(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒロックを低減し、配線寿命を向上できる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板１１２上に形成されたホール１４０の内壁及びホール１４０の上部側開口周囲に、Ａｌを主成分とするＡｌ金属層１３１を形成してなる半導体装置１００の製造方法であって、ホール１４０の内壁及びホール１４０の上部側開口周囲に、Ａｌの濡れ性を向上する下地金属膜１４１を成膜する下地成膜工程と、下地金属膜１４１上に、凝集の生じない温度で、Ａｌを主成分とする第１Ａｌ金属膜１４２を成膜する第１成膜工程と、第１Ａｌ金属膜１４２を、加熱温度４００℃以上、加熱時間５０秒以上１００秒以下の条件で加熱するプリヒート工程と、プリヒート工程後、第１Ａｌ金属膜１４２上に、第１成膜工程よりも高い温度で、第１Ａｌ金属膜１４２と同じ成分で構成される第２Ａｌ金属膜を成膜し、Ａｌ金属層１３１とする第２成膜工程と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたホールに対し、当該ホールの内壁及び前記ホールの上部側開口周囲に、Ａｌを主成分とするＡｌ金属層を形成してなる半導体装置の製造方法であって、
前記ホールの内壁及び前記ホールの上部側開口周囲に、Ａｌの濡れ性を向上するために、前記Ａｌとは異なる金属を主成分とする下地金属膜を成膜する下地成膜工程と、
前記下地金属膜上に、凝集の生じない温度で、Ａｌを主成分とする第１Ａｌ金属膜を成膜する第１成膜工程と、
前記第１Ａｌ金属膜を、加熱温度４００℃以上、加熱時間５０秒以上１００秒以下の条件で加熱するプリヒート工程と、
前記プリヒート工程後、前記第１Ａｌ金属膜上に、前記第１成膜工程よりも高い温度で、前記第１Ａｌ金属膜と同じ成分で構成される第２Ａｌ金属膜を成膜し、前記Ａｌ金属層を形成する第２成膜工程と、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】
前記下地成膜工程において、前記下地金属膜として、Ｔｉを主成分とするＴｉ金属膜を成膜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】
前記第１成膜工程において、成膜される前記第１Ａｌ金属膜の膜厚を２．０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１又は請求項２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するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に形成されたホール（コンタクトホール、ビアホール）に対し、当該ホールの内壁及びホールの上部側開口周囲に、Ａｌを主成分とするＡｌ金属層を形成してなる半導体装置の製造方法として、例えば特許文献１が開示されている。
【０００３】
特許文献１に示される製造方法は、Ａｌ金属層を２段階で形成（低温成膜後、高温成膜）する方法である。具体的には、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールに対し、４００℃よりも低い温度で、Ａｌを主成分とする第１のＡｌ金属膜を成膜する第１の成膜工程と、第１のＡｌ金属膜を４００℃以上の温度で加熱する第１の加熱工程と、第１のＡｌ金属膜上に第１の金属膜と同じ成分で構成される第２の金属膜を成膜し、電極部としてのＡｌ金属層を形成する第２の成膜工程とを有している。このように、２段階で成膜すると、コンタクトホールをＡｌ金属層で埋め込んで平坦化することができる。
【特許文献１】特開２００５−３４７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示されるように２段階でＡｌ金属層を形成する場合、第１の加熱工程の加熱条件によっては、第１の加熱工程後に、ホールの段差近傍にヒロック（Ａｌ荒れ）が発生する。
【０００５】
