JPH1140516A

JPH1140516A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1140516A
Application number: JP20862497A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miura; 博三浦
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】スパッタ法を主体とした簡便な手法で、ボイ
ドが発生しない高信頼性を有するアルミニウムプラグを
もつ配線を形成する。【解決手段】ヴィアホール開口後、Ｔｉ薄膜２３を３
０ｎｍ、その上にＴｉＮ薄膜２４を５０ｎｍの厚さにス
パッタ法により形成した後、ＡｌＳｉＣｕ薄膜をスパッ
タ法により成膜する。その後、高圧アルゴン雰囲気を形
成し、ＡｌＳｉＣｕ薄膜をホール内に流動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に高アスペクト比の微細ホールを介して
下層と上層の配線を接続するのに好都合な配線形成工程
を含む半導体装置の製造方法に関に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置においては、上下配線は配線
間に形成された接続孔（以下、ヴィアホールと記載す
る）で連結する。近年、プロセスコスト低減、ヴィアホ
ール抵抗低減の要求から、配線と同一材料であるアルミ
ニウム又はアルミニウム合金（アルミニウム及びアルミ
ニウム合金を含めてＡｌと記載することもある。）でホ
ールを埋め込むＡｌプラグ方法が採用されている。

【０００３】Ａｌプラグの形成方法として、高温アルミ
ニウムスパッタ法や高温リフロー法、高圧アルミニウム
埋込み法があげられる。高温アルミニウムスパッタ法
は、Ａｌ薄膜を成膜する際に、基板温度を４００〜５５
０℃の高温に維持し、Ａｌの流動性を利用してホール内
に充填する手法である。高圧アルミニウム埋込み法は、
第１ステップでホール上にＡｌ薄膜を橋渡し状に成膜
し、第２ステップでウェハを不活性ガスの高圧雰囲気中
で一定時間保持し、ホール内にＡｌを充填する手法であ
る。いずれの手法も配線とプラグの同時形成が可能であ
り、従来から用いられてきたＣＶＤ法によるタングステ
ンプラグ法に対して、工程数や原材料面での製造コスト
削減を図ることができるという利点を備えている。

【０００４】これらのいずれの手法でも、Ａｌ薄膜をホ
ール内に充填する際に、予めホールをチタン（Ｔｉ）薄
膜もしくは窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜で被覆する。チタ
ン薄膜及び窒化チタン薄膜はホールに充填されるＡｌの
流動性を確保するために形成されるものであるため、以
下の説明ではこのＴｉ薄膜又はＴｉＮ薄膜をウェッティ
ング（Wetting）層と呼ぶ。ウエッティング層はＡｌ薄
膜の流動性を確保するうえで重要であり、ウエッティン
グ層の状態によっては図１に示す空孔（以下ボイドと記
載する）がホール底部に発生することがある。図１中、
１１は下層メタル配線、１２は上下配線を分離する層間
絶縁膜、１３は上下配線を接続するヴィアホール、１４
は上層メタル配線、１５はウエッティング層、１６は上
層配線をヴィアホールに埋め込む際に発生したボイドを
示している。ボイドの発生原因として以下の３点が挙げ
られる。

【０００５】（１）ホールのアスペクト（深さ／径）
比が大きい場合、ホール底部もしくは側壁でウエッティ
ング層で被覆されない部分が発生して酸化膜が露出す
る。その酸化膜が露出した部分ではＡｌが流動せず、ホ
ール底部にボイドが発生する。

【０００６】（２）スパッタ室もしくはウェハの搬送
室に残留水分量が多い場合、ウエッティング層の表面が
酸化する。ウエッティング層が酸化した状態ではＡｌ薄
膜の流動性が低下する。このために、ホール内部にボイ
ドが発生する。

【０００７】（３）層間絶縁膜が水分等の不純物を多
く含有する状態であると、高温雰囲気中でＡｌをリフロ
ーする際に層間絶縁膜から不純物が放出される。この不
純物が層間絶縁膜に接触するウエッティング層に取り込
まれ、Ａｌ薄膜の流動性が低下し同様にボイドが発生す
る。

【０００８】ホール内部にボイドが存在すると、ホール
抵抗の増加、均一性の低下、エレクトロマイグレーショ
ン耐性劣化等の諸問題が起こる。埋込み不良のないＡｌ
プラグを形成するにはウエッティング層の形成方法が重
要であり、上記問題を回避するための手法が提案されて
いる。

