(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層配線膜を持つ半導体装置のコンタクト形成方法において、
下部配線膜を含む半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記下部配線膜の一部が露出されるように前記層間絶縁膜をエッチングして垂直なコンタクトホールを形成する段階と、
前記コンタクトホールの内壁の他、前記層間絶縁膜上に導電膜を形成する段階と、
前記導電膜の上にＰＶＤ法及びＣＶＤ法を併用して多層のグルー膜を形成する段階と、
を含み、前記導電膜及び前記多層のグルー膜によって多層のバリア金属膜が構成され、
前記多層グルー膜形成段階は、
前記導電膜の上にＰＶＤ法で第１グルー膜を形成する段階と、
前記第１グルー膜の上にＣＶＤ法で第２グルー膜を形成する段階と、
前記第２グルー膜の上にＰＶＤ法で第３グルー膜を形成する段階と、
を含む、
ことを特徴とする半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項２】
前記導電膜の物質は、Ｔｉ、Ｃｏ及びＺｒのいずれか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コンタクト形成方法。
【請求項３】
前記導電膜の物質は、ＰＶＤ法で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項４】
前記導電膜の厚さが３０〜７０Åの範囲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コンタクト形成方法。
【請求項５】
前記グルー膜の物質は、ＴｉＮ又はＷＮ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コンタクト形成方法。
【請求項６】
前記第１グルー膜と第２グルー膜のグレーンの境界は、自然酸化膜によりスタフィングされるることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項７】
前記第１グルー膜、第２グルー膜及び第３グルー膜の厚さは、コンタクトホールの下部において各々２０〜１００Åの範囲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コンタクト形成方法。
【請求項８】
前記多層グルー膜形成段階は、
前記第２グルー膜の形成前に前記第１グルー膜の上に第１拡散防止膜を形成する段階と、
前記第３グルー膜の形成前に前記第２グルー膜の上に第２拡散防止膜を形成する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項９】
前記第１拡散防止膜及び第２拡散防止膜は、窒化膜であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１０】
前記窒化膜は、ＲＴＮ法でグルー膜内の過多金属成分を窒化させるにより形成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１１】
多層配線膜を持つ半導体装置のコンタクト形成方法において、
下部配線膜を含む半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記下部配線膜の一部が露出するように前記層間絶縁膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する段階と、
前記コンタクトホール内壁の他、前記層間絶縁膜の上に導電膜及び第１グルー膜をＰＶＤ法で順次形成する段階と、
前記第１グルー膜の上にＣＶＤ法で第２グルー膜を形成する段階と、
前記第２グルー膜上にＰＶＤ法で第３グルー膜を形成する段階と、
を含み、前記導電膜並びに前記第１、第２及び第３グルー膜によって多層のバリア金属膜が構成され、前記第１、第２及び第３グルー膜はＴｉＮ又はＷＮである、
ことを特徴とする半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１２】
前記導電膜の物質は、Ｔｉ、Ｃｏ及びＺｒのいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１３】
前記導電膜の厚さは、３０〜７０Åの範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１４】
前記導電膜は、ＰＶＤ法で形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１５】
前記第１グルー膜及び第２グルー膜のグレーン境界は、自然酸化膜によりスタフィングされることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１６】
前記第１グルー膜、第２グルー膜及び第３グルー膜の厚さは、コンタクトホールの下部において各々２０〜１００Åの範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１７】
