JP3216358B2 - 半導体装置の配線構造及びその形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の配線構造
及びその形成方法、より詳しくは所謂バリアメタル層に
特徴を有する配線構造及びその形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置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、こ
の接続孔は、例えば不純物拡散層等の下層導体層が形成
された半導体基板から成る基体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、半導体装置の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、
所謂高温アルミニウムスパッタ法あるいはアルミニウム
リフロー法が検討されている。これらの技術は、接続孔
と上層配線層を同時に形成できるといった半導体装置製
造プロセスの簡便性等から有望視されている技術であ
る。

【０００５】高温アルミニウムスパッタ法においては、
Ａｌ系合金をスパッタする際、半導体基板等の基体を高
温（約５００゜Ｃ以上Ａｌ系合金の融点以下の温度）に
加熱しておく。そして、絶縁層上に堆積したＡｌ系合金
を流動状態として開口部内に流入させて、開口部をＡｌ
系合金で埋め込み、接続孔を形成する。併せて、絶縁層
上のＡｌ系合金を平坦化して上層配線層を形成する。
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。

【０００６】また、アルミニウムリフロー法において
は、基体を例えば１５０゜Ｃ程度に加熱した状態で、開
口部内を含む絶縁層上にスパッタ法にてＡｌ系合金を堆
積させる。その後、基体を高温（約５００゜Ｃ以上Ａｌ
系合金の融点以下の温度）に加熱して、絶縁層上に堆積
したＡｌ系合金を流動状態として開口部内に流入させ
て、開口部をＡｌ系合金で埋め込み、接続孔を形成す
る。併せて、絶縁層上のＡｌ系合金を平坦化して上層配
線層を形成する。

【０００７】これらの方法を用いることによって、開口
部の径が０．１μｍでも、完全にＡｌ系合金で開口部を
埋め込むことが可能である。

【０００８】従来の高温アルミニウムスパッタ法による
配線構造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６を参照して、以下、説明する。

【０００９】［工程−１０］ 先ず、不純物拡散層（下層導体層）１２が形成された半
導体基板から成る基体１０上に、ＳｉＯ₂から成る厚さ
５００ｎｍの絶縁層１４をＣＶＤ法にて形成した後、不
純物拡散層１２の上の絶縁層１４に例えばＲＩＥ法で開
口部１６を形成する（図６の（Ａ）参照）。

【００１０】［工程−２０］ その後、バリアメタル層６０を、通常のスパッタ法にて
開口部１６内及び絶縁層１４上に形成する（図６の
（Ｂ）参照）。バリアメタル層６０は、例えば下からチ
タン（Ｔｉ）層６２及び酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）層
６４の２層から構成される。ＴｉＯＮ層６４は、次の工
程で開口部１６内に形成されるＡｌ系合金層が不純物拡
散層１２を突き抜け、アルミニウムスパイクが発生し
て、不純物拡散層１２が破壊されることを防止するため
のバリア層としての機能を有する。また、Ｔｉ層６２
は、ＴｉＯＮ層６４と不純物拡散層１２との間のコンタ
クト抵抗を低減させる機能を有する。

【００１１】［工程−３０］ 次いで、基体１０を５００゜Ｃ以上に加熱した状態の高
温アルミニウムスパッタ法にて、開口部１６内を含む絶
縁層１４の全面にＡｌ系合金層（例えばＡｌ−１％Ｓ
ｉ）３０を堆積させる。絶縁層１４上に堆積したＡｌ系
合金層３０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。こうし
て、絶縁層１４上には、バリアメタル層６０及びＡｌ系
合金層３０が積層された上層配線層が形成される（図６
の（Ｃ）参照）。また、開口部１６内にはバリアメタル
層６０及びＡｌ系合金層３０が埋め込まれた接続孔２６
が形成される。次いで、上層配線層をパターニングして
所望の上層配線３２を完成させる（図６の（Ｄ）参
照）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】高温アルミニウムスパ
ッタ法あるいはアルミニウムリフロー法においては、基
体の加熱温度が高いほどＡｌ系合金の流動性が高くな
り、小さな径の開口部にＡｌ系合金を埋め込むことが可
能になる。上記の高温アルミニウムスパッタ法あるいは
アルミニウムリフロー法において、基体の加熱温度が約
５００゜Ｃでは、Ａｌ系合金が開口部１６内に流入する
際、Ａｌ系合金が下地である不純物拡散層１２を突き抜
けることをバリアメタル層６０によって阻止することが
できる。しかしながら、基体の加熱温度を５５０゜Ｃ前
後にした場合、バリアメタル層６０のバリア性が不十分
となり、Ａｌ系合金が開口部１６内に流入した際、Ａｌ
系合金が下地である不純物拡散層１２を突き抜けること
をバリアメタル層６０によって阻止することができなく
なる。

【００１３】バリアメタル層のバリア性を向上させるた
めの方法が幾つか報告されている。例えば、特開平４−
１９６１２２号には、コンタクトホールの内側及び層間
絶縁膜上に窒化チタン膜を形成し、この窒化チタン膜を
窒素と酸素の混合ガス中で熱処理することによって、窒
化チタン膜の表面に酸化チタン膜を形成し、同時に窒化
チタン膜の結晶性を高めることによって、窒化チタン膜
のバリア性を向上させる技術が開示されている。

【００１４】この特開平４−１９６１２２号に開示され
た技術においては、表面に酸化チタンが形成された窒化
チタン膜は５００゜Ｃ程度の熱処理に耐え得るバリア性
を有する。しかしながら、基体を約５５０゜Ｃに加熱し
て高温アルミニウムスパッタ法あるいはアルミニウムリ
フロー法を実施した場合、表面に酸化チタンが形成され
た窒化チタン膜のバリア性が不十分となり、Ａｌ系合金
が不純物拡散層１２を突き抜けることを阻止することが
できなくなる。

【００１５】また、特開平４−１９６１２２号に開示さ
れた技術に基づき半導体装置を作製したところ、半導体
素子のリーク電流が１枚のウエハ内及びウエハ間におい
てばらつくことが判明した。これは、窒化チタン膜の表
面の酸化処理は窒化チタン膜中の窒素含有率やＴｉ−Ｎ
の結合状態、あるいは窒化チタンの結晶性の影響を受け
易いため、酸化チタンの膜厚が不均一になり易いことに
起因すると考えられる。

【００１６】バリアメタル層のバリア性を向上させるた
めの別の方法を、本出願人は平成４年４月２４日付で出
願した特願平４−１３１８３５号にて提案した。この方
法は、バリアメタル層の形成後、自然酸化によってバリ
アメタル層の表面に酸化層を形成する方法である。

【００１７】この方法は、バリアメタル層のバリア性を
向上させるための効果的な方法である。しかしながら、
自然酸化による酸化層を形成する場合、酸化層は自然酸
化時の温度や湿度の影響を受け、また、酸化速度や酸化
層の厚さは自然酸化前のバリアメタル層の最表面の影響
を受け易い。従って、均一な酸化層の形成が困難であ
る。そのため、特願平４−１３１８３５号にて提案され
た方法では、基体を約５５０゜Ｃに加熱して高温アルミ
ニウムスパッタ法あるいはアルミニウムリフロー法を実
施した場合、バリアメタル層のバリア性が不十分とな
り、Ａｌ系合金が不純物拡散層１２を突き抜けることを
阻止することができなくなる場合がある。

