JPH0536627A - 配線形成方法 - Google Patents

配線形成方法

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JPH0536627A
JPH0536627A JP21421391A JP21421391A JPH0536627A JP H0536627 A JPH0536627 A JP H0536627A JP 21421391 A JP21421391 A JP 21421391A JP 21421391 A JP21421391 A JP 21421391A JP H0536627 A JPH0536627 A JP H0536627A
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JP
Japan
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layer
barrier metal
tio
tin
barrier
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JP21421391A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Hoshino
和弘 星野
Junichi Sato
淳一 佐藤
Original Assignee
Sony Corp
ソニー株式会社
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 バリヤメタル構造を有する高アスペクト比の
コンタクト部にAl系材料を均一かつ高速に埋め込み、
信頼性を向上させる。 【構成】 SiO2 層間絶縁膜3に開口されたコンタク
ト・ホール3aを、Ti層4,TiOx y 層5,Ti
x 層6の3層からなるバリヤメタル7で被覆した後、
高温スパッタリング法によりAl−1%Si層8で埋め
込む。酸素を含まないTiNx 層6をバリヤメタルの最
上面とすることでAl−1%Si層8に対して高い濡れ
性が達成され、鬆(す)を発生させずに高速な埋め込み
が可能となる。この高速成膜により脱ガス成分の取り込
みが減少し、エレクトロマイグレーション耐性が向上す
る。また、TiNx の粒界に酸素を偏析させた構造を有
するTiOxy 層5を配することにより、高いバリヤ
性も達成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造等に
適用される配線形成方法に関し、特にバリヤメタル構造
を有するコンタクト部にアルミニウム(Al)系材料を
均一かつ高速に埋め込み、バリヤ性、エレクトロマイグ
レーション耐性、生産性等を向上させる方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年のVLSI,ULSI等にみられる
ように、半導体装置のデザイン・ルールが高度に縮小さ
れるに伴い、下層配線と上層配線の接続を図るために層
間絶縁膜に開口される接続孔の開口径も微細化し、アス
ペクト比が1を越えるようになってきている。上層配線
は一般にスパッタリング法によりAl系材料を被着させ
ることにより形成されているが、かかる高アスペクト比
を有する接続孔を埋め込むにはもはや十分な段差被覆性
(ステップ・カバレッジ)が達成されにくく、断線を生
ずる原因ともなっている。そこで、段差被覆性の不足を
改善するための対策として、近年たとえばJ.Vac.
Soc.Tec.,A6(3),p.1636,(19
88)に、高温スパッタリング法が提案されている。こ
れは、スパッタリング中にウェハをヒーティング・モジ
ュール等を介して500℃付近まで加熱することによ
り、ウェハ表面におけるAl粒子の表面マイグレーショ
ンを促進し、段差被覆性を改善する方法である。高温ス
パッタリング法では、Al系材料層の下にAl系材料と
の濡れ性に優れる下地層を設けておくと、接続孔が良好
に埋め込まれることが知られている。たとえば、198
9年IEEE/IRPS,p.210〜214には、開
口径1.0μm,アスペクト比1のビア・ホールをAl
−2%Cu合金で埋め込む際に、チタン(Ti)層を下
地として介在させると該ビア・ホールが均一に埋め込ま
れ、ウェハ表面が平坦化される旨が述べられている。
【0003】ところで、上記Ti層はバリヤメタルとし
