JPH07201779A

JPH07201779A - 電極配線およびその形成方法

Info

Publication number: JPH07201779A
Application number: JP35117193A
Authority: JP
Inventors: Hideshi Miyajima; 秀史宮島; Iwao Kunishima; 巌國島; Nobuo Hayasaka; 伸夫早坂
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-04

Abstract

(57)【要約】【目的】微細構造の半導体装置において信頼性の高いア
ルミニウム配線およびその形成方法を提供することを目
的とする。【構成】半導体基板２１上に形成された第１の窒化チタ
ン膜２３と、その上に形成され、結晶配向が（１１１）
配向である第２の窒化チタン膜２４と、その上に形成さ
れたアルミニウム配線２５とを具備することを特徴とす
る。また、半導体基板２１上にＣＶＤ法により第１の窒
化チタン膜２３を形成し、第１の窒化チタン膜２３を少
なくともハロゲン元素を含むガスに晒し、その後第１の
窒化チタン膜２３上にＣＶＤ法により結晶配向が（１１
１）配向である第２の窒化チタン膜２４を形成し、第２
の窒化チタン膜上にアルミニウム配線２５を形成する工
程とを具備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極配線およびその形
成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い、半
導体装置の構成素子の微細化が進められている。例え
ば、１６ＭＤＲＡＭは０．６〜０．８μｍの設計基準で
作られており、さらに集積度を上げるために、サブミク
ロンオーダーの設計基準で作られようとしている。

【０００３】しかしながら、素子の微細化が進むにつれ
て半導体装置の製造プロセスに様々な問題が生じてい
る。例えば、設計基準のオーダーが小さくなるにつれ
て、配線幅は小さくなり、配線長そのものは増大する。
また、能動素子の集積度が向上することにより、電気的
に接続しなければならない箇所が多くなり、しかも、個
々のコンタクトホールのアスペクト比は増大する一方で
ある。このため、通常のＡｌ−１重量％Ｓｉ合金からな
る配線では、配線が切れるオープン不良、コンタクトホ
ール底部での段切れ不良、コンタクト抵抗増大の不良、
エレクトロ・マイグレーションやストレス・マイグレー
ション等が多くなり、信頼性の高いアルミニウム配線を
形成するのが困難になりつつある。

【０００４】これらの問題を解決するため、新しい配線
材料や新しい配線構造の開発が求められている。例え
ば、コンタクト抵抗増大を防止するため、シリコン基板
等の半導体基板とアルミニウムやＡｌ−Ｓｉ合金からな
る配線との間に、高融点金属やそれらのシリサイドから
なる単層の拡散障壁層や窒化チタン膜／チタン膜の２層
構造の拡散障壁層を設けたりする試みがなされている。

【０００５】上述のように拡散障壁層として使用される
窒化チタン膜は、通常スパッタリング法により形成され
ている。スパッタリング法により形成された（１１１）
の結晶配向を有する窒化チタン膜は、後述するように、
その上に形成するアルミニウム配線の信頼性を向上する
ことが可能である。しかしながら、スパッタリング法に
より形成された窒化チタン膜は段差被覆性が悪いため
に、図７に示すように、半導体基板７０に形成されたア
スペクト比の大きい段差７１の底部や側壁には平坦部と
同じ厚さで窒化チタン膜７２を形成されない。一方、化
学的気相成長法（以下、ＣＶＤ法と省略する）で形成さ
れた窒化チタン膜は段差被覆性が非常に良好である。特
に、数Torrの減圧下で行う減圧ＣＶＤ法においては、反
応ガスのいわゆる「回り込み」現象が起り、アスペクト
比の大きい溝の底部や側壁でも平坦部と同じ厚さで成膜
することができる。このため、素子の微細化が進んだ場
合、段差被覆性が良好な膜を形成することができるの
で、上記ＣＶＤ法の必要性が増大する傾向にある。

