JP2000208511A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】絶縁膜と隣接導電体膜と主導電体膜との積層構
造を有する半導体装置において、積層構造でのはく離、
クラック等の欠陥を生じにくい信頼性の高い半導体装置
を提供する。また、マイグレーションによるボイドや断
線を生じにくい信頼性の高い半導体装置を提供する。 【解決手段】隣接導電体膜の主構成元素と主導電体膜の
主構成元素の格子不整合が小さく、隣接導電体膜の主構
成元素の融点が前記主導電体膜の主構成元素の融点の
1．4倍以上とし、隣接導電体膜が主構成元素のほかに少
なくとも一種類の異種元素を含有させ、異種元素のうち
の少なくとも一種類の添加元素の原子半径と前記隣接導
電体膜の主構成元素の原子半径の差が10％以下とし、添
加元素とシリコン(Si)の結合エネルギーが前記隣接導電
体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.
9倍以上とする。
造を有する半導体装置において、積層構造でのはく離、
クラック等の欠陥を生じにくい信頼性の高い半導体装置
を提供する。また、マイグレーションによるボイドや断
線を生じにくい信頼性の高い半導体装置を提供する。 【解決手段】隣接導電体膜の主構成元素と主導電体膜の
主構成元素の格子不整合が小さく、隣接導電体膜の主構
成元素の融点が前記主導電体膜の主構成元素の融点の
1．4倍以上とし、隣接導電体膜が主構成元素のほかに少
なくとも一種類の異種元素を含有させ、異種元素のうち
の少なくとも一種類の添加元素の原子半径と前記隣接導
電体膜の主構成元素の原子半径の差が10％以下とし、添
加元素とシリコン(Si)の結合エネルギーが前記隣接導電
体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.
9倍以上とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に配線構造が積層構造からなる半導体装置に関する。
特に配線構造が積層構造からなる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の半導体装置の高集積化と高速化に
伴い、従来のアルミニウム(Al)配線に比べて低い電気抵
抗を持つ銅(Cu)配線が導入されつつある。しかし、銅(C
u)原子が拡散してシリコン(Si)基板や絶縁膜に入り込む
とデバイス特性を劣化させる恐れがあり、銅(Cu)原子の
拡散を防ぐための隣接導電体膜(第一導電体膜)が銅(Cu)
膜に隣接して形成されている。この隣接導電体膜の材料
として，日経マイクロデバイス(1992年6月号74〜77ペー
ジ)に記載されているように窒化チタン(TiN) 、タング
ステン(W)、タンタル(Ta) などの高融点金属が検討され
ている。しかし、これらの材料を隣接導電体膜として用
いた場合、配線として用いられる銅(Cu)のメッキ膜との
密着性が弱いため、この密着性を向上する隣接導電体膜
材料として、特開平10−229084号公報において、ロジウ
ム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム
(Os)が提案されている。
伴い、従来のアルミニウム(Al)配線に比べて低い電気抵
抗を持つ銅(Cu)配線が導入されつつある。しかし、銅(C
u)原子が拡散してシリコン(Si)基板や絶縁膜に入り込む
とデバイス特性を劣化させる恐れがあり、銅(Cu)原子の
拡散を防ぐための隣接導電体膜(第一導電体膜)が銅(Cu)
膜に隣接して形成されている。この隣接導電体膜の材料
として，日経マイクロデバイス(1992年6月号74〜77ペー
ジ)に記載されているように窒化チタン(TiN) 、タング
ステン(W)、タンタル(Ta) などの高融点金属が検討され
ている。しかし、これらの材料を隣接導電体膜として用
いた場合、配線として用いられる銅(Cu)のメッキ膜との
密着性が弱いため、この密着性を向上する隣接導電体膜
材料として、特開平10−229084号公報において、ロジウ
ム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム
(Os)が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】高集積化のために微細
化された半導体装置の製造においては、平坦化するため
の手法として化学的機械研磨(Chemical Mechanical Pol
ishing, CMP)が用いられる場合があるため、形成された
各膜の間の密着性を向上することが重要である。しか
し、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、
オスミウム(Os)を銅(Cu)配線の隣接導電体膜材料として
用いた場合、銅(Cu)と隣接導電体膜の間の密着性は向上
するが、隣接導電体膜と絶縁膜の間の密着性が弱いとい
う問題がある。また、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、
イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)は膜形成時に高い応力
を生じやすく、隣接する膜にクラック等の欠陥を起こす
原因となる場合がある。さらに、高集積化のために微細
化された半導体装置では、配線幅が狭くなり、マイグレ
ーションによるボイドや断線が発生しやすくなるという
問題がある。
化された半導体装置の製造においては、平坦化するため
の手法として化学的機械研磨(Chemical Mechanical Pol
ishing, CMP)が用いられる場合があるため、形成された
各膜の間の密着性を向上することが重要である。しか
し、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、
オスミウム(Os)を銅(Cu)配線の隣接導電体膜材料として
用いた場合、銅(Cu)と隣接導電体膜の間の密着性は向上
するが、隣接導電体膜と絶縁膜の間の密着性が弱いとい
う問題がある。また、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、
イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)は膜形成時に高い応力
を生じやすく、隣接する膜にクラック等の欠陥を起こす
原因となる場合がある。さらに、高集積化のために微細
化された半導体装置では、配線幅が狭くなり、マイグレ
ーションによるボイドや断線が発生しやすくなるという
問題がある。
【０００４】本発明の一つ目の目的は、信頼性の高い半
導体装置を提供することにある。また、本発明の二つ目
の目的は、歩留りの高い配線構造を有する半導体装置を
提供することにある。本発明の三つ目の目的は、配線を
構成する主導電体膜および絶縁膜のいずれとも密着性の
強い隣接導電体膜材料を用いることにより、はく離を起
こしにくい積層構造を有する半導体装置を提供すること
にある。また、本発明の四つ目の目的は、クラック等の
欠陥を起こしにくい積層構造を有する半導体装置を提供
することにある。また、本発明の五つ目の目的は、マイ
グレーションによるボイドや断線の生じにくい半導体装
置を提供することにある。
導体装置を提供することにある。また、本発明の二つ目
の目的は、歩留りの高い配線構造を有する半導体装置を
提供することにある。本発明の三つ目の目的は、配線を
構成する主導電体膜および絶縁膜のいずれとも密着性の
強い隣接導電体膜材料を用いることにより、はく離を起
こしにくい積層構造を有する半導体装置を提供すること
にある。また、本発明の四つ目の目的は、クラック等の
欠陥を起こしにくい積層構造を有する半導体装置を提供
することにある。また、本発明の五つ目の目的は、マイ
グレーションによるボイドや断線の生じにくい半導体装
置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】発明者らは、上記課題を
解決するため鋭意研究を行い、主構成元素が窒化チタン
(TiN)、タングステン(W)、タンタル(Ta)である拡散防止
用の第一導電体膜を、主構成元素が銅(Cu)である第二導
電体膜に隣接させて用いた場合、第一導電体膜材料と銅
(Cu)の単位結晶格子の辺の長さが大きく異なるために、
第一導電体膜と第二導電体膜の界面において原子配列が
乱れ、銅(Cu)原子の拡散が活発になるためにはく離が生
じやすくなることを見出し、銅(Cu)膜と第一導電体膜の
界面でのはく離を防止するためには、単位結晶格子の辺
の長さ(格子定数)が銅(Cu)に近い材料、すなわち、銅(C
u)との格子定数の差(格子不整合)が小さい材料を第一導
電体膜材料として用いることにより銅(Cu)原子の拡散を
抑制すれば良いこと、また、第一導電体膜の融点が低い
場合には、第一導電体膜を構成する元素の拡散が活発に
なり、銅(Cu)原子の拡散を加速してしまうので、融点の
高い材料が適していることを見出した。
解決するため鋭意研究を行い、主構成元素が窒化チタン
(TiN)、タングステン(W)、タンタル(Ta)である拡散防止
用の第一導電体膜を、主構成元素が銅(Cu)である第二導
電体膜に隣接させて用いた場合、第一導電体膜材料と銅
(Cu)の単位結晶格子の辺の長さが大きく異なるために、
第一導電体膜と第二導電体膜の界面において原子配列が
乱れ、銅(Cu)原子の拡散が活発になるためにはく離が生
じやすくなることを見出し、銅(Cu)膜と第一導電体膜の
界面でのはく離を防止するためには、単位結晶格子の辺
の長さ(格子定数)が銅(Cu)に近い材料、すなわち、銅(C
u)との格子定数の差(格子不整合)が小さい材料を第一導
電体膜材料として用いることにより銅(Cu)原子の拡散を
抑制すれば良いこと、また、第一導電体膜の融点が低い
場合には、第一導電体膜を構成する元素の拡散が活発に
なり、銅(Cu)原子の拡散を加速してしまうので、融点の
高い材料が適していることを見出した。
【０００６】そして、発明者らは、銅(Cu)との格子不整
合が小さく、銅(Cu)の1.4倍以上の融点を持つ材料を拡
散防止用の隣接導電体膜として用いることが、銅(Cu)と
の密着性向上に有効であることを明らかにした。より一
般的には、第一導電体膜と該第一導電体膜に接触して第
二導電体膜が形成された積層配線構造において、前記第
一導電体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長
方格子における短辺anと前記第二導電体膜の主構成元素
の構成する最密結晶面の単位長方格子における短辺apの
差{｜ap-an｜/ap}×100＝A（％）と、前記第一導電体膜
の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子にお
ける長辺bnと前記第二導電体膜の主構成元素の構成する
最密結晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn
｜/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不
等式を満足し、前記第一導電体膜の主構成元素の融点が
前記第二導電体膜の主構成元素の融点の1．4倍以上であ
る場合に前記主導電性膜での拡散が抑制され、前記第一
導電体膜と前記第二導電体膜の間の密着性が向上するこ
とを明らかにした。ここで、バルクの結晶において原子
密度が最大である結晶面、すなわち最密結晶面を構成す
る単位長方格子の短辺aと長辺bの定義は図２に示すもの
であり、ここでは、a、bを格子定数と呼ぶ。短辺aは、
バルクの結晶における最近接原子間距離のことであり、
例えば、固体物理学入門上巻第５版(チャールズ・キッ
テル著)の28ページに記述されている。長辺bは、面心立
方構造、または最密六方構造を持つ結晶については短辺
aの約1.73倍であり、体心立方構造を持つ結晶について
は短辺aの約1.41倍である。ここでは、短辺aの差Aと長
辺bの差Bを格子不整合と呼ぶ。ここで、膜の主構成元素
とは、膜に最も多く含まれる元素を意味する。また、温
度の単位としてはＫ(ケルビン)を用いる。
合が小さく、銅(Cu)の1.4倍以上の融点を持つ材料を拡
散防止用の隣接導電体膜として用いることが、銅(Cu)と
の密着性向上に有効であることを明らかにした。より一
般的には、第一導電体膜と該第一導電体膜に接触して第
二導電体膜が形成された積層配線構造において、前記第
一導電体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長
方格子における短辺anと前記第二導電体膜の主構成元素
の構成する最密結晶面の単位長方格子における短辺apの
差{｜ap-an｜/ap}×100＝A（％）と、前記第一導電体膜
の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子にお
ける長辺bnと前記第二導電体膜の主構成元素の構成する
最密結晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn
｜/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不
等式を満足し、前記第一導電体膜の主構成元素の融点が
前記第二導電体膜の主構成元素の融点の1．4倍以上であ
る場合に前記主導電性膜での拡散が抑制され、前記第一
導電体膜と前記第二導電体膜の間の密着性が向上するこ
とを明らかにした。ここで、バルクの結晶において原子
密度が最大である結晶面、すなわち最密結晶面を構成す
る単位長方格子の短辺aと長辺bの定義は図２に示すもの
であり、ここでは、a、bを格子定数と呼ぶ。短辺aは、
バルクの結晶における最近接原子間距離のことであり、
例えば、固体物理学入門上巻第５版(チャールズ・キッ
テル著)の28ページに記述されている。長辺bは、面心立
方構造、または最密六方構造を持つ結晶については短辺
aの約1.73倍であり、体心立方構造を持つ結晶について
は短辺aの約1.41倍である。ここでは、短辺aの差Aと長
辺bの差Bを格子不整合と呼ぶ。ここで、膜の主構成元素
とは、膜に最も多く含まれる元素を意味する。また、温
度の単位としてはＫ(ケルビン)を用いる。
【０００７】発明者らは、銅(Cu)との格子不整合A、Bが
前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13％を満たすほどに小さ
く、なおかつ銅(Cu)の1.4倍以上の融点を持つロジウム
(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(O
s)、白金(Pt)からなる第一導電体膜を銅(Cu)配線の隣接
導電体膜として用いた場合、第一導電体膜と銅(Cu)膜の
密着性は向上するが、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、
イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、 白金(Pt)は、シリ
コン(Si)との結合が弱い上に、シリコン(Si)を含む絶縁
膜は通常アモルファスであるために、第一導電体膜とシ
リコン(Si)を含む絶縁膜の間では強い結合が作られず、
はく離が生じやすいことを明らかにした。したがって、
第一導電体膜と銅(Cu)膜の密着性を強く保ちながら、第
一導電体膜と絶縁膜の間の密着性を向上させるために
は、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、
オスミウム(Os) 、白金(Pt)を主構成元素とする第一導
電体膜に、シリコン(Si)と強く結合し、なおかつ第一導
電体膜の原子配列を乱さない添加元素を含有させれば良
い。発明者らは、この添加元素とシリコン(Si)の結合エ
ネルギーが第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の
結合エネルギーの1.9倍以上である場合に第一導電体膜
と絶縁膜の間の密着強度が向上することを明らかにし
た。ただし、添加元素の原子半径と、ロジウム(Rh)、ル
テニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os) 、白
金(Pt)といった主構成元素の原子半径との差が、10%以
上になると、第一導電体膜の原子配列が乱れるために、
第一導電体膜と銅(Cu)膜の密着性は弱くなる。したがっ
て、添加元素の原子半径と第一導電体膜の主構成元素の
原子半径の差が10％以下であり、なおかつシリコン(Si)
との結合エネルギーが第一導電体膜の主構成元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上である添加元素
が有効となる。これらの条件を満たす添加元素として、
パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン
(Ti)が有効であることを明らかにした。また、このよう
な添加元素を含有させることが、第一導電体膜の内部応
力を低減させる上で有効であることを明らかにした。
前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13％を満たすほどに小さ
く、なおかつ銅(Cu)の1.4倍以上の融点を持つロジウム
(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(O
s)、白金(Pt)からなる第一導電体膜を銅(Cu)配線の隣接
導電体膜として用いた場合、第一導電体膜と銅(Cu)膜の
密着性は向上するが、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、
イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、 白金(Pt)は、シリ
コン(Si)との結合が弱い上に、シリコン(Si)を含む絶縁
膜は通常アモルファスであるために、第一導電体膜とシ
リコン(Si)を含む絶縁膜の間では強い結合が作られず、
はく離が生じやすいことを明らかにした。したがって、
第一導電体膜と銅(Cu)膜の密着性を強く保ちながら、第
一導電体膜と絶縁膜の間の密着性を向上させるために
は、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、
オスミウム(Os) 、白金(Pt)を主構成元素とする第一導
電体膜に、シリコン(Si)と強く結合し、なおかつ第一導
電体膜の原子配列を乱さない添加元素を含有させれば良
い。発明者らは、この添加元素とシリコン(Si)の結合エ
