JP3283965B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、配線材料にＡｇを使用
した半導体装置およびその製造方法に関する。
した半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い、配
線幅，配線膜厚の縮小化や多層配線化が進められてきて
いる。配線材料としては従来よりＡｌが用いられてき
た。しかし、素子の微細化によって配線断面積が縮小化
しても、信号電流の低減化が図られていないため、電流
密度が増加し、エレクトロマイグレ−ションによる断線
が問題となっている。また、多層配線化に伴い、配線は
複雑な熱履歴を受けるため、配線に加わる熱ストレスに
よるストレスマイグレ−ションによる断線も問題になっ
ている。
線幅，配線膜厚の縮小化や多層配線化が進められてきて
いる。配線材料としては従来よりＡｌが用いられてき
た。しかし、素子の微細化によって配線断面積が縮小化
しても、信号電流の低減化が図られていないため、電流
密度が増加し、エレクトロマイグレ−ションによる断線
が問題となっている。また、多層配線化に伴い、配線は
複雑な熱履歴を受けるため、配線に加わる熱ストレスに
よるストレスマイグレ−ションによる断線も問題になっ
ている。
【０００３】そこで、Ａｌよりも抵抗が低く、しかも、
エレクトロマイグレ−ションおよびストレスマイグレ−
ション耐性に優れた次世代配線材料として、Ｃｕ，Ａｇ
の検討が始められている。しかし、Ｃｕは約２００℃の
低温でもその内部まで酸化されてしまう。このような酸
化は抵抗の増大を招くので防止する必要がある。
エレクトロマイグレ−ションおよびストレスマイグレ−
ション耐性に優れた次世代配線材料として、Ｃｕ，Ａｇ
の検討が始められている。しかし、Ｃｕは約２００℃の
低温でもその内部まで酸化されてしまう。このような酸
化は抵抗の増大を招くので防止する必要がある。
【０００４】これを実現するために、Ｃｕを保護膜で被
覆するという手法が提案されている（特開昭６３−１５
６３４１）。この技術は図９（ａ）に示すように、ま
ず、シリコン基板８１上にＳｉＯ2 膜８２を形成し、こ
のＳｉＯ2 膜８２上にＴｉ膜８３，ＴｉＮ膜８４，Ｃｕ
膜８５，ＴｉＮ膜８６からなる積層膜を形成する。
覆するという手法が提案されている（特開昭６３−１５
６３４１）。この技術は図９（ａ）に示すように、ま
ず、シリコン基板８１上にＳｉＯ2 膜８２を形成し、こ
のＳｉＯ2 膜８２上にＴｉ膜８３，ＴｉＮ膜８４，Ｃｕ
膜８５，ＴｉＮ膜８６からなる積層膜を形成する。
【０００５】次に図９（ｂ）に示すように、上記積層膜
の側面がＴｉＮ膜８７で被覆されるように、全面にＴｉ
Ｎ膜８７を堆積する。
の側面がＴｉＮ膜８７で被覆されるように、全面にＴｉ
Ｎ膜８７を堆積する。
【０００６】最後に、上記積層膜の側面以外のＴｉＮ膜
８７を選択的に除去することにより、Ｃｕ膜８５がＴｉ
膜８６，８７で被覆された構造のＣｕ配線が得られる。
８７を選択的に除去することにより、Ｃｕ膜８５がＴｉ
膜８６，８７で被覆された構造のＣｕ配線が得られる。
【０００７】しかしながら、この方法は工程数が多く複
雑で実用が困難であるという問題がある。
雑で実用が困難であるという問題がある。
【０００８】また、Ｃｕ膜を保護膜で被覆する他のＣｕ
配線の形成方法として、熱処理を利用したものが提案さ
れている（特開昭６４−５９９３８）。これは図１０
（ａ）に示すように、まず、絶縁膜９１上に拡散バリア
メタル膜９２，Ｃｕ・Ｔｉ合金膜９３を順次堆積する。
配線の形成方法として、熱処理を利用したものが提案さ
れている（特開昭６４−５９９３８）。これは図１０
（ａ）に示すように、まず、絶縁膜９１上に拡散バリア
メタル膜９２，Ｃｕ・Ｔｉ合金膜９３を順次堆積する。
【０００９】次に図１０（ｂ）に示すように、拡散バリ
アメタル膜９２，Ｃｕ・Ｔｉ合金膜９３を配線状にパタ
ーニングする。
アメタル膜９２，Ｃｕ・Ｔｉ合金膜９３を配線状にパタ
ーニングする。
【００１０】最後に、図１０（ｃ）に示すように、Ｎを
含むガス雰囲気中での熱処理によって、Ｃｕ・Ｔｉ合金
膜９３中のＴｉをＣｕ・Ｔｉ合金膜９３の上面および側
面に拡散させ、Ｃｕ・Ｔｉ合金膜９３を保護膜であるＴ
ｉＮ膜９４および配線であるＣｕ配線９５に変える。
含むガス雰囲気中での熱処理によって、Ｃｕ・Ｔｉ合金
膜９３中のＴｉをＣｕ・Ｔｉ合金膜９３の上面および側
面に拡散させ、Ｃｕ・Ｔｉ合金膜９３を保護膜であるＴ
ｉＮ膜９４および配線であるＣｕ配線９５に変える。
【００１１】しかしながら、この方法を用いて実際にＴ
ｉＮ膜９３を形成してみると、低抵抗のＣｕ配線９５を
得るには熱処理温度を高くしなければならず、素子の拡
散層内の不純物が再拡散し、素子が劣化するという問題
があった。また、熱処理温度が低い場合には、Ｃｕ配線
９５中にＴｉが残留し、配線抵抗が増大するという問題
があった。
ｉＮ膜９３を形成してみると、低抵抗のＣｕ配線９５を
得るには熱処理温度を高くしなければならず、素子の拡
散層内の不純物が再拡散し、素子が劣化するという問題
があった。また、熱処理温度が低い場合には、Ｃｕ配線
９５中にＴｉが残留し、配線抵抗が増大するという問題
があった。
【００１２】一方、Ａｇは、大気中で約７０℃以上の加
熱により、容易に凝集を起こすため、現在までほとんど
その検討がされていない。
熱により、容易に凝集を起こすため、現在までほとんど
その検討がされていない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、次世代配