【０００６】実際の半導体装置においては、拡散障壁層
である窒化チタン膜上にはアルミニウム配線が形成され
る。拡散障壁層として必要な特性は、拡散障壁性に加え
てアルミニウム配線の信頼性である。最近研究におい
て、窒化チタン膜の配向性がアルミニウム配線の信頼性
に非常に大きな影響を与えることが分っている。具体的
には、アルミニウム配線が高い信頼性を得るためには、
窒化チタン膜の結晶配向が（１１１）配向でなければな
らないことが分っている。しかしながら、ＣＶＤ法で形
成された窒化チタン膜は、結晶配向が（１００）配向と
なってしまう。この窒化チタン膜は、段差被覆性が良
く、拡散障壁性は良好であるが、アルミニウム配線の信
頼性が悪い。そこで、結晶配向が（１１１）配向である
窒化チタン膜をＣＶＤ法で形成することができればよい
が、従来のＣＶＤ法では結晶配向を（１１１）配向に制
御することが非常に困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の方
法では、段差被覆性が良好であり、拡散障壁性に優れ、
しかもアルミニウム配線の信頼性が高い拡散障壁層を形
成することができない。このため、従来の方法では、微
細構造の半導体装置において信頼性の高いアルミニウム
配線を形成することができないという問題点がある。

【０００８】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、微細構造の半導体装置において信頼性の高い電極
配線およびその形成方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に形成された結晶配向が（１００）配向である第１の窒
化チタン膜と、前記第１の窒化チタン膜上に形成され、
結晶配向が（１１１）配向である第２の窒化チタン膜
と、前記第２の窒化チタン膜上に形成されたアルミニウ
ム配線とを具備することを特徴とする電極配線を提供す
る。

【００１０】また、本発明は、半導体基板上に化学的気
相成長法により結晶配向が（１００）配向である第１の
窒化チタン膜を形成する工程と、前記第１の窒化チタン
膜を少なくともハロゲン元素を含むガスに晒す工程と、
前記ガスに晒した後の前記第１の窒化チタン膜上に化学
的気相成長法により結晶配向が（１１１）配向である第
２の窒化チタン膜を形成する工程と、前記第２の窒化チ
タン膜上にアルミニウム配線を形成する工程とを具備す
ることを特徴とする電極配線の形成方法を提供する。

【００１１】さらに、本発明は、半導体基板上に化学的
気相成長法により結晶配向が（１００）配向である第１
の窒化チタン膜を形成する工程と、少なくともハロゲン
元素を含むガスを添加しながら前記第１の窒化チタン膜
上に化学的気相成長法により結晶配向が（１１１）配向
である第２の窒化チタン膜を形成する工程と、前記第２
の窒化チタン膜上にアルミニウム配線を形成する工程と
を具備することを特徴とする電極配線の形成方法を提供
する。

【００１２】ここで、半導体基板とは、シリコン基板、
ＴｉＳｉ₂膜等の高融点金属のシリサイド膜が形成され
ているシリコン基板、高融点金属があらかじめ堆積され
ているシリコン基板、シリコン酸化物からなる絶縁性基
板、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等を挙げるこ
とができる。また、少なくともハロゲン元素を含むガス
としては、塩素ガス、フッ素ガス、臭素ガス、塩化水素
ガス、四フッ化炭素ガス等を挙げることができる。ま
た、アルミニウム配線に使用される材料としては、アル
ミニウム、Ａｌ−１％Ｓｉのようなアルミニウム合金を
用いることができる。

【００１３】本発明においてＣＶＤ法とは、通常使用さ
れる条件下で行われるＣＶＤ法を意味する。また、結晶
配向が（１１１）配向であるとは、Ｘ線回折において、
（１００）配向のピークがほとんど確認できない場合を
いう。

【００１４】本発明において、少なくともハロゲン元素
を含むガスを添加しながらＣＶＤ法により窒化チタン膜
を形成する場合、少なくともハロゲン元素を含むガスの
添加量は特に制限しないが、１〜２５％であることが好
ましい。

【００１５】本発明において、少なくともハロゲン元素
を含むガスに晒すとは、少なくともハロゲン元素を含む
ようなガスもしくはそのガスを放電することによって生
成される励起種に晒すことをいう。

