JPH03185823A - 半導体装置の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置の製造方法、特にコンタクトホール
に露出された下地とコンタクトホールに埋め込まれた多
結晶シリコンとの自然酸化膜の除去方法、ならびにバリ
ヤメタル層の成膜方法に関する。

［発明の概要］ 本発明は、コンタクトホールに埋め込んだ多結晶シリコ
ンと、低融点金属とからなる配線構造を設けた半導体装
置の製造方法において、ケミカルドライエツチングによ
りコンタクトホールの底部に露出した下地の自然酸化膜
とコンタクトホールに埋め込んだ多結晶シリコン上面の
自熱酸化膜とを除去する一方、この多結晶シリコン上に
バリヤメタル層を半導体基板にバイアスを印加しつつ反
応性スパッタリングにより形成し、このバリヤメタル層
上に低融点金属層を形成することにより、 下地へのダメージやコンタクトホールのサイドアタック
、孔径拡大を招くことなく作業性良く自然酸化膜を除去
することができる一方、バリヤメタル層の耐熱性を向上
することができるようにしたものである。

［従来の技術］ ＬＳＩ、ＵＬＳＩのような半導体装置の製造方法におい
ては、例えば公技番号８１−６６９８号に示されている
ように、デザインルールの微細化に伴い、コンタクトホ
ールの孔径が小さくなって、コンタクトホールのアスペ
クト比が大きくなる傾向にあることから、コンタクトホ
ールをステップカバレッジ（段差被覆性）良く埋め込む
プラグ法が知られている。これを、第３図に図示して説
明する。

■第３図（Ａ）に示すように、拡散層２を有するシリコ
ン（Ｓｔ）基板のような半導体基板ｌ上に形成した層間
絶縁膜３に、フォトリゾグラフィーの技法で形成された
図外のレジストパターンをマスクとして反応性イオンエ
ツチングにより拡散層２が露出するまでエツチングを行
って、コンタクトホール４を形成する。

■第３図（Ｂ）に示すように、減圧ＣＶＤ　（ＬＰＧＶ
Ｄ）により多結晶シリコン（ＰｏｌｙＳｉ）５を層間絶
縁膜３上全面に堆積して、コンタクトホール４を多結晶
シリコン５で埋め込む。

■第３図（Ｃ）に示すように、反応性イオンエツチング
により多結晶シリコン５全面のエッチバックを行い、コ
ンタクトホール４内にだけ多結晶シリコンを残してプラ
グ６を形成した後、このプラグ６にドーパントを注入し
、さらに短時間アニールによりプラグ６を活性化する。

■第３図（Ｄ）に示すように、バイアス無しの反応性ス
パッタリングによりチタン（Ｔｉ）膜７゜チッ化チタン
（ＴｉＮ）またはチタンオキシナイトライド（ＴｉＯｘ
Ｎｙ）膜８等のバリヤメタル層９ならびにアルミニウム
（ＡＩ）の低融点金属層１０を順次堆積する。これによ
り、コンタクトホール４に埋め込んだ多結晶シリコンと
、低融点金属とからなる配線構造が、半導体基板１上に
形成される。

［発明が解決しようとする課題１ 前述した■の工程においては、第３図（Ａ）に示すよう
に、コンタクトホール４の底部に露出した下地としての
拡散層２の上面には自然酸化膜ＩＩが形成される。この
ため、■の前処理として、例えば純水１００に対してフ
ッ酸Ｉを希釈した希フッ酸に、コンタクトホール４の形
成が完了した半導体基板１を１５秒間程度浸すことによ
り、上記拡散層２の上面に形成された自然酸化膜１１を
除去するとともに、この自然酸化膜１１の除去された拡
散層２の上面をフッ酸で被覆して自然酸化膜１１のでき
にくい表面性状にしている。また、■の工程において、
コンタクトホール４の底部に露出した拡散層２にはイオ
ンエツチング時のイオンの衝撃により結晶欠陥のような
ダメージ１２が入るので、上記■の前処理である希フッ
酸によるライトエツチングの後に、前述とは別のエッチ
ャントを用いたウェットエツチングにより、上記自然酸
化膜１１の除去された拡散層２の上面を除去して、ダメ
ージ１２を取り除いている。

