JP5200430B2

JP5200430B2 - 金属薄膜の形成方法

Info

Publication number: JP5200430B2
Application number: JP2007163915A
Authority: JP
Inventors: 満男山下
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: JP2009004556A

Description

本発明は金属薄膜の形成方法に関し、特に、高純度アルミニウム膜に銅やシリコンなどの元素を添加する方法に適用して好適なものである。

半導体装置に用いられる電極や配線層としては、導電性、加工容易性および密着性などの観点からアルミニウム膜が広く用いられている。
一方、半導体装置の高密度化や通電電力の増加などに伴って回路の電流密度が増加する傾向にあり、配線層には導電性とともに耐熱性が要求されるようになっている。ここで、アルミニウム膜は、電流密度が高くなると、エレクトロマイグレーションが生じ易くなるため、アルミニウム膜に銅などの元素を添加することで、アルミニウム原子が移動するのを抑制する対策がとられている。

ここで、アルミニウム膜に銅などの元素を添加する方法としては、必要な元素を所定量だけ含有するターゲット材料を用いてスパッタを行う方法がある（特許文献１、２）。
特開平９−３０６９１６号公報特開２００６−１９６８２９号公報

しかしながら、必要な元素を所定量だけ含有するターゲット材料を用いてスパッタを行う方法では、アルミニウムの純度が低下することから、成膜時にアルミニウム膜の流動性が低下する。このため、アルミニウム膜が付着される付着面に凹凸がある場合には、付着面へのアルミニウム膜の追従性が低下し、凹部や隅部へのアルミニウムの充填が十分になされなくなることから、電流密度が部分的に高くなり、応力が集中する要因となる。この結果、エレクトロマイグレーションを十分に抑えることができなるだけでなく、熱応力などによって表面が損傷し易くなり、アルミニウム膜の劣化が生じ易くなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、アルミニウム膜の流動性の低下を抑制しつつ、耐熱性を向上させることが可能な金属薄膜の形成方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の金属薄膜の形成方法によれば、アルミニウム合金膜を絶縁層上に成膜する工程と、高純度アルミニウム膜を前記アルミニウム合金膜上に成膜する工程と、前記高純度アルミニウム膜上に添加元素膜を成膜する工程と、前記添加元素膜の熱処理によって前記添加元素膜に含まれる添加元素を前記高純度アルミニウム膜に拡散させる工程とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の金属薄膜の形成方法によれば、前記高純度アルミニウム膜の純度が４Ｎ（９９．９９％）であることを特徴とする。
また、請求項３記載の金属薄膜の形成方法によれば、前記高純度アルミニウム膜の純度が５Ｎ（９９．９９９％）以上であることを特徴とする。
また、請求項４記載の金属薄膜の形成方法によれば、前記添加元素が、Ｃｕ、Ｖ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｔｉのうちの少なくとも１種類から選択されることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、高純度アルミニウム膜を形成してから高純度アルミニウム膜に添加元素を注入することにより、高純度化されたアルミニウムのまま下地層に付着させることができ、成膜時に膜の流動性が低下するのを防止することが可能となるとともに、アルミニウムを用いた電極または配線層の耐熱性を向上させることができ、エレクトロマイグレーションを抑えることが可能となるとともに、熱応力などによって電極または配線層の表面が損傷し易くなるのを防止することができる。

以下、本発明の実施形態に係る金属薄膜の形成方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る金属薄膜の形成方法を示す断面図である。
図１（ａ）において、フォトリソグラフィー技術およびイオン注入技術を用いてＢ、Ｐ、Ａｓなどの不純物を半導体基板１１に選択的に注入することにより、半導体基板１１の所定の領域に不純物拡散層１２を形成する。なお、半導体基板１１の材質としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮまたはＺｎＳｅなどを用いることができる。

そして、ＣＶＤなどの方法にて半導体基板１１の表面全体に絶縁層１３を形成し、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて絶縁層１３をパターニングすることにより、不純物拡散層１２の表面の一部を露出させる開口部１４を形成する。なお、絶縁層１３の材質としては、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いることができる。また、絶縁層１３の表面には微細な凹凸があってもよい。また、絶縁層１３の膜厚は、例えば、１０００Åとすることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、イオンビームデポジションなどの方法にて高純度アルミニウム膜１５を絶縁層１３上に形成する。なお、高純度アルミニウム膜１５の純度は４Ｎ（９９．９９％）であることが好ましく、さらに好ましくは５Ｎ（９９．９９９％）以上とするのがよい。また、高純度アルミニウム膜１５の膜厚は、例えば、１μｍとすることができる。また、高純度アルミニウム膜１５の成膜時に半導体基板１１側に−５０ｋＶの負バイアスを印加するようにしてもよい。また、高純度アルミニウム膜１５の成膜時にアルミニウムの一部または全てをイオン化するようにしてもよい。また、高純度アルミニウム膜１５は、電極または配線層として使用することができる。

また、イオンビームデポジション法としては、アルゴンガスを高周波コイル中でイオン化し、アルゴンイオンにてＡｌターゲットをスパッタするとともに加熱することでＡｌ蒸気を発生させ、アルゴンプラズマ中でＡｌをイオン化することができる。ここで、Ａｌをイオン化することで、通常のスパッタ蒸着法に比べてコンタミやガス中不純物がＡｌに混入するのを抑制することができ、成膜時の高純度アルミニウム膜１５の流動性を向上させることができる。

また、蒸着時には、高純度アルミニウム膜１５の成膜時に半導体基板１１側に負バイアスを印加することで、Ａｌイオンの運動エネルギーを高め、成膜時の高純度アルミニウム膜１５の流動性をより一層向上させることができる。
また、アルミニウムを高純度に保ったまま高純度アルミニウム膜１５を絶縁層１３上に形成することにより、成膜時に膜の流動性を向上させることができ、絶縁層１３の表面に微細な凹凸がある場合においても、付着面への膜の追従性を確保し、凹部や隅部へのアルミニウムの充填を十分に施すことができる。このため、高純度アルミニウム膜１５の電流密度が部分的に高くなるのを抑制することができ、応力の集中を緩和することが可能となることから、熱応力などによって表面が損傷するのを抑制することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、イオンビームデポジションなどの方法にて、添加元素１７を含む添加元素膜１６を高純度アルミニウム膜１５上に形成する。なお、添加元素膜１６に含まれる添加元素１７としては、Ｃｕ、Ｖ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｔｉのうちの少なくとも１種類から選択することができる。また、添加元素膜１６の膜厚は、例えば、１００Åとすることができる。

次に、図１（ｄ）に示すように、添加元素膜１６の熱処理を行うことで、添加元素膜１６に含まれる添加元素１７を高純度アルミニウム膜１５の結晶粒内または粒界に拡散させ、添加元素１７を固溶または析出させることで、高純度アルミニウム膜１５に添加元素１７を添加する。なお、添加元素膜１６の熱処理の温度は、例えば、３５０℃とすることができる。
ここで、添加元素膜１６としてＣｕを選択することにより、アルミニウムを用いた電極または配線層の耐熱性を向上させることができ、エレクトロマイグレーションを抑えることが可能となる。また、添加元素膜１６としてＳｉを選択することにより、Ｓｉ基板からのＳｉの過度の拡散を抑えることができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る金属薄膜の形成方法を示す断面図である。
図２（ａ）において、フォトリソグラフィー技術およびイオン注入技術を用いてＢ、Ｐ、Ａｓなどの不純物を半導体基板２１に選択的に注入することにより、半導体基板２１の所定の領域に不純物拡散層２２を形成する。
そして、ＣＶＤなどの方法にて半導体基板２１の表面全体に絶縁層２３を形成し、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて絶縁層２３をパターニングすることにより、不純物拡散層２２の表面の一部を露出させる開口部２４を形成する。なお、絶縁層２３の材質としては、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いることができる。また、絶縁層２３の表面には微細な凹凸があってもよい。また、絶縁層２３の膜厚は、例えば、１０００Åとすることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、スパッタなどの方法にてアルミニウム合金膜２５を絶縁層２３上に形成する。なお、アルミニウム合金膜２５の膜厚は、成膜時のアルミニウム合金膜２５の流動性に支障をきたさないように設定することができ、例えば、０．５μｍとすることができる。
次に、図２（ｃ）に示すように、イオンビームデポジションなどの方法にて高純度アルミニウム膜２６をアルミニウム合金膜２５上に形成する。なお、高純度アルミニウム膜２６の純度は４Ｎ（９９．９９％）であることが好ましく、さらに好ましくは５Ｎ（９９．９９９％）以上とするのがよい。また、高純度アルミニウム膜２６の膜厚は、例えば、１μｍとすることができる。また、高純度アルミニウム膜２６の成膜時に半導体基板２１側に−５０ｋＶの負バイアスを印加するようにしてもよい。また、高純度アルミニウム膜２６の成膜時にアルミニウムの一部または全てをイオン化するようにしてもよい。また、高純度アルミニウム膜２６は、電極または配線層として使用することができる。

