JPH06196482A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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- JPH06196482A JPH06196482A JP34428192A JP34428192A JPH06196482A JP H06196482 A JPH06196482 A JP H06196482A JP 34428192 A JP34428192 A JP 34428192A JP 34428192 A JP34428192 A JP 34428192A JP H06196482 A JPH06196482 A JP H06196482A
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- Japan
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- layer
- titanium nitride
- semiconductor device
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Abstract
(57)【要約】
【目的】半導体基板に対するバリア性と配線の高信頼性
とを併せもつバリアメタルを第１金属配線層に備えた半
導体装置およびその製造方法。 【構成】第１金属配線層がアルミニウムまたはその合金
層を含む積層配線であり、少なくともその下層にチタン
ナイトライド層を含む半導体装置において、該チタンナ
イトライド層が下層に（２００）配向層、上層に（１１
１）配向層を有する積層構造であることを特徴とする半
導体装置。この半導体装置にさいし、チタンナイトライ
ド層がチタン化合物とアンモニアを含む系を原料とする
ＣＶＤ法により形成され、前記チタン化合物とアンモニ
アの分圧比を変えることにより配向性を制御する。
とを併せもつバリアメタルを第１金属配線層に備えた半
導体装置およびその製造方法。 【構成】第１金属配線層がアルミニウムまたはその合金
層を含む積層配線であり、少なくともその下層にチタン
ナイトライド層を含む半導体装置において、該チタンナ
イトライド層が下層に（２００）配向層、上層に（１１
１）配向層を有する積層構造であることを特徴とする半
導体装置。この半導体装置にさいし、チタンナイトライ
ド層がチタン化合物とアンモニアを含む系を原料とする
ＣＶＤ法により形成され、前記チタン化合物とアンモニ
アの分圧比を変えることにより配向性を制御する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置およびその製
造方法に係り、特に半導体基板に対するバリア性と配線
の高信頼性とを併せもつバリアメタルを第１金属配線層
に備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
造方法に係り、特に半導体基板に対するバリア性と配線
の高信頼性とを併せもつバリアメタルを第１金属配線層
に備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の微細化、高集積化が進むに
つれて浅い拡散層において配線材料であるアルミニウム
の拡散層へのスパイクや基板シリコンのアルミニウム配
線への析出などの問題が生じてきた。そのため、電極配
線材料としてアルミニウム中にあらかじめ１％程度のシ
リコンを混入させたアルミニウム合金の使用、および、
アルミニウム合金とシリコン拡散層のコンタクト部にア
ルミニウムとシリコンの相互拡散を防ぐために拡散バリ
ア層（バリアメタルと呼ぶ）を用いるようになった。
つれて浅い拡散層において配線材料であるアルミニウム
の拡散層へのスパイクや基板シリコンのアルミニウム配
線への析出などの問題が生じてきた。そのため、電極配
線材料としてアルミニウム中にあらかじめ１％程度のシ
リコンを混入させたアルミニウム合金の使用、および、
アルミニウム合金とシリコン拡散層のコンタクト部にア
ルミニウムとシリコンの相互拡散を防ぐために拡散バリ
ア層（バリアメタルと呼ぶ）を用いるようになった。
