JPH06196572A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 半導体装置の接触口における配線層を形成す
る方法を提供する。 【構成】 不純物ドーピング領域の形成された半導体基
板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に半導体基板の不純
物拡散領域を露出する接触口を形成する。次いで、前記
接触口の内面及び前記接触口により露出された半導体基
板の表面上に拡散防止膜を形成し、真空中で450℃か
ら650℃の温度で2分から1時間の間前記拡散防止膜
を熱処理する。次に、拡散防止膜上に半導体装置の金属
配線層を形成する。 【効果】 これにより、接触抵抗値が拡散層の種類に問
わず大幅に低くなり接触抵抗の均一性も著しく改善され
る。

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方法に
係り、特に半導体装置の層間接触用接触口における配線
層を形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の配線方法は装置の性能(例
えば動作速度)、収率及び信頼性を決定する要因となる
ので、半導体装置製造技術のうち一番大事な位置を占め
ている。集積度の低い従来の技術の半導体装置におい
て、例えば低いアスペクト比(aspect ratio;深さ対幅
の比)と低い段差のように装置の形状が大きいという本
質的な特性のため金属の段差塗布性は大きな問題となら
なかった。
【0003】しかし、最近は半導体装置の高集積化によ
り接触口の直径は(ハーフミクロン以下に)極めて小さ
くなり、半導体基板の表面部位に形成された不純物注入
領域は遥かに浅くなった。最近は半導体装置の高集積化
により、コンタクトホールの高いアスペクト比とさらに
大きい段差により、従来のアルミニウムを用いて配線を
形成する方法は半導体装置の高速性能、高収率及び高信
頼性という標準設計目標を達成するために改善する必要
があった。そして、従来の方法では1μm以下のコンタ
クトホールを埋め立てることが困難であり、よって半導
体装置の接触口でボイドを形成させる。
【0004】かかる不良なアルミニウム金属の段差塗布
性を解決するため、特開昭62−132848、63−
99545及び62−109341号公報などにはアル
ミニウムを熔融して接触口を埋め立てる方法が開示され
ている。また、アメリカ特許第4,907,176号に
は低温で第1金属層を形成させた後、温度を上昇して行
きながら他の金属を蒸着して第2金属層を形成して段差
塗布性を向上させる方法が開示されている。
【0005】また、本発明者は低温でアルミニウム層を
蒸着形成した後、熔融点以下の高温で熱処理して金属層
粒子をリフローさせる方法を発明し、これを1990年
9月19日付けにてアメリカ特許出願番号07/58
5,218号の”半導体装置の金属層形成方法”に出願
し、この出願は現在放置の状態であるが、そのCIP出
願の07/879,294号が現在アメリカ特許庁に係
属中である。また、半導体製造の初期段階においては純
粋アルミニウムを用いて金属配線層を形成したが、アル
ミニウム層は燒結段階で温度が上がることによりシリコ
ン基板からシリコン原子を吸収するので、従来の方法は
接合スパイキングを発生させる。このため、アルミニウ
ムをシリコンに過飽和させたAl−1%Siが金属配線
層の材料として広く使われてきた。
【0006】しかし、かかるAl−1%Siを用いて半
導体装置の表面に配線を形成する場合、約450℃以上
の温度で熱処理する時Al膜中のシリコンが析出されA
l膜と付近の層間にSi析出を形成し、接触口ではシリ
コン粒子固相エピタキシアルが成長してSi−ノジュー
ルが形成され配線の抵抗やその接触抵抗を増加させる。
【0007】金属配線層とシリコン基板間の前述のよう
な反応によるAlスパイキングを防止したり、Si析出
やSi−ノジュールの形成を防止するために、配線層と
シリコン基板または絶縁層との間に拡散防止膜を形成す
ることが提案されてきた。例えば、アメリカ特許4,8
97,709号(横山など)には拡散防止膜として窒化
チタン膜を接触口の内壁に形成する方法が記載されてい
る。また、特開昭61−183942号公報には障壁層
で耐火金属膜と窒化チタン膜とから構成された二重膜を
