JP4049124B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の金属配線技術、特に高集積のアルミニウム配線構造を有する半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。

半導体装置における集積回路配線は、アルミニウムを主成分とする金属配線が一般化されている。配線自体はスパイク防止等のバリアメタルや反射防止膜などの機能を付帯させるため、単層とはならず積層となる。かつ、アルミニウム配線を構成する結晶粒の結晶方位を（１１１）に配向させること、結晶粒径を大きく、ばらつきを小さくすること等は、エレクトロマイグレーション耐性強化の上で重要な対策である。

上記金属配線は、バリアメタルとして例えばＴｉ／ＴｉＮの積層膜が形成され、その上にＡｌを主成分とする実質的な金属配線が形成される。最上層にはＴｉＮの反射防止膜を設けてリソグラフィ加工精度を向上させる。金属配線は、Ａｌを主成分として僅かにＣｕやＳｉを含有させるＡｌ−Ｃｕ構造、Ａｌ−Ｓｉ構造、Ａｌ−Ｓｉ‐Ｃｕ構造が知られている。

ＴｉＮとＡｌは同じ面心立方構造（ＦＣＣ）を有し、格子定数も近いため、ＴｉＮの（１１１）結晶面に整合してＡｌの（１１１）結晶面が成長する特性がある。しかし、従来、ＴｉＮは反応性スパッタ法で堆積させるか、Ｔｉスパッタ後に窒化処理させるかいずれかの方法をとる。このため、ＴｉＮは均一に薄膜形成することが難しく、付着性が悪い。つまり、配線抵抗に極力影響を与えないような薄膜のＴｉＮを形成しようとすれば、均一に（１１１）結晶面を形成することは困難で、Ａｌの（１１１）結晶面を均一に揃わせることができないばかりか、最悪、バリア性を保てなくなる恐れがある。

また、従来技術において、結晶構造が違っても、下層膜の表面粗さ（Ｒａ）を１０ｎｍ以下という特定の範囲に規定することで、上層膜の結晶配向を制御する技術が開示されている。例えば、下層膜としてＣＶＤ（化学気相成長）成膜したタングステン、すなわちＣＶＤ−Ｗ膜を用い、ＣＶＤ−Ｗ膜の表面粗さ（Ｒａ）を１０ｎｍ以下に制御する。これにより、ＣＶＤ−Ｗ膜は、体心立方構造（ＢＣＣ）で２種類の結晶方位が混在しているにもかかわらず、上層膜としてＡｌを形成すると、Ａｌの（１１１）結晶配向が実現する（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−９４５１５号公報（第３、第４頁）

上述したように、スパッタ技術を用いてのＴｉＮ形成は薄膜で均一に形成することが難しく、付着性が悪いため、上層膜としてのＡｌの（１１１）結晶面を揃わせることが困難である。また、表面粗さ（Ｒａ）を制御したＣＶＤ−Ｗ膜を用いて上層膜としてのＡｌの（１１１）結晶配向を実現する技術では、エッチング加工など既存プロセスを変更しなければならず、コスト的に問題がある。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、既存プロセス、配線抵抗に極力影響を与えない薄膜のバリアメタルを形成すると共に、（１１１）結晶面を高配向させるアルミニウムを主成分とする高信頼性の配線構造を有する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供しようとするものである。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された複数の素子に関係して集積回路を構成する配線部材を有し、前記配線部材において、アルミニウムを主成分とする導電層のバリアメタルとして第1層に（００２）結晶面に高配向されたＴｉ膜、第２層に前記Ｔｉ膜の配向性が引き継がれかつ拡散または合金化を防止する膜厚を有するバッファ膜を配し、前記導電層は（１１１）結晶面に高配向制御されている。

上記本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、結晶配向を（００２）面としたＴｉ膜上に、Ｔｉ膜の結晶学的情報を崩さずにバッファ膜が形成されている。アルミニウムを主成分とする導電層は、バッファ膜あるいはバッファ膜下のＴｉ膜の配向性に依存し（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となる。これにより、エレクトロマイグレーション耐性の向上に寄与する。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された複数の素子に関係して集積回路を構成する配線部材を有し、前記配線部材において、アルミニウムを主成分とする導電層のバリアメタルとして第1層に（００２）結晶面を有するＴｉ膜、第２層に前記Ｔｉ膜よりも膜厚の小さい化学気相成長法で形成されたＴｉＮ膜を配し、前記導電層は（１１１）結晶面に高配向制御されている。

