JPH1041386A

JPH1041386A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1041386A
Application number: JP8194711A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tsutsumi; 聡明堤; Kenichi Mori; 健壹森
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-07-24
Filing date: 1996-07-24
Publication date: 1998-02-13
Also published as: CH692028A5; US6080953A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】従来の技術では、半導体装置内にコンタクト
プラグを形成する場合、コンタクトホール内に導電物質
を埋設する際に、高温スパッタ法によって熱処理を行い
埋め込む方法が取られていた。しかし、この方法ではコ
ンタクトプラグ内にボイドが残り、コンタクトプラグの
電気特性の低下が生じる等の問題があった。【解決手段】コンタクトホール３内にバリアメタル４
を介してＣｕ膜７を均一な厚さに積層し、さらにＡｌ膜
８を積層後、リフローを行う。この方法によるとコンタ
クトホール内に十分に導電物質が積層され、加熱によっ
て生じるＡｌＣｕ合金膜の流動性が高いため、ボイドを
発生することなくコンタクトホールを埋設することが可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法に関し、特に層間絶縁膜内にコンタクトホールを
開口後、その内部に導電物質を埋設し、コンタクトプラ
グを形成する方法及び、絶縁物質からなる層内に溝を形
成後、その内部に導電物質を埋設し、配線を形成する方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造段階において、例えば
半導体基板の導電領域と上層配線と接続するコンタクト
プラグ、若しくは上層配線と下層配線とを接続するスル
ーホール（ここではコンタクトプラグと総称する）を形
成する際、半導体基板の導電領域上、若しくは下層配線
上に積層された層間絶縁膜に対し、選択的にエッチング
を行いコンタクトホールを開口後、このコンタクトホー
ル内に導電物質を埋設してコンタクトプラグを形成する
方法が一般的に用いられている。

【０００３】従来の製造方法によってコンタクトプラグ
を形成する場合、まず、図１３に示すように、半導体基
板１０１の一主面上に絶縁物質からなる層間絶縁膜１０
２を１００００Å程度の厚さに積層後、所定の位置に層
間絶縁膜１０２の表面から半導体基板１０１の一主面ま
での高さにかけて選択的に異方性エッチングを行い、開
口径（Ｘ）が約３０００Åであるコンタクトホール１０
３を形成する。さらに、イオン注入を行うなどして半導
体基板１０１の一主面に導電領域１０１ａを形成する。

【０００４】その後、図１４に示すように、層間絶縁膜
１０２の表面及びコンタクトホール１０３の露出した内
壁（側壁及び底面）にスパッタリング、若しくはＣＶＤ
技術を用いて例えばＴｉＮ等からなるバリアメタル１０
４を１０００Åの厚さに積層し、さらにＡｌ若しくはＡ
ｌＣｕ（０．５重量％）からなる金属膜１０５を５００
０Åの厚さに積層する。

【０００５】その後、図１５に示すように、４００〜５
００℃程度の温度で熱処理することにより、合金膜１０
５を流動させ（リフロー）、コンタクトホール１０３の
開口部内に金属膜１０５を埋め込み、コンタクトプラグ
１０３ａを形成する。このリフローの際に、Ａｌの融点
が６６０℃と高温であるのに４００〜５００℃の熱処理
によって金属膜１０５の流動化させることが可能となる
のは、金属膜１０５の最表面では表面拡散によって流動
性が高くなり、コンタクトホール１０３の開口部へ層間
絶縁膜１０２の表面上に積層された金属膜１０５が流れ
込むためである。また、Ａｌ合金膜を埋め込む方法とし
て、高温下におけるスパッタリング法によりＡｌ合金膜
を堆積すると同時に、この方法により積層されたＡｌ合
金膜の表面流動性が高いことを利用して埋め込みを行う
という方法があるが、この方法を用いた場合には形成さ
れたＡｌ合金膜の表面の凹凸が激しくなってしまう。

【０００６】しかし、金属膜１０５の表面部分の流動に
よって形成されるコンタクトプラグ１０３ａは、コンタ
クトホール１０３の開口部内が金属膜１０５によって完
全に埋め尽くされる前に開口部上端を、この近傍に位置
する流動性が増した金属膜１０５が塞いでしまい、コン
タクトプラグ１０３ａの内部にはボイド（空洞）１０６
が残った状態となってしまう。

【０００７】リフロー終了後、図１６に示すように、層
間絶縁膜１０２上に積層された金属膜１０５及びバリア
メタル１０４に対してパターニングを行い、上層配線１
０７を形成する。

【０００８】また、コンタクトプラグ１０３ａの内部に
残ったボイド１０６の形状は、その後の工程に熱処理が
あった場合に図１７に示すように、表面の曲率半径を増
大させるように成長し、その結果、コンタクトプラグ１
０３ａを構成する金属膜１０５の膜厚が局所的に薄膜化
し、その部分において、コンタクトプラグ１０３ａの信
頼性を劣化させていた。

【０００９】このように、コンタクトホール１０３のア
スペクト比が大きく（例えばその値が３以上に）なる
と、金属膜１０５の最表面での拡散現象に依存する上記
のプロセスでは、コンタクトホール１０３の上部（開口
部）で流動したＡｌがオーバーハング形状となり、コン
タクトホール１０３の内部に金属膜１０５が充填される
前に開口部上端が塞がれ、その結果コンタクトホール１
０３内部には図１５、図１６に示すように、ボイド１０
６が形成されてしまい、コンタクトホール１０３の信頼
性低下の原因となり、半導体装置の微細が進むとともに
良好な特性のコンタクトプラグを得ることが困難となっ
てきている。

