JPH0758203A - 半導体装置の配線構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】開口部の底部におけるアルミニウム系下層配線
層の表面が窒化されることなく、高い信頼性を有する半
導体装置の配線構造及びその製造方法を提供する。 【構成】半導体装置の配線構造は、基体１０上に形成さ
れたアルミニウム系下層配線層１２と、アルミニウム系
下層配線層１２上に形成された絶縁層１４と、アルミニ
ウム系下層配線層の上方の絶縁層１４に形成された開口
部１８と、開口部１８内に埋め込まれた、窒素を含まな
い金属配線材料２０Ａ、から成る。半導体装置の配線構
造の製造方法は、基体１０上にアルミニウム系下層配線
層１２を形成し、アルミニウム系下層配線層１２上に絶
縁層１４を形成し、絶縁層１４上に窒素を含む金属化合
物層１６を形成し、アルミニウム系下層配線層の上方の
金属化合物層１６及び絶縁層１４に開口部１８を形成
し、開口部１８に窒素を含まない金属配線材料２０Ａ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、所謂ビヤホールに特徴
を有する半導体装置の配線構造及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩやＵＬＳＩ等に見られる
ように半導体装置の高集積化及び高性能化が進むに伴
い、半導体装置内で配線部分の占める割合が増大する傾
向にある。それ故、半導体素子面積の増加を防止するた
めに多層配線が必須の技術となっている。半導体装置に
おいては、金属配線材料が埋め込まれたビアホールが多
層配線層間を接続するために形成されている。

【０００３】次世代以降の超々ＬＳＩ等の半導体集積回
路においては、その微細化、高集積化が著しく進められ
る。そのため、ビヤホールの開口径は、例えば０．３５
μｍというように益々小さくなりつつある。このように
開口径が小さくなるに従い、従来のアルミニウムあるい
はアルミニウム合金（以下、Ａｌ系合金という）を用い
たスパッタ法では、段差被覆性（ステップカバレッジ）
の点から、高信頼性を有するビアホールを形成すること
が不可能になってきている。

【０００４】即ち、Ａｌ系合金を用いたスパッタ法にお
いては、開口部のアスペクト比が高くなるに従い、Ａｌ
系合金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。ここで、シャドウイング効果とは、Ａｌ
系合金から成るスパッタ粒子が開口部の側壁あるいは底
部に形成される光学的に影の部分には堆積され難い現象
を指す。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Ａｌ系合金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。

【０００５】半導体基板に形成された下層配線層上に絶
縁層を形成し、かかる絶縁層に設けられた開口部内に金
属配線材料を埋め込み、微細なビアホールを形成する技
術として、所謂ブランケットＣＶＤ法、高温アルミニウ
ムスパッタ法あるいはアルミニウムリフロー法が注目さ
れている。

【０００６】ブランケットＣＶＤ法においては、例えば
下層配線層の上に形成された絶縁層上及びかかる絶縁層
に形成された開口部内に、例えばタングステン層を化学
気相析出法（ＣＶＤ法）にて堆積させる。その後、絶縁
層上に形成されたタングステン層をエッチバックして除
去することによって、開口部内にタングステンから成る
メタルプラグが形成されたビアホールを完成させる。
尚、このような方法を、以下、タングステンブランケッ
トＣＶＤ法と呼ぶ。

【０００７】タングステンブランケットＣＶＤ法でタン
グステン層を形成する場合、タングステン層の下にＴｉ
ＮあるいはＴｉＯＮから成る密着層を形成する必要があ
る。その理由は、タングステンブランケットＣＶＤ法で
形成されるタングステン層は、ステップカバレッジには
優れるものの、異種材料層の界面における内部応力の差
に起因して、絶縁層に対する密着性が乏しいからであ
る。通常、密着層はスパッタ法にて形成される。

【０００８】高温アルミニウムスパッタ法においては、
例えば下層配線層の上に形成された絶縁層上及びかかる
絶縁層に形成された開口部内に、半導体基板等を高温
（例えば５００゜Ｃ程度）に加熱した状態で、Ａｌ系合
金をスパッタ法にて堆積させ、併せて、絶縁層上にＡｌ
系合金から成る上層配線層を形成する。半導体基板等が
高温に加熱されているため、絶縁層上に堆積したＡｌ系
合金は流動状態となり開口部内に流入する。これによっ
て、開口部内はＡｌ系合金で確実に埋め込まれ、ビアホ
ールが形成される。尚、半導体基板等にバイアス電圧を
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アルミニウムスパッタ法に
包含される。これらを総称して単に高温アルミニウムス
パッタ法ともいう。

【０００９】また、アルミニウムリフロー法において
は、半導体基板等を約１５０゜Ｃに加熱した状態で、開
口部内を含む絶縁層上にスパッタ法にてＡｌ系合金を堆
積させる。その後、半導体基板等を高温（例えば５００
゜Ｃ程度）に加熱して、絶縁層上に堆積したＡｌ系合金
を流動状態として開口部内に流入させて、開口部をＡｌ
系合金で埋め込み、ビアホールを形成する。併せて、絶
縁層上のＡｌ系合金が平坦化されて上層配線層が形成さ
れる。

