JP3357700B2

JP3357700B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3357700B2
Application number: JP1591493A
Authority: JP
Inventors: 幸広牛久; 彰西山; 匡飯島; 寿子小野; 尚美二宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-01-05
Filing date: 1993-01-05
Publication date: 2002-12-16
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JPH06204218A

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
関わり、特に埋め込み式及び選択成長法を用いた配線形
成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の集積度が上がると共に各素
子間をつなぐ配線も複雑化、細線化されてきている。

【０００３】従来、半導体基板上に堆積された絶縁膜上
に金属を堆積、加工し、配線を形成し、さらにこの上に
絶縁膜を堆積し、平坦化を行っていた。しかし、配線の
微細化に伴い、金属の加工、絶縁膜の平坦化が困難とな
っており、また、金属配線間のスペースの狭い領域に絶
縁膜のボイドが形成されるなどの問題が生じてきた。

【０００４】そこで、特開昭６３−２４４８５８号に開
示されているように、絶縁膜が金属よりエッチングしや
すく、融点が高いという性質から、絶縁膜に溝をリアク
テブイオンエッチングで形成し、この溝に金属を流動化
させて埋め込む方法が有効であるとされてきた。

【０００５】また、金属配線をシード層を用いた選択成
長で形成する方法もある。この方法を用いた従来の工程
を以下に説明する。

【０００６】まず、半導体基板１０１上にＳｉＯ₂膜１
０２を堆積させ、選択成長のシード層となる薄膜１０３
を形成し、フォトリソグラフィー工程により、レジスト
パターン１０４を形成する（図５６）。

【０００７】次に、レジストパターン１０４をマスクに
シード層１０３の加工を行う（図５７）。

【０００８】その後、レジスト１０４を除去することに
より、シード層のパターン１０３を形成する（図５
８）。

【０００９】さらに全面にＳｉＯ₂膜１０５を堆積し
（図５９）、フォトリソグラフィー工程により下にある
シード層１０３を合わせてレジストパターン１０６を形
成する（図６０）。この時、合わせずれを考慮して、シ
ード層１０３よりもスペースを小さく形成する必要があ
る。

【００１０】続いて、ＲＩＥによりレジストパターン１
０６をマスクＳｉＯ₂膜１０５をエッチングする（図６
１）。

【００１１】次にレジストパターン１０６を除去し、配
線となる溝をＳｉＯ₂膜１０５内に形成する（図６
２）。

【００１２】最後にこの溝内に配線材料１０７を埋め込
み、配線を形成する（図６３）。この方法ではフォトリ
ソグラフィー工程を２回行わなくてはならず、工程が複
雑である。また、合わせずれを考慮しなければならず、
シード層を大きめに形成しなければならないためフォト
リソグラフィーの限界まで微細化できない。

【００１３】また、別の工程として、図５７の状態にお
いて、全面にＳｉＯ₂膜１０８を堆積させ（図６４）、
レジスト１０４をストッパーとして、ＳｉＯ₂膜１０８
の研磨を行い、平坦化する（図６５）。

【００１４】さらにレジスト１０４を剥離して配線とな
る溝を形成し、選択成長によりシード層上に配線層を形
成する。この方法を用いると、パターニングしたシード
層の形状がレジスト部より小さく形成されてしまう。こ
れは、例えばシード層にパラジウムを用いた場合、レジ
ストをマスクに塩酸と硝酸と過酸化水素の混合液でエッ
チングすると（図５６）、横方向にもエッチングされる
ため上記形状になる（図６６）。

【００１５】また、ＲＩＥで作成した場合でもエッチン
グ中の堆積物により上記形状になる。そこで、上記形状
のまま溝を形成すると、図６６のような形状になる。こ
の形状で選択成長を行うと、シード層の無い底の部分が
でき、その部分に空洞１０９ができてしまう。

【００１６】また、埋め込んだとしても横方向と、縦方
向に大きなストレスがかかり、クラック１１０が入り、
余分なストレスにより素子の信頼性を低下させてしまう
（図６７）。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述した様に、配線の
微細化が進むにつれて、加工が困難になり工程が複雑に
なるといった問題が生じてきた。

【００１８】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、比較的簡単な工程で配
線の微細加工が可能となり、しかも半導体特性が劣化す
ることのない埋め込み式または選択成長による金属配線
の形成方法を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は絶縁膜の配
線予定領域に第１の溝を形成する工程と、この配線予定
領域間の領域が広い部分に第２の溝を形成する工程と、
前記第１及び第２の溝内にＡｌを熱処理により流動化さ
せて堆積させ、金属配線層及びダミーの金属配線層を形
成する工程と、前記絶縁膜及び金属配線層全面を平坦化
することにより、前記ダミーの金属配線層を除去する工
程とを含む半導体装置の製造方法を提供することを特徴
とする。

【００２０】第２の発明は第１の絶縁膜を形成する工程
と、この第１の絶縁膜上に第１の膜を形成する工程と、
この第１の膜上に第２の膜を形成する工程と、この第２
の膜を所望の形状にパターニングする工程と、この第２
の膜からなるパターンをマスクに前記第１の膜をパター
ニングする工程と、前記第２の膜からなるパターンの幅
を細らせる工程と、全面に第２の絶縁膜を形成する工程
と、この第２の絶縁膜を少なくとも前記第２の膜からな
るパターンが表面に露出するまでエッチングすることに
より全面を平坦化する工程と、前記第２の膜からなるパ
ターンを除去し、前記第２の絶縁膜中に配線層の予定領
域となる溝を形成する工程と、この溝内に底部の前記第
１の膜をシード層として選択成長により金属膜を成長さ
せ配線層を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法
を提供することを特徴とする。

