JP3584054B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、より具体的に本発明は配線層を含む半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の集積度の低い半導体装置において、金属の段差塗布性は大きく問題にならなかった。ところが、最近には半導体装置の高集積化により接触口の直径はハーフミクロン位に非常に小さくなり、深さも深くなってアスペクト比は一層大きくなり、半導体基板に形成された不純物注入領域は遙に薄くなった。従って、従来のアルミニウムを利用し配線を形成する方法は直径 ０．５μｍ 以下及び２以上のアスペクト比を有する接触口を埋め立てるのに困難であり、ボイドが形成され金属配線層の信頼性を低下させるので改善する必要性があった。従って、近来には半導体装置の配線方法は半導体装置の速度、収率及び信頼性を決定する要因となるので半導体製造工程中、一番重要な位置を占めている。
【０００３】
高いアスペクト比、スパッターされたアルミニウムの段差塗布性の不良によるボイド形成のような問題点を解決するためにアルミニウムを溶融させ接触口を埋め立てる方法が提示されている。例えば、日本国特許公開公報第６２−１３２８４８号（菅野幸保等）、日本国特許公開公報第６３−９９５４６号（飯島晋平等）、日本国特許公開公報第６２−１０９３４１号（清水雅裕等）等には溶融法が開示されている。前記した公報によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金を蒸着した後、アルミニウムをアルミニウムの溶融点以上の温度で加熱し液状アルミニウムを流動させ接触口を埋め立てる。前記公報以外に、米国特許第４、９２０、０２７号（Ｒｙｏｉｃｈｉ Ｍｕｋａｉ ）、米国特許第４、８００、１７９号（Ｒｙｏｉｃｈｉ Ｍｕｋａｉ ）及び米国特許第４、７５８、５３３号（Ｍａｇｅｅ Ｔｈｏｍａｓ ｅｔ ａｌ． ）には、金属層を蒸着した後、レーザービームを利用し加熱溶融させ平坦化された金属層を形成する方法が開示されている。
【０００４】
前記方法によると、半導体ウェハーを水平的に位置させ溶融された液状アルミニウムが接触口を適当に埋め立てるようにし、液状金属層は表面張力を小さくしようとし固化の際に収縮したり捩じれるようになり底部の半導体物質を露出させ、熱処理温度を正確に調節できず、一定に反復再現しにくいという問題点が存する。又、金属上の残余部分で接触口以外の部分は表面が荒くなり後続くフォトリソグラフィ工程が困難になる。
【０００５】
米国特許第４、９７０、１７６号（Ｔｒａｃｙ 等）には、多段階金属配線方法が開示されている。即ち、前記特許には低温（約２００℃以下）で所定の厚さの厚い金属層を蒸着した後、４００〜５００℃の温度に温度を上昇させながら金属を蒸着させる。このような金属層は粒子成長、再結晶及びバルク拡散を通じて後に蒸着される金属層の段差塗布性を向上させる。
【０００６】
しかしながら、直径１μｍ 以下の接触口をアルミニウム又はアルミニウム合金で完全に埋立させることができず現在の高集積化された半導体装置の接触口を埋め立てるには適当でない。
現在、Ｏｎｏ 等はＡｌ−Ｓｉ 膜の温度が５００℃以上の場合にＡｌ−Ｓｉ 膜の液体性が急に増加すると発表し５００〜５５０℃でＡｌ−Ｓｉ 膜を蒸着し接触口を埋め立てる方法を提示したことがあり（Ｈｉｓａｋｏ Ｏｎｏ， ｅｔ ａｌ．， ｉｎ Ｐｒｏｃ．， １９９０ ＶＭＩＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｊｕｎｅ １１〜１２， ｐｐ．７６ 〜８２）、米国特許第５、０７１、７９１号（Ｉｎｏｕｅ Ｍｉｎｏｒｕ ｅｔ ａｌ． ）には基板を一定した温度以上に加熱しながらアルミニウム合金を蒸着し、良好な段差塗布性と平坦な表面を有する配線層を形成する方法が開示されている。
【０００７】
又、依田孝等は５００〜５５０℃の温度で金属を蒸着し接触口を埋め立てる方法を提示した（ヨーロッパ特許出願公開第０３８７８３５号、日本特許公開公報平成０２−２３９６６５号）。依田等の方法によれば、接触口は金属で完全に埋め立てられ得るが、Ａｌ−Ｓｉ 膜が原子移動による変形の中、電子移動（ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ）に対しては強い抵抗性を示し、ストレスマイグレーションに対しては弱い抵抗性を示す可能性が大きい。又、Ａｌ膜内に含まれたＳｉがＡｌ粒子境界で析出されるので望ましくない。従って、追加エッチング段階により接触口以外の全てのＡｌ−Ｓｉ 膜を取り除く必要性があるので、金属配線工程が複雑になる。
【０００８】
前記以外にも本発明者を含むＣ．Ｓ．Ｐａｒｋ等は１００℃以下の低温でアルミニウム合金を蒸着した後、溶融点より少し低い温度である５５０℃で約３分の間熱処理し接触口を完全に埋め立てる方法を開示し（ Ｐｒｏｃ．， １９９１ ＶＭＩＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｊｕｎｅ １１ ａｎｄ １２， ｐｐ３２６ 〜３２８ ）これを米国特許出願第０７／８９７、２９４号（１９９０年９月１９日付けで出願し発明の名称が金属配線層の形成方法である米国特許出願第０７／５８５、２１８号の一部係属出願である）で出願したことがある。前記低温蒸着されたアルミニウムは、５５０℃熱処理の際に溶けないが、接触口内に移動し接触口を完全に埋め立てる。
【０００９】
前述したＣ．Ｓ．Ｐａｒｋ等の方法によれば、１００℃以下の低温で約５００Åの厚さでアルミニウムを蒸着した後にも熱処理し大きさが ０．８μｍ であリアスペクト比が約 １．０である接触口を完全に埋立させることができ、依田等の方法のような追加エッチング段階が不必要である。又、非常に薄いアルミニウム膜を形成した後に、熱処理し接触口を埋立させることができ、接触口の大きさが小さくなっていく最近の半導体工程で、今後より小さい大きさの接触口をアルミニウムやアルミニウム合金で埋め立てられるだろうと期待される。このような利点のために、前記Ｃ．Ｓ．Ｐａｒｋ等の接触口埋没方法は当分野で多くの関心を引いている。
【００１０】
前述した通り、アルミニウム又はアルミニウム合金は電子移動特性の優れた配線が形成できるスパッタリング方法により形成されるのが一般的である。ところが、スパッタリング方法は先に述べたように、段差塗布性に問題があるので他の蒸着方法の開発が必要になった。Ａｌを化学気相蒸着ＣＶＤ方法により蒸着させ、ブァイアを完全に埋め立てる方法が提示された。例えば、米国特許第４、４６０、６１８号（Ｈｅｉｎｅｃｋｅ ｅｔ ａｌ． ）及び米国特許第４、４３３、０１２号（Ｈｅｉｎｅｃｋｅ ｅｔ ａｌ． ）にはトリイソブチルアルミニウム（Ｔｒｉｉｓｏｂｕｔｙｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ、以下ＴＩＢＡという）を熱分解させＣＶＤ方法によりアルミニウムを蒸着する方法が提示されている。
【００１１】
ＣＶＤアルミニウムを蒸着する代表的な方法は、前述した通り、有機アルミニウム前駆体を揮発した後これを熱分解しＡｌを蒸着させることである。このような有機アルミニウム前駆体の代表的なものには、前述したＴＩＢＡやＤＭＡＨ（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｈｙｄｒｉｄｅ ： （ＣＨ３）２ＡｌＨ ）等が挙げられる。
通常、ＴＩＢＡを利用しＬＰＣＶＤ方法により、アルミニウムを蒸着する場合に、２６０℃の基板温度で、ＴＩＢＡの気相温度は４５℃に保ち、アルゴンを担体ガスとして用い、１Ｔｏｒｒ位の圧力で遂行する場合に １、５００Å／分と教示されている。
【００１２】
このようなＣＶＤ方法によるアルミニウムを蒸着する方法は、ＣＶＤ−蒸着アルミニウム（以下、‘ＣＶＤ−Ａｌ’という）の段差塗布性は非常に優れるが、得られたＣＶＤ−Ａｌ膜の表面が荒くて後続くフォトリソグラフィ工程で問題点を起こす。又、ＣＶＤ−Ａｌにより形成された配線層は電子移動耐性が非常に不良であって信頼性が十分でなくなる。のみならず、ＣＶＤ方法によってはアルミニウムをＡｌ−Ｓｉ 合金の形に蒸着しにくい（参照文献、ＳＩＬＩＣＯＮ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＦＯＲ ＴＨＥ ＶＬＳＩ ＥＲＡ−Ｖｏｌ ２， ｂｙ Ｓ．Ｗｏｌｆ，ｐ２５４ ）。
【００１３】
得られたアルミニウム膜の均一性を改善するために、ウェハーをＴｉＣｌ４ の雰囲気に露出させ基板表面を前処理しＣＶＤ工程の際に、Ａｌの核生成を促進する方法が提示された（参照；米国特許大４、４６０、６１８号）。又、ソースとして、ＤＭＡＨ、ＡｌＨ２（ｉ−Ｃ４Ｈ９）、ＡｌＨ２Ｃｌ等のようなアルミニウム水素化物を用いる方法も提示された（参照；米国特許第３、４６２、２８８号）。
【００１４】
又、Ａｌ−Ｓｉ 合金より構成された膜を形成するために、米国特許第４、３２８、２６１号には高温及び低圧化で、シラン及びアルミニウムアルキルガスをＣＶＤ方法により蒸着する方法が提示された。
米国特許第４、９２３、７１７号には基板の表面上に鏡状のＡｌを蒸着するために基板をＴｉＣｌ４ のようなＩＶＢ族又はＶＢ族の金属化合物で処理し、アルミニウム水素化物を分解しアルミニウム膜を形成させる方法が開示されている。ところが、ＴｉＣｌ４ を利用して前処理する方法によれば、塩素基が残留し腐食問題をもたらす。
【００１５】
以上のように、ＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着する方法は多くの問題点があり、まだは広く実用化されていない。
シリコン基板間の前記のような反応によるＡｌスパイキングやＳｉ残砂（残滓）又はＳｉノジュール（ｎｏｄｕｌｅ）の形成を防止するために、配線層とシリコン基板又は絶縁層の間に拡散防止膜を形成するのが公知されている。例えば、米国特許第４、８９７、７０９号（Ｙｏｋｏｙａｍａ等）には拡散防止膜として窒化チタニウム膜を接触口の内壁に形成する方法が述べられている。又、日本国特許公開公報第６１−１８３９４２号にはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ又はＴａのような金属を蒸着し耐火金属膜を形成し前記耐火金属膜上に窒化チタニウムを蒸着し窒化チタニウム膜を形成し、耐火金属膜と窒化チタニウム膜より構成された二重膜を熱処理し、半導体基板と接続する接触口の底部で耐火金属膜は半導体基板と反応し熱的に安定した化合物より構成された耐火金属シリサイド層を形成させることにより障壁効果を向上させる技術が開示されている。このような拡散防止膜を熱処理する工程は窒素雰囲気でアニーリングして遂行する。拡散防止膜をアニーリングしない場合には４５０℃以上の温度でアルミニウムやアルミニウム合金をスパッタリングしたり、後にシンタリングする場合接合スパイキング現象が発生し望ましくない。
【００１６】
又、萩田雅史は障壁金属とアルミニウム配線との湿潤性を向上させ配線の質と収率を向上させるために、障壁層である ＴｉＮ層を熱処理した後、Ｓｉや０２ をイオン注入する方法を提示した（日本国特許公開第２−２６０５２号）。
又、拡散障壁層を形成する時、 ＴｉＮ層を形成した後熱処理し、再び ＴｉＮ層を形成させ障壁効果を増大させる方法が公知になっている。
【００１７】
又、前記のように、拡散防止膜の特性を向上させアルミニウムスパイキングやＳｉ残砂の析出を防止する方法以外に、アルミニウム配線層を相異なる組成を有する複合層として形成させることにより、アルミニウムスパイキングやＳｉ残砂の形成を防止する方法が提示されている。
例えば、日本国特許公開平成第０２−１５９０６５号（松本道一）には、配線層の形成の際に先ずＡｌ−Ｓｉ 膜を形成し、その上に純粋なＡｌ層を形成した後、シンタリング工程でのＳｉ残砂の析出を防止する方法が開示されている。又、本発明者の米国特許出願第０７／８２８、４５８号（出願日：１９９２年１月３１日）及び第０７／９１０、８９５号（出願日：１９９２年７月８日）には前記Ｃ．Ｓ．Ｐａｒｋ等の方法により、低温でアルミニウムを蒸着し、溶融点以下の高温で熱処理し、接触口を埋め立てる時発生するＳｉ残砂の析出を防止するために複合層を形成させる方法が述べられている。
【００１８】
一般的に、拡散防止膜を形成した後、金属層を形成するためにはウェハーを金属層形成のためのスパッタリング装置に移送しなければならないので大気に露出される。
この際、拡散防止膜の表面や粒子境界部分で酸化が起こり、酸化された拡散防止膜上ではアルミニウム原子の移動度が小さくなり、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ合金を約 ６，０００Å位の常温で蒸着する時、粒子の大きさは０．２ μｍ 位の小さい粒子が形成される。
【００１９】
一方、大気に露出されていない拡散防止膜では約１μｍ までの大きい粒子が形成され、高温で熱処理したり高温スパッタリングしてアルミニウム膜を蒸着する場合に、拡散防止膜はアルミニウムと反応しアルミニウム膜の表面が非常に荒くなり、反射率が落ち後続く写真工程で困難な点が発生する。
一般的に、拡散防止膜として通常窒化チタニウム（ＴｉＮ） 膜やＴｉＷ（又は ＴｉＷ複合窒化物）膜が用いられている。前記ＴｉＮ 膜や ＴｉＷ膜（又は ＴｉＷ複合窒化物）等は薄膜形成の際に粒子境界でアルミニウムやシリコンの拡散が完璧に防止できない微細組織上の欠陥が存したり粒子境界が存する。酸素スタッフィング方法により粒子境界での拡散経路を遮断させる方法が提示されたことがある。拡散防止膜がＮ２ アニーリング工程や大気に露出される場合に少量の酸素が混入され拡散障壁効果が増進される。これをスタッフィング効果という。
【００２０】
一般的にＴｉＮ を蒸着した後大気に露出させれば、大気中の酸素によりスタッフィング効果が現れる。ところが、Ｔｉ又はＴｉＮ を蒸着し障壁層を形成させた後大気に露出させたり、酸素含有雰囲気中でＴｉＮ を蒸着したり、酸素の混入された窒素雰囲気でアニーリングする場合接触抵抗が増加する可能性がある。
拡散防止膜の形成されている接触口で拡散防止膜の特性を向上させるためには拡散防止膜の表面と粒子境界に酸化物が存する状態にするのが望ましい。しかしながら、このような酸化物の存在は拡散防止膜とアルミニウムとの湿潤性を低下させ、ボイドを形成させたり、熱処理の際に不良なプロファイルを有する金属層を形成させ半導体装置の配線層の信頼度を低下させる。
【００２１】
図１〜図３は前記従来の方法によりアルミニウムを蒸着し接触口を埋立させる時現れ得る配線層の不良を示す。
図１〜図３で１は半導体基板、２は不純物ドーピング領域、３は絶縁膜（ＢＰＳＧ膜）、４は拡散防止膜、６はＡｌ合金層を示す。図１は通常のスパッタリング方法により蒸着されたアルミニウムのプロファイルを示し、図２は前述したＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着させ得られたアルミニウム層６を示し、図３はＡｌ金属を蒸着した後真空熱処理したり高温スパッタリング方法により接触口を埋め立てる場合に接触口に形成されたボイド７を示す。
【００２２】
前述した通り、図１の従来のスパッタリング方法によれば、スパッターされたＡｌの段差塗布性が不良であって、高いアスペクト比を有し、大きさがハーフミクロン以下である接触口を埋め立てるのは非常に難しく、ＣＶＤ方法により形成されるアルミニウム層は信頼性が落ち実際の半導体装置に適用しにくく、アルミニウムを低温蒸着した後、熱処理し接触口を埋め立てる方法は、小さくて深い接触口を埋め立てるためには蒸着及び熱処理を反復して遂行しなければならないので処理量が落ちる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はハーフミクロン以下の大きさの接触口を有する配線層の新たな構造及びその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、前述したスタッフィング効果をそのまま保つ拡散防止膜を有し、ハーフミクロン以下の大きさの接触口を完全に埋め立て信頼性のある配線層を有する半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明によれば半導体基板上に形成されており凹部を有する絶縁膜と、前記凹部を完全に埋め立て平滑な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成されており、スパッターされた金属層より構成されたことを特徴とする配線とを含む半導体装置が提供される。前記凹部は半導体基板に形成された不純物ドーピング領域を露出させる接触口、半導体装置の上部導電層と下部導電層の電気的接続のためのブァイア又は配線埋込溝（含部分的埋込）である。
【００２５】
本発明は又半導体基板上に形成されており開口部を有する絶縁膜と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属プラグと、前記ＣＶＤ金属プラグ及び前記絶縁膜層上に形成されておりスパッターされた金属層より構成された配線を含む半導体装置を提供する。
本発明の配線は低いアスペクト比及びサブミクロン位の大きさを有する接触口及びブァイアにも適用されるが、特に高集積化が要求される高いアスペクト比及びハーフミクロンの大きさ即ち、アスペクト比が ２．０〜 ６．０であり大きさが ０．２〜 ０．６μｍ である接触口及びブァイアに適用可能である。 本発明の一例によれば、前記ＣＶＤ金属層又は前記ＣＶＤ金属プラグと前記絶縁膜との反応を抑制するために、前記ＣＶＤ金属層又は前記ＣＶＤ金属プラグの下部に拡散防止膜が形成できる。望ましくは、前記拡散防止膜は前記凹部の内面上に延長され形成される。
【００２６】
本発明の他の例によれば、前記拡散防止膜は前記凹部の内面及び絶縁膜の表面上に形成されている。
