(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する工程と、
前記凹部の内面にライナー膜を形成する工程と、
前記凹部の開口部が塞がらないように、前記凹部内に前記ライナー膜を介して第１のＡｌ膜を無加熱又は冷却した状態で形成すると共に、該Ａｌ膜の形成途中又は形成後に該Ａｌ膜に酸素を吸着させる工程と、
前記半導体基板を加熱しながら、前記凹部内に第２のＡｌ膜を形成するとともに、前記第１および第２のＡｌ膜をリフローさせて前記凹部内を充填する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記凹部は配線溝、接続孔、および接続孔とそれに繋がった配線溝の少なくとも１つであ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】
前記ライナー膜は、Ｎｂ、Ｔｉ、ＮｂＮもしくはＴｉＮからなる単層膜または積層膜であ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凹部（接続孔、配線溝、接続孔とそれに繋がった配線溝）内を導電膜で充填してなる配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体装置にはＡｌ配線が用いられ、最近ではＡｌを主成分としたＡｌ合金からなるＡｌ配線が多く用いられている。多層配線としては、下層の配線との反応を抑制するためのＴｉＮ膜等のバリアメタル膜や、リソグラフィ工程での光の乱反射を抑制するための反射防止膜をＡｌ膜上に積層した後、その積層膜をＲＩＥにより加工して形成した積層構造のＡｌ配線（以下、Ａｌ−ＲＩＥ配線という）が用いられている。
【０００３】
しかし、Ａｌ−ＲＩＥ配線は、バリアメタル膜や反射防止膜の存在により、Ａｌ−ＲＩＥ配線の実質的な断面積が減少し、配線抵抗が増大するという問題がある。また、ＲＩＥによる加工の際に配線側壁にＲＩＥ反応生成物が堆積することによっても実質的なＡｌ断面積が減少し、配線抵抗が増大する。
【０００４】
従来、上下のＲＩＥ−Ａｌ配線を接続するプラグ電極の形成技術として、段差被覆性に優れるＷ−ＣＶＤ技術が用いられてきた。しかし、Ｗプラグ電極は抵抗が高いという問題と、ＥＭ（エレクトロマイグレーション）耐性に劣るという問題がある。
【０００５】
ＥＭは、Ａｌ配線に電流が流れている際に、電子のＡｌ原子への衝突によりＡｌ原子が移動する現象である。ＷはＡｌと比較してＥＭを起こしにくい材料である。そのため、上下のＡｌ配線をＷプラグ電極で接続すると、Ｗプラグ電極がＡｌ原子の拡散障壁となり、Ａｌ原子流の上流側ではＡｌの蓄積が生じ、下流側ではＡｌの空乏が生じる。Ａｌの蓄積および空乏はそれぞれヒロックおよびボイドの原因となる。ヒロックおよびボイドの進行はそれぞれＡｌ配線の短絡および断線を引き起こす。
【０００６】
一方、接続孔内にＷプラグ電極よりも抵抗値の低いＡｌプラグ電極を形成する技術として、Ａｌリフロー技術がある。この技術はＡｌ膜の流動特性を利用したもので、半導体基板を加熱することによって接続孔内をＡｌ膜で充填するというものである。
【０００７】
さらに、Ａｌの流動温度を低くでき、アスペクトの高い接続孔の充填も期待できるＡｌリフロー技術として、無加熱でＡｌ膜をスパッタ形成した後、半導体基板を加熱しながらＡｌ膜をスパッタ形成するという２ステップＡｌリフロー技術が知られている。
【０００８】
現在、Ａｌリフロー技術のデュアルダマシン構造（以下、ＤＤ構造という）への適用が検討されている。ＤＤ構造は、まず層間絶縁膜に接続孔および配線溝（以下、これらをまとめて凹部という）を形成し、次に凹部を充填するようにＡｌ膜をスパッタ形成し、次に凹部の外部の余剰なＡｌ膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）で除去することによって形成するもので、工程数および製造コストを削減できるという利点がある。
【０００９】
Ａｌ膜をスパッタ法により形成するＡｌリフロー技術では、Ａｌ膜の段差被覆性は元来低い。このため、接続孔の底部のＡｌ膜の膜厚は薄く、半導体基板の加熱時にＡｌの凝集が起こり、接続孔の内部にはボイドが発生する。
【００１０】
このような問題を解決するために、Ａｌ膜の形成に先立って、凹部の内面にＡｌの凝集抑制能力を有する材料からなる膜（ライナー膜）を形成することが提案されている。ライナー膜としては、Ａｌ膜と反応性の高いＴｉ膜が広く用いられている。
【００１１】
しかし、接続孔のアスペクト比が高くなると、接続孔底部側壁におけるＴｉライナー膜の被覆率が低下し、接続孔底部でＡｌの凝集が生じる。Ａｌの凝集が生じると、Ａｌの拡散経路が断たれて接続孔内をＡｌ膜で充填できなくなるという問題が起こる。
【００１２】
また、Ａｌとの反応生成物であるＡｌ3 Ｔｉ膜が凹部内に形成される。特に接続孔底部に形成されたＡｌ3 Ｔｉ膜は、Ｗプラグの場合と同様に、Ａｌの拡散障壁として働くためＥＭ耐性が劣化するという問題を引き起こす。
【００１３】
また、配線溝の内面にＡｌ3 Ｔｉ膜が形成されて配線溝内部のＡｌ膜の体積が減少することによって、配線抵抗が増大する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、Ａｌリフロー技術のＤＤ構造への適用が検討され、Ａｌの凝集を抑制するために、Ａｌ膜との反応性が高いＴｉライナー膜を下地に用いることが提案されている。
【００１５】
しかしながら、接続孔のアスペクト比が高くなると、Ｔｉライナー膜の被覆率が低下し、接続孔底部でＡｌの凝集が生じ、接続孔内をＡｌ膜で充填できなくなるという問題があった。また、凹部内に形成されたＡｌ3 Ｔｉ膜によって、ＥＭ耐性が劣化したり、配線抵抗が増大するという問題があった。
【００１６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、凹部のアスペクト比が高くなっても、その内部を配線層で容易に充填できる配線構造を有する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
［構成］
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する工程と、前記凹部の内面にライナー膜を形成する工程と、前記凹部の開口部が塞がらないように、前記凹部内に前記ライナー膜を介して第１のＡｌ膜を無加熱又は冷却した状態で形成すると共に、該Ａｌ膜の形成途中又は形成後に該Ａｌ膜に酸素を吸着させる工程と、前記半導体基板を加熱しながら、前記凹部内に第２のＡｌ膜を形成するとともに、前記第１および第２のＡｌ膜をリフローさせて前記凹部内を充填する工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
