(57)【要約】      （修正有）【課題】ドライエッチングによるアルミニウム配線形成後、反応生成物を除去することにより、エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレーションの少ない、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板１１上に、絶縁膜１２を介してアルミニウム膜１７を形成する。アルミニウム膜をマスク材１８を用いてドライエッチングし、アルミニウム配線１５を形成する。マスク材を除去した後、アルミニウム配線の少なくとも側壁に形成された反応生成物１９にＡｒをイオン注入し、反応生成物に欠陥を発生させる。ウェットエッチングによりアルミニウム配線の表層をエッチングし、反応生成物を浮き上がらせて剥離する。【選択図】図２
2009087985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたアルミニウム膜に、マスク材を用いて異法性エッチング処理を施し、アルミニウム配線を形成する工程と、
前記マスク材を除去した後、前記アルミニウム配線の少なくとも側壁に形成された反応生成物に、アルミニウムと反応しない元素をイオン注入する工程と、
前記元素を注入した後、前記アルミニウム配線に後処理を施し、前記反応生成物を除去する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記反応生成物は、酸化アルミニウムを含有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】
前記元素は、不活性元素であるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎ、または窒素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４】
前記後処理は、アルミニウムのエッチャントにより、前記アルミニウム配線の少なくとも側壁をウェットエッチング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５】
前記後処理を施した後に、前記アルミニウム配線に熱処理を施す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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置、特にシリコンＬＳＩの配線には、アルミニウム（Ａｌ）が広く用いられている。これは、Ａｌがシリコン基板となじみが良いこと、加工しやすいこと、下地との密着性が良いことなどのためである。
【０００３】
然しながら、半導体素子の微細化に応じてアルミニウム配線を微細化していくと、ストレスマイグレーションおよびエレクトロマイグレーションにより、アルミニウム配線が断線しやすくなるという問題化ある。
【０００４】
ストレスマイグレーションは、アルミニウム配線が、温度変化により膨張または収縮することに起因している。  
エレクトロマイグレーションは、アルミニウム配線に一定方向に電流を流し続けると、正電荷を持つアルミニウムイオンが、両端の電位差により電子とは逆方向に移動することに起因している。
【０００５】
従来、アルミニウム配線を異方性エッチングにより形成した後に、アルミニウム配線の側壁などに形成された副生成物は、ウェットエッチングにより除去されていたが、副生成物を完全に除去しきれずに、信頼性に支障をきたすという問題があった。
【０００６】
これに対して、ウェットエッチングによらないで副生成物を除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
特許文献１に開示された導電コンポーネントの形成方法は、チタン、アルミ-銅合金及び窒化チタンのうちの少なくとも１種を含む導電材料の表面に該導電コンポーネントの形状のフォトレジストマスキング層を形成するステップと、前記導電材料を異方性エッチング処理して、少なくとも１つの側壁を有する導電コンポーネントを形成し、前記異方性エッチング処理中に、該導電コンポーネントの側壁に有機材料からなるエッチングブロック層が形成され、該フォトレジストマスキング層の側壁と上部に該エッチングブロック層の延長部が形成されるステップと、前記異方性エッチング処理後、フォトレジストマスキング層を取り除いて、該導電コンポーネントの上部に該延長部を残すステップと、該エッチングブロック層と該延長部との全体をフッ素含有化合物と不活性元素とから成るエッチャントで取り除くステップとを具備している。
【０００８】
然しながら、特許文献１に開示された方法は、有機材料からなる副生成物を除去するものなので、無機材料からなる副生成物を除去するのが難しいという問題がある。
【特許文献１】特許第３６３７５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、信頼性の高いアルミニウム配線を有する半導体装置の製造方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】
