JP2009071342A

JP2009071342A - 半導体装置

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Publication number: JP2009071342A
Application number: JP2009002891A
Authority: JP
Inventors: Mitsuji Nunokawa; 満次布川; Yutaka Sato; 佐藤　　裕; Shinko Nishi; 眞弘西
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP4783833B2

Abstract

【課題】２つの金属層の間でバリア層として用いられる窒素含有層による金属拡散防止機能を高くするとともに、それらの金属層と窒素含有層との密着機能を高くする。
【解決手段】第１の金属膜２と、第１の金属膜２の上に形成され、窒素濃度が第１の金属膜２から離れるほど低くなっている窒素濃度が異なる３層のＴｉＷＮ層５ａ〜５ｃよりなる第１のバリア膜５と、第１のバリア膜５の上に形成された第２の金属膜６と、第２の金属膜６の上に形成され、窒素濃度が第２の金属膜６から離れるほど低くなっている窒素濃度が異なる４層のＴｉＷＮ層１１ａ〜１１ｄよりなる第２のバリア膜１１と、第２のバリア膜１１の上に形成され、半田と接続するバンプ電極１３とを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体装置に関し、より詳しくは、電極、配線、バンプ電極をそれぞれ互いに接続する構造を有する半導体装置に関する。

近年、携帯電話や衛星通信の普及に伴って、化合物半導体装置はさらに高性能化が要求されているため、化合物半導体素子を集積化したＭＭＩＣ (microwavemonolithic integrated circuit)を使用することが一般的となっている。また、ＭＭＩＣの実装についてもフリップチップボンディング等が用いられることが盛んになり、その接続電極としてバンプが多く使われるようになってきている。

ＭＭＩＣの内部回路に用いられるＦＥＴにはゲート電極に例えばアルミニウムを用い、そのゲート電極に接続される配線には金又は金合金の材料が用いられており、さらに、その配線に接続されるバンプ電極には金が用いられている。通常、金とアルミニウムは互いに反応してパープルプレグ(purple plague) と呼ばれる紫色の脆い金アルミニウム合金からなる高抵抗層が形成されることが知られており、そのパープルプレグの発生を防止するためにアルミニウム電極と金配線層の間にはその反応を抑制する材料が介在されている。

さらに、ＭＭＩＣのバンプについても実装基板側の半田材料がバンプ電極を介して配線金属に拡散することがあり、その拡散を防止する目的でバンプ電極と金配線の間に拡散防止層を挟む構造が主流となっている。

反応防止或いは拡散防止層（以下、バリア層という。）の材料については現在のところチタン窒素化合物或いはタングステン窒素化合物のような窒素含有層が多く用いられている。しかし、窒素含有層は表面が酸化されやすく、その上にスパッタ等で形成される金又は金合金との密着性が悪く、金又は金合金に剥がれや切断が起き易くなる。そこで、バリア層と電極の間、バリア層とバンプ電極の間にはそれぞれ密着を向上するための金属、例えばチタンが形成される。

次に、従来の配線接続を図１に基づいて説明する。

図１において、GaAs基板１０１の上にはアルミニウムよりなるゲート電極１０２が形成され、そのゲート電極１０２は層間絶縁膜１０３によって覆われている。また、層間絶縁膜１０３のうちゲート電極１０２の上にはホール１０４が形成されている。また、層間絶縁膜１０３の上には、ホール１０４を通してゲート電極１０２に接続される配線１０５が形成されている。その配線１０５は、下から順にチタン(Ti)層１０５ａ、窒化チタンタングステン(TiWN)層１０５ｂ、チタン層１０５ｃ、金(Au)層１０５ｄが形成された多層構造となっている。

その配線１０５のパターンは、レジストパターンを用いて多層構造の層をエッチングすることによって形成される。

そのような多層構造の層において、TiWN層１０５ｂはバリア層として機能し、上側のTi層１０５ｃはTiWN層１０５ｂと金層１０５ｄの間の密着性を向上するために使用される。

