JPH08186175A

JPH08186175A - 半導体装置の配線形成方法及び成膜装置

Info

Publication number: JPH08186175A
Application number: JP33920794A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Koyama; 一英小山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ＰＶＤ法により形成された金属配線材料層中の
析出不純物粒子によって、配線の短絡や断線、抵抗の増
大が生じ難い半導体装置の配線形成方法を提供する。【構成】ＳｉｌＯにＬＯＣＯＳ構造の素子分離領域１１
を形成後、基板表面にＳｉＯ_２のゲート酸化膜を形成す
る。次にポリサイドのゲート電極１３を形成後、ＬＤＤ
構造形成のためイオン注入し全面にＳｉＯ_２膜を堆積さ
せ、エッチバックしてゲート側壁を形成する。不純物イ
オンを注入後活性化熱処理してソース・ドレイン領域１
５を形成する。この基板上にＣＶＤ法でＳｉＯ_２絶縁層
２０を形成し開口部２１を設け、絶縁層上に下地層２２
として接触抵抗低減用のＴｉ層とバリア層ＴｉＮ層をス
パッタ成膜する。次にＡｌ−０．５％Ｃｕの配線材料層
２３をスパッタ成膜後、不活性ガス中で配線層をリフロ
ー処理し接続孔２４を形成する。リフロー完了後急冷す
るためＣｕの大粒子は析出せず、エージングして信頼性
高い配線層２５が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物理的気相成長法（Ｐ
ＶＤ法）に基づく半導体装置の配線形成方法及び、かか
る半導体装置の配線形成方法の実施に適した成膜装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化に伴い、寸法
ルールが微細化している。そして、半導体デバイスの配
線形成プロセスにおいては、狭くて深い（アスペクト比
の高い）コンタクトホール、ビアホール、スルーホール
（以下、総称して接続孔と呼ぶ）を安定に形成する技術
が極めて重要となっている。接続孔は、例えばソース・
ドレイン領域や下層配線層といった導体層の上に形成さ
れた絶縁層に開口部を設け、かかる開口部内に金属配線
材料を埋め込むことによって形成される。例えばアルミ
ニウムから成る金属配線材料をスパッタ法にて開口部内
を含む絶縁層上に成膜する場合、アルミニウムのスパッ
タ粒子が開口部の側壁の影になる部分には多く入射しな
い、所謂シャドウイング効果が生じる。その結果、開口
部内での金属配線材料のカバレッジが悪くなり、金属配
線材料の堆積が少ない開口部底部の近傍において断線不
良が発生し易い問題が生じている。そのため、開口部内
を金属配線材料で確実に埋め込むプロセス技術が要求さ
れている。

【０００３】このようなプロセス技術の１つに、絶縁層
を加熱した状態で、例えばアルミニウムから成る金属配
線材料をスパッタ法にてかかる絶縁層上に成膜する高温
スパッタ法がある。成膜中、絶縁層を高温の状態に保持
しておくことで、絶縁層上に堆積しつつある金属配線材
料は流動状態となり、開口部内に金属配線材料が流れ込
み、接続孔が形成される。

【０００４】あるいは又、このようなプロセス技術の１
つに、スパッタ法にて例えばアルミニウムから成る金属
配線材料を絶縁層上に成膜した後、絶縁層を加熱するこ
とによって開口部内に金属配線材料を流し込む、リフロ
ー法がある。絶縁層の加熱により絶縁層上に成膜された
金属配線材料は流動化状態となり、開口部内に流れ込
み、開口部が金属配線材料で埋め込まれた接続孔が形成
される。リフロー法において、開口部内へのアルミニウ
ムの埋め込み性の改善及びリフロー温度の低下を目的と
して、リフロー処理時に不活性ガス中で高圧を加える場
合がある。以下、このような方法を高圧リフロー法と呼
ぶ。

【０００５】これらの高温スパッタ法や高圧リフロー法
を含むリフロー法による開口部の埋め込みにおいては、
金属配線材料を再結晶温度以上（例えば、約３５０゜Ｃ
以上）、融点未満に加熱する。より具体的には、下地で
ある絶縁層をこのような温度に加熱する。尚、このとき
の絶縁層の加熱温度を、以下、熱処理温度と呼ぶ。ここ
で、再結晶温度とは、金属配線材料が再組織化可能な温
度（金属配線材料の結晶が成長し得るに十分な温度）を
意味し、通常、融点の温度（単位：゜Ｃ）の値の３／４
倍程度の温度値である。また、高温スパッタ法やリフロ
ー法による処理完了後の金属配線材料の冷却は、通常、
自然冷却であり、冷却時間は１０数分程度である。

【０００６】高圧リフロー法を含むリフロー法において
は、金属配線材料を大気に曝すことなく、同一成膜装置
内で金属配線材料の成膜及びリフロー処理を行った方
が、金属配線材料の表面に酸化膜が形成されないので、
開口部内への金属配線材料の流れ込みが良好となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】金属配線材料を構成す
るアルミニウムには、形成された配線の信頼性向上や、
熱処理温度の低下を目的として、種々の不純物（Ｃｕ、
Ｓｉ、Ｇｅ等）が最高数パーセント程度含まれている。
尚、このような不純物を含むアルミニウムを、以下、ア
ルミニウム系合金と呼ぶ。そして、殆どの場合、熱処理
温度を、これらの不純物がアルミニウム中に完全に固溶
するような温度若しくはそれ以上の温度とする。即ち、
熱処理温度以上において、アルミニウムを溶媒原子、不
純物を構成する成分を媒質原子とする一次固溶体が形成
される。

【０００８】例えば、アルミニウム系合金がＡｌ−０．
５％Ｃｕから成る場合、図１１にＡｌ−Ｃｕの二元素系
平衡状態図を示すように、熱処理温度が約３００゜Ｃ以
上では、全てのＣｕはＡｌ中に完全に固溶する。然る
に、室温でのＡｌに対するＣｕの固溶度は０．１％程度
しかないので、アルミニウム系合金を冷却したとき、析
出（偏析）したＣｕがＣｕＡｌ₂を形成する。そして、
アルミニウム中に固溶していた不純物は、アルミニウム
系合金を自然冷却したとき、図１２の（Ａ）に模式的な
一部断面図に示すように、０．１μｍの数倍といった比
較的大きな析出物としてアルミニウムの粒界に析出（偏
析）する。それ故、絶縁層上に形成されたアルミニウム
系合金から成る金属配線材料層をエッチング法にてパタ
ーニングして配線を形成する場合に、問題が発生する。
即ち、不純物が導電性を有する場合（例えばＣｕ等の場
合）、析出物によって配線の短絡が生じる虞がある（図
１２の（Ｂ）参照）。また、不純物が導電性を有してい
ない場合（例えばＳｉ等の場合）、析出物によって配線
の抵抗値が増加したり断線するという問題がある。尚、
図１２中、参照番号１２０は絶縁層、１２１は絶縁層１
２０に設けられた開口部、１２２はＴｉＮ／Ｔｉから成
る下地層、１２３はアルミニウム系合金から成る金属配
線材料層、１８０は下層絶縁層、１８１は下層絶縁層１
８０上に形成された下層配線層である。