線材料としてＣｕ，Ａｇの検討が始められている。しか
し、Ｃｕは約２００℃の低温でもその内部まで酸化され
てしまう。そこで、Ｃｕを保護膜で被覆するという技術
が提案された。
線材料としてＣｕ，Ａｇの検討が始められている。しか
し、Ｃｕは約２００℃の低温でもその内部まで酸化され
てしまう。そこで、Ｃｕを保護膜で被覆するという技術
が提案された。
【００１４】しかしながら、工程数が多く実用的でなか
ったり、配線抵抗を小さくするには高温熱処理が必要
で、この高温熱処理によって拡散層内の不純物が再拡散
し、素子が劣化するという問題があった。
ったり、配線抵抗を小さくするには高温熱処理が必要
で、この高温熱処理によって拡散層内の不純物が再拡散
し、素子が劣化するという問題があった。
【００１５】一方、Ａｇは、大気中で約７０℃以上の加
熱により、容易に凝集を起こすため、現在までほとんど
その検討がされていなかった。
熱により、容易に凝集を起こすため、現在までほとんど
その検討がされていなかった。
【００１６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、Ａｌ配線に代わる実用
的な低抵抗の金属配線を有する半導体装置およびその製
造方法を提供することにある。
ので、その目的とするところは、Ａｌ配線に代わる実用
的な低抵抗の金属配線を有する半導体装置およびその製
造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成され
た第１の金属膜と、この第１の金属膜上に形成された銀
を主成分とする第２の金属膜と、この第２の金属膜の少
なくとも上面を被覆し、前記第１の金属膜の金属元素の
酸化物または窒化物からなる保護膜と、前記半導体基板
と前記第１の金属膜との間に設けられた拡散バリア膜と
を備えたことを特徴とする。
めに、本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成され
た第１の金属膜と、この第１の金属膜上に形成された銀
を主成分とする第２の金属膜と、この第２の金属膜の少
なくとも上面を被覆し、前記第１の金属膜の金属元素の
酸化物または窒化物からなる保護膜と、前記半導体基板
と前記第１の金属膜との間に設けられた拡散バリア膜と
を備えたことを特徴とする。
【００１８】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に第１の金属膜を形成する工程と、この第
１の金属膜上に銀を主成分とする第２の金属膜を形成す
る工程と、所定元素が含まれるガス雰囲気中の熱処理に
よって、前記第１の金属膜中の一部の金属を前記第２の
金属膜の表面まで拡散させ、前記所定元素と前記第１の
金属膜中の一部の金属とからなる銀凝集防止用の保護膜
を前記第２の金属膜の表面に形成する工程とを備えたこ
とを特徴とする。
半導体基板上に第１の金属膜を形成する工程と、この第
１の金属膜上に銀を主成分とする第２の金属膜を形成す
る工程と、所定元素が含まれるガス雰囲気中の熱処理に
よって、前記第１の金属膜中の一部の金属を前記第２の
金属膜の表面まで拡散させ、前記所定元素と前記第１の
金属膜中の一部の金属とからなる銀凝集防止用の保護膜
を前記第２の金属膜の表面に形成する工程とを備えたこ
とを特徴とする。
【００１９】また、上記第１の金属膜はチタン膜である
ことが好ましい。更に、上記熱処理の温度は４５０℃以
上７５０℃以下で、上記所定元素は酸素であることが好
ましい。
ことが好ましい。更に、上記熱処理の温度は４５０℃以
上７５０℃以下で、上記所定元素は酸素であることが好
ましい。
【００２０】
【作用】本発明の半導体装置によれば、銀を主成分とす
る第２の金属膜は、保護膜で被覆された分だけ銀の凝集
が抑制され、信頼性の向上が図れる。
る第２の金属膜は、保護膜で被覆された分だけ銀の凝集
が抑制され、信頼性の向上が図れる。
【００２１】また、上記第２の金属膜は少なくともその
上面が保護膜で被覆されているので、積層配線化に有利
である。すなわち、第１の金属膜と第２の金属膜とから
なる本構造の配線層を層間絶縁膜を介して積層するなど
して、各配線層にコンタクトする接続配線用の深さの異
なるコンタクトホールを形成する際に、上記保護膜がエ
ッチングストッパ膜として使用することができるので、
異なる深さのコンタクトホールを一度に形成できる。
上面が保護膜で被覆されているので、積層配線化に有利
である。すなわち、第１の金属膜と第２の金属膜とから
なる本構造の配線層を層間絶縁膜を介して積層するなど
して、各配線層にコンタクトする接続配線用の深さの異
なるコンタクトホールを形成する際に、上記保護膜がエ
ッチングストッパ膜として使用することができるので、
異なる深さのコンタクトホールを一度に形成できる。
【００２２】また、本発明者等の研究によれば、第１の
金属膜と銀を主成分とする第２の金属膜との積層膜にお
いて、第２の金属膜に対する第１の金属膜の金属の拡散
速度は、第１の金属膜の金属と、第２の金属膜の金属と
からなる化合物若しくは合金に対する第１の金属膜の金
属の拡散速度よりも十分速いことが分かった。これは主
として第２の金属膜の粒界等を経由して第１の金属膜の
金属が拡散するためと思われる。
金属膜と銀を主成分とする第２の金属膜との積層膜にお
いて、第２の金属膜に対する第１の金属膜の金属の拡散
速度は、第１の金属膜の金属と、第２の金属膜の金属と
からなる化合物若しくは合金に対する第１の金属膜の金
属の拡散速度よりも十分速いことが分かった。これは主
として第２の金属膜の粒界等を経由して第１の金属膜の