なお、Ti層１０５ａ，１０５ｃは、チタンをターゲットとしたスパッタにより形成される。また、TiWN層１０５ｂは、アルゴンと窒素ガスを導入した雰囲気中でチタンタングステン(TiW )をターゲットとしてスパッタにより形成される。さらに、金層１０５ｄは、金をターゲットとしたスパッタにより形成される。

次に、従来のバンプ電極を図２を参照して説明する。

図２において、GaAs基板１０１を覆う層間絶縁膜１０３の上には金の配線１０６が形成され、その配線１０６は保護絶縁膜１０７により覆われている。また、保護絶縁膜１０７には、配線１０６の一部を露出するホール１０８が形成され、そのホール１０８の上には、金よりなるバンプ１０９がTiWNよりなるバリア層１１０を介して形成されている。そのバリア層１１０の上下にはチタン層１１１ａ、１１１ｂが形成されている。

なお、バリア層１１０、チタン層１１１ａ、１１１ｂはそれぞれスパッタにより形成され、また、バンプ１０９はメッキにより形成されている。

なお、上記した配線及びバンプ電極のチタン層、TiWN層、金層のスパッタのシーケンスと成膜条件の一例を示すと表１のようになる。

ところで、バリア層となるTiWN層の組成を調整して半田材料の拡散防止機能を高めると、その表面が酸化されやすくなるので、そのTiWN層と金層の間に介在されるTi層の還元効果を阻害し、Ti層がTiWN層から剥がれ易くなる。

これに対して、TiWN層から金層が剥がれないようにTiWN層の組成を調整すると、TiWN層を通して半田材料がその下の配線や電極に拡散するために配線や電極の抵抗が高くなるといった問題が生じる。

また、バリア層の上に形成されるチタン層を厚くするとチタン層のパターニング後にエッチング残渣が生じやすく、また、５０Å程度まで薄くすると充分な強度が得られなくなる。

本発明の目的は、２つの金属層の間でバリア層として用いられる窒素含有層による金属拡散防止機能を高くするとともに、それらの金属層と窒素含有層との密着機能を高くすることができる半導体装置を提供することにある。

上記した課題は、図３〜図８に例示するように、半導体基板の上に形成された第１の金属膜と、前記第１の金属膜の上に形成され、前記第１の金属膜の一部が露出する第１のホールを有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上及び前記第１のホールの内面に沿って形成され、且つ窒素濃度が前記第１の金属膜から離れるほど低くなっている窒素濃度が異なる複数のチタンタングステンナイトライド層よりなる第１のバリア膜と、前記第１のバリア膜の上に形成された第２の金属膜と、前記第１の絶縁膜の上に形成され、前記第１のバリア膜及び前記第２の金属膜の一部を覆い、且つ前記第２の金属膜の残りの部分が露出する第２のホールを有する第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜の上及び前記第２のホールの内面に沿って形成され、且つ窒素濃度が前記第２の金属膜から離れるほど低くなっている窒素濃度が異なる複数のチタンタングステンナイトライド層よりなる第２のバリア膜と、前記第２のバリア膜の上に形成され、半田と接続するバンプ電極とを有し、前記第２のバリア層を構成するチタンタングステンナイトライド層の層数は４であり、前記第１のバリア膜を構成するチタンタングステンナイトライド層の層数である３よりも多いことを特徴とする半導体装置によって解決される。

その半導体装置において、前記第１の金属膜はアルミニウム又は金から構成されたゲート電極又は配線であり、且つ、前記第２の金属膜は金、アルミニウム、銅又は金含有の配線であってもよい。

上記した半導体装置において、前記第１及び第２のバリア膜の前記窒素濃度は、階段状に又は連続的に膜厚方向に変化する構造であってもよい。

次に、本発明の作用について説明する。

本発明によれば、上側と下側の金属膜の間に形成されるバリア膜として窒素含有膜を使用するとともに、そのバリア膜のうち下側の金属膜に近い部分ではその窒素濃度を高くするとともに、上側の金属膜に近い部分ではその窒素濃度を低くするようにしている。

