JPH1154507A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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- JPH1154507A JPH1154507A JP20326897A JP20326897A JPH1154507A JP H1154507 A JPH1154507 A JP H1154507A JP 20326897 A JP20326897 A JP 20326897A JP 20326897 A JP20326897 A JP 20326897A JP H1154507 A JPH1154507 A JP H1154507A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、Ｃｕ配線を形成する際に、配線に
適した高品質のＣｕを接続孔に埋め込み、高い導電率と
高いエレクトロマイグレーション耐性を有するコンタク
ト構造及び配線構造の半導体装置を作製することができ
る半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 Ｓｉ基板１０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜１
１に開孔した接続孔内にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層１
２を介してＴｉプラグ１３ａを形成し、このＴｉプラグ
１３ａ上にスパッタＣｕ膜１４を形成した後、Ｎ2 雰囲
気中における熱処理により、Ｔｉプラグ１３ａを構成す
るＴｉ原子は上層のスパッタＣｕ膜１４中に拡散し、そ
の表面にまで達したＴｉ原子は雰囲気中のＮ2 と結合し
てＴｉＮを形成する一方、スパッタＣｕ膜１４を構成す
るＣｕ原子は、接続孔内のＴｉプラグ１３ａ中に拡散し
て、Ｔｉプラグ１３ａを構成するＴｉ原子と置換され
る。
適した高品質のＣｕを接続孔に埋め込み、高い導電率と
高いエレクトロマイグレーション耐性を有するコンタク
ト構造及び配線構造の半導体装置を作製することができ
る半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 Ｓｉ基板１０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜１
１に開孔した接続孔内にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層１
２を介してＴｉプラグ１３ａを形成し、このＴｉプラグ
１３ａ上にスパッタＣｕ膜１４を形成した後、Ｎ2 雰囲
気中における熱処理により、Ｔｉプラグ１３ａを構成す
るＴｉ原子は上層のスパッタＣｕ膜１４中に拡散し、そ
の表面にまで達したＴｉ原子は雰囲気中のＮ2 と結合し
てＴｉＮを形成する一方、スパッタＣｕ膜１４を構成す
るＣｕ原子は、接続孔内のＴｉプラグ１３ａ中に拡散し
て、Ｔｉプラグ１３ａを構成するＴｉ原子と置換され
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係り、特に電気的抵抗が低く、且つエレクトロマイ
グレーション耐性に優れた配線及びコンタクト構造を形
成する方法に関するものである。
法に係り、特に電気的抵抗が低く、且つエレクトロマイ
グレーション耐性に優れた配線及びコンタクト構造を形
成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＬＳＩ（Large Scale Integrated
Circuit）の配線材料としては、例えばＡｌ（アルミニ
ウム）−０．５％Ｃｕ（銅）やＡｌ−１％Ｓｉ（シリコ
ン）−０．５％Ｃｕ等のＡｌ合金が用いられてきた。し
かし、ＵＬＳＩ（Ultra LSI ）のような高集積化の進ん
だ半導体装置においては、データ処理速度の高速化と、
消費電力の増大によって深刻化するエレクトロマイグレ
ーションに対する高い耐性が共に要求される。そして、
デバイスの高速化の進展に伴って更に低い抵抗の配線が
必要となり、また消費電力の増大に対応して更に高い許
容電流密度を備えた配線が必要となってくる。
Circuit）の配線材料としては、例えばＡｌ（アルミニ
ウム）−０．５％Ｃｕ（銅）やＡｌ−１％Ｓｉ（シリコ
ン）−０．５％Ｃｕ等のＡｌ合金が用いられてきた。し
かし、ＵＬＳＩ（Ultra LSI ）のような高集積化の進ん
だ半導体装置においては、データ処理速度の高速化と、
消費電力の増大によって深刻化するエレクトロマイグレ
ーションに対する高い耐性が共に要求される。そして、
デバイスの高速化の進展に伴って更に低い抵抗の配線が
必要となり、また消費電力の増大に対応して更に高い許
容電流密度を備えた配線が必要となってくる。
【０００３】このような要求を満たす配線材料として、
例えばＣｕやＡｇ（銀）が用いられ始めている。特にＣ
ｕは、比抵抗がｌ．８μΩｃｍと低く、デバイスの高速
化には有利なことに加えて、耐エレクトロマイグレーシ
ョン特性がＡｌ合金に比べて一桁程度高いことから、Ａ
ｌ合金に替わる次世代の配線材料として期待されてい
る。
例えばＣｕやＡｇ（銀）が用いられ始めている。特にＣ
ｕは、比抵抗がｌ．８μΩｃｍと低く、デバイスの高速
化には有利なことに加えて、耐エレクトロマイグレーシ
ョン特性がＡｌ合金に比べて一桁程度高いことから、Ａ
ｌ合金に替わる次世代の配線材料として期待されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｃｕを
配線材料として用いる場合、素子間や多層配線の間を電
気的に接続する接続孔にＣｕを完全に充填することは困
難である。即ち、ＣｕはＡｌと異なって融点が高いた
め、Ａｌ合金を接続孔に充填する際に多用されている高
温スパッタリング法、リフロー法を用いても、従来のよ
うに４５０℃程度のプロセス温度ではＣｕを接続孔に完
全に埋め込むことはできないという問題がある。また、
たとえ実験的にはＣｕを接続孔に完全に埋め込むことが
可能であるとしても、ＵＬＳＩに存在する１００万個レ
ベルの接続孔を１００％埋め込めるような高歩留まりを
得ることは難しいという問題がある。
配線材料として用いる場合、素子間や多層配線の間を電
気的に接続する接続孔にＣｕを完全に充填することは困
難である。即ち、ＣｕはＡｌと異なって融点が高いた
め、Ａｌ合金を接続孔に充填する際に多用されている高
温スパッタリング法、リフロー法を用いても、従来のよ
うに４５０℃程度のプロセス温度ではＣｕを接続孔に完
全に埋め込むことはできないという問題がある。また、
たとえ実験的にはＣｕを接続孔に完全に埋め込むことが
可能であるとしても、ＵＬＳＩに存在する１００万個レ
ベルの接続孔を１００％埋め込めるような高歩留まりを
得ることは難しいという問題がある。
【０００５】なお、ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositio
n ；化学的気相成長）法を用いて、Ｃｕを接続孔に良好
に充填する技術が報告されている（G.Braeckelmann,et
al.,“CHEMICAL VAPOR DEPOSITION BASED COPPER INTER
CONNECTIONS FOR ULSI MULTILEVELMETALLIZATION SCHEM
ES",June27-29,1995 VMIC Conference pp.331-333 参
照）。しかし、このＣＶＤ法を用いて形成した所謂ＣＶ
Ｄ−Ｃｕ膜は、従来のスパッタリング法を用いて形成し
た所謂スパッタＣｕ膜と比較すると、比抵抗が約１０〜
２０％程度高くなり、表面の平滑性も劣っている。従っ
て、このＣＶＤ法を用いてＣｕを接続孔に完全に埋め込
む方法では、配線として用いるのに必要な高品質のＣｕ
膜を得ることが困難であるという問題がある。
n ；化学的気相成長）法を用いて、Ｃｕを接続孔に良好
に充填する技術が報告されている（G.Braeckelmann,et
al.,“CHEMICAL VAPOR DEPOSITION BASED COPPER INTER
CONNECTIONS FOR ULSI MULTILEVELMETALLIZATION SCHEM
ES",June27-29,1995 VMIC Conference pp.331-333 参
照）。しかし、このＣＶＤ法を用いて形成した所謂ＣＶ
Ｄ−Ｃｕ膜は、従来のスパッタリング法を用いて形成し
た所謂スパッタＣｕ膜と比較すると、比抵抗が約１０〜
２０％程度高くなり、表面の平滑性も劣っている。従っ
て、このＣＶＤ法を用いてＣｕを接続孔に完全に埋め込
む方法では、配線として用いるのに必要な高品質のＣｕ
膜を得ることが困難であるという問題がある。
【０００６】そこで本発明は、上記問題点を鑑みてなさ
れたものであり、Ｃｕ配線を形成する際に、配線に適し
た高品質のＣｕを接続孔に埋め込み、高い導電率と高い
エレクトロマイグレーション耐性を有するコンタクト構
造及び配線構造の半導体装置を作製することができる半
導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
れたものであり、Ｃｕ配線を形成する際に、配線に適し
た高品質のＣｕを接続孔に埋め込み、高い導電率と高い
エレクトロマイグレーション耐性を有するコンタクト構
造及び配線構造の半導体装置を作製することができる半
導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題は、以下の本発
明に係る半導体装置の製造方法により達成される。即
ち、請求項１に係る半導体装置の製造方法は、半導体基
板上の絶縁膜に開孔された接続孔内に、Ｃｕと相互拡散
を生じる金属を充填して金属プラグを形成する第１の工
程と、絶縁膜上及び接続孔内の金属プラグ上に、Ｃｕ膜
を形成する第２の工程と、窒素を含む雰囲気中における
熱処理により、接続孔内の金属プラグとＣｕ膜との間に
原子の相互拡散を生じさせ、Ｃｕ膜表面に到達した金属
原子を雰囲気中の窒素と反応させて金属窒化物を形成す
ると共に、金属プラグを構成する金属原子をＣｕ膜から
拡散してきたＣｕ原子によって置換してＣｕプラグを形
成する第３の工程と、絶縁膜上のＣｕ膜を所定の配線パ
ターンに加工して、接続孔内のＣｕプラグと一体的に接
続するＣｕ配線を形成する第４の工程とを有することを
特徴とする。
明に係る半導体装置の製造方法により達成される。即
ち、請求項１に係る半導体装置の製造方法は、半導体基
板上の絶縁膜に開孔された接続孔内に、Ｃｕと相互拡散
を生じる金属を充填して金属プラグを形成する第１の工
程と、絶縁膜上及び接続孔内の金属プラグ上に、Ｃｕ膜
を形成する第２の工程と、窒素を含む雰囲気中における
熱処理により、接続孔内の金属プラグとＣｕ膜との間に
原子の相互拡散を生じさせ、Ｃｕ膜表面に到達した金属
原子を雰囲気中の窒素と反応させて金属窒化物を形成す
ると共に、金属プラグを構成する金属原子をＣｕ膜から
拡散してきたＣｕ原子によって置換してＣｕプラグを形
成する第３の工程と、絶縁膜上のＣｕ膜を所定の配線パ
ターンに加工して、接続孔内のＣｕプラグと一体的に接
続するＣｕ配線を形成する第４の工程とを有することを
特徴とする。
【０００８】このように請求項１に係る半導体装置の製
造方法においては、接続孔内に充填したＣｕと相互拡散
を生じる金属からなる金属プラグ上にＣｕ膜を形成した
後、熱処理を行うことにより、この接続孔内の金属プラ
グとその上層のＣｕ膜との間に原子の相互拡散が生じ
る。このとき、接続孔内の金属プラグを構成する金属原
子の量に比べて、その上に形成するＣｕ膜のＣｕ原子の
量を圧倒的に多くすると、平衡状態に向かうためには、
接続孔内の金属原子がＣｕ膜中に拡散して、Ｃｕ膜表面
に達する一方、Ｃｕ膜のＣｕ原子は接続孔内に拡散して
いき、このＣｕ原子によって接続孔内の金属原子が置換
される。但し、こうした相互拡散だけでは、たとえＣｕ
原子の量が金属原子の量に比べて圧倒的に多くても、相
当量の金属原子が接続孔内やその上層のＣｕ膜中に固溶
して残留することになるため、接続孔内を純粋なＣｕに
よって充填し尽くすことはできない。
造方法においては、接続孔内に充填したＣｕと相互拡散
を生じる金属からなる金属プラグ上にＣｕ膜を形成した
後、熱処理を行うことにより、この接続孔内の金属プラ
グとその上層のＣｕ膜との間に原子の相互拡散が生じ
る。このとき、接続孔内の金属プラグを構成する金属原
子の量に比べて、その上に形成するＣｕ膜のＣｕ原子の
量を圧倒的に多くすると、平衡状態に向かうためには、
接続孔内の金属原子がＣｕ膜中に拡散して、Ｃｕ膜表面
に達する一方、Ｃｕ膜のＣｕ原子は接続孔内に拡散して
いき、このＣｕ原子によって接続孔内の金属原子が置換
される。但し、こうした相互拡散だけでは、たとえＣｕ
原子の量が金属原子の量に比べて圧倒的に多くても、相
当量の金属原子が接続孔内やその上層のＣｕ膜中に固溶
して残留することになるため、接続孔内を純粋なＣｕに
よって充填し尽くすことはできない。
【０００９】そこで、熱処理を窒素を含む雰囲気中にお
いて行うことにより、接続孔内の金属プラグからＣｕ膜
中を拡散してその表面にまで到達した金属原子は雰囲気
中の窒素と結合して、金属窒化物を形成する。こうして
Ｃｕ膜表面まで到達した金属原子が窒化されて金属窒化
物となることにより金属原子が消費され、Ｃｕ膜表面近
傍の金属原子の濃度が低下する。すると、金属原子の濃
度勾配が生じ、この濃度差を一定にするようにドライビ
ングフォースが作用するため、金属原子のＣｕ膜表面へ
の拡散が加速されると共に、接続孔内及びＣｕ膜中の金
属原子が殆どなくなるまでこの拡散が持続される。逆
に、接続孔内にはＣｕ膜中のＣｕ原子が急激に拡散して
いき、Ｃｕ膜表面に加速的に拡散されていく金属原子と
置換されて、接続孔内はＣｕによって充填される。
いて行うことにより、接続孔内の金属プラグからＣｕ膜
中を拡散してその表面にまで到達した金属原子は雰囲気
中の窒素と結合して、金属窒化物を形成する。こうして
Ｃｕ膜表面まで到達した金属原子が窒化されて金属窒化
物となることにより金属原子が消費され、Ｃｕ膜表面近
傍の金属原子の濃度が低下する。すると、金属原子の濃
度勾配が生じ、この濃度差を一定にするようにドライビ
ングフォースが作用するため、金属原子のＣｕ膜表面へ
の拡散が加速されると共に、接続孔内及びＣｕ膜中の金
属原子が殆どなくなるまでこの拡散が持続される。逆
に、接続孔内にはＣｕ膜中のＣｕ原子が急激に拡散して
いき、Ｃｕ膜表面に加速的に拡散されていく金属原子と
置換されて、接続孔内はＣｕによって充填される。
【００１０】このように窒素を含む雰囲気中において十
分な熱処理を行うことにより、接続孔内に形成した金属
プラグを構成する金属原子がＣｕ膜を通ってその表面に
まで拡散していき、雰囲気中の窒素と反応して金属窒化
物として析出する一方、金属原子が拡散した後にはＣｕ
膜中のＣｕ原子が拡散し、接続孔内はほぼ純粋にＣｕに
よって充填されて、Ｃｕプラグが形成される。
分な熱処理を行うことにより、接続孔内に形成した金属
プラグを構成する金属原子がＣｕ膜を通ってその表面に
まで拡散していき、雰囲気中の窒素と反応して金属窒化
物として析出する一方、金属原子が拡散した後にはＣｕ
膜中のＣｕ原子が拡散し、接続孔内はほぼ純粋にＣｕに
よって充填されて、Ｃｕプラグが形成される。
【００１１】以上のメカニズムによって、接続孔内の金
属プラグを構成する金属原子をＣｕ原子によって置換し
てＣｕプラグを形成した後、絶縁膜上のＣｕ膜を所定の
配線パターンに加工し、接続孔内のＣｕプラグと一体的
に接続するＣｕ配線を形成することにより、低抵抗のＣ
ｕプラグを有するコンタクト構造及びが低抵抗のＣｕ配
線構造が得られる。
属プラグを構成する金属原子をＣｕ原子によって置換し
てＣｕプラグを形成した後、絶縁膜上のＣｕ膜を所定の
配線パターンに加工し、接続孔内のＣｕプラグと一体的
に接続するＣｕ配線を形成することにより、低抵抗のＣ
ｕプラグを有するコンタクト構造及びが低抵抗のＣｕ配
線構造が得られる。
【００１２】なお、接続孔内の金属プラグとその上層の
Ｃｕ膜との間の原子の相互拡散は接続孔内の金属原子が
殆どなくなるまで持続されるとはいえ、接続孔内のＣｕ
プラグ中及びその上層のＣｕ配線中には、熱処理温度に
おける固溶度以下の金属原子が残留する。但し、このＣ
ｕプラグ中及びＣｕ配線中に残留する金属原子の量はＣ
ｕ原子の量に比べて圧倒的に少ないため、Ｃｕプラグ及
びＣｕ配線のコンタクト抵抗及び配線抵抗の上昇に殆ど
影響を与えることはない。
Ｃｕ膜との間の原子の相互拡散は接続孔内の金属原子が
殆どなくなるまで持続されるとはいえ、接続孔内のＣｕ
プラグ中及びその上層のＣｕ配線中には、熱処理温度に
おける固溶度以下の金属原子が残留する。但し、このＣ
ｕプラグ中及びＣｕ配線中に残留する金属原子の量はＣ
ｕ原子の量に比べて圧倒的に少ないため、Ｃｕプラグ及
びＣｕ配線のコンタクト抵抗及び配線抵抗の上昇に殆ど
影響を与えることはない。
【００１３】また、請求項２に係る半導体装置の製造方
法は、上記請求項１に係る半導体装置の製造方法におい
て、前記第１の工程の接続孔内にＣｕと相互拡散を生じ
る金属を充填する方法として、ＣＶＤ法を用いる構成と
することにより、たとえアスペクト比の大きい接続孔で
あっても、良好なステップカバレージをもって金属層が
形成されるため、この金属によって接続孔内を完全に埋
め込むことが可能になる。このため、その後、接続孔内
に完全に埋め込んでいる金属原子をＣｕ原子によって置
換して、接続孔内を完全に埋め込むＣｕプラグが形成さ
れる。
法は、上記請求項１に係る半導体装置の製造方法におい
て、前記第１の工程の接続孔内にＣｕと相互拡散を生じ
る金属を充填する方法として、ＣＶＤ法を用いる構成と
することにより、たとえアスペクト比の大きい接続孔で
あっても、良好なステップカバレージをもって金属層が
形成されるため、この金属によって接続孔内を完全に埋
め込むことが可能になる。このため、その後、接続孔内
に完全に埋め込んでいる金属原子をＣｕ原子によって置
換して、接続孔内を完全に埋め込むＣｕプラグが形成さ
れる。
【００１４】なお、良好なステップカバレージをもって
接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を完全に埋め込
