JPH10308393A - 半導体装置の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凹部内周面上および凹部外の絶縁膜表面上に
形成した下地金属膜表面の状態を調整することにより、
良好に配線用金属を堆積し、配線要素を形成することが
できる半導体装置の製造方法を提供すること。 【解決手段】 半導体基板11と、この基板11上に形成さ
れ、その中に配線要素が形成される凹部13aを有する絶
縁膜13と、この絶縁膜13の凹部内周面上および表面上に
形成され高融点金属を含む下地金属膜14とを有する半導
体装置素材上に、配線用金属16を堆積するにあたり、下
地金属膜14表面の状態を非酸化性ガスのプラズマまたは
非酸化性薬液を用いて調整し、次いで化学蒸着法によ
り、少なくとも凹部内周面上の下地金属膜14上に、配線
用金属16を堆積させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線層間や、配線
層と拡散層とを接続するための微小なコンタクト孔、ま
たは金属配線を形成するための狭い溝を含む凹部内に、
配線要素層を形成する半導体装置の製造方法、特に凹部
内およびこれら凹部が形成された平面上に堆積された下
地金属膜上に、配線用金属を化学蒸着法を用いて堆積す
る際における堆積初期の堆積特性を制御することによ
り、良好な埋め込みを実現する半導体装置の製造方法に
関する。また、本発明は、その方法を実施するための製
造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の微細化に伴い、半導体基板
表面に形成された不純物拡散層と金属配線層との間や、
異なる金属配線層間を接続するためのコンタクト孔も微
小になり、そのアスペクト比（孔の深さと開口幅との
比）が増大している。

【０００３】このようなコンタクト孔内に配線要素を形
成して電気的接続を得るための技術として、従来からス
パッタ法でアルミニウム合金等の配線用金属を堆積する
方法が使用されていたが、微小なコンタクト孔内にスパ
ッタ法で配線用金属を良好に堆積することは困難であ
る。このため、微小孔内への堆積特性に優れた化学蒸着
法（ＣＶＤ法）を適用することが検討されている。

【０００４】ＣＶＤ法には、基板表面に非導電領域（例
えば、下層金属配線上に形成された絶縁膜表面）と導電
領域（例えば、その絶縁膜に開口されたコンタクト孔の
底に露出した下層金属配線表面）とを形成し、導電領域
のみに配線用金属を堆積する選択堆積ＣＶＤ法と、コン
タクト孔内およびその周囲の絶縁膜表面上を含めた基板
表面全体に窒化チタン等の下地金属膜を形成し、その表
面上に配線用金属の堆積を行う全面堆積ＣＶＤ法とがあ
る。

【０００５】これらのうち、全面堆積ＣＶＤ法には、基
板表面の状態に対する敏感性が低く、量産技術として安
定に使用することができるという利点がある。また、全
面堆積ＣＶＤ法には、コンタクト孔外の絶縁膜表面上に
堆積した配線用金属膜をパターニングして金属配線とし
て使用することができるという利点もある。

【０００６】ＣＶＤ法を用いて堆積することができる導
電金属としては、６弗化タングステンを原料とするタン
グステン、および有機アルミニウム化合物を原料とする
アルミニウムが代表的である。電気抵抗がタングステン
の１／３であり、低抵抗の配線要素の形成が可能である
という点でアルミニウムが優れている。また、アルミニ
ウムよりさらに抵抗の低い銅や金もＣＶＤ法を用いて堆
積することが可能である。

【０００７】アルミニウムの全面堆積ＣＶＤ法を用いて
コンタクト孔を埋め込む技術としては、以下の（１）お
よび（２）が知られている。 （１）ＣＶＤ反応室とスパッタ室とが搬送室を介して接
続された堆積装置を使用し、コンタクト孔を形成した基
板表面全面にスパッタ室で窒化チタン膜を堆積した後、
搬送室を通して大気に曝すことなくＣＶＤ室に移送し、
トリイソブチルアルミニウムを原料とするＣＶＤでアル
ミニウムを堆積する（Case他、米国特許第5008217
号）。しかし現実には、スパッタ室とＣＶＤ室とでは、
使用するガスも動作圧力も大きく異なるため、その両者
を一体化した装置は、構成することにも運用することに
も技術的な困難性を伴う。

