JPH1174226A - 半導体装置の配線形成方法及び半導体装置 - Google Patents
半導体装置の配線形成方法及び半導体装置Info
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Abstract
込プラグを形成し、安定した電気的接続を得ることがで
きる配線形成方法を提供する。 【解決手段】 半導体基板の上に層間絶縁膜4を堆積
し、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する。層間絶
縁膜の表面上、及びコンタクトホールの内面上にTi層
6aを堆積する。コンタクトホール内を含むTi層の表
面上に、実質的に酸素を含まない雰囲気中で第1のTi
N層6bを堆積する。第1のTiN層の上にTiON層
6cを堆積する。TiON層の上に第2のTiN層6d
を堆積する。コンタクトホール内の第2のTiN層6d
の表面上に、埋込プラグ7S,7Dを形成する。層間絶
縁膜4の上に、埋込プラグに接続された配線9S,9D
を形成する。
Description
形成方法及び半導体装置に関し、特に層間絶縁膜に形成
されたコンタクトホールを介して下層の導電性領域と上
層の配線とを接続する配線形成方法及び半導体装置に関
する。
板と配線層との接触部分にバリアメタル層を介在させ、
両者間の反応を防止して安定な電気的接触を得る技術が
知られている。このバリアメタル層としてTi層とTi
ON層との積層を用いる技術が提案されている(特開平
4−214653号公報参照)。Ti層は、半導体基板
と配線層との接触抵抗を低下させ、TiON層は、配線
層と半導体基板との間の反応を防止する。
iN層、及びTiN層の表面を酸化して形成したTiO
N層の3層構造を用いる技術が提案されている(特開平
5−6865号公報、及び特開平5−121356号公
報参照)。
は、「O」と「N」の組成比が1:1であることを意味
するものではない。通常、バリアメタル層として使用さ
れるTiONは、TiOx N1-x (xは約0.1程度)
である。TiON層をスパッタリングにより堆積する場
合には、スパッタリング時のO2 の添加量を変えること
により、xが変わる。
2層構造をバリアメタル層として用いる場合には、Ti
層の上にTiON層を堆積する。本願発明者らの実験に
よると、この方法で安定して良好な電気的接続を得るこ
とが困難であった。
リアメタル層及び埋込プラグを形成し、安定した電気的
接続を得ることができる配線形成方法及び半導体装置を
提供することである。
と、半導体基板の上に層間絶縁膜を堆積し、該層間絶縁
膜にコンタクトホールを形成する工程と、前記層間絶縁
膜の表面上、及び前記コンタクトホールの内面上にTi
層を堆積する工程と、前記コンタクトホール内を含む前
記Ti層の表面上に、実質的に酸素を含まない雰囲気中
で第1のTiN層を堆積する工程と、前記第1のTiN
層の上にTiON層を堆積する工程と、前記TiON層
の上に第2のTiN層を堆積する工程と、前記コンタク
トホール内の前記第2のTiN層の表面上に、埋込プラ
グを形成する工程と、前記層間絶縁膜の上に、前記埋込
プラグに接続された配線を形成する工程とを有する半導
体装置の配線形成方法が提供される。
ときの雰囲気が酸素を含まないため、Ti層の表面の酸
化を防止することができる。TiON層堆積開始時に
は、Ti層が露出していないため、TiON層堆積時の
酸化性雰囲気によるTi層の表面の酸化が防止される。
面が第2のTiN層で覆われている。このため、TiO
N層からの酸素の放出が防止され、酸素による悪影響を
抑制することができる。
半導体材料からなる導電性領域が表出した基板と、前記
基板の上に形成され、前記導電性領域の表面の一部を底
面とするコンタクトホールを設けられた層間絶縁膜と、
前記コンタクトホールの内面上に形成されたTi層と、
前記コンタクトホール内の前記Ti層の表面上に形成さ
れた第1のTiN層と、前記コンタクトホール内の前記
第1のTiN層の表面上に形成されたTiON層と、前
記コンタクトホール内の前記TiON層の上に形成され
た第2のTiN層と、前記コンタクトホール内の前記第
2のTiN層の表面上に形成された埋込プラグと、前記
層間絶縁膜の上に形成され、埋込プラグに電気的に接続
された配線とを有する半導体装置が提供される。
を低下させる。第1のTiN層は、TiON層堆積時に
おけるTi層表面の酸化を防止する。TiON層は、バ
リアメタル層として作用する。第2のTiN層は、埋込
プラグ形成時におけるTiON層からの酸素の放出を防
止する。
バリアメタル層としてTiON層を用いた配線構造の接
触抵抗の評価実験結果について説明する。
