JPH0645281A

JPH0645281A - 配線形成方法及び半導体装置、及びこれに用いることができるスパッタ方法及びスパッタ装置

Info

Publication number: JPH0645281A
Application number: JP19337592A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Taguchi; 充田口; Shingo Kadomura; 新吾門村; Tetsuya Tatsumi; 哲也辰巳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】コンタクト抵抗の上昇を伴わずにアルミニ
ウムスパイクを防止する。アスペクト比の大きい微細
な接続孔も、これを良好に埋め込んで、配線構造を形成
する。堆積速度速く、効率良くスパッタを行う。【構成】基体１上に形成した接続孔２にバリアメ
タル層３を形成し、接続孔にサイドウォール４を形成
し、アルミニウム系材料５を成膜して配線を形成する。
基体上に形成した接続孔にサイドウォールを形成し、
超音波振動を付与しながらアルミニウム系材料を成膜し
て配線を形成する。スパッタ技術において、高密度プ
ラズマをスパッタチャンバの壁近傍に形成し、この部分
にターゲットを設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、配線形成方法及び半導
体装置、及びこの配線形成方法及び半導体装置の製造に
用いることができるスパッタ方法及びスパッタ装置に関
する。本発明は微細な接続孔が形成された基体上に配線
構造を形成する場合について利用することができ、ま
た、このような配線構造を有する半導体装置の分野にお
いて利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】電子部品、例えば半導体装置であるＬＳ
Ｉ等の素子は、その微細化がますます進行している。

【０００３】特に、近年のＶＬＳＩ、ＵＬＳＩにおいて
は、デザインルールの縮小に伴う電気的接続孔（コンタ
クトホール）の高アスペクト比化が顕著になって来てい
る。

【０００４】配線は例えば、スパッタリング法を用いて
アルミニウム系材料を被着させることにより形成されて
いる。しかし上記したような高アスぺクト比化された接
続孔を埋め込むには充分な段差被覆性（ステップカバレ
ージ）が達成されにくく、断線を生じる原因になってい
る。

【０００５】そこで、段差被覆性の不足を改善するため
の対策として、近年高温スパッタリング法が提案されて
いる。この技術は、スパッタリング中に、配線を形成す
べき半導体ウエハー等の基体を例えば約５００℃の高温
に加熱し、基板に付着したＡｌ粒子が熱によって表面流
動するように、もしくはそれに近い状態にすることによ
って、高アスペクト比のコンタクトホールにも良好にＡ
ｌ系材料を埋め込むようにしたものである。

【０００６】ところで、高温スパッタリング法によるＡ
ｌ埋め込みは、Ａｌの下地材料によって、埋まる場合と
埋まらない場合とがある。埋まる場合は、下地とＡｌ系
材料との濡れ性が良い場合である。例えばＴｉはＡｌと
濡れ性が良い材料であり、これを下地材料として用いる
と、Ａｌの表面流動性が高まり、アスペクト比の高いコ
ンタクトホールを埋め込むことができる。

【０００７】ところが、Ａｌの下地にＴｉを用いた場合
でも、アスペクト比が１以上の領域では前述のカバレー
ジの低下によって、平坦部に対して側壁に充分な厚さの
Ｔｉを形成できなくなり、Ａｌの埋め込みが不安定にな
る。この現象は以下のように説明される。接続孔におい
て酸素を含む絶縁膜や合金膜がＴｉと接した構造の場合
には、Ｔｉと酸素がＡｌ成膜時の高温で反応して酸化チ
タン（ＴｉＯ_X）を形成する。Ｔｉ厚さが充分であれば
Ｔｉ層の表面に酸素が拡散することはないが、Ｔｉが非
常に薄い場合には酸素がＴｉ表面にまで拡散し、ＴｉＯ
_Xとなる。Ａｌ高温スパッタの際、下地がＴｉＯ_Xにな
っているとＡｌの反応性が低下し、Ａｌをホール内に埋
め込むことができなくなる。

【０００８】対策として、これまでに以下に述べる方法
が提案されている。一つは、下地がＴｉの場合に接続孔
側壁にＳｉＮ膜を形成する方法である。これは、Ｔｉと
絶縁膜中の酸素の反応をＳｉＮのバリアー効果によって
防ぐ方法である。もう一つの方法は、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔ
ｉ構造の下地とし、その上にＡｌを高温スパッタリング
で埋め込む方法である。絶縁膜中の酸素の拡散はＴｉＮ
で抑制され、その上のＴｉは酸化せず、Ａｌを高温スパ
ッタで埋め込むことができる。

【０００９】上記した問題は、Ａｌに限らず、Ａｌを含
む合金や、これらを主成分とするＡｌ系材料には共通し
た問題である。

【００１０】問題解決のための上記各種手段は有効では
あるが、その手段だけであると、必ずしも満足すべき効
果は得られない。例えばスループットの低下をもたら
し、あるいは実効的な酸素拡散バリアー効果が充分でな
いことがある。

【００１１】一方、配線構造の形成前の場合において、
堆積速度を高め、スパッタの効率を上げることが望まれ
ている。

【００１２】また、上述した半導体装置等の微細化に伴
い、次のような問題も生じている。即ち、例えばＳｉ拡
散層とアルミニウム配線とのコンタクト部分における、
いわゆるアルミニウムスパイクが問題となって来てい
る。アルミニウムスパイクとは、Ｓｉがアルミニウム中
に拡散し、これに伴ってアルミニウムがＳｉ拡散層につ
き抜けて侵入する現象である。これを解決する手段とし
て、アルミニウム配線層の下にＴｉＮ、ＴｉＯＮまたは
ＴｉＷ等のバリアメタルを形成する方法が広く用いられ
ている。例えば図７に示すのは、Ｓｉ基板等の基体１の
Ｓｉ拡散層１１上に形成した接続孔２にアルミニウム５
を埋め込んで接続をとる構造であるが、アルミニウム５
とＳｉ拡散層１１との間にＴｉＮやＴｉＯＮ等のバリア
メタル３を形成して、アルミニウムスパイクを防止する
ようにしている。図７中、１２はＳｉＯ₂から成る層間
絶縁膜である。