【０００８】（２）表面全面にスパッタ法で窒化チタン
膜を堆積した基板をＣＶＤ装置に導入し、ジメチルアル
ミニウムアイドライドを原料とするＣＶＤでアルミニウ
ムを堆積する（Sugai他、1993年VLSI Multilevel Inter
conection Conference論文集p.463）。この場合、ＣＶ
Ｄ時の基板温度を高い堆積速度が得られる値に設定する
と、微小なコンタクト孔内が埋め込まれる以前に、コン
タクト孔外の絶縁膜表面上に堆積したアルミニウムでコ
ンタクト孔上部の開口部が塞がってしまい、良好な埋め
込みを実現することができない。したがって、良好な埋
め込みを実現するためには、基板温度を下げることが必
要である。しかし、それによって同時に、堆積速度が低
下し、量産性が低下する。また、この文献には、接続の
抵抗を低減するために、ＣＶＤの前に窒化チタン膜表面
をスパッタクリーニングし、大気中で付着した汚染物を
除去することが記載されている。

【０００９】一方、選択堆積ＣＶＤ法を用いてタングス
テンをコンタクト孔内に埋め込む場合に関して、以下の
（３）の技術が知られている。 （３）クリーニング室とＣＶＤ室とが大気を遮断した搬
送室を介して接続された装置を使用し、まず、クリーニ
ング室において、水素やハロゲンガスを含むプラズマ
で、コンタクト孔の底に露出した金属等の表面を清浄に
し、搬送室を介して大気に曝さずにＣＶＤ室に移送した
後、６弗化タングステンを原料とするＣＶＤでコンタク
ト孔内のみタングステンを堆積する（Chang他、米国特
許第5043299号）。この文献には、プラズマによりコン
タクト孔の底に露出した金属等の表面に、大気中で付着
したタングステンの堆積を阻害する水蒸気や酸化物等の
汚染物をプラズマで除去することが記載されている。

【００１０】また、金属配線の形成においても、従来
は、下地絶縁膜上全面にアルミニウム合金等の配線用金
属膜をスパッタ法を用いて堆積し、フォトリソグラフィ
およびドライエッチング技術を用いて不要な部分を除去
して、所用の配線パターンを有する金属配線を形成する
方法が使用されていた。しかし、金属配線が微細にな
り、配線用金属膜のドライエッチングの困難性が高まる
につれ、逆に、予め絶縁膜表面に金属配線パターンに対
応する細い溝を形成し、その中に配線要素を形成する方
法が提案されている（米国特許第4789648号）。この場
合にも、配線要素を形成するための配線用金属を、細い
溝を埋め込む能力に優れたＣＶＤ法で堆積することが好
ましい。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このように、微細な凹
部が形成されている下地金属膜にＣＶＤにより配線用金
属を形成することが提案されているが、下地金属膜の表
面は必ずしも清浄ではなく、配線用金属を良好な状態で
成膜するためには、下地金属膜表面の状態を良好にする
必要がある。

【００１２】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであって、凹部内周面上および凹部外の絶縁膜表面上
に形成した下地金属膜表面の状態を調整することによ
り、全面堆積ＣＶＤ法により、良好に配線用金属を堆積
し、配線要素を形成することができる半導体装置の製造
方法を提供することを目的とする。本発明はまた、凹部
の一部分が塞がれることによって、より開口部から離れ
た部分に閉空孔が残らないように、下地金属膜表面の状
態を調整して配線要素を形成することができる半導体装
置の製造方法を提供することを目的とする。本発明はさ
らに、下地金属膜の履歴に依存せず、その上に良好な配
線要素を形成することができる半導体装置の製造装置を
提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、第１に、半導体基板と、この基板上に形成
され、その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁
膜と、この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成さ
れ高融点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素
材上に、配線用金属を堆積して半導体装置を製造する方
法であって、前記下地金属膜表面の状態を非酸化性ガス
のプラズマまたは非酸化性薬液を用いて調整する工程
と、化学蒸着法により、少なくとも前記凹部内周面上の
下地金属膜上に、配線用金属を堆積させる工程とを具備
することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供す
る。

【００１４】第２に、上記方法において、前記非酸化性
ガスのプラズマまたは非酸化性薬液を用いて表面の状態
を調整する工程は、前記凹部内周面を含む下地金属膜へ
の堆積初期において微細かつ均一で連続的な核形性が可
能になるように実施されることを特徴とする半導体装置
の製造方法を提供する。