金属が拡散するためと思われる。
【００２３】このため、本発明の半導体装置の製造方法
によれば、熱処理工程において、主配線となる銀を主成
分とする第２の金属膜の表面に、保護膜を形成するのに
十分な量の第１の金属膜中の金属が拡散によって供給さ
れるため、第２の金属膜の表面に保護膜を形成できる。
によれば、熱処理工程において、主配線となる銀を主成
分とする第２の金属膜の表面に、保護膜を形成するのに
十分な量の第１の金属膜中の金属が拡散によって供給さ
れるため、第２の金属膜の表面に保護膜を形成できる。
【００２４】したがって、本発明の半導体装置の製造方
法によれば、配線材料として抵抗値は低いけど凝集を起
こしやすい銀を使用しても、主配線となる第２の金属膜
に形成される保護膜により、第２の金属膜の銀の凝集を
抑制できるので、低抵抗という銀の特性を生かした実用
的な金属配線を得ることができる。また、第１の金属膜
の金属の拡散速度が速いため、銀を主成分とする第２の
金属膜中に第１の金属が残ることは防止され、配線抵抗
を低く抑えることができる。
法によれば、配線材料として抵抗値は低いけど凝集を起
こしやすい銀を使用しても、主配線となる第２の金属膜
に形成される保護膜により、第２の金属膜の銀の凝集を
抑制できるので、低抵抗という銀の特性を生かした実用
的な金属配線を得ることができる。また、第１の金属膜
の金属の拡散速度が速いため、銀を主成分とする第２の
金属膜中に第１の金属が残ることは防止され、配線抵抗
を低く抑えることができる。
【００２５】更に、第１の金属膜および第２の金属膜を
溝内に形成すれば、溝上部の第２の金属膜の上面部分に
選択的に十分な量の第１の金属膜中の金属を供給できる
ので、第２の金属膜の上面部分に選択的に保護膜を形成
できる。
溝内に形成すれば、溝上部の第２の金属膜の上面部分に
選択的に十分な量の第１の金属膜中の金属を供給できる
ので、第２の金属膜の上面部分に選択的に保護膜を形成
できる。
【００２６】したがって、図９に示した従来技術のよう
に、配線層を保護膜で覆うというプロセスに比べて、簡
単なプロセスで済む。
に、配線層を保護膜で覆うというプロセスに比べて、簡
単なプロセスで済む。
【００２７】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。
る。
【００２８】図１は、本発明の一実施例に係る埋込みＡ
ｇ配線の形成方法を示す工程断面図である。また、図１
１〜図１３は実際に形成された形状の断面構造を示すＳ
ＥＭ写真で、図１１〜図１３はそれぞれ図１（ａ）〜
（ｃ）に対応している。
ｇ配線の形成方法を示す工程断面図である。また、図１
１〜図１３は実際に形成された形状の断面構造を示すＳ
ＥＭ写真で、図１１〜図１３はそれぞれ図１（ａ）〜
（ｃ）に対応している。
【００２９】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板１上にＳｉＯ2 膜２を形成し、このＳｉＯ2 膜２に
埋込み配線用の溝を形成する。ここでは、絶縁膜として
ＳｉＯ2 膜２を用いたが、他の絶縁膜、例えば、ポリイ
ミド膜を用いても良い。
基板１上にＳｉＯ2 膜２を形成し、このＳｉＯ2 膜２に
埋込み配線用の溝を形成する。ここでは、絶縁膜として
ＳｉＯ2 膜２を用いたが、他の絶縁膜、例えば、ポリイ
ミド膜を用いても良い。
【００３０】次いで拡散バリア膜として厚さ７０ｎｍの
ＴｉＮ膜３を形成する。このＴｉＮ膜３の成膜は、例え
ば、スパッタ法により行ない、その条件は、例えば、ス
パッタ時圧力１０-1Ｐａ、Ａｒ／Ｎ2 比５０／５０％、
残留Ｏ2 濃度約１０ｐｐｍ以下、電流５Ａとする。この
後、６００℃の温度の熱処理によってＴｉＮ膜３をデン
シファイする。
ＴｉＮ膜３を形成する。このＴｉＮ膜３の成膜は、例え
ば、スパッタ法により行ない、その条件は、例えば、ス
パッタ時圧力１０-1Ｐａ、Ａｒ／Ｎ2 比５０／５０％、
残留Ｏ2 濃度約１０ｐｐｍ以下、電流５Ａとする。この
後、６００℃の温度の熱処理によってＴｉＮ膜３をデン
シファイする。
【００３１】次いでＴｉＮ膜３上に厚さ５０ｎｍのＴｉ
膜４（第１の金属膜）、厚さ４００ｎｍのＡｇ膜５（第
２の金属膜）を順次形成する。Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５の成
膜は、例えば、スパッタ法により行ない、その条件は、
例えば、スパッタ時圧力１０-1Ｐａ、Ａｒ１００％、残
留Ｏ2 濃度約１０ｐｐｍ以下（Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５に共
通）、１．５Ａ（Ｔｉ膜４）、１ｋＷ（Ａｇ膜５）とす
る。それぞれのスパッタ工程は真空を破らず連続的に行
なうことが好ましい次に図１（ｂ）に示すように、Ａｇ
膜５を平坦化する。この平坦化は、Ａｇ膜５をスパッタ
法により成膜する場合には、例えば、Ａｇ膜５のスパッ
タ成膜中或いは成膜後に４００℃のアニールを行なっ
て、Ａｇ膜５をリフローし、平坦化する。
膜４（第１の金属膜）、厚さ４００ｎｍのＡｇ膜５（第
２の金属膜）を順次形成する。Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５の成
膜は、例えば、スパッタ法により行ない、その条件は、
例えば、スパッタ時圧力１０-1Ｐａ、Ａｒ１００％、残
留Ｏ2 濃度約１０ｐｐｍ以下（Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５に共
通）、１．５Ａ（Ｔｉ膜４）、１ｋＷ（Ａｇ膜５）とす
る。それぞれのスパッタ工程は真空を破らず連続的に行
