JP3128961B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
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- JP3128961B2 JP3128961B2 JP04162478A JP16247892A JP3128961B2 JP 3128961 B2 JP3128961 B2 JP 3128961B2 JP 04162478 A JP04162478 A JP 04162478A JP 16247892 A JP16247892 A JP 16247892A JP 3128961 B2 JP3128961 B2 JP 3128961B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置及びその製造
方法に関し、特にAl合金またはAl膜を主要構成要素とす
る多層構造の配線層においてバリアメタル層を有する半
導体装置の製造方法に関してよりエレクトロマイグレー
ション耐性の高い高信頼性の金属配線及びその製造方法
を提供するものである。
方法に関し、特にAl合金またはAl膜を主要構成要素とす
る多層構造の配線層においてバリアメタル層を有する半
導体装置の製造方法に関してよりエレクトロマイグレー
ション耐性の高い高信頼性の金属配線及びその製造方法
を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体装置における金属配線材料
には熱処理時にSi基板のSiがAl電極中に拡散しないよう
にAlにSiを１〜２％加えたAl合金が用いられている。し
かし熱処理後温度を下げると１μｍ角以下の微細なコン
タクトではAl合金中のSiがコンタクト部のSi基板上にｐ
型Si層として析出し、とくにｎ＋型拡散層に対するコン
タクト抵抗を増加させるという問題があった。また熱処
理時にSi基板とAl電極の間にAlとSiの相互拡散がおこる
と接合リーク電流が増加するという問題もある。これを
防ぐ方法としてSi基板とAl電極の間にAlとSiの相互拡散
を阻止するためのバリアメタル層をはさんだ積層構造が
広く用いられている。バリアメタルとしてはTiNないし
はチタン・タングステン（TiW）混合物などが通常よく
用いられている。一般に前記のバリアメタル層及びAl配
線層は枚葉式スパッタ装置を用いて形成されている。し
かしバリアメタルとAl配線層を酸素を含む雰囲気にさら
すことなく真空中連続で堆積した場合にはバリア性（Al
とSiの相互拡散の阻止）が十分でないことが知られてい
る。例えば、TiNの場合、S. Iwabuchi et al.,ウ゛イエルエスア
イ シンホ゜シ゛ューム VLSI symp.p.55(1986)を参照。そのため一
般にはバリアメタル層を堆積後酸素雰囲気中にさらし、
バリア性を確保したのちAl配線層を堆積するといった手
法が使われている。
には熱処理時にSi基板のSiがAl電極中に拡散しないよう
にAlにSiを１〜２％加えたAl合金が用いられている。し
かし熱処理後温度を下げると１μｍ角以下の微細なコン
タクトではAl合金中のSiがコンタクト部のSi基板上にｐ
型Si層として析出し、とくにｎ＋型拡散層に対するコン
タクト抵抗を増加させるという問題があった。また熱処
理時にSi基板とAl電極の間にAlとSiの相互拡散がおこる
と接合リーク電流が増加するという問題もある。これを
防ぐ方法としてSi基板とAl電極の間にAlとSiの相互拡散
を阻止するためのバリアメタル層をはさんだ積層構造が
広く用いられている。バリアメタルとしてはTiNないし
はチタン・タングステン（TiW）混合物などが通常よく
用いられている。一般に前記のバリアメタル層及びAl配
線層は枚葉式スパッタ装置を用いて形成されている。し
かしバリアメタルとAl配線層を酸素を含む雰囲気にさら
すことなく真空中連続で堆積した場合にはバリア性（Al
とSiの相互拡散の阻止）が十分でないことが知られてい
る。例えば、TiNの場合、S. Iwabuchi et al.,ウ゛イエルエスア
イ シンホ゜シ゛ューム VLSI symp.p.55(1986)を参照。そのため一
般にはバリアメタル層を堆積後酸素雰囲気中にさらし、
バリア性を確保したのちAl配線層を堆積するといった手
法が使われている。
【０００３】以下図面を参照しながら、上記した従来製
造方法で作成されたバリアメタルを有する半導体装置の
一例について説明する。
造方法で作成されたバリアメタルを有する半導体装置の
一例について説明する。
【０００４】図６は従来の半導体装置の要部構成断面図
である。図６において、１はSi基板である。２は拡散層
で導電体層であり、３は絶縁膜で絶縁体層である。４は
絶縁膜３を開孔して形成されたコンタクトホールであ
る。５はコンタクトメタル層でTi膜からなる。コンタク
トメタル層とは、バリアメタルにTiN膜を用いる際、特
にｐ型拡散層とのコンタクト抵抗が高いという問題があ
るため、コンタクト抵抗を下げるため、通常TiN膜と拡
散層のあいだに形成される層であり通常Ti膜が用いられ
る。６はバリアメタル層でTiN膜からなり、７はバリア
メタル層を酸素雰囲気にさらした時に形成されるバリア
メタル酸化物でここではTiN酸化物であり、かならずし
