JP2924450B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
高周波電流を用いる半導体装置の配線に関する。
【０００２】
【従来の技術】２層の配線を有する半導体装置の断面図
である図６を参照すると、従来の半導体装置は、Ｎ+ 拡
散層２０２を有するＰ型シリコン基板２０１上にはこの
Ｎ+ 拡散層２０２に対して選択的にコンタクトホール２
０４が設けられた絶縁膜２０３を有し、少なくともこの
コンタクトホール２０４を含む絶縁膜２０３上には下か
ら順にチタン・タングステン２０５ａ，白金２１５，お
よび主要配線材料である金２０７からなる第１層の配線
を有し、この第１層の配線に対して選択にスルーホール
２１４が設けられた層間絶縁膜２０６を有し、少なくと
もこのスルーホール２１４を含む層間絶縁膜２０６上に
は底面がチタン・タングステン２０５ｂ，上面が主要配
線材料である金２１７からなる第２層の配線を有し、表
面保護膜である絶縁膜２１３を有している。３層以上の
配線を有する半導体装置では、第２層の配線に対するス
ルーホール，第３層の配線，等が繰り返されてなる。
【０００３】ここで、主要配線材料である金２０７，２
１７の代りに、アルミニウムあるいはアルミニウム合金
等を用いることもある。絶縁膜２０３としては、ＣＶＤ
法あるいはプラズマＣＶＤ法によるシリコン酸化膜がよ
く用いられる。層間絶縁膜２０６としては、プラズマＣ
ＶＤ法によるシリコン酸化膜等の無機系の絶縁膜，有機
系もしくは無機系の塗布膜，あるいはこれらの複合膜が
用いられる。さらに、表面保護膜である絶縁膜２１３と
しては、ポリイミド等の有機系塗布膜がよく用いられ
る。なお、配線の主要材料からなる部分は、表面付近も
内部も同一金属でできている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来の配線構造
を有する半導体装置は、配線の表面付近も内部も同一金
属で構成されている。このため、この半導体装置を高周
波数で動作させるとき、配線を流れる高周波電流が、表
皮効果により配線の表面付近に集中して流れ、配線内部
の電流は小さくなり、見掛け上の配線の断面積が減少
し、配線抵抗が高くなり、高速動作に適さないという問
題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
絶縁膜により覆われた配線を有し、上記絶縁膜が第１，
第２および第３の絶縁膜からなり、上記配線は上記第１
の絶縁膜を介して半導体基板上に設けられ、この配線の
底面がこの第１の絶縁膜の上面に直接に接触し、上記第
２の絶縁膜は、平坦な上面を有し、上記第１の絶縁膜の
上面を直接に覆いこの該第１の絶縁膜に達する溝を有
し、上記配線は前記溝に埋め込まれ、この溝の側面とこ
の配線との直接の接触は第２の金属によりなされ、上記
第３の絶縁膜が、上記第２の絶縁膜の上面と上記配線の
上面とを直接に覆い、上記配線が絶縁材料からなる芯と
この芯の周囲を取り囲む導電体材料とからなり、上記芯
の周囲を取り囲む上記導電体材料が第１の部分と第２の
部分とから構成され、上記配線の底面が上記第１の部分
からなり、この配線の側面がこの第１の部分および上記
第２の部分からなり、この上面がこの第２の部分からな
り、上記第１の部分は積層構造をなし、この第１の部分
の上層は上記芯の底面に直接に接触する第１の金属から
なり、この第１の部分の下層はチタンを含む第２の金属
からなり、上記第２の部分は第１の金属のみからなり、
上記芯の上面および側面はこの第２の部分により直接に
覆われ、上記第１の部分と上記第２の部分との直接の接
触がそれぞれの部分に属する上記第１の金属によりなさ
れることを特徴とする。好ましくは、上記第１の金属が
金であり、上記第２の金属がチタン・タングステンであ
り、上記芯がポリイミドからなる。さらに好ましくは、
上記第１の部分は白金からなる中間層を有する。
【０００６】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