むことが可能な方法であればよいため、ＣＶＤ法に限定
する必要はなく、例えばメッキ法やイオンプレーティグ
（Ion Plating ）法を用いてもよい。また、ＣＶＤ法を
用いて接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を充填す
る方法としては、基体全面に金属層を堆積して接続孔内
を充填する、いわゆるブランケットＣＶＤ法を用いる場
合と、接続孔の底面をなす半導体基板や金属電極等から
なる下地層上のみに金属層を堆積して接続孔内を充填す
る、いわゆる選択ＣＶＤ法を用いる場合とがあるが、い
ずれの方法を採用してもよい。
接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を完全に埋め込
むことが可能な方法であればよいため、ＣＶＤ法に限定
する必要はなく、例えばメッキ法やイオンプレーティグ
（Ion Plating ）法を用いてもよい。また、ＣＶＤ法を
用いて接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を充填す
る方法としては、基体全面に金属層を堆積して接続孔内
を充填する、いわゆるブランケットＣＶＤ法を用いる場
合と、接続孔の底面をなす半導体基板や金属電極等から
なる下地層上のみに金属層を堆積して接続孔内を充填す
る、いわゆる選択ＣＶＤ法を用いる場合とがあるが、い
ずれの方法を採用してもよい。
【００１５】また、請求項３に係る半導体装置の製造方
法は、上記請求項１に係る半導体装置の製造方法におい
て、前記第２の工程の絶縁膜上及び接続孔内の金属プラ
グ上にＣｕ膜を形成する方法として、スパッタリング法
を用いる構成とすることにより、ＣＶＤ法を用いて形成
したＣｕ膜と比較して、比抵抗が低く、表面の平滑性に
優れた高品質のＣｕ膜が得られる。このため、この高品
質のＣｕ膜によって形成されるＣｕプラグ及びＣｕ配線
のコンタクト抵抗及び配線抵抗は十分に小さいものとな
る。
法は、上記請求項１に係る半導体装置の製造方法におい
て、前記第２の工程の絶縁膜上及び接続孔内の金属プラ
グ上にＣｕ膜を形成する方法として、スパッタリング法
を用いる構成とすることにより、ＣＶＤ法を用いて形成
したＣｕ膜と比較して、比抵抗が低く、表面の平滑性に
優れた高品質のＣｕ膜が得られる。このため、この高品
質のＣｕ膜によって形成されるＣｕプラグ及びＣｕ配線
のコンタクト抵抗及び配線抵抗は十分に小さいものとな
る。
【００１６】また、請求項４に係る半導体装置の製造方
法は、上記請求項１に係る半導体装置の製造方法におい
て、前記第１の工程の接続孔内にＣｕと相互拡散を生じ
る金属を充填する前に、接続孔内の少なくとも底面を被
覆するバリアメタル層を形成して、接続孔内にバリアメ
タル層を介して金属プラグを形成する構成とすることに
より、半導体基板上の絶縁膜に開孔された接続孔の底面
をなす下地層と金属プラグとの反応、又はこの下地層と
Ｃｕプラグとの反応が防止される。
法は、上記請求項１に係る半導体装置の製造方法におい
て、前記第１の工程の接続孔内にＣｕと相互拡散を生じ
る金属を充填する前に、接続孔内の少なくとも底面を被
覆するバリアメタル層を形成して、接続孔内にバリアメ
タル層を介して金属プラグを形成する構成とすることに
より、半導体基板上の絶縁膜に開孔された接続孔の底面
をなす下地層と金属プラグとの反応、又はこの下地層と
Ｃｕプラグとの反応が防止される。
【００１７】なお、上記請求項１に係る半導体装置の製
造方法において、前記第１の工程の接続孔内に充填する
Ｃｕと相互拡散を生じる金属としては、Ｔｉ（チタ
ン）、Ｗ（タングステン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍ
ｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフミウム）、Ｍｇ（マグネ
シウム）、又はＴａ（タンタル）を用いることが好適で
ある。
造方法において、前記第１の工程の接続孔内に充填する
Ｃｕと相互拡散を生じる金属としては、Ｔｉ（チタ
ン）、Ｗ（タングステン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍ
ｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフミウム）、Ｍｇ（マグネ
シウム）、又はＴａ（タンタル）を用いることが好適で
ある。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の実施の形態を説明する。 （第１の実施形態）図１〜図６はそれぞれ本発明の第１
の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するため
の工程断面図である。初めに、通常のＬＳＩ製造工程に
従って、Ｓｉ基板１０表面に、素子分離領域、不純物拡
散層、ゲート電極などのトランジスタ部分（図示せず）
を形成する。そして、図１に示されるように、ＣＶＤ法
により、Ｓｉ基板１０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層
間絶縁膜１１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎ
ｍ、深さ６００ｎｍの接続孔を開孔する。
本発明の実施の形態を説明する。 （第１の実施形態）図１〜図６はそれぞれ本発明の第１
の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するため
の工程断面図である。初めに、通常のＬＳＩ製造工程に
従って、Ｓｉ基板１０表面に、素子分離領域、不純物拡
散層、ゲート電極などのトランジスタ部分（図示せず）
を形成する。そして、図１に示されるように、ＣＶＤ法
により、Ｓｉ基板１０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層
間絶縁膜１１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎ
ｍ、深さ６００ｎｍの接続孔を開孔する。
【００１９】続いて、スパッタリング法により、基体全
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
１２を形成する。更に、ＥＣＲ（Electron Cyclotron R
esonance）プラズマＣＶＤ法により、基体全面にＣＶＤ
−Ｔｉ膜１３を６００ｎｍの膜厚に形成する。こうし
て、このＣＶＤ−Ｔｉ膜１３により良好なステップカバ
レージをもって接続孔内を完全に埋め込む。
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
１２を形成する。更に、ＥＣＲ（Electron Cyclotron R
esonance）プラズマＣＶＤ法により、基体全面にＣＶＤ
−Ｔｉ膜１３を６００ｎｍの膜厚に形成する。こうし
て、このＣＶＤ−Ｔｉ膜１３により良好なステップカバ
レージをもって接続孔内を完全に埋め込む。
【００２０】ここで、これらのＴｉ下層膜、ＴｉＮ上層
膜、及びＣＶＤ−Ｔｉ膜１３の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ（アルゴン）の流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ（直流）電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、
Ａｒ＋Ｎ2 （窒素）の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３のＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ条件は、 ＴｉＣｌ4 ＋Ｈ2 ＋Ａｒの流量：２＋１００＋２５０Ｓ
ＣＣＭ 圧力：３００Ｐａ μ（マイクロ）波パワー：２．８ｋＷ 温度：４６０℃ とする。
膜、及びＣＶＤ−Ｔｉ膜１３の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ（アルゴン）の流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ（直流）電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、
Ａｒ＋Ｎ2 （窒素）の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３のＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ条件は、 ＴｉＣｌ4 ＋Ｈ2 ＋Ａｒの流量：２＋１００＋２５０Ｓ
ＣＣＭ 圧力：３００Ｐａ μ（マイクロ）波パワー：２．８ｋＷ 温度：４６０℃ とする。
【００２１】次いで、図２に示されるように、ＲＩＥ
（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法
により、ＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層１２表面が露出す
るまでＣＶＤ−Ｔｉ膜１３をエッチバックして、接続孔
内のみにＣＶＤ−Ｔｉ膜１３を残存させる。こうして、
接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｔｉ膜１３からな
るＴｉプラグ１３ａを形成する。このとき、ＳｉＯ2 層
間絶縁膜１１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層１２はエ
ッチングせずに残存させておく。
（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法
により、ＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層１２表面が露出す
るまでＣＶＤ−Ｔｉ膜１３をエッチバックして、接続孔
内のみにＣＶＤ−Ｔｉ膜１３を残存させる。こうして、
接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｔｉ膜１３からな
るＴｉプラグ１３ａを形成する。このとき、ＳｉＯ2 層
間絶縁膜１１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層１２はエ
ッチングせずに残存させておく。
【００２２】ここで、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３のエッチング
条件を以下に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３のＲＩＥ
条件は、 Ｃ4 Ｆ8 ＋ＣＯ＋Ａｒの流量：１０＋１５０＋２００Ｓ
ＣＣＭ ＲＦ（高周波）パワー：１．６ｋＷ 圧力：５．３Ｐａ エッチング速度（Etchingrate ）：３００ｎｍ／分 とする。
条件を以下に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３のＲＩＥ
条件は、 Ｃ4 Ｆ8 ＋ＣＯ＋Ａｒの流量：１０＋１５０＋２００Ｓ
ＣＣＭ ＲＦ（高周波）パワー：１．６ｋＷ 圧力：５．３Ｐａ エッチング速度（Etchingrate ）：３００ｎｍ／分 とする。
【００２３】次いで、図３に示されるように、Ｔｉプラ
グ１３ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除去
するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法に
より、基体全面にスパッタＣｕ膜１４を膜厚５００ｎｍ
に形成する。ここで、Ｔｉプラグ１３ａ表面のプレクリ
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜１４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｔｉプラグ１３ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜１４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
グ１３ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除去
するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法に
より、基体全面にスパッタＣｕ膜１４を膜厚５００ｎｍ
に形成する。ここで、Ｔｉプラグ１３ａ表面のプレクリ
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜１４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｔｉプラグ１３ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜１４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
【００２４】次いで、ウェーハを電気炉に挿入し、Ｎ2
雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処理条
件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：Ｎ2 −１００％ 圧力：常圧 とする。
雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処理条
件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：Ｎ2 −１００％ 圧力：常圧 とする。
【００２５】そして、こうした条件の熱処理により、図
４に模式的に示されるように、接続孔内のＴｉプラグ１
３ａとその上層のスパッタＣｕ膜１４との間に原子の相
互拡散が生じる。即ち、Ｔｉプラグ１３ａを構成するＴ
ｉ原子は上層のスパッタＣｕ膜１４中に拡散していく。
そして、スパッタＣｕ膜１４を通ってその表面にまで達
したＴｉ原子は雰囲気中のＮ2 と結合して、接続孔上部
周辺のスパッタＣｕ膜１４表面にＴｉＮを形成する。一
方、スパッタＣｕ膜１４を構成するＣｕ原子は、接続孔
内のＴｉプラグ１３ａ中に拡散していく。そして、この
Ｃｕ原子がスパッタＣｕ膜１４表面に拡散していったＴ
ｉ原子と置換される。
４に模式的に示されるように、接続孔内のＴｉプラグ１
３ａとその上層のスパッタＣｕ膜１４との間に原子の相
互拡散が生じる。即ち、Ｔｉプラグ１３ａを構成するＴ
ｉ原子は上層のスパッタＣｕ膜１４中に拡散していく。
そして、スパッタＣｕ膜１４を通ってその表面にまで達
したＴｉ原子は雰囲気中のＮ2 と結合して、接続孔上部
周辺のスパッタＣｕ膜１４表面にＴｉＮを形成する。一
方、スパッタＣｕ膜１４を構成するＣｕ原子は、接続孔
内のＴｉプラグ１３ａ中に拡散していく。そして、この
Ｃｕ原子がスパッタＣｕ膜１４表面に拡散していったＴ
ｉ原子と置換される。
【００２６】このとき、接続孔内のＴｉプラグ１３ａを
構成するＴｉ原子の量に比べてスパッタＣｕ膜１４のＣ
ｕ原子の量が圧倒的に多く、かつスパッタＣｕ膜１４表
面におけるＴｉ原子とＮ2 との反応によるＴｉＮの析出
によってＴｉ原子が消費されるため、Ｃｕ原子とＴｉ原
子の相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜１４中の
Ｔｉ原子が殆ど存在しなくなるまで持続される。そし
て、接続孔内のＴｉプラグ１３ａを構成するＴｉ原子の
殆どがスパッタＣｕ膜１４から拡散してきたＣｕ原子に
置換されて、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれ
る。
構成するＴｉ原子の量に比べてスパッタＣｕ膜１４のＣ
ｕ原子の量が圧倒的に多く、かつスパッタＣｕ膜１４表
面におけるＴｉ原子とＮ2 との反応によるＴｉＮの析出
によってＴｉ原子が消費されるため、Ｃｕ原子とＴｉ原
子の相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜１４中の
Ｔｉ原子が殆ど存在しなくなるまで持続される。そし
て、接続孔内のＴｉプラグ１３ａを構成するＴｉ原子の
殆どがスパッタＣｕ膜１４から拡散してきたＣｕ原子に
置換されて、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれ
る。
【００２７】なお、このＮ2 雰囲気中における熱処理に
よるＴｉ原子とＣｕ原子との相互拡散の詳細なメカニズ
ムは、本発明者が既に公表している文献（K.Hosino,et
al.,“TiN-ENCAPSULIZED COPPER INTERCONNECTS FOR UL
SI APPLICATIONS",June12-13,1989 VMIC Conference,p
p.226-232）において明らかにしている。従って、図５
に示されるように、接続孔上方のスパッタＣｕ膜１４上
には、接続孔内のＴｉプラグ１３ａからスパッタＣｕ膜
１４表面にまで拡散してきたＴｉ原子と雰囲気中のＮ2
とが結合したＴｉＮ膜１５が形成される一方、Ｔｉプラ
グ１３ａを構成するＴｉ原子の殆どがスパッタＣｕ膜１
４から拡散してきたＣｕ原子に置換されて、接続孔内に
はスパッタＣｕ膜１４と一体的に接続するＣｕプラグ１
４ａが形成される。
よるＴｉ原子とＣｕ原子との相互拡散の詳細なメカニズ
ムは、本発明者が既に公表している文献（K.Hosino,et
al.,“TiN-ENCAPSULIZED COPPER INTERCONNECTS FOR UL
SI APPLICATIONS",June12-13,1989 VMIC Conference,p
p.226-232）において明らかにしている。従って、図５
に示されるように、接続孔上方のスパッタＣｕ膜１４上
には、接続孔内のＴｉプラグ１３ａからスパッタＣｕ膜
１４表面にまで拡散してきたＴｉ原子と雰囲気中のＮ2
とが結合したＴｉＮ膜１５が形成される一方、Ｔｉプラ
グ１３ａを構成するＴｉ原子の殆どがスパッタＣｕ膜１
