JP2003092299A - Manufacturing method for semiconductor device - Google Patents

Manufacturing method for semiconductor device

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JP2003092299A
JP2003092299A JP2001283270A JP2001283270A JP2003092299A JP 2003092299 A JP2003092299 A JP 2003092299A JP 2001283270 A JP2001283270 A JP 2001283270A JP 2001283270 A JP2001283270 A JP 2001283270A JP 2003092299 A JP2003092299 A JP 2003092299A
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thin film
film layer
layer
temperature
conductive thin
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JP2001283270A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Nishikawa
孝司 西川
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the deterioration and variance of dielectric strength and a leak current of an element by improving the planarity of the surface of a conductive thin film, and to form a thin insulating film layer by using it as a base electrode layer. SOLUTION: A main metal layer 303 is deposited first, and an element 305 is supplied and stuck on the metal as a surfactant and then annealed to planarize the surface of electrode layer.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の上部
に電極層や配線層などの導電性薄膜層を形成する工程に
おいて、主となる金属の表面にサーファクタントを付着
させアニールさせることにより、その薄膜層表面を平坦
化する半導体装置の製造方法に関する
The present invention relates to a method of forming a conductive thin film layer such as an electrode layer or a wiring layer on a semiconductor substrate by attaching a surfactant to the surface of a main metal and annealing it. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device that flattens the surface of a thin film layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から半導体装置の製造工程において
は様々な導電性薄膜層の形成工程が存在する。例えば電
界効果型トランジスタ素子部分のソース、ゲート、ドレ
イン各部分の電極金属層や、キャパシタ素子部分の上部
電極層、下部電極層、またそれらの各素子を層内、層間
でつなぐための配線層などである。
2. Description of the Related Art Conventionally, there are various conductive thin film layer forming steps in the manufacturing process of a semiconductor device. For example, the electrode metal layers of the source, gate, and drain parts of the field-effect transistor element part, the upper electrode layer and the lower electrode layer of the capacitor element part, and the wiring layer for connecting each of these elements within and between layers. Is.

【0003】いろいろな導電性薄膜層が半導体装置の中
でどのように存在しているかの例として第一の文献「UL
SIプロセス技術:培風館、原央編」を参照して示す。図
1は第一の文献の2ページに示された図1.2に相当す
る。これは半導体装置の代表例であるULSIを構成す
るCMOS(相互補償型MOS構造電界効果型)トラン
ジスタの1素子単位近傍の断面を模式的に表したもので
ある。
As an example of how various conductive thin film layers exist in a semiconductor device, the first document "UL
SI process technology: Baifukan, H. Hara ”. Figure 1 corresponds to Figure 1.2 shown on page 2 of the first document. This diagrammatically shows a cross section in the vicinity of one element unit of a CMOS (mutual compensation type MOS structure field effect type) transistor constituting a ULSI which is a typical example of a semiconductor device.

【0004】図1においてハッチングなどで示された領
域が導電性薄膜層である。先ずTiSi合金金属による導電
性薄膜104が電気的接続を取るためにトランジスタの
ソースおよびドレイン上に形成されていることがわか
る。ついでその上に上部の導電層との接続のためにW
(タングステン)金属による導電性薄膜層105が形成
されている。更にその上部に各素子間および層間の接続
のためにAl(アルミニウム)金属による導電性薄膜層で
ある配線層106が形成されている。更にその上部に再
びW金属による導電性薄膜層107が形成されており、
最後にまたAl金属による導電性薄膜層である配線層10
8が形成されている。加えてトランジスタのゲート部分
上方にはpoly-Si(ポリシリコン:多結晶Si。ドーピン
グを行って導電性となっている。)とWSi(タングステ
ンシリサイド)の積層構造による導電性薄膜層が形成さ
れている。この様に一つの半導体装置の中にはその用
途、機能、形状の詳細は異なるものの、複雑な形状でか
つ大量の素子を導電性薄膜層が接続している。
A region shown by hatching in FIG. 1 is a conductive thin film layer. First, it can be seen that the conductive thin film 104 made of TiSi alloy metal is formed on the source and drain of the transistor to establish an electrical connection. Then, on top of that, for connecting to the upper conductive layer, W
A conductive thin film layer 105 made of (tungsten) metal is formed. Further, a wiring layer 106, which is a conductive thin film layer made of Al (aluminum) metal, is formed on the top of the wiring layer for connection between elements and between layers. Furthermore, a conductive thin film layer 107 made of W metal is formed again on the upper part of
Finally, the wiring layer 10 which is a conductive thin film layer made of Al metal again
8 is formed. In addition, a conductive thin film layer having a laminated structure of poly-Si (polysilicon: polycrystalline Si, which is made conductive by doping) and WSi (tungsten silicide) is formed above the gate portion of the transistor. There is. As described above, a single semiconductor device has a complicated shape and a large number of elements connected to each other by a conductive thin film layer, although the details of use, function, and shape are different.

【0005】これらの導電性薄膜層の形成は主にスパッ
タ法によって行われる。その他CVD(化学的気相堆
積)法やEB(電子線)加熱蒸着法、鍍金法なども行わ
れる。またそれらの導電性薄膜の材料選択は主に導電
率、耐熱性、カバレッジ(被覆性能)、元素の拡散防止
性能(バリア効果)、形成方法への適合性などによって
決定される。例えばTiSi、W、Al、WSiをスパッタ法
で、poly-SiをプラズマCVD法で形成する。また例えばそ
のうちいずれかをCVD法で形成することもある。
The formation of these conductive thin film layers is mainly performed by the sputtering method. In addition, a CVD (chemical vapor deposition) method, an EB (electron beam) heating vapor deposition method, a plating method and the like are also performed. The material selection of the conductive thin film is mainly determined by conductivity, heat resistance, coverage (covering performance), element diffusion preventing performance (barrier effect), suitability for a forming method, and the like. For example, TiSi, W, Al, and WSi are formed by a sputtering method, and poly-Si is formed by a plasma CVD method. Further, for example, one of them may be formed by the CVD method.

