JPH0324723A - 半導体デバイスにおける電気的コンタクトの製造方法 - 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〕 本発明は半導体デバイスにおける電気的コンタクトの製
造方法に関する。

〔従来の技術〕

集積回路の製造において、基体として単結晶シリコンが
そしてゲート電極とインターコネクトとして多結晶シリ
コンが一般に用いられている。アルミニウムおよびその
合金が導体として用いられており、特にインターコネク
ト用のコンタクトを形成するために用いられている。ア
ルミニウムとその合金を用いる場合の一つの問題はシリ
コンがアルミニウムに溶解あるいは拡散しうるというこ
とである。かくして、シリコン基体に形成された例えば
ソースまたはドレン領域に対してコンタクト窓を開ける
ことによりコンタクトを形成しこのコンタクト開口をア
ルミニウムで充たす場合にはシリコンの一部が溶解して
コンタクトから下向きに伸びるいわゆるスパイクが生じ
る。このスパイクがソース／ドレン領域またはその下の
領域を貫通すると、スパイク接合によりこのトランジス
タは使用不能になる＝このスパイクはまた、デバイスを
故障させるような値にコンタクトにおける電流密度を局
部的に増大させる。

これを防止するためにシリコン基体とアルミニウムコン
タクト材料との間の反応に対する金篇バリアとしてチタ
ニウム窒化物を用いることが出来る。かくして、アルミ
ニウムがシリコンからこのチタニウム窒化物層により分
離されると、スパイクが減少しあるいは完全に停止する
。純チタニウムを窒素と反応させてチタニウム窒化物を
つくることは可能であるが良好なバリア品質を得ること
は困難である。まず、この金属バリア層はあまり薄くて
はならず、また、チタニウム窒化物で形成されたバリア
層は不純物の量に依７ｊすべきである。

このバリアに組込まれた酸素のような不純物はチタニウ
ム窒化物粒の境界に沿ってのシリコン原子のバリアへの
拡散を禁制することによりこのバリアの品質を改善する
ものと考えられる。また、このバリア層は、ストレスが
かかるとシリコンの拡散を防止する効果が低下すると考
えられるから引張りまたは圧縮ストレスが低い方がよい
ために、引張りストレスのかかった状態であってはなら
ない。

米国特許第４７８４９７３号は、拡散バリア材料として
チタニウム窒化物が用いられるとき、金属バリアとして
のチタニウム窒化物の性能がその形成前にコンタクト領
域に薄い酸化物層を成長させておくことにより向上する
ことを開示している。

シリコンとチタニウムの間の薄い酸化物が熱窒化処理中
に存在することにより窒化物形成速度に影響することな
くチタニウムシリサイドの形成速度が低下しそしてその
結果、同一厚さのスパッタリングによるチタニウムにつ
いてチタニウム窒化物の量を増加させＴｉＳｔ　　を減
少させる。窒化処Ｘ 理中の酸化物の消費によりシリサイドが形或されそして
その結果低いコンタクト抵抗をもたらし、そして冫ｒ！
’ｌｌされた酸化物はチタニウム窒化物拡散バリアを有
効に密にしてバリア特性を向上させる。

従来のプロセスではこの薄い拡散バリア酸化物を或長さ
せるために炉管操作が用いられており、その様な操作が
この米国特許に示されている。但しこの特許では薄い拡
散バリア酸化物を短時間熱処理装置で成長させうること
には触れられていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

この米国特許のプロセスは、薄い拡散酸化物層の形成の
制御が難しく、そのためその厚さのみならず、その清浄
度においても変化が生じることになりデバイスの信頼度
が低下するという欠点がある。更に、デバイスの信頼性
はステップカバーが貧弱なためにも低下するものであり
、これにより前述のスパイク現象が生じうる。またこの
プロセスによるコンタクトのコンタクト抵抗は比較的大
きい。