形成して熱処理する方法が開示されている。半導体基板
と接触する接触口の底部において、窒化チタン層は、半
導体基板と反応して熱的に安定した化合物より構成され
た耐火金属シリサイド層を形成することにより障壁効果
を向上させる。
【0008】半導体装置が1ミクロン以下の大きさを有
することにより、前述したような拡散防止膜を形成する
のは必須である。かかる拡散防止膜は通常その拡散防止
特性を向上するために熱処理される。拡散防止膜を熱処
理する工程は通常窒素雰囲気下で拡散防止膜をアニリン
グして行われる。拡散防止膜をアニリングしない場合、
450℃以上の温度でアルミニウムやアルミニウム合金
をスパッタリングしたり、それとも以後燒結する間接合
スパイキング現象が生じて不向きである。
【0009】図1から図4は従来の拡散防止膜を用いて
半導体装置の配線層を形成する方法の一実施例を示す断
面図である。図1は半導体基板内にイオン注入を行う段
階を示す。具体的には、半導体基板1上に半導体基板を
2部分、即ち活性領域と分離領域に限定するためのフィ
ールド酸化膜3を形成した後、熱酸化法によりパッド酸
化膜5を300Åの厚さに形成する。次いで、Asを5
×1015原子/cm2 の面密度で注入してn+ 不純物ド
ーピング領域を形成し、BF2 を5×1015分子/cm
2 面密度で注入してp + 不純物ドーピング領域を形成す
る。
【0010】図2は酸化段階を示す。前記図1の段階
後、乾燥したO2 雰囲気下の950℃で酸化工程を行
う。この際、前記図1に示したドーピングされた不純物
が活性化され、n+ ドーピング領域7及びp+ の不純物
ドーピング領域8を形成する。図3は接触口の形成段階
を示す。前記で収得した結果物の全面に層間絶縁膜9を
形成した後、通常の写真食刻工程により前記層間絶縁膜
9に接触口10を形成する。
【0011】図4は拡散防止膜と金属配線層を形成する
段階を示す。図3の段階後、結果物の全面にチタン及び
チタンナイトライドを蒸着して、チタン層11とチタン
ナイトライド層13より構成された拡散防止膜を形成し
た後、600℃で窒素雰囲気下でウェーハをアニリング
する。次いで、前記拡散防止膜上にAl−Si−Cu合
金を蒸着して金属層を形成し、450℃で15分間燒結
を行う。その後、写真食刻工程によりパタニングを行っ
て半導体装置の配線層15を収得する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の方法により拡散防止膜上に金属配線層を形成すれ
ば、アスペクト比の大きい接触口(例えばアスペクト比
が1.2以上)の場合はチタンTi及びチタンナイトラ
イドTiNは段差塗布性が不良であり、炉でアニリング
工程を行う場合酸化しやすくて接触抵抗が高くなる。こ
れはミクロン以下の大きさを有する接触口でさらに著し
い。
【0013】前述した問題点を解決するために(例え
ば、p+ 接触領域で接触抵抗を低めるため)、吉川など
は接触口を形成しBF2 を1×1015個/cm2 のドズ
で半導体基板内にイオン注入した後、800℃以上の温
度で数十秒の間RTA(RapidThermal Annealing )方
法で活性化する工程をさらに施してp+ 接触領域で接触
抵抗を減少する方法を提示した(参照;月刊 Semicondu
ctor World 1989、11、pp36 〜38)。しかし、この方法
はイオン注入と活性化段階の2段階工程が追加されるの
で、金属配線工程が複雑になって半導体装置製造の収率
を減少させ不向きである。
【0014】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、アスペクト比の大きい接触口で拡散
防止膜の形成された半導体基板と拡散防止膜上に形成さ
れた金属配線層との接触抵抗を減少させるとともに半導
体ウェーハ全般にかけて接触抵抗の均一性を改善するこ
とにより、半導体装置の動作速度を向上しうる金属配線
層の形成方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に拡
散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜を一定時間
の間真空中で熱処理する段階と、前記拡散防止膜上に金
属配線層を形成する段階とから構成される。前記熱処理
は450℃から650℃の温度で2分から1時間行う。