なうことが好ましい次に図１（ｂ）に示すように、Ａｇ
膜５を平坦化する。この平坦化は、Ａｇ膜５をスパッタ
法により成膜する場合には、例えば、Ａｇ膜５のスパッ
タ成膜中或いは成膜後に４００℃のアニールを行なっ
て、Ａｇ膜５をリフローし、平坦化する。
【００３２】次に図１（ｃ）に示すように、溝部以外の
ＴｉＮ膜３、Ｔｉ膜４、Ａｇ膜５を除去して埋込みＡｇ
配線層を形成する。これらＴｉＮ膜３、Ｔｉ膜４、Ａｇ
膜５の除去は、ウエットエッチング，ＲＩＥ，イオンミ
リング，研磨等により行なう。具体的には、ウエットエ
ッチングの場合には希硝酸溶液を用い、研磨の場合には
研磨材としてアルミナ若しくはシリカを用いる。
ＴｉＮ膜３、Ｔｉ膜４、Ａｇ膜５を除去して埋込みＡｇ
配線層を形成する。これらＴｉＮ膜３、Ｔｉ膜４、Ａｇ
膜５の除去は、ウエットエッチング，ＲＩＥ，イオンミ
リング，研磨等により行なう。具体的には、ウエットエ
ッチングの場合には希硝酸溶液を用い、研磨の場合には
研磨材としてアルミナ若しくはシリカを用いる。
【００３３】ここでは、表面が平坦になるようにＡｇ膜
５を除去したが、Ａｇ膜５が溝表面の下になるようにし
ても良い。更に、後工程で溝部以外のＴｉＮ膜３、Ｔｉ
膜４、Ａｇ膜５を除去しても不都合がなければ、本工程
で溝部以外のＴｉＮ膜３、Ｔｉ膜４、Ａｇ膜５を残して
おいても良い。
５を除去したが、Ａｇ膜５が溝表面の下になるようにし
ても良い。更に、後工程で溝部以外のＴｉＮ膜３、Ｔｉ
膜４、Ａｇ膜５を除去しても不都合がなければ、本工程
で溝部以外のＴｉＮ膜３、Ｔｉ膜４、Ａｇ膜５を残して
おいても良い。
【００３４】この後、シリコン基板１をアニール用処理
室に搬入し、このアニール用処理室内を１０-6Ｔｏｒｒ
以下の真空まで減圧する。
室に搬入し、このアニール用処理室内を１０-6Ｔｏｒｒ
以下の真空まで減圧する。
【００３５】次に図１（ｄ）に示すように、Ｏ2 （所定
元素）を含む希ガス、例えば、Ａｒガスを導入し、この
Ａｒガス雰囲気中で６００℃の温度で３０分間アニール
を行ない、Ａｇ膜５の上面にＴｉＯ2 膜６を形成する。
このアニール工程において、上記Ｏ2 の分圧は１０-10
Ｔｏｒｒ以上、Ａｒは常圧とする。このとき、図１４
（ｃ）に示すように、ＴｉがＡｇ膜５の表面まで拡散し
ていることが分かる。また、Ａｇ膜５の上面部分のＸＰ
Ｓスペクトルを求めたところ、図２に示すような結果が
得られ、Ａｇ膜５の上面部分にはＴｉＯ2 膜６が形成さ
れていることを確認できた。
元素）を含む希ガス、例えば、Ａｒガスを導入し、この
Ａｒガス雰囲気中で６００℃の温度で３０分間アニール
を行ない、Ａｇ膜５の上面にＴｉＯ2 膜６を形成する。
このアニール工程において、上記Ｏ2 の分圧は１０-10
Ｔｏｒｒ以上、Ａｒは常圧とする。このとき、図１４
（ｃ）に示すように、ＴｉがＡｇ膜５の表面まで拡散し
ていることが分かる。また、Ａｇ膜５の上面部分のＸＰ
Ｓスペクトルを求めたところ、図２に示すような結果が
得られ、Ａｇ膜５の上面部分にはＴｉＯ2 膜６が形成さ
れていることを確認できた。
【００３６】上記アニール工程でＡｇ膜５の上面部分に
ＴｉＯ2 膜６が形成されるのは、Ｔｉ膜４中のＴｉがＡ
ｇ膜５中を拡散してＡｇ膜５の表面に達し、この表面に
達したＴｉが雰囲気中のＯ2 と反応するからだと考えら
れる。
ＴｉＯ2 膜６が形成されるのは、Ｔｉ膜４中のＴｉがＡ
ｇ膜５中を拡散してＡｇ膜５の表面に達し、この表面に
達したＴｉが雰囲気中のＯ2 と反応するからだと考えら
れる。
【００３７】しかも、Ａｇ膜５に対するＴｉの拡散速度
は、ＡｇとＴｉとの化合物若しくは合金に対するＴｉの
拡散速度よりも十分速いので、本実施例のように拡散層
内の不純物の再拡散を防止できる６００℃の低温度のア
ニールでも、保護膜の成膜に必要な量のＴｉをＡｇ膜５
の表面に供給できる。
は、ＡｇとＴｉとの化合物若しくは合金に対するＴｉの
拡散速度よりも十分速いので、本実施例のように拡散層
内の不純物の再拡散を防止できる６００℃の低温度のア
ニールでも、保護膜の成膜に必要な量のＴｉをＡｇ膜５
の表面に供給できる。
【００３８】図４は、ＡｇとＴｉとからなる膜に対する
Ｔｉの拡散速度が遅いことを示す図で、具体的には、ア
ニール前後におけるＡｇとＴｉとの化合物若しくは合金
のシート抵抗の変化を示す図である。ここで、膜厚は４
００ｎｍである。
Ｔｉの拡散速度が遅いことを示す図で、具体的には、ア
ニール前後におけるＡｇとＴｉとの化合物若しくは合金
のシート抵抗の変化を示す図である。ここで、膜厚は４
００ｎｍである。
【００３９】アニール前（曲線ａ）とアニール後（曲線
ｂ）とでは、シート抵抗はあまり変わらず、アニールを
行なっても高シート抵抗のままである。これはＴｉの拡
散速度が遅く、Ａｇ膜５とＴｉ膜４との積層膜の場合の
ように、表面にＴｉが集まらず、ＡｇとＴｉとの化合物
若しくは合金中に多くのＴｉが残るためである。
ｂ）とでは、シート抵抗はあまり変わらず、アニールを
行なっても高シート抵抗のままである。これはＴｉの拡
散速度が遅く、Ａｇ膜５とＴｉ膜４との積層膜の場合の
ように、表面にＴｉが集まらず、ＡｇとＴｉとの化合物
若しくは合金中に多くのＴｉが残るためである。
【００４０】これはＡｇとＴｉとの化合物若しくは合金
の場合、Ｔｉの拡散タイプが拡散速度の遅い体拡散であ
るのに対し、Ａｇ膜５とＴｉ膜４との積層膜の場合、Ｔ
ｉの拡散タイプが拡散速度の速い粒界拡散であることに
起因している。
の場合、Ｔｉの拡散タイプが拡散速度の遅い体拡散であ
るのに対し、Ａｇ膜５とＴｉ膜４との積層膜の場合、Ｔ
ｉの拡散タイプが拡散速度の速い粒界拡散であることに
