JPH05102328A - 窒化チタン膜の成膜方法および半導体装置の製造方法ならびに半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、多層配線構造の高集積化に対応
できる配線パターン構造を有する半導体装置およびその
製造方法を得ることを目的とする。 【構成】 シリコン基板１上にチタン層２を形成する。
ついで、アンモニアガス雰囲気中で熱処理を施し、窒化
と結晶化との処理を同時に施す。この時、チタン層は、
粒状の微結晶構造を有する窒化チタン層３となる。さら
に、配線層としてのタングステン層４を形成する。この
窒化チタン層３の粒状の微結晶構造は、高温の熱処理の
際に、シリコン基板１から窒化チタン層３を通ってタン
グテン層４に拡散しようとするシリコン原子の通過を阻
止する。従って、タングステン層４の形成後、高温の熱
処理工程の平坦化工程が実施でき、歩留まりおよび信頼
性の向上した多層配線構造を可能とし、高集積化に対応
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、粒状の微結晶構造を
有する窒化チタン膜の成膜方法、その粒状の微結晶構造
を有する窒化チタン膜を半導体基板と配線層との間のバ
リア層とする半導体装置およびその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置は半導体基板としての
シリコン（Ｓｉ）基板上に配線層を形成しており、その
配線材料としては、低抵抗であること、加工性に富むこ
と、等の条件が要求され、一般的にはアルミニウム（Ａ
ｌ）が主原料として用いられていた。しかし、周知の通
りＡｌはＳｉ基板に直接的に接触させると、Ａｌ−Ｓｉ
の合金を容易に形成し、結果として不良を発生してしま
うという問題があった。

【０００３】また、最近ではＡｌに代わり、熱的な面で
のプロセスマージンの拡大や、配線自身、しいては半導
体装置全体の耐熱性の向上を目的とし、タングステン
（Ｗ）やチタン（Ｔｉ）等の高融点金属が配線材料とし
て用いられる例も見られる。しかし、これらの高融点金
属もＡｌと同様にＳｉ基板と比較的低温で容易に化合物
を形成してしまうという問題があった。

【０００４】さらに、その改善策として、Ｓｉ基板と配
線層との間にバリア層を挿入する構造をとり、配線材料
と基板材料とを直接接触しないようにして両者間の反応
を阻止し、化合物の生成を防止している。このバリア層
にはつぎのような性質を持つことが必要となる。すなわ
ち、(1)基板材料とも配線材料とも小さい接触抵抗を有
すること、(2)基板材料とも配線材料とも密着性に優れ
ること、(3)バリア層自身の内有する内部応力、抵抗、
熱膨張係数および熱伝導率が小さいこと、等が挙げられ
る。さらに、製造技術上の要望から成膜しやすくかつ制
御性に優れること等が求められる。

【０００５】バリア層の材料としては、Ｔｉ、Ｗ、タン
タル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属の窒
化物が用いられている。また、用途によっては、それら
の複合膜や積層膜が用いられている。また、従来のバリ
ア層は、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）をターゲットとし
てスパッタリングを行って、あるいは金属Ｔｉをターゲ
ットまたは蒸発源として窒素雰囲気中でスパッタリン
グ、真空蒸着、イオンプレーティングを行って、Ｓｉ基
板１上に窒化チタン層６を窒化膜の形態で直接成膜して
作製されている。なお、Ｓｉ基板１上に成膜された窒化
チタン層６のバリア層の結晶構造は、透過型断面顕微鏡
により確認したところ、図５に示すように、膜の成膜方
向（縦方向）に結晶が成長した柱状構造の結晶構造を有
していることが確認された。