ての機能を期待されているものである。しかし、Ti層
は低抵抗のオーミック・コンタクトを達成する観点から
は優れたコンタクト材料であるが、単独ではバリヤメタ
ルとしての機能を十分に発揮し得ない。シリコン(S
i)基板とAl系材料層との間にTi層が単独で介在さ
れていても、SiとTiとの反応、およびAlとTiと
の反応の両方が進行するために、Si基板へのAlスパ
イクの発生が防止できないからである。そこで、通常は
Ti層の上にさらに窒化チタン(TiNx )層を積層し
たTi/TiNx 系の2層構造バリヤメタルが採用され
ている。さらに近年では、上記TiN層の成膜時にスパ
ッタリング雰囲気中に酸素を導入して酸窒化チタン(T
iOx y )層とした、Ti/TiOx y 系の2層構
造バリヤメタルも提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
2層構造バリヤメタルには、それぞれ問題点がある。ま
ず、Ti/TiNx 系の2層構造バリヤメタルを図2に
示す。ここでは、予め下層配線となる不純物拡散領域1
2が形成されたシリコン基板11上にまず層間絶縁膜1
3が形成され、該層間絶縁膜13に上記不純物拡散領域
12に臨むコンタクト・ホール13aが開口されてい
る。このウェハの全面は、Ti層14およびTiNx
15を順次積層してなるバリヤメタル16により被覆さ
れており、さらに上記コンクタト・ホール13aを充填
するごとくウェハの全面にAl−1%Si層17が形成
されている。TiNx 層15はAl−1%Si層17と
の濡れ性に優れているため、コンタクト・ホール13a
の埋め込み状態は良好である。しかし、TiNx 層15
は柱状結晶構造を有しており、Alの粒界拡散を防止す
ることができない。しかも、柱状結晶の長手方向はシリ
コン基板11方向を向いてほぼ垂直に配向しているの
で、粒界を拡散したAlはシリコン基板11に至り、場
合によっては不純物拡散領域12を貫通するAlスパイ
ク17aを形成してPN接合部におけるリーク電流を発
生させる原因となる。
【0005】一方、Ti/TiOx y 系の2層構造バ
リヤメタルを図3に示す。図3において、前述の図2と
共通部分については同一の符号を付した。ここでは、コ
ンクタクト・ホール13aを被覆して形成されているバ
リヤメタル19は、Ti層14とTiOx y 層18と
が順次積層されてなるものである。上記TiOx y
18は、TiNx 層の粒界に酸素を偏析させることによ
り、Alの粒界拡散を抑制するようになされた材料層で
あり、前述のTiNx 層15よりも高いバリヤ性を示
す。しかし、TiOx y 層18は表面モホロジーが粗
く、Al−1%Si層に対する濡れ性および反応性に劣
る。また、酸化アルミニウム(Al2 3 )の生成エネ
ルギーは酸化チタン(TiO2 )のそれよりも大きいた
め、TiOx y 層18とAl−1%Si層17とが接
触するとAl2 3 が形成されてしまう。これらの理由
により、Alの表面マイグレーションが阻害されてコン
タクト・ホール13aを均一に埋め込むことができなく
なり、内部に鬆(す)20が発生し易くなる。成膜速度
を低下させてTiOx y 層18とAl−1%Si層と
の接触時間を延長することも試みられているが、埋め込
み特性は大して改善されない。
【0006】かかる背景から、本願出願人は先に特願平
3−45422号明細書において、Ti/TiOx y
/Ti系の3層構造バリヤメタルを提案している。これ
は、前述のTi/TiOx y 系の2層構造バリヤメタ
ルの表面をさらにTi層で被覆してバリヤメタル表面の
Al系材料層に対する濡れ性を改善したものであり、従
来にない優れたバリヤ性と埋め込み特性とを同時に達成
することができた。しかし、デザイン・ルールのさらな
る微細化に対応するためには、解決すべき課題もある。
上記3層構造バリヤメタルで被覆された接続孔をAl系
材料層で埋め込む場合、Al系材料層と上層側Ti層と
の反応を促進させるために、成膜速度を0.6μm/分
以下に設定することが望ましいとされている。これは、
上層側Ti層に含まれる酸素がAl系材料層との濡れ性
を阻害しており、両層の間で十分に界面反応を進行させ
るためには接触時間を長く確保する必要があるからであ
る。ここで、上層側Ti層内に酸素が取り込まれるの
は、バリヤメタルを構成する各層が連続工程で成膜され
る際に、前段階のTiOx y 層の成膜時に使用した酸
