配線構造体及びその形成方法

【目的】アルミニウム系下層配線層にアルミニウム系プラグを導通させる際に、それらの間に高い比抵抗を有するＴｉＯＮ又はＴｉＮからなるバリヤメタル層を形成することなく、下層配線層のアルミニウムのアルミニウム系プラグへの移動を抑制する。
【構成】アルミニウム系下層配線層１と、その上に積層された絶縁層２であって、アルミニウム系下層配線層１への導通をとるための接続孔Ａを有する絶縁層２と、接続孔Ａに埋め込まれたアルミニム系プラグ４ａとから構成される配線構造体において、少なくとも接続孔Ａの底部のアルミニウム系下層配線層１とアルミニウム系プラグ４ａとの間にＴｉＡｌ_３層７を形成する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置内に形成する配線構造体に関する。より詳しくは、アルミニウム系下層配線層上に絶縁層が形成されており、その絶縁層にアルミニウム系プラグが形成されている配線構造体において、アルミニウム系下層配線層とアルミニウム系プラグとの間のボイドを解消した配線構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体装置の配線層や接続孔を埋め込んでいるメタルプラグは、比抵抗が低く、材料コストも低いアルミニウム系材料を用いて、常温スパッタ法により形成されている。
【０００３】ところで、半導体装置の高集積化が進展するにつれ、半導体装置の下層配線層と上層配線層とを導通させるための接続孔の孔径が微細化し、そのアスペクト比も高くなっている。このような微細な接続孔にアルミニウム系材料を埋め込む場合に、従来と同様に単に常温スパッタ法によりアルミニウム系材料を埋め込むのでは、十分なステップカバレージを達成できないという問題があった。
【０００４】このため、微細な接続孔へアルミニウム系材料を埋め込む方法として、メタルプラグの形成と平坦な上層配線層とを同時に形成できる高温スパッタ法とリフロー法とが注目されている。高温スパッタ法は、アルミニウム系材料をスパッタする際に、半導体基板をアルミニウム系材料の融点付近に加熱しながら行うことにより、半導体基板に被着したアルミニウム系材料をリフローさせて接続孔に充填する技術であり、リフロー法は、半導体基板を通常のスパッタ温度でアルミニウム系材料をスパッタし、その後に半導体基板をアルミニウム系材料の融点付近に加熱して被着したアルミニウム系材料をリフローさせて接続孔に充填する技術である。この場合、アルミニウム系材料の埋め込み性を向上させるために、下層配線層と絶縁層との全面にアルミニウム系材料と濡性の良好なＴｉ層を下地として形成することが一般に行われている。
【０００５】このようにアルミニウム系材料を微細な接続孔に埋め込んで形成される配線構造体を図７に示す。同図に示すように、この配線構造体は、下層配線層１、接続孔Ａを有するＳｉＯ_２やＰＳＧなどからなる絶縁層２、絶縁層２の表面と接続孔Ａの内面に形成されたＴｉ層３、及び接続孔Ａに埋め込まれたアルミニウム系プラグ４ａとアルミニウム系上層配線層４ｂとからなる。そしてＴｉ層３とアルミニウム系プラグ４ａ又はアルミニウム系上層配線層４ｂとの境界部分にはＴｉとＡｌとの反応により生成したＴｉＡｌ合金層５が形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に示すような配線構造体の形成時に、下層配線層１がアルミニウム系材料から構成されている場合に、下層配線層１とＴｉ層３とを両者が反応してしまうような条件下に置くと、例えばアルミニウム系プラグを高温スパッタ法やリフロー法を利用して形成しようとすると、以下に説明するように、下層配線層１にボイドが形成され配線の信頼性を確保できなくなるという問題がある。即ち、図８（ａ）に示すように、アルミニウム系材料からなる下層配線層１に接続孔Ａを有するＳｉＯ_２などからなる絶縁層２を形成し、全面に下地層としてＴｉ層３を形成した後、アルミニウム系合金を高温スパッタ法で成膜すると、高温スパッタ時に図８（ｂ）に示すように、下層配線層１を構成するアルミニウム系材料が加熱により膨脹しながらＴｉ層３に拡散し、ついにはＴｉ層３の表面にまで達し、更に図中矢印に示すように下層配線層１を構成するアルミニウム系材料がアルミニウム系プラグ４ａに拡散し吸い上げられ、図８（ｃ）に示すように、下層配線層１にボイドＢが形成されてしまうという問題があった。