【００１０】上記のようなボイドの発生を抑制し、隙間
なく導電物質をコンタクトホール１０３内に埋め込む方
法として様々な方法が考えられているが、融点の高いＣ
ｕ膜をコンタクトホールに埋め込む方法が特開平６−２
３２２７８号公報に示されている。

【００１１】この方法では、図１３と同様に、コンタク
トホール１０３を開口した後、図１８に示すように、ス
パッタ法によりコンタクトホール１０３の内壁を含む層
間絶縁膜１０２の表面にＡｌ膜１０８を被着させ、その
後、さらに高温スパッタ法によりＣｕ膜１０９を積層す
る。このＣｕ膜１０９の成膜と同時にＡｌとＣｕ間では
合金反応が起こり、この合金反応によって生じた合金膜
１１０は流動性が高い為に、コンタクトホール１０３内
にボイドを生じさせることなくＣｕ合金膜を充填させて
いた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平６−２
３２２７８号公報に示されている従来のコンタクトプラ
グの形成方法では、スパッタ法によりＡｌ膜、Ｃｕ膜を
順次積層するため、コンタクトホール１０３内に積層さ
れる金属膜（Ａｌ膜、Ｃｕ膜）の膜厚はコンタクトホー
ル１０３の開口部上端から底面にかけて徐々に小さくな
る傾向にあり、コンタクトホール１０３の底面近傍にス
パッタによって堆積される金属の量が少なくなってしま
い、効率良くコンタクトプラグの埋め込みを行うことが
できずハーフミクロン以下のホールではボイドが形成さ
れていた。

【００１３】さらに、図１９に示すように、高温下にお
いてスパッタ法によりＡｌ膜１０５の成膜を行い、コン
タクトホール１０３の埋め込みを行うと、形成されたＡ
ｌ膜１０５の表面には凹凸が生じ、この段差はその後の
成膜工程によっても解消されずに残り、上層配線のパタ
ーニングのための写真製版を行う段階での露光光がＡｌ
膜１０５表面の凹凸のために乱反射し、正確なパターニ
ングが困難になる等の問題があった。

【００１４】この発明は、コンタクトホールの埋め込み
を確実かつ効率良く行い、良好な電気特性のコンタクト
プラグ、またはスルーホールを得る方法を提供し、さら
に、同じ要領で絶縁膜内に良好な電気特性を有する埋め
込み配線を形成する方法を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明による半導体装
置の製造方法は、半導体基板内の導電領域若しくは半導
体基板上の配線上に積層された層間絶縁膜に選択的にエ
ッチングを行い、上記層間絶縁膜の上面から上記導電領
域若しくは上記配線の上面の高さにかけてコンタクトホ
ールを開口する工程、少なくとも上記コンタクトホール
の底面を含む内壁にバリアメタルを介して第一の金属膜
を積層する工程、上記第一の金属膜の上面に第二の金属
膜を積層する工程、熱処理を行い、上記第一、第二の金
属膜の合金膜を生成し、上記コンタクトホール内に上記
合金膜を埋設し、コンタクトプラグを形成する工程を含
み、さらに、上記第一の金属膜は、少なくとも上記コン
タクトホールの内壁に均一な厚さとなるように積層する
ものである。

【００１６】また、この発明による半導体装置の製造方
法は、半導体基板内の導電領域若しくは半導体基板上の
配線上に積層された層間絶縁膜に選択的にエッチングを
行い、上記層間絶縁膜の上面から上記導電領域若しくは
上記配線の上面の高さにかけてコンタクトホールを開口
する工程、少なくとも上記コンタクトホールの底面を含
む内壁にバリアメタルを介して第一の金属膜を積層する
工程、上記第一の金属膜の上面に第二の金属膜を積層す
る工程、熱処理を行い、上記第一、第二の金属膜の合金
膜を生成し、上記コンタクトホール内に上記合金膜を埋
設し、コンタクトプラグを形成する工程を含み、さら
に、上記熱処理工程は、上記第一、第二の金属膜を積層
後に行うものである。

【００１７】さらに、この発明による半導体装置の製造
方法は、絶縁膜の一主面下に所定の形状の開口部を形成
する工程、上記開口部の内壁を含む上記絶縁膜の表面上
にバリアメタルを介して第一の金属膜を積層する工程、
上記第一の金属膜の上面に第二の金属膜を積層する工
程、熱処理を行い、上記第一、第二の金属膜からなる合
金膜を生成し、上記合金膜の一部を上記開口部内に埋め
込む工程、上記合金膜のうち上記絶縁膜の一主面より上
部に積層された部分を除去し、上記開口部内に埋設され
た合金膜のみを残す工程を含むものである。

【００１８】また、この発明による半導体装置の製造方
法は、上記のような半導体装置の製造方法において、特
に第一の金属膜をＣＶＤ技術を用いて積層するものであ
る。

【００１９】さらに、この発明による半導体装置の製造
方法は、上記のような半導体装置の製造方法に加え、さ
らに、第一の金属膜はＣｕ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｎ、
Ｉｎ、Ｓｂのいずれかによって構成し、第二の金属膜は
Ａｌによって構成するものである。

【００２０】また、この発明による半導体装置の製造方
法は、上記のような半導体装置の製造方法に加え、第一
の金属膜はＡｌ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ
のいずれかによって構成し、第二の金属膜はＣｕによっ
て構成するものである。