【００１５】第３に、上記いずれかの方法において、前
記非酸化性ガスのプラズマまたは非酸化性薬液を用いて
表面の状態を調整する工程は、前記配線用金属を堆積さ
せる工程において、前記凹部内周面上の下地金属膜上の
堆積によって前記凹部が実質的に埋め込まれる用に実施
されることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供す
る。第４に、上記いずれかの方法において、前記配線用
金属がアルミニウムであることを特徴とする半導体装置
の製造方法を提供する。

【００１６】第５に、半導体基板と、この基板上に形成
され、その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁
膜と、この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成さ
れ高融点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素
材上に、配線用金属を堆積して半導体装置を製造する方
法であって、前記下地金属膜表面の状態を、非酸化性ガ
スのプラズマまたは非酸化性薬液を用いて調整する工程
と、化学蒸着法により、少なくとも前記凹部内周面上の
下地金属膜上に、第１の配線用金属を堆積させる工程
と、絶縁膜表面上に堆積された第１の配線金属を選択的
に除去する工程と、絶縁膜上の第１の配線金属が除去さ
れた部分に第２の配線用金属をさらに堆積する工程とを
具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供
する。

【００１７】第６に、半導体基板と、この基板上に形成
され、その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁
膜と、この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成さ
れ高融点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素
材上に、配線用金属を堆積して半導体装置を製造する方
法であって、前記下地金属膜表面の状態を、非酸化性ガ
スのプラズマまたは非酸化性薬液を用いて調整する工程
と、化学蒸着法により、少なくとも前記凹部内周面上の
下地金属膜上に、第１の配線用金属を堆積させる工程
と、真空中で連続して、あるいは一旦大気中に取り出し
て、第２の配線用金属をさらに堆積する工程とを具備す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。

【００１８】第７に、半導体基板と、この基板上に形成
され、その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁
膜と、この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成さ
れ高融点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素
材上に、配線用金属を堆積させるための製造装置であっ
て、前記下地金属膜表面の状態を非酸化性ガスのプラズ
マを用いて調整する機構と、化学蒸着により、少なくと
も前記凹部内周上の下地金属膜上に、配線用金属を堆積
させる機構とを具備することを特徴とする半導体装置の
製造装置を提供する。

【００１９】なお、本発明において「凹部」とは、配線
層間や配線層と拡散層を接続するために絶縁膜に形成さ
れたコンタクト孔および金属配線を形成するために絶縁
膜に形成された溝を含む。また、「配線要素」は、コン
タクト孔内に形成されたプラグおよび溝内に形成した金
属配線を含む。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。本発明では、半導体基板と、その上に形成され
た凹部を有する絶縁膜と、この絶縁膜の凹部内周面上お
よび表面上に形成され高融点金属を含む下地金属膜とを
有する半導体装置素材上に、配線用金属を堆積するにあ
たり、まず下地金属膜表面の状態を非酸化性ガスのプラ
ズマまたは非酸化性薬液を用いて調整し、次いでＣＶＤ
法により、少なくとも前記凹部内周面上の下地金属膜上
に、配線用金属を堆積させる。

【００２１】本発明において、下地金属膜の上に配線用
金属を形成するのは、配線用金属材料として好適なＡｌ
膜を形成する際に用いられるジメチルアルミニウムハイ
ドライド等の有機Ａｌ化合物において、その中のＡｌ原
子の最外殻軌道は空であるため、極めて吸電子的であ
り、下地金属からの電子供与によって分解が促進される
特性があるからである。

【００２２】また、配線用金属の下地金属膜として高融
点金属を含むもの、すなわち高融点金属膜または高融点
金属化合物を用いるのは、これらが安定であり、しかも
配線用金属として用いられるアルミニウムとの反応性が
低いため、配線工程後に行われる各種アロイ工程（通
常、２５０〜４５０℃で行われる）においてもアルミニ
ウムと反応せず極めて安定であるからである。したがっ
て、高融点金属膜または高融点金属化合物膜を拡散防止
膜や反射防止膜として利用することもできる。

