JPH1065004A

JPH1065004A - 半導体装置における接続孔及びその形成方法

Info

Publication number: JPH1065004A
Application number: JP23848196A
Authority: JP
Inventors: Hajime Inoue; 肇井上
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】指向性スパッタ法によって成膜された窒化チタ
ン層（バリアメタル層）に熱処理を施した後の窒化チタ
ン層のストレス変化によって窒化チタン層にクラックが
生じ難く、あるいは又、剥離が生じ難く、接合リーク電
流の増加を回避し得る半導体装置における接続孔の形成
方法を提供する。【解決手段】接続孔の形成方法は、（イ）基体１０上に
絶縁層１６を形成した後、該絶縁層１６に開口部１７を
形成する工程と、（ロ）該開口部１７内を含む絶縁層１
６上に、チタン層１７及び窒化チタン層１８を指向性ス
パッタ法にて順次、成膜した後、成膜された窒化チタン
層１８に熱処理を施す工程と、（ハ）少なくとも開口部
１７内を高融点金属材料２０にて埋め込み、以て接続孔
を形成する工程から成り、成膜された窒化チタン層１８
の熱処理前後におけるストレス変化量が、３．０×１０
¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²以下であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置におけ
る接続孔及びその形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置には、多数のコンタクトホー
ルやビアホール（以下、これらを総称して接続孔と呼
ぶ）が形成されている。通常、接続孔は、図６に示すよ
うに、例えばソース・ドレイン領域１５といった不純物
拡散領域等から成る下層導体層が形成された半導体基板
１０から構成された基体上に絶縁層１６を形成し、かか
る絶縁層１６に開口部１７を設けた後、開口部１７内を
金属材料あるいは金属化合物材料（以下、金属材料等と
呼ぶ。尚、図６においては、タングステン層２０）にて
埋め込むことによって形成される。尚、図において、参
照番号１１は素子分離領域、参照番号１２はゲート酸化
膜、参照番号１３はゲート電極、参照番号１４はゲート
サイドウオールである。あるいは又、接続孔は、例えば
配線層が形成された下層絶縁層から成る基体上に絶縁層
を形成し、かかる絶縁層に開口部を設けた後、開口部内
を金属材料等にて埋め込むことによって形成される。

【０００３】半導体装置の高集積化に伴い、半導体装置
の製造プロセスにおける寸法ルールも微細化しつつあ
る。そして、高アスペクト比を有する開口部内を金属材
料等で確実に埋め込む技術が重要な課題となっている。
開口部内を金属材料等で埋め込む技術とし、純アルミニ
ウムあるいはアルミニウム合金を用いたスパッタ法や、
所謂ブランケットタングステンＣＶＤ法を挙げることが
できる。特に、後者の方法は、高アスペクト比を有する
開口部内を金属材料等にて埋め込む技術として優れた技
術である。

【０００４】ブランケットタングステンＣＶＤ法におい
ては、ＣＶＤ法にて開口部１７内を含む絶縁層１６上に
タングステン層２０を堆積させる前に、チタン（Ｔｉ）
層１８及び窒化チタン（ＴｉＮ）層１９を順次、スパッ
タ法にて成膜する。ここで、Ｔｉ層１８は、接続孔のコ
ンタクト抵抗を軽減させる目的、及びタングステン層２
０の密着性向上を目的として成膜される。一方、ＴｉＮ
層１９は、ＣＶＤ法にてタングステン層２０を堆積させ
るとき、タングステン層２０が下層導体層を破壊するこ
とを防止する、所謂バリア層としての機能を有する。こ
のＴｉＮ層１９は、バリアメタル層とも呼ばれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、開口部１７
のアスペクト比が高くなるに従い、ＴｉＮ等のスパッタ
粒子が、所謂シャドウイング効果によって開口部１７の
底部あるいは底部近傍の側壁に堆積し難くなる。その結
果、図６の（Ａ）の丸印を付けた領域で示すように、開
口部１７の底部あるいは底部近傍の側壁におけるＴｉＮ
層１９のカバレッジが低下し、かかる部分におけるＴｉ
Ｎ層（バリアメタル層）１９のバリア効果が低下する。
その結果、図６の（Ｂ）の模式図に示すように、タング
ステン層２０が下層導体層であるソース・ドレイン領域
１５を破壊し、接続孔と下層導体層との間で接合リーク
電流が増加するという問題が生じる。