種々のアルミニウム合金がその低抵抗性と従来のフォト
リトグラフ技術との両立性の故にＶＬＳＩデバイスのイ
ンターコネクト材料として用いられている。２層以上の
インターコネクト層（すなわち、多レベル金属化におい
て）を用いるデバイスについては、金属蒸着後のヒート
サイクル中ヒロック（金属アルミニウムの表面から上向
きに伸びる垂直延長部）の成長を抑える機械的に強いキ
ャップ材料をアルミニウム合金に付着させた「キャップ
」付のアルミニウム合金を用いると有利である。ヒロッ
クは金属とシリコン基体との熱膨張率の差により生じる
アルミニウム層内の大きな圧縮ストレスを解放するため
に形成される。ヒロツクがあるとインターコネクトの２
層間の望ましくない接続あるいは架橋が生じることがあ
る。薄い（約５００八）チタニウムの層はヒロックの数
と寸法を多レベル金属化において許容しうるレベルに減
少させるに有効である。しかしながら、またチタニウム
のキャップはアルミニウムとシリコンに反応してシリコ
ンに対して大きな親和性を有する３元化合物（ＡＩ　　
Ｓｉ　　Ｔｉ　　）を形成し、ｘ　　　　ｙ　　　　ｚ そしてこの化合物の形成でシリコンでドーピングされた
アルミニウム合金をシリコン欠陥にする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記米國特許のプロセスのこれら欠点を緩和す
る。

また本発明は例えばチタニウムのキャップ層の有効且つ
信頼性の高１１使用を可能にする電気的コンタクトの製
造方法を提供する。

〔作　用〕

本発明の方法は次の段階からなる。

（ａ）　　シリコン基体の上に、そのコンタクト領域を
露出させるコンタクト開口を有するリフロー可能なイン
ター−レベル誘電体を与える段階。

（ｂ）　　このシリコン基体およびインター一レベル誘
電体を酸素を含む雰囲気での短ｎｊｊ間熱処理により加
熱してこのコンタクト領域内に酸化物制御層を形成する
と共に誘電体をリフローさせる段階。

（ｃ）　　リフローした誘電体と制御層の上に遷移金属
層を付着させる段階。

（ｄ）　　この遷移金属層の少くとも一部を金属バリア
に変換する段階。

〔実施例〕

第１図においてシリコン基体にはソースおよびドレン領
域４．６が形成される。これら領域４．６は一般に深さ
が０．　　１−０．　　５ミクロンであり、イオン注入
または拡散により形成される。ゲート電極はソースとド
レン領域４．６のほぼ間に中心を有しシリコン基体２の
上面からゲート誘電体１０により分離されている。ゲー
ト誘電体１０は一般に厚さ１００−４００人のシリコン
酸化物、シリコン窒化物またはシリコンオキシナイトラ
イドである。一般に２００−１０００Ａの厚さをＨする
シリコン酸化物層１２がゲート電極８の土壁および側壁
とシリコン基体２の上面とをカバーする。ソース、ドレ
ン領域４，６は後述するコンタクト開口を形成前にシリ
コン酸化物層１２を通じて直接に従来のごとくに注入さ
れている。このイオン注入後に、注入されたイオンを活
性化してそれらを横方向および下向き方向にドライブす
るための熱焼なまし過程がある。

その後、リフロー可能な材料からなる比較的厚い誘電体
層１４が一般に化学蒸着（ｃＶＤ）によりつくられる。

このリフロー可能な材料は例えばボロン３重量％、燐５
重量％のＢＰＳＧガラスのようなボロン燐シリコンガラ
ス（Ｂ　Ｐ　Ｓ　Ｇ）であるドーピングされたＳｉＯ２
ガラスである。インターレベル誘電層１４のリフロー可
能な誘電材料の選択は、後述するようにその材料が次段
で必要な処理温度においてフローするように両立しうる
ガラス遷移温度を有する誘電体材料に対して行われる。

一般にインターレベル誘電層１４の厚さは０．５−１ミ
クロンである。誘電層１４にはコンタクト開目１６がエ
ッチングされる。コンタクト開口１６は誘電層１４とそ
の下のシリコン酸化物領域１２を貫通してソースとドレ
ン領域４，６のコンタクト領域１８を露出させてそこへ
の電気的コンタクトがなされうるようになっている。多
結晶シリコンゲート電極８はシリコン酸化物層１２と誘
電体層１４で覆われたままである。第１図の構造は本発
明の方法による処理に対して供される。

