JPH01107558A - 金属薄膜配線の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体装置内で用いる金属薄膜配線の製造方法
に関するものであり、特に微細化された装置における使
用に適し、かつ高い信頼性を持つ配線を高い生産性を以
て製造する方法に関する。

従来の技術 アルミニウム（以下Ａ１と記す）もしくはＡ１合金もし
くはそれらと他の金属とを組み合わせた構造の薄膜金属
細線の上面および側面を高融点金属薄膜もしくは高融点
金属を主成分とする合金薄膜で被覆した金属薄膜配線は
、低い抵抗を持ち、かつ高い信頼性を持つ金属薄膜配線
として提案されている。　（例えば、Ｈ，Ｐ、　　Ｗ、
　　Ｈｅｙ他、１９８６年Ｉ　ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ　　Ｅ　Ｉｅｃｔｒｏｎ　　Ｄ　ｅｖｉｃｅ　Ｍｅｅ
ｔｉｎｇ　　テクニカルダイジェスト　ｐ、５０）。し
かしこの場合、配線層と下地の半導体層との界面、もし
くは複数の配線層を形成する場合などにおいてはそのそ
れぞれの間の界面を安定させ、また、製造工程において
半導体素子中に導入された損傷を除去し、素子特性を安
定させるために行う熱処理は、高融点金属薄膜もしくは
高融点金属を主成分とする合金薄膜の堆積を行った後、
堆積を行った装置から半導体基板を取り出して大気にざ
らした後に、再び別の熱処理装置に基板を装着して行わ
れるのが通例であった。

従来金属薄膜配線は例えば第５図に示した工程によって
作製されていた。すなわち先ず、本発明の方法による場
合と同様に、配線以外の半導体装置として必要な構造の
作製を終えたシリコンウェハｌ上に下地絶縁膜２を堆積
し必要な部分にコンタクトホールを開孔した基板上に、
Ａ１合金７７１Ｍ３をスパッタ法によって０．３−ｌ１
１ｍ程度の厚さに堆積し、例えばレジストパターンを形
成した後に乾式エツチングを行うことによって、Ａ１合
金薄膜３をＡ１合金薄膜細線４の形状に加工しく第５図
（ａ））、次に、例えば六フッ化タングステン（以下Ｗ
Ｆｅと記す）とＨ２とを原料とするＣＶＤ法によってＡ
１合金配線の上面および側面に２２０−２００ｎ程度の
膜厚のＷ薄膜５を堆積する（第５図（ｂ））。次に基板
を大気中に取り出した後に温度３５０−５５０℃、時間
１０秒−１時間程度の条件で熱処理を行う。この時Ｗ薄
膜５の表面にはタングステン酸化膜（図中にはＷＯｘ膜
と記す）が形成される（第５図（Ｃ））。その後必要な
らば作製された素子の特性の検査を行った後に、表面保
護Ｂ７として例えばプラズマＣＶＤシリコン窒化膜を堆
積する（第６図（ｄ））。

第５図に示した作製工程の内Ｗ薄膜堆積工程は例えば第
４図（ａ）もしくは（ｂ）に示されたような構成の装置
や、第３図（ｂ）から熱処理槽２０を除いたような構成
の装置を用いて行われていた。また熱処理工程は例えば
第６図に示すような構成の熱処理装置を使用して行われ
ていた。本例に示したのは抵抗加熱炉および石英管から
成る通常の熱処理装置であり、第４図（ａ）のを示した
ホットウォール型減圧ＣＶＤ装置に類似した構成を持っ
ている。しかし減圧ＣＶＤ装置に比較して気密性が低い
上に排気機構を備えていないため、熱処理雰囲気中の残
留酸素濃度を高融点金属もしくはそれを主成分とする合
金薄膜の表面の酸化が進行しない程度に低くすることは
困難である。

第７図は従来の方法を用いて製造した金属薄膜配線の二
つの例を示す断面図である。

まずＷ薄膜の膜厚を第１図の場合と同程度に薄くした第
７図（ａ）の場合には、熱処理工程においてＷｉｌｌ膜
がすべて酸化されてタングステン酸化膜（図中にはＷＯ
Ｘ膜と記す）になっている。従って高融点金属薄膜で被
覆したことによるＡ１合金薄膜配線の信頼性向上効果は
失われている。

一方熱処理後も未酸化のＷ薄膜が残る様にＷ薄膜の堆積
膜厚を厚くした第７図（ｂ）の場合には、配線間の距離
が極めて短くなり、絶縁膜を埋め込むことが困難になっ
て空孔が生じたり、配ａ閏の短絡が生じたりしている。

