JP2736370B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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JP2736370B2
JP2736370B2 JP2120620A JP12062090A JP2736370B2 JP 2736370 B2 JP2736370 B2 JP 2736370B2 JP 2120620 A JP2120620 A JP 2120620A JP 12062090 A JP12062090 A JP 12062090A JP 2736370 B2 JP2736370 B2 JP 2736370B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置とその製造方法、特に、半導体集
積回路における多層配線の層間ビアホールとその形成方
法に関する。
〔従来の技術〕
従来、半導体集積回路における多層配線の配線層間接
続のためのビアホールコンタクトを形成する際、ビアホ
ールへのAlの埋め込みはDCマグネトロンスパッタで行う
方法、又はタングステンの選択的化学的気相成長で行う
方法、さらにはDCマグネトロンスパッタ中にバイアス電
圧を印加して行う方法等が考えられている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、DCマグネトロンスパッタによる方法では、ビ
アホールのアスペクト比が大きくなると、被覆率が悪く
なり、導通不良を生じる。また、このためタングステン
の選択的化学的気相成長による埋め込みも研究されてい
るが、プロセスの不安定性のため、未だ実用化されてい
ない。さらに、DCマグネトロンスパッタ中にバイアス電
圧を印加し、500℃の高温でAlを埋め込む方法もある
が、温度が高すぎるため下層配線が変形するという不具
合があり、まだ実用化されていない。
本発明の目的は前記課題を解決した半導体装置とその
製造方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するため、本発明の半導体装置では、
第1の配線とその上方の第2の配線の間に層間絶縁膜が
設けられ、第1,第2の配線を接続するために層間絶縁膜
中にビアホールが開口され、ビアホール中には低融点の
アルミニウム合金が充填されている。また本発明に係る
半導体装置の製造方法においては、第1及び第2の配線
形成工程と、開口部形成工程と、充填工程と、バリア形
成工程とを含む半導体装置の製造方法であって、 第1の配線形成工程は、一導電型半導体基板の絶縁膜
上に第1の配線層を形成するものであり、 開口部形成工程は、第1の配線層上に形成された層間
絶縁膜に、該第1の配線層に達するビアホールを開口す
るものであり、 充填工程は、ゲルマニウムを含有した低融点のアルミ
ニウム合金をビアホールに充填するものであり、 バリア形成工程は、ビアホールに充填されたアルミニ
ウム合金をバリアメタル薄膜で被覆して封じ込めるもの
であり、 第2の配線形成工程は、第2の配線層をバリアメタル
薄膜に接触させて層間絶縁膜上に形成するものである。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において
は、第1及び第2の配線形成工程と、開口部形成工程
と、充填工程と、第1及び第2のバリア形成工程とを含
む半導体装置の製造方法であって、 第1の配線形成工程は、一導電型半導体基板の絶縁膜
上に第1の配線層を形成するものであり、 第1のバリア形成工程は、第1の配線層上に第1のバ
リアメタル薄膜を形成するものであり、 開口部形成工程は、第1のバリアメタル薄膜上に形成
された層間絶縁膜に、該第1のバリアメタル薄膜に達す
るビアホールを開口するものであり、 充填工程は、ゲルマニウムを含有した低融点のアルミ
ニウム合金をビアホールに充填するものであり、 第2のバリア形成工程は、ビアホールに充填されたア
ルミニウム合金を被覆して封じ込める第2のバリアメタ
ル薄膜を形成するものであり、 第2の配線形成工程は、第2の配線層を第2のバリア
メタル薄膜に接触させて層間絶縁膜上に形成するもので
ある。
〔作用〕
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、多層配
線の配線間接続として、層間絶縁膜開口部に、第3図に
示すような420℃付近の融点をもつ低融点アルミニウム
合金Al−Geを用い、420℃付近の低い温度でAl−Ge膜を
溶融状態で形成し、リフローしながら、ビアホールに埋
め込み、バリアメタルの存在により、配線部のAl合金に
はGeが溶け出さないようにし、融点が下がるのを防ぐこ
とができ配線形状を維持できる。
〔実施例〕
次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。
(実施例1) 第1図(a)〜(b)は本発明の実施例1を示す製造
工程断面図である。
第1図(a)に示すように抵抗率10オームcmの4イン
チ(100)p型シリコン基板1の表面に酸化膜2をウェ
ット酸素雰囲気の1000℃酸化により厚さ1μm形成す
る。第1層目の配線として、DCマグネトロンスパッタに
よりAlターゲットから膜厚0.5μmのAl膜3aを酸化膜2
上に基板加熱温度300℃で形成する。通常のフォトリソ
グラフィにより、フォトレジストをパターニングし、こ
