JPH06216261A

JPH06216261A - 半導体装置の接続孔及びその形成方法

Info

Publication number: JPH06216261A
Application number: JP1946193A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Hoshino; 和弘星野; Kazuhide Koyama; 一英小山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-01-13
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1994-08-05

Abstract

(57)【要約】【目的】エレクトロマイグレーションやストレスマイグ
レーションに対する耐性が高い接続孔を、出来る限り低
い温度に基体を加熱した状態で高温スパッタ法により形
成する方法、及びかかる方法によって得られた接続孔を
提供する。【構成】半導体装置の接続孔は、基体上１６に形成され
た絶縁層１８に設けられた開口部２０、及びアルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金から成り開口部２０に埋め
込まれた配線材料２６から構成され、開口部側壁近傍の
配線材料２６Ａは、開口部中心部２０Ａの配線材料２０
Ｂよりもゲルマニウムを多く含む。半導体装置の接続孔
の形成方法は、（イ）基体上に形成された絶縁層に開口
部を設ける工程と、（ロ）開口部の側壁にゲルマニウム
層を形成する工程と、（ハ）高温スパッタ法によって、
開口部にアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成
る配線材料を埋め込む工程、から成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の接続孔及
びその形成方法、より詳しくは、所謂アルミニウムの高
温スパッタ法による半導体装置の接続孔及びその形成方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置には多数のコンタクトホー
ル、スルーホールあるいはビヤホール（以下、これらを
総称して接続孔ともいう）が形成されている。通常、接
続孔は、半導体基板に形成された拡散層、各種電極ある
いは下層配線層（以下、これらを総称して基体ともい
う）上に絶縁層を形成し、かかる絶縁層に開口部を設け
た後、開口部に配線材料を埋め込むことによって形成さ
れる。半導体装置の高集積化に伴い、半導体プロセスの
寸法ルールも微細化しつつあり、高いアスペクト比を有
する開口部を配線材料で埋め込む技術が重要な課題とな
っている。

【０００３】開口部を配線材料で埋め込む方法として、
一般には、純アルミニウムあるいはアルミニウム合金
（以下、単にアルミニウム等ともいう）を用いたスパッ
タ法が採用されている。然るに、このスパッタ法におい
ては、開口部のアスペクト比が高くなるに従い、アルミ
ニウム等から成るスパッタ粒子が所謂シャドウイング効
果によって開口部底部あるいはその近傍の開口部側壁に
堆積し難くなる。その結果、開口部底部あるいはその近
傍の開口部側壁におけるアルミニウム等のステップカバ
レッジが悪くなり、かかる部分で断線不良が発生し易く
なるという問題がある。

【０００４】このような問題を解決する一手段として、
アルミニウム等を配線材料として用いた所謂高温スパッ
タ法が検討されている。この高温スパッタ法は、アルミ
ニウム等をスパッタする際、半導体基板を高温（約５０
０〜６００゜Ｃ）に加熱しておき、絶縁層上に堆積した
アルミニウム等を流動状態とさせて開口部内に流動さ
せ、開口部をアルミニウム等で埋め込む技術である。
尚、半導体基板にバイアス電圧を印加しながら高温スパ
ッタを行う高温バイアススパッタ法も、本明細書におけ
る高温スパッタ法に包含される。これらを総称して単に
高温スパッタ法ともいう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の高温スパッタ法
は、高アスペクト比を有する開口部をアルミニウム等で
埋め込む極めて有効な技術である。しかしながら、半導
体基板を約５００〜６００゜Ｃに加熱する必要があるた
め、配線材料であるアルミニウム等と基体との間に生じ
る反応によってアロイ・スパイクやシリコン・ノジュー
ルが発生する。その結果、接合破壊によるリーク電流の
増加等、配線材料と基体との間の接触部分における電気
特性が劣化し、半導体装置の信頼性が低下する原因とな
っている。

【０００６】配線材料であるアルミニウム等と基体との
間のこのような反応を抑制するために、ＴｉＮやＴｉＷ
から成る反応防止層（バリアメタル層）を開口部底部に
形成する方法が公知である。しかしながら、これらの反
応防止層は約５００〜６００゜Ｃにおいて十分に安定し
た耐熱性を有していない。それ故、従来の高温スパッタ
法においては、反応防止層が、配線材料と基体との間の
接触部分における電気特性の劣化を十分抑制できないと
いう問題がある。

【０００７】以上のように、所謂高温スパッタ法におい
ても、半導体基板の加熱温度は出来る限り低いことが必
要とされる。

【０００８】一方、寸法ルールの微細化の結果、配線の
断面積も小さくなり、配線を流れる電流密度が大きくな
っている。これに伴い、配線が平坦な部分ですらエレク
トロマイグレーションによる配線の断線が発生し、半導
体装置の信頼性の低下が深刻な問題となっている。耐エ
レクトロマイグレーションの向上のためには、大きな粒
径のアルミニウム等をスパッタ法によって形成する必要
がある。そのためには、アルミニウム等に含有される不
純物を出来る限り少なくすることが必要である。