なお従来の方法によって金属薄膜配線を製造する際の熱
処理工程に、例えば第４図（ａ）に示した様な装置を使
用することも原理的には可能であるが、その場合にも現
実には熱処理中の高融点金属もしくはそれを主成分とす
る合金薄膜の表面の酸化を防止することは困難である。

なぜならば、酸化を防止するためには還元性ガスによる
置−および真空排気を充分に行い、雰囲気中の残留酸素
および基板表面の吸着水分の除去を行うことが必要であ
り、そのために長い時間を要し、生産性の低下が生じる
からである。

発明が解決しようとする問題点 Ａ１もしくはＡ１合金もしくはそれらと他の金属とを組
み合わせた構造の薄膜金属細線、の上面および側面を高
融点金属薄膜もしくは高融点金属を主成分とする合金薄
膜で被覆した金属薄膜配線に、高融点金属薄膜もしくは
高融点金属を主成分とする合金薄膜の堆積後大気中に取
り出してから通常の熱処理装置に装着して熱処理を加え
た場合、たとえ窒素（以下Ｎ２と記す）、水素（以下Ｈ
２と記す）などの還元性雰囲気を用いても、雰囲気中に
残存する酸素や試料表面に残留した水分によって高融点
金属もしくは高融点金属を主成分とする合金薄膜の表面
の酸化が生じる。このため、信頼性向上効果を得るため
には被覆する高融点金属薄膜もしくは高融点金属を主成
分とする合金薄膜の膜厚を少なくともこのときに酸化さ
れる膜厚に比較して厚くする必要が生じる。従って微細
化された半導体装置においては、配線間距離が極めて短
くなり、配線間への絶縁膜の堆積が困難になる、配線間
の短絡が生じる等の問題が起きた。

また高融点金属薄膜もしくは高融点金属を主成分とする
合金薄膜の堆積後大気中に取り出してから表面酸化を防
止することが可能な熱処理装置に装着して熱処理を加え
た場合、生産性が低ｒすると言う問題が生じた。

本発明者は以上のような従来の金属薄膜配線の製造方法
の諸欠点に鑑みて種々考案研究した結果、本発明を完成
するに至ったものである。

問題点を解決するための手段 本発明の金属薄膜配線の製造方法において、Ａ１もしく
はＡ１合金もしくはそれらと他の金属とを組み合わせた
構造の薄膜金属細線を形成し、その上面および側面に高
融点金属薄膜もしくは高融点金属を主成分とする合金薄
膜を堆積した後に、大気中に取り出すことなく熱処理を
行う。

作用 高融点金属薄膜もしくは高融点金属を主成分とする合金
薄膜を堆積した後に大気中に取り出すことなく熱処理を
行うことにより、熱処理時の雰囲気中の残存酸素量およ
び試料表面の吸着水分量を減少させ、高融点金属薄膜も
しくは高融点金属を主成分とする合金薄膜表面の酸化量
を減少させることが容易にできる。そのため、被覆する
高融点金属薄膜もしくは高融点金属を主成分とする合金
薄膜の膜厚を薄くすることが可能となり、微細化された
半導体装置においても配線間への絶縁膜の堆積が容易に
行え、短絡が生じない。

しかも雰囲気中の残存酸素量および試料表面の吸着水分
量を減少させるために要する時間が短いため、生産性が
低下することもない。

実施例 以下図面に基ずいて本発明について更に詳しく説明す名
。

第１図は本発明の方法によって作製した金属薄膜配線の
１例を示す断面図である。ただしここでは、金属配線の
材料としてＡ１合金薄膜を、高融点金属もしくはそれを
主成分とする合金薄膜としてタングステン（以下Ｗと記
す）膜を使用した例を示している。また本図では省略さ
れているが、シリコンウェハ１（以下Ｓｉウェハと略記
する）中には半導体装置として必要な構造の膜配線を除
く部分が既に形成されており、下地絶縁膜２には必要な
位置にコンタクト孔が形成されている。下地絶縁膜２に
は例えばシリコン酸化膜が、表面保護膜７には例えばシ
リコン窒化膜が使用される。

このような金属薄膜配線は例えば第２図に示した工程に
よって作製される。すなわち先ず、配線以外の半導体装
置として必要な構造の作製を終えたシリコンウェハ１上
に下地絶縁膜２を堆積し必要な部分にコンタクトホール
を開孔した基板上に、Ａ１合金薄膜３をスパッタ法によ
って０．３３−１７ｚ程度の厚さに堆積する（第２図（
ａ））。続いて、例えばレジストパターンを形成した後
に乾式エツチングを行うことによフて、Ａ１合金薄膜３
をＡ１合金薄膜細線４の形状に加工する（第２図（ｂ）
）。　次に、例えば六フッ化タングステン（以下ＷＦａ
と記す）とＨ２とを原料とするＣＶＤ法によってＡ１合
金配線の上面および側面に２２０−１Ｏ０ｎ程度の膜厚
のＷ薄膜５を堆積し、続いて基板を大気中に取り出すこ
となく温度３５０−５５０°Ｃ１時ｒＷＩｌＯ秒−ＩＦ
Ｗ！清程度の条件で熱処理を行う（第２図（Ｃ））。そ
の後必要ならば作製された嚢子の特性の検査を行フた後
に、表面保護膜７として例えばプラズマＣＶＤシリコン
窒化膜を堆積する（第２図（ｄ））。