起因している。
【００４１】ここで、７５０℃より高い温度でアニール
すると、図１４（ｄ）に示すように、ＡｇとＴｉとが反
応し、空胴が発生するため、信頼性の低下を防止するに
は、上記アニールを７５０℃以下で行なう必要がある。
また、４５０℃より低い温度でアニールすると、図１４
（ｂ）に示すように、Ａｇ膜５の表面にまでＴｉが拡散
せず、ＴｉＯ2 膜６を形成できないので、ＴｉＯ2 膜６
を確実に形成するには、上記アニールを４５０℃以上で
行なう必要がある。なお、図１４（ａ）はＡｇ膜５のス
パッタ堆積直後を示している。
すると、図１４（ｄ）に示すように、ＡｇとＴｉとが反
応し、空胴が発生するため、信頼性の低下を防止するに
は、上記アニールを７５０℃以下で行なう必要がある。
また、４５０℃より低い温度でアニールすると、図１４
（ｂ）に示すように、Ａｇ膜５の表面にまでＴｉが拡散
せず、ＴｉＯ2 膜６を形成できないので、ＴｉＯ2 膜６
を確実に形成するには、上記アニールを４５０℃以上で
行なう必要がある。なお、図１４（ａ）はＡｇ膜５のス
パッタ堆積直後を示している。
【００４２】したがって、ＴｉＯ2 膜６を形成するに
は、４５０℃以上７５０℃以下の温度のアニールを行な
う必要がある。また、特に本実施例のように６００℃程
度の低温度のアニールであれば、拡散層内の不純物の再
拡散はより効果的に抑制され、素子の劣化を防止でき
る。
は、４５０℃以上７５０℃以下の温度のアニールを行な
う必要がある。また、特に本実施例のように６００℃程
度の低温度のアニールであれば、拡散層内の不純物の再
拡散はより効果的に抑制され、素子の劣化を防止でき
る。
【００４３】図１５（ａ）は大気中でアニールを行なっ
た場合のＡｇ膜の表面を示し、図１５（ｂ）は本実施例
の大気中でアニールを行なったＡｇ膜の表面を示してい
る。図１５から保護膜であるＴｉＯ2 膜６の存在によっ
て、Ａｇの凝集が抑制され良好なＡｇ配線層が形成され
ていることが分かる。また、ＴｉＯ2 膜６はＡｇに対し
て拡散バリア膜として機能するので、Ａｇ膜５中のＡｇ
が後工程でＳｉＯ2 膜１２上に形成される膜中に拡散す
るのを防止できる。
た場合のＡｇ膜の表面を示し、図１５（ｂ）は本実施例
の大気中でアニールを行なったＡｇ膜の表面を示してい
る。図１５から保護膜であるＴｉＯ2 膜６の存在によっ
て、Ａｇの凝集が抑制され良好なＡｇ配線層が形成され
ていることが分かる。また、ＴｉＯ2 膜６はＡｇに対し
て拡散バリア膜として機能するので、Ａｇ膜５中のＡｇ
が後工程でＳｉＯ2 膜１２上に形成される膜中に拡散す
るのを防止できる。
【００４４】また、本実施例の方法に従って作成した試
料（ＳｉＯ2 膜，Ｔｉ膜，Ａｇ膜，ＴｉＯ2 膜の積層
膜）のＲＢＳスペクトルを求めたところ、図３に示すよ
うに、Ａｇ膜中のＴｉは検出限界（１atom％）以下であ
ることが分かった。
料（ＳｉＯ2 膜，Ｔｉ膜，Ａｇ膜，ＴｉＯ2 膜の積層
膜）のＲＢＳスペクトルを求めたところ、図３に示すよ
うに、Ａｇ膜中のＴｉは検出限界（１atom％）以下であ
ることが分かった。
【００４５】図５は、本実施例の方法に従って作成した
Ａｇ配線（曲線ｄ）のエレクトロマイグレーション耐性
を示す図である。
Ａｇ配線（曲線ｄ）のエレクトロマイグレーション耐性
を示す図である。
【００４６】これはＡｇ配線に１．６×１０7 Ａ／ｃｍ
2 の電流を流し、電流を流す前後の抵抗値の変化（電流
を流した後の抵抗値／電流を流す前の抵抗値）を示して
いる。また、図５中、曲線ｃは比較例を示し、Ａｇ配線
をＴｉＯ2 膜で被覆していない場合の抵抗値変化を示し
ている。
2 の電流を流し、電流を流す前後の抵抗値の変化（電流
を流した後の抵抗値／電流を流す前の抵抗値）を示して
いる。また、図５中、曲線ｃは比較例を示し、Ａｇ配線
をＴｉＯ2 膜で被覆していない場合の抵抗値変化を示し
ている。
【００４７】この図５から本実施例のＡｇ配線の場合に
は、電流を流してから１０3 秒以上経ってから急激に抵
抗変化率が大きくなり断線が発生するのに対して、比較
例の場合には、数秒後に抵抗変化率が急激に大きくなり
断線が発生していることが分かる。この結果から本実施
例のＡｇ配線は非常にエレクトロマイグレーション耐性
に優れたものであることが分かる。
は、電流を流してから１０3 秒以上経ってから急激に抵
抗変化率が大きくなり断線が発生するのに対して、比較
例の場合には、数秒後に抵抗変化率が急激に大きくなり
断線が発生していることが分かる。この結果から本実施
例のＡｇ配線は非常にエレクトロマイグレーション耐性
に優れたものであることが分かる。
【００４８】最後に、図１（ｄ）に示すように、全面に
例えばＰＳＧ等の層間絶縁膜７を堆積して埋込み配線工
程が終了する。
例えばＰＳＧ等の層間絶縁膜７を堆積して埋込み配線工
程が終了する。
【００４９】以上述べたように、本実施例のＡｇ配線の
形成方法によれば、拡散層内の不純物の再拡散を招かな
い温度のアニールにより、Ａｇ膜５の表面にＡｇの凝集
を防止するためのＴｉＯ2 膜６を形成できる。したがっ
て、素子の劣化や信頼性の低下を招かずに、埋込みＡｇ
配線が得られる。しかも、上記アニールによってもＡｇ
膜５中にはほとんどＴｉは残留しないので、Ａｇの低抵
抗性を損なうこともない。更に、Ａｇ膜５の上面部分に
選択的にＴｉＯ2 膜６を形成できるので、図９に示した
従来技術のように、配線層を保護膜で覆うというプロセ
スに比べて、簡単なプロセスで済む。
形成方法によれば、拡散層内の不純物の再拡散を招かな
い温度のアニールにより、Ａｇ膜５の表面にＡｇの凝集