【０００９】アルミニウム／ゲルマニウム合金を用いて
高温スパッタ法により約３００゜Ｃの低い温度で開口部
を埋め込む方法が、例えば、”0.25 μｍ CONTACT HOLE
FILLING BY Al-Ge REFLOW SPUTTERING”, K. Kikuta,
et al, 1991 Symposium on VLSI Technology, pp35-36
から公知である。アルミニウム／ゲルマニウム合金を用
いると、約３００゜Ｃの低い温度での高温スパッタ法に
より開口部を埋め込むことが可能になるが、アルミニウ
ム／ゲルマニウム合金から成る配線は、エレクトロマイ
グレーションやストレスマイグレーションに対する耐性
が不十分であるという問題がある。また、アルミニウム
／ゲルマニウム合金から成る配線の抵抗は、純アルミニ
ウムから成る配線の抵抗よりも２０〜３０％高い。従っ
て、半導体装置の高速化という観点からもアルミニウム
／ゲルマニウム合金を配線材料として用いることは不利
である。

【００１０】従って、本発明の第１の目的は、エレクト
ロマイグレーションやストレスマイグレーションに対す
る耐性が高い接続孔を、出来る限り低い温度に基体を加
熱した状態で高温スパッタ法により形成する方法、及び
かかる方法によって得られた接続孔を提供することにあ
る。

【００１１】更に、本発明の第２の目的は、エレクトロ
マイグレーションやストレスマイグレーションに対する
耐性が高くしかも出来る限り粒径の大きなアルミニウム
粒子が埋め込まれた接続孔を、出来る限り低い温度に基
体を加熱した状態で高温スパッタ法により形成する方
法、及びかかる方法によって得られた接続孔を提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様に係
る半導体装置の接続孔は、基体上に形成された絶縁層に
設けられた開口部、及びアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金から成り開口部に埋め込まれた配線材料、から
構成されている。そして、上記の第１の目的を達成する
ために、開口部側壁近傍の配線材料は、開口部中心部の
配線材料よりもゲルマニウムを多く含むことを特徴とす
る。

【００１３】この第１の態様に係る半導体装置の接続孔
においては、開口部底部の基体上に形成された反応防止
層を更に備えていることが望ましい。

【００１４】上記の第１の目的を達成するための本発明
の第１の態様に係る半導体装置の接続孔の形成方法は、
（イ）基体上に形成された絶縁層に開口部を設ける工程
と、（ロ）開口部の側壁にゲルマニウム層を形成する工
程と、（ハ）高温スパッタ法によって、開口部にアルミ
ニウムあるいはアルミニウム合金から成る配線材料を埋
め込む工程、から成ることを特徴とする。

【００１５】この第１の態様に係る半導体装置の接続孔
の形成方法においては、前記（ハ）の工程中、基体を２
５０゜Ｃ以上配線材料の融点以下に加熱することが望ま
しい。

【００１６】また、開口部底部の基体上に反応防止層を
形成する工程を含むことが望ましい。

【００１７】本発明の第１の態様に係る半導体装置の接
続孔及びその形成方法においては、配線材料として、具
体的には、純アルミニウム、アルミニウム／シリコン合
金、アルミニウム／銅合金、アルミニウム／シリコン／
銅合金等を挙げることができる。また、反応防止層は、
ＩＶ−Ａ族、ＶＩ−Ａ族の物質あるいはこれらの物質の
窒化物、ホウ化物、シリサイド、若しくはＴｉＷあるい
はＴｉＯＮから選ばれた材料から構成することが望まし
い。

【００１８】本発明の第２の態様に係る半導体装置の接
続孔は、基体上に形成された絶縁層に設けられた開口
部、及び純アルミニウムから成り開口部に埋め込まれた
配線材料、から構成されている。そして、上記の第２の
目的を達成するために、開口部側壁近傍の配線材料は、
開口部中心部の配線材料よりも、純アルミニウムと共晶
を形成する物質を多く含むことを特徴とする。

【００１９】上記の第２の目的を達成するための本発明
の第２の態様に係る半導体装置の接続孔の形成方法は、
（イ）基体上に形成された絶縁層に開口部を設ける工程
と、（ロ）開口部の側壁に、純アルミニウムと共晶を形
成する物質から成る中間層を形成する工程と、（ハ）高
温スパッタ法によって、開口部に純アルミニウムから成
る配線材料を埋め込む工程、から成ることを特徴とす
る。

【００２０】純アルミニウムと共晶を形成する物質は、
シリコン、銅、ゲルマニウム、銀、又はパラジウムであ
ることが望ましい。

【００２１】本発明においては、絶縁層として、ＳｉＯ
₂、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ、ＡｓＳＧ、シリコン窒
化膜、あるいはこれらの組み合わせを例示することがで
きる。基体としては、半導体基板に形成された拡散層、
各種電極あるいは下層配線層を挙げることができる。

【００２２】

【作用】高温スパッタ法によってアルミニウム等で開口
部を埋め込む場合、開口部側壁表面に存在する物質とア
ルミニウム等とが反応して反応生成物が生成される。こ
の反応生成物の生成によって、流動状態にあるアルミニ
ウム等は開口部内に引き込まれ、良好な埋め込み性が達
成される。従って、かかる反応生成物の生成温度が低い
程、高温スパッタ法における基体の加熱温度を低くする
ことができる。

