(57)【要約】【課題】半導体装置及びその製造方法について、ホウ素含有タングステン層を核形成層とする場合に、コンタクト抵抗値の増大を抑制する。【解決手段】半導体装置１００は、半導体基板１０１上に形成された第１絶縁膜１０３と、第１絶縁膜１０３に埋め込まれた導電膜１０９を含み且つ半導体基板１０１に達するコンタクト１１０と、半導体基板１０１及び第１絶縁膜１０３のそれぞれと、導電膜１０９との間に形成され、高融点金属を含む第１バリア層１０７とを備える。更に、第１バリア層１０７と導電膜１０９との間に形成され、第１バリア層１０７よりも水分透過性の低い第２バリア層１１８を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成され且つ前記半導体基板に達するコンタクトホールを有する第１絶縁膜と、
前記コンタクトホールに埋め込まれた導電膜を有するコンタクトと、
前記半導体基板及び前記第１絶縁膜のそれぞれと、前記導電膜との間に形成され、高融点金属を含む第１バリア層と、
前記第１バリア層と前記導電膜との間に形成され、前記第１バリア層よりも水分透過性の低い第２バリア層とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１絶縁膜上に設けられた第２絶縁膜と、
前記コンタクトに接続するように前記第２絶縁膜に形成された配線とを更に備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第２バリア層は、前記高融点金属とシリコンとの化合物を含む膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つにおいて、
前記第２バリア層と、前記導電膜との間に、前記導電膜の主成分とホウ素との化合物を含む層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記導電膜の前記主成分は、タングステンであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つにおいて、
前記第１バリア層は、チタン、タンタル、ルテニウム及びタングステンのうちの少なくとも一つ又はその窒化物を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つにおいて、
前記第１バリア層と前記第２バリア層との膜厚の合計が５．０ｎｍ未満である箇所を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つにおいて、
前記第１絶縁膜は、水分を含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つにおいて、
前記第１絶縁膜は、前記第２絶縁膜に比べて吸湿性が高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一つにおいて、
前記コンタクトの直径は、６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
半導体基板上に、第１絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
前記第１絶縁膜に、前記半導体基板に達するコンタクトホールを形成する工程（ｂ）と、
前記コンタクトホールの底部及び側壁を覆うように、高融点金属を含む第１バリア層を形成する工程（ｃ）と、
前記第１バリア層を覆うように、前記第１バリア層よりも水分透過性の低い第２バリア層を形成する工程（ｄ）と、
前記工程（ｄ）の後に、前記コンタクトホールに導電膜を埋め込む工程（ｅ）とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記第２バリア層は、前記高融点金属とシリコンとの化合物を含む層であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２において、
前記第２バリア層は、前記第１バリア層を、シリコン含有水素化合物雰囲気下にて熱処理することにより形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれか一つにおいて、
前記工程（ｄ）と前記工程（ｅ）との間に、前記導電膜の主成分とホウ素との化合物からなる層を前記第２バリア層上に形成する工程（ｆ）を更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記工程（ｄ）及び前記工程（ｆ）は、前記半導体基板を大気に曝すことを避けながら行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれか一つにおいて、
前記導電膜の主成分はタングステンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれか一つにおいて、
前記第１バリア層は、チタン、タンタル、ルテニウム及びタングステンのうちの少なくとも一つ又はその窒化物を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１１〜１７のいずれか一つにおいて、
前記第１バリア層と前記第２バリア層との膜厚の合計が５．０ｎｍ未満である箇所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１９】
請求項１１〜１８のいずれか一つにおいて、