ネルギーが第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の
結合エネルギーの1.9倍以上である場合に第一導電体膜
と絶縁膜の間の密着強度が向上することを明らかにし
た。ただし、添加元素の原子半径と、ロジウム(Rh)、ル
テニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os) 、白
金(Pt)といった主構成元素の原子半径との差が、10%以
上になると、第一導電体膜の原子配列が乱れるために、
第一導電体膜と銅(Cu)膜の密着性は弱くなる。したがっ
て、添加元素の原子半径と第一導電体膜の主構成元素の
原子半径の差が10％以下であり、なおかつシリコン(Si)
との結合エネルギーが第一導電体膜の主構成元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上である添加元素
が有効となる。これらの条件を満たす添加元素として、
パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン
(Ti)が有効であることを明らかにした。また、このよう
な添加元素を含有させることが、第一導電体膜の内部応
力を低減させる上で有効であることを明らかにした。
【０００８】さらに、発明者らは、銅(Cu)との格子不整
合A、Bが前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13％を満たすほ
どに小さく、なおかつ銅(Cu)の1.4倍以上の融点を持つ
ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オス
ミウム(Os)、白金(Pt)を、銅(Cu)膜に隣接する導電体膜
の主構成元素とした場合、銅(Cu)原子の拡散が抑制さ
れ、マイグレーション耐性が向上することを明らかにし
た。
合A、Bが前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13％を満たすほ
どに小さく、なおかつ銅(Cu)の1.4倍以上の融点を持つ
ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オス
ミウム(Os)、白金(Pt)を、銅(Cu)膜に隣接する導電体膜
の主構成元素とした場合、銅(Cu)原子の拡散が抑制さ
れ、マイグレーション耐性が向上することを明らかにし
た。
【０００９】すなわち、本願発明の課題を解決するため
には、半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を含む絶縁
膜と該絶縁膜に接触して形成された第一導電体膜と該第
一導電体膜に接触して形成された第二導電体膜とを有す
る積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電
体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子
における短辺anと前記第二導電体膜の主構成元素の構成
する最密結晶面の単位長方格子における短辺apの差{｜a
p-an｜/ap}×100＝A（％）と、前記第一導電体膜の主構
成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における長
辺bnと前記第二導電体膜の主構成元素の構成する最密結
晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜/bp}
×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等式を
満足し、前記第一導電体膜の主構成元素の融点が前記第
二導電体膜の主構成元素の融点の1.4倍以上であり、前
記第一導電体膜が主構成元素のほかに少なくとも一種類
の異種元素を添加元素として含有し、該異種元素のうち
の少なくとも一種類の添加元素の原子半径と前記第一導
電体膜の主構成元素の原子半径の差が10％以下であり、
なおかつ前記添加元素とシリコン(Si)の結合エネルギー
が前記第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合
エネルギーの1.9倍以上であることが重要であることを
見出した。そして、具体的には、半導体基板の一主面側
に形成されたシリコン(Si)を含む絶縁膜と、該絶縁膜に
接触して形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に
接触して形成された第二導電体膜とを有する積層構造を
備えた半導体装置において、前記第二導電体膜は銅(Cu)
を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウ
ム(Os)、白金(Pt)からなる群から選ばれる一種類の元素
を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラ
ジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)
からなる群から選ばれる一種類の元素を添加元素とし
て含むこと。
には、半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を含む絶縁
膜と該絶縁膜に接触して形成された第一導電体膜と該第
一導電体膜に接触して形成された第二導電体膜とを有す
る積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電
体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子
における短辺anと前記第二導電体膜の主構成元素の構成
する最密結晶面の単位長方格子における短辺apの差{｜a
p-an｜/ap}×100＝A（％）と、前記第一導電体膜の主構
成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における長
辺bnと前記第二導電体膜の主構成元素の構成する最密結
晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜/bp}
×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等式を
満足し、前記第一導電体膜の主構成元素の融点が前記第
二導電体膜の主構成元素の融点の1.4倍以上であり、前
記第一導電体膜が主構成元素のほかに少なくとも一種類
の異種元素を添加元素として含有し、該異種元素のうち
の少なくとも一種類の添加元素の原子半径と前記第一導
電体膜の主構成元素の原子半径の差が10％以下であり、
なおかつ前記添加元素とシリコン(Si)の結合エネルギー
が前記第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合
エネルギーの1.9倍以上であることが重要であることを
見出した。そして、具体的には、半導体基板の一主面側
に形成されたシリコン(Si)を含む絶縁膜と、該絶縁膜に
接触して形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に
接触して形成された第二導電体膜とを有する積層構造を
備えた半導体装置において、前記第二導電体膜は銅(Cu)
を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウ
ム(Os)、白金(Pt)からなる群から選ばれる一種類の元素
を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラ
ジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)
からなる群から選ばれる一種類の元素を添加元素とし
て含むこと。
【００１０】半導体基板の一主面側に形成されたシリコ
ン(Si)を含む絶縁膜と、該絶縁膜に接触して形成された
第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された
銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備え
た半導体装置において、前記第一導電体膜は少なくとも
ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オス
ミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類
の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくと
もパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタ
ン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を10a
t.％以上25at.％以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)膜または銅(C
u)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群
から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％
以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)膜または銅(C
u)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜はパラジウム(Pd)を0.14at.％
以上25at.％以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銅（Ｃｕ）膜または
銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置に
おいて、前記第一導電体膜は酸化ロジウム、酸化ルテニ
ウム、酸化イリジウム、、酸化オスミウムからなる群か
ら選ばれる一種類以上の元素を主構成材料とし、前記第
一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(C
o)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれ
る一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％以下の濃度
で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された金(Au)膜または金(A
u)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)からなる群か
ら選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％以
下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銀(Ag)膜または銀(A
g)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群
から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％
以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された白金(Pt)膜または白
金(Pt)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置に
おいて、前記第一導電体膜はオスミウム(Os)を主構成元
素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(P
d)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からな
る群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25a
t.％以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を含む絶縁膜と該
絶縁膜に接触して形成された第一導電体膜と該第一導電
体膜に接触して形成された第二導電体膜とを有する積層
構造を備えた半導体装置において、前記第二導電体膜は
銅(Cu)を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくと
もロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オ
スミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種
類の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は前記主
構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を含有
し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の元素の原子
半径と前記主構成元素の原子半径の差が10％以下であ
り、前記異種元素とシリコン(Si)の結合エネルギーが前
記第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合エネ
ルギーの1.9倍以上であることがそれぞれ重要であるこ
とを見出した。
ン(Si)を含む絶縁膜と、該絶縁膜に接触して形成された
第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された
銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備え
た半導体装置において、前記第一導電体膜は少なくとも
ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オス
ミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類
の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくと
もパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタ
ン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を10a
t.％以上25at.％以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)膜または銅(C
u)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群
から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％
以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)膜または銅(C
u)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜はパラジウム(Pd)を0.14at.％
以上25at.％以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銅（Ｃｕ）膜または
銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置に
おいて、前記第一導電体膜は酸化ロジウム、酸化ルテニ
ウム、酸化イリジウム、、酸化オスミウムからなる群か
ら選ばれる一種類以上の元素を主構成材料とし、前記第
一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(C
o)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれ
る一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％以下の濃度
で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された金(Au)膜または金(A
u)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)からなる群か
ら選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％以
下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された銀(Ag)膜または銀(A
g)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置におい
て、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(P
t) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素
とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群
から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％
以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該
第一導電体膜に接触して形成された白金(Pt)膜または白
金(Pt)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置に
おいて、前記第一導電体膜はオスミウム(Os)を主構成元
素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(P
d)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からな
る群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25a
t.％以下の濃度で含有すること。 半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を含む絶縁膜と該
絶縁膜に接触して形成された第一導電体膜と該第一導電
体膜に接触して形成された第二導電体膜とを有する積層
構造を備えた半導体装置において、前記第二導電体膜は
銅(Cu)を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくと
もロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オ
スミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種
類の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は前記主
構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を含有
し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の元素の原子
半径と前記主構成元素の原子半径の差が10％以下であ
り、前記異種元素とシリコン(Si)の結合エネルギーが前
記第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合エネ
ルギーの1.9倍以上であることがそれぞれ重要であるこ
とを見出した。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
示した実施例により詳細に説明する。まず、本発明にお
ける第一の実施例である半導体装置における主要部分の
断面構造を図１に示す。本実施例の半導体装置は、図１
に示すように、シリコン基板１の上に拡散層２、３、
４、５が形成され、この上にゲ−ト絶縁膜６、７および
ゲ−ト電極８、９が形成されることによってMOSトラン
ジスタが構成されている。ゲート絶縁膜６、７は、例え
ばシリコン酸化膜あるいは窒化珪素膜であり、ゲート電
極８、９は、例えば多結晶シリコン膜や金属薄膜、ある
いは金属シリサイド膜あるいはこれらの積層構造であ
る。 MOSトランジスタは、例えばシリコン酸化膜からな
る素子分離膜１０によって分離されている。前記ゲート
電極８、９の上部および側壁には例えばシリコン酸化膜
からなる絶縁膜１１、１２が形成されている。 MOSトラ
ンジスタの上部全面には、例えばBPSG(Boron−Doped Ph
osphoSilicate Glass)膜やSOG(Spin On Glass)膜、ある
いは化学気相蒸着法やスパッタ法で形成したシリコン酸
化膜や窒化膜等からなる絶縁膜１３が形成されている。
絶縁膜１３に形成されたコンタクトホールには拡散防止
用の隣接導電体膜(第一導電体膜)１４a、１４bに被覆さ
れた主導電体膜１５からなるプラグが形成され、拡散層
２、３、４、５に接続されている。このプラグを通じ
て、拡散防止用の隣接導電体膜１６a、１６bに被覆され
た主導電体膜１７からなる積層配線が接続されている。
この積層配線は、例えば、絶縁膜１８に配線用の溝を形
成し、その上に隣接導電体膜１６aを例えば化学気相蒸
着法により成膜した後、主導電体膜１７を例えばメッキ
法により形成し、この上に隣接導電体膜１６ｂを例えば
化学気相蒸着法により形成することにより得られる。こ
の上には、絶縁膜２１に形成されたコンタクトホールに
隣接導電体膜１９に被覆された主導電体膜２０からなる
プラグが形成され、前記積層配線に接続されている。こ
のプラグを通じて、隣接導電体膜２２a、２２bに被覆さ
れた主導電体膜２３からなる第二の積層配線が接続され
ている。この第二の積層配線は、例えば、絶縁膜２４に
配線用の溝を形成し、その上に隣接導電体膜２２aを例
えば化学気相蒸着法により成膜した後、主導電体膜２３
を例えばメッキ法により形成し、この上に隣接導電体膜
２２ｂを例えば化学気相蒸着法により形成することによ
り得られる。
示した実施例により詳細に説明する。まず、本発明にお
ける第一の実施例である半導体装置における主要部分の
断面構造を図１に示す。本実施例の半導体装置は、図１
に示すように、シリコン基板１の上に拡散層２、３、
４、５が形成され、この上にゲ−ト絶縁膜６、７および
ゲ−ト電極８、９が形成されることによってMOSトラン
ジスタが構成されている。ゲート絶縁膜６、７は、例え
ばシリコン酸化膜あるいは窒化珪素膜であり、ゲート電
極８、９は、例えば多結晶シリコン膜や金属薄膜、ある
いは金属シリサイド膜あるいはこれらの積層構造であ
る。 MOSトランジスタは、例えばシリコン酸化膜からな
る素子分離膜１０によって分離されている。前記ゲート
電極８、９の上部および側壁には例えばシリコン酸化膜
からなる絶縁膜１１、１２が形成されている。 MOSトラ
ンジスタの上部全面には、例えばBPSG(Boron−Doped Ph
osphoSilicate Glass)膜やSOG(Spin On Glass)膜、ある
いは化学気相蒸着法やスパッタ法で形成したシリコン酸
化膜や窒化膜等からなる絶縁膜１３が形成されている。
絶縁膜１３に形成されたコンタクトホールには拡散防止
用の隣接導電体膜(第一導電体膜)１４a、１４bに被覆さ
れた主導電体膜１５からなるプラグが形成され、拡散層
２、３、４、５に接続されている。このプラグを通じ
て、拡散防止用の隣接導電体膜１６a、１６bに被覆され
た主導電体膜１７からなる積層配線が接続されている。
この積層配線は、例えば、絶縁膜１８に配線用の溝を形
成し、その上に隣接導電体膜１６aを例えば化学気相蒸
着法により成膜した後、主導電体膜１７を例えばメッキ
法により形成し、この上に隣接導電体膜１６ｂを例えば
化学気相蒸着法により形成することにより得られる。こ
の上には、絶縁膜２１に形成されたコンタクトホールに
隣接導電体膜１９に被覆された主導電体膜２０からなる
プラグが形成され、前記積層配線に接続されている。こ
のプラグを通じて、隣接導電体膜２２a、２２bに被覆さ
れた主導電体膜２３からなる第二の積層配線が接続され
ている。この第二の積層配線は、例えば、絶縁膜２４に
配線用の溝を形成し、その上に隣接導電体膜２２aを例
えば化学気相蒸着法により成膜した後、主導電体膜２３
を例えばメッキ法により形成し、この上に隣接導電体膜
２２ｂを例えば化学気相蒸着法により形成することによ
り得られる。
【００１２】この実施例において、隣接導電体膜１４
a、１４bに被覆された主導電体膜１５、隣接導電体膜１
６a、１６bに被覆された主導電体膜１７、隣接導電体膜
１９に被覆された主導電体膜２０、隣接導電体膜２２
a、２２bに被覆された主導電体膜２３のうちの少なくと
も一組については、隣接導電体膜の主構成元素の構成す
る最密結晶面の単位長方格子における短辺anと前記主導
電体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格
子における短辺apの差{｜ap-an｜/ap}×100＝A（％）
と、前記隣接導電体膜の主構成元素の構成する最密結晶
面の単位長方格子における長辺bnと前記主導電体膜の主
構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における
長辺bpの差{｜bp-bn｜/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap
/bp)}＜13％なる不等式を満足し、なおかつ前記隣接導
電体膜の主構成元素の融点が前記主導電体膜の主構成元
素の融点の1．4倍以上であり、なおかつ前記隣接導電体
膜が主構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を
含有し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の添加元
素の原子半径と前記隣接導電体膜の主構成元素の原子半
径の差が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーが前記隣接導電体膜の主構成
元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上であ
ることをすべて満足するように前記隣接導電体膜の構成
元素を選択する。具体的には、主導電体膜として銅(Cu)
膜を用いた場合、隣接導電体膜が、ロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)または白
金(Pt)のうちの少なくとも一種類の元素を主構成元素と
し、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル
(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添
加元素として含むようにすればよい。このような添加元
素を含有したロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウ
ム(Ir)、オスミウム(Os)または白金(Pt)からなる膜は、
例えば、化学気相蒸着法、メッキ法あるいはスパッタ法
により形成される。
a、１４bに被覆された主導電体膜１５、隣接導電体膜１
６a、１６bに被覆された主導電体膜１７、隣接導電体膜
１９に被覆された主導電体膜２０、隣接導電体膜２２
a、２２bに被覆された主導電体膜２３のうちの少なくと
も一組については、隣接導電体膜の主構成元素の構成す
る最密結晶面の単位長方格子における短辺anと前記主導
電体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格
子における短辺apの差{｜ap-an｜/ap}×100＝A（％）
と、前記隣接導電体膜の主構成元素の構成する最密結晶
面の単位長方格子における長辺bnと前記主導電体膜の主
構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における
長辺bpの差{｜bp-bn｜/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap
/bp)}＜13％なる不等式を満足し、なおかつ前記隣接導
電体膜の主構成元素の融点が前記主導電体膜の主構成元
素の融点の1．4倍以上であり、なおかつ前記隣接導電体
膜が主構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を
含有し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の添加元
素の原子半径と前記隣接導電体膜の主構成元素の原子半
径の差が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーが前記隣接導電体膜の主構成
元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上であ
ることをすべて満足するように前記隣接導電体膜の構成
元素を選択する。具体的には、主導電体膜として銅(Cu)
膜を用いた場合、隣接導電体膜が、ロジウム(Rh)、ルテ
ニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)または白
金(Pt)のうちの少なくとも一種類の元素を主構成元素と
し、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル
(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添
加元素として含むようにすればよい。このような添加元
素を含有したロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウ
ム(Ir)、オスミウム(Os)または白金(Pt)からなる膜は、
例えば、化学気相蒸着法、メッキ法あるいはスパッタ法
により形成される。
【００１３】以下、本実施例の半導体装置の効果につい
て説明する。密着性向上の効果としては次の二つがある
ので、二つに分けて説明する。第一の効果は、隣接導電
体膜の主構成元素と主導電体膜の主構成元素の格子不整
合A、Bが前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13％を満足し、
なおかつ隣接導電体膜の主構成元素の融点が、主導電体
膜の主構成元素の融点の1．4倍以上であるようにしてい
ることによって、隣接導電体膜と主導電体膜の密着性を
向上させるという効果である。第二の効果は、隣接導電
体膜が主構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素
を含有し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の添加
元素の原子半径と前記隣接導電体膜の主構成元素の原子
半径の差が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシ
リコン(Si)の結合エネルギーが前記隣接導電体膜の主構
成元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上で
あることを満足させることによって、隣接導電体膜と主
導電体膜の密着性を保ちながら、隣接導電体膜とシリコ
ン(Si)を含む絶縁膜の密着性を向上させるという効果で
ある。
て説明する。密着性向上の効果としては次の二つがある
ので、二つに分けて説明する。第一の効果は、隣接導電
体膜の主構成元素と主導電体膜の主構成元素の格子不整
合A、Bが前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13％を満足し、
なおかつ隣接導電体膜の主構成元素の融点が、主導電体
膜の主構成元素の融点の1．4倍以上であるようにしてい
ることによって、隣接導電体膜と主導電体膜の密着性を
向上させるという効果である。第二の効果は、隣接導電
体膜が主構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素
を含有し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の添加
元素の原子半径と前記隣接導電体膜の主構成元素の原子
半径の差が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシ
リコン(Si)の結合エネルギーが前記隣接導電体膜の主構
成元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上で
あることを満足させることによって、隣接導電体膜と主
導電体膜の密着性を保ちながら、隣接導電体膜とシリコ
ン(Si)を含む絶縁膜の密着性を向上させるという効果で
ある。
【００１４】はじめに前記第一の密着性向上効果につい
て詳細に説明する。発明者らは、隣接導電体膜の主構成
元素と主導電体膜の主構成元素の格子不整合A、Bに着目
し、この差がはく離エネルギーUに与える影響を分子動
力学シミュレーションにより調べた。分子動力学シミュ
レーションとは、例えばジャーナルオブアプライドフィ
ジックス(Journal of Applied Physics)の第５４巻(１
９８３年発行)の４８６４ページから４８７８ページま
でに記述されているように、原子間ポテンシャルを通し
て各原子に働く力を計算し、この力を基にニュートンの
運動方程式を解くことによって各時刻における各原子の
位置を算出する方法である。はく離エネルギーUは、隣
接導電体膜と主導電体膜の間ではく離を起こさせるため
に必要なエネルギーを表し、例えばインターナショナル
ジャーナルオブフラクチャー(International Journal o
f Fracture)の第６６巻(１９９４年発行) の４５ページ
から７０ページまでに説明されている。本シミュレーシ
ョン例では、隣接導電体膜内部の原子間ポテンシャルの
総和に主導電体膜内部の原子間ポテンシャルの総和を加
えた量から、隣接導電体膜と主導電体膜の両方からなる
系の内部における原子間ポテンシャルの総和を減じるこ
とによってUを計算した。例として、以下では、主導電
体膜が銅(Cu)膜である場合についてシミュレーション結
果を示す。この場合、面心立方格子である銅(Cu)の最密
結晶面は(111)面であり、格子定数apは約0.26 nmであ
り、格子定数bpは約0.44 nmである。
て詳細に説明する。発明者らは、隣接導電体膜の主構成
元素と主導電体膜の主構成元素の格子不整合A、Bに着目
し、この差がはく離エネルギーUに与える影響を分子動
力学シミュレーションにより調べた。分子動力学シミュ
レーションとは、例えばジャーナルオブアプライドフィ
ジックス(Journal of Applied Physics)の第５４巻(１
９８３年発行)の４８６４ページから４８７８ページま
でに記述されているように、原子間ポテンシャルを通し
て各原子に働く力を計算し、この力を基にニュートンの
運動方程式を解くことによって各時刻における各原子の
位置を算出する方法である。はく離エネルギーUは、隣
接導電体膜と主導電体膜の間ではく離を起こさせるため
に必要なエネルギーを表し、例えばインターナショナル
ジャーナルオブフラクチャー(International Journal o
f Fracture)の第６６巻(１９９４年発行) の４５ページ
から７０ページまでに説明されている。本シミュレーシ
ョン例では、隣接導電体膜内部の原子間ポテンシャルの
総和に主導電体膜内部の原子間ポテンシャルの総和を加
えた量から、隣接導電体膜と主導電体膜の両方からなる
系の内部における原子間ポテンシャルの総和を減じるこ
とによってUを計算した。例として、以下では、主導電
体膜が銅(Cu)膜である場合についてシミュレーション結
果を示す。この場合、面心立方格子である銅(Cu)の最密
結晶面は(111)面であり、格子定数apは約0.26 nmであ
り、格子定数bpは約0.44 nmである。
【００１５】ここで示すシミュレーション例では、900
Kの温度において、膜厚3 nmのSiO2膜の上に隣接導電体
膜の構成原子を堆積し、続いてCu原子を堆積することに
より、膜厚3 nmの隣接導電体膜と膜厚3 nmのCu膜を形成
した。この後温度を300 Kまで下げた。この状態におい
て、隣接導電体膜内部の原子間ポテンシャルの総和にCu
膜内部の原子間ポテンシャルの総和を加えた量から、隣
接導電体膜とCu膜の両方からなる系の内部における原子
間ポテンシャルの総和を減じることによってはく離エネ
ルギーUを計算した。分子動力学シミュレーションで
は、隣接導電体膜の構成元素の原子間ポテンシャルの深
さを変化させることによって、隣接導電体膜の格子定数
を一定に保ちながら隣接導電体膜の融点を変化させるこ
とができる。隣接導電体膜の格子定数をRu、Ptと同じに
保ちながら隣接導電体膜の融点を変化させた結果、図３
に示すように、隣接導電体膜の融点が銅(Cu)の1.4倍以
上である場合には、はく離エネルギーUはほとんど隣接
導電体膜の融点に依存しないことがわかった。また、図
３からわかるように、隣接導電体膜の融点が銅(Cu)の1.
