JPH0399471A - 半導体装置 - 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】 〔Ｉ！要〕 シリコン基板とコンタクトをとるアルミニウム配線層を
有する構造の半導体装置に関し、ｉ単な装置で製造でき
、しかも製造歩留りがよく高い信頼性を得ることを目的
とし、 少なくともコンタクトホール内のシリコン基板上にチタ
ン層を形成され、このチタン病とアルミニウム配線層と
の間にチタン−アルミニウム−銅を含む合金膜を形成し
た構成とする。

（産業上の利用分野〕 本発明は、シリコン基板とコンタクトをとるアルミニウ
ム配線層を有する構造の半導体装置に関する。

近年の半導体装置の高集積化に伴ない、シリコン基板に
形成される接合部分の深さは著しく浅くなっている。従
って、シリコン基板とコンタクトをとるアルミニウム配
線層を有する構造の半導体装置においては、このアルミ
ニウム配線層とシリコン基板との間の反応を完全に抑え
る必要がある。

〔従来の技術〕

従来では、前記反応を抑える目的で、第３図に示すよう
にシリコン基板１と拡散層２を介してコンタクトをとる
アルミニウム配置１１Ｗ３を、アルミニウム中に予めシ
リコンを含んだアルミニウムーシリコン合金としたもの
が用いられている。なお、４はシリコン酸化膜、４ａは
コンタクトホールである。然るに、アルミニウムーシリ
コン合金のアルミニウム配線層３は、例えば層間絶縁膜
形成のための４５０℃程度の熱処理後に第３図に示すよ
うにアルミニウム配線層３中のシリコンがコンタクトホ
ール４ａ内のシリコン基板１上に析出してしまい、コン
タクト抵抗が劣化し、特に近年の高集積化に伴なう微細
コンタクトを必要とする半導体装置には適さない。

そこで、近年は、第４図に示す如く、シリコン基板１と
アルミニウム配線層（アルミニウムーシリコン合金）３
との間に反応を抑えるためのバリア層５を設けたものが
主流となりつつある。バリアＩ５としては、チタン、ジ
ルコニウム、タンクステン、タングステンーチタン合金
等の高融点金属、及びこれらの窒化物で構成することが
知られているが、−膜内に、アルミニウム配線層とシリ
コン基板との間の反応を抑えるバリア性という観点から
は、純金属よりもその窒化物の方が優れているといわれ
ており、このために、バリア層５は導電性の窒化物で構
成されたものが多く用いられている。

ここで、バリア［１５に窒化物を用いた場合、この窒化
物はアルゴン−窒素を用いた反応性スパッタリング法に
て形成するのが一般的である。この場合、第４図に示す
ようなシリコン基板１上にバリア層５及びアルミニウム
配線層（アルミニウムーシリコン合金）３を連続して形
成するには、先ず第１の真空チャンバ（スパッタ室）に
おいてアルゴン−窒素のスパッタガスを用いたスパッタ
リングでバリア層５を形成し、その後筒２の真空チャン
バに移してここでアルゴンのスパッタガスを用いたスパ
ッタリングでアルミニウム配線層３を形成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、コンタクト面積の微小化が進むにつれて次
第にこのコンタクト面での電気抵抗の増大の問題が顕茗
になってきており、最近ではますますこのバリアメタル
層を薄くする傾向にあるから、例えばコンタクト部分の
シリコン基板とアルミニウム合金からなる配線層との界
面にチタン〃介在させる方法によっては、十分なバリア
性と低いコンタクト抵抗を両立させることができない。

この傾向は、配線層としてＡｅ−Ｔｉ−Ｃｕ（アルミニ
ウムーチタン−銅）単層を用い、バリアメタル層をチタ
ンで構成しても同様である（例えば、特開昭６２−１１
４２４１号公報には、アルミニウムーチタンー銅の合金
を導電層とした半導体装置が示されている）。この場合
には、配線層自身の電気抵抗を低くするためには、Ａｔ
の含有割合を高めざるを得す、よって配線層自身の電気
抵抗を低くしようとすれば、接合リークの危険が大きく
なり、逆に接合リークの危険が小さくなるように構成す
れば、電気抵抗が大きくなるという問題に直面する。こ
のような問題は、バリアメタル層チタンをスパッタリン
グ形成し、この表面を重ねる配線層はＡｌ１−Ｃｕ（ア
ルミニウムー同）単層をスパッタリング形成し、この配
線層を形成後に、アニル処理する場合においても同様で
ある。

以上のいずれの方法によっても、コンタクト部で十分に
バリア性と十分低い電気抵抗を両立することは困難であ
る問題点があった。

さらにバリアメタル層を用いる半導体装置に製造方法に
関しては、次のような問題がある。

前述のようにバリア層に窒化物を用いた従来例は、２つ
の真空チャンバで夫々種類の異なるスパッタガスを用い
て製造しなければならず、従って夫々のチャンバをロー
ドロック等で真空分離する等の規模が大きく複雑な構造
の装置を必要とする問題点があった。又、反応性スパッ
タリング法で形成された高融点金属及びその窒化物の膜
（バリア層５）は真空チャンバ内の防着板（ステンレス
類）との密着性が悪いために防着板から剥れ易く、この
剥離によるパーチクルが半導体装置基板上に付着し、そ
の製造歩留りが悪くなり、信頼性が低下する問題点があ
った。

