JPH06349833A

JPH06349833A - 半導体装置におけるアルミニウム系配線

Info

Publication number: JPH06349833A
Application number: JP15632293A
Authority: JP
Inventors: Yukiyasu Sugano; 幸保菅野; Mitsuru Taguchi; 充田口; Kazuhide Koyama; 一英小山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-06-03
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1994-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】アルミニウムスパッタ法によって形成される半
導体装置におけるアルミニウム系配線であって、配線形
成後に半導体装置に熱処理を施した時、かかる配線上に
形成された絶縁層にクラックが発生することがなく、し
かも下層導体層との電気的接続に関して高い信頼性を有
するアルミニウム系配線を提供する。【構成】アルミニウム系配線は、アルミニウム層及びチ
タン−アルミニウム合金層が積層されて成る。チタン−
アルミニウム合金層は、アルミニウムを５０乃至５８at
omic％含むγ相構造を有することが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムスパッタ
法によって形成された半導体装置におけるアルミニウム
系配線に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置には多数のコンタクトホー
ル、スルーホールあるいはビヤホール（以下、これらを
総称して接続孔ともいう）が形成されている。通常、接
続孔は、半導体基板から成る基体に形成された拡散層、
各種電極あるいは下層配線層（以下、これらを総称して
下層導体層ともいう）上に絶縁層を形成し、かかる絶縁
層に開口部を設けた後、開口部に金属配線材料を埋め込
むことによって形成される。半導体装置の高集積化に伴
い、半導体製造プロセスの寸法ルールも微細化しつつあ
り、高いアスペクト比を有する開口部を金属配線材料で
埋め込む技術が重要な課題となっている。

【０００３】開口部を金属配線材料で埋め込む方法とし
て、一般には、純アルミニウムあるいはアルミニウム合
金（以下、Ａｌ系合金ともいう）を用いたスパッタ法が
採用されている。然るに、このスパッタ法においては、
開口部のアスペクト比が高くなるに従い、Ａｌ系合金か
ら成るスパッタ粒子が所謂シャドウイング効果によって
開口部底部あるいはその近傍の開口部側壁に堆積し難く
なる。ここで、シャドウイング効果とは、Ａｌ系合金か
ら成るスパッタ粒子が開口部の側壁あるいは底部に形成
される光学的に影の部分には堆積され難い現象を指す。
その結果、開口部底部あるいはその近傍の開口部側壁に
おけるＡｌ系合金のステップカバレッジが悪くなり、か
かる部分で断線不良が発生し易くなるという問題があ
る。

【０００４】このような問題を解決する一手段として、
Ａｌ系合金を金属配線材料として用いる所謂高温アルミ
ニウムスパッタ法が検討されている。この高温アルミニ
ウムスパッタ法は、Ａｌ系合金をスパッタする際、半導
体基板等の基体を高温（４００゜Ｃ〜５００゜Ｃの温
度）に加熱しておき、絶縁層上に堆積したＡｌ系合金を
流動状態とさせて開口部内に流入させ、開口部をＡｌ系
合金で埋め込む技術である。尚、基体にバイアス電圧を
印加しながら高温スパッタを行う高温バイアススパッタ
法も、本明細書における高温アルミニウムスパッタ法に
包含される。これらを総称して単に高温アルミニウムス
パッタ法ともいう。

【０００５】高温アルミニウムスパッタ法において、チ
タン（Ｔｉ）等のＡｌ系合金と濡れ性の良い材料を下地
として形成すると、成膜中のＡｌ系合金と下地であるＴ
ｉ層との間の界面反応が良好に進行するため、Ａｌ系合
金の開口部への埋め込み特性が向上することが知られて
いる。

【０００６】従来の高温アルミニウムスパッタ法による
絶縁層上のアルミニウム系配線の形成及び接続孔の形成
方法の概要を、半導体素子の模式的な一部断面図である
図４を参照して、以下、説明する。