しかしながら本発明はソースとドレン領域へのコンタク
トの形成に限られず、集積半導体回路の他の部分のコン
タクトも本発明によりつくりうろことは明らかである。

第２図において、コンタクト開口１６とコンタクト領域
１８は硫酸／過酸化水素、希釈、弗化水素酸、水酸化ア
ンモニウム／過酸化水素または塩酸を用いる酸処理装置
において予め洗浄される。

この予洗浄段階は次のコンタクト領域１８内での均一な
酸化物層の形成に有効と考えられる。

このシリコンウエハ構造は次に短時間熱処理装置におい
て短時間熱処理される。この熱処理（アニール）は酸素
を含む雰囲気内で行われる。これによりコンタクト領域
１８に酸化物制御層２０が成長する。一般にこの制御層
２０の厚さは２０−５０人であり、好適には２０−３０
八である。この短時間熱処理により誘電材料のりフロー
が同時に生じて誘電材料１４の滑らかで丸味のついた形
状が出来、それによりコンタクト開口１６内での次の層
の付着に最適のコンタクトプロファイルが出来る。第２
図から明らかなように、リフロー後に、リフローした誘
電層２２にはコンタクト開口２４が生じ、これら開口は
リフローした誘電層２２の上面２６において酸化物制御
層２０より幅が広くなっている。

一般に短時間熱処理は８００−１１００℃、好適には９
５０−１０５０℃の温度で５秒−５分、好適には５−１
２０秒の時間にわたり行われる。

この温度はりフローを生じさせるに充分な、一般に約８
００℃以上でなくてはならぬからりフロー可能な材料に
よりきまる。例えば、この熱処理は１０２５℃で６０秒
行ってもよい。ガスはフローし、温度はこの熱処理中変
更可能であり、例えばはじめに酸化は生じるがリフロー
は生じない低いものとし、次にリフローと著しい酸化の
両方が同時に生じる高いものとすることが出来る。

第３図において、遷移金属層２８はこのリフロー誘電層
２２と制御層２０の上に設けられる。図示の例では層２
８はチタニウムからなり、例えばスパッタリングまたは
高真空下での電子ビーム蒸着により与えられる。一般に
層２８の厚さは２００−２０００Ａであり、好適には約
７００八である。

第４図はチタン層２８の少くとも一部を金属バリアに変
換した後の第３図の構造を示す拡大図である。この実施
例では基体を窒ｒ：（またはアンモニア）を含む雰囲気
内で短時間熱処理する。これにより、このチタンのほぼ
すべてがチタニウム窒化物に変換される。一般に、この
短時間熱処理は短時間熱処理装置内で窒素雰囲気で約７
００−８００℃の温度で約１分間行われる。あるいはア
ンモニア中において約４５０−６００℃で約３０秒−５
分間行ってもよい。この加熱サイクル中、更にソースと
ドレン領域４，６上の酸化物制御層２０が領域３２に変
換される。領域３２はソースとドレン領域４，６の上面
から下向きに伸びる。

領域３２は主としてチタニウムシリサイドであるが酸素
と窒素の痕跡が領域３２に組み入れられている。一般に
領域３２の組成は一般式 Ｔｉ　　ＱｙＮｚＳｉ　　で表わすことが出来る。領ｘ
ｒ 域３２はトランジスタのソースとドレン領域４，６に低
抵抗の電気的コンタクトを形成する。領域３２はコンタ
クト領域１８内にのみ位置しそして一般にその厚さは約
６００人である。金属バリアを構成するチタニウム窒化
物層３０は主としてチタニウム窒化物からなる。しかし
ながら、酸素を層３０に入れてその金属バリアとしての
機能を促進させるとよい。酸素をチタニウム窒化物層３
０内の粒子の境昇に沿って入れてそれに沿った材料の高
速拡散を防止する。チタニウム窒化物層３０の下部３４
において、チタニウム窒化物は少量のシリコンと酸素を
含み、これらはインターレベル誘電層２２からこの層へ
と入れられている。

第５図はチタニウム窒化物層３０の上にアルミニウムま
たはアルミニウムの合金であるインターコネクト層３６
を設けた後の第４図の構造である。

インターコネクト層３６は従来の処理を用いて、例えば
スパッタリング付着によりつくられる。本発明によれば
、例えばチタニウムからなるキャップ層３８がインター
コネクト層３６の上に設けられる。

