半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法
【課題】電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れているといった高品質を安定して発揮する信頼性の高い半導体装置用の配線の形成方法を提供する。
【解決手段】基板上に形成された凹部３を有する絶縁膜２の表面に、ＡｌまたはＡｌ合金（以下「Ａｌ系金属」という）よりなる薄膜５をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうことを特徴とする半導体装置の配線形成方法。スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ、放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2、基板温度：１００〜３００℃
【解決手段】基板上に形成された凹部３を有する絶縁膜２の表面に、ＡｌまたはＡｌ合金（以下「Ａｌ系金属」という）よりなる薄膜５をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうことを特徴とする半導体装置の配線形成方法。スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ、放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2、基板温度：１００〜３００℃
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法に関するものであり、特に、絶縁膜に形成されたビアやトレンチ等の凹部に、高圧リフロー法でＡｌ系合金を埋め込んで、例えばＵＬＳＩ（超大規模集積回路）等に代表されるＳｉ半導体デバイス等のＡｌ系合金配線を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩ（大規模集積回路）の高集積化や高速信号伝播の要求を満たすためデザインルールは縮小の一途を辿っており、配線ピッチや配線幅の縮小、配線間距離の縮小はますます加速されている。これらはデバイスの高速化を主目的とするものであるが、高速化のための一手法として近年、低抵抗配線材料を使用する試みが活発化している。即ち、従来のＡｌ系配線材料よりも、電気抵抗を低減できる配線材料としてＣｕ系材料を使用してＣｕ系配線を形成することが行なわれている。
【０００３】
また高集積化・高性能化を実現するため、上記Ｃｕ系配線を多層構造とすることが行なわれており、該多層構造を実現するための手段として、ダマシン配線技術が用いられている（例えば特許文献１）。この方法は、常法に従って半導体基板上に酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜を形成し、該絶縁膜に埋込配線用のトレンチやビアホールといった配線溝や層間接続孔を形成し、該配線溝の内部にＣｕ等の配線材料を埋め込みながら成膜し、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polish，ＣＭＰ）法により研磨を行なって、配線溝以外の部分に堆積した不要な配線材料を除去し、配線溝内部にのみ配線材料を残してこれを配線とする方法である。この多層配線における配線溝や層間接続孔は、集積度の増加と共に、アスペクト比（深さ／孔径の比）が高くなっている。
【０００４】
Ｃｕ系配線を上記ダマシン配線技術で形成する場合、現状では、予め形成したビア・トレンチにＣｕ系金属を電解めっき法により埋め込みながら形成していくが、ＬＳＩ配線はロードマップに従って微細化されるため、該電解めっき法では埋め込みが困難となる。特に配線ルールが０．１μｍ以下になると、ビア・トレンチのサイズの微細化や前記アスペクト比の増加が生じるため、Ｃｕ系材料の完全埋込が困難となる。
【０００５】
Ｃｕ系配線には、前記完全埋込の他、低電気抵抗率（ρ≦３．０μΩｃｍ）、接続信頼性（確実なコンタクトの形成）、配線信頼性（ストレスマイグレーションによる断線に対する耐性［ＳＭ耐性］やエレクトロマイグレーションによる断線に対する耐性［ＥＭ耐性］の確保）などの特性が求められるが、電解めっき法を用いた現状のダマシン配線技術では、バルクＣｕ材と同等の上記特性を有するＣｕ系配線の形成が難しく、これらの特性を全て満たすＣｕ系配線を実現できない。
【０００６】
更にＣｕ系配線では、自由電子の０℃での平均自由工程（λ）が４２１Åであり、Ａｌ系配線の場合（３００Å）と比較して大きいため、配線が微細化するにつれ、配線の表面・界面・側面での電子衝突による電子散乱の影響が大きくなり、配線ルールが０．１μｍ以下の微細配線になると、Ｃｕ系配線の電気抵抗率がＡｌ系配線の電気抵抗率を上回るという現象（電気抵抗率の逆転現象）が生じることが懸念される。
【０００７】
これらの理由から、現状では半導体装置においてＣｕ系配線の使用が広まりつつあるが、今後、更に配線ルールが縮小されると、Ｃｕ系材料を使用した場合には良好な特性を発揮する配線を実現することが困難になるため、ローカル配線を中心にＡｌ系配線が再度使用される可能性があると思われる。
【０００８】
Ａｌ系配線を用いた多層配線構造は、現状のＬＳＩでも多数採用されているが、該Ａｌ系配線を、上記ダマシン配線技術を使用して形成した例はほとんどない。特にＵＬＳＩ（シリコン半導体デバイス）配線として、Ａｌ系配線をダマシン配線技術で形成する方法は未だ実用化されておらず、研究例が存在する程度である。該研究例によれば、Ａｌ薄膜をビア・トレンチ（配線接続孔・配線溝）に埋め込むには、温度：４００℃以上、圧力：６０ＭＰａ以上の高温高圧条件とすればよいことが報告されている（例えば非特許文献１や非特許文献２、非特許文献３）。しかしビアサイズが直径０．２μｍを下回る場合には、完全に埋め込むことが難しいと思われる。
【０００９】
これまで形成されているＡｌ系多層配線は、フィールド配線としてＡｌ合金（Al−1.0％Si−0.5％Cu合金、Al−0.5％Cu合金）からなるものをスパッタリング法で形成し、ビア（層間接続孔）にＣＶＤ法でＷ（タングステン）膜が形成されたものが提案されている。
【００１０】
上記技術でビアにＷ膜を形成するのは、ＣＶＤ法を採用してビア部に選択的にＷ膜を形成できるためである。しかしながら、この様な配線構造には次の様な問題が残っている。
（ａ）比抵抗の高いＷがビアに使用されるため、配線の実効的電気抵抗率が増加する。
（ｂ）フィールド配線（Ａｌ）とビアに充填されたＷとの接続部（ＡｌとＷの界面）でコンタクト抵抗が発生して、配線の実効的電気抵抗率が増加する。
（ｃ）Ｗ膜の成膜原料ガスであるＷＦ6が高価である。
【００１１】
また上記技術では、Ａｌ合金での成膜とＷ膜の成膜を行なう必要があり、工程数増加や工程複雑化がスループットの低下やコスト上昇を招く原因となっている。
【００１２】
この様な課題を解決するための方法として、Ａｌ系配線を用いた多層配線構造の製造において、ダマシン配線技術を用いてフィールド配線とビア（層間接続孔）を、ＡｌまたはＡｌ合金（以下「Ａｌ系金属」という）の単一種類のメタルで同時に形成すれば、配線の実効的電気抵抗率を低減でき、また上述の従来法に比べて工程数が少なくすみ、コストを低減できるといったメリットがある。即ち、高集積化・高速化等の高特性を発揮する半導体装置を低コストで実現できる。
【００１３】
しかし、ダマシン配線技術を用いてＡｌ合金配線を形成する場合、前述したＣｕ配線の様に電解めっき法では形成できず、形成方法としては、Ａｌ合金配線材料を高温でスパッタリングした後、該スパッタリング後に高温高圧リフロー法を実施することが有効と考えられる（例えば特許文献２や特許文献３）。
【００１４】
