JP3261196B2 - 半導体集積回路の配線構造体 - Google Patents
半導体集積回路の配線構造体Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路(LS
I)の配線構造体に関する。
I)の配線構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、半導体集積回路の配線の材料とし
てはAl、またはAlにSiやCuなどを添加したAl
合金が使用されている。このような配線は、Alが主な
材料として使用されているため、配線の許容電流密度は
(2〜3)×105 A/cm2以下に制限されている。
この理由は、この配線に上記許容電流密度を越える電流
を流すと、エレクトロマイグレーションによりこの配線
が断線してしまうためである。高い電流密度で電流を流
すために、配線材料としてAl中に0.1〜5%のCu
を添加したAl−Cu合金が使用されることがある。し
かし、許容し得る電流密度は改善されるものの配線の比
抵抗は増加し、発熱に伴う信頼性低下の問題が生じる。
てはAl、またはAlにSiやCuなどを添加したAl
合金が使用されている。このような配線は、Alが主な
材料として使用されているため、配線の許容電流密度は
(2〜3)×105 A/cm2以下に制限されている。
この理由は、この配線に上記許容電流密度を越える電流
を流すと、エレクトロマイグレーションによりこの配線
が断線してしまうためである。高い電流密度で電流を流
すために、配線材料としてAl中に0.1〜5%のCu
を添加したAl−Cu合金が使用されることがある。し
かし、許容し得る電流密度は改善されるものの配線の比
抵抗は増加し、発熱に伴う信頼性低下の問題が生じる。
【0003】一方、配線の耐エレクトロマイグレーショ
ン性を向上させるために、Al配線やAl合金配線に代
えて、耐エレクトロマイグレーション性が高い実質的に
CuからなるCu配線を用いることが提案されている。
ン性を向上させるために、Al配線やAl合金配線に代
えて、耐エレクトロマイグレーション性が高い実質的に
CuからなるCu配線を用いることが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしCuは、Alに
比べるとSi(基板)又はSiO2 (絶縁膜)中へ拡散
しやすく、このためトランジスタの正常な動作を妨げる
という問題が生じる。この問題を解決するために、金属
質バリア膜によりCuの拡散を防止する技術が提案され
てきたが(例えば、バリア材料=TiN:1992春応
用物理学会30p−ZH−6、特開昭53−11608
9号公報、特開昭63−73645号公報、特開昭63
−156341号公報、特開平1−204449号公報
参照)、Cuがこの金属質バリア膜を経由してSi又は
SiO2 へ拡散することを完全には防止できず、十分な
効果があげられていない。
比べるとSi(基板)又はSiO2 (絶縁膜)中へ拡散
しやすく、このためトランジスタの正常な動作を妨げる
という問題が生じる。この問題を解決するために、金属
質バリア膜によりCuの拡散を防止する技術が提案され
てきたが(例えば、バリア材料=TiN:1992春応
用物理学会30p−ZH−6、特開昭53−11608
9号公報、特開昭63−73645号公報、特開昭63
−156341号公報、特開平1−204449号公報
参照)、Cuがこの金属質バリア膜を経由してSi又は
SiO2 へ拡散することを完全には防止できず、十分な
効果があげられていない。
【0005】本発明は、上記事情に鑑み、Cu配線を使
用した場合、絶縁膜や基板へのCuの拡散を防止する半
導体集積回路の配線構造体を提供することを目的とす
る。
用した場合、絶縁膜や基板へのCuの拡散を防止する半
導体集積回路の配線構造体を提供することを目的とす
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するために、種々の実験・研究を行った結果、 (1)Ta−W合金膜でCu配線の上部又は側面部を被
覆したり、Ta−W合金膜をCu配線の下地にすること