一般に、このキャップ層３８の厚さは約５００八である
。

〔発明の効果〕

本発明によればドーピングされたＳ　ｉＯ　２のインタ
ーレベル誘電層のりフローと拡散バリア酸化物制御層の
戒長が酸素中の短時間熱処理により１プロセス段階で行
われる。かくしてリフローと酸化物成長は１回の操作で
達成出来、これが製造プロセスの効率を改善しそしてま
た２つの個々のプロセスに関連する処理を減少させる。

かくして本発明の方法は従来と比較して増加した収量を
与えると共に製造コストを低下させる。この単一プロセ
スはまた、薄い酸化物層の成長に重要な高い清浄度を与
える。これまでは薄い酸化物層、酸化物層の汚染を生じ
させうるローラースレッド炉で成長される傾向があるが
本発明ではロボットハンドラーを用いてウエハを短時間
熱処理装置に入れそしてそれをとり出すことが出来る。

短時間熱処理装置の使用によりウエハーウエハ反復性が
改善出来る。従来の炉管の長手方向に沿ってガスの欠乏
効果と温度の均一性の欠除があるとその管内の種々の位
置にあるウエハについて酸化速度に差が生じることは知
られている。本発明は反応ガスと温度を容易に制御しう
る小さいチャンバ内で行われる高速熱焼なましを用いて
おり、これが酸化物層の均質性を向上させる。短時間熱
処理を用いる他の利点はインターレベル誘電層のりフロ
ーをより正確に制御出来ることである。

また本発明の方法はコンタクト窓に関連した酸化物の段
階における金属コンタクト層の厚さの減少が低下しそれ
により製造されたデバイスの信頼性が改善されるという
利点を有する。インターレベル誘電層はチタニウム層と
それに続くアルミニウムのインターコネクト層の形成前
にリフローされるから、コンタクト開口のコンタクトプ
ロファイルは最適化されてコンタクト領域の像に改善さ
れた段差被覆性が得られる。コンタクトホールの側壁の
傾斜角は短時間熱処理段階でのガラスのフローにより変
わり、インターレベル誘電体の滑らかな丸味のついたプ
ロファイルをつくり、これが次にコンタクト内のスパッ
タリングでつくられる金属インターコネクトの薄化を低
下させる。云い換えると、コンタクト開口のこの最適化
されたコンタクトプロファイルはコンタクト領域の像で
の金属の付着をたすける。酸化物段階での金属の薄化の
低下は加速された電子の移動による故障を生じさせる増
大した電流密度をもたらすような、従来技術における主
たる信頼性の問題を克服する。

金属−シリコンコンタクト領域の断面の走査電子顕微鏡
写真は本発明による段差被覆性（すなわち金属の薄化の
ないこと）は従来の炉管プロセスと比較して著しく改善
されていることを示す。この管プロセスについての段差
被覆性は約３０％であるが本発明の短時間熱処理プロセ
スについてのそれは約５０％である。

また本発明はチタニウム窒化物の金属バリア層の拡散バ
リア性能を著しく改善することが出来る。

リフローとバリア酸化物の予成長の組合せについて用い
られる条件の選択によるコンタクトプロファイルの最適
化は従来のものより秀れた拡散バリアをつくる。チタニ
ウム窒化物金属バリアをつくるために用いられるチタニ
ウムのこの改善された段差被覆性はバリアの故障の機会
を減少させる。

更に、次に付着されるインターコネクト層のアルミニウ
ム合金のこの改善された段差被覆性はコンタクト領域に
おけるアルミニウム合金に対する未反応のチタニウムの
比を低下させそしてバリアの破壊を生じさせうるアルミ
ニウムとシリコンの促進された相互拡散のための機構を
除去する。バリアの性能は例えば４７５℃で１時間のよ
うな高温アニール後の、スパイクを生じさせるような金
属によるシリコンの溶解を示すコンタクト領域の数を計
数することにより判断される。本発明によりつくられた
デバイスと炉管内で酸化物を形成する周知のプロセスを
用いて製造されたデバイスのバリア性能を比較するため
の実験を行った。炉管プロセスではＰ＋コンタクトにお
けるスパイク（コンタクト１００００個当り）は約２０
００個であるが、本発明によるものでは約１５０個であ
った。

