JPH03135018A - 半導体装置の製造方法およびその装置 - Google Patents
半導体装置の製造方法およびその装置Info
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- JPH03135018A JPH03135018A JP27159389A JP27159389A JPH03135018A JP H03135018 A JPH03135018 A JP H03135018A JP 27159389 A JP27159389 A JP 27159389A JP 27159389 A JP27159389 A JP 27159389A JP H03135018 A JPH03135018 A JP H03135018A
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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。
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およびその装置に係り、
特に金属窒化物膜を主成分とするバリア膜を用いて耐エ
レクトロマイグレーション性等に優れた高信頼のアルミ
ニウム合金膜／窒化チタン膜積層配線を形成するのに好
適な方法および装置に関する。
特に金属窒化物膜を主成分とするバリア膜を用いて耐エ
レクトロマイグレーション性等に優れた高信頼のアルミ
ニウム合金膜／窒化チタン膜積層配線を形成するのに好
適な方法および装置に関する。
ＬＳＩの高集積化に伴い、信頼性確保のためにコンタク
トホール部にバリア層を適用することが不可欠となりつ
つある。Ａ１合金配線層とＳｉ基板との間に挿入される
バリア層は、配線形成後に施される熱処理中等に生じる
Ａ１合金配線層とＳｉ基板との相互作用を抑制もしくは
防止する動きを有する。Ａ１合金膜中に含まれるＳｉの
析出を防止するだけであれば、モリブデンシリサイド等
の金属シリサイド膜も有効であるが、コンタクト径が１
μｍ以下となるとＡｌとＳｉとの反応を完全に防止する
バリア層が必要となる。このようなバリア層としては窒
化チタン、チタンタングステン合金が有望視されている
。かかるバリア層の窒化チタンについては１例えば、シ
ン・ソリッド・フィルムダ、１３６巻、１９５頁から２
１４頁（１９８６年） ［Ｔｈ１ｎ ５ｏｌｉｄ Ｆ
ｉｌｍｓ、１３６、ｐｐ。
トホール部にバリア層を適用することが不可欠となりつ
つある。Ａ１合金配線層とＳｉ基板との間に挿入される
バリア層は、配線形成後に施される熱処理中等に生じる
Ａ１合金配線層とＳｉ基板との相互作用を抑制もしくは
防止する動きを有する。Ａ１合金膜中に含まれるＳｉの
析出を防止するだけであれば、モリブデンシリサイド等
の金属シリサイド膜も有効であるが、コンタクト径が１
μｍ以下となるとＡｌとＳｉとの反応を完全に防止する
バリア層が必要となる。このようなバリア層としては窒
化チタン、チタンタングステン合金が有望視されている
。かかるバリア層の窒化チタンについては１例えば、シ
ン・ソリッド・フィルムダ、１３６巻、１９５頁から２
１４頁（１９８６年） ［Ｔｈ１ｎ ５ｏｌｉｄ Ｆ
ｉｌｍｓ、１３６、ｐｐ。
１３６−２１４ （１９８６） ］に詳述されている。
またＡ１合金配線層とバリア層との界面の性質がバリア
性に与える影響に関しては、ジャーナル・オブ・バキュ
ーム・サイエンス・アンド・テクノロジーＡ ７ （３
）巻、８７５頁から８８０頁（１９８９年）［Ｊ、Ｖａ
ｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｅｈｏｎｏｌ、、Ａ７（３）、ＰＰ、
８７５−８８０（１９８９）］に述べられている。
性に与える影響に関しては、ジャーナル・オブ・バキュ
ーム・サイエンス・アンド・テクノロジーＡ ７ （３
）巻、８７５頁から８８０頁（１９８９年）［Ｊ、Ｖａ
ｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｅｈｏｎｏｌ、、Ａ７（３）、ＰＰ、
８７５−８８０（１９８９）］に述べられている。
バリア層の適用によりＡＩとＳｉとの反応に起因するコ
ンタクトホール周辺の信頼性確保の問題は解決されたが
、発明者らが窒化チタンバリア膜の上にアルミニウム合
金膜を形成し、該２層膜からなる積層配線のエレクトロ
マイグレーション加速試験を行なったところ、窒化チタ
ンバリア膜上に形成したアルミニウム合金配線の寿命は
バリア膜を用いない場合よりも短いという新たな問題点
を発見した。
ンタクトホール周辺の信頼性確保の問題は解決されたが
、発明者らが窒化チタンバリア膜の上にアルミニウム合
金膜を形成し、該２層膜からなる積層配線のエレクトロ
マイグレーション加速試験を行なったところ、窒化チタ
ンバリア膜上に形成したアルミニウム合金配線の寿命は
バリア膜を用いない場合よりも短いという新たな問題点
を発見した。
バリア性に関する上記引用文献等においても窒化チタン
バリア膜上に形成したアルミニウム合金配線のエレクト
ロマイグレーション寿命については全く触れられていな
