JP2001118804A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置、特に少
量のシリコンまたは銅を含有するなどのアルミニウム合
金膜が配線として設けられる半導体装置の製造方法およ
び半導体装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device in which an aluminum alloy film containing a small amount of silicon or copper is provided as wiring.
【０００２】[0002]
【従来の技術】集積回路を有する半導体装置は、近年、
急激な集積度の増加により素子の微細化が進み、配線の
微細化および薄膜化が著しい。これに伴って配線抵抗の
低減やエレクトロマイグレーション寿命（以下、ＥＭ寿
命と呼ぶ。）の確保が重要な課題となっている。従来か
ら配線材料としては主にアルミニウム合金が用いられて
おり、ＥＭ寿命向上のために、現在は１％前後の少量の
銅を含有するものが多用されている。さらに配線の多く
は前記アルミニウム合金層と、この上下層に高融点の金
属化合物からなるバリア層を設けた構造となっている。
例えば、この上下層に用いる高融点金属化合物膜は窒化
チタン、窒化タンタル、窒化タングステンなどである。2. Description of the Related Art Semiconductor devices having integrated circuits have recently been developed.
Due to a rapid increase in the degree of integration, the miniaturization of elements has progressed, and the miniaturization and thinning of wiring have been remarkable. Accordingly, reduction of wiring resistance and securing of electromigration lifetime (hereinafter referred to as EM lifetime) have become important issues. Conventionally, an aluminum alloy has been mainly used as a wiring material, and a material containing a small amount of copper of about 1% is frequently used at present to improve the EM life. Further, most of the wirings have a structure in which the aluminum alloy layer and a barrier layer made of a metal compound having a high melting point are provided on the upper and lower layers.
For example, the refractory metal compound film used for the upper and lower layers is titanium nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, or the like.
【０００３】図７を用いて従来の半導体装置の配線積層
膜構造について説明する。不純物層１３が形成されてい
る半導体基板１１上に絶縁膜１２を形成し、その後、不
純物層１３と、後述する配線材料としてのアルミニウム
合金膜２０との電気的コンタクトを取るため、エッチン
グによりコンタクトホール１４を形成する（図７（ａ）
参照）。次に、コンタクトホール１４へ埋込み層１６を
形成するために、高融点金属化合物膜（または高融点金
属膜でもよい）による第１のバリヤ層１５を積層させて
形成するとともに埋込み層１７用の材料として、例えば
タングステン１６を形成する。Referring to FIG. 7, a description will be given of a wiring laminated film structure of a conventional semiconductor device. An insulating film 12 is formed on a semiconductor substrate 11 on which an impurity layer 13 is formed. Thereafter, in order to make electrical contact between the impurity layer 13 and an aluminum alloy film 20 as a wiring material described later, a contact hole is formed by etching. 14 (FIG. 7A)
reference). Next, in order to form the buried layer 16 in the contact hole 14, a first barrier layer 15 made of a high melting point metal compound film (or a high melting point metal film) may be laminated and formed, and a material for the buried layer 17 may be formed. For example, tungsten 16 is formed.
【０００４】このタングステン１６は、ＷＦ6、Ｓｉ
Ｈ4、Ｈ2などの混合ガスを用いたＣＶＤ（Chemical Va
por Deposition）により形成するため、ＷＦ6と半導体
基板１１のＳｉとの反応によるタングステン１６の異常
成長を抑制する窒化チタン等の高融点金属化合物膜によ
る第１のバリア層１５が必要である。この第１のバリア
層１５はアルゴンと窒素の混合ガスを用いた反応性スパ
ッタにより形成し、例えば、窒化チタンの第１のバリア
層１５を半導体基板１１の全面に成長させた後に、埋込
み層を形成するためにＣＶＤにより半導体基板１１の全
面にタングステン１６を成長させ（図７（ｂ）、（ｃ）
参照）、次に、エッチバック、ＣＭＰ（Chemical Mech
anical Polishing）により埋込み層１７以外のタング
ステン１６を除去する（図７（ｄ）参照）ことにより、
埋込み層１７を形成する。The tungsten 16 is made of WF 6 , Si
CVD (Chemical Vapor) using a mixed gas such as H 4 and H 2
The first barrier layer 15 made of a high melting point metal compound film such as titanium nitride which suppresses abnormal growth of tungsten 16 due to the reaction between WF 6 and Si of the semiconductor substrate 11 is required. The first barrier layer 15 is formed by reactive sputtering using a mixed gas of argon and nitrogen. For example, after growing the first barrier layer 15 of titanium nitride on the entire surface of the semiconductor substrate 11, the buried layer is formed. Tungsten 16 is grown on the entire surface of the semiconductor substrate 11 by CVD for formation (FIGS. 7B and 7C).
Next, etch back, CMP (Chemical Mech
By removing the tungsten 16 other than the buried layer 17 by anical polishing (see FIG. 7D),
The buried layer 17 is formed.
【０００５】しかしながら、このように、コンタクトホ
ール１４だけでなく、絶縁膜１２の全面についたタング
ステン１６の必要でない部分を除去して、埋込み層１７
部分のタングステン１６だけを埋め込むべく、エッチバ
ックやＣＭＰを用いているが、この際に、エッチバック
やＣＭＰの研磨剤であるスラリー中のアルカリ性溶液に
よって、第１のバリア層１５に表面荒れが発生して窒化
チタンの結晶配向性が劣化してしまう。窒化チタンの結
晶配向性が劣化すると、アルミニウム合金膜の結晶配向
性も劣化し、ＥＭ寿命も劣化するのであるが、一般的に
アルミニウム合金膜の結晶配向性とＥＭ寿命と相関があ
ると言われている。そのため、アルミニウム合金膜の結
晶配向性を向上させるために、第１のバリア層１５の結
晶配向性も向上させる必要がある。このため、図７
（ｄ）の工程が終了した後、アルミニウム合金膜の成膜
前に第２の窒化チタン等の第２のバリア層１９を第１の
バリア層１５の上に再度反応性スパッタにより成膜し、
その上にアルミニウム合金膜２０をスパッタにより成膜
することが行われている（図８参照）。However, as described above, not only the contact hole 14 but also the unnecessary portion of the tungsten 16 on the entire surface of the insulating film 12 is removed, and the buried layer 17 is removed.