れをマスクとして、SiCl4(20sccm)+Ar(10sccm)ガ
スで反応性イオンエッチにより、圧力3Pa,パワー110W
で、Al膜3aを異方性エッチングし、フォトレジストを酸
素プラズマ中で除去する。
次に、層間絶縁膜としてのシリコン窒化膜4をプラズ
マ化学的気相成長方法に基づいて、SiH4(150sccm)+N
H3(450sccm)+N2(450sccm)のガスにより、300℃で
圧力0.35Torr(1Torr=133Pa)、パワー0.27W/cm2、RF
周波数380KHzで厚さ1μm形成する。通常のフォトリソ
グラフィにより、フォトレジストをパターニングし、こ
れをマスクに、CF4(25sccm)+H2(25sccm)ガスを用
いて反応性イオンエッチにより、圧力3Pa、パワー750W
で、シリコン窒化膜4を異方性エッチングし、ビアホー
ル5を形成する。その後、フォトレジストを酸素プラズ
マ中で除去する(第1図(b))。
さらに、第1のバリアメタルとしてチタンタングステ
ン膜6をシリコン窒化膜4及びビアホール5の内壁にチ
タン10%含有タングステンターゲットのDCマグネトロン
反応性スパッタによりAr圧力8mTorr、パワー1KW、基板
加熱無しで0.2μm形成し、引続いてAl−20%Geターゲ
ットから0.5μmのAl−Ge合金膜7をチタンタングステ
ン膜6上にパワー7KW,Ar圧力6mTorr、基板加熱温度300
℃で形成する。このとき、実効的基板温度はAl−Geの融
点420℃を越えており、基板1に到達したAl−Ge原子又
はクラスターはウェーハ上で溶融し、ビアホール5に流
れ込み、ビアホール5を埋める(第1図(c))。ここ
で必要ならAl−20%Ge合金膜7をSiCl4(20sccm)+Ar
(10sccm)ガスで反応性イオンエッチにより、圧力3P
a、パワー110Wで全面エッチバックしてもよい。
次に、第2のバリアメタルとしてのチタン膜9をチタ
ンタングステン膜6及びビアホール5に埋込まれたAl−
Ge8上に渡ってDCマグネトロンスパッタでAr圧力8mTor
r、パワー1KW、基板加熱200℃で0.1μm形成し、その上
にAl−0.5%Cu合金膜10を1μm、DCマグネトロンスパ
ッタにより、Ar圧力6mTorr、パワー7KW、基板加熱300℃
で形成する。通常のフォトリソグラフィにより、フォト
レジストをパターニングし、これをマスクとして、SiCl
4(20sccm)+Ar(10sccm)ガスで反応性イオンエッチ
により、圧力3Pa、パワー110Wで、Al−0.5%Cuを異方性
エッチングし、電極配線を形成する。その後フォトレジ
ストを酸素プラズマ中で除去する(第1図(d))。
(実施例2) 第2図(a)〜(d)は本発明の実施例2を示す製造
工程断面図である。
まず、抵抗率10オームcmの4インチ(100)p型シリ
コン基板1の表面に酸化膜2をウェット酸素雰囲気の10
00℃酸化により厚さ1μm形成する。第1層目の配線と
して、DCマグネトロンスパッタによりAl−1%Si−0.5
%Cuターゲットから膜厚0.5μmのAl−1%Si−0.5%Cu
膜3bを基板加熱温度300℃、Ar圧力6mTorr、パワー7KWで
形成する。
続いて第1のバリアメタルに相当する膜として、Tiタ
ーゲットからDCマグネトロンスパッタによりAr+N2(1:
1)圧力8mTorr、パワー1KWで膜厚0.2μmの窒化チタン
(TiN)膜26を基板加熱無しで形成する。通常のフォト
リソグラフィにより、フォトレジストをパターニング
し、これをマスクとして、SiCl4(20sccm)+Ar(10scc
m)ガスで反応性イオンエッチにより、圧力3Pa,パワー1
10Wで、窒化チタン膜26及びAl−1%Si−0.5%Cu膜3bを
異方性エッチングし、フォトレジストを酸素プラズマ中
で除去する。(第2図(a))。
層間絶縁膜として、シリコン窒化膜4をプラズマ化学
的気相成長により、SiH4(150sccm)+NH3(450sccm)
+N2(450sccm)ガスにより、300℃で圧力0.35Torr(1T
orr=133Pa)、パワー0.27W/cm2、RF周波数380KHzで厚
さ1μm形成する。通常のフォトリソグラフィにより、
フォトレジストをパターニングし、これをマスクとし
て、CF4(25sccm)+H2(25sccm)ガスで反応性イオン
エッチにより、圧力3Pa、パワー750Wで、シリコン窒化
膜4を異方性エッチングし、ビアホール5を形成する。
その後、フォトレジストを酸素プラズマ中で除去する
(第2図(b))。
さらに、Al−20%Geターゲットから0.5μmのAl−Ge
合金膜7をパワー7KW,Ar圧力6mTorr、基板加熱温度300
℃で形成する。このとき実効的ウェーハ温度はAl−Ge合
金膜7の融点420℃を越えており、ウェーハに到達したA
l−Ge原子又はクラスターはウェーハ上で溶融し、ビア
ホール5に流れ込み、ビアホール5を埋める(第2図
(c))。ここで必要ならAl−20%Ge合金膜7をSiCl4
(20sccm)+Ar(10sccm)ガスで反応性イオンエッチに
より、圧力3Pa、パワー110Wで全面エッチバックしても
よい。
次に、第2のバリアメタルとして、チタン膜9をシリ
コン窒化膜4及びビアホール5に埋込まれたAl−Ge8上
に渡ってDCマグネトロンスパッタでAr圧力8mTorr、パワ
ー1KW、基板加熱200℃で0.1μm形成し、その上にAl−
0.5%Cu合金膜10を1μm、DCマグネトロンスパッタに
