JPH08167609A

JPH08167609A - 半導体装置の配線構造及びその形成方法

Info

Publication number: JPH08167609A
Application number: JP33257994A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Koyama; 一英小山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】導体層及び各配線層の導通を確実に確保するこ
とができ、高い信頼性を配線構造全体に与えることがで
きる、スタック構造を有する半導体装置の配線構造を提
供する。【構成】配線構造は、（イ）基体１０に形成された導体
層１５と、（ロ）第１の層間絶縁層２０に設けられ、導
体層１５と接続された第１の接続孔２４と、（ハ）第１
の層間絶縁層２０上に形成され、第１の接続孔２４と接
続された第１の配線層２７と、（ニ）その上に形成され
た第２の層間絶縁層３０に設けられ、第１の配線層２７
と接続された第２の接続孔３４と、（ホ）第２の層間絶
縁層３０上に形成され、第２の接続孔３４と接続された
第２の配線層３７から成り、第１の配線層２７の部分の
幅は、第１の接続孔２４の幅よりも狭く、第２の接続孔
３４の底部３４Ａは第１の接続孔２４まで延在してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の配線構造
及びその形成方法に関し、更に詳しくは、所謂スタック
構造を有する半導体装置の配線構造及びその形成方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、配線が多
層化し、各配線層を電気的に接続するためのコンタクト
ホールやビヤホール、スルーホール（以下、総称して接
続孔と呼ぶ）のアスペクト比が大きくなっている。接続
孔は、例えば下層配線層の上方に形成された層間絶縁層
に開口部を設け、かかる開口部内に金属配線材料を埋め
込むことによって形成される。現在、ＣＶＤ法を用い
て、高アスペクト比を有する開口部内にのみ高融点金属
等から成る金属配線材料を埋め込む方法が採用され始め
ている。高融点金属がタングステンから成る場合、この
ような方法として、ブランケットタングステンＣＶＤ法
や選択タングステンＣＶＤ法を挙げることができる。

【０００３】具体的には、図８の（Ａ）に模式的な一部
断面図を示すように、半導体基板（図示せず）の上に形
成された絶縁層２００の上に、導電層２０１及びその上
に形成されたアルミニウム系合金層２０２から構成され
た下層配線２０３が形成されている。下層配線２０３及
び絶縁層１００の上には、層間絶縁層２１０が形成され
ている。そして、下層配線２０３の上方の層間絶縁層２
１０には開口部２１１が形成されており、開口部２１１
内には、ＴｉＮ／Ｔｉ等から成るバリアメタル層２２０
及びタングステン（Ｗ）から成るメタルプラグ２２１が
埋め込まれ、接続孔（ビアホール）２２２が形成されて
いる。層間絶縁層２１０の上には、ＴｉやＴｉＮから成
る導電層２３１及びアルミニウム系合金から成る金属配
線材料層２３２から構成された上層配線２３３が形成さ
れている。この接続孔２２２によって、下層配線２０３
と上層配線２３３とが電気的に接続されている。

【０００４】また、例えば３層の配線構造を有する場
合、第１層目の配線層と第２層目の配線層を第１の接続
孔で電気的に接続し、第２層目の配線層と第３層目の配
線層を第２の接続孔で電気的に接続するが、この第１の
接続孔と第２の接続孔を略同じ場所に配置するスタック
構造とすることが、半導体装置の縮小化に有利である
（図８の（Ｂ）参照）。尚、図８の（Ｂ）中、参照番号
３００は絶縁層、３１１は第１の配線層、３０１は第１
の層間絶縁層、３２１は第１の接続孔、３１２は第２の
配線層、３０２は第２の層間絶縁層、３２２は第２の接
続孔、３１３は第３の配線層である。第２の配線層３１
２は、図６の（Ｂ）の紙面に垂直な方向に延びている。
尚、第１の配線層３１１、第２の配線層３１２、第３の
配線層３１３は、それぞれ下から導電層及びアルミニウ
ム系合金層から構成されている。また、第１の接続孔３
２１、第２の接続孔３２２は、それぞれバリアメタル層
及び高融点金属から成るメタルプラグから構成されてい
る。

【０００５】一方、配線の微細化に伴い、アルミニウム
系合金から成る配線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よる断線が重大な問題となっ
ている。このような配線の断線に対する対策の１つに、
図９の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すような積層配
線構造がある。この積層配線構造は、絶縁層から成る基
体４００上に形成された導電層４０１、及びその上に形
成されたアルミニウム系合金層４０２から構成されてい
る。基体４００上及び配線の上には、層間絶縁層４１０
が形成されている。導電層４０１は、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔ
ｉＯＮ、ＴｉＷ、Ｗ等の導電性を有する高融点金属若し
くはその化合物から成る。図９の（Ｂ）に示すように、
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
ンによってアルミニウム系合金層４０２が断線した場合
でも、導電層４０１が断線することはない。即ち、導電
層４０１の冗長効果によって、配線全体が断線すること
を防止することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような多層配線構
造においては、図８の（Ａ）に示すように、下層配線２
０３を構成するアルミニウム系合金層２０２にエレクト
ロマイグレーションやストレスマイグレーションが発生
した場合、接続孔２２２の底部にボイドが発生する。そ
の結果、接続孔２２２の底部において上層配線２３３と
下層配線２０３が導通しなくなり、あるいは、上層配線
２３３と下層配線２０３との間のコンタクト抵抗が増加
するという重大な問題が生じる。

