JPH07254601A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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JPH07254601A
JPH07254601A JP7014194A JP7014194A JPH07254601A JP H07254601 A JPH07254601 A JP H07254601A JP 7014194 A JP7014194 A JP 7014194A JP 7014194 A JP7014194 A JP 7014194A JP H07254601 A JPH07254601 A JP H07254601A
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JP
Japan
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film
wiring
aluminum
via hole
layer
Prior art date
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JP7014194A
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English (en)
Inventor
Toshimasa Hirose
敏全 廣瀬
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温Alスパッタリング法によりAl膜を形
成する工程において、ビアホールに空隙部が発生するの
を防ぐ。 【構成】 Wを0.8μmとしたとき、Lを数種類に変
えて製造した結果、Lが0.8μmではビアホール内に
空隙部が発生した。Lを0.95μm以上にすると空隙
部が発生しなくなった。そこで、0.8μmの寸法のホ
ールで、スペースLが0.95μmとすると、1ホール
当りの占有面積は3.06μm2となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム(純アルミ
ニウムに限らず、アルミニウムに僅かのSiやCuなど
を含み半導体装置の配線として用いられているアルミニ
ウム合金も含めてアルミニウム(Al)と称す)の多層
配線をもつ半導体装置とその製造方法に関するものであ
る。特に製造方法では配線層間にビアホール(スルーホ
ール)を介して接続をなすための配線層の形成方法に特
徴をもつ半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置が高集積化されるに伴って、
配線も微細化され、また多層化される傾向にある。特
に、ハーフミクロンプロセスと称されるような、配線幅
も微細で、ビアホール径も微細になってくると、コンタ
クトホールだけでなく、配線層間に形成されるビアホー
ルも導電材で完全に埋め込む必要が生じてくる。Al配
線においては、ビアホールをAlのスパッタリング層に
より埋め込むことが提案されている。
【0003】下層のAl配線と上層のAl配線をビアホ
ールを介して接続する際、Alによるビアホールの埋込
みを改善するために、上層Al膜を形成する際、基板を
高温、例えば500℃程度に加熱してスパッタリング法
により行なうAl高温スパッタリング法がよいとされて
いる。
【0004】さらに埋込みを改善するために、上層Al
膜のスパッタリング工程において、下層Al膜上や層間
絶縁膜表面での上層Al膜の濡れ性を改善するために、
上層Al膜の形成に先立ってウエッティング層としてチ
タン(Ti)膜を形成しておくことが提案されている
(1992 Symposium on VLSI Technology of Technical P
apers, 74-75 (1992 IEEE)参照)。その報告では、ホー
ル径が0.15μmでアスペクト比が4.5のビアホール
に対し、Al高温スパッタリング法によりビアホールを
完全に埋め込むことができたとされている。
【0005】コンタクトホールをAlで埋め込む方法に
おいては、Al膜の形成を初めに400℃以上の高温で
行ない、続いて350℃以下の低温で行なう2段階法が
提案されれている(特開平4−61118号公報参
照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ビアホールをAlで埋
め込む高温Alスパッタリング法は、基板を500℃程
度に加熱した状態で1段階で必要な膜厚のAl膜を堆積
している。コンタクトホールを埋め込む2段階法でも成
膜初期から基板を高温にしている。しかし、Al膜の成
膜初期から基板を高温にすると、ウエッティング層のチ
タン(Ti)とAlとの界面の反応が不均一に起こり、
上層Al結晶粒界の成長に片寄りが生じて上層Al膜の
表面の平坦性が悪くなる問題がある。
【0007】いま、図1に示されるようなビアホール開
口パターンを形成するものとする。図1で6は下層Al
配線上に形成された層間絶縁膜、14はその層間絶縁膜
にあけられたビアホールである。図2の断面図に示され
るように、下地2上の下層Al配線4上に、層間絶縁膜
6が形成され、層間絶縁膜6のビアホールを介して上層
Al配線10が下層Al配線4と接続される。図1の平
面パターンで、ビアホール14の寸法をWとし、ビアホ
ール14,14間の間隔をLとしたとき、W/Lが0.
