JP3535893B2 - 半導体装置の金属層形成方法 - Google Patents
半導体装置の金属層形成方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の金属層形成
方法に係り、更に詳細には半導体装置の金属層の表面不
良を防止するための半導体装置の金属層形成方法に関す
る。
方法に係り、更に詳細には半導体装置の金属層の表面不
良を防止するための半導体装置の金属層形成方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の技術が超高集積化されるに
つれ、半導体装置の収率、性能（動作速度など）および
信頼性を決定する要因となる半導体配線方法は半導体装
置製造技術のうち最も重要と見なされるようになった。
アスペクト比（幅に対する深さの比率）の低い接触口や
深さの浅い段差などのような比較的屈曲の少ない外面的
形状のため、従来の密集度の低い半導体装置では金属層
の段差塗布性はあまり問題とならなかった。しかし、半
導体装置の集積度が増加するにつれて接触口は著しく小
さくなり、半導体基板の表面部分に形成された不純物領
域は一層浅くなった。このように、集積度の大きい半導
体装置では接触口のアスペクト比の増加および段差の激
しい深さのため、標準設計目的である半導体装置の高速
性能、高収率および良好な信頼性のために従来のアルミ
ニウム配線工程を改善する必要がある。より具体的に
は、高集積半導体装置で従来のアルミニウム配線工程を
用いれば、接触口の高アスペクト比およびスパッタされ
たアルミニウムの不良な段差塗布性によるアルミニウム
相互接触の不良および信頼性の低下、Ｓｉ沈澱による接
触抵抗の増加およびアルミニウムスパイキングによる浅
い接合特性の劣化等のような問題が生じる。
つれ、半導体装置の収率、性能（動作速度など）および
信頼性を決定する要因となる半導体配線方法は半導体装
置製造技術のうち最も重要と見なされるようになった。
アスペクト比（幅に対する深さの比率）の低い接触口や
深さの浅い段差などのような比較的屈曲の少ない外面的
形状のため、従来の密集度の低い半導体装置では金属層
の段差塗布性はあまり問題とならなかった。しかし、半
導体装置の集積度が増加するにつれて接触口は著しく小
さくなり、半導体基板の表面部分に形成された不純物領
域は一層浅くなった。このように、集積度の大きい半導
体装置では接触口のアスペクト比の増加および段差の激
しい深さのため、標準設計目的である半導体装置の高速
性能、高収率および良好な信頼性のために従来のアルミ
ニウム配線工程を改善する必要がある。より具体的に
は、高集積半導体装置で従来のアルミニウム配線工程を
用いれば、接触口の高アスペクト比およびスパッタされ
たアルミニウムの不良な段差塗布性によるアルミニウム
相互接触の不良および信頼性の低下、Ｓｉ沈澱による接
触抵抗の増加およびアルミニウムスパイキングによる浅
い接合特性の劣化等のような問題が生じる。
【０００３】このような従来のアルミニウム金属化工程
の問題点を解決するために、種々の新しい方法が提案さ
れてきた。例えば、前記のアルミニウム接触の不良によ
る半導体装置の信頼性低下を防止するために、日本国特
許公開公報第６２−１３２３４８号（菅野幸保）、日本
国特許公開公報第６３−９９５４６号（飯島普平）、日
本国特許公開公報第６２−１０９３４１号（清水雅
裕）、日本国特許公開公報第６２−２１１９１５号（ワ
カバヤシ ヒデカズ等）、日本国特許公開公報第１−２
４６８３１号（イワマツ セイイチ）、日本国特許公開
公報第５９−１７１３７４号（サトウ マサキ）および
ヨーロッパ特許出願第８７３０６０８４．３（ムカイ
リョウイチ等）の溶融法などが開示されている。
の問題点を解決するために、種々の新しい方法が提案さ
れてきた。例えば、前記のアルミニウム接触の不良によ
る半導体装置の信頼性低下を防止するために、日本国特
許公開公報第６２−１３２３４８号（菅野幸保）、日本
国特許公開公報第６３−９９５４６号（飯島普平）、日
本国特許公開公報第６２−１０９３４１号（清水雅
裕）、日本国特許公開公報第６２−２１１９１５号（ワ
カバヤシ ヒデカズ等）、日本国特許公開公報第１−２
４６８３１号（イワマツ セイイチ）、日本国特許公開
公報第５９−１７１３７４号（サトウ マサキ）および
ヨーロッパ特許出願第８７３０６０８４．３（ムカイ
リョウイチ等）の溶融法などが開示されている。
【０００４】前述した方法によると、アルミニウムやア
ルミニウム合金を溶融させた後、リフローして接触口を
埋め立てる。すなわち、リフロー段階でアルミニウムま
たはアルミニウム合金の金属層は溶融点以上に加熱さ
れ、この溶融した金属が接触口に流動してこれを埋め立
てる。このようなリフロー段階は次のような欠点があ
る。（1)溶融物質が接触口を適当に埋め立てるように半
導体ウェハーを水平に位置する必要があるため、半導体
ウェハーの処理量が低下する。（2)接触口を埋め立てる
液状金属層は表面張力を小さくしようとし、よって、固
化時に収縮したり捩じれたりして底部の半導体物質を露
出させる。また、熱処理温度は正確に調節できないので
同一の結果が得にくい。さらに、前記方法によると接触
口を埋め立てることはできても、金属膜の残余部分（接
触口地域以外の部分）は粗くなり、後続くフォトリソグ
ラフィ工程ができなくなる。このため、金属層の粗い部
分を緩和したり平坦化するために２次的な金属形成工程
が必要となる。
ルミニウム合金を溶融させた後、リフローして接触口を
埋め立てる。すなわち、リフロー段階でアルミニウムま
たはアルミニウム合金の金属層は溶融点以上に加熱さ
れ、この溶融した金属が接触口に流動してこれを埋め立
てる。このようなリフロー段階は次のような欠点があ
る。（1)溶融物質が接触口を適当に埋め立てるように半
導体ウェハーを水平に位置する必要があるため、半導体
ウェハーの処理量が低下する。（2)接触口を埋め立てる
液状金属層は表面張力を小さくしようとし、よって、固
化時に収縮したり捩じれたりして底部の半導体物質を露
出させる。また、熱処理温度は正確に調節できないので
同一の結果が得にくい。さらに、前記方法によると接触
口を埋め立てることはできても、金属膜の残余部分（接
触口地域以外の部分）は粗くなり、後続くフォトリソグ
ラフィ工程ができなくなる。このため、金属層の粗い部
分を緩和したり平坦化するために２次的な金属形成工程
が必要となる。
【０００５】接触口埋立のためにアルミニウムやアルミ
ニウム合金を溶融させる方法の代わりに、金属の段差塗
布性を向上させるために、米国特許第４、９７０、１７
６号（トレーシ(Tracy) ら）には多段階金属配線方法が
記載されている。前述した特許によると、低温で半導体
ウェハー上に所定厚みの厚い金属層を蒸着させた後、金
属がリフローするように温度を高温（約４００〜５００
℃）に上げながら所定厚みの金属層の残りの薄い部分を
蒸着させる。金属層のリフローは粒子成長、再結晶およ
びバルク拡散を通じて生ずる。
ニウム合金を溶融させる方法の代わりに、金属の段差塗
布性を向上させるために、米国特許第４、９７０、１７
６号（トレーシ(Tracy) ら）には多段階金属配線方法が
記載されている。前述した特許によると、低温で半導体
ウェハー上に所定厚みの厚い金属層を蒸着させた後、金
属がリフローするように温度を高温（約４００〜５００
℃）に上げながら所定厚みの金属層の残りの薄い部分を
蒸着させる。金属層のリフローは粒子成長、再結晶およ
びバルク拡散を通じて生ずる。
【０００６】トレーシらの方法によると、アスペクト比
の大きい接触口（バイアホール）の段差塗布性は向上さ
れ得るが、金属層が高温で蒸着されるので、アスペクト
比が１以上、直径が１μｍ以下の接触口はアルミニウム
あるいはアルミニウム合金で完全に埋め立てられない。
一方、オノらは、半導体基板を５００℃以上で保つ場合
に、Ａｌ−Ｓｉの液体性が急に増加すると発表した（Hi
sako Ono, et al., in Proc., 1990 VMIC Conference J
une 11〜12, pp76〜82）。この論文によると、Ａｌ−１
