(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線接続孔と合わせ精度測定マークとを設けた半導体装置の配線接続孔をアルミニウム材料をスパッタリングにより堆積させて充填させる半導体装置の製造方法において、まず、３００℃未満で前記アルミニウム材料を堆積させる低温スパッタ工程と、続いて３００℃以上５００℃以下の温度で前記アルミニウム材料を堆積させる高温スパッタ工程とを有し、前記アルミニウム材料はアルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金であり、前記３００℃未満で堆積させる前記アルミニウム材料の厚膜Ａと、前記３００℃以上５００℃以下の温度で堆積させる前記アルミニウム材料の厚膜ＢがＡ＞Ｂであり、前記３００℃以上５００℃以下の温度で堆積させる前記アルミニウム材料の堆積速度を前記合わせ精度測定マークの形状を損なわない２００ｎｍ／分以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記堆積速度が４０ｎｍ／分以上１００ｎｍ／分以下であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記低温スパッタを室温から１００℃の温度で行うことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記高温スパッタを３５０℃以上４００℃以下の温度で行うことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記アルミニウム材料がアルミニウムであることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記アルミニウム材料がアルミニウム合金であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記アルミニウム合金がアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％であることを特徴とする請求の範囲第６項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
下地層を形成してからアルミニウム材料層を形成することを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記下地層がチタン膜、窒化チタン膜、チタン−タングステン合金膜、窒化タングステン膜から選ばれることを特徴とする請求の範囲第８項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記下地層がチタン膜、窒化チタン膜およびチタン膜の積層体からなることを特徴とする請求の範囲第８項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記配線接続孔の一部にタングステンが埋設されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１０項のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にアルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金（以下、「アルミニウム材料」という）の配線の形成方法に関する。
背景技術
一般に、半導体装置の配線形成の方法として、アルミニウム材料を３００℃以下で堆積させるスパッタリング（低温スパッタ）法が用いられている。近年、半導体装置の微細化が進むにつれて、配線接続孔内に十分なアルミニウム材料が充填されず断線する事故が発生することがあった。
このような問題点を解決する手段としては、室温程度に半導体装置を保持してアルミニウム材料をスパッタリングによって堆積させた後、続いて５００℃以上に加熱するリフロー法と、４００℃以上に半導体装置を保持してアルミニウム材料をスパッタリングによって堆積させる高温スパッタリング法が知られており、微細な配線接続孔あるいは配線溝にアルミニウム材料を充填できることが知られている。
従来のリフロー法と高温スパッタリング法には、それぞれ、問題がある。まず、リフロー法は、配線接続孔あるいは配線溝を充填させるのに必要なアルミニウム材料を１００℃以下で堆積させた後、堆積を停止した状態で５００℃以上に加熱し、半導体装置上に停止した状態で５００℃以上に加熱することで、半導体装置上に堆積させたアルミニウム材料を再溶融によって移動させて配線接続孔あるいは配線溝を充填するものである。しかし、この方法は、下層にアルミニウム材料からなる配線が埋設されていた場合、５００℃以上の加熱によってこの配線が塑性変形をきたして故障に至る危険性がある。
一方、高温スパッタリング法は、あらかじめアルミニウム材料を１００℃以下のスパッタリング（低温スパッタ）によって堆積させる低温スパッタアルミ層を形成した後、続いてアルミニウム材料を４００℃以上でスパッタリング（高温スパッタ）によって堆積させて配線接続孔あるいは配線溝を充填するものである。しかし、４００℃以上でスパッタリング（高温スパッタ）する際に配線接続孔を充填させるために、高温スパッタの膜厚（Ｂ）は低温スパッタの膜厚（Ａ）より大きかった。
ところが、上記の条件では、高温スパッタ時の熱処理によって合わせ精度測定マークの形状を崩してしまう場合があった。
合わせ精度測定マークとは、各フォトリソグラフィー工程で用いたパターンの合わせ精度を測定するためのマーク（形状）であり、アルミニウム材料で配線を形成する際に、配線接続孔（あるいは配線溝）を充填させるときに、同時に合わせ精度測定マークにもアルミニウム材料が堆積される。このとき、上記の場合に高温スパッタの熱処理によって形状が崩れるために、合わせ精度が正確に把握できない問題が生じる。
逆に、Ａ＞Ｂでは高温スパッタ時の熱処理が不十分で微細な配線接続孔の充填が完全とならず空隙が発生し信頼性上も問題があった。
また、プラグを設けることにより接続孔の深さを浅くした場合でも、接続孔が２段重ねにしたスタックド構造等では、凹みが生じやすいという問題があり、このような凹みを生じないように高温条件または高温スパッタを行うと、上述の場合と同様に合わせ精度測定マークの形状が崩れ、合わせ精度が正確に把握できなくなる。