【０００７】同様に、リフロー法においても、アルミニウム系プラグ４ａ形成後のリフロー処理の加熱により下層配線層１にボイドＢが形成されてしまうという問題があった。
【０００８】この問題を解決するために、図９に示すように、アルミニウム系下層配線層１とＴｉ層３ｂとの反応を防止するために、従来から反射防止膜の材料として用いられているＴｉＯＮ又はＴｉＮからなるバリヤメタル層６を、アルミニウム系下層配線層１とアルミニウム系プラグ４ａとの間で且つＴｉ層３ａ及び３ｂとに挟持されるように配することが提案されている（特願平５－１７３７０１号明細書）。ここで、バリヤメタル層６及びＴｉ層３ａは接続孔Ａが絶縁層２に形成される前に予めアルミニウム下層配線層１上に形成されている。なお、Ｔｉ層３ａは、バリヤメタル層６によりアルミニウム系下層配線層１が不導態化しないようにするための層であり、Ｔｉ層３ｂはアルミウム材料の埋め込み特性を向上させるために設けられている。
【０００９】しかしながら、バリヤメタル層６を構成するＴｉＯＮやＴｉＮなどは比抵抗が高いので、配線抵抗の増大を抑制するためにその厚みを大きくすることができず、また、配線層厚の抑制の点から、その厚みは下層配線層１とＴｉ層３ｂとの反応防止に必要な厚みとされる。このため、バリヤメタル層６の厚みは通常約２０～３０ｎｍと非常に薄いものとされる。従って、接続孔をエッチングで形成する際にバリヤメタル層６でエッチングを止めることが非常に困難であり、接続孔Ａがバリヤメタル層６を貫通する場合があった。また、バリヤメタル層６にストレスによりクラックが生じる場合もあり、その場合にはクラックを通じて、アルミニウム系下層配線層１とＴｉ層３ｂとが反応し、結果的に下層配線層１にボイドが形成されるという問題があった。
【００１０】また、バリヤメタル層６上のＴｉ層３ｂのアルミニウム系材料の濡れ性は、バリヤメタル層６が存在しない場合よりも低下するという問題もあった。
【００１１】ところで、図９において、バリヤメタル層６は接続孔Ａが形成される前に予めＴｉ層３ａ上に形成されているが、接続孔亜を絶縁層２に形成した後にバリヤメタル層６を接続孔内部にＣＶＤ法などを利用して形成することも考えられる。しかし、バリヤメタル層の微細な接続孔の底部へのカバレージ性は十分とはいえず、従って、アルミニウム系下層配線層とＴｉ層との反応を有効に防止することができないという問題があった。
【００１２】本発明は、以上の述べた従来技術の問題的を解決しようとするものであり、アルミニウム系下層配線層にアルミニウム系プラグを導通させる際に、それらの間に高い比抵抗を有するＴｉＯＮ又はＴｉＮからなるバリヤメタル層を形成することなく、下層配線層のアルミニウムのアルミニウム系プラグへの移動を抑制できるようにして下層配線層にボイドを持たず、Ａｌ配線の断線のない低抵抗の配線構造体及びその形成方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明者は、接続孔底部のアルミニウム系下層配線層とアルミニウム系プラグとの間に、予めＴｉＡｌ_３層を形成しておくことにより上述の目的が達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】即ち、本発明は、アルミニウム系下層配線層と、その上に積層された絶縁層であって、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔を有する絶縁層と、接続孔に埋め込まれたアルミニム系プラグとから構成される配線構造体において、少なくとも接続孔の底部のアルミニウム系下層配線層とアルミニウム系プラグとの間にＴｉＡｌ_３層が形成されていることを特徴とする配線構造体を提供する。
