JP3886413B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、高周波動作に好適なインダクタ素子を備えた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の高周波動作のために必須なインダクタ素子では、その抵抗値を低減することが重要な要素の一つとなっている。
【0003】
通常、LSI(集積回路)の回路内部で使用される配線は多層配線構造の下層の配線層が使用され、電源配線の場合は多層配線構造の最上層又はその近傍の配線層が使用される。そして、この多層配線構造においては、最上層又はその近傍の配線層の方が、下層の配線層よりも膜厚が厚い。そこで、インダクタ素子の抵抗値を低減するために、通常LSI回路の内部配線用の配線層よりも膜厚が厚い電源配線層用の最上層又はその近傍の配線層を使用して、インダクタを形成する方法が採用される。
【0004】
図9は従来の半導体装置の配線構造の一例を示す断面図である。層間絶縁膜100上に、Ti層401、TiN層402、AlCu層403、Ti層404、TiN層405が形成されている。このTiN/Ti/AlCu/TiN/Ti(上層から順に各層の構成金属種を表す。以下、同じ)の積層構造からなる配線層は、LSI配線として通常使用されている。しかしながら、図9に示すように、このLSI配線として通常使用されるTiN/Ti/AlCu/TiN/Ti等の積層構造を有する配線層においては、LSIの製造過程において、AlCu層403とTiN層405との間に、高抵抗のTiAl合金406が形成されることがある。このため、膜厚が厚い最上層又はその近傍の配線層を使用してインダクタ素子を形成しても、この高抵抗のTiAl合金406が形成された場合には、インダクタ素子の抵抗が高くなり、インダクタ素子の抵抗値を低くするという目的を達成することができない。即ち、単純に最上層又はその近傍の配線層をインダクタ素子の形成に使用するという方法では、低抵抗を追求したインダクタ素子の実現が困難である。
【0005】
そこで、インダクタ素子を形成する配線層に関しては、図10に示すように、層間絶縁膜100上に、Ti層401、TiN層402、AlCu層403、TiN層405を形成したTiN/AlCu/TiN/Ti構造の配線層を使用することがある。又は、図11に示すように、層間絶縁膜100上に、Ti層401、TiN層402、AlCu層403を形成したAlCu/TiN/Ti構造の配線層を使用することがある。これらの配線構造は、いずれも、TiAl合金406が形成されないように工夫した積層構造である。
【0006】
そして、例えば、図9に示すTiN/Ti/AlCu/TiN/Ti構造の配線層において、膜厚が夫々TiN層が500Å、Ti層が250Å、AlCu層が8000Å、TiN層が500Å、Ti層が250Åの場合は、その配線層抵抗値は43mΩ/mm2程度である。これに対して、図10に示すTiN/AlCu/TiN/Ti構造の配線層において、膜厚が夫々TiN層が500Å、AlCu層が8000Å、TiN層が500Å、Ti層が250Åの場合は、その配線層抵抗値が約37mΩ/mm2程度にまで低下する。
【0007】
この技術は、LSI配線にTiAl合金406が形成されないようにすることを目的としているので、配線抵抗を増加させることなく、低抵抗のインダクタ素子の実現を可能にするという点において一応の効果を奏している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術においては、以下に示す問題点がある。AlCu/TiN/Ti(図11)又はTiN/AlCu/TiN/Ti(図10)のように、TiAl合金406が形成されないような積層配線構造を採用した場合、エレクトロマイグレーション耐性などの配線信頼性が劣化するという難点がある。つまり、高抵抗ではあるが、TiAl合金406が形成されることにより、配線のエレクトロマイグレーション耐性が確保されていた。しかし、このTiAl合金406が形成されないことにより、エレクトロマイグレーション耐性が劣化してしまう。このため、LSI全体の信頼性が劣化するという別の問題点が生じる。例えば、図9に示すTiN/Ti/AlCu/TiN/Ti(厚さが、夫々500/250/8000/500/250Å)の配線構造のエレクトロマイグレーション耐性を1とした場合、図10に示すTiN/AlCu/TiN/Ti(厚さが、夫々500/8000/500/250Å)の配線構造のエレクトロマイグレーション耐性は約0.7、図11に示すAlCu/TiN/Ti(厚さが、夫々8000/500/250Å)の配線構造のエレクトロマイグレーション耐性は約0.4倍程度にまで劣化すると考えられる。
【0009】
電流密度緩和のために、配線幅を太くすることでエレクトロマイグレーション耐性の劣化を回避することが可能であるが、これは集積度の低下という問題をひきおこす。インダクタ素子形成領域においては集積度が緩い場合が多いため、配線幅を太くすることは比較的許容し得る場合もあるが、LSI内部回路の形成領域においては、配線幅の太幅化は設計上許容し難い。
【0010】
しかも、図12に示すように、AlCu層403/TiN層402/Ti層401という構造の第1の配線400に対し、更にその上層に、新たに第2の層間絶縁膜110を形成し、この層間絶縁膜110に接続孔120を設け、第1の配線400と接続する第2の配線700を、TiN層705/Ti層704/AlCu層703/TiN層702/Ti層701という配線構造で形成する場合がある。この場合に、接続孔120内には、底面及び側面にTiN層121が形成されると共に、それらに囲まれた内部にW領域122が埋設されて、第1の配線400と第2の配線700とを接続するコンタクトホールが形成される。
