JPH06244287A

JPH06244287A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH06244287A
Application number: JP2532493A
Authority: JP
Inventors: Masato Kanazawa; 正人金沢
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1993-02-15
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体基板温度の上昇に伴う放出水分が導電
膜層に取り込まれ、膜質が劣化するのを防止する。【構成】Ｐ型半導体基板２１上に第１の層間絶縁層２
２を形成する。第１の層間絶縁層２２の所定位置に第１
の接続孔２４を形成する。第１の接続孔２４を含む領域
に第１の導電層２３を形成する。所定形状に形成された
第１の導電層２３上に第２の層間絶縁層２６として、下
層を酸化珪素層２６Ａで、中間層を無機シリカあるいは
有機シリカを用いた酸化珪素層２６Ｂで、上層を酸化珪
素層２６Ｃで形成する。第２の層間絶縁膜２６の所定位
置に第２の接続孔２５を形成する。第２の接続孔２５の
第１の導電層２３上の酸化膜を除去し、さらに半導体基
板２１を冷却した後、第２の接続孔を少なくとも含む領
域に第２の導電層２７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置内に形成
された配線間の接続孔の歩留り／信頼性に関し、従来の
接続孔形成方法より、さらに高い歩留り／高い信頼性が
得られる半導体装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い配線
層の微細化、多層化が進みつつある。現在、半導体装置
の微細化技術の進歩を牽引する半導体メモリでも多層配
線技術を駆使した開発が行われている。多層配線技術
は、多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層との二
層膜で構成されたポリサイド膜が用いられている。しか
し、アルミニウム合金層を用いて多層化と微細化の両方
を同時に可能とする多層配線を実現することは困難であ
る。このためアルミニウム合金で配線層を形成する場合
には単層で用いられている。

【０００３】しかし、ポリサイド膜を用いた配線のシー
ト抵抗は、アルミニウム合金層による配線のシート抵抗
と比較して約２桁高いので、高速動作する半導体装置を
製造する場合には、ポリサイド膜による配線の遅延が生
じて、アルミニウム合金層を使用した場合に比ベて高速
化することができない。このため、シート抵抗の低いア
ルミニウム合金層を用いて微細化と多層化とを同時に実
現でき、さらにそれを用いた半導体装置の信頼牲を維持
できるようにすることが重要である。

【０００４】また、微細化技術の進歩に伴い、ロジッ
ク、ＡＳＩＣ、ゲートアレイ等のマイコンの分野でも微
細化が進んでいる。特に、マイクロプロセッサー（以
下、ＭＰＵと呼ぶ）の分野では、動作速度の高速化と高
機能化とが積極的に進められている。このため、さらな
る微細化技術の進展が期待されている。ＭＰＵの性能は
その扱えるデータの大きさによっても異なる。たとえば
同じ３２ビットＭＰＵであれば、付加された機能が高い
こととその動作周波数が高いこと、すなわち処理速度の
速さによって決められる。

【０００５】たとえば、３２ビットＭＰＵでは、その動
作周波数は５０ＭＨｚ程度である。またその集積度に関
しては、１００万トランジスタを１５ｍｍ×１５ｍｍ以
下の面積内に形成したものが実現されている。さらに引
き続き、動作周波数の向上と、ＭＰＵの高機能化とを実
現するためにも、集積度を高めることが必須である。こ
のためには、高度な微細化技術が必要である。

【０００６】ＭＰＵの分野では、高機能化と同時に高速
動作を可能とするために、配線遅延による動作速度の低
下を避けている。このために、従来からアルミニウム合
金からなる多層配線が用いられている。したがって、Ｍ
ＰＵの性能の向上を図るためには、アルミニウム合金を
利用した多層配線を微細化することが重要である。一
方、アルミニウム合金層を使って多層配線の微細化を行
おうとすると、配線の線幅が縮小するにつれて、同時に
上下の配線を接続する接続孔を小さくする必要がある。
多層配線の微細化を実現し、半導体装置の集積度を向上
させようとすると、上下の配線を接続する接続孔の直径
を少なくとも上下の配線の最小線幅以下にする必要があ
る。たとえば、線幅が１. ０μｍでは、接続孔の直径は
少なくとも１. ０μｍ以下にする必要がある。最小線幅
より直径が大きい接続孔を用いた場合には、接続孔の大
きさに配線幅が制限される。このため、配線の密度を上
げることができず、ひいては集積度を上げることができ
なくなり、同一の機能をもつ半導体装置を製造しても、
チップサイズが大きくなってしまう。

【０００７】アルミニウム合金を利用した配線を微細化
したときに生じる一つの問題として、上下の配線間を接
続する接続孔の歩留り／信頼性が、製造方法により大き
くばらつき安定な接触を得られないことがあげられる。
このような半導体装置の製造上のでの問題が微細化技術
の進歩を妨げる大きな要因となっている。以下に、従来
の技術について図面を参照しながら説明する。図４は、
従来の半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図で
ある。第１導電型の半導体基板としてＰ型半導体基板１
を例にとり、以下に説明する。Ｐ型半導体基板１上に
は、通常作り込まれるＭＯＳトランジスタ、ＭＯＳキャ
パシタ、バイポーラトランジスタ、抵抗等のいずれかの
半導体素子がすでに形成されているものとして、以下の
説明を行う。