また、ホール内をＡｌ金属層で埋め込む場合、Ａｌの濡れ性を向上する（Ａｌの凝集を抑制する）ために、Ａｌとは異なる金属（例えばＴｉ）を主成分とする下地金属膜をホールの内壁及びホールの上部側開口周囲に成膜し、その後Ａｌ金属層を形成するのが一般的である。しかしながら、特許文献１に示す製造方法において下地金属膜を成膜する工程を含む場合、第１の加熱工程において、下地金属膜を構成する金属（例えばＴｉ）とＡｌが反応して反応生成物（例えばＴｉＡｌ３）が生成する。したがって、加熱条件によっては、第１のＡｌ金属膜が反応生成物（例えばＴｉＡｌ３）の生成に多量に費やされ、ホール内壁に対する厚さ方向において第１のＡｌ金属膜の膜厚が減少し、配線寿命が低下することも考えられえる。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、ヒロックを低減し、配線寿命を向上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】
【０００７】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の発明は、基板上に形成されたホールに対し、当該ホールの内壁及びホールの上部側開口周囲に、Ａｌを主成分とするＡｌ金属層を形成してなる半導体装置の製造方法であって、ホールの内壁及びホールの上部側開口周囲に、Ａｌの濡れ性を向上するために、Ａｌとは異なる金属を主成分とする下地金属膜を成膜する下地成膜工程と、下地金属膜上に、凝集の生じない温度で、Ａｌを主成分とする第１Ａｌ金属膜を成膜する第１成膜工程と、第１Ａｌ金属膜を、加熱温度４００℃以上、加熱時間５０秒以上１００秒以下の条件で加熱するプリヒート工程と、プリヒート工程後、第１Ａｌ金属膜上に、第１成膜工程よりも高い温度で、第１Ａｌ金属膜と同じ成分で構成される第２Ａｌ金属膜を成膜し、Ａｌ金属層を形成する第２成膜工程と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このように、プリヒート工程において、加熱時間５０秒以上とすると、生成されるヒロックを低減することができる。また、加熱時間１００秒以下とすると、プリヒート後に、ホール内壁に対する厚さ方向において第１のＡｌ金属膜を確保することができる。すなわち、配線寿命を向上することができる。
【０００９】
下地成膜工程において成膜される下地金属膜としては、例えば請求項２に記載のように、Ｔｉを主成分とするＴｉ金属膜を採用することができる。これにより、Ａｌの濡れ性を向上することができる。
【００１０】
なお、請求項１又は請求項２に記載の発明は、請求項３に記載のように、第１成膜工程において、成膜される第１Ａｌ金属膜の膜厚が２．０μｍ以下のものについて好適である。このことは、本発明者によって確認されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法が適用される半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【００１３】
図１に示す半導体装置１００は、基板に構成された素子部１０１と、基板上に構成された配線部１０２とを含んでいる。先ず、素子部１０１の概略構成について説明する。
【００１４】
素子部１０１は、特に限定されるものではない。本実施形態においては、素子部１０１として、図１に示すように、ＬＤＭＯＳ（Lateral Double-diffused MOS）トランジスタを例示している。
【００１５】
基板は、内部に絶縁膜を埋め込んだＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であり、単結晶シリコンからなる支持基板１１０、シリコン酸化膜からなる絶縁層１１１、および単結晶シリコンに不純物を添加してなる半導体層１１２から構成される。この半導体層１１２が、特許請求の範囲に記載の基板に相当する。半導体層１１２は、絶縁層１１１側にＮ＋型半導体層１１２ａ、Ｎ＋型半導体層１１２ａの上層としてＮ−型半導体層１１２ｂを有しており、トレンチ先端が絶縁層１１１に到達する態様で、絶縁分離トレンチ１１３が形成されている。すなわち、絶縁層１１１と絶縁分離トレンチ１１３とにより、ＬＤＭＯＳの構成領域が他の素子形成領域と電気的に分離されている。
【００１６】
そして、絶縁層１１１と絶縁分離トレンチ１１３により区画された半導体層１１２（Ｎ−型半導体層１１２ｂ）の表層に、Ｎ型ドレイン領域１１４、Ｐ型チャネル領域１１５、Ｎ＋型ソース領域１１６が形成されて、ＬＤＭＯＳが構成されている。なお、Ｎ型ドレイン領域１１４の表層には、Ｎ＋コンタクト層１１７が形成されており、Ｐ型チャネル領域１１５の表層には、Ｐ＋コンタクト層１１８が形成されている。また、Ｎ型ドレイン領域１１４とＰ型チャネル領域１１５は、ＬＯＣＯＳ酸化膜１１９によって分離されており、Ｐ型チャネル領域１１５上には、ゲート絶縁膜１２０を介してゲート電極１２１が配置されている。
【００１７】
