特許 7488127 金属配線の形成方法及び成膜装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-13

(45)【発行日】2024-05-21

(54)【発明の名称】金属配線の形成方法及び成膜装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/14 20060101AFI20240514BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20240514BHJP

   H01L 21/768 20060101ALI20240514BHJP

   H01L 21/3205 20060101ALI20240514BHJP

   H01L 23/532 20060101ALI20240514BHJP

【ＦＩ】

C23C14/14 B

C23C14/34 C

C23C14/34 S

H01L21/90 A

H01L21/88 N

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020109068

(22)【出願日】2020-06-24

(65)【公開番号】P2022006690

(43)【公開日】2022-01-13

【審査請求日】2023-04-13

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年度、ＮＥＤＯ先導研究プログラム／新産業創出新技術先導研究プログラム委託研究／ポスト・ムーア時代の次世代配線開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110003339

【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100196575

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 満

(74)【代理人】

【識別番号】100168181

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 哲平

(74)【代理人】

【識別番号】100144211

【弁理士】

【氏名又は名称】日比野 幸信

(72)【発明者】

【氏名】中光 豊

【審査官】神▲崎▼ 賢一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－２６４２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４１７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００５６３８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－２３６４９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １４／１４

Ｃ２３Ｃ １４／３４

Ｈ０１Ｌ ２１／７６８

Ｈ０１Ｌ ２１／３２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

減圧雰囲気下で、ＣｕＡｌ合金でありＡｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１金属材料及びＣｕＡｌ合金でありＣｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２金属材料をそれぞれ少なくとも１回、基板に入射させることにより、前記基板にＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線を形成する方法であって、
前記第１金属材料及び前記第２金属材料に対して加熱処理を施す
金属配線の形成方法。

【請求項2】

請求項１記載の金属配線の形成方法であって、
前記第１金属材料と前記第２金属材料とを前記基板に交互に入射させることにより、前記金属配線を形成する
金属配線の形成方法。

【請求項3】

請求項１または２のいずれか１つに記載の金属配線の形成方法であって、
前記基板を加熱しながら、スパッタリング法によって前記金属配線を形成する
金属配線の形成方法。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１つに記載の金属配線の形成方法であって、
前記第１金属材料を第１圧力の減圧雰囲気下で前記基板に入射させ、前記第２金属材料を前記第１圧力とは異なる第２圧力の減圧雰囲気下で前記基板に入射させる
金属配線の形成方法。

【請求項5】

請求項４に記載の金属配線の形成方法であって、
前記第２圧力を前記第１圧力よりも高く設定する
金属配線の形成方法。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１つに記載の金属配線の形成方法であって、
前記第１金属材料を第１のバイアス電力を前記基板に印加して成膜し、前記第２金属材料を前記第１のバイアス電力とは異なる第２のバイアス電力を前記基板に印加して成膜する
金属配線の形成方法。

【請求項7】

請求項６に記載の金属配線の形成方法であって、
前記第１のバイアス電力を前記第２のバイアス電力よりもよりも高く設定する
金属配線の形成方法。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１つに記載の金属配線の形成方法であって、
前記基板に形成される前記金属配線の成膜源として、ＣｕＡｌ_２合金ターゲットを用いる
金属配線の形成方法。

【請求項9】

減圧雰囲気を維持することが可能な真空容器と、
アルミニウムと銅とを基板に向けて出射することが可能な成膜源と、
前記成膜源に印加する電力を変更することにより、アルミニウム及び銅を含む第１金属材料と、アルミニウム及び銅を含み前記第１金属材料に比べてアルミニウムの比率が低く銅の比率が高い第２金属材料とをそれぞれ少なくとも１回、前記基板に入射する制御を行う制御装置と
を具備する成膜装置。

【請求項10】

請求項９に記載の成膜装置であって、
前記制御装置は。前記第１金属材料と前記第２金属材料とを前記基板に交互に入射させる制御を行う成膜装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属配線の形成方法及び成膜装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの微細化に伴い、金属配線パターンが微細化は益々進行している。従来のデュアルダマシン法を用いた、バリア膜形成、シード層形成、及びＣｕ鍍金等の製造プロセスでは、微細配線パターンに対する良好なカバレッジ特性を得るのが難しくなっている。また、配線パターンが微細になるほど、金属配線中のバリア膜の体積割合が大きくなり、金属配線の抵抗が増加する場合がある。

【0003】

このような状況の中、バリア層、シード層を必要とせず、微細な金属配線パターンの埋め込み特性に優れたＣｕとＡｌとを含む合金を用いる技術が注目されている（例えば、非特許文献参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】"CuAl2 thin films as a low-resistivity interconnect material for advanced semiconductor", Journal of Vacuum Science & Technology B 37, 031215 (2019)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ＣｕとＡｌとを含む合金は、ＣｕとＡｌとの比率に応じて、例えばα相を形成したり、あるいはη相を形成したりする。α相が金属配線に混在すると、エレクトロマイグレーション耐性が低いため、配線断線を引き起こす可能性がある。一方、η相が金属配線に混在すると、金属配線の抵抗増加を引き起こす可能性がある。従って、これらの相は極力、その形成を抑える必要がある。

【0006】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、上記の相の形成を抑制し、信頼性の高い金属配線を形成する方法、及び該金属配線を形成する成膜装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る金属配線の形成方法では、減圧雰囲気下で、ＣｕＡｌ合金でありＡｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１金属材料及びＣｕＡｌ合金でありＣｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２金属材料をそれぞれ少なくとも１回、基板に入射させることにより、上記基板にＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0008】

