JPH05102080A

JPH05102080A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH05102080A
Application number: JP25623291A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kato; 隆加藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-10-03
Filing date: 1991-10-03
Publication date: 1993-04-23

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は半導体装置の製造方法に関し、カバ
レージ及びバリア性を向上させることができるととも
に、低抵抗にすることができるＣＶＤ法による酸素含有
バリアメタル層を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。【構成】酸素含有高融点金属ソースガスとプラズマま
たは光エネルギーによって励起された還元性ガスとを反
応室内に導入して、化学気相成長法により少なくとも酸
素を含有する高融点金属層を形成する工程を含むように
構成する。

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
に係り、特に、カバレージ及びバリア性を向上させるこ
とができるとともに、低抵抗にすることができるＣＶＤ
法による酸素含有バリアメタル層を形成することができ
る半導体装置の製造方法に関する。ＬＳＩは半導体基板
上に能動素子と配線を絶縁膜で挟んで形成されたもので
あり、集積度の向上とともに、素子形状が微細化して拡
散層深さが薄くなってきているうえ、段差も厳しくなっ
てきている。このため、拡散層へのＡｌコンタクトを取
る際、ＡｌのＳｉ基板への突き抜け防止のためにバリア
メタル層を形成する必要が生じている。

【０００２】従来、スパッタ法で形成されたＴｉＮがバ
リアメタルとして用いられてきたが、カバレージの問題
ばかりでなくアスペクト比の大きいコンタクトホール底
部に膜が形成され難い決定的問題が生じている。そこ
で、近時、カバレージの良いＣＶＤ法が検討されてい
る。従来、ＣＶＤコーティング分野でソースガスとして
蒸気圧の高い塩化物が用いられていたが、半導体ではバ
リアメタル層の上層配線にＡｌ配線を使用するため、Ａ
ｌとＣｌの相互拡散によるＡｌ−Ｃｌ反応による断線が
心配される。このため、Ｃｌを含まない他のソースとし
て有機金属が考えられるが、酸素を含む物が多く今度は
酸化されて酸化膜になってしまうため絶縁膜となってコ
ンタクトには適さなかった。

【０００３】このため、カバレージ及びバリア性を損な
うことなく抵抗があまり増加しない程度の酸素を自動的
に微量ドープされたバリアメタル層を形成することがで
きる半導体装置の製造方法が要求されている。

【０００４】

【従来の技術】図５は従来の半導体装置の製造方法を説
明する図である。図示例はＭＯＳトランジスタ、バイポ
ーラトランジスタ等の半導体装置の製造方法に適用する
ことができる。図５において、31はＳｉ基板であり、こ
のＳｉ基板31には拡散層32が形成されており、更に、こ
のＳｉ基板31上にはコンタクトホール33を有するＳｉＯ
₂等からなる絶縁膜34が形成されている。そして、この
絶縁膜34に形成されたコンタクトホール33内の拡散層32
とコンタクトするようにＴｉ等のコンタクトメタル層3
5、ＡｌとＳｉの相互拡散によるＡｌ・Ｓｉ反応を防止
するためのＴｉＮ等のバリアメタル層36及びＡｌ等の配
線層37が形成されている。

【０００５】次に、その半導体装置の製造方法について
説明する。まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板31
にイオン注入、アニール処理等により拡散層32を形成
し、ＣＶＤ法等により拡散層32上にＳｉＯ₂を堆積して
絶縁膜34を形成した後、ＲＩＥ等により絶縁膜34をエッ
チングして拡散層32が露出されたコンタクトホール33を
形成する。なお、拡散層32はコンタクトホール33形成後
に形成してもよい。

【０００６】次に、図５（ｂ）に示すように、コンタク
トホール33内の拡散層32とコンタクトするようにＴｉタ
ーゲットを用いてＴｉのみを常温でスパッタしてコンタ
クトメタル層35を形成した後、チャンバー内に更にＮ₂
ガスを導入して常温で反応性のスパッタを生じさせてＴ
ｉＮからなるバリアメタル層36を形成する。そして、ス
パッタ法によりバリアメタル層36を覆うようにＡｌを堆
積して配線層37を形成することにより、図５（ｃ）に示
すような配線構造を得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の半導体
装置の製造方法では、Ｔｉターゲットを用いて常温下で
Ｎ₂ガスをチャンバー内に導入し、反応性のスパッタを
生じさせることによりＴｉＮバリアメタル層36を形成し
ていたため、微細化されてアスペクト比が大きくなる
と、特にコンタクトホール底部でのＴｉＮバリアメタル
層36のカバレージが悪くなってしまうという問題があっ
た。

