JPH04311058A - 半導体集積回路装置の配線接続構造およびその製造方法 - Google Patents

半導体集積回路装置の配線接続構造およびその製造方法

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JPH04311058A
JPH04311058A JP3076544A JP7654491A JPH04311058A JP H04311058 A JPH04311058 A JP H04311058A JP 3076544 A JP3076544 A JP 3076544A JP 7654491 A JP7654491 A JP 7654491A JP H04311058 A JPH04311058 A JP H04311058A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体集積回路装置
の配線接続構造およびその製造方法に関し、特に、多層
アルミニウム配線層の各層が接続孔を通じて接続された
半導体集積回路装置の配線接続構造およびその製造方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置においては、通常、半導体基
板上にトランジスタ等の素子（エレメント）が形成され
る。これらの素子間や、素子と外部回路との間を電気的
に接続するために、各種の配線が半導体基板上に形成さ
れる。従来、これらの配線としては、多結晶シリコン膜
、高融点金属膜、高融点金属シリサイド膜、アルミニウ
ム膜やアルミニウム合金膜等が用いられてきた。最近、
高速性が要求され、高集積化が図られた半導体集積回路
装置においては、配線抵抗を小さくする必要がある。そ
のため、比抵抗の小さいアルミニウム膜やアルミニウム
合金膜によって形成されたアルミニウム多層配線構造が
半導体集積回路装置において必須の配線構造となってい
る。
【０００３】図１４は、従来の半導体集積回路装置にお
けるアルミニウム多層配線構造の一例を示す部分断面図
である。図において、シリコン半導体基板１の上にはＤ
ＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　　Ｒａｎｄｏｍ　　Ａｃｃｅ
ｓｓ　　Ｍｅｍｏｒｙ）セル２がスタックト・セル構造
を有するように形成されている。このＤＲＡＭセル２の
上には、下地絶縁膜３が形成されている。この下地絶縁
膜３の上には、互いに所定の間隔を隔てて第１アルミニ
ウム配線層４が形成されている。第１アルミニウム配線
層４を覆うように、層間絶縁膜５が形成されている。層
間絶縁膜５には接続孔（バイア・ホール（ｖｉａ−ｈｏ
ｌｅ）あるいはスルー・ホール（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｈｏ
ｌｅ）と呼ばれる）６が形成されている。第２アルミニ
ウム配線層７は、層間絶縁膜５の上に形成され、接続孔
６を通じて第１アルミニウム配線層４に接続されている
。 これらのＤＲＡＭセル２や第１アルミニウム配線層４お
よび第２アルミニウム配線層７を覆い、外部から侵入す
る水分等から保護するために保護絶縁膜８が形成されて
いる。
【０００４】図１４に示される従来のアルミニウム多層
配線構造においては、第１アルミニウム配線層と第２ア
ルミニウム配線層との接続部（以下、バイア・ホール部
と称する）の安定性が、半導体装置の歩留りや信頼性レ
ベルを技術的に左右する。以下、図１４に示される従来
のアルミニウム多層配線構造の製造方法について、特に
バイア・ホール部の形成に着目して説明する。なお、多
層配線構造としては、多結晶シリコン配線、高融点金属
配線、高融点金属シリサイド配線、およびアルミニウム
配線を組合わせたものが一般的である。しかし、ここで
は第１層の配線および第２層の配線が共にアルミニウム
配線であるアルミニウム２層配線構造の場合について説
明する。
【０００５】図１５〜図２１は従来の半導体集積回路装
置におけるアルミニウム２層配線構造の製造方法を工程
順に示す部分断面図である。
【０００６】図１５を参照して、シリコン半導体基板１
の表面にＤＲＡＭセル２が形成される。このＤＲＡＭセ
ル２は、素子分離用酸化膜３０１、トランスファ・ゲー
ト電極３０２、不純物拡散層３０３、ワード線３０４、
記憶ノード３０５、キャパシタ絶縁膜３０６、セルプレ
ート３０７および絶縁膜３０９から構成されている。
【０００７】図１６を参照して、ＤＲＡＭセル２の形成
されたシリコン半導体基板１の全面上に下地絶縁膜３が
形成される。その後、写真製版技術やエッチング技術を
用いて下地絶縁膜の所定の部分にコンタクト孔３０８が
開孔される。このコンタクト孔３０８を通じて不純物拡
散層３０３に電気的に接触するように、ビット線として
、第１アルミニウム配線層４が形成される。
【０００８】最近、サブミクロン・オーダに各エレメン
トのサイズが微細化された半導体集積回路装置において
は、第１アルミニウム配線層４として、窒化チタン（Ｔ
ｉＮ）やチタン・タングステン（ＴｉＷ）などのバリア
メタル膜３１０と、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕなどのアルミニウ
