JPH08279558A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バリア性が良好で配線の高信頼性を併せ持つ
チタンナイトライド膜を、アルミニウムの融点以下の温
度で成膜し、しかも塩素濃度を低くできる方法を提供す
る。 【構成】 CVD 法によってチタンナイトライド膜を所望
の膜厚となるように堆積した後、水素、窒素およびアン
モニアの少なくも１種のガスを含む雰囲気中でプラズマ
照射処理を行ってこれらガスのラジカルを生成させ、こ
のラジカルによってチタンナイトライド膜中に残留する
塩素の濃度を低減させる。このチタンナイトライド膜の
堆積とプラズマ処理とを繰り返して所望の膜厚のチタン
ナイトライド膜を得ることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はチタンナイトライド膜を
含む金属配線を有する半導体装置の製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の微細化・高集積化が進んで
いる現在、浅い拡散層において配線材料であるアルミニ
ウムの拡散層へのスパイクや基板シリコンのアルミニウ
ム配線での析出などの問題を解決するために、アルミニ
ウム膜またはアルミニウム合金層とシリコン基板表面に
形成した拡散層とのコンタクト部に拡散バリア層（バリ
アメタルと呼ばれている）を介挿することが行われてい
る。

【０００３】このバリアメタルとして現在最も有望と考
えれているのがチタンナイトライド（TiN)である。その
理由は、このチタンナイトライドはバリア性に優れてい
ることや比較的低抵抗であることの他に、アルミニウム
との積層配線を形成することでエレクトロマイグレーシ
ョン耐性、ストレスマイグレーション耐性といった配線
の信頼性を向上させる役割をも果たすことが分かったか
らである。このようにチタンナイトライド膜をバリアメ
タルとして形成することは、例えば特開平3-214734号公
報および同6-196482号公報に記載されている。チタンナ
イトライド膜は、これまで反応性スパッタリング法、ま
たはチタンをスパッタ堆積した後アンモニアまたは窒素
により窒化して得ていた。最近はコンタクト孔底部に十
分な厚さのチタンナイトライド膜を形成するために、コ
リメータを用いたスパッタ法による成膜の検討がなされ
ている。しかし、今後さらにコンタクト孔のアスペクト
比が大きくなった場合、コリメータを用いたスパッタ法
でも限界が訪れ、微細孔内部でもコンフォーマルな成膜
が可能なCVD 法が主流になるものと考えられる。

【０００４】チタンナイトライド膜を成膜するCVD 法に
おいて、現在最も有望な原料は４塩化チタンを用いる方
法である。このような無機系の原料を用いて得られるチ
タンナイトライド膜は有機系の原料から形成されるチタ
ンナイトライド膜に比べて低抵抗、すなわち低不純物な
膜が得られるのみならず、成膜条件を最適化することに
よってアスペクト比が５以上の微細孔に対してもほぼ10
0%のカバレッジが達成されることが報告されている（例
えば、IDEM Conf. Proc., Dec., 1990, p.47)。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】４塩化チタンを用いた
系でのCVD 法によるチタンナイトライド膜の成膜の課題
の一つはチタンナイトライド膜に取り込まれる塩素濃度
を下げることである。これは、塩素濃度が高いチタンナ
イトライド膜は抵抗が高くなるとともにチタンナイトラ
イド膜上に形成されるアルミニウム合金は塩素で容易に
腐食されるため、チタンナイトライド膜中の塩素濃度が
高い場合、配線の信頼性に影響を及ぼすからである。

【０００６】上述した課題を解決するために、VMIC Con
ference, June, 1992, p.295には、アンモニア雰囲気中
でRTA を行なうことが開示されている。しかしながら、
この方法では、75０℃と、アルミニウムの融点(660℃)
よりも高い温度が必要であり、すでに下側にアルミニウ
ムを含む場合、例えば第１層の金属配線層がアルミニウ
ム配線のときコンタクト孔に対してこの方法を適用しよ
うとすると、既に形成されているアルミニウム配線が75
0 ℃という高温に耐えられないので、この方法を適用で
きないという問題があった。また、コンタクト孔に対す
るバリアメタルとしてのみ適用する場合でも、最近の浅
い拡散層を考慮すると金属配線形成プロセスをできるだ
け低温で行なうのが望ましい。