【００２１】第３の発明は絶縁膜の配線予定領域に溝を
形成する工程と、この絶縁膜上に金属とその融点を低下
させる添加物との混合物からなる膜を形成する工程と、
この金属及び添加物と反応しないガスあるいは真空中
で、熱処理を行い前記混合物からなる膜を流動化させて
前記溝に埋め込んだ後、前記添加物と反応する物質と前
記混合物とを反応させ前記混合物中から前記添加物を除
去する工程とを含む半導体装置の製造方法を提供するこ
とを特徴とする。

【００２２】第４の発明は絶縁膜の配線予定領域に溝を
形成する工程と、この絶縁膜上に金属とその融点を低下
させる添加物との混合物からなる膜を形成する工程と、
この金属及び添加物と反応しないガスに水素を混入した
雰囲気中あるいは水素雰囲気中での熱処理を行い前記混
合物からなる膜を流動化させて前記溝に埋め込んだ後、
前記添加物と反応する物質と前記混合物とを反応させ前
記混合物中から前記添加物を除去する工程とを含む半導
体装置の製造方法を提供する。

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【作用】第１の発明では絶縁膜の溝内を流動化された金
属で埋め込む際に、溝以外の絶縁膜上に残された金属を
エッチング等の方法により除去することにより配線の不
良を防ぐことができる。

【００２７】第１の発明は絶縁膜の溝内にＡｇあるいは
Ａｇ合金を加熱処理により埋め込むようにする。Ａｇの
融点は９６０℃であり、埋め込み配線の材料としては熱
処理温度が高いため、従来用いられていなかった。しか
し、本発明ではＡｇが金属の中で一番低い比抵抗を持
ち、低抵抗配線が得られることから、Ａｇが凝集を起こ
しやすい材料であることに着眼し、２００℃から６００
℃までの温度で熱処理を行うことにより、Ａｇあるいは
Ａｇ合金を凝集させ前記溝内を埋め込むようにする。溝
内に埋め込まれたＡｇあるいはＡｇ合金は再結晶を起こ
しており、大粒径化されているため、高いエレクトロマ
イグレーション耐性が期待できる。さらに溝以外の絶縁
膜上に残されたＡｇ或いはＡｇ合金をエッチング等の方
法により除去することにより配線の不良を防ぐことがで
きる。

【００２８】さらに第１の発明では絶縁膜配線予定領域
の溝以外にダミーとしての溝を形成し、すべての溝内を
流動化された金属で埋め込むことにより、溝以外の絶縁
膜上に金属が残ることを防ぐため、配線の不良を防ぐこ
とができる。

【００２９】第２の発明ではレジストをマスクに下層の
シード層をパターニングした後、レジストパターンを細
らせるため、配線層となるレジストパターンを除去した
後の溝底部にシード層の無い部分はなくなる。よって、
溝内の良好な金属の選択成長が行える。さらに、シード
層にＲＩＥによるダメージがは入らないため、良好な金
属の選択成長が行える。

【００３０】第３、第４の発明ではあらかじめ、配線材
料の金属に融点を下げるような物質を含有させておくこ
とにより、下地素子に影響を与えない程度の低温で金属
の流動化、溝への流し込みが実現できる。さらに、金属
への不純物添加、合金化による抵抗率の上昇をそれらの
添加物を析出させるという形で除去し、再び純粋な金属
の低抵抗率を得ることができるために、加工、電気特性
と共に理想的な半導体装置の配線形成が可能となる。

【００３１】

【実施例】（参考例１）第１の参考例を図１乃至図４を
参照しながら説明する。

【００３２】まず、半導体基板１１上にＳｉＯ₂膜１２
を約１．０μｍの厚さに堆積させる。次にフォトリソ
グラフィー工程、エッチング工程により、幅０．５μｍ
深さ０．４μｍの溝を形成する。

【００３３】次に、Ａｌ金属膜１３を溝がほぼ埋まる程
度の深さに堆積させる（図１）。

【００３４】尚、Ａｌ金属膜を堆積させる前にＴｉやＴ
ｉＮ膜を金属膜の濡れ性制御のために堆積させても良
い。

【００３５】次に、Ａｌ金属膜１３を堆積させた同じチ
ャンバー内で、約５００℃の加熱を行う。この時、Ａｌ
は流動化され、表面張力を小さくするように移動変化す
る。

【００３６】即ち、トータルのエネルギーが小さくなる
ので、溝の中に入り込もうとする。しかし、配線間隔の
広い部分で半球状或いは島状に溝に流れ込めなかった余
剰のＡｌ１３′が残存してしまうことがある。

【００３７】尚、ここで埋め込まれる材料はＡｌ、Ａ
ｕ、Ａｇ或いはＣｕ等のＬＳＩの配線になる金属あるい
はそれらの金属を主体とする合金であれば良い。

【００３８】また、スパッタリングで金属を堆積した
後、一度大気に取り出してアニールし、活性化させても
良い。その時、金属表面に酸化物が生成しこれにより流
動化が起こらない場合には、水素を含む還元雰囲気中で
アニールを行い流動化させると良い。また、流動化を促
進する雰囲気中で、アニールを行うと低温で流動化が起
こるため、加熱処理の低温化が実現できる。例えば、Ａ
ｇの場合、酸素を含む雰囲気中でアニールを行うと良い
（図２）。