8μm/0.8μmで上層Al配線10を形成すると、
上層Al配線用のAl膜を高温Alスパッタリング法で
形成しても完全に埋め込むことができず、ビアホールの
底部に空隙12が形成される。空隙12が形成される
と、ビアホール抵抗が増大したり、局所加熱によるスト
レスの増大で信頼性が低下する。
【0008】本発明者は高温Alスパッタリング法によ
り配線用Al膜を形成してビアホールを埋め込む方法で
は、図1のように隣接してビアホールを形成する半導体
装置ではビアホール間隔Lが空隙12の形成に大きく影
響を与えることを見出した。本発明は、高温Alスパッ
タリング法によりAl膜を形成する工程において、ビア
ホールに空隙部が発生するのを防ぐことを目的とするも
のである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
下層Al配線と上層Al配線とが層間絶縁膜により絶縁
されているとともに、下層Al配線と上層Al配線との
所定の部分が前記層間絶縁膜のビアホールを介して接続
されている2層配線を少なくとも含む多層配線を備えて
おり、1ビアホール当たりの占有面積が3.0μm2
ホール以上であり、かつ、ビアホール内では下層Al配
線と上層Al配線の間にはチタン(Ti)膜又はチタン
合金膜が形成されている。
【0010】本発明の製造方法は、以下の工程により形
成される2層Al配線を含む多層配線の形成方法を含ん
でいる。(A)下層Al配線を被う層間絶縁膜を形成
し、その層間絶縁膜に1ビアホール当たりの占有面積が
3.0μm2/ホール以上になるようにビアホールを形
成する工程、(B)層間絶縁膜上からTi膜又はチタン
合金膜を堆積する工程、(C)スパッタリング過程中の
少なくとも一部の期間で基板温度を400℃からAlの
融点までの範囲の温度、好ましくは500℃以上にして
所望の膜厚のAlの高温スパッタ膜を形成する工程、
(D)上層Al膜を配線用にパターン化する工程。
【0011】好ましくは、前記工程(C)のAlの高温
スパッタリング工程は2ステップに分けて行ない、その
第1ステップでは基板を加熱せず、第2ステップでは基
板を400℃からAlの融点までの範囲の温度、好まし
くは500℃以上に加熱する。さらに好ましくは、第2
ステップで形成するAl膜の膜厚を第1ステップで形成
するAl膜の膜厚と同じかそれよりも厚くする。また、
好ましくは、第2ステップでのAl膜の成膜速度を10
0〜140Å/秒とする。
【0012】
【作用】Alの高温スパッタリングにおいては、ビアホ
ールを完全に埋め込むには層間絶縁膜上に到達したAl
原子がマイグレーションにより移動できることが必要で
あり、Alの表面張力やウエッティング層としてのTi
膜又はチタン合金膜とAlとの反応などにより、ビアホ
ールを完全に埋め込むためにはビアホール密度が一定以
下、すなわち1ホール当りの基板上での占有面積が一定
以上であることが必要である。
【0013】
【実施例】図1に示されるビアホール配列をもつパター
ンを製造した。その製造方法を図3を参照して説明す
る。 (A)MOSトランジスタやバイポーラトランジスタな
どの半導体装置が形成されたシリコン基板2に1層目の
Al膜を堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングに
より1層目のAl配線4を形成する。Al配線4を被う
ように層間絶縁膜6を堆積する。層間絶縁膜6の一例
は、プラズマCVD法によるPSG膜を形成し、その上
に表面を平坦化するためにSOG(シリコン・オン・ガ
ラス)膜を塗布し、エッチバックを施して表面を平坦化
し、その後さらにプラズマCVD法によりPSG膜を堆
積したものである。層間絶縁膜6の膜厚は4000〜1
0000Åであり、この例では9500Åとした。層間
絶縁膜6にフォトリソグラフィーとエッチングによりビ
アホール14を形成する。
【0014】(B)基板を加熱して層間絶縁膜6に取り
込まれているガス等を排気する。その後、ビアホール1
4の開口内を例えばArによるRFスパッタにて200
Å程度エッチングする。その後、層間絶縁膜6上から全
面にTi膜8を400〜1500Åの厚さにスパッタリ
ング法により堆積する。ガス出し等のための基板加熱、
RFスパッタによるエッチング及びTi膜の堆積に至る
一連の工程は真空装置を大気に開放せず(連続処理)に
て実施する。基板加熱は基板の下面に加熱したアルゴン
ガスを吹きつけるアルゴン加熱により、又はヒータ加熱
により行なう。
【0015】(C)さらに、真空装置を大気に開放せず
(連続処理)、Ti膜8上から上層Al配線用のAl膜
10をスパッタリング法により堆積する。Al膜10は
2段階のスパッタリング法により堆積する。1段階目は
基板を加熱しない状態で1500〜3000Åの厚さに
堆積する。その後基板を400〜600℃、好ましくは
500〜600℃に加熱し、基板温度が安定するまで1
〜2分間おいた後、成膜速度が100〜140Å/分と
なる条件で1500〜6500ÅのAl膜を堆積する。
2段階目のAl膜は1段階目のものと同等の厚さ又はそ
れ以上の厚さとし、ビアホールを完全に埋め込む厚さに
調整する。基板温度はAlの融点(約660℃)以下と
する。加熱装置により決まる基板温度の上限は一般には
Alの融点以下である。その後、Al膜10を写真製版
とエッチングによりパターン化して上層Al配線とす
る。
【0016】他の実施例では、Ti膜8に代えて、30
0〜1000Åの厚さのTi膜、500〜1500Åの
厚さのTiN膜及び500〜1500Åの厚さのTi膜
の3層膜としてもよい。この3層膜をスパッタリング工
程により形成する。そのスパッタリング工程は、基板を
加熱しない状態で行なう。TiN膜は反応性スパッタリ
ング法により形成することができるが、スパッタリング
法に代えてTi膜表面を窒素雰囲気中での加熱処理によ
り窒化してもよい。
【0017】実施例は2層のAl配線を形成する工程を
示しているが、さらに多層配線とする場合は、図3の実
施例の上層Al膜10による配線を下層配線とみて、そ
の上に図3の工程を繰り返すことによりさらに多層配線
を形成することができる。図1のパターンで、Wを0.
