JP3149912B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置におけ
る配線用アルミニウム薄膜の形成方法およびアルミニウ
ム配線を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】LSIの高集積化・高速化のために、L
SIの設計ルールは微細化し、配線用の溝幅や接続孔の
径は小さくなり、アスペクト比(深さと開口寸法との
比)は大きくなっている。このような配線用の溝や接続
孔の埋め込み方法として、原理的に段差被覆性の良い気
相化学成長法を用いた金属膜の形成方法が開発されてい
る。
【0003】従来の金属薄膜の形成方法の例を図5に示
す。本従来例は特開平8−298288号公報に記載さ
れている。この方法による金属薄膜の形成方法は、まず
図5(a)に示すように、シリコン基板105に第1の
アルミニウム配線(Al配線)104を形成する。続い
てSiO2膜103を堆積後ビアホール101を開口す
る。続いて、TiN膜102を堆積する。この後、CV
Dでアルミニウム膜を堆積するまでの間に装置間の搬送
を行うが、その際、基板表面に有機物などの汚染物10
6が付着する。次に、図5(b)に示すように、この基
板を水素プラズマ107に曝すと、汚染物106が除去
され、かつTiN膜102の表面が水素によって還元さ
れて清浄な金属面を出す。続いて、図5(c)に示すよ
うに、有機アルミニウムを用いた化学気相成長法(CV
D法)によりCVD−Al膜108を堆積させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例では、基板がイオンや電子に曝されるため、シ
リコン基板やゲート絶縁膜にプラズマのダメージを与
え、半導体装置の歩留りを劣化させるという問題があ
る。
【0005】そこで本発明の目的は、プラズマのダメー
ジを与えることなく、信頼性が高くかつ微細な配線の形
成を可能とし、歩留まりを向上させ、製造コストを低減
できる半導体装置の製造方法、及び高集積化・高速化さ
れ且つ安価な半導体装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に絶縁
膜を堆積し、該絶縁膜にコンタクトホールあるいはビア
ホールのうち少なくとも一つを形成する工程と、高融点
金属膜を、少なくともその膜表面近傍に原子状水素を
×10 20 個/cm 3 以上含むように形成する工程と、有
機アルミニウムを用いた化学気相成長法でアルミニウム
膜を、前記高融点金属膜が内表面に形成された前記コン
タクトホールあるいはビアホールを埋め込むように形成
する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方
法に関する。
【0007】また、本発明は、基板上に絶縁膜を堆積
し、該絶縁膜にコンタクトホールあるいはビアホールの
うち少なくとも一つを形成する工程と、高融点金属膜を
形成する工程と、該高融点金属膜の少なくとも表面近傍
に原子状水素を含むように、熱で解離した原子状水素を
照射する工程と、有機アルミニウムを用いた化学気相成
長法でアルミニウム膜を、前記高融点金属膜が内表面に
形成された前記コンタクトホールあるいはビアホールを
埋め込むように形成する工程を有することを特徴とする
半導体装置の製造方法に関する。
【0008】また、基板上に、アルミニウム配線および
高融点金属膜を有する半導体装置であって、前記高融点
金属膜は少なくともその表面近傍に原子状水素を5×1
20 個/cm 3 以上含んでおり、前記アルミニウム配線
は前記高融点金属膜に直接接している構造を有する半導
体装置に関する。
【0009】
【作用】基板上に原子状水素を吸着させておくと、アル
ミニウムの化学気相成長において、有機アルミニウムと
容易に反応を起こす。このため、基板上のアルミニウム
の島の大きさが小さくなり、島密度が1桁以上増加する
ことを見い出した。これは次のように解釈できる。つま
り、化学気相成長では有機アルミニウムの分解によって
アルミニウム原子が堆積するが、基板上に原子状水素が
存在することによりこの反応が促進される。このため、
基板上にアルミニウム原子が増加し、臨界核の大きさを
超える核の数が増加したために島密度が増加した。化学
気相成長ではアルミニウムの堆積は、核形成、島の合
体、膜の形成という順で進行する。したがって、島密度
の増加によって、島が合体した直後の最小のアルミニウ
ム膜厚は減少し、より微細なビアホールの埋め込みが可
能となった。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【0011】図1は半導体装置の製造方法の第1の実施
の形態の主要工程における半導体装置の断面図である。
第1の実施の形態の実施例として、本発明をシリコン集
積回路における配線工程に適用した場合を例示する。1