【００３９】次に、配線領域を覆うようにレジスト層１
４を形成する（図３）。

【００４０】次に、リン酸等のエッチング液で余剰のＡ
１１３′を除去した後、レジスト１４を剥離して、所望
の配線形状を得ることができる（図４）。

【００４１】尚、配線領域を覆うレジストパターン１４
の形状は配線パターンをやや太らせた形状としても良
い。

【００４２】また、Ａｌを溝中に埋め込んだ後、全面に
レジスト層を形成し、このレジストとＡｌのエッチング
レートが等しくなるような条件で全面にＲＩＥを行うこ
とによって余剰のＡｌのみを除去することもできる。

【００４３】さらに、Ａｌを溝中に埋め込んだ後、全面
にＷなどの比較的堅い物質を全面に堆積したのち、機械
的な研磨を行っても良い。

【００４４】（実施例１）本発明の第１の実施例を図５
乃至図１３を参照しながら説明する。一般的な配線の平
面図を図５に示す。配線２０ａのない広い領域２０ｂが
存在している。このＸ―Ｙ断面図の理想的な形状は図６
の様になる。しかし、従来の技術では参考例１で述べた
ように余剰のＡｌ１３´が残留してしまい、不良の原因
となってしまう（図２）。

【００４５】そこで、本実施例では半導体基板２１上に
例えばＳｉＯ₂からなる絶縁２２を約１μｍの厚さに堆
積させ、本来配線になるべき部分の溝２２ａ以外に配線
のない部分にもダミーの溝２２ｂを形成する。

【００４６】尚、２２ａと２２ｂは別々の工程で形成し
ても同じ工程で形成しても良い。

【００４７】次に、Ａｌ２３をスパッタ法にて堆積させ
参考例１と同様に流動化させることにより、配線溝２２
ａとダミーの溝２２ｂにＡｌ２３を埋め込む。この時、
参考例１で用いた選択的なエッチングや全面ＲＩＥを行
い平坦化を行っても良い（図７）。その結果、本来の配
線２２ａとダミーの配線２２ｂが形成され、余剰のＡｌ
が残存することがなくなるので、理想的な配線形状が得
られる（図８）。

【００４８】尚、ダミーのパターンは図９に示すような
面状のパターンでもよいし、図１０に示すような線状の
パターンでも良いし、図１１に示すような点状のパター
ンでも良い。また、これらのパターンの複合あるいは集
合体でも良い。

【００４９】ここで、ダミー配線２２ｂを残したまま、
次の工程を行っても良いが、本実施例ではダミー配線を
除去する工程についても説明する。

【００５０】上述の工程において、ダミー配線用の溝２
２ｂを本来の配線溝２２ａよりも浅く形成し、後は同様
にＡｌの埋め込み工程まで行う（図１２）。

【００５１】次に全面にレジスト層を形成し、このレジ
ストとＡｌのエッチングレートが等しくなるような条件
で全面にＲＩＥを行うことによって、深さの浅いダミー
配線のみ除去することができる（図１３）。

【００５２】また、全面にＷなどの比較的堅い物質を全
面に堆積したのち、機械的な研磨を行うことによりダミ
ー配線のみを除去しても良い。

【００５３】尚、ここでＷ等と絶縁膜もほぼ同じ深さだ
け削られるような条件で研磨を行うとより平坦な形状が
得られる。

【００５４】ダミー配線の膜厚が薄いかあるいはダミー
配線が存在しなければ、配線容量低減となり、ＬＳＩの
高速化を計ることができる。

【００５５】（参考例２）本発明の第２の参考例を図１
４乃至図１９を参照しながら詳細に説明する。まず、半
導体基板上３１に層間絶縁膜３２を形成する。

【００５６】次に、全面にレジストを塗布し、露光、現
像を行い、レジストパターンを形成した後、ＲＩＥ等異
方性エッチングにより、配線溝を形成し、その後、レジ
ストパターンをＯ₂アッシング等により除去する（図１
４）。

【００５７】この後、Ａｇと層間絶縁膜との密着性を向
上させる、あるいはＡｇが層間絶縁膜に拡散するのを防
ぐ、あるいはＡｇと層間絶縁膜との濡れ性を改善するな
どの働きを持つ薄膜３３を蒸着法、スパッタ法などによ
り全面に形成する（図１５）。

【００５８】この薄膜３３の材料はＴｉ、ＴｉＮ、Ａ
ｌ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｎｂ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｔｌといっ
た金属でもＳｉ、Ｓｂといった半導体でも、ＳｉＮのよ
うな絶縁膜でも良い。また、何種類かの材料を組合わ
せ、積層膜としても良い。

【００５９】次に、Ａｇ３４を配線溝深さの０．３〜１
倍の膜厚で成膜する（図１６）。

【００６０】成膜方法は蒸着法、スパッタ法等、どの方
法を用いても良いが、溝側壁での段差切れがないように
する。

【００６１】この後、２００℃〜６００℃程度の熱処理
を行い、Ａｇ３４を凝集させて配線溝に埋め込む。この
際、Ａｇの熱処理を微量の酸素あるいは水素を含む雰囲
気中で行うと、凝集が起こりやすくなり、比較的低温で
流動化が起ることがわかっている。また、微量の酸素を
含む雰囲気中でＡｇの熱処理を行った際、Ａｇ表面に酸
化膜が生じることがあるが、これを除去するためには還
元雰囲気中でアニールを行えば良い。

