JPH04250619A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
係わり、特に配線層の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年高集積化に伴い、ソースやドレイン
等の不純物拡散層を半導体基板表面に形成する場合、０
．２μｍ以下というように極めて浅いものが要求される
に至っている。しかし拡散層が浅いと、電極配線を純ア
ルミニウム（以下、Ａｌと称する）等で形成した場合、
プロセス中に高温にさらされてＡｌと半導体基板のシリ
コン（以下、Ｓｉと称する）とが相互拡散する。これに
より、Ａｌのスパイクが拡散層を突き抜けて、ｐｎ接合
部が破壊される。

【０００３】そこでこのような破壊を防止するため、予
めＡｌに固溶限界以上のＳｉを混入させておくことが行
われている。しかしこの場合には、Ａｌ中に含まれた過
剰なＳｉがコンタクトホールの微細な底部に析出し、蓋
をすることがある。しかも、Ａｌがドープされた抵抗の
高いｐ型結晶であるため、コンタクト抵抗が増大すると
いう問題もある。特にこの問題は、ｎ型拡散層では致命
的な問題となる。

【０００４】また、高集積化に伴い配線層の幅が狭くな
り、エレクトロマイグレーション（以下、Ｅ．Ｍ．と称
する）やストレスマイグレーション（以下、Ｓ．Ｍ．と
称する）によって、Ａｌ配線層が断線する問題が顕著に
なっている。銅（Ｃｕ）等の金属を微量添加し、Ｅ．Ｍ
．やＳ．Ｍ．の発生を抑さえることが行われているが、
十分な抑制効果は得られない。

【０００５】そこで、Ａｌ配線層と半導体基板表面とが
コンタクトする部分にバリア層を設け、ＡｌとＳｉとの
相互拡散や反応を抑えることが行われている。バリア層
の材料には、高融点金属、又は高融点金属や貴金属を用
いたシリサイド、窒化膜等が用いられている。ところが
、これらの材料から成るバリア層を形成した場合であっ
ても、Ａｌとバリア層との反応、あるいはバリア層とシ
リコンとの反応を十分に抑制することはできない。この
ため、バリア層の表面を酸化させてバリア性を高めるこ
とが行われている。しかし、酸化の進み具合を制御する
ことは難しく、安定したバリア層を形成するのは困難で
ある。

【０００６】また酸化工程を経ると、ボンディング特性
が悪化する問題もある。電極にワイヤボンディングが行
われると、電極下のバリア層とさらにその下の絶縁層と
がワイヤによって引張られる。バリア層の表面が酸化さ
れている場合には、酸化によってもバリア層に引張り応
力が働くため、絶縁層との間で剥離が生じる場合がある
。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の製造
方法には、拡散層と配線層とのコンタクト抵抗が増大し
たり、Ｅ．Ｍ．やＳ．Ｍ．等の発生を十分に抑制するこ
とができず、信頼性の高い微細な配線層を形成できない
という問題があった。

【０００８】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、浅い拡散層を形成した場合にも配線層との間で低
いコンタクト抵抗が得られ、さらに微細な配線層を信頼
性高く形成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する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、表面部分に拡散層が形成された半導体基板上
に絶縁膜を形成する第１の工程と、絶縁膜のうち拡散層
の上部を除去し、コンタクトホールを開孔する第２の工
程と、半導体基板を真空装置に搬入し、絶縁膜上とコン
タクトホールで露出している拡散層上とに高融点金属を
堆積させて高融点金属膜を形成する第３の工程と、半導
体基板を真空装置に入れた状態で連続して、高融点金属
が窒化された第１の高融点金属窒化膜を形成し、同時に
、加熱を行うことによって高融点金属膜のうち第１の高
融点金属窒化膜との界面の部分を窒化させ、高融点金属
膜のうち拡散層との界面の部分をシリサイド化させる第
４の工程と、第１の高融点金属窒化膜上に、高融点金属
が窒化された第２の高融点金属窒化膜を形成する第５の
工程と、第２の高融点金属窒化膜上に配線層を形成する
第６の工程とを備えたことを特徴としている。

