JP3050187B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法に係り、詳しくは、多層構造を有する半導体装置
の配線用の金属膜や、金属膜同士を電気的に接続するビ
アプラグ、各素子の電極と金属膜とを電気的に接続する
コンタクトプラグを形成する半導体装置の製造方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】LSI等の半導体装置は、近年、高集積
化、高密度化及び処理速度の高速化が進められるのに伴
って、素子や金属配線を半導体基板の垂直方向に幾層も
重ねる多層構造とされる傾向にある。このような多層構
造の半導体装置では、下層に形成されたトランジスタや
ダイオード等の各素子を動作させるために、各素子の電
極と上層に形成された金属配線とを接続する必要がある
が、そのために各層を電気的に絶縁するために形成され
ている層間絶縁膜に形成される穴をコンタクトホール
(contact hole)という。このコンタクトホール内に金
属材料が埋め込まれて形成される金属柱をコンタクトプ
ラグ(contact plug)といい、このコンタクトプラグを
介して各素子の電極と上層の金属配線とが接続される。
また、多層構造の半導体装置では、下層の金属配線と上
層の金属配線とを相互接続する必要があるが、そのため
に層間絶縁膜に形成される穴をビアホール(via hole)
といい、このビアホール内に金属材料を埋め込んで形成
される金属柱をビアプラグ(via plug)といい、このビ
アプラグを介して下層の金属配線と上層の金属配線とが
相互接続される。
【0003】ところで、半導体装置の高集積化、高密度
化及び処理速度の高速化は、最近では、上記したコンタ
クトホールやビアホールの径を縮小化する段階にまで達
している。一方、層間絶縁膜の膜厚は、半導体基板上に
形成される容量部の構造の複雑化や化学機械研磨(CM
P: Chemical and Mechanical Polishing)法等による
層間絶縁膜の平坦化により逆に厚くなる傾向にある。こ
のため、コンタクトホールやビアホールの径(横寸法)
とコンタクトホールやビアホールの深さ(縦寸法)の比
を表すアスペクト比(aspect ratio)は、例えば、メモ
リ容量が4MbitのDRAMの場合は2程度しかないが、
メモリ容量が256MbitのDRAMの場合には4以上に
もなってしまう。このようにアスペクト比が増大する
と、それに対応して、良好な段差被覆性(ステップカバ
レッジ: step coverage)でコンタクトホールやビアホ
ールを埋め込んでコンタクトプラグやビアプラグを形成
する方法が必要になってくる。
【0004】この要求に応える方法として、R. Fiordal
ice等が発表した"A low temperature CVD Al plug and
interconnect process for 0.25 μm metallization te
chnologies.", 1996 Symposium on VLSI Technology Di
gest of Technical Papers,p. 42, 1996に開示されてい
る方法がある。以下、この方法について図3を参照して
説明する。まず、シリコン(Si)基板等からなる半導
体基板1上に、シリコン酸化(SiO2)膜等からなる
層間絶縁膜2を形成した後、レジスト塗布、露光、エッ
チング及びレジスト剥離の工程を経て、図3(a)に示
すように、コンタクトホール3を開口する。なお、図3
では、説明を簡単にするために、半導体基板1の内部及
び表面には素子が何も図示されていないが、実際には、
トランジスタ等の各種素子が形成されており、その上に
層間絶縁膜2が形成される。次に、スパッタ法等の物理
気相成長(PVD: Physical Vepor Deposition)法に
より、チタン(Ti)膜等からなる障壁金属(バリヤメ
タル)膜(図示略)を形成した後、図3(b)に示すよ
うに、同じくPVD法によりアルミニウム(Al)膜
(以下、PVD−Al膜という)4を形成する。ここ
で、バリヤメタル膜とは、PVD−Al膜4と層間絶縁
膜2との密着性を改善したり、後述するコンタクトプラ
グ6を形成するために化学気相成長(CVD: Chemical
Vepor Deposition)法で用いる原料ガスと半導体基板
1との反応によって生じる相互拡散に基づく接合破壊を
防止するために、下地として形成する膜である。次に、
同一の装置内において真空状態を保持したまま、図3
(c)に示すように、CVD法によりAl膜(以下、C
VD−Al膜という)5をPVD−Al膜4の全面に形
成すると、CVD−Al膜5がPVD−Al膜4上にエ
ピタキシャル成長し、コンタクトホール3にAlが埋め
込まれてコンタクトプラグ6が形成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の半導体装置の製造方法においては、PVD−Al膜