【０００７】［工程−１０］先ず、絶縁層から成る基体
１０上に、ＳｉＯ₂から成る厚さ５００ｎｍの絶縁層１
４をＣＶＤ法にて形成し、次いで、下層導体層上の絶縁
層１４に例えばＲＩＥ法で開口部１６を形成する（図４
の（Ａ）参照）。尚、絶縁層から成る基体１０には、Ａ
ｌ系合金から構成された下層配線層である下層導体層１
２が形成されている。

【０００８】［工程−２０］その後、次の工程で形成さ
れるアルミニウム層の濡れ性改善のために、下地層１８
をスパッタ法にて開口部１６内を含む絶縁層１４全面に
形成する。下地層１８は、例えば、１００ｎｍ厚さのＴ
ｉ膜から成る（図４の（Ｂ）参照）。

【０００９】［工程−３０］次いで、基体１０を例えば
約４８０゜Ｃに加熱した状態で、高温アルミニウムスパ
ッタ法にてアルミニウム層（例えばＡｌ−１％Ｓｉ）２
０を開口部１６内を含む全面に堆積させる。絶縁層１４
上に堆積したアルミニウム層２０は流動状態となり、開
口部１６内に流入し、開口部１６はＡｌ系合金で確実に
埋め込まれる。この際、下地層１８中のＴｉとＡｌ系合
金中のＡｌとが反応して、下地層１８とアルミニウム層
２０の間にはＴｉＡｌ₃から成る合金層１８Ａが形成さ
れる。こうして、絶縁層１４上には、Ｔｉから成る下地
層１８、ＴｉＡｌ₃から成る合金層１８Ａ、及びアルミ
ニウム層２０が積層されたアルミニウム系配線２２が形
成される（図４の（Ｃ）参照）。また、開口部１６内に
下地層１８、合金層１８Ａ、及びアルミニウム層２０が
埋め込まれた接続孔１６Ａが形成される。次いで、アル
ミニウム系配線２２をパターニングして所望の配線２４
を完成させる（図４の（Ｄ）参照）。

【００１０】このような配線構造は、配線２４の信頼性
向上の観点からも好ましい。即ち、アルミニウム層２０
に断線が発生しても、下地層１８によって導通がとれる
ので、完全な断線には至らない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】アルミニウムスパッタ
法においては、下地層１８が不可欠である。ところが、
下地層１８中のＴｉとアルミニウム層２０中のＡｌとの
反応によって生じたＴｉＡｌ₃から成る合金層１８Ａに
は引っ張り応力が発生する。また、この反応における拡
散種はＡｌである。

【００１２】従って、図５に示すように、配線２４を形
成し、その上に上層絶縁層２６を形成した後に、熱処理
を行うと、下地層１８中のＴｉとアルミニウム層２０中
のＡｌとの反応が進行し、合金層１８Ａによる引っ張り
応力によって上層絶縁層２６にクラックが発生するとい
う問題がある。また、下層導体層１２がＡｌ系合金から
成る場合には、例えば信頼性試験において、かかる下層
導体層１２中のＡｌが下地層１８中のＴｉと反応し、下
層導体層１２中のＡｌが下地層１８に引き上げられる。
その結果、下層導体層１２にはボイド１２Ａが形成さ
れ、下層導体層１２と接続孔１６Ａとの間の電気的な接
続の信頼性が低下するという問題もある。

【００１３】従って、本発明の目的は、アルミニウムス
パッタ法によって形成される半導体装置におけるアルミ
ニウム系配線であって、配線形成後に半導体装置に熱処
理を施した時、かかる配線上に形成された絶縁層にクラ
ックが発生することがなく、しかも下層導体層との電気
的接続に関して高い信頼性を有するアルミニウム系配線
を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、アルミニ
ウム層及びチタン−アルミニウム合金層が積層されて成
ることを特徴とする、本発明の半導体装置におけるアル
ミニウム系配線によって達成することができる。尚、こ
こで、アルミニウム層は、純アルミニウムあるいはＡｌ
−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等のアルミニウム合金から構
成することができる。