【００２３】下地金属膜はスパッタ法やＣＶＤ法で堆積
されるが、堆積後の表面は種々の理由から汚染されてい
る。例えば、大気中に放置しただけで、極薄く酸化した
り有機物が吸着してしまう。ＣＶＤ膜の場合は、これに
加えて原料ガスに起因する種々の化学種が吸着してい
る。このような汚染層は、下地膜表面のポテンシャルを
低下させ、表面抵抗を高くし、場合によっては絶縁性に
してしまう。その結果、下地金属膜からの電子供給が阻
害されるため配線用金属のＡｌ成長も阻害され、良質な
アルミニウムの成長がなされない。また、アルミニウム
が堆積する場合であってもＡｌプラグと下地金属膜との
間の抵抗が高くなり、コンタクト抵抗が増大してしま
う。さらに、凹部内周面の下地金属膜表面の清浄度にば
らつきがあると、アルミニウムの堆積膜厚が部分的に変
化する結果、凹部が部分的に閉塞され、より開口部から
離れた部分に閉空孔（ボイド）を発生させてしまう。し
たがって、端に下地金属膜を用いただけではコンタクト
孔等の凹部にアルミニウムを良好に埋め込むことは極め
て困難である。

【００２４】このため、本発明では、下地金属膜表面の
状態を、水素、Ａｒ、Ｎ₂などの非酸化性ガスのプラズ
マによる処理や、希フッ酸などの非酸化性薬液による処
理によって調整する。例えば、水素プラズマ中で発生す
る水素原子は表面の各種有機物を分解する作用を果た
す。すなわち、表面を清浄化することができる。また、
水素イオン（水素分子または水素原子のイオン）の衝撃
によって表面がスパッタエッチされる。また、例えばＡ
ｒ、Ｎ₂プラズマは、スパッタエッチにより、薬液処理
は化学的作用により、表面を清浄化することが可能であ
る。

【００２５】これらによって下地金属膜表面の状態を調
整することにより、凹部内周面を含む下地金属膜全面の
状態が均一になり、優れた埋め込み性能を得ることがで
き、それ以前に行われた処理の履歴の影響を受けない半
導体装置の製造方法を実現することができる。

【００２６】本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶
縁膜表面上、および凹部内周面に下地金属膜を形成し、
全面堆積ＣＶＤ法で配線用金属材料の堆積を行う。この
時、下地金属膜表面の状態が適切に調整されていない
と、上述したSugai他に記載されているように、高い堆
積速度が得られる基板温度に設定すると、微小な凹部が
埋め込まれる以前に、絶縁膜表面上に堆積した配線用金
属により開口部が塞がってしまい、良好な埋め込みを実
現することができない。

【００２７】したがって、上述のような認識に基づい
て、非酸化性ガスのプラズマや非酸化性薬液による処理
によって下地金属膜表面の状態を適切に調整した後に、
ＣＶＤ法によって配線用金属を堆積する。その結果、凹
部内周面を含む下地金属膜全体に均一に堆積核を形成
し、堆積膜厚のばらつきを抑えることにより、凹部内周
面における部分的な配線用金属膜の閉塞とボイドの形成
を抑制することができ、凹部内部に配線用金属を良好に
埋め込むことができる。

【００２８】本発明において、配線用金属はＣＶＤ法の
みで形成してもよいし、ＣＶＤ法により第１の配線用金
属を形成した後に、さらにスパッタ法により第２の配線
用金属を堆積させることもできる。すなわち、下地金属
膜上にＣＶＤ法により配線用金属を比較的薄く形成し、
その上にスパッタ法によりさらに配線用金属を堆積させ
る。このようにすることにより、埋め込み性が高いとい
うＣＶＤ法の利点と、膜質に優れるというスパッタ法の
利点とを同時に活用することができる。この場合に、こ
れらを真空中で連続して行ってもよいし、第１の配線用
金属を形成後一旦大気中に取り出してから第２の配線用
金属を形成するようにしてもよい。なお、上述したよう
に、配線用金属としてはアルミニウムが好適であるが、
この他、金、銅等の低抵抗金属材料を用いることができ
る。

【００２９】本発明はまた、非酸化性ガスのプラズマま
たは非酸化性薬液を用いて表面の状態を調整する工程
を、前記凹部内周面を含む下地金属膜への堆積初期にお
いて微細かつ均一で連続的な核形性が可能になるように
実施することを特徴とする。

【００３０】本発明者らが、水素、Ａｒ、Ｎ２などの非
酸化性ガスのプラズマや非酸化性薬液による前処理、お
よびその後に行われるＣＶＤ工程について種々の実験お
よび解析を行った結果、前処理条件がＣＶＤ工程におけ
る配線用金属の堆積に強い影響を与えることが判明し
た。