【０００７】２層の配線を有する半導体装置の断面図で
ある図１を参照すると、本発明の一実施例は、Ｎ+ 拡散
層１０２を有するＰ型シリコン基板１０１上にはこのＮ
+ 拡散層１０２に対して選択的にコンタクトホール１０
４が設けられた絶縁膜１０３を有し、絶縁膜１０３上に
形成され，第１の配線を埋設するために選択的に第１の
溝１２４が設けられた第１の層間絶縁膜１０６ａを有
し、コンタクトホール１０４，並びに溝１２４を埋設し
た姿態で絶縁膜１０３上に設けられた金１０７を主要配
線材料とし，ポリイミド等からなる絶縁体１０９を芯と
する第１層の配線を有する。さらに本一実施例は、第１
層の配線に対して選択的にスルーホール１１４が設けら
れ，第１層の配線並に第１の層間絶縁膜上に設けられた
第２の層間絶縁膜１０６ｂを有し、第２の層間絶縁膜１
０６ｂ上に形成され，第２の配線を埋設するために選択
的に第２の溝（図示せず）が設けられた第３の層間絶縁
膜（図示せず）を有し、スルーホール１１４並びに第２
の溝を埋設する姿態で第２の層間絶縁膜１０６ｂ上に設
けられた金１１７を主要配線材料とし，ポリイミド等か
らなる絶縁体１１９を芯とする第２層の配線を有し、第
２層の配線並びに第３の層間絶縁膜上に設けられた表面
保護用の絶縁膜１１３を有する。
【０００８】上記絶縁膜１０３並びに第２の層間絶縁膜
１０６ｂ，第１の層間絶縁膜１０６ａ並びに第３の層間
絶縁膜は、それぞれシリコン酸化膜，シリコン窒化膜か
ら形成される。上記絶縁膜１１３は、シリコン窒化膜，
シリコン酸化膜，ポリイミド，あるいはこれらの複合膜
から形成される。上記第１層の配線は、上記絶縁体１０
９の周囲を金１２５ａａ，および主要配線材料である金
１０７が取り囲み、この金１２５ａａの下層に設けられ
た白金１１５ａａ，およびこの白金１１５ａａの下層に
設けられたチタン・タングステン１０５ａａを有する。
チタン・タングステン１０５ａａは第１の溝１２４の側
面において第１の層間絶縁膜１０６ａと直接に接触し、
第１層の配線の底面，ならびにコンタクトホール１０４
の側面において絶縁膜１０３と直接に接触し、さらにコ
ンタクトホール１０４の底面においてＮ+ 拡散層１０２
と直接に接触する。同様に、上記第２層の配線は、上記
絶縁体１１９の周囲を金１２５ｂ，および主要配線材料
である金１１７が取り囲み、この金１２５ｂの下層に設
けられたチタン・タングステン１０５ｂを有する。チタ
ン・タングステン１０５ｂは第２の溝の側面において第
３の層間絶縁膜と直接に接触し、第２層の配線の底面，
ならびにスルーホール１１４の側面において第２の層間
絶縁膜１０６ｂと直接に接触し、さらにスルーホール１
１４の底面において第１層の配線の金１０７と直接に接
触する。
【０００９】上記一実施例は２層の配線を有する半導体
装置であるが、３層以上にする場合、第３層目より上の
配線並びに絶縁膜並びにスルーホールの構造は第２層の
配線並びにスルーホール１１４並びに第２の層間絶縁膜
１０６ｂ並びに第３の層間絶縁膜からなる構造と同じで
ある。白金１１５ａａは、金１０７，１２５ａａの金が
熱処理工程中にＮ+ 拡散層１０２中に拡散して、接合破
壊等の不良が発生することを防止するバリアメタルとし
て機能する。また、チタン・タングステン１２５ａａ，
１２５ｂは、それぞれ第１層の配線と絶縁膜１０３との
密着性，第２層の配線と第２の層間絶縁膜１０６ｂとの
密着性を確保するために設けてある。
【００１０】上記一実施例は、第１層，および第２層の
配線が上述の構造をとるため、半導体装置を高周波数で
動作させるとき、絶縁体１０９，１１９等を取り囲む導
電体（金１０７並びに金１２５ａａ並びに白金１１５ａ
ａ並びにチタン・タングステン１０５ａａ，金１１７並
びに金１２５ｂ並びにチタン・タングステン１０５ｂ）
に表皮効果による電流が集中して流れるため、従来の配
線構造に比較して、見掛け上の配線抵抗を低減すること
ができる。
【００１１】表皮深さδを電流値Ｉが表面を流れる電流
値ＩS の１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）まで減衰する深