このような金属配線の形成方法によれば、アルミニウムを含む第１金属材料及び銅を含む第２金属材料をそれぞれ少なくとも１回、基板に入射されるので、基板に信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0009】

上記の金属配線の形成方法においては、上記第１金属材料と上記第２金属材料とを上記基板に交互に入射させることにより、上記金属配線を形成してもよい。

【0010】

このような金属配線の形成方法によれば、第１金属材料と第２金属材料とを基板に交互に入射させるので、信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0011】

上記の金属配線の形成方法においては、上記基板を加熱しながら、スパッタリング法によって上記金属配線を形成してもよい。

【0012】

このような金属配線の形成方法によれば、基板を加熱しながら、スパッタリング法によって金属配線を形成するので、信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0013】

上記の金属配線の形成方法においては、上記第１金属材料を第１圧力の減圧雰囲気下で上記基板に入射させ、上記第２金属材料を上記第１圧力とは異なる第２圧力の減圧雰囲気下で上記基板に入射させてもよい。

【0014】

このような金属配線の形成方法によれば、第１金属材料を第１圧力の減圧雰囲気下で基板に入射させ、第２金属材料を第１圧力とは異なる第２圧力の減圧雰囲気下で基板に入射させるので、信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0015】

上記の金属配線の形成方法においては、上記第２圧力を上記第１圧力よりも高く設定してもよい。

【0016】

このような金属配線の形成方法によれば、第２圧力を第１圧力よりも高く設定するので、信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0017】

上記の金属配線の形成方法においては、上記第１金属材料を第１のバイアス電力を上記基板に印加して成膜し、上記第２金属材料を上記第１のバイアス電力とは異なる第２のバイアス電力を前記基板に印加して成膜してもよい。

【0018】

このような金属配線の形成方法によれば、第１金属材料が第１のバイアス電力を基板に印加して成膜され、第２金属材料が第１のバイアス電力とは異なる第２のバイアス電力を基板に印加して成膜されるので、信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0019】

上記の金属配線の形成方法においては、上記第１のバイアス電力を上記第２のバイアス電力よりもよりも高く設定してもよい。

【0020】

このような金属配線の形成方法によれば、第１のバイアス電力が第２のバイアス電力よりもよりも高く設定されるので、信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0021】

上記の金属配線の形成方法においては、上記基板に形成される上記金属配線の成膜源として、ＣｕＡｌ_２合金ターゲットを用いてもよい。

【0022】

このような金属配線の形成方法によれば、成膜源として、ＣｕＡｌ_２合金ターゲットを用いるので、信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0023】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、真空容器と、成膜源と、制御装置とを具備する。
上記真空容器は、減圧雰囲気を維持することができる。
上記成膜源は、アルミニウムと銅とを基板に向けて出射することができる。
上記制御装置は、成膜条件を変更することにより、アルミニウム及び銅を含む第１金属材料と、アルミニウム及び銅を含み上記第１金属材料に比べてアルミニウムの比率が低く銅の比率が高い第２金属材料とをそれぞれ少なくとも１回、上記基板に入射する制御を行う。

【0024】

このような成膜装置によれば、アルミニウムを含む第１金属材料及び銅を含む第２金属材料をそれぞれ少なくとも１回、基板に入射されるので、基板に信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【0025】

上記の成膜装置においては、上記制御装置は。上記第１金属材料と上記第２金属材料とを上記基板に交互に入射させる制御を行ってもよい。

【0026】

このような成膜装置によれば、第１金属材料と第２金属材料とを基板に交互に入射させる制御を行うため、基板に信頼性の高いＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が形成される。

【発明の効果】

【0027】

以上述べたように、本発明によれば、信頼性の高い金属配線を形成する方法、及び該金属配線を形成する成膜装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本実施形態の金属配線を形成する成膜装置の一例を示す模式図である。

【図2】第１形成方法での金属配線の形成方法を示す模式的断面図である。

【図3】第１形成方法での金属配線の形成方法を示す模式的断面図である。

【図4】比較例に係る金属配線の形成方法を示す模式的断面図である。

【図5】本実施形態の金属配線を形成する成膜装置の別の例を示す模式図である。

【図6】第２形成方法での金属配線の形成方法を示す模式的断面図である。

【図7】図（ａ）は、膜Ａを３００℃で３０分間、加熱処理した後の膜Ａの表面ＳＥＭ像であり、図（ｂ）は、膜Ｂを３００℃で３０分間、加熱処理した後の膜Ｂの表面ＳＥＭ像であり、図（ｃ）は、膜Ｃの表面ＳＥＭ像である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。また、同一の部材または同一の機能を有する部材には同一の符号を付す場合があり、その部材を説明した後には適宜説明を省略する場合がある。また、以下に示す数値は例示であり、この例に限らない。

【0030】

本実施形態の金属配線の形成では、大気圧よりも圧力が低い減圧雰囲気下で、アルミニウムを含む第１金属材料及び銅を含む第２金属材料をそれぞれ少なくとも１回、基板に入射させることにより、ＣｕＡｌ_２合金を含む金属配線が基板に形成される。