％Ｓｉ膜のストレスは５００℃で急激に変化し、前記温
度でＡｌ−１％Ｓｉ膜のストレス弛緩が急激に発生す
る。また、接触口を満足に埋め立てるには基板温度を５
００℃〜５５０℃に維持すべきである。
の大きい接触口（バイアホール）の段差塗布性は向上さ
れ得るが、金属層が高温で蒸着されるので、アスペクト
比が１以上、直径が１μｍ以下の接触口はアルミニウム
あるいはアルミニウム合金で完全に埋め立てられない。
一方、オノらは、半導体基板を５００℃以上で保つ場合
に、Ａｌ−Ｓｉの液体性が急に増加すると発表した（Hi
sako Ono, et al., in Proc., 1990 VMIC Conference J
une 11〜12, pp76〜82）。この論文によると、Ａｌ−１
％Ｓｉ膜のストレスは５００℃で急激に変化し、前記温
度でＡｌ−１％Ｓｉ膜のストレス弛緩が急激に発生す
る。また、接触口を満足に埋め立てるには基板温度を５
００℃〜５５０℃に維持すべきである。
【０００７】また、依田孝らは配線と半導体基板あるい
は絶縁層間の反応を防止するために接触口の内面に二重
障壁層を形成した後、オノらの論文のように、半導体基
板を加熱して５００℃〜５５０℃の所定温度を保ちなが
ら、Ａｌ−Ｓｉのようなアルミニウム合金のような蒸着
された金属で接触口を埋め立てることを含む半導体装置
の製造方法を提示した（１９８９年３月１４日に出願さ
れた日本国特許願平１−６１５５７号に対応する韓国特
許公開第９０−１５２７７号およびヨーロッパ特許出願
第９０１０４１８４．０号）。
は絶縁層間の反応を防止するために接触口の内面に二重
障壁層を形成した後、オノらの論文のように、半導体基
板を加熱して５００℃〜５５０℃の所定温度を保ちなが
ら、Ａｌ−Ｓｉのようなアルミニウム合金のような蒸着
された金属で接触口を埋め立てることを含む半導体装置
の製造方法を提示した（１９８９年３月１４日に出願さ
れた日本国特許願平１−６１５５７号に対応する韓国特
許公開第９０−１５２７７号およびヨーロッパ特許出願
第９０１０４１８４．０号）。
【０００８】依田孝およびオノらの方法によると、５０
０℃〜５５０℃の温度でＡｌ−Ｓｉ膜が蒸着される。こ
うして得られたＡｌ−Ｓｉ膜は約１０ミクロンに成長し
た直径の大きい結晶粒子を有する。したがって、Ａｌ−
Ｓｉ膜は電子移動に対しては強い耐性を有するが、スト
レス移動に対しては耐性が弱い確率が高い。また、Ａｌ
−Ｓｉ膜の結晶粒子間の境界面で高抵抗のＳｉが結晶化
される。よって、接触口以外の地域のＡｌ−Ｓｉ膜を取
り除く必要があり、金属化工程は複雑になる。しかも、
高温でＡｌ−Ｓｉ膜が蒸着されるため、ボイドが形成さ
れたり金属層の断線が起こったりする。
０℃〜５５０℃の温度でＡｌ−Ｓｉ膜が蒸着される。こ
うして得られたＡｌ−Ｓｉ膜は約１０ミクロンに成長し
た直径の大きい結晶粒子を有する。したがって、Ａｌ−
Ｓｉ膜は電子移動に対しては強い耐性を有するが、スト
レス移動に対しては耐性が弱い確率が高い。また、Ａｌ
−Ｓｉ膜の結晶粒子間の境界面で高抵抗のＳｉが結晶化
される。よって、接触口以外の地域のＡｌ−Ｓｉ膜を取
り除く必要があり、金属化工程は複雑になる。しかも、
高温でＡｌ−Ｓｉ膜が蒸着されるため、ボイドが形成さ
れたり金属層の断線が起こったりする。
【０００９】また、本発明者のうち一人を含んだ朴昌洙
らは、前記蒸着されたアルミニウム合金を１５０℃以下
の低温で３０００Åの厚さで蒸着させた後５５０℃の温
度で１８０秒間熱処理してアスペクト比の高い接触口を
アルミニウム合金で完全に埋め立てることを特徴とす
る、接触口を通じて金属配線層を形成する方法を開示し
ている（Proc., 1991 VMIC Conference June 11 and 1
2, pp326〜328 ）。前記方法は、発明の名称が「半導
体装置の金属層形成方法」で、米国に特許出願され（米
国特許出願第０７／５８５，２１８号）放棄され、その
一部係属出願として米国特許庁から許された出願（米国
許出願第０７／８９７，２９４号）に含まれている。
らは、前記蒸着されたアルミニウム合金を１５０℃以下
の低温で３０００Åの厚さで蒸着させた後５５０℃の温
度で１８０秒間熱処理してアスペクト比の高い接触口を
アルミニウム合金で完全に埋め立てることを特徴とす
る、接触口を通じて金属配線層を形成する方法を開示し
ている（Proc., 1991 VMIC Conference June 11 and 1
2, pp326〜328 ）。前記方法は、発明の名称が「半導
体装置の金属層形成方法」で、米国に特許出願され（米
国特許出願第０７／５８５，２１８号）放棄され、その
一部係属出願として米国特許庁から許された出願（米国
許出願第０７／８９７，２９４号）に含まれている。
【００１０】前記従来技術による金属配線層形成方法を
図１〜図３に示す。図１は第１金属層形成段階を示す。
半導体基板２１上に形成された絶縁膜２５に大きさが
０．８μｍであり上部に段差部の形成された接触口２２
を形成する。次に、基板２１をスパッタリング反応室
（図示せず）に入れ、ここで所定の真空度で１５０℃以
下の温度で金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合
金を蒸着し厚さ５００〜３０００Åの第１金属層２７を
形成する。こうして形成された第１金属層２７はアルミ
ニウムグレンサイズが小さくアルミニウムグレンの表面
自由エネルギーが大きい。
図１〜図３に示す。図１は第１金属層形成段階を示す。
半導体基板２１上に形成された絶縁膜２５に大きさが
０．８μｍであり上部に段差部の形成された接触口２２
を形成する。次に、基板２１をスパッタリング反応室
（図示せず）に入れ、ここで所定の真空度で１５０℃以
下の温度で金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合
金を蒸着し厚さ５００〜３０００Åの第１金属層２７を
形成する。こうして形成された第１金属層２７はアルミ
ニウムグレンサイズが小さくアルミニウムグレンの表面
自由エネルギーが大きい。
【００１１】図２は接触口２２を埋没する段階を示す。
より具体的には、前記第１金属層形成段階で得られた半
導体ウェハーを真空を破らず他のスパッタリング反応室
（図示せず）内に移送し、前記第１金属層２７を熱処理
して前記接触口２２を金属で埋没させる。熱処理の条件
は、望ましくは５５０℃の温度で２分以上である。この
際、アルミニウム原子の表面自由エネルギーが大きくな
るように出来る限り反応室内の圧力を低くすることが好
ましい。これにより、より容易に金属原子が接触口に移
動し接触口２２を埋め立てる。２７ａは接触口２２を埋
め立てる金属層を示す。
より具体的には、前記第１金属層形成段階で得られた半
導体ウェハーを真空を破らず他のスパッタリング反応室
（図示せず）内に移送し、前記第１金属層２７を熱処理
して前記接触口２２を金属で埋没させる。熱処理の条件
は、望ましくは５５０℃の温度で２分以上である。この
際、アルミニウム原子の表面自由エネルギーが大きくな
るように出来る限り反応室内の圧力を低くすることが好
ましい。これにより、より容易に金属原子が接触口に移
動し接触口２２を埋め立てる。２７ａは接触口２２を埋
め立てる金属層を示す。
【００１２】図２に示した段階の熱処理は金属溶融点の
８０％から金属溶融点までの温度範囲で行われ、この温
度範囲は使用される特定のアルミニウム合金やアルミニ
ウムによって変わる。前記第１金属層２７はアルミニウ
ムの溶融点以下の温度で熱処理するので溶融されない。
例えば、１５０℃以下の温度でスパッタリングにより蒸
着されたアルミニウム原子は、５５０℃での高温熱処理
時に溶けず移動する。このような移動は周囲の原子と完
全に接触しない表面原子中のエネルギー増加に基づき、
表面地域が平らでなかったり粒状（grainy）だったりす
るとき移動性は増加する。したがって、初期にスパッタ
リングされた粒状層は熱処理時に原子移動増加を示す。
８０％から金属溶融点までの温度範囲で行われ、この温
度範囲は使用される特定のアルミニウム合金やアルミニ