【０００６】ここで、最近の半導体装置は、その高集積
化にともない、デバイスの２次元的な縮小はもとより、
３次元的な（高さ方向の）増大を益々増速している。特
に、高さ方向の凹凸の増加は、多層配線構造における上
配線工程での歩留まりや信頼性を低下させる重要な要因
となっている。そこで、Ｓｉ基板上にバリア層、配線層
を形成し、エッチングにより所定の配線パターンを形成
した後、平坦化工程を実施してデバイス表面の凹凸を低
減させ、さらに次の上配線工程を行い、配線工程の歩留
まりや信頼性を向上させ、多層配線構造による高集積化
を図っている。この平坦化工程は、一般に、デバイス表
面に有機系ガラス材料を堆積した後、８００〜９００℃
の高温での熱処理を施し、有機系ガラス材料を流動的に
して、デバイス表面に凹部に流し込むことによって行わ
れる（リフロー平坦化）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の窒化膜の成膜方
法は以上のように、スパッタリング、真空蒸着、イオン
プレーティング等により基板上に直接窒化膜を成膜して
いるので、窒化膜の結晶構造が柱状構造となり、高温処
理にともなって窒化膜の縦方向の結晶柱と結晶柱との間
（グレインバンダリーと呼ぶ）を伝わって基板原子が拡
散してしまうという課題があった。

【０００８】また、従来の半導体装置は以上のように、
Ｓｉ基板１上にスパッタリング、真空蒸着、イオンプレ
ーティング等によりＴｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等の高融点金
属の窒化物を直接成膜してバリア層を形成した後、その
バリア層上に配線層を形成して製造され、Ｓｉ基板と配
線層との間に、柱状構造の結晶構造を有する高融点金属
の窒化物からなるバリア層を挿入する配線構造としてい
るので、デバイス表面の平坦化工程による高温の熱処理
工程を行う際に、図６に示すように、バリア層である窒
化チタン層６の縦方向の結晶柱と結晶柱との間を伝わっ
てＳｉ基板１のＳｉ原子１ａが配線層であるタングステ
ン層４中に拡散し、ＳｉとＷとが反応し、Ｗのシリサイ
ド化によるＷＳｉ分子８が生成され、タングステン層４
が体積膨張して剥離してしまい、配線工程以降は平坦化
工程を実施できず、デバイス表面の凹凸にともなう配線
工程の歩留まりおよび信頼性を向上できず、多層配線構
造の高集積化ができないという課題があった。

【０００９】この発明の第１の目的は、上記のような課
題を解決するためになされたもので、高温熱処理の際に
窒化膜のグレインバンダリーを伝わって基板原子が拡散
することを防止できる窒化膜の成膜方法を得ることを目
的とする。

【００１０】また、この発明の第２の目的は、高温熱処
理の際に生じるバリア層中の基板原子の通過を阻止し
て、配線工程以降にデバイス表面の平坦化工程を実施す
ることを可能とし、歩留まりおよび信頼性を向上でき、
多層配線構造の高集積化を図ることができる半導体装置
およびその製造方法を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に
係る窒化チタン膜の成膜方法は、基板上にチタン膜を形
成した後、窒化雰囲気中で熱処理を施すものである。

【００１２】また、この発明の第２の発明に係る半導体
装置の製造方法は、チタン層を成膜する工程と、そのチ
タン層を窒化雰囲気中で熱処理を施し、粒状の微結晶構
造を有する窒化チタン層を形成する工程と、配線層を形
成する工程とを備えるものである。

【００１３】さらに、この発明の第３の発明に係る半導
体装置は、粒状の微結晶構造を有する窒化チタン層をバ
リア層に形成するものである。

【００１４】

【作用】この発明の第１の発明に係る窒化チタン膜の成
膜方法においては、基板上にチタン膜を形成した後、窒
化雰囲気中で熱処理を施しているので、チタン膜は窒化
と結晶化とが同時に処理され、粒状の微結晶構造を有す
る窒化チタン膜が成膜できる。

【００１５】また、この発明の第２に発明に係る半導体
装置の製造方法においては、チタン膜を形成し、窒化雰
囲気中で熱処理しているので、粒状の微結晶構造を有す
る窒化チタン膜が成膜でき、窒化チタン膜の粒状の微結
晶構造が高温処理にともなう基板原子の拡散を防止し、
配線層形成後に高熱処理をともなう平坦化処理を実施で
き、多層配線構造の高集積化の半導体装置を製造でき
る。

