JPH10294314A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ａｌ系金属を用いたコンタクトプラグおよび
上層導電層を有する多層配線構造の高集積度半導体装置
およびその製造方法において、コンタクトプラグの抵抗
値上昇、ならびに上層導電層のエレクトロマイグレーシ
ョン耐性の劣化を防止する。 【解決手段】 コンタクトプラグ９部分はＴｉＮ等の高
融点金属窒化物層５とＡｌ系金属層６の２層構造とし、
上層導電層１０部分はＴｉ等の高融点金属層４、高融点
金属窒化物層５およびＡｌ系金属層６の３層構造とす
る。 【効果】 コンタクトプラグ部分での高抵抗Ａｌ−Ｔｉ
合金等の形成が防止されるとともに、上層導電層部分で
は結晶配向性に優れたＡｌ系金属層が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置およびそ
の製造方法に関し、さらに詳しくは、多層配線構造の半
導体装置における、低抵抗のＡｌ系金属によるコンタク
トプラグ、およびマイグレーション耐性の高いＡｌ系金
属配線を実現しうる、高集積度の半導体装置およびその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化と
ともに、内部配線の微細化および多層化が進展してい
る。このような微細な多層配線間を接続するコンタクト
ホールやビアホール等の接続孔内を、低抵抗の配線材料
で埋め込む技術、すなわち信頼性の高いコンタクトプラ
グの形成技術が重要となってきている。一方では、層間
絶縁膜表面に配線形成用の溝を予め形成し、この溝内に
配線材料を埋め込む、いわゆる溝配線あるいは埋め込み
配線技術が、多層配線構造の半導体装置の平坦化や微細
化に有利とみられている。この溝配線においても、微細
幅の溝中に配線材料を埋め込む技術や、接続孔と溝中に
配線材料を同時に埋め込む技術は重要である。

【０００３】微細接続孔や微細溝に配線材料を埋め込む
方法としては、ブランケットＣＶＤや選択ＣＶＤによる
Ｗ等の高融点金属を採用する方法、Ａｌ系金属やＣｕ系
金属の高温スパッタリング法、リフロー法、高圧リフロ
ー法等が検討され、これらの一部は実用に供されてい
る。

【０００４】これらの方法のうち、Ａｌ系金属等による
高圧リフロー法は、比較的シンプルなプロセスにより、
高い埋め込み特性が得られる方法として注目される。こ
の高圧リフロー法の原理およびその問題点を図８を参照
して説明する。

【０００５】図８（ａ）に概略断面構造を示す試料は、
下層層間絶縁膜１上にＡｌ系金属配線等の下層導電層２
と層間絶縁膜３を形成し、この下層導電層２に臨む接続
孔８を層間絶縁膜３に形成し、さらにＴｉ等の高融点金
属層４およびＴｉＮ等の高融点金属窒化物層５をこの順
に薄く形成し、Ａｌ系金属層６を基板温度４００℃程度
でスパッタリング等により成膜したものである。図にお
いては高融点金属層４および高融点金属窒化物層５は簡
単のために１層で表しているが、実際には高融点金属層
４を下層とし高融点金属窒化物層５を上層とする２層構
造である。

【０００６】このとき、接続孔８の開口径が小さく、ま
たＡｌ系金属層６の膜厚が大きい場合には、Ａｌ系金属
層６は接続孔８上でブリッジされ、接続孔８内には充填
されずに空隙が発生する。

【０００７】引き続き、この状態の試料を高真空雰囲気
下で４００〜４５０℃に予備加熱してＡｌ系金属層６を
軟化させ、この後図８（ｂ）に示すようにＡｒ等の不活
性ガスの高圧雰囲気処理によりＡｌ系金属層６を流動さ
せながら接続孔８内に押し込む。

【０００８】最終的には、図８（ｃ）に示すように接続
孔８内はＡｌ系金属層６により充填され、コンタクトプ
ラグ９が形成される。このように、高圧リフロー法によ
ればアスペクト比４〜５程度までの接続孔を埋め込むこ
とが可能であり、溝配線への利用を含めて、高集積度の
多層配線構造の実現には有望な方法として期待が寄せら
れている。