ところで、層間絶縁膜３はその平坦化の目的から、第４
図に示すように、半導体基板１側から順に形成された酸
化シリコン（Ｓｉｎｓ）なる熱酸化膜１３．スピンオン
ガラス（ＳＯＧ）膜１４．リンシリケートガラス（ＰＳ
Ｇ）膜１５で構成したり、あるいは第５図に示すように
半導体基板ｌ側から順に形成された熱酸化膜１３．ホウ
素シリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜１６で構成したりす
る傾向にある。

このようなことから、第４図に示した眉間絶縁膜３にお
いて、希フッ酸による前処理を行った場合には、スピン
オンガラス膜１４の希フッ酸によるエツチングレートが
速いため、コンタクトホール４の孔壁にサイドアタック
１７が入いる。また、第５図に示した層間絶縁膜３にお
いて、希フブ酸による前処理を行った場合には、ホウ素
シリケートガラス膜１６の希フッ酸によるエツチングレ
ートが速いため、コンタクトホール４の孔径が大幅に拡
大するという不都合がある。

一方、前述した■の工程においても、ドーピングされか
つ活性化された多結晶シリコンからなるプラグ６の上面
には自然酸化膜１８が形成されるので、前述と同様の希
フッ酸にプラグ６の形成が完了した半導体基板ｌを３０
秒秒間症浸すことにより、自然酸化膜１８を除去すると
ともに、この自然酸化膜１８の除去されたプラグ６の上
面をフッ酸で被覆して自然酸化膜１８のできにくい表面
性状にしている。

また、自然酸化膜１８が除去されたプラグ６の上面は、
第６図に示すように、多結晶シリコンの結晶粒界を反映
した微細な凹凸なる表面性状になっている。このため、
プラグ６の上面にチタン膜７、チッ化ヂタンまたチタン
オキシナイトライド膜８等のバリヤメタル層９を堆積す
ると、バリヤメタル層９がプラグ６上面の凹部にはステ
ッカバレッジ（段差被覆性）良く付着せず、最終的には
微細なピンホール１９を有する部分が形成される。この
バリヤメタル層９のピンホール１９を有する部分は４０
０℃程度のシンター温度で容易に破れ、低融点金属層１
０から拡散層２へのアルミニウム突き抜けを起こすとい
う問題がある。

［課題を解決するための手段］ そこで第１の発明は、半導体基板上の眉間絶縁膜に形成
したコンタクトホールを多結晶シリコンで埋め込み、こ
の多結晶シリコン上にバリヤメタル層および低融点金属
層を順次形成する工程を有する半導体装置の製造方法に
おいて、前記バリヤメタル層は半導体基板にバイアスを
印加しつつ反応性スパッタリングにより形成する。

第２の発明は、半導体基板上の層間絶縁膜に形成したコ
ンタクトホールを多結晶シリコンで埋め込み、この多結
晶シリコン上にバリヤメタル層および低融点金属層を順
次形成する工程を有する半導体装置の製造方法において
、前記コンタクトホールの形成後、ケミカルドライエツ
チングによりコンタクトホールの底部に露出した下地の
自然酸化膜を除去し、直ちにコンタクトホールを多結晶
シリコンで埋め込み、次いで多結晶シリコン上面の自然
酸化膜をケミカルドライエツチングにより除去した後、
この多結晶シリコン上にバリヤメタル層を形成する。

［作用］ 第１の発明では、バリヤメタル層を形成する際に、ター
ゲットからの蒸発原子を半導体基板側に電気的に引っ張
ることにより、蒸発原子がコンタクトホールＩこ埋め込
まれた多結晶シリコン上面の凹部にもステップカバレッ
ジ良く付着して、ピンホールの無いバリヤメタル層を形
成する。

