JP3278877B2

JP3278877B2 - 配線の形成方法

Info

Publication number: JP3278877B2
Application number: JP29345991A
Authority: JP
Inventors: 和弘星野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1991-11-08
Publication date: 2002-04-30
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: JPH05136138A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置の製造プ
ロセスで用いる配線の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩにおいては半
導体装置のデザイン・ルールが縮小されるに伴い、電気
的接続孔（コンタクトホール及びスルーホール）も微細
化し、アスペクト比が１を越えるまでになって来てい
る。配線は一般にスパッタリング法を用いてアルミニウ
ム系材料を被着させることにより形成されているが、ア
スペクト比１以上の高アスペクト比を有する接続孔を埋
め込むには十分な段差被覆性（ステップカバレージ）が
達成されにくく、断線を生じる原因になっている。そこ
で、段差被覆性の不足を改善するための対策として、近
年高温スパッタリング法が提案されている。この技術
は、スパッタリング中にウェーハを約５００℃に加熱
し、基板に付着したＡｌ粒子を熱によって表面流動さ
せ、高アスペクト比のコンタクトホールにＡｌを埋め込
むものである。ところで、高温スパッタリング法による
Ａｌ埋め込みは、Ａｌの下地材料によって埋まる場合と
埋まらない場合がある。埋まる場合は下地とＡｌとの濡
れ性が良い場合である。ＴｉはＡｌと濡れ性が良い材料
であり、下地材料として用いるとＡｌの表面流動性が高
まりアスペクト比の高いコンタクトホールを埋め込むこ
とができる（半導体・集積回路技術第４０回シンポジウ
ム講演論文集第１９頁，１９９１）。

【０００３】しかし、Ａｌの下地にＴｉを用いた場合で
も、コンタクトホールのアスペクト比が１以上の領域で
は前述のステップカバレージの低下によって、コンタク
トホール底部に対して側壁に十分な厚さのＴｉを形成で
きなくなり、Ａｌの埋め込みが不安定になる。この現象
は、以下のように説明される。即ち、接続孔において酸
素を含む絶縁膜や合金膜がＴｉと接した構造の場合に、
Ｔｉと酸素がＡｌ成膜時の高温で反応し、酸化チタン
（ＴｉＯ_X）を形成する。Ｔｉ層の厚さが十分あればＴ
ｉ層の表面に酸素が拡散することはないが、Ｔｉが非常
に薄い場合には酸素がＴｉ表面にまで拡散し、ＴｉＯ_X
となる。Ａｌ高温スパッタの際、下地がＴｉＯ_Xになっ
ているとＡｌの反応性が低下しＡｌをホール内に埋め込
むことができなくなる。

【０００４】この対策として、これまでに以下に述べる
方法が提案されている。その一つは、下地がＴｉの場合
に、接続孔側壁にＳｉＮ膜を形成する方法である。これ
は、Ｔｉと絶縁膜中の酸素の反応をＳｉＮのバリア効果
によって防ぐ方法である。もう一つの方法は、Ｔｉ／Ｔ
ｉＮ／Ｔｉ構造の下地とし、その上にＡｌを高温スパッ
タリングで埋め込む方法である。絶縁膜中の酸素の拡散
はＴｉＮで抑制され、その上のＴｉは酸化せず、Ａｌを
高温スパッタで埋め込むことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は以下に述べる問題点を有している。前者は、コ
ンタクトホール側壁にＳｉＮを形成する工程が、ＣＶＤ
法による絶縁膜の成膜とエッチバックを含むため工程数
が増え、スループットが低下する問題がある。後者は、
ＴｉＮのステップカバレージがＴｉ等のそれに比べて悪
いため高アスペクトの微細接続孔ではＴｉＮが側壁に殆
ど付着しなくなり、実効的な酸素拡散バリア効果が薄れ
ていくという問題が生じる。

