JPH08250495A - 積層配線膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 積層配線膜の反応性スパッタリングによる層
質劣化を防止する。 【構成】 リソグラフィ工程のための反射保護膜として
のＴｉＮ膜５を第１Ａｌ合金配線膜３上に、反応性スパ
ッタリングによって形成するにあたり、Ｎ2スパッタリ
ングに先立ちＡｒプラズマを当て配線膜３上に極薄のＴ
ｉ膜４を形成する。スパッタリングの際、この膜が配線
保護膜として作用し、Ａｌ合金配線膜上での窒化物形成
を防止する。これにより、コンタクトホール形成時の従
来のオーバーエッチが解消され、生産性、低コスト化が
可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ製造工程におけ
る積層配線膜の形成方法に関する。詳しくは、Ａｌ（ア
ルミニウム）合金膜の上に反応性スパッタリング方法に
よって、ＴｉＮやＴｉＯＮなどの化合物薄膜を堆積する
方法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化、微細化に
伴って、半導体基板上の配線膜に層間絶縁膜を介して更
なる配線膜を積層する、所謂積層配線構造の半導体装置
が注目されてきている。

【０００３】図２に層間絶縁膜のベースとなる理想的な
積層配線構造例を示す。本図に示すように、この積層配
線構造は、例えばＴｉ層２１やＴｉＮ（またはＴｉＯ
Ｎ）層２２等からなるバリアメタルの上に、Ａｌ−Ｓ
ｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−ＣｕなどのＡｌ合金膜２
３を配しており、さらにその上に、リソグラフィ工程
（レジストパターニング）の反射防止膜として、あるい
はエレクトロマイグレーション（電流によって金属原子
が移動する現象）耐性アップ等、配線膜自体の信頼性向
上のために、反応性スパッタリングによってＴｉＮなど
の化合物薄膜２５が成膜されるのが一般的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにＡｌ合金膜２３に対して直接、反応性スパッタリン
グによってＴｉＮを成膜しようとすると、まずＡｌ合金
の表面がＮ2プラズマに暴露されるために、図３に示す
ように、Ａｌ合金膜２３の表面に薄いＡｌＮ（アルミニ
ウムナイトライド）層２４が形成されてしまい、ＴｉＮ
層２５はこの上に成膜されることになる。

【０００５】したがって、この上に配置される上層配線
層との間で電気接続を果たすべく層間絶縁膜にコンタク
トホールを形成するためには、エッチングによってＴｉ
Ｎ層２５を除去した後、更なるエッチング（オーバーエ
ッチ）によりＡｌＮ層２４を除去しなければオーミック
なコンタクトを形成することはできない。図４は、この
ようにして下層のＡＬ合金膜と上層ＡＬ合金膜との間に
コンタクトを形成した構造を示している。上述した構成
の他、図示したように、コンタクトホール２６、ＢＰＳ
Ｇなどの層間絶縁膜２７、上層ＡＬ合金膜２８が形成さ
れ、ラインＡはコンタクトホール形成順としてのテーパ
ーエッチ工程によってエッチングされた層間絶縁膜トッ
プライン、ラインＢは垂直エッチ工程によってエッチン
グされた層間絶縁膜トップライン、ラインＣはオーバー
エッチ工程によるエッチング最終ラインをそれぞれ示
し、ラインＢ〜Ｃにかけて反射防止膜（ＴｉＮ層２５）
とＡｌＮ層２４がエッチングされている。

【０００６】このように、現在の積層配線構造において
はＡｌ合金膜とＴｉＮ層との間にＡｌＮ層２４が介在す
るために、オーミックなコンタクトを達成するためには
複雑なコンタクトホール形成工程が必要であり、処理時
間やコストの面においても問題があった。

【０００７】これに対し、最終エッチングラインとして
ＴｉＮ層を残し、Ｖｉａコンタクト抵抗をオーミックに
する方法としては、図５に示すようにＡｌ合金膜２３と
ＴｉＮ層２５と間に、スパッターやＣＶＤ等によりＴｉ
膜２９を形成する方法が考えられるが、この方法だと処
理工程が１つ増えることとなり生産性が低下する。ま
た、この構造は、全体が厚膜化する傾向があり、デバイ
スの段差がより厳しくなって、後の平坦化工程のプロセ
スウィンドウを狭めることにもなる。特にＡｌ合金膜２
３としてＡｌ−Ｃｕを採用する場合、後の熱処理工程に
よってＴｉ膜２９がＡｌＣｕ中に拡散反応しボイドが形
成される可能性があり、この場合配線膜としての機能を
失うことにもなる。