【００１０】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたアルミニウム膜に、マスク材を用いて異法性エッチング処理を施し、アルミニウム配線を形成する工程と、前記マスク材を除去した後、前記アルミニウム配線の少なくとも側壁に形成された反応生成物に、アルミニウムと反応しない元素をイオン注入する工程と、前記元素を注入した後、前記アルミニウム配線に後処理を施し、前記反応生成物を除去する工程と、を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、信頼性の高いアルミニウム配線を有する半導体装置の製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
本実施例の半導体装置の製造方法について、図１乃至図８を用いて説明する。図１は半導体装置を示す断面図、図２乃至図４は半導体装置の製造工程を示す断面図、図５は本実施例の作用を示す図、図６乃至図８は本実施例の効果を比較例と対比して示す図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施例の半導体装置１０は、基板１１、例えばシリコン基板の主面に形成された絶縁膜１２、例えばシリコン酸化膜を介して、バリアメタル膜１３、１４、例えばＴｉＮ／Ｔｉ膜で挟まれたアルミニウム配線１５と、アルミニウム配線１５を被覆する層間絶縁膜１６、例えばシリコン酸化膜とを具備している。
【００１５】
基板１１には、トランジスタ（図示せず）などの電子デバイスが形成されており、トランジスタどうし、またはトランジスタと入出力端子（図示せず）との間が、アルミニウム配線１５により電気的に接続されている。
【００１６】
次に、半導体装置１０の製造方法について、図２乃至図４を用いて説明する。  
図２（ａ）に示すように、周知のプロセスにより、基板１１上に絶縁膜１２を介してバリアメタル膜１３、１４で挟まれたアルミニウム膜１７を形成する。
【００１７】
具体的には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、基板１１上に絶縁膜１２として、例えば厚さ０．２μｍのシリコン酸化膜を形成する。  
次に、例えばスパッタリング法により、絶縁膜１２上に例えば厚さ０．０５μｍのＴｉ膜を形成し、Ｔｉ膜上に例えば厚さ０．０５μｍのＴｉＮ膜を形成してバリアメタル膜１３を形成する。
【００１８】
次に、例えば真空蒸着法により、ＴｉＮ膜上に、例えば厚さ０．５μｍのアルミニウム膜１７を形成する。  
次に、例えばスパッタリング法により、アルミニウム膜１７上にＴｉＮ膜を形成し、ＴｉＮ膜上にＴｉ膜を形成してバリアメタル膜１４を形成する。  
次に、フォトリソグラフィー法によりバリアメタル膜１４上に、アルミニウム配線１５のパターンを有するレジスト膜１８を形成する。
【００１９】
次に、図２（ｂ）に示すように、レジスト膜１８をマスクとして、例えば塩素系ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、アルミニウム膜１７をエッチングして、アルミニウム配線１５を形成する。次に、レジスト膜１８を、アッシャーを用いて除去する。
【００２０】
このとき、レジスト膜１８とＲＩＥに用いたガスとの反応による有機系の反応生成物、およびバリアメタル膜１４のＴｉ、ＴｉＮ、アルミニウム配線１５のＡｌとアッシャーのパージに用いられるＨ２Ｏ、Ｏ２ガスとの反応による酸化物系の反応生成物を含む反応生成物１９が、バリアメタル膜１４の上面およびアルミニウム配線１５の側面に形成される。Ａｌは酸化されやすいため、反応生成物１９は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を主成分としている。
【００２１】
そのため、アルミニウム配線１５と反応生成物１９の主成分である酸化アルミニウムとの界面には、両者の熱膨張係数（α（Ａｌ）〜２３×１０−６／Ｋ、α（Ａｌ２Ｏ３）〜７×１０−６／Ｋ）の差に応じたストレスが生じる。  
この界面ストレスは、アルミニウム配線１５のストレスマイグレーションおよびエレクトロマイグレーションを促進し、信頼性に影響を及ぼすので、アルミニウム配線１５の少なくとも側壁に形成された反応生成物１９を除去する必要がある。
【００２２】
次に、図３（ａ）に示すように、アルミニウム配線１５の少なくとも側壁に形成された反応生成物１９に、アルミニウムと反応しない元素、例えば不活性元素であるアルゴン（Ａｒ）をイオン注入する。
【００２３】
イオン注入は、例えば加速電圧１０〜２００ｋｅＶ、ドーズ量１Ｅ１２〜１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入角度０〜４０°で行う。  
注入角度を付けることにより、アルミニウム配線１５の側壁へ効率よくイオン注入することができる。  
注入方向は、アルミニウム配線１５のパターンに応じて定めればよいが、例えばパターンがＬ字状の場合は、少なくとも４方向（基板１１の面内方向０°、９０°、１８０°、２７０°）から注入することが望ましい。
【００２４】
次に、図３（ｂ）に示すように、反応生成物１９に衝突したアルゴンは、反応生成物１９にダメージを与え、微視的には結晶配列に途切れ、乱れを生じさせ、巨視的には反応生成物１９に歪み、クラック、ボイド等の欠陥２０を発生させる。
