電極配線構造の製造方法
【課題】 窒化チタンをバリアメタルとして使用し、その上にＡｌ合金層を形成する場合、バリアメタルのバリア性を向上させ、しかもＡｌ合金層の埋め込み性を良好にしてステップカバレッジを向上させる。
【解決手段】 シリコン基板１０上に、層間絶縁膜１１を形成し、コンタクトホール１２を形成する（図１（ａ））。この後、チタン層１３、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５を真空中で連続的にスパッタ成膜する（図１（ｂ））。続いて、Ａｌ合金層１５のリフロー処理を行う（図１（ｃ））。このリフロー熱処理中に、窒化チタン層１４とＡｌ合金層１５の間にチタンとアルミニウムの金属間化合物である歪み緩和層１７が形成される。この後、反射防止膜としてのチタン層２０、窒化チタン層２１を形成し、パターニングを行った後、保護膜１６を形成する（図１（ｄ）、（ｅ））。
【解決手段】 シリコン基板１０上に、層間絶縁膜１１を形成し、コンタクトホール１２を形成する（図１（ａ））。この後、チタン層１３、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５を真空中で連続的にスパッタ成膜する（図１（ｂ））。続いて、Ａｌ合金層１５のリフロー処理を行う（図１（ｃ））。このリフロー熱処理中に、窒化チタン層１４とＡｌ合金層１５の間にチタンとアルミニウムの金属間化合物である歪み緩和層１７が形成される。この後、反射防止膜としてのチタン層２０、窒化チタン層２１を形成し、パターニングを行った後、保護膜１６を形成する（図１（ｄ）、（ｅ））。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金配線層（以下Ａｌ合金層という）を用いて半導体装置の電極配線を形成する電極配線構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、素子の高集積化に伴い、微細化や他層化が必須の技術となってきており、微細化するにつれてＡｌ合金層の線幅も細く設計されている。このようにＡｌ合金層の線幅が細くなると、保護膜の形成による圧縮応力によってＡｌ合金層内にＡｌボイドが発生する。
【０００３】本出願人は、半導体基板上に窒化チタン層を組成に含むバリアメタル上にＡｌ合金層を形成し、窒化チタン層の成膜条件に工夫を凝らして、バリアメタルとＡｌ合金層の間に、窒化チタンとアルミニウムを組成に含む金属間化合物である歪み緩和層を形成し、この歪み緩和層によって、Ａｌ合金層の配向性に係わらずＡｌ合金層内におけるＡｌボイドの発生を抑制できるものを提案した（特開平８−７８４１６号公報）。
【０００４】このものの製造方法の概要について図３に従って説明する。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１０上に層間絶縁膜１１を形成し、コンタクトホール１２を形成する。そして、図３（ｂ）に示すように、スパッタリング法によりチタン層１３を成膜し、続いて反応性スパッタリング法により窒化チタン層１４を成膜し、さらにスパッタリング法によりＡｌ合金層１５を成膜し、その一部がシリコン基板と電気接続するようにする。その際、チタン層１３、窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５は、途中大気暴露せずに、真空中で連続的に成膜している。
【０００５】Ａｌ合金層１５を成膜後、図３（ｃ）に示すように、チタン層１３、窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５をパターニングし、シリコン基板１０、チタン層１３、窒化チタン層１４、およびＡｌ合金層１５の電気的接続部の抵抗を小さくするために、４００℃から４８０℃の熱処理を行う。さらに、図３（ｄ）に示すように、保護膜１６を、３００℃から４８０℃の温度下でＣＶＤ法あるいはスパッタリング法に形成する。
【０００６】ここで、図３（ｃ）、（ｄ）の工程における熱処理中に、窒化チタン層１４からＡｌ合金層１５にチタンが拡散し、チタンとアルミニウムの金属間化合物（Ａｌ3 Ｔｉ）反応層１７が形成される。また、チタン層１３とシリコン基板１０の間にチタンシリサイド層１８が形成される。ここで、窒化チタン層１４を、窒素ガスが供給されチタンをターゲットとするスパッタリング装置内で、ＤＣパワー密度５．５Ｗ／ｃｍ2 以下の条件で反応性スパッタリングすることにより、金属間化合物反応層１７の厚さを１０ｎｍ以上にして歪み緩和層にすることができ、Ａｌ合金層１５内におけるＡｌボイドの発生を抑制することができる。
【０００７】また、上記公報に記載された第２実施形態においては、アロイスパイクを防止するために、窒化チタン層１４の下層に、アロイスパイク防止用の別の窒化チタン層を形成している。以下、アロイスパイク防止用の窒化チタン層を第１窒化チタン層といい、上記した窒化チタン層１４を第２窒化チタン層という。具体的には、第１窒化チタン層を６．９６Ｗ／ｃｍ2 以上のＤＣパワー密度でスパッタ成膜し、第２窒化チタン層を５．５Ｗ／ｃｍ2 以下のＤＣパワー密度でスパッタ成膜して、第１、第２窒化チタン層を物性の異なる膜としている。この場合、第１窒化チタン層は結晶性の高い緻密な膜となるため、アロイスパイクの発生を抑制することができる。なお、ＤＣパワー密度（以下、単にパワー密度という）とは、スパッタリング装置において、ターゲットとヒータ間に印加する電力をターゲットの面積で割ったものをいう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、上記した電極配線構造に対しさらに検討を進めたところ、素子の微細化を進めると、Ａｌ合金層のステップカバレッジが悪くなってしまうという問題があることが判明した。通常、Ａｌ合金層をリフローすることによって、Ａｌ合金層のコンタクトホールへの埋め込み性を向上させ、ステップカバレッジを良好にすることができるが、窒化チタンをバリアメタルとして使用し、その上に形成されたＡｌ合金層をリフローする場合、電子情報通信学会論文誌 Ｃ−ＩＩ Ｖｏｌ．Ｊ７８−Ｃ−ＩＩ Ｎｏ．５ ｐｐ．２７３−２８０ １９９５年５月号の第２７６頁〜第２７７頁に指摘されているように、バリアメタルのバリア性を向上させるために熱処理が不可欠であり、そのためにＡｌ合金層の形成前に窒化チタン層が一旦大気に曝され、その結果、窒化チタン層の表面が酸化しＡｌ合金層のぬれ性が低下して、リフローの際のＡｌ合金層の埋め込み性が低下する問題点がある。そこで、このものでは、リフロー下地を検討することによりＡｌ合金層の埋め込み性を改善することが提案されている。