前記第２グルー膜の形成前に前記第１グルー膜の上に第１拡散防止膜を形成する段階と、
前記第３グルー膜の形成前に前記第２グルー膜の上に第２拡散防止膜を形成する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１８】
前記第１拡散防止膜及び第２拡散防止膜は、窒化膜であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【請求項１９】
前記窒化膜は、ＲＴＮ法でグルー膜内の過多金属成分を窒化させるにより形成されることを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置のコンタクト形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置のコンタクト形成方法に関するものであり、より詳しくは、バリア金属膜拡散バリア（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｂａｒｒｉｅｒ）特性及びステップカーバリジ（ｓｔｅｐ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）を向上させる半導体装置のコンタクト形成方法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に伴って最小配線幅（ｆｅａｔｕｒｅ  ｓｉｚｅ）の物理的寸法（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）が減少してきている。
【０００３】
図１は、従来の傾斜したコンタクトプロファイル（ｓｌｏｐｅｄ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す断面図であり、図２は、従来の垂直なコンタクプロファイル（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す断面図である。
【０００４】
現在、金属コンタクト（ｍｅｔａｌ  ｃｏｎｔａｃｔ）の場合、コンタクトの幅が減少される一方で、深さは殆ど変化しないか、或いは、更に深くなり、その結果、コンタクトのアスぺクト比（ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ）が大きくなる傾向にある。
【０００５】
また、金属コンタクト上の金属ライン（ｍｅｔａｌ  ｌｉｎｅ）のピッチ（ｐｉｔｃｈ）がタイトになる傾向にあり、そのため金属コンタクトを覆う金属オバーラップデザインルール（ｍｅｔａｌ  ｏｖｅｒｌａｐ  ｄｅｓｉｇｎ  ｒｕｌｅ）もタイトになったり、全くオバーラップがなくなったりしている。
【０００６】
従って、金属コンタクトの上部領域の大きさも、下部領域の大きさのように、少し大きい程度に形成しなければならい。
【０００７】
このため、金属コンタクトをドライエッチングする時、図１に示すような傾斜したコンタクトプロファイル３ではなく、図２に示すように垂直なコンタクトプロファイル４を形成する必要がある。
【０００８】
なお、図１及び図２において、参照番号１は半導体基板を示し、参照番号２は層間絶縁膜を示す。
【０００９】
高いアスぺクト比（ｈｉｇｈ  ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ）を持つ垂直なコンタクプロファイルにおいて、最大の問題は、バリア金属膜（ｂａｒｒｉｅｒ  ｍｅｔａｌ  ｌａｙｅｒ）の形成である。
【００１０】
図３は、従来の方法で形成されるバリア金属膜１６を示す断面図である。
【００１１】
図３に示すような従来のバリア金属膜１６は、一般に２つの層（ｄｏｕｂｌｅｌａｙｅｒ）で形成される。
【００１２】
まず、半導体基板１０のような下部配線膜１０上に形成された層間絶縁膜１２をエッチングしてコンタクトホール１４を形成する。
【００１３】
次いで、コンタクトホール１４の内壁の他、層間絶縁膜１２上に導電膜としてＴｉ膜を形成し、Ｔｉ膜上にグルー膜（ｇｌｕｅ  ｌａｙｅｒ）あるいはウェッティング膜（ｗｅｔｔｉｎｇ）としてＴｉＮ膜を形成してバリア金属膜１６を完成させる。
【００１４】
一般に、高いアスぺクト比を持つ金属コンタクトでは、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるタングステン（Ｗ）のようにフィリング特性がよい金属層が使われる。
【００１５】
ところで、タングステン金属層を形成するためのソースガス（ｓｏｕｒｃｅ  ｇａｓ）であるＷＦ６は、コンタクホール１４下部のＴｉ膜あるいはＴｉＳｉｘ膜と反応してＴｉＦｘのような不導層を形成し得る。
【００１６】