４から拡散してきたＣｕ原子に置換されて、接続孔内に
はスパッタＣｕ膜１４と一体的に接続するＣｕプラグ１
４ａが形成される。
【００２８】なお、ここでは常圧のＮ2 雰囲気中におい
て熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニール
炉を用いて、減圧Ｎ2 雰囲気中において熱処理を行なっ
てもよい。
て熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニール
炉を用いて、減圧Ｎ2 雰囲気中において熱処理を行なっ
てもよい。
【００２９】次いで、図６に示されるように、ＲＩＥ法
により、接続孔上方のスパッタＣｕ膜１４上に形成され
たＴｉＮ膜１５を除去する。なお、このＴｉＮ膜１５
は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理に
支障がない場合には、エッチング除去しないでそのまま
スパッタＣｕ膜１４上に残存させてもよい。
により、接続孔上方のスパッタＣｕ膜１４上に形成され
たＴｉＮ膜１５を除去する。なお、このＴｉＮ膜１５
は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理に
支障がない場合には、エッチング除去しないでそのまま
スパッタＣｕ膜１４上に残存させてもよい。
【００３０】続いて、ＲＩＥ法により、スパッタＣｕ膜
１４を所望の配線パターンに加工して、接続孔内にを充
填しているＣｕプラグ１４ａと一体的に接続するＣｕ配
線１４ｂを形成する。ここで、ＴｉＮ膜１５のエッチン
グ条件及びスパッタＣｕ膜１４のエッチング条件を以下
に示す。即ち、ＴｉＮ膜１５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜１４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。その後、図示は省略するが、通常の半導体装置
の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド（Ｐ
ａｄ）部の開孔等を行う。
１４を所望の配線パターンに加工して、接続孔内にを充
填しているＣｕプラグ１４ａと一体的に接続するＣｕ配
線１４ｂを形成する。ここで、ＴｉＮ膜１５のエッチン
グ条件及びスパッタＣｕ膜１４のエッチング条件を以下
に示す。即ち、ＴｉＮ膜１５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜１４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。その後、図示は省略するが、通常の半導体装置
の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド（Ｐ
ａｄ）部の開孔等を行う。
【００３１】以上のように本実施形態によれば、Ｓｉ基
板１０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜１１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＴｉプラグ１３ａを形成し、このＴｉプ
ラグ１３ａ上にスパッタＣｕ膜１４を形成した後、Ｎ2
雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｔｉプラ
グ１３ａを構成するＴｉ原子の殆どをスパッタＣｕ膜１
４から拡散してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にス
パッタＣｕ膜１４と一体的に接続するＣｕプラグ１４ａ
を形成することが可能になるため、接続孔内を完全に埋
め込むＣｕプラグ１４ａ及びこのＣｕプラグ１４ａと一
体的に接続するＣｕ配線１４ｂを形成することが可能に
なる。しかも、これらのＣｕプラグ１４ａ及びＣｕ配線
１４ｂは、スパッタリング法によって成膜したスパッタ
Ｃｕ膜１４から形成されることから、例えばＣＶＤ法を
用いて成膜したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して比抵抗が低く
表面の平滑性に優れているため、配線として用いるのに
必要な高い品質を有している。
板１０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜１１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＴｉプラグ１３ａを形成し、このＴｉプ
ラグ１３ａ上にスパッタＣｕ膜１４を形成した後、Ｎ2
雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｔｉプラ
グ１３ａを構成するＴｉ原子の殆どをスパッタＣｕ膜１
４から拡散してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にス
パッタＣｕ膜１４と一体的に接続するＣｕプラグ１４ａ
を形成することが可能になるため、接続孔内を完全に埋
め込むＣｕプラグ１４ａ及びこのＣｕプラグ１４ａと一
体的に接続するＣｕ配線１４ｂを形成することが可能に
なる。しかも、これらのＣｕプラグ１４ａ及びＣｕ配線
１４ｂは、スパッタリング法によって成膜したスパッタ
Ｃｕ膜１４から形成されることから、例えばＣＶＤ法を
用いて成膜したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して比抵抗が低く
表面の平滑性に優れているため、配線として用いるのに
必要な高い品質を有している。
【００３２】なお、接続孔内のＴｉプラグ１３ａを構成
するＴｉ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ１４ａを
形成する際に、この接続孔内のＣｕプラグ１４ａ中及び
その上層のＣｕ膜１４中に、熱処理温度における固溶度
以下のＴｉ原子、例えば熱処理温度が６００℃の場合に
０．５％程度のＴｉ原子が残留するが、この残留Ｔｉ原
子の量はＣｕプラグ１４ａ及びその上層のＣｕ膜１４の
Ｃｕ原子の量に比べて圧倒的に少ないため、これらＣｕ
プラグ１４ａ及びその上層のＣｕ膜１４のコンタクト抵
抗及び配線抵抗の上昇に殆ど影響を与えることはない。
するＴｉ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ１４ａを
形成する際に、この接続孔内のＣｕプラグ１４ａ中及び
その上層のＣｕ膜１４中に、熱処理温度における固溶度
以下のＴｉ原子、例えば熱処理温度が６００℃の場合に
０．５％程度のＴｉ原子が残留するが、この残留Ｔｉ原
子の量はＣｕプラグ１４ａ及びその上層のＣｕ膜１４の
Ｃｕ原子の量に比べて圧倒的に少ないため、これらＣｕ
プラグ１４ａ及びその上層のＣｕ膜１４のコンタクト抵
抗及び配線抵抗の上昇に殆ど影響を与えることはない。
【００３３】従って、高品質のスパッタＣｕ膜１４から
なるＣｕプラグ１４ａ及びＣｕ配線１４ｂが一体的に接
続しているコンタクト構造及び配線構造が実現されるた
め、Ｃｕ配線の長所である高い導電率と高いエレクトロ
マイグレーション耐性により、高速且つ信頼性の高い半
導体装置を作製することができる。
なるＣｕプラグ１４ａ及びＣｕ配線１４ｂが一体的に接
続しているコンタクト構造及び配線構造が実現されるた
め、Ｃｕ配線の長所である高い導電率と高いエレクトロ
マイグレーション耐性により、高速且つ信頼性の高い半
導体装置を作製することができる。
【００３４】また、接続孔内にＣｕプラグ１４ａを形成
する際に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、良好なステ
ップカバレージをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣ
ＶＤ−Ｔｉ膜１３からなるＴｉプラグ１３ａを形成し、
このＴｉプラグ１３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣ
ｕ膜１４から拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラ
グ１４ａを形成するため、たとえアスペクト比の大きい
接続孔であっても、従来の高温スパッタリング法やリフ
ロー法によっては得ることができなかった高い歩留りを
もって接続孔内を完全に埋め込むＣｕプラグ１４ａを形
成することが可能になり、優れた生産性と高い信頼性を
実現することができる。
する際に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、良好なステ
ップカバレージをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣ
ＶＤ−Ｔｉ膜１３からなるＴｉプラグ１３ａを形成し、
このＴｉプラグ１３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣ
ｕ膜１４から拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラ
グ１４ａを形成するため、たとえアスペクト比の大きい
接続孔であっても、従来の高温スパッタリング法やリフ
ロー法によっては得ることができなかった高い歩留りを
もって接続孔内を完全に埋め込むＣｕプラグ１４ａを形
成することが可能になり、優れた生産性と高い信頼性を
実現することができる。
【００３５】また、ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３をエッチバック
して接続孔内にＴｉプラグ１３ａを形成する際に、Ｓｉ
Ｏ2 層間絶縁膜１１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２
２はエッチングせずに残存させ、このＴｉＮ／Ｔｉバリ
アメタル層２２上にスパッタＣｕ膜１４を形成すること
から、このスパッタＣｕ膜１４からなるＣｕ配線１４ｂ
はＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２を下地層とするた
め、Ｃｕ配線１４ｂのエレクトロマイグレーション耐性
を更に向上させることができる。
して接続孔内にＴｉプラグ１３ａを形成する際に、Ｓｉ
Ｏ2 層間絶縁膜１１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２
２はエッチングせずに残存させ、このＴｉＮ／Ｔｉバリ
アメタル層２２上にスパッタＣｕ膜１４を形成すること
から、このスパッタＣｕ膜１４からなるＣｕ配線１４ｂ
はＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２を下地層とするた
め、Ｃｕ配線１４ｂのエレクトロマイグレーション耐性
を更に向上させることができる。
【００３６】また、接続孔内にＴｉプラグ１３ａを形成
する際に、接続孔の底面をなすＳｉ基板や金属電極等の
下地層とＴｉプラグ１３ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリア
メタル層２２が介在し、またＴｉプラグ１３ａを構成す
るＴｉ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ１４ａを形
成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ１４ａと
の間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２が介在している
ことから、接続孔内の下地層とＴｉプラグ１３ａとが反
応したり、接続孔内の下地層とＣｕプラグ１４ａとが反
応したりすることを防止して、コンタクトの信頼性を向
上させることができる。
する際に、接続孔の底面をなすＳｉ基板や金属電極等の
下地層とＴｉプラグ１３ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリア
メタル層２２が介在し、またＴｉプラグ１３ａを構成す
るＴｉ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ１４ａを形
成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ１４ａと
の間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２が介在している
ことから、接続孔内の下地層とＴｉプラグ１３ａとが反
応したり、接続孔内の下地層とＣｕプラグ１４ａとが反
応したりすることを防止して、コンタクトの信頼性を向
上させることができる。
【００３７】（第２の実施形態）図７〜図１１はそれぞ
れ本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法
を説明するための工程断面図である。上記第１の実施形
態が、接続孔内にＴｉプラグ１３ａを形成し、その上に
スパッタＣｕ膜２４を形成した後、Ｎ2 雰囲気中におけ
る熱処理を行なうことにより、Ｔｉプラグ１３ａを構成
するＴｉ原子をスパッタＣｕ膜２４から拡散してきたＣ
ｕ原子に置換して、接続孔内にスパッタＣｕ膜２４と一
体的に接続するＣｕプラグ２４ａを形成しているのに対
して、本実施形態は、接続孔内にＺｒプラグを形成し、
その上にスパッタＣｕ膜を形成した後、ＮＨ3 （アンモ
ニア）雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｚ
ｒプラグを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜から拡散
してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にスパッタＣｕ
膜と一体的に接続するＣｕプラグを形成している点に特
徴がある。
れ本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法
を説明するための工程断面図である。上記第１の実施形
態が、接続孔内にＴｉプラグ１３ａを形成し、その上に
スパッタＣｕ膜２４を形成した後、Ｎ2 雰囲気中におけ
る熱処理を行なうことにより、Ｔｉプラグ１３ａを構成
するＴｉ原子をスパッタＣｕ膜２４から拡散してきたＣ
ｕ原子に置換して、接続孔内にスパッタＣｕ膜２４と一
体的に接続するＣｕプラグ２４ａを形成しているのに対
して、本実施形態は、接続孔内にＺｒプラグを形成し、
その上にスパッタＣｕ膜を形成した後、ＮＨ3 （アンモ
ニア）雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｚ
ｒプラグを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜から拡散
してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にスパッタＣｕ
膜と一体的に接続するＣｕプラグを形成している点に特
徴がある。
【００３８】初めに、通常のＬＳＩ製造工程に従って、
Ｓｉ基板２０表面に、素子分離領域、不純物拡散層、ゲ
ート電極などのトランジスタ部分（図示せず）を形成す
る。そして、図７に示されるように、ＣＶＤ法により、
Ｓｉ基板２０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層間絶縁膜
２１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎｍ、深さ
６００ｎｍの接続孔を開孔する。
Ｓｉ基板２０表面に、素子分離領域、不純物拡散層、ゲ
ート電極などのトランジスタ部分（図示せず）を形成す
る。そして、図７に示されるように、ＣＶＤ法により、
Ｓｉ基板２０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層間絶縁膜
２１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎｍ、深さ
６００ｎｍの接続孔を開孔する。
【００３９】続いて、スパッタリング法により、基体全
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
２２を形成する。更に、熱ＣＶＤ法により、基体全面に
ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３を６００ｎｍの膜厚に形成する。こ
うして、このＣＶＤ−Ｚｒ膜２３により良好なステップ
カバレージをもって接続孔内を完全に埋め込む。
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
２２を形成する。更に、熱ＣＶＤ法により、基体全面に
ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３を６００ｎｍの膜厚に形成する。こ
うして、このＣＶＤ−Ｚｒ膜２３により良好なステップ
カバレージをもって接続孔内を完全に埋め込む。
【００４０】ここで、これらのＴｉ下層膜、ＴｉＮ上層
膜、及びＣＶＤ−Ｚｒ膜２３の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ＋Ｎ2 の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３の熱ＣＶＤ条件は、 Ｚｒ（ＣＨ3 ）4 ＋Ｈ2 の流量：１００＋５００ＳＣＣ
Ｍ 圧力：８０Ｔｏｏｒ 温度：４５０℃ とする。
膜、及びＣＶＤ−Ｚｒ膜２３の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ＋Ｎ2 の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３の熱ＣＶＤ条件は、 Ｚｒ（ＣＨ3 ）4 ＋Ｈ2 の流量：１００＋５００ＳＣＣ
Ｍ 圧力：８０Ｔｏｏｒ 温度：４５０℃ とする。
【００４１】次いで、図８に示されるように、ＲＩＥ法
により、ＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２表面が露出す