【０００３】バリアメタルとして現在最も有望な材料と
考えられているのがチタンナイトライドである。バリア
性に優れているのみならず比較的低抵抗であること、同
じチタン化合物であるチタンシリサイドによりシリコン
基板との低抵抗コンクトを容易に実現できるため成膜に
連続性がもてること、コンタクト孔にタングステンプラ
グを適用する場合タングステンとの密着性に優れている
こと等がその理由である。チタンナイトライド膜の成膜
法としては従来反応性スパッタリング法またはチタンを
スパッタ成膜したのち窒化して行っていた。
考えられているのがチタンナイトライドである。バリア
性に優れているのみならず比較的低抵抗であること、同
じチタン化合物であるチタンシリサイドによりシリコン
基板との低抵抗コンクトを容易に実現できるため成膜に
連続性がもてること、コンタクト孔にタングステンプラ
グを適用する場合タングステンとの密着性に優れている
こと等がその理由である。チタンナイトライド膜の成膜
法としては従来反応性スパッタリング法またはチタンを
スパッタ成膜したのち窒化して行っていた。
【０００４】アルミニウムのエレクトロマイグレーショ
ン（ＥＭ）耐性には（１１１）に配向した膜が優れてい
るといわれており、そのための方法として特開平３−２
６２１２７号には、チタンナイトライド膜を（１１１）
に配向させてその上にアルミニウム配線層を形成する方
法が開示されている。
ン（ＥＭ）耐性には（１１１）に配向した膜が優れてい
るといわれており、そのための方法として特開平３−２
６２１２７号には、チタンナイトライド膜を（１１１）
に配向させてその上にアルミニウム配線層を形成する方
法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
においては、チタンナイトライド膜が（１１１）に配向
することにより、バリアメタルの本質的な目的である拡
散バリア層としての機能が悪くなる。すなわち、バリア
性はチタンナイトライド膜が（２００）に配向した膜が
最も優れていると言われており、上記従来技術の（１１
１）配向ではバリア性および半導体装置の信頼性が低下
するという問題があった。
においては、チタンナイトライド膜が（１１１）に配向
することにより、バリアメタルの本質的な目的である拡
散バリア層としての機能が悪くなる。すなわち、バリア
性はチタンナイトライド膜が（２００）に配向した膜が
最も優れていると言われており、上記従来技術の（１１
１）配向ではバリア性および半導体装置の信頼性が低下
するという問題があった。
【０００６】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決することであり、拡散バリア性と配線の高信頼性と
を併せ持つバリアメタルを第１金属配線層に備えた半導
体装置およびその製造方法を提供することである。
解決することであり、拡散バリア性と配線の高信頼性と
を併せ持つバリアメタルを第１金属配線層に備えた半導
体装置およびその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】ところで我々はＣＶＤに
よるＴｉＮ成膜の研究を重ねたところ、ＴｉＣｌ4 ／Ｎ
Ｈ3 ／Ｈ2 系において、原料ガスの分圧比を変えること
でＴｉＮ膜の配向性を制御できることを見いだした。６
５０℃、０．１Torrの条件でＴｉＣｌ4 ：２sccm、Ｈ
2 ：１０sccmとしたとき、ＮＨ3 の流量が８０sccmのと
きは図１（ａ）に示したＸ線回折パターンのようにＴｉ
Ｎは（１１１）配向を示す。一方、ＮＨ3を４０sccmに
減らすと図１（ｂ）に示すように（２００）配向を示
す。これまで報告されているＣＶＤ−ＴｉＮ膜は（２０
０）配向が圧倒的に多く、また成膜条件によって配向性
が変わってもどちらかの配向膜の膜質が悪く一方の配向
膜のみしか配線に適用できなかった。ところが今回得ら
れたＴｉＮ膜はどちらの膜も電気抵抗率等の膜質に大差
はなく共に配線に利用できる。
よるＴｉＮ成膜の研究を重ねたところ、ＴｉＣｌ4 ／Ｎ
Ｈ3 ／Ｈ2 系において、原料ガスの分圧比を変えること
でＴｉＮ膜の配向性を制御できることを見いだした。６
５０℃、０．１Torrの条件でＴｉＣｌ4 ：２sccm、Ｈ
