JP4295943B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜上にチタン系金属配線層を有する半導体装置に関し、特に前記配線層と前記絶縁膜の密着性が改善された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の高密度化が進み、また高速化が要求されるに伴い、最近では集積回路での配線容量の抑制が大きな課題になってきている。配線間隔がサブミクロン領域となると、配線間の容量が急激に増大して信号の伝搬遅延が増大するからである。特にＣＰＵ等に使用される高速ロジック回路では、チップ上の配線が多層配線となっており、集積回路チップに適した誘電率の低い絶縁層を求めて検討が盛んに行われている。
【０００３】
従来集積回路の絶縁膜としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）が広く使用されてきている。一般的なＣＶＤにより形成されたシリコン酸化膜の誘電率は、４．２〜５．０程度であり、これを略半減させるものとして有機ポリマー（誘電率 ２．０〜３．１）が知られている。しかし乍ら有機ポリマーは熱安定が不充分であり、パターニングが困難であるという問題がある。
【０００４】
そこで最近ではシリコン酸化膜に弗素（Ｆ）を加えてＳｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜（誘電率３．０〜３．６）を形成し、絶縁膜の誘電率を下げる試みが為されている。Ｓｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜は多層配線における優れた埋め込み性により注目されている材料であるが、酸化膜中に弗素を取り込むことにより、低誘電率の絶縁膜も実現している。これに付いては例えば、”Reduction of Wiring Capacitance with New Low Dielectric SiOF Interlayer Film for High Speed/Low Power Sub-half Micron CMOS" (J.Ida et al, 1994 Symposium on VLSI (P.59)) に報告されている。この報告書によれば、0.35μm CMOS 2NAND ゲートの伝搬遅延時間（tpd）が、Ｓｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜（誘電率３．６）を用いた配線では通常のＣＶＤ酸化膜（誘電率４．３）を用いた配線よりも１３％改善されたと報告されている。
【０００５】
このようにＳｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜は誘電率が低く、配線容量を低下させる効果を有するが、一方高信頼性を目的とした高融点金属配線層との密着性が不充分で配線層の剥がれが生じるという欠点をも有している。この間の事情を図面を参照して説明する。
【０００６】
図２７には、表面に２層配線が形成された半導体装置の一部断面図が示されている。すなわちシリコン基板１１１の表面には図示しない半導体素子が形成されており、その上部全面が酸化シリコンによる第１の絶縁膜１１２で覆われている。その表面にはチタン（Ｔｉ）による下地配線層１１３ａが形成されており、下地配線層１１３ａの上にはＣｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等による本配線層１１３ｂが積層され、この積層層で第１の金属配線層１１３が形成されている。このように２層構造を採ることにより配線の電気抵抗を増大させずに断線等に対する機械的強度を増している。またこの第１の配線は図示しないヴィア配線で基板１１１に形成された図示しない半導体素子と接続されている。
【０００７】
絶縁膜１１３の表面全体にＳｉ−Ｆ基を含む二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）の第２の絶縁膜１１５が形成されており、前記第１の金属配線層１１３上の一部にはヴィアホールが形成され、タングステン（Ｗ）によるプラグ１１６が埋め込まれている。この第２の絶縁膜１１５の上部にはチタン（Ｔｉ）による第２の下地配線層１１７ａとＣｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等による第２の本配線層１１７ｂが積層され第２の金属配線層１１７を形成している。さらにその上に二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）による第３の絶縁膜１１９が形成されている。
【０００８】
このように形成された半導体装置において、配線層に発生する残留熱応力や、あるいはボンディング時の機械的衝撃により、表面の第２の金属配線層１１７が第２の絶縁層１１５から剥離することがあった。これはＳｉ−Ｆ基を含む絶縁層１１５とチタンの下地配線層１１７との密着性の不足によるものと考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、Ｓｉ−Ｆ基を含む絶縁膜とチタンの配線層を含む半導体装置においてはチタン配線層と絶縁膜との界面において密着性の劣化が生じ、金属配線膜内に発生した熱応力や、ボンディング時の機械的応力によって、金属配線膜の剥がれが生じていた。本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、金属配線膜の剥がれが生じない信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体装置では、基板と、この基板の上部にＳｉ−Ｆ結合基を含有する絶縁膜として形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 以上である第１の絶縁膜と、その上に形成された弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 未満である第２の絶縁膜とを有する積層絶縁膜と、この積層絶縁膜の前記第２の絶縁膜上に形成されたチタン系金属配線層とを有し、前記チタン系金属配線層と前記第２の絶縁膜との界面において、弗素の濃度が１×１０20atoms/cm3 未満であり、前記第２の絶縁膜の弗素濃度が前記界面から前記第１の絶縁膜との境界にかけて漸増することを特徴とする。
【００１１】
このチタン系金属配線層中の弗素濃度の測定は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion
Mass Spectrometry）分析法が使用され、チタン層中の弗素の定量化はＴｉＦを検出イオンとして行われたものである。ＳＩＭＳには、 Perkin Elmer 社製のModel 6600が使用され、Ｃｓ＋ イオンのイオンエネルギーが５ＫｅＶの条件で実施された。
【００１２】
