JP2014241364A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バリア膜を介して形成される金属膜の配向性を、下地の絶縁膜組成に関わらず制御して、エレクトロマイグレーション耐性などを向上する。
【解決手段】層間絶縁膜１上にバリア膜と、バリア膜上にアルミニウム、銅、及び高融点金属から選択される１種の金属を含む金属膜とを形成する際、層間絶縁膜１側から、第１のチタン膜２を成膜後に、水素雰囲気中、２００〜４５０℃の温度で熱処理する水素熱処理工程を実施して、水素含有チタン層３を形成し、その上に＜１１１＞方向に配向制御された窒化チタン膜４、更に窒化チタン膜４の配向性を引き継いで＜１１１＞方向に配向制御されたＡｌ膜５などの金属膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にバリア膜上にアルミニウム等の金属膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。

アルミニウム（Ａｌ）配線などを形成する場合に、Ａｌのマイグレーションを改善するため、バリア膜を形成する方法が一般的である。バリア膜としては、Ｔｉ／ＴｉＮ構造がよく用いられている。

例えば、特許文献１では、半導体基板（Ｓｉ基板）やポリシリコンに接するコンタクトや配線を形成する場合に、バリア膜としてのＴｉＮ膜とＴｉＮ膜とＳｉとの接着性を改善するＴｉ膜を用いたバリア膜が開示されている。ここで、Ｔｉ膜は高い水素固溶度を有することから、Ｓｉ基板やポリシリコン中に自然に含まれている水素をゲッタリングしたり、水素／窒素ガスを用いた熱処理により本来Ｓｉ基板やポリシリコンに導入されるべき水素の拡散がＴｉ膜で阻止され、Ｓｉ基板やポリシリコンの結晶性の回復が不十分となることが開示されている。そこで、Ｓｉ基板やポリシリコンに接して形成されるＴｉ膜に対して水素３％／窒素９７％雰囲気中、５００℃で３０秒間熱処理し、その後、ＴｉＮ膜を成膜することで、Ｔｉ膜中の固溶水素濃度を予め高くすることが提案されている。

また、特許文献２には、アルミニウム配線のエレクトロマイグレーション耐性（ＥＭ耐性）を改善するために、Ａｌの（１１１）結晶方位の配向を向上させる方法が検討されていると紹介され、一つの検討例として、Ａｌ膜の（１１１）配向は下地層となるＴｉの（００２）配向を反映し、Ｔｉの結晶配向性は下地層となるＢＰＳＧ（ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）膜の表面近傍の水素原子濃度を高めることで向上することが報告されていると紹介されている。特許文献２では、ＢＰＳＧ膜の表面近傍の水素原子濃度を高める方法として、ＢＰＳＧ膜上にＳＯＧ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）膜を形成することにより、ＢＰＳＧ膜表面への水素原子供給量の増加を図ることを提案している。

特開平４−８８６７０号公報 特開平１０−２９４３６９号公報

特許文献１ではバリア膜やその上に形成される金属膜の配向を制御することは考慮されておらず、Ｓｉの再結晶化に必要な水素を確保するために、Ｔｉ膜中の固溶水素濃度を高めることを提案している。

一方、特許文献２では、下地の絶縁膜表面の水素原子濃度を高めることがＴｉの結晶配向性を高めることを示唆している。しかしながら、下地水素原子濃度がさほど高くないプラズマＣＶＤ法による酸化シリコン膜（以下、プラズマ酸化膜という）を用いて、ＥＭ耐性を向上できないという問題がある。

本発明の一実施形態によれば、
層間絶縁膜上にバリア膜と、前記バリア膜上にアルミニウム、銅、及び高融点金属から選択される１種の金属を含む金属膜とを形成する工程と、
を備える半導体装置の製造方法であって、
前記バリア膜は、前記層間絶縁膜側から、第１のチタン膜及び窒化チタン膜の積層または、第１のチタン膜、窒化チタン膜及び第２のチタン膜の積層であり、
前記第１のチタン膜を成膜後に、水素雰囲気中、２００〜４５０℃の温度で熱処理する水素熱処理工程を含む半導体装置の製造方法、が提供される。

