(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の表面に、アルミニウム電極を形成する電極形成工程と、
前記アルミニウム電極の形成された前記シリコン基板を炉入れした後に、外気酸素の巻き込みが生じた当該炉内の酸素濃度を大気の酸素濃度から下げ、かつ当該炉内の温度を当該炉内の酸素濃度に応じた温度に上げて、シンタリングのための熱処理を行う熱処理工程と、
を含み、
前記熱処理工程においては、
前記炉内の酸素濃度が１５原子％以上の場合に、温度を３００℃未満とし、
前記炉内の酸素濃度が１５原子％未満の場合に、温度を３８０℃未満とし、
前記炉内の酸素濃度が４原子％未満の場合に、温度を４２０℃未満とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が１５原子％未満になった後に、温度を３００℃以上３８０℃未満に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が１５原子％未満になった後に、好ましくは温度を３５０℃以上３８０℃未満に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が４原子％未満になった後に、温度を３８０℃以上４２０℃未満に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が０．１原子％未満になった後に、温度を４２０℃以上に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理工程の後に、前記アルミニウム電極の表面に、ニッケル膜を形成するニッケル膜形成工程を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ニッケル膜形成工程においては、前記ニッケル膜を、無電解めっき処理により形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記電極形成工程においては、前記アルミニウム電極を、スパッタリングまたは蒸着によってアルミニウム膜を成膜することで形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記電極形成工程においては、前記シリコン基板の（１００）面に、（１１１）面に配向した前記アルミニウム電極を形成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板に、アルミニウム（Ａｌ）電極を形成する場合、スパッタリングによってＡｌ膜を形成する方法が提案されている。また、Ｓｉ基板とＡｌ膜とのコンタクト抵抗をできるだけ小さくするため、Ａｌ膜を成膜する前にフッ化水素（ＨＦ）処理を行い、Ｓｉ基板の表面を洗浄する方法が提案されている。
【０００３】
さらに、デバイスを製造する際にＳｉ基板が反らないように、Ｓｉ基板のおもて面の表面に、Ａｌ電極と、ニッケル（Ｎｉ）めっき層と、金（Ａｕ）めっき層とをこの順に積層し、裏面の表面に、おもて面側のＮｉめっき層の膜応力の３倍以上となるようにＮｉ膜を形成する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術においては、Ｓｉ基板の表面に、多くのダングリングボンドが存在する。ダングリングボンドは、原子の未結合手であり、ダングリングボンド上では電子が不安定なため、化学的に活性となる。したがって、スパッタリングによってＳｉ基板の表面に、Ａｌ粒子をスパッタした際に、このＳｉ基板の表面のダングリングボンドと、スパッタされたＡｌ粒子のダングリングボンドとが結合する。このとき、軌道のひずみ等、Ｓｉ原子の格子定数とＡｌ原子の格子定数との相違によって界面エネルギーが生じ、Ｓｉ基板の界面に蓄積される。さらに、この系において、例えば基板温度が高い等、結晶再配列に必要なエネルギーを有している場合、Ｓｉ基板の界面に蓄積された界面エネルギーが開放されるため、スパッタ中にＡｌ原子の再配列が起きる。このため、面方位が（１００）面のＳｉ基板に、例えば面積が数ｍｍ2以上の大面積で、例えば厚さが３μｍ以上の厚いＡｌ膜を、スパッタリングによって成膜した際には、Ｓｉ基板の表面に、例えば数ｍｍ〜数ｃｍの間隔で、（１１１）面、（１０１）面、（００１）面等の異なる面方位の結晶面がモザイク状に共存するＡｌ膜が形成される。
【０００６】
図７は、従来の製造方法によってＳｉ基板の表面に形成されたＡｌ膜の面方位を示す平面図である。また、図８は、図７の一部を拡大した拡大図である。なお、図８においては、図７の一部を５０倍に拡大している。図７においては、最も色の薄い領域が（１１１）面であり、つぎに色の薄い領域が（００１）面であり、最も色の濃い領域が（１０１）面である。図７および図８に示すように、従来の方法によれば、Ｓｉ基板１の表面に形成されたＡｌ膜２には、（１１１）面と、（００１）面と、（１０１）面と、が混在している。
【０００７】
また、図９は、従来の製造方法によってＡｌ膜の表面に形成されたＮｉめっき層の構造を示す拡大図である。図９においては、図７に示すＳｉ基板にＡｌ膜とＮｉめっき層とをこの順に形成した後に、その一部を５０倍に拡大している。図９においては、最も色の濃い領域が（１１１）面であり、つぎに色の濃い領域が（００１）面であり、最も色の薄い領域が（１０１）面である。ここで、Ｎｉめっき層の密度は、（１１１）面が最も大きく、ついで（１０１）面、（００１）面の順に小さくなる。
【０００８】
このように、従来の方法によって形成されたＡｌ膜の表面に、例えば無電解めっき処理によってＮｉめっき層を成長させた場合、Ｎｉめっき層の厚さや密度が不均質になる。その理由は、以下の通りである。すなわち、Ａｌ膜の表面にＮｉめっき層を成長させる場合、一般的に薬液処理によってＡｌ原子を亜鉛（Ｚｎ）原子で置換した析出核をＡｌ膜の表面に形成して、この析出核をスターターとしてＮｉを成長させる。このとき、Ｚｎ原子の析出核の密度が、Ａｌ膜の面方位に依存するため、例えばＡｌ膜の面方位が（１１１）面の領域において、Ｎｉの成長率が最も大きくなり、形成されるＮｉめっき層の密度が最も大きくなる。しかしながら、Ａｌ膜に複数の面方位が混在する場合、異なる面方位の領域でＮｉの成長率が異なるため、形成されるＮｉめっき層の厚さや密度が不均質になるからである。そして、Ｎｉめっき層の厚さや密度が異なると、デバイスの特性が変動するという問題がある。