また、本発明の半導体装置はさらに、基板と、この基板の上部にＳｉ−Ｆ結合基を含有して形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 以上である第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 未満である第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に形成されたチタン系金属配線層とを有し、前記チタン系金属配線層と前記第２の絶縁膜との界面において、弗素の濃度が１×１０20atoms/cm3 未満であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。なお以下の実施例を通じ同一部分には同一番号を付して、詳細な説明を省略する。
【００１８】
（実施例１）
図１に本発明の第１の実施例に係る半導体装置の金属配線部部の拡大図を示す。図においてＳｉ基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線層１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基を含有するＳｉＯ2 膜である。前記金属配線１３上には、ヴィア配線として例えばタングステン（Ｗ）によるプラグ１６が形成され、前記第２の絶縁膜１５の表面に電極を引き出している。
【００１９】
前記絶縁膜１５上には第２の金属配線１７が形成されており、その１部はプラグ１６に接続されている。この金属配線１７もチタン系金属の下地層１７ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１７ｂとから成る積層体の配線である。この絶縁膜１５と金属配線１７は第３の絶縁膜（パッシベーション膜）１９で覆われることにより、表層金属配線部が構成される。
【００２０】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず図２（ａ）に示すようにＳｉ基板１１上に第１の絶縁膜１２として、ＴＥＯＳ（Tetraethylortho-silicate）、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にてＳｉＯ2 膜を１５００ｎｍ堆積した。この場合Ｏ2 ガスに代えてＯ3 ガスを用いても良い。Ｏ3 ガスを用いると更に自己平坦化特性に優れたＳｉＯ2 膜が得られる。次に第１の金属配線を構成する高融点の下地配線層１３ａを、Ｔｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この場合スパッタ法にかえてＣＶＤ法を用いてもよい。この下地配線層１３ａの上に本配線層１３ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により６００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。なお本配線層１３ｂの材料ととしては、ＣｕやＣｕの合金、ＷやＷの合金を使用してもよい。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により加工し、第１の金属配線１３を形成した。
【００２１】
次に図２（ｂ）に示すようにＳｉ−Ｆ結合基１５ａを含有する第２の絶縁膜１５を、ＴＥＯＳ、Ｏ2 、窒化フロライド（ＮＦx ）ガスを用いて減圧プラズマ中にて弗素含有のＳｉＯ2 膜を２５００ｎｍ堆積した。ここで用いるＣＶＤＳｉＯ2 膜の成膜ガスとして、ＴＥＯＳの代わりに非有機系のＳｉＨ4 等を用いてもよい。この場合窒化フロライドに代えてクロロフロライド（Ｃx Ｆy ）、シリコンの弗化物（Ｓｉx Ｆy ）等を用いてもよい。第２の絶縁膜中には、Ｓｉ−Ｆ結合基１５ａと、例えばＳｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂのような重合基、さらに結合基を持たない遊離弗素１５ｃが存在する。次にこの絶縁膜の表面をレジストエッチバックＲＩＥ技術により平坦化を行った。この場合ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）技術を用いて平坦化してもよい。
【００２２】
続いてこの基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行った。この結果第２の絶縁膜１５中に存在する結合エネルギーがＳｉ−Ｆ結合基１５ａより小さく不安定な結合状態にある重合基、例えば前記Ｓｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂを分離させることで生じたＣＦx や前記遊離の弗素１５ｃとを、絶縁膜１５の外部へ拡散させた（図３（ｃ））。
【００２３】
この遊離弗素の除去は、例えば６００℃、２０秒の赤外線ランプによるランプアニールで短時間に行うこともできる。あるいは２００℃における減圧プラズマ放電により処理してもよい。この場合の雰囲気は酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が使用できる。
【００２４】
次に図３（ｄ）に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。なお本配線層１７ｂの材料としては、ＣｕやＣｕの合金、タングステンやタングステンの合金を使用してもよい。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００２５】
さらに第３の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この場合ＮＨ4 Ｆ等による薬液処理で形成してもよい。この結果図１に示す表面金属配線部が得られた（但しリードワイヤ接続用の開口部は図示されていない）。
【００２６】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第２の絶縁膜１５の界面近傍の波線Ａ−Ａ’で示される断面における構成元素（Ｔｉ、Ｆ、Ｃ、Ｏx ）の濃度分布を図４に示す。この場合横軸はＡからＡ’方向の深さを表し、縦軸は夫々の構成元素の濃度を表す。チタンが高濃度を示している領域が下地層１７ａが存在する部分であり、炭素（Ｃ）が高濃度を示している領域が第２の絶縁膜１５の領域を示す。チタンと炭素が接している深さ（この例では０．２６μｍ、但し絶対値には意味がない）が、下地層１７ａと第２の絶縁層１５の界面である。注目すべきは下地層１７ａの前記界面より充分離れた領域（より詳細には５０ｎｍ以上離れたチタン窒化膜の領域）における弗素の濃度が約５×１０17atoms/cm3 であり、第２の絶縁膜中の弗素濃度（約５×１０21atoms/cm3 ）に比較して、非常に少なくなっていることである。また前記界面における弗素濃度も５×１０19atoms/cm3 程度と低くなっている。
【００２７】
なおこの濃度分布は、第３の絶縁膜１９が形成された図１の状態で測定したが、前記絶縁膜１９を形成する前の図３（ｄ）のＡ−Ａ’線に沿った断面においても同様な結果が得られることが確認されている。
【００２８】
