JP2586292B2

JP2586292B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2586292B2
Application number: JP5129680A
Authority: JP
Inventors: 義明山田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPH06338502A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特にＡｌ配線を有する半導体装置の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化が進むにつれて素
子間あるいは配線間を接続するために絶縁膜に設けられ
た開孔部の径は、小さくなってくるが、その深さは、配
線容量の増大を防ぐ等の理由により小さくなることはな
く、深さを径で割ったアスペクト比は、増大する傾向に
ある。そのため、開孔部に対して配線金属であるアルミ
ニウム合金をスパッタリング法により形成する際、開孔
部内への被覆性が悪いため、開孔部内で断線したり、あ
るいは断線までには至らずとも信頼性を低下させる原因
となっている。

【０００３】そこで、開孔部内での被覆性を向上させる
ために、配線金属膜を形成後、加熱して流動させる手段
が多く提案されている。たとえば、配線金属を形成後、
レーザービームを照射させて、配線金属を加熱し、その
溶融した配線金属の一部を開孔部内に流動させる方法が
ある。この方法の効果をさらにあげるために、特開平２
−７９４３３号に提案されているように、配線金属上に
反射率の低い窒化チタニウムを形成し、その後レーザー
ビームを照射する方法がある。しかし、レーザービーム
の照射で配線金属を溶融させる方法では、レーザービー
ムのショットサイズが大きくできないため、１ｃｍ程度
のステップでスキャンさせる必要があり、１ショット内
で温度分布が生じ、特にショットの周辺で温度勾配が大
きく生じるため、基板全面に渡って開孔部内に配線金属
を流動させて埋め込むことは困難であり、実用化されて
いない。

【０００４】開孔部内への被覆性を向上させる別の方法
として、特開平１−２１６５５６号に提案されているよ
うに、Ａｌ膜を形成後、不活性ガスプラズマにて流動さ
せる方法がある。この方法では、不活性ガスのプラズマ
でＡｌ表面を処理する際、Ａｌ膜内に不活性ガスが入り
込み、Ａｌ配線のエレクトロマイグレーション耐性が劣
化する等、Ａｌ膜質を劣化させるという問題がある。ま
た、この方法によりＡｌを流動させるには、基板温度と
不活性ガスのプラズマパワーや基板に印加するバイアス
等、多くのパラメーターを最適化しなければならず、制
御が難しいという問題もある。

【０００５】そこで、Ａｌ膜をスパッタリング法により
形成後、単にウェハを加熱することにより、Ａｌ膜を開
孔部に流動させる方法が特開平４−６５８３１号に提案
されている。この方法では、Ａｌ膜を従来のスパッタリ
ング法で形成しているため、開孔部のアスペクト比が１
以上では開孔部内の被覆性が悪化し、図３に示すように
シリコン酸化膜２２に開口された開孔部２４のシリコン
基板２１側の底部までＡｌ合金が十分に充填されて、開
孔部２４内に正規の厚みをもつＡｌ配線２３が形成され
る以前に、開孔部２４の上部開口側がＡｌ合金で閉塞さ
れ、開孔部２４内のＡｌ配線２３に空洞部２３ａが形成
されてしまう。その後、シリコン基板２３を加熱して
も、開孔部２４内にＡｌ合金が流動しにくく、Ａｌ配線
２３の空洞部２３ａをＡｌ合金で埋め込むには、長時間
が必要であり、実用的でない。

【０００６】アスペクト比の大きな開孔部の底部に達す
る十分な膜厚をもつＡｌ配線を形成するために、ＥＣＲ
プラズマを用いたスパッタリング法がある（以後、ＥＣ
Ｒスパッタ法という）。このＥＣＲスパッタ法は、従来
のスパッタリング法よりも低い圧力でスパッタリングが
可能なため、スパッタされた粒子の平均自由工程が大き
くなり、高アスペクト比の開孔部の底部に達する十分な
膜厚のＡｌ配線を形成することができる方法である。代
表的なＥＣＲスパッタ装置の概念図を図４に示す。図４
に示すＥＣＲスパッタ装置は、Ａｒガス雰囲気の下に１
０^-4ｔｏｒｒ付近の真空度に保持されたプラズマチャン
バー３５に導波管３１よりマイクロ波導入窓３２及び曲
がり真空導波管３３を通してマイクロ波を導入し、ＥＣ
Ｒプラズマをプラズマチャンバー３５内に形成する。さ
らに、磁気コイル３４により形成された発散磁界により
プラズマをプラズマチャンバー３５内の基板プレート３
９上の基板３８に向けて引き出す。その際、プラズマの
引出口の口縁に設けられたドーナツ状のＡｌターゲット
３６にＤＣ電源３７で直流の負の電圧を印加すると、Ａ
ｌがスパッタリングされ、基板３８にＡｌ膜が形成され
る。