【0031】

また、本実施形態に係るＣｕＡｌ_２合金とは、主成分としてθ相のＣｕＡｌ_２合金を有する合金であることを意味する。例えば、本実施形態で形成されたＣｕＡｌ_２合金層を元素分析した場合、ＣｕＡｌ_ｚ（１．７≦Ｚ≦２．３）の銅アルミニウム合金層を意味する。

【0032】

（第１実施形態）

【0033】

図１は、本実施形態の金属配線を形成する成膜装置の一例を示す模式図である。

【0034】

本実施形態で使用される成膜装置２００Ａとして、スパッタリング成膜装置が例示される。成膜装置２００Ａは、真空容器２０１と、ターゲット（スパッタリングターゲット）２０２と、電源２０３と、ステージ２０４と、圧力計２０５と、ガス供給系２０６と、ガス流量計２０７と、排気系２０８と、制御装置２１０とを具備する。ステージ２０４上には、ウェーハ状の基板２２０が設置されている。基板２２０は、シリコン等の半導体材を含む。

【0035】

真空容器２０１は、排気系２０８によって減圧雰囲気を維持する。真空容器２０１は、ターゲット２０２、ステージ２０４、及び基板２２０等を収容する。真空容器２０１には、真空容器２０１内の圧力を計測する圧力計２０５が取り付けられる。また、真空容器２０１には、放電ガス（例えば、Ａｒ）を供給するガス供給系２０６が取り付けられる。真空容器２０１内に供給されるガス流量は、ガス流量計２０７で調整される。

【0036】

ターゲット２０２は、成膜装置２００Ａの成膜源である。ターゲット２０２は、アルミニウム銅合金で構成されている。例えば、ターゲット２０２が真空容器２０１内に形成されるプラズマによってスパッタリングされると、アルミニウムと銅とがターゲット２０２から基板２２０に向けて出射される。

【0037】

電源２０３は、ターゲット２０２に放電電力を供給する。電源２０３は、ＤＣ電源でもよく、ＲＦ、ＶＨＦ等の高周波電源でもよい。ターゲット２０２に電源２０３から放電電力が供給されると、ターゲット２０２のスパッタリング面の近傍にプラズマが形成される。

【0038】

ステージ２０４は、ターゲット２０２に対向する。ステージ２０４は、基板２２０を支持する。ステージ２０４には、温調機構が設けられている。ステージ２０４には、バイアス電位を印加することが可能になっている。

【0039】

制御装置２１０は、成膜装置２００Ａを制御する。例えば、制御装置２１０は、電源２０３の電力、ガス流量計２０７の開度、ステージ２０４に印加されるバイアス電力、ステージ２０４の温度等を制御する。圧力計２０５で計測された圧力は、制御装置２１０に送られる。

【0040】

制御装置２１０が成膜条件を変更することにより、アルミニウム及び銅を含む第１金属材料と、アルミニウム及び銅を含む別の第２金属材料とを基板２２０に入射することができる。例えば、ターゲット２０２として、１つのＣｕＡｌ_２合金ターゲットが成膜装置２００Ａ内に設置されたとしても、成膜条件を変更することにより、基板２２０上に第１金属材料と、第１金属材料とは組成比が異なる第２金属材料とを成膜することができる。

【0041】

ここで、第１金属材料と、第２金属材料とは、基板２２０に堆積した層の組成比が異なる金属である。例えば、第２金属材料においては、第１金属材料に比べてアルミニウムの比率が低く銅の比率が高い。制御装置２１０は、第１金属材料及び第２金属材料をそれぞれ少なくとも１回、基板２２０に入射する制御を行う。

【0042】

成膜中の真空容器２０１内の圧力は。例えば、制御装置２１０がガス流量計２０７の開度を調整したり、排気系２０８に設けられたバルブの開度を調整したりすることで、所定値に維持される。

【0043】

以下、成膜装置２００Ａによって形成される金属配線の形成方法を説明する。基板２２０には、室温状態で成膜処理が施され、その後に加熱処理が施されたり、あるいは、成膜処理中に加熱されながら、成膜処理が施されたりする。金属配線の形成条件は、制御装置２１０によって自動的に制御される。また、第１実施形態では、成膜源として１つの銅アルミニウム合金ターゲットが用いられる。以下、銅アルミニウム合金は、ＣｕＡｌ合金とする。ＣｕＡｌ合金ターゲットとは、ＣｕＡｌ_２合金からなってもよく、ＣｕＡｌ_２と異なる組成をもつ合金からなってもよい。例えばＣｕの組成は３０ａｔ％以上４０ａｔ％以下の範囲でもよく、３３．３ａｔ％以上３８ａｔ％以下の範囲であってよい。

【0044】

（第１形成方法）

【0045】

第１形成方法では、基板２２０が２００以上４００℃以下に加熱されながらスパッタリング成膜処理がなされる。

【0046】

図２（ａ）～図３（ｃ）は、第１形成方法での金属配線の形成方法を示す模式的断面図である。図２（ａ）～図３（ｃ）には、基板２２０の上層に設けられた開口１０２に金属配線が形成される様子が示されている。

【0047】

図２（ａ）には、金属配線が埋設される絶縁層として、層間絶縁層１０が例示されている。層間絶縁層１０の表面１０１には、溝または孔で構成された開口１０２が形成されている。開口１０２が溝の場合、溝は、例えば、Ｘ軸方向に延在する。また、開口１０２が孔の場合、孔をＺ軸方向から見た外形は、円形状または矩形状である。孔としては、ビアホール等が該当する。開口１０２は、層間絶縁層１０において有底でもよく、無底でもよい。図２（ａ）では、無底の開口１０２が例示されている。すなわち、開口１０２は、層間絶縁層１０をＺ軸方向に貫通している。