もバリアメタル層上全面に形成されるとは限らない。８
は配線層でAl合金膜からなる。
である。図６において、１はSi基板である。２は拡散層
で導電体層であり、３は絶縁膜で絶縁体層である。４は
絶縁膜３を開孔して形成されたコンタクトホールであ
る。５はコンタクトメタル層でTi膜からなる。コンタク
トメタル層とは、バリアメタルにTiN膜を用いる際、特
にｐ型拡散層とのコンタクト抵抗が高いという問題があ
るため、コンタクト抵抗を下げるため、通常TiN膜と拡
散層のあいだに形成される層であり通常Ti膜が用いられ
る。６はバリアメタル層でTiN膜からなり、７はバリア
メタル層を酸素雰囲気にさらした時に形成されるバリア
メタル酸化物でここではTiN酸化物であり、かならずし
もバリアメタル層上全面に形成されるとは限らない。８
は配線層でAl合金膜からなる。
【０００５】以上のように構成された半導体装置につい
て、バリアメタル酸化物７は積極的に形成されたもので
はなく、バリアメタル層６を形成後空気にさらしたた
め、バリアメタル層６の表面が自然に酸化されて形成さ
れたものである。
て、バリアメタル酸化物７は積極的に形成されたもので
はなく、バリアメタル層６を形成後空気にさらしたた
め、バリアメタル層６の表面が自然に酸化されて形成さ
れたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、バリアメタル酸化物７が存在するので、
配線層８のAl合金膜と、拡散層２の間でのAlとSiの相互
拡散は防止されるが、配線層８のAl合金膜のAlの（１１
１）配向性がバリアメタル層６のTiN膜上に真空中連続
堆積した場合に比べて低下するという問題点を有してい
た。この問題は例えば影山他 電子情報通信学会技術研
究報告（シリコン材料・デバイス）(SDM )90-180,p.25
(1991)にて指摘されている。Alの（１１１）配向性が低
い配線はエレクトロマイグレーション耐性が低く信頼性
に乏しいことが知られている。例えばS.Vaidya et al.シ
ン ソリット゛ フィルムス゛ Thin Solid Films 75,p.253(1981)参
照。
うな構成では、バリアメタル酸化物７が存在するので、
配線層８のAl合金膜と、拡散層２の間でのAlとSiの相互
拡散は防止されるが、配線層８のAl合金膜のAlの（１１
１）配向性がバリアメタル層６のTiN膜上に真空中連続
堆積した場合に比べて低下するという問題点を有してい
た。この問題は例えば影山他 電子情報通信学会技術研
究報告（シリコン材料・デバイス）(SDM )90-180,p.25
(1991)にて指摘されている。Alの（１１１）配向性が低
い配線はエレクトロマイグレーション耐性が低く信頼性
に乏しいことが知られている。例えばS.Vaidya et al.シ
ン ソリット゛ フィルムス゛ Thin Solid Films 75,p.253(1981)参
照。
【０００７】本発明は上記問題点に鑑み、バリアメタル
のバリア性を損なわずに、配線のエレクトロマイグレー
ション耐性が高い高信頼性の金属配線をもつ半導体装置
とその製造方法を提供するものである。
のバリア性を損なわずに、配線のエレクトロマイグレー
ション耐性が高い高信頼性の金属配線をもつ半導体装置
とその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明の半導体装置は、多層構造の金属配線層にバリ
アメタル層を有する半導体装置であって、前記バリアメ
タル層上のバリアメタル酸化物と、前記バリアメタル酸
化物上のバッファー層と、前記バッファー層上の配線層
とを備え、前記バッファー層が前記配線層の最稠密面と
原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ面に配向したこと
を特徴とする。
に本発明の半導体装置は、多層構造の金属配線層にバリ
アメタル層を有する半導体装置であって、前記バリアメ
タル層上のバリアメタル酸化物と、前記バリアメタル酸
化物上のバッファー層と、前記バッファー層上の配線層
とを備え、前記バッファー層が前記配線層の最稠密面と
原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ面に配向したこと
を特徴とする。
【０００９】前記配線層がAl合金またはAl膜を主要構成
要素とし、バッファー層がAl（１１１）面と原子間隔が
ほぼ等しい原子間隔を持つ面に配向したことを特徴とす
る。また前記バッファー層が高融点金属またはその化合
物、並びにAl合金またはAl膜である。
要素とし、バッファー層がAl（１１１）面と原子間隔が
ほぼ等しい原子間隔を持つ面に配向したことを特徴とす
る。また前記バッファー層が高融点金属またはその化合
物、並びにAl合金またはAl膜である。
【００１０】また、上記問題点を解決するために本発明
の半導体装置の製造方法は、多層構造の金属配線層にバ
リアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、
前記バリアメタル層を形成後、前記バリアメタル層を酸
化処理してバリアメタル酸化膜を形成する工程と、前記
バリアメタル酸化膜上にバッファー層を堆積し、酸素を
含む雰囲気にさらすことなく真空中連続で前記バッファ