ここで、ライナー膜、第１の導電膜は、半導体基板を冷却し、かつ指向性を有するスパッタ法、または均一に形成できるＣＶＤ法により形成することが好ましい。
【００２０】
［作用］
本発明の如き構成の配線構造であれば、本発明に係る半導体装置の製造方法によって、凹部のアスペクト比が高くなっても凹部内を配線層で容易に充填できるようになる。
【００２１】
すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、第１の導電膜にその凝集を抑制する凝集抑制材料が含まれた状態で、第１および第２の導電膜をリフローするので、第１および第２導電膜の凝集を効果的に抑制できる。そのため、アスペクト比の高い凹部、具体的には開口径０．１８μｍ以下でアスペクト比が７．５以上の凹部の内部を第１および第２導電膜からなる配線層で容易に充填できるようになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
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示す工程断面図である。
【００２４】
まず、図１（ａ）に示すように、図示しない素子が形成されたＳｉ基板１上に第１層間絶縁膜２、第１配線３を形成する。この第１配線３は、例えばＡｌ配線またはＷ配線である。
【００２５】
次に同図（ａ）に示すように、第１配線３を覆うように第２層間絶縁膜４を全面に形成する。第２層間絶縁膜４には、ＴＥＯＳを原料ガスとしたプラズマＣＶＤによる絶縁膜、Ｆ添加低誘電率絶縁膜、またはＳＯＧ膜などの絶縁膜を用いる。
【００２６】
次に図１（ｂ）に示すように、第１配線３に対しての接続孔５ａおよびこの接続孔５にオーバーラップする配線溝５ｂ（以下、これらをまとめて凹部という）をフォトリソグラフィとＲＩＥを用いて第２層間絶縁膜４に形成する。接続孔の開口径は０．１８μｍ以下、アスペクト比は７．５以上である。
【００２７】
以下、ロードロック室、基板加熱室、Ａｒスパッタエッチング室、Ｎｂスパッタ室、第１Ａｌスパッタ室、第２Ａｌスパッタ室および基板冷却室をウェハ搬送室に接続したクラスターツールを用い、真空連続的にＮｂライナー膜、第１Ａｌ膜、第２Ａｌ膜を順次形成し、第１Ａｌ膜および第２Ａｌ膜を流動（リフロー）させて、接続孔５の内部を第１および第２Ａｌ膜で充填する方法について説明する（図１（ｃ）〜図１（ｅ））。各室間の移動は搬送室を介して行われる。
【００２８】
まず、後述する第２Ａｌ膜の形成時の加熱工程における第２層間絶縁膜４中のガスあるいは表面吸着ガスの脱離を減らすために、予め基板加熱室でＳｉ基板１を加熱する。具体的には、静電チャック付きのＰＢＮヒーターまたはハロゲンランプヒーターを用いて、３００〜５００℃の温度範囲でＳｉ基板１を加熱する。
【００２９】
次にＡｒスパッタエッチング室内で、接続孔５の底面に露出した第１配線３の表面の自然酸化膜や、接続孔５の形成時に付着した汚れなどをＡｒスパッタエッチングにより除去する。Ａｒスパッタエッチングには、容量結合型や誘導結合型などのプラズマスパッタ装置を用いれば良い。
【００３０】
なお、第１配線３との接続部がＷ、ＴｉまたはＴｉＮなどで形成されている場合には、有機アルカリ洗浄で自然酸化膜や接続孔５の形成時に付着した汚れを除去できるため、Ａｒスパッタエッチングを行う必要はない。
【００３１】
次に図１（ｃ）に示すように、接続孔５の内面（底面および側面）を被覆するように、厚さ７．５〜５０ｎｍのＮｂライナー膜６をロングスロースパッタ（以下、ＬＴＳという）により第２層間絶縁膜４上に形成する。
【００３２】
ＬＴＳは、標準的スパッタよりも基板・ターゲット間の距離を長くし、かつスパッタ時のガス圧力を低くしたスパッタであり、スパッタ粒子が指向性を持つ。したがって、ＬＴＳを用いれば、アスペクト比が１以上の接続孔５の深部側面にもＮｂライナー膜６を形成することができる。
【００３３】
Ｎｂライナー膜６は後で形成する第１Ａｌ膜７の凝集を抑制するためのものであるので、Ｎｂライナー膜６は接続孔５の内面に偏りなく形成されることが望ましい。
【００３４】
しかし、ＬＴＳによる成膜形状はウェハーエッジ部において非対称性となるため、接続孔５のウェハー中心側の側面にＮｂライナー膜６を形成しずらくなる。
【００３５】
このような成膜形状の非対称性を改善するためには、Ａｒガス圧力を調整することが効果的である。例えば、Ｎｂターゲットの直径が約３００ｍｍ、Ｎｂターゲット・基板間の距離が３００ｍｍの場合には、Ａｒ圧力を０．０２〜０．１Ｐａに調整することが有効である。また、Ｎｂライナー膜６の成膜中は、Ｓｉ基板１は加熱しないか、あるいはスパッタ中の基板温度の上昇を避けるためにＳｉ基板１は冷却する。
【００３６】
次に図１（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板１を真空連続的に第１Ａｌスパッタ室内に搬送し、ＬＴＳにより第１Ａｌ配線となる厚さ２５０〜６００ｎｍの第１Ａｌ膜７を形成する。凹部の開口部が第１Ａｌ膜によって塞がらなければ、第１Ａｌ膜の膜厚は６００ｎｍよりも厚くても良い。
【００３７】
ここで、第１Ａｌ膜７はＡｌを接続孔５の内部に流動させるための拡散経路となるため、第１Ａｌ膜７は接続孔５の開口部から底部まで連続膜となるように形成することが望ましい。
【００３８】
第１Ａｌ膜７のウェハーエッジ部での成膜形状が非対称になって、接続孔５の１側面に連続した厚い第１Ａｌ膜７が形成されても、接続孔５のＡｌによる充填には悪影響を受けない。したがって、第１Ａｌ膜７は指向性を高めるように形成することがＡｌ充填には効果的である。
【００３９】
そこで、Ａｌターゲットの直径を約３００ｍｍ、ターゲット・基板間の距離を３００ｍｍ、Ａｒ圧力を０．０２〜０．１Ｐａに調整すれば、第１Ａｌ膜７の凝集を抑制することができる。ここで、Ｓｉ基板１は無加熱または冷却する。
【００４０】
次に同図（ｄ）に示すように、第１Ａｌ膜７の形成後に連続して第１Ａｌスパッタ室内に酸素を導入し、第１Ａｌ膜７の表面に酸素８を吸着させる。
【００４１】
次に図１（ｅ）に示すように、第２スパッタ室内にＳｉ基板１を搬送し、Ｓｉ基板１を例えば４５０℃に加熱しながら、厚さ５０〜４００ｎｍの第２Ａｌ膜をスパッタにより全面に形成することによって、接続孔５の内部を第１および第２Ａｌ膜９で充填する。
【００４２】
