JPH11330242A

JPH11330242A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11330242A
Application number: JP14656598A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Uchiyama; 朋幸内山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】タングステン膜を代表とする高融点金属膜か
らなる配線層を形成する際に、徒に工程を複雑化させる
ことなく半導体基板への応力を緩和し、歩留まりや信頼
性の大幅な向上に寄与する半導体装置を提供する。【解決手段】タングステン配線９を形成する際に、チ
タン膜４と窒化チタン膜５が順次積層されてなるバリヤ
メタル膜６を形成した後、熱処理を施してコンタクト孔
１０の底面におけるチタン膜４と不純物拡散層２との界
面にチタンシリサイド層１１を形成する。続いて、タン
グステン膜７をコンタクト孔１０の開孔径の１／２より
大きい膜厚に形成した後、このタングステン膜７の上面
を覆うように窒化チタン膜８を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チタン系のバリヤ
メタル膜を介して高融点金属材料の配線層が形成された
半導体装置及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、ＩＣやＬＳＩ等の半導体装置にお
いては、その各種配線の材料としてアルミニウムやその
合金が広く用いられている。アルミニウムを用いた配線
層を備える半導体装置の一例としては、例えば特開平５
−２０６０６０号公報に開示されたものがある。この技
術では、いわゆるアロイスパイクの発生を防止するため
にアルミニウム膜の下面に窒化チタン膜を、上面にチタ
ンタングステン膜をそれぞれ形成している。

【０００３】ところで、近時において半導体装置の更な
る微細化及び高集積化が進行しており、それに伴ってコ
ンタクト孔やビア孔の微細化も進められている。アルミ
ニウムやその合金膜は、通常スパッタ法により形成する
が、このスパッタ法では微細な開孔を完全に埋め込むこ
とが困難であり、コンタクト抵抗の増加等の不都合を招
くおそれがある。更に、配線の材料としてアルミニウム
やその合金を用いた場合にストレスマイグレーションや
エレクトロマイグレーションが無視できなくなり、その
信頼性が問題となっている。

【０００４】そこで、アルミニウムやその合金からなる
配線に代わって、ＴｉＮ，Ｔｉ，ＴｉＷ等のチタンを含
有するバリヤメタル膜を介して、化学気相成長法（ＣＶ
Ｄ法）によりタングステン膜を形成する技術が提案され
ている。このタングステン膜は、アルミニウムやその合
金からなる配線に比して段差披覆性にも優れ、半導体装
置の更なる高集積化に対応することができるものと期待
されている配線である。

【０００５】タングステン配線を有する半導体装置の典
型例が、特開平８−９７２１２号公報に開示されてい
る。この技術によれば、先ずコンタクト孔が形成されて
不純物拡散層の一部が露出した層間絶縁膜上にコンタク
ト孔の内壁を覆うようにチタン（Ｔｉ）膜と窒化チタン
（ＴｉＮ）膜の２層構造膜を形成し、続いて、半導体基
板をアニール処理して２層構造のバリヤメタル膜と不純
物拡散層とを両者の界面で反応させ、シリサイド層を形
成した後、バリヤメタル膜を介してコンタクト孔を埋め
込むようにタングステン膜を堆積する。しかる後、タン
グステン膜及びバリヤメタル膜をパターニングし、層間
絶縁膜上で延在するタングステン配線を形成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如きタングステン配線を備えた従来の半導体装置には、
以下に示すような問題が生じる。

【０００７】一般に、タングステン膜は強い引っ張り応
力を有しており、この特徴は堆積膜として形成され、更
に熱処理が加わると一層顕著となる。一方、窒化チタン
膜は堆積膜においては圧縮応力を有するが、熱処理が加
わると引っ張り応力に転化するという性質を有してい
る。チタン膜については、熱処理前後に呈する応力はタ
ングステン膜や窒化チタン膜に比べて極めて小さく、無
視し得る程度のものである。

【０００８】以上のことから、上述の手法で形成された
タングステン配線は、タングステン膜及び窒化チタン膜
が共に引っ張り応力を有するため、半導体基板に著しい
反りが生じ、次の露光工程等で半導体基板を定位置に保
持することが困難となり、ひいては半導体装置の特性劣
化を招く。