Etchback or CMP is used to bury only part of the tungsten 16, but at this time, the surface of the first barrier layer 15 is roughened by an alkaline solution in a slurry which is a polishing agent for etchback or CMP. As a result, the crystal orientation of titanium nitride deteriorates. When the crystal orientation of titanium nitride is degraded, the crystal orientation of the aluminum alloy film is also degraded, and the EM life is also degraded. It is generally said that there is a correlation between the crystal orientation of the aluminum alloy film and the EM life. ing. Therefore, it is necessary to improve the crystal orientation of the first barrier layer 15 in order to improve the crystal orientation of the aluminum alloy film. Therefore, FIG.
After the step (d) is completed, a second barrier layer 19 such as a second titanium nitride is formed on the first barrier layer 15 again by reactive sputtering before forming the aluminum alloy film,
An aluminum alloy film 20 is formed thereon by sputtering (see FIG. 8).
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】前記構造によりＥＭ寿
命は向上するが、配線の微細化、薄膜化が進むにつれて
電流密度が向上し、ますますＥＭ寿命の向上が要求され
る。そのため、上記のようなアルミニウム合金膜２０と
バリヤ層１５、１９との組み合わせによる積層膜構造に
より、アルミニウム合金膜２０の結晶配向性などを向上
させることが行われてきているが、このような手法でＥ
Ｍ寿命を向上させるだけでは、要求を満たすことができ
ないため、さらなるアルミニウム合金膜２０自体のＥＭ
寿命の安定的向上が要求される。Although the EM life is improved by the above structure, the current density is improved as the wiring becomes finer and thinner, and the EM life is required to be further improved. Therefore, it has been practiced to improve the crystal orientation and the like of the aluminum alloy film 20 by a laminated film structure formed by combining the aluminum alloy film 20 and the barrier layers 15 and 19 as described above. In E
Since the demand cannot be satisfied merely by improving the M life, the EM of the aluminum alloy film 20 itself is further increased.
It is required to stably improve the service life.
【０００７】本発明は、上記の問題を解決するもので、
長いＥＭ寿命を有する配線を形成することができる半導
体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目
的とするものである。The present invention solves the above problems,
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device capable of forming a wiring having a long EM life.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上
に高融点金属窒化物膜を形成する工程と、前記高融点金
属窒化物膜から窒素の一部を除去する工程と、前記高融
点金属窒化物膜上にアルミニウム合金膜を形成する工程
とを含むこと特徴とするものである。In order to solve the above-mentioned problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of forming a refractory metal nitride film on a semiconductor substrate; The method includes a step of removing a part of nitrogen from the film and a step of forming an aluminum alloy film on the refractory metal nitride film.
【０００９】この方法によれば、長いＥＭ寿命を有する
配線を形成することができる。According to this method, a wiring having a long EM life can be formed.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】ＥＭ寿命を安定させるために、従
来からアルミニウム合金膜の結晶配向性を向上させるた
めに下地バリヤ層を設けるとともに、アルミニウム合金
膜成膜条件を詳細（処理チャンバー圧力、成膜圧力、ガ
ス流量、成膜レート等）に管理しているが、それでもＥ
Ｍ寿命が変化する場合があった。そして、アルミニウム
合金膜の成膜条件とグレインサイズとの相関を評価した
結果、成膜条件とグレインサイズとが関係しており、さ
らにＥＭ寿命の変動はグレインサイズの変動と連結して
いることを確認した。そして、グレインサイズがばらつ
く原因は、ウエハから放出される窒素ガス量がウエハに
より異なるためであることを見出し、これに対処した装
置ならびに方法を考え出したものである。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to stabilize the EM life, an underlayer barrier layer has conventionally been provided to improve the crystal orientation of an aluminum alloy film, and the conditions for forming the aluminum alloy film have been set in detail (processing chamber pressure, formation pressure, etc.). Film pressure, gas flow rate, film formation rate, etc.).
M life sometimes changed. Then, as a result of evaluating the correlation between the film forming conditions of the aluminum alloy film and the grain size, it was found that the film forming conditions are related to the grain size, and that the fluctuation of the EM life is linked to the fluctuation of the grain size. confirmed. The inventors have found that the cause of the variation in the grain size is that the amount of nitrogen gas released from the wafer varies depending on the wafer, and have conceived an apparatus and a method for coping with this.
【００１１】すなわち、本発明の半導体装置の製造方法
は、半導体基板上に、窒化チタンのような高融点金属窒
化物膜を形成する工程と、前記高融点金属窒化物膜から
窒素の一部を除去する工程と、前記高融点金属窒化物膜
上にアルミニウム合金膜を形成する工程とを含むもので
ある。そして高融点金属窒化物膜から窒素の一部を除去
する工程は、（１）高融点金属窒化物膜を加熱する方
法、または、（２）高融点金属窒化物膜の形成後に、大
気に曝す方法、（３）高融点金属窒化物膜を窒素以外の
不活性ガスに曝す方法との各方法が使用できる。That is, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a high melting point metal nitride film such as titanium nitride on a semiconductor substrate and a step of removing a part of nitrogen from the high melting point metal nitride film are performed. The method includes a step of removing and a step of forming an aluminum alloy film on the refractory metal nitride film. Then, the step of removing a part of nitrogen from the refractory metal nitride film includes (1) a method of heating the refractory metal nitride film, or (2) exposing the refractory metal nitride film to the atmosphere after forming the refractory metal nitride film. And (3) exposing the refractory metal nitride film to an inert gas other than nitrogen.