【０００６】本発明は、上記したような問題点に着目し
て創案されたものであって、微細な接続孔内に精度よく
アルミニウム系金属を埋め込むことを可能にし、信頼性
の高い配線の形成方法を得んとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１記載の
発明は、シリコン基板に拡散層を形成し、前記シリコン
基板および拡散層上にシリコン酸化膜を形成し、前記シ
リコン酸化膜を選択的に開孔して前記拡散層を露出させ
る接続孔を形成し、前記接続孔内面にＴｉ膜を形成し、
前記Ｔｉ膜上にＴｉＯＮ膜を形成し、前記ＴｉＯＮ膜上
に、Ｔｉを基とし、該Ｔｉの酸化物生成自由エネルギー
よりも低い酸化物生成自由エネルギーを持った元素を含
む合金層を敷設した後、前記シリコン基板を加熱しなが
ら前記合金層上にアルミニウム合金膜をスパッタリング
法で形成し、前記接続孔を埋め込むことを、その解決方
法としている。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、チタンを基とした合金層が、チタンの酸化
物生成自由エネルギーよりも低い酸化物生成自由エネル
ギーを持った元素を含むことを特徴としている。

【０００９】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、半導体基板を３５０〜６００℃の範囲で加
熱しながら、チタンを基とした合金層の上にアルミニウ
ム合金膜をスパッタリング法で形成することを特徴とし
ている。

【００１０】

【００１１】

【作用】各種物質は、酸化物生成エネルギーの値が低い
程、酸化され易いと言える。図４は、チタン（Ｔｉ）と
アルミニウム（Ａｌ）の酸化物生成エネルギーと温度の
関係を示す酸化物生成エネルギー−温度グラフである。
このグラフから判るように、ＴｉとＡｌの酸化物生成エ
ネルギーを見ると、Ａｌの方がＴｉに比べて酸化され易
すいことが分かる。即ち、ＴｉとＡｌが膜中に存在し、
そこに酸素が侵入してくると酸素はＴｉと結合せず、Ａ
ｌと結合するのである。

【００１２】本発明では、このＴｉと添加元素の酸素と
の結合性の違いを利用している。酸化膜形成・接続孔開
孔後、ＴｉーＡｌ合金を基板全面に形成し、高温スパッ
タでＡｌ膜を形成すると、酸化膜とＴｉ−Ａｌ合金の間
で反応が生じる。ここでは、Ａｌが酸素と反応するため
Ｔｉは酸化されず、Ａｌ成膜時に地下Ｔｉ表面の酸化に
よるＡｌ流動性の劣化という問題は生じない。従って、
微細接続孔にＡｌを精度良く埋め込み平坦化することが
可能となる。

【００１３】以下に反応機構を詳細に説明する。

【００１４】図５は、Ｔｉ−Ａｌ系平衡状態図である。
安定相としてＴｉＡｌ₃（６２．８重量％Ａｌ）が存在
する。ＴｉにＡｌを添加した合金においては、ＡｌはＴ
ｉと反応してＴｉＡｌ₃の形で存在する。

【００１５】このＡｌ−Ｔｉ合金と酸素の反応は、ＴｉＡｌ₃＋９／３Ｏ₂→Ｔｉ＋３／２Ａｌ₂Ｏ₃ で表される。すなわち、酸素はＡｌと反応しアルミ酸化
物を形成し、ＴｉＡｌ₃は還元されてＴｉとなる。この
作用によってＡｌ高温スパッタリング時に下地Ｔｉは酸
化されず、従ってＡｌの流動性は劣化することなく、微
細コンタクトホールを埋め込むことができるのである。
このとき、基板加熱温度は、上記したＡｌの流動性を良
好にするため、３５０〜６００℃の範囲が適当である。

【００１６】なお、Ｔｉに添加する元素はＡｌ以外にＭ
ｇ，Ｂｅ，Ｚｒ，Ｂａでも同様の効果が得られる。これ
らの元素は全て、Ｔｉに比べて酸化物生成自由エネルギ
ーが低い元素である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の詳細を図面に示す実施例に基
づいて説明する。