【０００８】このカバレージが悪くなるという問題を解
決する従来手段にはＣＶＤ法でＴｉＮを堆積してＴｉＮ
バリアメタル層36を形成する方法が検討されている。こ
のＣＶＤ法でＴｉＮバリアメタル層36を形成する方法で
は、コンタクトホール内でのＴｉＮバリアメタル層36の
カバレージを良好にすることができるという利点を有す
るが、堆積された結合状態のＴｉＮのＴｉとＮの結合状
態が悪くなり、バリア性が悪くなるという問題があっ
た。

【０００９】このバリア性が悪いという問題を解決する
従来手段には、スパッタ法においてＴｉＮに酸素を添加
して結晶粒界に酸素を埋め込む方法が挙げられるが、こ
のスパッタ法では、上記酸素を導入しないスパッタ方法
と同様カバレージが悪くなってしまうという問題があっ
た。また、ＣＶＤ法においてＴｉＮに酸素を添加する方
法が考えられる。しかしながら、このＣＶＤ法では、ソ
ースガスとして有機金属を用いるのであるが、この有機
金属には酸素が含有されているため、ＴｉＮ成膜中に多
量の酸素が混入され易く、成膜されたＴｉＮバリアメタ
ル層36のコンタクト抵抗が増加してしまうという問題が
あった。

【００１０】そこで、本発明は、カバレージ及びバリア
性を向上させることができるとともに、低抵抗にするこ
とができるＣＶＤ法による酸素含有バリアメタル層を形
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
とを目的としている。

【００１１】

【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成のため、酸素含有高融点金属
ソースガスとプラズマまたは光エネルギーによって励起
された還元性ガスとを反応室内に導入して、化学気相成
長法により少なくとも酸素を含有する高融点金属層を形
成する工程を含むものである。

【００１２】本発明においては、前記プラズマ又は光エ
ネルギーによる励起を連続又は間欠的に行うようにして
もよく、例えば間欠的に還元性励起ガスを導入する際、
ガス導入時間を導入しない時間よりも適宜短くして酸化
膜を厚く形成することにより、バリア性を上げることが
でき、また、ガス導入時間を導入しない時間よりも適宜
長くして酸化膜を薄く形成することにより、コンタクト
抵抗を下げることができる。

【００１３】本発明においては、前記酸素含有高融点金
属層形成後、前記反応室内に更に窒素含有ガスを反応室
内に導入して、化学気相成長法により少なくとも酸素を
含む窒化物を主体とする高融点金属化合物層を形成する
工程を含むようにしてもよく、また、前記酸素含有高融
点金属層形成後、前記反応室内に更に臭素含有ガスを反
応室内に導入して、化学気相成長法により少なくとも酸
素を含む臭化物を主体とする高融点金属化合物層を形成
する工程を含むようにしてもよく、これらの場合、２層
構造のバリアメタルを形成することができる。

【００１４】本発明においては、前記酸素含有高融点金
属ソースガスと前記還元性ガスを前記反応室内に導入す
る際、更にシラン系ガスを導入して、化学気相成長法に
より酸素含有高融点金属シリサイド層を形成するように
してもよい。また、前記酸素含有高融点金属層を下地シ
リコン層上に形成後、前記酸素含有高融点金属層を熱処
理しシリサイド化して酸素含有高融点金属シリサイド層
を形成するようにしてもよく、この場合、表面に凸凹の
少ない酸素含有高融点金属シリサイド層を形成すること
ができる。

【００１５】本発明においては、反応室の残留酸素分圧
を10^-5Torr以下にして高真空にするのが好ましく、この
場合、コンタクト抵抗を実用レベルに低くできる。ま
た、反応室前で150 ℃から400 ℃でソースガスを予備加
熱するのが好ましく、この場合、ソ−スガスを励起して
前反応することができる。

【００１６】

【作用】半導体におけるコンタクトバリアメタルは、拡
散防止のためのバリア性だけでなくコンタクト抵抗を低
くすることも要求される。このため、ＴｉＮ／Ｔｉの二
層構造が用いられているのが主で、ＣＶＤにおけるソー
スガス一種類でこれが実現されることが望まれている。

