(57)【要約】【課題】配線のエレクトロマイグレーション耐性を改善して信頼性を向上する半導体装置の提供。【解決手段】半導体装置は、第１金属及び第２金属を含み、第１の部分および第２の部分を有する合金層と、前記第１の部分と前記第２の部分に挟まれた第１金属の窒化物と、前記合金層上に積層された前記第２金属を主成分とする導電層とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属及び第２金属を含み、第１の部分と第２の部分を有する合金層と、
前記合金層の前記第１の部分と前記第２の部分に挟まれた前記第１金属の窒化物と、
前記合金層の上に設けられた、前記第２金属を主成分とする導電層と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記合金層が酸素を更に含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上表面から底面まで貫通する開口を備える絶縁層と、
前記開口内に充填された導電部材と、
を更に備え、
前記合金層が前記導電部材の上部から前記絶縁層の上表面に渡って連続して延在することを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２金属を主成分とする前記導電層の上に、前記第１金属の窒化物からなる上部導電層を更に備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２金属を主成分とする前記導電層と、前記上部導電層との間に、前記第１金属及び前記第２金属を含む第２の合金層を更に備える、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記導電部材の上部及び前記絶縁層の上表面のそれぞれと、前記合金層と、の間に、更に、前記第１金属を含有する窒化物層を備える、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１金属は、チタンから成り、
前記第２金属は、アルミニウムから成る、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２金属を主成分とする前記導電層は、更に銅を含有することを特徴とする、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記導電部材は、有底円筒形のバリアメタルと、
前記バリアメタル内を埋設する第３金属と、
から成る、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第３金属は、タングステンを主成分とすることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
第１金属と第２金属との合金であって、第１の部分と第２の部分を有する合金層と、
前記第１金属の窒化物と、
を備え、
前記第１の部分と前記第２の部分は前記第１金属の窒化物を介して互いに対向する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
前記合金層は、前記第１金属の酸化物を更に含有する、請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第１金属は、チタンから成り、前記第２金属は、アルミニウムから成る、請求項１１又は１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第１金属の窒化物は、前記合金層の前記第１の部分と前記第２の部分の間に、粒状に配列される、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
絶縁層上に、第１金属から成る第１の導電層、前記第１金属の窒化物から成る第２の導電層、及び、前記第１金属から成る第３の導電層をこの順序で形成する工程と、
前記第３の導電層上に、第２金属を主成分とする第４の導電層を形成する工程と、
前記第１乃至第４の導電層の積層体に、熱処理を施すことで、
前記絶縁層の上に、
前記第１金属及び前記第２金属を含む合金層であって、第１、第２の部分を有し、前記第１、第２の部分の間に前記第１金属の窒化物を挟む合金層と、
前記合金層の上の前記第４の導電層と、
を形成する工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第１導電層の形成直後に、前記第１導電層表面に酸素を吸着させる工程と、
前記第３導電層の形成直後に、前記第３導電層表面に酸素を吸着させる工程と、
