(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に形成された下層導体層と、該下層導体層を被覆する絶縁層と、絶縁層上に形成すべき上層導体層と該下層導体層とを電気的に接続するための絶縁層内に形成された接続孔を有する半導体装置であって、
該接続孔は、該接続孔の少なくとも底面に形成された、下からＴｉ層／ＴｉＯＮ層から成る第１の密着層と、該第１の密着層上に形成された、シリコンから成る第２の密着層と、接続孔内部に堆積されたタングステンプラグとから成ることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
（イ）下層導体層の形成された基体上に絶縁層を形成し、次いで、該下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程と、
（ロ）開口部内含む全面に、下からＴｉ層／ＴｉＯＮ層の２層から構成された第１の密着層をスパッタ法にて形成する工程と、
（ハ）全面に、シリコンから成る第２の密着層を形成する工程と、
（ニ）第２の密着層上に化学気相析出法にてタングステン層を堆積させる工程と、
（ホ）絶縁層上に形成された各層を除去して、開口部内にタングステンプラグ並びに第２及び第１の密着層を残し、以って接続孔を形成する工程、
から成ることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビヤホールやコンタクトホール等の接続孔に特徴を有する半導体装置及びその作製方法、更に詳しくは、所謂タングステンブランケットＣＶＤ法によって形成される接続孔の部分に特徴を有する半導体装置及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のＶＬＳＩやＵＬＳＩ等に見られるように半導体装置の高集積化及び高性能化が進むに伴い、半導体装置内で配線部分の占める割合が増大する傾向にある。それ故、半導体素子面積の増加を防止するために多層配線が必須の技術となっている。半導体装置においては、配線材料が埋め込まれたビアホールが多層配線層間を接続するために形成されている。あるいは又、配線材料が埋め込まれたコンタクトホールが、半導体基板に形成された不純物拡散領域と上層導体層とを接続するために形成されている。
【０００３】
次世代以降の超々ＬＳＩ等の半導体集積回路においては、その微細化、高集積化が著しく進められる。そのため、ビヤホールやコンタクトホール（以下、これらを総称して接続孔ともいう）等の開口径は、例えば０．３５μｍというように益々小さくなりつつある。このように開口径が小さくなるに従い、従来のアルミニウムあるいはアルミニウム合金（以下、Ａｌ系合金という）を用いたスパッタ法では、段差被覆性（ステップカバレッジ）の点から、高信頼性を有する接続孔を形成することが不可能になってきている。
【０００４】
半導体基板に形成された不純物拡散領域、各種電極あるいは下層配線層（以下、これらを総称して下層導体層という場合がある）上に絶縁層を形成し、かかる絶縁層に設けられた開口部内に導電性材料を埋め込み、微細な接続孔を形成する技術として、所謂ブランケットＣＶＤ法が注目されている。具体的には、ブランケットＣＶＤ法とは、例えば下層導体層上に形成された絶縁層上及びかかる絶縁層に形成された開口部内に、例えばタングステンから成るタングステン層を化学気相析出法（ＣＶＤ法）にて堆積させた後、絶縁層上に形成されたタングステン層をエッチバックして除去することによって、開口部の内部にメタルプラグが形成された接続孔を完成させる方法である。尚、このような方法を、以下、タングステンブランケットＣＶＤ法と呼ぶ。
【０００５】
タングステンブランケットＣＶＤ法でタングステン層を形成する場合、タングステン層の下に密着層を形成する必要がある。その理由は、タングステンブランケットＣＶＤ法で形成されるタングステン層はステップカバレッジには優れるものの、絶縁層に対する密着性が乏しいからである。また、タングステン層を形成するための原料ガスであるＷＦ6といった金属フッ化物ガスが下層導体層を浸食することを防止する必要もある。更に、ブランケットＣＶＤ法によるタングステン層の形成は比較的高温で行われるため、下層導体層に対するバリヤ性を高める必要もあるからである。
【０００６】
以上の理由から、Ｔｉ層／ＴｉＮ層やＴｉ層／ＴｉＯＮ層等から成る密着層をタングステン層と絶縁層との間に形成する必要がある。この場合、Ｔｉ層の上にＴｉＮ層又はＴｉＯＮ層を形成する。
【０００７】
現在、スパッタ法によって密着層を形成している。密着層をスパッタ法にて形成するとき、半導体基板を押え治具にて基板支持台上に固定する必要がある。押え治具は、通常、半導体基板のエッジ部分を被覆するような状態で半導体基板を押える。従って、押え治具にて押えられた部分の半導体基板上には密着層が形成されない。スパッタ法にて密着層を形成した後の半導体基板の模式的な平面図を図１０の（Ａ）に示す。図中、参照番号１００は半導体基板、参照番号１０２は密着層である。また、密着層が形成されない半導体基板の領域に斜線を付した。
【０００８】
タングステンブランケットＣＶＤ法でタングステン層を形成する場合、密着層が形成されていない絶縁層の領域にタングステン層が形成されると、かかる領域に形成されたタングステン層は絶縁層から剥離し易い。そのため、タングステン層を形成する際、被覆治具にて密着層が形成されていない絶縁層の領域を被覆する。この被覆治具は、密着層が形成されていない絶縁層の領域だけでなく、密着層が形成された絶縁層の一部分をも被覆する。この状態を図１０の（Ｂ）の模式的な平面図に示す。図中、参照番号１０４は被覆治具である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような被覆治具を用いて、タングステンブランケットＣＶＤ法にてタングステン層を形成するとき、被覆治具によって被覆された部分の密着層が絶縁層から剥離するという問題がある。この問題は、以下に説明する現象に起因すると考えられる。
【００１０】
