JPH05198577A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンタクトホール底面において、結晶粒界に
よる粒界拡散がなく、かつシリサイド層に比べて大きな
膜厚を有する窒化チタン層を得る。 【構成】 シリコン面が露出する部分を有した基板１上
に薄いチタン膜８と、窒素を含むチタン膜９（原子比で
Ｎ／Ｔｉ０．８以下）を順次堆積し、窒化雰囲気中で熱
処理を行ない、チタンシリサイド層４，窒化チタン層５
ａの積層構造を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体装置の製造方法
に関し、特にコンタクトホール底部に設けられる窒化チ
タン膜を形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５及び図６は従来の半導体装置の製造
方法により製造された半導体装置のコンタクト部の断面
構造である。図において、１はＳｉ基板、２は該基板１
の表面に形成された不純物拡散層、３は層間絶縁膜であ
り、該層間絶縁膜３の上記不純物拡散層２上方にはコン
タクトホールが形成されており、該コンタクトホール底
部に露出する上記不純物拡散層２表面にはチタンシリサ
イド（ＴｉＳｉ₂ ）層４が形成され、またコンタクトホ
ール内周面には熱窒化チタン層５ａが形成され、これら
チタンシリサイド（ＴｉＳｉ₂ ）層４，熱窒化チタン層
５ａを介して配線となるＡｌ合金層６又はＷ層７が形成
されている。

【０００３】また、図７及び図８は上記図５及び図６に
示す窒化チタン膜４の形成方法を示す工程断面図であ
る。図において、８はチタン膜、５ｂは窒化チタン層で
ある。次に各構成要素の役割等について説明する。図５
のコンタクト構造において、Ａｌ合金層６は半導体素子
間の配線として使用されるが、不純物拡散層２との接触
部における両者の相互拡散を防止するために、窒化チタ
ン（ＴｉＮ）５ａが使われる場合が多い。また、コンタ
クトホール内に露出する不純物拡散層２上のチタンシリ
サイド層４は良好なオーミック接触を実現するために形
成されているものである。

【０００４】図６では、Ｗ層７が配線として用いられて
いる例を示し、この場合、Ｗ層７はＷＦ₆ ガスを原料に
用いた気相成長法により形成されることが多いが、形成
時の不純物拡散層２へのダメージを防止する目的、及び
Ｗ層７の密着性を強くする目的のために、窒化チタン
（ＴｉＮ）５ａが使用されている。また、Ｗ配線７が６
５０℃以上の高温熱処理を受ける場合には、窒化チタン
（ＴｉＮ）５ａはＷ層７とシリコン基板１とのシリサイ
ド反応を阻止する機能も兼ねる。この場合も、良好なオ
ーミック接触を実現するためにコンタクトの不純物拡散
層２上にはチタンシリサイド層４が形成されることが多
い。

【０００５】以上のような窒化チタン（ＴｉＮ）５，チ
タンシリサイド層４の形成方法としては、従来、２つの
方法が用いられてきた。すなわち第１の方法は図７に示
すように、熱窒化を利用する方法である。これは図７
(a) に示すようにＳｉ基板１上にスパッタ法等で４０ｎ
ｍ〜１００ｎｍ程度のチタン膜８を堆積し、これを６０
０℃〜９００℃の窒化雰囲気中での熱処理を行う。この
時、チタン膜８の表面からは窒化反応が、またＳｉ基板
１側からはシリサイド反応が起こり、図７(b) に示すよ
うに窒化チタン５ａとチタンシリサイド層４の積層構造
が形成される。この時、窒化チタン５ａの膜厚は、窒化
反応とシリサイド反応との競合によって定まり、熱処理
の温度や雰囲気等の諸条件に依存するが、おおよそチタ
ン膜８の２０〜４０％が窒化チタン５ａとなる。また、
以上述べた反応はＳｉ基板１に接した場所で生じるもの
であり、層間絶縁膜上ではシリサイド反応が生じないた
め、全てのチタン膜８は熱処理によって窒化チタン５ａ
に変化することとなる。

【０００６】以上のようにチタン膜の熱窒化を利用する
方法の他に第２の方法として、図８に示すように窒化チ
タン膜自体を予め堆積する方法もある。これは図８(a)
に示すように、Ｓｉ基板１上に５〜２０ｎｍ程度の薄い
チタン膜８を堆積し、続いて窒素ガスをアルゴン中に混
入し、スパッタ過程でＴｉ原子と反応させてＴｉＮ膜を
形成する反応性スパッタリング等の手法を用いて窒化チ
タン膜５ｂを堆積する。この状態で熱処理を施すことに
より、下層のチタン膜８がシリサイド化され、窒化チタ
ン５ｂとチタンシリサイド４の積層構造となる。この場
合の窒化チタン５ｂの膜厚は最初に形成された窒化チタ
ン膜８の膜厚で決まる。