【００１８】（参考例１）この参考例は、半導体基板上に形成した第１層目のＡｌ
配線と第２層目のＡｌ配線の接続孔部に適用した参考例
である。

【００１９】先ず、図１（Ａ）に示すように、基板（図
示省略）上に形成したＳｉＯ_２でなる絶縁膜１上に、順
次Ｔｉ膜２，ＴｉＯＮ膜３，Ａｌ膜４を形成し、パター
ニングを行なって積層構造の第１層配線５とする。な
お、本実施例では、この第１層配線５を構成する各膜の
厚さ寸法は、Ｔｉ膜２が３０ｎｍ，ＴｉＯＮ膜３が１０
０ｎｍ，Ａｌ膜４が５００ｎｍと設定した。また、Ａｌ
膜４は、Ｓｉを１％含むＡｌ−１％Ｓｉで成る。

【００２０】このようにして第１層配線５を形成した
後、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）で成る層間絶縁膜
６を、例えば７００ｎｍの厚さで形成し、通常のリソグ
ラフィー技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技
術を用いて、同図（Ａ）に示すように、第１層配線５上
の層間絶縁膜６に接続孔７を開設する。

【００２１】次に、図１（Ｂ）に示すように、層間絶縁
膜６上及び接続孔７内面にＴｉ−１０％Ａｌで成る合金
層８を敷設する。この合金層８の形成方法は、ＤＣマグ
ネトロンスパッタリング法を用いて、以下に示す条件で
形成する。

【００２２】（合金層８の形成条件） ○ターゲット…Ｔｉ−１０％Ａｌ ○ガス及びその流量アルゴン（Ａｒ）…４０_ＳＣＣＭ ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…７ＫＷ ○基板温度…１５０℃ ○膜厚…１００ｎｍ続いて、図１（Ｃ）に示すように、同じくＤＣマグネト
ロンスパッタリング法により、Ａｌ−１％Ｓｉで成るＡ
ｌ膜９を形成し、上記した合金層８とＡｌ膜９とで第２
層配線１０が構成される。このＡｌ膜９の形成において
は、詳しくは高温スパッタリング法を用いるものであ
り、その形成条件は以下に示す通りである。

【００２３】（Ａｌ膜９の形成条件） ○ターゲット…Ａｌ−１％Ｓｉ ○ガス及びその流量アルゴン（Ａｒ）…４０_ＳＣＣＭ ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…１０ＫＷ ○基板温度…５００℃ ○膜厚…８００ｎｍ上記形成条件でＡｌ膜９を形成すると、層間絶縁膜６と
合金（Ｔｉ−１０％Ａｌ）層８との反応が生じる。ここ
では、合金層８中のＡｌが層間絶縁膜６中の酸素と反応
するため、Ｔｉ酸化されず、高温スパッタリングによる
Ａｌ膜９の成膜時に、下地Ｔｉ表面の酸化によるＡｌ流
動性の劣化という問題は生じない。このため、高温スパ
ッタリングによるＡｌの流動性によって図１（Ｃ）に示
すような高アスペクト比の接続孔７にＡｌを良好に埋め
込むことができる。

【００２４】（実施例１）図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明を半導体基板の拡散層と
第１層配線の接続孔部に適用した実施例１の各工程を示
している。

【００２５】先ず、例えばｐ型シリコン基板１１にｎ型
の拡散層１１ａを形成した後、シリコン酸化膜１２を例
えば７００ｎｍの膜厚に形成する。続いて、図２（Ａ）
に示すように、通常のリソグラフィー技術及びＲＩＥ技
術でコンタクトホール１３を開孔する。次に、このコン
タクトホール１３内の自然酸化膜を希弗酸で除去した
後、枚数式マルチチャンバスパッタリング装置にウエハ
を搬送し、Ｔｉ膜１４，ＴｉＯＮ膜１５，Ｔｉ−１０％
Ａｌで成る合金層１６を、真空を破ることなく、夫々Ｄ
Ｃマグネトロンスパッタリング法を用いて、順次、以下
に示す条件，膜厚で形成して図２（Ｂ）に示す構造にす
る。