このような濃度分布を有する半導体装置を、従来技術で説明した半導体装置（図２７、２８で説明した半導体装置）とともに、超音波ボンディング試験に供した。ＩＣチップ上に設けられた、上記第２の金属配線１７と同一構成のボンディングパッド（５０×８０μｍ）と、このＩＣチップが搭載されたパッケージ部品の端子との間に、線径２５μｍの金属線を所定の超音波出力、荷重のもとにワイヤボンディングを行った。１００個のボンディングワイヤに対し引張試験を実施し、ボンディングパッドと絶縁膜１５の界面で発生する剥がれ不良の有無を調べたところ、剥がれ不良は皆無であった。この結果よりチタン系金属が最高濃度を示す範囲において、弗素濃度を１×１０20atoms/cm3 程度以下にすることが、下地層１７と絶縁膜１５との密着度を向上させる上で効果があることが明らかになった。下地層２１７への弗素の拡散を完全に抑えられれば、それが理想的な状態であり、弗素濃度の下限は実質的にゼロであってもよい。
【００２９】
（実施例２）
次に図５に本発明の第２の実施例に係る半導体装置の金属配線部部の拡大図を示す。図５においてシリコン基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基１５ａを含有するＳｉＯ2 膜である。本実施例の特徴的なことは、この絶縁膜１５の上に第３の絶縁膜１８が形成されていることであり、この第３の絶縁膜１８は成膜時に弗素を添加されていない。前記金属配線１３上には、ヴィア配線として例えばタングステン（Ｗ）によるプラグ１６が形成され、前記第２の絶縁膜１５、第３の絶縁膜１８を貫通して第３の絶縁膜１８の表面に電極を引き出している。
【００３０】
前記第３の絶縁膜１８上には第２の金属配線１７が形成されており、その１部はプラグ１６に接続されている。この金属配線１７もチタン系金属の下地層１７ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の導体１７ｂとから成る積層体の配線である。この絶縁膜１５と金属配線１７は第４の絶縁膜（パッシベーション膜）１９で覆われることにより、表層金属配線部が構成される。
【００３１】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず図６（ａ）に示すようにシリコン基板１１上に第１の絶縁膜１２として、ＴＥＯＳ（Tetraethyl-orthosilicate）、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にてＳｉＯ2 膜を１５００ｎｍ堆積した。次に第１の金属配線を構成する高融点の下地配線層１３ａを、Ｔｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１３ａの上に本配線層１３ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により６００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により加工し、第１の金属配線１３を形成した。
【００３２】
次に図６（ｂ）に示すようにＳｉ−Ｆ結合基を含有する第２の絶縁膜１５を、実施例１と同様にＴＥＯＳ、酸素ガス（Ｏ2 ）、窒化フロライド（ＮＦx ）を用いて減圧プラズマ中にて弗素含有のＳｉＯ2 膜を２５００ｎｍ堆積した。第２の絶縁膜１５中には、Ｓｉ−Ｆ結合基１５ａと、例えばＳｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂのような重合基、さらに結合基を持たない遊離弗素１５ｃが存在する。次にこの絶縁膜の表面をレジストエッチバックＲＩＥ技術により平坦化を行った。
【００３３】
続いてこの基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行った。この結果第２の絶縁膜１５中に存在する結合エネルギーがＳｉ−Ｆ結合基１５ａより小さく不安定な結合状態にある重合基、例えば前記Ｓｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂを分離させることで生じたＣＦx や前記遊離の弗素１５ｃとを、絶縁膜１５の外部へ拡散させた。
【００３４】
続いて図６（ｃ）に示すように、ＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用いて第３の絶縁膜１８を減圧プラズマ中にて３００ｎｍ堆積した。ここで用いるＣＶＤＳｉＯ2 膜の成膜ガスとして、ＴＥＯＳに代えて非有機系のＳｉＨ4 を用いてもよい。さらにＯ2 ガスに代えてＯ3 ガスを用いてもよい。
【００３５】
次に図７に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００３６】
さらに第４の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果、図５に示すような表面金属配線部が得られた（但しパッケージ接続ピン用の開口部は図示されていない）。
【００３７】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第３の絶縁層１８の界面近傍の破線Ａ−Ａ’で示される断面における構成元素（Ｔｉ、Ｆ、Ｃ、Ｏx ）の濃度分布を図８に示す。この場合横軸はＡからＡ’方向の深さを表し、縦軸は夫々の構成元素の濃度を表す。下地層１７ａの前記界面より充分離れた領域（より詳細には５０ｎｍ以上離れたチタン窒化膜の領域）における弗素の濃度が約５×１０17atoms/cm3 であり、また前記界面における弗素濃度も１×１０18atoms /cm3 程度と低くなっている点は第１の実施例と同様であるが、注目すべきは第３の絶縁膜１８に相当する部分（Ｃ濃度が１×１０20atoms/cm3 程度の値を示す領域）では弗素濃度が第２の絶縁膜１５（炭素（Ｃ）濃度が１×１０21 atoms/cm3 程度の値を示す領域）中の弗素濃度より低くなっていることである。これはもともと第３の絶縁膜１８中には弗素が添加されておらず、加熱処理中に第２の絶縁膜１５中より拡散し残留した弗素のみが存在するからである。
【００３８】
なおこの濃度分布は、第３の絶縁膜１９が形成された図５の状態で測定したが、前記絶縁膜１９を形成する前の図７のＡ−Ａ’線に沿った断面においても同様な結果が得られることが確認されている。
【００３９】
このように構成された積層構造において、前記加熱処理条件や前記弗素添加絶縁膜の成膜条件を変化させることにより、前記第２の金属配線１７と前記第３の絶縁膜１８の界面における弗素濃度を変化させることができる。図９はこの界面における弗素濃度を変化させて、ワイヤボンデイング時におけるパッド剥がれ不良の発生率との関係を調査し、図示したものである。ワイヤボンデイングにおける諸条件は第１の実施例におけるものと全く同じである。図９から明かなように、Ｔｉ系金属が最高濃度を示す範囲において、弗素濃度が１×１０20atoms/cm3未満であれば、パッド剥がれが全く発生しなくなる。このように界面における弗素濃度を制御することにより、パッド剥がれを皆無にできることが明らかになった。
【００４０】
なお、この高融点金属（Ｔｉ）中の弗素濃度の測定には、ＳＩＭＳ分析法が使用され、チタン層中の弗素の定量化はＴｉＦを検出イオンとして行われた。ＳＩＭＳには、Perkin Elmer社製の Model 6600 が使用され、Ｃｓ＋ イオンのイオンエネルギーが５ＫｅＶの条件で実施された。