により、絶縁膜や基板へのCuの拡散を防止できる (2)Ta−W合金にMo、Nbの元素を添加した合金
膜を、Cu配線の下地、又は上部若しくは側面部の被覆
にすることにより、絶縁膜や基板へのCuの拡散を防止
できることを見い出し本発明をなすに至った。
成するために、種々の実験・研究を行った結果、 (1)Ta−W合金膜でCu配線の上部又は側面部を被
覆したり、Ta−W合金膜をCu配線の下地にすること
により、絶縁膜や基板へのCuの拡散を防止できる (2)Ta−W合金にMo、Nbの元素を添加した合金
膜を、Cu配線の下地、又は上部若しくは側面部の被覆
にすることにより、絶縁膜や基板へのCuの拡散を防止
できることを見い出し本発明をなすに至った。
【0007】具体的には、本発明の第1の半導体集積回
路の配線構造体は、Ta−W合金膜をCu配線の下地又
は被覆にしたことを特徴とするものである。また、本発
明の第2の半導体集積回路の配線構造体は、Mo及び/
又はNbをTa−W合金に5〜15原子%以下添加した
Ta−W系合金膜を、Cu配線の下地、又は上部若しく
は側面部の被覆にしたことを特徴とするものである。
路の配線構造体は、Ta−W合金膜をCu配線の下地又
は被覆にしたことを特徴とするものである。また、本発
明の第2の半導体集積回路の配線構造体は、Mo及び/
又はNbをTa−W合金に5〜15原子%以下添加した
Ta−W系合金膜を、Cu配線の下地、又は上部若しく
は側面部の被覆にしたことを特徴とするものである。
【0008】
【0009】
【作用】先ず、本発明の第1の半導体集積回路の配線構
造体の作用について説明する。W、Taは熱処理の際に
Cuとの反応が非常に小さく、Cuが固溶しにくいた
め、Cu配線の比抵抗上昇を抑えることができ、さら
に、W、Taの自己拡散係数は、Ti、Cr、Mo、N
b等のこれまで検討されてきた遷移金属の自己拡散係数
より小さく、これらの遷移金属よりCuに対する拡散防
止効果に優れている。ところで、Ta−W二元系合金は
全ての組成において完全に固溶した合金を形成する。こ
のような二元系合金によって薄膜を形成すると、この薄
膜は、Ta又はW単体で形成された薄膜に比べて、結晶
粒が微細化して膜密度が増加する。また、通常の二元系
合金では多数の化合物が形成されるため、この化合物が
薄膜中に偏析し、この偏析した化合物がバリア層の欠陥
となってCuが容易に拡散するが、Ta−W合金の場合
にはそのような化合物が形成されないためCuは容易に
拡散できず、バリア効果の劣化の問題は生じない。従っ
て、本発明の第1の半導体集積回路の配線構造体では、
Cuに対する拡散防止効果が飛躍的に向上する。
造体の作用について説明する。W、Taは熱処理の際に
Cuとの反応が非常に小さく、Cuが固溶しにくいた
め、Cu配線の比抵抗上昇を抑えることができ、さら
に、W、Taの自己拡散係数は、Ti、Cr、Mo、N
b等のこれまで検討されてきた遷移金属の自己拡散係数
より小さく、これらの遷移金属よりCuに対する拡散防
止効果に優れている。ところで、Ta−W二元系合金は
全ての組成において完全に固溶した合金を形成する。こ
のような二元系合金によって薄膜を形成すると、この薄
膜は、Ta又はW単体で形成された薄膜に比べて、結晶
粒が微細化して膜密度が増加する。また、通常の二元系
合金では多数の化合物が形成されるため、この化合物が
薄膜中に偏析し、この偏析した化合物がバリア層の欠陥
となってCuが容易に拡散するが、Ta−W合金の場合
にはそのような化合物が形成されないためCuは容易に
拡散できず、バリア効果の劣化の問題は生じない。従っ
て、本発明の第1の半導体集積回路の配線構造体では、
Cuに対する拡散防止効果が飛躍的に向上する。
【0010】次に、本発明の第2の半導体集積回路の配
線構造体の作用について説明する。Mo、Nb等はW、
Ta、及びW−Ta合金に完全に固溶するため、化合物
は形成されない。このため、W、Ta、又はW−Ta合
金で形成された薄膜中では化合物の偏析が生じない一
方、Ta、W、又はW−Ta合金で形成された薄膜の結
晶粒がMo又はNb等の添加により微細化され膜密度が
増加し、Cuに対する拡散防止効果が向上するものと考
