(57)【要約】【目的】エッチング残渣を抑制するためにＡｌ合金の成膜時の半導体基板温度を低くして配線間短絡不良問題を解消する場合でも、Ａｌ合金成膜の配向性が優れ、表面平滑性を高くできる、Ａｌを主成分とする合金膜からなるアルミニウム配線の形成方法の提供。【構成】酸化膜上へのＣｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を、好ましくは８０℃以上で１３０℃以下、より好ましくは８０℃以上で１００℃以下とし、Ａｌ合金のスパッタ直前の真空中におけるデガス処理を、成膜時の半導体基板温度以上で１３０℃以下にて行うアルミニウム配線の形成方法とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化膜上へのＣｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１３０℃以下とし、Ａｌ合金のスパッタ直前の真空中におけるデガス処理を、成膜時の半導体基板温度以上で１３０℃以下にて行うことを特徴とするアルミニウム配線の形成方法。
【請求項２】
酸化膜上へのＣｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１００℃以下としたことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム配線の形成方法。
【請求項３】
酸化膜上へＴｉをスパッタ成膜し、その後、Ｃｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１３０℃以下とし、Ａｌ合金のスパッタ直前の真空中におけるデガス処理を、成膜時の半導体基板温度以上で１３０℃以下にて行うことを特徴とするアルミニウム配線の形成方法。
【請求項４】
酸化膜上へＴｉをスパッタ成膜し、その後、Ｃｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１００℃以下としたことを特徴とする請求項３記載のアルミニウム配線の形成方法。
【請求項５】
スパッタ成膜前に、加湿雰囲気下に酸化膜成膜後の半導体基板を放置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアルミニウム配線の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣ等の半導体装置の製造に際して半導体基板上の回路配線に用いられるアルミニウム配線の形成方法に関するものであり、特には銅（以下Ｃｕと記す）を含有するアルミニウム（以下Ａｌと記す）合金からなるアルミニウム配線の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に形成される集積回路等の金属配線材料として、従来よりＡｌまたはＡｌ合金が広く使用されている。これは、Ａｌ膜またはＡｌ合金膜が、（１）配線抵抗が低い、（２）微細な配線加工が容易、（３）半導体基板とのコンタクト抵抗が低い、（４）酸化膜との密着性が良い等の点で半導体基板上の集積回路などの金属配線として優れた性質を持っているためである。しかしながら、集積回路装置の高集積化に伴って、さらなる配線幅の微細化を余儀なくされ、その結果、配線における電流密度が増大するに伴い、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション等のような配線の信頼性に係わる劣化問題がクローズアップされるようになった。
これらの問題については、既にＡｌに少量のＣｕを添加させた材料を用いて配線を形成すると、その信頼性の増すことが知られており、実際にも、少量のＣｕを含有するＡｌ合金をターゲットとしてスパッタ法を用いて成膜することが一般に行われている。ところが、Ｃｕを含有するＡｌ合金膜については、配線形成時に行われるＡｌのエッチングに起因する良品率の低下が問題になっている。例えば、Ａｌを主成分とするＡｌＳｉＣｕ合金（Ｓｉはシリコン、以下Ｓｉと記す）からなるスパッタ膜を用いて所要のパターンの配線を形成するためにエッチングすると、エッチングにより除去されるべき部分にエッチング残渣の発生しやすいことが知られている。エッチング残渣があると、分離されるべき配線間に短絡の発生する場合がある。このエッチング残渣発生の主要因は、ＡｌＳｉＣｕのスパッタ成膜時に発生したＣｕの偏析物のエッチングレートがＡｌに比較して非常に遅いことにあることがわかっている。このエッチング残渣の発生防止または残渣の除去法については、スパッタ技術およびエッチング技術の両面からいろいろと検討が行われている。