この方法は、図１（ａ）に示す様に、ビア（配線接続孔）３やトレンチ（配線溝）６といった凹部の予め形成された絶縁膜２の表面に、該凹部をブリッジングする様にＡｌ系金属からなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、図１（ｂ）に示す様に、該薄膜表面に対して垂直かつ等方的に加圧し（例えば特許文献４に記載の様に常圧を超える圧力の静水圧で加圧し）、凹部へＡｌ合金を押し込む方法である。しかし、この方法には次の様な問題が残っている。即ち、形成されたＡｌ合金薄膜が連続かつ気密状態でなければ、高温高圧リフロー法を実施しても十分に押し込まれず、またＡｌ系金属の薄膜が変形して破断すると、それ以上埋め込まれないといった問題点がある。更に、Ａｌ系金属の高温リフロー性（高温流動性）を高め、該金属を塑性変形させて埋め込むには、高温かつ高圧状態にする必要があり、特に、微細でアスペクト比の高いビア・トレンチに完全に埋め込むには、より高い温度および圧力状態とすることが必要となるが、現状ではこの様な温度と圧力を実現し得ていない。
【特許文献１】特開平１０−７９４２８号公報
【特許文献２】特開平１０−１１６８９８号公報
【特許文献３】特開平９−３６２３０号公報
【特許文献４】特開平５−２１１２３８号公報
【非特許文献１】G.A.Dixit et al. IEDM'94 Technical Digest（1994）p.105〜108
【非特許文献２】P.J.Holuerson et al.Proceedings 1995 VMIC Conference Asian Session (1995)p.537〜543
【非特許文献３】G.A.Dixit et al. Semiconductor International August 1995（1995）p.79
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、半導体製造装置の製造において、孔や溝といった凹部に隙間なくＡｌ系金属を充填させて、電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れたＡｌ系金属配線を容易に実現するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決することのできた本発明にかかる半導体装置の配線形成方法とは、基板上に形成された凹部（孔や溝）を有する絶縁膜の表面に、Ａｌ系金属（ＡｌまたはＡｌ合金）よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうところに特徴を有する。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜３００℃
【００１７】
前記スパッタリングは、上記条件を特に下記範囲に制御して行なえばＡｌ系金属をより確実に上記凹部内に埋め込むことができるので好ましい。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．０ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５〜１０Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜２００℃
【００１８】
また前記高温高圧処理を下記条件で行えば、確実にＡｌ系金属を上記凹部内に埋め込むことができるので好ましい。
処理温度（雰囲気温度）：４００〜６００℃
処理圧力：１００〜１５０ＭＰａ
処理時間：１５分以上
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、半導体装置（例えばＳｉ半導体デバイス等）の製造において、配線接続孔や接続溝等の凹部に隙間なくＡｌ系金属を充填させて、電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れた埋込式のＡｌ系金属配線を容易に実現でき、集積回路の高集積化・高性能化の促進に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
上記課題を解決すべく本発明者らは、基板上に形成された孔や溝といった凹部を有する絶縁膜の表面に、Ａｌ系金属よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を行なって該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法において、絶縁膜に形成された凹部に上記薄膜を隙間なく埋め込んで、優れた特性を安定して発揮するＡｌ系金属配線を容易に実現するための方法について鋭意研究を行なったところ、前記スパッタリング時の条件を制御することが有効であることを見出し、本発明に想到した。
【００２１】
即ち、Ａｌ系金属よりなる薄膜をスパッタリング法で形成する際の条件（成膜パラメータ）には、電圧、ガス流量、圧力、基板温度等の様々な条件があるが、その中でも特に、スパッタリングガス圧、放電パワー密度および基板温度を制御すればよいことを見出した。以下、各条件について規定した理由を詳述する。
【００２２】
＜スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ＞
スパッタリングガス圧が低すぎると、ガスプラズマが生じ難くなりアーク放電が不連続となって、膜厚の均一なＡｌ系金属膜が得られにくくなる。よって、スパッタリングガス圧は０．５ｍＴｏｒｒ以上とする必要があり、好ましくは０．８ｍＴｏｒｒ以上である。一方、スパッタリングガス圧が高すぎると、後工程である高温高圧処理でＡｌ系金属を凹部内に完全に埋め込むことができない。よって、スパッタリングガス圧は１．１ｍＴｏｒｒ以下に抑える必要があり、好ましくは１．０ｍＴｏｒｒ以下である。
【００２３】
尚、本発明では、上記ガスの種類まで限定するものでないが、ＡｒやＫｒ、Ｘｅ等の希ガスが好ましく使用される。
【００２４】
＜放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2＞
放電パワー密度が低すぎると、高温高圧処理時のリフロー性が低下し、高温高圧処理でＡｌ系金属が凹部内に十分に埋め込まれない。よって、放電パワー密度を３Ｗ／ｃｍ2以上とする必要がある。好ましくは５Ｗ／ｃｍ2以上である。一方、放電パワー密度が高すぎても高温高圧処理時のリフロー性が低下し、この場合も、高温高圧処理でＡｌ系金属膜が凹部内に埋め込まれ難くなる。よって、放電パワー密度は１５Ｗ／ｃｍ2以下に抑える。好ましくは１０Ｗ／ｃｍ2以下である。
【００２５】
＜基板温度：１００〜３００℃＞
基板温度が低すぎるとＡｌ薄膜の結晶粒が微細化し、降伏応力が高くなるため、その後に高温高圧処理を行なっても、Ａｌ系金属を十分に凹部に埋め込むことができない。よって、基板温度は１００℃以上にまで高める。好ましくは１５０℃以上である。一方、基板温度を高めすぎると、基板等が変形するなど熱的損傷を受けるだけでなく、結晶粒内の欠陥が少なくなり塑性変形能が低下するため、後工程の高温高圧処理でＡｌ系金属を十分に埋め込むことができない。よって、基板温度は３００℃以下に抑えるのがよく、好ましくは２００℃以下である。
【００２６】
上記スパッタリングにおけるその他の条件については特に限定されず、一般的なスパッタリング法における条件を採用することができる。尚、スパッタリング法としては、成膜効率の高さからＤＣマグネトロンスパッタリング法を採用するのが好ましい。
【００２７】
また上記スパッタリングで形成するＡｌ系合金膜の厚さは、デバイス設計で定まる事項であり、特に限定されない。更にＡｌ系合金膜の組成も特に限定されず、適度の導電性を有するものであれば、純Ａｌの他、任意の組成のＡｌ系合金をスパッタリングに用いることができる。
【００２８】
また、上記Ａｌ系合金膜のベースとなる半導体基板上の絶縁膜を形成する方法や、該絶縁膜に埋込配線用溝や接続孔を形成する方法も特に限定されず、公知の方法を採用すれば良い。上記絶縁膜としては、酸化シリコンや窒化シリコン、ＢＳＧ（Boro-Silicate Glass）、ＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass）、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho-SilicateGlass）等を用いることができる。
【００２９】
