JP2000174018A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高アスペクト比を有する配線溝又は接続孔に
金属膜を埋め込んで配線又はコンタクトを形成する際
に、ボイドの発生を抑制できるようにする。 【解決手段】 半導体基板１００上の絶縁膜１０１に接
続孔１０２及び配線溝１０３を形成した後、接続孔１０
２及び配線溝１０３を含む絶縁膜１０１の上に窒化タン
タル膜１０４及び第１の銅膜を順次形成する。電解メッ
キ法により第１の銅膜の上に第２の銅膜を接続孔１０２
及び配線溝１０３が途中まで埋まるように成膜した後、
熱処理により銅膜を構成する金属結晶を成長させる共に
第１の銅膜と第２の銅膜とを一体化させて第３の銅膜１
０７を形成する。電解メッキ法により第３の銅膜１０７
の上に第４の銅膜１０８を接続孔１０２及び配線溝１０
３が完全に埋まるように成膜した後、熱処理により銅膜
を構成する金属結晶を成長させると共に第３の銅膜１０
７と第４の銅膜１０８とを一体化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法、特に半導体基板上の絶縁膜に形成された配線又は
コンタクトを備えた半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置、特にＬＳＩにおいて
は、半導体素子の微細化が進んだ結果、配線溝又は接続
孔等のアスペクト比が高くなってきている。このため、
配線溝又は接続孔等への導電性膜の埋め込みが困難にな
ってきているので、様々な埋め込み方法が検討されてい
る。

【０００３】また、近年、半導体装置の高速化又は低消
費電力化等への要求から、配線材料として、従来用いら
れてきたアルミニウム合金に代えて、アルミニウム合金
よりも抵抗率の低い銅を用いることが検討されている。

【０００４】以下、従来の半導体装置の製造方法、特に
銅配線を備えた半導体装置の製造方法について、図面を
参照しながら説明する。

【０００５】図５（ａ）〜（ｃ）及び図６（ａ）、
（ｂ）は、従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す
断面図である。

【０００６】まず、図５（ａ）に示すように、半導体基
板１０の上に絶縁膜１１を堆積した後、フォトリソグラ
フィにより絶縁膜１１の上にレジストパターンを形成
し、その後、該レジストパターンをマスクとして絶縁膜
１１に対してドライエッチングを行なって接続孔１２を
形成する。次に、再度、フォトリソグラフィにより絶縁
膜１１の上にレジストパターンを形成した後、該レジス
トパターンをマスクとして絶縁膜１１に対してドライエ
ッチングを行なって所望の配線パターンを有する配線溝
１３を形成する。

【０００７】次に、図５（ｂ）に示すように、接続孔１
２及び配線溝１３を含む絶縁膜１１の上に全面に亘っ
て、スパッタ法により窒化タンタル（ＴａＮ）膜１４及
び第１の銅（Ｃｕ）膜１５を順次形成する。窒化タンタ
ル膜１４は、後に形成するコンタクト１８及び配線１９
（図６（ｂ）参照）におけるバリアメタル膜となり、第
１の銅膜１５は、次に行なう電解メッキ工程におけるシ
ード層となる。

【０００８】次に、図５（ｃ）に示すように、電解メッ
キ工程において、接続孔１２及び配線溝１３を含む第１
の銅膜１５の上に全面に亘って、電解メッキ法により第
２の銅膜１６を、接続孔１２及び配線溝１３が完全に埋
まるように成膜する。１６ａは、第２の銅膜１６を構成
する金属結晶の結晶粒界を示している。第２の銅膜１６
を構成する金属結晶の粒径は非常に小さいため、第２の
銅膜１６を成膜後、室温下で放置すると、第２の銅膜１
６を構成する金属結晶が大きく成長して後の工程におけ
る不安定要因となる（T.Ritzdolf, L.Graham, S.Jin,
C.Mu, and D.Fraser, Proc. International Interconne
ct Technology Conf. (IEEE,1998) pp166-168）。

【０００９】そこで、銅膜の膜質を安定化するため、次
に、図６（ａ）に示すように、熱処理工程において、約
２００〜５００℃の温度下で半導体基板１０に対して熱
処理を行なうことにより、第２の銅膜１６を構成する金
属結晶を予め成長させて粒径の大きな金属結晶からなる
第３の銅膜１７を形成する。１７ａは、第３の銅膜１７
を構成する金属結晶の結晶粒界を示している。このと
き、第１の銅膜１５は、第２の銅膜１６と共に一体化し
て第３の銅膜１７を形成する。

