JP3624513B2

JP3624513B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3624513B2
Application number: JP02393296A
Authority: JP
Inventors: 一英小山; 充田口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2016-02-09
Also published as: JPH09219449A

Description

【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、特には高圧リフロー法によって接続孔内に配線材料を埋め込む半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化及び高機能化にともなってデバイス構造の微細化が進展すると、層間絶縁膜に形成されるコンタクトホールやヴィアホール等の接続孔はその開口幅が狭くかつ深くなる。ところが、このようにアスペクト比が高くなった接続孔内に、スパッタ成膜法によって配線材料層を埋め込もうとすると、シャドウウイング効果の影響を受けて接続孔の底面に近い部分のカバレッジが得られずこの接続部分で断線が生じるという不具合が発生する。このため、半導体装置の製造工程においては、上記スパッタ成膜法に代わる方法として高圧リフロー法が行われている。
【０００３】
以下に、上記高圧リフロー法を適用した半導体装置の製造方法を説明する。
先ず、図４（１）に示すように、例えば基板１１上に下層配線１２を形成し、この下層配線１２を覆う状態で基板１１上に層間絶縁膜１３を成膜する。リソグラフィー法によって形成したレジストパターン（図示せず）をマスクに用いたエッチングによって、下層配線１２に達する接続孔１４を層間絶縁膜１３に形成する。次いで、図４（２）に示すように、接続孔１４の内壁を含む層間絶縁膜１２上を覆う状態で、スパッタ成膜法によって下地金属膜１５を成膜する。その後、層間絶縁膜１３上に配線材料層１６をスパッタ成膜する。この際、接続孔１４の上部で配線材料層１６がブリッジ形状を成して接続孔１４の開口が配線材料層１６で塞がれ、接続孔１４の内部に空隙Ａが形成されるように配線材料層１６を成膜する。
【０００４】
次に、図４（３）に示すように、配線材料層１６を再結晶温度以上融点以下に加熱して軟化させると共に不活性ガスで満たされた高圧雰囲気によってこの配線材料層１６の一部を接続孔１４内に押し込む、いわゆる高圧リフロー法によって接続孔１４内を配線材料層１６で埋め込む。
【０００５】
【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、図４（１）で示した層間絶縁膜１３のエッチングによって形成される接続孔１４は、その側壁と層間絶縁膜１３の表面とで構成される開口肩部Ｂがほぼ垂直になる。そして、図４（２）で示したように、このような接続孔１４の内壁を覆う様態で下地金属膜１５をスパッタ成膜すると、シャドウウイング効果によって接続孔１４の開口肩部Ｂを覆う下地金属膜１５部分が接続孔１４の側壁を覆う部分よりも内側に張り出した形状になる。このため、図４（３）に示したように、高圧リフローによって接続孔１４内に配線材料層１６を押し込む際、この開口肩部Ｂでの摩擦が大きくなる。このような場合に、配線材料層１６の埋め込み特性を確保するためには、より高温かつ高圧でのリフローを行う必要がある。例えばＡｌ（アルミニウム）を主成分とする配線材料層１６の場合には、リフロー温度を４５０℃以上，リフロー雰囲気内圧力を１０^６Ｐａ以上にする必要がある。この結果、処理装置が大掛かりになったり、高温で処理する際に層間絶縁膜１３から脱ガスが発生してプロセスの安定性が損なわれるという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、高圧リフローによって接続孔内に配線材料層を埋め込む半導体装置の製造方法において、開口肩部の開口幅が深さ方向に向かって徐々に小さくなる形状の接続孔を基板上の層間絶縁膜に形成するか、または、接続孔の内壁を含む上記層間絶縁膜上に当該接続孔の開口肩部の開口幅を深さ方向に向かって徐々に小さくする状態で下地金属膜を成膜することを上記課題を解決するための手段としている。
【０００７】
上記製造方法では、高圧リフローによって接続孔内に配線材料層を埋め込む際の当該接続孔の形状は、その開口肩部の開口幅が深さ方向に向かって徐々に小さくなっているため、当該開口肩部における摩擦抵抗が少なくなる。したがって、高圧リフローの際の基板温度及び圧力をより低い値に設定して配線材料層の埋め込みが行われる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の製造方法及び半導体装置を、図面に基づいて説明する。
図１（１）〜（３）は、本発明の半導体装置の製造方法の一例を説明する製造工程図であり、これらの図を用いて半導体装置の製造方法の第１実施形態を説明する。
先ず、図１（１）に示す第１工程では、例えばシリコンからなる基板１１上に下層配線（配線）１２を形成する。次に、この下層配線１２を覆う状態で、基板１１上に酸化シリコンからなる層間絶縁膜１３を成膜する。その後、リソグラフィー法及びエッチング法によって、下層配線１２にまで達する接続孔１４を層間絶縁膜１３に形成する。一例として、この接続孔１４の開口幅は０．３５μｍ，アスペクト比は２程度であることとする。
【０００９】
以上の工程までを従来と同様に行った後、層間絶縁膜１３の表面をスパッタエッチングし、接続孔１４の開口肩部Ｂの層間絶縁膜１３部分を集中的にエッチング除去する。これによって、接続孔１４の開口肩部Ｂの曲率半径を大きくし、当該接続孔１４の上部においては開口幅が深さ方向に向かって徐々に小さくなるようにする。また、このスパッタエッチングでは、接続孔１４底面のエッチクリーニングも同時に行われる。
【００１０】
以下に、上記スパッタエッチング条件の一例を示す。
スパッタガス及び流量：Ａｒ（アルゴンガス）＝１００ｓｃｃｍ
ただし、ｓｃｃｍはｓｔａｎｄａｒｄｃｕｂｉｃｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ／ｍｉｎとする。
エッチング雰囲気内圧力：０．４Ｐａ
ＲＦ電圧：１ｋＶ
基板加熱温度：３００℃
エッチング時間：３ｍｉｎ
【００１１】
次に、図１（２）に示す第２工程では、接続孔１４の内壁を含む層間絶縁膜１３上にトレスマイグレーションによる断線不良防止及び濡れ性改善用の下地金属膜１５を成膜する。この下地金属膜１５の一例としては、Ｔｉ２０ｎｍ、ＴｉＮ５０ｎｍを下層から順に積層させた構成にする。
【００１２】
以下に、下地金属膜１５の成膜条件の一例を示す。

