JPH03104220A - 半導体装置の製造方法 - 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〕 本発明は、半導体装置の製造方法に係り、Ｓｉ基板と特
にＡｌ合金からなる配線層間にＳｉとＡｌが反応するの
を防止するバリアメタル層を有する半導体装置の製造方
法に適用することができ、特に、良好なバリアメタル層
を容易に形成することができる半導体装置の製造方法に
関する。

近年、ＩＣの高集積化に伴い、特にＡ１配線の高信頼性
が要求されている。

例えばＡｌ配線がコンタクトホールを介してＳｉ基板に
コンタクトされた構造の半導体装置が知られているが、
この構造の半導体装置では後の工程で熱処理が加わると
ＡＡ配線からＳｉ基板中にＡｌが侵入しＡＩＳｉ合金が
形成されてしまい、Ｓｉ基仮に形成されたｐｎ接合を破
壊したりするいわゆるアロイスバイクの問題がある．こ
のため、Ａ１配線からＳｉ基板中に／ｌの侵入を防ぐこ
とができる半導体装置の製造方法が要求されている． 〔従来の技術〕 現在、半導体集積回路に用いられている配線層の配線材
料としては、Ａ１合金（Ａ　Ｉｔ　−ＩＸＳｉ，Ａ　Ｉ
　−ＩＸＳｉ−０．　１！Ｃｕ等〉が主に使用されてい
る。ここで、Ａｌ合金に予め１％のＳｉが添加されてい
るのは、５００℃程度の熱処理によってＳｉ基板とＡｆ
合金からなる配線層とのコンタクト部でＡｆとＳｉの相
互拡散による拡散層破壊を防止するためである。

しかしながら、素子の微細化が進むにつれて、予め添加
されたＡｌ合金中のＳｉがコンタクト部のＳｔ基坂上に
析出し、コンタクト抵抗が上昇するという問題が顕在化
してきている。具体的には、プロセス中に加わる各種の
高温下ではＡβ合金中のＳｉはＳｉ基坂上に析出しない
が、温度（例えば常温）が下がると析出してＳｔ基板上
にあたかもｐ型Ｓｉ層が形威されることになる。このた
め、このコンタクト部にｎ゛型基板拡散層が形威されて
いると、ｐｎ接合が形成されてしまい、これに伴いコン
タクト抵抗が上昇してしまう。これは、コンタクトホー
ルが微細化される程顕著になる傾向がある。そこで、微
細化の進んだ半導体集積回路では上記の問題を解決する
ためにＳｉ基板とＡｌ配線の間にＡｌとＳｉの反応を防
止するためのバリアメタル層を設ける傾向にある。この
場合のバリアメタル層としては、チタンの窒化物、チタ
ン・タングステン混合物等が通常用いられている。

一般に、上記のバリアメタル層及びＡ１配線層は枚葉式
スバッタ装置を用いて形成する方法が採用されている。

しかしながら、バリアメタル層とその上のＡｌ配線層を
真空を破る事無く連続して形成した場合には、バリア性
（拡散阻止機能〉が十分でない（例えばチタンの窒化物
（ＴｉＮ））ことが、例えばＳ．　Ｉｗａｂｕｃｈｉ　
ｅｔ．ａｌ．．ＶＬｓＩ　ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ−ｐ．５
５　１９８６に記載され知られている。そこでバリア性
を改善する方法として、例えばチタン窒化物（ＴｉＮ）
からなるバリアメタル層形成後に一旦大気に取り出して
４５０〜６００℃の熱処理を加えればよいことが例えば
Ｖ．Ｈｏｆｆａ＋ａｎ．　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｔ
ｅｃｈｎｏ−１ｏｇｙ，８月号．Ｐ．５８．　１９８３
，日本語版で提案されている。この方法はチタン・タン
グステン混合物を用いた場合も有効であることが報告さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記したバリアメタル層及びＡｌ配線層
を枚葉式スパソタ装置を用いて形成する従来の半導体装
置の製造方法では、前述のようにバリア性改善のために
４５０℃〜６ｏｏ℃の高温熱処理を加える必要があった
．そして、熱処理機構を通常のスパソタ装置の一部とし
て組んでこの熱処理を連続的に行うことは非常に困難で
あるため、バリアメタル層形成後に一旦大気に取り出し
て別の熱処理装置で熱処理を行う必要があった。このた
め、このようにバリアメタル層形成後に一旦大気に一旦
取り出して別の熱処理装置へ移し変える場合には工程の
増加、基板ハンドリングの煩わしさ、基板上へのゴ果の
付着等のいくつかの問題があり、良好なバリアメタル層
を形成するのが困難であるという問題があった。

