JP3277909B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
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Landscapes
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はロジックデバイスの
ような高速に動作する回路等に好適な半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、エレクトロマイグレーション
耐性が優れた半導体装置及びその製造方法に関する。
ような高速に動作する回路等に好適な半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、エレクトロマイグレーション
耐性が優れた半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスでは、近年のデザインル
ールの微細化によって配線を流れる電流の密度が増加
し、これによってエレクトロマイグレーションとよばれ
る信頼性劣化の問題が顕在化してきている。エレクトロ
マイグレーションでは電子の流れと同じ方向にAl原子
が流れ、このようにAl原子が流れ出た後にAl原子の
供給ができないところにボイドが形成されて断線等が生
じる。
ールの微細化によって配線を流れる電流の密度が増加
し、これによってエレクトロマイグレーションとよばれ
る信頼性劣化の問題が顕在化してきている。エレクトロ
マイグレーションでは電子の流れと同じ方向にAl原子
が流れ、このようにAl原子が流れ出た後にAl原子の
供給ができないところにボイドが形成されて断線等が生
じる。
【0003】そこで、配線材料であるAlに微量のCu
を添加したり、TiN及びTiからなる膜をバリアメタ
ル膜としてAl配線の下に形成することにより、その信
頼性を高める方法が採られている。
を添加したり、TiN及びTiからなる膜をバリアメタ
ル膜としてAl配線の下に形成することにより、その信
頼性を高める方法が採られている。
【0004】しかし、AlにCuを添加しても十分な効
果は得られず、TiN及びTiからなるバリアメタル膜
を形成した場合には、ビアの底部にもこのバリアメタル
膜が形成され逆にTiN膜がAl原子の流れを阻害して
しまう。このため、ビアの内部にボイドが形成され、配
線が断線し大規模集積回路(LSI)等が動作しなくな
る。
果は得られず、TiN及びTiからなるバリアメタル膜
を形成した場合には、ビアの底部にもこのバリアメタル
膜が形成され逆にTiN膜がAl原子の流れを阻害して
しまう。このため、ビアの内部にボイドが形成され、配
線が断線し大規模集積回路(LSI)等が動作しなくな
る。
【0005】そこで、特開平5−326512号公報、
特開平8−111455号公報及び特開平10−199
973号公報には、Al合金からなる上層配線の下にそ
のバリアメタル膜としてTi膜のみを形成する方法が開
示されている。この方法によれば、バリアメタル膜中に
TiN膜が存在しないので、上層配線及び下層配線間で
のAl原子の移動が可能であり、エレクトロマイグレー
ションが抑制されている。
特開平8−111455号公報及び特開平10−199
973号公報には、Al合金からなる上層配線の下にそ
のバリアメタル膜としてTi膜のみを形成する方法が開
示されている。この方法によれば、バリアメタル膜中に
TiN膜が存在しないので、上層配線及び下層配線間で
のAl原子の移動が可能であり、エレクトロマイグレー
ションが抑制されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の公報に記載された半導体装置の製造方法においては、
ビアにおけるエレクトロマイグレーションを抑制するこ
とができるものの、上層配線におけるエレクトロマイグ
レーションを十分に抑制することができないという問題
点がある。
の公報に記載された半導体装置の製造方法においては、
ビアにおけるエレクトロマイグレーションを抑制するこ
とができるものの、上層配線におけるエレクトロマイグ
レーションを十分に抑制することができないという問題
点がある。
【0007】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、ビア及び上層配線におけるエレクトロマイ
グレーションを十分に抑制することができる半導体装置
及びその製造方法を提供することを目的とする。
のであって、ビア及び上層配線におけるエレクトロマイ
グレーションを十分に抑制することができる半導体装置
及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された下層
配線と、この下層配線上に形成された層間絶縁膜と、こ
の層間絶縁膜に開口され前記下層配線まで達するビアホ
ールと、このビアホールの底部に埋設されたTi膜と、