【0011】
この場合においても、製造プロセス中に接続孔120のTiN層121と下層の第1の配線400のAlCu層403との界面部分に、高抵抗物質である窒化アルミニウム合金130が生成される。このように、接続孔120の底面に高抵抗の窒化アルミニウム合金130が生成すると、第1の配線400と第2の配線700との電気的接続が困難になる場合があり得る。
【0012】
また、図13に示すように、第1の配線400がTiN層405/AlCu層403/TiN層402/Ti層401という構造を有する場合においても、既にTiN層405とAlCu層403との界面部分に窒化アルミニウム合金131が存在しているために、第1の配線400と第2の配線700の電気的接続が困難になる場合がある。このことはシステムLSIの重要な設計手法の一つでもあるマクロの流用性を阻害することにもつながる。
【0013】
このように、従来のように、同一積層構造をもつ配線構造を使用してLSI内部配線とインダクタ素子を形成する方法では、性能と品質を同時に満たすという点において限界があるといえる。
【0014】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、通常のLSI回路と、高周波デバイスに必須なインダクタ素子とを同一基板上に形成する際、インダクタ素子に使用する配線層はTiAl合金が形成されない構造にし、LSI回路の配線抵抗よりも、インダクタ素子の配線抵抗を小さくすることができ、高周波LSIに好適な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、同一基板上にLSI回路と、インダクタ素子とが形成された半導体装置において、前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され前記LSI回路の内部配線となる第1の積層配線層と、前記層間絶縁膜上に形成され前記インダクタ素子を構成する第2の積層配線層とを有し、前記第1の積層配線層には、Al合金層に接触するTi層が存在し、前記第2の積層配線層には、Al合金層に接触するTi層が存在しないことを特徴とする。
【0016】
この場合に、前記第1の積層配線層はAlCu層とその上のTi層と更にその上のTiN層とを有し、前記第2の積層配線層は前記Al合金層としてのAlCu層を有することが好ましい。
【0017】
また、前記第2の積層配線層の前記AlCu層の上に、TiN層が形成されていることが好ましい。
【0018】
更に、前記第1の積層配線層の前記AlCu層の下にTiN層が形成され、更にその下にTi層が形成されていることが好ましい。
【0019】
更にまた、前記第1の積層配線層の上に形成された他の層間絶縁膜と、前記他の層間絶縁膜上に形成された他の配線層と、前記他の層間絶縁膜に形成され前記第1の積層配線層と前記他の配線層とを接続するコンタクトホールとを有し、前記コンタクトホールは、前記他の層間絶縁膜に選択的に形成された接続孔と、前記接続孔の底面及び側面に形成されたTiN層と、前記接続孔内に埋設された埋設金属領域とを有するように構成することができる。
【0020】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に層間絶縁膜を形成する第1工程と、前記層間絶縁膜上にAlCu層、その上のTi層及びその上のTiN層を有する積層配線層を形成する第2工程と、インダクタ素子領域が露出しLSI内部回路領域が被覆されるようにレジストを形成する第3工程と、前記レジストをマスクとして前記インダクタ素子領域の前記積層配線層の前記TiN層及び前記Ti層をエッチング除去する第4工程と、前記レジストを除去した後、前記積層配線層をパターニングして前記LSI内部回路領域にAlCu層、その上のTi層及びその上のTiN層を有する第1の積層配線層により内部回路の配線を形成し、前記インダクタ素子領域にAlCu層を有する第2の積層配線層によりインダクタ素子を形成する第5工程とを有することを特徴とする。
【0021】
この半導体装置の製造方法において、前記第4工程と前記前記第5工程との間に、全面にTiN膜を形成する第6工程を有し、前記第5工程においてパターニングする積層配線層は、最上層に前記TiN膜を有することが好ましい。
【0022】
また、前記第2工程で形成される前記積層配線層は、前記AlCu層の下のTiN層と、更にその下のTi層とを有することが好ましい。
【0023】
更に、前記第2工程で形成される前記積層配線層は、前記LSI内部回路領域にのみ、前記AlCu層の下のTiN層と、更にその下のTi層とが形成されたものであることが好ましい。
【0024】
本発明においては、高周波デバイスに必須のインダクタ素子を、TiAl合金が形成されない積層配線構造により形成したので、LSI内部回路領域の配線よりも低抵抗にすることができる。このため、このインダクタ素子と通常のLSI回路とを同一基板に形成した半導体装置は、高周波動作に好適なLSIとなる。
【0025】
また、インダクタ素子以外の配線構造については、通常のLSIと同様に上部バリヤメタル(TiN層)付近にTiAlが形成されるようにしておくことにより、さらに上層に対して容易に配線層(多層配線構造)を追加することが可能となる。また、エレクトロマイグレーション耐性の劣化も生じない。
【0026】