【０００３】
前述した金属配線の形成によって発生する信頼性の劣化問題に関する公知文献には、半導体基板上の配線材料として、エレクトロマイグレーション耐性を強化するために、前述のＣｕを含有するＡｌＳｉＣｕ膜を使用することの好ましいことが記載されている。また、下地層とＡｌＳｉＣｕ配線層との間にＴｉ／ＴｉＮ積層膜（Ｔｉ、Ｎはそれぞれチタンおよび窒素を表す。以降ＴｉおよびＮと記す）のような拡散防止膜（バリア膜）を形成することが好ましいこと、さらに高温プロセスによる配線中のＡｌの流動性を利用するには、半導体基板上に水分子などの不純物が付着すると前記流動性が極端に阻害されるので、流動性が阻害されないように前記水分子などの不純物付着の低減が必要であること、またさらに、Ａｌの成膜前に予め、成膜温度よりも高温で半導体基板のデガス処理をすることが必要不可欠である等の記載がある（特許文献１―従来の技術と課題の項）。
【０００４】
Ａｌ−Ｃｕ合金層が特定の温度条件下で形成される微細な偏析Ｃｕ粒子を保持していると、Ａｌ−Ｃｕ合金層と前記偏析微細Ｃｕ粒子とのエッチングレートの違いにより、配線形成のためのエッチング時にＣｕ粒子がエッチング残渣として残り、配線間を短絡させる等の記載がある（特許文献２−０００７段落）。
絶縁膜上に形成されるバリアメタルとしてのＴｉ／ＴｉＮ膜と、Ａｌ−Ｃｕ合金層またはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ膜などの積層膜は熱処理によって、Ｃｕが偏析し易いことに関する記載がある（特許文献３−０００３〜０００５段落にかけて）。
【特許文献１】特開平９−３１２２６２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３１７２４号公報
【特許文献３】特開２００４−２９６４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の問題を解決するために、エッチングの観点からは、エッチング時に発生するＣｕ偏析物残渣を除去しようと、パワーを増大したり、エッチング温度を上げたりする等の処理条件変更実験が試みられている。しかしながら、このような試みによる処理条件におけるエッチングでは、新たなエッチングダメージの増大など、別の問題の発生が見られる。
また、スパッタの観点からは、成膜温度を下げることによって、Ｃｕ偏析物の凝集を防止する試みがなされている。その試みによるとＣｕ偏析物の粒径が減少し、エッチング残渣の発生は抑止できるものの、成膜温度を下げたために、Ａｌの配向性が劣化し、表面粗さが増大し、その結果、ボンディング性が低下して外部引出しリード線の固着強度の低下という別の問題が発生するなど、いずれの観点からも問題点の解消とはとても言えない。
本発明は、これらの問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、Ａｌ合金の成膜時の半導体基板温度を低くすることにより、エッチング残渣を抑制して配線間短絡不良問題を解消しようとする場合でも、Ａｌ合金成膜の配向性が優れ、表面平滑性を高くできる、Ａｌを主成分とする合金膜からなるアルミニウム配線の形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
特許請求の範囲の請求項１に記載の本発明によれば、酸化膜上へのＣｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１３０℃以下とし、Ａｌ合金のスパッタ直前の真空中におけるデガス処理を、成膜時の半導体基板温度以上で１３０℃以下にて行うアルミニウム配線の形成方法とすることにより、前記目的は達成される。