本発明で、前記拡散防止膜はＴｉ、Ｍｏ、Ｔａ及びＺｒ等の耐火金属又は耐火金属化合物を使用して形成できる。前記拡散防止膜は耐火金属より構成された第１拡散防止膜と耐火金属化合物より構成された第２拡散防止膜より構成された複合膜であることが望ましい。
【００２７】
本発明の望ましい例によれば、前記ＣＶＤ金属層又はＣＶＤ金属プラグの下部に核生成活性層が形成される。前記核生成活性層は、シリコン、銅又はこれらの組み合わせで構成されたり、前記核生成活性層は耐火金属又は耐火金属化合物より構成され得る。又、前記核生成活性層は水素処理層又はシリル化層であり得る。
【００２８】
本発明の望ましい例によれば、前記ＣＶＤ金属層又はＣＶＤ金属プラグと、この上にスパッターされた金属層の間に中間層が形成される。前記中間層は（１１１）配向性を有する第３拡散防止膜であることもあり、前記中間層はシリコン、耐火金属又は耐火金属化合物を使用して形成できる。
本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の内面、底面及び前記絶縁膜上に形成されている拡散防止膜と、前記拡散防止膜上に形成されている核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成された中間層と、前記中間層に形成されており、スパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００２９】
又、本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の内面及び底面上に形成されている拡散防止膜と、前記拡散防止膜及び前記絶縁膜上に形成されている核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成された中間層と、前記中間層に形成されており、スパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００３０】
又、本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の内面及び底面上に形成されている拡散防止膜と、前記拡散防止膜上に形成された核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属プラグと、前記ＣＶＤ金属プラグ及び前記絶縁膜上に形成されている中間層と、前記中間層上に形成されているスパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００３１】
又、本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の底面上に形成された拡散防止膜と、前記拡散防止膜、前記開口部の内面及び前記絶縁膜上に形成された核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成された中間層と、前記中間層上に形成されているスパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００３２】
本発明の他の目的を達成するために、半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する段階と、前記開口部を埋め立てる金属層をＣＶＤ方法によりＣＶＤ金属層を形成する段階と、前記ＣＶＤ金属層を熱処理しその表面を平滑にする段階と、前記ＣＶＤ金属層上にスパッタリング方法によりスパッターされた金属層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００３３】
前記ＣＶＤ金属層はＴＩＢＡ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＤＭＡＨ及びジイソブチルアルミニウムハイドライドＤＩＢＡＨ（Ｄｉ−ｉｓｏ−ｂｕｔｙｌ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｈｙｄｒｉｄｅ ）のような有機金属化合物をソースとして利用して形成させ得る。前記ＣＶＤ金属層を形成する前に、前記ＣＶＤ金属層を均一に形成するために前記ＣＶＤ金属層の形成される部分に核生成活性層を形成する。前記熱処理工程は前記ＣＶＤ金属層を構成する金属の溶融点以下の高温で真空を破らず、連続的に遂行することが望ましい。例えば、前記熱処理工程は ０．６Ｔｍ〜Ｔｍ（Ｔｍは前記ＣＶＤ金属層を構成する金属の溶融点である）の温度で遂行する。
【００３４】
前記スパッターされた金属層を形成する前に、前記表面の平滑なＣＶＤ金属層上に中間層を形成することが望ましい。
本発明の一例によれば、前記スパッター金属層は低温でスパッターされるべき金属層の所定厚さの一部分を先ず蒸着し第１スパッター金属層を形成し、前記第１スパッター金属層を溶融点以下の高温で熱処理した後、前記スパッターされた金属層が所定の厚さを有するように追加で金属を蒸着し第２金属層を形成して得られた複合層より構成される。
【００３５】
本発明は又、半導体基板上にＣＶＤ方法により金属を蒸着し金属層を形成する段階と、前記金属層を前記金属層を構成する金属の溶融点以下の高温で熱処理し前記金属層の表面を平滑化することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
又、本発明は半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する段階と、前記開口部のみを選択的に埋め立てるＣＶＤ金属プラグをＣＶＤ方法により形成する段階と、前記ＣＶＤ金属プラグを熱処理しその表面を平滑にする段階と、前記ＣＶＤ金属プラグ及び前記絶縁膜上にスパッタリング方法によりスパッターされた金属層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００３６】
又、本発明は不純物ドーピング領域を有する半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜に前記半導体基板の不純物ドーピング領域を露出させる接触口を形成する段階と、前記接触口の内面、前記半導体基板の露出された表面及び前記絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜上に核生成活性層を形成する段階と、前記核生成活性層上に前記接触口を埋め立てる金属層をＣＶＤ方法によりＣＶＤ金属層を形成する段階と、前記ＣＶＤ金属層を熱処理しその表面を平滑にする段階と、前記表面の平滑なＣＶＤ金属層上に、先ず方位が（１１１）である中間層を形成する段階と、前記中間層上にスパッタリング方法によりスパッターされた金属層を形成する段階を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００３７】
【作用および発明の効果】
本発明によれば、接触口はＣＶＤ方法により金属で埋め立てられ、スパッタリング方法等により信頼性のあるスパッターされた金属層が蒸着され接触口を埋め立てハーフミクロン以下の大きさを有する接触口を埋め立てる半導体装置の配線の形成が可能である。配線層は次世代の半導体装置に使用され得る。
【００３８】
【実施例】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。
図４〜図７は本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
図４は本発明の半導体装置の配線層の一例を示す。
図４で３１は半導体基板、３２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、３３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜と、３５は接触口の内面、半導体基板の露出された表面及び絶縁膜３３上に形成された拡散防止膜、３６は前記拡散防止膜３５上に形成された核生成活性層、３７ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属層、３８は中間層、３９は前記中間層３８上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、４０は反射防止膜を示す。
【００３９】
図５は本発明の半導体装置の配線層の第２例を示す断面図である。
図５で、５１は半導体基板、５２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、５３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜、５５ａは接触口の内面及び半導体基板の露出された表面上に形成された拡散防止膜、５７は前記拡散防止膜５５及び前記絶縁膜５３上に形成された核生成活性層、５８ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属層、５９は中間層、６０は前記中間層５９上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、６１は反射防止膜を示す。
【００４０】
図６は本発明の半導体装置の配線層の第３例を示す断面図である。
図６で、７１は半導体基板、７２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、７３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜、７５ａは接触口の内面及び半導体基板の露出された表面上に形成された拡散防止膜、７６ａは前記拡散防止膜７５ａ上に形成された核生成活性層、７７ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属プラグ、７８は前記ＣＶＤ金属プラグ７７ａ及び絶縁膜７３上に形成された中間層、７９は前記中間層７８上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、８０は反射防止膜を示す。
【００４１】
図７は本発明の半導体装置の配線層の又他の一例を示す断面図である。
図７で、９１は半導体基板、９２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、９３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜、９６ａは半導体基板の露出された表面上に形成された拡散防止膜、９７は前記拡散防止膜９６ａ、接触口の内面及び前記絶縁膜９３上に形成された核生成活性層、９８ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属層、９９は中間層、１００は前記中間層９９上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、１０１は反射防止膜を示す。
【００４２】
以下、下記実施例を通じて前記図４〜図７に示した本発明の配線層及びその形成方法に対しより具体的に説明する。
（実施例１）
図８〜図１２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。
【００４３】
図８は拡散防止膜３５の形成段階を示す。具体的には不純物ドーピング領域３２が形成されている半導体基板３１上に絶縁層３３を形成する。絶縁層３３は含燐含硼素ガラス（ＢＰＳＧ）を使用し約 ０．８〜 １．６μｍ の厚さで形成する。次に前記絶縁層３３に開口部を形成して半導体基板３１の不純物ドーピング領域３２の表面一部を露出させる。ここで、開口部は半導体基板３１の不純物ドーピング領域３２を露出させる接触口３４である。形成された接触口３４の大きさ（口径）は ０．２〜 ０．６μｍ であり、アスペクト比は２〜６である。
【００４４】
次に、絶縁層３３の全表面、接触口３４の内面及び半導体基板３１の露出された表面上に拡散防止膜３５を形成する。前記拡散防止膜３５は２層構成であって、アルゴン雰囲気でＤＣ（直流バイアス）マグネトロンスパッタリング方法によりチタニウムＴｉを約２００〜５００Åの厚さで蒸着し第１拡散防止膜を形成した後、圧力が７ｍＴｏｒｒ であり、Ｎ２ の相対分圧が４０％であるアルゴン雰囲気下でスパッタリング方法によりチタニウムナイトライドを約 ３００〜１，５００ Åの厚さで蒸着し第２拡散防止膜を形成する。この際基板の温度はＴｉを蒸着する時やＴｉＮを蒸着する時両方とも２００℃である。
【００４５】
次に、前記拡散防止膜３５を４５０〜５００℃の温度で、３０〜６０分間Ｎ２ 雰囲気でアニーリングする。この際、微量の酸素が混入され、拡散障壁層の表面にＴｉＯ２、ＴｉＯ 、Ｔｉ２Ｏ３ 等のような酸化物層（図示せず）が形成される。このような酸化物層の存在により拡散防止膜とアルミニウム粒子間の湿潤性が不良になるので、後続くＣＶＤ方法によるアルミニウム蒸着工程で、アルミニウム粒子の核形成を低下させる。
【００４６】
図９は前記拡散防止膜３５上に核生成活性層３６を形成する段階を示す。前記で得られた拡散防止膜３５上に、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ等のような耐火金属又はこれらの化合物の中いずれか一つ、望ましくはＴｉを蒸着し核生成活性層を形成する。この核生成活性層はＴｉＣｌ４ 雰囲気で前記拡散防止膜３５を露出させ遂行することができるが、このような方法は塩素基が残留し腐食問題を発生して望ましくない。この際、形成された核生成活性層の厚さは約１００Åである。蒸着工程は低速、好ましくは約１０Å／ｓｅｃ の速度で遂行するのが望ましい。
【００４７】
本発明の他の実施例によれば、前記核生成活性層３６は表面部分に前記酸化物層の形成された前記拡散防止膜３５の表面を水素終端させたり、その表面部分を還元させ形成された水素処理層であり得る。このような拡散防止膜の水素終端又は水素還元処理は、前記で得られた拡散防止膜３５を水素圧力 ２．５ｍＴｏｒｒ 下で、水素プラズマを発生させるＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ）装置を利用し、マイクロウェーブパワー１ｋＷ、バイアス電圧０Ｖの状態で基板３１の温度は２５℃で１０秒〜１分間遂行する（一方、前記水素処理方法を利用し、スパッタリング方法により蒸着されたアルミニウム層の粒子を大きく形成することにより、蒸着されたアルミニウムの熱処理の際のリフロー特性を改善させる方法に対し、本発明者は米国特許出願第０８／１１５、７３３号に出願したことがある。）。
【００４８】
本発明の他の実施例によれば、前記核生成活性層３６は前記拡散防止膜３５上に、シリコンをターゲットとして使用しシリコンをスパッタリングしたり、シランＳｉＨ４のようなシリコン水素化物をフラッシングさせ酸化膜が形成されないように真空中で、連続的に蒸着させて形成されたシリコン層であり得る。この際、前記シリコンの代わりに、ターゲットとして銅を使用することもできる。又、前記核生成活性層として、銅層とシリコン層より構成された複合層を形成することもできる。
【００４９】
前記核生成活性層３６の表面には酸化物が存しないのが望ましいので、前記核生成活性層３６の形成は真空中で連続的に成されるべきであり、水素処理させ水素終端させるのが最も好ましい。
本発明の又他の実施例によれば、前記核生成活性層３６として、前記拡散防止膜３６の表面部分にシリル化工程を遂行しシリル化層を形成する。ここで、前記シリル化工程はシリコン水素化物を使用しＳｉＨ４又はＳｉ２Ｈ６ プラズマやＳｉ＊ 又は ＳｉＨ＊ ラジカルに露出させ遂行する。この際、シリコン水素化物の分圧は ０．５〜１５ｍＴｏｒｒ であり、電力は１〜１０ｋＷであり、基板の温度は常温〜２００℃である。又、シリル化層形成の際に装置の初期真空度が５×１０−７Ｔｏｒｒ以下になるようなレベルの排気を続ける。シリコン水素化物はグロー放電の際又はスパッタリングの途中にＳｉ＊ 、Ｈ ＊ 、 ＳｉＨ＊ 又はＳｉＨ２ ＊ 等のような反応性ラジカルを生成させる。スパッタリング途中の水素は２次電子の放出により半導体基板の損傷を防止し半導体素子の特性や信頼性を向上させる。従って、シリル化処理の際に水素を１μＴｏｒｒ〜５ｍＴｏｒｒ 位の分圧で別に添加するのが望ましい。このようにシリル化層を形成させ核生成活性層３６を形成することができ、Ａｌとシリコンの拡散経路を遮断させ接合スパイキング発生を防止する。
【００５０】
図１０はＣＶＤ金属層３７の形成段階を示す。前記核生成活性層３６を形成した後、真空を破らず、基板３１を他の反応室に移送させた後、前記核生成活性層３６上にＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着し前記接触口３４を埋め立てるＣＶＤ金属層３７を形成する。本実施例で、アルミニウム蒸着は前記公知された通常のＣＶＤ方法により遂行できる。例えば、ＴＩＢＡ、ＴＭＡ、ＤＭＡＨ等のような有機金属化合物をソースとして利用して遂行する。
【００５１】
ＴＩＢＡを使用して蒸着する場合、コールドウォール（ｃｏｌｄ ｗａｌｌ ）形の装置を使用し、ＴＩＢＡの流入の際気相温度は９０℃以下、望ましくは８４〜８６℃を保ち、担体ガスとしてアルゴンのような不活性ガスを用いてバブリングさせ使用する。この際、アルゴンガスの流速は約７リットル／ｍｉｎ であることが好ましい。ＴＩＢＡの熱分解の際に蒸着温度は約２５０℃位であるが、蒸着速度が大きくて望ましくない。蒸着速度は温度が下がると減少するので、蒸着速度を低めるためにより低い温度で遂行することもできる。前記条件で、蒸着速度は約 １，０００Å／ｍｉｎ であり、接触口の大きさが ０．２μｍ の場合にはＴＩＢＡを利用し約１分間アルミニウムを蒸着させ接触口を埋没させる。
【００５２】