【０００９】しかしながら、Ａｌ系金属等の高圧リフロ
ー法においても、以下のような問題点が生じる場合があ
ることが判明した。高圧リフロー法によるコンタクトプ
ラグの積層膜構造は、下層導電層側から、Ｔｉ／ＴｉＮ
／Ａｌ系金属の３層構造が一般的である。最下層のＴｉ
は下層導電層との低抵抗なオーミックコンタクトをとる
機能を、また中層のＴｉＮはＡｌ系金属との濡れ性を確
保する機能等をそれぞれ有する。これらＴｉ層およびＴ
ｉＮ層は、接続孔開口後にスパッタリングにより成膜さ
れる場合が多いが、この成膜法のステップカバレッジの
乏しさから、接続孔の側壁部分に形成されるＴｉＮ層の
膜厚は平坦部分の膜厚に比較して薄い。また接続孔の側
壁面に対し、浅い角度で斜め入射するスパッタリング粒
子のみから堆積されることから、ＴｉＮ層の膜質は低密
度のものとして形成される。これらＴｉＮ層のステップ
カバレッジや膜質の問題は、通常のスパッタリング法以
外にも、コリメートスパッタリング法や遠距離スパッタ
リング法あるいはプラズマＣＶＤ法等による成膜法であ
っても同様に発生するものであり、今後接続孔のアスペ
クト比が大きくなるに伴い、ますます顕著になると思わ
れる。

【００１０】このように接続孔側壁のＴｉＮ層の膜厚が
薄く、しかも膜質に問題があると、高圧リフロー等の高
温加熱時に、下層のＴｉがＴｉＮ層を拡散してＡｌ系金
属層にまで到達し、図８（ｄ）に示すようにコンタクト
プラグ９の一部にＡｌ−Ｔｉ合金層９ａが形成される場
合がある。このとき、Ａｌの比抵抗が３μΩｃｍ程度で
あるのに対し、Ａｌ−Ｔｉ合金の比抵抗は２０μΩｃｍ
程度と高く、コンタクトプラグの抵抗値が上昇し、多層
配線構造を採用した半導体装置全体としての配線抵抗の
増大やエレクトロマイグレーション耐性の劣化等の問題
を発生する。

【００１１】そこで、コンタクトプラグの積層膜構造と
して、下層導電層側から、ＴｉＮ／Ａｌ系金属の２層構
造を採用した場合には、このような抵抗値上昇の問題は
発生しない。しかしこの２層構造の場合には、層間絶縁
膜上の平坦配線部分でのＡｌ系金属層の結晶配向が劣化
し、十分なエレクトロマイグレーション耐性を確保でき
ない問題が別に発生する。一般に純ＡｌやＡｌ合金等の
Ａｌ系金属は、その結晶構造がＡｌ（１１１）配向した
場合にエレクトロマイグレーション耐性に優れることが
知られている。またＡｌ系金属の結晶配向性は、下地と
なる金属の結晶配向性に大きく依存する。例えば下層よ
りＴｉ／ＴｉＮ／Ａｌの積層構造の場合には、Ｔｉ（０
０２）→ＴｉＮ（１１１）→Ａｌ（１１１）といった格
子定数の比較的近い結晶配向の引き継ぎにより、Ａｌ系
金属層は強く（１１１）配向し、良好なエレクトロマイ
グレーション耐性が得られる。しかしながら、下層より
ＴｉＮ／Ａｌの２層構造の場合には、最下層にＴｉを有
しないため、ＴｉＮ層は（１１１）配向が弱い。この結
果、ＴｉＮ層上に堆積するＡｌ系金属層の（１１１）配
向も弱くなり、エレクトロマイグレーション耐性の劣化
につながる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような技
術的背景のもとに提案するものであり、Ａｌ系金属を用
いたコンタクトプラグ、およびこのコンタクトプラグか
ら層間絶縁膜上に延在する、同じくＡｌ系金属を用いた
上層導電層を有する多層配線構造の半導体装置およびそ
の製造方法において、コンタクトプラグの抵抗値上昇を
防止するとともに、上層導電層のエレクトロマイグレー
ション耐性を向上した高集積度の半導体装置、およびそ
の製造方法を提供することをその課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は上
述した課題を解決するために提案するものであり、下層
導電層上の層間絶縁膜に、この下層導電層に臨む接続孔
およびこの接続孔内に充填されたコンタクトプラグを有
し、層間絶縁膜上には、このコンタクトプラグに臨む上
層導電層を有する半導体装置において、このコンタクト
プラグは、下層導電層側より、高融点金属窒化物層およ
びＡｌ系金属層の積層構造を有し、上層導電層は、層間
絶縁膜側より、高融点金属層、高融点金属窒化物層およ
びＡｌ系金属層の積層構造を有することを特徴とする。

【００１４】また本発明の別の半導体装置は、下層導電
層上の層間絶縁膜に、この下層導電層に臨む接続孔およ
びこの接続孔に臨む溝を有し、この接続孔内に充填され
たコンタクトプラグを有するとともにこの溝内に充填さ
れた上層導電層、いわゆる溝配線を有する半導体装置に
おいて、このコンタクトプラグは、前記下層導電層側よ
り、高融点金属窒化物層およびＡｌ系金属層の積層構造
を有し、上層導電層は、前記層間絶縁膜側より、高融点
金属層、高融点金属窒化物層およびＡｌ系金属層の積層
構造を有することを特徴とする。