【００１０】次に図６（ｂ）に示すように、窒化タンタ
ル膜１４及び第３の銅膜１７における絶縁膜１１上に露
出している部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）法により除去
して、接続孔１２及び配線溝１３の内部にそれぞれ窒化
タンタル膜１４及び第３の銅膜１７からなるコンタクト
１８及び配線１９を形成する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
半導体装置の製造方法においては、接続孔１２又は配線
溝１３のアスペクト比が高くなるに従って、接続孔１２
又は配線溝１３に埋め込まれている窒化タンタル膜１４
と第３の銅膜１７との界面にボイドが生じやすくなると
いう問題がある（Extend Abstract of 98 Advanced Met
allization Conference 1998 Japan/Asia Sessionのpp.
84-85のSergey Lopatinらによる文献のFig.3(b)）。

【００１２】このボイドが発生する原因は、前記の半導
体装置の製造方法において銅膜を安定化させるために行
われる熱処理工程にあると考えられている（Extend Abs
tract of 98 Advanced Metallization Conference 1998
Japan/Asia Sessionのpp.102-103のC.Lingkらの文
献）。

【００１３】以下、このボイドが発生するメカニズムに
ついて、図７（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。

【００１４】図７（ａ）、（ｂ）は、従来の半導体装置
の製造方法により銅膜を構成する金属結晶が成長する過
程を示す図であり、図６（ａ）の半導体装置の製造方法
の一工程を示す断面図と同一の部材には同一の符号を付
すことにより説明を省略する。

【００１５】図７（ａ）に示すように、熱処理工程にお
いて半導体基板１０に対して熱処理を行なうと、まず、
配線溝１３の上端の角部分Ｂ₁ 若しくはＢ₂ 又は接続孔
１２の上端の角部分Ｂ₃ 若しくはＢ₄ に成膜された第３
の銅膜１７を構成する金属結晶が成長を始め、次に、図
７（ｂ）に示すように、接続孔１２及び配線溝１３の内
部に成膜された第３の銅膜１７を構成する金属結晶が成
長を始める。このとき、接続孔１２及び配線溝１３の内
部に成膜された第３の銅膜１７中の原子空孔（ホール）
２０は、結晶粒界１７ａを主な拡散経路として第３の銅
膜１７の外部に放出されることになる。

【００１６】ところが、接続孔１２及び配線溝１３の内
部に成膜された第３の銅膜１７を構成する金属結晶が成
長を完了するまでに、接続孔１２又は配線溝１３の上端
の角部分に成膜された第３の銅膜１７を構成する金属結
晶が成長して大粒径化すると共に、ＬＳＩの微細化が進
んで接続孔１２及び配線溝１３のアスペクト比が高くな
っているため、大粒径化した単一の金属結晶により接続
孔１２又は配線溝１３の上部全体がふさがれてしまうと
いう現象が生じてくる。この現象が生じると、接続孔１
２及び配線溝１３の内部に成膜された第３の銅膜１７中
の原子空孔２０が、結晶粒界１７ａを経て第３の銅膜１
７の外部に放出されなくなるので、接続孔１２及び配線
溝１３の内部に成膜された第３の銅膜１７中に原子空孔
２０が多数残存することになる。これらの原子空孔２０
は、エネルギー的に最も安定な領域である窒化タンタル
膜１４と第３の銅膜１７との界面、又は該界面と結晶粒
界１７ａとが接する三重点に集積してボイド２１を形成
する。

【００１７】ボイド２１が形成されると、配線の信頼
性、特にエレクトロマイグレーション耐性及びストレス
マイグレーション耐性が劣化することになる。

【００１８】前記に鑑み、本発明は、高アスペクト比を
有する配線溝又は接続孔に金属膜を埋め込んで配線又は
コンタクトを形成する際に、ボイドの発生を抑制できる
ようにすることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板
上に堆積された絶縁膜に配線溝及び接続孔のうちの少な
くとも一つからなる凹部を形成する凹部形成工程と、凹
部に第１の金属膜を、凹部が途中まで埋まるように成膜
する第１の金属膜成膜工程と、半導体基板に対して熱処
理を行なって第１の金属膜を構成する金属結晶を成長さ
せる第１の熱処理工程と、凹部に第１の金属膜と同一の
材料を主成分とする第２の金属膜を、凹部が完全に埋ま
るように成膜する第２の金属膜成膜工程と、半導体基板
に対して熱処理を行なって第２の金属膜を構成する金属
結晶を成長させる第２の熱処理工程とを備えている。