【００１２】また、上記加熱する方法においては、特に
加熱温度が１００℃から６００℃の温度範囲内、さらに
加熱時間が３０秒から５分間で行うことが望ましい。ま
た、加熱処理の圧力は１０-7Ｐａ〜１０-2Ｐａの間の圧
力状態で行うことが望ましい。さらにまた、上記（３）
の方法に使用する不活性ガスとしてはアルゴンもしくは
アルゴンの混合ガスを特に用いる。In the above-mentioned heating method, it is particularly preferable that the heating temperature is in the range of 100 ° C. to 600 ° C., and that the heating time is 30 seconds to 5 minutes. Further, it is desirable that the heat treatment be performed at a pressure of 10 −7 Pa to 10 −2 Pa. Furthermore, the above (3)
As the inert gas used in the above method, argon or a mixed gas of argon is particularly used.
【００１３】以上の製造方法により、後述する説明から
明らかにするように、窒化チタン膜中に存在するチタン
とは結合していない窒素を、アルミニウム合金スパッタ
前に取り除くことによってＥＭ寿命を改善することので
きる所望のアルミニウム合金膜の結晶粒径（グレインサ
イズ）になる。以下、本発明の実施の形態にかかる半導
体装置の製造方法、すなわち半導体基板に、アルミニウ
ム合金を主体とする金属配線膜を形成する方法について
説明する。なお、従来のものと同機能のものには同符号
を付して、その説明は省略する。According to the above manufacturing method, as will be apparent from the following description, it is possible to improve the EM life by removing nitrogen which is not bonded to titanium present in the titanium nitride film before aluminum alloy sputtering. The crystal grain size (grain size) of the desired aluminum alloy film can be obtained. Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, that is, a method of forming a metal wiring film mainly composed of an aluminum alloy on a semiconductor substrate will be described. The components having the same functions as those of the related art are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
【００１４】配線材料としてのアルミニウム合金膜２０
（図１参照）自体のＥＭ寿命は、その結晶粒径（グレイ
ンサイズ）と非常に相関があり、グレインサイズが小さ
くなるとＥＭ寿命が劣化する傾向がある。本発明者はこ
の傾向に注目し、グレインサイズはアルミニウム合金成
膜２０を形成する条件により変化し、特に膜中の窒素含
有量が多いとグレインサイズが小さくなることを見い出
し、配線構造の形成中に窒素が含有することの少ない成
膜工程にすることによってＥＭ長寿命化を図ったもので
ある。Aluminum alloy film 20 as wiring material
(See FIG. 1) The EM life of the substance itself has a strong correlation with the crystal grain size (grain size), and the EM life tends to deteriorate as the grain size decreases. The present inventor has noticed this tendency, and found that the grain size changes depending on the conditions for forming the aluminum alloy film 20. In particular, when the nitrogen content in the film is large, the grain size decreases, and during the formation of the wiring structure, In this case, the life of the EM is extended by using a film forming process in which nitrogen is less contained.
【００１５】このようにＥＭ長寿命化を図るべく、本発
明の半導体装置は、図１に示すように、半導体基板１１
上に形成されるアルミニウム合金膜２０の下方に設けら
れて、アルミニウム合金膜２０の結晶配向性を向上させ
るための高融点金属窒化物膜からなる第２のバリア層１
９に窒素除去処理が施されているものである。この半導
体装置の製造方法は、図２（ａ）に示すように、従来と
同様な手法にて、不純物層１３が形成された半導体基板
１１上に絶縁膜１２を形成した後、コンタクトホール１
４を形成するとともに窒化チタン、窒化タンタル、窒化
タングステンなどの高融点金属窒化物膜からなる第１の
バリア層１５を積層させる。そして、従来と同じ手順
で、コンタクトホール１４の箇所だけにタングステンな
どからなる埋込み層１６を形成し、その後、同じく、窒
化チタン、窒化タンタル、窒化タングステンなどの高融
点金属窒化物膜からなる第２のバリア層１８を積層させ
る（図２（ｂ）参照）。この後、本発明の実施の形態に
おいては、特に、第２のバリア層１８から窒素の一部を
除去し（図２（ｃ）参照）、この窒素の一部が除去され
た第２のバリア層（窒素除去バリア層）１９の上に、配
線材料としてのアルミニウム合金膜２０を形成するもの
である（図２（ｄ）参照）。In order to extend the life of the EM, the semiconductor device of the present invention, as shown in FIG.
Second barrier layer 1 made of a refractory metal nitride film provided below aluminum alloy film 20 formed thereon to improve the crystal orientation of aluminum alloy film 20.
9 has been subjected to a nitrogen removal treatment. As shown in FIG. 2A, the method of manufacturing this semiconductor device is to form an insulating film 12 on a semiconductor substrate 11 on which an impurity layer 13 is formed, and then to form a contact hole 1
4 and a first barrier layer 15 made of a refractory metal nitride film such as titanium nitride, tantalum nitride, or tungsten nitride is laminated. Then, the buried layer 16 made of tungsten or the like is formed only in the contact hole 14 in the same procedure as the conventional method. (See FIG. 2B). Thereafter, in the embodiment of the present invention, in particular, part of the nitrogen is removed from the second barrier layer 18 (see FIG. 2C), and the second barrier from which a part of the nitrogen is removed is provided. An aluminum alloy film 20 as a wiring material is formed on the layer (nitrogen removal barrier layer) 19 (see FIG. 2D).