前記第１絶縁膜は、水分を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項１１〜１９のいずれか一つにおいて、
前記第１絶縁膜は、前記第２絶縁膜に比べて吸湿性が高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
請求項１１〜２０のいずれか一つにおいて、
前記コンタクトの直径は、６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
請求項１１〜２１のいずれか一つにおいて、
前記工程（ｄ）において、前記半導体基板を、所定の温度範囲に一分以内の時間保持することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
請求項２２において、
前記所定の温度範囲は、１００℃以上で且つ４５０℃未満であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、コンタクト抵抗の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化に伴い、拡散層、ゲート等と配線層とを接続するコンタクトの抵抗値増加が顕著になり、デバイス特性に影響を及ぼすようになってきている。
【０００３】
以下に、従来のコンタクトの形成方法を説明する。図９〜図１２は、従来のコンタクトの形成方法を説明する模式的な断面図である。
【０００４】
図９に示す工程では、始めに、半導体基板１を準備する。半導体基板１には、素子分離（図示省略）の形成、不純物注入等を行ない、更に、金属間化合物層２の形成を行なう。次に、金属間化合物層２上を含む半導体基板１上を覆うように、第１絶縁膜３を形成する。更に、リソグラフィ法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等を用い、第１絶縁膜３に対し、半導体基板１上に形成された金属間化合物層２又は不図示のゲートに接続するスルーホール４（コンタクトホール）を形成する。
【０００５】
次に、アルゴンスパッタ法又はケミカルドライエッチ法により、スルーホール４の底に露出している金属間化合物層２表面の清浄化を行なう。その後、図１０に示すように、物理的気相成長法（ＰＶＤ法）又は化学的気相成長法（ＣＶＤ法）を用い、チタン層５及びその上を覆う窒化チタン層６からなり、スルーホール４内を覆うバリア層７を形成する。
【０００６】
続いて、六フッ化タングステン（ＷＦ6 ）のシラン（ＳｉＨ4 ）還元によるＣＶＤ法を用いてタングステン核形成層８を形成し、窒化チタン層６の表面を覆う。更に、ＣＶＤ法を用いてタングステン層９を形成し、スルーホール４内に残っている空間を埋め込む。
【０００７】
次に、図１１に示すように、化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）を用いて、スルーホール４からはみ出した部分のチタン層５、窒化チタン層６、タングステン核形成層８及びタングステン層９を除去し、スルーホール４内にコンタクト１０を得る。
【０００８】
その後、図１２に示す構造を形成する。このためには、まず、第１絶縁膜３表面上及びコンタクト１０表面上に、第２絶縁膜１１及びその上を覆う第３絶縁膜１２を形成する。次に、第２絶縁膜１１及び第３絶縁膜１２にコンタクト１０上面を露出させる開口部を設けた後、該開口部内に、第２バリア層１３、シード層１４及び銅層１５からなる第１配線層１６を形成する。これには、リソグラフィ法、ドライエッチ法、ウェットエッチ法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、電解めっき法、ＣＭＰ法等を適宜用いれば良い。また、図示は省略するが、更に別の絶縁膜、上部接続孔及び上部配線層を形成する。
【０００９】
ここで、コンタクトを構成する材料の中では、高融点金属からなるバリア層の抵抗率が最も高い。具体的に、コンタクトプラグの材料の一つであるタングステンの抵抗率がバルク状態において約５．３μΩｃｍであるのに対し、代表的なバリア層材料であるチタンの抵抗率は、バルク状態において４３μΩｃｍ程度である。更に、半導体装置製造に用いられる膜厚１０〜１００ｎｍ程度の薄膜とした場合には、抵抗率はバルクよりも高くなる。具体的に、タングステンでは１０〜２０μΩｃｍ程度、タングステン核形成層では１００〜２００μΩｃｍ程度であるのに対し、バリア層として用いられる窒化チタンでは６００〜８００μΩｃｍ程度となる。従って、半導体装置の微細化に対応してコンタクト抵抗を低減するためには、高抵抗層であるバリア層を薄膜化することが不可欠である。
【００１０】
しかし、バリア層を薄膜化する場合、バリア性の不足が生じてしまい、これはコンタクト抵抗を増大させる原因となる。
【００１１】
そこで、例えば特許文献１に記載のように、特定ガス雰囲気下において熱処理を行なうことにより高融点金属からなるバリア層を緻密化し、膜厚が薄くとも元素の拡散を防止することのできるバリア層を形成する技術が開発されてきた。特許文献１に記載の半導体装置の製造方法によると、高融点金属からなるバリア層形成後の半導体基板を第III 〜第Ｖ族の元素を含む水素化合物ガス又は有機化合物ガス雰囲気中においてアニールすることにより、従来に比べて組織が密なバリア層を得ることができるとされている。
【００１２】