4の形成時に、図3(b)に示すように、PVD−Al
膜4がコンタクトホール3の開口部3aにおいて、コン
タクトホール3の径を狭めるように堆積する。この現象
をオーバーハング(overhang)といい、このようなPV
D−Al膜4の形状部分をオーバーハング部4aと呼ぶ
ことにする。このオーバーハング4aが形成されている
ために、CVD−Al膜5の形成時には、コンタクトホ
ール3の内部に完全にAlが埋め込まれる前に、図3
(c)に示すように、開口部3aがCVD−Al膜5で
塞がれてしまい、コンタクトホール3の内部に空隙(ボ
イド: void)7が発生する。このボイド7の発生によ
り、コンタクトプラグ6の断面積が小さくなり、コンタ
クトプラグ6内を流れる電流の電流密度が増加し、それ
に起因する発熱による断線やエレクトロマイグレーショ
ン(electromigration)による断線が生じてしまう。こ
こで、エレクトロマイグレーションとは、特に半導体装
置において、2つの金属膜の間に絶縁膜を介して電圧が
印加されている場合に、一方の金属膜から他方の金属膜
に向かって、絶縁膜の表面又は内部に導電性がある通路
が形成され、それに沿って金属イオンが移動する現象を
いう。この現象は、電流密度が高く、配線温度が高いほ
どその量が増加し、進行すると、絶縁劣化又は短絡を招
くことがある。この結果、半導体装置の歩留まりや信頼
性が低下してしまうという問題があった。
【0006】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、コンタクトホールやビアホールをボイドが発生
することなく、完全にアルミニウムを含む金属を埋め込
むことができる半導体装置の製造方法を提供することを
目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明に係る半導体装置の製造方法
は、多層構造を有する半導体装置の各層に形成される複
数の金属配線、金属配線同士を層間絶縁膜を介して電気
的に接続するビアプラグ、あるいは上記半導体装置を構
成する各素子の電極と上記金属配線とを層間絶縁膜を介
して電気的に接続するコンタクトプラグを形成する半導
体装置の製造方法であって、上記半導体基板上に下層の
金属配線又は上記電極を形成する第1の工程と、上記半
導体基板の表面全面に層間絶縁膜を形成する第2の工程
と、物理気相成長法により上記層間絶縁膜の表面全面に
アルミニウムを含む第1の金属膜を形成する第3の工程
と、上記第1の金属膜及び上記層間絶縁膜をエッチング
して上記ビアプラグ又は上記コンタクトプラグを形成す
べきホールを開口し、上記下層の金属配線又は上記電極
の表面を露出させる第4の工程と、選択化学気相成長法
により、第1の金属膜の表面に形成された自然酸化膜を
マスクとして、上記ホールにアルミニウムを含む金属を
埋め込んで上記ビアプラグ又は上記コンタクトプラグを
形成する第5の工程と、エッチングにより、上記自然酸
化膜を除去する第6の工程と、化学気相成長法により、
上記第1の金属膜及び上記ビアプラグ又は上記コンタク
トプラグの表面全面にアルミニウムを含む第2の金属膜
を形成する第7の工程とからなることを特徴としてい
る。
【0008】請求項2記載の発明は、請求項1記載の半
導体装置の製造方法に係り、上記第1の工程では、上記
下層の金属配線又は上記電極の少なくとも上面にバリヤ
メタル膜を形成することを特徴としている。
【0009】請求項3記載の発明は、請求項2記載の半
導体装置の製造方法に係り、上記バリヤメタル膜は、タ
ングステン膜やチタン膜の単独の膜、それぞれの化合物
からなる膜、あるいはこれらの膜を積層した積層膜であ
ることを特徴としている。
【0010】請求項4記載の発明は、請求項1乃至3の
いずれか1に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記
第3の工程では、直流スパッタ法により、基板温度を1
00゜C、アルゴンガスの流量を標準状態時換算で毎分
50〜300cc、上記アルゴンガスのガス圧を1〜10
mTorr、直流電力を5〜30kWとし、膜厚1000オン
グストロームのアルミニウム膜を形成することを特徴と
している。
【0011】請求項5記載の発明は、請求項1乃至4の
いずれか1に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記
第5の工程では、基板温度100゜C〜270゜C、装
置内圧力0.1〜10Torrとし、原料ガスの液体原料に
キャリアガスとして水素ガスを標準状態時換算で毎分5
0〜2000ccの流量でバブリングして装置内に導入す
ることを特徴としている。
【0012】請求項6記載の発明は、請求項1乃至5の
いずれか1に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記
第7の工程では、基板温度100゜C〜300゜C、装
置内圧力0.1〜30Torrとし、原料ガスの液体原料に
キャリアガスとして水素ガスを標準状態時換算で毎分5