【００２３】本発明の第１の態様に係る半導体装置の接
続孔の形成方法においては、開口部の側壁にゲルマニウ
ム層が形成される。従って、高温スパッタ時、アルミニ
ウム等とゲルマニウムとが反応して、Ａｌ−Ｇｅ合金が
形成される。Ａｌ−Ｇｅ合金の共晶温度は４２４゜Ｃで
ある。また、例えばＡｌ−Ｓｉ合金の共晶温度は５７７
゜Ｃである。このことから、開口部の側壁にゲルマニウ
ム層が形成されていれば、アルミニウムあるいはアルミ
ニウム合金を配線材料として用いても、基体の加熱温度
を下げることができる。しかも、スパッタリング現象に
おいてはイオン衝撃による表面マイグレート効率が高ま
るため、共晶温度以上に基体を加熱しなくとも、２５０
゜Ｃ以上に基体を加熱すれば、アルミニウム等で開口部
を埋め込むことができる。

【００２４】しかも、Ａｌ−Ｇｅ合金は、主に開口部側
壁近傍に形成される。即ち、開口部側壁近傍の配線材料
は、開口部中心部の配線材料よりもゲルマニウムを多く
含む。そして、開口部の埋め込みと同時に高温スパッタ
法にて形成される配線層にはゲルマニウムが多くは含ま
れない。従って、エレクトロマイグレーションやストレ
スマイグレーションに対する耐性が高い配線層を形成す
ることができ、しかも配線層の抵抗の増加を抑えること
ができる。

【００２５】本発明の第２の態様に係る半導体装置の接
続孔の形成方法においては、純アルミニウムと共晶を形
成する物質から成る中間層が開口部の側壁に形成され、
配線材料は純アルミニウムから成る。高温スパッタ時、
純アルミニウムは中間層と反応して共晶物質が形成され
る。かかる共晶物質の共晶温度は、Ａｌ−Ｓｉの場合５
７７゜Ｃ、Ａｌ−Ｃｕの場合５４８゜Ｃ、Ａｌ−Ｇｅの
場合４２４゜Ｃ、Ａｌ−Ａｇの場合５６６゜Ｃ、Ａｌ−
Ｐｄの場合５５０゜Ｃである。また、純Ａｌの融点は６
６０゜Ｃである。

【００２６】中間層が存在しない場合、純アルミニウム
を用いて高温スパッタ法にて開口部を埋め込むために
は、基体を５００゜Ｃ以上に加熱する必要がある。然る
に、中間層の存在によって、純アルミニウムを配線材料
として用いても、基体の加熱温度を５００゜Ｃ未満、約
３５０゜Ｃまで下げることができる。

【００２７】しかも、共晶物質は、主に開口部側壁近傍
に形成される。即ち、開口部側壁近傍の配線材料は、開
口部中心部の配線材料よりも、純アルミニウムと共晶を
形成する物質を多く含む。そして、開口部の埋め込みと
同時に高温スパッタ法にて形成される配線層には不純物
が含まれず、純アルミニウムから構成される。従って、
大きな粒径のアルミニウム粒子を形成することができ、
エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーショ
ンに対する耐性がより一層高い配線層を形成することが
できる。

【００２８】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を説明する。

【００２９】（実施例１）実施例１は、本発明の第１の
態様に係る半導体装置の接続孔及びその形成方法に関す
る。即ち、図１に模式的な一部断面図を示すように、実
施例１の半導体装置の接続孔は、基体１６上に形成され
た絶縁層１８に設けられた開口部２０、及び開口部に埋
め込まれたアルミニウム合金から成る配線材料２６から
構成されている。開口部側壁近傍の配線材料２６Ａは、
開口部中心部２０Ａの配線材料２６Ｂよりもゲルマニウ
ムを多く含んでいる。尚、図１、図３及び図４におい
て、ゲルマニウムが多く含まれる配線材料２６の領域に
は二重斜め線を付した。

【００３０】実施例１においては、基体１６は、具体的
には半導体基板１０に形成された拡散層である。また、
配線材料２６として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕを用いた。絶縁
層１８はＳｉＯ₂から成る。更に、ＴｉＮ／Ｔｉから成
る反応防止層２２が開口部底部の基体１６上、開口部側
壁、及び絶縁層の一部表面に形成されている。図中、１
２は素子分離領域、１４はゲート電極である。実施例１
の接続孔は、以下の方法で形成することができる。

【００３１】［工程−１００］半導体基板１０に通常の
方法で基体（拡散層）１６を形成する。次に、従来の熱
ＣＶＤ法にて全面にＳｉＯ₂から成り厚さ８００ｎｍの
絶縁層１８を形成し、次いで、１１００゜Ｃ、１０秒間
のＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理を行い、拡
散層の活性化を行う。その後、リソグラフィ技術及びド
ライエッチング技術を用いて絶縁層１８に開口部２０を
設ける（図２の（Ａ）参照）。熱ＣＶＤ法によるＳｉＯ
₂から成る絶縁層１８の形成条件を、例えば以下のとお
りとすることができる。使用ガス：ＳｉＨ₄／Ｏ₂／Ｎ₂＝２５０／２５０／１
００ sccm 圧力：１３．３Ｐａ温度：４２０゜Ｃまた、ドライエッチングの条件を、例えば、使用ガス：Ｃ₄Ｆ₈＝５０ sccm 圧力：２ＰａＲＦパワー：１２００Ｗとすることができる。

