JP3651765B2 - 半導体装置 - Google Patents

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    • H01L2924/1904Component type
    • H01L2924/19043Component type being a resistor

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はLSIに代表される半導体装置、特に配線用のCu膜とパッド用のAl膜との接続に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図10は、配線用のCu膜とパッド用のAl膜を有する従来の半導体装置の構造を示した断面図である。
【0003】
図10に示した例は、第1層領域(層間絶縁膜11、バリア層12、配線用金属膜13)上に第2層領域(層間絶縁膜21、バリア層22、配線用Cu膜23)を形成し、さらに第2層領域上に第3層領域(シリコン窒化膜31、上層絶縁膜32、バリア層33、パッド用Al膜34)を形成した状態を示している。
【0004】
この図に示すように、配線用のCu膜23とパッド用のAl膜34との間にはバリア層33が設けられている。このバリア層33は、Cu膜23とAl膜34との間の相互拡散を防止するためのものであり、バリアメタルとしてTaN、NbN、TiN、VN等の高融点金属窒化物が用いられる。
【0005】
しかしながら、上記従来技術では、Al膜34をスパッタリング法等によって形成した場合に、Al膜34に含まれるAlとバリア層33に含まれるNとが反応して絶縁物であるAlNx が形成され、このAlNx によって抵抗(特にビア抵抗)が上昇してしまうという問題があった。また、上層絶縁膜32に用いるシリコン酸化膜とバリア層33に用いる高融点金属窒化物膜との密着性が悪いため、両者間の隙間から酸素が侵入してCu膜23が酸化してしまうという問題もあった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、配線用のCu膜とパッド用のAl膜との間の相互拡散を防止するために、従来は両者間にバリア層として高融点金属窒化物膜を設けていたが、AlとNとの反応によって形成されるAlNx により抵抗が上昇してしまうという問題や、上層絶縁膜とバリア層との密着性が悪いためにCu膜が酸化してしまうという問題があった。そのため、半導体装置の特性や信頼性の悪化の原因となっていた。
【0007】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、配線用のCu膜とこれに接続されるパッド用のAl膜を有する半導体装置において、その特性や信頼性の向上をはかることが可能な構造を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、配線層を構成するCu膜と、このCu膜上に形成された中間層と、この中間層上に形成されたパッド層となるAl膜とを有する半導体装置であって、前記中間層は、高融点金属窒化物膜及びこの高融点金属窒化物膜上に形成された高融点金属膜からなることを特徴とする。
【0009】
本発明によれば、Al膜と高融点金属窒化物膜との間に高融点金属膜が挟まれた構造となるため、Al膜に含まれるAlと高融点金属窒化物膜に含まれるNとが反応して絶縁物であるAlNx が形成されることを防止することができる。したがって、AlNx によって抵抗が上昇するという問題を防止することができ、特性に優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【0010】
第2の発明は、配線層を構成するCu膜と、このCu膜上に形成された中間層と、この中間層上に形成されたパッド層となるAl膜とを有する半導体装置であって、前記中間層は、高融点金属膜及びこの高融点金属膜上に形成された高融点金属窒化物膜からなることを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、高融点金属窒化物膜下に高融点金属窒化物膜よりもシリコン酸化膜系絶縁膜等の絶縁膜に対する密着性に優れた高融点金属膜が形成されているため、中間層と中間層に接する絶縁膜との密着性が向上する。したがって、密着不良によって生じる隙間から酸素が侵入してCu膜が酸化されるという問題を防止することができ、信頼性に優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【0012】
第1及び第2の発明において、前記高融点金属膜を構成する金属元素及び前記高融点金属窒化物膜を構成する金属元素は同一であることが好ましい。このように同一の高融点金属元素とすることにより、高融点金属膜及び高融点金属窒化物膜をスパッタリングによって形成する際に、同一のスパッタターゲットを用いることができるため、製造工程の短縮やコストの削減をはかることができる。