上記本発明に係る半導体装置によれば、結晶配向を（００２）面としたＴｉ膜上に、化学気相成長法で形成されたＴｉＮ膜が形成されている。このＴｉＮ膜は段差被覆性も良好で、スパッタ形成膜と違い、薄くても十分均一で、拡散または合金化を防止するバッファ膜となり得る。アルミニウムを主成分とする導電層は、ＴｉＮ膜またはＴｉＮ膜下のＴｉ膜の配向性に依存し（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となる。これにより、エレクトロマイグレーション耐性の向上に寄与する。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された複数の素子に関係して集積回路を構成する配線部材を有し、前記配線部材において、アルミニウムを主成分とする導電層のバリアメタルとして第1層に結晶配向を（００２）面としたＴｉ膜、第２層に前記Ｔｉ膜の配向性が引き継がれるＴｉＮ膜を配し、前記導電層は前記Ｔｉ膜の配向性の影響を受けた（１１１）結晶面に高配向制御されている。

上記本発明に係る半導体装置によれば、結晶配向を（００２）面としたＴｉ膜上に、Ｔｉ膜の配向性が引き継がれるＴｉＮ膜が形成されている。ＴｉＮの（１１１）結晶面の配向はＴｉの（００２）結晶面の原子配置と非常に近い。このため、結晶学的情報が第１層Ｔｉ膜から第２層ＴｉＮ膜へと引き継がれる。このＴｉＮ膜は少なくとも拡散または合金化を防止するバッファ膜として機能する厚さは必要である。アルミニウムを主成分とする導電層は、ＴｉＮ膜あるいはその下のＴｉ膜の配向性に依存し（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となる。これにより、エレクトロマイグレーション耐性の向上に寄与する。

また、上記それぞれ本発明に係る半導体装置において、層間の絶縁膜と、前記絶縁膜を貫通して導電底部を露出させるホールを具備し、前記配線部材は絶縁膜上及び前記ホールに形成されている。バリアメタルとしてホール被覆性、段差被覆性も良好であり、信頼性向上に寄与する。

また、上記それぞれ本発明に係る半導体装置において、層間の絶縁膜と、前記絶縁膜を貫通して導電底部を露出させるホールと、前記ホールに埋め込まれた接続プラグを備え、前記配線部材は絶縁膜上及び前記接続プラグ上に形成されている。さらに、上記接続プラグは前記バリアメタルを配する。バリアメタルとしてホール被覆性、段差被覆性も良好であり、信頼性向上に寄与する。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の所定層に、複数の素子に関係する配線部材を形成する半導体装置の製造方法において、前記配線部材は、バリアメタルの第1層としてＴｉ膜を（００２）結晶面に高配向させるように形成する工程と、前記バリアメタルの第２層として拡散または合金化を防止するバッファ膜を前記Ｔｉ膜の配向性が引き継がれるように形成する工程と、前記バッファ膜上に前記配線部材の主要部として、少なくとも前記Ｔｉ膜の配向の影響を受けることにより（１１１）結晶面に高配向制御されるアルミニウムを主成分とした導電層を形成する工程と、を含む。

上記本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、Ｔｉ膜の結晶配向を（００２）面に高配向させ、その上にＴｉ膜の結晶学的情報が引き継がれるようにバッファ膜を形成する。アルミニウムを主成分とする導電層は、バッファ膜あるいはバッファ膜下のＴｉ膜の配向性に依存し（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となる。これにより、エレクトロマイグレーション耐性の向上に寄与する。

なお、上記半導体装置の製造方法は、好ましくは次のいずれかの特徴を有して既存プロセスの維持、または信頼性向上に寄与する。
前記Ｔｉ膜は、スパッタ法を利用する。
前記バッファ膜は、ＴｉＮ膜を化学気相成長法で形成する。
前記バッファ膜は、前記Ｔｉ膜より薄いＴｉＮ膜を形成する。