【０００６】また、ＴｉＮ層１９の成膜後、ＴｉＮ層１
９のバリア効果を向上されるために、ＴｉＮ層に熱処理
（例えば、６５０〜７００゜Ｃの Rapid Thermal Annea
ring（ＲＴＡ）処理）を施すことによってＴｉＮ層１９
を緻密化した場合、ＴｉＮ層１９の熱処理前後のストレ
ス変化によって、図７の（Ａ）の模式図に丸印を付けた
領域で示すように、ＴｉＮ層１９にクラックが生じた
り、ＴｉＮ層１９に剥離が生じる。その結果、やはり、
タングステン層２０が下層導体層であるソース・ドレイ
ン領域１５を破壊し、接続孔と下層導体層との間で接合
リーク電流が増加するという問題が生じる（図７の
（Ｂ）参照）。接合リーク電流が増加すると、例えば、
電荷保持能力が低下したり、消費電力の増加に伴うスタ
ンバイ不良が発生する。

【０００７】スパッタ粒子が、シャドウイング効果によ
って開口部１７の底部あるいはその底部近傍の側壁に堆
積し難くなる現象を回避する手段として、所謂コリメー
トスパッタ法や遠距離スパッタ法といった指向性スパッ
タ法を挙げることができる。この指向性スパッタ法にお
いては、基体の表面に対して垂直方向から入射するスパ
ッタ粒子成分が多くなる。従って、開口部の底部に堆積
するスパッタ粒子が多くなり、開口部の底部や底部近傍
の側壁におけるカバレッジが向上する。然るに、これら
の指向性スパッタ法によってＴｉＮ層（バリアメタル
層）１９を成膜した場合、通常のスパッタ法と比較し
て、成膜されたＴｉＮ層１９の熱処理前後におけるスト
レス変化量が大きくなる。その結果、ＴｉＮ層１９に、
一層、クラックや剥離が生じ易くなる。

【０００８】従って、本発明の目的は、指向性スパッタ
法によって成膜された窒化チタン層（バリアメタル層）
に熱処理を施した後の窒化チタン層のストレス変化によ
って窒化チタン層にクラックが生じ難く、あるいは又、
剥離が生じ難く、接合リーク電流の増加を回避し得る半
導体装置における接続孔及びその形成方法を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の半導体装置における接続孔の形成方法は、
（イ）基体上に絶縁層を形成した後、該絶縁層に開口部
を形成する工程と、（ロ）該開口部内を含む絶縁層上
に、チタン層及び窒化チタン層を指向性スパッタ法にて
順次、成膜した後、成膜された窒化チタン層に熱処理を
施す工程と、（ハ）少なくとも開口部内を高融点金属材
料にて埋め込み、以て接続孔を形成する工程、から成
り、成膜された窒化チタン層の熱処理前後におけるスト
レス変化量が、３．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²以下であ
ることを特徴とする。

【００１０】指向性スパッタ法には、ターゲットから基
体までの距離が長い遠距離スパッタ法が包含される。通
常のスパッタ法においてはターゲットから基体までの距
離は５０ｍｍ前後である。一方、遠距離スパッタ法にお
いては、ターゲットから基体までの距離は１５０ｍｍ以
上、好ましくは１７０以上である。ターゲットから基体
までの距離が長くなる程、窒化チタンの成膜速度は遅く
なるので、製造プロセスにおいて許容し得る成膜速度以
上となる距離を上限の値とすればよい。ターゲットから
基体までの距離の上限は、例えば３４０ｍｍ程度であ
る。あるいは又、指向性スパッタ法には、所謂コリメー
トスパッタ法が包含される。ここで、コリメートスパッ
タ法とは、薄膜形成用の各種粒子ビームを一軸異方性を
もって通過させて基材上に到達させるための開口率の大
きな貫通孔を有する治具（コリメータ）を、ターゲット
と基体との間に配設してスパッタリングを行う方法を指
す。

【００１１】本発明の半導体装置における接続孔の形成
方法においては、基体を３００゜Ｃ以上に加熱した状態
で、チタン層及び窒化チタン層を成膜することが好まし
い。基体加熱温度の上限は、基体が加熱されることによ
って基体に損傷が生じない温度とすればよい。

【００１２】あるいは又、本発明の半導体装置における
接続孔の形成方法においては、プロセスガスとして、ア
ルゴンガス及び窒素ガスを用い、窒化チタン層の成膜時
のスパッタ雰囲気の圧力を０．６４Ｐａ（４．８mTor
r）以上とすることが好ましい。窒化チタン層の成膜時
のスパッタ雰囲気の圧力の上限は、製造プロセスにおけ
る窒化チタン層の成膜速度に依存する。即ち、窒化チタ
ン層の成膜時のスパッタ雰囲気の圧力が高くなる程、窒
化チタンの成膜速度は遅くなるので、製造プロセスにお
いて許容し得る成膜速度以上となるスパッタ雰囲気の圧
力を上限の値とすればよい。