即ち、タングステンブランケットＣＶＤ法においては、先ず、原料ガスとして低圧のＷＦ6及びＳｉＨ4を用い、ＳｉＨ4の還元反応を利用して、絶縁層上及び開口部内にタングステンの核を形成する。尚、この工程（核形成段階と呼ぶ）は、密着層上のタングステン層の膜厚均一性を改善するために行われる。核形成段階においては、被覆治具で被覆されていない密着層上にタングステンの核が充分形成される。然るに、原料ガスの圧力が低圧であるため、被覆治具で被覆されている密着層上には原料ガスが浸入し難い。その結果、被覆治具で被覆されている密着層上にはタングステンの核が形成されないか、僅かしか形成されず、密着層が露出した状態となる。
【００１１】
核形成工程に続き、原料ガスとして高圧のＷＦ6及びＨ2を用い、Ｈ2の還元反応を利用して、絶縁層上及び開口部内にタングステン層を形成する。この工程を高速成長段階と呼ぶ。被覆治具で被覆されていないタングステンの核が充分形成された領域においては、ＷＦ6は直ちにＨ2にて還元され、タングステン層が形成される。一方、原料ガスの圧力が高圧であるため、被覆治具で被覆されている密着層上にも原料ガスが浸入する。
【００１２】
ところが、被覆治具で被覆されている密着層上にタングステンの核が形成されていないため、密着層上に吸着したＷＦ6とＨ2との吸着解離が起こるまでの間に、ＷＦ6、あるいはＷＦ6の分解によって発生したＦが、密着層を構成するＴｉＮ層あるいはＴｉＯＮ層中を拡散し、密着層を構成するＴｉ層中のＴｉと反応し、ＴｉＦXが生成される。かかるＴｉＦXの生成の結果、Ｔｉ層とＴｉＮ層若しくはＴｉＯＮ層との間で層間剥離が生じ、その結果、密着層が絶縁層から剥離するという問題がある。このようなメカニズムを模式的に拡大された一部断面図である図１１に示す。尚、図１１において、被覆治具１０４と密着層の表面との間の隙間を誇張して描いた。
【００１３】
現在、このような密着層の剥離に対処するために、スパッタ法にて密着層を形成した後、タングステンブランケットＣＶＤ法を実施する前に、窒素ガス雰囲気下、約９００゜Ｃ、３０秒間のＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理を行っている。このＲＴＡ処理を行うことによって、Ｔｉ層中のＴｉが反応してＴｉＮとなり、あるいはＴｉＮ層若しくはＴｉＯＮ層がＷＦ6若しくはＦの拡散を抑制することができる。
【００１４】
しかしながら、かかるＲＴＡ処理時、用いる絶縁層の種類によっては、密着層にクラックが生じるという問題がある。また、下層導体層がＡｌ系合金から成る場合、Ａｌ系合金が溶融するために、かかるＲＴＡ処理を行えないという問題もある。更には、かかるＲＴＡ処理を行うと、接続孔と下層導体層との間のコンタクト抵抗が増加したり、接続孔と下層導体層のコンタクトが非オーミック性を示すという問題もある。
【００１５】
従って、本発明の目的は、メタルプラグの形成時、絶縁層と密着層との間に密着性が低下することのない構造を有する半導体装置及びその作製方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る半導体装置は、基体に形成された下層導体層と、下層導体層を被覆する絶縁層と、絶縁層上に形成すべき上層導体層と下層導体層とを電気的に接続するための絶縁層内に形成された接続孔を有する。そして、接続孔は、接続孔の少なくとも底面に形成されたＴｉＮ又はＴｉＯＮから成る単層の密着層と、接続孔内部に堆積されたタングステンプラグとから成ることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第１の態様に係る半導体装置においては、下層導体層は、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成することができる。この場合、下層導体層上にはＴｉＮ、ＴｉＯＮ又はＴｉＷから成る導電層が形成されていることが望ましい。
【００１８】
本発明の第１の態様に係る半導体装置を作製するための、本発明の第１の態様に係る半導体装置の作製方法は、
（イ）下層導体層の形成された基体上に絶縁層を形成し、次いで、下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上及び開口部内にＴｉＮ又はＴｉＯＮから成る単層の密着層を形成する工程と、
（ハ）密着層上に化学気相析出法にてタングステン層を堆積させる工程と、
（ニ）絶縁層上のタングステン層及び密着層を除去して、開口部内にタングステンプラグ及び密着層を残し、以って接続孔を形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第１の態様に係る半導体装置の作製方法においては、前記（イ）の工程以前に、下層導体層の上にＴｉＮ、ＴｉＯＮ又はＴｉＷから成る導電層を形成する工程を含ませることができる。また、密着層をスパッタ法にて形成することが望ましい。
【００２０】
本発明の第１の態様に係る半導体装置を作製するための、本発明の第２の態様に係る半導体装置の作製方法は、
（イ）下層導体層の形成された基体上に絶縁層を形成し、次いで、この下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上及び開口部内に、アルゴンガス雰囲気下、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて厚さ６ｎｍ以下の第１の密着層を堆積させる工程と、
（ハ）次いで、第１の密着層上に、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて第２の密着層を堆積させ、併せて第１の密着層を窒化し、以って単層化された密着層を形成する工程と、
（ニ）この単層化された密着層上に化学気相析出法にてタングステン層を堆積させる工程と、
（ホ）絶縁層上のタングステン層及び単層化された密着層を除去して、開口部内にタングステンプラグ及び単層化された密着層を残し、以って接続孔を形成する工程、
から成ることを特徴とする。ここで、第１の密着層の厚さは、絶縁層上での厚さである。
【００２１】