【0048】

開口１０２において、底部における幅ｗ１は、例えば、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。開口端における幅ｗ２は、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。開口１０２の深さは、例えば、１０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下である。開口１０２は、ストレート型でもよく、底に向かうにつれ幅が広くなったり、あるいは逆に狭くなったりするテーパ型でもよい。

【0049】

層間絶縁層１０の下には、層間絶縁層１１が設けられる。層間絶縁層１１の内部には、例えば、金属配線層１２が設けられている。金属配線層１２の一部は、開口１０２の底部において露出されている。金属配線層１２は、例えば、層間絶縁層１１の下方に設けられた、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、メモリ等（不図示）のいずれかに電気的に接続される。または、金属配線層１２の電位は、浮遊してもよい。なお、金属配線層１２を取り除き、金属配線層１２が層間絶縁層１１で置き換えられた構造体も本実施形態に含まれる。この場合、開口１０２の底部では、層間絶縁層１１が露出されることになる。

【0050】

金属配線層１２の材料は、Ｃｕ及びＡｌを含む金属間化合物である。例えば、金属配線層１２の材料は、ＣｕＡｌ_２合金である。ここで、ＣｕＡｌ_２合金とは、主成分としてθ層のＣｕＡｌ_２合金を有する合金であることを意味する。例えば、本実施形態で形成されたＣｕＡｌ_２合金層を元素分析した場合、ＣｕＡｌ_ｚ（１．７≦Ｚ≦２．３）の銅アルミニウム合金層を意味する。また、金属配線層１２の材料はコンタクト材料であるＷ及びＣｏであることもある。層間絶縁層１０、１１は、シリコン酸化物を含む。層間絶縁層１０、１１の材料は、例えば、シリコン酸化物、または、比誘電率３以下のＬｏｗ－ｋ材（ＣＶＤ－ＳｉＯＣ、ＣＶＤ－ＳｉＯ_２等）である。

【0051】

次に、制御装置２１０によってスパッタリング条件が設定されて、層間絶縁層１０の表面１０１及び開口１０２に金属材料２０Ａ（第１金属材料）が形成される。この状態を図２（ｂ）に示す。金属材料２０Ａとして、アルミニウム含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のアルミニウム含有率よりも多い金属材料が選定される。例えば、金属材料２０Ａの化学量論組成は、ＣｕＡｌ_ｘ（２＜ｘ＜２．８２）で表される。

【0052】

金属材料２０Ａは、基板２２０に成膜される際、例えば、スパッタリング粒子から運動エネルギーを得る。このため、基板２２０上での金属材料２０Ａのマイグレーションが促進されて、金属材料２０Ａの段差被覆性は良好になる。例えば、金属材料２０Ａは、表面１０１、開口１０２の内壁１０４、及び開口１０２の底部に沿って形成される。金属材料２０Ａの厚みは、５ｎｍ～５０ｎｍに設定される。

【0053】

次に、制御装置２１０によって金属材料２０Ａの成膜条件とは異なるスパッタリング条件が設定され、図２（ｃ）に示すように、層間絶縁層１０の表面１０１及び開口１０２に金属材料２０Ａを介して金属材料２０Ｃ（第２金属材料）が形成される。

【0054】

例えば、金属材料２０Ａを第１圧力の減圧雰囲気下で基板２２０に入射させた場合、金属材料２０Ｃについては、第１圧力とは異なる第２圧力の減圧雰囲気下で基板２２０に入射される。例えば、第２圧力は、第１圧力よりも高く設定され、第１圧力が、例えば、０．０５Ｐａ以上０．１５Ｐａ以下ならば、第２圧力は、０．２５Ｐａ以上０．３５Ｐａ以下に設定される。

【0055】

ここで、金属材料２０Ｃとしては、銅含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２の銅含有率よりも多い金属材料が選定される。例えば、金属材料２０Ｃの化学量論組成は、ＣｕＡｌ_ｙ（０．６≦ｙ＜２）で表される。

【0056】

また、金属材料２０Ｃは、金属材料２０Ａ上に成膜される際、例えば、スパッタリング粒子から運動エネルギーを得る。このため、金属材料２０Ａ上での金属材料２０Ｃのマイグレーションが促進されて、金属材料２０Ｃの段差被覆性は良好になる。例えば、金属材料２０Ｃは、金属材料２０Ａを介して、表面１０１、開口１０２の内壁１０４、及び開口１０２の底部に沿って形成される。金属材料２０Ｃの厚みは、５ｎｍ～５０ｎｍに設定される。金属材料２０Ｃの厚みは、金属材料２０Ａの厚みと異なってもよい。

【0057】

このように、第１圧力で金属材料２０Ａのスパッタリング成膜がなされ、続いて、第２圧力で金属材料２０Ｃのスパッタリング成膜がなされる。スパッタリング成膜では、加熱スパッタリングが採用されることから、金属材料２０Ａの成膜と、金属材料２０Ａのリフロー処理とが同時に進行し、金属材料２０Ｃの成膜と、金属材料２０Ｃのリフロー処理とが同時に進行する。