これはりフローとバリア酸化物の成長の組合せにより直
接得られる改善された段差被覆性がスパイク現象を減少
させる改善された拡散バリアをつくることを示すもので
ある。

また本発明はＮ　およびＰ＋ドーピング領域間の酸化速
度の差を減少させることが出来る。従来の炉管酸化プロ
セスではＮ　およびＰ＋ドーピング領域間の酸化速度は
著しく異なり、Ｎ＋領域のそれがＰ＋領域より大である
ことがわかった。酸化物制御層をつくるために短時間熱
処理プロセスを用いる本発明のプロセスは炉管において
つくられる酸化物の差と比較してＰ＋頭域に対するＮ＋
領域における酸化物の成長厚さ（Δ　　）の差のｎ″″
ｐ 著しい減少をもたらすことがわかった。Ｎ　領域上の公
称酸化物厚さ約３０Ａについて、炉管プロセスは約１０
０％のΔ　　を与えるが、本発明のｎ″″ｐ 短時間熱処理は約５０％のΔ　　を得た。かくしｎ−ｐ て本発明のプロセスは酸化物の厚さの差を著しく減少さ
せそして改善されたデバイスの信頼性と性能を与えるこ
とが出来る。

また本発明の方法は拡散バリア酸化物の制御により金属
一Ｎ　およびＰ＋ドーピングシリコンのコンタクト抵抗
を低く維持しつつ許容しつる金属拡散バリアをつくるこ
とが出来る。上述のようにＮ　領域上の公称約３０Ａ厚
の酸化物について、Ｐ　領域上の酸化物の厚さは著しく
異なる。金属バリアプロセスはコシタクト領域で成長す
る酸化物制御層の窒化プロセス中の消費にすべてあるい
は部分的に依存する。この酸化物が窒化プロセス中に充
分消費されムいとすると、金属−シリコンコンタクト抵
抗は高くなり、これは望ましくない．この酸化物制御層
が最終的な半導体デバイスにおいて厚すぎるとすると、
デバイスの性能と信頼性を低下させるような高いコンタ
クト抵抗が生じる。

本発明によれば、酸化物制御層を成長させるために用い
られる短時間熱処理プロセスがこの制御層の厚さを良好
に制御する。酸化物制御層の厚さは実際の厚さが容易に
制御しうるのみならず異なる酸化物制御層間の変化が著
しく減少するという点においてより均一である。本発明
によれば酸化物制御層の厚さは異なる酸化物制御層間で
±５％以下変化して（金属）／（Ｐでドーピングされた
Ｉｌｉ結晶シリコン）のコンタクトについて約１００Ω
のコンタクト抵抗を与えることがわかった。一方、従来
の炉管プロセスでは酸化物の厚さは±８−１０％であり
、同様のコンタクトについてのコンタクト抵抗は約２０
０Ωまでであった。従来の炉管プロセスと本発明に用い
た短時間熱処理プロセスとのコンタクト抵抗の差をみる
ための実験においては短時間熱処理プロセスを用いると
より低いコンタクト抵抗値とより密なその値の分布が得
られた。特に従来の炉管プロセスでつくられた（金属／
（ドーピングされた多結晶シリコン）コンタクトの平均
コンタクト抵抗は４１．０Ω／コンタクト（σ−６．０
）であったが、短時間熱処理は等価なコンタクトについ
てコンタクト抵抗１２．ＯΩ／コンタクト（σ−１，０
）を与えることがわかった。

酸化物層の厚さについてのこの大きな制御は従来では生
じるスパイク減少に関しても重要である。

酸化物制御層が薄すぎると、制御層は製造およびアセン
ブリプロセスにおいて用いられる温度サイクル中にコン
タクト領域でのアルミニウムとシリコンの相互拡散を防
止することが出来ない。この相互拡散は、アルミニウム
のインターコネクト層からシリコン基体へと下向きに伸
びそして許容し得ない高い接合リークによりコンタクト
を破壊するような導電性のアルミニウムシリコンスパイ
クを形成させるものである。かくして、酸化物制御層の
厚さの制御は本発明の主たる効果である。