【0006】これらの方法を用いた導電性薄膜の形成は
それぞれ巧妙に工夫されており、上記の性能を達成する
ための最適化がなされている。
The formation of a conductive thin film using these methods has been devised carefully, and optimized to achieve the above performance.

【0007】ところで、これまでの半導体装置の製造方
法における導電性薄膜の形成工程においては、その表面
(あるいは界面)の平坦性については注意が払われてい
なかった。スパッタ、CVD、EB加熱蒸着法のいずれ
を用いても、その金属層表面の平坦性(荒さ:ラフネ
ス)は10nm前後以上になってしまう。これは金属が
ミクロな領域では堆積時に細かな金属結晶を作って凝集
し、いわゆる多結晶状態で結晶化するためにその最小粒
径のオーダーで凹凸ができてしまうからであると考えら
れている。一方、通常それらの導電性薄膜層および導電
性薄膜の上部に積層される絶縁膜層などの他の層の膜厚
は100〜500nmである。よってそれらの膜厚に対
する表面の平坦性は充分高いと見なすことができた。す
なわち表面のラフネスが充分小さいとみなすことができ
た。
By the way, no attention has been paid to the flatness of the surface (or interface) in the step of forming the conductive thin film in the conventional semiconductor device manufacturing method. Whether the sputtering method, the CVD method, or the EB heating vapor deposition method is used, the flatness (roughness) of the metal layer surface is about 10 nm or more. It is thought that this is because in the microscopic area, fine metal crystals are formed and aggregated during deposition in the microscopic region and crystallize in a so-called polycrystalline state, so that irregularities are formed in the order of the minimum grain size. . On the other hand, the film thickness of the conductive thin film layer and other layers such as an insulating film layer generally laminated on the conductive thin film is usually 100 to 500 nm. Therefore, it could be considered that the flatness of the surface with respect to those film thicknesses was sufficiently high. That is, it could be considered that the surface roughness was sufficiently small.

【0008】例えば現在実際に用いられているキャパシ
タ構造の一つでは下部電極金属層が300nmのAlCu(アル
ミ・銅合金)による導電性薄膜層であり、その上部に90
nmのSi3N4による絶縁膜層が積層され、更にその上部に
300nmのAlCuによる導電性薄膜層が積層されてい
る。この時下部電極層であるAlCuはスパッタ法によって
形成されており、その表面はやはり10nm以上のラフ
ネスを持つ(根自乗平均値:Rms>10nm)。しか
し、この場合にあいだに挟まれたSi3N4絶縁膜層に要求
されるのはリーク電流が10-6cm-2以下であること、破
壊耐圧が1MV/cm以上あることなどであり、90n
mあるSi3N4絶縁膜に対して下部電極層の表面のラフネ
スが10nm以上あっても両者の性能を著しく劣化させ
問題になってしまうことがない。
For example, in one of the capacitor structures actually used at present, the lower electrode metal layer is a conductive thin film layer made of AlCu (aluminum-copper alloy) with a thickness of 300 nm, and the upper 90
An insulating film layer of Si 3 N 4 of 300 nm is laminated, and a conductive thin film layer of AlCu of 300 nm is further laminated on the insulating film layer. At this time, the lower electrode layer AlCu is formed by the sputtering method, and the surface thereof also has a roughness of 10 nm or more (root mean square value: Rms> 10 nm). However, in this case, the Si 3 N 4 insulating film layers sandwiched between them are required to have a leak current of 10 −6 cm −2 or less and a breakdown voltage of 1 MV / cm or more. 90n
Even if the surface roughness of the lower electrode layer is 10 nm or more with respect to a certain Si 3 N 4 insulating film, both performances are not significantly deteriorated and no problem occurs.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら半導体装
置のさらなる性能発展や新しい半導体装置の開発を考え
た場合、導電性薄膜の表面に見られるこの10nm前後
のラフネスが問題となる場合が出てきた。
However, when considering further performance development of the semiconductor device and development of a new semiconductor device, the roughness of about 10 nm on the surface of the conductive thin film may become a problem.