この第２の態様に係る半導体装置の作製方法においては、下層導体層は、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成することができる。
【００２２】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る半導体装置は、基体に形成された下層導体層と、下層導体層を被覆する絶縁層と、絶縁層上に形成すべき上層導体層と下層導体層とを電気的に接続するための絶縁層内に形成された接続孔を有する。そして、接続孔は、接続孔の少なくとも底面に形成されたチタン系材料から成る第１の密着層と、第１の密着層上に形成された第２の密着層と、接続孔内部に堆積されたタングステンプラグとから成ることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第２の態様に係る半導体装置においては、第１の密着層は、下からＴｉ層／ＴｉＮ層又はＴｉ層／ＴｉＯＮ層から構成され、第２の密着層はタングステン又はシリコンから成ることが望ましい。あるいは又、別の形態においては、第１の密着層は、ＴｉＯＮ単層又は下からＴｉ層／ＴｉＯＮ層の２層から構成され、第２の密着層はＴｉＮから成ることが望ましい。
【００２４】
本発明の第２の態様に係る半導体装置を作製するための、本発明の第３の態様に係る半導体装置の作製方法は、
（イ）下層導体層の形成された基体上に絶縁層を形成し、次いで、下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程と、
（ロ）開口部の少なくとも底部に第１の密着層を形成する工程と、
（ハ）全面に第２の密着層を形成する工程と、
（ニ）第２の密着層上に化学気相析出法にてタングステン層を堆積させる工程と、
（ホ）絶縁層上に形成された各層を除去して、開口部内にタングステンプラグ並びに第２及び第１の密着層を残し、以って接続孔を形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第３の態様に係る半導体装置の作製方法においては、第１の密着層は、下からＴｉ層／ＴｉＮ層又はＴｉ層／ＴｉＯＮ層の２層から構成されており、それぞれスパッタ法にて形成され、且つ、前記（ロ）の工程において全面に第１の密着層が形成され、第２の密着層はタングステン又はシリコンから成ることが望ましい。あるいは又、別の形態においては、第１の密着層は、ＴｉＯＮ単層又は下からＴｉ層／ＴｉＯＮ層の２層から構成されており、それぞれスパッタ法にて形成され、且つ、前記（ロ）の工程には絶縁層上に形成された第１の密着層を除去する工程を含み、第２の密着層はＴｉＮから成り、スパッタ法にて形成されることが望ましい。
【００２６】
タングステンプラグを形成するために密着層上にタングステン層を形成する際、従来の技術において密着層と絶縁層との間に発生する密着不良は、先に述べたように、Ｔｉ層／ＴｉＮ層又はＴｉ層／ＴｉＯＮ層の層間にＴｉＦXが生成することに起因する。本発明の第１の態様に係る半導体装置あるいは第１の態様に係る半導体装置の作製方法においては、密着層はＴｉＮ又はＴｉＯＮから成る単層にて構成されるので、かかる密着不良を効果的に防止することができる。
【００２７】
このような本発明の第１の態様に係る半導体装置の作製方法にあっては、基体に形成された下層導体層がアルミニウム又はアルミニウム合金から成る場合、密着層を形成する際、開口部の底部に露出した下層導体層の表面が窒化されてコンタクト抵抗が増加する場合がある。本発明の第２の態様に係る半導体装置の作製方法においては、絶縁層上及び開口部内に、アルゴンガス雰囲気下、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて厚さ６ｎｍ以下の第１の密着層を堆積させ、次いで、第１の密着層上に、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて第２の密着層を堆積させ、併せて第１の密着層を窒化し、以って単層化された密着層を形成する。
【００２８】
第１の密着層の堆積をアルゴンガス雰囲気下で行い窒素ガスを用いないので、下層導体層の表面は窒化されず、コンタクト抵抗の増加を防止することができる。
【００２９】
第２の密着層の形成時に第１の密着層は窒化され、ＴｉリッチなＴｉＮ（成膜条件によってはＴｉＯＮ）になる。また、第２の密着層はＴｉＮ（成膜条件によってはＴｉＯＮ）から構成されるので、結果的に第１の密着層と第２の密着層とは単層化される。従って、タングステンプラグを形成するためにこの単層化された密着層上にタングステン層を形成する際、従来の技術のようにＴｉ層を含む密着層と絶縁層との間の密着不良が発生することはない。
【００３０】
本発明の第２の態様に係る半導体装置あるいは第３の態様に係る半導体装置の作製方法においては、第２の密着層が形成される。かかる第２の密着層が、例えば、タングステンから成る場合、タングステンプラグを形成するために密着層上にタングステン層を形成する際、絶縁層上に形成された第１の密着層への第１のＷＦ6あるいはＦの拡散は、ＷＦ6とＨ2との反応が進行するまで、タングステンから成る第２の密着層によって抑制される。第２の密着層が、例えば、シリコンから成る場合、タングステンプラグを形成するために密着層上にタングステン層を形成する際、ＷＦ6は第２の密着層を構成するシリコンと反応してＷが形成される。その結果、絶縁層上に形成された第１の密着層への第１のＷＦ6あるいはＦの拡散は、シリコンから成る第２の密着層によって抑制される。更に、第２の密着層が、例えば、ＴｉＮから成る場合、タングステンプラグを形成するために密着層上にタングステン層を形成する前に、絶縁層上から第１の密着層を除去しておけば、第２の密着層は絶縁層から剥離することがなく、従来技術における絶縁層からの密着層の剥離を防止できる。
【００３１】
【実施例】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【００３２】
（実施例１）