【０００７】従って、本発明の目的は、導体層と第１の
配線層と第２の配線層から構成され、導体層と第１の配
線層とは第１の接続孔で電気的に接続されており、第１
の配線層と第２の配線層とは第２の接続孔で電気的に接
続されており、第１の接続孔と第２の接続孔を略同じ場
所に配置するスタック構造を有する多層配線において、
第２の接続孔の底部の第１の配線層にエレクトロマイグ
レーションやストレスマイグレーションが発生した場合
でも、導体層及び各配線層の導通を確実に確保すること
ができ、高い信頼性を配線構造全体に与えることができ
る、半導体装置の配線構造及びその形成方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】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は、（イ）基体に形
成された導体層と、（ロ）基体上に形成された第１の層
間絶縁層に設けられ、該導体層と電気的に接続された第
１の接続孔と、（ハ）第１の層間絶縁層上に形成され、
第１の接続孔と電気的に接続された第１の配線層と、
（ニ）第１の層間絶縁層上及び第１の配線層上に形成さ
れた第２の層間絶縁層に設けられ、第１の配線層と電気
的に接続された第２の接続孔と、（ホ）第２の層間絶縁
層上に形成され、第２の接続孔と電気的に接続された第
２の配線層、から成る半導体装置の配線構造であって、
第１の接続孔と電気的に接続された第１の配線層の部分
の幅は、第１の接続孔の幅よりも狭く、第２の接続孔の
底部は第１の接続孔まで延在し、第２の接続孔は第１の
接続孔と電気的に接続されていることを特徴とする。

【０００９】ここで接続孔の幅とは、かかる接続孔の上
に形成された配線層の幅と同じ方向に沿って計った接続
孔の長さを意味する。接続孔の軸線方向と直角方向の平
面で接続孔を切断したときの接続孔の形状が円形の場合
には、接続孔の幅は円の直径に相当する。

【００１０】本発明の半導体装置の配線構造において
は、第１の接続孔及び／又は第２の接続孔は、高融点金
属材料若しくは高融点金属化合物から成ることが好まし
い。この場合、高融点金属材料若しくは高融点金属化合
物として、タングステン、銅若しくはＴｉＮを挙げるこ
とができる。

【００１１】また、第１の配線層、及び必要に応じて第
２の配線層は、下から、導電層及びアルミニウム系合金
層から成ることが好ましい。第１の配線層を構成するア
ルミニウム系合金層は、純アルミニウム、Ａｌ−Ｃｕ、
Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｇ
ｅ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ等の種々のアルミニウム合金から
構成することができる。また、導電層は、例えば、Ｔ
ｉ、ＴｉＮ、ＴｉＮ／Ｔｉ、ＴｉＯＮ等から構成するこ
とができる。

【００１２】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形成方法は、（イ）導体層が形成さ
れた基体上に第１の層間絶縁層を形成した後、導体層の
上方の第１の層間絶縁層に第１の開口部を設け、該第１
の開口部に金属配線材料を埋め込み、導体層に電気的に
接続された第１の接続孔を形成する工程と、（ロ）第１
の層間絶縁層上に、該第１の接続孔と電気的に接続され
た第１の配線層を形成する工程と、（ハ）第１の層間絶
縁層上及び第１の配線層上に第２の層間絶縁層を形成し
た後、第１の配線層の上方の第２の層間絶縁層に第２の
開口部を設け、該第２の開口部に金属配線材料を埋め込
み、第１の配線層に電気的に接続された第２の接続孔を
形成する工程と、（ニ）第２の層間絶縁層上に形成さ
れ、第２の接続孔と電気的に接続された第２の配線層を
形成する工程、から成る半導体装置の配線構造の形成方
法であって、前記（ロ）の工程において、第１の配線層
を形成する際、第１の接続孔と電気的に接続された第１
の配線層の部分の幅を第１の接続孔の幅よりも狭くし、
前記（ハ）の工程において、第２の接続孔の底部を第１
の接続孔まで延在させ、第２の接続孔を第１の接続孔と
電気的に接続させることを特徴とする。

【００１３】本発明の半導体装置の配線構造の形成方法
においては、第１の接続孔の形成は、第１の開口部内を
含む第１の層間絶縁層上にＣＶＤ法にて高融点金属材料
若しくは高融点金属化合物から成る金属配線材料を堆積
させた後、第１の層間絶縁層上の金属配線材料を除去す
る工程から成ることが好ましい。尚、第１の接続孔の形
成は、第１の開口部内に選択的にＣＶＤ法にて高融点金
属材料若しくは高融点金属化合物から成る金属配線材料
を堆積させる方法であってもよい。

【００１４】本発明の半導体装置の配線構造の形成方法
においては、更に、第２の接続孔の形成は、第２の開口
部内を含む第２の層間絶縁層上にＣＶＤ法にて高融点金
属材料若しくは高融点金属化合物から成る金属配線材料
を堆積させた後、第２の層間絶縁層上の金属配線材料を
除去する工程から成ることが好ましい。尚、第２の接続
孔の形成は、第２の開口部内に選択的にＣＶＤ法にて高
融点金属材料若しくは高融点金属化合物から成る金属配
線材料を堆積させる方法であってもよい。

【００１５】本発明の半導体装置の配線構造の形成方法
においては、高融点金属材料若しくは高融点金属化合物
として、タングステン、銅若しくはＴｉＮを挙げること
ができる。また、第１の配線層は、及び必要に応じて第
２の配線層は、下から、導電層及びアルミニウム系合金
層から成ることが好ましい。

【００１６】

【作用】本発明の半導体装置の配線構造及びその形成方
法においては、第１の接続孔と電気的に接続された第１
の配線層の部分の幅は、第１の接続孔の幅よりも狭く、
しかも、第２の接続孔の底部は第１の接続孔まで延在
し、第２の接続孔は第１の接続孔と電気的に接続されて
いる。それ故、第２の接続孔の近傍の第１の配線層にエ
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
が発生しても、第２の接続孔と第１の接続孔との間の電
気的接続が保証され、高い信頼性を有する配線構造を形
成することができる。

