(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層配線を有する半導体装置であって、
メタル配線膜上に、ＴｉＮからＴｉＮx （ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化するように組成の異なる複数種の膜からなるチタニウムナイトライド系反射防止膜、及び、
該反射防止膜上に層間絶縁膜を
有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
メタル配線膜がアルミニウム系配線膜である
請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
層間絶縁膜が酸化シリコンである
請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
層間絶縁膜とチタニウムナイトライド系反射防止膜とのドライエッチングに対する選択比が３０以上である
請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
一つのチャンバー内にて、金属配線膜上に組成比の異なる複数種の膜からなるチタニウムナイトライド（ＴｉＮ）系反射防止膜を、
チタン（Ｔｉ）をターゲットとするスパッタリング法により形成する半導体装置の製造方法において、
スパッタリング装置を駆動したままの状態で供給ガスを成膜途中でアルゴンと窒素の混合ガスからアルゴンガスのみへ切り換えることにより、
チタニウムナイトライド系反射防止膜の組成が、
ＴｉＮからＴｉＮｘ（ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化するように為すことを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項６】
一つのチャンバー内にて、金属配線膜上に組成比の異なる複数種の膜からなるチタニウムナイトライド系反射防止膜を、
チタン（Ｔｉ）をターゲットとするスパッタリング法により形成する半導体装置の製造方法において、
スパッタリング装置を駆動したままの状態で、供給ガスを成膜途中でアルゴンと窒素の混合ガスからアルゴンガスのみへ切り換えて、
ＴｉＮ膜上にさらにＴｉＮｘ（ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化する推移膜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７】
該推移膜の膜厚が、１ｎｍ〜１０ｎｍである、
請求項６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、半導体装置に関するものであり、特にアルミニウム系配線膜上にチタニウムナイトライド系反射防止膜を設けた半導体装置、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図５に示すようなアルミニウム（Ａｌ）系配線膜のようなメタル配線膜を有する多層配線の半導体装置が知られている。図５において、１は半導体基板、２はフィールド絶縁膜、３はゲート絶縁膜、４はゲート電極、５は層間絶縁膜、６はコンタクトホール、７はコンタクトホール６を埋めるタングステンやアルミ等の金属、８は第１層目のＡｌ系配線膜、９は第２層目の層間絶縁膜、１０はスルーホール、１１は該スルーホール１０を埋めるタングステンやＡｌ等の金属、１２は第２層目のＡｌ系配線膜、１３は第３層目の層間絶縁膜、１４はスルーホール、１５は該スルーホール１４を埋めるタングステンやアルミ等の金属、１６は第３層目のＡｌ系配線膜、１７はパッシベーション膜をそれぞれ表す。
【０００３】
また、図６は、上記Ａｌ配線膜の具体的な断面構造の一例である。同図において、１８はＴｉ膜、１９はバリアメタルであるＴｉＮ膜、８はＡｌ系配線膜、２０はＴｉ膜、２１は反射防止膜である。この反射防止膜は、Ａｌ系膜の加工のための露光の際における露光光源の反射防止のために形成するものである。
【０００４】
従来、反射防止膜２１は、Ａｌ系配線膜上に、Ｔｉをターゲットとするスパッタリング法により、例えば図７に示すようなシーケンスに従い、アルゴンガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気の下で成膜していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の如く従来の半導体装置においては、図５および図６に示すスルーホール１０（または１４）をドライエッチングにて開口する際に、層間絶縁膜９（または１３）と反射防止膜であるＴｉＮとの選択比が約１０程度しかないために、図８に示すように、スルーホール開口時にドライエッチングを行うと、ホールが層間絶縁膜のみならずＴｉＮ膜やメタル配線膜にまで生じてしまうオーバーエッチングや、積層構造とした場合のストレスマイグレーション等による信頼性の低下が問題となっていた。
【０００６】