【００２１】また、この発明による半導体装置の製造方
法は、熱処理（リフロー）を、第一、第二の金属膜を積
層後に行う場合を除き、上記第二の金属膜を積層する工
程と上記熱処理工程とを同時に処理するものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１の製造
方法によって形成した半導体装置の一断面図を示してお
り、図において、１は半導体基板、２は半導体基板１の
一主面上に１００００Åの厚さにＣＶＤ技術によって積
層された絶縁物質からなる層間絶縁膜、３は層間絶縁膜
２の上面から半導体基板１の一主面までを選択的な異方
性エッチングによって開口したコンタクトホールを示し
ており、このコンタクトホール３は半導体基板１の表面
にイオン注入などによって形成された導電領域１ａに接
している。

【００２３】さらに、４はＴｉＮ膜等からなり、コンタ
クトホール３の内壁（側壁及び底面）及び層間絶縁膜２
の表面に付着した膜厚１０００Åのバリアメタル、５は
バリアメタル４の上面に積層され、コンタクトホール３
内を完全に埋設した状態のＡｌとＣｕの合金膜であり、
コンタクトホール３内に埋設された部分であるコンタク
トプラグ６ａと、層間絶縁膜２上に配線の形状にパター
ニングされた部分である上層配線６ｂからなっている。

【００２４】次に、図１に示した半導体装置の製造方法
について以下に説明する。まず、図２に示すように半導
体基板１の一主面にシリコン酸化膜等の絶縁物質をＣＶ
Ｄ技術を用いて１００００Åの厚さに積層し、層間絶縁
膜２を形成する。その後、半導体基板１の表面の活性領
域となっている領域上に位置する層間絶縁膜２を選択的
に写真製版及び異方性エッチングを行うことで除去し、
開口径（Ｘ）が３０００Åであるコンタクトホール３を
形成する。その後、イオン注入などにより、コンタクト
ホール３の下部に位置する半導体基板１の表面に導電領
域１ａを形成する。

【００２５】その後、図３に示すように、コンタクトホ
ール３の内壁及び層間絶縁膜２の表面にスパッタリング
若しくはＣＶＤ技術を用いてＴｉＮ膜等からなるバリア
メタル４を１０００Åの厚さに積層する。次に、バリア
メタル４上にＣｕ膜７をＣＶＤ技術により、１５０〜２
５０℃の温度で、原材料ガスとしてはＣｕ（ＨＦＡ）
（ｔｍｖｓ）（ヘキサフルオロアセチルアセテートトリ
メチルビニルシリルカッパー）等を用いて、圧力１〜５
Ｔｏｒｒの条件下において膜厚５０〜１００Åとなるよ
うに積層する。ここで形成するＣｕ膜７は、ＣＶＤ技術
により成膜を行っているため、層間絶縁膜２の表面上及
びコンタクトホール３の内壁にも均一な厚さとなるよう
に積層される。

【００２６】さらに、Ｃｕ膜７の表面上にＡｌ膜８をス
パッタリング法を用いて室温〜２００℃の温度で、圧力
数ｍＴｏｒｒ、パワー数ｋｗの条件下において、層間絶
縁膜２の上面に膜厚５０００〜１００００Åの厚さとな
るように成膜を行う。このＡｌ膜８はスパッタリング法
によって形成しているためコンタクトホール３の側壁に
積層される膜厚は開口部上端から底面に向かって徐々に
減少し、また、底面においても層間絶縁膜２上面に積層
された膜厚よりも小さい膜厚のＡｌ膜８が積層された状
態となる。

【００２７】次に、図４に示すように、例えば、４００
〜５００℃で３〜５分のアニールを行う（リフロー）こ
とでＣｕ膜７とＡｌ膜８を反応させ、ＣｕＡｌからなる
合金膜５とし、同時にコンタクトホール３内に合金膜５
を埋め込み、コンタクトプラグ６ａを形成する。その
後、層間絶縁膜２上に積層された合金膜５及びバリアメ
タル４に対して写真製版とエッチングの組み合わせによ
りパターニングを行うなどして上層配線６ｂを形成する
ことで図１に示すようなコンタクトプラグ６ａを含む半
導体装置を得る。

【００２８】上記の熱処理による合金膜５の形成とコン
タクトプラグ６ａの形成について、さらに説明を加える
と、４００〜５００℃の熱処理を加えた段階で、まずＣ
ｕ膜７とＡｌ膜８の界面近傍においてＡｌ膜８にＣｕが
溶解し、この部分に合金膜５が形成される。さらに溶解
が進み、合金膜５を構成する物質の一方の濃度が、Ａｌ
とＣｕとの共晶反応点近傍の濃度（約３３重量％）に達
すると、合金膜５の融点は５５０℃程度まで低下し、流
動性が改善され、コンタクトホール３内への埋め込みが
さらに容易となる。

【００２９】本発明によれば、層間絶縁膜２の上層に積
層された金属膜の最表面のみが流動化するのではなく、
コンタクトホール３内及びその近傍のＡｌ膜８とＣｕ膜
７との界面においても合金膜５の流動性が増し、オーバ
ーハング形状の形成を防止しつつコンタクトホール３内
への良好な埋め込みが可能になる。さらに、Ｃｕ膜７は
Ａｌ膜８に吸収され、時間とともに徐々に拡散し、ほぼ
均一なＣｕ濃度の合金膜５を形成できる。

