JPH09139425A - Method of forming aluminum interconnection - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce spiking during a heat treatment of a CVD aluminum film for recrystallization. SOLUTION: A silicon film 4 is formed over an insulating film 2 in such a manner that it covers the inside of a contact hole 3 opened in the insulating film 2 on a silicon substrate 1. An aluminum film 5 is deposited over the silicon film 4 on the insulating film 2 by CVD so that the contact hole 3 can be filled up. The aluminum film 5 is subjected to a heat treatment for recrystallization to diffuse silicon from the silicon film 4 into the aluminum film 5 and suppress the reaction between the aluminum film 5 and the silicon substrate 1. This process forms an aluminum interconnection 6 connected through the contact hole 3 to an n<+> diffused layer 1a in the silicon substrate 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子のアル
ミニウム（以下、Ａｌと記す）配線の形成方法に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming aluminum (hereinafter referred to as Al) wiring in a semiconductor device.

【０００２】[0002]

【従来の技術】Ａｌ配線の形成方法の一つに、「"Selec
tive deposition of aluminum from selectively excit
ed metalorganic source by rf plasma",K.Masu,et.a
l.,Appl.Phys.Lett.,56(13),16 April 1990 」の文献に
開示された方法がある。この方法は、Ａｌ配線の形成法
として従来から広く用いられているスパッタリング法に
よる問題、つまり半導体素子の微細化に伴って生じてき
た段差部（コンタクトホール等の孔）におけるステップ
カバレッジの問題を解決する方法として提案されたもの
である。2. Description of the Related Art One of the methods for forming Al wiring is "Selec
tive deposition of aluminum from selectively excit
ed metalorganic source by rf plasma ", K.Masu, et.a
l., Appl. Phys. Lett., 56 (13), 16 April 1990 ". This method solves the problem caused by the sputtering method that has been widely used as a method for forming Al wiring, that is, the problem of step coverage in a stepped portion (a hole such as a contact hole) that occurs due to the miniaturization of semiconductor elements. It was proposed as a method to do.

【０００３】すなわち、ステップカバレッジの良い化学
的気相成長法（以下、ＣＶＤ法と記す）を用いた選択成
長法により、コンタクトホール等の孔を埋め込むこと
で、上記問題の解決を図っている。具体的には、減圧Ｃ
ＶＤ装置を用い、Ａｌの原料にトリメチルアルミニウム
（Ａｌ₂(ＣＨ₃)₆ ）を用いて、例えば図２に示すごとく
層間絶縁膜１１に形成されたコンタクトホール１２内の
シリコン（以下、Ｓｉと記す）基板１０上にＡｌ膜１３
を選択成長させる。このとき、予め、ｒｆプラズマおよ
びＳｉ基板１０への加熱温度をパラメータとして選択
性、Ａｌ膜１３の膜質を評価しておき、評価結果から求
めた最適条件で選択成長を行う。上記文献では、求めた
最適条件により実際に選択成長を行ったところ、コンタ
クトホール１２内に良好にＡｌを埋め込むことができた
としている。That is, the above problem is solved by embedding a hole such as a contact hole by a selective growth method using a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method) having good step coverage. Specifically, reduced pressure C
Using a VD apparatus and using trimethylaluminum (Al ₂ (CH ₃ ) ₆ ) as a raw material of Al, for example, silicon (hereinafter referred to as Si) in the contact hole 12 formed in the interlayer insulating film 11 as shown in FIG. ) Al film 13 on substrate 10
Select to grow. At this time, the selectivity and the film quality of the Al film 13 are evaluated in advance using the rf plasma and the heating temperature for the Si substrate 10 as parameters, and selective growth is performed under the optimum conditions obtained from the evaluation results. According to the above-mentioned literature, when selective growth was actually performed under the obtained optimum conditions, Al could be satisfactorily embedded in the contact hole 12.