更に、高抵抗なTiAl合金がインダクタ素子の上面部分に形成されないようにした結果として、数10GHz以上の高周波で顕著に生じる表皮効果による配線表面への電流集中に対して、発熱及び損失等を抑制できる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1乃至図5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工程順に示す図(図1、2,4は断面図、図2,5は平面図)である。先ず、図1に示すように、インダクタ素子が形成される第1の層間絶縁膜100に対して、例えば、下方から順に、膜厚250ÅのTi層401、膜厚500ÅのTiN層402、膜厚8000ÅのAlCu層403、膜厚250ÅのTi層404、膜厚500ÅのTiN層405から構成される積層構造の配線金属膜を形成する。図1においては、通常のLSI内部回路領域200と、インダクタ素子領域300とが隣接している。
【0028】
次に、図2及び図3に示すように、通常の配線プロセスと同様にフォトレジスト500をLSI内部回路領域200上に選択的に形成し、このフォトレジスト500を使用したフォトリソグラフィーと配線加工技術によって、インダクタ素子領域300におけるAlCu層403の上のTiN層405とTi層404を除去する。これにより、インダクタ素子領域300においては、AlCu層403が露出する。その後、フォトレジスト500を除去する。
【0029】
最後に、図4及び図5に示すように、フォトリソグラフィ及びエッチング加工等の通常の配線形成プロセスを使用して、通常のLSI回路で用いられる配線パターンと、インダクタ素子パターンを同時に形成する。この場合に、インダクタ素子を構成する配線層は、図2に示す工程でTiN層405及びTi層404が除去されているので、高抵抗のTiAl合金406が形成されることはなく、低抵抗配線でインダクタ素子を形成することができる。
【0030】
次に、図6を参照して本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態においては、図2に示すように、インダクタ素子領域300において、TiN層405及びTi層404を除去した後、図6に示すように、全面に例えば膜厚が500ÅのTiN膜407を形成する。その後、図3乃至図5に示す工程と同様にして、LSI内部回路領域200及びインダクタ素子領域300において、フォトリソグラフィ及びエッチング加工等の通常の配線形成プロセスを使用して、通常のLSI回路で用いられる配線パターンと、インダクタ素子パターンを同時に形成する。
【0031】
上述の如く構成された本実施形態においては、インダクタ素子領域300の配線構造がTiN/AlCu/TiN/Tiとなるため、第1実施形態と同様に、高抵抗のTiAl合金の形成を防止することができると共に、更に、TiN膜407によって、インダクタ素子のエレクトロマイグレーション耐性の劣化を防止することができる。よって、インダクタ素子においても、配線幅を狭くすることができ、低抵抗でエレクトロマイグレーション耐性が高いインダクタ素子を形成することができる。
【0032】
図7は本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。この図7に示すように、LSI内部回路領域200においては、Ti層401、TiN層402、AlCu層403、Ti層404及びTiN層405の5層積層配線層が形成されているが、インダクタ素子領域300においては、AlCu層403の下層のTi層404及びTiN層405を省略し、このインダクタ素子領域300のインダクタ素子は、AlCu層403のみにより形成しても良い。
【0033】
図8は本発明の第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。この図8に示すように、図7の第3実施形態において、全面にTiN膜407を形成し、インダクタ素子領域300をAlCu層403とその上層のTiN膜407により構成しても良い。
【0034】
なお、図7及び図8に示す実施形態においても、その後、図4及び図5と同様に、LSI内部回路の配線及びインダクタ素子の形状にパターニングされるものである。
【0035】
なお、本発明においても、LSI内部回路領域200の内部配線用の積層配線層(第1の積層配線層)と、インダクタ素子領域300用の積層配線層(第2の積層配線層)との上に、図12及び図13と同様に第2の(他の)層間絶縁膜を形成し、更にその上に、他の配線層(第2の配線700:図12,13参照)を形成し、前記第1の積層配線層と前記他の配線層とをコンタクトホール(接続孔120)により接続して、多層配線構造とすることもできる。この場合に、本実施形態においては、第1の積層配線層の最上層として、TiN層405が形成されているので、図12に示すように、コンタクトホールの底面のTiN層(121)との間で窒化アルミニウム合金(130)が形成されることはない。また、本実施形態においては、第1の積層配線層は、最上層のTiN層405とAlCu層403との間にTi層404が形成されているので、図13に示すように、窒化アルミニウム合金(131)が形成されることもない。なお、他の配線層は第2の配線700(図12、13参照)のように積層配線層とせず、単層の配線層でもよい。
【0036】
なお、上記実施形態においては、本発明の第1の積層配線層及び第2の積層配線層が基板上の層間絶縁膜100上に形成されているが、前記第1及び第2の積層配線層を多層配線構造におけるより上層の配線層として形成することも可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、通常のLSI回路と、高周波デバイスに必須なインダクタ素子とを同一基板上に形成した半導体装置において、インダクタ素子に使用する第2積層配線層をLSI内部回路に使用する配線用の第1積層配線層と異なる構成とし、前記第2積層配線層はTiAl合金が形成されないものとしたので、インダクタ素子の抵抗を低減することができると共に、エレクトロマイグレーション耐性も十分に高くすることができる。このため、本発明により、高周波動作に対応可能なシステムLSIに好適な半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図2】同じく、図1の次の工程を示す断面図であり、図3のA−A線による断面図である。