【００３２】［工程−１１０］次に、開口部１８内を含
む全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によって反応防
止層２２を構成するＴｉ層２２Ａを形成する。絶縁層１
８上でのＴｉ層２２Ａの厚さを３００ｎｍとした。Ｔｉ
層２２Ａの形成条件を、例えば以下のとおりとすること
ができる。使用ガス：Ａｒ＝５０ sccm 圧力：０．７ＰａＤＣ電力：４ｋＷ基板温度：１５０゜Ｃ尚、このＴｉ層２２Ａは、基体１６とのオーミックコン
タクトを形成する機能を有する。次いで、開口部１８内
を含む全面に、反応性ＤＣマグネトロンスパッタ法によ
って反応防止層２２を構成するＴｉＮ層２２Ｂを形成す
る（図２の（Ｂ）参照）。絶縁層１８上でのＴｉＮ層２
２Ｂの厚さを１００ｎｍとした。ＴｉＮ層２２Ｂの形成
条件を、例えば以下のとおりとすることができる。使用ガス：Ａｒ−６０％Ｎ₂＝６０ sccm 圧力：０．８ＰａＤＣ電力：１０ｋＷ基板温度：１５０゜Ｃ尚、このＴｉＮ層２２Ｂは、アルミニウムの基体１６へ
の突き抜けを防止するためのバリア層として機能する。
こうして、開口部底部の基体上、開口部側壁、及び絶縁
層の表面にＴｉＮ／Ｔｉから成る反応防止層２２を形成
した後、電気炉内で窒素雰囲気下４５０゜Ｃ、３０分の
条件にてアニールを行い、ＴｉＮ層２２Ｂのバリア性を
向上させる。

【００３３】［工程−１２０］その後、開口部１８内を
含む全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によってゲル
マニウム層２４を形成する（図２の（Ｃ）参照）。絶縁
層１８上でのゲルマニウム層２４の厚さを１００ｎｍと
した。ゲルマニウム層２４の形成条件を、例えば以下の
とおりとすることができる。使用ガス：Ａｒ＝５０ sccm 圧力：０．７ＰａＤＣ電力：４ｋＷ基板温度：１５０゜Ｃ

【００３４】［工程−１３０］続いて、真空を破らず
に、開口部１８内を含む全面に、ＤＣマグネトロンスパ
ッタ法による高温スパッタ法にてアルミニウム合金（Ａ
ｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ）から成る配線材料２６で
開口部２０を埋め込む（図３参照）。絶縁層１８上での
配線材料２６の厚さを４００ｎｍとした。配線材料２６
の形成条件を、例えば以下のとおりとすることができ
る。使用ガス：Ａｒ＝６０ sccm 圧力：０．８７ＰａＤＣ電力：４ｋＷ基板温度：３００゜Ｃ配線材料２６は開口部側壁に形成されたゲルマニウム層
２４と反応する。即ち、ゲルマニウムは配線材料中のア
ルミニウムに固溶し、あるいは拡散する。開口部を埋め
込んだ後においては、開口部側壁近傍の配線材料２６Ａ
は、開口部中心部２０Ａの配線材料２６Ｂよりもゲルマ
ニウムを多く含む。その後、従来のリソグラフィ技術及
びエッチング技術を用いて、絶縁層１８上の配線材料２
６、ゲルマニウム層２４及び反応防止層２２を選択的に
除去し、配線層を完成させる。

【００３５】配線材料の形成時、ＡｌとＧｅとは３００
゜Ｃ程度の低温でも反応するため、Ａｌ−Ｇｅ合金を生
成しながら配線材料は開口部内に引き込まれ、開口部が
配線材料によって埋め込まれる。反応防止層２２を構成
するＴｉＮは３００゜Ｃでバリア性を十分維持できるの
で、アルミニウムの基体への突き抜けやシリコンのピッ
トによる素子の特性劣化を防止することができる。ま
た、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕから成る配線は高い
エレクトロマイグレーション耐性を有し、高信頼性を有
する配線構造を得ることができる。

【００３６】（実施例２）実施例２も、本発明の第１の
態様に係る半導体装置の接続孔及びその形成方法に関す
る。実施例２においては、反応防止層２２としてセルフ
アラインメントにて形成されたチタンシリサイドを用い
た。また、配線材料２６として、純アルミニウムを用い
た。

【００３７】実施例２の接続孔の模式的な一部断面図を
図４に示す。実施例２の半導体装置の接続孔は、基体１
６上に形成された絶縁層１８に設けられた開口部２０、
及び開口部に埋め込まれたアルミニウム合金から成る配
線材料２６から構成されている。開口部側壁近傍の配線
材料２６Ａは、開口部中心部２０Ａの配線材料２６Ｂよ
りもゲルマニウムを多く含んでいる。基体１６は、具体
的には半導体基板１０に形成された拡散層である。ま
た、絶縁層１８はＳｉＯ₂から成る。更に、反応防止層
３２としてチタンシリサイドが開口部底部の基体上に形
成されている。実施例２の接続孔は、以下の方法で形成
することができる。