【0010】例えば前述した半導体基板の上部に設置さ
れたAlCu上部電極/Si3N4絶縁膜層/AlCu下部電極によ
るキャパシタ構造において、キャパシタ構造に蓄積する
電荷はその面積に比例し、絶縁膜層の厚さに反比例す
る。LSIの設計ルールは年々減少するので、キャパシ
タ面積はそれに伴い小さくしていく必要がある。ところ
が回路の動作上、面積が減少しても蓄積容量を減らさな
いよう要請される。そこでキャパシタ面積の減少分を絶
縁膜層の厚さを薄くすることでカバーする必要が生じ
る。その結果要求される絶縁膜厚さが100nmを下回
り、2〜30nmまで小さくなる。その場合、下部電極
層である導電性薄膜層の表面のラフネス10nmは絶縁
膜厚さに対してかなり大きい。すなわち絶縁膜厚さの目
標値を30nmとして形成しても下部電極層のラフネス
の存在によって厚さが20nmや40nmの部分が存在
してしまうことになる。すなわち絶縁膜層厚さに30%
のばらつきが発生してしまうことを意味する。キャパシ
タのリーク電流密度や絶縁耐圧は膜厚に対して対数的に
変化する。従ってこの様な絶縁膜層の膜厚領域では10
nmの膜厚ばらつきがその素子の性能に対して非常に大
きな影響を与えることとなる。
For example, in the capacitor structure composed of the AlCu upper electrode / Si 3 N 4 insulating film layer / AlCu lower electrode installed on the above-mentioned semiconductor substrate, the charge accumulated in the capacitor structure is proportional to the area, and the insulating film layer Inversely proportional to the thickness of. Since the design rules of LSI decrease year by year, it is necessary to reduce the capacitor area accordingly. However, due to the operation of the circuit, it is required not to reduce the storage capacitance even if the area is reduced. Therefore, it becomes necessary to cover the decrease in the capacitor area by reducing the thickness of the insulating film layer. As a result, the required insulating film thickness becomes less than 100 nm and becomes as small as 2 to 30 nm. In that case, the surface roughness of the conductive thin film layer, which is the lower electrode layer, of 10 nm is considerably larger than the insulating film thickness. That is, even if the target value of the insulating film thickness is formed to be 30 nm, the presence of the roughness of the lower electrode layer causes a portion having a thickness of 20 nm or 40 nm to exist. That is, the insulating film layer thickness is 30%
Means that there will be variations. The leakage current density and withstand voltage of a capacitor change logarithmically with the film thickness. Therefore, in such a film thickness region of the insulating film layer, 10
The film thickness variation of nm has a very large influence on the performance of the device.

【0011】本発明の目的は、かかる点に鑑み現在10
nm前後ある導電性薄膜層表面のラフネスを半分以下に
低減することにある。そのために導電性薄膜層を構成す
る主たる金属薄膜に加えてサーファクタント材料を供給
付加して薄膜層の表面エネルギーを低下させ、アニール
を行うことで表面を再構成して平坦化させる。
The object of the present invention is currently 10 in view of such a point.
It is to reduce the roughness of the surface of the conductive thin film layer having a thickness of about nm to half or less. Therefore, in addition to the main metal thin film that constitutes the conductive thin film layer, a surfactant material is supplied and added to reduce the surface energy of the thin film layer, and annealing is performed to reconstruct and flatten the surface.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】図2はAlとGaの二成分系
に関する相図である。横軸がGaに対するAlの濃度、縦軸
が温度であり、上に凸な曲線の上方201が、両者が混
合液体で存在することを表し、下方202が、両者が混
ざった液体とAl固体が共存していることを表す。またGa
の融点より温度の低い領域では全てのAlとGaが固体状態
で存在することを表している。
FIG. 2 is a phase diagram relating to a binary system of Al and Ga. The abscissa represents the concentration of Al with respect to Ga, the ordinate represents the temperature, and the upper convex curve 201 indicates that both exist in a mixed liquid, and the lower 202 indicates that the liquid and Al solid are mixed. Represents coexistence. Also Ga
In the region where the temperature is lower than the melting point of, all Al and Ga exist in the solid state.

【0013】これによると通常660℃であるAlの融点
がGaを混合させて行くにしたがい低下し、Gaが60%と
なった領域では480℃近傍まで低下することがわか
る。
According to this, it can be seen that the melting point of Al, which is usually 660 ° C., decreases as Ga is mixed, and in the region where Ga becomes 60%, it decreases to around 480 ° C.