い。バリア性の向上に併せて上層のアルミニウム合金配
線の耐エレクトロマイグレーション性についても同時に
考慮する必要があることが発明者等の検討によってはじ
めて明らかとなった。
バリア膜上に形成したアルミニウム合金配線のエレクト
ロマイグレーション寿命については全く触れられていな
い。バリア性の向上に併せて上層のアルミニウム合金配
線の耐エレクトロマイグレーション性についても同時に
考慮する必要があることが発明者等の検討によってはじ
めて明らかとなった。
本発明の目的は、金属窒化物、特に好ましくは窒化チタ
ンバリア膜を用いて耐エレクトロマイグレーション性等
に優れた高信頼のアルミニウム合金膜／窒化チタン膜積
層配線を形成するのに好適な方法および装置を提供する
ことにある。
ンバリア膜を用いて耐エレクトロマイグレーション性等
に優れた高信頼のアルミニウム合金膜／窒化チタン膜積
層配線を形成するのに好適な方法および装置を提供する
ことにある。
［１１題を解決するための手段〕
上記目的は、試料上に窒化チタンを主成分とする薄膜を
形成した後に、該薄膜を大気に晒すことなく、該薄膜を
所望のプラズマに晒すこと等によって達成される。
形成した後に、該薄膜を大気に晒すことなく、該薄膜を
所望のプラズマに晒すこと等によって達成される。
反応性スパッタ法や化学気相成長法等によって形成した
窒化チタンを主成分とする膜中のチタン原子と窒素原子
の原子数比はオージェ電子分光法、ラザフオード後方散
乱法等による分析から、はぼ１：１とし得ることが判っ
ている。チタン原子が過剰な原子数比の窒化チタンを主
成分とする膜を形成することは比較的容易であるが、一
般にかかる膜のバリア性は原子数比が１＝１の膜よりも
劣る。従ってバリア膜として用いられる膜の原子数比は
概ね１：１となっている。
窒化チタンを主成分とする膜中のチタン原子と窒素原子
の原子数比はオージェ電子分光法、ラザフオード後方散
乱法等による分析から、はぼ１：１とし得ることが判っ
ている。チタン原子が過剰な原子数比の窒化チタンを主
成分とする膜を形成することは比較的容易であるが、一
般にかかる膜のバリア性は原子数比が１＝１の膜よりも
劣る。従ってバリア膜として用いられる膜の原子数比は
概ね１：１となっている。
膜中に含まれる総原子数の比は１：１であるが、全ての
原子が窒化チタンを形成している訳ではないと考えられ
る。すなわち、結合力の弱い、格子位置にないチタン原
子、窒素原子がほぼ同数台まれていると推定される。か
かる推定は発明者等が行なった陽電子消滅法、Ｘ線光電
子分光法等による分析結果からの総合的な判断に基づく
ものである。
原子が窒化チタンを形成している訳ではないと考えられ
る。すなわち、結合力の弱い、格子位置にないチタン原
子、窒素原子がほぼ同数台まれていると推定される。か
かる推定は発明者等が行なった陽電子消滅法、Ｘ線光電
子分光法等による分析結果からの総合的な判断に基づく
ものである。
チタン原子数／窒素原子数≧１の窒化チタンを主成分と
する膜上に真空中試料転送等の手段によって膜表面を大
気に晒すことなくアルミニウムもしくはＡｌ−Ｓｉ，Ａ
ｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ−３ｉ等のアルミニウム合金膜を
重ねて形成すると、結合力の弱い、格子位置にないチタ
ン原子の多くがアルミニウムもしくはアルミニウム合金
膜中に拡散することによる界面での反応によってバリア
性が劣化する。さらにかかるチタン原子の拡散はアルミ
ニウムもしくはアルミニウム合金膜との積層配線の耐エ
レクトロマイグレーション性を著しく劣化させる。
する膜上に真空中試料転送等の手段によって膜表面を大
気に晒すことなくアルミニウムもしくはＡｌ−Ｓｉ，Ａ
ｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ−３ｉ等のアルミニウム合金膜を
重ねて形成すると、結合力の弱い、格子位置にないチタ
ン原子の多くがアルミニウムもしくはアルミニウム合金
膜中に拡散することによる界面での反応によってバリア
性が劣化する。さらにかかるチタン原子の拡散はアルミ
ニウムもしくはアルミニウム合金膜との積層配線の耐エ
レクトロマイグレーション性を著しく劣化させる。
一方窒化チタンを主成分とする膜を大気に晒した場合に
は以下の現象が起こる。上記の格子位置にない原子のう
ち特に、膜表面近傍のチタン原子のチタン酸化物となる
。すなわち大気中に放置された窒化チタンを主成分とす
る膜表面には窒化チタンとチタン酸化物が存在すると考
えられる。かかる膜上にアルミニウムもしくはＡｌ−８
ｉ。
は以下の現象が起こる。上記の格子位置にない原子のう
ち特に、膜表面近傍のチタン原子のチタン酸化物となる
。すなわち大気中に放置された窒化チタンを主成分とす
る膜表面には窒化チタンとチタン酸化物が存在すると考
えられる。かかる膜上にアルミニウムもしくはＡｌ−８
ｉ。
Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ−８ｉ等のアルミニウム合金膜
を重ねて形成し、熱処理等を施すとチタン酸化物の少な