また、上記問題を解決し、かつバリア性が良好な方法と
しては、シリコン基板を高温に保持しながら酸素を含む
雰囲気でスパッタリングによりチタン窒化物等からなる
バリアメタル層を形成する方法が特願昭６３−８５６４
号公報に提案されている。

しかしながら、Ｓｉ基板を高温に保持しながら酸素を含
む雰囲気でバリアメタル層を形成する方法では、バリア
メタル層とその上のＡｆ配線層を真空を破ることなく連
続して形成することができ、上記した工程の増加等の問
題がなく、しかもバリア性が良好であるという利点があ
るが、バリアメタル層を形戒する時の酸素が、その上の
Ａｌ配線層を形成する時の雰囲気に多量に混入し易いと
いう傾向が明らかになっている。そして、ｉ配線層の膜
質が劣化する恐れがあった．具体的には、酸素はＡＩ！
．と非常に反応し易く、Ａｎオキサイドが形成され易く
、Ａｌ配線層中に酸素が多量に取りこまれると／ｌ配線
層の膜質が劣化する．更には、例えばスバッタ雰囲気中
に０２ガスを含めた場合には、バリアメタルのなす柱状
結晶の粒界に含まれる酸素はきちんとバリアメタル自体
と結合した状態にあるものばかりではなく、一部はバリ
アメタルの粒界からすぐにも離脱しそうな状態にある。

これがＡｆ配線層形成時に外に出てきて（離脱して）雰
囲気に混入する。一方で、プラズマによってバリアメタ
ル結晶の粒界に詰められる酸素は上記したスパッタ雰囲
気中に酸素を含める場合に比べて極めて結合状態が良好
になるといわれている。

そこで本発明は、Ａｆ配線層の膜質を劣化させることな
く良好なバリアメタル層を容易に形威することができる
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
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による半導体装置の製造方法は上記目的達或のた
め、シリコンからなる基板とアルごニウムからなる配線
層間にバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法に
おいて、不活性ガスと反応性ガスとの混合ガス雰囲気中
でスパッタリングさせることにより該基板上に該バリア
メタル層を形戒する工程と、該バリアメタル層を酸素を
含むプラズマによりプラズマ処理する工程と、該バリア
メタル層上に該配線層を形成する工程と、を含むもので
ある。

本発明に係るアルミニウムからなる配線層としては、／
ｌ合金（Ａｆ−１％Ｓｔ，Ａｊ！−１％Ｓｉ−０．１％
Ｃｕ等）で構或する場合に好ましく適用することができ
、Ｓｔを含まないＡｆｆｉ合金等で構或する場合であっ
てもよい。

本発明に係るバリアメタル層としてはＴｉＮ等の窒化物
で構或する場合に好ましく適用することができ、チタン
、ジルコニウム、ハフニウムの少なくとも１つの元素を
含む場合であってもよく、チタン、タングステン混合物
で構或する場合であてもよい。

本発明に係る不活性ガスは、Ａｒガス、Ｎｅガス、Ｋｒ
ガス、Ｘｅガス等の不活性ガスであればよく、また、本
発明に係る反応性ガスはＮ２ガス等の反応性ガスであれ
ばよい。

〔作用〕

本発明は、第３図に示すように、不活性ガス（Ａ−ｒガ
ス）と反応性ガス（ＮＺガス）との混合ガス雰囲気中で
スパッタリングさせることによりＳ　ｉ　基＆２１上に
ＴｉＮからなるバリアメタル層２５が形威され、バリア
メタル層２５が酸素を含むプラズマによりプラズマ処理
された後、バリアメタル層２５上にＡ２配線層２６が形
威される。

したがって、ＴｉＮからなるバリアメタル層２５とＡｎ
配線層２６を真空を破ることなく連続して容易に形戒す
ることができるようになり、従来の一旦大気に取り出し
て別の熱処理装置で熱処理を行う方法の際生じる工程の
増加、基板２１ハンドリングの煩わしさ、基板２ｌ上へ
のゴ亀の付着等の問題はなく、良好なバリアメタル層を
容易に形威することができるようになる。

〔実施例〕

第２図は本発明を実施するための複数の処理室を備えた
枚葉式スパッタ装置の構威を示す概略図である。第１図
において１、２は各々チタン、アル果ニウム合金ターゲ
ットが装着されたＤＣマグネトロンスパッタ室、３はＲ
Ｆスパッタエッチング室、４はマイクロ波プラズマ酸化
室であり、各々チャンバー１ａ、２ａ，３ａ，４ａが各
々の仕切り弁１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂで分離されている
．５はマイクロ波発生装置、６はアームである。処理さ
れるウェハは、入口側ロードクロック７を経て、ＤＣマ
グネトロンスバッタ室１→マイクロ波プラズマ酸化室４
→ＲＦスパッタエッチング室３→ＤＣマグネトロンスバ
ッタ室２の順にアーム６により順次流された後、出口側
ロードロック８を経て取り出される。