【0058】

ここで、金属材料２０Ａ及び金属材料２０Ｃはともに加熱されていることから、金属材料２０Ａ上に金属材料２０Ｃが成膜されると、金属材料２０Ａと金属材料２０Ｃとの反応が起き、安定したθ相であって、化学量論組成ＣｕＡｌ_２で構成された金属配線２０が形成される。この状態を図３（ａ）に示す。

【0059】

続いて、金属材料２０Ａの加熱スパッタリング成膜と金属材料２０Ｃの加熱スパッタリング成膜とが交互になされて、図３（ｂ）に示すように、ＣｕＡｌ_２で構成された金属配線２０が表面１０１及び開口１０２に積層される。この後は、図３（ｃ）に示すように、表面１０１から上方の金属配線２０の余剰部分が化学的機械研磨法により除去される。このような方法によって、信頼性の高いθ相のＣｕＡｌ_２層（金属配線２０）を安定して形成することができる。

【0060】

本実施形態では、加熱スパッタリングが採用されていることから、基板２２０上での金属材料２０Ａ、２０Ｃのマイグレーションがさらに促進されて、金属配線２０の段差被覆性がさらに良好になる。

【0061】

金属配線２０が開口１０２に形成された後、基板２２０がｉｎ－ｓｉｔｕによって、例えば、２００℃～４００℃、好ましくは２５０℃～３５０℃で、３分間～６０分間、好ましくは２０分間～４０分間、リフロー処理される。この加熱は、真空容器２０１内で行われてもよく、真空容器２０１とは独立したアニール装置で行われてもよい。なお、金属配線２０が開口１０２に形成された後のリフロー処理は、適宜省略することもできる。

【0062】

上記の例では、成膜時の圧力を変えて金属材料２０Ａと金属材料２０Ｃとを形成したが、ステージ２０４に印加するバイアス電力を変えて金属材料２０Ａと金属材料２０Ｃとを形成してもよく、ステージ２０４の設定温度を変えて金属材料２０Ａと金属材料２０Ｃとを形成してもよい。

【0063】

例えば、ステージ２０４に第１のバイアス電力を印加して金属材料２０Ａを基板２２０に入射させた場合、金属材料２０Ｃについては、第１のバイアス電力とは異なる第２のバイアス電力で基板２２０に入射させてもよい。例えば、第１のバイアス電力は、第２のバイアス電力よりも高く設定される。

【0064】

また、金属材料２０Ａを成膜する成膜装置及び金属材料２０Ｃを成膜する成膜装置のそれぞれのステージ温度は、異なる温度に設定されてよい。例えば、金属材料２０Ａを成膜する成膜装置のステージの温度は、金属材料２０Ｃを成膜する成膜装置のステージの温度よりも高く設定される。

【0065】

さらに、金属材料２０Ａを基板２２０に入射させる専用の成膜装置と、金属材料２０Ｃを基板２２０に入射させる専用の成膜装置とをそれぞれ独立して用意してもよい。それぞれの成膜装置は、同様の構成でもよく、それぞれが成膜装置２００Ａと同様の構成でもよい。これら独立した成膜装置のそれぞれのステージ温度を異なる温度に設定することもできる。

【0066】

（比較例）

【0067】

ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例に係る金属配線の形成方法を示す模式的断面図である。

【0068】

例えば、化学量論組成ＣｕＡｌ_２のターゲットを用いて、スパッタリング成膜を行う場合、基板に形成される膜の化学量論組成比がターゲットの組成比と同様にＣｕＡｌ_２（θ相のＣｕＡｌ_２）になるとは限らない。すなわち、減圧雰囲気での成膜プロセスでは、ターゲットの組成比と、膜の組成比とのずれが生じる場合がある。

【0069】

例えば、ＣｕＡｌ_２ターゲットを用いて所定の成膜条件で成膜を試みた場合、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い合金層３００が基板２２０に形成される場合がある。この状態を図４（ａ）に示す。合金層３００は、単層である。

【0070】

この後、合金層３００にウェーハプロセスの進行によって熱履歴が施されると、合金層３００はＣｕＡｌ_２層に比べてＡｌを多く含むため、例えば、図４（ｂ）に示すように、合金層３００中にα相３０１が析出する可能性がある。このようなＡｌ粒子３０１が金属配線中に析出すると、例えば、エレクトロマイグレーションによる断線が生じる可能性がある。

【0071】

一方、合金層３００として、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い合金層が形成された場合には、熱履歴によってη相のＣｕＡｌ合金が金属配線中に析出し、配線抵抗の増加をもたらす。従って、比較例では、信頼性の高い金属配線が形成されない可能性がある。

【0072】

このように、ＣｕＡｌ_２ターゲットを用いて基板上にθ相のＣｕＡｌ_２層を形成する最適化条件を探索することは難しく、その最適化条件に成膜条件が縛られることになる。換言すれば、この狭いマージンの条件から成膜条件が逸れた場合、θ相のＣｕＡｌ_２層が得られないことになる。

【0073】

また、θ相のＣｕＡｌ_２層を形成する成膜条件ごとにターゲット組成比を変えたターゲットを複数準備する方法がある。しかし、この方法では、複数のターゲットを準備するための試行錯誤を繰り返すこととなり、ターゲットの高コスト化を招来する。