ム合金膜３１１とが組合わせられた構造の配線層が用い
られる。このような構造のアルミニウム配線層は以下の
理由により用いられる。
【０００９】■　　コンタクト部においてアルミニウム
とシリコン基板（不純物拡散層）とが直接接触すると、
局部的に異常反応（アロイスパイク）が起こる。これに
より、その反応層が不純物拡散層の領域を突き破って、
シリコン基板の下方に延びる。その結果、不純物拡散層
の接合リークが発生する。これを防止するためにバリア
メタル膜がシリコン基板（不純物拡散層）と直接接触す
るように形成される。
【００１０】■　　アルミニウム合金膜中のシリコンが
固相エピタキシャル成長によりコンタクト部に析出する
。 これにより、接触不良が発生する。これを防止するため
に、バリアメタル膜がアルミニウム合金膜の下に形成さ
れる。
【００１１】■　　アルミニウム配線層の上層には層間
絶縁膜や保護絶縁膜が形成される。これらの上層の絶縁
膜の膜応力によりアルミニウム配線が断線する。このよ
うなストレス・マイグレーション現象に対する耐性を高
めるために、バリアメタル膜がアルミニウム合金膜の下
に形成される。
【００１２】第１アルミニウム配線層４を構成する膜は
、通常、スパッタ法で堆積された後、写真製版技術やエ
ッチング技術を用いてパターニングされることにより形
成される。
【００１３】なお、第１アルミニウム配線層をチタン膜
と窒化チタン膜とアルミニウム含有膜との積層構造で構
成したものは、特開昭６４−５９９３７号公報、特開昭
６１−９０４４５号公報に開示されている。
【００１４】図１７を参照して、第１アルミニウム配線
層４の全面上に層間絶縁膜５が形成される。この層間絶
縁膜５は、たとえば化学気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）に
より形成されたシリコン酸化膜３２１と、無機塗布絶縁
膜３２２と、ＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜
３２３とが組合わせられた絶縁膜である。
【００１５】シリコン酸化膜３２１は、通常、シラン（
ＳｉＨ４　）ガスと酸素（Ｏ２　）ガスあるいは亜酸化
窒素（Ｎ２　Ｏ）ガスとの混合ガスを用いて、３００〜
４５０℃の形成温度で熱やプラズマを利用したＣＶＤ法
によって形成される。また、最近では、ステップ・カバ
レッジが良好であるという特徴を持つ、ＴＥＯＳ（Ｔｅ
ｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）
等の有機シラン系の材料を用いてシリコン酸化膜が形成
される。
【００１６】平坦化のために形成される無機塗布絶縁膜
３２２は、シラノール（Ｓｉ（ＯＨ）４　）等を主成分
とするのが一般的である。このシラノール等を主成分と
する材料を回転塗布した後、４００〜４５０℃の温度で
ベーク処理を施し、シリコン酸化膜化することにより、
ＣＶＤ法で形成されたシリコン酸化膜３２１の表面が平
坦化される。なお、この無機塗布絶縁膜３２２は、吸湿
性が高いので、バイア・ホール部の側壁に露出すると、
ガス放出などの悪影響を及ぼす。そのため、無機塗布絶
縁膜３２２の表面がバイア・ホール部の側壁において露
出しないように、フッ素系ガスやアルゴンガスによるド
ライエッチング技術を用いてエッチバック処理がこの無
機塗布絶縁膜３２２に施される。
【００１７】無機塗布絶縁膜３２２の上には、シリコン
酸化膜３２１の形成と同様の方法により、シリコン酸化
膜３２３が形成される。
【００１８】図１８を参照して、第１アルミニウム配線
層４の所定の表面領域を露出するように、接続孔６が写
真製版技術とエッチング技術を用いて開孔される。この
工程は以下のように行なわれる。
【００１９】写真製版技術を用いて接続孔６が形成され
る領域以外の領域がフォトレジスト３２４で覆われる。 その後、層間絶縁膜５がたとえば、テーパ・エッチング
法を用いて選択的に除去されることにより、接続孔６が
開孔される。テーパ・エッチング法とは、フッ酸系溶液
による湿式エッチングと、ＣＨＦ３　とＯ２　ガス等を
主成分とした混合ガスを用いた反応性イオンエッチング
とを組合わせたエッチング法をいう。
【００２０】なお、フォトレジスト３２４およびエッチ
ング時に生ずる反応生成物等は、エッチング後に酸素（
Ｏ２　）プラズマや湿式化学処理法を用いて除去される
。
【００２１】図１９を参照して、接続孔６の形成工程中
に、第１アルミニウム配線層４の表面はＣＨＦ３　等の
フッ素系ガスや酸素ガスのプラズマにさらされるため、
接続孔６における第１アルミニウム配線層４の表面には
１００オングストローム程度のアルミニウムの変質層（
フッ化物や酸化物を含む層）２０１が形成されている。 そのため、これらの薄いアルミニウムの変質層からなる
絶縁膜を除去し、安定なコンタクト抵抗を得るために、
第２アルミニウム配線層が形成される前に、アルゴンイ
オン（Ａｒ＋　）２０２を用いたスパッタ・エッチング
処理が施される。
【００２２】図２０で示されるように、その後、真空中
で連続して、第２アルミニウム配線層７がスパッタ法を