本発明の他の実施例によれば、前記ＣＶＤ金属層３７はＤＭＤＨ等のようなアルミニウム水素化物を使用して蒸着させる。この際、前記アルミニウム水素化物の熱分解を防止するために、低温で前記アルミニウム水素化物を保管し、蒸着工程は５０℃以上の温度で遂行する。不活性ガスであるアルゴンを利用しソースの気相状態が調節でき、蒸着温度を低めるためには前述した通り基板の温度を低めたり、又はソースの量を減少させる。アルミニウム水素化物を利用した蒸着方法は適切なソースを使用すれば蒸着温度が低められる。蒸着工程は０．０１〜１０Ｔｏｒｒの圧力及び５０〜１５０℃の反応室で遂行する。
【００５３】
例えば、（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ の気相状態で、８０℃では（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ の分圧が優勢であると知られている。このような現象は（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ 分子からＭｅ３Ｎの分解が水素の損失より先立つからである。このような現象はＤＭＡＨの場合も同様に起こる。（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ をソース又は前駆体として使用する場合には８０℃以上の温度でアルミニウムが蒸着される。従って、８０〜１５０℃の低い温度でアルミニウムを蒸着する時、アルミニウム水素化物を使用して蒸着する。この際、圧力は１０ｍＴｏｒｒ 〜１０Ｔｏｒｒの範囲を保つ。アルミニウムの蒸着温度が１８０℃の際は、蒸着速度は ０．６〜 １．０μｍ／ｍｉｎ である。蒸着速度を低めるためには温度を低め１５０℃の温度で（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ を熱分解して接触口を埋没させる。この際、熱分解をより効果的に遂行するためにはプラズマを印加し蒸着工程を遂行することもできる。ここで、Ｍｅはメチル基を示している。
【００５４】
しかし、このような方法で得られたＣＶＤ金属層３７の表面は図３に示した通り平滑でない。従って、そのまま後続くフォトリソグラフィー工程を遂行する場合にはアラインの際に精密度を高めることができず、前記ＣＶＤ金属層３７は炭素のような残留不純物を含んでおり、電子移動及びストレス移動の耐性が小さくて信頼性が低い。
【００５５】
図１１は前記ＣＶＤ金属層３７を平滑化する段階を示す。前記ＣＶＤ金属層３７を形成した後、半導体基板３１を真空を破ることなく他の室（ｃｈａｍｂｅｒ ）に入れ、アルゴン伝導法を利用し、ＣＶＤ金属層３７を溶融点以下の高い温度で、望ましくは ０．６Ｔｍ（Ｔｍは前記ＣＶＤ金属層３７を構成する金属の溶融点である）〜Ｔｍの温度、より具体的には約４６０℃（この際熱処理装置の温度は約５００〜５５０℃である）で約１〜５分間、好ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属層３７の表面を平滑にする。熱処理により前記ＣＶＤ金属層３７は初期に形成された金属層のストレス弛緩により前記ＣＶＤ金属層３７を構成する金属原子はリフロー特性を有し、金属原子の移動が誘発され、金属原子の移動はその自由エネルギーを減少させ、よって表面積を減少させ、前記ＣＶＤ金属層３７の表面が非常に平滑になる。又、金属原子の移動が誘発されながら、膜内に含まれている不純物が取り除かれる作用効果、即ち、ベーキングされる効果があり前記ＣＶＤ金属層３７の信頼性が向上される。この熱処理段階はＣＶＤ金属層３７の表面が酸化されないように不活性ガス（例：Ｎ２、Ａｒ）又は還元性ガス（例：Ｈ２）雰囲気で遂行すうるのが望ましい。前記アルゴン伝導法の代わりに、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ）法、ランプ加熱法等のような他の熱処理法を使用し得る。これらの熱処理方法を単独又は他の方法と組み合わせて使用できる。図１１で３７ａは表面が平滑なＣＶＤ金属層を示す。
【００５６】
図１２は中間層３８及びスパッターされた金属層３９を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属層３７ａ上に中間層３８としてＴｉ又はＴｉＮをスパッタリング方法により２００Åの厚さで蒸着して拡散防止膜を形成する。この際、蒸着温度は２００℃である。次に、前記中間層３８上にアルミニウム又はアルミニウム合金を ２，０００〜 ４，０００Å、望ましくは３，０００ Åの厚さで蒸着しスパッター金属層３９を形成する。スパッター作業は、初期真空度５×１０−７Ｔｏｒｒ以下、望ましくは５×１０−８Ｔｏｒｒ以下、プラズマ圧力は２Ｔｏｒｒ以下で遂行する。
【００５７】
スパッター金属層３９はＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして使用し３５０℃以下の温度でスパッタリングして形成する。又、形成される配線層の信頼性を更に向上させるために、１５０℃以下の温度で、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして用いてスパッタリングして厚さ ５００〜 １，５００Å、望ましくは １，０００Åの第１金属層を形成した後、得られた第１金属層を前述したＣＶＤ金属層３７を熱処理する時と同一の方法で、前記合金の溶融点以下の高温で、好ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で真空を破らず熱処理した後、追加で３５０℃以下の温度、望ましくは温度を調節しない常温で連続的にスパッタリングし厚さ １，５００〜 ２，５００Å、望ましくは ２，０００Åの第２金属層を形成し前記スパッター金属層３９を得る。この際、前記第２金属層はＳｉ成分を含まないＡｌ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用して形成させ相異なる成分を有する第１金属層と第２金属層より構成された複合層を形成し前記スパッター金属層３９が得られる。このような複合層を形成することにより、Ｓｉ残砂の析出を防止できる。
【００５８】
本発明の他の実施例によれば、Ｓｉ残砂の析出を防止するために、前記スパッター金属層３９はＡｌ−０．５％ 以下のＳｉ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用し単一層を形成したり、１５０℃以下の温度でＡｌ−０．５％ 以下のＳｉ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用しスパッタリングして第１金属層を形成した後、前記合金の溶融点以下の高温で真空を破らず熱処理した後、追加で３５０℃以下の温度でスパッタリングして第２金属層を形成し前記スパッター金属層３９を得る。この際、前記合金の中に含まれたシリコンの含量は後続くパタニング工程後にＳｉ残砂を析出しないように適切に調節する。この場合に、シリコンの含量は約 ０．４％ であるのが望ましい。
【００５９】
本発明の他の実施例によれば、前記中間層３８を構成する拡散防止膜として、ＴｉＳｉ２ 、ＴａＳｉ２ 、ＭｏＳｉ２ 、ＷＳｉ２等のような耐火金属シリサイドを使用し形成させることもできる。このような場合に、前記スパッター金属層３９は純粋なアルミニウム又はＡｌ−Ｃｕ 合金（Ａｌ−０．５ Ｃｕ合金） 又はＡｌ−Ｔｉ 合金のようにＳｉ成分のないアルミニウム合金をターゲットとして使用して形成させる。 本発明の又他の実施例によれば、前記中間層３８として、拡散防止膜の代わりに犠牲層であるシリコン層を形成させることもできる。前記シリコン層はＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６ を使用しＣＶＤ方法により約２０Åの厚さで形成させる。次に、前記スパッター金属層３９は純粋なアルミニウム又はＡｌ−Ｃｕ 合金（Ａｌ−０．５ Ｃｕ合金） 又はＡｌ−Ｔｉ 合金のようにＳｉ成分のないアルミニウム合金をターゲットとして使用して形成させる。
【００６０】
前記スパッター金属層３９は１５０℃以下の低温で蒸着させる場合に、４ｍＴｏｒｒ 、望ましくは２ｍＴｏｒｒ のＡｒ雰囲気でスパッタリング法により１００〜１５０Å／ｓｅｃ 、望ましくは１２０Å／ｓｅｃ の速度で蒸着する。この際、パワーは５ 〜 ７．２ｋＷである。
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記スパッター金属層３９の表面上にスパッタリング方法により窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜４０を形成する。反射防止膜４０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ー工程により形成し、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反射防止膜４０、スパッター金属層３９、中間層３８、ＣＶＤ金属層３７、核生成活性層３６及び拡散防止膜３５を順次的にエッチングし図４に示した本発明による配線層を完成する。
【００６１】
（実施例２）
図１３〜図１８は本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
本第２実施例は前記第１実施例と蒸着方法及び熱処理概念は同一であるが、接触口での拡散防止膜の形成工程を異にしたものである。
【００６２】
図１３は拡散防止膜５５の形成段階を示す。具体的には前記実施例１と同一の方法で不純物ドーピング領域５２が形成されている半導体基板５１上に絶縁層５３を形成した後、前記絶縁層５３に半導体基板５１の不純物ドーピング領域５２の表面一部を露出させる開口部を形成する。ここで、開口部は前記実施例１の場合と同様に、半導体基板５１の不純物ドーピング領域５２を露出させる接触口５４である。形成された接触口５４の大きさは ０．２μｍ 〜 ０．６μｍ であり、アスペクト比は２〜６である。次に、絶縁層５３の全表面、接触口５４の内面及び半導体基板５１の露出された表面上に拡散防止膜３５を形成する。
【００６３】
拡散防止膜は通常スパッタリング方法により形成される。通常のスパッタリング方法により、拡散防止膜を形成させる場合に、高いアスペクト比により拡散防止膜の接触口での段差被覆性が不良になり、これは接触口での故障を誘発する。半導体装置が非常に高集積化されるにつれ、高いアスペクト比を有し大きさがハーフミクロン以下の接触口ではこのような現象が深刻である。高いアスペクト比を有する接触口での拡散防止膜の段差被覆性を増加させるために、本実施例ではＴｉのような耐火金属又はＴｉＮ のような耐火金属化合物を半導体基板に垂直入射角を有するようにスパッターされる。垂直入射角を有するようにスパッタリングするためには、通常のスパッタリング条件より一層低い圧力、例えば ０．５ｍＴｏｒｒ 以下の圧力でスパッタリングしたり、垂直入射成分のみの粒子を選択的に蒸着する装置であるコリメーターを利用する。このような方法により、接触口５４の底面の段差塗布性を増加させ得る。
【００６４】
コリメーターを利用する場合、材質がＴｉであり、蜂の巣の形を有する直径３／８〜２インチのコリメーターをスパッタリング室に装着し２ｍＴｏｒｒ 以下で、スパッタリングする。
本実施例ではＴｉを前記コリメーターを利用して蒸着する。より具体的には、前記接触口５４の大きさが ０．３μｍ の場合に、直径が３／８インチであり、アスペクト比が １．０以上であるコリメーターを利用し前記絶縁膜５３上での厚さが５００ 〜１，０００ ÅになるようにＴｉを蒸着し接触口５４の下部での被覆率（蒸着の厚さ）が２００〜５００ÅになるようにＴｉ層を形成する。次に、ＮＨ３ のような窒化性の雰囲気で、ＲＴＡ装置を利用し、約８００℃温度で３０秒間Ｔｉ層を熱処理しＴｉ層の下部にはＴｉＳｉ２ 層を形成させＴｉ層の上部にはＴｉＮ 層を形成させ拡散防止膜５５を得る。
【００６５】
次に、任意に前記形成された拡散防止膜５５上にＴｉＮ のような耐火金属化合物を２００〜５００Åの厚さで蒸着できる。
図１４はフォトレジスト層５６を形成する段階を示す。前記拡散防止膜５６の形成されている結果物の全面にフォトレジストを １．０〜 １．４μｍ の厚さで形成する。
【００６６】
図１５は前記フォトレジストを利用し接触口部分にのみ拡散防止膜を残す段階を示す。前記形成されたフォトレジスト層５６を利用し結果物の全面にエッチバック又はポリシング工程を行い接触口５４部分にのみフォトレジストを残す。次に、前記接触口５４の部分に残っているフォトレジストを利用し接触口５４の内面及び半導体基板５１の露出された表面部分を取り除いた拡散防止膜５５、即ち絶縁膜５３上に形成された拡散防止膜を取り除き接触口５４部分にのみ拡散防止膜５５が存するようにする。図１５で、５５ａは接触口部分にのみ存する拡散防止膜を示す。次に、前記接触口５４部分に残っているフォトレジストを取り除く。
【００６７】
図１６は核生成活性層５７及びＣＶＤ金属層５８の形成段階を示す。前記接触口５４に残っているフォトレジストを取り除いた後、前記実施例１の場合と同様に前記接触口に存する拡散防止膜５５ａ及び絶縁膜５３上に核生成活性層５７を形成させる。ここで、核生成活性層５７の形成工程は前記実施例１の方法と同一であるが、水素処理方法は除かれる。
【００６８】
次に、前記実施例１の場合と同一の方法で、前記核生成活性層５７上にＣＶＤ金属層５８を形成し接触口５４を埋め立てる。
図１７は前記ＣＶＤ金属層５８を平滑する段階を示す。前記ＣＶＤ金属層５８を形成した後、前記実施例１の場合と同一の方法で、半導体基板５１を真空を破ることなく他の室に入れ、アルゴン伝導法を利用し、溶融点以下の高い温度で、望ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で約１〜５分間、望ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属層５８の表面を平滑にする。図１７で、５８ａは表面が平滑なＣＶＤ金属層を示す。
【００６９】
図１８は中間層５９及びスパッターされた金属層６０を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属層５８ａ上に前記実施例１の場合と同一の方法で、中間層５９及び電子移動及びストレス移動耐性の優れたスパッター金属層６０を形成する。無論、中間層を形成しなくても信頼性の優れたスパッター金属層６０を形成させ得る。前記スパッター金属層の厚さは望ましくは ３，０００Åである。
【００７０】
又、前記実施例１の場合と同一の方法で、形成される配線層の信頼性を更に向上させるために、１５０℃以下の温度でＡｌ合金を使用し厚さ １，０００Åの第１金属層を形成した後、 ０．８Ｔｍ〜Ｔｍの温度で真空を破らず熱処理する。このように熱処理して得た金属層は（１１１）配向性が増加され信頼性が増加される。アルミニウムのような金属をスパッタリングする時、Ｘ線回折強度の（１１１）面／（２００）面に対する値が増加するほど、即ちＩ（１１１）／Ｉ（２００）の比が増加するほど電子移動耐性が増加する。従って、前記のように熱処理し下部スパッタリングの（１１１）配向性を増加させれば後に形成される半導体装置の金属配線の信頼性が増加する。
【００７１】
又、選択的に優先方位（１１１）であるＴｉＮ 層を蒸着し前記中間層５９を形成することもできる。平坦化されたＣＶＤ金属層５８ａ上に、先ず優先方位（１１１）であるＴｉＮ のような物質を蒸着した後、アルミニウムを蒸着すれば、（１１１）方位の増加された金属層が得られる。次に、前記実施例１の場合と同一の方法で、連続的にスパッタリングして厚さ ２，０００Åの第２金属層を形成し前記スパッター金属層３９を得る。
【００７２】
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記実施例１の場合と同一の方法で、前記スパッタリング金属層６０の表面上に窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜６１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ー工程により形成し、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反射防止膜６１、スパッター金属層６０、中間層５９、ＣＶＤ金属層５８ａ及び核生成活性層５７を順次的にエッチングし図５に示した本発明による配線層を完成する。
【００７３】
（実施例３）
図１９〜図２４は本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
本第３実施例も前記第１実施例と蒸着方法及び熱処理概念は類似しているが、接触口での拡散防止膜及び核生成活性層の形成工程を異にしたものである。
【００７４】
図１９は拡散防止膜７５及び核生成活性層７６の形成段階を示す。具体的には、前記実施例１及び２の場合と同一の方法で不純物ドーピング領域７２の形成されている半導体基板７１上に絶縁層７３を形成した後、前記絶縁層７３に半導体基板７１の不純物ドーピング領域７２の表面一部を露出させる開口部を形成する。ここで、開口部は前記実施例１及び２と同様に、半導体基板７１の不純物ドーピング領域７２を露出させる接触口７４である。
【００７５】
図２０はフォトレジスト層６９を形成する段階を示す。前記拡散防止膜７５及び核生成活性層７６の形成されている結果物の全面に、フォトレジストを １．０〜 １．４μｍ の厚さで形成する。