【０００９】開口部内を金属配線材料で確実に埋め込む
別のプロセス技術として、例えばブランケットＣＶＤ法
がある。この方法は、図１３の（Ａ）に示すように、絶
縁層１３０に開口部１３１を設けた後、開口部１３１内
を含む絶縁層の上にタングステン等から成る高融点金属
材料若しくは高融点金属化合物材料（以下、高融点金属
材料等と呼ぶ場合がある）１３２ＢをＣＶＤ法にて堆積
させた後、絶縁層１３０上の高融点金属材料等１３２Ｂ
をエッチバック法で除去し、開口部１３１内に高融点金
属材料等から成るメタルプラグ１３４を形成する。その
後、図１３の（Ｂ）に示すように、メタルプラグの頂面
１３４Ａ上を含む絶縁層１３０上に金属配線材料層１３
３から成る配線を形成する。尚、参照番号１３２ＡはＴ
ｉＮ／Ｔｉから成るバリアメタル層である。

【００１０】ブランケットＣＶＤ法によるメタルプラグ
の形成においては、高融点金属材料等をエッチバックし
た際、通常、メタルプラグの頂面に凹部１３４Ａが生じ
る（図１３の（Ａ）参照）。従って、高温スパッタ法や
高圧リフロー法を含むリフロー法を採用しない場合、か
かるメタルプラグ１３４の上方の金属配線材料層１３３
に凹部が形成され、配線の信頼性が低下する虞がある
（図１３の（Ｂ）参照）。然るに、高温スパッタ法や高
圧リフロー法を含むリフロー法を採用して、アルミニウ
ム系合金から成る金属配線材料の凹部を平坦化した場
合、金属配線材料を自然冷却したとき、アルミニウム中
に固溶している不純物が比較的大きな析出物としてアル
ミニウムの粒界に析出（偏析）する。その結果、絶縁層
上に形成されたアルミニウム系合金から成る金属配線材
料層をエッチング法にてパターニングして配線を形成す
る場合に、先に述べたと同様の問題が発生する。

【００１１】従って、本発明の第１の目的は、形成され
た金属配線材料層中に析出した不純物の粒子によって配
線の短絡、断線あるいは抵抗の増大が生じ難い、不純物
を含む金属配線材料から成る金属配線材料層を物理的気
相成長法（ＰＶＤ法）に基づいて形成するための半導体
装置の配線形成方法を提供することにある。また、本発
明の第２の目的は、かかる本発明の半導体装置の配線形
成方法の実施に適した成膜装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するための本発明の第１の態様に係る半導体装置の配線
形成方法は、（イ）不純物を含む金属配線材料から成る
金属配線材料層を基体上に物理的気相成長法にて成膜し
た後、該金属配線材料層をリフロー処理する工程と、
（ロ）リフロー処理の完了後、該金属配線材料層を急冷
する工程と、（ハ）該金属配線材料層をパターニングし
て配線を形成する工程、から成ることを特徴とする。即
ち、本発明の第１の態様に係る半導体装置の配線形成方
法は、基本的には高圧リフロー法を含むリフロー法から
構成されている。

【００１３】上記の第１の目的を達成するための本発明
の第２の態様に係る半導体装置の配線形成方法は、
（イ）不純物を含む金属配線材料から成る金属配線材料
層を物理的気相成長法にて基体上に成膜しつつ、該金属
配線材料層を流動状態とする工程と、（ロ）該金属配線
材料層の形成完了後、該金属配線材料層を急冷する工程
と、（ハ）該金属配線材料層をパターニングして配線を
形成する工程、から成ることを特徴とする。即ち、本発
明の第２の態様に係る半導体装置の配線形成方法は、基
本的には例えば高温スパッタ法から構成されている。

【００１４】本発明の第１及び第２の態様に係る半導体
装置の配線形成方法においては、金属配線材料層を成膜
する前に、接続孔を形成すべき基体の部分に開口部を設
け、前記（ロ）の工程において金属配線材料層を急冷す
る前に、該開口部内が不純物を含む金属配線材料で埋め
込まれ、以て接続孔が形成される態様を含めることがで
きる。

【００１５】本発明の第１及び第２の態様に係る半導体
装置の配線形成方法においては、金属配線材料層のリフ
ロー処理する際の基体の温度、若しくは金属配線材料層
を流動状態とするための基体の温度は、不純物が金属配
線材料に完全に固溶する温度以上、不純物と金属配線材
料との共晶温度未満とすることが望ましい。

【００１６】また、金属配線材料層の急冷時間は、金属
配線材料層中の不純物が殆ど析出しない時間であること
が好ましい。具体的には、不純物の粒子が金属配線材料
の粒界に大きな析出物として析出（偏析）しないよう
に、不純物を構成する材料の拡散距離（Ｌ_D）が金属配
線材料の粒径に比べ十分短くなるように、例えばＬ_D＝
０．１μｍ程度となるように冷却時間を設定することが
望ましい。熱処理温度及び不純物の粒子が金属配線材料
の粒界に析出し始める温度を決定すれば不純物の拡散係
数Ｄ（単位：μｍ²／秒）が求まるので、冷却時間ｔ
を、ｔ≦Ｌ_D ²／Ｄに設定すればよい。

【００１７】更には、金属配線材料層の急冷時間は、配
線最小幅の１／４倍以下の大きさの不純物粒子が析出す
る時間と同じかそれより短いことが好ましい。析出した
不純物粒子の大きさが配線最小幅の１／４倍を越える
と、金属配線材料層中に析出した不純物粒子によって、
配線の短絡や断線あるいは配線の抵抗増加といった問題
が生じる虞がある。

【００１８】不純物は、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ及びＺ
ｎから成る群から選択された少なくとも１種類の材料か
ら成ることが望ましい。金属配線材料は、高温スパッタ
法やリフロー法等に適した材料から選択すればよく、例
えばアルミニウムや銅を挙げることができる。即ち、不
純物を含む金属配線材料として、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓ
ｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ
等の種々のアルミニウム系合金を例示することができ
る。

【００１９】基体としては、例えば半導体基板の上に形
成された絶縁層、あるいは又、絶縁層及びこの絶縁層に
形成された接続孔を挙げることができる。絶縁層の下に
は如何なる構造が設けられていてもよいし、単に例えば
半導体基板上に形成された絶縁層であってもよい。かか
る構造として、例えば半導体基板に形成されたソース・
ドレイン領域、下層絶縁層上に形成された下層配線層を
挙げることができる。尚、この場合には、ソース・ドレ
イン領域や下層配線層は、基体である絶縁層に設けられ
た接続孔を介して配線と電気的に接続される。

【００２０】物理的気相成長法として、真空蒸着法、あ
るいは、マグネトロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、Ｒ
Ｆスパッタ法、ＥＣＲスパッタ法、基体にバイアスを印
加するバイアススパッタ法等の各種スパッタ法、あるい
はこれら各種スパッタ法に基づいたコスパッタ法を挙げ
ることができる。

【００２１】上記の第２の目的を達成するための本発明
の成膜装置は、スパッタチャンバ、リフロー兼急冷チャ
ンバ、並びに、該スパッタチャンバ及びリフロー兼急冷
チャンバを結ぶ減圧搬送路を備えていることを特徴とす
る。

【００２２】本発明の成膜装置においては、リフロー兼
急冷チャンバには、輻射熱を用いたヒータ及びガス冷却
試料ステージが備えられていることが望ましい。あるい
は又、リフロー兼急冷チャンバには、ガス加熱試料ステ
ージ、ガス冷却試料ステージ、及びガス加熱試料ステー
ジからガス冷却試料ステージへ試料を搬送する搬送装置
が備えられていることが望ましい。