用いて堆積される。この第２アルミニウム配線層７とし
ては、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ等の
アルミニウム合金膜が用いられる。なお、これらの膜は
、第１アルミニウム配線層と同様に、写真製版技術やエ
ッチング技術を用いてパターニングされることにより形
成される。
【００２３】さらに、接続孔６における第１アルミニウ
ム配線層４と第２アルミニウム配線層７との電気的なコ
ンタクトを取るために、第２アルミニウム配線層７が形
成された後、４００〜４５０℃程度の温度で熱処理が施
される。
【００２４】最後に、図２１に示すように、半導体素子
や配線を外部から侵入してくる水分等から保護するため
に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の保護絶縁膜８
が、第２アルミニウム配線層７の上にＣＶＤ法を用いて
堆積される。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】従来のアルミニウム多
層配線構造の問題点について以下に述べる。
【００２６】配線の微細化に伴い、接続孔６の径が小さ
くなる。接続孔６の径がサブミクロン・レベルになると
、その接続孔６の部分における電気的な接続の安定性や
信頼性に問題が生じてくる。
【００２７】前述のように、従来、第２アルミニウム配
線層７を形成する前に、アルゴンイオンによるスパッタ
・エッチング処理が施される。これは、図２２に示され
るように、接続孔６における第１アルミニウム配線層４
の表面に形成されたアルミニウムの変質層（フッ化物や
酸化物を含む層）２０１をアルゴンイオン２０２によっ
て除去するものである。接続孔６のアスペクト比（Ｂ／
Ａ）［Ａ：接続孔の径、Ｂ：層間絶縁膜の膜厚（１μｍ
程度）］が１以下と比較的小さい従来の構造の場合には
、図２２に示されるように、アルゴンイオン２０２によ
りスパッタされたアルミニウムのフッ化物や酸化物の粒
子２０３が接続孔６の外部まで十分に飛散する。そのた
め、アルミニウムの変質層２０１が除去されることによ
り、接続孔６における第１アルミニウム配線層４の表面
を清浄な表面にすることが可能であった。
【００２８】しかしながら、アスペクト比（Ｂ／Ａ）が
１を超える、サブミクロン・レベルの径を有する接続孔
６においては、図２３に示すように、アルゴンイオン２
０２によりスパッタされたアルミニウムのフッ化物や酸
化物の粒子２０３の一部が接続孔６の側壁に妨げられ、
接続孔６の外部まで飛散することができない。このため
、接続孔６の内部にそれらの粒子の一部２０４が再付着
してしまうという現象が生ずる。
【００２９】その結果、そのまま真空中で連続して第２
層アルミニウム配線層７を堆積した場合でも、図２４に
示すように、電気的コンタクトがとられるべき、接続孔
６における第１アルミニウム配線層４と第２アルミニウ
ム配線層７との界面２０５に、スパッタ・エッチング処
理時に再付着したアルミニウムのフッ化物や酸化物の粒
子２０４が存在することになる。これにより、第２アル
ミニウム配線層の形成後の４００〜４５０℃程度の熱処
理において、第１アルミニウム配線層と第２アルミニウ
ム配線層との界面２０５におけるミキシングが十分に行
なわれない。
【００３０】その結果として、接続孔６においてコンタ
クト抵抗（以下、バイア・ホール抵抗と称する）の増加
やオープン不良（第１アルミニウム配線層と第２アルミ
ニウム配線層とが導通しないという不良）が引き起こさ
れる。
【００３１】また、上述の４００〜４５０℃の熱処理に
より、初期のバイア・ホール抵抗値が正常となったもの
でも、第１アルミニウム配線層と第２アルミニウム配線
層との界面２０５におけるミキシングが十分になされて
いない。そのため、エレクトロ・マイグレーション耐量
やストレス・マイグレーション耐量などの接続孔６にお
ける信頼性が劣化するという問題点があった。
【００３２】このような問題は、アスペクト比（Ｂ／Ａ
）が益々大きくなる今後のサブミクロン・オーダに微細
化された半導体集積回路装置、ハーフミクロン・オーダ
に微細化された半導体集積回路装置において顕著な問題
となるものである。
【００３３】なお、アスペクト比（Ｂ／Ａ）の点だけか
らいえば、シリコン半導体基板やアルミニウム以外の下
層配線とのコンタクト孔、たとえば、図１６に示される
ようなコンタクト孔３０８においても同様のことがいえ
る。しかしながら、このコンタクト孔３０８においては
、フッ酸や他の最適な酸・アルカリによる洗浄処理を用
いることにより、その表面に形成された自然酸化膜や変
質層等を選択的に除去することが可能である。
【００３４】これに対し、上述のようなバイア・ホール
部の場合には、下層配線が酸やアルカリの溶液に弱いア
ルミニウム配線層から構成される。そのため、上記のよ
うな強い酸やアルカリによる洗浄処理によって変質層等
を除去することが不可能である。
【００３５】スパッタ・エッチング処理時に再付着する
粒子が原因で上記した不都合を軽減することができる方
法として、図２５に示すように、第１アルミニウム配線
