JPH0620997A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導電層間の接続部におけるチタン窒化層の膜
厚を所望の値にすることによって半導体装置の信頼性を
向上させる。 【構成】 シリコン基板１上に形成された不純物拡散層
２上には、コンタクトホール９が形成されている。この
コンタクトホール９に第１チタン層１０ａを形成する。
この第１チタン層に窒化雰囲気中で熱処理を施すことに
よって、第１チタン窒化層５ａとチタンシリサイド層６
とを形成する。この第１チタン窒化層５ａ上にさらに第
２チタン層１０ｂを堆積し、この第２チタン層１０ｂに
窒化雰囲気中で熱処理を施すことによって、第２チタン
窒化層５ｂを形成する。それにより、チタン窒化層５が
形成される。このチタン窒化層５のコンタクトホール９
底部における膜厚は、このチタン窒化層５とチタンシリ
サイド層６との膜厚の総和の４０％以上の膜厚である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置およびそ
の製造方法に関し、特に、導電層間の接続にバリア層を
用いた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】現在、半導体集積回路の配線層として
は、アルミニウム（Ａｌ）あるいはその合金（Ａｌ−Ｃ
ｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）などが用いられることが多い。
しかし、このような配線材料を用いた場合には、次のよ
うな問題点が生じていた。それは、上記の配線層とたと
えばシリコン基板とが直接接触した場合、シリコン（Ｓ
ｉ）原子が配線層（Ａ１）中に拡散し、接合リークが増
大するといった問題点であった。そこで、このようなＡ
ｌとシリコンとの反応を防止するため、従来から、配線
層とシリコンとの界面にバリアメタルを挿入する手法が
とられてきた。それにより、Ａｌとシリコンとの反応を
効果的に抑制することが可能となった。

【０００３】また、近年の高集積化の要請に伴い、サブ
ミクロンレベル以下の微細な配線パターンが要求されて
きている。この場合には、配線層のエレクトロマングレ
ーションなどの問題点が生じてくる。このエレクトロマ
イグレーションの低減のため、たとえばタングステン
（Ｗ）などをコンタクトホール内に埋込み、タングステ
ンプラグとして機能させることによってエレクトロマイ
グレーションの低減が試みられている。この場合におい
ても、コンタクトホール底部には、埋込導電層（この場
合であればタングステンプラグ）とシリコンとの反応抑
制のためのバリアメタルが挿入される。

【０００４】以下に、上記のバリアメタルの一例として
窒化チタン（ＴｉＮ）を挙げ、この窒化チタンをバリア
メタルとして用いた場合の導電層間の接続構造につい
て、図１０を用いて説明する。図１０は、従来の配線層
とシリコン基板に設けられた不純物拡散層との接続部の
断面構造を示す断面図である。

【０００５】図１０を参照して、シリコン基板２１主表
面には、間隔を隔ててフィールド酸化膜２３が形成され
ており、このフィールド酸化膜２３に挟まれるように不
純物拡散層２２が形成されている。そして、この不純物
拡散層２２およびフィールド酸化膜２３上には層間絶縁
膜２４が形成されており、この層間絶縁膜２４における
不純物拡散層２２上に位置する部分には、この層間絶縁
膜２４上に形成される配線層と不純物拡散層２２との接
続のためのコンタクトホール２９が形成されている。こ
のコンタクトホール２９底部には、不純物拡散層２２と
接触してチタンシリサイド層２６が形成されている。そ
して、このチタンシリサイド層２６上にはチタン窒化層
（ＴｉＮ）２５が形成されている。このチタン窒化層２
５表面上にはタングステンプラグ２７が形成されてい
る。このタングステンプラグ２７上、チタン窒化層２５
上および層間絶縁膜２４上には、アルミニウム配線層２
８が形成されている。

【０００６】次に、図１１〜図１４を用いて、上記の構
造を有する導電層間の接続構造の形成方法について説明
する。図１１〜図１４は、上記の導電層間の接続構造の
形成方法の第１工程〜第４工程を示す断面図である。

【０００７】まず図１１を参照して、シリコン基板２１
主表面に間隔を隔ててフィールド酸化膜２３を形成した
後、活性領域に不純物を注入するこによって不純物拡散
層２２を形成する。そして、この不純物拡散層２２上お
よびフィールド酸化膜２３上に層間絶縁膜２４を形成す
る。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング
技術を用いて、この層間絶縁膜２４における不純物拡散
層２２上に位置する部分にコンタクトホール２９を形成
する。

