンース
及びトレインの高濃度不純物層２０及び２２中に拡散す
ると、これらＮ÷層２０及び２２とその下側のＰ基板１
０とが形成するＰｒ１１合が破壊されてＮ◆／Ｐ逆方向
リーク電流が発止し、このため、設計通りのトランジス
タ特性が得られないという問題が生じる。

この出願の発明者等は、上述した問題点に鑑み、種々の
研究と実験を行ったところ、配線構造を構成する拡散バ
リア層を、金属とボロンと窒素を含む材料で形成すれば
、上述した問題点の解決を図ることが出来ることを発見
した。

そこで、この発明の目的は、高濃度不純物層自体の抵抗
値、この高濃度不純物層と下地とのＰＮ接合及びオーミ
ックコシタクトに悪影響を及ぼさない、拡散バリア層を
有する配線構造及びその形成方法ヲ擾供することにある
。

（課ｌｉを解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明の半導体装置の配
線構造によれば、 配線構造を、下地中に形成された高濃度不純物層側に設
けた拡散バリア層とこの拡散バリア層上に設ゆた金属配
線層とを以って、構成し、及びこの拡散バリア層を金属
とボロンと窒素とを含む材料で構成した ことを特徴とする。

さらに、この発明の半導体装置の配線構造の形成方法に
よれば、 下地中に高濃度不純物層を設ける工程と、この高濃度不
純物層の表面の少なくとも一部分を露出させる窓を有す
る絶縁膜を形成する工程と、 この高濃度不純物層の露出面を含むこの絶縁膜上に金属
とボロンと窒素を含む拡散バリア層を設ける工程と、 この拡散バリア層上に金属配線層を設ける工程と、 この拡散バリア層及び金属配線層のバターニングを行う
工程と を具えることを特徴とする。

（作用） 上述した構成の配線構造によれば、金属とボロンと窒素
とを含む材料で拡散バリア層を構成しているので、後述
する実験結果からも明らかなように、ボロンが下側の高
濃度不純物層中へ拡散しないか、或いは拡散したとして
も上述した悪影響を及ぼさない程度の拡散量に抑えるこ
とが出来、従って、実質的に問題がない。

また、この発明の配線構造の形成方法によれば、配線構
造を構成する拡散バリア層を金属とボロンと窒素を含む
層として形成すれば良いので、その形成は簡単かつ容易
である。

（！ｉ！施例） 以下、図面を参照して、この発明の半導体装置の配線構
造及びその形成方法の実施例につき、併せて、説明する
。

第１図（Ａ）〜（Ｅ）は、この発明の配線構造及びその
形成方法の説明図で、配線構造の主要形成工程で得られ
た構造体の状態を断面図で概略的に示している。従って
、これら配線構造の構成部分の形状、寸法、配置１ｆｌ
ｌ係等は以下の実施例に限定されるものではない、また
、形成のための諸条件も特に言及する場合を除き、何等
実施例に限定されるものではない。

先ず、シリコンの下地５０例えばＰ型下地中に、従来既
知の任意好適な技術を用いて、高濃度不純物層５２であ
る例えばＮ”ソース或いはトレイン電極領域を設計に応
じた任意好適な層厚及び拡がりとなるように設ける（第
１図（Ａ））。

次に、この高濃度不純物層５２の表面の少なくとも一部
分を露出させる窓５４を有する絶縁層５６ｔｒ設計に応
じた任意好適な寸法、材料等で形成する（第１図（Ｂ）
）、例えばこの絶縁層５６を層間絶縁膜とし好ましくは
ＢＰＳＧで形成することも出来る。

次に、この高濃度不純物層５２の露出面を含む絶縁層５
６上に金属とポロンと窒素を含む拡散バリア層５８を設
ける（第１図（Ｃ））、この場合、この拡散バリア層５
８の形成により、窓５４に対応して穴６０が形成される
。この拡散バリア層５８の形成は種々の方法が考えられ
るが、これについては後述する。

次に、この拡散バリア層５８主に、スパッタ等の従来既
知の任意好適な技術を用いて、好ましくはこの穴６０を
埋め込むようにして、金属配線層６２例えばＡｊ２１１
を、設ける（第１図ＣＤ））。

次に、従来既知の任意好適な技術を用いて、これら拡散
バリア層５８及び金属配線層６２のバターニングを行っ
て配線構造を得る（第１図（Ｅ））。

尚、この実施例では、第１図（Ｃ）に示す如く、下地５
０の高濃度不純物層５２と絶縁層５６上に拡散バリア層
５８をＭＷｉ形成したが、この拡散バリア層５８と少な
くとも高濃度不純物層５２との間に、チタン又はジルコ
ニウムのような高融点金属の薄い層（図示せず）を設け
て下側のＮ◆層（高濃度不純物層）５２と合金化を図り
、コンタクト抵抗を小さくするようにしても良い。