実施例１は、本発明の第１の態様に係る半導体装置、及び第１の態様に係る半導体装置の作製方法に関する。実施例１の半導体装置は、図１に模式的な一部断面図を示すように、基体１０に形成された下層導体層１２と、下層導体層１２を被覆する絶縁層１４と、絶縁層上に形成すべき上層導体層と下層導体層１２とを電気的に接続するための絶縁層１４内に形成された接続孔２２を有する。そして、接続孔２２は、接続孔の底面に形成されたＴｉＮから成る単層の密着層１８と、接続孔内部に堆積されたタングステンプラグ２０Ａとから成る。尚、実施例１においては、接続孔２２の側壁にも密着層１８が形成されている。実施例１においては、基体１０は半導体基板（図示せず）上に形成された層間絶縁層であり、下層導体層１２は、具体的には、基体１０上に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金から成る配線層あるいは電極である。実施例１の半導体装置の作製方法を、以下、図２を参照して説明する。
【００３３】
［工程−１００］
先ず、下層導体層１２の形成された基体１０上にＳｉＯ2から成り厚さ５００ｎｍの絶縁層１４を例えばＣＶＤ法にて形成する。次いで、下層導体層１２上の絶縁層１４に、例えばフォトリソグラフィ技術及びリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）技術にて開口部１６を形成する（図２の（Ａ）参照）。
【００３４】
［工程−１１０］
その後、絶縁層１４上及び開口部１６内にＴｉＮから成る単層の密着層１８を、例えばスパッタ法にて形成する（図２の（Ｂ）参照）。スパッタリングの条件は、例えば、
ターゲット  ：  Ｔｉ
使用ガス    ：  窒素
ガス圧      ：  １．１Ｐａ  （８ m Torr）
パワー      ：  ６ｋＷ
とすることができる。このスパッタリングによって図１０の（Ａ）に示した基体の領域に密着層が形成される。
【００３５】
［工程−１２０］
次に、開口部１６内を含む密着層１８上に、化学気相析出法にてタングステン層２０を堆積させる（図２の（Ｃ）参照）。タングステン層２０はブランケットタングステンＣＶＤ法にて形成する。このとき、被覆治具にて密着層が形成されていない基体の領域を被覆する。この被覆治具は、図１０の（Ｂ）に示したように、密着層が形成されていない基体の領域だけでなく、密着層が形成された基体の一部分をも被覆する。このブランケットタングステンＣＶＤの条件を、例えば、以下のとおりとすることができる。
第１ステップ（核形成段階）
ＷＦ6／ＳｉＨ4／Ａｒ＝５／３／２０００sccm
圧力            ４×１０2Ｐａ（３Torr）
温度            ４５０°Ｃ
第２ステップ（高速成長段階）
ＷＦ6／Ｈ2／Ａｒ＝４０／４００／２２５０sccm
圧力            １．１×１０4Ｐａ（８０Torr）
温度            ４５０°Ｃ
【００３６】
核形成段階である第１ステップにおいては、被覆治具で被覆された基体の領域にはタングステンの核が形成されないか、形成されても僅かであり、密着層は露出した状態である。高速成長段階である第２ステップにおいては、被覆治具で被覆されている密着層上にタングステンの核が形成されていないため、密着層上に吸着したＷＦ6とＨ2との吸着解離が起こるまでの間に、ＷＦ6、あるいはＷＦ6の分解によって発生したＦが、密着層を構成するＴｉＮ中を拡散する。ところが、絶縁層上には単層の密着層が形成されているだけなので、密着層が絶縁層から剥離するという現象は生じない。
【００３７】
［工程−１３０］
次いで、絶縁層１４上のタングステン層２０及び密着層１８を除去して、開口部１６内にタングステンプラグ２０Ａ及び密着層１８を残し、接続孔２２を形成する。絶縁層１４上のタングステン層２０及び密着層１８の一部は、必要に応じて残してもよい。こうして、図１に示した半導体装置が作製される。この半導体装置の絶縁層上には、更に、例えばＡｌ系合金から成る上層導体層をスパッタ法等によって形成する。
【００３８】
実施例１においては、ＴｉＮから成る単層の密着層を用いたが、代わりにＴｉＯＮから成る単層の密着層を用いることができる。
【００３９】
また、図３に示すように、下層導体層１２上にＴｉＮ、ＴｉＯＮ又はＴｉＷから成る導電層２４を形成することもできる。この導電層２４は、［工程−１００］に先立ち、スパッタ法にて形成することができる。即ち、下層導体層１２がＡｌ系合金から成る場合、スパッタ法にてＡｌ系合金層を基体１０上に堆積させた後、スパッタ法にて導電層２４をＡｌ系合金層上に形成する。その後、導電層２４及びＡｌ系合金層を選択的に除去して、下層導体層１２及びその上に形成された導電層２４を得ることができる。このような構造にすることにより、下層導体層１２とタングステンプラグ２０Ａとの間のコンタクト抵抗を低減させることができる。
【００４０】
（実施例２）
実施例１においては、絶縁層１４上及び開口部１６内にＴｉＮから成る単層の密着層１８を、窒素ガス雰囲気下、スパッタ法にて形成した。そのため、開口部の底部に露出したアルミニウム又はアルミニウム合金から成る下層導体層１２の表面が窒素プラズマによって窒化される。その結果、下層導体層１２の表面には絶縁物である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が形成され、コンタクト抵抗が増加する場合がある。
【００４１】
実施例２は、本発明の第１の態様に係る半導体装置、及び第２の態様に係る半導体装置の作製方法に関する。実施例２の半導体装置の構造それ自体は、図１に模式的な一部断面図を示した実施例１の半導体装置の構造と同様である。即ち、基体１０に形成された下層導体層１２と、下層導体層１２を被覆する絶縁層１４と、絶縁層上に形成すべき上層導体層と下層導体層１２とを電気的に接続するための絶縁層１４内に形成された接続孔２２を有する。そして、接続孔２２は、接続孔の底面に形成された密着層１８と、接続孔内部に堆積されたタングステンプラグ２０Ａとから成る。尚、実施例２においては、接続孔２２の側壁にも密着層１８が形成されている。また、基体１０は半導体基板（図示せず）上に形成された層間絶縁層であり、下層導体層１２は、具体的には、基体１０上に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金から成る配線層あるいは電極である。
