JPH1098041A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多層配線を行う場合に、スパッタリングで成
膜したアルミニウム膜層をリフロー処理する際の再現性
を良好にする。 【解決手段】 一連のスパッタ処理を行うマルチチャン
バー式の処理装置のうちのリフローチャンバー１６に外
部から水素ボンベ２０を連結してリフロー処理中に水素
ガスを導入する。ウエハステージ１８はヒータ１９によ
り加熱したアルゴンガスを導入してシリコン基板１を加
熱する。シリコン基板１の表面にスパッタでアルミニウ
ム合金膜を形成したときに自然酸化膜が発生するが、こ
のリフロー処理で水素ガスが導入されることで還元反応
がおこり、自然酸化膜が除去されるので、再現性良くリ
フロー処理を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上に導
体膜を形成すると共にこの導体膜をリフロー処理するよ
うにした半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】半導体集積回路のプロ
セス技術の一つとして、コンタクトホールを形成した後
に電極金属としてのアルミニウム膜を形成する際に、そ
のコンタクトホール部分でのアルミニウム配線の断線を
防止するためにリフロースパッタ処理を行うことがあ
る。

【０００３】このリフロースパッタ処理では、半導体ウ
エハ上にアルミニウム膜をスパッタリングにより形成し
た後に、コンタクトホール部分のアルミニウムの空洞部
分を高温で熱処理を行うリフロー処理を行うことで埋め
るようにしたものである。

【０００４】ところで、このようなリフロースパッタ処
理でのアルミニウム埋込技術の生産ベースでの重要課題
は、再現性良くばらつきも少なくアルミニウム埋込を行
うことである。この場合に、１か所でも埋込が不完全な
部分が生ずると信頼性の保証ができなくなるため、歩留
に大きく影響を与えることになる。

【０００５】そこで、再現性良くアルミニウム埋込を行
うためには、リフロー温度，下地材料に対するアルミニ
ウムの濡れ性の問題や、形成したアルミニウム膜の表面
に自然酸化膜が形成される問題などを解決する必要があ
る。

【０００６】この場合、アルミニウム膜の表面に自然酸
化膜が形成されると、リフロー時の安定な処理が難しく
なる。つまり、リフロー処理では、真空・高温処理中で
アルミニウムの表面エネルギを小さくするようにアルミ
ニウム形状を変化させる。アルミニウム膜の表面の酸化
膜の問題は、埋め込むホールのアスペクト比が大きくな
ると顕著になり、酸化膜の影響で再現性が低下するので
安定した処理を実施できなくなるからである。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、例えばスパッタリングにより形成した
アルミニウム膜層をリフロー処理により平坦化する際
に、再現性を良好にすることができるようにした半導体
装置の製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、膜形成工程を経て半導体基板上に導体膜を形成する
と、これに続くリフロー工程において、水素ガス雰囲気
中でリフロー処理を実施することにより、導体膜の表面
に自然に形成される自然酸化膜を水素による還元反応で
分解して除去することができるので、半導体基板表面に
ダメージを与えることがなく、しかも別途に装置を必要
とせずリフロー処理と同時に行えて生産性の低下を招く
こともなくなり、安定に生産することができるようにな
る。

【０００９】請求項２の発明によれば、導体膜としてア
ルミニウム膜あるいはアルミニウム合金膜を用いている
ので、上記のようなリフロー工程により平坦化すること
が有効となる。

【００１０】請求項３の発明によれば、水素ガスをラジ
カル状態で供給するので、還元反応を促進することがで
き、アルミニウム膜の表面に形成された自然酸化膜を有
効に除去することができるようになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例につ
いて、図１ないし図８を参照しながら説明する。なお、
以下の説明では、本発明に係る要旨の部分の製造工程に
ついて説明し、他の部分の製造工程については省略す
る。図３ないし図８は半導体基板としてのシリコン基板
１の主表面に形成した拡散層に対して、アルミニウム膜
により多層配線を行う場合の工程を示している。なお、
シリコン基板１は、この多層配線工程に至る前に、種々
の拡散工程を経ることにより回路構成となる素子を作り
込んだものであり、以下の工程においてアルミニウム膜
を形成すると共にそのリフロー処理を行う。

【００１２】［ａ］シリコン基板の加工プロセス （１）前工程 図３には、シリコン基板１に拡散工程を経て拡散領域２
が所定深さ寸法まで形成された状態のものが示されてい
る。他にも図示しない種々の拡散領域が形成されてお
り、これらの拡散領域に対して、電気的な接続を行うた
めに多層配線を行う。まず、このシリコン基板１の表面
に絶縁膜としての酸化膜３を形成し、拡散領域２に対応
する部分にはコンタクトをとるためのコンタクトホール
３ａをフォトリソグラフィ処理により形成する。