また、近年の微細化に対応するために、コンタクト形成に関して種々の技術開発が成されている。例えば、図９〜図１２に示した第１絶縁膜３の形成において、微細化により間隔の狭くなったゲート間をボイド無しに埋め込むことが必要である。そこで、従来のプラズマＣＶＤ法による絶縁膜堆積に代えて、より埋め込み性能に優れた熱ＣＶＤ法によるオゾンＴＥＯＳ（Ｏ3 −ＴＥＯＳ）の適用が行なわれている。但し、Ｏ3 −ＴＥＯＳ膜は良好な埋め込み性能を示す一方、吸湿性が高く、従来のプラズマＣＶＤ膜よりも多くの水分を吸収する性質があることが知られている。
【００１３】
また、微細スルーホールへのタングステン埋め込みを行なうためには、タングステン核形成層をスルーホール内に均一に形成することが必要であるが、これを従来のＣＶＤ法により実現するのは困難である。
【００１４】
そこで、特許文献２、特許文献３等に記載の通り、還元ガスと、六フッ化タングステンに代表されるタングステン含有ガスとの交互供給による、いわゆる原子層成長法（atomic layer deposition, ＡＬＤ法）が用いられるようになって来ている。更に、還元ガスとして、従来用いられてきたシランに代えてジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）等のホウ素系水素化合物ガスを用いることにより、結晶性の低いアモルファス状態において従来よりも平滑なホウ素含有タングステン核形成層を堆積することができる。これにより、バルクのタングステンと比較して抵抗率の高いタングステン核形成層の膜厚を薄くすることができ、コンタクト抵抗の低減を図ることが行なわれている。
【特許文献１】特許第３５９２４５１号
【特許文献２】特開２００２−２８７２１公報
【特許文献３】特許第４０３２８７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、本願発明者は、特許文献１に対して特許文献２、特許文献３を組み合わせると、以下のような新規な課題が生じることを見出した。具体的には、図９〜図１２に説明した構造において、第１絶縁膜３としてＯ3 −ＴＥＯＳ膜を用いると共に、ジボランを還元ガスとして用いたホウ素含有タングステン層をタングステン核形成層８とした場合、コンタクト抵抗の増大が生じることを見出した。これについて、以下に更に説明する。
【００１６】
図１３に、第１絶縁膜３としてＯ3 −ＴＥＯＳ膜を用いた特許文献１に記載の構造において、スルーホール４内に形成するタングステン核形成層８の違いによって生じるコンタクト抵抗値の違いについて検討した結果を示す。Ａは、シランガスを還元ガスとして形成したタングステン膜をタングステン核形成層８とする場合、Ｂは、ジボランガスを還元ガスとして形成したホウ素含有タングステン膜をタングステン核形成層８とする場合の抵抗値である。尚、バリア層を緻密化するための特許文献１に記載の熱処理については、それぞれ、タングステン核形成層８を堆積する際に用いる還元ガスを用いて行なっている。尚、縦軸の累積度数とはコンタクト抵抗値の度数分布を示す指標であり、パーセンテージと読み替えても良い。
【００１７】
図１３に明らかなように、シラン還元によるタングステン核形成層の場合（Ａの場合）に比べて、ジボラン還元によるタングステン核形成層の場合（Ｂの場合）にコンタクト抵抗が増大し且つそのバラツキも増大している。
【００１８】
次に、図１４には、熱処理雰囲気としてジボランガス、タングステン核形成層８としてジボラン還元により形成されるホウ素含有タングステン膜を用いた場合において、第１絶縁膜３の違いによるコンタクト抵抗値の違いについて検討した結果を示す。Ａは、第１絶縁膜３として従来のプラズマＴＥＯＳ（Ｐ−ＴＥＯＳ）膜を用いた場合、Ｂは、微細化対応技術であるＯ3 −ＴＥＯＳ膜を用いた場合の抵抗値である。
【００１９】
図１４に示されるように、Ａのホウ素含有タングステン膜とＰ−ＴＥＯＳ膜との組み合わせではコンタクト抵抗の増大は生じないが、Ｂのホウ素含有タングステン膜とＯ3 −ＴＥＯＳ膜との組み合わせの場合にはコンタクト抵抗の増大が生じる。
【００２０】
以上のように、本願発明者は、特許文献１の構成において、第１絶縁膜３としてＯ3 −ＴＥＯＳ膜を用い、熱処理雰囲気及びタングステン核形成層８堆積における還元ガスとしてジボランガスを用いると、コンタクト抵抗の増大が生じることを発見した。よって、このようなコンタクト抵抗の増大を解消することが本発明の課題の一つとなる。
【００２１】
また、図１５に、バリア層７を構成する窒化チタン層６を厚膜化した場合のコンタクト抵抗値について検討した結果を示している。つまり、特許文献１の構成にて第１絶縁膜３としてＯ3 −ＴＥＯＳ膜を用い、熱処理雰囲気及びタングステン核形成層８堆積時の還元ガスとしてジボランを用いた場合について、Ｂは窒化チタン層６の膜厚が２．６ｎｍのときのコンタクト抵抗値、Ｃは窒化チタン層６の膜厚が５．０ｎｍのときのコンタクト抵抗値である。
【００２２】
図１５から明らかなように、Ｂの場合にはコンタクト抵抗の増大が顕著に発生しているのに対し、Ｃの場合にはコンタクト抵抗の増大は抑制されている。このように、窒化チタン層６を厚膜化することによりコンタクト抵抗の増大及びバラツキを抑制可能であることが分かる。
【００２３】
しかしながら、Ａの場合、つまり、Ｂと同じ薄膜（２．６ｎｍ）の窒化チタン層６と、シラン還元によるタングステン核形成層８とを組み合わせた場合のコンタクト抵抗値と比較すると、Ｃの場合にもコンタクト抵抗値は増大している。
【００２４】
このように、半導体装置の微細化及びそれに伴うコンタクト抵抗値増加に対し、バリア層の厚膜化により対応することは困難である。
【００２５】