ウムによって変わる。前記第１金属層２７はアルミニウ
ムの溶融点以下の温度で熱処理するので溶融されない。
例えば、１５０℃以下の温度でスパッタリングにより蒸
着されたアルミニウム原子は、５５０℃での高温熱処理
時に溶けず移動する。このような移動は周囲の原子と完
全に接触しない表面原子中のエネルギー増加に基づき、
表面地域が平らでなかったり粒状（grainy）だったりす
るとき移動性は増加する。したがって、初期にスパッタ
リングされた粒状層は熱処理時に原子移動増加を示す。
【００１３】図３は第２金属層２９を形成する段階を示
す。より具体的には、前記第２金属層２９は半導体装置
の所定の信頼性を基準として選択された温度、例えば、
３５０℃以下の温度で金属層の所定の総厚さの残りの部
分を蒸着させて形成する。これによって、複合金属層全
体を形成する。前記方法によると、従来の蒸着方法に用
いられる同一のスパッタリング装置を使用した後、蒸着
された金属をアニーリングして接触口を容易に完全に金
属で埋め立てる。したがって、アスペクト比の高い接触
口（アスペクト比が１以上）の場合にも、非常に薄い金
属層（約５００Å厚さ）を形成した後、熱処理して接触
口を完全に埋め立てることができる。よって、アスペク
ト比が大きく（１以上）、１ミクロン以下の接触口が完
全に埋め立てられる。また、依田孝らの方法のようなエ
ッチング段階も不要である。
す。より具体的には、前記第２金属層２９は半導体装置
の所定の信頼性を基準として選択された温度、例えば、
３５０℃以下の温度で金属層の所定の総厚さの残りの部
分を蒸着させて形成する。これによって、複合金属層全
体を形成する。前記方法によると、従来の蒸着方法に用
いられる同一のスパッタリング装置を使用した後、蒸着
された金属をアニーリングして接触口を容易に完全に金
属で埋め立てる。したがって、アスペクト比の高い接触
口（アスペクト比が１以上）の場合にも、非常に薄い金
属層（約５００Å厚さ）を形成した後、熱処理して接触
口を完全に埋め立てることができる。よって、アスペク
ト比が大きく（１以上）、１ミクロン以下の接触口が完
全に埋め立てられる。また、依田孝らの方法のようなエ
ッチング段階も不要である。
【００１４】しかしながら、接触口にボイドが形成され
たり金属層の段差塗布性が適当でない場合には、金属層
の蒸着された半導体ウェハーを所定温度および真空度で
保っても接触口は埋没され得ない。また、あらかじめ蒸
着された第１金属層を有する半導体ウェハー上に第２金
属層が続いて形成されるとしても、接触口の良好な段差
塗布性が保障されず、このような不適当な段差塗布性に
基づいて製造された半導体装置の信頼性は低下する。
たり金属層の段差塗布性が適当でない場合には、金属層
の蒸着された半導体ウェハーを所定温度および真空度で
保っても接触口は埋没され得ない。また、あらかじめ蒸
着された第１金属層を有する半導体ウェハー上に第２金
属層が続いて形成されるとしても、接触口の良好な段差
塗布性が保障されず、このような不適当な段差塗布性に
基づいて製造された半導体装置の信頼性は低下する。
【００１５】一般に、金属層を低温で形成してから前記
金属層の形成された半導体基板を冷却させた後、後続の
半導体製造工程を遂行する。前述したような、低温で金
属を蒸着した後に金属を溶融点以下の高温で熱処理して
金属粒子をリフローさせる方法によると、半導体基板の
冷却過程において金属粒子間の境界部分が激しく凹むよ
うになりグルーブ（凹部）が形成される。これをグルー
ビング現象という。このようにグルーブの形成された金
属層上に反射防止膜を形成する場合、前記反射防止膜に
は金属層を構成する粒子の間に形成されるグルーブによ
りスリット形の不良が生ずる。
金属層の形成された半導体基板を冷却させた後、後続の
半導体製造工程を遂行する。前述したような、低温で金
属を蒸着した後に金属を溶融点以下の高温で熱処理して
金属粒子をリフローさせる方法によると、半導体基板の
冷却過程において金属粒子間の境界部分が激しく凹むよ
うになりグルーブ（凹部）が形成される。これをグルー
ビング現象という。このようにグルーブの形成された金
属層上に反射防止膜を形成する場合、前記反射防止膜に
は金属層を構成する粒子の間に形成されるグルーブによ
りスリット形の不良が生ずる。
【００１６】前記のようにグルーブの発生する現象は、
界面張力によるものと考えられる。この界面張力は高温
から低温に急速に冷却する場合には更に増加し、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金から構成された金属層の
グルービング現象はこれにより更に増加する。図４Ａお
よび図４Ｂは前記グルービング現象を説明するためのア
ルミニウム粒子の概略図である。図４に示す５０は半導
体基板であり、５２はアルミニウムまたはアルミニウム
合金から構成される金属層を示し、５４はグルーブを示
し、符号Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｂ′およびＧｃは前記金属層５
２を構成する金属粒子をそれぞれ示す。
界面張力によるものと考えられる。この界面張力は高温
から低温に急速に冷却する場合には更に増加し、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金から構成された金属層の
グルービング現象はこれにより更に増加する。図４Ａお
よび図４Ｂは前記グルービング現象を説明するためのア
ルミニウム粒子の概略図である。図４に示す５０は半導
体基板であり、５２はアルミニウムまたはアルミニウム
合金から構成される金属層を示し、５４はグルーブを示
し、符号Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｂ′およびＧｃは前記金属層５
２を構成する金属粒子をそれぞれ示す。
【００１７】アルミニウムあるいはアルミニウム合金か
ら構成された金属層５２に低温および高温熱処理を繰り
返して遂行すると、粒子内部に転位スリットが発生す
る。このとき、ストレイン弛緩に基づいて粒子回転が生
ずる。図４Ａおよび図４Ｂを参照して具体的に説明すれ
ば、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成され
た蒸着された金属膜は＜１１１＞配向性を有する非常に
強い繊維質構造を有するが、一部の粒子（図４ＡのＧ
ｂ）は、＜１１１＞面がアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金膜の表面と完全な平行を成さず、傾いて存在す
る。図４Ａで、粒子Ｇｂは角度ωだけ傾いている。図４
Ａで金属層５２が熱処理工程を経れば、粒子Ｇｂは膜表
面と平行な＜１１１＞配向性を有するように回転する。
図４Ｂは前記図４Ａの金属層５２が熱処理工程を経た後
の粒子配列状態を示し、粒子Ｇｂ′は図４Ａの粒子Ｇｂ
が回転され＜１１１＞配向性を有する粒子を示す。この
ような場合の大きな粒子の回転現象は膜表面の粗さおよ
びグルービング現象を深化させ、冷却時に引張ストレイ
ンによる塑性変形によりグルービング現象が更に増加す
る。
ら構成された金属層５２に低温および高温熱処理を繰り
返して遂行すると、粒子内部に転位スリットが発生す
る。このとき、ストレイン弛緩に基づいて粒子回転が生
ずる。図４Ａおよび図４Ｂを参照して具体的に説明すれ
ば、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成され
た蒸着された金属膜は＜１１１＞配向性を有する非常に
強い繊維質構造を有するが、一部の粒子（図４ＡのＧ
ｂ）は、＜１１１＞面がアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金膜の表面と完全な平行を成さず、傾いて存在す
る。図４Ａで、粒子Ｇｂは角度ωだけ傾いている。図４
Ａで金属層５２が熱処理工程を経れば、粒子Ｇｂは膜表
面と平行な＜１１１＞配向性を有するように回転する。
図４Ｂは前記図４Ａの金属層５２が熱処理工程を経た後
の粒子配列状態を示し、粒子Ｇｂ′は図４Ａの粒子Ｇｂ