【００１６】さらに、この発明の第３の発明に係る半導
体装置においては、バリア層に粒状の微結晶構造を有す
る窒化チタン層を形成しているので、高温処理の際に、
バリア層を通って基板原子が配線層に拡散することが防
止される。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例１．図１の（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの発明の
第１の発明に係る窒化チタン膜の成膜方法の一実施例を
示す工程断面図であり、図において１は半導体基板とし
てのＳｉ基板、２はチタン膜、３は窒化チタン膜であ
る。

【００１８】つぎに、上記実施例１の窒化チタン膜の成
膜方法について説明する。まず、金属Ｔｉからなるター
ゲットを用いてスパッタリング法により、図１の（ａ）
に示すように、Ｓｉ基板１上にチタン膜２を約１０００
Å形成する。ついで、チタン膜２が形成されたＳｉ基板
１をアンモニアガスが充填された炉内に配置し、８００
〜９００℃、１０〜１２０秒の熱処理を施し、図１の
（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１上に窒化チタン膜３を
形成する。

【００１９】ここで、Ｓｉ基板１上に形成された窒化チ
タン膜３をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により観察した
ところ、チタン膜２が窒化されて窒化チタンとなってい
ることが確認された。さらに、透過型断面顕微鏡（ＴＥ
Ｍ）により窒化チタン膜３の結晶構造を観察したとこ
ろ、図２に示すように、粒状の微結晶構造となっている
ことが確認された。

【００２０】このように、上記実施例１によれば、金属
チタンのチタン膜２をＳｉ基板１上に形成した後、アン
モニアガス雰囲気中で熱処理を施し、窒化と結晶化との
処理を同時に行うことにより、粒状の微結晶構造を有す
る窒化チタン膜３をＳｉ基板１上に容易に成膜すること
ができる。

【００２１】実施例２．図３の（ａ）〜（ｃ）はそれぞ
れこの発明の第２および第３の発明に係る一実施例を示
す工程断面図であり、図において４は配線層としてのタ
ングステン層である。

【００２２】つぎに、上記実施例２の半導体装置の製造
方法について説明する。まず、金属Ｔｉからなるターゲ
ットを用いてスパッタリング法により、図３の（ａ）に
示すように、Ｓｉ基板１上にチタン膜２を約１０００Å
形成する。ついで、チタン膜２が形成されたＳｉ基板１
をアンモニアガスが充填された炉内に配置し、８００〜
９００℃、１０〜１２０秒の熱処理を施し、図３の
（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１上に粒状の微結晶構造
を有する窒化チタン膜３を形成する。さらに、金属Ｗか
らなるターゲットを用いてスパッタリング法により、図
３の（ｃ）に示すように、窒化チタン層３上に配線層で
あるタングステン層４を２０００Å形成する。

【００２３】その後、エッチングが施され、Ｓｉ基板１
上に、窒化チタン層３とタングステン層４との２層構造
の配線パターンが形成される。ここで、窒化チタン層３
はＳｉ基板１とタングステン層４との間に設けられるバ
リア層として形成されている。

【００２４】さらに、窒化チタン層３とタングステン層
４との２層構造の配線パターンが形成されたＳｉ基板１
上に、有機系ガラス材料を堆積し、８００〜９００℃の
熱処理を施して、Ｓｉ基板１の表面の凹凸を平坦化した
後、上配線工程を行い、多層配線構造の高集積の半導体
装置を製造している。

【００２５】ここで、平坦化工程における高温処理を施
しても、Ｓｉ基板１から窒化チタン膜３を通ってＳｉ原
子１ａがタングステン層４に拡散することによって生じ
るＷのシリサイド化にともなう体積膨張、ならびにタン
グステン層４の配線の剥離は確認されなかった。