【００１８】ドライエッチングにおける酸化チタンのエ
ッチングレートは、窒化チタンの１／２以下である。先
に説明した［工程−３０］において、絶縁層１４上のバ
リアメタル層６０及びＡｌ系合金層３０から成る上層配
線層をドライエッチングして上層配線３２を形成する
際、酸化チタンの膜厚が不均一であると、膜厚が厚い酸
化チタンの部分がエッチングされる前に、膜厚が薄い酸
化チタンの部分がエッチングされる。その結果、膜厚が
薄い酸化チタンの下方の絶縁層１４は、膜厚の厚い酸化
チタンの下方の絶縁層１４よりも、多くエッチングされ
るという問題がある。また、接続孔２６と下地導体層１
２との間のコンタクト抵抗は酸化チタンの厚さの影響を
受けるので、酸化チタンの膜厚が不均一であるとコンタ
クト抵抗の値にばらつきが生じるという問題もある。

【００１９】従って、本発明の第１の目的は、優れたバ
リア性を有し、しかも、ウエハ内あるいはウエハ間で特
性のばらつきが少ない接続孔を形成し得る、半導体装置
の配線構造及びその形成方法を提供することにある。ま
た、本発明の第２の目的は、均一な膜厚を有するバリア
メタル層を形成することができ、しかも、一層高温の処
理に耐えることができる優れたバリア性を有する接続孔
を形成し得る、半導体装置の配線構造及びその形成方法
を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するための本発明の第１の態様に係る半導体装置の配線
構造の形成方法は、 （イ）下層導体層が形成された基体上に絶縁層を形成し
た後、下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程
と、 （ロ）開口部内を含む絶縁層上に金属層を形成する工程
と、 （ハ）金属層上に金属化合物層を形成する工程と、 （ニ）酸素を含まないガス雰囲気中で金属化合物層のア
ニール処理を行う工程と、 （ホ）窒素ガス及び酸素ガスの混合された金属化合物層
の酸化処理を行って金属化合物層の表面に金属酸化物層
を形成し、以って、金属層、金属化合物層及び金属酸化
物層から成るバリアメタル層を形成する工程と、 （へ）高温アルミニウムスパッタ法又はアルミニウムリ
フロー法にてバリアメタル層上にアルミニウム系合金層
を堆積させて開口部をアルミニウム系合金層で埋め込
み、次いで、絶縁層上のアルミニウム系合金層及びバリ
アメタル層を所望の形状にパターニングしてアルミニウ
ム系合金層及びバリアメタル層から成る上層配線を形成
する工程、から成り、 金属酸化物層を形成する前の金属
化合物層の厚さをｔとしたとき、金属酸化物層が形成さ
れた後の金属化合物層の厚さは０．３ｔ〜０．７ｔであ
ることを特徴とする。

【００２１】この場合、金属層をチタン（Ｔｉ）から、
そして、金属化合物層を窒化チタン（ＴｉＮ）又は酸化
窒化チタン（ＴｉＯＮ）あるいは又チタンタングステン
（ＴｉＷ）から構成することができる。工程（ロ）にお
ける金属層の形成及び／又は工程（ハ）における金属化
合物層の形成を、コリメーションスパッタ法を含むスパ
ッタ法、あるいは又、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）に
て行うことができる。更には、工程（ホ）と工程（へ）
の間に、バリアメタル層を構成する金属酸化物層上にチ
タン層を形成する工程を更に含ませることができる。

【００２２】上記の第１の目的を達成するための本発明
の第１の態様に係る半導体装置の配線構造は、 （Ａ）下層導体層が形成された基体と、 （Ｂ）該基体上に形成され、該下層導体層上方に開口部
を有する絶縁層と、 （Ｃ）該開口部内を含む絶縁層上に形成されたアルミニ
ウム系合金層から成る上層配線と、 （Ｄ）該アルミニウム系合金層と絶縁層との間、及び、
該アルミニウム系合金層と下層導体層との間に形成され
たバリアメタル層、から成り、 該バリアメタル層は、下
から、金属層、金属化合物層及び金属酸化物層から成
り、 （金属化合物層の厚さ）／（金属酸化物層の厚さ）
の比は、３／７乃至７／３であることを特徴とする。

【００２３】上記の第２の目的を達成するための本発明
の第２の態様に係る半導体装置の配線構造の形成方法
は、 （イ）下層導体層が形成された基体上に絶縁層を形成し
た後、下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程
と、 （ロ）開口部内を含む絶縁層上に金属層を形成する工程
と、 （ハ）金属層を緻密化するために、酸素を含まないガス
雰囲気中で金属層のアニール処理を行い、次いで、酸素
を含むガス雰囲気中で金属層の酸化処理を行って金属層
の表面に金属酸化物層を形成し、以って、金属層及び金
属酸化物層から成るバリアメタル層を形成する工程と、 （ニ）高温アルミニウムスパッタ法又はアルミニウムリ
フロー法にてバリアメタル層上にアルミニウム系合金層
を堆積させて開口部をアルミニウム系合金層で埋め込
み、次いで、絶縁層上のアルミニウム系合金層及びバリ
アメタル層を所望の形状にパターニングしてアルミニウ
ム系合金層及びバリアメタル層から成る上層配線を形成
する工程、から成り、 金属酸化物層を形成する前の金属
層の厚さをｔ’とした場合、金属酸化物層が形成された
後の金属層の厚さは０．３ｔ’〜０．７ｔ’であること
を特徴とする。

【００２４】この場合、金属層をチタンから構成するこ
とができる。工程（ハ）における金属層のアニール処理
を窒素ガス雰囲気中での３００乃至６００゜Ｃの熱処理
とし、金属層の酸化処理を窒素ガス及び酸素ガスの混合
された雰囲気中での熱処理とすることができる。工程
（ロ）における金属層の形成を、コリメーションスパッ
タ法を含むスパッタ法、あるいは、化学的気相成長法
（ＣＶＤ法）にて行うことができる。尚、アニール処理
の温度が３００゜Ｃ未満では、金属層を緻密化すること
ができず、あるいは結晶性を向上させることができず、
優れたバリア性をバリアメタル層に付与することができ
ない。また、アニール処理の温度が６００゜Ｃを越える
と、絶縁層を構成している二酸化シリコン等の中の酸素
によって金属層が酸化され、コンタクト部の抵抗が高く
なるという問題が発生する。

【００２５】更には、工程（ハ）と工程（ニ）の間に、
バリアメタル層を構成する金属酸化物層上にチタン層を
形成する工程を更に含ませることができる。

【００２６】上記の第２の目的を達成するための本発明
の第２の態様に係る半導体装置の配線構造は、 （Ａ）下層導体層が形成された基体と、 （Ｂ）該基体上に形成され、該下層導体層上方に開口部
を有する絶縁層と、 （Ｃ）該開口部内を含む絶縁層上に形成されたアルミニ
ウム系合金層から成る 上層配線と、 （Ｄ）該アルミニウム系合金層と絶縁層との間、及び、
該アルミニウム系合金層と下層導体層との間に形成され
たバリアメタル層、から成り、 該バリアメタル層は、下
から、金属層及び金属酸化物層から成り、 （金属層の厚
さ）／（金属酸化物層の厚さ）の比は、３／７乃至７／
３であることを特徴とする。