本発明の一実施形態によれば、下地の層間絶縁膜に依存することなく、バリア膜としての第１のチタン膜の配向を比較的低温の水素雰囲気中での熱処理により改善でき、この第１のチタン膜上に形成される窒化チタン膜や金属膜の配向性が改善される。

本発明の一実施形態例に係る半導体装置の主要部の製造方法を説明する工程断面図である。 ＴｉＮ膜の配向性を示すＸ線回折図である。 Ａｌ膜の配向性を示すグラフである。 本発明の製造方法が適用し得る半導体装置の一例を説明する模式的断面図である。

以下、本発明の一例として、実施形態例を参照して具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態例のみに限定されるものではない。なお、本明細書中、「％」はガスに対しては流量基準（ｓｌｍ又はｓｃｃｍ）での比（容量％）を意味する。

実施形態例１
図１は、本実施形態例に係る半導体装置の主要部の製造方法を説明する工程断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、層間絶縁膜１としてプラズマ酸化膜を形成し、その上にチタン（Ｔｉ）膜２を成膜する。Ｔｉ膜２の膜厚は本実施形態例では７．５ｎｍとしているが、５〜１５ｎｍの範囲とすることができる。実際の製造工程では、層間絶縁膜１を成膜後に、脱ガス処理を行った後、層間絶縁膜１を形成した基板を真空中でスパッタチャンバーに搬送してＴｉ膜（第１のＴｉ膜とも言う）２の成膜を行う。

次に、図１（ｂ）に示すように、Ｔｉ膜２に対して水素熱処理を行う。Ｔｉ膜２を成膜した基板を水素熱処理チャンバーに真空中で搬送し、１００％Ｈ_２雰囲気で、圧力約１ｋＰａ（７．５ｔｏｒｒ）、温度３００℃、６０秒の水素熱処理を実施した。水素熱処理は、圧力：０．１３〜６６．７ｋＰａ（１〜５００ｔｏｒｒ）の範囲、温度：２００〜４５０℃、時間：２０〜３００秒の範囲内で行うことができる。以上の水素熱処理によりＴｉ膜２の表面に水素が固溶したＴｉ−Ｈ_２層３が形成される。なお、Ｔｉ−Ｈ_２層３の範囲は表層のみに限定されず、Ｔｉ膜２全域に及んでいても良い。

次に、図１（ｃ）に示すように、真空中でスパッタチャンバーに搬送し、窒化チタン（ＴｉＮ）膜４を膜厚２５ｎｍに成膜した。ＴｉＮ膜４は５〜６０ｎｍの範囲とすることができる。ＴｉＮ膜４を成膜後、室温に冷却し、スパッタチャンバーから取り出す。

ＴｉＮ膜４成膜後にＸ線回折分析（ＸＲＤ）を行った結果を図２に示す。比較として、Ｔｉ膜成膜後の水素熱処理を実施していない場合（ＴｉＮ／Ｔｉ）、Ｔｉ膜成膜後、Ａｒ１００％雰囲気で同温度、同圧力、同時間で熱処理した場合（ＴｉＮ／Ａｒ／Ｔｉ）を併せて示す。本実施形態例による水素熱処理を実施した場合（ＴｉＮ／Ｈ２／Ｔｉ）では、ＴｉＮの＜１１１＞方向のピーク強度は、他の場合よりも大きくなっており、配向性良くＴｉＮ膜が形成されていることが分かる。

次に、図１（ｄ）に示すように、ＴｉＮ膜４を成膜後、真空中でＡｌスパッタチャンバーに搬送し、Ａｌ膜５を２００℃〜３８０℃の基板温度で成膜する。成膜したＡｌ膜５は、下地のＴｉＮ膜４の配向性を引き継いで結晶化する。成膜後のＡｌ膜の＜１１１＞配向強度を、図２に示す比較例と共に図３に示す。本実施形態例では配向性良くＴｉＮ膜４が形成できる結果、その上に形成するＡｌ膜の配向性も優れたものとなる。配向性が揃うことで、ＥＭ耐性に優れた配線とすることができる。なお、Ａｌ膜の成膜後にリフロー（３８０℃〜４５０℃）してもよいし、Ａｌ膜の成膜中にリフロー（３８０℃〜４５０℃）してもよい。