もちろんＷ薄膜の堆積は他のガスを原料とするＣＶＤ法
によって行うことも、ＣＶＤ法以外の方法例えばスパッ
タ法によって行うことも可能である。ただしＷＦｅとＨ
２とを原料とするＣＶＤ法を使用した場合には、Ａ１合
金細線の上面および側面にのみ選択的に堆積を行い新た
な工程を追加することなく第２図（ｄ）の構造を得るこ
とが可能である。

第３図には本発明の方法および従来の方法によって作製
した金属薄膜配線の信頼性を調べた結果の一例を示す。

すなわちここでは１５０℃、　　１０００時閏の高温試
験を行なった後の幅０．６７１ｍの配線における不良発
生率とＷ膜厚との関係を示しである。これから、本発明
の方法によって作製した金属薄膜配線においてはＷＭ厚
３０ｎｍ以上において顕著な信頼性向上効果が得られて
いるのに対して、従来の方法によって作製した金属薄膜
配線では同等な効果を得るためには６０ｎｍ以上のＷ膜
厚が必要であることがわかる。従って本発明の方法によ
って配線部距離を６０ｎｍ短縮することが可能になると
言うことができる。

なお第１図および第２囚ではただ一層のみの金属配線層
を持つ半導体装置において本発明の方法で作製した金属
薄膜配線を使用した例を示したが、２層以上の金属配線
層を持つ装置において使用することももちろん可能であ
る。その場合には、全ての配線層に本発明の方法によっ
て作製した金属薄膜配線を使用することも可能であり、
その内の一層以上の、必要性な層にのみ使用することも
可能である。

また第１図および第２図ではＡ１合金薄膜を材料として
作製した金属薄膜配線をＷ′Ｎ膜で被覆した例のみを示
したが、Ａ１合金薄膜のかわりにＡ１ｇ膜を使用するこ
とも、それらと他の薄膜、例えばモリブデンシリサイド
薄膜、タンタル薄膜などとを積層した薄膜を使用するこ
とも可能である。ざらにＷ薄膜の代わりにタンタル、チ
“タンもしくはその他の高融点金属’Ｈ１Ｍや、それら
を主成分とする合金の薄膜を使用することも可能である
。

第２図に示した作製工程の内、Ｗ薄膜堆積工程およびそ
れに続く熱処理工程は例えば第４図に示した様な構成の
装置を用いて行われる。

第４図（ａ）に示したのは石英管１１を成膜槽１９とし
たホットウォール型減圧ＣＶＤ装置である。

１０は石英ホード、１２は電気炉、２２はガス供給素、
２３は真空ポンプである。

この場合、まず図に示した位置に第２図（ｂ）の状態の
半導体基板９を装填し、還元性ガスによる置換および真
空排気を行う。次に３００℃程度の温度に基板を加熱し
た状態でＷＦｓおよびＨ２ガスを流してＷ＃膜の堆積を
行い、続いて、反応ガスを排気した後にかもしくはざら
にＨ２，Ｎ２などの還元性ガスを導入し、減圧もしくは
大気圧状態にした後に所望の温度まで昇温し、熱処理を
行う。

そして最後に大気中の酸素によるＷ薄膜表面の酸化が進
行しない温度にまで冷却した後に基板を取り出す。

Ｗ薄膜堆積前に、成膜槽１９内の残留酸素量および半導
体基板９表面の吸着水分量は還元性ガス置換および真空
排気処理によって極めて少なくなる。またＷ薄膜堆積の
ための基板の加熱も吸着水分量減少に効果的を持つ。そ
の上堆積工程およびその後の真空排気、還元成ガス導入
の工程においても成膜槽内への酸素の混入や基板表面へ
の水分の吸着は生じない。このため熱処理時の雰囲気中
の残留酸素濃度および基板表面の吸着水分量は極めて少
なくなり、Ｗ薄膜表面の酸化はほとんど進行しない。