さと定義すると、絶縁体１０９，１１９を取り囲む金１
０７，１１７の膜厚はδの２倍程度が好ましい。例え
ば、配線全体が金，配線の周囲の絶縁膜の比透磁率を
１，電流の周波数ｆを１００ＧＨｚとすると、
【００１２】
【００１３】となり、金１０７，１１７の膜厚のして
は、０．５μｍ程度が望ましい。同様に、チタン・タン
グステン１０５ａａと白金１１５ａａと金１２５ａａと
の合計膜厚，およびチタン・タングステン１０５ｂと金
１２５ｂとの合計膜厚も、０．５μｍ程度が望ましい。
だだし、ここでωは角周波数（２πｆ），σは導電体材
料（この場合金）の導電率，μは配線の周囲の透磁率で
ある。このように金１０９，１１９の膜厚を２σ程度に
設定しておけば、導電体材料膜の中央の深さでの電流値
は表面を流れる電流値の７０％程度に保つことができ、
導電体材料全体にわたっての電流密度が均一に近くなる
ため、見掛け上の配線抵抗の増加を防ぐことができる。
金１０９，１１９の膜厚を２σより薄くすると、導電体
材料の断面積自体が小さくなり、抵抗は大きくなる。ま
た、金１０９，１１９の膜厚を２σより厚くすると、導
電体材料膜の中央の深さでの電流密度の小さくなる領域
が生じ、見掛け上の配線抵抗が増加し、いずれの場合に
も、高速動作には適さないことになる。
【００１４】半導体装置の製造方法を説明するための工
程順の断面図である図２並びに図３と図１とを併せて参
照すると、上記一実施例は、以下のように作成される。
【００１５】まず、Ｐ型シリコン基板１０１の表面にＮ
+ 拡散層１０２を形成し、ＣＶＤ法またはプラズマＣＶ
Ｄ法により、シリコン基板１０１上にシリコン酸化膜か
らなる絶縁膜１０３を形成する。この絶縁膜１０３の上
に、プラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜を形成し、
さらに全面にフォトレジスト膜を形成した後、通常のエ
ッチバックを行ない、平坦な表面を有するシリコン窒化
膜からなる第１の層間絶縁膜１０６ａを形成する。フォ
トリソグラフィ技術とドライエッチング，もしくはウェ
ットエッチング技術により、第１層の配線を形成する領
域の層間絶縁膜１０６ａを除去し、第１の溝１２４を形
成する。さらにフォトリソグラフィ技術とドライエッチ
ング，もしくはウェットエッチング技術により、溝１２
４の所定の部分の絶縁膜１０３を除去し、コンタクトホ
ール１０４を形成する〔図２（ａ）〕。
【００１６】次に、スパッタ法により、全面にチタン・
タングステン１０５ａ，白金１１５ａ，金１０５ａを順
次形成する。プラズマＣＶＤ法により、全面にシリコン
酸化膜を形成した後、リアクテブイオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）によりこのシリコン酸化膜をエッチバックし、溝
１２４，並びにコンタクトホール１０４の側壁にのみシ
リコン酸化膜１０８からなるスペーサを形成する〔図２
（ｂ）〕。
【００１７】次に、スピンコーティング，および熱処理
により、ポリイミドからなる絶縁膜を形成し、この絶縁
膜を酸素によるＲＩＥによりエッチバックし、シリコン
酸化膜１０８の空隙にこのポリイミドからなる絶縁体１
０９を形成する。このとき、絶縁体１０９の上面の位置
を層間絶縁膜１０６ａの上面の位置より低くしておくこ
とが必要である〔図２（ｃ）〕。
【００１８】次に、イオンミーリング法によるエッチバ
ックにより、層間絶縁膜１０６ａの上面が露出するまで
金１２５ａ，白金１１５ａ，チタン・タングステン１０
５ａを除去し、金１２５ａａ，白金１１５ａａ，チタン
・タングステン１０５ａａを形成する。さらに、弗酸緩
衝液によるウェットエッチングにより、シリコン酸化膜
１０８を選択的に除去する〔図３（ａ）〕。
【００１９】次に、スパッタ法により全面にメッキの電
極として用いる金（図示せず）を形成し、電気メッキ法
により金を全面に形成する。その後、絶縁膜１０６ａの
上面が露出するまでこの金をイオンミーリング法等によ
るエッチバックを行ない、溝１２４に埋設された姿態の
