JPS5833855A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置の製造方法に係わシ、特に高信頼
性の金属薄膜配線を形成する方法に関する。

集積回路等の半導体装置においては、素子間接続のため
に金属薄膜、例えば、アル１ニウム薄膜を用い膜配線の
形成が広く行なわれているつアルきニウムは半導体との
オーミック接続が容易であること、被着性が良いこと、
加工が容易であること、電気抵抗が小さいこと等の利点
を有している。しかし乍ら、一般にアルミニウム薄膜配
線形成後、半導体基体との良好なオーでツタ接続を得る
ために４０Ｇ〜５００℃の温度下で加熱する工程や絶縁
保饅膜形成のための昇温工程等があり、これらの工程で
、アルミニウムの異常結晶成長が起こってヒロックと称
する表面突起が生ずる。従来、このヒロックの発生は半
導体装置の信頼性を劣化せしめる大きな要因となってい
た。即ち、配線上を覆う絶縁保饅膜、或いは多層配線構
造の場合であれば、層間絶縁膜等にはヒロックに因って
一ンホールや破壊が生ずる。これらはいわゆる／臂シベ
ーシ１ン不良や層間リークの原因となっていた。又、素
子の微細化が進み配線幅も狭くなシつつある現在、狭い
配線の中にそれと同等若しくは数分の−の径を有するヒ
ロックが存在することは、配線中の電流の流れの均一性
を妨げ、通電寿命の点で深刻な問題となってきている。

更に、微細配線を形成する場合の写真蝕刻工程、特に配
線用マスク／中ターンのフォトレジスト層への露光転写
工１１においては、フォトレジスト基板表面の厳しい平
坦性が要求される。この場合、規定の平坦性が無いと転
写像のばけが生じ精密ノ譬ターンの形成ができなくなる
。又、多層構造の配線を形成する場合、下層の薄膜配線
層にヒロックが存在すると、上層部の薄膜配線形成中ス
ルーホール加工に悪影響を及ぼす。

本発明者らは、イオン注入を利用し九ヒロック抑制法を
一つ膜中導体装置の製造方法を先に提案しえ、即ち、ア
ルミニウム薄膜を形成した後、皺アルｔニウム薄膜中に
ネオン（Ｎ・）、アルノン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ
）勢の稀ガス類元素や、硼素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、燐
（Ｐ）、硅素（ｓｉ）等の元素を所定量イオン注入する
ことに因シ、その後の熱工程でのヒロックを著しく抑制
し得ることを明らかＫした。しかし乍ら、その後の検討
によると、上記元素のイオン注入に因るヒロック発生の
抑制効果は、アルミニウム薄膜を基板温度が室温〜１５
０℃の範囲において蒸着形成し九場合にのみ顕著であっ
て、１５０ｔｌ：以上の基板温度でのアルミニウム蒸着
膜に対しては殆ど効果がみられないことが判明した。

本発明の目的は、１５０℃以上４００℃以下の基板温度
で形成されたアルミニウムを主成分とする金属膜を用い
て効果的にヒロ、り発生を抑制した金属配線を得る方法
を提供するにある。

本発明は１５０℃〜４００℃の温度に設定された基板上
にアルミニウムを主成分とする金属膜を形成したのち、
前記金属膜に錫元素（８ｍ）をイオン注入することによ
って、その後の熱工程でのヒロ、り発生を抑制すること
を特徴とする。

