JPH10125778A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バリアメタル上で主配線層の成膜物質が島状
体を形成し、流動性の高い高温スパッタ法でも主配線層
のカバレジが得られない場合がある。 【解決手段】 基板３１上の絶縁膜３２に形成した接続
孔３３の内壁を覆う状態で絶縁膜３２上にバリアメタル
３６を成膜する。バリアメタル３６上における成膜物質
の流動を防止した低温でのスパッタ法によって、バリア
メタル３６上の全面にアルミニウム系材料に対してバリ
アメタル３６の表面層よりも高い濡れ性を与える下地薄
膜１０を成膜する。高温スパッタ法によって、接続孔３
３内を埋め込む状態で下地薄膜１０上にアルミニウム系
材料からなる主配線層１１を成膜する。これによって、
バリアメタル３６上において成膜物質の島状体を形成し
難い状態で主配線層１１を流動性良く成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法及び半導体装置に関し、特には接続孔内を埋め込む
主配線層を有する半導体装置の製造方法及び半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に示すように、半導体装置の製造工
程において、例えばシリコンからなる基板３１上の絶縁
膜３２に形成された接続孔３３内を埋め込む主配線層を
形成するには、以下のようにしていた。先ず、接続孔３
３の内壁を覆う状態で、チタン（Ｔｉ）膜３４とこの上
面に積層成膜した窒化チタン（ＴｉＮ）膜３５とからな
るバリアメタル３６を成膜する。次に、スパッタ法によ
って、バリアメタル３６上に接続孔３３内を埋め込む状
態でアルミニウム系材料からなる主配線層１１を成膜し
ていく。

【０００３】近年、半導体装置の高集積化と高機能化と
を達成するため、基板上の絶縁膜に形成される接続孔３
３は、そのアスペクト比が高くなる傾向にある。ところ
が、図４に示すように、上記主配線層を成膜する際のス
パッタ法は、電圧を印加した成膜物質の母材４１にプラ
ズマイオン４２を照射し、成膜物質４３をプラズマイオ
ン４２の運動エネルギーによってはじき飛ばして成膜面
上に到達させる方法であることから、はじき飛ばされた
成膜物質４３の直進性が高い。

【０００４】このため、上述のように接続孔のアスペク
ト比が高くなると、図３に示したように、はじき飛ばさ
れた成膜物質の直線的な軌道に対して接続孔３３内に影
が形成され易くなる。そして、接続孔３３の底面付近に
成膜物質が到達し難くなり、当該成膜物質からなる主配
線層１１のカバレジが悪化する。このような状態で成膜
を続けた場合、成膜物質によって接続孔３３内を十分に
埋め込むことができなくなる。

【０００５】そこで、上記スパッタ法によってアルミニ
ウム系材料からなる主配線層の成膜を行う際には、基板
を３００℃以上の高温に加熱したいわゆる高温スパッタ
法を行うことで、バリアメタル上における成膜物質の流
動性を高め、これによって接続孔内に成膜物質（アルミ
ニウム系材料）を流し込み、接続孔内を埋め込む状態で
主配線層を成膜するようにしている。

【０００６】このような高温スパッタ法によって主配線
層の成膜を行うことで、絶縁膜に形成された接続孔の内
壁を覆う状態で当該絶縁膜上に設けられたバリアメタル
と、このバリアメタル上に接続孔内を埋め込む状態で積
層されたアルミニウム系材料からなる主配線層とを有す
る半導体装置が得られる。このような構成の半導体装置
においては、主配線層の下面に成膜されたバリアメタル
によって、主配線層を構成するアルミニウムと接続孔底
面の基板材料との間で合金が形成されることを防止して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記半導体装
置の製造方法には、以下のような課題があった。すなわ
ち、アルミニウム系材料は、バリアメタルの表面層を構
成する窒化チタンに対する濡れ性が低いため、成膜の初
期の段階ではバリアメタル上においてアルミニウム系材
料がその表面張力によって島状になる。

