JPH07297279A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH07297279A
JPH07297279A JP8875494A JP8875494A JPH07297279A JP H07297279 A JPH07297279 A JP H07297279A JP 8875494 A JP8875494 A JP 8875494A JP 8875494 A JP8875494 A JP 8875494A JP H07297279 A JPH07297279 A JP H07297279A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】コンタクトメタルを通してCVDでバリアメタ
ルを形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関し、
バリアメタル層形成の際のコンタクトメタル層の浸食を
防ぐこと。 【構成】半導体層11上に層間絶縁膜16を形成する工
程と、前記層間絶縁膜16にコンタクトホール17a,
17bを形成する工程と、前記コンタクトホール17
a,17bから露出した前記半導体層15a,15bの
不純物拡散領域15a,15bの表面にコンタクトメタ
ル18を形成する工程と、前記コンタクトメタル18を
窒素雰囲気に曝して前記コンタクトメタル18の少なく
とも表面に窒素を含有させる工程と、前記コンタクトホ
ール17a,17b内の前記コンタクトメタル18の上
と前記層間絶縁膜16の上に塩素含有ガスを使用してバ
リアメタル19を気相成長する工程とを含む。

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
に関し、特に半導体層上にコンタクトメタルを通して化
学気相成長法でバリアメタルを形成する工程を含む半導
体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体基板上の層間絶縁膜を介して積層
形成された配線層により、層間絶縁膜に設けられたビア
ホールなどを通じて半導体基板の素子領域から電極を引
き出す構造では、配線層の材料としてAlなどを使用する
と、配線層のAlが配線層と素子領域の接続部分から素子
領域に移動し、拡散領域を汚染して半導体装置の特性を
劣化させることがある。このために、Alの移動を防ぐた
めに、配線層の下地としてバリアメタル層を形成する。
このバリアメタル層は、たとえば、TiNなどの高融点金
属窒化物からなり、熱CVD法などにより形成される。
【0003】しかし、高融点金属窒化物層はSiなどの半
導体基板との接合性が悪いため、バリアメタル層の下地
としてTiなどからなるコンタクトメタル層をスパッタ法
などにより形成する。このコンタクトメタル層を設ける
ことにより、ビアホール内におけるバリアメタル層と素
子領域との接合性が改善され、半導体装置の特性を安定
化することができる。
【0004】また、層間絶縁膜上にコンタクトメタル層
を形成すると、バリアメタル層と層間絶縁膜との密着性
を高めることができ、バリアメタル層の剥がれを抑制す
ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
バリアメタル層の形成方法では、高融点金属窒化物から
なれるバリアメタル層をCVD法によりコンタクトメタ
ル層上に形成する際に、コンタクトメタル層が浸食され
るという問題があった。これは、高融点金属窒化物層と
してたとえばTiN層を形成するために、ハロゲン化金属
である4塩化チタンTiCl4とアンモニアNH3をCVD装置
のチャンバ内で反応させると、TiCl4のClがコンタクト
メタル層のTiと置換反応して、TiをTiCl4に変化させる
ためである。コンタクトメタルは約300Å程度と非常
に薄いため、この浸食により、コンタクトメタル層が貫
通されることもある。
【0006】ビアホール内に形成されたコンタクトメタ
ル層の浸食されると、接合性の悪いバリアメタル層と半
導体層とが直接接触することになり、コンタクト抵抗が
増大し半導体装置の特性が低下する。また、層間絶縁膜
上に形成されたコンタクトメタル層が浸食されると、バ
