(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板に形成された拡散層と層間絶縁膜上に形成された配線とをコンタクトホールを通して電気的に接続する工程を有する半導体装置の製造方法において、
前記層間絶縁膜の前記拡散層上領域に前記コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール底面及び側面を覆うようにスパッタリングにより高融点金属膜を形成した後、該高融点金属膜上に前記コンタクトホール底面及び側面を覆うように、不活性ガスと窒素との混合ガスで、且つスパッタリングのターゲットが窒化しないような該窒素の流量比とする雰囲気中でのスパッタリングにより高融点金属の窒化膜を順次形成する工程と、
酸素及び窒素を含む雰囲気中でアニールすることにより、前記高融点金属の窒化膜を高融点金属の酸化窒化膜とし、前記高融点金属膜を、前記シリコン基板と反応させることにより高融点金属のシリサイド膜とする工程と、
前記コンタクトホール内に埋設されるように配線材料を堆積させ、所望の形状にパターニングすることによって配線を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２】
窒素の流量比が前記混合ガス全体の３０％以上、６０％以下となる雰囲気中でスパッタリングを行うことにより前記高融点金属の窒化膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記アニールの際の窒素と酸素を含む雰囲気における酸素の流量比を０．００５％以上、且つ０．１％以下とすることを特徴とする、請求項1又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、層間絶縁膜上に設けられた配線層と半導体基板に形成された拡散層とを電気的に接続するコンタクトホール部において、配線層と拡散層との相互拡散反応を防止し、オーミックコンタクトを得るバリアメタルの形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置のコンタクトホールにおける配線層と半導体基板に形成された拡散層との相互拡散反応を防止するために、高融点金属やその合金、化合物からなるバリアメタルを用いるのが一般的となっている。半導体装置の高集積化、微細化に伴い、拡散防止性に優れるＴｉＮを用いる場合が多くなっている。
【０００３】
ＴｉＮを形成する方法として、一般的には、Ｔｉターゲットを窒素を含む雰囲気でスパッタリングすることにより行われる。
【０００４】
また、近年、半導体装置の高集積化、微細化に伴い、コンタクトホールの径が微細になり、アスペクト比が高くなってきている。通常のスパッタリング技術においては、スパッタ粒子が、ある程度ランダムな方向性をもっているため、図２のようにコンタクトホール上部で、オーバーハングを有する形状になる。したがって、コンタクト底部での被覆性が悪くなり、バリア性を得るに必要な膜厚を得るのが困難になりつつある。図2は従来技術の問題点の説明に供する図であり、図2において、２１はシリコン基板、２２は拡散層、２３は層間絶縁膜、２４はコンタクトホール、２５はＴｉＮ／Ｔｉ膜を示す。
【０００５】
これを解消するために、特にスパッタ粒子が基板に対して略垂直に入射するように工夫されたスパッタリング方式が実用化されている。
【０００６】
例えば、ターゲットと半導体基板との間に、多数の孔を開けた基板（コリメート板）を設置し、基板に対し略垂直な方向のスパッタ粒子のみを通す、コリメートスパッタ法がある。また、ターゲットと基板との間の距離を通常のスパッタリング装置よりも大きくして、基板には基板に対し略垂直な方向のスパッタ粒子のみが到達するロングスロースパッタ法がある。
【０００７】
これらは、通常のスパッタ方式に比べ、ターゲットからスパッタされた全粒子数に対する基板に到達する粒子が少ないため、成膜速度が低下してしまう。したがって、通常のスパッタ方式に比べ、スパッタパワーを上げて成膜速度を上げることで、実用的な成膜時間に抑えている。
【０００８】