るまでＣＶＤ−Ｚｒ膜２３をエッチバックして、接続孔
内のみにＣＶＤ−Ｚｒ膜２３を残存させる。こうして、
接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜２３からな
るＺｒプラグ２３ａを形成する。このとき、ＳｉＯ２層
間絶縁膜２１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２はエ
ッチングせずに残存させておく。
により、ＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２表面が露出す
るまでＣＶＤ−Ｚｒ膜２３をエッチバックして、接続孔
内のみにＣＶＤ−Ｚｒ膜２３を残存させる。こうして、
接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜２３からな
るＺｒプラグ２３ａを形成する。このとき、ＳｉＯ２層
間絶縁膜２１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２はエ
ッチングせずに残存させておく。
【００４２】ここで、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３のエッチング
条件を以下に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３のＲＩＥ
条件は、 Ｃ４ Ｆ8 ＋ＣＯ＋Ａｒの流量：１０＋１５０＋２００
ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．６ｋＷ 圧力：５．３Ｐａ エッチング速度：２５０ｎｍ／分 とする。
条件を以下に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３のＲＩＥ
条件は、 Ｃ４ Ｆ8 ＋ＣＯ＋Ａｒの流量：１０＋１５０＋２００
ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．６ｋＷ 圧力：５．３Ｐａ エッチング速度：２５０ｎｍ／分 とする。
【００４３】次いで、図９に示されるように、Ｚｒプラ
グ２３ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除去
するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法に
より、基体全面にスパッタＣｕ膜２４を膜厚５００ｎｍ
に形成する。
グ２３ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除去
するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法に
より、基体全面にスパッタＣｕ膜２４を膜厚５００ｎｍ
に形成する。
【００４４】ここで、Ｚｒプラグ２３ａ表面のプレクリ
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜２４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｚｒプラグ２３ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜２４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜２４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｚｒプラグ２３ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜２４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
【００４５】次いで、ウェーハを電気炉に挿入して、Ｎ
Ｈ3 雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処
理条件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：ＮＨ3 −１００％ 圧力：常圧 とする。
Ｈ3 雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処
理条件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：ＮＨ3 −１００％ 圧力：常圧 とする。
【００４６】こうした条件の熱処理により、上記第１の
実施形態における接続孔内のＴｉプラグ１３ａとその上
層のスパッタＣｕ膜２４との間に原子の相互拡散の場合
と同様にして、接続孔内のＺｒプラグ２３ａとその上層
のスパッタＣｕ膜２４との間に原子の相互拡散が生じ
る。即ち、Ｚｒプラグ２３ａを構成するＺｒ原子は上層
のスパッタＣｕ膜２４中に拡散し、スパッタＣｕ膜２４
を通ってその表面にまで達したＺｒ原子は雰囲気中のＮ
Ｈ3 と結合して、接続孔上部周辺のスパッタＣｕ膜２４
表面にＺｒＮを形成する。一方、スパッタＣｕ膜２４を
構成するＣｕ原子は、接続孔内のＺｒプラグ２３ａ中に
拡散して、スパッタＣｕ膜２４表面に拡散していったＺ
ｒ原子と置換される。そして、このようなＣｕ原子とＺ
ｒ原子との相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜２
４中のＺｒ原子が殆ど存在しなくなるまで持続されるた
め、接続孔内のＺｒプラグ２３ａを構成するＺｒ原子の
殆どがスパッタＣｕ膜２４から拡散してきたＣｕ原子に
置換されて、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれ
る。
実施形態における接続孔内のＴｉプラグ１３ａとその上
層のスパッタＣｕ膜２４との間に原子の相互拡散の場合
と同様にして、接続孔内のＺｒプラグ２３ａとその上層
のスパッタＣｕ膜２４との間に原子の相互拡散が生じ
る。即ち、Ｚｒプラグ２３ａを構成するＺｒ原子は上層
のスパッタＣｕ膜２４中に拡散し、スパッタＣｕ膜２４
を通ってその表面にまで達したＺｒ原子は雰囲気中のＮ
Ｈ3 と結合して、接続孔上部周辺のスパッタＣｕ膜２４
表面にＺｒＮを形成する。一方、スパッタＣｕ膜２４を
構成するＣｕ原子は、接続孔内のＺｒプラグ２３ａ中に
拡散して、スパッタＣｕ膜２４表面に拡散していったＺ
ｒ原子と置換される。そして、このようなＣｕ原子とＺ
ｒ原子との相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜２
４中のＺｒ原子が殆ど存在しなくなるまで持続されるた
め、接続孔内のＺｒプラグ２３ａを構成するＺｒ原子の
殆どがスパッタＣｕ膜２４から拡散してきたＣｕ原子に
置換されて、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれ
る。
【００４７】従って、図１０に示されるように、接続孔
上方のスパッタＣｕ膜２４上に、接続孔内のＺｒプラグ
２３ａからスパッタＣｕ膜２４表面にまで拡散してきた
Ｚｒ原子と雰囲気中のＮＨ3 とが反応してＺｒＮ膜１５
が形成される一方、Ｚｒプラグ２３ａを構成するＺｒ原
子の殆どがスパッタＣｕ膜２４から拡散してきたＣｕ原
子に置換されて、接続孔内にはスパッタＣｕ膜２４と一
体的に接続するＣｕプラグ２４ａが形成される。
上方のスパッタＣｕ膜２４上に、接続孔内のＺｒプラグ
２３ａからスパッタＣｕ膜２４表面にまで拡散してきた
Ｚｒ原子と雰囲気中のＮＨ3 とが反応してＺｒＮ膜１５
が形成される一方、Ｚｒプラグ２３ａを構成するＺｒ原
子の殆どがスパッタＣｕ膜２４から拡散してきたＣｕ原
子に置換されて、接続孔内にはスパッタＣｕ膜２４と一
体的に接続するＣｕプラグ２４ａが形成される。
【００４８】なお、ここでは常圧のＮＨ3 雰囲気中にお
いて熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニー
ル炉を用いて、減圧ＮＨ3 雰囲気中において熱処理を行
なってもよい。
いて熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニー
ル炉を用いて、減圧ＮＨ3 雰囲気中において熱処理を行
なってもよい。
【００４９】次いで、図１１に示されるように、ＲＩＥ
法により、接続孔の上方のスパッタＣｕ膜２４上に形成
されたＺｒＮ膜１５を除去する。なお、このＺｒＮ膜１
５は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理
に支障がない場合には、エッチング除去しないでそのま
まスパッタＣｕ膜２４上に残存させてもよい。続いて、
ＲＩＥ法により、スパッタＣｕ膜２４を所望の配線パタ
ーンに加工して、接続孔内にを充填しているＣｕプラグ
２４ａと一体的に接続するＣｕ配線２４ｂを形成する。
法により、接続孔の上方のスパッタＣｕ膜２４上に形成
されたＺｒＮ膜１５を除去する。なお、このＺｒＮ膜１
５は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理
に支障がない場合には、エッチング除去しないでそのま
まスパッタＣｕ膜２４上に残存させてもよい。続いて、
ＲＩＥ法により、スパッタＣｕ膜２４を所望の配線パタ
ーンに加工して、接続孔内にを充填しているＣｕプラグ
２４ａと一体的に接続するＣｕ配線２４ｂを形成する。
【００５０】ここで、ＺｒＮ膜１５のエッチング条件及
びスパッタＣｕ膜２４のエッチング条件を以下に示す。
即ち、ＺｒＮ膜１５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜２４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。
びスパッタＣｕ膜２４のエッチング条件を以下に示す。
即ち、ＺｒＮ膜１５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜２４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。
【００５１】その後、図示は省略するが、通常の半導体
装置の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド
部の開孔等を行う。
装置の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド
部の開孔等を行う。
【００５２】以上のように本実施形態によれば、Ｓｉ基
板２０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜２１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＺｒプラグ２３ａを形成し、このＺｒプ
ラグ２３ａ上にスパッタＣｕ膜２４を形成した後、ＮＨ
3 雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｚｒプ
ラグ２３ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜２４か
ら拡散してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にスパッ
タＣｕ膜２４と一体的に接続するＣｕプラグ２４ａを形
成することが可能になるため、接続孔内を完全に埋め込
むＣｕプラグ２４ａ及びこのＣｕプラグ２４ａと一体的
に接続するＣｕ配線２４ｂを形成することが可能にな
る。しかも、これらのＣｕプラグ２４ａ及びＣｕ配線２
４ｂは、スパッタリング法によって成膜したスパッタＣ
ｕ膜１４から形成されることから、例えばＣＶＤ法を用
いて成膜したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して比抵抗が低く表
面の平滑性に優れているため、配線として用いるのに必
要な高い品質を有している。
板２０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜２１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＺｒプラグ２３ａを形成し、このＺｒプ
ラグ２３ａ上にスパッタＣｕ膜２４を形成した後、ＮＨ
3 雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｚｒプ
ラグ２３ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜２４か
ら拡散してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にスパッ
タＣｕ膜２４と一体的に接続するＣｕプラグ２４ａを形
成することが可能になるため、接続孔内を完全に埋め込
むＣｕプラグ２４ａ及びこのＣｕプラグ２４ａと一体的
に接続するＣｕ配線２４ｂを形成することが可能にな
る。しかも、これらのＣｕプラグ２４ａ及びＣｕ配線２
４ｂは、スパッタリング法によって成膜したスパッタＣ
ｕ膜１４から形成されることから、例えばＣＶＤ法を用
いて成膜したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して比抵抗が低く表
面の平滑性に優れているため、配線として用いるのに必
要な高い品質を有している。
【００５３】なお、接続孔内のＺｒプラグ２３ａを構成
するＺｒ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ２４ａを
形成する際に、このＣｕプラグ２４ａ中及びその上層の
Ｃｕ膜２４中に、熱処理温度６００℃における固溶度以
下のＺｒ原子が残留するが、この残留Ｚｒ原子の量はＣ
ｕプラグ２４ａ及びその上層のＣｕ膜２４のＣｕ原子の
量に比べて圧倒的に少ないため、これらＣｕプラグ２４
ａ及びその上層のＣｕ膜２４のコンタクト抵抗及び配線
抵抗の上昇に殆ど影響を与えることはない。従って、上
記第１の実施形態の場合と同様に、高品質のスパッタＣ
ｕ膜１４からなるＣｕプラグ１４ａ及びＣｕ配線１４ｂ
が一体的に接続しているコンタクト構造及び配線構造が
実現されるため、Ｃｕ配線の長所である高い導電率と高
いエレクトロマイグレーション耐性により、高速且つ信
頼性の高い半導体装置を作製することができる。
するＺｒ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ２４ａを
形成する際に、このＣｕプラグ２４ａ中及びその上層の
Ｃｕ膜２４中に、熱処理温度６００℃における固溶度以
下のＺｒ原子が残留するが、この残留Ｚｒ原子の量はＣ
ｕプラグ２４ａ及びその上層のＣｕ膜２４のＣｕ原子の
量に比べて圧倒的に少ないため、これらＣｕプラグ２４
ａ及びその上層のＣｕ膜２４のコンタクト抵抗及び配線
抵抗の上昇に殆ど影響を与えることはない。従って、上
記第１の実施形態の場合と同様に、高品質のスパッタＣ
ｕ膜１４からなるＣｕプラグ１４ａ及びＣｕ配線１４ｂ
が一体的に接続しているコンタクト構造及び配線構造が
実現されるため、Ｃｕ配線の長所である高い導電率と高
いエレクトロマイグレーション耐性により、高速且つ信
頼性の高い半導体装置を作製することができる。
【００５４】また、接続孔内にＣｕプラグ２４ａを形成
する際に、熱ＣＶＤ法により、良好なステップカバレー
ジをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜
２３からなるＺｒプラグ２３ａを形成し、このＺｒプラ
グ２３ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜２４から
拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラグ２４ａを形
成するため、上記第１の実施形態の場合と同様に、たと
えアスペクト比の大きい接続孔であっても、従来の高温
スパッタリング法やリフロー法によっては得ることがで
きなかった高い歩留りをもって接続孔内を完全に埋め込
むＣｕプラグ２４ａを形成することが可能になり、優れ
た生産性と高い信頼性を実現することができる。
する際に、熱ＣＶＤ法により、良好なステップカバレー
ジをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜
２３からなるＺｒプラグ２３ａを形成し、このＺｒプラ
グ２３ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜２４から
拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラグ２４ａを形
成するため、上記第１の実施形態の場合と同様に、たと
えアスペクト比の大きい接続孔であっても、従来の高温
スパッタリング法やリフロー法によっては得ることがで
きなかった高い歩留りをもって接続孔内を完全に埋め込
むＣｕプラグ２４ａを形成することが可能になり、優れ
た生産性と高い信頼性を実現することができる。
【００５５】また、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２３をエッチバック
して接続孔内にＺｒプラグ２３ａを形成する際に、Ｓｉ
Ｏ2 層間絶縁膜２１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２
２はエッチングせずに残存させ、このＴｉＮ／Ｔｉバリ
アメタル層２２上にスパッタＣｕ膜２４を形成すること
から、上記第１の実施形態の場合と同様に、このスパッ
タＣｕ膜２４からなるＣｕ配線２４ｂはＴｉＮ／Ｔｉバ
リアメタル層２２を下地層とするため、Ｃｕ配線２４ｂ
のエレクトロマイグレーション耐性を更に向上させるこ
とができる。
して接続孔内にＺｒプラグ２３ａを形成する際に、Ｓｉ
Ｏ2 層間絶縁膜２１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２
２はエッチングせずに残存させ、このＴｉＮ／Ｔｉバリ
アメタル層２２上にスパッタＣｕ膜２４を形成すること
から、上記第１の実施形態の場合と同様に、このスパッ
タＣｕ膜２４からなるＣｕ配線２４ｂはＴｉＮ／Ｔｉバ
リアメタル層２２を下地層とするため、Ｃｕ配線２４ｂ