窒素濃度が高い窒素含有膜は、上側と下側の金属膜の間で金属の相互拡散を抑制する機能が高くなるために、上側の金属膜に拡散された例えば半田が下側の金属膜にさらに拡散してその抵抗を上昇させることが防止される。

また、窒素濃度が低い窒素含有膜は、緻密性と耐酸化特性が優れているので、この窒素含有膜と上側の金属膜との密着性がよくなって上側の金属膜が剥がれ難くなる。

そのような窒素濃度の高低は、真空雰囲気中で窒素含有膜を形成する際の窒素分圧を調整することによって容易に変えることができる。

以上述べたように本発明によれば、上側と下側の金属膜の間に形成されるバリア膜として窒素含有膜を使用するとともに、そのバリア膜の下側の金属膜に近い部分ではその窒素濃度を高くするとともに、上側の金属膜に近い部分ではその窒素濃度を低くするようにしたので、バリア膜のうち窒素濃度の高い下部で上側の金属膜からの金属の拡散を防止するとともに、バリア膜のうち窒素濃度の低い上面で緻密性且つ耐酸化性を良くすることによって上側の金属膜との密着性を向上させて膜の剥がれを防止できる。

図１は、第１の従来技術を示す半導体装置の断面図である。図２は、第２の従来技術を示す半導体装置の断面図である。図３(a) 〜図３(d) は、本発明の一実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。図４(a) 〜図４(c) は、本発明の一実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。図５(a) 〜図５(c) は、本発明の一実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。図６(a) 〜図６(c) は、本発明の一実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図（その４）である。図７は、本発明の一実施形態の半導体装置の配線を形成する際のアルゴン分圧に対する窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化の第１例を示す図である。図８は、本発明の一実施形態の半導体装置のバンプ電極の下のバリア膜を形成する際のアルゴン分圧に対する窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化の第１例を示す図である。図９は、本発明の一実施形態の半導体装置のバリア膜を窒素分圧２０％として形成した場合のそのバリア膜のバリア能力の評価を示す元素分布図である。図１０は、本発明の一実施形態の半導体装置のバリア膜を窒素分圧４０％として形成した場合のそのバリア膜のバリア能力の評価を示す元素分布図である。図１１は、本発明の一実施形態の半導体装置のバリア膜を窒素分圧６０％として形成した場合のそのバリア膜のバリア能力の評価を示す元素分布図である。図１２は、スパッタのパワーと窒素分圧を変えて形成された複数のTiWN膜について、酸化による比抵抗変化率を示す図である。図１３は、本発明の一実施形態の半導体装置の配線を形成する際のアルゴン分圧に対する窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化の第２例を示す図である。図１４は、本発明の一実施形態の半導体装置のバンプ電極の下のバリア膜を形成する際のアルゴン分圧に対する窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化の第２位例を示す図である。

そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図３〜図６は、本発明の実施形態を示す半導体装置の形成工程を示す断面図である。図７は、配線を構成する金属膜をスパッタにより形成する際の窒素ガスの分圧の時間的変化とパワーの時間的変化の一例を示す図であり、図８は、バンプ電極と配線の間に形成される金属膜をスパッタにより形成する際の窒素ガスの分圧の時間的変化とパワーの時間的変化の一例を示す図である。

まず、図３(a) に示すように、GaAs基板（半導体基板）１の上に、アルミニウムの単層又はタングステンと金の二層よりなるゲート電極２を形成する。図３(a) に示すゲート電極２は、チャネル領域から離れた領域の断面を示している。

続いて、ゲート電極２を覆うSiO₂よりなる層間絶縁膜３をGaAs基板１の上に形成する。さらに、その層間絶縁膜３をフォトリソグラフィー法によってパターニングしてゲート電極２の一部を露出させるホール３ａを形成する。