【００２６】（Ｔｉ膜１４の形成条件） ○ターゲット…Ｔｉ ○ガス及びその流量アルゴン（Ａｒ）…４０_SCCM ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…４ＫＷ ○基板温度…１５０℃ ○膜厚…３０ｎｍ（ＴｉＯＮ膜１５の形成条件） ○ターゲット…Ｔｉ ○ガス及びその流量Ａｒ−６０％Ｎ₂…５０_SCCM ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…８ＫＷ ○基板温度…１５０℃ ○膜厚…７０ｎｍ（合金層１６の形成条件） ○ターゲット…Ｔｉ−１０％Ａｌ ○ガス及びその流量アルゴン（Ａｒ）…４０_SCCM ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…７ＫＷ ○基板温度…１５０℃ ○膜厚…３０ｎｍここで、上記Ｔｉ膜１４はシリコン基板１１とオーミッ
ク接触を取るために用い、ＴｉＯＮ膜１５は後記するＡ
ｌ膜１７とシリコン基板１１の間のバリアメタルとして
用いる。なお、上記した各膜の膜厚は推奨値をを示して
いる。

【００２７】次に、上記合金層１６を形成した後は、真
空を破ることなく、マルチチャンバスパッタ装置におけ
るＡｌスパッタチャンバにウエハを搬入し、ここで、高
温スパッタリング法でＡｌ−１％Ｓｉで成るＡｌ膜１７
を形成する。以下にＡｌ膜１７の形成条件付，膜厚を示
す。

【００２８】（Ａｌ膜１７の形成条件） ○ターゲット…Ａｌ−１％Ｓｉ ○ガス及びその流量アルゴン（Ａｒ）…４０_SCCM ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…１０ＫＷ ○基板温度…５００℃ ○膜厚…５００ｎｍ上記条件で、第１層目のＡｌ膜１７を形成すると、Ｔｉ
ＯＮ膜１５からＡｌスパッタ時の熱によって拡散してく
る酸素が合金（Ｔｉ−１０％Ａｌ）層１６中のＡｌと結
合するため、Ｔｉの酸化は生じない。このため、高温ス
パッタリングにあるＡｌの流動性によって、図２（Ｃ）
に示すように、高アスペクト比のコンタクトホール１３
にＡｌを埋め込むことができる。

【００２９】（参考例２）以下に、Ｔｉ−Ｍｇ合金を用いて第１層目のＡｌ配線と
第２層目のＡｌ配線の接続孔部に適用した参考例を、図
３（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。

【００３０】この参考例は、図３（Ａ）に示すように、
基板（図示省略）上に形成したＳｉＯ₂で成る絶縁膜２
１上に、順次Ｔｉ膜２２，ＴｉＯＮ膜２３，Ａｌ−１％
Ｓｉで成るＡｌ膜２４を形成し、パターニングを行なっ
て積層構造の第１層目配線２５とする。この第１層配線
２５を構成する。各膜の膜厚は、Ｔｉ膜２２が３０ｎ
ｍ，ＴｉＯＮ膜２３が１００ｎｍ，Ａｌ膜２４が５００
ｎｍとした。

【００３１】このようにして第１層配線２５を形成した
後、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）で成る層間絶縁膜
２６を例えば７００ｎｍの厚さで形成し、通常のリソグ
ラフィー技術及びＲＩＥ技術を用いて、同図（Ａ）に示
すように、第１層配線２５上の層間絶縁膜２６に接続孔
２７を開設する。

【００３２】次に、図３（Ｂ）に示すように、層間絶縁
膜２６上及び接続孔２７内面にＴｉ−１０％Ｍｇで成る
合金層２８を膜厚１００ｎｍで形成する。この合金層２
８の形成方法は、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を
用いて、以下に示す条件で形成する。

【００３３】（合金層２８の形成条件） ○ターゲット…Ｔｉ−５％Ｍｇ ○ガス及びその流量アルゴン（Ａｒ）…４０_SCCM ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…７ＫＷ ○基板温度…１５０℃ 次に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により、第２
層目のＡｌ−１％Ｓｉで成るＡｌ膜２９を形成する。こ
こでは、高温スパッタリング法を用いる。以下に、Ａｌ
膜２９の形成条件を示す。