特許請求の範囲の請求項２に記載の本発明によれば、酸化膜上へのＣｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１００℃以下としたことが好ましい。
特許請求の範囲の請求項３に記載の本発明によれば、酸化膜上へＴｉをスパッタ成膜し、その後、Ｃｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１３０℃以下とし、Ａｌ合金のスパッタ直前の真空中におけるデガス処理を、成膜時の半導体基板温度以上で１３０℃以下にて行うアルミニウム配線の形成方法とすることにより、前記目的は達成される。
【０００７】
特許請求の範囲の請求項４に記載の本発明によれば、酸化膜上へＴｉをスパッタ成膜し、その後、Ｃｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時の半導体基板温度を８０℃以上で１００℃以下とする請求項３記載のアルミニウム配線の形成方法とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項５に記載の本発明によれば、スパッタ成膜前に、加湿雰囲気下に酸化膜成膜後の半導体基板を放置する請求項1乃至４のいずれか一項に記載のアルミニウム配線の形成方法とすることがいっそう望ましい。
前述の課題を解決するための方法を要約すると、Ｃｕ偏析物の凝集物の粒径を小さく抑えた状態で、ＡｌＳｉＣｕ薄膜を自己配向させることが必要である。そのためのアルミニウム配線の形成方法を以下に具体的に記す。
Ｃｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時に、基板温度を、好ましくは８０℃以上で１３０℃以下、より好ましくは８０℃以上で１００℃以下として成膜する。
【０００８】
下地となる酸化膜の表面処理として、Ａｌ合金のスパッタ直前の真空中でのデガス処理を、成膜時の基板温度以上、かつ１３０℃以下で行う。
Ａｌ合金のスパッタ成膜前に、酸化膜成膜後の半導体基板を加湿雰囲気下に放置する。
下地となる酸化膜の表面処理として、Ａｌ合金のスパッタ直前の真空中でのデガス処理を、成膜時の基板温度以上、１３０℃以下で行った後に、Ｔｉをスパッタ成膜し、その後にＣｕを含有するＡｌ合金のスパッタ成膜時に、基板温度を、好ましくは８０℃以上で１３０℃以下、より好ましくは８０℃以上で１００℃以下として成膜することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、Ａｌ合金の成膜時の半導体基板温度を低くすることにより、エッチング残渣を抑制して配線間短絡不良問題を解消しようとする場合でも、Ａｌ合金成膜の配向性が優れ、表面平滑性を高くできる、Ａｌを主成分とする合金膜からなるアルミニウム配線の形成方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、本発明に関わるアルミニウム配線の形成方法の一実施態様に関する工程断面図を示す。以下の実施例では、半導体基板の一例としてシリコン基板を用いた場合について説明する。ただし、本発明は、以下に述べる一層の配線が形成された実施例の記載だけでなく、シリコン基板上に半導体集積回路を構成するＭＯＳトランジスターなどの半導体素子が配線と共に形成されており、さらに、その半導体素子を覆って酸化膜が形成され、また、その上に配線が形成されるなどの多層配線の場合にも、適用することができる。
酸化膜の成膜は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によることが好ましい。この酸化膜の成膜法の一例を示すと、ＢＰＳＧ（ＢｏｒｏｎＰｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜を常圧ＣＶＤ法で成膜した後、熱処理によりリフローして表面を平坦化して形成する方法がある。図１（ａ）に、その一例として、シリコン基板１上にＢＰＳＧ膜を酸化膜２として７００ｎｍ成膜した半導体基板の要部断面図を示す。
【００１１】