4倍よりも小さくなると、はく離エネルギーUも小さくな
り、はく離強度は弱くなることがわかった。図３におい
て、UCuは銅(Cu)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エネルギー
を表す。隣接導電体膜の融点が銅(Cu)の1.4倍以上であ
る場合には、図４および図５に示すように、はく離エネ
ルギーUは格子不整合 AとBに依存することがわかった。
図４は、横軸として格子不整合Aをとり、縦軸として格
子不整合Bに(ap/bp)を乗じた量をとったマップを作成
し、このマップを網羅するようにAとBの値を設定し、は
く離エネルギーUの値を分子動力学シミュレーションに
よって算出することによって得られる。図４において、
境界線の内側、すなわち、原点よりの領域は、はく離エ
ネルギーUがUCuの0．5倍よりも大きく、隣接導電体膜と
銅(Cu)膜との間ではく離の起こりにくい領域である。こ
こで、 UCuは銅(Cu)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エネルギ
ーを表す。図４において、境界線の外側は、はく離エネ
ルギーUがUCuの0．5倍よりも小さく、隣接導電体膜と銅
(Cu)膜との間ではく離の起こりやすい領域である。はく
離エネルギーUの格子不整合依存性を詳細に見るため
に、はく離エネルギーの変化を図４の破線に沿って調べ
た結果を図５に示す。図５を見ると、 U/UCu＝0．5の近
傍ではく離エネルギーが急激に変化するので、ここを境
界にしてはく離防止効果が顕著となる。 U/UCuが0．5よ
りも小さい側に、銅(Cu)とのはく離が問題となっている
窒化チタン(TiN)などが位置することがわかる。図４を
見るとタングステン(W) 、タンタル(Ta)もU/UCu＝0．5
の境界線の外側にあることがわかる。一方、図４の境界
線の内側、すなわち原点側にはロジウム(Rh) 、ルテニウ
ム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os) 、白金(Pt)
が位置し、これらが銅(Cu)膜との密着性向上に有効であ
ることがわかる。図４の境界線を直線近似すると{A＋B
×(ap/bp)}＝13％となるから、{A＋B×(ap/bp)}＜13％
なる不等式を満足する場合に隣接導電体膜と銅(Cu)膜の
密着性が強いといえる。ただし、この不等式を満足して
も、隣接導電体膜の主構成元素の融点が、銅(Cu)の1.4
倍よりも小さい場合には、隣接導電体膜を構成する元素
の拡散が活発になり、銅(Cu)原子の拡散を加速してしま
うので、はく離エネルギーUは小さくなり、隣接導電体
膜と銅(Cu)膜の間ではく離が起こりやすくなることが図
３からわかる。例えば、銅(Cu)の融点1358 Kの1.27倍の
融点を持つニッケル(Ni)は、銅(Cu)との格子不整合A、B
が{A＋B×(ap/bp)}＝4％であり、前記不等式{A＋B×(ap
/bp)}＜13％を満足するが、はく離エネルギーUは0.4UCu
と小さく、密着性は向上しない。以上のシミュレーショ
ン結果に見られる本実施例の効果は、温度や膜厚等のシ
ミュレーション条件を変えても示すことができる。
Kの温度において、膜厚3 nmのSiO2膜の上に隣接導電体
膜の構成原子を堆積し、続いてCu原子を堆積することに
より、膜厚3 nmの隣接導電体膜と膜厚3 nmのCu膜を形成
した。この後温度を300 Kまで下げた。この状態におい
て、隣接導電体膜内部の原子間ポテンシャルの総和にCu
膜内部の原子間ポテンシャルの総和を加えた量から、隣
接導電体膜とCu膜の両方からなる系の内部における原子
間ポテンシャルの総和を減じることによってはく離エネ
ルギーUを計算した。分子動力学シミュレーションで
は、隣接導電体膜の構成元素の原子間ポテンシャルの深
さを変化させることによって、隣接導電体膜の格子定数
を一定に保ちながら隣接導電体膜の融点を変化させるこ
とができる。隣接導電体膜の格子定数をRu、Ptと同じに
保ちながら隣接導電体膜の融点を変化させた結果、図３
に示すように、隣接導電体膜の融点が銅(Cu)の1.4倍以
上である場合には、はく離エネルギーUはほとんど隣接
導電体膜の融点に依存しないことがわかった。また、図
３からわかるように、隣接導電体膜の融点が銅(Cu)の1.
4倍よりも小さくなると、はく離エネルギーUも小さくな
り、はく離強度は弱くなることがわかった。図３におい
て、UCuは銅(Cu)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エネルギー
を表す。隣接導電体膜の融点が銅(Cu)の1.4倍以上であ
る場合には、図４および図５に示すように、はく離エネ
ルギーUは格子不整合 AとBに依存することがわかった。
図４は、横軸として格子不整合Aをとり、縦軸として格
子不整合Bに(ap/bp)を乗じた量をとったマップを作成
し、このマップを網羅するようにAとBの値を設定し、は
く離エネルギーUの値を分子動力学シミュレーションに
よって算出することによって得られる。図４において、
境界線の内側、すなわち、原点よりの領域は、はく離エ
ネルギーUがUCuの0．5倍よりも大きく、隣接導電体膜と
銅(Cu)膜との間ではく離の起こりにくい領域である。こ
こで、 UCuは銅(Cu)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エネルギ
ーを表す。図４において、境界線の外側は、はく離エネ
ルギーUがUCuの0．5倍よりも小さく、隣接導電体膜と銅
(Cu)膜との間ではく離の起こりやすい領域である。はく
離エネルギーUの格子不整合依存性を詳細に見るため
に、はく離エネルギーの変化を図４の破線に沿って調べ
た結果を図５に示す。図５を見ると、 U/UCu＝0．5の近
傍ではく離エネルギーが急激に変化するので、ここを境
界にしてはく離防止効果が顕著となる。 U/UCuが0．5よ
りも小さい側に、銅(Cu)とのはく離が問題となっている
窒化チタン(TiN)などが位置することがわかる。図４を
見るとタングステン(W) 、タンタル(Ta)もU/UCu＝0．5
の境界線の外側にあることがわかる。一方、図４の境界
線の内側、すなわち原点側にはロジウム(Rh) 、ルテニウ
ム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os) 、白金(Pt)
が位置し、これらが銅(Cu)膜との密着性向上に有効であ
ることがわかる。図４の境界線を直線近似すると{A＋B
×(ap/bp)}＝13％となるから、{A＋B×(ap/bp)}＜13％
なる不等式を満足する場合に隣接導電体膜と銅(Cu)膜の
密着性が強いといえる。ただし、この不等式を満足して
も、隣接導電体膜の主構成元素の融点が、銅(Cu)の1.4
倍よりも小さい場合には、隣接導電体膜を構成する元素
の拡散が活発になり、銅(Cu)原子の拡散を加速してしま
うので、はく離エネルギーUは小さくなり、隣接導電体
膜と銅(Cu)膜の間ではく離が起こりやすくなることが図
３からわかる。例えば、銅(Cu)の融点1358 Kの1.27倍の
融点を持つニッケル(Ni)は、銅(Cu)との格子不整合A、B
が{A＋B×(ap/bp)}＝4％であり、前記不等式{A＋B×(ap
/bp)}＜13％を満足するが、はく離エネルギーUは0.4UCu
と小さく、密着性は向上しない。以上のシミュレーショ
ン結果に見られる本実施例の効果は、温度や膜厚等のシ
ミュレーション条件を変えても示すことができる。
【００１６】本実施例では、隣接導電体膜と主導電体膜
の格子不整合がA、Bが前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13
％を満足し、なおかつ隣接導電体膜の構成元素の融点
が、主導電体膜の構成元素の1.4倍以上であるようにし
ているので、隣接導電体膜と主導電体膜の密着性は強
い。この効果は、主導電体膜がメッキまたはCVDにより
形成されたCu膜である場合に顕著である。
の格子不整合がA、Bが前記不等式{A＋B×(ap/bp)}＜13
％を満足し、なおかつ隣接導電体膜の構成元素の融点
が、主導電体膜の構成元素の1.4倍以上であるようにし
ているので、隣接導電体膜と主導電体膜の密着性は強
い。この効果は、主導電体膜がメッキまたはCVDにより
形成されたCu膜である場合に顕著である。
【００１７】次に、前記第二の密着性向上効果について
説明する。発明者らは、隣接導電体膜と絶縁膜の間のは
く離エネルギーが隣接導電体膜に含まれる添加元素によ
ってどのように変化するかを分子動力学シミュレーショ
ンによって調べた。図６は、一例として、ロジウム(R
h)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)からなる 隣接導電体膜
にパラジウム(Pd)を添加元素として含有させた膜をSiO2
膜の上に900 Kで成膜し、300 Kまで冷却するシミュレー
ションを行った場合の、パラジウム(Pd)の濃度に対する
はく離エネルギーの変化を示した図である。 膜厚は隣
接導電体膜も SiO2膜も3nmとした。ここでのはく離エネ
ルギーは、隣接導電体膜とシリコン酸化膜(SiO2膜)の間
にはく離を起こさせるために必要なエネルギーである。
この図から、パラジウム(Pd)の濃度が約10at.％(アトミ
ックパーセント)以上になると、はく離エネルギーが急
激に増加し、隣接導電体膜とシリコン酸化膜(SiO2膜)の
間の密着性が向上することがわかる。同様にして、ロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)からなる 隣接導
電体膜にチタン(Ti)を添加元素として含有させた場合
の、チタン(Ti)の濃度に対するはく離エネルギーの変化
を図７に示す。この図から、添加元素がチタン(Ti)の場
合にも、濃度が約10at.％以上になると、はく離エネル
ギーが急激に増加し、隣接導電体膜とシリコン酸化膜(S
iO2膜)の間の密着性が向上することがわかる。図６、７
から、添加元素の濃度が約15at.％になるとはく離エネ
ルギーはほぼ一定となり、密着性向上の効果が飽和する
ことがわかる。次にどのような添加元素がシリコン酸化
膜(SiO2膜)との密着性を向上させるかを調べるために、
添加元素とシリコン(Si)の結合エネルギーを横軸にと
り、添加元素の濃度を20at.％に設定した場合のはく離
エネルギーを縦軸にとったグラフを図８に示す。この図
の横軸のEB-Siは隣接導電体膜の主構成元素とシリコン
(Si)の結合エネルギーを表す。図８から、シリコン(Si)
との結合エネルギーが隣接導電体膜の主構成元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーの約1.9倍以上である添加元
素がシリコン酸化膜(SiO2膜)との密着性を向上させるこ
とがわかった。具体的には、パラジウム(Pd)、コバルト
(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ジ
ルコニウム(Zr)がシリコン酸化膜(SiO2膜)との密着性向
上に有効である。しかし、添加元素を隣接導電体膜に含
有させたことによって、隣接導電体膜と銅(Cu)膜の密着
性が弱くなる場合には、添加元素として適さないので、
これに相当する元素は除かなければならない。以下では
銅(Cu)膜との密着性に対する添加元素の影響について説
明する。図４、５に示したように、隣接導電体膜と銅(C
u)膜の密着性は、銅(Cu)との格子不整合が小さい、ロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウ
ム(Os)、白金(Pt)を隣接導電体膜の主構成元素として用
いることによって向上するので、この格子不整合を大き
くしない添加元素が好ましいといえる。すなわち、ロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウ
ム(Os)、白金(Pt)の原子配列を乱さないことが重要であ
り、このためには、原子半径の近い添加元素が良い。こ
の様子を詳細に見るために、ルテニウム(Ru)を隣接導電
体膜の主構成元素とした場合を例にとり、横軸として添
加元素とルテニウム(Ru)の原子半径の差、縦軸としてル
テニウム(Ru)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エネルギーをと
って、添加元素が銅(Cu)膜との密着性に与える影響を調
べた。この結果を図９に示す。図からわかるように、原
子半径の差が10％以上である添加元素は、濃度が20at.