【００３０】また、リフローの初期段階においてはコン
タクトホール３内においては、コンタクトホール３の外
部よりもＡｌの量に対するＣｕの量が多く、相対的に見
てＣｕ濃度が高いために、コンタクトホール３内におい
て特に流動性を向上させることができ、良好な埋め込み
特性のコンタクトプラグ６ａを形成することが可能で、
リフロー後には、Ｃｕが合金膜５全体に拡散するため
に、最終的には合金膜５のＡｌに対するＣｕ濃度が小さ
くなり、コンタクトプラグ６ａの抵抗及び、層間絶縁膜
２の上面に形成される上層配線６ｂの抵抗の上昇を抑制
することが可能である。

【００３１】さらに、上記に示したＣｕ膜７、Ａｌ膜８
の膜厚に限らず、積層するＣｕ膜７、Ａｌ膜８の堆積量
を任意に調整することによって最終的に得られる合金膜
５の抵抗値を変化させることが可能である。

【００３２】また、例えば、Ａｌを主成分とするＡｌＣ
ｕ合金膜５のＣｕ濃度を最終的に０．５〜５重量％程度
とできれば、バリアメタル４上に積層する膜をＣｕ単体
からなる膜ではなく、ＡｌＣｕからなる合金膜とし、こ
の合金膜上に、さらにＡｌ膜８を積層し、リフローを行
うことで図１に示すような良好な電気特性を有するコン
タクトプラグ６ａを得ることが可能である。

【００３３】さらに、本発明のＣｕ膜７、Ａｌ膜８の積
層は比較的低温（常温〜２００℃）の条件下において行
い、その後、リフローを行う方法を採っているため、高
温スパッタ法を用い、成膜しつつリフローを行う場合と
は異なり、合金膜５の表面には凹凸が生じることなく、
その後、上層配線６ｂをパターングする際にも、写真製
版時に合金膜５の表面において露光光が乱反射すること
なく、正確なパターニングを行うことが可能となる。

【００３４】また、第一の金属膜であるＣｕ膜７の代わ
りに、Ｇｅ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂのいずれか
からなる膜を積層することによっても、Ｃｕ膜７を積層
した場合と全く同様に良好なコンタクトプラグ形成を行
うことが可能である。

【００３５】さらに、上記の例では、半導体基板１の表
面の導電領域１ａと上層配線６ｂとを接続するコンタク
トプラグ６ａの形成について述べたが、下層配線と上層
配線を接続するスルーホールを形成する場合、つまり、
下層配線を構成するＡｌ、Ｗ等の金属膜、ＷＳｉ₂、Ｔ
ｉＳｉ₂等の金属シリサイド若しくは多結晶シリコン膜
等からなる膜で構成した後、上記のコンタクトプラグ６
ａを形成する要領で、スルーホールを形成することも可
能である。上記の方法によって形成したスルーホールは
埋め込み特性に優れ、良好な電気特性を有するものとす
ることが可能である。

【００３６】実施の形態２．実施の形態１においては、
半導体基板１上に積層された層間絶縁膜２にコンタクト
ホール３を開口し、バリアメタル４を積層後、Ｃｕ膜７
をＣＶＤ技術によって、原材料ガスとしてＣｕ（ＨＦ
Ａ）（ｔｍｖｓ）を用い、圧力１〜５Ｔｏｒｒ、１５０
〜２５０℃の温度という条件下で積層し、その後、スパ
ッタリング法によって圧力が数ｍＴｏｒｒ、パワーが数
ｋｗ、温度が室温〜２００℃の比較的低温である条件下
においてＡｌ膜８を積層する例を示した。この実施の形
態では、Ａｌ膜８をスパッタリング法によって形成する
のではなく、ＣＶＤ技術を用いて形成する場合について
述べる。

【００３７】まず、実施の形態１と同様に、層間絶縁膜
２内にコンタクトホール３を形成し、バリアメタル４を
１０００Åの厚さとなるようにコンタクトホール３の内
壁と層間絶縁膜２の上面に付着形成し、さらにＣｕ膜７
をＣＶＤ技術によってＣｕ（ＨＦＡ）（ｔｍｖｓ）等を
原材料ガスとし、圧力１〜５Ｔｏｒｒ、温度１５０〜２
５０℃の条件下においてＣＶＤ技術を用いて５０〜１０
０Åの厚さとなるように積層する。

【００３８】その後、図５に示すように、ＤＭＡＨ
（（ＣＨ₃）₂ＡｌＨ：ジメチルアルミハイドライド）若
しくはＴＩＢＡ（トリイソブチルアルミ）等のガスを用
いて、温度１５０〜２００℃、圧力数ｍ〜数十ｍＴｏｒ
ｒ、ＲＦ（radio-frequency）電力１００〜５００Ｗの
条件下において、プラズマＣＶＤ技術により、層間絶縁
膜２の上面に積層される膜厚が５０００〜１００００Å
となるようにＡｌ膜９を積層する。なお、この図５にお
いて、説明のために付した符号は、既に説明のために用
いた符号と同一符号は同一、若しくは相当部分を示すも
のである。

【００３９】ここで形成したＡｌ膜９は、プラズマＣＶ
Ｄ技術で形成しているため、減圧で残留ガスの影響の少
ない状態で純度の高いＡｌ膜が形成されるが、スパッタ
法で形成した膜と同様に層間絶縁膜２の上面で厚く、コ
ンタクトホール３内で薄く形成される。コンタクトホー
ル３の内壁には、均一な厚さのＣｕ膜７が形成されてお
り、その後、例えば４００〜５００℃の温度で３〜５分
間の熱処理を行う（リフロー）ことで、実施の形態１の
図４に示す場合と同様に、Ｃｕ膜７とＡｌ膜９の合金化
が生じ、合金膜５が生成され、これとともに合金膜５の
流動性が向上し、コンタクトホール３の開口部内に流れ
込み、ボイドを形成することなく完全にコンタクトホー
ル３の内部を埋設することが可能になる。

