JPH0684903A

JPH0684903A - Ａｌ系多層配線形成方法及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0684903A
Application number: JP21147791A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sato; 淳一佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1991-07-29
Publication date: 1994-03-25
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JP3326800B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低い温度で埋め込み特性良く、良好な埋め込み
平坦化を達成でき、かつ、コンタクト抵抗も低く、ＥＭ
耐性も良好であって配線の信頼性の高い接続部を有する
Ａｌ系多層配線構造、及びこれを用いた半導体装置を提
供するものである。【構成】下層Ａｌ系配線１上に層間膜２を形成し、該層
間膜２に開孔部３を形成し、該開孔部３にＡｌ系材料部
分４を形成して下層Ａｌ系配線と上層Ａｌ系配線との電
気的接続部を形成するＡｌ系多層配線形成方法におい
て、前記Ａｌ系材料部分４は高温スパッタで形成するとと
もに、前記開孔部３にのみ該Ａｌ系材料部分を選択的に
残す構成としたことを特徴とするＡｌ系多層配線形成方
法。前記Ａｌ系材料部分４は高温スパッタで形成するとと
もに、前記Ａｌ系材料部分中の異種金属成分５の少なく
とも一部を上層材料６中に析出させる工程を備えたこと
を特徴とするＡｌ系多層配線形成方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ａｌ系多層配線形成方
法及びこのＡｌ系多層配線形成方法を利用した半導体装
置の製造方法に関する。本発明は特に、例えば、微細化
・集積化した電子材料の微細化されたコンタクトホール
にＡｌ系金属材料部分を形成して多層配線間の電気的接
続をとる技術として好適に用いることができるものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電子材料、例えば半導体装置の分野にお
いては、半導体集積回路の微細化・高集積化に伴い、多
層配線技術が重要になって来ている。そのためコンタク
トホールの埋め込み・平坦化が必須な技術となってい
る。コンタクトホール自体も微細に、かつアスペクト比
が大きくなるため、その良好な埋め込みや、埋め込み後
の平坦化も必ずしも容易ではなくなって来ているからで
ある。このような埋め込み・平坦化技術の中でも、５０
０℃程度に被処理材である半導体ウェハーを加熱しなが
らＡｌや、Ａｌ合金等のＡｌ系材料をスパッタ成膜する
技術が有望視されている。例えば、図５に示すＡｌやＡ
ｌ合金等のＡｌ系下層配線１上に形成した層間膜２にコ
ンタクトホールとして開孔部３を形成し、この開孔部３
にＡｌやＡｌ合金等のＡｌ系材料４を埋め込んでＡｌ系
材料部分を形成する高温スパッタ技術が注目されてい
る。なおこのスパッタＡｌ成膜時に、ウェハーへのＲＦ
バイアス印加が併用されることもある。ところで、この
方法は、ウェハーに５００℃位の高温加熱を必要とす
る。そのためＡｌの粒径は大きくなり、ＥＭ（エレクト
ロマイグレーション）耐性などのＡｌの信頼性が向上す
る。しかし、その一方、埋め込み特性がよいという性質
を利用してこの高温スパッタ技術を多層配線形成に利用
した場合、上層Ａｌ形成に高温スパッタを用いると、下
層にすでに形成したＡｌに、この高温スパッタ時に熱ス
トレスが加わり、ボイド（材料中に生ずる中空）の発生
を招いてしまうという欠点がある。このように、下層Ａ
ｌ系配線を形成後、上層配線やあるいはそれとの接続部
形成のために何らかの加熱処理工程を行うと、すでに形
成された下層Ａｌ系配線に悪影響が及ばされるという問
題点があったものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする問題点】このため、Ａｌに５
％程度のＧｅを混入することにより、フロー温度を下
げ、低温でのリフロースパッタを可能ならしめ、これに
より高アスペクト比のコンタクトホールを埋め込む技術
が提案されている（１９９０年秋の応用物理学会予稿集
５５４頁の２６ａ−Ｅ−２（菊田ら）参照）。Ａｌ−Ｇ
ｅ系合金の共晶温度は４２４℃と低いため、これを用い
ると、３００℃でも埋め込み平坦化ができる（図６のＡ
ｌ−Ｇｅ二次元状態図を参照）。

【０００４】ところがこの技術を用いると、Ａｌ中のＧ
ｅの固溶度は３００℃で１．５％と小さいため、コンタ
クトホール中に埋め込まれたＡｌ−Ｇｅ系合金中のＧｅ
がコンタクトホール中に析出し、コンタクト抵抗が高く
なってしまうという問題がある。また、Ｇｅ入りＡｌ
は、粒径が小さくなってしまうため、ＥＭ耐性が劣化し
てしまうという問題がある。