【００１５】本発明においては、前記チタン−アルミニ
ウム合金層は、アルミニウムを５０乃至５８atomic％含
むγ相構造を有することが望ましい。

【００１６】アルミニウム系配線の構造は、アルミニウ
ム層の上にチタン−アルミニウム合金層が積層された構
造、あるいは、チタン−アルミニウム合金層の上にアル
ミニウム層が積層された構造、あるいは、チタン−アル
ミニウム合金層の上にアルミニウム層が積層され、更に
その上にチタン−アルミニウム合金層が積層された構造
である。

【００１７】

【作用】本発明においては、従来のアルミニウムスパッ
タ法にて形成される配線構造のようにチタン層が存在し
ない。従って、配線を形成した後に半導体装置に熱処理
を施しても、チタンとアルミニウム層中のアルミニウム
が反応することがない。それ故、従来の技術において説
明した、上層絶縁層におけるクラックの発生、あるいは
下層導体線と接続孔との間の電気的接続の信頼性の低下
を防止することができる。

【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においては、高温ア
ルミニウムスパッタ法によるアルミニウム層の堆積と同
時に、チタン−アルミニウム合金層を形成する。アルミ
ニウム系配線は、チタン−アルミニウム合金、及びその
上に形成されたアルミニウム層の２層構造を有する。実
施例１のアルミニウム系配線の形成方法を、半導体素子
の模式的な一部断面図である図１を参照して、以下、説
明する。

【００２０】［工程−１００］従来の方法で、シリコン
半導体基板上に各種半導体素子を形成し、かかる半導体
素子上に絶縁層を形成した後、絶縁層上にＡｌ系合金か
ら構成された下層配線層である下層導体層１２を形成す
る。次いで、下層導体層１２が形成されたかかる絶縁層
から成る基体１０上に、ＳｉＯ₂から成る例えば厚さ５
００ｎｍの絶縁層１４をＣＶＤ法にて形成し、次いで、
下層導体層１２上の絶縁層１４に例えばＲＩＥ法で開口
部１６を形成する（図１の（Ａ）参照）。開口部の直径
を０．６μｍとした。

【００２１】［工程−１１０］その後、次の工程で形成
されるアルミニウム層の濡れ性改善のために、下地層１
８をスパッタ法にて開口部１６内を含む絶縁層１４全面
に形成する（図１の（Ｂ）参照）。下地層１８は、例え
ば、１００ｎｍ厚さのＴｉ膜から成る。枚葉式マルチチ
ャンバスパッタ装置を用いて、下地層１８を例えば以下
の条件で形成する。プロセスガス：Ａｒ＝１００sccm ＤＣパワー：４ｋＷスパッタ圧力：０．４Ｐａ基体加熱温度：１５０゜Ｃ

【００２２】［工程−１２０］引き続き、下地層１８が
酸化されないように、真空下で別のチャンバ内に半導体
基板を搬送し、所謂高温アルミニウムスパッタ法にて下
地層１８上にアルミニウム層２０（例えばＡｌ−１％Ｓ
ｉから成る）を堆積させる。絶縁層１４上のアルミニウ
ム層２０の厚さを６００ｎｍとした。この高温アルミニ
ウムスパッタ法においては、基体１０の温度を５００〜
６００゜Ｃに制御する。高温アルミニウムスパッタの条
件を、例えば以下のとおりとした。プロセスガス：Ａｒ＝１００sccm ＤＣパワー：１０ｋＷスパッタ圧力：０．４Ｐａ基体加熱温度：５５０゜Ｃ成膜速度：６００ｎｍ／分