【００１５】本発明の半導体装置は、高融点金属窒化物
層はＴｉＮ層を含むとともに、高融点金属層はＴｉ層を
含む構造を有する場合に好ましく適用することができ
る。

【００１６】つぎに本発明の半導体装置の製造方法は、
下層導電層上の層間絶縁膜に、この下層導電層に臨む接
続孔およびこの接続孔内に充填されたコンタクトプラグ
を形成し、層間絶縁膜上には、このコンタクトプラグに
臨む上層導電層を形成する工程を有する半導体装置の製
造方法において、下層導電層上に層間絶縁膜および高融
点金属層を順次形成する工程、この下層導電層に臨む接
続孔を、層間絶縁膜および高融点金属層に開口する工
程、この接続孔の底部および内壁、ならびに高融点金属
層上に高融点金属窒化物層を形成する工程、この高融点
金属窒化物層上に、Ａｌ系金属層を形成するとともに、
接続孔内をＡｌ系金属層で充填する工程、層間絶縁膜上
の高融点金属層、高融点金属窒化物層およびＡｌ系金属
層をパターニングし、上層導電層を形成する工程、以上
の工程を有することを特徴とする。

【００１７】また本発明の別の半導体装置の製造方法
は、下層導電層上の層間絶縁膜に、この下層導電層に臨
む接続孔およびこの接続孔に臨む溝を形成し、この接続
孔内に充填されたコンタクトプラグを形成するととも
に、このコンタクトプラグに臨み前記溝内に充填された
上層導電層いわゆる溝配線を形成する工程を有する半導
体装置の製造方法において、下層導電層上に層間絶縁膜
を形成する工程、下層導電層上の層間絶縁膜に溝を形成
する工程、この溝が形成された層間絶縁膜上に高融点金
属層を形成する工程、下層配線に臨む接続孔を、層間絶
縁膜および高融点金属層に開口する工程、この接続孔の
底部および内壁、ならびに高融点金属層上に高融点金属
窒化物層を形成する工程、この高融点金属窒化物層上
に、Ａｌ系金属層を形成するとともに、接続孔内および
溝内をＡｌ系金属層で充填する工程、層間絶縁膜上の高
融点金属層、高融点金属窒化物層およびＡｌ系金属層を
パターニングし、上層導電層を形成する工程、以上の工
程を有することを特徴とする。

【００１８】接続孔内をＡｌ系金属層で充填する工程、
あるいは接続孔内および溝内をＡｌ系金属層で充填する
工程は、Ａｌ系金属層を加熱してこのＡｌ系金属層を軟
化させるとともに、高圧雰囲気中でこのＡｌ系金属層を
前記接続孔内に流動させ充填する工程、いわゆる高圧リ
フロー法であることが望ましい。

【００１９】本発明の半導体装置の製造方法は、高融点
金属窒化物層はＴｉＮ層を含むとともに、高融点金属層
はＴｉ層を含む製造工程を有する場合に好ましく適用す
ることができる。

【００２０】つぎに作用の説明に移る。本発明の半導体
装置は、高アスペクト比の接続孔部分にはＴｉ層等の高
融点金属層を有さない構造であるため、高抵抗のＡｌ−
Ｔｉ合金が形成される虞れはなく、したがって低抵抗の
コンタクトプラグが形成される。一方層間絶縁膜上ある
いは層間絶縁膜の溝内に形成される上層導電層は、その
下地層としてＴｉ層等の高融点金属層を有するため、こ
のＴｉ層等の高融点金属層の結晶配向がＴｉＮ層等の高
融点金属窒化物層の（１１１）配向およびＡｌ系金属層
の（１１１）配向を助長し、エレクトロマイグレーショ
ン耐性の高い上層導電層を形成することができる。

【００２１】かかる層構造を有する半導体装置の製造方
法として、層間絶縁膜上、あるいは溝が形成された層間
絶縁膜上にＴｉ層等の高融点金属層を形成してから接続
孔を開口することにより、接続孔部分には高融点金属層
を有さない構造を得ることができる。この後、ＴｉＮ層
等の高融点金属窒化物層を形成してから、Ａｌ系金属層
を形成し、これを接続孔あるいは溝内に充填することに
より、低抵抗のコンタクトプラグとエレクトロマイグレ
ーション耐性の高い上層導電層を有する半導体装置を製
造することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例につ
き詳細な説明を加えるが、本発明はこれら実施の形態例
に何ら限定されるものではない。

【００２３】本発明を下層導電層上の層間絶縁膜に形成
したコンタクトプラグ、およびこの層間絶縁膜上に形成
され、コンタクトプラグに臨む上層導電層を有する多層
配線構造に適用した半導体装置の概略断面図を図１に示
す。