【０００４】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したＡ
ｌ配線の形成方法では、Ａｌ膜を選択成長させた後、Ａ
ｌを再結晶化して粒径の大きな結晶とするために４００
℃〜５００℃程度の熱処理を行う。ところがＳｉはＡｌ
にわずかに溶けうるために、上記熱処理の際に、Ｓｉ基
板からＡｌ膜中にＳｉが溶け出してしまい、溶け出した
部分にＡｌが侵入して、図２に示すようにＳｉ基板１０
の表層部に形成した拡散層１０ａをＡｌ膜１３のＡｌが
突き抜ける、いわゆるスパイク現象１４が生じてしま
う。この結果、Ｓｉ基板１０と拡散層１０ａとの間で接
合破壊が生じ、半導体素子が正常な動作をしなくなると
いった不具合が発生する。Incidentally, the above-mentioned A
In the method of forming the l wiring, after the Al film is selectively grown, A
400 in order to recrystallize l into crystals with a large grain size.
Heat treatment is performed at a temperature of about ℃ to 500 ℃. However, Si is Al
Since it is slightly soluble in Si, during the above heat treatment, Si is leached from the Si substrate into the Al film, and Al is invaded into the leached portion, and as shown in FIG.
A so-called spike phenomenon 14 occurs in which Al of the Al film 13 penetrates through the diffusion layer 10a formed on the surface layer portion of the above. As a result, a junction breakage occurs between the Si substrate 10 and the diffusion layer 10a, and the semiconductor device does not operate normally.

【０００５】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明はスパイク現象の
原因であるＡｌが容易にＳｉを溶解してしまう特性を、
逆にＡｌ膜とＳｉ基体との反応防止に利用するようにし
たものである。すなわち、本発明では、まずコンタクト
ホールが形成された絶縁膜上に、コンタクトホールの内
面を覆った状態にＳｉ膜を形成し、次いでコンタクトホ
ール内をＳｉ膜を介して埋め込むようにして絶縁膜上の
Ｓｉ膜上に、Ａｌ膜をＣＶＤ法により形成する。そして
Ａｌ膜を再結晶化するための熱処理を行うことにより、
コンタクトホールを介してＳｉ基体と導通するＡｌ配線
を形成する。The present invention has the characteristic that Al, which causes the spike phenomenon, easily dissolves Si.
On the contrary, it is used to prevent the reaction between the Al film and the Si substrate. That is, in the present invention, first, an Si film is formed on the insulating film in which the contact hole is formed so as to cover the inner surface of the contact hole, and then the inside of the contact hole is filled with the Si film so that the Si film is formed on the insulating film. An Al film is formed on the Si film by the CVD method. Then, by performing a heat treatment for recrystallizing the Al film,
An Al wiring is formed which is electrically connected to the Si substrate through the contact hole.

【０００６】この発明によれば、Ａｌ膜の形成に先立
ち、コンタクトホールの内面を覆うようにしてＳｉ膜を
形成し、Ｓｉ基体とＡｌ膜との間にＳｉ膜を介在させる
ことから、Ａｌ膜を再結晶化するための熱処理を行う
と、Ａｌ膜中へのＳｉ膜からのＳｉの拡散が起こる。よ
って、この熱処理の際のＡｌ膜とＳｉ基体との反応が抑
えられる。またＣＶＤ法によりＡｌ膜を形成するため、
ステップカバレッジの良好なＡｌ膜が形成される。According to the present invention, prior to the formation of the Al film, the Si film is formed so as to cover the inner surface of the contact hole, and the Si film is interposed between the Si base and the Al film. When a heat treatment for recrystallizing Al is performed, Si diffuses from the Si film into the Al film. Therefore, the reaction between the Al film and the Si substrate during this heat treatment can be suppressed. Further, since the Al film is formed by the CVD method,
An Al film having good step coverage is formed.