【００１３】この構造ではＴｉＮ等のバリアメタル３が
アルミニウム中へのＳｉの拡散を防止し、これによりア
ルミニウムがＳｉ拡散層中へ入り込むことを抑えるので
ある。

【００１４】しかし上記構造においては、接続孔のホー
ルコーナー部でのバリア性が弱く、この部分でアルミニ
ウムスパイクが起こりやすいという問題点がある。これ
は以下の理由による。図８に示すように、バリアメタル
３を構成するＴｉＮ等の膜の結晶粒は柱状となってお
り、この結晶粒は結晶の位置する表面に対して垂直な方
向に成長する。このため、接続孔２のホールのコーナー
部では、側壁と底面から成長して来たそれぞれの結晶粒
がある角度でぶつかり、この部分に低密度のシームＡが
形成される。このシームＡとなった部分はＳｉの拡散経
路となり易く、アルミニウムスパイクＢが発生し易くな
る。

【００１５】この問題を解決する一つの方法として例え
ば、Ｊｕｌｙ１９９１／ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／日本版／Ｊｕｌｙ，１９９１の２
３〜３４頁記載の「ＵＬＳＩ用バリアメタル：そのプロ
セスと信頼性」、特に２６頁に示されているように、図
９の如くＴｉＷ等のバリアメタル３ａを形成後、ＳＯＧ
２１等を接続孔２に埋め込み、その上からアルミニウム
配線層５を形成し、アルミニウムをホールコーナー部に
接触させないことによりスパイクを防ぐという手段があ
る（３ｂはＳＯＧ２１の上に形成したＴｉＷ等のバリア
メタルである）。しかし、この方法ではコンタクト抵抗
が高くなるという欠点がある。

【００１６】以上のことから、接続孔のコンタクトコー
ナー部でのアルミニウムスパイクを防ぐことができ、し
かもコンタクト抵抗を上昇させない解決手段が強く望ま
れている。

【００１７】

【発明の目的】本出願の発明は、上述したような従来技
術の各種の問題点を解決しようとするものである。

【００１８】第１の目的は、アルミニウム系材料により
配線を形成する場合に、コンタクト抵抗の上昇を伴うこ
となくアルミニウムスパイクを防止できる配線形成方法
を提供せんとするものであり、また、このような配線構
造を有する半導体装置を提供せんとすることである。

【００１９】第２の目的は、アルミニウム系材料により
配線を形成する場合に、基体上にアスペクト比の大きい
微細な接続孔が形成されている場合も、これを良好に埋
め込んで、配線構造を形成できる配線形成方法を提供せ
んとするものであり、また、このような配線構造を有す
る半導体装置を提供せんとすることである。

【００２０】第３の目的は、上記したような配線構造
や、その他の構造を、スパッタ手段を用いて形成する場
合に、堆積速度を速く、効率良くスパッタを行うことが
できるスパッタ方法、及びスパッタ装置を提供せんとす
ることである。

【００２１】

【問題点を解決するための手段】本出願の請求項１の発
明は、基体上に形成した接続孔にバリアメタル層を形成
し、その後該接続孔にサイドウォールを形成し、更にア
ルミニウム系材料を成膜して配線を形成することを特徴
とする配線形成方法であって、これにより上記第１の目
的を達成するものである。

【００２２】本出願の請求項２の発明は、サイドウォー
ルはシリコン酸化物またはシリコン窒化物により形成す
ることを特徴とする請求項１に記載の配線形成方法であ
って、これにより上記第１の目的を達成するものであ
る。

【００２３】本出願の請求項３の発明は、アルミニウム
材料の成膜は高温スパッタによって行うことを特徴とす
る請求項１または２に記載の配線形成方法であって、こ
れにより上記第１の目的を達成するものである。

【００２４】本出願の請求項４の発明は、サイドウォー
ルがシリコン窒化物により形成したものである請求項１
ないし３のいずれかに記載の配線形成方法であって、こ
れにより上記第１の目的を達成するものである。

【００２５】本発明において、サイドウォールとは、接
続孔への側壁に形成された絶縁物を言う。

【００２６】本出願の請求項１の発明の構成について、
本発明の実施の一例を示す図１ないし図４を参照して説
明すると、次のとおりである。

【００２７】請求項１の発明に係る配線形成方法は、基
体１（図示例では半導体基板）上に形成した接続孔２
（図１）にバリアメタル層３を形成し（図２）、その後
該接続孔２にサイドウォール４を形成し、更にアルミニ
ウム系材料５を成膜して配線を形成する（図４）もので
ある。

【００２８】本出願の請求項５の発明は、半導体基板上
に形成した接続孔にバリアメタル層を形成し、更にサイ
ドウォールを形成し、更にアルミニウム系材料を成膜し
て形成した配線構造を備えることを特徴とする半導体装
置であって、これにより上記第１の目的を達成するもの
である。

【００２９】即ち、本出願の請求項５の発明の半導体装
置は、図４に例示するように、半導体基板１上に形成し
た接続孔２にバリアメタル層３を形成し、更にサイドウ
ォール４を形成し、更にアルミニウム系材料５を成膜し
て形成した配線構造を備えることを特徴とするものであ
る。

