(57)【要約】【課題】  導電部材の拡散を良好に防止しかつ電気抵抗の低いバリア層を形成する。【解決手段】  導電層３上に配置される層間絶縁層５に形成されたコンタクトホール７１の内壁面７１ａにバリア層７２を形成するバリア層形成方法であって、上記コンタクトホール７１を形成した後に、アブレーションを発生させることによって蒸発させたバリア層形成材料４を上記コンタクトホール７１の内壁面７１ａに付着させることで上記バリア層７２を形成する。【選択図】              図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層上に配置される層間絶縁層に形成されたコンタクトホールの内壁面にバリア層を形成するバリア層形成方法であって、
前記コンタクトホールを形成した後に、アブレーションを発生させることによって蒸発させたバリア層形成材料を前記コンタクトホールの内壁面に付着させることで前記バリア層を形成することを特徴とするバリア層形成方法。
【請求項２】
前記バリア層形成材料は、予め前記導電層と前記層間絶縁層との間に層として配置されていることを特徴とする請求項１記載のバリア層形成方法。
【請求項３】
前記バリア層形成材料と前記導電層とは、異なる金属材料であることを特徴とする請求項１または２記載のバリア層形成方法。
【請求項４】
前記コンタクトホールの内壁面に付着した前記バリア層形成材料を窒素で還元することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のバリア層形成方法。
【請求項５】
前記バリア層形成材料にレーザ光を照射することによって前記アブレーションを発生させることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のバリア層形成方法。
【請求項６】
前記レーザ光に対して非吸収特性を有するレーザ光透過部材を前記層間絶縁層に対向配置し、前記バリア層形成材料に前記レーザ光透過部材を介して前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項５記載のバリア層形成方法。
【請求項７】
前記バリア層形成材料は、ＴｉあるいはＴａであることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載のバリア層形成方法。
【請求項８】
層間絶縁層を挟んで積層される導電層と第２導電層とを接続するコンタクト部を備える半導体装置の製造方法であって、
前記導電層上に配置された層間絶縁層にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールの内壁面に対して、請求項１〜７いずれかに記載のバリア層形成方法によってバリア層を形成する工程と、
前記コンタクトホールに導電部材を充填することによって前記コンタクト部を形成する工程と、
前記層間絶縁層上に前記第２導電層を配置する工程と
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９】
導電層、層間絶縁層及び第２導電層が順次積層され、前記導電層と前記第２導電層とが前記層間絶縁層に形成されるコンタクト部によって接続される構造を有する半導体装置であって、
前記コンタクト部と前記層間絶縁層との間に配置されるバリア層を形成するためのバリア層形成材料が前記導電層と前記層間絶縁膜との間に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バリア層形成方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、複数の配線層（導電層）が積層されてなる半導体装置は配線層と異なる配線層の間に層間絶縁層を備えており、各配線層はコンタクト部を介して電気的に導通されている。このようなコンタクト部は、層間絶縁層に形成されたコンタクトホールに導電部材を充填することによって形成されており、配線層と異なる配線層との良好な電気的接続を実現するべく、電気抵抗が低いことが望ましい。このため、一般的に、導電部材としては銅（Ｃｕ）が用いられている。
ところが、コンタクトホールに直接銅（Ｃｕ）等を充填した場合には、銅（Ｃｕ）が層間絶縁層に拡散し、コンタクト部における電気抵抗が増加する。また、さらに銅（Ｃｕ）の層間絶縁層への拡散が広がると、層間絶縁層における絶縁性が保てなくなり、短絡の原因となる。このため、従来の半導体装置は、コンタクトホールの内壁面に導電部材の層間絶縁層への拡散を防止するバリア層を形成し、このバリア層を介して導電部材をコンタクトホール内に充填している。
【０００３】
このようなバリア層は、まずスパッタリング法によって、層間絶縁層上にバリア層形成材料からなる膜を形成し、その後エッチングによって不要な部分を取り去り、さらに窒素で還元することによって形成されている。このバリア層形成材料としては、一般的にチタンやタンタル等が用いられている。
【特許文献１】特開平９−２１３７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述のように、スパッタリング法を用いて層間絶縁層上にバリア層形成材料から膜を形成する場合には、コンタクトホールにおける内壁面上とコンタクトホールによって露出した配線層上とにほぼ同一の厚みの膜が形成される。
【０００５】