【０００９】この問題への対処法として、タングステン
膜や窒化チタン膜を薄く形成したり、タングステン膜形
成前の熱処理を行わないことが提案されている。しかし
ながら、これら何れの手法でも別の重大な問題が引き起
こされる。例えば前者の手法では、膜厚が薄いために必
然的に配線抵抗の上昇を招く。他方、後者では、不純物
拡散層とチタン膜とのオーミック化の確保が不十分とな
るためにコンタクト抵抗の著しい上昇を招来し、更に窒
化チタン膜の緻密化が不十分なためにエッチングガスの
アタックによるチタン膜の浸食が生じ、窒化チタン膜が
半導体基板上から剥離するという問題もある。

【００１０】そこで本発明は、タングステン膜を代表と
する高融点金属膜からなる配線層を形成する際に、徒に
工程を複雑化させることなく半導体基板への応力が緩和
され、歩留まりや信頼性の大幅な向上に寄与する半導体
装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
半導体基板の上層に形成された層間絶縁膜に開孔が形成
されるとともに、前記開孔を埋め込むように前記層間絶
縁膜上に配線層が形成され、前記配線層と前記層間絶縁
膜の直下のシリコン層とが接続されてなる半導体装置で
あって、前記開孔の内壁面を含む前記層間絶縁膜上に、
チタンを含む第１の導電膜が形成されるとともに、前記
第１の導電膜と前記シリコン層との界面にシリサイド層
が形成されており、前記第１の導電膜を介して前記開孔
を埋め込む高融点金属材料からなる前記配線層の上面を
覆うように、チタンを含む第２の導電膜が形成されてい
る。

【００１２】本発明の半導体装置の一態様例において
は、前記第１の導電膜が、チタン膜と窒化チタン膜とが
順次積層された２層構造膜である。

【００１３】本発明の半導体装置の一態様例において
は、前記第２の導電膜が、窒化チタン膜又はチタンタン
グステン膜である。

【００１４】本発明の半導体装置の一態様例において
は、前記シリコン層が前記半導体基板の表面領域に形成
された不純物拡散層である。

【００１５】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体
基板の上層に形成された層間絶縁膜に、当該層間絶縁膜
の直下に存するシリコン層の表面の一部を露出させる開
孔を形成する第１の工程と、前記開孔の内壁面を含む前
記層間絶縁膜を覆うようにチタンを含む第１の導電膜を
形成する第２の工程と、前記半導体基板に熱処理を施す
第３の工程と、前記第１の導電膜を介して前記開孔を埋
め込むように前記開孔径の１／２より大きい膜厚を持つ
高融点金属膜を堆積形成する第４の工程と、前記高融点
金属膜を覆うようにチタンを含む第２の導電膜を形成す
る第５の工程と、前記第２の導電膜、前記高融点金属膜
及び前記第１の導電膜を加工して、所定形状の配線層を
形成する第６の工程とを有する。

【００１６】本発明の半導体装置の製造方法の一態様例
においては、前記第１の導電膜が、チタン膜と窒化チタ
ン膜とが順次積層された２層構造膜である。

【００１７】本発明の半導体装置の製造方法の一態様例
においては、前記第２の導電膜が、窒化チタン膜又はチ
タンタングステン膜である。

【００１８】本発明の半導体装置の製造方法の一態様例
においては、前記シリコン層が前記半導体基板の表面領
域に形成された不純物拡散層である。

【００１９】本発明の半導体装置の製造方法の一態様例
は、前記第３の工程において、前記熱処理により前記第
１の導電膜と前記シリコン層とを反応させて両者の界面
にシリサイド層を形成する。