【００１０】ここで、第４の工程によって、高融点金属
膜のうち少なくともコンタクトホールの側壁部分は全て
窒化されることが好ましい。

【００１１】また第４の工程により、高融点金属膜の少
なくともコンタクトホールの底面部分のうち、拡散層と
の界面の部分は全てシリサイド化され、第１の高融点金
属窒化膜との界面の部分は全て窒化されることが好まし
い。

【００１２】第４の工程において、高融点金属膜のうち
第１の高融点金属窒化膜との界面の部分が窒化していく
速度は、高融点金属膜のうち拡散層との界面の部分がシ
リサイド化していく速度よりも速いか、あるいは同時で
ある方がよい。

【００１３】高融点金属として、例えばチタン，モリブ
デン，タングステン，コバルト，ニッケル，バナジウム
，ハフニウムを用いることができる。

【００１４】高融点金属膜は、その圧縮応力が０〜５×
１０９　（ｄｙｎ／ｃｍ２　）の範囲内にあるように形
成されることが好ましい。

【００１５】

【作用】高融点金属膜のうち拡散層との界面の部分はシ
リサイド化されるため、高融点金属窒化膜に対して酸化
処理を行わなくともバリア性が高く、配線層に含まれる
金属材料と半導体基板中のシリコンとの交互拡散が抑制
され、拡散層のｐｎ接合部が破壊される事態が回避され
る。また高融点金属膜の拡散層上の部分がシリサイド化
されることにより、コンタクト抵抗が低下される。また
配線層の下部に、高融点金属窒化膜や高融点金属膜、シ
リサイド膜から成るバリアメタル層が敷かれた状態にな
るため、Ｅ．Ｍ．やＳ．Ｍ．の発生が抑制され、配線寿
命が長くなる。

【００１６】ここで高融点金属膜のうち、少なくともコ
ンタクトホールの側壁部分が全て窒化されることにより
、バリア性が高められる。また高融点金属膜の少なくと
もコンタクトホールの底面部分のうち、拡散層との界面
の部分が全てシリサイド化され、第１の高融点金属窒化
膜との界面の部分は全て窒化されることにより、配線層
の金属材料と半導体基板中のシリコンとの相互拡散が確
実に防止される。

【００１７】また、高融点金属膜のうち第１の高融点金
属窒化膜との界面の部分が窒化していく速度が、高融点
金属膜のうち拡散層との界面の部分がシリサイド化して
いく速度よりも速いか、あるいは同時であることにより
、シリサイド膜が厚くなり過ぎて半導体基板中のシリコ
ンが吸い出されることが防止される。

【００１８】高融点金属として、例えばチタン，モリブ
デン，タングステン，コバルト，ニッケル，バナジウム
，ハフニウムを用いることができる。

【００１９】そして高融点金属膜は、その圧縮応力が０
〜５×１０９　（ｄｙｎ／ｃｍ２　）の範囲内にあるよ
うに形成されることによって、パッドにワイヤボンディ
ングを行った場合にもパッド下部の酸化膜が剥離するこ
とが防止され、ボンディング特性が向上する。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１に、本実施例による半導体装置の製
造方法を工程別に示す。図１（ａ）に示されたように、
ｐ型半導体基板１の表面にリンイオン（Ｐ＋　）やヒ素
イオン（Ａｓ＋　）等の不純物イオンが注入されて、ｎ
型の拡散層２が形成されている。そして半導体基板１の
表面全体が酸化されて、シリコン酸化膜が形成される。 このシリコン酸化膜に対し、写真蝕刻法が用いられて拡
散層２の上部が選択的に除去され、コンタクトホール１
０が設けられたシリコン酸化膜３が形成される。

【００２１】半導体基板１が、通常のスパッタ装置に搬
入される。シリコン酸化膜３の表面全体にスパッタリン
グが行われ、チタン（Ｔｉ）が１００〜５００オングス
トロームの厚さに堆積されて、図１（ｂ）に示されるよ
うなチタン膜４が形成される。