【００１７】本発明者はＡｌと反応する塩化物を含まな
い有機高融点金属ソースガスを使用してバリアメタル層
を形成したが、この有機高融点金属には酸素が含まれて
いる。このため，成膜時に多量の酸素が結晶中に混入さ
れてしまい、成膜された酸素含有高融点金属のコンタク
ト抵抗が増加してしまうという問題に直面した。そこ
で、酸素含有高融点金属ソースガスを反応室に導入する
際、酸素を適宜除くために、プラズマまたはエネルギー
によって励起された還元性ガスを反応室内に導入して、
ＣＶＤを行って酸素含有高融点金属層を形成する方法を
考え出した。最初に還元性ガスとして水素ガスを添加し
て実験を始めたが、比抵抗が下がらなかった。

【００１８】図１に示すように反応室内の残留酸素が影
響していることが判った。そこで、反応室内の真空度を
上げた後、還元性ガスとして水素ガスをガスシャワー
（ソースガスと混合）その周辺の２箇所から多量に流し
た結果、若干の酸素は残っているものの金属に近いバリ
アメタルとなる酸素含有高融点金属層を得ることができ
た。ソ−スガスに酸素を添加したのでは酸化膜が形成さ
れるので，更にソ−スガス中の酸化でも酸化されるが，
励起還元ガスを導入して初めて微量にコントロ−ルされ
た酸素が導入される。

【００１９】従来、チタンはシリコン上、ＳｉＯ₂上共
に熱処理に対して不安定であるが、元々有機高融点金属
ソースに含まれていた酸素が自然に取り込まれているた
め、微量の酸素が結晶中に含まれて本発明で形成された
酸素含有チタンはカバレージ及びバリア性に優れ、しか
も低抵抗な非常に安定な酸素含有高融点金属層となっ
た。更に、この得られた酸素含有高融点金属層は、結晶
粒径が小さく、結晶の成長も抑えられるため非常に安定
となった。これはスパッタ時に酸素を導入する場合よ
り，プラズマＣＶＤの方が性能が良いことを示す。これ
はソ−スガス自体に酸素を含んでいることによると考え
られる。そして，この酸素含有高融点金属層はトランジ
スタのソース、ドレインまたはショットキー接合にも好
ましく用いることができる。

【００２０】また、シランを添加してＣＶＤを行っても
よく、この場合形成されたシリサイドも上記同様に微量
の酸素がドープされ、熱処理に対して 900℃以上まで安
定である。更には、窒化物、ボライドの形成にも酸素を
含む有機高融点金属をソースガスとして用いると有効で
あり、特に窒化効果の高いアンモニア、ヒドラジン等を
用いることにより炭素、酸素を必要最小限に抑えること
ができる。酸素が取り込まれ易い結合ガスが供給される
ため、一端導入された酸素は非常に安定な位置を占める
ことができる。しかも、従来の結晶粒界だけでなく、結
晶粒内にも微量の酸素を含ませることができるため、非
常に安定である。そして、高温熱処理に対しても結晶を
アモルファス（微結晶）状態に維持することができ、応
力の発生を小さくすることもできる。

【００２１】また、ホウ素を含むガス、フッ素を含むガ
スによってそれぞれボライドフッ化物を形成してもよ
く、これらの膜も窒化物と同様に高いバリア性を得るこ
とができる。

【００２２】

【実施例】図２は本発明の一実施例に則した半導体装置
の製造方法を説明する図であり、図３は本発明の一実施
例に則した半導体製造装置の構成を示す概略図である。
図示例はＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ
等の半導体装置の製造方法に適用することができる。図
２、３において、１はＳｉ基板であり、このＳｉ基板１
には拡散層２が形成されており、更にこのＳｉ基板１上
にはコンタクトホール３を有するＳｉＯ₂等からなる絶
縁膜４が形成されている。そして、この絶縁膜４に形成
されたコンタクトホール３内の拡散層２とコンタクトす
るように酸素を含有するＴｉ等からなる酸素含有高融点
金属層５、酸素を含有するＴｉＮ等からなる酸素含有高
融点金属化合物層６及びＡｌ等の配線層７が形成されて
いる。８、９、10、11、12、13、14、15、16は反応室、
マスフローコントローラ、ゲートコンダクタンス弁、ヒ
ーター、バルブ、ニードル弁、石英ボード、ミキサー
部、シリンダーである。