【００６２】この時、配線スペース上に余剰Ａｇ３４ａ
が存在する（図１７）。この余剰Ａｇ３４ａをエッチン
グ除去するために以下の工程を行う。

【００６３】まず、レジスト３５を全面に塗布する（図
１８）。

【００６４】次に、全面のエッチングを行い余剰Ａｇ３
４ａと層間絶縁膜３２との中間層３３とを同時に取り除
く。このようにして、配線スペース以外の領域に存在し
た余剰Ａｇ３４ａを除去し、理想的なＡｇ配線パターン
３４を形成することが可能となる（図１９）。

【００６５】尚、上記工程では配線材料としてＡｇを用
いているが、Ａｇ合金等凝集の起こりやすい材料を用い
ることができる。

【００６６】また、配線溝の形成方法は、レジストマス
クと等方性エッチングと組み合わせた方法あるいはレジ
ストマスクと液相からのＳｉＯ₂選択成長とを組み合わ
せた方法を用いることもできる。

【００６７】また、残存しているＡｇを取り除く方法と
して上述のレジストエッチバッグの他にポリッシング法
等も有効である。

【００６８】尚、上記参考例では、薄膜３３を溝を形成
した層間絶縁膜全面に形成しているが、この薄膜３３を
溝内にのみ形成しても良い。後工程で金属膜を熱処理に
より流動化する際に、溝内に濡れ性を向上させる、例え
ば、Ｔｉ、ＴｉＮ等の薄膜を形成することにより、溝以
外の絶縁膜上の金属が溝内に流れやすくなり効率的に埋
め込むことができる。この様な薄膜を形成するには、図
１５に示す工程の後に、全面にレジスト層３６を形成
し、このレジスト層と例えばＴｉ、ＴｉＮ膜等の薄膜材
料のエッチングレートが等しくなるような条件で、全面
にＲＩＥを行うことにより、表面のＴｉ、ＴｉＮ膜を除
去する（図２０）。

【００６９】次にレジスト層３６を除去し、溝の内部に
のみ薄膜を形成する（図２１）。

【００７０】また、薄膜３３は溝の側壁部にのみあるい
は溝の底部にのみ形成しても、同様の効果が得られる。

【００７１】例えば、溝の側壁部にのみ薄膜を形成する
場合、図１５に示す工程の後に、異方性エッチングを行
えば良い（図２２）。

【００７２】また、溝の底部にのみ薄膜を形成するに
は、以下に示すような工程を行えば良い。

【００７３】まず、半導体基板３１上にＳｉＯ₂膜３２
を約０．６μｍの厚さに堆積し、次に、ＴｉまたはＴｉ
Ｎ膜３３を堆積させる（図２３）。

【００７４】次に、配線領域上にレジストパターン３７
を形成する（図２４）。

【００７５】次に、このレジストパターンをマスクにＴ
ｉまたはＴｉＮ膜３３をエッチングする（図２５）。

【００７６】次に、例えばプラズマＥＣＲまたは液相成
長法を用いてレジストに対して選択的に絶縁膜を成長さ
せる（図２６）。

【００７７】次に、このレジストパターンを除去するこ
とにより溝の底部にのみＴｉまたはＴｉＮ膜を形成する
ことができる（図２７）。

【００７８】（実施例２）本発明の第２の実施例を図２
８乃至図３４を参照しながら詳細に説明する。まず、半
導体基板４１上にＳｉＯ₂膜４２を堆積した後、選択成
長の種となるパラジウム膜４３を５００オングストロー
ムの厚さに堆積させ、この上にフォトリソグラフィー工
程によりレジストパターン４４を形成する。（図２
８）。

【００７９】次にパラジウム膜４３をレジスト４４をマ
スクにイオンミリング等の方法により加工する（図２
９）。

【００８０】続いて酸化性の雰囲気、例えば酸素プラズ
マ、あるいはオゾン雰囲気中にさらすことにより、レジ
スト４４を細らせる（図３０）。

【００８１】酸素プラズマの場合、数百オングストロー
ム／ｍｉｎのエッチングレートでレジストを細らせるこ
とができるため、再現性、操作性良く微細なパターンを
形成することができる。

【００８２】さらに、全面にＳｉＯ₂膜４５を堆積させ
る（図３１）。

【００８３】堆積させる方法は常圧ＣＶＤ法あるいは液
相成長法などがある。

【００８４】この液相成長法を用いる場合、レジストを
酸素雰囲気中に晒しているためレジスト上にもＳｉＯ₂
膜を堆積させることができる。

【００８５】また、ここではＳｉＯ₂膜を用いたが、絶
縁膜ならば良く、例えばポリイミドでも良い。

【００８６】続いて、研磨などの方法により絶縁膜４５
の平坦化を行う。

【００８７】この時、レジスト４４が研磨のエッチング
ストッパーとして機能する。

【００８８】尚、平坦化工程としては、レジスト４４を
全面に塗布して、ＲＩＥを行うレジストエッチバック等
の方法を用いても良い（図３２）。

【００８９】次に、レジスト４４を酸素プラズマ等にさ
らしアッシングし灰化することにより、除去し、配線層
となる溝を形成する（図３３）。

【００９０】続いて、無電解メッキによりＣｕ４６を選
択的にパラジウム４３上に堆積させることにより、配線
層が形成される。この時、溝底部のシード層となるパラ
ジウム４３が溝底部全面にわたって存在しているため
に、無電解メッキによる良好な選択Ｃｕ成長が可能とな
る。また、レジスト４４をリソグラフィーの限界以下に
細らせているために、従来のリソグラフィーの限界より
も微細なパターンが形成できる（図３４）。