【００４１】
（実施例３）
上記の効果は金属配線部がさらに多層になった場合においても同様に発揮される。次に多層配線の例として第３の実施例を図１０を参照して説明する。この実施例は第１の実施例の第２の金属配線上部にさらにもう１層の金属配線を加えた例である。すなわち第２の金属配線１７の上に第２の絶縁膜１５と同様な第３の絶縁膜２２が形成され、第２の金属配線の所用部分にはタングステン等のプラグ２６が形成されている。さらにその上部には第３の金属配線２０が第２の金属配線と同様に形成され、さらにその上を第２の絶縁層２４が覆っている。
【００４２】
この多層金属配線部は次のようにして製作された。先ず第１の実施例と同様にして第２の金属配線１７までが形成された。この段階で断面Ａ−Ａ’線に沿った各構成元素の濃度分布は図４と同様になった。次に図１１に示すように第２の絶縁層１５と同様な工程で弗素を添加した第３の絶縁膜２２を２５００ｎｍ成膜した。図中２２ａはＳｉ−Ｆ結合基である。この絶縁膜２２をレジストエッチバックＲＩＥ技術で表面平坦化を行う。続いて図１２のように、この基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行い、ＣＦx や遊離の弗素を、絶縁膜２２の外部へ拡散させた。
【００４３】
次に第２の金属配線と第３の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ２６を形成した。続いて第３の下地配線層２０ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層２０ａの上に本配線層２４としてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金２４をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。
【００４４】
続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第３の金属配線２０を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００４５】
さらに第３の絶縁膜２４をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果、図１０に示すような３層の多層金属配線部が得られた（但しリードワイヤ接続用開口部は図示されていない）。このとき図１０のＢ−Ｂ’線に沿った断面の各構成元素の濃度分布は図１３のように第１の実施例と同様な結果を示した。このようにして形成された表面層の金属配線に対し、第１の実施例と同様にボンディングテストを行い、ボンディングによるパッド剥がれ不良が生じないことが確認された。
【００４６】
（実施例４）
次に第４の実施例を図１４を参照して説明する。この実施例は第２の実施例の第２の金属配線上部にさらにもう１層の金属配線を加えた例である。すなわち第２の金属配線１７の上に第２の絶縁膜１５と同様な第３の絶縁膜２２が形成され、さらにその上に第４の絶縁膜２３が形成されている。第２の金属配線の所用部分にはタングステン等のプラグ２６が形成されている。さらにその上部には第３の金属配線２０が第２の金属配線と同様に形成され、さらにその上を第２の絶縁層２４が覆っている。
【００４７】
この多層金属配線部は次のようにして製作された。先ず第２の実施例と同様にして第２の金属配線１７までが形成された。この段階で断面Ａ−Ａ’線に沿った各構成元素の濃度分布は図８と同様になった。次に図１５に示すように第２の絶縁層１５と同様な工程でＦを添加した第３の絶縁膜２２を２５００ｎｍ成膜した。図中２２ａはＳｉ−Ｆ結合基である。この絶縁膜２２をレジストエッチバックＲＩＥ技術で表面平坦化を行う。続いて図１６のように、この基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行い、ＣＦx や遊離の弗素２２ａを、絶縁膜２２の外部へ拡散させた。
【００４８】
次に第２の金属配線と第３の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ２６を形成した。続いて第３の下地配線層２０ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層２０ａの上に本配線層２０ａとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。
【００４９】
続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第３の金属配線２０を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００５０】
さらに第３の絶縁膜２４をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果、図１５に示すような３層の多層金属配線部が得られた（但しリードワイヤ接続用開口部は図示されていない）。このとき図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面の各構成元素の濃度分布は図１７のように第２の実施例と同様な結果を示した。このようにして形成された表面層の金属配線に対し、第２の実施例と同様にボンディングテストを行い、ボンディングによるパッド剥がれ不良が生じないことが確認された。
【００５１】
多層配線の形成方法は上記実施例に限られるものではなく、種々の変形を採り得る。例えば３層配線の第１層と第２層の配線層の間の絶縁層を第１の実施例の方法で製作し、第２層と第３層の配線層間の絶縁層を第２の実施例の方法を用いてもよい。
【００５２】
以上Ｓｉ−Ｆ含有絶縁膜上に形成されたチタン系金属を下地層とする積層型配線層の接着強度を、下地層に含まれる弗素濃度に着目して改良した。前記下地層と前記絶縁膜との接着メカニズムをさらに解析した結果次のような事実を発見した。図１の円Ｓで示された金属配線下地層と絶縁膜の境界を拡大すると、図１８の顕微鏡写真に示すように厚さ数ｎｍの反応層３０が介在する。反応層３０は絶縁膜１５中に含まれるＳｉＯ2 と下地層のＴｉが反応し、Ｔｉx Ｓｉｙ Ｏｚ なる反応物を形成して構成されたものと思われる。本発明の実施例１により得られた反応層と弗素除去処理を行わない従来技術により得られた反応層の構成元素をＥＤＸにて分析したところ、表１に示す結果が得られた。
【００５３】
【表１】
【００５４】
また表１より、Ｓｉに対するＴｉの比率、およびＯに対するＴｉの比率を算出したものを表２に示す。
【００５５】
【表２】
【００５６】
表２から、実施例１により得られた反応層においては、Ｓｉに対するＴｉの比率が０．２以下（Ｔｉ／Ｓｉ＜０．２）、Ｏに対するＴｉの比率も０．２以下（Ｔｉ／Ｏ＜０．２）と非常に小さいことがわかる。一方弗素除去をしない従来技術による反応層では、いずれの比率も０．８以上と大きい。
【００５７】