最後に、図１（ｅ）に示すように、Ａｌ膜５の上面に上部バリア膜６（ＴｉＮ／Ｔｉ）を形成し、所望の配線形状にパターニングする。Ｔｉ膜２の成膜後の一連の工程は、真空下に基板を各チャンバーに搬送可能な連続した装置中で実施される。

図４は、本実施形態例を適用し得る半導体装置１００の一例を示す模式的断面図である。半導体基板上にトランジスタなどの能動素子、キャパシタなどの受動素子が形成されたフロントエンド構造１０１上に、配線層を形成したバックエンド構造１０２を有する。フロントエンド構造１０１は、メモリセル領域と周辺回路領域を含んで形成される。バックエンド構造１０２は第１層間絶縁膜１０３中に形成された第１銅配線１０４、第２層間絶縁膜１０５中にデュアルダマシン法でビアプラグ１０６と一体に形成された第２銅配線１０７、第３層間絶縁膜１０８中にバリア膜１０９を介して形成されたタングステンプラグ１１０、第３層間絶縁膜１０８上に、本発明を適用して形成される下層バリア膜１１１とその上に形成されたＡｌ層１１２と上層バリア膜１１３で構成されるＡｌ配線と、Ａｌ配線を覆う保護膜１１４を有する。Ａｌ配線の一部はタングステンプラグ１１０を介して下層の第２銅配線１０７と電気的に接続されている。

このように、フロントエンド構造１０１が形成された後、バックエンド構造１０２としてバリア膜を必要する配線等の形成においては、特許文献１に示すような５００℃での熱処理は熱負荷が架かり不適切となる。一般にバックエンド構造１０２の形成時（Ｂａｃｋ ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｎｅ：ＢＥＯＬ）に最も高温の熱負荷は、タングステンプラグ１１０のＣＶＤ法での形成温度や水素アロイ化の温度の４００〜４５０℃程度が挙げられるが、本発明におけるＴｉ膜の水素熱処理は、それと同等かそれよりも低い温度であり、熱負荷の増加を抑制することができる。

本発明が適用される配線構造としては、Ａｌ配線に限定されず、銅配線や、タングステンなどの高融点金属を用いた配線にも適用することができる。また、バリア膜として、ＴｉＮ／Ｔｉに限定されず、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉを用いても良い。図１に示すＴｉＮ膜４の上にＴｉ膜（第２のＴｉ膜という）を形成した場合、Ａｌ膜５の濡れ性がより良好となる。第２のＴｉ膜を形成した場合にＡｌ膜５のリフローを行うとＡｌ−Ｔｉ合金が生成するが、その場合にもＡｌ膜５の配向性を制御することができる。なお、下層の第１のＴｉ膜に水素熱処理を施さず、第２のＴｉ膜のみに水素熱処理を施してもあまり効果はなく、下層の第１のＴｉ膜に水素熱処理を施して、ＴｉＮ膜の配向性を制御することが肝要である。ＴｉＮ膜４を形成せずに水素熱処理したＴｉ膜２上に直接Ａｌ膜５を形成した場合にも、配向性を制御することはできなくなる。

Ａｌ膜の配向性の改善はバリア膜（ＴｉＮ／Ｔｉ）を高指向性スパッタチャンバー(long throwスパッタ。スパッタターゲットから基板までの距離が長い構造)で成膜した場合に優れている。指向性が低いスパッタチャンバーではＡｌ膜の配向性の改善効果はあまり見られないことが確認された。