【００２３】絶縁層１４上に堆積したアルミニウム層は
流動状態となり、開口部１６内に流入し、開口部１６は
Ａｌ系合金で確実に埋め込まれる。しかも、アルミニウ
ム層２０の成膜速度を３００〜６００ｎｍ／分とすれ
ば、成膜に要する時間は１〜２分である。基体１０の温
度を５００〜６００゜Ｃに制御することによって、この
時間内に下地層１８中の全てのＴｉがＡｌ系合金中のＡ
ｌと反応して、チタン−アルミニウム合金層３０とな
る。尚、このチタン−アルミニウム合金層３０は、アル
ミニウムを５０乃至５８atomic％含むγ相構造を有す
る。γ相構造であるかの分析は、オージェ電子分光法
（ＡＥＳ）あるいはＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて行
うことができる。

【００２４】高温アルミニウムスパッタ法において、基
体１０の温度が６００゜Ｃを越えると、堆積中のアルミ
ニウム層の一部が液相となり、アルミニウム層の表面が
荒れるために好ましくない。また、基体１０の温度が５
００゜Ｃ未満では、下地層１８中の全てのＴｉがＡｌ系
合金中のＡｌとは反応せずに、図４の（Ｃ）に示したよ
うに、チタンから成る下地層１８が残ってしまう。

【００２５】こうして、チタン−アルミニウム合金層３
０及びその上に積層されたアルミニウム層２０から成る
アルミニウム系配線２２が絶縁層１４上に形成される
（図１の（Ｃ）参照）。また、開口部１６内にチタン−
アルミニウム合金層３０及びアルミニウム層２０が埋め
込まれた接続孔１６Ａが形成される。次いで、アルミニ
ウム系配線２２をパターニングして所望の配線２４を完
成させる（図１の（Ｄ）参照）。

【００２６】以上のように、下地層１８中の全てのＴｉ
を、アルミニウム層２０の堆積時に安定なチタン−アル
ミニウム合金層３０とすることによって、その後の熱処
理工程においてＴｉとＡｌの合金化が進行することがな
い。

【００２７】（実施例２）実施例２のアルミニウム系配
線は実施例１と同様の構造を有する。実施例２において
は、アルミニウムスパッタ法によるアルミニウム層の形
成の後に、チタン−アルミニウム合金層を形成する。こ
の方法は、開口部の直径が大きな場合に適する。

【００２８】［工程−２００］実施例１の［工程−１０
０］と同様に、基体１０上に形成された絶縁層１４に例
えばＲＩＥ法で開口部１６を形成する。

【００２９】［工程−２１０］その後、実施例１の［工
程−１１０］と同様に、濡れ性改善のための下地層１８
を、スパッタ法にて開口部１６内を含む絶縁層１４全面
に形成する。下地層１８は、例えば、１００ｎｍ厚さの
Ｔｉ膜から成る。

【００３０】［工程−２２０］引き続き、別のチャンバ
内に半導体基板を搬送し、アルミニウムスパッタ法に
て、下地層１８上にアルミニウム層２０（例えばＡｌ−
１％Ｓｉから成る）を堆積させる。絶縁層１４上のアル
ミニウム層２０の厚さを６００ｎｍとした。アルミニウ
ムスパッタの条件を、例えば以下のとおりとした。プロセスガス：Ａｒ＝１００sccm ＤＣパワー：１０ｋＷスパッタ圧力：０．４Ｐａ基体加熱温度：１５０゜Ｃ実施例１と異なり、基体加熱温度を１５０゜Ｃとした。
この工程では、基体加熱温度が低いために、チタン−ア
ルミニウム合金層は形成されない。こうして、図２の
（Ａ）に模式的な一部断面図を示す構造を得ることがで
きる。

【００３１】［工程−２３０］その後、別の熱処理チャ
ンバ内に半導体基板を搬送し、基体１０を５５０゜Ｃ
（５００〜６００゜Ｃの範囲であればよい）にて１分間
（１〜２分間の範囲であればよい）加熱する。これによ
って、下地層１８中の全てのＴｉとアルミニウム層２０
中のＡｌとが反応し、γ相構造を有する安定なチタン−
アルミニウム合金層３０が形成される。こうして、チタ
ン−アルミニウム合金層３０及びその上に積層されたア
ルミニウム層２０から成るアルミニウム系配線２２が絶
縁層１４上に形成される（図２の（Ｂ）参照）。また、
開口部１６内にチタン−アルミニウム合金層３０及びア
ルミニウム層２０が埋め込まれた接続孔１６Ａが形成さ
れる。