発明を実施するための形態

図１は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置における金属配線の積層構造を示す断面図である。金属配線ＷＲは、半導体基板Ｗａｆ上に形成された図示しない複数の素子に関係して集積回路を構成する。例えば金属配線ＷＲは、バリアメタルＢＭを下地として層間絶縁膜ＩＬ上にパターニングされ、下層の接続部ＣＮＴと繋がるように構成されている。接続部ＣＮＴは図示しないが半導体基板の拡散層や半導体基板上の導電部材である。接続部ＣＮＴは、層間絶縁膜ＩＬに設けられたホールＨＬにおいてバリアメタルＢＭcntを含む金属プラグＰＬＧを介して金属配線ＷＲと電気的に接続されている。

この発明においては、特に金属配線ＷＲ最下層のバリアメタルＢＭの配向性が重要である。バリアメタルＢＭは、密着層と密着層上に拡散または合金化を防止するバッファ膜を有する。ここでのバリアメタルＢＭは、第１層Ｔｉ膜Ｍ１を密着層として、第２層ＴｉＮ膜Ｍ２をバッファ膜として採用している。バリアメタルＢＭ上にＡｌを主成分とする導電部材としてアルミニウム層Ｍ３が形成されている。ここで、アルミニウム層Ｍ３は、例えばアルミニウムに少なくともＣｕを僅か（０．５％程度）に含有させたＡｌ−Ｃｕ構造としている。

バリアメタルＢＭにおける第１層のＴｉ膜Ｍ１は、（００２）結晶面に高配向されている。ここで結晶面が高配向とは、８０％以上の配向率で一定の結晶面が制御されていることをいう。すなわち、Ｔｉ膜Ｍ１は、下地に対して高い配向率（８０％以上）で（００２）結晶面が立つように構成されている。バリアメタルＢＭにおける第２層のＴｉＮ膜Ｍ２は、Ｔｉ膜Ｍ１の配向性が引き継がれ、（１１１）結晶面に高配向されている。ＴｉＮの（１１１）結晶面の配向はＴｉの（００２）結晶面の原子配置と非常に近い。このため、結晶学的情報が第１層Ｔｉ膜Ｍ１から第２層ＴｉＮ膜Ｍ２へと引き継がれるのである。

ここでのＴｉＮ膜Ｍ２は、化学気相成長法を用いて薄く形成されたＣＶＤ−ＴｉＮ膜である。Ｔｉ膜Ｍ１が１０〜２０ｎｍ程度に対して、ＴｉＮ膜Ｍ２は、Ｔｉ膜Ｍ１より薄く５〜１０ｎｍ程度となっている。ＴｉＮ膜Ｍ２は、極薄いので（１１１）結晶面を呈さないことも考えられるが、少なくともＴｉ膜Ｍ１の（００２）結晶面配向の影響を引き継いだ形態をとる。

このようなバリアメタルＢＭ上にアルミニウム層Ｍ３が３００〜５００ｎｍ程度形成されている。アルミニウム層Ｍ３は、ＴｉＮ膜Ｍ２またはＴｉＮ膜Ｍ２下のＴｉ膜Ｍ１の配向性に依存して、（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となっている。アルミニウム層Ｍ３上には反射防止膜としてＴｉＮ膜Ｍ４が３０ｎｍ程度積層形成されている。

図２は、図１の構成における半導体装置の製造方法を示す流れ図である。図１を参照しながら説明する。半導体基板Ｗａｆ上所定の層間絶縁膜ＩＬを貫通し、下層の接続部ＣＮＴが露出するホールＨＬを形成する。ホールＨＬ内に予めバリアメタルＢＭcntを形成し、プラグ用金属を埋め込む。プラグ用金属としては、ＣＶＤ法またはスパッタ法を利用したＷ（タングステン）の埋め込みを実施する。その後、エッチバックやＣＭＰ（化学機械的研磨）技術を利用して平坦化する。これにより、金属プラグＰＬＧを形成する（処理Ｓ１）。