このTi膜上に形成され前記Ti膜に接する導電膜と、
前記層間絶縁膜上に順次積層された第1のTi膜、Ti
N層、第2のTi膜及びAl又はAl合金膜を有し前記
導電膜に接続された上層配線と、を有することを特徴と
する。
は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された下層
配線と、この下層配線上に形成された層間絶縁膜と、こ
の層間絶縁膜に開口され前記下層配線まで達するビアホ
ールと、このビアホールの底部に埋設されたTi膜と、
このTi膜上に形成され前記Ti膜に接する導電膜と、
前記層間絶縁膜上に順次積層された第1のTi膜、Ti
N層、第2のTi膜及びAl又はAl合金膜を有し前記
導電膜に接続された上層配線と、を有することを特徴と
する。
【0009】本発明においては、バリアメタル膜がTi
膜からなるので、従来のTiN膜が形成されているもの
で生じていたようなAl原子の移動に対する障害が存在
しない。従って、ビアにおけるエレクトロマイグレーシ
ョン耐性が高い。更に、上層配線においては、Al又は
Al合金膜の下に第1のTi膜、TiN層及び第2のT
i膜が形成されているので、Al又はAl合金膜の配向
性が高いと共に、結晶粒径の変化が小さい。従って、上
層配線におけるエレクトロマイグレーション耐性も高
い。
膜からなるので、従来のTiN膜が形成されているもの
で生じていたようなAl原子の移動に対する障害が存在
しない。従って、ビアにおけるエレクトロマイグレーシ
ョン耐性が高い。更に、上層配線においては、Al又は
Al合金膜の下に第1のTi膜、TiN層及び第2のT
i膜が形成されているので、Al又はAl合金膜の配向
性が高いと共に、結晶粒径の変化が小さい。従って、上
層配線におけるエレクトロマイグレーション耐性も高
い。
【0010】本発明においては、前記ビアホールの底部
に埋設されたTi膜の膜厚が300Å以下であってもよ
い。
に埋設されたTi膜の膜厚が300Å以下であってもよ
い。
【0011】また、前記下層配線は、Alを含有するこ
とができる。
とができる。
【0012】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半
導体基板上に下層配線を形成する工程と、前記下層配線
上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に
第1のTi膜を形成する工程と、前記第1のTi膜上に
TiN膜を形成する工程と、前記TiN膜、前記第1の
Ti膜及び前記層間絶縁膜に前記下層配線まで達するビ
アホールを開口する工程と、前記ビアホール内及び前記
TiN膜上に第2のTi膜及びAl又はAl合金膜を順
次形成する工程と、熱処理を行うことにより前記ビアホ
ールの底部において前記第2のTi膜中のTiと前記A
l又はAl合金膜中のAlとを反応させる工程と、を有
することを特徴とする。
導体基板上に下層配線を形成する工程と、前記下層配線
上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に
第1のTi膜を形成する工程と、前記第1のTi膜上に
TiN膜を形成する工程と、前記TiN膜、前記第1の
Ti膜及び前記層間絶縁膜に前記下層配線まで達するビ
アホールを開口する工程と、前記ビアホール内及び前記
TiN膜上に第2のTi膜及びAl又はAl合金膜を順
次形成する工程と、熱処理を行うことにより前記ビアホ
ールの底部において前記第2のTi膜中のTiと前記A
l又はAl合金膜中のAlとを反応させる工程と、を有
することを特徴とする。
【0013】本発明においては、第1のTi膜及びTi
N膜を層間絶縁膜上に形成してからビアホールを形成
し、その後第2のTi膜及びAl又はAl合金膜を形成
しているので、ビアホール中には、TiN膜が形成され
ず、ビアホールにおけるエレクトロマイグレーション耐
性が高い。また、上層配線においては、前述のように、
Al又はAl合金膜の配向性が高いと共に、結晶粒径の
変化が小さいため、上層配線におけるエレクトロマイグ
レーション耐性も高い。
N膜を層間絶縁膜上に形成してからビアホールを形成
し、その後第2のTi膜及びAl又はAl合金膜を形成
しているので、ビアホール中には、TiN膜が形成され
ず、ビアホールにおけるエレクトロマイグレーション耐
性が高い。また、上層配線においては、前述のように、
Al又はAl合金膜の配向性が高いと共に、結晶粒径の
変化が小さいため、上層配線におけるエレクトロマイグ
レーション耐性も高い。
【0014】本発明においては、前記Tiと前記Alと
を反応させる工程における熱処理温度は、300℃以上
であってもよい。
を反応させる工程における熱処理温度は、300℃以上
であってもよい。
【0015】また、前記ビアホールの底部における前記
第2のTi膜の厚さは、300Å以下であってもよい。
第2のTi膜の厚さは、300Å以下であってもよい。