【００１５】また、本発明は、上述の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上にＴｉＡｌ_３層を形成する工程；ＴｉＡｌ_３層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をＴｉＡｌ_３層に達するまで開孔する工程；そして接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法を提供する。
【００１６】本発明は、更に、上述の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上にＴｉ層を形成する工程；アルミニウム系下層配線層とＴｉ層とを加熱し反応させてＴｉ層をＴｉＡｌ_３層とする工程；生成したＴｉＡｌ_３層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をＴｉＡｌ_３層に達するまで開孔する工程；及び接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法を提供する。
【００１７】また、本発明は、上述の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をアルミニウム系下層配線層に達するまで開孔する工程；接続孔の少なくとも底部に、Ｔｉ層をＣＶＤ法により形成する工程；アルミニウム系下層配線層とＴｉ層とを加熱し反応させて接続孔の底部のＴｉ層をＴｉＡｌ_３層とする工程；及び接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法を提供する。
【００１８】更に、本発明は、上述の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をアルミニウム系下層配線層に達するまで開孔する工程；接続孔の少なくとも底部に、ＴｉＡｌ_３層をＣＶＤ法により形成する工程；及び接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法を提供する。
【００１９】以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面において、同一の符号は同一又は同等の構成要素を表す。
【００２０】まず、好ましい態様の本発明の配線構造体の断面図を図１に示す。この配線構造体は、アルミニウム系下層配線層１、接続孔Ａを有するＳｉＯ_２などからなる絶縁層２、接続孔Ａの底部に形成されたＴｉＡｌ_３層７、絶縁層２の表面と接続孔Ａの内面に形成されたＴｉ層３、及び接続孔Ａに埋め込まれたアルミニウム系プラグ４ａとアルミニウム系上層配線層４ｂとからなる。また、アルミニウム系上層配線層４ｂ上には、必要に応じて設けられるＴｉＯＮやＴｉＮ等の反射防止膜９が形成されている。
【００２１】このように、本発明の配線構造体においては、アルミニウム系下層配線層１とアルミニウム形プラグ４ａの間にＴｉＡｌ_３層７を有する。このＴｉＡｌ_３層７は、チタンとアルミニウムとが反応して形成される安定な化合物であり、ＴｉＡｌ_３層７はこれ以上アルミニウムと反応しない。従って、アルミニウム系下層配線層１がアルミニウム系合金の融点付近に加熱されても、その中のアルミニウムがＴｉＡｌ_３層７と反応することはなく、そのため、アルミニウム系プラグ４ａへ拡散することもない。これにより、ＴｉＯＮ又はＴｉＮからなるバリヤメタル層を形成しなくても、アルミニウム系下層配線層１にボイドを発生させることを防止し、アルミニウム系配線層の断線を抑制することができ、耐熱性を向上させることができる。また、ＴｉＡｌはＴｉＯＮ又はＴｉＮに比べて比抵抗が著しく小さいので、ＴｉＯＮ又はＴｉＮにからなるバイヤメタル層を形成する場合に比べ、低抵抗の配線構造となる。また、アルミニウム系材料のＴｉ層に対する濡れ性を向上させることもできる。
【００２２】なお、図１の態様においては、ＴｉＡｌ_３層７はアルミニウム系下層配線層１上のみに存在するが、図２に示すように、絶縁層２の表面と側面、即ち接続孔Ａの内壁にも存在してもよい。また、アルミニウム系上層配線層４ｂ上に更に接続孔を介して上層配線層を積層する場合には、アルミニウム系上層配線層４ｂ上にＴｉＡｌ_３層を再度積層することが好ましい。