ー層上に配線層を形成する工程と、その後前記バリアメ
タル層と前記バリアメタル酸化膜と前記バッファー層と
前記配線層をパターニングすることにより金属配線を形
成する工程とを備え、前記バッファー層が前記配線層の
最稠密面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ面に配
向したことを特徴とする。
の半導体装置の製造方法は、多層構造の金属配線層にバ
リアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、
前記バリアメタル層を形成後、前記バリアメタル層を酸
化処理してバリアメタル酸化膜を形成する工程と、前記
バリアメタル酸化膜上にバッファー層を堆積し、酸素を
含む雰囲気にさらすことなく真空中連続で前記バッファ
ー層上に配線層を形成する工程と、その後前記バリアメ
タル層と前記バリアメタル酸化膜と前記バッファー層と
前記配線層をパターニングすることにより金属配線を形
成する工程とを備え、前記バッファー層が前記配線層の
最稠密面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ面に配
向したことを特徴とする。
【００１１】前記バリアメタル酸化膜の形成する工程と
して、酸素を含む雰囲気にさらす方法、発煙硝酸で洗浄
する方法、酸素雰囲気中で熱処理する方法、酸素を含む
プラズマにさらす方法の何れかを用いることを特徴とす
る。
して、酸素を含む雰囲気にさらす方法、発煙硝酸で洗浄
する方法、酸素雰囲気中で熱処理する方法、酸素を含む
プラズマにさらす方法の何れかを用いることを特徴とす
る。
【００１２】
【作用】本発明は上記した構成によって、配線層の最稠
密面と面内原子間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金
属またはその化合物層からなるバッファー層ないしはAl
合金またはAl膜からなるバッファー層の上に真空中連続
で配線層を形成するため、バッファー層の上の配線層は
最稠密面に強く配向する。
密面と面内原子間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金
属またはその化合物層からなるバッファー層ないしはAl
合金またはAl膜からなるバッファー層の上に真空中連続
で配線層を形成するため、バッファー層の上の配線層は
最稠密面に強く配向する。
【００１３】この理由は以下のように考えられる。高融
点金属またはその化合物として具体的にはTiN、Ti、Wが
あげられる。スパッタされたTiNやTi、Wはそれぞれ最稠
密面である（１１１）、（００２）、（１１０）面に強
く配向することが知られており、図２のように面内原子
間隔はTiN（１１１）で３．００Å、Ti（００２）面で
２．９５Å、W（１１０）面で２．７３Åまたは３．１
５Åであり、Alの（１１１）面の面内原子間隔２．８６
Åに近い。このような場合スパッタされたTiNやTi、W上
のAlは（１１１）面に強く配向する傾向がある。これは
下地金属の面内原子間隔がAl（１１１）の面内原子間隔
に近いほど、Al合金またはAl膜からなる配線層を成膜す
る際、原子間距離のミスマッチが少なくなり、Alが（１
１１）面に配向しやすくなるためである。例えばH.Shib
ata et al. Symp.VLSI Tech,p.33 (1991)参照。本発明
の半導体装置の製造方法においては、上記バッファー層
上にAl,Al合金を連続的に真空中で成膜するので、下地
にバリアメタル層の酸化物が形成されない。このため、
Alが（１１１）面に配向するための阻害要因はなくな
る。そのため本発明の半導体装置の製造方法によれば、
エレクトロマイグレーション耐性が高く信頼性の高い金
属配線を有する半導体装置が得られる。またバッファー
層堆積の前にバリアメタル層を酸素を含む雰囲気にさら
す工程を有しているためバリアメタルのバリア性が損な
われることもない。
点金属またはその化合物として具体的にはTiN、Ti、Wが
あげられる。スパッタされたTiNやTi、Wはそれぞれ最稠
密面である（１１１）、（００２）、（１１０）面に強
く配向することが知られており、図２のように面内原子
間隔はTiN（１１１）で３．００Å、Ti（００２）面で
２．９５Å、W（１１０）面で２．７３Åまたは３．１
５Åであり、Alの（１１１）面の面内原子間隔２．８６
Åに近い。このような場合スパッタされたTiNやTi、W上
のAlは（１１１）面に強く配向する傾向がある。これは
下地金属の面内原子間隔がAl（１１１）の面内原子間隔
に近いほど、Al合金またはAl膜からなる配線層を成膜す
る際、原子間距離のミスマッチが少なくなり、Alが（１
１１）面に配向しやすくなるためである。例えばH.Shib
ata et al. Symp.VLSI Tech,p.33 (1991)参照。本発明
の半導体装置の製造方法においては、上記バッファー層
上にAl,Al合金を連続的に真空中で成膜するので、下地
にバリアメタル層の酸化物が形成されない。このため、
Alが（１１１）面に配向するための阻害要因はなくな
る。そのため本発明の半導体装置の製造方法によれば、
エレクトロマイグレーション耐性が高く信頼性の高い金
属配線を有する半導体装置が得られる。またバッファー
層堆積の前にバリアメタル層を酸素を含む雰囲気にさら