以上のような本願発明者の見出した新たな課題に鑑みて、本発明は、ジボラン等のホウ素系水素化合物を用いる場合におけるコンタクト抵抗値の増大を抑制すると共に、バリア層及びタングステン核形成層を薄膜化し、デバイス特性の低下を回避しながら低抵抗且つ高歩留りのコンタクトを有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。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
前記の目的を達成するため、本願発明者はＯ3 −ＴＥＯＳ膜とジボランの使用とを組み合わせるとコンタクト抵抗値が増大する原因について、以下のように考察した。
【００２７】
まず、ジボラン等のホウ素系水素化合物ガスは水との反応性が高いこと、及び、ジボランが水と反応するとホウ酸を形成することが知られている。更に、Ｏ3 −ＴＥＯＳ膜は、Ｐ−ＴＥＯＳ膜等と比べて水分吸蔵量が多い。このため、Ｏ3 −ＴＥＯＳ膜に吸蔵された水分がバリア層である窒化チタン層を透過し、熱処理雰囲気及びタングステン核形成層の堆積に用いられるジボランガスと反応することにより、タングステン核形成層に堆積不良が生じる。該堆積不良が原因となってコンタクト抵抗の増大が引き起こされる。
【００２８】
但し、以上の点は、Ｏ3 −ＴＥＯＳ膜を使用した場合には限られないと考えられる。つまり、絶縁膜は一般に水分を吸蔵し、その吸蔵量は膜種、成膜手法等により異なる。水分吸蔵量が多いＯ3 −ＴＥＯＳ膜と比べれば少ないとしても、プラズマＣＶＤ法、塗布系絶縁膜等を含む他の絶縁膜も水分を吸蔵している。そのため、水分とホウ素系水素化合物との反応に起因するコンタクト抵抗の増大は発生しうる。
【００２９】
また、一般にコンタクト形成に際して、スルーホール底部の金属間化合物層表面に対する清浄化工程の前には、半導体基板を加熱することにより半導体基板から水分を除去するデガス処理を実施する。しかし、半導体デバイスの微細化進行に伴いスルーホールの寸法が縮小されると、スルーホールからの水分除去の効率が低下し、コンタクト形成時にもスルーホール内に水分が残留しやすくなる。
【００３０】
このような残留水分も、ジボラン雰囲気下における熱処理又はジボラン還元によるタングステン核形成層堆積の際に、容易にジボランガスと反応してコンタクト抵抗の増大を引き起こす原因となる。このことからも、ジボラン等のホウ素系水素化合物を用いる場合におけるコンタクト抵抗の増大は、Ｏ3 −ＴＥＯＳ膜を使用する構成に限らず発生する。
【００３１】
尚、窒化チタン層を厚膜化することによりコンタクト抵抗の増大を抑制することができたのは、Ｏ3 −ＴＥＯＳ膜から脱離した水分の透過を厚膜の窒化チタン層により抑制し、ジボランと反応し難くすることができるためである。但し、図１５に示す通り、バリア層である窒化チタン層そのものの厚膜化によりコンタクト抵抗の増大を引き起こしてしまっている。
【００３２】
以上のような検討及び考察に基づき、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成され且つ半導体基板に達するコンタクトホールを有する第１絶縁膜と、コンタクトホールに埋め込まれた導電膜を有するコンタクトと、半導体基板及び第１絶縁膜のそれぞれと、導電膜との間に形成され、高融点金属を含む第１バリア層と、第１バリア層と導電膜との間に形成され、第１バリア層よりも水分透過性の低い第２バリア層とを備える。
【００３３】
本発明の半導体基板によると、第１バリア層よりも水分が透過しにくい第２バリア層を備えることにより、第１絶縁膜等に由来する水分の影響によってコンタクト抵抗が増大するのを抑制している。この際、第１バリア層を厚膜化することは不要であり、このこともコンタクト抵抗の増大を抑制するために有益である。尚、コンタクトが半導体基板に達するとは、コンタクトが半導体基板に設けられた不純物層、金属間化合物層、ゲート電極等に達する場合を含むものとする。
【００３４】
尚、第１絶縁膜上に設けられた第２絶縁膜と、コンタクトに接続するように第２絶縁膜に形成された配線とを更に備えていても良い。
【００３５】
また、第２バリア層は、高融点金属とシリコンとの化合物を含む膜であることが好ましい。
【００３６】
このような膜は、水分透過性が低いことから第２バリア層として有用である。
【００３７】
また、第２バリア層と、導電膜との間に、導電膜の主成分とホウ素との化合物を含む層が形成されていることが好ましい。
【００３８】
このような膜を設けることにより、導電膜を確実に埋め込むことができる。
【００３９】
また、導電膜の前記主成分は、タングステンであることが好ましい。コンタクトを形成するための材料として、タングステンが有用である。
【００４０】
また、第１バリア層は、チタン、タンタル、ルテニウム及びタングステンのうちの少なくとも一つ又はその窒化物を含むことが好ましい。第１バリア層の材料としては、このような物質が有用である、
また、第１バリア層と第２バリア層との膜厚の合計が５．０ｎｍ未満である箇所を有していても良い。
【００４１】
水分透過性の低い第２バリア層を備えることにより、第１バリア層と第２バリア層との膜厚の合計がこのように薄くても水分の透過を十分に抑制することができ、コンタクト抵抗の増大抑制のために有用である。
【００４２】
また、第１絶縁膜は、水分を含んでいてもよい。つまり、製造工程途中だけでなく、最終的に製造された半導体装置においても第１絶縁膜に水分が含まれていてもよい。このような場合に、本発明の効果がより顕著に発揮される。
【００４３】
また、コンタクトの直径は、６０ｎｍ以下であっても良い。コンタクトが小さくなるほどコンタクトホール内からの水分除去が難しくなるが、本発明の効果はコンタクトの直径が６０ｎｍ以下の場合にも顕著に発揮される。