更に、埋込配線用溝または接続孔の形成された絶縁膜上に、後述する実施例の図２に示す通りバリア層を形成することもできる。該バリア層とは、上述した様に、バリア層上に形成するＡｌ系金属中のＡｌが絶縁膜へ拡散するのを防止する膜であり、該膜として、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜等を形成することができる。尚、後述する実施例では、バリア層として窒化タンタル（ＴａＮ）を形成している。ＴａＮはセラミックスであって、Ａｌとは殆ど反応せず、例えば７００℃程度の高温処理を行なってもＴａＮ膜中へのＡｌの拡散は殆ど起こらないので好ましい。前記絶縁膜上に該バリア層を形成する方法も特に限定されず、例えば、スパッタリング法（例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング法）や化学蒸着法（ＣＶＤ法）などが挙げられる。
【００３０】
前記バリア層を形成する場合、その厚さは、Ａｌが絶縁膜へ拡散するのを防止できる程度であれば良く、例えば5〜50ｎｍ程度とすることができる。但し、バリア層の膜厚を過度に厚くすることは、半導体装置の小型化にマイナスとなるので好ましくない。
【００３１】
本発明では、Ａｌ系金属よりなる薄膜の形成を、上記条件を満たすスパッタリング法で行ない、その後に高温高圧処理を行なう必要があるが、その他の詳細な工程まで規定するものでなく、例えば下記Ａ工程〜Ｃ工程を含む積層プロセスを任意回数行い、各Ｃ工程の後または少なくとも最終Ｃ工程の後に高温高圧処理を行なうことができる。
【００３２】
・Ａ工程…半導体基板上に、埋込配線用溝または接続孔を有する絶縁膜を形成する工程。
・Ｂ工程…該絶縁膜上にバリア層を形成する工程。
・Ｃ工程…該バリア層上にＡｌ系金属膜を形成する工程。
【００３３】
本発明では、上記スパッタリング時の成膜条件と併せて、前記高温高圧処理の条件を制御すれば、より確実にＡｌ系金属膜を配線溝内部に埋め込むことができ、高品質の半導体装置用配線を実現できる。以下、高温高圧処理の条件について詳述する。
【００３４】
＜処理温度：４００〜６００℃＞
高温高圧処理時の処理温度が低すぎると、Ａｌ系金属膜の高温流動性が増加せず、確実にＡｌ系金属膜を配線溝内部に埋め込むことが難しい。よって、高温高圧処理時の処理温度は、４００℃以上にまで高めることが望ましく、より好ましくは４５０℃以上である。一方、処理温度が高すぎても高温流動性の向上は一定以上望めず、また絶縁膜の特性劣化や変形をひきおこす可能性があるため、６００℃以下に抑えることが好ましい。より好ましくは５５０℃以下である。
【００３５】
＜処理圧力：１００〜１５０ＭＰａ＞
Ａｌ系金属膜の流動性を高めてより確実に配線溝内部に埋め込むには、上記の通り高温状態にすると共に高圧状態にすることが有効であり、本発明では、処理圧力を１００ＭＰａ以上とすればよいことを見出した。より好ましくは１２０ＭＰａ以上である。一方、処理圧力を高めすぎても、高温流動性はさほど向上せず、また過度の高圧処理はコストアップを招くため１５０ＭＰａ以下に抑える。
【００３６】
＜処理時間：１５分以上＞
高温高圧処理時間は、処理圧力や処理温度を考慮して定めれば良いが、Ａｌ系金属膜を完全に配線溝内部に埋め込むには、少なくとも上記高温高圧状態で１５分間保持するのがよい。該温度・圧力での保持時間が短すぎると、Ａｌ系金属膜が配線溝内部に十分に埋め込まれないまま処理が終了するおそれがあるからである。より好ましくは３０分以上保持する。一方、該高温・高圧状態での保持時間が長すぎても半導体装置の生産性が低下するので、該保持時間は１２０分以下に抑えることが好ましい。
【００３７】
上記高温高圧処理は、半導体基板上に、前記Ａ工程、Ｂ工程およびＣ工程を含む積層プロセスを任意回数行い、各Ｃ工程の後または少なくとも最終Ｃ工程の後に行なうことができる。つまり、前記積層プロセスを１回行い、単層とする場合には、Ｃ工程の後に上記条件で高温高圧処理を行なえばよく、前記積層プロセスを２回以上行なって多層構造とする場合は、各Ｃ工程の後に夫々上記条件で高温高圧処理を行なうか、Ａ〜Ｃ工程を含む積層プロセスを繰り返した後、最終Ｃ工程の後に、上記条件で高温高圧処理を行なえば良い。
【００３８】
この様に高温高圧処理を行なった後は、表面を研磨処理することによって半導体基板上に埋込式の配線が形成されるが、該研磨法についてもその詳細な条件等は限定されず、一般に半導体製造分野で採用されている化学機械的研磨法等を採用することができる。
【実施例】
【００３９】
以下、具体例を示す実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限されるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更実施することは、全て本発明の技術範囲に包含される。
【００４０】
＜実施例１＞
半導体装置における配線の形成は、図２に示す概略断面説明図の工程順に沿って行った。即ち、実施には、図２（ａ）に略示するように、直径８インチのシリコンウェハー１上に形成した絶縁膜（ＴＥＯＳ膜：ＳｉＯＦ膜）２に、直径：０．１８μｍ、ピッチ：４５０ｎｍのビア３を多数［図２（ａ）では１つのみを表示］設けた評価素子（ＴＥＧ）を用いた。このＴＥＧの表面に、純Ｔａターゲットを用いて（Ａｒ＋Ｎ2）ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法によりＴａＮ薄膜を形成し、ビア３の底面及び側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した［図２（ｂ）］。
【００４１】
続いてこのＴＥＧに対し、純Ａｌターゲットを用いてＡｒガス雰囲気中でスパッタリング法によりＡｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５を形成し、図２（ｃ）に示す通りビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、該Ａｌ薄膜５の成膜は、放電パワー密度と基板温度を下記一定値とし、Ａｒガス圧を０．５〜２０ｍＴｏｒｒの範囲で変化させて行なった。
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００℃
【００４２】
次に、この様にビア３の開口部がＡｌ薄膜５でブリッジングされたＴＥＧに高温高圧処理を施した。詳細には、神戸製鋼所製の高温高圧処理装置「ＨｉＰＡ ＨＩＰ ｍｉｎｉ−８２０」を用いて、処理圧力：１００ＭＰａ、処理温度：５００℃、処理時間：１５分の条件で図２（ｄ）に示す通り高温高圧処理を施した。尚、加圧にはＡｒガスを使用した。
【００４３】
この様に高温高圧処理まで行なった試料では、Ａｌのビア内部への埋込が確認された。これに対し、ＴＥＧのビア開口部をＡｌ薄膜で完全にブリッジングしたのみで高温高圧処理を施していない試料の場合には、ビア内部にＡｌがほとんど埋め込まれていないことを断面観察で確認した。
【００４４】
そして高温高圧処理後のＴＥＧに対して、それぞれ１５個以上のビア部の断面が露出する様にダイシングソーで切断し、切断面をＦＩＢ装置で平滑になるよう加工し、該ビア部の断面をＦＩＢ装置のＳＩＭ像で観察してビア部へのＡｌの埋め込み状態を調べた。
【００４５】
この埋込特性を定量的に評価するため、ビア部の断面ＳＩＭ像を画像解析し、ビアの断面積に対してＡｌが埋め込まれている断面積の割合を百分率で求めた埋込率（％）（以下、単に「Ａｌ埋込率」ということがある）を評価指標とし、１５個のビア部のＡｌ埋込率の平均値を求めた。
【００４６】
上記実験結果として、Ａｌガス圧（スパッタリングガス圧）とＡｌ埋込率との関係を図３に示す。図３から、Ａｌ埋込率はスパッタリング時のＡｒガス圧（スパッタリングガス圧）に依存しており、Ａｒガス圧：１．０ｍＴｏｒｒ以下で成膜することでＡｌはビア内部に完全に埋め込まれることがわかる。尚、Ａｒガス圧が０．５ｍＴｏｒｒを下回ると、Ａｒプラズマが連続して生じずグロー放電が途切れ易くなり、成膜が安定して行えなかった。
【００４７】
＜実施例２＞