【００２０】本発明の半導体装置の製造方法によると、
配線溝及び接続孔のうちの少なくとも一つからなる凹部
に第１の金属膜を凹部が途中まで埋まるように成膜する
第１の金属膜成膜工程と、第２の金属膜を凹部が完全に
埋まるように成膜する第２の金属膜成膜工程との間に、
第１の金属膜を構成する金属結晶を成長させる第１の熱
処理工程を備えているため、凹部の上端の角部分に成膜
された第１の金属膜を構成し、熱処理により最も早く大
粒径化する金属結晶に妨げられることなく、第１の金属
膜中に存在する原子空孔の大部分が、第１の金属膜を構
成する金属結晶の結晶粒界等を経て、凹部の内部に存在
する第１の金属膜の表面に到達した後、第１の金属膜の
外部へ放出される。

【００２１】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１及び第２の金属膜は銅、アルミニウム、銀及び金の
うちの少なくとも一つを主成分とする配線材料であるこ
とが好ましい。

【００２２】本発明の半導体装置の製造方法において、
凹部形成工程と第１の金属膜成膜工程との間に、凹部に
バリア層を形成する工程をさらに備えていることが好ま
しい。

【００２３】本発明の半導体装置の製造方法において、
バリア層は高融点金属又はその化合物であることが好ま
しい。

【００２４】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の金属膜成膜工程は、凹部を含む絶縁膜の上に全面
に亘って第１の金属膜を成膜する工程を含み、第２の金
属膜成膜工程は、凹部を含む第１の金属膜の上に全面に
亘って第２の金属膜を成膜する工程を含み、第２の熱処
理工程の後に、第１及び第２の金属膜における絶縁膜上
に露出している部分を除去して、凹部に第１及び第２の
金属膜からなる配線又はコンタクトを形成する工程をさ
らに備えていることが好ましい。

【００２５】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の熱処理工程は、第１の金属膜を成膜する際の温度
よりも高い温度下において半導体基板に対して熱処理を
行なう工程を含み、第２の熱処理工程は、第２の金属膜
を成膜する際の温度よりも高い温度下において半導体基
板に対して熱処理を行なう工程を含むことが好ましい。

【００２６】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の熱処理工程は、不活性ガス雰囲気中、窒素ガス雰
囲気中又は真空中において半導体基板に対して熱処理を
行なう工程を含むことが好ましい。

【００２７】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の熱処理工程は、還元性ガス雰囲気中において半導
体基板に対して熱処理を行なう工程を含むことが好まし
い。このようにすると、第１の金属膜の表面に形成され
ている酸化膜を還元して第１の金属膜の表面を露出させ
ることができる。

【００２８】本発明の半導体装置の製造方法において、
還元性ガスは水素ガスであることが好ましい。

【００２９】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の金属膜成膜工程は、化学気相成長法又はスパッタ
法により第１の金属膜を成膜する工程を含み、第１の熱
処理工程は、第１の金属膜成膜工程に引き続き真空中に
おいて半導体基板に対して熱処理を行なう工程を含むこ
とが好ましい。このようにすると、第１の金属膜の表面
に酸化膜が形成されることを防止できる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説
明する。

【００３１】図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）、（ｂ）
及び図３（ａ）、（ｂ）は、一実施形態に係る半導体装
置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【００３２】まず、図１（ａ）に示すように、複数の半
導体素子（図示省略）を備えた半導体基板１００の上に
絶縁膜１０１を堆積した後、フォトリソグラフィにより
絶縁膜１０１の上にレジストパターンを形成し、その
後、該レジストパターンをマスクとして絶縁膜１０１に
対してドライエッチングを行なって接続孔１０２を形成
する。次に、再度、フォトリソグラフィにより絶縁膜１
０１の上にレジストパターンを形成した後、該レジスト
パターンをマスクとして絶縁膜１０１に対してドライエ
ッチングを行なって所望の配線パターンを有する配線溝
１０３を形成する。