【００１３】
尚、下地金属膜１５として用いる材料は上記に限定されず、ＴｉＷ（チタン−タングステン），Ｗ（タングステン）等のように、信頼性上の冗長効果と次に成膜する配線材料層１６に対する濡れ性とを有する材料であれば適用可能である。
【００１４】
次いで、下地金属膜１５上に配線材料層１６をスパッタ成膜する。この際、接続孔１５上で配線材料層１６がブリッジ形状を成すことによって接続孔１４内を当該配線材料層１６で塞ぎ、接続孔１４の内部に空隙Ａが形成されるように、少なくとも接続孔１４の開口幅よりも配線材料層１６の膜厚の値を大きく、例えば０．５μｍ程度の膜厚に設定する。またここでは、この配線材料層１６として、例えば０．５重量％のＣｕ（銅）を含有するＡｌを用いる。この配線材料層１７としては、上記の他にもＡｌまたはＡｌを主成分とする通常の配線材料やＣｕまたはＣｕを主成分とする配線材料が用いられる。また、上記Ｃｕを含有するＡｌを用いる場合にも、Ｃｕの含有量は上記に限定されるものではない。
【００１５】
以下に、上記成膜条件の一例を示す。
スパッタガス及び流量：Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ
成膜雰囲気内圧力：０．４Ｐａ
ＤＣ電力：２０ｋＷ
基板加熱温度：４００℃
尚、上記スパッタ成膜においては、基板加熱温度を４００℃と高めに設定することで、接続孔１４の上部で配線材料層１６がブリッジ形状になり易いようにしている。
【００１６】
次に、第３工程では、図１（３）に示すように高圧力の不活性ガス雰囲気内で熱処理を行うことによって、酸化を防止しながら流動化させた配線材料層１６の一部を不活性ガス雰囲気の高圧で接続孔１４内に押し込む、いわゆる高圧リフロー処理を行う。以下に、上記高圧リフロー条件の一例を示す。
リフロー雰囲気内圧力：１０^４Ｐａ以上（Ａｒ雰囲気内）
基板加熱温度：４２０℃
加熱時間：１分
【００１７】
上記半導体装置の製造方法によれば、図１（１）を用いて説明した第１工程で、層間絶縁膜１３のスパッタエッチングによって接続孔１４の開口肩部Ｂの開口幅が深さ方向に向かって徐々に小さくなるようにした。このため、図１（２）を用いて説明した第２工程で下地金属膜１５をスパッタ成膜する際、シャドウウイング効果が起きにくくなり、接続孔１４の開口肩部Ｂ上における下地金属膜１５の膜厚が特に厚くなることはない。したがって、図１（３）を用いて説明した第３工程で高圧リフローを行う際の接続孔１４は、その開口肩部Ｂの開口幅が深さ方向に向かって徐々に小さくなる形状に保たれ、当該開口肩部Ｂにおける摩擦抵抗が少なくなる。したがって、高圧リフローの際には、基板加熱温度を従来の４５０℃から４２０℃に、リフロー雰囲気内圧力の下限を１０^６Ｐａから１０^４Ｐａに低下させることができる。
また、接続孔１４は、その開口肩部Ｂのみが丸みを持って形成されることから、接続孔の側壁をテーパー形状に形成した場合のように、上部の開口幅が広くなりすぎて配線材料層がブリッジ形状になり難くなることもない。
【００１８】
尚、上記高圧リフローの際の基板加熱温度は、リフロー雰囲気内の圧力の下限を上記実施形態よりも高めに設定することで配線材料層１６の再結晶温度（ここでは、３５０℃）にまで下げることが可能である。ただし、好ましくは、配線材料層１６の成膜温度（この実施形態では４００℃）よりも高い温度範囲に設定するようにする。
【００１９】
次に、図２を用いて本発明の半導体装置の第２実施形態を説明する。
先ず、図２（１）に示す第１工程では、上記第１実施形態で図１（１）を用いて説明したと同様に層間絶縁膜１３に接続孔１４を形成する。ただしここでは、層間絶縁膜１３を表面からスパッタエッチングする工程は行わない。
次いで、接続孔１４の底面のエッチクリーニングを行った後、図２（２）に示す第２工程では、接続孔１４の内壁を含む層間絶縁膜１３上に、上記第１実施形態と同様の材質からなる下地金属膜１５を成膜する。ただし、この下地金属膜１５の成膜は、基板加熱温度を３５０℃〜５５０℃の範囲内に設定した高温スパッタ法によって行われることとする。この基板加熱温度は、上記範囲内において、使用する材料やプロセスへの適用性を考慮し、好ましくは下層配線１２の信頼性が確保され、基板１１を構成するシリコンのシリサイド化を防止できる値に設定する。
【００２０】
以下に、高温スパッタ成膜による下地金属膜１５の成膜条件の一例を示す。

