(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に拡散層が形成されたシリコン基板上に堆積した層間絶縁膜に０．５μｍ程度の径のコンタクトホールを形成する工程と、
バリアメタルとしての第１の高融点金属膜及び厚さ０．１５〜０．２２μｍの第１の窒化チタン膜を形成し、酸素及び窒素雰囲気で熱処理することにより、上記第１の窒化チタン膜のバリア性を向上させる工程と、厚さ０．０６〜０．０８μｍの第２の窒化チタン膜及び第２の高融点金属膜及び第１のアルミニウムを含む配線膜を順次同一雰囲気中で、大気にさらすことなく形成した後、第２のアルミニウムを含む配線膜を上記コンタクトホールに埋設する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２】
上記第１の高融点金属膜及び第２の高融点金属膜はチタンであ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。
【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、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールにアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金からなる配線を埋め込む技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜に形成されるコンタクトホールも微細化、高アスペクト比化されてきている。微細化されたコンタクトホールを良好に導通させるために配線材料の金属を埋め込む方法として、高温Ａｌスパッタ、高温Ａｌリフロー、タングステンＣＶＤ、などがある。これらのうち高温Ａｌスパッタ、高温ＡｌリフローはタングステンＣＶＤに比べ、低抵抗材料でコンタクトホールを埋め込むことができることと、配線とプラグとを同時に形成できるため低コストである点で注目されている。
【０００３】
高温Ａｌスパッタとは、基板を４００〜５００℃に加熱した状態で、Ａｌ若しくはＡｌ合金などのＡｌ系材料をスパッタすることにより、Ａｌをリフローさせ、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール内にＡｌ系材料で埋め込む技術である。
【０００４】
層間絶縁膜上に設けられた配線とＳｉ基板の拡散層を電気的に接続するコンタクトホールにＡｌ系材料を埋め込む場合には、ＡｌがＳｉ基板の拡散層に異常拡散するうスパイクと呼ばれる現象により生ずる接合リークを防止するために、バリアメタルが必要である。一般に、バリアメタルにはＴｉＮ膜やＴｉＷ膜が用いられており、ＴｉＮ膜を使用する場合は、通常はコンタクト抵抗を低くするために、ＴｉＮ／Ｔｉの積層構造で用いられている。
【０００５】
また、高温スパッタでＡｌを埋め込むためにはＴｉＮ膜１６に直接Ａｌ１７を形成すると、Ａｌのリフローが完全でなく、図２に示すようなボイド１８が生じやすいため、濡れ性を良くするためにバリア膜であるＴｉＮ膜上にＴｉ膜を形成したＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ構造で用いる。
【０００６】
しかしながら、微細化が進み、コンタクトホールがハーフミクロン以下になると、スパッタによりバリアメタルを形成する場合、コンタクトホール底部のバリア膜厚が薄くなるため、従来のＴｉＮ膜ではバリア性が十分でなくなる。
【０００７】
そこで、バリア性を高めるために、例えば特開平７−２９８５３号公報にバリアメタルのＴｉＮ膜を窒素処理することにより、バリア性を高める方法が示されている。
【０００８】
すなわち、図３（ａ）に示すように、拡散層１２が形成されたＳｉ基板１１上に形成された層間絶縁膜１３にコンタクトホール１４を形成する。その上に、図３（ｂ）に示すようにＴｉ膜１５を形成し、続けてＴｉＮ膜１６を形成する。そして、窒素雰囲気中でアニールすることによって、図２（ｃ）のように、ＴｉＮ改質膜１６ａを形成し、バリア性を高める方法が示されている。
【０００９】