層４の上に高融点金属膜（たとえばタングステンやチタ
ンタングステン）、高融点金属・化合物膜（たとえば窒
化チタン）、高融点金属・シリサイド膜（たとえばモリ
ブデンシリサイドやタングステンシリサイド）、アモル
ファスシリコン膜などからなる表面層３１２を形成する
ことが知られている。このような構造にすると、接続孔
６の形成工程中に形成される変質層３１３の厚みを薄く
できるので、スパッタ・エッチングの量を少なくするこ
とができる。よって、スパッタ・エッチング処理時に再
付着する粒子の量を減らすことができ、上記した不都合
を軽減できる。しかし、粒子が付着することには変わり
ないので、上記した不都合を完全に解消できない。
【００３６】そこで、この発明は、上記のような問題点
を解消するためになされたもので、下層のアルミニウム
配線層と上層のアルミニウム配線層との接続部において
、下層のアルミニウム配線層と上層のアルミニウム配線
層との界面のミキシングを促進し、安定なバイア・ホー
ル抵抗を得るとともに、バイア・ホール部におけるエレ
クトロ・マイグレーション耐量やストレス・マイグレー
ション耐量等の信頼性のレベルを向上させ、高品質で高
歩留りの半導体集積回路装置の配線接続構造およびその
製造方法を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】この発明に従った半導体
集積回路装置の配線接続構造は、半導体基板と、第１の
アルミニウム配線層と、絶縁層と、第２のアルミニウム
配線層とを備える。第１のアルミニウム配線層は、半導
体基板の主表面上に形成されている。第１のアルミニウ
ム配線層の表面には、高融点金属、高融点金属・化合物
、高融点金属・シリサイドまたはアモルファスシリコン
のうち少なくとも１つを含む表面層が形成されている。 絶縁層は、表面層の上に形成され、その表面層の表面に
達する貫通孔を有する。第２のアルミニウム配線層は、
絶縁層の上に形成され、貫通孔を通じて表面層に電気的
に接続されている。第２のアルミニウム配線層は、チタ
ン層とチタン化合物層と、アルミニウム含有層とを含む
。チタン層は、貫通孔を通じて表面層の表面に接触する
ように絶縁層上に形成されている。チタン化合物層は、
チタン層の上に形成されている。アルミニウム含有層は
、チタン化合物層の上に形成されている。
【００３８】この発明に従った半導体集積回路装置の配
線接続構造の製造方法によれば、まず、第１のアルミニ
ウム配線層が半導体基板の主表面上に形成される。第１
のアルミニウム配線層の表面に、高融点金属、高融点金
属・化合物、高融点金属・シリサイドまたはアモルファ
スシリコンのうち少なくとも１つを含む表面層が形成さ
れる。絶縁層は表面層の上に形成される。この絶縁層を
選択的に除去することにより、少なくとも表面層の表面
を露出させる貫通孔が形成される。その貫通孔を通じて
表面層の表面に接触するようにチタン層が絶縁層の上に
形成される。チタン化合物層はチタン層の上に形成され
る。アルミニウム含有層はチタン化合物層の上に形成さ
れる。
【００３９】
【作用】この発明の配線接続構造においては、貫通孔の
部分で下層の第１のアルミニウム配線層の表面に形成さ
れた表面層と接触する上層の第２のアルミニウム配線層
の下敷膜として、チタン層とチタン化合物層とからなる
積層構造が採用されている。表面層とは、高融点金属、
高融点金属・化合物、高融点金属・シリサイドまたはア
モルファスシリコンのうち少なくとも１つを含む。表面
層の表面にはチタン層が接触する。このチタン層は、フ
ッ素や酸素との結合力が強いので、接続孔の部分で表面
層の表面にスパッタ・エッチング処理時の再付着による
高融点金属等のフッ化物や酸化物の粒子が残存しても、
以下のような役割を果たす。
【００４０】■　　チタン層は、フッ化物や酸化物のみ
粒子をチタンのフッ化物や酸化物として取込み、分解さ
せる。
【００４１】■　　チタン層は、表面層と反応すること
により、チタン層と表面層との密着性が向上する。
【００４２】一方、チタン層の上に形成されるチタン化
合物層は、表面層と接するチタン層が上層アルミニウム
含有層と先に反応してしまうのを防止し、チタン層が表
面層と優先的に反応するように作用する。
【００４３】つまり、チタン化合物層が形成されない場
合には、チタン層と上層のアルミニウム含有層との界面
には両者の反応を妨げる層が存在しない。そのため、チ
タン層は表面層と反応する前に先に上層のアルミニウム
含有層と２００〜３００℃程度の比較的低い温度で容易
に反応し、金属間化合物（ＴｉＡｌ３）を形成してしま
う。そのためチタン層は表面層の上に残存する高融点金
属等のフッ化物や酸化物の粒子を十分分解させることが
できない。また、チタン層は表面層と十分反応し、密着
性を向上させることができない。
【００４４】これに対し、チタン層の上に、アルミニウ
ムとの反応性が小さいチタン化合物層を設けると、チタ
ン層と上層のアルミニウム含有層との反応が抑制される
。そのため、上層のアルミニウム含有層を形成した後、
３００〜４５０℃で熱処理することにより、接続孔の部
分において表面層の表面に残存する高融点金属等のフッ
化物や酸化物（スパッタ・エッチング処理時の再付着に
