JPH118304A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】微細ホールへ導電材料をボイド無く埋め込める
半導体装置の製造方法の提供。 【解決手段】コンタクトホールにバリア膜であるチタン
膜４、窒化チタン膜５を形成し、ウェッティング層のチ
タン膜６、アルミ合金膜７、チタン薄膜８を真空を破ら
ずに順次形成する。そして、さらに真空を破らずに４０
０〜５００℃の熱処理を行うことにより、コンタクトホ
ール内をアルミ合金膜７で埋め込む。チタン薄膜８を形
成することにより、熱処理工程で、配線上部にアルミと
チタンの合金層９を形成し、アルミ原子の拡散量を抑制
する。これにより、コンタクトホール内部が埋め込まれ
る前に、ホール上部が塞がりボイドが形成されるのを防
ぐ。よって、ボイド無く微細コンタクトホールの埋め込
みが可能となる。

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、絶縁体層中の接続孔を介して、下
部と上部の導電層を電気的に接続する際に接続孔を導電
体材料で埋め込む技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路等において、半導体基板
上に形成される素子間や周辺回路をつなぐ内部配線の導
体膜形成にはスパッタ法が一般に用いられている。最
近、半導体集積回路の微細化が進み、必然的に、配線と
不純物拡散層をつなぐコンタクトホール、配線と配線を
つなぐスルーホールの径も縮小化された。

【０００３】このような微細ホールに対し、従来のスパ
ッタ法（コンベンショナルスパッタ法）による導電膜形
成では、要求される信頼性や電気的特性を確保するのが
難しくなってきた。そこで、微細ホールへの導体等の埋
め込み技術が重要不可欠なものとなっている。その技術
の一つとして、アルミリフロー法が注目されている。こ
の方法は、アルミ系合金をスパッタ成膜した後、これ
を、同一真空中で高温加熱することにより、アルミ系合
金膜を流動化させて、ホールを埋め込むものである。

【０００４】図３は、この従来のアルミリフロー法の製
造工程を工程順に模式的に示した図である。図３に示す
ように、シリコン基板１に形成された拡散層３上に層間
絶縁膜２にコンタクトホールを形成した後（図３（ａ）
参照）、後工程の高温加熱に起因して起こるアルミニウ
ム（「アルミ」という）のシリコン基板１へのスパイク
現象やリークの発生などを防止するため、アルミニウム
のシリコン基板との反応を阻止するバリア膜であるチタ
ン膜４、窒化チタン膜５を順次堆積する（図３（ｂ）参
照）。さらにこの時、これらバリア膜のバリア性向上を
目的として、窒素雰囲気中にて、６００〜１０００℃の
温度範囲内で加熱処理を行う場合もある。

【０００５】次に、チタン層６を形成する。アルミ合金
膜７のホール側壁部の膜厚は、通常のスパッタ法で成膜
した場合、非常に薄い。このため、窒化チタン層５の上
に直接アルミ合金層７を形成して熱処理すると、この部
分で段切れをおこし、ボイドが発生してしまう。このチ
タン層６を設けることにより、アルミとチタンの薄い合
金層９（図３（ｄ）参照）が加熱工程で形成され、接着
板のような役割を果たし、段切れを防止する。なお、こ
のチタン層６の効果は、例えば特開平８−１５３７９４
号公報にも記載されている。

【０００６】次に、真空を破ることなく、続けてアルミ
合金膜７（例えばＡｌＣｕ）を形成し（図３（ｃ）参
照）、さらに真空を破ることなく４００〜５００℃の温
度で加熱することでアルミ合金膜７を流動させて、コン
タクトホールを埋め込む（図３（ｄ）参照）。

【０００７】しかしながら、この従来のアルミリフロー
法では、特に高いアスペクト比を持つ微細コンタクトホ
ールに適用した場合、たとえチタン層６を設けて段切れ
を防止したとしても、開口部にアルミのオーバーハング
が大きく形成され、このまま加熱によりアルミ合金膜７
を埋め込もうとしても、開口部においてアルミ合金膜７
が塞がってしまい、ボイド１１が形成されてしまう（図
３（ｅ）参照）。