【００２３】次に、その半導体装置の製造方法について
説明する。ここでは、特に酸素含有高融点金属層５及び
酸素含有高融点金属化合物６の形成方法を詳細に説明す
る。まず、図２（ａ）に示すように、ＣＶＤ法等により
ＳｉＯ₂を堆積して膜厚0.8μｍの絶縁膜４を形成した
後、ＲＩＥ等により絶縁膜４をエッチングして穴径0.8
μｍのコンタクトホール３を形成する。この後イオン注
入，アニ−ル処理により拡散層２を形成する。

【００２４】次に、図２（ｂ）に示すように、酸素含有
高融点金属ソースガスとしてテトラメトキシチタンと励
起された還元性ガスとしてＨ₂ガスとを反応室８内に導
入して、ＣＶＤ法によりコンタクトホール３内の拡散層
２とコンタクトするように膜厚200Åの酸素含有高融点
金属層５を形成する。以下、酸素含有高融点金属層５の
形成方法を具体的に説明する。図３に示す如くバッチ式
のＣＶＤ装置の横型ＣＶＤ炉を電気ヒーター11で加熱
し、ウェハー１を石英反応室８内の石英ボード14に配置
する。なお、ここでは横型のＣＶＤ炉を用いたが、縦型
ＣＶＤ炉も用いてもよい。

【００２５】次いで、排気を反応室８の一方向から行
い、ソースガス、反応ガスとキャリアガス等のガスを他
方から供給する。次いで、ソースガスには酸素を含む高
融点金属ソースガスとして蒸気圧が高いテトラメトキシ
チタンを用いるとともに、キャリアガスに水素ガスを用
い、ミキサー部15でプラズマで励起された水素ガスと混
合する。なお、ここでのソースガス供給系は後述する他
のＣＶＤ装置でも使用される。

【００２６】次いで、このプラズマ励起された水素ラジ
カル、イオンによってメタン、エタンと共にＣ−Ｏが形
成されて大きな分子が小さく分解される。これにより、
酸素、炭素の少ない酸素含有高融点金属層５を形成する
ことができる。なお、後述する酸素含有高融点金属化合
物層６を形成する時には、このミキサー部15で化合する
ガス、例えばＮ₂ガス、ＮＨ₃ガス等を更に混合する。
但し、ガスの混合はミキサー部15に限定されるものでは
なく、反応管の直前又は管内で行ってもよい。

【００２７】次いで、ニードル弁13をミキサー部15の前
に配置し、混合割合を調整するとともに、ソースシリン
ダー16内圧を減圧にすることによって取り出すソース量
を増やす。次いで、ソースシリンダー16を55℃に保ち、
この後の配管の温度をこれ以上にし、反応室８内の温度
を 650℃にして圧力を0.5Torr とする。

【００２８】次いで、ソースガスのキャリア水素30sccm
と、プラズマ励起された希釈水素200sccm をミキサー部
15で混合し、更に反応室８周囲に水素を1000sccm加えて
反応室８に供給する。これにより、Ｓｉ基板１上にＴｉ
を主成分とする酸素含有高融点金属層５を形成すること
ができる。次に、図２（ｂ）に示すように、反応室８内
に更にＮ₂またはＮＨ₃ガスを導入してＣＶＤ法により
酸素を含有するＴｉＮからなる膜厚1000Åの酸素含有高
融点金属化合物層６を形成する。

【００２９】そして、酸素含有高融点金属化合物層６を
覆うようにＡｌをスパッタ堆積して配線層７を形成する
ことにより、図２（ｃ）に示すような配線構造を得るこ
とができる。すなわち、本実施例では、酸素含有有機高
融点金属ソースガスとプラズマまたは光エネルギーによ
って励起された還元性ガスを反応室８内に導入して、Ｃ
ＶＤ法により酸素含有高融点金属層５形成するととも
に、更に反応室内にＮ₂ガスまたはＮＨ₃ガスを導入し
てＣＶＤ法により酸素含有高融点金属化合物層６を形成
している。このように、ＣＶＤ法で酸素含有高融点金属
化合物層６を形成したため、従来のスパッタ法で形成す
る場合よりも酸素含有高融点金属化合物層６のコンタク
トホール３へのカバレージを良好にすることができる。

【００３０】また、反応室８内の真空度を高くし、ソ−
スガスとは別に添加される酸素を少なくし，酸素含有高
融点金属ソースガスと励起された還元性ガスを反応室８
内に導入してＣＶＤ法を行ったため、酸素含有高融点金
属層５及び酸素含有高融点金属化合物層６の膜中に酸素
を微量ドープすることができる。このため、バリア性を
向上させることができるとともに、低抵抗な酸素含有高
融点金属化合物層６を形成することができる。