【００２３】

【作用】本発明においては、基体上に成膜された若しく
は成膜されつつある金属配線材料層をリフロー処理した
後、若しくは流動状態とした後、金属配線材料層を急冷
する。金属配線材料層中に不純物が析出するが、急冷す
ることによって、不純物の析出物の粒径は小さくなる。
従って、金属配線材料層をパターニングして配線を形成
する際、不純物の析出物によって、配線の短絡、断線あ
るいは抵抗の増大といった問題が生じ難い。

【００２４】本発明の成膜装置においては、スパッタチ
ャンバ及びリフロー兼急冷チャンバを結ぶ減圧搬送路を
備えているので、金属配線材料を大気に曝すことなく、
同一成膜装置内で金属配線材料の成膜及びリフロー処理
を行うことができ、金属配線材料の表面に酸化膜が形成
されないので、開口部内への金属配線材料の流れ込みが
良好となる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。尚、実施例１〜実施例３は、本発明の第
１の態様に係る半導体装置の配線形成方法に関し、実施
例４は、本発明の第２の態様に係る半導体装置の配線形
成方法に関する。また、実施例５は本発明の成膜装置に
関する。

【００２６】（実施例１）実施例１は、本発明の第１の
態様に係る半導体装置の配線形成方法に関する。即ち、
実施例１の配線形成方法は、基本的にはリフロー法から
構成されている。金属配線材料はアルミニウム（Ａｌ）
から成り、不純物は銅（Ｃｕ）から成る。具体的には、
不純物を含む金属配線材料として、Ａｌ−０．５％Ｃｕ
を用いた。また、基体は絶縁層から成る。絶縁層には接
続孔が設けられ、金属配線材料層は半導体基板に形成さ
れたソース・ドレイン領域と電気的に接続されている。
尚、基体が絶縁層のみから構成される場合であってもよ
いことは勿論であるし、接続孔がその底部において下層
配線層と電気的に接続される態様も含み得る。以下、実
施例１の半導体装置の配線構造の形成方法を、図１及び
図２を参照して説明する。

【００２７】［工程−１００］先ず、公知の方法に基づ
き、シリコン半導体基板１０にＬＯＣＯＳ構造を有する
素子分離領域１１を形成した後、シリコン半導体基板１
０の表面にＳｉＯ₂から成るゲート酸化膜１２を形成す
る。次いで、ポリシリコン、ポリサイドあるいはシリサ
イドから成るゲート電極１３を、例えばＣＶＤ法、フォ
トリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成す
る。その後、ＬＤＤ構造を形成するためのイオン注入を
行い、次いで、全面にＳｉＯ₂膜を堆積させた後、Ｓｉ
Ｏ₂膜をエッチバックし、ＳｉＯ₂から成るゲートサイド
ウオール１４をゲート電極１３の側壁に形成する。次
に、不純物のイオン注入を行った後、シリコン半導体基
板１０にイオン注入された不純物を活性化するために活
性化アニール処理を行い、ソース・ドレイン領域１５を
形成する。尚、素子分離領域１１を、所謂トレンチ構造
を有する素子分離領域とすることもできる。

【００２８】［工程−１１０］次いで、ソース・ドレイ
ン領域１５が形成された半導体基板１０上に絶縁層２０
を形成する。基体に相当する絶縁層２０は、例えばＳｉ
Ｏ₂から成り、ＣＶＤ法にて形成することができる。そ
の後、ソース・ドレイン領域１５の上方の絶縁層２０
に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用い
て開口部２１を設ける（図１の（Ａ）参照）。

【００２９】［工程−１２０］次に、開口部２１の底部
をエッチクリーニングした後、下地層２２としてＴｉ層
（厚さ３０ｎｍ）及びＴｉＮ層（厚さ１００ｎｍ）を、
開口部２１内を含む絶縁層２０の上に順次スパッタ法で
成膜する（図１の（Ｂ）参照）。尚、Ｔｉ層は、ソース
・ドレイン領域１５と後に形成される接続孔との間のコ
ンタクト抵抗の低減を目的として形成される。一方、Ｔ
ｉＮ層は、不純物を含む金属配線材料で開口部２１内を
埋め込む際、金属配線材料によってソース・ドレイン領
域１５が損傷を受けることを防止するバリア層としての
機能を有する。更には、下地層２２は、絶縁層２０上の
金属配線材料層がエレクトロマイグレーションやストレ
スマイグレーション等によって断線した場合でも配線全
体が断線しないように、配線に冗長効果を持たせる機能
も有する。尚、ＴｉＮ層の成膜後、ＴｉＮ層のバリア性
を向上させるために、窒素ガス雰囲気中若しくは窒素ガ
スと酸素ガスの混合ガス雰囲気中で６５０゜Ｃ×６０秒
程度のＲＴＡ（Rapid Themal Annealing）処理を行うこ
とが好ましい。Ｔｉ層及びＴｉＮ層のスパッタ条件を以
下に例示する。Ｔｉ層の成膜条件プロセスガス：Ａｒ＝１００sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：５ｋＷ成膜温度：１５０゜ＣＴｉＮ層の成膜条件ガス：Ａｒ／Ｎ₂＝３０／８０sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：５ｋＷ成膜温度：１５０゜Ｃ

【００３０】［工程−１３０］続いて、ＴｉＮ層の上に
厚さ２０ｎｍのＴｉから成る濡れ性改善層を成膜するこ
とが望ましい。この濡れ性改善層は、次に成膜する金属
配線材料層の下地層２２に対する濡れ性向上を目的とし
て形成される。尚、この濡れ性改善層の図示は省略し
た。その後、引き続き、不純物を含む金属配線材料から
成る金属配線材料層を基体上に物理的気相成長法にて成
膜する（図１の（Ｃ）参照）。具体的には、不純物（Ｃ
ｕ）を含む金属配線材料（Ａｌ）から成る金属配線材料
層（Ａｌ−０．５％Ｃｕ）２３を、基体に相当する絶縁
層２０上（実際には、濡れ性改善層の上）にスパッタ法
にて成膜する。金属配線材料層２３のスパッタ条件を以
下に例示する。金属配線材料層２３の成膜条件ターゲット：Ａｌ−０．５％Ｃｕプロセスガス：Ａｒ＝１００sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：２０ｋＷ成膜温度：１５０゜Ｃ膜厚：０．５μｍ

【００３１】［工程−１４０］アルミニウム系合金であ
るＡｌ−０．５％Ｃｕから成る金属配線材料層２３を成
膜した後、金属配線材料層２３の表面の酸化を避けなが
ら、若しくは表面に生成した酸化膜をスパッタエッチン
グ等によって除去した後、金属配線材料層２３をリフロ
ー処理する。これによって、不純物を含む金属配線材料
で開口部２１内が埋め込まれ、接続孔２４が形成される
（図２の（Ａ）参照）。リフロー処理は、例えば、不活
性ガス雰囲気とし得るリフロー兼急冷チャンバ（このよ
うなチャンバについては後述する）内で行えばよい。リ
フロー処理の条件を以下に例示する。尚、熱処理温度
（リフロー温度）は、不純物が金属配線材料に完全に固
溶する温度（例えばアルミニウム系合金の組成によって
異なるが、Ａｌ−０．５％Ｃｕの場合約３００゜Ｃ以
上）以上、不純物と金属配線材料との共晶温度未満（Ａ
ｌ−０．５％Ｃｕの場合約５４８゜Ｃ未満）とすればよ
い。リフロー処理中に金属配線材料層が酸化や窒化され
ることを避けるために、高純度の不活性ガス雰囲気にす
ることが好ましい。熱処理温度：４５０゜Ｃ加熱時間：２分加熱雰囲気：アルゴンガス