【０００９】特開平６−２７５５５５号公報には、高温
Ａｌスパッタ法においてウエッティング層であるＴｉ合
金をコリメートスパッタ法で形成する手法が開示されて
いる。コリメートスパッタ法によりウエッティング層の
ホールカバレージが改善でき、上記の問題が解決できる
とされている。

【００１０】特開平５−１６６７５０号公報でも、ウエ
ッティング層のホールカバレージ改善方法が開示されて
いる。そこでは、形成したウエッティング層をいったん
全面エッチバックしてホール側壁にのみウエッティング
層をテーパ形状に残した後、ウエッティング層を再度形
成する。エッチバックによりホール断面をテーパ形状に
することにより、その後に再度形成するウエッティング
層のカバレージが向上するとされている。

【００１１】特開平５−２３５１７９号公報には、ウエ
ッティング層にＴｉＡｌ合金を用いる手法が開示されて
いる。Ａｌプラグとウエッティング層の組成を近づける
ことでボイドの発生が回避されるとされている。

【００１２】特開平７−５８１９９号公報には、高温リ
フロー法において、Ａｌ成膜と絶縁膜形成を連続で行
い、その後に高温でＡｌをホール内に流動させる手法が
開示されている。絶縁膜でＡｌの表面を被覆することで
酸化が防がれ、流動性が高まるとされている。

【００１３】特開平６−３１０４５８号公報では、まず
ホール内をカバレージが良い多結晶シリコンで充填し、
その後Ａｌを成膜し、熱処理を行なってＡｌとホール内
の多結晶シリコンを反応させることによりホール内にＡ
ｌを充填する手法が開示されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】引用した文献に記載さ
れているように、アルミニウムプラグのボイド発生を抑
制するために各種手法が提案されている。しかし、提案
されている手法の多くは、今後の高アスペクト比化に対
して不十分である。高アスペクト比の微細ホールへの埋
込みは、ＣＶＤ法や特開平６−３１０４５８号公報に開
示されているような手法が有効であると考えられる。し
かし、これらの手法では、形成工程が複雑になり、アル
ミニウムプラグの製造コスト低減という本来の利点を十
分に活かすことができない。製造コストを考慮した場
合、スパッタ法を主体とした高アスペクト比対応のアル
ミニウムプラグ形成技術が必要である。そこで、本発明
はスパッタ法を主体とした簡便な手法で、ボイドが発生
しない高信頼性を有するアルミニウムプラグ形成手法を
取り入れた配線形成方法を含む半導体装置の製造方法を
提供することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、先に記載した
ウエッティング層に起因するＡｌ薄膜の埋込み不良を回
避するためのウエッティング層を用いた製造方法であ
る。高アスペクト比対応のＡｌプラグ形成技術として
は、従来技術の説明で記載した高圧アルミニウム埋込み
法が有用である。この手法では、スパッタ法でＡｌ薄膜
をホール上部に形成する。その時点ではホール内部にボ
イドが存在している。つまり、ホールがＡｌ薄膜で塞が
れている状態にある。以下の説明ではこの状態をブリッ
ヂ形状と記載する。Ａｌ薄膜をブリッヂ形状に成膜した
後に、別チャンバーにウェハーを移動した後、そのチャ
ンバーにアルゴンガスなどの不活性ガスを導入し、６０
０〜８００ｋｇ／ｃｍ²の高圧雰囲気を形成してブリッ
ヂ状のＡｌ薄膜をホール内部に押し込んで充填する。高
圧アルミニウム埋込み法においても、Ａｌ薄膜をホール
内に流動させる為にウエッティング層が必要である。以
下にウエッティング層の問題点と，その解決方法を示
す。