このとき、接続孔５と第１および第２Ａｌ膜９との界面には、Ｎｂライナー膜６と第１Ａｌ膜７との反応生成物であるＡｌＮｂ合金膜１０が部分的に形成される。本発明者らの研究によれば、ＡｌＮｂ合金膜１０は、Ｔｉライナー膜を用いた場合に生じるＴｉ3 Ａｌ膜の場合とは異なり、その生成量が少ないため、配線抵抗の増加の問題はないことが分かっている。
【００４３】
また、第２Ａｌ膜の成膜には、Ａｌターゲットの直径が３００ｍｍ、Ａｌターゲット・基板間の距離が６０ｍｍである標準的なスパッタを用いる。成膜速度を標準的スパッタと同等とすれば、第２Ａｌ膜をＬＴＳにより形成しても良い。
【００４４】
最後に、図１（ｆ）に示すように、接続孔５の外部の余剰な第１および第２Ａｌ膜９、ＡｌＮｂ合金膜１０、ならびにＮｂライナー膜９をＣＭＰにより除去することによって、Ａｌを主成分とする第２配線９が完成する。この第２配線９はデュアルダマシン配線である。
【００４５】
本発明者らの研究によれば、本実施形態のように第１Ａｌ膜７の形成後に、第１Ａｌスパッタ室内に酸素を導入して、第１Ａｌ膜７の表面に酸素８を吸着させると、酸素を吸着させない場合より第１Ａｌ膜７の充填特性が向上する新たな知見が分かった。
【００４６】
図２に、第１Ａｌ膜７を形成した後、酸素を導入する場合および導入しない場合のそれぞれの場合について、接続孔５が第１および第２Ａｌ膜９で充填されるまでの過程を示す。
【００４７】
第２層間絶縁膜４に形成した接続孔５を第１および第２Ａｌ膜９で充填するためには、その充填が完了するまで、接続孔５内におけるＡｌの流動を維持させる必要がある。
【００４８】
本実施形態で用いたＡｌリフロー法は、まず無加熱で第１Ａｌ膜７を形成し、次いでＳｉ基板１を加熱しながら第２Ａｌ膜を真空連続で形成する方法である。
【００４９】
このＡｌリフロー法において、Ａｌの流動を維持するためには、第１Ａｌ膜７を連続膜として形成し、さらに第２Ａｌ膜の形成過程で第２Ａｌ膜の一部が第１Ａｌ膜７を拡散経路として接続孔内に流動することが必要である。
【００５０】
第２Ａｌ膜の形成過程で、第１Ａｌ膜７が不連続膜になると、Ａｌの拡散経路が断たれ、接続孔５へのＡｌ充填が不完全になる。不連続になる原因は、第２Ａｌ膜の形成初期の加熱により第１Ａｌ膜７が凝集するためである。
【００５１】
図３に、酸素を導入しない場合と酸素を導入した場合のそれぞれの場合についてのＡｌの凝集過程を示す。
【００５２】
Ａｌの凝集は、加熱時の表面拡散と粒界拡散により引き起こされる。自然酸化膜の形成されていないＡｌ表面やダングリングボンドの多い結晶粒界は拡散係数が低く、加熱によりＡｌ原子は活発に移動する。
【００５３】
この移動において、Ａｌは表面エネルギーの低い形状へ、すなわち球状形状に変形しようとする。個々の結晶粒界から分離が起こり、島状にＡｌが形状変化することが凝集である。
【００５４】
Ａｌの凝集は、Ａｌ膜が薄いほど起こり易い。本実施形態では、ＬＴＳにより第１Ａｌ膜７を形成している。ＬＴＳは標準スパッタと比較して、Ｓｉ基板１に対してスパッタ粒子が指向性を持っているので、図２に示したように、アスペクト比の高い接続孔５の底部側面にも第１Ａｌ膜７を形成することができる。
【００５５】
ただし、第１Ａｌ膜７の形成が進行するに伴い、接続孔５の底部に入射できるスパッタ粒子の見込み角が減少し、スパッタ粒子の付着率が減少する。見込み角は接続孔５の底部側面が最も小さく、この部分の膜厚が最も薄くなる。
【００５６】
したがって、Ａｌの凝集は、第１Ａｌ膜７が最も薄い接続孔５の底部側面から始まる。この部分でＡｌが凝集して第１Ａｌ膜７が不連続膜になった場合、接続孔５の深部へのＡｌの拡散経路が断たれ、接続孔５の深部に空孔（ボイド）が残るという問題が起こる。
【００５７】
第１Ａｌ膜７の形成後に酸素を第１Ａｌスパッタ室内に導入した場合、図１（ｄ）に示したように、第１Ａｌ膜７の表面に酸素８が吸着する。吸着した酸素８は第１Ａｌ膜７の表面でのＡｌの表面拡散を抑制し、第２Ａｌ膜の形成時の加熱によるＡｌの凝集を抑制することが可能になる。
【００５８】
しかし、酸素８を多量に導入した場合、第１Ａｌ膜７の表面に厚い酸化膜が形成されてしまう。酸化膜が厚く形成されると、第１Ａｌ膜７の形状が変化しにくくなり、第１Ａｌ膜７の体拡散による流動への寄与がなくなり、結果的に第２Ａｌ膜形成時のサーマルバジェットではＡｌ流動量が低下してしまう。
【００５９】
また、厚く形成された酸化膜（Ａｌ2 Ｏ3 膜）上でＡｌのヌレ性は悪いため、第２Ａｌ膜の形成工程で、第１Ａｌ膜７上に形成されたＡｌ酸化膜上で第２Ａｌ膜が凝集してしまい、接続孔５を充填できなくなる場合がある。
【００６０】
したがって、特に高アスペクト比の接続孔５を充填するためには、第１Ａｌ膜７の流動性および第１Ａｌ膜７と第２Ａｌ膜との界面でのヌレ性を維持しつつ、かつ第１Ａｌ膜７の凝集を抑制する必要がある。そのために、導入する酸素の量を適切に調整することが必要になる。
【００６１】
図４に、酸素の導入量を容易に適切に調整することのできる酸素導入機構の模式図を示す。これは特に酸素の大量導入を防止し、厚いＡｌ酸化膜の形成を防止することのできる酸素導入機構の例である。
【００６２】
この機構では、酸素（Ｏ2 ）を導入しない状態ではバルブ２１は開いており、バルブ２２，２３は閉じている。したがって、酸素を導入しない状態では配管２４，２５の部分は排気されている。
【００６３】
酸素を導入するときは、バルブ２１を閉じると同時にバルブ２２，２３を開いて、圧力調整弁２６により予め圧力調整された酸素が第１Ａｌスパッタ室（チャンバー内）２７に導入される。
【００６４】
酸素を導入しない状態では配管２４，２５の部分が排気されているため、バルブ２３を開くときに配管２４内の酸素が配管２５に流れることはないので、設定圧力以上で酸素がチャンバー内２７に導入されることはない。これにより、チャンバー内２７に大量の酸素が導入され、厚い酸化膜が形成されることを防止することができる。なお、図中、２８はバルブ、２９はマスフローコントローラ、３０はバルブをそれぞれ示している。
【００６５】
図５に、第１Ａｌ膜７の形成後、本機構において圧力調整弁２６により平衡状態での酸素圧力が５．０×１０-4になるように調整して酸素を導入した場合の酸素圧力の時間変化を示す。図から、酸素導入初期は平衡状態の圧力より低く、徐々に増加して平衡状態の圧力に到達することが分かる。
【００６６】
第１Ａｌ膜７の形成時、チャンバー２７内の防着板には活性なＡｌが付着し、スパッタターゲットの表面にも活性なＡｌ表面が露出している。したがって、第１Ａｌ膜７を形成した後、チャンバー２７内に酸素を導入した場合には、酸素は活性なＡｌにゲッタリングされ、酸素の圧力が平衡状態の圧力になるまでは、一定時間が必要となる。