【０００７】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を除去し、半導体基板に対するバリア性と配線の高信頼
性とを併せ持つチタンナイトライド膜を、アルミニウム
配線の融点よりも低い温度でのプロセスにも拘らず、十
分に不純物濃度が低く、低抵抗として形成することがで
きる半導体装置の製造方法を提供しようとするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体の製
造方法は、チタンナイトライド膜を含む金属配線を有す
る半導体装置を製造するに当たり、前記チタンナイトラ
イド膜を所望の膜厚となるまで化学気相成長法によって
堆積する成膜工程と、続いて水素、窒素、アンモニアの
内の少なくとも１つを含む雰囲気中において生成される
これら物質のラジカルで処理してチタンナイトライド膜
中に残留する塩素濃度を低減する後処理工程とを具える
ことを特徴とするものである。さらに本発明による半導
体装置の製造方法は、チタンナイトライド膜を含む金属
配線を有する半導体装置を製造するに当たり、（ａ）
前記チタンナイトライド膜を所望の膜厚よりも薄く化学
気相成長法によって堆積する成膜工程と、（ｂ） 続い
て水素、窒素、アンモニアの内の少なくとも１つを含む
雰囲気中において生成されるこれら物質のラジカルで処
理してチタンナイトライド膜中に残留する塩素濃度を低
減するする後処理工程と、（ｃ） 前記成膜工程（ａ）
および後処理（ｂ）を、前記チタンナイトライド膜の膜
厚が所望の膜厚となるまで繰り返す工程とを具えること
を特徴とするものである。このような本発明による半導
体装置の製造方法においては、前記後処理工程はプラズ
マ処理とするの特に好適である。

【０００９】

【作用】上述した本発明による半導体装置の製造方法に
おいては、CVD 法によるチタンナイトライド膜の形成に
際して全ての工程をアルミニウムの融点よりも低い温度
で行なうことができるので、第１層配線のバリアメタル
としてのチタンナイトライド膜のみでなく下層にアルミ
ニウム配線を有する場合にも被覆性に優れたCVD法によ
るチタンナイトライド膜の成膜を行なうことができる。
これと同時に、水素、窒素、アンモニアの内少なくとも
１つを含む雰囲気中でプラズマ処理することによりチタ
ンナイトライド膜中に取り込まれる塩素濃度を低減する
ことができるので、アルミニウム膜が腐食するような恐
れもなくなる。すなわち、チタンナイトライド膜中に残
留する不純物濃度をアルミニウムの融点よりも低い温度
でのプロセスによって十分に低減できる。

【００１０】

【実施例】本発明による半導体装置の製造方法の第１の
実施例においては、半導体基板としてシリコン基板を用
い、CVD-TiN 膜の原料系としてTiCl₄/NH₃/H₂を用い、表
１に示す成膜条件でチタンナイトライド膜を300 Åの膜
厚に成膜した。この表において、SCCMは０℃、１気圧の
標準状態での流量をCM³ で示すものである。

【表１】 このような条件で成膜したチタンナイトライド膜は段差
上でもコンフォーマルに成膜することができることを確
認した。さらに、このようにして成膜したチタンナイト
ライド膜をコンタクトに適用した場合、良好なバリア特
性を示すことも確認した。これはチタンナイトライド層
がコンフォーマルに形成されるため、コンタクト孔の底
部にも十分な膜厚のチタンナイトライド層が形成される
からであると考えられる。

【００１１】本発明においては、CVD 法でチタンナイト
ライド層を形成した後、水素、窒素、アンモニアの内の
少なくとも１種の雰囲気中でプラズマ処理するが、本発
明の効果を確認するために、水素、窒素、アンモニアの
他にアルゴンをガス種として使用してプラズマ処理を行
った。このプラズマ処理の条件は、すべて全圧を１Torr
とし、RFパワーは250Wとし、シリコン基板を500 ℃に加
熱し、６分間処理を行った。また、比較のために、全
圧、基板温度は同一にしてプラズマは発生させずに同一
時間だけ熱処理を行った。なお、試料の作製は、チタン
ナイトライド層の成膜チャンバと、プラズマ処理チャン
バとの両方を具えたマルチチャンバ型の装置を使用し
た。このような装置では、２つのプロセスチャンバは試
料の搬送を行なうための搬送室とゲートバルブを介して
連結されている。この搬送室は常時真空引きされている
ので、チタンナイトライド層の成膜とプラズマ処理との
２つのプロセスとの間でシリコン基板を大気に曝すこと
なく連続的に行なうことができる。

【００１２】上述したようにして処理した幾つかの試料
について、膜中の塩素濃度を調べた。これはSIMS分析に
より行った。CVD 法で成膜したままのチタンナイトライ
ド膜には約３原子％の濃度で塩素が混入していた。この
ようなチタンナイトライド膜に対してプラズマ処理を行
った試料の塩素濃度およびプラズマを発生させずに熱処
理を行った試料の塩素濃度を表２に示す。