【図3】同じく、図1の次の工程を示す平面図である。
【図4】同じく、図2及び図3の次の工程を示す断面図であり、図5のB−B線による断面図である。
【図5】同じく、図2及び図3の次の工程を示す平面図である。
【図6】本発明の第2の実施形態を示す断面図である。
【図7】本発明の第3の実施形態を示す断面図である。
【図8】本発明の第4の実施形態を示す断面図である。
【図9】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図10】同じく、従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図11】同じく、従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図12】従来技術の問題点を示す断面図である。
【図13】同じく、従来技術の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
100;第1の層間絶縁膜
110;第2の層間絶縁膜
120;接続孔
121;TiN層
122;埋設タングステン領域
130;窒化アルミニウム合金
131;窒化アルミニウム合金
200;LSI内部回路領域
300;インダクタ素子領域
400;第1の配線
401;Ti層
402;TiN層
403;AlCu層
404;Ti層
405;TiN層
406;TiAl合金
407;TiN膜
500;フォトレジスト
700;第2の配線
701;Ti層
702;TiN層
703;AlCu層
704;Ti層
705;TiN層
Claims (9)
- 同一基板上にLSI回路と、インダクタ素子とが形成された半導体装置において、前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され前記LSI回路の内部配線となる第1の積層配線層と、前記層間絶縁膜上に形成され前記インダクタ素子を構成する第2の積層配線層とを有し、前記第1の積層配線層には、Al合金層に接触するTi層が存在し、前記第2の積層配線層には、Al合金層に接触するTi層が存在しないことを特徴とする半導体装置。
- 前記第1の積層配線層はAlCu層とその上のTi層と更にその上のTiN層とを有し、前記第2の積層配線層は前記Al合金層としてのAlCu層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2の積層配線層の前記AlCu層の上に、TiN層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1の積層配線層の前記AlCu層の下にTiN層が形成され、更にその下にTi層が形成されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体装置。
- 前記第1の積層配線層の上に形成された他の層間絶縁膜と、前記他の層間絶縁膜上に形成された他の配線層と、前記他の層間絶縁膜に形成され前記第1の積層配線層と前記他の配線層とを接続するコンタクトホールとを有し、前記コンタクトホールは、前記他の層間絶縁膜に選択的に形成された接続孔と、前記接続孔の底面及び側面に形成されたTiN層と、前記接続孔内に埋設された埋設金属領域とを有することを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 基板上に層間絶縁膜を形成する第1工程と、前記層間絶縁膜上にAlCu層、その上のTi層及びその上のTiN層を有する積層配線層を形成する第2工程と、インダクタ素子領域が露出しLSI内部回路領域が被覆されるようにレジストを形成する第3工程と、前記レジストをマスクとして前記インダクタ素子領域の前記積層配線層の前記TiN層及び前記Ti層をエッチング除去する第4工程と、前記レジストを除去した後、前記積層配線層をパターニングして前記LSI内部回路領域にAlCu層、その上のTi層及びその上のTiN層を有する第1の積層配線層により内部回路の配線を形成し、前記インダクタ素子領域にAlCu層を有する第2の積層配線層によりインダクタ素子を形成する第5工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記第4工程と前記前記第5工程との間に、全面にTiN膜を形成する第6工程を有し、前記第5工程においてパターニングする積層配線層は、最上層に前記TiN膜を有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2工程で形成される前記積層配線層は、前記AlCu層の下のTiN層と、更にその下のTi層とを有することを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2工程で形成される前記積層配線層は、前記LSI内部回路領域にのみ、前記AlCu層の下のTiN層と、更にその下のTi層とが形成されたものであることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
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