【0016】更に、前記下層配線は、Alを含有するこ
とができる。
とができる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例方法に係る
半導体装置の製造方法について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。本実施例方法においては、複数の配
線が設けられたシリコン集積回路を製造する。図1
(a)乃至(e)は本発明の実施例方法に係る半導体装
置の製造方法を工程順に示す断面図である。
半導体装置の製造方法について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。本実施例方法においては、複数の配
線が設けられたシリコン集積回路を製造する。図1
(a)乃至(e)は本発明の実施例方法に係る半導体装
置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【0018】本実施例方法においては、先ず、図1
(a)に示すように、シリコン基板1上に第1のSiO
2膜2を堆積し、その上の所定の位置に選択的にAl膜
3を堆積する。このAl膜3が下層配線となる。次い
で、全面に第2のSiO2膜4を堆積する。
(a)に示すように、シリコン基板1上に第1のSiO
2膜2を堆積し、その上の所定の位置に選択的にAl膜
3を堆積する。このAl膜3が下層配線となる。次い
で、全面に第2のSiO2膜4を堆積する。
【0019】次に、図1(b)に示すように、第1のT
i膜5及び第1のTiN膜6を順次スパッタリング法に
より全面に堆積する。
i膜5及び第1のTiN膜6を順次スパッタリング法に
より全面に堆積する。
【0020】その後、図1(c)に示すように、通常の
リソグラフィ及びドライエッチングによりAl膜3(下
層配線)まで達するビアホール7を第1のTiN膜6、
第1のTi膜5及び第2のSiO2膜4に開口する。
リソグラフィ及びドライエッチングによりAl膜3(下
層配線)まで達するビアホール7を第1のTiN膜6、
第1のTi膜5及び第2のSiO2膜4に開口する。
【0021】次いで、図1(d)に示すように、膜厚
が、例えば100乃至1000Åの第2のTi膜8を全
面に堆積する。このとき、第2のTi膜8の厚さは、例
えばビアの底部で300Å以下となるようにする。次
に、膜厚が、例えば3000乃至10000ÅのAlC
u合金膜9を第2のTi膜8上に堆積する。これらの工
程により、ビアホール7中に第2のTi膜8からなるバ
リアメタル膜及びAlCu合金膜9からなるビアが埋設
される。更に、膜厚が、例えば100乃至1000Åの
第2のTiN膜10をAlCu合金膜9上に堆積する。
これらの膜の堆積方法としては、スパッタリング法若し
くは化学気相成長(以下、CVD(ChemicalVapor Depo
sition)という。)法又はこれらを組み合わせた方法が
挙げられる。スパッタリング法により堆積を行う場合に
は、例えばマグネトロンスパッタ装置又はDCスパッタ
装置を使用することが可能である。また、CVD法によ
り堆積を行う場合には、例えばジメチルアルミニウムハ
イドライド((CH3)2AlH)を使用した熱CVDを
行うことが可能である。
が、例えば100乃至1000Åの第2のTi膜8を全
面に堆積する。このとき、第2のTi膜8の厚さは、例
えばビアの底部で300Å以下となるようにする。次
に、膜厚が、例えば3000乃至10000ÅのAlC
u合金膜9を第2のTi膜8上に堆積する。これらの工
程により、ビアホール7中に第2のTi膜8からなるバ
リアメタル膜及びAlCu合金膜9からなるビアが埋設
される。更に、膜厚が、例えば100乃至1000Åの
第2のTiN膜10をAlCu合金膜9上に堆積する。
これらの膜の堆積方法としては、スパッタリング法若し
くは化学気相成長(以下、CVD(ChemicalVapor Depo
sition)という。)法又はこれらを組み合わせた方法が
挙げられる。スパッタリング法により堆積を行う場合に
は、例えばマグネトロンスパッタ装置又はDCスパッタ
装置を使用することが可能である。また、CVD法によ
り堆積を行う場合には、例えばジメチルアルミニウムハ
イドライド((CH3)2AlH)を使用した熱CVDを
行うことが可能である。
【0022】次に、図1(e)に示すように、第2のT
iN膜10、AlCu合金膜9、第2のTi膜8、第1
のTiN膜6及び第1のTi膜5をリソグラフィ及びド
ライエッチングによりパターニングすることにより、上
層配線11を形成する。
iN膜10、AlCu合金膜9、第2のTi膜8、第1
のTiN膜6及び第1のTi膜5をリソグラフィ及びド
ライエッチングによりパターニングすることにより、上
層配線11を形成する。
【0023】次に、水素又は窒素等の不活性ガス雰囲気
下で400℃、30分間の熱処理を行うことにより、ビ