次に、上述した拡散バリア層５８の形成方法につき説明
する。

この拡散バリア層は、既に説明したように、金属ＣＭ）
とボロン（Ｂ）と窒素（Ｎ）！含む材料で構成している
。この金属（Ｍ）は、適当に選定すれば良いが、好まし
くはこの金属（Ｍ）をＴｉとしてＴｉＢｘＮｙ膜を形成
するか、ＺｒとしてＺｒＢｘＮｙ膜を形成するか、又は
ＨｆとしてＨｆ８ｘＮｙｌｉを形成するのが良い。

この実施例では、好ましくは拡散バリア層５８をチタン
ポライド（ＴｉＢ２）に窒素をドーピングして得られた
ＴｉＢｘＮｙ膜として形成する。

とのＴｉＢｘＮｙ膜の形成方法は以下の方法が考えられ
る。

■Ｔｉ８２合金クーゲットをスパッター堆積するときに
、窒素ガス又は窒素含有ガスを導入する方法。

■Ｔｉｅ、合金クーゲウりをスパッター堆積するときに
、アンモニアガス又はアンモニア含有ガスを導入する方
法。

■Ｔｉと８の２つのクーゲットを用いてスパック−堆積
するときに、窒素ガス又は窒素含有ガスを導入する。

■Ｔｉと８の２つのクーゲットを用いてスパッター堆積
するときに、アシモニアガス又はアンモニア含有ガスを
導入する。

■Ｔ　ｉ　ＣＩＩ　ａとＢＣｕｓ！用いｊ、：ＣＶＤ法
でｉ素ガス又は窒素含有ガスを導入する方法。

■Ｔ　ｉ　ＣｆｌａとＢ　Ｃ４２ｓを用いたＣＶＤ法で
アンモニアガス又はアシモニア含有ガスを導入する方法
。

尚、上述した方法において、Ｔｉ以外の金属（Ｍ）の場
合には、Ｔｉの代わりにその金属（Ｍ）で置換出来る場
合には置換した材料を用いれば良い、また、上述した種
々の方法のいずれの方法を選択するかは設計に応じて定
めれば良い。

また、選択した方法の実施に際しての諸条件もまた、設
計に応じて任意に定めれば良い。

次に、従来のＴｉＢ２の拡散バリア層の場合及びこの発
明の一例である、チタン（Ｔｉ）とボロン（Ｂ）と窒素
（Ｎ）を含む、ＴｉＢｘＮｙ拡散バリア層の場合におけ
る各層のボロン（Ｂ）が下地のシリコン層にどの程度拡
散するかの比較実験を行った。

この実験のための試料を次のような条件の下で作製した
。

２つのシリコン基板を用意し、一方の基板上にＴｉ８２
層を２００ＯＡの膜厚で設け、他方の基板上にＴｉＢｘ
Ｎｙ層に同様に２００ＯＡの膜厚でスパッター法で堆積
させた。スパック−条件は、次の通りである。

■Ｔ　ｉ　Ｂ　２拡散バリア層の場合 Ａｒガスを５ｍＴｏ　ｒ　ｒとした雰囲気中で、ｒｆパ
ワーを１，６ＫＷとして行った。

■ＴｉＢｘＮｙ拡散バリア層の場合 Ｎ２ガスの分圧：　（Ｎ２　＋Ａｒ）ガスの全圧＝１：
５とし、（Ｎｚ＋Ａｒ）ガスの全圧を５ｍＴｏ　ｒ　ｒ
とし、ｒｆパワーを１，６ＫＷとして行った。

その徒、両試料をアルゴン（Ａｒ）中で１００℃の温度
で、１５０分闇７ニールを行った。

その後、それぞれの試料からＴ　ｉ　８２層及びＴｉＢ
ｘＮｙ層を除去してシリコン基板面ｖｉｉ出させ、二次
イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で、シリコン基板表面か
らその厚み方向のポロンのプロファイルを観察した。

第４図は、シリコン基板中でのポロンのＳ　、Ｉ　Ｍ　
Ｓプロファイルを示す図で、横軸にシリコン表面からの
深さ（μｍ）を取ってあり、縦軸にポロン濃度（原子／
　ｃ　ｍ　Ｓ　）を取って示しである０曲線■はＴｉ８
２層の場合であり、曲線■はＴｉＢｘＮｙ層の場合のプ
ロファイルをそれぞれ示している。これら曲線■及び■
からも理解出来るように、Ｔｉ８２層の場合には約１ｕ
ｍ程度の深さまでは約１０”（原子／ｃｍ”）以上のポ
ロン濃度となっているのに対し、ＴｉＢｘＮｙ層の場合
にはシリコン基板中の濃度は測定器の限界である約１０
”’（原子／ｃｍ”）程度以下であり、ポロンのシリコ
ン基板中への拡散が実質的に防止出来ていることがわか
る。また、Ｔｉ８２層の比抵抗は２００ｕΩ・ｃｍ程度
であるのにηし、このときのＴｉＢｘＮｙ層の比抵抗は
３２０ＵΩ・ｃｍ程度であるが、配線抵抗全体としてみ
たときほとんど問題がない程度である。この実験結果か
ら理解出来るように、この発明の拡散バリア層は高濃度
不純物層例えばＮ４拡散層と適当な金属配線層例えばＡ
ｆｌ配線層との闇に挿入して好適なバリア層であること
がわかる。