【００１６】

【作用】本発明の電極配線は、半導体基板上に形成され
た結晶配向が（１００）配向である第１の窒化チタン膜
と、その第１の窒化チタン膜上に形成され、結晶配向が
（１１１）配向である第２の窒化チタン膜からなる２層
構造の拡散障壁層と、その上に形成されたアルミニウム
配線とを具備することを特徴としている。

【００１７】上記の構成において、第１の窒化チタン膜
は、（１００）の結晶配向を有するので、拡散障壁性が
優れている。また、第２の窒化チタン膜は、（１１１）
の結晶配向を有するので、アルミニウム配線の信頼性が
高い。したがって、上記第１および第２の窒化チタン膜
からなる積層膜は、拡散障壁性および信頼性の両特性に
優れるものである。

【００１８】また、本発明は、通常半導体基板上に結晶
配向が（１００）配向である第１の窒化チタン膜を形成
し、この第１の窒化チタン膜を少なくともハロゲン元素
を含むガスに晒した後、第１の窒化チタン膜上にＣＶＤ
法により結晶配向が（１１１）配向である第２の窒化チ
タン膜を形成し、第２の窒化チタン膜上にアルミニウム
配線を形成することを特徴としている。

【００１９】第１の窒化チタン膜を少なくともハロゲン
元素を含むガスに晒すことにより、第１の窒化チタン膜
表面にチタンのハロゲン化物もしくはハロゲン原子が存
在する。このチタンのハロゲン化物もしくはハロゲン原
子により窒化チタン膜の表面が改質して第２の窒化チタ
ン膜の結晶配向が（１１１）配向となる。

【００２０】さらに、本発明は、半導体基板上に結晶配
向が（１００）配向である第１の窒化チタン膜を形成
し、少なくともハロゲン元素を含むガスを添加しながら
第１の窒化チタン膜上にＣＶＤ法により結晶配向が（１
１１）配向である第２の窒化チタン膜を形成し、その上
にアルミニウム配線を形成することを特徴としている。

【００２１】第２の窒化チタン膜を形成する際に、少な
くともハロゲン元素を含むガスを添加しながら行うこと
により、第１の窒化チタン膜の表面を改質することなし
に第２の窒化チタン膜の結晶配向を（１１１）配向にす
ることができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。（実施例１）図１は本発明のアルミニウム配線の形成に
おいて使用される薄膜形成装置の概略図である。図中１
０は真空チャンバを示す。真空チャンバ１０内の底部に
は、ヒータ１１のような加熱手段を具備した載置台１２
が設置されている。この載置台１２上には被処理体１３
が載置されている。真空チャンバ１０の頂部には、反応
ガスを供給するための第１の配管１４および少なくとも
ハロゲンを含むガスを供給するための第２の配管１５が
取り付けられている。また、真空チャンバ１０の頂部に
は、放電板支持部材１６が貫挿されており、真空チャン
バ１０と放電板支持部材１６とは絶縁体１７で絶縁され
ている。放電板支持部材１６の真空チャンバ１０内の端
部には、放電板１８が取り付けられている。また、放電
板支持部材１６の他方の端部は、高周波電源１９に電気
的に接続されている。さらに、真空チャンバ１０の側壁
には、排気口２０が設けられており、排気口２０に連結
された吸気手段（図示せず）により真空チャンバ１０内
を真空にすることができるようになっている。

【００２３】次に、図１に示す薄膜形成装置を用いて、
微細な段差が設けられたシリコン基板上に窒化チタン膜
を形成する場合について説明する。

【００２４】まず、被処理体１３を真空チャンバ１０内
の載置台１２上に設置し、吸気手段により排気口２０を
介して真空チャンバ１０内を真空排気した。被処理体１
３は、図２（Ａ）に示すように、幅０．５μｍ、深さ
０．７μｍの微細な段差２２が形成されているｎ⁺−Ｓ
ｉ基板２１上にＴｉＳｉ₂が形成されたものである。

