专利名称：用于布线的铝膜形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件的制造方法，特别涉及能够用铝层填充形成于层间膜和绝缘膜上的接触孔、通孔和柱孔内部的布线用铝膜的形成方法。
在IC(集成电路)和LSI(大规模集成电路)等的半导体器件中，为了电极取出和多层布线的层间连接，在绝缘膜(层间)上进行接触孔和通孔的开口，在这些接触孔和通孔内填充铝等导电物质，同时利用导电物质形成上层布线。在形成绝缘膜表面的布线槽内还填充铝等导电物质，以形成布线图形。
在LSI的高集成化、高速化的发展中，LSI的设计规则正在进行微细化，与此同时，也在微细化接触孔和通孔的直径，同时接触孔和通孔的长宽比正在变大。例如在贯通层间绝缘膜的孔的情况下，长宽比为孔的直径与层间绝缘膜的厚度之比。
作为用铝(Al)掩埋这样的接触孔和通孔的方法，大致分为采用铝的化学气相淀积法(CVD)的方法和采用溅射等物理气相淀积法(PVD)的方法。
按照化学气相淀积法，由于阶梯覆盖性(阶梯敷层)好，所以能够在层间绝缘膜上一边形成铝膜，一边用铝填充接触孔内部。但是，用化学气相淀积法淀积的铝膜由于组织粗糙，所以在接触孔内的部分中容易产生空隙。图6表示用化学气相淀积法淀积铝膜的情况下的示例，表示在硅基片61上形成作为层间绝缘膜62的SiO2膜，在该层间绝缘膜62上形成接触孔63，在包括接触孔63的内部，在层间绝缘膜62上用化学气相淀积法形成铝膜64的情况下，在接触孔63内部的某个部分上容易产生空隙65。此外，在作为有因构图产生的阶梯差形状的布线层处于层间绝缘膜下侧位置的情况下，因被构图的下层布线与接触孔的位置错位，在通孔内部的下层布线的侧壁上形成直接浇注部分，所以在该部分产生空隙，损害了连接可靠性。
为了解决用化学气相淀积法造成的铝膜形成上的这种问题，例如在特开平8-293552号公报中，披露了用化学气相淀积法使铝层(Al层)的成膜分两次进行，同时在用化学气相淀积法进行成膜时利用高压回流压溃空隙的方法。图7表示采用该方法的铝膜形成方法。作为在下层布线71上形成的层间绝缘膜72，首先，在层间绝缘膜72上进行开口，在该通孔73的底部使下层布线71露出，用化学气相淀积法形成Al层74。接着，利用高压回流法在温度400℃、压力60MPa以上的条件下进行Al层74的回流。得到图7(a)所示的形状。采用高压回流，以便将用化学气相淀积法堆积的Al层74压入在微细通孔73深部73a的部分。随后，在用溅射淀积第二Al层75后，如果再用高压回流掩埋，那么如图7(b)所示，完成用铝进行通孔73的掩埋。
另一方面，在用溅射形成铝膜的情况下，由于阶梯覆盖性差，如图8(a)所示，所以在溅射中不能用Al层84完全填充形成在绝缘膜82中的通孔83的内部。因此，在溅射后进行回流，使通孔83内能够被Al层74填充。但是，在由溅射产生Al层的情况下，由于回流时的Al原子的移动距离小，只有通孔73附近的Al原子向通孔73内运动，所以如图8(b)所示，使通孔73附近的Al层厚度减少，此外，作为掩埋的通孔和接触孔，存在长宽比被限制在3以下的问题。还有，由于存在溅射时产生的热等问题，使层间绝缘膜在耐热性低的低介电率膜情况下不能使用，其结果，会使已形成的铝布线的延迟变大。