【０００８】この現象は、加熱時のアルミ原子の挙動に
より説明できる。すなわち、加熱によりアルミ原子は表
面拡散を始めるが、表面積の違いから、配線上部（図３
（ｃ）のＢ）に比べ、ホール内壁（図３（ｃ）のＡ）で
のアルミ原子拡散量は少ない。このため、ホール内部を
埋め込むのに十分な量のアルミ原子がホール底部へ拡散
する前に、配線上部より拡散してきたアルミ原子により
開口部が塞がってしまう。これは、微細ホールほど、オ
ーバーハング部の隙間が小さくなり顕著に影響を受ける
ものである。なお、このオーバーハング部の隙間を小さ
くするために、アルミ合金膜７の膜厚を減らすと、埋め
込みに十分なアルミ原子が供給されないので、やはり埋
め込み不良となる。

【０００９】この問題を解決するアルミリフロー法とし
て、例えば特開平７−１１５０７３号公報には、図４に
示すような方法が提案されている。図３を参照して説明
した、従来のアルミリフロー法と同様に、コンタクトホ
ールを形成し、バリア膜であるチタン膜４、窒化チタン
膜５を形成する（図４（ｂ）参照）。

【００１０】その後、ＣＶＤ（化学気相成長）法により
アルミ膜１２を形成し、真空を破らずにスパッタ法でア
ルミ合金膜７を形成する（図４（ｃ）参照）。

【００１１】そしてさらに、真空を破らず４００〜５０
０℃で加熱し、アルミ膜１２、アルミ合金７を流動化さ
せホールを埋め込む（図３（ｄ）参照）。

【００１２】この方法では、ＣＶＤ法でアルミ膜１３が
ホール内壁に十分な膜厚で形成されるため、アルミの段
切れを防止するチタン層を形成する必要がない。

【００１３】また、ＣＶＤ法によるアルミでオーバーハ
ングを形成せず、ある程度ホール内を埋め込めるので、
その後のスパッタ法によるアルミ合金層７を薄くでき
る。

【００１４】このため、図３に示した従来のアルミリフ
ロー法に比べ、オーバーハングを小さくできるので、ボ
イドを発生させずに、より微細なホールの埋め込みが可
能となる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来、半導体装置の電
極配線材料としては、導電性の良さや加工性の良さから
アルミニウムあるいはその合金膜が用いられているが、
その形成方法としては、プロセスの簡便性、生産性の高
さを理由として、主にスパッタ法が使用されている。

【００１６】一方、図４を参照して説明した上記特開平
７−１１５０７３号公報に記載のアルミリフロー法で
は、埋め込み性を向上させるために、ＣＶＤ法を使用し
ている。しかしながら、このＣＶＤ法によるアルミ膜形
成は、現時点で、一般的に半導体装置の製造に使用され
ているものではないので、新規設備の導入が必要であり
コストが高くなる、という問題点を有している。

【００１７】そして、その成膜速度は、通常のスパッタ
法に比べると１／１００程度となるので、スループット
が低下し、ついては生産性が低下する。

【００１８】また、アルミ配線では信頼性（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の耐性）
を向上させるために、一般的にシリコンや銅などの不純
物添加された合金膜を用いる。

【００１９】しかし、現時点で、ＣＶＤ法による純アル
ミの成膜技術はかなり開発が進んでいるが、不純物を添
加したアルミの形成は困難である。さらに、前述のアル
ミリフロー法（特開平７−１１５０７３号公報）といえ
ども、一層微細なホールでは、やはり、図３に示した従
来のアルミリフロー法と同じように、加熱時に開口部の
オーバーハングしたアルミが塞がり、ボイドが形成され
てしまう（図４（ｅ）参照）。

【００２０】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、微細ホールへ導
電材料をボイド無く埋め込める半導体装置の製造方法を
提供することにある。また、本発明の他の目的は、コス
トが掛かり、生産性を低下させる新規プロセスを用いる
ことなく、より微細なホールの埋め込みを可能とする半
導体装置の製造方法を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に導電領
域または導電体配線を形成する工程と、前記導電領域ま
たは導電体配線上に接続孔を有する絶縁体層を形成する
工程と、前記接続孔を覆ってさらに導電体配線材料を成
膜する工程を有し、さらに、この基板を熱処理すること
により、前記接続孔を前記導電体配線材料で埋め込む半
導体装置の製造方法において、前記熱処理前に前記成膜
された導電体配線材料表面に、前記熱処理時においてこ
の導電体を形成する原子の拡散を抑制する処理を施すこ
とを特徴とする。