【００２５】次いで、ヒータ１１によりシリコン基板を
６００℃に加熱し、第１の配管１４から原料ガスとして
四塩化チタンガスおよびアンモニアガスを各々流量１SC
CMおよび５０SCCM導入し、真空チャンバ１０内の圧力を
１０ mTorrに設定してＣＶＤを行い、図２（Ｂ）に示す
ように、ｎ⁺−Ｓｉ基板２１上に厚さ５０nmの第１の窒
化チタン膜２３を形成した。第１の窒化チタン膜２３が
所定の膜厚に達したところで原料ガスの導入を停止し
た。この第１の窒化チタン膜２３は、Ｘ線回折により調
べたところ図３（Ａ）に示すように、（１００）の結晶
配向を有していた。

【００２６】次いで、真空チャンバ１０内部を真空排気
し、第２の配管１５から少なくともハロゲン元素を含む
ガスとしてフッ素ガスを流量５SCCM導入し、真空チャン
バ１０内の圧力を５ mTorrに設定し、例えば、５００℃
の温度において高周波電源１９により１３．５６ＭＨｚ
の高周波電圧を放電板１８に印加し、フッ素ガスを１０
秒間放電した。その後、フッ素ガスの導入を停止し、真
空チャンバ１０内を排気し、再びヒータ１１によりシリ
コン基板を６００℃に加熱し、第１の配管１４から原料
ガスとして四塩化チタンガスおよびアンモニアガスを各
々流量１SCCMおよび５０SCCM導入し、真空チャンバ１０
内の圧力を１０ mTorrに設定してＣＶＤを行い、図２
（Ｃ）に示すように、第１の窒化チタン膜２３上に厚さ
２０nmの第２の窒化チタン膜２４を形成した。第２の窒
化チタン膜２４が所定の膜厚に達したところで原料ガス
の導入を停止した。この第２の窒化チタン膜２４は、図
３（Ｂ）に示すように、（１１１）の結晶配向を有して
いた。なお、この図において、窒化チタンの（１００）
の結晶配向が見られるが、これは主に下地の（１００）
結晶配向を有する窒化チタンによるものである。

【００２７】次いで、第２の窒化チタン膜まで形成した
シリコン基板を薄膜形成装置から取り出し、スパッタリ
ング装置に設置した。ターゲットととしてＡｌ−Ｓｉ−
Ｃｕ合金ターゲットを用い、Ａｒガス中でＡｒガス圧力
１０^-1Ｐａ、印加電力６kWの条件でスパッタリングし
て、図２（Ｄ）に示すように、第２の窒化チタン膜２４
上に厚さ０．１μｍのアルミニウム配線２５を形成し
た。

【００２８】次に、上記のようにして得られた本発明の
アルミニウム配線について、接合リーク電流特性を調べ
た。その結果を図４（Ａ）に示す。なお、接合リーク電
流は２．５Ｖの定電圧を印加したときの電流を四端子法
により測定し、その常用対数を算出した。また、比較と
して、窒化チタン膜としてスパッタリング法により形成
された１層構造の膜を使用した場合を図４（Ｂ）に示
す。図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、本発明のア
ルミニウム配線の方が接合リーク電流特性が良好である
ことが分かる。

【００２９】また、本発明のアルミニウム配線につい
て、コンタクト抵抗のコンタクトサイズ依存性を調べ
た。その結果を図５に示す。なお、コンタクト抵抗は四
端子法により測定した。また、比較として、スパッタリ
ング法により形成された窒化チタン膜を用いた場合も示
した。図５から分かるように、本発明のアルミニウム配
線の方がコンタクト抵抗が小さい。これは、コンタクト
サイズが小さくなるにつれて顕著である。特に、コンタ
クトサイズが０．７μｍより小さい領域で顕著である。
図４および図５から、本発明のアルミニウム配線は、優
れた拡散障壁性を有することが分かる。