を更に含む請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第１導電層及び前記第３導電層はいずれも前記第１金属から成るターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法により形成する、請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第２導電層は、前記第１金属から成るターゲットと窒素を含有する雰囲気を用いた反応性スパッタリング法により形成する、請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記酸素を吸着させる工程は、常温大気中で行う請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記合金層の第１、第２の部分に挟まれた前記第１金属の窒化物が、粒状に配列される請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置において、アルミ配線（例えばＡｌＣｕ等のアルミ合金配線を含む）のエレクトロマイグレーション（electro-migration）対策のため、例えばアルミ合金膜の下側に、Ｔｉ（チタン）膜やＴｉＮ（窒化チタン）膜等を備えた積層配線構造が用いられている。この種の関連技術として、例えば非特許文献１には、層間絶縁膜の上に順にＴｉ(10nm（nanometer）)、ＴｉＮ(20nm)、Ｔｉ(10nm）、ＡｌＣｕ(500nm)、Ｔｉ(10nm)、ＴｉＮ(30nm)をマルチチャンバー型ＤＣ（直流）マグネトロンスパッタ（multi-chamber dc magnetron sputtering system）を用いてin-situで堆積した構成（非特許文献１のFIG.2(b)）が開示されている。図１０と図１１は、非特許文献１に開示された方法により形成されるアルミ配線を模式的に説明するための図である。なお、図１０は、非特許文献１のFIG.1、FIG.2(b）に基づき、新たに作成された図である。図１１は、非特許文献１のFIG.6(b)等のＴＥＭ（Transmission Electron Microscope：透過型電子顕微鏡）写真に基づき、新たに作成された図である。
【０００３】
図１０を参照すると、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学気相成長）法で堆積されたＳｉＯ２（silicon dioxide:シリコン酸化膜）からなる層間絶縁膜１をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨）等で平坦化したのち、層間絶縁膜１の一部に選択的に、ドライエッチングで接続孔２を形成し、該接続孔２内にＡｒ（アルゴン）イオンを用いたスパッタエッチングを施したのち、ＣＶＤ法等によりＴｉ層、ＴｉＮ層を接続孔２内に堆積し（図１０のＴｉＮ／Ｔｉ９）、次に、ＣＶＤ法でＷ（タングステン）を接続孔２内に埋め込み、その後、エッチバック又はＣＭＰで接続孔２を除く層間絶縁層１上のＴｉ、ＴｉＮ及びＷを除去し、接続孔２内にＷを残してＷプラグ１０を形成する。図１０において、接続孔２は、配線層間を接続するヴィアホールのほか、第１配線層とソース／ドレイン領域のコンタクトとを接続するコンタクトホールであってもよい。なお、図１０、図１１において、層間絶縁膜１の膜厚（接続孔２の深さ）及びＴｉＮ／Ｔｉ９の膜厚と、他の層の膜厚との大小関係は図面作成の都合で模式的に表されている。
【０００４】
Ｗプラグ１０を形成した後、層間絶縁層１上に、スパッタ法で１層目のバリアメタルとしてＴｉ層３を約１０ｎｍの膜厚で形成する。
【０００５】
次に、チタン（Ｔｉ）ターゲットを用いた窒素（Ｎ２）雰囲気下での反応性スパッタ法で２層目のバリアメタルとしてＴｉＮ層４を約２０ｎｍの膜厚で形成する。
【０００６】
次に、スパッタ法で３層目のバリアメタルとしてＴｉ層５を約１０ｎｍの膜厚で形成する。
【０００７】
次に、スパッタ法で、低抵抗の配線層として、Ｃｕを０．５ｗｔ（重量）％添加したＡｌＣｕ合金層（Ａｌ−0.5wt.％Ｃｕ）６を約５００ｎｍの膜厚で形成する。
【０００８】
次に、スパッタ法でＴｉ層７を約１０ｎｍの膜厚で形成する。
【０００９】
その上に、ＴｉＮ層８を約３０ｎｍの膜厚で形成する。なお、ＴｉＮ層８／Ｔｉ層７は、例えば配線形成の際のフォトリソグラフィの反射防止膜（Anti Reflective Material：ＡＲＭ）やヴィアホールのエッチングの際のストッパー層として機能する。
【００１０】
上記積層膜の成膜にあたり、スパッタとスパッタの間は、いわゆるin-situ搬送で高真空状態を保ち大気には曝さない。