【００１６】高圧アルミニウム埋込み法では、Ａｌ薄膜
をブリッヂ状に形成するために、高温（３００〜５００
℃）でＡｌ薄膜を成膜し粒径増大を図る。ウエッティン
グ層がＴｉ単層膜であると、この様な成膜条件下ではＡ
ｌ薄膜とＴｉ薄膜の合金化反応が起こり、Ａｌの流動性
が低下する。したがって、高圧アルミニウム埋込み法で
は、ウエッティング層としてにＴｉ層上にＴｉＮ層を積
層したＴｉＮ／Ｔｉ積層膜が用いられる。高アスペクト
比の微細ホールにウエッティング層をスパッタ法で形成
するためには、コリメートスパッタ法や、ロングスロー
スパッタ法が有効とされている。これらの手法はスパッ
タ粒子の指向性を向上させることで、高アスペクト比の
ホールでも被覆性が確保できている。一般的なコリメー
トスパッタ又はロングスロースパッタ法では、アスペク
ト比が２〜３のホールにおいて、ホール底部で２０〜４
０％のガバレージ（表面に形成される膜厚に対する当該
部分の膜厚の割合を示したもので、この場合はホール底
部での膜厚が表面での膜厚の２０〜４０％であることを
示している。）が確保できる。しかし、スパッタ粒子の
指向性（直進性）が高いことから、側壁のカバレージが
低下する。前記アスペクト比のホールにおいては、１０
〜２０％程度になる。従来の方法では、下層Ｔｉ膜の膜
厚として例えば５０ｎｍというような比較的厚いものが
使用されているが、特にホールが垂直に近い形状の場合
は、下層Ｔｉ膜の膜厚が厚くなると、ホール開口部分の
Ｔｉ膜も厚くなり、実効的なホール開口径が減少する。
そして、ホール開口部分のＴｉがシャドーになり、その
後に成膜するＴｉＮ膜の側壁被覆性がさらに低下する。
この傾向が顕著になると、ホール底部に向かう程、側壁
のＴｉＮ膜のカバレージが低下し、被覆できない部分も
生じる。ホール側壁にＴｉが露出していると、Ａｌ薄膜
とＴｉ薄膜の合金化反応が起こってＡｌの流動性が低下
し、ボイドが発生する。

【００１７】本発明者は、このような不具合は、ウエッ
ティング層を構成する下層Ｔｉ膜と上層ＴｉＮ膜の膜厚
比、及び各薄膜の膜厚を調整することにより回避できる
ことを見いだした。つまり、下層Ｔｉ膜厚は３０ｎｍ以
下であること、そして下層Ｔｉ膜厚を厚くする場合に
は、それに合わせてＴｉＮ膜厚も厚くすることがスパッ
タ法を用いる場合は必要である。実施例に示すように、
ＴｉＮ膜厚/Ｔｉ膜厚（膜厚比）≧１.５であり、望まし
くはＴｉ膜厚≦３０ｎｍ、ＴｉＮ膜厚≧４５ｎｍに設定
することである。このような条件に設定することによ
り、埋込み不良のないＡｌプラグがスパッタ法にて実現
できる。

【００１８】本発明をまとめて示すと、その配線形成工
程として、下層配線上に形成された絶縁膜にホールを形
成した後、３０ｎｍ以下で製膜可能な膜厚のチタン薄膜
をスパッタ法により形成し、続いてその上に窒化チタン
薄膜をチタン薄膜の１.５倍以上の膜厚になるようにス
パッタ法により形成する工程と、その後、そのホールを
充填するとともに上層配線となるＡｌ薄膜をスパッタ法
により形成する工程と、そのＡｌ薄膜をパターン化する
工程とを備えている。そして、好ましくは、窒化チタン
薄膜の膜厚は４５ｎｍ以上である。

【００１９】また、好ましい方法は高圧アルミニウム埋
込み法を適用することであり、Ａｌ薄膜を形成した後、
パターン化する前にウェハを不活性ガスの高圧雰囲気中
に一定時間保持する。以下に実施例にて、本発明による
Ａｌプラグの構成及びその製造方法を具体的に示す。

【００２０】

【実施例】図２は本実施例の製造工程を示している。
（ａ）はヴィアホール開口後の断面である。図中２１は
下層メタル配線(ＡｉＳｉＣｕ)、２０は層間絶縁膜、２
２は下層メタル配線２１上の位置で層間絶縁膜２０に開
けられたヴィアホールである。

【００２１】（ｂ）はウエッティング層成膜後の状態を
示している。図中２３はＴｉ薄膜であり、２４はＴｉＮ
薄膜である。各々の膜厚はＴｉ；３０ｎｍ、ＴｉＮ；５
０ｎｍであり、その膜厚比はＴｉＮ/Ｔｉ=１.６７にな
っている。ここでの膜厚は、ヴィアホール２２内の膜厚
ではなく、層間絶縁膜２０上のフィールド部分ｆでの膜
厚を示している。

【００２２】（ｃ）は上層配線のＡｌＳｉＣｕ薄膜成膜
後の状態を示す。２５はＡｌＳｉＣｕ薄膜であり、この
段階ではホール内部にはボイド２６が存在する。（ｄ）
は高圧アルゴン雰囲気を形成し、ＡｌＳｉＣｕ薄膜をホ
ール内に流動させた後の形態を示す。２７はホール内に
流動したＡｌＳｉＣｕ薄膜を示している。