【００３０】さらに、本発明のアルミニウム配線につい
て、ストレスマイグレーション試験を行った。その結果
を図６に示す。なお、ストレスマイグレーション試験
は、アルミニウム配線上に厚さ１μｍのＰＳＧ（リンシ
リケートガラス）および厚さ０．５μｍのシリコン窒化
膜を形成し、四端子法により測定した。図６から分かる
ように、本発明のアルミニウム配線は、スパッタリング
法で形成した窒化チタン膜と同程度の信頼性が得られ
る。

【００３１】このように、本発明のアルミニウム配線
は、微細なコンタクトにおいて、優れた拡散障壁性かつ
高い信頼性を発揮する。（実施例２）実施例１と同様にして、ｎ⁺−Ｓｉ基板上
に（１００）の結晶配向を有する第１の窒化チタン膜を
厚さ５０nmで形成した。なお、薄膜形成装置は図１に示
すものを用いた。次いで、原料ガスを導入したまま、第
２の配管から少なくともハロゲン元素を含むガスとして
塩化水素ガスを０．５SCCM導入し、真空チャンバ内の圧
力を１０ mTorrに設定してＣＶＤを行い、第１の窒化チ
タン膜上に厚さ２０nmの第２の窒化チタン膜を形成し
た。この第２の窒化チタン膜は、（１１１）の結晶配向
を有していた。第２の窒化チタン膜が所定の膜厚に達し
たところで原料ガスの導入を停止した。

【００３２】次いで、第２の窒化チタン膜まで形成した
シリコン基板を薄膜形成装置から取り出し、スパッタリ
ング装置に設置した。ターゲットとしてＡｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ合金ターゲットを用い、Ａｒガス中でＡｒガス圧力１
０^-1Ｐａ、印加電力６kWの条件でスパッタリングして、
第２の窒化チタン膜上に（１１１）の結晶配向を有する
厚さ０．１μｍのアルミニウム配線を形成した。

【００３３】この方法により得られたアルミニウム配線
は、実施例１において形成されたアルミニウム配線と同
様の拡散障壁性および信頼性を示した。

【００３４】上記実施例１，２においては、少なくとも
ハロゲン元素を含むガスを用いることによる窒化チタン
膜の配向性の制御は、下地としての窒化チタン膜表面に
おいてのみ有効であるわけではなく、他の物質の表面に
おいても有効である。例えば、シリコン基板やシリコン
酸化膜の表面を少なくともハロゲン元素を含むようなガ
スによって上記実施例と同様の条件で改質させても、図
３（Ｃ）に示すように、（１１１）配向を有する窒化チ
タン膜を形成することができる。

【００３５】本発明は、上述した実施例に限定されな
い。例えば、チタンの原料ガスとして、四塩化チタンガ
スの代りにチタンの有機錯体ガス等を用いてもよく、窒
素の原料ガスとして、アンモニアの代りに窒素ガス、ヒ
ドラジンガス等を用いてもよく、少なくともハロゲン元
素を含むガスとして、フッ素ガスや塩化水素ガスの代り
に他のハロゲンガス等を用いてもよい。

【００３６】上記実施例１，２では、真空チャンバ内で
高周波電圧を用いてフッ素ガスの放電を行っているが、
この方法に限定されるわけではなく、真空チャンバとは
別の場所で少なくともハロゲン元素を含むガスを放電し
てハロゲン元素の励起種を発生させ、それを真空チャン
バ内の被処理体近傍に導入してもよい。また、単にハロ
ゲン元素を含むガスに加熱した被処理体を晒したり、ハ
ロゲン元素を含むガスを加熱し、被処理体に晒すだけで
もよい。

【００３７】上記実施例１，２では、窒化チタン膜の成
膜方法として、いわゆる熱ＣＶＤ法を用いているが、本
発明は熱ＣＶＤ法に限定されるわけではなく、マイクロ
波や高周波を用いたいわゆるプラズマＣＶＤ法を用いて
もよいし、光ＣＶＤ法を用いてもよい。

