專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有在凹部(連接孔，布線溝，連接孔及與其相連接的布線溝)內(nèi)填充導(dǎo)電膜的布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
現(xiàn)有技術(shù)迄今在半導(dǎo)體裝置中采用Al布線，最近多采用以Al為主要成分的Al合金構(gòu)成的Al布線。作為多層布線，使用的是在Al膜上形成TiN薄膜等的阻擋層金屬膜來抑制和下層布線發(fā)生的反應(yīng)以及形成反射防止膜來抑制在平板印刻工序中的光的漫反射之后，對(duì)該疊層膜利用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)進(jìn)行加工而形成的疊層結(jié)構(gòu)的Al布線(以下稱為Al-RIE布線)。
但是，Al-RIE布線，由于存在阻擋層金屬膜及反射防止膜，使Al-RIE布線的實(shí)際截面面積減小，因而有布線電阻增大的問題存在。另外，由于在RIE加工之際在布線側(cè)壁上有RIE反應(yīng)產(chǎn)物堆積，也會(huì)使實(shí)際的Al截面面積減小而使布線電阻增大。
迄今，作為連接上下RIE-Al布線的栓電極的形成技術(shù)是采用臺(tái)階覆蓋性優(yōu)異的W-CVD(鎢化學(xué)汽相淀積)技術(shù)。但是，卻存在W栓電極電阻高的問題及抗EM(電遷移)能力不良的問題。
EM是在電流流過Al布線之際，電子沖擊Al原子造成Al原子移動(dòng)的現(xiàn)象。與Al比較W是不容易引起EM的材料。因此，如以W栓電極連接上下Al布線，W栓電極就會(huì)成為Al原子擴(kuò)散的壁壘，在Al原子流的上游側(cè)造成Al積累，而在下游側(cè)造成Al缺乏。Al積累及缺乏會(huì)分別成為小丘(hillock)及空洞的原因隨著小丘及空洞的進(jìn)行分別會(huì)引起Al布線的短路及斷條。
另一方面，作為在連接孔內(nèi)形成比W電極電阻值更低的Al栓電極的技術(shù)有Al回流技術(shù)。此技術(shù)是利用Al膜的流動(dòng)性，是通過對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加熱使Al膜填充連接孔。
此外，作為期望可降低Al的流動(dòng)溫度并且對(duì)高寬比高的連接孔也可填充的Al回流技術(shù)，現(xiàn)在已知的有在不加熱情況下通過濺射形成Al膜之后，一邊加熱半導(dǎo)體襯底一邊通過濺射形成Al膜的所謂兩步Al回流技術(shù)。
下面討論Al回流技術(shù)在雙鑲嵌(dual damascene)結(jié)構(gòu)(下稱DD結(jié)構(gòu))上的應(yīng)用。DD結(jié)構(gòu)是首先在層間絕緣膜形成連接孔及布線溝(以下統(tǒng)稱之為凹部)，其次通過濺射形成Al膜以填充凹部，然后利用CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)去除凹部外部剩余的Al膜而形成，具有可減少工序數(shù)及成本的優(yōu)點(diǎn)。
在利用濺射法形成Al膜的Al回流技術(shù)中，Al膜的臺(tái)階覆蓋性本來很低。因此，連接孔的底部的Al膜的膜厚很薄，半導(dǎo)體襯底在受到加熱時(shí)會(huì)引起Al的凝結(jié)而在連接孔內(nèi)部發(fā)生空洞。
為了解決這種問題，提出了在形成Al膜之前先在凹部的內(nèi)表面上形成由能夠抑制Al的凝結(jié)的材料所組成的薄膜(襯膜)的方案。廣泛使用與Al膜反應(yīng)性高的Ti膜作為襯膜。
然而，如連接孔的高寬比高，連接孔底部側(cè)壁的Ti膜的覆蓋率降低，在連接孔底部會(huì)產(chǎn)生Al凝結(jié)。如產(chǎn)生Al凝結(jié)，就會(huì)出現(xiàn)阻斷Al的擴(kuò)散通路而不能在連接孔內(nèi)填充Al膜的問題。
另外，在凹部?jī)?nèi)形成作為與Al發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物的Al3Ti薄膜。特別是在連接孔底部形成的Al3Ti薄膜，與在W栓的場(chǎng)合一樣，由于其作用是作為Al的擴(kuò)散壁壘，會(huì)引起抗EM能力劣化的問題。
另外，由于在布線溝的內(nèi)表面上形成Al3Ti薄膜而使布線溝內(nèi)部的體積減小，布線電阻增加。
本發(fā)明要解決的課題如上所述，通過對(duì)Al回流技術(shù)應(yīng)用于DD結(jié)構(gòu)的研究，為了抑制Al的凝結(jié)，提出了采用與Al膜反應(yīng)性高的Al3Ti薄膜作為底膜的方案。
但是，如連接孔的高寬比高，Ti襯膜的覆蓋率降低，在連接孔底部會(huì)產(chǎn)生Al的凝結(jié)，就會(huì)出現(xiàn)不能在連接孔內(nèi)填充Al膜的問題。另外，也存在由于凹部?jī)?nèi)形成的Al3Ti薄膜使抗EM性能劣化及布線電阻增大的問題。
本發(fā)明考慮到上述各點(diǎn)，其目的是提供一種具有即使在凹部的高寬比高的場(chǎng)合也能夠很容易以布線層對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行填充的布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
解決課題的手段構(gòu)成為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的構(gòu)成包括在半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主表面上形成的具有凹部的層間絕緣膜，在上述凹部?jī)?nèi)部形成的襯膜，在前述凹部的內(nèi)部通過上述襯膜填充的布線層，以及包含在上述布線層內(nèi)部的抑制上述布線層的構(gòu)成導(dǎo)電膜的凝結(jié)的凝結(jié)抑制材料。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于其構(gòu)成包括在半導(dǎo)體襯底上形成具有凹部的層間絕緣膜的工序，在上述凹部?jī)?nèi)部形成襯膜的工序，在包含前述凹部的區(qū)域內(nèi)形成第一導(dǎo)電膜的同時(shí)使上述第一導(dǎo)電膜的至少一部分中包含可抑制上述第一導(dǎo)電膜的凝結(jié)的凝結(jié)抑制材料的工序，以及一邊對(duì)上述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加熱一邊在包含前述凹部的區(qū)域內(nèi)形成第二導(dǎo)電膜，同時(shí)使上述第一及第二導(dǎo)電膜回流填充上述凹部?jī)?nèi)的工序。
此處的襯膜和第一導(dǎo)電膜最好是利用冷卻半導(dǎo)體襯底并且具有指向性的濺射法或可形成均勻表面的CVD法形成。
如采用像本發(fā)明這種結(jié)構(gòu)的布線結(jié)構(gòu)，利用本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，即使在凹部的高寬比高的場(chǎng)合，也可很容易地利用布線層填充凹部?jī)?nèi)部。