バリア層の電気抵抗は配線層の電気抵抗よりも高いため、コンタクト部における良好な電気的導通を得るためには、その厚みは薄いほうが好ましい。しかしながら、導電部材の層間絶縁層への拡散を防止するためには、ある程度の膜厚が必要とされる。すなわち、コンタクトホールによって露出した配線層上の膜厚は薄く、コンタクトホールにおける内壁面上の膜厚は厚いことが好ましい。このため、上述のようにスパッタリング法による製膜では、導電部材の拡散を良好に防止しかつ電気抵抗の低いバリア層を形成することは困難であった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、導電部材の拡散を良好に防止しかつ電気抵抗の低いバリア層を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るバリア層形成方法は、導電層上に配置される層間絶縁層に形成されたコンタクトホールの内壁面にバリア層を形成するバリア層形成方法であって、上記コンタクトホールを形成した後に、アブレーションを発生させることによって蒸発させたバリア層形成材料を上記コンタクトホールの内壁面に付着させることで上記バリア層を形成することを特徴とする。
【０００８】
このような特徴を有する本発明に係るバリア層形成方法によれば、アブレーションを発生させることによって蒸発されたバリア層形成材料をコンタクトホールの内壁面に付着させることでバリア層が形成される。このため、蒸発対象であるバリア層形成材料の配置場所によって、バリア層の膜厚を容易にコントロールすることができる。すなわち、バリア層形成材料が配置される場所はバリア層形成材料自体がシールドとなり蒸発されたバリア層形成材料が付着しづらいが、バリア層形成材料が配置されていない場所は、シールドするものがないため、蒸発したバリア層形成材料が付着しやすい。このため、アブレーションを発生させる時間を変更することによって、各箇所における蒸発したバリア層形成材料が付着量を変化させることができる。例えば、バリア層形成材料をコンタクトホールによって露出した導電層上に配置し、アブレーションをある程度長く発生させることによって、コンタクトホールによって露出した導電層上に形成されるバリア層を薄くし、コンタクトホールの内壁面上に形成されるバリア層を厚くすることができる。したがって、導電部材の拡散を良好に防止しかつ電気抵抗の低いバリア層を形成することが可能となる。
【０００９】
また、本発明に係るバリア層形成方法は、バリア層形成材料を予め上記導電層と層間絶縁層との間に層として配置し、この層として配置されたバリア層形成材料をアブレーションを発生させることによって蒸発させても良い。
このように、バリア層形成材料を予め導電層と層間絶縁層との間に配置することによって、コンタクトホールを形成した後に、このコンタクトホール内においてアブレーションを発生させることによって、容易にバリア層を形成することができる。例えば、アブレーションをある程度長く発生させることによって、コンタクトホールにおいて露出したバリア層形成材料からなる層が蒸発され薄くなる。またこれに伴って、コンタクトホールの内壁面上に蒸発されたバリア層形成材料が厚く付着される。したがって、容易に導電部材の拡散を良好に防止しかつ電気抵抗の低いバリア層を形成することが可能となる。
【００１０】
また、例えば、製造コストの増加が許される場合には、導電層とバリア層形成材料を金（Ａｕ）によって一体形成することによって、導電層とバリア層形成材料を別体で配置する必要がなくなる。しかしながら、一般的な半導体装置にこのような製造コストの増加は許されない。したがって、本発明に係るバリア層形成方法においては、上記バリア層形成材料と上記導電層とが異なる金属材料であることが好ましい。具体的には、バリア層形成材料としてチタン（Ｔｉ）あるいはタンタル（Ｔａ）を用い、導電層としてアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。
【００１１】
また、本発明に係る本発明に係るバリア層形成方法においては、上記コンタクトホールの内壁面に付着した上記バリア層形成材料を窒素で還元することが好ましい。
このように、バリア層形成材料を窒素で還元することによって、耐腐食性に優れたバリア層とすることができる。
なお、一般的に、バリア層形成材料を窒素で還元する場合には、バリア層形成材料は加熱雰囲気で窒素ガスを吹付けられることによって還元される。このため、アブレーションを発生させることによって付着されたバリア層形成材料を加熱する工程と、付着されたバリア層形成材料に対して窒素ガスを吹付ける工程とが必要となる。しかしながら、アブレーションを発生させることによって蒸発されたバリア層形成材料は加熱状態であるため、付着直後に窒素ガスをバリア層形成材料に吹付けることによって、バリア層形成材料を窒素で還元することもできる。この場合には、バリア層形成材料を加熱する工程とが不必要となる。
【００１２】
また、本発明に係るバリア層形成方法において、アブレーションを発生させる場合には、上記バリア層形成材料にレーザ光を照射することによって発生させることができる。ただし、ただ単にレーザ光をバリア層形成材料に照射するのみでアブレーションを発生させるためには高出力のレーザ光が必要となるため、本発明に係るバリア層形成方法においては、上記レーザ光に対して非吸収特性を有するレーザ光透過部材を上記層間絶縁層に対向配置し、上記バリア層形成材料に上記レーザ光透過部材を介して上記レーザ光を照射することが好ましい。このように、レーザ光透過部材を介してレーザ光を照射することによって、レーザ光透過部材とバリア層形成材料との間においてプラズマが閉じ込められるため、より低い出力のレーザ光でアブレーションを発生させることが可能となる。
【００１３】
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、層間絶縁層を挟んで積層される導電層と第２導電層とを接続するコンタクト部を備える半導体装置の製造方法であって、上記導電層上に配置された層間絶縁層にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールの内壁面に対して、本発明に係るバリア層形成方法によってバリア層を形成する工程と、上記コンタクトホールに導電部材を充填することによって上記コンタクト部を形成する工程と、上記層間絶縁層上に上記第２導電層を配置する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