【００１３】あるいは又、本発明の半導体装置における
接続孔の形成方法においては、プロセスガスとして、ア
ルゴンガス及び窒素ガスを用い、アルゴンガス流量／窒
素ガス流量の値を０．３以上、好ましくは０．５以上と
することが望ましい。アルゴンガス流量／窒素ガス流量
の値の上限は、窒化チタン層を形成し得る流量比であ
る。

【００１４】あるいは又、本発明の半導体装置における
接続孔の形成方法においては、プロセスガスとして、ア
ルゴンガス及び窒素ガスを用い、窒化チタン層の成膜時
のスパッタ雰囲気の圧力を０．６４Ｐａ（４．８mTor
r）以上とし、且つ、基体を３００゜Ｃ以上に加熱した
状態で、チタン層及び窒化チタン層を成膜することが好
ましい。

【００１５】上記の目的を達成するための本発明の半導
体装置における接続孔は、基体上の絶縁層に設けられた
開口部内に形成されており、（イ）指向性スパッタ法に
て順次成膜され、熱処理を施されたチタン層及び窒化チ
タン層、並びに、（ロ）該開口部に埋め込まれた高融点
金属材料、から成り、成膜された窒化チタン層の熱処理
前後におけるストレス変化量が、３．０×１０¹⁰ｄｙｎ
／ｃｍ²以下であることを特徴とする。

【００１６】本発明の半導体装置における接続孔におい
ては、チタン層及び窒化チタン層は、基体を３００゜Ｃ
以上に加熱した状態で成膜されることが好ましい。ある
いは又、窒化チタン層は、プロセスガスとしてアルゴン
ガス及び窒素ガスを用い、スパッタ雰囲気の圧力が０．
６４Ｐａ（４．８mTorr）以上の状態で成膜されること
が好ましい。あるいは又、窒化チタン層は、プロセスガ
スとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用い、アルゴンガ
ス流量／窒素ガス流量の値が０．５以上の状態で成膜さ
れることが好ましい。あるいは又、窒化チタン層は、プ
ロセスガスとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用い、ス
パッタ雰囲気の圧力が０．６４Ｐａ（４．８mTorr）以
上の状態で成膜され、且つ、チタン層及び窒化チタン層
は、基体を３００゜Ｃ以上に加熱した状態で成膜される
ことが好ましい。

【００１７】成膜された窒化チタン層の熱処理の条件と
して、窒素ガス雰囲気下で、６５０゜Ｃ×３０秒のラピ
ッド・サーマル・アニーリング処理を例示することがで
きる。

【００１８】基体としては、ソース・ドレイン領域とい
った高濃度拡散領域が下層導体層として形成された半導
体基板、配線層がその上に形成された下層絶縁層を例示
することができる。また絶縁層を構成する材料として
は、ＳｉＯ₂、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＡｓＳＧ、
ＰｂＳＧ、ＳｂＳＧ、ＮＳＧ、ＳＯＧ、ＬＴＯ（Low Te
mperature Oxide、低温ＣＶＤ−ＳｉＯ₂）等の酸化シリ
コン系材料（ＳｉＯ₂あるいは不純物を含有するＳｉ
Ｏ₂）やＳｉＮ等から構成することが好ましいが、これ
らに限定されるものではない。また、絶縁層を、酸化シ
リコン系材料やＳｉＮから成る多層構造とすることもで
きる。高融点金属材料としては、タングステン、銅、
を例示することができる。また、少なくと
も開口部内を高融点金属材料にて埋め込む方法として、
ＣＶＤ法を挙げることができる。場合によっては、高融
点金属材料から成る層が絶縁層上に残されていてもよ
い。

【００１９】窒化チタン層の熱処理前後におけるストレ
ス変化量は、フロンティアセミコンダクターメジャ
ーメントインク（Frontier Semiconductor Measureme
nt Inc.）製のフィルムストレスメジャーメント
（Film Stress Measurement）ＦＳＭ８８００を用いて
測定する。測定においては、窒化チタン層が形成された
基体の曲率半径Ｒを測定し、以下の式からストレス量Ｓ
を求める。尚、Ｅは基体若しくは半導体基板のヤング
率、Ｄは基体若しくは半導体基板の厚さ、νは窒化チタ
ンのポアソン率、ｔは窒化チタン層の厚さである。ここ
で、基体が半導体基板である場合には、Ｅ及びＤの値と
して半導体基板のそれぞれの値を用いる。一方、基体が
半導体基板の上に形成されている場合には、Ｅ及びＤの
値として半導体基板のそれぞれの値を用いる。Ｓ＝Ｅ・Ｄ²／｛６（１−ν）Ｒ・ｔ）｝