【０００８】次に、図１２に示されるように、スパッタ
リング法などを用いて、コンタクトホール２９内表面お
よび層間絶縁膜２４上にチタン（Ｔｉ）層３０を所定膜
厚に形成する。そして、図１３を参照して、上記のよう
に堆積されたチタン層３０に、たとえばＮＨ₃ 雰囲気中
で熱処理を施す。それにより、上記のチタン層３０の下
部領域がシリコンと反応することによってチタンシリサ
イド層２６に変換され、チタン層３０の上部領域がチタ
ン窒化層２５に変換される。このとき、コンタクトホー
ル２９底部におけるチタンシリサイド層２６とチタン窒
化層２５との膜厚比は、約７：３となっており、チタン
シリサイド層２６の方が厚く形成されている。

【０００９】その後、このチタン窒化層２５上に、ＣＶ
Ｄ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法などを用いて、タングステン（Ｗ）層を形成す
る。それにより、コンタクトホール２９内には上記のタ
ングステン層が埋込まれることになる。そして、図１４
を参照して、層間絶縁膜２４上に形成された余分なタン
グステン層およびチタン窒化層２５をエッチバックによ
って取除く。それにより、埋込タングステンプラグ２７
が形成されることになる。そして、このタングステンプ
ラグ２７上および層間絶縁膜２４上に、スパッタリング
法などを用いて、所定膜厚のアルミニウム膜を堆積し、
このアルミニウム膜をフォトリソグラフィ技術を用いて
パターニングすることによって、図１０に示されるアル
ミニウム配線層２８が形成されることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のような工程を経
て形成されたチタン窒化層２５には、次に説明するよう
な問題点があった。この問題点について、図１５を用い
て説明する。図１５は、図１０におけるコンタクトホー
ル底部近傍を拡大した断面図である。図１５を参照し
て、上述のように、コンタクトホール２９の底部には、
チタンシリサイド層２６が形成されており、このチタン
シリサイド層２６上に、チタンシリサイド層２６よりも
膜厚の薄いチタン窒化層２５が形成されている。チタン
シリサイド層２６は、コンタクト抵抗低減のために必要
な層であり、その膜厚ｔ１は好ましくは約１００Å程度
要求される。この１００Å程度の膜厚を有するチタンシ
リサイド層２６を形成するためには、チタン層をコンタ
クトホール２９底部において約８０Å程度の膜厚となる
ように形成する必要がある。

【００１１】このような膜厚にチタン層３０を形成した
場合には、図１５に示されるように、コンタクトホール
２９底部に形成されるチタン窒化層２５の膜厚ｔ３は、
約４０Å程度のものとなってしまう。すなわち、チタン
シリサイド層２６とチタン窒化層２５とのコンタクトホ
ール２９底部における膜厚比が、上述のように、約７：
３となってしまう。しかし、チタン窒化層２５が、効果
的なバリア機能を発揮するためには、約７０Å程度の膜
厚が必要である。したがって、上記のような４０Å程度
の膜厚では、金属配線層（この場合であればタングステ
ンプラグ２７）とシリコン基板２１との反応を十分に抑
制できないことになる。それにより、コンタクト部の信
頼性を低下させるといった問題点が生じていた。

【００１２】一方、チタン窒化層２５を厚く形成するた
めには、チタン層３０の形成時にこのチタン層３０の膜
厚を予め厚くすることが考えられる。しかし、このチタ
ン層３０の膜厚の増加に伴い、アニールによって形成さ
れるチタンシリサイド層２６の膜厚も増加する。そし
て、あまりこのチタンシリサイド層２６の膜厚が厚くな
った場合には、チタンシリサイド層２６形成のためのシ
リコンの吸収によって、シリコン基板に損傷を与えると
いった問題点が生じる。したがって、チタン層３０の膜
厚はあまり大きくすることができない。

【００１３】また、チタン窒化層の形成方法には、反応
性スパッタリング法を用いることも考えられる。しか
し、反応性スパッタリング法は、カバレッジがよくない
ため、チタン窒化層形成のために反応性スパッタリング
法を用いることは好ましいとはいえない。以上のことよ
り、コンタクトホール２９底部におけるチタン窒化層２
５の薄膜化は避けることができず、そのために半導体装
置の信頼性に対して悪影響を及ぼすという問題点があっ
た。

【００１４】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたものであり、バリアメタルとして効果的
に機能し得る厚みを有するチタン窒化層を有することに
よって、信頼性の向上した半導体装置およびその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明に基づく半導体
装置は、シリコンを含む第１導電層と、第２導電層とを
バリア層を介して電気的に接続する構造を有するもので
あることを前提とする。そして、上記のバリア層は、第
１導電層上に接触して形成されたチタンシリサイド層
と、このチタンシリサイド層上に接触して形成されたチ
タン窒化層とを備えている。そして、このチタン窒化層
の膜厚は、バリア層の膜厚の４０％以上を占める。