配線部１０２は、半導体層１１２上に、下地絶縁層１３０（例えばＢＰＳＧ層）、１ｓｔＡｌ層１３１、層間絶縁層１３２（例えばＴＥＯＳ層）、２ｎｄＡｌ層１３３、層間絶縁層１３４（例えばＴＥＯＳ層）、３ｒｄＡｌ層１３５、及びパッシベーション層１３６（例えばＰ−ＳｉＮ層）を順に形成してなる。
【００１８】
このように構成される半導体装置１００において、本実施形態においては、配線部１０２、特にＡｌ金属層（１ｓｔＡｌ層１３１、２ｎｄＡｌ層１３３、３ｒｄＡｌ層１３５）の製造方法に特徴がある。その代表例として、１ｓｔＡｌ層１３１の製造方法を、図２を用いて説明する。図２は、１ｓｔＡｌ層１３１の製造方法を示す工程別断面図であり、（ａ）はホール形成工程、（ｂ）は下地金属層形成工程、（ｃ）は第１成膜工程、（ｄ）はプリヒート工程、（ｅ）は第２成膜工程を示している。なお、図２においては、半導体層１１２に形成された素子構成領域は省略している。
【００１９】
上述した素子部１０１を形成後、半導体層１１２の表面上に、下地絶縁膜層１３０を形成する。そして、図２（ａ）に示すように下地絶縁膜層１３０にコンタクトホール１４０を形成するホール形成工程を実施する。なお、本実施形態においては、コンタクトホール１４０の直径を０．６μｍ程度とする。この１ｓｔＡｌ層１３１が、特許請求の範囲に記載のホールに相当する。
【００２０】
次に、所謂２段階スパッタ法（低温スパッタ後、高温スパッタを実施）を実施する。このように２段階スパッタ法を採用すると、１ｓｔＡｌ層１３１（Ａｌ金属層）を平坦化することができる。
【００２１】
先ず、図２（ｂ）に示すように、コンタクトホール１４０の壁面及びコンタクトホール１４０の上部側開口周囲（下地絶縁膜層１３０上）に、下地金属膜１４０を成膜する下地成膜工程を実施する。この下地成膜工程は、Ａｌの濡れ性を向上し、凝集が生じるのを抑制するために実施する。なお、下地金属膜１４１を設けないと、同一条件で後述する第１Ａｌ金属膜を成膜しても、凝集が生じる。
【００２２】
下地金属膜１４０の構成材料としては、Ａｌとは異なる金属を主成分とし、Ａｌの濡れ性を向上できるものであれば採用することができる。本実施形態においては、Ｔｉを主成分とするＴｉＮ膜を下地金属膜１４１として採用している。具体的には、デガス処理した後、スパッタ法により、数十μｍ程度の厚さとなるようにＴｉＮ膜を成膜する。なお、下地金属膜１４１の構成としては上述のＴｉＮ膜に限定されるものではない。例えばＴｉ膜（Ｔｉ単体により構成された膜）を採用することもできる。
【００２３】
次いで、図２（ｃ）に示すように、下地金属膜１４１上に、凝集の生じない温度で、Ａｌを主成分とする第１Ａｌ金属膜１４２を成膜する第１成膜工程を実施する。このように、凝集の生じない温度（換言すれば低温）で第１Ａｌ金属膜１４２を成膜すると、凝集が生じるのを抑制することができる。なお、高温で成膜した場合、下地金属膜１４１を設けても、凝集が生じる。
【００２４】
第１Ａｌ金属膜１４２の構成材料としては、Ａｌを主成分とすれば採用することができる。本実施形態においては、Ａｌを主成分とするＡｌＳｉＣｕ膜を採用している。具体的には、凝集の生じない温度として、２００℃以下の温度（例えば１５０℃）で成膜するようにしている。そして、第１Ａｌ金属膜１４２の膜厚を例えば５００ｎｍ程度としている。なお、第１Ａｌ金属膜１４２の構成としては上述のＡｌＳｉＣｕ膜に限定されるものではない。例えばＡｌ膜（Ａｌ単体により構成された膜）や、ＡｌＳｉ膜を採用することもできる。
【００２５】
このように低温成膜する場合、高温成膜に比べて膜厚を均一とすることができる。したがって、第１成膜工程が終了した段階では、図２（ｃ）に示すように、コンタクトホール１４０の上方に位置する第１Ａｌ金属膜１４２の部位に、凹部１４３ａを有している。
【００２６】
第１Ａｌ金属膜１４２成膜後、図２（ｄ）に示すように、第１Ａｌ金属膜１４２を加熱するプリヒート工程を実施する。このプリヒート工程は、加熱により第１Ａｌ金属膜１４２を流動させて、コンタクトホール１４０内を埋める（凹部１４３ａを小さくする）、すなわち、最終的に１ｓｔＡｌ層１３１（Ａｌ金属層）を平坦化するために実施するものである。
【００２７】