【００１６】アルミニウム合金膜２０は一般にスパッタ
リング法で形成されるが、本発明者はまず最初に、アル
ミニウム合金膜２０のスパッタ成膜に関する雰囲気を調
査した。用いたスパッタ成膜装置は図３に示すように、
中心部の多角形型のチャンバー２８を中心として複数の
処理室が付随して構成されている。図３において、２１
は半導体基板１１としてのウエハ２２を入れたカセット
が設置自在とされ、大気圧から真空に排気する機能を有
するロードロック室、２３はアルミニウム合金膜２０を
成膜する前の予備加熱に使用されるプリヒートチャンバ
ーである。また、２４Ａ，２４Ｂは第１および第２のメ
タル層１５、１８を形成する高融点金属スパッタ処理チ
ャンバー、２５は膜形成工程の間で加熱処理を行うチャ
ンバー、２６はアルミニウム合金膜２０を形成するスパ
ッタチャンバー、２７はウエハ２２を各チャンバー２
３、２４Ａ，２４Ｂ、２５、２６などに搬送するための
ウエハ搬送系である。The aluminum alloy film 20 is generally formed by a sputtering method. First, the present inventor investigated an atmosphere for forming the aluminum alloy film 20 by sputtering. As shown in FIG. 3, the sputtering film forming apparatus used
A plurality of processing chambers are additionally provided around a polygonal chamber 28 at the center. In FIG.
Is a load lock chamber having a function of evacuating from atmospheric pressure to a vacuum in which a cassette containing a wafer 22 as the semiconductor substrate 11 can be set freely. Reference numeral 23 is used for preheating before forming the aluminum alloy film 20. It is a preheat chamber. 24A and 24B are refractory metal sputtering processing chambers for forming the first and second metal layers 15 and 18, 25 is a chamber for performing heat treatment between film forming steps, and 26 is an aluminum alloy film 20. The sputtering chamber 27 has a wafer 22 in each chamber 2.
3, 24A, 24B, 25, 26, etc.
【００１７】このように一台のスパッタ成膜装置にプリ
ヒート、高融点金属窒化物膜の形成、アルミニウム合金
膜２０の形成等の各プロセスを行う複数のプロセスチャ
ンバーを取り付け、真空中でウエハ２２を搬送させなが
ら連続的に処理を行うようになっており、スパッタ成膜
装置の生産能力を十分に発揮できるものである。このス
パッタ成膜装置において、微量ガスを定量するための質
量分析器（図示せず）を、スパッタチャンバー２６に取
り付けて測定した。As described above, a plurality of process chambers for performing various processes such as preheating, formation of a refractory metal nitride film, and formation of an aluminum alloy film 20 are attached to one sputtering film forming apparatus, and the wafer 22 is vacuum-mounted. The processing is performed continuously while being conveyed, so that the production capacity of the sputter film forming apparatus can be sufficiently exhibited. In this sputter deposition apparatus, a mass spectrometer (not shown) for quantifying a trace gas was attached to the sputter chamber 26 for measurement.
【００１８】ガスを測定した結果を図４に示す。図４の
縦軸は質量分析器で分析したチャンバー中の窒素分圧を
示している。図４から解るようにアルミニウム合金膜２
０を成膜するウエハ２２がスパッタチャンバー２６内に
入ると、窒素分圧が上昇している。すなわち、アルミニ
ウム合金膜２０のスパッタ形成時にターゲット付近のウ
エハ２２が加熱されるため、第２のバリア層１８などが
形成されたウエハ２２から窒素がスパッタチャンバー２
６内に拡散し、そのためにスパッタチャンバー２６内の
窒素分圧が上昇するものである。その結果、成膜中のア
ルミニウム合金膜２０中に取り込まれる窒素量も上昇す
る。FIG. 4 shows the result of measuring the gas. The vertical axis in FIG. 4 indicates the partial pressure of nitrogen in the chamber analyzed by the mass spectrometer. As can be seen from FIG. 4, the aluminum alloy film 2
When the wafer 22 on which the film 0 is formed enters the sputtering chamber 26, the partial pressure of nitrogen increases. That is, since the wafer 22 near the target is heated during the formation of the aluminum alloy film 20 by sputtering, nitrogen is sputtered from the wafer 22 on which the second barrier layer 18 and the like are formed.
6, and the partial pressure of nitrogen in the sputter chamber 26 rises. As a result, the amount of nitrogen taken into the aluminum alloy film 20 during film formation also increases.
【００１９】このようにウエハ２２から窒素ガスが放出
される原因を調べたところ、以下のことが判明した。す
なわち、アルミニウム合金膜２０を成膜する前のウエハ
２２には、第１、第２のバリア層１５、１８を形成する
ときに、アルゴンと窒素との混合ガスを用いた反応性ス
パッタにより窒化チタンなどの高融点金属の窒化物を成
膜しているが、成膜された窒化チタンの膜中には、チタ
ンと結合していない多量の窒素が存在し、アルミニウム
合金膜２０の成膜中にそこから窒素ガスが放出されるこ
とが明らかとなった。When the cause of the release of nitrogen gas from the wafer 22 was examined, the following was found. That is, when the first and second barrier layers 15 and 18 are formed on the wafer 22 before the aluminum alloy film 20 is formed, titanium nitride is formed by reactive sputtering using a mixed gas of argon and nitrogen. However, in the formed titanium nitride film, a large amount of nitrogen not bonded to titanium exists, and during the formation of the aluminum alloy film 20, It became clear that nitrogen gas was released therefrom.