【００４４】
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、第１絶縁膜を形成する工程（ａ）と、第１絶縁膜に、半導体基板に達するコンタクトホールを形成する工程（ｂ）と、コンタクトホールの底部及び側壁を覆うように、高融点金属を含む第１バリア層を形成する工程（ｃ）と、第１バリア層を覆うように、第１バリア層よりも水分透過性の低い第２バリア層を形成する工程（ｄ）と、工程（ｄ）の後に、コンタクトホールに導電膜を埋め込む工程（ｅ）とを備える。
【００４５】
ここで、半導体基板にはトランジスタ等が形成されていても良い。このような本発明の半導体装置の製造方法によると、第１バリア層上に、第１バリア層よりも水分透過性の低い第２バリア層を形成することにより、半導体基板等に由来する水分の影響によってコンタクト抵抗が増大するのを抑制しながら半導体装置を製造することができる。これにより、本発明の半導体装置を製造することができる。
【００４６】
尚、第２バリア層は、高融点金属とシリコンとの化合物を含む層であることが好ましい。このような膜は、水分透過性が低いことから第２バリア層として有用である。
【００４７】
また、第２バリア層は、第１バリア層を、シリコン含有水素化合物雰囲気下にて熱処理することにより形成することが好ましい。第２バリア層は、このようにして形成しても良い。
【００４８】
また、工程（ｄ）と工程（ｅ）との間に、導電膜の主成分とホウ素との化合物からなる層を第２バリア層上に形成する工程（ｆ）を更に備えることが好ましい。
【００４９】
このような層を設けると、より確実にコンタクトホールに導電膜を埋め込むことができる。
【００５０】
また、工程（ｄ）及び工程（ｆ）は、半導体基板を大気に曝すことを避けながら行なうことが好ましい。これにより、第２バリア層及び導電膜の主成分とホウ素との化合物からなる層が大気中の水分を吸着するのを避けることができ、コンタクト抵抗の増大抑制に有効である。
【００５１】
また、導電膜の主成分はタングステンであることが好ましい。
【００５２】
また、第１バリア層は、チタン、タンタル、ルテニウム及びタングステンのうちの少なくとも一つ又はその窒化物を含むことが好ましい。
【００５３】
それぞれ、具体的な材料として以上の物質を挙げることができる。
【００５４】
また、第１バリア層と第２バリア層との膜厚の合計が５．０ｎｍ未満である箇所を有していても良い。
【００５５】
第２バリア層として水分透過性の低い膜を用いることにより、このように薄いバリア層であっても水分の透過を十分に抑制することができる。
【００５６】
また、第１絶縁膜は、水分を含んでいても良い。
【００５７】
また、第１絶縁膜は、前記第２絶縁膜に比べて吸湿性が高くても良い。
【００５８】
また、コンタクトの直径は、６０ｎｍ以下であってもよい。
【００５９】
以上それぞれの場合に、コンタクト抵抗の増大を抑制する効果が顕著に発揮される。
【００６０】
また、工程（ｄ）において、半導体基板を、所定の温度範囲に一分以内の時間保持することが好ましい。
【００６１】
第２バリア層を形成するためには最長でも一分程度の熱処理で十分であり、これよりも長く処理を続けると、第２バリア層が過剰な厚さになってコンタクト抵抗を増大させる原因となる。よって、処理は一分以内とするのがよい。
【００６２】
また、所定の温度範囲は、１００℃以上で且つ４５０℃未満であることが好ましい。４５０℃以上の温度にすると、半導体基板に設けられているトランジスタ等の特性を劣化させるおそれがある。また、１００℃に満たない温度では、第２バリア層が十分に形成されない。よって、１００℃以上で且つ４５０℃未満の温度範囲がよい。
【発明の効果】
【００６３】
本発明の半導体装置及びその製造方法によると、コンタクトを形成するための核形成層としてホウ素含有タングステン膜等を用いて薄膜化した場合にも、水分との反応によりコンタクト抵抗が増大するのを抑制することができる。また、バリア層を薄膜化することも可能であり、これによってもコンタクト抵抗の増大を抑制することができる。よって、低抵抗のコンタクトを有する半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１〜図４は、図５に示す本実施形態の半導体装置１００の製造工程を模式的に示す断面図である。但し、以下に示す各図、種々の構成要素の形状、材料、寸法等はいずれも望ましい例を挙げるものであり、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。
【００６５】
図１の工程では、まず半導体基板１０１を準備する。半導体基板１０１は、素子分離（図示省略）の形成、不純物注入等の工程を経ることにより、金属間化合物層１０２が形成されている。更に、詳しい図示は省略するが、半導体基板１０１にはゲート電極を備えたトランジスタ等の素子が形成されているものとする。
【００６６】
次に、金属間化合物層１０２上を含む半導体基板１０１上に、第１絶縁膜１０３を堆積する。続いてリソグラフィ法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等を用い、第１絶縁膜１０３に対し、半導体基板１０１上に形成された金属間化合物層１０２に接続するスルーホール１０４（コンタクトホール）を形成する。但し、金属間化合物層１０２の代わりに、トランジスタのゲート電極（図示省略）に接続するスルーホール１０４を形成しても良い。
【００６７】