【００１０】これらの高温アルミニウムスパッタ法やア
ルミニウムリフロー法においては、Ａｌ系合金と濡れ性
の良いチタン（Ｔｉ）を下地層として形成すると、Ａｌ
系合金が流動状態にあるとき、Ａｌ系合金とＴｉから成
る下地層との間の界面反応が良好に進行して、Ａｌ系合
金と下地層中のＴｉとがそれらの界面で合金化するた
め、開口部へのＡｌ系合金の埋め込み特性が向上するこ
とが知られている。

【００１１】しかしながら、図４に示すように、多層配
線構造を高温アルミニウムスパッタ法あるいはアルミニ
ウムリフロー法にて形成するとき、半導体基板等が高温
に加熱される結果、下層配線層１２を構成するＡｌ系合
金がＴｉから成る下地層４０中に拡散し、更に下地層４
０を突き抜け、ビアホール２２中に吸上げられる。その
結果、下層配線層１２にはボイド４２が生成し、下層配
線層１２の導通不良や、下層配線層１２と上層配線層２
４との間の導通不良が発生するという問題が生じる。
尚、図６中、１０は基体、１４はＳｉＯ₂から成る絶縁
層である。

【００１２】このような下層配線層を構成するＡｌ系合
金の吸上げ防止のために、Ｔｉから成る下地層の代わり
に、ＴｉＮやＴｉＯＮから成る下地層を開口部内に形成
することが考えられる。即ち、絶縁層に設けられた開口
部は、ＴｉＮ又はＴｉＯＮから成る下地層及びＡｌ系合
金にて埋め込まれる。また、ＴｉＮあるいはＴｉＯＮか
ら成る下地層を絶縁層１４上にも残し、上層配線層２４
を、下からＴｉＮやＴｉＯＮから成る下地層及びＡｌ系
合金層から構成する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】先に述べたように、タ
ングステンブランケットＣＶＤ法でタングステン層を形
成する場合、タングステン層の下にＴｉＮあるいはＴｉ
ＯＮから成る密着層を形成する必要がある。ＴｉＮは、
Ｔｉをターゲットとして用い窒素プラズマによる反応性
スパッタ法にて形成することができる。また、窒素ガス
の代わりに窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いるとＴ
ｉＯＮが形成される。あるいは又、ＴｉＮは、ＴｉＣｌ
₄ガスを水素ガスで還元して、同時に窒素プラズマでＴ
ｉＮ化するプラズマＣＶＤ法にて形成することもでき
る。

【００１４】ところが、これらの成膜方法においては、
窒素プラズマを用いるため、開口部の底部に露出したＡ
ｌ系合金から成る下層配線層の表面が窒素プラズマによ
って窒化され、下層配線層の表面に絶縁性の窒化アルミ
ニウムが形成される。その結果、ビアホールのコンタク
ト抵抗の増加、最悪の場合にはビアホールの導通不良と
いう問題が発生する。

【００１５】また、図５に模式的な一部断面図を示すよ
うに、スパッタ法にて形成した密着層５０は、開口部１
８の上部においてオーバーハング形状となり易く（図５
の（Ａ）参照）、その結果、開口部１８の内部にタング
ステン層５２をＣＶＤ法にて形成したとき、タングステ
ン層５２に鬆（ボイド）５４が発生し（図５の（Ｂ）参
照）、配線の信頼性が乏しくなるという問題がある。
尚、図５中、１０は基体、１２は下層配線層、１４はＳ
ｉＯ₂から成る絶縁層である。

【００１６】更に、絶縁層１４上及び開口部１８内にタ
ングステン層５２をＣＶＤ法にて堆積させた後、絶縁層
１４上に形成されたタングステン層５２をエッチバック
して除去したとき、図６に模式的な一部断面図を示すよ
うに、開口部１８の上部側壁に形成されていた密着層５
０がエッチングされ、タングステン層５２から成るメタ
ルプラグと開口部１８の側壁の間にトレンチ（リセス）
５６が発生する（図６の（Ａ）参照）。絶縁層１４及び
メタルプラグ５２Ａの上に、例えばＡｌ系合金から成る
上層配線層２４をスパッタ法にて形成した場合、上層配
線層２４の下に、トレンチ（リセス）５６が鬆（ボイ
ド）として残り（図６の（Ｂ）参照）、配線の信頼性が
乏しくなるという問題がある。

【００１７】高温アルミニウムスパッタ法あるいはアル
ミニウムリフロー法において、ＴｉＮやＴｉＯＮから成
る下地層もスパッタ法やＣＶＤ法にて形成される。その
ため、開口部の底部に露出したＡｌ系合金から成る下層
配線層の表面が窒素プラズマによって窒化され、下層配
線層の表面に絶縁性の窒化アルミニウムが形成される。
その結果、ビアホールのコンタクト抵抗の増加、最悪の
場合にはビアホールの導通不良という問題が発生する。