【０００９】本発明は、窒化チタンをバリアメタルとして使用し、その上にＡｌ合金層を形成する場合、上記した論文に指摘されているような、窒化チタン層の大気暴露による問題を生じることなく、バリアメタルのバリア性を向上させ、しかもＡｌ合金層の埋め込み性を良好にしてステップカバレッジを向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、先に提案した特開平８−７８４１６号公報に記載のものにおいて、第１窒化チタン層と第２窒化チタン層を設けることにより、Ａｌ合金層の形成前に、一旦大気に曝さなくても、アロイスパイクの発生を抑制してバリア性を高くすることができる点に着目し、このものの製造方法を変更することにより上記目的を達成することを検討した。
【００１１】このような検討を基になされた請求項１乃至３に記載の発明においては、第１窒化チタン層（１９）、第２窒化チタン層（１４）、Ａｌ合金層（１５）を真空中で連続して成膜するとともに、さらに真空中でＡｌ合金層をリフローし、このリフロー後に第１窒化チタン層、第２窒化チタン層およびＡｌ合金層のパターニングを行うようにしたことを特徴としている。
【００１２】Ａｌ合金層のリフロー中に第２窒化チタン層の窒化チタンとアルミニウム合金配線層のアルミニウムにより金属間化合物反応層（１７）が形成される。この金属間化合物反応層とリフローされたＡｌ合金層との濡れ性が良好であるため、Ａｌ合金層の埋め込み性を良好にしてステップカバレッジを向上させることができる。また、第１窒化チタン層、第２窒化チタン層およびＡｌ合金層の形成、およびＡｌ合金層のリフローを真空中で連続して行っているから、窒化チタン層の大気暴露による問題を生じることなくバリアメタルのバリア性を向上させることができる。
【００１３】また、請求項４に記載の発明においては、請求項１に記載の発明を第１電極配線とし、第２電極配線を形成するために、第３窒化チタン層（２３）および第２Ａｌ合金層（２４）を真空中で成膜し、さらに真空中で連続して第２Ａｌ合金層をリフローし、その後パターニングを行うようにしたことを特徴としている。このことにより、第２電極配線についてもステップカバレッジを向上させることができ、従って、バリアメタルのバリア性を向上させるとともに、Ａｌ合金層のステップカバレッジを向上させた多層電極配線構造とすることができる。
【００１４】なお、特許請求の範囲および課題を解決するための手段の欄で記載した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的構成要素との対応関係を示すためのものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）図１に、本発明の第１実施形態における電極配線を用いた半導体装置の製造工程を示す。なお、この図１において、図３に示すものと同一符号を付した部分は同一のものを示す。
【００１６】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０上にＣＶＤ法やスパッタリング法により、ＰＳＧ膜等の層間絶縁膜１１を形成し、ホトリソグラフィーにより、コンタクトホール１２を形成する。そして、図１（ｂ）の工程で、スパッタリング装置を用い、スパッタリング法により２０ｎｍの厚さのチタン層１３を成膜し、アルゴンと窒素の混合ガス雰囲気中でＴｉをスパッタリングする反応性スパッタリング法により厚さ７０ｎｍの第１窒化チタン層１９と厚さ３０ｎｍの第２窒化チタン層１４を成膜し、さらにスパッタリング法により４５０ｎｍの厚さのＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ等のＡｌ合金層１５を連続的に成膜する。
【００１７】この場合、第１窒化チタン層１９に対しては、設定温度：２７０°Ｃ、総ガス圧：５．５ｍＴｏｒｒ、Ｎ2 −Ａｒガス流量比：１：１、パワー密度：８．７Ｗ／ｃｍ2 の条件で成膜し、第２窒化チタン層１４に対しては、設定温度：２７０°Ｃ、総ガス圧：５．５ｍＴｏｒｒ、Ｎ2 −Ａｒガス流量比：１：１、パワー密度：４．４Ｗ／ｃｍ2 の条件で成膜し、Ａｌ配線層１５に対しては、設定温度：１５０°Ｃ、Ａｒガス圧：２ｍＴｏｒｒ、パワー密度：１０．６Ｗ／ｃｍ2 の条件で成膜している。第１窒化チタン層１９を、特開平８−７８４１６号公報に記載されたものと実質的に同じ成膜条件で形成することにより、結晶性の高い緻密な膜となり、アロイスパイクの発生を抑制することができる。
【００１８】なお、チタン層１３、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５は、途中大気暴露せずに、真空中で連続的に成膜してため、各層の内部および層の界面には、酸素はほとんど存在せず、約１ａｔ％以下の濃度となっている。この後、同じスパッタリング装置内で真空搬送し、別のチャンバにてリフローを行う。このリフローは、第１、第２窒化チタン層１９、１４よりも高い温度で行い、具体的には設定温度を５２５℃（もしくは５００℃前後）とする。また、Ａｒガス圧を２ｍＴｏｒｒとして３分間行う。このリフローにより、Ａｌ合金層１５は、図１（ｃ）に示すような形状になる。