【００９１】尚、上記の実施例では無電解メッキによる
Ｃｕ配線を用いたが、この方法に限るものではなく、選
択的に成長が可能な物質及び方法であれば良い。

【００９２】例えば、選択成長の方法としては選択ＣＶ
Ｄ法、電解メッキ等の方法、また物質としては銀、金、
タングステン、アルミニウム等を用いても構わない。

【００９３】（実施例３）本発明の第３の実施例を図３
５乃至図４０を参照しながら詳細に説明する。まず、Ｓ
ｉ基板５１上にＳｉＯ₂膜５２を形成する。ここで、図
３５では単純な２層の構造を示してあるが実際の半導体
装置製造工程においてはこのＳｉＯ₂膜５２下に半導体
素子が形成されている。

【００９４】次に、フォトリソグラフィー工程により、
レジスト５３を堆積、加工し、その上でこのＳｉＯ₂の
ＲＩＥを行い、約０．５μｍの深さ、幅０．３μｍの溝
を形成する（図３６）。次に、アッシング工程により、
レジストを除去し、Ｍｇを１０％含有したＣｕを全面に
０．１μｍの厚さで堆積する（図３７）。

【００９５】次に、Ａｒ雰囲気で５００℃、３０分で熱
処理するとこのＣｕ−Ｍｇ膜５４は流動化し、あらかじ
め形成しておいた溝中において埋め込まれる形となる。
もし、この工程で、溝以外の部分にＣｕ−Ｍｇが残って
しまう場合には、その部分のみを除去する（図３８）。

【００９６】次に、窒素雰囲気中で、６００℃、３０分
間熱処理することによりこのＣｕ−Ｍｇ５４中のＭｇの
みを窒素と反応させＣｕ５４ａ表面上にＭｇＮｘ５４ｂ
の形で析出させる（図３９）。

【００９７】このＭｇＮｘは導体であるために、そのま
ま配線の一部として用いることができる。また、メチル
アルコールで処理することにより簡単に除去することも
可能である。

【００９８】尚、第２のＳｉＯ₂膜を堆積させ、上と同
様の方式で２層目、３層目の配線を形成していくことが
できる。この時点で１層目の配線は高融点の純Ｃｕにな
っているので、２層目、３層目の配線材の流動化を行っ
ても１層目に影響を与えることはない。図４０は上記し
たＣｕとＭｇの合金の状態図を示すものである。Ｍｇを
なるべく少量添加で済ませるという観点からいうと、１
０％Ｍｇを入れた所で融点が７２２℃と極小を示してい
ることがわかる。

【００９９】つまり、上記工程ではＣｕにＭｇを１０％
添加しているが、必ずしもこの値でなくても図４０の状
態図を元に融点が充分下がる量だけ添加すれば良い。

【０１００】また、上記工程ではＣｕ−Ｍｇの融点７２
２℃に対し、流動化温度を５００℃としているが、固体
は必しも、融点まで温度をあげないと動けないものでは
なく、その７〜８割まで温度をあげてやれば流動化する
ことがしられており、本実施例ではこの流動化温度を５
００℃としている。

【０１０１】また、上記工程では窒素雰囲気中でＭｇを
析出させている。この現象はＣｕ−Ｍｇの生成熱Ｈ
_{Ｃｕ−Ｍｇ}とＣｕ−Ｎの生成熱Ｈ_Ｃｕ−ＮとＭｇ−Ｎの
生成熱Ｈ_Ｍｇ−Ｎにおいて、

【０１０２】

【数１】の関係が成り立ち、しかも窒素中での熱処理前後におけ
る生成熱の差を

【０１０３】

【数２】とした時に熱力学の第二法則において、

【０１０４】

【数３】が成立するためにおこるものである。

【０１０５】つまり、この系の変化はＣｕ中に拡散して
いたＭｇ原子を１箇所に集めてエントロピーとしては減
少（△Ｓ＜０）する方法にもかかわらず、△Ｈがそれを
補ってさらに△Ｇが負となることにより、系として安定
な方向になっているのである。

【０１０６】ゆえに、上記実施例はＣｕ―Ｍｇの組み合
わせに限定されるものではなく、上述の条件が満たされ
るものであれば良い。

【０１０７】例えば、（Ｃｕ−Ｇｅ）、（Ｃｕ−Ｉ
ｎ）、（Ｃｕ−Ｍｇ）、（Ｃｕ−Ｍｎ）、（Ｃｕ−Ｌ
ｉ）、（Ｃｕ−Ｓｂ）、（Ｃｕ−Ｐ）、（Ｃｕ−Ｐ
ｎ）、（Ｃｕ−Ｓｎ）、（Ｃｕ−Ｓｉ）、（Ｃｕ−Ｔ
ｉ）、（Ｃｕ−Ｙ）あるいは（Ａｇ−Ａｌ）、（Ａｕ−
Ｂｉ）、（Ａｕ−Ｃｕ）、（Ａｕ−Ｇｅ）、（Ａｕ−Ｉ
ｎ）、（Ａｕ−Ｐｂ）、（Ａｕ−Ｓｉ）、（Ａｕ−Ｓ
ｂ）、（Ａｕ−Ｓｎ）、（Ａｕ−Ｕ）、等の組合わせが
考えられる。