【００１１】
その後、配線は、４００℃で３０分間、Ｈ２(水素)／Ｎ２(窒素)雰囲気中で熱処理（アニール）される。
【００１２】
熱処理により、図１１に示すように、アルミ配線の下部には、図１０のＡｌＣｕ合金層６とＴｉ層５とが反応して、Ａｌ−Ｔｉの合金層１１が形成される。またアルミ配線の上部には、図１０のＡｌＣｕ合金層６とＴｉ層７とが反応して、Ａｌ−Ｔｉの合金層１２が形成される。なお、図１１において、ＴｉＮ層８の接続孔１３は、図示されない上層の配線層との接続用のヴィアホールの底部を示している。接続孔１３には、接続孔２と同様、ＴｉＮ／Ｔｉ１４、Ｗ１５が埋設されている。
【００１３】
なお、特許文献１には、層間絶縁膜上からＴｉ又はＴｉ合金膜を成膜後、スパッタリング過程中の少なくとも一部の期間で、基板を加熱して所望の膜厚のＡｌ高温スパッタ膜を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平７−２５４６０１号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Kamoshida K,“Electromigration performance of AlCu/Ti and AlCu/Ti/TiN/Ti metallization”, JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B, Vol. 19, No.6, 2190-2194ページ, NOV-DEC 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以下に、関連技術の分析を与える。
【００１７】
図１０及び図１１を参照して説明したアルミ配線構造において、半導体の微細化の進展に伴い、様々な問題が顕在化している。なお、上記非特許文献１には以下の問題、課題の開示や示唆はないことを付言しておく。
【００１８】
上記非特許文献１では、ＡｌＣｕ合金層（図１０の６）の膜厚は５００ｎｍであるが、配線間容量の低減を図るために、ＡｌＣｕ合金層（図１０の６）を、例えば２４０ｎｍ以下に薄膜化することが求められている。
【００１９】
アルミ配線構造の全体の厚さを一定とした場合、Ａｌ−Ｔｉの合金層（図１１の１１、１２）の厚さは、低抵抗のＡｌＣｕ合金層（図１１の６）の厚さと相反する（一方が厚いと、他方は薄くなる）。例えば膜厚５０ｎｍ以下のＡｌ−Ｔｉの合金層（図１１の１１、１２）を形成し、配線抵抗として、表面抵抗率（シート抵抗）ρｓを例えば０．１７［Ω／ｓｑ．］以下にすることが課題となっている。
【００２０】
なお、異方性エッチングによる加工性を考慮すると、ＡｌＣｕ合金層（図１０の６）の下のバリアメタル（例えば図１０のＴｉ層３、ＴｉＮ層４、Ｔｉ層５）の膜厚は、２０ｎｍ程度あるいは２０ｎｍ未満とすることが好ましい。
【００２１】
また、Ｔｉ層（図１０の３）の膜厚を例えば５ｎｍ未満にした場合、熱処理反応によるＡｌ−Ｔｉの合金層（図１１の１１）の形成不足による、Ａｌ配線のエレクトロマイグレーション耐性が劣化し信頼性が低下する、という問題もある。
【００２２】
さらに、Ｔｉ層（図１０の３）の膜厚が５ｎｍ以下であり、且つ、ＴｉＮ層（図１０の４）の膜厚が５ｎｍ以下の場合、ＡｌＣｕ合金層（図１１の６）が下層の接続孔（図１１の２）にまで拡散し、接続孔（図１１の２）との接合部にエレクトロマイグレーションが発生する可能性がある、という問題もある。
【００２３】
また、上記非特許文献１等の関連技術では、アルミ配線層のＡｌ（１１１）面の配向強度が低く、粒径が小さい。このため、Ａｌ（１１１）配向性を向上させ（すなわち、膜厚方向にＡｌ（１１１）面が向く確率を向上させ）、アルミ配線層のエレクトロマイグレーションに対する信頼性を向上させることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の１つの側面によれば、第１金属及び第２金属を含み、第１の部分及び第２の部分を有する合金層と、前記第１の部分と前記第２の部分に挟まれた第１金属の窒化物と、前記合金層上に積層された前記第２金属を主成分とする配線層とを備える半導体装置が提供される。
【００２５】
本発明の別の側面によれば、絶縁層上に、第１金属から成る第１の導電層、前記第１金属の窒化物から成る第２の導電層、及び、前記第１金属から成る第３の導電層をこの順序で形成する工程と、
前記第３の導電層上に、第２金属を主成分とする第４の導電層を形成する工程と、