【００２３】いずれの薄膜もスパッタ法を用いて形成
し、真空中の搬送経路を移動して大気暴露することなく
連続で成膜している。成膜条件は以下の通りである。Ｔｉ成膜；成膜温度４００℃ ターゲットパワー６ｋＷＡｒ流量５０ｓｃｃｍＴｉＮ成膜；成膜温度４００℃ ターゲットパワー１２ｋＷＡｒ流量２０ｓｃｃｍＮ₂流量７０ｓｃｃｍＡｌＳｉＣｕ成膜；成膜温度４５０℃ ターゲットパワー１５ｋＷＡｒ流量１００ｓｃｃｍ膜厚６００ｎｍ高圧埋込み；埋込み温度４５０℃ 圧力(Ａｒ雰囲気)７００ｋｇ／ｃｍ² 保持時間９０秒

【００２４】図３にウエッティング層のＴｉＮ/Ｔｉ膜
厚比とヴィアホール抵抗の関係を示す。抵抗を調べたヴ
ィアチェイン（ヴィアホールの状態を電気特性から調べ
るテストパターンであり、上層配線と下層配線をヴィア
ホールで連結した構造を複数回繰り返したものであ
る。）は、ホール径０.４μｍ、アスペクト比≒２のウ
ィアホールが３６００個存在するチェインパターンであ
る。抵抗値は、ホール１個あたりに換算した値であり、
エラーバー（図中の縦線）はウエハ面内の抵抗値のバラ
ツキを示している。図には、ウエッティング層構成がＴ
ｉ単層、ＴｉＮ/Ｔｉ積層、ＴｉＮ単層であるサンプル
の抵抗値を示している。また、ＴｉＮ/Ｔｉ積層のサン
プルでは、膜厚比を０.６３から２.６７の範囲で変えて
比較した。

【００２５】図示の様に、先の製造方法で示したＴｉＮ
/Ｔｉ＝１.６７のサンプル、及びＴｉＮ/Ｔｉ＝２.６
７、ＴｉＮ単層のサンプルでは、抵抗値が低く、ウエハ
面内のバラツキも低く抑えられていること分かる。これ
に対して、ウエッティング層がＴｉ単層である場合、も
しくはＴｉＮ/Ｔｉ積層で膜厚比が１.０以下である場合
には、抵抗値が高く、面内バラツキも大きい。これらの
サンプルでは、ホール内にボイドが発生して抵抗値が増
加している。

【００２６】この様子をさらに図４に示す。図４は抵抗
測定を行ったチェインパターンをＦＩＢ（Focused Ion
Beam）加工し、断面観察からボイド発生状況を調べた結
果である。ＦＩＢ加工は微細領域をエッチング加工する
手法であり、ここでは電気抵抗を測定したチェインパタ
ーンの断面を露出させるために行なった。図中、４１は
下層配線(ＡｌＳｉＣｕ)、４２はホール内に存在するボ
イド、４３はＴｉ薄膜、４４はＴｉＮ薄膜、４５は上層
配線（ＡｌＳｉＣｕ）を示している。ここで、Ｘはホー
ル内に存在するボイドの高さ、Ｙはホールの高さを表し
ている。表中ボイドの大きさは、ホール深さに対する比
（ボイド高さＸ／ホール深さＹ）で表している。Ｘ／Ｙ
＝０はボイドが存在しないことを示し，Ｘ／Ｙの値が１
に近づく程、ボイドが大きいことを示している。ウエッ
ティング層がＴｉ単層の場合は、殆どのホールで大きな
ボイドが発生し，ＡｌＳｉＣｕ薄膜が流動し難いことが
わかる。ＴｉＮ/Ｔｉ積層構成でもその膜厚比が１.０以
下の場合も、Ｔｉ単層と同様にボイドが発生し、その大
きさはＴｉＮ/Ｔｉ膜厚比に応じて変化する。ＴｉＮ/Ｔ
ｉ積層構成でその膜厚比が１.６７以上である場合には
ボイドは発生しない。

【００２７】以上のように、ウエッティング層をＴｉＮ
/Ｔｉ積層構成にする場合、その薄厚比を１.５以上にす
ることで、ボイドが発生しないＡｌプラグがスパッタ法
を主体とした手法で実現できることがわかる。

【００２８】実施例では、アスペクト比が約２のホール
について記載した。さらに高アスペクト比のホールに対
応するには，設定膜厚を変える必要がある。この場合
は、膜厚比１.５以上を維持し、Ｔｉ膜厚及びＴｉＮ膜
厚を調整する。アスペクト比が高くなるに従って、ホー
ル側壁でのＴｉ薄膜及びＴｉＮ薄膜の被覆性が低下する
が、上記範囲で膜厚の設定値を適時調整することでホー
ル側壁でのＴｉの露出が回避でき、実施例１と同様に本
発明の目的を達成することができる。実施例は本発明を
高圧アルミニウム埋込み法に適用しているが、本発明は
高温リフロー法など他の方法に適用しても改良されたウ
エッティング層の効果を発揮することができる。

