專利名稱：半導體裝置的制造方法
技術領域：
本發(fā)明是有關在由硅構成的半導體襯底上以高集成度形成低寄生電阻的金屬布線層的半導體裝置的制造方法。
隨著半導體集成電路的高集成密度化，在硅襯底上形成的活性(有源)高濃度擴散層(例如，MOS晶體管的源區(qū)/漏區(qū)或雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)/基區(qū))上，在與p-n結的深度逐步變淺的同時與金屬布線層接觸的界面部分(接觸部件)的面積也逐步縮小。在這種半導體裝置中，為了保持在活性高濃度擴散層和金屬布線層間的界面電阻(接觸電阻)的歐姆特性和低電阻的目的以及防止構成金屬布線層的金屬向硅襯底中擴散的目的，在硅襯底上的高濃度擴散層與金屬布線層間設置由高融點金屬或高融點金屬化合物構成的中間層(阻擋金屬)逐步變得不可缺少。這個要求即使在形成硅襯底與由多晶硅構成的電極或電阻間的接觸部件時同樣是存在的。
在應用鋁合金(Al-Si-Cu)作為金屬布線層材料時，可以用，例如氮化鈦(TiN)膜作為阻擋金屬。該氮化鈦膜對于抑制由于形成方法的需要而進行500℃熱處理時的金屬布線層中的鋁和銅向硅襯底的擴散來說具有極為有效的阻擋性能。這一點已在例如文獻(J.Vac.Sci.Technol.，21(1982)pp.14-18)中報告過。
但是，由于由氮化鈦構成的阻擋金屬在p型高濃度擴散層上的接觸電阻特別高，故為了降低接觸電阻起見，在氮化鈦和硅襯底的高濃度擴散層之間必須設置鈦(Ti)膜。這是因為鈦膜具有還原硅襯底上的自然氧化膜的性質以及和氮化鈦膜相比鈦膜與P型襯底的肖特基勢壘的高度較低。這一點已在例如文獻Thin Solid Films，96(1982)第327-345頁中記敘過。
為了提高生產(chǎn)率，采用了在濺射裝置的設置了靶的真空室內連續(xù)地供給半導體襯底并進行濺射以形成接觸部件的方法，而且在氮化鈦膜與硅襯底間介入鈦膜在減少對大規(guī)模集成電路有害的粒子塵埃的產(chǎn)生方面是有效的。其理由是，具有附著于真空室壁上的氮化鈦粒子脫離室壁較容易而同樣情況下的鈦粒子脫離室壁較困難的性質。因此，如在真空室內除了氮化鈦粒子外還產(chǎn)生鈦粒子的話，則由于鈦粒子的存在，氮化鈦粒子從真空室的壁上脫離也變得困難了。由于這個原因，減少了膜從真空室壁上的剝離，因此就減少了粒子塵埃的產(chǎn)生。
再有，對于低亞微米的MOS超大規(guī)模集成電路，由于接觸孔的縱橫比變大了，故用通常的濺射淀積法在接觸孔的底部淀積阻擋金屬至足夠的厚度變得困難了。由于縱橫比在0.35-0.5μm的CMOS中約為2.0，在0.35μm的DRAM中大于4.0，故在很多情況下，在接觸孔底部的阻擋金屬的淀積膜厚只有在平坦的襯底上的淀積膜厚的5-10%。
為了解決這個問題，采用了在濺射淀積裝置的靶與襯底之間配置了蜂窩狀的準直夾具、使淀積到襯底表面的濺射粒子的垂直入射成分增加的方法(準直濺射法)。
但是，為了在靶和襯底間配置準直夾具以及由于在大直徑(直徑在6英寸以上)化的襯底表面上有必要保持膜厚的一致性，象以往那樣在靶和襯底間配置擋板變得困難了。這一點已示于例如文獻J.Voc.Sci.Tech.，A9(1991)pp.261-264。
可是，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，如果在不設置擋板的真空室內連續(xù)地供給硅半導體襯底，并在半導體襯底上介以鈦膜而形成由氮化鈦膜構成的阻擋金屬時，在第2片以后的半導體襯底上形成了不是鈦膜而是鈦和氮的混合膜。我們認為其原因如下。在圖5(a)-(d)中示出了以往的半導體裝置的制造方法。首先，象圖5(a)中示出的那樣，在沒有擋板的真空室1內配置由鈦構成的靶2，在真空室內移入第1片硅襯底3。之后，如在真空室1內供給氬氣，由氬氣產(chǎn)生的氬離子轟擊靶2，由靶2放出鈦原子，在硅襯底3上淀積鈦膜5。