就是說，利用本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，是在第一導(dǎo)電膜中包含抑制凝結(jié)的凝結(jié)抑制材料的狀態(tài)下，使第一以及第二導(dǎo)電膜回流，可以有效地抑制第一及第二導(dǎo)電膜的凝結(jié)。因此，高寬比高的凹部，具體說，在開口直徑為0.18μm以下，高寬比大于7.5，可以很容易利用由第一及第二導(dǎo)電膜組成的布線層填充凹部?jī)?nèi)部。
附圖簡(jiǎn)介

圖1為示出本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序剖視圖。
圖2示出在第一Al膜形成之后，直到在導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合及不導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合分別對(duì)連接孔以第一及第二Al膜進(jìn)行填充的過程。
圖3為分別示出在不導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合及導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合Al的凝結(jié)過程。
圖4為示出可以很容易適當(dāng)調(diào)整氧氣導(dǎo)入量的氧氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的典型模式圖。
圖5為示出在第一Al膜形成之后，利用圖4的氧氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的調(diào)壓閥將氧氣壓力調(diào)整為5.0×10-4導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合氧氣壓力隨時(shí)間的變化圖。
圖6為示出在布線的寬度方向上橫切布線的晶界及在布線的長(zhǎng)度方向上橫切布線的晶界的示圖。
圖7為示出具有三態(tài)點(diǎn)的布線的EM引起的空洞的發(fā)生模型圖。
圖8為示出布線溝內(nèi)的Al晶粒的成長(zhǎng)過程的示圖。
圖9為示出在第一Al膜形成一定厚度的場(chǎng)合，以第一Al膜塞入開口面的過程的示意圖。
圖10為示出本發(fā)明的第二實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序剖視圖。
圖11為示出第二實(shí)施形態(tài)的變形例的剖視圖。
圖12為示出第二實(shí)施形態(tài)的另一變形例的剖視圖。
圖13為示出本發(fā)明的第三實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序剖視圖。
圖14為用于說明現(xiàn)有的鑲嵌布線問題點(diǎn)及本發(fā)明的相同問題點(diǎn)的解決方法的剖視圖。
本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)下面參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)(以下稱之為實(shí)施形態(tài))予以說明。
第一實(shí)施形態(tài)圖1為示出本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序剖視圖。
首先，如圖1(a)所示，在形成圖中未示出的元件的Si襯底1上形成第一層間絕緣膜2和第一布線3。此第一布線3可以是Al布線或W布線。
其次，如同一圖(a)所示，在整個(gè)表面上形成第二層間絕緣膜4將第一布線3覆蓋。第二層間絕緣膜4可采用以TEOS為原料氣體的等離子體CVD制作的絕緣膜或加F的低介電系數(shù)絕緣膜或SOG(旋涂玻璃)膜等絕緣膜。
其次，如圖1(b)所示，在第二層間絕緣膜4上利用光刻和RIE形成對(duì)第一布線3的連接孔5a及與此連接孔5重疊的布線溝5b(以下統(tǒng)稱之為凹部)。連接孔的開口直徑為0.18μm以下，高寬比大于7.5。
下面，對(duì)于利用將裝片室，襯底加熱室，Ar濺射刻蝕室，Nb濺射室，第一Al濺射室，第二Al濺射室及襯底冷卻室與圓片傳送室連接起來的集群加工設(shè)備(cluster tool)，在真空中連續(xù)順次形成Nb襯膜，第一Al膜及第二Al膜，使第一Al膜及第二Al膜流動(dòng)(回流)而以第一及第二Al膜對(duì)連接孔5的內(nèi)部進(jìn)行填充的方法予以說明(圖1(c)～圖1(e))。在各室之間的移動(dòng)通過傳送室進(jìn)行。
首先，為了減少后述的在第二Al膜形成時(shí)的加熱工序中第二層間絕緣膜4中的氣體或表面吸附氣體的脫離，預(yù)先將襯底1在襯底加熱室中進(jìn)行加熱。具體作法是利用帶有靜電吸盤的PBN加熱器或鹵素?zé)艏訜崞髟?00～500℃的溫度范圍對(duì)Si襯底1進(jìn)行加熱。
其次，在Ar濺射刻蝕室內(nèi)利用Ar濺射刻蝕將在連接孔5的底面上露出的第一布線3的表面的自然氧化膜以及形成連接孔5時(shí)附著的污染物等去除。在Ar濺射刻蝕中可采用電容耦合型及電感耦合型等的等離子體濺射裝置。
另外，在與第一布線3的連接部是由W、Ti或TiN等形成的情況下，由于可以利用有機(jī)堿去除自然氧化膜及形成連接孔5時(shí)附著的污染物，所以無(wú)需進(jìn)行Ar濺射刻蝕。
其次，如圖1(c)所示，利用長(zhǎng)程濺射(下面稱之為L(zhǎng)TS(long throwsputter))在第二層間絕緣膜4上形成厚度為7.5～50nm的Nb襯膜6以覆蓋連接孔5的內(nèi)表面(底面及側(cè)面)。
LTS是一種與標(biāo)準(zhǔn)的濺射相比較其襯底和靶間距離長(zhǎng)，且濺射時(shí)的氣體壓力低的濺射，濺射粒子具有定向性。所以，如采用LTS，在高寬比在1以上的連接孔5的深部側(cè)面也能夠形成Nb襯膜6。
因?yàn)镹b襯膜6是用來抑制其后形成的第一Al膜7的凝結(jié)，所以希望Nb襯膜6能夠不偏斜地在連接孔5的內(nèi)表面上形成。
但是，由于利用LTS得到的成膜形狀在圓片邊緣部不對(duì)稱，在連接孔5的圓片中心側(cè)的側(cè)面上難以形成Nb襯膜6。
為了改善這種成膜形狀的不對(duì)稱性，調(diào)整Ar氣體壓力可以獲得效果。例如，在Nb靶的直徑大約為300mm、Nb靶和襯底間的距離為300mm的場(chǎng)合，將Ar壓力調(diào)整為0.02～0.1Pa就有效。另外，在Nb襯膜6成膜過程中為使Si襯底1不受到加熱，或是避免濺射中襯底溫度上升，可對(duì)Si襯底1進(jìn)行冷卻。
其次，如圖1(d)所示，將Si襯底1在真空中連續(xù)傳送到第一Al濺射室，利用LTS形成厚度為250～600nm的第一Al膜7構(gòu)成第一Al布線。凹部的開口部不要被第一Al膜塞滿，第一Al膜的厚度比600nm厚即可。
此處，因?yàn)榈谝籄l膜7成為使Al流入連接孔5的內(nèi)部的擴(kuò)散通路，所以第一Al膜7最好是形成為從連接孔5的開口部一直到底部的連續(xù)膜。