【００４２】
実施例２においては、アルゴンガス雰囲気下、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて厚さ６ｎｍ以下の第１の密着層１８Ａを堆積させ、次いで、この第１の密着層１８Ａ上に、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下（例えば、窒素ガス単独、あるいは窒素ガスとアルゴンガスの併用、更には、窒素ガス、酸素ガスとアルゴンガスの併用等）、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて第２の密着層１８Ｂを堆積させ、併せて第１の密着層１８Ａを窒化し、以って単層化された密着層１８を形成する。この点が、実施例１にて説明した本発明の第１の態様に係る半導体装置の作製方法と相違する。
【００４３】
実施例２の半導体装置の作製方法を、以下、図４を参照して説明する。
【００４４】
［工程−２００］
先ず、実施例１の［工程−１００］と同様に、下層導体層１２の形成された基体１０上にＳｉＯ2から成り厚さ５００ｎｍの絶縁層１４を例えばＣＶＤ法にて形成し、次いで、下層導体層１２上の絶縁層１４に開口部１６を形成する（図４の（Ａ）参照）。
【００４５】
［工程−２１０］
その後、アルゴンガス雰囲気下で、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて絶縁層１４上及び開口部１６内に第１の密着層１８Ａを堆積させる（図４の（Ｂ）参照）。スパッタリングの条件は、例えば、
ターゲット  ：  Ｔｉ
使用ガス    ：  アルゴン
ガス圧      ：  ０．５Ｐａ  （４ m Torr）
パワー      ：  １ｋＷ
成膜時間    ：  ４秒
とすることができる。
【００４６】
第１の密着層１８Ａの厚さを、絶縁層１４上で６ｎｍとした。窒素ガスを使用せずに、アルゴンガス雰囲気下でスパッタリングを行うことによって、開口部底部に露出した下層導体層１２の表面の窒化を防止することができ、コンタクト抵抗の増加を防ぐことができる。
【００４７】
第１の密着層１８Ａは、ＴｉＮ（成膜条件によってはＴｉＯＮ）を含むＴｉから構成される。即ち、ターゲットであるＴｉの表面には、通常、前回の第２の密着層１８Ｂの形成（この工程は次の［工程−２２０］に相当する）の際ＴｉＮが形成される。第１の密着層１８Ａの成膜時、このターゲット表面のＴｉＮが、ターゲット表面から放出され、絶縁層１４上及び開口部１６内に堆積する。併せて、ターゲットから放出されたＴｉも絶縁層１４上及び開口部１６内に堆積する。従って、絶縁層１４上及び開口部１６内に堆積した第１の密着層１８Ａは、主にＴｉから構成され、ＴｉＮ（成膜条件によってはＴｉＯＮ）が含まれる。
【００４８】
［工程−２２０］
次いで、引き続き、窒素ガス雰囲気下で、チタンをターゲットとしたスパッタ法にて、第１の密着層１８Ａ上に第２の密着層１８Ｂを堆積させる（図４の（Ｂ）参照）。スパッタリングの条件は、例えば、
ターゲット  ：  Ｔｉ
使用ガス    ：  窒素
ガス圧      ：  １．１Ｐａ  （８ m Torr）
パワー      ：  ６ｋＷ
成膜時間    ：  ４４秒
とすることができる。第２の密着層１８Ｂの厚さは、絶縁層１４上で７０ｎｍとした。尚、使用ガスは窒素ガスとアルゴンガスの併用であってもよい。
【００４９】
この第２の密着層１８Ｂの形成の際、スパッタリングの雰囲気が窒素ガスであるために、第１の密着層１８Ａは窒化されて、ＴｉリッチなＴｉＮとなる。その結果、第１の密着層１８Ａ及び第２の密着層１８Ｂが全体として単層化されて、ＴｉＮから成る密着層１８が形成される。以上の２段階のスパッタリングによって、図１０の（Ａ）に示した基体の領域に単層化された密着層が形成される。従って、タングステンプラグを形成するために単層化された密着層上にタングステン層を形成する際、従来の技術のようにＴｉから構成された密着層と絶縁層との間の密着不良といった問題の発生を防止することができる。
【００５０】
絶縁層１４上での第１の密着層１８Ａの厚さが６ｎｍを越えると、［工程−２１０］で、ＴｉＮを含まないＴｉ層が厚く形成される。また、［工程−２２０］で第１の密着層１８Ａが十分窒化されず、純Ｔｉが第１の密着層１８Ａ中に相当量残存してしまう。その結果、次のタングステンプラグを形成するために密着層上にタングステン層を形成する際、従来の技術のように密着層と絶縁層との間に密着不良が発生する。
【００５１】
［工程−２３０］
次に、開口部１６内を含む単層化された密着層１８上に、化学気相析出法にてタングステン層２０を堆積させる（図４の（Ｃ）参照）。タングステン層２０はブランケットタングステンＣＶＤ法にて形成する。このとき、被覆治具にて密着層が形成されていない基体の領域を被覆する。この被覆治具は、図１０の（Ｂ）に示したように、密着層が形成されていない基体の領域だけでなく、密着層が形成された基体の一部分をも被覆する。このブランケットタングステンＣＶＤの条件を、例えば、実施例１と同様とすることができる。
【００５２】
核形成段階である第１ステップにおいては、被覆治具で被覆された基体の領域にはタングステンの核が形成されないか、形成されても僅かであり、密着層は露出した状態である。高速成長段階である第２ステップにおいては、被覆治具で被覆されている密着層上にタングステンの核が形成されていないため、密着層上に吸着したＷＦ6とＨ2との吸着解離が起こるまでの間に、ＷＦ6、あるいはＷＦ6の分解によって発生したＦが、密着層を構成するＴｉＮ中を拡散する。ところが、絶縁層上には全体としてＴｉＮから成る単層化された密着層１８が形成されているだけなので、密着層１８が絶縁層１４から剥離するという現象は生じない。
【００５３】
［工程−２４０］