【0013】
第1及び第2の発明において、前記高融点金属膜を構成する金属元素及び前記高融点金属窒化物膜を構成する金属元素はそれぞれ、Ta(タンタル)、Nb(ニオブ)、Ti(チタン)及びV(バナジウム)の中から選択された金属元素であることが好ましい。
【0014】
第3の発明は、配線層を構成するCu膜と、このCu膜上に形成された中間層と、この中間層上に形成されたパッド層となるAl膜とを有する半導体装置であって、前記中間層は、第1の高融点金属膜、この第1の高融点金属膜上に形成された高融点金属窒化物膜及びこの高融点金属窒化物膜上に形成された第2の高融点金属膜からなることを特徴とする。
【0015】
本発明によれば、第1の発明によって得られる効果と第2の発明によって得られる効果とを併せ持った、特性及び信頼性に優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【0016】
第3の発明において、前記第1の高融点金属膜を構成する金属元素、前記高融点金属窒化物膜を構成する金属元素及び前記第2の高融点金属膜を構成する金属元素は同一であることが好ましい。このように同一の高融点金属元素とすることにより、第1及び第2の高融点金属膜並びに高融点金属窒化物膜をスパッタリングによって形成する際に、同一のスパッタターゲットを用いることができるため、製造工程の短縮やコストの削減をはかることができる。
【0017】
第3の発明において、前記第1の高融点金属膜を構成する金属元素、前記高融点金属窒化物膜を構成する金属元素及び前記第2の高融点金属膜を構成する金属元素はそれぞれ、Ta、Nb、Ti及びVの中から選択された金属元素であることがこのましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0019】
(実施形態1)
図1(a)〜図2(g)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
【0020】
まず、図1(a)に示すように、トランジスタ等の半導体素子(図示せず)が形成された半導体基板(図示せず)の主表面側に、第1層領域として層間絶縁膜11、バリア層12及び配線用の金属膜13を形成し、さらに、第2層領域の層間絶縁膜21(例えば、TEOS−SiO2 膜若しくはLow−k(低誘電率)膜、或いはそれらの積層膜)を形成する。なお、ここでは便宜上、第1層領域としているが、その下側にさらに下層領域が存在していてもよい。
【0021】
次に、図1(b)に示すように、層間絶縁膜21の加工を行って、ビア用の穴と配線用及びパッド用の溝を形成する。
【0022】
次に、図1(c)に示すように、バリア層(バリアメタル層)22として高融点金属窒化物膜(TaN、NbN等)を全面に形成し、さらにバリア層22上にCu膜23を形成する。このCu膜23は、バリア層22上にシード層となるCu膜を形成した後、電解メッキ法によってCu膜を形成することによって得られる。
【0023】
次に、図1(d)に示すように、CMP法によって平坦化処理を行い、ビア用の穴と配線用及びパッド用の溝内にのみバリア層22及びCu膜23を残置させ、第2層領域のビア、配線及びパッドを形成する。
【0024】
その後、パッシベーション膜として例えばTEOS−SiO2 膜若しくはLow−k(低誘電率)膜等の絶縁膜を形成し、さらにアセンブリのためにパッド用の穴を形成すると、Cuパッド部の表面が露出状態になるため、Cuパッド部が酸化されるばかりでなく、時間が経過するにつれて酸化が進みCu配線全体が酸化されてしまう。そのため、Cuパッドが酸化されるのを防ぐために、さらに上層側に第3層領域としてAlパッド領域を形成する。本例では、このAlパッド領域の形成に、図2(e)〜図2(g)に示すようなデュアルダマシンプロセスを用いる。
【0025】
図2(e)に示すように、Cu膜23に含まれるCuの拡散を防止するため、全面にシリコン窒化膜(プラズマSiN膜)31を形成する。続いて、シリコン窒化膜膜31上に上層絶縁膜32(例えば、TEOS−SiO2 膜若しくはLow−k(低誘電率)膜、或いはそれらの積層膜)を形成する。その後、シリコン窒化膜31及び上層絶縁膜32の加工を行って、ビア用の穴とパッド用の溝を形成する。
【0026】
次に、図2(f)に示すように、後述するような構造を有する中間層33を全面に形成し、さらに中間層33上にAl膜34をスパッタリング法(ロングスロースパッタリング或いはリフロースパッタリングが好ましい)等によって形成する。
【0027】
さらに、図2(g)に示すように、CMP法によって平坦化処理を行い、ビア用の穴とパッド用の溝内にのみ中間層33及びAl膜34を残置させ、第3領域のビア及びパッドを形成する。
