(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一主面上に形成され、接続孔と配線溝から成る凹部を有する層間絶縁膜と、
前記凹部の内部に形成されたＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜と、
前記ライナー膜を有する前記凹部内にＡｌを主成分とするＡｌ配線層が埋め込まれて成り、Ｘ線回折法によって、長手方向と垂直方向にＸ線を入射した場合に得られるＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅をＡとし、Ｘ線回折法によって長手方向と平行方向にＸ線を入射した場合に得られるＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅をＢとしたとき、Ａ＞Ｂなる関係を満たすダマシン配線と、
前記ライナー膜と前記Ａｌ配線層との界面及び前記層間絶縁膜と前記Ａｌ配線層との界面のいずれか一方に形成されたＮｂＡｌ合金と、
を具備して成ることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板の一主面上に形成され、凹部を有する層間絶縁膜と、前記凹部の内部に形成されたライナー膜と、前記ライナー膜を有する前記凹部内に形成されるＡｌを主成分とするＡｌ配線層と、前記ライナー膜と前記Ａｌ配線層との界面及び前記層間絶縁膜と前記Ａｌ配線層との界面のいずれか一方に形成されたＮｂＡｌ合金と、を具備してなり、
前記ライナー膜として、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１０＞配向しているＮｂを形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記ライナー膜中のＮｂは、Ｘ線回折法で測定したＮｂ＜１１０＞ピークのロッキングカーブの半値幅が５．２１゜以下であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記Ａｌ配線層は、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１１＞配向していることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ライナー膜中のＮｂは、Ｘ線回折法で測定したＮｂ＜１１０＞ピークのロッキングカーブの半値幅が５．２１゜以下であり、前記Ａｌ配線層は、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１１＞配向し、かつＸ線回折法で測定したＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅が１．９２゜以下であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と、前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上に、Ａｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部に対しての充填を、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と、前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程と、を含み、
前記第３の工程は、前記Ａｌ導電膜の流動量が、前記Ｎｂライナー膜と前記ＮｂＮライナー膜のいずれか一方の占める領域を除く前記凹部内の容積以上となり、かつ前記凹部内側の前記ライナー膜と前記Ａｌ導電膜とが反応して前記ライナー膜が消滅する部分のないサーマルバジェットとなるように、前記Ａｌ導電膜膜厚、前記ライナー膜膜厚、前記半導体基板の温度、及び前記半導体基板の加熱時間を設定して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と、前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上に、Ａｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部に対しての充填を、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と、前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程と、を含み、
前記第３の工程は、前記凹部の内部を充填しないＡｌを主成分とする第１Ａｌ導電膜を形成する工程と、前記半導体基板を加熱しながら前記凹部を含む領域上にＡｌを主成分とする第２Ａｌ導電膜を形成する工程とを含み、前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内を前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜で充填することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記凹部内部を前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜で充填する工程は、前記第１Ａｌ導電膜及び第２Ａｌ導電膜の流動量が前記ライナー膜の占める領域を除く前記凹部内部の容積以上となり、かつ前記凹部の内部の前記ライナー膜と前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜で成るＡｌ導電膜とが反応して、前記ライナー膜が消滅する部分のないサーマルバジェットとなるように、前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜の膜厚、前記ライナー膜厚、前記半導体基板の温度、及び前記半導体基板の加熱時間を設定して行うことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と、前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上に、Ａｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部に対しての充填を、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と、前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程と、を含み、
前記第３の工程は、前記半導体基板を低温加熱して前記ライナー膜とＡｌの反応を制御しながら前記凹部の内部に空洞を残してＡｌを充填した後、前記半導体基板を高温加熱して前記凹部の前記空洞をなくすようにＡｌを充填することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と、前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上に、Ａｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部に対しての充填を、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と、前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程と、を含み、
前記ライナー膜は、プラズマ中でＮｂ粒子をイオン化し、前記半導体基板にバイアスを印加することによって運動エネルギーを高めたＮｂ粒子を前記半導体基板に衝突させることによって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、層間絶縁膜内にＡｌ配線層が埋め込まれてなる配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体装置にはＡｌ配線が多く用いられ、最近ではＡｌを主成分としたＡｌ合金（以下、ＡｌおよびＡｌ合金を総称してＡｌという）を材料に用いたＡｌ配線が主に用いられている。
【０００３】
特に、下層材料との反応を抑制するためのＴｉＮ膜等のバリアメタル膜上にＡｌを積層したり、フォトリソグラフィ工程での光の乱反射を抑制するための反射防止膜をＡｌ膜上に積層し、これらの積層膜をＲＩＥによりエッチングして形成した積層構造のＡｌ配線（Ａｌ−ＲＩＥ配線）が多く用いられている。
【０００４】
しかし、この種のＡｌ−ＲＩＥ配線は、バリアメタル膜および反射防止膜の存在により、配線断面積における実質的なＡｌ断面積が小さくなり、配線抵抗が増大するという問題がある。
【０００５】
加えて、Ａｌ膜のＲＩＥ工程時に配線側壁にはＲＩＥ反応生成物が堆積するため、よりＡｌ断面積が小さくなるという問題がある。また、ＬＳＩの集積度の増加とともに、Ａｌ配線の多層化が必要となり、上下のＡｌ配線を接続するプラグの形成技術が必須となってきている。
【０００６】
従来のプラグ形成技術の１つとして、段差被覆性の良いＷ（タングステン）−ＣＶＤ技術がある。図２０に、Ｗ−ＣＶＤ技術を用いて形成した従来の多層Ａｌ配線の断面図を示す。
【０００７】
図には、第１Ａｌ配線８１がＷプラグ８２を介して第２Ａｌ配線８３に接続している２層Ａｌ配線が示されている。第１、第２Ａｌ配線８１，８３はそれぞれＴｉＮ／Ｔｉバリアメタル膜８４上に形成され、また第１、第２Ａｌ配線８１、８３の上面はそれぞれＴｉＮ反射防止膜８５で覆われている。
【０００８】
なお、図中、８６，８７はそれぞれ第１層間絶縁膜、第２層間絶縁膜を示している。Ｗ−ＣＶＤ技術には、「全面堆積」、「選択堆積」の２種類がある。「全面堆積」は、接続孔を含む基板全面にＷ膜を堆積する方法である。
【０００９】
一方、「選択堆積」は、接続孔の底面だけにＷ膜を選択的に堆積する方法である。両者は異なる熱条件で実現できるが、「選択堆積」の場合、１工程で接続孔の内部をＷ膜により充填できるのに対し、「全面堆積」の場合、後工程として接続孔の外部のＷ膜を除去するエッチバック工程やＣＭＰ工程が必要になる。
【００１０】
ところで、前述したＷ−ＣＶＤ技術を用いて形成したＷプラグには、抵抗が高いという問題と、ＥＭ（エレクトロマイグレーション）耐性に乏しいという問題がある。
【００１１】
ＥＭはＡｌ配線に電流が流れた場合、電子の衝突によりＡｌ原子が移動する現象である。ＷはＡｌに比べＥＭを起こしにくい材料である。そのため、上下のＡｌ配線をＷプラグで接続すると、ＷプラグがＥＭ拡散障壁として働き、Ａｌ原子流の上流側ではＡｌ蓄積が起こり、下流側ではＡｌ空乏が起こる。
【００１２】
この種のＡｌ蓄積、Ａｌ空乏はそれぞれヒロック（ＨｉｌｌＬｏｃｋ）、ボイドの発生の原因となり、ひいては配線間短絡や配線断線へつながる。このようなＥＭ耐性の問題は、前述したＡｌ−ＲＩＥ配線にも存在する。
【００１３】