【００２２】また、本発明においては、前記導電体配線
材料がアルミ合金膜であり、前記導電体を形成する原子
の拡散を抑制する処理が導体膜表面にチタン薄膜を形成
することを特徴とする。

【００２３】さらに、本発明においては、前記導電体配
線材料がアルミ合金膜であり、前記導電体を形成する原
子の拡散を抑制する処理が導体膜表面を窒化プラズマに
曝すことを特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について以下
に説明する。本発明の実施の形態では、加熱によるホー
ル内への導体膜の埋め込み前に、導体配線上部での導体
原子の拡散を抑制する処理を施すことにより、ホール内
部（側壁）での導体原子拡散を優先させる。これによ
り、導体層のオーバーハング部がホール内の埋め込み完
了前に塞がり、ボイドが形成されることを防ぐ。このた
め、微細ホールでもボイド無く導体膜を埋め込める。

【００２５】本発明は、好ましい一つの実施の形態にお
いて、コンタクトホールに、バリア膜であるチタン膜
（図１の４）、窒化チタン膜（図１の５）を形成し、チ
タン膜（図１の６）、アルミ合金膜（図１の７）、チタ
ン薄膜（図１の８）を真空を破らずに順次形成する。そ
して、さらに真空を破らずに、４００〜５００℃の熱処
理を行うことにより、コンタクトホール内をアルミ合金
膜（図１の７）で埋め込む。つづいてアルミ合金膜上に
チタン薄膜８を形成することにより、熱処理工程で、配
線上部に、アルミとチタンの合金層（図１の９）を形成
し、アルミ原子の拡散量を抑制する。これにより、コン
タクトホール内部が埋め込まれる前に、ホール上部が塞
がりボイドが形成されることを防ぐ。よって、ボイド無
く微細コンタクトホールの埋め込みが可能となる。

【００２６】また、本発明の実施の形態においては、ホ
ールをアルミ合金膜で埋め込んだ後、アルミ合金膜を窒
素プラズマに曝すことにより、配線層上部のアルミ原子
の拡散量を抑制し、ホール内部がボイド無く埋め込まれ
る。

【００２７】また、本発明の実施の形態においては、既
存のプロセス（コンベンショナルスパッタ法）を用いれ
ばよいので、新設備への投資はいらない。

【００２８】以上より、本発明を半導体装置製造に適用
すれば、余分な投資や生産性の低下を招かず、微細ホー
ルの埋め込みができ、半導体集積回路の製造歩留まりや
信頼性の向上がはかれる。

【００２９】

【実施例】上記した本発明の実施の形態について更に詳
細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照し
て以下に説明する。

【００３０】［実施例１］図１は、本発明の第１の実施
例の製造方法を説明するために、コンタクトホール形成
の場合を例に製造工程順に断面を模式的に示した工程断
面図である。

【００３１】図１（ａ）に示すように、半導体基板１の
主面上に不純物拡散層３、厚さ１．０μｍの絶縁膜２を
形成し、フォトレジスト法と異方性エッチングにより、
不純物拡散層３を露出させ、コンタクトホールを形成す
る。その後、各種薬液や逆スパッタリングにより不純物
拡散層３の表面を洗浄し、図１（ｂ）に示すように、ス
パッタ法でチタン膜４を０．０６μｍ、窒化チタン膜５
を０．１μｍ形成する。ここで、コンタクトのバリア性
確保と、コンタクト抵抗安定化を目的として、窒化雰囲
気中で４００〜１０００℃、２０〜１２０秒間のランプ
熱処理を行っても良い。

【００３２】次に、図１（ｃ）に示すように、チタン膜
６を０．０３μｍ、アルミ合金膜７を０．９μｍ、それ
ぞれスパッタ法により順次形成する。

【００３３】続いて真空を破らずに、アルミ合金膜７の
配線上部（図１（ｄ）のＢ）に、スパッタ法により島上
のチタン薄膜８を形成する。島状にチタン薄膜８を形成
するには、チタンの成膜速度から計算して、１０〜２０
オングストローム（１〜２ｎｍ）程度の膜厚に相当する
スパッタ時間を設定すれば良い。

【００３４】そして、図１（ｅ）に示すように、さらに
真空を破らず４００〜５００℃の熱処理を施すことによ
りホール内部は、アルミ合金膜７で埋め込まれる。

【００３５】ここで、チタン膜６とチタン薄膜８の働き
について説明する。

【００３６】従来技術で説明したように、チタン膜６
は、ホール側壁で薄くなっているアルミ合金膜７が、こ
の後の熱処理過程で段切れしボイドが発生するのを防ぐ
ものである。さらに具体的に説明する。

