(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に高融点金属又は高融点金属の窒化物からなる高融点金属層を形成する工程と、
周期表の第III族、第IV族及び第V族の元素のうちから選択されたいずれか１種の元素を含む水素化物又は有機化合物の雰囲気中で前記高融点金属層をアニール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】
前記高融点金属として、チタン、タングステン、タンタル、ハフニウム、バナジウム、ニッケル及びクロムからなる群から選択されたいずれか１種の金属を使用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】
前記高融点金属層は、高融点金属又は高融点金属の窒化物からなる複数の層を積層して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４】
前記アニールは、前記雰囲気中のガスをプラズマ励起して行なうもの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。
【請求項５】
前記アニールは、前記雰囲気中で加熱して行なうもの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。
【請求項６】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜中に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の内壁及び底部に高融点金属又は高融点金属の窒化物からなる高融点金属層を形成する工程と、
周期表の第III族、第IV族及び第V族の元素のうちから選択されたいずれか１種の元素を含む水素化物又は有機化合物の雰囲気中で前記高融点金属層をアニールする工程と、
前記コンタクトホール内に導電層を埋め込む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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、層厚が薄くても優れたバリア性を有する半導体装置のバリア層形成方法に関し、特に直径が小さいコンタクトホール又はビアホールを有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、互いに接触する２つの層を構成する元素が化学反応したり、又は相互拡散すると、所望の特性（例えば電気抵抗等の特性）が変化し、半導体装置の性能が劣化してしまうことがある。このため、２つの層の間にバリア層を設け、このバリア層により両側の層からの元素の拡散を防止している。また、ＣＶＤ法等により半導体基板上に導電体層を形成する際に、ソースガスにより半導体基板がダメージを受けることを防止するために、半導体基板の表面をバリア層で覆うこともある。
【０００３】
バリア層は、一般的に、高融点金属又は高融点金属の窒化物若しくはシリサイドからなり、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）法又はＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）法により形成されている。
図６，図７は従来の半導体装置のバリア層及び配線の形成方法を工程順に示す断面図である。
【０００４】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板３１に所定の素子を構成する不純物拡散層３２を形成した後、基板３１上にシリコン酸化（ＳｉＯ２  ）膜３３を形成する。そして、このシリコン酸化膜３３にコンタクトホール３３ａを選択的に形成する。次に、スパッタ法等により、全面にＴｉＮ層３４を形成する。
次に、シリコン基板３１を酸素雰囲気中で約４５０℃の温度で約３０分間保持するバリアアニールを施し、ＴｉＮ層３４中に酸素を充填して、図６（ｂ）に示すように、バリア層３５を得る。
【０００５】
通常、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法により形成したＴｉＮ層３４は柱状の結晶構造を有し、各結晶の間に比較的大きな隙間が存在する。このＴｉＮ層３４に対し上述の条件でバリアアニールを実施すると、ＴｉＮ層３４の結晶間に酸素が進入してＴｉＮ層３４の組織が密になり、ＴｉＮ層３４がバリア層３５となる。
その後、ＣＶＤ法等により、コンタクトホール３３ａを埋め込むようにして全面にタングステン（Ｗ）膜３６を形成する。
【０００６】
次に、図７（ａ）に示すように、タングステン膜３６をエッチバックし、コンタクトホール３３ａ内にのみタングステン膜３６を残存させて、他の領域のタングステン膜３６を除去する。
次いで、図７（ｂ）に示すように、全面にＴｉ層３７を形成し、更にその上にアルミニウム合金膜３８を形成する。そして、フォトリソグラフィ法により、アルミニウム合金膜３８、Ｔｉ層３７及びバリア層３５をエッチングして所定の配線パターンを形成する。このようにして、下層配線が完成する。