すなわち、この種のＡｌ配線では、その下地としてＡｌが配向しにくいＴｉＮ膜等のバリアメタル膜が存在するため、Ａｌ＜１１１＞配向性が低くＥＭ耐性を確保できないという問題がある。
【００１４】
また、「全面堆積」の場合、接続孔外部のＷ膜を除去する必要があることから、上述した抵抗やＥＭ耐性の問題の他に、工程数が増加するという問題がある。
【００１５】
一方、「選択堆積」の場合、接続孔外部のＷ膜の除去は本来不要であるが、実際には、選択性の劣化が生じる場合が多く、接続孔外部にもＷ膜が形成される場合が多い。すなわち、「選択堆積」の場合も、接続孔外部のＷ膜をエッチバック等を用いて後で除去する必要があり、工程数が増加するという問題があるのが現状である。
【００１６】
ところで、他のプラグ形成技術として、Ｗより抵抗値の低いＡｌを用いてプラグを形成するＡｌリフロー技術がある。これは、Ａｌ膜の表面拡散による流動特性を利用したもので、基板を加熱するという容易な方法で、接続孔の内部をＡｌ膜で充填できるとともに、このＡｌ膜の上部を配線として利用することで、プロセスの短縮化も図れるというものである。
【００１７】
Ａｌリフロー技術は現在までに様々な検討がなされ、Ａｌ膜とヌレ性の良いＴｉ（チタン）膜などの下地膜を用いる場合が多い。また、流動温度を低温化でき、Ａ．Ｒ．（アスペクト比＝接続孔深さ／接続孔開口径）の高い接続孔の充填も期待できるＡｌリフロー技術として、無加熱でＡｌ膜をスパッタ形成した後に、加熱しながらＡｌ膜をスパッタ形成するという２ステップＡｌリフロー技術が知られており、主流化しつつある。
【００１８】
さらに、低圧−長距離スパッタ法、コリメーションスパッタ法、ＨＤＰ（高密度プラズマ）スパッタ法などの指向性の高いスパッタ技術と組み合わせたＡｌリフロー技術も数多く提案されている。Ａｌリフロー技術では、Ａｌ膜をスパッタ法により形成するため、Ａｌ膜の段差被覆性は元来低い。
【００１９】
このため、接続孔の底部のＡｌ膜の膜厚は薄い。その結果、流動化のための加熱時にＡｌの凝集が起こり、接続孔の内部にはボイドが発生する。したがって、Ａｌリフロー技術では、アスペクト比の高い接続孔を充填できなかった。
【００２０】
このような問題を解決するために、前述したように、Ｔｉ膜のようなＡｌ膜とヌレ性の良い下地膜を用いてＡｌの凝集を抑制している。しかし、Ｔｉ膜をスパッタ形成した場合、接続孔の開口部にＴｉ膜のオーバーハングが生じるとともに、Ｔｉ膜の表面に凹凸が生じる。
【００２１】
この凹凸は、Ｔｉの結晶成長の結晶面依存性に起因する。このようなオーバーハングや、表面の凹凸はＡｌの付着を妨げ、リフロー特性を劣化させる。しかも、Ｔｉ膜の成膜方法として指向性スパッタ法を用いても、接続孔の側面には十分な膜厚を有するＴｉ膜を形成できないのが現状である。
【００２２】
また、ＴｉはＡｌと反応するため、接続孔の底面には、抵抗の高いＡｌ3 Ｔｉ膜が形成される。このＡｌ3 Ｔｉ膜は、Ｗプラグと同様に、ＥＭ拡散障壁として働くので、ＥＭ耐性が劣化するという問題が生じる。
【００２３】
また、最近では、ダマシン構造やデュアルダマシン構造の配線へのＡｌリフロー技術の適用が検討されている。
【００２４】
図２１に、Ａｌリフロー技術を用いて形成した従来のデュアルダマシン構造の配線（ＤＤ配線）の断面図を示す。図中、第１層間絶縁膜８６の表面に形成された配線溝９２内には第１Ａｌ配線８１が埋め込まれている。
【００２５】
この第１Ａｌ配線８１は、第２層間絶縁膜８７に形成された接続孔８８および配線溝８９内に埋め込まれた第２Ａｌ配線（以下ＤＤ配線と略称する）８３に接続されている。図中、９０はＡｌ3 Ｔｉ合金膜を示し、９１は第３層間絶縁膜を示している。
【００２６】
ＤＤ配線８３は、第２層間絶縁膜８７に接続孔８８および配線溝８９をあらかじめ形成しておく。その接続孔８８および配線溝８９の内部を１回の工程で同時にＡｌプラグおよびＡｌ配線となるＡｌ膜で充填する。
【００２７】
外部の余剰なＡｌ膜は、ＣＭＰで除去され、ＡｌプラグおよびＡｌ配線を同時に形成することができ、プロセスの短縮化やコストの削減化を図れる。しかし、Ａｌ膜の下地膜にＴｉライナー膜を用い、Ａｌリフロー技術によりＤＤ配線８３を形成する場合には、以下のような問題がある。
【００２８】
この方法では、接続孔および配線溝を形成した後に全面にＴｉライナー膜（図示せず）を形成し、配線溝の内面（側面および底面）全面をＴｉライナー膜で覆う。
【００２９】
このため、その後のＡｌリフロー工程で、配線溝の内面にＡｌ3 Ｔｉ膜９０が形成され、ＤＤ配線８３の実効的なＡｌの体積が減少する。Ａｌ3 Ｔｉ膜９０は抵抗が高いので、ＤＤ配線８３の抵抗は増加することになる。
【００３０】
このような配線抵抗の増大は、配線幅が微細化されるほど深刻な問題になる。またＡｌ3 Ｔｉ膜９０は接続孔８８の底面にも形成され、この底面に形成されたＡｌ3 Ｔｉ膜９０はＥＭ拡散障壁として働く。
【００３１】
したがって、Ｗ−ＣＶＤ技術の場合と同様に、ＥＭ耐性が劣化するという問題もある。上述の如く、従来より種々のプラグ形成技術が提案され、その中でもＡｌリフロー技術は、ＤＤ配線の形成に検討されているものである。
【００３２】
しかし、接続孔の底部でＡｌ膜の凝集が起こり、これにより高アスペクト比の接続孔を充填できないという問題があった。このような問題を解決するために、Ａｌ膜とヌレ性の良いＴｉライナー膜を下地に用いることが提案された。
【００３３】
しかし、今度は配線溝の内面にＡｌ3 Ｔｉ膜が形成され、これにより配線抵抗が増加したり、ＥＭ耐性が低下するという問題があつた。
【００３４】
他の従来技術として、部分的な構成にのみ着目すればバイア用あるいは配線パターンのようにパターニングされた絶縁体層にニオブライナーを被覆し、ニオブ層とし、このニオブ層上にアルミニュウム又は、アルミニュウム合金を付着する構成からＣＭＰプラナリゼーション・プロセスによって、パターニングされた絶縁体層内に金属ラインを形成する方法が知られている。（特開平１０−７４７６４）。
【００３５】
この文献では、好適な実施例として、ニオブ層上に形成されたアルミニュウムまたは、アルミニュウム合金を酸化酸性コロイド状アルミナ・スラリーを用いてＣＭＰ研磨でニオブライナーを露出し、酸化させてＮｂ2 Ｏ5 を形成する。
【００３６】
この結果、ニオブライナーは、研磨停止層として働く。従って、この文献には、ニオブライナーとアルミニュウム又は、アルミニュウム合金との間に積極的にＡｌＮｂ合金を形成しようとする意図はない。また、ＡｌとＮｂの界面にＮｂの酸化膜（Ｎｂ2 Ｏ5 ）がある場合、ＡｌＮｂ合金を出来にくくしている。
【００３７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情によりなされたものであり、半導体基板の一主面上の層間絶縁膜に形成された接続孔内にＡｌ配線層を埋設する配線構造であって、前記接続孔内側と前記Ａｌ配線層との間に少なくともＮｂライナー膜及びＮｂＡｌ合金膜を介在させることにより、前記接続孔内の配線抵抗の増加、ＥＭ耐性の低下を防止できるとともに、Ａｌの段切れ、凝集を防ぎＡｌ配線層の前記接続孔との密着性を高めることのできる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、半導体基板の一主面上に形成され、凹部を有する層間絶縁膜と；前記凹部の内部に形成されたＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜と；前記ライナー膜を有する前記凹部内に形成されるＡｌを主成分とするＡｌ配線層と；前記ライナー膜と前記Ａｌ配線層との界面と、層間絶縁膜と前記Ａｌ配線層との界面とのいずれか一方に形成されたＮｂＡｌ合金と；より構成されることを特徴とする。
【００３９】
ここで、Ａｌ配線層は、純粋なＡｌ膜で形成されていても良いし、あるいは、Ｃｕ等の他の元素を微少量含むＡｌ膜で形成されていても良い（他の発明も同様）。
【００４０】
又、本発明の半導体装置は、前記層間絶縁膜が、接続孔と配線溝から成る凹部を有することを特徴としている。
【００４１】
又、本発明の半導体装置は、前記ライナー膜中のＮｂが、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１０＞配向していることを特徴としている。
【００４２】
又、本発明の半導体装置は、前記ライナー膜が、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１０＞配向し、かつＸ線回折法で測定したＮｂ＜１１０＞ピークのロッキングカーブの半値幅が５．２１゜以下であることを特徴としている。
【００４３】
又、本発明の半導体装置は、前記ライナー膜中のＮｂが、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１０＞配向し、前記Ａｌ配線層が、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１１＞配向していることを特徴としている。
【００４４】
又、本発明の半導体装置は、前記ライナー膜中のＮｂが、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１０＞配向し、かつＸ線回折法で測定したＮｂ＜１１０＞ピークのロッキングカーブの半値幅が５．２１゜以下であり、前記Ａｌ配線層は、前記半導体基板の一主面に対して垂直な軸方向に＜１１１＞配向し、かつＸ線回折法で測定したＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅が１．９２゜以下であることを特徴とする。
【００４５】
又、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と；前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と；前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上にＡｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部を前記Ａｌ導電膜で充填し、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と；前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程とより成る半導体装置の製造方法において、前記第３の工程は、前記Ａｌ導電膜の流動量が、前記ライナー膜の占める領域を除く前記凹部内の容積以上となり、かつ前記凹部内側の前記ライナー膜と前記Ａｌ導電膜とが反応して前記ライナー膜が消滅する部分のないサーマルバジェットとなるように、前記Ａｌ導電膜膜厚、前記ライナー膜膜厚、前記半導体基板の温度、及び前記半導体基板の加熱時間を設定して行うことを特徴とする。
【００４６】