【0014】今半導体基板の上部に導電性薄膜層の主た
る構成要素としてAl薄膜を形成することを考える。スパ
ッタあるいはEB加熱蒸着あるいはCVD法などを用いて
Alを適当な膜厚で半導体基板の上部に堆積させる。その
後このAl金属薄膜層の上にGaを堆積させる。堆積の方法
はやはりスパッタでもEB加熱蒸着でもCVDでも何で
もよい。Ga/Alの積層構造を形成された半導体基板を窒
素あるいはアルゴンと窒素の混合気体雰囲気中などでア
ニールする。積層されたGaの表面はGaの融点が30℃付
近と非常に低いために、アニールの初期から融解し液化
する。液化したGaと固体のAlの界面では非常にGaの濃度
の高いGaAl合金が疑似的に形成されていると考えられ、
そのGaAl合金の融点がGaの融点に近いことからAlの融点
温度に対してかなり低いにも関わらずGaとの界面から非
常にゆっくりと融解し始める。表面がGaで覆われたAl薄
膜層はこの様にしてGa表面から溶解し徐々に液化してい
く。しかしながらAlが液体となったGaに取り込まれるこ
とにより、Gaに対するAlの濃度が増して融点がGaに対し
て上昇していき、660℃よりは充分低いアニール温度と
同じ融点を持つ組成を持ったところで液化が止まる。こ
の時主たる導電性層であるAl薄膜の固体部分と、Gaと混
合していることによって液化している混合液体部分とは
ほぼ同じ組成の合金であることから、両者は完全に濡
れ、その表面は平坦になる。この時の平坦度は液体とし
ての平坦度であるので原子オーダーである。ある温度ま
で加熱され、アニール状態にあるこの試料を次にゆっく
りと冷却し始める。すると液化部分がAl固体部分との界
面から徐々に固化し始める。この時その降温速度を充分
にゆっくり取る。それにより、堆積時には多結晶である
ために10nm程度のラフネスを生じさせていた薄膜
が、再固化では、更により小さな結晶粒の多結晶とな
る。よってそのラフネスは10nmより大幅に小さくな
り、数nm〜5nm以下となる。
Now, consider forming an Al thin film as a main constituent element of the conductive thin film layer on the semiconductor substrate. Using sputtering, EB heating evaporation or CVD method
Al is deposited in an appropriate film thickness on the semiconductor substrate. Then, Ga is deposited on this Al metal thin film layer. The deposition method may be any of sputtering, EB heating evaporation, and CVD. The semiconductor substrate having the laminated structure of Ga / Al is annealed in nitrogen or a mixed gas atmosphere of argon and nitrogen. The surface of the stacked Ga melts and liquefies from the initial stage of annealing because the melting point of Ga is very low at around 30 ° C. At the interface between liquefied Ga and solid Al, it is considered that a GaAl alloy with a very high Ga concentration is pseudo-formed.
Since the melting point of the GaAl alloy is close to that of Ga, it begins to melt very slowly from the interface with Ga, though it is considerably lower than the melting temperature of Al. In this way, the Al thin film layer whose surface is covered with Ga is dissolved from the Ga surface and gradually liquefied. However, by incorporating Al into liquid Ga, the concentration of Al relative to Ga increases and the melting point rises with respect to Ga, and the composition has the same melting point as the annealing temperature well below 660 ° C. By the way, liquefaction stops. At this time, the solid part of the Al thin film, which is the main conductive layer, and the mixed liquid part that is liquefied by mixing with Ga are alloys of almost the same composition, so both are completely wet and their surface Becomes flat. Since the flatness at this time is the flatness as a liquid, it is on the atomic order. The sample, heated to a temperature and annealed, then begins to cool slowly. Then, the liquefied portion gradually begins to solidify from the interface with the Al solid portion. At this time, the rate of temperature decrease should be slow enough. As a result, the thin film, which had a roughness of about 10 nm because it was polycrystalline at the time of deposition, becomes a polycrystalline with even smaller crystal grains when re-solidified. Therefore, the roughness is significantly smaller than 10 nm and is several nm to 5 nm or less.

【0015】以下、以上の考察から導かれた本発明につ
いて説明する。
The present invention derived from the above consideration will be described below.

【0016】本発明の半導体装置の形成方法は、半導体
基板の上部に導電性薄膜層を形成する工程において、先
ず主となる金属層を堆積し、次にその金属に対してサー
ファクタントとなる元素を供給・付着させた後アニール
することで電極層表面を平坦化することを特徴とする半
導体装置の形成方法である。
According to the method for forming a semiconductor device of the present invention, in the step of forming a conductive thin film layer on a semiconductor substrate, first, a main metal layer is deposited, and then an element which becomes a surfactant is added to the metal. It is a method of forming a semiconductor device, characterized in that the surface of the electrode layer is flattened by annealing after supplying and attaching.

【0017】また本発明の半導体装置の形成方法は半導
体基板の上部に導電性薄膜層を形成する工程において、
アニール終了時の温度降下速度が3℃/分よりも遅いこ
とを特徴とする半導体装置の形成方法である。
In the method of forming a semiconductor device of the present invention, in the step of forming a conductive thin film layer on a semiconductor substrate,
The method for forming a semiconductor device is characterized in that the temperature drop rate at the end of annealing is slower than 3 ° C./min.

【0018】また本発明の半導体装置の形成方法は、半
導体基板の上部に導電性薄膜層を形成する工程におい
て、前記半導体基板と前記電極層との間に絶縁膜層を設
置していることを特徴とする半導体装置の形成方法であ
る。
Further, in the method for forming a semiconductor device of the present invention, in the step of forming the conductive thin film layer on the semiconductor substrate, an insulating film layer is provided between the semiconductor substrate and the electrode layer. A method for forming a characteristic semiconductor device.

【0019】半導体基板の上部に導電性薄膜層を形成す
る工程において、前記電極層の上部に第2の絶縁膜層を
設置していることを特徴とする半導体装置の形成方法で
ある。
In the method of forming a semiconductor device, in the step of forming a conductive thin film layer on a semiconductor substrate, a second insulating film layer is provided on the electrode layer.

【0020】また本発明の半導体装置の形成方法は、半
導体基板の上部に導電性薄膜層を形成する工程におい
て、前記サーファクタントとなる元素が、前記第2の絶
縁膜層の構成元素の一つであることを特徴とする半導体
装置の形成方法である。
In the method of forming a semiconductor device of the present invention, in the step of forming the conductive thin film layer on the semiconductor substrate, the element serving as the surfactant is one of the constituent elements of the second insulating film layer. A method for forming a semiconductor device is characterized by the following.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】次に本発明における半導体装置の
形成方法に関する実施形態について図面を参照しながら
説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of a method for forming a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

【0022】図3は本発明の実施形態における導電性薄
膜の平坦化方法を、順を追って模式的に表したものであ
る。図3(a)は導電性薄膜を堆積する前の基板の状態を
表した図である。この場合は半導体基板301上に絶縁
膜302が形成されている。この絶縁膜層302の組成
は代表的にはSiO2やSi3N4、SiONなどであるが、近年HfO
2やZrO2、Al2O3、La2O3にGd2O3なども使われる。本発明
の実施形態においてはこの絶縁膜層302の組成はいず
れであってもよい。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the method of flattening a conductive thin film according to the embodiment of the present invention step by step. FIG. 3A is a diagram showing the state of the substrate before the conductive thin film is deposited. In this case, the insulating film 302 is formed on the semiconductor substrate 301. The composition of the insulating film layer 302 is typically SiO 2 , Si 3 N 4 , SiON, or the like.
2 and ZrO 2 , Al 2 O 3 , Gd 2 O 3 etc. are also used for La 2 O 3 . In the embodiment of the present invention, the insulating film layer 302 may have any composition.