％以下であっても銅(Cu)膜との密着性を弱くしてしま
う。具体的には、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)が
これに相当する。これらは、図８に示したようにシリコ
ン(Si)との結合エネルギーが大きく、シリコン酸化膜(S
iO2膜)との密着性向上に有効であるが、ルテニウム(Ru)
との原子半径差が大きく、ルテニウム(Ru)の原子配列を
乱すために、銅(Cu)膜との密着性を弱くしてしまう。図
８と図９を合わせて考慮すると、銅(Cu)膜とルテニウム
(Ru)膜の密着性を強く保ちながらシリコン酸化膜(SiO2
膜)とルテニウム(Ru)膜の密着性を向上する添加元素と
しては、ルテニウム(Ru)との原子半径差が10％以下であ
り、なおかつシリコン(Si)との結合エネルギーがルテニ
ウム(Ru)とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上
である、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(N
i)、チタン(Ti)が挙げられる。ロジウム(Rh)、イリジウ
ム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt)はいずれもルテニウ
ム(Ru)に近い原子半径を持つため、これらに対しても同
様の添加元素が挙げられる。図９より、パラジウム(P
d)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)を添加す
る場合でも、濃度が30at.％以上になると銅(Cu)膜との
密着性が弱くなることがわかる。図６、７と合わせて考
慮すると、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(N
i)、チタン(Ti)の濃度は、10at.％以上で25at.％以下が
好ましい。以上のシミュレーション結果に見られる本実
施例の効果は、温度や膜厚等のシミュレーション条件を
変えても示すことができる。
説明する。発明者らは、隣接導電体膜と絶縁膜の間のは
く離エネルギーが隣接導電体膜に含まれる添加元素によ
ってどのように変化するかを分子動力学シミュレーショ
ンによって調べた。図６は、一例として、ロジウム(R
h)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)からなる 隣接導電体膜
にパラジウム(Pd)を添加元素として含有させた膜をSiO2
膜の上に900 Kで成膜し、300 Kまで冷却するシミュレー
ションを行った場合の、パラジウム(Pd)の濃度に対する
はく離エネルギーの変化を示した図である。 膜厚は隣
接導電体膜も SiO2膜も3nmとした。ここでのはく離エネ
ルギーは、隣接導電体膜とシリコン酸化膜(SiO2膜)の間
にはく離を起こさせるために必要なエネルギーである。
この図から、パラジウム(Pd)の濃度が約10at.％(アトミ
ックパーセント)以上になると、はく離エネルギーが急
激に増加し、隣接導電体膜とシリコン酸化膜(SiO2膜)の
間の密着性が向上することがわかる。同様にして、ロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)からなる 隣接導
電体膜にチタン(Ti)を添加元素として含有させた場合
の、チタン(Ti)の濃度に対するはく離エネルギーの変化
を図７に示す。この図から、添加元素がチタン(Ti)の場
合にも、濃度が約10at.％以上になると、はく離エネル
ギーが急激に増加し、隣接導電体膜とシリコン酸化膜(S
iO2膜)の間の密着性が向上することがわかる。図６、７
から、添加元素の濃度が約15at.％になるとはく離エネ
ルギーはほぼ一定となり、密着性向上の効果が飽和する
ことがわかる。次にどのような添加元素がシリコン酸化
膜(SiO2膜)との密着性を向上させるかを調べるために、
添加元素とシリコン(Si)の結合エネルギーを横軸にと
り、添加元素の濃度を20at.％に設定した場合のはく離
エネルギーを縦軸にとったグラフを図８に示す。この図
の横軸のEB-Siは隣接導電体膜の主構成元素とシリコン
(Si)の結合エネルギーを表す。図８から、シリコン(Si)
との結合エネルギーが隣接導電体膜の主構成元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーの約1.9倍以上である添加元
素がシリコン酸化膜(SiO2膜)との密着性を向上させるこ
とがわかった。具体的には、パラジウム(Pd)、コバルト
(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ジ
ルコニウム(Zr)がシリコン酸化膜(SiO2膜)との密着性向
上に有効である。しかし、添加元素を隣接導電体膜に含
有させたことによって、隣接導電体膜と銅(Cu)膜の密着
性が弱くなる場合には、添加元素として適さないので、
これに相当する元素は除かなければならない。以下では
銅(Cu)膜との密着性に対する添加元素の影響について説
明する。図４、５に示したように、隣接導電体膜と銅(C
u)膜の密着性は、銅(Cu)との格子不整合が小さい、ロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウ
ム(Os)、白金(Pt)を隣接導電体膜の主構成元素として用
いることによって向上するので、この格子不整合を大き
くしない添加元素が好ましいといえる。すなわち、ロジ
ウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウ
ム(Os)、白金(Pt)の原子配列を乱さないことが重要であ
り、このためには、原子半径の近い添加元素が良い。こ
の様子を詳細に見るために、ルテニウム(Ru)を隣接導電
体膜の主構成元素とした場合を例にとり、横軸として添
加元素とルテニウム(Ru)の原子半径の差、縦軸としてル
テニウム(Ru)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エネルギーをと
って、添加元素が銅(Cu)膜との密着性に与える影響を調
べた。この結果を図９に示す。図からわかるように、原
子半径の差が10％以上である添加元素は、濃度が20at.
％以下であっても銅(Cu)膜との密着性を弱くしてしま
う。具体的には、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)が
これに相当する。これらは、図８に示したようにシリコ
ン(Si)との結合エネルギーが大きく、シリコン酸化膜(S
iO2膜)との密着性向上に有効であるが、ルテニウム(Ru)
との原子半径差が大きく、ルテニウム(Ru)の原子配列を
乱すために、銅(Cu)膜との密着性を弱くしてしまう。図
８と図９を合わせて考慮すると、銅(Cu)膜とルテニウム
(Ru)膜の密着性を強く保ちながらシリコン酸化膜(SiO2
膜)とルテニウム(Ru)膜の密着性を向上する添加元素と
しては、ルテニウム(Ru)との原子半径差が10％以下であ
り、なおかつシリコン(Si)との結合エネルギーがルテニ
ウム(Ru)とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上
である、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(N
i)、チタン(Ti)が挙げられる。ロジウム(Rh)、イリジウ
ム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt)はいずれもルテニウ
ム(Ru)に近い原子半径を持つため、これらに対しても同
様の添加元素が挙げられる。図９より、パラジウム(P
d)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)を添加す
る場合でも、濃度が30at.％以上になると銅(Cu)膜との
密着性が弱くなることがわかる。図６、７と合わせて考
慮すると、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(N
i)、チタン(Ti)の濃度は、10at.％以上で25at.％以下が
好ましい。以上のシミュレーション結果に見られる本実
施例の効果は、温度や膜厚等のシミュレーション条件を
変えても示すことができる。
【００１８】本発明の第一の実施例である半導体装置の
別の効果は、隣接導電体膜１４、１６、１９、２２a、
２２bの応力が添加元素の含有により低減され、クラッ
ク等の欠陥が起こりにくくなることである。隣接導電体
膜の内部応力が隣接導電体膜に含まれる添加元素によっ
てどのように変化するかを分子動力学シミュレーション
によって調べた。図１０は、一例として、ルテニウム(R
u)に添加元素としてパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニ
ッケル(Ni)、チタン(Ti)をそれぞれ含有させた膜をSiO2
膜の上に900 Kで成膜し、300 Kまで冷却するシミュレー
ションを行った場合の、Ru膜に残留した内部応力Sの添
加元素濃度に対する変化を示した図である。膜厚はRu膜
も SiO2膜も3 nmとした。図１０において、S0は添加元
素を含有させない場合の内部応力を示す。図１０より、
添加元素の濃度が約0.14at.％以上の場合に内部応力が
低減されることがわかる。これら四つの元素の中でも、
より融点の低いニッケル(Ni)、コバルト(Co)が内部応力
低減に対しては特に有効となることが図１０よりわか
る。パラジウム(Pd)やチタン(Ti)も、ルテニウム(Ru)よ
りは融点がかなり低いので、内部応力を低減する効果が
図１０に示されている。比較のために、ルテニウム(Ru)
よりも融点の高いタングステン(W)やタンタル(Ta)を添
加した場合には、図1１に示すように内部応力が添加元
素濃度とともに増大してしまい、内部応力低減に対して
は有効でないことがわかる。図９と合わせて考慮する
と、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チ
タン(Ti)の添加元素濃度は、0.14at.％以上で25at.％以
下が好ましいといえる。以上のシミュレーション結果に
見られる本実施例の効果は、温度や膜厚等のシミュレー
ション条件を変えても示すことができる。
別の効果は、隣接導電体膜１４、１６、１９、２２a、
２２bの応力が添加元素の含有により低減され、クラッ
ク等の欠陥が起こりにくくなることである。隣接導電体
膜の内部応力が隣接導電体膜に含まれる添加元素によっ
てどのように変化するかを分子動力学シミュレーション
によって調べた。図１０は、一例として、ルテニウム(R
u)に添加元素としてパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニ
ッケル(Ni)、チタン(Ti)をそれぞれ含有させた膜をSiO2
膜の上に900 Kで成膜し、300 Kまで冷却するシミュレー
ションを行った場合の、Ru膜に残留した内部応力Sの添
加元素濃度に対する変化を示した図である。膜厚はRu膜
も SiO2膜も3 nmとした。図１０において、S0は添加元
素を含有させない場合の内部応力を示す。図１０より、
添加元素の濃度が約0.14at.％以上の場合に内部応力が
低減されることがわかる。これら四つの元素の中でも、
より融点の低いニッケル(Ni)、コバルト(Co)が内部応力
低減に対しては特に有効となることが図１０よりわか
る。パラジウム(Pd)やチタン(Ti)も、ルテニウム(Ru)よ
りは融点がかなり低いので、内部応力を低減する効果が
図１０に示されている。比較のために、ルテニウム(Ru)
よりも融点の高いタングステン(W)やタンタル(Ta)を添
加した場合には、図1１に示すように内部応力が添加元
素濃度とともに増大してしまい、内部応力低減に対して
は有効でないことがわかる。図９と合わせて考慮する
と、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チ
タン(Ti)の添加元素濃度は、0.14at.％以上で25at.％以
下が好ましいといえる。以上のシミュレーション結果に
見られる本実施例の効果は、温度や膜厚等のシミュレー
ション条件を変えても示すことができる。
【００１９】本発明の第一の実施例である半導体装置の
さらに別の効果は、導電体膜のエレクトロマイグレーシ
ョン耐性が向上するという点である。例として、主導電
体膜が銅(Cu)膜である場合についてこの効果の説明をす
る。前に説明した図５は、はく離エネルギーに及ぼす格
子不整合の影響を分子動力学シミュレーションの結果と
して得たものであるが、これと同様のシミュレーション
から、銅(Cu)原子の拡散係数に及ぼす格子不整合の影響
を調べることができる。図５と同様に、横軸に格子不整
合Aをとり、縦軸に銅(Cu)原子の拡散係数をとったグラ
フを図１２に示す。ただし、Dは、隣接導電体膜を下地
とした銅(Cu)膜における銅(Cu)原子の拡散係数であり、
D0はバルクの銅(Cu)における拡散係数である。格子不整
合が境界線より大きくなると拡散係数は急激に大きくな
り、銅(Cu)原子が動きやすくなることがわかる。原子が
動きやすいと、電流が流れた時等にボイドや断線が生じ
やすくなる。すなわち、マイグレーション耐性が低くな
る。逆に、拡散係数が小さい領域では、原子が動きにく
く、マイグレーション耐性が優れているといえる。図か
らわかるように、拡散係数が小さい領域には、ロジウム
(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(O
s) 、白金(Pt)が含まれる。したがって、本実施例で
は、銅(Cu)を主構成元素とする導電体膜に隣接する導電
体膜の主構成元素として、銅(Cu)との格子不整合が小さ
いロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オ
スミウム(Os) 、白金(Pt)を用いるので、マイグレーシ
ョン耐性が向上する。
さらに別の効果は、導電体膜のエレクトロマイグレーシ
ョン耐性が向上するという点である。例として、主導電
体膜が銅(Cu)膜である場合についてこの効果の説明をす
る。前に説明した図５は、はく離エネルギーに及ぼす格
子不整合の影響を分子動力学シミュレーションの結果と
して得たものであるが、これと同様のシミュレーション
から、銅(Cu)原子の拡散係数に及ぼす格子不整合の影響
を調べることができる。図５と同様に、横軸に格子不整
合Aをとり、縦軸に銅(Cu)原子の拡散係数をとったグラ
フを図１２に示す。ただし、Dは、隣接導電体膜を下地
とした銅(Cu)膜における銅(Cu)原子の拡散係数であり、
D0はバルクの銅(Cu)における拡散係数である。格子不整
合が境界線より大きくなると拡散係数は急激に大きくな
り、銅(Cu)原子が動きやすくなることがわかる。原子が
動きやすいと、電流が流れた時等にボイドや断線が生じ
やすくなる。すなわち、マイグレーション耐性が低くな
る。逆に、拡散係数が小さい領域では、原子が動きにく
く、マイグレーション耐性が優れているといえる。図か
らわかるように、拡散係数が小さい領域には、ロジウム
(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(O
s) 、白金(Pt)が含まれる。したがって、本実施例で
は、銅(Cu)を主構成元素とする導電体膜に隣接する導電
体膜の主構成元素として、銅(Cu)との格子不整合が小さ
いロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オ
スミウム(Os) 、白金(Pt)を用いるので、マイグレーシ
ョン耐性が向上する。
【００２０】本実施例のこれら以外の効果としては、主
導電体膜として銅(Cu)膜を用いた場合、隣接導電体膜
が、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、
オスミウム(Os)または白金(Pt)のうちの少なくとも一種
類の元素を主構成元素とし、なおかつパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの少な
くとも一種類の元素を添加元素として含むようにするこ
とにより、隣接導電体膜の中を銅(Cu)原子が拡散しにく
くなり、半導体装置の信頼性が向上する。
導電体膜として銅(Cu)膜を用いた場合、隣接導電体膜
が、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、