第一Al膜在圓片邊緣部的成膜形狀為非對(duì)稱的，即使在連接孔5的一側(cè)面上形成連續(xù)的厚的第一Al膜7，連接孔5的Al填充也不會(huì)受到壞影響。所以，第一Al膜7形成為高定向性對(duì)Al的填充是有效的。
于是，如果調(diào)整為Al靶的直徑為300mm，靶和襯底間距離為300mm，Ar壓力為0.02～0.1Pa，則可以抑制第一Al膜7的凝結(jié)。此處Si襯底1不加熱或是對(duì)其進(jìn)行冷卻。
其次，如圖1(d)所示，在第一Al膜7形成后連續(xù)向第一Al濺射室導(dǎo)入氧氣，使第一Al膜7的表面吸附氧氣8。
其次，如圖1(e)所示，將Si襯底1傳送到第二Al濺射室，通過在對(duì)Si襯底1，比如，一邊加熱到450℃，同時(shí)利用濺射在整個(gè)表面上形成厚度為50～400nm的第二Al膜而使連接孔5的內(nèi)部為第一及第二Al膜9所填充。
此時(shí)，在連接孔5和第一及第二Al膜9的界面上，部分地形成作為Nb襯膜6和第一Al膜7的反應(yīng)產(chǎn)物的AlNb合金膜10。根據(jù)本發(fā)明人的研究，AlNb合金膜10與利用Ti襯膜時(shí)生成Ti3Al膜的場(chǎng)合不同，由于其生成量少，可以理解不會(huì)存在增加布線電阻的問題。
另外，在第二Al膜成膜中，采用Al靶的直徑為300mm，靶和襯底間距離為60mm的標(biāo)準(zhǔn)濺射器。如成膜速度與標(biāo)準(zhǔn)濺射相同，第二Al膜也可以利用LTS形成。
最后，如圖1(f)所示，將連接孔5的外部剩余的第一及第二Al膜9，AlNb合金膜10以及Nb襯膜9利用CMP去除而完成以Al為主要成分的第二布線9。此第二布線9為雙鑲嵌布線。
根據(jù)本發(fā)明人的研究，我們新發(fā)現(xiàn)，如按本實(shí)施形態(tài)這樣在第一Al膜7形成后將氧氣導(dǎo)入到第一Al濺射室內(nèi)，使第一Al膜7的表面吸附氧氣8，則與不吸附氧氣的場(chǎng)合相比較第一Al膜7的填充特性可得到提高。
圖2示出在第一Al膜形成之后，直到在導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合及不導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合分別對(duì)連接孔以第一及第二Al膜進(jìn)行填充的過程。
為了使第一及第二Al膜9填充在第二層間絕緣膜4上形成的連接孔5，必須維持Al在連接孔5內(nèi)的流動(dòng)一直到填充結(jié)束。
本實(shí)施形態(tài)所采用的Al回流法是一直首先在不加熱的情況下形成第一Al膜7，其次一邊加熱襯底一邊在真空中連續(xù)形成第二Al膜的方法。
在這種Al回流法中，為了維持Al的流動(dòng)，第一Al膜7形成為連續(xù)膜，并且在第二鋁膜形成的過程中，第二鋁膜的一部分必須在連接孔內(nèi)流動(dòng)以使第一Al膜7作為擴(kuò)散通路。
在第二鋁膜形成的過程中，如果第一Al膜7不連續(xù)，Al的擴(kuò)散通路就斷絕，對(duì)連接孔5進(jìn)行的Al填充就不完全。不連續(xù)的原因是由于第二鋁膜形成初期的加熱導(dǎo)致第一Al膜7的凝結(jié)。
圖3為分別示出在不導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合及導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合Al的凝結(jié)過程。
Al的凝結(jié)是由于加熱時(shí)的表面擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散引起的。不形成自然氧化膜的Al表面及懸空鍵多的晶界的擴(kuò)散系數(shù)低，加熱可使Al原子活潑地移動(dòng)。
在此移動(dòng)中，Al力圖變形成為表面能低的形狀，即球形。Al從各個(gè)晶界分離，形狀改變?yōu)閸u狀而發(fā)生凝結(jié)。
Al膜越薄越容易產(chǎn)生Al的凝結(jié)。在本實(shí)施形態(tài)中是利用LTS方法形成第一Al膜7。LTS與標(biāo)準(zhǔn)濺射相比較，因?yàn)闉R射粒子對(duì)Si襯底1具有定向性，如圖2所示，在高寬比高的連接孔5的底部側(cè)面上也可以形成第一Al膜7。
但是，伴隨著第一Al膜7的形成，可入射到連接孔5的底部的濺射粒子的進(jìn)深角減小，濺射粒子的附著率減小。進(jìn)深角在連接孔5的底部側(cè)面最小，此部分的膜厚最薄。
所以，Al的凝結(jié)是從第一Al膜7最薄的連接孔5的底部側(cè)面開始。在這一部分Al發(fā)生凝結(jié)而使第一Al膜7成為不連續(xù)膜的場(chǎng)合，通向連接孔5的深部的擴(kuò)散通路斷絕，于是出現(xiàn)在連接孔5的深部殘留空洞的問題。
在第一Al膜7形成之后將氧氣導(dǎo)入到第一Al濺射室內(nèi)的場(chǎng)合，如圖1(d)所示，第一Al膜7的表面吸附氧氣8。吸附的氧氣8可抑制Al在第一Al膜7的表面上擴(kuò)散，可以抑制在第二鋁膜形成時(shí)的加熱引起的Al的凝結(jié)。
但是，在氧氣8導(dǎo)入量大的場(chǎng)合，在第一Al膜7的表面上會(huì)形成厚的氧化膜。如形成的氧化膜很厚，第一Al膜7的形狀就難于改變，對(duì)第一Al膜7的體擴(kuò)散造成的流動(dòng)無(wú)貢獻(xiàn)，結(jié)果在形成第二鋁膜時(shí)的熱聚集中Al的流動(dòng)量低下。
另外，由于在形成的厚氧化膜(Al2O3膜)上Al的潤(rùn)濕性不佳，在第二鋁膜形成工序中，在第一Al膜7上形成的Al氧化膜上第二鋁膜會(huì)凝結(jié)，有時(shí)會(huì)發(fā)生連接孔5不能填充的情況。
圖4為示出可以很容易適當(dāng)調(diào)整氧氣導(dǎo)入量的氧氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的典型模式圖。特別是這可以防止氧氣大量導(dǎo)入，防止生成厚的Al氧化膜的氧氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的示例。
在此機(jī)構(gòu)中，在不導(dǎo)入氧氣(O2)的狀態(tài)，閥21打開，閥22，23關(guān)閉。所以，在不導(dǎo)入氧氣的狀態(tài)下，通過管路24，25部分排氣。
在導(dǎo)入氧氣時(shí)，在關(guān)閉閥21的同時(shí)，打開閥22，23，將利用調(diào)壓閥26預(yù)先調(diào)壓的氧氣導(dǎo)入到第一Al濺射室(室27)內(nèi)。
由于在不導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合管路下，通過24，25部分排氣，在閥23打開時(shí)管路24內(nèi)的氧氣不會(huì)流入管路25，超過設(shè)定壓力的氧氣不會(huì)流入到濺射室27之內(nèi)。從而就可以防止在濺射室27內(nèi)導(dǎo)入大量的氧氣而形成厚氧化膜。另外，在圖中，28表示閥，29表示質(zhì)量流量控制器，30表示閥。