【0023】次いで図3(b)の様に絶縁膜層302の上
に目的とする導電性薄膜層の主たる材料である金属薄膜
層303を堆積する。この堆積の方法は各種のスパッタ
法やCVD法、あるいは各種の蒸着法などが用いられる。
本発明の実施形態においてはこの堆積の方法はいずれの
方法であってもよい。いずれの方法によっても堆積され
た金属薄膜層の表面はRms値(根自乗平均値)で10
nm前後かそれ以上のラフネス304を持つ。この金属
薄膜の組成はAlやAlCu、AlSiCuまたはPt、Ni、Ti、W、C
uなどであるが、その融点と、サーファクタント元素と
の反応性により最も適当な材料を選択すればよい。本発
明の実施形態においては最も単純な例としてAlを用いる
が、他のいずれの材料でもよい。
Next, as shown in FIG. 3B, a metal thin film layer 303, which is the main material of the target conductive thin film layer, is deposited on the insulating film layer 302. As this deposition method, various sputtering methods, CVD methods, various vapor deposition methods, and the like are used.
In the embodiment of the present invention, this deposition method may be any method. The surface of the metal thin film layer deposited by either method has an Rms value (root mean square value) of 10
It has a roughness 304 of around nm or more. The composition of this metal thin film is Al, AlCu, AlSiCu or Pt, Ni, Ti, W, C.
As for u, the most suitable material may be selected depending on its melting point and reactivity with the surfactant element. In the embodiment of the present invention, Al is used as the simplest example, but any other material may be used.

【0024】次ぎに積層されたAl金属薄膜層303に対
してそのサーファクタントとなる元素305を供給付着
させる。この時サーファクタントとはAlに対してその表
面エネルギーを下げる働きを持つ物質のことを言う。更
にその本来の意味に追加して、Alに対して低融点であ
り、Alとの混合によって全体の融点をAl単体のそれより
低下させることのできる様な物質も、広義の意味として
含むものと規定する。2つの物質の混合を考えた場合、
混合によって融点がお互いのどちらよりも上昇する場合
も存在することを考えると、混合によって少なくともお
互いのうち高い方の融点よりも混合した後の融点が低下
することは、全体のエネルギーひいては表面エネルギー
を低下させていると考えることができるので、この様な
用語の拡張は許されるものと考える。本発明の実施形態
におけるサーファクタント元素としてはGaを用いるがMg
やIn、Sn、Biなどであってもよいし、またそれらの2成
分以上を混合して用いてもよい。
Next, the element 305 serving as the surfactant is supplied and adhered to the laminated Al metal thin film layer 303. At this time, the surfactant is a substance that lowers the surface energy of Al. In addition to its original meaning, a substance having a low melting point with respect to Al and capable of lowering the entire melting point below that of a simple substance of Al by mixing with Al is also included in a broad sense. Stipulate. When considering the mixture of two substances,
Considering that there is a case where the melting points may be higher than each other due to the mixing, the lowering of the melting point after mixing is at least higher than the melting point higher than each other by the mixing, which means that the total energy and thus the surface energy are decreased. It can be considered that it is decreasing, so I think that the expansion of such terms is allowed. Although Ga is used as the surfactant element in the embodiment of the present invention, Mg
In, Sn, Bi, etc., or two or more of them may be mixed and used.

【0025】次ぎに図3(c)で示した積層体を徐々に昇
温してアニールを開始することにより、室温付近の30℃
という低温でGa薄膜部分が先ず液化する。更に昇温を続
けると400℃〜450℃で図3(d)に示すようにAlとGa界面
での液化が起こる。AlとGaの界面での液化は溶けたGaと
固体のAlの界面では両者が接しているために擬似的にGa
とAlの合金が形成されその溶融温度がAlの融点よりもか
なり低くなっていることにより起こる(306)。すな
わち溶融GaとAlの界面はGa50%のAlGa合金であると考
えられ、図2における組成50%の位置から求められる
融点は535℃となりAlの融点660℃よりも約130℃も低
い。現実にはAlはこの組成50%の融点よりも更にはる
かに低い温度で解け始める。これはAlやGaのエネルギー
の揺らぎによって、組成50%の溶融温度よりも低い温
度でGa中へ溶け出すAlがあると共に、ひとたびAlがGa中
へ溶け出すと、Al濃度の非常に少ないGa濃度の非常に高
いGaAl合金が形成されて、それが持つ低融点のために凝
固が起こらず、融解が起こるのみとなるからである。よ
ってその溶融開始温度は450℃以下となる。ただしその
融解速度は非常に遅い。
Next, by gradually raising the temperature of the laminated body shown in FIG. 3 (c) to start annealing, 30 ° C. near room temperature is obtained.
At such a low temperature, the Ga thin film part liquefies first. When the temperature is further raised, liquefaction occurs at the Al / Ga interface at 400 ° C to 450 ° C as shown in Fig. 3 (d). The liquefaction at the interface between Al and Ga is pseudo Ga because the two are in contact with each other at the interface between molten Ga and solid Al.
This occurs because an alloy of Al and Al is formed and its melting temperature is significantly lower than the melting point of Al (306). That is, the interface between molten Ga and Al is considered to be an AlGa alloy with 50% Ga, and the melting point determined from the position of 50% composition in FIG. In reality, Al begins to melt at a temperature much lower than the melting point of this composition of 50%. This is because there is Al that melts into Ga at a temperature lower than the melting temperature of the composition of 50% due to energy fluctuations of Al and Ga, and once Al dissolves into Ga, the Ga concentration with a very low Al concentration. This is because a GaAl alloy with a very high temperature is formed, and due to its low melting point, solidification does not occur, but only melting occurs. Therefore, the melting start temperature is 450 ° C or lower. However, its melting rate is very slow.