【００２４】図１において、符号２は下層層間絶縁膜１
上に形成した下層配線等の下層導電層であり、この下層
導電層２上の層間絶縁膜３には接続孔８を有する。図１
の例では、下層導電層２は下層層間絶縁膜１に形成され
た溝内に埋め込まれた溝配線となっているが、下層層間
絶縁膜１に形成された通常配線や、あるいは半導体基板
に形成された不純物拡散層等であってもよい。この接続
孔８内のコンタクトプラグ９は、下層導電層２側より高
融点金属窒化物層５およびＡｌ系金属層６の２層構成と
なっている。高融点金属窒化物層５の材料としては、Ｔ
ｉＮが代表的であるが、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、Ｎｂ
Ｎ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＭｏＮあるいはＷＮ等の各種高融
点金属窒化物を単独、あるいは組み合わせて用いること
ができる。またＡｌ系金属層の材料としては、純Ａｌの
他にＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、ある
いはＡｌ−Ｇｅ等のＡｌ系合金を採用することができ
る。コンタクトプラグ９部分のかかる層構成により、Ａ
ｌ−Ｔｉ合金等、高抵抗のＡｌ−高融点金属合金の生成
を防止し、低抵抗のコンタクトプラグを形成することが
できる。

【００２５】一方、層間絶縁膜３上には、このコンタク
トプラグ９に臨み、かつ層間絶縁膜３上を延在する上層
導電層１０としての上層配線を有する。この上層導電層
１０は、層間絶縁膜３側より高融点金属層４、高融点金
属窒化物層５およびＡｌ系金属層６の３層構成をとる。
高融点金属層４の材料としてはＴｉが代表的であるが、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏあるいはＷ等
の各種高融点金属を単独、あるいは組み合わせて用いる
ことができる。高融点金属窒化物層５の材料としては、
ＴｉＮが代表的であるが、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、Ｎｂ
Ｎ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＭｏＮあるいはＷＮ等の各種高融
点金属窒化物を単独、あるいは組み合わせて用いること
ができる。またＡｌ系金属層の材料としては、純Ａｌの
他にＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、ある
いはＡｌ−Ｇｅ等の各種Ａｌ系合金を採用することがで
きる。上層導電層のかかる層構成により、Ｔｉ層等の高
融点金属層の結晶配向がＡｌ系金属層の（１１１）配向
を助長し、エレクトロマイグレーション耐性の高い上層
導電層を形成することができる。

【００２６】つぎに、本発明を下層導電層上の層間絶縁
膜に形成したコンタクトプラグ、およびこの層間絶縁膜
上に形成され、コンタクトプラグに臨む溝配線からなる
上層導電層を有する多層配線構造に適用した別の半導体
装置の概略断面図を図２に示す。

【００２７】図２において、符号２は下層層間絶縁膜１
上に形成した下層配線等の下層導電層であり、この下層
導電層２上の層間絶縁膜３は接続孔８を有する。図２の
例では、下層導電層２は下層層間絶縁膜１上に形成され
た通常配線となっているが、下層層間絶縁膜１が溝を有
し、この溝内に埋め込まれた溝配線であってもよく、あ
るいは不図示の半導体基板に形成された不純物拡散層等
であってもよい。また図２の半導体装置における層間絶
縁膜３は、下層より順に酸化シリコン系の第１の層間絶
縁膜３ａ、窒化シリコン系の第２の層間絶縁膜３ｂおよ
び酸化シリコン系の第３の層間絶縁膜３ｃの３層構造と
なっているが、他の材料や層構成であってもよい。図２
の例では、第３の層間絶縁膜３ｃは溝１１を有し、この
溝１１内にはコンタクトプラグ９に臨んで上層導電層１
０としての溝配線が埋め込まれている。

【００２８】この接続孔８内のコンタクトプラグ９は、
下層導電層２側より高融点金属窒化物層５およびＡｌ系
金属層６の２層構成となっている。一方、上層導電層１
０としての溝配線は、層間絶縁膜３側より高融点金属層
４、高融点金属窒化物層５およびＡｌ系金属層６の３層
構成をとる。高融点金属層４、高融点金属窒化物層５お
よびＡｌ系金属層６の材料は図１を参照して説明した半
導体装置と同様の材料を用いることができる。

【００２９】コンタクトプラグ９部分のかかる層構成に
より、Ａｌ−Ｔｉ合金等、高抵抗のＡｌ−高融点金属合
金の生成を防止し、低抵抗のコンタクトプラグを形成す
ることができる。また上層導電層のかかる層構成によ
り、Ｔｉ層等の高融点金属層の結晶配向がＡｌ系金属層
の（１１１）配向を助長し、エレクトロマイグレーショ
ン耐性の高い上層導電層を形成することができる。