【０００７】このＥＣＲスパッタ法により、高アスペク
ト比の開孔部を埋設することが行われている。たとえ
ば、１９９２年インターナショナルカンファレンス
オンソリッドステートデバイセスアンドマテリ
アルズの予稿集の９６〜９８頁（ＥｘｔｅｎｄｅｄＡ
ｂｓｔｒａｃｔｓｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔ
ｅＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９
９２，ｐｐ９６〜９８）に報告されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このＥＣＲスパッタ法
により開孔部を埋設するためには、スパッタ時間を長く
しなければならない。実際、前記の報告書では、スパッ
タ時間は６分間必要としている。このとき、Ａｌ膜のス
パッタ速度は、０．２μｍ／ｍｉｎ以上であるため、Ａ
ｌ配線の膜厚は１．０μｍ以上に厚くなってしまう。し
たがって、従来のＥＣＲスパッタ法によれば、長時間の
スパッタ時間を必要とするため、スループットが小さく
実用的でなく、またＡｌ配線の膜厚が厚く形成されてし
まい、微細パターン形成が困難となり、さらに、そのＡ
ｌ配線に上層配線を形成しようとした場合、層間絶縁膜
で平坦化しなければならないが、この平坦化が困難とな
るという問題点がある。

【０００９】また、この方法では、ＥＣＲスパッタ法に
てＡｌ膜を形成する際、基板を３５０℃以上に加熱して
いるが、実際の基板の温度は、ＥＣＲプラズマにより上
昇して変動するため、完全に基板温度はコントロールさ
れておらず、プロセス上、非常に不安定であるという問
題点がある。

【００１０】本発明の目的は、前記問題点を解決した半
導体装置の製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置の製造方法は、開口形成工
程と、第１の配線膜形成工程と、第２の配線膜形成工程
と、配線仕上工程とを有する半導体装置の製造方法であ
って、開口形成工程は、基板上に設けられた絶縁層に開
口部を形成する処理であり、第１の配線膜形成工程は、
ＥＣＲスパッタ法により第１のアルミニウムまたはアル
ミニウム合金膜を前記開口部の側面には実質的に成膜さ
れないように前記絶縁膜の上面及び前記開口部の底面に
形成する処理であり、第２の配線膜形成工程は、スパッ
タ法により前記開口部の底面及び側面と前記絶縁膜の上
面とに第２のアルミニウムまたはアルミニウム合金膜を
形成する処理であり、配線仕上工程は、前記第１及び第
２のアルミニウムまたはアルミニウム合金膜を溶融し、
前記開口部内に充填する処理である。

【００１２】また、前記第２のアルミニウムまたはアル
ミニウム合金の配線膜をＥＣＲスパッタ法にて前記開孔
部内に形成するものである。

【００１３】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、配線膜形成工程と、配線仕上工程とを有し、基板の
絶縁膜に設けられた素子間あるいは配線間接続用開孔部
にＡｌ配線を形成する半導体装置の製造方法であって、
配線膜形成工程は、絶縁膜の表面，開孔部の底部及び内
側面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の配線膜
を、圧力を１０^-4ｔｏｒｒ付近から１０^-3ｔｏｒｒ付近
まで連続的あるいは不連続的に増加させ、ＥＣＲスパッ
タ法により形成する工程であり、配線仕上工程は、基板
を加熱して前記アルミニウムまたはアルミニウム合金を
溶融し、その溶融したアルミニウムまたはアルミニウム
合金を前記開孔部内に充填して該開孔部を穴埋し、配線
を形成する工程である。

【００１４】また、前記第１及び第２の配線膜形成工程
と配線仕上工程とを同一真空中で行うものであり、ま
た、前記第１及び第２のアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金の配線膜の下層に、アルミニウムの濡れ性を良く
する導電体層を形成する工程を含むものである。また、
前記アルミニウムの濡れ性を良くする導電体層は、高融
点金属，高融点金属窒化物，高融点金属シリサイドのう
ちのいずれか１つである。