【００１９】また、このリフロー熱処理中に、窒化チタン層１４からＡｌ合金層１５にチタンが拡散し、チタンとアルミニウムの金属間化合物（Ａｌ3 Ｔｉ）反応層１７が形成される。この金属間化合物反応層１７は、特開平８−７８４１６号公報に記載されている厚さ１０ｎｍ以上の歪み緩和層で、Ａｌ合金層１５内のＡｌボイドの発生を抑制する。
【００２０】また、リフローＡｌとＡｌ3 Ｔｉとの濡れ性が良好であるため、リフローＡｌの埋め込み性を向上させることができる。この場合、Ａｌ3 Ｔｉの形成が不安定であるとリフローＡｌの埋め込み性が低下するため、Ａｌ3 Ｔｉを安定して形成するためには、リフロー温度を実温で３９０℃以上にする必要がある。なお、実温とは、リフローを行う場合のウエハ状態での半導体基板の温度で、スパッタ装置内での設定温度より低くなり、設定温度を５２５℃とした場合、実温は４６５℃になる。また、設定温度を５００℃前後とした場合には、実温は約４４５℃になる。
【００２１】また、金属間化合物反応層１７の厚さはＡｌボイドの抑制という点からすれば１０ｎｍ以上必要であるが、リフローＡｌとＡｌ3 Ｔｉとの濡れ性を良好にするという点からすれば１ｎｍ以上あればよい。このリフロー後、反射防止膜としての厚さ１５ｎｍのチタン層２０と厚さ３０ｎｍの窒化チタン層２１を、さらに真空中で連続成膜し、図１（ｄ）に示す構造とする。
【００２２】上記した真空中での連続成膜工程を経た後、図１（ｅ）にように、チタン層１３、窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５、チタン層２０、窒化チタン層２１をパターニングし、さらに、保護膜としての絶縁膜（窒化膜等）１６を、３００℃から４８０℃の温度下でＣＶＤ法あるいはスパッタリング法に形成する。この保護膜形成時に、図示しないが、チタン層１３とシリコン基板１０の間にチタンシリサイド層１８が形成される。
【００２３】上記した製造方法を用いることにより、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４およびＡｌ合金層１５の形成、およびＡｌ合金層１５のリフローを真空中で連続して行っているから、アロイスパイクを抑制してバリアメタルのバリア性を向上させ、Ａｌ合金層１５の埋め込み性を良好にしてステップカバレッジを向上させることができる。
【００２４】なお、上述したように、本実施形態においては、Ａｌ配線層１５と第２窒化チタン１４を反応させることでリフロー処理によってステップカバレッジを良好にできたが、このようにＡｌ配線層１５と第２窒化チタン１４との反応性を良好にするためには特開平８−７８４１６号公報の図３に示されているようにスパッタリング装置のＤＣパワー密度を５．５Ｗ／ｃｍ2 以下とすることが好ましい。なお、ＤＣパワー密度とは、スパッタリング装置内においてＴｉターゲットとスパッタリング装置のヒータ間に印加する電力をＴｉターゲットの面積で割った値とする。
【００２５】また、発明者らが実験を行ったところ、Ａｌ配線層１５と第２窒化チタン１４とを反応させてＡｌ配線層１５の濡れ性がよくなっても、反応によりＡｌ3 Ｔｉが形成されてその上にＡｌ配線層が全く存在しなくなった場合には、その領域上でのＡｌ配線層１５のリフロー処理による流動性が失われてＡｌ3 Ｔｉだけの領域が残るようになり良好なステップカバレッジが得られないことがわかった。従って、Ａｌ配線層１５のスパッタリング時の膜厚はその後のリフロー処理において形成される反応生成物（Ａｌ3 Ｔｉ等の金属間化合物）の膜厚よりも厚く堆積する必要がある。
【００２６】さらに、発明者らが実験を行ったところ、ステップカバレッジを良好にするためには上述したようにＡｌ配線層１５と反応性の良い第２窒化チタン１４を用いてＡｌ配線層１５を所定の膜厚となるよう堆積するだけではステップカバレッジを良好にするために十分でないことがわかった。すなわち、Ａｌ配線層１５のスパッタリング後の膜厚がスパッタリング時の基板温度（ヒータ温度）に依存することが判明し、この基板温度を制御する必要があることがわかった。基板温度を高く設定した場合にその後のリフロー処理においてステップカバレッジにかなりばらつきが生じ、再現性の悪いものとなることがわかった。これは、基板温度が高い場合にＡｌ配線材料がスパッタリングによりコンタクトホールに付着する際に凝集し、コンタクトホールの段差の上部にボールのように集まる現象が起こり、この現象によりコンタクトホールの段差の底部とその周辺のＡｌ配線材料の膜厚が薄くなり、さらにこの集まったＡｌ配線材料がマスクとなってコンタクトホール底部にスパッタリングされたＡｌ原子が到達できなくなることによって生ずるためである。
【００２７】発明者らの実験によると基板温度が１２０℃、１５０℃、１８０℃付近まではＡｌ配線材料の凝集はあまり観測されなかったが、基板温度が１８０℃を過ぎるとＡｌ配線材料の凝集が観測されるようになり、２３０℃ではかなりＡｌ配線材料の凝集が観測された。実際、基板温度を１５０℃としてリフローを行った場合と、基板温度を２３０℃としてリフローを行った場合とでステップカバレッジを比較したところ、前者の場合にはステップカバレッジも良好で、かつ、ばらつきがほとんどなく再現性が良好であることがわかったが、後者の場合にはステップカバレッジの良好なものも存在したが、ばらつきがひどく、再現性が悪いことが分かった。従って、Ａｌ配線の膜厚を確保するためにはＡｌ配線材料の基板温度を１８０℃以下にすることが望ましい。尚、基板の加熱方法はスッパッタリング装置内のヒータによって温められたＡｒガスによるガス加熱方式である。
【００２８】以上をまとめると、Ａｌ配線材料の下地を上述した第２窒化チタンとし、Ａｌ配線材料のスパッタリング時の基板温度を１８０℃以下とし、その膜厚を堆積後のリフロー処理において生成される反応性生物よりも厚くなるように堆積して上述したリフロー処理を行うことにより、確実にステップカバレッジを良好にすることができる。