【００３４】（Ａｌ膜２９の形成条件） ○ターゲット…Ａｌ−１％Ｓｉ ○ガス及びその流量アルゴン（Ａｒ）…４０_SCCM ○圧力…０．６７Ｐａ ○ＤＣ電力…１０ＫＷ ○基板温度…５００℃ ○膜厚…８００ｎｍ上記合金層２８及びＡｌ膜２９で第２層配線３０が構成
される。また、上記した条件でＡｌ膜２９を形成する
と、上記したように、接続孔２７側壁のＴｉの酸化は生
ぜず、高温スパッタリングによるＡｌの流動性によっ
て、図３（Ｃ）に示すように、高いアスペクト比の接続
孔にＡｌを埋め込むことができる。

【００３５】以上、実施例について説明したが、本発明
は、これらに限定されるものではなく、各種の設計変
更，条件変更等が可能であることは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】本発明の適用によって以下に述べる効果
が得られる。

【００３７】微細接続孔にＡｌ合金を高温スパッタで埋
め込む際、下地に本発明の酸化物生成自由エネルギーの
低い添加元素を含んだＴｉ合金層を敷くことによって、
絶縁膜とＴｉの反応で生じるＴｉの酸化は起こらず、Ａ
ｌの高い流動性が保たれるため、ウェーハ内に均一に精
度良くＡｌを埋め込むことができる効果がある。

【００３８】また、拡散層と第１層目の接続孔において
は、バリアー性の高いＴｉＯＮ等の酸素を含んだ膜と本
発明の酸化物生成自由エネルギーの低い添加元素を含ん
だＴｉ合金を併用することによりアロイピット・Ａｌス
パイク等の発生しない信頼性の高いコンタクト構造が得
られ、同時に良好なＡｌ埋め込みがなされる効果があ
る。

【００３９】さらに、本発明の酸化物生成自由エネルギ
ーの低い添加元素を含んだＴｉ合金は、Ｔｉと同様にス
パッタの際、良好なカバレージ特性を示すので微細な接
続孔の側壁に十分な膜厚が形成でき、カバレージ不足に
よる下地の段切れの問題は生じない。

【００４０】また、本発明を、例えば６４ＭＤＲＡＭ以
降のレベルのＬＳＩに適用することによって信頼性の高
いコンタクト構造が得られ工業的に見て非常に有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は参考例１の各工程を示す断面
図。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例１の各工程を
示す断面図。

【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は参考例２の各工程を示す断面
図。

【図４】ＴｉとＡｌの酸化物生成エネルギーと温度の関
係を示すグラフ。

【図５】Ｔｉ−Ａｌ系の平衡状態図。

【符号の説明】

４…Ａｌ膜、６…層間絶縁膜、７…接続孔、８…合金
（Ｔｉ−１０％Ａｌ）層、９…Ａｌ膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3205 H01L 21/321 H01L 21/3213 H01L 21/768 H01L 21/28 301

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板に拡散層を形成し、前記シリコン基板および拡散層上にシリコン酸化膜を形
成し、前記シリコン酸化膜を選択的に開孔して前記拡散層を露
出させる接続孔を形成し、前記接続孔内面にＴｉ膜を形成し、前記Ｔｉ膜上にＴｉＯＮ膜を形成し、前記ＴｉＯＮ膜上に、Ｔｉを基とし、該Ｔｉの酸化物生
成自由エネルギーよりも低い酸化物生成自由エネルギー
を持った元素を含む合金層を敷設した後、前記シリコン
基板を加熱しながら前記合金層上にアルミニウム合金膜
をスパッタリング法で形成し、前記接続孔を埋め込むこ
とを特徴とする配線の形成方法。
【請求項２】前記スパッタリング法はシリコン基板を
３５０〜６００℃の範囲で加熱する請求項１記載に係る
配線の形成方法。