圖5為示出在第一Al膜7形成之后，在本機(jī)構(gòu)中，利用調(diào)壓閥26將平衡狀態(tài)的氧氣壓力調(diào)整為5.0×10-4導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合氧氣壓力隨時(shí)間的變化圖。從圖中可知，氧氣導(dǎo)入初期平衡狀態(tài)的壓力較低，之后緩慢增加而達(dá)到平衡狀態(tài)的壓力。
在第一Al膜7形成時(shí)，在濺射室27內(nèi)的防鍍板上有活性Al附著，濺射靶的表面也有活性Al表面露出。所以，在第一Al膜7形成之后，在濺射室27內(nèi)部導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合，氧氣將被活性Al吸收，氧氣壓力達(dá)到平衡壓力需要一定的時(shí)間。
氧氣壓力到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間取決于濺射室27的容積，真空泵的排氣能力，Al附著的防鍍板的面積及其表面的活性Al的量。因此，平衡狀態(tài)的氧氣壓力實(shí)際上并不是第一Al膜7的表面氧氣吸收的唯一參數(shù)。
在表1中列出在顯示圖5所示的排氣特性的濺射室27內(nèi)對(duì)氧氣壓力進(jìn)行種種調(diào)整而形成第一Al膜7之后20秒間導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合的Al的填充傾向。
(表1)<
完全填充 ×填充不良)從表1可知，隨著氧氣壓力從1.0×10-4Pa增加的同時(shí)可填充的高寬比也增大，但如增加到1.0×10-2Pa，高寬比為3的連接孔不能完全填充。即如緩慢增加氧氣壓力，第一Al膜7的表面所吸附的氧氣8可抑制第一Al膜7的凝結(jié)而提高填充能力。
但是，如再增加氧氣壓力，在第一Al膜7的表面上形成氧化膜，第一Al膜7的流動(dòng)就難于產(chǎn)生。此外，第二Al膜和第一Al膜之間的潤(rùn)濕性降低，妨礙第二Al膜向連接孔的流動(dòng)，填充會(huì)不完全。
所以，為了提高填充能力，如上所述，要抑制第一Al膜的凝結(jié)，但必須調(diào)整氧氣壓力以使流動(dòng)性不降低，并且第二Al膜和第一Al膜之間的潤(rùn)濕性不降低。在本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)合，將平衡狀態(tài)的壓力調(diào)整到5.0×10-4Pa即合適。
此處說明的是利用調(diào)壓閥26控制氧氣壓力對(duì)在第一Al膜7形成后導(dǎo)入的氧氣量進(jìn)行控制的方法，但利用調(diào)整氧氣流量的方法也可以。在采用具有在本實(shí)施形態(tài)中所示的排氣特性的濺射室的場(chǎng)合，從上述的氧氣壓力考慮，最好是利用可以以0.2sccm以下的流量進(jìn)行控制的氣體流量調(diào)節(jié)器。
在本實(shí)施形態(tài)中說明的第一Al膜7形成之后在濺射室27中導(dǎo)入氧氣的方法對(duì)于填充開口直徑在0.18μm以下深度在0.95μm以上的高寬比很高的連接孔5很有效。
但是，因?yàn)閷?dǎo)入氧氣會(huì)降低Al的流動(dòng)性，所以為了填充體積大的連接孔5，會(huì)出現(xiàn)由于Al的流動(dòng)性不足而造成填充不良的場(chǎng)合。
為了使這種麻煩不致出現(xiàn)，作為第二Al膜采用包含Cu的Al膜很有效。這種Al膜，由于包含Cu，其熔點(diǎn)比純Al膜為低，流動(dòng)性增加。所以，如采用包含Cu的Al膜作為第二Al膜，就可以很容易地填充體積大的連接孔5。
另外，由于在第二Al膜中所包含的Cu在Al的晶界上析出，可抑制通電時(shí)Al的晶界擴(kuò)散，可提高抗電遷移的能力。在Al的晶界上析出的Cu的濃度由于第二Al膜中的Cu的濃度的增加而容易變高。
采用包含Cu的硅化物等其他雜質(zhì)的Al膜也同樣可以降低布線電阻。
但是，鑲嵌布線，如下所述，在布線溝的深度一定的情況下布線寬度變窄時(shí)，存在布線的有效電阻率(布線電阻)增加的問題。圖14示出在布線溝內(nèi)形成Nb襯膜14之后，借助Al回流，CPM而形成的Al鑲嵌布線15的剖視圖。
如圖所示，在布線溝的側(cè)面及底面上生成作為Al和Nb的反應(yīng)產(chǎn)物的Al3Nb 16。其結(jié)果，沿布線溝的側(cè)面和底面流動(dòng)的電子會(huì)受到粒狀A(yù)l3Nb的散射。
此處，因?yàn)榱預(yù)l3Nb之間的距離存在比電子的平均自由路程為短的距離，電子的散射幾率很高。所以，Al3Nb粒間的Al多半會(huì)受到電子散射的影響，與材料的固有電阻率相比實(shí)際的電阻率增加，結(jié)果布線電阻增加。
然而，根據(jù)本發(fā)明人的研究已知，如采用Al-Si(1.0wt％)-Cu(0.5wt％)作為布線材料，在Al回流時(shí)的加熱工序中Al中的Si和Nb發(fā)生反應(yīng)而生成硅化鈮而抑制Al和Nb的生成。因此，可減小布線溝內(nèi)的粒狀A(yù)l3Nb 16的比率從而即使鑲嵌布線很細(xì)也可以實(shí)現(xiàn)低布線電阻。
另外，因?yàn)榧词箿p小布線溝內(nèi)的Al3Nb的量，Si和Nb的硅化物也存在，可保持密合性。所以，可以形成抗EM能力及抗SM能力不會(huì)惡化的鑲嵌布線。
另外，因?yàn)锳l-Si(1.0wt％)-Cu(0.5wt％)與Al-Cu(0.5wt％)相比較熔點(diǎn)低，回流時(shí)的流動(dòng)性高，因而是填充能力高的布線材料。因此，可以說Al-Si(1.0wt％)-Cu(0.5wt％)是在布線寬度窄且高寬比高的布線溝中形成鑲嵌布線的有效的布線材料。
不過，如利用本實(shí)施形態(tài)所示的方法形成第二布線9，則如圖6所示，除了在布線寬度方向上橫切布線的晶界31之外，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在布線長(zhǎng)度方向上橫切布線的晶界32的場(chǎng)合。
形成晶界32的原因之一可認(rèn)為是第一Al膜7和第二Al膜的界面的不連續(xù)性。在存在在布線長(zhǎng)度方向上橫切布線的晶界32的場(chǎng)合，可形成布線內(nèi)部3個(gè)晶界交叉，即三態(tài)點(diǎn)33。三態(tài)點(diǎn)33會(huì)引起抗EM能力的劣化。
圖7為示出具有三態(tài)點(diǎn)的布線的EM引起的空洞的發(fā)生模型圖。EM是在布線中流過電流時(shí)電子與Al原子沖突而引起Al原子移動(dòng)的現(xiàn)象。此Al原子的移動(dòng)容易沿?cái)U(kuò)散系數(shù)小的晶界發(fā)生。
由于在三態(tài)點(diǎn)上沿一個(gè)晶界流過的Al原子向兩個(gè)方向分叉，在三態(tài)點(diǎn)的位置產(chǎn)生原子空洞。即產(chǎn)生以三態(tài)點(diǎn)為起點(diǎn)的空洞34，并且如空洞34很大，則最終使布線斷線。
在本實(shí)施形態(tài)中，為了回避上述的EM問題，將第一Al膜7厚度加厚很有效。圖8為示出布線溝內(nèi)的Al晶粒的成長(zhǎng)過程的剖視圖。在第一Al膜7很薄的場(chǎng)合，如圖所示，即使在布線溝內(nèi)最大的晶粒11在第二Al膜形成的過程中晶粒成長(zhǎng)，也很難占據(jù)布線內(nèi)部。