【0028】
図3(a)〜図3(c)は、上述した中間層33の構造のいくつかの例を示したものである。
【0029】
図3(a)の構造は、中間層33として、高融点金属窒化物膜33b(例えばTaN膜等のバリアメタル膜)及び高融点金属膜33c(例えばTa膜等)の積層膜構造を用いた例である。このように、Al膜34と高融点金属窒化物膜33bとの間に高融点金属膜33cを挟むことにより、Al膜34に含まれるAlと高融点金属窒化物膜33bに含まれるNとが反応して絶縁物であるAlNx が形成され、このAlNx によって抵抗(特にビア抵抗)が上昇してしまうという問題を防止することができる。
【0030】
図3(b)の構造は、中間層33として、高融点金属膜33a(例えばTa膜等)及び高融点金属窒化物膜33b(例えばTaN膜等)の積層膜構造を用いた例である。このような構造では、高融点金属窒化物膜33bとシリコン酸化膜系絶縁膜からなる上層絶縁膜32との間に密着性に優れた高融点金属膜33aが挟まれるため、中間層33と上層絶縁膜32との密着性が向上する。したがって、上層絶縁膜32と中間層33との密着不良によって両者間の隙間から酸素が侵入し、Cu膜23が酸化してしまうという問題を防止することができる。
【0031】
図3(c)の構造は、中間層33として、高融点金属膜33a(例えばTa膜等)、高融点金属窒化物膜33b(例えばTaN膜等)及び高融点金属膜33c(例えばTa膜等)の積層膜構造を用いた例であり、図3(a)及び図3(b)の構造で得られる両方の効果を得ることができる。
【0032】
なお、高融点金属膜33a及び33cにはそれぞれ、Ta膜、Nb膜、Ti膜或いはV膜のいずれかを用いることが可能であり、高融点金属窒化物膜33bには、TaN膜、NbN膜、TiN膜或いはVN膜のいずれかを用いることが可能である。
【0033】
また、上記図3(a)〜図3(c)の各構造において、高融点金属膜に含まれる高融点金属元素と高融点金属窒化物膜に含まれる高融点金属元素と異ならせるようにしてもよいが、両者に含まれる高融点金属元素を同一にすることが好ましい。図3(c)の構造では、高融点金属膜33a、高融点金属窒化物膜33b及び高融点金属膜33cそれぞれに含まれる高融点金属元素を同一にすることが好ましい。このように同一の高融点金属元素とすることにより、各膜をスパッタリングによって形成する際に、同一のスパッタターゲットを用いることができるため、製造工程の短縮やコストの削減をはかることができる。
【0034】
また、高融点金属窒化物膜の膜厚は、バリア性の観点からは厚い方が好ましいが、抵抗(特にビア抵抗)及びCMPの観点からは薄い方が好ましい。図4は、アニール条件を変えてTaN膜厚とシート抵抗との関係を調べた結果である。この図からわかるように、Cu配線をEM試験する場合の条件(450℃4min(リフロースパッタリング相当時間)+400℃30min(シンター相当時間)+350℃6h(EM試験相当時間))では、TaN膜の膜厚は20nm以上であることが好ましい。さらに熱ストレスが加わること(EM試験時間の増加に相当)を考慮すると、TaN膜の膜厚は40nm以上であることが好ましい。また、Ta膜の膜厚は、厚すぎるとCMPが困難であるため、5nm以下であることが好ましい。
【0035】
また、第3層領域の上層絶縁膜32に形成されるビア用の穴パターンが第2層領域に形成されるパッド用の溝パターンの外側の領域にはみ出していると、図5に示すような不具合が生じる。すなわち、図2(e)の工程で上層絶縁膜32及びシリコン窒化膜31をオーバーエッチングする時に、第2層領域の層間絶縁膜21もエッチングされて、図5に示すような凹みが生じる。そのため、図2(f)の工程で中間層33及びAl膜34を堆積する際に、凹んだ領域にこれらの膜を完全に埋め込めないおそれがある。したがって、第3層領域におけるビア用の穴パターン全体が、第2層領域におけるパッド用の溝パターンの内側になるようにすることが好ましい。
【0036】
また、Alパッド部は、分割パッドとなっていることが好ましい。分割パッドとすることにより、バリアメタル等とシリコン酸化膜系絶縁膜の膨張係数の違いによる密着性の低下を緩和することができる。
【0037】
図6は、ワイヤボンディング時における耐性を向上させるための構造を示したものである。すなわち、Al膜34及び中間層33からなるパッド部を延伸させ、延伸した領域にボンディングワイヤ40を接続するようにしたものである。このような構造とすることにより、ワイヤボンディング時に中間層33が突き破られたとしても、Cu膜23とAl膜34との接続部分への影響を抑えることができる。
【0038】
(実施形態2)
図7(a)〜図7(c)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。本実施形態は、第3層領域のAlパッド部の形成に、シングルダマシンプロセスを用いた場合の例である。途中の工程(図1(d))までは第1の実施形態と同様であるため、それ以後の工程について説明する。