リアメタル層が剥がれやすくなる。これは、TiNなどの
バリアメタル層の引っ張り応力が大きいが、コンタクト
メタル層の浸食によりバリアメタル層と層間絶縁膜との
密着性が低下することにより起こる。ビアホール内のバ
リアメタル層は、コンタクトメタル層が浸食されても下
層のシリコンなどとシリサイドを形成するので剥がれは
起こりにくい。
【0007】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、半導体装置のコンタクトメタル層にCV
D法によりバリアメタル層を積層形成する際に、コンタ
クトメタル層の浸食を防止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。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記した課題は、図1に
例示するように、半導体層11上にコンタクトメタル1
8を形成する工程と、前記コンタクトメタル18を窒素
雰囲気に曝して前記コンタクトメタル18の少なくとも
表面に窒素を含有させる工程と、前記コンタクトホール
17a,17b内の前記コンタクトメタル18の上と前
記層間絶縁膜16の上にハロゲン含有ガスを使用してバ
リアメタル19を気相成長する工程とを有することを特
徴とする半導体装置の製造方法により解決する。
【0009】または、前記半導体層11は、その上に層
間絶縁膜16が形成され、該層間絶縁膜16にはコンタ
クトホール17a,17bが形成され、該コンタクトホ
ール17a,17bから露出した半導体層15a,15
bの不純物拡散領域15a,15bが形成されているこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法に
より解決する。
【0010】または、前記コンタクトメタル18はチタ
ンであり、前記バリアメタル19は窒化チタンであり、
前記ハロゲン含有ガスは塩化チタンであることを特徴と
する半導体装置の製造方法により解決する。または、前
記窒素雰囲気には、ヒドラジン、ヒドラジンアルキル化
合物、アルキルアミン化合物、アジ化物のうち少なくと
も1つが導入されることを特徴とする半導体装置の製造
方法により解決する。
【0011】または、前記窒素雰囲気には、アンモニア
が含まれていることを特徴とする半導体装置の製造方法
により解決する。または、前記バリアメタル19の気相
成長における化学反応の活性化エネルギー源として熱、
プラズマ、光のうち少なくとも1つを利用することを特
徴とする半導体装置の製造方法により解決する。
【0012】
【作 用】本発明によれば、コンタクトメタルを形成し
た後に、その表面を窒素雰囲気で窒化するようにしてい
る。このような構成により、たとえば半導体装置にコン
タクトメタル層を形成し、そのコンタクトメタル層上に
CVD法によりバリアメタルを成長させる直前にコンタ
クトメタル層を窒化する。これによりコンタクトメタル
層表面が化学的に安定するので、その後でハロゲン含有
ガスによってバリアメタルを形成するシーケンスにおい
て、高融点金属窒化物層のソースガスが分解して生ずる
ハロゲンなどがコンタクトメタル層を浸食するのを防ぐ
ことができる。したがって、ビアホール内ではコンタク
トメタル層によりバリアメタル層と半導体基板が良好な
状態で接合される。
【0013】また、層間絶縁膜上にコンタクトメタル層
を介してバリアメタル層が積層形成される場合には、コ
ンタクトメタル層の浸食されないのでバリアメタル層と
層間絶縁膜との密着性が低下することがなく、バリアメ
タル層の剥がれを抑制することができる。また金属層を
窒化するために、還元能力が大きくて非常に活性な、ヒ
ドラジン、ヒドラジンアルキル化合物、アルキルアミン
化合物、アジ化物などを使用すると、分解により窒素
(N)のラジカルが簡単に飛び出し、金属表面を容易に窒
化することができる。また、メチルヒドラジンの分解温
度はNH3 に比べて200℃以上低いため、窒化のプロセ
ス温度を500℃以下にまで低温化することができる。
他のヒドラジンアルキル化合物、アルキルアミン化合
物、アジ化物についても同様の特徴があり容易に窒化す
ることができる。
【0014】また、金属層の表面を窒化させる際にアン