好適には550℃の温度で5分から1時間前記熱処理を
行ったり、625℃の温度では2分から5分間前記熱処
理を行う。
【0016】前記拡散防止膜を真空中で熱処理してから
は拡散防止特性を向上するために従来の方法のように窒
素雰囲気下でアニリングすることもできる。このような
アニリングを施しても低い接触抵抗が保たれる。前記拡
散防止膜は通常的に使われる方法により形成された拡散
防止膜ならいずれも可能である。かかる通常的な拡散防
止膜は遷移金属、遷移金属合金及び遷移金属化合物より
構成された群から選択されたいずれか一つ以上よりなり
得る。前記拡散防止膜は遷移金属で構成された第1拡散
防止膜と前記第1拡散防止膜上に形成された遷移金属化
合物または遷移金属合金より構成された第2拡散防止膜
から構成されるのが好適である。前記拡散防止膜の熱処
理段階は、前記第1拡散防止膜を形成した後、前記第2
拡散防止膜を形成する前に行う。また、前記遷移金属の
例としてTiが挙げられ、前記遷移金属化合物の例とし
てはTiNが挙げられ、前記遷移金属合金の例としては
TiWが挙げられる。
【0017】前記熱処理段階は4mTorr以下の不活
性ガス雰囲気下で保たれる真空中で行い、該不活性ガス
としてはアルゴン、窒素及びヘリウムなどが挙げられ
る。前記拡散防止膜を形成した後、半導体ウェーハを大
気に露出せず連続的に熱処理工程を行う。また、本発明
の半導体装置の製造方法は、不純物拡散領域の形成され
た半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜
に半導体基板の不純物拡散領域を露出する接触口を形成
する段階と、前記接触口の内面及び前記接触口により露
出された半導体基板の表面上に第1拡散防止膜を形成す
る段階と、真空中で450℃から650℃の温度で一定
時間の間前記第1拡散防止膜を熱処理する段階と、前記
第1拡散防止膜上に金属層を形成する段階と、前記金属
層及び第1拡散防止膜を各セル単位にパタニングして金
属配線層を形成する段階とから構成される。
【0018】前記第1拡散防止膜はチタンより構成され
る。拡散防止膜の障壁特性を向上するために、前記第1
拡散防止膜上に第2拡散防止膜を形成した後、前記第2
拡散防止膜を窒素雰囲気下で熱処理することができる。
前記第2拡散防止膜の熱処理段階は400から500℃
の温度で30分から1時間行う。
【0019】
【作用および発明の効果】本発明によれば、拡散防止膜
を形成して真空中で一定時間の間熱処理した後、金属配
線層を形成する。接触口における金属配線の接触抵抗値
は全体接触口を通じて均一であり、熱処理しない従来の
方法に比べて遥かに低い。
【0020】
【実施例】以下、添付した図面に基づき本発明をさらに
詳しく説明する。 実施例1 図5及び図6は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の一実施例を示す断面図である。
【0021】図5は接触口及び拡散防止膜形成段階を示
す。半導体基板31上に素子活性領域と素子分離領域を
限定するためのフィールド酸化膜33を形成した後、熱
酸化法により熱酸化膜35を500Åの厚さに形成させ
る。次いで、通常の方法に従ってイオン注入工程を行っ
てN +及びP+ 不純物を注入した後、結果物の全面にア
ニリング工程を行ってイオン注入された不純物を活性化
してN+ 及びP+ 不純物ドーピング領域37及び37’
を形成する。
【0022】次に、収得した結果物の全面にBPSGを
用いて10,500Å厚さの層間絶縁膜39を形成した
後、前記層間絶縁膜39の上に接触口の形成のためのフ
ォトレジストパターン(図示せず)を形成した後、BO
E(Buffered Oxide Etchant)を用いた湿式食刻方法に
より約3,000Åの深さに食刻した後、RIEエッチ
ング方法を以て半導体基板31が露出されるまで前記層
間絶縁膜39及び前記熱酸化膜35を食刻して大きさ
(横/縦)が0.45/0.55μm、0.5/0.6
μm、0.6/0.7μm及び1.0/1.0μmの接
触口41を形成する。その後、前記フォトレジストパタ
ーンをストリッピングし除去してから硫酸ボイルと希釈
されたフッ化水素酸を用いて自然酸化膜を除去する。
【0023】次いで、結果物の全面すなわち接触口41
の内面、半導体基板31の露出された表面及び層間絶縁