ここで、金属間化合物層１０２は、一種類以上の金属元素と、シリコン元素とを含む化合物からなる層である。金属元素としては、例えば、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、白金等のうちの一つ又は幾つかの組み合わせを用いることができる。
【００６８】
また、第１絶縁膜１０３は、図１のように単一の膜からなる単層構造であっても良いし、２種類以上の絶縁膜からなる積層構造であっても良い。いずれの場合にも後に説明する効果は実現する。第１絶縁膜１０３を構成する膜種としての代表例はＯ3 −ＴＥＯＳ膜であり、この場合に特に効果が顕著である。しかし、Ｐ−ＴＥＯＳ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ＮＳＧ、ＦＳＧ等の絶縁膜、更にはこれらの積層膜であってもよい。
【００６９】
また、第１絶縁膜１０３の成膜手法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、塗布法等を用いることができる。
【００７０】
次に、図２に示す工程を行なう。まず、アルゴンスパッタエッチング又は化学的エッチングによりスルーホール１０４の底部に露出している金属間化合物層１０２の表面を清浄化する。次に、スルーホール１０４の壁面及び底部と、第１絶縁膜１０３表面を覆うように、チタン層１０５及びその上を覆う窒化チタン層１０６からなる第１バリア層１０７を形成する。これには、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法を用いて堆積を行なえばよい。
【００７１】
尚、本実施形態ではチタン及び窒化チタンを材料として第１バリア層１０７を形成しているが、これには限定されない。例えば、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）等の高融点金属及びその窒化物をバリア層として用いることができる。
【００７２】
次に、図３に示す工程を行なう。ここでは、シランガス雰囲気下において熱処理することにより、窒化チタン層１０６の表面に、第２バリア層として窒化珪化チタン層１１７（ＴｉＳｉＮ層）を形成する。
【００７３】
ここで、窒化珪化チタン層１１７（第２バリア層）を形成するための熱処理について説明する。まず、本実施形態では、熱処理時の雰囲気ガスとしてシランを用いた。しかし、これには限定されず、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）等、ケイ素系水素化合物ガス雰囲気下であれば、同様の効果を得ることができる。この一方、特許文献１に記載されているジボラン等のホウ素含有水素化合物、ホスフィン（ＰＨ3 ）等のリン含有水素化合物の雰囲気下における熱処理では発明の効果が得られない。これは、ジボラン等のホウ素含有水素化合物及びホスフィン等のリン含有水素化合物はいずれも水との反応性が高いため、このようなガス雰囲気下による熱処理を行なうと、処理中に雰囲気ガスと水との反応が生じるためである。以上から、第１バリア層１０７を形成した後に行なう熱処理の雰囲気ガスとしては、水との反応性の低いガス、例えばケイ素系水素化合物ガスを用いるのが良い。
【００７４】
また、シラン雰囲気下の熱処理について、熱処理温度は、次の理由から１００℃以上で且つ４５０℃未満とするのが良い。つまり、４５０℃以上の高温において熱処理を行なうと、金属間化合物層１０２に想変態が生じ、トランジスタ特性に影響を及ぼす可能性がある。また、１００℃未満の低温において熱処理を行なうと、第１バリア層１０７の窒化チタン層１０６上に十分な窒化珪化チタン層１１７（第２バリア層）が形成されず、第１絶縁膜１０３からの脱離水分の透過を抑制する効果が不十分となる。これらのことから、熱処理温度について、１００℃以上で且つ４５０℃未満の範囲とする。
【００７５】
更に、シラン雰囲気下の熱処理について、１分以内の処理時間により十分な効果を上げることができる。逆に、１分を越える長時間の熱処理を行なうと、窒化珪化チタン層１１７（第２バリア層）が過剰に形成され、コンタクト抵抗値を増大させる原因となる。従って、シラン雰囲気下の熱処理について、熱処理時間は１分以内とする。また、３０秒程度の処理時間とすると、十分な効果を得ることができる。
【００７６】
また、第１バリア層１０７形成工程と第２バリア層（窒化珪化チタン層１１７）形成工程との連続性については、次の通りである。つまり、第１バリア層１０７形成後、大気曝露すること無く連続的に第２バリア層形成のための熱処理に進んでも良いし、第１バリア層１０７の形成後に大気曝露し、その後に第２バリア層を形成するのであっても良い。
【００７７】
図３の窒化珪化チタン層１１７形成に続き、大気曝露することなく図４の工程に進む。ここでは、ＣＶＤ法又はＡＬＤ法を用いた六フッ化タングステンのジボランガス還元により、窒化珪化チタン層１１７（第２バリア層）の表面に、ホウ素含有タングステン膜１１８を核形成層として形成する。続いて、ＣＶＤ法により、ホウ素含有タングステン膜１１８を覆うようにタングステン層１０９を形成する。これにより、第１バリア層１０７、第２バリア層である窒化珪化チタン層１１７及びホウ素含有タングステン膜１１８を介して、スルーホール１０４内を導電膜であるタングステン層１０９が埋め込むことになる。
【００７８】