が回転され＜１１１＞配向性を有する粒子を示す。この
ような場合の大きな粒子の回転現象は膜表面の粗さおよ
びグルービング現象を深化させ、冷却時に引張ストレイ
ンによる塑性変形によりグルービング現象が更に増加す
る。
【００１８】このようなグルーブが生ずると、アルミニ
ウムまたはアルミニウム合金から構成された金属層をパ
タニングする時、グルーブを通じてアルミニウム粒子境
界部分に化学薬品が浸透するようになり腐食性ピッチン
グを誘発する。前記金属層上にＴｉＮなどを使用してキ
ャッピングする場合にも大きなグルーブの形成された部
分にはＴｉＮなどが十分に蒸着されずキャッピング効果
がなくなる。
ウムまたはアルミニウム合金から構成された金属層をパ
タニングする時、グルーブを通じてアルミニウム粒子境
界部分に化学薬品が浸透するようになり腐食性ピッチン
グを誘発する。前記金属層上にＴｉＮなどを使用してキ
ャッピングする場合にも大きなグルーブの形成された部
分にはＴｉＮなどが十分に蒸着されずキャッピング効果
がなくなる。
【００１９】図５は前記グルービング現象を説明するた
めの斜視断面図である。図５において、４２はＴｉで構
成された第１拡散防止膜とＴｉＮで構成された第２拡散
防止膜から構成された複合膜とからなる拡散防止膜を示
し、４４はアルミニウム合金から構成された金属層を示
し、４６はＴｉＮから構成された反射防止膜を示し、Ｇ
１、Ｇ２およびＧ３は前記金属層４４を構成する粒子を
示し、４８は前記粒子Ｇ１、Ｇ２およびＧ３の間に形成
されるグルーブを示し、５０は前記反射防止膜４６に形
成されるスリット形の不良部分を示す。
めの斜視断面図である。図５において、４２はＴｉで構
成された第１拡散防止膜とＴｉＮで構成された第２拡散
防止膜から構成された複合膜とからなる拡散防止膜を示
し、４４はアルミニウム合金から構成された金属層を示
し、４６はＴｉＮから構成された反射防止膜を示し、Ｇ
１、Ｇ２およびＧ３は前記金属層４４を構成する粒子を
示し、４８は前記粒子Ｇ１、Ｇ２およびＧ３の間に形成
されるグルーブを示し、５０は前記反射防止膜４６に形
成されるスリット形の不良部分を示す。
【００２０】図６は前述した図１〜図３に示したような
方法により金属層を形成する場合にグルービング現象が
発生し金属膜の表面状態が粗くなることを示す、アルミ
ニウム合金から構成された金属層の表面を示すＳＥＭ写
真である。同図で、前記低温で金属を蒸着した後に高温
熱処理して蒸着された金属層をリフローさせる方法によ
ると、グルービング現象が甚だしく現れる部分が部分的
に存在する。このような部分ではＴｉＮの塗布が不良で
あって図５に示したようにＴｉＮ層がスリット形に裂
け、後続く工程でフォトレジスト層を現像するときに現
像液など化学薬品の浸透を受けたり、相対的に腐食性ピ
ッチングが発生したり、あるいは化学薬品がスリットの
間に入ってエッチング後も残留物が残るようになりライ
ンショートを誘発したりする。
方法により金属層を形成する場合にグルービング現象が
発生し金属膜の表面状態が粗くなることを示す、アルミ
ニウム合金から構成された金属層の表面を示すＳＥＭ写
真である。同図で、前記低温で金属を蒸着した後に高温
熱処理して蒸着された金属層をリフローさせる方法によ
ると、グルービング現象が甚だしく現れる部分が部分的
に存在する。このような部分ではＴｉＮの塗布が不良で
あって図５に示したようにＴｉＮ層がスリット形に裂
け、後続く工程でフォトレジスト層を現像するときに現
像液など化学薬品の浸透を受けたり、相対的に腐食性ピ
ッチングが発生したり、あるいは化学薬品がスリットの
間に入ってエッチング後も残留物が残るようになりライ
ンショートを誘発したりする。
【００２１】本発明者らは、アルミニウムまたはアルミ
ニウム合金から構成された金属層の冷却速度を調節した
り金属層の蒸着前に下支膜の表面状態を調整して＜１１
１＞配向性を有する粒子で構成されたアルミニウムまた
はアルミニウム合金層を蒸着させることによりこのよう
なグルービング現象を防止できることを見出してこれに
基づいて本発明を完成した。
ニウム合金から構成された金属層の冷却速度を調節した
り金属層の蒸着前に下支膜の表面状態を調整して＜１１
１＞配向性を有する粒子で構成されたアルミニウムまた
はアルミニウム合金層を蒸着させることによりこのよう
なグルービング現象を防止できることを見出してこれに
基づいて本発明を完成した。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低温
で蒸着された金属層を溶融点以下の高温で熱処理して金
属層をリフローさせるとき、金属層のグルービング現象
の発生を防止することにより、半導体装置の金属配線の
信頼性を向上させる半導体装置の金属層形成方法を提供
することである。
で蒸着された金属層を溶融点以下の高温で熱処理して金
属層をリフローさせるとき、金属層のグルービング現象
の発生を防止することにより、半導体装置の金属配線の
信頼性を向上させる半導体装置の金属層形成方法を提供
することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の半導体装置の金属層形成方法は、半導体基板
上の絶縁膜に設けられた開口部を覆うように形成された
拡散防止膜上に真空中で低温で金属層を蒸着する段階
と、前記金属層を前記真空を破らず溶融点以下の高温で
熱処理して前記金属層の粒子をリフローさせる段階とを
含む半導体装置の金属層形成方法において、前記金属層
の形成方法は前記低温と前記高温との間の中間温度で前
記半導体基板を一定時間の間維持し前記金属層の粒子の
間のグルーブ形成を防止する中間熱処理段階を更に含む
ことを特徴とする。前記低温は２００℃以下であること
が好ましい。前記高温は０．６Ｔｍ〜Ｔｍ（Ｔｍ＝前記
金属層を構成する金属の溶融点）の範囲が望ましい。前
記朴昌洙などの方法によると前記金属層の高温熱処理温
度は０．８Ｔｍ〜Ｔｍと記載してあるが、これは熱処理
装置の温度を意味し、前記熱処理装置の温度の実際アル
ミニウム表面の温度を精密に測定すれば前記装置の温度
より些か低い温度と観測される。したがって、実際にア
ルミニウムまたはアルミニウム合金から構成された金属
層の熱処理は、０．６Ｔｍ以上の温度で遂行すればリフ
ローが生ずると考えられる。前記中間温度は２００〜４
００℃の間の温度であることが望ましい。前記中間熱処
理段階は好ましくは３０秒以上遂行する。
に本発明の半導体装置の金属層形成方法は、半導体基板
上の絶縁膜に設けられた開口部を覆うように形成された
拡散防止膜上に真空中で低温で金属層を蒸着する段階
と、前記金属層を前記真空を破らず溶融点以下の高温で
熱処理して前記金属層の粒子をリフローさせる段階とを
含む半導体装置の金属層形成方法において、前記金属層
の形成方法は前記低温と前記高温との間の中間温度で前
記半導体基板を一定時間の間維持し前記金属層の粒子の
間のグルーブ形成を防止する中間熱処理段階を更に含む
ことを特徴とする。前記低温は２００℃以下であること
が好ましい。前記高温は０．６Ｔｍ〜Ｔｍ（Ｔｍ＝前記
金属層を構成する金属の溶融点）の範囲が望ましい。前
記朴昌洙などの方法によると前記金属層の高温熱処理温
度は０．８Ｔｍ〜Ｔｍと記載してあるが、これは熱処理
装置の温度を意味し、前記熱処理装置の温度の実際アル
ミニウム表面の温度を精密に測定すれば前記装置の温度
より些か低い温度と観測される。したがって、実際にア
ルミニウムまたはアルミニウム合金から構成された金属
層の熱処理は、０．６Ｔｍ以上の温度で遂行すればリフ
ローが生ずると考えられる。前記中間温度は２００〜４
００℃の間の温度であることが望ましい。前記中間熱処
理段階は好ましくは３０秒以上遂行する。
【００２４】
【作用】本発明の一例によると、前記中間熱処理段階は
前記金属層を形成する段階以前に遂行できる。このよう
に、金属層形成段階前に半導体基板を中間熱処理するこ
とによって、下支膜（通常は拡散防止膜）の粒子の間に
混入されている水蒸気やアルゴン、窒素などの不純物が
