(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜対象物に形成された微細孔内に、アルミニウムを主成分とする金属薄膜を充填する配線膜製造方法であって、
スパッタリング雰囲気中に、水素ガス又はヘリウムガスのいずれか一方又は両方の添加ガスを添加し、スパッタリング法によって前記成膜対象物表面にアルミニウムを主成分とする第一の配線薄膜を形成する第一のスパッタ工程と、
前記成膜対象物を加熱し、前記第一の配線薄膜から前記添加ガスを放出させながら、スパッタリング法によって、前記第一の配線薄膜表面にアルミニウムを主成分とする第二の配線薄膜を形成し、前記第一、第二の配線薄膜を前記微細孔内に流入させる第二のスパッタ工程とを有する配線薄膜製造方法。
【請求項２】
前記第一のスパッタ工程は、前記成膜対象物を２０℃以上２００℃以下の温度範囲に維持する請求項１記載の配線薄膜製造方法。
【請求項３】
前記第二のスパッタ工程では、前記成膜対象物を３５０℃以上の温度に加熱する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の配線薄膜製造方法。
【請求項４】
前記第二のスパッタ工程では、前記成膜対象物を４２０℃以下の温度に維持する請求項３記載の配線薄膜製造方法。
【請求項５】
成膜対象物に形成された微細孔内に、アルミニウムを主成分とする金属薄膜を充填する配線膜製造方法であって、
スパッタリング雰囲気中に、水素ガス又はヘリウムガスのいずれか一方又は両方の添加ガスを添加し、スパッタリング法によって前記成膜対象物表面にアルミニウムを主成分とする第一の配線薄膜を形成する第一のスパッタ工程と、
前記第一の配線薄膜を４２０℃以上の温度に加熱し、前記第一の配線薄膜から前記添加ガスを放出させ、流動化された前記第一の配線薄膜を前記微細孔内に流入させる配線膜製造方法。
【請求項６】
前記第一のスパッタ工程は、前記成膜対象物を２０℃以上２００℃以下の温度範囲に維持する請求項５記載の配線薄膜製造方法。
【請求項７】
前記第一の配線薄膜を形成する際、真空槽内に配置された基板ホルダ上に前記成膜対象物を静電吸着し、スパッタリング粒子の入射によって生じた熱を、前記基板ホルダを介して前記真空槽に伝達させる請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の配線膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線薄膜を形成する技術分野にかかり、特に、微細孔内を配線薄膜で充填する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、半導体装置の高集積化が進んでおり、絶縁性薄膜に形成されたコンタクトホールやビアホール等の孔や溝の微細化が進んでいる。そのような半導体装置内の素子間は、微細孔内を配線薄膜で充填することで、電気的に接続する必要がある。
【０００３】
そこで従来技術でも、スパッタリング法による、配線薄膜の二段階形成方法が採用されており、室温で形成した１層目の配線薄膜表面に、スパッタリング法によって２層目の配線薄膜を形成する際に、結晶粒を成長させ、それによって配線薄膜を流動化させ、微細孔内を配線薄膜材料で充填している。
【０００４】
その二段階形成方法の工程を図４(ａ)〜(ｄ)を用いて説明すると、先ず、図４(ａ)の符号１１０1で示す基板を用意する。
【０００５】
この基板１１０1は、シリコン単結晶層１１１と、該シリコン単結晶層１１１上に形成されたシリコン酸化膜１１２とを有しており、シリコン酸化膜１１２には、高アスペクト比の微細孔１１３が形成されている。
【０００６】
微細孔１１３底面のシリコン基板１１１表面や、シリコン酸化膜１１２表面は、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ構造のバリア膜１２１で覆われており、その状態の基板１１０1を、１層目の配線薄膜を形成するスパッタリング装置内に搬入し、スパッタリングを開始する。
【０００７】
基板は加熱せず、所定時間のスパッタリングを行うと、バリア膜１２１表面に、１層目の配線薄膜１２３(アルミニウム薄膜)が形成された基板１１０2が得られる(図４(ｂ))。
【０００８】
このとき、１層目の配線薄膜１２３を厚く形成してしまうと、図５に示すように、微細孔１１３の開口端部周辺に配線薄膜材料が多く堆積し、オーバーハング１３１が形成されてしまう。
【０００９】
オーバーハング１３１が互いに接触するまで成長すると、微細孔１２３内が充填される前に開口端部が閉塞し、その結果、微細孔１１３内部にボイド１３２が形成されてしまう。このようなボイド１３２は、熱処理を行っても除去することができず、接続不良の原因となる。