前記第１乃至第４の導電層の積層体に、熱処理を施すことで、前記絶縁層の上に、前記第１金属及び前記第２金属を含む合金層であって、第１、第２の部分を有し、前記第１、第２の部分の間に前記第１金属の窒化物を挟む合金層と、前記合金層の上の前記第４の導電層と、を形成する工程と、を含む、半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、上記課題の少なくとも１つ又は全てを解決する。例えば、本発明によれば、配線のエレクトロマイグレーション耐性を高め信頼性を向上することができる。本発明の他の特徴、効果等は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施形態の第１配線層、第２配線層の製造段階でのレイアウトパターンをそれぞれ模式的に示す図である。
【図２】実施形態１の半導体装置の断面を模式的に示す図である。
【図３】図２、図４において第２配線層を熱処理したのちパターニングした断面を模式的に示す図である。
【図４】実施形態２の半導体装置の断面を模式的に示す図である。
【図５】実施形態３の半導体装置の断面を模式的に示す図である。
【図６】図５において第２配線層熱処理したのちパターニングした断面を模式的に示す図である。
【図７】実施形態４の半導体装置の断面を模式的に示す図である。
【図８】図７において第２配線層を熱処理したのちパターニングした断面を模式的に示す図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）は実施形態２の配線の特性（配向強度と抵抗）を説明する図である。
【図１０】関連技術を説明する図である。
【図１１】関連技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下では、はじめに本発明の基本概念を説明し、つづいて実施形態について説明する。本発明の半導体装置によれば、第１金属（Ｔｉ）及び第２金属（Ａｌ）を含み、第１の部分（図３の１８２）と第２の部分（図３の１８２’）を有する合金層（Ａｌ−Ｔｉ）と、前記合金層（Ａｌ−Ｔｉ）の前記第１の部分（１８２）と前記第２の部分（１８２’）に挟まれた第１金属の窒化物（ＴｉＮ：図３の１８３）と、前記合金層（Ａｌ−Ｔｉ）上に積層された前記第２金属（Ａｌ）を主成分とする配線層(図３の１８５)を備えている。
【００２９】
本発明によれば、例えば、第１金属（Ｔｉ）、第１金属（Ｔｉ）の窒化物（ＴｉＮ）、アルミニウム合金膜（アルミ合金膜）を積層した配線が、その下部に、粒状（granular）に配列された第１金属の窒化物（ＴｉＮ：図３の１８３）を含む合金層（Ａｌ−Ｔｉ）を含む。この構造は、配線構造において、少なくとも、下側から、第１金属（Ｔｉ）層、第１金属（Ｔｉ）の窒化物（ＴｉＮ層）、第１金属（Ｔｉ）層、アルミニウム合金膜の４層の積層膜を、合金化反応させることによって形成される。以下、図面を参照して、いくつかの実施形態を説明する。
【００３０】
図１は、製造段階での基板（ウェハ）を上からみたレイアウトパターンを模式的に示す図であり、実施形態１−４に共通である。図１（Ａ）には、例えば実施形態１の図２において、最上層の第１配線層１６０から半導体基板１００表面のレイアウトパターンが模式的に示されており、図１（Ｂ）には、例えば実施形態１の図２において、最上層の第２配線層１８０から第１配線層１６０のレイアウトパターンが模式的に示されている。図２乃至図７の断面は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線、図１（Ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応する。
【００３１】
図１（Ａ）は、例えば図２において、第１配線層１６０がパターン形成された段階でのレイアウトパターンに対応している。図１（Ａ）において、１５０は、ソース、ドレイン領域の高濃度不純物領域１４２の金属シリサイド層１４７（コンタクト）と第１配線層１６０を接続するコンタクトプラグ、１４０は低濃度不純物領域、１４２は高濃度不純物領域、１３５はサイドウォールスペーサ、１３０はゲート電極、１５５はゲート電極１３０と第１配線層１６０とを接続する接続孔（Ｗプラグ）である。
【００３２】
図１（Ｂ）は、例えば図３において、第２配線層１８０がパターン形成された段階でのレイアウトパターンに対応している。図１（Ｂ）において、１６０は第１配線層、１７０は、第２配線層１８０と第１配線層１６０を接続する接続孔（ヴィアホール）である。
【００３３】
＜実施形態１＞