【００４０】このように、Ａｌ膜９をプラズマＣＶＤ技
術によって形成する場合においても、その下層に積層し
たＣｕ膜７をＣＶＤ技術を用いて十分な厚さに積層して
いるため、リフロー時にコンタクトホール３内部に形成
されるＡｌＣｕ合金膜のＣｕ濃度を所定値以上とするこ
とができ、十分な流動性を確保できるため、コンタクト
ホール内を完全に埋め込むことができる。

【００４１】さらに、実施の形態１と同様に、リフロー
終了後には、Ｃｕは合金膜５内部に拡散し、均一な濃度
となるため、最終的に得られるコンタクトプラグ６ａ及
び、層間絶縁膜２の表面上にその後のパターニングによ
って形成される上層配線６ｂの抵抗上昇を抑制でき、良
好な電気特性のコンタクトを含む半導体装置を得ること
が可能となる。

【００４２】また、実施の形態１と同様に第一、第二の
金属膜であるＣｕ膜７、Ａｌ膜９を低温で形成した後、
リフローを行うため、形成された合金膜５の表面は凹凸
のない平坦な面となり、その後のパターニングの写真製
版時に合金膜５の表面において露光光が乱反射せず、寸
法精度の高いパターニングを行うことが可能となる。

【００４３】また、この実施の形態２においても、実施
の形態１と同様に、第一の金属膜であるＣｕ膜７の代わ
りにＧｅ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂのいずれかか
らなる膜を形成することでも全く同様の効果を得ること
が可能になる。

【００４４】実施の形態３．次に、この発明の実施の形
態３について説明する。実施の形態１、２においては、
コンタクトホール３を形成後、バリアメタル４を成膜し
た後、第一の金属膜としてＣｕ膜７を、さらに第二の金
属膜としてＡｌ膜８（９）をそれぞれ形成した例を示し
た。

【００４５】この実施の形態３では第一、第二の金属膜
を構成する物質を実施の形態１、２の場合とは逆に設定
し、第一の金属膜としてＡｌ膜をＤＭＡＨ若しくはＴＩ
ＢＡ等のガスを用いて、温度１５０〜２００℃、圧力１
〜２Ｔｏｒｒの条件下において、ＣＶＤ技術により、層
間絶縁膜２の上面に積層される膜厚がほぼ均一に５０〜
１００Åとなるように積層する。次に第二の金属膜とし
てＣｕ膜をスパッタリング法よって形成する点に特徴が
ある。

【００４６】次に、その製造方法について述べる。ま
ず、最初に、実施の形態１、２と同様に、半導体基板１
の一主面の導電領域を一部露出させるように層間絶縁膜
２を選択的にエッチングし、コンタクトホール３を形成
する（図２に相当する）。その後、ＴｉＮ等からなるバ
リアメタル４をコンタクトホール３の内壁及び層間絶縁
膜２の上面にＣＶＤ技術、若しくはスパッタリング法を
用いて５０〜１００Åの厚さに積層する。

【００４７】次に、図６に示すように、Ａｌ膜１０をＤ
ＭＡＨ、ＴＩＢＡ等のガスを用い、処理温度１５０〜２
００℃、圧力１〜２Ｔｏｒｒの条件下においてＣＶＤ技
術によってバリアメタル４の表面上に５０〜１００Åの
厚さとなるように積層する。次に、Ａｌ膜１０の表面上
に、スパッタリング法により層間絶縁膜２の上に積層さ
れる膜厚が５０００〜１００００ÅとなるようにＣｕ膜
１１を積層する。

【００４８】その後、４００〜５００℃の温度で３〜５
分間リフローを行い、コンタクトホール３の空洞となっ
ている部分をＡｌ膜、Ｃｕ膜からなる合金膜５によって
埋め込み、図１に示すようなコンタクトプラグ６ａを形
成する。このリフロー後に得られるＡｌ膜１０とＣｕ膜
１１の合金膜５（実施の形態１とは構成する物質の比が
異なる）は、Ｃｕを主成分として含有し、そのＡｌ濃度
が０．５〜５重量％となるようにする。最後に、層間絶
縁膜２の上面に残った合金膜５及びバリアメタル４に対
してパターニングを行い、上層配線６ｂを形成すること
については既に説明した実施の形態１、２と同様であ
る。

【００４９】このように、第一の金属膜としてＡｌ膜１
０を形成し、第二の金属膜としてＣｕ膜１１を形成して
も、リフロー時にＡｌ膜１０とＣｕ膜１１との界面にお
いて溶解し、共晶反応点近傍の低融点のＡｌＣｕ合金が
生成され、この合金膜が流動し、埋め込み特性を顕著に
向上させる。

【００５０】Ｃｕは単体であれば、その融点は１０８５
℃と高温であるが、Ａｌ膜と接する状態とすることで、
４００〜５００℃の熱処理でコンタクトホール３への効
果的な埋め込みを可能としている。また、Ｃｕを主成分
とするＡｌ濃度の小さい合金膜５をコンタクトプラグ６
及びその上部に形成される上層配線の原材料とできるた
め、低抵抗でかつエレクトロマイグレーション耐性に優
れた配線膜を得ることが可能になる。

【００５１】また、第一の金属膜として形成するＡｌ膜
１０はＧｅ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれか
からなる金属であっても全く同様に効率良くコンタクト
ホール３を埋設し、コンタクトプラグ６ａを形成するこ
とが可能である。