ア底部において第2のTi膜8中のTiとAl膜3及び
AlCu合金膜9中のAlとを反応させAlTi合金か
らなる領域を形成する。このAlTi合金からなる領域
は層又は膜としては存在せず、Al膜3及びAlCu合
金膜9中に析出したような島状となって点在する。ま
た、この工程により、ビア底部において第2のTi膜8
が消失し、Al膜3とAlCu合金膜9とが直接接続さ
れることもある。
下で400℃、30分間の熱処理を行うことにより、ビ
ア底部において第2のTi膜8中のTiとAl膜3及び
AlCu合金膜9中のAlとを反応させAlTi合金か
らなる領域を形成する。このAlTi合金からなる領域
は層又は膜としては存在せず、Al膜3及びAlCu合
金膜9中に析出したような島状となって点在する。ま
た、この工程により、ビア底部において第2のTi膜8
が消失し、Al膜3とAlCu合金膜9とが直接接続さ
れることもある。
【0024】このようにして製造された本発明の実施例
に係る半導体装置は、図1(e)に示すような構造を有
し、Al膜3(下層配線)から上層配線11にビアを介
して電子が流れる際には、ビアの底部においてAl膜3
からAlCu合金膜3へのAl原子の移動が障害なく生
じる。このため、ビア底部におけるエレクトロマイグレ
ーション耐性が高い。
に係る半導体装置は、図1(e)に示すような構造を有
し、Al膜3(下層配線)から上層配線11にビアを介
して電子が流れる際には、ビアの底部においてAl膜3
からAlCu合金膜3へのAl原子の移動が障害なく生
じる。このため、ビア底部におけるエレクトロマイグレ
ーション耐性が高い。
【0025】また、上層配線11においては、AlCu
合金膜9の下に第1のTi膜5、第1のTiN膜6及び
第2のTi膜8が形成されているので、従来のようにT
i膜のみが形成されているものと比してAlCu合金膜
9の配向性が極めて高いと共に、AlCu合金膜9中の
結晶粒径の変化が小さい。このため、上層配線11にお
けるエレクトロマイグレーション耐性も高いものとな
る。
合金膜9の下に第1のTi膜5、第1のTiN膜6及び
第2のTi膜8が形成されているので、従来のようにT
i膜のみが形成されているものと比してAlCu合金膜
9の配向性が極めて高いと共に、AlCu合金膜9中の
結晶粒径の変化が小さい。このため、上層配線11にお
けるエレクトロマイグレーション耐性も高いものとな
る。
【0026】なお、上述の実施例においては、上層配線
11にAlCu合金膜9が形成されているが、この膜の
替わりにAlSi合金膜等の他のAl合金膜又はAl膜
が形成されていてもよい。
11にAlCu合金膜9が形成されているが、この膜の
替わりにAlSi合金膜等の他のAl合金膜又はAl膜
が形成されていてもよい。
【0027】また、第2のTi膜のビア底部における膜
厚が300Å以下であると、Al原子の移動が容易に起
こり得るので、より高いエレクトロマイグレーション耐
性が得られる。更に、熱処理温度は、400℃に限定さ
れるものではなく、300℃以上であれば、TiとAl
とが容易に反応するので、本発明の効果が得られる。
厚が300Å以下であると、Al原子の移動が容易に起
こり得るので、より高いエレクトロマイグレーション耐
性が得られる。更に、熱処理温度は、400℃に限定さ
れるものではなく、300℃以上であれば、TiとAl
とが容易に反応するので、本発明の効果が得られる。
【0028】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
Tiからなるバリアメタル膜を設けているので、従来の
TiN膜が形成されているもので生じていたようなAl
原子の移動に対する障害を防止し、ビアにおいて高いエ
レクトロマイグレーション耐性を得ることができる。更
に、上層配線においては、Al又はAl合金膜の下に第
1のTi膜、TiN層及び第2のTi膜が形成されてい
るので、Al又はAl合金膜の配向性が高く、結晶粒径
の変化が小さくなり、上層配線におけるエレクトロマイ
グレーション耐性を向上させることができる。
Tiからなるバリアメタル膜を設けているので、従来の
TiN膜が形成されているもので生じていたようなAl
原子の移動に対する障害を防止し、ビアにおいて高いエ
レクトロマイグレーション耐性を得ることができる。更
に、上層配線においては、Al又はAl合金膜の下に第
1のTi膜、TiN層及び第2のTi膜が形成されてい
るので、Al又はAl合金膜の配向性が高く、結晶粒径
の変化が小さくなり、上層配線におけるエレクトロマイ
グレーション耐性を向上させることができる。
【0029】また、本発明方法によれば、第1のTi膜
及びTiN膜を層間絶縁膜上に形成してからビアホール
を形成し、その後第2のTi膜及びAl又はAl合金膜
を形成しているので、ビアホールにおいて高いエレクト
ロマイグレーション耐性を得ることができる。また、上
層配線においては、前述のように、Al又はAl合金膜
の配向性が高いと共に、結晶粒径の変化が小さいため、