【００３８】［工程−２００］半導体基板１０に通常の
方法で基体（拡散層）１６を形成する。次に、全面にＳ
ｉＯ₂から成る絶縁層１８を形成し、次いで、リソグラ
フィ技術及びドライエッチング技術を用いて絶縁層１８
に開口部２０を設ける（図５の（Ａ）参照）。これら
は、実施例１の［工程−１００］と同様とすることがで
きる。

【００３９】［工程−２１０］その後、開口部１８内を
含む全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によってＴｉ
層３０を形成する（図５の（Ｂ）参照）。絶縁層１８上
でのＴｉ層３０の厚さを１００ｎｍとした。Ｔｉ層３０
の形成条件を、例えば以下のとおりとすることができ
る。使用ガス：Ａｒ＝５０ sccm 圧力：０．７ＰａＤＣ電力：４ｋＷ基板温度：１５０゜Ｃ次いで、６００゜ＣのＲＴＡ処理を半導体基板に施し、
開口部底部に堆積したＴｉ層のシリサイド化を行いＴｉ
Ｓｉ_X層を形成する。続いて、開口部底部以外の部分に
堆積した未反応のＴｉを除去する。未反応のＴｉは、ア
ンモニア過水（ＮＨ₄ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ）を用いたウ
エットエッチングにより除去することができる。次に、
７５０゜ＣでのＲＴＡ処理を行い、シリサイド化された
ＴｉＳｉ_X層のシリサイド化を更に進行させて、開口部
底部にＴｉＳｉ₂から成る反応防止層３２を形成する
（図５の（Ｃ）参照）。

【００４０】［工程−２２０］その後、開口部内を含む
全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によってゲルマニ
ウム層を形成する。絶縁層上でのゲルマニウム層の厚さ
を１００ｎｍとした。ゲルマニウム層の形成条件を、実
施例１の［工程−１２０］と同様とすることができる。

【００４１】［工程−２３０］続いて、真空を破らず
に、開口部内を含む全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ
法による高温スパッタ法にて純アルミニウムから成る配
線材料２６で開口部２０を埋め込む。絶縁層上での配線
材料の厚さを４００ｎｍとした。配線材料の形成条件
を、例えば以下のとおりとすることができる。使用ガス：Ａｒ＝６０ sccm 圧力：０．８ＰａＤＣ電力：４ｋＷ基板温度：３２０゜Ｃ配線材料２６は開口部側壁に形成されたゲルマニウム層
と反応する。即ち、ゲルマニウムは配線材料中のアルミ
ニウムに固溶し、あるいは拡散する。開口部を埋め込ん
だ後においては、開口部側壁近傍の配線材料２６Ａは、
開口部中心部２０Ａの配線材料２６Ｂよりもゲルマニウ
ムを多く含む。その後、従来のリソグラフィ技術及びエ
ッチング技術を用いて、絶縁層上の配線材料及びゲルマ
ニウム層を選択的に除去し、配線層を完成させる。

【００４２】配線材料の形成時、ＡｌとＧｅとが３２０
゜Ｃ程度の低温でも反応するため、Ａｌ−Ｇｅ合金を生
成しながら配線材料は開口部内に引き込まれ、開口部が
配線材料によって埋め込まれる。反応防止層を構成する
チタンシリサイドは３２０゜Ｃでバリア性を十分維持で
きるので、アルミニウムの基体への突き抜けやシリコン
のピットによる素子の特性劣化を防止することができ
る。また、純アルミニウムから配線材料が構成されてい
るので、シリコン・ノジュール等の不良が発生せず、高
信頼性を有する配線構造を得ることができる。

【００４３】（実施例３）実施例３は実施例２の変形で
ある。実施例３が実施例２と相違する点は、反応防止層
の形成方法にある。以下、実施例２と相違する点を説明
する。

【００４４】［工程−３００］半導体基板に通常の方法
で基体（拡散層）を形成する。次に、従来のＣＶＤ法に
て全面にＳｉＯ₂から成る絶縁層を形成し、次いで、リ
ソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて絶縁
層に開口部を設ける。これらは、実施例１の［工程−１
００］と同様とすることができる。

【００４５】［工程−３１０］その後、開口部内を含む
全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によってＴｉ層を
形成する。絶縁層上でのＴｉ層の厚さを１００ｎｍとし
た。Ｔｉ層の形成条件を、実施例２の［工程−２１０］
と同様とすることができる。次いで、ＲＴＡ処理を半導
体基板に施し、開口部底部に堆積したＴｉ層のシリサイ
ド化を行いＴｉＳｉ_X層を形成する。ＲＴＡ処理の条件
を、例えば以下のとおりとすることができる。使用ガス：Ａｒ＝５リットル／分アニール温度：６５０゜Ｃアニール時間：６０秒

【００４６】続いて、開口部底部以外の部分に堆積した
未反応のＴｉを除去する。未反応のＴｉは、アンモニア
過水を用いたウエットエッチングにより除去することが
できる。

