JPH11145079A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、低抵抗且つ、高歩留まりのＡｌプ
ラグのコンタクトホールを有した半導体装置を提供する
こを目的とする。 【解決手段】 半導体基板１０１上に設けた層間絶縁膜
１０２にコンタクトホール１０３が開孔され、下層の不
純物領域１０１とこのコンタクトホール１０３内部を含
む層間絶縁膜１０２の表面にシリコンとアルミニウムの
反応を防止する積層バリア層１０４、アルミニウム配線
密着層１０６、アルミニウム配線層１０８が順次積層さ
れた半導体装置であって、積層バリア層１０４とアルミ
ニウム配線密着層１０６との間にシリサイド層１０５が
形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置及び
その製造方法に関し、特に微細コンタクトを有する半導
体素子において優れたコンタクト特性を有する半導体装
置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置に形成される層間絶縁膜を貫
通したコンタクトホールを介して上層配線とシリコン基
板を電気接続を行う場合、ホール内部にはタングステン
やアルミニウム合金を充填し、電気接続を行う方法が一
般的である。以下、各々タングステンプラグ、Ａｌプラ
グと称する。

【０００３】上記したタングステンプラグの場合、その
形成プロセス過程の中でシリコンと反応性の強いＳＦ₆
ガスを用いてエッチバックするためシリコンとの反応を
抑制するためのバリア層が必須である。

【０００４】また、Ａｌプラグの場合においても、アル
ミニウム配線中のアルミニウムは拡散層（ソース、ドレ
イン）のシリコンとの相互拡散により、接合の短絡やリ
ーク電流の増大を招くので、これを防止するために基板
とアルミニウムを含む電極配線層との間に相互拡散を防
止するバリア層が必須である。特に、Ａｌプラグの場
合、バリア層は上述のようなアルミニウムの拡散ストッ
プ層としての拡散バリア層以外に、Ａｌプラグをコンタ
クトホール内部に埋め込む（充填する）際に、埋め込み
の歩留まりを低下させる原因となる側壁からホール内部
に放出される水分や不純物ガスを阻止する作用も兼ね
る。つまり、Ａｌプラグコンタクトホールのバリア層に
要求される項目は、ホール底部でアルミニウムとシリコ
ンの相互拡散を阻止するための十分なバリア性の確保と
ホール側壁から放出される水分や不純物ガスを阻止する
ための十分なバリア性の確保である。このように、バリ
ア層はタングステンプラグ、Ａｌプラグを有するコンタ
クトホールには必要不可欠であり、従来、そのバリア性
向上のための改善が種々なされてきた。

【０００５】例えば、特開平５−３４３５３１号公報に
は、下層配線と上層配線との接続孔（ビアホール）にタ
ングステン（Ｗ）を埋め込む場合の方法が記載されてい
る。この方法は、半導体基板上に第一のアルミニウム合
金配線を形成し層間絶縁膜、接続孔（ビアホール）を形
成する。次に、密着層として順次、第２のアルミ合金、
ＴｉＮを形成する。続いて、タングステンをＣＶＤ法に
より層間絶縁膜を含むビアホール内部に形成し、このタ
ングステンをＳＦ₆ 等を用いたドライエッチング法によ
りエッチバックする。更に、タングステンで埋め込まれ
平坦化されたビアホール上に上層アルミ配線を形成する
ことにより、抵抗増大が生じない接続孔を形成すること
ができる。

【０００６】上記したように特開平５−３４３５３１号
公報には、金属配線間を接続する接続孔にタングステン
プラグを使用した場合のバリアメタルの構成が開示され
ている。この構成は、ホール底部と側壁にアルミ合金を
形成し、更に窒化チタンをバリアメタルとして用いた方
法である。

【０００７】しかしながら、この構成をＡｌプラグのコ
ンタクトホールのバリアメタルに適用した場合、下地シ
リコン拡散層とアルミ合金が直接コンタクトホール底部
で接触するため、シリコンとアルミニウムの相互拡散を
生じ、アルミニウムがシリコン中に拡散し接合の破壊を
生ずる。従って、ここで開示されている接続孔のバリア
メタルの構成をＡｌプラグのコンタクトホールに適用す
ることはできない。

【０００８】Ａｌプラグを用いた半導体装置が特開平６
−２１２３６号公報、特開平６−２９４１０４号公報、
特開平７−８６２１０号公報等に開示されている。これ
らは、コンタクトホール内部のアルミニウムと下地シリ
コン半導体基板の反応を防止するための窒化チタンとチ
タンの積層バリア層をＡｌプラグとシリコン半導体基板
の間に挿入している。

【０００９】例えば、特開平６−２１２３６号公報は、
下層膜であるチタン膜とシリコンを不純物として含んだ
アルミ合金膜からなる配線構造において、アルミ合金薄
膜の下地にアモルファスシリコン膜を有している。この
ような配線構造は、配線形成後の熱処理において、アル
ミニウムとチタンとシリコンが反応しＡｌ−ＴｉＮ−Ｓ
ｉ化合物が生成され、アルミ合金中に含まれているシリ
コンが消費されてもアモルファスシリコン膜とアルミ合
金膜が反応することによりシリコンがアルミニウム合金
膜中に拡散するためアルミ合金膜中のシリコンが消失す
ることが抑制できる。従って、接合リークを引き起こす
こと無く、エレクトロマイグレーションやストレスマイ
グレーションによる接続孔における配線の断線不良を防
止することができる。