図２１は前記フォトレジストを利用し接触口の部分にのみ拡散防止膜及び核生成活性層を残す段階を示す。前記形成されたフォトレジスト層６９を利用し、前記実施例２の場合と同じことに、結果物全面にエッチバック又はポリシング工程を行い接触口７４部分にのみフォトレジストを残す。次に、前記接触口７４部分に残っているフォトレジストを利用し接触口７４の内面及び半導体基板７１の露出された表面部分を除いた拡散防止膜７５及び核生成活性層７６の、即ち絶縁膜７３上に形成された拡散防止膜及び核生成活性層７６を取り除き接触口７４部分にのみ拡散防止膜７５及び核生成活性層７６が存するようにする。図２１で、７５ａ及び７６ａは接触口部分にのみ存する拡散防止膜及び核生成活性層をそれぞれ示す。次に、前記接触口７４部分に残っているフォトレジストを取り除く。
【００７６】
本発明の他の実施例によれば、接触口７４部分にのみフォトレジストを残す工程は接触口７４形成用のパターンが形成されているフォトマスクを利用し露光及び現像し遂行することもできる。
エッチバック工程を遂行すれば、核生成活性層７６の表面上には酸化物が存し核生成活性効果がなくなる。従って、核生成活性層７６を接触口にのみ形成させるためには、エッチング後に基板７１をＨ２ ＥＣＲプラズマ装置を利用し、水素ラジカル又は水素プラズマに露出させて還元した後、真空装置内に４００℃以上一定時間維持させれば絶縁膜の水素終端効果が消えるようになり接触口７４部分にのみ核生成活性層７６ａが存する。
【００７７】
図２２はＣＶＤ金属プラグ７７を形成する段階を示す。図２１段階の後に、前記実施例１及び２と同一の方法でアルミニウム又はアルミニウム合金をＣＶＤ方法により蒸着させ接触口７４を埋没させる。前記実施例１及び２では核生成活性層が絶縁膜上にも存したので、絶縁膜上にもＣＶＤ金属層が形成されたが、本実施例では核生成活性層７６ａが接触口の部分にのみ存するので、接触口部分にだけアルミニウム又はアルミニウム合金が蒸着され図２２に示した通りＣＶＤ金属プラグ７７が得られる。
【００７８】
このように得られたＣＶＤ金属プラグ７７は前記実施例１又は２で熱処理段階前のＣＶＤ金属層と同様にその表面が平滑でない。のみならず、接触口７４部分に凹凸部が形成されることもできる。
図２３は前記ＣＶＤ金属プラグ７７の表面を平滑にする段階を示す。前記ＣＶＤ金属プラグ７７を形成した後、前記実施例１の場合と同一の方法で半導体基板７１を真空を破ることなく他の室に入れアルゴン伝導法を利用し、溶融点以下の高い温度で望ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で約１〜５分間、望ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属プラグ７７の表面を平滑にする。図２３で、７７ａは表面の平滑なＣＶＤ金属プラグを示す。
【００７９】
図２４は中間層７８及びスパッターされた金属層７９を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属プラグ７７ａ及び絶縁膜７３上に、中間層７８及び電子移動及びストレス移動耐性の優れたスパッター金属層７９を形成する。より具体的に、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属配線の寿命を向上させたり、スパッター金属層の下支膜を同一化するために、Ｔｉのような遷移金属を ２００〜 １，０００Å位で蒸着させたり、ＴｉＮ のような遷移金属化合物を ２００〜 １，０００Å位で単独又は組み合わせて蒸着する。蒸着方法は実施例１及び２に述べられたことと同一である。
【００８０】
次に、前記中間層７８上にアルミニウム又はアルミニウム合金を ３，０００〜 ５，０００Å、望ましくは ４，０００Åの厚さで蒸着しスパッター金属層７９を形成する。前記スパッター金属層７９は前記実施例１に述べられたことと同一の条件下で形成する。
スパッター金属層７９はＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして使用し３５０℃以下の温度でスパッタリングして形成したり、形成される配線層の信頼性を更に向上させるために、１５０℃以下の温度でＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして使用してスパッタリングし厚さ １，０００〜 ２，０００Åの第１金属層を形成した後、得られた第１金属層を実施例１と同一の方法で、前記合金の溶融点以下の高温で、望ましくは ０．８Ｔｍ〜Ｔｍの温度で真空を破らず熱処理した後、追加で３５０℃以下の温度、望ましくは温度を調節しない常温で連続的にスパッタリングして厚さ ２，０００〜 ３，０００Åの第２金属層を形成し前記スパッター金属層７９を得る。この際、前記第２金属層は前記実施例１の場合と同様に、Ｓｉ成分を含まないＡｌ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用し形成させ、相異なる成分を有する第１金属層と第２金属層より構成された複合層を形成し前記スパッター金属層７９が得られる。
【００８１】
又は、実施例１の場合と同じことに、前記スパッター金属層７９はＡｌ−０．５％ 以下のＳｉ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用し単一層を形成することもできる。
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記実施例１の場合と同一の方法で、前記スパッター金属層７９の表面上に窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜８０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）を反射防止膜上の通常のフォトリソグラフィー工程により形成し、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反射防止膜８０、スパッター金属層７９及び中間層７８を順次的にエッチングし図６に示した本発明による配線層を完成する。
【００８２】
（実施例４）
図２５〜図３０は本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
図２５は接触口９５の形成段階を示す。具体的には、前記実施例１の場合と同一の方法で不純物ドーピング領域９２が形成されている半導体基板９１上に絶縁層９３を形成した後、前記絶縁層９３に半導体基板９１の不純物ドーピング領域９２の表面一部を露出させる開口部を形成するためにフォトリソグラフィー工程によりレジストパターン９４を形成する。ここで、開口部は前記実施例１と同じことに、半導体基板９１の不純物ドーピング領域９２を露出させる接触口９５である。形成された接触口９５の大きさは ０．２〜 ０．６μｍ であり、アスペクト比は２〜６である。
【００８３】
図２６は拡散防止膜（９６及び９６ａ）の形成段階を示す。前記フォトレジストパターン９４を取り除かず、前記フォトレジストパターン９４の全表面及び半導体基板９１の露出された表面上に拡散防止膜９６及び９６ａを形成する。高いアスペクト比を有する接触口での拡散防止膜の段差被覆性を増加させるために、本実施例でも前記実施例１に述べられたように、Ｔｉのような耐火金属又は ＴｉＮのような耐火金属化合物を半導体基板に垂直入射角を有するようにスパッターさせる。
【００８４】
図２７は核生成活性層９７の形成段階を示す。前記フォトレジストパターン９４と前記フォトレジストパターン９４の上に形成された拡散防止膜９６を取り除いた後、前記絶縁膜９３、接触口９５の底面即ち前記露出された半導体基板９１の表面上に形成された拡散防止膜９６ａ上及び接触口９５の内面に核生成活性層９７を形成する。
【００８５】
前記核生成活性層９７は ＴｉＮを２００℃の温度で、２ｍＴｏｒｒ の圧力で、１００〜５００Åの厚さで、蒸着させたり、Ｔｉを蒸着した後、ＮＨ３ のような窒化性の雰囲気で、ＲＴＡ装置を利用し約８００℃の温度で３０秒間熱処理され得られる。
図２８はＣＶＤ金属層５８の形成段階を示す。
図２７の段階後に、前記実施例１の場合と同一の方法で、前記核生成活性層９７上にＣＶＤ金属層９８を形成し接触口９５を埋め立てる。
【００８６】
図２９は前記ＣＶＤ金属層９８を平滑にする段階を示す。前記ＣＶＤ金属層９８を形成した後、前記実施例１の場合と同一の方法で、半導体基板９１を真空を破ることなく他の室に入れ、アルゴン伝導法を利用し、溶融点以下の高い温度で、望ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で約１〜５分間、望ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属層９８の表面を平滑にする。図２２で、９８ａは平滑なＣＶＤ金属層を示す。
【００８７】
図３０は中間層９９及びスパッターされた金属層１００を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属層９８ａ上に前記実施例１の場合と同一の方法で、中間層９９及び電子移動及びストレス移動耐性の優れたスパッター金属層１００を形成する。
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記実施例１の場合と同一の方法で、前記スパッター金属層１００の表面上に窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜１０１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ー工程により形成し、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反射防止膜１０１、スパッター金属層１００、中間層９９、平坦なＣＶＤ金属層９８ａ及び核生成活性層９７を順次的にエッチングし図７に示した本発明による配線層を完成する。
【００８８】
前記本発明の半導体装置の配線層は ０．３μｍ 大きさの接触口又はブァイアの埋没が可能であり次世代高集積半導体装置の金属配線が可能である。又、接触口はＣＶＤ方法により埋没させた後、真空熱処理することにより、信頼性が向上され、ＣＶＤアルミニウム配線層の表面が平滑に形成され後続くリソグラフィー工程が容易に遂行され得る。又、前記ＣＶＤ金属層上に信頼性の良い金属層を通常のスパッタリング方法によって形成することにより全体的な半導体装置の金属層の信頼性が保たれる。
【００８９】
又、前記表面が平滑なＣＶＤ金属層は真空熱処理段階を通じてＣＶＤ金属層内に残存するガスや不純物が排出されるベーキング効果を有する。従って、ＣＶＤ金属層の膜質が向上される。
本発明によると、ＣＶＤ方法により、接触口を埋め立てる場合、半導体ウェハーを大量で処理することができ、処理量が増加され半導体装置の単価が低められる。
【００９０】
又、真空熱処理方法によりボイドが形成されず、接触口の完全な埋没が可能である。
又、熱処理の際核生成活性層として適切に選択し、アルミニウムと核生成活性層の反応により接合スパイキングが防止できる信頼性のある配線層の形成が可能である。
【００９１】
本発明の配線層の形成方法は選択的エピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ）成長方法でないので、下支膜とは関係なく配線層が形成できる。
以上、本発明を実施例を挙げ具体的に説明したが、本発明はこれに限らず、当業者の通常の知識の範囲内でその変形や改良が可能であることは無論のことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常のスパッタリングの際に形成されるアルミニウムに蒸着されたプロファイルを示す図である。
【図２】従来のＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着させ得られたアルミニウム層のプロファイルを示す図である。
【図３】Ａｌ金属を蒸着した後真空熱処理したり高温スパッタリング方法により接触口を埋没する場合に接触口に存するボイドを示す図である。
【図４】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【図５】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【図６】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【図７】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【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第１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第１実施例を示すための概略図である。
【図１０】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示すための概略図である。
【図１１】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示すための概略図である。
【図１２】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示すための概略図である。
【図１３】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１４】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１５】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１６】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１７】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１８】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１９】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２０】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２１】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２２】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２３】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２４】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２５】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２６】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２７】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２８】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２９】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図３０】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、より具体的に本発明は配線層を含む半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の集積度の低い半導体装置において、金属の段差塗布性は大きく問題にならなかった。ところが、最近には半導体装置の高集積化により接触口の直径はハーフミクロン位に非常に小さくなり、深さも深くなってアスペクト比は一層大きくなり、半導体基板に形成された不純物注入領域は遙に薄くなった。従って、従来のアルミニウムを利用し配線を形成する方法は直径 ０．５μｍ 以下及び２以上のアスペクト比を有する接触口を埋め立てるのに困難であり、ボイドが形成され金属配線層の信頼性を低下させるので改善する必要性があった。従って、近来には半導体装置の配線方法は半導体装置の速度、収率及び信頼性を決定する要因となるので半導体製造工程中、一番重要な位置を占めている。
【０００３】
高いアスペクト比、スパッターされたアルミニウムの段差塗布性の不良によるボイド形成のような問題点を解決するためにアルミニウムを溶融させ接触口を埋め立てる方法が提示されている。例えば、日本国特許公開公報第６２−１３２８４８号（菅野幸保等）、日本国特許公開公報第６３−９９５４６号（飯島晋平等）、日本国特許公開公報第６２−１０９３４１号（清水雅裕等）等には溶融法が開示されている。前記した公報によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金を蒸着した後、アルミニウムをアルミニウムの溶融点以上の温度で加熱し液状アルミニウムを流動させ接触口を埋め立てる。前記公報以外に、米国特許第４、９２０、０２７号（Ｒｙｏｉｃｈｉ Ｍｕｋａｉ ）、米国特許第４、８００、１７９号（Ｒｙｏｉｃｈｉ Ｍｕｋａｉ ）及び米国特許第４、７５８、５３３号（Ｍａｇｅｅ Ｔｈｏｍａｓ ｅｔ ａｌ． ）には、金属層を蒸着した後、レーザービームを利用し加熱溶融させ平坦化された金属層を形成する方法が開示されている。
【０００４】
前記方法によると、半導体ウェハーを水平的に位置させ溶融された液状アルミニウムが接触口を適当に埋め立てるようにし、液状金属層は表面張力を小さくしようとし固化の際に収縮したり捩じれるようになり底部の半導体物質を露出させ、熱処理温度を正確に調節できず、一定に反復再現しにくいという問題点が存する。又、金属上の残余部分で接触口以外の部分は表面が荒くなり後続くフォトリソグラフィ工程が困難になる。
【０００５】