【００１７】また、第１の配線層を導電層及びアルミニ
ウム系合金層から構成することによって、アルミニウム
系合金層がエレクトロマイグレーションやストレスマイ
グレーションにより断線した場合でも、導電層の冗長効
果によって配線全体が断線することを防止できるし、導
電層は第２の接続孔と電気的に接続され得るので、第１
の接続孔、第１の配線層及び第２の接続孔の電気的接続
を確実なものにすることができる。

【００１８】

【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。

【００１９】（実施例１）実施例１の半導体装置の配線
構造を、模式的な一部断面図として図１の（Ａ）に示
す。実施例１の半導体装置の配線構造は、基体１０に形
成された導体層１５と、第１の接続孔２４と、第１の配
線層２７と、第２の接続孔３４と、第２の配線層３７か
ら成る。第１の接続孔２４は、基体１０上に形成された
第１の層間絶縁層２０に設けられており、導体層１５と
電気的に接続されている。第１の配線層２７は、第１の
層間絶縁層２０上に形成され、第１の接続孔２４と電気
的に接続されている。第２の接続孔３４は、第１の層間
絶縁層２０上及び第１の配線層２７上に形成された第２
の層間絶縁層３０に設けられており、第１の配線層２７
と電気的に接続されている。第２の配線層３７は、第２
の層間絶縁層３０上に形成され、第２の接続孔３４と電
気的に接続されている。

【００２０】そして、第１の接続孔２４と電気的に接続
された第１の配線層２７の部分２７Ａの幅Ｗ₂は、第１
の接続孔２４の幅Ｗ₁よりも狭い。より具体的には、実
施例１においては、第１の接続孔２４と電気的に接続さ
れた第１の配線層２７の部分２７Ａそれ自体の幅Ｗ
₂が、第１の接続孔２４の幅Ｗ₁よりも狭い。このように
することで、第１の接続孔２４は第１の配線層２７によ
って完全に被覆されることがなく、第１の接続孔２４の
一部分は、第１の配線層２７の形成後、露出した状態と
なる。第１の接続孔２４と第１の配線層２７の配置関係
を模式的に図１の（Ｂ）の一部平面図に示す。尚、図１
の（Ｃ）に示すように、第１の配線層２７が第１の接続
孔２４の上に延びているが、第１の接続孔２４の上で断
線状態となっていてもよい。

【００２１】更に、第２の接続孔３４の底部３４Ａは第
１の接続孔２４まで延在し、第２の接続孔３４は第１の
接続孔２４と電気的に接続されている。第１の接続孔２
４と電気的に接続された第１の配線層２７の部分２７Ａ
の幅Ｗ₂が、第１の接続孔２４の幅Ｗ₁よりも狭いので、
第１の接続孔２４の上方の第１の配線層２７の側壁に沿
って、第２の接続孔３４の底部３４Ａが第１の接続孔２
４まで延在し得る。

【００２２】実施例１においては、第１の接続孔２４及
び第２の接続孔３４は、高融点金属材料、具体的にはタ
ングステンから構成されている。また、基体１０はシリ
コン半導体基板から成り、導体層１５はソース・ドレイ
ン領域に相当する。

【００２３】第１の配線層２７は、導電層２５及びアル
ミニウム系合金層２６から構成されている。また、第２
の配線層３７も、第２の導電層３５及び第２のアルミニ
ウム系合金層３６から構成されている。各配線層２７，
３７をこのような構成にすることで、アルミニウム系合
金層２６，３６が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よって断線した場合でも、導電層
２５，３５の冗長効果によって配線全体が断線すること
を防止し得る。

【００２４】以下、実施例１の半導体装置の配線構造の
形成方法を、半導体基板等の模式的な一部断面図である
図２〜図４を参照して説明する。

【００２５】尚、実施例１においては、第１の接続孔２
４の形成は、第１の開口部２１内を含む第１の層間絶縁
層２０上にＣＶＤ法にてタングステンから成る高融点金
属材料２３を堆積させた後、第１の層間絶縁層２０上の
高融点金属材料２３を除去（エッチバック）する工程か
ら成る。また、第２の接続孔３４の形成は、第２の開口
部３１内を含む第２の層間絶縁層３０上にＣＶＤ法にて
タングステンから成る高融点金属材料３３を堆積させた
後、第２の層間絶縁層３０上の高融点金属材料３３を除
去（エッチバック）する工程から成る。

【００２６】［工程−１００］先ず、公知の方法に基づ
き、基体１０であるシリコン半導体基板に素子分離領域
１１を形成した後、シリコン半導体基板の表面にＳｉＯ
₂から成るゲート酸化膜１２を形成する。次いで、ポリ
シリコン、ポリサイドあるいはシリサイドから成るゲー
ト電極１３を例えばＣＶＤ法、フォトリソグラフィ技術
及びエッチング技術を用いて形成する。その後、ＬＤＤ
構造を形成するためのイオン注入を行い、次いで、全面
にＳｉＯ₂膜を堆積させた後、ＳｉＯ₂膜をエッチバック
し、ＳｉＯ₂から成るゲートサイドウオール１４をゲー
ト電極１３の側壁に形成する。次に、不純物のイオン注
入を行った後、基体１０にイオン注入された不純物を活
性化させるために活性化アニール処理を行い、ソース・
ドレイン領域を形成する。こうして、図２の（Ａ）に示
すように、シリコン半導体基板から成る基体１０に、ソ
ース・ドレイン領域から成る導体層１５が形成される。
尚、図２の（Ａ）に示した構造では、素子分離領域１１
をＬＯＣＯＳ構造としたが、所謂トレンチ構造を有する
素子分離領域とすることもできる。