【００１０】また、特開平６−２９４０４号公報は、半
導体基板上に導電層を形成し、導電層表面を層間絶縁膜
で被覆しコンタクトホールを形成する。次に、層間絶縁
膜を含むコンタクトホール内部の露出した導線層上に高
融点金属を含むバリア層を形成し、そのバリア層表面
に、アモルファスシリコン膜またはアモルファスゲルマ
ニウム薄膜を形成する。続いて、これらのアモルファス
膜上にコンタクトホール内から層間絶縁膜上にかけてア
ルミニウムを形成し、前記アモルファスシリコンまた
は、アモルファスゲルマニウムをアルミニウム膜中に溶
解させることでコンタクトホール内でのアルミニウム配
線のステップカバレージを向上させるものである。

【００１１】特開平７−８６２１０号公報は、シリコン
基板に設けた層間絶縁膜にコンタクトホールを開孔した
後、層間絶縁膜の表面に窒化チタンのバリアメタルとシ
リコン膜とアルミニウム系合金を順次形成し、その後、
加熱処理してアルミニウム系合金とシリコン膜とを反応
させながらコンタクトホール内に埋め込む。アルミニウ
ム系合金がシリコン膜と反応することでバリアメタルと
の濡れ性が改善されアルミニウムは高アスペクト比のコ
ンタクトホールの内面に密接させた状態で埋め込まれ
る。

【００１２】更に、特開平７−１３０７４２号公報は、
コンタクト部分のバリア層と結晶面が主に（１１１）面
に配向するアルミニウム合金の中間に、接続する双方の
物質と類似な結晶構造を持つ物質を挿入させたアルミニ
ウムボイドが発生しにくく、且つバリア性の高い配線を
得るものである。すなわち、半導体シリコン基板上に層
間絶縁膜を貫通するようにコンタクトホールを形成し、
ホール底部にはチタンシリサイド層、層間絶縁膜上には
チタンシリサイドに接続されたチタン層、ホール底部の
チタンシリサイド層とチタン層上には窒化チタン層、窒
化チタン層上にはＴｉ３ＡｌＮ等のＴｉ−Ａｌ−Ｎ層、
Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ層上には電極であるアルミニウム合金
（Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ）を形成している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記した特開平６−２
９４０４号公報、または特開平７−８６２１０号公報の
構成ではチタン、窒化チタンの積層バリア層の上にアモ
ルファスシリコン層、またはシリコン層が形成されてお
り、特開平６−２１２３６でも積層バリア層の上に順
次、チタン層、アモルファスシリコン層が形成されてい
る。

【００１４】しかしながら、これらの方法によれば、ア
モルファスシリコン層、またはシリコン層の上にアルミ
ニウム層が直接配置されているため引き続き継続される
プロセスの温度により、アモルファスシリコンのシリコ
ンとアルミニウムが相互拡散しアルミニウム中にシリコ
ン析出物（シリコンノジュール）を生ずる。このような
シリコンの析出物を生じたアルミニウムは高抵抗である
ためアルミプラグを含めた配線抵抗が上昇すると行った
問題がある。

【００１５】また、特開平６−２１２３６号公報では、
アモルファスシリコンの下にチタン層を配置している
が、引き続き継続されるプロセスの温度において、アモ
ルファスシリコンのシリコンとアルミニウムの反応がチ
タンとの反応よりも容易に進行するためシリコンとアル
ミニウムの相互拡散によるシリコンの析出物（シリコン
ノジュール）がアルミニウム中に生じアルミプラグを含
めた配線抵抗は上昇する。何れの場合でも、アモルファ
スシリコン層とアルミニウムが直接接触している構成の
場合、配線抵抗の増加を生じるので好ましくない。

【００１６】この発明は、上述した従来技術の種々の問
題点を解決し、低抵抗且つ、高歩留まりのＡｌプラグの
コンタクトホールを有した半導体装置を提供するこを目
的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置
は、半導体基板上に設けた絶縁膜にコンタクトホールが
開孔され、下層の不純物領域とこのコンタクトホール内
部を含む前記絶縁膜の表面にシリコンとアルミニウムの
反応を防止する積層バリア層、アルミニウム配線密着
層、アルミニウム配線層が順次積層された半導体装置で
あって、前記積層バリア層とアルミニウム配線密着層と
の間にシリサイド層が形成されていることを特徴とす
る。

【００１８】前記積層バリア層とアルミニウム配線密着
層の間に存在するシリサイド層はチタンシリサイド層で
構成すればよい。

【００１９】上記した半導体装置においては積層バリア
層とアルミニウム配線密着層の間にシリサイド層が順次
形成されているため、コンタクトホールをアルミニウム
で埋め込むときにホール側壁から放出される水分や不純
物ガスを阻止するバリア層として効果的に作用し、コン
タクトホールアルミニウム埋め込みに対する歩留まりが
著しく向上する。更に、シリサイド層は配線層の一部に
なるため信頼性が向上する。