【０００５】本発明は上記問題点を解決して、低い温度
で埋め込み特性良く、良好な埋め込み平坦化を達成で
き、かつ、コンタクト抵抗も低く、ＥＭ耐性も良好であ
って配線の信頼性の高い接続部を有するＡｌ系多層配線
構造、及びこれを用いた半導体装置を提供することを目
的とする。

【０００６】本出願の請求項１の発明は、下層Ａｌ系配
線上に層間膜を形成し、該層間膜に開孔部を形成し、該
開孔部にＡｌ系材料部分を形成して下層Ａｌ系配線と上
層Ａｌ系配線との電気的接続部を形成するＡｌ系多層配
線形成方法において、前記Ａｌ系材料部分は高温スパッ
タで形成するとともに、前記開孔部にのみ該Ａｌ系材料
部分を選択的に残す構成としたことを特徴とするＡｌ系
多層配線形成方法であって、この構成により上記目的を
達成するものである。

【０００７】本出願の請求項２の発明は、下層Ａｌ系配
線上に層間膜を形成し、該層間膜に開孔部を形成し、該
開孔部にＡｌ系材料部分を形成して下層Ａｌ系配線と上
層Ａｌ系配線との電気的接続部を形成するＡｌ系多層配
線形成方法において、前記Ａｌ系材料部分は高温スパッ
タで形成するとともに、前記Ａｌ系材料部分中の異種金
属成分の少なくとも一部を上層材料中に析出させる工程
を備えたことを特徴とするＡｌ系多層配線形成方法であ
る。

【０００８】本出願の請求項３の発明は、前記Ａｌ系材
料部分は、Ａｌに異種金属を配合した合金である請求項
１または２に記載のＡｌ系多層配線形成方法であって、
この構成により上記目的を達成するものである。

【０００９】本出願の請求項４の発明は、前記Ａｌ系材
料部分は、Ａｌに異種金属としてＧｅ及び／またはＳｉ
を配合した合金である請求項３に記載のＡｌ系多層配線
形成方法であって、この構成により上記目的を達成する
ものである。

【００１０】本出願の請求項５の発明は、前記開孔部に
形成したＡｌ系材料部分中の異種金属成分の少なくとも
一部を上層材料中に析出させる工程を備えた請求項１に
記載のＡｌ系多層配線形成方法であって、この構成によ
って上記目的を達成するものである。

【００１１】本出願の請求項６の発明は、請求項１ない
し５のいずれかに記載の方法によりＡｌ系多層配線を形
成した半導体装置であって、この構成により上記目的に
合致した半導体装置を提供するものである。

【００１２】本発明において、「Ａｌ系」とは、純Ａｌ
であるか、Ａｌ合金（例えばＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｇｅそ
の他）であるか、あるいはＡｌ系化合物もしくはこれら
を主成分とすることを言う。

【００１３】

【作用】本出願の請求項１の発明、及びそれに関連する
発明によれば、開孔部中のＡｌ系材料部分と、上層配線
とを別々に形成するようにでき、開孔部中のＡｌ系材料
部分は異種金属含有の低融点のＡｌ合金で穴埋めにより
形成容易にし、エッチバック等で、選択的にこれを開孔
部内に残した後、上層に信頼性を有する大粒径Ａｌの上
層配線を形成するように構成できる。

【００１４】また、本出願の請求項２の発明、及びそれ
に関連する発明によれば、Ａｌ系材料部分中の異種金属
成分が上層材料に析出して捕捉されるので、低融点で良
好な埋め込みが達成できるという異種金属含有Ａｌ系材
料の利点を生かして、しかも最終的に異種金属を析出さ
せ、もって異種金属による悪影響を防止して、信頼性の
高いＡｌ系配線を形成することができる。

【００１５】

【実施例】以下本出願の発明の実施例について説明す
る。但し当然のことではあるが、本出願の発明は、以下
に記す実施例によって限定されるものではない。

【００１６】実施例１本実施例は、高度に集積化した半導体集積回路装置の製
造において、下層及び上層Ａｌ系配線を形成するととも
に、その上下両配線の電気的接続をとるために微細化し
た開孔部に接続構造を形成する場合に、本発明を適用し
たものである。

【００１７】本実施例においては、下層Ａｌ系配線はＡ
ｌ配線（純Ａｌないしは１％程度のＳｉを含有するＡｌ
−Ｓｉ合金から成る配線）とし、上層Ａｌ系配線は、Ａ
ｌ−Ｇｅ合金を膜形成した後、この中のＧｅを上層材料
（ここではＣｕ膜を利用）により捕捉して該Ｇｅを合金
中から除いたものから構成するようにした。図１を参照
する。