す工程を有しているためバリアメタルのバリア性が損な
われることもない。
【００１４】
【実施例】（実施例１）以下本発明の実施例１の半導体
装置の製造方法について、図面を参照しながら説明す
る。
装置の製造方法について、図面を参照しながら説明す
る。
【００１５】図１は本発明の半導体装置の製造方法の工
程順断面図を示すものである。図１において、１はSi基
板、２は拡散層（導電体層）、３は絶縁膜（絶縁体
層）、４はコンタクトホール、５はコンタクトメタル
層、６はバリアメタル層、７はバリアメタル酸化物、８
は配線層であり、図６の構成要素と同一である。本発明
の特徴は配線層の最稠密面、例えばＡl（１１１）面と
面内原子間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金属また
はその化合物層からなるバッファー層９を設けた点であ
る。
程順断面図を示すものである。図１において、１はSi基
板、２は拡散層（導電体層）、３は絶縁膜（絶縁体
層）、４はコンタクトホール、５はコンタクトメタル
層、６はバリアメタル層、７はバリアメタル酸化物、８
は配線層であり、図６の構成要素と同一である。本発明
の特徴は配線層の最稠密面、例えばＡl（１１１）面と
面内原子間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金属また
はその化合物層からなるバッファー層９を設けた点であ
る。
【００１６】まず図１（ａ）のようにSi基板１上に導電
体層である拡散層２、絶縁体層である絶縁膜３を形成し
た半導体装置において、フォトリソグラフィー技術によ
って絶縁膜３にコンタクトホール４が開孔される。
体層である拡散層２、絶縁体層である絶縁膜３を形成し
た半導体装置において、フォトリソグラフィー技術によ
って絶縁膜３にコンタクトホール４が開孔される。
【００１７】次に図１（ｂ）のように例えばコンタクト
メタル層５としてTi膜を例えば25nmスパッタ法で堆積
し、バリアメタル層６としてTiN膜を例えば100nmスパッ
タ法で堆積後、バリア性を確保するため酸素雰囲気中に
さらす。するとバリアメタル層は酸化されバリアメタル
酸化物７が形成される。
メタル層５としてTi膜を例えば25nmスパッタ法で堆積
し、バリアメタル層６としてTiN膜を例えば100nmスパッ
タ法で堆積後、バリア性を確保するため酸素雰囲気中に
さらす。するとバリアメタル層は酸化されバリアメタル
酸化物７が形成される。
【００１８】次に図１（ｃ）のようにバッファー層９と
してTiN層を例えば25nmスパッタ法で堆積し、酸素を含
む雰囲気にさらすことなく真空中連続で前記バッファー
層９上にAl合金またはAl膜からなる配線層８としてAl-1
%Si-0.5%Cu膜を例えば500nmスパッタ法で堆積する。
してTiN層を例えば25nmスパッタ法で堆積し、酸素を含
む雰囲気にさらすことなく真空中連続で前記バッファー
層９上にAl合金またはAl膜からなる配線層８としてAl-1
%Si-0.5%Cu膜を例えば500nmスパッタ法で堆積する。
【００１９】その後コンタクトメタル層５とバリアメタ
ル層６とバリアメタル酸化物７とバッファー層９と配線
層８、すなわちTi膜、TiN膜、TiN酸化物、TiN膜、Al-1%
Si-0.5%Cu膜を同時にパターニングし金属配線を形成す
る。
ル層６とバリアメタル酸化物７とバッファー層９と配線
層８、すなわちTi膜、TiN膜、TiN酸化物、TiN膜、Al-1%
Si-0.5%Cu膜を同時にパターニングし金属配線を形成す
る。
【００２０】以上のように構成された半導体の製造方法
について、バッファー層９のない従来例の配線AlSiCu//
TiN/Tiと本実施例のAlSiCu/TiN//TiN/Ti配線、また本実
施例でバッファー層９のTiN膜のかわりにTi膜を25nm堆
積したAlSiCu/Ti//TiN/Ti配線（//は膜形成後大気開放
したことを示す。）の３種の配線でエレクトロマイグレ
ーション（ＥＭ）寿命を比較した結果を図３に示す。試
料は配線形成後、SiN/PSG=500/300nmでパッシベーショ
ンし、その後430℃45分の熱処理を加えてある。測定条
件は雰囲気温度200℃、電圧一定（電流密度4.0×106A/c
m2相当）である。測定パターンは配線幅0.8μｍ、長さ
5.4mmの配線を１０本並列に接続してある。従来の配線
の寿命を１とすると本発明の配線の寿命はバッファー層
としてTiN膜を用いた場合約２倍、Ti膜を用いた場合約
６倍に向上している。
について、バッファー層９のない従来例の配線AlSiCu//
TiN/Tiと本実施例のAlSiCu/TiN//TiN/Ti配線、また本実
施例でバッファー層９のTiN膜のかわりにTi膜を25nm堆
積したAlSiCu/Ti//TiN/Ti配線（//は膜形成後大気開放
したことを示す。）の３種の配線でエレクトロマイグレ
ーション（ＥＭ）寿命を比較した結果を図３に示す。試
料は配線形成後、SiN/PSG=500/300nmでパッシベーショ
ンし、その後430℃45分の熱処理を加えてある。測定条
件は雰囲気温度200℃、電圧一定（電流密度4.0×106A/c
m2相当）である。測定パターンは配線幅0.8μｍ、長さ
5.4mmの配線を１０本並列に接続してある。従来の配線