【０００７】
その後、全面に絶縁層を形成した後、上記と同様にコンタクトホールの形成工程、ＴｉＮ層の形成工程、アニール工程、タングステン膜の形成工程、エッチバック、Ｔｉ層の形成工程、アルミニウム合金膜の形成工程及びエッチング工程を経て、上層配線を形成する。また、必要に応じて、更に上層の配線を形成する。このようにして、半導体装置の多層配線が完成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、半導体装置のより一層の高集積化及び小型化に対応して、コンタクトホールやビアホールの直径が小さくなる傾向にある。そうすると、ホール内にはスパッタ膜が付着しにくく、バリア層の厚さが例えば数１０ｎｍ程度に薄くなってしまう。従来の酸素雰囲気中でアニールしたバリア層では、厚さが薄い場合に、バリア層としての機能を十分に果たすことができなくなる。例えば、ＷＦ６  を原料ガスとしてＣＶＤ法によりタングステン膜３６を形成するときに、原料ガス中のフッ素がＴｉＮ層３４を通過し、基板３１のシリコンと反応してフッ化物が生成される。これにより、配線と不純物拡散層３２との接続部の抵抗が大きくなって、所定の特性が得られなくなるという不具合が発生する。
【０００９】
本発明の目的は、組織が疎であって、厚さが薄くても元素の拡散を防止することができて、高集積化した半導体装置に対応できるバリア層が得られる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、半導体基板上に高融点金属又は高融点金属の窒化物からなる高融点金属層を形成する工程と、周期表の第III族、第IV族及び第V族の元素のうちから選択されたいずれか１種の元素を含む水素化物又は有機化合物の雰囲気中で前記高融点金属層をアニール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により解決する。
【００１１】
本願発明者等は、バリア層の組織をより一層密にするべく、種々実験研究を行った。その結果、高融点金属又は高融点金属の窒化物若しくはシリサイドの層（以下、高融点金属層という）をアニールする際に、従来の酸素雰囲気に替えて、第ＩＩＩ  〜Ｖ族の元素を含有する水素化物又は有機化合物ガスの雰囲気とすることにより、従来に比べて組織が密のバリア層が得られるとの知見を得た。
【００１２】
すなわち、前記元素の水素化物又は有機化合物のガスを使用することにより、高融点金属層の結晶の隙間にＳｉ、Ｓｉ金属化合物、ボロン、ボロン金属化合物、リン又はリン金属化合物等が析出する。高融点金属層の結晶の隙間にこれらの析出物が充填されてなるバリア層は、高融点金属層の結晶の隙間に酸素が充填されている従来のバリア層に比べて組織が密である。これにより、層厚が薄いバリア層であっても、元素の拡散を防止することができる。
【００１３】
なお、前記高融点金属としては、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｉ（ニッケル）及びＣｒ（クロム）を使用することができる。
また、前記アニールは、前記水素化物又は有機化合物の雰囲気中で高融点金属層を加熱するものでもよく、前記水素化物又は有機化合物のガスをプラズマ励起するものでもよい。更に、前記アニールは、前記水素化物又は有機化合物の雰囲気中で高融点金属層に光を照射ものでもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
図１は本発明方法の実施に使用する装置を示す模式図である。この装置は、半導体基板１２上に高融点金属をスパッタするためのスパッタチャンバ１０と、半導体基板１２上の高融点金属層をアニールするためのアニールチャンバ２０とを有している。スパッタチャンバ１０とアニールチャンバ２０との間には開閉可能であり、且つ閉じた状態では両者の間を気密的に分離するシャッター１５が設けられている。また、スパッタチャンバ１０の入口部及びアニールチャンバ２０の出口部にも、開閉可能であり、且つ閉じた状態ではチャンバ１０，２０の気密性を保持するシャッター１１，２１が設けられている。
【００１５】
スパッタチャンバ１０は、窒素ガスを供給する窒素ガス供給部（図示せず）に接続されているとともに、チャンバ１０内を排気する排気ポンプ（図示せず）に接続されている。また、スパッタチャンバ１０内には高融点金属のターゲット１３が取り付けられ、スパッタチャンバ１０内に載置された半導体基板１２上に高融点金属をスパッタするようになっている。
【００１６】
一方、アニールチャンバ２０は、ガス供給部（図示せず）に接続されていて、このガス供給部から第ＩＩＩ  〜Ｖ族の元素（例えば、Ｓｉ、Ｂ又はＰ等）を含む水素化物又は有機化合物を含むガスが供給される。また、アニールチャンバ２０は排気ポンプ（図示せず）に接続されている。そして、アニールチャンバ２０にはヒータ２３が設けられていて、このヒータ２３によりチャンバ２２内に載置された基板２２を所望の温度に加熱するようにっている。
【００１７】