米国特許第４、９７０、１７６号（Ｔｒａｃｙ 等）には、多段階金属配線方法が開示されている。即ち、前記特許には低温（約２００℃以下）で所定の厚さの厚い金属層を蒸着した後、４００〜５００℃の温度に温度を上昇させながら金属を蒸着させる。このような金属層は粒子成長、再結晶及びバルク拡散を通じて後に蒸着される金属層の段差塗布性を向上させる。
【０００６】
しかしながら、直径１μｍ 以下の接触口をアルミニウム又はアルミニウム合金で完全に埋立させることができず現在の高集積化された半導体装置の接触口を埋め立てるには適当でない。
現在、Ｏｎｏ 等はＡｌ−Ｓｉ 膜の温度が５００℃以上の場合にＡｌ−Ｓｉ 膜の液体性が急に増加すると発表し５００〜５５０℃でＡｌ−Ｓｉ 膜を蒸着し接触口を埋め立てる方法を提示したことがあり（Ｈｉｓａｋｏ Ｏｎｏ， ｅｔ ａｌ．， ｉｎ Ｐｒｏｃ．， １９９０ ＶＭＩＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｊｕｎｅ １１〜１２， ｐｐ．７６ 〜８２）、米国特許第５、０７１、７９１号（Ｉｎｏｕｅ Ｍｉｎｏｒｕ ｅｔ ａｌ． ）には基板を一定した温度以上に加熱しながらアルミニウム合金を蒸着し、良好な段差塗布性と平坦な表面を有する配線層を形成する方法が開示されている。
【０００７】
又、依田孝等は５００〜５５０℃の温度で金属を蒸着し接触口を埋め立てる方法を提示した（ヨーロッパ特許出願公開第０３８７８３５号、日本特許公開公報平成０２−２３９６６５号）。依田等の方法によれば、接触口は金属で完全に埋め立てられ得るが、Ａｌ−Ｓｉ 膜が原子移動による変形の中、電子移動（ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ）に対しては強い抵抗性を示し、ストレスマイグレーションに対しては弱い抵抗性を示す可能性が大きい。又、Ａｌ膜内に含まれたＳｉがＡｌ粒子境界で析出されるので望ましくない。従って、追加エッチング段階により接触口以外の全てのＡｌ−Ｓｉ 膜を取り除く必要性があるので、金属配線工程が複雑になる。
【０００８】
前記以外にも本発明者を含むＣ．Ｓ．Ｐａｒｋ等は１００℃以下の低温でアルミニウム合金を蒸着した後、溶融点より少し低い温度である５５０℃で約３分の間熱処理し接触口を完全に埋め立てる方法を開示し（ Ｐｒｏｃ．， １９９１ ＶＭＩＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｊｕｎｅ １１ ａｎｄ １２， ｐｐ３２６ 〜３２８ ）これを米国特許出願第０７／８９７、２９４号（１９９０年９月１９日付けで出願し発明の名称が金属配線層の形成方法である米国特許出願第０７／５８５、２１８号の一部係属出願である）で出願したことがある。前記低温蒸着されたアルミニウムは、５５０℃熱処理の際に溶けないが、接触口内に移動し接触口を完全に埋め立てる。
【０００９】
前述したＣ．Ｓ．Ｐａｒｋ等の方法によれば、１００℃以下の低温で約５００Åの厚さでアルミニウムを蒸着した後にも熱処理し大きさが ０．８μｍ であリアスペクト比が約 １．０である接触口を完全に埋立させることができ、依田等の方法のような追加エッチング段階が不必要である。又、非常に薄いアルミニウム膜を形成した後に、熱処理し接触口を埋立させることができ、接触口の大きさが小さくなっていく最近の半導体工程で、今後より小さい大きさの接触口をアルミニウムやアルミニウム合金で埋め立てられるだろうと期待される。このような利点のために、前記Ｃ．Ｓ．Ｐａｒｋ等の接触口埋没方法は当分野で多くの関心を引いている。
【００１０】
前述した通り、アルミニウム又はアルミニウム合金は電子移動特性の優れた配線が形成できるスパッタリング方法により形成されるのが一般的である。ところが、スパッタリング方法は先に述べたように、段差塗布性に問題があるので他の蒸着方法の開発が必要になった。Ａｌを化学気相蒸着ＣＶＤ方法により蒸着させ、ブァイアを完全に埋め立てる方法が提示された。例えば、米国特許第４、４６０、６１８号（Ｈｅｉｎｅｃｋｅ ｅｔ ａｌ． ）及び米国特許第４、４３３、０１２号（Ｈｅｉｎｅｃｋｅ ｅｔ ａｌ． ）にはトリイソブチルアルミニウム（Ｔｒｉｉｓｏｂｕｔｙｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ、以下ＴＩＢＡという）を熱分解させＣＶＤ方法によりアルミニウムを蒸着する方法が提示されている。
【００１１】
ＣＶＤアルミニウムを蒸着する代表的な方法は、前述した通り、有機アルミニウム前駆体を揮発した後これを熱分解しＡｌを蒸着させることである。このような有機アルミニウム前駆体の代表的なものには、前述したＴＩＢＡやＤＭＡＨ（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｈｙｄｒｉｄｅ ： （ＣＨ３）２ＡｌＨ ）等が挙げられる。
通常、ＴＩＢＡを利用しＬＰＣＶＤ方法により、アルミニウムを蒸着する場合に、２６０℃の基板温度で、ＴＩＢＡの気相温度は４５℃に保ち、アルゴンを担体ガスとして用い、１Ｔｏｒｒ位の圧力で遂行する場合に １、５００Å／分と教示されている。
【００１２】
このようなＣＶＤ方法によるアルミニウムを蒸着する方法は、ＣＶＤ−蒸着アルミニウム（以下、‘ＣＶＤ−Ａｌ’という）の段差塗布性は非常に優れるが、得られたＣＶＤ−Ａｌ膜の表面が荒くて後続くフォトリソグラフィ工程で問題点を起こす。又、ＣＶＤ−Ａｌにより形成された配線層は電子移動耐性が非常に不良であって信頼性が十分でなくなる。のみならず、ＣＶＤ方法によってはアルミニウムをＡｌ−Ｓｉ 合金の形に蒸着しにくい（参照文献、ＳＩＬＩＣＯＮ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＦＯＲ ＴＨＥ ＶＬＳＩ ＥＲＡ−Ｖｏｌ ２， ｂｙ Ｓ．Ｗｏｌｆ，ｐ２５４ ）。
【００１３】
得られたアルミニウム膜の均一性を改善するために、ウェハーをＴｉＣｌ４ の雰囲気に露出させ基板表面を前処理しＣＶＤ工程の際に、Ａｌの核生成を促進する方法が提示された（参照；米国特許大４、４６０、６１８号）。又、ソースとして、ＤＭＡＨ、ＡｌＨ２（ｉ−Ｃ４Ｈ９）、ＡｌＨ２Ｃｌ等のようなアルミニウム水素化物を用いる方法も提示された（参照；米国特許第３、４６２、２８８号）。
【００１４】
又、Ａｌ−Ｓｉ 合金より構成された膜を形成するために、米国特許第４、３２８、２６１号には高温及び低圧化で、シラン及びアルミニウムアルキルガスをＣＶＤ方法により蒸着する方法が提示された。
米国特許第４、９２３、７１７号には基板の表面上に鏡状のＡｌを蒸着するために基板をＴｉＣｌ４ のようなＩＶＢ族又はＶＢ族の金属化合物で処理し、アルミニウム水素化物を分解しアルミニウム膜を形成させる方法が開示されている。ところが、ＴｉＣｌ４ を利用して前処理する方法によれば、塩素基が残留し腐食問題をもたらす。
【００１５】
以上のように、ＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着する方法は多くの問題点があり、まだは広く実用化されていない。
シリコン基板間の前記のような反応によるＡｌスパイキングやＳｉ残砂（残滓）又はＳｉノジュール（ｎｏｄｕｌｅ）の形成を防止するために、配線層とシリコン基板又は絶縁層の間に拡散防止膜を形成するのが公知されている。例えば、米国特許第４、８９７、７０９号（Ｙｏｋｏｙａｍａ等）には拡散防止膜として窒化チタニウム膜を接触口の内壁に形成する方法が述べられている。又、日本国特許公開公報第６１−１８３９４２号にはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ又はＴａのような金属を蒸着し耐火金属膜を形成し前記耐火金属膜上に窒化チタニウムを蒸着し窒化チタニウム膜を形成し、耐火金属膜と窒化チタニウム膜より構成された二重膜を熱処理し、半導体基板と接続する接触口の底部で耐火金属膜は半導体基板と反応し熱的に安定した化合物より構成された耐火金属シリサイド層を形成させることにより障壁効果を向上させる技術が開示されている。このような拡散防止膜を熱処理する工程は窒素雰囲気でアニーリングして遂行する。拡散防止膜をアニーリングしない場合には４５０℃以上の温度でアルミニウムやアルミニウム合金をスパッタリングしたり、後にシンタリングする場合接合スパイキング現象が発生し望ましくない。
【００１６】
又、萩田雅史は障壁金属とアルミニウム配線との湿潤性を向上させ配線の質と収率を向上させるために、障壁層である ＴｉＮ層を熱処理した後、Ｓｉや０２ をイオン注入する方法を提示した（日本国特許公開第２−２６０５２号）。
又、拡散障壁層を形成する時、 ＴｉＮ層を形成した後熱処理し、再び ＴｉＮ層を形成させ障壁効果を増大させる方法が公知になっている。
【００１７】
又、前記のように、拡散防止膜の特性を向上させアルミニウムスパイキングやＳｉ残砂の析出を防止する方法以外に、アルミニウム配線層を相異なる組成を有する複合層として形成させることにより、アルミニウムスパイキングやＳｉ残砂の形成を防止する方法が提示されている。
例えば、日本国特許公開平成第０２−１５９０６５号（松本道一）には、配線層の形成の際に先ずＡｌ−Ｓｉ 膜を形成し、その上に純粋なＡｌ層を形成した後、シンタリング工程でのＳｉ残砂の析出を防止する方法が開示されている。又、本発明者の米国特許出願第０７／８２８、４５８号（出願日：１９９２年１月３１日）及び第０７／９１０、８９５号（出願日：１９９２年７月８日）には前記Ｃ．Ｓ．Ｐａｒｋ等の方法により、低温でアルミニウムを蒸着し、溶融点以下の高温で熱処理し、接触口を埋め立てる時発生するＳｉ残砂の析出を防止するために複合層を形成させる方法が述べられている。
【００１８】
一般的に、拡散防止膜を形成した後、金属層を形成するためにはウェハーを金属層形成のためのスパッタリング装置に移送しなければならないので大気に露出される。
この際、拡散防止膜の表面や粒子境界部分で酸化が起こり、酸化された拡散防止膜上ではアルミニウム原子の移動度が小さくなり、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ合金を約 ６，０００Å位の常温で蒸着する時、粒子の大きさは０．２ μｍ 位の小さい粒子が形成される。
【００１９】
一方、大気に露出されていない拡散防止膜では約１μｍ までの大きい粒子が形成され、高温で熱処理したり高温スパッタリングしてアルミニウム膜を蒸着する場合に、拡散防止膜はアルミニウムと反応しアルミニウム膜の表面が非常に荒くなり、反射率が落ち後続く写真工程で困難な点が発生する。
一般的に、拡散防止膜として通常窒化チタニウム（ＴｉＮ） 膜やＴｉＷ（又は ＴｉＷ複合窒化物）膜が用いられている。前記ＴｉＮ 膜や ＴｉＷ膜（又は ＴｉＷ複合窒化物）等は薄膜形成の際に粒子境界でアルミニウムやシリコンの拡散が完璧に防止できない微細組織上の欠陥が存したり粒子境界が存する。酸素スタッフィング方法により粒子境界での拡散経路を遮断させる方法が提示されたことがある。拡散防止膜がＮ２ アニーリング工程や大気に露出される場合に少量の酸素が混入され拡散障壁効果が増進される。これをスタッフィング効果という。
【００２０】
一般的にＴｉＮ を蒸着した後大気に露出させれば、大気中の酸素によりスタッフィング効果が現れる。ところが、Ｔｉ又はＴｉＮ を蒸着し障壁層を形成させた後大気に露出させたり、酸素含有雰囲気中でＴｉＮ を蒸着したり、酸素の混入された窒素雰囲気でアニーリングする場合接触抵抗が増加する可能性がある。
拡散防止膜の形成されている接触口で拡散防止膜の特性を向上させるためには拡散防止膜の表面と粒子境界に酸化物が存する状態にするのが望ましい。しかしながら、このような酸化物の存在は拡散防止膜とアルミニウムとの湿潤性を低下させ、ボイドを形成させたり、熱処理の際に不良なプロファイルを有する金属層を形成させ半導体装置の配線層の信頼度を低下させる。
【００２１】
図１〜図３は前記従来の方法によりアルミニウムを蒸着し接触口を埋立させる時現れ得る配線層の不良を示す。
図１〜図３で１は半導体基板、２は不純物ドーピング領域、３は絶縁膜（ＢＰＳＧ膜）、４は拡散防止膜、６はＡｌ合金層を示す。図１は通常のスパッタリング方法により蒸着されたアルミニウムのプロファイルを示し、図２は前述したＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着させ得られたアルミニウム層６を示し、図３はＡｌ金属を蒸着した後真空熱処理したり高温スパッタリング方法により接触口を埋め立てる場合に接触口に形成されたボイド７を示す。
【００２２】
前述した通り、図１の従来のスパッタリング方法によれば、スパッターされたＡｌの段差塗布性が不良であって、高いアスペクト比を有し、大きさがハーフミクロン以下である接触口を埋め立てるのは非常に難しく、ＣＶＤ方法により形成されるアルミニウム層は信頼性が落ち実際の半導体装置に適用しにくく、アルミニウムを低温蒸着した後、熱処理し接触口を埋め立てる方法は、小さくて深い接触口を埋め立てるためには蒸着及び熱処理を反復して遂行しなければならないので処理量が落ちる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はハーフミクロン以下の大きさの接触口を有する配線層の新たな構造及びその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、前述したスタッフィング効果をそのまま保つ拡散防止膜を有し、ハーフミクロン以下の大きさの接触口を完全に埋め立て信頼性のある配線層を有する半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明によれば半導体基板上に形成されており凹部を有する絶縁膜と、前記凹部を完全に埋め立て平滑な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成されており、スパッターされた金属層より構成されたことを特徴とする配線とを含む半導体装置が提供される。前記凹部は半導体基板に形成された不純物ドーピング領域を露出させる接触口、半導体装置の上部導電層と下部導電層の電気的接続のためのブァイア又は配線埋込溝（含部分的埋込）である。
【００２５】
本発明は又半導体基板上に形成されており開口部を有する絶縁膜と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属プラグと、前記ＣＶＤ金属プラグ及び前記絶縁膜層上に形成されておりスパッターされた金属層より構成された配線を含む半導体装置を提供する。
本発明の配線は低いアスペクト比及びサブミクロン位の大きさを有する接触口及びブァイアにも適用されるが、特に高集積化が要求される高いアスペクト比及びハーフミクロンの大きさ即ち、アスペクト比が ２．０〜 ６．０であり大きさが ０．２〜 ０．６μｍ である接触口及びブァイアに適用可能である。 本発明の一例によれば、前記ＣＶＤ金属層又は前記ＣＶＤ金属プラグと前記絶縁膜との反応を抑制するために、前記ＣＶＤ金属層又は前記ＣＶＤ金属プラグの下部に拡散防止膜が形成できる。望ましくは、前記拡散防止膜は前記凹部の内面上に延長され形成される。
【００２６】
本発明の他の例によれば、前記拡散防止膜は前記凹部の内面及び絶縁膜の表面上に形成されている。
本発明で、前記拡散防止膜はＴｉ、Ｍｏ、Ｔａ及びＺｒ等の耐火金属又は耐火金属化合物を使用して形成できる。前記拡散防止膜は耐火金属より構成された第１拡散防止膜と耐火金属化合物より構成された第２拡散防止膜より構成された複合膜であることが望ましい。
【００２７】
本発明の望ましい例によれば、前記ＣＶＤ金属層又はＣＶＤ金属プラグの下部に核生成活性層が形成される。前記核生成活性層は、シリコン、銅又はこれらの組み合わせで構成されたり、前記核生成活性層は耐火金属又は耐火金属化合物より構成され得る。又、前記核生成活性層は水素処理層又はシリル化層であり得る。
【００２８】
本発明の望ましい例によれば、前記ＣＶＤ金属層又はＣＶＤ金属プラグと、この上にスパッターされた金属層の間に中間層が形成される。前記中間層は（１１１）配向性を有する第３拡散防止膜であることもあり、前記中間層はシリコン、耐火金属又は耐火金属化合物を使用して形成できる。
本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の内面、底面及び前記絶縁膜上に形成されている拡散防止膜と、前記拡散防止膜上に形成されている核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成された中間層と、前記中間層に形成されており、スパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００２９】
又、本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の内面及び底面上に形成されている拡散防止膜と、前記拡散防止膜及び前記絶縁膜上に形成されている核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成された中間層と、前記中間層に形成されており、スパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００３０】
又、本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の内面及び底面上に形成されている拡散防止膜と、前記拡散防止膜上に形成された核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属プラグと、前記ＣＶＤ金属プラグ及び前記絶縁膜上に形成されている中間層と、前記中間層上に形成されているスパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００３１】