【００１８】ＴｉＮあるいはＴｉＯＮから成る下地層を
形成しなければ、ビアホールのコンタクト抵抗の増加等
の問題は回避することができる。ところが、この場合に
は、絶縁層上に形成された上層配線層がＡｌ系合金層の
みから構成される。そのため、Ａｌ系合金のエレクトロ
マイグレーションによってＡｌ系合金層にボイドや欠損
が生じると、上層配線層の断線に繋がる。然るに、Ｔｉ
ＮあるいはＴｉＯＮから成る下地層が絶縁層上に存在す
る場合、Ａｌ系合金層にボイドや欠損が生じても、かか
る下地層でその部分の導通をとるバイパスが形成される
ために、上層配線層の信頼性が向上する。

【００１９】以上のように、密着層あるいは下地層とし
てＴｉＮやＴｉＯＮ等を用い、且つ、Ａｌ系合金から成
る下層配線層の表面が窒化されず、場合によってはＴｉ
ＮやＴｉＯＮ等を含む多層の上層配線層を形成し得る、
半導体装置の配線構造及びその製造方法が強く要望され
ている。

【００２０】従って、本発明の目的は、開口部の底部に
おけるアルミニウム系下層配線層の表面が窒化されるこ
となく、高い信頼性を有する半導体装置の配線構造及び
その製造方法を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、（イ）基
体上に形成されたアルミニウム系下層配線層と、（ロ）
アルミニウム系下層配線層上に形成された絶縁層と、
（ハ）アルミニウム系下層配線層の上方の絶縁層に形成
された開口部と、（ニ）開口部内に埋め込まれた、窒素
を含まない金属配線材料、から成ることを特徴とする本
発明の半導体装置の配線構造によって達成することがで
きる。この場合、窒素を含まない金属配線材料は、タン
グステン、アルミニウム、金又は銅とすることができ
る。

【００２２】本発明の半導体装置の配線構造において
は、絶縁層の表面に形成された窒素を含む金属化合物
層、及びその上に形成された窒素を含まない金属配線材
料から成る金属配線材料層の２層構造の上層配線層を更
に備えることができる。この場合、窒素を含まない金属
配線材料を、タングステン、アルミニウム、金又は銅と
し、窒素を含む金属化合物層をＴｉＮ、ＴｉＯＮ、Ｔｉ
ＷＮ、ＷＮ又はＭｏＮから構成することが望ましい。

【００２３】更に、上記の目的を達成するための本発明
の半導体装置の配線構造の製造方法は、イ）基体上にア
ルミニウム系下層配線層を形成する工程と、（ロ）アル
ミニウム系下層配線層上に絶縁層を形成する工程と、
（ハ）窒素を含む金属化合物層を絶縁層上に形成する工
程と、（ニ）アルミニウム系下層配線層の上方の金属化
合物層及び絶縁層に開口部を形成する工程と、（ホ）開
口部に窒素を含まない金属配線材料を埋め込む工程、か
ら成ることを特徴とする。

【００２４】本発明の半導体装置の配線構造の製造方法
においては、上記（ホ）の工程に、前記窒素を含む金属
化合物層、及び前記窒素を含まない金属配線材料から成
る金属配線材料層の２層構造の上層配線層を、前記絶縁
層上に形成する工程を更に含ませることができる。窒素
を含む金属化合物層は、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＷＮ、
ＷＮ又はＭｏＮから成ることが望ましい。また、窒素を
含まない金属配線材料は、タングステン、アルミニウ
ム、金又は銅であることが望ましい。

【００２５】

【作用】本発明においては、開口部を形成する前に絶縁
層上に窒素を含む金属化合物層を形成する。従って、ア
ルミニウム系下層配線層の表面が窒化されることを回避
することができる。また、絶縁層上に窒素を含む金属化
合物層が形成された状態で窒素を含まない金属配線材料
から成る金属配線材料層を形成するので、金属配線材料
層と絶縁層との間の密着性に優れる。しかも、必要に応
じて、窒素を含む金属化合物層及び窒素を含まない金属
配線材料から成る金属配線材料層の２層から上層配線層
を構成することができ、高い信頼性を有する上層配線層
を得ることができる。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。

【００２７】（実施例１）実施例１は、タングステンブ
ランケットＣＶＤ法を本発明の半導体装置の配線構造の
製造方法に適用した例である。実施例１においては、タ
ングステンプラグから構成されたビアホールが形成され
る。即ち、実施例１においては、窒素を含まない金属配
線材料としてタングステンを用いた。また、密着層とし
て機能する窒素を含む金属化合物層はＴｉＮから成り、
スパッタ法にて成膜する。

【００２８】実施例１の配線構造を、模式的な一部断面
図である図２の（Ａ）に示す。この配線構造において
は、例えば半導体基板（図示せず）上に形成された下層
絶縁層から成る基体１０上にアルミニウム系下層配線層
１２が形成されている。このアルミニウム系下層配線層
１２の上には絶縁層１４が形成されている。また、アル
ミニウム系下層配線層１２の上方の絶縁層１４には開口
部１８が形成されている。更に、この開口部１８内に
は、窒素を含まない金属配線材料２０Ａ（実施例１にお
いてはタングステン）が埋め込まれており、これによっ
て、タングステンプラグから成るビアホール２２が形成
されている。

