JPH04267359A - 配線形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造等に
適用される配線形成方法に関し、特にチタン（Ｔｉ）系
材料層からなるバリヤメタルを有するコンタクト部にお
いて、いわゆるアルミ・スパイクに対する耐性を向上さ
せる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように、半導体装置のデザイン・ルールが高度に縮小さ
れるに伴って接合が一段と浅くなり、またコンタクトホ
ールが一段と微細化されてくると、拡散層へのアルミニ
ウム（Ａｌ）の溶出やコンタクトホール中における電極
配線材料からのシリコン（Ｓｉ）の析出等により接合の
破壊や劣化、あるいはコンタクト抵抗の増大等の不良が
起こり易くなる。そのため、電極配線材料とＳｉ基板と
の間の合金化反応やＳｉの析出を防止する目的で、両者
の間にバリヤメタルを設けることが一般化している。こ
のバリヤメタルは、通常、遷移金属またはその窒化物，
炭化物，酸窒化物，ホウ化物等の遷移金属化合物の他、
高融点金属シリサイド、合金等で形成される。また、そ
の構成も単層のみならず、複数の種類の膜が組み合わせ
られる場合も多い。

【０００３】たとえば、基板側からＡｌ系材料層側へ向
けて順にＴｉ層とＴｉＮ層とが積層されてなる２層構造
のバリヤメタル（Ｔｉ／ＴｉＮ系）はその代表例である
。Ｔｉ層は酸素に対して高い親和力を有するため不純物
拡散層の表面に形成されている自然酸化膜を還元する作
用があり、低抵抗のオーミック・コンタクトを安定に達
成する観点からは優れたコンタクト材料である。しかし
、単独ではバリアメタルとしての機能を十分に果たし得
ない。それは、Ｓｉ基板とＡｌ系材料層との間にＴｉ層
が単独で介在されていても、ＳｉとＴｉの反応，および
ＴｉとＡｌの反応の両方が進行するために、Ｓｉ基板へ
のＡｌの突き抜け、すなわちアルミ・スパイクの発生が
防止できないからである。一方のＴｉＮ層は、熱力学的
にＳｉに対して安定でありＴｉ層よりはバリヤ性は高い
が、特にｐ型Ｓｉに対するコンタクト抵抗が高いという
問題がある。また、真空薄膜形成技術により成膜される
際の結晶粒径が２００Å前後でありしかも柱状構造を有
しているため、熱処理を経るとＡｌが粒界を拡散し、や
はりアルミ・スパイクを十分に防止し切れない。また、
Ｓｉ基板上へ直接に形成された場合には、膜中に不純物
として取り込まれた酸素が該Ｓｉ基板との界面に偏析す
る傾向があるため、単独では常に低抵抗なオーミック・
コンタクトを形成することは困難である。そこで、Ｓｉ
基板上にまずＴｉ層を形成し、続いてＴｉＮ層を積層す
ることにより、両層の長所を活かしているわけである。

【０００４】また、バリヤ性をより一層向上させるため
の対策として、近年ではＴｉＮ層の成膜時に酸素を導入
してＴｉＯＮ層とした２層構造のバリヤメタル（Ｔｉ／
ＴｉＯＮ系）も提案されている。これは、ＴｉＮの粒界
に酸素を偏析させることにより、Ａｌの粒界拡散を防止
することを意図したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＴｉＯ
Ｎ層を用いた場合にはバリヤ性は向上するものの、次の
ような問題点が新たに生じてしまう。第一の問題点は、
酸素を含まないＴｉＮ層に比べてコンタクト抵抗が１桁
以上も増大してしまうことである。第二の問題点は、Ｔ
ｉＮ層を使用した場合と比べてアフタコロージョンが発
生し易くなることである。Ａｌ系材料層およびバリヤメ
タルのドライエッチング用ガスとしては通常ＢＣｌ３　
等の塩素系ガスが使用されるが、このガスがＴｉＯＮ層
中の酸素と反応してＣｌ２　を発生させるからである。 アフタコロージョンにはこのような化学的な要因の他に
、構造的な要因もある。すなわち、ＴｉＯＮ層は表面の
モホロジーが粗く、ＴｉＮ層と比べてＡｌ系材料層との
濡れ性に劣るので、Ａｌ系材料層との界面に残留塩素を
滞留させる場を提供し易いからである。第三の問題点は
、ステップ・カバレッジ（段差被覆性）の劣化である。 近年の高集積化された半導体装置においては、下層配線
と上層配線の接続を図るために層間絶縁膜に開口される
接続孔の開口径も微細化し、アスペクト比が１を越える
ようになってきている。しかし、ＴｉＯＮ層は前述のよ
うに表面のモホロジーが粗く、Ａｌ系材料との濡れ性や
反応性に劣るため、スパッタリングによりＡｌ系材料を
被着させても接続孔は均一に埋め込まれず、鬆（す）が
発生し易い。