（第２実施形態）上記した第１実施形態では１層の電極配線構造としたが、本実施形態では電極配線を２層にした多層電極配線構造としている。
【００２９】このものの製造方法について図２に従って説明する。まず、第１実施形態と同様に、チタン層１３、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５、チタン層２０、窒化チタン層２１を形成し、パターニングして第１電極配線を形成する。その上に層間絶縁膜２２を形成し、ホトリソグラフィーにより、層間絶縁膜２２にビアホールを形成する。この後、層間絶縁膜２２上に、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４を形成して、図２（ａ）に示す構造とする。
【００３０】この場合、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４は、第１電極配線における第２窒化チタン層１４およびＡｌ合金層１５と同じ成膜条件で形成する。この後、第１実施形態と同様に、連続して真空中でリフローを行う。このリフローにより、Ａｌ合金層２４は、図２（ｂ）に示すような形状になる。また、このリフロー熱処理中に、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４の間に、金属間化合物反応層２５が形成される。そして、Ａｌ合金層２４の上に反射防止膜としての窒化チタン層２６を形成し、図２（ｂ）に示す構造とする。
【００３１】そして、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４をパターニングし、その上に保護膜２７を、第１実施形態の保護膜１６と同様に、３００℃から４８０℃の温度下でＣＶＤ法あるいはスパッタリング法に形成して、図２（ｃ）に示す多層電極配線の構造を得る。上記した製造方法によれば、第１実施形態と同様、バリアメタルのバリア性を向上させるとともに、第１電極配線層のみならず第２電極配線層についてもステップカバレッジを向上させたものとすることができる。
【００３２】なお、Ａｌ合金層１５、２４としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕに限らず、例えばアルミニウム金属やＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｔｉ等の他の合金を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電極配線構造の製造工程を示す工程図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電極配線構造の製造工程を示す工程図である。
【図３】従来の電極配線構造の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１０…シリコン基板、１１、２２…層間絶縁膜、１４…第１窒化チタン層、１５…Ａｌ合金層（第１Ａｌ合金層）、１７、２５…金属間化合物反応層、１９…第２窒化チタン層、２３…窒化チタン層（第３窒化チタン層）、２４…Ａｌ合金層（第２Ａｌ合金層）、１６、２７…保護膜。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金配線層（以下Ａｌ合金層という）を用いて半導体装置の電極配線を形成する電極配線構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、素子の高集積化に伴い、微細化や他層化が必須の技術となってきており、微細化するにつれてＡｌ合金層の線幅も細く設計されている。このようにＡｌ合金層の線幅が細くなると、保護膜の形成による圧縮応力によってＡｌ合金層内にＡｌボイドが発生する。
【０００３】本出願人は、半導体基板上に窒化チタン層を組成に含むバリアメタル上にＡｌ合金層を形成し、窒化チタン層の成膜条件に工夫を凝らして、バリアメタルとＡｌ合金層の間に、窒化チタンとアルミニウムを組成に含む金属間化合物である歪み緩和層を形成し、この歪み緩和層によって、Ａｌ合金層の配向性に係わらずＡｌ合金層内におけるＡｌボイドの発生を抑制できるものを提案した（特開平８−７８４１６号公報）。
【０００４】このものの製造方法の概要について図３に従って説明する。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１０上に層間絶縁膜１１を形成し、コンタクトホール１２を形成する。そして、図３（ｂ）に示すように、スパッタリング法によりチタン層１３を成膜し、続いて反応性スパッタリング法により窒化チタン層１４を成膜し、さらにスパッタリング法によりＡｌ合金層１５を成膜し、その一部がシリコン基板と電気接続するようにする。その際、チタン層１３、窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５は、途中大気暴露せずに、真空中で連続的に成膜している。
【０００５】Ａｌ合金層１５を成膜後、図３（ｃ）に示すように、チタン層１３、窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５をパターニングし、シリコン基板１０、チタン層１３、窒化チタン層１４、およびＡｌ合金層１５の電気的接続部の抵抗を小さくするために、４００℃から４８０℃の熱処理を行う。さらに、図３（ｄ）に示すように、保護膜１６を、３００℃から４８０℃の温度下でＣＶＤ法あるいはスパッタリング法に形成する。