【００２９】以下、実施例１の配線構造の製造方法を、
図１を参照して説明する。

【００３０】［工程−１００］先ず、例えばＳｉＯ₂か
ら成る下層絶縁層である基体１０上に、通常のスパッタ
法や高温アルミニウムスパッタ法あるいはアルミニウム
リフロー法にて、アルミニウム系下層配線層１２を形成
する。アルミニウム系下層配線層１２は、純Ａｌ、ある
いは、Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃ
ｕ、Ａｌ−Ｇｅ等のアルミニウム合金から形成すること
ができる。

【００３１】［工程−１１０］次いで、アルミニウム系
下層配線層１２上を含む基体１０上に絶縁層１４を形成
する。絶縁層１４は、ＣＶＤ法等の公知の方法で形成さ
れた例えば厚さ１μｍのＳｉＯ₂から成る。

【００３２】［工程−１２０］その後、絶縁層１４上
に、窒素を含む金属化合物層１６（実施例１において
は、厚さ約５０ｎｍのＴｉＮから成る）を形成する。Ｔ
ｉＮの成膜はスパッタ法にて行った。スパッタリングの
条件を、例えば、 ターゲット ： Ｔｉ プロセスガス： Ａｒ／Ｎ₂＝３０／７０sccm ＤＣパワー ： ５ｋＷ 圧力 ： ０．４Ｐａ 基体温度 ： １５０゜Ｃ とすることができる。こうして、図１の（Ａ）に示す構
造を得ることができる。窒素を含む金属化合物層１６の
成膜時、アルミニウム系下層配線層１２は絶縁層１４で
被覆されている。従って、アルミニウム系下層配線層１
２の表面が窒化されることを回避できる。

【００３３】［工程−１３０］次に、アルミニウム系下
層配線層１２の上方の金属化合物層１６及び絶縁層１４
に、フォトリソグラフィ技術、及び例えばリアクティブ
・イオン・エッチング（ＲＩＥ）技術を用いて開口部１
８を形成する（図１の（Ｂ）参照）。エッチングを、例
えば以下の条件で行うことができる。 使用ガス ： ＣＨＦ₃／Ｏ₂＝５０／５sccm 圧力 ： ５Ｐａ パワー ： １ｋＷ 開口部１８の径を０．６μｍとした。

【００３４】［工程−１４０］その後、タングステンブ
ランケットＣＶＤ法にて、開口部１８に窒素を含まない
金属配線材料２０Ａ（実施例１においてはタングステン
から成る）を埋め込み、同時にこの窒素を含まない金属
配線材料２０Ａから成る金属配線材料層２０を絶縁層１
４上に形成する（図１の（Ｃ）参照）。このブランケッ
トタングステンＣＶＤの条件を、例えば、以下のとおり
とすることができる。 第１ステップ（核形成段階） ＷＦ₆／ＳｉＨ₄／Ａｒ＝５／３／２０００sccm 圧力 ４×１０²Ｐａ（３Torr） 温度 ４５０°Ｃ 第２ステップ（高速成長段階） ＷＦ₆／Ｈ₂／Ａｒ＝４０／４００／２２５０sccm 圧力 １．１×１０⁴Ｐａ（８０Torr） 温度 ４５０°Ｃ

【００３５】次いで、絶縁層１４上の金属配線材料層２
０及び窒素を含む金属化合物層１６を除去して、開口部
１８内にタングステンから成るメタルプラグを残し、ビ
アホール２２を形成する。こうして、図２の（Ａ）に示
す半導体装置の配線構造が作製される。この半導体装置
の絶縁層１４上及びビアホール２２上には、更に、例え
ばＡｌ−１％Ｓｉ等のＡｌ系合金から成る上層配線層を
スパッタ法及びエッチング法等によて形成することがで
きる。

【００３６】あるいは又、図２の（Ｂ）に模式的な一部
断面図を示すように、絶縁層１４上の金属配線材料層２
０及び窒素を含む金属化合物層１６を選択的に除去する
ことによって、絶縁層１４上に上層配線層２４を形成す
る。併せて、開口部１８内にタングステンプラグを残
し、ビアホール２２を形成する。この上層配線層２４
は、絶縁層１４の表面に形成された窒素を含む金属化合
物層１６と、この金属化合物層１６上に形成された窒素
を含まない金属配線材料２０Ａから成る金属配線材料層
２０の２層から構成されている。

【００３７】（実施例２）実施例２は実施例１の変形で
ある。実施例２が実施例１と相違する点は、密着層とし
て機能する窒素を含む金属化合物層がＴｉＯＮから成る
点にある。以下、実施例２を説明する。

【００３８】［工程−２００］〜［工程−２１０］基体
１０上にアルミニウム系下層配線層１２を形成する工
程、及びアルミニウム系下層配線層１２上に絶縁層１４
を形成する工程は、実施例１の［工程−１００］〜［工
程−１１０］と同様とすることができる。

【００３９】［工程−２２０］その後、絶縁層１４上
に、窒素を含む金属化合物層１６（実施例２において
は、厚さ約５０ｎｍのＴｉＯＮから成る）を形成する
（図１の（Ａ）参照）。ＴｉＯＮの成膜はスパッタ法に
て行った。スパッタリングの条件を、例えば、 ターゲット ： Ｔｉ プロセスガス： Ａｒ／Ｎ₂−６％Ｏ₂＝３０／７０sccm ＤＣパワー ： ５ｋＷ 圧力 ： ０．４Ｐａ 基体温度 ： １５０゜Ｃ とすることができる。窒素を含む金属化合物層１６の成
膜時、アルミニウム系下層配線層１２は絶縁層１４で被
覆されている。従って、アルミニウム系下層配線層１２
の表面が窒化されることを回避できる。

