(57)【要約】【課題】  スパッタ法で配線層を形成するのにあたり、微小なコンタクト孔における側面部分のカバレッジを十分に向上させ、コンタクトの信頼性を高くする。【解決手段】  液体窒素を用いてシリコン基板１を室温以下のマイナス４０℃に保持し、スパッタ法によりチタン膜６およびアルミニウム合金膜７を形成する。これにより、コンタクト孔５の側面での核形成密度が向上するとともに、コンタクト孔５の開口部でアルミニウム合金膜７が横方向に成長するのを抑制できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の絶縁膜に形成されたコンタクト孔に対して少なくとも１種の高融点金属材料からなる配線層を形成する半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板の温度を室温以下に設定したスパッタ法によりバリアメタルとなる前記配線層を形成する工程と、
前記配線層上に他の配線層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記他の配線層を、前記半導体基板の温度を室温以下に設定したスパッタ法により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３】
前記他の配線層は、銅（Ｃｕ）を含むものである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４】
前記半導体基板の温度を室温以下に設定するために液体窒素を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記高融点金属材料が、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）およびチタンタングステン（ＴｉＷ）からなる群より選択された少なくとも１種の材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記コンタクト孔のアスペクト比が１より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記コンタクト孔が０．７μｍ径以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記コンタクト孔が０．２μｍ径以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項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】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に上下の金属配線をコンタクト孔において接続するのに用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＲＡＭなどの半導体集積回路においては、素子の微細化や装置の高集積化に伴って、デバイス構造も配線数が２層から３層と多層構造化してきている。このように素子が微細化するとともに配線が多層構造化すると、微小な径のコンタクト孔に対する配線の被覆率（カバレッジ）を向上させることが課題となる。一般に、コンタクト孔のカバレッジは、コンタクト孔の径とその深さとの比で表されるアスペクト比が大きくなるに従って小さくなる。
【０００３】
図２は、従来の配線形成方法の一例を示し、コンタクト孔で上下配線を接続するようにした半導体装置の断面図である。図２の半導体装置を製造するには、まず、シリコン基板１１上に層間絶縁膜１２を形成してからこの層間絶縁膜１２にコンタクト孔１４を開孔する。そして、シリコン基板１の温度を１５０℃〜２５０℃程度に保った状態でアルミニウム膜１３をスパッタ堆積させる。
【０００４】
上述したような方法によると、アスペクト比が１よりも十分に小さい場合にはアルミニウム膜１３のカバレッジは問題とならないが、アスペクト比が１よりも大きくなるとカバレッジが小さくなってコンタクト孔１４での断線が生じやすくなってしまう。以下、この原因について、簡単に考察する。
【０００５】
図２の配線形成方法においては、スパッタ法によるアルミニウム膜１３の堆積開始直後に、アルミニウムの核が形成され、この核を中心にアルミニウム膜１３が成長して堆積が行われる。しかし、コンタクト孔１４の側面は初期の核形成密度が小さいためにアルミニウム膜１３が成長しにくい。さらに、シリコン基板１の温度が１５０℃〜２５０℃程度と高いために、スパッタリングによるアルミニウム膜１３の膜厚が増加するとともに膜内のアルミニウムの結晶粒が成長して粒径が大きくなる。そのため、図２に示すように、コンタクト孔１４の開口部でアルミニウム膜１３が横方向に成長して開口部を狭くするので、ますますコンタクト孔１４内部の膜形成が妨げられてカバレッジが悪化する。
【０００６】
また、シリコン基板１１に対してスパッタ粒子であるアルミニウムの垂直性が悪いことも、コンタクト孔１４の開口部を狭くする原因となっている。そこで、スパッタ粒子の垂直性を改善する方法として、コリメーションスパッタ法が開発されている。このコリメーションスパッタ法では、コリメータと呼ばれるスリットを半導体基板とスパッタターゲットとの間に挿入し、このスリットを通過する、半導体基板に対して垂直方向の速度成分だけをもつ粒子を膜堆積に利用するものである。このコリメーションスパッタ法により、コンタクト孔の開口部を狭くするアルミニウム粒子を減らすことができ、従来よりもカバレッジを向上させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したコリメーションスパッタ法には、以下のような問題があった。
１．スパッタ初期の核形成密度により決定されるコンタクト孔の側面部分のカバレッジは、依然として小さい。
２．コリメータに堆積した膜がパーティクル発生の原因となる。
３．コリメータの目詰まりのためにスパッタレートが経時変化する。
４．アルミニウム配線のような大きい膜厚を形成するには、コリメータのメンテナンスサイクルが短くなりすぎる。
これらのうち、特に１．の問題のために、コリメーションスパッタ法は量産レベルでの使用が困難であった。
【０００８】
つまり、従来においては、コンタクト孔の側面部分の十分なカバレッジを得ることのできる方法が存在しなかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、微小なコンタクト孔にスパッタ法で配線膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、コンタクト孔の側面部分のカバレッジを十分に向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に形成されたコンタクト孔に対して少なくとも１種の高融点金属材料からなる配線層を形成する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板の温度を室温以下に設定したスパッタ法によりバリアメタルとなる前記配線層を形成する工程と、前記配線層上に他の配線層を形成する工程とを有する。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法における他の態様は、前記他の配線層を、前記半導体基板の温度を室温以下に設定したスパッタ法により形成する。