【００２５】
次に、図４（ａ）に示すように、アルミニウム配線１５に後処理として、アルミニウムのエッチャント、例えば硫酸と弗酸の混酸系のエッチャントを用いたウェットエッチングを施し、反応生成物１９を除去する。  
ウェットエッチングを施した後に、基板１１を水洗して残留エッチャントを除去し、乾燥して残留水分を除去する。
【００２６】
次に、図４（ｂ）に示すように、ＲＩＥ加工およびイオン注入によってアルミニウム配線１５に発生したダメージを除去する目的で、アルミニウム配線１５に、例えば赤外線ランプ２１を用いて熱処理を施し、アルミニウムの結晶性を回復させる。
【００２７】
本明細書では、イオン注入によるダメージとは、反応生成物１９はアルミニウム配線１５の少なくとも側壁に均一に形成されるとは限らないので、反応生成物１９が形成されなかった領域にアルゴンがイオン注入された場合や、反応生成物１９を突き抜けてアルゴンがイオン注入された場合に、アルミニウム配線１５の表面に生じた結晶欠陥を意味している。
【００２８】
次に、基板１１上に、層間絶縁膜１６として、例えばＣＶＤ法によりＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）膜を形成し、アルミニウム配線１５を被覆する。これにより、図１に示すアルミニウム配線１５を有する半導体装置１０が得られる。
【００２９】
図５は本実施例の作用を、模式的に示す図である。  
図５（ａ）に示すように、アルミニウム配線１５の少なくとも側壁に形成された反応生成物１９の主成分である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、多結晶構造をしている。  
反応生成物１９ａにアルゴン（Ａｒ）をイオン注入すると、破線で囲った原子の結合の弱いバウンダリに、クラック３１が生じ、反応生成物１９が微粒子化する。
【００３０】
図５（ｂ）に示すように、後処理としてアルミニウムのエッチャント、例えば硫酸と弗酸の混酸系のエッチャントを用いたウェットエッチングを施すと、エッチング液３２は、微粒子化した反応生成物１９ａのクラック３１の隙間を通りアルミニウム配線１５の表面に達する。  
アルミニウム配線１５の表面に達したエッチング液３２は、アルミニウム配線１５の表層１５ａをエッチングし、微粒子化した反応生成物１９ａの下に回りこむ。
【００３１】
図５（ｃ）に示すように、アルミニウム配線１５の表層１５ａがエッチングされると、微粒子化した反応生成物１９ａは、アルミニウム配線１５から浮き上がり、剥離する。  
剥離した反応生成物１９ｂで、アルミニウム配線１５に再付着したものは、水洗等によって除去される。
【００３２】
これにより、表面がクリーンで、界面ストレスの少ないアルミニウム配線１５を得ることが可能である。
【００３３】
図６乃至図８は、本実施例の効果を比較例と対比して示す図で、図６はストレスマイグレーション評価結果、図７および図８はエレクトロマイグレーション評価結果ある。  
本明細書では、比較例とは、アルミニウム配線１５の少なくとも側壁に形成された反応生成物１９を除去しないで製造された半導体装置を意味している。
【００３４】
図６はアルミニウム配線１５の幅を０．１３、０．２７、０．３３、０．７μｍと４段階に変えて、ストレスマイグレーションによる抵抗の変化率を比較したものである。  
測定は、サンプルを室温で１０００時間放置し、抵抗の初期値と１０００時間後の抵抗値を比較することにより行った。
【００３５】
図６に示すように、比較例では、アルミニウム配線１５の幅が０．３３μｍから０．１３μｍと細くなるほど、抵抗の変化率が５％程度から１０％程度へと増大する傾向が見られ、ストレスマイグレーションが生じていることが認められた。
【００３６】
一方、本実施例ではアルミニウム配線１５の幅が０．３３μｍから０．１３μｍまで細くなっても、抵抗の変化率は３％程度から５％程度に収まっており、ストレスマイグレーションの影響は低減していることが認められた。
【００３７】
アルゴンイオン注入条件に関しては、加速電圧が高く、ドーズ量の大きい条件２の方が、抵抗の変化率が小さくなる傾向が見られた。
【００３８】
但し、アルミニウム配線１５の幅が０．７μｍと太くなると、本実施例および比較例とも、抵抗の変化は殆どなくなり、ストレスマイグレーションの影響は見られないことが認められた。
【００３９】
図７はエレクトロマイグレーションにより、幅０．１３μｍ、長さ１００μｍのアルミニウム配線１５が断線するまでの時間を比較したものである。  
測定は、加速電圧４０ｋｅＶ、ドーズ量１Ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２でアルゴンをイオン注入したサンプルを、保持温度が１４０℃、通電電流が７ｍＡの条件で、通電開始から断線するまでの時間を計測することにより行った。
【００４０】
図７に示すように、比較例では、ブレークダウンタイム（断線するまでの時間）は、０．０３から２時間程度と短く、平均１時間弱でブレークダウンしている。  
更に、正規分布から外れてブレークダウンタイムが著しく短いサンプルがあることから、サンプル間のバラツキが大きいことが認められた。
