JPH01309356A - 半導体装置の配線構造およびその形成方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は半導体装置の配線構造およびその形成方法に
関するものであり、特に、絶縁膜およびコンタクト部を
含む半導体装置の、電気接続を行なう、配線構造および
その形成方法に関するものである。

［従来の技術１ 第３図は、従来のＬＳＩたとえば三次元デバイスの断面
模式図である。三次元デバイスは上層］と、中層２と、
下層３と、からなる。それぞれの層には活性層か設けら
れ、それぞれの活性層には素子が形成されている。素子
−素子間の電気的接続（同層間および異層間）は、金属
配線で行なわれている。ＬＳＩの配線用金属としては、
現在、専ら、アルミニウム、アルミニウムーシリコン。

アルミニウム−シリコン−銅等のアルミニウム系金属ま
たはモリブデンシリサイド、タングステンシリサイド等
の高融点金属シリサイドが用いられている。しかしなが
ら、これらの配線用金属は、今後とも十分な満足をもっ
て、使用され続けられる材料とは考えられていない。な
ぜなら、以下に述べる問題点があるからである。すなわ
ち、上述の三次元デバイスの作製工程には、高温を要す
る工程があるが、アルミニウム系金属は耐熱性が不十分
である。また、高融点金属シリサイドは抵抗率が不十分
である。さらには、これらの配線材料の現在唯一の実用
的形成法と言えるスパッタ法は、その段差被覆性が劣悪
であり、今後、ＬＳＩ作製の上で大きな障害になると予
想されている。以上が、その大きな問題点である。

それゆえに、耐熱性があり、抵抗率が十分に低く、かつ
、形成時において段差被覆性の良好な化学的気相成長法
（ＣＶＤ法と略す）が採用できる、配線材料が切望され
ている。このような要望を満たすものとして、六フッ化
タングステン（ＷＦｓ）の水素（Ｈ２）またはシラン（
ＳｉＨ４）還元によるＣＶＤタングステン薄膜が、現在
数も有望視されている。具体的には、３００〜５００℃
程度の温度、０．２Ｔｏｒｒ程度の圧力下で、ＷＦ６゜
ＳｉＨ４，Ｈ２をそれぞれ５０〜２００ｓｅｃｍ。

０〜２００ｓｃｃｍ、５００〜２０００ｓｅｃｍ程度供
給すれば、約１０００人／ｍｉｎ程度の高速で、約１０
μΩｃｍの低抵抗率を有するＣＶＤタングステン薄膜が
、極めて良好な段差被覆性を示しながら、基板上に堆積
する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、この方法には２つの重要な問題点がある
。第４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図を参照して、これ
らの問題点を説明する。第４Ｃ図は、第３図における、
たとえばＡ部分の拡大図である。なお、第４Ｃ図におい
ては、配線用金属として、タングステンが用いられた場
合が図示されている。問題点を説明する前に、第４Ａ図
から第４Ｃ図に至るまでの工程を説明する。

第４Ａ図を参照して、シリコン基板４の上にシリコン酸
化膜５を形成し、コンタクトホール６を形成する。次い
で、その上に、ＷＦ６をＨ２またはＳｉＨ４で還元して
タングステン薄膜７を堆積する。第４Ｂ図は、タングス
テン薄膜７の堆積初期の状態の断面図であり、第４Ｃ図
は堆積後の断面図である。

次に、この方法の問題点を説明する。

ＣＶＤ法の欠点の１つは、熱処理前および熱処理後の基
板と堆積膜との密着性の問題である。すなわち、第４Ｃ
図を参照して、ＣＶＤ法で堆積するタングステン薄膜７
とシリコン酸化膜５（このシリコン酸化膜５は、配線間
の絶縁膜として最も一般的なものである。）との密着性
が極めて劣悪である、という問題である。それゆえ、Ｃ
ＶＤタングステン薄膜７を、単純な方法で、シリコン酸
化膜５の下地の上に堆積させようとしても、通常、タン
グステン薄膜７が堆積中に剥離するという現象が起こる
。図中、参照符号８で示した部分は剥離しかけた界面を
表わしている。

また、薄膜の堆積条件を工夫することによって、シリコ
ン基板４とＣＶＤタングステン薄膜７との密告性の良好
なものが熱処理前の段階で得られたとしても、後工程に
おける熱処理中に、ＣＶＤタングステン薄膜７が完全に
剥離することが認められている。