【００２０】尚、測定においては、基体が半導体基板か
ら構成されている場合には、何も加工していない半導体
基板の表面の全面にチタン層及び窒化チタン層を指向性
スパッタ法にて成膜し、チタン層及び窒化チタン層がそ
の上に成膜された半導体基板の熱処理前の反り量（曲率
半径）を測定し、上記の式からストレス量を求める。次
いで、窒化チタン層に熱処理を施した後、チタン層及び
窒化チタン層がその上に成膜された半導体基板の反り量
（曲率半径）を測定し、上記の式からストレス量を求め
る。そして、これらのストレス量の変化量をストレス変
化量として計算にて求める。基体が半導体基板の上に形
成された下層絶縁層から構成されている場合には、半導
体基板上に下層絶縁層を形成した後、かかる下層絶縁層
の表面の全面にチタン層及び窒化チタン層を指向性スパ
ッタ法にて成膜し、チタン層及び窒化チタン層がその上
に成膜された半導体基板の熱処理前の反り量（曲率半
径）を測定し、上記の式からストレス量を求める。次い
で、窒化チタン層に熱処理を施した後、チタン層及び窒
化チタン層がその上に成膜された半導体基板の反り量
（曲率半径）を測定し、上記の式からストレス量を求め
る。そして、これらのストレス量の変化量をストレス変
化量として計算にて求める。

【００２１】本発明においては、成膜された窒化チタン
層の熱処理前後におけるストレス変化量が、３．０×１
０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²以下であるが故に、窒化チタン層に
クラックが生じ難く、あるいは又、剥離が生じ難い。そ
の結果、接合リーク電流の増加を回避することができ
る。

【００２２】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。

【００２３】（実施例１）実施例１においては、指向性
スパッタ法の一種である遠距離スパッタ法にてチタン
（Ｔｉ）層及び窒化チタン（ＴｉＮ）層を形成した。基
体は、ソース・ドレイン領域である高濃度拡散領域が下
層導体層として形成された半導体基板である。実施例１
においては、チタン層及び窒化チタン層の成膜時の基体
加熱温度を変えて、チタン層及び窒化チタン層を成膜し
た。実施例１の半導体装置における接続孔においては、
チタン層及び窒化チタン層は、基体を３００゜Ｃ以上に
加熱した状態で成膜される。実施例１においては、高融
点金属材料としてタングステンを用いた。

【００２４】［工程−１００］先ず、基体であるシリコ
ン半導体基板１０に、公知の方法でＬＯＣＯＳ構造を有
する素子分離領域１１を形成した後、半導体基板１０の
表面を酸化して、ゲート酸化膜１２を形成する。その
後、ポリシリコンからゲート電極１３を周知の方法で形
成する。次に、ＬＬＤ構造を形成するために不純物のイ
オン注入を行った後、ゲート電極１３の側壁にゲートサ
イドウオール１４を形成し、次いで、不純物のイオン注
入を行い、イオン注入された不純物の活性化処理を施す
ことによって、ソース・ドレイン領域１５を形成する。
こうして得られた構造を、図１の（Ａ）に模式的な一部
断面図で示す。

【００２５】［工程−１１０］次に、例えばＢＰＳＧか
ら成る絶縁層１６を、基体である半導体基板１０の上に
ＣＶＤ法にて形成する。そして、ソース・ドレイン領域
１５の上方の絶縁層１６にＲＩＥ法にて開口部１７を形
成する。

【００２６】［工程−１２０］その後、開口部１７内を
含む絶縁層１６上に、チタン層１８及び窒化チタン層１
９を指向性スパッタ法にて順次、成膜する（図１の
（Ｂ）参照）。ここで、指向性スパッタ法の一種である
遠距離スパッタ法においては、ターゲットから基体まで
の距離を２６０ｍｍとした。スパッタ条件を以下の表１
に示す。窒化チタン層の形成後、窒素ガス雰囲気中で６
５０゜Ｃ×３０秒のＲＴＡ処理を施した。

【００２７】

【表１】チタン層の形成窒化チタン層の形成膜厚５０ｎｍ５０ｎｍＤＣパワー６ｋＷ１２ｋＷプロセスガスＡｒ＝５０sccm Ａｒ／Ｎ₂＝２０／７０sccm 圧力０．３７Ｐａ０．４３Ｐａ（２．８ｍＴｏｒｒ）（３．２ｍＴｏｒｒ）（ケース１）基体加熱温度２００゜Ｃ２００゜Ｃ（ケース２）基体加熱温度３００゜Ｃ３００゜Ｃ（ケース３）基体加熱温度３５０゜Ｃ３５０゜Ｃ（ケース４）基体加熱温度４００゜Ｃ４００゜Ｃ（ケース５）基体加熱温度４５０゜Ｃ４５０゜Ｃ