作为解决组合溅射等物理气相淀积和回流方法的上述问题的方法，例如，有在特开平7-130851中披露的方法。图9表示用该方法进行Al层的形成方法。首先，如图9(a)所示，在衬底布线91上形成层间绝缘膜93，开口接触孔92，接着，堆积相对于Al系列材料浸润性良好的材料94，随后通过溅射淀积Al系列材料薄膜95。接着，如果加热到500℃，那么如图9(b)所示，Al系列材料薄膜95一边与Al系列材料的浸润性良好的材料94反应，同时逐渐进入接触孔92的底部。在加热后30秒时，如图9(c)所示，接触孔被Al系列材料完全覆盖。再有，如果用高温溅射使Al材料成膜，那么如图9(d)所示，可掩埋接触孔92。
在组合上述化学气相淀积和高压回流的形成方法中，必须在不活泼气体环境下或在真空下连接CVD装置和高压回流装置，即连接使用压力存在107倍的不同的装置，使用于连接的机构大型化，同时由于在CVD装置和高压回流装置间运送半导体晶片，所以使必要的时间变得非常长。因此，使半导体器件的制造成本大幅度地上升。
另一方面，在相对于用溅射等物理气相淀积的Al层进行回流的方法中，使上述问题有所增加，Al层与衬底(特别是与Al系材料的浸润性良好的材料)反应，形成高阻抗的合金层。因此，存在使布线电阻增加，半导体器件工作速度下降的问题。
本发明的目的在于提供不产生空隙，在比较低的温度下，用简单的设备使铝能够掩埋微细的且长宽比可超过3的接触孔和通孔的用于布线的铝膜形成方法。
本发明的用于布线的铝膜形成方法是在基片上形成的非平坦表面的绝缘膜上形成铝膜，相对于绝缘膜的表面，按化学气相淀积法形成铝膜，随后，在铝膜的表面被自然氧化膜覆盖前进行热处理。在进行铝膜的化学气相淀积前，把相对于该化学气相淀积有核形成作用的核形成层预先形成在绝缘膜上最好。
下面，详细说明本发明。
在本发明中，有非平坦表面的绝缘膜一般是形成接触孔、通孔、穿孔等孔部的绝缘膜，此外，也是形成布线槽等槽部的绝缘膜。作为构成绝缘膜的材料，例如最好能够使用有机SOG(旋涂玻璃，Spin-On-Glass)膜、无机SOG膜、聚对亚苯基二甲基(Parylene)、Cytop、聚喹啉(polyquinoline)、苯环丁烯(BCB；benzocyclobutene)、聚亚胺、HSQ等。
在绝缘膜上形成孔部和槽部后，在包括孔部的侧壁和底面、槽部的侧壁和底面的绝缘膜的表面上，最好薄薄地形成相对于铝的化学气相淀积具有核形成作用的层(核形成层)。作为核形成层，最好使用钛、氮化钛、硅、四氯化钛吸附层、四氢甲醇氨基钛吸附层、钛硅化物、钨硅化物、钒、铪、铌、钽、铂等。
形成由TiN等构成的核形成层，接着在相对于包括孔部的内壁和槽部的内壁的绝缘膜表面上，立即进行Al层的化学气相淀积。作为该化学气相淀积的原料气体，例如最好使用二甲基烷基铝氢化物、三聚异丁烯铝等的烷基铝、或铝氢化物胺加合物等。在本发明中，当化学气相淀积时，能够完全用铝膜填充孔部和槽部的内部。也就是说，形成膜厚小于孔部半径中的最小半径的薄铝膜和膜厚小于槽部最小宽度一半的薄铝膜。
这样，在形成TiN等核形成层后，如果进行铝的化学气相淀积，形成比接触孔和通孔的半径薄的铝膜，那么把铝保形地淀积在整个基片上。此时，用铝掩埋接触孔和通孔体积的75％以上是可能的，与其通过用接续该工序的热处理工序的回流完全用铝埋设孔部、槽部的情况，不如相对于进行铝膜的化学气相淀积前的孔部和槽部的体积，用铝填充其75％以上较好。
在用化学气相淀积进行铝膜的形成后，在使铝膜的表面上不形成自然氧化膜控制气体环境和时间的前提下，例如，如果进行从300℃加热到400℃的热处理，那么铝膜流动，可掩埋接触孔和通孔等的孔部、布线槽等的槽部。这种铝膜的流动化是本发明者的新发现。再有，当铝膜流动时，因铝与核形成层反应，不形成高电阻的合金层。