【００１５】

【作用】絶縁膜の開孔部の底部と内側面とにそれぞれＡ
ｌ配線膜をそれぞれ形成し、その後、これらのＡｌ配線
層を溶融し、素子間あるいは配線間の開孔部内をＡｌ配
線で穴埋めをする。

【００１６】

【実施例】次に本発明について図面を参照にして説明す
る。

【００１７】（実施例１）図１は、本発明の実施例１を
示す主要工程断面図である。

【００１８】図１（Ａ）に示すように、まず、素子が形
成されたシリコン基板１上にシリコン酸化膜２を形成
後、シリコン酸化膜２に、シリコン基板１に達する開孔
部８を形成し、スパッタリング法によりチタニウム膜３
と窒化チタニウム膜４を、開孔部８の底部及び内側壁，
シリコン酸化膜２の表面に渡って、１０〜１００ｎｍ，
５０〜２００ｎｍの厚さに積層形成する。

【００１９】次に図１（Ｂ）に示すように、ＥＣＲスパ
ッタ法により１０^-4ｔｏｒｒ付近の圧力の下に第１の配
線膜（Ａｌ合金）を形成する。このとき、スパッタされ
たＡｌ粒子の平均自由工程は、５０〜１００ｃｍ程度と
長いので、基板１の表面に対して垂直に入射し、開孔部
８の内側壁には、ほとんど被着せず、シリコン酸化膜２
の表面側の窒化チタニウム膜４上及び開孔部８の底部に
堆積する。

【００２０】次に図１（Ｃ）に示すように、従来のスパ
ッタ法により、第２の配線膜（Ａｌ合金）５を形成す
る。この場合、ＥＣＲスパッタ法と異なる従来のスパッ
タ法を用いるため、スパッタ圧力は１０^-3ｔｏｒｒ付近
であり、スパッタされたＡｌ粒子の平均自由工程は、５
ｃｍ程度と短く、基板に入射する際の方向は、ランダム
であり、シリコン酸化膜２の表面側の窒化チタニウム膜
４上及び開孔部８の底部に加えて、開孔部８の内側壁に
も堆積する。また、第２の配線膜６は、最終的に形成さ
れる配線膜の膜厚から第１の配線膜５の膜厚を差し引い
た残りの膜厚に形成される。

【００２１】次に図１（Ｄ）に示すように、基板１を４
００〜５５０℃の温度に加熱して、配線膜５と６とを溶
融させ、その溶融したＡｌ合金により開孔部８を穴埋め
する。このとき、第１の配線膜５のＡｌ合金と第２の配
線膜６のＡｌ合金とは反応して融合し、開孔部８内を完
全に埋め尽くした一体の配線膜（Ａｌ合金）７として形
成される。

【００２２】これら一連の全てのプロセスは、大気圧雰
囲気に晒さずに、同一の真空雰囲気中で行ったほうが良
い。特に、第１及び第２のＡｌ配線膜５と６の形成、及
び配線膜７の形成は、同一真空雰囲気中で行う必要があ
る。その理由は、Ａｌ配線膜５，６の表面に酸化膜が形
成されてしまうと、配線膜のＡｌ合金が流動しなくなる
ためである。したがって、Ａｌ配線膜表面の酸化を完全
に防止するためには、スパッタ室から加熱室に至る基板
の移動は、１０^-8ｔｏｒｒ以下の高真空中で行ったほう
が良く、しかも、その真空雰囲気中での水分の分圧は、
１０^-8ｔｏｒｒ以下にしたほうが良い。

【００２３】最後に、図１（Ｄ）に示す配線膜７を形成
した後に、リソグラフィ技術とドライエッチング技術と
を用いて、配線膜７，窒化チタニウム膜４，チタニウム
膜３を所望のパターンに加工して、Ａｌ電極配線を完成
する。

【００２４】この方法において、第１の配線膜５の膜
厚、及び第２の配線膜６の最適膜厚は、開孔部８の径や
深さによって異なるが、どちらも酸化膜７の膜厚のほぼ
２分の１程度の膜厚であることが望ましい。ただし、ア
スペクト比が大きい開孔部８を穴埋めする場合は、第１
の配線膜５の膜厚を大きくし、逆にアスペクト比が小さ
い場合は、第１の配線膜５の膜厚を小さくしたほうが良
い。その理由は、アスペクト比が大きい場合、ＥＣＲス
パッタで最初に開孔部８の底部側になるべく厚くＡｌ合
金を堆積させた方が、溶融したＡｌ合金により開孔部８
を穴埋めするのに有利であり、アスペクト比が小さい場
合は、開孔部８の底部側でのＡｌ合金の堆積量が少な
い、極端な例としてはアスペクト比１以下ならば、開孔
部８の内径が大径となるため、開孔部８の底部側でのＡ
ｌ合金の堆積量が０であったとしても、開孔部８を容易
に穴埋めすることができるためである。