オスミウム(Os)または白金(Pt)のうちの少なくとも一種
類の元素を主構成元素とし、なおかつパラジウム(Pd)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの少な
くとも一種類の元素を添加元素として含むようにするこ
とにより、隣接導電体膜の中を銅(Cu)原子が拡散しにく
くなり、半導体装置の信頼性が向上する。
【００２１】本実施例では、主導電体膜として銅(Cu)膜
を用いた場合、隣接導電体膜が、ロジウム(Rh)、ルテニ
ウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)または白金
(Pt)のうちの少なくとも一種類の元素を主構成元素と
し、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル
(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添
加元素として含む膜である例を示したが、隣接導電体膜
はこれら以外に別の添加元素を含んでいても本実施例の
効果は得られる。また、隣接導電体膜は、酸化ロジウ
ム、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、または酸化オス
ミウム のうちの少なくとも一つの材料を主構成材料と
し、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル
(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添
加元素として含む膜でもよい。また、この隣接導電体膜
は、これら以外に別の添加元素を含んでいても本実施例
の効果は得られる。
を用いた場合、隣接導電体膜が、ロジウム(Rh)、ルテニ
ウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)または白金
(Pt)のうちの少なくとも一種類の元素を主構成元素と
し、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル
(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添
加元素として含む膜である例を示したが、隣接導電体膜
はこれら以外に別の添加元素を含んでいても本実施例の
効果は得られる。また、隣接導電体膜は、酸化ロジウ
ム、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、または酸化オス
ミウム のうちの少なくとも一つの材料を主構成材料と
し、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル
(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添
加元素として含む膜でもよい。また、この隣接導電体膜
は、これら以外に別の添加元素を含んでいても本実施例
の効果は得られる。
【００２２】次に、本発明における第二の実施例である
半導体装置における主要部分の断面構造を図１３に示
す。第二の実施例の第一の実施例との違いは、第一の実
施例における主導電体膜１７の側壁と主導電体膜２３の
側壁は被覆されていないが、第二の実施例における主導
電体膜１７の側壁と主導電体膜２３の側壁は、それぞれ
隣接導電体膜１６cと隣接導電体膜２２cに被覆されてい
るという点である。これによって、側壁から主導電体膜
１７、２３の構成元素が絶縁膜１８、２４に拡散するの
を防止する構造となっている。
半導体装置における主要部分の断面構造を図１３に示
す。第二の実施例の第一の実施例との違いは、第一の実
施例における主導電体膜１７の側壁と主導電体膜２３の
側壁は被覆されていないが、第二の実施例における主導
電体膜１７の側壁と主導電体膜２３の側壁は、それぞれ
隣接導電体膜１６cと隣接導電体膜２２cに被覆されてい
るという点である。これによって、側壁から主導電体膜
１７、２３の構成元素が絶縁膜１８、２４に拡散するの
を防止する構造となっている。
【００２３】続いて、本発明における第三の実施例であ
る半導体装置における主要部分の断面構造を図１４に示
す。第三の実施例の第一の実施例との違いは、主導電体
膜１７からなる配線層が、被覆されない導電体プラグ２
６に接続されている点と、主導電体膜２３からなる配線
層が、被覆されない導電体プラグ２７に接続されている
点である。これらの導電体プラグ２６、２７は、それぞ
れ主導電体膜１７、２３および絶縁膜１３、２１と接触
しているので、信頼性向上のために、導電体プラグ２６
の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子にお
ける短辺anと前記主導電体膜１７の主構成元素の構成す
る最密結晶面の単位長方格子における短辺apの差{｜ap-
an｜/ap}×100＝A（％）と、前記導電体プラグ２６の主
構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における
長辺bnと前記主導電体膜１７の主構成元素の構成する最
密結晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜
/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等
式を満足し、なおかつ前記導電体プラグ２６の主構成元
素の融点が前記主導電体膜１７の主構成元素の融点の
1．4倍以上であり、なおかつ前記導電体プラグ２６が主
構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を含有
し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の添加元素の
原子半径と前記導電体プラグ２６の主構成元素の原子半
径の差が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーが前記導電体プラグ２６の主
構成元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上
であることをすべて満足するように前記導電体プラグ２
６の構成元素を選択する。具体的には、主導電体膜１７
が銅(Cu)を主構成元素とする場合には、導電体プラグ２
６は、ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir)
、オスミウム(Os)または白金(Pt)のうちの少なくとも一
種類の元素を主構成元素とし、なおかつパラジウム(P
d)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの
少なくとも一種類の元素を添加元素として含むようにす
ればよい。同様に、導電体膜プラグ２７と主導電体膜２
３の間の密着性および導電体膜プラグ２７と絶縁膜２１
の間の密着性を向上させるために、導電体プラグ２７の
主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子におけ
る短辺anと前記主導電体膜２３の主構成元素の構成する
最密結晶面の単位長方格子における短辺apの差{｜ap-an
｜/ap}×100＝A（％）と、前記導電体プラグ２７の主構
成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における長
辺bnと前記主導電体膜１７の主構成元素の構成する最密
結晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜/b
p}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等式
を満足し、なおかつ前記導電体プラグ２７の主構成元素
の融点が前記主導電体膜２３の主構成元素の融点の1．4
倍以上であり、なおかつ前記導電体プラグ２７が主構成
元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を含有し、該
異種元素のうちの少なくとも一種類の添加元素の原子半
径と前記導電体プラグ２７の主構成元素の原子半径の差
が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシリコン(S
i)の結合エネルギーが前記導電体プラグ２７の主構成元
素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上である
ことをすべて満足するように前記導電体プラグ２７の構
成元素を選択する。具体的には、主導電体膜２３が銅(C
u)を主構成元素とする場合には、導電体プラグ２７は、
ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オス
ミウム(Os)または白金(Pt)のうちの少なくとも一種類の
元素を主構成元素とし、なおかつパラジウム(Pd)、コバ
ルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくと
も一種類の元素を添加元素として含むようにすればよ
い。以上により、導電体プラグ２６、２７は、主導電体
膜１７、２３よりも高い融点を持つようになるので、耐
熱性およびマイグレーション耐性に優れた構造となる。
図１４では、導電体プラグ２６、２７がそれぞれ絶縁膜
１３、２１と直接接触する場合について示したが、導電
体プラグ２６と絶縁膜１３の間や、導電体プラグ２７と
絶縁膜２１の間に中間膜が形成された構造であってもよ
い。
る半導体装置における主要部分の断面構造を図１４に示
す。第三の実施例の第一の実施例との違いは、主導電体
膜１７からなる配線層が、被覆されない導電体プラグ２
６に接続されている点と、主導電体膜２３からなる配線
層が、被覆されない導電体プラグ２７に接続されている
点である。これらの導電体プラグ２６、２７は、それぞ
れ主導電体膜１７、２３および絶縁膜１３、２１と接触
しているので、信頼性向上のために、導電体プラグ２６
の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子にお
ける短辺anと前記主導電体膜１７の主構成元素の構成す
る最密結晶面の単位長方格子における短辺apの差{｜ap-
an｜/ap}×100＝A（％）と、前記導電体プラグ２６の主
構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における
長辺bnと前記主導電体膜１７の主構成元素の構成する最
密結晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜
/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等
式を満足し、なおかつ前記導電体プラグ２６の主構成元
素の融点が前記主導電体膜１７の主構成元素の融点の
1．4倍以上であり、なおかつ前記導電体プラグ２６が主
構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を含有
し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の添加元素の
原子半径と前記導電体プラグ２６の主構成元素の原子半
径の差が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシリ
コン(Si)の結合エネルギーが前記導電体プラグ２６の主
構成元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上
であることをすべて満足するように前記導電体プラグ２
６の構成元素を選択する。具体的には、主導電体膜１７
が銅(Cu)を主構成元素とする場合には、導電体プラグ２
６は、ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir)
、オスミウム(Os)または白金(Pt)のうちの少なくとも一
種類の元素を主構成元素とし、なおかつパラジウム(P
d)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの
少なくとも一種類の元素を添加元素として含むようにす
ればよい。同様に、導電体膜プラグ２７と主導電体膜２
３の間の密着性および導電体膜プラグ２７と絶縁膜２１
の間の密着性を向上させるために、導電体プラグ２７の
主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子におけ
る短辺anと前記主導電体膜２３の主構成元素の構成する
最密結晶面の単位長方格子における短辺apの差{｜ap-an
｜/ap}×100＝A（％）と、前記導電体プラグ２７の主構
成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子における長
辺bnと前記主導電体膜１７の主構成元素の構成する最密
結晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜/b
p}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等式
を満足し、なおかつ前記導電体プラグ２７の主構成元素
の融点が前記主導電体膜２３の主構成元素の融点の1．4
倍以上であり、なおかつ前記導電体プラグ２７が主構成
元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を含有し、該
異種元素のうちの少なくとも一種類の添加元素の原子半
径と前記導電体プラグ２７の主構成元素の原子半径の差
が10％以下であり、なおかつ前記添加元素とシリコン(S
i)の結合エネルギーが前記導電体プラグ２７の主構成元
素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上である
ことをすべて満足するように前記導電体プラグ２７の構
成元素を選択する。具体的には、主導電体膜２３が銅(C
u)を主構成元素とする場合には、導電体プラグ２７は、
ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オス
ミウム(Os)または白金(Pt)のうちの少なくとも一種類の
元素を主構成元素とし、なおかつパラジウム(Pd)、コバ
ルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくと
も一種類の元素を添加元素として含むようにすればよ
い。以上により、導電体プラグ２６、２７は、主導電体
膜１７、２３よりも高い融点を持つようになるので、耐
熱性およびマイグレーション耐性に優れた構造となる。
図１４では、導電体プラグ２６、２７がそれぞれ絶縁膜
１３、２１と直接接触する場合について示したが、導電
体プラグ２６と絶縁膜１３の間や、導電体プラグ２７と
絶縁膜２１の間に中間膜が形成された構造であってもよ
い。
【００２４】さらに、本発明における第四の実施例であ
る半導体装置における主要部分の断面構造を図１５に示
す。第四の実施例の第一の実施例との違いは、主導電体
膜１７からなる配線層が、ゲート絶縁膜２８の上に形成
されたゲート電極２９に、導電体プラグ３２を通じて接
続されている点である。この場合、ゲート電極２９は、
導電体プラグ３２および絶縁膜３０と接触するので、信
頼性を向上させるために、ゲート電極２９の主構成元素
の構成する最密結晶面の単位長方格子における短辺anと
前記導電体プラグ３２の主構成元素の構成する最密結晶
面の単位長方格子における短辺apの差{｜ap-an｜/ap}×
100＝A（％）と、前記ゲート電極２９の主構成元素の構
成する最密結晶面の単位長方格子における長辺bnと前記
導電体プラグ３２の主構成元素の構成する最密結晶面の
単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜/bp}×100
＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等式を満足
し、なおかつ前記ゲート電極２９の主構成元素の融点が
前記導電体プラグ３２の主構成元素の融点の1．4倍以上
であり、なおかつ前記ゲート電極２９が主構成元素のほ
かに少なくとも一種類の異種元素を含有し、該異種元素
のうちの少なくとも一種類の添加元素の原子半径と前記
ゲート電極２９の主構成元素の原子半径の差が10％以下