発明の開示
本発明の目的は、合わせ精度測定マークの形状を損なうことなく微細な配線接続孔あるいは配線溝をアルミニウム材料で埋め込み充填できる高温スパッタリングに関する半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記問題を解決するために高温スパッタリングの最適な条件を見出し本発明に到達した。
すなわち、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金（アルミニウム材料）をスパッタリングにより堆積させて配線接続孔を充填させる半導体装置の製造方法において、まず、３００℃未満でアルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金を堆積させる工程と、続いて３００℃以上でアルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金を堆積させる工程とを有し、前記３００℃未満で堆積させるアルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金の厚膜Ａと、前記３００℃以上で堆積させるアルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金の厚膜ＢがＡ＞Ｂであり、前記３００℃以上で堆積させるアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金の堆積速度を合わせ位置測定マークの形状を損なわない速度、好ましくは２００ｎｍ／分以下、にすることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
ここで、前記３００℃以上で堆積させるアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金の堆積速度が２００ｎｍ／分以下であるのが好ましい。
前記堆積速度が４０ｎｍ／分以上１００ｎｍ／分以下であるのがさらに好ましい。
前記低温スパッタを室温から１００℃の温度で行ってもよい。
前記高温スパッタを３００℃以上５００℃以下の温度で行ってもよい。
前記高温スパッタを３５０℃以上４００℃以下の温度で行ってもよい。
前記アルミニウム材料がアルミニウムであってもよい。
前記アルミニウム材料がアルミニウム合金であってもよい。
前記アルミニウム合金がアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％であってもよい。
下地層を形成してからアルミニウム材料層を形成してもよい。
前記下地層がチタン膜、窒化チタン膜、チタン−タングステン合金膜、窒化タングステン膜から選ばれてもよい。
前記下地層がチタン膜、窒化チタン膜およびチタン膜の積層体からなっていてもよい。
前記配線接続孔の一部にタングステンが埋設されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の製造方法に従いアルミニウム材料を形成する前の状態の半導体装置を示す断面図である。
図２は、本発明の製造方法に従いアルミニウム材料を形成した半導体装置の配線接続孔と合わせ精度測定マークの断面構造を示す断面図である。
図３は、本発明の製造方法に従いアルミニウム材料を形成した半導体装置の配線接続孔と合わせ精度測定マークの断面構造を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の半導体装置の製造方法について詳細に説明する。
本発明においては、まず３００℃未満でアルミニウム材料（アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金）を堆積させる工程（低温スパッタ）と、続いて３００℃以上でアルミニウム材料を堆積させる工程（高温スパッタ）とからなり、低温スパッタは室温から３００℃未満で、特に室温から１００℃の温度範囲で行うのが好ましい。高温スパッタは３００℃以上５００℃以下で、特に３５０℃以上４００℃以下の温度範囲で行うのが好ましい。
低温スパッタ、高温スパッタはともに通常用いられているＤＣスパッタ等を使用することができるが、特定のスパッタ方式に限定されない。また、アルミニウム材料をスパッタする前に下地層を事前に形成してもかまわない。
下地層としては、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン−タングステン合金（ＴｉＷ）、窒化タングステン（ＷＮ）等を用いることができる。
アルミニウム材料として用いるアルミニウム合金としては通常配線に用いられるアルミニウム合金が使用でき、特定のものに限定されない。そのような合金としては、例えば、通常のアルミニウム−シリコン−銅合金のシリコンをゲルマニウムあるいは錫に置換した合金（Ａｌ−Ｇe−Ｃu、Ａｌ−Ｓｎ−Ｃu）、またはシリコンを削除した合金（Ａｌ−Ｃu）も用いることができる。
本発明の低温スパッタの膜厚Ａと高温スパッタの膜厚Ｂとの関係がＡ＞Ｂであることは、低温スパッタと高温スパッタの堆積速度が等しければ、低温スパッタの時間が高温スパッタの時間よりも長く、高温スパッタの熱処理の影響が少なくて済むことを意味する。つまり、高温スパッタ時に合わせ精度測定マークの形状が損なわれないことを意味する。
しかし、Ａ＞Ｂの条件では高温スパッタの熱処理が不十分で配線接続孔が完全に充填されず空隙を生じる場合がある。
そこで、Ａ＞Ｂの条件に加えて、高温スパッタの体積速度を従来の生産性を上げるための高速な堆積速度から合わせ位置測定マークの形状を損なわない堆積速度に堆積速度を低下させることによって、本発明の目的である配線接続孔の完全な充填と、合わせ精度測定マークの形状維持が達成できる。
つまり、高温スパッタ時に堆積速度を合わせ位置測定マークの形状を損なわない堆積速度、好ましくは２００ｎｍ／分以下、に低下させることによって、被スパッタ材料であるアルミニウム材料が徐々に堆積され、配線接続孔も徐々に充填されるために空隙ができず完全な充填となる。また、凹みを生じたりすることなく、平坦な堆積膜が得られる。堆積速度は、特に４０ｎｍ／分以上、１００ｎｍ／分以下の範囲が好ましい。
（実施例）