【０００６】ここで、図３（ｃ）、（ｄ）の工程における熱処理中に、窒化チタン層１４からＡｌ合金層１５にチタンが拡散し、チタンとアルミニウムの金属間化合物（Ａｌ3 Ｔｉ）反応層１７が形成される。また、チタン層１３とシリコン基板１０の間にチタンシリサイド層１８が形成される。ここで、窒化チタン層１４を、窒素ガスが供給されチタンをターゲットとするスパッタリング装置内で、ＤＣパワー密度５．５Ｗ／ｃｍ2 以下の条件で反応性スパッタリングすることにより、金属間化合物反応層１７の厚さを１０ｎｍ以上にして歪み緩和層にすることができ、Ａｌ合金層１５内におけるＡｌボイドの発生を抑制することができる。
【０００７】また、上記公報に記載された第２実施形態においては、アロイスパイクを防止するために、窒化チタン層１４の下層に、アロイスパイク防止用の別の窒化チタン層を形成している。以下、アロイスパイク防止用の窒化チタン層を第１窒化チタン層といい、上記した窒化チタン層１４を第２窒化チタン層という。具体的には、第１窒化チタン層を６．９６Ｗ／ｃｍ2 以上のＤＣパワー密度でスパッタ成膜し、第２窒化チタン層を５．５Ｗ／ｃｍ2 以下のＤＣパワー密度でスパッタ成膜して、第１、第２窒化チタン層を物性の異なる膜としている。この場合、第１窒化チタン層は結晶性の高い緻密な膜となるため、アロイスパイクの発生を抑制することができる。なお、ＤＣパワー密度（以下、単にパワー密度という）とは、スパッタリング装置において、ターゲットとヒータ間に印加する電力をターゲットの面積で割ったものをいう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、上記した電極配線構造に対しさらに検討を進めたところ、素子の微細化を進めると、Ａｌ合金層のステップカバレッジが悪くなってしまうという問題があることが判明した。通常、Ａｌ合金層をリフローすることによって、Ａｌ合金層のコンタクトホールへの埋め込み性を向上させ、ステップカバレッジを良好にすることができるが、窒化チタンをバリアメタルとして使用し、その上に形成されたＡｌ合金層をリフローする場合、電子情報通信学会論文誌 Ｃ−ＩＩ Ｖｏｌ．Ｊ７８−Ｃ−ＩＩ Ｎｏ．５ ｐｐ．２７３−２８０ １９９５年５月号の第２７６頁〜第２７７頁に指摘されているように、バリアメタルのバリア性を向上させるために熱処理が不可欠であり、そのためにＡｌ合金層の形成前に窒化チタン層が一旦大気に曝され、その結果、窒化チタン層の表面が酸化しＡｌ合金層のぬれ性が低下して、リフローの際のＡｌ合金層の埋め込み性が低下する問題点がある。そこで、このものでは、リフロー下地を検討することによりＡｌ合金層の埋め込み性を改善することが提案されている。
【０００９】本発明は、窒化チタンをバリアメタルとして使用し、その上にＡｌ合金層を形成する場合、上記した論文に指摘されているような、窒化チタン層の大気暴露による問題を生じることなく、バリアメタルのバリア性を向上させ、しかもＡｌ合金層の埋め込み性を良好にしてステップカバレッジを向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、先に提案した特開平８−７８４１６号公報に記載のものにおいて、第１窒化チタン層と第２窒化チタン層を設けることにより、Ａｌ合金層の形成前に、一旦大気に曝さなくても、アロイスパイクの発生を抑制してバリア性を高くすることができる点に着目し、このものの製造方法を変更することにより上記目的を達成することを検討した。
【００１１】このような検討を基になされた請求項１乃至３に記載の発明においては、第１窒化チタン層（１９）、第２窒化チタン層（１４）、Ａｌ合金層（１５）を真空中で連続して成膜するとともに、さらに真空中でＡｌ合金層をリフローし、このリフロー後に第１窒化チタン層、第２窒化チタン層およびＡｌ合金層のパターニングを行うようにしたことを特徴としている。
【００１２】Ａｌ合金層のリフロー中に第２窒化チタン層の窒化チタンとアルミニウム合金配線層のアルミニウムにより金属間化合物反応層（１７）が形成される。この金属間化合物反応層とリフローされたＡｌ合金層との濡れ性が良好であるため、Ａｌ合金層の埋め込み性を良好にしてステップカバレッジを向上させることができる。また、第１窒化チタン層、第２窒化チタン層およびＡｌ合金層の形成、およびＡｌ合金層のリフローを真空中で連続して行っているから、窒化チタン層の大気暴露による問題を生じることなくバリアメタルのバリア性を向上させることができる。
【００１３】また、請求項４に記載の発明においては、請求項１に記載の発明を第１電極配線とし、第２電極配線を形成するために、第３窒化チタン層（２３）および第２Ａｌ合金層（２４）を真空中で成膜し、さらに真空中で連続して第２Ａｌ合金層をリフローし、その後パターニングを行うようにしたことを特徴としている。このことにより、第２電極配線についてもステップカバレッジを向上させることができ、従って、バリアメタルのバリア性を向上させるとともに、Ａｌ合金層のステップカバレッジを向上させた多層電極配線構造とすることができる。
【００１４】なお、特許請求の範囲および課題を解決するための手段の欄で記載した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的構成要素との対応関係を示すためのものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）図１に、本発明の第１実施形態における電極配線を用いた半導体装置の製造工程を示す。なお、この図１において、図３に示すものと同一符号を付した部分は同一のものを示す。
【００１６】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０上にＣＶＤ法やスパッタリング法により、ＰＳＧ膜等の層間絶縁膜１１を形成し、ホトリソグラフィーにより、コンタクトホール１２を形成する。そして、図１（ｂ）の工程で、スパッタリング装置を用い、スパッタリング法により２０ｎｍの厚さのチタン層１３を成膜し、アルゴンと窒素の混合ガス雰囲気中でＴｉをスパッタリングする反応性スパッタリング法により厚さ７０ｎｍの第１窒化チタン層１９と厚さ３０ｎｍの第２窒化チタン層１４を成膜し、さらにスパッタリング法により４５０ｎｍの厚さのＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ等のＡｌ合金層１５を連続的に成膜する。