よるもの）がチタンのフッ化物や酸化物として取込まれ
、分解される。また、チタン層と表面層とが十分反応し
、この界面の密着性を高める。
【００４５】このようにして、サブミクロン・レベルの
径を有する接続孔においても電気的なコンタクト抵抗（
バイア・ホール抵抗）が安定となる。また、エレクトロ
・マイグレーション耐量やストレス・マイグレーション
耐量等のバイア・ホール部分における信頼性のレベルも
向上する。
【００４６】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図を用いて説明
する。
【００４７】図１は、この発明に従った配線接続構造の
一例を示す部分断面図である。図において、シリコン半
導体基板１の上には、ＤＲＡＭセル２が形成されている
。このＤＲＡＭセル２の上には、下地絶縁膜３が形成さ
れている。下地絶縁膜３の上には、互いに間隔を隔てて
第１アルミニウム配線層４が形成されている。第１アル
ミニウム配線層４の上には、タングステン膜３１２が形
成されている。タングステン膜３１２を覆うように層間
絶縁膜５が形成されている。層間絶縁膜５には、タング
ステン膜３１２の表面に達するように開孔された接続孔
６が形成されている。この接続孔６を介して第１アルミ
ニウム配線層４と電気的に接続するように、第２アルミ
ニウム配線層１００が層間絶縁膜５の上に形成されてい
る。第２アルミニウム配線層１００は、チタン膜１０１
と窒化チタン膜１０２とアルミニウム膜またはアルミニ
ウム合金膜１０３とからなる。チタン膜１０１は、第２
アルミニウム配線層１００の下地膜として形成され、タ
ングステン膜３１２の表面と接する。窒化チタン膜１０
２は、第２アルミニウム配線層１００の下地膜として形
成され、チタン膜１０１の上に形成される。アルミニウ
ム膜またはアルミニウム合金膜１０３は、窒化チタン膜
１０２の上に形成される。この配線構造を外部環境から
保護するために保護絶縁膜８が全面上に形成されている
。なお、チタン膜１０１とタングステン膜３１２との反
応によって、その界面に金属間化合物層２０６が形成さ
れている。
【００４８】次に、図１に示される配線接続構造の一実
施例において、特に下層の第１アルミニウム配線層４と
上層の第２アルミニウム配線層１００との接続部（バイ
ア・ホール部）の形成方法について説明する。図２〜図
８は、図１に示された配線接続構造の形成方法を工程順
に示す部分断面図である。
【００４９】なお、図２に示す構造にいたるまでは、従
来の技術において図１５〜図１８を参照して説明された
形成工程と、アルミニウム合金膜３１１形成後、スパッ
タ法でタングステン膜３１２を形成する以外は、同様で
あるので、その説明を省略する。
【００５０】図２を参照して、接続孔６の形成工程中に
、ＣＨＦ３　等のフッ素系ガスや酸素ガスのプラズマに
さらされるため、接続孔６におけるタングステン膜３１
２の表面には５０〜１００オングストローム程度のタン
グステンの変質層（フッ化物や酸化物を含む層）３１３
が形成されている。この薄い変質層３１３を除去し、安
定なバイア・ホール抵抗を得るために、まず、アルゴン
イオン２０２によるスパッタ・エッチング処理が施され
る。
【００５１】図３を参照して、アスペクト比（Ｂ／Ａ）
が１を超えるサブミクロン・レベルの接続孔６の場合に
は、アルゴンイオン２０２によるスパッタ・エッチング
処理だけでは、前述のように、アルゴンイオンによりス
パッタされたタングステンのフッ化物や酸化物の粒子の
再付着が発生する。そのため、接続孔６におけるタング
ステン膜３１２の表面には、タングステンのフッ化物や
酸化物の粒子３１４が残存する。
【００５２】図４に示すように、タングステンの変質層
３１３の大部分がスパッタ・エッチング処理によって除
去された後に、残存したわずかなタングステンの変質物
の粒子３１４を分解するために、チタン膜１０１が真空
中で連続して、スパッタ法を用いて５０〜１５０オング
ストローム程度の膜厚で全面に堆積される。
【００５３】次に、図５を参照して、チタン膜１０１の
上に窒化チタン膜１０２が５００〜１０００オングスト
ローム程度の膜厚で堆積される。この堆積方法としては
、通常、Ｔｉターゲットを用いて、Ａｒ＋Ｎ２　ガスの
雰囲気下でスパッタする反応性スパッタ法が用いられる
。この窒化チタン膜１０２は、バイア・ホール部におい
てタングステン膜３１２と接するチタン膜１０１が上層
のアルミニウム含有膜と先に反応してしまうのを抑制す
る役割を果たす。このため、上層のアルミニウム含有膜
との反応性が小さく、かつバイア・ホール抵抗の増加を
できるだけ抑えるために、２５０〜４００μΩ・ｃｍ程
度の比抵抗の小さい窒化チタン膜が用いられる。
【００５４】なお、通常、シリコン基板とのコンタクト
部においてバリアメタル膜として用いられる窒化チタン
膜は、シリコンやアルミニウムに対するバリア性が必要
であるので、４００〜２０００μΩ・ｃｍ程度の比抵抗
の高い膜が用いられる。しかしながら、このような窒化
チタン膜をバイア・ホール部で用いると、バイア・ホー
ル抵抗が従来の構造に比べて数倍に高くなってしまうと
いう問題がある。バイア・ホール部で用いられる窒化チ