【００２３】この他、本発明の配線構造体の態様としては、図１及び図２に示した態様において、アルミニウム系上層配線層４ｂは省略することもできる。
【００２４】また、アルミニウム系材料を接続孔Ａに埋め込む場合に、高温スパッタ法やリフロー法を利用する場合には、アルミニウム系プラグ４ａ及びアルミニウム系上層配線層４ｂとＴｉ層３との境界部分にはＴｉとＡｌとの反応によるＴｉＡｌ合金層が形成されるが、本発明の配線構造体としては、このようなＴｉＡｌ合金層が形成されていてもよい。
【００２５】次に、本発明の配線構造体の形成方法を図３～６に従って説明する。
【００２６】図３は、接続孔Ａを形成する前に、ＴｉＡｌ_３をターゲットとするスパッタ法などにより、アルミニウム系下層配線層１上に予めＴｉＡｌ_３層を形成することを特徴とする方法であり、図４は、接続孔Ａを形成する前に、アルミニウム系下層配線層１上にまずＴｉをターゲットとするスパッタ法などによりＴｉ層３ｃを形成し、そのＴｉ層３ｃとアルミニウム系下層配線層１とを反応させて予めＴｉＡｌ_３層７を形成することを特徴とする方法であり、図５は、アルミニウム系下層配線層１上の絶縁層２に接続孔Ａを形成した後に、Ｔｉ層３ｃをＣＶＤ法により全面に形成し、そのＴｉ層３ｃとアルミニウム系下層配線層１とを反応させてＴｉＡｌ_３層７を形成することを特徴とする方法であり、そして図６は、アルミニウム系下層配線層上１の絶縁層２に接続孔Ａを形成した後に、接続孔Ａの底部にＴｉＡｌ_３層７をＣＶＤ法により形成することを特徴とする方法である。
【００２７】図３の形成方法の場合、まず、アルミニウム系下層配線層１上に、ＴｉＡｌ_３をターゲットとするスパッタ法やＣＶＤ法等によりＴｉＡｌ_３層７を形成する。なお、このＴｉＡｌ_３層７上には、絶縁層２を形成し、フォトリソグラフ法により開孔するが、その際のパターニング性を向上させるため、ＴｉＡｌ_３層７上には、ＴｉＯＮ又はＴｉＮなどからなる反射防止膜９を形成することが好ましい（図３（ａ））。
【００２８】次に、ＴｉＡｌ_３層７上にＳｉＯ_２などからなる絶縁層２をスパッタ法などにより形成する（図３（ｂ））。
【００２９】次に、絶縁層２に、アルミニウム系下層配線層１への導通をとるための接続孔ＡをＴｉＡｌ_３層７に達するまで、フォトリソグラフ法により開孔する（図３（ｃ））。
【００３０】次に、接続孔Ａにアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグ４ａを形成するが、埋め込み前に、埋め込み特性を向上させる目的で全面、即ち接続孔Ａの内面及び絶縁層２の表面にＴｉ層３を形成しておくことが好ましい（図３（ｄ））。そして、このＴｉ層３が形成された接続孔Ａに、アルミニウム系材料をスパッタ法などにより埋め込み、アルミニウム系プラグ４ａを形成する。この時、同時にアルミニウム系上層配線層４ｂを形成してもよい。また、アルミニウム系上層配線層４ｂ上に必要に応じて、ＴｉＯＮ又はＴｉＮなどからなる反射防止膜８を形成してもよい（図３（ｅ））。このようにして本発明の配線構造体が得られる。
【００３１】なお、図３の方法において、接続孔Ａにアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグ４ａを形成する際に、高温スパッタ法又はリフロー法により行うことにより、高アスペクト比の微細な接続孔にもアルミニウム系材料をカバレージよく埋め込むことができる。
【００３２】図４の形成方法の場合、図３の形成方法と異なる点は、アルミニウム系下層配線層１上に、直接ＴｉＡｌ_３層を形成するのではなく、先ずＴｉ層３ｃを形成し、更にＴｉＯＮ又はＴｉＮ等からなる反射防止膜９を形成し（図４（ａ））、それに加熱処理、例えばＲＴＡ（ラピッドサーマルアニーリング）処理を施してＴｉ層３ｃとアルミニウム系下層配線層１とを反応させ、図４（ｂ）に示すように、ＴｉＡｌ_３層７を形成する点である。このような工程とすることにより、ＴｉＡｌ_３層が自己形成されるという効果が得られる。この後は、図３（ｂ）～（ｅ）と同様な工程に従って本発明の配線構造体が得られる。なお、Ｔｉ層３ｃの形成は、Ｔｉをターゲットとするスパッタ法やＣＶＤ法などにより行うことができる。