【０００８】Ｐ型半導体基板１上に第１の層間絶縁物層
２である酸化珪素膜を形成する。第１の層間絶縁物層２
には、たとえば減圧あるいは常圧気相成長法により形成
したＳｉＯ₂ 膜、ＢＰＳＧ（boron-phosphosilicate gl
ass ）膜、ＰＳＧ（phosphosilicate glass ）膜等が用
いられる。つぎに、第１の層間絶縁物層２の所定位置を
選択的に除去する。除去された領域に第１の接続孔４が
形成される。この後第１の接続孔４を含む領域に第１の
導電層３を形成する（図４（ａ））。

【０００９】第１の接続孔４の底面にＰ型半導体基板１
が露出している。露出した半導体基板１上に自然酸化に
より形成された酸化物層を除去する。この後、第１の導
電層３を形成する。この第１の導電層３は、ＲＩＥ等の
異方性エッチングを用いて所定の形状に形成する。第１
の導電層３は、バリアメタル層３Ａ、アルミニウム合金
層３Ｂ、反射防止層３Ｃを順次積層した三層構造で構成
されている。この後、４５０℃程度の熱処理を行う（図
４（ｂ））。

【００１０】引き続き、所定形状に形成された第１の導
電層３上に第２の層間絶縁物層６を形成する。第２の層
間絶縁物層６は、下層が酸化珪素層６Ａ、中間層が無機
シリカあるいは有機シリカを用いた酸化珪素層６Ｂ、上
層が酸化珪素層６Ｃで構成されている。上層の酸化珪素
層６Ａは、たとえばＳｉＨ₄ またはＴＥＯＳを含む気相
中で、高周波を印加し形成される、いわゆるプラズマ気
相成長法を用いて堆積する。中間層の酸化珪素層６Ｂ
は、ゲル状の無機シリカあるいは有機シリカである。こ
れらのシリカは酸化珪素層６Ａ上に回転塗布した後、ベ
ーク処理を施してある。酸化珪素層６Ｃは酸化珪素層６
Ａと同様にプラズマ気相成長法を用いて形成している。

【００１１】第２の層間絶縁物層６のうち、下層の酸化
珪素層６Ａは、第１の導電層３および酸化珪素層６Ｂで
あるシリカと接している。下層の酸化珪素層６Ａは、酸
化珪素層６Ｂを形成する際、シリカに含まれた水分によ
って第１の導電層３が酸化するのを防止するために設け
ている。中間層の酸化珪素層６Ｂは、下地の第１の導電
層３の段差を平坦化する。この結果、上層の酸化珪素層
６Ｃの表面が平坦化する。つまり、酸化珪素層６Ｂは、
後の工程で酸化珪素層６Ｃの上層に形成される第２の導
電層７がその段差によって断線しないようにするために
設けている。上層の酸化珪素層６Ｃは、第２の層間絶縁
物層６自体の層の強度を高める。さらに中間層の酸化珪
素層６Ｂの表面を保護する。さらに酸化珪素層６Ｂが水
分等を吸湿しようとするのを防止するために設けてい
る。

【００１２】つぎに、第２の層間絶縁物層６の所定位置
を選択的に除去する。除去された領域は第２の接続孔５
となる（図４（ｃ））。第２の接続孔５を形成すること
で表面に露出した第１の導電層３の表面には、自然酸化
物層、主に、アルミニウム酸化物（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）が形成
されている。これをアルゴンガスを用いたスパッタリン
グで除去する。このときのアルゴンガス圧力は５ｍｔｏ
ｒｒ程度である。

【００１３】自然酸化物層の除去は、第２の接続孔５の
底に露出する第１の導電層３と、第２の導電層７の接触
を密なものにし、接触不良を避けるために行う。このよ
うにして得られた清浄な第１の導電層３の表面を大気に
さらすことなく、第２の導電層７を形成する。第２の導
電層７はアルミニウム合金で形成されている。

【００１４】この第２の導電層７は、ＲＩＥ等の異方性
エッチングを用いて所定の形状に形成される（図４
（ｄ））。アルミニウム合金には、少なくともマイグレ
ーションを防止するための元素（Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｄ等）
が添加されている。以上の製造方法によって二層配線構
造が実現できる。

【００１５】この後、半導体装置上の表面保護層を厚さ
５００〜１２００ｎｍで形成する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術に基づいた
半導体装置の製造方法の問題点について説明する。従来
の技術の問題点を明らかにするため、以下のような試料
を作製し試験を行った。Ｐ型半導体基板上に第１の層間
絶縁物層としてＢＰＳＧ膜が６００ｎｍの厚さで堆積さ
れている。ＢＰＳＧ膜上に第１の導電層を堆積した。そ
の上に第２の層間絶縁物層を形成している。第２の層間
絶縁物層は、下層に酸化珪素層、中間層に無機シリカあ
るいは有機シリカを用いた酸化珪素層、上層に酸化珪素
層で構成されている。第２の層間絶縁物層に、第２の接
続孔を形成している。その上に第２の導電層として、厚
さ１０００ｎｍのアルミニウム合金層が堆積されてい
る。これらの上に表面保護層として、厚さ３００ｎｍの
ＰＳＧ膜と厚さ８００ｎｍの窒化珪素膜が形成されてい
る。第２の導電層上の所定の位置を開口してある。

【００１７】図５は第２の接続孔の直径と１８０℃の温
度での放置１０００時間後の累積不良率の関係を示す。
図５に示すように、１８０℃の温度での１０００時間の
放置後の累積不良率は、第２の接続孔の直径が約１. ２
μｍより小さくなると、急激な不良率の増加が起こ
る。すなわち、従来の技術では、接続孔の直径がある一
定のサイズ以下になると不良に至り、信頼性／歩留り上
重大な問題を生じ、接続孔の直径をある一定のサイズ以
下に縮小することが不可能となる。