の寿命を１とすると本発明の配線の寿命はバッファー層
としてTiN膜を用いた場合約２倍、Ti膜を用いた場合約
６倍に向上している。
【００２１】TEMによる配線のグレイン径は３種の配線
でそれぞれ0.75、0.56、0.61μｍとほぼ差がなかった。
したがってグレイン径は本実施例のEM特性向上の主要な
原因ではない。
でそれぞれ0.75、0.56、0.61μｍとほぼ差がなかった。
したがってグレイン径は本実施例のEM特性向上の主要な
原因ではない。
【００２２】３種の配線構造（平坦部）でＸ線（CuKα
線）ロッキングカーブによるAlの（１１１）配向性を評
価した結果を図４に示す。どの配線構造でもピークはθ
＝19.3度のところにあり、Alは（１１１）軸が基板に垂
直になるように配向していることを意味するものであ
り、強度が強く、半値幅が小さいほど配向性が強いこと
を示す。ピーク高さは1600、9500、16100であり、半値
幅はそれぞれ9.0、3.2、2.2度であった。すなわち本発
明の配線構造ではAlの（１１１）配向性が明らかに向上
している。これはAlSiCu/TiN、AlSiCu/Tiを真空中連続
蒸着して界面のTiN、Tiの酸化膜層の形成を抑制したこ
とにより、AlSiCu層がバッファー層TiN膜、Ti膜の配向
性を引き継ぎやすくなったためである。バッファー層が
Ti膜のほうがAlの（１１１）配向性がよいのは（作用）
で述べたようにTiN（１１１）面よりもTi（００２）面
のほうが、Alの（１１１）面との面内原子間隔のミスマ
ッチが少ないためである。
線）ロッキングカーブによるAlの（１１１）配向性を評
価した結果を図４に示す。どの配線構造でもピークはθ
＝19.3度のところにあり、Alは（１１１）軸が基板に垂
直になるように配向していることを意味するものであ
り、強度が強く、半値幅が小さいほど配向性が強いこと
を示す。ピーク高さは1600、9500、16100であり、半値
幅はそれぞれ9.0、3.2、2.2度であった。すなわち本発
明の配線構造ではAlの（１１１）配向性が明らかに向上
している。これはAlSiCu/TiN、AlSiCu/Tiを真空中連続
蒸着して界面のTiN、Tiの酸化膜層の形成を抑制したこ
とにより、AlSiCu層がバッファー層TiN膜、Ti膜の配向
性を引き継ぎやすくなったためである。バッファー層が
Ti膜のほうがAlの（１１１）配向性がよいのは（作用）
で述べたようにTiN（１１１）面よりもTi（００２）面
のほうが、Alの（１１１）面との面内原子間隔のミスマ
ッチが少ないためである。
【００２３】３種の配線構造（平坦部）でリン酸でAlSi
Cu層を除去した後、Si析出物の量を比較したのが、図５
である。Si析出物は絶縁性であるため配線中に存在する
と電流の局部集中の原因となり、ＥＭ寿命低下の原因と
なる。AlSiCu/Ti//TiN/Ti構造ではSi析出物はほとんど
ない。この構造ではAlSiCu/Ti界面においてAl-Si-Ti三
元合金が生成されていることが認められており、バッフ
ァー層にTi膜を用いたAlSiCu/Ti//TiN/Ti配線ではAlの
配向性の向上とAl-Si-Ti形成によるAlSiCu膜中のSi析出
の減少がEM特性向上の原因であることがわかる。一方バ
ッファー層にTiN膜を用いたAlSiCu/TiN//TiN/Ti配線で
はAlの配向性の向上がEM特性向上の原因であると考えら
れる。
Cu層を除去した後、Si析出物の量を比較したのが、図５
である。Si析出物は絶縁性であるため配線中に存在する
と電流の局部集中の原因となり、ＥＭ寿命低下の原因と
なる。AlSiCu/Ti//TiN/Ti構造ではSi析出物はほとんど
ない。この構造ではAlSiCu/Ti界面においてAl-Si-Ti三
元合金が生成されていることが認められており、バッフ
ァー層にTi膜を用いたAlSiCu/Ti//TiN/Ti配線ではAlの
配向性の向上とAl-Si-Ti形成によるAlSiCu膜中のSi析出
の減少がEM特性向上の原因であることがわかる。一方バ
ッファー層にTiN膜を用いたAlSiCu/TiN//TiN/Ti配線で
はAlの配向性の向上がEM特性向上の原因であると考えら
れる。
【００２４】以上のように本実施例によれば、バリアメ
タル層を形成後酸素を含む雰囲気にさらす工程と、前記
バリアメタル層上にAl（１１１）面と面間隔がほぼ等し
い面に配向する高融点金属またはその化合物層からなる
バッファー層を堆積し、酸素を含む雰囲気にさらすこと
なく真空中連続で前記バッファー層上にAl合金からなる
配線層を形成する工程を設けることにより、Al合金のAl
の（１１１）配向性を向上させることができ、エレクト
ロマイグレーション耐性が高く信頼性の高い金属配線を
有する半導体装置とその製造方法が得られる。またバッ
ファー層にTi膜のようなSiとの化合物を生成するような
金属を用いた場合AlSiCu膜中のSi析出を減少させ、さら
にエレクトロマイグレーション耐性を向上させることが
できる。
タル層を形成後酸素を含む雰囲気にさらす工程と、前記
バリアメタル層上にAl（１１１）面と面間隔がほぼ等し
い面に配向する高融点金属またはその化合物層からなる
バッファー層を堆積し、酸素を含む雰囲気にさらすこと
なく真空中連続で前記バッファー層上にAl合金からなる
配線層を形成する工程を設けることにより、Al合金のAl