くとも一部は還元されて、開放される。
を重ねて形成し、熱処理等を施すとチタン酸化物の少な
くとも一部は還元されて、開放される。
アルミニウムもしくはアルミニウム合金膜と窒化チタン
を主成分とする膜との界面には上記酸化還元反応の結果
として、Ａｌ２Ｏ３等のアルミニウム酸化物が形成され
るが、アルミニウム酸化物の形成については、ジャーナ
ル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロ
ジー、Ａ７（３）巻、８７５頁から８８０頁（１９８９
年） ［Ｊ 、 Ｖａｃ。
を主成分とする膜との界面には上記酸化還元反応の結果
として、Ａｌ２Ｏ３等のアルミニウム酸化物が形成され
るが、アルミニウム酸化物の形成については、ジャーナ
ル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロ
ジー、Ａ７（３）巻、８７５頁から８８０頁（１９８９
年） ［Ｊ 、 Ｖａｃ。
Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｏｎｏｌ、、Ａ７（３）、ｐｐ、８７
５−８８０（１９８９）コに記載がある。界面の酸化物
の存在によってバリア性が向上すると記載されている。
５−８８０（１９８９）コに記載がある。界面の酸化物
の存在によってバリア性が向上すると記載されている。
これは、アルミニウム酸化物の形成によって還元される
チタン酸化物中のチタン原子のみがアルミニウムもしく
はアルミニウム合金膜中に拡散するためであり、その総
量はアルミニウム酸化物がない場合と比較してはるかに
少ないためである。アルミニウム酸化物はチタン原子の
拡散のバリアとなる。
チタン酸化物中のチタン原子のみがアルミニウムもしく
はアルミニウム合金膜中に拡散するためであり、その総
量はアルミニウム酸化物がない場合と比較してはるかに
少ないためである。アルミニウム酸化物はチタン原子の
拡散のバリアとなる。
ところが、還元されて膜中に拡散した微量のチタン原子
はアルミニウムを主成分とする配線の耐エレクトロマイ
グレーション性を劣化させる。高いバリア性を得ると共
に、耐エレクトロマイグレーション性の劣化を防止する
ためにはチタン原子の拡散を完全に防止する必要がある
ことが発明者等の検討によって明らかとなった。
はアルミニウムを主成分とする配線の耐エレクトロマイ
グレーション性を劣化させる。高いバリア性を得ると共
に、耐エレクトロマイグレーション性の劣化を防止する
ためにはチタン原子の拡散を完全に防止する必要がある
ことが発明者等の検討によって明らかとなった。
窒化チタンを主成分とする膜を大気に晒すことなく例え
ば１ｍプラズマに晒した場合、上記の孤立したチタン原
子が窒化されるため、後に上層にアルミニウムを主成分
とする膜を重ねて熱処理を加えても、チタン原子の拡散
は起こらない。膜表面近傍の窒素の含有量が増加するこ
とにより、膜内部から孤立したチタン原子が拡散した場
合も膜表面近傍で固定され、上層のアルミニウムを主成
分とする膜中までには拡散しない効果がある。この効果
は、窒化チタンを主成分とする膜の組成比がややチタン
過剰になった場合においても有効である。
ば１ｍプラズマに晒した場合、上記の孤立したチタン原
子が窒化されるため、後に上層にアルミニウムを主成分
とする膜を重ねて熱処理を加えても、チタン原子の拡散
は起こらない。膜表面近傍の窒素の含有量が増加するこ
とにより、膜内部から孤立したチタン原子が拡散した場
合も膜表面近傍で固定され、上層のアルミニウムを主成
分とする膜中までには拡散しない効果がある。この効果
は、窒化チタンを主成分とする膜の組成比がややチタン
過剰になった場合においても有効である。
特に、膜表面近傍の窒素の含有量が、５４原子％以上で
ある膜はバリア性が優れ、かつ上層のアルミニウムを主
成分とする膜との積層配線の耐エレクトロマイグレーシ
ョン性が高い。かかる原子数比においては、過剰の窒素
原子によるトラップ効果のため、膜中からのチタン原子
の拡散が生じないため最も効果があると考えられる。
ある膜はバリア性が優れ、かつ上層のアルミニウムを主
成分とする膜との積層配線の耐エレクトロマイグレーシ
ョン性が高い。かかる原子数比においては、過剰の窒素
原子によるトラップ効果のため、膜中からのチタン原子
の拡散が生じないため最も効果があると考えられる。
チタン原子の拡散を上記の方法によって防止すると当然
のことながらバリア性も向上し、界面にアルミニウムの
酸化物が存在しなくても十分なバリア性が得られる。こ
れは、上述の引用文献中で述べられているアルミニウム
の酸化物が、実はチタン原子の拡散を防止する効果を有
しており、結果的にバリア性を向上させていたためと考
えられる。すなわち、窒化チタンを主成分とする膜から
開放されてアルミニウム中に拡散するチタン原子が存在
しない場合には、アルミニウムもしくはアルミニウム合
金膜と窒化チタンを主成分とする膜との界面にバリア性
を向上させるためのアルミニウムの酸化物は不要である
。
のことながらバリア性も向上し、界面にアルミニウムの
酸化物が存在しなくても十分なバリア性が得られる。こ