又、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と；前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と；前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上にＡｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部を前記Ａｌ導電膜で充填し、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と；前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程とより成る半導体装置の製造方法において、前記第３の工程は、前記凹部の内部を充填しないＡｌを主成分とする第１Ａｌ導電膜を形成する工程と、前記半導体基板を加熱しながら前記凹部を含む領域上にＡｌを主成分とする第２Ａｌ導電膜を形成する工程とを含み、前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内を前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜で充填することを特徴とする。
【００４７】
ここで、本発明において、Ｎｂライナー膜は、半導体基板を加熱するか、又は、半導体基板を冷却して指向性を有するスパッタ法により形成することが好ましい。
【００４８】
ここで、本発明において、ＮｂＮライナー膜は、希ガスとＮ2 ガスとの混合ガスを用いた指向性を有する化成スパッタ法により形成することが好ましい。
【００４９】
あるいは、ＮｂＮライナー膜は、コンフォーマルに膜を形成できる成膜法であるＣＶＤ法により形成することが好ましい。
【００５０】
又、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と；前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と；前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上にＡｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部を前記Ａｌ導電膜で充填し、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と；前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程と；より成る半導体装置の製造方法において、前記第３の工程は、前記凹部の内部を充填しないＡｌを主成分とする第１Ａｌ導電膜を形成する工程と、前記半導体基板を加熱しながら前記凹部を含む領域上にＡｌを主成分とする第２Ａｌ導電膜を形成する工程と、前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内を前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜で充填する工程とを含み、前記凹部内部を前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜で充填する工程は、前記第１Ａｌ導電膜と第２Ａｌ導電膜の流動量が前記ライナー膜の占める領域を除く前記凹部内部の容積以上となり、かつ前記凹部の内部の前記ライナー膜と前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜で成るＡｌ導電膜とが反応して、前記ライナー膜が消滅する部分のないサーマルバジェットとなるように、前記第１Ａｌ導電膜と前記第２Ａｌ導電膜の膜厚、前記ライナー膜厚、前記半導体基板の温度、及び前記半導体基板の加熱時間を設定して行うことを特徴とする。
【００５１】
ここにおいて、Ｎｂライナー膜は、半導体基板を加熱するか、又は半導体基板を冷却して指向性を有するスパッタ法により形成することが好ましい。あるいは、Ｎｂライナー膜は、コンフォーマルに膜を形成できる成膜法であるＣＶＤ法により形成することが好ましい。
【００５２】
又、Ｎｂライナー膜を形成する前にその下地として、Ｎｂ膜とその上に形成されたＮｂＮ膜との積層膜、ＮｂＮ膜、Ｔｉ膜、Ｔｉ膜とその上に形成されたＴｉＮ膜、及びＴｉＮ膜の少なくとも１つを形成することが好ましい。
【００５３】
ここにおいて、第１Ａｌ導電膜は、半導体基板を加熱するか、又は、半導体基板を冷却して指向性を有するスパッタ法により形成することが好ましい。
【００５４】
あるいは、第１Ａｌ導電膜は、コンフォーマルに膜を形成できる成膜法であるＣＶＤ法により形成することが好ましい。
【００５５】
又、第２Ａｌ導電膜は、スパッタ法又はＣＶＤ法により形成することが好ましい。
【００５６】
又、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と；前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と；前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上にＡｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部を前記Ａｌ導電膜で充填し、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と；前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程と；より成る半導体装置の製造方法において、前記第３の工程は、前記半導体基板を低温加熱して前記ライナー膜とＡｌの反応を制御しながら前記凹部の内部に空洞を残してＡｌを充填した後、前記半導体基板を高温加熱して前記凹部の前記空洞をなくすようにＡｌを充填することを特徴とする。
【００５７】
又、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に凹部を有する層間絶縁膜を形成する第１の工程と；前記凹部内部に、ＮｂとＮｂＮのいずれか一方から成るライナー膜を形成する第２の工程と；前記半導体基板を加熱しながら前記凹部内部を含む領域上にＡｌを主成分とするＡｌ導電膜を形成するとともに、前記Ａｌ導電膜をリフローさせて前記凹部内部を前記Ａｌ導電膜で充填し、前記第２の工程と共に真空中で連続的に行うことによって前記ライナー膜と前記導電膜との界面にＮｂＡｌ合金を形成する第３の工程と；前記凹部の外部の前記導電膜を除去して、前記導電膜から成る配線層を形成する第４の工程と；より成る半導体装置の製造方法において、前記ライナー膜は、プラズマ中でＮｂ粒子をイオン化し、前記半導体基板に印加することによって運動エネルギーを高めたＮｂ粒子を前記半導体基板に衝突させることによって形成されることを特徴とする。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【００５９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｅ）は、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示す工程断面図である。
【００６０】
まず、図１（ａ）に示すように、素子が形成されたＳｉ基板（図示せず）上にＡｌ配線１を形成する。このとき、Ａｌ配線１の材料は純粋なＡｌである必要はなく、例えば０．５ｗｔ％のＣｕや１ｗｔ％のＳｉなどが添加されたＡｌを用いても良い。
【００６１】
次に、Ａｌ配線１を覆うように全面に層間絶縁膜２を形成した後、Ａｌ配線１上に開口径０．３μｍ以下、アスペクト比３以上の接続孔３を含む複数の接続孔（以下、まとめて接続孔３という）をフォトリソグラフィとＲＩＥを用いて形成する。
【００６２】
次に図１（ｂ）に示すように、接続孔３の内面を覆うように、接続孔３を含む領域上にＮｂライナー膜４を指向性スパッタ法を用いて形成する。Ｎｂライナー膜４の膜厚は、層間絶縁膜２の表面において７．５ｎｍである。
【００６３】
また、Ｎｂライナー膜４によるＡｌ充填特性を評価するために、発明者らは、比較例としてＴｉライナー膜およびＴａライナー膜（図示せず）も同一膜厚で形成した。
【００６４】
次に図１（ｃ）に示すように、厚さが例えば４００ｎｍの第１Ａｌ膜５をＳｉ基板を大気に晒すことなく指向性スパッタ法により無加熱で形成する。
【００６５】
次に図１（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板を大気に晒すことなく、Ｓｉ基板を例えば４５０℃に加熱しながら、例えば厚さ４００ｎｍの第２Ａｌ膜を１８０〜３００秒の時間でスパッタ法により形成し、接続孔３の内部を第１および第２Ａｌ膜６で充填する。
【００６６】
このとき、接続孔３と第１および第２Ａｌ膜６との界面には、Ｎｂライナー膜４と第１Ａｌ膜５との反応生成物であるＡｌＮｂ合金膜７が形成される。
【００６７】
最後に、図１（ｅ）に示すように、接続孔３の外部の第１および第２Ａｌ膜６、ＡｌＮｂ合金膜７、Ｎｂライナー膜４をＲＩＥ法を用いて選択的に除去することにより、Ａｌ配線層１２とＡｌコンタクト層６が完成する。
【００６８】
上記工程において、Ｎｂライナー膜４、第１Ａｌ膜５、及び第１Ａｌ膜と第２Ａｌ膜６を形成するための指向性スパッタ法には、例えば低圧−長距離スパッタ法、コリメーションスパッタ法、バイアススパッタ法、高密度プラズマスパッタ法などを用いれば良い。
【００６９】
また、Ｎｂライナー膜４は接続孔３内面に偏りなく形成されることが望ましい。また、第１Ａｌ膜５は指向性よく形成されることが望ましく、そのためには例えば低圧−長距離スパッタ法を用いた場合には、ターゲット径３００ｍｍ、ターゲット−基板距離３００ｍｍ、Ａｒガス０．０３Ｐａ以下とすれば良い。
【００７０】
本発明者らの研究によれば、接続孔とＡｌ配線層との界面に形成されたＮｂライナー膜４、ＮｂＡｌ合金膜７は、接続孔とＡｌ配線層との界面に形成されたＴｉ膜、ＴｉＡｌ合金膜とは異なり、配線抵抗の増加を十分に抑制できることが分かつた。
【００７１】
したがって、本実施形態によれば、接続孔３とＡｌコンタクト層６との界面に配線抵抗の増加の原因となる膜が存在しないので、配線抵抗の増加を防止できる。
【００７２】
また、接続孔３とＡｌコンタクト層６との界面に形成された膜４，７のいずれかが補償導線となるため、ＥＭ耐性を向上させることができる。さらに、接続孔３とＡｌコンタクト層６との界面に形成されたＮｂライナー膜４、ＡｌＮｂ合金膜７のいずれかがＡｌコンタクト層６との密着層となるため、ＳＭ耐性を向上させることも可能となる。
【００７３】
ところで、一般に、リフローにおける充填特性の劣化は、図２に示すように、全面に形成したＡｌ膜５ａのうち、接続孔３内のものがリフローの初期に凝集を起こし、これにより粒化したＡｌ膜５ｂが形成されてＡｌ拡散の経路が断たれてしまうことによって起こる。
【００７４】
Ｎｂライナー膜４ａは、このＡｌ膜の凝集を抑制する効果があり、充填特性を向上させる。本発明者らの検討により、Ｎｂライナー膜の凝集抑制能力は、ライナー膜４ａとＡｌ膜５ａの反応に大きく関係することが明らかとなった。