また、特開平５−２５９１１６号公報には、図４に示すようにバリア膜としてバリア性の高いＴｉＯＮ膜１９を使うＴｉ２０／ＴｉＯＮ１９／Ｔｉ１５構造とすることが示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特開平７−２９８５３号公報では、濡れ層としてＴｉＮを用いているが、コンタクトホールをＡｌ系材料で埋め込む場合、Ｔｉが濡れ層として大変優れている。
【００１１】
しかしながら、バリア膜となるＴｉＮ膜上に直接Ｔｉ膜を形成した場合、ボイドが発生しやすい。これは、バリア膜がバリア性向上処理（窒素処理又は窒素及び酸素雰囲気アニール処理）中に、多少酸化され、それより上に形成されたＡｌ系材料とＴｉ膜との界面の酸化されて、濡れ性が悪くなるからである。特開平５−２５９１１６号公報でも、ＴｉＯＮ膜上に濡れ層としてＴｉを形成しているため、Ｔｉが酸化して濡れ性が悪くなる。
【００１２】
濡れ層のＴｉの酸化を防止する方法として、例えば、特開平６−８５０８４号公報によれば、層間絶縁膜に開けたコンタクトホール内に、Ａｌ系材料を埋め込む際にコンタクトホールに酸化防止膜としてノンドープポリシリコン膜や不純物導入ポリシリコン膜をコンタクトホール側壁部に形成する方法が提案されている。
【００１３】
しかしながら、これらの膜は抵抗が高く、コンタクトホール抵抗を下げるためにコンタクトホール底部の膜を除去する必要があり、工程が複雑となる問題がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、表面に拡散層が形成されたシリコン基板上に堆積した層間絶縁膜に０．５μｍ程度の径のコンタクトホールを形成する工程と、
バリアメタルとしての第１の高融点金属膜及び厚さ０．１５〜０．２２μｍの第１の窒化チタン膜を形成し、酸素及び窒素雰囲気で熱処理することにより、上記第１の窒化チタン膜のバリア性を向上させる工程と、厚さ０．０６〜０．０８μｍの第２の窒化チタン膜及び第２の高融点金属膜及び第１のアルミニウムを含む配線膜を順次同一雰囲気中で、大気にさらすことなく形成した後、第２のアルミニウムを含む配線膜を上記コンタクトホールに埋設する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項２に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、上記第１の高融点金属膜及び第２の高融点金属膜はチタンであり、且つ、上記第２の高融点金属の窒化膜は窒化チタンであ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である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態に基づいて、本発明について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態の半導体装置の製造工程図であり、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は第１のＴｉＮ膜、６ａは改質ＴｉＮ膜、７は第２のＴｉＮ膜、８は第２のＴｉ膜、９ａは第１のＡｌ系配線膜、９ｂは第２のＡｌ系配線膜である。
【００１８】
まず、表面に拡散層２が形成されたシリコン基板１上に膜厚１．０μｍ程度の層間絶縁膜３が形成される。公知のリソグラフィ技術、ドライエッチング技術により、拡散層２に達するコンタクトホール４が層間絶縁膜３に形成される。コンタクトホール４の径は０．５μｍ程度である。
【００１９】
続いて、例えばスパッタリングにより、０．０２〜０．０６μｍ、例えば０．０３μｍ程度の膜厚の第１のＴｉ膜５及び０．１５〜０．２２μｍ、例えば０．１８μｍ程度の膜厚の第１のＴｉＮ膜６が形成される。
【００２０】
続いて、第１のＴｉＮ膜６のバリア性の向上のために、５００〜６００℃、４０分間の窒素処理又は窒素及び酸素雰囲気の炉内でアニール処理を行う。この処理により、第１のＴｉＮ膜６の膜質が変化し、ＴｉＮの結晶性が向上することと、ＴｉＮ粒界にＴｉＯｘやＴｉ（ＯＮ）ｘが取り込まれることにより、熱的、化学的に安定なＴｉＮ膜６ａとなる。このＴｉＮ膜６ａは膜中若しくは少なくとも膜表面に酸素を含んでいる。
【００２１】