より、Ar圧力6mTorr、パワー7KW、基板加熱300℃で形成
する。通常のフォトリソグラフィにより、フォトレジス
トをパターニングし、これをマスクとして、SiCl4(20s
ccm)+Ar(10sccm)ガスで反応性イオンエッチによ
り、圧力3Pa、パワー110Wで、Al−0.5%Cu合金膜10を異
方性エッチングし、電極配線を形成する。その後、フォ
トレジストを酸素プラズマ中で除去する(第2図
(d))。
尚、実施例ではバリアメタル薄膜として窒化チタン膜
を用いたが、高融点金属の窒化物,高融点金属,高融点
金属の合金等を用いてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明は低融点アルミニウム合
金Al−Geを用いることにより、多層配線の配線間接続と
して層間絶縁膜開口部にAl−Geの融点である420℃付近
の低い温度でAl−Ge膜を溶融状態で形成し、リフローし
ながらビアホールに埋め込むことができ、しかも、バリ
アメタルの存在により、配線部のAl合金にはGeが溶け出
さないようにし、配線金属の融点が下がるのを防ぐこと
ができ配線形状を維持できる。
さらに、450℃以下の低温でAlをビアホールに埋め込
むことができるため、アスペクト比が大きくなった微細
ビアホールへのAl配線を導通不良を生じさせることなく
被膜率よく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(d)は本発明の実施例1を示す製造工
程断面図、第2図(a)〜(d)は本発明の実施例2を
示す製造工程断面図、第3図はAl−Ge合金の融点特性を
示す図である。 1……p型シリコン基板、2……酸化膜 3a……Al膜、3b……Al−1%Si−0.5%Cu膜 4……シリコン窒化膜、5……ビアホール 6……チタンタングステン膜、7……Al−Ge合金膜 8……ビアホール埋め込み後のAl−Ge 9……チタン膜、10……Al−0.5%Cu合金膜 26……窒化チタン膜

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の配線とその上方の第2の配線の間に
    層間絶縁膜が設けられ、第1、第2の配線を接続するた
    めに層間絶縁膜中にビアホールが開口された半導体装置
    において、ビアホール中にはゲルマニウム含有率が20〜
    30at%のアルミニウム−ゲルマニウム合金が充填されて
    いることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記ビアホールに充填されたアルミニウム
    −ゲルマニウム合金と前記第2の配線との間に、バリア
    メタル層が設置されていることを特徴とする請求項1に
    記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】前記ビアホールに充填されたアルミニウム
    −ゲルマニウム合金と前記第1の配線との間に、バリア
    メタル層が設置されていることを特徴とする請求項2に
    記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】第1及び第2の配線形成工程と、開口部形
    成工程と、充填工程と、バリア形成工程とを含む半導体
    装置の製造方法であって、 第1の配線形成工程は、一導電型半導体基板の絶縁膜上
    に第1の配線層を形成するものであり、 開口部形成工程は、第1の配線層上に形成された層間絶
    縁膜に、該第1の配線層に達するビアホールを開口する
    ものであり、 充填工程は、ゲルマニウム含有率が20〜30at%のアルミ
    ニウム−ゲルマニウム合金をビアホールに充填するもの
    であり、 バリア形成工程は、ビアホールに充填されたアルミニウ
    ム合金をバリアメタル薄膜で被覆して封じ込めるもので
    あり、 第2の配線形成工程は、第2の配線層をバリアメタル薄
    膜に接触させて層間絶縁膜上に形成するものであること
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】第1及び第2の配線形成工程と、開口部形
    成工程と、充填工程と、第1及び第2のバリア形成工程
    とを含む半導体装置の製造方法であって、 第1の配線形成工程は、一導電型半導体基板の絶縁膜上
    に第1の配線層を形成するものであり、 第1のバリア形成工程は、第1の配線層上に第1のバリ
    アメタル薄膜を形成するものであり、 開口部形成工程は、第1のバリアメタル薄膜上に形成さ
    れた層間絶縁膜に、該第1のバリアメタル薄膜に達する
    ビアホールを開口するものであり、 充填工程は、ゲルマニウム含有率が20〜30at%のアルミ
    ニウム−ゲルマニウム合金をビアホールに充填するもの
    であり、 第2のバリア形成工程は、ビアホールに充填されたアル
    ミニウム合金を被覆して封じ込める第2のバリアメタル
    薄膜を形成するものであり、 第2の配線形成工程は、第2の配線層を第2のバリアメ
    タル薄膜に接触させて層間絶縁膜上に形成するものであ
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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