(57)【要約】【課題】アルミニウム配線における機械的強度、導電性、アルミ配向性の少なくとも１つを向上させることができるようにする。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板１０１上のバリアメタル層上にチタン層１４２を形成する工程と、前記チタン層上にアルミニウムシード層１４４を形成する工程と、前記チタン層と前記アルミニウムシード層を反応させてアルミニウム−チタン合金層１４５を形成する熱処理工程を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上のバリアメタル層上にチタン層を形成する工程と、
前記チタン層上にアルミニウムシード層を形成する工程と、
前記チタン層と前記アルミニウムシード層を反応させてアルミニウム−チタン合金層を形成する熱処理工程を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記バリアメタル層は、
前記半導体基板上の絶縁層上にバリアチタン層を形成する工程と、
前記バリアチタン層の表面に酸化チタン層を形成する工程を備える、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】
前記酸化チタン層は前記バリアチタン層の表面を酸化雰囲気下で酸化して形成する、ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
更に、前記アルミニウム−チタン合金層上にアルミニウム配線層を形成する工程と、
前記アルミニウム配線層上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜、前記アルミニウム配線層、前記アルミニウム−チタン合金層および前記バリアメタル層をエッチングする工程を備える、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】
前記アルミニウムシード層およびアルミニウム配線層のそれぞれは銅を含有する、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理工程は４００℃以上のアルゴン雰囲気中で行う、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７】
前記アルミニウム配線層は高温スパッタ法およびアルミリフロー法のいずれかを用いて形成し、それらの形成温度がいずれも４００℃以上である、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記アルミニウムシード層は２５０℃以下の温度で形成する、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９】
アルミニウム配線の下層にアルミニウム−チタン合金層を形成する半導体装置の製造方法であって、
チタン層上にアルミニウムを堆積させる工程と、
前記チタン層と前記アルミニウムを反応させて前記アルミニウム−チタン合金層を形成する工程と、
前記アルミニウム−チタン合金層上にアルミニウム層を形成して前記アルミニウム配線を形成する工程を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の配線微細化が進む中、配線材料は主流である銅（Ｃｕ）のほか、より安価なアルミニウム（Ａｌ）配線も使われている。アルミニウム配線は電気的/機械的強度に劣るため、０．２μｍ以下まで微細化されるとエレクトロマイグレーション（ＥＭ）やストレスマイグレーション（ＳＭ）の影響を受けやすく、断線するおそれがある。
【０００３】
その対策として、チタン（Ｔｉ）単膜バリアの上にアルミニウム配線を成膜し、加熱処理によってチタン−アルミニウム合金層を形成し、配線強度を高める方法が挙げられる。しかし、この方法ではチタン原子がアルミニウム膜中に容易に拡散・合金化し、配線抵抗を上昇させて半導体装置の性能低下をもたらす要因となっていた。そのためチタン単膜バリアを薄膜化する方法が考えられたが、チタンはアルミニウム結晶のエピタキシャル成長を促進する下地としての役割もあるため、チタン単膜バリアを薄膜化するほどアルミ（１１１）配向性を損ない、結果として配線信頼性をも減じてしまう弊害を伴っていた。
【０００４】
半導体装置におけるチタンバリア（あるいはバリアチタン）に関連する技術として、例えば特許文献１にはチタン層とチタン層上を酸化して形成した酸化チタン（ＴｉＯ２）をバリアメタルとし、その上にアルミニウム合金配線を形成することが記載されている。また特許文献２にはチタン層、酸化チタン層、窒化チタン（ＴｉＮ）層の組合せによる種々のバリアメタル上に、アルミリフローにより金属層を形成することが記載されている。