又、本発明は半導体基板上に形成されており、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の底面上に形成された拡散防止膜と、前記拡散防止膜、前記開口部の内面及び前記絶縁膜上に形成された核生成活性層と、前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属層と、前記ＣＶＤ金属層上に形成された中間層と、前記中間層上に形成されているスパッターされた金属層を含む半導体装置を提供する。
【００３２】
本発明の他の目的を達成するために、半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する段階と、前記開口部を埋め立てる金属層をＣＶＤ方法によりＣＶＤ金属層を形成する段階と、前記ＣＶＤ金属層を熱処理しその表面を平滑にする段階と、前記ＣＶＤ金属層上にスパッタリング方法によりスパッターされた金属層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００３３】
前記ＣＶＤ金属層はＴＩＢＡ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＤＭＡＨ及びジイソブチルアルミニウムハイドライドＤＩＢＡＨ（Ｄｉ−ｉｓｏ−ｂｕｔｙｌ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｈｙｄｒｉｄｅ ）のような有機金属化合物をソースとして利用して形成させ得る。前記ＣＶＤ金属層を形成する前に、前記ＣＶＤ金属層を均一に形成するために前記ＣＶＤ金属層の形成される部分に核生成活性層を形成する。前記熱処理工程は前記ＣＶＤ金属層を構成する金属の溶融点以下の高温で真空を破らず、連続的に遂行することが望ましい。例えば、前記熱処理工程は ０．６Ｔｍ〜Ｔｍ（Ｔｍは前記ＣＶＤ金属層を構成する金属の溶融点である）の温度で遂行する。
【００３４】
前記スパッターされた金属層を形成する前に、前記表面の平滑なＣＶＤ金属層上に中間層を形成することが望ましい。
本発明の一例によれば、前記スパッター金属層は低温でスパッターされるべき金属層の所定厚さの一部分を先ず蒸着し第１スパッター金属層を形成し、前記第１スパッター金属層を溶融点以下の高温で熱処理した後、前記スパッターされた金属層が所定の厚さを有するように追加で金属を蒸着し第２金属層を形成して得られた複合層より構成される。
【００３５】
本発明は又、半導体基板上にＣＶＤ方法により金属を蒸着し金属層を形成する段階と、前記金属層を前記金属層を構成する金属の溶融点以下の高温で熱処理し前記金属層の表面を平滑化することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
又、本発明は半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する段階と、前記開口部のみを選択的に埋め立てるＣＶＤ金属プラグをＣＶＤ方法により形成する段階と、前記ＣＶＤ金属プラグを熱処理しその表面を平滑にする段階と、前記ＣＶＤ金属プラグ及び前記絶縁膜上にスパッタリング方法によりスパッターされた金属層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００３６】
又、本発明は不純物ドーピング領域を有する半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜に前記半導体基板の不純物ドーピング領域を露出させる接触口を形成する段階と、前記接触口の内面、前記半導体基板の露出された表面及び前記絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜上に核生成活性層を形成する段階と、前記核生成活性層上に前記接触口を埋め立てる金属層をＣＶＤ方法によりＣＶＤ金属層を形成する段階と、前記ＣＶＤ金属層を熱処理しその表面を平滑にする段階と、前記表面の平滑なＣＶＤ金属層上に、先ず方位が（１１１）である中間層を形成する段階と、前記中間層上にスパッタリング方法によりスパッターされた金属層を形成する段階を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００３７】
【作用および発明の効果】
本発明によれば、接触口はＣＶＤ方法により金属で埋め立てられ、スパッタリング方法等により信頼性のあるスパッターされた金属層が蒸着され接触口を埋め立てハーフミクロン以下の大きさを有する接触口を埋め立てる半導体装置の配線の形成が可能である。配線層は次世代の半導体装置に使用され得る。
【００３８】
【実施例】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。
図４〜図７は本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
図４は本発明の半導体装置の配線層の一例を示す。
図４で３１は半導体基板、３２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、３３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜と、３５は接触口の内面、半導体基板の露出された表面及び絶縁膜３３上に形成された拡散防止膜、３６は前記拡散防止膜３５上に形成された核生成活性層、３７ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属層、３８は中間層、３９は前記中間層３８上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、４０は反射防止膜を示す。
【００３９】
図５は本発明の半導体装置の配線層の第２例を示す断面図である。
図５で、５１は半導体基板、５２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、５３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜、５５ａは接触口の内面及び半導体基板の露出された表面上に形成された拡散防止膜、５７は前記拡散防止膜５５及び前記絶縁膜５３上に形成された核生成活性層、５８ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属層、５９は中間層、６０は前記中間層５９上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、６１は反射防止膜を示す。
【００４０】
図６は本発明の半導体装置の配線層の第３例を示す断面図である。
図６で、７１は半導体基板、７２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、７３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜、７５ａは接触口の内面及び半導体基板の露出された表面上に形成された拡散防止膜、７６ａは前記拡散防止膜７５ａ上に形成された核生成活性層、７７ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属プラグ、７８は前記ＣＶＤ金属プラグ７７ａ及び絶縁膜７３上に形成された中間層、７９は前記中間層７８上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、８０は反射防止膜を示す。
【００４１】
図７は本発明の半導体装置の配線層の又他の一例を示す断面図である。
図７で、９１は半導体基板、９２は前記半導体基板の表面部分に形成された不純物ドーピング領域、９３はＢＰＳＧで構成された絶縁膜、９６ａは半導体基板の露出された表面上に形成された拡散防止膜、９７は前記拡散防止膜９６ａ、接触口の内面及び前記絶縁膜９３上に形成された核生成活性層、９８ａは前記接触口を埋め立てその表面が平滑なＣＶＤ金属層、９９は中間層、１００は前記中間層９９上に形成されている信頼性のあるスパッター金属層、１０１は反射防止膜を示す。
【００４２】
以下、下記実施例を通じて前記図４〜図７に示した本発明の配線層及びその形成方法に対しより具体的に説明する。
（実施例１）
図８〜図１２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。
【００４３】
図８は拡散防止膜３５の形成段階を示す。具体的には不純物ドーピング領域３２が形成されている半導体基板３１上に絶縁層３３を形成する。絶縁層３３は含燐含硼素ガラス（ＢＰＳＧ）を使用し約 ０．８〜 １．６μｍ の厚さで形成する。次に前記絶縁層３３に開口部を形成して半導体基板３１の不純物ドーピング領域３２の表面一部を露出させる。ここで、開口部は半導体基板３１の不純物ドーピング領域３２を露出させる接触口３４である。形成された接触口３４の大きさ（口径）は ０．２〜 ０．６μｍ であり、アスペクト比は２〜６である。
【００４４】
次に、絶縁層３３の全表面、接触口３４の内面及び半導体基板３１の露出された表面上に拡散防止膜３５を形成する。前記拡散防止膜３５は２層構成であって、アルゴン雰囲気でＤＣ（直流バイアス）マグネトロンスパッタリング方法によりチタニウムＴｉを約２００〜５００Åの厚さで蒸着し第１拡散防止膜を形成した後、圧力が７ｍＴｏｒｒ であり、Ｎ２ の相対分圧が４０％であるアルゴン雰囲気下でスパッタリング方法によりチタニウムナイトライドを約 ３００〜１，５００ Åの厚さで蒸着し第２拡散防止膜を形成する。この際基板の温度はＴｉを蒸着する時やＴｉＮを蒸着する時両方とも２００℃である。
【００４５】
次に、前記拡散防止膜３５を４５０〜５００℃の温度で、３０〜６０分間Ｎ２ 雰囲気でアニーリングする。この際、微量の酸素が混入され、拡散障壁層の表面にＴｉＯ２、ＴｉＯ 、Ｔｉ２Ｏ３ 等のような酸化物層（図示せず）が形成される。このような酸化物層の存在により拡散防止膜とアルミニウム粒子間の湿潤性が不良になるので、後続くＣＶＤ方法によるアルミニウム蒸着工程で、アルミニウム粒子の核形成を低下させる。
【００４６】
図９は前記拡散防止膜３５上に核生成活性層３６を形成する段階を示す。前記で得られた拡散防止膜３５上に、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚｒ等のような耐火金属又はこれらの化合物の中いずれか一つ、望ましくはＴｉを蒸着し核生成活性層を形成する。この核生成活性層はＴｉＣｌ４ 雰囲気で前記拡散防止膜３５を露出させ遂行することができるが、このような方法は塩素基が残留し腐食問題を発生して望ましくない。この際、形成された核生成活性層の厚さは約１００Åである。蒸着工程は低速、好ましくは約１０Å／ｓｅｃ の速度で遂行するのが望ましい。
【００４７】
本発明の他の実施例によれば、前記核生成活性層３６は表面部分に前記酸化物層の形成された前記拡散防止膜３５の表面を水素終端させたり、その表面部分を還元させ形成された水素処理層であり得る。このような拡散防止膜の水素終端又は水素還元処理は、前記で得られた拡散防止膜３５を水素圧力 ２．５ｍＴｏｒｒ 下で、水素プラズマを発生させるＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ）装置を利用し、マイクロウェーブパワー１ｋＷ、バイアス電圧０Ｖの状態で基板３１の温度は２５℃で１０秒〜１分間遂行する（一方、前記水素処理方法を利用し、スパッタリング方法により蒸着されたアルミニウム層の粒子を大きく形成することにより、蒸着されたアルミニウムの熱処理の際のリフロー特性を改善させる方法に対し、本発明者は米国特許出願第０８／１１５、７３３号に出願したことがある。）。
【００４８】
本発明の他の実施例によれば、前記核生成活性層３６は前記拡散防止膜３５上に、シリコンをターゲットとして使用しシリコンをスパッタリングしたり、シランＳｉＨ４のようなシリコン水素化物をフラッシングさせ酸化膜が形成されないように真空中で、連続的に蒸着させて形成されたシリコン層であり得る。この際、前記シリコンの代わりに、ターゲットとして銅を使用することもできる。又、前記核生成活性層として、銅層とシリコン層より構成された複合層を形成することもできる。
【００４９】
前記核生成活性層３６の表面には酸化物が存しないのが望ましいので、前記核生成活性層３６の形成は真空中で連続的に成されるべきであり、水素処理させ水素終端させるのが最も好ましい。
本発明の又他の実施例によれば、前記核生成活性層３６として、前記拡散防止膜３６の表面部分にシリル化工程を遂行しシリル化層を形成する。ここで、前記シリル化工程はシリコン水素化物を使用しＳｉＨ４又はＳｉ２Ｈ６ プラズマやＳｉ＊ 又は ＳｉＨ＊ ラジカルに露出させ遂行する。この際、シリコン水素化物の分圧は ０．５〜１５ｍＴｏｒｒ であり、電力は１〜１０ｋＷであり、基板の温度は常温〜２００℃である。又、シリル化層形成の際に装置の初期真空度が５×１０−７Ｔｏｒｒ以下になるようなレベルの排気を続ける。シリコン水素化物はグロー放電の際又はスパッタリングの途中にＳｉ＊ 、Ｈ ＊ 、 ＳｉＨ＊ 又はＳｉＨ２ ＊ 等のような反応性ラジカルを生成させる。スパッタリング途中の水素は２次電子の放出により半導体基板の損傷を防止し半導体素子の特性や信頼性を向上させる。従って、シリル化処理の際に水素を１μＴｏｒｒ〜５ｍＴｏｒｒ 位の分圧で別に添加するのが望ましい。このようにシリル化層を形成させ核生成活性層３６を形成することができ、Ａｌとシリコンの拡散経路を遮断させ接合スパイキング発生を防止する。
【００５０】
図１０はＣＶＤ金属層３７の形成段階を示す。前記核生成活性層３６を形成した後、真空を破らず、基板３１を他の反応室に移送させた後、前記核生成活性層３６上にＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着し前記接触口３４を埋め立てるＣＶＤ金属層３７を形成する。本実施例で、アルミニウム蒸着は前記公知された通常のＣＶＤ方法により遂行できる。例えば、ＴＩＢＡ、ＴＭＡ、ＤＭＡＨ等のような有機金属化合物をソースとして利用して遂行する。
【００５１】
ＴＩＢＡを使用して蒸着する場合、コールドウォール（ｃｏｌｄ ｗａｌｌ ）形の装置を使用し、ＴＩＢＡの流入の際気相温度は９０℃以下、望ましくは８４〜８６℃を保ち、担体ガスとしてアルゴンのような不活性ガスを用いてバブリングさせ使用する。この際、アルゴンガスの流速は約７リットル／ｍｉｎ であることが好ましい。ＴＩＢＡの熱分解の際に蒸着温度は約２５０℃位であるが、蒸着速度が大きくて望ましくない。蒸着速度は温度が下がると減少するので、蒸着速度を低めるためにより低い温度で遂行することもできる。前記条件で、蒸着速度は約 １，０００Å／ｍｉｎ であり、接触口の大きさが ０．２μｍ の場合にはＴＩＢＡを利用し約１分間アルミニウムを蒸着させ接触口を埋没させる。
【００５２】
本発明の他の実施例によれば、前記ＣＶＤ金属層３７はＤＭＤＨ等のようなアルミニウム水素化物を使用して蒸着させる。この際、前記アルミニウム水素化物の熱分解を防止するために、低温で前記アルミニウム水素化物を保管し、蒸着工程は５０℃以上の温度で遂行する。不活性ガスであるアルゴンを利用しソースの気相状態が調節でき、蒸着温度を低めるためには前述した通り基板の温度を低めたり、又はソースの量を減少させる。アルミニウム水素化物を利用した蒸着方法は適切なソースを使用すれば蒸着温度が低められる。蒸着工程は０．０１〜１０Ｔｏｒｒの圧力及び５０〜１５０℃の反応室で遂行する。
【００５３】
例えば、（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ の気相状態で、８０℃では（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ の分圧が優勢であると知られている。このような現象は（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ 分子からＭｅ３Ｎの分解が水素の損失より先立つからである。このような現象はＤＭＡＨの場合も同様に起こる。（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ をソース又は前駆体として使用する場合には８０℃以上の温度でアルミニウムが蒸着される。従って、８０〜１５０℃の低い温度でアルミニウムを蒸着する時、アルミニウム水素化物を使用して蒸着する。この際、圧力は１０ｍＴｏｒｒ 〜１０Ｔｏｒｒの範囲を保つ。アルミニウムの蒸着温度が１８０℃の際は、蒸着速度は ０．６〜 １．０μｍ／ｍｉｎ である。蒸着速度を低めるためには温度を低め１５０℃の温度で（Ｍｅ３Ｎ）２ＡｌＨ３ を熱分解して接触口を埋没させる。この際、熱分解をより効果的に遂行するためにはプラズマを印加し蒸着工程を遂行することもできる。ここで、Ｍｅはメチル基を示している。
【００５４】
しかし、このような方法で得られたＣＶＤ金属層３７の表面は図３に示した通り平滑でない。従って、そのまま後続くフォトリソグラフィー工程を遂行する場合にはアラインの際に精密度を高めることができず、前記ＣＶＤ金属層３７は炭素のような残留不純物を含んでおり、電子移動及びストレス移動の耐性が小さくて信頼性が低い。
【００５５】