接著，如在真空室1內供給摻氮的氬氣并進行反應性濺射，則如圖5(b)示出的那樣，氮化鈦膜6淀積在鈦膜5上。這時，鈦和氮的混合膜7附著在靶2的表面。
然后，如在真空室1內移入第2片以后的硅襯底3并供給氬氣，則如圖5(c)示出的那樣，鈦和氮的混合膜8就淀積在硅襯底3上。
其后，如在真空室1內供給摻入了氮的氬氣并進行反應性濺射，則如圖5(d)所示，氮化鈦膜6淀積在鈦和氮的混合膜8上。在這種情況下，鈦和氮的混合膜7再一次附著在靶2的表面。如上所述，在第2片以后的硅襯底3和氮化鈦膜6之間介入了的不是鈦膜5，而是鈦和氮的混合膜8。
由以上的說明可見，如想要按以往的方法在硅襯底3上以介入鈦膜5的方式淀積氮化鈦膜6，則在第2片以后的硅襯底3上淀積的是鈦和氮的混合膜8。因此，就存在以下問題，即相對于第2片以后的硅襯底3上形成的高濃度擴散層的接觸電阻比根據(jù)襯底3和鈦膜5之間的肖特基勢壘高度以及高濃度擴散層的雜質濃度預測的電阻值要高。因此，在由現(xiàn)有技術的方法得到的半導體裝置中，要實現(xiàn)既具有歐姆特性又呈低電阻的接觸部件是困難的。這個問題在硅襯底上形成P型的高濃度擴散層時尤為顯著。
鑒于以上所述，本發(fā)明的目的是在不設置擋板的真空室內連續(xù)的供給半導體襯底、在半導體襯底上形成將該半導體襯底與在該半導體襯底上形成的金屬布線層電連接的接觸部件時使該接觸部件保持歐姆特性并呈現(xiàn)低電阻。
為了達到上述目的，本發(fā)明的第一個方面謀求的解決方法是提供一種半導體裝置的制造方法，該方法在濺射裝置的配置了由金屬構成的靶的真空室內連續(xù)地供給硅半導體襯底，在上述半導體襯底上形成將該半導體襯底和在該半導體襯底上形成的金屬布線層電連接的接觸部件，其中，形成上述接觸部件的工序包括下列步驟在上述真空室內供給由第1種物質構成的濺射氣體、在上述半導體襯底上淀積由構成上述靶的金屬組成的、電阻比上述半導體襯底低的第1金屬膜;在上述真空室內供給由上述第1種物質和與該第1種物質不同的第2種物質構成的濺射氣體、在上述第1金屬膜上淀積由構成上述靶的金屬和上述第2種物質的化合物組成的、防止上述半導體襯底與上述金屬布線層反應的第2金屬膜;在上述真空室內供給由上述第1種物質構成的濺射氣體、在除去附著在上述靶表面的上述第2種物質的同時在上述第2金屬膜上淀積由構成上述靶的金屬和上述第2種物質的混合物組成的第3金屬膜。
本發(fā)明的第二個方面是在本發(fā)明的第一個方面的半導體裝置的制造方法中，構成上述靶的金屬為高融點金屬。
本發(fā)明的第三個方面是在本發(fā)明的第二個方面的半導體裝置的制造方法中，上述高融點金屬是鈦，上述第2種物質是氮。
本發(fā)明的第四個方面是在本發(fā)明的第三個方面的半導體裝置的制造方法中，上述金屬布線層是由含硅的金屬構成的，而上述第3金屬膜的膜厚在8-12mm的范圍內。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，在半導體襯底上淀積的、比半導體襯底電阻低的第1金屬膜之上，在淀積防止半導體襯底和其上形成的金屬布線層之間反應的第2金屬膜之后，由于具備下列工序在除去淀積該第2金屬膜時生成的、附著于靶表面的第2種物質的同時在第2金屬膜上淀積由構成靶的金屬和上述第2種物質的混合物構成的第3金屬膜時，附著于靶表面的第2種物質已被除去。由于這個原因，在第2片以后的半導體襯底上也淀積不混入其它物質的、電阻比半導體襯底低的第1金屬膜。