図２は、実施形態１の半導体装置の製造段階での断面を模式的に示す図である。図２には、第１配線層１６０の上層の第２配線層の積層膜（Ｔｉ層１９２、ＴｉＮ層１９４、Ｔｉ層１９５、ＡｌＣｕ合金層１８５、ＴｉＮ層１８８）が成膜された段階（熱処理、パターニングを行う前）の構成が模式的に示されている。なお、図２において、Ｔｉ層１９２を堆積する工程よりも前の製造工程すなわち、第３層間絶縁膜１６４、接続孔１７０を形成する工程までは、任意の公知の工程が用いられる。このため、膜厚等のパラメータは省略する。
【００３４】
半導体基板１００において、活性領域（素子形成領域）１２０を区画する素子分離絶縁領域１１５は、例えば半導体基板１００上にＳｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２膜を形成し、レジストを形成し、これをマスクとして半導体基板１００をエッチングしてトレンチ（溝）を形成し、該トレンチにシリコン酸化膜ＳｉＯ２を埋設し、その後、Ｓｉ３Ｎ４をストッパーとして不要なＳｉＯ２をＣＭＰで除去し埋め込み部を平坦化する。なお、以下では、フォトレジストを塗布・露光・現像してパターンを形成することを簡略化して「レジストを形成する」という。
【００３５】
素子分離絶縁領域１１５の間の活性領域（素子形成領域）１２０の基板表面上には、ゲート絶縁層１２５と、多結晶シリコン（ポリシリコン）からなるゲート電極１３０と、が設けられている。例えば基板全面に、熱酸化等によりゲート絶縁層を形成しポリシリコン膜を全面に形成したのち、レジストを形成し、エッチングによりゲート絶縁層、ポリシリコン膜を加工し、レジストを除去することで、ゲート絶縁層１２５及びゲート電極１３０のゲート構造が形成される。
【００３６】
ゲート電極本体直下の半導体基板１００内の領域を挟む両側の領域に不純物イオンを注入して不純物領域（ソース、ドレイン領域）が形成される。例えば半導体基板１００がｐ型シリコン基板の場合、ｎ型イオン（例えばＰ（リン）イオン等）をイオン注入して、低濃度不純物領域１４０が形成され、同時に、該低濃度不純物領域１４０と同じ低濃度の不純物濃領域が、後に高濃度不純物領域１４２となる領域に形成される。なお、図２では、簡単のため、半導体基板１００においてウェル構造は示されていない。
【００３７】
次に、例えばＣＶＤ法により全面にＳｉＯ２膜を堆積し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング）等の異方性エッチング（ドライエッチ）でゲート電極１３０の側壁のみ残してエッチングし、サイドウォールスペーサ（スペーサ）１３５が形成される。そして、上方から不純物イオン（例えばｎ型のＡｓイオン）をイオン注入して、高濃度不純物領域１４２を形成することで、ＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造のソース、ドレインが形成される。
【００３８】
次に、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）あるいはＣｏ（コバルト）等の金属膜（高融点金属）をスパッタにより形成し、熱処理により、Ｓｉと反応させることで、ゲート電極１３０の上表面に金属シリサイド層１４５、及び、ソース、ドレインの高濃度不純物層１４２表面に、金属シリサイド層１４７が、同時に形成される。
【００３９】
次に、全面に、ゲート電極１３０及びサイドウォールスペーサ１３５を覆うように、例えばＳｉＯ２からなる第１層間絶縁層１４８をプラズマＣＶＤ法により成膜したのち、ＣＭＰ等で平坦化し、第１層間絶縁層１４８の上に例えばＳｉＯＮ（シリコン酸窒化膜）からなる第１ストッパー絶縁層１５２がＣＶＤ法で成膜される。
【００４０】
次に、第１ストッパー絶縁層１５２上にレジストを形成し、ドライエッチングにより第１ストッパー絶縁層１５２から第１層間絶縁層１４８を貫通し、高濃度不純物領域１４２の金属シリサイド層１４７に達する接続孔（コンタクトホール）１５０が形成され、レジストを除去したのち、コンタクトホール１５０に、例えばＣＶＤ法により、Ｔｉ層、ＴｉＮ層を形成し、さらにＣＶＤ法により、Ｗ（タングステン）を埋設したのち、コンタクトホール１５０部以外のＴｉ、ＴｉＮ、ＷがＣＭＰ等で除去され、Ｗプラグ（「コンタクトプラグ１５０」ともいう）が形成される。なお、図２では、コンタクトプラグ１５０内に形成されるＴｉＮ／Ｔｉ（図１０の９に相当する）は図示されない。図３乃至図７についても同様である。
【００４１】
第１層間絶縁層１４８の上には、第１ストッパー絶縁層１５２を介して、第１配線層１６０が設けられる。すなわち、全面に配線材料の金属膜をスパッタ等で形成し、その上にレジストを形成してエッチングしたのちレジストを除去して第１配線層１６０の配線パターンが形成される。つづいて、例えばＳｉＯ２からなる第２層間絶縁層１５４がプラズマＣＶＤ法等により成膜され、その上に、第２ストッパー絶縁層１６２がＣＶＤ法で成膜される。第２ストッパー絶縁層１６２の上に、例えばＳｉＯ２からなる第３層間絶縁層１６４がプラズマＣＶＤ法等により成膜され、ＣＭＰにより平坦化される。