図１１は前記ＣＶＤ金属層３７を平滑化する段階を示す。前記ＣＶＤ金属層３７を形成した後、半導体基板３１を真空を破ることなく他の室（ｃｈａｍｂｅｒ ）に入れ、アルゴン伝導法を利用し、ＣＶＤ金属層３７を溶融点以下の高い温度で、望ましくは ０．６Ｔｍ（Ｔｍは前記ＣＶＤ金属層３７を構成する金属の溶融点である）〜Ｔｍの温度、より具体的には約４６０℃（この際熱処理装置の温度は約５００〜５５０℃である）で約１〜５分間、好ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属層３７の表面を平滑にする。熱処理により前記ＣＶＤ金属層３７は初期に形成された金属層のストレス弛緩により前記ＣＶＤ金属層３７を構成する金属原子はリフロー特性を有し、金属原子の移動が誘発され、金属原子の移動はその自由エネルギーを減少させ、よって表面積を減少させ、前記ＣＶＤ金属層３７の表面が非常に平滑になる。又、金属原子の移動が誘発されながら、膜内に含まれている不純物が取り除かれる作用効果、即ち、ベーキングされる効果があり前記ＣＶＤ金属層３７の信頼性が向上される。この熱処理段階はＣＶＤ金属層３７の表面が酸化されないように不活性ガス（例：Ｎ２、Ａｒ）又は還元性ガス（例：Ｈ２）雰囲気で遂行すうるのが望ましい。前記アルゴン伝導法の代わりに、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ）法、ランプ加熱法等のような他の熱処理法を使用し得る。これらの熱処理方法を単独又は他の方法と組み合わせて使用できる。図１１で３７ａは表面が平滑なＣＶＤ金属層を示す。
【００５６】
図１２は中間層３８及びスパッターされた金属層３９を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属層３７ａ上に中間層３８としてＴｉ又はＴｉＮをスパッタリング方法により２００Åの厚さで蒸着して拡散防止膜を形成する。この際、蒸着温度は２００℃である。次に、前記中間層３８上にアルミニウム又はアルミニウム合金を ２，０００〜 ４，０００Å、望ましくは３，０００ Åの厚さで蒸着しスパッター金属層３９を形成する。スパッター作業は、初期真空度５×１０−７Ｔｏｒｒ以下、望ましくは５×１０−８Ｔｏｒｒ以下、プラズマ圧力は２Ｔｏｒｒ以下で遂行する。
【００５７】
スパッター金属層３９はＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして使用し３５０℃以下の温度でスパッタリングして形成する。又、形成される配線層の信頼性を更に向上させるために、１５０℃以下の温度で、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして用いてスパッタリングして厚さ ５００〜 １，５００Å、望ましくは １，０００Åの第１金属層を形成した後、得られた第１金属層を前述したＣＶＤ金属層３７を熱処理する時と同一の方法で、前記合金の溶融点以下の高温で、好ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で真空を破らず熱処理した後、追加で３５０℃以下の温度、望ましくは温度を調節しない常温で連続的にスパッタリングし厚さ １，５００〜 ２，５００Å、望ましくは ２，０００Åの第２金属層を形成し前記スパッター金属層３９を得る。この際、前記第２金属層はＳｉ成分を含まないＡｌ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用して形成させ相異なる成分を有する第１金属層と第２金属層より構成された複合層を形成し前記スパッター金属層３９が得られる。このような複合層を形成することにより、Ｓｉ残砂の析出を防止できる。
【００５８】
本発明の他の実施例によれば、Ｓｉ残砂の析出を防止するために、前記スパッター金属層３９はＡｌ−０．５％ 以下のＳｉ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用し単一層を形成したり、１５０℃以下の温度でＡｌ−０．５％ 以下のＳｉ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用しスパッタリングして第１金属層を形成した後、前記合金の溶融点以下の高温で真空を破らず熱処理した後、追加で３５０℃以下の温度でスパッタリングして第２金属層を形成し前記スパッター金属層３９を得る。この際、前記合金の中に含まれたシリコンの含量は後続くパタニング工程後にＳｉ残砂を析出しないように適切に調節する。この場合に、シリコンの含量は約 ０．４％ であるのが望ましい。
【００５９】
本発明の他の実施例によれば、前記中間層３８を構成する拡散防止膜として、ＴｉＳｉ２ 、ＴａＳｉ２ 、ＭｏＳｉ２ 、ＷＳｉ２等のような耐火金属シリサイドを使用し形成させることもできる。このような場合に、前記スパッター金属層３９は純粋なアルミニウム又はＡｌ−Ｃｕ 合金（Ａｌ−０．５ Ｃｕ合金） 又はＡｌ−Ｔｉ 合金のようにＳｉ成分のないアルミニウム合金をターゲットとして使用して形成させる。 本発明の又他の実施例によれば、前記中間層３８として、拡散防止膜の代わりに犠牲層であるシリコン層を形成させることもできる。前記シリコン層はＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６ を使用しＣＶＤ方法により約２０Åの厚さで形成させる。次に、前記スパッター金属層３９は純粋なアルミニウム又はＡｌ−Ｃｕ 合金（Ａｌ−０．５ Ｃｕ合金） 又はＡｌ−Ｔｉ 合金のようにＳｉ成分のないアルミニウム合金をターゲットとして使用して形成させる。
【００６０】
前記スパッター金属層３９は１５０℃以下の低温で蒸着させる場合に、４ｍＴｏｒｒ 、望ましくは２ｍＴｏｒｒ のＡｒ雰囲気でスパッタリング法により１００〜１５０Å／ｓｅｃ 、望ましくは１２０Å／ｓｅｃ の速度で蒸着する。この際、パワーは５ 〜 ７．２ｋＷである。
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記スパッター金属層３９の表面上にスパッタリング方法により窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜４０を形成する。反射防止膜４０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ー工程により形成し、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反射防止膜４０、スパッター金属層３９、中間層３８、ＣＶＤ金属層３７、核生成活性層３６及び拡散防止膜３５を順次的にエッチングし図４に示した本発明による配線層を完成する。
【００６１】
（実施例２）
図１３〜図１８は本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
本第２実施例は前記第１実施例と蒸着方法及び熱処理概念は同一であるが、接触口での拡散防止膜の形成工程を異にしたものである。
【００６２】
図１３は拡散防止膜５５の形成段階を示す。具体的には前記実施例１と同一の方法で不純物ドーピング領域５２が形成されている半導体基板５１上に絶縁層５３を形成した後、前記絶縁層５３に半導体基板５１の不純物ドーピング領域５２の表面一部を露出させる開口部を形成する。ここで、開口部は前記実施例１の場合と同様に、半導体基板５１の不純物ドーピング領域５２を露出させる接触口５４である。形成された接触口５４の大きさは ０．２μｍ 〜 ０．６μｍ であり、アスペクト比は２〜６である。次に、絶縁層５３の全表面、接触口５４の内面及び半導体基板５１の露出された表面上に拡散防止膜３５を形成する。
【００６３】
拡散防止膜は通常スパッタリング方法により形成される。通常のスパッタリング方法により、拡散防止膜を形成させる場合に、高いアスペクト比により拡散防止膜の接触口での段差被覆性が不良になり、これは接触口での故障を誘発する。半導体装置が非常に高集積化されるにつれ、高いアスペクト比を有し大きさがハーフミクロン以下の接触口ではこのような現象が深刻である。高いアスペクト比を有する接触口での拡散防止膜の段差被覆性を増加させるために、本実施例ではＴｉのような耐火金属又はＴｉＮ のような耐火金属化合物を半導体基板に垂直入射角を有するようにスパッターされる。垂直入射角を有するようにスパッタリングするためには、通常のスパッタリング条件より一層低い圧力、例えば ０．５ｍＴｏｒｒ 以下の圧力でスパッタリングしたり、垂直入射成分のみの粒子を選択的に蒸着する装置であるコリメーターを利用する。このような方法により、接触口５４の底面の段差塗布性を増加させ得る。
【００６４】
コリメーターを利用する場合、材質がＴｉであり、蜂の巣の形を有する直径３／８〜２インチのコリメーターをスパッタリング室に装着し２ｍＴｏｒｒ 以下で、スパッタリングする。
本実施例ではＴｉを前記コリメーターを利用して蒸着する。より具体的には、前記接触口５４の大きさが ０．３μｍ の場合に、直径が３／８インチであり、アスペクト比が １．０以上であるコリメーターを利用し前記絶縁膜５３上での厚さが５００ 〜１，０００ ÅになるようにＴｉを蒸着し接触口５４の下部での被覆率（蒸着の厚さ）が２００〜５００ÅになるようにＴｉ層を形成する。次に、ＮＨ３ のような窒化性の雰囲気で、ＲＴＡ装置を利用し、約８００℃温度で３０秒間Ｔｉ層を熱処理しＴｉ層の下部にはＴｉＳｉ２ 層を形成させＴｉ層の上部にはＴｉＮ 層を形成させ拡散防止膜５５を得る。
【００６５】
次に、任意に前記形成された拡散防止膜５５上にＴｉＮ のような耐火金属化合物を２００〜５００Åの厚さで蒸着できる。
図１４はフォトレジスト層５６を形成する段階を示す。前記拡散防止膜５６の形成されている結果物の全面にフォトレジストを １．０〜 １．４μｍ の厚さで形成する。
【００６６】
図１５は前記フォトレジストを利用し接触口部分にのみ拡散防止膜を残す段階を示す。前記形成されたフォトレジスト層５６を利用し結果物の全面にエッチバック又はポリシング工程を行い接触口５４部分にのみフォトレジストを残す。次に、前記接触口５４の部分に残っているフォトレジストを利用し接触口５４の内面及び半導体基板５１の露出された表面部分を取り除いた拡散防止膜５５、即ち絶縁膜５３上に形成された拡散防止膜を取り除き接触口５４部分にのみ拡散防止膜５５が存するようにする。図１５で、５５ａは接触口部分にのみ存する拡散防止膜を示す。次に、前記接触口５４部分に残っているフォトレジストを取り除く。
【００６７】
図１６は核生成活性層５７及びＣＶＤ金属層５８の形成段階を示す。前記接触口５４に残っているフォトレジストを取り除いた後、前記実施例１の場合と同様に前記接触口に存する拡散防止膜５５ａ及び絶縁膜５３上に核生成活性層５７を形成させる。ここで、核生成活性層５７の形成工程は前記実施例１の方法と同一であるが、水素処理方法は除かれる。
【００６８】
次に、前記実施例１の場合と同一の方法で、前記核生成活性層５７上にＣＶＤ金属層５８を形成し接触口５４を埋め立てる。
図１７は前記ＣＶＤ金属層５８を平滑する段階を示す。前記ＣＶＤ金属層５８を形成した後、前記実施例１の場合と同一の方法で、半導体基板５１を真空を破ることなく他の室に入れ、アルゴン伝導法を利用し、溶融点以下の高い温度で、望ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で約１〜５分間、望ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属層５８の表面を平滑にする。図１７で、５８ａは表面が平滑なＣＶＤ金属層を示す。
【００６９】
図１８は中間層５９及びスパッターされた金属層６０を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属層５８ａ上に前記実施例１の場合と同一の方法で、中間層５９及び電子移動及びストレス移動耐性の優れたスパッター金属層６０を形成する。無論、中間層を形成しなくても信頼性の優れたスパッター金属層６０を形成させ得る。前記スパッター金属層の厚さは望ましくは ３，０００Åである。
【００７０】
又、前記実施例１の場合と同一の方法で、形成される配線層の信頼性を更に向上させるために、１５０℃以下の温度でＡｌ合金を使用し厚さ １，０００Åの第１金属層を形成した後、 ０．８Ｔｍ〜Ｔｍの温度で真空を破らず熱処理する。このように熱処理して得た金属層は（１１１）配向性が増加され信頼性が増加される。アルミニウムのような金属をスパッタリングする時、Ｘ線回折強度の（１１１）面／（２００）面に対する値が増加するほど、即ちＩ（１１１）／Ｉ（２００）の比が増加するほど電子移動耐性が増加する。従って、前記のように熱処理し下部スパッタリングの（１１１）配向性を増加させれば後に形成される半導体装置の金属配線の信頼性が増加する。
【００７１】
又、選択的に優先方位（１１１）であるＴｉＮ 層を蒸着し前記中間層５９を形成することもできる。平坦化されたＣＶＤ金属層５８ａ上に、先ず優先方位（１１１）であるＴｉＮ のような物質を蒸着した後、アルミニウムを蒸着すれば、（１１１）方位の増加された金属層が得られる。次に、前記実施例１の場合と同一の方法で、連続的にスパッタリングして厚さ ２，０００Åの第２金属層を形成し前記スパッター金属層３９を得る。
【００７２】
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記実施例１の場合と同一の方法で、前記スパッタリング金属層６０の表面上に窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜６１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ー工程により形成し、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反射防止膜６１、スパッター金属層６０、中間層５９、ＣＶＤ金属層５８ａ及び核生成活性層５７を順次的にエッチングし図５に示した本発明による配線層を完成する。
【００７３】
（実施例３）
図１９〜図２４は本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
本第３実施例も前記第１実施例と蒸着方法及び熱処理概念は類似しているが、接触口での拡散防止膜及び核生成活性層の形成工程を異にしたものである。
【００７４】
図１９は拡散防止膜７５及び核生成活性層７６の形成段階を示す。具体的には、前記実施例１及び２の場合と同一の方法で不純物ドーピング領域７２の形成されている半導体基板７１上に絶縁層７３を形成した後、前記絶縁層７３に半導体基板７１の不純物ドーピング領域７２の表面一部を露出させる開口部を形成する。ここで、開口部は前記実施例１及び２と同様に、半導体基板７１の不純物ドーピング領域７２を露出させる接触口７４である。
【００７５】
図２０はフォトレジスト層６９を形成する段階を示す。前記拡散防止膜７５及び核生成活性層７６の形成されている結果物の全面に、フォトレジストを １．０〜 １．４μｍ の厚さで形成する。
図２１は前記フォトレジストを利用し接触口の部分にのみ拡散防止膜及び核生成活性層を残す段階を示す。前記形成されたフォトレジスト層６９を利用し、前記実施例２の場合と同じことに、結果物全面にエッチバック又はポリシング工程を行い接触口７４部分にのみフォトレジストを残す。次に、前記接触口７４部分に残っているフォトレジストを利用し接触口７４の内面及び半導体基板７１の露出された表面部分を除いた拡散防止膜７５及び核生成活性層７６の、即ち絶縁膜７３上に形成された拡散防止膜及び核生成活性層７６を取り除き接触口７４部分にのみ拡散防止膜７５及び核生成活性層７６が存するようにする。図２１で、７５ａ及び７６ａは接触口部分にのみ存する拡散防止膜及び核生成活性層をそれぞれ示す。次に、前記接触口７４部分に残っているフォトレジストを取り除く。
【００７６】
本発明の他の実施例によれば、接触口７４部分にのみフォトレジストを残す工程は接触口７４形成用のパターンが形成されているフォトマスクを利用し露光及び現像し遂行することもできる。
エッチバック工程を遂行すれば、核生成活性層７６の表面上には酸化物が存し核生成活性効果がなくなる。従って、核生成活性層７６を接触口にのみ形成させるためには、エッチング後に基板７１をＨ２ ＥＣＲプラズマ装置を利用し、水素ラジカル又は水素プラズマに露出させて還元した後、真空装置内に４００℃以上一定時間維持させれば絶縁膜の水素終端効果が消えるようになり接触口７４部分にのみ核生成活性層７６ａが存する。
【００７７】
図２２はＣＶＤ金属プラグ７７を形成する段階を示す。図２１段階の後に、前記実施例１及び２と同一の方法でアルミニウム又はアルミニウム合金をＣＶＤ方法により蒸着させ接触口７４を埋没させる。前記実施例１及び２では核生成活性層が絶縁膜上にも存したので、絶縁膜上にもＣＶＤ金属層が形成されたが、本実施例では核生成活性層７６ａが接触口の部分にのみ存するので、接触口部分にだけアルミニウム又はアルミニウム合金が蒸着され図２２に示した通りＣＶＤ金属プラグ７７が得られる。
【００７８】
このように得られたＣＶＤ金属プラグ７７は前記実施例１又は２で熱処理段階前のＣＶＤ金属層と同様にその表面が平滑でない。のみならず、接触口７４部分に凹凸部が形成されることもできる。
図２３は前記ＣＶＤ金属プラグ７７の表面を平滑にする段階を示す。前記ＣＶＤ金属プラグ７７を形成した後、前記実施例１の場合と同一の方法で半導体基板７１を真空を破ることなく他の室に入れアルゴン伝導法を利用し、溶融点以下の高い温度で望ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で約１〜５分間、望ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属プラグ７７の表面を平滑にする。図２３で、７７ａは表面の平滑なＣＶＤ金属プラグを示す。
【００７９】
図２４は中間層７８及びスパッターされた金属層７９を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属プラグ７７ａ及び絶縁膜７３上に、中間層７８及び電子移動及びストレス移動耐性の優れたスパッター金属層７９を形成する。より具体的に、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属配線の寿命を向上させたり、スパッター金属層の下支膜を同一化するために、Ｔｉのような遷移金属を ２００〜 １，０００Å位で蒸着させたり、ＴｉＮ のような遷移金属化合物を ２００〜 １，０００Å位で単独又は組み合わせて蒸着する。蒸着方法は実施例１及び２に述べられたことと同一である。