【００１８】本実施例は、下層Ａｌ系配線１上にＳｉＯ
₂等により層間膜２を形成し、該層間膜２にコンタクト
ホール用の開孔部３を形成して図１（ａ）の構造とし、
次に、Ａｌ系材料部分４を高温スパッタで形成して図１
（ｂ）の構造とし、更に開孔部３にのみ該Ａｌ系材料部
分４を選択的に残すようにし図１（ｄ）に示す構造を得
る構成としたものである。開孔部３中に選択的に残され
たＡｌ系材料部分を符号４１で示す。

【００１９】本例では特に、開孔部３を埋め込んで電気
的接続部をとるためのＡｌ系材料としてＡｌ合金を用
い、特にＡｌ−Ｇｅ合金を使用した。かつ本例にあって
は、このＡｌ系材料部分４上に上層材料６としてＣｕ膜
を形成して、Ａｌ系材料部分４中の異種金属成分５（こ
こではＧｅ。図１（ｂ）参照）をこの上層材料５中に析
出させ、図１（ｃ）に示すように上層材料６であるＣｕ
と異種金属成分であるＧｅとが結合した異種金属捕捉膜
７（ここではＣｕ−Ｇｅ系膜）を形成させて、これによ
ってＡｌ中のＧｅを除去する。従ってこの結果、第１
（ｄ）に示す開孔部３中に残されたＡｌ材料部分４１
は、Ｇｅを含まない（あるいは含んでも僅かである）Ａ
ｌとなる。最後に上層Ａｌ系配線９（ここではバリアメ
タル８を介したＡｌ配線）を形成して、図１（ｅ）の構
造とする。

【００２０】本実施例では更に詳しくは、以下のような
（１）〜（６）の工程を備えて、Ａｌ系多層配線を形成
している。

【００２１】（１）下層Ａｌ系配線１であるＡｌ配線を
形成したシリコン半導体ウェハーについて、該下層Ａｌ
配線１上に層間膜２を形成し、開孔部３をＣＶＤ及びリ
ソグラフィー技術、ドライエッチング技術を用いて形成
する。これらは、通常のプロセスを用いる。本実施例で
は開孔部３は、０．４μｍ径とした。これにより図１
（ａ）の構造とする。

【００２２】（２）次に、Ａｌ系材料部分４を形成する
ためのＡｌ−Ｇｅを、例えば、３００℃の加熱を行いな
がら、開孔部３にスパッタ形成する。条件は、例えば、
次の２段階で行うことができる。第１段階：Ａｌ−Ｇｅｎｏｈｅａｔ１０００Å形
成、Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、２２．
５ｋＷ第２段階：Ａｌ−Ｇｅ３００℃ ６０００Å形成、Ａ
ｒ＝１００ｓｃｃｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、１０．５ｋＷ

【００２３】このとき、Ａｌ−Ｇｅは融点が低いため、
充分に開孔部３への埋め込みを行うことができる。

【００２３】（３）次に例えば、ウェハー温度を３００
℃に維持したまま、処理装置として図２に示すような、
マルチチェンバー装置を用い、図３に示すようなヒータ
ー埋設の搬送アームを用いて、別のチェンバーに移送す
る。例えば、図の装置のＣＶＤ室１０１とエッチング室
１０２（両室はゲートバルブ１０５，１０６を介して連
設されており、両室間は搬送アーム１０ｂ２を有するト
ランスファールーム１０ａ２になっている）で図１
（ａ）の構造を形成して、更に、ゲートバルブ１０７を
介して、連設されたトランスファールーム１０ａ１を通
して、搬送アーム１０ｂ２，１０ｂ１を用い、スパッタ
室（１）１０３内に被処理ウェハーを移載してここで高
温スパッタを行って図１（ｂ）の構成とし、ここで更に
搬送アーム１０ｂ１によりウェハーをスパッタ室（２）
１０４に移して、次工程に入るようにすることができ
る。なお図２中、１０８，１０９はスパッタ室（１）
（２）１０３，１０４間のゲートバルブ、１００は被処
理材を載置して処理を行うサセプタ、１０ｃはロードロ
ック室、Ｓは被処理サンプルを示す。また、搬送アーム
１０ｂ１，１０ｂ２は、図３（ａ）（ｂ）に示す埋設さ
れた加熱手段１０ｄ（ヒーター）付きの構造になってい
る。