以下の工程は、上記第１実施形態と同様に行う。
【００２１】
上記半導体装置の製造方法によれば、図２（２）を用いて説明した第２工程で、高温スパッタ法によって下地金属膜１５を成膜することから、下地金属膜１５は、成膜表面において成膜材料をマイグレートさせながら成膜したものになる。このため、通常のスパッタ法によって下地金属膜を成膜する場合と比較して、接続孔１４の開口肩部Ｂ上を覆う下地金属膜１５部分は、その曲率半径が大きく、接続孔１４の開口肩部Ｂの開口幅を深さ方向に向かって徐々に小さくする形状になる。したがって、上記第１実施形態と同様に、図２（３）を用いて説明される第３工程では、配線材料層１６を高圧リフロー処理する際に当該開口肩部Ｂにおける摩擦抵抗が少なくなり、基板加熱温度及びリフロー雰囲気内圧力の下限を低下させることができる。
【００２２】
次に、図３を用いて本発明の半導体装置の第３実施形態を説明する。
ここで説明する半導体装置の製造方法と上記第２実施形態で説明した方法との違いは、図３（２）で示した第２工程で下地金属膜１５を成膜する際、バイアススパッタ法によって行う点にある。そして、この工程以外は、上記第２実施形態と同様に行う。
【００２３】
以下に、バイアススパッタ成膜による下地金属膜１５の成膜条件の一例を示す。