このような特徴を有する半導体装置の製造方法によれば、バリア層が本発明に係るバリア層形成方法によって形成されるため、導電部材の拡散を良好に防止しかつ電気抵抗の低いバリア層を有する半導体装置を製造することが可能となる。
【００１５】
次に、本発明に係る半導体装置は、導電層、層間絶縁層及び第２導電層が順次積層され、上記導電層と上記第２導電層とが上記層間絶縁層に形成されるコンタクト部によって接続される構造を有する半導体装置であって、上記コンタクト部と上記層間絶縁層との間に配置されるバリア層を形成するためのバリア層形成材料が上記導電層と上記層間絶縁膜との間に配置されていることを特徴とする。
【００１６】
このような特徴を有する本発明に係る半導体装置によれば、導電層と層間絶縁膜との間にバリア層形成材料が配置されている。このため、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールによって露出されたバリア層形成材料を蒸発させることによって、容易にバリア層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係るバリア層形成方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置の一実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る半導体装置１の断面を示した図である。この図に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、基板２と、第１配線層３（導電層）と、チタン層４（バリア層形成材料）と、層間絶縁層５と、第２配線層６（第２導電層）とが積層された構造を有している。そして、第１配線層３と第２配線層６とがコンタクト部７によって電気的に接続されている。
【００１９】
このコンタクト部７は、層間絶縁層５に形成されるコンタクトホール７１と、コンタクトホール７１の内壁面７１ａ上及びコンタクトホール７１によって露出される第１配線層３上を覆うバリア層７２と、このバリア層７２を介してコンタクトホール７１の内部に充填される導電部材７３とによって構成されている。
なお、本実施形態に係る半導体装置１においては、基板２がシリコンウエハからなり、第１配線層３及び第２配線層６がアルミニウム（Ａｌ）によって形成され、導電部材７３が銅（Ｃｕ）によって形成され、バリア層７２が窒化チタン（ＴｉＮ）によって形成されている。
【００２０】
バリア層７２は、コンタクトホール７１の内壁面７１ａに対応する部位７２ａの膜厚と第１配線層３に対応する部位７２ｂとの膜厚とが異なり、コンタクトホール７１の内壁面７１ａに対応する部位７２ａの膜厚が第１配線層３に対応する部位７２ｂの膜厚よりも厚く形成されている。
【００２１】
このような構成を有する本実施形態に係る半導体装置１によれば、バリア層７２がコンタクトホール７１の内壁面７１ａに対応する部位７２ａにおいて厚く形成されているため、導電部材７１の層間絶縁層５への拡散を良好に防止することができる。また、バリア層７２が第１配線層３に対応する部位７２ｂにおいて薄く形成されているため、コンタクト部７における電気抵抗を低くすることができる。
【００２２】
次に、このように構成された本実施形態に係る半導体装置１の製造方法について図２及び図３を参照して説明する。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、基板２上に、例えばスパッタリング法によってアルミニウム（Ａｌ）を付着させ第１配線層３を形成する。その後、図２（ｂ）に示すように、第１配線層３上に、例えばスパッタリング法によってチタン（Ｔｉ）を付着させチタン層４（バリア層形成材料）を形成する。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すように、チタン層４上に、例えばスピンコート法によってレジスト樹脂を塗布し層間絶縁層５を形成する。その後、図２（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ法によって層間絶縁層５にコンタクトホール７１を形成する。
【００２５】
続いて、図３（ｅ）に示すように、レーザ光Ｌに対して非吸収特性を有する板状のレーザ光透過部材Ｐを層間絶縁層５に対向配置し、コンタクトホール７１において露出されたチタン層４にレーザ光透過部材Ｐを介してレーザ光Ｌを照射する。この際、レーザ光Ｌがチタン層４に照射されることによって、プラズマが発生する。そして、このプラズマがチタン層４とレーザ光透過部材Ｐとの間に閉じ込められることによってプラズマ・ブルームＸが形成され、このプラズマ・ブルームＸにさらにレーザ光Ｌが照射される。これによって、レーザ光Ｌとプラズマとの相互作用によりアブレーションが発生する。なお、本実施形態においては、プラズマを効率的に発生させるために、真空雰囲気においてレーザ光Ｌをチタン層４に照射する。
【００２６】
そして、このアブレーションの発生によってチタン層４が蒸発され、コンタクトホール７１の内壁面７１ａに付着する。このような、アブレーションを発生させる時間を長くすることによって、チタン層４が蒸発されて薄くなると共に、より多くの蒸発されたチタンがコンタクトホール７１の内壁面７１ａに付着される。そこで、本実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、図３（ｆ）に示すように、第１配線層３上に残るチタン層４の厚みがコンタクトホール７１の内壁面７１ａに付着されるチタンＴの厚みよりも薄くなるようにアブレーションの発生時間を制御する。なお、具体的には、レーザ光としてＮｄ：ＹＡＧレーザ、レーザ光透過部材Ｐとして石英ガラスを用いることができる。