【０００５】
更に、特許文献３では、コンタクトホール内に第１のチタン膜、窒化チタン膜を形成し、窒化チタン膜上に第２のチタン膜と第１のアルミ膜を形成した後、アルミリフロー法で第２のアルミ膜を形成する時に、第２のチタン膜と第１のアルミ膜によりアルミニウム−チタン合金膜が形成されることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１９７５４号公報（段落［００３６］〜［００３９］）
【特許文献２】特開２００８−９１８３５号公報（段落［００５６］〜［００６１］）
【特許文献３】特開２０１１−２３３８３３号公報（段落［００１９］〜［００２２］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、窒化チタン／チタンバリアや酸化チタン／チタンバリア上にアルミリフロー法によってアルミニウム配線を形成する方法では、配線幅の縮小に伴ってＥＭ耐性が悪化すると共にアルミニウムの機械的強度不足に伴う配線倒れが顕在化してきた。例えば窒化チタン／チタンバリア上にチタン層を形成した後でアルミリフローを行い、アルミリフロー時に窒化チタン上にアルミニウム−チタン合金層が形成されると機械的強度が向上しＥＭ耐性が改善傾向となることが知られているが、アルミリフロー時に合金化反応させると合金層の膜厚が不均一であり配線抵抗のばらつきが増大する問題があった。
【０００８】
上記特許文献１〜３のいずれも、上記問題については考えていない。
【０００９】
本発明の課題は、アルミニウム配線における機械的強度、導電性、アルミ配向性の少なくとも１つを向上させることができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、半導体基板上のバリアメタル層上にチタン層を形成する工程と、前記チタン層上にアルミニウムシード層を形成する工程と、前記チタン層と前記アルミニウムシード層を反応させてアルミニウム−チタン合金層を形成する熱処理工程を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、アルミニウム配線の下層にアルミニウム−チタン合金層を形成する半導体装置の製造方法であって、チタン層上にアルミニウムを堆積させる工程と、前記チタン層と前記アルミニウムを反応させて前記アルミニウム−チタン合金層を形成する工程と、前記アルミニウム−チタン合金層上にアルミニウム層を形成して前記アルミニウム配線を形成する工程を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、機械的強度、導電性、アルミ配向性において優れたアルミニウム配線を備えた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図であり、半導体基板上のｎチャネルトランジスタ及びｐチャネルトランジスタの上方に形成したスルーホールプラグ上にアルミニウム配線を形成する過程を説明するための断面図である。
【図２】図１に続く製造工程を示す断面図である。
【図３】図２に続く製造工程を示す断面図である。
【図４】図３に続く製造工程を示す断面図である。
【図５】図４に続く製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図であり、半導体基板上のｎチャネルトランジスタ及びｐチャネルトランジスタの上方に形成したスルーホールを埋設してアルミニウム配線を形成する過程を説明するための断面図である。
【図７】図６に続く製造工程を示す断面図である。
【図８】図７に続く製造工程を示す断面図である。
【図９】図８に続く製造工程を示す断面図である。
【図１０】図９に続く製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らが鋭意検証を重ねた結果、酸化チタン／チタンバリア上にチタンとアルミニウムシード層を形成し、熱処理を行ってアルミニウム−チタン合金層をあらかじめ形成しておき、続いてアルミニウム配線を形成することによって、アルミニウム配線のアルミ（１１１）配向性が向上しＥＭ耐性が改善することがわかった。この効果は窒化チタン／チタンバリア上よりも酸化チタン／チタンバリア上でより大きくなる。またパターニング後の機械的強度はアルミニウム配線のアスペクト比とアルミニウム−チタン合金層の膜厚に依存し、配線抵抗はアルミニウム配線の断面積に依存する。そこでアルミニウム配線形成前にあらかじめアルミニウム−チタン合金層を形成することにより、機械的強度と配線抵抗の制御を高精度で実現することが可能となった。これらの効果はアルミニウム配線の配線幅が狭い構造でより顕著となる。