以下、本発明の＾体的＊ｍｓについて図面を用いてｌ！
明するー＠１図（、）〜（Ｑは一実施例の製造工程を示
す断面図である。１１１１　ｖＡ（ａ）は例えば、比抵
抗１０Ω−１のｐｍシリコン基板１１上に所定Ｏ能動素
子中受動素子を形成することを目的とし、酸化、拡散、
気相堆積、蒸着及び写真−刻等の工程を経て、酸化膜１
２、ｎｍ拡散層１３、絶縁膜１４、アル１ニウムＭ１５
を形成した時点での工程断面図である。ＩＩ型型数散層
１３酸化膜１２の所定領域に設けられた開孔部において
燐拡散によって形成しであるが、集°積回路の如き場合
は実際には面積の異なるものが画一的に多数形成され能
動素子や受動素子の一部を構成している。また、アルミ
ニウムＥｌｌ　５Ｆｉ、ｎ型拡散層１３上を含む基板上
の絶縁ＩＭｚａの所定領域に形成された開孔部において
、ｎ型拡散層１３と接触し且つ、絶縁膜１４を覆う様に
基板全面に被着形成されている１本実施例では、アルミ
ニウム膜１５は、基板温度〜２５Ｇ℃にてマダネトロン
スノやツタ法によって厚さ０．８１ｓａに形成し喪。ま
た本実施例では蒸着材料として９９．９９９９％純度の
アルミニウムを用い九が、目的に応じて、シリコンや鋼
等を含んだアルミニウム合金材料を用いても良い、この
後、（ｂ）工程において、前記アルミニウム膜１５中に
、加速エネルギー１１０に＠Ｖにて錫イオン（８ｎつを
注入量３Ｘ１０１５個／−程注入する。続いて（ｃ）工
程において、写真蝕刻法によシ前記アルミニウム膜１５
を所定の配線ノ々ターンＩＩＡＫ加工形成した後、１１
ｉｌｌ拡散層１３ｆＣ対するオーミック接触を得るため
に４５０℃３０分程度の熱処理を行なう。上記イオン注
入を施さない場合、通常唸この熱工程時にアルミニウム
膜配線ノ４ターン１５１にはヒロックの成長が起ζ夛、
大きいものは１〜２細にも達する。本実施例の場合斯様
なヒロックの発生は皆無であった０次いで（ｄ）工程に
おいて、ＰＥＧ　（Ｐｈｏａｐｈｏ　−Ｓｔ　ｌ　ｌ＠
ａｔ＠−Ｇｌａｍｓ　）膜を絶縁保護膜１６として形成
する。　ＰＥＧ膜の形成は化学気相堆積法によって行な
うが、この場合基板温度が４００〜５００℃ｌ！度にな
る。しかしこの熱工程時においてもヒロックの異常成長
は生じなかった。ま九高温多湿下での通電による配線腐
蝕試験を行なったとζろ、不良紘全く発生し表かった。

尚、通常は（ｄ）工程の後、Ｉ／ディングツ譬ラッド形
成ために、絶縁保護膜１６への開孔形成工程や、ワイア
がンｒイングエ模等が加えられて中導体装置が製造され
る。

次に、２層構造の配線形成に本発明を適用した実施例に
ついて、第２図（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。先ず
、（ａ）工程の時点で所定のシリコン基板１１上忙厚さ
〜１ＪＩＩ１１１の熱酸化Ｎ１１ｘｘを形成し、該熱酸
化１１ｊｘｘ上に重量組成率〜１．５９１６のシリコン
を含むアルミニウム膜２３を、基板温度〜２００℃下に
てマグネトロンスパッタ法を用いて、厚さ〜１　ｓｍ　
ＩＩＣ被着形成する。次すで（ｂ）工程において、上記
アルミニウム族２３の全面に、加速エネｓ、　ａｆ　−
１００＆Ｖ、注入量４　Ｘ　１０１５個／ｄにて錫イオ
ン（ａｎ”）を注入する。次に（、）工程で、上記７　
ｋ　ｉニクム＠ＸＳを所定の配ＩＩｄターン２８Ａに写
真蝕刻加工する０次いで（ｄ）工程において、前記アル
ミニウム配置ＩＡターン２３ムの表面上を含む基板金量
上に層間絶縁膜となるシリコン酸化膜２４を気相堆積法
にて厚さ〜α６μｍに形成した後、写真蝕刻法によりて
所定領域に層間接続用の開孔２５を穿つ。上記層間絶縁
膜としてはシリコン酸化膜の他にシリコン窒化膜でも良
く、それらの形成方法は気相堆積法、！ラズマ堆積法等
何れでも良い。通常これらの絶縁膜を形成する場合基板
を３００〜５００℃に加熱するが、本実施例では誼加熱
工程に因ってもアルイニウム配線／々ターフ２３ムにヒ
ロックの異常成長は全く生じなかった０次いで（・）工
程において、２層目配線用材料膜として重量組成率１．
５％のシリコンを含むアルミニウムＭ２６を基板温度２
００′ＣＫ”Ｃ厚さ〜１μｍＫ、マグネトロンスー中ツ
タ法にて形成する。この時必要であれば２層のアルミニ
ウム膜２６を基板温度２ｏｏ℃にて厚さ〜１μｍに、マ
グネトロンスパッタ法にて形成する。この時必要であれ
ば２層目のアルミニウム膜Ｊ１６にも（ｂ）工程と同様
の錫イオン注入を行なう。そして（ｆ）工程において、
通常の写真蝕刻法を用いてアルミニウムＭ２ｃを加工し
、２層目の配線ノ譬ターンｊ６Ａ、ＪＯＢを形成する。