【００２０】

【作用】本発明においては、チタンを含む第１の導電膜
が熱処理により引っ張り応力を有し、その上に形成され
る高融点金属膜もまた引っ張り応力の性質をもつ。それ
に対して、高融点金属膜上に形成されるチタンを含む第
１の導電膜はシリサイド化の如き熱処理が施されること
がないため、元の性質である圧縮応力を有する。従っ
て、第１の導電膜及び高融点金属膜が共に示す引っ張り
応力により半導体基板に生じる反りが、第２の導電膜の
示す圧縮応力によりそのほとんどが相殺され、無視し得
る程度まで緩和されることになる。また、第２の導電膜
は反射防止膜としても寄与する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
半導体装置及びその製造方法の望ましい実施形態につい
て説明する。この実施形態においては、バリヤメタル膜
としてＴｉＮ，Ｔｉ，ＴｉＷ等のチタンを含有する薄膜
を、高融点金属膜としてタングステン（Ｗ）膜をそれぞ
れ形成する場合について例示する。

【００２２】この実施形態では、例えばＭＯＳトランジ
スタの配線層をバリヤメタル膜を介したタングステン
（Ｗ）膜から形成する場合について説明する。図１は、
本実施形態の主要工程について説明する概略断面図であ
る。

【００２３】先ず、図１（ａ）に示すように、シリコン
半導体基板１上に、ゲート電極やソース／ドレインとし
て機能する一対の不純物拡散層２を形成し、これらを覆
うシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜３を膜厚６００ｎ
ｍ程度に形成した後、不純物拡散層２の表面の一部を露
出させるコンタクト孔１０を形成する。図１の各図で
は、便宜のため、ゲート電極等の図示を省略し、表面領
域に形成された一方の不純物拡散層２のみを明示し、シ
リコン半導体基板１上に直接に層間絶縁膜３が形成され
ているように示す。

【００２４】続いて、図１（ｂ）に示すように、スパッ
タ法によりコンタクト孔１０の内壁面を覆うように層間
絶縁膜３上にチタン（Ｔｉ）膜４を膜厚３０ｎｍ程度
に、更に窒化チタン（ＴｉＮ）膜５を膜厚５０ｎｍ程度
に順次形成して２層構造のバリヤメタル膜６とする。

【００２５】続いて、図１（ｃ）に示すように、窒素雰
囲気中においてシリコン半導体基板１に５５０℃の温度
で３０分間のアニール処理を施し、窒化チタン膜５を緻
密化させるとともに、不純物拡散層２とチタン膜４とを
両者の界面で反応させ、チタンシリサイド層１１を形成
する。

【００２６】続いて、図１（ｄ）に示すように、Ｗ
Ｆ₆、ＳｉＨ₄及びＨ₂ガスを用いたＣＶＤ法により、
バリヤメタル膜６を介してコンタクト孔１０を埋め込む
ようにバリヤメタル膜６上にタングステン膜７をコンタ
クト孔１０の孔径の１／２より大きい膜厚、ここでは膜
厚３５０ｎｍ程度に堆積形成する。前記孔径の１／２よ
り大きい膜厚にタングステン膜７を形成することによ
り、タングステン膜７の表面の一部同士がコンタクト孔
１０内又はその上で接続され、当該タングステン膜７に
よってコンタクト孔１０がほぼ充填されたものと評価す
ることができる。

【００２７】続いて、図１（ｅ）に示すようにスパッ
タ法によりタングステン膜７の上面を覆うように窒化チ
タン膜８を膜厚５０ｎｍ程度に形成する。なお、窒化チ
タン膜８の代わりにチタンタングステン合金膜を形成す
るようにしてもよい。

【００２８】続いて、図１（ｆ）に示すように窒化チ
タン膜８、タングステン膜７及びバリヤメタル膜６にフ
ォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングを
施し、下層の不純物拡散層２と電気的に接続されるとと
もに層間絶縁膜３上で帯状に延在する配線層９をパター
ン形成する。

【００２９】しかる後、更なる層間絶縁膜やヴィア孔の
形成等の後工程を経て、ＭＯＳトランジスタを完成させ
る。

【００３０】本実施形態においては、２層構造膜である
バリヤメタル膜６のうち窒化チタン膜５がシリサイド化
の際の熱処理により引っ張り応力を有し、その上に形成
される高融点金属膜であるタングステン膜７もまた引っ
張り応力の性質をもつ。それに対して、タングステン膜
７上に形成される窒化チタン膜８はシリサイド化の如き
熱処理が施されることがないため、元の性質である圧縮
応力を有する。従って、窒化チタン膜５及びタングステ
ン膜７が共に示す引っ張り応力によりシリコン半導体基
板１に生じるはずの反りが、窒化チタン膜８の示す圧縮
応力によりそのほとんどが相殺され、無視し得る程度ま
で緩和されることになる。また、窒化チタン膜８はタン
グステン７よりも反射率が小さいため、フォトリソグラ
フィー工程においてハレーション防止のための反射防止
膜としても寄与する。