【００２８】［工程−１２０Ａ］尚、ストレス量を測定
するために、何らの加工を施していない半導体基板の表
面に、表１の条件でチタン層及び窒化チタン層を遠距離
スパッタ法にて、順次成膜し、得られた試料に対して上
記の条件の熱処理前後のストレス量の測定を行った。ス
トレス量の測定方法は、前述のとおりである。

【００２９】［工程−１３０］その後、開口部１７内を
含む絶縁層１６上（より具体的には、窒化チタン層１９
上）に、厚さ０．６μｍのタングステン層２０をＣＶＤ
法にて堆積させ、次いで、エッチバックを行い、絶縁層
１６上のタングステン層を除去した。こうして、開口部
１６内が高融点金属材料であるタングステンにて埋め込
まれ、接続孔が完成する（図２の（Ａ）参照）。タング
ステン層のＣＶＤ条件及びエッチバック条件を以下に例
示する。タングステンのＣＶＤ条件使用ガス：ＷＦ₆／Ｈ₂／Ａｒ＝７５／５００／２８００
sccm 圧力：１．１×１０⁴Ｐａ基板加熱温度：４５０゜Ｃタングステンのエッチバック条件使用ガス：ＳＦ₆／Ａｒ／Ｈｅ＝１４０／１１０／２５s
ccm 圧力：３２ＰａＲＦ電力：６２５Ｗ

【００３０】［工程−１４０］次に、全面にアルミニウ
ム合金膜を通常のスパッタ法にて成膜し、かかるアルミ
ニウム合金膜をパターニングして配線２１を形成する
（図２の（Ｂ）参照）。

【００３１】［工程−１２０Ａ］にて得られた、各基体
加熱温度における窒化チタン層のＲＴＡ処理前のストレ
ス量を、図３に黒丸で示した。また、ＲＴＡ処理後の窒
化チタン層のストレス量を、図３に白丸で示した。白丸
で示された値と黒丸で示されたストレス量の差が、窒化
チタン層の熱処理前後におけるストレス変化量に相当す
る。ここで、正のストレス量は引張りストレス量を表
し、負のストレス量は圧縮ストレス量を表す。

【００３２】図３から明らかなように、基体加熱温度を
３００゜Ｃ以上にすると、成膜された窒化チタン層の熱
処理前後におけるストレス変化量が、３．０×１０¹⁰ｄ
ｙｎ／ｃｍ²以下となる。また、［工程−１２０］にお
けるＲＴＡ処理後の窒化チタン層を走査型電子顕微鏡に
て観察したところ、基体加熱温度が２００゜Ｃでは、窒
化チタン層にクラックが発生していた。一方、基体加熱
温度が３００゜Ｃ以上では窒化チタン層でのクラックの
発生が急激に減少し、基体加熱温度４００゜Ｃ以上で
は、クラックの発生は全く認められなかった。

【００３３】［工程−１４０］において得られた試料の
接合リーク電流を測定した。接合リーク電流が１つの接
続孔当たり１．０×１０^-14Ａ以上の場合、不合格とし
た。［工程−１２０］における基体加熱温度が２００゜
Ｃの場合、合格率は約６％であるのに対して、４００゜
Ｃでは９０％、４５０゜Ｃでは１００％に改善されてい
た。

【００３４】（実施例２）実施例２においても、実施例
１と同様に、指向性スパッタ法の一種である遠距離スパ
ッタ法にてチタン（Ｔｉ）層及び窒化チタン（ＴｉＮ）
層を形成した。基体は、ソース・ドレイン領域である高
濃度拡散領域が下層導体層として形成された半導体基板
である。実施例２においては、プロセスガスとして、ア
ルゴンガス及び窒素ガスを用い、窒化チタン層の成膜時
のスパッタ雰囲気の圧力を変えて、窒化チタン層を成膜
した。実施例２における半導体装置の接続孔において
は、窒化チタン層は、プロセスガスとしてアルゴンガス
及び窒素ガスを用い、スパッタ雰囲気の圧力が０．６４
Ｐａ（４．８mTorr）以上の状態で成膜される。

【００３５】実施例２においては、実施例１の［工程−
１２０］と同様の工程におけるチタン層及び窒化チタン
層の成膜条件を、以下の表２のとおりに変更した。尚、
ストレス量を測定するために、何らの加工を施していな
い半導体基板の表面に、表２の条件でチタン層及び窒化
チタン層を遠距離スパッタ法にて、順次成膜し、得られ
た試料に対して、実施例１と同様の条件にて熱処理前後
のストレス量の測定を行った。