【0039】
図1(d)に示した工程の後、図7(a)に示すように、第1の実施形態と同様にして、全面にシリコン窒化膜(プラズマSiN膜)31を形成する。続いて、シリコン窒化膜膜31上に上層絶縁膜32(例えば、TEOS−SiO2 膜若しくはLow−k(低誘電率)膜、或いはそれらの積層膜)を形成する。その後、シリコン窒化膜31及び上層絶縁膜32の加工を行って、パッド用の溝を形成する。
【0040】
次に、図7(b)に示すように、中間層33を全面に形成し、さらに中間層33上にAl膜34をスパッタリング法(ロングスロースパッタリング或いはリフロースパッタリングが好ましい)等によって形成する。中間層33については第1の実施形態と同様である。すなわち、中間層33の構造は、図3(a)〜図3(c)で示したような積層構造(高融点金属膜/高融点金属窒化物膜の積層構造、高融点金属窒化物膜/高融点金属膜の積層構造、或いは、高融点金属膜/高融点金属窒化物膜/高融点金属膜の積層構造)とする。また、高融点金属膜及び高融点金属窒化物膜に用いる材料及びその組み合わせについても第1の実施形態と同様である。
【0041】
次に、図7(c)に示すように、CMP法によって平坦化処理を行い、パッド用の溝内にのみ中間層33及びAl膜34を残置させ、第3領域のパッドを形成する。
【0042】
図7(d)は、図7(c)に対応した構造の要部を示した断面図である。第3層領域の上層絶縁膜32に形成されるパッド用の溝パターンが、第2層領域に形成されるパッド用の溝パターンの外側の領域にはみ出していると、第1の実施形態で述べたのと同様の不具合が生じる。したがって、図7(d)に示すように、第3層領域におけるパッド用の溝パターン全体が、第2層領域におけるパッド用の溝パターンの内側になるようにすることが好ましい。
【0043】
(実施形態3)
図8(a)〜図8(c)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。本実施形態は、第3層領域のAlパッド部の形成に、ビアプロセス及びRIEプロセスを用いた場合の例である。途中の工程(図1(d))までは第1の実施形態と同様であるため、それ以後の工程について説明する。
【0044】
図1(d)に示した工程の後、図8(a)に示すように、第1の実施形態と同様にして、全面にシリコン窒化膜(プラズマSiN膜)31を形成する。続いて、シリコン窒化膜31上に上層絶縁膜32(例えば、TEOS−SiO2 膜若しくはLow−k(低誘電率)膜、或いはそれらの積層膜)を形成する。その後、シリコン窒化膜31及び上層絶縁膜32の加工を行って、ビア用の穴を形成する。
【0045】
次に、図8(b)に示すように、中間層33を全面に形成し、さらに中間層33上にAl膜34をスパッタリング法(ロングスロースパッタリング或いはリフロースパッタリングが好ましい)等によって形成する。中間層33については第1の実施形態と同様である。すなわち、中間層33の構造は、図3(a)〜図3(c)で示したような積層構造(高融点金属膜/高融点金属窒化物膜の積層構造、高融点金属窒化物膜/高融点金属膜の積層構造、或いは、高融点金属膜/高融点金属窒化物膜/高融点金属膜の積層構造)とする。また、高融点金属膜及び高融点金属窒化物膜に用いる材料及びその組み合わせについても第1の実施形態と同様である。
【0046】
次に、図7(c)に示すように、レジストマスク(図示せず)を用いてAl膜34及び中間層33をエッチングし、第3領域のパッドを形成する。
【0047】
図8(d)は、図8(c)に対応した構造の要部を示した断面図である。第3層領域の上層絶縁膜32に形成されるビア用の穴パターンが、第2層領域に形成されるパッド用の溝パターンの外側の領域にはみ出していると、第1の実施形態で述べたのと同様の不具合が生じる。したがって、図8(d)に示すように、第3層領域におけるビア用の穴パターン全体が、第2層領域におけるパッド用の溝パターンの内側になるようにすることが好ましい。
【0048】
(実施形態4)
図9(a)〜図9(c)は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。本実施形態は、第3層領域のAlパッド部の形成に、RIEプロセスを用いた場合の例である。途中の工程(図1(d))までは第1の実施形態と同様であるため、それ以後の工程について説明する。
【0049】
図1(d)に示した工程の後、図9(a)に示すように、中間層33を全面に形成し、さらに中間層33上にAl膜34をスパッタリング法(ロングスロースパッタリングが好ましい)等によって形成する。中間層33については第1の実施形態と同様である。すなわち、中間層33の構造は、図3(a)〜図3(c)で示したような積層構造(高融点金属膜/高融点金属窒化物膜の積層構造、高融点金属窒化物膜/高融点金属膜の積層構造、或いは、高融点金属膜/高融点金属窒化物膜/高融点金属膜の積層構造)とする。また、高融点金属膜及び高融点金属窒化物膜に用いる材料及びその組み合わせについても第1の実施形態と同様である。