【００１８】以上のように従来の技術の構成では、多層
配線の半導体装置において第２の接続孔の直径が約１．
２μｍ以下から、その信頼性／歩留りにおいて多大な問
題が生じる。本発明者は、上記の問題に対して第２の接
続孔を開口してから、第２の導電層であるアルミニウム
合金層を堆積する間の工程で、半導体基板の温度上昇に
起因した水分放出の影響で半導体装置の歩留り／信頼性
を劣化させていることをつきとめた。すなわち、半導体
基板の温度上昇に起因して放出された水分が、第２の導
電層に取り込まれ第２の導電層を構成するアルミニウム
合金層の膜質が劣化することが原因であった。

【００１９】この発明の目的は、半導体基板の温度上昇
に起因して放出された水分が、第２の導電層に取り込ま
れないようにすることにある。また、第２の導電層を堆
積前の工程で、半導体基板の温度上昇を防止して半導体
基板からの水分放出を防止し、水分が第２の導電層に取
り込まれないようにすることにある。ひいては、アルミ
ニウム合金を利用した多層配線に用いられる接続孔の直
径が、従来技術では問題であった約１. ２μｍ以下であ
っても、信頼性の上で問題のない半導体装置の製造方法
を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の半導体装
置の製造方法は、半導体基板上の所定領域に第１の絶縁
物層を形成し、第１の絶縁物層に半導体基板が露出する
第１の接続孔を形成し、露出した半導体基板表面の第１
の酸化物層を除去し、半導体基板表面を含む領域に第１
の導電層を形成し、半導体基板上に第２の絶縁物層を形
成し、第２の絶縁物層に第２の接続孔を形成し第１の導
電層を露出し、第１の導電層上の第２の酸化物層を除去
したのち大気にさらすことなく半導体基板を冷却し、大
気にさらすことなく第２の導電層を形成し、半導体基板
を熱処理する。

【００２１】請求項２記載の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上の所定領域に第１の絶縁物層を形成し、第
１の絶縁物層に半導体基板が露出する第１の接続孔を形
成し、露出した半導体基板表面の第１の酸化物層を除去
し、半導体基板表面を含む領域に第１の導電層を形成
し、半導体基板上に第２の絶縁物層を形成し、第２の絶
縁物層に第２の接続孔を形成し第１の導電層を露出し、
第１の導電層上の第２の酸化物層を半導体基板の温度上
昇を防止しながら除去したのち大気にさらすことなく第
２の導電層を形成し、半導体基板を熱処理する。

【００２２】

【作用】請求項１の半導体装置の製造方法によれば、第
２の導電層を形成する工程の直前に、温度上昇した半導
体基板を冷却する工程を追加することにより、第２の導
電層に取り込まれる水分量を従来より低く保つことがで
きる。請求項２の半導体装置の製造方法によれば、第２
の導電層を形成する直前の工程を、半導体基板を冷却し
ながら行い半導体基板温度を低く保つことにより、第２
の導電層に取り込まれる水分量を従来より低く保つこと
ができる。

【００２３】

【実施例】以下に、この発明の実施例について図面を参
照しながら説明する。図１は、この発明の半導体装置の
製造方法の第１の実施例を説明するための製造工程順断
面図である。第１導電型の半導体基板としてＰ型半導体
基板２１を例にとり、以下に説明する。ただし、Ｎ型半
導体基板としても、以下の説明に変化はない。Ｐ型半導
体基板２１には、通常作り込まれるＭＯＳトランジス
タ、ＭＯＳキャパシタ、バイポーラトランジスタ、抵抗
等のいずれかの半導体素子がすでに形成されているもの
として、以下の説明を行う。

【００２４】Ｐ型半導体基板２１上に第１の層間絶縁物
層２２を形成する。この層間絶縁物層２２には、減圧あ
るいは常圧気相成長法により形成した酸化珪素層を用い
ることができる。ここでは、第１の層間絶縁物層２２と
して常圧気相成長法で形成されるＢＰＳＧ層を用いた例
について説明する。ただし、第１の層間絶縁物層２２と
してＢＰＳＧ層の他にＳｉＯ₂ 層、ＰＳＧ層等の絶縁物
層を用いることもできる。

【００２５】第１の層間絶縁物層２２は、Ｐ型半導体基
板２１上に形成された半導体素子と、第１の導電層２３
との間の絶縁耐圧を確保するために設けられる。第１の
層間絶縁物層２２の厚さは、４００〜１０００ｎｍ程度
である。第１の層間絶縁物層２２は、その上部に形成さ
れる第１の導電層２３のステップカバレッジを良好にす
るために設けられている。すなわち、第１の層間絶縁物
層２２に熱処理を施しフローさせて、その表面を平坦化
する。フローのための熱処理は、８５０〜９５０℃程度
の高温で、窒素ガス雰囲気中または水素・酸素の混合ガ
ス雰囲気中で行う。水素と酸素との混合ガス雰囲気中で
フローを行うと、窒素ガス雰囲気中でフローを行うより
滑らかに平坦化された表面が得られる。