2 ：１０sccmとしたとき、ＮＨ3 の流量が８０sccmのと
きは図１（ａ）に示したＸ線回折パターンのようにＴｉ
Ｎは（１１１）配向を示す。一方、ＮＨ3を４０sccmに
減らすと図１（ｂ）に示すように（２００）配向を示
す。これまで報告されているＣＶＤ−ＴｉＮ膜は（２０
０）配向が圧倒的に多く、また成膜条件によって配向性
が変わってもどちらかの配向膜の膜質が悪く一方の配向
膜のみしか配線に適用できなかった。ところが今回得ら
れたＴｉＮ膜はどちらの膜も電気抵抗率等の膜質に大差
はなく共に配線に利用できる。
【０００８】そこで前述の課題を解決するために、本発
明は、バリアメタルとしてのチタンナイトライド膜が基
板シリコンと近い下層に（２００）配向膜、アルミニウ
ムと接する上層に（１１１）配向膜をもつ積層構造であ
ることを特徴とする半導体装置を提供するものである。
明は、バリアメタルとしてのチタンナイトライド膜が基
板シリコンと近い下層に（２００）配向膜、アルミニウ
ムと接する上層に（１１１）配向膜をもつ積層構造であ
ることを特徴とする半導体装置を提供するものである。
【０００９】同時に本発明は上記構造をもつ半導体装置
を製造するに際し、チタンナイトライド層がチタン化合
物とアンモニアを含む系を原料とするＣＶＤ法により形
成され、前記チタン化合物とアンモニアの分圧比を変え
ることにより配向性を制御する半導体装置を提供するも
のである。
を製造するに際し、チタンナイトライド層がチタン化合
物とアンモニアを含む系を原料とするＣＶＤ法により形
成され、前記チタン化合物とアンモニアの分圧比を変え
ることにより配向性を制御する半導体装置を提供するも
のである。
【００１０】
【作用】下層に（２００）配向膜をもつことによりチタ
ンナイトライドがもつバリア性を最大限に引き出せる。
上層に（１１１）配向膜をもつことによりその上のアル
ミニウム配線も（１１１）に強く配向するため配線とし
ての信頼性が向上する。よって、本構造を適用すること
によりバリア性と配線信頼性を両立したバリアメタル構
造が得られる。
ンナイトライドがもつバリア性を最大限に引き出せる。
上層に（１１１）配向膜をもつことによりその上のアル
ミニウム配線も（１１１）に強く配向するため配線とし
ての信頼性が向上する。よって、本構造を適用すること
によりバリア性と配線信頼性を両立したバリアメタル構
造が得られる。
【００１１】また、このようなチタンナイトライドの積
層構造がＣＶＤ法においてガスの分圧比を変化（たとえ
ば流量比を変化）させるのみで実現できるため、新たな
ＣＶＤチャンバーを用意することなく、かつ、容易に上
記積層構造が得られる。
層構造がＣＶＤ法においてガスの分圧比を変化（たとえ
ば流量比を変化）させるのみで実現できるため、新たな
ＣＶＤチャンバーを用意することなく、かつ、容易に上
記積層構造が得られる。
【００１２】
【実施例】次に本発明に係る好適実施例について説明を
行う。チタンナイトライドの成膜法としては減圧熱ＣＶ
Ｄ法を採用した。原料系は四塩化チタンとアンモニアと
水素の系とした。成膜条件は以下の通りである。
行う。チタンナイトライドの成膜法としては減圧熱ＣＶ
Ｄ法を採用した。原料系は四塩化チタンとアンモニアと
水素の系とした。成膜条件は以下の通りである。
【００１３】（２００）配向チタンナイトライド成膜条
件（以下条件１という） 反応ガス：四塩化チタン ２sccm アンモニア ４０sccm 水素 １０sccm 全 圧：０．１Torr 基板温度：６５０℃
件（以下条件１という） 反応ガス：四塩化チタン ２sccm アンモニア ４０sccm 水素 １０sccm 全 圧：０．１Torr 基板温度：６５０℃
【００１４】（１１１）配向チタンナイトライド成膜条
件（以下条件２という） 反応ガス：四塩化チタン ２sccm アンモニア ８０sccm 水素 １０sccm 全 圧：０．１Torr 基板温度：６５０℃
件（以下条件２という） 反応ガス：四塩化チタン ２sccm アンモニア ８０sccm 水素 １０sccm 全 圧：０．１Torr 基板温度：６５０℃
【００１５】条件１で５００Å成膜した後同一チャンバ
ー内で条件２により５００Å成膜したチタンナイトライ
ド膜上にアルミニウムをスパッタした試料のＸ線回折パ