【００２７】［工程−１１０］次に、導体層１５が形成
された基体１０上に第１の層間絶縁層２０を形成する。
第１の層間絶縁層２０は、例えばＳｉＯ₂から成り、Ｃ
ＶＤ法にて形成することができる。その後、導体層１５
の上方の第１の層間絶縁層２０に、フォトリソグラフィ
技術及びエッチング技術を用いて第１の開口部２１を設
ける（図２の（Ｂ）参照）。

【００２８】［工程−１２０］次いで、第１の開口部２
１に金属配線材料２３を埋め込み、導体層１５に電気的
に接続された第１の接続孔２４を形成する。そのため
に、先ず、第１の開口部２１内を含む第１の層間絶縁層
２０上にＴｉ層及びＴｉＮ層を、順次例えばスパッタ法
で形成する。Ｔｉ層は、導体層１５と金属配線材料２３
との間のコンタクト抵抗の低減を目的として形成され
る。一方、ＴｉＮ層は、金属配線材料で第１の開口部２
１内を埋め込む際、金属配線材料によって導体層１５が
損傷を受けることを防止するバリア層としての機能を有
する。Ｔｉ層及びＴｉＮ層の成膜条件を以下に例示す
る。Ｔｉ層の成膜プロセスガス：Ａｒ＝１００sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：５ｋＷ成膜温度：１５０゜Ｃ膜厚：３０ｎｍＴｉＮ層の成膜プロセスガス：Ａｒ／Ｎ₂＝３０／８０sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：５ｋＷ成膜温度：１５０゜Ｃ膜厚：１２０ｎｍ尚、ＴｉＮ層の成膜後、ＴｉＮ層のバリア性を向上させ
るために、窒素ガス雰囲気中若しくは窒素ガスと酸素ガ
スの混合ガス雰囲気中で６５０゜Ｃ×６０秒程度のＲＴ
Ａ（Rapid Thermal Annealing）処理を行うことが好ま
しい。このような工程で形成されたＴｉ層及びＴｉＮ層
を纏めて、以下第１のバリアメタル層２２と呼ぶ。

【００２９】その後、所謂ブランケットタングステンＣ
ＶＤ法で第１の開口部２１にタングステンから成る金属
配線材料２３を埋め込み、第１の接続孔２４を形成す
る。即ち、第１の開口部２１内を含む第１の層間絶縁層
２０上にＣＶＤ法にてタングステンから成る厚さ０．８
μｍの金属配線材料２３を堆積させた後、第１の層間絶
縁層２０上の金属配線材料２３を除去（エッチバック）
する（図２の（Ｃ）参照）。こうして、第１の接続孔２
４が形成される。ブランケットタングステンＣＶＤ法の
条件及びエッチバックの条件を以下に例示する。ブランケットタングステンＣＶＤの条件使用ガス：ＷＦ₆／Ｈ₂／Ａｒ＝８０／５００／２８
００sccm 圧力：１．１×１０⁵Ｐａ成膜温度：４５０゜Ｃエッチバックの条件使用ガス：ＳＦ₆／Ａｒ＝１１０／９０sccm 圧力：３５ＰａＲＦパワー：２７５ｋＷ

【００３０】尚、タングステンから成る金属配線材料２
３及び第１のバリアメタル層２２をエッチバックして、
第１の層間絶縁層２０上の金属配線材料及び第１のバリ
アメタル層を除去し、第１の開口部２１内にタングステ
ンから成る金属配線材料２３及び第１のバリアメタル層
２２を残してもよいが、タングステンから成る金属配線
材料２３をエッチバックして、第１の層間絶縁層２０上
の金属配線材料を除去し、第１の開口部２１内にタング
ステンから成る金属配線材料２３及び第１のバリアメタ
ル層２２を残してもよい。後者の場合には、次の工程で
アルミニウム系合金層をパターニングするとき、併せ
て、第１の層間絶縁層２０上に残された第１のバリアメ
タル層２２をパターニングすればよい。

【００３１】［工程−１３０］次に、第１の層間絶縁層
２０上に、第１の接続孔２４と電気的に接続された第１
の配線層２７を形成する。このとき、第１の接続孔２４
と電気的に接続された第１の配線層２７の部分２７Ａの
幅Ｗ₂を第１の接続孔２４の幅Ｗ₁よりも狭くする。より
具体的には、実施例１においては、図１の（Ｂ）に示し
たように、第１の接続孔２４と電気的に接続された第１
の配線層２７の部分２７Ａそれ自体の幅Ｗ₂を、第１の
接続孔２４の幅Ｗ₁よりも狭くする。

【００３２】そのために、先ず、厚さ５０ｎｍのＴｉか
ら成る導電層２５をスパッタ法にて成膜する。このＴｉ
から成る導電層２５は、次に成膜するアルミニウム系合
金層の濡れ性改善を目的とし、併せて、第１の配線層に
冗長効果を与えることを目的として形成される。Ｔｉか
ら成る導電層２５の成膜条件は、［工程−１２０］と同
様とすることができる。次に、導電層２５の上にＡｌ−
０．５％Ｃｕから成るアルミニウム系合金層２６を、例
えば以下の条件に基づきスパッタ法で成膜する。プロセスガス：Ａｒ＝１００sccm 圧力：０．４ＰａＤＣパワー：１０ｋＷ基体加熱温度：１５０゜Ｃ膜厚：０．４μｍ

【００３３】その後、必要に応じて、アルミニウム系合
金層２６の表面に反射防止膜（図示せず）を形成する。
反射防止膜を形成する目的は以下のとおりである。即
ち、次のフォトリソグラフィ工程において、アルミニウ
ム系合金層の上にレジストを形成し、レジストを露光・
現像することによってレジストをパターニングする。こ
のレジスト露光の際、予め反射防止膜を形成しておくこ
とによって、露光光のアルミニウム系合金層での反射を
防止することができ、所望のパターン形状を有するレジ
ストを形成することができる。反射防止膜は、例えば、
ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＳｉＯ_XＮ_Yから成る。