但是，對(duì)于高寬比(布線寬度/布線深度)低的布線溝，如使第一Al膜7膜厚加厚，則可利用第一Al膜7填充布線溝的大部分。
所以，在第一Al膜7較厚的場(chǎng)合，如圖所示，在第二Al膜形成之后，大晶粒11會(huì)發(fā)生晶粒成長(zhǎng)而占據(jù)布線溝內(nèi)部，就可能發(fā)生第一Al膜及第二Al膜的不連續(xù)界面不保持在布線溝內(nèi)的情況。
在此場(chǎng)合，界面不連續(xù)性造成的晶界在布線溝外形成，在下一個(gè)工序的CMP工序中可將此晶界去除。結(jié)果布線溝內(nèi)的第一及第二Al膜9的晶界結(jié)構(gòu)就可能竹節(jié)(bamboo)化。
在本實(shí)施形態(tài)中，第一Al膜7是利用LTS形成的。LTS是定向性高的濺射方式。然而，相對(duì)襯底表面斜向入射的濺射粒子不可能完全沒有。因此，在連接孔5的開口部第一Al膜7的形狀不可避免成為懸垂形狀。
因此，如第一Al膜7成為厚膜，如圖9所示，在第一Al膜7的形成過程中，塞住開口面的上部。特別是在高寬比高的布線溝的場(chǎng)合，布線溝在不完全填充的狀態(tài)，布線溝的上部塞住第一Al膜7的上部。在此場(chǎng)合，即使其后第一Al膜7的形成繼續(xù)，僅僅利用第一Al膜7不可能增加布線溝內(nèi)的Al膜的膜厚。
但是，就是在第一Al膜厚膜化不塞住凹部的開口部的程度的場(chǎng)合，第一Al膜7的厚膜化對(duì)減少橫切布線縱向方向的晶粒32也有效。其原因乃在于如在加熱之前布線溝內(nèi)的Al的填充量增加，則布線溝內(nèi)的Al的晶粒成長(zhǎng)在布線溝中優(yōu)先之故。
另外，如第一Al膜7厚膜化，與布線溝的場(chǎng)合一樣，連接孔的開口部由第一Al膜7封閉。在此場(chǎng)合，再不能使連接孔內(nèi)的第一Al膜7厚膜化。
為了填充連接孔5，必須抑制連接孔5內(nèi)的第一Al膜7的凝結(jié)，在連接孔5的內(nèi)部最好是形成盡可能厚的第一Al膜7。
然而，在厚的第一Al膜7形成后導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合，如圖9所示，如塞住開口面，則與圖1(d)的場(chǎng)合不同，不能使連接孔內(nèi)的第一Al膜7的表面吸附氧氣8。
在形成第一Al膜7之后導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合，在未塞住連接孔5的開口面的范圍內(nèi)，形成盡可能厚的第一Al膜7。因此，利用Ar壓力、投入功率等控制濺射粒子的定向性，加之必須調(diào)整第一Al膜7的膜厚。
另外，除了上述的橫切布線的晶界32，在第一Al膜7形成后導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合，有可能發(fā)生第一Al膜7的表面氧化而使布線電阻上升的情況。
所以，為了增加抗EM的能力和確保低的布線電阻，并且填充連接孔5，最好是在將連接孔5內(nèi)的第一Al膜7最大限度厚膜化之外，至少在形成第一Al膜7之后導(dǎo)入填充連接孔5所必需的最低限度數(shù)量的氧氣。
在本實(shí)施形態(tài)中說明的是在第一Al膜7形成之后立即將氧氣導(dǎo)入第一Al濺射室的方法，此外，也可以在第一Al膜7形成的過程中將氧氣導(dǎo)入第一Al濺射室。
但是，如從第一Al膜7的形成初期開始向第一Al濺射室導(dǎo)入氧氣，有時(shí)Nb襯膜6的表面會(huì)發(fā)生氧化。如Nb襯膜6的表面發(fā)生氧化，Al和Nb的反應(yīng)性會(huì)降低。
由于Al的凝結(jié)抑制只是由Al和Nb的反應(yīng)過程來維持的，所以，如Al和Nb的反應(yīng)性降低，凝結(jié)能力也會(huì)降低。因此，為了使Nb襯膜6不氧化，最好是在第一Al膜7形成之前不導(dǎo)入氧氣。
另外，為了抑制第一Al膜7的凝結(jié)，可以使氧氣8存在于第一Al膜7的一部分之中。因而，在第一Al膜7形成中間導(dǎo)入氧氣，然后停止導(dǎo)入氧氣，在第一Al膜7繼續(xù)形成的場(chǎng)合，在第一Al膜7形成結(jié)束之后，第一Al膜7的表面不吸附氧氣8。
在利用這種方法形成包含氧氣8的第一Al膜7的場(chǎng)合，可抑制引起第一Al膜7的表面氧化的第一Al膜及第二Al膜的不連續(xù)性，并且可保持第二Al膜的潤(rùn)濕性。因而，可以提高填充能力，并且可以抑制結(jié)晶晶界的發(fā)生。此外，也可以使整個(gè)第一Al膜7包含氧氣。
另外，在第一Al膜7的形成中間停止導(dǎo)入氧氣并繼續(xù)形成第一Al膜7的場(chǎng)合，在第一Al膜7形成之后對(duì)靶表面要進(jìn)行清洗。
因此，在采用本實(shí)施形態(tài)中所說明的這種集群加工設(shè)備進(jìn)行Al回流的場(chǎng)合，可在各加工室中并行處理各個(gè)加工過程。
比如，由于在將某個(gè)Si襯底1從第一Al濺射室傳送到第二Al濺射室之后，馬上將下一個(gè)Si襯底1從Nb濺射室傳送到第一Al濺射室，所以在前面的Si襯底1上形成第二Al膜期間，可在上述下一個(gè)Si襯底1上形成第一Al膜7。
此時(shí)，如對(duì)第一Al濺射室的Al靶表面進(jìn)行清洗，在上述下一個(gè)Si襯底1上的第一Al膜7的形成初期Nb襯膜6的表面可以不氧化。因而Nb襯膜6的凝結(jié)抑制能力不會(huì)降低。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，作為抑制第一Al膜7的凝結(jié)方法說明的是向第一Al濺射室內(nèi)導(dǎo)入氧氣的方法，不過也可以導(dǎo)入其他的凝結(jié)抑制材料，比如氮?dú)?，來抑制第一Al膜7的凝結(jié)。
在此場(chǎng)合，氮?dú)鉃榈谝籄l膜7的表面吸附，通過第一Al膜7的表面氮化可抑制Al的表面擴(kuò)散，就可以抑制第一Al膜7的凝結(jié)?？墒?，由于與Al的氧化相比，氮化進(jìn)行的緩慢，所以必須長(zhǎng)時(shí)間大流量導(dǎo)入N2，與導(dǎo)入氧氣相比其吞吐量低。因而，作為用于抑制凝結(jié)而導(dǎo)入的氣體最好是氧氣。
除此之外，還有抑制通過適當(dāng)調(diào)整第一Al膜7和第二Al膜的濺射時(shí)間來使氧氣被第一Al膜7的表面吸附的方法。在此場(chǎng)合，在各個(gè)濺射之后，表面的氧氣吸附量由Si襯底1停留于其中的濺射室內(nèi)的真空度決定。因此，必須控制Si襯底1依靠的濺射時(shí)間內(nèi)濺射室內(nèi)的真空度。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，是針對(duì)DD布線對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了說明，但本發(fā)明也適用于在連接孔內(nèi)填充Al膜，利用光刻工序及RIE工序?qū)B接孔外部的Al膜進(jìn)行加工而得到的Al-RIE布線。