【００４０】［工程−２３０］〜［工程−２４０］その
後、実施例１の［工程−１３０］と同様に、アルミニウ
ム系下層配線層１２の上方の金属化合物層１６及び絶縁
層１４に開口部１８を形成する（図１の（Ｂ）参照）。
次いで、実施例１の［工程−１４０］と同様に、タング
ステンブランケットＣＶＤ法にて、開口部１８に窒素を
含まない金属配線材料２０Ａ（実施例２においてもタン
グステンから成る）を埋め込み、同時に絶縁層１４上に
この窒素を含まない金属配線材料２０Ａから成る金属配
線材料層２０を形成する（図１の（Ｃ）参照）。その
後、絶縁層１４上の金属配線材料層２０及び窒素を含む
金属化合物層１６を除去して、開口部１８内にタングス
テンから成るメタルプラグを残し、ビアホール２２を形
成する。あるいは又、絶縁層１４上の金属配線材料層２
０及び窒素を含む金属化合物層１６を選択的に除去する
ことによって、絶縁層１４上に上層配線層２４を形成
し、併せて、開口部１８内にタングステンプラグを残
し、ビアホール２２を形成する。

【００４１】尚、［工程−２２０］において、ターゲッ
トとして、ＴｉＷ、Ｗ又はＭｏを用い、密着層として機
能するＴｉＷＮ、ＷＮ、ＭｏＮから成る窒素を含む金属
化合物層１６をスパッタ法にて絶縁層１４上に形成する
ことができる。

【００４２】（実施例３）実施例３も実施例１の変形で
ある。実施例３が実施例１と相違する点は、密着層とし
て機能する窒素を含む金属化合物層がＣＶＤ法にて形成
されたＴｉＮから成る点にある。以下、実施例３を説明
する。

【００４３】［工程−３００］〜［工程−３１０］ 基体１０上にアルミニウム系下層配線層１２を形成する
工程、及びアルミニウム系下層配線層１２上に絶縁層１
４を形成する工程は、実施例１の［工程−１００］〜
［工程−１１０］と同様とすることができる。

【００４４】［工程−３２０］その後、絶縁層１４上
に、窒素を含む金属化合物層１６（実施例３において
は、厚さ約５０ｎｍのＴｉＮから成る）を形成する（図
１の（Ａ）参照）。実施例３においては、ＴｉＯＮの成
膜はＥＣＲＣＶＤ法にて行った。ＥＣＲＣＶＤの条件
を、例えば、 使用ガス ： ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂／Ｎ₂＝２０／
２６／８sccm マイクロ波パワー ： ２．８ｋＷ 圧力 ： ０．２３Ｐａ 基体温度 ： ４２０゜Ｃ とすることができる。窒素を含む金属化合物層１６の成
膜時、アルミニウム系下層配線層１２は絶縁層１４で被
覆されている。従って、アルミニウム系下層配線層１２
の表面が窒化されることを回避できる。

【００４５】［工程−３３０］〜［工程−３４０］ その後、実施例１の［工程−１３０］と同様に、アルミ
ニウム系下層配線層１２の上方の金属化合物層１６及び
絶縁層１４に開口部１８を形成する（図１の（Ｂ）参
照）。次いで、実施例１の［工程−１４０］と同様に、
タングステンブランケットＣＶＤ法にて、開口部１８に
窒素を含まない金属配線材料２０Ａ（実施例３において
もタングステンから成る）を埋め込み、同時に絶縁層１
４上にこの窒素を含まない金属配線材料２０Ａから成る
金属配線材料層２０を形成する（図１の（Ｃ）参照）。
その後、絶縁層１４上の金属配線材料層２０及び窒素を
含む金属化合物層１６を除去して、開口部１８内にタン
グステンから成るメタルプラグを残し、ビアホール２２
を形成する。あるいは又、絶縁層１４上の金属配線材料
層２０及び窒素を含む金属化合物層１６を選択的に除去
することによって、絶縁層１４上に上層配線層２４を形
成し、併せて、開口部１８内にタングステンプラグを残
し、ビアホール２２を形成する。

【００４６】尚、［工程−３２０］において、密着層と
して機能するＴｉＯＮ、ＴｉＷＮ、ＷＮ又はＭｏＮから
成る窒素を含む金属化合物層１６を、ＥＣＲＣＶＤ法に
て絶縁層１４上に形成することができる。また、ＥＣＲ
ＣＶＤ法の代わりにイオンプレーティング法にて、窒素
を含む金属化合物層１６を絶縁層１４上に形成すること
もできる。

【００４７】（実施例４）実施例４は、高温アルミニウ
ムスパッタ法を本発明の半導体装置の配線構造の製造方
法に適用した例である。実施例４においてはＡｌ系合金
から構成されたビアホールが形成される。即ち、実施例
４においては、窒素を含まない金属配線材料としてＡｌ
系合金を用いた。また、下地層として機能する窒素を含
む金属化合物層はＴｉＮから成り、スパッタ法にて成膜
する。