【００３８】なお、上記実施例ではアルミニウム配線に
ついて述べたが、このアルミニウム配線とは、アルミニ
ウムまたはアルミニウム合金からなる配線を意味する。
さらに、アルミニウム配線以外に銅、銀、金等の面心立
方構造をとる金属もしくはこれらの合金からなる配線、
さらには、（１１１）の結晶配向を有する窒化チタンと
格子整合の良い金属もしくはその合金からなる配線を用
いることもできる。

【００３９】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の変形が可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明した如く本発明のアルミニウム
配線は、半導体基板上に形成された第１の窒化チタン膜
と、前記第１の窒化チタン膜上に化学的気相成長法によ
り形成され、結晶配向が（１１１）配向である第２の窒
化チタン膜と、前記第２の窒化チタン膜上に形成された
アルミニウム配線とを具備するので、微細構造の半導体
装置において段差被覆性、優れた拡散障壁性、および高
い信頼性を発揮するものである。

【００４１】また、本発明のアルミニウム配線の形成方
法は、半導体基板上にＣＶＤ法により第１の窒化チタン
膜を形成し、この第１の窒化チタン膜を少なくともハロ
ゲン元素を含むガスに接触させながら第１の窒化チタン
膜上にＣＶＤ法により結晶配向が（１１１）配向である
第２の窒化チタン膜を形成し、第２の窒化チタン膜上に
アルミニウム配線を形成するので、段差被覆性に優れた
ＣＶＤ法により優れた拡散障壁性および高い信頼性を発
揮するアルミニウム配線を効率よく形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアルミニウム配線の形成に使用される
薄膜形成装置の概略図。

【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は本発明のアルミニウム配線の
形成方法の成膜工程を示す断面図。

【図３】（Ａ）は第１の窒化チタン膜のＸ線回折結果、
（Ｂ）は本発明における２層構造の窒化チタン膜のＸ線
回折結果、（Ｃ）は第２の窒化チタン膜のＸ線回折結
果。

【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、アルミニウム配線の接
合リーク電流特性を示すグラフ。

【図５】アルミニウム配線のコンタクト抵抗のコンタク
トサイズ依存性を示すグラフ。

【図６】ストレスマイグレーション試験の結果を示すグ
ラフ。

【図７】段差を有する半導体基板にスパッタリング法に
より窒化チタン膜を形成した場合を示す断面図。

【符号の説明】

１０…真空チャンバ、１１…ヒータ、１２…載置台、１
３…被処理体、１４…第１の配管、１５…第２の配管、
１６…放電板支持部材、１７…絶縁体、１８…放電板、
１９…高周波電源、２０…排気口、２１…ｎ⁺−Ｓｉ基
板、２２…段差、２３…第１の窒化チタン膜、２４…第
２の窒化チタン膜、２５…アルミニウム配線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成された結晶配向が
（１００）配向である第１の窒化チタン膜と、前記第１
の窒化チタン膜上に形成され、結晶配向が（１１１）配
向である第２の窒化チタン膜と、前記第２の窒化チタン
膜上に形成されたアルミニウム配線とを具備することを
特徴とする電極配線。
【請求項２】半導体基板上に化学的気相成長法により
結晶配向が（１００）配向である第１の窒化チタン膜を
形成する工程と、前記第１の窒化チタン膜を少なくとも
ハロゲン元素を含むガスに晒す工程と、前記ガスに晒し
た後の前記第１の窒化チタン膜上に化学的気相成長法に
より結晶配向が（１１１）配向である第２の窒化チタン
膜を形成する工程と、前記第２の窒化チタン膜上にアル
ミニウム配線を形成する工程とを具備することを特徴と
する電極配線の形成方法。
【請求項３】半導体基板上に化学的気相成長法により
結晶配向が（１００）配向である第１の窒化チタン膜を
形成する工程と、少なくともハロゲン元素を含むガスを
添加しながら前記第１の窒化チタン膜上に化学的気相成
長法により結晶配向が（１１１）配向である第２の窒化
チタン膜を形成する工程と、前記第２の窒化チタン膜上
にアルミニウム配線を形成する工程とを具備することを
特徴とする電極配線の形成方法。