JP3613768B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、LSI等の半導体装置における多層配線構造に関し、特に拡散バリア層としてTiON膜を用いると共に反射防止膜としてTiN膜を用いたことによりアロイピットの発生及びAlヒロックの発生を防止するようにしたものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、LSI等の半導体装置の多層配線構造としては、図5に示すものが提案されている。
【0003】
図5において、Siからなる半導体基板10の表面を覆うSiO2 等の絶縁膜14の上には、第1の配線層16が形成され、絶縁膜14及び配線層16を覆う層間絶縁膜18の上には、絶縁膜18に設けた接続孔18Aを介して配線層16に接続されるように第2の配線層が形成される。なお、配線層16は、図示しない個所で絶縁膜14に設けた接続孔を介して基板10の所定領域にオーミック接続されている。
【0004】
配線層16は、下から順に接続抵抗低減膜16a、拡散バリア膜16b、配線材膜16c、接続抵抗低減膜16d及び反射防止膜16eを積層した構成になっている。反射防止膜16eは、接続孔18Aを形成する際のホトリソグラフィ処理において配線面からの光反射を抑制することによりレジストのパターニング精度を向上させるためのものである。
【0005】
配線層16の一例としては、次のような構成のものを本願と同一出願人の先行特許出願(特願平4−26029号)にて提案した。
【0006】
膜 材料 厚さ[nm]
16e TiN 50
16d Ti 10
16c Al−Si−Cu 350
16b TiN 100
16a Ti 10〜20
先行特許出願では、Ti膜16aの記載を省略したが、接続抵抗(コンタクト抵抗)低減のためにTi膜16aを設けるのが通例である。
【0007】
配線層16の他の例としては、膜16bと膜16cとの間に介在膜16mを配置した次のような構成のものが知られている(例えば米国特許第5070036号参照)。
【0008】
膜 材料 厚さ[nm]
16e TiOx Ny 50〜500
16d Ti 7〜20
16c Al−Si−Ti 300〜1000
16m Ti 7〜20
16b TiN又はTiOx Ny 50〜200
16a Ti 2〜10
ここで、膜16eの材料において、xは0.1〜0.3、yは0.7〜0.9である。また、膜16bの材料において、xは0.05〜0.2、yは0.8〜0.95である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
図6は、従来の多層配線形成における接続孔形成工程を示すものである。
【0010】
半導体基板10の表面には、SiO2 等からなるフィールド絶縁膜11が形成されると共に、絶縁膜11の素子孔内には、SiO2 等からなる薄いゲート絶縁膜11Gを介してポリSi等からなるゲート電極層13Gが形成されている。絶縁膜11の上には、ポリSi等からなる配線層13が形成されている。基板表面には、電極層13Gに基づく段差や絶縁膜11及び配線層13の積層に基づく段差が存在する。
【0011】
基板上面には、電極層13G、配線層13等を覆って絶縁膜14が形成されるが、絶縁膜14の上面は、基板表面の配線段差等を反映して凹凸状となる。このため、絶縁膜14の上に複数の配線層を形成すると、これらの配線層が同一レベルとならず、例えば配線層16Aに比べて配線層16Bが高い位置に形成される。
【0012】
基板上面には、配線層16A,16Bを覆って層間絶縁膜18が平坦に形成され、絶縁膜18には、配線層16A,16Bにそれぞれ対応した接続孔18a,18bがホトリソグラフィ及びドライエッチング技術により形成される。このときのエッチング工程では、深い接続孔18aと浅い接続孔18bとを同時に形成するため、深い接続孔18aのエッチング中に浅い接続孔18bでは、過剰にエッチングが行なわれる。
【0013】
配線層16A,16Bとして、図5に示した構成のものを用いた場合、浅い接続孔18bでは過剰エッチングにより反射防止膜16eが図5に示すように量dだけけずられてしまう。
【0014】
図7は、過剰エッチング時間と反射防止膜16eのけずれ量dとの関係を示したもので、ラインS1 は反射防止膜16eとしてTiON膜を用いた場合を示し、ラインS2 は反射防止膜16eとしてTiN膜を用いた場合を示す。これらの場合において、接続孔の直径は1.0[μm]、エッチングガス系はCHF3 /CF4 /Arであった。
【0015】
図7によると、TiN膜よりTiON膜の方がけずれ量dが2倍以上も大きいことがわかる。TiN膜又はTiON膜を反射防止膜として用いる場合、その最適膜厚は40〜50[nm]程度である。また、浅い接続孔での過剰エッチング時間は180[秒]位になることがある。従って、反射防止膜16eとしてTiON膜を用いた配線構造では、深い接続孔18aのエッチング中に浅い接続孔18b内でTiON膜がすべて除去されることがある。