えられる。加えて、結晶粒の微細化に伴って粒界拡散長
が長くなることもバリア性向上の要因であると考えられ
る。しかしながら、添加されるMo、Nbの自己拡散係
数はW、Taに比べて小さく、Mo、Nbを多量に添加
すると拡散防止効果の劣化が生じるため、Mo、Nbの
添加量は15原子%以下に限定される。以上説明したよ
うに、Ta、W、又はW−Ta合金にMo、Nbを添加
することにより、Cuに対する拡散防止効果が向上す
る。
線構造体の作用について説明する。Mo、Nb等はW、
Ta、及びW−Ta合金に完全に固溶するため、化合物
は形成されない。このため、W、Ta、又はW−Ta合
金で形成された薄膜中では化合物の偏析が生じない一
方、Ta、W、又はW−Ta合金で形成された薄膜の結
晶粒がMo又はNb等の添加により微細化され膜密度が
増加し、Cuに対する拡散防止効果が向上するものと考
えられる。加えて、結晶粒の微細化に伴って粒界拡散長
が長くなることもバリア性向上の要因であると考えられ
る。しかしながら、添加されるMo、Nbの自己拡散係
数はW、Taに比べて小さく、Mo、Nbを多量に添加
すると拡散防止効果の劣化が生じるため、Mo、Nbの
添加量は15原子%以下に限定される。以上説明したよ
うに、Ta、W、又はW−Ta合金にMo、Nbを添加
することにより、Cuに対する拡散防止効果が向上す
る。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。先
ず、表1に、Ta−W合金膜、Ta膜、W膜それぞれの
Cuに対するバリア性を比較した実験結果を示す。この
実験は、Cu/M/Si(Mは、Ta、Ta99.9W
0.1 、Ta50W50、Ta0.1 W99.9、又はWを表す。)
積層膜を拡散熱処理し、Si表面のCu濃度をSIMS
(Secondary−Ion Mass Spect
roscopy二次イオン質量分析)で測定することに
より行った。これらの多層膜は、Si基板上にTa膜、
W膜、又はTa−W合金膜をそれぞれRFマグネトロン
スパッタリングによって600Å堆積させ、さらにこの
Ta膜、W膜、又はTa−W合金膜上に、CuをRFマ
グネトロンスパッタリングによって5000Å堆積させ
て形成した。その後、この多層膜にH2 ガス雰囲気中で
600℃×1hの熱処理を施し、Si基板表面のCu濃
度を測定した。
ず、表1に、Ta−W合金膜、Ta膜、W膜それぞれの
Cuに対するバリア性を比較した実験結果を示す。この
実験は、Cu/M/Si(Mは、Ta、Ta99.9W
0.1 、Ta50W50、Ta0.1 W99.9、又はWを表す。)
積層膜を拡散熱処理し、Si表面のCu濃度をSIMS
(Secondary−Ion Mass Spect
roscopy二次イオン質量分析)で測定することに
より行った。これらの多層膜は、Si基板上にTa膜、
W膜、又はTa−W合金膜をそれぞれRFマグネトロン
スパッタリングによって600Å堆積させ、さらにこの
Ta膜、W膜、又はTa−W合金膜上に、CuをRFマ
グネトロンスパッタリングによって5000Å堆積させ
て形成した。その後、この多層膜にH2 ガス雰囲気中で
600℃×1hの熱処理を施し、Si基板表面のCu濃
度を測定した。
【0012】
【表1】 ──────────────────────────────────── バリア材料 Cu濃度(相対値) 比較例1 Ta 3.39x104 実施例1 Ta99.9W0.1 1.05x104 実施例2 Ta50W50 5.44x103 実施例3 Ta0.1 W99.9 9.01x103 比較例2 W 2.19x104 ──────────────────────────────────── 表1から明らかなように、Ta、W単体に比べてTa−
W合金のバリア効果が優れていることがわかる。
W合金のバリア効果が優れていることがわかる。
【0013】次に、図1を参照して、本発明の配線構造
体とその製造方法の一例を説明する。図1は、本発明の
配線構造体の製造方法の一例を示す断面図である。図1
(a)に示されるように、Si基板10の表面に500
0ÅのBPSG(Borophosphosilica
