JP2005085884A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金層からなる配線を用いながら、金の拡散を防止でき、腐食性も良好な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体装置は、半導体基板上に形成されたアルミニウム配線層１４と、このアルミニウム配線層１４上に形成された層間絶縁膜１６と、この層間絶縁膜１６上に形成され、金層からなる最上層配線層としての金配線層１９とを備えている。アルミニウム配線層１４と層間絶縁膜１６との間には、バリア層を構成するＴｉＮ膜３０が介在されている。層間絶縁膜１６に形成された層間接続用開口Ｈ内において、ＴｉＮ膜３０と金配線層１９との間には、接着層としてのＴｉＷ膜２０が介在されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、複数層の配線を有する半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置は、半導体基板と、この半導体基板の表層部に形成された機能素子と、半導体基板上に形成された多層配線構造とを備えている。多層配線構造は、複数層の配線を層間絶縁膜を介在させて積層した構造であって、異なる配線層間の接続は層間絶縁膜に形成されたコンタクト孔を介して達成されるようになっている。
配線材料として従来から用いられてきたアルミニウムは、低抵抗化に限界があり、半導体装置の微細化に伴って断面積が少なくなるにつれて、その配線抵抗が問題となってきている。そのため、とくに、グランドラインや電源ラインの低抵抗化が望まれている。

そこで、たとえば、本願の発明者は、下記特許文献１において、最上層の配線に金層を適用し、配線を低抵抗化することを提案している。
この先行技術では、コンタクト孔を介して電気接続されるアルミニウム配線層と金層からなる最上層の配線層との間には、チタン薄膜からなるバリア層が介在されており、このバリア層によってアルミニウムのマイグレーションの防止が図られている。
特開２００２−２１７２８４号公報

ところが、金はきわめて拡散しやすい材料であるため、たとえば、アロイ処理時の高温下に長時間置かれると（たとえば、４００℃、３０分〜１時間）、アルミニウム配線層側へと容易に拡散してしまう。
したがって、チタン薄膜は、実際には、バリア層としての機能をほとんど有しておらず、層間絶縁膜と金層との間の接着、およびアルミニウム配線層と金層との接着に寄与する接着層として機能しているにすぎない。

チタン以外にも、ＴｉＷ薄膜をバリア層として用いることが考えられるが、このＴｉＷ膜もチタン薄膜と同様であり、金層とアルミニウム配線層との間の相互拡散を阻止する機能はほとんどなく、接着層としての役割を果たすにすぎない。
バリア効果を期待できる導電性材料でバリア層を構成すべきであるが、いずれの材料を用いても、均一な膜厚の良好なバリア層を形成することが困難である。具体的には、層間絶縁膜に形成されるコンタクト孔の底部（とくにその角部）において膜厚が小さくなり、カバレッジ不良となりやすい。そのため、とくに高温の熱処理時において、充分なバリア効果が発揮されないという問題がある。

そこで、この発明の目的は、金層からなる配線を用いながら、金の拡散を効果的に抑制または防止できる半導体装置およびその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体基板（１１）上に形成された第１配線層（１４）と、この第１配線層上に形成された層間絶縁膜（１６）と、上記第１配線層と上記層間絶縁膜との間に介在され、上記層間絶縁膜に形成された層間接続用開口（Ｈ）領域を含み当該層間接続用開口領域よりも広い領域に渡って上記第１配線層上に形成されたバリア層（３０）と、上記層間絶縁膜上に形成され、上記層間接続用開口内において上記バリア層を介して上記第１配線層に電気接続され、金層からなる最上層配線層としての第２配線層（１９）とを含むことを特徴とする半導体装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

上記の構成によれば、第１配線層上に層間接続用開口よりも広い領域に渡ってバリア層が形成されている。このバリア層は、層間絶縁膜上に形成されるのではなく、第１配線層と層間絶縁膜との間に形成されるので、層間絶縁膜に形成された層間接続用開口におけるカバレッジ不良の問題が生じることがなく、至るところで均一な膜厚を有するように良好に形成することができる。

よって、このような均一な膜厚のバリア層によって、第１配線層の材料と金層からなる第２配線層との間の材料の拡散を効果的に抑制または阻止することができる。
請求項２記載の発明は、上記層間絶縁膜と上記第２配線層との間に介在され、さらに上記層間接続用開口内において上記バリア層と上記第２配線層との間に介在されるように形成されており、上記第２配線層を上記層間絶縁膜およびバリア層に接着する導電性材料からなる接着層（２０）をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置である。