【００２２】次に、このスパッタ装置に半導体基板１が
入ったままの状態で、即ち大気中にさらすことなく連続
して反応性スパッタリングが行われる。このスパッタリ
ングは、アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２　）の雰囲気中
で行われ、チタン膜４上にチタンナイトライド膜５が５
０〜２００オングストロームの膜厚で形成される（図１
（ｃ））。この場合に、堆積速度は１分間当り０．５〜
２オングストロームというように遅く設定され、堆積と
同時に半導体基板１が摂氏４００〜８００度に加熱され
る。これにより、チタン膜４のうちチタンナイトライド
膜５と接触している表面部分が窒化されて窒化膜６に変
化し、同時に拡散層２に接触している部分がシリサイド
化されてシリサイド膜７に変化する。ここで、拡散層２
の上面とコンタクトホール１０の側壁部分にはチタン膜
５が残らずに、シリサイド化あるいは窒化される必要が
あるが、図示されていないフィールド酸化膜上には残っ
ていてもよい。チタン膜４が窒化される速度は、シリサ
イド化される速度よりも速いか、又は同時である必要が
ある。これは、シリサイド化が速いとシリサイド膜７の
膜厚が厚くなり過ぎて、半導体基板１中のシリコンが吸
い出されてしまうためである。またチタンナイトライド
膜５は、チタンとの反応で体積収縮が起こり、結果的に
引張り応力を有するようになる。

【００２３】さらに連続して反応性スパッタリングが行
われ、チタンナイトライド膜５を形成したときよりも速
い体積速度（毎分５〜２０オングストローム）でチタン
ナイトライド膜８が５００〜２０００オングストローム
の膜厚で形成される。この場合に、このチタンナイトラ
イド膜８は、約５×１０９　（ｄｙｎ／ｃｍ２　）の圧
縮応力を持つようにスパッタ条件が設定される。このよ
うにすることで、チタンナイトライド膜５の引張り応力
と、チタンナイトライド膜８の圧縮応力とが相殺され、
チタンナイトライド膜５及び８に残留する圧縮応力は０
〜５×１０９　（ｄｙｎ／ｃｍ２　）に低下する。

【００２４】その後、チタンナイトライド膜８の表面全
体にアルミニウム，シリコン，銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）
合金がスパッタリングにより堆積され、厚さ８０００オ
ングストロームの配線膜が形成される。この配線膜と、
チタンナイトライド膜８及び５，窒化膜６，チタン膜４
に対し通常の写真蝕刻法が用いられ、図１（ｅ）に示さ
れるような配線膜９，チタンナイトライド膜８ａ及び５
ａ，窒化膜６ａ，チタン膜４ａが形成され、所望のパタ
ーンの配線層が得られる。

【００２５】このように本実施例では、配線層が（Ａｌ
−Ｓｉ−Ｃｕ）合金から成る配線膜９，チタンナイトラ
イド膜８ａ及び５ａ，窒化膜６ａ，チタン膜４ａの積層
構造で構成されている。そして、拡散層２の表面上には
チタン膜４は残っておらずシリサイド化されている。こ
のため、チタンナイトライド膜５ａの酸化処理を行わな
くとも、配線膜９に含まれるＡｌと半導体基板１中のシ
リコンとの相互拡散が抑制され、Ａｌのスパイクが拡散
層２を突き抜けてｐｎ接合部を破壊する事態が回避され
る。

【００２６】さらに、拡散層２上にはシリサイド膜７が
形成されるため、拡散層２と配線層との間のコンタクト
抵抗が低下されている。またＡｌ合金配線膜９の下部に
、チタンナイトライド膜８ａ及び５ａ，窒化膜６ａ，チ
タン膜４ａから成るバリアメタル層が敷かれていること
によって、Ｅ．Ｍ．又はＳ．Ｍ．の発生が抑制され、断
線に至るまでの寿命が従来の場合よりも２倍以上に伸び
て、高信頼性が得られる。またチタンナイトライド膜８
ａとチタンナイトライド膜５ａとの間で引張応力が緩和
されているため、パッドの下部に形成される酸化膜との
間で剥離が生じるのが防止され、ボンディング特性も向
上する。