【００３４】その後、フォトリソグラフィ技術及びエッ
チング技術を用いて、第１の層間絶縁層２０上の反射防
止膜、アルミニウム系合金層２６、導電層２５をパター
ニングし、第１の接続孔２４と電気的に接続された第１
の配線層２７を形成する。こうして、図３の（Ａ）に示
す構造を得ることができる。尚、第１の配線層２７は、
図３の紙面の垂直方向に延びている。第１の接続孔２４
が露出するように、パターニングを行う。パターニング
の条件を以下に例示する。使用ガス：ＢＣｌ₃／Ｃｌ₂＝６０／９０sccm 圧力：２ＰａＲＦパワー：１．２ｋＷ

【００３５】［工程−１４０］次に、第１の層間絶縁層
２０上及び第１の配線層２７上に第２の層間絶縁層３０
を形成する。第２の層間絶縁層は、例えば以下の条件の
プラズマＣＶＤ法にて形成されたＳｉＯ₂から成る。使用ガス：ＳｉＨ₄／Ｏ₂／Ｎ₂＝２５０／２５０／
１００sccm 圧力：１３Ｐａ基体加熱温度：４１０゜Ｃ膜厚：０．５μｍ

【００３６】その後、第１の配線層２７の上方の第２の
層間絶縁層３０に、第２の開口部３１をフォトリソグラ
フィ技術及びエッチング技術を用いて設ける（図３の
（Ｂ）参照）。第２の開口部３１の位置は、第１の接続
孔２４の真上とする。即ち、第１の接続孔２４の軸線
と、第２の開口部３１の軸線を一致させる。第２の開口
部３１の幅Ｗ₃は、第１の接続孔２４と電気的に接続さ
れた第１の配線層２７の部分２７Ａの幅Ｗ₂よりも大き
くする。例えば、第２の開口部３１の幅Ｗ₃を、第１の
接続孔２４の幅Ｗ₁と同程度若しくは若干大きくする。
第２の開口部３１を設けるために第２の層間絶縁層３０
をエッチングする際には、下の第１の接続孔２４を構成
する金属配線材料２３の一部分が露出するように、オー
バーエッチする。エッチング条件を以下に例示する。使用ガス：Ｃ₄Ｆ₈＝５０sccm 圧力：２ＰａＲＦパワー：１．２ｋＷ

【００３７】［工程−１５０］その後、第２の開口部３
１に金属配線材料３３を埋め込み、第１の配線層２７に
電気的に接続された第２の接続孔３４を形成する。即
ち、第２の接続孔３４は、第２の開口部３１内を含む第
２の層間絶縁層３０上にＣＶＤ法にてタングステンから
成る金属配線材料３３を堆積させた後、第２の層間絶縁
層３０上の金属配線材料３３を除去（エッチバック）す
ることによって形成される。

【００３８】具体的には、先ず、［工程−１２０］と同
様のスパッタ条件でＴｉＮから成る第２のバリアメタル
層３２を第２の開口部３１内を含む第２の層間絶縁層３
０上に成膜した後、［工程−１２０］と同様の条件のブ
ランケットタングステンＣＶＤ法で第２の開口部３１に
タングステンから成る金属配線材料３３を埋め込む。次
いで、［工程−１２０］と同様の方法で、タングステン
から成る金属配線材料３３及び第２のバリアメタル層３
２をエッチバックし、第２の層間絶縁層３０上の金属配
線材料及び第２のバリアメタル層を除去し、第２の開口
部３１内にタングステンから成る金属配線材料３３及び
第２のバリアメタル層３２を残す。こうして、図４の
（Ａ）に示す構造を得ることができる。

【００３９】第２の開口部３１の幅Ｗ₃が、第１の接続
孔２４と電気的に接続された第１の配線層２７の部分２
７Ａの幅Ｗ₂よりも大きいので、第２の接続孔３４の底
部３４Ａは第１の接続孔２４まで延在し、第２の接続孔
３４は第１の接続孔２４と電気的に接続する。

【００４０】［工程−１６０］その後、第２の層間絶縁
層３０上に形成され、第２の接続孔３４と電気的に接続
された第２の配線層３７を形成する。第２の配線層３７
の形成条件は、［工程−１３０］と同様とすることがで
きる。尚、第２のアルミニウム系合金層３６の厚さを
０．５μｍとした。また、その下に形成するＴｉＮから
成る第２の導電層３５の厚さを０．１μｍとした。この
工程において、第２のアルミニウム系合金層３６の上に
反射防止膜を形成してもよい。第２の導電層３５及び第
２のアルミニウム系合金層３６を成膜した後の状態を、
図４の（Ｂ）に示す。第２のアルミニウム系合金層３６
及び第２の導電層３５を所望の形状にパターニングする
ことによって、図１に示した配線構造を得ることができ
る。

【００４１】このような配線構造にすることで、図５に
模式的な一部断面図に示すように、第２の接続孔３４の
近傍の第１の配線層２７に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が発生し、あるいは又、ア
ルミニウム系合金層とＴｉ層との反応によって、第１の
配線層２７を構成するアルミニウム系合金層２６にボイ
ドが生じても、第２の接続孔３４と第１の接続孔２４と
の間の電気的接続が保証され、高い信頼性を有する配線
構造を形成することができる。また、導電層２５と第２
の接続孔３４とは電気的に接続されているので、一層高
い信頼性を有する配線構造を形成することができる。