ターンを図２に示す。チタンナイトライドは（２００）
面と（１１１）面がともに現れていることがわかる。し
かしアルミニウムの配向は（１１１）が強く現れてお
り、（２００）はでていない。このことは既に述べたよ
うに、チタンナイトライドの上層つまりアルミニウムと
接する層は（１１１）が強く配向していることを意味す
る。同一チャンバー内で成膜したにも関わらず条件２で
成膜したチタンナイトライドは下地の（２００）配向に
影響されることなく、（１１１）配向を示したものと思
われる。断面ＳＥＭ写真で確認したところ、単独条件で
成膜したチタンナイトライド膜は膜厚方向に１つの柱状
晶をなしているが、２条件で連続成膜したチタンナイト
ライド膜は膜の中央で分離される２つの柱状晶になって
いた。下側の粒が（２００）配向、上側の粒が（１１
１）配向しているものと考えられる。
ー内で条件２により５００Å成膜したチタンナイトライ
ド膜上にアルミニウムをスパッタした試料のＸ線回折パ
ターンを図２に示す。チタンナイトライドは（２００）
面と（１１１）面がともに現れていることがわかる。し
かしアルミニウムの配向は（１１１）が強く現れてお
り、（２００）はでていない。このことは既に述べたよ
うに、チタンナイトライドの上層つまりアルミニウムと
接する層は（１１１）が強く配向していることを意味す
る。同一チャンバー内で成膜したにも関わらず条件２で
成膜したチタンナイトライドは下地の（２００）配向に
影響されることなく、（１１１）配向を示したものと思
われる。断面ＳＥＭ写真で確認したところ、単独条件で
成膜したチタンナイトライド膜は膜厚方向に１つの柱状
晶をなしているが、２条件で連続成膜したチタンナイト
ライド膜は膜の中央で分離される２つの柱状晶になって
いた。下側の粒が（２００）配向、上側の粒が（１１
１）配向しているものと考えられる。
【００１６】以上のようにＮＨ3 の流量のみを変えるこ
とによりＴｉＣｌ4 とＮＨ3 の分圧比を成膜途中で変え
た結果、得られるチタンナイトライド膜は分圧比を変え
る前後で異なる配向性を示すことがわかった。
とによりＴｉＣｌ4 とＮＨ3 の分圧比を成膜途中で変え
た結果、得られるチタンナイトライド膜は分圧比を変え
る前後で異なる配向性を示すことがわかった。
【００１７】次に上記の成膜条件を用いて形成したチタ
ンナイトライドをバリアメタルとして有する配線パター
ンを形成した。チタンナイトライドの全厚は３００Åに
統一し、条件１を用いた配線を試料１、条件２を用いた
配線を試料２および、まず条件１で１００Å成膜した後
条件２で２００Å成膜した（計３００Å）チタンナイト
ライドをもつ配線を試料３とした。これら３種類の配線
に関してＥＭ試験と接合リーク電流測定を行った。
ンナイトライドをバリアメタルとして有する配線パター
ンを形成した。チタンナイトライドの全厚は３００Åに
統一し、条件１を用いた配線を試料１、条件２を用いた
配線を試料２および、まず条件１で１００Å成膜した後
条件２で２００Å成膜した（計３００Å）チタンナイト
ライドをもつ配線を試料３とした。これら３種類の配線
に関してＥＭ試験と接合リーク電流測定を行った。
【００１８】図３に配線の耐ＥＭ試験を行った結果を示
す。試験環境温度は１７０℃、電流密度は２Ｅ６Ａ／ｃ
ｍ2 で行った。配線抵抗が１０％上昇した時点で故障と
みなした。この結果、チタンナイトライドに（２００）
のみを堆積した配線（試料１）が最も寿命が短く、他の
２つ（試料２、３）は同程度の寿命を持つ。既に述べた
ようにアルミニウムの配向は下地のチタンナイトライド
の配向に影響を受けるため、試料１のアルミニウムは
（２００）配向を示す。アルミニウム（１１１）の方が
（２００）よりＥＭ寿命が長いことは良く知られてお
り、この結果は従来の結果を追試したに過ぎないが、本
発明の構造がＥＭ耐性を悪化させないことがわかった。
す。試験環境温度は１７０℃、電流密度は２Ｅ６Ａ／ｃ
ｍ2 で行った。配線抵抗が１０％上昇した時点で故障と
みなした。この結果、チタンナイトライドに（２００）
のみを堆積した配線（試料１）が最も寿命が短く、他の
２つ（試料２、３）は同程度の寿命を持つ。既に述べた
ようにアルミニウムの配向は下地のチタンナイトライド
の配向に影響を受けるため、試料１のアルミニウムは