【００３１】下地金属膜として窒化チタン膜を使用する
場合、前処理としてＡｒプラズマを選択すると、図１の
電子顕微鏡写真に示すように、堆積初期状態として微細
かつ均一な核形成が得られる。また、前処理としてＨ₂
プラズマを選択すると、図２の電子顕微鏡写真に示すよ
うに、Ａｒプラズマの場合に比べ、一つひとつの核は若
干大きいが、核同士が連結し、より凹凸の少ない連続膜
が得られる。同じＨ₂プラズマの処理でも、プロセス条
件が異なると、図３の電子顕微鏡写真に示すように、核
の大きさおよび連続の度合いが異なる。このため、下地
の種類や凹部のパターンにより適した前処理を選択し、
凹部を含む下地金属表面全体における成膜状態の改質性
を高めて、凹部内周面における部分的な配線用金属の閉
塞およびボイドの形成を抑制し、凹部内部に配線用金属
を良好に埋め込むことが可能になる。

【００３２】このような下地金属表面状態による堆積特
性の変化は、基板表面の状態に強い影響を受けるＣＶＤ
法の場合に初めて発生する。すなわち、本発明のように
適切な条件の前処理による下地金属膜表面の状態の調整
と、配線用金属のＣＶＤとを有機的に一体化することに
よって初めて微細な凹部への埋め込み特性に優れた配線
要素形成技術を確立することができる。

【００３３】なお、本発明においては、下地膜表面に以
上のような前処理を行った後、凹部内周面上の下地金属
膜上に、第１の配線用金属を堆積させ、絶縁膜表面上に
堆積された第２の配線金属を選択的に除去し、絶縁膜上
の第１の配線金属が除去された部分に第２の配線用金属
をさらに堆積してもよい。これは、劣化した膜を除去し
て良質な膜を形成する場合等に有効である。第２の配線
用金属の堆積はスパッタにより行うことが好ましい。

【００３４】以上のような本発明に係る半導体装置の製
造方法は、下地金属膜表面の状態を非酸化性ガスのプラ
ズマを用いて調整する機構と、少なくとも前記凹部内周
上の下地金属膜上に、ＣＶＤにより配線用金属を堆積さ
せる機構とを具備する製造装置を用いることにより好適
に実施することができる。このような装置の例を図４に
模式的に示す。この装置は、ロードロック室１と、ロー
ドロック室１に連結された真空搬送室２と、この真空搬
送室２に連結されたプラズマ室３およびＣＶＤ室４とを
具備している。このような装置においては、外部からロ
ードロック室１を介して真空に保持された真空搬送室２
に半導体基板を搬入し、まずプラズマ室３により非酸化
性ガスのプラズマにより前処理を施し、下地膜金属膜の
表面状態を調整する。その後、前処理が施された半導体
基板を真空状態に保持したままＣＶＤ室４に搬送し、そ
こで配線用金属をＣＶＤにより成膜する。ＣＶＤ処理が
終了した後、半導体基板は真空搬送室２およびロードロ
ック室１を経て外部に取り出される。

【００３５】

【実施例】

（実施例１）図５はこの実施例の半導体装置の製造方法
の一連の工程を説明するための断面図である。本実施例
では、半導体基板に形成した拡散層を上層のアルミニウ
ム配線層に接続するコンタクトホールにアルミニウムを
埋め込んでプラグを形成すると同時に上層アルミニウム
配線用のアルミニウム膜を形成する場合について説明す
る。

【００３６】半導体基板１１上にＭＯＳＦＥＴ等の各種
デバイスを構成する拡散層１２を形成し、拡散層１２上
に絶縁膜として厚さ１μｍの酸化シリコン層１３を形成
した。次に、フォトリソグラフィーを用いてレジストパ
ターンを形成し、フッ素系の混合ガスを用いたドライエ
ッチングにより直径０．５μｍのコンタクトホール３ａ
を形成し、レジストパターンを除去した。最後に全面に
亘ってスパッタにより窒化チタン膜１４を堆積した。窒
化チタン膜１４の平面上での膜厚は約３０ｎｍとした。
窒化チタン膜１４の表面には、種々の原因によって変質
層１４ａが形成されており、さらにその上には汚染物１
５が付着している。その際の状態を図５の（ａ）に示
す。なお、図５においてゲート領域や素子分離膜等の他
の領域は省略されている。

【００３７】前工程から受け取った図５の（ａ）に示す
状態の基板を平行平板型ＲＩＥ装置のエッチング室に装
入し、水素を導入し、全圧５００mTorrで水素プラズマ
処理を２分間行った。この時のプラズマの電力は０．２
Ｗ／ｃｍ³程度、電極間の距離は７ｃｍであった。これ
により、窒化チタン膜１４上の変質層１４ａや汚染物１
５は除去された。その際の状態を図５の（ｂ）に示す。