次に、表２の（Ａ）の処理条件に示すように、GaAs基板１を前処理装置に入れてアルゴンガスを含む真空雰囲気中に置く。その前処理装置として、例えば高周波（ＲＦ）スパッタエッチング装置を用いる。

GaAs基板１を前処理装置に入れて３０秒間経過した後に、スパッタのパワーを２５〜１００Ｗに上げることにより、ホール３ａから露出しているゲート電極２の上面を１〜５分間、清浄化する。そのパワーの印加を停止して５秒経過後にGaAs基板を取り出し、第１のスパッタ成膜装置に移す。

そして、表２の（Ｂ）の条件に示すように、第１のスパッタ成膜装置のアルゴンガス雰囲気中にGaAs基板１を入れて３０秒経過した後、チタンのターゲットに０．５〜１ｋＷのパワーを３０〜１２０秒間印加することによって図３(b) に示すようにチタン膜４を層間絶縁膜３の上に形成する。そのチタン膜４は、層間絶縁膜３の上とホール３ａの内面に沿って膜厚１０〜１００Åの膜厚に形成される。

そして、第１のスパッタ成膜装置でのパワーの供給を停止して５秒間経過した後に、GaAs基板１を第１のスパッタ装置から取り出して第２のスパッタ成膜装置に移動する。

第２のスパッタ成膜装置は、アルゴンガスと窒素ガスが供給される真空チャンバ内でチタンタングステン(TiW) のターゲットにパワーを印加することにより、基板上にチタンタングステンナイトライド（TiWN）膜を形成するような構造を有している。

そして、表２の（Ｃ）の条件に示すように、第２のスパッタ装置の真空チャンバ内にGaAs基板１を入れた後に、アルゴンガスと窒素ガスにより真空チャンバ内のガスを３０秒間パージする。続いて、TiW のターゲットにパワーを印加することにより、図３(c) に示すように、チタン膜４の上にバリア膜５を形成する。そのバリアN 膜５は、以下のような条件により第１〜第３のTiWN層５ａ〜５c よりなる三層構造膜から形成される。

第１のTiWN層５ａを形成する際にはアルゴンガスと窒素ガスの分圧をそれぞれ２０〜４０mTorr 、２０〜６０mTorr とし、第２のTiWN層５ｂを形成する際にはアルゴンガスと窒素ガスの分圧をそれぞれ２０〜７０mTorr 、２０〜３０mTorrとし、第３のTiWN層５ｃを形成する際にはアルゴンガスと窒素ガスの分圧をそれぞれ２０〜９０mTorr 、５〜１０mTorr とする。また、第１のTiWN層５ａを形成する際にはターゲットに印加するパワーを１〜１．５kWとし、第２のTiWN層５ｂを形成する際にはそのパワーを１〜１．3kW とし、第３のTiWN層５ｃを形成する際にはそのパワーを１〜１．２kWとなるように調整する。

そのように、第１〜第３のTiWN層５ａ〜５ｃの形成条件を変えることにより、第２のTiWN層５ｂの窒素濃度を第１のTiWN層５ａの窒素濃度よりも低くし、第３のTiWN層５ｃの窒素濃度を第２のTiWN層５ｂのそれよりも低くする。

これにより、バリア膜５内では、チタン膜４から離れるにつれて窒素濃度が段階的に低くなるような分布となる。

以上のような条件でバリア膜５を形成した後に、パワーの印加を停止してGaAs基板１とターゲットの間でのプラズマの発生を停止する。そして、プラズマ停止から５秒経過した後に、GaAs基板１を第２のスパッタ成膜装置から第３のスパッタ成膜装置に搬送する。第３のスパッタ成膜装置は、真空チャンバ内にアルゴンガスを流し、金のターゲットに対向させてGaAs基板１を置くような構造となっている。そして、表２の（Ｄ）に示す条件に従って、アルゴンガスを導入している真空チャンバ内にGaAs基板１を置いて３０秒経過した後に、その真空チャンバ内で金のターゲットにパワーを３０〜１２０秒間印加して、図３(d) に示すようにバリア膜５の上に金（Au）膜６を５００〜２０００Åの厚さに形成する。なお、金膜６は、メッキ法により形成されてもよい。