【００７５】
すなわち、図３に示すように、ライナー膜４ａ、Ａｌ膜５ａの反応が進行している間は、ライナー膜４ａ上のＡｌ膜５ａの凝集は抑制される。しかし、図３に示すように、ライナー膜４ａが全てＡｌ膜５ａとの反応生成物８に変化すると、粒化Ａｌ膜５ｂが形成されて凝集抑制能力は低下してしまう。
【００７６】
図４に、Ｔｉ膜、Ｔａ膜およびＮｂ膜（膜厚：１００ｎｍ）の各膜上にそれぞれＡｌ−Ｃｕ０．５ｗｔ％膜（膜厚：４００ｎｍ）を真空連続で形成した試料（積層膜）を１時間熱処理した場合の加熱温度とシート抵抗上昇率との関係を示す。
【００７７】
各ライナー膜とＡｌ膜は熱処理によって反応生成物を形成し、実効的Ａｌ膜厚が減少する。そのため、シート抵抗上昇率が高いほどライナー膜とＡｌ膜の反応が進行することになる。したがって、図４からＴｉ膜、Ｎｂ膜、Ｔａ膜の順でＡｌ膜との反応性が高いことが分かる。
【００７８】
下記の（表１）に、Ａｌ膜の充填特性がアスペクト比の大きさとライナー膜の種類（Ｔｉ膜、Ｔａ膜、Ｎｂ膜）によってどのように変化するかを示す。
【００７９】
【表１】
0003607515.tif 000002
【００８０】
（表１）から、ライナー膜としてＡｌ膜との反応性の高いＴｉ膜と、Ａｌ膜との反応性の低いＴａ膜は、高アスペクト比の接続孔での充填特性が劣化することが分かる。この結果は以下のように解釈できる。
【００８１】
まず、Ｔｉライナー膜はＡｌ膜との反応性が高いので短時間で全て反応生成物に変化する。そのため、凝集抑制能力の続く時間が短く、Ａｌ膜を接続孔内に流動させる時間を確保できなくなる。その結果、Ｔｉライナー膜は、高アスペクト比の接続孔の充填特性がライナー膜、Ｔａライナー膜に比べ低下する。
【００８２】
一方、Ｔａライナー膜はＡｌ膜との反応性が低いので、反応によってＡｌ膜の凝集を抑制する能力が元来低く、充填特性が劣化する。そして、Ｎｂライナー膜はＡｌ膜との反応時間が長く、かつ反応によってＡｌ膜の凝集を抑制する能力があるため、Ａｌ膜を接続孔内に流動させる時間を十分確保することができる。
【００８３】
その結果、高アスペクト比の接続孔を充填できるようになる。このようにＡｌリフローに用いるＮｂライナー膜は、Ａｌ膜との反応性を考慮して選ぶことが重要である。
【００８４】
さらに、リフローにおいてＡｌ膜の凝集が開始するのは、Ｎｂライナー膜とＡｌ膜の最低膜厚部である。スパッタ法を用いてＮｂライナー膜とＡｌ膜を形成した場合、接続孔の側壁近傍の底部（以下、接続孔側壁底部という）が最低膜厚部となる。
【００８５】
スパッタ法では、接続孔底部におけるスパッタ粒子が入射できる見込み角は減少し、スパッタ粒子の付着率が低下する。この見込み角は接続孔のアスペクト比で決定され、アスペクト比の高い接続孔ほど見込み角は減少し、接続孔側壁底部におけるライナー膜厚およびＡｌ膜厚は薄膜化する。
【００８６】
したがって、所望の接続孔をＮｂライナー膜を用いたＡｌリフローで確実に充填するためには、リフローの温度や時間、すなわちサーマルバジェット（基板温度と加熱時間の積）と、Ｓｉ基板上にある最大アスペクト比の接続孔底部のＮｂライナー膜厚およびＡｌ膜厚と、さらに接続孔内容積を以下のように調整することが必要になる。
【００８７】
すなわち、本実施形態のように、サーマルバジェット（基板温度と加熱時間の積）によって決まるＡｌ流動量が、加熱以前に形成されたＮｂライナー膜とＡｌ膜の占める領域を除く接続孔内容積以上である場合において、最低膜厚部のＮｂライナー膜とＡｌ膜とが反応によってそのいずれかが消滅しないように、Ｎｂライナー膜およびＡｌ膜の膜厚を調整する（第１調整）。
【００８８】
あるいは、Ａｌ流動量が加熱以前に形成されたＮｂライナー膜とＡｌ膜の占める領域を除く接続孔内容積以上となり、かつ最低膜厚部のＮｂライナー膜とＡｌ膜とが反応によってそのいずれかが消滅しないサーマルバジェットとなるように基板温度と加熱時間を調整する（第２調整）。
【００８９】
あるいは、最低膜厚部のＮｂライナー膜とＡｌ膜とが反応によってそのいずれかが消滅しないサーマルバジェットを選んだ場合において、Ａｌ流動量が加熱以前に形成されたＮｂライナー膜とＡｌ膜の占める領域を除く接続孔内容積以上となるように、接続孔内容積を調整する（第３調整）。
【００９０】
本実施形態の方法は第１調整を選択した方法であり、この場合、開口径０．３μｍ以下、アスペクト比３以上の接続孔３を第１および第２Ａｌ膜６で充填できることを確認した。
【００９１】
また、上記第１ないし第３調整は他の膜種の場合にも有効であり、その調整条件を満たすようにすれば、ライナー膜の種類に関係なく高アスペクト比の接続孔の内部を導電膜で充填することが可能となる。
【００９２】
本実施例で説明したように、Ａｌを接続孔にリフローにより充填するためには、Ｎｂライナー膜とＡｌをリフロー過程で反応させて、第１Ａｌ膜の凝集を抑制することが重要である。
【００９３】
従って、本発明のリフロー後には、必ずＮｂとＡｌとの合金であるＡｌ3 Ｎｂが形成される。特に、Ｎｂを指向性スパッタで形成した場合、配線用溝や接続孔の側面にはＮｂは薄く形成される。従って側面のＮｂはすべてＡｌと反応してＡｌ3 Ｎｂ層が形成され、リフロー後にはＮｂ膜が残らない場合もある。
【００９４】
しかし、同様のＡｌリフローを用いてもＡｌ3 Ｎｂを形成させないことも可能である。例えばＮｂをスパッタした後、基板を一旦大気開放し、次いで第１Ａｌ膜を低温で形成し、第２のＡｌ膜を高温で形成しながら、リフローさせる場合である。
【００９５】
この場合、Ｎｂ表面には自然酸化膜が形成され、ＮｂとＡｌの界面にわずかなＮｂ酸化層が介在する。このＮｂ酸化層はＮｂとＡｌの反応を抑制し、Ａｌ3 Ｎｂはほとんど形成されない。この場合、配線用溝の内面にＮｂとＡｌの合金層が形成されないため、実質的に配線溝内のＡｌ量が増加して、配線抵抗を低下させることができる。
【００９６】
しかし本実施例で説明したように、接続孔をＡｌリフローにより充填するためには、ＮｂとＡｌを反応させることが必要であり、ＮｂとＡｌの反応を抑制した場合、接続孔への充填ができない問題がある。
【００９７】
さらにＮｂとＡｌの界面にＮｂ酸化層が介在するとＡｌとＮｂの混合領域であるＡｌ3 Ｎｂ領域がなくなり、ＮｂとＡｌの密着性が低下する。この密着性の低下はストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性の劣化につながり、信頼性を劣化させる問題もある。
【００９８】
また、クラスターツールなどの装置を使用してＮｂ、第１のＡｌ膜、第２のＡｌ膜を真空連続的に形成しても、Ｎｂ表面は酸化される。Ｎｂ表面の酸化の度合いはＮｂをスパッタ後、第１のＡｌ膜を形成するまでのウェハ搬送にかかる時間や搬送時の雰囲気真空度によって決まる。
【００９９】
本発明者の研究によれば、搬送（Ｎｂスパッタ終了時から第１のＡｌの形成開始までの雰囲気）真空度が５×１０-5ｐａ以下、かつＮｂスパッタ終了時から第１のＡｌの形成開始までの時間が５分以内の条件であれば、第１のＡｌ膜の凝集を抑制するのに充分なＮｂとＡｌの反応が起こり、Ａｌ3 Ｎｂは形成される。上述以外の条件の場合、Ｎｂの表面酸化層はＡｌとＮｂとの反応を抑制し、実質的にＡｌ3 Ｎｂを形成しない。
【０１００】
従って、本発明は真空連続的にＮｂ膜、第１のＡｌ膜、第２のＡｌ膜を形成することはもちろんのこと、上述した搬送雰囲気真空度と搬送時間の条件内で行われたもので、接続孔の充填能力を高め、かつ構造上信頼性を向上できるのに充分な量のＡｌ3 Ｎｂ層が形成できる。
【０１０１】
さらに、Ｎｂをスパッタ後大気開放する場合や、Ｎｂ膜表面の酸化層が形成される搬送条件でリフローを行う場合以外にも、Ｎｂ膜をスパッタするスパッタターゲットの純度によっても、ＡｌとＮｂの反応が抑制される場合がある。
【０１０２】
本発明者の研究によれば、９９．９％以上の純度のＮｂターゲットを用いれば、接続孔の充填能力を高め、かつ構造上信頼性を向上できるのに充分な量のＡｌ3 Ｎｂ層が形成できる。
【０１０３】
９９．９％未満の純度のＮｂターゲットを用いた場合、ターゲットに含まれる不純物原子がＡｌと反応し、その反応層がＮｂとＡｌの反応を抑制することがある。この場合も、Ｎｂ表面に酸化層ができた場合と同様に、接続孔への充填ができず、かつＡｌ3 Ｎｂが充分量ないため、構造上信頼性を向上させることができない。
【０１０４】
（第２の実施形態）
図５は、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示す工程断面図である。
【０１０５】
本実施形態では、第１の実施形態で説明したＮｂライナー膜を用いたＡｌリフロー法をＤＤ配線の形成方法に適用した場合について説明する。また、本実施形態では、第２調整を選択している。なお、図３と対応する部分には同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０１０６】
まず、図５（ａ）に示すように、素子が形成されたＳｉ基板（図示せず）上にＡｌ配線１を形成する。次に、Ａｌ配線１を覆うように全面に層間絶縁膜２を形成した後、この層間絶縁膜２に接続孔３および配線溝９を形成する。
【０１０７】
次に図５（ｂ）に示すように、第１実施形態と同様の条件で、厚さ７．５ｎｍのＮｂライナー膜４、第１Ａｌ膜を形成した後、第２Ａｌ膜を形成しながら、Ｓｉ基板の加熱温度４２０℃、加熱時間３００秒の条件で、接続孔３および配線溝９の内部をＡｌリフローにより第１および第２Ａｌ膜６で充填する。なお、加熱時間は３００秒以上も可能である。
【０１０８】
最後に、図５（ｃ）に示すように、接続孔３および配線溝９の外部の余剰の第１および第２Ａｌ膜６等をＣＭＰ法を用いて研磨除去することによって、ＤＤ配線６（第２Ａｌ配線６ａとＡｌプラグ６ｂ）が完成する。
【０１０９】
一般に、接続孔３および配線溝９の内部をリフローによりＡｌ膜で充填するＤＤプロセスには、配線溝内に形成されたライナー膜と、ライナー膜とＡｌ膜との反応物による配線抵抗の増加の問題がある。
【０１１０】
配線抵抗の増加はＲＣ遅延の原因となるため、０．１８μｍの配線幅では、配線抵抗を比抵抗換算して４．６μΩ・ｃｍ未満に抑制することが望まれる。
【０１１１】
図６に、ＲＩＥによって形成した従来のＲＩＥ配線、Ｔｉライナー膜（比較例）を用いたＡｌリフローによって形成したＤＤ配線、および本実施形態のＮｂライナー膜を用いたＡｌリフローによって形成したＤＤ配線の比抵抗と配線幅の関係を示す。
【０１１２】
ここで、配線溝の深さは４００ｎｍとした。また、Ｔｉライナー膜（比較例）の膜厚はＮｂライナー膜のそれと同じ１５ｎｍとしたが、この膜厚の場合、Ｔｉライナー膜では、開口径０．３μｍ以下、アスペクト比３以上の接続孔をＡｌ膜で充填することができない。
【０１１３】
図６から、従来のＲＩＥ配線やＴｉライナー膜により形成したＤＤ配線に比べ、本実施形態のＮｂライナー膜を用いたＡｌリフローにより形成したＤＤ配線は、比抵抗の上昇が抑制されていることが分かる。
【０１１４】