【０００９】
このような問題を解消するため、基板の温度やスパッタリングのレート等を調整して、スパッタされるＡｌ粒子のエネルギーを低くする方法が提案されている。しかしながら、Ａｌ粒子のエネルギーは、Ａｌのスパッタターゲットに蓄積された熱等の影響を受けるため、安定した条件でＡｌ膜を成膜することが困難であった。
【００１０】
さらに、Ａｌ膜をスパッタした後に、Ｓｉとのシンタリングや応力緩和等のために、例えば４００℃程度の温度で熱処理を行うことが一般的である。しかしながら、熱処理の際に、Ａｌ膜の中に空洞（ボイド）が生じるという問題がある。
【００１１】
ここで、ボイドは、Ａｌが酸化するときに生じるＡｌの結晶欠陥が、熱ストレスによる推進力によって、系のエネルギーを最小化するように移動し、集積し、成長するために生じると考えられている。通常、Ａｌ膜上に吸着された酸素は、表面拡散長が短いため、相対的に、小さく、密集した島として存在する。しかしながら、高温下でＡｌ膜上に吸着された酸素分子は熱エネルギーを有しているため、Ａｌ膜の表面で長い拡散長を持ち、相対的に、大きく、分散した島となって存在することとなる。このような酸素による島の大きさが臨界点を超えると熱処理の間にボイドとして成長すると考えられる。このボイドは、酸素濃度が高く、熱処理温度が高いほど大きくなる。
【００１２】
図１０は、ボイドについて示す断面図である。図１０に示すように、従来の方法によれば、Ｓｉ基板１の表面に形成されたＡｌ膜２の中に、ボイド４が形成される。このようなボイド４は、Ｎｉの無電解めっき処理を行う際に、エッチングされることで欠陥となる。また、このとき、ボイド４にＮｉが進入して、局部ストレスの発生源になる。これによって、製品の品質に悪影響を及ぼすという問題がある。また、ボイド４がＳｉ基板１に接すると、ボイド４の中にＮｉが入った際に、デバイスの特性が変動してしまうという問題がある。
【００１３】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、素子の特性の変動を抑えることのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、シリコン基板の表面に、アルミニウム電極を形成する電極形成工程と、前記アルミニウム電極の形成された前記シリコン基板を炉入れした後に、外気酸素の巻き込みが生じた当該炉内の酸素濃度を大気の酸素濃度から下げ、かつ当該炉内の温度を当該炉内の酸素濃度に応じた温度に上げて、シンタリングのための熱処理を行う熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が１５原子％以上の場合に、温度を３００℃未満とし、前記炉内の酸素濃度が１５原子％未満の場合に、温度を３８０℃未満とし、前記炉内の酸素濃度が４原子％未満の場合に、温度を４２０℃未満とすることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が１５原子％未満になった後に、温度を３００℃以上３８０℃未満に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする。
【００１６】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が１５原子％未満になった後に、好ましくは温度を３５０℃以上３８０℃未満に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が４原子％未満になった後に、温度を３８０℃以上４２０℃未満に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記熱処理工程においては、前記炉内の酸素濃度が０．１原子％未満になった後に、温度を４２０℃以上に上げて、シンタリングのための熱処理を行うことを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記熱処理工程の後に、前記アルミニウム電極の表面に、ニッケル膜を形成するニッケル膜形成工程を含むことを特徴とする。
【００２０】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記ニッケル膜形成工程においては、前記ニッケル膜を、無電解めっき処理により形成することを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記電極形成工程においては、前記アルミニウム電極を、スパッタリングまたは蒸着によってアルミニウム膜を成膜することで形成することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記電極形成工程においては、前記シリコン基板の（１００）面に、（１１１）面に配向した前記アルミニウム電極を形成することを特徴とする。
【００２２】
上述した発明によれば、シリコン基板の表面に形成されたアルミニウム膜の中にボイドが生じるのを抑えることができる。
【００２３】
また、上述した発明によれば、シリコン基板の表面に形成されたアルミニウム膜を安定化させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、素子の特性の変動を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法について示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法について示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によって形成されたＡｌ膜の面方位について示す平面図である。