【0050】
その後、図9(b)に示すように、レジストマスク(図示せず)を用いてAl膜34及び中間層33をエッチングし、第3領域のパッドを形成する。
【0051】
図9(c)は、図9(b)に対応した構造の要部を示した断面図である。第3層領域のAlパッドのパターンによって、第2層領域に形成されたCuパッドのパターンが覆われていないと、第2層領域に形成されたCuパッドが酸化されるという不具合が生じる。したがって、図9(c)に示すように、第3層領域におけるパッドパターンが第2層領域におけるパッドパターンの全体を覆う、言い換えると、第2層領域におけるパッドパターン全体が第3層領域におけるパッドパターンの内側になるようにすることが好ましい。
【0052】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、配線層を構成するCu膜とパッド層となるAl膜との間に設ける中間層を、高融点金属膜と高融点金属窒化物膜との積層構造とすることにより、特性や信頼性に優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を示した工程断面図。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を示した工程断面図。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の主要部における各種構造を示した断面図。
【図4】TaN膜厚とシート抵抗との関係を示した図。
【図5】パッド間の接続における好ましくない状態について示した図。
【図6】本発明の実施形態においてワイヤボンディング時における耐性を向上させるための構造を示した図。
【図7】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を示した工程断面図。
【図8】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を示した工程断面図。
【図9】本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を示した工程断面図。
【図10】従来技術に係る半導体装置の構造を示した断面図。
【符号の説明】
11、21…層間絶縁膜
12、22…バリア層
13…金属膜
23…Cu膜
31…シリコン窒化膜
32…上層絶縁膜
33…中間層
33a、33c…高融点金属膜
33b…高融点金属窒化物膜
34…Al膜
40…ボンディングワイヤ

Claims (6)

  1. 半導体基板の主表面側に設けられ、配線層を構成するCu膜と、
    少なくとも前記Cu膜上に設けられ、前記Cu膜上に形成されたTaN膜及びこのTaN膜上に形成されたTa膜を有し、前記TaN膜の膜厚が20nm以上である中間層と、
    前記Ta膜上に形成され、パッド層となるAl膜と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体基板の主表面側に設けられ、配線層を構成するCu膜と、
    少なくとも前記Cu膜上に設けられ、前記Cu膜上に形成されたTaN膜及びこのTaN膜上に形成されたTa膜を有する中間層と、
    前記Ta膜上に形成され、パッド層となり、その下に前記Cu膜が形成されていない水平方向に延伸した部分を有するAl膜と、
    前記Al膜の前記水平方向に延伸した部分に接続されたボンディングワイヤと、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  3. 前記Al膜はその下に前記Cu膜が形成されている部分を有し、該部分にはボンディングワイヤが接続されていないことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記TaN膜の膜厚は20nm以上であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  5. 前記Ta膜の膜厚は5nm以下であることを特徴とする請求項1、2又は4に記載の半導体装置。
  6. 前記Al膜は前記Cu膜に向かって垂直方向に延伸した複数の部分を有し、前記中間層は前記Al膜の前記垂直方向に延伸した複数の部分と前記Cu膜との間に設けられたことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
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