のエレクトロマイグレーション耐性を更に向上させるこ
とができる。
【００５６】また、接続孔内にＺｒプラグ２３ａを形成
する際に、接続孔の底面をなすＳｉ基板や金属電極等の
下地層とＺｒプラグ２３ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリア
メタル層２２が介在し、またＺｒプラグ２３ａを構成す
るＺｒ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ２４ａを形
成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ２４ａと
の間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２が介在している
ことから、上記第１の実施形態の場合と同様に、接続孔
内の下地層とＺｒプラグ２３ａとが反応したり、接続孔
内の下地層とＣｕプラグ２４ａとが反応したりすること
を防止して、コンタクトの信頼性を向上させることがで
きる。
する際に、接続孔の底面をなすＳｉ基板や金属電極等の
下地層とＺｒプラグ２３ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリア
メタル層２２が介在し、またＺｒプラグ２３ａを構成す
るＺｒ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ２４ａを形
成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ２４ａと
の間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層２２が介在している
ことから、上記第１の実施形態の場合と同様に、接続孔
内の下地層とＺｒプラグ２３ａとが反応したり、接続孔
内の下地層とＣｕプラグ２４ａとが反応したりすること
を防止して、コンタクトの信頼性を向上させることがで
きる。
【００５７】（第３の実施形態）図１２〜図１６はそれ
ぞれ本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方
法を説明するための工程断面図である。上記第１の実施
形態が、Ｓｉ基板１０上のＳｉＯ２層間絶縁膜１１に接
続孔を開孔した後、基体全面にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタ
ル層１２及びＣＶＤ−Ｔｉ膜１３を堆積し、更にＴｉＮ
／Ｔｉバリアメタル層１２表面が露出するまでＣＶＤ−
Ｔｉ膜１３をエッチバックして、接続孔内を埋め込んだ
ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３からなるＴｉプラグ１３ａを形成し
ているのに対して、本実施形態は、Ｓｉ基板上のＳｉＯ
2 層間絶縁膜に接続孔を開孔した後、基体全面にＴｉＮ
／Ｔｉバリアメタル層及びＣＶＤ−Ｔｉ膜を堆積し、更
にＳｉＯ2 層間絶縁膜表面が露出するまでＣＶＤ−Ｔｉ
膜及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層を研磨して、接続孔
内を埋め込んだＣＶＤ−Ｔｉ膜からなるＴｉプラグを形
成している点に特徴がある。
ぞれ本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方
法を説明するための工程断面図である。上記第１の実施
形態が、Ｓｉ基板１０上のＳｉＯ２層間絶縁膜１１に接
続孔を開孔した後、基体全面にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタ
ル層１２及びＣＶＤ−Ｔｉ膜１３を堆積し、更にＴｉＮ
／Ｔｉバリアメタル層１２表面が露出するまでＣＶＤ−
Ｔｉ膜１３をエッチバックして、接続孔内を埋め込んだ
ＣＶＤ−Ｔｉ膜１３からなるＴｉプラグ１３ａを形成し
ているのに対して、本実施形態は、Ｓｉ基板上のＳｉＯ
2 層間絶縁膜に接続孔を開孔した後、基体全面にＴｉＮ
／Ｔｉバリアメタル層及びＣＶＤ−Ｔｉ膜を堆積し、更
にＳｉＯ2 層間絶縁膜表面が露出するまでＣＶＤ−Ｔｉ
膜及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層を研磨して、接続孔
内を埋め込んだＣＶＤ−Ｔｉ膜からなるＴｉプラグを形
成している点に特徴がある。
【００５８】初めに、通常のＬＳＩ製造工程に従って、
Ｓｉ基板３０表面に、素子分離領域、不純物拡散層、ゲ
ート電極などのトランジスタ部分（図示せず）を形成す
る。そして、図１２に示されるように、ＣＶＤ法によ
り、Ｓｉ基板３０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層間絶
縁膜３１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎｍ、
深さ６００ｎｍの接続孔を開孔する。
Ｓｉ基板３０表面に、素子分離領域、不純物拡散層、ゲ
ート電極などのトランジスタ部分（図示せず）を形成す
る。そして、図１２に示されるように、ＣＶＤ法によ
り、Ｓｉ基板３０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層間絶
縁膜３１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎｍ、
深さ６００ｎｍの接続孔を開孔する。
【００５９】続いて、スパッタリング法により、基体全
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
３２を形成する。更に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によ
り、基体全面にＣＶＤ−Ｔｉ膜３３を６００ｎｍの膜厚
に形成する。こうして、このＣＶＤ−Ｔｉ膜３３により
良好なステップカバレージをもって接続孔内を完全に埋
め込む。
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
３２を形成する。更に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によ
り、基体全面にＣＶＤ−Ｔｉ膜３３を６００ｎｍの膜厚
に形成する。こうして、このＣＶＤ−Ｔｉ膜３３により
良好なステップカバレージをもって接続孔内を完全に埋
め込む。
【００６０】ここで、これらのＴｉ下層膜、ＴｉＮ上層
膜、及びＣＶＤ−Ｔｉ膜３３の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ＋Ｎ2 の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３のＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ条件は、 ＴｉＣｌ4 ＋Ｈ2 ＋Ａｒの流量：２＋１００＋２５０Ｓ
ＣＣＭ 圧力：３００Ｐａ μ波パワー：２．８ｋＷ 温度：４６０℃ とする。
膜、及びＣＶＤ−Ｔｉ膜３３の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ＋Ｎ2 の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３のＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ条件は、 ＴｉＣｌ4 ＋Ｈ2 ＋Ａｒの流量：２＋１００＋２５０Ｓ
ＣＣＭ 圧力：３００Ｐａ μ波パワー：２．８ｋＷ 温度：４６０℃ とする。
【００６１】次いで、図１３に示されるように、ＣＭＰ
（Chemical Mechanical Polishing；化学的機械研磨）
法により、ＳｉＯ2 層間絶縁膜３１表面が露出するまで
ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３
２を研磨して、接続孔内のみにＣＶＤ−Ｔｉ膜３３を残
存させる。こうして、接続孔内を完全に埋め込んだＣＶ
Ｄ−Ｔｉ膜３３からなるＴｉプラグ３３ａを形成する。
このとき、上記第１の実施形態の場合と異なり、ＳｉＯ
2 層間絶縁膜３１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２
は研磨により除去され、ＳｉＯ2 層間絶縁膜３１表面が
露出する。
（Chemical Mechanical Polishing；化学的機械研磨）
法により、ＳｉＯ2 層間絶縁膜３１表面が露出するまで
ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３
２を研磨して、接続孔内のみにＣＶＤ−Ｔｉ膜３３を残
存させる。こうして、接続孔内を完全に埋め込んだＣＶ
Ｄ−Ｔｉ膜３３からなるＴｉプラグ３３ａを形成する。
このとき、上記第１の実施形態の場合と異なり、ＳｉＯ
2 層間絶縁膜３１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２
は研磨により除去され、ＳｉＯ2 層間絶縁膜３１表面が
露出する。
【００６２】ここで、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３及びＴｉＮ／
Ｔｉバリアメタル層３２の研磨条件を以下に示す。即
ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル
層３２のＣＭＰ条件は、 研磨剤（スリラー）：過酸化水素水＋アルミナ スリラー流量：２０ＳＣＣＭ 研磨ヘッド圧力：４．０ｐｓｉ ウェーハ回転数：２０ｒｐｍ ヘッド回転数：２０ｒｐｍ とする。
Ｔｉバリアメタル層３２の研磨条件を以下に示す。即
ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル
層３２のＣＭＰ条件は、 研磨剤（スリラー）：過酸化水素水＋アルミナ スリラー流量：２０ＳＣＣＭ 研磨ヘッド圧力：４．０ｐｓｉ ウェーハ回転数：２０ｒｐｍ ヘッド回転数：２０ｒｐｍ とする。
【００６３】次いで、図１４に示されるように、Ｔｉプ
ラグ３３ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除
去するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法
により、基体全面にスパッタＣｕ膜３４を膜厚５００ｎ
ｍに形成する。
ラグ３３ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除
去するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法
により、基体全面にスパッタＣｕ膜３４を膜厚５００ｎ
ｍに形成する。
【００６４】ここで、Ｔｉプラグ３３ａ表面のプレクリ
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜３４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｔｉプラグ３３ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜３４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜３４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｔｉプラグ３３ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜３４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
【００６５】次いで、ウェーハを電気炉に挿入し、Ｎ2
雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処理条
件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：Ｎ2 −１００％ 圧力：常圧 とする。
雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処理条
件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：Ｎ2 −１００％ 圧力：常圧 とする。
【００６６】こうした条件の熱処理により、上記第１の
実施形態における接続孔内のＴｉプラグ３３ａとその上
層のスパッタＣｕ膜３４との間に原子の相互拡散の場合
と同様にして、接続孔内のＴｉプラグ３３ａとその上層
のスパッタＣｕ膜３４との間に原子の相互拡散が生じ
る。即ち、Ｔｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子は上層
のスパッタＣｕ膜３４中に拡散し、スパッタＣｕ膜３４
を通ってその表面にまで達したＴｉ原子は雰囲気中のＮ
2 と結合して、接続孔上部周辺のスパッタＣｕ膜３４表
面にＴｉＮを形成する。一方、スパッタＣｕ膜３４を構
成するＣｕ原子は、接続孔内のＴｉプラグ３３ａ中に拡
散して、スパッタＣｕ膜３４表面に拡散していったＴｉ
原子と置換される。そして、このようなＣｕ原子とＴｉ
原子の相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜３４中
のＴｉ原子が殆ど存在しなくなるまで持続されて、接続
孔内のＴｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子の殆どがス
パッタＣｕ膜３４から拡散してきたＣｕ原子に置換さ
れ、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれる。
実施形態における接続孔内のＴｉプラグ３３ａとその上
層のスパッタＣｕ膜３４との間に原子の相互拡散の場合
と同様にして、接続孔内のＴｉプラグ３３ａとその上層
のスパッタＣｕ膜３４との間に原子の相互拡散が生じ
る。即ち、Ｔｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子は上層
のスパッタＣｕ膜３４中に拡散し、スパッタＣｕ膜３４
を通ってその表面にまで達したＴｉ原子は雰囲気中のＮ
2 と結合して、接続孔上部周辺のスパッタＣｕ膜３４表
面にＴｉＮを形成する。一方、スパッタＣｕ膜３４を構
成するＣｕ原子は、接続孔内のＴｉプラグ３３ａ中に拡
散して、スパッタＣｕ膜３４表面に拡散していったＴｉ
原子と置換される。そして、このようなＣｕ原子とＴｉ
原子の相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜３４中
のＴｉ原子が殆ど存在しなくなるまで持続されて、接続
孔内のＴｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子の殆どがス
パッタＣｕ膜３４から拡散してきたＣｕ原子に置換さ
れ、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれる。
【００６７】従って、図１５に示されるように、接続孔
上方のスパッタＣｕ膜３４上に、接続孔内のＴｉプラグ
３３ａからスパッタＣｕ膜３４表面にまで拡散してきた
Ｔｉ原子と雰囲気中のＮ2 とが反応してＴｉＮ膜３５が
形成される一方、Ｔｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子
の殆どがスパッタＣｕ膜３４から拡散してきたＣｕ原子
に置換されて、接続孔内にはスパッタＣｕ膜３４と一体
的に接続するＣｕプラグ３４ａが形成される。
上方のスパッタＣｕ膜３４上に、接続孔内のＴｉプラグ
３３ａからスパッタＣｕ膜３４表面にまで拡散してきた
Ｔｉ原子と雰囲気中のＮ2 とが反応してＴｉＮ膜３５が
形成される一方、Ｔｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子
の殆どがスパッタＣｕ膜３４から拡散してきたＣｕ原子
に置換されて、接続孔内にはスパッタＣｕ膜３４と一体
的に接続するＣｕプラグ３４ａが形成される。
【００６８】なお、ここでは常圧のＮ2 雰囲気中におい
て熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニール
炉を用いて、減圧Ｎ2 雰囲気中において熱処理を行なっ
てもよい。
て熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニール
炉を用いて、減圧Ｎ2 雰囲気中において熱処理を行なっ
てもよい。
【００６９】次いで、図１６に示されるように、ＲＩＥ
法により、接続孔の上方のスパッタＣｕ膜３４上に形成
されたＴｉＮ膜３５を除去する。なお、このＴｉＮ膜３
５は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理
に支障がない場合には、エッチング除去しないでそのま
まスパッタＣｕ膜３４上に残存させてもよい。続いて、
ＲＩＥ法により、スパッタＣｕ膜３４を所望の配線パタ
ーンに加工して、接続孔内にを充填しているＣｕプラグ
３４ａと一体的に接続するＣｕ配線３４ｂを形成する。
法により、接続孔の上方のスパッタＣｕ膜３４上に形成
されたＴｉＮ膜３５を除去する。なお、このＴｉＮ膜３
５は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理
に支障がない場合には、エッチング除去しないでそのま
まスパッタＣｕ膜３４上に残存させてもよい。続いて、
ＲＩＥ法により、スパッタＣｕ膜３４を所望の配線パタ
ーンに加工して、接続孔内にを充填しているＣｕプラグ
３４ａと一体的に接続するＣｕ配線３４ｂを形成する。
【００７０】ここで、ＴｉＮ膜３５のエッチング条件及
びスパッタＣｕ膜３４のエッチング条件を以下に示す。
即ち、ＴｉＮ膜３５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜３４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。