また、反射防止膜であるＴｉＮ膜２１をスルーホール１０（または１４）の開口の際に確実に残す為には、ＴｉＮ膜２１の膜厚のばらつきはもとより、層間絶縁膜９（または１３）の膜厚のばらつき、ドライエッチングの加工のばらつき等を全て考慮しなければならない。従って、反射防止膜であるＴｉＮ膜は少なくとも５０ｎｍ（望ましくは１００ｎｍ）程度の膜厚が必要とされ、メタル配線の加工の負荷が増大し、メタル配線の主材料であるＡｌの膜厚を必要以上に薄くする必要があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決して、反射防止膜であるＴｉＮ膜が薄い場合においても、スルーホールの開口時にＴｉＮ膜を除去せずに確実に残すことができ、接続孔の信頼性が高い半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Ｔｉをターゲットとするスパッタリング法によりチタニウムナイトライド系反射防止膜を成膜する際において、先ず、アルゴンと窒素の混合ガスにより所望の膜厚でＴｉＮ膜を成膜した後、次いで、スパッタリング装置を駆動したままの状態で、窒素ガスを遮断してアルゴンガスのみを流し続けることにより、該ＴｉＮ膜の表層に、膜組成がＴｉＮからＴｉＮx （ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化した推移膜を成膜することができること、および、該推移膜の膜厚がＴｉ膜厚に換算して１０ｎｍ以下の極めて薄く、かつ、スルーホール開口時のドライエッチングに対する層間絶縁膜と反射防止膜との選択比が３０〜４０のチタニウムナイトライド（ＴｉＮ）系反射防止膜が得られることを見い出し、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本発明は、メタル配線膜上に、ＴｉＮからＴｉＮx （ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化するように組成が異なる複数種の膜からなるチタニウムナイトライド（ＴｉＮ）系反射防止膜を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１０】
また、本発明は、アルゴンと窒素の混合ガスを導入し、スパッタリング装置のパワーを印加することによりＴｉＮ膜が形成され、該装置を駆動させたままで窒素ガスの供給のみを遮断することにより、ＴｉＮ膜の表層に、ＴｉＮ−ＴｉＮx −Ｔｉ（ｘは０〜１の数を表す。）という組成が連続的に変化する多層膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
【００１２】
本発明の半導体装置は、メタル配線膜上に、ＴｉＮからＴｉＮx （ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化するように組成の異なる複数種の膜からなるチタニウムナイトライド（ＴｉＮ）系反射防止膜を有することを特徴とする。
【００１３】
（１）本発明の半導体装置
本発明の半導体装置を図１に示す例により説明する。
【００１４】
図１は、８、１２および１６にメタル配線膜を有する積層構造の半導体装置の例である。図１中、１は半導体基板、２はフィールド絶縁膜、３はゲート絶縁膜、４はゲート電極、５は層間絶縁膜、６はコンタクトホール、７はコンタクトホール６を埋めるタングステンやアルミ等の金属、８は第１層目のメタル配線膜、９は第２層目の層間絶縁膜、１０はスルーホール、１１は該スルーホール１０を埋めるタングステンやアルミ等の金属、１２は第２層目のメタル配線膜、１３は第３層目の層間絶縁膜、１４はスルーホール、１５は該スルーホール１４を埋めるタングステンやアルミ等の金属、１６は第３層目のメタル配線膜、１７はパッシベーション膜をそれぞれ表す。
【００１５】
先ず、本発明の半導体装置の具体的構造、及びその一般的な製造方法を図１に従って説明する。
【００１６】
シリコン等の半導体基板１の表面に素子を電気的に分離するためのフィールド絶縁膜（酸化膜）２を形成し、このフィールド絶縁膜２で区画された領域にゲート絶縁膜３を介してゲート電極４を形成する。絶縁膜としては、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）、ＰＳＧ、プラズマＣＶＤによるＳｉ3 Ｎ4 膜等がある。またゲート電極４は、ポリシリコン、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン等の高融点金属シリサイド、およびポリシリコンと金属シリサイドの２層構造物等を用いることができる。
【００１７】
次いで、全体をＳｉＯ2 等の層間絶縁膜５で被覆した後、第１層目のＡｌ系配線膜８を形成したのち、タングステンやアルミニウム等の導電性金属７が詰められたコンタクトホール６を設けて、一部のＡｌ系配線膜８とゲート電極４とを接続する。
【００１８】
さらに、全体をＳｉＯ2 等からなる第２層目の層間絶縁膜９で被覆したのち、第２層目のＡｌ系配線膜１２を成膜する。次いで、タングステンやアルミニウム等の導電性金属７が詰められたスルーホール１０を設けて、第１層目のＡｌ系配線膜８と第２層目のＡｌ系配線膜１２とを接続する。
【００１９】
同様にして第３層目の層間絶縁膜１３、Ａｌ系配線膜１６、スルーホール１４を形成する。
【００２０】
各層の膜厚は１μｍ前後であるが、一般的に、上方にいくほど膜厚は厚く設定される。上方にいくほど表面の凹凸や段差が著しくなるため、それによる断線等の発生防止のためである。