【００２７】上記の第２の目的を達成するための本発明
の第３の態様に係る半導体装置の配線構造の形成方法
は、 （イ）下層導体層が形成された基体上に絶縁層を形成し
た後、該下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程
と、 （ロ）該開口部内を含む絶縁層上に、金属層及び金属化
合物層の２層から成る下層バリアメタル層を形成する工
程と、 （ハ）下層バリアメタル層上に金属層を形成する工程
と、 （ホ）該金属層を緻密化するために、酸素を含まないガ
ス雰囲気中で該金属層のアニール処理を行い、次いで、
酸素を含むガス雰囲気中で該金属層の酸化処理を行って
金属酸化物層を形成し、以って、少なくとも表面に金属
酸化物層が形成されたバリアメタル層を形成する工程
と、 （ヘ）該バリアメタル層上にチタン層を形成する工程
と、 （ト）高温アルミニウムスパッタ法又はアルミニウムリ
フロー法にてチタン層上にアルミニウム系合金層を堆積
させて開口部をアルミニウム系合金層で埋め込み、次い
で、絶縁層上の該アルミニウム系合金層、チタン層、バ
リアメタル層及び下層バリアメタル層を所望の形状にパ
ターニングしてアルミニウム系合金層、チタン層、バリ
アメタル層及び下層バリアメタル層から成る上層配線を
形成する工程、から成ることを特徴とする。

【００２８】尚、下層バリアメタル層を構成する金属層
をチタン（Ｔｉ）から、そして、下層バリアメタル層を
構成する金属化合物層を窒化チタン（ＴｉＮ）又は酸化
窒化チタン（ＴｉＯＮ）から構成することが望ましい。

【００２９】

【作用】本発明の第１の態様に係る半導体装置の配線構
造の形成方法においては、酸素を含まないガス雰囲気中
で金属化合物層のアニール処理を行う。これによって、
金属化合物層の結晶性が向上する。その結果、次に形成
される金属酸化物層の成膜速度のばらつきを抑えること
ができ、しかも、金属化合物層中を酸素が拡散し難くな
るため、金属化合物層の下に形成された金属層が酸化さ
れ難くなる。それ故、ウエハ内あるいはウエハ間で特性
のばらつきが少ない接続孔を有する半導体装置の配線構
造を形成することができる。また、金属化合物層の表面
に金属酸化物層を形成するので、優れたバリア性を有す
るバリアメタル層を得ることができる。

【００３０】工程（ロ）における金属層の形成及び／又
は工程（ハ）における金属化合物層の形成を、コリメー
ションスパッタ法あるいはＣＶＤ法にて行えば、金属層
及び／又は金属化合物層を一層均一に且つカバレッジ良
く形成することができる。バリアメタル層を構成する金
属酸化物層の上にチタン層を形成することによって、高
温アルミニウムスパッタ法又はアルミニウムリフロー法
にてバリアメタル層上にアルミニウム系合金層を形成す
る際のアルミニウム系合金の下地に対する濡れ性を向上
させることができる。

【００３１】本発明の第２の態様あるいは第３の態様に
係る半導体装置の配線構造の形成方法においては、酸素
を含まないガス雰囲気中で金属層のアニール処理を行う
ので、金属層を緻密化し、しかも、結晶性を向上させる
ことができる。また、金属化合物層を酸化するのではな
く、金属層を酸化処理する。それ故、バリア性に優れた
金属酸化物層を均一に且つ安定して形成することができ
る。その結果、極めて優れたバリア性をバリアメタル層
に付与することができる。

【００３２】金属層の形成を、コリメーションスパッタ
法あるいはＣＶＤ法にて行えば、金属層を一層均一に且
つカバレッジ良く形成することができる。下層バリアメ
タル層を形成することによって、接続孔と下層導体層と
の間のコンタクト抵抗を安定化させることができる。バ
リアメタル層を構成する金属酸化物層の上にチタン層を
形成することによって、高温アルミニウムスパッタ法又
はアルミニウムリフロー法にてバリアメタル層上にアル
ミニウム系合金層を形成する際のアルミニウム系合金の
下地に対する濡れ性を向上させることができる。

【００３３】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明の半導体装置の配線構造の形成方法を説明する。

【００３４】（実施例１） 実施例１は、本発明の第１の態様に係る配線構造及びそ
の形成方法に関する。実施例１においては、金属層をチ
タン（Ｔｉ）から、そして、金属化合物層を窒化チタン
（ＴｉＮ）から構成した。また、金属層及び金属化合物
層の形成を、通常のスパッタ法にて行う。以下、図１を
参照して、実施例１の配線構造及びその形成方法を説明
する。

【００３５】［工程−１００］ 先ず、不純物拡散層である下層導体層１２が形成された
半導体基板である基体１０上に、例えばＣＶＤ法にてＳ
ｉＯ₂から成る絶縁層１４を形成する。その後、下層導
体層１２の上の絶縁層１４に、例えばＲＩＥ法にて開口
部１６を形成する（図１の（Ａ）参照）。

【００３６】［工程−１１０］ 次に、開口部１６内を含む絶縁層１４上に、チタン（Ｔ
ｉ）から成る厚さ６０ｎｍの金属層２０をスパッタ法に
て形成する。尚、この場合の厚さは、絶縁層１４上での
厚さを意味する。以下の各種の層を形成する場合の厚さ
も同様である。金属層２０を形成することによって、最
終的に形成される接続孔と下層導体層１２との間のコン
タクト抵抗を低減させることができる。スパッタリング
の条件を、例えば以下のとおりとすることができる。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： ４ｋＷ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００３７】［工程−１２０］ 次いで、金属層２０上に、金属化合物層２２（具体的に
は、実施例１においては窒化チタン、ＴｉＮ）をスパッ
タ法にて形成する（図１の（Ｂ）参照）。金属化合物層
２２の厚さを１２０ｎｍとした。スパッタリングの条件
を、例えば以下のとおりとすることができる。 プロセスガス ： Ｎ₂／Ａｒ＝７０／３０sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： ４ｋＷ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００３８】［工程−１３０］ その後、従来の半導体装置製造プロセスで用いられてい
る例えば横型の酸化炉を用いて、酸素を含まないガス雰
囲気中で金属化合物層２２のアニール処理を行う。アニ
ール処理を、例えば以下の条件とすることができる。 使用ガス ： Ｎ₂＝１０slm 基体加熱温度 ： ５００゜Ｃ アニール時間 ： ３０分

【００３９】このアニール処理によって、金属化合物層
２２の結晶性が向上する。その結果、次に形成される金
属酸化物層の成膜速度のばらつきを抑えることができ、
しかも、次の酸化処理工程において金属化合物層２２中
を酸素が拡散し難くなるため金属層２０が酸化され難く
なる。それ故、ウエハ内あるいはウエハ間で特性のばら
つきが少ない接続孔を有する半導体装置の配線構造を形
成することができる。尚、アニール処理は、縦型熱処理
炉や、赤外線ランプ等を用いたＲＴＰ（RapidThenal Pr
ocess）にて行うこともできる。

【００４０】［工程−１４０］ 次いで、例えば横型の酸化炉を用いて、酸素を含むガス
雰囲気中で金属化合物層２２の酸化処理を行って金属化
合物層２２の表面に金属酸化物層２４を形成する（図１
の（Ｃ）参照）。酸化処理を、例えば以下の条件とする
ことができる。 使用ガス ： Ｎ₂／Ｏ₂＝８／２slm 基体加熱温度 ： ５００゜Ｃ アニール時間 ： ６０分 尚、酸化処理は、縦型熱処理炉や、赤外線ランプ等を用
いたＲＴＰにて行うこともできる。