ここで、Ａｌをイオン化することで、通常のスパッタ蒸着法に比べてコンタミやガス中不純物の混入などを抑制することができ、成膜時の高純度アルミニウム膜２６の流動性を向上させることができる。
また、蒸着時にはＡｌイオンの運動エネルギーが高いため、高純度アルミニウム膜２６の成膜時に半導体基板２１側に負バイアスを印加することで、成膜時の高純度アルミニウム膜２６の流動性をより一層向上させることができる。

また、アルミニウムを高純度に保ったまま高純度アルミニウム膜２６をアルミニウム合金膜２５上に形成することにより、成膜時に膜の流動性を向上させることができ、アルミニウム合金膜２５の表面に微細な凹凸がある場合においても、付着面への膜の追従性を確保し、凹部や隅部へのアルミニウムの充填を十分に施すことができる。このため、高純度アルミニウム膜２６の電流密度が部分的に高くなるのを抑制することができ、応力の集中を緩和することが可能となることから、熱応力などによって表面が損傷するのを抑制することができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、イオンビームデポジションなどの方法にて、添加元素２８を含む添加元素膜２７を高純度アルミニウム膜１５上に形成する。なお、添加元素膜２７に含まれる添加元素２７としては、Ｃｕ、Ｖ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｔｉのうちの少なくとも１種類から選択することができる。また、添加元素膜２７の膜厚は、例えば、１００Åとすることができる。

次に、図２（ｅ）に示すように、添加元素膜２７の熱処理を行うことで、添加元素膜２７に含まれる添加元素２８を高純度アルミニウム膜２６に拡散させ、高純度アルミニウム膜２６に添加元素２８を添加する。なお、添加元素膜２７の熱処理の温度は、例えば、４００℃とすることができる。
これにより、アルミニウムを用いた電極または配線層の厚膜化を図りつつ、アルミニウムを用いた電極または配線層の耐熱性を向上させることができ、電極または配線層としてそれ相当量の膜厚を要する場合においても、エレクトロマイグレーションを抑えることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る金属薄膜の形成方法を示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る金属薄膜の形成方法を示す断面図である。

符号の説明

１１、２１半導体基板
１２、２２不純物拡散層
１３、２３絶縁層
１４、２４開口部
１５、２６高純度アルミニウム膜
１６、２７添加元素膜
１７、２８添加元素
２５アルミニウム合金膜

Claims

アルミニウム合金膜を絶縁層上に成膜する工程と、
高純度アルミニウム膜を前記アルミニウム合金膜上に成膜する工程と、
前記高純度アルミニウム膜上に添加元素膜を成膜する工程と、
前記添加元素膜の熱処理によって前記添加元素膜に含まれる添加元素を前記高純度アルミニウム膜に拡散させる工程とを備えることを特徴とする金属薄膜の形成方法。
前記高純度アルミニウム膜の純度が４Ｎ（９９．９９％）であることを特徴とする請求項１記載の金属薄膜の形成方法。
前記高純度アルミニウム膜の純度が５Ｎ（９９．９９９％）以上であることを特徴とする請求項１記載の金属薄膜の形成方法。
前記添加元素が、Ｃｕ、Ｖ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｔｉのうちの少なくとも１種類から選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の金属薄膜の形成方法。