図２，３は本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、公知の方法により、所定の不純物拡散層２が形成されたシリコン基板１上にシリコン酸化膜３を形成し、このシリコン酸化膜３にコンタクトホール３ａを選択的に形成する。
【００１８】
次に、シリコン基板１を図１に示す装置のスパッタチャンバ１０内に載置し、スパッタチャンバ１０内を高真空にした後、ガス供給部からチャンバ１０内に窒素ガスを供給し、Ｔｉをターゲットにしてスパッタする。このようにして、基板１上の全面にＴｉＮからなる高融点金属層４を５０ｎｍの厚さに形成する。
高融点金属層４の材料としては、上記のＴｉＮの他に、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｉ及びＣｒなどの高融点金属又はこれらの高融点金属の窒化物若しくはシリサイドを使用することができる。例えば、蒸着等の方法によりシリコン基板１上にＴｉ層を形成し、熱処理によりＴｉとＳｉとを反応させて形成したチタンシリサイド層を高融点金属層４としてもよい。また、ＣＶＤ法により、シリコン基板１上に直接チタンシリサイド層を形成してもよい。
【００１９】
次に、基板１をスパッタチャンバ１０からアニールチャンバ２０に移動させて、基板１をアニールチャンバ２０内に載置する。そして、アニールチャンバ２０内に第ＩＩＩ  〜Ｖ族の元素を含有する水素化物又は有機化合物のガスを導入し、ヒータ２３により１００〜６００℃の温度に加熱して、１〜２０分間保持する。
このバリアアニール処理により、ＴｉＮからなる高融点金属層４の柱状結晶の間に、例えばＳｉ、Ｂ又はＰが侵入して、図２（ｂ）に示すように、高融点金属層４が密な組織を有するバリア層５となる。
【００２０】
例えば、第ＩＶ族のＳｉを含有する水素化物としては、ＳｉＨ４  （シラン）、Ｓｉ２  Ｈ６  （ジシラン）、Ｓｉ３  Ｈ８  （トリシラン）等がある。Ｓｉを含有する有機化合物としては、ＳｉＨ３  （ＣＨ３  ）（メチルシラン）、Ｓｉ（ＣＨ３  ）４  （テトラシラン）、ＳｉＯＨ（ＣＨ３  ）４  （トリメチルシラノール）、Ｓｉ（ＳＣＨ３  ）（ＣＨ３  ）３  （トリメチル（トリフルオロメタンスルホニルオキシ）シラン）、Ｓｉ（ＣＮ）（ＣＨ３  ）３  （シアノトリメチルシラン）、Ｓｉ（ＣＨ３  ）３  （ＣＨ２  ＣＯＯＣ２  Ｈ５  ）（（エトキシカルボニルメチル）トリメチルシラン）、Ｓｉ（ＣＨ３  ）３  （Ｃ３  Ｈ５  ）（アリルトリメチルシラン）、ＳｉＨ２  （ＣＨ３  ）２  （ジメチルシラン）、Ｓｉ（ＣＨ３  ）４  （テトラエチルシラン）、ＳｉＨ（Ｃ２  Ｈ５  ）３  （トリエチルシラン）及びＳｉ（Ｃ６  Ｈ５  ）４  （テトラフェニルシラン）等がある。
【００２１】
また、例えば、第ＩＩＩ  族のＢを含有する水素化物としては、Ｂ２  Ｈ６  （ジボラン）、Ｂ４  Ｈ１０（テトラボラン）、Ｂ５  Ｈ９  （ペンタボラン）、Ｂ６  Ｈ１０（ヘキサボラン）及びＢ１０Ｈ１４（デカボラン）等がある。
更に、例えば、第Ｖ族のＰを含有する水素化物としては、Ｐ２  Ｈ４  （ジホスフィン）及びＰＨ３  （ホスフィン）等がある。Ｐを含有する有機化合物としては、Ｐ（ＣＮ）３  （トリシアノリン）、Ｐ（ＳＣＮ）３  （トリス（チオシアナト）ホスフィン）等がある。
【００２２】
その後、ＣＶＤ法等により、コンタクトホール３ａを埋め込むようにしてバリア層５上の全面にタングステン膜６を形成する。そして、このタングステン膜６をエッチバックして、図３（ａ）に示すように、コンタクトホール３ａ内にのみタングステン膜６を残存させ、他の領域のタングステン膜６を除去する。
次いで、図３（ｂ）に示すように、全面にＴｉ層７を形成し、このＴｉ層７上にアルミニウム合金膜８を形成した後、フォトリソグラフィ法により、アルミニウム合金膜８、Ｔｉ層７及びバリア層５をエッチングして所定の配線パターンを形成する。
【００２３】
その後、上記と同様にして、基板１上の全面に絶縁膜を形成し、コンタクトホール形成工程、高融点金属層形成工程、アニール工程、タングステン膜形成工程、エッチバック、Ｔｉ層形成工程、アルミニウム合金膜形成工程及びエッチング工程を経て、上層配線を形成する。また、必要に応じて、更に上層の配線を形成する。このようにして、半導体装置の多層配線が完成する。
【００２４】
本実施の形態においては、第ＩＩＩ  〜Ｖ族の元素を含有する水素化物又は有機化合物のガス雰囲気中でＴｉＮからなる高融点金属層４をアニールするので、ＴｉＮの柱状結晶の隙間に例えばシリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、シリコン金属化合物、ボロン、ボロン金属化合物、リン又はリン化合物が析出し、従来の柱状結晶の間に酸素が充填されているバリア層に比べてバリア層が密に形成される。これにより、従来に比べてバリア性が優れたバリア層５が得られ、バリア層５の層厚が薄い場合であってもタングステン膜６形成時にフッ素がバリア層５中を拡散することを回避できる。これにより、半導体装置の信頼性が向上する。
【００２５】
なお、上述の実施の形態においては、Ｓｉ等を含有する水素化物の雰囲気中でアニールする場合について説明したが、前記雰囲気中でプラズマ励起を行なったり、又は光を照射することにより、バリアアニールを行なってもよい。