Al-RIE布線與DD布線的場(chǎng)合不同，沒有必要同時(shí)填充布線溝及連接孔，單用Al填充連接孔即可。因此，與DD結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合相比較，Al填充的凹部的高寬比小。
在上下第一Al布線及第二Al布線以W栓電極互相連接的場(chǎng)合，在第一Al布線上形成層間絕緣膜，之后形成相對(duì)第一Al布線的連接孔形成層間絕緣膜，接著利用W-CVD技術(shù)以W膜填充連接孔，然后利用CMP去除剩余的W膜而形成W栓。其次，在形成阻擋金屬/Al/反射防止膜之后，利用光刻及RIE形成W栓電極和重疊的Al布線。
另一方面，在栓電極及第二布線如本實(shí)施形態(tài)這樣通過Al回流形成的場(chǎng)合，在形成第一Al布線，層間絕緣膜，連接孔之后，以Al填充連接孔內(nèi)部。此外，利用光刻和RIE形成連接孔和重疊的Al布線。如采用這樣的方式形成，可以利用一次Al回流工序進(jìn)行Al栓電極及Al布線的膜成形工序。所以，根據(jù)本實(shí)施形態(tài)，與利用上述的W栓電極的布線結(jié)構(gòu)相比較，工序數(shù)可減少，制造成本可降低。
另外，如本實(shí)施形態(tài)這樣，在形成Nb襯膜6之后，在利用Al回流以第一及第二Al膜9填充連接孔5的內(nèi)部而形成DD布線的場(chǎng)合，在連接孔5內(nèi)部的2個(gè)側(cè)壁及1個(gè)底面上形成Nb襯膜6和第一及第二Al膜9。所以，在第一及第二Al膜9形成之后，在2個(gè)側(cè)壁及1個(gè)底面上形成作為Al和Nb的反應(yīng)產(chǎn)物的AlNb合金膜10。
因?yàn)镹b襯膜6及AlNb合金膜10的作用是補(bǔ)償導(dǎo)電，具有提高抗EM能力的效果，所以與只在底面上形成Nb襯膜的Al-RIE布線相比較，鑲嵌布線對(duì)抗EM能力有利。
但是，在Al-RIE布線中有如下的有利之處。即因?yàn)樵贏l布線的側(cè)壁和層間絕緣膜的界面上不形成AlNb合金膜，在降低布線電阻方面有利。
另外，特別是在微細(xì)情況下，在高寬比高的布線溝中，占據(jù)布線溝內(nèi)的表面積的兩個(gè)側(cè)面的比例增加，從布線溝的側(cè)面出發(fā)的Al的定向性占支配地位。結(jié)果，在垂直于Si襯底的方向上的Al(111)的定向性在布線中下降。
對(duì)此，在Al-RIE布線的場(chǎng)合，由于對(duì)在平坦化的層間絕緣膜上形成的Al膜進(jìn)行加工而形成布線，Al膜的結(jié)晶晶粒只從一個(gè)布線底面形成。所以，在形成微細(xì)Al布線的場(chǎng)合，Al-RIE布線可提高定向性。
(111)定向性高的Al-RIE布線抗EM能力優(yōu)異。這是因?yàn)?111)定向性高的Al膜的擴(kuò)散系數(shù)大的結(jié)晶晶界減少之故。另外，如增加Nb的濺射功率，Nb取(110)定向，第二Al膜形成后的Al取(111)定向。
但是，根據(jù)本發(fā)明人的研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)在本實(shí)施形態(tài)中所示出的第一Al膜7形成之后導(dǎo)入的氧氣量進(jìn)行至少達(dá)到所希望的填充連接孔的可能最低量的調(diào)節(jié)，在連接孔5的外部的第二層間絕緣膜4的平坦部上形成的第一Al膜7的定向性幾乎不改變。
所以，即使在導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合，通過增加在形成Nb襯膜6之際的濺射功率，可形成定向性高的第一Al膜7。據(jù)此，因?yàn)榭梢詼p少不穩(wěn)定的Al晶界，所以可以形成抗EM能力提高的鑲嵌布線及RIE布線。
根據(jù)本發(fā)明人的研究可以確認(rèn)，Al-RIE布線及鑲嵌布線的抗EM能力可達(dá)到在兩者的實(shí)用方面沒有問題的水平。
在本實(shí)施形態(tài)中，是對(duì)兩步Al回流的場(chǎng)合進(jìn)行說明的，但氧氣，與Al膜的場(chǎng)合相同，在Cu的表面吸附而防止Cu的表面擴(kuò)散，從而抑制Cu膜的凝結(jié)。
所以，代替第一Al膜7形成Cu膜，接著在濺射室內(nèi)導(dǎo)入氧氣之后，即使在一邊加熱第二Al膜一邊利用濺射法形成的所謂兩步回流中，與不導(dǎo)入氧氣的場(chǎng)合相比較，可達(dá)到與可改善填充特性等的兩步Al回流的場(chǎng)合同樣的效果。此外，也可包含氧氣及與氧氣之外的凝結(jié)抑制材料。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，是利用濺射法形成第一Al膜7，不過也可利用LPCVD法形成。
第二實(shí)施形態(tài)圖10為示出本發(fā)明的第二實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序剖視圖。另外，對(duì)與圖1對(duì)應(yīng)的部分賦予同樣的的標(biāo)號(hào)，其詳細(xì)說明省略。
在第一實(shí)施形態(tài)中，對(duì)于在第一Al膜7形成后導(dǎo)入氧氣8并通過使第一Al膜7的表面吸附氧氣8來抑制Al的凝結(jié)的方法進(jìn)行了說明，而在本實(shí)施形態(tài)中，是對(duì)利用Nb原子作為第一Al膜7的表面的凝結(jié)抑制材料來抑制Al的凝結(jié)的方法進(jìn)行說明。
首先，如圖10(a)所示，在形成圖中未示出的元件的Si襯底1上形成第一層間絕緣膜2，第一布線3，第二層間絕緣膜4，連接孔5，Nb襯膜6及第一Al膜7。Nb襯膜6的厚度為15nm，第一Al膜7的膜厚為400nm，兩者與第一實(shí)施形態(tài)一樣都是利用LTS形成。
其次，如圖10(b)所示，作為抑制第一Al膜7的凝結(jié)用的凝結(jié)抑制材料，Nb2通過濺射被第一Al膜7吸附。此Nb不是連續(xù)膜，而是離散形成的不連續(xù)膜。因此，第一Al膜7的表面部分地露出。
其次，如圖10(c)所示，通過一邊加熱Si襯底1一邊形成第二Al膜來以包含Nb膜或NbAl合金膜(以下稱為Nb·NbAl膜)的第一及第二Al膜9填充連接孔5的內(nèi)部。此時(shí)，在Nb襯膜6和第一及第二Al膜9的界面上形成AlNb合金膜10。
最后，如圖10(d)所示，通過將連接孔5外部的剩余第一及第二Al膜9，AlNb合金膜10以及Nb襯膜6利用CMP去除而完成第二布線9。
如在第一實(shí)施形態(tài)中所說明的，在利用Al回流形成第二布線9之際，覆蓋連接孔5的內(nèi)表面的第一Al膜7成為Al的擴(kuò)散通路。于是，通過在后面工序的第二Al膜的加熱濺射時(shí)Al沿?cái)U(kuò)散通路的流動(dòng)來填充連接孔5的內(nèi)部。因此，如在第一Al膜7加熱濺射時(shí)引起凝結(jié)，則擴(kuò)散通路斷絕，不能對(duì)連接孔5的內(nèi)部填充Al。
Al的凝結(jié)，如在第一實(shí)施形態(tài)中所說明的，引起伴隨襯底加熱的Al原子的表面擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散。所以，如抑制Al原子的表面擴(kuò)散，就可以抑制Al的凝結(jié)。