具体地说，热处理的温度受绝缘膜材质的限制，但一般来说是从250℃至600℃，270℃至500℃较好，330℃至450℃最好。其中，在热处理温度不足250℃的情况下，即使接近条件，但不会产生铝的回流。如果使热处理温度达到270℃以上，虽然回流上需要时间，但能用铝填充槽部热处理前体积的75％以上，如果使热处理温度达到300℃以上，那么能用短时间用铝填充槽部热处理前体积的80％以上。另一方面，如果热处理温度过高，具体地说，如果超过600℃，那么由于热处理温度接近铝的熔点或超过熔点，所以因回流有产生平坦性崩溃的可能性，此外，由于在包括晶粒等的铝布线的形状上有产生劣化的可能性，所以作为下层布线，使用铝布线的情况较好。
通过铝膜进行掩埋是基于以下理由的考虑。首先，第一，使接触孔和通孔的体积例如75％以上是因为在回流前被掩埋，使回流中必须移动的铝量较少的缘故。第二，因为由化学气相淀积产生的铝膜的最外表面不仅铝原子露出，而且以原料中包含的烷基和氢为终端，当引起铝原子表面迁移时，通过这些烷基和氢能够使迁移距离显著变长的缘故。按照这些理由，在本发明中，即使低温，也能够使充分量的铝回流，因此，可以认为能够进行低温下的空隙消失的掩埋。
如上所述，在铝膜的流动化中，使铝膜的最外表面以烷基和氢原子作终端是重要的。其中，如果在铝膜的表面上形成自然氧化膜，那么使铝膜的流动化明显受阻，因此，在想法上尽量进行接触孔等的掩埋。为了防止在铝膜的表面上形成自然氧化膜，继续化学气相淀积，进行快速地用于回流的热处理，同时必须使气体环境中氧和水等氧化性气体的分压充分低。具体地说，按使氧化性气体的分压在1×10-7Torr以下进行热处理较好，在1×10-8Torr以下进行热处理更好。此外，在与进行化学气相淀积相同的真空容器内进行热处理较好。
这样，在进行铝膜的化学气相淀积和热处理产生的回流时，通过高温溅射等物理气相淀积，在回流后的铝膜表面上，还形成铝或铝合金构成的层，使布线膜厚增大也可以。其中，如果形成例如包含1wt％左右铜(Cu)的铝层，那么通过铜的化学气相淀积也扩散在铝膜内，形成作为电迁移耐性高的合金膜的布线膜。
在利用化学机械研磨(CMP)用于构成波纹布线的铝膜形成中，最好也能够使用本发明。
图1(a)～(c)是表示采用本发明第一实施例的用于布线的铝膜形成方法的主要工序的剖面图。
图2是表示本发明第二实施例的用于布线的铝膜形成方法的剖面图。
图3(a)～(e)是表示采用本发明第三实施例的用于布线的铝膜形成方法的主要工序的剖面图。
图4(a)～(c)是表示采用本发明第四实施例的用于布线的铝膜形成方法的主要工序的剖面图。
图5是表示按照本发明方法的铝布线膜的形成过程的图面照片，(a)是表示通过化学气相淀积形成铝膜后，进行热处理前的接触孔部的剖面形状的电子显微镜照片，(b)是表示进行热处理后的接触孔部的剖面形状的电子显微镜照片。
图6是说明按以往的CVD法在通孔形成铝膜的图。
图7(a)、(b)是表示采用组合CVD法和高压回流的以往的用于布线的铝膜形成方法的主要工序的剖面图。
图8(a)、(b)是说明通过以往的溅射在通孔形成铝膜的图。
图9是表示采用在相对于Al系列材料浸润性良好的衬底上进行溅射，对通孔进行铝填充的以往的用于布线的铝膜形成方法的主要工序的剖面图。
下面，参照
本发明的优选实施例。《第一实施例》图1(a)～(c)是表示采用本发明第一实施例的用于布线的铝膜形成方法顺序进行主要工序的剖面图。其中，例示了在硅集成电路的布线工序中采用本发明的情况。