【００４２】
次に、第３層間絶縁層１６４の上にレジストを形成し、ドライエッチングにより、第３層間絶縁層１６４から第１配線層１６０に達する接続孔（ヴィアホール）１７０が設けられ、レジストを除去したのち、該接続孔１７０に、ＣＶＤ法により、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ｗ等を埋設し、接続孔１７０以外のＴｉ、ＴｉＮ、Ｗが、エッチバック又はＣＭＰ等で除去することで、Ｗプラグ（「ヴィアプラグ１７０」という）が形成される。なお、図２では、ヴィアプラグ１７０内に形成されるＴｉＮ／Ｔｉ（図１０の９や図１１の１４に相当する）は図示されない。図３乃至図７についても同様である。第３層間絶縁膜１６４上の第２配線層と第１配線層１６０とはヴィアプラグ１７０により接続される。
【００４３】
第３層間絶得膜１６４の上には、第２配線層の積層膜（積層構造）が形成される。すなわち、１層目のバリアメタルのＴｉ（チタン）層１９２、２層目のバリアメタルのＴｉＮ（窒化チタン）層１９４、３層目のバリアメタルのＴｉ（チタン）層１９５を備え、その上に、低抵抗配線層として、Ｃｕを０．５ｗｔ（重量）％添加したＡｌＣｕ合金層１８５、ＴｉＮ（窒化チタン）層１８８を備えている。第２配線層の積層構造は以下のように形成される。
【００４４】
まず、第３層間絶得膜１６４の上に、スパッタ法（マグネトロンスパッタリング）で、Ｔｉ層１９２を約７．５ｎｍの膜厚で形成する。
【００４５】
その後、Ｔｉターゲットを用いた窒素（Ｎ２）雰囲気下での反応性スパッタ法により、ＴｉＮ層１９４を約５ｎｍの膜厚で成膜する。
【００４６】
その後、スパッタ法により、Ｔｉ層１９５を約５ｎｍの膜厚で成膜する。
【００４７】
その後、スパッタ法により、ＡｌＣｕ合金層１８５を約２４０ｎｍの膜厚で成膜する。
【００４８】
さらに、スパッタ法により、ＴｉＮ層１８８を５０ｎｍの膜厚で成膜する。
【００４９】
ＴｉＮ層１８８を成膜した直後は、図２に模式的に示すような断面構成となる。すなわち、第２配線層の積層構造は、上から、TiN(50nm)/AlCu(240nm)/Ti(5nm)/TiN(5nm)/Ti(7.5nm)の５層の積層膜からなる。
【００５０】
その後、これらの配線を４００℃で、熱処理を施す（例えばＨ２／Ｎ２雰囲気中での熱処理）。図３には、図２の配線を熱処理し、パターニングしたのちの断面構成が模式的に示されている。すなわち、図２の第２配線層に、４００℃で熱処理を行い、図２のＴｉ層１９２→ＴｉＮ層１９４→Ｔｉ層１９５→ＡｌＣｕ合金層１８５の部分で合金化反応を生じさせる。ここで、ＴｉＮ層１９４が概ね５ｎｍ程度に薄くなると、Ｔｉ層１９５とＡｌＣｕ合金層１８５が反応する間にＴｉＮ層１９４が部分的に破れ、ＡｌＣｕ合金層１８５が拡散してＴｉ層１９２とも反応する。その結果、図３に示すように、粒状のＴｉＮ１８３を含有するＡｌ−Ｔｉ合金層１８２、１８２’と、その上層のＡｌＣｕ合金層１８５、及び、最上層のＴｉＮ層１８８の積層構造が得られる。
【００５１】
なお、第１配線層１６０を、第２配線層１８０と同様、TiN(50nm)/AlCu(240nm)/Ti(5nm)/TiN(5nm)/Ti(7.5nm)の５層の積層配線構造とし、４００℃で熱処理して、パターニングするようにしてもよいことは勿論である。また、図示されない第３配線層以上の配線層についても、第２配線層１８０と同様に構成してもよいことは勿論である。
【００５２】
＜実施形態２＞
図４は、実施形態２を説明する図であり、前述した実施形態１の図２に対応している。図４において、積層構造の第２配線層（１９２−１９６、１８５、１８８）を熱処理し、パターニングしたのちの断面の構成は、図３に模式的に示したものとなる。また、図４において、Ｔｉ層１９２の成膜工程までは、図２の実施形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００５３】
実施形態２では、第３層間絶得膜１６４の上に、スパッタ法により、Ｔｉ層１９２を７．５ｎｍの膜厚で形成したのち、Ｔｉに酸素を吸着させる。この結果、図４に示すように、Ｔｉ層１９２の上に、酸素吸着Ｔｉ層１９３が形成される。
【００５４】
次に、反応性スパッタ法により、酸素吸着Ｔｉ層１９３の上に、ＴｉＮ層１９４を約５ｎｍの膜厚で成膜する。
【００５５】
次に、スパッタ法により、Ｔｉ層１９５を約５ｎｍの膜厚で成膜したのち、Ｔｉの表面に酸素吸着させる。この結果、図４に示すように、Ｔｉ層１９５の上に、酸素吸着Ｔｉ層１９６が形成される。