（２００）配向を示す。アルミニウム（１１１）の方が
（２００）よりＥＭ寿命が長いことは良く知られてお
り、この結果は従来の結果を追試したに過ぎないが、本
発明の構造がＥＭ耐性を悪化させないことがわかった。
【００１９】図４に接合リーク電流測定の結果を示す。
１μm 径のｎ+ コンタクトで逆バイアス１０Ｖで測定を
行った。試料は４２５℃、４７５℃、５２５℃で６０分
の熱処理を行い、熱処理前後のリーク電流の変化を見て
バリア性の判断とした。図よりいずれの配線パターンも
４７５℃までの熱処理ではリーク電流は十分小さくかつ
熱処理前後であまり差がないためバリア性は十分である
と思われる。しかしながら、チタンナイトライド（１１
１）のみを堆積した配線（試料２）では５２５℃の熱処
理後のリークが著しく大きくなり、この温度ではバリア
性が保たれないことがわかる。一方、他の２つ（試料
１、３）は５２５℃でもリークが少なく良好なバリア性
が示された。この結果バリア性に関しては（１１１）配
向膜より（２００）配向膜の方が優れていることは従来
通り確認できたが、本発明のように基板のシリコンに接
する側が（２００）に配向していれば上は（１１１）配
向でも同等の効果が得られることがわかった。
１μm 径のｎ+ コンタクトで逆バイアス１０Ｖで測定を
行った。試料は４２５℃、４７５℃、５２５℃で６０分
の熱処理を行い、熱処理前後のリーク電流の変化を見て
バリア性の判断とした。図よりいずれの配線パターンも
４７５℃までの熱処理ではリーク電流は十分小さくかつ
熱処理前後であまり差がないためバリア性は十分である
と思われる。しかしながら、チタンナイトライド（１１
１）のみを堆積した配線（試料２）では５２５℃の熱処
理後のリークが著しく大きくなり、この温度ではバリア
性が保たれないことがわかる。一方、他の２つ（試料
１、３）は５２５℃でもリークが少なく良好なバリア性
が示された。この結果バリア性に関しては（１１１）配
向膜より（２００）配向膜の方が優れていることは従来
通り確認できたが、本発明のように基板のシリコンに接
する側が（２００）に配向していれば上は（１１１）配
向でも同等の効果が得られることがわかった。
【００２０】以上見てきたようにチタンナイトライド膜
の配向性に関して、配線の信頼性では（１１１）、バリ
ア性では（２００）が有利なことがわかった。そして、
下層に（２００）、上層に（１１１）配向を示すチタン
ナイトライド膜を採用することで信頼性とバリア性の両
面でチタンナイトライドが元来持っている最高の特性を
発揮できることも示された。
の配向性に関して、配線の信頼性では（１１１）、バリ
ア性では（２００）が有利なことがわかった。そして、
下層に（２００）、上層に（１１１）配向を示すチタン
ナイトライド膜を採用することで信頼性とバリア性の両
面でチタンナイトライドが元来持っている最高の特性を
発揮できることも示された。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
によれば、バリアメタルとしてチタンナイトライド層を
下が（２００）面、上が（１１１）面に配向した積層構
造にすることにより、バリア性は従来のチタンナイトラ
イド（２００）をバリアメタルにしたときと同等、アル
ミニウム配線の信頼性はチタンナイトライド（１１１）
をバリアメタルにしたときと同等なレベルが達成でき
た。
によれば、バリアメタルとしてチタンナイトライド層を
下が（２００）面、上が（１１１）面に配向した積層構
造にすることにより、バリア性は従来のチタンナイトラ
イド（２００）をバリアメタルにしたときと同等、アル
ミニウム配線の信頼性はチタンナイトライド（１１１）
をバリアメタルにしたときと同等なレベルが達成でき
た。
【００２２】この結果、バリア性と配線信頼性を両立す
る配線構造が得られた。また、本発明の半導体装置の製
造方法によれば、上記の半導体装置が単独のＣＶＤ装置
で原料ガスの分圧比（またはガス流量比）を変化させる
のみで得られる。その結果、新たなＣＶＤチャンバーを
用意することなく従来の装置構造のままで、しかも容易
に上記の配線構造を得ることができる。
る配線構造が得られた。また、本発明の半導体装置の製
造方法によれば、上記の半導体装置が単独のＣＶＤ装置