【００４１】これによって、Ｔｉから成る金属層２０、
ＴｉＮから成る金属化合物層２２及び金属酸化物層２４
から成るバリアメタル層が形成される。金属酸化物層２
４の組成はＴｉＯ_XＮ_Y（Ｘ＞Ｙ）である。優れたバリア
性を得るためには、金属酸化物層を形成する前の金属化
合物層２２の厚さをｔとした場合、金属酸化物層が形成
された後の金属化合物層２２の厚さは０．３ｔ〜０．７
ｔであることが望ましい。尚、ＴｉＮから成る金属化合
物層を形成した後、スパッタ法にてＴｉＯＮから成る層
を金属化合物層上に形成すれば、実施例１のバリアメタ
ル層に類似した構成になるが、一般に、このように形成
されたＴｉＯＮ層の膜質は良くなく、バリア性に乏し
い。

【００４２】［工程−１５０］ その後、必要に応じて、バリアメタル層を構成する金属
酸化物層２４上に、スパッタ法にて厚さ６０ｎｍのチタ
ン層を形成する。スパッタリングの条件は、［工程−１
１０］と同様とすることができる。このチタン層を形成
することによって、次の工程で形成されるアルミニウム
系合金とバリアメタル層との濡れ性が改善され、アルミ
ニウム系合金で開口部１６を一層確実に埋め込むことが
可能になる。

【００４３】［工程−１６０］ 次いで、高温アルミニウムスパッタ法にて、開口部１６
内及びバリアメタル層上に（［工程−１５０］を採用し
てチタン層を形成した場合には、チタン層上に）、例え
ばＡｌ−１％Ｓｉから成り厚さ０．５μｍのアルミニウ
ム系合金層３０を堆積させる（図１の（Ｄ）参照）。ス
パッタリングの条件を、例えば以下のとおりとすること
ができる。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： １０ｋＷ 成膜温度 ： ５００゜Ｃ これによって、開口部１６はアルミニウム系合金層３０
で確実に埋め込まれ、接続孔２６が形成される。

【００４４】あるいは又、アルミニウムリフロー法に
て、開口部１６内及びバリアメタル層上に（［工程−１
５０］を採用してチタン層を形成した場合には、チタン
層上に）、例えばＡｌ−１％Ｓｉから成り厚さ０．５μ
ｍのアルミニウム系合金層３０を堆積させる。スパッタ
リングの条件を、例えば以下のとおりとすることができ
る。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： １０ｋＷ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００４５】次いで、基体１０の温度を約５００゜Ｃに
加熱する。これによって、絶縁層１４上に堆積したアル
ミニウム系合金層３０は流動状態となり、開口部１６内
に流入し、開口部１６はアルミニウム系合金層３０で確
実に埋め込まれ、接続孔２６が形成される。加熱条件
を、例えば以下のとおりとすることができる。 加熱方式 ： 基板裏面ガス加熱 加熱温度 ： ５００゜Ｃ 加熱時間 ： ３分 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧力： １．１×１０³Ｐａ ここで、基板裏面ガス加熱方式とは、基板裏面に配置し
たヒーターブロックを所定の温度（加熱温度）に加熱
し、ヒーターブロックと基板裏面の間にプロセスガスを
導入することによって基体を加熱する方式である。加熱
方式としては、この方式以外にもランプ加熱方式等を用
いることができる。

【００４６】［工程−１７０］ その後、従来のフォトリソグラフィ技術及びドライエッ
チング技術によって、絶縁層１４上のアルミニウム系合
金層３０及びバリアメタル層を所望の形状にパターニン
グして、アルミニウム系合金層３０及びバリアメタル層
２０，２２，２４から成る上層配線３２を形成する（図
１の（Ｅ）参照）。

【００４７】実施例１にて説明した配線構造の形成方法
に従って作製した多数の半導体装置のリーク電流を測定
し、或るリーク電流値を有する半導体装置の個数の分布
（頻度）を調べた。その結果を図２に示す。図２中、実
線で示した曲線は、実施例１にて説明した配線構造の形
成方法に従って作製した半導体装置に関するデータであ
る。また、点線は、金属化合物層のアニール処理並びに
金属化合物層の酸化処理による金属酸化物層の形成のど
ちらも行っていない半導体装置に関するデータである。
更に、一点鎖線は、金属化合物層のアニール処理を行わ
ずに金属化合物層の酸化処理による金属酸化物層の形成
のみを行った半導体装置に関するデータである。

【００４８】図２から明らかなように、金属化合物層の
アニール処理並びに金属化合物層の酸化処理による金属
酸化物層の形成を行う本発明の配線構造の形成方法によ
って得られた半導体装置は、リーク電流の値が低く、し
かも、リーク電流値のばらつきも少ない。

【００４９】（実施例２） 実施例２は、実施例１の変形であり、実施例１と相違す
る点は、金属化合物層を酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）か
ら構成した点にある。実施例２の配線構造の形成方法
は、実施例１の［工程−１２０］を除き、実施例１と同
様とすることができる。以下、実施例１の［工程−１２
０］に相当する実施例２の工程のみを説明する。

【００５０】即ち、実施例１の［工程−１００］及び
［工程−１１０］と同様の工程を実行する。そして、開
口部内を含む絶縁層上にスパッタ法にて形成されたチタ
ン（Ｔｉ）から成る厚さ６０ｎｍの金属層の上に、金属
化合物層（具体的には、実施例２においては酸化窒化チ
タン、ＴｉＯＮ）をスパッタ法にて形成する。金属化合
物層の厚さを１２０ｎｍとした。スパッタリングの条件
を、例えば以下のとおりとすることができる。 プロセスガス ： Ａｒ／Ｎ₂−６％Ｏ₂＝３０／７０sc
cm ＤＣパワー ： ５ｋＷ プロセスガス圧： ０．４Ｐａ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００５１】以降、実施例１の［工程−１３０］〜［工
程−１７０］と同様の工程を経て配線構造を完成させ
る。

【００５２】尚、金属化合物層として、ＴｉＮの代わり
に、ターゲットを変更してスパッタ法にて形成されたチ
タンタングステン（ＴｉＷ）を用いることもできる。

【００５３】実施例１及び実施例２においては、金属層
２０及び金属化合物層２２の形成を通常のスパッタ法に
て行ったが、その代わりに、所謂コリメーションスパッ
タ法にて金属層２０及び金属化合物層２２のいずれか一
方又は両方の形成を行うことができる。コリメーション
スパッタ法とは、図３の（Ａ）に模式的に示すように、
スパッタ装置のターゲットと被成膜材（本発明において
は基体）との間にコリメータを配置した状態で、スパッ
タ法を実施する技術を意味する。

【００５４】コリメータとは、図３の（Ｂ）に模式的な
平面図を示すように、薄膜形成用の各種粒子ビームを一
軸異方性をもって通過させ被成膜材上に到達させるため
の、厚さ方向に多数の貫通孔を有し大きな開口率を有す
る格子状の治具を指す。そして、貫通孔の軸線方向の長
さと開口径の比を適当に設計することにより、コリメー
タを通過する粒子ビームの被成膜材への入射角を制御す
る機能を有する。貫通孔の平面形状は円形、六角形等の
多角形等であり、材質は金属、セラミックあるいはプラ
スチック等、目的に応じて選択される。