本発明においてはアルミニウムのインターコネクト層は
チタニウムのキャップ層が覆われる。従来技術ではチタ
ニウムのキャップはアルミニウムとシリコンと反応して
シリコンに対して親和性の大きい３元化合物（ＡＩ　　
Ｓｔ　　Ｔｉ　　）を形成ｘｙｚ し、この化合物の形威がシリコンの欠陥となったシリコ
ンドーピングアルミニウム合金をつくるとされている。

本発明によれば、アルミニウムのインターコネクトおよ
びチタニウムのキャップ層がリフローしたインターレベ
ル誘電層の上に次々に付着されるからアルミニウム合金
の改善された段差被覆性が生じこれがコンタクト領域で
のアルミニウム合金に対する未反応のチタニウムの比を
低下させて促進されたアルミニウムーシリコンの相互拡
散のためのメカニズムを除去する。付着された金属薄膜
の段差被覆性はコンタクト窓の寸法と形状により影響を
受ける。従って、チタニウム窒化物のバリア層が低い段
差被覆性のため薄くなると、バリアを破壊するような局
部的な欠陥が生じうる。拡散バリアが一度破壊してしま
うと、アルミニウムーシリコンの相互拡散の生じる率は
キャップ層内にあるような未反応のチタニウムにより高
くなる。コンタクトのプロファイル、従って合金の段差
被覆性が改善されればアルミニウム合金に対するチタニ
ウムの相対量が減少しそしてこれが結果的にキャップ付
のアルミニウム合金を用いる際にバリア層の破壊後の最
適化されないコンタクトの上であってもアルミニウムと
シリコンの相互拡散を減速させる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリコンウエハ構造の断面であって、このシリ
コン基体のコンタクト領域を露出させるコンタクト開口
を有するインターレベル誘電体を支持するシリコン基体
と、それにつくられるドレンおよびソース領域並びにゲ
ート電極を有する構造を示す図、第２図はコンタクト領
域内の酸化物層の成長並びに誘電体のりフロー後の第１
図の構造を示す図、第３図はリフローした誘電体と制御
層の上に遷移金属層を与えた後の第２図の構造を示す図
、第４図は遷移金属層を金属バリアに変換した後の第３
図の構戊の拡大図、第５図は金属バリアの上にアルミニ
ウムインターコネクト層とチタニウムキャップ層を次々
に形成した後の第４図の構造を示す図である。 ４．６・・・ソースおよびドレン領域、２・・・シリコ
ン基体、８・・・ゲート電極、１０・・・ゲート誘電体
、１２・・・シリコン酸化物層、１４．２２・・・リフ
ロー可能な誘電体層、１６．２４・・・コンタクト開口
、１８・・・コンタクト領域、２０・・・酸化物制御層
。 出廟人代理人 佐　　藤 −雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下記段階からなる半導体デバイスにおける電気的コ
   ンタクト製造方法。 （ａ）シリコン基体の上に、そのコンタクト領域を露出
   するコンタクト開口を有するリフロー可能なインターレ
   ベル誘電体を与える段階。 （ｂ）このシリコン基体およびインターレベル誘電体を
   酸素を含む雰囲気内での短時間熱処理により加熱してこ
   のコンタクト領域内に酸化物制御層を形成すると共に誘
   電体をリフローさせる段階。 （ｃ）リフローした誘電体と制御層の上に遷移金属層を
   付着させる段階。 （ｄ）この遷移金属層の少くとも一部を金属バリアに変
   換する段階。 ２、前記金属バリアの上にアルミニウムを含むインター
   コネクト層を付着しそしてこのインターコネクト層の上
   にキャップ金属層を付着する段階を更に含む、請求項１
   記載の方法。 ３、前記キャップ金属層はチタニウムを含む請求項２記
   載の方法。 ４、前記リフロー可能な誘電体はボロン−燐−シリコン
   ガラスである請求項１乃至３の１に記載の方法。 ５、前記遷移金属層はチタニウムである請求項１乃至４
   の１に記載の方法。 ６、前記金属バリアはチタニウム窒化物である請求項１
   乃至５の１に記載の方法。