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例にかかる半導体装置の製造方法を図１に示す。配線接続孔および合わせ精度測定マークを有する絶縁膜１０ａと、埋設された主としてアルミニウムシリコン１．０重量％−度０．５重量％からなる配線１０ｂとを有する半導体装置について、最初に下地層を形成する。つまり、５０℃に保持した状態でＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１１を堆積させ、続いて窒素とアルゴンを用いた反応性ＤＣスパッタリングにより膜厚５０ｎｍの窒化チタン膜１２を堆積させ、さらにＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１３を堆積させる。以上の状態をアルミニウム材料を形成する前の標準サンプル（図１）として用いる。
この標準サンプルに、まず、追加下地層として、５０℃に保持した状態でＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１３を堆積させる。
次いで、低温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚２６０ｎｍのアルミニウム合金１４をＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は１００℃に、堆積速度は１μｍ／分に制御する。
次に、高温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚２４０ｎｍのアルミニウム合金１５を、ＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は４００℃に、堆積速度は７５ｎｍ／分に制御する。
最後に、５０℃に保持した半導体装置上にＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１６を堆積し、続いて窒素とアルゴンを用いた反応性ＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜１７を堆積させることで、所望の埋設された配線接続孔を有する半導体装置（図２）を得ることができる。
この埋設された配線接続孔を有する半導体装置を評価する方法を説明する。半導体装置にポジ型レジスト１８を塗布し、常法に従って感光および現像処理を行って、配線レジストパターンを作成する。このレジストパターン中にある合わせ精度測定マークと、半導体装置上にすでに形成された合わせ精度測定マークとの相対二次元的な座標精度を光学的に測定した結果、任意のｘｙ方向における合わせ誤差は±０．１８μｍであった。また、半導体装置の配線接続孔を光励起電流測定（ＯＢＩＣ）法により観察した結果、配線接続孔内に空隙のないことを確認した。よって、配線接続孔は完全に充填された信頼性の高い状態で、合わせ誤差も十分小さくなっている。
（実施例２）
さらに、他の実施例を示す。実施例１と同様に、標準サンプル（図１）の上に、まず、追加下地層として、５０℃に保持した状態でＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１３を堆積させる。
次いで、低温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚４００ｎｍのアルミニウム合金１４をＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを持ち、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は１００℃に、堆積速度は１μｍ／分に制御する。
次に、高温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚１００ｎｍのアルミニウム合金１５を、ＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は３００℃に、堆積速度は２５ｎｍ／分に制御する。
最後に、５０℃に保持した半導体装置上にＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１６を堆積し、続いて窒素とアルゴンを用いた反応性ＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜１７を堆積させることで、所望の埋設された配線接続孔を有する半導体装置（図２）を得ることができる。
この埋設された配線接続孔を有する半導体装置を評価する方法を説明する。実施例１と同様に半導体装置にポジ型レジスト１８を塗布し、常法に従って感光および現像処理を行って、配線レジストパターンを作成する。このレジストパターン中にある合わせ精度測定マークと、半導体装置にすでに形成された合わせ精度測定マークとの相対二元的な座標精度を光学的に測定した結果、任意のｘｙ方向における合わせ誤差は±０．１５μｍであった。また、半導体装置の配線接続孔を光励起電流測定（ＯＢＩＣ）法により観察した結果、配線接続孔内に空隙の無いことを確認した。よって、配線接続孔は完全に充填された信頼性の高い状態で、合わせ誤差も十分小さい。
（実施例３）
さらに、他の実施例を示す。まず標準サンプル（図１）の上に、ＣＶＤ法にて膜厚６００ｎｍのタングステン膜を堆積させ、これを全面エッチバックすることでタングステンプラグ１９を得る。続いて、追加下地層として、５０℃に保持した状態でＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１３を堆積させる。
次いで、低温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚４５０ｎｍのアルミニウム合金１４を、ＤＣスパッタリングにより堆積させる。アルミニウム合金の堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は１００℃に、堆積速度は１μｍ／分に制御する。
次に、高温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚５０ｎｍのアルミニウム合金１５を、ＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は３００℃に、堆積速度は２５ｎｍ／分に制御する。
