JPS5846192B2 - 接点構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に半導体に関するものであり、特に、半導
体用の改良された金導体の接点構造に関するものである
。

本発明の目的は、改良された金導体の接点を提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、金を導体として用いた半導体装置
を提供することである。

本発明の他の目的は、半導体集積回路で用いるために、
エレクトロマイグレーションに対する耐久性が改良され
た金導体パターンを提供することである。

本発明の他の目的は、エレクトロマイグレーションを防
止して集積回路装置に必要な拡散障壁特性を提供する全
周の配線システムを提供することである。

薄くて狭い導電性の膜又はライン若しくは接点が、半導
体及び集積回路の装置接点及び相互接続のために近年用
いられるようになってきた。

このように装置が小さくなればなる程、導体パターンの
大きさは縮小されねばならない。

大きさを縮小する結果、導体及び接点を通る電流密度は
増加してきた。

電流密度がより大きい所では、導体パターンはエレクト
ロマイグレーションと言われる不都合な現象を生じ、こ
の結果回路の信頼性を制限することになる。

エレクトロマイグレーションの現象についての詳細は、
米国特許第４０１７８９０号及び第４１６６２７５号の
公報に示されている。

これ故に、集積回路の第ルベルの配線を形成する際には
、導体パターンが薄いために大電流を流すことができる
金属を用いる必要がある。

金属はまた、これを支える絶縁層に付着できるものでな
ければならない。

さらに、金属は、半導体装置の基板内に形成される種々
の接合及び拡散領域に影響を及ぼさないものでなければ
ならない。

金は高導電性であり、高電流密度の導電を行なうことが
できる。

しかしながら、金は５ｉ０２に付着しないので、それで
金はそれ自体直接には第ルベルの配線には用いられない
。

また、集積回路構造の相互接続に金の配線を使用するこ
とは、下の半導体基板、特にシリコンの場合には金がこ
の基板へ拡散するのを防ぐ拡散障壁を必要とする。

金ドープされたシリコンは少数キャリヤの寿命が縮めら
れることは知られており、しかしさらに重要なことは、
シリコンと金の共融点が３７０℃であり、これ故に装置
が加熱される時には、液状合金の形成が起こる。

シリコン基板用の接点構造においてばかりでなく金と５
ｉ０２の間にもタンタルを用いることが、（米国特許第
３７１７５６３号及び第３９００９４４号の公報参照）
以前に提案されている。

上記米国特許第３９００９４４号公報はまた、同じ目的
にＴｉＷ層を用いることを提案している。

さらに、ＴｉＷ又はタンタルが金とシリコン基板との間
に拡散障壁を形成するので、これによってシリコン基板
中の種々の接合及び領域へ金が影響を及ぼすのを防ぐこ
とになると考えられていた。

しかし、金は４００℃でＴｉＷ又はタンタルの層を通っ
て早く拡散し、ＴｉＷ又はタンタルの層は拡散障壁とし
て十分に働かないことがわかった。

まだ口Ｗ層にクラックを生じ、金を基板へ浸透させてシ
リコンと反応させるような温度サイクルの時に、ＴｉＷ
層には非常に応力が加わる。

前記米国特許第４１６６２７５号公報には、エレクトロ
マイグレーションの問題を、２つのタンタル層、そのう
ちの１つは基板上に直接設けられているのであるが、そ
の２つのタンタル層の金の層を挿入若しくははさんだ複
合構造体の使用により解決することが示されている。

この複合構造体は、これらの間に金属間化合物を形成す
るために、金とタンタルの間に反応が生じるように加熱
される。

複合構造体の配線は誘電体（例えば、５ｉ０２）表面上
での使用に対して適当な解決を提供するように見えるが
、このような複合構造体が直接シリコン基板の部分と接
触するように処理される所では、高温サイクルに損傷を
受けやすいという問題がある。

金はタンタル層を通って基板へ、シリコンの場合には金
と反応若しくは合金を形成することになるが、拡散する
可能性がある。

金を導電性の配線に適用する他の技術は、Ｔａ／Ａｕ／
Ｔａの複合導体を示す米国特許第３６１７８１６号公報
、Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔの複合導体を示す米国特許第３８０
８０４１号公報、及びＴｉ／Ｍｏ／Ａｕの複合導体を示
す米国特許第３８９３１６０号公報に示されている。