【００１５】
本発明の特徴を要約すると、チタンバリア層の成膜を二つに分け、その間に酸化チタン層を追加することで、すべてのチタン層をアルミニウム−チタン合金化させぬよう制御できる点にある。これにより、機械的強度、導電性、アルミ配向性の三つを両立させた優れたアルミニウム配線を得ることができる。
【００１６】
次に、図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図であり、半導体基板１０１上のｎチャネルトランジスタ１０及びｐチャネルトランジスタ２０よりも上方に形成したスルーホールプラグ１２７上にアルミニウム配線を形成する過程を説明するための断面図である。
【００１８】
図１を参照して、スルーホールプラグ１２７を形成するまでの工程を簡単に説明する。半導体基板１０１上において、素子分離領域１０４で区画した領域にｐウェル１０２、ｎウェル１０３を形成する。ｐウェル１０２においては、チャネル領域を間にしてｎ−層１１１を形成し、ｎ−層１１１の外側、つまりチャネル領域と反対側の領域にｎ＋層１１５及びシリサイド層１０７を形成する。チャネル領域上にはゲート絶縁膜１０５を介してゲート電極１０６を形成する。ゲート電極１０６の側面にはサイドウォールスペーサー１１３を形成する。ｎウェル１０３においては、チャネル領域を間にしてｐ−層１１２を形成し、ｐ−層１１２の外側、つまりチャネル領域と反対側の領域にｐ＋層１１６及びシリサイド層を形成する。ｎウェル１０３のチャネル領域上にもゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、このゲート電極の側面にはサイドウォールスペーサー１１３を形成する。
【００１９】
上記の工程に続いて、上記構造体の表面全域に第１層間絶縁層１２１、第２層間絶縁層１２２を順に形成する。次に、第２層間絶縁層１２２、第１層間絶縁層１２１を貫通してコンタクトプラグ１２３、第１配線１２４を形成する。第２層間絶縁層１２２の上面には第３層間絶縁層１２６を形成する。第１配線１２４上には、第３層間絶縁層１２６を貫通してスルーホールプラグ１２７を形成する。
【００２０】
以上のようにして形成した第３層間絶縁層１２６およびスルーホールプラグ１２７上に、バリアチタン層１４１を、例えばスパッタ法で形成し、続いてバリアチタン層１４１の表面を酸化して酸化チタン層１４２を形成する。酸化チタン層１４２は常温酸化雰囲気中でも形成可能であるが、２５０℃程度に昇温しての酸化によればより厚く形成できる。
【００２１】
次に、図２を参照して、酸化チタン層１４２上に、例えばスパッタ法によりチタン層１４３を形成し、その上層にアルミニウムシード層１４４を形成する。アルミニウムシード層１４４の形成には、例えば２５０℃以下の低温スパッタ法を用いることができる。
【００２２】
続いて図３を参照して、４００℃以上の温度で熱処理を行い、チタン層１４３とアルミニウムシード層１４４を反応させて、アルミニウム−チタン合金層１４５を形成する。この熱処理工程は、アルゴン雰囲気中で行うようにしても良い。
【００２３】
次に図４を参照して、例えば４００℃以上の高温スパッタ法でアルミニウム配線層１４６を形成し、その上層に反射防止層１４７を形成する。反射防止層１４７の材料としては、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）が挙げられる。アルミニウム配線層１４６の形成は、アルミリフロー法で行なわれても良い。
【００２４】
続いて図５を参照して、反射防止層１４７、アルミニウム配線層１４６、アルミニウム−チタン合金層１４５、酸化チタン層１４２およびバリアチタン層１４１をパターンニングして、アルミニウム配線を形成する。
【００２５】
以上説明した第１の実施形態では、アルミニウム配線下部にアルミニウム−チタン合金層を形成することで、微細なアルミニウム配線でも高い機械的強度を得られる。また酸化チタン層を追加することで、機械的強度確保のために必要な分量のみアルミニウム−チタン合金反応させることが可能となり、不要なアルミニウム配線抵抗上昇を抑えることができる。以上により、これまでよりも低抵抗かつアルミ（１１１）配向性の高い、しかも信頼性の高い良好なアルミニウム配線を得ることができる。
【００２６】
次に、図６〜図１０を参照して、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００２７】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図であり、半導体基板１０１上のｎチャネルトランジスタ１０及びｐチャネルトランジスタ２０の上方に形成したスルーホール１３１を埋設してアルミニウム配線を形成する過程を説明するための断面図である。