【０１０８】但し、これらの組合わせにより添加物の濃
度、流動化の温度、窒素中熱処理の温度の最適値は変わ
ってくる。

【０１０９】（実施例４）本発明の第４の実施例を図４
１乃至図４４を参照しながら詳細に説明する。まず、Ｓ
ｉ基板６１上にＳｉＯ₂膜６２を形成する。

【０１１０】次に、フォトリソグラフィー工程により、
レジストを堆積、加工し、その上でこのＳｉＯ₂６２の
ＲＩＥを行い、約０．５μｍの深さ、幅０．３μｍの溝
を形成する。次に、アッシング工程により、レジストを
除去する。

【０１１１】次に、Ａｇ−Ｍｇ６３を約０．１μｍの厚
さに形成する（図４１）。

【０１１２】次に５５０℃、３０分のＡｒ中での熱処理
を行い、溝中にＡｇ−Ｍｇ６３を流動化させ埋め込む
（図４２）。

【０１１３】次に、酸素中の熱処理によりＡｇ中のＭｇ
をＭｇＯｘ６３ｂの形で析出させる（図４３）。このＭ
ｇＯｘは絶縁物であるが、ＨＣＩ処理を行うことによ
り、簡単に除去することができ、Ａｇ６３ａのみを溝中
に残すことができる（図４４）。

【０１１４】また、このＭｇＯｘ６３ｂをこのまま残し
ておいても良く、つまり、２層目の配線とのコンタクト
層を開口した後、その底に部分のＭｇＯｘのみを除去す
れば良い。

【０１１５】以上述べた工程もＡｇ−Ｍｇという組合わ
せに限るものではなく、第３の実施例で述べた関係が成
り立てば良い。例えば、（Ａｇ−Ｐｂ）、（Ａｇ−Ｓ
ｂ）、（Ａｇ−Ｓｎ）、（Ａｇ−Ｓｉ）、（Ａｕ−Ｚ
ｕ）、（Ａｕ−Ａｌ）、（Ａｕ−Ｃｄ）、（Ａｕ−Ｃ
ｏ）、（Ａｕ−Ｃｕ）、（Ａｕ−Ｇｅ）、（Ａｕ−Ｉ
ｎ）、（Ａｕ−Ｐｂ）、（Ａｕ−Ｓｉ）、（Ａｕ−Ｓ
ｂ）、（Ａｕ−Ｓｎ）、（Ａｇ−Ｚｎ）、（Ａｕ−Ｕ）
等の組合わせが考えられる。もちろんこれらの組合わせ
により添加物の濃度、流動化の温度、酸素中の熱処理、
温度の最適値は変わってくる。

【０１１６】また、例えば（Ａｇ−Ｓｂ）のような組合
わせを選べば、生成熱｜Ｈ_SiO2｜＜｜Ｈ_{Sb2 O5}｜の関
係より図４５のようにＳｂ₂Ｏ₅６４でＡｇ配線６３ａ
全体をくるむこともできる。この場合の方がＳｂが周囲
４方向で析出するので不純物除去の効率は良い。

【０１１７】（実施例５）次に本発明の第５の実施例を
説明する。第３、第４の実施例と同様に絶縁膜中に埋め
込み配線の形状を形成する。

【０１１８】但し、この場合、埋め込む物質は５％Ａｌ
を含有したＡｕを用い、Ａｒ中で４００℃、３０分の熱
処理を行って、流動化させ、溝中に埋め込む。

【０１１９】その後、Ｃｌ₂あるいはＢＣｌ₃雰囲気中
で、３００℃で熱処理を行う。

【０１２０】この時、Ａｕ中のＡｌはＡｕ中を拡散し、
Ａｕ表面においてＣｌと反応し、ＡｌＣｌ₃となる。こ
の物質は蒸気圧が高いため気体となり除去される。

【０１２１】この反応の進行により、Ａｕ中のＡｌはす
べて除去され純Ａｕのみが溝中に残される。但し、この
場合Ａｕの表面が約２００オングストローム程度ＡｕＣ
ｌｘとなるが配線全体の抵抗への影響は少く、２層目配
線とのコンタクト孔の底のＡｕＣｌｘのみを逆スパッタ
等で除去してやれば多層配線上でも問題はない。

【０１２２】本実施例において、（Ａｕ−Ａｌ）の組み
合わせを例にとったが、それに限定されることはなく塩
素化物の蒸気圧の高い材料を添加物とする組み合せであ
れば良い。例えば、（Ａｇ−Ｓｉ）、（Ａｕ−Ｓｉ）、
（Ｃｕ−Ｔｉ）、（Ｃｕ−Ｓｉ）等が挙げられる。

【０１２３】また、上記実施例では単にＣｌ₂あるいは
ＢＣｌ₃ガスを導入しただけであるが、それらのガスの
プラズマ中で熱処理してもよく、その場合は反応温度を
２５０℃程度まで下げることもできる。

【０１２４】また、Ｃｌ系ガスについてのみ述べたが、
要は添加物の蒸気圧が高く、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕができる
だけ反応しないハロゲンガスであれば何でもよくＢｒや
Ｆ系ガスを用いても良い。

【０１２５】（実施例６）本発明の第６の実施例を説明
する。まず、Ｓｉ基板８１上にＳｉＯ₂８２を形成し、
溝を形成する。その後、Ｔｉを２０％含有するＣｕ８３
を０．１μｍの厚さに堆積する。