【００２０】このようなことを踏まえて、後述する方法
によって高融点金属窒化物膜（第２のバリア層１８）か
ら窒素の一部を除去することにより、窒素分圧が上昇し
ないようにしながら、アルミニウム合金膜２０を成膜し
た。そして、成膜したアルミニウム合金膜２０のグレイ
ンサイズを評価した結果、窒素分圧が上昇しないように
しながらアルミニウム合金膜２０を成膜した場合には、
従来の方法で製造したものと比べて、ウエハ２２のグレ
インサイズが約０．１μｍ程度大きくなっており、この
ようにウエハ２２から放出される窒素ガスがグレインサ
イズに影響していることが明らかになった。In consideration of the above, by removing a part of nitrogen from the refractory metal nitride film (second barrier layer 18) by a method described later, the partial pressure of nitrogen is prevented from increasing. An aluminum alloy film 20 was formed. Then, as a result of evaluating the grain size of the formed aluminum alloy film 20, when forming the aluminum alloy film 20 while preventing the nitrogen partial pressure from increasing,
The grain size of the wafer 22 is about 0.1 μm larger than that manufactured by the conventional method, and it is apparent that the nitrogen gas released from the wafer 22 affects the grain size. became.
【００２１】以上の検討結果に基づき、本発明の半導体
装置の製造方法にかかるより具体的な工程を図２を参照
しながら、以下に説明する。図２（ｃ）における、１
５、１８は従来と同様な第１、第２のバリヤ層で、具体
的には例えばＴｉとＴｉＮとの積層膜である。そして、
第１のバリヤメタル１５上に、従来の技術において述べ
た場合と同様に、再度、第２のバリヤ層１８がスパッタ
リングを用いて形成される。そして、図３に示すような
スパッタ成膜装置において、それぞれの処理チャンバー
には高融点金属窒化物、アルミニウム合金膜２０を成膜
するためのターゲットを取り付けている。ここでは高融
点金属化合物のスパッタは高融点金属のターゲットを用
いて反応性スパッタにより成膜する。以下高融点金属と
してチタン、高融点金属化合物として窒化チタンを代表
例として説明する。Based on the above study results, more specific steps of the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 2C, 1
Reference numerals 5 and 18 denote first and second barrier layers similar to those of the related art, specifically, for example, a laminated film of Ti and TiN. And
A second barrier layer 18 is again formed on the first barrier metal 15 by sputtering, as in the case described in the related art. Then, in the sputtering film forming apparatus as shown in FIG. 3, a target for forming the high melting point metal nitride and aluminum alloy film 20 is attached to each processing chamber. Here, the sputtering of the refractory metal compound is performed by reactive sputtering using a refractory metal target. Hereinafter, titanium is described as a high melting point metal and titanium nitride is described as a typical example of a high melting point metal compound.
【００２２】半導体基板１１としてのウエハ２２は第
１、第２のバリア層１５、１８を成膜するために、高融
点金属膜スパッタ処理チャンバー２４Ａ，２４Ｂにロー
ドロック室２１を介して搬送される。ウエハ２２は、ロ
ードロック室２１に搬送された後、高融点金属膜スパッ
タ処理チャンバー２４Ａ，２４Ｂに搬送される前に、大
気除去および水分除去を行うためにプリヒートチャンバ
ー２３で予備加熱を行う。このプリヒートチャンバー２
３の加熱機構は、ランプあるいは抵抗加熱のどちらでも
構わない。高融点金属膜スパッタ処理チャンバー２４
Ａ，２４Ｂに搬送されたウエハ２２は、アルゴンと窒素
との混合ガスを用いた反応性スパッタにより第１、第２
のバリア層１５、１８が形成される。The wafer 22 as the semiconductor substrate 11 is transferred via the load lock chamber 21 to the refractory metal film sputtering processing chambers 24A and 24B for forming the first and second barrier layers 15 and 18. . After being transferred to the load lock chamber 21 and before being transferred to the refractory metal film sputtering processing chambers 24A and 24B, the wafer 22 is preheated in the preheat chamber 23 to remove air and moisture. This preheat chamber 2
The heating mechanism 3 may be either a lamp or resistance heating. Refractory metal film sputtering chamber 24
A and 24B are transferred to the first and second wafers 22 by reactive sputtering using a mixed gas of argon and nitrogen.
Barrier layers 15 and 18 are formed.
【００２３】第２のバリア層１８の下層にはタングステ
ンなどの埋込み層１７とのコンタクト抵抗を下げるため
に、Ｔｉのような高融点金属膜をスパッタしても良い。
第２のバリア層１８中には、チタンと反応していない窒
素が多量に存在する。この未反応窒素を第２のバリア層
１８中から取り除くために、本発明では以下に示す５種
類の方法のうちの少なくとも１つの方法を用いた後にア
ルミニウム合金膜２０をスパッタ成膜する。Under the second barrier layer 18, a high melting point metal film such as Ti may be sputtered to lower the contact resistance with the buried layer 17 such as tungsten.
The second barrier layer 18 contains a large amount of nitrogen that has not reacted with titanium. In order to remove the unreacted nitrogen from the second barrier layer 18, in the present invention, the aluminum alloy film 20 is formed by sputtering after using at least one of the following five methods.