その酸化膜２上にＣｕを含有するＡｌ合金膜４を成膜するには、Ｃｕを含有するＡｌ合金のターゲットを用いてスパッタ法により行うことが好ましい。ターゲットにおけるＡｌ中のＣｕの含有量は、０．５ｗｔ％以下が好ましい。図１（ｂ）に、図１（ａ）で作製されたシリコン基板上に主成分Ａｌ−１％のＳｉ−０．３％のＣｕの合金ターゲットを用いて、５００ｎｍのＡｌＳｉＣｕ合金膜４の成膜を行った半導体基板１の断面図を示す。
次に、そのＡｌＳｉＣｕ合金膜４表面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程によりパターニングを行う。その際、フォトレジストはベークして密着性を上げることが好ましい。パターニング後、エッチングを行った半導体基板の要部断面を図１（ｃ）に示す。
Ａｌ合金のスパッタ時の基板温度とエッチング残渣に起因する不良率との関係図を図２に示す。図２は横軸に基板温度（℃）、縦軸に不良率（％）を示す。ここで不良率とは図７に示す０．６μｍ幅の配線と０．７μｍ幅のスペースを繰り返す櫛歯構造の配線サンプルにおけるショート率を言う。図２では基板温度を下げるに伴って不良率が低減していることを示している。図２から、基板温度の条件は１３０℃以下で不良率≦５％となり、１００℃以下では不良率≦１％であることが分かる。
【００１２】
一方、図３に示す、成膜時の基板温度に対するＡｌＳｉＣｕ合金膜の表面粗さとＡｌ結晶の（１１１）面におけるロッキングカーブの半値幅との関係を示す図から、成膜時の基板温度を下げると、記号◆で表した表面粗さＲａ（ｎｍ）が増す傾向があり、記号□で表すロッキングカーブの半値幅は大きくなる傾向があることから、基板温度を下げると、Ａｌ合金の配向性が低下し表面凹凸（粗さ）が大きくなることを示している。
図３に示す表面粗さは、原子間力顕微鏡（島津製：ＳＦＴ−９８００）を用いて、２０μｍ角の領域で評価した。ロッキングカーブの半値幅は、Ｘ線回折評価装置（マックサイエンス製：ＭＸＰ−１８）を用いて行った。一般的なθ−２θ角評価を行い、Ａｌ（１１１）ピークを検出し、その際の２θ角を固定した状態で、θ角を振った評価を行い、そのピークの半値幅を測定した。
【００１３】
図３に示すように、基板温度を下げると、表面凹凸（表面粗さ）が増すという結果は、Ａｌ合金の配向性が、基板温度の低温化に伴い悪くなるのが主要因と考えられる。
前述のように、Ａｌ合金膜の成膜時の基板温度を下げることで、Ｃｕ偏析物の結晶成長を抑え粒径を小さくすることが可能になり、エッチング残渣に起因する不良原因は低減できたが、反対に、図６（ｂ）の半導体基板の断面図に示すように、配向性が劣化し、表面粗さが増してしまった。図６（ａ）はＡｌ合金膜の成膜時の基板温度が高い場合の断面図であり、配向性が高く、表面粗さが小さいＡｌ合金膜の断面図である。Ａｌ合金膜の成膜において、前述のように配向性が劣化し、表面粗さが増すと、ボンディング性が低下し、リード線の固着強度が小さくなり、脱落しやすくなる。このトレードオフを解消するために、基板温度について低い状態とした場合でも配向性が向上する条件を検討した。
【００１４】
まず、ＡｌＳｉＣｕ合金膜の成膜時の基板温度を５０℃、８０℃、１００℃、１５０℃、２００℃の５条件にした場合について、ＡｌＳｉＣｕ合金膜の成膜前における前処理工程の一つであるデガス処理の温度変更実験を行った。その際、デガス処理時間は３分間で一定とし、ランプヒーターを用いて加熱した。なお、デガス温度は、デガス処理時の最高温度とした。ここでいうデガス処理とは、具体的には加熱処理により主として水分からなるガスを除去することである。図４に示すように、デガス温度を下げることで、全ての基板温度条件において表面粗さは低減傾向を示した。図４は横軸にデガス温度（℃）、縦軸に表面粗さＲａ（ｎｍ）をとり、前記５条件の基板温度をパラメータにして、デガス温度と表面粗さとの関係をプロットした。図４から、デガス温度を下げることが、基板温度が低い条件でも表面粗さを低く抑えることに有効であることを示している。また、デガス温度を１３０℃以下にすれば、基板温度が８０℃以上の場合、表面粗さを≦１０ｎｍの飽和値に抑えることが可能であることも示している。従って、前述のデガス温度でデガス処理後、ＡｌＳｉＣｕ合金膜を前述の基板温度で成膜すれば、エッチング残渣が発生せず、かつ表面粗さも増大しない成膜が可能であることが分かる。