また、Ｎｂライナー膜を用いたＡｌリフローにより形成されたＤＤ配線６は、ＥＭ、ＳＭ耐性に優れているという利点がある。これは、Ｎｂライナー膜４あるいは第１Ａｌ膜とＮｂライナー膜４の反応物であるＡｌＮｂ合金膜７（例えばＡｌ3 Ｎｂ膜）はＥＭ耐性に優れているためで、ＤＤ配線６がＥＭにより断線を起こしても、電流は、Ｎｂライナー膜４あるいはＡｌＮｂ合金膜７を通じて流れ、ＤＤ配線６の断線を抑制することができるからである。
【０１１５】
また、ＤＤ配線６の場合、Ａｌ膜は層間絶縁膜の接続孔および配線溝の内部に埋め込まれるので、ＲＩＥ配線の場合に比べて、Ａｌ膜の側面と層間絶縁膜との密着性はもともと良い。
【０１１６】
しかも、本実施形態の場合、ＤＤ配線６の側面と層間絶縁膜２との界面にＡｌＮｂ合金膜７が形成され、このＡｌＮｂ合金膜７が密着層としては働くので、さらに密着性が高くなり、これによりＳＭ耐性を向上させることができるようになる。
【０１１７】
上述したようにＡｌ3 Ｎｂ層が存在することでＥＭ，ＳＭ耐性が向上する。この信頼性の向上には、形成されるＡｌ3 Ｎｂの形状も大きく影響する。
【０１１８】
Ｎｂ／Ａｌ積層膜を形成後、基板を加熱した場合、界面に形成されるＡｌ3 Ｎｂ層は膜上には形成されず、粒状に形成される。
【０１１９】
Ａｌ3 Ｎｂが粒状に形成された方が、膜状に形成される場合に比べてＡｌとの接触界面が増加する。この接触界面の増加はＡｌとＡｌ3 Ｎｂとの密着性を高め、よりＥＭ、ＳＭ耐性を向上させる要因となっている。
【０１２０】
（第３の実施形態）
図７は、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示す工程断面図である。
【０１２１】
なお、図３（ａ）〜図３（ｅ）と対応する部分には同一符号を付してあり詳細な説明は省略する。本実施形態が第１の実施形態と主として異なる点は、Ｎｂライナー膜の代わりにＮｂＮライナー膜を用いたことにある。
【０１２２】
まず、図７（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様に、素子が形成されたＳｉ基板（不図示）上にＡｌ配線１、層間絶縁膜２を順次形成する。次に、層間絶縁膜２に開口径０．３μｍ以下、アスペクト比３以上の接続孔３を含む複数の接続孔（以下、まとめて接続孔３という）を形成する。
【０１２３】
次に図７（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２の表面において厚さ１５ｎｍのＮｂＮライナー膜１０を指向性スパッタ法を用いて形成する。具体的には、例えば、Ｎｂターゲットを用い、ＡｒガスとＮ2 ガスの混合ガス雰囲気中での化成スパッタによりＮｂＮライナー膜１０を形成する。
【０１２４】
次に図７（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板を大気に晒すことなく、厚さが例えば４００ｎｍの第１Ａｌ膜５を指向性スパッタ法により無加熱で形成する。
【０１２５】
次に図７（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板を大気に晒すことなく、Ｓｉ基板を例えば４５０℃に加熱しながら、例えば厚さ４００ｎｍの第２Ａｌ膜を１８０〜３００秒の時間でスパッタ法により形成し、接続孔３の内部を第１および第２Ａｌ膜６で充填する。
【０１２６】
最後に、図７（ｅ）に示すように、接続孔３の外部の第１および第２Ａｌ膜６、ＡｌＮｂ合金膜７、ＮｂＮライナー膜１０をＲＩＥ法を用いて選択的に除去することにより、Ａｌコンタクト層６およびＡｌ配線層１２が完成する。
【０１２７】
ここで、ＮｂＮライナー膜１０や第１Ａｌ膜５を形成するための指向性スパッタ法には、例えば低圧−長距離スパッタ法、コリメーションスパッタ法、バイアススパッタ法、高密度プラズマスパッタ法を用いても良い。
【０１２８】
この場合も、Ａｒガス（あるいは他の希ガス）とＮ2 ガスの混合ガス雰囲気中でスパッタを行う。
【０１２９】
本実施形態でも第１の実施形態と同様な効果が得られるが、以下に説明するようにＮｂライナー膜を用いた場合よりも以下の点で優れている。
【０１３０】
化成スパッタ法を用いた場合、ＮｂＮライナー膜中の窒化量は、スパッタ時のＡｒガス／Ｎ2 ガスの混合比を変化させることで、容易に調整することができる。
【０１３１】
形成されたＮｂＮ膜中にはＮ原子と結合していないＮｂ原子が存在し、この未結合のＮｂ原子はＡｌ原子と反応する。したがって、ＮｂＮライナー膜中の窒化量の制御により、ＮｂＮライナー膜とＡｌ膜の反応速度を制御することができ、同一膜厚のＮｂライナー膜と比較して、凝集抑制能力を持続させることができる。
【０１３２】
従って、ＮｂＮライナー膜中の窒化量の制御により、Ａｌ膜の凝集抑制に必要な反応速度以上の反応の抑制、すなわち接続孔底部の最低膜厚部のＮｂＮライナー膜の消費量を抑制することができ、同一膜厚のＮｂライナー膜と比べて、さらに高いアスペクト比の接続孔の充填が可能となる。
【０１３３】
あるいは、同一アスペクト比の接続孔であれば、Ｎｂライナー膜よりも薄い膜厚のＮｂＮライナー膜で接続孔を充填することができる。さらに、Ｔｉライナー膜では、Ｓｉ基板の拡散領域に直接接続する接続孔に使用した場合、リフロー時の基板加熱によってアロイスパイクを発生する問題がある。
【０１３４】
そのため、Ｔｉライナー膜の形成前に、ＴｉＮ膜などの拡散バリアメタル膜を形成する必要がある。しかし、ＮｂＮライナー膜はＡｌとＳｉの拡散バリア性に優れ、Ｓｉ基板の拡散領域に直接接続する接続孔に使用した場合でも、アロイスパイク発生を防止することができる。
【０１３５】
又、ＮｂＮ膜中のＮ量をバリアメタルとして調整すると、ＮｂＮ膜中のＮｂとＡｌの反応が低下する場合がある。この場合は、Ａｌとの反応量を確保するためにＮｂＮ膜上にＮｂ膜を積層しても良い。
【０１３６】
（第４の実施形態）
図８（ａ）〜（ｃ）は、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示す工程断面図である。
【０１３７】
本実施形態では、第３の実施形態で説明したＮｂＮライナー膜を用いたＡｌリフロー法をＤＤ配線の形成方法に適用した場合について説明する。
【０１３８】
なお図１（ａ）〜（ｅ）及び図７（ａ）〜（ｅ）と対応する部分には同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０１３９】
まず、図８（ａ）に示すように、第３の実施形態と同様に、素子が形成されたＳｉ基板（図示せず）上にＡｌ配線１、層間絶縁膜２、接続孔３および配線溝９を形成する。
【０１４０】
次に図８（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様の条件で、ＮｂＮライナー膜１０、第１Ａｌ膜を形成した後、第２Ａｌ膜を形成しながら、接続孔３および配線溝９の内部をＡｌリフローにより第１および第２Ａｌ膜６で充填する。
【０１４１】
最後に、図８（ｃ）に示すように、接続孔３および配線溝９の外部の余剰の第１および第２Ａｌ膜６等をＣＭＰを用いて研磨除去することによって、ＤＤ配線６（第２Ａｌ配線６ａとＡｌプラグ６ｂ）が完成する。
【０１４２】
本実施形態でも第２の実施形態と同様な効果が得られる。ただし、ＮｂＮライナー膜とＡｌ膜との反応速度は、Ｎｂライナー膜とＡｌ膜との反応速度よりも遅くできるので、ＮｂＮライナー膜１０の膜厚を薄膜化でき、配線抵抗をさらに小さくすることができる。
【０１４３】
また、接続孔３および配線溝９に形成されるＡｌＮｂ合金膜７の量も少なくでき、これより配線抵抗もさらに小さくできる。
【０１４４】
（第５の実施形態）
図９（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【０１４５】
図９（ａ）に示すように、素子（図示せず）が形成されたＳｉ基板上２１に第１層間絶縁膜２２を介して第１配線層２３を形成する。この第１配線層２３は、例えばＷ配線やＡｌ配線である。また、第１配線層２３は、ダマシン配線である。
【０１４６】
第１層間絶縁膜２２、第１配線層２３上に第２層間絶縁膜２４を形成する。ここで、第２層間絶縁膜２４は、ＴＥＯＳをソースガスに用いたプラズマＣＶＤによるＣＶＤ絶縁膜、ＨＤＰ−ＣＶＤによるＦ添加低誘電率絶縁膜、あるいは有機ＳＯＧ膜などの塗布絶縁膜である。
【０１４７】
本発明のＮｂライナーを用いたＡｌリフローを低誘電率絶縁膜、例えばＦ素添加ＳｉＯ2 膜や有機ＳＯＧ膜と組み合わせた場合、ＴｉやＴａをライナーに用いた場合と比較して充填能力を低下させないというプロセス上のメリットと低誘電率絶緑膜とＮｂあるいはＡｌ3 Ｎｂ層が密着して信頼性を向上させる構造上のメリットがある。
【０１４８】
一般にＦ添加ＳｉＯ2 膜や有機ＳＯＧ膜は、加熱時の脱ガスが多い。脱ガスの主成分は水であり、ライナーにＴｉやＴａを用いた場合、脱離した水によってライナー材料が酸化してしまう。
【０１４９】
ライナー材料の酸化はＡｌとの反応を抑制し、第１のＡｌの凝集を抑制する効果やＡｌと低誘電絶縁膜との密着性を向上させる効果を失わせる。従って、低誘電率絶縁膜とＴｉやＴａライナーを組み合わせて用いた場合、接続孔の充填能力が大幅に低下するプロセス上の問題と、信頼性が低下する構造上の問題がある。これに対しＮｂは、ＴｉやＴａと比べて酸化物を形成する標準生成自由エネルギーが高く、酸化耐性が高い。従って、低誘電率絶縁膜から脱離した水によって変質しにくく、ライナーとしての性質を保持でき、接続孔の充填能力を向上させ、信頼性を確保することができる。
【０１５０】
次に、図９（ｂ）に示すように、第１配線層２３に接続する接続孔２５をフォトリソグラフィとＲＩＥを用いて第１層間絶緑膜２４に形成する。
【０１５１】
以下、ロード・アンロード室（試料準備室）、デガス室、逆スパッタ室、Ｎｂスパッタ室、第１Ａｌスパッタ室、第２Ａｌスパッタ室および基板冷却室を搬送室に接続したクラスターツールを用い、真空連続的にＮｂライナー膜、第１Ａｌ膜、第２Ａｌ膜を順次形成し、第１Ａｌ膜および第２Ａｌ膜を流動させて、接続孔２５の内部をＡｌで充填する方法について説明する（図９（ｃ）〜図９（ｅ））。
【０１５２】
各室間の移動は搬送室を介して行われる。まず、デガスには、静電チャック付きのＰＢＮヒーターを用いる。すなわち、ＰＢＮヒーターによって、３００〜４５０℃の温度範囲で２分以上基板を加熱することによってデガスを行う。
【０１５３】
ここで、ＰＢＮヒーターの代わりに、ハロゲンランプヒーターを使用しても良い。また、デガス室は独立排気系を持ち、デガス工程中に基板から脱離したガスで搬送室のベース真空度が劣化しないようになっている。
【０１５４】
次に逆スパッタ室内で、接続孔２５の底面に露出した第１配線層２３の表面の自然酸化膜や、接続孔２５の形成時に付着した汚れなどを逆スパッタにより除去する。逆スパッタは、平行平板型や誘導結合型などのプラズマスパッタ装置を用いて行えば良い。
【０１５５】
なお、第１配線層２３がＷ配線層などの場合には、有機アルカリ溶液による洗浄で自然酸化膜や接続孔２５の形成時に付着した汚れを除去できるため、逆スパッタを行う必要はない。
【０１５６】