【００３２】［工程−１５０］リフロー処理の完了後、
後述するリフロー兼急冷チャンバ内で、金属配線材料層
２３を急冷する。金属配線材料層２３の急冷時間は、金
属配線材料層２３中の不純物が殆ど析出しない時間とす
ることが望ましい。即ち、金属配線材料層２３の急冷時
間は、例えばＣｕ粒子がＡｌの粒界に大きな析出物とし
て析出（偏析）しないように、Ｃｕの拡散距離（Ｌ_D）
がＡｌの粒径に比べ十分短くなるように、例えばＬ_D＝
０．１μｍ程度となるように設定することが望ましい。
例えば熱処理温度（リフロー温度）が３００゜Ｃ以上の
場合、ＣｕＡｌ₂の析出が始まる３００゜ＣでのＡｌ中
のＣｕの拡散係数Ｄは約５×１０^-5μｍ²／秒であるの
で、冷却時間ｔは、ｔ≦Ｌ_D ²／Ｄ＝（０．１μｍ）²／Ｄ ≦２００秒に設定することが望ましい。熱処理温度（リフロー温
度）が、０．５％のＣｕがＡｌ中に固溶する３００゜Ｃ
以上であれば、必要とされる３００゜Ｃ以下での冷却速
度は、熱処理温度（リフロー温度）には依存しない。即
ち、熱処理温度（リフロー温度）が３００゜Ｃを越える
場合、冷却時間ｔを２００秒以内とすれば、３００゜Ｃ
以下での冷却速度は、熱処理温度（リフロー温度）が３
００゜Ｃの場合よりも早くなる。尚、Ａｌ中の各種材料
の拡散係数Ｄの値は、例えば、「改訂２版金属データ
ブック」、第２４頁、社団法人日本金属学会編集、昭和
５９年１月３０日発行、丸善株式会社発行、から得るこ
とができる。

【００３３】あるいは又、別の表現をすれば、金属配線
材料層の急冷時間は、配線最小幅の１／４倍以下の大き
さの不純物粒子が析出する時間と同じかそれより短くす
る。

【００３４】［工程−１６０］その後、必要に応じて、
金属配線材料層２３の表面に反射防止膜（図示せず）を
成膜する。反射防止膜を形成する目的は以下のとおりで
ある。即ち、次のフォトリソグラフィ工程において、金
属配線材料層の上にレジストを形成し、レジストを露光
・現像することによってレジストをパターニングする。
このレジスト露光の際、予め反射防止膜を形成しておく
ことによって、露光光の金属配線材料層での反射を防止
することができ、所望のパターン形状を有するレジスト
を形成することができる。反射防止膜は、例えば、Ｔｉ
Ｎ、ＴｉＯＮ、ＳｉＯ_XＮ_Yから成る。次いで、フォトリ
ソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、絶縁層２
０上の金属配線材料層２３、濡れ性改善層及び下地層２
２をパターニングして配線２５を形成する。こうして、
図２の（Ｂ）に示す配線構造を完成させる。パターニン
グの条件を以下に例示する。尚、金属配線材料層等のエ
ッチング時、プラズマ照射によって金属配線材料層の温
度が上昇するが、不純物が金属配線材料層中に出来る限
り再び固溶し次いで再び析出しないように、金属配線材
料層の温度を２００゜Ｃ以下に抑制することが望まし
い。使用ガス：ＢＣｌ₃／Ｃｌ₂＝６０／９０sccm 圧力：２ＰａＲＦパワー：５０Ｗマイクロ波パワー：３００ｍＡ

【００３５】配線２５の形成後、エージング処理を行
い、Ｃｕから成る不純物を金属配線材料層中に再び析出
させ、その後、金属配線材料層を冷却することによっ
て、金属配線材料層中におけるＣｕから成る不純物の最
適析出状態を得ることができ、高い信頼性を有する配線
を得ることができる。

【００３６】尚、配線２５の形成後、層間絶縁層の形成
のためのＣＶＤ工程やシンター処理時に４００゜Ｃ程度
の熱処理が配線に加わることがある。この場合、不純物
が配線を構成する金属配線材料層に再び固溶し、金属配
線材料層が冷却されると金属配線材料層中に再び析出す
るが、金属配線材料層は既にパターニングされているの
で、析出した不純物粒子が配線から突出することは殆ど
なく、配線の短絡といった問題が生じることがない。ま
た、この場合、析出した不純物粒子の粒径が小さいの
で、配線の抵抗増加や断線が生じることも無く、特に大
きな問題にもならない。

【００３７】（実施例２）実施例２は実施例１の変形で
ある。実施例２においては、不純物としてＳｉ、金属配
線材料としてＡｌ、即ちＡｌ−１％Ｓｉを用いた。実施
例２の半導体装置の配線形成方法は、実施例１の［工程
−１４０］及び［工程−１５０］が相違することを除
き、他の工程は実施例１と同様とすることができるの
で、実施例１の［工程−１４０］及び［工程−１５０］
に相当するリフロー工程及び冷却工程のみを、以下説明
する。

【００３８】［リフロー工程］アルミニウム系合金から
成る金属配線材料層２３を成膜した後、金属配線材料層
２３の表面の酸化を避けながら、若しくは表面に生成し
た酸化膜をスパッタエッチング等によって除去した後、
金属配線材料層２３をリフロー処理して、開口部２１内
を不純物を含む金属配線材料で埋め込み、接続孔２４を
形成する（図２の（Ａ）参照）。リフロー処理は、例え
ば、不活性ガス雰囲気とし得るリフロー兼急冷チャンバ
内で行えばよい。

【００３９】１％のＳｉがＡｌに完全に固溶するために
は、熱処理温度を５２０゜Ｃ以上、部分的に溶融する可
能性がある共晶温度５７７゜Ｃ未満にする必要がある。
しかしながら、リフロー処理自体は４５０゜Ｃ程度で十
分実現できるので、例えばＡｌとＴｉとの反応等の影響
を考慮して、実施例２においては、リフロー処理を２段
階に分けた。リフロー処理の条件を以下に例示する。第１段階のリフロー処理熱処理温度：４５０゜Ｃ加熱時間：２分加熱雰囲気：アルゴンガス第２段階のリフロー処理熱処理温度：５２５゜Ｃ加熱時間：５秒加熱雰囲気：アルゴンガス

【００４０】このように、第１段階のリフロー処理にお
いては、熱処理温度を４５０゜Ｃ×２分と低めに抑え、
第２段階のリフロー処理においては、ＳｉをＡｌ中に完
全に固溶させるために、熱処理温度を５２５゜Ｃ×５秒
の高温、短時間処理とした。Ｃｕと比較して、ＳｉはＡ
ｌ中を拡散する速度が早いので、第２段階のリフロー処
理における加熱時間は数秒で十分であると考えられる。