取り除かれて蒸着されるアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金粒子の＜１１１＞配向性を増加させグルービン
グ現象の発生を抑制する。この場合には、前記金属層を
リフローさせた後、後続する半導体装置の製造工程を遂
行する工程前に、前記半導体基板を真空中に放置して前
記金属層を徐々に冷却させることが望ましい。その理由
は、収縮の大きいアルミニウムと小さいＳｉとの差によ
る応力が緩和するための時間を与えて亀裂を防ぐためで
ある。
前記金属層を形成する段階以前に遂行できる。このよう
に、金属層形成段階前に半導体基板を中間熱処理するこ
とによって、下支膜（通常は拡散防止膜）の粒子の間に
混入されている水蒸気やアルゴン、窒素などの不純物が
取り除かれて蒸着されるアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金粒子の＜１１１＞配向性を増加させグルービン
グ現象の発生を抑制する。この場合には、前記金属層を
リフローさせた後、後続する半導体装置の製造工程を遂
行する工程前に、前記半導体基板を真空中に放置して前
記金属層を徐々に冷却させることが望ましい。その理由
は、収縮の大きいアルミニウムと小さいＳｉとの差によ
る応力が緩和するための時間を与えて亀裂を防ぐためで
ある。
【００２５】本発明の他の例によると、前記中間熱処理
段階は前記金属層をリフローさせる段階以後に遂行でき
る。このように中間熱処理段階をリフローさせてから遂
行することによって、アルミニウム粒子の引張ストレイ
ンが抑制でき、グルービング現象が防止できる。この場
合には、前記中間熱処理段階後、後続する半導体装置の
製造工程を遂行する工程前に、前記半導体基板を冷媒と
して用いて前記金属層を迅速に冷却させることが望まし
い。
段階は前記金属層をリフローさせる段階以後に遂行でき
る。このように中間熱処理段階をリフローさせてから遂
行することによって、アルミニウム粒子の引張ストレイ
ンが抑制でき、グルービング現象が防止できる。この場
合には、前記中間熱処理段階後、後続する半導体装置の
製造工程を遂行する工程前に、前記半導体基板を冷媒と
して用いて前記金属層を迅速に冷却させることが望まし
い。
【００２６】前記金属層をリフローする段階後、前記リ
フローされた金属層上に、例えばＴｉＮから構成された
反射防止膜が形成できる。前記反射防止膜は後続のリソ
グラフィー工程の効率を向上させるために形成する。本
発明で、金属層はアルミニウムあるいはアルミニウム合
金を使用して形成させ得る。望ましくは、Ｓｉの含量が
０．５％以下のアルミニウム合金を用いて形成する。
フローされた金属層上に、例えばＴｉＮから構成された
反射防止膜が形成できる。前記反射防止膜は後続のリソ
グラフィー工程の効率を向上させるために形成する。本
発明で、金属層はアルミニウムあるいはアルミニウム合
金を使用して形成させ得る。望ましくは、Ｓｉの含量が
０．５％以下のアルミニウム合金を用いて形成する。
【００２７】
【実施例】以下、添付した図面に基づき本発明を詳細に
説明する。実施例１ 図７〜図１０は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の一実施例を示すための概略図である。
説明する。実施例１ 図７〜図１０は本発明の方法による半導体装置の配線層
形成方法の一実施例を示すための概略図である。
【００２８】図７は拡散防止膜６７の形成段階を示す。
具体的には、不純物ドーピング領域６３の形成されてい
る半導体基板６１上に絶縁層６５を形成する。絶縁層６
５は含燐含硼素ガラスＢＰＳＧを使用して約０．８μｍ
〜１．６μｍの厚さで形成した。次に、前記絶縁層６５
に半導体基板６１の不純物ドーピング領域６３の表面一
部を露出させる接触口６６を形成した。形成された開口
部の大きさ（直径または幅）は０．５μｍ〜１．０μｍ
である。
具体的には、不純物ドーピング領域６３の形成されてい
る半導体基板６１上に絶縁層６５を形成する。絶縁層６
５は含燐含硼素ガラスＢＰＳＧを使用して約０．８μｍ
〜１．６μｍの厚さで形成した。次に、前記絶縁層６５
に半導体基板６１の不純物ドーピング領域６３の表面一
部を露出させる接触口６６を形成した。形成された開口
部の大きさ（直径または幅）は０．５μｍ〜１．０μｍ
である。
【００２９】次いで、絶縁層６５の全表面、接触口６６
の内面および半導体基板６１の露出された表面上に拡散
防止膜６７を形成した。更に詳細には、７mTorr のアル
ゴン雰囲気下でスパッタリング方法によりＴｉを約２０
０〜５００Å、望ましくは３００Åの厚さで蒸着して第
１拡散防止膜を形成した後、全体圧力７mTorr 、Ｎ2分
圧が４０％のアルゴン雰囲気下でスパッタリング方法に
よりＴｉＮを約５００〜１０００Å、望ましくは９００
Åの厚さで蒸着して第２拡散防止膜を形成し、第１拡散
防止膜と第２拡散防止膜との複合層から構成された拡散
防止膜６７を形成した。この際、基板の温度はＴｉを蒸
着する時もＴｉＮを蒸着する時も双方とも２００℃であ
る。
の内面および半導体基板６１の露出された表面上に拡散
防止膜６７を形成した。更に詳細には、７mTorr のアル
ゴン雰囲気下でスパッタリング方法によりＴｉを約２０
０〜５００Å、望ましくは３００Åの厚さで蒸着して第
１拡散防止膜を形成した後、全体圧力７mTorr 、Ｎ2分
圧が４０％のアルゴン雰囲気下でスパッタリング方法に
よりＴｉＮを約５００〜１０００Å、望ましくは９００
Åの厚さで蒸着して第２拡散防止膜を形成し、第１拡散
防止膜と第２拡散防止膜との複合層から構成された拡散
防止膜６７を形成した。この際、基板の温度はＴｉを蒸
着する時もＴｉＮを蒸着する時も双方とも２００℃であ
る。
【００３０】次に、前記拡散防止膜６７を４５０℃〜５
００℃の温度で、３０分〜６０分間Ｎ2 雰囲気下でアニ
ーリングした。この際、微量の酸素が混入されて拡散防
止膜の表面にＴｉＯ2 、ＴｉＯ、Ｔｉ2 Ｏ3 などのよう
な酸化物層が形成され、粒子間の境界部分の拡散経路を
遮断させ拡散障壁効果を増進させる。これをスタッフィ
ング（stuffing）効果という。
００℃の温度で、３０分〜６０分間Ｎ2 雰囲気下でアニ
ーリングした。この際、微量の酸素が混入されて拡散防
止膜の表面にＴｉＯ2 、ＴｉＯ、Ｔｉ2 Ｏ3 などのよう
な酸化物層が形成され、粒子間の境界部分の拡散経路を
遮断させ拡散障壁効果を増進させる。これをスタッフィ
ング（stuffing）効果という。
【００３１】図８は金属層の形成段階を示す。図７の段
階後、拡散防止膜６７上に低温で真空中で金属層を蒸着
して厚さ６０００Åの金属層６９を形成する。前記金属
層６９はＡｌ−Ｓｉ合金（Ａｌ−１％Ｓｉ合金）または
Ａｌ−０．５％Ｃｕ−１％Ｓｉ合金のようにＳｉ成分を
含むアルミニウム合金を使用して形成された第１金属層
と、純アルミニウムまたはＡｌ−Ｃｕ合金（Ａｌ−０．
５％Ｃｕ合金）またはＡｌ−Ｔｉ合金のようにＳｉ成分
のないアルミニウム合金を使用して形成された第２金属
層とから構成された複合層として形成するかまたは、Ｓ
ｉ成分を０．５％以下含有する金属層を使用して単一層
として形成する。望ましくは、０．５％以下のＳｉを含
むアルミニウム合金（例；Ａｌ−０．２％Ｓｉ−０．５
％Ｃｕ合金）を用いて前記金属層６９を形成する。
階後、拡散防止膜６７上に低温で真空中で金属層を蒸着
して厚さ６０００Åの金属層６９を形成する。前記金属
層６９はＡｌ−Ｓｉ合金（Ａｌ−１％Ｓｉ合金）または
Ａｌ−０．５％Ｃｕ−１％Ｓｉ合金のようにＳｉ成分を
含むアルミニウム合金を使用して形成された第１金属層
と、純アルミニウムまたはＡｌ−Ｃｕ合金（Ａｌ−０．
５％Ｃｕ合金）またはＡｌ−Ｔｉ合金のようにＳｉ成分
のないアルミニウム合金を使用して形成された第２金属
層とから構成された複合層として形成するかまたは、Ｓ
ｉ成分を０．５％以下含有する金属層を使用して単一層
として形成する。望ましくは、０．５％以下のＳｉを含
むアルミニウム合金（例；Ａｌ−０．２％Ｓｉ−０．５
％Ｃｕ合金）を用いて前記金属層６９を形成する。
【００３２】前記金属は２００℃以下の低温で４mTorr
以下のアルゴン雰囲気下でスパッタリング法により１０