【００３７】熱処理時に、ホール側壁部では、チタン膜
６とアルミ合金膜７が反応し、アルミとチタンの合金層
と余剰のアルミ合金層７の積層構造となる。

【００３８】このアルミとチタンの合金層９は、強固な
接着板となり、ホール側壁の余剰アルミ合金層７自体は
流動しにくい。しかし、その表面は活性なため、ホール
上部より拡散してきたアルミ原子はこれを橋として、ホ
ール底部へと移動できる。もし、チタン膜６を設けず、
窒化チタン５上に直接アルミ合金膜７を形成し熱処理を
行うと、その濡れ性の悪さから、ホール側壁のアルミ原
子は、ホール上部およひ下部へと吸い寄せられ、段切れ
してしまう。すると、ホール底部へのアルミ原子拡散経
路が絶たれるので、結果としてボイドが形成されてしま
う。

【００３９】次に、チタン薄膜８の働きについて説明す
る。このチタン薄膜８を形成しない従来のアルミリフロ
ー法では、配線上部（図３（ｃ）のＢ）からホール上部
へ拡散するアルミ原子量に比べると、ホール側壁（図３
（ｃ）のＡ）からホール底部へのそれがかなり少ない。
このため、ホール内部を埋め込むのに十分な量のアルミ
原子がホール底部へ拡散する前に、ホール上部が塞がっ
てしまう。そして、ボイドが形成される。これは、拡散
するアルミ原子の供給量の違いである。ホール上部で
は、配線上部の四方八方からアルミ原子が拡散してくる
が、ホール内部では、相対的に表面積の小さな側壁部か
らのみとなるからである。

【００４０】本実施例において、チタン薄膜８がある場
合には、熱処理時に、配線上部でアルミとチタンの合金
層９が形成される。すると、上述のように、このアルミ
とチタンの合金層９は強固なため、ここからは、拡散す
るアルミ原子が供給されない。すなわち、配線上部（図
１（ｄ）のＢ）からホール上部へ拡散する単位時間当た
りのアルミ原子量を減らすことができる。このアルミ原
子の拡散量が、ホール側壁からホール底部へのそれと同
等もしくは以下ならば、ホール内部が埋め込まれる前に
ホール上部が塞がることはない。よって、本実施例は、
より微細なホールの埋め込みを可能にする。

【００４１】［実施例２］図２は、本発明の第２の実施
例の製造方法を説明するために、コンタクトホール形成
の場合を例に工程順に断面を模式的に示した工程断面図
である。

【００４２】前記第１の実施例と同様に、バリア膜であ
るチタン膜４、窒化チタン膜５をコンタクトホールに形
成後、チタン膜６、アルミ合金膜７をそれぞれ形成する
（図２（ｃ）参照）。

【００４３】続いて、真空を破らずに、アルミ合金膜７
の表面を平行平板による窒化プラズマに曝す。この窒化
プラズマの条件は、ＲＦパワー：３００Ｗ、窒化圧力：
８０ｍＴｏｒｒ、基板温度：５０℃、プロセスタイム：
５ｓｅｃが好適である。これにより、アルミ合金膜７の
表面とホール底部の一部が部分的に窒化アルミ膜１０が
形成される（図２（ｄ）参照）。

【００４４】窒化イオン１０′は、シリコン基板１に対
して、ほぼ垂直に入射するため、オーバーハング部で影
になるホール側壁のアルミ合金膜７を窒化することはな
い。この窒化アルミ合金層１１もまた、アルミとチタン
の合金層と同じく強固なため、配線上部でのアルミ原子
の拡散量を抑制する効果がある。よって、前記第１の実
施例と同じ作用効果が得られるので、その後、真空を破
らず４００〜５００℃の熱処理をすることによりホール
内部がボイド無くアルミ合金膜７で埋め込まれる（図２
（ｅ）参照）。

【００４５】上記第１の実施例では、チタンを例として
説明したが、他の膜種でも同じ効果が得られるものであ
れば、これに限らない。

【００４６】また、上記第２の実施例では、窒素プラズ
マを例として説明したが、酸素プラズマなど同じ効果が
得られるものであれば、これに限らない。

【００４７】さらに、上記第１、第２の実施例ともに、
導体層の例として、アルミ合金膜について説明したが、
銅膜など同じ効果が得られれば、他の導体種に対しても
適用できる。