【0026】アニール温度を更に上昇させることでAl表
面の融解が進み図3(e)のような状態となる。ここでは
供給付着したGa全てがAlと合金化しかつ液化しつつあ
る。この状態で昇温を停止ししばらく放置する。溶融し
たGaAlとAl固体部分は完全に濡れており、かつ液化と個
化の平衡状態である。これをある充分長い時間おいてお
くことにより、結晶粒の存在により発生していた10n
m前後かそれ以上あったAl表面のラフネスが、著しく減
少し、気液界面の様に平坦化する。この状態を表したの
が図3(f)である。
By further increasing the annealing temperature, the Al surface is melted and the state shown in FIG. 3 (e) is obtained. Here, all of the supplied and deposited Ga is alloying with Al and liquefying. In this state, the temperature rise is stopped and left for a while. The molten GaAl and Al solids are completely wet and in the equilibrium state of liquefaction and singulation. If this is left for a sufficiently long time, 10n generated due to the presence of crystal grains
The roughness of the Al surface, which was around m or more, is remarkably reduced and flattened like a gas-liquid interface. This state is shown in FIG. 3 (f).

【0027】次ぎに平坦化したが融解している合金部分
を固化させる(307)。固化は昇温されていた試料を
ゆっくりと降温することによって行われる。この降温速
度が不適切であると、せっかく平坦化された表面がまた
微細結晶粒子の発生により、元の状態に近い表面ラフネ
スが発生してしまうことになる。降温速度は極端に大き
いか、極端に小さいかのどちらかが望ましい。降温速度
が極端に大きいと、溶融部分全体がアモルファス状態で
固化し、微細粒子を発生しないのでラフネス発生の恐れ
がなくなる。また降温速度が極端に小さい時は溶融部分
全体がほぼ単結晶に近い大きな結晶をつくるように結晶
化が起こり、微細な結晶粒子をつくらないのでやはり表
面ラフネス発生の恐れがない。この様に降温速度を極端
に大きいか小さいかに設定すればよいので、そのプロセ
ス条件などが許す範囲でどちらを選んでも良い。通常の
条件では降温速度を極端に小さくするほうが簡便である
ので実施例においては降温速度を極端に遅くすることと
する。現実の降温速度の値はおよそ3℃/分以下が望ま
しいが、物質や構造によって幅があり、5℃/分でよい
場合もあれば0.5℃/分以下にする必要がある場合もあ
る。
Next, the alloy portion which has been flattened but melted is solidified (307). The solidification is performed by slowly lowering the temperature of the sample that has been heated. If the temperature lowering rate is inappropriate, the surface that has been flattened will generate fine crystal grains, which will cause surface roughness close to the original state. It is desirable that the cooling rate be extremely high or extremely low. If the rate of temperature decrease is extremely high, the entire melted portion is solidified in an amorphous state and fine particles are not generated, so there is no risk of roughness occurring. When the rate of temperature decrease is extremely small, crystallization occurs so that the entire melted portion forms a large crystal that is almost a single crystal, and fine crystal grains are not formed, so there is no fear of surface roughness. Since the temperature lowering rate may be set to be extremely high or low in this manner, either one may be selected within a range permitted by the process conditions. Under normal conditions, it is easier to make the temperature lowering rate extremely small, so in the embodiment, the temperature lowering rate is made extremely slow. The actual value of the cooling rate is preferably about 3 ° C./min or less, but it may be 5 ° C./min in some cases or 0.5 ° C./min or less depending on the substance and structure.

【0028】充分遅い降温速度によって溶融部分が固化
した後の状態を図3(g)に示す。溶融時の界面の平滑性
を保持して個化している(307)ので、個化後の導電
性薄膜層表面の平滑性も金属薄膜層堆積時に比べて著し
く平滑化しており、ラフネスのRmsが3nm以下となって
いる。
FIG. 3 (g) shows a state after the melted portion is solidified by a sufficiently slow cooling rate. Since the smoothness of the interface at the time of melting is maintained and individualized (307), the smoothness of the surface of the conductive thin film layer after individualization is also significantly smoother than when the metal thin film layer is deposited, and the roughness Rms is It is less than 3 nm.