膜39上に通常のスパッタリング方法によりチタンから
構成された拡散防止膜43を300Åの厚さに形成す
る。図6は前記拡散防止膜43を熱処理し、金属層45
を完成する段階を示す。図5で収得した半導体ウェーハ
を大気に露出した後、10-7Torrの高真空が保たれ
たチャンバに入れた後、不活性気体としてアルゴン4m
Torrを前記高真空チャンバに注入した後、550℃
の温度で5分間熱処理する。
【0024】次いで、前記結果物の全面にAl−Si−
Cu合金を蒸着して前記拡散防止膜上に金属層45を形
成し、通常の方法で半導体装置の配線層を収得する。前
記で収得した配線層の接触口における接触抵抗を測定し
て結果を表1に示す。ここで抵抗値はコンタクトチェー
ン構造の両端の二点間で測定され、コンタクトチェーン
は金属配線、半導体基板の不純物ドーピング領域及びオ
ーム接触(ohmic contact )を含む。本発明のすべての
実施例においてはコンタクトホールの抵抗を測定するた
めに1、200個のコンタクトホールが直列連結された
コンタクトチェーン構造を用いた。
【0025】実施例2 熱処理工程を15分間行うことを除けば実施例1と同様
の方法で行い半導体装置の配線層を収得する。前記で収
得した配線層の接触口における接触抵抗を測定してその
結果を表1に示す。
【0026】実施例3 熱処理工程を30分間行うことを除けば実施例1と同様
の方法で行い半導体装置の配線層を収得する。前記で収
得した配線層の接触口における接触抵抗を測定してその
結果を表1に示す。
【0027】実施例4 拡散防止膜43としてチタンTiより構成された300
Å厚さの第1拡散防止膜及びチタンナイトライドTiN
より構成された900Å厚さの第2拡散防止膜より構成
された二重膜を形成し、さらに前記拡散防止膜43を形
成した後、大気に露出せず連続的に熱処理工程を15分
間行うことを除けば実施例1と同様の方法で行い半導体
装置の配線層を収得する。
【0028】前記で収得した配線層の接触口における接
触抵抗を測定してその結果を表1に示す。 比較例1 図1〜図4に示す従来の方法のとおり拡散防止膜を形成
した後、窒素雰囲気下の炉で450℃の温度で30分間
熱処理工程を行うことを除けば、実施例1と同様の方法
で行い半導体装置の配線層を収得する。
【0029】前記で収得した配線層の接触口における接
触抵抗を測定してその結果を表1に示す。
【0030】
【表1】
【0031】表1の結果から判るように、従来の方法に
よれば接触口における接触抵抗値が高く不均一である。
アスペクト比が大きく接触口の大きさが小さいほど、接
触抵抗値が増加し不均一になる。しかし、本発明の方法
により配線層を形成する場合、不純物ドーピング領域の
不純物の種類に問わず接触抵抗値が著しく低くなり、接
触抵抗の均一性も改善される。また、前記実施例4のよ
うに、拡散防止膜を形成し半導体ウェーハを大気に露出
せず連続的に熱処理工程を行う場合は拡散防止膜を大気
に露出する場合よりさらに低い接触抵抗値が得られる。
【0032】実施例5 図7から図10は本発明の方法による半導体装置の配線
層形成方法の他の実施例を示すための図面である。図7
は接触口61の形成段階を示す。実施例1の図5で説明
した通りの方法で半導体基板51上にフィールド酸化膜
53及び熱酸化膜55を形成した後、イオン注入工程を
行いフィールド酸化膜51を通じて半導体基板の活性領
域の表面部内にN+ 及びP+ 不純物を注入してからアニ
リング工程を行い、イオン注入された不純物を活性化し
てN+ 及びP+ 不純物ドーピング領域57及び57’を
形成する。
【0033】次いで、前記で収得した結果物の全面にB
PSGを用いて4,000Å厚さの層間絶縁膜59を形
成した後、前記層間絶縁膜59上に接触口形成のための
フォトレジストパターン(図示せず)を形成し、フォト
レジストパターンをエッチングマスクとしてRIEエッ
チング方法を用いて層間絶縁膜59に接触口を形成した
後、フォトレジストパターンをストリップして除去す
る。表1に示した通り、大きさ(横/縦)が0.45/
0.55μm、0.5/0.6μm、0.6/0.7μ
m及び1.0/1.0μmの四つの接触口61を形成す
る。
【0034】図8は前記接触口61の側壁にスペーサ6
3を形成する段階を示す。図7の段階後、結果物の全面
に段差被覆性の良好な酸化物、例えばHTOを塗布して
1、500Å厚さの層間絶縁膜を形成した後、前記層間