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ＴＥＧのビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で被覆して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、上記Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧と基板温度を下記一定値とし、放電パワー密度を１〜１０Ｗ／ｃｍ2の範囲で変化させて行なった。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
基板温度：１００℃
【００４８】
次に、このＴＥＧに前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、ビア３へのＡｌ埋込率を求めた。放電パワー密度とＡｌ埋込率との関係を図４に示す。該図４から、Ａｌ埋込率は成膜時の放電パワー密度に依存しており、放電パワー密度を３〜１０Ｗ／ｃｍ2の範囲に制御すればＡｌがビア内部にほぼ完全に埋め込まれることがわかる。
【００４９】
＜実施例３＞
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、該Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧と放電パワー密度を下記一定値とし、基板温度を室温〜３００℃の範囲で変化させて行なった。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
【００５０】
次に、このＴＥＧに前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、ビア３へのＡｌ埋込率を求めた。Ａｌ薄膜成膜時の基板温度とＡｌ埋込率の関係を図５に示す。この図５から、Ａｌ埋込率は成膜時の基板温度に依存しており、基板温度を１００〜３００℃の範囲に制御すればＡｌがビア内部にほぼ完全に埋め込まれることがわかる。
【００５１】
＜実施例４＞
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、該Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行なった。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００℃
【００５２】
次にこのＴＥＧに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、温度を室温〜５００℃、圧力を０〜２００ＭＰａの範囲で変化させる以外は前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のＴＥＧのＡｌ埋込率を求めた。その結果を表１に示す［尚、表１中の数値はＡｌ埋込率（％）を示す］。
【００５３】
【表１】
【００５４】
上記表１より、本発明の規定条件で成膜したＡｌ薄膜に対して高温高圧処理を行なう場合には、該処理条件として、処理温度を４００℃以上とし、かつ処理圧力を１００ＭＰａ以上とすれば、ビア３にＡｌを完全に埋め込むことができる。
【００５５】
尚、比較例として、Ａｌ薄膜の成膜を規定外の条件で行なった場合についての実験結果を下記に示す。
【００５６】
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。該Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。尚、下記成膜条件は、従来よりＡｌ薄膜をスパッタリング法で形成する際に一般に採用されている条件である。
Ａｒガス圧：２．０ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：２．５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：室温
【００５７】
次に、Ａｌ薄膜の形成されたＴＥＧに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、温度を室温〜５００℃、圧力を０〜２００ＭＰａの範囲で変化させる以外は前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のＴＥＧのＡｌ埋込率を求めた。その結果を表２に示す［尚、表２中の数値はＡｌ埋込率（％）を示す］。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２より、規定外の条件で成膜したＡｌ薄膜に高温高圧処理を施す場合、Ａｌを完全に埋め込むには、処理温度を４００℃以上、処理圧力を１５０ＭＰａ以上と、上記本発明の規定条件でＡｌ薄膜を成膜した場合と比較して、高温高圧処理時の条件範囲が狭まることがわかる。
【００６０】
＜実施例５＞
前記実施例４と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部を純Ａｌ薄膜５で完全にブリッジングした。
【００６１】
尚、純Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００℃
【００６２】
次に、Ａｌ薄膜の形成されたＴＥＧに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、処理温度を５００℃、処理圧力を１００ＭＰａとし、処理時間を０〜１２０分の範囲で変化させる以外は前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のＴＥＧのＡｌ埋込率を求めた。処理時間とＡｌ埋込率の関係を図６に示す。図６より、上記本発明の規定を満たす条件で成膜したＡｌ薄膜を用いて、高温高圧処理を行なう場合には、処理時間を１５分以上とすれば完全にＡｌが埋め込まれることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る配線の形成方法を示す概念図である。
【図２】半導体装置の製法の一例を工程順に示す概略断面説明図である。
【図３】実施例１における成膜時のＡｒガス圧とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【図４】実施例２における成膜時の放電パワー密度とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【図５】実施例３における成膜時の基板温度とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【図６】実施例５における高温高圧処理時の処理時間とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１ 半導体基板（シリコンウエハー）
２ 絶縁膜
３ ビア
４ バリア層
５ Ａｌ系金属膜（純Ａｌ薄膜）
６ トレンチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法に関するものであり、特に、絶縁膜に形成されたビアやトレンチ等の凹部に、高圧リフロー法でＡｌ系合金を埋め込んで、例えばＵＬＳＩ（超大規模集積回路）等に代表されるＳｉ半導体デバイス等のＡｌ系合金配線を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩ（大規模集積回路）の高集積化や高速信号伝播の要求を満たすためデザインルールは縮小の一途を辿っており、配線ピッチや配線幅の縮小、配線間距離の縮小はますます加速されている。これらはデバイスの高速化を主目的とするものであるが、高速化のための一手法として近年、低抵抗配線材料を使用する試みが活発化している。即ち、従来のＡｌ系配線材料よりも、電気抵抗を低減できる配線材料としてＣｕ系材料を使用してＣｕ系配線を形成することが行なわれている。
【０００３】