【００２１】
さらに、最上層（図１の例では第３層の上）には、メタル配線膜の表面保護のためパッシベーション膜１７を設ける。パッシベーション膜として、例えば、窒化シリコン膜、ＳｉＯ2 膜、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜、ＢＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜等を例示することができる。
【００２２】
図２に本発明の多層配線の詳細な成膜図の一例を示す。メタル配線膜８（この場合第１層目）は、コンタクトホール７の上に、Ｔｉ膜１８及びバリアメタルであるＴｉＮ膜１９を介して配線される。また、２０はＴｉ膜である。バリアメタル１９は合金化防止の為、Ｔｉ膜は密着性向上の為に設けられる。
【００２３】
（２）メタル配線膜
メタル配線膜は、アルミニウムや銅等の導電性金属主体とする配線材料からなる。配線用金属材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム−シリコンの合金、アルミニウム−シリコン−銅の合金、アルミニウム−銅の合金、アルミニウム−銅−チタニウム等の合金を挙げることができ、特に取り扱いの容易さからアルミニウムが最も一般的に用いられる。また、多層配線の場合、各層のメタル配線膜に用いられる配線材料は、同一でも相異なっていてもよい。
【００２４】
（３）反射防止膜
Ａｌ系配線膜等のメタル配線膜の形成後には反射防止膜を成すチタニウムナイトライド系反射防止膜が形成される。この反射防止膜は、メタル配線膜の加工のための露光の際における露光光源の反射防止のために用いられ、メタル配線膜の上に設けられる。本発明の反射防止膜は、チタニウムをターゲットとするスパッタリング法により形成することができ、メタル配線膜側から順に、ＴｉＮからＴｉＮx （ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化するように、組成が異なる複数種の膜からなる。
【００２５】
この推移膜は、具体的には次のようにして形成する。
【００２６】
先ず、アルゴンと窒素の混合ガスにより所望の膜厚でＴｉＮ膜を成膜する。当初のアルゴンと窒素の混合割合は任意である。成膜当初、窒素ガスは必須であり、窒素１００％であってもよいが、その量はスパッタリングに使用するＴｉの量と成膜面積により自由に定めることができる。ＴｉＮ膜の膜厚は、通常、５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００２７】
次いで、スパッタリング装置を駆動したままの状態で、窒素ガスの供給を遮断してアルゴンガスのみを流し続ける。スパッタリングは、ＴｉＮ膜上に、ＴｉＮx −Ｔｉ（ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）という組成が連続的に変化する推移膜が、Ｔｉに換算して１ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚を形成するだけの時間行われる。
【００２８】
このようにすることにより、ＴｉＮ膜の上には、ＴｉＮ−ＴｉＮx −Ｔｉ（ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）という組成が連続的に変化する推移膜が形成された反射防止膜を得ることができる。なお、ＴｉＮx で表されるチタニウム化合物としては、例えば、Ｔｉ3 Ｎ4 ，Ｔｉ2 Ｎ等が考えられるが、詳細は明らかではない。
【００２９】
従来は、図７に示したように、アルゴン、窒素混合ガスの雰囲気でスパッタリング法による成膜を行っていた。従来法によれば、ＴｉＮのみからなる反射防止膜が成膜されることになる。一方、本発明は、先ず、アルゴン、窒素混合ガスの雰囲気でスパッタリングを行い、成膜途中でスパッタリング装置を駆動させた状態で窒素ガスの供給をやめ、アルゴンガスのみの雰囲気でそのまま成膜を続けるものである。装置内に窒素ガスが残留する間は、窒素はチタニウムと反応してチタニウムの窒化物を与えるが、残存する窒素ガスの量に対応して、ＴｉＮから、ＴｉＮX （ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経て、最後に装置内がアルゴンガスのみになった場合にはＴｉが成膜される。この場合、チタニウムナイトライド系反射防止膜中の窒素含有量は、装置内の窒素ガスの残留量に比例して減少する。この推移膜の成膜速度はＴｉ膜の成膜速度よりも遅いため、推移膜の膜厚はＴｉ膜に換算してＴｉ膜の膜厚より通常薄くなる。ＴｉＮ膜の膜厚は、通常、２０ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。ＴｉＮ膜の膜厚が２０ｎｍよりも薄い場合には、十分な反射防止効果が得られず、２００ｎｍよりも厚くする場合には効果の向上は期待できず、加工が困難となる。
【００３０】
推移膜の膜厚は、Ｔｉに換算して１ｎｍ〜１０ｎｍが好ましい。推移膜の膜厚が１ｎｍより薄い場合には、エッチングにおける十分な選択比が得られず、１０ｎｍよりも厚い場合には、十分な反射防止効果が得られない。
【００３１】