はシリコン基板、2は第1のAl配線、3は酸化シリコ
ン膜、4はビアホールである。
【0012】まず、図1(a)に示すように、シリコン
基板1に第1のAl配線2を形成後、層間絶縁膜として
酸化シリコン膜3を堆積し、これにリソグラフィとエッ
チングでビアホール4を開口した。
【0013】続いて、図1(b)に示すように、バリア
メタルであるTiからなる膜、およびTiN膜5を形成
する。Ti膜は図示していない。通常、TiN膜の形成
は、Tiのターゲットをアルゴンと窒素のガス中でスパ
ッタリングして行う。しかし本実施例では、これらのガ
ス以外に水素を添加する。例えば、Ar:N2:H2=5
0:30:20の流量比で、パワー500W、圧力5m
Torrでスパッタすると、TiN膜に原子状水素が1
23個/cm3添加された水素添加TiN膜5が形成さ
れた。
【0014】続いて、図1(c)に示すように、ジメチ
ルアルミニウムハイドライドを用い、圧力5Torr、
基板温度200℃、流量1slmで化学気相成長を行う
と、CVD−Al膜6が堆積し、半径50nmのビアホ
ールが埋め込めた。
【0015】本実施例におけるCVD−Al膜6はその
厚さが10nmで島が融合して膜になったが、水素添加
TiN膜を用いない場合には100nmからしか膜にな
らず、100nm以下の半径のビアホールを埋め込むこ
とができなかった。これに対し、水素添加のTiN膜上
では10nmでAlが膜になることから、10nmの半
径のビアホールも埋め込むことが可能であると予想され
る。
【0016】本実施例では、窒素と水素を用いた場合を
例示したが、窒素と水素の代わりにNH3を用いること
も可能である。また、原子状水素は、高融点金属膜の表
面近傍に5×1020個/cm3以上含んでいればよく、
従って水素の流量も上記以外の量であってもTiN膜表
面で上記値以上あればいくらでもよい。アルゴンと窒素
の比、スパッタリングパワー、圧力などのパラメータ
は、TiN膜の膜質と水素の添加量に応じて適宜選べば
よい。
【0017】次に本発明の製造方法の第2の実施の形態
について図面を参照して説明する。
【0018】図2(a)に標準的な半導体装置の製造方
法を用いて形成されたビアホール開口後の半導体装置の
断面図を示す。シリコン基板1に第1のAl配線2を形
成後、絶緑膜として酸化シリコン膜3を堆積し、ビアホ
ール4を開口した。続いて、物理気相成長法によりTi
膜とTiN膜11を形成した。Ti膜は図示していな
い。
【0019】次に、図2(b)に示すように、基板を真
空装置に設置後、10-5Torr以下に保ち、タングス
テンフィラメント(Wフィラメント)13を2000℃
に加熱し、水素を1sccmで流すと、熱で解離したH
原子12が基板に照射される。このH原子はTiN膜の
表面やTiN結晶の粒界に付着する。このとき、TiN
膜の表面近傍には1023個/cm3以上の水素が含まれ
ていた。
【0020】次に、ジメチルアルミニウムハイドライド
を用いた化学気相成長法により、図2(c)に示すよう
にCVD−Al膜6を形成する。化学気相成長の条件は
第1の実施の形態の実施例と同じである。これによっ
て、ビアホールがCVD−Al膜で埋め込まれ、第1の
Al配線2との電気的接続が可能となる。
【0021】上述した2つの実施例では、バリアメタル
としてチタンを用いた場合を例示したが、窒化チタンや
窒化タングステン等の窒素化合物や、タングステン等の
高融点金属およびその化合物を用いても同様の効果があ
る。
【0022】また、アルミニウム原料として、ジメチル
アルミニウムハイドライドを用いた場合を例示したが、
トリイソブチルアルミニウム(TIBA)、モノメチル
アルミニウムダイハイドライド(MMADH)、ジエチ
ルアルミニウムハイドライド(DEAH)、トリメチル
アミンアラン(TMAA)、トリエチルアミンアラン
(TEAA)、ジメチルエチルアミンアラン(DEMA
A)のうちいずれか一つ又はこれらを含む混合物や分子
間化合物などの原料を始めとする、原子状水素と反応を
起こすアルミニウム化合物であればいかなるものでもよ
い。上述の原料を用いた場合の代表的な気相化学成長条
件を表1に示すが、それぞれの原料にあった範囲で、ビ
アホールを埋め込める条件であれば表1に限定するもの
ではない。
【0023】
【表1】
【0024】キャリアガスとしては、水素の他にアルゴ
ンなどの希ガスや窒素などを用いることができる。
【0025】以上の2つの実施例において作製された半
導体装置は、図3に示すような構造となり、中でも特徴
的なTiN膜の詳細は図4に示してある。1はシリコン
基板、2は第1のAl配線、3は酸化シリコン膜、6は
CVD−Al膜、10及び11はTiN膜、20は原子
状水素の含有層である。この半導体装置には、TiN膜
の表面および結晶粒界に原子状水素が含まれており、こ
の構造にすることによって、微細なビアホールがAlの
化学気相成長法による堆積で埋め込まれる。本発明にお