またボンディング強度と前記反応層の厚さとの関係を調査した結果、図１９に示す結果が得られた。良好なボンディング状態と考えられている３ｇ以上の強度は、３．５ｎｍ以下の反応層において得られている。ボンディング強度が７．５ｇに対応する反応層の構成元素比をＥＤＸ分析した結果を図２０に示す。反応層におけるＴｉの量は、Ｓｉ，Ｏに対して１００％以下であることがわかる。ボンディング強度が１．５ｇに対応する反応層の構成元素比をＥＤＸ分析した結果を図２１に示す。反応層におけるＴｉの量は、Ｓｉ、Ｏの量を一部を除き大幅に上回っていることがわかる。なお図２０、２１において横軸は測定点の位置関係を模式的に表したもので、実際の距離は表していない。反応層３０の厚さは、図２０の場合で２〜３ｎｍ、図２１の場合で４〜６ｎｍである。
【００５８】
図２２は、図２０および図２１からＴｉ／Ｓｉ、Ｔｉ／Ｏの値を算出して、本発明と弗素除去処理を行わない従来技術との比較をしたものである。少なくとも反応層の膜厚の中央部において、本発明による上記２種の元素比率は１．０以下であり、従来品は１．０以上である。すなわちＳｉとＯに対しＴｉの比率が小さい反応層では接着強度が勝るという特徴的な関係が明らかになった。このメカニズムは未だ明確ではないが、Ｔｉ層に対するＦの拡散が大きく関係しているためと考えられる。以上の知見から下地層の接着強度を上げるためには、前記反応層へのＦの拡散を防止すれば良いことが予見された。以下の実施例は、このＦ拡散防止を達成するために前記実施例１ないし４とは異なる観点から考案されたものである。
【００５９】
（実施例５）
図２３に本発明の第５の実施例に係る半導体装置の金属配線部の拡大図を示す。図においてＳｉ基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線層１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基を含有するＳｉＯ2 膜である。本実施例の特徴的なことは、この絶縁膜１５の上に第１の弗素拡散抑制膜３１を形成することにある。この弗素拡散抑制膜３１は、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。絶縁膜であれば、ＳｉＮ膜、ＳｉＨ4 系ガスで成膜したＳｉＨ4-ＳｉＯ2 膜、さらにＳｉＮ成膜中に酸素を添加したＳｉＯＮ等が使用できる。導電膜であれば、多結晶シリコン膜、Ｗ系・Ｔｉ系・Ｃｏ系・Ｎｉ系等の金属シリサイド膜、さらにＡｌ系・Ｃｕ系の金属膜等があげられる。あるいはこれらの積層構造であってもよい。
【００６０】
弗素拡散抑制膜３１をボンディングワイヤ接続用の配線領域（ボンディングパッド）となる部分の下に選択的に配置するように加工した後、その上および第２の絶縁膜１５の上に第３の絶縁膜１８がたとえばＳｉＯ2 で形成されている。前記金属配線１３上には、ヴィア配線として例えばタングステン（Ｗ）によるプラグ１６が形成され、前記第２の絶縁膜１５および第３の絶縁膜１８を貫通して、第３の絶縁膜１８の表面に電極が引き出されている。
【００６１】
前記絶縁膜１８上には第２の金属配線１７が形成されており、その１部はプラグ１６に接続されている。この金属配線１７もチタン系金属の下地層１７ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１７ｂとから成る積層体の配線である。この絶縁膜１８と金属配線１７は第４の絶縁膜（パッシベーション膜）１９で覆われることにより、表層金属配線部が構成される。
【００６２】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず第１実施例の図２（ａ）および図２（ｂ）に示したと全く同じ方法で基板１１上に、第１の絶縁膜１２、第１の金属配線１３、第２の絶縁膜１５が形成された。
【００６３】
次に図２４（ｃ）に示すように、Ｓｉ−Ｆ基１５ａを含有する第２の絶縁膜１５上に弗素拡散抑制膜３１として、例えば絶縁膜ＳｉＮを減圧プラズマＣＶＤ法により２００ｎｍ堆積した。続いて、後に形成されるボンディングワイヤ接続用のパッド部の下部となる領域のみに前記ＳｉＮ膜を残すように、リソグラフィ技術とＣＤＥもしくはＲＩＥ技術を用いて前記ＳｉＮ膜を加工した。この弗素拡散抑制膜３１として、ＳｉＨ４-ＳｉＯ2 膜やＳｉＯＮ膜あるいは多結晶シリコン膜や金属膜を用いる場合も同様となり、リソグラフィ技術を用いて、ボンデイングパッド下領域にのみこれらを選択的に配置するように加工される。続いて、ＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用いて第３の絶縁膜１８を減圧プラズマ中にて３００ｎｍ堆積した。
【００６４】
次に図２４（ｄ）に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００６５】
さらに第４の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、ボンディングワイヤ接続用の開口部３２をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果図２３に示す表面金属配線部が得られた。
【００６６】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第３の絶縁膜１８の界面近傍を解析したところ、図１８に示したような反応層３０が形成されているのが確認された。反応層の厚みは、図２４（ｄ）のＣ−Ｃ’線においては、２．６ｎｍ、Ｄ−Ｄ’線においては４．１ｎｍであった。また反応層における構成元素の比率をＥＤＸで分析したところ、Ｃ−Ｃ’線の反応層の膜厚中央部においてはＴｉ／ＳｉおよびＴｉ／Ｏ構成比率がいずれも０．３程度と小さいのに対し、Ｄ−Ｄ’線の反応層においては、いずれも１より大きかった。即ちＴｉとＳｉＯ2 の密着性を高めたい領域（ボンデイングパッド領域）において、Ｔｉの構成比率が小さくなっているのが確認された。また図１８のＴｉ下地層１７ａおよび反応層３０中の弗素濃度を調べたところ、１×１０20atoms/cm3 未満であった。
【００６７】
このような濃度分布を有する半導体装置を、超音波ボンディング試験に供した。ＩＣチップ上に設けられた、上記第２の金属配線１７と同一構成のボンディングパッド（５０×８０μｍ）と、このＩＣチップが搭載されたパッケージ部品と端子との間に、線径２５μｍの金属線を所定の超音波出力、荷重のもとにワイヤボンディングを行った。１００個のボンディングワイヤに対し引張試験を実施し、ボンディングパッドと絶縁膜１８との界面で発生する剥がれ不良の有無を調べたところ、剥がれ不良は皆無であった。この結果よりＴｉ／ＳｉおよびＴｉ／Ｏ構成比率が１．０より小となる技術を用いることにより、金属配線下地層１７ａと絶縁層１８の密着性を向上させる上で効果があることが明かになった。
【００６８】
（実施例６）
次に図２５に本発明の第６の実施例に係る半導体装置の金属配線部の拡大図を示す。図２５においてシリコン基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基１５ａを含有するＳｉＯ2 膜である。本実施例の特徴的なことは、この絶縁膜１５を部分的に除去することにある。ＴｉとＳｉＯ2 の密着性を高めたい領域であるボンディングワイヤ接続用配線領域となる部分の前記絶縁膜１５をリソグラフィ技術とＣＤＥもしくはＲＩＥ技術等により、前記領域での前記絶縁膜１５の一部あるいは全部を選択的に除去する。例えば絶縁膜１５の通常の厚みが８００ｎｍである場合に、ボンディングパッド下の領域では、６００ｎｍ分除去する。絶縁膜１５の厚みを全体的に薄くすることも考えられるが、配線層間のキャパシタンスが増加して高速動作に支障がでるので、ボンディングパッド下のみ薄くするのが望ましい。ボンディングパッド下の絶縁膜の望ましい膜厚は、１００ないし６００ｎｍであり、さらに望ましくは２００ないし５００ｎｍである。