【００２６】つぎに、第１の層間絶縁物層２２の所定位
置を選択的に除去して、第１の接続孔２４を形成する。
第１の接続孔２４は、上部の第１の導電層２３が断線し
ないように形成される。第１の層間絶縁物層２２の上部
をエッチングする場合には、ウェットエッチング等の等
方性エッチングを用いる。上部のエッチングの後、残っ
た第１の層間絶縁物層２２（下部）をエッチングする場
合には、反応性イオンエッチング（以下ＲＩＥと呼ぶ）
等の異方性エッチングを施す。このようにして第１の接
続孔２４が形成される。第１の接続孔２４の形状は、第
１の層間絶縁物層２２の上部の開口サイズが大きく、下
部の開口サイズが小さいテーパー形状である。このよう
な形状を実現できるのであれば、第１の接続孔２４は異
方性エッチングだけを用いて形成してもよい（図１
（ａ））。

【００２７】第１の接続孔２４の底に露出したＰ型半導
体基板２１上の自然酸化物層を、たとえば、フッ化水素
酸の希釈液等により除去する。この後、第１の導電層２
３を形成する。第１の導電層２３は、バリアメタル層２
３Ａ、アルミニウム合金層２３Ｂ、反射防止層２３Ｃを
順次積層した三層構造で構成されている。ここで、第１
の導電層２３としては、アルミニウム合金層のみの１層
構造であってもよく、バリアメタル層とアルミニウム合
金層の二層構造であってもよく、アルミニウム合金層と
反射防止層の二層構造でもよい。この第１の導電層２３
は、ＲＩＥ等の異方性エッチングを用いて所定の形状に
加工される。

【００２８】この後、たとえば水素ガス雰囲気中、また
は、水素と窒素との混合ガス雰囲気中で４５０℃程度の
熱処理を行う。この熱処理により、第１の導電層２３と
Ｐ型半導体基板２１のシリコンが適度に合金化する。こ
のためコンタクト特性が安定する。さらにこの熱処理に
よってＲＩＥ等の異方性エッチングによって生じたダメ
ージを回復させることができる（図１（ｂ））。

【００２９】アルミニウム合金層２３Ｂは、スパッタ法
により形成される。このときの厚さは、３００〜７００
ｎｍ程度である。アルミニウム合金層２３Ｂには、少な
くともマイグレーションを防止するための元素（Ｃｕ，
Ｔｉ，Ｐｄ等）が添加されている。この実施例のアルミ
ニウム合金層２３Ｂには、アルミスパイクを防止するた
めに１. ０質量％程度のＳｉ元素を、またマイグレーシ
ョンを防止するために０.５質量％程度のＣｕ元素をそ
れぞれ添加したものを用いている。

【００３０】バリアメタル層２３Ａは、アルミニウム合
金層２３Ｂ下に形成されている。バリアメタル層２３Ａ
を形成することで第１の接続孔２４に、単結晶珪素の析
出による接触抵抗値の増加が生じないようにすることが
できる。また、アルミニウム合金層２３ＢとＰ型半導体
基板２１とのシリコンが相互拡散して第１の接続孔２４
部分にアルミスパイクが発生しないように作用してい
る。バリアメタル層２３Ａは、スパッタ法で堆積したチ
タン層と反応性スパッタ法で堆積した窒化チタン層の二
層で構成している。チタン層の厚さは１０〜４０ｎｍ程
度で、窒化チタン層の厚さは４０〜１５０ｎｍ程度であ
る。

【００３１】ただし、バリアメタル層２３Ａを、高融点
金属または高融点金属シリサイドまたは高融点金属化合
物、もしくはそれらの積層構造で形成すれば同様の効果
が得られる。また、バリアメタル層２３Ａを、スパッタ
法で堆積したチタンとタングステンとの合金層で形成し
たときも、同様の効果が生じる。ここでチタンとタング
ステンとの合金層は４０〜１５０ｎｍの厚さで形成され
ている。バリアメタル層２３Ａをチタンとタングステン
との合金層で形成すると、チタンとアルミニウム合金層
２３Ｂの合金化が生じるので、チタンがアルミニウム合
金層２３Ｂに入り込む現象が生じる。このため、ストレ
スマイグレーションに対する耐性を向上させることがで
きる。

【００３２】反射防止層２３Ｃは、アルミニウム合金層
２３Ｂ上に形成されている。反射防止層２３Ｃは第１の
導電層２３の表面反射率を低減させるために設けてい
る。反射防止層２３Ｃは、反応性スパッタ法で堆積した
窒化チタン層で形成されている。窒化チタン層の厚さは
２０〜６０ｎｍ程度である。また、反射防止層２３Ｃが
高融点金属または高融点金属シリサイドまたは高融点金
属の合金で構成されていても、同様の効果が得られる。

【００３３】引き続き所定形状に形成された第１の導電
層２３上に、第２の層間絶縁物層２６を形成する。第２
の層間絶縁物層２６は、下層に酸化珪素層２６Ａ、中間
層に無機シリカあるいは有機シリカを用いた酸化珪素層
２６Ｂ、上層に酸化珪素層２６Ｃで構成されている。上
層の酸化珪素層２６Ａは、たとえばＳｉＨ₄ またはＴＥ
ＯＳを含む気相中で、高周波を印加し形成される、いわ
ゆるプラズマ気相成長法を用いて堆積する。