拡散領域と配線層とを、直径0.45μm、アスペクト
比1.8のコンタクトホールを介して接続した。n型領
域は、ドーズ量5×1015cm-2になるようにP+ イオ
ンを注入し、p型領域は、ドーズ量2×1015cm-2に
なるようにBF2 + イオンを注入し、その後約950℃
で活性化のための熱処理を行って形成した。コンタクト
ホールの底面には、配線層とシリコン基板との間に、基
板側から厚さ20nmのTi層及び厚さ100nmのT
iON層が積層されている。TiON層は、Ti層をス
パッタリングにより堆積した後、スパッタガスにO2 と
N2 を混入させて反応性スパッタリングを行うことによ
り堆積した。
Ω、p型領域と配線層との間の接触抵抗は157Ωであ
り、両者とも電流が電圧に比例しない非オーミック接触
であった。
れなかったのは、Ti層とTiON層との界面にTiO
層が形成されているためと考えた。下記の実施例では、
TiO層の形成を防止することができる。
を用い、コンタクトホール内をタングステン(W)プラ
グで埋め込む場合、下記のような不都合が生じ易いこと
を見い出した。
埋め込んだ状態のWプラグ部分の断面図を示す。シリコ
ン基板100の表面上に層間絶縁膜110が形成され、
層間絶縁膜110にコンタクトホール111が設けられ
ている。層間絶縁膜110の表面上及びコンタクトホー
ル111の内面上に、Ti層112とTiON層113
がこの順番に積層されている。
W層を堆積し、このW層をエッチバックしてコンタクト
ホール111内にWプラグ114bを残す。図4は、コ
ンタクトホール111以外の領域上に、W層の一部11
4aが薄く残っている状態を示している。
111内のWプラグ114bの上面が、層間絶縁膜11
0の上に堆積しているW層114aの上面よりも低くな
り、プラグロス115が発生する場合がある。また、コ
ンタクトホール111の内周面の開口部近傍領域に、T
iON層113の表面を露出させるトレンチ116が発
生したり、コンタクトホール111の中央部にシーム1
17が発生する場合もある。
シーム117の発生は、TiON層113から放出され
る酸素の影響により、W層のエッチング速度が急増した
ためと考えられる。プラグロス115、トレンチ11
6、及びシーム117は、コンタクト抵抗上昇の要因に
なる。下記の実施例では、このような不具合の発生を防
止することができる。
よる配線形成方法を、金属−酸化膜−半導体構造電界効
果トランジスタ(MOSFET)のソース/ドレイン領
域と上層配線とを接続する場合を例にとって説明する。
の表面に形成されたフィールド酸化膜2によって、シリ
コン基板1の表面に活性領域が画定されている。この活
性領域に、ソース領域3S、ドレイン領域3D、ゲート
絶縁膜3I、及びゲート電極3GからなるMOSFET
が形成されている。ゲート電極3Gの両側の側壁上に
は、サイドウォール絶縁体3Wが形成されている。サイ
ドウォール絶縁体3Wは、低濃度ドレイン(LDD)構
造を形成するためのイオン注入時のマスクとして使用さ
れる。
覆うように基板全面に化学気相成長(CVD)により、
フォスフォシリケートガラス(PSG)とボロフォスフ
ォシリケートガラス(BPSG)との積層構造を有する
厚さ約0.8μmの層間絶縁膜4を堆積する。層間絶縁
膜4に直径約0.45μmのコンタクトホール5S及び
5Dを形成し、コンタクトホール5S及び5Dの各々の
底面に、それぞれソース領域3S及びドレイン領域3D
の表面の一部を露出させる。
表面上及びコンタクトホール5S、5Dの内面上に、厚
さ約20nmのTi層6a、厚さ約25nmの第1のT
iN層6b、厚さ50〜75nmのTiON層6c、及
び厚さ約25nmの第2のTiN層6dをこの順番に積
層する。
Arを用い、基板温度を150℃、雰囲気圧力を4mT
orr、スパッタガス流量を15sccm、成膜速度を
約100nm/分とした条件でスパッタリングにより行
う。第1のTiN層6bの堆積は、ターゲットとしてT
i、スパッタガスとしてN2 とArの混合ガスを用い、
基板温度を150℃、雰囲気圧力を4mTorr、Ar
ガス流量を40sccm、N2 ガス流量を85scc
m、成膜速度を約75nm/分とした条件で反応性スパ
ッタリングにより行う。TiON層6cの堆積は、第1
のTiN層6bの堆積後、Arガス流量を30sccm
に減少させ、ArとN2 の混合ガスに流量10sccm
のO2 ガスを新たに導入して同じTiターゲットを用い
て反応性スパッタリングにより行う。第2のTiN層6
dの堆積は、O2 ガスの導入を停止し、第1のTiN層
6bの堆積条件と同一の条件で行う。
を同一チャンバ内で連続して堆積することも可能である