按照标准的集成电路制作方法，在Si基片11上形成SiO2构成绝缘膜12，在绝缘膜12的预定位置形成接触孔13。在接触孔13的底面使Si基片露出。接着，如图1(a)所示，在接触孔13的内表面和绝缘膜12的表面上，形成核形成层14。其中，作为核形成层14，能够使用一般作为Ti、TiN等阻挡膜使用的材料和四氢甲醇氨基钛的吸附层等。
接着，如图1(b)所示，通过化学气相淀积，在接触孔13的内表面和绝缘膜12的表面上形成比接触孔13的半径薄的Al膜15。如果核形成层14形成后的接触孔直径为0.16μm，那么在化学气相淀积中，例如堆积膜厚0.07μm的铝。这里的化学气相淀积，例如使用二甲基铝氢化物(CH3)2AlH，作为载体气体使氢气按50～2000sccm流动，使基片温度为100～300℃。
随后，在Al膜15的表面上原样维持不产生自然氧化膜的气体环境(具体地说，使氧和水等的氧化性气体的分压在1×10-7Torr以下)，使Ar气体按10～200sccm流动，Si基片11里面的压力变为120Torr，按温度300～400℃加热Si基片11。如果这样，那么如图1(c)所示，用Al可完全掩埋因Al膜15的回流产生的接触孔13。该回流可能是因从基片里面的气体加热和灯加热引起的。然后，如果利用通常的平版印刷处理和干式腐蚀构图Al膜15，那么可完成Al布线。《第二实施例》图2表示按本发明第二实施例的用于布线的铝膜形成方法形成的半导体器件的剖面。但是，得到该剖面的工序与上述第一实施例相同，表示第一实施例中的Al膜回流后工序的剖面。
接着第一实施例中的上述图1(c)所示的步骤，在不破坏真空情况下，进行Al或Al合金的溅射，然后，通过加热或进行这些材料的高温溅射，淀积图2所示的溅射Al膜16。如果溅射Al膜16为Al-Cu合金，那么经过该工序，还向用化学气相淀积的Al膜15扩散Cu，同时形成电迁移耐性高的合金膜。如果使溅射Al膜16中的Cu浓度达到1wt％左右，通过向Al膜15的Cu扩散，在随后的腐蚀工序中能够形成不产生残渣的Cu浓度的合金膜。
接着，进行平版印刷和干式腐蚀，通过构图溅射Al膜16和最初形成的Al膜15，完成Al布线。《第三实施例》下面，说明将本发明的用于布线的铝膜形成方法用于波纹(波纹、印上、象嵌)法的情况。图3(a)～(e)是表示采用第三实施例的用于布线的铝膜形成方法依次进行主要工序的剖面图。其中，例示了在硅集成电路的布线工序中采用本发明的情况。
按照标准的集成电路制作方法，在Si基片11上形成SiO2构成的绝缘膜12，在绝缘膜12的预定位置形成接触孔13和布线槽17。在接触孔13的底面使Si基片露出。布线槽17在下层侧未贯通，在其底面使布线槽17露出。接触孔13的直径为18μm，布线槽17的宽度为0.18μm。接着，如图3(a)所示，在接触孔13的内表面和绝缘膜12的表面上，用DC(直流)溅射法形成Ti构成的核形成层14。在DC功率为1～5kW，Al气体流量为30～200sccm，压力为1～20mTorr的成膜条件下，按厚度10～30nm淀积核形成层14。
接着，如图3(b)所示，使用二甲基铝氢化物，通过化学气相淀积，按膜厚60nm淀积Al膜15。然后，在氧或水等氧化性氛围中气体的分压为1×10-8Torr，从化学气相淀积结束至升温结束的时间为10秒，基片温度为300～400℃的条件下，加热1～10分钟。于是，由于布线槽17的宽度窄，所以如图3(c)所示，同时用Al膜15掩埋接触孔13和布线槽17。其中，如果进行化学机械研磨(CMP)，那么能够形成波纹布线。化学机械研磨使用SiO2浆料、Al2O3浆料等，在标准条件下进行也可以。