【００３０】つぎに、上述した図１および図２に示す半
導体装置の製造方法の一例を、図面を参照しながら説明
する。

【００３１】実施例１ 本実施例は、図１にその概略断面図を示した半導体装置
の製造方法の一例を、図３および図４を参照して説明す
る。シリコン等の半導体基板（不図示）にトランジスタ
等の素子を形成後、下層層間絶縁膜１および下層導電層
２を形成する。下層導電層２は下層層間絶縁膜１に溝を
形成し、ここに多結晶シリコンやＡｌ系金属を形成し、
ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｏ
ｌｉｓｈｉｎｇ）等により平坦に埋め込んで形成した。
この後、図３（ａ）に示すようにＳｉＯ₂ からなる層間
絶縁膜３を、例えばプラズマＣＶＤにより０．９μｍの
厚さに堆積する。

【００３２】通常の半導体装置の製造プロセスにおいて
は、この後直ちに接続孔の開口工程に入るが、本実施例
においては図３（ｂ）に示すように高融点金属層４を層
間絶縁膜３上に形成する。本実施例においては、一例と
して下記条件によるＤＣマグネトロンスパッタリングに
よりＴｉ層を２０ｎｍの厚さに形成した。 高融点金属層成膜条件 ターゲット Ｔｉ Ａｒ １００ ｓｃｃｍ ＤＣパワー ６ ｋＷ 圧力 ０．４ Ｐａ 基板温度 ２００ ℃

【００３３】この後、フォトレジスト塗布およびリソグ
ラフィ工程により、接続孔開口用のレジストマスク７を
高融点金属層４上に形成し、このレジストマスク７をエ
ッチングマスクとして、図３（ｃ）に示すように高融点
金属層４を一例として下記ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ
Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）条件によりエッチングする。 高融点金属層エッチング条件 Ｃ₄ Ｆ₈ １０ ｓｃｃｍ ＣＯ １００ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ２０ ｓｃｃｍ Ａｒ ２００ ｓｃｃｍ ＲＦパワー １６００ Ｗ 圧力 ６ Ｐａ 基板温度 ２０ ℃

【００３４】続けて同じＲＩＥ装置によりエッチング条
件を切り換え、ＣＨＦ₃ 等のフッ素系ガスを主体とした
下記エッチング条件により、層間絶縁膜３に接続孔８を
開口する。この後、図３（ｄ）に示すように、酸素系ガ
スを用いた通常のアッシング方法によりレジストマスク
７を除去する。 接続孔開口エッチング条件 ＣＨＦ₃ ７５ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ８ ｓｃｃｍ ＲＦパワー １２００ Ｗ 圧力 ７ Ｐａ 基板温度 ２０ ℃

【００３５】この後、被処理基板の予備加熱およびＡｒ
スパッタエッチングにより、接続孔８底部に露出した下
層導電層２表面の自然酸化膜（不図示）を除去する。 予備加熱および自然酸化膜除去条件 基板温度 ４５０ ℃ 加熱時間 ２ ｍｉｎ Ａｒ ３００ ｓｃｃｍ 圧力 １３３ Ｐａ

【００３６】続けて、図４（ｅ）に示すように被処理基
板を大気に曝すことなく、例えばＤＣマグネトロンスパ
ッタリングにより高融点金属窒化物層５としてＴｉＮ層
を５０ｎｍ、Ａｌ系金属層６としてＡｌ−Ｃｕ合金層を
５００ｎｍ成膜する。成膜条件の一例を下記に示す。 高融点金属窒化物層成膜条件 ターゲット Ｔｉ Ａｒ ２０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ ７０ ｓｃｃｍ ＤＣパワー １２ ｋＷ 圧力 ０．４ Ｐａ 基板温度 ４００ ℃ Ａｌ系金属層成膜条件 ターゲット Ａｌ−２％Ｃｕ Ａｒ １００ ｓｃｃｍ ＤＣパワー １５ ｋＷ 圧力 ０．４ Ｐａ 基板温度 ４００ ℃

【００３７】Ａｌ系金属層６成膜後の状態は、この図４
（ｅ）に示すように接続孔８上部でＡｌ系金属層６がブ
リッジを形成し、接続孔８内部はボイドが発生してい
る。

【００３８】そこで高圧リフロー法により、接続孔８内
にＡｌ系金属層６を埋め込む。 高圧リフロー条件 雰囲気ガス Ａｒ 圧力 ７×１０⁷ Ｐａ 基板温度 ４５０ ℃ リフロー時間 １ ｍｉｎ 高圧リフロー後の被処理基板を図４（ｆ）に示す。接続
孔８内は、Ａｌ系金属層６により隙間なく埋め込まれ、
良好な形状のコンタクトプラグ９が形成される。なお、
先述した接続孔８底部に露出した下層導電層２表面の自
然酸化膜除去のための予備加熱から高圧リフローまでの
一連の工程は、被処理基板を大気に曝すことなく連続的
に施すことが望ましい。