【００２０】また、この発明の半導体装置は、半導体基
板上に設けた絶縁膜にコンタクトホールが開孔され、下
層の不純物領域とこのコンタクトホール内部を含む前記
絶縁膜の表面にシリコンとアルミニウムの反応を防止す
る積層バリア層、アルミニウム配線密着層、アルミニウ
ム配線層が順次積層された半導体装置であって、前記積
層バリア層とアルミニウム配線密着層の間にアルミニウ
ム合金層が形成されたことを特徴とする。

【００２１】前記積層バリア層とアルミニウム配線密着
層の間に存在するアルミニウム合金層はアルミチタン合
金で構成すればよい。

【００２２】上記した半導体装置においては積層バリア
層とアルミニウム配線密着層の間にアルミニウム合金層
が順次形成されているため、コンタクトホールをアルミ
ニウムで埋め込むときにホール側壁から放出される水分
や不純物ガスを阻止するバリア層として効果的に作用
し、コンタクトホールアルミニウム埋め込みに対する歩
留まりが著しく向上する。更に、アルミニウム合金層は
配線層の一部になるため信頼性が向上する。

【００２３】また、前記積層バリア層は半導体基板側か
らチタン、窒化チタンの順で積層形成するとよい。

【００２４】上記した半導体装置によれば、積層バリア
層は半導体基板側から順次、チタン、窒化チタン、チタ
ンに連続で積層されているので下層チタンと下地半導体
基板でチタンシリサイドを形成し半導体基板に対して接
触抵抗の低い良好なコンタクトが得られ、窒化チタンは
コンタクトホール内部のアルミニウムと下地半導体基板
の相互拡散を抑制するバリア層として効果的に作用し、
更に、上層のチタンはシリサイド層またはアルミニウム
合金層を形成する供給源となり、この発明のシリサイド
層を形成することが出来る。

【００２５】前記アルミニウム配線密着層はチタン、窒
化チタンを順次積層した積層膜、あるいは窒化チタン膜
で形成するとよい。

【００２６】上記した半導体装置においては、アルミニ
ウム配線密着層が半導体基板側からチタン、窒化チタン
の順で連続に積層されているので、ホール側壁から放出
される水分や不純物ガスを阻止するバリア層として効果
的に作用し、コンタクトホールのアルミニウム埋め込み
に対する歩留まりが著しく向上する。

【００２７】この発明の半導体装置の製造方法は、半導
体基板上に平坦化された層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にコンタクトホールを開孔する工程と、
積層バリア層を大気暴露することなしに連続形成する工
程と、シリコン薄膜形成工程と、アニール工程と、アル
ミニウム配線密着層とアルミニウム配線層を大気暴露す
ることなしに連続形成する工程と、高圧アルゴン雰囲気
でアルミニウム配線層をホール内部に埋め込む工程と、
金属配線パターンを形成する工程と、を含むことを特徴
とする。

【００２８】前記シリコン薄膜形成工程で形成するシリ
コン薄膜はアモルファスシリコン膜で構成すればよい。

【００２９】上記した半導体装置の製造方法によれば、
積層バリアメタル上にアモルファスシリコン膜を形成す
ることで、この発明のチタンシリサイドがアモルファス
状態から形成されるので、ホール側壁から放出される水
分等の阻止層としての特性が優れ、埋め込みに対する歩
留まりが向上する。

【００３０】また、この発明の半導体の製造方法は、半
導体基板上に平坦化された層間絶縁膜を形成する工程
と、前記層間絶縁膜にコンタクトホールを開孔する工程
と、積層バリア層を大気暴露することなしに連続形成す
る工程と、アニール工程と、アルミニウム合金薄膜とア
ルミニウム配線密着層とアルミニウム配線層を大気暴露
することなしに連続形成する工程と、高圧アルゴン雰囲
気でアルミニウム配線層をホール内部に埋め込む工程
と、金属配線パターンを形成する工程と、を含むことを
特徴とする。

【００３１】上記した半導体装置の製造方法によれば、
積層バリアメタル上にアルミニウム合金薄膜を形成する
ことで、ホール側壁から放出される水分等の阻止層とし
ての特性が優れたチタンアルミ合金が形成されるため、
埋め込みに対する歩留まりが向上する。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
き図面を参照して説明する。図１は、この発明にかかる
半導体装置の構成を示す概略断面図である。

【００３３】図１において、１０１はリン、ボロン、砒
素等の不純物を多量に含む電気伝導型がＮ⁺ 型またはＰ
⁺ 型の半導体シリコン基板、あるいは前記不純物を多量
に含む領域に形成されたＴｉ、Ｃｏ等のシリサイド層を
含む半導体基板である。１０２はＣＶＤ法、スパッタ法
により形成された酸化シリコン膜であって化学的機械研
磨法（Ｃｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌ
ｉｓｈｉｎｇ法）や熱リフロー法により表面が平坦化さ
れた前記半導体基板１０１と上層の金属配線層１０７を
絶縁するための層間絶縁膜である。１０３は積層バリア
層、シリサイド層、密着層、アルミニウム配線層を含む
前記半導体基板１０１と上層の金属配線層１０７を接続
するためのコンタクトホール部である。１０４はスパッ
タ法、ＣＶＤ法、或いはその組み合わせにより連続で形
成された半導体基板１０１側からチタン層１０４ａ、窒
化チタン層１０４ｂからなる積層バリア層であって、ホ
ール底部における膜厚が各々３ｎｍ〜２０ｎｍ（１０４
ａ：チタン層）、５ｎｍ〜６０ｎｍ（１０４ｂ：窒化チ
タン層）の積層バリア層である。