ところで、本出願人は、先に出願した特開２００５−３４７３１３号公報において、プリヒート時の加熱温度が４００℃以上であれば、Ａｌの流動性が高く、上述したコンタクトホール１４０内が埋まりやすいことを示している。このことは本発明者によっても確認されている。しかしながら、プリヒートの加熱条件によっては、プリヒートが終了した時点で、コンタクトホール１４０の段差近傍に、例えば図３（ａ），（ｂ）に示すようなヒロック（Ａｌ荒れ）１４４が発生することが本発明者によって確認された。このようなヒロック１４４は、段差近傍におけるＡｌの結晶性が悪いため、プリヒート時にその歪を緩和しようとして発生するものと考えられる。このように加熱処理によってヒロック１４４が生じると、隣接する配線との間に短絡が生じる等、電気的特性上好ましくない。なお、図３はヒロック１４４を説明するための図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図３（ａ）に示す符号１４３ｂは、プリヒート後に、コンタクトホール１４０の上方に位置する第１Ａｌ金属膜１４２の部位に残った、小さな凹部１４３ｂである。
【００２８】
そこで、本発明者は、プリヒート時間とヒロックの生成量について確認した。具体的には、加熱温度を３水準（４２０℃（実線）、４５０℃（破線）、４８０℃（２点鎖線））とり、それぞれについて、最大突起部位の長さが０．５μｍ以上のヒロック個数とプリヒート時間との関係を調査した。その結果を図４に示す。図４に示すように、加熱温度が４００℃以上において、プリヒート時間を５０秒以上とすれば、ヒロックの生成量を低減できることが明らかとなった。
【００２９】
また、プリヒート時間を長くすれば、Ａｌの流動性が向上し、埋め込み性が向上することは、例えば図５に示すように本発明者によっても確認されている。図５は、Ａｌの埋め込み効果を示す図である。図５に示すカバレッジ（％）とは、図６に示すように、プリヒート後における、コンタクトホール１４０の上部側開口周囲の平坦部厚さｔ１と、コンタクトホール１４０内の側面部分の底面境界部位の厚さｔ２の比（ｔ２／ｔ１×１００）である。すなわち、コンタクトホール１４０内の埋め込み度を示している。図６は、カバレッジを説明するための模式的な断面図である。また、図５において、白抜きバーがプリヒート時間３０秒、斜線バーがプリヒート時間１００秒におけるカバレッジを示している。
【００３０】
また、プリヒート時には、下地金属膜１４１を構成する金属（Ｔｉ）と第１Ａｌ金属膜１４２を構成するＡｌが反応し、図７に示すように反応生成物（ＴｉＡｌ３）による反応層１４５を生成する。例えばＡｌがＴｉとの反応に多量に費やされると、コンタクトホール１４０内壁に対する厚さ方向において、コンタクトホール１４０内を埋めるべく流動可能なＡｌが減少する。反応層１４５が厚くなる（反応生成物が増加する）と、配線寿命が低下するという問題がある。図７は、反応生成物（ＴｉＡｌ３）による反応層１４５を説明するための断面図である。
【００３１】
そこで、本発明者は、プリヒート時間と反応層の厚さ（流動Ａｌの厚さ）について確認した。具体的には、第１Ａｌ金属膜１４２の膜厚を４水準（４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍ、７５０ｎｍ）とり、それぞれについて、流動Ａｌの厚さ（反応で消費されなかった第１Ａｌ金属膜１４２の厚さ）とプリヒート時間との関係を調査した。また、そのうちの膜厚７５０ｎｍにおいて、反応層１４５の厚さとプリヒート時間との関係を調査した。その結果を図８に示す。図８に示すように、反応生成物１４５は、時間の経過とともに増加し、それに反比例して流動Ａｌの厚さが減少を示した。しかしながら、プリヒート時間を１００秒以下とすれば、流動Ａｌを確保できることが明らかとなった。なお、本実施形態においては、反応層１４５の厚さと流動Ａｌの厚さを、図６で示した厚さｔ２の測定点にて測定した。
【００３２】
このように、本実施形態においては、プリヒート工程における加熱条件を、加熱温度４００℃以上、加熱時間５０秒以上１００秒以下とした。このプリヒート工程により、第１Ａｌ金属膜１４２が流動して凹部１４３ａ（コンタクトホール１４０内）が埋められ、コンタクトホール１４０の上方に位置する第１Ａｌ金属膜１４２の部位に、凹部１４３ａよりも小さな凹部１４３ｂが残った状態となる。
【００３３】
そして、プリヒート工程終了後、図２（ｅ）に示すように、第１Ａｌ金属膜１４２上に、第１成膜工程よりも高い温度で、第１Ａｌ金属膜と同じ成分で構成される第２Ａｌ金属膜（図示略）を成膜する第２成膜工程を実施する。これにより、１ｓｔＡｌ層１３１が形成される。本実施形態においては、第２Ａｌ金属膜として、第１Ａｌ金属膜１４２同様、Ａｌを主成分とするＡｌＳｉＣｕ膜を採用し、第１成膜工程よりも高い温度として、例えば３５０℃以上の温度で成膜するようにしている。そして、第２Ａｌ金属膜の膜厚を例えば５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度としている。なお、１ｓｔＡｌ層１３１が形成された状態で、コンタクトホール１４０の上方に位置する１ｓｔＡｌ層１３１の部位には、凹部１４３ｂよりも小さな凹部１４３ｃが残っている。