モニアガスを使用することにより、より効率よく窒化す
ることができる。また、前記化学気相成長法における化
学反応の活性化エネルギー源として、熱、プラズマ、光
などを利用することにより、膜を生成する際の温度など
の条件に応じて適切な窒化反応を行うことができる。
【0015】
【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づ
いて説明する。まず、本発明の実施例に係る半導体装置
の製造方法に用いる熱化学気相成長(熱CVD)装置に
ついて、図2を参照して説明する。このCVD装置は、
膜を成長するためのチャンバ1と、ヒータが内蔵された
半導体基板を載置し加熱するための載置台2と、チャン
バ内にソースガスを導入するためのガス導入口3と、図
示しない排気機構に接続されチャンバ1内のガスを排気
するための排気口4とを有する。
【0016】次に、上記した熱CVD装置を使用して、
半導体基板上に配線を形成する工程を図1に基づいて説
明する。図1(a) 〜図1(c) は、各工程の半導体装置の
断面図である。まず、図1(a) は、MOSFET形成領
域を覆う層間絶縁膜にコンタクトホールが形成され、そ
の上にコンタクトメタル層が形成された状態を示す断面
図である。
【0017】p型シリコンよりなる半導体基板11の上
面には、SiO2よりなるフィールド酸化膜12が選択的な
熱酸化によって6000Åの厚さに形成されている。そ
のフィールド酸化膜12に囲まれた領域には、MOSF
ETが形成されている。このMOSFETは、半導体基
板11の表面に熱酸化により形成された膜厚100Åの
SiO2よりなるゲート絶縁膜13と、その上にCVD法に
より成長させた膜厚約2000Åのポリシリコン膜より
なるゲート電極14と、このゲート電極14の両側の半
導体基板11にイオン注入法により形成されたn+ 型の
ソース/ドレイン領域層15a、15bとを有する。ソ
ース/ドレイン領域層15a、15bは、たとえば、半
導体基板11に砒素(As)をドーズ量4×1015/cm2、加
速エネルギー30keV で注入し、その領域を850℃で
加熱して活性化したものである。
【0018】また、ゲート電極14、ソース/ドレイン
領域層15a、15b及びフィールド酸化膜12は、シ
リコン酸化膜からなる膜厚5000Åの層間絶縁膜16
に覆われ、ソース/ドレイン領域層15a、15bの上
にはコンタクトホール17a、17bが形成されてい
る。そして、コンタクトホール17a、17b底部のソ
ース/ドレイン領域層15a、15b上および層間絶縁
膜16上には、チタン(Ti)よりなるコンタクトメタル
層18がスパッタ法により300Åの厚さに形成されて
いる。
【0019】このようにMOSFETが形成された半導
体基板11を図2に示すCVD装置のチャンバ1に搬入
し、以下に述べる工程を経てバリアメタルと配線材料層
を形成する。図3は、CVD装置のチャンバ1内でバリ
アメタルと配線材料層を成長させるためのシーケンスを
示し、各段階における処理時間、基板温度、チャンバ内
圧力、ならびにソースガスおよびキャリアガスの流量の
変化を示している。
【0020】第1段階では、図1(a) に示したコンタク
トメタル層18を形成した半導体基板11を載置台2に
搭載するとともに、載置台2の内部のヒータによって載
置台の温度を600℃となるようにし、このとき半導体
基板の温度は、498℃となる。同時に、チャンバ1の
排気口4を通じてその内部のガスを排気して、チャンバ
1内部を減圧する。
【0021】続く第2、第3段階が、本発明の特徴とな
る部分である。第2段階では、チャンバ1内に流量50
0sccmのアンモニア(NH3)ガスと流量50sccmのヘリウ
ム(He)ガスとともに、メチルヒドラジン(CH3HNNH2、以
下MHと略称する)ガスを10sccmガスの流量で導入口
3から導入する。このアンモニアガスとヘリウムガスは
キャリアガスのように作用し、その流量はこのバリアメ
タル層19を成長させるシーケンスが終るまで変わらな
い。チャンバ1内の圧力は100mTorrである。この第
2段階は110秒間維持される。
【0022】ところで、MHガスは還元剤及び窒化源と
して作用し、第3段階以後にも使用される。しかし、こ
の第2段階で使用されるMHガスの流量は、第3段階以