また高集積化・高性能化を実現するため、上記Ｃｕ系配線を多層構造とすることが行なわれており、該多層構造を実現するための手段として、ダマシン配線技術が用いられている（例えば特許文献１）。この方法は、常法に従って半導体基板上に酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜を形成し、該絶縁膜に埋込配線用のトレンチやビアホールといった配線溝や層間接続孔を形成し、該配線溝の内部にＣｕ等の配線材料を埋め込みながら成膜し、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polish，ＣＭＰ）法により研磨を行なって、配線溝以外の部分に堆積した不要な配線材料を除去し、配線溝内部にのみ配線材料を残してこれを配線とする方法である。この多層配線における配線溝や層間接続孔は、集積度の増加と共に、アスペクト比（深さ／孔径の比）が高くなっている。
【０００４】
Ｃｕ系配線を上記ダマシン配線技術で形成する場合、現状では、予め形成したビア・トレンチにＣｕ系金属を電解めっき法により埋め込みながら形成していくが、ＬＳＩ配線はロードマップに従って微細化されるため、該電解めっき法では埋め込みが困難となる。特に配線ルールが０．１μｍ以下になると、ビア・トレンチのサイズの微細化や前記アスペクト比の増加が生じるため、Ｃｕ系材料の完全埋込が困難となる。
【０００５】
Ｃｕ系配線には、前記完全埋込の他、低電気抵抗率（ρ≦３．０μΩｃｍ）、接続信頼性（確実なコンタクトの形成）、配線信頼性（ストレスマイグレーションによる断線に対する耐性［ＳＭ耐性］やエレクトロマイグレーションによる断線に対する耐性［ＥＭ耐性］の確保）などの特性が求められるが、電解めっき法を用いた現状のダマシン配線技術では、バルクＣｕ材と同等の上記特性を有するＣｕ系配線の形成が難しく、これらの特性を全て満たすＣｕ系配線を実現できない。
【０００６】
更にＣｕ系配線では、自由電子の０℃での平均自由工程（λ）が４２１Åであり、Ａｌ系配線の場合（３００Å）と比較して大きいため、配線が微細化するにつれ、配線の表面・界面・側面での電子衝突による電子散乱の影響が大きくなり、配線ルールが０．１μｍ以下の微細配線になると、Ｃｕ系配線の電気抵抗率がＡｌ系配線の電気抵抗率を上回るという現象（電気抵抗率の逆転現象）が生じることが懸念される。
【０００７】
これらの理由から、現状では半導体装置においてＣｕ系配線の使用が広まりつつあるが、今後、更に配線ルールが縮小されると、Ｃｕ系材料を使用した場合には良好な特性を発揮する配線を実現することが困難になるため、ローカル配線を中心にＡｌ系配線が再度使用される可能性があると思われる。
【０００８】
Ａｌ系配線を用いた多層配線構造は、現状のＬＳＩでも多数採用されているが、該Ａｌ系配線を、上記ダマシン配線技術を使用して形成した例はほとんどない。特にＵＬＳＩ（シリコン半導体デバイス）配線として、Ａｌ系配線をダマシン配線技術で形成する方法は未だ実用化されておらず、研究例が存在する程度である。該研究例によれば、Ａｌ薄膜をビア・トレンチ（配線接続孔・配線溝）に埋め込むには、温度：４００℃以上、圧力：６０ＭＰａ以上の高温高圧条件とすればよいことが報告されている（例えば非特許文献１や非特許文献２、非特許文献３）。しかしビアサイズが直径０．２μｍを下回る場合には、完全に埋め込むことが難しいと思われる。
【０００９】
これまで形成されているＡｌ系多層配線は、フィールド配線としてＡｌ合金（Al−1.0％Si−0.5％Cu合金、Al−0.5％Cu合金）からなるものをスパッタリング法で形成し、ビア（層間接続孔）にＣＶＤ法でＷ（タングステン）膜が形成されたものが提案されている。
【００１０】
上記技術でビアにＷ膜を形成するのは、ＣＶＤ法を採用してビア部に選択的にＷ膜を形成できるためである。しかしながら、この様な配線構造には次の様な問題が残っている。
（ａ）比抵抗の高いＷがビアに使用されるため、配線の実効的電気抵抗率が増加する。
（ｂ）フィールド配線（Ａｌ）とビアに充填されたＷとの接続部（ＡｌとＷの界面）でコンタクト抵抗が発生して、配線の実効的電気抵抗率が増加する。
（ｃ）Ｗ膜の成膜原料ガスであるＷＦ6が高価である。
【００１１】
また上記技術では、Ａｌ合金での成膜とＷ膜の成膜を行なう必要があり、工程数増加や工程複雑化がスループットの低下やコスト上昇を招く原因となっている。
【００１２】
この様な課題を解決するための方法として、Ａｌ系配線を用いた多層配線構造の製造において、ダマシン配線技術を用いてフィールド配線とビア（層間接続孔）を、ＡｌまたはＡｌ合金（以下「Ａｌ系金属」という）の単一種類のメタルで同時に形成すれば、配線の実効的電気抵抗率を低減でき、また上述の従来法に比べて工程数が少なくすみ、コストを低減できるといったメリットがある。即ち、高集積化・高速化等の高特性を発揮する半導体装置を低コストで実現できる。
【００１３】
しかし、ダマシン配線技術を用いてＡｌ合金配線を形成する場合、前述したＣｕ配線の様に電解めっき法では形成できず、形成方法としては、Ａｌ合金配線材料を高温でスパッタリングした後、該スパッタリング後に高温高圧リフロー法を実施することが有効と考えられる（例えば特許文献２や特許文献３）。
【００１４】
この方法は、図１（ａ）に示す様に、ビア（配線接続孔）３やトレンチ（配線溝）６といった凹部の予め形成された絶縁膜２の表面に、該凹部をブリッジングする様にＡｌ系金属からなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、図１（ｂ）に示す様に、該薄膜表面に対して垂直かつ等方的に加圧し（例えば特許文献４に記載の様に常圧を超える圧力の静水圧で加圧し）、凹部へＡｌ合金を押し込む方法である。しかし、この方法には次の様な問題が残っている。即ち、形成されたＡｌ合金薄膜が連続かつ気密状態でなければ、高温高圧リフロー法を実施しても十分に押し込まれず、またＡｌ系金属の薄膜が変形して破断すると、それ以上埋め込まれないといった問題点がある。更に、Ａｌ系金属の高温リフロー性（高温流動性）を高め、該金属を塑性変形させて埋め込むには、高温かつ高圧状態にする必要があり、特に、微細でアスペクト比の高いビア・トレンチに完全に埋め込むには、より高い温度および圧力状態とすることが必要となるが、現状ではこの様な温度と圧力を実現し得ていない。
【特許文献１】特開平１０−７９４２８号公報
【特許文献２】特開平１０−１１６８９８号公報
【特許文献３】特開平９−３６２３０号公報
【特許文献４】特開平５−２１１２３８号公報
【非特許文献１】G.A.Dixit et al. IEDM'94 Technical Digest（1994）p.105〜108
【非特許文献２】P.J.Holuerson et al.Proceedings 1995 VMIC Conference Asian Session (1995)p.537〜543
【非特許文献３】G.A.Dixit et al. Semiconductor International August 1995（1995）p.79
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、半導体製造装置の製造において、孔や溝といった凹部に隙間なくＡｌ系金属を充填させて、電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れたＡｌ系金属配線を容易に実現するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決することのできた本発明にかかる半導体装置の配線形成方法とは、基板上に形成された凹部（孔や溝）を有する絶縁膜の表面に、Ａｌ系金属（ＡｌまたはＡｌ合金）よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうところに特徴を有する。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜３００℃
【００１７】
前記スパッタリングは、上記条件を特に下記範囲に制御して行なえばＡｌ系金属をより確実に上記凹部内に埋め込むことができるので好ましい。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．０ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５〜１０Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜２００℃