【表２】

【００１３】この結果から、水素、窒素、アンモニアガ
スによるプラズマ処理は、チタンナイトライド膜中の残
留塩素濃度の低減に効果があることが分かった。一方、
アルゴンガスによるプラズマ処理は塩素濃度の低減にそ
れほど効果がないことが分かった。さらに、プラズマを
用いずに、単なる熱処理の場合は、アンモニア雰囲気を
除いては塩素低減効果が殆どないことも分かった。これ
らのことから、チタンナイトライド膜中の残留塩素濃度
の低減には、水素プラズマ、窒素プラズマ、アンモニア
プラズマ中に生成されるラジカル、すなわち水素ラジカ
ル、窒素ラジカルおよびアンモニアラジカルなどが作用
することが分かった。プラズマを用いない熱処理の場合
に、アンモニアガスだけが塩素濃度の低減に効果が認め
られるのは、アンモニアは熱エネルギーだけでも比較的
低温で分解してラジカルを生成するためであると思われ
るが、塩素濃度の低減効果は温度が低いために十分では
ない。

【００１４】上述したようにして形成したチタンナイト
ライド膜上にアルミニウム膜をスパッタ法によって3000
Åの厚さに堆積した後、Al/TiN積層膜をライン状にパタ
ーニングしたものをクリーンルーム中で24時間大気中に
放置してアルミニウム膜の腐食の様子を調べた。後処理
を全く行っていないチタンナイトライド膜やプラズマ処
理を行っていないチタンナイトライド膜上のアルミニウ
ム膜およびアルゴンプラズマ処理したチタンナイトライ
ド膜上のアルミニウム膜には腐食の様子が見られた。一
方、水素、窒素、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理し
たチタンナイトライド膜上のアルミニウム膜には腐食の
様子はまったく見られなかった。このような結果はチタ
ンナイトライド膜中の残留塩素濃度の違いによって説明
することができる。すなわち、後処理を行っていないチ
タンナイトライド膜中の残留塩素濃度がアルミニウムの
腐食を引き起こすほどに大きなものであり、また塩素濃
度の低減効果の小さい後処理（熱処理およびアルゴンプ
ラズマ処理) を施してもアルミニウムの腐食を抑制する
ことはできない。それに対し、水素、窒素、アンモニア
中でのプラズマ処理を施した試料ではチタンナイトライ
ド膜中に残留する塩素濃度がきわめて低くなるので、ア
ルミニウムの腐食が有効に防止されることが分かった。

【００１５】本発明による半導体装置の製造方法の第２
の実施例においては、塩素濃度低減効果の高い水素プラ
ズマ、窒素プラズマおよびアンモニアプラズマ処理につ
いてさらに次のような実験を行った。すなわち、先ずCV
D-TiN 膜を100 Åの膜厚に成膜した後、各雰囲気中でプ
ラズマ処理を２分間行い、同様の工程を３回繰り返すこ
とによって最終的に300 Åの膜厚のチタンナイトライド
膜を形成した。この場合の成膜条件およびプラズマ処理
条件は上述したところと同じとした。したがって、全プ
ラズマ処理時間は６分である。このようにして形成した
チタンナイトライド膜中の塩素濃度を表３において３回
処理として示す。なお、１回処理とはCVD による成膜
と、プラズマ処理とを１回だけ行う上述した第１の実施
例で得られたチタンナイトライド膜の残留塩素濃度を示
すものである。

【表３】

【００１６】膜厚および全体のプラズマ処理時間が等し
いにも拘らず、１回で目的とする膜厚のチタンナイトラ
イド膜を形成するより、３回に分けて成膜およびプラズ
マ処置を行なう方が残留塩素濃度が低くなることが確か
められた。このことは、プラズマ処理の効果はチタンナ
イトライド膜の表面近くで大きく、膜の厚さ方向に行く
にしたがって小さくなることを示している。実際、SIMS
の深さ方向でのプロファイルを見ると、プラズマ処理を
施さないチタンナイトライド膜と比べてプラズマ処理し
たチタンナイトライド膜のプロファイルは表面付近で塩
素濃度の低下が著しく、深さ方向へ進むにしたがって両
者の差が小さくなっていることが確認された。

【００１７】本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではなく、幾多の変更や変形が可能である。例えば、上
述した実施例においては、CVD-TiN の成膜の原料系とし
てTiCl₄/NH₃/H₂を選択したが、チタンの原料源としては
他のハロゲン化チタン( 例えば４臭化チタン）でも有機
原料（例えばテトラジメチルアミノチタニウム）でも良
い。また、窒素源のNH₃ に限定されるものではない。た
だし、段差部での被覆形状を考慮すると、コンフォーマ
ルな形状が得れる上述した実施例の原料系あるいはTiCl
₄/NH₃ を採用するのが望ましい。