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，由于構成靶的金屬是高融點金屬，故能夠在由硅構成的半導體襯底上淀積高融點金屬時實現(xiàn)所希望的具有歐姆特性和低電阻的接觸部件。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，由于高融點金屬是鈦、第2種物質是氮，故能夠確保在硅半導體襯底上介以鈦膜而淀積氮化鈦膜時成為問題的接觸部件的歐姆特性和低電阻。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，由于第3金屬膜的膜厚在8nm以上，故可確實地除去附著于靶表面的氮。此外，由于第3金屬膜的膜厚在12nm以下，故即使金屬布線層中含有的硅和構成第3金屬膜的鈦發(fā)生反應，金屬布線層中的硅也不會有實質性的減少。
下面結合附圖描述本發(fā)明。
圖1是表示本發(fā)明的一個實施例的半導體裝置制造方法的各工序的截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半導體裝置制造方法形成的超大規(guī)模集成電路裝置的接觸部件的截面圖;
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半導體裝置制造方法形成的接觸部件的接觸孔徑與接觸電阻間關系的特性圖;
圖4表示半導體裝置的接觸部件的結漏電流與產(chǎn)生頻率間的關系，(a)是根據(jù)現(xiàn)有技術的方法得到的接觸部件的情況，(b)是根據(jù)本發(fā)明的方法得到的接觸部件的情況。
圖5是表示現(xiàn)有技術的半導體裝置制造方法的各工序的截面圖。
以下參照


本發(fā)明的一個實施例的半導體裝置制造方法。
圖1的(a)-(c)表示在沒有擋板的真空室1內配置由鈦構成的靶2、將硅襯底3連續(xù)地傳到真空室1內、形成將硅襯底3與在其上形成的金屬布線層進行電連接的接觸部件的工序。
首先，一向真空室1內供給氬氣，如圖1(a)示出的那樣，由氬氣產(chǎn)生的氬離子就轟擊靶2，鈦原子從靶2放出，在硅襯底3上淀積鈦膜5。
接著，在真空室1內供給摻入了氮的氬氣進行反應性濺射，則如圖1(b)示出的那樣，就在鈦膜5上淀積氮化鈦膜6。這時，鈦和氮的混合膜7附著在靶2的表面。
然后，如在真空室1內再次供給氬氣，則如圖1(c)示出的那樣，附著在靶2表面的鈦和氮的混合膜7從靶2脫離，在氮化鈦膜6上淀積膜厚極薄的鈦和氮的混合膜9。鈦和氮的混合膜9的膜厚在8-12nm的范圍內較合適。關于這一點的理由如下，當鈦與氮的混合膜9的膜厚比8nm薄時，附著于靶2表面的鈦和氮的混合膜7不能充分地被除去，而當鈦和氮的混合膜9的膜厚大于12nm時，如在接觸部件之上形成含硅的金屬布線層，漏電流就要增大。例如，在鈦和氮的混合膜9之上形成由鋁合金(Al-1.0%Si-0.5Cu)構成的金屬布線層的場合，構成該金屬布線層的鋁和硅與構成鈦和氮的混合膜9的鈦發(fā)生反應，形成Ti-Si-Al系的化合物，金屬布線層中的硅減少。由于這個原因，硅襯底3的硅或是向金屬布線層一側擴散或是與金屬布線層的鋁進行合金化，這些都會引起結漏電流的增大。因此，如第3金屬膜的膜厚在12nm以下，則因金屬布線層中的硅沒有實質性的減少，故結漏電流沒有增加。
根據(jù)以上各工序，將硅襯底3與在該硅襯底3之上形成的金屬布線層進行電連接的接觸部件的形成就完成了。然后，將第2片以后的硅襯底3移入到真空室1內，在該真空室1內供給氬氣的情況下，由于附著在靶2表面的鈦和氮的混合膜7已被除去，故如圖1(a)示出的那樣，鈦原子從靶2放出，在硅襯底3上淀積不含氮的鈦膜5。