【0074】

これに対して、本実施形態によれば、θ相のＣｕＡｌ_２層を狙って形成する成膜条件に設定する必要がない。また、成膜条件ごとにターゲット組成比を変えたターゲットを準備することを要しない。本実施形態では、ＣｕＡｌ_２に比べてＡｌが比較的多い金属材料２０Ａと、ＣｕＡｌ_２に比べてＣｕが比較的多い金属材料２０Ｃとを積層し、金属材料２０Ａと金属材料２０Ｃとを加熱することで、信頼性の高いθ相のＣｕＡｌ_２層（金属配線２０）を安定して形成することができる。

【0075】

また、成膜時のリフロー温度を２００℃よりも低く設定すると、金属材料２０Ａと金属材料２０Ｃとの反応が充分に進行しなくなるので好ましくない。また、リフロー温度を４００℃よりも低く設定すると、金属配線２０の結晶化が過剰に促進されて、金属配線２０の表面粗さ（例えば、Ｒａ）が大きくなるので好ましくない。あるいは、層間絶縁層１０がＬｏｗ－ｋ材で構成されている場合、Ｌｏｗ－ｋ材が熱ダメージを受けやすくなるので好ましくない。

【0076】

また、金属材料２０Ａと金属材料２０Ｃとの反応を促進するには、金属材料２０Ａの厚み及び金属材料２０Ｃの厚みが薄いほうが望ましい。例えば、金属材料２０Ａの厚み及び金属材料２０Ｃの厚みを５０ｎｍ以下とすることで、よりθ相のＣｕＡｌ_２を多く含む金属配線２０が形成される。

【0077】

（第２実施形態）

【0078】

図５は、本実施形態の金属配線を形成する成膜装置の別の例を示す模式図である。

【0079】

成膜装置２００Ｂにおいては、スパッタリングターゲットとして、ターゲット２０２Ａと、ターゲット２０２Ｃとが設けられている。ターゲット２０２Ａ、２０２Ｃのそれぞれの外周には、防着板２１１が設けられている。成膜装置２００Ｂは、二元スパッタリング装置（コスパッタリング装置）である。

【0080】

ターゲット２０２Ａは、アルミニウムで構成されている。ターゲット２０２Ｃは、銅で構成されている。例えば、ターゲット２０２Ａ、２０２Ｃが真空容器２０１内に形成されるプラズマによってスパッタリングされると、ターゲット２０２Ａからは、アルミニウムが基板２２０に向けて出射され、ターゲット２０２Ｃからは、銅が基板２２０に向けて出射される。

【0081】

電源２０３は、ターゲット２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれに独立して放電電力を供給する。ターゲット２０２Ａ、２０２Ｃのそれぞれに電源２０３から放電電力が供給されると、ターゲット２０２Ａ、２０２Ｃのそれぞれのスパッタリング面の近傍にプラズマが形成される。制御装置２１０は、電源２０３が供給するターゲット２０２Ａ、２０２ＢＡのそれぞれの電力を制御する。

【0082】

制御装置２１０が成膜条件を変更することにより、アルミニウムを含む金属材料と、銅を含む金属材料とを基板２２０に入射することができる。制御装置２１０は、アルミニウムを含む金属材料及び銅を含む金属材料をそれぞれ少なくとも１回、基板２２０に入射する制御を行う。以下、成膜装置２００Ｂによって形成される金属配線の形成方法を説明する。

【0083】

（第２形成方法）

【0084】

図６（ａ）～図６（ｃ）は、第２形成方法での金属配線の形成方法を示す模式的断面図である。第２形成方法では、基板２２０が２００以上４００℃以下に加熱されながらスパッタリング成膜処理がなされる。

【0085】

図６（ａ）に示すように、制御装置２１０の制御により電源２０３によってターゲット２０２Ａに放電電力が投入されて、層間絶縁層１０の表面１０１及び開口１０２に金属材料２１Ａが形成される。金属材料２１Ａとして、アルミニウムを含む金属材料が選定される。例えば、金属材料２１Ａは、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い金属材料である。例えば、金属材料２０Ａの化学量論組成は、ＣｕＡｌ_ｘ（２＜ｘ＜２．８２）で表される。

【0086】

金属材料２１ＡのＡｌ含有量は、電源２０３が供給するターゲット２０２Ａ、２０２Ｃのそれぞれの電力を制御することによって調整される。例えば、金属材料２１Ａの厚みは、５ｎｍ～５０ｎｍに設定される。また、成膜時の圧力は、０．０１Ｐａ～０．１５Ｐａに設定される。

【0087】

次に、制御装置２１０の制御により電源２０３によってターゲット２０２Ｃに放電電力が投入され、層間絶縁層１０の表面１０１及び開口１０２に金属材料２１Ａを介して金属材料２１Ｃが形成される。金属材料２１Ｃとして、銅を含む金属材料が選定される。例えば、金属材料２１Ｃは、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い金属材料である。例えば、金属材料２０Ｃの化学量論組成は、ＣｕＡｌ_ｙ（０．６≦ｙ＜２）で表される。金属材料２１ＣのＣｕ含有量は、電源２０３が供給するターゲット２０２Ａ、２０２Ｃのそれぞれの電力を制御することによって調整される。

【0088】

例えば、金属材料２１Ａを放出するときのターゲット２０２Ａへの投入電力を第１電力、ターゲット２０２Ｃへの投入電力を第２電力とした場合、金属材料２１Ｃを放出するときのターゲット２０２Ａへの投入電力が第１電力よりも低く設定されてもよく、あるいは、ターゲット２０２Ｃへの投入電力が第２電力よりも高く設定されてもよい。金属材料２１Ｃの厚みは、５ｎｍ～５０ｎｍに設定される。成膜時の圧力は、０．０１Ｐａ～０．１５Ｐａに設定される。