を防止するためのＴｉＯ2 膜６を形成できる。したがっ
て、素子の劣化や信頼性の低下を招かずに、埋込みＡｇ
配線が得られる。しかも、上記アニールによってもＡｇ
膜５中にはほとんどＴｉは残留しないので、Ａｇの低抵
抗性を損なうこともない。更に、Ａｇ膜５の上面部分に
選択的にＴｉＯ2 膜６を形成できるので、図９に示した
従来技術のように、配線層を保護膜で覆うというプロセ
スに比べて、簡単なプロセスで済む。
【００５０】なお、本実施例ではＡｒとＯ2 とを含むガ
ス雰囲気中でアニールを行なったが、その代わりに窒素
ガス雰囲気でのアニールによって、Ａｇ膜５の表面を窒
化し、ＴｉＯ2 膜６の代わりにＴｉＮ膜を形成しても、
ＴｉＯ2 膜６と同様に良好な凝集耐性、拡散耐性が得ら
れた。
ス雰囲気中でアニールを行なったが、その代わりに窒素
ガス雰囲気でのアニールによって、Ａｇ膜５の表面を窒
化し、ＴｉＯ2 膜６の代わりにＴｉＮ膜を形成しても、
ＴｉＯ2 膜６と同様に良好な凝集耐性、拡散耐性が得ら
れた。
【００５１】ところで、比較のため、上記方法をＣｕ
（４００ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）積層膜にも適用して
みた。図７は、このＣｕ／Ｔｉ積層膜についてのアニー
ル温度とＣｕ膜のシート抵抗との関係を示す特性図であ
る。なお、アニール時間は３０分で、雰囲気はＯ2 を含
むＡｒガス雰囲気である。
（４００ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）積層膜にも適用して
みた。図７は、このＣｕ／Ｔｉ積層膜についてのアニー
ル温度とＣｕ膜のシート抵抗との関係を示す特性図であ
る。なお、アニール時間は３０分で、雰囲気はＯ2 を含
むＡｒガス雰囲気である。
【００５２】Ｃｕの場合、図７から６００℃程度以上シ
ート抵抗値は約１００以上になってしまうが、Ａｇ（４
００ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）積層膜の場合、図６から
４５０℃以上の温度でシート抵抗値が約５３以下とな
る。このようにＣｕの場合、シート抵抗が高くなるの
は、Ａｇ膜に比べて、Ｃｕ膜中にＴｉが残り易く、この
残ったＴｉのために不純物による抵抗増大が生じている
からだと考えられる。特に６００℃程度の温度から拡散
等が進み、保護膜が形成され始まるので、この効果が大
きくなる。
ート抵抗値は約１００以上になってしまうが、Ａｇ（４
００ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）積層膜の場合、図６から
４５０℃以上の温度でシート抵抗値が約５３以下とな
る。このようにＣｕの場合、シート抵抗が高くなるの
は、Ａｇ膜に比べて、Ｃｕ膜中にＴｉが残り易く、この
残ったＴｉのために不純物による抵抗増大が生じている
からだと考えられる。特に６００℃程度の温度から拡散
等が進み、保護膜が形成され始まるので、この効果が大
きくなる。
【００５３】図８は、本発明の他の実施例に係る埋込み
Ａｇ配線構造を示す図である。これは本発明を積層配線
に適用した例である。
Ａｇ配線構造を示す図である。これは本発明を積層配線
に適用した例である。
【００５４】これを形成工程に従い説明すると、まず、
シリコン基板１上にＳｉＯ2 膜２を形成した後、先の実
施例と同様に、ＴｉＮ膜３，Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５および
ＴｉＯ2 膜６，層間絶縁膜７を形成する。
シリコン基板１上にＳｉＯ2 膜２を形成した後、先の実
施例と同様に、ＴｉＮ膜３，Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５および
ＴｉＯ2 膜６，層間絶縁膜７を形成する。
【００５５】次に層間絶縁膜７の表面に埋込み配線用の
溝を形成した後、ＴｉＮ膜３，Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５およ
びＴｉＯ2 膜６の場合と同様な方法により、ＴｉＮ膜３
ａ，Ｔｉ膜４ａ，Ａｇ膜５ａおよびＴｉＯ2 膜６ａを形
成する。
溝を形成した後、ＴｉＮ膜３，Ｔｉ膜４，Ａｇ膜５およ
びＴｉＯ2 膜６の場合と同様な方法により、ＴｉＮ膜３
ａ，Ｔｉ膜４ａ，Ａｇ膜５ａおよびＴｉＯ2 膜６ａを形
成する。
【００５６】次に全面に層間絶縁膜８を堆積した後、Ｔ
ｉＯ2 膜６，ＴｉＯ2 膜６ａをエッチングストッパ膜と
して用い、これらＴｉＯ2 膜６，ＴｉＯ2 膜６ａが露出
するまで、層間絶縁膜７，８をエッチングする。このよ
うに層間絶縁膜８の表面からＴｉＯ2 膜６，ＴｉＯ2 膜
６ａまでのそれぞれの距離が異なっていも、ＴｉＯ2膜
６，ＴｉＯ2 膜６ａがエッチングストッパ膜として機能
するので、深さが異なる二つの溝を同時に形成できる。
ｉＯ2 膜６，ＴｉＯ2 膜６ａをエッチングストッパ膜と
して用い、これらＴｉＯ2 膜６，ＴｉＯ2 膜６ａが露出
するまで、層間絶縁膜７，８をエッチングする。このよ
うに層間絶縁膜８の表面からＴｉＯ2 膜６，ＴｉＯ2 膜
６ａまでのそれぞれの距離が異なっていも、ＴｉＯ2膜
６，ＴｉＯ2 膜６ａがエッチングストッパ膜として機能
するので、深さが異なる二つの溝を同時に形成できる。
【００５７】最後に、溝内のＴｉＯ2 膜６，ＴｉＯ2 膜
６ａを除去した後、接続配線７，７ａを形成する。
６ａを除去した後、接続配線７，７ａを形成する。
【００５８】かくして本実施例によれば、深さの異なる
コンタクトホールを同時に形成できるので、低抵抗で高