以下、本実施の形態の半導体装置の製造方法により実際にバリア層を形成し、Ｓｉの充填の程度を調べた結果について説明する。
【００２６】
まず、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成し、スパッタ法によりシリコン酸化膜上にＴｉＮ膜を４００ｎｍの厚さに形成した。その後、シリコン基板をチャンバ内に配置し、Ｓｉ２  Ｈ６  を４０５ｃｃｍ、Ｈ２  を１０００ｃｃｍの流量でアニールチャンバ内に供給し、圧力が１０Ｔｏｒｒの雰囲気中で基板１を５００℃の温度に１０分間保持するバリアアニール処理を実施した。
【００２７】
その後、ＴｉＮ層中のＳｉ量を調べるために、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ）で深さ方向におけるＳｉの分布を調べた。
図４（ａ）は、横軸にＴｉＮ層の表面からの深さ（ｎｍ）をとり、縦軸に測定強度（Ｃｏｕｎｔ  Ｐａｒ  Ｓｅｃｏｎｄ）をとって、ＴｉＮからなる高融点金属層４を成膜した直後におけるＳＩＭＳの分析結果を示している。また、図４（ｂ）は、高融点金属層４に対しアニール処理を施してバリア層５とした後のＳＩＭＳの分析結果を示している。この図４（ａ），（ｂ）から、アニール処理によりＴｉＮ層中に多量のＳｉが充填されていることがわかる。なお、ＳＩＭＳでは、Ｔｉに比べてＳｉの検出感度が高いため、例えば図４（ｂ）では表面近傍でＴｉよりもＳｉを多く検出している。
【００２８】
また、バリアアニール後の半導体装置に電極を設けて電圧を印加し、リーク電流を測定したところ、同じ層厚のバリア層に比べてリーク電流は約１／１０に減少した。
なお、上述の実施の形態においては、バリア層４がＴｉＮの単層の場合について説明したが、例えば図５に示すように、バリア層５を、Ｔｉ層５ａとＴｉＮ層５ｂとの２層構造としてもよく、バリア層５をＴｉ層とＴｉＮ層との３層以上の多層構造としてもよい。また、バリア層の材料として、Ｔｉ、ＴｉＮの他に、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｉ及びＣｒ並びにこれらの金属の窒化物及びシリサイドを使用してもよい。
【００２９】
更に、上述の実施の形態においては、ＳｉＨ４  又はＳｉ２  Ｈ４  を含む雰囲気中で加熱することによりバリアアニールする場合について説明したが、ＳｉＨ４  又はＳｉ２  Ｈ４  を含むガスをプラズマ励起することによりバリアアニールしてもよく、更に、ＳｉＨ４  又はＳｉ２  Ｈ４  を含む雰囲気中で光を照射することによりバリアアニールしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板上に高融点金属又は高融点金属の窒化物若しくはシリサイドからなる高融点金属層を形成し、この高融点金属層に対し、周期表の第ＩＩＩ  〜Ｖ族の元素のうちから選択されたいずれか１種の元素を含む水素化物又は有機化合物の雰囲気中でアニールを施すので、高融点金属等の結晶の隙間に例えばシリコン、Ｓｉ金属化合物、ボロン、ボロン金属化合物、リン又はリン化合物が析出して、バリア層の組織が密になる。これにより、従来方法により形成されたバリア層に比べて、元素の拡散をより確実に防止することができて、半導体装置の歩留りが向上するとともに、半導体装置の特性が安定化するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の実施に使用する装置を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図３】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図４】（ａ）はＴｉＮからなる高融点金属層を成膜した直後におけるＳＩＭＳの分析結果を示す図、（ｂ）は融点金属層に対しアニール処理を施してバリア層とした後のＳＩＭＳの分析結果を示す図である。
【図５】高融点金属層を２層構造とした例を示す断面図である。
【図６】従来の半導体装置のバリア層及び配線の形成方法を示す断面図（その１）である。
【図７】従来の半導体装置のバリア層及び配線の形成方法を示す断面図（その２）である。
【符号の説明】
１，３１  シリコン基板
２，３２  不純物拡散層
３，３３  シリコン酸化膜
４，３４  高融点金属層（ＴｉＮ層）
５，３５  バリア層
６，３６  タングステン膜
７，３７  Ｔｉ層
８，３８  アルミニウム合金膜
１０  スパッタチャンバ
１１，１５，２１  シャッター
１３  ターゲット
２０  アニールチャンバ
２３  ヒータ
【図１】
0003592451.tif 000002
【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】
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【図７】
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