【００４２】（実施例２）実施例２の半導体装置の配線
構造を、模式的な一部断面図として図６の（Ａ）に示
す。また、第１の接続孔２４と第１の配線層２７の配置
関係を模式的に図６の（Ｂ）の一部平面図に示す。実施
例２の半導体装置の配線構造は、基本的には実施例１に
て説明した配線構造と同じである。実施例２が実施例１
と相違する点は、第１の配線層２７と第１の接続孔２４
の配置関係にある。尚、第２の接続孔３４は、第１の接
続孔２４の真上に形成されている。

【００４３】実施例１においては、図１の（Ｂ）に示し
たように、第１の接続孔２４と電気的に接続された第１
の配線層２７の部分２７Ａそれ自体の幅Ｗ₂が、第１の
接続孔２４の幅Ｗ₁よりも狭い。一方、実施例２におい
ては、図６の（Ｂ）に示すように、第１の接続孔２４と
電気的に接続された第１の配線層２７それ自体の幅Ｗ ₂
は、第１の接続孔２４の幅Ｗ₁と同じ若しくはそれより
広いが、第１の接続孔２４と重なり合った第１の配線層
２７の部分２７Ａの幅Ｗ₂’が、第１の接続孔の幅Ｗ₁よ
りも狭い。言い換えれば、第１の配線層２７は、第１の
接続孔２４からずらされて形成されている。Ｗ₂’とＷ₁
の関係は、例えば、０．５Ｗ₁≦Ｗ₂’≦０．９Ｗ₁とす
ることが好ましい。このようにすることで、第１の接続
孔２４は第１の配線層２７によって完全に被覆されるこ
とがなく、第１の接続孔２４の一部分は、第１の配線層
２７の形成後、露出した状態となる。

【００４４】実施例２においても、第２の接続孔３４の
底部３４Ａは第１の接続孔２４まで延在し、第２の接続
孔３４は第１の接続孔２４と電気的に接続されている。
第１の接続孔２４と電気的に接続された第１の配線層２
７の部分２７Ａの幅Ｗ₂’が、第１の接続孔２４の幅Ｗ₁
よりも狭いので、第１の接続孔２４の上方の第１の配線
層２７の側壁に沿って、第２の接続孔３４の底部３４Ａ
が第１の接続孔２４まで延在し得る。

【００４５】実施例２においても、第１の接続孔２４及
び第２の接続孔３４は、高融点金属材料、具体的にはタ
ングステンから構成されている。また、基体１０はシリ
コン半導体基板から成り、導体層１５はソース・ドレイ
ン領域に相当する。更に、実施例１と同様に、第１の配
線層２７は、導電層２５及びアルミニウム系合金層２６
から構成されており、第２の配線層３７も、第２の導電
層３５及び第２のアルミニウム系合金層３６から構成さ
れている。

【００４６】実施例２の半導体装置の配線構造の形成方
法は、実施例１の［工程−１３０］における第１の層間
絶縁層２０上の反射防止膜、アルミニウム系合金層２
６、Ｔｉから成る導電層２５をパターニングするときの
レジストパターニングを変更することを除き、実施例１
にて説明した配線構造の形成方法と実質的に同一とする
ことができるので、詳細な説明は省略する。尚、実施例
２において、実施例１で説明した第１の配線層２７のよ
うに、第１の接続孔２４と電気的に接続された第１の配
線層２７それ自体の幅Ｗ₂を、第１の接続孔２４の幅Ｗ₁
より狭くしてもよい。

【００４７】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。実施例においては、導体層１５、第１の配線層
２７及び第２の配線層３７を所謂スタック構造の配線構
造で電気的に接続したが、第２の配線層の上方に第３の
配線層を設け、第１の配線層、第２の配線層及び第３の
配線層、並びにこれらの形成方法に対して、本発明の配
線構造及びその形成方法を適用することもできる。この
場合には、第１の配線層が導体層に相当し、第１の配線
層が形成されている下地である絶縁層が基体に相当す
る。尚、場合によっては、第１の配線層は、下地である
絶縁層に形成された溝部の中に形成されていてもよい。
この場合、第１の配線層、第２の配線層及び第３の配線
層を、それぞれ、本発明の配線構造における導体層、第
１の配線層及び第２の配線層と読み替えればよい。この
ような配線構造を、図７の模式的な一部断面図に示す。
更には、４層以上の配線層を有するスタック構造の配線
構造に対しても、本発明を適用することができる。

【００４８】図７に示す３層の多層配線構造は、以下の
構造を有する。即ち、導電層に相当する第１の配線層１
１１が基体に相当する絶縁層１００の上に形成されてい
る。尚、絶縁層１００は半導体基板（図示せず）の上方
に形成されている。また、第１の層間絶縁層１０１が、
絶縁層１００及び第１の配線層１１１の上に形成されて
いる。そして、第１の配線層１１１の上方の第１の層間
絶縁層１０１には第１の接続孔１２１が形成されてい
る。第１の配線層に相当する第２の配線層１１２が第１
の層間絶縁層１０１及び第１の接続孔１２１上に形成さ
れている。尚、第２の配線層１１２は、図７の紙面の垂
直方向に延びている。第２の層間絶縁層１０２が、第１
の層間絶縁層１０１及び第２の配線層１１２の上に形成
されている。そして、第２の配線層１１２の上方の第２
の層間絶縁層１０２には第２の接続孔１２２が形成され
ている。第２の配線層に相当する第３の配線層１１３が
第２の層間絶縁層１０２及び第２の接続孔１２２上に形
成されている。第１、第２及び第３の配線層１１１，１
１２，１１３のそれぞれは、導電層１１１Ａ，１１２
Ａ，１１３Ａ、及びアルミニウム系合金層１１１Ｂ，１
１２Ｂ，１１３Ｂから構成されている。第１及び第２の
接続孔１２１，１２２はそれぞれ、バリアメタル層１２
１Ａ，１２２Ａ、及び高融点金属材料から成るメタルプ
ラグ１２１Ｂ，１２２Ｂから構成されている。