【０００７】[0007]

【発明の実施の形態】次に、本発明に係るＡｌ配線の形
成方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説
明に述べる使用材料、処理時間、温度等の条件は、発明
内容を理解しやすいように一例を示したものに過ぎず、
したがって本発明がこれらの条件に限定されないのはも
ちろんである。図１は本発明の一実施形態を示す要部側
断面図であり、本発明のＳｉ基体としてＳｉ基板を用い
た例を示したものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, an embodiment of a method for forming an Al wiring according to the present invention will be described in detail. The materials used in the following description, processing time, conditions such as temperature are merely examples for easy understanding of the content of the invention,
Therefore, it goes without saying that the present invention is not limited to these conditions. FIG. 1 is a side sectional view of an essential part showing an embodiment of the present invention, showing an example in which a Si substrate is used as a Si base of the present invention.

【０００８】Ａｌ配線を形成するには、まず図１（ａ）
に示すようにＳｉ基板１の表層部に、既知の技術によっ
てｎ⁺ 拡散層１ａを形成し、次いで図１（ｂ）に示すよ
うに、Ｓｉ基板１上に層間絶縁膜２を形成する。次に図
１（ｃ）に示すように、従来用いられているホトリソグ
ラフィおよびドライエッチング技術により、層間絶縁膜
２にＳｉ基板１のｎ⁺ 拡散層１ａに通じるコンタクトホ
ール３を形成する。このコンタクトホール３は、層間絶
縁膜２上に最終的に形成するＡｌ配線と、ｎ⁺ 拡散層１
ａとの導通をとるためのものである。To form an Al wiring, first, refer to FIG.
As shown in FIG. 1, an n ⁺ diffusion layer 1a is formed on the surface layer portion of the Si substrate 1 by a known technique, and then an interlayer insulating film 2 is formed on the Si substrate 1 as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 1C, a contact hole 3 communicating with the n ⁺ diffusion layer 1a of the Si substrate 1 is formed in the interlayer insulating film 2 by the conventionally used photolithography and dry etching techniques. The contact hole 3 is formed on the n ⁺ diffusion layer 1 and the Al wiring finally formed on the interlayer insulating film 2.
It is for establishing electrical connection with a.

【０００９】続いて図１（ｄ）に示すごとく、層間絶縁
膜２上に、コンタクトホール３の内面を覆った状態に、
かつコンタクトホール３内を埋め込まないように多結晶
のＳｉ膜４を形成する。このとき、Ｓｉ膜４を最終的に
形成するＡｌ配線のパターンに形成する。なお、形成す
るＳｉ膜４の厚みは、次工程で形成するＡｌ膜に対する
Ｓｉ膜４の割合が１ｗｔ％〜３ｗｔ％程度の範囲となる
厚みにするのが好適である。１ｗｔ％未満であると、後
の熱処理時にてＡｌ膜にＳｉ膜４のＳｉを拡散させた場
合にＡｌ膜中のＳｉ濃度が固溶限界とならず、Ｓｉ基板
１からのＳｉの吸い上げが起きてスパイク現象が発生す
る恐れがあり、また３ｗｔ％を越えると、Ａｌ膜にＳｉ
膜４のＳｉを拡散させてもやがてＡｌ膜中にＳｉが析出
してしまい、Ａｌ膜の抵抗値が上昇したりする恐れがあ
るためである。ここでは、後にＡｌ膜を５０００Å程度
の膜厚に形成することから、Ｓｉ膜４を、Ａｌ膜に対し
て１ｗｔ％程度となる膜厚、すなわち６０Åに形成す
る。Subsequently, as shown in FIG. 1D, the interlayer insulating film 2 is covered with the inner surface of the contact hole 3,
In addition, a polycrystalline Si film 4 is formed so as not to fill the contact hole 3. At this time, the Si film 4 is formed in the pattern of the Al wiring to be finally formed. The thickness of the Si film 4 to be formed is preferably such that the ratio of the Si film 4 to the Al film formed in the next step is in the range of about 1 wt% to 3 wt%. When it is less than 1 wt%, when Si of the Si film 4 is diffused into the Al film during the subsequent heat treatment, the Si concentration in the Al film does not reach the solid solution limit and Si is absorbed from the Si substrate 1. There is a possibility that a spike phenomenon may occur, and if it exceeds 3 wt%, the Al film may have Si.
This is because even if the Si of the film 4 is diffused, Si may be deposited in the Al film and the resistance value of the Al film may increase. Here, since the Al film is formed later to a film thickness of about 5000Å, the Si film 4 is formed to a film thickness of about 1 wt% with respect to the Al film, that is, 60Å.