【００２６】このように、上記実施例２によれば、Ｓｉ
基板１上に金属Ｔｉからなるチタン層２を形成し、アン
モニアガス雰囲気中で熱処理を施し、窒化と結晶化とを
同時に行って窒化チタン層３を形成し、さらに配線層で
あるタングステン層４を形成しているので、Ｓｉ基板１
とタングステン層４との間のバリア層として粒状の微結
晶構造を有する窒化チタン層３を形成でき、この窒化チ
タン層３の粒状の微結晶構造が高温処理にともなうＳｉ
基板１からのタングステン層４へのＳｉ原子１ａの拡散
を防止でき、配線工程後の平坦化工程を可能にして、配
線工程の歩留まりおよび信頼性を向上して多層配線構造
として高集積化の半導体装置を製造方法できる。

【００２７】実施例３．図４の（ａ）〜（ｅ）はそれぞ
れこの発明の第２および第３の発明の他の実施例を示す
工程断面図であり、この実施例３では、チタン層５と柱
状の結晶構造を有する窒化チタン層６と粒状の微結晶構
造を有する窒化チタン層３とからバリア層を構成してい
る。

【００２８】つぎに、上記実施例３の製造方法について
説明する。まず、図４の（ａ）に示すように、金属Ｔｉ
からなるターゲットを用いスパッタリング法により、パ
ターン形成を施したＳｉ基板１上にチタン層５を５０〜
３００Å形成する。ついで、図４の（ｂ）に示すよう
に、ＴｉＮからなるターゲットを用いスパッタリング法
により窒化チタン層６を形成する。この窒化チタン層６
は、直接窒化膜の形態で成膜されているので柱状の結晶
構造を有している。さらに、図４の（ｃ）に示すよう
に、金属チタンからなるターゲットを用いスパッタリン
グ法によりチタン層７を形成する。

【００２９】ここで、アンモニアガス雰囲気中で、７０
０〜１０００℃の温度範囲で、１０秒〜３０分の熱処理
を施す。この時、窒化および結晶化は柱状の結晶構造を
有する窒化チタン層６で抑えられ、図４の（ｄ）に示す
ように、外側のチタン層７のみが窒化して粒状の微結晶
構造を有する窒化チタン層３となる。その後、図４の
（ｅ）に示すように、Ｗからなるターゲットを用いスパ
ッタリング法により配線層であるタングステン層４を形
成し、エッチングにより所望の配線パターンを形成す
る。ここで、バリア層は、チタン層５、柱状の結晶構造
を有する窒化チタン層６および粒状の微結晶構造を有す
る窒化チタン層３の３層で構成されている。

【００３０】さらに、平坦化工程を施し、上配線工程を
施し、多層配線構造の高集積の半導体装置を製造する。

【００３１】ここで、上記実施例２と同様に、平坦化工
程の熱処理におけるＳｉ基板１からのＳｉ原子１ａの拡
散は、窒化チタン層３で抑えられ、タングステン層４ま
で拡散できず、Ｗのシリサイド化にともなう体積膨張、
ならびにタングステン層４の配線の剥離は確認されなか
った。

【００３２】このように、上記実施例３によれば、Ｓｉ
基板１上にチタン層５、窒化チタン層６およびチタン層
７を積層形成し、アンモニアガス雰囲気中で熱処理を施
し、窒化と結晶化とを同時に行って窒化チタン層３を形
成し、さらに配線層であるタングステン層４を形成して
いるので、粒状の微結晶構造を有する窒化チタン層３を
備えたバリア層を形成でき、この窒化チタン層３の粒状
の微結晶構造が高温処理にともなうＳｉ基板１からのタ
ングステン層４へのＳｉ原子１ａの拡散を防止でき、配
線工程後の平坦化工程を可能にして、配線工程の歩留ま
りおよび信頼性を向上して多層配線構造として高集積化
の半導体装置を製造方法できる。

【００３３】実施例４．上記実施例２では、Ｓｉ基板１
上にチタン層２を形成した後、アンモニアガス雰囲気中
で熱処理を施して窒化と結晶化とを同時に行い、粒状の
微結晶構造を有する窒化チタン層３を形成し、さらにタ
ングステン層４を形成し、窒化チタン層３とタングステ
ン層４との２層構造の配線パターンを構成するものとし
ているが、この実施例４では、同様にして、Ｓｉ基板１
上に窒化チタン層３とタングステン層４との２層構造の
プラグを作製し、その後平坦化工程を施し、さらにＡｌ
等の配線を形成するものとし、同様の効果を奏する。