【００２４】
上記スパッタ成膜法では、ＤＣ電圧が印加された基板１１に向かって入射するＡｒイオンによって特に接続孔１４の開口肩部Ｂに付着した下地金属膜材料を再スパッタしながら成膜が進行する。このため、ここで成膜された下地金属膜１５は、通常のスパッタ法で成膜した下地金属膜と比較して、接続孔１４の開口肩部Ｂ上を覆う下地金属膜１５部分の曲率半径が大きくなり、接続孔１４の開口幅を深さ方向に向かって徐々に小さくする形状になる。したがって、上記第１及び第２実施形態と同様に、図３（３）を用いて説明される第３工程では、配線材料層１６の高圧リフロー処理を行う際に接続孔１４の開口肩部Ｂにおける摩擦抵抗が少なくなり、基板加熱温度及びリフロー雰囲気内圧力の下限を低下させることができる。
【００２５】
以上説明した各実施形態は、第１実施形態と第２実施形態及び第３実施形態のうちの少なくともいづれか一つの実施形態とを組み合わせたり、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせて実施することも可能である。このように、各実施形態を組み合わせて実施される方法によれば、上記各実施形態を単独で実施する場合よりも接続孔の開口肩部の曲率半径がさらに大きくなり、高圧リフロー処理の際の基板加熱温度及びリフロー雰囲気内圧力の下限をさらに低下させることができる。
また、接続孔１４は基板１１の表面側に形成された拡散層に達するものでも良い。ただしこの場合、基板と配線材料層とのバリア性を確保するため、拡散層をバリアメタルで覆うか、または下地金属膜としてバリア性を有する材料を用いることとする。
【００２６】
【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、高圧リフローによって接続孔内に配線材料層を埋め込む際の当該接続孔の形状を、その開口肩部の開口幅が深さ方向に向かって徐々に小さくなるようにすることで、当該開口肩部における摩擦抵抗を少なくし、高圧リフローの際の基板温度及び圧力をより低い値に設定して配線材料層の埋め込みを行なうことができる。したがって、半導体装置の製造装置の小規模化及びプロセスの安定性を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態を説明する製造工程図である。
【図２】第２実施形態を説明する断面図である。
【図３】第３実施形態を説明する断面図である。
【図４】従来例を説明する製造工程図である。
【符号の説明】
１３層間絶縁膜１４接続孔１５下地金属膜
１６配線材料層Ｂ開口肩部

Claims

層間絶縁膜に形成された接続孔の内壁を含む当該層間絶縁膜上に下地金属膜を成膜し、次いで当該下地金属膜上に前記接続孔内を塞ぐ状態で配線材料層を成膜した後、高圧リフローによって前記配線材料層の一部を前記接続孔内に押し込む半導体装置の製造方法において、
前記下地金属膜は、高温スパッタ法によって成膜表面において成膜材料をマイグレートさせながら成膜されることにより、前記接続孔の開口肩部の開口幅を深さ方向に向かって徐々に小さくする形状に形成される
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。