【００４１】［冷却工程］次に、金属配線材料層２３を
急冷する。金属配線材料層２３の急冷時間は、金属配線
材料層２３中の不純物が殆ど析出しない時間とする。即
ち、金属配線材料層２３の急冷時間は、Ｓｉ粒子がＡｌ
の粒界に大きな析出物として析出（偏析）しないよう
に、Ｓｉの拡散距離（Ｌ_D）がＡｌの粒径に比べ十分短
くなるように、例えば０．１μｍ程度となるように設定
することが望ましい。例えば熱処理温度（リフロー温
度）が５２０゜Ｃ以上の場合、Ａｌ中でのＳｉの拡散係
数Ｄは、１％のＳｉがＡｌ中に析出し始める５２０゜Ｃ
で約２×１０^-2μｍ²／秒であるので、冷却時間ｔは、ｔ≦Ｌ_D ²／Ｄ＝（０．１μｍ）²／Ｄ ≦０．５秒と、極めて短い時間に設定する必要がある。あるいは
又、別の表現をすれば、金属配線材料層の急冷時間は、
配線最小幅の１／４倍以下の大きさの不純物粒子が析出
する時間と同じかそれより短くする。尚、急冷工程より
後に配線が加熱される場合、ＳｉはＣｕよりも金属配線
材料層中を拡散し易いので、実施例１の場合より一層低
い温度にする必要がある。

【００４２】（実施例３）実施例３も実施例１の変形で
ある。実施例１においては、ソース・ドレイン領域１５
と配線２５とを電気的に接続するための接続孔２４を、
不純物を含む金属配線材料から形成した。一方、実施例
３においては、絶縁層３０に開口部３１を形成し、かか
る開口部３１にタングステンから成るメタルプラグ３４
を形成することによって、ソース・ドレイン領域１５と
配線３５とを電気的に接続する。実施例３においては、
絶縁層３０及びメタルプラグ３４の頂面が基体に相当す
る。尚、基体が絶縁層３０のみから構成される場合であ
ってもよいことは勿論であるし、メタルプラグがその底
部において下層配線層と電気的に接続される態様も含み
得る。実施例３においては、不純物を含む金属配線材料
を、実施例１と同様に、Ａｌ−０．５％Ｃｕとした。以
下、図３〜図５を参照して、実施例３の半導体装置の配
線形成方法を以下説明する。

【００４３】［工程−３００］先ず、実施例１の［工程
−１００］と同様にして、シリコン半導体基板１０に形
成されたソース・ドレイン領域１５の上に、例えばＳｉ
Ｏ₂から成る絶縁層３０をＣＶＤ法にて形成した後、ソ
ース・ドレイン領域１５の上方の絶縁層３０に、フォト
リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて開口部３
１を設ける。

【００４４】［工程−３１０］次いで、開口部３１の底
部をエッチクリーニングした後、バリアメタル層３２Ａ
としてＴｉ層及びＴｉＮ層を、開口部３１内を含む絶縁
層３０の上に順次スパッタ法で成膜する。尚、Ｔｉ層
は、ソース・ドレイン領域１５と後に形成されるメタル
プラグ３４との間のコンタクト抵抗の低減を目的として
形成される。一方、ＴｉＮ層は、メタルプラグ３４を開
口部３１内に形成する際にソース・ドレイン領域１５が
損傷を受けることを防止するバリア層としての機能を有
する。尚、ＴｉＮ層の成膜後、ＴｉＮ層のバリア性を向
上させるために、窒素ガス雰囲気中若しくは窒素ガスと
酸素ガスの混合ガス雰囲気中で６５０゜Ｃ×６０秒程度
のＲＴＡ処理を行うことが好ましい。Ｔｉ層及びＴｉＮ
層の成膜条件は、実施例１の［工程−１２０］と同様と
することができる。

【００４５】［工程−３２０］その後、開口部３１内を
含む絶縁層３０の上にタングステンから成る高融点金属
材料層３２ＢをＣＶＤ法（ブランケットタングステンＣ
ＶＤ法）にて堆積させる（図３の（Ａ）参照）。ＣＶＤ
条件を以下に例示する。使用ガス：ＷＦ₆／Ｈ₂／Ａｒ＝８０／５００／２８
００sccm 圧力：１．１×１０⁵Ｐａ成膜温度：４５０゜Ｃ

【００４６】［工程−３３０］次いで、タングステンか
ら成る高融点金属材料層３２Ｂ及びバリアメタル層３２
Ａをエッチバックし、絶縁層３０上の高融点金属材料層
３２Ｂ及びバリアメタル層３２Ａを除去し、開口部３１
内にタングステンから成るメタルプラグ３４及びバリア
メタル層３２Ａを残す。こうして、接続孔が形成される
（図３の（Ｂ）参照）。通常、メタルプラグ３４の頂面
には、エッチバックによって凹部３４Ａが形成される。
エッチバックの条件を以下に例示する。使用ガス：ＳＦ₆／Ａｒ＝１１０／９０sccm 圧力：３５ＰａＲＦパワー：２７５ｋＷ

【００４７】［工程−３４０］その後、不純物を含む金
属配線材料から成る金属配線材料層を基体上に物理的気
相成長法にて成膜する（図４の（Ａ）参照）。具体的に
は、先ず、Ａｌ−０．５％Ｃｕの成膜前に、厚さ２０ｎ
ｍのＴｉから成る濡れ性改善層を全面に成膜することが
望ましい。尚、この濡れ性改善層の図示は省略した。引
き続き、不純物（Ｃｕ）を含む金属配線材料（Ａｌ）か
ら成る金属配線材料層（Ａｌ−０．５％Ｃｕ）３３を、
基体に相当する絶縁層３０上及びメタルプラグ３４の頂
面上（実際には、濡れ性改善層の上）に、スパッタ法に
て堆積させて、金属配線材料層３３を成膜する。金属配
線材料層３３の成膜条件は、実施例１の［工程−１３
０］と同様とすることができる。尚、この段階において
は、メタルプラグ３４の上方の金属配線材料には凹部が
形成されている。

【００４８】［工程−３５０］アルミニウム系合金から
成る金属配線材料層３３を成膜した後、金属配線材料層
３３の表面の酸化を避けながら、若しくは表面に生成し
た酸化膜をスパッタエッチング等によって除去した後、
金属配線材料層３３をリフロー処理して、メタルプラグ
３４の上方の金属配線材料層３３の凹部を平坦化し、配
線の信頼性を向上させる（図４の（Ｂ）参照）。リフロ
ー処理の条件は、実施例１の［工程−１４０］と同様と
すればよい。

【００４９】［工程−３６０］リフロー処理の完了後、
実施例１の［工程−１５０］と同様の方法・条件で、金
属配線材料層３３を急冷する。

【００５０】［工程−３７０］その後、実施例１の［工
程−１６０］と同様の方法で配線３５を形成する（図５
参照）。

【００５１】（実施例４）実施例４は、本発明の第２の
態様に係る半導体装置の配線形成方法に関する。即ち、
実施例４の配線形成方法は、基本的には高温スパッタ法
から構成されている。金属配線材料はアルミニウムから
成り、不純物は銅（Ｃｕ）から成る。具体的には、不純
物を含む金属配線材料として、Ａｌ−０．５％Ｃｕを用
いた。また、基体は絶縁層から成る。実施例１と同様
に、絶縁層には接続孔が設けられ、絶縁層は半導体基板
に形成されたソース・ドレイン領域と電気的に接続して
いる。尚、基体が絶縁層のみから構成される場合であっ
てもよいことは勿論であるし、接続孔がその底部におい
て下層配線層と電気的に接続される態様も含み得る。以
下、実施例４の半導体装置の配線構造の形成方法を、再
び図１及び図２を参照して説明する。

【００５２】［工程−４００］先ず、実施例１の［工程
−１００］と同様の方法で、シリコン半導体基板１０
に、素子分離領域１１、ゲート酸化膜１２、ゲート電極
１３、ゲートサイドウオール１４、ソース・ドレイン領
域１５を形成する。