0〜2000ccの流量でバブリングして装置内に導入す
ることを特徴としている。
【0013】請求項7記載の発明は、請求項1乃至6の
いずれか1に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記
第5又は第7の工程では、原料ガスとして、ジメチルア
ルミニウムハイドライド、アルキルアルミニウム、ある
いはアルミニウムハイドライドアミンアダクツのいずれ
か1つを用いることを特徴としている。
【0014】請求項8記載の発明は、請求項1乃至7の
いずれか1に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記
第6の工程では、塩素や三塩化ホウ素の塩素系ガスを用
いたドライエッチングにより、上記自然酸化膜を除去す
ることを特徴としている。
【0015】請求項9記載の発明は、請求項1乃至8の
いずれか1に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記
第7の工程は、上記第6の工程と同一の装置内において
真空状態を保持したまま処理を行うことを特徴としてい
る。
【0016】
【作用】この発明の構成の半導体装置の製造方法によれ
ば、ボイドを発生させずに、コンタクトホールやビアホ
ールに完全にアルミニウムを含む金属を埋め込むことが
できる。また、物理気相成長法により第1の金属膜を形
成した後、化学気相成長法により第2の金属膜を形成し
ているので、結晶配向性の良好な第1の金属膜上に結晶
配向性も平滑性も共に良好な第2の金属膜がエピタキシ
ャル成長する。これにより、半導体装置の歩留まりや信
頼性を向上させることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。図1及び図2は、この発明の一実施例
である半導体装置の製造方法を示す工程図である。以
下、順を追ってその製造工程を説明する。まず、図1
(a)に示すように、シリコン基板等からなる半導体基
板11上には、標準的な半導体集積回路の製造方法によ
り、その内部及び表面に図示せぬトランジスタ等の各種
素子が形成された後、その全面にシリコン酸化膜等から
なる層間絶縁膜12が、その一部にAl膜13及びバリ
ヤメタル膜14からなる下層の金属配線が順に形成さ
れ、さらにその全面にシリコン酸化膜等からなる層間絶
縁膜15が形成されている。バリヤメタル膜14として
は、例えば、膜厚500オングストロームの窒化チタン
(TiN)膜及び膜厚300オングストロームのTi膜
が積層されたものを用いる。なお、Al膜13と層間絶
縁膜12との間にも、バリヤメタル膜を形成しても良
い。また、Al膜13及びバリヤメタル膜14の成膜方
法は、PVD法でもCVD法でも良い。
【0018】次に、図1(b)に示すように、スパッタ
法等のPVD法により、膜厚1000オングストローム
のPVD−Al膜16を形成する。直流(DC)スパッ
タ法を用いる場合、例えば、基板温度を100゜C、ア
ルゴン(Ar)ガスの流量を50〜300sccm(standa
rd cubic centimeter per minute、これは標準状態時換
算で毎分50〜300ccの流量を意味する)、Arガス
のガス圧を1〜10mTorr、直流電力を5〜30kWとす
る。そして、この工程を経た半製品をPVD装置から取
り出すと、半製品が大気に曝されるので、半製品の上層
に形成されたPVD−Al膜16が大気中の酸素によっ
て酸化され、その表面には、膜厚が100オングストロ
ーム程度の酸化アルミニウム(Al23)膜が形成され
る。この酸化アルミニウム膜は、自然の過程で形成され
るので、自然酸化膜と呼ばれる。次に、通常のリソグラ
フィ(lithography)技術を用いて、半製品上に形成す
べきビアホールのレジストパターンを形成した後、PV
D−Al膜16をエッチングする。この後、層間絶縁膜
15をエッチングしてビアホール17を開口し、バリヤ
メタル膜14の上層のTiN膜又はTi膜を露出させる
(図1(c)参照)。
【0019】次に、図2(a)に示すように、選択CV
D法によりバリヤメタル膜14上のみにAlからなるビ
アプラグ18を形成する。この選択CVD法において
は、原料ガスにジメチルアルミニウムハイドライド(D
MAH: dimethylaluminum hydride)(CH32AlH
を用い、その液体原料にキャリアガスである水素
(H2)ガスを流量50〜2000sccmで投入すること
によりバブリング(bubbling)してガス化させた後、C
VD装置内に導入する。この場合、基板温度100゜C
〜270゜C、CVD装置内の圧力0.1〜10Torrと
することにより、ビアホール17の底部のバリヤメタル
膜14からボイドが発生しないビアプラグ18が形成さ
れる。このように、ビアプラグ18が選択的に形成され
るのは、自然酸化膜である酸化アルミニウム膜がAlの
選択成長に対して不活性であるので、この酸化アルミニ
ウム膜がいわばマスクの役割を果たすためと考えられ