【００５２】実施の形態４．次に実施の形態４について
説明する。実施の形態３ではコンタクトホール３を形成
後、バリアメタル４を積層し、第一の金属膜としてＡｌ
膜１０をＣＶＤ技術を用いて積層し、さらにＣｕ膜１１
をスパッタリング法によって圧力数ｍＴｏｒｒ、パワー
数ｋｗ、温度を室温〜２００℃の条件下において積層
後、リフローを行い、コンタクトホール３内への埋め込
みを行うというものであった。この実施の形態４では、
第一の金属膜であるＡｌ膜は実施の形態３と同様に形成
を行い、第二の金属膜であるＣｕ膜１１については、プ
ラズマＣＶＤ技術を用いて成膜を行うという点に特徴が
ある。

【００５３】第二の金属膜としてＣｕ膜１１ａを形成し
た段階での断面図を図７に示す。このＣｕ膜１１ａはプ
ラズマＣＶＤ技術により比較的減圧（数ｍＴｏｒｒ〜数
十ｍＴｏｒｒ）でＲＦ電力１００〜５００Ｗ、温度１５
０〜２５０℃で形成するため、熱ＣＶＤ技術により形成
された膜に比べＣＶＤ反応室の残留ガスの影響が少な
く、純度の高い膜が形成されるが、スパッタ法と同様
に、層間絶縁膜２上面（５０００〜１００００Å）に比
べてコンタクトホール３内壁は薄い（２００〜１０００
Å）膜が形成された状態となる。

【００５４】その後、実施の形態３と同様にリフローを
行うことによって、コンタクトホール３の内部にＡｌ膜
１０とＣｕ膜１１ａ及びそれらの合金膜が流動性を増す
ことで、流れ込み、最終的に、合金膜５（実施の形態１
とは構成する物質の比が異なる）のＡｌ濃度、Ｃｕ濃度
は異なるが、図１に示すコンタクトプラグ構造を得るこ
とができ、実施の形態３とほぼ同様の効果を有する良好
な電気特性のコンタクトプラグ６ａを有する半導体装置
を形成することが可能である。

【００５５】実施の形態５．次に、この発明の実施の形
態５について説明する。既に説明した実施の形態におい
ては、コンタクトプラグ６ａ及び上層配線となる第一の
金属膜と第二の金属膜を形成後に熱処理により第二の金
属膜をリフローしていた。しかし、この実施の形態５で
は、第一の金属膜としてＣｕ膜をＣＶＤ技術を用いて形
成し、第二の金属膜としてＣｕ膜を４００〜５００℃の
高温下において、スパッタリング法によって成膜を行う
という点に特徴がある。

【００５６】従来の技術にあるように、Ａｌ膜を高温下
で形成すると表面の凹凸の激しい膜となり、写真製版が
困難になり、時にはボイドが形成されたりしていた。

【００５７】しかし、本発明では、第一の金属膜とし
て、最初にＣｕ膜を熱ＣＶＤ技術によってコンタクトホ
ール３内に均一な厚さ５０〜１００Åとなるように積層
し、その後、高温下においてスパッタリング法でＡｌ膜
を層間絶縁膜２上に積層される膜厚が５０００〜１００
００Å程度となるように成膜を行うことで、高温下にお
けるＡｌ膜の形成と同時にコンタクトホール３内及びそ
の近傍においてＣｕ濃度が約３０重量％に近づき流動性
が増し、コンタクトホール３の空洞の部分へと流動化し
た金属膜が流れ込み、隙間なくコンタクトホール３内部
を埋めることが可能となり、良好な電気特性のコンタク
トプラグ６ａを形成することが可能となる。

【００５８】この実施の形態５では、第一の金属膜とし
てＣｕを積層後、第二の金属膜としてＡｌを高温下にお
いて積層するため、Ａｌ積層段階初期に形成されるＡｌ
Ｃｕ合金は、Ｃｕが高濃度に含有されているため、グレ
イン成長が抑制でき、コンタクトホールの埋め込み特性
を向上させつつ、得られる合金膜の表面を平坦なものと
することが可能になる。

【００５９】表面が平坦な合金膜が形成できることで、
この合金膜及びこの下層のバリアメタルのパターニング
のための写真製版工程において、露光光が合金膜表面に
おいて乱反射することなく、良好な状態での露光が可能
となり、正確な寸法の上層配線を得ることができる。

【００６０】実施の形態６．既に説明した実施の形態１
〜５においては、半導体基板の一主面に形成された導電
領域若しくは下層配線と上層配線を接続するコンタクト
及びスルーホールの形成方法について述べた。次に、こ
の発明の実施の形態６として実施の形態１〜５のコンタ
クトプラグの形成方法を応用した配線の形成方法につい
て述べる。

【００６１】図８は本実施の形態６の製造方法によって
形成した配線の配線幅方向に沿って切断した場合の断面
図を示すものであり、図において１５は、層間絶縁膜２
の表面に形成された溝１４の内部にバリアメタル４を介
して形成された合金膜からなる埋め込み配線を示してお
り、既に説明のために用いた符号と同一符号は同一、若
しくは相当部分を示すものである。この埋め込み配線１
５は、上記の実施の形態１〜７のコンタクトプラグ６と
同様の方法で形成されたものであり、その形成方法の一
例を次に示す。