【００３２】［工程−２４０］次いで、アルミニウム系
配線２２をパターニングして所望の配線を完成させる。

【００３３】（実施例３）実施例３においては、実施例
２と同様に、アルミニウムスパッタ法によるアルミニウ
ム層２０の堆積の後に、チタン−アルミニウム合金層３
０を形成する。実施例３におけるアルミニウム系配線
は、チタン−アルミニウム合金層／アルミニウム層／チ
タン−アルミニウム合金層の３層構造を有する。

【００３４】［工程−３００］実施例１の［工程−１０
０］と同様に、基体１０上に形成された絶縁層１４に例
えばＲＩＥ法で開口部１６を形成する。

【００３５】［工程−３１０］その後、実施例１の［工
程−１１０］と同様に、濡れ性改善のための下地層１８
を、スパッタ法にて開口部１６内を含む絶縁層１４全面
に形成する。下地層１８は、例えば、５０ｎｍ厚さのＴ
ｉ膜から成る。

【００３６】［工程−３２０］引き続き、別のチャンバ
内に半導体基板を搬送し、アルミニウムスパッタ法に
て、下地層１８上にアルミニウム層２０（例えばＡｌ−
１％Ｓｉから成る）を堆積させる。絶縁層１４上のアル
ミニウム層２０の厚さを６００ｎｍとした。アルミニウ
ムスパッタの条件は、実施例２の［工程−２２０］と同
様とすることができる。実施例２と同様に、基体加熱温
度を１５０゜Ｃとしたので、この工程ではチタン−アル
ミニウム合金層は形成されない。

【００３７】［工程−３３０］引き続き、下地層１８を
形成したチャンバ内に半導体基板を再び搬送し、実施例
１の［工程−１１０］と同様に、スパッタ法にてアルミ
ニウム層２０の上にＴｉ層３２を形成する。Ｔｉ層３２
は、例えば、５０ｎｍ厚さとした。こうして、図３の
（Ａ）に模式的な一部断面図を示す構造を得ることがで
きる。

【００３８】［工程−３４０］その後、別の熱処理チャ
ンバに基板を搬送し、基体１０を５５０゜Ｃ（５００〜
６００゜Ｃの範囲であればよい）にて１分間（１〜２分
間の範囲であればよい）加熱する。これによって、下地
層１８中の全てのＴｉとアルミニウム層２０中のＡｌと
が反応し、γ相構造を有する安定なチタン−アルミニウ
ム合金層３０が形成される。また、アルミニウム層２０
上のＴｉ層３２の全てもアルミニウム層２０中のＡｌと
反応し、γ相構造を有する安定なチタン−アルミニウム
合金層３４が形成される。こうして、チタン−アルミニ
ウム合金層３４／アルミニウム層２０／チタン−アルミ
ニウム合金層３０の３層構造のアルミニウム系配線２２
が絶縁層１４上に形成される（図３の（Ｂ）参照）。ま
た、開口部１６内にチタン−アルミニウム合金層３０及
びアルミニウム層２０が埋め込まれた接続孔１６Ａが形
成される。

【００３９】［工程−３５０］次いで、アルミニウム系
配線２２をパターニングして所望の配線を完成させる。

【００４０】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。実施例にて説明した各種条件や数値は例示であ
り、適宜変更することができる。場合によっては、Ｔｉ
から成る下地層１８の形成を省略し、アルミニウム系配
線を、アルミニウム層、及びその上に積層されたチタン
−アルミニウム合金層の２層構造とすることもできる。