【００１７】この場合、第１窒化チタン層１９に対しては、設定温度：２７０°Ｃ、総ガス圧：５．５ｍＴｏｒｒ、Ｎ2 −Ａｒガス流量比：１：１、パワー密度：８．７Ｗ／ｃｍ2 の条件で成膜し、第２窒化チタン層１４に対しては、設定温度：２７０°Ｃ、総ガス圧：５．５ｍＴｏｒｒ、Ｎ2 −Ａｒガス流量比：１：１、パワー密度：４．４Ｗ／ｃｍ2 の条件で成膜し、Ａｌ配線層１５に対しては、設定温度：１５０°Ｃ、Ａｒガス圧：２ｍＴｏｒｒ、パワー密度：１０．６Ｗ／ｃｍ2 の条件で成膜している。第１窒化チタン層１９を、特開平８−７８４１６号公報に記載されたものと実質的に同じ成膜条件で形成することにより、結晶性の高い緻密な膜となり、アロイスパイクの発生を抑制することができる。
【００１８】なお、チタン層１３、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５は、途中大気暴露せずに、真空中で連続的に成膜してため、各層の内部および層の界面には、酸素はほとんど存在せず、約１ａｔ％以下の濃度となっている。この後、同じスパッタリング装置内で真空搬送し、別のチャンバにてリフローを行う。このリフローは、第１、第２窒化チタン層１９、１４よりも高い温度で行い、具体的には設定温度を５２５℃（もしくは５００℃前後）とする。また、Ａｒガス圧を２ｍＴｏｒｒとして３分間行う。このリフローにより、Ａｌ合金層１５は、図１（ｃ）に示すような形状になる。
【００１９】また、このリフロー熱処理中に、窒化チタン層１４からＡｌ合金層１５にチタンが拡散し、チタンとアルミニウムの金属間化合物（Ａｌ3 Ｔｉ）反応層１７が形成される。この金属間化合物反応層１７は、特開平８−７８４１６号公報に記載されている厚さ１０ｎｍ以上の歪み緩和層で、Ａｌ合金層１５内のＡｌボイドの発生を抑制する。
【００２０】また、リフローＡｌとＡｌ3 Ｔｉとの濡れ性が良好であるため、リフローＡｌの埋め込み性を向上させることができる。この場合、Ａｌ3 Ｔｉの形成が不安定であるとリフローＡｌの埋め込み性が低下するため、Ａｌ3 Ｔｉを安定して形成するためには、リフロー温度を実温で３９０℃以上にする必要がある。なお、実温とは、リフローを行う場合のウエハ状態での半導体基板の温度で、スパッタ装置内での設定温度より低くなり、設定温度を５２５℃とした場合、実温は４６５℃になる。また、設定温度を５００℃前後とした場合には、実温は約４４５℃になる。
【００２１】また、金属間化合物反応層１７の厚さはＡｌボイドの抑制という点からすれば１０ｎｍ以上必要であるが、リフローＡｌとＡｌ3 Ｔｉとの濡れ性を良好にするという点からすれば１ｎｍ以上あればよい。このリフロー後、反射防止膜としての厚さ１５ｎｍのチタン層２０と厚さ３０ｎｍの窒化チタン層２１を、さらに真空中で連続成膜し、図１（ｄ）に示す構造とする。
【００２２】上記した真空中での連続成膜工程を経た後、図１（ｅ）にように、チタン層１３、窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５、チタン層２０、窒化チタン層２１をパターニングし、さらに、保護膜としての絶縁膜（窒化膜等）１６を、３００℃から４８０℃の温度下でＣＶＤ法あるいはスパッタリング法に形成する。この保護膜形成時に、図示しないが、チタン層１３とシリコン基板１０の間にチタンシリサイド層１８が形成される。
【００２３】上記した製造方法を用いることにより、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４およびＡｌ合金層１５の形成、およびＡｌ合金層１５のリフローを真空中で連続して行っているから、アロイスパイクを抑制してバリアメタルのバリア性を向上させ、Ａｌ合金層１５の埋め込み性を良好にしてステップカバレッジを向上させることができる。
【００２４】なお、上述したように、本実施形態においては、Ａｌ配線層１５と第２窒化チタン１４を反応させることでリフロー処理によってステップカバレッジを良好にできたが、このようにＡｌ配線層１５と第２窒化チタン１４との反応性を良好にするためには特開平８−７８４１６号公報の図３に示されているようにスパッタリング装置のＤＣパワー密度を５．５Ｗ／ｃｍ2 以下とすることが好ましい。なお、ＤＣパワー密度とは、スパッタリング装置内においてＴｉターゲットとスパッタリング装置のヒータ間に印加する電力をＴｉターゲットの面積で割った値とする。
【００２５】また、発明者らが実験を行ったところ、Ａｌ配線層１５と第２窒化チタン１４とを反応させてＡｌ配線層１５の濡れ性がよくなっても、反応によりＡｌ3 Ｔｉが形成されてその上にＡｌ配線層が全く存在しなくなった場合には、その領域上でのＡｌ配線層１５のリフロー処理による流動性が失われてＡｌ3 Ｔｉだけの領域が残るようになり良好なステップカバレッジが得られないことがわかった。従って、Ａｌ配線層１５のスパッタリング時の膜厚はその後のリフロー処理において形成される反応生成物（Ａｌ3 Ｔｉ等の金属間化合物）の膜厚よりも厚く堆積する必要がある。
【００２６】さらに、発明者らが実験を行ったところ、ステップカバレッジを良好にするためには上述したようにＡｌ配線層１５と反応性の良い第２窒化チタン１４を用いてＡｌ配線層１５を所定の膜厚となるよう堆積するだけではステップカバレッジを良好にするために十分でないことがわかった。すなわち、Ａｌ配線層１５のスパッタリング後の膜厚がスパッタリング時の基板温度（ヒータ温度）に依存することが判明し、この基板温度を制御する必要があることがわかった。基板温度を高く設定した場合にその後のリフロー処理においてステップカバレッジにかなりばらつきが生じ、再現性の悪いものとなることがわかった。これは、基板温度が高い場合にＡｌ配線材料がスパッタリングによりコンタクトホールに付着する際に凝集し、コンタクトホールの段差の上部にボールのように集まる現象が起こり、この現象によりコンタクトホールの段差の底部とその周辺のＡｌ配線材料の膜厚が薄くなり、さらにこの集まったＡｌ配線材料がマスクとなってコンタクトホール底部にスパッタリングされたＡｌ原子が到達できなくなることによって生ずるためである。