【００３１】従って、本実施形態によれば、タングステ
ン膜７を代表とする高融点金属膜からなる配線層９を形
成する際に、工程を複雑化させることなくシリコン半導
体基板１への応力が緩和され、歩留まりや信頼性の大幅
な向上に寄与することが可能となる。

【００３２】なお、本発明はこの実施形態に限定される
ものではなく、例えばコンタクト孔を埋め込む配線層の
みならず下層のシリコン層と接続するためのヴィア孔を
埋め込む配線層にも適用可能である。また、半導体装置
としても当然のことながらＭＯＳトランジスタに限定さ
れるものではなく、ＣＭＯＳインバータやＤＲＡＭ、Ｅ
ＥＰＲＯＭ等のあらゆる半導体装置に適用可能である。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、タングステン膜を代表
とする高融点金属膜からなる配線層９を形成する際に、
工程を複雑化させることなく半導体基板への応力が緩和
され、歩留まりや信頼性の大幅な向上に寄与することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法
を工程順に示す概略断面図である。

【符号の説明】

１シリコン半導体基板２不純物拡散層３層間絶縁膜４チタン膜５窒化チタン膜６バリヤメタル膜７タングステン膜８窒化チタン膜９配線層１０コンタクト孔１１チタンシリサイド層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の上層に形成された層間絶縁
膜に開孔が形成されるとともに、前記開孔を埋め込むよ
うに前記層間絶縁膜上に配線層が形成され、前記配線層
と前記層間絶縁膜の直下のシリコン層とが接続されてな
る半導体装置であって、前記開孔の内壁面を含む前記層間絶縁膜上に、チタンを
含む第１の導電膜が形成されるとともに、前記第１の導
電膜と前記シリコン層との界面にシリサイド層が形成さ
れており、前記第１の導電膜を介して前記開孔を埋め込む高融点金
属材料からなる前記配線層の上面を覆うように、チタン
を含む第２の導電膜が形成されていることを特徴とする
半導体装置。
【請求項２】前記第１の導電膜が、チタン膜と窒化チ
タン膜とが順次積層された２層構造膜であることを特徴
とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】前記第２の導電膜が、窒化チタン膜又は
チタンタングステン膜であることを特徴とする請求項１
又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】前記シリコン層が前記半導体基板の表面
領域に形成された不純物拡散層であることを特徴とする
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】半導体基板の上層に形成された層間絶縁
膜に、当該層間絶縁膜の直下に存するシリコン層の表面
の一部を露出させる開孔を形成する第１の工程と、前記開孔の内壁面を含む前記層間絶縁膜を覆うようにチ
タンを含む第１の導電膜を形成する第２の工程と、前記半導体基板に熱処理を施す第３の工程と、前記第１の導電膜を介して前記開孔を埋め込むように、
前記開孔径の１／２より大きい膜厚を持つ高融点金属膜
を堆積形成する第４の工程と、前記高融点金属膜を覆うようにチタンを含む第２の導電
膜を形成する第５の工程と、前記第２の導電膜、前記高融点金属膜及び前記第１の導
電膜を加工して、所定形状の配線層を形成する第６の工
程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記第１の導電膜が、チタン膜と窒化チ
タン膜とが順次積層された２層構造膜であることを特徴
とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記第２の導電膜が、窒化チタン膜又は
チタンタングステン膜であることを特徴とする請求項５
又は６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記シリコン層が前記半導体基板の表面
領域に形成された不純物拡散層であることを特徴とする
請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項９】前記第３の工程において、前記熱処理に
より前記第１の導電膜と前記シリコン層とを反応させて
両者の界面にシリサイド層を形成することを特徴とする
請求項５〜８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造
方法。