【００４１】下層導体層として、Ａｌ系合金から成る下
層配線層だけでなく、タングステン等あるいは各種シリ
サイドやポリシリコンから成る下層配線層、あるいはゲ
ート電極等の各種電極、場合によっては拡散層を挙げる
ことができる。

【００４２】また、Ｔｉから成る下地層１８を形成しあ
るいはアルミニウム層２０上にＴｉ層３２を形成する代
わりに、ジルコニウム（Ｚｒ）から成る下地層を形成し
あるいはアルミニウム層上にＺｒ層を形成してもよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明のアルミニウム系配線において
は、従来技術のようにＴｉから成る下地層が存在せず、
Ｔｉから成る下地層の全てはチタン−アルミニウム合金
層となる。その結果、本発明のアルミニウム系配線にお
いては、従来のアルミニウムスパッタ法にて形成される
配線構造のようにチタン層が存在せず、従来の技術にお
ける上層絶縁層のクラックの発生、あるいは下層導体線
と接続孔との間の電気的接続の信頼性の低下を防止する
ことができる。

【００４４】また、チタン−アルミニウム合金層を、ア
ルミニウムを５０乃至５８atomic％含む組成的に幅のあ
るγ相構造を有する合金層とすることによって、安定し
た合金層を得ることができる。この場合、γ相のチタン
−アルミニウム合金層の抵抗率は３０μΩ・ｃｍ程度で
あり、アルミニウムの抵抗率より高いが、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ア
ルミニウム層に断線が生じた場合でも、完全断線を防止
することができる。Ｔｉ層から生成されるチタン−アル
ミニウム合金層の厚さは、Ｔｉ層の厚さの約２倍とな
る。また、チタン−アルミニウム合金層の抵抗率はＴｉ
層の約１／２である。そのため、完全断線の防止はＴｉ
層よりも効果的である。

【００４５】実施例３にて説明したような、アルミニウ
ム層の上にチタン−アルミニウム合金層を形成すれば、
このような構造のアルミニウム系配線の上に層間絶縁層
を介して更に上層配線を形成し、接続孔でこれらの配線
を接続する場合、アルミニウム系配線と上層配線との間
の電気的接続の信頼性を一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のアルミニウム系配線を形成する方法
を説明するための各工程における半導体素子等の模式的
な一部断面図である。

【図２】実施例２のアルミニウム系配線を形成する方法
を説明するための各工程における半導体素子等の模式的
な一部断面図である。

【図３】実施例３のアルミニウム系配線を形成する方法
を説明するための各工程における半導体素子等の模式的
な一部断面図である。

【図４】従来の高温アルミニウムスパッタ法を説明する
ための各工程における半導体素子等の模式的な一部断面
図である。

【図５】従来の技術における問題点を説明するための半
導体素子等の模式的な一部断面図である。

【符号の説明】

１０基体１２下層導体層１４絶縁層１６開口部１６Ａ接続孔１８下地層２０アルミニウム層２２アルミニウム系配線２４配線２６上層絶縁層３０，３４チタン−アルミニウム合金層３２Ｔｉ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム層及びチタン−アルミニウム
合金層が積層されて成ることを特徴とする、半導体装置
におけるアルミニウム系配線。
【請求項２】前記チタン−アルミニウム合金層は、アル
ミニウムを５０乃至５８atomic％含むγ相構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置における
アルミニウム系配線。
【請求項３】アルミニウム層の上にチタン−アルミニウ
ム合金層が積層されて成ることを特徴とする、請求項１
又は請求項２に記載の半導体装置におけるアルミニウム
系配線。
【請求項４】チタン−アルミニウム合金層の上にアルミ
ニウム層が積層されて成ることを特徴とする、請求項１
又は請求項２に記載の半導体装置におけるアルミニウム
系配線。
【請求項５】チタン−アルミニウム合金層の上にアルミ
ニウム層が積層され、更にその上にチタン−アルミニウ
ム合金層が積層されて成ることを特徴とする、請求項１
又は請求項２に記載の半導体装置におけるアルミニウム
系配線。