【０００６】このように、従来の技術では低抵抗性，高
いバリヤ性，優れたステップ・カバレッジ等の要求を同
時に満足し得るコンタクト形成を行うことが困難である
。そこで本発明は、これらの要求を同時に満足し得る配
線形成方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の配線形成方法は
、上述の目的を達成するために提案されるものである。 すなわち、本願の第１の発明にかかる配線形成方法は、
基板上の絶縁膜に開口された接続孔の少なくとも底部お
よび側壁部を非晶質化されたＴｉ系材料層で被覆する工
程と、少なくとも前記接続孔を充填するごとくＡｌ系材
料層を形成する工程とを有することを特徴とするもので
ある。

【０００８】本願の第２の発明にかかる配線形成方法は
、前記Ｔｉ系材料層が不活性物質をイオン注入すること
により非晶質化されてなることを特徴とするものである
。

【０００９】

【作用】真空薄膜形成技術により成膜されるＴｉ系材料
層は通常、粒径２００Å程度の微細な柱状結晶が集合し
てなる多結晶組織を有しているが、そのバリヤ性を高め
るには不純物にとって速い拡散経路となる結晶粒界を不
活性化することが必須である。従来は、たとえば結晶粒
界に酸素を偏析させることにより不活性化を行ってきた
わけであるが、その結果得られる膜の問題点については
ＴｉＯＮ層の場合を例として前述したとおりである。そ
こで本発明者は、酸素の偏析により結晶粒界を不活性化
するのではなく、多結晶組織を破壊して結晶粒界そのも
のを消滅させることを考え、本発明を提案するに至った
ものである。ここで、結晶粒界が完全に消滅されれば非
晶質（アモルファス）状態となるが、本発明では多結晶
組織を構成する単結晶が高度に微粒子化され、結晶粒界
が実質的に速い拡散経路となり得ない程度にまで微細化
されていれば目的を達する。したがって、本発明で言う
非晶質化とは、完全なアモルファス状態およびそれに近
い超微粒子状態を包含するものとする。いずれにしても
、アルミ・スパイクに対するバリヤ性が向上し、しかも
表面モホロジーの劣化やアフタコロージョンの助長等の
問題が派生しない。本願の第２の発明では、上記非晶質
化を達成する手段として、不活性物質のイオン注入を行
う。この方法によれば、イオン種，注入エネルギー，ド
ース量等の条件を適宜設定することにより、薄いＴｉ系
材料層について制御性良く所望の非晶質化を行うことが
可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について説明す
る。本実施例は、本願の第２の発明をＭＯＳトランジス
タのソース／ドレイン領域におけるコンタクト形成に適
用し、ＴｉＮ層にＮ２　をイオン注入することにより非
晶質化した例である。このプロセスを、図１（ａ）ない
し（ｃ）を参照しながら説明する。

【００１１】まず、図１（ａ）に示されるように、Ｓｉ
基板１上にたとえばＬＯＣＯＳ法によりフィールド酸化
膜２を形成し、該フィールド酸化膜２により規定される
素子形成領域に酸化シリコン等からなるゲート酸化膜３
を介してＤＯＰＯＳ等からなるゲート電極４を形成した
。次に、上記ゲート電極４をマスクとしてソース／ドレ
イン領域５を形成するための１回目のイオン注入を行っ
た後、ＣＶＤ法およびＲＩＥ等により常法にしたがって
酸化シリコン等からなるサイドウォール６を形成した。 この後、上記ゲート電極４およびサイドウォール６とを
マスクとして前記ソース／ドレイン領域５の一部におい
て不純物濃度を高めるための２回目のイオン注入を行い
、ＬＤＤ構造を形成した。さらに、基体の全面にたとえ
ばＣＶＤにより酸化シリコン等を堆積させて層間絶縁膜
７を形成し、続いて該層間絶縁膜７をパターニングして
ソース／ドレイン領域５に臨むコンタクト・ホール８を
開口した。続いてＴｉ／ＴｉＮ系の２層構造のバリヤメ
タルを形成した。まず、下層側のＴｉ層９は、一例とし
てＡｒ流量５０ＳＣＣＭ，ガス圧０．４７Ｐａ（３．５
ｍＴｏｒｒ），ＤＣスパッタ・パワー４ｋＷ，基板温度
３００℃の条件でスパッタリングを行うことにより、約
３００Åの厚さに形成した。また、上層側のＴｉＮ層１
０は、一例としてＮ２　流量５０ＳＣＣＭ，ガス圧０．
４７Ｐａ（３．５ｍＴｏｒｒ），ＤＣスパッタ・パワー
６ｋＷ，基板温度３００℃の条件で反応性スパッタリン
グを行うことにより、約７００Åの厚さに形成した。