【００３８】次に、基板を大気に曝すことなくＣＶＤ室
内へ導入し、図５の（ｃ）に示すように、ジメチルアル
ミニウムハイドライド（ＤＭＡＨ）と水素とを用いたＣ
ＶＤ法により、配線用のアルミニウム膜１６を形成し
た。この際に、ＤＭＡＨは水素によってバブリングさせ
て供給した。成膜条件は、基板温度を２０４℃、全圧を
２．０Torr、ＤＭＡＨ分圧を０．１８Torr、水素流量を
１０００ＳＣＣＭとし、成膜時間を１５０秒間とした。
その結果、平坦部に形成されたアルミニウム膜１６の膜
厚は２００ｎｍであった。成膜後、収束イオンビームを
用いてコンタクトホールの断面をとって、電子顕微鏡観
察を行った結果、図５の（ｃ）に示すように、アルミニ
ウムが良好に埋め込まれていることが確認された。

【００３９】（実施例２）図６はこの実施例の半導体装
置の製造方法の一連の工程を説明するための断面図であ
る。本実施例では、実施例１と同様、半導体基板に形成
した拡散層を上層のアルミニウム配線層に接続するコン
タクトホールにアルミニウムを埋め込んでプラグを形成
すると同時に上層アルミニウム配線用のアルミニウム膜
を形成する場合について説明する。

【００４０】この実施例では、水素プラズマ処理までは
実施例１と同一の工程で処理した。図６の（ａ）は窒化
チタン膜１４が成膜された後、水素プラズマ処理により
その全面に亘って清浄化された状態を示す。次に、基板
を大気に曝すことなくＣＶＤ室内へ導入し、図６の
（ｂ）に示すように、ジメチルアルミニウムハイドライ
ド（ＤＭＡＨ）と水素とを用いたＣＶＤ法により、配線
用のアルミニウム膜２０を形成した。この際に、ＤＭＡ
Ｈは水素によってバブリングさせて供給した。成膜条件
は、基板温度を２０４℃、全圧を２．０Torr、ＤＭＡＨ
分圧を０．１８Torr、水素流量を１０００ＳＣＣＭと
し、成膜時間を２０秒間とした。その結果、膜厚５０ｎ
ｍと極めて薄いアルミニウム膜２０が被覆性よく形成さ
れた。

【００４１】ＣＶＤによるアルミニウム膜成膜後、大気
に曝すことなくスパッタ室に基板を導入し、圧力３０mT
orrのアルゴンガスを用い、ステージ温度２５０℃で平
面上の膜厚が約５００ｎｍになるようにアルミニウムの
スパッタを行った後、超高真空のアニール室に搬送し、
４００℃で３分間リフローアニールした。その結果、図
６の（ｃ）に示すように、良好な埋め込み特性を有し、
平坦部においても良好な膜質のアルミニウム膜１６が形
成された。

【００４２】このように、水素プラズマ処理を行った
後、有機アルミニウム化合物を用いてＣＶＤにより薄い
アルミニウム膜を形成し、その後スパッタ法によりＣＶ
Ｄによるアルミニウム膜上にさらにアルミニウムを堆積
させ、引き続きリフローアニールを行うことにより、埋
め込み性に優れたプラグ構造を形成できるとともに、良
好な上層配線用アルミニウム膜を形成できることが確認
された。

【００４３】（実施例３）図７はこの実施例の半導体装
置の製造方法の一連の工程を説明するための断面図であ
る。本実施例では、半導体基板の多層配線において下層
のアルミニウム配線を上層のアルミニウム配線に接続す
るヴィアホールにアルミニウムを埋め込んでプラグを形
成する場合について説明する。

【００４４】図には示されていない半導体基板上に形成
された下層配線２１に層間絶縁膜として厚さ１μｍの酸
化シリコン層２２を形成した。次に、フォトリソグラフ
ィーを用いてレジストパターンを形成し、フッ素系の混
合ガスを用いたドライエッチングにより直径０．５μｍ
のヴィアホール２３ａを形成し、レジストパターンを除
去した。最後に全面に亘ってスパッタにより窒化チタン
膜２５を堆積した。窒化チタン膜２５の平面上での膜厚
は約３０ｎｍとした。窒化チタン膜２５の表面には、種
々の原因によって変質層２６ａが形成されており、さら
にその上には汚染物２７が付着している。その際の状態
を図７の（ａ）に示す。