いて、高融点金属膜の少なくとも表面近傍の原子状水素
の濃度は5×1020個/cm3以上であることが好まし
く、この値以上であればこの濃度を大きくすることはア
ルミニウム膜の形成に何ら支障を与えない。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板にイオンやプラズマのダメージを与えることなく、微
細なビアホール等をAlで埋め込むことが可能になり、
微細なデザインルールのLSIにおいても信頼性の高い
配線を形成することができ、LSIのチップ面積の縮小
が可能となり、歩留まりも向上する。このため、高集積
化・高速化されたLSIを低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造方法の第1の実施の
形態の主要工程を示す断面図である。
【図2】本発明の半導体装置の製造方法の第2の実施の
形態の主要工程を示す断面図である。
【図3】本発明の半導体装置を示す断面図である。
【図4】本発明の半導体装置のTiN膜の詳細を示す断
面図である。
【図5】従来の半導体装置の製造方法の主要工程を示す
断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 第1のAl配線 3 酸化シリコン膜 4 ビアホール 5 水素添加TiN膜 6 CVD−Al膜 10、11 TiN膜 12 H原子 13 Wフィラメント 20 原子状水素の含有層 101 ビアホール 102 TiN膜 103 SiO2膜 104 第1のAl配線 105 シリコン基板 106 汚染物 107 水素プラズマ 108 CVD−Al膜

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に絶縁膜を堆積し、該絶縁膜にコ
    ンタクトホールあるいはビアホールのうち少なくとも一
    つを形成する工程と、高融点金属膜を、少なくともその
    膜表面近傍に原子状水素を5×10 20 個/cm 3 以上
    むように形成する工程と、有機アルミニウムを用いた化
    学気相成長法でアルミニウム膜を、前記高融点金属膜が
    内表面に形成された前記コンタクトホールあるいはビア
    ホールを埋め込むように形成する工程を有することを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記高融点金属膜を、水素あるいは水素
    化合物ガスを含む雰囲気で物理気相成長法で形成する請
    求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 基板上に絶縁膜を堆積し、該絶縁膜にコ
    ンタクトホールあるいはビアホールのうち少なくとも一
    つを形成する工程と、高融点金属膜を形成する工程と、
    該高融点金属膜の少なくとも表面近傍に原子状水素を含
    むように、熱で解離した原子状水素を照射する工程と、
    有機アルミニウムを用いた化学気相成長法でアルミニウ
    ム膜を、前記高融点金属膜が内表面に形成された前記コ
    ンタクトホールあるいはビアホールを埋め込むように形
    成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記高融点金属膜の少なくとも表面近傍
    に原子状水素を5×1020個/cm3以上含むように、
    熱で解離した原子状水素を照射する工程を有する請求項
    記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 高融点金属膜を物理気相成長法で形成す
    る請求項3又は4記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 基板上に、アルミニウム配線および高融
    点金属膜を有する半導体装置であって、前記高融点金属
    膜は少なくともその表面近傍に原子状水素を5×10 20
    個/cm 3 以上含んでおり、前記アルミニウム配線は前
    記高融点金属膜に直接接している構造を有する半導体装
    置。
  7. 【請求項7】 基板上に形成された絶縁膜にコンタクト
    ホールあるいはビアホールのうち少なくとも一つを有
    し、該絶縁膜上に高融点金属膜を有し、該高融点金属膜
    上にアルミニウム配線を有する半導体装置であって、 前記高融点金属膜は、原子状水素を少なくともその膜表
    面近傍に5×10 20 個/cm 3 以上含んでおり、前記ア
    ルミニウム配線は、前記高融点金属膜に直接接し、前記
    高融点金属膜が内表面に形成された前記コンタクトホー
    ルあるいはビアホールを埋め込んでいる構造を有する半
    導体装置。
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