この構成によれば、導電性材料からなる接着層の働きにより、第２配線層は、バリア層に電気的に接続されるとともに、層間絶縁膜およびバリア層に対して良好に接着することになる。
請求項３記載の発明は、上記バリア層が窒化膜を有していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置である。

この場合に、バリア層は、窒化膜の単層であってもよいし、窒化膜と他の導電性材料膜との積層膜であってもよい。上記窒化膜としては、ＴｉＮおよびＴａＮを例示できる。
このほか、シリコンなどの導電性材料も上記バリア層として適用可能である。
また、上記第１配線層としては、アルミニウム配線（アルミニウム単体からなるもののほか、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｃｕ合金等のアルミニウム合金からなるものを含む。）を例示できる。

請求項４記載の発明は、上記バリア層を構成する窒化膜が、反射防止膜としての性質を有する膜であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置である。
この構成によれば、バリア層を構成する窒化膜を、第１配線層をパターニングするためのフォトリソグラフィ工程における露光時の反射防止膜として兼用できる。
一般に、半導体装置の製造装置には、反射防止膜を形成するための設備が備えられているから、このような反射防止膜の成膜設備をバリア層を構成する窒化膜の形成に流用することが可能であり、既存の生産設備を用いて本発明の半導体装置を製造することができる。

上記バリア層は、請求項５に記載のように、上記第１配線層と同じ形状に形成されており、少なくとも上記層間接続用開口領域の近傍において平面状に（すなわち、平坦に）形成されていることが好ましい。上記バリア層に含まれる窒化膜が、そのような形状に形成されていてもよい。
請求項６記載の発明は、上記バリア層が、２００Åないし１０００Å（好ましくは、５００Åないし１０００Å）の範囲の膜厚を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置である。

このような膜厚範囲の窒化膜は、熱処理プロセスにおいても、金層からなる第２配線層からの拡散を確実に阻止することができ、層間接続用開口の際のエッチングのときにも貫通したりすることがない。
一般に、反射防止膜を構成する窒化膜は、３００Å以下の膜厚に形成されるが、金の拡散を防止するためには、上記のような膜厚範囲の窒化膜を用いることが好ましい。

請求項７記載の発明は、半導体基板（１１）上に第１配線層（１４）を形成する工程と、この第１配線層を覆う層間絶縁膜（１６）を形成する工程と、この層間絶縁膜の所定位置に上記第１配線層を部分的に露出させる層間接続用開口（Ｈ）を形成する工程と、上記第１配線層の形成後、上記層間絶縁膜の形成前に、上記第１配線層上に、上記層間絶縁膜に形成される層間接続用開口領域を含むように定められ当該層間接続用開口領域よりも広い領域に渡るバリア層（３０）を形成する工程と、上記層間絶縁膜上に、上記層間接続用開口内において上記バリア層を介して上記第１配線層に電気接続されるように、金層からなる最上層配線層としての第２配線層（１９）を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

この方法によれば、第１配線層上の広い領域にバリア層が形成され、その上に層間絶縁膜が形成され、この層間絶縁膜に形成される層間接続用開口からバリア層が露出することになる。したがって、バリア層は、層間接続用開口付近のカバレッジの問題とは無関係であり、均一な膜厚に形成でき、金層からなる第２配線層に対して良好なバリア効果を発揮することができる。

請求項８記載の発明は、上記層間絶縁膜の形成後、上記第２配線層の形成前に、上記層間絶縁膜上および上記層間接続用開口内に、上記層間絶縁膜および上記開口内で露出する上記バリア層に接するように、上記第２配線層を上記層間絶縁膜およびバリア層に接着するための導電性材料からなる接着層（２０）を形成する工程をさらに含む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である。

この方法により、請求項２記載の構成の半導体装置を作製できる。
請求項９記載の発明は、上記第１配線層を形成する工程および上記バリア層を形成する工程は、上記第１配線層を構成する金属材料膜（１４０）を上記半導体基板上に形成する工程と、上記金属材料膜上に上記バリア層を形成する工程と、上記バリア層上に上記第１配線層に対応したパターンのレジストパターン膜（４０）を形成するレジストパターン膜形成工程と、このレジストパターン膜を共通のマスクとして上記金属材料膜およびバリア層をエッチングすることにより、上記第１配線層を形成し、この第１配線層を被覆するように上記バリア層をパターニングする工程とを含むことを特徴とする請求項７または８記載の半導体装置の製造方法である。