【００３３】図５の形成方法の場合には、先ず、アルミニウム系下層配線層１上に常法により絶縁層２を形成する（図５（ａ））。
【００３４】次に、絶縁層２に、アルミニウム系下層配線層１への導通をとるための接続孔Ａをフォトリソグラフ法によりアルミニウム系下層配線層１に達するまで開孔する（図５（ｂ））。
【００３５】次に、接続孔Ａの少なくとも底部にＴｉ層３ｃをＣＶＤ法により形成する。この場合、一般には全面にＴｉ層３ｃを形成する（図５（ｃ））。
【００３６】次に、アルミニウム系下層配線層１とＴｉ層３ｃとを、ＲＴＡ処理などにより加熱し反応させて接続孔Ａの底部のＴｉ層をＴｉＡｌ_３層７とする（図５（ｄ））。
【００３７】次に、接続孔Ａにアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグ４ａを形成するが、埋め込み前に、オーバーハング部を除去するために余剰のＴｉ層３ｃを選択エッチングで除去し（図５（ｅ））、再度、アルミニウム系材料の埋め込み特性を向上させる目的で全面、即ち接続孔Ａの内面及び絶縁層２の表面にＴｉ層３を形成しておくことが好ましい（図５（ｆ））。そして、このＴｉ層３が形成された接続孔Ａに、アルミニウム系材料をスパッタ法などにより埋め込み、アルミニウム系プラグ４ａを形成する。この時、同時にアルミニウム系上層配線層４ｂも形成してもよい。また、アルミニウム系上層配線層４ｂ上に必要に応じて、ＴｉＯＮ又はＴｉＮなどからなる反射防止膜８を形成してもよい（図５（ｇ））。このようにして本発明の配線構造体が得られる。
【００３８】なお、図５の方法において、接続孔Ａにアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグ４ａを形成する際に、高温スパッタ法又はリフロー法により行うことにより、高アスペクト比の微細な接続孔にもアルミニウム系材料をカバレージよく埋め込むことができる。
【００３９】図６に示した方法の場合、図５の形成方法と異なる点は、アルミニウム系下層配線層１上に絶縁層２を形成し、接続孔Ａを形成した後に、アルミニウム系下層配線層１上にＴｉ層を形成するのではなく、ＴｉＡｌ_３層７を少なくとも接続孔Ａの底部に直接形成する点である（図６）。このような工程とすることにより、配線抵抗値が上昇するのを抑制するという効果が得られる。この後は、図５（ｆ）～（ｇ）と同様な工程に従って本発明の配線構造体が得られる。
【００４０】以上説明した本発明の配線構造体及びその形成方法は、高い集積度の半導体装置の内部のアルミニウム系下層配線層とを微細で高アスペクト比のアルミニウム系プラグで導通させる場合に特に適したものである。
【００４１】
【作用】本発明においては、アルミニウム系下層配線層とアルミニウム系プラグとの間に、ＴｉＡｌ_３層が形成される。このＴｉＡｌ_３層は、チタンとアルミニウムとが反応することにより形成された安定な化合物であり、アルミニウムともはや反応しない。従って、アルミニウム系下層配線層がアルミニウム系合金の融点付近に加熱されても、そのアルミニウム系下層配線層中のアルミニウムがＴｉＡｌ_３層と反応することはなく、そのため、アルミニウム系下層配線層がアルミニウム系プラグへ拡散することもない。これにより、アルミニウム系下層配線層１にボイドが発生することを防止することが可能となる。また、ＴｉＯＮ又はＴｉＮからなるバイヤメタル層を形成しないために低抵抗の配線構造体を実現することが可能となる。
【００４２】
【実施例】以下、本発明を実施例に従ってより詳細に説明する。
【００４３】実施例１枚葉式マグネトロンスパッタ装置によりシリコン基板上に、以下に示す成膜条件で、１００ｎｍ厚のＴｉ層（シリコン基板へのＡｌの拡散防止のための層）層を積層し、更に５００ｎｍ厚のＡｌＳｉ層（アルミニウム系下層配線層）を形成した。
【００４４】Ｔｉ層（シリコン基板へのＡｌの拡散防止のための層）