【００３４】この積層バリア層１０４のチタン層１０４
ａは下地半導体基板１０１と反応し、チタンシリサイド
をホール底部で形成し、オーミック性を持つ低い接触抵
抗を実現する。また、窒化チタン層１０４ｂは上層のア
ルミニウム配線層１０７と半導体基板１０１の相互拡散
を阻止すると共に、ホール側壁から放出される水分を阻
止する。この積層バリア層１０４は大気暴露することな
しに連続で形成される。

【００３５】積層バリア層１０４上に形成された層１０
５はホール側壁部の厚さ５ｎｍ〜１００ｎｍ、ホール底
部の厚さ１０ｎｍ〜２００ｎｍのシリサイド層、或い
は、アルミニウム合金層であって、ホール側壁から放出
される水分を阻止するのに非常に効果的に作用する。窒
化チタン密着層１０６がホール側壁に十分形成されない
場合においても、ホール側壁からの水分を十分い阻止す
るため埋め込みの歩留まりを大幅に向上させる。つま
り、このシリサイド層１０５、或いはアルミ合金層１０
５を積層バリア層１０４と密着層１０６の間に配置する
ことによりプロセスマージンを大幅に広げることができ
る。

【００３６】アルミニウム配線密着層１０６はスパッタ
法、ＣＶＤ法により形成され、少なくとも窒化チタンを
含み、この窒化チタン層がアルミニウム配線層１０７に
接してなる密着層である。この密着層１０６はアルミニ
ウム配線プラグをコンタクトホール１０３内部に高圧ア
ルゴン雰囲気中で埋め込むときにアルミニウムとの濡れ
性を確保し、埋め込みの歩留まりを向上させる作用を持
つ。前述のアルミニウム配線密着層１０６とアルミニウ
ム配線層１０７は大気暴露することなしに連続で形成さ
れる。

【００３７】アルミニウム配線層１０７はスパッタ法、
ＣＶＤ法により基板全面に形成されたアルミニウムを７
００ｋｇ／ｃｍ² 以上の高圧アルゴン雰囲気でコンタク
トホール１０３内部に埋め込まれる。その後、パターニ
ングが行われ、上層のアルミニウム金属配線となる。

【００３８】次に、この発明の実施の形態にかかる製造
方法につき図２及び図３を参照して説明する。図２は積
層バリア層とアルミニウム配線密着層の間に存在するシ
リサイド層１０５がチタンシリサイド層の場合であっ
て、図３は積層バリア層とアルミニウム配線密着層の間
に存在する層がアルミニウム合金の場合である。

【００３９】まず、チタンシリサイド層の場合の作製プ
ロセスにつき図２に従い説明する。

【００４０】図２（ａ）に示すように、リン、ボロン、
砒素等の不純物を多量に含む電気伝導型がＮ⁺ 型または
Ｐ⁺ 型の半導体シリコン基板、あるいは前記不純物を多
量に含む領域に形成されたＴｉ、Ｃｏ等のシリサイド層
を含む半導体基板２０１上にシリコン酸化膜をＣＶＤ法
により堆積し、ＣＭＰ法、またはリフロー法により表面
を平坦化した厚さ５００ｎｍ〜１．５μｍの層間絶縁膜
２０２を形成する。この層間絶縁膜２０２に下地半導体
基板２０１まで貫通するような直径０．４μｍ〜０．２
μｍのコンタクトホール２０３をドライエッチング法に
より形成する。

【００４１】次に、ホール底部の膜厚が３ｎｍ〜２０ｎ
ｍのチタン層２０４ａと５ｎｍ〜６０ｎｍの窒化チタン
層２０４ｂと３ｎｍ〜２０ｎｍのチタン層２０４ｃから
なる積層バリア層２０４を形成する。各々の層は大気暴
露することなしに連続でＣＶＤ法、スパッタ法により形
成される。

【００４２】続いて、図２（ｂ）に示すように、前記基
板２０１上にＣＶＤ法、または、スパッタ法により厚さ
５ｎｍ〜１００ｎｍのアモルファスシリコン或いはポリ
シリコンからなるシリコン層２０５を成膜する。

【００４３】その後、図２（ｃ）に示すように、電気炉
（ファーネス）、または、急速光加熱法（ＲＴＡ）によ
りアニールを行う。このアニールによりシリコン層２０
５は、直下のチタン層２０４ｃとシリサイド化反応を起
こし、ホール側壁部の厚さ５ｎｍ〜１００ｎｍ、ホール
底部の厚さ１０ｎｍ〜２００ｎｍのチタンシリサイド層
２０６が形成される。通常、チタン層２０４ｃとシリコ
ン層２０５の膜厚の組み合わせによって、チタンシリサ
イド層２０６の上部に未反応のシリコン層２０５ａが存
在するように前記膜厚を各々設定するが、未反応のシリ
コン層２０５ａが存在しない場合でも電気特性、信頼性
等に対して何ら問題は生じない。また、このアニールに
よりホール底部では半導体基板２０１のシリコンとチタ
ン層２０４ａが反応しチタンシリサイド層が形成されコ
ンタクト抵抗の低抵抗化が図れる。