更に、ＴｉＮを成膜する場合、図３のようにターゲット表面が窒化される場合は、窒化されない場合に比べ、成膜速度が約１／３になる。そこで、特開平７−２２１０４６号公報、特開平８−１８８８７０号公報のように窒素の流量比を減らすことで、ターゲット表面を窒化させずに、ＴｉＮを形成する方法が提案されている。この方法では、ターゲット表面のＴｉＮ粒が形成されていないため、ターゲットからのパーティクルの発生を抑えられる利点もある。図３（ａ）は窒素の流量比と成膜速度との関係を示す図であり、図３（ｂ）は窒素と窒化膜中の窒素比率との関係を示す図である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したターゲット表面を窒化させずに、ＴｉＮを形成する方法では、図３のように膜中のＴｉ原子に対するＮ原子の比（膜中窒素比率（チタンを１としたときの窒素の量））が小さいＴｉＮが形成される。これをそのままバリアメタルとして用いると、アルミニウムとシリコンとの相互拡散反応を完全に防ぐことができないという問題点がある。
【００１０】
また、特開平６−６１１７９号公報や、特開平７−２２１０４６号公報に、膜中窒素比率が小さいＴｉＮをバリアメタルとして用いる際、窒素雰囲気中で熱処理することで、窒化させ、バリア性を向上する方法が提案されている。しかし、この方法を用いても、バリア性が完全でない場合がある。特に近年コンタクトホール内をＡｌ系合金材料によって埋め込むＡｌリフロー法も用いられ、このとき４００℃以上の高温を用いるので、バリア性の完全化が要求される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板に形成された拡散層と層間絶縁膜上に形成された配線とをコンタクトホールを通して電気的に接続する工程を有する半導体装置の製造方法において、前記層間絶縁膜の前記拡散層上領域に前記コンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール底面及び側面を覆うようにスパッタリングにより高融点金属膜を形成した後、該高融点金属膜上に前記コンタクトホール底面及び側面を覆うように、不活性ガスと窒素との混合ガスで、且つスパッタリングのターゲットが窒化しないような該窒素の流量比とする雰囲気中でのスパッタリングにより高融点金属の窒化膜を順次形成する工程と、酸素及び窒素を含む雰囲気中でアニールすることにより、前記高融点金属の窒化膜を高融点金属の酸化窒化膜とし、前記高融点金属膜を、前記シリコン基板と反応させることにより高融点金属のシリサイド膜とする工程と、前記コンタクトホール内に埋設されるように配線材料を堆積させ、所望の形状にパターニングすることによって配線を形成することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、窒素の流量比が前記混合ガス全体の３０％以上、６０％以下となる雰囲気中でスパッタリング行うことにより前記高融点金属の窒化膜を形成することが望ましい。
【００１３】
さらに、本発明の半導体装置は、前記アニールの際の窒素と酸素を含む雰囲気における酸素の流量比を０．００５％以上、且つ０．１％以下とすることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。図１において、１はシリコン基板、２は拡散層、３は層間絶縁膜、４はコンタクトホール、５は第1のＴｉ膜、６はＴｉＮ膜、７はＴｉシリサイド膜、８はＴｉＯＮ膜、９は第2のＴｉ膜、１０はＡｌ系合金膜を示す。
【００１６】
以下、図１を用いて、本発明の半導体装置の製造工程を説明する。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１に拡散層２を形成し、層間絶縁膜として、シリコン酸化膜3をＣＶＤ法により堆積する。次に、公知のリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、コンタクトホール4を形成する。ここで、層間絶縁膜の厚さは１μｍ、コンタクトホールの径は０．５μｍである。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、コリメートスパッタ法もしくはロングスロースパッタ法により、Ｔｉ膜５を０．０４μｍ成膜する。これはコンタクトホール底部での膜厚が０．０１μｍに相当する。Ｔｉ膜５の成膜はアルゴン雰囲気中で行い、スパッタパワーが７〜１２ｋＷ、ガス圧は１〜３ｍＴｏｒｒである。
【００１９】
次に、コリメートスパッタ法もしくはロングスロースパッタ法により、ＴｉＮ膜６を０．０８μｍ成膜する。これは、コンタクトホール底部での膜厚が０．０３μｍに相当する。ＴｉＮ膜の成膜は、アルゴンと窒素とを混合した雰囲気で行い、スパッタパワーは７〜１２ｋＷ、ガス圧は１〜３ｍＴｏｒｒ、全ガス流量に対する窒素の流量比は３０〜６０％である。スパッタパワーが１２ｋＷを超えると、アルゴンイオンの衝撃で、ターゲットが変形し、７ｋＷより小さいとコンタクトホール底部への被覆性が悪くなる。