【０００８】そして、図４に示すように、高温スパッタ
法によってバリアメタル３６上に主配線層を成膜しよう
とすると、バリアメタル３６上において上記アルミニウ
ム系材料からなる島状体Ａが流動することによって合体
し、当該島状体Ａが大きく成長する場合がある。このよ
うな場合には、てかえって主配線層のカバレジが悪化
し、その結果接続孔３３内をアルミニウム系材料で完全
に埋め込んだ状態の主配線層を形成することができなく
なる。

【０００９】以上のことから、半導体装置における配線
の接続状態を確保することができず、これが半導体装置
の信頼性を低下させる要因になっている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされた半導体装置の製造方法及び半導体装
置である。すなわち、本発明の半導体装置の製造方法
は、絶縁膜に形成した接続孔の内壁を覆う状態で当該絶
縁膜上にバリアメタルを成膜し、このバリアメタル上に
アルミニウム系材料に対してバリアメタルの表面層より
も高い濡れ性を与える下地薄膜を成膜した後、下地薄膜
上にアルミニウム系材料からなる主配線層を成膜する。
上記下地薄膜は上記バリアメタル上における成膜物質の
流動を防止した低温でのスパッタ法によって成膜し、上
記主配線層は高温スパッタ法によって成膜することを特
徴としている。

【００１１】そして、上記バリアメタルの表面層は窒化
チタン系材料からなり、上記下地薄膜はアルミニウム系
材料または銅系材料からなることと特徴としている。

【００１２】上記製造方法では、バリアメタル上におけ
る成膜物質の流動を防止した低温でのスパッタ法によっ
て下地薄膜を成膜していることから、当該下地薄膜の成
膜においては下地薄膜の構成材料はスパッタ成膜におけ
る到達位置に止まる。このため、バリアメタル上で下地
薄膜を構成する成膜物質からなる島状体が合体して成長
することなく、当該下地薄膜が形成される。

【００１３】また、下地薄膜は、バリアメタルの表面層
よりもアルミニウム系材料に対する濡れ性が低い。この
ことから、この下地薄膜上に高温スパッタ法によってア
ルミニウム系材料からなる主配線層を成膜する際、バリ
アメタル上に直接主配線層を成膜した場合と比較して、
下地薄膜上においてアルミニウム系材料が島状体を形成
し難くなる。したがって、下地薄膜上でアルミニウム系
材料が大きな島状体を形成することなく流動し、当該ア
ルミニウム系材料によって接続孔内が埋め込まれた状態
で主配線層が成膜される。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明を適用した半導体
装置の製造方法を示す断面工程図であり、以下にこの図
を用いて本発明の実施の形態を説明する。ただし、従来
の技術と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を
行うこととする。

【００１５】先ず、図１（１）に示すように、基板３１
上に絶縁膜３２を成膜し、次いで、リソグラフィー法及
びこれによって形成されたレジストパターン（図示省
略）をマスクに用いたエッチングによって、当該絶縁膜
３２に基板３１にまで達する接続孔３３を形成する。上
記基板３１は、例えばシリコンからなるものであり、上
記絶縁膜３２は、例えば酸化シリコンからなるものとす
る。

【００１６】次に、上記レジストパターンを除去した
後、接続孔３３の内壁を覆う状態で絶縁膜３２上にチタ
ン膜３４を成膜し、さらにこのチタン膜３４上に窒化チ
タン膜３５を成膜する。これによって、表面層が窒化チ
タンからなるバリアメタル３６を形成する。

【００１７】このバリアメタル３６は、後に形成する下
地薄膜及び主配線層の成膜物質と基板３１の構成材料
（シリコン）とが合金化することを防止するものであ
り、かつ次に成膜する下地薄膜を構成する材料に対して
濡れ性が低い材料でその表面層を構成することとする。
このような表面層を構成する材料として、上記窒化チタ
ン膜３５の他に酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）膜を用いて
も良い。