タン膜１０２は、前述のように、チタン膜１０１と上層
のアルミニウム含有膜との反応を抑制することを目的と
して形成される。そのため、この窒化チタン膜１０２は
アルミニウムに対するバリア性をあまり必要としない。 このことから、２５０〜４００μΩ・ｃｍ程度の比抵抗
の小さい窒化チタン膜を用いることができる。その結果
として、バイア・ホール抵抗の増加も５０％以下と実用
上、問題のないレベルにすることができる。
【００５５】また、窒化チタン膜１０２の膜厚は、下層
のチタン膜１０１が上層のアルミニウム含有膜と反応す
るのを抑制すること、およびバイア・ホール抵抗の増加
を実用上問題のないレベルに抑えることを理由として、
５００〜１０００オングストローム程度とされる。
【００５６】その後、図６を参照して、第２アルミニウ
ム配線層１００の最上層として、たとえば、Ａｌ−Ｓｉ
−Ｃｕ膜のようなアルミニウム合金膜１０３が連続して
スパッタ法で堆積される。次に、チタン膜１０１、窒化
チタン膜１０２およびアルミニウム合金膜１０３からな
る３層構造の第２アルミニウム配線層１００が、第１ア
ルミニウム配線層４と同様にして、写真製版技術やエッ
チング技術を用いてパターニングされる。
【００５７】さらに、図７を参照して、第１アルミニウ
ム配線層４と第２アルミニウム配線層１００との間の界
面２０５のミキシングを促進するために、３００〜４５
０℃の温度で１５〜６０分程度の熱処理が施される。こ
れにより、バイア・ホール部におけるタングステン膜３
１２の表面に残存しているタングステンのフッ化物や酸
化物の粒子３１４がチタン膜１０１の作用により分解さ
せられる。また、タングステン膜３１２とチタン膜１０
１とが反応し、金属間化合物２０６が形成される。
【００５８】図９および図１０には、第１アルミニウム
配線層４と第２アルミニウム配線層１００との間の界面
２０５のミキシング作用を説明するために、その接続構
造が拡大して示されている。図９を参照して、スパッタ
・エッチング処理時におけるタングステンのフッ化物や
酸化物の粒子の再付着により、タングステン膜３１２の
表面にタングステンの変質物の粒子３１４が、第２アル
ミニウム配線層１００の形成後においても残存している
。この粒子３１４は、第１アルミニウム配線層４と第２
アルミニウム配線層１００との間の界面２０５における
ミキシング作用を妨げる。
【００５９】そのため、図１０に示されるように、第２
アルミニウム配線層１００を形成した後、上述のように
３００〜４５０℃の温度で１５〜６０分程度の熱処理が
施される。これにより、タングステンの変質物の粒子３
１４は、チタンの酸化物やフッ化物として取込まれ、分
解させられる。これは、チタン膜１０１がタングステン
の変質物を構成するフッ素や酸素との結合力が強く、３
００〜４５０℃の熱処理で、容易にチタンのフッ化物や
酸化物を形成するためである。さらに、この熱処理で、
タングステン膜３１２とチタン膜１０１とが反応し、金
属間化合物層２０６が形成される。これにより、この界
面におけるミキシング作用が促進させられる。
【００６０】最後に、図８を参照して、半導体基板に形
成された半導体素子や配線を外部から侵入してくる水分
等から保護するために、シリコン酸化膜やシリコン窒化
膜等の保護絶縁膜８が、第２アルミニウム配線層１００
の上にＣＶＤ法を用いて堆積される。
【００６１】なお、この発明の配線接続構造において用
いられるチタン膜１０１の膜厚については、以下の理由
により最適値が存在するので、図１１および図１２を参
照して説明する。
【００６２】図１１は、チタン膜１０１の膜厚が最適値
の場合における配線接続構造を示している。これに対し
、チタン膜１０１の膜厚が厚くなりすぎると、金属間化
合物層２０６が過剰にでき、図１２で示すような状態と
なる。第１アルミニウム配線層４と第２アルミニウム配
線層１００との接続部は金属間化合物層２０６ができる
ことにより体積が収縮するので、界面２０５には応力が
発生する。金属間化合物層２０６の生成量が多いと体積
の収縮量が大きくなり、界面２０５には大きな応力が作
用する。これが主な原因で第１アルミニウム配線層４と
第２アルミニウム配線層１００の界面２０５が脆くなり
、機械的強度が低下する。
【００６３】一方、チタン膜１０１の膜厚が薄すぎると
、チタンが十分分散せず、界面２０５のミキシング作用
の促進という効果が十分でなくなる。
【００６４】以上のような理由で、この発明の配線接続
構造に用いられるチタン膜１０１の膜厚には上下限値が
存在する。本発明者等の実験によって得られた知見によ
れば、チタン膜１０１の膜厚は５０オングストローム以
上１５０オングストローム以下の範囲であるのが望まし
い。
【００６５】なお、上記の実施例では、第２アルミニウ
ム配線層を構成するアルミニウム合金膜１０３とチタン
膜１０１との反応を抑制するために、チタン膜１０１の
上に窒化チタン膜１０２を設ける場合について述べてい
る。しかしながら、同様に両者の相互反応を抑制する働
きをする酸化チタン膜や酸窒化チタン膜などの他のチタ
ン化合物膜であっても同様の効果を奏する。これらの膜
は、いずれも上記実施例と同様に反応性スパッタ法を用