の（１１１）配向性を向上させることができ、エレクト
ロマイグレーション耐性が高く信頼性の高い金属配線を
有する半導体装置とその製造方法が得られる。またバッ
ファー層にTi膜のようなSiとの化合物を生成するような
金属を用いた場合AlSiCu膜中のSi析出を減少させ、さら
にエレクトロマイグレーション耐性を向上させることが
できる。
【００２５】（実施例２）次に本発明の第２の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。本実施例は本発明
の請求項４の実施例である。本実施例ではバッファー層
として高融点金属またはその化合物層の代わりにAlない
しはAl合金を用いることを特徴としている。図１の半導
体装置の製造方法において図１(ａ）、(ｂ）までの工程
は第１の実施例と共通である。
ついて図面を参照しながら説明する。本実施例は本発明
の請求項４の実施例である。本実施例ではバッファー層
として高融点金属またはその化合物層の代わりにAlない
しはAl合金を用いることを特徴としている。図１の半導
体装置の製造方法において図１(ａ）、(ｂ）までの工程
は第１の実施例と共通である。
【００２６】次に図１(ｃ）のようにバッファー層９と
して第１のAl-1%Si-0.5%Cu膜を例えば25nm堆積し、酸素
を含む雰囲気にさらすことなく真空中連続で前記バッフ
ァー層９上に第２のAl合金またはAl膜からなる配線層８
として第２のAl-1%Si-0.5%Cu膜を例えば500nm堆積す
る。
して第１のAl-1%Si-0.5%Cu膜を例えば25nm堆積し、酸素
を含む雰囲気にさらすことなく真空中連続で前記バッフ
ァー層９上に第２のAl合金またはAl膜からなる配線層８
として第２のAl-1%Si-0.5%Cu膜を例えば500nm堆積す
る。
【００２７】その後コンタクトメタル層５とバリアメタ
ル層６とバリアメタル酸化物７とバッファー層９と配線
層８、すなわちTi膜、TiN膜、TiN酸化物、第１のAl-1%S
i-0.5%Cu膜、第２のAl-1%Si-0.5%Cu膜を同時にパターニ
ングし金属配線を形成する。
ル層６とバリアメタル酸化物７とバッファー層９と配線
層８、すなわちTi膜、TiN膜、TiN酸化物、第１のAl-1%S
i-0.5%Cu膜、第２のAl-1%Si-0.5%Cu膜を同時にパターニ
ングし金属配線を形成する。
【００２８】本実施例ではバッファー層として高融点金
属またはその化合物層の代わりにAlないしはAl合金を用
いるのでバッファー層と配線層は面内原子間隔の等しい
AlないしはAl合金どうしであるため配線層のAlないしは
Al合金は第１の実施例よりも強く（１１１）方向に配向
しＥＭ特性がさらに向上することが期待できる。
属またはその化合物層の代わりにAlないしはAl合金を用
いるのでバッファー層と配線層は面内原子間隔の等しい
AlないしはAl合金どうしであるため配線層のAlないしは
Al合金は第１の実施例よりも強く（１１１）方向に配向
しＥＭ特性がさらに向上することが期待できる。
【００２９】なお、第１、第２の実施例において、バリ
アメタル層６はTiN膜としたが、バリアメタルとしての
機能を果たす高融点金属または高融点金属の窒素化合
物、炭素化合物、ほう素化合物を用いてもよい。本発明
ではバリアメタル層６は必ずしもAl（１１１）面と原子
間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金属またはその化
合物層を用いる必要はない。具体的にはTiW、TiON等で
もよい。
アメタル層６はTiN膜としたが、バリアメタルとしての
機能を果たす高融点金属または高融点金属の窒素化合
物、炭素化合物、ほう素化合物を用いてもよい。本発明
ではバリアメタル層６は必ずしもAl（１１１）面と原子
間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金属またはその化
合物層を用いる必要はない。具体的にはTiW、TiON等で
もよい。
【００３０】また、コンタクトメタル層５はTi膜とした
が、他の高融点金属または高融点金属のシリサイドを用
いてもよい。具体的にはPt、TiSi2等でもよい。
が、他の高融点金属または高融点金属のシリサイドを用
いてもよい。具体的にはPt、TiSi2等でもよい。
【００３１】また第１の実施例ではバッファー層９はTi
N膜ないしはTi膜としたが、Al（１１１）面と原子間隔
がほぼ等しい面に配向する高融点金属またはその化合物
であれば他の膜を用いてもよい。具体的には（１１０）
配向するW膜等でもよい。
N膜ないしはTi膜としたが、Al（１１１）面と原子間隔
がほぼ等しい面に配向する高融点金属またはその化合物
であれば他の膜を用いてもよい。具体的には（１１０）
配向するW膜等でもよい。
【００３２】また第１の実施例では配線層８、第２の実
施例ではバッファー層９、配線層８はAl-1%Si-0.5%Cu膜
としたが他のAlないしはAl合金膜でもよい。また第１、
第２の実施例で金属膜の成膜にはスパッタ法を用いたが
同様の効果が得られるならば、化学気相成長法等で成膜
してもよい。
施例ではバッファー層９、配線層８はAl-1%Si-0.5%Cu膜
としたが他のAlないしはAl合金膜でもよい。また第１、