この方法によれば、第１配線層およびバリア層が共通のレジストパターン膜をマスクとしたエッチングによってパターニングされ、第１配線層全体を覆うバリア層が形成される。このようなバリア層は、均一な膜厚を有することができ、第２配線層に対して良好なバリア効果を有することができる。
請求項１０記載の発明は、上記レジストパターン膜形成工程は、上記バリア層を覆うようにレジスト膜（４０）を全面に形成する工程と、このレジスト膜を上記第１配線層に対応したパターンに露光する露光工程とを含み、上記バリア層を形成する工程は、上記露光工程において上記第１配線層からの反射光を遮光する反射防止機能を有する窒化物材料で上記バリア層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法である。

この方法によれば、第１配線層を覆うように形成される窒化膜を反射防止膜として兼用でき、これにより、レジストパターン膜を良好に形成することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、フィールド酸化膜１２が形成されたシリコン基板１１の上に、ポリシリコンからなる配線１５を有している。
フィールド酸化膜１２およびポリシリコン配線１５を覆うように層間絶縁膜１３が全面に形成されていて、この層間絶縁膜１３上に第１配線層としてのアルミニウム配線層１４が形成されている。このアルミニウム配線層１４の表面は、導電性の窒化膜としてのＴｉＮ（窒化チタン）膜３０（バリア層）で被覆されている。このＴｉＮ膜３０は、この実施形態では、アルミニウム配線層１４と同一パターンに形成されていて、このアルミニウム配線層１４の全面を被覆している。

ＴｉＮ膜３０およびおよび層間絶縁膜１３は、ＵＳＧ（非ドープケイ酸ガラス）層１６Ｕとその表層部の全面を覆うように形成された窒化シリコン膜１６Ｓとの積層膜からなる層間絶縁膜１６で全面が覆われている。すなわち、ＴｉＮ膜３０は、層間絶縁膜１６の下に形成されており、アルミニウム配線層１４と層間絶縁膜１６との間に介在されることになる。

層間絶縁膜１６上には、最上層配線層である第２配線層としての金配線層（金層で構成された配線層）１９が形成されている。この金配線層１９および層間絶縁膜１６は、ポリイミド樹脂膜１８によって全体が被覆されていて、このポリイミド樹脂膜１８の表面は平坦面となっている。
層間絶縁膜１６の所定位置には、層間絶縁膜１６の下層であるＴｉＮ膜３０の一部を露出させるコンタクト孔Ｈが形成されており、このコンタクト孔Ｈを介して、アルミニウム配線層１４と金配線層１９とのＴｉＮ膜３０を介する層間電気接続が達成されるようになっている。この場合、ＴｉＮ膜３０は、金配線層１９の材料金属である金の拡散を防止するバリア層としての機能を有することになる。このＴｉＮ膜３０は、コンタクト孔Ｈの領域を含み、このコンタクト孔Ｈの領域よりも広い領域に渡ってアルミニウム配線層１４上に平坦に（すなわち平面状に）形成されており、コンタクト孔Ｈにおけるカバレッジの問題とは無縁であるので、良好な膜厚均一性を有している。

金配線層１９とＴｉＮ膜３０との間、および金配線層１９と層間絶縁膜１６との間には、金配線層１９をＴｉＮ膜３０および層間絶縁膜１６に接着するための導電性の接着層として機能するＴｉＷ膜２０が介在されている。
このような構成により、当該装置の作製後のアロイ処理時において、当該装置が高温環境下に置かれた場合であっても、ＴｉＮ膜３０の働きによって、金配線層１９を構成する金がアルミニウム配線層１４側へと拡散することを効果的に防止できる。また、窒化膜の一種であるＴｉＮ膜３０は、耐腐食性の良好な膜であり、プレッシャー・クッカー・テスト時のような環境下においても良好な耐腐食性を示すことができる。

ＴｉＮ膜３０に良好なバリア効果を発揮させるとともに、コンタクト孔Ｈの形成のためのエッチング時に貫通しないようにするためには、このＴｉＮ膜３０の膜厚は、２００Å〜１０００Åとすることが好ましく、５００Å〜１０００Åとすることがさらに好ましい。
図２は、上記半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。まず、図２(a)に示すようにシリコン基板１１表面に素子分離膜１２を形成して素子領域を形成するとともに、この素子領域内にポリシリコン膜からなる配線１５を形成する。