【００２７】発明者らの実験によると基板温度が１２０℃、１５０℃、１８０℃付近まではＡｌ配線材料の凝集はあまり観測されなかったが、基板温度が１８０℃を過ぎるとＡｌ配線材料の凝集が観測されるようになり、２３０℃ではかなりＡｌ配線材料の凝集が観測された。実際、基板温度を１５０℃としてリフローを行った場合と、基板温度を２３０℃としてリフローを行った場合とでステップカバレッジを比較したところ、前者の場合にはステップカバレッジも良好で、かつ、ばらつきがほとんどなく再現性が良好であることがわかったが、後者の場合にはステップカバレッジの良好なものも存在したが、ばらつきがひどく、再現性が悪いことが分かった。従って、Ａｌ配線の膜厚を確保するためにはＡｌ配線材料の基板温度を１８０℃以下にすることが望ましい。尚、基板の加熱方法はスッパッタリング装置内のヒータによって温められたＡｒガスによるガス加熱方式である。
【００２８】以上をまとめると、Ａｌ配線材料の下地を上述した第２窒化チタンとし、Ａｌ配線材料のスパッタリング時の基板温度を１８０℃以下とし、その膜厚を堆積後のリフロー処理において生成される反応性生物よりも厚くなるように堆積して上述したリフロー処理を行うことにより、確実にステップカバレッジを良好にすることができる。
（第２実施形態）上記した第１実施形態では１層の電極配線構造としたが、本実施形態では電極配線を２層にした多層電極配線構造としている。
【００２９】このものの製造方法について図２に従って説明する。まず、第１実施形態と同様に、チタン層１３、第１窒化チタン層１９、第２窒化チタン層１４、Ａｌ合金層１５、チタン層２０、窒化チタン層２１を形成し、パターニングして第１電極配線を形成する。その上に層間絶縁膜２２を形成し、ホトリソグラフィーにより、層間絶縁膜２２にビアホールを形成する。この後、層間絶縁膜２２上に、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４を形成して、図２（ａ）に示す構造とする。
【００３０】この場合、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４は、第１電極配線における第２窒化チタン層１４およびＡｌ合金層１５と同じ成膜条件で形成する。この後、第１実施形態と同様に、連続して真空中でリフローを行う。このリフローにより、Ａｌ合金層２４は、図２（ｂ）に示すような形状になる。また、このリフロー熱処理中に、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４の間に、金属間化合物反応層２５が形成される。そして、Ａｌ合金層２４の上に反射防止膜としての窒化チタン層２６を形成し、図２（ｂ）に示す構造とする。
【００３１】そして、窒化チタン層２３およびＡｌ合金層２４をパターニングし、その上に保護膜２７を、第１実施形態の保護膜１６と同様に、３００℃から４８０℃の温度下でＣＶＤ法あるいはスパッタリング法に形成して、図２（ｃ）に示す多層電極配線の構造を得る。上記した製造方法によれば、第１実施形態と同様、バリアメタルのバリア性を向上させるとともに、第１電極配線層のみならず第２電極配線層についてもステップカバレッジを向上させたものとすることができる。
【００３２】なお、Ａｌ合金層１５、２４としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕに限らず、例えばアルミニウム金属やＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｔｉ等の他の合金を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電極配線構造の製造工程を示す工程図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電極配線構造の製造工程を示す工程図である。
【図３】従来の電極配線構造の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１０…シリコン基板、１１、２２…層間絶縁膜、１４…第１窒化チタン層、１５…Ａｌ合金層（第１Ａｌ合金層）、１７、２５…金属間化合物反応層、１９…第２窒化チタン層、２３…窒化チタン層（第３窒化チタン層）、２４…Ａｌ合金層（第２Ａｌ合金層）、１６、２７…保護膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体基板（１０）上に、コンタクトホール（１２）を有する層間絶縁膜（１１）を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に、アロイスパイク防止用の第１窒化チタン層（１９）と、この第１窒化チタン層の上に第２窒化チタン層（１４）を成膜し、さらにこの第２窒化チタン層の上にアルミニウム合金配線層（１５）を成膜する工程と、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層をパターニングする工程とを有してなる電極配線構造の製造方法において、前記パターニング工程の前に、前記アルミニウム合金配線層をリフローする工程を備え、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層の成膜、および前記アルミニウム合金配線層のリフローを、真空中で連続して行うことを特徴とする電極配線構造の製造方法。