ＴｉＦｘ膜は、コンタクト抵抗を増加させるだけでなく、体積膨張により下部シリコン膜１０にストレスを加える等、欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）及び接合リーク電流（ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｌｅａｋａｇｅ  ｃｕｒｒｅｃｔ）の増加を誘発する。
【００１７】
従って、ＴｉＮ膜のバリア特性を強化させる必要がある。
【００１８】
しかし、現実的には、高いアスぺクト比を持つ垂直なコンタクホール１４の場合、一般的なスパッタリング法によるＴｉＮ膜はステップカバレッジがよくない。特に、参照番号１７に示すように、コンタクトホール１４の下部エッジ部位において他の部位よりＴｉＮ膜が薄く形成される。ＴｉＮ膜を周知のスパッタリングによるコリメーション（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）法で形成する場合、ＴｉＮ膜は、円周型（ｃｏｌｕｍｎａｒ）構造で成長するため、バリア特性が減少する。
【００１９】
このような問題点を解決するために、最近では、ＣＶＤ−ＴｉＮ膜形成方法が使われている。
【００２０】
しかし、ＣＶＤ−ＴｉＮ膜の場合、ステップカバレッジはよい反面、膜自体が緻密できないのでバリア特性が低い。そして、ＴｉＮ膜の形成のためのＴｉソースガースとしてＴｉＣｌｘ系列のガスを使う場合、下部シリコン膜にＣｌアタック（ａｔｔａｃｋ）を与えるという問題がある。
【００２１】
また、Ｔｉ膜は、現在のところＣＶＤ法では信頼性ある膜質を得られないので、スパッタリング法のようなＰＶＤ（Ｐｈｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成しなければならない、従って、後続の工程でＣＶＤ法でＴｉＮ膜を形成する場合、Ｔｉ膜が大気中に露出して、Ｔｉ膜上に望ましくないＴｉＯｘ膜が形成されやすい。
【００２２】
従って、ＣＶＤ−ＴｉＮ膜を採用する場合、バリア金属膜の信頼性劣化及び抵抗増加等の問題がある。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、例えば、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、バリア金属膜のステップカバレッジを向上させると共に、バリア金属膜の拡散バリア特性を向上させることができる半導体装置のコンタクト形成方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置のコンタク形成方法は、多層配線膜を持つ半導体装置のコンタクト形成方法において、下部配線膜を含む半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、下部配線膜の一部が露出されるように層間絶縁膜をエッチングして垂直なコンタクトホールを形成する段階と、コンタクトホールの内壁の他、層間絶縁膜上に薄い導電膜を形成する段階と、導電膜上にＰＶＤ法及びＣＶＤ法を併用して多層のグルー膜を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【００２５】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記導電膜物質は、Ｔｉ、Ｃｏ及びＺｒのいずれかであることが好ましい。
【００２６】
本発明の好適な実施の形態によれば、導電膜物質は、ＰＶＤ法で形成されることが好ましい。
【００２７】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記導電膜の厚さは、コンタクトホールの下部において３０〜７０Åの範囲であることが好ましい。
【００２８】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記グルー膜物質は、ＴｉＮ又はＷＮであることが好ましい。
【００２９】
本発明の好適な実施の形態によれば、多層グルー膜の形成段階は、コンタクトホールの内壁にＰＶＤ法で薄い第１グルー膜を形成する段階と、第１グルー膜上にＣＶＤ法で薄い第２グルー膜を形成する段階と、第２バリア膜上にＰＶＤ法で薄い第３グルー膜を形成する段階を含むことが好ましい。
【００３０】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１グルー膜及び第２グルー膜のグレーン境界は、自然酸化膜によりスタフィングされることが好ましい。
【００３１】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１グルー膜、第２グルー膜及び第３グルー膜の厚さは、コンタクトホールの下部において各々２０〜１００Åの範囲であることが好ましい。
【００３２】
本発明の好適な実施の形態によれば、多層グルー膜の形成段階は、第２グルー膜形成前に第１グルー膜上に第１拡散防止膜を形成する段階と、第３グルー膜形成前に第２グルー膜上に第２拡散防止膜を形成する段階を更に含むことが好ましい。