其中，如本實(shí)施形態(tài)這樣，如第一Al膜7上吸附Nb，則與在第一實(shí)施形態(tài)中說明的與Al原子結(jié)合的O(氧)原子抑制Al的表面擴(kuò)散一樣，與Al原子結(jié)合的Nb原子抑制Al的表面擴(kuò)散而抑制第一Al膜7的凝結(jié)。
在Al回流過程中，第二Al膜在沿第一Al膜7流動(dòng)到連接孔5的內(nèi)部的同時(shí)，也引起第一Al膜7本身的形狀改變，這對(duì)流動(dòng)也有貢獻(xiàn)。
然而，在第一Al膜7上形成厚Nb膜12的場(chǎng)合，與在第一實(shí)施形態(tài)中形成厚的氧化膜的場(chǎng)合一樣，第一Al膜7的形狀難于改變而造成流動(dòng)量不足，從而引起填充不良。
因此，作為凝結(jié)抑制膜在第一Al膜7上形成的Nb將形成為至少在連接孔5的內(nèi)表面上的不連續(xù)膜，因此Nb的形成量會(huì)降低。根據(jù)本發(fā)明人的研究已知，Nb的形成量換算成為膜厚時(shí)最好是大約5nm。
第一Al膜7的凝結(jié)在膜厚最薄的部分上產(chǎn)生。即容易在連接孔5的底部側(cè)面上產(chǎn)生。另外，LTS為定向性高的濺射，在濺射粒子中包含相對(duì)襯底的斜向分量，第一Al膜7，不可避免在連接孔5的開口部成為懸垂形狀。
即連接孔5的正面寬度窄小時(shí)，就會(huì)成為濺射粒子難于進(jìn)入連接孔5的底部的形狀。因此，在連接孔5的底部側(cè)面上就難以形成第一Al膜7的連續(xù)膜，從而就容易引起凝結(jié)。
與此相對(duì)，由于作為凝結(jié)抑制膜的Nb膜12成為上述的不連續(xù)膜，即使如本實(shí)施形態(tài)這樣利用濺射形成Nb也沒有特別的問題。
另外，也可以利用臺(tái)階覆蓋性良好的CVD法使連接孔的底部側(cè)面吸附Nb。特別是，CVD成膜的初期過程是從初始晶核開始的島狀成長(zhǎng)，可形成能夠部分露出第一Al膜7的表面的Nb膜12。
在如本實(shí)施形態(tài)這樣在第一Al膜7上形成Nb膜12的場(chǎng)合，與不形成Nb膜12的場(chǎng)合比較，可以確認(rèn)能夠以Al填充高寬比高的連接孔5。
另外，在本實(shí)施形態(tài)的DD結(jié)構(gòu)中，由于第二Al膜9中的Nb·NbAl膜12′抑制Al原子的擴(kuò)散，可提高抗EM能力及抗SM能力。
在本實(shí)施形態(tài)中說明的是在第一Al膜7上吸附Nb的方法，不過使第一Al膜7的內(nèi)部包含Nb膜12也可以。即也可以如圖11所示，使Nb在第一Al膜7中分散來代替圖10(b)的工序。
Al膜的凝結(jié)是由于Al的表面擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散引起的。如圖11所示，在使Nb在第一Al膜7中分散的場(chǎng)合，通過主要是抑制Al原子的晶界擴(kuò)散來抑制Al的凝結(jié)。
并且，在此場(chǎng)合，因?yàn)樵诘谝籄l膜7的表面不吸附Nb也可以，所以第一Al膜7的表面可保持清潔。因此，不妨礙第一Al膜7本身的流動(dòng)及第一Al膜7和第二Al膜的潤(rùn)濕性，可以進(jìn)一步提高填充特性。
另外，如圖12所示，也可以使Nb在原子級(jí)上在第一Al膜7中分散而作為凝結(jié)抑制材料。在此場(chǎng)合，由于在Al晶粒的晶界及表面上存在Nb 13，可以抑制Al原子的表面擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散。因此，可以更有效地抑制Al的凝結(jié)。
并且，在此場(chǎng)合，因?yàn)樵诘谝籄l膜7中存在Nb 13，容易引起第一Al膜7的形狀的改變，加之不會(huì)妨礙和第二Al膜的潤(rùn)濕性，可以提高填充特性。
如圖10或圖11所示，在第一Al膜7上或第一Al膜7中通過濺射吸附Nb的場(chǎng)合，必須具有形成第一Al膜7的濺射室及吸附Nb的濺射室兩個(gè)濺射室。
然而，在形成如圖12所示的內(nèi)部分散Nb 13的第一Al膜7的場(chǎng)合，如使用添加Nb的Al靶，一個(gè)濺射室就可以了，可以通過一個(gè)濺射工序形成。因此，在可以提高吞吐量的同時(shí)，還可以削減制造裝置的成本。
另外，內(nèi)部分散Nb 13的第一Al膜7也可以利用CVD法形成。在此場(chǎng)合，可使用Al的原料氣體及Nb的原料氣體的混合氣體作為原料氣體?；蛘呤窃谟糜诔赡さ脑蠚怏w中包含Al。例如，也可以在使C(碳)等雜質(zhì)作為凝結(jié)抑制材料殘留在Al膜中的CVD條件下形成第一Al膜。
另外，在形成第一Al膜7之后，也可以利用在第一Al膜7中注入Nb離子而形成Nb 13分散的第一Al膜7。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中說明的是使用Nb作為凝結(jié)抑制膜的構(gòu)成材料的場(chǎng)合，但并不限于這種情況。即為了抑制Al膜的凝結(jié)，也可抑制Al原子的表面，晶界及界面的擴(kuò)散，比如可以采用Ta，Ti，W，C等能夠抑制Al原子擴(kuò)散的材料。
另外，如果合并使用在第一實(shí)施形態(tài)中說明的第一Al膜7形成后導(dǎo)入氧氣的方法和本實(shí)施形態(tài)的方法，由于其相乘的結(jié)果，可以進(jìn)一步提高Al的填充能力。
第三實(shí)施形態(tài)圖13為為示出本發(fā)明的第三實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序剖視圖。另外，對(duì)與圖1對(duì)應(yīng)的部分賦予同樣的的標(biāo)號(hào)，其詳細(xì)說明省略。
首先，如圖13(a)所示，在形成圖中未示出的元件的Si襯底1上形成第一層間絕緣膜2，第一布線3，第二層間絕緣膜4，連接孔5，Nb襯膜6。Nb襯膜6的厚度為15nm，與第一實(shí)施形態(tài)一樣是利用LTS形成。
其次，如圖13(b)所示，利用LTS形成厚度為400nm的不包含雜質(zhì)的第一Al膜(純Al膜)7′以覆蓋連接孔5的內(nèi)表面。
其次，如圖13(c)所示，通過一邊加熱Si襯底1一邊形成第二Al膜來以第一及第二Al膜9填充連接孔5的內(nèi)部。
此處使用包含1wt％Cu的Al合金膜作為第二Al膜。所以，第一及第二Al膜9成為純Al膜和Al合金膜的混合膜。另外，在Nb襯膜6和第一及第二Al膜9的界面上形成AlNb合金膜10。
最后，如圖13(d)所示，通過將連接孔5外部的剩余第一及第二Al膜9，AlNb合金膜10以及Nb襯膜6利用CMP去除而完成第二布線9。
在本實(shí)施形態(tài)中，利用不包含雜質(zhì)的純Al膜作為第一Al膜7。薄膜的凝結(jié)行為與該材料的熔點(diǎn)有關(guān)，熔點(diǎn)越低的材料引起凝結(jié)的溫度越低。
因此，包含如銅這樣的雜質(zhì)的Al合金膜，與純Al膜比較，其熔點(diǎn)低。所以，為了抑制第一Al膜7的凝結(jié)，最好是不使用包含Cu這樣的雜質(zhì)的Al合金膜，而使用不包含添加物的純Al膜。
另一方面，包含Cu等雜質(zhì)的Al膜的熔點(diǎn)低而流動(dòng)性高。所以，對(duì)于一邊利用加熱濺射一邊使其流動(dòng)而形成的第二Al膜而言，最好是采用包含如Cu這樣的可降低熔點(diǎn)提高流動(dòng)性的添加物的Al膜。