ＣＶＤ法・の欠点の第２は、熱処理時に、基板と堆積膜
とが反応し、堆積膜が変質するという問題である。ＣＶ
Ｄタングステン薄膜は、上述のとおり、シリコン酸化膜
５とは密着性に欠けるが、シリコン４とは極めて良好に
密着する。これは以下の理由による。すなわち、ＷＦ６
をＨ２またはＳｔＨ，のような還元剤で還元させてＣＶ
Ｄタングステン薄膜をシリコン基板上に堆積させると、
シリコン面が露出している部分において、シリコンによ
り、ＷＦ６が還元され、次式に示すようにタングステン
が生成する。

２ＷＦＧ＋３Ｓｔ→２Ｗ＋３ＳｉＦ４　↑上述の反応は
、第４Ｂ図を参照して、シリコン基板４を浸蝕し、その
シリコンをタングステンに置き換える反応であり、タン
グステンーシリコン界面９がシリコン基板４中に沈み込
む結果、この部分の密着性が極めて良好となるのである
。しかしながら、このようなタングステン−シリコン界
面９が存在すると、後の熱処理時において、タングステ
ンと下地であるシリコンとの反応、すなわちタングステ
ンのシリサイド化（シリサイド化は約７００℃以上の温
度で進行する。）が深刻な問題となる。

なぜなら、タングステンのシリサイド化により、タング
ステン薄膜７の抵抗率は増大し、さらに、コンタクト部
において、基板にドープされた不純物が、タングステン
シリサイド中に吸い出され、ひいてはコンタクト抵抗が
急増してしまうからである。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、タングステン−シリコン界面におけるシリサ
イド化を防止でき、かつ絶縁膜との良好な密着性を示す
、半導体装置の配線構造およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、絶縁膜を貫通して形成されるコンタクト部を
含む半導体装置の、電気接続を行なう配線１，１．７造
に係るものである。そして、上記目的を達成するために
、上記絶縁膜上および上記コンタクト部上に連続的に形
成されるチタンナイトライド膜と、上記チタンナイトラ
イド膜の上に形成される高融点金属シリサイド膜と、上
記高融点金属シリサイド膜の上に形成される高融点金属
膜と、を備えている。

本発明において採用される高融点金属シリサイド膜およ
び高融点金属膜は、段差被覆性を考慮するとき、ＣＶＤ
法で形成されるものが好ましい。

本発明で用いられる高融点金属は高融点のものであれば
特に制限されずに用いられ、一般にはタングステン、モ
リブデン、チタンである。とリイつけ、タングステン、
モリブデンは特に好ましく用いられる。高融点金属シリ
サイドには、上記高融点金属のシリサイドが好ましく用
いられる。

そして、絶縁膜を貫通して形成されるコンタクト部を含
む半導体装置の、電気接続を行なう配線を形成する方法
としては、上記絶縁膜上および上記コンタクト部上に連
続的にチタンナイトライド膜を形成する工程と、上記チ
タンナイトライド膜の上に高融点金属シリサイド膜を形
成する］二程と、上記高融点金属シリサイド膜の上に高
融点金属膜を形成する工程と、を備えた方法がある。

本発明で採用される、上記高融点金属シリサイド膜およ
び上記高融点金属膜の形成は、ＣＶＤ法で行なわれるの
が好ましい。ＣＶＤ法は段差被覆性が良好だからである
。

また、高融点金属シリサイド膜および高融点金属膜の形
成をＣＶＤ法で行なうにあたり、上記高融点金属シリサ
イド膜を形成した後、引き続き、同じ装置で連続的に、
高融点金属膜を形成するのが好ましい。

高融点金属膜を形成する工程として、六フッ化タングス
テンの還元により、タングステン膜を形成する工程が好
ましく採用されるが、必要に応じて他のタングステン化
合物を用いてもよい。

高融点金属シリサイド膜を形成する工程は、所定の割合
で配合された六フッ化タングステンおよびシランからな
る混合ガスの還元により、タングステンシリサイド膜を
形成する工程が特に好ましく採用されるが、必要に応じ
て他のタングステン化合物および他のシラン化合物も採
用できる。