であり、なおかつ前記添加元素とシリコン(Si)の結合エ
ネルギーが前記ゲート電極２９の主構成元素とシリコン
(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上であることをすべて
満足するように前記ゲート電極２９の構成元素を選択す
る。具体的には、導電体プラグ３２が銅(Cu)を主構成元
素とする場合には、ゲート電極２９が、ロジウム(Rh) 、
ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os)また
は白金(Pt)のうちの少なくとも一種類の元素を主構成元
素とし、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッ
ケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素
を添加元素として含むようにすればよい。
る半導体装置における主要部分の断面構造を図１５に示
す。第四の実施例の第一の実施例との違いは、主導電体
膜１７からなる配線層が、ゲート絶縁膜２８の上に形成
されたゲート電極２９に、導電体プラグ３２を通じて接
続されている点である。この場合、ゲート電極２９は、
導電体プラグ３２および絶縁膜３０と接触するので、信
頼性を向上させるために、ゲート電極２９の主構成元素
の構成する最密結晶面の単位長方格子における短辺anと
前記導電体プラグ３２の主構成元素の構成する最密結晶
面の単位長方格子における短辺apの差{｜ap-an｜/ap}×
100＝A（％）と、前記ゲート電極２９の主構成元素の構
成する最密結晶面の単位長方格子における長辺bnと前記
導電体プラグ３２の主構成元素の構成する最密結晶面の
単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-bn｜/bp}×100
＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる不等式を満足
し、なおかつ前記ゲート電極２９の主構成元素の融点が
前記導電体プラグ３２の主構成元素の融点の1．4倍以上
であり、なおかつ前記ゲート電極２９が主構成元素のほ
かに少なくとも一種類の異種元素を含有し、該異種元素
のうちの少なくとも一種類の添加元素の原子半径と前記
ゲート電極２９の主構成元素の原子半径の差が10％以下
であり、なおかつ前記添加元素とシリコン(Si)の結合エ
ネルギーが前記ゲート電極２９の主構成元素とシリコン
(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上であることをすべて
満足するように前記ゲート電極２９の構成元素を選択す
る。具体的には、導電体プラグ３２が銅(Cu)を主構成元
素とする場合には、ゲート電極２９が、ロジウム(Rh) 、
ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os)また
は白金(Pt)のうちの少なくとも一種類の元素を主構成元
素とし、なおかつパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッ
ケル(Ni)、チタン(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素
を添加元素として含むようにすればよい。
【００２５】次に、本発明における第五の実施例である
半導体装置における主要部分の断面構造を図１６に示
す。第五の実施例の第四の実施例との違いは、ゲート電
極が、導電体膜２９と導電体膜３３からなる積層構造を
持つ点である。導電体膜２９は導電体プラグ３２および
導電体膜３３と接触界面を持つ。例えば、導電体膜３３
が多結晶シリコンからなり、導電体プラグ３２が銅(Cu)
を主構成元素とする場合、信頼性を向上させるために
は、導電体膜２９が、ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、
イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os)または白金(Pt)のうち
の少なくとも一種類の元素を主構成元素とし、なおかつ
パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン
(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添加元素として
含むようにすればよい。
半導体装置における主要部分の断面構造を図１６に示
す。第五の実施例の第四の実施例との違いは、ゲート電
極が、導電体膜２９と導電体膜３３からなる積層構造を
持つ点である。導電体膜２９は導電体プラグ３２および
導電体膜３３と接触界面を持つ。例えば、導電体膜３３
が多結晶シリコンからなり、導電体プラグ３２が銅(Cu)
を主構成元素とする場合、信頼性を向上させるために
は、導電体膜２９が、ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、
イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os)または白金(Pt)のうち
の少なくとも一種類の元素を主構成元素とし、なおかつ
パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン
(Ti)のうちの少なくとも一種類の元素を添加元素として
含むようにすればよい。
【００２６】次に、本発明における第六の実施例である
半導体装置における主要部分の断面構造を図１７に示
す。第六の実施例の第一の実施例との違いは、隣接導電
体膜１４a、１４bが隣接膜３４a、３４bと接触した構造
となっている点と、隣接導電体膜１６a、１６bが隣接膜
３５a、３５bと接触した構造となっている点である。隣
接膜３４a、３４b、１６a、１６b１６a、１６bとして
は、例えば、窒化チタン(TiN)、タンタル(Ta)、窒化タ
ンタル(TaN)、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケ
ル(Ni)、チタン(Ti)等の導電体膜を用いるか、または、
窒化シリコン膜等の絶縁膜を用いる。これによって、第
一の実施例に比べて、主導電体膜１５、１７の構成元素
が絶縁膜１３、１８等に拡散するのをより強く防止でき
る構造となっている。
半導体装置における主要部分の断面構造を図１７に示
す。第六の実施例の第一の実施例との違いは、隣接導電
体膜１４a、１４bが隣接膜３４a、３４bと接触した構造
となっている点と、隣接導電体膜１６a、１６bが隣接膜
３５a、３５bと接触した構造となっている点である。隣
接膜３４a、３４b、１６a、１６b１６a、１６bとして
は、例えば、窒化チタン(TiN)、タンタル(Ta)、窒化タ
ンタル(TaN)、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケ
ル(Ni)、チタン(Ti)等の導電体膜を用いるか、または、
窒化シリコン膜等の絶縁膜を用いる。これによって、第
一の実施例に比べて、主導電体膜１５、１７の構成元素
が絶縁膜１３、１８等に拡散するのをより強く防止でき
る構造となっている。
【００２７】上述のように隣接導電体膜の主構成元素と
しては、ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(I
r) 、オスミウム(Os) 、白金(Pt)等が適しているが、この
なかで特にルテニウム(Ru)は加工性の面で優れている。
また、添加元素としては、パラジウム(Pd)、コバルト(C
o)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)等が適しているが、これ
ら四つの添加元素のうち、パラジウム(Pd)は、図９に示
したようにルテニウム(Ru)との原子半径の差が最も小さ
いため、ルテニウム(Ru)の原子配列を乱しにくく、添加
しても電気抵抗を高くしないという点で優れており、隣
接導電体膜の主構成元素をルテニウム(Ru)とした場合に
最も適した添加元素といえる。また、チタン(Ti)は、図
８に示したようにシリコン(Si)との結合エネルギーが最
も大きく、シリコン(Si)を含有する絶縁膜との密着性向
上には最も有効である。また、ニッケル(Ni)、コバルト
(Co)は図１０に示したように内部応力を低減する上では
最も有効である。
しては、ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(I
r) 、オスミウム(Os) 、白金(Pt)等が適しているが、この
なかで特にルテニウム(Ru)は加工性の面で優れている。
また、添加元素としては、パラジウム(Pd)、コバルト(C
o)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)等が適しているが、これ
ら四つの添加元素のうち、パラジウム(Pd)は、図９に示
したようにルテニウム(Ru)との原子半径の差が最も小さ
いため、ルテニウム(Ru)の原子配列を乱しにくく、添加
しても電気抵抗を高くしないという点で優れており、隣
接導電体膜の主構成元素をルテニウム(Ru)とした場合に
最も適した添加元素といえる。また、チタン(Ti)は、図
８に示したようにシリコン(Si)との結合エネルギーが最
も大きく、シリコン(Si)を含有する絶縁膜との密着性向
上には最も有効である。また、ニッケル(Ni)、コバルト
(Co)は図１０に示したように内部応力を低減する上では
最も有効である。
【００２８】また、上記において銅(Cu)を例として記述
してきた部分は、銅(Cu)の代わりに金(Au)や銀(Ag)を用
いた場合でも、隣接する膜の主構成元素としてロジウム
(Rh)、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(O
s)または白金(Pt)を用いて、前述の各効果が得られる。
また、銅(Cu)の代わりに高い融点を持つ白金(Pt)を用
いた場合には、隣接する膜の主構成元素としてロジウム
(Rh) 、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir) 、オスミウム(O
s)または白金(Pt)を用いる代わりに、オスミウム(Os)を
用いれば、前述の各効果が得られる。
してきた部分は、銅(Cu)の代わりに金(Au)や銀(Ag)を用
いた場合でも、隣接する膜の主構成元素としてロジウム
(Rh)、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(O
s)または白金(Pt)を用いて、前述の各効果が得られる。
また、銅(Cu)の代わりに高い融点を持つ白金(Pt)を用
いた場合には、隣接する膜の主構成元素としてロジウム
(Rh) 、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir) 、オスミウム(O
s)または白金(Pt)を用いる代わりに、オスミウム(Os)を
用いれば、前述の各効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、隣接導電体膜と絶縁膜
の間の密着性を向上させることができるため、はく離を
起こしにくい信頼性の高い半導体装置が提供できる。ま
た、積層構造でクラック等の欠陥を生じにくい信頼性の
高い半導体装置が提供できる。また、マイグレーション
によるボイドや断線を生じにくい信頼性の高い半導体装
置が提供できる。
の間の密着性を向上させることができるため、はく離を
起こしにくい信頼性の高い半導体装置が提供できる。ま
た、積層構造でクラック等の欠陥を生じにくい信頼性の
高い半導体装置が提供できる。また、マイグレーション
によるボイドや断線を生じにくい信頼性の高い半導体装
置が提供できる。
【図１】本発明の第一の実施例に係る半導体装置の主要
部分の断面図である。
部分の断面図である。
【図２】最密結晶面における原子配列と単位長方格子の
格子定数a、bを示す図である。
格子定数a、bを示す図である。
【図３】銅(Cu)膜を主導電体膜とした場合の隣接導電体
膜と主導電体膜の間のはく離エネルギーの融点依存性を
示す図である。
膜と主導電体膜の間のはく離エネルギーの融点依存性を
示す図である。
【図４】銅(Cu)膜を主導電体膜とした場合の隣接導電体
膜と主導電体膜の間のはく離エネルギーの格子不整合依
存性を示す図である。
膜と主導電体膜の間のはく離エネルギーの格子不整合依
存性を示す図である。
【図５】銅(Cu)膜を主導電体膜とした場合の隣接導電体
膜と主導電体膜の間のはく離エネルギーの格子不整合依
存性を図４の破線に沿って示した図である。
膜と主導電体膜の間のはく離エネルギーの格子不整合依
存性を図４の破線に沿って示した図である。
【図６】ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)から
なる 隣接導電体膜にパラジウム(Pd)を添加元素として
含有させた場合の隣接導電体膜とシリコン酸化膜の間の
はく離エネルギーのパラジウム(Pd)含有濃度に対する依
存性を示した図である。
なる 隣接導電体膜にパラジウム(Pd)を添加元素として
含有させた場合の隣接導電体膜とシリコン酸化膜の間の
はく離エネルギーのパラジウム(Pd)含有濃度に対する依
存性を示した図である。
【図７】ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)から
なる隣接導電体膜にチタン(Ti)を添加元素として含有さ
せた場合の隣接導電体膜とシリコン酸化膜の間のはく離
エネルギーのチタン(Ti)含有濃度に対する依存性を示し
た図である。
なる隣接導電体膜にチタン(Ti)を添加元素として含有さ
せた場合の隣接導電体膜とシリコン酸化膜の間のはく離
エネルギーのチタン(Ti)含有濃度に対する依存性を示し
た図である。
【図８】添加元素の濃度を20at.％に設定した場合の隣
接導電体膜とシリコン酸化膜の間のはく離エネルギー
の、添加元素とシリコン(Si)の結合エネルギーに対する
依存性を示した図である。
接導電体膜とシリコン酸化膜の間のはく離エネルギー
の、添加元素とシリコン(Si)の結合エネルギーに対する
依存性を示した図である。
【図９】ルテニウム(Ru)を隣接導電体膜の主構成元素と
した場合のルテニウム(Ru)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エ
ネルギーの、添加元素とルテニウム(Ru)の原子半径の差
に対する依存性を示した図である。
した場合のルテニウム(Ru)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エ
ネルギーの、添加元素とルテニウム(Ru)の原子半径の差
に対する依存性を示した図である。
【図１０】ルテニウム(Ru)を隣接導電体膜の主構成元素
とし、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、
チタン(Ti)を添加元素とした場合のルテニウム(Ru)膜の
内部応力の、添加元素含有濃度に対する依存性を示した
図である。
とし、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、
チタン(Ti)を添加元素とした場合のルテニウム(Ru)膜の
内部応力の、添加元素含有濃度に対する依存性を示した
図である。
【図１１】ルテニウム(Ru)を隣接導電体膜の主構成元素
とし、タングステン(W)、タンタル(Ta)を添加元素とし
た場合のルテニウム(Ru)膜の内部応力の、添加元素含有
濃度に対する依存性を示した図である。
とし、タングステン(W)、タンタル(Ta)を添加元素とし
た場合のルテニウム(Ru)膜の内部応力の、添加元素含有
濃度に対する依存性を示した図である。
【図１２】銅(Cu)膜を主導電体膜とした場合の銅(Cu)原
子の拡散係数に及ぼす格子不整合の影響を図４の破線に
沿って示した図である。
子の拡散係数に及ぼす格子不整合の影響を図４の破線に
沿って示した図である。
【図１３】本発明の第二の実施例に係る半導体装置の主
要部分の断面図である。
要部分の断面図である。
【図１４】本発明の第三の実施例に係る半導体装置の主
要部分の断面図である。
要部分の断面図である。
【図１５】本発明の第四の実施例に係る半導体装置の主
要部分の断面図である。
要部分の断面図である。
【図１６】本発明の第五の実施例に係る半導体装置の主
要部分の断面図である。
要部分の断面図である。