【００２４】第１の方法：上記未反応窒素は非常に不安
定なため、低温の熱処理で短時間で取り除くことがで
き、例えば、プリヒートチャンバー２３を使い行って未
反応窒素を取り除くことができる。第２のバリア層１８
を成膜後、ウエハ２２をプリヒートチャンバー２３に搬
送し、ウエハ温度が１００℃〜６００℃となる温度範囲
内で、３０秒〜１０分間加熱する。これにより、未反応
窒素を第２のバリア層１８から除去した第２のバリア層
（窒素除去バリア層）１９を形成できるため、この窒素
除去した第２のバリア層１９上に、アルミニウム合金膜
２０を形成する。First method: The unreacted nitrogen is very unstable and can be removed in a short time by a low-temperature heat treatment. For example, the unreacted nitrogen can be removed by using the preheat chamber 23. Second barrier layer 18
After film formation, the wafer 22 is transferred to the preheat chamber 23, and is heated for 30 seconds to 10 minutes within a temperature range where the wafer temperature is 100 ° C. to 600 ° C. As a result, a second barrier layer (nitrogen removal barrier layer) 19 in which unreacted nitrogen is removed from the second barrier layer 18 can be formed, so that an aluminum alloy film 20 is formed on the nitrogen-removed second barrier layer 19. To form
【００２５】第２の方法：第１の方法ではウエハ加熱を
プリヒートチャンバー２３により行ったが、これに代え
て、第２の方法においては、上記所望のウエハ温度にな
るように加熱処理チャンバー２５によりウエハ加熱を行
うことで、未反応窒素を除去する。その加熱処理チャン
バー２５の加熱機構はランプ、抵抗加熱どちらの加熱機
構でも良い。その後、窒素除去した第２のバリア層１９
上に、アルミニウム合金膜２０を形成する。Second method: In the first method, the wafer is heated by the preheat chamber 23. Instead, in the second method, the wafer is heated by the heat treatment chamber 25 so as to reach the desired wafer temperature. Unreacted nitrogen is removed by heating the wafer. The heating mechanism of the heat treatment chamber 25 may be either a lamp or a resistance heating. Thereafter, the second barrier layer 19 from which nitrogen has been removed is used.
An aluminum alloy film 20 is formed thereon.
【００２６】第３の方法：第１、第２の方法ではウエハ
加熱をプリヒートチャンバー２３、または加熱処理チャ
ンバー２５により加熱しているが、マグネトロン方式の
スパッタではスパッタ処理チャンバーにもウエハ加熱機
構を備えているので、このウエハ加熱機構により、ウエ
ハ２２を加熱するものである。このウエハ加熱機構は、
抵抗加熱方式が一般的であり、本来、スパッタ中のウエ
ハ温度が所望の温度になるよう制御するために用いてい
るものであるが、この第３の方法では、第２のバリア層
１８中の未反応窒素を除去するための加熱機構として用
いるものである。具体的には、第２のバリア層１８を成
膜した後に、ウエハ２２をアルミニウム合金膜スパッタ
処理チャンバー２６に搬送し、その処理チャンバー２６
内に備えている加熱機構によりウエハ２２を所望の温度
で加熱して未反応窒素を除去し、その後、窒素除去した
第２のバリア層１９上に、アルミニウム合金膜２０を成
膜する。Third method: In the first and second methods, the wafer is heated by the preheat chamber 23 or the heat processing chamber 25. In the magnetron type sputtering, the sputter processing chamber is also provided with a wafer heating mechanism. Therefore, the wafer 22 is heated by the wafer heating mechanism. This wafer heating mechanism
The resistance heating method is generally used, and is originally used to control the wafer temperature during sputtering to a desired temperature. However, in the third method, the resistance of the second barrier layer 18 is reduced. It is used as a heating mechanism for removing unreacted nitrogen. Specifically, after forming the second barrier layer 18, the wafer 22 is transferred to the aluminum alloy film sputtering processing chamber 26, and the processing chamber 26
The unreacted nitrogen is removed by heating the wafer 22 at a desired temperature by a heating mechanism provided therein, and thereafter, an aluminum alloy film 20 is formed on the second barrier layer 19 from which nitrogen has been removed.
【００２７】以上の第１〜第３の加熱処理はいずれもス
パッタ装置の減圧可能なチャンバー内で行うものである
が、その圧力としては１０-7Ｐａ〜１０-2Ｐａが適当で
ある。減圧下で加熱を行うことによって一層容易に未反
応窒素を除去することができる。 第４の方法：第２のバリヤ層１８に含有する未反応窒素
は非常に不安定なため、ウエハ２２を大気に曝すと第２
のバリア層１８から未反応窒素を除去できる。この現象
を利用して、第２のバリア層１８を成膜した後に、ウエ
ハ２２をロードロック室２１を介してスパッタ成膜装置
から取り出して大気暴露を行う。次にアルミニウム合金
膜２０を成膜するために、再度ロードロック２１を介
し、アルミニウム合金膜スパッタ処理チャンバー２６に
ウエハ２２を搬送し、窒素除去した第２のバリア層１９
上に、アルミニウム合金膜２０を成膜する。The above first to third heat treatments are all carried out in a chamber capable of reducing the pressure of the sputtering apparatus, and the pressure is suitably 10 −7 Pa to 10 −2 Pa. Unreacted nitrogen can be more easily removed by heating under reduced pressure. Fourth method: Unreacted nitrogen contained in the second barrier layer 18 is very unstable, so that when the wafer 22 is exposed to the atmosphere, the second
Unreacted nitrogen can be removed from the barrier layer 18. Utilizing this phenomenon, after forming the second barrier layer 18, the wafer 22 is taken out of the sputter film forming apparatus via the load lock chamber 21 and exposed to the atmosphere. Next, in order to form the aluminum alloy film 20, the wafer 22 is transferred to the aluminum alloy film sputtering processing chamber 26 again via the load lock 21 and the second barrier layer 19 from which nitrogen has been removed is formed.