本発明をさらに理解し、本発明の目的及び利点を理解す
るために、以下、図面を参考にして説明する。

要するに、本発明は、ＴｉＷ（例えば１０重量％のチタ
ン及び９０重量％のタングステン）、Ｔａ（タンタル）
及びＡｕ（金）の順次層付着により形成される複合配線
を半導体基板上に付着することにより、前記の問題を解
決するものである。

そしてユニットは、金とタンタルの金属間化合物（Ａｕ
Ｔａ）をタンタル層の領域中に形成するのに十分な時間
の間、上昇された温度で焼成される。

上昇温度については、約３５０℃の温度で金とタンタル
の間に相互拡散が存在し、３５０℃を越えると金がタン
タルへ拡散する。

金はタンタルと反応して、Ａｕグレイン（ｇｒａｉｎ）
境界及び金がＴｉＷ障壁層近くまで堆積するＴａ−Ｔｉ
Ｗ界面の間にＡ ｕ Ｔ ａ金属間化合物を形成するこ
とになる。

複合構造体に付随する利点としては、タンタルが金と反
応してＡｕＴａ金属間化合物を形成することになり、Ｔ
ｉＷ層中のクラック又は裂は目をタンタルが埋めること
である。

ここで用いている、”金属間化合物″という言葉は、合
金の形の単なる混合物以上のものを表わす。

むしろ、この言葉は化学式により最も良く表現される構
成元素の原子が一定の比を有する２つの異なる元素の原
子より成る物質と考える。

金属間化合物に関するさらに詳細については、Ｅｌｅｍ
ｅｎｔｓ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｅｔａ−
１１ｕｒｇｙ” ｂｙ Ａ−ＣｒＧｕｙ、ｐｕｂｌ
ｉｓｈｅｄｂｙ Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ （
１９５１）に示されている定義を参照されたい。

また、本発明は幅広い適用を有するが、基板の下の部分
への接触のために、酸化物中の開孔を通る接点が酸化さ
れた単結晶シリコン基板中に形成されるような半導体装
置の製造に特に有益である。

半導体装置は、トランジスタ、電荷結合装置、ショット
キ・バリヤ・ダイオード（ＳＢＤ）及び他の電子素子若
しくは半導体接合又は界面への高品質の配線を必要とす
る個別的な及び集積された装置を含む。

このような適用例においては、金の複合配線は、ショッ
トキ・バリヤ°ダイオードの配線の他に相互接続の回路
網、オーミック接点としても用いられる。

第１図では、特に例証の適用例において例えば５ｉＣ）
ｚのような及び必要なら酸化物層が窒化シリコン若しく
は他の補助的な誘電体物質と共に被覆されるような誘電
体層２を提供するために、通常の酸化を行った単結晶シ
リコンより戒る基板１が示されている。

本発明を理解するために例示された基板１は、半導体装
置の製造に用いられる。

それ故に、基板は、その中に製造された能動及び受動装
置を有する集積回路及び互いに装置を電気的に絶縁する
ための手段を含むことは理解される。

また、本発明は、オーミック接点及び相互接続配線の製
造を含めて、幅広い適用を有するが、本発明は特に第１
図の３に示されているような低障壁のＳＢＤ用接点の製
造について言及する。

しかしながら、本発明は第１図の４におけるような高障
壁ＳＢＤ用の接点及び、トランジスタの露出されたエミ
ッタ、ベース及びコレクタ成分の部分を含む拡散領域６
用の第１図の５に示された相互接続パターンを有するオ
ーミック接点を形成するためにも用いられることは、理
解される。

また、拡散領域６がＦＥＴのソース及びドレイン取分で
ある場合にも、上記のことは明らかである。

そのような適用では、誘電体層２は、シリコン基板゛１
の表面上にＳＢＤの接点を製造するのと同様に、能動及
び受動装置への接点を形成するための接点開孔を数多く
有している。

さらに本発明の適用例では、複合配線成分４は、通常の
技術により形成されるプラチナ・シリサイド層７を有す
る高障壁ＳＢＤ用の接点として示されている。

これは、薄い、例えば５００人のプラチナを蒸着又はス
パッタ付着により形成し、続いて例えば窒素のような不
活性雰囲気中、例えば約５００℃の加熱処理により、プ
ラチナ・シリサイドを形成する。