【００５３】［工程−４１０］次に、実施例１の［工程
−１１０］と同様に、ソース・ドレイン領域１５が形成
された半導体基板１０上に、基体に相当する絶縁層２０
を形成する。絶縁層２０は、例えばＳｉＯ₂から成り、
ＣＶＤ法にて形成することができる。その後、ソース・
ドレイン領域１５の上方の絶縁層２０に、フォトリソグ
ラフィ技術及びエッチング技術を用いて開口部２１を設
ける（図１の（Ａ）参照）。

【００５４】［工程−４２０］その後、不純物を含む金
属配線材料から成る金属配線材料層を物理的気相成長法
にて基体上に成膜しつつ、金属配線材料層を流動状態と
する。具体的には、半導体基板１０を熱処理温度に保持
し、不純物（Ｃｕ）を含む金属配線材料（Ａｌ）から成
る金属配線材料層（Ａｌ−０．５％Ｃｕから構成され
る）２３を、基体に相当する絶縁層２０の上にスパッタ
法にて成膜しつつ、流動状態とする。

【００５５】そのために、開口部２１の底部をエッチク
リーニングした後、実施例１の［工程−１２０］と同様
に下地層２２としてＴｉ層及びＴｉＮ層を、開口部２１
内を含む絶縁層２０の上に順次スパッタ法で成膜する。
続いて、Ｔｉから成る濡れ性改善層（図示せず）をＴｉ
Ｎ層上に成膜し、その後、Ａｌ−０．５％Ｃｕから成る
不純物を含む金属配線材料を絶縁層２０の上に高温スパ
ッタ法にて堆積させて、金属配線材料層２３を成膜す
る。金属配線材料層２３の成膜条件を以下に例示する。
絶縁層２０を高温の状態に保持しておくことで、絶縁層
２０上に堆積しつつある金属配線材料層２３は流動状態
となり、開口部２１内に不純物を含む金属配線材料が流
れ込む（図２の（Ａ）参照）。尚、熱処理温度（金属配
線材料層を流動状態とするための基体の温度）は、不純
物が金属配線材料に完全に固溶する温度以上、不純物と
金属配線材料との共晶温度未満とすればよい。金属配線材料層２３の成膜条件ターゲット：Ａｌ−０．５％Ｃｕプロセスガス：Ａｒ＝１００sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：１０ｋＷ熱処理温度：５００゜Ｃ膜厚：０．５μｍ

【００５６】［工程−４３０］アルミニウム系合金から
成る金属配線材料層２３の形成完了後、金属配線材料層
２３を急冷する。金属配線材料層２３の急冷時間は、金
属配線材料層２３中の不純物が殆ど析出しない時間とす
る。具体的には、実施例１の［工程−１５０］と同様と
することができる。

【００５７】［工程−４４０］その後、必要に応じて、
金属配線材料層２３の表面に反射防止膜（図示せず）を
成膜する。次いで、フォトリソグラフィ技術及びエッチ
ング技術を用いて、実施例１の［工程−１６０］と同様
に、絶縁層２０上の金属配線材料層２３、濡れ性改善層
及び下地層２２をパターニングして配線２５を形成す
る。こうして、図２の（Ｂ）に示したと同様の配線構造
を完成させる。

【００５８】（実施例５）実施例５は本発明の成膜装置
に関する。高圧リフロー法を含むリフロー法において
は、金属配線材料を大気に曝すことなく、同一成膜装置
内で金属配線材料の成膜及びリフロー処理を行った方
が、金属配線材料の表面に酸化膜が形成されないので、
開口部内への金属配線材料の流れ込みが良好となる。図
６に模式的な平面図を示す本発明の成膜装置は、スパッ
タチャンバ４０，４１、リフロー兼急冷チャンバ４２、
並びに、スパッタチャンバ４０，４１及びリフロー兼急
冷チャンバ４２を結ぶ減圧搬送路４３を備えている。本
発明の成膜装置においては、減圧搬送路４３が備えられ
ているので、金属配線材料を大気に曝すことなく金属配
線材料の成膜及びリフロー処理を行うことができ、開口
部内への金属配線材料の流れ込みが良好となる。

【００５９】尚、図６において、参照番号４４，４５は
ローディングチャンバであり、４６は前処理チャンバで
ある。例えば、スパッタチャンバ４０においてＴｉ層や
ＴｉＮ層を成膜し、スパッタチャンバ４１においてアル
ミニウム系合金から成る金属配線材料層を成膜する。こ
れらのスパッタチャンバ４０，４１は公知の構造を有す
る。

【００６０】リフロー兼急冷チャンバ４２の構造を、概
念的な断面図として図７に示す。図７に示したリフロー
兼急冷チャンバ４２には、輻射熱を用いたヒータ（例え
ば、ランプヒータ５０）及びガス冷却試料ステージ５１
が備えられている。ランプヒータ５０はガス冷却試料ス
テージ５１の上方に配置されている。尚、リフロー兼急
冷チャンバ４２のチャンバ壁の図示は省略した。ガス冷
却試料ステージ５１には、冷却用ガス配管５２、温度モ
ニターポート５３、及びステージ冷却用配管（図示せ
ず）が設けられている。温度モニターポート５３にパイ
ロメータ（図示せず）等を挿入することによって、例え
ば半導体基板の温度をモニタ−することができる。

【００６１】金属配線材料層のリフロー処理及び急冷を
行う場合、スパッタチャンバ４１にてアルミニウム系合
金から成る金属配線材料層が基体上に成膜された半導体
基板１０を、スパッタチャンバ４１から減圧搬送路４３
を経由して、リフロー兼急冷チャンバ４２に搬入する。
そして、半導体基板１０をガス冷却試料ステージ５１上
に載置した後、リフロー兼急冷チャンバ４２を例えばア
ルゴンガス等の不活性ガスで充填する。次に、ランプヒ
ータ５０をオンにし、金属配線材料層をリフロー処理す
る。このとき、冷却用ガス配管５２から冷却用ガスを流
さない。一方、ステージ冷却用配管には冷却水又は適切
な冷媒を流し続ける（図７の（Ａ）参照）。

【００６２】所定の加熱時間が経過しリフロー処理が完
了した後、ランプヒータ５０をオフにし、その後若しく
は同時に冷却用ガス配管５２から冷却された不活性ガス
（例えばアルゴンガス）を半導体基板１０の裏面に吹き
付け、半導体基板１０を急冷する（図７の（Ｂ）参
照）。

【００６３】尚、図７の（Ｃ）に示すように、適切な半
導体基板移動手段（図示せず）を配設して、金属配線材
料層のリフロー処理時には、ガス冷却試料ステージ５１
から半導体基板１０を離し、半導体基板１０を急冷する
際には、ガス冷却試料ステージ５１に半導体基板１０を
密着させることによって（図７の（Ｂ）参照）、より効
果的に金属配線材料層のリフロー処理及び急冷を行うこ
とができる。

【００６４】リフロー兼急冷チャンバ４２の別の構造
を、概念的な断面図として図８に示す。図８に示したリ
フロー兼急冷チャンバ４２には、ガス加熱試料ステージ
６０、ガス冷却試料ステージ６３、及びガス加熱試料ス
テージ６０からガス冷却試料ステージ６３へ試料を搬送
する搬送装置７０が備えられている。尚、リフロー兼急
冷チャンバ４２のチャンバ壁の図示は省略した。