【0016】
接続孔内でTiON膜がすべて除去されると、層間絶縁膜18の形成に伴う熱処理等によりAl合金からなる配線材膜16cからAlヒロックが接続孔内に成長し、上層配線のための配線材を被着する際に接続孔内での被覆性を劣化させる不都合がある。
【0017】
反射防止膜16eとしてTiN膜を用いた配線構造では、かような不都合がないものの、基板接続部にアロイピットが発生する不都合がある。すなわち、膜16d中のTiが膜16cを構成するAl−Si−Cu合金中のSiと反応してTix Siy を形成する。そして、Al−Si−Cu合金中のSiだけでは足りなくて、TiN膜16bにおいてバリア性が不足している個所を経由して基板10からSiを吸い上げることがあり、その結果として基板接続部にアロイピット(アロイスパイク)が発生することがある。アロイピットは、接合リーク電流を増大させるから、その発生を阻止するのが望ましい。
【0018】
この発明の目的は、Alヒロック発生及びアロイピット発生を共に防止することができる新規な多層配線構造を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、
シリコン基板と、
このシリコン基板の表面に形成され、該表面の一部に対応した第1の接続孔を有する第1の絶縁膜と、
この第1の絶縁膜の上に形成され、前記第1の接続孔内のシリコン部分に接続された第1の配線層であって、下から順に第1の抵抗低減膜としての第1のTi膜と、拡散バリア膜としてのTiON膜と、配線材膜としてのシリコン含有Al合金膜と、第2の抵抗低減膜としての第2のTi膜と、反射防止膜としてのTiN膜とを積層して構成され、前記第1のTi膜が前記第1の接続孔内のシリコン部分に接触しているものと、
前記第1の絶縁膜及び前記第1の配線層を覆って形成され、該第1の配線層の一部に対応した第2の接続孔を有する第2の絶縁膜と、
この第2の絶縁膜の上に形成され、前記第2の接続孔を介して前記第1の配線層に接続された第2の配線層であって、前記第2の接続孔内で前記TiN膜に接触するものとを備え、
前記第2のTi膜の厚さを1nm〜4nm未満の範囲内に設定すると共に前記TiON膜の厚さを少なくとも100nmとすることにより前記第2のTi膜中のチタンによる前記シリコン基板からのシリコンの吸い上げを阻止する構成にしたことを特徴とするものである。
【0020】
【作用】
この発明の構成によれば、TiON膜に比べてエッチングされにくいTiN膜を反射防止膜として用いるので、接続孔形成時にシリコン含有Al合金膜の露出を阻止してAlヒロックの発生を防止することができる。また、第2のTi膜の厚さを1nm〜4nm未満の範囲内に設定すると共にTiN膜に比べて耐熱性が良好なTiON膜(拡散バリア膜)の厚さを少なくとも100nmとすることにより第2のTi膜中のチタンによるシリコン基板からのシリコンの吸い上げを阻止する構成にしたので、アロイピットの発生を防止することができる。
【0021】
【実施例】
図1は、この発明の一実施例に係る半導体装置の多層配線構造を示すもので、図5,6と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0022】
図1において、Siからなる半導体基板10の表面には、P+ 型又はN+ 型の不純物ドープ領域12が形成されている。基板上面には、不純物ドープ領域12を覆って絶縁膜14が形成され、絶縁膜14には、領域12の一部を露呈させるように接続孔14Aが形成される。
【0023】
絶縁膜14の上には、接続孔14Aを介して不純物ドープ領域12に接続されるように配線層16が形成される。配線層16は、下から順に膜16a、16b、16c、16d及び16eを積層した構成になっており、具体的構成の一例を示すと、次の通りである。
【0024】
膜 材料 厚さ[nm]
16e TiN 40〜50
16d Ti 1〜5
16c Al−Si−Cu 350
16b TiON 100
16a Ti 10
ここで、Ti膜16dは、なるべく薄い方がよい。
【0025】
基板上面には、絶縁膜14及び配線層16を覆って層間絶縁膜18が形成される。絶縁膜18には、配線層16の一部に対応して接続孔18Aが形成される。絶縁膜18の上には、接続孔18Aを介して配線層16に接続されるように配線層20が形成される。接続孔18Aの直径は、0.8〜1.0[μm]である。また、配線層20は、Al−Si−Cu合金等からなるもので、約1[μm]の厚さを有する。
【0026】
上記した構成によると、拡散バリア膜16bが耐熱性良好なTiON膜からなっているので、400〜500℃,30分程度の熱処理では、接続孔周辺部X,Y等の個所にアロイピットが発生しない。また、反射防止膜16eが図7で示したようにけずれ量が少ないTiN膜からなっているので、接続孔形成時に接続孔底部Zに残存するようになる。このため、Al合金膜16cが露出せず、Alヒロックが発生しない。
【0027】