【００６２】まず、図９に示すように、半導体基板１の
上層に層間絶縁膜２を１００００Å程度の厚さに積層す
る。その後、写真製版及び異方性エッチングを行うこと
によって深さ４０００Åで幅４０００Å、長さ数十μｍ
程度の寸法の溝１４を形成する。その後、図１０に示す
ように、少なくとも溝１４内壁に付着するようにＣＶＤ
技術若しくはスパッタリング法を用いてバリアメタル４
として例えばＴｉＮを５００Å程度の厚さに積層する。

【００６３】さらにバリアメタル４の上層に、ＣＶＤ技
術によって第一の金属膜であるＣｕ膜１６を５０〜１０
０Å程度の厚さとなるように積層し、さらに上層にスパ
ッタリング法又はプラズマＣＶＤ法によってＡｌ膜１７
を５０００Åの厚さとなるように積層する。なお、上記
の各膜の膜厚は、層間絶縁膜２の上面に積層される膜厚
を示している。

【００６４】また、上記のＣｕ膜１６とＡｌ膜１７の形
成方法については、実施の形態１〜５に示した製造方法
に対応する第一の金属膜と第二の金属膜の成膜方法に従
って、同様に処理することが可能である。また、図１１
は後工程において埋め込み配線１５が形成される溝１４
の長さ方向に沿った断面図を示すものである。

【００６５】図１０に示すように、他の実施の形態のよ
うにスパッタリング法又はプラズマＣＶＤ法によってＡ
ｌ膜１７を成膜すると、溝１４の内部においては、その
Ａｌ膜１７の膜厚は、溝１４の開口部上端から底面にか
けて徐々に小さくなる傾向にあることが分かる。

【００６６】次に、図１２に示すように、実施の形態１
と同様に４００〜５００℃の条件下において３〜５分間
の熱処理を行い（リフロー）、Ａｌ膜１７を流動させて
溝１４の内部への埋め込みを行う。この熱処理によっ
て、第一、第二の金属膜であるＣｕ膜１６及びＡｌ膜１
７は合金膜１８となる。

【００６７】その後、層間絶縁膜２の一主面より上に位
置するバリアメタル４及び合金膜１８に対し、ＣＭＰ
（chemical mechanical polishing）法によって研磨を
行い、溝１４の内部にのみバリアメタル４及び合金膜１
８を残した状態とする。このような処理を行うことで図
９に示すような埋め込み配線１５を得ることが可能とな
る。

【００６８】また、上記のような例に限らず、第一、第
二の金属膜として形成する膜の堆積量の比率を変化させ
ることで最終的に得られる埋め込み配線１５の配線抵抗
を調整することが可能であり、さらに第一の金属膜を構
成する物質を、他の実施の形態と同様に、Ｇａ、Ｇｅ、
Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｓｂによって形成することも可能で
あり、その場合においても、この例のようにＣｕ膜１６
を積層した場合と全く同様の効果を有するものである。

【００６９】さらに、この実施の形態６において、第一
の金属膜はＣＶＤ技術により形成したＣｕ膜、第二の金
属膜はスパッタリングによって形成したＡｌ膜として例
示したが、これに限らず、実施の形態１ないし６の場合
に対応する成膜方法、構成物質を用いて第一、第二の金
属膜を成膜し、ボイド等が形成されておらず、低抵抗で
埋め込み配線１５を形成することが可能となる。

【００７０】このように、コンタクトプラグの形成だけ
に限らず、層間絶縁膜２等の絶縁膜中に溝１４を設け、
この内部に良好な電気特性の埋め込み配線を形成するこ
とも可能である。

【００７１】

【発明の効果】この発明は、コンタクトホール内にバリ
アメタルを介して第一の金属膜を埋め込む際、この膜を
均一な厚さとして形成し、また上層に堆積する第二の金
属膜に対し、十分な膜厚を確保できるようにすること
で、熱処理時にコンタクトホール内において、ボイドを
生じることなく完全に埋め込みを行うことが可能であ
り、良好な電気特性のコンタクトプラグを有する半導体
装置を形成することが可能となる。

【００７２】また、この発明は、コンタクトホールの開
口部内の埋め込みを行うリフロー（熱処理）は、コンタ
クトホール内部に第一、第二の金属膜積層後に行う方法
を採っているため、最終的に得られる第一、第二の金属
膜からなる合金膜の表面には凹凸がなく平坦なものとな
っている。これによって、上層配線のパターニングの際
の写真製版工程において露光光が合金膜の表面で乱反射
することがなく、正確なパターニングが可能となる。

【００７３】さらに、層間絶縁膜等の絶縁物質内に埋め
込み配線を形成する場合にも、コンタクトを形成する場
合と同様に、コンタクトホールの代わりに溝を設け、こ
の溝内に第一、第二の金属膜を積層し、リフローを行う
ことで合金膜の生成と同時に溝を埋め込み、溝上に残っ
た合金膜を除去することで埋め込み配線を形成すること
が可能である。このように形成した埋め込み配線は、第
一、第二の金属膜の流動性が溝内においても向上するた
め、埋め込みが容易になるという効果がある。

【００７４】また、コンタクトホール内にバリアメタル
を介して第一、第二の金属膜を形成する際に、第一の金
属膜の形成は熱ＣＶＤ等の技術を用いて行い、第二の金
属膜は常温下においてスパッタリング法又はプラズマＣ
ＶＤ法によって形成することで、第一の金属膜はコンタ
クトホール内において均一な膜厚となるように積層し、
コンタクトホール側壁に付着した第二の金属膜はコンタ
クトホールの開口部上端から底面に向かって徐々にその
膜厚が減少する傾向となるため、コンタクトホール内
部、特に底面近傍において合金膜を構成する物質の一方
の濃度が、共晶反応点近傍の濃度に近い値となり、金属
膜（合金膜）の融点が低下し、流動性が改善され、コン
タクトホール内への埋め込みがさらに容易となる。