【００３０】本出願の請求項６の発明は、基体上に形成
した接続孔に、アルミニウム系材料と濡れ性の良い材料
層を形成し、その後超音波振動を付与しながらアルミニ
ウム系材料を成膜して配線を形成することを特徴とする
配線形成方法であって、これにより上記第２の目的を達
成するものである。

【００３１】本出願の請求項７の発明は、アルミニウム
系材料と濡れ性の良い材料は、アルミニウム−チタン合
金であることを特徴とする請求項６に記載の配線形成方
法であって、これにより上記第２の目的を達成するもの
である。

【００３２】本出願の請求項８の発明は、アルミニウム
系材料の成膜は高温スパッタによって行うことを特徴と
する請求項６または７のいずれかに記載の配線形成方法
であって、これにより上記第２の目的を達成するもので
ある。

【００３３】本出願の請求項９の発明は、基体上に形成
した接続孔にサイドウォールを形成し、更に超音波振動
を付与しながらアルミニウム系材料を成膜して配線する
ことを特徴とする配線形成方法であって、これにより上
記第２の目的を達成するものである。

【００３４】本出願の請求項１０の発明は、サイドウォ
ールはシリコン酸化物またはシリコン窒化物により形成
することを特徴とする請求項９に記載の配線形成方法で
あって、これにより上記第２の目的を達成するものであ
る。

【００３５】本出願の請求項１１の発明は、アルミニウ
ム系材料の成膜は高温スパッタによって行うことを特徴
とする請求項９または１０に記載の配線形成方法であっ
て、これにより上記第２の目的を達成するものである。

【００３６】本出願の請求項１２の発明は、サイドウォ
ールがシリコン窒化物により形成したものである請求項
９ないし１１のいずれか記載の配線形成方法であって、
これにより上記第２の目的を達成するものである。

【００３７】本出願の請求項１３の発明は、超音波振動
波は、基体支持部に超音波振動子を組み込むことにより
付与することを特徴とする請求項６ないし１２のいずれ
か記載の配線形成方法であって、これにより上記第２の
目的を達成するものである。

【００３８】本出願の請求項１４の発明は、振動子とし
て、圧電振動子、電歪振動子、磁歪振動子のいずれかを
用いることを特徴とする請求項１３に記載の配線形成方
法であって、これにより上記第２の目的を達成するもの
である。

【００３９】本出願の請求項１５の発明は、半導体基板
上に形成した接続孔に、アルミニウム系材料と濡れ性の
良い材料もしくはサイドウォールを形成し、更に超音波
振動を付与しながらアルミニウム系材料を成膜して形成
した配線構造を備えることを特徴とする半導体装置であ
って、これにより上記第２の目的を達成するものであ
る。

【００４０】本出願の請求項１６の発明は、アルミニウ
ム系材料またはチタン系材料をスパッタにより形成する
スパッタ方法において、高密度プラズマをスパッタチャ
ンバの壁近傍に形成し、この部分にターゲットを設置す
ることを特徴とするスパッタ方法であって、これにより
上記第３の目的を達成するものである。

【００４１】本出願の請求項１７の発明は、プラズマの
生成に永久磁石を用いたＥＣＲを使用することを特徴と
する請求項１６記載のスパッタ方法であって、これによ
り上記第３の目的を達成するものである。

【００４２】本出願の請求項１８の発明は、スパッタチ
ャンバの壁近傍に形成した高密度プラズマは、円筒状に
形成したものである請求項１６または１８記載のスパッ
タ方法であって、これにより上記第３の目的を達成する
ものである。

【００４３】本出願の請求項１９の発明は、アルミニウ
ム系材料またはチタン系材料をスパッタにより形成する
スパッタ装置において、高密度プラズマをスパッタチャ
ンバの壁近傍に形成し、この部分にターゲットを設置す
る構成としたスパッタ装置であって、これにより上記第
３の目的を達成するものである。

【００４４】本出願の請求項２０の発明は、プラズマの
生成に永久磁石を設けたＥＣＲを使用する構成とした請
求項１９に記載のスパッタ装置であって、これにより上
記第３の目的を達成するものである。

【００４５】本出願の請求項２１の発明は、スパッタチ
ャンバの壁近傍に形成した高密度プラズマは、円筒状に
形成したものである請求項１９または２０に記載のスパ
ッタ方法であって、これにより上記第３の目的を達成す
るものである。

【００４６】

【作用】本出願の請求項１〜５の発明によれば、サイド
ウォールが存在するため、アルミニウム系材料５が接続
孔２のコーナー部に接触しない。よってこの部分でのＡ
ｌスパイクを防ぐことが出来、バリア性が向上する。

【００４７】コンタクト抵抗の上昇はほとんど問題とな
らないレベルであり、バリアメタル形成後ＳＯＧ等を完
全に埋め込む従来の技術にくらべ有利である。

【００４８】サイドウォール材料としてＳｉＮを用いる
のは好ましい態様であり、かつ高温スパッタＡｌ埋め込
みを行うことにより、バリア性の向上と同時に良好なＡ
ｌ埋め込みが可能となる。

【００４９】本出願の請求項６〜１５の発明によれば、
超音波振動を付与しながらアルミニウム系材料の成膜を
行うとともに、接続孔にはアルミニウム系材料と濡れ性
の良い材料等を形成しておくので、超音波付与による良
好な接続孔への充填効果と、アルミニウム系材料と濡れ
性の良い材料による良好な接合力とが相乗的に機能し
て、接続孔への十分な埋め込みと良好な成膜が達成され
る。このとき、高温スパッタの手法を用いると、一段と
効果的である。