【００６５】搬送装置７０は、例えば、複数の半導体基
板１０を載置することができ、しかも回転可能な円盤状
のプレートとすることができる。尚、半導体基板１０を
載置する搬送装置７０の部分には、半導体基板１０より
若干小さい穴が設けられている。搬送装置７０は回転軸
７１に取り付けられており、回転軸７１を例えばモータ
（図示せず）によって回転させることで、搬送装置７０
は、ガス加熱試料ステージ６０からガス冷却試料ステー
ジ６３へ試料を搬送することができる。あるいは又、搬
送装置を、半導体基板１０の縁部を把持し、半導体基板
１０を所定の位置に配置することが可能な搬送アームと
することもできる。

【００６６】ガス加熱試料ステージ６０には、加熱用ガ
ス配管６１及び温度モニターポート６２が設けられてい
る。一方、ガス冷却試料ステージ６３には、冷却用ガス
配管６４及び温度モニターポート６５、及びステージ冷
却用配管（図示せず）が設けられている。温度モニター
ポート６２，６５にパイロメータ（図示せず）等を挿入
することによって、例えば半導体基板の温度をモニタ−
することができる。

【００６７】金属配線材料層のリフロー処理及び急冷を
行う場合、スパッタチャンバ４１にてアルミニウム系合
金から成る金属配線材料層が基体上に成膜された半導体
基板１０を、スパッタチャンバ４１から減圧搬送路４３
を経由して、リフロー兼急冷チャンバ４２に搬入する。
そして、搬送装置７０に載置された半導体基板１０をガ
ス加熱試料ステージ６０の上に配置した後、リフロー兼
急冷チャンバ４２を例えばアルゴンガス等の不活性ガス
で充填する。次に、加熱用ガス配管６１から加熱された
アルゴンガス等の不活性ガスを半導体基板１０の裏面に
吹き付ける。これによって、金属配線材料層のリフロー
処理を行う。尚、ステージ冷却用配管には冷却水又は適
切な冷媒を流し続ける。

【００６８】所定の加熱時間が経過しリフロー処理が完
了した後、搬送装置７０を回転させて半導体基板１０を
ガス冷却試料ステージ６３の上に配置する。次いで、冷
却用ガス配管６４から冷却されたアルゴンガス等の不活
性ガスを半導体基板１０の裏面に吹き付ける。これによ
って、金属配線材料層を急冷する。

【００６９】図７に示したリフロー兼急冷チャンバ４２
においては、リフロー処理をランプヒータ５０で行う。
ランプヒータ５０による加熱は急激な温度変化を実現し
易い反面、温度制御の安定性に乏しい傾向にある。一
方、図８に示したリフロー兼急冷チャンバ４２において
は、温度制御の安定性は高いが、半導体基板をガス加熱
試料ステージ６０からガス冷却試料ステージ６３へと移
動させる必要があるために、冷却速度が低くなる。従っ
て、リフロー処理の条件や必要とされる冷却速度を考慮
して、リフロー兼急冷チャンバの形式を決定する必要が
ある。

【００７０】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。実施例にて説明した各種条件や数値は例示であ
り、適宜変更することができる。実施例においては、不
純物としてＣｕ及びＳｉを例にとり説明したが、その
他、Ｇｅ、Ｍｇ又はＺｎ、あるいは、これらの不純物を
２種類以上含む金属配線材料を用いることもできる。
尚、Ａｌ−Ｓｉ及びＡｌ−Ｇｅの二元素系平衡状態図を
図１１に示す。

【００７１】実施例１及び実施例４においては、接続孔
２４は半導体基板１０に形成されたソース・ドレイン領
域１５と電気的に接続されているが、本発明の半導体装
置の配線形成方法は、このような例に限定されるもので
はない。図９の（Ａ）に示すように、接続孔２４は下層
絶縁層８０の上に形成された下層配線層８１に電気的に
接続されていてもよい。また、実施例３においては、メ
タルプラグ３４は半導体基板１０に形成されたソース・
ドレイン領域１５と電気的に接続されているが、本発明
の半導体装置の配線形成方法は、このような例に限定さ
れるものでもない。図９の（Ｂ）に示すように、メタル
プラグ３４は下層絶縁層８０の上に形成された下層配線
層８１に電気的に接続されていてもよい。

【００７２】更には、実施例３にて説明したメタルプラ
グ３４が形成された絶縁層を基体として、本発明の第２
の態様に係る半導体装置の配線形成方法を適用すること
ができる。また、実施例３のソース・ドレイン領域の代
わりに下層配線層に電気的に接続されたメタルプラグが
形成された絶縁層を基体として、本発明の第２の態様に
係る半導体装置の配線形成方法を適用することもでき
る。尚、下層配線層８１は、下層絶縁層８０に溝部を形
成し、かかる溝部に埋め込まれた構造とすることもでき
る。即ち、下層絶縁層８０に溝部を形成し、かかる溝部
内を含む下層絶縁層上に金属配線材料層を形成した後、
下層絶縁層８０上の金属配線材料層をエッチバック法や
化学的・機械的研磨法（ＣＭＰ法）で除去することによ
り、溝部に埋め込まれた形態の下層配線層構造を得るこ
とができる。

【００７３】本発明の第１の態様に係る半導体装置の配
線形成方法においては、リフロー処理として高圧リフロ
ー処理を含めることができる。この場合には、図１０に
示すように、不純物を含む金属配線材料から成る金属配
線材料層２３を基体１０上に物理的気相成長法にて成膜
した時点において、開口部２１の上方に形成された金属
配線材料層２３の形状が、ブリッジ形状であることが望
ましい。即ち、開口部２１の底部にはボイドが残り、且
つ、開口部２１の上方は金属配線材料層２３によって塞
がれていることが望ましい。金属配線材料層２３をこの
ようなブリッジ形状にすることで、高圧不活性ガスの圧
力によって、開口部２１の上方及びその近傍の金属配線
材料が開口部２１内に押し込まれる。一方、金属配線材
料層２３をこのようなブリッジ形状にしない場合、即
ち、金属配線材料層２３が図１の（Ｃ）に示すような形
状となったのでは、高圧不活性ガスの圧力によっても、
開口部２１内を金属配線材料で完全に充填することがで
きず、接続孔の信頼性が乏しくなる場合がある。金属配
線材料層２３をこのようなブリッジ形状とするために
は、成膜時の金属配線材料の流動性を高めればよい。そ
のために、例えば、実施例１の［工程−１３０］におけ
る成膜温度を３００゜Ｃと高めに設定すればよい。ま
た、場合によっては、開口部２１の径よりも絶縁層２０
上の金属配線材料層２３の膜厚を厚くすることにより、
開口部２１の上方に形成された金属配線材料層２３の形
状をブリッジ形状とすることができる。あるいは又、下
地層２２の厚さを厚くすることによって、開口部の側壁
に堆積した下地層の形状をオーバーハング状（逆テーパ
形状）とすることで開口部の開口径を小さくすることに
よっても、開口部２１の上方に形成された金属配線材料
層２３の形状をブリッジ形状とすることができる。