またＷ′ｆｉｌ膜堆積終了後に熱処理開始までに行う真
空排気、還元成ガス導入の工程は堆積後熱処理を行わず
に基板を取り出す場合においても実施される工程であり
、それを行うことによる生産性の低下はない。むしろ本
発明の方法を採用することによって、Ｗ薄膜堆積と熱処
理との二つの工程部に行われていたいくつかの作業を省
略し、生産性を高めることが可能である。

次に第４図（ｂ）は金属真空槽を成膜槽１９としたコー
ルドウオール型減圧ＣＶＤ装置である。１３は基板保持
台、１４は加熱用ランプ、１５は反射板、１６は排気口
、１７は真空バルブ、２０は熱処理槽、２１は基板取り
出し糟、２２はガス供給素である。

この場合基板充填槽１８を通じて成膜槽１９に半導体基
板９を装着した後に、真空排気を行いながら４００℃程
度の温度に基板を加熱し、ＷＦ６およびＨ２ガスを流し
てＷ薄膜の堆積を行う。その後第３図（ａ）の場合と同
様に成膜槽１９内で、反応ガスを排気した後にかもしく
はざらにＨ２，Ｎ２などの還元性ガスを流し、減圧もし
くは大気圧状態にした後に所望の温度まで昇温し、熱処
理を行うことも、真空バルブ１７によって成膜槽とつな
がれた熱処理槽２０に基板を移してから熱処理を行うこ
とも可能であり、いずれの場合にも第３図（ａ）の装置
を使用した場合と同様に熱処理時のＷＦｉｉ膜表面の酸
化を防止することが可能である。また生産性も同様に高
めることができる。

なおここでは減圧ＣＶＤ法によって高融点金属もしくは
それを主成分とする合金薄膜を堆積する例のみを示した
が、他の堆積方法たとえばスパッター法によって堆積を
行う場合においても同様に本発明の方法によって高融点
金属もしくはそれを主成分とする合金薄膜の表面の酸化
を進行させることなく熱処理を行うことが可能である。

またここでは真空排気機構を備えた槽内で熱処理を行う
例のみを示したが、還元性ガスによる置換機構のみを備
えた槽を用いても、大気の混入を防ぐ構造を採り、かつ
熱処理前に充分な置換がなされる様な動作シーケンスを
採用することにより、高融点金属もしくはそれを主成分
とする合金薄膜の表面の酸化を進行させることなく熱処
理を行うことが可能になる。

発明の効果 本発明による金属薄膜配線の製造方法は以上のような構
成によりなるものであり、微細化された半導体装置内に
おいても危線問への絶縁膜の堆積が困難になったり短絡
が生じたりすることなく、信頼性の高い金属薄膜配線を
、高い生産性を以て製造することができる。

従って本発明にかかる金属薄膜配線の製造方法はは極め
て産業上価値の高いものである。

４、　ｒ１！１面の簡単な説明 第１図は本発明の方法によって作製した金属薄膜配線の
１例の断面図、第２図は第１図の金属薄膜配線を作製す
るための工程の１例の断面図、第３図は従来の方法およ
び本発明の方法によフて作製した金属薄膜配線における
不良発生率とＷ膜厚との関係を示す図、第４図は第１図
の金属薄膜配線を作製する工程においてＷＷｉ膜堆積お
よび熱処理を行うために使用する装置の例の構成図を示
す図、第５図は従来の方法によって金属薄膜配線を作製
するための工程の一例の断面図、第６図は第５図の作製
工程の内熱処理工程を行うために使用する装置の１例の
構成図、第７図は従来の方法によって作製した金属薄膜
配線の断面図である。

１　・・・Ｓ　ｉウェハ、２・・・下地ｔ／ｌ！ｒｌ＆
膜、３−Ａ　１合金薄膜、４−Ａ　Ｉ合金１１１１．　
５−Ｗ＠膜、６−ＷＯｘ膜、７・・・表面保護膜、８・
・・空孔、９・・・半導体基板、１０・・・石英ボート
、１２・・・電気炉、１３・・・基板支持台、１４・・
・加熱用ランプ、１５・・・反射板、１６・・・排気口
、１７・・・真空バルブ、１８・・・基板充填槽、１９
−・・成膜槽、２０・・・熱処理槽、２１・・・基板取
り出し槽、２２・・・ガス供給系、２３・・・真空ポン
プ。

代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 第２図 第３図 Ｗ膜厚（ｎ／７１） 第４図 一〇】 第５図 第６図 第７図 Ｔ（ＺＪ （ｂＪ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　アルミニウムもしくはアルミニウム合金もしくはそれ
   らと他の金属とを組み合わせた構造の薄膜金属細線を形
   成し、その上面および側面に高融点金属薄膜もしくは高
   融点金属を主成分とする合金薄膜を堆積した後に、大気
   中に取り出すことなく熱処理を行うことを特徴とする金
   属薄膜配線の製造方法。