金１０７を形成し、第１層の配線の形成が完了する〔図
３（ｂ）〕。
【００２０】続いて、同様の手法により、平坦な表面を
有するシリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜１０６
ｂ，平坦な表面を有するシリコン窒化膜からなる第３の
層間絶縁膜（図示せず），第２の溝（図示せず），スル
ーホール１１４を形成し、さらにチタン・タングステン
膜１０５ｂ，金１２５ｂを形成した後、ポリイミドから
なり第２層の配線の芯となる絶縁体１１９，および金１
１７を形成し、第２層の配線を形成する。次に、全面に
絶縁膜１１３を形成し、本実施例による半導体装置の作
成は終了する〔図１〕。
【００２１】半導体装置の製造方法を説明するための工
程順の断面図である図４，および図５を参照すると、本
発明の関連技術による半導体装置は、以下のように作成
される。
【００２２】まず、Ｐ型シリコン基板１０１の表面にＮ
+ 拡散層１０２を形成し、ＣＶＤ法またはプラズマＣＶ
Ｄ法により、シリコン基板１０１上にシリコン酸化膜か
らなる絶縁膜１０３を形成する。この絶縁膜１０３に、
Ｎ+ 拡散層１０２に達するコンタクトホール１０４を形
成する。スパッタ法により、全面に膜厚１００ｎｍ程度
のチタン・タングステン１０５ａ，膜厚６０ｎｍ程度の
白金１１５ａ，および膜厚２００ｎｍ程度の金１２５ａ
を順次形成する。スピンコーティング，および熱処理に
より、全面にポリイミドからなる第１の層間絶縁膜１１
６ａを形成する。プラズマＣＶＤ法により、全面にシリ
コン酸化膜１１０を形成する。フォトリソグラフィ技
術，ドライエッチング技術により、第１層の配線が形成
される領域のシリコン酸化膜１１０，層間絶縁膜１１６
ａを順次除去して溝１２４ａを形成する〔図４
（ａ）〕。
【００２３】次に、プラズマＣＶＤ法により再び全面に
シリコン酸化膜を形成した後、ＲＩＥによるエッチバッ
クを行ない、スペーサとなるシリコン酸化膜１１８を形
成する。このとき、シリコン酸化膜１１０の膜厚は薄く
なり、これはシリコン酸化膜１１０ａとなる。上記一実
施例と同様の方法により、ポリイミドからなる絶縁体１
０９を形成する〔図４（ｂ）〕。
【００２４】次に、弗酸緩衝液によるウェットエッチン
グにより、シリコン酸化膜１１８，１１０ａを選択的に
除去する。層間絶縁膜１１６ａをマスクとし，金１２５
ａを電極として用いる電気メッキ法により、金１０７ａ
を形成する〔図４（ｃ）〕。
【００２５】次に、ポリイミドからなる第１の層間絶縁
膜を選択的に除去する。このとき、ポリイミドからなる
絶縁体１０９は、周囲が金１０７ａ，および金１２５ａ
により取り囲まれているため、除去されない。イオンミ
ーリング法によるエッチバックにより、絶縁膜１０３の
上面が露出するまで金１２５ａ，白金１１５ａ，チタン
・タングステン１０５ａを除去し、金１２５ａｂ，白金
１１５ａｂ，チタン・タングステン１０５ａｂを形成す
る。このとき、金１０７ａの膜厚は減少し、金１０７ａ
ａとなる。これにより、第１層の配線の形成が終了する
〔図５（ａ）〕。
【００２６】次に、プラズマＣＶＤ法により膜厚が第１
層の配線の膜厚より厚いシリコン酸化膜を形成し、上述
の手法により、平坦な表面を有するシリコン酸化膜から
なる第２の層間絶縁膜１２６を形成する。さらにスルー
ホール１１４の形成、チタン・タングステン１０５ｂ，
金１２５ｂの形成、ポリイミドからなる第３の層間絶縁
膜（図示せず），第２の溝（図示せず），等を形成し、
第２の溝にポリイミドからなる絶縁体１１９を形成し、
電気メッキ法により金１１７を形成し、第２のポリイミ
ド膜の除去，金１１７をマスクにしたイオンミーリング
により第２層の配線を形成し、表面保護膜である絶縁膜
１１３を形成する〔図５（ｂ）〕。
【００２７】上記関連技術による半導体装置では、層間
絶縁膜にシリコン窒化膜が使用されないため、上記一実
施例に比較して、寄生容量が小さくなり、高周波数で動
作させる半導体装置にはより適している。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