【００６７】
酸素圧力が安定するまでの時間は、チャンバー２７の容積、真空ポンプの排気能力、Ａｌの付着した防着板の面積、その表面の活性なＡｌ量に依存する。したがって、平衡状態の酸素圧力は実際には第１Ａｌ膜７の表面の酸素を吸着させるための一義的なパラメータではない。
【００６８】
表１に、図５に示した排気特性を示すチャンバー２７で酸素圧力を種々に調整し、第１Ａｌ膜７の形成後に２０秒間酸素を導入した場合のＡｌの充填傾向を示す。
【００６９】
【表１】
0003910752.tif 000002
【００７０】
表１から、１．０×１０-4Ｐａから酸素圧力が増加するに伴い、充填可能なアスペクト比は大きくなるが、１．０×１０-2Ｐａまで増加するとアスペクト比３の接続孔を完全に充填することはできないことが分かる。すなわち、酸素圧力を徐々に増加させると、第１Ａｌ膜７の表面の吸着した酸素８により第１Ａｌ膜７の凝集が抑制され、充填能力が向上する。
【００７１】
しかし、酸素圧力をさらに増加させると、第１Ａｌ膜７の表面に酸化膜が形成され、第１Ａｌ膜７の流動が起こり難くなる。さらに、第２Ａｌ膜と第１Ａｌ膜７との間のヌレ性が低下して、第２Ａｌ膜の接続孔５への流動が妨げられ、充填が不完全になる。
【００７２】
したがって、充填能力を向上するためには、上述したように、第１Ａｌ膜の凝集を抑制するが、流動性を低下させず、かつ第２Ａｌ膜と第１Ａｌ膜との間のヌレ性を低下させない酸素圧力に調整する必要がある。本実施形態の場合には、平衡状態の圧力を５．０×１０-4Ｐａに調整することが適当である。
【００７３】
ここでは、圧力調整弁２６により酸素の圧力を制御して、第１Ａｌ膜７の形成後に導入する酸素量を制御する方法を説明したが、酸素の流量を調整する方法でも良い。本実施形態で示した排気特性を持つチャンバーを用いる場合は、前述の酸素圧力から考えて、０．２ＳＣＣＭ以下の流量で制御できるガス流量調整器を用いることが望ましい。
【００７４】
本実施形態で説明した第１Ａｌ膜７の形成後にチャンバー２７内に酸素を導入する方法は、開口径０．１８μｍ以下、深さ０．９５μｍ以上の高アスペクト比の接続孔５を充填するために効果的である。
【００７５】
ただし、酸素を導入することによってＡｌの流動性が低下するので、体積の大きな接続孔５を充填するためには、Ａｌの流動不足で充填不良が生じる場合がある。
【００７６】
このような不都合が生じないようにするためには、第２Ａｌ膜として、Ｃｕを含むＡｌ膜を用いることが有効である。この種のＡｌ膜は、Ｃｕを含むことによって純Ａｌ膜よりも融点が低くなるので、流動性が増加する。したがって、第２Ａｌ膜としてＣｕを含むＡｌ膜を用いれば、体積の大きな接続孔５を容易に充填することができるようになる。
【００７７】
また、第２Ａｌ膜中に含まれるＣｕがＡｌの粒界に析出することにより、通電時のＡｌの粒界拡散は抑制され、エレクトロマイグレーション耐性を向上させることができる。Ａｌの粒界に析出するＣｕの濃度は、第２Ａｌ膜中のＣｕ濃度を高めることにより容易に高くできる。
【００７８】
Ｃｕシリサイド等の他の不純物を含むＡｌ膜を用いることによっても同様に配線抵抗を下げることができる。
【００７９】
ところで、ダマシン配線は、以下に説明するように、配線溝の深さを一定のまま配線幅を狭くしていくと、配線の実効比抵抗（配線抵抗）が増加するという問題がある。図１４に、配線溝内にＮｂライナー膜１４を形成した後、Ａｌリフロー、ＣＭＰによって形成したＡｌダマシン配線１５の断面図を示す。
【００８０】
図に示すように、配線溝の側面および底面には、ＡｌとＮｂとの反応生成物である粒状Ａｌ3 Ｎｂ１６が生成されている。その結果、配線溝の側面および底面に沿って流れる電子は粒状Ａｌ3 Ｎｂ１６による散乱を受ける。
【００８１】
ここで、粒状Ａｌ3 Ｎｂ間の距離には電子の平均自由行程よりも短いものも存在するので、電子の散乱確率が高くなる。したがって、Ａｌ3 Ｎｂ粒間のＡｌは電子散乱の影響を多く受け、材料固有の比抵抗より実質的な比抵抗が増加し、結果として配線抵抗が増加する。
【００８２】
しかしながら、本発明者らの研究によれば、配線材料としてＡｌ−Ｓｉ（１．０ｗｔ％）−Ｃｕ（０．５ｗｔ％）を用いると、Ａｌリフロー時の加熱工程でＡｌ中のＳｉとＮｂとが反応してニオブシリサイド１７が生成されることによって、Ａｌ3 Ｎｂの生成が抑制されることが分かった。これにより、配線溝内に占める粒状Ａｌ3 Ｎｂ１６の割合を小さくでき、細いダマシン配線でも低い配線抵抗を実現することができる。
【００８３】
なお、配線溝内に占めるＡｌ3 Ｎｂの量が減少しても、ＳｉとＮｂとのシリサイドが存在するので、密着性は保たれる。よって、ＥＭ耐性やＳＭ耐性が劣化しないダマシン配線を形成することができる。
【００８４】
また、Ａｌ−Ｓｉ（１．０ｗｔ％）−Ｃｕ（０．５ｗｔ％）は、Ａｌ−Ｃｕ（０．５ｗｔ％）と比較して融点が低いので、リフロー時における流動性が高く、したがって充填能力の高い配線材料である。そのため、Ａｌ−Ｓｉ（１．０ｗｔ％）−Ｃｕ（０．５ｗｔ％）は、配線幅が狭く、かつアスペクト比の高い配線溝内にＡｌダマシン配線を形成するのに有効な配線材料であるといえる。
【００８５】
ところで、本実施形態で示した方法で第２配線９を形成すると、図６に示すように、配線幅方向に配線を横切る粒界３１の他に、配線長方向に配線を横切る粒界３２が形成される場合がある。
【００８６】
粒界３２の形成の原因の一つは、第１Ａｌ膜７と第２Ａｌ膜との界面の不連続性であると考えられる。配線長手方向に横切る粒界３２がある場合、配線内部で３つの粒界が交差する、いわゆる三重点３３が形成される。三重点３３はＥＭ耐性の劣化を招く。
【００８７】
図７に、三重点のある配線のＥＭによるボイド発生モデルを示す。ＥＭは配線に電流を流すとＡｌ原子に電子が衝突し、Ａｌ原子の移動が起こる現象である。このＡｌ原子の移動は拡散係数の小さい粒界に沿って起こり易い。
【００８８】
三重点では一つの粒界に沿って流れてきたＡｌ原子が２方向へと分岐するために、三重点の位置で原子の空乏が生じる。すなわち、三重点を起点としてボイド３４が発生し、ボイド３４が大きくなると最終的には配線が断線する。
【００８９】
本実施形態において、前述のＥＭ問題を回避するためには、第１Ａｌ膜７を膜厚化することが効果的である。図８は、配線溝内のＡｌ結晶粒の成長過程を示す断面図である。第１Ａｌ膜７が薄い場合、図に示すように、配線内で最も大きなグレイン１１が第２Ａｌ膜の形成過程で粒成長しても、配線内を占有することは困難である。
【００９０】