金膜６が所定の厚さに達した時点でターゲットへのパワーの印加を停止し、さらに５秒経過後にGaAs基板１を大気中に搬出する。

なお、チタン膜４、第１〜第３のTiWN膜５ａ〜５ｃ及び金膜６を形成する場合のアルゴン分圧に対する窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化は、例えば図７のように設定される。

以上のようなチタン膜４、バリア膜５及び金膜６を形成した後に、金膜６の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより図４(a) に示すようなホール３ａの上を通る配線形状のレジストパターン７を形成する。

続いて、レジストパターン７に覆われない領域の金膜６からチタン膜４までをスパッタエッチング法により除去することにより、金膜６よりなる配線８を形成する。その配線８は、図４(b) に示すように、チタン膜４、バリア膜５を介してゲート電極に接続される。なお、チタン膜４及びバリア膜５は、配線８の一部に適用する。

なお、第１〜第３のスパッタ成膜装置として、例えばＤＣスパッタ装置を使用する。

その後に、図４(c) に示すように、配線８を覆う保護絶縁膜９を層間絶縁膜３の上に形成する。その保護絶縁膜９の材料として、例えばＣＶＤ法により形成した二酸化シリコン（SiO₂）を適用する。

続いて、フォトリソグラフィー法により配線８の一部を露出するホール９ａを保護絶縁膜９に形成する。

次に、表３の（Ａ）の処理条件に示すように、上記した前処理装置にGaAs基板１を入れてアルゴンガスを含む真空雰囲気中に置く。

GaAs基板１を前処理装置に入れて３０秒間経過した後に、スパッタのパワーを２５〜１００Ｗに設定して１〜５分間かけることにより、ホール９ａから露出している配線８の上面を清浄化する。そのパワーの印加を停止して５秒経過後にGaAs基板１を上記した第１のスパッタ成膜装置に移す。

そして、表３の（Ｂ）の条件に示すように、第１のスパッタ成膜装置のアルゴンガス雰囲気中にGaAs基板１を入れて３０秒経過した後に、チタンターゲットに１〜１．５ｋＷのパワーを３０〜１２０秒間印加することによって図５(a) に示すようにチタン（Ti）膜１０を保護絶縁膜９の上に形成する。そのチタン膜１０は、保護絶縁膜９の上とホール９ａの内面に沿って膜厚１０〜１００Åの厚さに形成される。

そして、第１のスパッタ成膜装置でのパワーの供給を停止して５秒間経過した後に、GaAs基板１を第１のスパッタ成膜装置から上記した第２のスパッタ成膜装置に移す。

それから、表３の（Ｃ）に示すように、第２のスパッタ成膜装置の真空チャンバ内にGaAs基板１を入れた後に、その真空チャンバ内のガスをアルゴンガスと窒素ガスにより３０秒間でパージする。

続いて、窒素とアルゴンが導入されている真空チャンバ内でTiW のターゲットにパワーを印加することにより、図５(b) に示すように、チタン膜１０の上にバリア膜１１を形成する。そのバリア膜１１は、次のような条件によって第１〜第４のチタンタングステンナイトライド（TiWN）膜１１ａ〜１１ｄの四層構造膜から形成される。

第１のTiWN層１１ａを形成する際にはアルゴンガスと窒素ガスの分圧をそれぞれ２０〜４０mTorr 、２０〜６０mTorr とし、第２のTiWN層１１ｂを形成する際にはアルゴンガスと窒素ガスの分圧をそれぞれ２０〜７０mTorr 、２０〜３０mTorr とし、第３のTiWN層１１ｃを形成する際にはアルゴンガスと窒素ガスの分圧をそれぞれ２０〜８０mTorr 、５〜２０mTorr とし、第４のTiWN層１１ｄを形成する際にはアルゴンガスと窒素ガスの分圧をそれぞれ２０〜９０mTorr 、５〜１０mTorr とする。また、第１及び第２のTiWN層１１ａ，１１ｂを形成する際にはターゲットに印加するパワーを１〜１．５kWとし、第３のTiWN層１１ｃを形成する際にはそのパワーを１〜１．４kWとし、第４のTiWN層１１ｄを形成する際にはそのパワーを１〜１．４kWとなるように調整する。