【００４８】実施例４の配線構造を、図３の（Ｃ）に模
式的な一部断面図にて示す。この配線構造においては、
例えば半導体基板（図示せず）上に形成された下層絶縁
層から成る基体１０上にアルミニウム系下層配線層１２
が形成されている。このアルミニウム系下層配線層１２
の上には絶縁層１４が形成されている。また、アルミニ
ウム系下層配線層１２の上方の絶縁層１４には開口部１
８が形成されている。更に、この開口部１８内には、窒
素を含まない金属配線材料３０Ａ（実施例４においては
Ａｌ系合金）が埋め込まれており、これによってビアホ
ール２２が形成されている。また、絶縁層１４上には、
金属配線材料層３０及び窒素を含む金属化合物層１６か
ら構成された２層構造の上層配線層２４が形成されてい
る。アルミニウム系下層配線層１２及び窒素を含まない
金属配線材料３０Ａは、純Ａｌ、あるいは、Ａｌ−１％
Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｇｅ等の
アルミニウム合金から構成することができる。

【００４９】以下、実施例４の配線構造の製造方法を、
図３を参照して説明する。

【００５０】［工程−４００］〜［工程−４１０］ 基体１０上にアルミニウム系下層配線層１２を形成する
工程、及びアルミニウム系下層配線層１２上に絶縁層１
４を形成する工程は、実施例１の［工程−１００］〜
［工程−１１０］と同様とすることができる。

【００５１】［工程−４２０］その後、絶縁層１４上
に、窒素を含む金属化合物層１６（実施例４において
は、厚さ約５０ｎｍのＴｉＮから成る）を形成する。実
施例４においては、ＴｉＮの成膜はスパッタ法にて行っ
た。スパッタリングの条件を、例えば、実施例１の［工
程−１２０］と同様とすることができる。窒素を含む金
属化合物層１６の成膜時、アルミニウム系下層配線層１
２は絶縁層１４で被覆されている。従って、アルミニウ
ム系下層配線層１２の表面が窒化されることを回避でき
る。

【００５２】［工程−４３０］その後、実施例１の［工
程−１３０］と同様に、アルミニウム系下層配線層１２
の上方の金属化合物層１６及び絶縁層１４に開口部１８
を形成する（図３の（Ａ）参照）。

【００５３】［工程−４４０］次いで、所謂高温アルミ
ニウムスパッタ法にて、下地層として機能する窒素を含
む金属化合物層１６上に窒素を含まない金属配線材料３
０Ａ（実施例４においてはＡｌ系合金）を堆積させる
（図３の（Ｂ）参照）。高温アルミニウムスパッタの条
件を、例えば以下のとおりとした。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm ＤＣパワー ： １０ｋＷ スパッタ圧力 ： ０．４Ｐａ 基体加熱温度 ： ５００゜Ｃ 成膜速度 ： ６００ｎｍ／分 窒素を含む金属化合物層１６上に堆積した窒素を含まな
い金属配線材料３０Ａ（実施例４においてはＡｌ系合
金）は流動状態となり、開口部１８内に流入し、開口部
１８は窒素を含まない金属配線材料３０Ａで確実に埋め
込まれる。

【００５４】次いで、絶縁層１４上の窒素を含まない金
属配線材料３０Ａ及び窒素を含む金属化合物層１６を選
択的に除去して、上層配線層２４を完成させる（図３の
（Ｃ）参照）。こうして、開口部１８はＡｌ系合金で埋
め込まれ、ビアホール２２が形成されている。また、絶
縁層１４上には、Ａｌ系合金から成る金属配線材料層３
０及び窒素を含む金属化合物層１６（具体的にはＴｉ
Ｎ）から構成された２層構造の上層配線層２４が形成さ
れる。上層配線層２４が窒素を含む金属化合物層１６を
備えることによって、Ａｌ系合金のエレクトロマイグレ
ーションによる上層配線層の断線を防止することがで
き、上層配線層の信頼性が向上する。

【００５５】尚、［工程−４２０］において、実施例２
の［工程−２２０］と同様に、窒素を含む金属化合物層
１６としてＴｉＯＮをスパッタ法にて絶縁層１４上に形
成することができる。また、ターゲットとして、Ｔｉ
Ｗ、Ｗ又はＭｏを用い、密着層として機能するＴｉＷ
Ｎ、ＷＮ、ＭｏＮから成る窒素を含む金属化合物層１６
をスパッタ法にて絶縁層１４上に形成することができ
る。

【００５６】更には、［工程−４２０］において、実施
例３の［工程−３２０］と同様に、絶縁層１４上に、Ｔ
ｉＮから成る窒素を含む金属化合物層１６をＥＣＲＣＶ
Ｄ法にて形成してもよい。あるいは又、密着層として機
能するＴｉＯＮ、ＴｉＷＮ、ＷＮ又はＭｏＮから成る窒
素を含む金属化合物層１６をＥＣＲＣＶＤ法にて絶縁層
１４上に形成することができる。また、ＥＣＲＣＶＤ法
の代わりにイオンプレーティング法にて、窒素を含む金
属化合物層１６を絶縁層１４上に形成することもでき
る。