上記バリアメタルＢＭcntは、別段限定されない。例えば上記第１層Ｔｉ膜Ｍ１、第２層ＴｉＮ膜Ｍ２の積層を利用してもよく、後述の説明を参照されたい。上記第１層Ｔｉ膜Ｍ１、第２層ＴｉＮ膜Ｍ２を採用するようにすれば、段差被覆性の良好なバリアメタルＢＭcntが形成できる。

層間絶縁膜ＩＬ及び金属プラグＰＬＧ上を含んで、バリアメタルＢＭ第１層の密着層であるＴｉ膜Ｍ１を（００２）結晶面が配向されるよう形成する（処理Ｓ２）。Ｔｉ膜Ｍ１は、例えばスパッタ技術を利用して（００２）結晶面が高配向されるように形成する。より具体的には、スパッタ装置の工夫である。別段限定はされないが、例えば、スパッタチャンバ内にコリメーション部材を挿入し、原子の飛ぶ方向を制限する。または、チャンバ内を高電圧化しイオン原子の引き込みを強化する。または、チャンバ内の低圧化、及びターゲット−基板間の長距離化で対処する。チャンバ内の低圧化は例えばチャンバ内圧力を４×１０^−２Ｐａ程度、及びターゲットと基板の間の距離は２００ｍｍ〜３００ｍｍ程度の仕様とする。すなわち、Ｔｉ膜の（００２）結晶面は、Ｔｉ原子の最もエネルギーの低い原子配置であり、その自己配向促進作用を利用する。上記いずれかの工夫により、Ｔｉ膜Ｍ１を（００２）結晶面が高配向となるよう形成する。Ｔｉ膜Ｍ１は１０〜２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。

次に、Ｔｉ膜Ｍ１上に拡散または合金化を防止するバッファ膜を形成する（処理Ｓ３）。バッファ膜としてここではＴｉＮ膜を形成する。ＴｉＮ膜Ｍ２はＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて形成することが好ましい。例えば、Ｔｉ(Ｎ(ＣＨ_３)_２)_４＋Ｎ_２＋Ｈ_２またはＴｉＣｌ_４＋Ｎ_２＋Ｈ_２の反応系を用いたＣＶＤ法を利用する。ＴｉＮ膜Ｍ２の膜厚は５〜１０ｎｍ程度とＴｉ膜Ｍ１より薄く形成し、形成時においてはアモルファスの導電膜となっている。その後、ＴｉＮ膜Ｍ２は、Ｔｉ膜Ｍ１の配向性が引き継がれ、（１１１）結晶面に高配向された状態になる。ＴｉＮの（１１１）結晶面の配向はＴｉの（００２）結晶面の原子配置と非常に近い。このため、結晶学的情報が第１層Ｔｉ膜Ｍ１から第２層ＴｉＮ膜Ｍ２へと引き継がれる。ＴｉＮ膜Ｍ２は、極薄いので（１１１）結晶面を呈さないことも考えられるが、少なくともＴｉ膜Ｍ１の（００２）結晶面配向の影響を引き継いだ形態をとる。

次に、ＴｉＮ膜Ｍ２上に例えばスパッタ技術を利用してＡｌを主成分とするアルミニウム層Ｍ３を３００〜５００ｎｍ程度形成する（処理Ｓ４）。アルミニウム層Ｍ３はＴｉＮ膜Ｍ２またはＴｉＮ膜Ｍ２下のＴｉ膜Ｍ１の配向性に依存して、（１１１）結晶面に高配向に制御された構造となる。次に、アルミニウム層Ｍ３上に反射防止膜としてＴｉＮ膜Ｍ４を３０ｎｍ程度スパッタ形成する（処理Ｓ５）。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を経て金属配線ＷＲとして所定のパターニングがなされる。

上記実施形態の構成及び方法によれば、結晶配向を（００２）面としたＴｉ膜上に、Ｔｉ膜の結晶学的情報を崩さずにバッファ膜が形成される。アルミニウムを主成分とする導電層は、バッファ膜あるいはバッファ膜下のＴｉ膜の配向性に影響され、配向性に依存した結果、（１１１）結晶面に高配向に制御される形態となる。これにより、エレクトロマイグレーション耐性の向上に寄与する。