第２の実施例で金属膜の成膜にはスパッタ法を用いたが
同様の効果が得られるならば、化学気相成長法等で成膜
してもよい。
【００３３】また第１、第２の実施例ではバリアメタル
酸化膜の形成する工程として、バリアメタル層６を形成
後酸素を含む雰囲気にさらす方法を用いたが、発煙硝酸
等の酸化性薬品により洗浄する方法、酸素雰囲気中で熱
処理する方法、酸素を含むプラズマにさらす方法の何れ
かを用いてもよく、この時はバリア性をさらに向上させ
ることができる。
酸化膜の形成する工程として、バリアメタル層６を形成
後酸素を含む雰囲気にさらす方法を用いたが、発煙硝酸
等の酸化性薬品により洗浄する方法、酸素雰囲気中で熱
処理する方法、酸素を含むプラズマにさらす方法の何れ
かを用いてもよく、この時はバリア性をさらに向上させ
ることができる。
【００３４】また第１、第２の実施例ではバッファー層
９とバリアメタル酸化物７の間にはいかなる膜も存在し
ないが、コンタクトホールの中のみW等の膜を形成する
工程をバッファー層を形成する工程の前にいれてもよ
い。また第１、第２の実施例で配線層８上に反射防止膜
としてSiあるいは高融点金属またはその化合物を成膜し
たあとで金属配線のパターニングを行ってもよい。
９とバリアメタル酸化物７の間にはいかなる膜も存在し
ないが、コンタクトホールの中のみW等の膜を形成する
工程をバッファー層を形成する工程の前にいれてもよ
い。また第１、第２の実施例で配線層８上に反射防止膜
としてSiあるいは高融点金属またはその化合物を成膜し
たあとで金属配線のパターニングを行ってもよい。
【００３５】更に、第１、第２の実施例では配線層がAl
合金またはAl膜を主要構成要素とし、バッファー層がAl
（１１１）面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ面
に配向させたが、本発明はこれに限定されるものではな
く、Ｃｕ等の配線層を用いて、バッファー層がＣｕ等の
配線層の最稠密面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持
つ面に配向させてもよく、更にＷ等の高融点金属を配線
層に用いて、バッファー層に相当する密着層がＷ等の配
線層の最稠密面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ
面に配向させてもよい。
合金またはAl膜を主要構成要素とし、バッファー層がAl
（１１１）面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ面
に配向させたが、本発明はこれに限定されるものではな
く、Ｃｕ等の配線層を用いて、バッファー層がＣｕ等の
配線層の最稠密面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持
つ面に配向させてもよく、更にＷ等の高融点金属を配線
層に用いて、バッファー層に相当する密着層がＷ等の配
線層の最稠密面と原子間隔がほぼ等しい原子間隔を持つ
面に配向させてもよい。
【００３６】
【発明の効果】以上のように本発明は、配線層の最稠密
面と面内原子間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金属
またはその化合物層からなるバッファー層ないしはAl合
金またはAl膜からなるバッファー層の上に真空中連続で
配線層を形成するため、バッファー層の上の配線層は最
稠密面に強く配向する。このためエレクトロマイグレー
ション耐性の高い高信頼性の金属配線を有する半導体装
置及びその製造方法を提供することができる。
面と面内原子間隔がほぼ等しい面に配向する高融点金属
またはその化合物層からなるバッファー層ないしはAl合
金またはAl膜からなるバッファー層の上に真空中連続で
配線層を形成するため、バッファー層の上の配線層は最
稠密面に強く配向する。このためエレクトロマイグレー
ション耐性の高い高信頼性の金属配線を有する半導体装
置及びその製造方法を提供することができる。
【図１】本発明の第１の実施例における半導体装置の製
造方法の工程順断面図
造方法の工程順断面図
【図２】本発明における作用説明のための面内原子間隔
の模式図
の模式図
【図３】同実施例における効果説明のための配線のエレ
クトロマイグレーション（ＥＭ）の特性図
クトロマイグレーション（ＥＭ）の特性図
【図４】同実施例における配線のＥＭ特性説明のための
Al（１１１）面のＸ線ロッキングカーブ
Al（１１１）面のＸ線ロッキングカーブ
【図５】同実施例における配線のＥＭ特性説明のための
AlSiCu層除去後のSi析出を示す模式図
AlSiCu層除去後のSi析出を示す模式図
【図６】従来の半導体装置の要部断面構成図
１ Si基板 ２ 拡散層 ３ 絶縁膜 ４ コンタクトホール ５ コンタクトメタル層 ６ バリアメタル層 ７ バリアメタル酸化物 ８ 配線層 ９ バッファー層
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768
Claims (5)
- 【請求項１】 多層構造の金属配線層にバリアメタル層を
有し、コンタクトホール内にＷ膜を有する半導体装置で
あって、前記コンタクトホール内部および外部に形成し
たバリアメタル層と、前記バリアメタル層上のバリアメ