次に、図２(b)に示すように、この上層にＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜１３を形成し、図示しないコンタクト孔を介してポリシリコン配線１５と接続するアルミニウム配線材料膜１４０を全面に形成し、さらに、その全面に膜厚５００Å〜１０００ÅのＴｉＮ膜３０を形成してアルミニウム配線材料膜１４０を被覆する。アルミニウム配線材料膜１４０およびＴｉＮ膜３０の形成は、スパッタ法によって行うことができる。たとえば、アルミニウム配線材料膜１４０をスパッタ法によって形成した後、基板を真空中に保持したままで、アルミニウム配線材料膜１４０上にＴｉＮ膜３０をスパッタ法によって形成するようにしてもよい。

さらに、図２(c)に示されているように、ＴｉＮ膜３０上にレジスト４０を塗布し、アルミニウム配線層１４のパターンに対応したマスク４１でレジスト４０を露光する。このとき、ＴｉＮ膜３０は、反射防止膜として機能し、アルミニウム配線材料膜１４０からの反射光を遮光し、反射光によるレジスト４０の不所望な露光を防止する。これにより、レジスト４０を良好に露光することができ、その後の現像工程を経て、所望のパターンにパターニングすることができる。

そして、図２(d)に示されているように、パターニングされたレジスト４０を共通のマスクとして、ＴｉＮ膜３０およびアルミニウム配線層１４が、エッチングによってパターニングされる。こうして、アルミニウム配線層１４の全面を覆い、このアルミニウム配線層１４と同パターンのＴｉＮ膜３０が得られる。
この後、図２(e)に示すように、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）等によりＵＳＧ（非ドープケイ酸ガラス）を堆積させることによりＵＳＧ層１６Ｕを形成し、更にこの上層にプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜１６Ｓを形成する。これにより、層間絶縁膜１６が形成される。この層間絶縁膜１６には、ドライエッチングによって、所定位置にコンタクト孔Ｈが形成される。シリコン基板１１上に形成される複数のコンタクト孔Ｈの大きさは、たとえば、３μｍ以下の径にそろえておくことが好ましく、これにより、基板１１の各部においてエッチングレートを均一化できるとともに、ＴｉＮ膜３０に対する窒化シリコン膜１６Ｓの選択比を大きくとることができる。

その後、図２(f)に拡大して示すように、たとえば、スパッタリング法により、全面にＴｉＷ膜２０が形成される。
次いで、図２(g)に示すように、金のシード層１９Ｓが全面に形成される。このシード層１９Ｓの形成は、上記ＴｉＷ膜２０の形成のための処理室内で、ターゲットをタンタルから金に切り換えて行う連続スパッタによって実行することもできる。

次に、シード層１９Ｓを覆うようにレジスト２４が全面に形成される。このレジスト２４には、金配線層１９に対応した開口２４ａが形成される。この状態で金の電解めっきを行うことによって、開口２４ａ内に金配線層１９が成長する。
その後、レジスト２４を剥離し、金配線層１９以外の部分のシード層１９ＳおよびＴｉＷ膜２０をエッチング除去するとともに、塗布法により、たとえば膜厚２μｍのポリイミド樹脂膜１８からなるパッシベーション膜を形成すると、図１の構成の半導体装置が得られる。

さらに、たとえば、ポリイミド樹脂膜１８において金配線層１９の上方の所定位置を開口して、金配線層１９と外部接続端子（図示せず）とをボンディングワイヤで接続したりしてもよい。
図３は、この発明の他の実施形態に係る半導体装置の構成を説明するための断面図である。この図３において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。

この実施形態では、ポリイミド樹脂膜１８に代えて、窒化シリコン膜２５によって、パッシベーション膜を形成している。すなわち、図２(g)の状態から、レジスト２４を剥離し、シード層１９ＳおよびＴｉＷ膜２０の不要部分をエッチング除去した後に、たとえば、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜２５を全面に形成することによって、図３の構成の半導体装置が得られる。

この構成では、緻密でパッシベーション効果の高い窒化シリコン膜２５を用いているので、耐腐食性をさらに向上できる。プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜２５を形成するとき、半導体装置は高温環境下に置かれることになるが、その場合でも、ＴｉＮ膜３０の働きにより、金配線層１９からアルミニウム配線層１４への金の拡散が生じることはない。

以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、図１の構成ではポリイミド樹脂膜１８をパッシベーション膜として用い、図３の構成では窒化シリコン膜２５をパッシベーション膜として適用しているが、これらがいずれも設けられていない構成、すなわち、パッシベーション膜のない構成としてもよい。この場合でも、表面に露出することになる金配線層１９は充分な耐腐食性を有しており、層間絶縁膜１６の表面もパッシベーション効果の高い窒化シリコン膜１６Ｓからなっていて、しかも、ＴｉＮ膜３０の耐腐食性も良好であるので、半導体装置は、全体として充分な耐腐食性を有することができる。