【００１６】この発明に基づく半導体装置の製造方法に
よれば、まず、シリコンを含む第１導電層上に第１のチ
タン層を形成する。この第１のチタン層に窒化雰囲気中
での第１の熱処理を施すことによって、この第１のチタ
ン層の下部領域をチタンシリサイド層に変換し、第１の
チタン層の上部領域を第１のチタン窒化層に変換する。
そして、上記の第１のチタン窒化層上に第２のチタン層
を形成する。この第２のチタン層に窒化雰囲気中で第２
の熱処理を施すことによって、上記の第２のチタン層を
第２のチタン窒化層に変換する。

【００１７】

【作用】この発明に基づく半導体装置においては、バリ
ア層がその機能を十分発揮し得る厚みとなるように形成
されている。それにより、第２導電層と、シリコンを含
む第１導電層との反応を効果的に抑制することが可能と
なる。その結果、コンタクト部における信頼性の高い配
線層の接続構造を得ることが可能となる。

【００１８】この発明に基づく半導体装置の製造方法に
よれば、バリアメタルとして機能するチタン窒化層の厚
みを所望の厚みに調整することが可能となる。すなわ
ち、第２のチタン層の膜厚によって、最終的に形成され
るチタン窒化層の膜厚を制御することが可能となる。そ
れにより、チタン窒化層がバリアメタルとして十分に機
能し得るような厚みになるように、このチタン窒化層を
形成することが可能となる。その結果、信頼性の高い半
導体装置を得ることが可能となる。

【００１９】

【実施例】以下に、この発明に基づく実施例について、
図１〜図９を用いて説明する。図１は、この発明に基づ
く一実施例における半導体装置の１つのコンタクト部を
示す断面図である。図１を参照して、シリコン基板１上
には、間隔を隔ててフィールド酸化膜３が形成されてお
り、このフィールド酸化膜３の間には、不純物拡散層２
が形成されている。不純物拡散層２上およびフィールド
酸化膜３上には、層間絶縁膜４が形成されており、この
層間絶縁膜４における不純物拡散層２上に位置する部分
には、コンタクトホール９が形成されている。このコン
タクトホール９底部には、不純物拡散層２と接触してチ
タンシリサイド層６が形成されている。そして、このチ
タンシリサイド層６上には、膜厚が比較的厚く形成され
たチタン窒化層５が形成されている。

【００２０】このチタン窒化層５上におけるコンタクト
ホール９内部には、タングステンプラグ７が埋込まれて
いる。そして、このタングステンプラグ７上および層間
絶縁膜４上には、アルミニウム配線層８が形成されてい
る。このような構造を有する半導体装置において、コン
タクトホール９底部におけるチタン窒化層５の膜厚が従
来に比べて厚く、バリアメタルとして効果的に機能し得
る厚みに形成されている。そのため、このチタン窒化層
５はバリアメタルとして効果的に機能することとなる。
それにより、コンタクト部における信頼性を高めること
ができ、ひいては、この半導体装置の信頼性を向上させ
ることが可能となる。

【００２１】次に、図２を用いて、上記のアルミニウム
配線層８と不純物拡散層２との接続構造をより詳しく説
明する。図２は、図１におけるコンタクトホール９の底
部近傍を部分拡大した断面図である。図２を参照して、
この発明においては、チタン窒化層５のコンタクトホー
ル９底部における膜厚が従来のもの（２５）よりも厚く
形成されている。より具体的には、コンタクトホール９
底部におけるチタン窒化層５の膜厚ｔ２は、この場合で
あれば、７０Å程度である。この７０Åの値は、バリア
メタルとしてのチタン窒化層５がより効果的に機能し得
る下限近傍の厚みの値である。したがって、チタン窒化
層５のコンタクトホール９底部における膜厚は、約７０
Å以上であればよいことになる。

【００２２】それに比べ、従来の半導体装置におけるコ
ンタクトホール９底部におけるチタン窒化層２５の膜厚
ｔ３は、前述のように、約４０Å程度の薄いものであ
る。一方、チタン窒化層５下に形成されているチタンシ
リサイド層６の膜厚は、約１００Å程度である。この１
００Åの値は、コンタクト部におけるタコンタクト抵抗
を低減させ、かつシリコン基板に損傷を与えないという
ことを条件に設定された値である。しかし、チタンシリ
サイド層６の膜厚は、前記の条件を満足するものであれ
ばよいため、１００Åの膜厚には限らないともいえる。