【００５０】本出願の請求項１６〜２１の発明による
と、高密度プラズマをチャンバ壁の近傍に形成し、この
部分にターゲットを設置するので、高密度プラズマによ
るスパッタ成膜を効率良く行うことができ、接続孔内へ
の埋め込みを含む、各種配線形成等を、高速度で実施で
き、効率の良い良好なスパッタを達成できる。

【００５１】

【実施例】以下図面を参照して、本発明の実施例を説明
する。但し当然のことではあるが、本発明は以下の実施
例により限定されるものではない。

【００５２】実施例１図１〜図４を参照する。この実施例は、Ａｌ配線のバリ
アメタルとしてＴｉＯＮ等の膜を用いる場合に、ＴｉＯ
Ｎを成膜後ＳｉＯ₂等の絶縁物によりサイドウォールを
形成し、その後Ａｌ配線層を成膜するＡｌ配線形成法で
あり、また、これによって配線を形成して、集積化した
半導体装置を得るものである。本実施例により、コンタ
クト抵抗の上昇は問題とならない程度に抑えた上で、接
続孔のホールコーナー部におけるＡｌスパイクを防ぐこ
とができる。

【００５３】基体１であるＳｉ半導体基板上に、素子分
離・拡散層形成等所定の加工を施した後、ＰＳＧ等の絶
縁膜により層間膜１２を成膜し、通常のフォトレジスト
工程及びＲＩＥ工程により、この層間膜１２のＳｉ拡散
層１１上に該当する部分に接続部２を開口する。ここ
で、層間膜１２の膜厚は５００ｎｍ、接続孔２のホール
径は０．５μｍとした。これにより図１の構造を得た。

【００５４】次に、マグネトロンスパッタ法によりバリ
アメタル層の成膜を行う。まず、Ｔｉ３１を３０ｎｍ成
膜する。このＴｉ３１は、低コンタクト抵抗を得るため
に必要である。続いてＴｉＯＮ３２を、１００ｎｍ成膜
する。これにより、図２に示すようにＴｉ３１とＴｉＯ
Ｎ３２とから成るバリアメタル層３を備えた構造を得
た。これらの膜は真空中で連続的に形成される。以下に
それぞれの成膜条件の１例を示す。Ｔｉ成膜条件ＤＣパワー４ｋＷプロセスガスＡｒ１００ＳＣＣＭスパッタ圧力０．４Ｐａ基板加熱１５０℃ ＴｉＯＮ成膜条件ＤＣパワー５ｋＷプロセスガスＡｒ７０ＳＣＣＭＮ₂−６％Ｏ₂ ３０ＳＣＣＭスパッタ圧力０．４Ｐａ基板加熱１５０℃

【００５５】ここで、ＴｉＯＮの代わりに、他の柱状結
晶構造を持つ膜、例えばＴｉＮ、ＴｉＷ等を用いた場合
でも、本発明は同様に有効である。

【００５６】次に、Ｓｉの酸化膜もしくは窒化膜を堆積
する。本実施例ではプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮを１
００ｎｍ成膜した。以下に成膜条件の１例を示す。ＳｉＮ成膜条件ガス系ＳｉＨ₄／ＮＨ₃／
Ｎ₂ 流量１８０／５００／７２０ＳＣＣＭ成長温度２５０℃ 圧力３００ｍＴｏｒｒ

【００５７】次に、ＲＩＥ工程によりＳｉＮをエッチバ
ックし、図３に示すような形状に仕上げ、サイドウォー
ル４を形成した。以下にエッチング条件の１例を示す。ＳｉＮエッチング条件ガス系ＣＨＦ₃／Ｏ
₂ 流量７５／２５ＳＣＣＭＲＦパワー６００Ｗ圧力５．３Ｐａ

【００５８】次にマグネトロンスパッタ法により、Ａｌ
成膜を行う。本実施例ではＡｌ系材料として、Ａｌ−１
ｗｔ％Ｓｉターゲットを用いた。また膜厚は５００ｎｍ
とした。以下に成膜条件の１例を示す。ＡｌＳｉ成膜条件ＤＣパワー２０ｋＷプロセスガスＡｒ１００ＳＣＣＭスパッタ圧力０．４Ｐａ基板加熱１５０℃

【００５９】以下の方法により、図４に示すコンタクト
が形成される。このコンタクト構造では、コンタクトホ
ールのコーナー部にＡｌ系材料５が接触していないの
で、この部分でのＡｌスパイクを避けることができ、通
常のコンタクト構造に比べバリア性が向上する。また、
ホール内にサイドウォール４を形成することによるホー
ル底部でのＡｌの接触面積の減少はわずかであり、コン
タクト抵抗の上昇は問題とならないレベルである。

【００６０】実施例２この実施例は、本発明を高温スパッタＡｌ埋め込みに適
用し、Ａｌのカバレッジを改善した場合の例である。

【００６１】コンタクトホール開口、バリアメタルのス
パッタ成膜を行う。これらの条件は実施例１と全く同様
で良い。

【００６２】次にＳｉＮ成膜を行い、エッチバックによ
りサイドウォール４を形成する（図５）。この形成条件
も実施例１と同様である。但し本実施例の場合には、こ
のサイドウォールに用いる材料をＳｉＯ₂等ではなくＳ
ｉＮとすることが、後の工程における良好なＡｌ埋め込
みのために重要である。ＳｉＮサイドウォール４を形成
したコンタクト構造が良好なＡｌ埋め込みのために有効
であることについては、本発明者等により既に提案がな
されている。