【００１８】そして、次の図１（２）に示す工程が、本
発明のポイントになる工程である。すなわちここでは、
低温でのスパッタ法によって、バリアメタル３６上の全
面に切れ間なくアルミニウム系材料からなる下地薄膜１
０を成膜する。ここで、低温でのスパッタ法とは、バリ
アメタル３６上における成膜物質の流動を防止できる範
囲の成膜温度でのスパッタ法であることとする。

【００１９】また、上記下地薄膜１０の構成材料として
は、後にこの下地薄膜１０の上面に成膜する主配線層を
構成するアルミニウム系材料に対したバリアメタルの表
面層よりも高い濡れ性を与える導電性材料を選択する。
このような材料として、上記アルミニウムの他にアルミ
ニウム−シリコン、アルミニウム−シリコン−銅、アル
ミニウム−銅のようなアルミニウムを主成分としたアル
ミニウム系材料や銅またはその他の銅を主成分とした銅
系材料を用いても良い。このため、上記成膜温度は下地
薄膜１０の成膜物質によってそれぞれ異なる値に設定さ
れる。

【００２０】上記のように定義される低温スパッタ法に
おける成膜温度の設定条件の一例としては、例えば下地
薄膜１０がアルミニウムからなる場合には、基板３１を
非加熱状態かまたは基板３１の加熱温度を２００℃以下
の低温に抑えて成膜を行うこととする。また場合によっ
ては、基板３１を冷却しても良い。

【００２１】また、下地薄膜１０が銅からなる場合に
は、基板３１を３００℃〜５００℃程度に保ち、バリア
メタル３６上における銅（成膜物質）の流動を抑えて成
膜を行う。

【００２２】また、この工程では、上述のような低温で
成膜を行うことから、スパッタの際の成膜物質の軌道に
対して接続孔３３内に影ができる部分には成膜物質が到
達し難く、このような部分では成膜膜厚が十分に得られ
ない。しかし、ここでは、接続孔３３の内壁が隙間なく
全て成膜物質で覆われてから、下地薄膜１０の膜厚にお
ける部分的な差が大きくなる前に、すなわち膜厚が極薄
い状態で成膜を停止する。

【００２３】次に、図１（３）に示すように、上記下地
薄膜１０の成膜を終了した後、ポーズタイムを設けて成
膜ガスの供給を一時停止させた状態で基板３１の温度を
上昇させる。

【００２４】その後、図１（４）に示すように、基板３
１が所定温度にまで上昇した後、高温スパッタ法によっ
て、下地薄膜１０上に接続孔３３内を埋め込む状態で下
地薄膜１０上にアルミニウムからなる主配線層１１を成
膜していく。ここで、高温スパッタ法とは、下地薄膜１
０上における主配線層１１の成膜物質の流動性を高く保
てる程度に高温でのスパッタ法であることとする。そし
て、上記主配線層１１を構成する成膜物質としては、上
記アルミニウムの他にアルミニウム−シリコン、アルミ
ニウム−シリコン−銅、アルミニウム−銅のようなアル
ミニウムを主成分としたアルミニウム系材料を用いても
良い。

【００２５】上記のように定義される高温スパッタ法に
おける温度設定の一例としては、例えば主配線層１１が
アルミニウムからなる場合には、基板３１の加熱温度を
３００℃〜４７０℃の上記所定温度に加熱して成膜を行
うこととする。このような温度設定にすることによっ
て、主配線層１１の膜質を確保すると共に下地薄膜１０
上における主配線層１１の成膜物質の流動性を確保す
る。

【００２６】尚、上記下地薄膜１０が銅系材料からなな
る場合には、下地薄膜１０の成膜を終了した時点でポー
ズタイムを設けることなく、基板３１の加熱温度を保っ
たまま成膜ガスを変更することによって連続して主配線
層１１を成膜することもできる。