【００３９】この後、通常のフォトレジスト工程および
ＲＩＥ工程等により、Ａｌ系金属層６、高融点金属窒化
物層５および高融点金属層４をパターニングして図４
（ｇ）に示すように上層導電層１０を形成する。本実施
例によれば、コンタクトプラグ部分は高融点金属窒化物
層／Ａｌ系金属層との２層構造、上層導電層部分は高融
点金属層／高融点金属窒化物層／Ａｌ系金属層の３層構
造を採用したことにより、コンタクトプラグ部分でのＡ
ｌ−Ｔｉ合金の発生にともなう抵抗値の上昇は発生しな
い。また上層導電層部分ではＡｌ系金属層の結晶配向の
低下にともなうエレクトロマイグレーション耐性の劣化
が回避され、信頼性の高い高集積度の半導体装置を提供
することができる。

【００４０】実施例２ 本実施例は、本発明を溝配線の形成に適用した例とし
て、図２にその概略断面図を示した接続孔と溝とをコン
タクトプラグと上層導電層とで同時に埋め込む半導体装
置の製造方法の一例を、図５ないし図７を参照して説明
する。シリコン等の半導体基板（不図示）にトランジス
タ等の素子を形成後、下層層間絶縁膜１および下層導電
層２を形成する。下層導電層２は下層層間絶縁膜１上に
多結晶シリコン層やＡｌ系金属層を形成し、これをＲＩ
Ｅ等でパターニングしたものである。下層導電層２は実
施例１と同様な溝配線であってもよい。この後、図５
（ａ）に示すように層間絶縁膜３を成膜する。本実施例
においては、一例としてこの層間絶縁膜３は下層側より
第１の層間絶縁膜３ａ、第２の層間絶縁膜３ｂおよび第
３の層間絶縁膜３ｃの３層で構成した。第１の層間絶縁
膜３ａはＳｉＯ₂ からなり厚さ０．９μｍ、第２の層間
絶縁膜３ｂはＳｉ₃ Ｎ₄ からなり厚さ５０ｎｍ、そして
第３の層間絶縁膜３ｃはＳｉＯ₂ からなり厚さ０．５μ
ｍであり、それぞれプラズマＣＶＤにより成膜した。第
２の層間絶縁膜３ｂは、後工程の溝形成時のエッチング
工程におけるエッチングストッパ層としての機能を有す
る。

【００４１】つぎに通常のフォトレジスト工程およびＲ
ＩＥ工程により、下層導電層２上部の第３の層間絶縁膜
３ｃに溝１１をパターニングする。エッチング条件は、
第２の層間絶縁膜３ｂの構成材料であるＳｉ₃ Ｎ₄ との
選択比がとれる条件を用いる。この溝１１は将来上層導
電層を埋め込むためのものである。溝１１をパターニン
グ後、レジストマスクを除去した被処理基板の状態を図
５（ｂ）に示す。

【００４２】通常の半導体装置の製造プロセスにおいて
は、この後直ちに接続孔の開口工程に入るが、本実施例
においては図５（ｃ）に示すように高融点金属層４を溝
１１内および第３の層間絶縁膜３ｃ上に形成する。本実
施例においては、一例として下記条件によるＤＣマグネ
トロンスパッタリングによりＴｉ層を２０ｎｍの厚さに
形成した。Ｔｉ層の成膜条件は前実施例１に準じてよ
い。

【００４３】この後、フォトレジスト塗布およびリソグ
ラフィ工程により、接続孔開口用のレジストマスク７を
図６（ｄ）に示すように高融点金属層４上に形成する。

【００４４】この後、このレジストマスク７をエッチン
グマスクとして高融点金属層４をパターニングする。高
融点金属層４のエッチング条件も前実施例１に準じてよ
い。つぎにエッチング条件を切り換えてＳｉ₃ Ｎ₄ から
なる第２の層間絶縁膜３ｂを連続的にパターニングす
る。 第２の層間絶縁膜３ｂのエッチング条件 ＣＨＦ₃ ７５ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ３５ ｓｃｃｍ ＲＦパワー ６００ Ｗ 圧力 ５ Ｐａ 基板温度 ２０ ℃

【００４５】続けて同じＲＩＥ装置によりさらにエッチ
ング条件を切り換え、第１の層間絶縁膜３ａをパターニ
ングして接続孔８を開口する。第１の層間絶縁膜３ａの
エッチング条件は、前実施例１における層間絶縁膜３の
エッチング条件に準拠する。この後、図６（ｅ）に示す
ように、酸素系ガスを用いた通常のアッシング方法によ
りレジストマスク７を除去する。