【００２５】（実施例２）図２は、本発明の実施例２を
示す主要工程断面図である。

【００２６】図２（Ａ）に示すように、シリコン酸化膜
１２に開孔部１６を形成し、シリコン酸化膜１２の表
面，開孔部１６の内側壁及び底部に渡って、スパッタ法
により、チタニウム膜１３，窒化チタニウム膜１４を形
成する。

【００２７】次に図２（Ｂ）に示すように、窒化チタニ
ウム膜１４に沿い、シリコン酸化膜１２の表面，開孔部
１６の内側壁及び底部に渡ってＥＣＲスパッタ法により
配線膜（Ａｌ合金）１５を形成する。このときのスパッ
タ圧力は、スパッタの開始時は１０^-4ｔｏｒｒ付近と
し、所望の膜厚の２分の１程度にまでＡｌ合金が堆積さ
れて配線膜１５が形成された後、１０^-3ｔｏｒｒ付近に
変化させる。スパッタ圧力を変化させる方法としては、
スパッタさせながら徐々に１０^-4ｔｏｒｒから１０^-3ｔ
ｏｒｒ付近に連続的に変化させ、或いは１０^-4ｔｏｒｒ
から１０^-3ｔｏｒｒ付近まで一気に変化させ、また、１
０^-4ｔｏｒｒ付近から１０^-3ｔｏｒｒ付近に段階的に変
化させる何れの方法でもよい。

【００２８】配線膜１５は、スパッタの圧力を１０^-4ｔ
ｏｒｒ付近から１０^-3ｔｏｒｒ付近まで変化させたこと
により、開孔部８の底部側に厚く、内側壁にも、ある程
度の膜厚に形成される。

【００２９】図２（Ｃ）に示すように、基板１１を４０
０〜５５０℃程度に加熱して、配線膜１５のＡｌ合金を
溶融し、そのＡｌ合金を開孔部１６内に流動させて、開
孔部１６をＡｌ合金で穴埋めする。その後、Ａｌ配線膜
１５，窒化チタニウム膜１４，チタニウム膜１３を所望
の形状にパターニングして電極配線を完成する。

【００３０】この方法によれば、ＥＣＲスパッタ法のみ
により、配線膜１５を形成しているため、ＥＣＲスパッ
タ法以外の従来のスパッタ法を実施する装置が不要とな
り、スパッタ装置全体の構成を小さくできるという利点
がある。

【００３１】以上説明した各実施例では、Ａｌ配線層５
又は１５の下層とチタニウム膜３，１３と窒化チタニウ
ム膜４，１４を積層形成しており、チタニウム膜３，１
３は、シリコン基板１１との低抵抗接続を実現するため
に用いており、窒化チタニウム膜４，１４は、配線膜の
Ａｌ合金の濡れ性を良くし、かつ基板を加熱したときに
配線膜のＡｌ合金とシリコン基板とが反応するのを阻止
するために用いている。また、配線膜のＡｌ合金の濡れ
性を良くする目的で窒化チタニウム膜に代えて、他の高
融点金属，高融点金属窒化物，高融点金属シリサイド膜
等を用いてもよく、高融点金属としては、Ｔｉ，Ｗ，Ｍ
ｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａなどを用いることができる。

【００３２】また以上説明した実施例では、シリコン基
板に達する開孔部を穴埋めする場合を対象としたが、本
発明はこれに限るものではなく、配線間を接続する開孔
部の穴埋めにも適用できることは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、圧力が
１０^-4ｔｏｒｒ付近の圧力の下で、ＥＣＲスパッタ法に
よりＡｌ合金膜を形成した後、１０^-3ｔｏｒｒ付近で残
りのＡｌ合金膜を形成しているため、従来のスパッタ法
に比較し、開孔部内の底部にも厚くＡｌ合金膜を形成す
ることができ、さらにオーバーハング形状が小さいた
め、開孔部の上部開口がＡｌ合金膜で塞がれることが無
く、基板を加熱して開孔部内にＡｌ合金を流動させる
際、開孔部のアスペクト比が１を越えても、ボイドの発
生がなく、Ａｌ合金により開孔部を完全に穴埋めするこ
とができる。