【００３３】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１拡散防止膜及び第２拡散防止膜は、窒化膜であることが好ましい。
【００３４】
本発明の好適な実施の形態によれば、窒化膜は、ＲＴＮ法でグルー膜内の過多金属成分を窒化させるにより形成されることが好ましい。
【００３５】
本発明に係る他の半導体装置のコンタクト形成方法は、多層配線膜を持つ半導体装置のコンタクト形成方法において、下部配線膜を含む半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、下部配線膜の一部が露出されるように層間絶縁膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する段階と、コンタクトホールの内壁の他、層間絶縁膜上に薄い導電膜及び薄い第１グルー膜を順次形成する段階と、第１グルー膜上に第２グルー膜を形成する段階と、第２グルー膜上に第３グルー膜を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【００３６】
本発明の好適な実施の形態によれば、導電膜物質は、Ｔｉ、Ｃｏ及びＺｒのいずれかであることが好ましい。
【００３７】
本発明の好適な実施の形態によれば、導電膜の厚さは、コンタクトの下部において３０〜７０Åの範囲であることが好ましい。
【００３８】
本発明の好適な実施の形態によれば、グルー膜物質は、ＴｉＮ又はＷＮであることが好ましい。
【００３９】
本発明の好適な実施の形態によれば、導電膜、第１グルー膜及び第３グルー膜は、ＰＶＤ法で形成されることが好ましい。
【００４０】
本発明の好適な実施の形態によれば、第２グルー膜はＣＶＤ法で形成されることが好ましい。
【００４１】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１グルー膜と第２グルー膜のグレーン境界は、自然酸化膜によりスタフィングされることが好ましい。
【００４２】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１グルー膜、第２グルー膜及び第３グルー膜の厚さは、コンタクトホールの下部において各々２０〜１００Åの範囲であることが好ましい。
【００４３】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記半導体装置のコンタク形成方法は、第２グルー膜の形成前に第１グルー膜上に第１拡散防止膜を形成する段階と、第３グルー膜の形成前に第２グルー膜上に第２拡散防止膜を形成する段階を更に含むことが好ましい。
【００４４】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１拡散防止膜及び第２拡散防止膜は、窒化膜であることが好ましい。
【００４５】
本発明の好適な実施の形態によれば、窒化膜はＲＴＮ法でグルー膜内の過多金属成分を窒化させるにより形成されることが好ましい。
【００４６】
本発明に係る半導体装置のコンタク形成方法によれば、ＰＶＤ法とＣＶＤ法を併用することによりバリア金属膜のステップカバレッジを向上させ、その膜の特性を向上させる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
図６に示すように、本発明の好適な実施の形態に係る半導体装置のコンタクト形成方法では、下部配線膜の一部が露出されるように層間絶縁膜をエッチングして垂直なコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールの内壁の他、層間絶縁膜上にバリア金属膜を形成する（すなわち、ＰＶＤ法で薄いＴｉ／ＴｉＮ膜を形成する）。
【００４８】
そして、ＴｉＮ膜上にＣＶＤ法で薄いＴｉＮ膜を形成した後、再びＰＶＤ法で薄いＴｉＮ膜を形成する。このような、半導体装置の製造方法により、ＰＶＤ法とＣＶＤ法を併用して多層のバリア金属膜を形成するにより、コンタクトホールの内壁に形成されるバリア金属膜のステップカバレッジを向上させると共に、バリア金属膜の拡散バリア機能を向上させ、信頼性の高いバリア金属膜を形成することができる。
【００４９】
以下、図４ないし図６を参照して本発明の好適な実施の形態に係る半導体装置のコンタクト形成方法を詳しく説明する。
【００５０】
図４ないし図６は本発明の好適な実施の形態に係る半導体装置のコンタクト形成方法を工程順に示す断面図である。
【００５１】
まず、図４に示すように、本発明の好適な実施の形態に係る半導体装置のコンタクト形成方法では、まず、半導体基板１００等の下部配線膜１００上に層間絶縁膜１０２を形成する。
【００５２】
次いで、層間絶縁膜１０２をエッチングして半導体基板１００の一部が露出されるようにコンタクトホール１０４を形成する。この実施の形態では、コンタクトホール１０４は、金属コンタクト上の金属ラインのピッチ及び金属オバーラップデザインルールのマージンを増加させるために垂直型で形成する。
【００５３】
この実施の形態では、コンタクトホール１０４に対してインサイチュー（ｉｎｓｉｔｕ）方式で乾式洗浄工程を実施する。