で原料ガスの分圧比（またはガス流量比）を変化させる
のみで得られる。その結果、新たなＣＶＤチャンバーを
用意することなく従来の装置構造のままで、しかも容易
に上記の配線構造を得ることができる。
【図１】 チタンナイトライドのＸ線回折パターンであ
る。
る。
【図２】 本発明のチタンナイトライド構造／アルミニ
ウムの積層膜のＸ線回折パターンである。
ウムの積層膜のＸ線回折パターンである。
【図３】 チタンナイトライド／アルミニウム積層配線
のＥＭ試験結果を示す図である。
のＥＭ試験結果を示す図である。
【図４】 熱処理前後におけるリーク電流の測定結果で
ある。
ある。
Claims (3)
- 【請求項１】第１金属配線層がアルミニウムまたはその
合金層を含む積層配線であり、少なくともその下層にチ
タンナイトライド層を含む半導体装置において、該チタ
ンナイトライド層が下層に（２００）配向層、上層に
（１１１）配向層を有する積層構造であることを特徴と
する半導体装置。 - 【請求項２】第１金属配線層がアルミニウムまたはその
合金層を含む積層配線であり、少なくともその下層にチ
タンナイトライド層を含む半導体装置の製造方法におい
て、該チタンナイトライド層がチタン化合物とアンモニ
アを含む系を原料とするＣＶＤ法により形成され、前記
チタン化合物とアンモニアの分圧比を変えることにより
配向性を制御することを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項３】前記チタン化合物がハロゲン化チタンであ
ることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34428192A JPH06196482A (ja) | 1992-12-24 | 1992-12-24 | 半導体装置およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34428192A JPH06196482A (ja) | 1992-12-24 | 1992-12-24 | 半導体装置およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06196482A true JPH06196482A (ja) | 1994-07-15 |
Family
ID=18368027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34428192A Pending JPH06196482A (ja) | 1992-12-24 | 1992-12-24 | 半導体装置およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06196482A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000071446A (ko) * | 1999-03-17 | 2000-11-25 | 니시히라 순지 | 질화티탄 박막의 제작방법 및 제작장치 |
| US6548402B2 (en) * | 1999-06-11 | 2003-04-15 | Applied Materials, Inc. | Method of depositing a thick titanium nitride film |
-
1992
- 1992-12-24 JP JP34428192A patent/JPH06196482A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000071446A (ko) * | 1999-03-17 | 2000-11-25 | 니시히라 순지 | 질화티탄 박막의 제작방법 및 제작장치 |
| US6548402B2 (en) * | 1999-06-11 | 2003-04-15 | Applied Materials, Inc. | Method of depositing a thick titanium nitride film |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20010130 |