【００６９】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず第１実施例の図２（ａ）および図２（ｂ）に示したと全く同じ方法で基板１１上に、第１の絶縁膜１２、第１の金属配線１３、第２の絶縁膜１５が形成された。ただし本実施例では第２の絶縁膜１５の膜厚を８００ｎｍとした。
【００７０】
次に図２６（ｃ）に示すように、後にボンディングパッドが形成される領域の下となる部分の前記絶縁膜１５をリソグラフィ技術とＣＤＥもしくはＲＩＥ技術等により、６００ｎｍ選択的に除去する。続いてＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用いて第３の絶縁膜１８を減圧プラズマ中にて３００ｎｍ堆積した。
【００７１】
次に図２６（ｄ）に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００７２】
さらに第４の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、ボンディングワイヤ接続用の開口部３２をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果図２５に示す表面金属配線部が得られた。
【００７３】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第３の絶縁膜１８の界面近傍を解析したところ、図１８に示したような反応層３０が形成されているのが確認された。反応層の厚みは、図２５のＥ−Ｅ’線においては、２．７ｎｍ、Ｆ−Ｆ’線においては４．０ｎｍであった。また反応層における構成元素の比率をＥＤＸで分析したところ、Ｅ−Ｅ’線の反応層においてはＴｉ／ＳｉおよびＴｉ／Ｏ構成比率がいずれも０．３程度と小さいのに対し、Ｆ−Ｆ’線の反応層においては、いずれも１より大きかった。即ちＴｉとＳｉＯ2 の密着性を高めたい領域において、Ｔｉの構成比率が小さくなっているのが確認された。
【００７４】
このような濃度分布を有する半導体装置を、超音波ボンディング試験に供した。ＩＣチップ上に形成された、上記第２の金属配線１７と同一構成のボンディングパッド（５０×８０μｍ）と、このＩＣチップが搭載されたパッケージ部品の端子との間に、線径２５μｍの金属線を所定の超音波出力、荷重のもとにワイヤボンディングを行った。１００個のボンディングワイヤに対し引張試験を実施し、ボンディングパッドと絶縁膜１８との界面で発生する剥がれ不良の有無を調べたところ、剥がれ不良は皆無であった。この結果よりＳｉ−Ｆ基を含有する絶縁膜１５の膜厚を減少させることによっても、金属配線下地層１７ａと絶縁層１８の密着性を向上させる上で効果があることが明かになった。これは、拡散の元になる弗素の含有量が、薄い膜厚の層ではもともと少ないことに依る。
【００７５】
なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、配線層が３層以上の多層配線においては、表面配線層のみ第５もしくは第６の実施例の方法を用い、他の下層は実施例１ないし４の方法あるいは従来技術によって多層配線を構成してもよい。また実施例５と６の製造方法において、Ｓｉ−Ｆ含有絶縁膜１５と金属配線１７の間にＳｉ−Ｆを含有しない絶縁膜１８を介在させたが、これを省略することもできる。ただし弗素の金属配線層１７中への拡散を確実に抑制するためには、ＳｉーＦを含有しない絶縁膜１８を介在させることが望ましい。
【００７６】
また、上記実施例では、シリコン基板を用いた例を示したが、基板はシリコンに限られるものではなく、ＳＯＩ基板やＳＯＳ基板であってもよい。
【００７７】
【発明の効果】
上記の通り本発明では、Ｓｉ−Ｆ含有絶縁膜に対し、（１）加熱処理あるいはプラズマ処理を行って遊離弗素や結合エネルギーが不安定状態をとる弗素化合結合基を除去する、（２）前記絶縁膜上に弗素拡散抑制膜を設ける、（３）前記絶縁膜の膜厚を薄くするといった加工を行い、その後この絶縁膜上にＴｉを含む金属配線を形成している。この結果このＴｉと絶縁膜の界面での弗素濃度を１×１０20atoms/cm3 未満とすることにより、あるいはその界面に形成される反応層においてＳｉおよびＯに対するＴｉの比率を１．０以下とすることにより、絶縁膜とＴｉ系金属配線層との密着性を向上し、両者間において剥がれ等が生じない信頼性の高い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の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図２】本発明の第１の実施例に係る製造方法を段階的に示した半導体装置の断面図。
【図３】本発明の第１の実施例に係る製造方法の図２に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図４】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図５】本発明の第２の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図６】本発明の第２の実施例に係る製造方法を段階的に示した半導体装置の断面図。
【図７】本発明の第２の実施例に係る製造方法の図６に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図８】図５のＡ−Ａ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図９】第２の実施例におけるチタンとシリコン酸化膜界面における弗素濃度とボンディングパッド剥がれ発生率との関係を示すグラフ。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る製造方法を示した半導体装置の断面図。
【図１２】本発明の第３の実施例に係る製造方法の図１１に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図１３】図１０のＢ−Ｂ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図１４】本発明の第４の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図１５】本発明の第４の実施例に係る製造方法を示した半導体装置の断面図。
【図１６】本発明の第４の実施例に係る製造方法の図１５に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図１７】図１４のＢ−Ｂ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図１８】絶縁層と金属配線下地層との界面に形成された反応層を示す顕微鏡写真。