【００３４】中間層の酸化珪素層２６Ｂは、ゲル状の無
機シリカあるいは有機シリカである。これらのシリカは
酸化珪素層２６Ａ上に回転塗布した後、ベーク処理を施
してある。酸化珪素層２６Ｃは酸化珪素層２６Ａと同様
にプラズマ気相成長法を用いて形成している。第２の層
間絶縁物層２６のうち、下層の酸化珪素層２６Ａは、第
１の導電層２３および酸化珪素層２６Ｂであるシリカと
接している。下層の酸化珪素層２６Ａは、酸化珪素層２
６Ｂを形成する際、シリカに含まれた水分によって第１
の導電層２３が酸化するのを防止することができる。中
間層の酸化珪素層２６Ｂは、下地の第１の導電層２３の
段差を平坦化する。この結果、上層の酸化珪素層２６Ｃ
の表面が平坦化する。つまり、酸化珪素層２６Ｂは、後
の工程で酸化珪素層２６Ｃの上層に形成される第２の導
電層２７がその段差によって断線しないようにできる。
上層の酸化珪素層２６Ｃは、第２の層間絶縁物層２６自
体の層の強度を高める。さらに中間層の酸化珪素層２６
Ｂの表面を保護する。さらに酸化珪素層２６Ｂが水分等
を吸湿しようとするのを緩和する。

【００３５】酸化珪素層２６Ａは、１００〜４００ｎｍ
程度の厚さで形成されている。酸化珪素層２６Ｂは、シ
リカの回転塗布工程と、約４５０℃の温度でのベーク処
理工程を数回繰り返して形成している。酸化珪素層２６
Ｂの厚さは１５０〜２５０ｎｍ程度である。酸化珪素層
２６Ｃの厚さは２００〜５００ｎｍ程度である。結局、
第２の層間絶縁物層２６の厚さはトータルで５００〜１
０００ｎｍ程度になっている。

【００３６】ここで、第２の層間絶縁物層２６を構成す
る３つの酸化珪素層２６Ａ，２６Ｃのうちのいずれか
に、次の形成方法によって形成された酸化珪素層を用い
てもよい。たとえば、ＴＥＯＳを少なくとも含んだ気相
中で、高周波を印加したプヲズマ気相成長法による酸化
珪素層を厚く堆積した後、全面エッチングを行って所定
厚さにした酸化珪素層、あるいはオゾンとＴＥＯＳとの
混合ガスを熱分解して形成した酸化珪素層を用いてもよ
い。

【００３７】つぎに、第２の層間絶縁物層２６の所定位
置を選択的に除去する。除去された領域は第２の接続孔
２５となる。第２の接続孔２５は、後の工程で上部に形
成される第２の導電層２７が断線しないようにしてい
る。すなわち、第２の層間絶縁物層２６の上部の領域を
ウェットエッチング等の等方性エッチングによって形成
する。この後、下部の領域をＲＩＥ等の異方性エッチン
グで形成する。これによって第２の層間絶縁物層２６の
上部の開口サイズが大きく、下部の開口サイズが小さい
テーパ形状の孔が形成される。このような形状で形成で
きるのであれば、第２の接続孔２５を形成するのに異方
性エッチングだけで形成してもよい。

【００３８】第２の接続孔２５を形成した後、３８０℃
程度の熱処理を行う。この熱処理によって第２の接続孔
２５を開口時のエッチングによるダメージを回復するこ
とができ、さらには第２の接続孔２５の側壁に露出した
酸化珪素層２６Ｂを同時に焼き固めることができる（図
１（ｃ））。第２の接続孔２５を形成することで表面に
露出した第１の導電層２３の表面には、自然酸化物層、
主に、アルミニウム酸化物（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）が形成されて
いる。この自然酸化物層の除去は、第２の接続孔２５の
底に露出する第１の導電層２３と、第２の導電層２７の
接触を密なものにし、接触不良を避けるために行う。

【００３９】自然酸化膜は通常、アルゴンガス中で高周
波電圧を印加し、イオン化したアルゴン原子のスパッタ
リング作用により、所定の量をエッチング除去する。こ
の際、イオン化したアルゴン原子の衝突により、半導体
基板２１は２００℃〜３００℃程度の温度に上昇してい
る。また、第１の導電層２３上の自然酸化物層を除去す
る工程は、アルゴンを用いたスパッタリングでなくて
も、第１の導電層２３上の自然酸化物層を除去できれば
よい。たとえば、反応性のガスを用いたＲＩＥによって
もよい。

【００４０】このようにして得られた清浄な第１の導電
層２３の表面を大気にさらすことなく、第２の導電層２
７を形成するが、ここで半導体基板２１の温度が２００
℃〜３００℃程度の温度に上昇した時の現象について説
明する。図２は第２の接続孔２５を開口し、第２の接続
孔２５を形成することで表面に露出した第１の導電層２
３の自然酸化物層を除去する工程前の半導体基板２１
を、半導体基板２１を加熱する機構と四重極質量分析機
を備えた超高真空装置により、加熱温度に対する水分の
放出量を分析した結果である。

【００４１】ここで、２５０℃程度にある水分放出のピ
ークは、第２の接続孔２５の側壁に露出している有機シ
リカあるいは無機シリカ（酸化珪素膜２６Ｂ）、あるい
は半導体基板２１表面のプラズマ酸化膜（酸化珪素膜２
６Ｃ）に、大気中に開放時に吸着していた大気中の水蒸
気が放出されたものである。また、４００℃〜４５０℃
にある水分放出ピークは、有機シリカあるいは無機シリ
カ（酸化珪素膜２６Ｂ）は前の工程でベーク処理をして
焼き固めてあるものの、未反応の−ＯＨ基が脱水縮合反
応で水分（Ｈ₂ Ｏ）が生成され放出されたものである。