は、絶縁材料の周囲を導電体材料が取り囲んでなる配線
を有するため、高周波数で動作させたときでも表皮効果
による配線抵抗の見掛け上の増加を抑えることができ、
高速動作を維持することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
【図２】上記一実施例による半導体装置の形成方法を説
明するための工程順の断面図である。
【図３】上記一実施例による半導体装置の形成方法を説
明するための工程順の断面図である。
【図４】本発明の関連技術による半導体装置をその形成
方法に沿って説明するための工程順の断面図である。
【図５】上記関連技術による半導体装置をその形成方法
に沿って説明するための工程順の断面図である。
【図６】従来の半導体装置を説明するための断面図であ
る。
【符号の説明】
１０１，２０１ Ｐ型シリコン基板 １０２，２０２ Ｎ+ 拡散層 １０３，１１３，２０３，２１３ 絶縁膜 １０４，２０４ コンタクトホール １０５ａ，１０５ａａ，１０５ａｂ，１０５ｂ チタ
ン・タングステン １０６ａ，１０６ｂ，１１６，１２６，２０６ 層間
絶縁膜 １０７，１０７ａ，１０７ａａ，１１７，１２５ａ，１
２５ａａ，１２５ａｂ，１２５ｂ，２０７，２１７
金 １０８，１１０，１１０ａ，１１８ シリコン酸化膜 １０９，１１９ 絶縁体 １１４，２１４ スルーホール １１５ａ，１１５ａａ，１１５ａｂ，２１５ 白金 １２４，１２４ａ 溝

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁膜により覆われた配線を有し、 前記配線が、絶縁材料からなる芯と該芯の周囲を取り囲
    む導電体材料とからなり、 前記絶縁膜が第１，第２および第３の絶縁膜からなり、 前記配線は前記第１の絶縁膜を介して半導体基板上に設
    けられ、該配線の底面が該第１の絶縁膜の上面に直接に
    接触し、 前記第２の絶縁膜は、平坦な上面を有し、前記第１の絶
    縁膜の上面を直接に覆い、該第１の絶縁膜に達する溝を
    有し、 前記配線は前記溝に埋め込まれ、該溝の側面と該配線と
    の直接の接触は第２の金属によりなされ、 前記第３の絶縁膜が、前記第２の絶縁膜の上面と前記配
    線の上面とを直接に覆い、 前記芯の周囲を取り囲む前記導電体材料が第１の部分と
    第２の部分とから構成され、 前記配線の底面が前記第１の部分からなり、該配線の側
    面が該第１の部分および前記第２の部分からなり、該上
    面が該第２の部分からなり、 前記第１の部分は積層構造をなし、該第１の部分の上層
    は前記芯の底面に直接に接触する第１の金属からなり、
    該第１の部分の下層はチタンを含む第２の金属からな
    り、 前記第２の部分は第１の金属のみからなり、前記芯の上
    面および側面は該第２の部分により直接に覆われ、 前記第１の部分と前記第２の部分との直接の接触が、該
    第１の部分の上層を構成する第１の金属と該第２の部分
    をなす第１の金属とによりなされることを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項２】 前記第１の金属が金であり、前記第２の
    金属がチタン・タングステンである請求項１記載の半導
    体装置。
  3. 【請求項３】 前記芯がポリイミドからなる請求項１あ
    るいは請求項２記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記第１の部分は白金からなる中間層を
    有する請求項１，請求項２あるいは請求項３記載の半導
    体装置。
  5. 【請求項５】 前記第１および第３の絶縁膜がシリコン
    酸化膜からなり、前記第２の絶縁膜がシリコン窒化膜か
    らなる請求項１，請求項２，請求項３あるいは請求項４
    記載の半導体装置。
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