【００１５】
デガス温度の低下は、酸化膜表面に付着した水分除去を完全に行わないことを意味しており、ＢＰＳＧ膜表面に残留する水分が多いほど、Ａｌ合金膜は配向しやすくなると推測される。ＢＰＳＧ膜表面に付着している水の作用としては、表面への水分吸着によりシラノール基が形成されると、表面エネルギーが低下することが良く知られている。そのため、Ａｌ原子との酸化膜との相互作用が小さくなり、Ａｌ原子同士の相互作用によって最も生成エネルギーの小さな構造に自己配向しようとする傾向が顕著に起こるためと考えられる。なお、前記実験においてはデガス時間は３分間としたが、３０秒〜１０分間の範囲内であれば、大きな変化はなかった。
前述の結果から類推されるように、酸化膜表面への水を積極的に吸着させることが有効であると推定されるため、加湿雰囲気下に放置した酸化膜成膜後のシリコン基板を用いて、Ａｌ合金膜の高配向化を図る実験を行った。デガス温度を８０℃〜１３０℃、３０秒〜１０分の条件で実施し、その後、ＡｌＳｉＣｕ合金膜の成膜を行った際には安定して、エッチング残渣が発生せず、ＡｌＳｉＣｕ合金膜の表面粗さを１０ｎｍ以下に抑えることができた。
【００１６】
ただし、デガス温度を成膜時の基板温度未満にすると、成膜時に脱ガスが大量に起こり、真空度の良い状態での成膜が困難になる可能性が高い。特に、多数枚の成膜を行う場合には、脱ガス成分が、成膜チャンバーに残留するため、高真空が維持できないと言う問題が引き起こされる。そのため、デガス温度は、成膜時の基板温度以上であることが好ましい。
また、成膜時の基板温度は、８０℃以上が好ましい。図４に示されるように、基板温度をそれ以上に下げると、デガス温度を下げても、表面粗さは１０ｎｍ強までしか改善しないことから、酸化膜表面上でＡｌが自己配向を起こすためには、ある一定値以上の温度が必要であるためと考えられる。
次に、Ａｌをより高度に配向させるために、ＡｌＳｉＣｕ合金膜の下地としＴｉのスパッタ成膜を行う検討を行った。それらの膜構成を図５の半導体基板の断面図により示す。Ｔｉを酸化膜とＡｌの間に挟み込むことにより、ＡｌＳｉＣｕ合金膜の成膜時の基板温度を下げても、Ａｌが充分に配向していることが確認できた。Ｔｉは、高度に配向化しやすく、かつ配向した時に表面に出てくる（００２）面とＡｌ（１１１）面との格子間隔が非常に近いために、酸化膜とＡｌの間に成膜することで、Ａｌの配向性を高められるためと思われる。この時、表面粗さはより低減でき、エッチング残渣の発生も無かった。
【００１７】
最後に、これらの検討を実施し、実施例に記載された条件にて、配線の断線およびショートの有無を調べるためのＡｌ合金配線パターンの評価サンプルを作製し、その信頼性について評価を行ったところ、酸化膜表面に残留する水分による劣化現象は観測されなかった。
本発明によって、酸化膜表面に付着した水分をスパッタ成膜に問題が生じない範囲に保持した状態で、Ｃｕを少量含有するＡｌ合金を成膜することによって、低い成膜温度でも配向性に優れた表面平滑性の高いＡｌ合金膜を得られることを見出した。また、本発明にかかる条件で作製した酸化膜とＡｌ合金の間にＴｉを挟み込むことで、配向性を高められることも見出した。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】Ａｌ合金配線を有する半導体基板の断面図
【図２】ＡｌＳｉＣｕ成膜時の基板温度と不良率の関係図
【図３】ＡｌＳｉＣｕ成膜時の基板温度と、表面粗さおよびＡｌ（１１１）面におけるＸ線回折ピークの半値幅との関係図
【図４】ＡｌＳｉＣｕ成膜時のデガス温度と表面粗さの関係図
【図５】Ａｌ合金配線の下地層としてＴｉを使用した時の断面図
【図６】Ａｌ合金配線の結晶表面配向性と表面粗さとの各断面図
【図７】Ａｌ合金配線の評価サンプルの平面図
【符号の説明】
【００１９】
１    シリコン基板
２    酸化膜
３    Ｔｉ膜
４    Ａｌ合金膜、ＡｌＳｉＣｕ合金膜。
【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】
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