次に、第３図は第２図に示すマイクロ波プラズマ酸化室
の構或を示す概略図である．第３図において、第２図と
同一符号は同一または相当部分を示し、１１はマイクロ
波発生用マグネトロン、１２は導波管、１３はヒーター
モジュール、１４はガス導入口、１５は処理されるウェ
ハである。なお、ヒーターモジュール１３にはＤＣバイ
アス電圧が印加出来るようになっている。

次に、第１図は本発明を適用したー実施例の製造方法を
説明する図である。第１図において、２ｌは例えばｐ型
のＳｔ基板、２２はシリコン酸化膜、２３は例えばｎ＋
型の基板拡散層、２４は基板拡散層２３とオーξツクコ
ンタクトを取るためのＴｉ（チタン）層、２５はＴｉＮ
からなるバリアメタル層、２６はＡｌｌ配線層、２７は
コンタクトホールである。

なお、ここでＴｉｉ２４を形成しているのはコンタクト
抵抗低減化のためと、Ｓｉ基板２１とバリアメタル層２
５の密着性を向上するためである。

次に、その製造方法について説明する。

まず、第１図（ａ）に示すように、Ｓｔ基板２１にｎ゛
型の基板拡散Ｎ２３を形成した後、拡散層２３上にコン
タクトホール幅が例えば８０００人のコンタクトホール
２７を有する膜厚が例えば８０００人のシリコン酸化膜
２２を形成する。

次に、コンタクトホール２７内の自然酸化膜を通常のＨ
Ｆ系のウエット処理により除去した後、第２図に示した
枚葉式スパッタ装置を用い、入口側ロードロック７を介
してアーム６によりＤＣマグネトロンスバッタ室１にウ
エット処理されたウエ八を導入し、第１図（ｂ）に示す
ように、コンタクトホール２７内の基板拡散Ｎ２３とコ
ンタクトを取るようにＴｉＪｉｉ２４を例えば２００人
或長する。或長条件はＡｒガス圧力が例えば３ｍｔ　ｏ
　ｒ　ｒＳＤＣバワーが例えば３００Ｗである。次いで
、ガスを切り換えるために同スパッタ室（第２図に示す
ＤＣマグネトロンスパッタ室１）にＡｒガスを例えば２
５ｓ　ｅ　ｃｍ，Ｎ．ガスを例えば２５ｓｅｃｍを導入
し、ＤＣパワーを例えば５ｋＷとし、第１図（Ｃ）に示
すように、ＴｉＮ膜からなるバリアメタル層２５をＴｉ
層２４上に例えば１０００人威長ずる。次に、第２図に
示す枚葉式スパッタ装置でウェハをアーム８によりＤＣ
マグネトロンスパッタ室１から取り出してマイクロ波プ
ラズマ酸化室４に導入し、０２ガス流量を例えばＩＳＬ
Ｍ、圧力を例えば１ｔ　ｏ　ｒ　ｒ，マイクロ波パワー
を例えば２ｋＷ，基板温度を例えば２００　’Ｃ，　Ｄ
　Ｃバイアスを例えば−５０Ｖとし、第１図（Ｃ）に示
すバリアメタル層２５を酸素を含むプラズマによりプラ
ズマ処理して酸化する。その後、第２図に示す枚葉式ス
バッタ装置でウェハをアーム８によりマイクロ波プラズ
マ酸化室４から取り出してＲＦスパッタエッチング室３
に導入し、第１図（Ｃ）に示すプラズマ処理されたバリ
アメタル層２５の表面を５０人エッチングする。ここで
は、バリアメタル層２５の酸化された部分の一部分を除
去している。次いで、ウエハを第２図に示す枚葉式スパ
ッタ装置でアーム８によりＲＦスパッタエッチング室３
から取り出してＤＣマグネトロンスパッタ室２に導入し
、第１図（ｄ）に示すようにバリアメタル層２５上にＡ
２合金を約０．５μ一堆積してＡｆ配線層２６を形戒す
る。

次いで、第２図に示す枚葉式スパッタ装置でウェハをア
ーム６によりＤＣマグネトロンスパッタ室２から取り出
して出口側ロードロック６を介して装置から取り出す。

最後に通常のフォトエッチング工程により、Ａｌ配線層
２６、バリアメタル層２５及びＴｉ層２４をパターニン
グすることにより、第１図（ｄ）に示すようなコンタク
ト部を得ることができる。