【００２９】実施例に示したアスペクト比が約２のホー
ルでは、図３に示されるようにＴｉＮ単層膜でも小さい
ヴィア抵抗値を示していて問題はない。しかし、ウエハ
内には他にもアスペクト比の異なるヴィアホールが存在
している。ＴｉＮ単層膜の場合、特にアスペクト比の小
さいヴィアホールで問題が発生し、抵抗値がばらつく。
その様子を図５に示す。Ａは図３中に示されたデータで
あり、Ｂ〜Ｅは同一ウエハ内の他の場所のチェインパタ
ーンの測定結果である。

【００３０】

【発明の効果】本発明では、下層配線上に形成された絶
縁膜にホールを形成した後、３０ｎｍ以下のチタン薄膜
及びその上にチタン薄膜の１.５倍以上の膜厚をもつ窒
化チタン薄膜を形成してＴｉＮ／Ｔｉ積層構造のウエッ
ティング層を形成し、その後に、ホールを充填するとと
もに上層配線となるＡｌ薄膜を形成するようにしたの
で、微細ホールにおいてもボイドの発生が抑制でき、ヴ
ィアホール抵抗の低減、面内均一性の向上を図ることが
できる。ウエッティング層の単純な厚膜化は、その後の
メタルエッチングプロセスに対する負荷を増長するが、
チタン薄膜の膜厚を薄く抑えることにより、その後のエ
ッチングプロセスへの負荷が低減でき、高信頼性を有す
る配線プロセスが実現できる。微細ホールへのＡｌ埋込
み手法としての高圧アルミニウム埋込み法と組み合わる
ことで、高アスペクト比の微細ホールでのＡｌプラグ形
成がスパッタ法を主体とする手法で実現しやすくなり、
製造コストの増加を招くことなく今後の微細化に対応で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌプラグの埋込み不良の状態を示すヴィアホ
ール部分の断面図である。

【図２】実施例の製造方法を示す工程断面図である。

【図３】実施例におけるウエッティング層構成とヴィア
ホール抵抗の関係を示す図である。

【図４】実施例におけるウエッティング層構成、膜厚比
及びヴィアホール抵抗の関係を示す図表と、抵抗測定を
行ったチェインパターンの１つのホールの断面図であ
る。

【図５】ＴｉＮ単層膜の場合と実施例のＴｉＮ／Ｔｉ積
層膜の場合のウエハ内のいくつかの場所でのチェインパ
ターンのヴィア抵抗のバラツキを比較して示す図であ
る。

【符号の説明】

２１下層メタル配線(ＡｌＳｉＣｕ) ２２ヴィアホール２３，４３Ｔｉ薄膜２４，４４ＴｉＮ薄膜２５ＡｌＳｉＣｕ薄膜２６ボイド２７Ａｌプラグ４１下層配線(ＡｌＳｉＣｕ) ４２ホール内に存在するボイド４５上層配線（ＡｌＳｉＣｕ）Ｘホール内に存在するボイドの高さＹホールの高さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハに形成された下層配線上に
絶縁膜を形成し、その絶縁膜にホールを設け、そのホー
ルを介して下層の配線と接続される上層の配線をその絶
縁膜上に形成する配線形成工程を含む半導体装置の製造
方法において、前記配線形成工程は、下層配線上に形成された絶縁膜に
ホールを形成した後、３０ｎｍ以下で製膜可能な膜厚の
チタン薄膜をスパッタ法により形成し、続いてその上に
窒化チタン薄膜をチタン薄膜の１.５倍以上の膜厚にな
るようにスパッタ法により形成する工程と、その後、前記ホールを充填するとともに上層配線となる
アルミニウム薄膜又はアルミニウム合金薄膜をスパッタ
法により形成する工程と、そのアルミニウム薄膜又はアルミニウム合金薄膜をパタ
ーン化する工程とを備えていることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項２】前記窒化チタン薄膜の膜厚を４５ｎｍ以
上とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記アルミニウム薄膜又はアルミニウム
合金薄膜を形成した後、パターン化する前に前記ウェハ
を不活性ガスの高圧雰囲気中に一定時間保持する請求項
１又は２に記載の半導体装置の製造方法。