【図１７】本発明の第六の実施例に係る半導体装置の主
要部分の断面図である。
要部分の断面図である。
１…シリコン基板、２、３、４、５…拡散層、６、７、
２８…ゲート絶縁膜、８、９、２９…ゲート電極、１０
…素子分離膜、１１、１２、１３、１８、２１、２４、
２５、３０…絶縁膜、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６
ｂ、１６ｃ、１９、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、３１…隣
接導電体膜、１５、１７、２０、２３…主導電体膜、２
６、２７、３２…導電体プラグ、３３…導電体膜、３４
ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ…隣接膜。
２８…ゲート絶縁膜、８、９、２９…ゲート電極、１０
…素子分離膜、１１、１２、１３、１８、２１、２４、
２５、３０…絶縁膜、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６
ｂ、１６ｃ、１９、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、３１…隣
接導電体膜、１５、１７、２０、２３…主導電体膜、２
６、２７、３２…導電体プラグ、３３…導電体膜、３４
ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ…隣接膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野 勇 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 Ｆターム(参考） 5F033 HH07 HH11 HH18 JJ07 JJ11 JJ18 KK01 KK07 KK11 KK18 LL06 LL09 MM12 MM13 NN06 NN07 RR04 RR06 TT01 TT06 WW04 XX05 XX12 XX17
Claims (11)
- 【請求項１】半導体基板の一主面側に形成されたシリコ
ン(Si)を含む絶縁膜と、該絶縁膜に接触して形成された
第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された
第二導電体膜とを有する積層構造を備えた半導体装置に
おいて、前記第二導電体膜は銅(Cu)を主構成元素とし、
前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウ
ム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt)か
らなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、
前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバル
ト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選
ばれる一種類の元素を添加元素として含むことを特徴と
する半導体装置。 - 【請求項２】半導体基板の一主面側に形成されたシリコ
ン(Si)を含む絶縁膜と、該絶縁膜に接触して形成された
第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された
第二導電体膜とを有する積層構造を備えた半導体装置に
おいて、前記第二導電体膜は銅(Cu)を主構成元素とし、
前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウ
ム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt)
からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素と
し、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コ
バルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群か
ら選ばれる一種類の添加元素を10at.％以上25at.％以下
の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】半導体基板の一主面側に形成された第一導
電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)
膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた半導
体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロジウ
ム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム
(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素
を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラ
ジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)
からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％
以上25at.％以下の濃度で含有することを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項４】半導体基板の一主面側に形成された第一導
電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銅（Ｃ
ｕ）膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた
半導体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロ
ジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミ
ウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の
元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜はパラジウム
(Pd)を0.14at.％以上25at.％以下の濃度で含有すること
を特徴とする半導体装置。 - 【請求項５】半導体基板の一主面側に形成された第一導
電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)
膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた半導
体装置において、前記第一導電体膜は酸化ロジウム、酸
化ルテニウム、酸化イリジウム、、酸化オスミウムから
なる群から選ばれる一種類以上の元素を主構成材料と
し、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コ
バルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群か
ら選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％以上25at.％以
下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。 - 【請求項６】半導体基板の一主面側に形成された第一導
電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された金(Au)
膜または金(Au)合金膜とを有する積層構造を備えた半導
体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロジウ
ム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム
(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素
を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラ
ジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)
からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％
以上25at.％以下の濃度で含有することを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項７】半導体基板の一主面側に形成された第一導
電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銀(Ag)
膜または銀(Ag)合金膜とを有する積層構造を備えた半導
体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロジウ
ム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム
(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素
を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラ
ジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)
からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.％
以上25at.％以下の濃度で含有することを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項８】半導体基板の一主面側に形成された第一導
電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された白金
（Ｐｔ）膜または白金(Pt)合金膜とを有する積層構造を
備えた半導体装置において、前記第一導電体膜はオスミ
ウム(Os)を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なく
ともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チ
タン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を
0.14at.％以上25at.％以下の濃度で含有することを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項９】半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を含
む絶縁膜と該絶縁膜に接触して形成された第一導電体膜
と該第一導電体膜に接触して形成された第二導電体膜と
を有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第
二導電体膜は銅(Cu)を主構成元素とし、前記第一導電体
膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジ
ウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から
選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記第一導電
体膜は前記主構成元素のほかに少なくとも一種類の異種
元素を含有し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の
元素の原子半径と前記主構成元素の原子半径の差が10％
以下であり、前記異種元素とシリコン(Si)の結合エネル
ギーが前記第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の
結合エネルギーの1.9倍以上であることを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項１０】半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を
含む絶縁膜と、該絶縁膜に接触して形成された第一導電
体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された第二導電
体膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、
前記第二導電体膜は銅(Cu)を主構成元素とし、前記第一
導電体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方
格子における短辺anと銅(Cu)元素の構成する最密結晶面
の単位長方格子における短辺apの差{｜ap-an｜/ap}×10
0＝A（％）と、前記第一導電体膜の主構成元素の構成す
る最密結晶面の単位長方格子における長辺bnと銅(Cu)元
素の構成する最密結晶面の単位長方格子における長辺bp
の差{｜bp-bn｜/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}
＜13％なる不等式を満足し、前記第一導電体膜の主構成
元素の融点が銅(Cu)の融点の1.4倍以上であり、前記第
一導電体膜が主構成元素のほかに少なくとも一種類の異
種元素を添加元素として含有し、該異種元素のうち少な
くとも一種類の添加元素の原子半径と前記第一導電体膜
の主構成元素の原子半径の差が10％以下であり、なおか
つ前記添加元素とシリコン(Si)の結合エネルギーが前記
第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合エネル
ギーの1.9倍以上であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項１１】半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を
含む絶縁膜と該絶縁膜に接触して形成された第一導電体
膜と該第一導電体膜に接触して形成された第二導電体膜
とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記
第一導電体膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位
長方格子における短辺anと前記第二導電体膜の主構成元
素の構成する最密結晶面の単位長方格子における短辺ap
の差{｜ap-an｜/ap}×100＝A（％）と、前記第一導電体
膜の主構成元素の構成する最密結晶面の単位長方格子に
おける長辺bnと前記第二導電体膜の主構成元素の構成す
る最密結晶面の単位長方格子における長辺bpの差{｜bp-
bn｜/bp}×100＝B（％）が{A＋B×(ap/bp)}＜13％なる
不等式を満足し、前記第一導電体膜の主構成元素の融点
が前記第二導電体膜の主構成元素の融点の1.4倍以上で
あり、前記第一導電体膜が主構成元素のほかに少なくと
も一種類の異種元素を添加元素として含有し、該異種元
素のうちの少なくとも一種類の添加元素の原子半径と前
記第一導電体膜の主構成元素の原子半径の差が10％以下
であり、なおかつ前記添加元素とシリコン(Si)の結合エ
ネルギーが前記第一導電体膜の主構成元素とシリコン(S
i)の結合エネルギーの1.9倍以上であることを特徴とす
る半導体装置。
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| JP00610899A JP4221100B2 (ja) | 1999-01-13 | 1999-01-13 | 半導体装置 |
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| US10/611,862 US7012312B2 (en) | 1999-01-13 | 2003-07-03 | Semiconductor device with multilayer conductive structure formed on a semiconductor substrate |
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