【００１２】次に、一例として注入エネルギー５０ｋｅ
Ｖ，ドース量５×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２　の条件に
てＮ２　のイオン注入を基体の全面に行い、図１（ｂ）
に示されるように、上記ＴｉＮ層９を非晶質化ＴｉＮ層
９ａに変化させた。

【００１３】さらに、スパッタリングによりＡｌ−１％
Ｓｉ層を約４０００Åの厚さに成膜した。スパッタリン
グ条件は、一例としてＡｒ流量１００ＳＣＣＭ，ガス圧
０．４７Ｐａ（３．５ｍＴｏｒｒ），ＤＣスパッタ・パ
ワー２２．７ｋＷ，基板温度２００℃とした。このとき
、基体の全面はＡｌ−１％Ｓｉ層に被覆され、コンタク
ト・ホール８の内部も鬆を発生することなく均一に埋め
込まれた。最後に、ＢＣｌ３　／Ｃｌ２　系等の塩素系
混合ガスを使用してドライエッチングを行うことにより
、上記Ａｌ−１％Ｓｉ層，非晶質化ＴｉＮ層１０ａ，お
よびＴｉ層９を同時にパターニングし、図１（ｃ）に示
されるようにＡｌ系配線パターン１１を形成した。この
ドライエッチングの終了後には、２層構造のバリヤメタ
ルの上層側にＴｉＯＮ層を用いた場合ほど顕著なアフタ
コロージョンは観察されなかった。

【００１４】上述のようにして形成されたＭＯＳトラン
ジスタにおける非晶質化ＴｉＮ層１０ａのバリヤ性を確
認するため、所定の温度にて３０分間保持したＭＯＳト
ランジスタのゲート電極に−５．５Ｖの電圧を印加して
接合リーク電流を測定した。この結果、上記ＭＯＳトラ
ンジスタは６００℃でアニールを行った後にも何ら接合
リーク電流の増大を示さなかった。このことは、６００
℃においても非晶質化ＴｉＮ層１０ａがＡｌと反応せず
に有効なバリヤメタルとして機能し、ソース／ドレイン
領域５へのＡｌの突き抜けが防止されていることを意味
している。

【００１５】ところで、本発明は上述の実施例に何ら限
定されるものではなく、たとえば上記ＴｉＮ層９を非晶
質化するためのイオン注入は、基体の全面について行わ
ずにたとえば適当なマスクを介してコンタクト部の近傍
においてのみ行うようにしても良い。また、注入する不
活性物質もＴｉＮの化学的性質に顕著な変化をもたらす
ものでなければ上述のＮ２　に限られるものではなく、
たとえばＡｒ，Ｈ２　，Ｔｉ等をイオン注入することも
できる。

【００１６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば低抵抗であり、かつバリヤ性，段差被覆
性に優れるコンタクト形成が可能となる。したがって、
本発明は微細なデザイン・ルールにもとづき高集積度お
よび高性能を要求される半導体装置の製造に極めて好適
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本願の第２の発明をＭＯＳトランジスタの
製造に適用した一例をその工程順にしたがって示す概略
断面図であり、（ａ）はコンタクト・ホールの形成され
た層間絶縁膜を被覆してＴｉ層とＴｉＮ層からなる２層
構造のバリヤメタルが積層された状態、（ｂ）はイオン
注入により上記ＴｉＮ層が非晶質化された状態、（ｃ）
はＡｌ系配線パターンが形成された状態をそれぞれ示す
。

【符号の説明】

１　　　　・・・Ｓｉ基板 ４　　　　・・・ゲート電極 ５　　　　・・・ソース／ドレイン領域７　　　　・・
・層間絶縁膜 ８　　　　・・・コンタクト・ホール ９　　　　・・・Ｔｉ層 １０　　・・・ＴｉＮ層 １０ａ・・・非晶質化ＴｉＮ層 １１　　・・・Ａｌ系配線パターン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上の絶縁膜に開口された接続孔の
   少なくとも底部および側壁部を非晶質化されたチタン系
   材料層で被覆する工程と、少なくとも前記接続孔を充填
   するごとくアルミニウム系材料層を形成する工程とを有
   することを特徴とする配線形成方法。
2. 【請求項２】　　前記チタン系材料層は不活性物質をイ
   オン注入することにより非晶質化されてなることを特徴
   とする請求項１記載の配線形成方法。