【００４５】前工程から受け取った図７の（ａ）に示す
状態の基板を平行平板型ＲＩＥ装置のエッチング室に装
入し、Ａｒを導入し、全圧５０mTorrでＡｒプラズマ処
理を５分間行った。この時のプラズマの電力は０．０２
Ｗ／ｃｍ³程度、電極間の距離は５ｃｍであった。これ
により、窒化チタン膜２５上の変質層２６ａや汚染物２
７は除去された。その際の状態を図７の（ｂ）に示す。

【００４６】次に、基板を大気に曝すことなくＣＶＤ室
内へ導入し、図７の（ｃ）に示ように、ジメチルアルミ
ニウムハイドライド（ＤＭＡＨ）と水素とを用いたＣＶ
Ｄ法により、配線用のアルミニウム膜２８を形成した。
この際に、ＤＭＡＨは水素によってバブリングさせて供
給した。成膜条件は、基板温度を２０４℃、全圧を２．
０Torr、ＤＭＡＨ分圧を０．１８Torr、水素流量を１０
００ＳＣＣＭとし、成膜時間を１５０秒間とした。その
結果、平坦部に形成されたアルミニウム膜２８の膜厚は
２００ｎｍであった。成膜後、収束イオンビームを用い
てコンタクトホールの断面をとって、電子顕微鏡観察を
行った結果、図７の（ｃ）に示すように、アルミニウム
が良好に埋め込まれていることが確認された。

【００４７】次に、比較例について説明する。以下の比
較例において、製造条件は実施例１を基準とし、相違す
る条件のみを説明する。 （比較例１）この比較例では、前処理を行わずに高窒化
チタン膜上に直接ＣＶＤを行った。形成された試料の状
態を図８の（ａ）に示す。この図に示すように、コンタ
クトホール１３へアルミニウムを埋め込むことはでき
ず、しかも平坦部に形成されたアルミニウム膜１６の膜
厚は最大２００ｎｍ最小１００ｎｍと極めて平坦性に劣
るものであった。

【００４８】以上の結果から、本発明の前処理を行わな
いと、窒化チタンの表面に変質膜が形成されたり有機物
が付着したり、あるいは原料ガスによる種々の化学種が
吸着することにより、窒化チタン膜の表面が汚染される
ため、下地金属からの電子供給が阻害され、このためア
ルミニウムの成長が阻害されることが確認された。この
実験結果から明らかなように、ＣＶＤによりアルミニウ
ムを堆積する場合に、本発明の前処理が必須である。

【００４９】（比較例２）この比較例では、水素プラズ
マ処理後、有機アルミニウム化合物を用いたＣＶＤを行
わず、水素プラズマ処理の後直ちにスパッタ法によるア
ルミニウム堆積を実施した。その際の試料の状態を図８
の（ｂ）に示す。この図に示すように、平面部には良好
なアルミニウム膜が堆積されたが、埋め込み不良が発生
した。

【００５０】この実験結果より、プラズマ処理後、スパ
ッタ法によりアルミニウムを堆積させるのでは良好な埋
め込み性能が得られず、プラズマ処理後に有機アルミニ
ウム化合物を用いたＣＶＤを行う場合のみ、良好な埋め
込み性能が得られることが明らかとなった。

【００５１】すなわち、本発明のように、コンタクトホ
ールの内周面を含めて絶縁膜のほぼ全面に亘って下地金
属膜を形成し、その上にアルミニウムを堆積させる場
合、スパッタ法のように埋め込み性の低い堆積技術を用
いたのでは、コンタクト孔内部の堆積速度に比較してコ
ンタクト孔外の平面上の堆積速度が相対的に速いため、
コンタクトホールの内部にアルミニウムが完全に堆積す
る前にコンタクトホールの開口部が、周囲の平面上に堆
積したアルミニウムにより塞がれてしまう。したがっ
て、配線用金属を堆積させる際の前処理として単に本発
明処理を用いただけでは良好な埋め込みプラグを形成す
ることができず、本発明の前処理とＣＶＤプロセスとが
有機的に一体化されて初めて良好な埋め込みプラグを形
成することができる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
凹部内周面上および凹部外の絶縁膜表面上に形成した下
地金属膜表面の状態を調整することにより、全面堆積Ｃ
ＶＤ法により、良好に配線用金属を堆積し、配線要素を
形成することができる半導体装置の製造方法が提供され
る。また、凹部の一部分が塞がれることによって、より
開口部から離れた部分に閉空孔が残らないように、下地
金属膜表面の状態を調整して配線要素を形成することが
できる半導体装置の製造方法が提供される。さらに、下
地金属膜の履歴に依存せず、その上に良好な配線要素を
形成することができる半導体装置の製造装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】下地金属膜に本発明における前処理が施された
後の堆積初期の状態を示す電子顕微鏡写真。