【００３３】次に、図１（ｂ）に示すように、接続孔１
０２及び配線溝１０３を含む絶縁膜１０１の上に全面に
亘って、例えばスパッタ法により窒化タンタル膜１０４
及び第１の銅膜１０５を順次形成する。窒化タンタル膜
１０４は後に形成するコンタクト１１０及び配線１１１
（図３（ｂ）参照）におけるバリアメタル膜となり、第
１の銅膜１０５は後に行なう電解メッキ工程におけるシ
ード層（図１（ｃ）参照）となる。このとき、窒化タン
タル膜１０４及び第１の銅膜１０５は、同じスパッタ装
置内において大気開放せずに連続して成膜されていると
共に、窒化タンタル膜１０４及び第１の銅膜１０５の表
面モフォロジーを良好にするため、窒化タンタル膜１０
４及び第１の銅膜１０５を成膜する温度は各々室温程度
である。また、窒化タンタル膜１０４及び第１の銅膜１
０５は、接続孔１０２の底面上及び壁面上並びに配線溝
１０３の底面上及び壁面上において連続する膜になるよ
うに成膜されている。具体的には、例えば開口径が３０
０ｎｍ、深さが１２００ｎｍの接続孔に窒化タンタル膜
及び銅膜を成膜する場合、平坦部分の上に膜厚約１００
ｎｍの窒化タンタル膜及び膜厚約１００ｎｍの銅膜をそ
れぞれ成膜すると、前記の接続孔の壁面上に膜厚約５ｎ
ｍの窒化タンタル膜及び膜厚約５ｎｍの銅膜がそれぞれ
成膜される。

【００３４】尚、バリアメタル膜として窒化タンタル膜
１０４を用いたが、これに代えて、タンタル（Ｔａ）
膜、窒化チタン（ＴｉＮ）膜又は窒化タングステン（Ｗ
Ｎ）膜等を用いてもよい。

【００３５】次に、図１（ｃ）に示すように、第１の電
解メッキ工程において、接続孔１０２及び配線溝１０３
を含む第１の銅膜１０５の上に全面に亘って、例えばメ
ッキ浴として硫酸銅を用いた電解メッキ法により第２の
銅膜１０６を、接続孔１０２及び配線溝１０３が途中ま
で埋まるように成膜する。具体的には、例えば開口径が
３００ｎｍ、深さが１２００ｎｍの接続孔に第２の銅膜
１０６を成膜する場合、該接続孔の壁面上に膜厚約１０
０ｎｍの第２の銅膜１０６を成膜する。１０６ａは、第
２の銅膜１０６を構成する金属結晶の結晶粒界を示して
いる。成膜直後の第２の銅膜１０６は、膜中に多量の原
子空孔を含んでいると共に、１００ｎｍ以下の小さい粒
径を有する金属結晶から構成されている。また、スパッ
タ法により形成された第１の銅膜１０５の表面に酸化銅
膜が形成されている場合があるが、この酸化銅膜は第１
の電解メッキ工程の初期に硫酸銅に溶けてしまうため、
第２の銅膜１０６が成膜される際に、第１の銅膜１０５
と第２の銅膜１０６との界面に酸化銅膜が存在すること
はない。

【００３６】次に、図２（ａ）に示すように、第１の熱
処理工程において、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスからな
る不活性ガス雰囲気中（減圧下、大気圧下又は高圧下の
いずれでもよい）及び約４００〜５００℃の温度下で半
導体基板１００に対して約３０分間熱処理を行なうこと
により、第２の銅膜１０６を構成する金属結晶を予め成
長させて粒径の大きな金属結晶からなる第３の銅膜１０
７を形成する。１０７ａは、第３の銅膜１０７を構成す
る金属結晶の結晶粒界を示している。このとき、第１の
銅膜１０５は、第２の銅膜１０６と共に一体化して第３
の銅膜１０７を形成する。

【００３７】尚、第１の熱処理工程において、約４００
〜５００℃の温度下で半導体基板１００に対して熱処理
を行なったが、半導体基板１００に対して熱処理を行な
う温度は、電解メッキ法により第２の銅膜１０６を成膜
する際の温度（室温程度）よりも高い温度、又は後の工
程において半導体基板１００に加えられる熱履歴のうち
の最高温度と同等の温度若しくは該最高温度よりも高い
温度に設定されることが好ましい。このようにすると、
後の工程において銅膜を構成する金属結晶が再度成長す
ることを防ぐことができる。