が、Ti層6aの堆積と第1のTiN層6bから第2の
TiN層6dまでの堆積とを異なるチャンバ内で行うこ
とが好ましい。Ti層6aとその他の3層6b〜6dと
の堆積を異なるチャンバで行うことにより、Ti層6a
の堆積用のTiターゲットの表面の酸化もしくは窒化を
防止することができる。また、Ti層6aの堆積用のチ
ャンバから第1のTiN層6b〜第2のTiN層6dの
堆積用のチャンバへの基板の搬送は、大気に晒すことな
く真空雰囲気中または非酸化性雰囲気中で行うことが好
ましい。これにより、Ti層6aの表面酸化を防止する
ことができる。
6dの表面上に成長核を形成した後、コンタクトホール
5S及び5Dの内部を埋め尽くすのに十分な厚さ、例え
ば550nmのW層7をCVDにより堆積する。成長核
の形成は、例えば圧力4Torr、基板温度430℃の
条件で、流量4sccmのSiH4 及び7〜20scc
mのWF6 を基板表面に約35秒間供給することにより
行う。W層7の堆積は、例えば原料ガスとして流量80
sccmのWF6 、還元ガスとして流量720sccm
のH2 を用い、成長温度を450℃、圧力を50〜80
Torr、成膜速度を0.3〜0.5μm/分とした条
件で行う。コンタクトホール5S及び5Dの内部が、W
層7により埋め尽くされる。
バックしてコンタクトホール5S及び5D以外の領域に
堆積したW層7をすべて除去する。W層7のエッチバッ
クは、例えば、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラ
ズマエッチング装置(ECRプラズマエッチング装置)
を使用し、エッチングガスとしてSF6 を用い、SF 6
ガスの流量140sccm、圧力270Pa、高周波バ
イアス用印加電力200W、基板温度30℃の条件で約
140秒間行う。コンタクトホール5S及び5Dの内部
に、それぞれWプラグ7S及び7Dが残り、コンタクト
ホール5Sおよび5D以外の領域では第2のTiN層6
dの表面が露出する。
以外の領域に不要なW膜7が残留することを防止するた
めに、ややオーバエッチングすることが好ましい。オー
バエッチングすると、Wプラグ7S及び7Dの上面が第
2のTiN層6dの上面よりも僅かに下がり、コンタク
トホール5S及び5Dが形成された領域に浅い窪みが形
成される。
Dの上面を含む基板全面にTiからなる厚さ約15nm
の下地層8を堆積する。下地層8の堆積は、例えば図1
(C)で説明したTi層6aと同様の方法で行う。
0.5重量%含むAl合金からなる厚さ約400nmの
配線層9をスパッタリングにより堆積する。配線層9の
堆積は、例えばターゲットとしてAl合金、スパッタガ
スとしてArを用い、基板温度を150℃、圧力を2m
Torr、スパッタガス流量を20sccm、成膜速度
を約1μm/分とした条件で行う。
温度450〜500℃程度で約120秒間の熱処理を行
う。この熱処理によりAl合金がリフローし、コンタク
トホール5S及び5Dの開口部に形成された窪み部分の
カバレッジ率が改善される。
ーニングし、Wプラグ7Sを介してソース領域3Sに接
続された配線9S、及びWプラグ7Dを介してドレイン
領域3Dに接続された配線9Dを形成する。配線9S及
び9Dを覆うように基板全面に、PSG等の絶縁材料か
らなる層間絶縁膜10をCVD等により堆積する。
おいてW層7を堆積する前に、基板表面が第2のTiN
層6dで覆われており、TiON層6cが表出していな
い。また、図2(B)に示すW層7のエッチバック工程
において、第2のTiN層6dがエッチング停止層とし
て作用するため、エッチバック中もTiON層6cが基
板表面に表出しない。このため、TiON層6cからの
酸素の放出を防止でき、酸素によるW層7のエッチング
速度の局所的な増大を防止することができる。このた
め、基板全面にわたってほぼ均一なエッチングが行わ
れ、図4に示すプラグロス115、トレンチ116、及
びシーム117の発生を防止することができる。
Dとソース/ドレイン領域3S及び3Dとの間にTi層
6a、第1のTiN層6b、TiON層6c、及び第2
のTiN層6dの4層が介在する。TiON層6cがバ
リアメタル層として作用し、Wプラグとシリコン基板表
面との間の反応を抑制する。
直接TiON層6cを堆積するのではなく、一旦第1の
TiN層6bを堆積する。Ti層6aの表面がTiON
層6c堆積時の酸化性雰囲気に晒されないため、Ti層
6aの酸化によるTiO層の形成を防止できる。このた
め、安定して良好な電気的接続を得ることが可能にな
る。
N層6c、及び第2のTiN層6dの厚さをそれぞれ2
0nm、25nm、50nm、及び25nmとし、その
他の条件を前述の評価実験と同様にして、シリコン基板