【００６３】次に、スパッタ法によりＴｉ、ＡｌＳｉ成
膜を行う。まず、通常のスパッタ法によりＴｉ３３を５
０ｎｍ成膜する。高温スパッタＡｌ埋め込みにおいて良
好な埋め込みを行うためには、このようにＡｌの下地に
Ｔｉ等のＡｌとの濡れ性の良い材料を用いる必要があ
る。この後、大気開放することなく連続的に、Ａｌ−Ｓ
ｉを高温スパッタ成膜する。本実施例においてもターゲ
ット材料としてはＡｌ−１ｗｔ％Ｓｉを用い、膜厚は５
００ｎｍとした。以下にそれぞれの成膜条件の１例を示
す。Ｔｉ成膜条件ＤＣパワー４ｋＷプロセスガスＡｒ１００ＳＣＣＭスパッタ圧力０．４Ｐａ基板加熱１５０℃ ＡｌＳｉ成膜条件ＤＣパワー１０ｋＷプロセスガスＡｒ１００ＳＣＣＭスパッタ圧力０．４Ｐａ基板加熱５００℃

【００６４】尚、ＡｌＳｉ成膜時に、基板加熱以外にＲ
Ｆ４５０Ｖ程度のバイアスが併用される場合もある。

【００６５】以上の方法により図６に示すようなコンタ
クトが形成される。このコンタクト構造においても、実
施例１と同じ理由で接続孔３のホールコーナー部に置け
るＡｌスパイクを防げるので、バリア性が向上する。ま
た、ホール底部でのＴｉ接触面積の減少によるコンタク
ト抵抗の上昇はわずかである。更に本実施例において
は、サイドウォール材料としてＳｉＮを用いているの
で、ＳｉＯ₂等と異なり、これによりＡｌ下地のＴｉの
酸化を防ぐことができ、良好なＡｌ埋め込みが可能とな
るという効果も同時に生じる。

【００６６】実施例３本実施例は、半導体装置を製造する際に、マグネトロン
スパッタリング装置を利用して金属膜や絶縁膜等を成膜
する場合に本出願の請求項６〜８の発明を適用したもの
で、特に、コンタクトホール埋め込みに応用されるＡｌ
の高温スパッタ装置を利用した場合にこれらの発明を適
用したものである。

【００６７】本実施例は、高温スパッタ時にスパッタ膜
形成材料である半導体基板ウエハーを振動させることが
良好な結果に結び付くことを見い出し、この知見に基づ
いて、請求項６の発明、特に請求項７，８，１３，１４
の発明を適用して、高温スパッタ装置においてウエハー
ステージに超音波振動子を組み込み、更には、その振動
子として、圧動振動子や電歪振動子、磁歪振動子のいず
れかを用いて、これを具体化するようにしたものであ
る。

【００６８】図１０に、本実施例に用いたＤＣマグネト
ロンスパッタ装置の概略を示す。従来からの通常のスパ
ッタリング装置では、図１１に示すように、ターゲット
２６に反応ガスイオンを衝突させてターゲット粒子を弾
き飛ばし、弾き飛ばしたターゲット粒子を基板ウエハー
２８の面に付着させて、スパッタ膜を形成する。その
際、高温スパッタ装置においては、ステージ２２を高温
加熱しておくことで、ターゲット粒子を熱によって表面
流動させる。

【００６９】これに対し、本実施例で用いる図１０のス
パッタ装置では、ステージ２２の部分に、超音波振動子
２９として水晶よりなる圧電振動子を埋め込み、ここに
ＤＣ電圧を印加することでステージ２２に超音波振動を
与え、これにより基板ウエハー８に超音波振動を付与す
るようにした。振動子による超音波振動が、ステージの
加熱効果とも相俟って、ターゲット粒子の表面流動性を
より促進させるので、埋め込み特性が大幅に向上する。
図１０、図１１中、２１はスパッタチャンバー、２３は
ホルダー、２４はクライオポンプ、２５はバルブカバ
ー、２７はマグネトロンカソードである。

【００７０】以下、図１０の構造の装置を用いた実際の
Ａｌ埋め込み例を示す。図１２は基板１上に第１層配線
４１を形成した後、層間絶縁膜４２を形成し、通常のリ
ソグラフィー技術及びＲＩＥ技術で接続孔４３を開孔し
た後の図である。なお、第１層配線４１としてはＡ１−
１％Ｓｉ500nm ／ＴｉＯＮ100nm ／Ｔｉ30nmの３層構造
を採用し（図中、各々符号４１ａ／４１ｂ／４１ｃで示
す）、層間絶縁膜４２にはＰＳＧ 700nmを用いた。

【００７１】接続孔４３形成後、図１３に示すように、
Ａｌ系材料と濡れ性の良い材料層４４としてバリアメタ
ル層を兼ねるＴｉ／ＴｉＯＮ／Ｔｉを、以下の条件で連
続成膜した。Ｔｉ；ＤＣマグネトロンスパッタ法（ターゲットはＴ
ｉ）ガス：Ａｒ＝４０ＳＣＣＭ圧力：０．６７ＰａＤＣ電力：４ｋＷ基板温度：１５０℃ 膜厚：３０ｎｍＴｉＯＮ；ＤＣマグネトロンスパッタ法（ターゲットは
Ｔｉ）ガス：Ａｒ−６０％Ｎ₂＝４０ＳＣＣＭ圧力：０．６７ＰａＤＣ電力：８ｋＷ基板温度：１５０℃ 膜厚：７０ｎｍＴｉ；ＤＣマグネトロンスパッタ法（ターゲットはＴ
ｉ）ガス：Ａｒ＝４０ＳＣＣＭ圧力：０．６７ＰａＤＣ電力：４ｋＷ基板温度：１５０℃ 膜厚：３０ｎｍ