【００３８】次に、図２（ｂ）に示すように、第２の電
解メッキ工程において、接続孔１０２及び配線溝１０３
を含む第３の銅膜１０７の上に全面に亘って、例えばメ
ッキ浴として硫酸銅を用いた電解メッキ法により第４の
銅膜１０８を、接続孔１０２及び配線溝１０３が完全に
埋まるように成膜する。１０８ａは、第４の銅膜１０８
を構成する金属結晶の結晶粒界を示している。また、第
３の銅膜１０７の表面に酸化銅膜が形成されている場合
があるが、この酸化銅膜は第２の電解メッキ工程の初期
に硫酸銅に溶けてしまうため、第４の銅膜１０８が成膜
される際に、第３の銅膜１０７と第４の銅膜１０８との
界面に酸化銅膜が存在することはない。

【００３９】次に、図３（ａ）に示すように、第２の熱
処理工程において、例えばアルゴンガスからなる不活性
ガス雰囲気中（減圧下、大気圧下又は高圧下のいずれで
もよい）及び約４００〜５００℃の温度下で半導体基板
１００に対して約３０分間熱処理を行なうことにより、
第４の銅膜１０８を構成する金属結晶を予め成長させて
粒径の大きな金属結晶からなる第５の銅膜１０９を形成
する。１０９ａは、第５の銅膜１０９を構成する金属結
晶の結晶粒界を示している。このとき、第３の銅膜１０
７は、第４の銅膜１０８と共に一体化して第５の銅膜１
０９を形成する。

【００４０】尚、第２の熱処理工程において、約４００
〜５００℃の温度下で半導体基板１００に対して熱処理
を行なったが、半導体基板１００に対して熱処理を行な
う温度は、電解メッキ法により第４の銅膜１０８を成膜
する際の温度（室温程度）よりも高い温度、又は後の工
程において半導体基板１００に加えられる熱履歴のうち
の最高温度と同等の温度若しくは該最高温度よりも高い
温度に設定されることが好ましい。このようにすると、
後の工程において銅膜を構成する金属結晶が再度成長す
ることを防ぐことができる。

【００４１】また、第１及び第２の熱処理工程におい
て、不活性ガス雰囲気中で半導体基板１００に対して熱
処理を行なったが、これに代えて、窒素ガス雰囲気中又
は真空中で半導体基板１００に対して熱処理を行なって
もよい。

【００４２】次に、図３（ｂ）に示すように、窒化タン
タル膜１０４及び第５の銅膜１０９における絶縁膜１０
１上に露出している部分をＣＭＰ法により除去して、接
続孔１０２及び配線溝１０３の内部にそれぞれ窒化タン
タル膜１０４及び第５の銅膜１０９からなるコンタクト
１１０及び配線１１１を形成する。

【００４３】以下、本実施形態に係る半導体装置の製造
方法の特徴について、図４（ａ）、（ｂ）を参照しなが
ら説明する。

【００４４】図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る
半導体装置の製造方法により銅膜を構成する金属結晶が
成長する過程を示す図であり、図２（ａ）の本実施形態
に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図と同
一の部材には同一の符号を付すことにより説明を省略す
る。

【００４５】図４（ａ）に示すように、第１の熱処理工
程において、まず、配線溝１０３の上端の角部分Ａ₁ 若
しくはＡ₂ 又は接続孔１０２の上端の角部分Ａ₃ 若しく
はＡ₄ に成膜された第３の銅膜１０７を構成する金属結
晶が成長を始めて粒径が大きくなり、次に、図４（ｂ）
に示すように、接続孔１０２及び配線溝１０３の内部に
成膜された第３の銅膜１０７を構成する金属結晶が遅れ
て成長を始める。

【００４６】このとき、接続孔１０２及び配線溝１０３
が途中まで埋まるように第３の銅膜１０７を成膜してい
るため、接続孔１０２又は配線溝１０３の上端の角部分
に成膜された第３の銅膜１０７を構成し、熱処理により
最も早く大粒径化する金属結晶に妨げられることなく、
接続孔１０２及び配線溝１０３の内部に成膜された第３
の銅膜１０７中の原子空孔１１２が、主として結晶粒界
１０７ａを経て（原子空孔１１２の一部は第３の銅膜１
０７を構成する金属結晶の内部を経て）、接続孔１０２
又は配線溝１０３の内部に存在する第３の銅膜１０７の
表面に到達した後、第３の銅膜１０７の外部へ放出され
る。これにより、接続孔１０２の下部に成膜された第３
の銅膜１０７中の原子空孔１１２も、その大部分が第３
の銅膜１０７の外部へ放出される。