【００４７】次に、窒素ガス雰囲気下、７５０゜Ｃでの
ＲＴＡ処理を行い、シリサイド化されたＴｉＳｉ_X層の
シリサイド化を更に進行させて、開口部底部にＴｉＳｉ
₂層を形成する。ＲＴＡ処理の条件を、例えば以下のと
おりとすることができる。使用ガス：Ｎ₂＝５リットル／分アニール温度：７５０゜Ｃアニール時間：６０秒窒素ガス雰囲気下でＲＴＡ処理を行うので、ＴｉＳｉ₂
層の表面にはＴｉＮ層が形成される。ＴｉＳｉ₂層の厚
さを５０ｎｍ、ＴｉＮ層の厚さを５０ｎｍとした。

【００４８】［工程−３２０］その後、ゲルマニウム層
の形成、純アルミニウムによる開口部の埋め込みを、実
施例２の［工程−２２０］及び［工程−２３０］と同様
に行う。

【００４９】配線材料の形成時、ＡｌとＧｅとが３２０
゜Ｃ程度の低温でも反応するため、Ａｌ−Ｇｅ合金を生
成しながら配線材料は開口部内に引き込まれ、開口部が
配線材料によって埋め込まれる。反応防止層を構成する
ＴｉＮ／ＴｉＳｉ₂は３２０゜Ｃでバリア性を十分維持
できるので、アルミニウムの基体への突き抜けやシリコ
ンのピットによる素子の特性劣化を防止することができ
る。また、純アルミニウムから配線材料が構成されてい
るので、シリコン・ノジュール等の不良が発生せず、高
信頼性を有する配線構造を得ることができる。

【００５０】（実施例４）実施例４は、本発明の第２の
態様に係る半導体装置の接続孔及びその形成方法に関す
る。即ち、図６に模式的な一部断面図を示すように、実
施例４の半導体装置の接続孔は、基体１６上に形成され
た絶縁層１８に設けられた開口部２０、及び開口部２０
に埋め込まれた純アルミニウムから成る配線材料４２か
ら成る。開口部側壁近傍の配線材料４２Ａは、開口部中
心部２０Ａの配線材料４２Ｂよりも、純アルミニウムと
共晶を形成する物質を多く含んでいる。純アルミニウム
と共晶を形成する物質は、実施例４においては、具体的
には、シリコンである。尚、図６、図８及び図９におい
て、純アルミニウムと共晶を形成する物質を多く含む配
線材料４２の領域には二重斜め線を付した。

【００５１】基体１６は、具体的には半導体基板１０に
形成された拡散層である。また、絶縁層１８はＳｉＯ₂
から成る。更に、反応防止層２２としてＴｉＮ／Ｔｉが
開口部底部の基体上、開口部側壁、及び絶縁層の一部表
面に形成されている。実施例４の接続孔は、以下の方法
で形成することができる。

【００５２】［工程−４００］半導体基板１０に通常の
方法で基体（拡散層）１６を形成する。次に、全面にＳ
ｉＯ₂から成る絶縁層１８を形成し、次いで、リソグラ
フィ技術及びドライエッチング技術を用いて絶縁層１８
に開口部２０を設ける（図７の（Ａ）参照）。これら
は、実施例１の［工程−１００］と同様とすることがで
きる。

【００５３】［工程−４１０］その後、開口部１８内を
含む全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によって反応
防止層２２を構成するＴｉ層２２Ａを形成する。絶縁層
１８上でのＴｉ層２２Ａの厚さを３０ｎｍとした。Ｔｉ
層２２Ａの形成条件を、例えば以下のとおりとすること
ができる。使用ガス：Ａｒ＝１００ sccm 圧力：０．４ＰａＤＣ電力：５ｋＷ基板温度：１５０゜Ｃ尚、このＴｉ層２２Ａは、基体１６とのオーミックコン
タクトを形成する機能を有する。次いで、開口部１８内
を含む全面に、反応性ＤＣマグネトロンスパッタ法によ
って反応防止層を構成するＴｉＮ層２２Ｂを形成する
（図７の（Ｂ）参照）。絶縁層１８上でのＴｉＮ層２２
Ｂの厚さを１００ｎｍとした。ＴｉＮ層２２Ｂの形成条
件を、例えば以下のとおりとすることができる。使用ガス：Ａｒ／Ｎ₂＝３０／８０ sccm 圧力：０．４ＰａＤＣ電力：５ｋＷ基板温度：１５０゜Ｃ尚、このＴｉＮ層２２Ｂは、アルミニウムの基体１６へ
の突き抜けを防止するためのバリア層として機能する。
こうして、開口部底部の基体上、開口部側壁、及び絶縁
層の表面にＴｉＮ／Ｔｉから成る反応防止層２２を形成
した後、電気炉内で窒素雰囲気下４５０゜Ｃ、３０分の
条件にてアニールを行い、ＴｉＮ層２２Ｂのバリア性を
向上させる。

【００５４】［工程−４２０］その後、開口部２０の側
壁に、純アルミニウムと共晶を形成する物質（実施例４
ではシリコン）から成る中間層４０を形成する（図７の
（Ｃ）参照）。即ち、先ず、開口部１８内を含む全面
に、ＣＶＤ法によってポリシリコンから成る中間層４０
を、例えば以下の条件で堆積させる。使用ガス：ＳｉＨ₄／Ｈｅ／Ａｒ＝１００／４００／
２００ sccm 圧力：７０Ｐａ基板温度：６５０゜Ｃ次いで、例えば以下の条件の異方性エッチバックを行う
ことによって、中間層４０を開口部２０の側壁に残す
（図８の（Ａ）参照）。使用ガス：Ｃｌ₂／Ｏ₂＝２５／５ sccm 圧力：１．３Ｐａマイクロ波パワー：７００ＷＲＦパワー：１００Ｗオーバーエッチ率：１０％これによって、開口部２０の側壁にのみポリシリコンか
ら成る中間層４０が形成される。