信頼の多層埋込みＡｇ配線を簡単な工程で形成できる。
コンタクトホールを同時に形成できるので、低抵抗で高
信頼の多層埋込みＡｇ配線を簡単な工程で形成できる。
【００５９】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、埋込み配線
の場合について説明したが他の構造の配線にも適用でき
る。
るものではない。例えば、上記実施例では、埋込み配線
の場合について説明したが他の構造の配線にも適用でき
る。
【００６０】また、上記実施例では、保護膜となる材料
としてＴｉを用いたが他の材料、例えば、Ｓｉ，Ｉｎ，
Ｎｂ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｚ
ｒを用いても良い。すなわち、上記実施例では、Ａｇと
Ｔｉとの組み合わせについて述べたが、要は配線層中に
保護膜となる物質が残らなければ、他の物質の組み合わ
せでも良い。
としてＴｉを用いたが他の材料、例えば、Ｓｉ，Ｉｎ，
Ｎｂ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｚ
ｒを用いても良い。すなわち、上記実施例では、Ａｇと
Ｔｉとの組み合わせについて述べたが、要は配線層中に
保護膜となる物質が残らなければ、他の物質の組み合わ
せでも良い。
【００６１】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。
で、種々変形して実施できる。
【００６２】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によればＡｇ
膜中のＡｇの凝集を抑制できるので、低抵抗であるが凝
集が起こり易いため、現在までほとんど配線材料として
検討されていなかったＡｇを使用できるようになり、Ａ
ｇの低抵抗性を生かした配線が得られる。
膜中のＡｇの凝集を抑制できるので、低抵抗であるが凝
集が起こり易いため、現在までほとんど配線材料として
検討されていなかったＡｇを使用できるようになり、Ａ
ｇの低抵抗性を生かした配線が得られる。
【図１】本発明の一実施例に係わる埋込みＡｇ配線の形
成方法を示す工程断面図。
成方法を示す工程断面図。
【図２】Ａｇ膜の上面部分にＴｉＯ2 膜が形成されてい
ることを示すＸＰＳスペクトル。
ることを示すＸＰＳスペクトル。
【図３】Ａｇ膜中にＴｉが残っていないことを示すＲＢ
Ｓスペクトル。
Ｓスペクトル。
【図４】ＡｇとＴｉとの化合物に本発明の熱処理（アニ
ール）が有効でないことを表す熱処理前後のシート抵抗
の変化を示す図。
ール）が有効でないことを表す熱処理前後のシート抵抗
の変化を示す図。
【図５】本発明によるエレクトロマイグレーション耐性
の向上を示す抵抗変化率と時間との関係を示す図。
の向上を示す抵抗変化率と時間との関係を示す図。
【図６】Ａｇについてのアニール温度とシート抵抗との
関係を示す特性図。
関係を示す特性図。
【図７】Ｃｕについてのアニール温度とシート抵抗との
関係を示す特性図。
関係を示す特性図。
【図８】本発明の他の実施例に係る埋込みＡｇ配線構造
を示す図。
を示す図。
【図９】従来のＣｕ配線の形成方法を示す工程断面図。
【図１０】従来の他のＣｕ配線の形成方法を示す工程断
面図。
面図。
【図１１】基板上に形成された微細パターンを表す写
真。
真。
【図１２】基板上に形成された微細パターンを表す写
真。
真。
【図１３】基板上に形成された微細パターンを表す写
真。
真。
【図１４】基板上に形成された微細パターンを表す写
真。
真。
【図１５】基板上に形成された微細パターンを表す写
真。
真。
１…シリコン基板 ２…ＳｉＯ2 膜 ３，３ａ…ＴｉＮ膜 ４，４ａ…Ｔｉ膜（第１の金属膜） ５，５ａ…Ａｇ膜（第２の金属膜） ６，６ａ…ＴｉＯ2 膜 ７，８…層間絶縁膜 ８１…シリコン基板 ８２…ＳｉＯ2 膜 ８３，８６，８７…Ｔｉ膜 ８４…ＴｉＮ膜８４ ８５…Ｃｕ膜 ９１…絶縁膜 ９２…拡散バリアメタル膜 ９３…Ｃｕ・Ｔｉ合金膜 ９４…ＴｉＮ膜 ９５…Ｃｕ配線
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−102154（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−90258（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/3205 H01L 21/321 H01L 21/3213 H01L 21/768
Claims (9)
- 【請求項１】半導体基板上に形成された第１の金属膜
と、 この第１の金属膜上に形成された銀を主成分とする第２
の金属膜と、 この第２の金属膜の少なくとも上面を被覆し、前記第１
の金属膜の金属元素の酸化物または窒化物からなる保護
膜と、 前記半導体基板と前記第１の金属膜との間に設けられた
拡散バリア膜と を具備してなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】半導体基板上に形成され、チタンからなる
第１の金属膜と、 この第１の金属膜上に形成された銀を主成分とする第２
の金属膜と、 この第２の金属膜の少なくとも上面を被覆し、酸化チタ
ンからなる保護膜と を具備してなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】前記第１の金属膜は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｉｎ、