【００４７】その後、原子空孔１１２の大部分が放出さ
れた第３の銅膜１０７の上に第４の銅膜１０８を成膜を
した後、熱処理により第３の銅膜１０７及び第４の銅膜
１０８を一体化して第５の銅膜１０９を形成するため、
第５の銅膜１０９中に存在する原子空孔１１２を大きく
低減することができるので、窒化タンタル膜１０４と第
５の銅膜１０９との界面等に原子空孔１１２が集積して
ボイドが形成されることを防止できる。

【００４８】従って、本実施形態に係る半導体装置の製
造方法によると、高アスペクト比を有する配線溝又は接
続孔に金属膜を埋め込んで配線又はコンタクトを形成す
る際に、原子空孔に帰因するボイドの発生を抑制するこ
とができる。

【００４９】尚、本実施形態においては、電解メッキ法
を用いて第２の銅膜１０６及び第４の銅膜１０８を成膜
したが、これに代えて、スパッタ法、化学気相成長（Ｃ
ＶＤ）法若しくは無電解メッキ法、又は前記の方法を組
み合わせた方法を用いて第２の銅膜１０６及び第４の銅
膜１０８を成膜してもよい。このようにすると、電解メ
ッキ工程におけるシード層となる第１の銅膜１０５を成
膜する工程を省略することができる。

【００５０】また、本実施形態の第１の熱処理工程にお
いては、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行なったが、こ
れに代えて、例えば水素等の還元性ガス雰囲気中で熱処
理を行なってもよい。このようにすると、第２の銅膜１
０６の表面に形成されている酸化銅膜を還元して第２の
銅膜１０６の表面を露出させることができる。このた
め、原子空孔１１２が酸化銅膜に妨げられることなく第
２の銅膜１０６の外部へ容易に放出されるので、ボイド
の形成を防止できると共に、第２の銅膜１０６の表面に
おいて銅原子自身が活性に移動することができるので、
金属結晶の成長が促進されて銅膜の膜質をより安定化さ
せることができる。また、第２の銅膜１０６が流動しや
すくなるので、接続孔１０２及び配線溝１０３が途中ま
で埋まるように成膜された第２の銅膜１０６の埋め込み
形状が良好になる。その結果、第４の銅膜１０８を接続
孔１０２及び配線溝１０３が完全に埋まるように成膜す
ることが容易になるので、コンタクト１１０及び配線１
１１の信頼性が向上する。

【００５１】また、本実施形態においては、電解メッキ
法を用いて第２の銅膜１０６を成膜した後、不活性ガス
雰囲気中で熱処理を行なったが、これに代えて、ＣＶＤ
法又はスパッタ法を用いて第２の銅膜１０６を成膜した
後、引き続き真空中で熱処理を行なってもよい。このよ
うにすると、第２の銅膜１０６の表面に酸化銅膜が形成
されることを防止できる。このため、原子空孔１１２が
酸化銅膜に妨げられることなく第２の銅膜１０６の外部
へ容易に放出されるので、ボイドの形成を防止できると
共に、第２の銅膜１０６の表面において銅原子自身が活
性に移動することができるので、金属結晶の成長が促進
されて銅膜の膜質をより安定化させることができる。ま
た、第２の銅膜１０６が流動しやすくなるので、接続孔
１０２及び配線溝１０３が途中まで埋まるように成膜さ
れた第２の銅膜１０６の埋め込み形状が良好になる。そ
の結果、第４の銅膜１０８を接続孔１０２及び配線溝１
０３が完全に埋まるように成膜することが容易になるの
で、コンタクト１１０及び配線１１１の信頼性が向上す
る。

【００５２】また、本実施形態においては、銅膜を用い
て配線又はコンタクトを形成したが、これに代えて、銅
以外の金属膜、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、銀膜又
は金膜等を用いて配線又はコンタクトを形成してもよ
い。