れは、上述の引用文献中で述べられているアルミニウム
の酸化物が、実はチタン原子の拡散を防止する効果を有
しており、結果的にバリア性を向上させていたためと考
えられる。すなわち、窒化チタンを主成分とする膜から
開放されてアルミニウム中に拡散するチタン原子が存在
しない場合には、アルミニウムもしくはアルミニウム合
金膜と窒化チタンを主成分とする膜との界面にバリア性
を向上させるためのアルミニウムの酸化物は不要である
。
一旦大気中に取り出した窒化チタンを主成分とする膜に
窒素プラズマ処理を施した場合は、窒化のためには上記
のチタン酸化物の結合を切断する必要があるが１通常の
プラズマではこの能力が不足し、従って後の熱処理中の
チタン原子の拡散を完全に抑制することはできない。
窒素プラズマ処理を施した場合は、窒化のためには上記
のチタン酸化物の結合を切断する必要があるが１通常の
プラズマではこの能力が不足し、従って後の熱処理中の
チタン原子の拡散を完全に抑制することはできない。
一旦大気中に取り出した窒化チタンを主成分とする膜に
おいては表面近傍層をエツチング除去し、しかる後、膜
を大気に晒すことなく上記と同様の例えばアンモニアプ
ラズマに晒す等の処理を行なう必要がある。
おいては表面近傍層をエツチング除去し、しかる後、膜
を大気に晒すことなく上記と同様の例えばアンモニアプ
ラズマに晒す等の処理を行なう必要がある。
以下本発明を実施例を参照して詳細に説明する。
実施例１
第１図乃至第４図を用いて説明する。本実施例は本発明
をアルミニウム／窒化チタン積層配線を有する半導体装
置の配線形成に適用した例である。
をアルミニウム／窒化チタン積層配線を有する半導体装
置の配線形成に適用した例である。
第１図は本発明の半導体装置およびその製造方法を説明
するための図である。第１図（ａ）は表面に形成された
厚さ０．１μｍの酸化膜１０上に窒化チタン膜１１が形
成されたシリコン基板１２を示す。窒化チタン膜１１は
第３図（ａ）に示した装置を用いて１反応性スパッタ法
により厚さ０．１μｍ形成した。
するための図である。第１図（ａ）は表面に形成された
厚さ０．１μｍの酸化膜１０上に窒化チタン膜１１が形
成されたシリコン基板１２を示す。窒化チタン膜１１は
第３図（ａ）に示した装置を用いて１反応性スパッタ法
により厚さ０．１μｍ形成した。
シリコン基板１２を第３図（ａ）の装置の基板装着室２
０に設けられた転送系に設置した後、基板装着室２０を
３ Ｘ １０−７Ｔｏｒｒまで排気した。次に予め３ｘ
１０″″’Ｔｏｒｒに排気しである膜形成室２１に遮断
バルブ２２を開いて転送した。遮断バルブ２２を閉めて
膜形成室２１にアルゴンと窒素の混合気体を導入しつつ
チタンターゲット２３に高周波電源２４から高周波電力
を印加して膜形成を行った。
０に設けられた転送系に設置した後、基板装着室２０を
３ Ｘ １０−７Ｔｏｒｒまで排気した。次に予め３ｘ
１０″″’Ｔｏｒｒに排気しである膜形成室２１に遮断
バルブ２２を開いて転送した。遮断バルブ２２を閉めて
膜形成室２１にアルゴンと窒素の混合気体を導入しつつ
チタンターゲット２３に高周波電源２４から高周波電力
を印加して膜形成を行った。
シリコン基板１２上に第１図（ａ）に示した窒化チタン
膜１１を形成した後、基板１２を大気に晒すことなく、
３ Ｘ １０−７Ｔｏｒｒの真空中を移動させ、膜形成
に用いたのと同一装置内の、３Ｘ１０−７Ｔｏｒｒに排
気しであるプラズマ処理室２５へと転送した。プラズマ
処理室２５吟窒素を導入して、基仮に高周波電源２６か
ら高周波電力を印加することにより、シリコン基板１２
上の窒化チタン膜１１表面近傍の窒素含有量を高めた。
膜１１を形成した後、基板１２を大気に晒すことなく、
３ Ｘ １０−７Ｔｏｒｒの真空中を移動させ、膜形成
に用いたのと同一装置内の、３Ｘ１０−７Ｔｏｒｒに排
気しであるプラズマ処理室２５へと転送した。プラズマ
処理室２５吟窒素を導入して、基仮に高周波電源２６か
ら高周波電力を印加することにより、シリコン基板１２
上の窒化チタン膜１１表面近傍の窒素含有量を高めた。
かかる基板を第１図（ｂ）に図示する。窒化チタン膜１
１の表面近傍に窒素含有量の高い領域１３が形成されて
いる。領域１３における窒素含有量は、５５〜５７原子
％であり、領域１３以外の窒化チタン膜１１の４９原子
％に比べて大である。
１の表面近傍に窒素含有量の高い領域１３が形成されて
いる。領域１３における窒素含有量は、５５〜５７原子
％であり、領域１３以外の窒化チタン膜１１の４９原子
％に比べて大である。
窒素含有量の高い領域１３を有する窒化チタン膜１１上
に０．５％の銅を含む厚さ０．４μｍのアルミニウム合
金配線膜１４をスパッタ法によって形成すると第１図（
ｃ）の如くなった。アルミニウム合金膜１４の形成は、
窒化チタン膜１１の形成に用いた装置とは別装置で行っ
た。膜形成後周知のホトリソグラフィー技術、ドライエ
ツチング技術を用いて、アルミニウム合金膜１４／窒化
チタン膜１１に所望のパターニングを施し１幅０．５μ
ｍの配線を形成した。配線形成後、水素中で４５０℃３
０分の熱処理を施した。
に０．５％の銅を含む厚さ０．４μｍのアルミニウム合
金配線膜１４をスパッタ法によって形成すると第１図（