【０１２６】次に、６００℃、３０分のＡｒ中の熱処理
によりＴｉを含有するＣｕ８３を流動化させ、溝中に流
し込む。次に、ＳｉＨ₄ガス中、２００℃の熱処理を行
い、ＳｉＨ₄の熱分解によりこのＣｕ上にのみＳｉ層８
４を０．２μｍ堆積する（図４６）。

【０１２７】その後、７００℃、３０分の窒素中あるい
はアルゴン中、あるいは真空中の熱処理によりＣｕ中の
ＴｉとＳｉとを反応させ、ＴｉＳｉ層８６を形成し、溝
中には純Ｃｕ８５を埋め込む（図４７）。この際、Ｓｉ
はＣｕよりもＴｉとの生成熱が大きいので、このＴｉと
選択的に反応する。

【０１２８】また、同様にＳｉとＴｉとを反応させて、
Ｃｕを精製する方法として次の様な工程を行っても良
い。

【０１２９】まず、Ｓｉ基板８１上にＳｉＯ₂膜８２を
形成し溝を形成する。その溝の底の部分にのみＳｉ層８
４を堆積しておく。このＳｉ層８４の形成方法は何でも
よく、例えばＲＩＥにより溝を形成した直後にＳｉのイ
オン注入、例えば３０ｋｅｖで１×１０¹⁶ｃｍ²のイオ
ン注入を行い、底の部分のみをリッチなアルモファス状
態にしてからレジストを除去し、その上でＳｉＨ₄中で
のＳｉの選択堆積をすると、０．２μｍのＳｉ層８４が
溝底にのみできる（図４８）。次に、このＳｉ層８４の
上にＴｉを２０％含有するＣｕ８３を０．１μｍの厚さ
に全面堆積する（図４９）。

【０１３０】次に６００℃、３０分のＡｒ中で熱処理を
行うことにより、Ｔｉを含有するＣｕ８３を流動化させ
溝中に流し込む（図５０）。

【０１３１】この際、すでにＣｕ中のＴｉ層はＳｉ層と
反応し始めるが温度が十分高くないために、まだＣｕ中
に多く存在する。その時、不活性ガス、真空中あるいは
窒素中で７００℃、３０分の熱処理を行うことによりＴ
ｉは完全にＴｉＳｉ₂８６となり、純Ｃｕ８５と分離さ
れる（図５１）。

【０１３２】次に上述の工程の代わりとなる方法を説明
する。

【０１３３】まず、溝が形成されたＳｉＯ₂膜全面にＣ
ｕ中に１０％Ｓｉを含む膜を形成し、６５０℃、３０分
のＡｒ中での熱処理により溝中に流し込む（図５２）。

【０１３４】次に、全面にＴｉ８８を堆積し（図５
３）、７００℃、３０分Ｎ₂雰囲気中で熱処理を行い、
Ｃｕ８９とＴｉＮ９１の間にＴｉＳｉ₂９０を形成す
る。この時Ｃｕ中のＳｉがシリサイドの形で析出される
（図５４）。

【０１３５】その後、Ｈ₂Ｏ₂を含む液を用いた加熱処
理によりＴｉＮ９１を除去する（図５５）。

【０１３６】尚、第３〜第６の実施例について、流動化
熱処理はＡｒ中で行っていたが、配線材料あるいは添加
物と反応しない雰囲気であればよく、一般には不活性ガ
スあるいは真空あるいはそれらに水素を混合した雰囲気
であることが好ましい。水素は流動させるべき混合物の
堆積中あるいはその後にそれらの表面あるいは粒界に付
着した炭素や酸素を流動化熱処理中に除去し、流動化を
促進する働きがある。

【０１３７】また、この流動化熱処理は配線材料の堆積
後に行っていたが堆積中に加熱を同時に行い、流動化さ
せても良い。また、第３〜第６の実施例において配線材
料の混合物を堆積する前にあらかじめＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ
やそれらの添加物と濡れ性の良い物質を溝の底や側面に
形成しておくこともありうる。例えば、ＴｉＮ層をＳｉ
Ｏ₂中の溝中に形成しておくことにより、溝内の濡れ性
をそれ以外の部分より高めておいてＣｕ−Ｍｇの流動化
を促進させても良い。

【０１３８】

【発明の効果】本発明の埋め込み式または選択成長によ
る金属配線形成方法を用いることにより、配線の微細化
に伴なう工程の複雑化が避けられ、良好な形状の金属配
線を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の参考例を説明する工程断面図。

【図２】第１の参考例を説明する工程断面図。

【図３】第１の参考例を説明する工程断面図。

【図４】第１の参考例を説明する工程断面図。

【図５】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図６】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図７】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図８】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図９】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図１０】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図１１】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図１２】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図１３】本発明の第1の実施例を説明する工程断面
図。

【図１４】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図１５】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図１６】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図１７】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図１８】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図１９】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２０】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２１】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２２】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２３】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２４】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２５】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２６】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２７】第２の参考例を説明する工程断面図。