【００５５】［工程−４３０］次いで、開口部１８内を
含む全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法による高温ス
パッタ法にて純アルミニウムから成る配線材料４２で開
口部２０に埋め込む（図８の（Ｂ）参照）。絶縁層１８
上での配線材料４２の厚さを５００ｎｍとした。配線材
料４２の形成条件を、例えば以下のとおりとすることが
できる。使用ガス：Ａｒ＝１００ sccm 圧力：０．４ＰａＤＣ電力：１０ｋＷ基板温度：４５０゜Ｃ成膜速度：６００ｎｍ／分配線材料４２は開口部側壁に形成された中間層４０と反
応する。即ち、中間層４０を構成する物質は配線材料中
のアルミニウムに固溶し、あるいは拡散し、アルミニウ
ムと共晶を形成する。開口部を埋め込んだ後において
は、開口部側壁近傍の配線材料４２Ａは、開口部中心部
２０Ａの配線材料４２Ｂよりも純アルミニウムと共晶を
形成する物質（実施例４ではシリコン）を多く含む。そ
の後、従来のリソグラフィ技術及びエッチング技術を用
いて、その後、従来のリソグラフィ技術及びエッチング
技術を用いて、絶縁層１８上の配線材料４２及び反応防
止層２２を選択的に除去し、配線層を完成させる。

【００５６】配線材料の形成時、Ａｌとシリコンとは３
５０゜Ｃ以上５００゜Ｃ未満の低温で反応するため、Ａ
ｌ−Ｓｉ合金を生成しながら配線材料は開口部内に引き
込まれ、開口部が配線材料によって埋め込まれる。純ア
ルミニウムから成る配線層におけるアルミニウム粒子の
粒径は大きく、配線層は高いエレクトロマイグレーショ
ン耐性を有し、高信頼性を有する配線構造を得ることが
できる。

【００５７】（実施例５）実施例５は実施例４の変形で
ある。実施例５が実施例４と相違する点は、中間層が銅
（Ｃｕ）から成る点にある。以下、実施例４との相違点
を説明する。

【００５８】［工程−５００］半導体基板に通常の方法
で基体（拡散層）を形成する。次に、全面にＳｉＯ₂か
ら成る絶縁層を形成し、次いで、リソグラフィ技術及び
ドライエッチング技術を用いて絶縁層に開口部を設け
る。これらは、実施例１の［工程−１００］と同様とす
ることができる。

【００５９】［工程−５１０］その後、開口部内を含む
全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によってＴｉＮ／
Ｔｉから成る反応防止層を形成する。反応防止層の形成
は、実施例４の［工程−４１０］と同様とすることがで
きる。

【００６０】［工程−５２０］その後、開口部２０の側
壁に、純アルミニウムと共晶を形成する物質（実施例５
では銅）から成る中間層４０を形成する。即ち、先ず、
開口部１８内を含む全面に、スパッタ法によってＣｕ層
を、例えば以下の条件で形成する。使用ガス：Ａｒ＝１００ sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：５ｋＷ基板温度：１５０゜Ｃ次いで、例えば以下の条件の異方性エッチバックを行う
ことによって、Ｃｕ層を開口部２０の側壁に残す。使用ガス：ＣＣｌ₄／Ｎ₂＝５０／２００ scc
m 圧力：３０ＰａＲＦパワー：１００Ｗ温度：３５０゜Ｃオーバーエッチ率：１０％これによって、開口部の側壁に銅（Ｃｕ）から成る中間
層が形成される。

【００６１】［工程−５３０］次いで、開口部内を含む
全面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法による高温スパッ
タ法にて純アルミニウムから成る配線材料で、実施例４
の［工程−４３０］と同様の条件にて開口部を埋め込
む。中間層を構成する物質（実施例５においては銅）は
配線材料中のアルミニウムに固溶し、あるいは拡散し、
アルミニウムと共晶を形成する。そして、開口部を埋め
込んだ後においては、開口部側壁近傍の配線材料は、開
口部中心部の配線材料よりも純アルミニウムと共晶を形
成する物質（実施例５では銅）を多く含む。その後、従
来のリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、絶
縁層上の配線材料及び反応防止層を選択的に除去し、配
線層を完成させる。

【００６２】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。実施例における材料、各種数値や条件は例示で
あり、適宜、選択、変更することができる。配線材料の
ストレスマイグレーションを一層向上させるために、配
線材料の下に例えばチタン層（図９の５２）を形成する
ことができる。基体として、半導体基板に形成された拡
散層を例にとり説明したが、図９に示すように、基体は
下層配線層５０でもよい。尚、図９においては、実施例
４にて説明した半導体装置の接続孔及びその形成方法を
適用した。