【００７２】ここで、Ｔｉは、基板とオーミックコンタ
クトをとるために用い、ＴｉＯＮは、バリアメタルとし
て用い、更にＴｉは、Ａｌと濡れ性の良好な材料として
の特性を有する。それぞれの膜厚は、各条件で形成され
る推定値を示した。これにより図１３の構造を得た。

【００７３】しかる後、該サンプルを真空を破ること無
く、図１０のＡｌスパッタチェンバーに搬入する。この
装置は、枚葉式のマルチチェンバー装置にしておく。

【００７４】ここで、高温スパッタリング法でアルミニ
ウム材料４５であるＡ１−１％Ｓｉを以下の条件で形成
する。Ａ１−１％Ｓｉ；ＤＣマグネトロンスパッタ法（ターゲ
ットはＡ１−１％Ｓｉ）ガス：Ａｒ＝４０ＳＣＣＭ圧力：０．６７ＰａＤＣ電力：１０ｋＷ基板温度：５００℃ 超音波振動子印加ＤＣ電力：１００Ｗ

【００７５】上記条件で成膜を行うが、このとき超音波
振動は、例えば、１５〜１ＭＨ_Zの周波数のものを、１
〜１０Ｗで付与することができる。

【００７６】従来技術では、Ａｌスパッタ時の熱によっ
て、ＴｉＯＮ膜中から拡散して来る酸素がＴｉを酸化さ
せるためにＡｌの濡れ性が悪化し、結果的にＡｌの流動
性が劣化するが、本実施例では、高温スパッタ時のステ
ージ２２の超音波振動の効果で、Ａｌの流動性の低下が
抑えられるため、図１４に示すように、高アスペクト比
のコンタクトホール４３に良好にＡｌ系材料４５（Ａｌ
−Ｓｉ）を埋め込むことができた。

【００７７】実施例４本実施例では、図１０の構造のＤＣグネトロンスパッタ
装置のウエハーステージ２２に電歪振動子（誘電体の電
歪振動を利用した振動子）としてＢａＴｉＯ₃よりなる
強誘電体磁器を内蔵させ、ここに直流バイアス電圧を印
加できる構造とした。この装置を用いて、実施例３と同
様の構造のサンプルのＡｌ埋め込みを行った。

【００７８】ただし、図１３に示す構造部分での、アル
ミニウム系材料と濡れ性の良い材料層４４（バリアメタ
ル構造を兼ねる）は、Ｔｉ／ＴｉＯＮ／Ｔｉ−１０％Ａ
ｌとした。

【００７９】ここで用いたＴｉ−１０％Ａｌは、接続孔
側壁でのＴｉの酸化を抑えることができるものであり、
この結果、アルミニウム系材料と極めて良好な濡れ性を
示す。

【００８０】本実施例では、上記構造のサンプルのＡｌ
埋め込みに、ウエハーステージの超音波振動を利用する
ことで、埋め込み特性の更なる改善をはかった。

【００８１】以下実施の手順を示す。接続孔４３の形成
及び、層４４を構成する積層構造の内、ＴｉＯＮの形成
までは、実施例３と同様の工程を行った。

【００８２】ＴｉＯＮ成膜後、Ｔｉ−１０％Ａ１を、以
下の条件で成膜した。Ｔｉ−１０％Ａ１；ＤＣマグネトロンスパッタ法（ター
ゲットはＴｉ−１０％Ａ１）ガス：Ａｒ＝４０ＳＣＣＭ圧力：０．６７ＰａＤＣ電力：７ｋＷ基板温度：１５０℃ 膜厚：３０ｎｍ

【００８３】しかる後、該サンプルを真空を破ること無
く図１０の構造のＡｌスパッタチェンバーに移す。ここ
で、超音波振動付加高温スパッタリング法でＡｌ−１％
Ｓｉを以下の条件で形成する。Ａｌ−１％Ｓｉ；ＤＣマグネトロンスパッタ法（ターゲ
ットはＡｌ−１％Ｓｉ）ガス：Ａｒ＝４０ＳＣＣＭ圧力：０．６７ＰａＤＣ電力：１０ｋＷ基板温度：４５０℃ 超音波振動子印加ＤＣ電力：２００Ｗ

【００８４】層４４の上層のＴｉ−１０％Ａｌの効果
で、埋め込みＡｌの濡れ性が改善され、更に超音波振動
子２９を用いたステージ振動の効果で、高温スパッタＡ
ｌの流動性が促進される。基板温度が従来技術の５００
℃から４５０℃と低温化しても、充分良好なＡｌ埋め込
みを達成できた。

【００８５】実施例によっても、高アスペクト比のコン
タクトホールへのＡｌの埋め込み特性が大幅に改善さ
れ、従来のような表面状態の影響を最小限に抑えたＡｌ
系膜の高精度埋め込みを実現できる。

【００８６】実施例５本実施例においては、図１０の構造の超音波振動付加型
高温スパッタ装置で、第１層目のＡｌ膜上のコンタクト
ホールを埋め込む工程において、Ｐ−ＳｉＮよりなるＣ
ＶＤ膜を該ホール内に被覆し、しかる後エッチバックを
行って、該Ｐ−ＳｉＮよりなるサイドウォール層４４′
をコンタクトホール側壁に残すようにした（図１５）。

【００８７】次に、実施例３と同様のＴｉ／ＴｉＯＮ／
Ｔｉよりなる層４４（アルミニウム系材料と濡れ性の良
い材料層）をスパッタ成膜する（図１６）。

【００８８】次に、Ａｌ系材料膜４５としてＡｌ膜を、
実施例３で用いた超音波振動付加型高温スパッタ装置
（図１０）で、超音波付与高温スパッタする。条件は以
下のとおりとした。Ａｌ−１％Ｓｉ；ＤＣマグネトロンスパッタ法（ターゲ
ットはＡｌ−１％Ｓｉ）ガス：Ａｒ＝４０ＳＣＣＭ圧力：０．６７ＰａＤＣ電力：１０ｋＷ基板温度：４５０℃ 超音波振動子印加ＤＣ電力：２００Ｗ