【００５５】コリメータを用いることによって、開口部
内部に光学的に影の部分ができないように、即ち、スパ
ッタ粒子の被成膜材に対する入射角が余り大きくならな
いように、例えば０〜３０度の低入射角範囲に制御する
ことができる。これによって開口部底部におけるバリア
メタル層の厚さを厚くすることができる。尚、図３の
（Ｂ）に示したコリメータの貫通孔の断面形状は正六角
形である。

【００５６】コリメーションスパッタ法の具体的な条件
は、実施例１、実施例２のスパッタリングにおける条件
と同様とすることができ、詳細な説明は省略する。尚、
コリメーションスパッタ法にて、アルミニウム系合金層
の堆積、金属酸化物層上のチタン層の形成を行うことも
できる。

【００５７】（実施例３） 実施例３も実施例１の変形である。実施例１と相違する
点は、金属層及び金属化合物層の形成をＣＶＤ法にて行
う点にある。以下、実施例３の配線構造の形成方法を、
図１を再び参照して説明する。

【００５８】［工程−３００］ 先ず、不純物拡散層である下層導体層１２が形成された
半導体基板である基体１０上に、例えばＣＶＤ法にてＳ
ｉＯ₂から成る絶縁層１４を形成する。その後、下層導
体層１２の上の絶縁層１４に、例えばＲＩＥ法にて開口
部１６を形成する（図１の（Ａ）参照）。

【００５９】［工程−３１０］ 次いで、開口部１６を含む絶縁層１４の全面にチタンか
ら成る厚さ６０ｎｍの金属層２０を形成する。実施例３
においては、金属層２０をＥＣＲ ＣＶＤ法で形成し
た。金属層２０の形成条件を、例えば以下のとおりとす
ることができる。 使用ガス ： ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂＝１０／５０sc
cm マイクロ波パワー ： ２．８ｋＷ 圧力 ： ０．１２Ｐａ 基体温度 ： ４２０゜Ｃ

【００６０】［工程−３２０］ 次いで、金属層２０上に、金属化合物層２２（具体的に
は、実施例３においては窒化チタン、ＴｉＮ）をＥＣＲ
ＣＶＤ法にて形成する（図１の（Ｂ）参照）。金属化
合物層２２の厚さを１２０ｎｍとした。金属化合物層２
２の形成の条件を、例えば以下のとおりとすることがで
きる。 使用ガス ： ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂／Ｎ₂＝２０／
２６／８sccm マイクロ波パワー ： ２．８ｋＷ 圧力 ： ０．２３Ｐａ 基体温度 ： ４２０゜Ｃ

【００６１】［工程−３３０］ その後、実施例１の［工程−１３０］と同様に、酸素を
含まないガス雰囲気中で金属化合物層２２のアニール処
理を行い、更に、実施例１の［工程−１４０］と同様
に、酸素を含むガス雰囲気中で金属化合物層２２の酸化
処理を行って金属化合物層２２の表面に金属酸化物層２
４を形成する（図１の（Ｃ）参照）。

【００６２】［工程−３４０］ その後、必要に応じて、バリアメタル層を構成する金属
酸化物層２４上に、ＥＣＲ ＣＶＤ法にて厚さ６０ｎｍ
のチタン層を形成する。チタン層の形成条件を、例えば
［工程−３１０］と同様とすることができる。

【００６３】［工程−３５０］ その後、実施例１の［工程−１６０］及び［工程−１７
０］と同様に、高温アルミニウムスパッタ法あるいはア
ルミニウムリフロー法による、アルミニウム系合金層３
０の堆積、接続孔２６の形成、及び上層配線３２の形成
を行う。

【００６４】実施例３においては、各層の形成を全てＥ
ＣＲ ＣＶＤ法にて行ったが、ＥＣＲ ＣＶＤ法とコリ
メーションスパッタ法を含むスパッタ法とを用いて、各
層を形成することもできる。

【００６５】（実施例４） 実施例４は、本発明の第２の態様に係る配線構造及びそ
の形成方法に関する。実施例４においては、金属層をチ
タン（Ｔｉ）から構成した。また、金属層の形成を通常
のスパッタ法にて行った。酸素を含まないガス雰囲気中
での金属層のアニール処理は窒素ガス雰囲気中で行い、
酸素を含むガス雰囲気中での金属層の酸化処理は窒素ガ
ス及び酸素ガスの混合された雰囲気中で行った。実施例
４においては、実施例１〜実施例３と異なり、金属化合
物層の形成は不要である。以下、図４を参照して、実施
例４の配線構造及びその形成方法を説明する。

【００６６】［工程−４００］ 先ず、不純物拡散層から成る下層導体層１２が形成され
た半導体基板から成る基体１０上に、ＳｉＯ₂から成る
絶縁層１４を通常のＣＶＤ法にて形成する。その後、下
層導体層１２の上の絶縁層１４に、ＲＩＥ法にて開口部
１６を形成する（図４の（Ａ）参照）。

【００６７】［工程−４１０］ 次に、開口部１６内を含む絶縁層１４上に、チタン（Ｔ
ｉ）から成る厚さ１２０ｎｍの金属層４０をスパッタ法
にて形成する（図４の（Ｂ）参照）。スパッタリングの
条件を、例えば以下のとおりとすることができる。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： ４ｋＷ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００６８】［工程−４２０］ その後、酸素を含まないガス雰囲気中で金属層４０のア
ニール処理を行い、次いで、酸素を含むガス雰囲気中で
金属層４０の酸化処理を行って金属層４０の表面に酸化
チタンから成る金属酸化物層４４を形成する。具体的に
は、先ず、従来の半導体装置製造プロセスで用いられて
いる例えば横型の酸化炉を用いて、酸素を含まないガス
雰囲気（具体的には窒素ガス雰囲気）中で金属層４０の
アニール処理を行う。アニール処理を、例えば以下の条
件とすることができる。 使用ガス ： Ｎ₂＝５slm 基体加熱温度 ： ５００゜Ｃ アニール時間 ： ３０分

【００６９】このアニール処理によって、金属層４０が
緻密化され、金属層４０の結晶性が向上する。酸素を含
まないガス雰囲気中で金属層４０のアニール処理を行う
ので、金属層４０の表面は酸化されない。

【００７０】次いで、酸素を含むガス雰囲気（具体的に
は窒素ガス及び酸素ガスの混合された雰囲気）中で金属
層４０の酸化処理を行って金属層４０の表面に酸化チタ
ンから成る金属酸化物層４４を形成する（図４の（Ｃ）
参照）。酸化処理を、例えば以下の条件とすることがで
きる。 使用ガス ： Ｎ₂／Ｏ₂＝４／１slm 基体加熱温度 ： ５００゜Ｃ アニール時間 ： ６０分

【００７１】この酸化処理によって、金属層４０及び金
属酸化物層４４から成るバリアメタル層が形成される。
金属層４０の表面には厚さ４０ｎｍの金属酸化物層４４
が形成された。尚、優れたバリア性を得るためには、金
属酸化物層を形成する前の金属層４０の厚さをｔ’とし
た場合、金属酸化物層が形成された後の金属層４０の厚
さは０．３ｔ’〜０．７ｔ’であることが望ましい。ア
ニール処理及び／又は酸化処理は、縦型熱処理炉や、赤
外線ランプ等を用いたＲＴＰにて行うこともできる。