次に、図９（ｃ）に示すように、接続孔２５の内面全面を被覆するように、厚さ７．５〜５０ｎｍのＮｂライナー膜２６をロングスロースパッタ法を用いて形成する。
【０１５７】
ここで、Ｎｂターゲットの直径は約３００ｍｍ、Ｎｂターゲット−基板間の距離は３００ｍｍ、投入パワーは８ｋＷ以上、そしてＡｒ圧力は０．０２〜０．１Ｐａである。
【０１５８】
また、基板は無加熱にするか、あるいはスパッタ中の基板温度上昇を避けるために基板は冷却する。
【０１５９】
次に、図９（ｄ）に示すように、接続孔２５の内面全面を被覆するように、第２Ａｌ配線層となる厚さ２５０〜７００ｎｍの第１Ａｌ膜２７をロングスロースパッタ法を用いて形成する。
【０１６０】
ここで、Ａｌターゲットの直径は約３００ｍｍ、Ａｌターゲット−基板間の距離は３００ｍｍ、投入パワーは１０ｋＷ以上、そしてＡｒ圧力は０．０１〜０．１Ｐａである。また、基板は無加熱にするか、あるいはスパッタ中の基板温度上昇を避けるために基板は冷却する。
【０１６１】
次に図９（ｅ）に示すように、Ｓｉ基板を４３０〜４９５℃に加熱しながら、第２Ａｌ配線層となる厚さ５０〜６００ｎｍの第２Ａｌ膜を標準的スパッタ法を用いて成膜速度３．３３ｎｍ／ｓｅｃでもって形成するとともに、第１および第２Ａｌ膜２８を流動させて、接続孔２５の内部を第１および第２Ａｌ膜２８で充填する。
【０１６２】
標準的スパッタ法とは、例えば直径が約３００ｍｍのＡｌターゲットを用い、ターゲット−基板間の距離を６０ｍｍに設定してスパッタを行う方法である。
【０１６３】
このとき、接続孔２５と第１および第２Ａｌ膜２８との界面には、Ｎｂライナー膜２６と第１Ａｌ膜２７との反応生成物であるＡｌＮｂ合金膜２９が形成される。
【０１６４】
ここでは、標準的スパッタ法を用いて第２Ａｌ膜を形成したが、成膜速度を同等とすれば、すなわち成膜速度を３．３３ｎｍ／ｓｅｃとすれば、ロングスロースパッタ法を用いて第２Ａｌ膜を形成しても問題はない。
【０１６５】
最後に、図９（ｅ）に示すように、第１および第２Ａｌ膜２８、ＡｌＮｂ合金膜２９、Ｎｂライナー膜２６をフォトリソグラフィとＲＩＥにより加工して、第２Ａｌ配線層３０が完成する。
【０１６６】
本発明者らの研究では、Ｎｂ膜を高いスパッタ電力で形成すれば、Ｎｂ膜の基板表面に対して垂直な軸方向（以下、基板垂直軸方向という）の＜１１０＞配向が高まることが明らかになった。さらに、＜１１０＞配向したＮｂ膜上に形成したＡｌ膜は、基板垂直方向に極めて優れた＜１１１＞配向を示すことが明らかになった。
【０１６７】
Ｘ線回折法で測定したＮｂ膜のＮｂ＜１１０＞ピークおよびＮｂ膜上に形成したＡｌ膜のＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅のスパッタ電力依存性を示す。
【０１６８】
図１０から、スパッタ電力が高くなるにつれ、Ｎｂ＜１１０＞ピーク半値幅が小さくなり、かつＡｌ＜１１１＞ピーク半値幅も小さくなることが分かる。ピーク半値幅は小さいほどその方位の配向度が高いことを示している。
【０１６９】
＜１１０＞配向の高いＮｂ膜の表面は、（１１０）面となっており、この面のＮｂの格子定数がＡｌ（１１１）面のＡｌ格子定数と近い。その結果、Ｎｂ膜の結晶構造をＡｌ膜が引き継ぎ、Ａｌ膜は＜１１１＞に配向すると考えられる。
【０１７０】
さらに、図１０によると、直径２００ｍｍのウェハのセンター部分に比較して、エッジ部分ではＮｂ＜１１０＞配向性、Ａｌ＜１１１＞配向性ともに劣化していることが分かる。
【０１７１】
これは、Ｎｂスパッタ粒子の進行方向が、基板表面に対して垂直な軸に対して傾いていることに依存すると考えられる。Ｎｂ膜の形成に用いたロングスロースパッタ法は、ウェハ面積に対してターゲット面積が十分大きくない場合、スパッタ粒子の進行方向に非対称性があり、ウェハーエッジでは斜め入射成分が増加する。
【０１７２】
この斜め成分がＮｂ膜の配向性を劣化させ、ひいてはＡｌ膜の配向性を劣化させるものと考えられる。しかし、このウェハ面内の配向性のばらつきも、スパッタ電力を大きくするにつれて緩和される。
【０１７３】
Ａｌ配線では＜１１１＞配向性が高いほど、エレクトロマイグレーション耐性に優れる。これは、＜１１１＞配向性の高いＡｌ膜では拡散係数の大きい不安定な結晶粒界が減少するためである。
【０１７４】
図１１に、Ａｌ＜１１１＞配向度とＥＭ信頼性との関係を示す。縦軸は、高温、高電流密度の加速試験下でＡｌ配線が断線に至るまでの寿命を示している。
【０１７５】
＜１１１＞配向性が高いほど、つまり半値幅が小さいほど、Ａｌ配線のＥＭ耐性は向上することが分かる。Ａｌ＜１１１＞ピーク半値幅ωとＥＭライフタイムτとの間には、経験的にτ∝（１／ω）2 の関係がある。
【０１７６】
なお、図中、黒丸は、従来からＬＳＩのＡｌ配線の下地材料に用いられているＴｉ／ＴｉＮ膜上でのＡｌ配線の配向度を示している。
【０１７７】
図１０および図１１によると、Ｎｂライナー膜を８ｋＷ以上のスパッタ電力でスパッタ形成すれば、ウェハ全面において従来のＡｌ配線より高い配向度が得られることが分かる。
【０１７８】
言い換えれば、Ｎｂ＜１１０＞ピーク半値幅が５．２１゜以下であれば、Ａｌ＜１１１＞ピーク半値幅が、１．９２以下になり、従来のＡｌ配線より高い配向度が得られることが分かる。
【０１７９】
ところで、スパッタ電力は電圧と電流との積であり、ターゲット径、ターゲット−基板距離、Ａｒ圧力によって変化するため、Ｎｂ膜やＡｌ膜の配向性に対して一義的なパラメータではない。
【０１８０】
Ｎｂ膜が＜１１０＞配向するのは、Ｎｂスパッタ時のＮｂ膜の成長過程に起因している。すなわち、Ａｒ+ イオンによってターゲットから放出した運動エネルギーを持ったＮｂ粒子（Ｎｂスパッタ粒子）は、基板に衝突する際、その運動エネルギーのために基板上を移動する。
【０１８１】
したがって、この移動距離が大きいほどＮｂは安定なサイトに移動することが可能となり、安定結晶面である（１１０）面を表面化しながら成長できる。すなわち、飛来するＮｂ粒子が持つ運動エネルギーが大きいほど、Ｎｂは＜１１０＞配向できる。
【０１８２】
このＮｂ粒子の運動エネルギーは、ターゲットに印加された負の電圧に引き込まれるため、ターゲットに加える電圧の絶対値が大きいほど、Ｎｂの運動エネルギーは大きくなる。
【０１８３】
図１２に、スパッタ電圧（ターゲット電圧）との関係を示す。スパッタ電力が大きくなるほど、スパッタ電圧の絶対値も高くなることが分かる。
【０１８４】
また、図１０、図１１および図１２から、ターゲット電圧を−３８０Ｖ以下に設定することにより、Ａｌ＜１１１＞配向度を従来のＡｌ配線のそれよりも高くできることが分かる。
【０１８５】
一般に、スパッタ電力を増加させると、成膜速度は速くなる。本実施形態のように、厚さ７．５〜５０ｎｍという薄いＮｂライナー膜２６の場合、大きいスパッタ電力でＮｂライナー膜２６を形成すると、スパッタ速度が速いために正確な膜厚制御を行えなくなる。
【０１８６】
その結果としてウェハ同士間で膜厚が異なったり、あるいは同じウェハでも面内で膜厚のばらつきが生じるという問題が起こる。
【０１８７】
図１３に、Ｎｂ膜を形成する際のスパッタ電力とスパッタ速度（成膜速度）との関係を示す。スパッタ電力を増加させても、スパッタ速度はそれに比例して大きくはならず、飽和する傾向を示すことが分かる。
【０１８８】
Ｎｂ〈１１０〉配向性が実用的となるターゲット電圧−３８０Ｖ以上に対応するスパッタ電力においても、１〜１．３ｎｍ／ｓｅｃ程度のスパッタ速度であり、膜厚７．５〜５０ｎｍの成膜でも十分制御性がある。
【０１８９】
本発明者らの研究によれば、基板に衝突するＮｂ粒子の運動エネルギーを大きくすることが配向性を向上させる本質であるため、運動エネルギーをターゲット電圧で制御することに限定されない。
【０１９０】
すなわち、スパッタではＮｂ粒子の一部は陽イオン化しており、基板側に負の電圧を加えれば、ターゲット電圧を高くしなくても、イオン化したＮｂ粒子は基板に加速して引き込まれるため、Ｎｂ粒子の運動エネルギーが大きくなる。
【０１９１】
イオン化効率を誘導結合型プラズマなどによって高めればより効果がある。このような方法を用いてもＮｂライナー膜２６を高配向化することが可能であり、ひいては第２Ａｌ配線層３０の配向性が向上し、配線信頼性も向上する。
【０１９２】
しかしながら、基板にバイアスを印加して一部イオン化したＮｂ粒子を引き込み、配向性を向上させる場合には、以下のことに注意する必要がある。例えば、バイアススパッタ法のように基板にバイアスを印加した場合、イオン化したスパッタガスのＡｒも基板に引き込まれ、Ｎｂライナー膜２６中に取り込まれる。
【０１９３】
Ｎｂライナー膜２６中に取り込まれたＡｒは、後工程のリフローの加熱工程、あるいは第２Ａｌ配線層３０の形成後のシンター工程などの熱処理により、Ｎｂライナー膜２６から放出される。
【０１９４】
Ｎｂライナー膜２６と第２Ａｌ配線層３０との界面で剥離が生じる。このような剥離を防止するためには、Ａｒ流量を減少させてＮｂライナー膜２６中に取り込まれたＡｒ量を減少させるなどの調整が必要である。
【０１９５】
また、バイアススパッタ法によるＮｂ膜の形成では、基板にＲＦ電力を投入する機能が必要になり、装置コストが増加する。また、バイアススパッタ法は成膜とエッチングが同時に起こる成膜手法であり、成膜速度が低下しスループットが低下する。
【０１９６】
さらに成膜初期から基板バイアスを印加してエッチングを行うと、層間絶縁膜（ＳｉＯ2 膜）の一部がエッチングされ、エッチングされたＳｉＯ2 がＮｂライナー膜２６に取り込まれ、Ｎｂライナー膜２６の膜質を劣化させる可能性がある。
【０１９７】
これらの観点から、ターゲットの電圧調整だけでＮｂライナー膜２６を高配向化でき、かつ第２Ａｌ配線層３０の配向性を向上させることができる本実施形態の方法は、バイアススパッタ法や、基板バイアスを印加してＮｂイオンを引き込む方法に比べて、簡単な方法といえる。
【０１９８】
この他にも、Ｎｂスパッタ時のガス圧力を低下させることも、ターゲットに印加する電圧の絶対値を増加させるのに有効である。
【０１９９】
例えば、ターゲット径３００ｍｍ、ターゲット−基板間距離３００ｍｍのロングスパッタにおいて、スパッタ電力が２ｋＷのとき、０．０５３ＰａのＡｒ圧力ではターゲット電圧は、−３３０Ｖであるが、０．０２６ＰａのＡｒ圧力ではターゲット電圧は、−３９７Ｖまでその絶対値が増加する。
【０２００】
この０．０２６ＰａのＡｒ圧力、ターゲット電圧−３９７ＶのときのＡｌ＜１１１＞ピーク半値幅は１．４゜であり、これはＥＭ耐性を向上させるのに十分高い配向性である。
【０２０１】
また、ロングスロースパッタでは、Ａｒガス圧力を低下させると、ＡｒガスによるＮｂスパッタ粒子の散乱が抑制されるため、Ｎｂスパッタ粒子の指向性が高まる。
【０２０２】
アスペクト比の高い接続孔２５では、接続孔側壁底部にまでＮｂライナー膜２６を形成することが必要である。Ｎｂスパッタ粒子の指向性を高めることは接続孔側壁底部へのＮｂスパッタ粒子の入射確率を増加させ、その結果として高アスペクト比の接続孔のＡｌ充填が可能になる。
【０２０３】