プラチナは単結晶物質とだけ反応し、誘電体層２の酸化
物とは反応しない。

加熱処理後、例えば酸化物上の反応しなかったプラチナ
は、プラチナ・シリサイドとは反応しない例えば王水の
ような適当な溶剤により取り除かれる。

各複合導電成分３．４及び５（成分５の相互接続の延長
部分５Ａも同様）は、順番にＴｉＷ層８、遷移金属層９
（タンタル、ニオブ、ハフニウム及びジルコニウムのグ
ループから選ばれる。

なぜなら、これらの遷移金属は、他の遷移金属に比べて
、金と化合しても抵抗率が大変小さい金属間化合物を形
成できるからである。

）及び金の層１０を含む。

導電成分の画成は種々の通常の技術により行なわれる。

例えば、リフト・オフ・マスク、即ち金属構成成分が順
次上に付着されるものを用いることができる。

或は、これらの金属構成成分を最初に基板上に全面付着
し、次に湿式及び乾式食刻（例えば反応性イオン食刻）
技術を用いることができる。

接点成分３，４及び５は、適当な方法により、例えば真
空蒸着により、若しくは好ましくはＰｅｒｋｉｎ−Ｅｌ
ｍｅｒ Ｕｌｔｅｋ ４４００ Ｐｒｏ−ｄｕｃｔｉｏ
ｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 装置内で
のスパッタリングにより、通常約３００人乃至約１５０
ＯＡの範囲の厚さ、例えば１０００人で基板上にＴｉＷ
障壁層を全面付着することにより、形成される。

次の操作で、再び蒸着又はスパッタリングの技術により
、約３００乃至約１５００人、例えば約１０００Ａのタ
ンタル、ニオブ、ハフニウム若しくはジルコニウムのう
ちの遷移金属Ｔｘの膜が、ＴｉＷ層の上に全面付着され
る。

遷移金属の付着後、約２０００乃至約１００００人、例
えば２４００人の金の膜が、また蒸着又は好ましくはス
パッタリングの技術により、Ｔｘの上に全面付着される
。

この時点で、ＴｉＷ−Ｔｘ−Ａｕの複合全面付着層は、
マスク及び食刻の技術により導電成分３゜４及び５のよ
うに画成される。

代わりに、リフト・オフ技術を用いる場合には、全面付
着の配線は予め画成されたレジスト・マスク（例えば電
子ビーム又はフォトリングラフィ）により画成される。

これは、導電成分３，４及び５を残すことになる適当な
溶剤中で化学的に取り除かれる（リフト・オフ）。

同様に、全面付着された金属複合層は、適切にパターン
化された乾式食刻マスクを用いる反応性イオン食刻によ
っても、画成できる。

いずれにしても、ＴｉＷ−Ｔｘ−Ａｕの複合配線を有す
る基板は、金と遷移金属とを相互に反応させるために加
熱又は焼成される。

焼成は、約３００’Ｃ乃至約５２５℃の温度まで複合層
を加熱し、金と遷移金属の化合物即ち金属間化合物を形
成するのに十分な時間の間上記温度を保つことにより行
なわれる。

金を約３５０℃の温度まで焼成する間に、遷移金属への
金のある程度の拡散と共に、遷移金属、例えばＴａの金
への主拡散が含まれると考えられている。

温度が３５０℃を越えて上昇すると、遷移金属への金の
拡散が増加し、金がＴｉＷ障壁層近くまで堆積するＴｉ
Ｗと遷移金属の界面において、金は遷移金属と金属間化
合物を形成する。

同時に、遷移金属はまた、金と反応して金属間化合物を
形成し、ＴｉＷ層中のクラック又はピンホールを埋める
。

第２図に示されているように、金の金属間化合物は、遷
移金属層９内に障壁領域１５及び１６を形成して示され
ている。

第２Ａ図に示されているように、遷移金属層９は、約３
００人乃至約１５００人の厚さの金と遷移金属の金属間
化合物層９Ａと代えることもできる。

この金属間化合物は、適当な技術、好ましくは、例えば
金とタンタルの予め合金にされたターゲットのような物
質からＲＦスパッタすることにより、ＴｉＷ層８の上に
形成される。