図2は、アロイピット発生試験に用いられる試料を示すものである。Siからなる半導体基板10の表面には、N+ 型の不純物ドープ領域12が形成されると共に、領域12を覆ってSiO2 等からなる絶縁膜14が形成されている。絶縁膜14には、接続孔14Aが形成される。そして、絶縁膜14上には、接続孔14Aを介して不純物ドープ領域12に接続されるように配線層16が形成される。接続孔14Aの直径は、0.6[μm]、絶縁膜14の厚さは800[nm]とした。
【0028】
アロイピット発生試験では、図2のような試料に次の3ステップの熱処理を施した。
【0029】
この後、絶縁膜14及びAl合金をHFで除去すると共に、TiNをアンモニア過水で除去してから、アロイピットを観察した。アロイピットは、図2,3に示すようにTiNの被覆性が低下する接続孔周辺部Q,Rにて発生しやすい。
【0030】
図2の試料としては、配線層16が図4(A)のような従来構造のものと、配線層16が図4(B)のようなこの発明に係る構造のものとを用意し、アロイピット発生率を比較した。ここで、アロイピット発生率は、アロイピットがあるコンタクト数/観察したコンタクト数なる式で表わされるもので、図4の配線構造(A),(B)についてアロイピット発生率を対比して示すと、次の数1の通りである。
【0031】
【数1】
従って、この発明に係る図4(B)の配線構造では、アロイピット発生を十分に抑止できること明らかである。
【0032】
発明者の研究によれば、アロイピットの発生メカニズムは次のようなものと考えられる。すなわち、500℃におけるAl中へのSiの固溶度は、0.75[%]である。いま、Ti膜16d中のTiと膜16cを構成するAl−Si−Cu合金中のSiとが反応してTiSix (x=1)が形成されるとすると、7[nm]のTiは、350[nm]のAl−Si(1.0%)−Cu合金中のSiをすべて消費しても足りず、Si基板10からSiを吸い上げる可能性がある。コンタクトのアスペクト比が大きくなって、コンタクト底部での拡散バリア膜の被覆性が低下すると、その部分を介してAlとSiが相互拡散し、アロイピットが発生する。
【0033】
なお、TiONの耐熱性がTiNより優れている旨の報告は既にある(1989年春季第36回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第725頁3p−ZF−13「反応性スパッタTiOx Ny 膜のバリア特性」参照)。
【0034】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、反射防止膜としてTiN膜を用いると共に拡散バリア膜としてTiON膜を用いてAlヒロック及びアロイピットの発生を防止するようにしたので、層間接続部の接続状態を改善できると共に接合リーク電流を低減できる効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例に係る半導体装置の配線構造を示す基板断面図である。
【図2】アロイピット発生試験に用いられる試料を示す断面図である。
【図3】図2の試料の接続孔を示す上面図である。
【図4】図2の試料で採用される従来の配線構造(A)及びこの発明の配線構造(B)を対比して示す断面図である。
【図5】従来の配線構造を説明するための基板断面図である。
【図6】従来の多層配線形成における接続孔形成工程を示す基板断面図である。
【図7】図6の工程における過剰エッチング時間と反射防止膜のけずれ量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10:半導体基板、12:不純物ドープ領域、14,18:絶縁膜、14A,18A:接続孔、16,20:配線層、16a,16d:接続抵抗低減膜、16b:拡散バリア膜、16c:配線材膜、16e:反射防止膜。
Claims (1)
- シリコン基板と、
このシリコン基板の表面に形成され、該表面の一部に対応した第1の接続孔を有する第1の絶縁膜と、
この第1の絶縁膜の上に形成され、前記第1の接続孔内のシリコン部分に接続された第1の配線層であって、下から順に第1の抵抗低減膜としての第1のTi膜と、拡散バリア膜としてのTiON膜と、配線材膜としてのシリコン含有Al合金膜と、第2の抵抗低減膜としての第2のTi膜と、反射防止膜としてのTiN膜とを積層して構成され、前記第1のTi膜が前記第1の接続孔内のシリコン部分に接触しているものと、
前記第1の絶縁膜及び前記第1の配線層を覆って形成され、該第1の配線層の一部に対応した第2の接続孔を有する第2の絶縁膜と、
この第2の絶縁膜の上に形成され、前記第2の接続孔を介して前記第1の配線層に接続された第2の配線層であって、前記第2の接続孔内で前記TiN膜に接触するものとを備え、
前記第2のTi膜の厚さを1nm〜4nm未満の範囲内に設定すると共に前記TiON膜の厚さを少なくとも100nmとすることにより前記第2のTi膜中のチタンによる前記シリコン基板からのシリコンの吸い上げを阻止する構成にしたことを特徴とする半導体装置。
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