【００７２】実施例１〜実施例３においては金属化合物
層２２の表面を酸化した。一方、実施例４においては、
金属層４０の表面を酸化する。金属化合物層２２より
も、金属層４０の表面の方が酸化され易く、実施例１〜
実施例３よりも、金属酸化物層４４を安定して均一に形
成することができる。

【００７３】［工程−４３０］ その後、必要に応じて、バリアメタル層を構成する金属
酸化物層４４上に、スパッタ法にて厚さ６０ｎｍのチタ
ン層を形成する。スパッタリングの条件は、［工程−４
１０］と同様とすることができる。このチタン層を形成
することによって、次の工程で形成されるアルミニウム
系合金とバリアメタル層との濡れ性が改善され、アルミ
ニウム系合金で開口部１６を一層確実に埋め込むことが
可能になる。

【００７４】［工程−４４０］ 次いで、高温アルミニウムスパッタ法にて、開口部１６
内及びバリアメタル層上に（［工程−４３０］を採用し
てチタン層を形成した場合には、チタン層上に）、例え
ばＡｌ−１％Ｓｉから成り厚さ０．５μｍのアルミニウ
ム系合金層３０を堆積させる（図４の（Ｄ）参照）。ス
パッタリングの条件を、例えば以下のとおりとすること
ができる。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： １０ｋＷ 成膜温度 ： ５５０゜Ｃ 成膜温度を５５０゜Ｃとすることによって、絶縁層１４
上におけるアルミニウム系合金の流動性を一層向上させ
ることができる。その結果、開口部をアルミニウム系合
金層でより一層確実に埋め込むことができ、接続孔２６
が形成される。しかも、このような温度においても、バ
リアメタル層は十分なるバリア性を有する。

【００７５】あるいは又、アルミニウムリフロー法に
て、開口部１６内及びバリアメタル層上に（［工程−４
３０］を採用してチタン層を形成した場合には、チタン
層上に）、例えばＡｌ−１％Ｓｉから成り厚さ０．５μ
ｍのアルミニウム系合金層３０を堆積させ、次いで基体
１０を加熱する。スパッタリングの条件を、例えば実施
例１の［工程−１６０］と同様とすることができる。ま
た、基体１０の加熱条件を、例えば以下のとおりとする
ことができる。 加熱方式 ： 基板裏面ガス加熱 加熱温度 ： ５５０゜Ｃ 加熱時間 ： ３分 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧力： １．１×１０³Ｐａ 加熱温度を５５０゜Ｃとすることによって、絶縁層１４
上におけるアルミニウム系合金の流動性を一層向上させ
ることができる。その結果、開口部をアルミニウム系合
金層にてより一層確実に埋め込むことができ、接続孔２
６が形成される。しかも、このような温度においても、
バリアメタル層は十分なるバリア性を有する。

【００７６】［工程−４５０］ その後、従来のフォトリソグラフィ技術及びドライエッ
チング技術によって、絶縁層１４上のアルミニウム系合
金層３０及びバリアメタル層４０，４４を所望の形状に
パターニングして、アルミニウム系合金層３０及びバリ
アメタル層４０，４４から成る上層配線３２を形成する
（図４の（Ｅ）参照）。

【００７７】バリアメタル層を構成する金属酸化物層４
４が均一に形成されているため、上層配線３２をドライ
エッチングにて形成する際、金属酸化物層４４が均等に
エッチングされる。その結果、下地である絶縁層１４が
均一性良く露出し、絶縁層１４のエッチング量を均一化
することができる。

【００７８】実施例４においては、金属層４０の形成を
通常のスパッタ法にて行ったが、その代わりに、図３に
示したスパッタ装置を用いた所謂コリメーションスパッ
タ法にて金属層４０の形成を行うことができる。

【００７９】あるいは又、金属層４０の形成を、実施例
３の［工程−３１０］にて説明したＥＣＲ ＣＶＤ法に
て行うこともできる。

【００８０】（実施例５） 実施例５は、本発明の第３の態様に係る配線構造の形成
方法に関する。実施例５が実施例４と相違する点は、
［工程−４００］と［工程−４１０］の間に、金属層及
び金属化合物層の２層から成る下層バリアメタル層を形
成する工程を更に含む点にある。実施例５において、下
層バリアメタル層を構成する金属層はチタン（Ｔｉ）か
ら成り、下層バリアメタル層を構成する金属化合物層は
窒化チタン（ＴｉＮ）又は酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）
から成る。以下、図５を参照して、実施例５の配線構造
の形成方法を説明する。

【００８１】［工程−５００］ 先ず、不純物拡散層から成る下層導体層１２が形成され
た半導体基板から成る基体１０上に、ＳｉＯ₂から成る
絶縁層１４を通常のＣＶＤ法にて形成する。その後、下
層導体層１２の上の絶縁層１４に、ＲＩＥ法にて開口部
１６を形成する。

【００８２】［工程−５１０］ 次に、開口部１６内を含む絶縁層１４上に、Ｔｉから成
る金属層５０及びＴｉＮ若しくはＴｉＯＮから成る金属
化合物層５２から構成された下層バリアメタル層を形成
する。そのために、先ず、Ｔｉから成る厚さ６０ｎｍの
金属層５０をスパッタ法にて形成する（図５の（Ａ）参
照）。スパッタリングの条件を、例えば以下のとおりと
することができる。 プロセスガス ： Ａｒ＝１００sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： ４ｋＷ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００８３】次いで、金属層５０の上にＴｉＮから成る
厚さ１２０ｎｍの金属化合物層５２をスパッタ法にて形
成する（図５の（Ａ）参照）。スパッタリングの条件
を、例えば以下のとおりとすることができる。 プロセスガス ： Ｎ₂／Ａｒ＝７０／３０sccm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： ４ｋＷ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００８４】窒化チタンの代わりにＴｉＯＮから成る金
属化合物層５２をスパッタ法にて形成してもよい。この
場合、スパッタリングの条件を、例えば以下のとおりと
することができる。 プロセスガス ： Ｎ₂／Ａｒ−６％Ｏ₂＝３０／７０sc
cm プロセスガス圧： ０．４Ｐａ ＤＣパワー ： ４ｋＷ 成膜温度 ： １５０゜Ｃ

【００８５】［工程−５２０］ 次に、バリアメタル層を形成するために、開口部１６を
含む絶縁層上（より具体的には下層バリアメタル層上）
に、金属層４０をスパッタ法にて形成する。金属層４０
は、厚さ４０ｎｍのチタン（Ｔｉ）から成る。スパッタ
リングの条件を、例えば実施例４の［工程−４１０］と
同様とすることができる。

【００８６】［工程−５３０］ その後、酸素を含まないガス雰囲気中で金属層４０のア
ニール処理を行い、次いで、酸素を含むガス雰囲気中で
金属層４０の酸化処理を行って金属層４０の表面に酸化
チタンから成る金属酸化物層４４を形成する。この工程
は、実施例４の［工程−４２０］と同様とすることがで
きる。これによって、金属層４０の表面には厚さ４０ｎ
ｍの金属酸化物層４４が形成された（図５の（Ｂ）参
照）。尚、この場合、金属層４０の全てが金属酸化物層
４４となっても、金属層４０の酸化は下地である金属化
合物層５２で止まる。従って、金属層４０の全てを金属
酸化物層４４としてもよい。