しかしながら、蒸着即ち２つのソースからの同時付着も
金属間化合物相を準備するために用いられることは、理
解される。

金の膜１０がタンタル膜の上に付着され、焼成された後
に、付着促進膜（図示されず）、例えばＴａ及び又はＴ
ｉＷが付着され、続いて誘電体層（図示されず）例えば
５ｉ０２が付着され、電気的な絶縁層を形成し、第２レ
ベルの配線がその上に付着される。

第３図、第３Ａ図及び第３Ｂ図は、基本的な配線の金が
ハンダ及び又は銅と相互作用するのを防ぐために、ハン
ダ接点又はパッドの形成用の配線の適用を示している。

米国特許第３４０１０５５号公報及びＩＢＭ Ｔｅｃｈ
ｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌ。

５ｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎの”Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ
Ｂａｒｒｉｅｒ ｆｏｒ Ａｕ ａｎｄ Ｐｄ ｂ
ｙ Ｍ、 ※※Ｒｅｖｉｔｚ ｅｔ ａｌ、ｐ、
３３５８、Ｖｏｌ、１４、Ａｌｌ、Ａｐｒｉｌ １９
７２に示されている技術を基本的に組込んだ最も簡単な
形が第３図に示されている。

このために、配線障壁２０が金の層１０の上に付着され
ている。

これは、順次、クロム、銅、及び金の膜の付着を含み、
金の膜の上にはハンダ層２１が付着されている。

この場合、クロムの膜はガラス５ｉ０２へ付着するため
に用いられ、クロムに対する保護障壁としては、クロム
と容易にハンダ結合する銅膜が用いられ、金の膜は銅膜
の酸化を防ぐ。

第３Ａ図では、本発明の金配線用の増強された保護は、
タンタル層２２を組込むことにより提供される。

この層は焼成又は加熱処理の際に、金と反応して、金属
間化合物障壁領域１５Ａ及び１６Ａを形成する。

保護のさらに付加レヘルが、第３Ｂ図に示されているよ
うに、タンタル層２２及び配線障壁２０の間、例えば配
線障壁２０のクロム膜とタンタル層２２との間に、Ｔｉ
Ｗの付加障壁層２３を含むことにより達成される。

本発明の全複合配線を評価するために、シリコン上に蒸
着された２４００λＡｕ／１０００人Ｔａ又はＮｂ／１
０００人ＴｉＷ層による付着層の抵抗測定値がシリコン
上の２４００λＡｕ／１０００ ＡＴ ａ又はＮｂの複
合層と比較され、障壁領域を通って拡散することによる
金の損失を測定して、焼成温度（全て１時間）での抵抗
の増加の割合（、（Ｒ％）が決められた。

結果は次の表■に示されている。

＊ Ａ ｕ ／ Ｎ ｂは、Ａｕ／Ｔａが反応してＴａ
Ａｕを形成するよりも容易に反応してＡｕ２Ｎｂを形成
する。

それ故にＪＲ％はＡ ｕ ／ Ｔ ａに関してよりもＡ
ｕ／Ｎｂに関しての方がより太きい。

４５０℃の焼成後のＡｕ／Ｎｂ／ＴｉＷ及びＡｕ／Ｔａ
／Ｔ ｉＷのＡｕｇｅｒ分析は、Ａｕ／Ｎｂの反応（金
属間化合物相を形成する）が、Ａｕ／Ｔａに対してより
もより広範囲にわたり、それ故にＪＲ％はより大きくな
ることを示している。

しかしながら、Ａｕｇｅｒのデータは、シリコンへの金
の浸透に関する配線構造間には違いがないことを示して
いる。

それ故に、金属間化合物相を形成するＡｕ−Ｎｂの反応
が金の拡散率を制限したことが推定される。

またＡｕ／Ｔａ／Ｓｉｗ／ｓ ｉ構造の拡散障壁がＡｕ
／Ｔａ／Ｓｉ及びＡｕ／ＴｉＷ／Ｓｉ構造と比較された
。

蒸着されたＡｕ：Ｔａ：ＴｉＷの厚さの比は、約３００
０λ：８００人：１０００人であった。

またＡｕ：Ｔａ及びＡｕ：ＴｉＷ層の厚さは、約３００
０λ二ＳＯＯ人及び３０００☆☆λ：１０００人であっ
た。

複合層の均一な膜から成る配線がきれいにされた＜１０
０＞シリコン基板の上に形成された。

障壁層及びシリコンとの金の反応及び相互拡散は、幾つ
かの技術により決定された。

即ち、（ａ） シート抵抗の変化（巨視的な反応）（
ｂ）Ａｕｇｅｒ分光学（相互拡散） （Ｃ） 伝送電子顕微鏡（ＴＥＭ）及び走査電子顕微
鏡（ＳＥＭ）（組形成及び微細構造） 以下表■は、ＴＥＭとＳＥＭ研究の結果を含む。