すなわち、上記実施例では、酸素ガスを導入しないでＡ
ｒガスとＮ２ガスとの混合ガス雰囲気中でスパッタリン
グさせることによりＴｉＮからなるバリアメタル層２５
を形威した後、バリアメタル層２５を酸素を含むプラズ
マによりプラズマ処理しているため、バリアメタル層２
５とその上のＡｆｆｉ配線層２６を真空を破ることなく
連続で容易に形成することができる。このため、従来の
バリアメタル層形戒後に一旦大気に取り出して別の熱処
理装置で熱処理を行う方法の際生じる工程の増加、基板
ハンドリングの煩わしさ、基板上へのゴミの付着等の問
題はなく、しかも良好なバリアメタル層を容易に形成す
ることができる。ここで得られたコンタクトはｎ゛型の
基板拡散Ｊ！Ｉ２３とのコンタクト抵抗がＩＸＩＯ−７
Ω・Ｃ１と低い値を示し、５５０　’Ｃの熱処理後もコ
ンタクト抵抗の上昇は見られなかった。バリア性につい
ては、従来のバリアメタル層を形成後一旦大気に取り出
して熱処理を加える場合と、基板を高温に保持しながら
酸素を含む雰囲気でバリアメタル層を形成する場合と同
等のバリア性を有するバリアメタル層を形成することが
できた． ここで、バリアメタル層２５が酸素を含むプラズマによ
るプラズマ処理することにより良好なバリア性を得るこ
とができたのは、酸素プラズマ中の酸素イオン或いはラ
ジカル等の活性種によりバリアメタル層２５の結晶粒内
及び粒界に酸化物を形威し、この結晶粒内及び粒界に形
威された酸化物がバリアとなってＡＮの拡散を防止する
ためバリア性を良好にしているものと推定される。プラ
ズマ中の活性種は反応性が高く、低温かつ短時間で同等
の酸化物形戒効果を得ることが可能である．なお、従来
のバリアメタル層形戒後に一旦大気に取り出して熱処理
を行う場合や、従来の基板を高温に保持しながら酸素を
含む雰囲気でバリアメタル層を形戒する場合にバリア性
が良好に改善される理由については、例えばー．Ｓｈｉ
ｎｋｅ　ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐ−ｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．．４７（５）．４７１．１９８５で報告されており
、バリアメタル層（チタンの窒化物）の結晶粒内および
粒界に酸素が入り込み、チタンの酸化物或いは酸化窒化
物が形威されることによって／ｌの拡散が押えられるた
めと考えられている。また、チタンナイトライド粒界に
詰めるべき酸素原子はあまり多量に含ませるのは好まし
くなく、あまり多量に含ませると酸素原子の存在によっ
てバリアメタル層の電気抵抗値が高くなってしまい好ま
しくないのである。

また、バリアメタル層２５の酸化された部分の表面を５
０人程度エッチングしているため、ＡＮ配線層２６を形
成する際、バリアメタル層２５から外部に放出する酸素
量を減らすことができる。このため、酸素によるＡＮ配
線層２６の膜質劣化を抑制することができるという利点
がある。

なお、上記実施例では、バリアメタル層２５をＴｉＮで
構戒する場合について説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、ＴｉＮにかえてジルコニウム、あ
るいはハフニウムの窒｛１１、硼化物、炭化物で構戒す
る場合であってもよい。

また、硼化物で構或する場合は窒素に代えてジボラン（
Ｂｚ　Ｈ＆　）、炭化物で構或する場合は窒素に代えて
メタン（ＣＨ．）を用いれば良い．更に、別な例として
ＴｉＮにかえてチタン・タングステン混合物（Ｔｉ　１
０ｗｔχ−一）で構或する場合であってもよい． 〔発明の効果〕 本発明によれば、／ｌ配線層の膜質を劣化させることな
く良好なバリアメタル層を容易に形成することができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係る半導体装置の製造方法の
一実施例を説明する図であり、第１図は一実施例の製造
方法を説明する図、第２図は一実施例の枚葉式スバッタ
装置の構或を示す概略図、 第３図は一実施例のマイクロ波プラズマ酸化室の構或を
示す概略図である。 ２１・・・・・・Ｓｉ　　基｛反、 ２２・・・・・・シリコン酸化膜、 ２３・・・・・・拡散層、 ２４・・・・・・Ｔｉ層、 ２５・・・・・・バリアメタル層、 ２６・・・・・・Ａ２配線層、 ２７・・・・・・コンタクトホール。 一実施例の製造方法を説明する図 第１図 一実施例の製造方法を説明する図 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリコンからなる基板とアルミニウムからなる配線層間
   にバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法におい
   て、 不活性ガスと反応性ガスとの混合ガス雰囲気中でスパッ
   タリングさせることにより該基板上に該バリアメタル層
   を形成する工程と、 該バリアメタル層を酸素を含むプラズマによりプラズマ
   処理する工程と、 該バリアメタル層上に該配線層を形成する工程とを含む
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。