スパッタ成膜条件ターゲットＴｉＤＣパワー４ｋＷガス系Ａｒ，１００ＳＣＣＭ圧力０．４Ｐａ基板加熱温度１５０℃ＡｌＳｉ層（アルミニウム系下層配線層）
スパッタ成膜条件（高温スパッタ法）
ターゲットＡｌ－１％ＳｉＤＣパワー１０ｋＷガス系Ａｒ，１００ＳＣＣＭ成膜速度０．６μｍ／ｍｉｎ．
圧力０．４Ｐａ基板加熱温度５００℃このＡｌＳｉ層上に、図３に示す工程に従って、以下の成膜条件で７０ｎｍ厚のＴｉＡｌ_３層を成膜し、更にＴｉＯＮ層（反射防止膜）を成膜した。
【００４５】ＴｉＡｌ_３層（ＴｉとＡｌとの反応防止層）
スパッタ成膜条件ターゲットＴｉＡｌ_３ＤＣパワー１０ｋＷガス系Ａｒ，１００ＳＣＣＭ圧力０．４Ｐａ基板加熱温度１５０℃ＴｉＯＮ層（反射防止膜）
スパッタ成膜条件ターゲットＴｉＯＮＤＣパワー５ｋＷガス系Ａｒ，３０ＳＣＣＭＮ_２＋６％Ｏ_２，７０ＳＣＣＭ圧力０．４Ｐａ基板加熱温度１５０℃このようにして形成されたＴｉＯＮ層上に、常法に従ってＳｉＯ_２絶縁層を形成し、ＴｉＡｌ_３層に達する接続孔をフォトリソグラフ法により開孔した。接続孔の深さは０．５μｍで開孔径は０．７μｍであった。
【００４６】続いて、枚葉式マグネトロンスパッタ装置により、上述と同様の成膜条件でアルミニウム系材料の濡れ性向上のためのＴｉ層を形成し、続いてＡｌＳｉ層を積層してアルミニウム系プラグを形成するとともにアルミニウム系上層配線層を形成し、更にＴｉＯＮからなる反射防止膜を形成し、図３（ｅ）に示した構造の配線構造体を得た。得られた配線構造体のアルミニウム系下層配線層にはボイドがなく、耐熱性に優れた高い信頼性で且つ低抵抗のアルミニウム系配線構造体であった。
【００４７】なお、アルミニウム系下層配線層、アルミニウム系プラグあるいはアルミニウム系上層配線層を形成するＡｌＳｉ層の高温スパッタの際にシリコン基板にバイアス電圧を印加してもよい。また、高温スパッタ法に代えてリフロー法を採用してもよく、その場合の成膜条件は以下の通りである。
【００４８】ＡｌＳｉ層（リフロー法）
スパッタ成膜条件ターゲットＡｌ－１％ＳｉＤＣパワー２０ｋＷガス系Ａｒ，１００ＳＣＣＭ成膜速度１．２μｍ／ｍｉｎ．
圧力０．４Ｐａ基板加熱温度１５０℃リフロー条件加熱方法基板裏面ガス加熱法加熱温度５００℃加熱時間２ｍｉｎ．
ガス系Ａｒ，１００ＳＣＣＭ基板裏面圧力１０６４Ｐａ（８．０Ｔｏｒｒ）
なお、基板裏面ガス加熱法とは、基板裏面に設置したヒーターブロックを所定の温度に加熱し、このヒーターブロックと基板の裏面との間にＡｒ等のアシストガスを導入することにより基板を加熱する方法である。基板裏面ガス加熱法に代えてランプ加熱方法などの一般的な方法を利用することもできる。
【００４９】実施例２図４の工程に従って、ＴｉＡｌ_３層をスパッタ法により形成することに代えて実施例１に示した成膜条件で３０ｎｍ厚のＴｉ層を形成し、更にランプアニール処理（加熱温度５００℃、加熱時間１分、ガス系Ａｒ５リットル／分）を施すことによりＴｉＡｌ_３層を形成する以外は実施例１を繰り返すことにより本発明の配線構造体を得た。得られた配線構造体のアルミニウム系下層配線層にはボイドがなく、耐熱性に優れた高い信頼性で且つ低抵抗のアルミニウム系配線構造体であった。
【００５０】実施例３実施例２のランプアニール処理に代えて、ファーネスアニール処理（加熱温度５００℃、加熱時間３０分、ガス系Ｎ_２リットル／分）を施す以外は実施例２を繰り返すことにより本発明の配線構造体を得た。得られた配線構造体のアルミニウム系下層配線層にはボイドがなく、耐熱性に優れた高い信頼性で且つ低抵抗のアルミニウム系配線構造体であった。
【００５１】実施例４実施例２のプロセスを、図１０に示すような、Ｔｉスパッタチャンバー１００、Ａｌ合金スパッタチャンバー１０１、ＲＴＡ複数のチャンバー１０２、プレクリーンチャンバー１０３、ロードロックチャンバー１０４、搬送室１０５及び１０６を有するマルチチャンバータイプの装置（クラスターツール）を用いて行うことにより、大気に暴露することなく各層を連続的に形成した。これにより、Ｔｉ層などに対する酸素の悪影響を排除でき、より高い信頼性を有する配線構造体を得た。