【００４４】次に、図２（ｄ）に示すように、アルミニ
ウム配線密着層２０７として、ホール底部の膜厚３ｎｍ
〜２０ｎｍのチタン層２０７ａと５ｎｍ〜６０ｎｍの窒
化チタン層２０７ｂをＣＶＤ法、スパッタ法により成膜
する。更に、ホール直径の１．２倍以上の膜厚のアルミ
ニウムに少なくともＳｉ、Ｃｕを含むアルミニウム配線
層２０８をスパッタ法により形成する。ここでアルミニ
ウム配線密着層２０７であるチタン層２０７ａ、窒化チ
タン層２０７ｂとアルミニウム配線層２０８は大気暴露
することなしに連続で成膜する。尚、通常、反射防止膜
としてチタンを含む窒化チタンをアルミニウム配線層２
０８の上部に配置するが、これらもまた、前述のように
アルミニウム配線上に連続で形成される。この時点で、
コンタクトホール部の内部にアルミニウム配線の一部が
埋め込まれる。

【００４５】そして、図２（ｅ）に示すように、このよ
うなサンプルを大気暴露することなしに基板温度３５０
℃〜４５０℃、圧力３００ｋｇ／ｃｍ² 〜８００ｋｇ／
ｃｍ ² の高圧アルゴン雰囲気でコンタクトホール内部に
アルミニウム配線２０８の一部を埋め込む、この埋め込
みプロセスの最中に未反応シリコン層２０５ａと密着層
を構成しているチタン層２０７ａが反応しチタンシリサ
イド２０６が形成される。シリコン層の全てのシリコン
が反応し未反応シリコン層２０５ａが存在しない場合で
もチタンシリサイド層２０６とチタン層２０７ａが反応
し、チタンシリサイドを形成するため何ら問題はない。

【００４６】このようにして最終的に積層バリア層２０
４である窒化チタン層２０４ｂとアルミニウム配線密着
層２０７の一部である窒化チタン密着層２０７ｂの間に
チタンシリサイド層２０６が挿入された構造を持ったＡ
ｌプラグコンタクトホールの半導体装置が完成する。

【００４７】次に、図３に従いアルミニウム合金層の場
合の作製プロセスについて説明する。

【００４８】図３（ａ）に示すように、リン、ボロン、
砒素等の不純物を多量に含む電気伝導型がＮ⁺ 型または
Ｐ⁺ 型の半導体シリコン基板、あるいは前記不純物を多
量に含む領域に形成されたＴｉ、Ｃｏ等のシリサイド層
を含む半導体基板３０１上にシリコン酸化膜をＣＶＤ法
により堆積しＣＭＰ法、または、リフロー法により表面
を平坦化した厚さ５００ｎｍ〜１．５μｍの層間絶縁膜
３０２を形成する。この層間絶縁膜３０２に下地半導体
基板３０１まで貫通するような直径０．４μｍ〜０．２
μｍのコンタクトホール３０３をドライエッチング法に
より形成する。次に、ホール底部の膜厚が３ｎｍ〜２０
ｎｍのチタン層３０４ａと５ｎｍ〜６０ｎｍの窒化チタ
ン層３０４ｂからなる積層バリア層３０４を形成する。
各々の層は大気暴露することなしに連続でＣＶＤ法、ス
パッタ法により形成される。

【００４９】次に、電気炉（ファーネス）、または、急
速光加熱法（ＲＴＡ）によりアニールを行う。このアニ
ールによりホール底部では半導体基板３０１のシリコン
とチタン層３０４ａが反応しチタンシリサイド層が形成
されコンタクト抵抗の低抵抗化が図れる。そして、図３
（ｂ）に示すように、アニールを行った後、ホール底部
の膜厚が３ｎｍ〜２０ｎｍのチタン層３０５とアルミニ
ウムに少なくともＳｉ、Ｃｕを含むホール底部の膜厚が
３ｎｍ〜２０ｎｍのアルミニウム層３０６とアルミニウ
ム配線密着層３０７であるチタン層３０７ａ、窒化チタ
ン層３０７ｂをそれぞれホールの底部の膜厚が３ｎｍ〜
２０ｎｍと５ｎｍ〜６０ｎｍになるようにスパッタ法、
ＣＶＤ法により成膜し、更に、ホール直径の１．２倍以
上の膜厚のアルミニウムに少なくともＳｉ、Ｃｕを含む
アルミニウム配線層３０８をスパッタ法により形成す
る。ここで、アルミニウム配線密着層３０７であるチタ
ン層３０７ａ、窒化チタン層３０７ｂとアルミニウム配
線層３０８は大気暴露することなしに連続で成膜する。
尚、通常、反射防止膜としてチタンを含む窒化チタンを
アルミニウム配線層３０８の上部に配置するが、これら
もまた、前述のようにアルミニウム配線上に連続で形成
される。この時点で、コンタクトホール部の内部にアル
ミニウム配線の一部が埋め込まれる。