Ｎｂ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂｅ、ま
たはＺｒからなることを特徴とする請求項１に記載の半
導体装置。 - 【請求項４】半導体基板上に第１の金属膜を形成する工
程と、 この第１の金属膜上に銀を主成分とする第２の金属膜を
形成する工程と、 所定元素が含まれるガス雰囲気中の熱処理によって、前
記第１の金属膜中の一部の金属を前記第２の金属膜の表
面まで拡散させ、前記所定元素と前記第１の金属膜中の
一部の金属とからなる保護膜を前記第２の金属膜の表面
に形成する工程と を有することを特徴する半導体装置の製造方法。 - 【請求項５】前記第１の金属膜は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｉｎ、
Ｎｂ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂｅ、ま
たはＺｒからなることを特徴とする請求項４に記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項６】前記所定元素は、酸素または窒素であるこ
とを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項７】前記第１の金属膜はチタンからなることを
特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項８】前記熱処理の温度が４５０℃以上７５０℃
以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装
置の製造方法。 - 【請求項９】前記第１の金属膜はチタン、前記所定元素
は酸素、前記保護膜は酸化チタンからなることを特徴と
する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13539893A JP3283965B2 (ja) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | 半導体装置およびその製造方法 |
| DE4400200A DE4400200C2 (de) | 1993-01-05 | 1994-01-05 | Halbleitervorrichtung mit verbesserter Verdrahtungsstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung |
| DE4447597A DE4447597B4 (de) | 1993-01-05 | 1994-01-05 | Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Verdrahtungsschicht |
| US08/480,733 US5529954A (en) | 1993-01-05 | 1995-06-07 | Method of diffusing a metal through a silver electrode to form a protective film on the surface of the electrode |
| US08/588,511 US5763953A (en) | 1993-01-05 | 1996-01-18 | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13539893A JP3283965B2 (ja) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | 半導体装置およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06326102A JPH06326102A (ja) | 1994-11-25 |
| JP3283965B2 true JP3283965B2 (ja) | 2002-05-20 |
Family
ID=15150787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13539893A Expired - Fee Related JP3283965B2 (ja) | 1993-01-05 | 1993-05-13 | 半導体装置およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3283965B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100205301B1 (ko) * | 1995-12-26 | 1999-07-01 | 구본준 | 금속배선구조 및 형성방법 |
| JP3607424B2 (ja) * | 1996-07-12 | 2005-01-05 | 株式会社東芝 | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP5475820B2 (ja) * | 2012-03-23 | 2014-04-16 | 株式会社東芝 | 半導体装置の製造方法 |
-
1993
- 1993-05-13 JP JP13539893A patent/JP3283965B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06326102A (ja) | 1994-11-25 |
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