te glass)の絶縁膜12を形成し、この絶縁膜
12の全表面に、Ta50W50膜14を、全圧2mTor
rのAr雰囲気中でRFマグネトロンスパッタリングに
よって成膜速度10Å/sで600Å成長させる。この
Ta50W50膜14の表面にCu膜16を、全圧2mTo
rrのAr雰囲気中でRFマグネトロンスパッタリング
によって成膜速度60Å/sで5000Å成長させる。
その後、図1(b)に示されるように、Ta50W50膜1
4とCu膜16をパターニングして下地膜14aとCu
配線16aを形成した。さらにその後、図1(c)に示
されるように、CVD法によって下地膜14aとCu配
線16aの外面にのみWを選択的に400Å成長させ、
W被覆膜18を形成する。このW被覆膜18は、試料温
度を200〜400℃としWF6 ガスとH2 ガスの混合
ガスを成膜室へ供給し、この混合ガスのガス圧を1To
rr以下にして形成する。この成膜方法によると、界面
反応が律速になり、Cu配線16aと下地膜14aの外
面のみにWを選択成長させることができる。ここで、こ
の配線構造体を多層化するためには、W被覆膜18上に
SiO2 等の絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に上記した
配線構造体を同様の方法で作製すればよい。
体とその製造方法の一例を説明する。図1は、本発明の
配線構造体の製造方法の一例を示す断面図である。図1
(a)に示されるように、Si基板10の表面に500
0ÅのBPSG(Borophosphosilica
te glass)の絶縁膜12を形成し、この絶縁膜
12の全表面に、Ta50W50膜14を、全圧2mTor
rのAr雰囲気中でRFマグネトロンスパッタリングに
よって成膜速度10Å/sで600Å成長させる。この
Ta50W50膜14の表面にCu膜16を、全圧2mTo
rrのAr雰囲気中でRFマグネトロンスパッタリング
によって成膜速度60Å/sで5000Å成長させる。
その後、図1(b)に示されるように、Ta50W50膜1
4とCu膜16をパターニングして下地膜14aとCu
配線16aを形成した。さらにその後、図1(c)に示
されるように、CVD法によって下地膜14aとCu配
線16aの外面にのみWを選択的に400Å成長させ、
W被覆膜18を形成する。このW被覆膜18は、試料温
度を200〜400℃としWF6 ガスとH2 ガスの混合
ガスを成膜室へ供給し、この混合ガスのガス圧を1To
rr以下にして形成する。この成膜方法によると、界面
反応が律速になり、Cu配線16aと下地膜14aの外
面のみにWを選択成長させることができる。ここで、こ
の配線構造体を多層化するためには、W被覆膜18上に
SiO2 等の絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に上記した
配線構造体を同様の方法で作製すればよい。
【0014】次に、図2に、W、Ta50W50合金にM
o、Nbを種々の割合で添加して形成した膜のCuに対
するバリア性を比較した実験結果を示す。この実験は、
Cu/M/Si(M=W100-x Mox 、W100-x Nb
x 、W100- x (Mo50Nb50)x 、(Ta50W50)
100-x Mox 、(Ta50W50)100-x Nbx 、(Ta50
W50)100-x (Mo50Nb50)x )積層膜を拡散熱処理
し、Si表面のCu濃度をSIMSにより測定すること
により行った。これらの多層膜は、Si基板上にバリア
材料合金膜をRFマグネトロンスパッタリングによって
600Å堆積させ、さらにCuをRFマグネトロンスパ
ッタリングによって5000Å堆積して形成した。その
後、この多層膜にH2 雰囲気中で600℃×1hの熱処
理を施し、Si表面のCu濃度を測定した。
o、Nbを種々の割合で添加して形成した膜のCuに対
するバリア性を比較した実験結果を示す。この実験は、
Cu/M/Si(M=W100-x Mox 、W100-x Nb
x 、W100- x (Mo50Nb50)x 、(Ta50W50)
100-x Mox 、(Ta50W50)100-x Nbx 、(Ta50