【００１３】（２）バリアメタル成膜 次に、後述するスパッタ装置によりバリアメタル４を成
膜する（図４参照）。これは、直接シリコン基板１の表
面にアルミニウムなどの電極材料を成膜すると相互間で
浸食作用が発生してダメージを与えるのを防止するため
のものである。なお、バリアメタル４としては、例えば
Ｔｉ，ＴｉＮなどを単層あるいは積層して形成するよう
になっている。

【００１４】（３）アルミニウム合金膜形成 同じく後述するスパッタ装置により、高真空中での連続
搬送でアルミニウム合金チャンバーに移送され、低温
（２００℃程度以下）のスパッタリングにより第１層の
アルミニウム合金膜５を形成する。この場合、アルミニ
ウム合金は、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｃ
ｕ等の合金の膜である。

【００１５】（４）リフロー処理工程 高真空中でリフローチャンバーに移送され、リフロー処
理を行う（熱処理温度４００〜５００℃，数分間）。こ
のとき、リフローチャンバー内には、５Ｎ（ファイブナ
イン）以上の高純度の水素ガスを微量添加しながら行わ
れる。これは、後述するように、アルミニウム合金膜５
の表面に自然に発生した自然酸化膜を、水素雰囲気中で
リフロー処理を行うことにより還元作用をおこして除去
しようというものである。

【００１６】（５）反射防止膜の形成 スパッタ処理で反射防止膜（ＡＲＣ；材質はＴｉＮ系の
低反射率材料）６をシリコン基板１の表面に形成する。
この反射防止膜６は、良く知られるように、アルミニウ
ム合金膜５のパターニング時のフォトリソグラフィでの
露光の光の反射を防止するためのものである。

【００１７】（６）層間絶縁膜形成 次に、パターニングされたアルミニウム合金膜５の上に
層間絶縁膜７を成膜する。これは、例えばＣＶＤ法など
により形成するもので、材質としてはＳｉＯ_２膜やＴＥ
ＯＳ膜等がある。

【００１８】（７）層間コンタクトホール形成 この後、前述と同様にしてフォトリソグラフィ処理によ
り所定の位置にコンタクトホール８を形成し、下地の第
１層のアルミニウム合金膜５と電気的に接続する部分を
開口する。

【００１９】（８）アルミニウム合金成膜，リフロー処
理 次に、前述同様にして，スパッタ法によりバリアメタル
９を成膜し、続いてスパッタ法により第２層のアルミニ
ウム合金膜１０を成膜する。これにより、層間絶縁膜７
に形成されたコンタクトホール８部分で下地の第１層ア
ルミニウム合金膜５と電気的に接触することになる。ま
た、この部分は、層間絶縁膜７により大きく段差ができ
るので、前述同様にリフロー処理を行って平坦化する。
以上のような一連のプロセスを経てシリコン基板１上に
アルミニウム合金膜による多層配線構造が形成されるの
である。また、これに加えて、必要に応じて第３のアル
ミニウム合金膜を形成することができる。

【００２０】［ｂ］製造装置の説明 さて、上述の各プロセスを実行するにあたって使用され
る装置について説明する。図２は一連の処理を真空中で
連続して行うための処理装置１１を示すもので、複数の
チャンバーを備えたクラスタツールと呼ばれる装置であ
る。この処理装置１１は、中央部に設けられた搬送チャ
ンバー１１ａの図示しないロボットアームによりシリコ
ン基板１を搬送するようになっており、この搬送チャン
バー１１ａには各種のチャンバー１２〜１７が連結され
ている。内部の各チャンバー１２〜１７は高真空状態と
することができるように排気設備が付設されているもの
で、それぞれ、ウエハロードロックチャンバー１２，Ｒ
Ｆエッチングチャンバー１３，バリアメタルのデポチャ
ンバー１４，アルミニウムのデポチャンバー１５，リフ
ローチャンバー１６および反射防止膜のデポチャンバー
１７である。

【００２１】ウエハロードロック１２は、シリコン基板
１を処理装置１１内に搬入するためのチャンバーで、こ
こからシリコン基板１が搬入されると、内部を高真空と
なるように吸引し、この後、真空状態のままで各種の処
理を行うようになっている。ＲＦエッチング用チャンバ
ー１３は高周波エネルギを用いてドライエッチングを行
うためのものであり、デポチャンバー１４，１５はバリ
アメタルであるＴｉ／ＴｉＮあるいはアルミニウム合金
膜を成膜するためのものであり、リフローチャンバー１
６は成膜したアルミニウム合金膜をリフロー処理するも
のであり、さらに、デポチャンバー１７は、Ｔｉ／Ｔｉ
Ｎなどの反射防止膜を成膜するためのものである。

【００２２】さて、本発明に係るリフローチャンバー１
６は、図１に概略的に示すように、ウエハステージ１８
にはヒータ１９が埋設されており、シリコン基板１を載
置すると、裏面側には隙間ができるようになっている。
また、このウエハステージ１８には、アルゴンガスを供
給するボンベ２０がコック２０ａ，２０ｂを介して連結
されており、所定流量のアルゴンガスＡｒをリフローチ
ャンバー１６内に導入するようになっている。この場
合、アルゴンガスＡｒは、ヒータ１９により加熱された
状態でシリコン基板１に吹き付けられるようになってお
り、これによってシリコン基板１が加熱される構成とさ
れている。