【０００７】ところで、上述した２つの方法による熱窒
化法で形成された窒化チタン５ａと反応性スパッタ法で
形成した窒化チタン５ｂとは膜質が異なるものである。
即ち、反応性スパッタ法で形成した窒化チタン５ｂは柱
状結晶を有し、膜厚方向に結晶粒界が走っているのに対
し、熱窒化法で形成された窒化チタン５ａでは明確な結
晶粒界は認められない。窒化チタンを用いる目的は、前
述したように、Ａｌ合金層とＳｉ基板、あるいはＷ層と
Ｓｉ基板間の反応を防止するためであるが、このような
反応は、窒化チタンの結晶粒界が存在する部分で最も生
じやすいため、明確な粒界を持たない第１の方法により
形成された熱窒化チタン膜５ａが膜質的には有利であ
る。

【０００８】また、窒化チタンとチタンシリサイド層と
の膜厚比に関して言えば、窒化チタン層が厚い方が有利
である。その理由は前述した反応防止の目的のために
は、窒化チタンが厚い方が有利なこと、またオーミック
接触に必要なチタンシリサイド層の膜厚は極めて薄くて
よく、むしろこの膜厚が大きいと、シリサイド反応で消
費される基板のＳｉの量が多くなりすぎ、デバイス特性
に悪影響を与えることがあり、この点では第２の方法に
よるスパッタ法で形成された窒化チタン５ｂの方が有利
であると言える。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置の製
造方法は以上のように構成されており、熱窒化法で形成
される窒化チタンは、不純物拡散層とのコンタクトにお
いては、窒化されるチタン膜は全体の２０〜４０％程度
と少なく、チタンシリサイドに対する窒化チタン層の膜
厚を大きく取れないという問題点があった。一方、反応
性スパッタリング法で予め窒化チタン層を形成する方法
は、形成された窒化チタン膜が柱状結晶を有し、結晶粒
界に沿って粒界拡散を生じやすいこと、また反応性スパ
ッタリングの過程で、膜中にパーティクルが発生しやす
く、半導体装置の歩留りを著しく低下させてしまうとい
う問題点があった。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、チタンシリサイドに対する窒化
チタン層の膜厚を大きくとることができるとともに、結
晶粒界による粒界拡散の少ない窒化チタン層を有する半
導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体装
置の製造方法は、シリコン面が露出する部分を有する基
板上に所定の膜厚を有するチタン膜を形成する工程と、
該チタン膜上に所定量の窒素を含んだ窒素含有チタン膜
を堆積する工程と、上記基板上に積層されたチタン膜及
び窒素含有チタン膜を窒化雰囲気中で熱処理する工程と
を備えたものである。

【００１２】

【作用】この発明においては、シリコン面が露出する部
分を有する基板上にチタン膜，窒素含有チタン膜を順次
積層し、窒化雰囲気中で熱処理するようにしたから、熱
処理時に窒素含有チタン膜はシリサイド化されることな
く窒化チタン層となり、下層のチタン膜のみがシリサイ
ド化される。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の一実施例による半導体装置
の製造方法を図について説明する。図１において、図７
及び図８と同一符号は同一または相当部分を示し、９は
窒素を一定量含んだチタン膜である。

【００１４】次に製造方法について説明する。図１(a)
に示すように、基板１上に薄いチタン膜８及び窒素を含
むチタン膜９を順次堆積する。通常、窒化チタンはＴｉ
原子をＮ原子が１：１の割合で結合した化合物である
が、上記窒素を含むチタン膜９はＮ原子のＴｉ原子に対
する含有割合が０．８以下である膜を用いる。

【００１５】続いて、窒素またはアンモニアを含む窒化
雰囲気中で熱処理を行うと、基板１側からシリサイド反
応が生じ、薄いチタン膜８は基板１と反応してシリサイ
ド化され、チタンシリサイド４となる。しかし、窒素を
含むチタン膜９中では、チタン膜中に窒素を含有するた
めシリサイド反応が抑制され、最終的に形成されるチタ
ンシリサイド層４の膜厚は薄いチタン膜８の膜厚によっ
てほとんど規定されることになる。そして、シリサイド
化されない窒素を含むチタン膜９は熱窒化によって窒化
チタン５ａとなる。

【００１６】従って、窒素を含むチタン膜９の膜厚を、
下層のチタン膜８に比べて大きく形成しておけば、熱窒
化法で形成される窒化チタン５ａのチタンシリサイド４
に対する膜厚比を大きくすることができる。