【図４】図３の一部を拡大した拡大図である。
【図５】実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によって形成されたＮｉめっき層の構造について示す拡大図である。
【図６】酸素濃度と熱処理温度との関係について示す説明図である。
【図７】従来の製造方法によってＳｉ基板の表面に形成されたＡｌ膜の面方位を示す平面図である。
【図８】図７の一部を拡大した拡大図である。
【図９】従来の製造方法によってＡｌ膜の表面に形成されたＮｉめっき層の構造を示す拡大図である。
【図１０】ボイドについて示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１または図２は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法について順に示す断面図である。実施の形態１においては、大きさが例えば６インチで、面方位が（１００）面のＳｉ基板を用いている。まず、図１に示すように、Ａｌ膜２と、Ｓｉ基板１とをシンタリングする。ここでシンタリングは、例えば石英管熱処理炉によって、例えば４２０℃の温度で、６０分間の熱処理を行う。シンタリングの際の熱処理によって、酸化膜がＡｌ膜２に溶け込むこととなる。
【００２８】
ついで、Ａｌ原子をＺｎ原子で置換した析出核をＡｌ膜２の表面に形成する。このとき、Ａｌ膜２の全面が均質な（１１１）面であるため、Ｚｎ原子の析出核の密度が全面で均一となる。ついで、図２に示すように、Ｚｎ原子をスターターとして、無電解めっき処理によってＮｉめっき層３を成長させる。
【００２９】
ここで、図３は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によって形成されたＡｌ膜の面方位について示す平面図である。また、図４は、図３の一部を拡大した拡大図である。なお、図４においては、図３の一部を５０倍に拡大している。実施の形態１によれば、図３または図４に示すように、面方位が（１００）面のＳｉ基板１に、面方位が（１１１）面のＡｌ膜２が形成される。
【００３０】
その理由は、Ｓｉ基板１のダングリングボンドと、スパッタされたＡｌ粒子のダングリングボンドとの間の相互作用が無いからである。したがって、図３または図４に示すように、Ｓｉ基板１の表面に、Ａｌ単独で表面エネルギーが最も小さい（１１１）面に配向したＡｌ膜２が形成されることとなる。
【００３１】
さらに、図５は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によって形成されたＮｉめっき層の構造について示す拡大図である。実施の形態１によれば、図５に示すように、Ｎｉめっき層３の密度および厚さが全面で均一となる。その理由は、Ａｌ膜２の全面が均質な（１１１）面であるため、Ｎｉめっき層３を成長させるスターターとなるＺｎ原子の析出核の密度が全面で均一だからである。
【００３２】
このように実施の形態１によれば、Ｎｉめっき層３の密度および厚さが全面で均一となるため、素子の特性の変動を抑えることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態２においては、Ｓｉ基板の表面に形成されたＡｌ膜と、Ｓｉ基板とをシンタリングする際に、炉内の酸素濃度に応じて、熱処理の温度を変化させる。
【００３４】
図６は、酸素濃度と熱処理温度との関係について示す説明図である。図６に示すように、炉内の酸素濃度が１５原子％未満の場合、シンタリングの温度を、３００℃以上３８０℃未満とする。このとき、Ａｌ膜の安定化のためには、シンタリングの温度を、３５０℃以上３８０℃未満とするのがよい。また、炉内の酸素濃度が４原子％未満の場合、シンタリングの温度を３８０℃以上４２０℃未満にする。さらに、炉内の酸素濃度が０．１原子％未満の場合、シンタリングの温度を４２０℃以上とする。
【００３５】
具体的には、例えば外気酸素の巻き込みが生じる炉入れの際には、酸素濃度が高いため、温度を例えば２８０℃程度とする。そして、炉内の酸素濃度が下がるのを待って、酸素濃度が１５原子％未満では、温度を２８０℃より高い温度（３００℃以上３８０℃未満、より好ましくは３５０℃以上３８０℃未満）とする。そして、さらに炉内の酸素濃度が０．１原子％未満になった後に、シンタリングの温度を４２０℃以上まで昇温し、６０分間の熱処理を行う。なお、シンタリングの温度は４２０℃以上ではなくてもよい。例えば、図６に示すように、炉内の酸素濃度に合わせて、熱処理温度を調整すればよい。
【００３６】
上述したように、実施の形態２によれば、Ｓｉ基板とＡｌ膜とのシンタリングの際に、炉内の酸素濃度に合わせて熱処理温度を調整することで、Ａｌ膜の中にボイドが生じるのを防ぐことができる。
【００３７】
（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態３においては、実施の形態１に実施の形態２を適用する。すなわち、実施の形態１において、Ｓｉ基板とＡｌ膜とのシンタリングを行う際に、実施の形態２に示すように、酸素濃度に合わせて熱処理温度を調整する。
【００３８】
上述した実施の形態３によれば、実施の形態１および実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板に電極を形成するのに有用であり、特に、表面積の大きい電極を形成するのに適している。
【符号の説明】
【００４０】
１  シリコン基板
２  アルミニウム膜
【図１】
0005575444.tif 000002
【図２】
0005575444.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005575444.tif 000007
【図７】
0005575444.tif 000008
【図８】
0005575444.tif 000009
【図９】
0005575444.tif 000010
【図１０】
0005575444.tif 000011