図３（ａ）は、従来のアルミニウム配線におけるグレンサイズのばらつき及び結晶配向度合いを示す拡大表面図であり、（１１１）結晶面の配向率は４１．９％である。グレンサイズのばらつきも著しい。
図３（ｂ）は、本発明に係るアルミニウム配線のグレンサイズのばらつき及び結晶配向度合いを示す拡大表面図である。すなわち、結晶配向を（００２）面としたＴｉ膜上に、上述のようにＴｉ膜の（００２）結晶面配向の影響を引き継ぐ薄膜形成のＣＶＤ−ＴｉＮ膜を配した。結果、上層のアルミニウム配線に関して、（１１１）結晶面の配向率は８８．３％となった。グレンサイズの均一性も大幅に改善されていることがわかる。これにより、エレクトロマイグレーション耐性の高い配線形成が可能となる。

なお、バッファ膜としてＴｉＮ膜Ｍ２を用いたが、薄膜形成でＴｉ膜Ｍ１の（００２）結晶面配向の影響を引き継ぐようにするという観点から、他の物質のバッファ膜、例えばＴａＮ膜等の薄膜形成に代えても同様の効果を期待できる。
また、バッファ膜として薄膜形成するＴｉＮ膜Ｍ２はＣＶＤ法を用いて形成した。しかし、スパッタ技術を用いて１０ｎｍ程度の均一な薄膜形成が可能ならば、Ｔｉ膜の結晶学的情報を崩さずにバッファ膜形成が達成できると考えられ、同様の効果を期待することができる。

また、アルミニウム層Ｍ３は、Ａｌを主成分とする配線部材であり、Ａｌ−Ｃｕ構造に限らず、Ａｌ−Ｓｉ−ＣｕやＡｌ−Ｓｉの構造を採用しても同様の効果を期待することができる。
また、アルミニウム層Ｍ３上のＴｉＮ膜４は反射防止膜として、スパッタ形成ではなく、ＣＶＤ形成してもよい。あるいは、他の物質の反射防止膜を設けてもよい。

上記バリアメタルＢＭとしてのＴｉ膜Ｍ１／ＴｉＮ膜Ｍ２各々、及びアルミニウム層Ｍ３及び反射防止膜のＴｉＮ膜Ｍ４を含む金属配線ＷＲは、積層間の酸化を防止する注意が必要である。対策として、金属配線ＷＲに関する積層は、すべて同一装置（マルチチャンバ方式）で形成することが好ましい。

図４は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置における金属配線の積層構造を示す断面図である。金属配線ＷＲは、半導体基板Ｗａｆ上に形成された図示しない複数の素子に関係して集積回路を構成する。例えば金属配線ＷＲは、バリアメタルＢＭを下地として層間絶縁膜ＩＬ上にパターニングされ、接続部ＣＮＴと繋がるように構成されている。接続部ＣＮＴは、層間絶縁膜ＩＬに設けられたホールＨＬに上記バリアメタルＢＭを含む金属配線ＷＲが直接埋め込まれている。

金属配線ＷＲは、第１実施形態と同様である。すなわち、金属配線ＷＲ最下層のバリアメタルの配向性が重要である。バリアメタルＢＭとしての第１層Ｔｉ膜Ｍ１は（００２）結晶面に高配向され、第２層ＴｉＮ膜Ｍ２はＴｉ膜Ｍ１より膜厚が小さくＴｉ膜Ｍ１の配向性が引き継がれる。第２層ＴｉＮ膜Ｍ２は、好ましくは（１１１）結晶面の高配向となる。ＴｉＮの（１１１）結晶面の配向はＴｉの（００２）結晶面の原子配置と非常に近い。このため、結晶学的情報が第１層Ｔｉ膜Ｍ１から第２層ＴｉＮ膜Ｍ２へと引き継がれる。そして、アルミニウム層Ｍ３は、アルミニウムに少なくともＣｕを僅か（０．５％程度）に含有させたＡｌ−Ｃｕ構造としている。