【００８７】金属化合物層５２を有する下層バリアメタ
ル層が予め形成されているので、金属層４０の表面に酸
化チタンから成る金属酸化物層４４を一層均一に形成す
ることができる。また、金属層４０の酸化処理時、金属
層４０中を酸素が拡散する。この酸素の拡散は、下層バ
リアメタル層を構成する金属化合物層５２で止まり、酸
素は、下層バリアメタル層を構成するチタンから成る金
属層５０には達しない。従って、最終的に形成される接
続孔と下層導体層１２との間のコンタクト抵抗の増加を
極めて効果的に抑制することができる。

【００８８】［工程−５４０］ その後、必要に応じて、バリアメタル層を構成する金属
酸化物層４４上に、スパッタ法にて厚さ６０ｎｍのチタ
ン層を形成する。スパッタリングの条件は、［工程−４
１０］と同様とすることができる。このチタン層を形成
することによって、次の工程で形成されるアルミニウム
系合金とバリアメタル層との濡れ性が改善され、アルミ
ニウム系合金で開口部１６を一層確実に埋め込むことが
可能になる。

【００８９】［工程−５５０］ 次いで、高温アルミニウムスパッタ法にて、開口部１６
内及びバリアメタル層上に（［工程−５４０］を採用し
てチタン層を形成した場合には、チタン層上に）、例え
ばＡｌ−１％Ｓｉから成り厚さ０．５μｍのアルミニウ
ム系合金層３０を堆積させる。あるいは又、アルミニウ
ムリフロー法にて、開口部１６内及びバリアメタル層上
に（［工程−５４０］を採用してチタン層を形成した場
合には、チタン層上に）、例えばＡｌ−１％Ｓｉから成
り厚さ０．５μｍのアルミニウム系合金層３０を堆積さ
せ、次いで基体１０を加熱する。これらの工程は、実施
例４の［工程−４４０］と同様とすることができる。

【００９０】［工程−５６０］ その後、従来のフォトリソグラフィ技術及びドライエッ
チング技術によって、絶縁層１４上のアルミニウム系合
金層３０並びにバリアメタル層４０，４４及び下層バリ
アメタル層５０，５２を所望の形状にパターニングし
て、アルミニウム系合金層３０並びにバリアメタル層４
０，４４及び下層バリアメタル層５０，５２から成る上
層配線３２を形成する。この工程は、実施例４の［工程
−５５０］と同様とすることができる。

【００９１】実施例５においては、下層バリアメタル層
５０，５２及び金属層４０の形成を通常のスパッタ法に
て行ったが、その代わりに、図３に示したスパッタ装置
を用いた所謂コリメーションスパッタ法にてこれらの層
の形成を行うことができる。

【００９２】あるいは又、これらの層の形成を、実施例
３の［工程−３１０］、［工程−３２０］にて説明した
ＥＣＲ ＣＶＤ法にて行うこともできる。更には、これ
らの層を、コリメーションスパッタ法を含むスパッタ法
とＥＣＲ ＣＶＤ法を用いて、それぞれ形成することも
できる。

【００９３】以上、好ましい実施例に基づき本発明を説
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。

【００９４】各実施例における成膜条件や数値は例示で
あり、適宜変更することができる。下層導体層が形成さ
れた基体として、各種電極から成る下層導体層が形成さ
れた半導体基板、アルミニウム系合金から成る下層配線
を下層導体層としてこの下層導体層が形成された下層絶
縁層から成る基体等を挙げることができる。また、絶縁
層１４は、ＳｉＯ₂以外にも、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳ
Ｇ、ＡｓＳＧ、ＰｂＳＧ、ＳｂＳＧあるいはＳｉＮ等の
公知の絶縁材料若しくはこれらの絶縁材料の組み合わせ
から構成することができる。アルミニウム系合金層は、
Ａｌ−１％Ｓｉ以外にも、純Ａｌ、あるいはＡｌ−Ｓｉ
−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｇｅ等のＡｌ合金から構成
することができる。

【００９５】スパッタ法による各種の層の形成は、マグ
ネトロンスパッタリング装置、ＤＣスパッタリング装
置、ＲＦスパッタリング装置、ＥＣＲスパッタリング装
置、また基板バイアスを印加するバイアススパッタリン
グ装置等各種のスパッタリング装置にて行うことができ
る。

【００９６】

【発明の効果】本発明の第１の態様に係る半導体装置の
配線構造の形成方法においては、金属化合物層の結晶性
が向上するので、ウエハ内あるいはウエハ間で特性のば
らつきが少ない接続孔を有する半導体装置の配線構造を
形成することができる。また、金属化合物層の表面に金
属酸化物層を形成するので、優れたバリア性を有するバ
リアメタル層を得ることができる。

【００９７】本発明の第２の態様あるいは第３の態様に
係る半導体装置の配線構造の形成方法においては、金属
層のアニール処理を行うので、金属層を緻密化し、しか
も結晶性を向上させることができ、５５０゜Ｃ前後の高
温アルミニウムスパッタ法やアルミニウムリフロー法に
おいても極めて優れたバリア性をバリアメタル層に付与
することができる。また、バリア性に優れた金属酸化物
層を均一に且つ安定して形成することができる。その結
果、コンタクト抵抗の安定化を図ることができ、更に
は、上層配線の形成時の絶縁層のエッチング量を均一化
することもできる。金属化合物層を形成する必要がない
ので、配線構造の形成工程の簡略化を図れる。

【００９８】また、第３の態様に係る半導体装置の配線
構造の形成方法においては、下層バリアメタル層を形成
するので、接続孔と下層導体層との間のコンタクト抵抗
の一層の安定化を図ることができる。

【００９９】金属層の形成及び／又は金属化合物層の形
成をコリメーションスパッタ法あるいはＣＶＤ法にて行
えば、これらの層を一層均一に且つカバレッジ良く形成
することができる。バリアメタル層を構成する金属酸化
物層の上にチタン層を形成することによって、高温アル
ミニウムスパッタ法又はアルミニウムリフロー法にてバ
リアメタル層上にアルミニウム系合金層を形成する際の
アルミニウム系合金の下地に対する濡れ性を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の配線構造の形成方法を説明するため
の半導体素子の模式的な一部断面図である。

【図２】リーク電流値及びかかるリーク電流値を有する
半導体装置の個数の分布を調べた結果を示す図である。

【図３】コリメーションスパッタ法の実施に適したスパ
ッタ装置及びコリメータの模式図である。

【図４】実施例４の配線構造の形成方法を説明するため
の半導体素子の模式的な一部断面図である。

【図５】実施例５の配線構造の形成方法を説明するため
の半導体素子の模式的な一部断面図である。

【図６】従来の高温アルミニウムスパッタ法による配線
構造の形成方法を説明するための半導体素子の模式的な
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 ２０ 金属層 ２２ 金属化合物層 ２４ 金属酸化物層 ２６ 接続孔 ３０ アルミニウム系合金層 ３２ 上層配線 ４０ 金属層 ４４ 金属酸化物層 ５０ 下層バリアメタル層を構成する金属層 ５２ 下層バリアメタル層を構成する金属化合物層 ６０ バリアメタル層 ６２ チタン（Ｔｉ）層 ６４ 酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）層