【００５０】続いて、図３（ｃ）に示すように、このよ
うなサンプルを大気暴露することなしに基板温度３５０
℃〜４５０℃、圧力３００ｋｇ／ｃｍ² 〜８００ｋｇ／
ｃｍ ² の高圧アルゴン雰囲気でコンタクトホール内部に
アルミニウム配線３０８の一部を埋め込む。この埋め込
みプロセスの最中にアルミニウム層３０６は積層バリア
層３０４上のチタン層３０５とアルミニウム配線密着層
３０７を構成しているチタン層３０７ａの両方と反応し
アルミニウムチタン合金層３０６ａに変化する。

【００５１】このようにして最終的に積層バリア層３０
４である窒化チタン層３０４ｂとアルミニウム配線密着
層３０７の一部である窒化チタン密着層３０７ｂの間に
アルミニウムチタン合金層３０６ａが挿入された構造を
持ったＡｌプラグコンタクトホールの半導体装置が完成
する。

【００５２】次に、この発明の具体的な実施例につき説
明する。第１の実施例においては、半導体装置の作成に
図２に示した作製プロセスを使用した。この発明の半導
体装置と各構成の膜厚を統一して従来の半導体装置を作
成しこの発明の半導体装置との比較を行った。具体的な
第１の実施例について図４を用いて説明し、図５に比較
のための従来例を示す。比較は、コンタクトホール抵抗
とアルミニウム埋め込みの歩留まりで行った。

【００５３】これらの半導体装置は、シリコン半導体基
板４０１、５０１のｎ⁺ 型領域表面に形成した厚さ６０
ｎｍのチタンシリサイド層４０１ａ、５０１ａ上に基板
側から順次、ＮＳＧとＢＰＳＧがそれぞれ３００ｎｍと
８００ｎｍからなる表面をＣＭＰで平坦化した層間絶縁
膜４０２、５０２を形成した。下地半導体基板の不純物
領域表面に形成されたチタンシリサイドまで貫通した直
径０．３μｍのコンタクトホールを層間絶縁膜４０２、
５０２にドライエッチング法により形成した。次に、大
気暴露することなしに連続でチタン層４０３ａ、５０３
ａ、窒化チタン層４０３ｂ、５０３ｂからなる積層バリ
ア４０３、５０３とチタン層をそれぞれ、コンタクトホ
ール底部の膜厚が１０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍとなる
ようにスパッタ法で全面成膜した。但し、比較のための
従来例においては、積層バリア層５０３の上にチタン層
とアモルファスシリコン層を形成しなかった。また、こ
の発明の半導体装置のみ、更に、低圧熱ＣＶＤ法でアモ
ルファスシリコンをホール底部で厚さ２０ｎｍ成膜し
た。その後、７２０℃で６０秒間のＲＴＡ処理を両半導
体装置で行った。このＲＴＡ処理を行った結果、ホール
底部のチタン４０３ａ、５０３ａはシリサイド化反応が
進行しチタンシリサイドに変化していた。更に、この発
明の半導体装置では、ホール底部、ホール側壁の積層バ
リア層上でアモルファスシリコンがチタン層と反応して
形成されたチタンシリサイド層４０４が、それぞれ厚さ
５０ｎｍ、３０ｎｍ程度形成されていた。その後、アル
ミニウム配線密着層であるチタン、窒化チタン４０５、
５０４ｂ、Ａｌ−１％Ｃｕ４０６、５０５、反射防止膜
である窒化チタン４０７、５０６を大気暴露することな
しに連続で、スパッタ法により成膜した。

【００５４】ここで、アルミニウム配線密着層のチタン
膜厚は１０ｎｍ、窒化チタン４０５、５０４ｂは１５ｎ
ｍホール底部で成膜し、Ａｌ−１％Ｃｕ４０６、５０５
を全面６００ｎｍ成膜した。更に、Ａｌ−１％Ｃｕ４０
６、５０５上に反射防止膜４０７、５０６として窒化チ
タンを４０ｎｍ形成した。

【００５５】次に、両半導体装置を基板温度４００℃、
７００ｋｇ／ｃｍ² の高圧アルゴン雰囲気でアルミニウ
ム配線層をコンタクトホール内部に埋め込み更に、配線
のパターニングを行いこの発明の半導体装置（図４参
照）と比較のための従来の半導体装置（図５参照）が完
成した。

【００５６】特性比較はコンタクト抵抗とアルミニウム
埋め込みの歩留まりを評価した。表１に評価結果を示
す。

【００５７】

【表１】

【００５８】１００００個のコンタクトホールを持つコ
ンタクトチェーンのホール一個あたりの抵抗値は従来例
に比較して、この発明の場合は１０Ω／ｈｏｌｅ以下と
非常に小さい値であり、埋め込みの歩留まりも従来例の
３７％に対してこの発明は１００％であった。このこと
からも明らかなようにチタンシリサイド層を積層バリア
層４０３と窒化チタン層４０５の間に介在させることに
よりコンタクトホール埋め込みの歩留まりを著しく向上
させることが出来た。これは、高圧アルゴン雰囲気によ
るアルミ埋め込みプロセス中にホール側壁から放出され
る水分がチタンシリサイド層４０４で阻止されたためで
ある。