［作用コ 絶縁膜上およびコンタクト部上に連続的に形成されるチ
タンナイトライド膜は、コンタクト部でシリサイド化を
阻止するバリア層として作用する。

また、高融点金属シリサイド／チタンナイトライドの２
層は、ともに協調し合って、その上に形成される高融点
金属膜と、その下に形成される絶縁膜と−を密着させる
密着層として作用する。それゆえ、高融点金属膜は、下
地である絶縁膜から剥がれなくなる。

また、これらの高融点金属膜は融点が高いので、耐熱性
に富む。

［実施例］ 次に、この発明の一実施例を図について説明する。

第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図は、この発明の一実
施例を実現するための工程を断面図で示したものである
。

第１Ａ図を参照して、半導体基板たとえばシリコン基板
４上に、絶縁膜たとえばシリコン酸化膜５を形成し、コ
ンタクトホール６を形成する。

次いで、第１Ｂ図を参照して、スパッタ法により、シリ
コン酸化膜５上およびコンタクトホール６上に、連続的
に、チタンナイトライド膜１０を形成する。チタンナイ
トライド膜１０の形成は、ピュアーＴｉをスパッタし、
堆積させて、これをＮ２中で８００℃でランプアニール
して窒化させる、という方法で行なった。得られたチタ
ンナイトライド膜１０の膜厚は５００〜８００八であっ
た。なお、ＴｉＮをターゲットとし、これをスパッタす
ることによっても、チタンナイトライド膜１０は形成さ
れ得る。

次いで、第１Ｃ図を参照して、チタンナイトライド膜１
０上に、高融点金属シリサイド膜たとえばタングステン
シリサイド膜１１および高歳点金属膜たとえばタングス
テン薄膜７を形成した。タングステンシリサイド膜１１
およびタングステン薄膜７の形成は、ＣＶＤ法で形成し
た。用いられたＣＶＤ装置の概念図を第２図に示す。当
該ＣＶＤ装置は、反応容器１２を備えている。反応容器
１２は排気口１３と、ＷＦ６ガス導入口１４と、ＳｉＨ
４ガス導入口１５と、Ｎ２ガス導入口１６と、を備えて
いる。反応容器１２内には基板支持台１７が設置されて
おり、基板支持台１７は加熱手段１８を備えている。

次に、タングステンシリサイド膜１１およびタングステ
ン薄膜７の形成方法について説明する。

第２、図を参照して、基板支持台１７上に、チタンナイ
トライド膜が形成されたシリコン基板４を置く。次いで
、反応容器１２内を排気口１３より排気する。そして、
シリコン基板４を加熱手段１８により、４５０℃に加熱
する。次いで、ＷＦ６ガスをＷＦ６ガス導入口１４より
１Ｑｃｃ／ｍｉｎの流量で反応容器１２内に導入し、Ｓ
ｉＨ，ガスをＳｉＨ，ガス導入口１５より１６００ｃｃ
／ｍｉｎの流量で反応容器１２内に導入する。反応容器
１２内のガス雰囲気圧力は０．２Ｔｏｒｒに保たれた。

これにより、５００人のタングステンシリサイド膜１１
が形成された。

その後、反応容器１２内を排気口１３より排気する。そ
して、シリコン基板４を４５０℃に加熱し、ＷＦ６ガス
をＷＦ６ガス導入口１４より１５００ｃｃ／ｍｉｎの流
量で反応容器１２内に導入し、ＳｉＨ４ガスをＳｉＨ４
ガス導入口１５より５０ｃｃ／ｍｉｎの流量で反応容器
１２内に導入し、Ｎ２をＮ２ガス導入口１６より１５０
０ｃｃ／ｍｉｎの流量で反応容器１２内に導入する。反
応容器１２内のガス雰囲気圧力は０．２Ｔｏｒｒに保た
れた。この条件より、１５００〜２０００人の膜厚を有
するタングステン薄膜７が、上記タングステンシリサイ
ド膜１１の上に形成された。

このようにして得られた配線用薄膜は、タングステン−
シリコン界面において、シリサイド化を全く起こしてい
なかった。また、９５０℃程度まで熱処理条件を上げて
も、これらの配線用薄膜はシリコン酸化膜５と良好な密
着性を示していた。