本発明は、十分なバリア性及び十分低い電気抵抗を両立
でき、又、簡単な装置で製造でき、しかも製造歩留りが
よく＾い信頼性を得ることができる半導体装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、シリコン基板とコンタクトをとるアルミニウ
ム配線層を有する構造の半導体装置において、少なくと
もコンタクトホール内のシリコン基板上にチタン層を形
成され、このチタン層と上記アルミニウム配ａｍとの間
にチタン−アルミニウム−銅を含む合金膜を形成したも
のである。

〔作用〕

バリア層として窒化物を用いずにチタン膜を用いた場合
、熱処理において問題となるのは、チタン膜とアルミニ
ウム配線層との相互拡散反応である。後述のように、チ
タン−アルミニウムの相互拡散によるチタン−アルミニ
ウム合金（ＴｉＡＩｌｚ）の形成速度は銅の存在によっ
て著しく低下することが知られている。そこで、本発明
はこの原理を利用し、チタン膜とアルミニウム配線層と
の反応を遅（してチタン−アルミニウム合金層が厚く成
長するのを防ぐ。従って、チタン膜の上に直接アルミニ
ウム配線層を形成しただけの場合に比してチタン−アル
ミニウム合金層とシリコン基板との間の反応を十分に抑
え得、特に窒化物を用いなくてもバリア性として優れた
ものになる。このように十分なバリア性を持たせること
がでるのでバリア層を薄くでき、コンタクト部の電気抵
抗を十分低くできる。

又、本発明はバリア層として窒化物を用いてないため、
ヂタンーアルミニウムー銅合金膜及びアルミニウム配線
層はともにアルゴンをスパッタガスとして用いて形成で
きるので、バリア層として窒化物を用いたものに比して
一つの真空チャンバがあればよく、小形で簡単な装置で
製造できる。

又、バリア層として窒化物を用いておらず、チタン−ア
ルミニウム−銅合金膜であるため、真空チャンバ内の防
着板（ステンレス製）との密着性が良好であり、防着板
からの剥離によるバーヂクルもなく、製造歩留りを向上
できる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の断面図を示す。

その−造に際し、シリコン基板１の表面にコンタクトホ
ール４ａを設けられたシリコン酸化膜４を形成し、コン
タクトホール４ａ内のシリコン基板１に拡散１１２を形
成する。ここまでは従来周知の通常のプロセスで形成す
る。

次に、コンタクトホール４ａ内のシリコン基板１上の自
然酸化膜をフッ酸等で除去し、その侵、三個以上のター
ゲットを装着可能な枚葉式スパッタ装置を用いて後述の
チタン１Ｉ１１０．チタン−アルミニウム−銅合金膜１
１．アルミニウム配線層（アルミニウムーシリコン合金
）３を連続的に形成する。即ち、チタンターゲットを用
いてチタン族１０を例えば５００人の厚さに成長し、続
いて、チタン−アルミニウム合金（ＴｉＡｆ１３）に０
．２ｗｔ％の銅を添加されたターゲットを用いてチタン
−アルミニウム−銅合金膜１１を例えば１０００人の厚
さに成長し、最後に、アルミニウムー１％シリコンのタ
ーゲットを用いてアルミニウム配線層３を例えば１μ−
の厚さに成長する。この場合、アルミニウム配線層３は
、通常のフォトリソグラフィ及びドライエツチング法に
より設計通りの所定パターン形状に形成する。

ここで、第１図に示すようにチタン膜１ｏ上にチタン−
アルミニウム−銅合金１１１１を設けた理由について説
明する。

本発明は、前記のように製造装置が人形化し、かつ、製
造歩留りが低下することからバリア層に窒化物を使用せ
ずに、アルミニウム配線層３とシリコン基板１との間の
バリア性を向上するようにしたものである。一般に、チ
タンとシリコンとのシリサイド化反応は熱処理で用いる
４５０℃以下では非常に遅いが、チタンとアルミニウム
との相互拡散反応は４５０℃以下でも早いことが公知で
ある。

このため、チタン膜１０の上に直接アルミニウム配置ａ
層（アルミニウムーシリコン合金）３を形成しただけで
あると、４５０℃以下でもチタン膜１０とアルミニウム
配線ｇＪ３とが反応してチタン−アルミニウム合金層が
厚く成長してしまい、この厚いチタン−アルミニウム合
金層とシリコン基板１とが反応しく一般に、チタン−ア
ルミニウム合金とシリコンとは反応が早い）、これらの
化合物が形成されてコンタクト抵抗の劣化につながる。