素が雰囲気中に残留しているからである。しかし、Al
系材料層の成膜時間を延長することは、チャンバ内の脱
ガス成分がAl系材料層の内部に取り込まれる機会を増
やし、エレクトロマイグレーション耐性を劣化させた
り、あるいはスループットを低下させたりすること等の
原因となる。そこで本発明は、バリヤ性、埋め込み特
性、エレクトロマイグレーション耐性、生産性等に優れ
る配線形成方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の配線形成方法は
上述の目的を達成するために提案されるものであり、基
板上の絶縁膜に開口された接続孔の少なくとも底面およ
び側壁面にTi層、TiOx y 層、TiNx層がこの
順に積層されてなるバリヤメタルを形成する工程と、前
記基板を加熱しながら少なくとも前記接続孔を充填する
ごとくAl系材料層を形成する工程とを有することを特
徴とする。
【0008】
【作用】バリヤメタルの表面の酸化状態は、Al系材料
層との濡れ性に影響を及ぼす重要な要因のひとつであ
る。本発明者らは、バリヤメタルを構成する層のうちA
l系材料層と接触する最上層を表面が酸化されない材料
により構成すれば、上述の目的が達成可能であることを
見出した。TiNx 層は、かかる見地から選択された材
料層である。TiNx 層は、前述の図2を参照しながら
説明したように、Al系材料層に対する濡れ性に優れて
いる。これは、TiNx 層の表面がTi層のようには酸
化されないからである。このTiNx 層をバリヤメタル
の最上層とすることにより、Al系材料層を成膜する際
の成膜速度を高めることができ、脱ガスの取り込みによ
るエレクトロマイグレーション耐性の劣化や生産性の低
下等を防止することができる。ところで、TiNx 層は
前述のように柱状結晶構造を有しているため、バリヤ性
にはやや劣る。しかし本発明では、上記TiNx 層の下
側にTiOx y 層が配されているので、たとえTiN
x 層の粒界をAlが拡散したとしても、該TiNx 層と
TiOx y 層との界面において拡散は停止する。さら
に、TiOx y 層と基板との間にはTi層が介在され
ているので、低抵抗オーミック・コンタクトも達成され
る。したがって、本発明の配線形成方法によればを低抵
抗でバリヤ性,エレクトロマイグレーション耐性に優れ
るコンタクト部を、高い生産性をもって形成することが
できる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について、図
1を参照しながら説明する。まず、図1(a)に示され
るように、予め不純物拡散領域2が形成されたシリコン
基板1上にCVD法等により層厚約0.8μmのSiO
2 層間絶縁膜3が形成され、該SiO2 層間絶縁膜3に
上記不純物拡散領域2に臨んで直径約0.4μmのコン
タクト・ホール4が開口されたウェハを用意し、その全
面にTi層4、TiOx y 層5、TiNx 層6を順次
成膜し、3層構造のバリヤメタル7を形成した。
【0010】ここで、上記Ti層4、TiOx y
5、TiNx 層6の成膜には枚葉式スパッタリング装置
(日電アネルバ製,型名ILC−1051)を使用し、
Tiターゲットを装着した第1のスパッタリング・チャ
ンバ内への供給ガスの組成を順次変更することにより、
ウェハを大気開放することなく連続工程で行った。ま
ず、前処理としてウェハを上記装置に付属のRFプラズ
マ・クリーニング・チャンバにセットし、コンタクト・
ホール4の底部を被覆している自然酸化膜を除去した。
続いてウェハを高真空下で上記第1のスパッタリング・
チャンバへ移送し、まず一例としてAr流量40SCC
M,ガス圧0.47Pa(3.5mTorr),ウェハ
加熱温度150℃の条件でスパッタリングを行うことに
より、厚さ約0.03μmのTi層4を形成した。次
に、ガス供給条件を一例としてAr流量17SCCM,
2 流量30SCCM,O2 流量3SCCMに切り換え
て反応性スパッタリングを行い、厚さ約0.05μmの
TiOx y 層5を形成した。さらに、ガス供給条件を
一例としてAr流量20SCCM,N2 流量30SCC
Mに切り換えて反応性スパッタリングを行い、厚さ約
0.07μmのTiNx 層6を形成した。
【0011】次に、ウェハを第2のスパッタリング・チ
ャンバへ移送し、高温DCマグネトロン・スパッタリン