第２の発明では、コンタクトホールに露出された下地と
コンタクトホールに埋め込まれた多結晶シリコンとの自
然酸化膜を除去する際に、マイクロ波照射によりエツチ
ングガスを半導体基板に晒すことなくプラズマ化し、こ
のプラズマ中で層間絶縁膜に対するエツチングレートが
小さくかつシリコンの自然酸化膜と拡散層とに対するエ
ツチングレートが大きい活性ガスを生成し、この活性ガ
スをエツチング室内の半導体基板上に均一に照射し、こ
の活性ガスがコンタクトホールの底部に露出している自
然酸化膜と拡散層との成分と化学的に反応して揮発性の
物質を生成することにより、自然酸化膜と下地のダメー
ジの部分とを除去する。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面とともに、前述した従来構
造と同一部分に同一符号を付して詳述する。

この一実施例では、先ず、第２の発明に相当する処理を
行う。即ち、第１図（Ａ）に示すように、拡散層２を有
するシリコン（Ｓｌ）基板のような半導体基板ｉ上に眉
間絶縁膜３Ａを例えば０．５μｍの厚さに形成する。こ
の層間絶縁膜３Ａは、半導体基板Ｉ側から酸化シリコン
膜１３．スピンオンガラス膜１４．リンシリケートガラ
ス膜１５を順次積層して形成されている。そして、この
半導体基板ｌ上に形成した層間絶縁膜３Ａには、フォト
リゾグラフィーの技法で形成された図外のレジストパタ
ーンをマスクとして反応性イオンエツチングにより拡散
層２が露出するまでエツチングを行って、例えば孔径が
０．６μｍのコンタクトホール４を形成する。この反応
性イオンエツチングにおいては、コンタクトホール４の
底部に露出した拡散層２の上面には、自然酸化膜１１が
形成されているとともに、イオンの衝撃による結晶欠陥
なるダメージ１２が数１０人の深さで形成されている。

このようなことから、コンタクトホール４を形成した後
、第１図（Ｂ）に示すように、ケミカルドライエツチン
グを３０秒間程度行う。具体的には、第２図に示すよう
に、エツチング室３０に、層間絶縁膜３Ａとコンタクト
ホール４とを含む半導体基板ｌを配置した後、排気系に
よりエツチング室３０内とこれに連通ずる輸送管３１内
とこれに連通して導波管３２を貫通する石英管３３内と
を真空雰囲気に形成し、この石英管３３にエツチングガ
スＧｌとしてフレオン（ＣＰ、）ガスを３０ＳＣＣＭ、
酸素（Ｏ７）ガスを４０８ＣＣＭ供給し、上記エツチン
グ室３０．輸送管３１．石英管３３内を３０Ｐａに設定
し、上記石英管３３に導入したエツチングガスＧｌに、
３５０Ｗの印加電力により発生したマイクロ波を導波管
３２の配設部で照射してプラズマ化し、このプラズマ中
で・エツチングに寄与する活性ガスＧ２を生成し、この
活性ガスＧ２を輸送管３１からエツチング室３０に導き
、輸送管３１のエツチング室３Ｉ側に連通するノズル３
４から半導体基板ｌ上に均一に照射し、この活性ガスＧ
２がコンタクトホール４の底部に露出している自然酸化
膜１１と拡散層２との成分と化学的に反応して揮発性の
物質Ｇ３を生成し、自然酸化膜１１と拡散層２のダメー
ジの部分とを１工程で除去するというように、エツチン
グが行われる。このケミカルドライエツチングにより、
自然酸化膜１１を含むコンタクトホール４の上面は例え
ば２０〜３０ｎｍの深さでエツチングされ、自然酸化膜
１１とダメージとが除去されて露出したコンタクトホー
ル４の上面がフッ素で被覆されて酸化されにくい表面性
状になる。このケミカルドライエツチングにおいては、
層間絶縁ｇ！３Ａを構成している熱酸化膜１３．スピン
オンガラス膜１４．リンシリケートガラスｇ（１５はエ
ツチングレートが小さいため、コンタクトホール４めサ
イドアタック、孔径拡大等の不都合は起こらない。しか
も、半導体基板ｌがプラズマに晒されないので、ダメー
ジも入らない。