【００５２】実施例５図５の工程に従って、実施例１と同様にして形成されるＡｌＳｉ層（アルミニウム系下層配線層）上に、実施例１と同様に絶縁層を形成し、更にＡｌＳｉ層に達する接続孔を形成する。
【００５３】次に、Ａｒ逆スパッタ法によりＡｌ表面上の自然酸化物（アルミナ）をスパッタエッチング除去した後に、連続的に以下のスパッタ条件のコリメーションスパッタ法又は通常のスパッタ法により接続孔の底部に５～５０ｎｍ厚のＴｉ層を成膜する。
【００５４】Ｔｉスパッタ条件ターゲットＴｉＤＣパワー３～１０ｋＷガス系Ａｒ，５０～１００ＳＣＣＭ圧力０．５Ｐａ基板加熱温度２００～４００℃次に、４００～５００℃でＡｒ又はＨ_２雰囲気中で３０～１２０秒間、熱処理を行うことにより、接続孔底部のＴｉ層をアルミニム系下層配線層中のＡｌと反応させてＴｉＡｌ_３層に変化させる。
【００５５】次に絶縁層表面と接続孔側壁の未反応のＴｉ層を、アンモニア過水（ＮＨ_３：Ｈ_２０_２：Ｈ_２０＝１：２：２）で選択的にエッチング除去する。
【００５６】次に、実施例１と同様にして、アルミニウム系材料の濡れ性向上のためのＴｉ層を形成し、続いてＡｌＳｉ層を積層してアルミニウム系プラグを形成するとともに上層配線層を形成し、更にＴｉＯＮからなる反射防止膜を形成し、図５（ｆ）に示した構造の配線構造体を得る。このようにして得られる配線構造体も、アルミニウム系下層配線層にボイドがなく、耐熱性に優れた高い信頼性で且つ低抵抗のものとなる。
【００５７】実施例６図６で説明した工程に従って、Ａｒ逆スパッタ法によりＡｌ表面上の自然酸化物（アルミナ）をスパッタエッチング除去した後に、Ｔｉ層に代えてＴｉＡｌ_３層を連続的に接続孔の底部にスパッタ法により成膜し且つ熱処理を行わない以外は、実施例５を繰り返すことにより図２に示すような本発明の配線構造体を得る。このようにして得られる配線構造体も、アルミニウム系下層配線層にボイドがなく、耐熱性に優れた高い信頼性で且つ低抵抗のものとなる。
【００５８】実施例７Ａｒ逆スパッタ法によりＡｌ表面上の自然酸化物（アルミナ）をスパッタエッチング除去した後に、ＴｉＡｌ_３層を連続的に接続孔の底部にスパッタ法により成膜することに代えて、連続的に［（ｉ－Ｃ_４Ｈ_９）_３ＡｌＨ］もしくは［（ＣＨ_３）_２ＡｌＨ］とＴｉＣｌ_４とＨ_２とを用いる以下の条件のＣＶＤ法によりＴｉＡｌ_３層を成膜する以外は、実施例６と同様にして本発明の配線構造体を得る。このようにして得られる配線構造体も、アルミニウム系下層配線層にボイドがなく、耐熱性に優れた高い信頼性で且つ低抵抗のものとなる。
【００５９】ＴｉＡｌ_３ＣＶＤ成膜条件基板温度４００～５００℃［（ｉ－Ｃ_４Ｈ_９）_３ＡｌＨ］又は［（ＣＨ_３）_２ＡｌＨ］流量５～５０ＳＣＣＭＴｉＣｌ_４流量５～３０ＳＣＣＭＨ_２流量５０～３００ＳＣＣＭ
【００６０】
【発明の効果】本発明によれば、アルミニウム系下層配線層にアルミニウム系プラグを導通させる際に、それらの間に高い比抵抗を有するＴｉＯＮ又はＴｉＮからなるバリヤメタル層を形成することなく、アルミニウム系下層配線層のアルミニウムのアルミニウム系プラグへの移動を抑制し、アルミニウム系下層配線層にボイドを発生させず、断線のない低抵抗のアルミニウム系配線の配線構造体を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線構造体の断面図である。
【図２】本発明の配線構造体の断面図である。
【図３】本発明の配線構造体の形成方法の工程図である。
【図４】本発明の配線構造体の形成方法の工程図である。
【図５】本発明の配線構造体の形成方法の工程図である。
【図６】本発明の配線構造体の形成方法の説明図である。
【図７】従来のシリコン基板上の配線構造体の断面図である。
【図８】従来の配線構造体の問題点の説明図である。
【図９】従来の配線構造体の断面図である。
【図１０】クラスターツールの概略平面図である。
【符号の説明】
１アルミニウム系下層配線層
２絶縁層
３，３ａ，３ｂ，３ｃＴｉ層
４ａアルミニウム系プラグ
４ｂアルミニウム系上層配線層
５ＴｉＡｌ合金層
