(57)【要約】【課題】Ａｌ配線のヒロックおよびボイドを抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】成膜直後のＡｌ合金膜１０４の表面を減圧酸素雰囲気に曝すことにより、Ａｌ合金膜１０４の表面に極薄の酸化アルミニウム膜１０６を形成し、さらにＴｉＮ膜１０５を形成することにより、Ａｌ合金膜１０４の表面の欠陥を制御でき、ヒロック１２０およびボイド１２１の発生を抑制することができる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する第１チャンバと、
前記バリアメタル膜上にＡｌを主成分とするＡｌ合金膜を形成する第２チャンバと、
前記Ａｌ合金膜を減圧雰囲気で酸素に曝す第３チャンバと、
前記Ａｌ合金膜上に反射防止膜を形成する第４チャンバと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記第３チャンバは、前記基板と対向するシャワープレートが設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
基板上に形成された絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜上にＡｌを主成分とするＡｌ合金膜を形成する工程と、
前記Ａｌ合金膜を減圧雰囲気で酸素に曝す工程と、
前記Ａｌ合金膜上に反射防止膜を形成する工程と、を有し、
前記バリアメタル膜を形成する工程と、前記Ａｌ合金膜を形成する工程と、前記酸素に曝す工程と、前記反射防止膜を形成する工程を大気暴露せずに行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記酸素に曝す工程において、シャワープレートを介して酸素を半導体基板表面に供給することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記反射防止膜を形成する工程において、ＴｉＮ膜を形成することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記反射防止膜を形成する工程において、ＴｉＮ膜を形成する前にＴｉ膜を形成することを特徴とする請求項５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】
本発明は、Ａｌ合金膜を有する配線の製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の半導体装置の配線の断面図である。これを用いて配線の形成方法について説明する。
【０００３】
シリコン基板１００上に絶縁膜１０１をＣＶＤ法により形成し、シリコン基板１００と電気的に接続するためのコンタクトホール１１０をフォトリソ法およびドライエッチング法で形成する。次いで、絶縁膜１０１上にＴｉ膜１０２をスパッタ法により成膜し、そして、Ｔｉ膜１０２上にＴｉＮ膜１０３をスパッタ法により成膜する。次に、ＴｉＮ膜１０３上にＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４をスパッタ法により成膜する。さらに、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４上に反射防止膜となるＴｉＮ膜１０５をスパッタ法により成膜する。
【０００４】
以上のような方法で作成したＴｉ膜１０２／ＴｉＮ膜１０３／ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４／ＴｉＮ膜１０５の積層膜が半導体装置の配線として用いられる。
【０００５】
ここで、シリコン基板１００の熱膨張係数は２．６Ｅ−６／Ｋ、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の熱膨張係数は２３．１Ｅ−６／Ｋというように熱膨張係数が１桁違う。このため、配線形成後に基板を加熱するとＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４が膨張しようとし、上下のＴｉＮ膜に挟まれた配線内に圧縮応力が掛かり、その応力を打ち消すように配線内でＡｌ原子が側面にマイグレーションすることで配線の横よりヒロック１２０が発生する。横方向のヒロック１２０が成長すると、隣接配線と接して配線がショートに到り、製品としての機能を失う問題がある。ヒロック１２０の表面は絶縁膜である酸化アルミニウム膜に覆われるため、隣接配線と接触しても即時にはショートせず、製品完成後に絶縁膜が破壊し始めてショートすることもありえるため、製品の信頼性の問題になる。
【０００６】
また、配線を冷却するときにはＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４に引張り応力が掛かり、その応力を打ち消すように配線内でＡｌ原子がマイグレーションすることで配線の中にボイド１２１が発生する。ボイド１２１は成長すると配線抵抗を増やしてしまう、あるいは配線に流れる電流経路が狭くなり電流密度が高くなることで、配線のＥＭ寿命を劣化させるという問題もある。