しかし、アスペクト比（配線幅／配線深さ）の低い配線溝に対しては、第１Ａｌ膜７を厚膜化すれば、第１Ａｌ膜７により配線溝内部の大部分を充填することができる。
【００９１】
したがって、第１Ａｌ膜７が厚い場合、図に示すように、第２Ａｌ膜の形成後に、大きなグレイン１１が粒成長して配線溝内を占有し、第１Ａｌ膜と第２Ａｌ膜との不連続な界面を配線溝内に残さないことが可能となる。
【００９２】
この場合、界面の不連続性による粒界は配線溝の外に形成され、次工程のＣＭＰ工程でこの粒界を取り除くことができる。その結果、配線溝内の第１および第２Ａｌ膜９の粒界構造をバンブー化することが可能になる。
【００９３】
本実施形態では、第１Ａｌ膜７をＬＴＳにより形成している。ＬＴＳは指向性を高めたスパッタ方式である。しかし、基板表面に対して斜めに入射するスパッタ粒子を完全になくすことはできない。したがって、接続孔５の開口部において第１Ａｌ膜７の形状がオーバーハング形状となることは避けられない。
【００９４】
そのため、第１Ａｌ膜７を厚膜化すると、図９に示すように、第１Ａｌ膜７の形成過程で、開口面の上部が塞がってしまう。特にアスペクト比の高い配線溝の場合、配線溝が完全には充填されない状態で配線溝の上部が第１Ａｌ膜７で塞がれてしまう。この場合、その後、第１Ａｌ膜７の形成を継続しても第１Ａｌ膜７のみで配線溝内のＡｌ膜厚を増加させることはできない。
【００９５】
ただし、凹部の開口部を塞がない程度に第１Ａｌ膜を厚膜化した場合でも、第１Ａｌ膜７の厚膜化は配線長手方向を横切る粒界３２を減少させる効果がある。何故なら、加熱以前に配線溝内のＡｌの充填量が増加すれば、配線溝内のＡｌの粒成長が配線溝の中で優先的になるからである。
【００９６】
また、第１Ａｌ膜７を厚膜化すると、配線溝の場合と同様に接続孔の開口部が第１Ａｌ膜７で閉じられる。この場合、それ以上接続孔内の第１Ａｌ膜７を厚膜化することはできない。
【００９７】
接続孔５を充填するために、接続孔５内の第１Ａｌ膜７の凝集を抑制する必要があり、接続孔５の内部にできるだけ厚く第１Ａｌ膜７を形成することが望ましい。
【００９８】
しかし、厚い第１Ａｌ膜７を形成した後に酸素を導入する場合は、図９に示したように開口面が塞がってしまうと、図１（ｄ）の工程の場合とは異なり、接続孔内の第１Ａｌ膜７の表面に酸素８を吸着させることができなくなる。
【００９９】
第１Ａｌ膜７の形成後に酸素を導入する場合には、接続孔５の開口面が塞がれない範囲で、できるだけ厚い第１Ａｌ膜７を形成する。そのためには、Ａｒ圧力、投入パワーなどでスパッタ粒子の指向性を制御し、その上で第１Ａｌ膜７の膜厚を調整する必要がある。
【０１００】
また、前述した配線を横切る粒界３２の問題の他に、第１Ａｌ膜７の形成後に酸素を導入する場合は、第１Ａｌ膜７の表面が酸化されて配線抵抗が上昇する可能性がある。
【０１０１】
したがって、ＥＭ耐性の向上と低い配線抵抗を確保し、かつ接続孔５を充填するためには、接続孔５内の第１Ａｌ膜７を最大限に厚膜化した上で、少なくとも接続孔５の充填に最低限必要な量の酸素を第１Ａｌ膜７の形成後に導入することが好ましい。
【０１０２】
本実施形態では、第１Ａｌ膜７の形成後に直ちに第１Ａｌスパッタ室に酸素を導入する方法を説明したが、この他に、第１Ａｌ膜７の形成中に第１Ａｌスパッタ室に酸素を導入しても良い。
【０１０３】
ただし、第１Ａｌ膜７の形成初期から第１Ａｌスパッタ室内に酸素を導入すると、Ｎｂライナー膜６の表面が酸化してしまう場合がある。Ｎｂライナー膜６の表面が酸化されると、ＡｌとＮｂの反応性が低下する。
【０１０４】
Ａｌの凝集抑制は、Ｎｂとの反応過程のみで維持されるため、ＮｂとＡｌとの反応性が低下すると、凝集能力も低下する。したがって、Ｎｂライナー膜６を酸化させないために、第１Ａｌ膜７の形成以前には酸素を導入しないことが望ましい。
【０１０５】
また、第１Ａｌ膜７の凝集を抑制するためには、酸素８は第１Ａｌ膜７の一部にあれば良い。したがって、第１Ａｌ膜７の形成途中で酸素を導入し、次いで酸素の導入を停止し、第１Ａｌ膜７の形成を継続する場合には、第１Ａｌ膜７の形成終了後に、第１Ａｌ膜７の表面に酸素８は吸着していない。
【０１０６】
このような方法で酸素８を含む第１Ａｌ膜７を形成する場合には、第１Ａｌ膜７の表面酸化に起因する第１Ａｌ膜７と第２Ａｌ膜との不連続性が抑制され、かつ第２Ａｌ膜とのヌレ性が維持される。したがって、充填能力を向上させ、かつ結晶粒界の発生を抑制することができる。なお、第１Ａｌ膜７の全体に酸素を含ませても良い。
【０１０７】
また、第１Ａｌ膜７の形成途中で酸素の導入を停止し、継続して第１Ａｌ膜７を形成した場合、第１Ａｌ膜７の形成後はターゲット表面がクリーニングされている。
【０１０８】
そのため、本実施形態で説明したようなクラスタツールを用いてＡｌリフローを行う場合には、各プロセス室ではそれぞれのプロセスを併行して処理することができる。
【０１０９】
例えば、あるＳｉ基板１を第１Ａｌスパッタ室から第２Ａｌスパッタ室に搬送した直後に、直ちに次のＳｉ基板１をＮｂスパッタ室から第１Ａｌスパッタ室に搬送することによって、前のＳｉ基板上に第２Ａｌ膜を形成している間に、上記次のＳｉ基板１上に第１Ａｌ膜７を形成することができる。
【０１１０】
このとき、第１Ａｌスパッタ室のＡｌターゲット表面がクリーニングされていれば、上記次のＳｉ基板１上の第１Ａｌ膜７の形成初期にＮｂライナー膜６の表面が酸化されずに済む。したがって、Ｎｂライナー膜６の凝集抑制能力を低下させない。
【０１１１】
また、本実施形態では、第１Ａｌ膜７の凝集を抑制するための方法として、第１Ａｌスパッタ室内に酸素を導入する方法について説明したが、他の凝集抑制材料例えば窒素を導入して第１Ａｌ膜７の凝集を抑制しても良い。
【０１１２】
この場合、窒素が第１Ａｌ膜７の表面に吸着して、第１Ａｌ膜７の表面を窒化することにより、Ａｌの表面拡散が抑制され、第１Ａｌ膜７の凝集が抑制されることになる。しかし、Ａｌの酸化に比べて窒化は進行が遅いため、長時間、大流量のＮ2 導入が必要になり、酸素を導入するよりもスループットが低下する。したがって、凝集を抑制するために導入するガスとしては、酸素がより望ましい。
【０１１３】
この他に、第１Ａｌ膜７と第２Ａｌ膜のスパッタ時間を適切に調整することにより、第１Ａｌ膜７の表面に酸素を吸着させる方法もある。この場合、各スパッタ後に、Ｓｉ基板１が滞在するチャンバー内の真空度により表面の酸素の吸着量が決定される。したがって、Ｓｉ基板１がスパッタ時間に依存するチャンバー内の真空度を制御する必要がある。
【０１１４】
また、本実施形態では、ＤＤ配線に対して本発明を適用する場合について説明したが、本発明は、接続孔内にＡｌ膜を充填し、接続孔外部のＡｌ膜をフォトリソグラフィ工程およびＲＩＥ工程により加工して得られるＡｌ−ＲＩＥ配線にも適用できる。