【００２７】そして、図２に示すように接続孔３３内を
完全に埋め込む状態でバリアメタル３６上に主配線層１
１を成膜する。

【００２８】上記製造方法では、バリアメタル３６上に
おいて成膜物質を流動させない状態で下地薄膜１０を成
膜することで、成膜の際にバリアメタル３６上において
成膜物質からなる島状体を部分的に大きく成長させるこ
となく当該下地薄膜１０を成膜することができる。そし
て、基板３１を３００℃以上の高温に加熱したいわゆる
高温スパッタ法によって、アルミニウム系材料または銅
系材料からなる下地薄膜１０上にこの下地薄膜１０に対
して濡れ性の高いアルミニウム系材料からなる主配線層
１１を成膜することから、下地薄膜１０上においてアル
ミニウム系材料が島状体を形成することなく流動し、当
該アルミニウム系材料によって接続孔３３内が完全に埋
め込まれた状態で主配線層１１が成膜される。

【００２９】そして、この半導体装置１は、バリアメタ
ル３６と主配線層１１との間に、当該主配線層１１を構
成するアルミニウム系材料に対して高い濡れ性を与える
下地薄膜１０が設けられたものになる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法によれば、バリアメタル上における成膜物
質の流動を防止した低温でのスパッタ法によって当該バ
リアメタル上の全面にアルミニウム系材料に対して高い
濡れ性のを与える下地薄膜を成膜することで、この下地
薄膜上に成膜物質の島状体を形成することなく良好な流
動性を保ってアルミニウム系材料からなる主配線層を成
膜することが可能になる。したがって、主配線層のカバ
レジが良好で接続孔内が当該主配線層で十分に埋め込ま
れてなる半導体装置を得ることが可能になる。

【００３１】また、本発明の半導体装置によれば、バリ
アメタルと主配線層との間に当該主配線層を構成するア
ルミニウム系材料に対して高い濡れ性を与える下地薄膜
を設けたことで、主配線層を成膜物質の島状体を形成す
ることなく良好な流動性を保って接続孔を埋め込むもの
とすることができる。したがって、半導体装置における
配線の接続状態を確保し、半導体装置の信頼性を向上さ
せることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施形態を説明するための断
面工程図である。

【図２】本発明を適用して形成された半導体装置の断面
図である。

【図３】従来技術の一例を説明するための断面図であ
る。

【図４】スパッタ法による成膜を説明する図である。

【図５】従来技術の課題を説明するための断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 半導体装置 １０ 下地薄膜 １１ 主配線層
３１ 基板 ３２ 絶縁膜 ３３ 接続孔 ３５ 窒化チタン膜
（表面層） ３６ バリアメタル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の絶縁膜に形成した接続孔の内壁
   を覆う状態で当該絶縁膜上にバリアメタルを成膜する工
   程と、 前記バリアメタル上における成膜物質の流動を防止した
   低温でのスパッタ法によって、当該バリアメタル上の全
   面にアルミニウム系材料に対してバリアメタルの表面層
   よりも高い濡れ性を与える下地薄膜を成膜する工程と、 高温スパッタ法によって、前記接続孔内を埋め込む状態
   で前記下地薄膜上にアルミニウム系材料からなる主配線
   層を成膜する工程と、 を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 前記バリアメタルの表面層は、窒化チタン系材料からな
   り、 前記下地薄膜は、アルミニウム系材料または銅系材料か
   らなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 基板上の絶縁膜に形成された接続孔の内
   壁を覆う状態で当該絶縁膜上に設けられたバリアメタル
   と、前記接続孔内を埋め込む状態で前記バリアメタル上
   に積層されたアルミニウム系材料からなる主配線層とを
   有する半導体装置において、 前記主配線層と前記バリアメタルとの間には、アルミニ
   ウム系材料に対してバリアメタルの表面層よりも高い濡
   れ性を与える下地薄膜が設けられたことを特徴とする半
   導体装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の半導体装置において、 前記バリアメタルの表面層は、窒化チタン系材料からな
   り、 前記下地薄膜は、銅系材料からなること、 を特徴とする半導体装置。