ところで、チタン及びアルミニウムの相互拡散によるチ
タン−アルミニウム合金（’ｒｉＡＥｓ）の形成速度は
銅の存在によって著しく低下することが、ｒ　Ｐｈｙｓ
ｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｊ　Ｖｏｌ、３２（１９８５
）２０１０頁（Ｊ、　　Ｔａｒｄｙａｎｄ　　Ｋ、　Ｎ
、　　丁Ｕ）によって知られている。このため、本発明
ではこの原理を利用し、チタン膜１０とアルミニウム配
線層３との間に、予めチタン−アルミニウム合金（Ｔｉ
Ａｆｌｚ）の中に銅を添加されたチタン−アルミニウム
−銅合金膜１１を設け、４５０℃の熱処理を行なっても
チタン膜１０とアルミニウム配線１３との反応を遅くし
てチタン−アルミニウム合金層が厚く成長するのを防ぐ
。即ち、本発明では、チタン膜１０とアルミニウム配線
層３との反応によってチタン−アルミニウム合金層が厚
く成長されるのを防ぎ、チタン−アルミニウム合金層と
してはチタン−アルミニウム−銅合金膜１１の厚さのみ
とするものである。

この場合、チタン−銅合金膜１１を含有するべき割合は
、０．１ｗｔ％〜１ｗｔ％である必要がある。

下限については、チタン−アルミニウムの相互拡散によ
るチタン−アルミニウム合金の形成速度の低下の効果を
得るために必須であり、上限についてはドライエツチン
グ（ＲＩＥ）を容易に行いつるために必須である。

従って、チタンｗ！１０の上に直接アルミニウム配置ａ
ＷＪ３を形成しただけの場合に比してチタン−アルミニ
ウム合金層とシリコン基板１との間の反応を抑止えるこ
とができ、特に窒化物を用いなくてもバリア性として優
れたものになる。このように十分なバリア性を持たせる
ことができるのでバリア層１１を薄くでき、コンタクト
部の電気抵抗を十分低くできる。又、４５０℃３０分間
の熱処理を行なった後では、本発明のものはコンタクト
抵抗の劣化或いは接合部におけるリーク電流の増加等が
認められなかったのに対し、銅を含まないチタン−アル
ミニウム合金層を用いた場合には接合部におけるリーク
電流の顕著な増加が認められたことから、本発明の有効
性が実証された。

このように本発明によれば、バリア層として窒化物を用
いないでもアルミニウム配線層３とシリコン基板１との
間の十分なバリア性を得ることができる。この場合チタ
ン−アルミニウム−銅合金１１１１はアルミニウム配線
層３を形成するのと同様にアルゴンをスパッタガスとし
て用いて形成できるため、窒化物を用いてバリア層を形
成するものに比して一つの真空チャンバがあればよく、
小形で簡単な装置で製造できる。又、バリア層として窒
化物を用いておらず、アルミニウムを主体とした合金（
チタン−アルミニウム−銅合金１１１１）であるため、
真空チャンバ内の防着板（ステンレス製）との密着性が
良好であり、防着板からの剥離による半導体装置基板上
へのパーチクルの付着はなく、製造歩留りが向上する。

第２図は本発明の第２実施例の断面図を示し、同図中、
第１図と同一構成部分には同一番号を付す。第２図に示
すものは、第１図に示すような全面に形成するチタンｌ
ｌ１１０の代りに、コンタクトホール４ａ内のシリコン
基板１表面にチタンシリサイド１２を形成したもので、
この上にチタン−アルミニウム−銅合金膜１１．アルミ
ニウム配線層３を形成する。この実施例も前記第１実施
例と同様の効果を有する。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明によれば、十分なバリア性及
び十分低い電気抵抗を両立でき、又バリア層として窒化
物を用いていないため、バリア層及びアルミニウム配ａ
ｍともに同じアルゴンをスパッタガスとして用いて形成
できるので、一つの真空チャンバによる小形で簡単な装
置で製造でき、又、バリア層としてはアルミニウム合金
であるので真空ヂャンバ内のステンレス製の防着板との
密着性が良好であり、防止板からの剥離による半導体装
置基板上へのバーヂクルの付着はなく、製造歩留りを向
上でき、信頼性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明の第１及び第２実施例の
断面図、 第３図及び第４図は従来の各側の断面図である。 図において、 １はシリコン基板、 ２は拡散層、 ３はアルミニウム配線層、 ４はシリコン酸化膜、 ４ａはコンタクトホール、 １０はチタン膜（チタン層）、 １１はチタン−アルミニウム−銅合金膜、１２はチタン
シリサイド（チタン層）を示す。 本発明の第１実施例の断面図 第１図 Ｇ 第２ＷＪ 従来の一例の断面図 第３ＷＪ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリコン基板（１）とコンタクトをとるアルミニウム配
   線層（３）を有する構造の半導体装置において、 少なくともコンタクトホール（４ａ）内のシリコン基板
   （１）上にチタン層（１０、１２）を形成され、該チタ
   ン層（１０、１２）と上記アルミニウム配線層（３）と
   の間にチタン−アルミニウム−銅を含む合金膜（１１）
   を形成されてなることを特徴とする半導体装置。