る。
【0020】次に、塩素(Cl2)や三塩化ホウ素(B
Cl3)等の塩素系ガスを用いたドライエッチングによ
り、PVD−Al膜16の表面に形成された酸化アルミ
ニウム膜を除去した後、同一の装置内において真空状態
を保持したまま、CVD法により、CVD−Al膜19
をPVD−Al膜16の全面に形成すると、CVD−A
l膜19がPVD−Al膜16上にエピタキシャル成長
する。ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチ
ング(RIE: Reactive IonEtching)などにより行
う。また、CVD法においては、原料ガスにジメチルア
ルミニウムハイドライドを用い、その液体原料に水素ガ
スを流量50〜2000sccmで投入することによりバブ
リングしてガス化させた後、CVD装置内に導入する。
この場合、基板温度100゜C〜300゜C、CVD装
置内の圧力0.1〜30Torrとする。
【0021】このように、この例の構成によれば、Al
の選択成長に対して不活性な自然酸化膜がマスクの役割
を果たすので、選択CVD法を用いて、ビアプラグ18
をビアホール17の底部のバリヤメタル膜14からボイ
ドが発生することなく選択的に形成することができる。
また、上記実施例の構成によれば、PVD法、特に、ス
パッタ法により形成されたPVD−Al膜16は、良好
な結晶配向性で格子面(111)面に配向されているの
で、自然酸化膜が除去された表面にCVD法を用いてC
VD−Al膜19を形成すると、CVD−Al膜19が
格子面(111)面を配向面としてPVD−Al膜16
上にエピタキシャル成長する。これにより、結晶配向性
も平滑性も共に良好なCVD−Al膜19が形成でき
る。これは、上層に形成される薄膜の成長速度は下層の
薄膜の結晶配向性に依存するが、結晶配向性が良好な薄
膜の上では凹凸を生じることなく、薄膜が形成されるか
らである。したがって、次の製造工程であるリソグラフ
ィ工程でのアライメント(alignment)が良好にでき
る。また、上記のように、PVD−Al膜16もCVD
−Al膜19も共に格子面(111)面を配向面として
配向されるので、エレクトロマイグレーションに対する
耐性が高い。これは、格子面(111)面に配向された
薄膜は、エレクトロマイグレーションに対する耐性が一
般的に高いからである。
【0022】以上、この発明の実施例を図面を参照して
詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られる
ものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計
の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上述
の実施例においては、ビアプラグ18及びCVD−Al
膜19を選択CVD法及びCVD法により形成する際
に、原料ガスとしてジメチルアルミニウムハイドライド
を用いた例を示したが、これに限定されない。例えば、
トリイソブチルアルミニウム(tri-isobutylaluminum)
(C493Alなどのアルキルアルミニウム(alkyl a
luminum)やアルミニウムハイドライドアミンアダクツ
(aluminum hydride amine adduct)((CH33NA
lH3、(CH33NAlH3N(CH33、(CH32
(C25)NAlH3)を用いても同様の効果が得られ
る。また、上述の実施例においては、バリヤメタル膜1
4は、TiN膜とTi膜との積層膜により構成した例を
示したが、これに限定されず、タングステン(W)膜や
Ti膜などの単独の高融点金属膜やその化合物からなる
膜、あるいはこれらの膜を積層した積層膜の中から、抵
抗値やAl膜との反応性等を考慮して選択し、構成する
ことができる。さらに、上述の実施例においては、ビア
プラグ18を形成する例を示したが、これに限定され
ず、コンタクトプラグを形成する場合にも同様な効果が
得られるのは、もちろんである。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の半導体
装置の製造方法によれば、ボイドを発生させずに、コン
タクトホールやビアホールに完全にアルミニウムを含む
金属を埋め込むことができる。また、物理気相成長法に
より第1の金属膜を形成した後、化学気相成長法により
第2の金属膜を形成しているので、結晶配向性の良好な
第1の金属膜上に結晶配向性も平滑性も共に良好な第2
の金属膜がエピタキシャル成長する。これにより、半導
体装置の歩留まりや信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例である半導体装置の製造方
法を示す工程図である。
【図2】この発明の一実施例である半導体装置の製造方
法を示す工程図である。
【図3】従来の半導体装置の製造方法を示す工程図であ
る。
【符号の説明】