絶縁膜をRIE方法で異方性エッチングして前記接触口
61の側壁に酸化膜スペーサ63を形成する。したがっ
て、前記接触口61の大きさは0.3μmつず減少さ
れ、それぞれ0.15/0.25μm、0.2/0.3
μm、0.3/0.4μm及び0.7/0.7μm大き
さの接触口を収得する。
【0035】図9は第1拡散防止膜65を形成した後熱
処理する段階を示す。実施例1と同様の方法で結果物の
全面、即ち半導体基板51の露出された表面、スペーサ
63及び層間絶縁膜59上にスパッタリング方法でチタ
ンを蒸着して第1拡散防止膜65を200〜300Åの
厚さに形成される。次いで、収得した半導体ウェーハを
大気に露出した後、ウェーハを10-7Torrの高真空
が保たれたチャンバに入れた後、不活性気体として例え
ばアルゴンをチャンバの圧力が4mTorrに達するま
で前記高真空チャンバに注入した後、600℃の温度で
2分間熱処理する。
【0036】図10は第2拡散防止膜67を形成し熱処
理した後、半導体装置上に金属配線層69を形成する段
階を示す。図9の段階後、前記第1拡散防止膜65上に
チタンナイトライドを蒸着して200〜300Åの厚さ
に第2拡散防止膜67を形成した後、前記比較例1と同
様な方法で、450℃の温度で30分間窒素雰囲気下で
熱処理する。次いで実施例1と同様に、Al−Si−C
u合金を蒸着して金属配線層69を形成し、通常の方法
で半導体装置の配線層を収得する。
【0037】前記で収得した配線層の接触口における接
触抵抗を測定してその結果を表2に示す。 実施例6 前記第1拡散防止膜65の熱処理工程を625℃で行う
ことを除けば実施例5と同様の方法で行い半導体装置の
配線層を収得する。
【0038】前記で収得した配線層の接触口における接
触抵抗を測定してその結果を表2に示す。 比較例2 図1〜図4に示す従来の方法の通り第1及び第2拡散防
止膜65及び67を形成した後、窒素雰囲気下で450
℃の温度で30分間熱処理工程を行うことを除けば実施
例5と同様の方法で行い半導体装置の配線層を収得す
る。
【0039】前記で収得した配線層の接触口における接
触抵抗を測定してその結果を表2に示す。
【0040】
【表2】
【0041】表2の結果から判るように、表1の結果と
同様に、本発明の配線層形成方法によれば、従来の方法
より接触口の抵抗を著しく低められるとともに、実施例
5及び実施例6の熱処理方法により、接触口の抵抗値
は、P+ 不純物ドーピング領域57’よりもN+ 不純物
ドーピング領域57において大幅に減少することが判
る。また、熱処理温度を650℃まで増加しても前記実
施例5及び実施例6と類似した抵抗値を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は従来の拡散防止膜を用いた半導体装置の
配線層形成方法を示す断面図である。
【図2】図2は従来の拡散防止膜を用いた半導体装置の
配線層形成方法を示す断面図である。
【図3】図3は従来の拡散防止膜を用いた半導体装置の
配線層形成方法を示す断面図である。
【図4】図4は従来の拡散防止膜を用いた半導体装置の
配線層形成方法を示す断面図である。
【図5】図5は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の一実施例を示す断面図である。
【図6】図6は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の一実施例を示す断面図である。
【図7】図7は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の他の実施例を示す断面図である。
【図8】図8は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の他の実施例を示す断面図である。
【図9】図9は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の他の実施例を示す断面図である。
【図10】図10は本発明の方法による半導体装置の配
線層形成方法の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
31 半導体基板 33 フィールド酸化膜 35 熱酸化膜 39 層間絶縁膜 41 接触口 43 拡散防止膜