【００２７】
次に、基板２全体を加熱雰囲気中に載置し、窒素ガスをコンタクトホール７１内に吹付けることによって耐腐食性に優れる窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア層７２がコンタクトホール７１の内壁面７１ａ上と第１配線層３上に形成される。このようにして形成されたバリア層７２は、コンタクトホール７１の内壁面７１ａに対応する部位７２ａの膜厚が第１配線層３に対応する部位７２ｂの膜厚よりも厚く形成される。
なお、本実施形態に係る半導体装置の製造工程のうち、ここまでに説明した工程が本発明に係るバリア層形成方法に対応する。
【００２８】
続いて、バリア層７２が形成されたコンタクトホール７１内に銅（Ｃｕ）からなる導電部材７３を充填することでコンタクト部７を形成し、さらに層間絶縁層５上に、例えばスパッタリング法によってアルミニウム（Ａｌ）からなる第２配線層６を形成することによって、図１に示す半導体装置１が製造される。
【００２９】
このような本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、バリア層７２のうちコンタクトホール７１の内壁面７１ａに対応する部位７２ａの膜厚が第１配線層３に対応する部位７２ｂの膜厚よりも厚く形成されるため、導電部材の拡散を良好に防止しかつ電気抵抗の低いバリア層を形成することが可能となる。
【００３０】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係るバリア層形成方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３１】
例えば、上記実施形態において、本発明におけるバリア層形成材料としてチタン層４を用いた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、バリア層形成材料としてチタン層４の代わりタンタル層を用いても良い。この場合、バリア層は窒化タンタル（ＴａＮ）によって形成される。
【００３２】
また、上記実施形態において、アブレーションの発生によって蒸発されたチタンがコンタクトホール７１の内壁面７１ａに付着した後に、この付着されたチタンＴを再び加熱し窒素ガスを吹付けることによって窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア層７２を形成した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、コンタクトホール７１の内壁面７１ａに付着された直後のチタンに窒素ガスを吹付けることによって還元し、窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア層７２を形成しても良い。これによって、付着されたチタンを再び加熱する必要がなくなり、工程が簡略化される。
【００３３】
また、上記実施形態において、予め形成されたチタン層４に対してレーザ光透過部材Ｐを介してレーザ光Ｌを照射することによってアブレーションを発生させ、これによって、コンタクトホール７１の内壁面７１ａに蒸発されたチタンを付着させた。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、チタン層４が形成せず、第１配線層３上に直接層間絶縁層５を形成し、その後、層間絶縁層５に形成されたコンタクトホールにおいて露出された第１配線層上にチタンを配置し、アブレーションを発生させることによって蒸発したチタンをコンタクトホールの内壁面に付着させても良い。具体的に、コンタクトホールにおいて露出された第１配線層上にチタンを配置する方法としては、チタンを含有する溶媒を液滴吐出法によってコンタクトホール内に吐出し、その後溶媒を乾燥させる方法がある。
【００３４】
また、上記実施形態において、レジスト樹脂をスピンコート法によってチタン層４上に配置することによって層間絶縁層５を形成した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を形成し、これを層間絶縁層としても良い。
【００３５】
また、上記実施形態において、第１配線層３に対応する部位７２ｂのバリア層７２の膜厚が薄くなるようにアブレーションの発生時間を制御した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１配線層３上のチタン層４が蒸発されて完全になくなるまでアブレーションを発生させていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置１の断面図である。
【図２】同、半導体装置１の製造方法を説明するための図である。
【図３】同、半導体装置１の製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１……半導体装置、２……基板、３……第１配線層（導電層）、４……チタン層（バリア層形成材料）、５……層間絶縁層、６……第２配線層（第２導電層）、７……コンタクト部、７１……コンタクトホール、７２……バリア層、７３……導電部材、Ｌ……レーザ光、Ｐ……レーザ光透過部材
【図１】
2005158879.tif 000003
【図２】
2005158879.tif 000004
【図３】
2005158879.tif 000005