【請求項２】 前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層の成膜、および前記アルミニウム合金配線層のリフローをスパッタリング装置を用いて行い、前記第１、第２窒化チタン層１の成膜温度より高い温度で前記リフローを行うことを特徴とする請求項１に記載の電極配線構造の製造方法。
【請求項３】 前記リフロー時の前記半導体基板の温度を３９０℃以上にすることを特徴とする請求項２に記載の電極配線構造の製造方法。
【請求項４】 半導体基板（１０）上に、コンタクトホール（１２）を有する第１層間絶縁膜（１１）を形成する工程と、前記第１層間絶縁膜上に、アロイスパイク防止用の第１窒化チタン層（１９）と、この第１窒化チタン層の上に第２窒化チタン層（１４）を成膜し、さらにこの第２窒化チタン層の上に第１アルミニウム合金配線層（１５）を成膜し、この後、前記第１アルミニウム合金配線層をリフローする工程と、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層をパターニングして第１電極配線を形成する工程と、この第１電極配線上に開口したビアホールを有する第２層間絶縁膜（２２）を形成する工程と、前記第２層間絶縁膜上に前記ビアホールを含んで、第３窒化チタン層（２３）を成膜し、さらにこの第３窒化チタン層の上に第２アルミニウム合金配線層（２４）を成膜し、この後、前記第２アルミニウム合金配線層をリフローする工程と、前記第３窒化チタン層と第２アルミニウム合金配線層をパターニングして第２電極配線を形成する工程とを有し、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層の成膜、および前記アルミニウム合金配線層のリフローを真空中で連続して行い、前記第３窒化チタン層と前記第２アルミニウム合金配線層の成膜、および前記第２アルミニウム合金配線層のリフローも真空中で連続して行うことを特徴とする多層電極配線構造の製造方法。
【請求項１】 半導体基板（１０）上に、コンタクトホール（１２）を有する層間絶縁膜（１１）を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に、アロイスパイク防止用の第１窒化チタン層（１９）と、この第１窒化チタン層の上に第２窒化チタン層（１４）を成膜し、さらにこの第２窒化チタン層の上にアルミニウム合金配線層（１５）を成膜する工程と、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層をパターニングする工程とを有してなる電極配線構造の製造方法において、前記パターニング工程の前に、前記アルミニウム合金配線層をリフローする工程を備え、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層の成膜、および前記アルミニウム合金配線層のリフローを、真空中で連続して行うことを特徴とする電極配線構造の製造方法。
【請求項２】 前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層の成膜、および前記アルミニウム合金配線層のリフローをスパッタリング装置を用いて行い、前記第１、第２窒化チタン層１の成膜温度より高い温度で前記リフローを行うことを特徴とする請求項１に記載の電極配線構造の製造方法。
【請求項３】 前記リフロー時の前記半導体基板の温度を３９０℃以上にすることを特徴とする請求項２に記載の電極配線構造の製造方法。
【請求項４】 半導体基板（１０）上に、コンタクトホール（１２）を有する第１層間絶縁膜（１１）を形成する工程と、前記第１層間絶縁膜上に、アロイスパイク防止用の第１窒化チタン層（１９）と、この第１窒化チタン層の上に第２窒化チタン層（１４）を成膜し、さらにこの第２窒化チタン層の上に第１アルミニウム合金配線層（１５）を成膜し、この後、前記第１アルミニウム合金配線層をリフローする工程と、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層をパターニングして第１電極配線を形成する工程と、この第１電極配線上に開口したビアホールを有する第２層間絶縁膜（２２）を形成する工程と、前記第２層間絶縁膜上に前記ビアホールを含んで、第３窒化チタン層（２３）を成膜し、さらにこの第３窒化チタン層の上に第２アルミニウム合金配線層（２４）を成膜し、この後、前記第２アルミニウム合金配線層をリフローする工程と、前記第３窒化チタン層と第２アルミニウム合金配線層をパターニングして第２電極配線を形成する工程とを有し、前記第１窒化チタン層、前記第２窒化チタン層および前記アルミニウム合金配線層の成膜、および前記アルミニウム合金配線層のリフローを真空中で連続して行い、前記第３窒化チタン層と前記第２アルミニウム合金配線層の成膜、および前記第２アルミニウム合金配線層のリフローも真空中で連続して行うことを特徴とする多層電極配線構造の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開平１０−１０６９７２
【公開日】平成１０年（１９９８）４月２４日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平８−２５４９３６
【出願日】平成８年（１９９６）９月２６日
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【公開日】平成１０年（１９９８）４月２４日
【国際特許分類】
【出願日】平成８年（１９９６）９月２６日
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
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