そのように、第１〜第４のTiWN層１１ａ〜１１ｄの形成条件を順に変えることにより、バリア膜１１内の窒素濃度をチタン膜１０から離れるにつれて段階的に低くなる分布にする。

そのような条件により第１〜第４のTiWN層１１ａ〜１１ｄを形成した後に、パワーの印加を停止してGaAs基板１を大気中に搬出する。

そのように、第１〜第４のTiWN層１１ａ〜１１ｄの形成条件を変えることにより、第１のTiWN層１１ａから第４のTiWN層１１ｄにかけて窒素濃度が段階的に少なくなる。即ち、窒素含有材料よりなるバリア膜１１は、チタン膜１０から離れるにつれて窒素濃度が少なくなるような分布となっている。

そのような条件により第１〜第４のTiWN層１１ａ〜１１ｄを形成した後に、GaAs基板１とターゲットの間でのプラズマの発生を停止する。

そして、プラズマ停止から５秒経過した後に、GaAs基板１を第２のスパッタ装置から大気中に取り出す。なお、Ti膜１０、第１〜第４のTiWN層１１ａ〜１１ｄを形成する場合のアルゴン分圧に対する窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化の一例を示すと図８のようになる。

次に、図５(c) に示すように、バリア膜１１の上にフォトレジスト１２を塗布し、これを露光、現像して保護絶縁膜９のホール９ａの上に直径４０〜５０μｍのバンプ形成用の窓１２ａを形成する。続いて、図６(a) に示すように、保護絶縁膜１２上のTi膜１０、バリア膜１１を電極に使用して電解メッキ法によってフォトレジスト１２の窓１２ａの中に金（Au）膜を形成し、これをバンプ電極１３として使用する。

それからフォトレジスト１２を溶剤によって除去した後に、バンプ電極１３をマスクに使用してバリア膜１１、チタン膜１０をエッチングしてバンプ電極１３の下のみに残存させる。従って、バンプ電極１３の厚みは、チタン膜１０、バリア膜１１のエッチング後に５００〜２０００Åの厚さで残るように初期の厚さを調整する必要がある。

以上によって、ゲート電極２の上に金膜６を形成し、配線８の上に金よりなるバンプ電極１３を形成する工程が終了する。

上記した実施形態において、ゲート電極２と配線８の間に形成されたバリア膜５のうち、金膜６と接する第３のTiWN層５ｃの窒素濃度を低くすると、その第３のTiWN層５ｃの緻密性が上がり酸化を抑制するようになる。これにより第３のTiWN層５ｃは、金膜６との密着性が向上して金膜６の剥がれやストレスによる断線が発生しなくなる。

バリア膜５のうちTi膜４に接する第１のTiWN層５ａの窒素濃度を大きくすると、配線８内に錫（Sn）などが混入したとしても、その第１のTiWN層５ａは配線８内の錫をさらにその下のゲート電極２へ拡散することを阻止し、ゲート電極２への錫の混入を防止してゲート電極２とGaAs基板１とのショットキー接続の劣化が生じることを防止する。

また、配線８を構成するAu膜６とAuよりなるバンプ電極１３の間には、Ti膜１０と四層構造のTiWNよりなるバリア膜１１を介在させている。しかも、バリア膜１１のうちバンプ電極１３に接触する第４のTiWN層１１ｄの窒素濃度が最も小さく、その第４のTiWN層１１ｄは酸化されにくい程度に緻密であって酸化が抑制されるので、バンプ電極１３を構成するAu膜との密着性が良い。例えば、上記した条件で形成されたバンプ電極１３の引っ張り強度試験の結果において平均して２０ｇ以上の強度が得られることが確認された。