W50)100-x (Mo50Nb50)x )積層膜を拡散熱処理
し、Si表面のCu濃度をSIMSにより測定すること
により行った。これらの多層膜は、Si基板上にバリア
材料合金膜をRFマグネトロンスパッタリングによって
600Å堆積させ、さらにCuをRFマグネトロンスパ
ッタリングによって5000Å堆積して形成した。その
後、この多層膜にH2 雰囲気中で600℃×1hの熱処
理を施し、Si表面のCu濃度を測定した。
【0015】この図から明らかなように、W、Ta−W
合金へのNb、Moの添加効果が認められる。また、N
b、Moを15原子%以上添加すると、Cu濃度が再び
増加し、Cuに対するバリア性の劣化が認められた。ま
た、Mo、Nb、及びTiから選ばれた1つ以上の金属
を15原子%以下添加したTa系合金に対するMo、N
b、Tiの添加効果、Wに対するPd、Pbの添加効果
についても同様の傾向になる。
合金へのNb、Moの添加効果が認められる。また、N
b、Moを15原子%以上添加すると、Cu濃度が再び
増加し、Cuに対するバリア性の劣化が認められた。ま
た、Mo、Nb、及びTiから選ばれた1つ以上の金属
を15原子%以下添加したTa系合金に対するMo、N
b、Tiの添加効果、Wに対するPd、Pbの添加効果
についても同様の傾向になる。
【0016】次に、図3を参照して、本発明の配線構造
体とその製造方法の他の例を説明する。図3は、本発明
による配線構造体の製造方法の他の例を示す断面図であ
る。図3(a)に示されるように、Si基板20の表面
に5000ÅのBPSの絶縁膜22を形成し、この絶縁
膜22の全表面に、Cu膜の下地になる(Ta50W 50)
95(Mo50Nb50)5 膜24を、全圧2mTorrのA
r雰囲気中でRFマグネトロンスパッタリングによって
成膜速度10Å/sで600Å成長させる。この(Ta
50W50)95(Mo50Nb50)5 膜24の表面に、Cu膜
26を全圧2mTorrのAr雰囲気中でRFマグネト
ロンスパッタリングによって成膜速度60Å/sで50
00Å成長させる。その後、図3(b)に示されるよう
に、(Ta50W50)95(Mo50Nb50)5 膜24とCu
膜26をパターニングして下地膜24aとCu配線26
aを形成する。さらにその後、図3(c)に示されるよ
うに、WをCVD法によって下地膜24aとCu配線2
6aの外面にのみ選択的に400Å成長させ、W被覆膜
28を形成する。このW被覆膜28は、試料温度を20
0〜400℃としWF6 ガスとH2 ガスの混合ガスを成
膜室へ供給し、この混合ガスのガス圧を1Torr以下
にして形成する。この成膜方法によると、界面反応が律
速となり、WをCu配線26aと下地膜24aの外面の
みに選択成長させることができる。ここで、この配線構
造体を多層化するためには、W被覆膜28上にSiO2
等の絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に上記した配線構造
体を同様に作製すればよい。
体とその製造方法の他の例を説明する。図3は、本発明
による配線構造体の製造方法の他の例を示す断面図であ
る。図3(a)に示されるように、Si基板20の表面
に5000ÅのBPSの絶縁膜22を形成し、この絶縁
膜22の全表面に、Cu膜の下地になる(Ta50W 50)
95(Mo50Nb50)5 膜24を、全圧2mTorrのA
r雰囲気中でRFマグネトロンスパッタリングによって
成膜速度10Å/sで600Å成長させる。この(Ta
50W50)95(Mo50Nb50)5 膜24の表面に、Cu膜
26を全圧2mTorrのAr雰囲気中でRFマグネト
ロンスパッタリングによって成膜速度60Å/sで50
00Å成長させる。その後、図3(b)に示されるよう
に、(Ta50W50)95(Mo50Nb50)5 膜24とCu
膜26をパターニングして下地膜24aとCu配線26
aを形成する。さらにその後、図3(c)に示されるよ
うに、WをCVD法によって下地膜24aとCu配線2
6aの外面にのみ選択的に400Å成長させ、W被覆膜
28を形成する。このW被覆膜28は、試料温度を20