ｃ）の如くなった。アルミニウム合金膜１４の形成は、
窒化チタン膜１１の形成に用いた装置とは別装置で行っ
た。膜形成後周知のホトリソグラフィー技術、ドライエ
ツチング技術を用いて、アルミニウム合金膜１４／窒化
チタン膜１１に所望のパターニングを施し１幅０．５μ
ｍの配線を形成した。配線形成後、水素中で４５０℃３
０分の熱処理を施した。
第２図は従来の半導体装置を示す図である。窒化チタン
膜１５形成後、膜表面を窒素プラズマに晒すことなく大
気に晒し、しかる後、上層に０．５％の銅を含む厚さ０
．４μｍのアルミニウム合金配線膜１６をスパッタ法に
よって形成したシリコン基板である。第１図（ｃ）に示
した基板と同様に、アルミニウム合金膜１６／窄化チタ
ン膜１５に所望のパターニングを施し、幅０．５μｍの
配線を形成した。配線形成後、水素中で４５０℃３０分
の熱処理を施した。
膜１５形成後、膜表面を窒素プラズマに晒すことなく大
気に晒し、しかる後、上層に０．５％の銅を含む厚さ０
．４μｍのアルミニウム合金配線膜１６をスパッタ法に
よって形成したシリコン基板である。第１図（ｃ）に示
した基板と同様に、アルミニウム合金膜１６／窄化チタ
ン膜１５に所望のパターニングを施し、幅０．５μｍの
配線を形成した。配線形成後、水素中で４５０℃３０分
の熱処理を施した。
第１図（ｃ）の本発明の装置と第２図の従来の装置に対
し、同条件でエレクトロマイグレーション加速試験を行
った。試験条件は周囲温度２５０°Ｃ１高流密度３Ｘ１
０６Ａ／ａ＆である。第１図（ｃ）の本発明の装置の平
均配線寿命は、第２図の従来の装置の平均寿命の１．３
５倍であった。本発明により、アルミニウム合金膜／窒
化チタン股積層配線のエレクトロマイグレーション耐性
が向上し。
し、同条件でエレクトロマイグレーション加速試験を行
った。試験条件は周囲温度２５０°Ｃ１高流密度３Ｘ１
０６Ａ／ａ＆である。第１図（ｃ）の本発明の装置の平
均配線寿命は、第２図の従来の装置の平均寿命の１．３
５倍であった。本発明により、アルミニウム合金膜／窒
化チタン股積層配線のエレクトロマイグレーション耐性
が向上し。
高信頼化が実現された。
第４図は第１図（ｃ）の本発明の装置と第２図の従来の
装置のアルミニウム合金膜／窒化チタン膜界面を模式的
に示す拡大図である。第４図（ａ）は本発明の装置であ
り、窒素含有量が大である窒化チタン膜表面近傍の領域
４０とその上層のアルミニウム合金膜４１の境界はシャ
ープであり、４５０℃３０分の熱処理後も両者の反応は
生じていない。オージェ電子分光法によって界面近傍膜
中の酸素含有量を求めたところ、界面の窒化チタンを主
成分とする腹側、アルミニウム合金膜側いずれも３原子
％以下であった。なお、窒化チタンを主成分とする膜中
には平均２原子％の酸素が含まれている。
装置のアルミニウム合金膜／窒化チタン膜界面を模式的
に示す拡大図である。第４図（ａ）は本発明の装置であ
り、窒素含有量が大である窒化チタン膜表面近傍の領域
４０とその上層のアルミニウム合金膜４１の境界はシャ
ープであり、４５０℃３０分の熱処理後も両者の反応は
生じていない。オージェ電子分光法によって界面近傍膜
中の酸素含有量を求めたところ、界面の窒化チタンを主
成分とする腹側、アルミニウム合金膜側いずれも３原子
％以下であった。なお、窒化チタンを主成分とする膜中
には平均２原子％の酸素が含まれている。
第４図（ｂ）の従来の装置では窒化チタン膜４２とアル
ミニウム合金膜４３との界面にはアルミニウムによって
還元されずに残存するチタン酸化物４４があり、アルミ
ニウム合金膜４３中には、チタン酸化物が還元されるこ
とによって開放されたチタン原子４５が混入している。
ミニウム合金膜４３との界面にはアルミニウムによって
還元されずに残存するチタン酸化物４４があり、アルミ
ニウム合金膜４３中には、チタン酸化物が還元されるこ
とによって開放されたチタン原子４５が混入している。
さらに界面近傍にはアルミニウムの空孔もしくはその集
合体であるボイド４６の発生が見られる。これも界面に
おける酸化還元反応の結果と考えられる。オージェ電子
分光法によって界面近傍膜中の酸素含有量を求めたとこ
ろ、８原子％以上であった。なお、窒化チタンを主成分
とする膜中の平均酸素量、２原子％の３倍以上の酸素が
含まれている。
合体であるボイド４６の発生が見られる。これも界面に
おける酸化還元反応の結果と考えられる。オージェ電子
分光法によって界面近傍膜中の酸素含有量を求めたとこ
ろ、８原子％以上であった。なお、窒化チタンを主成分
とする膜中の平均酸素量、２原子％の３倍以上の酸素が
含まれている。
本発明の半導体装置では窒化チタン表面にチタン酸化物
が存在せず、そのためアルミニウム合金膜を積層した後
に酸化還元反応が生じない。これが窒化チタン膜上層の
アルミニウム合金配線が劣化されることがない理由と考
えられる。
が存在せず、そのためアルミニウム合金膜を積層した後
に酸化還元反応が生じない。これが窒化チタン膜上層の
アルミニウム合金配線が劣化されることがない理由と考
えられる。
なお、本実施例中では窒化チタン膜の形成を反応性スパ
ッタ法で行ったが、他の方法によることも可能である。