６バリヤメタル層
７ＴｉＡｌ_３層
８，９反射防止膜
Ａ接続孔
Ｂボイド

【特許請求の範囲】
【請求項１】アルミニウム系下層配線層と、その上に積層された絶縁層であって、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔を有する絶縁層と、接続孔に埋め込まれたアルミニム系プラグとから構成される配線構造体において、少なくとも接続孔の底部のアルミニウム系下層配線層とアルミニウム系プラグとの間にＴｉＡｌ_３層が形成されていることを特徴とする配線構造体。
【請求項２】アルミニウム系プラグ上にアルミニウム系上層配線層が形成されている請求項１記載の配線構造体。
【請求項３】請求項１記載の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上にＴｉＡｌ_３層を形成する工程；ＴｉＡｌ_３層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をＴｉＡｌ_３層に達するまで開孔する工程；及び接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法。
【請求項４】接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する際に、高温スパッタ法又はリフロー法により行う請求項３記載の形成方法。
【請求項５】請求項１記載の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上にＴｉ層を形成する工程；アルミニウム系下層配線層とＴｉ層とを加熱し反応させてＴｉ層をＴｉＡｌ_３層とする工程；生成したＴｉＡｌ_３層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をＴｉＡｌ_３層に達するまで開孔する工程；及び接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法。
【請求項６】接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する際に、高温スパッタ法又はリフロー法により行う請求項５記載の形成方法。
【請求項７】請求項１記載の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をアルミニウム系下層配線層に達するまで開孔する工程；接続孔の少なくとも底部に、Ｔｉ層をＣＶＤ法により形成する工程；アルミニウム系下層配線層とＴｉ層とを加熱し反応させて接続孔の底部のＴｉ層をＴｉＡｌ_３層とする工程；及び接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法。
【請求項８】接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する際に、高温スパッタ法又はリフロー法により行う請求項７記載の形成方法。
【請求項９】請求項１記載の配線構造体の形成方法において：アルミニウム系下層配線層上に絶縁層を形成する工程；絶縁層に、アルミニウム系下層配線層への導通をとるための接続孔をアルミニウム系下層配線層に達するまで開孔する工程；接続孔の少なくとも底部に、ＴｉＡｌ_３層をＣＶＤ法により形成する工程；及び接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する工程を含んでなることを特徴とする形成方法。
【請求項１０】接続孔にアルミニウム系材料を埋め込んでアルミニウム系プラグを形成する際に、高温スパッタ法又はリフロー法により行う請求項９記載の形成方法。

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

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配線構造体及びその形成方法

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