【００５６】
その後、酸素吸着Ｔｉ層１９６の上に、スパッタ法により、ＡｌＣｕ合金層１８５を約２４０ｎｍの膜厚で成膜する。
【００５７】
さらに、スパッタ法により、ＴｉＮ層１８８を５０ｎｍ膜厚で成膜する。ＴｉＮ層１８８を成膜した直後は、図４に模式的に示すような断面構成となる。
【００５８】
次に、例えば４００℃で熱処理を行い、図４のＴｉ層１９２→ＴｉＮ層１９４→Ｔｉ層１９５→ＡｌＣｕ合金層１８５の部分で合金化反応を生じさせ、図３に示すように、粒状のＴｉＮ１８３を含有するＡｌ−Ｔｉ合金層１８２、１８２’と、その上層のＡｌＣｕ合金層１８５、及び、最上層のＴｉＮ層１８８の積層構造とする。第２の配線層１８０をパターニングすると、図３の構成となる。
【００５９】
熱処理により、第２配線層１８０の下部は、ＡｌとＴｉの相互拡散により、図４のＴｉ層１９２、酸素吸着Ｔｉ層１９３、ＴｉＮ層１９４、Ｔｉ層１９５、酸素吸着Ｔｉ層１９６が混合し、ＴｉＯｘ層を含むＡｌ−Ｔｉ合金層１８２、ＴｉＯｘ層を含むＡｌ−Ｔｉ合金層１８２の内部にある粒状に配列したＴｉＮ１８３、Ａｌ−Ｔｉ合金層１８２’が形成される。なお、このような膜の混合は、例えばＴｉＮ層１９４の膜厚が５ｎｍ以下の場合に生じることがわかった。実施形態２において、前記実施形態１と比べてエレクトロマイグレーション耐性が向上する。
【００６０】
なお、実施形態２において、酸素吸着Ｔｉ層１９３の形成にあたり、スパッタ法によりＴｉ層１９２を約７．５ｎｍの膜厚で成膜したのち、ウェハ表面を、例えば所定時間大気に曝露し、Ｔｉの自然酸化膜を形成することで、酸素吸着Ｔｉ層１９３を形成してもよい。同様に、スパッタ法によりＴｉ層１９５を約５ｎｍの膜厚で成膜したのち、ウェハ表面を例えば所定時間大気に曝露し、Ｔｉの自然酸化膜を形成することで、酸素吸着Ｔｉ層１９６を形成してもよい。
【００６１】
図９（Ａ）は、実施形態２において、配線（図３の第２配線層１８０）についてＸＲＤ（X-ray Diffraction：Ｘ線回折）法で計測したＡｌ（１１１）面の配向強度（ｃｐｓ（counts per second））を示す図である。図９（Ａ）において、横軸は、図４のＴｉ層１９２を形成後、大気に曝露した時間、縦軸はＡｌ（１１１）面の配向強度である。配向性の測定は、Ａｌ配線形成後、上層の膜を成膜しない状態で行った。大気曝露なしの配向強度に比べ、大気曝露をした水準では、配向強度が大きいことがわかる。配向強度は、大気曝露６時間までに急峻に上昇する。よく知られているように、Ａｌ（１１１）面の配向強度が高いほど、配線のエレクトロマイグレーションに対する信頼性が向上する。このため、図４において、Ｔｉ層１９２を形成した後、例えば６時間以上、大気に曝露することが好ましい。
【００６２】
図９（Ｂ）は、図３の第２配線層（Ａｌ配線）１８０の抵抗を示す図である。縦軸は累積度数分布（cumulative distribution）、横軸は１Ａｌの表面抵抗率［Ω／ｓｑ．］である。配線は幅５００μｍ（micro meter）、長さ１６．１８ｍｍ(millimeter)である。大気曝露なしに比べ、図２において、Ｔｉ層１９２を形成した後に、３時間以上の大気曝露をした場合、配線抵抗が低減している。したがって、配線の低抵抗化のために、図４において、Ｔｉ層１９２を形成した後、例えば３時間以上、大気に曝露することが好ましい。
【００６３】
実施形態２によれば、エレクトロマイグレーションに対する信頼性の向上と低抵抗を両立させた、良好なＡｌ配線を得ることができる。
【００６４】
なお、第１配線層１６０を、第２配線層１８０と同様に構成してもよいことは勿論である。また、図示されない第３配線層以上の配線層についても、第２配線層１８０と同様に構成してもよいことは勿論である。
【００６５】
＜実施形態３＞
図５は、実施形態３を説明する図であり、実施形態１の図２に対応している。図５において、積層構造の第２配線層（１９２、１９４、１９５、１８５、１９７、１８８）を熱処理し、パターニングしたのちの断面の構成は、図６に模式的に示したものとなる。実施形態３では、実施形態１の第２配線層の積層構造の上層部において、ＡｌＣｕ合金層１８５（膜厚約２４０ｎｍ）と、最上層のＴｉＮ層１８８（膜厚５０ｎｍ）との間に、Ｔｉ層１９７（膜厚：１０ｎｍ）がさらに追加されている。
【００６６】
ＡｌＣｕ合金層１８５を形成したのち、スパッタ法により、Ｔｉ層１９７が約１０ｎｍの膜厚で成膜され、その後、スパッタ法により、ＴｉＮ層１８８が約５０ｎｍの膜厚で成膜される。実施形態３における第２配線層の積層構造は、上から、TiN(50nm)/Ti(10nm)/AlCu(240nm)/Ti(5nm)/TiN(5nm)/Ti(7.5nm)の６層の積層膜からなる。