びスパッタＣｕ膜３４のエッチング条件を以下に示す。
即ち、ＴｉＮ膜３５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜３４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。
【００７１】その後、図示は省略するが、通常の半導体
装置の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド
部の開孔等を行う。
装置の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド
部の開孔等を行う。
【００７２】以上のように本実施形態によれば、Ｓｉ基
板３０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜３１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＴｉプラグ３３ａを形成し、このＴｉプ
ラグ３３ａ上にスパッタＣｕ膜３４を形成した後、Ｎ2
雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｔｉプラ
グ３３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣｕ膜３４から
拡散してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にスパッタ
Ｃｕ膜３４と一体的に接続するＣｕプラグ３４ａを形成
することが可能になるため、接続孔内を埋め込むＣｕプ
ラグ３４ａ及びこのＣｕプラグ３４ａと一体的に接続す
るＣｕ配線３４ｂを形成することが可能になる。しか
も、これらのＣｕプラグ３４ａ及びＣｕ配線３４ｂは、
スパッタリング法によって成膜したスパッタＣｕ膜３４
から形成されることから、例えばＣＶＤ法を用いて成膜
したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して、比抵抗が低く、表面の
平滑性に優れているため、配線として用いるのに必要な
高い品質を有している。
板３０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜３１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＴｉプラグ３３ａを形成し、このＴｉプ
ラグ３３ａ上にスパッタＣｕ膜３４を形成した後、Ｎ2
雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｔｉプラ
グ３３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣｕ膜３４から
拡散してきたＣｕ原子に置換して、接続孔内にスパッタ
Ｃｕ膜３４と一体的に接続するＣｕプラグ３４ａを形成
することが可能になるため、接続孔内を埋め込むＣｕプ
ラグ３４ａ及びこのＣｕプラグ３４ａと一体的に接続す
るＣｕ配線３４ｂを形成することが可能になる。しか
も、これらのＣｕプラグ３４ａ及びＣｕ配線３４ｂは、
スパッタリング法によって成膜したスパッタＣｕ膜３４
から形成されることから、例えばＣＶＤ法を用いて成膜
したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して、比抵抗が低く、表面の
平滑性に優れているため、配線として用いるのに必要な
高い品質を有している。
【００７３】従って、上記第１の実施形態の場合と同様
に、Ｃｕプラグ３４ａ及びＣｕ配線３４ｂが一体的に接
続しているコンタクト構造及び配線構造が実現されるた
め、Ｃｕ配線の長所である高い道電率と高いエレクトロ
マイグレーション耐性により、高速且つ信頼性の高い半
導体装置を作製することができる。
に、Ｃｕプラグ３４ａ及びＣｕ配線３４ｂが一体的に接
続しているコンタクト構造及び配線構造が実現されるた
め、Ｃｕ配線の長所である高い道電率と高いエレクトロ
マイグレーション耐性により、高速且つ信頼性の高い半
導体装置を作製することができる。
【００７４】また、接続孔内にＣｕプラグ３４ａを形成
する際に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、良好なステ
ップカバレージをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣ
ＶＤ−Ｔｉ膜３３からなるＴｉプラグ３３ａを形成し、
このＴｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣ
ｕ膜３４から拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラ
グ３４ａを形成するため、上記第１の実施形態の場合と
同様に、たとえアスペクト比の大きい接続孔であって
も、従来の高温スパッタリング法やリフロー法によって
は得ることができなかった高い歩留りをもって接続孔内
を完全に埋め込むＣｕプラグ３４ａを形成することが可
能になり、優れた生産性と高い信頼性を実現することが
できる。
する際に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、良好なステ
ップカバレージをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣ
ＶＤ−Ｔｉ膜３３からなるＴｉプラグ３３ａを形成し、
このＴｉプラグ３３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣ
ｕ膜３４から拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラ
グ３４ａを形成するため、上記第１の実施形態の場合と
同様に、たとえアスペクト比の大きい接続孔であって
も、従来の高温スパッタリング法やリフロー法によって
は得ることができなかった高い歩留りをもって接続孔内
を完全に埋め込むＣｕプラグ３４ａを形成することが可
能になり、優れた生産性と高い信頼性を実現することが
できる。
【００７５】また、ＣＶＤ−Ｔｉ膜３３を研磨して接続
孔内にＴｉプラグ３３ａを形成する際に、ＳｉＯ2 層間
絶縁膜３１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２をも研
磨除去し、露出したＳｉＯ2 層間絶縁膜上に直接にスパ
ッタＣｕ膜３４を形成しているため、結晶粒が大きくて
膜質の良好なスパッタＣｕ膜３４を得ることができ、こ
のスパッタＣｕ膜３４からなるＣｕ配線３４ｂの配線特
性を向上させることができる。
孔内にＴｉプラグ３３ａを形成する際に、ＳｉＯ2 層間
絶縁膜３１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２をも研
磨除去し、露出したＳｉＯ2 層間絶縁膜上に直接にスパ
ッタＣｕ膜３４を形成しているため、結晶粒が大きくて
膜質の良好なスパッタＣｕ膜３４を得ることができ、こ
のスパッタＣｕ膜３４からなるＣｕ配線３４ｂの配線特
性を向上させることができる。
【００７６】また、接続孔内にＴｉプラグ３３ａを形成
する際に、接続孔の底面をなすＳｉ基板や金属電極等の
下地層とＴｉプラグ３３ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリア
メタル層３２が介在し、またＴｉプラグ３３ａを構成す
るＴｉ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ３４ａを形
成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ３４ａと
の間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２が介在している
ことから、上記第１の実施形態の場合と同様に、接続孔
内の下地層とＴｉプラグ３３ａとが反応したり、接続孔
内の下地層とＣｕプラグ３４ａとが反応したりすること
を防止して、コンタクトの信頼性を向上させることがで
きる。
する際に、接続孔の底面をなすＳｉ基板や金属電極等の
下地層とＴｉプラグ３３ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリア
メタル層３２が介在し、またＴｉプラグ３３ａを構成す
るＴｉ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ３４ａを形
成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ３４ａと
の間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２が介在している
ことから、上記第１の実施形態の場合と同様に、接続孔
内の下地層とＴｉプラグ３３ａとが反応したり、接続孔
内の下地層とＣｕプラグ３４ａとが反応したりすること
を防止して、コンタクトの信頼性を向上させることがで
きる。
【００７７】（第４の実施形態）図１７〜図２１はそれ
ぞれ本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方
法を説明するための工程断面図である。上記第３の実施
形態が、Ｓｉ基板３０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜３１に接
続孔を開孔した後、基体全面にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタ
ル層３２及びＣＶＤ−Ｔｉ膜３３を堆積し、更にＳｉＯ
2 層間絶縁膜３１表面が露出するまでＣＶＤ−Ｔｉ膜３
３及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２を研磨して、接
続孔内を埋め込んだＣＶＤ−Ｔｉ膜３３からなるＴｉプ
ラグ３３ａを形成しているのに対し、本実施形態は、Ｓ
ｉ基板上のＳｉＯ2 層間絶縁膜に接続孔を開孔した後、
基体全面にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層及びＣＶＤ−Ｚ
ｒ膜を堆積し、更にＳｉＯ2 層間絶縁膜表面が露出する
までＣＶＤ−Ｚｒ膜及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層を
研磨して、接続孔内を埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜からな
るＺｒプラグを形成している点に特徴がある。
ぞれ本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方
法を説明するための工程断面図である。上記第３の実施
形態が、Ｓｉ基板３０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜３１に接
続孔を開孔した後、基体全面にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタ
ル層３２及びＣＶＤ−Ｔｉ膜３３を堆積し、更にＳｉＯ
2 層間絶縁膜３１表面が露出するまでＣＶＤ−Ｔｉ膜３
３及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層３２を研磨して、接
続孔内を埋め込んだＣＶＤ−Ｔｉ膜３３からなるＴｉプ
ラグ３３ａを形成しているのに対し、本実施形態は、Ｓ
ｉ基板上のＳｉＯ2 層間絶縁膜に接続孔を開孔した後、
基体全面にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層及びＣＶＤ−Ｚ
ｒ膜を堆積し、更にＳｉＯ2 層間絶縁膜表面が露出する
までＣＶＤ−Ｚｒ膜及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層を
研磨して、接続孔内を埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜からな
るＺｒプラグを形成している点に特徴がある。
【００７８】初めに、通常のＬＳＩ製造工程に従って、
Ｓｉ基板４０表面に、素子分離領域、不純物拡散層、ゲ
ート電極などのトランジスタ部分（図示せず）を形成す
る。そして、図１７に示されるように、ＣＶＤ法によ
り、Ｓｉ基板４０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層間絶
縁膜４１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎｍ、
深さ６００ｎｍの接続孔を開孔する。
Ｓｉ基板４０表面に、素子分離領域、不純物拡散層、ゲ
ート電極などのトランジスタ部分（図示せず）を形成す
る。そして、図１７に示されるように、ＣＶＤ法によ
り、Ｓｉ基板４０上に素子間を絶縁するＳｉＯ2 層間絶
縁膜４１を形成した後、所望の部分に直径４００ｎｍ、
深さ６００ｎｍの接続孔を開孔する。
【００７９】続いて、スパッタリング法により、基体全
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
４２を形成する。更に、熱ＣＶＤ法により、基体全面に
ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２を６００ｎｍの膜厚に形成する。こ
うして、このＣＶＤ−Ｚｒ膜２２により良好なステップ
カバレージをもって接続孔内を完全に埋め込む。
面に膜厚３０ｎｍのＴｉ下層膜及び膜厚７０ｎｍのＴｉ
Ｎ上層膜とを順に堆積し、これら積層されたＴｉＮ上層
膜及びＴｉ下層膜からなるＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層
４２を形成する。更に、熱ＣＶＤ法により、基体全面に
ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２を６００ｎｍの膜厚に形成する。こ
うして、このＣＶＤ−Ｚｒ膜２２により良好なステップ
カバレージをもって接続孔内を完全に埋め込む。
【００８０】ここで、これらのＴｉ下層膜、ＴｉＮ上層
膜、及びＣＶＤ−Ｚｒ膜２２の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ＋Ｎ2 の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２の熱ＣＶＤ条件は、 Ｚｒ（ＣＨ3 ）4 ＋Ｈ2 の流量：１００＋５００ＳＣＣ
Ｍ 圧力：８０Ｔｏｏｒ 温度：４５０℃ とする。
膜、及びＣＶＤ−Ｚｒ膜２２の各成膜条件を以下に示
す。即ち、Ｔｉ下層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＴｉＮ上層膜のスパッタリング条件は、 Ａｒ＋Ｎ2 の流量：６０＋１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。また、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２の熱ＣＶＤ条件は、 Ｚｒ（ＣＨ3 ）4 ＋Ｈ2 の流量：１００＋５００ＳＣＣ
Ｍ 圧力：８０Ｔｏｏｒ 温度：４５０℃ とする。
【００８１】次いで、図１８に示されるように、ＣＭＰ
法により、ＳｉＯ2 層間絶縁膜４１表面が露出するまで
ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４
２を研磨し、接続孔内のみにＣＶＤ−Ｚｒ膜２２を残存
させる。こうして、接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ
−Ｚｒ膜２２からなるＺｒプラグ２２ａを形成する。こ
のとき、上記第３の実施形態の場合と同様にして、Ｓｉ
Ｏ2 層間絶縁膜４１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４
２は研磨より除去され、ＳｉＯ2 層間絶縁膜４１表面が
露出する。
法により、ＳｉＯ2 層間絶縁膜４１表面が露出するまで
ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４
２を研磨し、接続孔内のみにＣＶＤ−Ｚｒ膜２２を残存
させる。こうして、接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ
−Ｚｒ膜２２からなるＺｒプラグ２２ａを形成する。こ
のとき、上記第３の実施形態の場合と同様にして、Ｓｉ
Ｏ2 層間絶縁膜４１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４
２は研磨より除去され、ＳｉＯ2 層間絶縁膜４１表面が
露出する。
【００８２】ここで、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２及びＴｉＮ／
Ｔｉバリアメタル層４２の研磨条件を以下に示す。即
ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル
層４２のＣＭＰ条件は、 研磨剤（スリラー）：過酸化水素水＋アルミナ スリラー流量：２０ＳＣＣＭ 研磨ヘッド圧力：４．０ｐｓｉ ウェーハ回転数：２０ｒｐｍ ヘッド回転数：２０ｒｐｍ とする。
Ｔｉバリアメタル層４２の研磨条件を以下に示す。即
ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２及びＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル
層４２のＣＭＰ条件は、 研磨剤（スリラー）：過酸化水素水＋アルミナ スリラー流量：２０ＳＣＣＭ 研磨ヘッド圧力：４．０ｐｓｉ ウェーハ回転数：２０ｒｐｍ ヘッド回転数：２０ｒｐｍ とする。
【００８３】次いで、図１９に示されるように、Ｚｒプ
ラグ２２ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除
去するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法
により、基体全面にスパッタＣｕ膜４４を膜厚５００ｎ