并且，在本实施例中，为了Al布线的可靠性提高，如图3(d)所示，通过溅射，淀积包含Cu的溅射Al膜16。用Al-4wt％Cu靶，在基片温度400℃，Ar流量50～300sccm，压力1～10mTorr,DC功率5～30kW条件下进行溅射。接着，进行上述化学机械研磨，如图3(e)所示，形成波纹布线18。《第四实施例》其中，在上述第三实施例中，说明了布线槽17的宽度比接触孔13的直径大的情况。经过与第三实施例同样的上述图3(a)、(b)所示的工序，在基片上用化学气相淀积法来淀积、回流Al膜15。图4(a)表示该阶段中的半导体器件的剖面形状。其中，由于堆积的Al膜15的膜厚比布线槽17的宽度大，所以不能仅靠回流掩埋布线槽17，因此，随后堆积如图4(b)所示的溅射Al膜16。溅射条件最好与上述各实施例相同。通过淀积溅射Al膜16，可以完全掩埋布线槽17。此时，如果在溅射Al膜上使用合金膜，那么与上述实施例说明的情况相同，使Al膜15也合金化。之后，进行与上述相同的化学机械研磨，形成波纹布线18。
下面，说明在本发明中实际形成铝膜的实例。其中，在基片上形成被构图的下层布线，然后，在包括下层布线的基片上形成层间绝缘膜，在对应于下层布线的层间绝缘膜上形成接触孔。而且，按照上述第一实施例中所示的顺序，进行化学气相淀积和回流。回流的温度为350℃。图5(a)是表示回流前即紧接着铝膜的化学气相淀积后的接触孔部分剖面形状的扫描型电子显微镜照片，图5(b)是表示回流后的接触孔部分剖面形状的扫描型电子显微镜照片。由这些显微镜照片可知，通过化学气相淀积，在按比接触孔直径的一半薄的膜厚并且使接触孔的体积的75％以上被填充的情况下成膜铝膜后，通过在铝膜表面被自然氧化膜覆盖前进行回流，显然可完全无空隙地用铝膜填充接触孔内部。
在上述实施例中，作为利用化学气相淀积进行铝膜淀积时的原料气体，列举了使用二甲基铝氢化物的情况，但铝膜堆积使用的原料气体并不限于此，使用三聚异丁烯铝[(CH3)2CHCH2]Al等的烷基铝和铝氢化物胺加合物(CH3)3NAlH3,(CH3)3NAlH3N(CH3)3,(CH3)2(C2H5)NAlH3，也可获得同样的效果。
此外，在上述实施例中，为了进行采用化学气相淀积法淀积的铝膜的回流，设有热处理工序，但在进行高温溅射前，通过设置使基片保持高温的时间等替代处理，也有同样的效果。
以上说明的本发明，通过在核形成层形成后用化学气相淀积形成铝膜，在该铝膜的表面被自然氧化膜覆盖前进行热处理，实现铝膜的流动化，不仅使用简便的装置，而且具有能够用电阻率低的铝膜良好地(无空隙地)掩埋接触孔和通孔及布线槽的效果。由此，能够大幅度地降低半导体器件的制造成本。
权利要求
1．一种用于布线的铝膜形成方法，在基片上形成的非平坦表面的绝缘膜上形成铝膜，其特征在于相对于所述绝缘膜的表面，按化学气相淀积法形成铝膜，随后，在所述铝膜的表面被自然氧化膜覆盖前进行热处理。
2．一种用于布线的铝膜形成方法，在基片上形成的非平坦表面的绝缘膜上形成铝膜，其特征在于在所述绝缘膜的表面上，形成相对于铝的化学气相淀积有核形成作用的核形成层，在相对于形成所述核形成层的所述绝缘膜的表面，按化学气相淀积法形成铝膜，随后，在所述铝膜的表面被自然氧化膜覆盖前进行热处理。