【００６７】
配線の熱処理後、図６に示すように、配線下部の粒状のＴｉＮ１８３を含有するＡｌ−Ｔｉの合金層（１８２、１８２’）に加えて、ＡｌＣｕ合金層１８５とＴｉＮ層１８８の間に、Ａｌ−Ｔｉの合金層１８６が形成される。このため、ＡｌＣｕ合金層１８５とＴｉＮ層１８８の間の界面抵抗を、更に低下させることができる。
【００６８】
なお、前記実施形態２と同様、Ｔｉ層１９２、１９５、あるいはＴｉ層１９７の表面に
酸素吸着Ｔｉ層を形成しても良いことは勿論である。
【００６９】
第１配線層１６０を、第２配線層１８０と同様に構成してもよいことは勿論である。また、図示されない第３配線層以上の配線層についても、第２配線層１８０と同様に構成してもよいことは勿論である。
【００７０】
＜実施形態４＞
図７は、実施形態４を説明する図であり、実施形態１の図２に対応している。図７において、積層構造の第２配線層（１９１、１９２、１９４、１９５、１８５、１９７、１８８）を熱処理し、パターニングしたのちの断面の構成は、図８に模式的に示したものとなる。
【００７１】
実施形態４では、前記実施形態１乃至実施形態３の図２、図４、図５のそれぞれにおいて、第３層間絶縁層１６４の上に、スパッタ法でＴｉＮ層１９１を約１５ｎｍの膜厚で形成しておく。図７には、図５の前記実施形態３において、第３層間絶縁層１６４の上に、スパッタ法でＴｉＮ層１９１を約１５ｎｍの膜厚で成膜したのち、Ｔｉ層１９２、ＴｉＮ層１９４、Ｔｉ層１９５、ＡｌＣｕ合金層１８５、Ｔｉ層１９７、ＴｉＮ層１８８を成膜さした状態が示されている。第２配線層の積層構造は、上から、TiN(50nm)/Ti(10nm)/AlCu(240nm)/Ti(5nm)/TiN(5nm)/Ti(7.5nm)/TiN(15nm)の７層の積層膜からなる。
【００７２】
図７の第２配線層に、４００℃で熱処理を行うと、図８に示すように、配線下部の粒状のＴｉＮ１８３を含有するＡｌ−Ｔｉの合金層（１８２、１８２’）に加えて、ＡｌＣｕ合金層１８５とＴｉＮ層１８８の間に、Ａｌ−Ｔｉの合金層１８６が形成され、第２配線層１８０の最下層はＴｉＮ層１８１である。
【００７３】
実施形態４においては、配線幅の縮小時にも、密着性を確保しやすい。なお、実施形態４を前記実施形態２と組み合わせ、Ｔｉ層１９２、１９５、あるいはＴｉ層１９７の表面に酸素吸着Ｔｉ層を形成しても良いことは勿論である。
【００７４】
第１配線層１６０を、第２配線層１８０と同様に構成してもよいことは勿論である。また、図示されない第３配線層以上の配線層についても、第２配線層１８０と同様に構成してもよいことは勿論である。
【００７５】
なお、上記実施形態１乃至４は、各層間をＷプラグを介して接続する任意の配線層に適用可能であり、本発明は、図２乃至図７を参照して説明した半導体装置にのみ制限されるものでないことは勿論である。
【００７６】
なお、上記の特許文献、非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００７７】
１  層間絶縁層
２、１３、１５５  接続孔
３、５、７  Ｔｉ（チタン）層
４、８  ＴｉＮ（窒化チタン）層
６  ＡｌＣｕ層（アルミ合金層）
９、１４  ＴｉＮ／Ｔｉ
１０、１５  Ｗ（Ｗプラグ）
１１、１２    Ａｌ−Ｔｉ（アルミニウム・チタン）合金層
１００  半導体基板
１１５  素子分離絶縁領域（素子分離領域）
１２０  活性領域
１２５  ゲート絶縁層
１３０  ゲート電極
１３５  サイドウォールスペーサ
１４０  低高度不純物領域
１４２  高濃度不純物領域
１４５、１４７  金属シリサイド層
１４８  第１層間絶縁層
１５０  コンタクトホール（コンタクトプラグ）
１５２  第１ストッパー絶縁層
１５４  第２層間絶縁層
１６０  第１配線層
１６２  第２ストッパー絶縁層
１６４  第３層間絶縁層
１７０  ヴィアホール（ヴィアプラグ）
１８０  アルミニウム配線（第２配線層）
１８１  ＴｉＮ（窒化チタン）層
１８２、１８２’  Ａｌ−Ｔｉ（アルミニウム−チタン）合金層
１８３  ＴｉＮ（窒化チタン）              
１８５  ＡｌＣｕ合金層
１８６  Ａｌ−Ｔｉ（アルミニウム−チタン）合金層
１８８  ＴｉＮ（窒化チタン）層
１９１、１９４  ＴｉＮ（窒化チタン）層
１９２、１９５、１９７  Ｔｉ（チタン）層
１９３、１９６  酸素吸着Ｔｉ（チタン）層
【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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