いて堆積することができる。つまり、酸化チタン膜を堆
積する場合には、Ａｒ＋Ｏ２　ガス雰囲気中で、酸窒化
チタン膜を堆積する場合にはＡｒ＋Ｏ２　＋Ｎ２　ガス
雰囲気中で、それぞれＴｉをターゲットとして用いてス
パッタすれば、所望のチタン化合物膜を堆積することが
できる。
【００６６】また、上記の実施例では、第１アルミニウ
ム配線層４の表面に、タングステン膜３１２を形成した
場合について述べたが、表面に形成する膜が、チタン・
タングステン（Ｔｉ−Ｗ）膜などの他の高融点金属膜、
窒化チタン（ＴｉＮ）膜などの高融点金属・化合物膜、
モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ２　）やタングステン
シリサイド（ＷＳｉ２　）膜などの高融点金属・シリサ
イド膜、アモルファスシリコン膜であっても同様の効果
を奏する。
【００６７】また、上記実施例では、アルミニウム２層
配線構造について述べたが、３層以上のアルミニウム多
層配線構造を有する半導体集積回路装置に本発明を適用
しても同様の効果を奏する。
【００６８】さらに、上記実施例では、半導体基板の表
面にＤＲＡＭセルが形成された半導体集積回路装置に本
発明を適用した場合について述べたが、他の素子が形成
された半導体集積回路装置に適用しても同様の効果を奏
する。
【００６９】たとえば、半導体基板の表面にＳＲＡＭ（
Ｓｔａｔｉｃ　　Ｒａｎｄｏｍ　　Ａｃｃｅｓｓ　　Ｍ
ｅｍｏｒｙ）セルが形成された半導体集積回路装置に、
本発明に従ったアルミニウム多層配線構造を適用した実
施例が図１３に示されている。ＳＲＡＭセルを有する半
導体集積回路装置の構造に関する詳細な説明は省略し、
その主な構成のみを述べるにとどめる。
【００７０】図１３を参照して、シリコン半導体基板１
の表面にダブルウェル・ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎ
ｔａｒｙ　　Ｍｅｔａｌ　　Ｏｘｉｄｅ　　Ｓｅｍｉ−
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有するＳＲＡＭセル４１０
が形成されている。シリコン半導体基板１には、ｐ型ウ
ェル領域４１１とｎ型ウェル領域４１２とが隣接して形
成されている。これらのウェル領域４１１および４１２
を電気的に分離するために、シリコン半導体基板１の上
に素子分離用酸化膜４１３が間隔を隔てて形成されてい
る。ｐ型ウェル領域４１１には互いに間隔を隔てたｎ型
不純物拡散層４１５が形成され、それらの間にゲート電
極４１４が形成されている。また、ｎ型ウェル領域４１
２には、互いに間隔を隔てたｐ型不純物拡散層４１６が
形成され、それらの間にゲート電極４１４が形成されて
いる。ゲート電極４１４を覆うように絶縁膜４０９が形
成されている。この絶縁膜４０９の上には多結晶シリコ
ン配線層４１７が間隔を隔てて形成されている。ＳＲＡ
Ｍセル４１０の上には下地絶縁膜３が堆積されている。 この下地絶縁膜３および絶縁膜４０９には、ｎ型不純物
拡散層４１５またはｐ型不純物拡散層４１６の表面に達
するコンタクト孔４１８が形成されている。このコンタ
クト孔４１８を介して不純物拡散層４１５または４１６
に接触するように第１アルミニウム配線層４が下地絶縁
膜３の上に形成されている。第１アルミニウム配線層４
と第２アルミニウム配線層１００との接続構造について
は、図１に示された構造と同様である。
【００７１】同様に、シリコン半導体基板１の表面に形
成される素子は、ＤＲＡＭセルやＳＲＡＭセル以外の他
の素子、たとえば、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　　
Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ　　Ｒｅａｄ　　Ｏｎｌｙ　　
Ｍｅｍｏｒｙ）セル、Ｅ２　ＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉ
ｃａｌ　　Ｅｒａｓａｂｌｅ　　Ｐｒｏ−ｇｒａｍａｂ
ｌｅ　　ＲＯＭ）セル、マイクロ・コンピュータ回路素
子、ＣＭＯＳ論理回路素子、バイポーラ・トランジスタ
素子等の他の構造を有する素子であってもよい。
【００７２】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、下層
のアルミニウム配線層の表面に形成された表面層と接続
孔を介して接する上層のアルミニウム配線層の下敷膜と
して、チタン層とチタン化合物層とからなる積層構造膜
を用いることにより、多層アルミニウム配線構造の接続
孔の部分において安定なコンタクトを得ることができる
。そのため、電気的なコンタクト抵抗が安定になるとと
もに、エレクトロ・マイグレーション耐量やストレス・
マイグレーション耐量等の接続孔の部分での半導体集積
回路装置の信頼性のレベルが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による半導体集積回路装置
の配線接続構造を示す部分断面図である。
【図２】図１に示された配線接続構造の形成の第１工程
を示す部分断面図である。