表面の不純物拡散領域と配線層との接続を行った。その
結果、n型領域と配線層との接触抵抗は18Ω、p型領
域と配線層との間の接触抵抗は110Ωであり、両者と
もオーミック接触であった。このように、TiON層を
堆積する前に第1のTiN層を堆積してTi層の表面を
覆い、W層の堆積前にTiON層の表面を第2のTiN
層で覆っておくことにより、良好な電気的接続を得るこ
とが可能になる。
性スパッタリングにより堆積するため、TiN層の表面
を酸化して形成する場合に比べて、厚い膜を容易に形成
することができる。
Wを用いた場合を説明したが、その他の導電性材料、例
えばMo、WSix 等を用いても同様の効果が期待され
る。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
コンタクトホール内にTi層を堆積した後、バリアメタ
ル層として作用するTiON層を堆積する前に、Ti層
の表面を第1のTiN層で覆う。このため、Ti層がT
iON層堆積時の酸化性雰囲気に晒されなくなり、Ti
層表面が酸化されることを防止できる。TiON層を堆
積した後、埋込プラグを形成する前に、TiON層の表
面を第2のTiN層で覆う。このため、埋込プラグ形成
時にTiON層からの酸素の放出を防止でき、酸素によ
る埋込プラグ形成への悪影響を防止できる。このように
して、安定して半導体基板表面と配線層との間の電気的
接続を得ることが可能になる。
るための半導体基板の断面図(その1)である。
るための半導体基板の断面図(その2)である。
るための半導体基板の断面図(その3)である。
グの断面図である。
S…ソース領域、3D…ドレイン領域、3G…ゲート電
極、3W…サイドウォール絶縁体、3I…ゲート絶縁
膜、4、110…層間絶縁膜、5S、5D、111…コ
ンタクトホール、6a、112…Ti層、6b、6d…
TiN層、6c、113…TiON層、7、114a…
W層、7S、7D、114b…Wプラグ、8…下地層、
9…配線層、9S、9D…配線、10…層間絶縁膜、1
15…プラグロス、116…トレンチ、117…シーム
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体基板の上に層間絶縁膜を堆積し、
該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面上、及び前記コンタクトホールの
内面上にTi層を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を含む前記Ti層の表面上に、
実質的に酸素を含まない雰囲気中で第1のTiN層を堆
積する工程と、 前記第1のTiN層の上にTiON層を堆積する工程
と、 前記TiON層の上に第2のTiN層を堆積する工程
と、 前記コンタクトホール内の前記第2のTiN層の表面上
に、埋込プラグを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の上に、前記埋込プラグに接続された配
線を形成する工程とを有する半導体装置の配線形成方
法。 - 【請求項2】 前記第1のTiN層を堆積する工程にお
いて、窒素雰囲気中でTiターゲットをスパッタする反
応性スパッタリングにより前記第1のTiN層を堆積
し、 前記TiON層を堆積する工程において、前記第1のT
iN層を堆積した後、その雰囲気中に酸素を追加導入し
て、反応性スパッタリングにより前記TiON層を堆積
する請求項1に記載の半導体装置の配線形成方法。 - 【請求項3】 前記埋込プラグを形成する工程が、 前記コンタクトホール内を含む前記第2のTiN層の表
面上にW層を堆積する工程と、 前記W層をエッチバックし、前記コンタクトホール内に
W層の一部からなる埋込プラグを残す工程とを含む請求
項1または2に記載の半導体装置の配線形成方法。 - 【請求項4】 一部の表面に半導体材料からなる導電性
領域が表出した基板と、 前記基板の上に形成され、前記導電性領域の表面の一部
を底面とするコンタクトホールを設けられた層間絶縁膜
と、 前記コンタクトホールの内面上に形成されたTi層と、 前記コンタクトホール内の前記Ti層の表面上に形成さ
れた第1のTiN層と、 前記コンタクトホール内の前記第1のTiN層の表面上
に形成されたTiON層と、 前記コンタクトホール内の前記TiON層の上に形成さ
れた第2のTiN層と、 前記コンタクトホール内の前記第2のTiN層の表面上
に形成された埋込プラグと、 前記層間絶縁膜の上に形成され、埋込プラグに電気的に
接続された配線とを有する半導体装置。
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