【００３６】

【表２】チタン層の形成窒化チタン層の形成膜厚５０ｎｍ５０ｎｍＤＣパワー６ｋＷ１２ｋＷ基体加熱温度２００゜Ｃ４００゜Ｃ（ケース１）プロセスガスＡｒ＝５０sccm Ａｒ／Ｎ₂＝２０／７０sccm 圧力０．３７Ｐａ０．４３Ｐａ（２．８ｍＴｏｒｒ）（３．２ｍＴｏｒｒ）（ケース２）プロセスガスＡｒ＝５０sccm Ａｒ／Ｎ₂＝３０／１０５sccm 圧力０．３７Ｐａ０．６４Ｐａ（２．８ｍＴｏｒｒ）（４．８ｍＴｏｒｒ）（ケース３）プロセスガスＡｒ＝５０sccm Ａｒ／Ｎ₂＝４０／１４０sccm ０．３７Ｐａ０．８５Ｐａ（２．８ｍＴｏｒｒ）（６．４ｍＴｏｒｒ）（ケース４）プロセスガスＡｒ＝５０sccm Ａｒ／Ｎ₂＝５０／１７sccm 圧力０．３７Ｐａ１．０２Ｐａ（２．８ｍＴｏｒｒ）（７．７ｍＴｏｒｒ）

【００３７】実施例１の［工程−１２０Ａ］と同様の工
程にて得られた、窒化チタン層のスパッタ雰囲気の各圧
力における窒化チタン層のＲＴＡ処理前のストレス量
を、図４の（Ａ）に黒丸で示した。また、ＲＴＡ処理後
の窒化チタン層のストレス量を、図４の（Ａ）に白丸で
示した。白丸で示された値と黒丸で示された値の差が、
窒化チタン層の熱処理前後におけるストレス変化量に相
当する。

【００３８】図４の（Ａ）から明らかなように、窒化チ
タン層のスパッタ雰囲気の圧力を０．６４Ｐａ（４．８
mTorr）以上にすると、成膜された窒化チタン層の熱処
理前後におけるストレス変化量が、３．０×１０¹⁰ｄｙ
ｎ／ｃｍ²以下となる。また、実施例１の［工程−１２
０］と同様の工程におけるＲＴＡ処理後の窒化チタン層
を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、窒化チタン層
の成膜時のスパッタ雰囲気の圧力が０．４３Ｐａ（３．
２mTorr）では、窒化チタン層にクラックが発生してい
た。一方、窒化チタン層の成膜時のスパッタ雰囲気の圧
力が０．６４Ｐａ（４．８mTorr）以上では、クラック
の発生は全く認められなかった。

【００３９】実施例１の［工程−１４０］と同様の工程
において得られた試料の接合リーク電流を測定した。接
合リーク電流が１つの接続孔当たり１．０×１０^-14Ａ
以上の場合、不合格とした。実施例１の［工程−１２
０］と同様の工程における窒化チタン層のスパッタ雰囲
気の圧力と、接合リーク電流の合格率の関係を図４の
（Ｂ）に示す。窒化チタン層のスパッタ雰囲気の圧力が
０．４３Ｐａ（３．２mTorr）の場合、合格率は約８９
％であるのに対して、０．６４Ｐａ（４．８mTorr）以
上では１００％に改善されていた。

【００４０】（実施例３）実施例３においては、図５に
示すコリメータを用いた指向性スパッタ法の一種である
コリメートスパッタ法にてチタン（Ｔｉ）層及び窒化チ
タン（ＴｉＮ）層を形成した。尚、ターゲットから基体
までの距離を１００ｍｍとした。基体は、ソース・ドレ
イン領域である高濃度拡散領域が下層導体層として形成
された半導体基板である。実施例３においては、プロセ
スガスとして、アルゴンガス及び窒素ガスを用い、アル
ゴンガス流量／窒素ガス流量の値を１．０とした状態で
窒化チタン層を成膜した。即ち、実施例３の半導体装置
における接続孔においては、窒化チタン層は、プロセス
ガスとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用い、アルゴン
ガス流量／窒素ガス流量の値が０．５以上の状態で成膜
される。

【００４１】実施例３においては、実施例１の［工程−
１２０］と同様の工程におけるチタン層及び窒化チタン
層の成膜条件を、以下の表３のとおりに変更した。尚、
ストレス量を測定するために、何らの加工を施していな
い半導体基板の表面に、表３の条件でチタン層及び窒化
チタン層をコリメートスパッタ法にて、順次成膜し、得
られた試料に対して、実施例１と同様の条件にて熱処理
前後のストレス量の測定を行った。