【０００８】本発明は、上述した従来方法におけるこの
ような問題を解決し、生産性を低下することなく、また
処理時間やコストの面でも有効な積層配線膜の形成方法
を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、反応性スパッタリングによってア
ルミニウム合金からなる配線膜の上に化合物薄膜を成膜
する積層配線膜の形成方法において、反応性スパッタリ
ングによる前記化合物薄膜の形成に先立ち、配線膜に対
しアルゴンプラズマをあて、配線膜の表面に極薄の配線
保護膜を形成することを特徴とする積層配線膜の形成方
法が提供される。

【００１０】この形成方法において、好ましくは前記配
線保護膜は、前記反応性スパッタリングを行う同一チャ
ンバ内で形成される。

【００１１】更に好ましくは、前記化合物薄膜はＴｉＮ
であり、前記配線保護膜はＴｉ被膜である。

【００１２】また、前記化合物薄膜を成膜した後、その
上には層間絶縁膜が形成され、さらにコンタクトホール
形成後、前記層間絶縁膜上には、コンタクトホールを介
して前記配線膜と接続する第２の配線膜が形成される。

【００１３】

【作用】化合物薄膜の形成に先立ち、配線膜の表面に極
薄の配線保護膜を形成することで配線膜表面にＡｌＮ
（アルミニウムナイトライド）が成膜されるのが防止で
き、コンタクトホール形成の際、この層を除去するオー
バーエッチが不必要となる。また、好適実施態様におい
て、前記配線保護膜は、化合物薄膜形成の前処理段階と
して、反応性スパッタリングを行うチャンバと同一のチ
ャンバ内で形成されるため、ウェーハ搬送の手間がいら
ずその生産性やコストに影響を与えない。

【００１４】さらに好適実施態様において、前記化合物
薄膜をＴｉＮとし、前記配線保護膜をＴｉ被膜とするこ
とにより、化合物薄膜形成のための反応性スパッタリン
グ時にＴｉ被膜が還元されＴｉＮとなり、最終的には化
合物薄膜だけの単層となるため、層構造がシンプル化し
て、その後のエッチングコントロールが容易となる。

【００１５】

【実施例】図面を参照しながら本発明による積層配線膜
の形成方法を以下、説明する。

【００１６】図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明による一実
施例として、Ａｌ合金膜上に反射防止膜としてＴｉＮ膜
を形成し、更にその上に第２の配線膜を形成する方法を
説明するものである。

【００１７】本実施例によれば、まず最初に、図示しな
い半導体基板（ウェーハ）または配線膜の上に、バリア
メタル層としてのＴｉ層１およびＴｉＮ（又は、ＴｉＯ
Ｎ）層２がＣＶＤ、反応性スパッタリング等の技術によ
って成膜され、その上にスパッタリングによってＡｌ合
金（Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕなど）
からなる配線膜３（以下、これを第１Ａｌ合金配線膜３
と呼ぶ）が形成される。図１（ａ）は、以上のようにし
て形成された各層の積層位置関係を示したものである。

【００１８】このようにして第１Ａｌ合金配線膜３が形
成されたならば、次にこのウェーハは、ＴｉＮ形成のた
めのＴｉ（チタン）をターゲットとする反応性スパッタ
リング装置（図示せず）のチャンバ内へと搬送される。

【００１９】そして、ここではまず最初に、Ａｒ（アル
ゴン）ガスだけをチャンバ内に導入した状態において、
Ａｒプラズマを極めて短時間（例えば、３〜８秒間）に
亙ってターゲットに衝突させる処理が行われる。これに
より、ウェーハ上には、同図（ｂ）に示したように厚さ
２〜５ｎｍという極めて薄いＴｉ膜（配線保護膜）４が
形成される。

【００２０】このようにして極めて短時間に亙るＡｒプ
ラズマ発生工程が終了したならば、次に、同じチャンバ
内で、それまでのアルゴンガス導入からＮ2（窒素）ガ
スの導入に切り替えてＮ2プラズマを発生させ、いわゆ
る反応性スパッタリングを行う。これにより、Ｔｉ膜４
の表面には同図（ｃ）に示したような、反射保護膜とし
てのＴｉＮ膜５が形成されることになるが、この際Ｔｉ
膜４は、Ｎ2プラズマから第１Ａｌ合金配線膜３の表面
を保護する作用をし、その表面にアルミニウムナイトラ
イド（ＡｌＮ）が生成されるのを防止する働きをする。
なお、この時Ｔｉ膜４においてはＮ2ガスによる還元作
用によってＴｉ→ＴｉＮへと変化する反応があり、その
結果、Ｔｉ膜４の一部あるいはその全部が上層のＴｉＮ
膜５と合成されることとなり単層化する。図は、その過
程を明確化するためＴｉ膜４を残留させた状態にしてあ
る。