比較のため、種々の薄膜構造を有する配線用薄膜を作製
して、剥離の有無を判定した。結果を表１にまとめる。

なお、表１には示していないが、コンタクト部位におい
ては、すべてのものが、良好な密着性を示していた。

表１ １）剥離試験：剥離の有無の判定は、熱処理中（約８０
０℃）および熱処理後、肉眼観察により行なった。

２）　Ｏ：剥離が観察されなかった。

３）　×：剥離が観察された。

表１中の比較例２および比較例３のデータから明らかな
ように、シリコン酸化膜上において、これらの薄膜の剥
離が観察された。一方、実施例１の場合には、剥離が全
く観察されなかった。このことより、第１Ｃ図を参照し
て、シリコン酸化膜５上で、タングステン薄膜７を剥離
させないためには、ＷＳ　ｉｘ／ＴｉＮの２層を、タン
グステン７とシリコン酸化膜５との間に介在させること
が必須であることがわかる。

本発明によると、−見、配線構造が復雑になり、製造工
程数が増大するように見える。しかし、実際は、Ｗ／Ｗ
Ｓ　ｉｘの２層は、ＷＦ６、Ｓ　ｉＨ４゜Ｈ２のガス流
量を切換えるだけで、１つのＣＶＤ装置内で連続的に堆
積され得る。ここで、ＷＦ６、Ｓ　ｉＨ４、Ｈ２のガス
流量の切換えは、第２図を参照して、ＷＦ６ガス導入口
１４、ＳｉＨ４ガス導入口１５、Ｈ２ガス導入口１６の
コック（図示せず）によって簡単に行なわれ得る。それ
ゆえに、本発明における製造工程は、チタンナイトライ
ド膜１０を形成するための工程が増加するだけであり、
製造コストはあまり上昇しない。

以上、具体的な実施例を挙げて、この発明の半導体装置
の配線構造およびその形成方法について説明したが、本
発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することな
く、他の色々な形で実施することができる。それゆえ、
前述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定
的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の
範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘
束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属す
る変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

［発明の効果コ 以上説明したとおり、この発明に係る半導体装置の配線
構造によれば、高融点金属を採用しているので、耐熱性
に富む配線が得られる。

また、絶縁膜上およびコンタクト部に連続的に形成され
るチタンナイトライド膜は、コンタクト部でシリサイド
化を阻止するバリア層として作用するので、コンタクト
抵抗の低い配線が実現できる。

さらに、高融点金属シリサイド／チタンナイトライドの
２層はともに協調し合って、その上に形成される高融点
金属膜と、下地である絶縁膜とを密告させる密管層とし
て作用するので、高融点金属薄膜は絶縁膜から剥がれな
くなる。

そして、この発明に係る、上記半導体装置の配線構造を
形成する方法として、前記した形成方法を採用するとに
よって、工程をあまり増加させることなく、容易に配線
を製造できるようになる。

この場合、高融点金属膜および高融点金属シリサイド膜
をＣＶＤ法で形成すると、段差被覆性の良い薄膜が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図は、この発明の＝実
施例に係る、半導体装置の配線構造の形成工程を断面図
で示したものである。第２図は、本発明で用いられたＣ
ＶＤ装置の概念図である。 第３図は、従来の三次元デバイスの断面模式図である。 第４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図は、従来のＣＶＤタ
ングステン薄膜の形成方法の問題点を示した図である。 図において、４はシリコン基板、５はシリコン酸化膜、
６はコンタクトホール、７はタングステン薄膜、１０は
チタンナイトライド膜、１１はタングステンシリサイド
膜である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁膜を貫通して形成されるコンタクト部を含む
   半導体装置の、電気接続を行なう配線構造であって、 前記絶縁膜上および前記コンタクト部上に連続的に形成
   されるチタンナイトライド膜と、 前記チタンナイトライド膜の上に形成される高融点金属
   シリサイド膜と、 前記高融点金属シリサイド膜の上に形成される高融点金
   属膜と、 を備えた、半導体装置の配線構造。
2. （２）絶縁膜を貫通して形成されるコンタクト部を含む
   半導体装置に、電気接続を行なう配線を形成する方法で
   あって、 前記絶縁膜上および前記コンタクト部上に連続的にチタ
   ンナイトライド膜を形成する工程と、前記チタンナイト
   ライド膜の上に高融点金属シリサイド膜を形成する工程
   と、 前記高融点金属シリサイド膜の上に高融点金属膜を形成
   する工程と、 を備えた、半導体装置の配線形成方法。