【００２０】
次に、図１（ｃ）に示すように、ランプアニール装置により、窒素と酸素との混合雰囲気中で熱処理を行うことによって、窒化と酸化を行い、ＴｉＮ膜６をＴｉＯＮ膜６ａに、コンタクトホール底部でのＴｉ膜５をＴｉシリサイド膜５ａにする。アニール温度は４５０〜５７５℃、アニール時間は3分、全ガス流量に対する酸素の流量比は０．１％である。これにより、バリア性は高められ、また、Ｔｉシリサイド形成により、コンタクト抵抗を下げる作用を有する。全ガス流量に対する酸素の流量比は０．００５％以上で、０．１％以下が望ましい。この流量比が０．００５％より低いとバリア性が完全でなくなり、また、０．１％を超えるとＴｉＮが高シート抵抗となり、コンタクト抵抗が上昇する。
【００２１】
次に、図１（ｄ）に示すように、Ｔｉ膜７を０．０４μｍ成膜する。これは、Ａｌ系合金とＴｉＯＮ膜６ａとの間の濡れ性を高め、コンタクトホールをＡｌ系合金材料８によって埋め込みやすくするためのものである。
【００２２】
次に、Ａｌ系合金材料８を０．６μｍ成膜する。このとき基板の温度は４７０℃であり、これによりコンタクトホール４はＡｌ系合金材料８によって埋め込まれる。
【００２３】
表１に上述の実施例におけるＡｌスパイク確認結果、表２に同アニール後ＴｉＮシート抵抗確認結果を示す。窒素雰囲気中で熱処理することで、窒化させただけではスパイクはなくならないが、酸素を加えることで、スパイクを抑えることができる。また、酸素のみの雰囲気でアニールすると、ＴｉＮが急速に酸化され、高シート抵抗になるので、コンタクト抵抗が上昇する原因になる。これを防ぐには窒素による窒化も必要である。なお、熱処理による、窒化と酸化工程は、通常の拡散炉を用いてもよい。
【００２４】
【表１】
0003650561.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003650561.tif 000003
【００２６】
本発明では、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量比を低くし、ＴｉＮ膜が所望の膜厚になるまでに要する時間を短くする。これにより、発生するパーティクルの量を低減することが可能となる。しかし、窒素の流量比を低くすることで、ＴｉＮ膜のバリア性も低くなる。
【００２７】
そこで、本発明は、ＴｉＮ膜形成後に窒素と酸素との混合雰囲気中で熱処理することにより、バリア性の向上を図る。ここで、全ガス流量に対する酸素の流量比を０．１％程度とすることでバリア性の向上のみならず、シート抵抗を抑える効果も実現できる。
【００２８】
尚、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量比を３０％よりも低くすると、ＴｉＮ膜のバリア性が更に悪くなり、後工程でのバリア性の向上が困難になる。また、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量比が６０％を超えると、ＴｉＮ膜が所望の膜厚になるまでに要する時間が長くなるとともに、発生するパーティクルの量が増加する。表３にＴｉＮスパッタ条件とバリア性に関する試験結果を示す。
【００２９】
【表３】
0003650561.tif 000004
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明を用いることにより、バリア性を完全化でき、コリメートスパッタ法や、ロングスロースパッタ法を用いても、実用的な成膜時間で高融点金属窒化物層が成膜でき、ターゲットからのパーティクルの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造工程図である。
【図２】従来技術の問題点の説明に供する図である。
【図３】（ａ）は窒素の流量比と成膜速度との関係を示す図であり、（ｂ）は窒素と窒化膜中の窒素比率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  拡散層
３  層間絶縁膜
４  コンタクトホール
５  第1のＴｉ膜
６  ＴｉＮ膜
７  Ｔｉシリサイド膜
８  ＴｉＯＮ膜
９  第2のＴｉ膜
１０  Ａｌ系合金膜
【図１】
0003650561.tif 000005
【図２】
0003650561.tif 000006
【図３】
0003650561.tif 000007