11 半導体基板 12,15 層間絶縁膜 13 Al膜 14 バリヤメタル膜 16 PVD−Al膜 17 ビアホール 18 ビアプラグ 19 CVD−Al膜

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多層構造を有する半導体装置の各層に形
    成される複数の金属配線、金属配線同士を層間絶縁膜を
    介して電気的に接続するビアプラグ、あるいは、前記半
    導体装置を構成する各素子の電極と前記金属配線とを層
    間絶縁膜を介して電気的に接続するコンタクトプラグを
    形成する半導体装置の製造方法であって、 前記半導体基板上に下層の金属配線又は前記電極を形成
    する第1の工程と、 前記半導体基板の表面全面に層間絶縁膜を形成する第2
    の工程と、 物理気相成長法により前記層間絶縁膜の表面全面にアル
    ミニウムを含む第1の金属膜を形成する第3の工程と、 前記第1の金属膜及び前記層間絶縁膜をエッチングして
    前記ビアプラグ又は前記コンタクトプラグを形成すべき
    ホールを開口し、前記下層の金属配線又は前記電極の表
    面を露出させる第4の工程と、 選択化学気相成長法により、第1の金属膜の表面に形成
    された自然酸化膜をマスクとして、前記ホールにアルミ
    ニウムを含む金属を埋め込んで前記ビアプラグ又は前記
    コンタクトプラグを形成する第5の工程と、 エッチングにより、前記自然酸化膜を除去する第6の工
    程と、 化学気相成長法により、前記第1の金属膜及び前記ビア
    プラグ又は前記コンタクトプラグの表面全面にアルミニ
    ウムを含む第2の金属膜を形成する第7の工程とからな
    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の工程では、前記下層の金属配
    線又は前記電極の少なくとも上面にバリヤメタル膜を形
    成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製
    造方法。
  3. 【請求項3】 前記バリヤメタル膜は、タングステン膜
    やチタン膜の単独の膜、それぞれの化合物からなる膜、
    あるいはこれらの膜を積層した積層膜であることを特徴
    とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第3の工程では、直流スパッタ法に
    より、基板温度を100゜C、アルゴンガスの流量を標
    準状態時換算で毎分50〜300cc、前記アルゴンガス
    のガス圧を1〜10mTorr、直流電力を5〜30kWと
    し、膜厚1000オングストロームのアルミニウム膜を
    形成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1
    に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第5の工程では、基板温度100゜
    C〜270゜C、装置内圧力0.1〜10Torrとし、原
    料ガスの液体原料にキャリアガスとして水素ガスを標準
    状態時換算で毎分50〜2000ccの流量でバブリング
    して装置内に導入することを特徴とする請求項1乃至4
    のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第7の工程では、基板温度100゜
    C〜300゜C、装置内圧力0.1〜30Torrとし、原
    料ガスの液体原料にキャリアガスとして水素ガスを標準
    状態時換算で毎分50〜2000ccの流量でバブリング
    して装置内に導入することを特徴とする請求項1乃至5
    のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記第5又は第7の工程では、原料ガス
    として、ジメチルアルミニウムハイドライド、アルキル
    アルミニウム、あるいはアルミニウムハイドライドアミ
    ンアダクツのいずれか1つを用いることを特徴とする請
    求項1乃至6のいずれか1に記載の半導体装置の製造方
    法。
  8. 【請求項8】 前記第6の工程では、塩素や三塩化ホウ
    素の塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、前記
    自然酸化膜を除去することを特徴とする請求項1乃至7
    のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記第7の工程は、前記第6の工程と同
    一の装置内において真空状態を保持したまま処理を行う
    ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1に記載の
    半導体装置の製造方法。
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