3．如权利要求1或2所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，在所述热处理后，在所述铝膜的表面上，通过物理化学生长，还形成铝层或铝合金层。
4．一种用于布线的铝膜形成方法，在形成设置在基片上的孔部的绝缘膜上形成铝膜，包括生长工序，在包括所述孔部的内壁的所述绝缘膜的表面上，通过化学气相淀积形成膜厚比所述孔部半径内最小半径薄的铝膜，和热处理工序，在所述生长工序实施后，在所述铝膜的表面被自然氧化膜覆盖前进行热处理。
5．如权利要求4所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，在所述生长工序实施前，在包括所述孔部内壁的所述绝缘膜的表面上，实施形成相对于铝的化学气相淀积有核形成作用的核形成层的工序。
6．如权利要求4或5所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，通过所述生长工序，用所述铝膜填充所述生长工序实施前的所述孔部体积中的75％以上。
7．一种用于布线的铝膜形成方法，在形成设置在基片上的孔部的绝缘膜上形成铝膜，包括生长工序，在包括所述槽部的内壁的所述绝缘膜的表面上，通过化学气相淀积形成比膜厚所述槽部的最小宽度的一半薄的铝膜，和热处理工序，在所述生长工序实施后，在所述铝膜的表面被自然氧化膜覆盖前进行热处理。
8．如权利要求7所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，在所述生长工序实施前，在包括所述槽部的内壁的所述绝缘膜的表面上，实施形成相对于铝的化学气相淀积有核形成作用的核形成层的工序。
9．如权利要求4至8其中任何一项所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，在所述热处理工序实施后，有在所述铝膜上按物理气相淀积形成铝或铝合金构成的层的工序。
10．如权利要求4至8其中任何一项所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，所述生长工序中的化学气相淀积使用二甲基铝氢化物、三聚异丁基铝等的烷基铝、铝氢化物胺加合物中的任何一个作为原料气体。
11．如权利要求4至8其中任何一项所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，所述生长工序中的化学气相淀积使用二甲基铝氢化物作为原料气体。
12．如权利要求4至8其中任何一项所述的用于布线的铝膜形成方法，其特征在于，所述热处理工序是使氧化性气体分压在1×10-7Torr以下条件下的热处理工序。
全文摘要
用铝膜使空隙消失并且完全掩埋在层间绝缘膜等上形成的高长宽比的接触孔和通孔。在包括接触孔13内的绝缘膜12的表面上,形成相对于铝的化学气相淀积具有核形成作用的核形成层,接着,在包括接触孔13内壁的绝缘膜12的表面上,通过化学气相淀积形成比接触孔13的半径中最小半径薄的膜厚的铝膜15。随后,在铝膜15的表面被自然氧化膜覆盖前进行热处理,并进行铝的回流,以使接触孔13内部完全被铝膜15掩埋。
文档编号H01L21/4763GK1217569SQ9812471
公开日1999年5月26日 申请日期1998年11月10日 优先权日1997年11月10日
发明者菅井和己 申请人:日本电气株式会社