【００１８】
また前記高温高圧処理を下記条件で行えば、確実にＡｌ系金属を上記凹部内に埋め込むことができるので好ましい。
処理温度（雰囲気温度）：４００〜６００℃
処理圧力：１００〜１５０ＭＰａ
処理時間：１５分以上
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、半導体装置（例えばＳｉ半導体デバイス等）の製造において、配線接続孔や接続溝等の凹部に隙間なくＡｌ系金属を充填させて、電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れた埋込式のＡｌ系金属配線を容易に実現でき、集積回路の高集積化・高性能化の促進に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
上記課題を解決すべく本発明者らは、基板上に形成された孔や溝といった凹部を有する絶縁膜の表面に、Ａｌ系金属よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を行なって該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法において、絶縁膜に形成された凹部に上記薄膜を隙間なく埋め込んで、優れた特性を安定して発揮するＡｌ系金属配線を容易に実現するための方法について鋭意研究を行なったところ、前記スパッタリング時の条件を制御することが有効であることを見出し、本発明に想到した。
【００２１】
即ち、Ａｌ系金属よりなる薄膜をスパッタリング法で形成する際の条件（成膜パラメータ）には、電圧、ガス流量、圧力、基板温度等の様々な条件があるが、その中でも特に、スパッタリングガス圧、放電パワー密度および基板温度を制御すればよいことを見出した。以下、各条件について規定した理由を詳述する。
【００２２】
＜スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ＞
スパッタリングガス圧が低すぎると、ガスプラズマが生じ難くなりアーク放電が不連続となって、膜厚の均一なＡｌ系金属膜が得られにくくなる。よって、スパッタリングガス圧は０．５ｍＴｏｒｒ以上とする必要があり、好ましくは０．８ｍＴｏｒｒ以上である。一方、スパッタリングガス圧が高すぎると、後工程である高温高圧処理でＡｌ系金属を凹部内に完全に埋め込むことができない。よって、スパッタリングガス圧は１．１ｍＴｏｒｒ以下に抑える必要があり、好ましくは１．０ｍＴｏｒｒ以下である。
【００２３】
尚、本発明では、上記ガスの種類まで限定するものでないが、ＡｒやＫｒ、Ｘｅ等の希ガスが好ましく使用される。
【００２４】
＜放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2＞
放電パワー密度が低すぎると、高温高圧処理時のリフロー性が低下し、高温高圧処理でＡｌ系金属が凹部内に十分に埋め込まれない。よって、放電パワー密度を３Ｗ／ｃｍ2以上とする必要がある。好ましくは５Ｗ／ｃｍ2以上である。一方、放電パワー密度が高すぎても高温高圧処理時のリフロー性が低下し、この場合も、高温高圧処理でＡｌ系金属膜が凹部内に埋め込まれ難くなる。よって、放電パワー密度は１５Ｗ／ｃｍ2以下に抑える。好ましくは１０Ｗ／ｃｍ2以下である。
【００２５】
＜基板温度：１００〜３００℃＞
基板温度が低すぎるとＡｌ薄膜の結晶粒が微細化し、降伏応力が高くなるため、その後に高温高圧処理を行なっても、Ａｌ系金属を十分に凹部に埋め込むことができない。よって、基板温度は１００℃以上にまで高める。好ましくは１５０℃以上である。一方、基板温度を高めすぎると、基板等が変形するなど熱的損傷を受けるだけでなく、結晶粒内の欠陥が少なくなり塑性変形能が低下するため、後工程の高温高圧処理でＡｌ系金属を十分に埋め込むことができない。よって、基板温度は３００℃以下に抑えるのがよく、好ましくは２００℃以下である。
【００２６】
上記スパッタリングにおけるその他の条件については特に限定されず、一般的なスパッタリング法における条件を採用することができる。尚、スパッタリング法としては、成膜効率の高さからＤＣマグネトロンスパッタリング法を採用するのが好ましい。
【００２７】
また上記スパッタリングで形成するＡｌ系合金膜の厚さは、デバイス設計で定まる事項であり、特に限定されない。更にＡｌ系合金膜の組成も特に限定されず、適度の導電性を有するものであれば、純Ａｌの他、任意の組成のＡｌ系合金をスパッタリングに用いることができる。
【００２８】
また、上記Ａｌ系合金膜のベースとなる半導体基板上の絶縁膜を形成する方法や、該絶縁膜に埋込配線用溝や接続孔を形成する方法も特に限定されず、公知の方法を採用すれば良い。上記絶縁膜としては、酸化シリコンや窒化シリコン、ＢＳＧ（Boro-Silicate Glass）、ＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass）、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho-SilicateGlass）等を用いることができる。
【００２９】
更に、埋込配線用溝または接続孔の形成された絶縁膜上に、後述する実施例の図２に示す通りバリア層を形成することもできる。該バリア層とは、上述した様に、バリア層上に形成するＡｌ系金属中のＡｌが絶縁膜へ拡散するのを防止する膜であり、該膜として、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜等を形成することができる。尚、後述する実施例では、バリア層として窒化タンタル（ＴａＮ）を形成している。ＴａＮはセラミックスであって、Ａｌとは殆ど反応せず、例えば７００℃程度の高温処理を行なってもＴａＮ膜中へのＡｌの拡散は殆ど起こらないので好ましい。前記絶縁膜上に該バリア層を形成する方法も特に限定されず、例えば、スパッタリング法（例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング法）や化学蒸着法（ＣＶＤ法）などが挙げられる。
【００３０】
前記バリア層を形成する場合、その厚さは、Ａｌが絶縁膜へ拡散するのを防止できる程度であれば良く、例えば5〜50ｎｍ程度とすることができる。但し、バリア層の膜厚を過度に厚くすることは、半導体装置の小型化にマイナスとなるので好ましくない。
【００３１】
本発明では、Ａｌ系金属よりなる薄膜の形成を、上記条件を満たすスパッタリング法で行ない、その後に高温高圧処理を行なう必要があるが、その他の詳細な工程まで規定するものでなく、例えば下記Ａ工程〜Ｃ工程を含む積層プロセスを任意回数行い、各Ｃ工程の後または少なくとも最終Ｃ工程の後に高温高圧処理を行なうことができる。
【００３２】
・Ａ工程…半導体基板上に、埋込配線用溝または接続孔を有する絶縁膜を形成する工程。
・Ｂ工程…該絶縁膜上にバリア層を形成する工程。
・Ｃ工程…該バリア層上にＡｌ系金属膜を形成する工程。
【００３３】
本発明では、上記スパッタリング時の成膜条件と併せて、前記高温高圧処理の条件を制御すれば、より確実にＡｌ系金属膜を配線溝内部に埋め込むことができ、高品質の半導体装置用配線を実現できる。以下、高温高圧処理の条件について詳述する。
【００３４】
＜処理温度：４００〜６００℃＞
高温高圧処理時の処理温度が低すぎると、Ａｌ系金属膜の高温流動性が増加せず、確実にＡｌ系金属膜を配線溝内部に埋め込むことが難しい。よって、高温高圧処理時の処理温度は、４００℃以上にまで高めることが望ましく、より好ましくは４５０℃以上である。一方、処理温度が高すぎても高温流動性の向上は一定以上望めず、また絶縁膜の特性劣化や変形をひきおこす可能性があるため、６００℃以下に抑えることが好ましい。より好ましくは５５０℃以下である。
【００３５】
＜処理圧力：１００〜１５０ＭＰａ＞