【００６３】スパッタ粒子を半導体基板に対して斜めの
方向から入射させ、併せて、半導体基板を回転させるこ
とによって、開口部側壁にゲルマニウム層あるいは中間
層を形成することも可能である。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、従来の高温スパッタ法
よりも低い温度に基体を加熱した状態で、純アルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金で開口部を埋め込むことが
可能になる。低い温度で高温スパッタ法を実施すること
ができるので、反応防止層のバリア性を十分維持でき、
信頼性の高い配線構造を得ることができ、接合リークの
少ない良好なコンタクトを得ることができる。

【００６５】本発明の第１の態様に係る半導体装置の接
続孔及びその形成方法においては、純アルミニウム、ア
ルミニウム／シリコン合金、アルミニウム／銅合金、ア
ルミニウム／シリコン／銅合金等のエレクトロマイグレ
ーションやストレスマイグレーションに高い耐性を有す
る配線材料を選択することができ、従来得られなかった
接続孔の高信頼性と埋め込み平坦化性を両立することが
できる。

【００６６】本発明の第２の態様に係る半導体装置の接
続孔及びその形成方法においては、純アルミニウムから
大粒径のアルミニウム粒子を形成することができ、形成
された配線はエレクトロマイグレーションやストレスマ
イグレーションに高い耐性を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体装置の接続孔の模式的な一部
断面図である。

【図２】実施例１の半導体装置の接続孔の形成工程を説
明するための素子の模式的な一部断面図である。

【図３】図２に引き続き、実施例１の半導体装置の接続
孔の形成工程を説明するための素子の模式的な一部断面
図である。

【図４】実施例２の半導体装置の接続孔の模式的な一部
断面図である。

【図５】実施例２の半導体装置の接続孔の形成工程を説
明するための素子の模式的な一部断面図である。

【図６】実施例４の半導体装置の接続孔の模式的な一部
断面図である。

【図７】実施例４の半導体装置の接続孔の形成工程を説
明するための素子の模式的な一部断面図である。

【図８】図７に引き続き、実施例４の半導体装置の接続
孔の形成工程を説明するための素子の模式的な一部断面
図である。

【図９】基体が拡散層及び下層配線層である場合の半導
体装置の接続孔の模式的な一部断面図である。

【符号の説明】

１０半導体基板１２素子分離領域１４ゲート電極１６基体１８絶縁層２０開口部２２，３２反応防止層２４ゲルマニウム層２６，４２配線材料３０Ｔｉ層４０中間層５０下層配線層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体上に形成された絶縁層に設けられた開
口部、及びアルミニウムあるいはアルミニウム合金から
成り該開口部に埋め込まれた配線材料、から構成された
半導体装置の接続孔であって、開口部側壁近傍の配線材料は、開口部中心部の配線材料
よりもゲルマニウムを多く含むことを特徴とする半導体
装置の接続孔。
【請求項２】開口部底部の基体上に形成された反応防止
層を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の
半導体装置の接続孔。
【請求項３】前記反応防止層は、ＩＶ−Ａ族、ＶＩ−Ａ
族の物質あるいはこれらの物質の窒化物、ホウ化物、シ
リサイド、若しくはＴｉＷあるいはＴｉＯＮから選ばれ
た材料から構成されていることを特徴とする請求項２に
記載の半導体装置の接続孔。
【請求項４】（イ）基体上に形成された絶縁層に開口部
を設ける工程と、（ロ）該開口部の側壁にゲルマニウム層を形成する工程
と、（ハ）高温スパッタ法によって、該開口部にアルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金から成る配線材料を埋め込
む工程、から成ることを特徴とする半導体装置の接続孔の形成方
法。
【請求項５】前記（ハ）の工程中、基体を２５０゜Ｃ以
上配線材料の融点以下に加熱することを特徴とする半導
体装置の接続孔の形成方法。
【請求項６】開口部底部の基体上に反応防止層を形成す
る工程を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の半
導体装置の接続孔の形成方法。
【請求項７】前記反応防止層は、ＩＶ−Ａ族、ＶＩ−Ａ
族の物質あるいはこれらの物質の窒化物、ホウ化物、シ
リサイド、若しくはＴｉＷあるいはＴｉＯＮから選ばれ
た材料から構成されていることを特徴とする請求項６に
記載の半導体装置の接続孔の形成方法。
【請求項８】基体上に形成された絶縁層に設けられた開
口部、及び純アルミニウムから成り該開口部に埋め込ま
れた配線材料、から構成された半導体装置の接続孔であ
って、開口部側壁近傍の配線材料は、開口部中心部の配線材料
よりも、純アルミニウムと共晶を形成する物質を多く含
むことを特徴とする半導体装置の接続孔。
【請求項９】純アルミニウムと共晶を形成する物質は、
シリコン、銅、ゲルマニウム、銀、又はパラジウムであ
ることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の接続
孔。
【請求項１０】（イ）基体上に形成された絶縁層に開口
部を設ける工程と、（ロ）該開口部の側壁に、純アルミニウムと共晶を形成
する物質から成る中間層を形成する工程と、（ハ）高温スパッタ法によって、該開口部に純アルミニ
ウムから成る配線材料を埋め込む工程、から成ることを特徴とする半導体装置の接続孔の形成方
法。
【請求項１１】純アルミニウムと共晶を形成する物質
は、シリコン、銅、ゲルマニウム、銀、又はパラジウム
であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置
の接続孔の形成方法。