【０１１５】
Ａｌ−ＲＩＥ配線はＤＤ配線の場合とは異なり、配線溝と接続孔を同時に充填する必要はなく、単に接続孔のみをＡｌで充填すれば良い。したがって、ＤＤ構造の場合に比べて、Ａｌが充填される凹部のアスペクト比は小さい。
【０１１６】
上下の第１Ａｌ配線と第２Ａｌ配線がＷプラグ電極で互いに接続された配線構造を形成する場合には、第１Ａｌ配線上に層間絶縁膜を形成し、次に第１Ａｌ配線に対しての接続孔を層間絶縁膜に形成し、次にＷ−ＣＶＤ技術により接続孔をＷ膜で充填し、次に余剰なＷ膜をＣＭＰにより除去してＷプラグを形成する。次にバリアメタル／Ａｌ／反射防止膜を形成した後、リソグラフィとＲＩＥを用いてＷプラグ電極とオーバーラップするＡｌ配線を形成する。
【０１１７】
一方、プラグ電極および第２配線を本実施形態のようにＡｌリフローで形成する場合は、第１Ａｌ配線、層間絶縁膜、接続孔を形成した後、接続孔内をＡｌで充填する。さらにリソグラフィとＲＩＥを用いて接続孔とオーバーラップするＡｌ配線を形成する。このように形成すれば、ＡｌプラグとＡｌ配線の膜形成工程が１回のＡｌリフロー工程で行うことができる。したがって、本実施形態によれば、上述したＷプラグ電極を用いた配線構造に比べて、工程数が少なくて済むので、製造コストを削減することができる。
【０１１８】
また、本実施形態のように、Ｎｂライナー膜６を形成した後、Ａｌリフローにより接続孔５内を第１および第２Ａｌ膜９で充填してＤＤ配線を形成する場合には、接続孔５内の２つの側壁および１つの底面にＮｂライナー膜６と第１および第２Ａｌ膜９が形成される。したがって、第１および第２Ａｌ膜９の形成後、ＡｌとＮｂとの反応生成物であるＡｌＮｂ合金膜１０は２つの側壁と１つの底面に形成される。
【０１１９】
Ｎｂライナー膜６およびＡｌＮｂ合金膜１０は補償導電として働き、ＥＭ耐性を向上させる効果があるので、底面のみにＮｂライナー膜が形成されるＡｌ−ＲＩＥ配線と比較して、ダマシン配線はＥＭ耐性に対して有利である。
【０１２０】
ただし、Ａｌ−ＲＩＥ配線には以下のような利点もある。すなわち、Ａｌ配線の側壁と層間絶縁膜との界面にＡｌＮｂ合金膜が形成されないので、配線抵抗を下げる点で有利である。
【０１２１】
また、特に微細でアスペクト比の高い配線溝では、配線溝内の表面積に占める２つの側面の割合が増加し、配線溝側面からのＡｌの配向性が支配的になる。その結果、Ｓｉ基板に垂直方向のＡｌ（１１１）配向性が微細なＤＤ配線では低下する。
これに対して、Ａｌ-ＲＩＥ配線の場合は、平坦化された層間絶縁膜上に形成したＡｌ膜を加工して配線を形成するため、Ａｌ膜の結晶粒は一つの配線底面からのみ形成する。したがって、微細なＡｌ配線を形成する場合は、Ａｌ−ＲＩＥ配線の方が配向性を向上させることができる。
【０１２２】
（１１１）配向性が高いＡｌ-ＲＩＥ配線は、ＥＭ耐性に優れる。これは（１１１）配向性が高いＡｌ膜は拡散係数の大きい結晶粒界が減少するためである。また、Ｎｂのスパッタ電力を増加させるとＮｂは（１１０）配向し、第２Ａｌ膜形成後のＡｌは（１１１）配向する。
【０１２３】
しかし、本発明者らの研究によれば、本実施形態で示した第１Ａｌ膜７の形成後に導入する酸素量を、少なくとも所望の接続孔の充填が可能な最低量に調節することにより、接続孔５外部の第２層間絶縁膜４の平坦部に形成される第１Ａｌ膜７の配向性がほとんど変化しないことが分かった。
【０１２４】
したがって、酸素を導入した場合でも、Ｎｂライナー膜６を形成する際のスパッタ電力を増加させることにより、配向性の高い第１Ａｌ膜７を形成することができる。それにより、不安定なＡｌ粒界が減少するので、ＥＭ耐性の向上したダマシン配線やＲＩＥ配線を形成することができる。
【０１２５】
本発明者らの研究によると、Ａｌ-ＲｌＥ配線とダマシン配線のＥＭ耐性は、両者共に実用上は問題のないレベルであることが確認できた。
【０１２６】
本実施形態では、Ａｌの２ステップリフローの場合について説明したが、酸素は、Ａｌ膜の場合と同様に、Ｃｕ膜の表面に吸着してＣｕの表面拡散を防止し、Ｃｕ膜の凝集を抑制する。
【０１２７】
したがって、第１Ａｌ膜７の代わりにＣｕ膜を形成し、続いてチャンバー内に酸素を導入した後、第２Ａｌ膜を加熱しながらスパッタ法により形成するという２ステップリフローでも、酸素を導入しない場合に比べて、充填特性を改善できるなどＡｌの２ステップリフローの場合と同様の効果を得ることができる。さらに、酸素および酸素とは別の凝集抑制材料を含ませても良い。
【０１２８】
また、本実施形態では、第１Ａｌ膜７をスパッタ法により形成したが、ＬＰＣＶＤ法により形成しても良い。
【０１２９】
（第２の実施形態）
図１０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示す工程断面図である。なお、図１と対応する部分には図１と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０１３０】
第１の実施形態では、第１Ａｌ膜７の形成後に酸素８を導入し、第１Ａｌ膜７の表面に酸素８を吸着させることによって、Ａｌの凝集を抑制する方法について説明したが、本実施形態では、第１Ａｌ膜７の表面に凝集抑制材料としてＮｂ原子を用いることによって、Ａｌの凝集を抑制する方法について説明する。
【０１３１】
まず、図１０（ａ）に示すように、図示しない素子が形成されたＳｉ基板１上に、第１層間絶縁膜２、第１配線３、第２層間絶縁膜４、接続孔５、Ｎｂライナー膜６および第１Ａｌ膜７を形成する。Ｎｂライナー膜６の膜厚は１５ｎｍ、第１Ａｌ膜７の膜厚は４００ｎｍであり、両者とも第１の実施形態と同様にＬＴＳにより形成する。
【０１３２】
次に図１０（ｂ）に示すように、第１Ａｌ膜７の凝集を抑制するための凝集抑制材料として、第１Ａｌ膜７上にＮｂ２をスパッタにより吸着させる。このＮｂは連続膜ではなく離散的に形成された不連続膜である。したがって、第１Ａｌ膜７の表面は部分的に露出することになる。
【０１３３】
次に図１０（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１を加熱しながら第２Ａｌ膜を形成することによって、接続孔５内をＮｂ膜またはＮｂＡｌ合金膜（以下、Ｎｂ・ＮｂＡｌ膜という）１２’を含む第１および第２Ａｌ膜９で充填する。このとき、Ｎｂライナー膜６と第１および第２Ａｌ膜９との界面にはＡｌＮｂ合金膜１０が形成される。
【０１３４】