【００４２】

【表３】チタン層の形成窒化チタン層の形成膜厚３０ｎｍ５０ｎｍＤＣパワー８ｋＷ８ｋＷプロセスガスＡｒ＝５０sccm Ａｒ／Ｎ₂＝５０／５０sccm 圧力０．３７Ｐａ０．４３Ｐａ（２．８ｍＴｏｒｒ）（３．２ｍＴｏｒｒ）基体加熱温度２００゜Ｃ２００゜Ｃ

【００４３】実施例３においては、アルゴンガス流量／
窒素ガス流量の値を１／２以上とした状態で窒化チタン
層を成膜することによって、チタンリッチな窒化チタン
層が形成され、窒素リッチな窒化チタン層と比較して、
ＲＴＡ処理前後の窒化チタン層のストレス変化量を１／
２以下にすることができ、成膜された窒化チタン層の熱
処理前後におけるストレス変化量は３．０×１０¹⁰ｄｙ
ｎ／ｃｍ²以下となった。これによって、基体加熱温度
が２００゜Ｃであっても、窒化チタン層におけるクラッ
クの発生を防止することができた。

【００４４】（実施例４）実施例４においても、実施例
１と同様に、指向性スパッタ法の一種である遠距離スパ
ッタ法にてチタン（Ｔｉ）層及び窒化チタン（ＴｉＮ）
層を形成した。基体は、ソース・ドレイン領域である高
濃度拡散領域が下層導体層として形成された半導体基板
である。実施例４においては、プロセスガスとして、ア
ルゴンガス及び窒素ガスを用い、窒化チタン層の成膜時
のスパッタ雰囲気の圧力を０．６４Ｐａ（４．８mTor
r）以上とし、且つ、基体を３００゜Ｃ以上に加熱した
状態で、チタン層及び窒化チタン層を成膜した。即ち、
実施例４の半導体装置における接続孔においては、窒化
チタン層は、プロセスガスとしてアルゴンガス及び窒素
ガスを用い、スパッタ雰囲気の圧力が０．６４Ｐａ
（４．８mTorr））以上の状態で成膜され、且つ、チタ
ン層及び窒化チタン層は、基体を３００゜Ｃ以上に加熱
した状態で成膜される。実施例４においては、実施例１
の［工程−１２０］と同様の工程におけるチタン層及び
窒化チタン層の成膜条件を、以下の表４のとおりに変更
した。

【００４５】

【表４】チタン層の形成窒化チタン層の形成膜厚３０ｎｍ５０ｎｍＤＣパワー６ｋＷ１２ｋＷプロセスガスＡｒ＝５０sccm Ａｒ／Ｎ₂＝３０／１０５sccm 圧力０．３７Ｐａ０．６４Ｐａ（２．８ｍＴｏｒｒ）（４．８ｍＴｏｒｒ）基体加熱温度３００゜Ｃ３００゜Ｃ

【００４６】窒化チタン層の成膜時のスパッタ雰囲気の
圧力を０．６４Ｐａ（４．８mTorr）以上とし、且つ、
基体を３００゜Ｃ以上に加熱した状態で、チタン層及び
窒化チタン層を成膜することで、窒化チタン層のＲＴＡ
処理前後のストレス変化量は一層低減することが判明し
た。また、［工程−１２０］と同様の工程で得られた実
施例４の試料のＲＴＡ処理後の窒化チタン層を走査型電
子顕微鏡にて観察したところ、窒化チタン層にクラック
の発生は全く認められなかった。

【００４７】以上、本発明を、好ましい実施例に基づき
説明したが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。実施例にて説明したスパッタ条件は例示であり、適
宜変更することができる。また、実施例にて説明した半
導体装置の構造も例示であり、適宜変更することができ
る。実施例１の［工程−１３０］において、タングステ
ン層を堆積させる代わりに、以下のＣＶＤ条件にて銅層
を堆積させてもよい。尚、ＨＦＡとは、ヘキサフルオロ
アセチルアセトネートの略である。銅のＣＶＤ成膜条件使用ガス：Ｃｕ（ＨＦＡ）₂／Ｈ₂＝１０／１０００sccm 圧力：２．６×１０³Ｐａ基板加熱温度：３５０゜Ｃパワー：５００Ｗ

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、指向性スパッタ法によ
ってバリアメタル層に相当する窒化チタン層を形成した
ときの熱処理前後におけるストレス変化量が小さいの
で、窒化チタン層にクラックや剥離が生じ難くなる。そ
れ故、接合リーク電流の増加を回避することができ、電
荷保持能力が低下したり、消費電力の増加に伴うスタン
バイ不良が発生するといった問題を解決することができ
る。しかも、指向性スパッタ法を採用することによっ
て、開口部の底部あるいは底部近傍の側壁における窒化
チタン層のカバレッジを向上させることができるので、
かかる部分における窒化チタン層のバリア効果が低下す
ることがない。それ故、接続孔と下層導体層との間で接
合リーク電流が増加するという問題の発生を回避するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置における接続孔の形成方法
を説明するための、半導体基板等の模式的な一部断面図
である。