ＴｉＮ膜Ｍ２は、第１実施形態と同様に、化学気相成長法を用いて薄く形成されたＣＶＤ−ＴｉＮ膜である。Ｔｉ膜Ｍ１が１０〜２０ｎｍ程度に対して、ＴｉＮ膜Ｍ２は、Ｔｉ膜Ｍ１より薄く５〜１０ｎｍ程度となっている。これにより、段差被覆性の良好なバリアメタルＢＭが形成できる。ＴｉＮ膜Ｍ２は、極薄いので（１１１）結晶面を呈さないことも考えられるが、少なくともＴｉ膜Ｍ１の（００２）結晶面配向の影響を引き継いだ形態をとる。

このようなバリアメタルＢＭ上にアルミニウム層Ｍ３が３００〜５００ｎｍ程度形成されている。アルミニウム層Ｍ３はＴｉＮ膜Ｍ２またはＴｉＮ膜Ｍ２下のＴｉ膜Ｍ１の配向性に依存して、（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となっている。アルミニウム層Ｍ３上には反射防止膜としてＴｉＮ膜Ｍ４が３０ｎｍ程度積層形成されている。

図５は、図４(または図１)の構成における半導体装置の製造方法の途中工程を示す断面図である。要所は第１実施形態と同様である。層間絶縁膜ＩＬを貫通し、接続部ＣＮＴが露出するホールＨＬを形成する。次に、バリアメタルＢＭ第１層のＴｉ膜Ｍ１を（００２）結晶面が配向されるよう形成する。Ｔｉ膜Ｍ１の（００２）結晶面の配向制御する方法も第１実施形態で説明したとおりスパッタ装置に応じた方法により達成する。次に、Ｔｉ膜Ｍ１上に拡散または合金化を防止するバッファ膜（ＴｉＮ膜Ｍ２）を形成する。ＴｉＮ膜Ｍ２は第１実施形態と同様にＣＶＤ法を用いてＴｉ膜Ｍ１より薄く形成する。第１層Ｔｉ膜Ｍ１から第２層ＴｉＮ膜Ｍ２へと結晶学的情報が引き継がれることが重要である。これにより、段差被覆性の良好なバリアメタルＢＭが形成できる。

次に、ホールＨＬを埋め込むように、ＴｉＮ膜Ｍ２上にＡｌを主成分とするアルミニウム層Ｍ３をスパッタ形成する。アルミニウム層Ｍ３はＴｉＮ膜Ｍ２またはＴｉＮ膜Ｍ２下のＴｉ膜Ｍ１の配向性に依存して、（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となる。次に、アルミニウム層Ｍ３上に反射防止膜としてＴｉＮ膜Ｍ４をスパッタ形成する。

あるいは、ホールＨＬを埋め込むように、例えばＷ（タングステン）を埋め込み、エッチバックやＣＭＰ（化学機械的研磨）技術を利用して平坦化すれば、図１におけるバリアメタルＢＭcntを有する金属プラグＰＬＧが完成する。バリアメタルＢＭcntは段差被覆性の良好な薄膜であり、効率の良い平坦化が期待できる。

上記実施形態の構成及び方法によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、結晶配向を（００２）面としたＴｉ膜上に、Ｔｉ膜の結晶学的情報を崩さずにバッファ膜であるＣＶＤ−ＴｉＮ膜Ｍ２が形成される。アルミニウム層Ｍ３は、ＴｉＮ膜Ｍ２あるいはＴｉＮ膜Ｍ２下のＴｉ膜Ｍ１の配向性に依存し（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となる。この結果、図３（ｂ）にも示したように、アルミニウム配線が（１１１）結晶面に高配向に制御され、グレンサイズの均一性も大幅に改善されたエレクトロマイグレーション耐性の高い配線形成が可能となる。