【００８９】従来例では、高温スパッタ時の加熱によっ
て生じるコンタクトホール側壁のＳｉＯ₂からのＯ（酸
素）が、表面のＴｉを酸化することで、Ａｌとの濡れ性
が悪化して、Ａｌ埋め込みが達成できないが、本実施例
では、ＳｉＮサイドウォール４４′でのＯの拡散抑制効
果と、超音波振動付加による高温スパッタ温度の低温化
（従来の５００℃を４５０℃にしても可）の相乗効果に
よって、Ｔｉの表面酸化は完全に防止され、良好なＡｌ
埋め込みを実現できた（図１７）。

【００９０】実施例６本実施例は請求項１６，１９の発明を具体化したもので
あり、特に、請求項１７，１８，２０，２１の発明を具
体化したものである。

【００９１】本実施例は、スパッタ手段を採用するに際
し、ＥＣＲを用いた高密度プラズマをターゲット近傍に
発生させる構成をとることにより、高密度プラズマ粒子
を効率良くターゲットに供給することを可能とし、堆積
速度を向上させたものである。

【００９２】図１８（ａ）は、永久磁石を用いたＥＣＲ
スパッタ装置（２．４５ＧＨ_Z）である。本装置におい
ては、導波管６１を介して供給されるマイクロ波、及び
永久磁石６４によって生じる８７５Ｇの共鳴磁界によっ
て、チャンバー壁近傍に高密度（電子密度１０¹²／cm³
以上）のプラズマ６８が発生可能である。そしてこの部
分に円筒上にＡｌターゲット６７が配され，スパッタが
行われ，ウエハ６５へ堆積される。

【００９３】図１９（ａ）に示す従来のソレノイドコイ
ル６９を用いたＥＣＲ装置においては、プラズマ密度の
分布は図１９（ｂ）に示すようにチャンバ中心付近で高
くなっているため、ターゲット６７をプラズマ密度の最
も高い部分に設置することは困難である（図１９（ａ）
中、符号６８′でプラズマを示す）。しかしながら図１
８（ａ）の本例の装置の場合には、図１８（ｂ）にも示
す通り、ターゲット６７を、この最もプラズマが高密度
の部分（高密度プラズマ６８の部分）に設置可能である
ため、はるかに効率的なスパッタを行える。これによ
り、堆積速度も速くなる。

【００９４】本例ではこの装置を用い，以下の条件でＡ
ｌのスパッタ成膜を行う。ガス：Ａｒ＝１００ＳＣＣＭガス圧力：１．３Ｐａウエハ温度：２００℃ マイクロ波電力：８５０Ｗ

【００９５】これにより図２０（ａ）に示すように０．
４μｍ径（アスペクト比１．５）の接続孔２内へのＡｌ
埋め込みを、図２０（ｂ）に示す如く良好に行うことが
できるとともに、堆積速度の低下も見られなかった。図
中１はＳｉ基板、１２は層間絶縁膜（ＳｉＯ₂）、３３
はバリアメタル機能を有するＴｉＮ、５はＡｌ系材料と
してのＡｌである。

【００９６】実施例７本実施例も，実施例７と同様の発明を具体化したもので
ある。図１８（ａ）に示すスパッタ装置はＡｌあるいは
Ａｌ−Ｓｉ合金等のＡｌ系材料以外に、これらＡｌ系材
料に対するバリアメタルとして用いられるＴｉもしくは
ＴｉＮ等の形成にも使用できる。

【００９７】よって本実施例では、微小な接続孔へのＴ
ｉＮ膜形成に本出願の発明を適用した。

【００９８】装置の実施例１とほぼ同様であり、図１８
（ａ）に示すものであるが、ターゲット６７のみをＴｉ
に替えてある。これを用い、下記条件で成膜を行った。ガス：Ａｒ／Ｎ₂＝８０／２０ＳＣＣＭガス圧力：１．３Ｐａウエハ温度：２００℃ マイクロ波電力：８５０Ｗ

【００９９】これにより、図２１（ａ）に示す接続孔２
１を備えた基板２１上に、図２１（ｂ）に示す如く良好
なバリアメタル３０の形成を、高速で行うことが可能と
なった。なお図２１中、図２０と同一の符号は、実施例
６におけると同様の構成部分を示す。

【０１００】なお、上記実施例６，７において、各種構
成はその他任意にとれ、例えばスパッタ装置の磁石の配
置、装置、形状等は、適宜変更可能である。

【０１０１】実施例６，７では、特に、円筒状の高密度
プラズマを同じく円筒状のターゲット近傍に生成したの
で、堆積速度が向上するという効果が得られ、更にそれ
ばかりでなく、大口径化した場合の均一性向上にも有利
である。

【０１０２】

【発明の効果】本出願の発明によれば、アルミニウム系
材料により配線を形成する場合に、コンタクト抵抗を上
昇を伴うことなくアルミニウムスパイクを防止できる配
線形成方法を提供でき、また、このような配線構造を有
する半導体装置を提供できる。

【０１０３】また、本出願の発明によれば、アルミニウ
ム系材料により配線形成する場合に、基体上にアスペク
ト比の大きい微細な接続孔が形成されている場合も、こ
れを良好に埋め込んで配線構造を形成できる配線形成方
法を提供でき、また、このような配線構造を有する半導
体装置を提供できる。