【００１７】ところで、このような窒素を含むチタン膜
９の形成方法としては、Ｔｉターゲットを用いた反応性
スパッタ（アルゴンと窒素の混合ガスでスパッタ）を用
いる場合が多い。図３，図４はそれぞれ、Journal of V
accuum Science Technology.A3(4), p.1797,(1985年)
に記載された、反応性スパッタリング法で生成されたＴ
ｉＮ膜の比抵抗，堆積速度、及びＮ／Ｔｉの原子比を示
したグラフ図であり、この図から分かるように、スパッ
タガス中の窒素分圧が２５％以上で堆積速度は初期の１
／３程度に低下し、またＮ／Ｔｉの原子比は約１．０以
上となっており、柱状結晶を有する窒化チタン膜が形成
される。

【００１８】このことから上記窒素を含むチタン膜９は
窒素ガスの割合が１０〜２３％程度の領域で形成される
チタン膜（Ｎ／Ｔｉの原子比０．８以下）を用いるのが
適していることがわかる。

【００１９】このように本実施例によれば、基板１上に
薄いチタン膜８，所定量の窒素を含有するチタン膜９を
順次積層し、続いて窒化雰囲気中で熱処理するようにし
たので、シリサイド反応は窒素を含有するチタン膜９に
て抑制されてチタン膜８のみにおいて起こり、窒素を含
有するチタン膜９の大部分は窒化チタン５ａとなるた
め、熱処理時に形成されるチタンシリサイド膜４を薄く
することができ、また窒化チタン５ａの膜厚を厚くする
ことができる。また熱窒化により形成された窒化チタン
膜は明確な粒界を持たないため、粒界拡散等の不具合が
生じることがない。

【００２０】なお、上記実施例では、窒化チタン５ａを
得るのに窒素を含むチタン膜９のみの膜厚により決定す
るようにしたが、図２に示すように、最上層にチタン膜
１０を加えた３層構造としてもよい。この場合、中間層
となる窒素を含むチタン層９の膜厚を適切に選べば、熱
処理時の基板からのシリサイド反応を、この層９内で止
めることができ、この時、最上層のチタン膜１０は全て
熱窒化されるため、形成される窒化チタン５ａの膜厚を
厚く取ることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る半導体装
置の製造方法によれば、シリコン面が露出する部分を有
する基板上にチタン膜，窒素含有チタン膜を順次積層
し、窒化雰囲気中で熱処理するようにしたので、熱処理
時に窒素含有チタン膜はシリサイド化されることなく窒
化チタン層となり、また下層のチタン膜のみがシリサイ
ド化されてチタンシリサイド層となり、その結果、結晶
粒界による粒界拡散が少なく、かつ膜厚の厚い窒化チタ
ン膜を有する半導体装置を歩留りよく得ることができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体装置の製造方法
を示す断面構造図。

【図２】本発明の他の実施例による半導体装置の製造方
法を示す断面構造図。

【図３】上記実施例で使用する膜形成に適した反応性ス
パッタリング法を説明するためのＴｉＮ膜の比抵抗，堆
積速度と窒素分圧との関係を示す図。

【図４】上記実施例で使用する膜形成に適した反応性ス
パッタリング法を説明するためのＮ／Ｔｉの原子比を示
した図。

【図５】本発明あるいは従来の半導体装置の製造方法に
より形成した窒化チタンの用途を示す半導体デバイスの
断面構造図。

【図６】本発明あるいは従来の半導体装置の製造方法に
より形成した窒化チタンの用途を示す半導体デバイスの
断面構造図。

【図７】従来の半導体装置の製造方法を示す断面構造
図。

【図８】従来の半導体装置の他の製造方法を示す断面構
造図。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ 不純物拡散層 ３ 層間絶縁膜 ４ チタンシリサイド層 ５ａ 熱窒化チタン膜 ５ｂ 窒化チタン膜 ６ Ａｌ合金配線 ７ Ｗ配線 ８ チタン膜 ９ 窒素を含むチタン膜 １０ チタン膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン面が露出する部分を有した基板
   上にチタンシリサイド層及び窒化チタン層が順次形成さ
   れ、上記チタンシリサイド層及び窒化チタン層を介して
   配線層を接続してなる半導体装置を製造する方法におい
   て、 上記基板上に所定の厚さを有するチタン膜を形成する工
   程と、 上記チタン膜上に所定量の窒素を含む窒素含有チタン膜
   を形成する工程と、 上記基板上に積層されたチタン膜及び窒素含有チタン膜
   を、窒化雰囲気で熱処理する工程とを含むことを特徴と
   する半導体装置の製造方法。