【００２１】このようにして来るべきリソグラフィ工程
のための反射防止膜が形成されたならば、ウェーハは反
応性スパッタリング装置より取り出され、第１Ａｌ合金
配線膜３のパターニング形成を行い次にＣＶＤ装置（図
示せず）に搬送され、ここで、例えばＯ3ＴＥＯＳ・Ｂ
ＰＳＧやシランＢＰＳＧなどの層間絶縁膜がＴｉＮ膜５
上に形成されることになる。そして、その後ウェーハは
所定のレジストパターニング、テーパーエッチ、垂直エ
ッチの各工程を経て、同図（ｄ）に示すようなＴｉＮ膜
５を底部とするコンタクトホール６が層間絶縁膜７中に
形成され、次いで層間絶縁膜７の表面とコンタクトホー
ル６の内部に、上層配線膜としての例えばＡｌ合金から
なる配線膜８（これを、第２Ａｌ合金配線膜８と呼ぶ）
がスパッタリング等によって形成され、次に第２Ａｌ合
金配線膜８をパターニングする。このようにしてＴｉＮ
膜５（および僅かのＴｉ膜４）を介して第１Ａｌ合金配
線膜３と第２Ａｌ合金配線膜８との電気的接続がなされ
た積層配線膜が完成することになる。

【００２２】以上のように、本実施例によればＴｉＮ膜
５の形成に先立ち、第１Ａｌ合金配線膜３の表面に極薄
のＴｉ膜４を形成することで、次に反応性スパッタリン
グ工程において第１Ａｌ合金配線膜３の表面にアルミ窒
化物が成膜されるのを防止することができる。また、こ
のＴｉ膜４は導電性があるために、続くＴｉＮ膜形成工
程（反応性スパッタリング）に仮にその一部が残留した
としても、その後のコンタクトホール６の形成の際のエ
ッチング時、Ｔｉ膜４を除去するオーバーエッチが不必
要となり、図示するようにエッチング終了地点をＴｉＮ
膜５の内部とすることができる。これは、ＡｌＮ除去の
ためオーバーエッチを行わなければならなかった従来方
法に比較して、格段にエッチング時間を短縮することが
できることを意味しており、またエッチングのコントロ
ールも容易になる。

【００２３】さらに本実施例によれば、この極薄のＴｉ
膜４は、ＴｉＮ膜５形成のための反応性スパッタリング
の前段階として同一チャンバ内で形成することができる
ため、ウェーハ搬送の手間がいらず、エッチング時間短
縮分だけ従来方法よりもその生産性を向上することがで
き、コストダウンが可能となる。

【００２４】以上説明した極薄線膜の形成は、当然なが
らＴｉＮ膜５の反応性スパッタリングだけに限定され
ず、ＴｉＯＮ膜などその他のスパッタリング全般に適用
することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アルミナイトライド除去のためのオーバーエッチがいら
ず、コンタクトホール形成工程を短縮化でき、生産性を
向上することができる。また、反射防止膜または配線の
信頼性向上の一環として、コンタクトホール形成時、化
合物薄膜のところでエッチングをストップすることがで
き、この結果コンタクトのエレクトロマイグレーション
耐性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による積層配線膜の形成方
法の主な工程を順に示した図である。

【図２】 層間絶縁膜のベースとなる積層配線膜構造の
理想形を示す断面図である。

【図３】 反応性スパッタリングによって形成される実
際の積層配線構造を示す断面図である。

【図４】 図３の構造に対応して形成される従来コンタ
クトの層構造を示す断面図である。

【図５】 ＡｌＮ形成防止策として厚膜Ｔｉ層を形成し
た従来コンタクトの層構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２１…Ｔｉ層 ２，２２…ＴｉＮ層 ３，２３…第１Ａｌ合金配線膜 ４…Ｔｉ膜（配線保護膜） ５，２５…ＴｉＮ膜（化合物薄膜） ６，２６…コンタクトホール ７，２７…層間絶縁膜 ８，２８…第２Ａｌ合金配線膜 ２４…ＡｌＮ層 ２９…Ｔｉ膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応性スパッタリングによってアルミニ
   ウム合金からなる配線膜の上に化合物薄膜を成膜する積
   層配線膜の形成方法において、 反応性スパッタリングによる前記化合物薄膜の形成に先
   立ち、配線膜に対しアルゴンプラズマをあて、配線膜の
   表面に極薄の配線保護膜を形成することを特徴とする積
   層配線膜の形成方法。
2. 【請求項２】 前記配線保護膜は、前記反応性スパッタ
   リングを行う同一チャンバ内で形成されることを特徴と
   する請求項１に記載の積層配線膜の形成方法。
3. 【請求項３】 前記化合物薄膜はＴｉＮであり、前記配
   線保護膜はＴｉ被膜であることを特徴とする請求項２に
   記載の積層配線膜の形成方法。
4. 【請求項４】 前記化合物薄膜を成膜した後、その上に
   は層間絶縁膜が形成され、さらにコンタクトホール形成
   後、前記層間絶縁膜上には、コンタクトホールを介して
   前記配線膜と接続する第２の配線膜が形成される請求項
   １に記載の積層配線膜の形成方法。