【００２７】上述した実施例は一例であり、本発明を限
定するものではない。例えば、実施例では配線膜９がＡ
ｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金から成っているが、Ａｌ−Ｓｉ　合
金や純粋なＡｌで形成してもよい。特に、純粋なＡｌで
配線膜を形成した場合には、配線抵抗を低減させること
ができる。また実施例では高融点金属としてチタンを用
いているが、モリブデン（Ｍｏ　）やタングステン（Ｗ
）、コバルト（Ｃｏ　）、ニッケル（Ｎｉ　）、バナジ
ウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ　）、タンタル（Ｔａ　
）等の他の高融点金属を用いることもできる。実施例の
拡散層２はｎ型であるが、ｐ型の拡散層を形成する場合
にも同様に本発明を適用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
の製造方法によれば、高融点金属膜のうち拡散層との界
面の部分がシリサイド化されるため、高融点金属窒化膜
に対して酸化処理を行わなくともバリア性が高く、また
配線層に含まれる金属材料と半導体基板中のシリコンと
の交互拡散が抑制されて、拡散層のｐｎ接合部が破壊さ
れる事態が回避される。また配線層の下部に、高融点金
属窒化膜や高融点金属膜、シリサイド膜から成るバリア
メタル層が敷かれた状態になるため、Ｅ．Ｍ．やＳ．Ｍ
．の発生が抑制されて配線寿命が長くなり、高信頼性が
得られる。さらに、高融点金属膜の拡散層上の部分がシ
リサイド化されることによって、コンタクト抵抗が低下
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体装置の製造方法
を工程別に示した素子断面図。

【符号の説明】

１　　半導体基板 ２　　拡散層 ３　　シリコン酸化膜 ４　　チタン膜 ５　　チタンナイトライド膜 ６　　窒化膜 ７　　シリサイド膜 ８　　チタンナイトライド膜 ９　　配線膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面部分に拡散層が形成された半導体基板
   上に絶縁膜を形成する第１の工程と、前記絶縁膜のうち
   前記拡散層の上部を除去し、コンタクトホールを開孔す
   る第２の工程と、前記半導体基板を真空装置に搬入し、
   前記絶縁膜上と、前記コンタクトホールで露出している
   前記拡散層上とに高融点金属を堆積させて高融点金属膜
   を形成する第３の工程と、前記半導体基板を前記真空装
   置に入れた状態で連続して、前記高融点金属が窒化され
   た第１の高融点金属窒化膜を形成し、同時に、加熱を行
   うことによって前記高融点金属膜のうち前記第１の高融
   点金属窒化膜との界面の部分を窒化させ、前記高融点金
   属膜のうち前記拡散層との界面の部分をシリサイド化さ
   せる第４の工程と、前記第１の高融点金属窒化膜上に、
   前記高融点金属が窒化された第２の高融点金属窒化膜を
   形成する第５の工程と、前記第２の高融点金属窒化膜上
   に配線層を形成する第６の工程とを備えたことを特徴と
   する半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】前記第４の工程により、前記高融点金属膜
   のうち少なくとも前記コンタクトホールの側壁部分は全
   て窒化されることを特徴とする請求項１記載の半導体装
   置の製造方法。
3. 【請求項３】前記第４の工程により、前記高融点金属膜
   の少なくとも前記コンタクトホールの底面部分のうち、
   前記拡散層との界面の部分は全てシリサイド化され、前
   記第１の高融点金属窒化膜との界面の部分は全て窒化さ
   れることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造
   方法。
4. 【請求項４】前記第４の工程において、前記高融点金属
   膜のうち前記第１の高融点金属窒化膜との界面の部分が
   窒化していく速度は、前記高融点金属膜のうち前記拡散
   層との界面の部分がシリサイド化していく速度よりも速
   いか、あるいは同時であることを特徴とする請求項１な
   いし３記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】前記高融点金属は、チタン，モリブデン，
   タングステン，コバルト，ニッケル，バナジウム，ハフ
   ニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１ない
   し４記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】前記高融点金属膜は、その圧縮応力が０か
   ら５×１０９　（ｄｙｎ／ｃｍ２　）の範囲内にあるよ
   うに形成されることを特徴とする請求項１ないし５記載
   の半導体装置の製造方法。