以上の工程を経て得られた最後の形は、配線／臂ターン
２６Ａと２６Ｂとの間を調べることによシ配線層間の耐
圧、リーク電流等を測定できゐ様になっている。上記構
造にて、実際に耐圧短絡等の測定を行なった結果、眉間
短絡状皆無であり、耐圧の分布４大幅な改善が認められ
た。

上記各実施例で述べた様に１本発明の方法によるアルミ
ニウム加熱蒸着膜に対するヒロックの抑制は、腐蝕試験
及び耐圧試験に対する大幅な改善を龜たらした。実際に
ヒロック発生の様子を表面粗さ針で評価した。シリコン
基板上に熱酸化層を〜１畑の厚さに形成し、諌熱酸化膜
の全面上に重量組成率でｉ、　ｓ　％のシリコンを含有
するアルミニウム膜を蒸着基板温度２５０℃で厚さ〜１
．ｉｔｍに形成し庚。この試料を通常の工程よ）厳しい
熱処理条件である、５００℃４０分間の条件にて熱処理
し、表面状態を調べた。第３図（ａ）ＦｉアルＺニウム
膜へイオン注入を施とさなかっ九場合、（ｂ）は熱処理
の前に１００に＠Ｖの加・速エネルギーにてアルミニウ
ム膜中へ錫イオン（ｌｉｉｍ”）を３Ｘ１Ｇ１５個／ｃ
ｄ注入した場合の、夫々熱処理後Ｃｔｓ面粗さを鍔ぺた
結果である。（ａ）。

（ｂ）の比較によっても本発明の効果は明瞭である。

頴黴鏡観察の結果、上記イオン注入を施こしたアル１＝
クム薄膜の熱処理後の表面には、微細な突起が多数発生
していることが判明した。

ヒのことから、アルミニウム膜へのイオン注入の効果は
、咳薄膜表面近傍に多数のヒロック発生該を形成して熱
処理時に微小ヒロックを多発させ、粗大ヒロックの発生
を抑えているものと解釈できる。微小ヒロックを多数発
生させ、巨視的にアルミニウム膜表面の平坦性を確保す
ることが、本発明の効果を生ぜしめるものと考えること
ができる。