推移膜の膜厚がこのように薄い場合であっても、上層のスルーホールの開口時に層間絶縁膜と反射防止膜であるＴｉＮとの選択比は３０〜４０と大きな値であり、該推移膜は、上層のスルーホール形成の際には、ＴｉＮ膜のエッチングのストッパーとして機能することができる。
【００３２】
さらに、該推移膜は、ＴｉＮ膜の成膜後に連続して数秒で形成可能なため、スループットが低下することも無く、また、極めて薄い膜の形成を行うため、スパッタリングのパワーは必ずしもＴｉＮ膜形成時と同じにする必要はなく、低ければ低いほど正確に均一な膜を得ることができる。
【００３３】
本発明の反射防止膜は、そのメタル配線の反射率は、鏡を１００％とした場合に３０％以下になるため、配線の加工時においても十分な反射防止効果を有する。
【００３４】
【実施例】
以下、具体的に本発明の実施例について説明する。
【００３５】
本発明の半導体装置の反射防止膜成膜の実際のシーケンスを図３に示す。
【００３６】
この例は、アルミニウム配線膜上に、チタニウムをターゲットとしてチタニウムナイトライド系反射膜を、ＤＣマグネトロンスパッタ法により成膜する場合である。先ず、アルゴンガスおよび窒素ガスをそれぞれ毎分２５ｓｃｃｍの割合で流しながらＴｉＮ膜を成膜した。次いで、このスパッタリング装置を駆動させたままで、窒素ガスの供給をストップして、アルゴンガスのみを毎分５０ｓｃｃｍの割合で流しながら成膜を行った。
【００３７】
図２は、以上のようにして得られたＡｌ系配線膜の具体的な断面構造を示す図である。同図において、１８はＴｉ膜、１９はバリアメタルであるＴｉＮ膜、８はＡｌ系配線膜、２０はＴｉ膜、２１は反射防止膜であるＴｉＮ膜、２２は組成比が連続的に変化する推移膜をそれぞれ示す。
【００３８】
図４は、本発明の半導体装置を使用して、フォトレジスト２３を成膜後、ドライエッチングにてスルーホールを開口した例である。ＴｉＮ膜２１上に推移膜２２を設けたことにより、ＴｉＮ膜は、オーバーエッチングされることなく確実に残っていることがわかる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＴｉＮ膜上に、Ｔｉ膜厚に換算して１０ｎｍ以下の極めて薄い推移膜を有するチタニウムナイトライド（ＴｉＮ）系反射防止膜を成膜することができる。
【００４０】
本発明の反射防止膜は、ドライエッチングにてスルーホールを開口時の層間絶縁膜との選択比は３０〜４０と大きく、上層のスルーホール形成の際には、ＴｉＮ膜のエッチングのストッパーとして機能する。このため反射防止膜が薄い場合でも、ドライエッチングの際に、反射防止膜を安定して残すことが可能になる。また、ＴｉＮからＴｉＮx （ｘは０＜ｘ＜１の数を表す。）を経てＴｉへと連続的に変化するように組成の異なる複数種の膜からなる推移膜は、ＴｉＮ膜の成膜後に連続して数秒で形成可能なため、スループットが低下することも無い。
【００４１】
さらに、極めて薄い膜の形成を行うため、スパッタリングのパワーは必ずしもＴｉＮ形成時と同じにする必要はなく、低ければ低いほど正確に均一な膜を得ることができるので、極めて効率的に成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一態様を示す図である。
【図２】本発明の半導体装置のアルミニウム系配線膜及びチタニウムナイトライド系反射防止膜の断面構造を示す図である。
【図３】本発明のチタニウムナイトライド系反射防止膜の成膜シーケンスの一態様を示す図である。
【図４】本発明の半導体装置にスルーホールを開口した時の断面図を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の一態様を示す図である。
【図６】従来の半導体装置のアルミニウム系配線膜およびチタニウムナイトライド系反射防止膜の断面構造を示す図である。
【図７】従来のチタニウムナイトライド系反射防止膜の成膜シーケンスの一態様を示す図である。
【図８】従来の半導体装置にスルーホールを開口した時の断面図を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…フィールド絶縁膜、３…ゲート絶縁膜、４…ゲート電極、５…層間絶縁膜、６…コンタクトホール、７…コンタクトホール６を埋めるタングステンやアルミニウム等の金属、８…第１層目のＡｌ系配線膜、９…第２層目の層間絶縁膜、１０…スルーホール、１１…該スルーホールを埋めるタングステンやアルミニウム等の金属、１２…第２層目のＡｌ系配線膜、１３…第３層目の層間絶縁膜、１４…スルーホール、１５…該スルーホールを埋めるタングステンやアルミニウム等の金属、１６…第３層目のＡｌ系配線膜、１７…パッシベーション膜、１８…Ｔｉ膜、１９…バリアメタルであるＴｉＮ膜、２０…Ｔｉ膜、２１…反射防止膜であるＴｉ膜、２２…ＴｉＮから連続的にＴｉＮx を経てＴｉに推移する推移膜、２３…フォトレジスト、２４…スルーホール、２５…反射防止膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003671607.tif 000007
【図７】
0003671607.tif 000008
【図８】
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