【００２４】（４）ここでは、Ａｌ中の異種金属成分５
であるＧｅを析出させ、捕捉する上層材料６であるＣｕ
膜を形成する。条件は、例えばＣｕ：３００℃ ｈｅａｔ１０００Å、Ａｒ＝１００
ｓｃｃｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、１０ｋＷを採用できる。成膜後、しばらく３００℃で加熱してお
く。するとＧｅは、Ａｌ中を拡散しＣｕと反応し、図１
（ｃ）に示すように異種金属捕捉膜７たるＣｕ₃Ｇｅが
できる。従って、コンタクト部のＧｅの析出が防止でき
る。

【００２５】（５）その後、更にエッチバックチェンバ
ー（図２のエッチング室１０２）に移送し、膜７，６で
あるＣｕＧｅとＣｕをエッチバックする。条件は例え
ば、エッチングガス：ＳｉＣｌ₄／Ｎ₂＝２０／１０ｓｃｃ
ｍ、圧力：０．０２ｍＴｏｒｒ、印加電力：０．２５Ｗ／ｃｍ² とすることができる。この時、更にＡｌ系材料部分４で
あるＡｌ−Ｇｅを同じく、エッチングガス：ＢＣｌ₃／Ｃｌ₂＝６０／９０ｓｃｃ
ｍ、圧力：０．０１５ｍＴｏｒｒ、印加電力：０．２０Ｗ／ｃｍ² のような条件でエッチバックし、開孔部３中にのみ、選
択的にＡｌ系材料（Ａｌ−Ｇｅ）４１を残す。これによ
り図１（ｄ）の構造を得る。

【００２６】（６）次に本例では、バリアメタル８とし
て、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮから少なくともひとつを選
び、３００〜１０００Å形成し、更に上層Ａｌ系配線９
としてＡｌ−Ｓｉを形成する。条件は、一例であるが、
Ｔｉ／Ａｌ−Ｓｉを形成するとして、Ｔｉ：ｎｏｈｅａｔ５００Å、Ａｒ＝１００ｓｃｃ
ｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、１０．５ｋＷＡｌ−Ｓｉ：３００℃ ８０００Å、Ａｒ＝１００ｓｃ
ｃｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、２０ｋＷなどを用いることができる。

【００２７】これにより図１（ｅ）の構造が得られる
が、開孔部３中のＡｌ系材料部分４１には、異種金属
（ここではＧｅ）が入ってないので、大粒径のＡｌ膜が
形成でき、信頼性の高いＡｌ系多層配線を形成できる。

【００２８】上述したように本実施例は、プラグ部即ち
開孔部３中のＡｌ系材料部分１と、配線部（上層配線
９）を別々に形成するようにして、プラグ部はまず異種
金属含有の低融点のＡｌ合金で穴埋めにより形成し、エ
ッチバック等で、選択的にこれを開孔部内に残した後、
上層に信頼性を有する大粒径Ａｌの上層配線９を形成す
るものである。実施例を具体的にあげて説明する。

【００２９】このように本実施例では、フロー温度の低
い材料を用いるので、開孔部の穴埋めが低い温度で行
え、下層配線のボイド形成などが抑制でき、また、フロ
ー温度を下げるために添加した材料を穴埋め後、適当な
場所に析出させて除去するので、良好なコンタクトを得
ることができるという効果を有する。更に本実施例で
は、処理装置としてマルチチェンバープロセス装置を用
いるので、スループットを高くすることが可能である。

【００３０】実施例２次にもうひとつの実施例を説明する。これは実施例１の
変形であり、ここでは、Ｃｕ−Ｇｅを残したまま配線形
成を行う。図４を参照する。

【００３１】本実施例は、実施例１と同様に、下層Ａｌ
系配線１上に層間膜２を形成し、該層間膜２に開孔部３
を形成して図４（ａ）のようにし、Ａｌ系材料部分４を
高温スパッタ形成して図４（ｂ）に示す構造を形成する
とともに、このＡｌ系材料部分４中の異種金属成分５の
少なくとも一部を上層材料６中に析出させ、図４（ｃ）
のように異種金属成分を捕捉し、更にここでは該上層材
料６を残したまま、この上に、上層Ａｌ配線９０を形成
して、図４（ｄ）の構造を得るものである。