なお、バリアメタルＢＭは、（００２）結晶面配向のＴｉ膜における結晶学的情報を崩さずに、拡散または合金化を防止するバッファ膜が形成されることが重要である。これにより、上層のアルミニウム層は、バリアメタルＢＭの配向性の影響を受け、（１１１）結晶面に高配向に制御された形態となる。よって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、バリアメタルＢＭにおける配向性の引き継ぎ、影響が与えられるものならば、バッファ膜として他の物質、例えばＴａＮ膜の薄膜形成、あるいは、バッファ膜としての薄膜形成をＣＶＤ以外の均一な薄膜形成を可能とする技術を用いてもよい。

以上説明したように本発明によれば、Ｔｉ膜の結晶配向を（００２）面に高配向させ、その上にＴｉ膜の結晶学的情報が引き継がれるように拡散または合金化を防止するバッファ膜を形成する。バッファ膜上のアルミニウムを主成分とする導電層は、バッファ膜あるいはバッファ膜下のＴｉ膜の配向性に依存し（１１１）結晶面に高配向に制御されたエレクトロマイグレーション耐性の高い構造となる。この結果、既存プロセス、配線抵抗に極力影響を与えない薄膜のバリアメタルを形成すると共に、（１１１）結晶面を高配向させるアルミニウムを主成分とする高信頼性の配線構造を有する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することができる。

第１実施形態の半導体装置における金属配線の積層構造を示す断面図。 図１の構成における半導体装置の製造方法を示す流れ図。 従来と本願を比較するアルミニウム配線の構造を示す拡大表面図。 第２実施形態の半導体装置における金属配線の積層構造を示す断面図。 図４(または図１)の半導体装置の製造方法の途中工程を示す断面図。

符号の説明

Ｗａｆ…半導体基板、ＩＬ…層間絶縁膜、ＨＬ…ホール、ＣＮＴ…接続部、ＷＲ…金属配線、ＢＭ，ＢＭcnt…バリアメタル、ＰＬＧ…金属プラグ、Ｍ１…Ｔｉ膜、Ｍ２、Ｍ４…ＴｉＮ膜、Ｍ３…アルミニウム層、Ｓ１〜Ｓ５…処理ステップ。

Claims (1)

1. 半導体基板上の絶縁層に、複数の各々の素子に接続される配線部材を形成する半導体装置の製造方法において、
   前記配線部材を形成する工程は、
   前記半導体基板の上方に前記絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層にホールを形成する工程と、
   前記絶縁層上の表面および前記ホールの表面に、スパッタリング法を用いて第一バリアメタルの第一層として第一Ｔｉ膜を（００２）結晶面に高配向させるように形成する工程と、
   前記第一バリアメタルの第二層として拡散または合金化を防止するアモルファス構造を有する第一ＴｉＮ膜を堆積させ、前記第一Ｔｉ膜の配向性が引き継がれるように形成する工程と、
   前記ホールに前記第一Ｔｉ膜及び前記第一ＴｉＮ膜を介してタングステンプラグを形成する工程と、
   前記タングステンプラグの表面を平坦化し、かつ前記絶縁膜上の表面に形成された前記第一Ｔｉ膜及び前記第一ＴｉＮ膜を除去する工程と、
   第一チャンバ内で、前記絶縁層上の表面および前記タングステンプラグの表面に、スパッタリング法を用いて第二バリアメタルの第一層として第二Ｔｉ膜を（００２）結晶面に高配向させるように形成する工程と、
   第二チャンバ内で、前記第二バリアメタルの第二層として拡散または合金化を防止するアモルファス構造を有する第二ＴｉＮ膜を堆積させ、前記第二Ｔｉ膜の配向性が引き継がれるように形成する工程と、
   第三チャンバ内で、前記第二ＴｉＮ膜上に前記配線部材の主要部として、少なくとも前記第二Ｔｉ膜の配向性の影響を受けることにより（１１１）結晶面に高配向制御されるアルミニウムを主成分とした導電層を形成する工程と、
   を含み、
   前記第二Ｔｉ膜を形成する工程において、前記チャンバ内の圧力を４×１０ ^−２ Ｐａとして、かつターゲットと前記半導体基板の間の距離を２００ｍｍ以上３００ｍｍ以下とし、前記第一チャンバないし第三チャンバはマルチチャンバであることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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