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に拡散防止膜を形成する段
    階と、 前記拡散防止膜を一定時間の間真空中で熱処理する段階
    と、 前記拡散防止膜上に金属配線層を形成する段階とから構
    成された半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記熱処理を450℃から650℃の温
    度で2分から1時間行うことを特徴とする請求項1項記
    載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記拡散防止膜は遷移金属、遷移金属合
    金及び遷移金属化合物より構成された群から選択された
    いずれか一つ以上よりなることを特徴とする請求項1項
    記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記拡散防止膜を形成する段階は遷移金
    属を蒸着して第1拡散防止膜を形成する段階及び前記第
    1拡散防止膜上に遷移金属化合物または遷移金属合金を
    蒸着して第2拡散防止膜を形成する段階からなることを
    特徴とする請求項3項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記拡散防止膜の熱処理段階は前記第1
    拡散防止膜を形成した後、前記第2拡散防止膜を形成す
    る前に行うことを特徴とする請求項4項記載の半導体装
    置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記遷移金属がTiであり、前記遷移金
    属化合物はTiNであり、前記遷移金属合金はTiWで
    あることを特徴とする請求項4項記載の半導体装置の製
    造方法。
  7. 【請求項7】 前記熱処理段階は4mTorr以下の不
    活性ガス雰囲気下で保たれる真空中で行うことを特徴と
    する請求項1項記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記不活性ガスはアルゴン、窒素及びヘ
    リウムより構成された群から選択されたいずれか一つの
    ガスであることを特徴とする請求項7項記載の半導体装
    置の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記拡散防止膜を形成した後、半導体ウ
    ェーハを大気に露出せず連続的に熱処理工程を行うこと
    を特徴とする請求項1項記載の半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】 不純物拡散領域の形成された半導体基
    板上に絶縁膜を形成する段階と、 前記絶縁膜に半導体基板の不純物拡散領域を露出する接
    触口を形成する段階と、 前記接触口の内面及び前記接触口により露出された半導
    体基板の表面上に第1拡散防止膜を形成する段階と、 真空中で450℃から650℃の温度で一定時間の間前
    記第1拡散防止膜を熱処理する段階と、 前記第1拡散防止膜上に金属層を形成する段階と、 前記金属層及び第1拡散防止膜をパタニングして金属配
    線層を形成する段階とを含む半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記第1拡散防止膜はチタンより構成
    されることを特徴とする請求項10項記載の半導体装置
    の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記第1拡散防止膜上に第2拡散防止
    膜を形成した後、前記第2拡散防止膜を窒素雰囲気下で
    熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1
    0項記載の半導体装置の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記第2拡散防止膜の熱処理段階は4
    00から500℃の温度で30分から1時間行うことを
    特徴とする請求項12項記載の半導体装置の製造方法。
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