また、層間絶縁膜１３としては、ＢＰＳＧの他、たとえばＰＳＧ（リンをドーピングしたシリコン酸化膜）やＵＳＧ膜も適用可能である。
さらに、堆積したＵＳＧ層１６Ｕの上に、ＳＯＧ（Spin On Glass）法を用いて、厚肉を形成しやすいケイ素化合物からなる有機絶縁物（有機ＳＯＧ）で構成された有機ＳＯＧ層２６（図１および図３など参照）を塗布し、ＵＳＧ層１６Ｕの上面の凹部を埋めたのち、高密度プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜１６Ｓを形成するようにしてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 上記半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。 この発明の他の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１１ シリコン基板
１２ フィールド酸化膜
１３ 層間絶縁膜
１４ アルミニウム配線層
１５ ポリシリコン配線
１６ 層間絶縁膜
１６Ｓ 窒化シリコン膜
１６Ｕ ＵＳＧ層
１８ ポリイミド樹脂膜
１９ 金配線層
１９Ｓ シード層
２０ ＴｉＷ膜
２４ レジスト
２４ａ 開口
２５ 窒化シリコン膜
２６ 有機ＳＯＧ層
３０ ＴｉＮ膜
Ｈ コンタクト孔

Claims (10)

1. 半導体基板上に形成された第１配線層と、
   この第１配線層上に形成された層間絶縁膜と、
   上記第１配線層と上記層間絶縁膜との間に介在され、上記層間絶縁膜に形成された層間接続用開口領域を含み当該層間接続用開口領域よりも広い領域に渡って上記第１配線層上に形成されたバリア層と、
   上記層間絶縁膜上に形成され、上記層間接続用開口内において上記バリア層を介して上記第１配線層に電気接続され、金層からなる最上層配線層としての第２配線層とを含むことを特徴とする半導体装置。
2. 上記層間絶縁膜と上記第２配線層との間に介在され、さらに上記層間接続用開口内において上記バリア層と上記第２配線層との間に介在されるように形成されており、上記第２配線層を上記層間絶縁膜およびバリア層に接着する導電性材料からなる接着層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記バリア層が窒化膜を有していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 上記バリア層を構成する窒化膜が、反射防止膜としての性質を有する膜であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 上記バリア層は、上記第１配線層と同じ形状に形成されており、少なくとも上記層間接続用開口領域の近傍において平面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 上記バリア層が、２００Åないし１０００Åの範囲の膜厚を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 半導体基板上に第１配線層を形成する工程と、
   この第１配線層を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
   この層間絶縁膜の所定位置に上記第１配線層を部分的に露出させる層間接続用開口を形成する工程と、
   上記第１配線層の形成後、上記層間絶縁膜の形成前に、上記第１配線層上に、上記層間絶縁膜に形成される層間接続用開口領域を含むように定められ当該層間接続用開口領域よりも広い領域に渡るバリア層を形成する工程と、
   上記層間絶縁膜上に、上記層間接続用開口内において上記バリア層を介して上記第１配線層に電気接続されるように、金層からなる最上層配線層としての第２配線層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 上記層間絶縁膜の形成後、上記第２配線層の形成前に、上記層間絶縁膜上および上記層間接続用開口内に、上記層間絶縁膜および上記開口内で露出する上記バリア層に接するように、上記第２配線層を上記層間絶縁膜およびバリア層に接着するための導電性材料からなる接着層を形成する工程をさらに含む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。
9. 上記第１配線層を形成する工程および上記バリア層を形成する工程は、
   上記第１配線層を構成する金属材料膜を上記半導体基板上に形成する工程と、
   上記金属材料膜上に上記バリア層を形成する工程と、
   上記バリア層上に上記第１配線層に対応したパターンのレジストパターン膜を形成するレジストパターン膜形成工程と、
   このレジストパターン膜を共通のマスクとして上記金属材料膜およびバリア層をエッチングすることにより、上記第１配線層を形成し、この第１配線層を被覆するように上記バリア層をパターニングする工程とを含むことを特徴とする請求項７または８記載の半導体装置の製造方法。
10. 上記レジストパターン膜形成工程は、
    上記バリア層を覆うようにレジスト膜を全面に形成する工程と、
    このレジスト膜を上記第１配線層に対応したパターンに露光する露光工程とを含み、
    上記バリア層を形成する工程は、上記露光工程において上記第１配線層からの反射光を遮光する反射防止機能を有する窒化物材料で上記バリア層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。

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