ッタ法で行ったが、他の方法によることも可能である。
第３図（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ減圧化学気相成長法と
バイアスプラズマ化学気相成長法によって膜形成を行う
瘍合の装置の例を示す。
バイアスプラズマ化学気相成長法によって膜形成を行う
瘍合の装置の例を示す。
第３図（ｂ）の装置では、基板は、基板装着室３２から
膜形成室２７に転送され加熱機構を具備したホルダー２
８上に設置される。基板を７００℃に加熱した後、シャ
ワーノズル２９からアンモニアと水素を、ガス導入管３
０から四塩化チタンを導入して、圧力を０ 、２ Ｔｏ
ｒｒに保って膜形成を行った。その後、プラズマ処理室
３１に転送してＮＦａプラズマに晒して窒化チタン膜表
面近傍の窒素含有量を膜中の最大とする。
膜形成室２７に転送され加熱機構を具備したホルダー２
８上に設置される。基板を７００℃に加熱した後、シャ
ワーノズル２９からアンモニアと水素を、ガス導入管３
０から四塩化チタンを導入して、圧力を０ 、２ Ｔｏ
ｒｒに保って膜形成を行った。その後、プラズマ処理室
３１に転送してＮＦａプラズマに晒して窒化チタン膜表
面近傍の窒素含有量を膜中の最大とする。
第３図（ｃ）の装置では、基板は、基板装着室３３から
膜形成兼プラズマ処理室３４に転送され加熱機構を具備
したホルダー３５上に設置される。
膜形成兼プラズマ処理室３４に転送され加熱機構を具備
したホルダー３５上に設置される。
基板を４００℃に加熱した後、シャワーノズル３６から
窒素またはアンモニアと水素を、ガス導入管３７から四
塩化チタンを導入して、圧力を０ 、２ Ｔｏｒｒに保
った高周波電源３８から基板に高周波電力を印加して膜
形成を行った。その後、同室３４でアンモニアプラズマ
に晒して窒化チタン膜表面近傍の窒素含有量を膜中の最
大とする。
窒素またはアンモニアと水素を、ガス導入管３７から四
塩化チタンを導入して、圧力を０ 、２ Ｔｏｒｒに保
った高周波電源３８から基板に高周波電力を印加して膜
形成を行った。その後、同室３４でアンモニアプラズマ
に晒して窒化チタン膜表面近傍の窒素含有量を膜中の最
大とする。
減圧化学気相成長法またはバイアスプラズマ化学気相成
長法によって窒化チタン膜を形成した場合にも反応性ス
パッタ法によって形成した場合と同等の効果が得られた
。
長法によって窒化チタン膜を形成した場合にも反応性ス
パッタ法によって形成した場合と同等の効果が得られた
。
さらに、上述のようなプラズマ処理を用いずに膜形成中
に膜形成に用いるガスの混合比を変化させることによっ
ても窒化チタン膜表面近傍の窒素含有量を膜中の最大と
することができる。バイアスプラズマ化学気相成長法に
よって試みたところ、実験の範囲内では窒素含有量の最
大値は５２原子％であり、本実施碗の試験と同様の寿命
試験の結果は、従来比１．２倍であった。本実施例の結
果の方がより効果的であるのは、表面近傍の窒化チタン
の組成が窒素の原子数比で５４％以上という熱的に安定
で、窒素原子が全く開放されることのない組成領域に入
っているためと考えられる。
に膜形成に用いるガスの混合比を変化させることによっ
ても窒化チタン膜表面近傍の窒素含有量を膜中の最大と
することができる。バイアスプラズマ化学気相成長法に
よって試みたところ、実験の範囲内では窒素含有量の最
大値は５２原子％であり、本実施碗の試験と同様の寿命
試験の結果は、従来比１．２倍であった。本実施例の結
果の方がより効果的であるのは、表面近傍の窒化チタン
の組成が窒素の原子数比で５４％以上という熱的に安定
で、窒素原子が全く開放されることのない組成領域に入
っているためと考えられる。
実施例２
第１図と第２図を用いて説明する１本実施例は本発明を
アルミニウム／窒化チタンＵ配線を有する半導体装置の
配線形成に適用した例である。
アルミニウム／窒化チタンＵ配線を有する半導体装置の
配線形成に適用した例である。
第１図は従来の半導体装置およびその製造方法を説明す
るための図である。第１図（ａ）は表面の酸化膜１０上
に、窒化チタン合金ターゲットを用いてスパッタ法によ
って形成した窒化チタン膜１１を有するシリコン基板１
２を示す。膜形成後に基板１２を大気に晒したところ膜
表面の少なくとも一部には第１図（ｂ）に示すようにチ
タン酸化物１３が形成され、アルミニウム合金配線層１
４を上層に重ねると第１図ＣＱ）のようになる。
るための図である。第１図（ａ）は表面の酸化膜１０上
に、窒化チタン合金ターゲットを用いてスパッタ法によ
って形成した窒化チタン膜１１を有するシリコン基板１
２を示す。膜形成後に基板１２を大気に晒したところ膜
表面の少なくとも一部には第１図（ｂ）に示すようにチ
タン酸化物１３が形成され、アルミニウム合金配線層１
４を上層に重ねると第１図ＣＱ）のようになる。
これに対して５本発明の装置である第２図の装置におい
ては、第１図（ｂ）のように、表面に形成されたチタン
酸化物をエツチング除去して、しかる後、窒化チタン膜
１５表面を大気に晒すことなく、その上層にアルミニウ
ム合金配線層１６を形成した。その結果、実施例１と同
様の理由によって、従来の界面に酸化物が介在する装置