実施形態例２
実施形態例１では、Ｔｉ膜２の水素熱処理は、Ｔｉ膜２の成膜後、酸素の存在する雰囲気（大気）に曝すことなく水素熱処理チャンバーに真空中で搬送し、水素熱処理を行っていたが、Ｔｉ膜２の成膜後、一旦大気中に取り出した後、別系統の装置中で水素熱処理を行ってもよい。一旦大気中に取り出した場合、Ｔｉ膜２の表面に自然酸化膜が形成されるが、次の水素熱処理工程で還元されるため、問題はない。

このときの水素熱処理は、常圧炉による処理でも構わない。代表的な処理条件は７０％水素ガス雰囲気（残部は窒素ガス）、圧力は常圧〔１０１．３ｋＰａ（１気圧）〕、加熱時間は１時間で行った。処理雰囲気の水素ガス濃度は４〜１００％でもよく、圧力は１３．３〜２０２．６ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ〜２気圧）、加熱時間は２０秒から２時間の範囲内で行うことができる。なお、処理時間は水素ガス濃度が低いほど、また、圧力が低いほど長い処理時間となる。

以上の通り、本発明では、下層の第１のＴｉ膜２を水素熱処理してＴｉ−Ｈ２層３を形成することで、その上に形成されるＴｉＮ膜４の配向性を制御でき、更にＴｉＮ膜４の上に形成されるＡｌ膜５などの金属膜の配向性が制御できる。この結果、ＥＭ耐性に優れた配線等を形成することが可能となる。

１．層間絶縁膜
２．チタン膜
３．Ｔｉ−Ｈ_２層
４．窒化チタン膜
５．第１の金属層（Ａｌ膜）
６．上部バリア膜
１００．半導体装置
１０１．フロントエンド構造
１０２．バックエンド構造
１０３．第１層間絶縁膜
１０４．第１銅配線
１０５．第２層間絶縁膜
１０６．ビアプラグ
１０７．第２銅配線
１０８．第３層間絶縁膜
１０９．バリア膜
１１０．タングステンプラグ
１１１．下層バリア膜
１１２．アルミニウム配線
１１３．上層バリア膜
１１４．保護膜

Claims (13)

1. 層間絶縁膜上にバリア膜と、前記バリア膜上にアルミニウム、銅、及び高融点金属から選択される１種の金属を含む金属膜とを形成する工程と、
   を備える半導体装置の製造方法であって、
   前記バリア膜は、前記層間絶縁膜側から、第１のチタン膜及び窒化チタン膜の積層または、第１のチタン膜、窒化チタン膜及び第２のチタン膜の積層であり、
   前記第１のチタン膜を成膜後に、水素雰囲気中、２００〜４５０℃の温度で熱処理する水素熱処理工程を含む半導体装置の製造方法。
2. 前記層間絶縁膜が、プラズマＣＶＤ法で形成される酸化シリコン膜である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１のチタン膜の膜厚が５〜１５ｎｍの範囲である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１のチタン膜を成膜後に、酸素の存在する雰囲気に曝すことなく、前記水素熱処理工程を行う請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記水素熱処理工程が、１００容量％の水素ガスを含み、圧力が０．１３〜６６．７ｋＰａの水素雰囲気下に、２０〜３００秒の範囲内で実施される請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第１のチタン膜を成膜後に、酸素の存在する雰囲気に曝した後に、前記水素熱処理工程を行う請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記水素熱処理工程が、４〜１００容量％の水素ガスを含み、圧力が１３．３〜２０２．６ｋＰａの水素雰囲気下に、２０秒〜２時間の範囲内で実施される請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記窒化チタン膜の膜厚が５〜６０ｎｍの範囲である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１及び第２のチタン膜、及び窒化チタン膜が高指向性のスパッタ法にて成膜されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記金属膜がアルミニウム膜である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記アルミニウム膜はスパッタ法にて成膜され、その際の基板温度が２００〜３８０℃の範囲内である請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記アルミニウム膜は、成膜後に３８０〜４５０℃の範囲でリフローされることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記アルミニウム膜はスパッタ法にて成膜され、同時に３８０〜４５０℃の範囲でリフローされることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

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