【図２】下地金属膜に本発明における前処理が施された
後の堆積初期の状態を示す電子顕微鏡写真。

【図３】下地金属膜に本発明における前処理が施された
後の堆積初期の状態を示す電子顕微鏡写真。

【図４】本発明の方法を実施するための製造装置の一実
施形態を示す模式図。

【図５】実施例１における半導体装置の製造工程を示す
断面図。

【図６】実施例２における半導体装置の製造工程を示す
断面図。

【図７】実施例３における半導体装置の製造工程を示す
断面図。

【図８】比較例により製造された半導体装置の構造を示
す断面図。

【符号の説明】

１１……半導体基板 １２……拡散層 １３……酸化シリコン層 １３ａ……コンタクトホール １４……窒化チタン膜 １４ａ……変質層 １５……汚染物 １６，２０……アルミニウム膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保坂 重敏 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の１ 東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 小宮山 宏 東京都世田谷区代田５丁目４番４号

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、この基板上に形成され、
   その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁膜と、
   この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成され高融
   点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素材上
   に、配線用金属を堆積して半導体装置を製造する方法で
   あって、 前記下地金属膜表面の状態を非酸化性ガスのプラズマま
   たは非酸化性薬液を用いて調整する工程と、 化学蒸着法により、少なくとも前記凹部内周面上の下地
   金属膜上に、配線用金属を堆積させる工程とを具備する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記非酸化性ガスのプラズマまたは非酸
   化性薬液を用いて表面の状態を調整する工程は、前記凹
   部内周面を含む下地金属膜への堆積初期において微細か
   つ均一で連続的な核形性が可能になるように実施される
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方
   法。
3. 【請求項３】 前記非酸化性ガスのプラズマまたは非酸
   化性薬液を用いて表面の状態を調整する工程は、前記配
   線用金属を堆積させる工程において、前記凹部内周面上
   の下地金属膜上の堆積によって前記凹部が実質的に埋め
   込まれるように実施されることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記配線用金属がアルミニウムであるこ
   とを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項
   に記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 半導体基板と、この基板上に形成され、
   その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁膜と、
   この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成され高融
   点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素材上
   に、配線用金属を堆積して半導体装置を製造する方法で
   あって、 前記下地金属膜表面の状態を、非酸化性ガスのプラズマ
   または非酸化性薬液を用いて調整する工程と、 化学蒸着法により、少なくとも前記凹部内周面上の下地
   金属膜上に、第１の配線用金属を堆積させる工程と、 絶縁膜表面上に堆積された第１の配線金属を選択的に除
   去する工程と、 絶縁膜上の第１の配線金属が除去された部分に第２の配
   線用金属をさらに堆積する工程とを具備することを特徴
   とする半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 半導体基板と、この基板上に形成され、
   その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁膜と、
   この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成され高融
   点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素材上
   に、配線用金属を堆積して半導体装置を製造する方法で
   あって、 前記下地金属膜表面の状態を、非酸化性ガスのプラズマ
   または非酸化性薬液を用いて調整する工程と、 化学蒸着法により、少なくとも前記凹部内周面上の下地
   金属膜上に、第１の配線用金属を堆積させる工程と、 真空中で連続して、あるいは一旦大気中に取り出して第
   ２の配線用金属をさらに堆積する工程とを具備すること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 半導体基板と、この基板上に形成され、
   その中に配線要素が形成される凹部を有する絶縁膜と、
   この絶縁膜の凹部内周面上および表面上に形成され高融
   点金属を含む下地金属膜とを有する半導体装置素材上
   に、配線用金属を堆積させるための製造装置であって、 前記下地金属膜表面の状態を非酸化性ガスのプラズマを
   用いて調整する機構と、 化学蒸着により、少なくとも前記凹部内周上の下地金属
   膜上に、配線用金属を堆積させる機構とを具備すること
   を特徴とする半導体装置の製造装置。