窒化珪化チタン層形成のための熱処理工程と、核形成層であるホウ素含有タングステン膜１１８形成工程との連続性については、次の通りである。つまり、シラン雰囲気中における熱処理と、ホウ素含有タングステン膜１１８の堆積とは、一つの方法としては、同一の反応室内において実施されるのが望ましい。また、個別の反応室内にて実施される場合には、熱処理の後に大気曝露を伴うことなく高真空下にて熱処理を行なう反応室から核形成層の堆積を行なう反応室まで半導体基板１０１が搬送されることが望ましい。
【００７９】
仮に、熱処理の後に大気曝露されたとすると、窒化珪化チタン層１１７に水分が吸着してしまい、該水分がホウ素含有タングステン膜１１８を形成する際にジボランと反応することによりコンタクト抵抗値が増大する原因となる。よって、熱処理工程の後、大気曝露無しにホウ素含有タングステン膜１１８の形成工程に進むことにより、コンタクト抵抗値の増大を抑制することができる。
【００８０】
この後、図５の工程を行なう。まず、ＣＭＰ法を用いて、図４において第１絶縁膜１０３上にはみ出している部分の第１バリア層１０７、窒化珪化チタン層１１７、ホウ素含有タングステン膜１１８及びタングステン層１０９を除去し、スルーホール１０４内にコンタクト１１０を構成する。
【００８１】
次に、第１絶縁膜１０３上及びコンタクト１１０上を覆う第２絶縁膜１１１と、更にその上を覆う第３絶縁膜１１２を形成する。続いて、第２絶縁膜１１１及び第３絶縁膜１１２にコンタクト１１０上面を露出させる開口部を設けると共に、該開口部内にバリア層１１３、シード層１１４及び銅層１１５からなる第１配線層１１６を形成する。これには、リソグラフィ法、ドライエッチ法、ウェットエッチ法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、電解めっき法、ＣＭＰ法等を適宜用いれば良い。また、図示は省略するが、第１配線層１１６上には、更に別の絶縁膜、上部接続孔及び上部配線層を形成する。
【００８２】
以上により、本実施形態の半導体装置１００が製造される。該半導体装置１００におけるコンタクト抵抗値について、図６に示す。
【００８３】
図６において、Ｂが本実施形態に係る半導体装置１００のコンタクト抵抗値を示す。つまり、第１絶縁膜１０３としてＯ3 −ＴＥＯＳ膜を用いており、第１バリア層１０７の堆積後、シランガス中にて熱処理を行なって窒化珪化チタン層１１７を形成し、更にジボランガスを用いてホウ素含有タングステン膜１１８の堆積を行なった場合である。
【００８４】
Ａは比較例であり、具体的には、第１バリア層１０７を堆積した後にジボラン雰囲気下にて熱処理を行ない、その後ＡＬＤによるジボラン還元によりホウ素含有タングステン膜を形成した場合である。窒化珪化チタン層１１７に相当するものは形成していない。
【００８５】
図６から明らかなように、Ｂとして示す本実施形態の場合にはコンタクト抵抗値の増大が抑制されており、コンタクト抵抗値のバラツキも小さい。これは、本実施形態において、核形成層であるホウ素含有タングステン膜１１８を堆積する際にジボランと水との反応が生じるのを抑制し、ホウ素含有タングステン膜１１８が正常に形成されるようにしたことによると考えられる。より具体的には、第１バリア層１０７形成後の熱処理時における雰囲気ガスをシランガスに変更したことにより、雰囲気ガスと第１絶縁膜１０３からの脱離水分の反応を抑制している。また、第１バリア層１０７の窒化チタン層１０６表面に、第２バリア層として窒化珪化チタン層１１７を形成することによりバリア性を向上し、第１絶縁膜１０３からの脱離水分がバリア層を透過するのを抑制している。
【００８６】
このような本実施形態の半導体装置１００の効果は、コンタクト１１０の寸法には依存することなく発揮されると期待される。よって、一般に微細化によってコンタクト抵抗値の上昇が顕著になる直径６０ｎｍ以細のコンタクトにおいて、特に効果的である。
【００８７】
また、図１５に示す従来例において、ジボランガスと水分との反応を抑制するためには、膜厚５．０ｎｍの窒化チタン膜を必要とした。これに対し、図１２のＢには本発明の半導体装置１００において窒化チタン層１０６の膜厚が２．６ｎｍである場合を示しており、この場合にもコンタクト抵抗値の増大を招いていない。
【００８８】
これは、核形成層としてホウ素含有タングステン膜１１８を用いた場合にも、第１バリア層１０７における窒化チタン層１０６の薄膜化が可能であること、更に、それによって従来よりもコンタクト抵抗を低減することができることを意味している。具体的には、第１バリア層と第２バリア層との膜厚の合計を５．０ｎｍ未満とすることができる。
【００８９】
また、本実施形態の半導体装置１００によると、水分との反応を避けながら、ホウ素含有タングステン膜１１８を核形成層として利用することが可能である。このため、従来のシラン還元によるタングステン核形成層の形成と比較すると、核形成層の薄膜化が可能となる。これによっても、半導体装置１００におけるコンタクト抵抗を低減することができる。
【００９０】
また、図７（ａ）及び（ｂ）に、比較例の場合（シラン還元によるＡＬＤ法によりタングステン核形成層を堆積した場合）及び本発明を適用した場合（ジボラン還元によるＡＬＤ法によりホウ素含有タングステン膜を核形成層とした場合）の接合リーク電流について示している。
【００９１】
比較例である図７（ａ）の場合、核形成層の膜厚を２ｎｍにまで薄膜化すると接合リーク電流は増大している。これに対し、本発明を適用した図７（ｂ）の場合、核形成層の膜厚を２ｎｍにまで薄膜化した場合にも、接合リークの顕著な増大は観測されない。
【００９２】
この結果から、比較例のシラン還元による核形成層の膜厚は３ｎｍ以上必要であるのに対し、本発明を適用したホウ素含有タングステン膜は、２ｎｍの膜厚であっても核形成層として機能することが分かる。