【００４１】
一方、本実施例では、ブレークダウンタイムは、０．８から６時間程度と長くなり、平均２時間強でブレークダウンしている。  
更に、ブレークダウンタイムの分布はほぼ正規分布で、異常なサンプルは見られないことから、サンプル間のバラツキが小さいことが認められた。
【００４２】
図８はエレクトロマイグレーションにより、幅０．３３μｍ、長さ１００μｍのアルミニウム配線１５が断線するまでの時間を比較したものである。  
測定は、保持温度が１６０℃、通電電流が１２ｍＡの条件で、通電開始から断線するまでの時間を計測することにより行った。
【００４３】
図８に示すように、アルミニウム配線１５の幅が太いことから、比較例では、ブレークダウンタイムは０．０５から７時間程度と、図７に示すブレークダウンタイムより長くなっているが、平均３時間弱でブレークダウンしている。  
更に、正規分布から外れてブレークダウンタイムが著しく短いサンプルがあることから、サンプル間のバラツキが大きいことは、図７と同様である。
【００４４】
一方、本実施例では、ブレークダウンタイムは、６から３０時間程度と、図７に示すブレークダウンタイムより大幅に長くなり、平均１０時間でブレークダウンしている。  
更に、ブレークダウンタイムの分布はほぼ正規分布で、異常なサンプルは見られないことから、サンプル間のバラツキが小さいことは、図７と同様である。
【００４５】
以上説明したように、本実施例では、アルミニウム配線１５の少なくとも側壁に形成された反応生成物１９にアルゴンをイオン注入して反応生成物１９を微粒子化し、ウェットエッチングによりアルミニウム配線１５の表層１５ａをエッチングし、反応生成物１９を浮き上がらせて剥離している。
【００４６】
その結果、表面がクリーンで、界面ストレスの少ないアルミニウム配線１５が得られる。従って、信頼性の高いアルミニウム配線１５を有する半導体装置１０の製造方法が得られる。
【００４７】
ここでは、アルミニウムと反応しない元素がアルゴンである場合について説明したが、同じ不活性元素である、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎなどでも構わない。また、窒素（Ｎ２）であっても構わない。
【００４８】
アルミニウム配線１５がバリアメタル膜１３、１４で挟まれている場合について説明したが、バリアメタル膜１３、１４は無くても構わない。  
その場合は、相互拡散防止を目的に、アルミニウム配線１５は１ｗｔ％程度のシリコンを含有していることが望ましい。
【００４９】
アルミニウム配線１５が純アルミニウムの場合について説明したが、０．５ｗｔ％程度の銅（Ｃｕ）を含有したアルミニウム銅（Ａｌ−Ｃｕ）合金であっても構わない。  
アルミニウム銅（Ａｌ−Ｃｕ）合金は、導電性に優れ、純アルミニウムより高い硬度を有しているので、信頼性が更に向上する利点がある。
【００５０】
層間絶縁膜１６がＴＥＯＳ膜である場合について説明したが、リン（Ｐ）を添加したＰＳＧ（Phosphor Silicate Glass）、またはホウ素（Ｂ）を添加したＢＳＧ（Boron Silicate Glass）などであっても構わない。
【００５１】
基板１１上に、絶縁膜１２を介してアルミニウム配線１５を形成した場合について説明したが、絶縁性の基板、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であれば、絶縁膜１２は無くても構わない。
【００５２】
アルミニウム配線１５が一層配線構造である場合について説明したが、アルミニウム配線１５が層間絶縁膜を介した多層配線構造の場合でも、同様に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施例に係る半導体装置を示す断面図。
【図２】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図３】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図４】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図５】本発明の実施例に係る作用を示す図。
【図６】本発明の実施例に係る効果を比較例と対比して示す図で、ストレスマイグレーション評価結果を示す図。
【図７】本発明の実施例に係る効果を比較例と対比して示す図で、エレクトロマイグレーション評価結果を示す図。
【図８】本発明の実施例に係る効果を比較例と対比して示す図で、エレクトロマイグレーション評価結果を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
１０  半導体装置
１１  基板
１２  絶縁膜
１３、１４  バリアメタル膜
１５  アルミニウム配線
１６  層間絶縁膜
１７  アルミニウム膜
１８  レジスト膜
１９  反応生成物
２０  欠陥
２１  赤外線ランプ
３１  クラック
３２  エッチング液
【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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