次いで、絶縁層１４上のタングステン層２０及び単層化された密着層１８を除去して、開口部１６内にタングステンプラグ２０Ａ及び単層化された密着層１８を残し、接続孔２２を形成する。絶縁層１４上のタングステン層２０及び密着層１８の一部は、必要に応じて残してもよい。こうして、図１に示した半導体装置が作製される。この半導体装置の絶縁層上には、更に、例えばＡｌ系合金から成る上層導体層をスパッタ法等によって形成する。
【００５４】
ＴｉＮから成る第２の密着層１８Ｂの厚さを７０ｎｍ一定とし、第１の密着層１８Ａの絶縁層１４上での膜厚を変化させたときの密着層と絶縁層との密着性及びコンタクト抵抗測定結果を、以下の表に示す。
第１の密着層の厚さ    密着性    コンタクト抵抗（Ω）
０ｎｍ              良好        ２２６
６ｎｍ              良好            １．６
１２ｎｍ              不良            −
２３ｎｍ              不良            １．３
【００５５】
実施例２においては、ＴｉＮから成る第２の密着層１８Ｂを形成したが、代わりに、窒素ガス、酸素ガス及びアルゴンガスの雰囲気下、ＴｉＯＮから成る第２の密着層を形成してもよい。また、ターゲット材料としては、チタンの代わりに、アルミニウムあるいはアルミニウム合金から成る下層導体層を窒化することなくスパッタ法にて成膜することができ、しかも、窒化されても電気伝導性を有し、更には、窒化物がＷＦ6やＦに対する耐性を有する金属材料を用いることができる。
【００５６】
（実施例３）
実施例３は、本発明の第２の態様に係る半導体装置、及び第３の態様に係る半導体装置の作製方法に関する。実施例３の半導体装置は、図５に模式的な一部断面図を示すように、基体１０Ａに形成された下層導体層１２Ａと、下層導体層１２Ａを被覆する絶縁層１４と、絶縁層上に形成すべき上層導体層と下層導体層１２Ａとを電気的に接続するための絶縁層１４内に形成された接続孔２２を有する。そして、接続孔２２は、接続孔の底面に形成されたチタン系材料から成る第１の密着層３０Ａ，３０Ｂと、第１の密着層上に形成された第２の密着層３２と、接続孔内部に堆積されたタングステンプラグ２０Ａとから成る。第１の密着層はＴｉ層３０Ａ及びＴｉＮ層３０Ｂから成り、第２の密着層３２はタングステンから成る。
【００５７】
尚、実施例３においては接続孔２２の側壁にも第１の密着層３０Ａ，３０Ｂ及び第２の密着層３２が形成されている。実施例３においては、基体１０Ａはシリコン半導体基板であり、下層導体層１２Ａは、具体的には、基体１０Ａ上に形成された不純物拡散領域である。実施例３の半導体装置の作製方法を、以下、図６を参照して説明する。
【００５８】
［工程−３００］
先ず、下層導体層１２Ａの形成された基体１０Ａ上にＳｉＯ2から成り厚さ５００ｎｍの絶縁層１４を例えばＣＶＤ法にて形成する。次いで、下層導体層１２Ａ上の絶縁層１４に、例えばフォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ技術にて開口部を形成する。こうして、図２の（Ａ）に示した構造が得られる。
【００５９】
［工程−３１０］
その後、絶縁層１４上及び開口部１６内に第１の密着層３０Ａ，３０Ｂを、例えばスパッタ法にて形成する（図６の（Ａ）参照）。第１の密着層は、下からＴｉ層３０Ａ／ＴｉＮ層３０Ｂの２層構成である。スパッタリングの条件は、例えば、
（Ｔｉ層の形成）
ターゲット  ：  Ｔｉ
使用ガス    ：  アルゴン
ガス圧      ：  ０．５Ｐａ  （４ m Torr）
パワー      ：  ２ｋＷ
（ＴｉＮ層の形成）
ターゲット  ：  Ｔｉ
使用ガス    ：  窒素
ガス圧      ：  １．１Ｐａ  （８ m Torr）
パワー      ：  ６ｋＷ
とすることができる。このスパッタリングによって図１０の（Ａ）に示した基体の領域に密着層が形成される。実施例３においては、開口部１６内を含む絶縁層１４の全面に第１の密着層３０Ａ，３０Ｂが形成された状態で次の工程を実行する。
【００６０】
［工程−３２０］
次いで、全面に第２の密着層３２を形成する（図６の（Ｂ）参照）。即ち、開口部１６内を含む絶縁層１４の全面に形成された第１の密着層３０Ａ，３０Ｂ上に、第２の密着層３２をスパッタ法にて形成する。実施例３においては、第２の密着層３２はタングステンから成る。スパッタリングの条件は、例えば、
ターゲット  ：  Ｗ
使用ガス    ：  アルゴン
ガス圧      ：  １．６Ｐａ  （１２ m Torr）
パワー      ：  ２ｋＷ
とすることができる。
【００６１】
［工程−３３０］
次に、開口部１６内を含む密着層１８上に、化学気相析出法にてタングステン層２０を堆積させる（図６の（Ｃ）参照）。タングステン層２０はブランケットタングステンＣＶＤ法にて形成する。このとき、被覆治具にて密着層が形成されていない基体の領域を被覆する。この被覆治具は、図１０の（Ｂ）に示したように、密着層が形成されていない基体の領域だけでなく、密着層が形成された基体の一部分をも被覆する。このブランケットタングステンＣＶＤの条件を、例えば、実施例１と同様とすることができる。
【００６２】
核形成段階である第１ステップにおいては、被覆治具で被覆された基体の領域にはタングステンの核が形成されないか、形成されても僅かであり、第２の密着層が露出した状態である。高速成長段階である第２ステップにおいては、被覆治具で被覆されている第２の密着層上で、タングステンの堆積が速やかに進行する。その結果、第１の密着層を構成するＴｉＮ層３０Ｂ中へのＷＦ6、あるいはＷＦ6の分解によって発生したＦの拡散が抑制される。従って、第１の密着層が絶縁層から剥離するという現象の発生を抑制することができる。
【００６３】
［工程−３４０］
次いで、絶縁層１４上に形成された各層（実施例３においては、タングステン層２０、第２の密着層３２及び第１の密着層３０Ａ，３０Ｂ）を除去して、開口部内にタングステンプラグ２０Ａ並びに第２及び第１の密着層３２，３０Ｂ，３０Ａを残し、接続孔２２を形成する。絶縁層１４上のタングステン層２０並びに第１及び第２の密着層３０Ｂ，３０Ａ，３２の一部は、必要に応じて残してもよい。こうして、図５に示した半導体装置が作製される。この半導体装置の絶縁層上には、更に、例えばＡｌ系合金から成る上層導体層をスパッタ法等によって形成する。