【００４９】高融点金属材料として、タングステンの他
にも、例えば銅を挙げることができる。ＣＶＤ法による
銅の成膜条件を以下に例示する。使用ガス：Ｃｕ（ＨＦＡ）₂／Ｈ₂＝１０／１００
０sccm 圧力：２．６×１０³Ｐａ基板加熱温度：３５０゜Ｃパワー：５００Ｗ尚、ＨＦＡとは、ヘキサフルオロアセチルアセトネート
の略である。

【００５０】あるいは又、高融点金属化合物としてＴｉ
Ｎを挙げることができる。ＴｉＮのＥＣＲＣＶＤ法に
よる成膜条件を以下に例示する。尚、導電層やバリアメ
タル層をＴｉＮから構成する場合にも、同様にＥＣＲ
ＣＶＤ法で成膜することができる。使用ガス：ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂／Ｎ₂＝２０／２
６／８sccm マイクロ波パワー２．８ｋＷ基板ＲＦバイアス： −５０Ｗ温度：７５０゜Ｃ圧力：０．１２Ｐａ

【００５１】Ｔｉから成る導電層やバリアメタル層を、
スパッタ法以外にも、ＣＶＤ法で成膜することができ
る。ＥＣＲＣＶＤ法によるＴｉ層の成膜条件を以下に
例示する。使用ガス：ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂／Ａｒ＝１５／５
０／４３sccm マイクロ波パワー：２．０ｋＷ温度：５００゜Ｃ圧力：０．３Ｐａ

【００５２】実施例においては、所謂ブランケットＣＶ
Ｄ法を例にとり接続孔の形成を説明したが、その代わり
に、開口部内に選択的にＣＶＤ法にて高融点金属材料若
しくは高融点金属化合物から成る金属配線材料を堆積さ
せる、所謂選択ＣＶＤ法で接続孔を形成することもでき
る。

【００５３】第１の配線層あるいは第２の配線層を構成
するアルミニウム系合金の成膜を、高温アルミニウムス
パッタ法や高温アルミニウムリフロー法、あるいは高圧
リフロー法で行うこともできる。基板加熱温度をアルミ
ニウム系合金の融点以下の高温（例えば、２５０゜Ｃ〜
５００゜Ｃ程度）にすることによって、第１若しくは第
２の層間絶縁層２０，３０上に堆積したアルミニウム系
合金が流動状態となり、第１若しくは第２の接続孔２
４，３４の上に確実にアルミニウム系合金が流れ込む。
高温アルミニウムスパッタ法の条件を以下に例示する。アルミニウム系合金層の成膜プロセスガス：Ａｒ＝１００sccm ＤＣパワー：１０ｋＷ圧力：０．４Ｐａ基体加熱温度：５００゜Ｃ膜厚：０．５μｍ

【００５４】第１の配線層あるいは第２の配線層を構成
するアルミニウム系合金の成膜を高温アルミニウムリフ
ロー法で行う場合の成膜条件を以下に例示する。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膜厚：０．５μｍその後、基体を２５０゜Ｃ〜５２０゜Ｃ程度に加熱す
る。これによって、第１若しくは第２の層間絶縁層２
０，３０上に堆積したアルミニウム系合金は流動状態と
なり、第１若しくは第２の接続孔２４，３４の上に確実
にアルミニウム系合金が流れ込む。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、半導体基板の裏面
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半導体基板の裏面の間に
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。

【００５５】スパッタ法は、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。

【００５６】実施例においては、第１及び第２の層間絶
縁層２０，３０をＳｉＯ₂から構成したが、その他、Ｂ
ＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＡｓＳＧ、ＰｂＳＧ、ＳｂＳ
Ｇ、ＳＯＧ、ＳｉＯＮ又はＳｉＮ等の公知の絶縁材料、
あるいはこれらの絶縁層を積層したものから構成するこ
とができる。必要に応じて、例えば化学的・機械的研磨
法（ＣＭＰ法）、エッチバック法等により、第１の層間
絶縁層２０及び／又は第２の層間絶縁層３０の平坦化処
理を行うことが望ましい。

【００５７】フォトリソグラフィ技術においては、パタ
ーニングすべき材料（例えば、第１の層間絶縁層、第１
の配線層、第２の層間絶縁層等）の上にフォトレジスト
を塗布し、次いで、フォトマスクを用いて、フォトマス
クに形成されているパターンをフォトレジストに焼き付
ける。このような操作を行う際、０．１μｍオーダーの
フォトマスクの位置合わせずれが往々にして発生する。
従って、このフォトマスクの位置合わせずれの量を考慮
して、第１の接続孔と第２の接続孔の配置関係や、第１
の接続孔２４と電気的に接続された第１の配線層２７の
部分２７Ａの幅Ｗ₂、第１の接続孔２４と重なり合った
第１の配線層２７の部分の幅Ｗ₂’あるいは第１の接続
孔２４の幅Ｗ₁を適切に決定する必要がある。例えば、
フォトマスクの位置合わせずれが０．１μｍである場
合、例えば、０．５Ｗ₁≦Ｗ₂≦Ｗ₁−０．２（μｍ）、
あるいは、０．５Ｗ₁≦Ｗ₂’≦Ｗ₁−０．２（μｍ）を
満足するように、Ｗ₂，Ｗ₂’の値を決定する必要があろ
う。また、第２の開口部の幅Ｗ₃も、フォトマスクの位
置合わせずれ量を考慮して適切な値に決定する必要があ
る。

【００５８】

【発明の効果】本発明の半導体装置の配線構造及びその
形成方法においては、第２の接続孔の近傍の第１の配線
層においてエレクトロマイグレーションやストレスマイ
グレーションが発生しても、第２の接続孔と第１の接続
孔との間の電気的接続が保証され、高い信頼性を有する
配線構造を形成することができる。