圖2示出根據(jù)上述方法形成的低亞微米級超大規(guī)模集成電路的接觸部件的截面結構。以下基于圖2就上述超大規(guī)模集成電路的接觸部件的形成方法加以說明。
在(100)面的硅襯底3的表面通過離子注入砷(As)形成n型高濃度擴散層或在n阱區(qū)通過離子注入氟化硼(BF2)形成p型高濃度擴散層。其次，在用CVD法于硅襯底3上淀積由硅氧化膜構成的層間絕緣膜4后，進行850-900℃的熱處理從而活性注入的雜質離子。之后，在層間絕緣膜4上用干法腐蝕法開出貫通至硅襯底3表面的接觸孔，然后進行濕法清洗和去除硅的自然氧化膜。接著，在層間絕緣膜4和在接觸孔處露出的硅襯底3上，根據(jù)上述方法順序地淀積鈦膜5、氮化鈦膜6和鈦與氮的混合膜9。這時，高純度的鈦膜5淀積在硅襯底3上。再用覆蓋鎢(blanket tungsten)CVD法在鈦和氮的混合膜9上全面地淀積鎢膜之后，通過對該鎢膜進行背面刻蝕在接觸孔內形成由金屬膜構成的塞柱10。接著，在鈦和氮的混合膜9和塞柱10上用濺射淀積法形成由硅合金構成的金屬布線層11。然后，在金屬布線層11上用通常的光刻技術形成抗蝕劑圖形，再以該抗蝕劑圖形作為掩膜，對由金屬布線層11、鈦和氮的混合膜9、氮化鈦膜6和鈦膜5構成的多層膜進行干法腐蝕，從而形成多層金屬布線層。此后，在氫和氮的混合形成氣體中進行450℃溫度的熱處理，從而完成具有歐姆特性而且是低電阻的接觸部件。
圖3示出了接觸孔徑與接觸電阻的關系，作為用上述方法形成的、具有高縱橫比的精細的歐姆性接觸部件的特性，表示用以往的形成相對于P型高濃度擴散層的接觸部件的情況和用本發(fā)明的方法形成接觸部件的情況。由圖3可明顯地看出，如用本發(fā)明的方法，即使對接觸孔徑為0.4μm的精細接觸部件也能確保其具有低電阻。
圖4是表示作為用上述方法形成的歐姆性接觸部件的特性的接觸部件p-n結的結漏電流分布的直方圖，(a)表示用現(xiàn)有技術的方法形成的情況，(b)表示用本發(fā)明的方法形成的情況。在圖4中也示出了在p阱區(qū)形成的n+型高濃度擴散層與p阱區(qū)的p-n結的結漏電流。測定條件如下加5.0V的反向偏壓，結面積為320，000μm2，接觸面積為4，357μm2，鈦和氮的混合膜9的膜厚為10nm。由圖4可明顯地看出，用現(xiàn)有技術的方法形成的接觸部件和用本發(fā)明的方法形成的接觸部件顯示出大體上同樣的結漏電流分布。如上面所述那樣，在鈦和氮的混合膜9上形成由鋁合金構成的金屬布線層11時，構成該金屬布線層11的鋁和硅與構成鈦和氮的混合膜9的鈦發(fā)生反應，故有引起結漏電流增加的缺點。但由于在本實施例中結漏電流沒有增加，所以可以斷定不管在氮化鈦膜6上是否形成鈦和氮的混合膜9，金屬布線層11中的硅的量均無實質性的減少。
如上所述，應用本實施例在用真空室1內不設置擋板的濺射淀積裝置(例如準直濺射淀積裝置)連續(xù)地在硅襯底3上淀積鈦膜5和氮化鈦膜6時，在氮化鈦膜6上淀積膜厚達10nm的鈦和氮的混合膜9，由于把接觸部件作成由鈦膜5、氮化鈦膜6以及鈦和氮的混合膜9構成的三層結構，故可以避免在最下層的鈦膜5中混入氮，這樣就可以在硅襯底3上形成低電阻的歐姆性接觸部件。
再者，在上述實施例中把接觸部件作成由鈦膜5、氮化鈦膜6以及鈦和氮的混合膜9構成的三層結構，不過，作為以上結構的替代物，可以采用在表1中用O的標記示出的組合。例如，在采用硼(B)和鈦(Ti)的組合時，作成由鈦膜、硼化鈦膜及鈦和硼的混合膜構成的三層結構。
表1