エレクトロマイグレーション耐性を向上させることがで
きる。
及びTiN膜を層間絶縁膜上に形成してからビアホール
を形成し、その後第2のTi膜及びAl又はAl合金膜
を形成しているので、ビアホールにおいて高いエレクト
ロマイグレーション耐性を得ることができる。また、上
層配線においては、前述のように、Al又はAl合金膜
の配向性が高いと共に、結晶粒径の変化が小さいため、
エレクトロマイグレーション耐性を向上させることがで
きる。
【図1】(a)乃至(e)は本発明の実施例方法に係る
半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
1;シリコン基板 2、4;SiO2膜 3;Al膜 5、8;Ti膜 6、10;TiN膜 7;ビアホール 9;AlCu合金膜 11;上層配線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3205 H01L 21/321 H01L 21/3213 H01L 21/768
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板と、この半導体基板上に形成
された下層配線と、この下層配線上に形成された層間絶
縁膜と、この層間絶縁膜に開口され前記下層配線まで達
するビアホールと、このビアホールの底部に埋設された
Ti膜と、このTi膜上に形成され前記Ti膜に接する
導電膜と、前記層間絶縁膜上に順次積層された第1のT
i膜、TiN層、第2のTi膜及びAl又はAl合金膜
を有し前記導電膜に接続された上層配線と、を有するこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記ビアホールの底部に埋設されたTi
膜の膜厚が300Å以下であ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】 前記下層配線は、Alを含有することを
特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 【請求項4】 半導体基板上に下層配線を形成する工程
と、前記下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、前
記層間絶縁膜上に第1のTi膜を形成する工程と、前記
第1のTi膜上にTiN膜を形成する工程と、前記Ti
N膜、前記第1のTi膜及び前記層間絶縁膜に前記下層
配線まで達するビアホールを開口する工程と、前記ビア
ホール内及び前記TiN膜上に第2のTi膜及びAl又
はAl合金膜を順次形成する工程と、熱処理を行うこと
により前記ビアホールの底部において前記第2のTi膜
中のTiと前記Al又はAl合金膜中のAlとを反応さ
せる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製
造方法。 - 【請求項5】 前記Tiと前記Alとを反応させる工程
における熱処理温度は、300℃以上であることを特徴
とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 前記ビアホールの底部における前記第2
のTi膜の厚さは、300Å以下であることを特徴とす
る請求項4又は5に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記下層配線は、Alを含有することを
特徴とする請求項4乃至6のいずれか1項に記載の半導
体装置の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02972099A JP3277909B2 (ja) | 1999-02-08 | 1999-02-08 | 半導体装置及びその製造方法 |
| KR10-2000-0005621A KR100371508B1 (ko) | 1999-02-08 | 2000-02-07 | 반도체장치 및 그 제조방법 |
| US09/499,147 US6509649B1 (en) | 1999-02-08 | 2000-02-07 | Semiconductor device and fabricating method thereof |
| US10/274,555 US20030034561A1 (en) | 1999-02-08 | 2002-10-21 | Semiconductor device and fabricating method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02972099A JP3277909B2 (ja) | 1999-02-08 | 1999-02-08 | 半導体装置及びその製造方法 |
Publications (2)
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