【００４６】この後、被処理基板の予備加熱およびＡｒ
スパッタエッチングにより、接続孔８底部に露出した下
層導電層２表面の自然酸化膜（不図示）を除去する。こ
の工程も、実施例１の工程に準じてよい。

【００４７】続けて図６（ｆ）に示すように、被処理基
板を大気に曝すことなく、例えばＤＣマグネトロンスパ
ッタリングにより高融点金属窒化物層５としてＴｉＮ層
を５０ｎｍ、Ａｌ系金属層６としてＡｌ−Ｃｕ合金層を
５００ｎｍ成膜する。成膜条件はこれも前実施例１と同
様でよい。Ａｌ系金属層６成膜後の状態は、図６（ｆ）
に示すように溝１１上部でＡｌ系金属層６がブリッジを
形成し、溝１１および接続孔８内部はボイドが発生して
いる。

【００４８】そこで実施例１に準じた高圧リフロー法に
より、溝１１および接続孔８内にＡｌ系金属層６を埋め
込む。高圧リフロー後の被処理基板を図７（ｇ）に示
す。接続孔８内は、Ａｌ系金属層６により隙間なく埋め
込まれ良好な形状のコンタクトプラグ９が形成されると
ともに、溝１１内にもＡｌ系金属層６が埋め込まれる。
なお、先述した接続孔８底部に露出した下層導電層２表
面の自然酸化膜除去のための予備加熱から高圧リフロー
までの一連の工程は、被処理基板を大気に曝すことなく
連続的に施すことが望ましい。

【００４９】この後、例えばコロイダルシリカを研磨剤
とするスラリを用いた、常法のＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ Ｍｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によ
り、第３の層間絶縁膜３ｃ上のＡｌ系金属層６、高融点
金属窒化物層５および高融点金属層４を順次除去し、溝
１１内に上層導電層１０を平坦に埋め込み、図７（ｈ）
に示すように溝配線を完成する。

【００５０】本実施例によれば、接続孔と溝を同時に埋
め込む、いわゆるＤｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ ｐｒ
ｏｃｅｓｓにおいて、コンタクトプラグ部分は高融点金
属窒化物層／Ａｌ系金属層との２層構造、上層導電層部
分は高融点金属層／高融点金属窒化物層／Ａｌ系金属層
の３層構造を採用したことにより、コンタクトプラグ部
分でのＡｌ−Ｔｉ合金等Ａｌ−高融点金属合金の発生に
ともなう抵抗値の上昇は発生しない。また上層導電層で
ある溝配線部分ではＡｌ系金属層の結晶配向の低下にと
もなうエレクトロマイグレーション耐性の劣化が回避さ
れ、信頼性の高い高集積度の半導体装置を提供すること
ができる。

【００５１】以上、本発明を詳細に説明したが、本発明
はこれら実施例に何ら限定されるものではない。

【００５２】例えば、実施例では下層導電層として多結
晶シリコンやＡｌ系金属等による下層配線を例示した
が、半導体基板に形成した不純物拡散層等であってもよ
い。また層間絶縁膜の構造も実施例以外の各種材料やそ
の組み合わせによる積層構造が可能である。ＣＭＰを用
いる場合には、層間絶縁膜上に研磨ストッパ層を形成し
ておけば、精度の高い平坦化に寄与する。さらに、高融
点金属、および高融点金属窒化物についても、Ｔｉおよ
びＴｉＮの他に、各種高融点金属およびその窒化物の組
み合わせであってもよい。高融点金属窒化物中に、酸素
原子を含む高融点金属酸窒化物を採用する場合にも本発
明を適用することが可能である。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によればＡｌ系金属を用いたコンタクトプラグ、および
このコンタクトプラグから層間絶縁膜上に延在する、同
じくＡｌ系金属を用いた上層導電層を有する多層配線構
造の半導体装置およびその製造方法において、コンタク
トプラグの抵抗値上昇を防止するとともに、上層導電層
のエレクトロマイグレーション耐性を向上した高集積度
の半導体装置、およびその製造方法を提供することが可
能となる。本発明は、上層導電層として溝配線を用いた
Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ Ｐｒｏｃｅｓｓにも好
適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した半導体装置を示す概略断面図
である。

【図２】本発明を適用した、他の半導体装置を示す概略
断面図である。

【図３】本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程
を示す概略断面図である。

【図４】本発明を適用した半導体装置の製造方法の工程
を示す概略断面図であり、図３に続く工程を示す。

【図５】本発明を適用した、他の半導体装置の製造方法
の工程を示す概略断面図である。

【図６】本発明を適用した、他の半導体装置の製造方法
の工程を示す概略断面図であり、図５に続く工程を示
す。

【図７】本発明を適用した、他の半導体装置の製造方法
の工程を示す概略断面図であり、図６に続く工程を示
す。

【図８】従来の半導体装置およびその製造方法における
問題点を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…下層層間絶縁膜、２…下層導電層、３…層間絶縁
膜、３ａ…第１の層間絶縁膜、３ｂ…第２の層間絶縁
膜、３ｃ…第３の層間絶縁膜、４…高融点金属層、５…
高融点金属窒化物層、６…Ａｌ系金属層、７…レジスト
マスク、８…接続孔、９…コンタクトプラグ、９ａ…Ａ
ｌ−Ｔｉ合金層、１０…上層導電層、１１…溝