【００１２】
また、本発明の半導体装置の製造方法におけるその他の態様は、前記他の配線層は、銅（Ｃｕ）を含むものである。
【００１３】
また、本発明の半導体装置の製造方法におけるその他の態様は、前記半導体基板の温度を室温以下に設定するために液体窒素を用いる。
【００１４】
また、本発明の半導体装置の製造方法におけるその他の態様は、前記高融点金属材料が、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）およびチタンタングステン（ＴｉＷ）からなる群より選択された少なくとも１種の材料からなる。
【００１５】
また、本発明の半導体装置の製造方法におけるその他の態様は、前記コンタクト孔のアスペクト比が１より大きい。また、本発明の半導体装置の製造方法におけるその他の態様は、前記コンタクト孔が０．７μｍ径以下である。また、本発明の半導体装置の製造方法におけるその他の態様は、前記コンタクト孔が０．２μｍ径以下である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、半導体基板の温度を室温（例えば１５℃〜２５℃、好ましくは２３℃）以下に設定したスパッタ法によりコンタクト孔に対して少なくとも１種の高融点金属材料からなるバリアメタルとなる配線層を形成することにより、スパッタ堆積開始直後に当該配線層の核形成を促進させてコンタクト孔の側面での核形成密度を大きくすることができるとともに、当該配線層の膜厚が増加しても当該配線層の結晶粒の成長を抑制させてコンタクト孔の開口部での横方向の成長を抑制することができる。従って、微小なコンタクト孔の側面で十分なカバレッジを得ることができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、コンタクト孔に対して形成するバリアメタルとして高融点金属材料を用いることにより、耐マイグレーション寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施例につき図１を参照して説明する。
【００１８】
まず、図１（ａ）に示すように、各種の処理が終了したシリコン基板１上に、膜厚５００ｎｍ程度のシリコン酸化膜２を形成する。そして、このシリコン酸化膜２上に第１の配線層である膜厚４５０ｎｍ程度のアルミニウム配線３をパターン形成してから、全面に膜厚９００ｎｍ程度のシリコン酸化膜４を形成する。しかる後、アルミニウム配線３に達するような０．７μｍ径のコンタクト孔５をシリコン酸化膜４に形成する。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１をマイナス４０℃に保持し、スパッタ法により膜厚１００ｎｍ程度のチタン（Ｔｉ）膜６を形成する。このときのスパッタは、スパッタガスがアルゴンガス、ガス圧力が４ｍＴｏｒｒ、パワーが２ｋＷの条件で行った。このスパッタ法により、スパッタ開始直後にチタンの核が十分に形成されるため、コンタクト孔５の内面を含む全面にチタン膜６が均一に形成される。
【００２０】
続いて、シリコン基板１をマイナス４０℃に保持し、スパッタ法により膜厚８００ｎｍ程度のアルミニウム合金膜（Ａｌ−Ｓｉ（０．９％）−Ｃｕ（０．５％））７を形成する。このときのスパッタは、スパッタガスがアルゴンガス、ガス圧力が８ｍＴｏｒｒ、パワーが１２ｋＷの条件で行った。このスパッタ法により、スパッタ開始直後にアルミニウム合金の核がチタン膜６で被覆された部分に十分に形成されるため、コンタクト孔５の内面を含む全面にアルミニウム合金膜７が均一に形成される。これは、低温でスパッタリングをしているために、特にアルミニウム合金のような融点の低い金属材料では顕著に核成長が進むことによる。さらに、低温状態であるため、アルミニウム合金膜７の結晶粒の成長がほとんど起こらず、コンタクト孔５の開口部での横方向へのアルミニウム合金膜７の成長がほとんどない。
【００２１】
本実施例で製造したアルミニウム合金膜７のコンタクトについて、信頼性試験を実施したところ、従来のようにスパッタ温度２５０℃程度で形成したアルミニウム合金膜と比べて、配線のマイグレーション寿命が５〜１２倍も長くなるという結果が得られた。これには、コンタクト孔５でのアルミニウム合金膜７のカバレッジの向上が大きく寄与していると考えられる。
【００２２】
なお、本実施例では、コンタクト孔５を被覆する配線層をチタン膜６とアルミニウム合金膜７とを積層した複合膜としたが、一般的に配線層の材料としてはマイグレーション寿命を長くするために、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）またはチタンタングステン（ＴｉＷ）などの高融点金属をバリアメタルの下層膜とし、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）または銅（Ｃｕ）などを上層膜として積層してもよいし、上層膜と下層膜とのいずれかを用いてもよい。
【００２３】
また、アルミニウム合金膜７としては、マイグレーション寿命を長くするために、銅（Ｃｕ）を含む膜を使用することが好ましく、シリコン基板１と直接コンタクトをとる場合にはアルミスパイク防止のためにシリコン（Ｓｉ）を含むアルミニウム合金を使用することが好ましい。
【００２４】
また、本実施例ではコンタクト孔５の径が０．７μｍとしたが、本発明者の実験によると、本発明はコンタクト孔５の径が０．２μｍでも成功している。
【００２５】
なお、シリコン基板１をマイナス４０℃に保持するためには、比較的安価に冷却が可能な液体窒素を用いることが好ましく、これにより、シリコン基板１を液体窒素温度以上で室温以下に設定することができ、好ましくは室温２３℃程度以下に設定する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】従来の方法で製造した半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  シリコン基板
２  シリコン酸化膜
３  アルミニウム配線
４  シリコン酸化膜
５  コンタクト孔
６  チタン膜
７  アルミニウム合金膜
【図１】
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【図２】
2005012236.tif 000004