【００３４】また、ＥＣＲスパッタ法のみ（スパッタ後
の加熱なし）により、開孔部を穴埋めする場合は、Ａｌ
やＡｒのイオンの衝突により、表面拡散を活性化してい
るため、長時間ＥＣＲプラズマに晒している必要があ
り、そのためＡｌのスパッタ時間が長くなり、Ａｌ膜厚
を厚くする必要があり、開孔部の深さ以上のＡｌ膜厚が
必要であるのに対し、本発明では、Ａｌ合金膜形成後基
板を加熱して穴埋めするため、Ａｌ合金膜は所望の膜厚
だけ形成すればよく、Ａｌ合金膜は薄くても、たとえば
Ａｌ合金膜厚が０．５μｍ以下でも開口径０．３μｍ，
深さ１．５μｍ程度の開孔部を完全に穴埋めすることが
できる。

【００３５】また本発明では、Ａｌ合金膜の流動化をプ
ラズマやレーザービーム等を使用せず、熱だけで行って
いるため、基板の温度をコントロールするだけでよく、
安定して開孔部を穴埋めすることができ、プラズマ等に
よりＡｌ合金膜にダメージ等が生じるのを防止できる。

【００３６】したがって、膜質の良好な薄いＡｌ合金膜
を用いて、開孔部を埋め付くした配線を形成することが
でき、微細パターンを容易に加工することができ、さら
に層間絶縁膜の平坦化を容易に行うことができ、微細多
層配線の形成を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例１を示す主要工程断面図で
ある。

【図２】本発明に係る実施例２を示す主要工程断面図で
ある。

【図３】従来例を示す断面図である。

【図４】ＥＣＲスパッタ装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１，１１シリコン基板２，１２シリコン酸化膜３，１３チタニウム膜４，１４窒化チタニウム膜５第１の配線膜６第２の配線膜７，１５配線膜３１導波管３２マイクロ波導入窓３３曲がり真空導波管３４磁気コイル３５プラズマチャンバー３６スパッタターゲット３７ＤＣ電源３８基板３９基板プレート

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】開口形成工程と、第１の配線膜形成工程
と、第２の配線膜形成工程と、配線仕上工程とを有する
半導体装置の製造方法であって、開口形成工程は、基板上に設けられた絶縁層に開口部を
形成する処理であり、第１の配線膜形成工程は、ＥＣＲスパッタ法により第１
のアルミニウムまたはアルミニウム合金膜を前記開口部
の側面には実質的に成膜されないように前記絶縁膜の上
面及び前記開口部の底面に形成する処理であり、第２の配線膜形成工程は、スパッタ法により前記開口部
の底面及び側面と前記絶縁膜の上面とに第２のアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金膜を形成する処理であり、配線仕上工程は、前記第１及び第２のアルミニウムまた
はアルミニウム合金膜を溶融し、前記開口部内に充填す
る処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記第２のアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金の配線膜をＥＣＲスパッタ法にて前記開孔部内
に形成す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。
【請求項３】配線膜形成工程と、配線仕上工程とを有
し、基板の絶縁膜に設けられた素子間あるいは配線間接
続用開孔部にＡｌ配線を形成する半導体装置の製造方法
であって、配線膜形成工程は、絶縁膜の表面，開孔部の底部及び内
側面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の配線膜
を、圧力を１０^-4ｔｏｒｒ付近から１０^-3ｔｏｒｒ付近
まで連続的あるいは不連続的に増加させ、ＥＣＲスパッ
タ法により形成する工程であり、配線仕上工程は、基板を加熱して前記アルミニウムまた
はアルミニウム合金を溶融し、その溶融したアルミニウ
ムまたはアルミニウム合金を前記開孔部内に充填して該
開孔部を穴埋し、配線を形成する工程であることを特徴
とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記第１及び第２の配線膜形成工程と配
線仕上工程とを同一真空中で行うことを特徴とする請求
項１、又は請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記第１及び第２のアルミニウムまたは
アルミニウム合金の配線膜の下層に、アルミニウムの濡
れ性を良くする導電体層を形成する工程を含むことを特
徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記アルミニウムの濡れ性を良くする導
電体層は、高融点金属，高融点金属窒化物，高融点金属
シリサイドのうちのいずれか１つであることを特徴とす
る請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記高融点金属は、Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｔａのいずれかであることを特徴とする請求
項６に記載の半導体装置の製造方法。