【００２３】また、リフローチャンバー１６には水素ガ
スを供給するボンベ２１がコック２１ａ，２１ｂを介し
て連結されており、リフローチャンバー１６内に、微量
の水素ガスＨ_２が導入されるようになっている。この場
合、内部に導入する水素ガスＨ_２は、５Ｎ（ファイブナ
イン）程度の高純度のものを使用しており、その導入量
は、アルゴンガスＡｒの１％以下程度であり、これによ
って、シリコン基板１の表面で還元反応を起こさせるよ
うになっている。

【００２４】これは、真空中に放置されたシリコン基板
１のアルミニウム合金膜５の表面に生成した薄い自然酸
化膜を除去するためのもので、リフロー処理中に同時に
水素ガスにより還元反応を起こすようにしてアルミニウ
ムの酸化膜を分解するようにしているものであり、この
場合の還元反応の反応式は、 Ａｌ_２Ｏ_３ ＋ ３Ｈ_２ → ２Ａｌ ＋ ３Ｈ_２Ｏ である。

【００２５】この結果、従来のように自然酸化膜を残し
た状態でリフロー処理を行うことがなくなるので、再現
性良く安定したリフロー処理を行うことができ、多層配
線を行う構成の場合でも歩留の向上を図ることができる
ようになる。

【００２６】このような本実施例によれば、アルミニウ
ム合金膜５の成膜の後のリフロー工程において、リフロ
ー処理をリフローチャンバー１６にて微量の水素ガスを
添加しながら行うようにしたので、アルミニウム合金膜
上に発生した自然酸化膜を還元反応によって除去しなが
らリフロー処理を行うことができるようになり、再現性
良く安定したリフロー工程を実施できるようになる。

【００２７】図９は本発明の第２の実施例を示すもの
で、第１の実施例と異なるところは、水素ガスボンベ２
１からリフローチャンバー１６に至る配管経路の途中
（コック２１ａと２１ｂとの間）に放電室２２を設け、
ここを通過する水素ガスＨ_２に高周波（ＲＦ）あるいは
マイクロ波等を照射して励起エネルギを与えることによ
り生成した水素ラジカルをリフローチャンバー１６内に
導入することにより還元反応の反応性を高めるようにし
たものである。そして、このような第２の実施例によっ
ても第１の実施例と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００２８】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、次のように変形また拡張できる。マルチチ
ャンバー式の処理装置以外でも実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すリフローチャンバ
ーの概略構成図

【図２】処理装置の全体の概略構成図

【図３】半導体装置の製造過程を示す模式的な縦断側面
図（その１）

【図４】半導体装置の製造過程を示す模式的な縦断側面
図（その２）

【図５】半導体装置の製造過程を示す模式的な縦断側面
図（その３）

【図６】半導体装置の製造過程を示す模式的な縦断側面
図（その４）

【図７】半導体装置の製造過程を示す模式的な縦断側面
図（その５）

【図８】半導体装置の製造過程を示す模式的な縦断側面
図（その６）

【図９】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【符号の説明】

１はシリコン基板、２は拡散領域、３は酸化膜、３ａは
コンタクトホール、４はバリアメタル、５は第１層のア
ルミニウム合金膜、６は反射防止膜、７は層間絶縁膜、
８はコンタクトホール、９はバリアメタル、１０は第２
層のアルミニウム合金膜、１１は処理装置、１１ａは搬
送チャンバー、１２はウエハロードロックチャンバー、
１３はＲＦエッチングチャンバー、１４はバリアメタル
のデポチャンバー、１５はアルミニウムのデポチャンバ
ー、１６はリフローチャンバー、１７は反射防止膜のデ
ポチャンバー、１８はウエハステージ、１９はヒータ、
２０はアルゴンガスボンベ、２１は水素ガスボンベ、２
２は放電室である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に導体膜を形成する膜形成
   工程と、この半導体基板上の導体膜を真空中でリフロー
   処理するリフロー工程とを含んでなる半導体装置の製造
   方法において、 前記リフロー工程は、微量の水素ガスを含んだ真空中で
   加熱処理を行うことにより、前記導体膜表面に発生した
   自然酸化膜を還元反応を起こして除去しながらリフロー
   処理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】 前記導体膜は、アルミニウム膜あるいは
   アルミニウム合金膜であることを特徴とする請求項１記
   載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記水素ガスは、高周波あるいはマイク
   ロ波などの励起エネルギで励起することにより中性で活
   性なラジカル状態として供給されることを特徴とする請
   求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記リフロー工程は、熱処理の温度が４
   ００℃〜５００℃の範囲に設定され数分間実施されるこ
   とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半
   導体装置の製造方法。