【００２８】
図６において、第３層間絶縁層１２６に形成したスルーホールにスルーホールプラグ１２７を形成するまでの工程は第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００２９】
第３層間絶縁層１２６およびスルーホールプラグ１２７上に、第４層間絶縁層１２８を形成し、そこに形成した配線溝に第２配線１２９を形成する。第２配線１２９が形成された第４層間絶縁層１２８上に第５層間絶縁層１３０を形成し、所望の位置に第２スルーホール１３１を開口する。
【００３０】
次に図７を参照して、第２スルーホール１３１が形成された第５層間絶縁層１３０にバリアチタン層１４１を形成し、続いてバリアチタン層１４１の表面を酸化して酸化チタン層１４２を形成する。バリアチタン層１４１の形成には、例えばスパッタ法を用いることができる。酸化チタン層１４２は常温酸化雰囲気中でも形成可能であるが、２５０℃程度に昇温しての酸化によればより厚く形成できる。
【００３１】
続いて図８を参照して、酸化チタン層１４２上にチタン層１４３を形成し、その上層にアルミニウムシード層１４４を形成する。チタン層１４３の形成には、例えばスパッタ法を用いることができ、アルミニウムシード層１４４の形成には、例えば２５０℃以下の低温スパッタ法を用いることができる。
【００３２】
次に図９を参照して、４００℃以上の温度で熱処理を行い、チタン層１４３とアルミニウムシード層１４４を反応させて、アルミニウム−チタン合金層１４５を形成する。この熱処理工程は、アルゴン雰囲気中で行うようにしても良い。
【００３３】
次に図１０を参照して、例えば４００℃以上の高温スパッタ法でアルミニウム配線層１４６を形成し、その上層に、例えば窒化チタンによる反射防止層１４７を形成する。続いて反射防止層１４７、アルミニウム配線層１４６、アルミニウム−チタン合金層１４５、酸化チタン層１４２およびバリアチタン層１４１をパターニングしてアルミニウム配線とする。アルミニウム配線層１４６の形成は、アルミリフロー法で行なわれても良い。
【００３４】
本第２の実施形態においても、アルミニウム配線下部にアルミニウム−チタン合金層を形成することで、微細なアルミニウム配線でも高い機械的強度を得られる。また酸化チタン層を追加することで、機械的強度確保のために必要な分量のみアルミニウム−チタン合金反応させることが可能となり、不要なアルミニウム配線抵抗上昇を抑えることができる。その結果、第１の実施形態と同様、低抵抗かつアルミ（１１１）配向性の高い、しかも信頼性の高い良好なアルミニウム配線を得ることができる。
【００３５】
以上、本発明を、複数の実施形態を参照して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に記載された本発明の精神や範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００３６】
例えば、アルミニウムシード層、アルミニウム配線層は、銅を含有していても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１０    ｎチャネルトランジスタ
２０    ｐチャネルトランジスタ
１０１    半導体基板
１０２    ｐウェル
１０３    ｎウェル
１０４    素子分離領域
１０５    ゲート絶縁膜
１０６    ゲート電極
１０７    シリサイド層
１１１    ｎ−層
１１２    ｐ−層
１１３    サイドウォールスペーサー
１１５    ｎ＋層
１１６    ｐ＋層
１２１    第１層間絶縁層
１２２    第２層間絶縁層
１２３    コンタクトプラグ
１２４    第１配線
１２６    第３層間絶縁層
１２７    スルーホールプラグ
１２８    第４層間絶縁層
１２９    第２配線
１３０    第５層間絶縁層
１３１    第２スルーホール
１４１    バリアチタン層
１４２    酸化チタン層
１４３    チタン層
１４４    アルミニウムシード層
１４５    アルミニウム−チタン合金層
１４６    アルミニウム配線層
１４７    反射防止層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014060207.tif 000009
【図８】
2014060207.tif 000010
【図９】
2014060207.tif 000011
【図１０】
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