【００５７】また、高温アルミニウムスパッタ法によっ
て、Ａｌ系合金から成る窒素を含まない金属配線材料３
０Ａを堆積させる代わりに、ＣＶＤ法にてＡｌ系合金か
ら成る窒素を含まない金属配線材料３０Ａを堆積させる
ことができる。また、通常のスパッタ法やＣＶＤ法に
て、金又は銅から成る窒素を含まない金属配線材料３０
Ａを堆積させてもよい。

【００５８】（実施例５）実施例５は、アルミニウムリ
フロー法を本発明の半導体装置の配線構造の製造方法に
適用した例である。実施例５においては、実施例４と同
様に、窒素を含まない金属配線材料としてＡｌ系合金を
用い、また、下地層として機能する窒素を含む金属化合
物層はＴｉＮから成り、スパッタ法にて成膜した。以
下、実施例５の配線構造の製造方法を説明する。

【００５９】［工程−５００］〜［工程−５１０］ 基体１０上にアルミニウム系下層配線層１２を形成する
工程、及びアルミニウム系下層配線層１２上に絶縁層１
４を形成する工程は、実施例１の［工程−１００］〜
［工程−１１０］と同様とすることができる。

【００６０】［工程−５２０］その後、絶縁層１４上
に、実施例４と同様に、窒素を含む金属化合物層１６
（実施例５においては、厚さ約５０ｎｍのＴｉＮから成
る）をスパッタ法にて形成する。

【００６１】［工程−５３０］その後、アルミニウム系
下層配線層１２の上方の金属化合物層１６及び絶縁層１
４に開口部１８を形成する（図３の（Ａ）参照）。

【００６２】［工程−４４０］次いで、所謂アルミニウ
ムリフロー法にて、下地層として機能する窒素を含む金
属化合物層１６上に窒素を含まない金属配線材料３０Ａ
（実施例５においてはＡｌ系合金）を堆積させる。アル
ミニウムスパッタの条件を、例えば以下のとおりとし
た。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm ＤＣパワー ： ２０ｋＷ スパッタ圧力 ： ０．４Ｐａ 基体加熱温度 ： １５０゜Ｃ 成膜速度 ： １２００ｎｍ／分

【００６３】その後、基体１０の温度を約５００゜Ｃに
加熱する。これによって、絶縁層１４上に堆積した金属
配線材料３０Ａ（具体的にはＡｌ系合金）は流動状態と
なり、開口部１８内に流入し、開口部１８は窒素を含ま
ない金属配線材料３０Ａで確実に埋め込まれる（図３の
（Ｂ）参照）。加熱条件を、例えば以下のとおりとする
ことができる。 加熱方式 ： 基板裏面ガス加熱 加熱温度 ： ５００゜Ｃ 加熱時間 ： ２分 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧力： １．１×１０³Ｐａ ここで、基板裏面ガス加熱方式とは、基板裏面に配置し
たヒーターブロックを所定の温度（加熱温度）に加熱
し、ヒーターブロックと基板裏面の間にプロセスガスを
導入することによって基体を加熱する方式である。加熱
方式としては、この方式以外にもランプ加熱方式等を用
いることができる。

【００６４】次いで、絶縁層１４上の窒素を含まない金
属配線材料３０Ａ及び窒素を含む金属化合物層１６を選
択的に除去して、上層配線層２４を完成させる（図３の
（Ｃ）参照）。こうして、開口部１８は窒素を含まない
金属配線材料３０Ａで埋め込まれ、ビアホール２２が形
成されている。また、絶縁層１４上には、Ａｌ系合金か
ら成り窒素を含まない金属配線材料層３０及び窒素を含
む金属化合物層１６（具体的にはＴｉＮ）から構成され
た２層構造の上層配線層２４が形成される。

【００６５】尚、［工程−５２０］において、実施例２
の［工程−２２０］と同様に、窒素を含む金属化合物層
１６としてＴｉＯＮをスパッタ法にて絶縁層１４上に形
成することができる。また、ターゲットとして、Ｔｉ
Ｗ、Ｗ又はＭｏを用い、密着層として機能するＴｉＷ
Ｎ、ＷＮ、ＭｏＮから成る窒素を含む金属化合物層１６
をスパッタ法にて絶縁層１４上に形成することができ
る。

【００６６】更には、［工程−５２０］において、実施
例３の［工程−３２０］と同様に、絶縁層１４上に、Ｔ
ｉＮから成る窒素を含む金属化合物層１６をＥＣＲＣＶ
Ｄ法にて形成してもよい。あるいは又、密着層として機
能するＴｉＯＮ、ＴｉＷＮ、ＷＮ又はＭｏＮから成る窒
素を含む金属化合物層１６を、ＥＣＲＣＶＤ法にて絶縁
層１４上に形成することができる。また、ＥＣＲＣＶＤ
法の代わりにイオンプレーティング法にて、窒素を含む
金属化合物層１６を絶縁層１４上に形成することもでき
る。