【００９３】
また、図８には、シラン還元を用いたＡＬＤ法による膜厚３ｎｍのタングステン核形成層を適用した場合（比較例、Ａにより示す）と、本発明のようにジボラン還元を用いたＡＬＤ法による膜厚２ｎｍのホウ素含有タングステン膜を適用した場合（Ｂにより示す）とについて、コンタクト抵抗値を示す。ここに明らかであるように、比較例に比べて本発明を適用した場合にはコンタクト抵抗が低減されている。
【００９４】
以上のように、本実施形態の半導体装置１００によると、水分と反応することなくホウ素含有タングステン膜を核形成層として用いることができる。また、核形成層そのものについて膜厚を薄くすることができ、従来よりもコンタクト抵抗値を小さくすることができる。
【００９５】
尚、第２バリア膜として、本実施形態では窒化珪化チタン層を説明したが、これには限らず、水分の透過を抑制することができる膜であれば使用可能である。例えば、Ｔａ、Ｒｕ、ＷＮ等を用いることが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明の半導体装置及びその製造方法によると、コンタクト抵抗値の増大を抑制することができ、微細化の進行した半導体装置において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造工程を説明するための模式的な断面図である。
【図２】図２は、図１に続き、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造工程を説明するための模式的な断面図である。
【図３】図３は、図２に続き、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造工程を説明するための模式的な断面図である。
【図４】図４は、図３に続き、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造工程を説明するための模式的な断面図である。
【図５】図４は、図３に続き、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造工程を説明するための模式的な断面図である。
【図６】従来技術（比較例）及び本発明を適用した半導体装置におけるコンタクト抵抗値を示す図である。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、従来技術（比較例）及び本発明を適用した半導体装置における接合リーク電流の核形成膜厚依存性を示す図である。
【図８】図８は、従来技術（比較例）及び本発明を適用した半導体装置におけるコンタクト抵抗値を示す図である。
【図９】図９は、従来の半導体装置及びその製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図１０】図１０は、図９に続き、従来の半導体装置及びその製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、図１０に続き、従来の半導体装置及びその製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図１２】図１２は、図１１に続き、従来の半導体装置及びその製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図１３】図１３は、従来技術を適用した場合のコンタクト抵抗値を示す図であり、特に、核形成層の違いによるコンタクト抵抗値の違いを示している。
【図１４】図１４は、従来技術を適用した場合のコンタクト抵抗値を示す図であり、特に、絶縁膜の違いによるコンタクト抵抗値の違いを示している。
【図１５】図１５は、従来技術を適用した場合のコンタクト抵抗値を示す図であり、特に、核形成層の違い及びバリア層の膜厚の違いによるコンタクト抵抗値の違いを示している。
【符号の説明】
【００９８】
１００      半導体装置
１０１      半導体基板
１０２      金属間化合物層
１０３      第１絶縁膜
１０４      スルーホール
１０５      チタン層
１０６      窒化チタン層
１０７      第１バリア層
１０９      タングステン層
１１０      コンタクト
１１１      第２絶縁膜
１１２      第３絶縁膜
１１３      バリア層
１１４      シード層
１１５      銅層
１１６      第１配線層
１１７      窒化珪化チタン層
１１８      ホウ素含有タングステン膜（第２バリア層）
【図１】
2010093116.tif 000003
【図２】
2010093116.tif 000004
【図３】
2010093116.tif 000005
【図４】
2010093116.tif 000006
【図５】
2010093116.tif 000007
【図６】
2010093116.tif 000008
【図７】
2010093116.tif 000009
【図８】
2010093116.tif 000010
【図９】
2010093116.tif 000011
【図１０】
2010093116.tif 000012
【図１１】
2010093116.tif 000013
【図１２】
2010093116.tif 000014
【図１３】
2010093116.tif 000015
【図１４】
2010093116.tif 000016
【図１５】
2010093116.tif 000017