【0089】

このような金属材料２１Ａの成膜と金属材料２１Ｃの成膜とが交互になされて、金属材料２１Ａと金属材料２１Ｃとが基板２２０に交互に入射される。これにより、金属材料２１Ａと金属材料２１Ｃとが交互に積層した積層体２１Ｌが表面１０１及び開口１０２に形成される。なお、金属材料２１Ａと金属材料２１Ｃとは、どちらが先に形成されてもよい。

【0090】

加熱スパッタリングが採用されることから、金属材料２１Ａ上に金属材料２１Ｃが成膜されると、金属材料２１Ａと金属材料２１Ｃとの反応が起き、化学量論組成ＣｕＡｌ_２で構成された金属配線２０が形成される。この状態を図６（ｂ）に示す。

【0091】

続いて、金属材料２１Ａの加熱スパッタリング成膜と金属材料２１Ｃの加熱スパッタリング成膜とが交互になされて、図６（ｃ）に示すように、ＣｕＡｌ_２で構成された金属配線２０が表面１０１及び開口１０２に積層される。このような方法によっても、信頼性の高いθ相のＣｕＡｌ_２層（金属配線２０）を形成することができる。

【0092】

第２実施形態によれば、ＣｕＡｌ_２ターゲットを用いることなく、より安価なＡｌターゲット及びＣｕターゲットでプロセスを進行させることができる。また、金属配線２０の形成を金属材料２１Ａ、２１Ｃのそれぞれの厚みの比率で制御できるのでプロセス条件が簡便になる。あるいは、組成の異なるＣｕＡｌ合金ターゲットを組み合わせることもできる。

【0093】

金属配線２０が開口１０２に形成された後、基板２２０がｉｎ－ｓｉｔｕによって、例えば、２００℃～４００℃、好ましくは、２５０℃～３５０℃で、３分間～６０分間、好ましくは、２０分間～４０分間、リフロー処理してもよい。これにより、信頼性の高いθ相のＣｕＡｌ_２層（金属配線２０）を形成することができる。

【実施例】

【0094】

（実施例１）

【0095】

スパッタリング成膜時の圧力を変えることにより、ＣｕＡｌ合金膜の組成比が変わることを確認した。サンプルとしては、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多いサンプルＡと、化学量論組成ＣｕＡｌ_２に近似するサンプルＢと、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多いサンプルＣとを準備した。なお、ＣｕＡｌ_２の化学量論組成比は、３３．３３％：６６．６６％である。基板は、Ｓｉ基板である。

【0096】

サンプルＡのスパッタリング条件の一例を以下に示す。
ターゲット：ＣｕＡｌ_２ターゲット
成膜圧力：０．０３３Ｐａ
基板温度：室温
放電電力：０．４８Ｗ／ｃｍ^２
放電ガス：Ａｒ

【0097】

サンプルＢのスパッタリング条件の一例を以下に示す。
ターゲット：ＣｕＡｌ_２ターゲット
成膜圧力：０．１Ｐａ
基板温度：室温
放電電力：０．４８Ｗ／ｃｍ^２
放電ガス：Ａｒ

【0098】

サンプルＣのスパッタリング条件の一例を以下に示す。
ターゲット：ＣｕＡｌ_２ターゲット
成膜圧力：０．３Ｐａ
基板温度：室温
放電電力：０．４８Ｗ／ｃｍ^２
放電ガス：Ａｒ

【0099】

それぞれの組成比の結果を表１に示す。濃度は、元素ＸＲＦ分析手段（株式会社Ｒｉｇａｋｕ社製ＡＺＸ４００）に従った。

【0100】

【表1】

【0101】

表１に示すように、ＣｕＡｌ_２ターゲットを用いて成膜時の圧力を変えることにより、０．１Ｐａ以下のサンプルＡ、Ｂでは、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い膜が形成されることが分かる。また、圧力をサンプルＡ、Ｂに比べて高く設定したサンプルＣ（０．３Ｐａ成膜）では、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い膜が形成されることが分かる。

【0102】

次に、ＣｕＡｌ合金の組成比が異なる、膜Ａと膜Ｂとを交互に積層し、積層体を加熱処理した後のＣｕとＡｌとの濃度の変化を調査した。膜Ａの成膜条件は、サンプルＢの成膜条件、膜Ｂの成膜条件は、サンプルＣの成膜条件に従った。

【0103】

約１０ｎｍの膜Ａと、約１０ｎｍ程度の膜Ｂとを同じ真空容器２０１内で交互に積層して積層膜を形成した。次いで、この積層膜を３００℃で３０分間、加熱処理した。加熱処理した後の膜Ｃの組成比を表２に示す。膜Ａと膜Ｂとを積層中、膜Ａを形成するときの圧力は、０．１Ｐａ、膜Ｂを形成するときの圧力は、０．３Ｐａである。

【0104】

【表2】

【0105】

表２に示すように、加熱処理した後の膜Ｃの組成比においては、いずれのサンプルにおいて、Ａｌ濃度が膜Ａよりも下がり、Ｃｕ濃度が膜Ｂよりも下がることが確認された。これは、膜Ｃにおいて、膜Ａと膜Ｂとの間での反応が起きたと考えられる。例えば、ＡｌとＣｕとの組成比は、ＣｕＡｌ合金θ相の組成比（３３．３％：６６．６％）に近似している。