An aluminum alloy film 20 is formed thereon.
【００２８】第５の方法：第４の方法ではウエハ２２を
スパッタ成膜装置から取り出して大気暴露させたが、こ
の第５の方法では、ロードロック室２１でウエハ２２を
保持し、アルゴンガス等の不活性ガスを使用しながらロ
ードロック室２２を常圧もしくは準常圧になるように
し、その中にウエハ２２を保持することにより未反応窒
素を第２のバリア層１８から取り除く。次にアルミニウ
ム合金膜２０を成膜するために、再度ロードロック室２
１を介し、アルミニウム合金膜スパッタ処理チャンバー
２６にウエハを搬送し、窒素除去した第２のバリア層１
９上に、アルミニウム合金膜２０を成膜する。Fifth method: In the fourth method, the wafer 22 is taken out of the sputter film forming apparatus and exposed to the atmosphere. In the fifth method, the wafer 22 is held in the load lock chamber 21 and is subjected to argon gas or the like. The unreacted nitrogen is removed from the second barrier layer 18 by using the inert gas described above to make the load lock chamber 22 at normal pressure or sub-normal pressure, and holding the wafer 22 therein. Next, in order to form the aluminum alloy film 20, the load lock chamber 2 is again formed.
The wafer is transferred to the aluminum alloy film sputtering processing chamber 26 through the first barrier layer 1 and the second barrier layer 1 from which nitrogen has been removed.
An aluminum alloy film 20 is formed on 9.
【００２９】このように、第２のバリア層１８を成膜し
た後に、上記第１〜第５の方法による工程のどれかひと
つ、若しくはこれらを含む複数の工程を行い、その後ア
ルミニウム合金膜２０を成膜する。図５は、第２のバリ
ア層１８を成膜した後に、上記した第１の方法による処
理を行ってアルミニウム合金膜２０を成膜し、その後、
４００℃の温度の水素雰囲気中で１０分間熱処理を加え
たアルミニウム合金膜２０のＦＩＢ観察写真（収束イオ
ンビームによる像）を示す。また、図６は従来の製造方
法で成膜したアルミニウム合金膜２０のＦＩＢ観察写真
を示す。これらのＦＩＢ写真を用いてインターセプト法
によりアルミニウム合金膜２０のグレインサイズを測定
した結果、本発明の製造方法で得られたアルミニウム合
金膜２０のグレインサイズは０．６μｍ、従来の製造方
法でのアルミニウム合金膜２０のグレインサイズは０．
５μｍであり、本発明によりアルミニウム合金膜２０の
グレインサイズは充分成長していることが確認できた。As described above, after forming the second barrier layer 18, any one of the above-described steps 1 to 5 or a plurality of steps including these steps is performed, and then the aluminum alloy film 20 is formed. Form a film. FIG. 5 shows that after the second barrier layer 18 is formed, the process according to the above-described first method is performed to form the aluminum alloy film 20, and then,
A FIB observation photograph (image by a focused ion beam) of the aluminum alloy film 20 subjected to a heat treatment in a hydrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 10 minutes is shown. FIG. 6 shows a FIB observation photograph of the aluminum alloy film 20 formed by the conventional manufacturing method. As a result of measuring the grain size of the aluminum alloy film 20 by the intercept method using these FIB photographs, the grain size of the aluminum alloy film 20 obtained by the manufacturing method of the present invention was 0.6 μm, The grain size of the alloy film 20 is 0.
5 μm, and it was confirmed that the grain size of the aluminum alloy film 20 was sufficiently grown according to the present invention.
【００３０】本発明の製造方法によれば、窒化チタンの
ような高融点金属窒化物膜から加熱処理や大気暴露によ
って未反応窒素を除去することにより、アルミニウム合
金膜２０の成膜時に、窒素ガスのアルミニウム合金膜２
０への取り込みが少なくなって、アルミニウム合金膜２
０のグレインサイズを安定して大きくすることができ、
この結果、ＥＭ寿命を従来よりも長くすることができる
とともにそのバラツキが無くなり、安定した配線を有す
る半導体装置を提供することが可能となった。According to the manufacturing method of the present invention, the unreacted nitrogen is removed from the refractory metal nitride film such as titanium nitride by heat treatment or exposure to the air, so that the nitrogen gas is removed when the aluminum alloy film 20 is formed. Aluminum alloy film 2
0 is reduced and the aluminum alloy film 2
The grain size of 0 can be increased stably,
As a result, the EM life can be made longer than before, and the variation can be eliminated, and a semiconductor device having stable wiring can be provided.
【００３１】[0031]
【発明の効果】以上述べたように本発明の半導体装置の
製造方法、ならびに半導体装置によれば、アルミニウム
合金膜の成膜条件を良好に管理できて、安定したＥＭ寿
命を有するアルミニウム合金膜からなる配線を安定して
形成できるため、高い信頼性を持つ半導体装置を製造す
ることができる。As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device of the present invention, the conditions for forming the aluminum alloy film can be controlled well, and the aluminum alloy film having a stable EM life can be obtained. Since such a wiring can be formed stably, a semiconductor device having high reliability can be manufactured.
【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の構成
を示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
【図２】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の実施の形態
にかかる半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図。FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
【図３】同半導体装置の製造方法に使用するスパッタ成
膜装置の構成を概略的に示す平面図。FIG. 3 is a plan view schematically showing a configuration of a sputtering film forming apparatus used in the method for manufacturing the semiconductor device.
【図４】質量分析器を用いて評価したアルミニウム合金
スパッタ処理中のチャンバー内窒素分圧の推移を示す
図。FIG. 4 is a diagram showing a transition of a nitrogen partial pressure in a chamber during an aluminum alloy sputtering process evaluated using a mass spectrometer.