【００５９】次に、この発明の具体的な第２の実施例を
説明する。この半導体装置の作製には図３に示した作製
プロセスを使用した。この発明の半導体装置と各構成の
膜厚を統一して従来の半導体装置を作成し本発明の半導
体装置との比較を行った。具体的な実施例について図６
を用いて説明し、図７に実施例２の比較のための従来例
を示す。比較は、第１の実施例と同様にコンタクトホー
ル抵抗とアルミニウム埋め込みの歩留まりで行った。

【００６０】シリコン半導体基板６０１、７０１のｎ⁺
型不純物領域表面上に基板側から順次ＮＳＧとＢＰＳＧ
がそれぞれ３００ｎｍと８００ｎｍからなる表面をＣＭ
Ｐで平坦化した層間絶縁膜６０２、７０２を形成した。
下地半導体基板のｎ＋不純物領域表面まで貫通した直径
０．３５μｍのコンタクトホールを層間絶縁膜６０２、
７０２にドライエッチング法により形成した。次に、大
気暴露することなしに連続でチタン層６０３ａ、７０３
ａ、窒化チタン層６０３ｂ、７０３ｂからなる積層バリ
ア６０３、７０３をそれぞれ、コンタクトホール底部の
膜厚が１０ｎｍ、２０ｎｍとなるようにスパッタ法で全
面成膜した。その後、７２０℃で６０秒間のＲＴＡ処理
を両半導体装置で行った。このＲＴＡ処理後、ホール底
部のチタン６０３ａ、７０４ａはシリサイド化反応が進
行しチタンシリサイド６０１ａ、７０１ａに変化してい
た。

【００６１】次に、積層バリア層６０３の上にホール底
部の膜厚がそれぞれ１０ｎｍのチタンと１０ｎｍのＡｌ
−０．５％Ｃｕ成膜し、アルミニウム配線密着層のチタ
ンと窒化チタン６０５、７０４ｂをそれぞれホール底部
で１０ｎｍ、１５ｎｍ成膜し、更に、アルミニウム配線
層のＡｌ−０．５％Ｃｕ６０６、７０５を６５０ｎｍ、
反射防止膜６０７、７０６である窒化チタンを４０ｎｍ
全面にわたり成膜した。これらは、大気暴露することな
しで連続でスパッタ法により成膜した。但し、比較のた
めの従来例においては、積層バリア層７０３の上のチタ
ン層、Ａｌ−０．５％Ｃｕは形成しなかった。

【００６２】次に、両半導体装置を基板温度４００℃、
７００ｋｇ／ｃｍ² の高圧アルゴン雰囲気でアルミニウ
ム配線層をコンタクトホール内部に埋め込み、更に、配
線のパターニングを行いこの発明の半導体装置（図６参
照）と比較のための従来の半導体装置（図７参照）が完
成した。

【００６３】基板温度４００℃の高圧アルゴン雰囲気で
アルミニウム配線層のアルミニウムがコンタクトホール
内部に埋め込まれるとき、この発明の半導体装置では、
ホール底部、ホール側壁の積層バリア層上でＡｌ−０．
５％Ｃｕがチタン層と反応し、アルミニウムチタン合金
層６０４が、それぞれ厚さ５０ｎｍ、３０ｎｍ程度形成
されていた。特性比較は第１の実施例と同様にコンタク
ト抵抗とアルミニウム埋め込みの歩留まりを評価した。
表２に評価結果を示す。

【００６４】

【表２】

【００６５】１００００個のコンタクトホールを持つコ
ンタクトチェーンのホール一個あたりの抵抗値は従来例
に比較して、この発明の場合は８０Ω／ｈｏｌｅと小さ
い値であり、埋め込みの歩留まりも従来例の４０％に対
してこの発明は１００％であった。このことからも明ら
かなようにアルミチタン合金層６０４を積層バリア層６
０３と窒化チタン層６０５の間に介在させることにより
コンタクトホール埋め込みの歩留まりを著しく向上させ
ることが出来た。これは、高圧アルゴン雰囲気によるア
ルミ埋め込みプロセス中にホール側壁から放出される水
分がアルミチタン合金層６０４で阻止されたためであ
る。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の記載の
半導体装置においては、積層バリア層とアルミニウム配
線密着層の間にシリサイド薄膜、或いはアルミ合金薄膜
が順次形成されているため、コンタクトホールをアルミ
ニウムで埋め込むときにホール側壁から放出される水分
や不純物ガスを阻止するバリア層として効果的に作用
し、コンタクトホールアルミニウム埋め込みに対する歩
留まりが著しく向上する。更に、シリサイド薄膜或いは
アルミ合金薄膜は配線層の一部になるため信頼性が向上
する。