最後に、図１０（ｄ）に示すように、接続孔５の外部の余剰な第１および第２Ａｌ膜９、ＡｌＮｂ合金膜１０、Ｎｂライナー膜９をＣＭＰにより除去することによって、第２配線９が完成する。
【０１３５】
第１の実施形態で説明したように、Ａｌリフローにより第２配線９を形成する際には、接続孔５の内面を被覆した第１Ａｌ膜７がＡｌの拡散経路となる。そして、後工程の第２Ａｌ膜の加熱スパッタ時にＡｌが拡散経路を流動することにより接続孔５の内部は充填される。そのため、第１Ａｌ膜７が加熱スパッタ時に凝集を起こすと拡散経路が断たれ、接続孔５の内部をＡｌで充填することができなくなる。
【０１３６】
Ａｌの凝集は、第１の実施形態で説明したように、基板加熱に伴うＡｌ原子の表面拡散および粒界拡散により起こる。したがって、Ａｌ原子の表面拡散を抑制できれば、Ａｌの凝集を抑制できる。
【０１３７】
そこで、本実施形態のように、第１Ａｌ膜７上にＮｂを吸着すれば、第１の実施形態で説明したＡｌ原子と結合したＯ（酸素）原子がＡｌの表面拡散を抑制するのと同様に、Ａｌ原子と結合したＮｂ原子がＡｌ原子の表面拡散を抑制して、第１Ａｌ膜７の凝集を抑制することができる。
【０１３８】
Ａｌリフローの過程では、第２Ａｌ膜が第１Ａｌ膜７に沿って接続孔５内に流動するとともに、第１Ａｌ膜７自身の形状変化も起こり、これも流動に寄与する。
【０１３９】
しかし、第１Ａｌ膜７上に厚いＮｂ膜１２を形成した場合、第１の実施形態で厚い酸化膜が形成された場合と同様に、第１Ａｌ膜７の形状変化が起こりにくくなって流動量が不足して充填不良が起こる。
【０１４０】
したがって、第１Ａｌ膜７上に凝集抑制膜として形成するＮｂは、少なくとも接続孔５の内面においては不連続膜となるように形成し、そのためにはＮｂの形成量を低下させる。本発明者らの研究によれば、Ｎｂの形成量は膜厚換算で５ｎｍ程度が望ましいことが分かった。
【０１４１】
第１Ａｌ膜７の凝集は膜厚の最も薄い部分で起こる。すなわち、接続孔５の底部側面で起こりやすい。また、ＬＴＳは指向性を高めたスパッタではあるが、スパッタ粒子には基板に対する斜め成分も含まれ、第１Ａｌ膜７は接続孔５の開口部でオーバーハング形状となることは避けられない。
【０１４２】
すなわち、接続孔５の間口が狭まり、接続孔５の底部へのスパッタ粒子の進入が困難な形状となる。そのため、接続孔５の底部側面に、第１Ａｌ膜７の連続膜を形成することが困難になり、そこでは凝集が起こり易くなる。
【０１４３】
これに対して、凝集抑制膜としてのＮｂ膜１２は上述したように不連続膜とするため、本実施形態のようにスパッタによりＮｂを形成しても特に問題はない。
【０１４４】
また、段差被覆性の良いＣＶＤ法を用いて、接続孔の底部側面にＮｂを吸着させても良い。特にＣＶＤ成膜の初期過程は一般的に初期核からの島状成長であり、第１Ａｌ膜７の表面を部分的に露出させるようにＮｂ膜１２を形成することができる。
【０１４５】
本実施形態のようにＮｂ膜１２を第１Ａｌ膜７上に形成した場合、Ｎｂ膜１２を形成しない場合と比較して、高いアスペクト比の接続孔５をＡｌで充填できることが確認できた。
【０１４６】
また、本実施形態のＤＤ構造では、第２配線９中のＮｂ・ＮｂＡｌ膜１２’がＡｌ原子の拡散を抑制するため、ＥＭ耐性およびＳＭ耐性を向上させることができる。
【０１４７】
本実施形態では、Ｎｂを第１Ａｌ膜７上に吸着する方法について説明したが、Ｎｂ膜１２を第１Ａｌ膜７の内部に含ませても良い。すなわち、図１０（ｂ）の工程の代わりに、図１１に示すように、第１Ａｌ膜７中にＮｂを分散しても良い。
【０１４８】
Ａｌ膜の凝集はＡｌの表面拡散と粒界拡散によって起こる。図１１に示したように、第１Ａｌ膜６中にＮｂを分散した場合には、主としてＡｌ原子の粒界拡散を抑制することによって、Ａｌの凝集を抑制することになる。
【０１４９】
さらにこの場合、第１Ａｌ膜７の表面にＮｂを吸着しなくて済むので、第１Ａｌ膜７の表面を清浄に保つことができる。そのため、第１Ａｌ膜７自身の流動や、第１Ａｌ膜７と第２Ａｌ膜とのヌレ性が妨げられず、充填特性をさらに向上させることができる。
【０１５０】
また、図１２に示すように、第１Ａｌ膜７中に凝集抑制材料としてＮｂを原子レベルで分散させても良い。この場合、Ｎｂ１３がＡｌ結晶粒の粒界および表面に存在するため、Ａｌ原子の表面拡散および粒界拡散を抑制することができる。そのため、Ａｌの凝集がより効果的に抑制される。
【０１５１】
さらにこの場合、第１Ａｌ膜７中にＮｂ１３が存在することから、第１Ａｌ膜７の形状変化が容易に起こり、かつ第２Ａｌ膜とのヌレ性を妨げることがなく、充填特性を向上させることができる。
【０１５２】
図１０または図１１に示したように、第１Ａｌ膜７上または第１Ａｌ膜７中にＮｂをスパッタによって吸着させる場合には、第１Ａｌ膜７を形成するスパッタ室およびＮｂを吸着させるスパッタ室の２つのスパッタ室が必要となる。
【０１５３】
しかし、図１２に示したような内部にＮｂ１３が分散した第１Ａｌ膜７を形成する場合、Ｎｂを添加したＡｌタ-ゲットを用いれば、１つのスパッタ室で済み、１つのスパッタ工程で形成することができる。そのため、スループットを向上できるとともに、製造装置のコストを削減することができる。
【０１５４】
また、内部にＮｂ１３が分散した第１Ａｌ膜７はＣＶＤ法でも形成できる。この場合には、原料ガスとして、Ａｌの原料ガスとＮｂの原料ガスとの混合ガスを用いる。あるいは、Ａｌを成膜するための原料ガスに含まれる、例えばＣ（カ-ボン）などの不純物を凝集抑制材料としてＡｌ膜中に残留させるＣＶＤ条件で、第１Ａｌ膜を形成しても良い。
【０１５５】
また、第１Ａｌ膜７を形成した後、第１Ａｌ膜７にＮｂイオンを注入することによっても、Ｎｂ１３が分散した第１Ａｌ膜７を形成することができる。
【０１５６】
また、本実施形態では、凝集抑制膜の構成材料としてＮｂを用いる場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、Ａｌ膜の凝集を抑制するためにはＡｌ原子の表面、粒界および界面の拡散を抑制できれば良く、例えばＴａ，Ｔｉ，Ｗ，ＣなどのＡｌ原子の拡散を抑制できる材料を用いれば良い。
【０１５７】
また、第１の実施形態で説明した第１Ａｌ膜７の形成後に酸素を導入する方法と本実施形態の方法を併用すれば、その相乗効果により、さらにＡｌの充填能力を高めることができる。
【０１５８】
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、図１と対応する部分には図１と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０１５９】