【図２】図１に引き続き、本発明の半導体装置における
接続孔の形成方法を説明するための、半導体基板等の模
式的な一部断面図である。

【図３】実施例１において、各基体加熱温度における窒
化チタン層のＲＴＡ処理前のストレス量を測定した結果
を示すグラフである。

【図４】実施例２において、各基体加熱温度における窒
化チタン層のＲＴＡ処理前のストレス量を測定した結
果、及び、接合リーク電流を測定し合格率を調べた結果
を示すグラフである。

【図５】コリメータを用いた指向性スパッタ法の一種で
あるコリメートスパッタ法を説明するための概念図であ
る。

【図６】従来の技術における問題点を説明するための半
導体基板等の模式的な一部断面図である。

【図７】従来の技術における問題点を説明するための半
導体基板等の模式的な一部断面図である。

【符号の説明】

１０・・・シリコン半導体基板（基体）、１１・・・素
子分離領域、１２・・・ゲート酸化膜、１３・・・ゲー
ト電極、１４・・・ゲートサイドウオール、１５・・・
ソース・ドレイン領域、１６・・・絶縁層、１７・・・
開口部、１８・・・チタン層、１９・・・窒化チタン
層、２０・・・タングステン層、２１・・・配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）基体上に絶縁層を形成した後、該絶
縁層に開口部を形成する工程と、（ロ）該開口部内を含む絶縁層上に、チタン層及び窒化
チタン層を指向性スパッタ法にて順次、成膜した後、成
膜された窒化チタン層に熱処理を施す工程と、（ハ）少なくとも開口部内を高融点金属材料にて埋め込
み、以て接続孔を形成する工程、から成り、成膜された窒化チタン層の熱処理前後におけるストレス
変化量が、３．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²以下であるこ
とを特徴とする半導体装置における接続孔の形成方法。
【請求項２】基体を３００゜Ｃ以上に加熱した状態で、
チタン層及び窒化チタン層を成膜することを特徴とする
請求項１に記載の半導体装置における接続孔の形成方
法。
【請求項３】プロセスガスとして、アルゴンガス及び窒
素ガスを用い、窒化チタン層の成膜時のスパッタ雰囲気
の圧力を０．６４Ｐａ以上とすることを特徴とする請求
項１に記載の半導体装置における接続孔の形成方法。
【請求項４】プロセスガスとして、アルゴンガス及び窒
素ガスを用い、アルゴンガス流量／窒素ガス流量の値を
０．５以上とすることを特徴とする請求項１に記載の半
導体装置における接続孔の形成方法。
【請求項５】プロセスガスとして、アルゴンガス及び窒
素ガスを用い、窒化チタン層の成膜時のスパッタ雰囲気
の圧力を０．６４Ｐａ以上とし、且つ、基体を３００゜
Ｃ以上に加熱した状態で、チタン層及び窒化チタン層を
成膜することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置
における接続孔の形成方法。
【請求項６】基体上の絶縁層に設けられた開口部内に形
成された、半導体装置における接続孔であって、（イ）指向性スパッタ法にて順次成膜され、熱処理を施
されたチタン層及び窒化チタン層、並びに、（ロ）該開口部に埋め込まれた高融点金属材料、から成
り、成膜された窒化チタン層の熱処理前後におけるストレス
変化量が、３．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²以下であるこ
とを特徴とする半導体装置における接続孔。
【請求項７】チタン層及び窒化チタン層は、基体を３０
０゜Ｃ以上に加熱した状態で成膜されることを特徴とす
る請求項６に記載の半導体装置における接続孔。
【請求項８】窒化チタン層は、プロセスガスとしてアル
ゴンガス及び窒素ガスを用い、スパッタ雰囲気の圧力が
０．６４Ｐａ以上の状態で成膜されることを特徴とする
請求項６に記載の半導体装置における接続孔。
【請求項９】窒化チタン層は、プロセスガスとしてアル
ゴンガス及び窒素ガスを用い、アルゴンガス流量／窒素
ガス流量の値が０．５以上の状態で成膜されることを特
徴とする請求項６に記載の半導体装置における接続孔。
【請求項１０】窒化チタン層は、プロセスガスとしてア
ルゴンガス及び窒素ガスを用い、スパッタ雰囲気の圧力
が０．６４Ｐａ以上の状態で成膜され、且つ、チタン層
及び窒化チタン層は、基体を３００゜Ｃ以上に加熱した
状態で成膜されることを特徴とする請求項６に記載の半
導体装置における接続孔。