さらに、バンプ電極１３が外部の実装基板（不図示）側の錫半田と３００℃程度で溶融されると金錫合金が生成されるが、その錫は、窒素濃度の低い第４のTiWN層１１ｄ内を拡散したとしても、窒素濃度の高い第１〜第３のTiWN層１１ａ〜１１ｃのいずれかによって錫の拡散が抑制されるので、錫の配線８への拡散が阻止される。この結果、バンプ電極１３を通して錫が配線８に拡散しにくくなってその配線８の抵抗値の上昇が防止される。なお、錫の拡散を十分に防止するためには、第１〜第３のTiWN層１１ａ〜１１ｃのいずれかをスパッタ法により形成する際に窒素分圧をアルゴン分圧の６０％以上にすることが好ましい。

なお、上記したようなバンプ電極１３の下と配線８の下に存在する２つのTi膜４、１０は、それぞれゲート電極２と配線８への窒素の拡散を防止するために形成されたものである。ところで、上記したように窒素濃度の相違によってTiWN層内で錫の拡散が防止されたりされなかったり、或いはその窒素濃度の相違によってTiWN膜表面が酸化されやすかったりされ難くなることは、以下の実験から明らかになったことである。

まず、TiWN膜の窒素濃度を高くすると錫の拡散が抑制されることを図９〜図１１に基づいて説明する。

図９〜図１１は、窒素濃度が異なるチタンタングステンナイトライド（TiWN）膜の上にそれぞれ錫（Sn）膜を形成し、それらを３００℃で加熱してTiWN膜内での錫の拡散分布を分析した結果を示している。そのTiWN膜は、チタンタングステンからなるターゲットとアルゴンガスと窒素ガスを使用してスパッタ法によって基板上に形成されている。

図９は、アルゴンの分圧に対する窒素（N₂）の分圧を２０％にしてTiWN膜が形成された試料の加熱後の金、錫、窒化チタンの分布を示している。また、図１０は、アルゴンの分圧に対する窒素の分圧を４０％にしてTiWN膜が形成された試料の加熱後の金、錫、窒化チタンの分布を示している。さらに、図１１は、アルゴンに対する窒素の分圧を６０％にしてTiWN膜が形成された試料の加熱後の金、錫、窒化チタンの分布を示している。

図９〜図１１を比較すると、TiWN膜を形成する際の窒素の分圧が大きいほど錫の拡散に対する遮蔽効果が高くなることがわかる。なお、図９〜図１１ではタングステン濃度分布は省略されている。

そのような窒素の分圧の相違は、また、TiWN膜の緻密性をも左右することが図１２に示す実験によって明らかになった。

図１２は、スパッタのパワーと窒素分圧を変えて形成されたTiWN膜のそれぞれについて、酸化による比抵抗変化率を調査した結果を示すものである。即ち、バイアススパッタのパワーが２．５kWと高い場合には、窒素分圧を下げるに従って酸化後のTiWN膜の比抵抗変化率が小さくなる。これに対して、バイアススパッタのパワーが０．５kWと低い場合には、酸化後のTiWN膜の比抵抗変化率は窒素分圧の変化に影響されないことがわかる。

その酸化は、膜の温度を２５０℃に保持しながら酸素雰囲気に２４時間放置する条件で行われている。また、図１２の比抵抗変化率は、酸化後のTiWN膜の比抵抗値を成膜直後のTiWN膜の比抵抗値で割った値である。そのような実験結果によれば、窒素分圧を低くしてバイアススパッタのパワーを１．０kW以上に設定することによって形成されたTiWN膜は酸化されにくく、緻密性が高くなることがわかる。