【００１０】またＳｉ膜４の形成方法としては、スパッ
タリング法もしくはＣＶＤ法等の既知の技術を用いるこ
とができるが、コンタクトホール３の径によって使い分
ける。例えばコンタクトホール３の径が１μｍより小さ
いと、スパッタリング法では良好なステップカバレッジ
が得られず、コンタクトホール３の内面にＳｉ膜４が形
成されないことがあるため、この場合には、ステップカ
バレッジの優れたＣＶＤ法を用いる。またコンタクトホ
ール３の径が１μｍ以上の場合は、スパッタリング法で
も十分にステップカバレッジが得られるため、面内分布
等の膜質制御に優れたスパッタリング法を用いる。な
お、ＣＶＤ法を用いると、多結晶のＳｉ膜４が形成され
るが、スパッタリング法を用いると、形成したＳｉ膜は
非晶質となり、後にＣＶＤ法により形成するＡｌ膜が成
長しない場合があるため、Ｓｉ膜を形成した後に約８０
０℃程度の熱処理を行って多結晶のＳｉ膜４を得ること
が好ましい。As a method for forming the Si film 4, a known technique such as a sputtering method or a CVD method can be used, and the Si film 4 is properly used depending on the diameter of the contact hole 3. For example, when the diameter of the contact hole 3 is smaller than 1 μm, good step coverage cannot be obtained by the sputtering method, and the Si film 4 may not be formed on the inner surface of the contact hole 3. Therefore, in this case, excellent step coverage is obtained. The CVD method is used. Further, when the diameter of the contact hole 3 is 1 μm or more, sufficient step coverage can be obtained even by the sputtering method, and therefore the sputtering method excellent in controlling the film quality such as in-plane distribution is used. Although the polycrystalline Si film 4 is formed by using the CVD method, the formed Si film becomes amorphous by using the sputtering method, and the Al film formed later by the CVD method may not grow. Therefore, after forming the Si film, about 80
It is preferable to perform a heat treatment at about 0 ° C. to obtain the polycrystalline Si film 4.

【００１１】こうしてＳｉ膜４を形成した後は、Ｓｉ膜
４表面の自然酸化膜をフッ酸を用いて除去する。そして
図１（ｅ）に示すように、コンタクトホール３内をＳｉ
膜４を介して埋め込むようにして層間絶縁膜２上のＳｉ
膜４上に、ＣＶＤ法によりＡｌ膜５を選択成長させる。
前述したように、Ｓｉ膜４はＡｌ配線のパターンに形成
されていることから、選択成長によってＡｌ膜５もＡｌ
配線のパターンに形成される。減圧ＣＶＤ装置を用いた
Ａｌ膜５の成長条件の一例を以下に示す。 反応圧力 ：１．５Ｔｏｒｒ 原料 ：ジメチルアルミニウムハイドライド（（ＣＨ₃)₂ ＡｌＨ） キャリアガスおよび流量 ：Ａｒガス、１００ｓｃｃｍ 成長温度 ：３５０℃ 成長時間 ：約５分After the Si film 4 is formed in this way, the natural oxide film on the surface of the Si film 4 is removed by using hydrofluoric acid. Then, as shown in FIG.
Si on the interlayer insulating film 2 so as to be embedded through the film 4
An Al film 5 is selectively grown on the film 4 by the CVD method.
As described above, since the Si film 4 is formed in the pattern of the Al wiring, the Al film 5 is also formed by the selective growth.
The wiring pattern is formed. An example of growth conditions for the Al film 5 using a low pressure CVD apparatus is shown below. Reaction pressure: 1.5 Torr Raw material: dimethyl aluminum hydride ((CH _{3) 2} AlH) carrier gas and the flow rate: Ar gas, 100 sccm growth temperature: 350 ° C. Growth time: 5 minutes