【００３２】本実施例においては、更に具体的には、ま
ず実施例１の（１）と同様の工程で図４（ａ）の構造を
得る。次に下記（２）〜（５）工程を行う。

【００３３】（２）本例では、Ａｌ系材料部分４を形成
すべく、Ａｌ−Ｇｅ系合金を、例えば、３００℃の加熱
を行いながら、開孔部３にスパッタ形成する。条件は、
本例では、下記のものを用いた。第１段階：Ａｌ−Ｇｅｎｏｈｅａｔ１０００Å、
Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、２２．５ｋ
Ｗ第２段階：Ａｌ−Ｇｅ３００℃ ４０００Å、Ａｒ＝
１００ｓｃｃｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、１０．５ｋＷこの時、Ａｌ−Ｇｅは融点が低いため、充分に埋め込め
る。ここではＡｌ系材料膜４の厚さを４０００Åとした
のは、０．４μｍ径の開孔部を埋め込むのに必要な膜厚
だからであり、ほぼ最小膜厚に近い。これにより図４
（ｂ）の構造を得る。

【００３４】（３）次に、実施例１の（３）工程と同様
にして、図２，３の装置を用い、別チェンバーへの移送
を行う。

【００３５】（４）次に、上層材料６であるＣｕ膜を形
成する。これにより図４（ｃ）の構造を得る。条件は、
例えば以下のようにした。Ｃｕ：３００℃ ｈｅａｔ１０００Å、Ａｒ＝１００
ｓｃｃｍ、３．５ｍＴｏｒｒ、１０ｋＷ本例でも成膜後、しばらく３００℃で加熱しておく。す
るとＧｅは、Ｃｕと反応し、異種金属捕捉膜７であるＣ
ｕ₃Ｇｅができる。

【００３６】（５）次に、本例ではこの異種金属捕捉膜
７であるＣｕ−Ｃｕ₃Ｇｅを残したまま、上層Ａｌ系配
線９０として、純Ａｌを形成する。純Ａｌを選んだの
は、できるだけ粒径を大きくするためである。本例で
は、上記工程（２）でＡｌ系材料部分４であるＡｌ−Ｇ
ｅの膜厚を可能な限り薄くしたので、このように異種金
属捕捉膜７を残すことが可能となった。また、Ｃｕ−Ｃ
ｕ₃Ｇｅ膜は、冗長性を持たせるための積層構造として
利用できる。上層Ａｌ系配線９０の形成条件としては、
下記を採用できる。Ａｌ：３００℃ ３０００Å、Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ、
３．５ｍＴｏｒｒ、１０．５ｋＷこれによって、図４（ｄ）の構造を得た。

【００３７】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、低い温度で
埋め込み特性良く、良好な埋め込み平坦化を達成でき、
かつ、コンタクト抵抗も低く、ＥＭ耐性も良好であって
配線の信頼性の高い接続部を有するＡｌ系多層配線構
造、及びこれを用いた半導体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。

【図２】実施例１で用いた処理装置（マルチチェンバー
１）の構成図である。

【図３】同じく搬送アームの拡大図である。

【図４】実施例２の工程を示す図である。

【図５】従来技術を示す図である。

【図６】Ａｌ−Ｇｅ系合金の状態図である。

【符号の説明】

１下層Ａｌ配線２層間膜３開孔部４Ａｌ系材料部分５異種金属成分６上層材料９，９０上層Ａｌ配線

【手続補正書】

【提出日】平成５年８月９日

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下層Ａｌ系配線上に層間膜を形成し、該層
間膜に開孔部を形成し、該開孔部にＡｌ系材料部分を形
成して下層Ａｌ系配線と上層Ａｌ系配線との電気的接続
部を形成するＡｌ系多層配線形成方法において、前記Ａｌ系材料部分は高温スパッタで形成するととも
に、前記開孔部にのみ該Ａｌ系材料部分を選択的に残す
構成としたことを特徴とするＡｌ系多層配線形成方法。
【請求項２】下層Ａｌ系配線上に層間膜を形成し、該層
間膜に開孔部を形成し、該開孔部にＡｌ系材料部分を形
成して下層Ａｌ系配線と上層Ａｌ系配線との電気的接続
部を形成するＡｌ系多層配線形成方法において、前記Ａｌ系材料部分は高温スパッタで形成するととも
に、前記Ａｌ系材料部分中の異種金属成分の少なくとも
一部を上層材料中に析出させる工程を備えたことを特徴
とするＡｌ系多層配線形成方法。
【請求項３】前記Ａｌ系材料部分は、Ａｌに異種金属を
配合した合金である請求項１または２に記載のＡｌ系多
層配線形成方法。
【請求項４】前記Ａｌ系材料部分は、Ａｌに異種金属と
してＧｅ及び／またはＳｉを配合した合金である請求項
３に記載のＡｌ系多層配線形成方法。
【請求項５】前記開孔部に形成したＡｌ系材料部分中の
異種金属成分の少なくとも一部を上層材料中に析出させ
る工程を備えた請求項１に記載のＡｌ系多層配線形成方
法。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の方法
によりＡｌ系多層配線を形成した半導体装置。