従って、１層目の配線薄膜１２３は、最終的に得たい配線薄膜の膜厚の１／２程度の膜厚に形成する。
【００１０】
次に、基板１１０2を１層目の配線薄膜１２３を形成したスパッタ室から搬出し、２層目の配線薄膜を形成するスパッタ室内に搬入する。
その基板１１０2は、スパッタ室内に設けられたホットプレート上に載置し、加熱する。基板１１０2が４５０℃に達したところでスパッタリングを開始すると、１層目の配線薄膜１２３表面に２層目の配線薄膜１２４が成長する(図４(ｃ))。
【００１１】
一般に、室温等の低温の状態でスパッタリングによって形成された配線薄膜は、結晶粒が小さいため、基板温度を５３０℃以上にすると粒径が成長し、そのとき、流動化が発生する。
【００１２】
他方、低温で形成した１層目の配線薄膜１２３上に、スパッタリング法によって２層目の配線薄膜１２４を形成する場合には、２層目の配線薄膜１２４を基板温度４５０℃以上で形成すると、１層目の配線薄膜１２３の粒径が成長し、それに伴い、１、２層目の配線薄膜１２３、１２４が流動化することが知られている。
【００１３】
４５０℃と、低温で流動化する理由は、１層目の配線薄膜１２３が、その表面に入射するスパッタリング粒子からエネルギーを受け取ることや、１層目の配線薄膜１２３がバリア膜１２１中のＴｉ原子と反応する等の様々な原因が推測されている。
【００１４】
いずれにしろ、図４(ｃ)に示すように、２層目の配線薄膜１２４が成長中の基板１１０3では、下層の１層目の配線薄膜１２３が流動化する結果、１、２層目の配線薄膜１２３、１２４が微細孔１１３内に流れ込み、微細孔１１３内が充填される。
【００１５】
２層目の配線薄膜１２４が所定膜厚に形成されたところで、スパッタリングを終了すると、平坦な配線薄膜１２５が表面に形成された基板１１０4を得ることができる(図４(ｄ))。
【００１６】
このように、低温で１層目の配線薄膜１２３を形成し、また、２層目の配線薄膜１２４を加熱しながら形成すると配線薄膜１２３、１２４を流動化させられるようになっている。
【００１７】
しかし、１、２層目の配線薄膜１２３、１２４は微細孔内にゆっくり流れ込むため、２層目の配線薄膜１２４の成膜速度を早くすると、微細孔１１３開口端部にオーバーハングが形成されてしまい、得られる配線薄膜１２５内にボイド１３２が発生する場合がある。
【００１８】
他方、成膜速度を遅くすると、生産性が低下するばかりでなく、低電力でのスパッタリングの制御性が困難であるため、プラズマの状態が不安定になったり、成膜速度が安定しないという問題がある。
【００１９】
また、成膜処理温度が高く、取り扱いが難しい耐熱性のない低誘電率層間絶縁膜を形成する場合、低温化したいという要求もある。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、配線薄膜を流動させ、微細孔内を確実に充填できる技術を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、成膜対象物に形成された微細孔内に、アルミニウムを主成分とする金属薄膜を充填する配線膜製造方法であって、スパッタリング雰囲気中に、水素ガス又はヘリウムガスのいずれか一方又は両方の添加ガスを添加し、スパッタリング法によって前記成膜対象物表面にアルミニウムを主成分とする第一の配線薄膜を形成する第一のスパッタ工程と、前記成膜対象物を加熱し、前記第一の配線薄膜から前記添加ガスを放出させながら、スパッタリング法によって、前記第一の配線薄膜表面にアルミニウムを主成分とする第二の配線薄膜を形成し、前記第一、第二の配線薄膜を前記微細孔内に流入させる第二のスパッタ工程とを有する配線薄膜製造方法である。
【００２２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の配線薄膜製造方法であって、前記第一のスパッタ工程は、前記成膜対象物を２０℃以上２００℃以下の温度範囲に維持する配線薄膜製造方法である。
【００２３】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の配線薄膜製造方法であって、前記第二のスパッタ工程では、前記成膜対象物を３５０℃以上の温度に加熱する配線薄膜製造方法である。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の配線薄膜製造方法であって、前記第二のスパッタ工程では、前記成膜対象物を４２０℃以下の温度に維持する配線薄膜製造方法である。
【００２５】
請求項５記載の発明は、成膜対象物に形成された微細孔内に、アルミニウムを主成分とする金属薄膜を充填する配線膜製造方法であって、スパッタリング雰囲気中に、水素ガス又はヘリウムガスのいずれか一方又は両方の添加ガスを添加し、スパッタリング法によって前記成膜対象物表面にアルミニウムを主成分とする第一の配線薄膜を形成する第一のスパッタ工程と、前記第一の配線薄膜を４２０℃以上の温度に加熱し、前記第一の配線薄膜から前記添加ガスを放出させ、流動化された前記第一の配線薄膜を前記微細孔内に流入させる配線膜製造方法である。