【００２３】以上のように、チタン窒化層５のコンタク
トホール９底部における膜厚を増加させることによっ
て、上記のように半導体装置の信頼性を向上させること
が可能となる。そして、この場合であれば、チタン窒化
層５のコンタクトホール９底部における膜厚は、チタン
窒化層５のコンタクトホール９底部における膜厚ｔ２と
チタンシリサイド層６の膜厚ｔ１との和に対して、約４
０％の割合となっている。したがって、チタン窒化層５
のコンタクトホール９底部における膜厚ｔ２の割合は、
４０％以上であれば、チタン窒化層５はバリアメタルと
して効果的に機能し得るといえる。

【００２４】次に、上記の構造を有する半導体装置の製
造方法について、図３〜図８を用いて説明する。図３〜
図８は、上記の構造を有する半導体装置の製造工程の第
１工程〜第６工程を示す断面図である。

【００２５】まず、図３を参照して、シリコン基板１に
おける主表面に所定間隔を隔ててフィールド酸化膜３を
形成し、このフィールド酸化膜３に囲まれる活性領域に
不純物を注入することによって、不純物拡散層２を形成
する。そして、この不純物拡散層２上およびフィールド
酸化膜３上に層間絶縁膜４を形成し、フォトリソグラフ
ィ技術およびエッチング技術を用いて、不純物拡散層２
上に位置する層間絶縁膜４にコンタクトホール９を形成
する。

【００２６】そして、図４を参照して、コンタクトホー
ル９内表面および層間絶縁膜４上に、スパッタリング法
などを用いて、８０Å程度の膜厚を有する第１チタン層
１０ａを形成する。そして、この第１チタン層１０ａ
に、たとえば７００〜９５０℃の温度で、１０秒〜１分
の時間、アンモニア（ＮＨ₃ ）あるいは窒素（Ｎ₂ ）雰
囲気中でランプアニール処理を施す。それにより、図５
に示されるように、コンタクトホール９底部において、
チタンとシリコンとが反応することによってチタンシリ
サイド層が約１００Å程度の膜厚に形成され、このチタ
ンシリサイド層６上に、第１チタン窒化層５ａが形成さ
れる。このとき、コンタクトホール９底部に形成される
第１チタン窒化層５ａの膜厚は、約４０Å程度である。

【００２７】次に、図６を参照して、上記の第１チタン
窒化層５ａ上に、たとえばスパッタリング法などを用い
て、約５０Å程度の膜厚を有する第２チタン層１０ｂを
形成する。そして、上記のランプアニール処理と同様の
条件で、この第２チタン層１０ｂに熱処理を施すことに
よって、図７に示されるように、第１チタン窒化層５ａ
上に第２チタン窒化層５ｂを形成する。このとき、第１
チタン窒化層５ａ上に堆積された第２チタン窒化層１０
ｂは、シリコンを含む層と接していないため、すべて窒
化される。そして、この第２チタン窒化層５ｂと上記の
第１チタン窒化層５ａとでチタン窒化層５が形成される
ことになる。この場合であれば、チタン窒化層５のコン
タクトホール９底部における膜厚は、約１００Å程度の
ものとなる。チタン窒化層５は、前述のように、その厚
みが７０Å程度以上であればバリアメタルとして効果的
に機能する。したがって、本実施例のように、約１００
Åの膜厚を有することによって、優れたバリア効果を発
揮するといえる。

【００２８】その後、ＣＶＤ法などを用いてたとえばタ
ングステン（Ｗ）をコンタクトホール９内部に形成す
る。そして、エッチバック処理を施すことによって、余
分なタングステン層あるいはチタン窒化層５を除去し、
その上にスパッタリング法などを用いてアルミニウム配
線層８を所定膜厚に形成する。それにより、図１に示さ
れる半導体装置が完成する。

【００２９】以上のように、この発明に基づく製造方法
によれば、バリアメタルとして機能するチタン窒化層５
の膜厚を所望の膜厚となるように制御することが可能と
なる。それにより、チタン窒化層５の膜厚が、バリアメ
タルとして効果的に機能し得る膜厚となるように調整す
ることが可能となる。その結果、半導体装置の信頼性を
向上させることかか可能となる。