【０００７】
特許文献１には、Ａｌ膜とキャップメタルの間に薄いＡｌ−Ｎ層を形成することで配線のヒロックを低減することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−１３０９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の製造方法ではヒロックは低減するものの、配線中のボイドの抑制についての記載はない。
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、Ａｌ合金膜を有する配線のヒロックおよびボイドの発生を抑制する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】
【００１０】
上記課題解決のために、本発明では以下の手段を用いた。
【００１１】
基板上に形成された絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する第１チャンバと、
前記バリアメタル膜上にＡｌを主成分とするＡｌ合金膜を形成する第２チャンバと、
前記Ａｌ合金膜を減圧雰囲気で酸素に曝す第３チャンバと、
前記Ａｌ合金膜上に反射防止膜を形成する第４チャンバと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置とした。
【００１２】
基板上に形成された絶縁膜の上にバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜上にＡｌを主成分とするＡｌ合金膜を形成する工程と、
前記Ａｌ合金膜を減圧雰囲気で酸素に曝す工程と、
前記Ａｌ合金膜上に反射防止膜を形成する工程と、を有し、
前記バリアメタル膜を形成する工程と、前記Ａｌ合金膜を形成する工程と、前記酸素に曝す工程と、前記反射防止膜を形成する工程を大気暴露せずに行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を用いた。
【発明の効果】
【００１３】
上記手段を用いることで、Ａｌ合金膜を有する配線のヒロックおよびボイドの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に掛かる半導体装置の配線の形成方法を説明する工程断面図である。
【図２】本発明の実施形態で用いるスパッタリング装置の概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態で用いるスパッタリング装置の第３チャンバの概略断面図である。
【図４】本発明にて得られた知見を説明する半導体装置の配線の断面図である。
【図５】従来の半導体装置の配線の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者は、鋭意検討した結果、以下に示す知見を得た。以下、図４を参照して説明する。
【００１６】
Ａｌを主成分とするＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４をスパッタ法により形成した直後に、大気に暴露してからＴｉＮ膜１０５をスパッタ法で形成する場合と、大気に暴露せず連続してＴｉＮ膜１０５をスパッタ法にて形成する場合とでは、ヒロック１２０およびボイド１２１の発生傾向が大きく異なり、前者の場合、図４（ａ）に示すようにヒロック１２０が多発しボイド１２１の発生が抑制され、後者の場合、図４（ｂ）に示すようにヒロック１２０の発生が抑制されボイド１２１が多発する。
【００１７】
これはＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４とＴｉＮ膜１０５の界面における厚い酸化アルミニウム２０６膜の存在が関与し、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４とＴｉＮ膜１０５の界面に酸化アルミニウム２０６膜が存在しＡｌＳｉＣｕ合金とＴｉＮが分離された状態とＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４とＴｉＮ膜１０５の界面に酸化アルミニウム膜２０６が存在せずＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４とＴｉＮ膜１０５が混在した状態では、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表層に存在する転位や空孔といった格子欠陥の濃度分布に差が生じ、配線の応力に対する振る舞いが変化するためである。酸化アルミニウム膜２０６が存在する場合は、ＴｉＮ膜１０５およびＡｌＳｉＣｕ膜１０４の接触が無く、構成金属元素の種類は少ないため、欠陥形成の組み合わせ自由度が低く、転位や空孔といった格子欠陥は比較的少なくなる。