【図５】本発明の製造方法によるアルミニウム合金膜の
ＦＩＢによる粒子構造の顕微鏡写真（グレイン観察写
真）。FIG. 5 is a micrograph (grain observation photograph) of the particle structure of the aluminum alloy film by FIB according to the manufacturing method of the present invention by FIB.
【図６】従来の技術によるアルミニウム合金膜のＦＩＢ
による粒子構造の顕微鏡写真（グレイン観察写真）。FIG. 6 shows FIB of an aluminum alloy film according to a conventional technique.
Is a microscopic photograph (grain observation photograph) of the particle structure.
【図７】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ従来の半導体装置の
製造方法の各工程を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating respective steps of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
【図８】従来の半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional semiconductor device.
１１ 半導体基板 １２ 絶縁膜 １３ 不純物層 １５ 第１のバリア層 １７ 埋込み層 １９ 窒素の一部を除去した第２のバリヤ層 （窒素の一部を除去した高融点金属窒化物膜） ２０ アルミニウム合金膜 REFERENCE SIGNS LIST 11 semiconductor substrate 12 insulating film 13 impurity layer 15 first barrier layer 17 buried layer 19 second barrier layer from which part of nitrogen has been removed (refractory metal nitride film from which part of nitrogen has been removed) 20 aluminum alloy film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 BB30 BB32 BB33 BB37 CC01 DD37 DD42 DD77 DD79 FF18 FF22 HH01 5F033 HH18 HH32 HH33 HH34 JJ09 JJ19 JJ32 JJ33 JJ34 KK01 LL08 MM05 MM08 MM13 NN06 NN07 PP15 PP16 PP33 QQ73 QQ85 QQ98 WW03 WW05 XX05 5F103 AA08 DD28 DD30 PP03 PP20 RR10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4M104 BB30 BB32 BB33 BB37 CC01 DD37 DD42 DD77 DD79 FF18 FF22 HH01 5F033 HH18 HH32 HH33 HH34 JJ09 JJ19 JJ32 JJ33 JJ34 KK01 LL08 MM05 MM08 Q33 NN06 NN13 PP XX05 5F103 AA08 DD28 DD30 PP03 PP20 RR10
Claims (9)
成する工程と、前記高融点金属窒化物膜から窒素の一部
を除去する工程と、前記高融点金属窒化物膜上にアルミ
ニウム合金膜からなる配線材料を形成する工程とを含む
こと特徴とする、半導体装置の製造方法。A step of forming a refractory metal nitride film on a semiconductor substrate; a step of removing a part of nitrogen from the refractory metal nitride film; and an aluminum alloy on the refractory metal nitride film. Forming a wiring material made of a film.
去する工程が、高融点金属窒化物膜を加熱することで行
われ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。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the step of removing a part of nitrogen from the refractory metal nitride film is performed by heating the refractory metal nitride film. Method.
去する工程が、高融点金属窒化物膜の形成後に大気に曝
すことで行われ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. The semiconductor according to claim 1, wherein the step of removing a part of nitrogen from the refractory metal nitride film is performed by exposing the refractory metal nitride film to the atmosphere after forming the refractory metal nitride film. Device manufacturing method.
去する工程が、高融点金属窒化物膜を窒素以外の不活性
ガスに曝すことで行われ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。4. The method according to claim 1, wherein the step of removing part of nitrogen from the refractory metal nitride film is performed by exposing the refractory metal nitride film to an inert gas other than nitrogen.
The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
が１００℃から６００℃の温度範囲内で行うことを特徴
とする半導体装置の製造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the heating is performed in a temperature range of 100 ° C. to 600 ° C.
３０秒から５分間の間であることを特徴とする半導体装
置の製造方法。6. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the heating time in the step according to claim 5 is between 30 seconds and 5 minutes.
載の加熱処理の圧力状態が１０-7Ｐａ〜１０-2Ｐａの間
の圧力状態で行うことを特徴とする半導体装置の製造方
法。7. The manufacturing of a semiconductor device, wherein the heat treatment according to claim 2, 5, or 6 is performed under a pressure of 10 −7 Pa to 10 −2 Pa. Method.
しくはアルゴンの混合ガスであることを特徴とする半導
体装置の製造方法。8. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the inert gas is argon or a mixed gas of argon.
成され、この高融点金属窒化物膜上にアルミニウム合金
膜からなる配線材料が形成されてなる半導体装置であっ
て、前記高融点金属窒化物膜が窒素除去処理を施されて
いる半導体装置。9. A semiconductor device comprising: a refractory metal nitride film formed on a semiconductor substrate; and a wiring material made of an aluminum alloy film formed on the refractory metal nitride film. A semiconductor device in which a nitride film has been subjected to a nitrogen removal treatment.
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100787557B1 (en) | 2005-10-07 | 2007-12-21 | 엔이씨 일렉트로닉스 가부시키가이샤 | Semiconductor device having improved metal wiring |
| JP2008004578A (en) * | 2006-06-20 | 2008-01-10 | Sony Corp | Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device |
| US7659209B2 (en) | 2001-11-14 | 2010-02-09 | Canon Anelva Corporation | Barrier metal film production method |
| US7977243B2 (en) | 2001-11-14 | 2011-07-12 | Canon Anelva Corporation | Barrier metal film production apparatus, barrier metal film production method, metal film production method, and metal film production apparatus |
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1999
- 1999-10-22 JP JP30034199A patent/JP3471266B2/en not_active Expired - Fee Related
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| US8847292B2 (en) | 2006-06-20 | 2014-09-30 | Sony Corporation | Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device |
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