【図２８】本発明の第２の実施例を説明する工程断面
図。

【図２９】本発明の第２の実施例を説明する工程断面
図。

【図３０】本発明の第２の実施例を説明する工程断面
図。

【図３１】本発明の第２の実施例を説明する工程断面
図。

【図３２】本発明の第２の実施例を説明する工程断面
図。

【図３３】本発明の第２の実施例を説明する工程断面
図。

【図３４】本発明の第２の実施例を説明する工程断面
図。

【図３５】本発明の第３の実施例を説明する工程断面
図。

【図３６】本発明の第３の実施例を説明する工程断面
図。

【図３７】本発明の第３の実施例を説明する工程断面
図。

【図３８】本発明の第３の実施例を説明する工程断面
図。

【図３９】本発明の第４の実施例を説明する工程断面
図。

【図４０】本発明の第４の実施例を説明する工程断面
図。

【図４１】本発明の第４の実施例を説明する工程断面
図。

【図４２】本発明の第４の実施例を説明する工程断面
図。

【図４３】本発明の第４の実施例を説明する工程断面
図。

【図４４】本発明の第４の実施例を説明する工程断面
図。

【図４５】本発明の第４の実施例を説明する工程断面
図。

【図４６】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図４７】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図４８】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図４９】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図５０】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図５１】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図５２】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図５３】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図５４】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図５５】本発明の第５の実施例を説明する工程断面
図。

【図５６】従来例を説明する工程断面図。

【図５７】従来例を説明する工程断面図。

【図５８】従来例を説明する工程断面図。

【図５９】従来例を説明する工程断面図。

【図６０】従来例を説明する工程断面図。

【図６１】従来例を説明する工程断面図。

【図６２】従来例を説明する工程断面図。

【図６３】従来例を説明する工程断面図。

【図６４】従来例を説明する工程断面図。

【図６５】従来例を説明する工程断面図。

【図６６】従来例を説明する工程断面図。

【図６７】従来例を説明する工程断面図。

【符号の説明】

１１、２１、３１、４１、５１、６１、８１、１０１…
半導体基板１２、２２、３２、４２、４５、５２、６２、８２、１
０２、１０５、１０８…絶縁膜（ＳｉＯ₂膜）２０ａ…配線２０ｂ…配線間の領域２２ａ…配線溝２２ｂ…ダミー溝３３、１０３…薄膜３４…Ａｇ３４ａ…余剰Ａｇ３５、３６、３７、４４、５３、１０４、１０６…レジ
スト４３…パラジウム膜４６、８５…Ｃｕ５４…Ｃｕ−Ｍｇ混合物５４ａ…Ｃｕ５４ｂ…ＭｇＮｘ６３…Ａｇ−Ｍｇ混合物６３ａ…Ａｇ６３ｂ…ＭｇＯｘ６４…Ｓｂ₂Ｏ₅ ８３…ＣｕとＴｉの混合物８４…Ｓｉ層８６…ＴｉＳｉ層８７…ＣｕとＳｉの混合物８８…Ｔｉ８９…Ｃｕ９０…ＴｉＳｉ₂ ９１…ＴｉＮ１０７…配線材料１０９…空洞１１０…クラック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野寿子神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者二宮尚美神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献特開平２−308538（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−53949（ＪＰ，Ａ) 特開平３−288438（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−296444（ＪＰ，Ａ) 特開平６−140393（ＪＰ，Ａ) 特表平４−507326（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3205

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁膜の配線予定領域に第１の溝を形成
する工程と、この配線予定領域間の領域が広い部分に第２の溝を形成
する工程と、前記第１及び第２の溝内にＡｌを熱処理により流動化さ
せて堆積させ、金属配線層及びダミーの金属配線層を形
成する工程と、前記絶縁膜及び金属配線層全面を平坦化することによ
り、前記ダミーの金属配線層を除去する工程を行うこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】第１の絶縁膜を形成する工程と、この第１の絶縁膜上に第１の膜を形成する工程と、この第１の膜上に第２の膜を形成する工程と、この第２の膜を所望の形状にパターニングする工程と、この第２の膜からなるパターンをマスクに前記第１の膜
をパターニングする工程と、前記第２の膜からなるパターンの幅を細らせる工程と、全面に第２の絶縁膜を形成する工程と、この第２の絶縁膜を少なくとも前記第２の膜からなるパ
ターンが表面に露出するまでエッチングすることにより
全面を平坦化する工程と、前記第２の膜からなるパターンを除去し、前記第２の絶
縁膜中に配線層の予定領域となる溝を形成する工程と、この溝内に底部の前記第１の膜をシード層として選択成
長により金属膜を成長させ配線層を形成する工程とを含
むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】絶縁膜の配線予定領域に溝を形成する工
程と、この絶縁膜上に金属とその融点を低下させる添加物との
混合物からなる膜を形成する工程と、この金属及び添加物と反応しないガスあるいは真空中
で、熱処理を行い前記混合物からなる膜を流動化させて
前記溝に埋め込んだ後、前記添加物と反応する物質と前
記混合物とを反応させ前記混合物中から前記添加物を除
去する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造
方法。
【請求項４】絶縁膜の配線予定領域に溝を形成する工
程と、この絶縁膜上に金属とその融点を低下させる添加物との
混合物からなる膜を形成する工程と、この金属及び添加物と反応しないガスに水素を混入した
雰囲気中あるいは水素雰囲気中での熱処理を行い前記混
合物からなる膜を流動化させて前記溝に埋め込んだ後、
前記添加物と反応する物質と前記混合物とを反応させ前
記混合物中から前記添加物を除去する工程とを含むこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記添加物と反応する物質として窒素、
炭素、ハロゲンガスの内少なくとも１つを用い、その雰
囲気中で熱処理を行うことを特徴とする請求項３及び請
求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記添加物と反応する物質として固相の
物質を用い、この固相の物質と前記混合物とを接した状
態で熱処理することにより添加物を金属表面へ化合物と
して析出させることを特徴とする請求項３及び請求項４
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記金属としてＩＢ族金属を用いること
を特徴とする請求項３乃至６記載の半導体装置の製造方
法。