【図１９】ボンディング強度と反応層の厚さとの関係を示したグラフ。
【図２０】実施例１における絶縁層・下地層界面における主要元素の構成比を示したグラフ。
【図２１】従来技術における絶縁層・下地層界面における主要元素の構成比を示したグラフ。
【図２２】絶縁層・下地層界面におけるＴｉのＳｉ、Ｏに対する比率を、本発明と従来技術を比較して示したグラフ。
【図２３】本発明の第５の実施例に係わる半導体装置の要部断面図。
【図２４】本発明の第５の実施例に係る製造方法の一部を示した半導体装置の断面図。
【図２５】本発明の第６の実施例に係わる半導体装置の要部断面図。
【図２６】本発明の第６の実施例に係る製造方法の一部を示した半導体装置の断面図。
【図２７】従来技術に係る半導体装置の要部断面と金属配線の剥がれを説明した図。
【図２８】図２７のＡ−Ａ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【符号の説明】
１１…シリコン基板、１２…第１の絶縁層、１３…第１の金属配線、１３ａ…第１の下地配線層、１３ｂ… 第１の本配線層、１５…第２の絶縁層、１５ａ…Ｓｉ−Ｆ結合基、１６…プラグ、１７…第２の金属配線、１７ａ…第２の下地配線層、１７ｂ…第２の本配線層、１９…第３の絶縁層、３０…反応層、３１…弗素拡散抑制膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜上にチタン系金属配線層を有する半導体装置に関し、特に前記配線層と前記絶縁膜の密着性が改善された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の高密度化が進み、また高速化が要求されるに伴い、最近では集積回路での配線容量の抑制が大きな課題になってきている。配線間隔がサブミクロン領域となると、配線間の容量が急激に増大して信号の伝搬遅延が増大するからである。特にＣＰＵ等に使用される高速ロジック回路では、チップ上の配線が多層配線となっており、集積回路チップに適した誘電率の低い絶縁層を求めて検討が盛んに行われている。
【０００３】
従来集積回路の絶縁膜としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）が広く使用されてきている。一般的なＣＶＤにより形成されたシリコン酸化膜の誘電率は、４．２〜５．０程度であり、これを略半減させるものとして有機ポリマー（誘電率 ２．０〜３．１）が知られている。しかし乍ら有機ポリマーは熱安定が不充分であり、パターニングが困難であるという問題がある。
【０００４】
そこで最近ではシリコン酸化膜に弗素（Ｆ）を加えてＳｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜（誘電率３．０〜３．６）を形成し、絶縁膜の誘電率を下げる試みが為されている。Ｓｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜は多層配線における優れた埋め込み性により注目されている材料であるが、酸化膜中に弗素を取り込むことにより、低誘電率の絶縁膜も実現している。これに付いては例えば、”Reduction of Wiring Capacitance with New Low Dielectric SiOF Interlayer Film for High Speed/Low Power Sub-half Micron CMOS" (J.Ida et al, 1994 Symposium on VLSI (P.59)) に報告されている。この報告書によれば、0.35μm CMOS 2NAND ゲートの伝搬遅延時間（tpd）が、Ｓｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜（誘電率３．６）を用いた配線では通常のＣＶＤ酸化膜（誘電率４．３）を用いた配線よりも１３％改善されたと報告されている。
【０００５】
このようにＳｉ−Ｆ結合基を含む絶縁膜は誘電率が低く、配線容量を低下させる効果を有するが、一方高信頼性を目的とした高融点金属配線層との密着性が不充分で配線層の剥がれが生じるという欠点をも有している。この間の事情を図面を参照して説明する。
【０００６】
図２７には、表面に２層配線が形成された半導体装置の一部断面図が示されている。すなわちシリコン基板１１１の表面には図示しない半導体素子が形成されており、その上部全面が酸化シリコンによる第１の絶縁膜１１２で覆われている。その表面にはチタン（Ｔｉ）による下地配線層１１３ａが形成されており、下地配線層１１３ａの上にはＣｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等による本配線層１１３ｂが積層され、この積層層で第１の金属配線層１１３が形成されている。このように２層構造を採ることにより配線の電気抵抗を増大させずに断線等に対する機械的強度を増している。またこの第１の配線は図示しないヴィア配線で基板１１１に形成された図示しない半導体素子と接続されている。
【０００７】
絶縁膜１１３の表面全体にＳｉ−Ｆ基を含む二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）の第２の絶縁膜１１５が形成されており、前記第１の金属配線層１１３上の一部にはヴィアホールが形成され、タングステン（Ｗ）によるプラグ１１６が埋め込まれている。この第２の絶縁膜１１５の上部にはチタン（Ｔｉ）による第２の下地配線層１１７ａとＣｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等による第２の本配線層１１７ｂが積層され第２の金属配線層１１７を形成している。さらにその上に二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）による第３の絶縁膜１１９が形成されている。
【０００８】
このように形成された半導体装置において、配線層に発生する残留熱応力や、あるいはボンディング時の機械的衝撃により、表面の第２の金属配線層１１７が第２の絶縁層１１５から剥離することがあった。これはＳｉ−Ｆ基を含む絶縁層１１５とチタンの下地配線層１１７との密着性の不足によるものと考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、Ｓｉ−Ｆ基を含む絶縁膜とチタンの配線層を含む半導体装置においてはチタン配線層と絶縁膜との界面において密着性の劣化が生じ、金属配線膜内に発生した熱応力や、ボンディング時の機械的応力によって、金属配線膜の剥がれが生じていた。本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、金属配線膜の剥がれが生じない信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体装置では、基板と、この基板の上部にＳｉ−Ｆ結合基を含有する絶縁膜として形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 以上である第１の絶縁膜と、その上に形成された弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 未満である第２の絶縁膜とを有する積層絶縁膜と、この積層絶縁膜の前記第２の絶縁膜上に形成されたチタン系金属配線層とを有し、前記チタン系金属配線層と前記第２の絶縁膜との界面において、弗素の濃度が１×１０20atoms/cm3 未満であり、前記第２の絶縁膜の弗素濃度が前記界面から前記第１の絶縁膜との境界にかけて漸増することを特徴とする。