他方、酸化アルミニウム膜２０６が存在しない場合は、ＴｉＮ膜１０５およびＡｌＳｉＣｕ膜１０４が接触し、構成金属元素の種類が多いため、欠陥形成の組み合わせ自由度が高く、転位や空孔といった格子欠陥は比較的多くなる。配線内では圧縮応力に対してＡｌ原子をマイグレーションすることにより、その応力のエネルギーを消費させているが、グレイン端のＡｌ原子を移動させマイグレーションさせるよりグレイン内の転位を移動させるほうがエネルギーは小さく、転位がたくさん存在するほど圧縮応力をうまく消費できる。グレイン端でＡｌ原子のマイグレーションが進めば、マイグレーションした多数のＡｌ原子は移動先でヒロック１２０を形成するが、転位の移動はＡｌ格子のズレの起点が移動するだけであり、ヒロック１２０の成長は伴わない。すなわち、転位を多く含む配線は圧縮応力を消費でき、ヒロック形成を抑制できる。逆に、転位が少ない配線はヒロックが発生し易いと言える。
【００１８】
また、引張り応力が存在する場合、配線中のＡｌ原子は四方八方に引張られ、グレイン境界にてＡｌ原子が応力緩和する側にマイグレーションを引き起こす。このとき、転位が存在すると、転位を応力緩和する方向へ移動させたり、転位から空孔を多数吐き出すことにより応力が緩和されるが、空孔は多数結合することでクラスタとなり、さらに集まりボイド１２１へと成長する。すなわち、転位を多く含む配線はボイドを発生しやすく、転位が少ない配線はボイド発生が少ない。
【００１９】
本発明者は、上記知見に基づき、配線の転位数を制御することでヒロックおよびボイドの発生を抑制できることを見出した。具体的には、Ａｌを主成分とするＡｌ合金膜を成膜後、Ａｌ合金膜の表面を減圧雰囲気で酸素に曝し、反射防止膜でキャップをすることで極薄の酸化アルミニウム膜が形成され転位数も制御された配線を形成することができる。
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に掛かる半導体装置の配線の形成方法を説明する工程断面図である。また、図２は、本発明の実施形態で用いるスパッタリング装置の概略構成図である。
【００２１】
スパッタリング装置１０は、枚葉タイプのマルチチャンバを有する構成であって、バリアメタル膜であるＴｉ膜１０２およびＴｉＮ膜１０３を成膜する第１チャンバ１０ａ、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４を成膜する第２チャンバ１０ｂ、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表面に酸化アルミニウム膜１０６を形成する第３チャンバ１０ｃ、反射防止膜であるＴｉＮ膜１０５を成膜する第４チャンバ１０ｄの４つのチャンバは基板搬送室１１を介して連結されている。基板搬送室１１にはシリコン基板１００を搬送するロボットが組み込まれ、ロードロック室１２、各チャンバ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ間でのシリコン基板１００の移動を可能にしている。また、ロードロック室にはロードカセット１３ａおよびアンロードカセット１３ｂが取付けられている。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、シリコン基板１００上に絶縁膜１０１をＣＶＤ法により８０００Åの厚みで形成し、絶縁膜１０１中にシリコン基板１００の表面まで貫通させたコンタクトホール１１０をフォトリソ法およびドライエッチング法で形成する。次いで、絶縁膜１０１上にＴｉ膜１０２をスパッタ法により５００Åの厚みで成膜し、そして、Ｔｉ膜１０２上にＴｉＮ膜１０３をスパッタ法により１４００Åの厚みに成膜する。Ｔｉ膜１０２およびＴｉＮ膜１０３は拡散バリアとして機能するバリアメタル膜であり、図２に示すスパッタリング装置１０の第１チャンバ１０ａにて連続して成膜される。次に、シリコン基板を第２チャンバ１０ｂに真空中で移動させ、ＴｉＮ膜１０３上にＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４をスパッタ法により９０００Åの厚みに成膜する。ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４は、Ａｌが主成分の合金膜でＳｉやＣｕの含有量は０．５〜３％程度である。
【００２３】
ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の形成後は大気暴露せずに、真空搬送して図２に示す第３チャンバ１０ｃにシリコン基板１００を移動する。図３は、図２に示したスパッタリング装置の第３チャンバの概略断面図である。第３チャンバ１０ｃは、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表面に極薄酸化アルミニウム膜を形成するための専用チャンバであって、チャンバ１０ｃの上方に酸素導入管２０が設けられ、酸素導入管２０の一端にはシャワープレート２１が設けられている。シャワープレート２１は対向するシリコン基板１００と離間して平行に設けられ、その平面視的な大きさはシリコン基板１００よりも大きい。シャワープレート２１は酸素導入管２０を介して供給された酸素を図示した矢印方向に均一に拡散してシリコン基板１００に届ける役目をなしている。シャワープレート２１の表面には沢山の穴（１個／３０ｍｍ２〜５０ｍｍ２）が設けられ、各々の穴から均一の流量で酸素が流れ出すようになっている。また、第３チャンバ１０ｃを減圧するための排気口２２はシリコン基板１００を置く基板ステージ２３の周囲に均一に配置されているため、シリコン基板と接触した酸素はチャンバ１０ｃ内に滞留することなく速やかに系外に排出されることになる。本発明の製造方法では、第３チャンバ１０ｃに酸素を供給し、０．５〜１０ｍｔｏｒｒの減圧した酸素雰囲気として、シリコン基板１００を１０〜１２０秒間暴露させる。このような処理を施すことで、図１（ｂ）に示すように、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表面に１分子程度の極薄の酸化アルミニウム膜１０６が形成される。ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４表面のグレインの表面の結晶面方向によって、形成される酸化アルミニウム膜１０６の膜厚成長は異なり、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表面に膜厚の異なる酸化アルミニウム膜１０６が形成される。
【００２４】
次いで、真空搬送にてシリコン基板１００を第３チャンバ１０ｃから第４チャンバ１０ｄに移し、図１（ｃ）に示すように、酸化アルミニウム膜１０６上にＴｉＮ膜１０５をスパッタ法により２５０Åの厚みに成膜する。上述したように、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４表面のグレインの表面の結晶面方向によって、形成される酸化アルミニウム膜１０６の成長が異なり、酸化アルミニウム膜１０６が成長しにくい領域ではＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４とＴｉＮ膜１０５の界面にＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４とＴｉＮ膜１０５が混在した状態となり、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表層に転位等の欠陥が多く発生する。他方、酸化アルミニウム膜１０６が成長し易い領域ではＴｉＮ膜１０５およびＡｌＳｉＣｕ膜１０４の接触が抑制され、転位等の欠陥は比較的少なくなる。一つのグレインの表面にはこのような転位の多い領域と少ない領域とが混在している。ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表面は複数のグレインの集合体であるから、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の表面は転位の多い領域と転位の少ない領域が形成されている状態であり、これによりＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４の転位数を制御でき、ヒロック１２０およびボイド１２１の抑制が可能となる。
【００２５】
以上のような方法で作成した積層膜をフォトリソ法およびドライエッチング法で加工することで積層膜の配線が形成され、さらに４３０℃の熱処理を行っても、ＡｌＳｉＣｕ合金膜１０４には、少量のヒロック１２０および少量のボイド１２１しか形成されない。
【００２６】
以上の説明では、反射防止膜としてＴｉＮ膜を用いた実施例について説明したが、ＴｉＮ膜に代えてＴｉ膜／ＴｉＮ膜を用いる、すなわち、酸化アルミニウム膜とＴｉＮ膜の間にＴｉ膜を設けることでも良い。
【符号の説明】
【００２７】
１０    スパッタリング装置
１０ａ  第１チャンバ
１０ｂ  第２チャンバ
１０ｃ  第３チャンバ
１０ｄ  第４チャンバ
１１    基板搬送室
１２    ロードロック室
１３ａ  ロードカセット
１３ｂ  アンロードカセット
２０    酸素導入管
２１    シャワープレート
２２    排気口
２３    基板ステージ
１００  シリコン基板
１０１  絶縁膜
１０２  Ｔｉ膜
１０３  ＴｉＮ膜
１０４  ＡｌＳｉＣｕ合金膜
１０５  ＴｉＮ膜
１０６、２０６  酸化アルミニウム膜
１１０  コンタクトホール
１２０  ヒロック
１２１  ボイド
【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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