【００８０】
次に、前記中間層７８上にアルミニウム又はアルミニウム合金を ３，０００〜 ５，０００Å、望ましくは ４，０００Åの厚さで蒸着しスパッター金属層７９を形成する。前記スパッター金属層７９は前記実施例１に述べられたことと同一の条件下で形成する。
スパッター金属層７９はＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして使用し３５０℃以下の温度でスパッタリングして形成したり、形成される配線層の信頼性を更に向上させるために、１５０℃以下の温度でＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕをターゲットとして使用してスパッタリングし厚さ １，０００〜 ２，０００Åの第１金属層を形成した後、得られた第１金属層を実施例１と同一の方法で、前記合金の溶融点以下の高温で、望ましくは ０．８Ｔｍ〜Ｔｍの温度で真空を破らず熱処理した後、追加で３５０℃以下の温度、望ましくは温度を調節しない常温で連続的にスパッタリングして厚さ ２，０００〜 ３，０００Åの第２金属層を形成し前記スパッター金属層７９を得る。この際、前記第２金属層は前記実施例１の場合と同様に、Ｓｉ成分を含まないＡｌ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用し形成させ、相異なる成分を有する第１金属層と第２金属層より構成された複合層を形成し前記スパッター金属層７９が得られる。
【００８１】
又は、実施例１の場合と同じことに、前記スパッター金属層７９はＡｌ−０．５％ 以下のＳｉ−０．５％Ｃｕ をターゲットとして使用し単一層を形成することもできる。
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記実施例１の場合と同一の方法で、前記スパッター金属層７９の表面上に窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜８０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）を反射防止膜上の通常のフォトリソグラフィー工程により形成し、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反射防止膜８０、スパッター金属層７９及び中間層７８を順次的にエッチングし図６に示した本発明による配線層を完成する。
【００８２】
（実施例４）
図２５〜図３０は本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
図２５は接触口９５の形成段階を示す。具体的には、前記実施例１の場合と同一の方法で不純物ドーピング領域９２が形成されている半導体基板９１上に絶縁層９３を形成した後、前記絶縁層９３に半導体基板９１の不純物ドーピング領域９２の表面一部を露出させる開口部を形成するためにフォトリソグラフィー工程によりレジストパターン９４を形成する。ここで、開口部は前記実施例１と同じことに、半導体基板９１の不純物ドーピング領域９２を露出させる接触口９５である。形成された接触口９５の大きさは ０．２〜 ０．６μｍ であり、アスペクト比は２〜６である。
【００８３】
図２６は拡散防止膜（９６及び９６ａ）の形成段階を示す。前記フォトレジストパターン９４を取り除かず、前記フォトレジストパターン９４の全表面及び半導体基板９１の露出された表面上に拡散防止膜９６及び９６ａを形成する。高いアスペクト比を有する接触口での拡散防止膜の段差被覆性を増加させるために、本実施例でも前記実施例１に述べられたように、Ｔｉのような耐火金属又は ＴｉＮのような耐火金属化合物を半導体基板に垂直入射角を有するようにスパッターさせる。
【００８４】
図２７は核生成活性層９７の形成段階を示す。前記フォトレジストパターン９４と前記フォトレジストパターン９４の上に形成された拡散防止膜９６を取り除いた後、前記絶縁膜９３、接触口９５の底面即ち前記露出された半導体基板９１の表面上に形成された拡散防止膜９６ａ上及び接触口９５の内面に核生成活性層９７を形成する。
【００８５】
前記核生成活性層９７は ＴｉＮを２００℃の温度で、２ｍＴｏｒｒ の圧力で、１００〜５００Åの厚さで、蒸着させたり、Ｔｉを蒸着した後、ＮＨ３ のような窒化性の雰囲気で、ＲＴＡ装置を利用し約８００℃の温度で３０秒間熱処理され得られる。
図２８はＣＶＤ金属層５８の形成段階を示す。
図２７の段階後に、前記実施例１の場合と同一の方法で、前記核生成活性層９７上にＣＶＤ金属層９８を形成し接触口９５を埋め立てる。
【００８６】
図２９は前記ＣＶＤ金属層９８を平滑にする段階を示す。前記ＣＶＤ金属層９８を形成した後、前記実施例１の場合と同一の方法で、半導体基板９１を真空を破ることなく他の室に入れ、アルゴン伝導法を利用し、溶融点以下の高い温度で、望ましくは ０．６Ｔｍ〜Ｔｍの温度で約１〜５分間、望ましくは約２分間熱処理し、前記ＣＶＤ金属層９８の表面を平滑にする。図２２で、９８ａは平滑なＣＶＤ金属層を示す。
【００８７】
図３０は中間層９９及びスパッターされた金属層１００を形成する段階を示す。前記その表面が平滑なＣＶＤ金属層９８ａ上に前記実施例１の場合と同一の方法で、中間層９９及び電子移動及びストレス移動耐性の優れたスパッター金属層１００を形成する。
次に、後続くフォトリソグラフィー工程を向上させるために前記実施例１の場合と同一の方法で、前記スパッター金属層１００の表面上に窒化チタニウムを２００〜５００Åの厚さで蒸着し反射防止膜１０１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ー工程により形成し、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反射防止膜１０１、スパッター金属層１００、中間層９９、平坦なＣＶＤ金属層９８ａ及び核生成活性層９７を順次的にエッチングし図７に示した本発明による配線層を完成する。
【００８８】
前記本発明の半導体装置の配線層は ０．３μｍ 大きさの接触口又はブァイアの埋没が可能であり次世代高集積半導体装置の金属配線が可能である。又、接触口はＣＶＤ方法により埋没させた後、真空熱処理することにより、信頼性が向上され、ＣＶＤアルミニウム配線層の表面が平滑に形成され後続くリソグラフィー工程が容易に遂行され得る。又、前記ＣＶＤ金属層上に信頼性の良い金属層を通常のスパッタリング方法によって形成することにより全体的な半導体装置の金属層の信頼性が保たれる。
【００８９】
又、前記表面が平滑なＣＶＤ金属層は真空熱処理段階を通じてＣＶＤ金属層内に残存するガスや不純物が排出されるベーキング効果を有する。従って、ＣＶＤ金属層の膜質が向上される。
本発明によると、ＣＶＤ方法により、接触口を埋め立てる場合、半導体ウェハーを大量で処理することができ、処理量が増加され半導体装置の単価が低められる。
【００９０】
又、真空熱処理方法によりボイドが形成されず、接触口の完全な埋没が可能である。
又、熱処理の際核生成活性層として適切に選択し、アルミニウムと核生成活性層の反応により接合スパイキングが防止できる信頼性のある配線層の形成が可能である。
【００９１】
本発明の配線層の形成方法は選択的エピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ）成長方法でないので、下支膜とは関係なく配線層が形成できる。
以上、本発明を実施例を挙げ具体的に説明したが、本発明はこれに限らず、当業者の通常の知識の範囲内でその変形や改良が可能であることは無論のことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常のスパッタリングの際に形成されるアルミニウムに蒸着されたプロファイルを示す図である。
【図２】従来のＣＶＤ方法によりＡｌを蒸着させ得られたアルミニウム層のプロファイルを示す図である。
【図３】Ａｌ金属を蒸着した後真空熱処理したり高温スパッタリング方法により接触口を埋没する場合に接触口に存するボイドを示す図である。
【図４】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【図５】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【図６】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【図７】本発明の半導体装置の配線層の例を示す断面図である。
【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第１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第１実施例を示すための概略図である。
【図１０】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示すための概略図である。
【図１１】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示すための概略図である。
【図１２】本発明の方法による半導体装置の配線層形成方法の第１実施例を示すための概略図である。
【図１３】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１４】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１５】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１６】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１７】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１８】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第２実施例を示すための概略図である。
【図１９】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２０】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２１】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２２】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２３】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２４】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第３実施例を示すための概略図である。
【図２５】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２６】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２７】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２８】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図２９】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
【図３０】本発明の方法による半導体装置の配線層の形成方法の第４実施例を示すための概略図である。
Claims (20)
- 半導体ウェハーと、
前記半導体ウェハー上に形成されており凹部を有する絶縁膜と、
前記凹部の底面、内面及び前記絶縁膜上に形成されている拡散防止膜と、
前記拡散防止膜において前記絶縁膜と接している表面とは反対側の表面上の全体に形成されている核生成活性層と、
前記凹部を完全に埋め立て平滑な表面を有するＣＶＤ金属層と、
前記ＣＶＤ金属層上に形成されており、スパッターされた金属層とを備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記凹部は半導体ウェハーに形成された不純物ドーピング領域を露出させる接触口又は半導体装置の上部導電層と下部導電層の電気的接続のためのブァイアであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記核生成活性層はシリコン、銅、又はこれらの組合で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。
- 前記核生成活性層は耐火金属又は耐火金属化合物より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。
- 前記核生成活性層は水素処理層又はシリル化層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記ＣＶＤ金属層とスパッターされた金属層の間に形成された中間層を更に備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記中間層は（１１１）配向性を有する拡散防止膜であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
- 前記中間層はシリコン、耐火金属又は耐火金属化合物より構成されたことを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されており開口部を有する絶縁膜と、
前記開口部の底面、内面及び前記絶縁膜上に形成されている拡散防止膜と、
前記拡散防止膜において前記絶縁膜と接している表面とは反対側の表面上の全体に形成されている核生成活性層と、
前記開口部を完全に埋め立て平坦な表面を有するＣＶＤ金属層と、
前記ＣＶＤ金属層上に形成されておりスパッターされた金属層とを備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記開口部は半導体基板に形成された不純物ドーピング領域を露出させる接触口又は半導体装置の上部導電層と下部導電層の電気的接続のためのブァイアであることを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
- 前記ＣＶＤ金属層及び前記絶縁膜とスパッターされた金属層の間に形成された中間層を更に含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
- 半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する段階と、
前記開口部の底面、内面及び前記絶縁膜上に拡散防止膜を形成する段階と、
前記拡散防止膜において前記絶縁膜と接している表面とは反対側の表面上の全体に核生成活性層を形成する段階と、
前記開口部を完全に埋め立てる金属層をＣＶＤ方法によりＣＶＤ金属層として形成する段階と、
前記ＣＶＤ金属層を熱処理しその表面を平滑にする段階と、
前記ＣＶＤ金属層上にスパッタリング方法によりスパッターされた金属層を形成する段階とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ＣＶＤ金属層はＴＩＢＡ、ＴＭＡ、ＤＭＡＨ及びＤＩＢＡＨより構成された群から選択された有機金属化合物をソースとして利用して形成させることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記核生成活性層はＴｉ、Ｍｏ、Ｔａ及びＺｒより構成された群から選択された耐火金属又はこれらの化合物を蒸着して形成させることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記核生成活性層は水素終端又は水素処理して得られた水素処理層であることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記核生成活性層はシリル化工程により得られたシリル化層であることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理工程は0.6Tm 〜 Tm （ Tm は前記ＣＶＤ金属層を構成する金属の溶融点である）の温度で真空を破らず、連続的に遂行することを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記スパッターされた金属層を形成する前に、前記表面の平滑なＣＶＤ金属層上に中間層を形成する工程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製造方法。
- 前記中間層として優先方位が（１１１）であるTiNを蒸着させ形成することを特徴とする請求項１８記載の半導体装置の製造方法。
- 前記スパッター金属層は１５０℃以下の温度でスパッターされた金属層の所定厚さの一部分を先ず蒸着し第１スパッター金属層を形成し、前記第１スパッター金属層を0.6Tm 〜 Tm （ Tm は前記第１スパッター金属層の溶融点である）の温度で熱処理した後、前記スパッターされた金属層が所定の厚さを有するように追加で金属を蒸着し第２金属層を形成して得られた複合層より構成されることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
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