【００７５】また、コンタクトホール内にバリアメタル
を介して積層する第一の金属膜をＣｕで、第二の金属膜
をＡｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂのいずれ
かで構成することが可能であり、優れた電気特性のコン
タクトを有する半導体装置を形成することが可能とな
る。

【００７６】また、上記の場合とは逆に、第一の金属膜
をＡｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂのいずれ
かで構成し、第二の金属膜をＣｕ膜で構成することでも
良好な埋め込みを行うことが可能であり、優れた電気特
性のコンタクトを有する半導体装置を形成することが可
能となる。

【００７７】さらに、コンタクトホール内にバリアメタ
ルを介して積層する第一、第二の金属膜の内、第二の金
属膜を積層すると同時に熱処理を行う場合、つまり高温
下において第二の金属膜を積層する方法を採る場合にお
いても、第一の金属膜をコンタクトホール内においても
均一な厚さとなるように積層し、特にコンタクトホール
の底面近傍で十分な厚さを持つように形成しているた
め、第一、第二の金属膜の比率が共晶反応点の濃度に近
い値となるため、コンタクトホールへの埋め込みが容易
になるという効果があり、第一、第二の金属膜を積層し
た後に熱処理をする場合よりも工程数を少なくすること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示す半導体装置の
断面図である。

【図２】この発明の実施の形態１の製造フローを示す
図である。

【図３】この発明の実施の形態１の製造フローを示す
図である。

【図４】この発明の実施の形態１の製造フローを示す
図である。

【図５】この発明の実施の形態２の製造フローを示す
図である。

【図６】この発明の実施の形態３の製造フローを示す
図である。

【図７】この発明の実施の形態４の製造フローを示す
図である。

【図８】この発明の実施の形態６を示す半導体装置の
断面図である。

【図９】この発明の実施の形態６の製造フローを示す
図である。

【図１０】この発明の実施の形態６の製造フローを示
す図である。

【図１１】この発明の実施の形態６の製造フローを示
す図である。

【図１２】この発明の実施の形態６の製造フローを示
す図である。

【図１３】従来の技術を示す図である。

【図１４】従来の技術を示す図である。

【図１５】従来の技術を示す図である。

【図１６】従来の技術を示す図である。

【図１７】従来の技術を示す図である。

【図１８】従来の技術を示す図である。

【図１９】従来の技術を示す図である。

【符号の説明】

１．半導体基板１ａ．導電領域２．層間絶縁膜３．コンタクトホール４．バリアメタル５、１８．合金膜６ａ．コンタクトプラグ６ｂ．上層配線７、１１、１１ａ、１３、１６．Ｃｕ膜８、９、１０、１２、１７．Ａｌ膜１４．溝１５．埋め込み配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板内の導電領域若しくは半導体
基板上の配線上に積層された層間絶縁膜に選択的にエッ
チングを行い、上記層間絶縁膜の上面から上記導電領域
若しくは上記配線の上面の高さにかけてコンタクトホー
ルを開口する工程、少なくとも上記コンタクトホールの
底面を含む内壁にバリアメタルを介して第一の金属膜を
積層する工程、上記第一の金属膜の上面に第二の金属膜
を積層する工程、熱処理を行い、上記第一、第二の金属
膜の合金膜を生成し、上記コンタクトホール内に上記合
金膜を埋設し、コンタクトプラグを形成する工程を含む
半導体装置の製造方法において、上記第一の金属膜は、
少なくとも上記コンタクトホールの内壁に均一な厚さと
なるように積層されることを特徴とする半導体装置の製
造方法。
【請求項２】半導体基板内の導電領域若しくは半導体
基板上の配線上に積層された層間絶縁膜に選択的にエッ
チングを行い、上記層間絶縁膜の上面から上記導電領域
若しくは上記配線の上面の高さにかけてコンタクトホー
ルを開口する工程、少なくとも上記コンタクトホールの
底面を含む内壁にバリアメタルを介して第一の金属膜を
積層する工程、上記第一の金属膜の上面に第二の金属膜
を積層する工程、熱処理を行い、上記第一、第二の金属
膜の合金膜を生成し、上記コンタクトホール内に上記合
金膜を埋設し、コンタクトプラグを形成する工程を含む
半導体装置の製造方法において、上記熱処理工程は、上
記第一、第二の金属膜を積層後に行うことを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項３】絶縁膜の一主面下に所定の形状の開口部
を形成する工程、上記開口部の内壁を含む上記絶縁膜の
表面上にバリアメタルを介して第一の金属膜を積層する
工程、上記第一の金属膜の上面に第二の金属膜を積層す
る工程、熱処理を行い、上記第一、第二の金属膜からな
る合金膜を生成し、上記合金膜の一部を上記開口部内に
埋め込む工程、上記合金膜のうち上記絶縁膜の一主面よ
り上部に積層された部分を除去し、上記開口部内に埋設
された合金膜を残す工程を含むことを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項４】第一の金属膜はＣＶＤ技術を用いて積層
することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項５】第一の金属膜はＣｕ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｍ
ｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂのいずれかによって構成され、第
二の金属膜はＡｌによって構成されることを特徴とする
請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項６】第一の金属膜はＡｌ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｍ
ｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂのいずれかによって構成され、上
記第二の金属膜はＣｕによって構成されることを特徴と
する請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項７】第二の金属膜を積層する工程と熱処理工
程を同時に処理することを特徴とする請求項１、３、５
のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。