【００６７】また、積層バリア層を半導体基板側から順
次、チタン、窒化チタン、チタンに連続で積層すること
で、下層チタンと下地半導体基板でチタンシリサイドを
形成し半導体基板に対して接触抵抗の低い良好なコンタ
クトが得られ、窒化チタンはコンタクトホール内部のア
ルミニウムと下地半導体基板の相互拡散を抑制するバリ
ア層として効果的に作用し、更に、上層のチタンはシリ
サイド薄膜、アルミニウム合金薄膜を形成する供給源と
なりこの発明のシリサイド層を形成することが出来る。

【００６８】更に、アルミニウム配線密着層が半導体基
板側からチタン、窒化チタンの順で連続に積層すること
で、ホール側壁から放出される水分や不純物ガスを阻止
するバリア層として効果的に作用しコンタクトホールの
アルミニウム埋め込みに対する歩留まりが著しく向上す
る。

【００６９】また、この発明の半導体装置の製造方法に
よれば、積層バリアメタル上にアモルファスシリコン膜
を形成することで、この発明のチタンシリサイドがアモ
ルファス状態から形成されるのでホール側壁から放出さ
れる水分等の阻止層としての特性が優れ、埋め込みに対
する歩留まりが向上する。

【００７０】また、積層バリアメタル上にアルミニウム
合金薄膜を形成することでホール側壁から放出される水
分等の阻止層としての特性が優れたチタンアルミ合金が
形成されるため、埋め込みに対する歩留まりが向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる半導体装置の構成を示す概略
断面図である。

【図２】この発明の実施の形態にかかる製造方法を工程
別に示す断面図であり、積層バリア層とアルミニウム配
線密着層の間にチタンシリサイド層を存在させる場合を
示す。

【図３】この発明の実施の形態にかかる製造方法を工程
別に示す断面図であり、積層バリア層とアルミニウム配
線密着層の間にアルミニウム合金層を存在させる場合を
示す。

【図４】図２に示す方法により作成したこの発明の半導
体装置を示す概略断面図である。

【図５】図２に示す方法に準じて作成した従来の半導体
装置を示す概略断面図である。

【図６】図３に示す方法により作成したこの発明の半導
体装置を示す概略断面図である。

【図７】図３に示す方法に準じて作成した従来の半導体
装置を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０１ 半導体基板 １０２ 層間絶縁膜 １０３ コンタクトホール部 １０４ 積層バリア層 １０５ シリサイド層 １０６ アルミニウム配線密着層 １０７ アルミニウム配線層

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に設けた絶縁膜にコンタク
   トホールが開孔され、下層の不純物領域とこのコンタク
   トホール内部を含む前記絶縁膜の表面にシリコンとアル
   ミニウムの反応を防止する積層バリア層、アルミニウム
   配線密着層、アルミニウム配線層が順次積層された半導
   体装置であって、前記積層バリア層とアルミニウム配線
   密着層との間にシリサイド層が形成されていることを特
   徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記積層バリア層とアルミニウム配線密
   着層の間に存在するシリサイド層はチタンシリサイド層
   であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 半導体基板上に設けた絶縁膜にコンタク
   トホールが開孔され、下層の不純物領域とこのコンタク
   トホール内部を含む前記絶縁膜の表面にシリコンとアル
   ミニウムの反応を防止する積層バリア層、アルミニウム
   配線密着層、アルミニウム配線層が順次積層された半導
   体装置であって、前記積層バリア層とアルミニウム配線
   密着層の間にアルミニウム合金層が形成されたことを特
   徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記積層バリア層とアルミニウム配線密
   着層の間に存在するアルミニウム合金層はアルミチタン
   合金であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装
   置。
5. 【請求項５】 前記積層バリア層は半導体基板側からチ
   タン、窒化チタンの順で積層されていることを特徴とす
   る請求項１または請求項３に記載の半導体装置。
6. 【請求項６】 前記アルミニウム配線密着層はチタン、
   窒化チタンを順次積層した積層膜、あるいは窒化チタン
   膜であることを特徴とする請求項１または請求項３に記
   載の半導体装置。
7. 【請求項７】 半導体基板上に平坦化された層間絶縁膜
   を形成する工程と、前記層間絶縁膜にコンタクトホール
   を開孔する工程と、積層バリア層を大気暴露することな
   しに連続形成する工程と、シリコン薄膜形成工程と、ア
   ニール工程と、アルミニウム配線密着層とアルミニウム
   配線層を大気暴露することなしに連続形成する工程と、
   高圧アルゴン雰囲気でアルミニウム配線層をホール内部
   に埋め込む工程と、金属配線パターンを形成する工程
   と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 前記シリコン薄膜形成工程で形成するシ
   リコン薄膜はアモルファスシリコンであることを特徴と
   する請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 半導体基板上に平坦化された層間絶縁膜
   を形成する工程と、前記層間絶縁膜にコンタクトホール
   を開孔する工程と、積層バリア層を大気暴露することな
   しに連続形成する工程と、アニール工程と、アルミニウ
   ム合金薄膜とアルミニウム配線密着層とアルミニウム配
   線層を大気暴露することなしに連続形成する工程と、高
   圧アルゴン雰囲気でアルミニウム配線層をホール内部に
   埋め込む工程と、金属配線パターンを形成する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。