室温近傍に保たれた基板に蒸着したアルミニウム膜の場
合には、前述のように稀ガス元素をはじめ種々の元素の
イオン注入を施こすことＫよ抄、後続熱工程のヒロック
発生を抑制することがでｔｉ九。１５０℃〜４００℃の
温度に加熱された基板へのアルミニウム蒸着膜に対して
は、種々検討し九結果、現時点では錫元素（Ｊｉｉｍ）
のイオン注入のみがヒロック抑制に対する顕著な効果を
示すことが判明している。実施例で述べた９９．９９９
９％純度Ｏアル１ニウム薄膜や重量組成率で〜１．５％
Ｏシリコンを含有するアルミニウム薄膜をはじめ、シリ
コン、銅、ｒルマニウム、ニッケル、鉄等の元素或い唸
それらの元素を複数種、重量組成率で数％程度にまで含
有せしめた、何れのアルミニウム薄膜についても、上記
したヒロックの抑制効果が確認された。これらアルミニ
ウムを成分とする加熱蒸着薄膜に錫元素（Ｊｉｍ）を上
記実施例の要領にてイオン注入した後、後続の加熱工程
の温度を種々変えて調べたところ、該アルミニウム膜の
融点（〜６００℃）近くまで、上記したヒロック抑制効
果があることも確認され友。又、上記実施例では、厚さ
〜１趨のアルミニウム膜中へ、加速エネルギー１００〜
１１０ｘ＠ｖで錫イオン（８ｍ”）を注入したが、注入
後のアル１＝ウム膜中の錫元素の分布性、表面から高々
６Ｇ０Ａ＠度の深さにわたりているだけで、アルミニウ
ム膜の厚さ方向全体にわたって分布している訳ではない
０本発明の如きヒロック抑制効果を生ぜしめるには、ア
ルミニウム膜の表面近傍にのみ錫元素（Ｓｎ）をイオン
注入すれば良く、アルミニウム膜の深い領域に錫イオン
注入層を形成する必要はない。アルミニウム膜の厚さ方
向に沿りて、中央部から更に深い領域へ錫元素をイオン
注入した場合、逆にヒロック抑制効果ができないことが
、実験的に確かめられた。従って、錫元素をイオン注入
する場合の注入エネルギーは、被注入物質であるアルオ
ニウム膜の厚さく応じ１表面近傍を含む領域に注入イオ
ンの分布を形成する様に、適宜選択する必要がある。１
＋、アルミニウム膜中に注入すべき錫元素の注入量は１
×１０１４〜ｌＸ１０１７個／ｃｄの範囲が良く、更に
はＩ　Ｘ　１０”〜Ｉ　Ｘ　１　Ｇ”個／　ａｄ　ｏ範
囲でヒロック抑制の効果が顕著に現われた。ｔた、上記
実施例では、錫元素のイオン注入工程はアルミニウム配
線ノ譬ターン形成工程の前に行なったが、勿論Δターシ
形成後にアルミニウム膜配線中に錫元素をイオン注入し
ても良い。一般には、アルミニウム膜のヒロ゛ツクは１
００℃近傍の加熱工程によって生ずるが、加熱温度の上
昇と共に発生密度、ヒロックの大きさは増加する。

２００℃以上の加熱に因りて生ずるヒロックは、集積回
路をはじめとする種々の半導体装置を製従って、斯様な
加熱工程を行なう前に、アルオニウム膜或いはアルミニ
ウム膜配線パターン中の所定領域へ所定量の錫元素をイ
オン注入することが、本発明のＩイｙトである。

以上述べたように本発明によれば、１５０〜４００℃の
基板温度てのアル１＝ウム膜中に所定量の錫元素（８ｍ
）をイオン注入する工程を、ヒロックの発生しうる後続
の熱工程の前に加えることＫよ）、ヒロックによりてア
ルミニウム膜表面に発生する異常結晶成長を抑制できる
。そしてヒロックの発生を抑制することによつて、実施
例で述べ丸ように配線腐蝕中層間耐圧の著しい改善がな
される捻か、写真蝕刻工種時の精密′＆Δターン形成等
が可能となった。また本発明によればヒロックの発生を
抑制するととｋよシ配線の通電寿命が長くなシ、各楢半
導体装置の信頼性向上忙大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）〜（ｄ）は本発明の一実施例を説明する念
めの工程断面図、第２図（、）〜（ｆ）は他の実施例を
説明するための工程断面図、第３図（ａ）　、　（ｂ）
は本発明の実施例の効果を説明するための特性図である
。 １１・・・１ｍｌシリコン基板、１２・・・酸化膜、Ｊ
Ｊ・・１Ｍｌ拡散層、１４・・・絶縁膜、１５・・・ア
ルミニウム膜、１５１川アルミニウム膜配！Ｉｄターン
、１ｅ・・・絶縁保護膜、２ノ・・・シリコン基板、２
２・・・酸化膜、２３・・・アルミニウム膜、２ｓム・
・・アルミニウム配線／４ターン、２４・・・シリコン
酸化膜、２５・・・開孔、２６川アルミニウム膜、Ｊｇ
Ａ、ＪｇＢ・・・アルミニウム膜配線パターン。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　蓼第２図 第３図 １−１００ｐｍ−１ １−１００Ｐｍ−１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に１５０℃〜４００℃の基板温度にてアル
   ミニウムを主成分とする金属膜を形成しこの金属膜を配
   線・臂ターンに加工した後２００℃以上の熱工程が加え
   られる半導体装置の製造方法において、前記金属膜を形
   成した後、前記２００℃以上の熱工程が加えられる前Ｋ
   、前記金属膜に錫元素をイオン注入する工程を有するこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。