と比較して本発明の装置のエレクトロマイグレーション
耐性は、実施例１と同様に大幅に向上した。
ては、第１図（ｂ）のように、表面に形成されたチタン
酸化物をエツチング除去して、しかる後、窒化チタン膜
１５表面を大気に晒すことなく、その上層にアルミニウ
ム合金配線層１６を形成した。その結果、実施例１と同
様の理由によって、従来の界面に酸化物が介在する装置
と比較して本発明の装置のエレクトロマイグレーション
耐性は、実施例１と同様に大幅に向上した。
本発明によれば、窒化チタンバリア膜を用いて耐エレク
トロマイグレーション性等に優れた高信頼のアルミニウ
ム合金膜／窒化チタン膜積層配線を備える半導体装置が
実現される。
トロマイグレーション性等に優れた高信頼のアルミニウ
ム合金膜／窒化チタン膜積層配線を備える半導体装置が
実現される。
第１図、第２図は本発明の実施例の膜形成工程を示す断
面図、第３図は本発明の実施例の装置構成を示す概略断
面図、第４図は本発明の実施例と従来例の膜形成状態を
示す断面図である。 １１・・・窒化チタン膜、１３・・・窒素含有量大の窒
化チタン膜またはチタン酸化物、２５．３１・・・プラ
ズマ処理室、４ｏ・・・窒素含有量大の窒化チタン、４
２・・・窒化チタン膜、４４・・・チタン酸化物、４５
・・・チタン原子、４６・・・ボイド。 第１図 ■ ２ 図 １ 冨 ３ 図 ３θ （Ｃ）
面図、第３図は本発明の実施例の装置構成を示す概略断
面図、第４図は本発明の実施例と従来例の膜形成状態を
示す断面図である。 １１・・・窒化チタン膜、１３・・・窒素含有量大の窒
化チタン膜またはチタン酸化物、２５．３１・・・プラ
ズマ処理室、４ｏ・・・窒素含有量大の窒化チタン、４
２・・・窒化チタン膜、４４・・・チタン酸化物、４５
・・・チタン原子、４６・・・ボイド。 第１図 ■ ２ 図 １ 冨 ３ 図 ３θ （Ｃ）
Claims (30)
- １．試料上に金属窒化物を主成分とする薄膜を形成する
半導体装置の製造方法において、膜形成後に該薄膜を大
気に晒すことなく、該薄膜を所望のプラズマに晒すこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - ２．試料上に金属窒化物を主成分とする薄膜を形成する
半導体装置の製造装置において、膜形成後に該薄膜を大
気に晒すことなく、該薄膜を所望のプラズマに晒すこと
のできる機構を具備することを特徴とする半導体装置の
製造装置。 - ３．反応性スパッタ法によつて試料上に金属窒化物を主
成分とする薄膜を形成することを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。 - ４．常圧，減圧，プラズマもしくは基板に負のバイアス
電圧が印加されるバイアスプラズマ化学気相成長法によ
つて試料上に金属窒化物を主成分とする薄膜を形成する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体
装置の製造方法。 - ５．反応性スパッタ法によつて試料上に金属窒化物を主
成分とする薄膜を形成することを特徴とする特許請求の
範囲第２項に記載の半導体装置の製造装置。 - ６．常圧，減圧，プラズマもしくは基板に負のバイアス
電圧が印加されるバイアスプラズマ化学気相成長法によ
つて試料上に金属窒化物を主成分とする薄膜を形成する
ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の半導体
装置の製造装置。 - ７．基板にセルフバイアス電圧に加えて、負のバイアス
電圧を印加しつつ、プラズマに晒すことを特徴とする特
許請求の範囲第１項，第３項または第４項に記載の半導
体装置の製造方法。 - ８．基板にセルフバイアス電圧に加えて、負のバイアス
電圧を印加しつつ、プラズマに晒すことのできる機構を
具備することを特徴とする特許請求の範囲第２項，第５
項または第６項に記載の半導体装置の製造装置。 - ９．金属窒化物が窒化チタンであり、窒化チタンを主成
分とする薄膜を、四塩化チタンとアンモニアとを主たる
原料として減圧もしくはバイアスプラズマ化学気相成長
法によつて形成することを特徴とする特許請求の範囲第
１項，第４項または第７項に記載の半導体装置の製造方
法。 - １０．金属窒化物が窒化チタンであり、窒化チタンを主
成分とする薄膜を、四塩化チタンとアンモニアとを主た
る原料として減圧もしくはバイアスプラズマ化学気相成
長法によつて形成することを特徴とする特許請求の範囲
第２項，第６項または第８項に記載の半導体装置の製造
装置。 - １１．プラズマが窒素，アンモニア，三フッ化窒素等の
窒素原子を含むガスの放電によつて発生したプラズマで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項，第３項，
第４項，第７項または第９項に記載の半導体装置の製造
方法。 - １２．試料上に金属窒化物を主成分とする薄膜を形成す
る半導体装置の製造方法において、該薄膜表面近傍の窒
素含有量を膜中の窒素含有量の最大とすることを特徴と
する半導体装置の製造方法。 - １３．金属窒化物を主成分とする薄膜中の窒素含有量の