【００５４】
次いで、コンタクトホール１０４の内壁、すなわち、下部及び両側壁の他、層間絶縁膜１０２上に薄いバリア金属膜１０６であるＰＶＤ−Ｔｉ／ＴｉＮ膜１０６を形成する。
【００５５】
この実施の形態では、ＰＶＤ−Ｔｉ／ＴｉＮ膜１０６は、インサイチュー方式で形成される。
【００５６】
Ｔｉ膜は、Ｃｏ膜あるいはＺｒ膜で代替されてもよい。また、その厚さは３０Å〜７０Åの範囲とすることが好ましい。
【００５７】
Ｔｉ膜は、下部半導体基板１００のシリコンと反応してＴｉＳｉｘシリサイド膜（不図示）を形成する。これは金属コンタクトをオーム性コンタクト（ｏｈｍｉｃ  ｃｏｎｔａｃｔ）にさせる。
【００５８】
グルー膜（ｇｌｕｅ  ｌａｙｅｒ）であるＴｉＮ膜は、ＷＮ膜で代替されてもよい。また、その厚さはコンタクトホール１０４の下部において２０Å〜１００Åの範囲であることが好ましい。
【００５９】
次いで、図５に示すように、ＰＶＤ−Ｔｉ／ＴｉＮ膜１０６上にＣＶＤ法により薄いＴｉＮ膜１０７を形成する。
【００６０】
ＣＶＤ−ＴｉＮ膜１０７は、コンタクトホール１０４の下部、特に、下部エッジ部分の貧弱なステップカバレッジを是正する。
【００６１】
ＣＶＤ−ＴｉＮ膜１０７の厚さは、コンタクトホール１０４の下部において２０Å〜１００Åの範囲とすることが好ましい。
【００６２】
次いで、図６に示すように、ＣＶＤ−ＴｉＮ膜１０７上にＰＶＤ−ＴｉＮ膜１０８を形成し、多層バリア金属膜１１０を完成させる。
【００６３】
ＰＶＤ−ＴｉＮ膜１０８の厚さも、コンタクトホール１０４の下部において２０Å〜１００Åの範囲とすることが好ましい。
【００６４】
ＣＶＤ−ＴｉＮ膜１０７は、ＰＶＤ−Ｔｉ／ＴｉＮ膜１０６のＴｉＮ膜とＰＶＤ−ＴｉＮ膜１０８との間に、ＴｉＮ膜のグレーン境界（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）を互いに行き違って形成させる。
【００６５】
ガスは、バリア金属膜を通過する時に、主にグレーン境界を通って拡散するため、このような多層バリア金属膜１１０の構造は、その拡散を防止するバリア機能を向上させる。
【００６６】
一方、各ＴｉＮ膜の間には、大気中に露出される時に自然酸化膜（不図示）が形成され、これによりＴｉＮ膜のグレーン境界がスタフィング（ｓｔｕｆｆｉｎｇ）されて、ガスの拡散経路を遮断されるようになる。
【００６７】
このようなスタフィング機能を強化するため、各ＴｉＮ膜の間に追加で薄い窒化膜等の拡散防止膜を形成する工程を実施してもよい。
【００６８】
これは、例えば、窒化膜ＲＴＮ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ）法等でＴｉＮ膜内の過多金属成分、すなわちＴｉを窒化させることにより形成され得る。
【００６９】
更に、後続工程で、コンタクトホール１０４を完全に埋め込むようにタングステン（Ｗ）膜あるいはアルミニウム（Ａｌ）膜あるいは銅（Ｃｕ）膜を形成することにより、半導体装置の信頼性あるバリア金属膜１１０を持つ金属コンタクトが完成する。
【発明の効果】
本発明によれば、例えば、従来の垂直型の金属コンタクトで発生し得るバリア金属膜の特性不良の問題点を解決することができる。本発明によれば、例えば、ＰＶＤ法及びＣＶＤ法を併用して多層バリア金属膜を形成することにより、バリア金属膜のステップカバレッジを向上させると共にバリア金属膜の拡散バリア機能を増加させることができるので、信頼性の高いバリア金属膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の傾斜したコンタクトプロファイルを示す断面図である。
【図２】従来の垂直なコンタクトプロファイルを示す断面図である。
【図３】従来の方法で形成されるバリア金属膜を示す断面図である。
【図４】本発明の好適な実施の形態に係るバリア金属膜の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図５】本発明の好適な実施の形態に係るバリア金属膜の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図６】本発明の好適な実施の形態に係るバリア金属膜の形成方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１，１０，１００  半導体基板
２，１２，１０２  層間絶縁膜
１４，１０４  コンタクトホール
１６  Ｔｉ／ＴｉＮ膜
１０６  ＰＶＤ−Ｔｉ／ＴｉＮ膜
１０７  ＣＶＤ−ＴｉＮ膜
１０８  ＰＶＤ−ＴｉＮ膜
１１０  多層バリア金属膜
【図１】
0004027519.tif 000002
【図２】
0004027519.tif 000003
【図３】
0004027519.tif 000004
【図４】
0004027519.tif 000005
【図５】
0004027519.tif 000006
【図６】
0004027519.tif 000007