【図３】図１に示された配線接続構造の形成の第２工程
を示す部分断面図である。
【図４】図１に示された配線接続構造の形成の第３工程
を示す部分断面図である。
【図５】図１に示された配線接続構造の形成の第４工程
を示す部分断面図である。
【図６】図１に示された配線接続構造の形成の第５工程
を示す部分断面図である。
【図７】図１に示された配線接続構造の形成の第６工程
を示す部分断面図である。
【図８】図１に示された配線接続構造の形成の第７工程
を示す部分断面図である。
【図９】第１アルミニウム配線層と第２アルミニウム配
線層との界面における作用を説明するためにその接続構
造を拡大して示す部分断面図である。
【図１０】第１アルミニウム配線層と第２アルミニウム
配線層との界面における作用を説明するためにその接続
構造を拡大して示す部分断面図である。
【図１１】この発明の配線接続構造におけるチタン膜厚
の最適値が存在することを説明するために、その配線接
続構造を拡大して示す部分断面図である。
【図１２】この発明の配線接続構造におけるチタン膜厚
の最適値が存在することを説明するために、その配線接
続構造を拡大して示す部分断面図である。
【図１３】この発明の他の実施例による半導体集積回路
装置の配線接続構造を示す部分断面図である。
【図１４】従来の半導体集積回路装置の配線接続構造を
示す部分断面図である。
【図１５】図１４に示された配線接続構造の形成の第１
工程を示す部分断面図である。
【図１６】図１４に示された配線接続構造の形成の第２
工程を示す部分断面図である。
【図１７】図１４に示された配線接続構造の形成の第３
工程を示す部分断面図である。
【図１８】図１４に示された配線接続構造の形成の第４
工程を示す部分断面図である。
【図１９】図１４に示された配線接続構造の形成の第５
工程を示す部分断面図である。
【図２０】図１４に示された配線接続構造の形成の第６
工程を示す部分断面図である。
【図２１】図１４に示された配線接続構造の形成の第７
工程を示す部分断面図である。
【図２２】従来の配線接続構造の形成工程において、ス
パッタ・エッチング処理が施されるときの状況を示す部
分断面図である。
【図２３】従来の配線接続構造の形成工程において、ス
パッタ・エッチング処理が施されるときの状況を示す部
分断面図である。
【図２４】従来の配線接続構造を拡大して示す部分断面
図である。
【図２５】第１アルミニウム配線層の表面にタングステ
ン膜を形成した場合における変質層の状態を示す部分断
面図である。
【符号の説明】
１　　シリコン半導体基板 ３　　下地絶縁膜 ４　　第１アルミニウム配線層 ５　　層間絶縁膜 ６　　接続孔 １００　　第２アルミニウム配線層 １０１　　チタン膜 １０２　　窒化チタン膜 １０３　　アルミニウム膜あるいはアルミニウム合金膜
３１２　　タングステン膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　多層アルミニウム配線層の各層が接続
    孔を通じて接続された半導体集積回路装置の配線接続構
    造であって、主表面を有する半導体基板と、前記半導体
    基板の主表面上に形成された第１のアルミニウム配線層
    と、前記第１のアルミニウム配線層の表面に形成された
    、高融点金属、高融点金属・化合物、高融点金属・シリ
    サイドまたはアモルファスシリコンのうち少なくとも１
    つを含む表面層と、前記表面層の上に形成され、前記表
    面層の表面に達する貫通孔を有する絶縁層と、前記絶縁
    層の上に形成され、前記貫通孔を通じて前記表面層に電
    気的に接続された第２のアルミニウム配線層とを備え、
    前記第２のアルミニウム配線層は、前記貫通孔を通じて
    前記表面層の表面に接触するように前記絶縁層の上に形
    成されたチタン層と、前記チタン層の上に形成されたチ
    タン化合物層と、前記チタン化合物層の上に形成された
    アルミニウム含有層とを含む、半導体集積回路装置の配
    線接続構造。
  2. 【請求項２】　　多層アルミニウム配線層の各層が接続
    孔を通じて接続された半導体集積回路装置の配線接続構
    造の製造方法であって、半導体基板の主表面上に第１の
    アルミニウム配線層を形成する工程と、前記第１のアル
    ミニウム配線層の表面に、高融点金属、高融点金属・化
    合物、高融点金属・シリサイドまたはアモルファスシリ
    コンのうち少なくとも１つを含む表面層を形成する工程
    と、前記表面層の上に絶縁層を形成する工程と、前記絶
    縁層を選択的に除去することにより、少なくとも前記表
    面層の表面を露出させる貫通孔を形成する工程と、前記
    貫通孔を通しで前記表面層の表面に接触するように前記
    絶縁層の上にチタン層を形成する工程と、前記チタン層
    の上にチタン化合物層を形成する工程と、前記チタン化
    合物層の上にアルミニウム含有層を形成する工程とを備
    えた、半導体集積回路装置の配線接続構造の製造方法。
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