【００４８】そして、コンタクトホールだけでなく、配
線と配線を接続するスルーホールでも同様な効果が得ら
れるのは言うまでもない。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微細ホールでもボイド無く導体膜を埋め込めるという効
果を奏する。

【００５０】その理由は、本発明においては、加熱によ
るホール内への導体膜の埋め込み前に、導体配線上部で
の導体原子の拡散を抑制する処理を施すことにより、ホ
ール内部（側壁）での導体原子拡散を優先させ、これに
より、導体層のオーバーハング部がホール内の埋め込み
完了前に塞がり、ボイドが形成されることを防ぐことが
でき、微細ホールでもボイド無く導体膜を埋め込むこと
ができるためである。

【００５１】また、本発明は、既存のプロセス（コンベ
ンショナルスパッタ法）を用いればよいので、新設備へ
の投資は要しない。

【００５２】以上より、本発明の半導体装置の製造方法
によれば、余分な投資や生産性の低下を招かず、微細ホ
ールの埋め込みができ、半導体集積回路の製造歩留まり
や信頼性の向上を図ることができ、その実用的価値は極
めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第１の実施例の製造工程を工程
順に模式的に示した工程断面図である。

【図２】本発明における第２の実施例の製造工程を工程
順に模式的に示した工程断面図である。

【図３】従来のアルミリフロー法の製造工程を工程順に
模式的に示した工程断面図である。

【図４】従来の改善されたアルミリフロー法の工程断面
図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 層間絶縁膜 ３ 不純物拡散層 ４ チタン膜 ５ 窒化チタン膜 ６ チタン膜 ７ アルミ合金膜 ８ チタン薄膜 ８′ チタン粒子 ９ アルミとチタンの合金膜 １０ 窒化アルミ膜 １０′ 窒素イオン １１ ボイド １２ ＣＶＤ−アルミ Ａ ホール側壁部 Ｂ 配線上部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に導電領域または導電体配線を形成
   する工程と、 前記導電領域または導電体配線上に接続孔を有する絶縁
   体層を形成する工程と、 前記接続孔を覆ってさらに導電体配線材料を成膜する工
   程と、 を有し、さらに、前記基板を熱処理することにより前記
   接続孔を前記導電体配線材料で埋め込む半導体装置の製
   造方法において、 前記熱処理の前に、前記成膜された導電体配線材料表面
   に、前記熱処理時において前記導電体を形成する原子の
   拡散を抑制する処理を施す、 ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】前記導電体配線材料が、アルミ合金膜より
   なり、前記導電体を形成する原子の拡散を抑制する処理
   が、前記導体膜表面にチタン薄膜を形成することからな
   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】前記導電体配線材料がアルミ合金膜よりな
   り、前記導電体を形成する原子の拡散を抑制する処理
   が、前記導体膜表面を窒化プラズマに曝すことからな
   る、ことをを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の
   製造方法。
4. 【請求項４】基板上に形成される絶縁膜に設けられたコ
   ンタクトホール又はスルーホール（以下、単に「ホー
   ル」という）に、アルミ合金膜などよりなる導電配線材
   料を形成し、熱処理を施すことにより前記ホール内を前
   記導電配線材料で埋め込み、 前記導電配線材料表面に、チタン等の金属膜を形成する
   ことにより、熱処理工程で、配線層上部での、前記導電
   配線材料の原子の拡散量を抑制し、これにより、ボイド
   無く微細コンタクトホールの埋め込みを可能としたこと
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】前記導電配線材料がアルミ合金膜からな
   り、前記ホールを埋め込んだ前記アルミ合金膜上にチタ
   ン膜を島状に形成する、ことを特徴とする請求項４記載
   の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】基板上に形成される絶縁膜に設けられたコ
   ンタクトホール又はスルーホール（以下単に「ホール」
   という）に、アルミ合金膜などよりなる導電配線材料を
   形成し、熱処理を施すことにより前記ホール内を前記導
   電配線材料で埋め込み、 さらに真空を破らずに前記導電配線材料表面を窒素プラ
   ズマに曝すことにより、配線層上部での、前記導電配線
   材料の原子の拡散量を抑制し、これにより、ボイド無く
   微細コンタクトホールの埋め込みを可能としたことを特
   徴とする半導体装置の製造方法。