さらに、Ｎｂスパッタ粒子の運動エネルギーを大きくすることは、接続孔２５へのＡｌ充填特性も向上させる。すなわち、高い運動エネルギーを有するＮｂスパッタ粒子で形成されたＮｂライナー膜２６を用いたほど、より高いアスペクト比の接続孔２５まで第２Ａｌ配線層３０で充填できる。
【０２０４】
図１４に、Ｎｂスパッタ電力と、Ａｌ充填が可能な接続孔のアスペクト比の最大値（以下、Ａｌ充填限界アスペクト比という）との関係を示す。
【０２０５】
Ｎｂスパッタ電力が大きくなるほど、Ａｌ充填限界アスペクト比が大きくなっていることが分かる。Ｎｂライナー膜２７は、第１および第２Ａｌ膜２８の凝集を抑制するために形成する。
【０２０６】
そのため、接続孔２５の側面や底部に形成されることが必要になる。前述したように、Ｎｂスパッタ粒子の運動エネルギーを大きくした場合、基板におけるＮｂスパッタ粒子の移動が促進されるため、接続孔２５の内面のＮｂライナー膜２６の被覆性が向上する。
【０２０７】
Ｎｂライナー膜２６の被覆性の向上は、接続孔側壁底部で起こりやすい第１および第２Ａｌ膜２８の凝集を抑えることができ、Ａｌリフローによって充填できる接続孔２５のアスペクト比を高める。
【０２０８】
また、Ａｌ（１１１）面はその表面エネルギーがＡｌの他の結晶面と比べて最も低く、Ａｌ原子の拡散が膜表面で活発化するため、＜１１１＞配向したＡｌ膜はその流動性が高まる。
【０２０９】
したがって、Ｎｂスパッタ粒子の運動エネルギーを高めることにより、接続孔２５の内面のＮｂライナー膜２６の被覆性およびＡｌ流動性を向上させることができ、その相乗効果としてＡｌ充填特性が大幅に向上し、アスペクト比の高い接続孔２５の内部を第１および第２Ａｌ膜２８で容易に充填できるようになる。
【０２１０】
図１９に、Ｎｂ膜を−３８０Ｖ以下のターゲット電圧でスパッタ形成し、次にＮｂ膜上にＡｌ膜を無加熱で形成し、次に４５０℃の熱処理を行った場合のＡｌ＜１１１＞配向性の時間変化を示す。
【０２１１】
熱処理は、基板を加熱することによって行った。Ａｌ膜の配向性は熱処理時間が長くなるほど向上していることが分かる。すなわち、高配向したＮｂ膜上に無加熱で形成したＡｌ膜は、形成初期には配向性が低く、熱処理過程でＮｂ格子情報をＡｌが受け継ぐことにより、配向性が向上するものと考えられる。
【０２１２】
したがって、高配向化したＮｂ膜上に無加熱で形成したＡｌ膜を高配向化するには、Ａｌ膜の形成後に熱処理を行うことが不可欠である。ここでは、無加熱でＡｌ膜を形成した後に熱処理を行った場合について説明したが、基板を加熱しながらＡｌ膜を形成した場合にも同様に高配向化の効果が得られた。
【０２１３】
ただし、基板を加熱する場合、無加熱の場合に比べて、Ｎｂ膜の表面が酸化しやすいので、装置の真空度などを制御する必要がある。
【０２１４】
（第６の実施形態）
図１５は、本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。図９と対応する部分には同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０２１５】
まず、図１５（ａ）に示すように、第５の実施形態と同様に、素子（図示せず）が、形成されたＳｉ基板２１上に、第１層間絶縁膜２２、第１配線層２３、第２層間絶縁膜２４、接続孔２５を形成する。次に、図１５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィとＲＩＥにより第２層間絶縁膜２４に第２配線層用の配線溝３１を形成する。
【０２１６】
次に、図１５（ｃ）に示すように、第５の実施形態で説明したようなクラスターツールを用い、第５の実施形態と同様な条件でデガス（ＤＥＧＡＳ）、逆スパッタ、Ｎｂスパッタ、第１Ａｌスパッタおよび第２Ａｌスパッタを行って、接続孔２５および配線溝３１の内部をＮｂライナー膜２６を介して第１および第２Ａｌ膜２８で充填する。
【０２１７】
最後に、図１５（ｄ）に示すように、接続孔２５および配線溝３１の外部の第１および第２Ａｌ膜２８をＣＭＰにより除去して、第１および第２Ａｌ膜２８からなる第２Ａｌ配線層（Ａｌデュアルダマシン配線）３２が完成する。
【０２１８】
第５の実施形態では、高いスパッタ電力を用いてスパッタ形成したＮｂライナー膜は＜１１０＞配向し、この高配向したＮｂライナー膜上のＡｌ配線層は高い＜１１１＞配向を示すことを説明した。
【０２１９】
しかし、本実施形態のようなダマシン型配線の場合、第２Ａｌ配線層３２は、２側面（接続孔側面と配線溝側面）に対して垂直な軸方向、および１底面（配線溝底面）に対して垂直な軸方向に＜１１１＞配向する可能性がある。
【０２２０】
図１６に、配線溝が複数並んだ基板上でのＮｂスパッタ電力とＡｌ＜１１１＞配向との関係を示す。
【０２２１】
配線溝上のＡｌ膜もスパッタ電力が増加するにつれて、基板の垂直軸方向、即ち、配線溝に対して垂直な軸方向に高い＜１１１＞配向を示すことが分かる。
【０２２２】
すなわち、２側面からの配向よりも基板表面や配線溝底面の配向が支配的であり、配線溝内のＡｌ膜の配向性も８ｋＷ以上でＮｂ膜をスパッタすれば、高い信頼性が得られる。
【０２２３】
特に、ロングスロースパッタ法のような指向性スパッタ法でＡｌ膜を形成した場合には、配線溝の側面にＡｌ膜は薄く、基板表面や配線溝底面のＡｌ膜は厚くなる。
【０２２４】
したがって、コンフォーマルに形成されるＣＶＤ法によるＡｌ膜と比べて、より基板表面や配線溝底面からの配向が支配的となり、側面からの配向の影響を軽減できる。
【０２２５】
また、ダマシン配線の場合、２側面と１底面にＮｂライナー膜２６、あるいはＡｌＮｂ合金膜２９／Ｎｂライナー膜２６が存在する。これらは第２Ａｌ配線層が断線した場合に導通が可能となる補償導線として機能するため、ＥＭ耐性の向上に寄与する。
【０２２６】
したがって、高配向Ａｌ膜の効果と補償導線の効果を組み合わせるとその相乗効果により、Ａｌデュアルダマシン配線（以下、単にダマシン配線という）３２のＥＭ耐性は著しく向上する。
【０２２７】
さらに、Ｎｂライナー膜２６と第１Ａｌ膜２７とは反応してＡｌＮｂ合金膜２９を形成するため、ダマシン配線３２の密着性が向上する。密着性に優れる界面ではＡｌの拡散係数が低くなるため、Ａｌ・ＤＤ配線３２のＳＭ耐性は著しく向上する。
【０２２８】
第５の実施形態で説明したように、＜１１１＞高配向したＡｌ膜中には拡散係数の大きい不安定な結晶粒界が減少するため、ＳＭ耐性も向上する。
【０２２９】
したがって、高配向Ａｌ膜の効果と密着性の効果を組み合わせるとその相乗効果により、ダマシン配線３２のＥＭ耐性は著しく向上する。
【０２３０】
図１０では、配線溝上のＡｌ配向性を平均化して評価したが、本発明者らは，さらにダマシン配線の長手方向に対して垂直面および平行面のＡｌ配向性を詳細に調べた。
【０２３１】
図１７に、Ｘ線回折法によってダマシン配線３２の長手方向（以下、配線長手方向という）と平行な方向にＸ線を入射した場合に得られるダマシン配線３２のＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅（Ａ）と、Ｘ線回折法によって配線長手方向と垂直な方向にＸ線を入射した場合に得られるダマシン配線３２のＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅（Ｂ）とを示す。
【０２３２】
配線長手方向と平行な方向にＸ線を入射した場合（ｘ軸）、配線長手方向に対して平行な方向に関してＡｌ＜１１１＞配向のばらつきを測定できる。
【０２３３】
一方、配線長手方向と垂直な方向にＸ線を入射した場合（ｙ軸）、配線長手方向に対して垂直な方向に関してＡｌ＜１１１＞配向のばらつきを測定できる。
【０２３４】
ｙ軸にＸ線を入射した場合の方が、ｘ軸方向にＸ線を入射した場合よりも、Ａｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅が大きいことが分かる。これは、配線溝側面からのＡｌ配向により、基板垂直幅方向のＡｌ＜１１１＞配向が配線長手方向に退位して垂直な方向でずれが生じているものと考えられる。
【０２３５】
Ｌ／Ｓ（ライン／スペース：ラインが配線溝に対応）が１．０μｍ／１．０μｍよりも０．２５μｍ／０．２５μｍの方がＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅が大きくなっていることが分かる。
【０２３６】
これは、図１７に示した実験に用いた試料では、１．０μｍ／１．０μｍのＬ／Ｓの場合、配線溝側面よりも配線溝底面の方がダマシン配線との接触面積が広いために、配線溝底面からの配向が支配的になっていると考えられる。
【０２３７】
しかし、０．２５／０．２５μｍのＬ／Ｓの場合、配線溝底面よりも配線溝側面での接触面積が広いために側面の影響をより受け、ｙ軸にＸ線を入射した場合のＡｌ＜１１１＞配向がばらつくと考えられる。
【０２３８】
このようにダマシン配線の場合、配線溝側面の影響により配線長手方向に対して垂直な面ではＡｌ＜１１１＞方位にずれが生じる傾向がある。また、このような配向性のずれは配線幅が微細化するほど顕著となる。
【０２３９】
配線信頼性の観点からは、特にＥＭ耐性を向上させるためには、基板垂直軸方向にＡｌ＜１１１＞配向させ、拡散係数の大きい不安定粒界をなるべく減少させることが好ましい。
【０２４０】
しかし、ダマシン配線の場合、配線長手方向に対して垂直面での配向性のずれは、配線溝の側面の影響を受けているためにランダムなばらつきではなく、かつ配線長手方向に対して平行な垂直面での配向性は確保されているため、不安定粒界が増加せず、ＥＭ耐性劣化の問題は生じない。
【０２４１】
また、高配向したＡｌ膜を熱処理すると突発的に結晶粒が隆起する形状のヒロックが生じやすいことが知られている。これは、配向性の高い多数の結晶粒に囲まれた配向性の低い少数の結晶粒があると、その配向性の低い結晶粒に応力が集中して、突発的なヒロックが発生すると考えられる。
【０２４２】
このようなヒロックはひいては配線の短絡を招く。この問題に対して、配線長手方向に対して垂直な面でＡｌ配向性がずれるダマシン配線は、結晶粒の応力を分散させることが可能であり、突発的に発生するヒロックを防止できる。
【０２４３】
このような各軸方向に対するＡｌ配向性のずれは、Ｎｂを高配向させた本発明で顕著化し、ストレスマイグレーションに対する耐性が向上することが初めて明らかになった。
【０２４４】
したがって、ｙ軸にＸ線を入射した場合の方が、ｘ軸方向にＸ線を入射した場合よりもＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅が大きいダマシン配線を形成することによって、配線短絡という問題を回避でき、また上述したようにＥＭ耐性劣化の問題もないので、信頼性を向上することができる。
【０２４５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【０２４６】
例えば、第１〜第４の実施形態では、Ｎｂライナー膜あるいはＮｂＮライナー膜を指向性スパッタ法により形成し、第１Ａｌ膜を無加熱で指向性スパッタ法により形成し、次いで第２Ａｌ膜を加熱しながらスパッタ法で形成する方法について説明した。