０〜１５０Å／sec の速度で蒸着した。この際、基板に
バイアス電圧を−２０Ｖ〜−２００Ｖ程度加えてもよ
い。前記金属の蒸着温度が低いほど前記金属の表面エネ
ルギーが大きく、リフロー特性が良好である。したがっ
て、前記金属は出来る限り低温で蒸着することが有利で
ある。更に望ましいことは常温で蒸着させることであ
る。
以下のアルゴン雰囲気下でスパッタリング法により１０
０〜１５０Å／sec の速度で蒸着した。この際、基板に
バイアス電圧を−２０Ｖ〜−２００Ｖ程度加えてもよ
い。前記金属の蒸着温度が低いほど前記金属の表面エネ
ルギーが大きく、リフロー特性が良好である。したがっ
て、前記金属は出来る限り低温で蒸着することが有利で
ある。更に望ましいことは常温で蒸着させることであ
る。
【００３３】また、接触口６６の側壁の金属層６９の被
覆性を向上させるために、より低い真空下で、即ち２mT
orr のアルゴン雰囲気下でスパッタリングしたり、垂直
入射される粒子成分を多く有するようにスパッタリング
できるコリメーターを利用したコリメーションスパッタ
リング方法により３０００Å位を蒸着した後、通常の方
法でスパッタリングして残りの厚さの金属を蒸着する多
段階方法によって前記金属層６９を形成することも可能
である。このような場合、接触口６６の埋没により優れ
た効果が得られた。本実施例では２mTorr のアルゴン雰
囲気下で１２５Å／sec の蒸着速度で前記金属を蒸着さ
せた。
覆性を向上させるために、より低い真空下で、即ち２mT
orr のアルゴン雰囲気下でスパッタリングしたり、垂直
入射される粒子成分を多く有するようにスパッタリング
できるコリメーターを利用したコリメーションスパッタ
リング方法により３０００Å位を蒸着した後、通常の方
法でスパッタリングして残りの厚さの金属を蒸着する多
段階方法によって前記金属層６９を形成することも可能
である。このような場合、接触口６６の埋没により優れ
た効果が得られた。本実施例では２mTorr のアルゴン雰
囲気下で１２５Å／sec の蒸着速度で前記金属を蒸着さ
せた。
【００３４】図９は前記金属層６９の金属で接触口６６
を埋め立てる段階および中間熱処理段階を示す。より具
体的には、前記図８の金属層６９を形成した後、半導体
ウェハーを真空を破らず他のチャンバ（chamber 、図示
せず）に入れて、背面加熱方式のアルゴン伝導法を利用
して前記金属層６９を約５００〜５５０℃の温度で約４
０秒以上、望ましくは１分３０秒間熱処理してアルミニ
ウム合金粒子を接触口６６内に移動させた。このとき、
前記金属層６９の表面温度は前記チャンバの調節温度よ
り低く約４００〜５００℃の温度で維持される。アルミ
ニウム原子の移動はその自由エネルギーを減少させ、し
たがって表面積を減少させて金属層６９の金属で接触口
６６を完全に埋め立てる。
を埋め立てる段階および中間熱処理段階を示す。より具
体的には、前記図８の金属層６９を形成した後、半導体
ウェハーを真空を破らず他のチャンバ（chamber 、図示
せず）に入れて、背面加熱方式のアルゴン伝導法を利用
して前記金属層６９を約５００〜５５０℃の温度で約４
０秒以上、望ましくは１分３０秒間熱処理してアルミニ
ウム合金粒子を接触口６６内に移動させた。このとき、
前記金属層６９の表面温度は前記チャンバの調節温度よ
り低く約４００〜５００℃の温度で維持される。アルミ
ニウム原子の移動はその自由エネルギーを減少させ、し
たがって表面積を減少させて金属層６９の金属で接触口
６６を完全に埋め立てる。
【００３５】前記熱処理段階は不活性ガス（例：Ｎ2 、
Ａｒ）または還元性ガス（例：Ｈ2）雰囲気下で遂行す
ることもできる。前記アルゴン伝導法の代わりに、ＲＴ
Ａ（Rapid Thermal Annealing ）法、ランプ加熱法など
のような他の熱処理法も使用できる。また、これらの熱
処理方法を単独であるいは他の方法と組み合わせて使用
することもできる。
Ａｒ）または還元性ガス（例：Ｈ2）雰囲気下で遂行す
ることもできる。前記アルゴン伝導法の代わりに、ＲＴ
Ａ（Rapid Thermal Annealing ）法、ランプ加熱法など
のような他の熱処理法も使用できる。また、これらの熱
処理方法を単独であるいは他の方法と組み合わせて使用
することもできる。
【００３６】図９で、６９ａは接触口を完全に埋め立て
た金属層を示す。上記の方法により接触口６６を完全に
埋め立てた後、中間熱処理段階を遂行した。この段階で
は、半導体基板６１を中間温度で一定時間の間維持させ
た。半導体基板を維持する温度が２００℃以下である
と、半導体基板に形成されたアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金粒子が急速な冷却過程を経るようになりグル
ービング現象が生じる。このグルービング現象は温度が
低いほど深刻になり好ましくない。また、半導体基板を
維持する温度が高すぎると冷却効率が落ちる。したがっ
て、２００〜４００℃、望ましくは２５０〜３５０℃の
温度で前記中間熱処理段階を遂行する。また、中間熱処
理段階の期間が短すぎると冷却効果が減少して粒子の引
張ストレインを減少させるに不十分であり、長すぎると
半導体ウェハーの処理量が減少して望ましくない。この
ため、前記中間熱処理段階は２０秒〜１２０秒間、好ま
しくは約３０秒間遂行する。本実施例では、装置の調節
温度が約３００℃で半導体基板６１の温度が約２５０℃
のとき、３０秒間前記中間熱処理段階を遂行した。
た金属層を示す。上記の方法により接触口６６を完全に
埋め立てた後、中間熱処理段階を遂行した。この段階で
は、半導体基板６１を中間温度で一定時間の間維持させ
た。半導体基板を維持する温度が２００℃以下である
と、半導体基板に形成されたアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金粒子が急速な冷却過程を経るようになりグル
ービング現象が生じる。このグルービング現象は温度が
低いほど深刻になり好ましくない。また、半導体基板を
維持する温度が高すぎると冷却効率が落ちる。したがっ
て、２００〜４００℃、望ましくは２５０〜３５０℃の
温度で前記中間熱処理段階を遂行する。また、中間熱処
理段階の期間が短すぎると冷却効果が減少して粒子の引
張ストレインを減少させるに不十分であり、長すぎると
半導体ウェハーの処理量が減少して望ましくない。この
ため、前記中間熱処理段階は２０秒〜１２０秒間、好ま
しくは約３０秒間遂行する。本実施例では、装置の調節
温度が約３００℃で半導体基板６１の温度が約２５０℃
のとき、３０秒間前記中間熱処理段階を遂行した。
【００３７】このように中間熱処理段階を経ることによ
り、アルミニウムあるいはアルミニウム合金粒子間の引
張ストレインを緩和して金属層６９の粒子の焼成変形を
防止し、図４Ｂのようなグルービング現象の発生を抑制
した。前記中間熱処理段階後、半導体ウェハーをテフロ
ンで製造されたキャリヤ（ウェハーカセットともいう）
に入れるために１００℃以下に冷却した。この際、前記
冷却はアルゴンや冷却水のような冷媒を利用して背面冷
却方式により速やかに行った。このように迅速に冷却さ
せることにより、グルービング現象が抑制された状態を
保つことができる。
り、アルミニウムあるいはアルミニウム合金粒子間の引
張ストレインを緩和して金属層６９の粒子の焼成変形を
防止し、図４Ｂのようなグルービング現象の発生を抑制
した。前記中間熱処理段階後、半導体ウェハーをテフロ
ンで製造されたキャリヤ（ウェハーカセットともいう）
に入れるために１００℃以下に冷却した。この際、前記
冷却はアルゴンや冷却水のような冷媒を利用して背面冷
却方式により速やかに行った。このように迅速に冷却さ
せることにより、グルービング現象が抑制された状態を
保つことができる。
【００３８】次に、後続するフォトリソグラフィ工程を
向上させるために、熱処理された金属層６９ａの表面上
にスパッタリング方法によりＴｉＮを２００〜５００Å
の厚さで蒸着して反射防止膜（図示せず）を形成した
後、半導体装置の配線パターンのために所定のレジスト