此外，在Al膜中的Cu在回流后的降溫過程中在Al結(jié)晶晶界上析出。由EM造成的Al原子的移動(dòng)容易沿?cái)U(kuò)散系數(shù)小的結(jié)晶晶界及表面發(fā)生。因此，通過在Al膜中添加Cu可提高抗EM能力。
因此，如使用本實(shí)施形態(tài)的第一及第二Al膜，即使不使用凝結(jié)抑制材料，如第一Al膜7采用純Al膜，第二Al膜使用添加Cu的Al膜，可以抑制Al的凝結(jié)。另外，在加熱濺射中，Cu也在第一Al膜中擴(kuò)散，最終成為Cu添加在整個(gè)第一及第二Al膜9上。結(jié)果，可以以Al填充連接孔5，并且也可確保抗EM能力。
另外，通過在形成第二Al膜之際所使用的濺射靶中添加所希望的量的Cu，并對(duì)Al中的Cu的添加量根據(jù)第一Al膜7和第二Al膜的膜厚比率自由控制。
另外，如果合并使用在第一實(shí)施形態(tài)中說明的第一Al膜7形成后導(dǎo)入氧氣的方法和本實(shí)施形態(tài)的方法，由于其相乘的結(jié)果，可以進(jìn)一步提高Al的填充能力。
此外，本發(fā)明不限于上述實(shí)施形態(tài)。例如，在上述實(shí)施形態(tài)中說明的是利用Nb膜作為襯膜的場(chǎng)合，但也可以使用NbN膜，TiN膜，Nb膜，Ti膜，Nb膜和在其上形成的NbN膜構(gòu)成的Nb/NbN膜，或Ti膜及在其上形成的TiN膜構(gòu)成的Ti/TiN膜。另外，本發(fā)明也可應(yīng)用于鑲嵌布線以外的接觸栓。除此之外，在不脫離本發(fā)明的精神的條件下可以實(shí)現(xiàn)種種變形。
本發(fā)明的效果如上所述，在第一導(dǎo)電膜中包含抑制其凝結(jié)的凝結(jié)抑制材料的狀態(tài)下，可通過使第一及第二導(dǎo)電膜回流而有效地抑制第一及第二導(dǎo)電膜的凝結(jié)，從而可實(shí)現(xiàn)具有將高寬比高的凹部的內(nèi)部埋入布線層的布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括在半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主表面上形成的具有凹部的層間絕緣膜，在上述凹部?jī)?nèi)部形成的襯膜，在上述凹部的內(nèi)部通過上述襯膜填充的布線層，以及包含在上述布線層內(nèi)部的抑制上述布線層的構(gòu)成導(dǎo)電膜的凝結(jié)的凝結(jié)抑制材料。
2.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括在半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主表面上形成的具有凹部的層間絕緣膜，在上述凹部?jī)?nèi)部形成的襯膜，在上述凹部的內(nèi)部通過上述襯膜填充的布線層，包含在上述布線層內(nèi)部的抑制上述布線層的構(gòu)成導(dǎo)電膜的凝結(jié)的凝結(jié)抑制材料，以及在上述襯膜和上述布線層的界面，上述層間絕緣膜和上述布線層的界面任何一個(gè)上形成的襯膜和布線層的反應(yīng)層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述襯膜是由Nb，Ti，NbN或TiN構(gòu)成的單層膜或疊層膜。
4.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述布線層的構(gòu)成導(dǎo)電膜是由Al或Cu，或以Al或Cu為主要成分的Al合金或Cu合金組成。
5.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述凝結(jié)抑制材料至少包含氧原子。
6.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述凹部是布線溝，連接孔，以及連接孔和與其連接的布線溝中的至少一個(gè)。
7.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括在半導(dǎo)體襯底上形成具有凹部的層間絕緣膜的工序，在上述凹部?jī)?nèi)部形成襯膜的工序，在包含前述凹部的區(qū)域內(nèi)形成第一導(dǎo)電膜的同時(shí)使上述第一導(dǎo)電膜的至少一部分中包含可抑制上述第一導(dǎo)電膜的凝結(jié)的凝結(jié)抑制材料的工序，以及一邊對(duì)上述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加熱一邊在包含前述凹部的區(qū)域內(nèi)形成第二導(dǎo)電膜，同時(shí)使上述第一及第二導(dǎo)電膜回流填充上述凹部?jī)?nèi)的工序。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述襯膜為Nb、Ti、NbN或TiN構(gòu)成的單層膜或疊層膜。
9.如權(quán)利要求1或7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述第一及第二導(dǎo)電膜是由Al或Cu，或以Al或Cu為主要成分的Al合金或Cu合金組成。
10.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述凝結(jié)抑制材料至少包含氧原子。
11.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括在半導(dǎo)體襯底上形成具有凹部的層間絕緣膜的工序，在上述凹部?jī)?nèi)部形成襯膜的工序，在包含上述凹部的區(qū)域形成第一Al膜的同時(shí)使上述第一Al膜的至少一部分中包含氧氣的工序，以及一邊加熱上述半導(dǎo)體襯底一邊在包含上述凹部的區(qū)域中形成第二Al膜，同時(shí)使上述第一及第二Al膜回流以填充上述凹部?jī)?nèi)的工序。
12.如權(quán)利要求7或11所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述凹部是布線溝，連接孔，以及連接孔和與其連接的布線溝中的至少一個(gè)。
全文摘要
不會(huì)增加電阻和降低抗EM能力及引起Al凝結(jié)的在高寬比高的連接孔內(nèi)形成Al鑲嵌布線的技術(shù)。通過形成覆蓋連接孔及布線溝(凹部)的內(nèi)表面的Nb襯膜6,利用濺射在Nb襯膜6上形成不填充凹部?jī)?nèi)部的第一Al膜7,使其表面吸附氧氣8,邊加熱Si襯底1邊在包含凹部的區(qū)域上形成第二Al膜而以第一及第二Al膜7填充凹部?jī)?nèi)部,最后利用CMP去除凹部外部剩余的第一及第二Al膜7。
文檔編號(hào)H01L23/522GK1267912SQ0010439
公開日2000年9月27日 申請(qǐng)日期2000年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月23日
發(fā)明者及川靖, 和田純一, 堅(jiān)田富夫 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