この後、直ちに、第１図（Ｃ）に示すように、減圧ＣＶ
Ｄ　（ＬＰＧＶＤ）により多結晶シリコン（Ｐｏ　ｌ　
ｙＳ　ｉ）５を層間絶縁膜３Ａ上全而に例えば０．５μ
ｍの厚さに堆積して、コンタクトホール４を多結晶シリ
コン５で埋め込む。

そして、第１図（Ｄ）に示すように、反応性イオンエツ
チングにより多結晶シリコン５全面のエッチパックを行
い、コンタクトホール４内にだけ多結晶シリコンを残し
てプラグ６を形成し、このプラグ６に例えばＢＦｔ　　
６０ＫｅＶ　　１ｘ１０”ｃｍ−”もしくはＰ”　　５
０ＫｅＶ　　ｌＸ１０”ａｍ−”の条件によりドーパン
トを注入し、さらに短時間アニールとしての温度１１０
０℃で１０秒間のランプアニールによりプラグ６を活性
化した後、プラグ６の上面に付いた自然酸化膜１８を、
第１図（Ｅ）に示すように、再び６０秒間のケミカルド
ライエツチングにより除去する。

次に、第１の発明に相当する処理を行う。即ち、第１図
（Ｆ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いた反
応性スパッタリングによりチタン膜７を３０ｎｍの厚さ
に堆積し、引き続き、半導体基板ＩにＲＦバイアス４０
をかけながら、チッソ（Ｎ、）中に６％の酸素（０，）
を含有するガス中で３ＫＷの電力をＴｉターゲットに印
加しつつ反応性スパッタリングを行うことにより、チタ
ンオキシナイトライド膜８を７０ｎｍの厚さに堆積して
、バリヤメタル層９を形成し、さらにアルゴンガスを用
いた反応性スパッタリングによりアルミニウム合金（Ａ
Ｉ−８ｔ）の低融点金属層１０を３００　ｎｍの厚さに
堆積する。

この後、図示は省略するが、バイアスなしの反応性スパ
ッタリングでフォトリゾグラフィー用の反射防止膜とし
てのチタンオキシナイトライド膜を３０ｎｍの厚さに堆
積する。そして、バリヤメタル層９と低融点金属層１０
とからなる配線層および反射防止膜をフォトリゾグラフ
ィーの技法によるレジストパターンをマスクとしてパタ
ーンエツチングを行って、配線パターンを形成した後、
前述とは別の層間絶縁膜、上層配線層、パブシベーショ
ン膜等の堆積、ポンディングパッド開口、シンター熱処
理を経て、配線工程のｌサイクルを終了する。これによ
り、コンタクトホール４に埋め込んだ多結晶シリコンと
、低融点金属の配線とからなる配線構造が、半導体基板
ｌ上に形成される。

ここで、バリヤメタル層９中のチタンオキシナイトライ
ド膜８をバイアス印加無しの反応性スパッタリングによ
り成膜した試料を作成し、この試料を温度４５０℃で６
０分間シンター熱処理を行った場合と、同チタンオキシ
ナイトライド膜８をバイアス印加有りの反応性スパッタ
リングにより成膜した試料を作成し、この試料を温度４
５０℃で１２０分間シンター熱処理を行った場合を検証
したところ、バイアス印加無しの試料では低融点金属層
１０を構成しているアルミニウムの拡散層２への突き抜
けが生じていたが、バイアス印加有りの試料ではアルミ
ニウムの拡散層２への突き抜けは発生しておらず、バリ
ヤメタル層９の耐熱性に優れていることが確認できた。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
図示は省略するが、例えば、層間絶縁膜としては、酸化
シリコンのような熱酸化膜１３のみで構成しても同様に
適用できる。