【００１２】Ａｌ膜５の形成後は、Ａｌ膜５のＡｌを再
結晶化するための４５０℃程度の熱処理を行う。この熱
処理では、Ａｌが再結晶化されるとともにＳｉ膜４のＳ
ｉがＡｌ膜５中に拡散し、このことによってＡｌ膜５中
のＳｉ濃度が固溶限界となる。したがって、熱処理の際
のＡｌ膜５とＳｉ基板１との反応が抑制される。以上の
工程によって、図１（ｆ）に示すごとく層間絶縁膜２上
に、コンタクトホール３を介してＳｉ基板１のｎ⁺ 拡散
層１ａと導通するＡｌ配線６が得られる。After the Al film 5 is formed, a heat treatment at about 450 ° C. for recrystallizing Al of the Al film 5 is performed. In this heat treatment, Al is recrystallized and S of the Si film 4 is changed.
i diffuses into the Al film 5, which causes the Si concentration in the Al film 5 to reach the solid solution limit. Therefore, the reaction between the Al film 5 and the Si substrate 1 during the heat treatment is suppressed. Through the above steps, as shown in FIG. 1F, the Al wiring 6 which is electrically connected to the n ⁺ diffusion layer 1a of the Si substrate 1 through the contact hole 3 is obtained on the interlayer insulating film 2.

【００１３】このように本実施形態によれば、Ａｌ膜５
の形成に先立ち、コンタクトホール３の内面を覆うよう
にしてＳｉ膜４を形成し、熱処理によって、Ａｌを再結
晶化すると同時にＡｌ膜５とＳｉ膜４との反応を進行さ
せてＡｌ膜５中のＳｉ濃度を固溶限界とするので、熱処
理時におけるＡｌ膜５とＳｉ基板１との反応を抑制する
ことができる。したがって、スパイク現象の発生に起因
する接合破壊等の不良を防止することができる。また、
Ａｌ膜５をステップカバレッジの優れたＣＶＤ法によっ
て形成するので、微細でかつ電気的信頼性の高いＡｌ配
線６を形成することができる。さらにＳｉ膜４をＡｌ配
線６のパターンに形成するので、Ａｌ膜５をＡｌ配線６
のパターンに選択成長させることができる。As described above, according to this embodiment, the Al film 5 is formed.
Prior to the formation of Al, the Si film 4 is formed so as to cover the inner surface of the contact hole 3, and by heat treatment, Al is recrystallized and, at the same time, the reaction between the Al film 5 and the Si film 4 proceeds to allow Since the Si concentration of is the solid solution limit, the reaction between the Al film 5 and the Si substrate 1 during the heat treatment can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent defects such as junction breakage due to the occurrence of the spike phenomenon. Also,
Since the Al film 5 is formed by the CVD method having excellent step coverage, it is possible to form the Al wiring 6 which is fine and has high electrical reliability. Further, since the Si film 4 is formed in the pattern of the Al wiring 6, the Al film 5 is formed as the Al wiring 6.
Can be selectively grown in a pattern.

【００１４】なお、本実施形態ではＳｉ膜４を多結晶の
Ｓｉとしたが、ＣＶＤ法によりＳｉ膜４上にＡｌ膜５を
形成できれば、多結晶以外のＳｉを用いることも可能で
ある。また本実施形態では、Ｓｉ膜４をＡｌ配線６のパ
ターンに形成した例を述べたが、Ｓｉ膜をＳｉ基板全面
に形成し、熱処理後にＳｉが拡散したＡｌ膜をパターニ
ングしてＡｌ配線を得てもよい。In the present embodiment, the Si film 4 is made of polycrystalline Si. However, if the Al film 5 can be formed on the Si film 4 by the CVD method, Si other than polycrystalline can be used. In the present embodiment, the example in which the Si film 4 is formed in the pattern of the Al wiring 6 has been described. However, the Si film is formed on the entire surface of the Si substrate, and after the heat treatment, the Al film in which Si is diffused is patterned to obtain the Al wiring. May be.