【００３０】次に、この発明に基づく他の実施例につい
て図９を用いて説明する。図９は、この発明に基づく他
の実施例における半導体装置の断面図である。図９を参
照して、上記の実施例においては、タングステンプラグ
７を用いた場合について説明を行なった。しかし、図９
に示されるように、タングステンプラグ７を用いず、直
接コンタクトホール９に配線層１１を形成するようにし
てもよい。この場合、配線層１１の材質としては、アル
ミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ，Ａ
ｌ−Ｓｉ，Ｃｕ）、Ｃｕ，Ｗなどを用いてもよい。ま
た、上記の実施例においては、配線層とシリコン基板上
の不純物領域との接続構造について説明したが、本発明
を配線層間の接続構造に適用してもよい。また、上記の
２回の熱処理の条件は、同じ条件であったが、条件を変
えて行なってもよい。さらに、３回以上の熱処理工程を
行なうものであってもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、導電
層間の接続部におけるバリアメタルとして機能するチタ
ン窒化層の膜厚を厚くすることが可能となる。それによ
り、一方の導電層がシリコンを含む場合に、そのシリコ
ンと配線層との反応を効果的に抑制することが可能とな
る。すなわち、バリアメタルとしてチタン窒化層が効果
的に機能し得ることとなる。それにより、信頼性の高い
半導体装置を得ることができる。また、この発明に基づ
く半導体装置の製造方法によれば、バリアメタルとして
機能するチタン窒化層の膜厚を所望の値に調整すること
が可能となる。また同時に、チタンシリサイド層の膜厚
をも所望の値に形成することが可能となる。それによ
り、コンタクト抵抗を低減させ、かつ信頼性の高い半導
体装置を形成することが可能となる。すなわち、高性能
でかつ信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に基づく一実施例における半導体装置
の導電層間の接続構造を示す断面図である。

【図２】図１におけるコンタクトホール底部近傍を部分
的に拡大した断面図である。

【図３】この発明に基づく一実施例における半導体装置
の導電層間の接続構造の製造工程の第１工程を示す断面
図である。

【図４】この発明に基づく一実施例における半導体装置
の導電層間の接続構造の製造工程の第２工程を示す断面
図である。

【図５】この発明に基づく一実施例における半導体装置
の導電層間の接続構造の製造工程の第３工程を示す断面
図である。

【図６】この発明に基づく一実施例における半導体装置
の導電層間の接続構造の製造工程の第４工程を示す断面
図である。

【図７】この発明に基づく一実施例における半導体装置
の導電層間の接続構造の製造工程の第５工程を示す断面
図である。

【図８】この発明に基づく一実施例における半導体装置
の導電層間の接続構造の製造工程の第６工程を示す断面
図である。

【図９】この発明に基づく他の実施例における半導体装
置の導電層間の接続構造を示す断面図である。

【図１０】従来の半導体装置における導電層間の接続構
造を示す断面図である。

【図１１】従来の半導体装置における導電層間の接続構
造の製造方法の第１工程を示す断面図である。

【図１２】従来の半導体装置における導電層間の接続構
造の製造方法の第２工程を示す断面図である。

【図１３】従来の半導体装置における導電層間の接続構
造の製造方法の第３工程を示す断面図である。

【図１４】従来の半導体装置における導電層間の接続構
造の製造方法の第４工程を示す断面図である。

【図１５】図１０におけるコンタクトホール底部近傍を
部分的に拡大した断面図である。

【符号の説明】

１，２１ シリコン基板 ２，２２ 不純物拡散層 ３，２３ フィールド酸化膜 ４，２４ 層間絶縁膜 ５，２５ チタン窒化層 ５ａ 第１チタン窒化層 ５ｂ 第２チタン窒化層 ６，２６ チタンシリサイド層 ７，２７ タングステンプラグ ８，２８ アルミニウム配線層 ９，２９ コンタクトホール １０ａ 第１チタン層 １０ｂ 第２チタン層 １１ 配線層 ３０ チタン層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンを含む第１導電層と、第２導電
   層とをバリア層を介して電気的に接続する構造を有する
   半導体装置であって、 前記バリア層は、前記第１導電層上に接触して形成され
   たチタンシリサイド層と、前記チタンシリサイド層上に
   接触して形成されたチタン窒化層とを備え、 前記チタン窒化層の膜厚は前記バリア層の膜厚の４０％
   以上を占める、半導体装置。
2. 【請求項２】 シリコンを含む第１導電層上に第１のチ
   タン層を形成する工程と、 前記第１のチタン層に窒化雰囲気中での第１の熱処理を
   施すことによって、前記第１のチタン層の下部領域をチ
   タンシリサイド層に変換し、前記第１のチタン層の上部
   領域を第１のチタン窒化層に変換する工程と、 前記第１のチタン窒化層上に第２のチタン層を形成する
   工程と、 前記第２のチタン層に窒化雰囲気中で第２の熱処理を施
   すことによって、前記第２のチタン層を第２のチタン窒
   化層に変換する工程と、 を備えた半導体装置の製造方法。