タル酸化物と、前記コンタクトホール内にのみ埋め込ま
れたＷ膜と、前記バリアメタル酸化物および前記Ｗ膜上
に形成されたバッファー層と、前記バッファー層上に形
成された配線層とを備え、前記バッファー層が、前記配
線層の最稠密面とほぼ等しい原子間隔を持つ面に配向し
た、半導体装置。 - 【請求項２】 配線層がAl合金またはAl膜を主要構成要素
とし、バッファー層がAl(111)面と面内原子間隔がほぼ
等しい面に配向した、請求項１に記載の半導体装置。 - 【請求項３】 バッファー層が高融点金属もしくはその化
合物、またはAl合金またはAl膜である請求項１に記載の
半導体装置。 - 【請求項４】 多層構造の金属配線層にバリアメタル層を
有し、コンタクトホール内にＷ膜を有する半導体装置の
製造方法であって、前記コンタクトホール内に前記バリ
アメタルを形成後、前記バリアメタル層を酸化処理して
バリアメタル酸化膜を形成する工程と、前記コンタクト
ホール内の前記バリアメタル酸化膜上にＷ膜を形成する
工程と、前記バリアメタル酸化物と前記Ｗ膜上にバッフ
ァー層を堆積する工程と、真空中連続で前記バッファー
層上に配線層を形成する工程と、その後前記バリアメタ
ル層と前記バリアメタル酸化膜と前記バッファー層と前
記配線層をパターニングすることにより金属配線を形成
する工程とを備え、前記バッファー層が前記配線層の最
稠密面とほぼ等しい原子間隔を持つ面に配向した、半導
体装置の製造方法。 - 【請求項５】 バリアメタル酸化膜を形成する工程とし
て、酸素を含む雰囲気にさらす方法、発煙硝酸で洗浄す
る方法、酸素雰囲気中で熱処理する方法、酸素を含むプ
ラズマにさらす方法の何れかを用いる請求項４に記載の
半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04162478A JP3128961B2 (ja) | 1992-06-22 | 1992-06-22 | 半導体装置及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04162478A JP3128961B2 (ja) | 1992-06-22 | 1992-06-22 | 半導体装置及びその製造方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000288380A Division JP2001118929A (ja) | 1992-06-22 | 2000-09-22 | 半導体装置及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH065599A JPH065599A (ja) | 1994-01-14 |
| JP3128961B2 true JP3128961B2 (ja) | 2001-01-29 |
Family
ID=15755385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04162478A Expired - Fee Related JP3128961B2 (ja) | 1992-06-22 | 1992-06-22 | 半導体装置及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3128961B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3201061B2 (ja) * | 1993-03-05 | 2001-08-20 | ソニー株式会社 | 配線構造の製造方法 |
| US6051879A (en) | 1997-12-16 | 2000-04-18 | Micron Technology, Inc. | Electrical interconnection for attachment to a substrate |
| US6770564B1 (en) | 1998-07-29 | 2004-08-03 | Denso Corporation | Method of etching metallic thin film on thin film resistor |
| JP2000306997A (ja) | 1999-04-20 | 2000-11-02 | Nec Corp | バリアメタル層を有する半導体装置及びその製造方法 |
| KR100396891B1 (ko) * | 2001-03-21 | 2003-09-03 | 삼성전자주식회사 | 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 |
| KR100841049B1 (ko) * | 2002-06-29 | 2008-06-24 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체소자 제조방법 |
-
1992
- 1992-06-22 JP JP04162478A patent/JP3128961B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH065599A (ja) | 1994-01-14 |
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