後の流量よりも多い。通常、バリアメタル層のTiN 膜を
形成するために使用されるMHガスの量は、第3段階以
後に示した1.5sccm程度で十分であり、多すぎるとバ
リアメタル層18の段階カバレージを低下させることに
なる。
【0023】しかし、この第2段階では、MHガスの流
量を大きくすることによりチャンバ1内のMHガスの分
圧を高め、それによりチャンバ1内の窒化効率を高めて
いる。この高い窒化能力により、コタクトメタル層18
を構成するTi層の表面から窒素が内部に入り込み、Ti膜
の極表面の部分が窒素(N)を含んで窒化された状態に
なる。このように、コンタクトメタル層18の表面を窒
化させることにより、コンタクトメタル層18の表面が
安定した状態になり、第4段階以後に導入されるTiCl4
ガスによってコンタクトメタル層18が浸食されるのを
防ぐことができる。このコンタクトメタル層18表面の
窒化の状態については、後で詳しく説明する。
【0024】第3段階では、MHガスの流量がバリアメ
タル層19を成長させる適切な流量1.5sccmに設定さ
れる。この第2、第3段階の120秒間は、バリアメタ
ル層19を成長させるためのTiCl4 ガスが導入されない
ので、コンタクトメタル層18の表面が塩素(Cl)によ
り置換反応して浸食されることはなく、表面の窒化だけ
が行われる。
【0025】また、第2、第3段階の間に、載置台2の
熱が半導体基板11に十分伝わり適切な温度まで高めら
れる。したがって、このコンタクトメタル層18表面の
窒化は、半導体基板11の加熱時間に行われるので、こ
の窒化のプロセスを導入することにより時間的な損失が
生じることはない。第4段階から第6段階にかけて、バ
リアメタル層19としてTiN層の成長が行われる。そこ
で、半導体基板11の基板温度、圧力、アンモニアガス
とMHガスとヘリウムガスの流量は第3段階と同じに維
持したまま、新たに4塩化チタン(TiCl4 )ガス導入され
る。このTiCl4 ガスの流量は、第4段階から第6段階に
移行するにしたがって次第に増やされる。これは、コン
タクトメタル層18の浸食の要因であるTiCl4 ガス分圧
を、膜成長の最初の段階で低く抑えることにより、コン
タクトメタル層18表面を浸食する作用を少なくするた
めである。
【0026】ちなみに、第4段階で成長するTiN層の厚
さは、第4〜第6段階の間に成長する窒化チタン膜(Ti
N )の厚さの約10%以下にすぎない。こうして、コン
タクトメタル層18上にまず浸食を極力少なくするよう
にバリアメタル層の一部を形成した後は、つづいて第
5、第6段階で、徐々に大きな成長速度でTiN層を成長
させる。
【0027】第6段階でバリアメタル層18の形成が終
了し、第7段階では、アンモニアガス、MHガス、ヘリ
ウムガス、TiCl4 ガスをすべて停止し、チャンバ1内の
残留ガスを排気するために減圧する。第8段階はパージ
のプロセスであり、パージガスとして水素ガスを100
0sccmの流量で導入する。以上でバリアメタル層18の
形成が終了する。
【0028】以上のようなバリアメタル層19の形成を
終えた後に、図1(c) のように、バリアメタル層19の
上にスパッタ法などによりアルミニウムなどの配線層を
約5000Åの厚さに堆積させ、この後に、配線層をパ
ターニングして、ソース/ドレイン領域15a,15b
の上に電極20s,20dを形成する。次に、上記した
実施例におけるコンタクトメタル層表面の窒化のようす
を説明する。
【0029】図4は、図3のバリアメタル層19を成長
させるシーケンスにおいて、第3段階が終了した時点
で、コンタクトメタル層のチタン層に窒素が入り込んで
いるようすをオージェ電子分光法による分析結果を示し
たグラフである。図4において、横軸はスパッタリング
時間であり、スパッタリング時間は試料の深さに対応す
る。縦軸はオージェ電子強度であり、試料に含まれる元
素の相対量が表されている。グラフのそれぞれの曲線
は、曲線HはTi、曲線Iは窒素を含むチタン、曲線Lは
炭素、曲線Kは塩素、そして曲線Jはシリコンといった
元素の含まれる相対量が、試料の深さによって変化して
いるようすを示す。また、チタンを含む曲線は曲線Kと
曲線Iの2つあるが、これはチタンにはオージェ・ピー