ＡｕＳｉ反応は焼成後に発見されるが、例えば刻まれた
穴（ｂａｃｅｄＰｉｔ）の形の反応ゾーンは、シリコン
において観察される。

金属膜のぎざぎざはシリコンにおける穴の上で起きる。

ＴＥＭとＳＥＭのデータは、Ａｕ−８ｉの反応が５００
℃（１時間）以上の加熱処理に対してはＴａ／ＴｉＷ障
壁層により妨げられることを示している。

Ａｕｇｅｒのデータは、ＴＥＭ及びＳＥＭの研究で用い
た試料のチップ（セクション）から得られた。

焼成前のＡｕ／Ｔａ／ＴｉＷ／Ｓｉ試料の複合構造体の
深さのプロフィールが第４図に示されている。

次の４５０℃１時間の焼成後、複合構造体の深さのプロ
フィール（第５図）は、Ａｕの信号が変化しないこと、
即ちＴｉＷ−８ｉの界面において金の堆積がないことを
示している。

これ故に、Ａｕ−８ｉの反応は少なくとも４５０℃の熱
処理に対してはＴａ／ＴｉＷ障壁層により妨げられる。

Ａｕ／Ｔ ａ／Ｔ ｉＷ／Ｓ ｉ、Ａｕ／Ｔ ａ／Ｓ
ｉ。

Ａ ｕ ／Ｎ ｂ ／ Ｔ ｉ ｗ／Ｓ ｉ及びＡｕ／
Ｎｂ／Ｓｉの構造のシート抵抗の測定値が第６図に示さ
れている。

Ａｕ／Ｔａ／Ｓｉ及びＡｕ／Ｎｂ／Ｓｉの両試料は４０
０℃で極端な抵抗率の増加（Ａｕ−８ｉの共融反応によ
る抵抗の大きな増加）を示していることに気づく。

しかしながら、Ａｕ／Ｔａ／ＳｉＷの試料は、３００℃
、３５０℃、４００’Ｃ１４５０℃及び５００℃で１時
間の焼成後には、全抵抗値の約３０％のみ増加すること
が示された（第６図のデータを生じるために同じ膜が用
いられた）。

抵抗値の小さな増加は、Ａｕ−８ｉ反応というよりもむ
しろＡｕＴａ相の形成（ＴＥＭより確認）によるもので
ある。

Ｔａ及びＮｂについてしか、金に関しての拡散障壁及び
抵抗率の安定性の利点を示さなかったが、ハフニウム及
びジルコニウムも、金と化合した時に抵抗率がＴａ及び
Ｎｂと同じ位小さい金属間化合物を形成でき、Ｔａ及び
Ｎｂについて例証した上記のような利点は、ハフニウム
及びジルコニウムについても得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、接点構造の製造における段階の他
に、本発明の種々の配線の適用を示す概略断面図である
。 第２Ａ図は、第２図の構造の実施例を変えたものである
。 第３Ａ図及び第３Ｂ図は、第３図の接点構造の別の実施
例を示すものである。 第４図乃至第６図は、本発明の評価において得られたデ
ータを示すグラフである。 １・・・・・・基板、２・・・・・・誘電体層、８・・
・・・・ＴｉＷ層、９・・・・・・遷移金属層、１０・
・・・・・金の層、１５，１６・・・・・・障壁領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板に隣接しチタン及びタングステンの合金
   より成る接点層と、タンタル、ニオブ、ハフニウム及び
   ジルコニウムのうちのいずれか１つの遷移金属と金との
   金属間化合物より成る障壁領域を含む上記接点層上の障
   壁層と、上記障壁層上の金の層とを含む接点構造体。