【００６４】
実施例３においては、Ｔｉ層／ＴｉＮ層から成る第１の密着層を用いたが、代わりにＴｉ層／ＴｉＯＮ層から成る第１の密着層を用いることができる。
【００６５】
また、第２の密着層３２をタングステンの代わりに、タングステンとの反応性に優れた材料、例えば、シリコンから構成することもできる。この場合、通常のＣＶＤ法によって例えばポリシリコンから成る第２の密着層を第１の密着層上に形成すればよい。第２の密着層３２をシリコンから構成することによって、高速成長段階である第２ステップにおいては、被覆治具で被覆されている第２の密着層上でタングステンとシリコンとの反応が生じ、Ｗが生成される。その結果、第１の密着層を構成するＴｉＮ層３０Ｂ中へのＷＦ6、あるいはＷＦ6の分解によって発生したＦの拡散が抑制される。従って、第１の密着層が絶縁層から剥離するという現象の発生を抑制することができる。
【００６６】
（実施例４）
実施例４は、実施例３の変形である。実施例４の半導体装置が実施例３と相違する点は、第１の密着層が下からＴｉ層／ＴｉＯＮ層の２層から構成されている点、及び、第２の密着層がＴｉＮから成る点にある。また、実施例４の半導体装置の作製方法が実施例３と相違する点は、絶縁層上に形成された第１の密着層を、第２の密着層の形成前に除去する点、及び、ＴｉＮから成る第２の密着層をスパッタ法にて形成する点にある。
【００６７】
実施例４の半導体装置は、図８の（Ｄ）に模式的な一部断面図を示すように、第１の密着層４０Ａ，４０Ｂは、Ｔｉ層及びＴｉＯＮ層の２層から構成されている。また、第２の密着層４２はＴｉＮから成る。その他の構造は、実施例３で説明した半導体装置と同様であり、詳細な説明は省略する。実施例４の半導体装置の作製方法を、以下、図７及び図８を参照して説明する。
【００６８】
［工程−４００］
先ず、不純物拡散領域から成る下層導体層１２Ａの形成されたシリコン半導体基板から成る基体１０Ａ上に、例えばＳｉＯ2から成り厚さ５００ｎｍの絶縁層１４をＣＶＤ法にて形成し、次いで、下層導体層１２Ａ上の絶縁層１４に例えばフォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ技術で開口部１６を形成する（図７の（Ａ）参照）。
【００６９】
［工程−４１０］
その後、第１の密着層４０Ａ，４０Ｂを、通常のスパッタ法にて開口部１６内を含む絶縁層１４の全面に形成する。第１の密着層は、例えば、下からＴｉ層４０Ａ及びＴｉＯＮ層４０Ｂから成る（図７の（Ｂ）参照）。スパッタリングの条件は、例えば、
（Ｔｉ層の形成）
ターゲット  ：  Ｔｉ
使用ガス    ：  アルゴン
ガス圧      ：  ０．５Ｐａ  （４ m Torr）
パワー      ：  ２ｋＷ
（ＴｉＯＮ層の形成）
ターゲット  ：  Ｔｉ
使用ガス    ：  窒素及び酸素
ガス圧      ：  １．１Ｐａ  （８ m Torr）
パワー      ：  ６ｋＷ
とすることができる。このスパッタリングによって図１０の（Ａ）に示した基体の領域に密着層が形成される。実施例４においては、次に、開口部１６内に形成された第１の密着層以外の密着層、即ち絶縁層１４上に形成された第１の密着層を除去する。
【００７０】
［工程−４２０］
そのために、先ず、レジスト材料を全面に形成した後、レジスト材料のエッチバックを行い、絶縁層１４の上方のレジスト材料層を除去し、開口部１６内にレジスト材料４４を残す（図７の（Ｃ）参照）。尚、開口部１６内のレジスト材料層の一部分がエッチバックされてもよい。要するに、絶縁層１４の上方のレジスト材料層が確実に除去されていればよい。
【００７１】
その後、通常のＲＩＥ法にて、絶縁層１４上の第１の密着層４０Ｂ，４０Ａを除去する（図８の（Ａ）参照）。場合によっては、図８の（Ａ）に示すように、開口部１６の上部側壁上の第１の密着層も除去されるが問題はなく、開口部１６の底部に形成された第１の密着層４０Ａ，４０Ｂが除去されなければよい。次いで、開口部１６内のレジスト材料を除去する。
【００７２】
［工程−４３０］
次に、開口部内を含む全面に、第２の密着層４２を形成する（図８の（Ｂ）参照）。第２の密着層４２はＴｉＮ層から成り、実施例１の［工程−１１０］と同様の条件のスパッタ法にて形成することができる。これによって、絶縁層１４の上には、第２の密着層４２が形成される。また、開口部１６の少なくとも底部には、第１の密着層４０Ａ，４０Ｂ及び第２の密着層４２が形成される。
【００７３】
［工程−４４０］
次に、開口部１６内を含む密着層１８上に、化学気相析出法にてタングステン層２０を堆積させる（図８の（Ｃ）参照）。タングステン層２０はブランケットタングステンＣＶＤ法にて形成する。このとき、被覆治具にて密着層が形成されていない基体の領域を被覆する。この被覆治具は、図１０の（Ｂ）に示したように、密着層が形成されていない基体の領域だけでなく、密着層が形成された基体の一部分をも被覆する。このブランケットタングステンＣＶＤの条件を、例えば、実施例１と同様とすることができる。
【００７４】
核形成段階である第１ステップにおいては、被覆治具で被覆された基体の領域にはタングステンの核が形成されないか、形成されても僅かであり、第２の密着層が露出した状態である。高速成長段階である第２ステップにおいては、被覆治具で被覆されている密着層上にタングステンの核が形成されていないため、密着層上に吸着したＷＦ6とＨ2との吸着解離が起こるまでの間に、ＷＦ6、あるいはＷＦ6の分解によって発生したＦが、第２の密着層４２を構成するＴｉＮ中を拡散する。然るに、絶縁層１４上には第２の密着層４２が形成されているだけなので、密着層が絶縁層から剥離するという現象の発生を抑制することができる。
【００７５】
［工程−４５０］