【０１０４】また、本出願の発明によれば、上記したよ
うな配線構造や、その他の構造を、スパッタ手段を用い
て形成する場合に、堆積速度を速く、効率良くスパッタ
を行うことができるスパッタ方法、及びスパッタ装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の工程を示す図である（１）。

【図２】実施例１の工程を示す図である（２）。

【図３】実施例１の工程を示す図である（３）。

【図４】実施例１の工程を示す図である（４）。

【図５】実施例２の工程を示す図である（１）。

【図６】実施例２の工程を示す図である（２）。

【図７】従来の技術を示す図である。

【図８】従来技術の問題点を示す図である。

【図９】従来の技術を示す図である。

【図１０】実施例３のスパッタ装置を示す構成図であ
る。

【図１１】従来のスパッタ装置を示す構成図である。

【図１２】実施例３の工程を示す図である（１）。

【図１３】実施例３の工程を示す図である（２）。

【図１４】実施例３の工程を示す図である（３）。

【図１５】実施例５の工程を示す図である（１）。

【図１６】実施例５の工程を示す図である（２）。

【図１７】実施例５の工程を示す図である（３）。

【図１８】実施例６のスパッタ装置である。

【図１９】比較の従来のスパッタ装置である。

【図２０】実施例６の工程を示す図である。

【図２１】実施例７の工程を示す図である。

【符号の説明】

１基体（半導体基板）２接続孔３バリアメタル層４サイドウォール５アルミニウム系材料膜２１スパッタチャンバー２２ステージ２３ホルダー２４クライオポンプ２５バルブカバー２６スパッタターゲット２７マグネトロンカソード２８基板２９超音波振動子４１第１配線層４２層間絶縁膜４３接続孔（コンタクトホール）４４Ｔｉ，ＴｉＯＮ，Ｔｉ，Ａｌ−１％Ｓｉ４５Ｔｉ−１０％Ａｌ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体上に形成した接続孔にバリアメタル層
を形成し、その後該接続孔にサイドウォールを形成し、更にアルミニウム系材料を成膜して配線を形成すること
を特徴とする配線形成方法。
【請求項２】サイドウォールはシリコン酸化物またはシ
リコン窒化物により形成することを特徴とする請求項１
に記載の配線形成方法。
【請求項３】アルミニウム系材料の成膜は高温スパッタ
によって行うことを特徴とする請求項１または２に記載
の配線形成方法。
【請求項４】サイドウォールがシリコン窒化物により形
成したものである請求項１ないし３のいずれかに記載の
配線形成方法。
【請求項５】半導体基板上に形成した接続孔にバリアメ
タル層を形成し、更にサイドウォールを形成し、更にアルミニウム系材料を成膜して形成した配線構造を
備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】基体上に形成した接続孔に、アルミニウム
系材料と濡れ性の良い材料層を形成し、その後超音波振動を付与しながらアルミニウム系材料を
成膜して配線を形成することを特徴とする配線形成方
法。
【請求項７】アルミニウム系材料と濡れ性の良い材料
は、アルミニウム−チタン合金であることを特徴とする
請求項６に記載の配線形成方法。
【請求項８】アルミニウム系材料の成膜は高温スパッタ
によって行うことを特徴とする請求項６または７のいず
れかに記載の配線形成方法。
【請求項９】基体上に形成した接続孔にサイドウォール
を形成し、更に超音波振動を付与しながらアルミニウム系材料を成
膜して配線を形成することを特徴とする形成方法。
【請求項１０】サイドウォールはシリコン酸化物または
シリコン窒化物により形成することを特徴とする請求項
９に記載の配線形成方法。
【請求項１１】アルミニウム系材料の成膜は高温スパッ
タによって行うことを特徴とする請求項９または１０に
記載の配線形成方法。
【請求項１２】サイドウォールがシリコン窒化物により
形成したものである請求項９ないし１１のいずれかに記
載の配線形成方法。
【請求項１３】超音波振動は、基体支持部に超音波振動
子を組み込むことにより付与することを特徴とする請求
項６ないし１２のいずれか記載の配線形成方法。
【請求項１４】振動子として、圧電振動子、電歪振動
子、磁気振動子のいずれかを用いることを特徴とする請
求項１３に記載の配線形成方法。
【請求項１５】半導体基板上に形成した接続孔に、アル
ミニウム系材料と濡れ性の良い材料もしくはサイドウォ
ールを形成し、更に超音波振動を付与しながらアルミニ
ウム系材料を成膜して形成した配線構造を備えることを
特徴とする半導体装置。
【請求項１６】アルミニウム系材料またはチタン系材料
をスパッタにより形成するスパッタ方法において、高密度プラズマをスパッタチャンバの壁近傍に形成し、
この部分にターゲットを設置することを特徴とするスパ
ッタ方法。
【請求項１７】プラズマの生成に永久磁石を用いたＥＣ
Ｒを使用することを特徴とする請求項１６に記載のスパ
ッタ方法。
【請求項１８】スパッタチャンバの壁近傍に形成した高
密度プラズマは、円筒状に形成したものである請求項１
６または１７に記載のスパッタ方法。
【請求項１９】アルミニウム系材料またはチタン系材料
をスパッタにより形成するスパッタ装置において、高密度プラズマをスパッタチャンバの壁近傍に形成し、
この部分にターゲットを設置する構成としたスパッタ装
置。
【請求項２０】プラズマの生成に永久磁石を設けたＥＣ
Ｒを使用する構成とした請求項１９に記載のスパッタ装
置。
【請求項２１】スパッタチャンバの壁近傍に形成した高
密度プラズマは、円筒状に形成したものである請求項１
９または２０に記載のスパッタ方法。