8μmとしたとき、Lを数種類に変えて製造した結果、
Lが0.8μmでは図2のような空隙部12が発生し
た。Lを0.95μm以上にすると空隙部が発生しなく
なった。そこで、0.8μmの寸法のホールで、スペー
スLが0.95μmとすると、1ホール当りの占有面積
は3.06μm2となる。
【0018】
【発明の効果】本発明ではビアホール内に空隙部を発生
させず、また上層Al配線の表面平坦性もよくすること
ができる。そのためエレクトロマイグレーション耐性が
向上し高密度になっても表面平坦性がよくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される半導体装置の一例における
ビアホール開口パターンを示す平面図である。
【図2】従来の方法により製造された2層Al配線を示
す断面図である。
【図3】一実施例の製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
2 シリコン基板 4 下層Al配線 6 層間絶縁膜 8 チタン膜 10 上層Al配線 12 空隙部 14 ビアホール

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下層アルミニウム配線と上層アルミニウ
    ム配線とが層間絶縁膜により絶縁されているとともに、
    下層アルミニウム配線と上層アルミニウム配線との所定
    の部分が前記層間絶縁膜のビアホールを介して接続され
    ている2層配線を少なくとも含む多層配線を備えた半導
    体装置において、 1ビアホール当たりの占有面積が3.0μm2/ホール
    以上であり、かつ、ビアホール内では下層アルミニウム
    配線と上層アルミニウム配線の間にはチタン膜又はチタ
    ン合金膜が形成されていることを特徴とする半導体装
    置。
  2. 【請求項2】 以下の工程により形成される2層アルミ
    ニウム配線を含む多層配線の形成方法を含むことを特徴
    とする半導体装置の製造方法。(A)下層アルミニウム
    配線を被う層間絶縁膜を形成し、その層間絶縁膜に1ビ
    アホール当たりの占有面積が3.0μm2/ホール以上
    になるようにビアホールを形成する工程、(B)前記層
    間絶縁膜上からチタン膜又はチタン合金膜を堆積する工
    程、(C)スパッタリング過程中の少なくとも一部の期
    間で基板温度を400℃からアルミニウムの融点までの
    範囲の温度、好ましくは500℃以上にして所望の膜厚
    のアルミニウムの高温スパッタ膜を形成する工程、
    (D)前記上層アルミニウム膜を配線用にパターン化す
    る工程。
  3. 【請求項3】 前記工程(C)のアルミニウムの高温ス
    パッタリング工程は2ステップに分けて行ない、その第
    1ステップでは基板を加熱せず、第2ステップでは基板
    を400℃からアルミニウムの融点までの範囲の温度、
    好ましくは500℃以上に加熱する請求項2に記載の半
    導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 第2ステップで形成するアルミニウム膜
    の膜厚を第1ステップで形成するアルミニウム膜の膜厚
    と同じかそれよりも厚くする請求項3に記載の半導体装
    置の製造方法。
  5. 【請求項5】 第2ステップでのアルミニウム膜の成膜
    速度を100〜140Å/秒とする請求項3に記載の半
    導体装置の製造方法。
JP7014194A 1994-03-14 1994-03-14 半導体装置とその製造方法 Pending JPH07254601A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005243907A (ja) * 2004-02-26 2005-09-08 Renesas Technology Corp 半導体装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005243907A (ja) * 2004-02-26 2005-09-08 Renesas Technology Corp 半導体装置
US8178981B2 (en) 2004-02-26 2012-05-15 Renesas Electronics Corporation Semiconductor device

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