これに対して、緻密性の悪いTiWN膜は、その表面が酸化されやすく、その上の金属膜との密着性が悪くなって膜剥がれを生じさせやすい。

従って、本実施形態では、バリア膜を構成するTiWN膜の最上部を形成する際に上記したように窒素分圧を下げてその最上部表面の酸化を防止するようにしたので、そのTiWN膜の上に形成される金膜との密着性が高くなる。したがって、図３〜図６に示した配線８やバンプ電極１３の形成工程では、密着性改善のためのチタンをTiWN膜５ｃ、１１ｄと金膜６、１３の間に形成することが省かれている。

なお、スパッタ装置のうちには、窒素分圧を下げると実効的パワーが上昇するものもあるので、必ずしも圧力を下げると同時に外部から供給する電力パワーを上げなくてもよく、或いは電力パワーを下げた方がよい場合がある。

ところで、上記した実施形態では配線８をゲート電極に接続する構造について説明しているが、ゲート電極の代わりに金、アルミニウム又はそれらの合金からなる別の配線であっても同様な効果が得られる。さらに、配線は金の他にアルミニウム、銅から構成されるものであってもよい。

また、上記した実施形態では、上と下の配線の間、又は配線とバンプ電極の間に相互拡散防止と膜剥がれ防止のためにバリア膜を形成し、そのバリア膜としてTiWN膜を適用した。しかし、バリア膜として、窒化チタン(TiN）、窒化タングステン(WN)、タングステンシリコンナイトライド(WSiN ）、窒化タンタル(TaN) 、その他の窒素含有金属を用いてもよい。これらの材料でも、上記したように窒素濃度を変化させる。

さらに、上記した実施形態では、バンプ電極と実装基板の電極との接続のための半田として錫を用いているが、金錫(AuSn)、パラジウム(Pb)、錫パラジウム(SnPb)等を用いてもよい。ところで、上記した実施形態では、窒素含有金属膜を形成する際に、窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化は図７，図８に示したように階段状にしているが、窒素分圧の変化とスパッタのパワーの変化は図１３、図１４に示すように連続的、線形状であっても上記したと同様な作用効果は失われない。

１…GaAs基板（半導体基板）、２…ゲート電極、３…層間絶縁膜、４…チタン膜、５…チタンタングステンナイトライド(TiWN)膜、５ａ〜５ｃ…TiWN層、６…金膜、７…レジストパターン、８…配線、９…保護絶縁膜、１０…チタン膜、１１…TiWN膜、１１ａ〜１１ｄ…TiWN層、１２…フォトレジスト、１３…金膜（バンプ電極）。

Claims

半導体基板の上に形成された第１の金属膜と、
前記第１の金属膜の上に形成され、前記第１の金属膜の一部が露出する第１のホールを有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上及び前記第１のホールの内面に沿って形成され、且つ窒素濃度が前記第１の金属膜から離れるほど低くなっている窒素濃度が異なる複数のチタンタングステンナイトライド層よりなる第１のバリア膜と、
前記第１のバリア膜の上に形成された第２の金属膜と、
前記第１の絶縁膜の上に形成され、前記第１のバリア膜及び前記第２の金属膜の一部を覆い、且つ前記第２の金属膜の残りの部分が露出する第２のホールを有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上及び前記第２のホールの内面に沿って形成され、且つ窒素濃度が前記第２の金属膜から離れるほど低くなっている窒素濃度が異なる複数のチタンタングステンナイトライド層よりなる第２のバリア膜と、
前記第２のバリア膜の上に形成され、半田と接続するバンプ電極とを有し、
前記第２のバリア層を構成するチタンタングステンナイトライド層の層数は４であり、前記第１のバリア膜を構成するチタンタングステンナイトライド層の層数である３よりも多いことを特徴とする半導体装置。
前記第１の金属膜はアルミニウム又は金から構成されたゲート電極又は配線であり、且つ、前記第２の金属膜は金、アルミニウム、銅又は金含有の配線であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１及び第２のバリア膜の前記窒素濃度は、階段状に又は連続的に膜厚方向に変化していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。