【００６７】以上、実施例に基づき本発明を説明した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。各実施例における成膜条件や数値は例示であり、適
宜変更することができる。基体１０あるいは絶縁層１４
は、ＳｉＯ₂以外にも、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、Ａ
ｓＳＧ、ＰｂＳＧ、ＳｂＳＧ、あるいはＳｉＮ等の公知
の絶縁材料から構成することができる。

【００６８】スパッタ法による各種の層の形成は、マグ
ネトロンスパッタリング装置、ＤＣスパッタリング装
置、ＲＦスパッタリング装置、ＥＣＲスパッタリング装
置、また基板バイアスを印加するバイアススパッタリン
グ装置等各種のスパッタリング装置にて行うことができ
る。

【００６９】

【発明の効果】本発明においては、開口部を形成する前
に絶縁層上に窒素を含む金属化合物層を形成するので、
アルミニウム系下層配線層の表面が窒化されることを回
避することができ、ビアホールのコンタクト抵抗の増加
を防ぐことができる。また、絶縁層上に窒素を含む金属
化合物層が形成された状態で窒素を含まない金属配線材
料から成る金属配線材料層を形成するので、金属配線材
料層と絶縁層との間の密着性に優れる。しかも、必要に
応じて、窒素を含む金属化合物層及び窒素を含まない金
属配線材料から成る金属配線材料層の２層構造の上層配
線層を形成することができ、金属配線材料層に断線が発
生しても、上層配線層全体では導通状態を保持でき、高
い信頼性を有する上層配線層を得ることができる。

【００７０】また、タングステンブランケットＣＶＤ法
を採用した場合、開口部の側壁には密着層が形成されな
いので、密着層のオーバーハング形状に起因したタング
ステン層中の鬆（ボイド）の発生を抑制することができ
る。更には、タングステン層のエッチバック時、開口部
の側壁上部の密着層がエッチングされるという従来の問
題が解決できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の配線構造の製造方法を説明するため
の半導体素子の模式的な一部断面図である。

【図２】実施例１の配線構造を示す模式的な一部断面図
である。

【図３】実施例４の配線構造の製造方法を説明するため
の半導体素子の模式的な一部断面図である。

【図４】従来の高温アルミニウムスパッタ法あるいはア
ルミニウムリフロー法における問題点を説明するための
半導体素子の模式的な一部断面図である。

【図５】従来のタングステンブランケットＣＶＤ法にお
ける問題点を説明するための半導体素子の模式的な一部
断面図である。

【図６】図５とは別の、従来のタングステンブランケッ
トＣＶＤ法における問題点を説明するための半導体素子
の模式的な一部断面図である。

【符号の説明】

１０ 基体 １２ アルミニウム系下層配線層 １４ 絶縁層 １６ 窒素を含む金属化合物層 １８ 開口部 ２０，３０ 金属配線材料層 ２０Ａ，３０Ａ 窒素を含まない金属配線材料 ２２ ビアホール ２４ 上層配線層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 8826−4Ｍ Ｍ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（イ）基体上に形成されたアルミニウム系
   下層配線層と、 （ロ）アルミニウム系下層配線層上に形成された絶縁層
   と、 （ハ）アルミニウム系下層配線層の上方の絶縁層に形成
   された開口部と、 （ニ）開口部内に埋め込まれた、窒素を含まない金属配
   線材料、 から成ることを特徴とする半導体装置の配線構造。
2. 【請求項２】前記窒素を含まない金属配線材料は、タン
   グステン、アルミニウム、金又は銅であることを特徴と
   する請求項１に記載の半導体装置の配線構造。
3. 【請求項３】前記絶縁層の表面に形成された窒素を含む
   金属化合物層、及びその上に形成された前記窒素を含ま
   ない金属配線材料から成る金属配線材料層の２層構造の
   上層配線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配線構造。
4. 【請求項４】前記窒素を含まない金属配線材料は、タン
   グステン、アルミニウム、金又は銅であり、前記窒素を
   含む金属化合物層はＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＷＮ、ＷＮ
   又はＭｏＮから成ることを特徴とする請求項３に記載の
   半導体装置の配線構造。
5. 【請求項５】（イ）基体上にアルミニウム系下層配線層
   を形成する工程と、 （ロ）アルミニウム系下層配線層上に絶縁層を形成する
   工程と、 （ハ）窒素を含む金属化合物層を絶縁層上に形成する工
   程と、 （ニ）アルミニウム系下層配線層の上方の金属化合物層
   及び絶縁層に開口部を形成する工程と、 （ホ）開口部に窒素を含まない金属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配線構造の製造
   方法。
6. 【請求項６】上記（ホ）の工程は、前記窒素を含む金属
   化合物層、及び前記窒素を含まない金属配線材料から成
   る金属配線材料層の２層構造の上層配線層を、前記絶縁
   層上に形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項
   ５に記載の半導体装置の配線構造の製造方法。
7. 【請求項７】前記窒素を含む金属化合物層は、ＴｉＮ、
   ＴｉＯＮ、ＴｉＷＮ、ＷＮ又はＭｏＮから成り、前記窒
   素を含まない金属配線材料は、タングステン、アルミニ
   ウム、金又は銅であることを特徴とする請求項５又は請
   求項６に記載の半導体装置の配線構造の製造方法。