パターン（図示せず）を反射防止膜上に通常のフォトリ
ソグラフィ工程により形成し、前記レジストパターンを
エッチングマスクとして使用して反射防止膜、金属層６
９ａおよび拡散防止膜６７を順次にエッチングして半導
体装置の配線層を形成した。
向上させるために、熱処理された金属層６９ａの表面上
にスパッタリング方法によりＴｉＮを２００〜５００Å
の厚さで蒸着して反射防止膜（図示せず）を形成した
後、半導体装置の配線パターンのために所定のレジスト
パターン（図示せず）を反射防止膜上に通常のフォトリ
ソグラフィ工程により形成し、前記レジストパターンを
エッチングマスクとして使用して反射防止膜、金属層６
９ａおよび拡散防止膜６７を順次にエッチングして半導
体装置の配線層を形成した。
【００３９】図１０は前記実施例１の方法により得られ
た金属層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。本発明の
実施例１の方法によって得られた金属層はグルービング
現象が抑制され極めて良好な表面状態を示した。比較例１ 前記中間熱処理段階を２００℃以下の温度で遂行するこ
とを除いては前記実施例１と同様の方法で金属層を形成
した。
た金属層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。本発明の
実施例１の方法によって得られた金属層はグルービング
現象が抑制され極めて良好な表面状態を示した。比較例１ 前記中間熱処理段階を２００℃以下の温度で遂行するこ
とを除いては前記実施例１と同様の方法で金属層を形成
した。
【００４０】得られた金属層を電子顕微鏡で観察したと
ころ、図６のようにグルービング効果が現れることを確
認した。中間熱処理温度が低いほどグルービング現象が
甚だしく現れた。実施例２ 実施例１ではテフロンで製造されたウェハーキャリヤを
使用したため、半導体ウェハーをキャリヤに入れる前に
１００℃以下の温度に冷却させなければならなかった。
本実施例では金属より製造された半導体ウェハーキャリ
ヤを使用する場合を示す。
ころ、図６のようにグルービング効果が現れることを確
認した。中間熱処理温度が低いほどグルービング現象が
甚だしく現れた。実施例２ 実施例１ではテフロンで製造されたウェハーキャリヤを
使用したため、半導体ウェハーをキャリヤに入れる前に
１００℃以下の温度に冷却させなければならなかった。
本実施例では金属より製造された半導体ウェハーキャリ
ヤを使用する場合を示す。
【００４１】拡散防止膜６７を形成した後、中間熱処理
段階を遂行した後に半導体ウェハーを他のチャンバへ移
送して金属層６９を形成することを除いては実施例１記
載と同様の方法で、接触口を埋没する金属層６９ａを形
成した。前記拡散防止膜６７は熱処理後に柱状構造を有
し、拡散防止膜６７の粒子の境界部分に存する水蒸気や
Ａｒ、Ｎ2 のような不純物を除去し、初期蒸着段階でア
ルミニウム原子の吸着状態は良好になり優れた＜１１１
＞配向性を有するアルミニウム膜が形成された。したが
って、グルービング現象は生じなくなった。
段階を遂行した後に半導体ウェハーを他のチャンバへ移
送して金属層６９を形成することを除いては実施例１記
載と同様の方法で、接触口を埋没する金属層６９ａを形
成した。前記拡散防止膜６７は熱処理後に柱状構造を有
し、拡散防止膜６７の粒子の境界部分に存する水蒸気や
Ａｒ、Ｎ2 のような不純物を除去し、初期蒸着段階でア
ルミニウム原子の吸着状態は良好になり優れた＜１１１
＞配向性を有するアルミニウム膜が形成された。したが
って、グルービング現象は生じなくなった。
【００４２】次いで接触口６６を埋没させた後、半導体
ウェハーを金属より製造されたウェハーキャリヤ（カセ
ット）に入れて真空中に放置し、半導体ウェハーを冷却
させた。半導体ウェハーキャリヤが金属よりなる場合に
は、すぐにウェハーをキャリヤに入れることができた。
このとき、冷却時間は２〜５分間であることが望まし
い。真空中に半導体ウェハーが放置されているため、熱
伝導による半導体ウェハーの冷却は生じない。よって、
半導体ウェハーは徐々に冷却された。次に、後続く半導
体製造工程を遂行した。得られた金属層の表面からグル
ービング現象を電子顕微鏡で観測した。
ウェハーを金属より製造されたウェハーキャリヤ（カセ
ット）に入れて真空中に放置し、半導体ウェハーを冷却
させた。半導体ウェハーキャリヤが金属よりなる場合に
は、すぐにウェハーをキャリヤに入れることができた。
このとき、冷却時間は２〜５分間であることが望まし
い。真空中に半導体ウェハーが放置されているため、熱
伝導による半導体ウェハーの冷却は生じない。よって、
半導体ウェハーは徐々に冷却された。次に、後続く半導
体製造工程を遂行した。得られた金属層の表面からグル
ービング現象を電子顕微鏡で観測した。
【００４３】比較例２
前記中間熱処理工程を略することを除いては前記実施例
２と同一の方法で金属層を形成した。得られた金属層の
表面からグルービング現象を電子顕微鏡で観測した。比較例３ 前記中間熱処理工程を接触口埋没段階後に遂行すること
を除いては前記実施例２と同一の方法で金属層を形成し
た。得られた金属層の表面からグルービング現象を電子
顕微鏡で観測した。
２と同一の方法で金属層を形成した。得られた金属層の
表面からグルービング現象を電子顕微鏡で観測した。比較例３ 前記中間熱処理工程を接触口埋没段階後に遂行すること
を除いては前記実施例２と同一の方法で金属層を形成し
た。得られた金属層の表面からグルービング現象を電子
顕微鏡で観測した。
【００４４】比較例４
前記中間熱処理工程を金属層形成段階前だけでなく接触
口埋没段階後にも遂行することを除いては前記実施例２
と同一の方法で金属層を形成した。得られた金属層の表
面からグルービング現象を電子顕微鏡で観測した。前記
実施例２および比較例２〜４のグルービング現象観測結
果を下記表１に示す。
口埋没段階後にも遂行することを除いては前記実施例２
と同一の方法で金属層を形成した。得られた金属層の表
面からグルービング現象を電子顕微鏡で観測した。前記
実施例２および比較例２〜４のグルービング現象観測結
果を下記表１に示す。
【００４５】
【表１】
前記表１から、本発明の方法により得られた金属層は、
粒子間の境界部分からグルービング現象が発生せず良好
な表面を有することが分かる。前記の中間熱処理段階を
金属層形成前に遂行する場合には、接触口埋没工程後に
真空中で徐々に冷却することが望ましい。このような場
合、良好な配向性を持って形成された金属層の粒子がリ
フロー後に徐々に冷却されることにより、初期状態のよ
うな配向性を維持するために十分な期間を有するように
なる。
粒子間の境界部分からグルービング現象が発生せず良好
な表面を有することが分かる。前記の中間熱処理段階を
金属層形成前に遂行する場合には、接触口埋没工程後に
真空中で徐々に冷却することが望ましい。このような場
合、良好な配向性を持って形成された金属層の粒子がリ
フロー後に徐々に冷却されることにより、初期状態のよ
うな配向性を維持するために十分な期間を有するように
なる。
【００４６】前記中間熱処理段階は金属層形成段階前ま
たは接触口の埋没段階以後に選択的に遂行することが望
ましい。比較例３および４のように接触口の埋没段階後
に前記中間熱処理段階を施した場合、冷却を徐々に行う
とむしろ表面状態が不良になる。このような現象は、一
定した配向性を持って形成された粒子が徐々に冷却され
ることによって初期のような配向性を有するが、中間熱
処理段階を遂行すれば、前記中間熱処理段階はむしろ再
配向されるのが抑えられグルービングが発生すると考え
られる。
たは接触口の埋没段階以後に選択的に遂行することが望
ましい。比較例３および４のように接触口の埋没段階後
に前記中間熱処理段階を施した場合、冷却を徐々に行う
とむしろ表面状態が不良になる。このような現象は、一
定した配向性を持って形成された粒子が徐々に冷却され
ることによって初期のような配向性を有するが、中間熱
処理段階を遂行すれば、前記中間熱処理段階はむしろ再
配向されるのが抑えられグルービングが発生すると考え
られる。
【００４７】