【００５３】また、本実施形態においては、半導体基板
と上層の配線との接続孔を形成したが、これに代えて、
下層の配線と上層の配線との接続孔を形成してもよい。

【００５４】

【発明の効果】本発明の半導体装置の製造方法による
と、配線溝及び接続孔のうちの少なくとも一つからなる
凹部に第１の金属膜を凹部が途中まで埋まるように成膜
する第１の金属膜成膜工程と、第２の金属膜を凹部が完
全に埋まるように成膜する第２の金属膜成膜工程との間
に、第１の金属膜を構成する金属結晶を成長させる第１
の熱処理工程を備えているため、凹部の上端の角部分に
成膜された第１の金属膜を構成し、熱処理により最も早
く大粒径化する金属結晶に妨げられることなく、第１の
金属膜中に存在する原子空孔の大部分が、第１の金属膜
を構成する金属結晶の結晶粒界等を経て、凹部の内部に
存在する第１の金属膜の表面に到達した後、第１の金属
膜の外部へ放出される。このため、原子空孔の大部分が
放出された第１の金属膜の上に第２の金属膜を成膜でき
るので、第１及び第２の金属膜中に存在する原子空孔を
大きく低減することができる。従って、高アスペクト比
を有する配線溝又は接続孔に第１及び第２の金属膜を埋
め込んで配線又はコンタクトを形成する際に、原子空孔
に帰因するボイドの発生を抑制することができる。

【００５５】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１及び第２の金属膜が銅、アルミニウム、銀及び金の
うちの少なくとも一つを主成分とする配線材料である
と、配線又はコンタクトを確実に形成することができ
る。

【００５６】本発明の半導体装置の製造方法において、
凹部形成工程と第１の金属膜成膜工程との間に、凹部に
バリア層を形成する工程を備えていると、絶縁膜と第１
の金属膜との間の拡散を抑制することができる。

【００５７】本発明の半導体装置の製造方法において、
バリア層が高融点金属又はその化合物であると、絶縁膜
と第１の金属膜との間の拡散を確実に抑制することがで
きる。

【００５８】本発明の半導体装置の製造方法において、
凹部を含む絶縁膜の上に全面に亘って第１及び第２の金
属膜を順次成膜した後に、第１及び第２の金属膜におけ
る絶縁膜上に露出している部分を除去する工程を備えて
いると、第１及び第２の金属膜からなる埋め込み型の配
線又はコンタクトを確実に形成することができる。

【００５９】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の熱処理工程が第１の金属膜の成膜温度よりも高い
温度で行なわれると共に、第２の熱処理工程が第２の金
属膜の成膜温度よりも高い温度で行なわれると、後の熱
処理工程において第１及び第２の金属膜を構成する金属
結晶が再度成長することを防ぐことができる。

【００６０】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の熱処理工程が不活性ガス雰囲気中、窒素ガス雰囲
気中又は真空中で行なわれると、第１の金属膜を構成す
る金属結晶を確実に成長させることができる。

【００６１】本発明の半導体装置の製造方法において、
第１の熱処理工程が還元性ガス雰囲気中で行なわれる
と、第１の金属膜の表面に形成されている酸化膜を還元
して第１の金属膜の表面を露出させることができる。こ
のため、原子空孔が酸化膜に妨げられることなく第１の
金属膜の外部へ容易に放出されるので、ボイドの形成を
防止できると共に、第１の金属膜の表面において金属原
子自身が活性に移動できるので、金属結晶の成長が促進
されて第１の金属膜の膜質をより安定化させることがで
きる。また、第１の金属膜が流動しやすくなるので、凹
部が途中まで埋まるように成膜された第１の金属膜の埋
め込み形状が良好になる。その結果、第１の金属膜の上
に第２の金属膜を凹部が完全に埋まるように成膜するこ
とが容易になるので、第１及び第２の金属膜からなる埋
め込み型の配線又はコンタクトの信頼性が向上する。

【００６２】本発明の半導体装置の製造方法において、
還元性ガスが水素ガスであると、第１の金属膜の表面に
形成されている酸化膜を還元して第１の金属膜の表面を
確実に露出させることができる。

【００６３】本発明の半導体装置の製造方法において、
化学気相成長法又はスパッタ法により第１の金属膜を成
膜した後、第１の熱処理工程が引き続き真空中で行なわ
れると、第１の金属膜の表面に酸化膜が形成されること
を防止できる。このため、原子空孔が酸化膜に妨げられ
ることなく第１の金属膜の外部へ容易に放出されるの
で、ボイドの形成を防止できると共に、第１の金属膜の
表面において金属原子自身が活性に移動できるので、金
属結晶の成長が促進されて第１の金属膜の膜質をより安
定化させることができる。また、第１の金属膜が流動し
やすくなるので、凹部が途中まで埋まるように成膜され
た第１の金属膜の埋め込み形状が良好になる。その結
果、第１の金属膜の上に第２の金属膜を凹部が完全に埋
まるように成膜することが容易になるので、第１及び第
２の金属膜からなる埋め込み型の配線又はコンタクトの
信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る
半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る
半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る
半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る
半導体装置の製造方法により銅膜を構成する金属結晶が
成長する過程を示す図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体装置の製造方
法の各工程を示す断面図である。