グを行うことにより、図1(b)に示されるようにAl
−1%Si層8を成膜した。このときの成膜条件は、一
例としてAr流量100SCCM,ガス圧0.47Pa
(3.5mTorr),ウェハ加熱温度500℃,成膜
速度1.0μm/分とした。このプロセスでは、Al−
1%Si層8の下地が該Al−1%Si層8との濡れ性
に優れるTiNx 層6であるため、成膜速度が速いにも
かかわらず、鬆を生ずることなくコンタクト・ホール3
aを均一に埋め込むことができた。また、このようにし
て形成されたコンタクト部においては、従来のTi/T
iNx 系やTi/TiOxy 系等の2層構造バリヤメ
タル、あるいはTi/TiOx y /Ti系の3層構造
バリヤメタルのいずれと比較してもバリヤ性が向上して
いた。さらに、上記のように速い成膜速度の下では、第
2のスパッタリング・チャンバ内における脱ガス成分の
膜中への取り込みが大幅に減少した。この結果、たとえ
ば従来のTi/TiOx y /Ti系のような3層構造
バリヤメタルの上に低速で形成されたAl−1%Si層
に比べ、優れたエレクトロマイグレーション耐性が達成
された。
【0012】なお、本発明は上述の実施例に何ら限定さ
れるものではなく、たとえばバリヤメタルを構成する各
層は複数のスパッタリング・チャンバ間でウェハを搬送
しながら成膜しても良い。また、この各層の層厚,成膜
条件,成膜装置等も適宜変更可能である。また、上記A
l−1%Si層6の成膜条件は上記の条件に限定される
ものではなく、たとえばウェハ加熱温度は470〜53
0℃程度、ガス圧は0.27〜0.53Pa(2〜4m
Torr)程度の範囲で適宜設定することができる。成
膜速度はDCスパッタ・パワーを制御することにより変
更可能であり、本発明の場合は1.0μm/分より高速
であっても構わない。さらに、RFバイアス・パワーを
おおよそ200〜400Vの範囲で印加しても良い。
【0013】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば高アスペクト比を有する接続孔にもAl
系材料層を均一かつ高速に埋め込むことができ、低抵抗
でエレクトロマイグレーション耐性に優れる配線を形成
することが可能となる。しかも、バリヤメタルの構成が
工夫されていることにより、従来よりもさらに高いバリ
ヤ性が達成できる。したがって、本発明は微細なデザイ
ン・ルールにもとづいて設計され、高集積度および高性
能を有する半導体装置の製造に極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の配線形成方法の一適用例をその工程順
にしたがって示す概略断面図であり、(a)はSiO2
層間絶縁膜に開口されたコンタクト・ホールがTi層,
TiOx y 層,TiNx 層が順次積層された3層構造
バリヤメタルにより被覆された状態、(b)コンタクト
・ホールがAl−1%Si層により均一に埋め込まれた
状態をそれぞれ表す。
【図2】従来のTi/TiNx 系の2層構造バリヤメタ
ルにより被覆されたコンタクト・ホール内において、A
lスパイクが発生した状態を示す概略断面図である。
【図3】従来のTi/TiOx y 系の2層構造バリヤ
メタルにより被覆されたコンタクト・ホールがAl−1
%Si層で完全に埋め込まれず、鬆が発生した状態を示
す概略断面図である。
【符号の説明】
1 ・・・シリコン基板 2 ・・・不純物拡散領域 3 ・・・SiO2 層間絶縁膜 3a・・・コンタクト・ホール 4 ・・・Ti層 5 ・・・TiOx y 層 6 ・・・TiNx 層 7 ・・・バリヤメタル 8 ・・・Al−1%Si層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 基板上の絶縁膜に開口された接続孔の少
    なくとも底面および側壁面にチタン層、酸窒化チタン
    層、窒化チタン層がこの順に積層されてなるバリヤメタ
    ルを形成する工程と、 前記基板を加熱しながら少なくとも前記接続孔を充填す
    るごとくアルミニウム系材料層を形成する工程とを有す
    ることを特徴とする配線形成方法。
JP21421391A 1991-08-01 1991-08-01 配線形成方法 Withdrawn JPH0536627A (ja)

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