クが2つあり、その一方のピークが窒素のピークと重な
って分離できないためである。また、炭素の存在を示す
曲線Lは、測定装置の測定誤差範囲に含まれるもので、
ノイズとしてここでは分析の対象としない。
【0030】このグラフから、区間A+区間Bがコンタ
クトメタル層18であり、区間Cがコンタクトメタル層
18の下層の半導体基板11であることがわかる。この
グラフから分かるように、曲線Iが区間Aで窒素を含む
チタンの存在を示しており、これにより、コンタクトメ
タル層18の約3分の1の深さに窒素が入り込んでいる
ことがわかる。この場合、コンタクトメタル層は約30
0Åなので、約100Åが窒化されていることになる。
【0031】なお、曲線Hと曲線Iが区間C内でも窒素
含有チタンおよびチタン元素の存在を示しているのは、
オージェ分析の際にエッチングが一様になされないから
である。次に、本発明の実施例に係るコンタクトメタル
層表面の窒化によりもたらされる効果について説明す
る。
【0032】図5(a),(b) は、半導体装置に形成された
ビアホールの直径とコンタクト抵抗の関係を示すグラフ
である。横軸がビアホールの直径であり、縦軸はケルビ
ン法で測定した抵抗値である。図5(a),(b) とも11種
類の直径のビアホールについて、それぞれ複数のサンプ
ルのコンタクト抵抗値が測定されている。このグラフに
より、ビアホール径の大きさによるコンタクト抵抗値の
変化と、同一ビアホール径でのコンタクト抵抗値のばら
つきがわかる。
【0033】図5(a) はコンタクトメタル層表面が窒化
されていない場合、同図(b) はコンタクトメタル層表面
が窒化されている場合である。これらから明らかな通
り、両方のグラフともビアホール径が大きくなるにした
がってコンタクト抵抗が小さくなっているが、コンタク
ト抵抗値のばらつきに関しては、図5(a) の方は同一ビ
アホール径でもコンタクト抵抗値がさまざまな値に分散
しており、それに対して、同図(b) の方は同一ビアホー
ル径ではコンタクト抵抗値は分散することなくほぼ同じ
値になっている。
【0034】即ち、バリアメタル層成長の最初の段階で
コンタクトメタル層表面を窒化させたものはコンタクト
抵抗のばらつきが少なく、コンタクト抵抗が安定した信
頼性の高い電極が引き出されることがわかる。また、層
間絶縁膜上にコンタクトメタル層を介してバリアメタル
層を形成する場合でも、バリアメタル層を成長させる際
のコンタクトメタル層の浸食が抑制されるので、バリア
メタル層の剥がれを抑制することができる。
【0035】なお、本実施例では、コンタクトメタル層
の材料としてTiを使用しているが、この材料は、高融点
金属窒化物層をCVD法で形成する際に生じるハロゲン
などで塩化物となるAlなどの金属であれば、他の金属で
も本発明を適用することができる。
【0036】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、半導体
装置上に形成されたコンタクトメタル上にCVD法によ
り高融点金属窒化物などからなるバリアメタル層を成長
させる前に、まずコンタクトメタル層の表面を窒化する
ことにより、コンタクトメタル層の表面が化学的に安定
になり、バリアメタル層のソースガスによる浸食を防ぐ
ことができる。これにより、ビアホール内部では、コン
タクトメタル層が浸食されないのでバリアメタル層と半
導体拡散層の接合性を高めることができる。したがっ
て、ビアホール径が同じであればビアホール内のコンタ
クト抵抗値が均一化されるので、ビアホールによる電極
引き出しの信頼性が極めて向上する。
【0037】また、半導体基板上の層間絶縁膜表面にコ
ンタクトメタル層を介してバリアメタル層が形成されて
いる場合には、コンタクトメタル層が浸食されないの
で、バリアメタル層と層間絶縁膜との密着性が損なわれ
ることがなく、バリアメタル層の引っ張り張力による剥
がれを防ぐことができる。さらに、コンタクトメタル層
を窒化させるために、還元能力が大きく窒化作用の強
い、ヒドラジン、ヒドラジンアルキル化合物およびアル
キルアミン化合物、アジ化物などを使用することによ
り、窒化プロセスを500℃以下にまで低温化すること
ができる。
【0038】さらに、CVD装置の化学反応を活性化さ