【００１５】[0015]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るＡｌ配
線の形成方法によれば、Ａｌ膜の形成に先立ち、コンタ
クトホールの内面を覆うようにしてＳｉ膜を形成し、Ａ
ｌ膜の再結晶化のための熱処理の際にはＡｌ膜とＳｉ膜
との反応が進行するようにしたので、熱処理時のＡｌ膜
とＳｉ基体との反応を抑制することができる。よって、
スパイク現象の発生に起因する接合破壊等の不良を防止
することができる。また、Ａｌ膜をステップカバレッジ
の優れたＣＶＤ法によって形成するので、微細でかつ電
気的信頼性の高いＡｌ配線を形成することができる。し
たがって、本発明は微細でかつ高信頼性の半導体素子を
製造するうえで非常に有効な方法となる。As described above, according to the Al wiring forming method of the present invention, the Si film is formed so as to cover the inner surface of the contact hole prior to the formation of the Al film.
Since the reaction between the Al film and the Si film is made to proceed during the heat treatment for recrystallization of the l film, the reaction between the Al film and the Si substrate during the heat treatment can be suppressed. Therefore,
It is possible to prevent defects such as junction breakage due to the occurrence of the spike phenomenon. Further, since the Al film is formed by the CVD method having excellent step coverage, it is possible to form a fine Al wiring having high electrical reliability. Therefore, the present invention is a very effective method for manufacturing a fine and highly reliable semiconductor device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明に係るＡｌ配線の形
成方法の一実施形態を工程順に示す要部側断面図であ
る。1A to 1F are side cross-sectional views of a main part showing an embodiment of an Al wiring forming method according to the present invention in the order of steps.

【図２】従来法により形成されたＡｌ配線の一例を示す
概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing an example of an Al wiring formed by a conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ Ｓｉ基板 ２ 層間絶縁膜 ３ コンタクトホール ４ Ｓｉ膜 ５ Ａｌ膜 ６ Ａｌ配線 1 Si substrate 2 Interlayer insulating film 3 Contact hole 4 Si film 5 Al film 6 Al wiring

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｚ 21/3205 21/88 Ｎ Ｑ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. ⁶ Identification number Office reference number FI Technical indication location H01L 21/324 H01L 21/324 Z 21/3205 21/88 N Q

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 シリコン基体上に絶縁膜を形成し、該絶
縁膜上に前記シリコン基体に通じるコンタクトホールを
形成し、前記絶縁膜上に前記コンタクトホールを介して
前記シリコン基体と導通するアルミニウム配線を形成す
るに際し、 前記絶縁膜上に、前記コンタクトホールの内面を覆った
状態にシリコン膜を形成する第１工程と、 前記コンタクトホール内を前記シリコン膜を介して埋め
込むようにして前記絶縁膜上のシリコン膜上に、アルミ
ニウム膜を化学的気相成長法により形成する第２工程
と、 前記アルミニウム膜を再結晶化するための熱処理を行う
第３工程とを備えていることを特徴とするアルミニウム
配線の形成方法。1. An aluminum wiring in which an insulating film is formed on a silicon substrate, a contact hole communicating with the silicon substrate is formed on the insulating film, and an aluminum wiring which is electrically connected to the silicon substrate through the contact hole is formed on the insulating film. Forming a silicon film on the insulating film so as to cover the inner surface of the contact hole; and a step of filling the contact hole with the silicon film on the insulating film. Aluminum having a second step of forming an aluminum film on the silicon film by chemical vapor deposition, and a third step of performing a heat treatment for recrystallizing the aluminum film. Wiring formation method.