次いで、絶縁層１４上に形成された各層（実施例４においては、タングステン層２０及び第２の密着層３２）を除去して、開口部内にタングステンプラグ２０Ａ並びに第２及び第１の密着層３０Ｂ，３０Ａを残し、接続孔２２を形成する。絶縁層１４上のタングステン層２０並びに第２の密着層４２の一部は、必要に応じて残してもよい。こうして、図８の（Ｄ）に示した半導体装置が作製される。この半導体装置の絶縁層上には、更に、例えばＡｌ系合金から成る上層導体層をスパッタ法等によって形成する。
【００７６】
（実施例５）
図９に模式的な一部断面図を示す実施例５の半導体装置は、実施例４にて説明した半導体装置の変形である。実施例４ではＴｉ層／ＴｉＯＮ層から成る第１の密着層を用いたが、実施例５においては、その代わりにＴｉＯＮ層の単層から成る第１の密着層４０を用いている。また、基体１０は半導体基板（図示せず）上に形成された層間絶縁層であり、下層導体層１２は、具体的には、基体１０上に形成されたＡｌ系合金から成る配線層あるいは電極である。
【００７７】
更に、実施例１の変形例にて説明したと同様に、必要に応じて、下層導体層１２上にＴｉＮ、ＴｉＯＮ又はＴｉＷから成る導電層２４が形成されていることが望ましい。この導電層２４は、［工程−４００］に先立ち、スパッタ法にて形成することができる。即ち、下層導体層１２がＡｌ系合金から成る場合、スパッタ法にてＡｌ系合金層を基体１０上に堆積させた後、スパッタ法にて導電層２４をＡｌ系合金層上に形成する。その後、導電層２４及びＡｌ系合金層を選択的に除去して、下層導体層１２及びその上に形成された導電層２４を得ることができる。
【００７８】
実施例５の半導体装置は、実施例４にて説明した半導体装置の作製方法と基本的には同様の方法で作製することができ、その詳細な説明は省略する。尚、第１の密着層をＴｉＯＮ単層の代わりに、Ｔｉ層及びＴｉＯＮ層の２層から構成することもできる。
【００７９】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。絶縁層１４は、ＳｉＯ2以外にも、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＡｓＳＧ、ＰｂＳＧ、ＳｂＳＧ、あるいはＳｉＮ等の公知の絶縁材料から構成することができる。絶縁層１４に開口部１６を形成した後、絶縁層１４を構成する材料によっては、絶縁層１４に約９００゜Ｃで３０分間程度の熱処理を行い、絶縁層１４の表面を平坦化してもよい。
【００８０】
密着層あるいは第１及び第２の密着層の形成は、マグネトロンスパッタリング装置、ＤＣスパッタリング装置、ＲＦスパッタリング装置、ＥＣＲスパッタリング装置、また基板バイアスを印加するバイアススパッタリング装置等各種のスパッタリング装置にて行うことができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明においては、絶縁層からの密着層の剥離を効果的に防止することができる。密着層の形成後、ブランケットタングステンＣＶＤ法の実行の前に、ＲＴＡ処理を行う必要がなくなるので、密着層にクラックが生じるという問題を回避することができる。更に、下層導体層がＡｌ系合金から成る場合にＲＴＡ処理を行うとＡｌ系合金が溶融するという問題も回避することができるし、接続孔と下層導体層との間のコンタクト抵抗の増加、あるいは接続孔と下層導体層のコンタクトが非オーミック性を示すという問題が解決される。
【００８２】
また、第２の態様に係る半導体装置の作製方法を採用することによって、コンタクト抵抗の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図２】実施例１の半導体装置の作製方法を説明するための、各作製工程における半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図３】実施例１の半導体装置の変形の模式的な一部断面図である。
【図４】実施例２の半導体装置の作製方法を説明するための、各作製工程における半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図５】実施例３の半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図６】実施例３の半導体装置の作製方法を説明するための、各作製工程における半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図７】実施例４の半導体装置の作製方法を説明するための、各作製工程における半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図８】図７に引き続き、実施例４の半導体装置の作製方法を説明するための、各作製工程における半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図９】実施例５の半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図１０】スパッタリング後の密着層の形成状態、及びＣＶＤ時の被覆治具による密着層の被覆状態を示す模式的な平面図である。
【図１１】密着層の絶縁層からの剥離メカニズムを示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ・・・基体、１２，１２Ａ・・・下層導体層、１４・・・絶縁層、１６・・・開口部、１８，１８Ａ，１８Ｂ・・・密着層、２０・・・タングステン層、２０Ａ・・・タングステンプラグ、２２・・・接続孔、２４・・・導電層、３０Ａ，３０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ・・・第１の密着層、３２，４２・・・第２の密着層、４４・・・レジスト材料
【図１】
0003731497.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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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