【００４２】有機シリカあるいは無機シリカ（酸化珪素
膜２６Ｂ）のベーク処理は、その下層の第１の導電層に
アルミニウム合金層を用いているため、通常その融点よ
り低い４００℃〜４５０℃の温度で行われている。有機
シリカあるいは無機シリカ（酸化珪素膜２６Ｂ）を完全
な酸化膜（ＳｉＯ₂ ）にするためには、８００℃以上の
熱処理が必要であるため、ベーク処理のみでは再加熱に
より水分が放出され続ける。また、図２に示す水分放出
は８００℃以上の熱処理を加えない限り、分析を繰り返
すごとに再現され、水分放出はなくならない。また、一
度分析を実施した後、大気中に取り出さず大気中の水分
吸着を防止しても、絶対量は若干減少するものの２５０
℃の水分放出ピークはなくならず、更に４００℃〜４５
０℃の水分放出ピークもなくならない。

【００４３】すなわち、前記第２の接続孔２５を形成す
ることで表面に露出した第１の導電層２３の自然酸化物
層を除去する工程で、２００℃〜３００℃に上昇した半
導体基板２１からは、図２に示した２５０℃の水分放出
ピークに相当する水分が放出され続けていることにな
る。したがって、このまま連続で第２の導電層２７であ
るアルミニウム合金膜を形成する場合は、第２の導電層
２７を堆積中に半導体基板２１から水分が放出されてい
るため、第２の導電層２７であるアルミニウム合金膜中
に水分が取り込まれ、半導体装置の歩留り／信頼性に悪
影響を与える。

【００４４】このことは、水分放出をなくし第２の導電
層２７であるアルミニウム合金層中に水分が取り込まれ
ることを防止するためには、半導体基板２１の温度を水
分放出ピークの温度より低くした状態で、第２の導電層
２７を形成する必要があることを示している。ここで、
第２の導電層２７であるアルミニウム合金膜中に水分が
取り込まれた時の、半導体装置の歩留り／信頼性に与え
る悪影響について説明する。

【００４５】試験に用いた半導体装置は以下に示すよう
な構成をしている。６インチのＰ型半導体基板上に厚さ
６００ｎｍのＢＰＳＧ層を堆積する。ＢＰＳＧ層上に第
１の導電層であるバリアメタル層とアルミニウム合金層
とを堆積する。さらに、バリアメタル層はチタンと窒化
チタンとの二層で構成する。チタンの厚さは２０ｎｍ、
窒化チタンの厚さは１００ｎｍである。アルミニウム合
金層は、１. ０質量％のシリコン元素と０. ５質量％の
銅元素を含有している。アルミニウム合金層の厚さは６
００ｎｍである。第２の層間絶縁物層として厚さ４００
ｎｍの酸化珪素層と、ゲル状の無機シリカあるいは有機
シリカでなる酸化珪素層と、厚さ３００ｎｍの酸化珪素
層との三層を用いる。第２の導電層として、厚さ１００
０ｎｍのアルミニウム合金層を用いる。表面保護層とし
て厚さ３００ｎｍのＰＳＧ層と厚さ８００ｎｍの窒化珪
素層とを用いる。

【００４６】以上のように構成されたＰ型半導体基板上
に、１０００００個の第２の接続孔を直列に配置する。
また第１の導電層と第２の導電層とのコンタクトチェー
ンを合計１２０個形成する。ここで、従来の技術と異な
る点は、第２の接続孔を形成することで表面に露出し
た、第２の接続孔中の第１の導電層の自然酸化物層を除
去し、アルゴン原子の衝突により２００℃〜３００℃程
度に上昇した半導体基板温度を冷却した後、第２の導電
層を形成している点である。半導体基板温度の冷却は、
第２の導電層を形成するステージで６０秒間待機させる
ことにより実現した。

【００４７】図３はこのような半導体装置のコンタクト
チェーンの電気的な導通状態を調べ算出した不良率の結
果である。図３には従来の製造方法に基づき作製した半
導体装置の第２の接続孔の信頼性試験結果も示してい
る。すなわち、従来の製造方法では、第２の接続孔中の
第１の導電層の自然酸化物層を除去した後、アルゴン原
子の衝突により２００℃〜３００℃程度に上昇した半導
体基板温度を冷却する工程を含んでいない。横軸は第２
の接続孔の直径であるコンタクトホールサイズである。
縦軸は累積不良率である。累積不良率は製造直後の不良
率を初期状態とし、窒素雰囲気中で１８０℃に加熱した
状態で１０００時間放置した後の不良率増加の割合を示
している。

【００４８】これより第２の接続孔の直径が約１．１μ
ｍより大きい場合には、１８０℃の加熱によって不良率
の増加が生じなくなっている。従来技術では、第２の接
続孔の直径が１．２μｍ以下では、累積不良率が増加し
始める。従来の技術では不良に至った第２の接続孔の直
径でも、この実施例の場合には、不良には至っていない
ことがわかる。