0〜400℃としWF6 ガスとH2 ガスの混合ガスを成
膜室へ供給し、この混合ガスのガス圧を1Torr以下
にして形成する。この成膜方法によると、界面反応が律
速となり、WをCu配線26aと下地膜24aの外面の
みに選択成長させることができる。ここで、この配線構
造体を多層化するためには、W被覆膜28上にSiO2
等の絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に上記した配線構造
体を同様に作製すればよい。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体集積
回路の配線構造体は、バリア性の良好なTa−W系合金
をCu配線の下地又は被覆にしているため、Cuの拡散
を十分に抑制した配線構造体である。したがって、本発
明により、比抵抗がAlより小さく耐エレクトロマイグ
レーションに優れた、工業的意義が非常に大きいCu配
線が実現できる。
回路の配線構造体は、バリア性の良好なTa−W系合金
をCu配線の下地又は被覆にしているため、Cuの拡散
を十分に抑制した配線構造体である。したがって、本発
明により、比抵抗がAlより小さく耐エレクトロマイグ
レーションに優れた、工業的意義が非常に大きいCu配
線が実現できる。
【図1】本発明の配線構造体の製造方法の一例を示す断
面図である。
面図である。
【図2】W、Ta50W50合金にMo、Nbを種々の割合
で添加して形成した膜のCuに対するバリア性を比較し
た実験結果を表すグラフである。
で添加して形成した膜のCuに対するバリア性を比較し
た実験結果を表すグラフである。
【図3】本発明の配線構造体の製造方法の他の例を示す
断面図である。
断面図である。
【符号の説明】 10,20 Si基板 12,22 絶縁膜 14 Ta50W50膜 14a,24a 下地膜 16,26 Cu膜 16a,26a Cu配線 18,28 W被覆膜 24 (Ta50W50)95(Mo50Nb50)5 膜
Claims (2)
- 【請求項1】 Ta−W合金膜をCu配線の下地又は被
覆にしたことを特徴とする半導体集積回路の配線構造
体。 - 【請求項2】 Mo及び/又はNbをTa−W合金に5
〜15原子%添加したTa−W系合金膜を、Cu配線の
下地又は被覆にしたことを特徴とする半導体集積回路の
配線構造体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP06541493A JP3261196B2 (ja) | 1993-03-24 | 1993-03-24 | 半導体集積回路の配線構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP06541493A JP3261196B2 (ja) | 1993-03-24 | 1993-03-24 | 半導体集積回路の配線構造体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06275621A JPH06275621A (ja) | 1994-09-30 |
JP3261196B2 true JP3261196B2 (ja) | 2002-02-25 |
Family
ID=13286363
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP06541493A Expired - Fee Related JP3261196B2 (ja) | 1993-03-24 | 1993-03-24 | 半導体集積回路の配線構造体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3261196B2 (ja) |
-
1993
- 1993-03-24 JP JP06541493A patent/JP3261196B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06275621A (ja) | 1994-09-30 |
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