最大値が５４原子％以上であることを特徴とする特許請
求の範囲第１２項に記載の半導体装置の製造方法。 - １４．試料上に金属窒化物を主成分とする薄膜を形成す
る半導体装置の製造装置において、該薄膜表面近傍の窒
素含有量を膜中の窒素含有量の最大とすることのできる
機構を具備することを特徴とする半導体装置の製造装置
。 - １５．金属窒化物を主成分とする薄膜中の窒素含有量の
最大値が５４原子％以上とし得ることを特徴とする特許
請求の範囲第１４項に記載の半導体装置の製造装置。 - １６．金属窒化物が窒化チタンであることを特徴とする
特許請求の範囲第１２項または第１３項に記載の半導体
装置の製造方法。 - １７．金属窒化物が窒化チタンであることを特徴とする
特許請求の範囲第１４項または第１５項に記載の半導体
装置の製造装置。 - １８．試料上に金属窒化物を主成分とする薄膜を形成す
る半導体装置の製造方法において、膜形成後に該薄膜を
大気に晒した後、該薄膜表面近傍層をエッチング除去し
、しかる後エッチング後の該薄膜を大気に晒すことなく
、所望のプラズマに晒すことを特徴とする半導体装置の
製造方法。 - １９．金属窒化物が窒化チタンであることを特徴とする
特許請求の範囲第１８項に記載の半導体装置の製造方法
。 - ２０．試料上の窒化チタンを主成分とする薄膜表面近傍
の窒素含有量を膜中の窒素含有量の最大とする半導体装
置の製造装置において、該薄膜表面をエッチング除去し
、しかる後エッチング後の該薄膜を大気に晒すことなく
、所望のプラズマに晒すことのできる機構を具備するこ
とを特徴とする半導体装置の製造装置。 - ２１．金属窒化物を主成分とする薄膜中の窒素含有量の
最大値が５４原子％以上とし得ることを特徴とする特許
請求の範囲第２０項に記載の半導体装置の製造装置。 - ２２．金属窒化物が窒化チタンであることを特徴とする
特許請求の範囲第２０項または第２１項に記載の半導体
装置の製造装置。 - ２３．表面近傍の窒素含有量が膜中の窒素含有量の最大
である金属窒化物を主成分とする薄膜を具備する半導体
装置。 - ２４．金属窒化物を主成分とする薄膜中の窒素含有量の
最大値が５４原子％以上であることを特徴とする特許請
求の範囲第２３項に記載の半導体装置。 - ２５．表面近傍の窒素含有量が膜中の窒素含有量の最大
である金属窒化物を主成分とする薄膜の上にアルミニウ
ム薄膜、もしくはＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ，Ａｌ
−Ｃｕ等のアルミニウム合金薄膜、Ｗ、または、Ｃｕを
重ねた２層以上の薄膜で構成された積層膜からなる配線
層を具備することを特徴とする特許請求の範囲第１２項
または第１３項に記載の半導体装置。 - ２６．金属窒化物を主成分とする薄膜中の窒素含有量の
最大値が５４原子％以上であることを特徴とする特許請
求の範囲第２５項に記載の半導体装置。 - ２７．金属窒化物が窒化チタンであることを特徴とする
特許請求の範囲第２３項，第２４項，第２５項または第
２６項に記載の半導体装置。 - ２８．表面近傍の窒素の含有量の増加を窒化チタンを主
成分とする薄膜表面をプラズマに晒すことによつて行な
つたことを特徴とする特許請求の範囲第２３項乃至第２
７項に記載の半導体装置。 - ２９．アルミニウムもしくはアルミニウム合金と窒化チ
タンを主成分とする膜との積層膜からなる配線を有する
半導体装置において、該両膜界面近傍に存在する酸素の
量が窒化チタンを主成分とする膜中に存在する酸素の量
の平均値の３倍未満であることを特徴とする半導体装置
。 - ３０．アルミニウムもしくはアルミニウム合金と窒化チ
タンを主成分とする膜との積層膜からなる配線を有する
半導体装置において、該両膜界面近傍に存在する酸素の
量が７原子％未満であることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27159389A JPH03135018A (ja) | 1989-10-20 | 1989-10-20 | 半導体装置の製造方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27159389A JPH03135018A (ja) | 1989-10-20 | 1989-10-20 | 半導体装置の製造方法およびその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03135018A true JPH03135018A (ja) | 1991-06-10 |
Family
ID=17502238
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27159389A Pending JPH03135018A (ja) | 1989-10-20 | 1989-10-20 | 半導体装置の製造方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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