【００３４】なお、上記各実施例では、チタン層２、６
を金属チタンをターゲットとするスパッタリング法によ
り形成して説明しているが、チタン膜の形成方法は、ス
パッタリング法に限らず、例えば真空蒸着法、ＣＶＤ法
を用いることができる。

【００３５】また、上記各実施例では、アンモニアガス
雰囲気中で熱処理するものとして説明しているが、アン
モニアガスに限らず、窒素ガス等の窒化雰囲気中で熱処
理すれば同様の効果を奏する。

【００３６】さらに、上記各実施例では、配線層として
タングステン層４を用いて説明しているが、配線層はこ
れに限らず、平坦化工程の熱処理温度に耐えられる配線
材料であればよく、例えばＭｏ等の高融点金属およびそ
れらの化合物を用いることができる。

【００３７】さらにまた、上記各実施例では、バリア層
として粒状の微結晶構造を有する窒化チタン層３を用い
て説明しているが、窒化チタン層３に限らず、粒状の微
結晶構造を有するＷ、Ｍｏ、Ｔａの窒化膜であれば同様
の効果を奏する。

【００３８】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３９】この発明の第１の発明によれば、基板上に
チタン層を形成した後、窒化雰囲気中で熱処理を施して
いるので、チタン層は窒化と結晶化とが同時に処理さ
れ、粒状の微結晶構造を有する窒化チタン層が簡便に成
膜できる。

【００４０】また、この発明の第２の発明によれば、チ
タン層を形成する工程と、このチタン層を窒化雰囲気中
で熱処理を行う工程と、配線層を形成する工程とを備え
ているので、バリア層に粒状の微結晶構造を有する窒化
チタン層を形成して、高温熱処理の際の基板原子の配線
層への拡散を防止し、配線層形成後の平坦化工程を可能
とし、歩留まりおよび信頼性を向上して多層配線構造の
高集積の半導体装置を製造することができる。

【００４１】さらに、この発明の第３の発明によれば、
バリア層に粒状の微結晶構造を有する窒化チタン層を形
成しているので、高温熱処理の際の基板原子の配線層へ
の拡散を防止し、配線層形成後の平坦化工程を可能と
し、半導体装置の多層配線構造の高集積化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの発明の第１の発
明に係る窒化チタン膜の成膜方法の一実施例を示す工程
断面図である。

【図２】図１に示すこの発明の第１の発明に係る窒化チ
タン膜の成膜方法による窒化チタン層の結晶構造を模式
的に示す断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれこの発明の第２の発
明に係る半導体装置の製造方法の一実施例を示す工程断
面図である。

【図４】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれこの発明の第２の発
明に係る半導体装置の製造方法の他の実施例を示す工程
断面図である。

【図５】従来の半導体装置における窒化チタン層の結晶
構造を模式的に示す断面図である。

【図６】従来の半導体装置における配線層のシリサイド
化を説明するための断面図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板（半導体基板） ２ チタン層 ３ 窒化チタン層 ４ タンングステン層（配線層）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にチタン膜を成膜した後、窒化雰
   囲気中で熱処理を施すことにより、粒状の微結晶構造を
   有する窒化チタン膜を形成することを特徴とする窒化チ
   タン膜の成膜方法。
2. 【請求項２】 半導体基板上にバリア層を介して配線層
   が形成されてなる半導体装置の製造方法において、チタ
   ン層を成膜する工程と、前記チタン層を窒化雰囲気中で
   熱処理を行い、前記チタン層を粒状の微結晶構造を有す
   る窒化チタン層を形成する工程と、前記配線層を形成す
   る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。
3. 【請求項３】 半導体基板上にバリア層を介して配線層
   が形成されてなる半導体装置において、前記バリア層
   は、粒状の微結晶構造を有する窒化チタン層を備えてい
   ることを特徴とする半導体装置。