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−249273（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−182926（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−264719（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−152248（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160070（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−310965（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−114581（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−190466（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−286527（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−102075（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−284668（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−235372（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−234936（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−304107（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−182928（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−74961（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−259242（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−196122（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−218017（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−70461（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/28 301 H01L 21/768

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（イ）下層導体層が形成された基体上に絶
   縁層を形成した後、 該下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程と、 （ロ）該開口部内を含む絶縁層上に金属層を形成する工
   程と、 （ハ）該金属層上に金属化合物層を形成する工程と、 （ニ）酸素を含まないガス雰囲気中で金属化合物層のア
   ニール処理を行う工程と、 （ホ）窒素ガス及び酸素ガスの混合された雰囲気中で該
   金属化合物層の酸化処理を行って該金属化合物層の表面
   に金属酸化物層を形成し、以って、金属層、金属化合物
   層及び金属酸化物層から成るバリアメタル層を形成する
   工程と、 （へ）高温アルミニウムスパッタ法又はアルミニウムリ
   フロー法にてバリアメタル層上にアルミニウム系合金層
   を堆積させて開口部をアルミニウム系合金層で埋め込
   み、次いで、絶縁層上の該アルミニウム系合金層及びバ
   リアメタル層を所望の形状にパターニングしてアルミニ
   ウム系合金層及びバリアメタル層から成る上層配線を形
   成する工程、 から成り、 金属酸化物層を形成する前の金属化合物層の厚さをｔと
   したとき、金属酸化物層が形成された後の金属化合物層
   の厚さは０．３ｔ〜０．７ｔである ことを特徴とする半
   導体装置の配線構造の形成方法。
2. 【請求項２】前記金属層はチタンから成り、金属化合物
   層は窒化チタン又は酸化窒化チタンから成ることを特徴
   とする請求項１に記載の半導体装置の配線構造の形成方
   法。
3. 【請求項３】 前記工程（ホ）と工程（へ）の間に、バリ
   アメタル層を構成する金属酸化物層上にチタン層を形成
   する工程を更に含む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の配線構造の形成方法。
4. 【請求項４】 （イ）下層導体層が形成された基体上に絶
   縁層を形成した後、該下層導体層上の絶縁層に開口部を
   形成する工程と、 （ロ）該開口部内を含む絶縁層上に金属層を形成する工
   程と、 （ハ）該金属層を緻密化するために、酸素を含まないガ
   ス雰囲気中で該金属層のアニール処理を行い、次いで、
   酸素を含むガス雰囲気中で該金属層の酸化処理を行って
   該金属層の表面に金属酸化物層を形成し、以って、金属
   層及び金属酸化物層から成るバリアメタル層を形成する
   工程と、 （ニ）高温アルミニウムスパッタ法又はアルミニウムリ
   フロー法にてバリアメタル層上にアルミニウム系合金層
   を堆積させて開口部をアルミニウム系合金層で埋め込
   み、次いで、絶縁層上の該アルミニウム系合金層及びバ
   リアメタル層を所望の形状にパターニングしてアルミニ
   ウム系合金層及びバリアメタル層から成る上層配線を形
   成する工程、から成り、 金属酸化物層を形成する前の金属層の厚さをｔ’とした
   場合、金属酸化物層が形成された後の金属層の厚さは
   ０．３ｔ’〜０．７ｔ’である ことを特徴とする半導体
   装置の配線構造の形成方法。
5. 【請求項５】 前記金属層はチタンから成ることを特徴と
   する請求項４に記載の半導体装置の配線構造の形成方
   法。
6. 【請求項６】 前記工程（ハ）における金属層のアニール
   処理は窒素ガス雰囲気中での３００乃至６００゜Ｃの熱
   処理であり、金属層の酸化処理は窒素ガス及び酸素ガス
   の混合された雰囲気中での熱処理であることを特徴とす
   る請求項４又は請求項５に記載の半導体装置の配線構造
   の形成方法。
7. 【請求項７】 前記工程（ハ）と工程（ニ）の間に、バリ
   アメタル層を構成する金属酸化物層上にチタン層を形成
   する工程を更に含むことを特徴とする請求項４乃至請求
   項６のいずれか１項に記載の半導体装置の配線構造の形
   成方法。
8. 【請求項８】（イ）下層導体層が形成された基体上に絶
   縁層を形成した後、 該下層導体層上の絶縁層に開口部を形成する工程と、 （ロ）該開口部内を含む絶縁層上に、金属層及び金属化
   合物層の２層から成る下層バリアメタル層を形成する工
   程と、 （ハ）下層バリアメタル層上に金属層を形成する工程
   と、 （ホ）該金属層を緻密化するために、酸素を含まないガ
   ス雰囲気中で該金属層 のアニール処理を行い、次いで、
   酸素を含むガス雰囲気中で該金属層の酸化処理を行って
   金属酸化物層を形成し、以って、少なくとも表面に金属
   酸化物層が形成されたバリアメタル層を形成する工程
   と、 （ヘ）該バリアメタル層上にチタン層を形成する工程
   と、 （ト）高温アルミニウムスパッタ法又はアルミニウムリ
   フロー法にてチタン層上にアルミニウム系合金層を堆積
   させて開口部をアルミニウム系合金層で埋め込み、次い
   で、絶縁層上の該アルミニウム系合金層、チタン層、バ
   リアメタル層及び下層バリアメタル層を所望の形状にパ
   ターニングしてアルミニウム系合金層、チタン層、バリ
   アメタル層及び下層バリアメタル層から成る上層配線を
   形成する工程、 から成ることを特徴とする半導体装置の配線構造の形成
   方法。
9. 【請求項９】 下層バリアメタル層を構成する金属層はチ
   タンから成り、下層バリアメタル層を構成する金属化合
   物層は窒化チタン又は酸化窒化チタンから成ることを特
   徴とする請求項８に記載の半導体装置の配線構造の形成
   方法。
10. 【請求項１０】（Ａ）下層導体層が形成された基体と、 （Ｂ）該基体上に形成され、該下層導体層上方に開口部
    を有する絶縁層と、 （Ｃ）該開口部内を含む絶縁層上に形成されたアルミニ
    ウム系合金層から成る上層配線と、 （Ｄ）該アルミニウム系合金層と絶縁層との間、及び、
    該アルミニウム系合金層と下層導体層との間に形成され
    たバリアメタル層、 から成り、 該バリアメタル層は、下から、金属層、金属化合物層及
    び金属酸化物層から成り、 （金属化合物層の厚さ）／（金属酸化物層の厚さ）の比
    は、３／７乃至７／３であることを特徴とする半導体装
    置の配線構造。
11. 【請求項１１】（Ａ）下層導体層が形成された基体と、 （Ｂ）該基体上に形成され、該下層導体層上方に開口部
    を有する絶縁層と、 （Ｃ）該開口部内を含む絶縁層上に形成されたアルミニ
    ウム系合金層から成る上層配線と、 （Ｄ）該アルミニウム系合金層と絶縁層との間、及び、
    該アルミニウム系合金層と下層導体層との間に形成され
    たバリアメタル層、 から成り、 該バリアメタル層は、下から、金属層及び金属酸化物層
    から成り、 （金属層の厚さ）／（金属酸化物層の厚さ）の比は、３
    ／７乃至７／３であることを特徴とする半導体装置の配
    線構造。