【００７４】高圧リフロー処理の条件を以下に例示す
る。基体加熱温度：４００゜Ｃ加熱時間：２分加熱雰囲気：アルゴンガス雰囲気の圧力：１０⁶Ｐａ以上

【００７５】実施例においては、絶縁層２０，３０をＳ
ｉＯ₂から構成したが、その他、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、Ｂ
ＳＧ、ＡｓＳＧ、ＰｂＳＧ、ＳｂＳＧ、ＳＯＧ、ＳｉＯ
Ｎ又はＳｉＮ等の公知の絶縁材料、あるいはこれらの絶
縁層を積層したものから構成することができる。必要に
応じて、絶縁層の形成後、例えば、熱処理や化学的・機
械的研磨法（ＣＭＰ法）、エッチバック法等により、絶
縁層２０，３０の平坦化処理を行うことが望ましい。

【００７６】実施例においては、下地層２２やバリアメ
タル層３２Ａを構成するＴｉ層やＴｉＮ層をスパッタ法
で成膜したが、その代わりにＣＶＤ法を用いて成膜する
こともできる。Ｔｉ層及びＴｉＮ層のＥＣＲＣＶＤ法
による成膜条件を以下に例示する。尚、下地層２２は、
その他、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＷ、Ｗ等の導電
性を有する高融点金属若しくはその化合物といった、配
線断線時の冗長効果を有し、金属配線材料との濡れ性が
よい材料から構成することもでき、この場合には、スパ
ッタ法やＣＶＤ法にて形成すればよい。ＴｉのＥＣＲＣＶＤ条件使用ガス：ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂／Ａｒ＝１５／５
０／４３sccm マイクロ波パワー：２．０ｋＷ温度：５００゜Ｃ圧力：０．３ＰａＴｉＮのＥＣＲＣＶＤ条件使用ガス：ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂／Ｎ₂＝２０／２６
／８sccm マイクロ波パワー２．８ｋＷ基板ＲＦバイアス：−５０Ｗ温度：７５０゜Ｃ圧力：０．１２Ｐａ

【００７７】

【発明の効果】本発明においては、金属配線材料層を急
冷することによって、金属配線材料層中に析出した不純
物の粒径が小さくなるので、金属配線材料層をパターニ
ングして配線を形成する際、不純物の析出物によって、
配線の短絡、断線あるいは抵抗の増大といった問題が生
じ難い。また、本発明の成膜装置においては、金属配線
材料を大気に曝すことなく同一成膜装置内で金属配線材
料の成膜及びリフロー処理を行うことができるので、開
口部内への金属配線材料の流れ込みが良好となるし、容
易に金属配線材料層のリフロー処理及び急冷を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体装置の配線形成方法を説明す
るための半導体基板等の模式的な一部断面図である。

【図２】図１に引き続き、実施例１の半導体装置の配線
形成方法を説明するための半導体基板等の模式的な一部
断面図である。

【図３】実施例３の半導体装置の配線形成方法を説明す
るための半導体基板等の模式的な一部断面図である。

【図４】図３に引き続き、実施例３の半導体装置の配線
形成方法を説明するための半導体基板等の模式的な一部
断面図である。

【図５】図４に引き続き、実施例３の半導体装置の配線
形成方法を説明するための半導体基板等の模式的な一部
断面図である。

【図６】本発明の成膜装置の模式的な平面図である。

【図７】リフロー兼急冷チャンバ４２の構造を概念的に
示す図である。

【図８】図７とは別の構造を有するリフロー兼急冷チャ
ンバ４２の構造を概念的に示す図である。

【図９】本発明の半導体装置の配線形成方法における配
線構造の変形を模式的に示す半導体基板等の一部断面図
である。

【図１０】高圧リフロー処理における、開口部の上方に
形成された金属配線材料層の望ましい形状を模式的に示
す断面図である。

【図１１】二元素系平衡状態図である。

【図１２】アルミニウム系合金を自然冷却するとき、ア
ルミニウム中に固溶している不純物が析出する状態を模
式的に示す図である。

【図１３】メタルプラグ上にアルミニウム系合金から成
る配線を形成する場合の問題点を説明するための模式図
である。

【符号の説明】

１０半導体基板１１素子分離領域１２ゲート酸化膜１３ゲート電極１４ゲートサイドウオール１５ソース・ドレイン領域２０，３０絶縁層２１，３１開口部２２下地層２３Ａ金属配線材料２３，３３金属配線材料層２４接続孔２５，３５配線３２Ａバリアメタル層３２Ｂ高融点金属材料層３４メタルプラグ４０，４１スパッタチャンバ４２リフロー兼急冷チャンバ４３減圧搬送路４４，４５ローディングチャンバ４６前処理チャンバ５０ランプヒータ５１ガス冷却試料ステージ５２冷却用ガス配管５３，６２，６５温度モニターポート６０ガス加熱試料ステージ６１加熱用ガス配管６３ガス冷却試料ステージ６４冷却用ガス配管７０搬送装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/3213

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）不純物を含む金属配線材料から成る
金属配線材料層を基体上に物理的気相成長法にて成膜し
た後、該金属配線材料層をリフロー処理する工程と、（ロ）リフロー処理の完了後、該金属配線材料層を急冷
する工程と、（ハ）該金属配線材料層をパターニングして配線を形成
する工程、から成ることを特徴とする半導体装置の配線
形成方法。
【請求項２】（イ）不純物を含む金属配線材料から成る
金属配線材料層を物理的気相成長法にて基体上に成膜し
つつ、該金属配線材料層を流動状態とする工程と、（ロ）該金属配線材料層の形成完了後、該金属配線材料
層を急冷する工程と、（ハ）該金属配線材料層をパターニングして配線を形成
する工程、から成ることを特徴とする半導体装置の配線
形成方法。
【請求項３】金属配線材料層を成膜する前に、接続孔を
形成すべき基体の部分に開口部を設け、前記（ロ）の工
程において金属配線材料層を急冷する前に、該開口部内
が不純物を含む金属配線材料で埋め込まれ、以て接続孔
が形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に
記載の半導体装置の配線形成方法。
【請求項４】金属配線材料層のリフロー処理する際の基
体の温度、若しくは金属配線材料層を流動状態とするた
めの基体の温度は、不純物が金属配線材料に完全に固溶
する温度以上、不純物と金属配線材料との共晶温度未満
であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれ
か１項に記載の半導体装置の配線形成方法。
【請求項５】金属配線材料層の急冷時間は、金属配線材
料層中の不純物が殆ど析出しない時間であることを特徴
とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半
導体装置の配線形成方法。
【請求項６】金属配線材料層の急冷時間は、配線最小幅
の１／４倍以下の大きさの不純物粒子が析出する時間と
同じかそれより短いことを特徴とする請求項５に記載の
半導体装置の配線形成方法。
【請求項７】不純物は、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ及びＺ
ｎから成る群から選択された少なくとも１種類の材料か
ら成ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれ
か１項に記載の半導体装置の配線形成方法。
【請求項８】金属配線材料はアルミニウムから成ること
を特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記
載の半導体装置の配線形成方法。
【請求項９】スパッタチャンバ、リフロー兼急冷チャン
バ、並びに、該スパッタチャンバ及びリフロー兼急冷チ
ャンバを結ぶ減圧搬送路を備えていることを特徴とする
成膜装置。
【請求項１０】リフロー兼急冷チャンバには、輻射熱を
用いたヒータ及びガス冷却試料ステージが備えられてい
ることを特徴とする請求項９に記載の成膜装置。
【請求項１１】リフロー兼急冷チャンバには、ガス加熱
試料ステージ、ガス冷却試料ステージ、及びガス加熱試
料ステージからガス冷却試料ステージへ試料を搬送する
搬送装置が備えられていることを特徴とする請求項９に
記載の成膜装置。