【００２６】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の配線薄膜製造方法であって、前記第一のスパッタ工程は、前記成膜対象物を２０℃以上２００℃以下の温度範囲に維持する配線薄膜製造方法である。
請求項７記載の発明は、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の配線膜製造方法であって、前記第一の配線薄膜を形成する際、真空槽内に配置された基板ホルダ上に前記成膜対象物を静電吸着し、スパッタリング粒子の入射によって生じた熱を、前記基板ホルダを介して前記真空槽に伝達させる配線膜製造方法である。
【００２７】
本発明の配線薄膜製造方法は、上述したように構成されており、成膜対象物を室温等の低温にし、スパッタリング法によって表面に導電性の配線薄膜を形成する際に、スパッタリング雰囲気中に、水素ガス又はヘリウムガスのいずれか一方又は両方のガスを添加しており、それにより、形成される配線薄膜内中に、添加ガスを含有させている。
【００２８】
一般に、低温で形成した配線薄膜は結晶粒が小さいので、形成後、熱処理を行ったり、スパッタリング法によって配線薄膜積層させると結晶粒が成長し、その際、配線薄膜が流動化する。
【００２９】
本発明では、配線薄膜が添加ガスを含有しており、その配線薄膜を熱処理すると添加ガスが放出され、その際、薄膜構造の再配置が行われ、配線薄膜の流動化が促進される。
【００３０】
添加ガスの放出状況を説明する。スパッタリング雰囲気中に水素ガスを添加し、成膜対象物を加熱せず、室温を維持した状態で配線薄膜を形成した後、ホットプレート上に載置し、５００℃に加熱した。熱処理中はガス導入せず、質量分析器によって熱処理室６内の雰囲気を観察した。
【００３１】
ｍ／ｅ＝２のガス成分(Ｈ2ガスイオン)の圧力変化を図３のグラフに示す。初期状態では水素ガス圧力(分圧)は１０-6Torrであるが、加熱時間が経過し、配線薄膜２３の温度が上昇すると水素圧力も上昇し、２０秒の時点でピークの１０-5Torrに達している。
【００３２】
このように、添加ガスを含有する配線薄膜を熱処理すると添加ガスが放出され、その際、配線薄膜が流動する。
【００３３】
一般に、低温で形成した配線薄膜を加熱することで流動化させる場合、加熱温度は５３０℃以上の高温にする必要があるが、本発明の配線薄膜は添加ガスが含有され、流動化が促進されているので、４２０℃程度の低温の熱処理で流動するようになっている。
【００３４】
他方、スパッタリング法によって配線薄膜を積層させ、流動化させる場合には、１層目の配線薄膜を室温(例えば２０℃)から２００℃以下の温度範囲にて低温形成し、２層目の配線薄膜を加熱しながら形成する。この場合、１層目の配線薄膜が入射するスパッタリング粒子によってエネルギーを受けるため、２層目の配線薄膜を形成する際の温度は、熱処理により流動化させる際の温度よりも低温の、４５０℃程度の温度で済む。
【００３５】
本発明では、低温形成された１層目の配線薄膜が添加ガスを含有するため、その表面にスパッタリング法によって２層目の配線薄膜を堆積させる場合、更に低温の３５０℃に加熱するだけで流動化し、１、２層目の配線薄膜を微細孔内に流し込むことができる。
この場合、流動速度も早くなっているため、２層目の配線薄膜の成膜速度を大きくしても、微細孔開口端部にオーバーハングが発生しにくくなっている。
【００３６】
添加ガスを含有する１層目の配線薄膜と、その表面に堆積させる２層目の配線薄膜は、導電性物質であれば、同じ物質であってもよいし、異なる物質であってもよい。一般的にはアルミニウムを主成分とする金属薄膜が多用されている。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の配線薄膜製造方法を図面を用いて説明する。
図２の符号２は、本発明方法に用いられる薄膜形成装置の一例であり、搬送室３０を中心とし、周囲に搬出入室３１、Ｔｉ薄膜形成室３２、第１配線薄膜形成室４、第２配線薄膜形成室５、熱処理室６、ＴｉＮ薄膜形成室３３が配置されている。
【００３８】
各室４〜６、３１〜３３は、搬送室３０と気密に接続され、真空雰囲気を独立に維持できるようにされており、また、搬送室３０内に配置された基板搬送ロボット３８によって、各室４〜６、３１〜３３間で、基板の搬出入を自在に行えるようになっている。
【００３９】