また、バリヤメタル層中のチタンオキシナイトライドの
代わりに、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ。

ＷＮ等でも適用できる。

さらに、低融点金属層としては、ＡＩの他に、Ｃｕ、Ｗ
等の配線材料を使用することも可能である。

［発明の効果］ 以上のように第１の発明によれば、半導体基板にバイア
スを印加しつつ反応性スパッタリングにより、バリヤメ
タル層を形成しているので、ターゲットからの蒸発原子
が半導体基板側に電気的に引っ張られてコンタクトホー
ルに埋め込まれた多結晶シリコン上面の凹部にもステッ
プカバレッジ良く付着し、ピンホールの無いバリヤメタ
ル層を形成でき、よってバリヤメタル層の耐熱性を著し
く高めて、シンター熱処理での低融点金属の突き抜けを
阻止することができる。。

第２の発明によれば、ケミカルドライエツチングにより
、コンタクトホールに露出された下地とコンタクトホー
ルに埋め込まれた多結晶シリコンとの自然酸化膜を除去
しているので、エツチングガスを半導体基板に晒すこと
なくプラズマ化し、このプラズマ中で層間絶縁膜に対す
るエツチングレートが小さくかつシリコンの自然酸化膜
と拡散層とに対するエツチングレートが大きい活性ガス
を生成し、この活性ガスをエツチング室内の半導体基板
上に均一に照射し、自然酸化膜と拡散層のダメージの部
分とを、下地へのダメージやコンタクトホールのサイド
アタック、孔径拡大を招くことなく作業性良く除去する
ことができる。しかも、半導体基板とバリヤメタル層と
の間の自然酸化膜が除去されたことにより、配線構造の
オーミックコンタクトが確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の一実施例の各処理工程
を示す断面図、第２図は同実施例のケミカルドライエツ
チング装置を示す断面図、第３図（Ａ）〜（Ｄ）は従来
の各処理工程を示す断面図、第４図は同従来のコンタク
トホールにサイドアタックが形成された状態を示す断面
図、第５図は同従来のコンタクトホールの孔径が拡大さ
れた状態を示す断面図、第６図は同従来のバリヤメタル
層にピンホールが形成された状態を示す断面図である。 Ｉ・・・半導体基板、２・・・拡散層（下地）、３．３
Ａ・・・層間絶縁膜、４・・・コンタクトホール、９・
・・バリヤメタル層、ｌＯ・・・低融点金属層、１１．
１８・・・自然酸化膜、１２・・・ダメージ、１７・・
・サイドアタック、１９・・・ピンホール。 １１自岱酸化順 旬謝４列のコンタ７トホールを土！めムんだＷｈ免切回
第１図Ｃ） 寅ガヒイ刊のケミカルドライエツナ）りＬｔが１面口第
１図（Ｅ） を 第１ 図（Ｆ） １１　自費短―豐イヒ剛１ 第３図（Ｄ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上の層間絶縁膜に形成したコンタクト
   ホールを多結晶シリコンで埋め込み、この多結晶シリコ
   ン上にバリヤメタル層および低融点金属層を順次形成す
   る工程を有する半導体装置の製造方法において、 前記バリヤメタル層は半導体基板にバイアスを印加しつ
   つ反応性スパッタリングにより形成することを特徴する
   半導体装置の製造方法。
2. （２）半導体基板上の層間絶縁膜に形成したコンタクト
   ホールを多結晶シリコンで埋め込み、この多結晶シリコ
   ン上にバリヤメタル層および低融点金属層を順次形成す
   る工程を有する半導体装置の製造方法において、 前記コンタクトホールの形成後、ケミカルドライエッチ
   ングによりコンタクトホールの底部に露出した下地の自
   然酸化膜を除去し、直ちにコンタクトホールを多結晶シ
   リコンで埋め込み、次いで多結晶シリコン上面の自然酸
   化膜をケミカルドライエッチングにより除去した後、こ
   の多結晶シリコン上にバリヤメタル層を形成したことを
   特徴とする半導体装置の製造方法。