Ａｌ系金属膜の流動性を高めてより確実に配線溝内部に埋め込むには、上記の通り高温状態にすると共に高圧状態にすることが有効であり、本発明では、処理圧力を１００ＭＰａ以上とすればよいことを見出した。より好ましくは１２０ＭＰａ以上である。一方、処理圧力を高めすぎても、高温流動性はさほど向上せず、また過度の高圧処理はコストアップを招くため１５０ＭＰａ以下に抑える。
【００３６】
＜処理時間：１５分以上＞
高温高圧処理時間は、処理圧力や処理温度を考慮して定めれば良いが、Ａｌ系金属膜を完全に配線溝内部に埋め込むには、少なくとも上記高温高圧状態で１５分間保持するのがよい。該温度・圧力での保持時間が短すぎると、Ａｌ系金属膜が配線溝内部に十分に埋め込まれないまま処理が終了するおそれがあるからである。より好ましくは３０分以上保持する。一方、該高温・高圧状態での保持時間が長すぎても半導体装置の生産性が低下するので、該保持時間は１２０分以下に抑えることが好ましい。
【００３７】
上記高温高圧処理は、半導体基板上に、前記Ａ工程、Ｂ工程およびＣ工程を含む積層プロセスを任意回数行い、各Ｃ工程の後または少なくとも最終Ｃ工程の後に行なうことができる。つまり、前記積層プロセスを１回行い、単層とする場合には、Ｃ工程の後に上記条件で高温高圧処理を行なえばよく、前記積層プロセスを２回以上行なって多層構造とする場合は、各Ｃ工程の後に夫々上記条件で高温高圧処理を行なうか、Ａ〜Ｃ工程を含む積層プロセスを繰り返した後、最終Ｃ工程の後に、上記条件で高温高圧処理を行なえば良い。
【００３８】
この様に高温高圧処理を行なった後は、表面を研磨処理することによって半導体基板上に埋込式の配線が形成されるが、該研磨法についてもその詳細な条件等は限定されず、一般に半導体製造分野で採用されている化学機械的研磨法等を採用することができる。
【実施例】
【００３９】
以下、具体例を示す実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限されるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更実施することは、全て本発明の技術範囲に包含される。
【００４０】
＜実施例１＞
半導体装置における配線の形成は、図２に示す概略断面説明図の工程順に沿って行った。即ち、実施には、図２（ａ）に略示するように、直径８インチのシリコンウェハー１上に形成した絶縁膜（ＴＥＯＳ膜：ＳｉＯＦ膜）２に、直径：０．１８μｍ、ピッチ：４５０ｎｍのビア３を多数［図２（ａ）では１つのみを表示］設けた評価素子（ＴＥＧ）を用いた。このＴＥＧの表面に、純Ｔａターゲットを用いて（Ａｒ＋Ｎ2）ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法によりＴａＮ薄膜を形成し、ビア３の底面及び側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した［図２（ｂ）］。
【００４１】
続いてこのＴＥＧに対し、純Ａｌターゲットを用いてＡｒガス雰囲気中でスパッタリング法によりＡｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５を形成し、図２（ｃ）に示す通りビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、該Ａｌ薄膜５の成膜は、放電パワー密度と基板温度を下記一定値とし、Ａｒガス圧を０．５〜２０ｍＴｏｒｒの範囲で変化させて行なった。
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００℃
【００４２】
次に、この様にビア３の開口部がＡｌ薄膜５でブリッジングされたＴＥＧに高温高圧処理を施した。詳細には、神戸製鋼所製の高温高圧処理装置「ＨｉＰＡ ＨＩＰ ｍｉｎｉ−８２０」を用いて、処理圧力：１００ＭＰａ、処理温度：５００℃、処理時間：１５分の条件で図２（ｄ）に示す通り高温高圧処理を施した。尚、加圧にはＡｒガスを使用した。
【００４３】
この様に高温高圧処理まで行なった試料では、Ａｌのビア内部への埋込が確認された。これに対し、ＴＥＧのビア開口部をＡｌ薄膜で完全にブリッジングしたのみで高温高圧処理を施していない試料の場合には、ビア内部にＡｌがほとんど埋め込まれていないことを断面観察で確認した。
【００４４】
そして高温高圧処理後のＴＥＧに対して、それぞれ１５個以上のビア部の断面が露出する様にダイシングソーで切断し、切断面をＦＩＢ装置で平滑になるよう加工し、該ビア部の断面をＦＩＢ装置のＳＩＭ像で観察してビア部へのＡｌの埋め込み状態を調べた。
【００４５】
この埋込特性を定量的に評価するため、ビア部の断面ＳＩＭ像を画像解析し、ビアの断面積に対してＡｌが埋め込まれている断面積の割合を百分率で求めた埋込率（％）（以下、単に「Ａｌ埋込率」ということがある）を評価指標とし、１５個のビア部のＡｌ埋込率の平均値を求めた。
【００４６】
上記実験結果として、Ａｌガス圧（スパッタリングガス圧）とＡｌ埋込率との関係を図３に示す。図３から、Ａｌ埋込率はスパッタリング時のＡｒガス圧（スパッタリングガス圧）に依存しており、Ａｒガス圧：１．０ｍＴｏｒｒ以下で成膜することでＡｌはビア内部に完全に埋め込まれることがわかる。尚、Ａｒガス圧が０．５ｍＴｏｒｒを下回ると、Ａｒプラズマが連続して生じずグロー放電が途切れ易くなり、成膜が安定して行えなかった。
【００４７】
＜実施例２＞
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ＴＥＧのビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で被覆して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、上記Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧と基板温度を下記一定値とし、放電パワー密度を１〜１０Ｗ／ｃｍ2の範囲で変化させて行なった。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
基板温度：１００℃
【００４８】
次に、このＴＥＧに前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、ビア３へのＡｌ埋込率を求めた。放電パワー密度とＡｌ埋込率との関係を図４に示す。該図４から、Ａｌ埋込率は成膜時の放電パワー密度に依存しており、放電パワー密度を３〜１０Ｗ／ｃｍ2の範囲に制御すればＡｌがビア内部にほぼ完全に埋め込まれることがわかる。
【００４９】
＜実施例３＞
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、該Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧と放電パワー密度を下記一定値とし、基板温度を室温〜３００℃の範囲で変化させて行なった。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
【００５０】
次に、このＴＥＧに前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、ビア３へのＡｌ埋込率を求めた。Ａｌ薄膜成膜時の基板温度とＡｌ埋込率の関係を図５に示す。この図５から、Ａｌ埋込率は成膜時の基板温度に依存しており、基板温度を１００〜３００℃の範囲に制御すればＡｌがビア内部にほぼ完全に埋め込まれることがわかる。
【００５１】
＜実施例４＞
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。尚、該Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行なった。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００℃
【００５２】
次にこのＴＥＧに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、温度を室温〜５００℃、圧力を０〜２００ＭＰａの範囲で変化させる以外は前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のＴＥＧのＡｌ埋込率を求めた。その結果を表１に示す［尚、表１中の数値はＡｌ埋込率（％）を示す］。