この薄膜形成装置２を用い、成膜対象物である基板の表面に配線薄膜を形成する場合、先ず、基板を搬出入室３１内に装着し、内部を真空雰囲気にした後、基板搬送ロボット３８によって取り出す。その基板は、Ｔｉ薄膜形成室３２及びＴｉＮ薄膜形成室３３内で、スパッタリング法によってＴｉ薄膜とＴｉＮ薄膜を形成し、基板表面にＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ構造のバリア膜を形成する。
【００４０】
図１(ａ)の符号１０1はその状態の基板を示しており、シリコン単結晶層１１上に形成されたシリコン酸化膜２１表面と、そのシリコン酸化膜２１に形成された微細孔１３底面上に、バリア膜２１が形成されている。特に、微細孔１３底面にあるシリコン単結晶層１１表面がバリア膜２１で覆われており、シリコン単結晶層１１と配線薄膜とが直接接触しないようになっている。
【００４１】
基板搬送ロボット３８により、バリア膜２１が形成された基板１０1を第１配線薄膜形成室４内に搬入し、第１配線薄膜形成室４と搬送室３０との間を遮蔽し、高真空雰囲気にした後、水素ガスが添加されたアルゴンガスをスパッタリングガスとして導入し、アルミニウム合金ターゲットのスパッタリングを開始した。
【００４２】
スパッタリング雰囲気の圧力は０．０４Ｐａ、スパッタリングガス中の水素ガス濃度は５％であり、基板加熱は行わなかった。むしろ、基板は基板ホルダに静電吸着させ、スパッタリング粒子の入射によって発生した熱を基板ホルダを介して真空槽側に放熱させ、基板が温度上昇しないようにした。真空槽側は水冷しておいた。
【００４３】
所定時間のスパッタリングを行い、バリア膜２１表面に、膜厚４０００Åの配線薄膜２３が形成されたところでスパッタリングを終了した。この配線薄膜２３の組成はＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕである。配線薄膜２３が形成された状態の基板１０2では、微細孔１３内は配線薄膜２３で充填されていない(図１(ｂ))。
【００４４】
次に、その基板１０2を、第１配線薄膜形成室４から熱処理室６に搬送し、熱処理室６内に設けられたホットプレート上に載置した。ホットプレートは予め所定温度に昇温されており、基板１０2をホットプレート表面に静電吸着させ、基板１０2を４２０℃に加熱したところ、配線薄膜２３から水素ガスが放出された。
【００４５】
配線薄膜２３に含有される水素ガスが熱処理室６内に放出されている状態を、図１(ｃ)の符号２８で模式的に示す。水素ガスが放出されると結晶中に空孔が生じ、配線薄膜２３の結晶構造の再配置が行われる結果、配線薄膜２３の流動化が促進される、微細孔１３内に配線薄膜２３が流れ込んだ。
【００４６】
所定時間の熱処理が終了した後、基板１０4を搬出入室３１内に搬送し、外部に取り出したところ、表面が平坦化された配線薄膜２５が観察された(図１(ｄ))。微細孔１３内は、その配線薄膜２５によって充填されており、ボイドの発生は観察されなかった。
【００４７】
以上は、配線薄膜を形成する際のスパッタリング雰囲気内に水素ガスを添加した場合を説明したが、水素ガスではなく、ヘリウムガス等の質量の小さいガスであれば配線薄膜の流動化を促進させることができる。
【００４８】
また、バリア膜２１表面に、第１配線薄膜形成室４内で上記と同じスパッタリング条件で１層目の配線薄膜を形成し、第２配線薄膜形成室５内で、その１層目の配線薄膜表面に、スパッタリング法で２層目の配線薄膜を形成しても、１層目の配線薄膜から添加ガスが放出され、微細孔内を１、２層目の配線薄膜で充填することができる。
【００４９】
２層目の配線薄膜を形成する際の基板温度は３５０℃以上であればよい。この場合は、熱処理室６での熱処理を行わずに済む。
【００５０】
最終的に必要な配線薄膜２５の膜厚が５０００Å〜７０００Åである場合、１層目の配線薄膜の膜厚は３０００Å〜５０００Å、２層目の配線薄膜は膜厚２０００Å程度に形成するとよい。
【００５１】
【発明の効果】
低温で微細孔内を充填できる。
２層目の配線薄膜の成膜速度を早くできるので、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)〜(ｄ)：本発明の配線薄膜製造方法の工程の一例を説明するための図
【図２】本発明に用いることができる薄膜形成装置の一例
【図３】水素ガス放出の様子を説明するためのグラフ
【図４】(ａ)〜(ｄ)：従来技術の配線薄膜製造方法の工程を説明するための図
【図５】オーバーハングの状態を説明するための図
【符号の説明】
１０1〜１０4……成膜対象物    ２３、２５……配線薄膜
【図１】
0003916305.tif 000002
【図２】
0003916305.tif 000003
【図３】
0003916305.tif 000004
【図４】
0003916305.tif 000005
【図５】
0003916305.tif 000006