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下層導電層上の層間絶縁膜に、前記下層
   導電層に臨む接続孔および前記接続孔内に充填されたコ
   ンタクトプラグを有し、 前記層間絶縁膜上には、前記コンタクトプラグに臨む上
   層導電層を有する半導体装置において、 前記コンタクトプラグは、前記下層導電層側より、高融
   点金属窒化物層およびＡｌ系金属層の積層構造を有し、 前記上層導電層は、前記層間絶縁膜側より、高融点金属
   層、高融点金属窒化物層およびＡｌ系金属層の積層構造
   を有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 下層導電層上の層間絶縁膜に、前記下層
   導電層に臨む接続孔および前記接続孔に臨む溝を有し、 前記接続孔内に充填されたコンタクトプラグを有すると
   ともに前記溝内に充填された上層導電層を有する半導体
   装置において、 前記コンタクトプラグは、前記下層導電層側より、高融
   点金属窒化物層およびＡｌ系金属層の積層構造を有し、 前記上層導電層は、前記層間絶縁膜側より、高融点金属
   層、高融点金属窒化物層およびＡｌ系金属層の積層構造
   を有することを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 前記高融点金属窒化物層はＴｉＮ層を含
   むとともに、 前記高融点金属層はＴｉ層を含むことを特徴とする請求
   項１または２記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 下層導電層上の層間絶縁膜に、前記下層
   導電層に臨む接続孔および前記接続孔内に充填されたコ
   ンタクトプラグを形成し、 前記層間絶縁膜上には、前記コンタクトプラグに臨む上
   層導電層を形成する工程を有する半導体装置の製造方法
   において、 前記下層導電層上に層間絶縁膜および高融点金属層を順
   次形成する工程、前記下層導電層に臨む接続孔を、前記
   層間絶縁膜および高融点金属層に開口する工程、 前記接続孔の底部および内壁、ならびに前記高融点金属
   層上に高融点金属窒化物層を形成する工程、 前記高融点金属窒化物層上に、Ａｌ系金属層を形成する
   とともに、前記接続孔内をＡｌ系金属層で充填する工
   程、 前記層間絶縁膜上の高融点金属層、高融点金属窒化物層
   およびＡｌ系金属層をパターニングし、上層導電層を形
   成する工程、 以上の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造
   方法。
5. 【請求項５】 前記接続孔内をＡｌ系金属層で充填する
   工程は、 Ａｌ系金属層を加熱して前記Ａｌ系金属層を軟化させる
   とともに、高圧雰囲気中で前記Ａｌ系金属層を前記接続
   孔内に流動させ充填する工程であることを特徴とする請
   求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 下層導電層上の層間絶縁膜に、前記下層
   導電層に臨む接続孔および前記接続孔に臨む溝を形成
   し、 前記接続孔内に充填されたコンタクトプラグを形成する
   とともに、前記コンタクトプラグに臨み前記溝内に充填
   された上層導電層を形成する工程を有する半導体装置の
   製造方法において、 前記下層導電層に層間絶縁膜を形成する工程、 前記下層導電層上の層間絶縁膜に溝を形成する工程、 前記溝が形成された層間絶縁膜上に高融点金属層を形成
   する工程、 前記下層導電層に臨む接続孔を、前記層間絶縁膜および
   高融点金属層に開口する工程、 前記接続孔の底部および内壁、ならびに前記高融点金属
   層上に高融点金属窒化物層を形成する工程、 前記高融点金属窒化物層上に、Ａｌ系金属層を形成する
   とともに、前記接続孔内および溝内をＡｌ系金属層で充
   填する工程、 前記層間絶縁膜上の高融点金属層、高融点金属窒化物層
   およびＡｌ系金属層をパターニングし、上層導電層を形
   成する工程、 以上の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造
   方法。
7. 【請求項７】 前記接続孔内および溝内をＡｌ系金属層
   で充填する工程は、 Ａｌ系金属層を加熱して前記Ａｌ系金属層を軟化させる
   とともに、高圧雰囲気中で前記Ａｌ系金属層を前記接続
   孔内および溝内に流動させ充填する工程であることを特
   徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 前記高融点金属窒化物層はＴｉＮ層を含
   むとともに、 前記高融点金属層はＴｉ層を含むことを特徴とする請求
   項４または６記載の半導体装置の製造方法。