ｍに形成する。
ラグ２２ａ表面の自然酸化膜をＲＦエッチングにより除
去するプレクリーニングを行った後、スパッタリング法
により、基体全面にスパッタＣｕ膜４４を膜厚５００ｎ
ｍに形成する。
【００８４】ここで、Ｚｒプラグ２２ａ表面のプレクリ
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜４４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｚｒプラグ２２ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜４４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
ーニング条件及びスパッタＣｕ膜４４の成膜条件を以下
に示す。即ち、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２表面のプレクリーニ
ング（ＲＦエッチング）条件は、 Ａｒの流量：３０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：２ｍＴｏｒｒ Ｚｒプラグ２２ａ表面のエッチング量：５ｎｍ とする。また、スパッタＣｕ膜４４のスパッタリング条
件は、 Ａｒの流量：１２０ＳＣＣＭ 圧力：０．６７Ｐａ ＤＣ電力：８ｋＷ 温度：２００℃ とする。
【００８５】次いで、ウェーハを電気炉に挿入して、Ｎ
Ｈ3 雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処
理条件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：ＮＨ3 −１００％ 圧力：常圧 とする。
Ｈ3 雰囲気中において熱処理を行なう。このときの熱処
理条件は、 温度：６００℃ 時間：３０分 雰囲気ガス：ＮＨ3 −１００％ 圧力：常圧 とする。
【００８６】こうした条件の熱処理により、上記第３の
実施形態における接続孔内のＴｉプラグ４３ａとその上
層のスパッタＣｕ膜４４との間に原子の相互拡散の場合
と同様にして、接続孔内のＺｒプラグ２２ａとその上層
のスパッタＣｕ膜４４との間に原子の相互拡散が生じ
る。即ち、Ｚｒプラグ２２ａを構成するＺｒ原子は上層
のスパッタＣｕ膜４４中に拡散し、スパッタＣｕ膜４４
を通ってその表面にまで達したＺｒ原子は雰囲気中のＮ
Ｈ3 と結合して、接続孔上部周辺のスパッタＣｕ膜４４
表面にＺｒＮを形成する。一方、スパッタＣｕ膜４４を
構成するＣｕ原子は、接続孔内のＺｒプラグ２２ａ中に
拡散して、スパッタＣｕ膜４４表面に拡散していったＺ
ｒ原子と置換される。そして、このようなＣｕ原子とＺ
ｒ原子の相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜４４
中のＺｒ原子が殆ど存在しなくなるまで持続されて、接
続孔内のＺｒプラグ２２ａを構成するＺｒ原子の殆どが
スパッタＣｕ膜４４から拡散してきたＣｕ原子に置換さ
れ、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれる。
実施形態における接続孔内のＴｉプラグ４３ａとその上
層のスパッタＣｕ膜４４との間に原子の相互拡散の場合
と同様にして、接続孔内のＺｒプラグ２２ａとその上層
のスパッタＣｕ膜４４との間に原子の相互拡散が生じ
る。即ち、Ｚｒプラグ２２ａを構成するＺｒ原子は上層
のスパッタＣｕ膜４４中に拡散し、スパッタＣｕ膜４４
を通ってその表面にまで達したＺｒ原子は雰囲気中のＮ
Ｈ3 と結合して、接続孔上部周辺のスパッタＣｕ膜４４
表面にＺｒＮを形成する。一方、スパッタＣｕ膜４４を
構成するＣｕ原子は、接続孔内のＺｒプラグ２２ａ中に
拡散して、スパッタＣｕ膜４４表面に拡散していったＺ
ｒ原子と置換される。そして、このようなＣｕ原子とＺ
ｒ原子の相互拡散は、接続孔内及びスパッタＣｕ膜４４
中のＺｒ原子が殆ど存在しなくなるまで持続されて、接
続孔内のＺｒプラグ２２ａを構成するＺｒ原子の殆どが
スパッタＣｕ膜４４から拡散してきたＣｕ原子に置換さ
れ、接続孔内はＣｕによって完全に埋め込まれる。
【００８７】従って、図２０に示されるように、接続孔
上方のスパッタＣｕ膜４４上に、接続孔内のＺｒプラグ
２２ａからスパッタＣｕ膜４４表面にまで拡散してきた
Ｚｒ原子と雰囲気中のＮＨ3 とが反応してＺｒＮ膜４５
が形成される一方、Ｚｒプラグ２２ａを構成するＺｒ原
子の殆どがスパッタＣｕ膜４４から拡散してきたＣｕ原
子に置換されて、接続孔内にはスパッタＣｕ膜４４と一
体的に接続するＣｕプラグ４４ａが形成される。
上方のスパッタＣｕ膜４４上に、接続孔内のＺｒプラグ
２２ａからスパッタＣｕ膜４４表面にまで拡散してきた
Ｚｒ原子と雰囲気中のＮＨ3 とが反応してＺｒＮ膜４５
が形成される一方、Ｚｒプラグ２２ａを構成するＺｒ原
子の殆どがスパッタＣｕ膜４４から拡散してきたＣｕ原
子に置換されて、接続孔内にはスパッタＣｕ膜４４と一
体的に接続するＣｕプラグ４４ａが形成される。
【００８８】なお、ここでは常圧のＮＨ3 雰囲気中にお
いて熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニー
ル炉を用いて、減圧ＮＨ3 雰囲気中において熱処理を行
なってもよい。
いて熱処理を行っているが、この代わりに、減圧アニー
ル炉を用いて、減圧ＮＨ3 雰囲気中において熱処理を行
なってもよい。
【００８９】次いで、図２１に示されるように、ＲＩＥ
法により、接続孔の上方のスパッタＣｕ膜４４上に形成
されたＺｒＮ膜４５を除去する。なお、このＺｒＮ膜４
５は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理
に支障がない場合には、エッチング除去しないでそのま
まスパッタＣｕ膜３４上に残存させてもよい。続いて、
ＲＩＥ法により、スパッタＣｕ膜４４を所望の配線パタ
ーンに加工して、接続孔内にを充填しているＣｕプラグ
４４ａと一体的に接続するＣｕ配線４４ｂを形成する。
法により、接続孔の上方のスパッタＣｕ膜４４上に形成
されたＺｒＮ膜４５を除去する。なお、このＺｒＮ膜４
５は、その後の層間膜形成やリソグラフィ工程等の処理
に支障がない場合には、エッチング除去しないでそのま
まスパッタＣｕ膜３４上に残存させてもよい。続いて、
ＲＩＥ法により、スパッタＣｕ膜４４を所望の配線パタ
ーンに加工して、接続孔内にを充填しているＣｕプラグ
４４ａと一体的に接続するＣｕ配線４４ｂを形成する。
【００９０】ここで、ＺｒＮ膜４５のエッチング条件及
びスパッタＣｕ膜４４のエッチング条件を以下に示す。
即ち、ＺｒＮ膜４５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜４４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。
びスパッタＣｕ膜４４のエッチング条件を以下に示す。
即ち、ＺｒＮ膜４５のＲＩＥ条件は、 ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2 の流量：６０＋９０ＳＣＣＭ ＲＦパワー：１．２ｋＷ 圧力：２．０Ｐａ とする。また、スパッタＣｕ膜４４のＲＩＥ条件は、 ＳｉＣｌ4 ＋Ｎ2 の流量：２０＋２００ＳＣＣＭ ＲＦパワー：５００Ｗ 圧力：０．１Ｔｏｒｒ とする。
【００９１】その後、図示は省略するが、通常の半導体
装置の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド
部の開孔等を行う。
装置の製造工程と同様にして、カバー膜の形成、パッド
部の開孔等を行う。
【００９２】以上のように本実施形態によれば、Ｓｉ基
板４０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜４１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＺｒプラグ２２ａを形成し、このＺｒプ
ラグ２２ａ上にスパッタＣｕ膜４４を形成した後、ＮＨ
3 雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｚｒプ
ラグ２２ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜４４か
ら拡散してきたＣｕ原子に置換して、スパッタＣｕ膜４
４と一体的に接続するＣｕプラグ４４ａを接続孔内に形
成することが可能になるため、接続孔内を埋め込むＣｕ
プラグ４４ａ及びこのＣｕプラグ４４ａと一体的に接続
するＣｕ配線４４ｂを形成することが可能になる。しか
も、これらのＣｕプラグ４４ａ及びＣｕ配線４４ｂは、
スパッタリング法によって成膜したスパッタＣｕ膜３４
から形成されることから、例えばＣＶＤ法を用いて成膜
したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して、比抵抗が低く、表面の
平滑性に優れているため、配線として用いるのに必要な
高い品質を有している。
板４０上のＳｉＯ2 層間絶縁膜４１に接続孔を開孔し、
この接続孔内にＺｒプラグ２２ａを形成し、このＺｒプ
ラグ２２ａ上にスパッタＣｕ膜４４を形成した後、ＮＨ
3 雰囲気中における熱処理を行なうことにより、Ｚｒプ
ラグ２２ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜４４か
ら拡散してきたＣｕ原子に置換して、スパッタＣｕ膜４
４と一体的に接続するＣｕプラグ４４ａを接続孔内に形
成することが可能になるため、接続孔内を埋め込むＣｕ
プラグ４４ａ及びこのＣｕプラグ４４ａと一体的に接続
するＣｕ配線４４ｂを形成することが可能になる。しか
も、これらのＣｕプラグ４４ａ及びＣｕ配線４４ｂは、
スパッタリング法によって成膜したスパッタＣｕ膜３４
から形成されることから、例えばＣＶＤ法を用いて成膜
したＣＶＤ−Ｃｕ膜と比較して、比抵抗が低く、表面の
平滑性に優れているため、配線として用いるのに必要な
高い品質を有している。
【００９３】従って、上記第３の実施形態の場合と同様
に、高品質のスパッタＣｕ膜４４からなるＣｕプラグ４
４ａ及びＣｕ配線４４ｂが一体的に接続しているコンタ
クト構造及び配線構造が実現されるため、Ｃｕ配線の長
所である高い導電率と高いエレクトロマイグレーション
耐性により、高速且つ信頼性の高い半導体装置を作製す
ることができる。
に、高品質のスパッタＣｕ膜４４からなるＣｕプラグ４
４ａ及びＣｕ配線４４ｂが一体的に接続しているコンタ
クト構造及び配線構造が実現されるため、Ｃｕ配線の長
所である高い導電率と高いエレクトロマイグレーション
耐性により、高速且つ信頼性の高い半導体装置を作製す
ることができる。
【００９４】また、接続孔内にＣｕプラグ４４ａを形成
する際に、熱ＣＶＤ法により、良好なステップカバレー
ジをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜
２２からなるＺｒプラグ２２ａを形成し、このＺｒプラ
グ２２ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜４４から
拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラグ４４ａを形
成するため、上記第３の実施形態の場合と同様に、たと
えアスペクト比の大きい接続孔であっても、従来の高温
スパッタリング法やリフロー法によっては得ることがで
きなかった高い歩留りをもって接続孔内を完全に埋め込
むＣｕプラグ４４ａを形成することが可能になり、優れ
た生産性と高い信頼性を実現することができる。
する際に、熱ＣＶＤ法により、良好なステップカバレー
ジをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣＶＤ−Ｚｒ膜
２２からなるＺｒプラグ２２ａを形成し、このＺｒプラ
グ２２ａを構成するＺｒ原子をスパッタＣｕ膜４４から
拡散してきたＣｕ原子に置換してＣｕプラグ４４ａを形
成するため、上記第３の実施形態の場合と同様に、たと
えアスペクト比の大きい接続孔であっても、従来の高温
スパッタリング法やリフロー法によっては得ることがで
きなかった高い歩留りをもって接続孔内を完全に埋め込
むＣｕプラグ４４ａを形成することが可能になり、優れ
た生産性と高い信頼性を実現することができる。
【００９５】また、ＣＶＤ−Ｚｒ膜２２を研磨して接続
孔内にＺｒプラグ２２ａを形成する際に、ＳｉＯ2 層間
絶縁膜４１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４２をも研
磨除去し、露出したＳｉＯ2 層間絶縁膜上に直接にスパ
ッタＣｕ膜４４を形成しているため、上記第３の実施形
態の場合と同様に、結晶粒が大きくて膜質の良好なスパ
ッタＣｕ膜４４を得ることができ、このスパッタＣｕ膜
４４からなるＣｕ配線４４ｂの配線特性を向上させるこ
とができる。
孔内にＺｒプラグ２２ａを形成する際に、ＳｉＯ2 層間
絶縁膜４１上のＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４２をも研
磨除去し、露出したＳｉＯ2 層間絶縁膜上に直接にスパ
ッタＣｕ膜４４を形成しているため、上記第３の実施形
態の場合と同様に、結晶粒が大きくて膜質の良好なスパ
ッタＣｕ膜４４を得ることができ、このスパッタＣｕ膜
４４からなるＣｕ配線４４ｂの配線特性を向上させるこ
とができる。
【００９６】また、接続孔内にＺｒプラグ２２ａを形成
する際に、接続孔内に露出するＳｉ基板４０や金属電極
等の下地層とＺｒプラグ２２ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバ
リアメタル層４２が介在し、またＺｒプラグ２２ａを構
成するＺｒ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ４４ａ
を形成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ４４
ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４２が介在して
いることから、上記第３の実施形態の場合と同様に、接
続孔内の下地層とＺｒプラグ２２ａとが反応したり、接
続孔内の下地層とＣｕプラグ４４ａとが反応したりする
ことを防止して、コンタクトの信頼性を向上させること
ができる。
する際に、接続孔内に露出するＳｉ基板４０や金属電極
等の下地層とＺｒプラグ２２ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバ
リアメタル層４２が介在し、またＺｒプラグ２２ａを構
成するＺｒ原子をＣｕ原子に置換してＣｕプラグ４４ａ
を形成する際にも、接続孔内の下地層とＣｕプラグ４４
ａとの間にＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル層４２が介在して
いることから、上記第３の実施形態の場合と同様に、接
続孔内の下地層とＺｒプラグ２２ａとが反応したり、接
続孔内の下地層とＣｕプラグ４４ａとが反応したりする
ことを防止して、コンタクトの信頼性を向上させること
ができる。
【００９７】なお、上記第１及び第３の実施形態におい
ては、Ｎ2 雰囲気中における熱処理により、接続孔内の
Ｔｉプラグ１３ａ、３３ａとその上層のスパッタＣｕ膜
１４、３４との原子の相互拡散を生じさせて、Ｔｉプラ
グ１３ａ、３３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣｕ膜
１４、３４から拡散してきたＣｕ原子に置換し、スパッ
タＣｕ膜１４、３４と一体的に接続するＣｕプラグ１４
ａ、３４ａを接続孔内に形成しており、また、上記第２
及び第４の実施形態においては、ＮＨ3 雰囲気中におけ
る熱処理により、接続孔内のＺｒプラグ２３ａ、４３ａ
とその上層のスパッタＣｕ膜２４、４４との原子の相互
拡散を生じさせて、Ｚｒプラグ２３ａ、４３ａを構成す
るＺｒ原子をスパッタＣｕ膜２４、４４から拡散してき
たＣｕ原子に置換し、スパッタＣｕ膜２４、４４と一体
的に接続するＣｕプラグ２４ａ、４４ａを接続孔内に形
成しているが、このようにＣｕと相互拡散を生じる金属
としてはＴｉやＺｒに限定されるものではない。これら
のＴｉやＺｒの代わりに、例えばＷ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｍ
ｇ、又はＴａ等を用いても、上記第１〜第４の実施形態
の場合と同様の作用・効果を奏することができる。
ては、Ｎ2 雰囲気中における熱処理により、接続孔内の
Ｔｉプラグ１３ａ、３３ａとその上層のスパッタＣｕ膜
１４、３４との原子の相互拡散を生じさせて、Ｔｉプラ
グ１３ａ、３３ａを構成するＴｉ原子をスパッタＣｕ膜
１４、３４から拡散してきたＣｕ原子に置換し、スパッ
タＣｕ膜１４、３４と一体的に接続するＣｕプラグ１４
ａ、３４ａを接続孔内に形成しており、また、上記第２
及び第４の実施形態においては、ＮＨ3 雰囲気中におけ
る熱処理により、接続孔内のＺｒプラグ２３ａ、４３ａ
とその上層のスパッタＣｕ膜２４、４４との原子の相互
拡散を生じさせて、Ｚｒプラグ２３ａ、４３ａを構成す
るＺｒ原子をスパッタＣｕ膜２４、４４から拡散してき
たＣｕ原子に置換し、スパッタＣｕ膜２４、４４と一体
的に接続するＣｕプラグ２４ａ、４４ａを接続孔内に形
成しているが、このようにＣｕと相互拡散を生じる金属
としてはＴｉやＺｒに限定されるものではない。これら
のＴｉやＺｒの代わりに、例えばＷ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｍ
ｇ、又はＴａ等を用いても、上記第１〜第４の実施形態
の場合と同様の作用・効果を奏することができる。
【００９８】
【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明に係
る半導体装置の製造方法によれば、次のような効果を奏
することができる。即ち、請求項１に係る半導体装置の
製造方法によれば、接続孔内のＣｕと相互拡散を生じる
金属からなる金属プラグ上にＣｕ膜を形成した後、窒素