ざらに、第５図は、ＴｉＢｘＮｙ層の形成に用いたＡｒ
とＮ２との混合スパッタガスにおけるＡｒガスに対する
窒素ガスの濃度と、アニール徒のシリコン基板中へのポ
ロンの拡散の程度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）
で分析した結果を示す図である。第５図において、横軸
にＡｒとＮ２とのスパッタガス中における窒素濃度を窒
素ガス分圧（％）で取って示してあり、縦軸にポロン濃
度の最大値を（原子／ｃｍ’）で取って示しである。こ
の曲線Ｖからも理解出来るように、Ｔ　ｉ　Ｂｚを用い
たスパッターにおいて、窒素ガスを導入することによっ
てポロンの拡散の無い良好なＴｉＢｘＮｙバリア層が出
来ることがわかる。

また、スパック−ガスの濃度については、第５図の実験
結果から全圧に対する分圧で１０％以上であれば良い、
従って、窒素濃度に対して広いマージンをもっているこ
とがわかる。

尚、上述した実験に用いた試料をこの発明の実施例で述
べた他の方法で形成した場合であっても、また、ＺｒＢ
ｘＮｙ膜又はＨｆＢｘＮｙ膜の場合であってもＴｉ８ｘ
Ｎｙ膜の実験結果と同様な結果を期待出来る。

また、この発明は半導体装置のソース及びドレイン電極
領域の高濃度不純物層に配線を形成する場合に適用して
特に好適であるが、これらソース及びトレイン電極領域
以外の高濃度不純物層はもとより、バイポーラ型、ユニ
ポーラ型等の半導体装置、半導体レーザ等に設けられて
いる高濃度不純物層にも適用することも出来る。

又、上述した実施例では下地としてシリコシの下地につ
き説明したが、ＧａＡｓのような化合物半導体を下地と
する場合にもこの発明を適用することが出来る。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の半導体
装置の配線構造によれば、拡散バリア層を、金属とボロ
ンと窒素を含む材料で形成したので、この拡散バリア層
からボロンがその下側の高濃度不純物層へ拡散するのを
実質的に抑えることが出来、従って、ボロンの高濃度不
純物層への拡散に起因した半導体装置の特性への悪影響
を防止することが出来る。

また、この発明の配線構造の形成方法によれば、配線構
造を構成する拡散バリア層を金属とボロンと窯素を含む
層として形成すれば良いので、その形成は簡単かつ容昌
である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｅ）は、この発明の半導体装置の配線
構造及びその形成方法の説明図、第２図（Ａ）〜（Ｆ）
は、従来の半導体装置の配線構造及びその形成方法の説
明図、 第３因は、この発明の説明に供するシリコンの下地中へ
のボロンの拡散の程度を説明するための図、 第４図は、この発明の説明に供する、二次イオン質量分
析法（ＳＩＭＳ）によるシリコン基板中のポロン濃度ブ
Ｏファイル、 第５図は、この発明の説明に供する、スパッタガス中の
窒素濃度とアニール後のボロンど−り濃度の関係を示す
図である。 ５０−・下地（Ｐ型下地） ５２−・・高濃度不純物層（Ｎ＋層） ５４−・窓、　　　　　　　５　Ｂ−・・絶縁層５８−
（金属とボロンと窒素を含む）拡散バリア層６０−・穴
、　　　　　　　６２−・・金属配線層６４−・配線構
造。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下地中に設けられた電極領域としての高濃度不純
   物層の上側に金属配線層を設けて成る、半導体装置の配
   線構造において、 該配線構造を、高濃度不純物層側に設けた拡散バリア層
   と該拡散バリア層上に設けた金属配線層とを以って、構
   成し、及び 前記拡散バリア層を金属とボロンと窒素とを含む材料で
   構成した ことを特徴とする半導体装置の配線構造。
2. （２）下地中に高濃度不純物層を設ける工程と、該高濃
   度不純物層の表面の少なくとも一部分を露出させる窓を
   有する絶縁層を形成する工程と、前記高濃度不純物層の
   露出面を含む前記絶縁膜上に金属とボロンと窒素を含む
   拡散バリア層を設ける工程と、 該拡散バリア層上に金属配線層を設ける工程前記拡散バ
   リア層及び金属配線層のパターニングを行う工程と を具えることを特徴とする半導体装置の配線構造形成方
   法。