【００５３】
【表１】
【００５４】
上記表１より、本発明の規定条件で成膜したＡｌ薄膜に対して高温高圧処理を行なう場合には、該処理条件として、処理温度を４００℃以上とし、かつ処理圧力を１００ＭＰａ以上とすれば、ビア３にＡｌを完全に埋め込むことができる。
【００５５】
尚、比較例として、Ａｌ薄膜の成膜を規定外の条件で行なった場合についての実験結果を下記に示す。
【００５６】
前記実施例１に記載した方法と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部をＡｌ薄膜５で完全にブリッジングした。該Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。尚、下記成膜条件は、従来よりＡｌ薄膜をスパッタリング法で形成する際に一般に採用されている条件である。
Ａｒガス圧：２．０ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：２．５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：室温
【００５７】
次に、Ａｌ薄膜の形成されたＴＥＧに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、温度を室温〜５００℃、圧力を０〜２００ＭＰａの範囲で変化させる以外は前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のＴＥＧのＡｌ埋込率を求めた。その結果を表２に示す［尚、表２中の数値はＡｌ埋込率（％）を示す］。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２より、規定外の条件で成膜したＡｌ薄膜に高温高圧処理を施す場合、Ａｌを完全に埋め込むには、処理温度を４００℃以上、処理圧力を１５０ＭＰａ以上と、上記本発明の規定条件でＡｌ薄膜を成膜した場合と比較して、高温高圧処理時の条件範囲が狭まることがわかる。
【００６０】
＜実施例５＞
前記実施例４と同様の方法で、ビア３の底面と側面に膜厚５０ｎｍのバリア層（ＴａＮ薄膜）４を形成した後、純Ａｌ薄膜（膜厚：７５００Å）５をスパッタリング法で形成して、ビア３の開口部を純Ａｌ薄膜５で完全にブリッジングした。
【００６１】
尚、純Ａｌ薄膜５の成膜は、Ａｒガス圧、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。
Ａｒガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００℃
【００６２】
次に、Ａｌ薄膜の形成されたＴＥＧに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、処理温度を５００℃、処理圧力を１００ＭＰａとし、処理時間を０〜１２０分の範囲で変化させる以外は前記実施例１と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のＴＥＧのＡｌ埋込率を求めた。処理時間とＡｌ埋込率の関係を図６に示す。図６より、上記本発明の規定を満たす条件で成膜したＡｌ薄膜を用いて、高温高圧処理を行なう場合には、処理時間を１５分以上とすれば完全にＡｌが埋め込まれることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る配線の形成方法を示す概念図である。
【図２】半導体装置の製法の一例を工程順に示す概略断面説明図である。
【図３】実施例１における成膜時のＡｒガス圧とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【図４】実施例２における成膜時の放電パワー密度とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【図５】実施例３における成膜時の基板温度とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【図６】実施例５における高温高圧処理時の処理時間とＡｌ埋込率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１ 半導体基板（シリコンウエハー）
２ 絶縁膜
３ ビア
４ バリア層
５ Ａｌ系金属膜（純Ａｌ薄膜）
６ トレンチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された凹部を有する絶縁膜の表面に、ＡｌまたはＡｌ合金（以下「Ａｌ系金属」という）よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうことを特徴とする半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜３００℃
【請求項２】
前記スパッタリングを下記条件で行なう請求項１に記載の半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．０ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５〜１０Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜２００℃
【請求項３】
前記高温高圧処理を下記条件で行なう請求項１または２に記載の半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法。
処理温度：４００〜６００℃
処理圧力：１００〜１５０ＭＰａ
処理時間：１５分以上
【請求項１】
基板上に形成された凹部を有する絶縁膜の表面に、ＡｌまたはＡｌ合金（以下「Ａｌ系金属」という）よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Ａｌ系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうことを特徴とする半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．１ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：３〜１５Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜３００℃
【請求項２】
前記スパッタリングを下記条件で行なう請求項１に記載の半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法。
スパッタリングガス圧：０．５〜１．０ｍＴｏｒｒ
放電パワー密度：５〜１０Ｗ／ｃｍ2
基板温度：１００〜２００℃
【請求項３】
前記高温高圧処理を下記条件で行なう請求項１または２に記載の半導体装置のＡｌ系合金配線形成方法。
処理温度：４００〜６００℃
処理圧力：１００〜１５０ＭＰａ
処理時間：１５分以上
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２７７８７０（Ｐ２００８−２７７８７０Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１２９４４（Ｐ２００８−２１２９４４）
【出願日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【分割の表示】特願２００４−１５９６２７（Ｐ２００４−１５９６２７）の分割
【原出願日】平成１６年５月２８日（２００４．５．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【分割の表示】特願２００４−１５９６２７（Ｐ２００４−１５９６２７）の分割
【原出願日】平成１６年５月２８日（２００４．５．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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