【００３４】
また、本実施形態においては、第２成膜工程と同一のチャンバを利用してプリヒート工程を実施するようにしている。これにより、製造工程（設備）を簡素化している。しかしながら、第２成膜工程と派別のチャンバにてプリヒート工程を実施しても良い。
【００３５】
このように、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法によれば、プリヒート工程において、加熱時間５０秒以上とするので、ヒロックを低減することができる。また、加熱時間１００秒以下とするので、プリヒート後に、ホール内壁に対する厚さ方向において第１のＡｌ金属膜１４２を確保することができる。すなわち、配線寿命を向上することができる。
【００３６】
また、本実施形態においては、１ｓｔＡｌ層１３１の形成を例にとって説明した。しかしながら、ビアホールに対して配置される２ｎｄＡｌ層１３３、３ｒｄＡｌ層１３５の形成に採用した場合も、１ｓｔＡｌ層１３１同様の効果を期待することができる。すなわち、基板上に形成されたホール（コンタクト、ビア）の内壁及びホールの上部側開口周囲に配置される、Ａｌを主成分とするＡｌ金属層の形成に適用することで、ヒロックの低減と配線寿命の向上を期待することができる。
【００３７】
なお、第１Ａｌ金属膜１４２の膜厚が比較的薄いもの（例えば２．０μｍ以下）については、下地金属膜１４１を構成する金属との反応が進行すると、流動Ａｌが減少し、配線寿命が低下しやすい。これに対し、本実施形態に係る製造方法によれば、流動Ａｌを確保し、配線寿命を向上することができる。
【００３８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３９】
本実施形態においては、基板として、単結晶シリコンからなる支持基板１１０、シリコン酸化膜からなる絶縁層１１１、および単結晶シリコンに不純物を導入してなる半導体層１１２で構成されるＳＯＩ基板の半導体層１１２を採用する例を示した。しかしながら、基板は上記例に限定されるものではない
また、本実施形態においては、下地成膜工程において成膜される下地金属膜１４１としては、Ｔｉを主成分とするＴｉ金属膜を採用する例を示した。しかしながら、Ａｌの濡れ性を向上できるものであれば、Ｔｉ以外の金属を主成分とする下地金属膜１４１であっても、採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の製造方法が適用される半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】１ｓｔＡｌ層（Ａｌ金属層）の製造方法を示す工程別断面図であり、（ａ）はホール形成工程、（ｂ）は下地金属層形成工程、（ｃ）は第１成膜工程、（ｄ）はプリヒート工程、（ｅ）は第２成膜工程を示している。
【図３】ヒロックを説明するための図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】プリヒート時間とヒロックの生成量との関係を示す図である。
【図５】Ａｌの埋め込み効果を示す図である。
【図６】カバレッジを説明するための模式的な断面図である。
【図７】反応生成物（ＴｉＡｌ３）による反応層を説明するための断面図である。
【図８】プリヒート時間と反応生成物の生成量（流動Ａｌ厚）との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００・・・半導体装置
１０１・・・素子部
１０２・・・配線部
１３０・・・下地絶縁膜
１３１・・・１ｓｔＡｌ層（Ａｌ金属層）
１３２，１３４・・・層間絶縁膜
１３３・・・２ｎｄＡｌ層（Ａｌ金属層）
１３５・・・３ｒｄＡｌ層（Ａｌ金属層）
１４０・・・コンタクトホール（ホール）
１４１・・・下地金属膜
１４２・・・第１Ａｌ金属膜
１４４・・・ヒロック
１４５・・・反応生成物
【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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【図８】
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