如應用與本發(fā)明的第一個方面有關的半導體裝置的制造方法，在相對于半導體襯底電阻低的第1金屬膜上淀積防止半導體襯底與金屬布線層反應的第2金屬膜之后，由于設置一個工序在除去淀積第2金屬膜之際附著在靶表面的第2種物質的同時在第2金屬膜上淀積由靶金屬和該第2種物質的混合物組成的第3金屬膜，則因在第2片以后的半導體襯底上淀積第1金屬膜時已除去附著在靶表面的第2種物質，故在第2片以后的半導體襯底上淀積的第1金屬膜中不混入第2種物質。因此，就可以確實地制造在半導體襯底上形成了具有低電阻的歐姆性接觸部件的半導體裝置。
如應用與本發(fā)明的第二個方面有關的半導體裝置的制造方法，由于構成靶的金屬是高融點金屬，就可以確實地實現(xiàn)具備在由硅構成的半導體襯底上淀積高融點金屬時特別希望有的低電阻歐姆性接觸部件。
如應用與本發(fā)明的第三個方面有關的半導體裝置的制造方法，由于高融點金屬是鈦、第2種物質是氮，就可以確實地保證在由硅構成的襯底的襯底上以介入鈦膜的方式淀積氮化鈦膜時成為問題的接觸部件的歐姆特性的低電阻性。
如應用與本發(fā)明的第四個方面有關的半導體裝置的制造方法，由于第3金屬膜的膜厚是在8-12nm的范圍內，故在確實地除去附著在靶表面的氮的同時，即使金屬布線層中含有的硅與構成第3金屬膜的鈦發(fā)生反應，金屬布線層中的硅也沒有實質性的減少，因此就避免了在半導體襯底的硅朝金屬布線層中擴散或與構成金屬布線層的金屬發(fā)生合金化的情況下造成結漏電流的增加。
權利要求
1.一種半導體裝置的制造方法，包括在濺射裝置的配置了金屬靶的真空室內連續(xù)地供給硅半導體襯底，并在上述半導體襯底上形成將該半導體襯底和在該半導體襯底上形成的金屬布線層電連接的接觸部件；其特征在于上述形成接觸部件的工序具備下列步驟在上述真空室內供給由第1種物質構成的濺射氣體，在上述半導體襯底上淀積由構成上述靶的金屬組成的、相對于該半導體襯底具有低電阻的第1金屬膜；在上述真空室內供給由上述第1種物質和與該第1種物質不同的第2種物質構成的濺射氣體，在上述第1金屬膜上淀積由構成上述靶的金屬與上述第2種物質的化合物組成的、可防止上述半導體襯底與上述金屬布線層反應的第2金屬膜；在上述真空室內供給由上述第1種物質構成的濺射氣體，在除去附著于靶表面的上述第2種物質的同時在上述第2金屬膜上淀積由構成靶的金屬與上述第2種物質的混合物組成的第3種金屬膜。
2.如權利要求1所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于構成上述靶的金屬是高融點金屬。
3.如權利要求2所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于上述高融點金屬是鈦，而上述第二種物質是氮。
4.如權利要求3所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于上述金屬布線層由含有硅的金屬構成，而上述第三金屬膜的膜厚是8-12nm。
全文摘要
在真空室內連續(xù)地供給半導體襯底，在該半導體襯底上形成具有歐姆特性并且是低電阻的接觸部件。在配置了鈦靶2的真空室1內供給氬氣并在硅襯底3上淀積鈦膜5，之后，在真空室1內供給摻氮的氬氣并在鈦膜5上淀積氮化鈦膜6。此后，在真空室1內再次供給氬氣，在除去附著在靶2表面的氮的同時在氮化鈦膜6上淀積鈦和氮的混合層9。
文檔編號C23C14/56GK1109214SQ9411730
公開日1995年9月27日 申請日期1994年10月18日 優(yōu)先權日1993年11月22日
發(fā)明者吉田岳人, 平尾秀司, 矢野航作 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社