【００３１】なお、上記実施例では、酸素含有高融点金
属層５及び酸素含有高融点金属化合物層６を横型ＣＶＤ
装置で形成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、図４に示すように、枚葉式
のプラズマＣＶＤ装置を用いて形成してもよい。図４に
おいて、図２、３と同一符号は同一または相当部分を示
し、21、22、23、24はシャワー、ゲードバルブ、ロード
ロック、載置台である。

【００３２】ここでは、上部にシャワー21、下部にヒー
ター11が配置された平行平板型装置であり、反応室８を
真空に保つためロードロック23を有している。高周波は
上部電極に印加しているが、下部にパワーを印加しても
よく、プラズマを利用することによって成長温度を低く
することができる。基板温度は100 ℃から 500℃程度で
Ｔｉ、ＴｉＮに酸素がドープされた緻密な酸素含有高融
点金属層５及び酸素含有高融点金属化合物層６を形成す
ることができる。

【００３３】成長条件としては高周波パワー密度を0.2
Ｗ／cm²以下とし、ソースキャリア水素を200sccm 、希
釈水素を80sccm、反応室８のシャワー21周辺からの水素
を 300sccmとし、トータル圧力を５Torrとする。次い
で、高周波パワーを30Ｗとし、Ｓｉ基板１温度を 300℃
で成長する。これでＴｉを主成分とする酸素含有高融点
金属層５を成長させることができる。

【００３４】次に、ＴｉＮを成長するため希釈ガスとし
てアンモニアをミキサー部15とシャワー21周辺に各々5
0、 100sccm加え、水素を前の半分に減らす。なお、こ
こではＴｉ系について述べたが、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ
等の高融点金属でも同様に生じさせることができる。こ
のように、成長条件を適当に選択することによりカバレ
ージの良いバリアメタルを堆積することができる。この
方法でコンタクトホール内にバリアメタルを形成する
と、アスペクト比の高い 0.3μｍ以下寸法の場合でもバ
リア性を維持することができるため、集積度を飛躍的に
向上させることができる。そして、50nm程度でバリアメ
タルを形成した後、アルミニウムを300nm を高温堆積し
て平坦な配線層を形成することにより、上記実施例と同
様な配線構造を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、カバレージ及びバリア
性を向上させることができるとともに、低抵抗にするこ
とができるＣＶＤ法による酸素含有バリアメタル層を形
成することができるという効果がある。また，アスペク
ト比を高くできるので，層間絶縁膜を厚くでき，配線容
量を小さくできるので，動作スピ−ドが速くなる。更に
コンタクトサイズを小さくできるので，集積度が上が
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するためのバリアメタル膜
抵抗と反応室真空度との関係を示す図である。

【図２】本発明の一実施例に則した半導体装置の製造方
法を説明する図である。

【図３】本発明の一実施例に則した半導体製造装置の構
成を示す概略図である。

【図４】本発明に適用できる半導体製造装置の構成を示
す概略図である。

【図５】従来例の半導体装置の製造方法を説明する図で
ある。

【符号の説明】

５酸素含有高融点金属層６酸素含有高融点金属化合物層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素含有高融点金属ソースガスとプラズ
マまたは光エネルギーによって励起された還元性ガスと
を反応室内に導入して、化学気相成長法により少なくと
も酸素を含有する高融点金属層を形成する工程を含むこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記プラズマ又は光エネルギーによる励
起を連続又は間欠的に行う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。
【請求項３】１項記載の反応室内に更に窒素含有ガス
を反応室内に導入して、化学気相成長法により少なくと
も酸素を含む窒化物を主体とする高融点金属化合物層を
形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至２記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】１項記載の反応室内に更に臭素含有ガス
を反応室内に導入して、化学気相成長法により少なくと
も酸素を含む臭化物を主体とする高融点金属化合物層を
形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至２記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記酸素含有高融点金属ソースガスと前
記還元性ガスを前記反応室内に導入する際、更にシラン
系ガスを導入して、化学気相成長法により酸素含有高融
点金属シリサイド層を形成することを特徴とする請求項
１乃至２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記酸素含有高融点金属層を下地シリコ
ン層上に形成後、前記酸素含有高融点金属層を熱処理し
シリサイド化して酸素含有高融点金属シリサイド層を形
成することを特徴とする請求項１乃至２記載の半導体装
置の製造方法。