【0029】平滑化した導電性薄膜層の上に更に第2の
絶縁性薄膜層308と上部導電性薄膜層309を積層し
たのが図3(h)である。絶縁膜層308は充分平滑な下
部導電性薄膜層307の上に形成されているので絶縁膜
層308自身も充分平滑である。よって絶縁性薄膜層膜
厚も充分に一定であり、形成されたキャパシタのリーク
特性や破壊耐圧を劣化させることもない。第2の絶縁性
薄膜層308の材質は、前述した第1の絶縁性薄膜層3
02と同じであってもよいし、異なるものであってもよ
い。例えばSiO2やSi3N4、SiONやHfO2、ZrO2、Al2O3、La
2O3、Gd2O3などが考えられる。また第2の絶縁性薄膜層
では導電性薄膜層307の平滑化にサーファクタントと
して用いた元素をその構成元素として含む絶縁性薄膜を
用いてもよい。たとえば、Gaをサーファクタントに用い
た場合には第2の絶縁性薄膜層としてGa5Gd3O12(GGG:ガ
リウムガドリニウムガーネット)が用いられる。このGG
Gは平坦化した導電性薄膜層の表面に更にGdと酸素を供
給することによって作られる。すなわち、導電性薄膜層
を平坦化したあとAlと混ざってGaAlとならずにGaのみの
ままで残っているGaがGdと酸素を結合してGGGとなるの
である。また過剰に供給したGdと酸素はこのGGGの上にG
d2O3を形成する。GGGもGd2O3も良好な絶縁膜層となるの
で、キャパシタのリーク特性を悪化させることが無く、
かつ低融点のGa単体が無くなることになりプロセス的に
も有利になる。
FIG. 3 (h) shows that the second insulating thin film layer 308 and the upper conductive thin film layer 309 are further laminated on the smoothed conductive thin film layer. Since the insulating film layer 308 is formed on the sufficiently smooth lower conductive thin film layer 307, the insulating film layer 308 itself is sufficiently smooth. Therefore, the thickness of the insulating thin film layer is sufficiently constant, and the leakage characteristics and breakdown voltage of the formed capacitor are not deteriorated. The material of the second insulating thin film layer 308 is the same as that of the first insulating thin film layer 3 described above.
It may be the same as 02 or may be different. For example, SiO 2 and Si 3 N 4 , SiON and HfO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and La
2 O 3 , Gd 2 O 3, etc. are considered. Further, the second insulating thin film layer may be an insulating thin film containing as a constituent element the element used as a surfactant for smoothing the conductive thin film layer 307. For example, when Ga is used as a surfactant, Ga 5 Gd 3 O 12 (GGG: gallium gadolinium garnet) is used as the second insulating thin film layer. This GG
G is produced by further supplying Gd and oxygen to the surface of the planarized conductive thin film layer. That is, after flattening the conductive thin film layer, it mixes with Al and does not become GaAl, but Ga that remains as Ga only combines Gd and oxygen to become GGG. Also, the excessively supplied Gd and oxygen are
Form d 2 O 3 . Both GGG and Gd 2 O 3 are good insulating film layers, so the leakage characteristics of the capacitor are not deteriorated,
Moreover, the simple substance of Ga having a low melting point is eliminated, which is advantageous in terms of process.

【0030】次ぎに、同様の過程を時間と温度との関係
に着目して図を参照して説明する。図4は本発明におけ
る実施形態で導電性薄膜層表面の平坦化をするときの温
度工程図を示したものである。
Next, a similar process will be described with reference to the drawings focusing on the relationship between time and temperature. FIG. 4 is a temperature step diagram for flattening the surface of the conductive thin film layer in the embodiment of the present invention.

【0031】先ず図3の(c)に相当する状態を表してい
るのが図4における時間tAより左の領域である。半導体
基板の上部に第1の絶縁膜層を介して導電性薄膜層の主
たる構造であるAl金属薄膜層が積層され、かつその上に
更にサーファクタントであるGaが供給付着されている
が、その温度は室温である。ついでアニールを開始し試
料の温度を昇温し始める。この開始時間をtAとする。昇
温速度は温度のオーバーシュートさえなければいくら早
くてもよい。アニール装置の制御が最も簡便で確実であ
る範囲で行えばよく、通常20℃/分前後である。次いで
温度がT2となったところでGaとAlの界面のAlが融解し始
める。この温度T2はGaAlの1:1混合物の融点480℃よ
り低い。この時の時間をtBとし、図4でtBより左で(a)
と表される領域はGaとAlの全てが固体状態か、あるいは
Gaのみ溶融している状態である。その後更に昇温し温度
T3となったところで昇温を止め、温度一定のまま保つ。
この時の温度T3はAlの融点T4=660℃より充分に低く、
通常450℃くらいである。温度T3を保持しておくことに
よってAlの融解が徐々に進み、同時にGaとAlの界面の平
滑化が進む。充分平滑化が行われたところで徐々に温度
を下げ始める。この時の時間をtCとする。降温速度は
上述した様に極端に遅く、3℃/分以下であり、場合に
よっては0.5℃/分以下のこともある。溶融したGaとAl
の合金層は時間tCより少し遅れて時間tC'より個化し
始める。充分ゆっくりな時間をかけて、時間tDの時点で
温度がT2'となり溶融部分の結晶化が終わる。温度T2'は
過冷却のため温度T2よりも若干低い。この後は溶融部分
が完全に個化しているので降温速度はいくら速くてもよ
い。装置の放熱速度によって降温速度は異なり、通常-2
0℃/分程度である。時間tEで温度T1=室温(R.T.)に戻
る。
First, the area corresponding to FIG. 3C is the area to the left of the time t A in FIG. The Al metal thin film layer, which is the main structure of the conductive thin film layer, is laminated on the upper part of the semiconductor substrate through the first insulating film layer, and Ga, which is a surfactant, is further supplied and adhered thereon, but its temperature Is room temperature. Then, annealing is started to raise the temperature of the sample. Let this start time be t A. The rate of temperature increase may be any rate as long as there is no temperature overshoot. The annealing device may be controlled within the range that is the simplest and most reliable, and is usually around 20 ° C / min. Next, when the temperature reaches T 2 , Al at the interface between Ga and Al begins to melt. This temperature T 2 is below the melting point of 480 ° C. of a 1: 1 mixture of GaAl. The time at this time is defined as t B, and on the left side of t B in FIG.
In the region represented by, Ga and Al are all in the solid state, or
Only Ga is molten. After that, further increase the temperature
When the temperature reaches T 3 , the temperature rise is stopped and the temperature is kept constant.
The temperature T 3 at this time is sufficiently lower than the melting point T 4 of Al = 660 ° C,
It is usually around 450 ℃. By keeping the temperature T 3 , melting of Al gradually progresses, and at the same time, smoothing of the interface between Ga and Al proceeds. When the smoothing is sufficiently performed, the temperature is gradually lowered. The time at this time is t C. The cooling rate is extremely slow as described above, and is 3 ° C./min or less, and in some cases, 0.5 ° C./min or less. Molten Ga and Al
The alloy layer begins to Coca than a little delay time t C 'than the time t C. It takes a sufficiently slow time, and at time t D , the temperature becomes T 2 'and the crystallization of the molten portion ends. The temperature T 2 'is slightly lower than the temperature T 2 due to supercooling. After this, the melted portion is completely individualized, so the temperature lowering rate may be any faster. The rate of temperature decrease depends on the heat dissipation rate of the device, and is usually -2.
It is about 0 ° C / minute. At time t E the temperature T 1 returns to room temperature (RT).