【００５９】また、第１の配線層を導電層及びアルミニ
ウム系合金層から構成することによって、アルミニウム
系合金層がエレクトロマイグレーションやストレスマイ
グレーションによって断線した場合でも、導電層の冗長
効果によって配線全体が断線することを防止できるし、
導体層は第２の接続孔と電気的に接続され得るので、第
１の接続孔、第１の配線層及び第２の接続孔の電気的接
続を一層確実なものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体装置の配線構造を模式的な一
部断面図及び模式的な一部平面図である。

【図２】実施例１の半導体装置の配線構造の形成方法を
説明するための基体等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の半導体装置の配線
構造の形成方法を説明するための基体等の模式的な一部
断面図である。

【図４】図３に引き続き、実施例１の半導体装置の配線
構造の形成方法を説明するための基体等の模式的な一部
断面図である。

【図５】実施例１の半導体装置の配線構造の形成方法に
よって得られた第１の配線層にボイドが発生したときの
状態を模式的に示す一部断面図である。

【図６】実施例２の半導体装置の配線構造を模式的な一
部断面図及び模式的な一部平面図である。

【図７】第１の配線層、第２の配線層及び第３の配線層
から成る本発明の半導体装置の配線構造の模式的な一部
断面図である。

【図８】従来のスタック構造を有する半導体装置の配線
構造を示す、半導体装置の一部断面図である。

【図９】従来の積層配線構造を示す、半導体装置の一部
断面図である。

【符号の説明】

１０基体１１素子分離領域１２ゲート酸化膜１３ゲート電極１４ゲートサイドウオール１５導体層２０第１の層間絶縁層２１第１の開口部２２第１のバリアメタル層２３金属配線材料２４第１の接続孔２５導電層２６アルミニウム系合金層２７第１の配線層３０第２の層間絶縁層３１第２の開口部３２第２のバリアメタル層３３金属配線材料３４第２の接続孔３５第２の導電層３６第２のアルミニウム系合金層３７第２の配線層

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｈ０１Ｌ 21/90 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）基体に形成された導体層と、（ロ）基体上に形成された第１の層間絶縁層に設けら
れ、該導体層と電気的に接続された第１の接続孔と、（ハ）第１の層間絶縁層上に形成され、第１の接続孔と
電気的に接続された第１の配線層と、（ニ）第１の層間絶縁層上及び第１の配線層上に形成さ
れた第２の層間絶縁層に設けられ、第１の配線層と電気
的に接続された第２の接続孔と、（ホ）第２の層間絶縁層上に形成され、第２の接続孔と
電気的に接続された第２の配線層、から成る半導体装置
の配線構造であって、第１の接続孔と電気的に接続された第１の配線層の部分
の幅は、第１の接続孔の幅よりも狭く、第２の接続孔の底部は第１の接続孔まで延在し、第２の
接続孔は第１の接続孔と電気的に接続されていることを
特徴とする半導体装置の配線構造。
【請求項２】第１の接続孔及び／又は第２の接続孔は、
高融点金属材料若しくは高融点金属化合物から成ること
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置の配線構造。
【請求項３】高融点金属材料若しくは高融点金属化合物
は、タングステン、銅若しくはＴｉＮから成ることを特
徴とする請求項２に記載の半導体装置の配線構造。
【請求項４】第１の配線層は、下から、導電層及びアル
ミニウム系合金層から成ることを特徴とする請求項１乃
至請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の配線構
造。
【請求項５】（イ）導体層が形成された基体上に第１の
層間絶縁層を形成した後、導体層の上方の第１の層間絶
縁層に第１の開口部を設け、該第１の開口部に金属配線
材料を埋め込み、導体層に電気的に接続された第１の接
続孔を形成する工程と、（ロ）第１の層間絶縁層上に、該第１の接続孔と電気的
に接続された第１の配線層を形成する工程と、（ハ）第１の層間絶縁層上及び第１の配線層上に第２の
層間絶縁層を形成した後、第１の配線層の上方の第２の
層間絶縁層に第２の開口部を設け、該第２の開口部に金
属配線材料を埋め込み、第１の配線層に電気的に接続さ
れた第２の接続孔を形成する工程と、（ニ）第２の層間絶縁層上に形成され、第２の接続孔と
電気的に接続された第２の配線層を形成する工程、から
成る半導体装置の配線構造の形成方法であって、前記（ロ）の工程において、第１の配線層を形成する
際、第１の接続孔と電気的に接続された第１の配線層の
部分の幅を第１の接続孔の幅よりも狭くし、前記（ハ）の工程において、第２の接続孔の底部を第１
の接続孔まで延在させ、第２の接続孔を第１の接続孔と
電気的に接続させることを特徴とする半導体装置の配線
構造の形成方法。
【請求項６】第１の接続孔の形成は、第１の開口部内を
含む第１の層間絶縁層上にＣＶＤ法にて高融点金属材料
若しくは高融点金属化合物から成る金属配線材料を堆積
させた後、第１の層間絶縁層上の金属配線材料を除去す
る工程から成る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形成方法。
【請求項７】第２の接続孔の形成は、第２の開口部内を
含む第２の層間絶縁層上にＣＶＤ法にて高融点金属材料
若しくは高融点金属化合物から成る金属配線材料を堆積
させた後、第２の層間絶縁層上の金属配線材料を除去す
る工程から成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形成方法。
【請求項８】高融点金属材料若しくは高融点金属化合物
は、タングステン、銅若しくはＴｉＮから成ることを特
徴とする請求項６又は請求項７に記載の半導体装置の配
線構造の形成方法。
【請求項９】第１の配線層は、下から、導電層及びアル
ミニウム系合金層から成ることを特徴とする請求項５乃
至請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置の配線構
造の形成方法。