【図６】（ａ）、（ｂ）は、従来の半導体装置の製造方
法の各工程を示す断面図である。

【図７】（ａ）、（ｂ）は、従来の半導体装置の製造方
法により銅膜を構成する金属結晶が成長する過程を示す
図である。

【符号の説明】

１００ 半導体基板 １０１ 絶縁膜 １０２ 接続孔 １０３ 配線溝 １０４ 窒化タンタル膜 １０５ 第１の銅膜 １０６ 第２の銅膜 １０６ａ 結晶粒界 １０７ 第３の銅膜 １０７ａ 結晶粒界 １０８ 第４の銅膜 １０８ａ 結晶粒界 １０９ 第５の銅膜 １０９ａ 結晶粒界 １１０ コンタクト １１１ 配線 １１２ 原子空孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 BB04 BB17 BB30 BB32 BB33 BB37 DD37 DD43 DD52 DD53 DD79 FF17 FF18 HH13 5F033 JJ08 JJ12 JJ13 JJ14 JJ21 JJ31 JJ33 JJ34 KK01 MM12 MM13 PP06 PP15 PP27 PP28 QQ48 QQ73 XX02

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に堆積された絶縁膜に配線
   溝及び接続孔のうちの少なくとも一つからなる凹部を形
   成する凹部形成工程と、 前記凹部に第１の金属膜を、前記凹部が途中まで埋まる
   ように成膜する第１の金属膜成膜工程と、 前記半導体基板に対して熱処理を行なって前記第１の金
   属膜を構成する金属結晶を成長させる第１の熱処理工程
   と、 前記凹部に前記第１の金属膜と同一の材料を主成分とす
   る第２の金属膜を、前記凹部が完全に埋まるように成膜
   する第２の金属膜成膜工程と、 前記半導体基板に対して熱処理を行なって前記第２の金
   属膜を構成する金属結晶を成長させる第２の熱処理工程
   とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の金属膜は銅、アルミ
   ニウム、銀及び金のうちの少なくとも一つを主成分とす
   る配線材料であることを特徴とする請求項１に記載の半
   導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記凹部形成工程と前記第１の金属膜成
   膜工程との間に、前記凹部にバリア層を形成する工程を
   さらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半
   導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記バリア層は高融点金属又はその化合
   物であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置
   の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第１の金属膜成膜工程は、前記凹部
   を含む前記絶縁膜の上に全面に亘って第１の金属膜を成
   膜する工程を含み、 前記第２の金属膜成膜工程は、前記凹部を含む前記第１
   の金属膜の上に全面に亘って第２の金属膜を成膜する工
   程を含み、 前記第２の熱処理工程の後に、前記第１及び第２の金属
   膜における前記絶縁膜上に露出している部分を除去し
   て、前記凹部に前記第１及び第２の金属膜からなる配線
   又はコンタクトを形成する工程をさらに備えていること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 前記第１の熱処理工程は、前記第１の金
   属膜を成膜する際の温度よりも高い温度下において前記
   半導体基板に対して熱処理を行なう工程を含み、 前記第２の熱処理工程は、前記第２の金属膜を成膜する
   際の温度よりも高い温度下において前記半導体基板に対
   して熱処理を行なう工程を含むことを特徴とする請求項
   １に記載の半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 前記第１の熱処理工程は、不活性ガス雰
   囲気中、窒素ガス雰囲気中又は真空中において前記半導
   体基板に対して熱処理を行なう工程を含むことを特徴と
   する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 前記第１の熱処理工程は、還元性ガス雰
   囲気中において前記半導体基板に対して熱処理を行なう
   工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装
   置の製造方法。
9. 【請求項９】 前記還元性ガスは水素ガスであることを
   特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記第１の金属膜成膜工程は、化学気
    相成長法又はスパッタ法により前記第１の金属膜を成膜
    する工程を含み、 前記第１の熱処理工程は、前記第１の金属膜成膜工程に
    引き続き真空中において前記半導体基板に対して熱処理
    を行なう工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の
    半導体装置の製造方法。