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明の導電性薄膜の形成工程による
と、導電性薄膜の表面の平坦性を著しく向上させること
ができ、これを下地電極層として従来の数倍薄い絶縁膜
層を形成することにより、素子のリーク電流や破壊耐圧
の悪化、ばらつきを著しく低減することができる。その
結果非常に高性能のキャパシタ構造やトランジスタ構造
を形成することができる。
According to the process of forming a conductive thin film of the present invention, the flatness of the surface of the conductive thin film can be remarkably improved, and this is used as a base electrode layer to form an insulating film layer which is several times thinner than before. As a result, it is possible to significantly reduce the leakage current of the device, the breakdown breakdown voltage, and the variation. As a result, a very high performance capacitor structure or transistor structure can be formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来例を示すために用いたCMOSLSI素子中の導
電性薄膜層を示すための断面図
FIG. 1 is a sectional view showing a conductive thin film layer in a CMOS LSI device used for showing a conventional example.

【図2】本発明の原理を考察するのに用いたAlとGaの組
成と温度と相の関係を示す相図
FIG. 2 is a phase diagram showing the relationship between the composition of Al and Ga, the temperature, and the phase used to study the principle of the present invention.

【図3】本発明における導電性薄膜相表面の平坦化方法
についてその工程例を模式的に表した図
FIG. 3 is a diagram schematically showing a process example of a method of flattening a conductive thin film phase surface in the present invention.

【図4】本発明における導電性薄膜層表面の平坦化方法
についてその経過時間と温度との関係の例を表した図
FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between elapsed time and temperature in the method of flattening the surface of a conductive thin film layer according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 Si基板 102 n型トランジスタ 103 p型トランジスタ 104 TiSiコンタクト金属層 105 Wコンタクトプラグ金属層 106 Al配線金属層 107 Wコンタクトプラグ金属層 108 Al配線金属層 201 液体領域 202 GaAl混合液体+Al固体領域 301 Si基板 302 絶縁膜層 303 Al金属層 304 Al金属層表面 305 Ga金属層 306 溶融Gaに若干Alが溶解した層 307 一度溶融したGaAlが個化した層 308 第2の絶縁膜層 309 上部導電性薄膜層(上部電極) 101 Si substrate 102 n-type transistor 103 p-type transistor 104 TiSi contact metal layer 105 W contact plug metal layer 106 Al wiring metal layer 107 W contact plug metal layer 108 Al wiring metal layer 201 Liquid area 202 GaAl mixed liquid + Al solid region 301 Si substrate 302 Insulating film layer 303 Al metal layer 304 Al metal layer surface 305 Ga metal layer 306 Layer in which a little Al is dissolved in molten Ga 307 Layer in which GaAl once melted is individualized 308 Second insulating film layer 309 Upper conductive thin film layer (upper electrode)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板の上部に導電性薄膜層を形成
する工程を有する半導体装置の製造方法であって、先ず
主となる金属層を堆積し、次にその金属に対してサーフ
ァクタントとなる元素を供給・付着させた後アニールす
ることで電極層表面を平坦化することを特徴とする半導
体装置の製造方法。
1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a conductive thin film layer on a semiconductor substrate, wherein a main metal layer is first deposited, and then an element which becomes a surfactant for the metal. A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the surface of an electrode layer is flattened by supplying and adhering the above and then annealing.
【請求項2】 アニール終了時の温度降下速度が3℃/
分よりも遅い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。
2. The temperature drop rate at the end of annealing is 3 ° C. /
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the method is slower than the minute.
【請求項3】 半導体基板と電極層との間に第一の絶縁
膜層を設置していることを特徴とする請求項1又は2に
記載の半導体装置の製造方法。
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a first insulating film layer is provided between the semiconductor substrate and the electrode layer.
【請求項4】 電極層の上部に第二の絶縁膜層を設置し
ていることを特徴とする請求項1、2、3のいずれかに
記載の半導体装置の製造方法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a second insulating film layer is provided on the electrode layer.
【請求項5】 サーファクタントとなる元素が、第二の
絶縁膜層の構成元素の一つであることを特徴とする請求
項4に記載の半導体装置の製造方法。
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the element that becomes a surfactant is one of the constituent elements of the second insulating film layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012049364A (en) * 2010-08-27 2012-03-08 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and method of manufacturing the same

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