【００４９】すなわち、第２の導電層であるアルミニウ
ム合金層を堆積前に、アルゴン原子の衝突により上昇し
た半導体基板を冷却する工程を設け、第２の導電層であ
るアルミニウム合金層に水分が取り込まれるのを防止す
ることにより、従来の技術によるものと比ベて累積不良
率の増加を低く抑えることができる。以上の説明のよう
に、この実施例では第２の接続孔２５を形成することで
表面に露出した第１の導電層２３の自然酸化物層を除去
する工程の後、２００℃〜３００℃に上昇した半導体基
板２１の温度を冷却する工程を設ける。半導体基板２１
を冷却する工程は、第２の導電層２７であるアルミニウ
ム合金膜を堆積するステージで、ある一定の時間保持す
ることにより容易に実現できる。あるいは、自然酸化膜
を除去するため高周波電圧を印加するためのステージと
第２の導電層２７を形成するためのステージに加えて、
半導体基板２１を冷却するためのステージを設けること
によっても容易に実現できる。さらに、半導体基板２１
を冷却するためステージが水冷あるいはガス冷却機能を
備えている、あるいは、ステージ自体にガス導入口を設
け、半導体基板２１に裏面から直接アルゴンガスを吹き
付け、半導体基板２１を直接冷却する機能を備えること
により、より効果的に半導体基板２１の冷却をすること
が可能となる。

【００５０】このようにして得られた清浄な第１の導電
層２３の表面を大気にさらすことなく、第２の導電層２
７を形成する。第２の導電層２７を形成する工程では、
前の工程で半導体基板２１の冷却を行っているので、図
２の水分放出分析結果からわかるように、半導体基板２
１からの水分放出は極微量に抑えられているために、第
２の導電層２７に取り込まれる水分量を低く抑えること
ができる。

【００５１】第２の導電層２７はアルミニウム合金層２
７で構成している。また、第２の導電層２７は、多層配
線構造の段差を緩和するために、第１の導電層２３の厚
さより厚く形成されている。第２の接続孔２５を形成す
ることで表面に露出した第１の導電層２３の自然酸化物
層を除去する工程から、第２の導電層２７であるアルミ
ニウム合金層を形成する工程は、同一真空装置内で大気
にさらすことなく連続して行う必要がある。途中で大気
にさらした場合には、第２の接続孔２５内に露出した第
１の導電層２３の自然酸化膜が再成長するためである。
したがって、第２の接続孔中の第１の導電層の自然酸化
物層を除去するための高周波電圧を印加するステージ、
アルゴン原子の衝突により２００℃〜３００℃程度に上
昇した半導体基板温度を冷却するためのステージ、第２
の導電層を堆積するためのステージを備えた半導体製造
装置を用いる必要がある。ただし、前記３つの機能はか
ならずしも独立して設けてある必要はない。

【００５２】この後、第２の導電層２７はＲＩＥ等の異
方性エッチングを用いて所定の形状に加工する。その
後、たとえば水素ガス雰囲気中、あるいは水素と窒素と
の混合ガス雰囲気中で、４５０℃程度の熱処理を行う。
熱処理により第２の接続孔２５の底部に露出した第１の
導電層２３と合金化する。このため第１の導電層２３と
第２の導電層２７との接触がより緻密なものとなる。こ
れによって接触不良による歩留の低下を防止することが
できる。また、熱処理によってＲＩＥ等の異方性エッチ
ングで生じたダメージを回復することができる（図１
（ｄ））。

【００５３】ここで、第２の導電層２７を構成するアル
ミニウム合金層はスパッタ法により形成される。その厚
さは、７００〜１２００ｎｍ程度である。アルミニウム
合金層には、第１の導電層２３を構成するアルミニウム
合金層と同様に、少なくともマイグレーションを防止す
るための元素（Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｄ等）が添加されてい
る。この実施例で用いたアルミニウム合金層２７Ｂは、
アルミスパイクを防止するために１. ０質量％程度のＳ
ｉ元素を、またマイグレーションを防止するために０.
５質量％程度のＣｕ元素を添加したものを用いる。

【００５４】引き続き、遮常表面保護層を形成する。表
面保護層はＰＳＧ層と窒化珪素層とで構成する。ＰＳＧ
層は窒化珪素層の高い応力を緩和する。窒化珪素層の応
力は下層の第２の導電層２７の断線を誘起する。ＰＳＧ
層は、たとえば、常圧気相成長法により形成する。ＰＳ
Ｇ層の厚さは１００〜４００ｎｍである。窒化珪素層は
水分や汚染物質が内部に侵入するのを防止する。窒化珪
素層は、たとえばプラズマ気相成長法により形成する。
窒化珪素層の厚さは５００〜１２００ｎｍである（図示
せず）。

【００５５】この発明の第２の実施例について説明す
る。第１導電型の半導体基板としてＰ型半導体基板２１
を例にとり、以下に説明する。ただし、Ｎ型半導体基板
としても、以下の説明に変化はない。Ｐ型半導体基板２
１には、通常作り込まれるＭＯＳトランジスタ、ＭＯＳ
キャパシタ、バイポーラトランジスタ、抵抗等のいずれ
かの半導体素子がすでに形成されているものとして、以
下の説明を行う。

【００５６】Ｐ型半導体基板２１上に第１の層間絶縁物
層２２を形成してから、第２の接続孔２５を形成した
後、３８０℃程度の熱処理を行う工程までは、第１の実
施例と同じである（図１（ｃ）まで）。第２の接続孔２
５を形成することで表面に露出した第１の導電層２３の
表面には、自然酸化物層、主に、アルミニウム酸化物
（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）が形成されている。この自然酸化物層の
除去は、第２の接続孔２５の底に露出する第１の導電層
２３と、第２の導電層２７の接触を密なものにし、接触
不良を避けるために行う。