まず、図１３（ａ）に示すように、図示しない素子が形成されたＳｉ基板１上に、第１層間絶縁膜２、第１配線３、第２層間絶縁膜４、接続孔５、Ｎｂライナー膜６を形成する。Ｎｂライナー膜６の膜厚は１５ｎｍであり、第１の実施形態と同様にＬＴＳにより形成する。
【０１６０】
次に図１３（ｂ）に示すように、接続孔５の内面を被覆するように、厚さ４００ｎｍの不純物を含まない第１Ａｌ膜（純Ａｌ膜）７’をＬＴＳにより形成する。
【０１６１】
次に図１３（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１を加熱しながら第２Ａｌ膜を形成することによって、接続孔５内を第１および第２Ａｌ膜９で充填する。
【０１６２】
ここでは、第２Ａｌ膜として１ｗｔ％のＣｕを含むＡｌ合金膜を用いる。したがって、第１および第２Ａｌ膜９は純Ａｌ膜とＡｌ合金膜との混合膜となる。また、Ｎｂライナー膜６と第１Ａｌ膜との界面にはＡｌＮｂ合金膜１０が形成される。
【０１６３】
最後に、図１３（ｄ）に示すように、接続孔５の外部の余剰な第１および第２Ａｌ膜９、ＡｌＮｂ合金膜１０およびＮｂライナー膜６をＣＭＰにより除去することによって、第２配線９が完成する。
【０１６４】
本実施形態では、第１Ａｌ膜７として不純物の含まない純Ａｌ膜を用いた。薄膜の凝集挙動は、その材料の融点と深く関わり、融点の低い材料ほど凝集の起こる温度が低くなる。
【０１６５】
そのため、Ｃｕのような不純物を含むＡｌ合金膜は、純Ａｌ膜と比較して、その融点が低下する。したがって、第１Ａｌ膜７の凝集を抑制するためには、Ｃｕのような不純物を含むＡｌ合金膜ではなく、添加物の含まない純Ａｌ膜を用いることが望ましい。
【０１６６】
一方、Ｃｕなどの不純物を含むＡｌ膜は融点が低下して流動性が高まる。したがって、加熱スパッタによって流動させながら形成する第２Ａｌ膜には、Ｃｕのような融点を低下させる、すなわち流動性を向上させる添加物を含むＡｌ膜を用いることが望ましい。
【０１６７】
さらに、Ａｌ膜中のＣｕはリフロー後の降温過程にＡｌ結晶粒界に析出する。ＥＭによるＡｌ原子の移動は拡散係数の小さい結晶粒界や表面に沿って起こり易い。そのため、Ａｌ膜中にＣｕを添加することで、ＥＭ耐性を向上させることができる。
【０１６８】
したがって、本実施形態の第１および第２Ａｌ膜を用いれば、凝集抑制材料を用いなくても、第１Ａｌ膜７に純Ａｌ膜を用い、第２Ａｌ膜にＣｕを添加したＡｌ膜を用いれば、Ａｌの凝集を抑制できる。また、加熱スパッタ中に第１Ａｌ膜中にもＣｕが拡散し、最終的には第１および第２Ａｌ膜９の全体にＣｕが添加されることになる。その結果、接続孔５をＡｌで充填することができ、かつＥＭ耐性も確保することもできる。
【０１６９】
また、第２Ａｌ膜を形成する際に用いるスパッタタ-ゲットに所望量のＣｕを添加することにより、Ａｌ中のＣｕの添加量は、第１Ａｌ膜７と第２Ａｌ膜との膜厚比率によって自由に制御できる。
【０１７０】
また、第１の実施形態で説明した第１Ａｌ膜７の形成後に酸素を導入する方法と本実施形態の方法を併用すれば、その相乗効果により、さらに充填能力を高めることができる。
【０１７１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、上記実施形態では、ライナー膜としてＮｂ膜を用いた場合について説明したが、ＮｂＮ膜、ＮｂＮ膜、ＴｉＮ膜、Ｎｂ膜、Ｔｉ膜、Ｎｂ膜とその上に形成されたＮｂＮ膜からなるＮｂ／ＮｂＮ膜、あるいはＴｉ膜とその上に形成されたＴｉＮ膜からなるＴｉ／ＴｉＮ膜を用いても良い。また、本発明は、ダマシン配線以外にもコンタクトプラグにも適用できる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【０１７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第１の導電膜にその凝集を抑制する凝集抑制材料が含まれた状態で、第１および第２の導電膜をリフローすることで、第１および第２導電膜の凝集を効果的に抑制でき、これによりアスペクト比の高い凹部の内部が配線層で埋め込まれてなる配線構造を有する半導体装置を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【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示す工程断面図
【図２】第１Ａｌ膜を形成した後、酸素を導入する場合および導入しない場合のそれぞれの場合について、接続孔が第１および第２Ａｌ膜で充填されるまでの過程を示す図
【図３】酸素を導入しない場合と酸素を導入した場合のそれぞれの場合についてのＡｌの凝集過程を示す図
【図４】酸素の導入量を容易に適切に調整することのできる酸素導入機構の模式図
【図５】第１Ａｌ膜の形成後、図４の酸素導入機構の圧力調整弁により平衡状態での酸素圧力が５．０×１０-4になるように調整して酸素を導入した場合の酸素圧力の時間変化を示す図
【図６】配線幅方向に配線を横切る粒界、および配線長方向に配線を横切る粒界を示す図
【図７】三重点のある配線のＥＭによるボイド発生モデルを示す図
【図８】配線溝内のＡｌ結晶粒の成長過程を示す図
【図９】第１Ａｌ膜を厚く形成した場合に、開口面が第１Ａｌ膜で塞がる過程を示す図
【図１０】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示す工程断面図
【図１１】第２の実施形態の変形例を示す断面図
【図１２】第２の実施形態の他の変形例を示す断面図
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図１４】従来のダマシン配線の問題点および本発明による同問題点の解決方法を説明するための断面図
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板
２…第１層間絶縁膜
３…第１配線
４…第２層間絶縁膜
５…接続孔
５ａ…接続孔
５ｂ…配線溝
６…Ｎｂライナー膜
７，７’…第１Ａｌ膜
８…酸素
９…第２配線（第１および第２Ａｌ膜）
１０…ＡｌＮｂ合金膜
１１…グレイン
１２…Ｎｂ膜（凝集抑制材料）
１２’…Ｎｂ膜またはＮｂＡｌ合金膜
１３…Ｎｂ（凝集抑制材料）
１４…Ｎｂライナー膜
１５…Ａｌダマシン配線
１６…Ａｌ3 Ｎｂ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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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