【００１８】また、プラズマ処理でのガス流量、全圧も
上述した実施例に限定されるものではなく、被覆形状に
優れたものであれば、どのような条件を選択しても良
い。さらに、成膜温度についても、500 ℃に限定される
ものではなく、400 〜500 ℃の範囲内で任意に選択する
ことができる。500 ℃を越えるプロセスは下地に既にア
ルミニウム配線がある場合には、配線の信頼性が損なわ
れるので好ましくない。400 ℃未満の成膜では残留塩素
濃度が著しく高くなり、その後のプラズマ処理でも十分
に塩素濃度を低減できなくなるので好ましくない。

【００１９】また、上述した実施例では、チタンナイト
ライド膜の成膜に熱CVD 法を用いているが、CVD 法であ
れば、プラズマCVD 法や光CVD 法を用いることもでき
る。しかし、段差部での被覆形状を考慮すると熱CVD 法
を用いるのが最も好適である。さらに、上述した実施例
では、後処理としてRF放電により生成されるラジカルを
用いるプラズマ処理を採用したが、DC放電、ECR 放電を
用いたプラズマ処理でも良い。また、上述したように塩
素濃度の低減に寄与するのはラジカル種であるので、ラ
ジカルを生成するものであればプラズマ処理でなくても
良く、例えばUV照射によるラジカル生成を用いた後処理
を採用することもできる。しかし、塩素濃度の低減効果
やプロセスの容易さなどを考慮するとプラズマ処理が好
適である。

【００２０】また、上述した実施例では、後処理温度も
成膜温度と同じ500 ℃としたが、それに限定されるもの
ではなく、500 ℃以下であれば任意に選択することがで
きる。この場合、500 ℃を越えると、上述した成膜時の
基板温度と同様に下地に既にアルミニウム配線がある場
合には、配線の信頼性が損なわれるので好ましくない。
一方、温度の下限には特に制限はないが、効率良く塩素
濃度の低減を行なうには可能な限り高い温度が望まし
い。プラズマ処理を行なう際の雰囲気に関しては、上述
した実施例では水素、窒素およびアンモニアの内の１種
類のガスを使用したが、水素、窒素およびアンモニアの
内の少なくともどれか１つを含んでいれば、複数のガス
の混合ガスを使用することもできる。さらに、上述した
第２の実施例では、チタンナイトライド膜の成膜工程お
よびそれに続くプラス間処理を３回繰り返し、それぞれ
の成膜条件およびプラズマ処理条件を全て同一とした
が、この繰り返し回数は任意に設定することができると
ともに各回の処理条件も任意に設定できることは勿論で
ある。

【００２１】

【発明の効果】上述したように本発明による半導体装置
の製造方法によれば、アルミニウムの融点以下の温度で
段差被覆性に優れ、かつ不純物濃度が十分に低いチタン
ナイトライド膜を形成することができる。この結果、バ
リア性を十分確保しつつアルミニウム膜の腐食の心配の
ない信頼性の高い金属配線を有する半導体装置を提供す
ることができる。また、下層にアルミニウム膜が既に形
成されている場合にもチタンナイトライド膜を成膜する
ことができるので、CVD-TiN 成膜技術の適用可能な範囲
を広げることができる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタンナイトライド膜を含む金属配線を
   有する半導体装置を製造するに当たり、 前記チタンナイトライド膜を所望の膜厚となるまで化学
   気相成長法によって堆積する成膜工程と、 続いて水素、窒素、アンモニアの内の少なくとも１つを
   含む雰囲気中において生成されるラジカルで処理してチ
   タンナイトライド膜中に残留する塩素濃度を低減させる
   後処理工程とを具えることを特徴とする半導体装置の製
   造方法。
2. 【請求項２】 チタンナイトライド膜を含む金属配線を
   有する半導体装置を製造するに当たり、（ａ） 前記チ
   タンナイトライド膜を所望の膜厚よりも薄く化学気相成
   長法によって堆積する工程と、（ｂ） 続いて水素、窒
   素、アンモニアの内の少なくとも１つを含む雰囲気中に
   おいて生成されるラジカルで処理してチタンナイトライ
   ド膜中に残留する塩素濃度を低減させる後処理工程と、
   （ｃ） 前記工程（ａ）および（ｂ）を、前記チタンナ
   イトライド膜の膜厚が所望の膜厚となるまで繰り返す工
   程とを具えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記後処理工程を、水素、窒素、アンモ
   ニアの内の少なくとも１つを含む雰囲気中におけるプラ
   ズマ処理とすることを特徴とする請求項１または２記載
   の半導体装置の製造方法。