最後に、５０℃に保持した半導体装置上にＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜１６を堆積し、続いて窒素とアルゴンを用いた反応性ＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜１７を堆積させることで、所望の埋設された配線接続孔を有する半導体装置（図３）を得ることができる。
この埋設された配線接続孔を有する半導体装置を評価する方法を説明する。実施例１と同様に半導体装置にポジ型レジスト１８を塗布し、常法に従って感光および現像処理を行って、配線レジストパターンを作成する。このレジストパターン中にある合わせ精度測定マークと、半導体装置にすでに形成された合わせ精度測定マークとの相対二元的な座標精度を光学的に測定した結果、任意のｘｙ方向における合わせ誤差は±０．１０μｍであった。また、半導体装置の配線接続孔を光励起電流測定（ＯＢＩＣ）法により観察した結果、配線接続孔内に空隙の無いことを確認した。よって、配線接続孔は完全に充填された信頼性の高い状態で、合わせ誤差も十分小さい。
また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による表面観察の結果、表面が平坦であることを確認した。
（比較例１）
比較例１は、あらかじめ３００℃未満で堆積される低温スパッタアルミの膜厚Ａと、続いて３００℃以上で堆積される高温スパッタアルミの膜厚Ｂが、Ａ＜Ｂとなる場合のものである。
実施例１および２と同様に、標準サンプルに、まず、低温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚２００ｎｍのアルミニウム合金１４をＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は１００℃に、堆積速度は１μｍ／分に制御する。
次に、高温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚３００ｎｍのアルミニウム合金１５を、ＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は４００℃に、堆積速度は７５ｎｍ／分に制御する。
最後に、５０℃に保持した半導体装置上にＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１６を堆積し、続いて窒素とアルゴンを用いた反応性ＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜１７を堆積させることで、所望の埋設された配線接続孔を有する半導体装置を得ることができる。
この埋設された配線接続孔を有する半導体装置を評価する方法を説明する。実施例１および２と同様に半導体装置にポジ型レジスト１８を塗布し、常法に従って感光および現像処理を行って、配線レジストパターンを作成する。このレジストパターン中にある合わせ精度測定マークと、半導体装置上にすでに形成された合わせ精度測定マークとの相対二次元的な座標精度を光学的に測定した結果、任意のｘｙ方向における合わせ誤差は±０．２７μｍであった。また、半導体装置の配線接続孔を光励起電流測定（ＯＢＩＣ）法により観察した結果、配線接続孔内に空隙のないことを確認した。
以上の結果によりＡ＜Ｂの条件により合わせ誤差が実施例１および２に比較して大きくなっている。
（比較例２）
比較例２は、３００℃以上で堆積させる高温スパッタの堆積速度を２００ｎｍ／分以上の場合のものである。
実施例１および２と同様に、標準サンプル（図１）に、まず、低温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚２６０ｎｍのアルミニウム合金１４をＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は１００℃に、堆積速度は１μｍ／分に制御する。
次に、高温スパッタとしてアルミニウム−シリコン１．０重量％−銅０．５重量％からなる膜厚２４０ｎｍのアルミニウム合金１５を、ＤＣスパッタリングにより堆積させる。このときの堆積条件については、プロセスガスとしてアルゴンを用い、該プロセスガスの圧力は３ｍＴｏｒｒに、堆積温度は４００℃に、堆積速度は４００ｎｍ／分に制御する。
最後に、５０℃に保持した半導体装置上にＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍのチタン膜１６を堆積し、続いて窒素とアルゴンを用いた反応性ＤＣスパッタリングにより膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜１７を堆積させることで、所望の埋設された配線接続孔を有する半導体装置を得ることができる。
この埋設された配線接続孔を有する半導体装置を評価する方法を説明する。実施例１および２と同様に半導体装置にポジ型レジスト１８を塗布し、常法に従って感光および現像処理を行って、配線レジストパターンを作成する。このレジストパターン中にある合わせ精度測定マークと、半導体装置上にすでに形成された合わせ精度測定マークとの相対二次元的な座標精度を光学的に測定した結果、任意のｘｙ方向における合わせ誤差は±０．２０μｍであった。また、半導体装置の配線接続孔を光励起電流測定（ＯＢＩＣ）法により観察した結果、配線接続孔内に空隙の存在することを確認した。
よって、比較例２は高温スパッタの堆積速度が大きいため、配線接続孔が完全に充填されず信頼性の低い状態となっている。
産業上の利用可能性
本発明は、以上の記載のように、低温スパッタの膜厚Ａと高温スパッタの膜厚Ｂとの関係がＡ＞Ｂで、高温スパッタの堆積速度が合わせ精度測定マークの形状を損なわない速度、好ましくは２００ｎｍ／分以下の条件によって、配線接続孔にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を完全に充填させ、合わせ精度測定マークの形状を維持し合わせ誤差を小さくすることができる。従って、本発明の半導体装置の製造方法は、特に種々の半導体装置の配線の形成に有利に適用できる。
【図１】
0004226658.tif 000002
【図２】
0004226658.tif 000003
【図３】
0004226658.tif 000004