せるエネルギーとして、熱、プラズマ、光などを使用す
ることによって、反応温度などの条件に応じた適切な窒
化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
を示し、(a) 〜(c) は各工程における半導体装置の断面
図である。
【図2】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
で用いる化学気相成長(CVD)装置の概略的断面図で
ある。
【図3】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
の成長シーケンスを示す図表である。
【図4】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
によって窒化された、コンタクトメタル層の窒化のよう
すを示すグラフである。
【図5】ビアホール径とコンタクト抵抗との関係を示す
グラフであり、(a) は本発明の半導体装置の製造方法に
よりコンタクトメタル層表面を窒化させたもの、(b) は
コンタクトメタル層表面を窒化していない従来のもので
ある。
【符合の説明】
1 チャンバ 2 載置台 3 ガス導入口 4 排気口 11 半導体基板 12 フィールド酸化膜 13 ゲート絶縁膜 14 ゲート電極 15a、15b ソース/ドレイン領域層 16 層間絶縁膜 17a、17b コンタクトホール 18 コンタクトメタル 19 バリアメタル 20 配線層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/3205 29/78 21/336 H01L 29/78 301 Y

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体層(11)上にコンタクトメタル
    (18)を形成する工程と、 前記コンタクトメタル(18)を窒素雰囲気に曝して前
    記コンタクトメタル(18)の少なくとも表面に窒素を
    含有させる工程と、 前記コンタクトホール(17a,17b)内の前記コン
    タクトメタル(18)の上と前記層間絶縁膜(16)の
    上にハロゲン含有ガスを使用してバリアメタル(19)
    を気相成長する工程とを有することを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
  2. 【請求項2】前記半導体層(11)は、その上に層間絶
    縁膜(16)が形成され、該層間絶縁膜(16)にはコ
    ンタクトホール(17a,17b)が形成され、該コン
    タクトホール(17a,17b)から露出した半導体層
    (15a,15b)の不純物拡散領域(15a,15
    b)が形成されている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。
  3. 【請求項3】前記コンタクトメタル(18)はチタンで
    あり、前記バリアメタル(19)は窒化チタンであり、
    前記ハロゲン含有ガスは塩化チタンであることを特徴と
    する請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】前記窒素雰囲気には、ヒドラジン、ヒドラ
    ジンアルキル化合物、アルキルアミン化合物、アジ化物
    のうち少なくとも1つが導入される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。
  5. 【請求項5】前記窒素雰囲気には、アンモニアが含まれ
    ていることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製
    造方法。
  6. 【請求項6】前記バリアメタル(19)の気相成長にお
    ける化学反応の活性化エネルギー源として熱、プラズ
    マ、光のうち少なくとも1つを利用することを特徴とす
    る請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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