【００５７】自然酸化膜は通常、アルゴンガス中で高周
波電圧を印加し、イオン化したアルゴン原子のスパッタ
リング作用により、所定の量をエッチング除去する。こ
の際、イオン化したアルゴン原子の衝突により、半導体
基板２１の温度が上昇しないように高周波印加時の半導
体基板２１を固定するステージに冷却機能を備え、半導
体基板２１の温度上昇を防ぐ。半導体基板２１を固定す
るステージの冷却機能は高周波を印加する真空容器と真
空絶縁した冷却溶媒を導入する経路を真空容器外部から
ステージ内に設け、ステージ自体を冷却することにより
実現できる。冷却溶媒としては水等を利用すればよい。
また、０℃以下の冷却溶媒が必要なときは、０℃以下に
冷却したヘリウムガスや窒素ガスを用いればよい。

【００５８】半導体基板２１は冷却されたステージと熱
伝導率が低くならないように、接触面積を大きくとり接
触させることにより温度上昇を防止できる。半導体基板
２１の温度は、図２の水分放出分析結果から判断する
と、少なくとも１５０℃以下に保つことが必要であり、
それを実現可能なように半導体基板２１を固定するステ
ージの半導体基板２１の冷却能力を与える必要がある。

【００５９】このようにして得られた清浄な第１の導電
層２３の表面を大気にさらすことなく、第２の導電層２
７を形成する。第２の導電層２７を形成する工程では、
前の工程で半導体基板２１の温度上昇を抑制し半導体基
板２１を１５０℃以下の低温に保っているので、図２の
水分放出分析結果からわかるように、半導体基板２１か
らの水分放出は極微量に抑えられているために、第２の
導電層２７に取り込まれる水分量を低く抑えることがで
きる。

【００６０】第２の導電層２７はアルミニウム合金層２
７で構成している。また、第２の導電層２７は、多層配
線構造の段差を緩和するために、第１の導電層２３の厚
さより厚く形成されている。第２の接続孔２５を形成す
ることで表面に露出した第１の導電層２３の自然酸化物
層を除去する工程から、第２の導電層２７であるアルミ
ニウム合金層を形成する工程は、同一真空装置内で大気
にさらすことなく連続して行う必要がある。途中で大気
にさらした場合には、第２の接続孔２５内に露出した第
１の導電層２３の自然酸化膜が再成長するためである。
したがって、第２の接続孔２５中の第１の導電層の自然
酸化物層を除去するための高周波電圧を印加することに
加えて半導体基板２１の温度を冷却する機能を有するス
テージ、第２の導電層２７を堆積するためのステージを
備えた半導体製造装置を用いる必要がある。

【００６１】以下の工程は、第１の実施例と同様であ
る。

【００６２】

【発明の効果】この発明の半導体装置の製造方法によれ
ば、第２の導電層を形成する工程の直前に、半導体基板
を冷却する工程、あるいは、半導体基板の温度上昇を抑
える工程を追加することにより、第２の導電層を形成時
の半導体基板温度を従来より低くして水分放出量を低く
抑え、第２の導電層であるアルミニウム合金層中に取り
込まれる水分量を低く抑えることができる。その結果、
従来より微細な第２の接続孔の信頼性を維持できる。ま
た、半導体装置の配線の密度を大幅に上げることができ
る。すなわち、従来より狭い面積内に同等の機能を持つ
半導体装置が製造できる。さらに、チップサイズが増大
することなく、従来より高度な機能を持つ半導体装置の
製造ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の半導体装置の製造方法を示す工程断
面図である。

【図２】この発明による半導体装置の水分放出量を示す
図である。

【図３】この発明による半導体装置の不良率を示す図で
ある。

【図４】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図
である。

【図５】従来の製造方法による半導体装置の不良率を示
す図である。

【符号の説明】２１Ｐ型半導体基板２２第１の層間絶縁物層２３第１の導電層２３Ａバリアメタル層２３Ｂアルミニウム合金層２３Ｃ反射防止層２４第１の接続孔２５第２の接続孔２６第２の層間絶縁物層２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ酸化珪素層２７第２の導電層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上の所定領域に第１の絶縁物
層を形成する工程と、前記第１の絶縁物層に前記半導体
基板が露出する第１の接続孔を形成する工程と、露出し
た前記半導体基板表面の第１の酸化物層を除去する工程
と、前記半導体基板表面を含む領域に第１の導電層を形
成する工程と、前記半導体基板上に第２の絶縁物層を形
成する工程と、前記第２の絶縁物層に第２の接続孔を形
成し前記第１の導電層を露出する工程と、前記第１の導
電層上の第２の酸化物層を除去したのち大気にさらすこ
となく半導体基板を冷却する工程と、大気にさらすこと
なく第２の導電層を形成する工程と、前記半導体基板を
熱処理する工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】半導体基板上の所定領域に第１の絶縁物
層を形成する工程と、前記第１の絶縁物層に前記半導体
基板が露出する第１の接続孔を形成する工程と、露出し
た前記半導体基板表面の第１の酸化物層を除去する工程
と、前記半導体基板表面を含む領域に第１の導電層を形
成する工程と、前記半導体基板上に第２の絶縁物層を形
成する工程と、前記第２の絶縁物層に第２の接続孔を形
成し前記第１の導電層を露出する工程と、前記第１の導
電層上の第２の酸化物層を半導体基板の温度上昇を防止
しながら除去したのち大気にさらすことなく第２の導電
層を形成する工程と、前記半導体基板を熱処理する工程
とを含む半導体装置の製造方法。