【0106】

図７（ａ）は、膜Ａを３００℃で３０分間、加熱処理した後の膜Ａの表面ＳＥＭ像であり、図７（ｂ）は、膜Ｂを３００℃で３０分間、加熱処理した後の膜Ｂの表面ＳＥＭ像であり、図７（ｃ）は、膜Ｃの表面ＳＥＭ像である。

【0107】

図７（ａ）に示す膜Ａにおいては、ＳＥＭ像において比較的黒い部分２５が散見された。膜Ａの元素分析をしたところ、部分２５のＡｌ濃度が部分２５以外のＡｌ濃度に比べて高いことが分かった。

【0108】

図７（ｂ）に示す膜Ｂにおいては、ＳＥＭ像において比較的白い部分２６が散見された。膜Ｂの元素分析をしたところ、部分２６のＣｕ濃度が部分２６以外のＣｕ濃度に比べて高いことが分かった。

【0109】

これに対して、図７（ｃ）に示す膜Ｃにおいては、黒い部分２５及び白い部分２６がともに観測されなかった。

【0110】

（実施例２）

【0111】

スパッタリング成膜時のステージ２０４に印加するバイアス電力を変えることにより、ＣｕＡｌ合金膜の組成比が変わることを確認した。サンプルとしては、含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２の含有率よりも多いサンプルＤと、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多いサンプルＥとを準備した。なお、ＣｕＡｌ_２の化学量論組成比は、３３．３３％：６６．６６％である。基板は、Ｓｉ基板である。

【0112】

サンプルＤのスパッタリング条件の一例を以下に示す。
ターゲット：ＣｕＡｌ_２ターゲット
成膜圧力：０．１Ｐａ
基板温度：室温
放電電力：０．４８Ｗ／ｃｍ^２
ステージバイアス電力：０Ｗ
放電ガス：Ａｒ

【0113】

サンプルＥのスパッタリング条件の一例を以下に示す。
ターゲット：ＣｕＡｌ_２ターゲット
成膜圧力：０．１Ｐａ
基板温度：室温
放電電力：０．４８Ｗ／ｃｍ^２
ステージバイアス電力：５０Ｗ
放電ガス：Ａｒ

【0114】

それぞれの組成比の結果を表３に示す。濃度は、元素ＸＲＦ分析手段（株式会社Ｒｉｇａｋｕ社製ＡＺＸ４００）に従った。

【0115】

【表3】

【0116】

表３に示すように、ＣｕＡｌ_２ターゲットを用いてステージ２０４に印加するバイアス電力を変えることにより、低バイアス成膜（０Ｗ）では、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い膜が形成され、高バイアス成膜（５０Ｗ）では、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い膜が形成されることが分かる。

【0117】

（実施例３）

【0118】

Ａｌターゲット及びＣｕターゲットのコスパッタリングにおいて各ターゲットに印加する電力を変えることにより、ＣｕＡｌ合金膜の組成比が変わることを確認した。サンプルとしては、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多いサンプルＦと、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多いサンプルＧとを準備した。なお、ＣｕＡｌ_２の化学量論組成比は、３３．３３％：６６．６６％である。基板は、Ｓｉ基板である。

【0119】

サンプルＦのスパッタリング条件の一例を以下に示す。
ターゲットサイズ：φ１２５ｍｍ
成膜時のガス圧：０．０３Ｐａ
Ａｌターゲット投入電力：１０００Ｗ
Ｃｕターゲット投入電力：１３０Ｗ

【0120】

サンプルＧのスパッタリング条件の一例を以下に示す。
ターゲットサイズ：φ１２５ｍｍ
成膜時のガス圧：０．０３Ｐａ
Ａｌターゲット投入電力：１０００Ｗ
Ｃｕターゲット投入電力：１４０Ｗ

【0121】

それぞれの組成比の結果を表４に示す。濃度は、元素ＸＲＦ分析手段（株式会社Ｒｉｇａｋｕ社製ＡＺＸ４００）に従った。

【0122】

【表4】

【0123】

表４に示すように、Ａｌターゲット及びＣｕターゲットのコスパッタにより、各ターゲットに印加する電力を調整することで、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い膜及び、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い膜が形成されることが分かる。

【0124】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合することができる。

【0125】

また、本実施形態に係るＣｕとＡｌとを含む合金とは、化学式ＣｕＡｌ_２で示される化学量論比の金属合金に限らず、ＣｕとＡｌとの原子数の比が１：２から若干のずれが生じた合金も含まれる。このような若干のずれが生じた合金を金属配線に用いても、金属配線中に局部的なＡｌ粒の形成が認められず、金属配線の抵抗の増加がなかった。

【符号の説明】

【0126】

１０…層間絶縁層
１１…層間絶縁層
１２…金属配線層
２０…金属配線
２０Ａ、２１Ａ…金属材料
２０Ｃ、２１Ｃ…金属材料
２０Ｌ、２１Ｌ…積層体
１０１…表面
１０２…開口
１０４…内壁
２００Ａ、２００Ｂ…成膜装置
２０１…真空容器
２０２、２０２Ａ、２０２Ｃ…ターゲット
２０３…電源
２０４…ステージ
２０５…圧力計
２０６…ガス供給系
２０７…ガス流量計
２０８…排気系
２１０…制御装置
２１１…防着板
２２０…基板
３００…合金層
３０１…α相

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】