【０２４７】
しかし、Ｎｂライナー膜あるいはＮｂＮライナー膜を形成した後、１層のＡｌ膜を加熱しながらスパッタ法で形成しても良い。
【０２４８】
何故なら、Ｎｂライナー膜あるいはＮｂＮライナー膜があるため、加熱しながらＡｌ膜を形成してもＡｌ膜はＮｂライナー膜あるいはＮｂＮライナー膜との反応により、凝集が抑制され、リフローにより充填することができるためである。
【０２４９】
また、第１〜第４の実施形態では、Ｎｂ膜あるいはＮｂＮ膜を指向性スパッタ法により形成し、第１Ａｌ膜を無加熱で指向性スパッタ法により形成し、次いで第２Ａｌ膜を加熱しながらスパッタ法で形成する方法について説明したが、第１Ａｌ膜をＣＶＤで形成しても良い。
【０２５０】
何故なら、Ｎｂライナー膜あるいはＮｂＮライナー膜があるため、ＣＶＤでＡｌ膜を形成してもＡｌ膜は連続膜となり、かつＣＶＤはコンフォーマルに成膜できるため、接続孔底部におけるＡｌ膜厚を厚膜化できる。
【０２５１】
しかし、有機原料ガスを用いたＣＶＤにより形成されたＡｌ膜は、カーボンなどの不純物が混入し、配線層の信頼性が低下するという問題がある。この場合には、ＣＶＤ法により第１Ａｌ膜を薄く形成し、次にスパッタ法により第２Ａｌ膜を厚く形成すれば、信頼性の低下を招くことなく所望の厚さの配線層を形成できる。
【０２５２】
また、第１〜第４の実施形態では、Ｎｂ膜あるいはＮｂＮ膜を指向性スパッタ法により形成する方法について説明したが、Ｎｂ膜あるいはＮｂＮ膜をＣＶＤで形成しても良い。
【０２５３】
その理由は以下の通りである。スパッタ法では、接続孔底部のＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜が薄膜化する。したがって、接続孔底部におけるＡｌ凝集抑制に必要なＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜厚を確保するため、配線溝内面には不必要なＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜が厚く形成される。
【０２５４】
このＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜は配線部の実質的Ａｌ断面積を低下させ、配線抵抗の増加を招く。
【０２５５】
一方、ＣＶＤ法では、接続孔や配線溝にＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜をコンフオーマルに形成できるため、膜厚が薄くなりやすい接続孔底部にＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜を厚く形成できる。
【０２５６】
これにより配線溝内面にＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜を必要以上に形成しなくて済むので、配線抵抗の増加より効果的に防止できる。また、室温で蒸気圧の高い弗化Ｎｂにより、Ｎｂ膜は容易にＣＶＤを行うことができる。
【０２５７】
また、ＮｂＮ膜は、弗化Ｎｂとアンモニアとの混合ガスを用いれば形成することができ、その混合比を調節することにより、ＮｂＮ膜の窒化量を制御することができる。
【０２５８】
さらに、ＮｂＮ膜はＮｂ膜を形成した後に後窒化により形成しても良い。後窒化には、Ｎ2 やＮＨ3 などの雰囲気中で熱処理する熱窒化やプラズマ下でＮ+ イオンをＮｂ膜に照射するプラズマ窒化などがある。
【０２５９】
特にプラズマ窒化では、Ｓｉ基板を低温にできる。また、ＤＤ構造では、接続孔内面より配線溝内面の方がＮ+ イオンの衝突確率が高いため、配線溝内面に形成されたＮｂ膜を優先的に窒化できる。
【０２６０】
配線部におけるＮｂ膜とＡｌ膜の反応生成の生成量を少なくでき、配線抵抗を低下できる。この時、Ｎ+ イオンの衝突確率は、ガス圧で調節すれば良い。
【０２６１】
また、第１〜第４の実施形態では、Ｓｉ基板を４５０℃に加熱しながらＡｌ膜をリフローさせたが、Ｓｉ基板の加熱を複数のステップに分けてＡｌ膜をリフローさせても良い。
【０２６２】
例えば、リフローの前半を低温で行い、リフローの後半を高温で行う。このような２ステップ加熱によれば、リフロー前半時が低温であることから、Ｎｂ膜あるいはＮｂＮ膜とＡｌ膜との反応が抑制され、Ａｌ膜の凝集が抑制される。
【０２６３】
ここで、リフローの前半時は低温時であることから、Ａｌ膜の流動量は減小するので、接続孔の内部のＡｌ膜中にはボイドが残存してしまう。特に層間絶縁膜として低誘電率の絶縁膜を用いた場合には、絶縁膜からガスが放出され、ボイドの残存が起こりやすい。
【０２６４】
しかし、流動したＡｌ膜により接続孔の内面上のＡｌ膜の膜厚は増加しているため、次に高温でリフローを行ってもＡｌ膜の凝集は起こらず、残存したボイドをＡｌ膜で完全充填することができる。
【０２６５】
また、上述したように層間絶縁膜として特に脱ガスの多い低誘電率の絶縁膜を用いた場合、絶縁膜からのガスの放出によりＡｌ流動性が低下してボイドが残存しやすいが、リフローの前半を低温で行えば、絶縁膜から放出されるガス量を少なくでき、これにより放出ガスによるＡｌ表面の汚染が抑制されてＡｌ表面は活性な状態を保持することができる。
【０２６６】
したがって、低温リフロー時にボイドが残存しても、後半の高温リフローにおいてボイドを容易に充填することができるようになる。したがって、このような多ステップ加熱でリフローを行えば、一定温度の加熱でのリフローを行う場合よりも、さらに高いアスペクト比の接続孔をＡｌ膜で充填できる。
【０２６７】
また、第１〜第４の実施形態では、ライナー膜としてＮｂ膜あるいはＮｂＮ膜をＳｉ基板上に直接形成しているが、Ｓｉ基板との反応を抑制したり、コンタク卜抵抗を下げるためには、例えば図１８に示すように、ＮｂＮ膜、ＴｉＮ膜、Ｎｂ膜、Ｔｉ膜、Ｎｂ膜とその上に形成されたＮｂＮ膜からなるＮｂ／ＮｂＮ膜、あるいはＴｉ膜とその上に形成されたＴｉＮ膜からなるＴｉ／ＴｉＮ膜を下地として形成すると良い。
【０２６８】
ここで、ライナー膜としてバリア性のあるＮｂＮ膜を用いた場合には、下地としてバリアメタル膜を形成する必要は基本的にはない。しかし、窒化量の少ないＮｂＮ膜はバリア性が低下し、必ずしもバリア性を確保できない。
【０２６９】
例えばＡｌ膜との反応速度を少し遅くするためにＮｂ膜を窒化する場合、必ずしもバリア性を確保できない。このような場合、ＮｂＮ膜の下層にバリア性のあるＮｂＮ膜やＴｉＮ膜を形成すれば良い。
【０２７０】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【０２７１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体装置及びその製造方法は、半導体基板の一主面上の層間絶縁膜に形成された接続孔内にＡｌ配線層を埋設する配線構造であって、前記接続孔内側と前記Ａｌ配線層との間に少なくともＮｂライナー膜及びＮｂＡｌ合金膜を用いることにより従来の配線構造に比べ、前記接続孔内の配線抵抗の増加、ＥＭ耐性の低下を防止できるとともに、Ａｌの段切れ、凝集を防ぎＡｌ配線層の前記接続孔との密着性を高めることができる。
【０２７２】
また、本発明によれば、Ｎｂライナー膜またはＮｂＮライナー膜を用いることにより、アスペクト比を高くしても、貫通孔の内部を配線抵抗の増加およびＥＭ耐性の低下を防止できるＡｌ配線層で充填できる半導体装置の製造方法を実現できるようになる。
【０２７３】
また、本発明によれば、ダマシン配線の所定の面におけるＡｌ＜１１１＞配向性を低くすることにより、ヒロックの発生およびＥＭ耐性の劣化を防止でき、もって信頼性の高いダマシン配線を有する半導体装置を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【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示す各工程断面図。
【図２】半導体装置の製造工程におけるリフローの充填特性の劣化を説明するための図。
【図３】半導体装置の製造工程におけるライナー膜の凝集抑制能力がライナー膜とＡｌ膜の反応に関係していることを説明するための図。
【図４】Ｔａ膜およびＮｂ膜の各膜上にそれぞれＡｌ−Ｃｕ０．５ｗｔ％膜を真空連続で形成した試料を１時間熱処理した場合の熱処理温度とシート抵抗上昇率との関係を示す図。
【図５】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示す工程断面図。
【図６】ＲＩＥによって形成した従来の配線、Ｔｉライナー膜を用いたリフローによって形成した配線、およびＮｂライナー膜を用いたリフローによって形成した配線の比抵抗と配線幅の関係を示す図。
【図７】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示す工程断面図。
【図８】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示す工程断面図。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１０】Ｘ線回折法で測定したＮｂ＜１１０＞ピークおよびＡｌ＜１１１＞ピークのロッキングカーブの半値幅のスパッタ電力依存性を示す図。
【図１１】Ａｌ＜１１１＞配向度とＥＭ信頼性との関係を示す図。
【図１２】スパッタ電力とスパッタ電圧との関係を示す図。
【図１３】Ｎｂ膜を形成する際のスパッタ電力とスパッタ速度（成膜速度）との関係を示す図。
【図１４】Ｎｂスパッタ電力とＡｌ充填限界アスペクト比との関係を示す図。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１６】配線溝が複数並んだ試料上でのＡｌ＜１１１＞配向とスパッタ電力との関係を示す図。
【図１７】Ｘ線回折法によって配線長手方向と平行な方向および垂直な方向にＸ線を入射して得られたダマシン配線のロッキングカーブを示す図。
【図１８】本発明の半導体装置の要部の構成の変形例を説明するための断面図。
【図１９】Ｎｂ膜を−３８０Ｖ以下のターゲット電圧で形成し、次にＮｂ膜上にＡｌ膜を無加熱で形成し、次に４５０℃の熱処理を行った場合のＡｌ＜１１１＞配向性の時間変化を示す図。
【図２０】従来のＷ−ＣＶＤ技術を用いて形成した多層Ａｌ配線の部分断面図。
【図２１】従来のＡｌリフロー技術を用いて形成した多層Ａｌ配線の部分断面図。
【符号の説明】
１…Ａｌ配線
２…層間絶縁膜
３…接続孔
４…Ｎｂライナー膜
５…第１Ａｌ膜
６…第１および第２Ａｌ膜、Ａｌコンタクト層、ＤＤ配線
６ａ…第２Ａｌ配線
６ｂ…Ａｌプラグ
７…ＡｌＮｂ合金膜
８…反応生成物
９…配線溝
１０…ＮｂＮライナー膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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