【発明の効果】以上、本発明によると、金属層の高温リ
フロー方法におけるグルービング現象の発生を抑制する
ことにより、半導体装置金属配線層の収率が増加し不良
率が減少する。また、より平滑な表面を有する金属層が
形成されるため後続く工程が容易であるだけでなく、反
射防止膜の形成時には反射防止膜の被覆性が向上され金
属層の耐薬品性および耐腐食性が向上される。
フロー方法におけるグルービング現象の発生を抑制する
ことにより、半導体装置金属配線層の収率が増加し不良
率が減少する。また、より平滑な表面を有する金属層が
形成されるため後続く工程が容易であるだけでなく、反
射防止膜の形成時には反射防止膜の被覆性が向上され金
属層の耐薬品性および耐腐食性が向上される。
【図１】従来技術による金属配線層形成方法の一例を示
す概略図である。
す概略図である。
【図２】従来技術による金属配線層形成方法の一例を示
す概略図である。
す概略図である。
【図３】従来技術による金属配線層形成方法の一例を示
す概略図である。
す概略図である。
【図４】ＡおよびＢはグルービング現象の発生を説明す
るためのアルミニウム粒子の概略図である。
るためのアルミニウム粒子の概略図である。
【図５】グルービング現象を説明するための斜視断面図
である。
である。
【図６】グルービング現象が発生して金属膜の表面状態
が粗くなったことを示す、アルミニウム合金から構成さ
れた金属層の表面を示すＳＥＭ写真である。
が粗くなったことを示す、アルミニウム合金から構成さ
れた金属層の表面を示すＳＥＭ写真である。
【図７】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方
法の一実施例を示すための概略図である。
法の一実施例を示すための概略図である。
【図８】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方
法の一実施例を示すための概略図である。
法の一実施例を示すための概略図である。
【図９】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方
法の一実施例を示すための概略図である。
法の一実施例を示すための概略図である。
【図１０】本発明の方法により得られた金属層の表面状
態を示すＳＥＭ写真である。
態を示すＳＥＭ写真である。
６１ 半導体基板
６５ 絶縁層
６６ 接触口
６７ 拡散防止膜
６９ 金属層
６９ａ 金属層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 田 永受
大韓民国 京畿道 安養市 虎渓３洞
805−７番地 京郷アパート 12棟 508
号
(56)参考文献 特開 平４−65831（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−81421（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−99546（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−132348（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−211915（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−246831（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−109341（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−239665（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/28 301
H01L 21/768
Claims (13)
- 【請求項１】 半導体基板上の絶縁膜に設けられた開口
部を覆うように形成された拡散防止膜上に真空中で低温
で金属層を蒸着する段階と、前記金属層を前記真空を破
らず溶融点以下の高温で熱処理して前記金属層の粒子を
リフローさせる段階とを含む半導体装置の金属層形成方
法において、 前記金属層の形成方法は、前記金属層を形成する段階以
前、又は前記金属層の粒子をリフローさせる段階の後
に、前記低温と前記高温との間の中間温度で前記半導体
基板を一定時間維持し前記金属層の粒子の間のグルーブ
形成を防止する中間熱処理段階を更に含み、 前記低温は常温〜２００℃以下の温度であり、 前記高温は０．６Ｔｍ〜Ｔｍ（Ｔｍ＝前記金属層を構成
する金属の溶融点）の範囲の温度であり、 前記中間温度は２００〜４００℃の間の温度である こと
を特徴とする半導体装置の金属層形成方法。 - 【請求項２】 前記中間熱処理段階は前記金属層を形成
する段階以前に遂行することを特徴とする請求項１記載
の半導体装置の金属層形成方法。 - 【請求項３】 前記金属層をリフローさせてから後続す
る半導体装置の製造工程を遂行する工程前に、前記半導
体基板を真空中に放置して前記金属層を徐々に冷却させ
る段階を更に含むことを特徴とする請求項２記載の半導
体装置の金属層形成方法。 - 【請求項４】 前記中間熱処理段階は前記金属層をリフ
ローさせる段階以後に遂行することを特徴とする請求項
１記載の半導体装置の金属層形成方法。 - 【請求項５】 前記中間熱処理段階後、後続する半導体
装置の製造工程を遂行する工程前に、前記金属層を形成
した前記半導体基板を冷媒を使用して迅速に冷却させる
段階を更に含むことを特徴とする請求項４記載の半導体
装置の金属層形成方法。 - 【請求項６】 前記中間熱処理段階は２０秒〜１２０秒
間遂行することを特徴とする請求項１記載の半導体装置
の金属層形成方法。 - 【請求項７】 前記金属層をリフローさせる段階後、前
記リフローされた金属層上に反射防止膜を形成する段階
を更に含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置
の金属層形成方法。 - 【請求項８】 前記反射防止膜はＴｉＮから構成された
ことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の金属層形
成方法。 - 【請求項９】 前記金属層はＳｉの含量が０．５％以下
のアルミニウム合金から構成されたことを特徴とする請
求項１記載の半導体装置の金属層形成方法。 - 【請求項１０】 半導体基板を２００〜４００℃の間の
所定温度で一定時間の間維持させる段階と、 前記半導体基板上の絶縁膜に設けられた開口部を覆うよ
うに形成された拡散防止膜上に真空中で２００℃以下の
低温で金属層を蒸着する段階と、 前記金属層を前記真空を破らず０．６Ｔｍ〜Ｔｍ（Ｔｍ
＝前記金属層を構成する金属の溶融点）の範囲の高温で
熱処理して前記金属層の粒子をリフローさせる段階と、 前記半導体基板を真空中に放置して前記金属層を徐々に
冷却させる段階とを含む半導体装置の金属層形成方法。 - 【請求項１１】 前記金属層をリフローさせる段階後、
前記リフローされた金属層上に反射防止膜を形成する段
階を更に含むことを特徴とする請求項１０記載の半導体
装置の金属層形成方法。 - 【請求項１２】 半導体基板上の絶縁膜に設けられた開
口部を覆うように形成された拡散防止膜上に真空中で２
００℃以下の低温で金属層を蒸着する段階と、 前記金属層を前記真空を破らず、０．６Ｔｍ〜Ｔｍ（Ｔ
ｍ＝前記金属層を構成する金属の溶融点）の範囲の高温
で熱処理して前記金属層の粒子をリフローさせる段階
と、 前記金属層を前記低温と高温との間の中間温度で一定時
間の間熱処理する段階と、 前記金属層の形成された基板を冷媒を使用して速やかに
冷却させる段階とを含む半導体装置の金属層形成方法。 - 【請求項１３】 前記金属層をリフローさせる段階後、
前記リフローされた金属層上に反射防止膜を形成する段
階を更に含むことを特徴とする請求項１２記載の半導体
装置の金属層形成方法。
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