次に、同一雰囲気中で、大気にさらすことなく、好ましくは膜厚０．０６〜０．０８μｍ、例えば０．０７μｍ程度の第２のＴｉＮ膜７と、好ましくは膜厚０．０５〜０．０７μｍ、例えば０．０６μｍ程度の第２のＴｉ膜８とＡｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ系配線膜（例えば、Ａｌ−Ｃｕ０．５％、Ａｌ−Ｓｉ０．５％など）９を形成する。
【００２２】
しかしながら、第２のＴｉＮ膜７の膜厚が０．０５μｍより薄い場合は、コンタクトホール底部付近のコンタクトホール側壁部に十分な厚さの第２のＴｉＮ膜７が付着せず、Ａｌのリフローが完全でなくボイドが生じるという問題があり、また、０．１μｍより厚いと第２のＴｉＮ膜７によりコンタクトホール上部が狭くなり、Ａｌ系配線膜９がコンタクトホール内に入りにくくなり、ボイドが生じるという問題がある。
【００２３】
また、第２のＴｉ膜８の膜厚が０．０４μｍより薄い場合は、コンタクトホール底部付近のコンタクトホール側壁部に十分な厚さの第２のＴｉ膜８が付着せず、Ａｌのリフローが完全でなく、ボイドが生じるという問題があり、また、０．１２μｍより厚いと第２のＴｉ膜８によりコンタクトホール上部が狭くなり、Ａｌ系配線膜９がコンタクトホールに入りにくくなり、ボイドが生じるという問題がある。
【００２４】
また、Ａｌ系配線膜９は高温スパッタ法によって基板温度５０〜１５０℃、例えば１００℃で、好ましくは０．２７〜０．３３μｍ、例えば０．３μｍの厚さで、第１のＡｌ系配線膜９ａを形成し、続いて、基板温度４７０℃で好ましくは０．２５〜０．６μｍ、例えば０．３μｍの厚さで、第２のＡｌ系配線膜９ｂを形成する。
【００２５】
また、第２のＡｌ系配線膜９ｂの基板温度が４５０℃より低いとＡｌのリフローが完全でなく、ボイドが生じるという問題がある。また、第１のＡｌ系配線膜９ａの膜厚が０．２５μｍより薄いと、第２のＡｌ系配線膜９ｂの膜表面が荒れて、局所的にＡｌのリフローされないコンタクトホールが生じ、且つ、コンタクトホール底部付近のコンタクトホール側壁部に十分な厚さの第１のＡｌ系配線膜９ａが付着せず、Ａｌのリフローが完全でなくボイドが生じるという問題があり、また、０．５μｍより厚いと、第１のＡｌ系配線膜によりコンタクトホール上部が狭くなり、第２のＡｌ系配線膜９ｂが入りにくくなるという問題がある。また、第２のＡｌ系配線膜９ｂの膜厚が０．１７μｍより薄いと、第２のＡｌ系配線膜厚が不足し、且つ、Ａｌリフローに十分な時間が与えられないので、ボイドが生じるという問題がある。
【００２６】
このとき、第２のＴｉ膜８と第１のＡｌ系配線膜９ａが反応して、Ｔｉ−Ａｌ合金膜８ａとなる。この結果、コンタクトホール４内にボイドなく、拡散層２にスパイクなく、Ａｌ系配線膜９ｂによって埋め込まれる。
【００２７】
改質されたＴｉＮ膜６ａとＴｉ膜８との間に別途ＴｉＮ膜７を形成する理由は、ＴｉＮ膜６ａの膜中もしくは膜表面に含まれる酸素によってＴｉ膜８が酸化され、Ａｌ系合金膜９との濡れ性が悪化し、ボイドが生じるのを防ぐことにある。また、ＴｉＮ膜７上にさらにＴｉ膜８を形成するのは、ＴｉＮ膜単独では、Ｔｉ膜と比べると濡れ性が悪いので、０．５μｍ程度のコンタクトホール径ではある程度ボイドが生じてしまうからである。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、Ａｌ系合金材料を０．５μｍ程度のコンタクトホールに埋め込む際、コンタクトホール内にボイドを発生することなく、かつ、拡散層スパイクを発生することなく埋め込むことができる。
【００２９】
また、請求項２に記載の本発明を用いることにより、より濡れ性のよい層であるＴｉ膜の酸化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造工程図である。
【図２】第１の従来技術の半導体装置の製造工程図である。
【図３】第２の従来技術の半導体装置の製造工程の一部断面図である。
【図４】従来技術の課題の説明に供する図である。
【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  第１のＴｉＮ膜
６ａ  改質ＴｉＮ膜
７  第２のＴｉＮ膜
８  第２のＴｉ膜
９ａ  第１のＡｌ系配線膜
９ｂ  第２のＡｌ系配線膜
【図１】
0003625652.tif 000002
【図２】
0003625652.tif 000003
【図３】
0003625652.tif 000004
【図４】
0003625652.tif 000005