を含む雰囲気中において熱処理を行って、金属プラグと
Ｃｕ膜との間に原子の相互拡散を生じさせることによ
り、Ｃｕ膜を通ってその表面にまで拡散した金属プラグ
を構成する金属原子は雰囲気中の窒素と反応して金属窒
化物として析出される一方、金属原子が拡散した後には
Ｃｕ膜中のＣｕ原子が拡散して、接続孔内がほぼ純粋に
Ｃｕによって充填されるため、接続孔内を充填するＣｕ
プラグ及びこのＣｕプラグと一体的に接続するＣｕ配線
を形成することが可能になる。従って、Ｃｕ配線の長所
である高い導電率と高いエレクトロマイグレーション耐
性を有するコンタクト構造及び配線構造が実現され、高
速且つ信頼性の高い半導体装置を作製することができ
る。
る半導体装置の製造方法によれば、次のような効果を奏
することができる。即ち、請求項１に係る半導体装置の
製造方法によれば、接続孔内のＣｕと相互拡散を生じる
金属からなる金属プラグ上にＣｕ膜を形成した後、窒素
を含む雰囲気中において熱処理を行って、金属プラグと
Ｃｕ膜との間に原子の相互拡散を生じさせることによ
り、Ｃｕ膜を通ってその表面にまで拡散した金属プラグ
を構成する金属原子は雰囲気中の窒素と反応して金属窒
化物として析出される一方、金属原子が拡散した後には
Ｃｕ膜中のＣｕ原子が拡散して、接続孔内がほぼ純粋に
Ｃｕによって充填されるため、接続孔内を充填するＣｕ
プラグ及びこのＣｕプラグと一体的に接続するＣｕ配線
を形成することが可能になる。従って、Ｃｕ配線の長所
である高い導電率と高いエレクトロマイグレーション耐
性を有するコンタクト構造及び配線構造が実現され、高
速且つ信頼性の高い半導体装置を作製することができ
る。
【００９９】また、請求項２に係る半導体装置の製造方
法によれば、接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を
充填する方法として、ＣＶＤ法を用いることにより、た
とえアスペクト比の大きい接続孔であっても、良好なス
テップカバレージをもって接続孔内を完全に埋め込んだ
金属層からなる金属プラグが形成されるため、その後に
この金属プラグを構成する金属原子をＣｕ原子によって
置換してＣｕプラグを形成する際に、従来の高温スパッ
タリング法やリフロー法によっては得ることができなか
った高い歩留りをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣ
ｕプラグを形成することが可能になり、優れた生産性と
高い信頼性を実現することができる。
法によれば、接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を
充填する方法として、ＣＶＤ法を用いることにより、た
とえアスペクト比の大きい接続孔であっても、良好なス
テップカバレージをもって接続孔内を完全に埋め込んだ
金属層からなる金属プラグが形成されるため、その後に
この金属プラグを構成する金属原子をＣｕ原子によって
置換してＣｕプラグを形成する際に、従来の高温スパッ
タリング法やリフロー法によっては得ることができなか
った高い歩留りをもって接続孔内を完全に埋め込んだＣ
ｕプラグを形成することが可能になり、優れた生産性と
高い信頼性を実現することができる。
【０１００】また、請求項３に係る半導体装置の製造方
法によれば、絶縁膜上及び接続孔内の金属プラグ上にＣ
ｕ膜を形成する方法として、スパッタリング法を用いる
ことにより、ＣＶＤ法を用いて形成したＣｕ膜と比較し
て、比抵抗が低く、表面の平滑性に優れた高品質のＣｕ
膜が得られるため、この高品質のＣｕ膜からなるＣｕプ
ラグ及びＣｕ配線のコンタクト抵抗及び配線抵抗は十分
に小さいものとなり、高速且つ信頼性の高い半導体装置
を作製することができる。
法によれば、絶縁膜上及び接続孔内の金属プラグ上にＣ
ｕ膜を形成する方法として、スパッタリング法を用いる
ことにより、ＣＶＤ法を用いて形成したＣｕ膜と比較し
て、比抵抗が低く、表面の平滑性に優れた高品質のＣｕ
膜が得られるため、この高品質のＣｕ膜からなるＣｕプ
ラグ及びＣｕ配線のコンタクト抵抗及び配線抵抗は十分
に小さいものとなり、高速且つ信頼性の高い半導体装置
を作製することができる。
【０１０１】また、請求項４に係る半導体装置の製造方
法によれば、接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を
充填する前に、接続構内の少なくとも底面を被覆するバ
リアメタル層を形成して、接続孔内にバリアメタル層を
介して金属プラグを形成することにより、半導体基板上
の絶縁膜に開孔された接続孔内に露出する下地層と金属
プラグとの反応、又はこの下地層とＣｕプラグとの反応
が防止されるため、半導体装置の信頼性の劣化を防止す
ることができる。
法によれば、接続孔内にＣｕと相互拡散を生じる金属を
充填する前に、接続構内の少なくとも底面を被覆するバ
リアメタル層を形成して、接続孔内にバリアメタル層を
介して金属プラグを形成することにより、半導体基板上
の絶縁膜に開孔された接続孔内に露出する下地層と金属
プラグとの反応、又はこの下地層とＣｕプラグとの反応
が防止されるため、半導体装置の信頼性の劣化を防止す
ることができる。
【０１０２】以上の効果により、本発明に係る半導体装
置の製造方法をＵＬＳＩの製造工程に適用すれば、高性
能で信頼性の高いＵＬＳＩを実現することができるた
め、本発明は工業的にみて非常に有用なものである。
置の製造方法をＵＬＳＩの製造工程に適用すれば、高性
能で信頼性の高いＵＬＳＩを実現することができるた
め、本発明は工業的にみて非常に有用なものである。
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その１）である。
造方法を説明するための工程断面図（その１）である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その２）である。
造方法を説明するための工程断面図（その２）である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その３）である。
造方法を説明するための工程断面図（その３）である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その４）である。
造方法を説明するための工程断面図（その４）である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その５）である。
造方法を説明するための工程断面図（その５）である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その６）である。
造方法を説明するための工程断面図（その６）である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その１）である。
造方法を説明するための工程断面図（その１）である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その２）である。
造方法を説明するための工程断面図（その２）である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための工程断面図（その３）である。
造方法を説明するための工程断面図（その３）である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その４）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その４）であ
る。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その５）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その５）であ
る。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その１）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その１）であ
る。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その２）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その２）であ
る。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その３）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その３）であ
る。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その４）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その４）であ
る。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その５）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その５）であ
る。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その１）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その１）であ
る。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その２）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その２）であ
る。
【図１９】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その３）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その３）であ
る。
【図２０】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その４）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その４）であ
る。
【図２１】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための工程断面図（その５）であ
る。
製造方法を説明するための工程断面図（その５）であ
る。
１０…Ｓｉ基板、１１…ＳｉＯ2 層間絶縁膜、１２…Ｔ
ｉＮ／Ｔｉバリアメタル層、１３…ＣＶＤ−Ｔｉ膜、１
３ａ…Ｔｉプラグ、１４…スパッタＣｕ膜、１４ａ…Ｃ
ｕプラグ、１４ｂ…Ｃｕ配線、１５…ＴｉＮ膜、２０…
Ｓｉ基板、２１…ＳｉＯ2 層間絶縁膜、２２…ＴｉＮ／
Ｔｉバリアメタル層、２３…ＣＶＤ−Ｚｒ膜、２３ａ…
Ｚｒプラグ、２４…スパッタＣｕ膜、２４ａ…Ｃｕプラ
グ、２４ｂ…Ｃｕ配線、２５…ＺｒＮ膜、３０…Ｓｉ基
板、３１…ＳｉＯ2 層間絶縁膜、３２…ＴｉＮ／Ｔｉバ
リアメタル層、３３…ＣＶＤ−Ｔｉ膜、３３ａ…Ｔｉプ
ラグ、３４…スパッタＣｕ膜、３４ａ…Ｃｕプラグ、３
４ｂ…Ｃｕ配線、３５…ＴｉＮ膜、４０…Ｓｉ基板、４
１…ＳｉＯ2 層間絶縁膜、４２…ＴｉＮ／Ｔｉバリアメ
タル層、４３…ＣＶＤ−Ｚｒ膜、４３ａ…Ｚｒプラグ、
４４…スパッタＣｕ膜、４４ａ…Ｃｕプラグ、４４ｂ…
Ｃｕ配線、４５…ＺｒＮ膜。
ｉＮ／Ｔｉバリアメタル層、１３…ＣＶＤ−Ｔｉ膜、１
３ａ…Ｔｉプラグ、１４…スパッタＣｕ膜、１４ａ…Ｃ
ｕプラグ、１４ｂ…Ｃｕ配線、１５…ＴｉＮ膜、２０…
Ｓｉ基板、２１…ＳｉＯ2 層間絶縁膜、２２…ＴｉＮ／
Ｔｉバリアメタル層、２３…ＣＶＤ−Ｚｒ膜、２３ａ…
Ｚｒプラグ、２４…スパッタＣｕ膜、２４ａ…Ｃｕプラ
グ、２４ｂ…Ｃｕ配線、２５…ＺｒＮ膜、３０…Ｓｉ基
板、３１…ＳｉＯ2 層間絶縁膜、３２…ＴｉＮ／Ｔｉバ
リアメタル層、３３…ＣＶＤ−Ｔｉ膜、３３ａ…Ｔｉプ
ラグ、３４…スパッタＣｕ膜、３４ａ…Ｃｕプラグ、３
４ｂ…Ｃｕ配線、３５…ＴｉＮ膜、４０…Ｓｉ基板、４
１…ＳｉＯ2 層間絶縁膜、４２…ＴｉＮ／Ｔｉバリアメ
タル層、４３…ＣＶＤ−Ｚｒ膜、４３ａ…Ｚｒプラグ、
４４…スパッタＣｕ膜、４４ａ…Ｃｕプラグ、４４ｂ…
Ｃｕ配線、４５…ＺｒＮ膜。
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体基板上の絶縁膜に開孔された接続
孔内に、Ｃｕと相互拡散を生じる金属を充填して金属プ
ラグを形成する第１の工程と、 前記絶縁膜上及び前記接続孔内の前記金属プラグ上に、
Ｃｕ膜を形成する第２の工程と、 窒素を含む雰囲気中における熱処理により、前記接続孔
内の前記金属プラグと前記Ｃｕ膜との間に原子の相互拡
散を生じさせ、前記Ｃｕ膜表面に到達した金属原子を雰
囲気中の窒素と反応させて金属窒化物を形成すると共
に、前記金属プラグを構成する金属原子を前記Ｃｕ膜か
ら拡散してきたＣｕ原子によって置換してＣｕプラグを
形成する第３の工程と、 前記絶縁膜上の前記Ｃｕ膜を所定の配線パターンに加工
して、前記接続孔内の前記Ｃｕプラグと一体的に接続す
るＣｕ配線を形成する第４の工程とを有することを特徴
とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記第１の工程の前記接続孔内にＣｕと相互拡散を生じ
る金属を充填する方法として、化学的気相成長法を用い
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記第２の工程の前記絶縁膜上及び前記接続孔内の前記
金属プラグ上にＣｕ膜を形成する方法として、スパッタ
リング法を用いることを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項４】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記第１の工程の前記接続孔内にＣｕと相互拡散を生じ
る金属を充填する前に、前記接続孔内の少なくとも底面
を被覆するバリアメタル層を形成して、前記接続孔内に
前記バリアメタル層を介して前記金属プラグを形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項５】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記第１の工程の前記接続孔内に充填するＣｕと相互拡
散を生じる金属として、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、
Ｍｇ、又はＴａを用いることを特徴とする半導体装置の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20326897A JPH1154507A (ja) | 1997-07-29 | 1997-07-29 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20326897A JPH1154507A (ja) | 1997-07-29 | 1997-07-29 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1154507A true JPH1154507A (ja) | 1999-02-26 |
Family
ID=16471238
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20326897A Pending JPH1154507A (ja) | 1997-07-29 | 1997-07-29 | 半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1154507A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000011910A (ko) * | 1998-07-24 | 2000-02-25 | 니시무로 타이죠 | 반도체장치및그제조방법 |
| KR100399910B1 (ko) * | 2000-12-28 | 2003-09-29 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 |
| WO2014010333A1 (ja) * | 2012-07-09 | 2014-01-16 | 東京エレクトロン株式会社 | Ｃｕ配線の形成方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 |
| CN104051336A (zh) * | 2013-03-15 | 2014-09-17 | 应用材料公司 | 用于在半导体装置中产生互连的方法 |
-
1997
- 1997-07-29 JP JP20326897A patent/JPH1154507A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000011910A (ko) * | 1998-07-24 | 2000-02-25 | 니시무로 타이죠 | 반도체장치및그제조방법 |
| KR100399910B1 (ko) * | 2000-12-28 | 2003-09-29 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 |
| WO2014010333A1 (ja) * | 2012-07-09 | 2014-01-16 | 東京エレクトロン株式会社 | Ｃｕ配線の形成方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 |
| CN104051336A (zh) * | 2013-03-15 | 2014-09-17 | 应用材料公司 | 用于在半导体装置中产生互连的方法 |
| CN104051336B (zh) * | 2013-03-15 | 2019-03-08 | 应用材料公司 | 用于在半导体装置中产生互连的方法 |
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