【００１１】
このチタン系金属配線層中の弗素濃度の測定は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion
Mass Spectrometry）分析法が使用され、チタン層中の弗素の定量化はＴｉＦを検出イオンとして行われたものである。ＳＩＭＳには、 Perkin Elmer 社製のModel 6600が使用され、Ｃｓ＋ イオンのイオンエネルギーが５ＫｅＶの条件で実施された。
【００１２】
また、本発明の半導体装置はさらに、基板と、この基板の上部にＳｉ−Ｆ結合基を含有して形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 以上である第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 未満である第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に形成されたチタン系金属配線層とを有し、前記チタン系金属配線層と前記第２の絶縁膜との界面において、弗素の濃度が１×１０20atoms/cm3 未満であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。なお以下の実施例を通じ同一部分には同一番号を付して、詳細な説明を省略する。
【００１８】
（実施例１）
図１に本発明の第１の実施例に係る半導体装置の金属配線部部の拡大図を示す。図においてＳｉ基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線層１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基を含有するＳｉＯ2 膜である。前記金属配線１３上には、ヴィア配線として例えばタングステン（Ｗ）によるプラグ１６が形成され、前記第２の絶縁膜１５の表面に電極を引き出している。
【００１９】
前記絶縁膜１５上には第２の金属配線１７が形成されており、その１部はプラグ１６に接続されている。この金属配線１７もチタン系金属の下地層１７ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１７ｂとから成る積層体の配線である。この絶縁膜１５と金属配線１７は第３の絶縁膜（パッシベーション膜）１９で覆われることにより、表層金属配線部が構成される。
【００２０】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず図２（ａ）に示すようにＳｉ基板１１上に第１の絶縁膜１２として、ＴＥＯＳ（Tetraethylortho-silicate）、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にてＳｉＯ2 膜を１５００ｎｍ堆積した。この場合Ｏ2 ガスに代えてＯ3 ガスを用いても良い。Ｏ3 ガスを用いると更に自己平坦化特性に優れたＳｉＯ2 膜が得られる。次に第１の金属配線を構成する高融点の下地配線層１３ａを、Ｔｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この場合スパッタ法にかえてＣＶＤ法を用いてもよい。この下地配線層１３ａの上に本配線層１３ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により６００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。なお本配線層１３ｂの材料ととしては、ＣｕやＣｕの合金、ＷやＷの合金を使用してもよい。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により加工し、第１の金属配線１３を形成した。
【００２１】
次に図２（ｂ）に示すようにＳｉ−Ｆ結合基１５ａを含有する第２の絶縁膜１５を、ＴＥＯＳ、Ｏ2 、窒化フロライド（ＮＦx ）ガスを用いて減圧プラズマ中にて弗素含有のＳｉＯ2 膜を２５００ｎｍ堆積した。ここで用いるＣＶＤＳｉＯ2 膜の成膜ガスとして、ＴＥＯＳの代わりに非有機系のＳｉＨ4 等を用いてもよい。この場合窒化フロライドに代えてクロロフロライド（Ｃx Ｆy ）、シリコンの弗化物（Ｓｉx Ｆy ）等を用いてもよい。第２の絶縁膜中には、Ｓｉ−Ｆ結合基１５ａと、例えばＳｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂのような重合基、さらに結合基を持たない遊離弗素１５ｃが存在する。次にこの絶縁膜の表面をレジストエッチバックＲＩＥ技術により平坦化を行った。この場合ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）技術を用いて平坦化してもよい。
【００２２】
続いてこの基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行った。この結果第２の絶縁膜１５中に存在する結合エネルギーがＳｉ−Ｆ結合基１５ａより小さく不安定な結合状態にある重合基、例えば前記Ｓｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂを分離させることで生じたＣＦx や前記遊離の弗素１５ｃとを、絶縁膜１５の外部へ拡散させた（図３（ｃ））。
【００２３】
この遊離弗素の除去は、例えば６００℃、２０秒の赤外線ランプによるランプアニールで短時間に行うこともできる。あるいは２００℃における減圧プラズマ放電により処理してもよい。この場合の雰囲気は酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等が使用できる。
【００２４】
次に図３（ｄ）に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。なお本配線層１７ｂの材料としては、ＣｕやＣｕの合金、タングステンやタングステンの合金を使用してもよい。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００２５】
さらに第３の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この場合ＮＨ4 Ｆ等による薬液処理で形成してもよい。この結果図１に示す表面金属配線部が得られた（但しリードワイヤ接続用の開口部は図示されていない）。
【００２６】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第２の絶縁膜１５の界面近傍の波線Ａ−Ａ’で示される断面における構成元素（Ｔｉ、Ｆ、Ｃ、Ｏx ）の濃度分布を図４に示す。この場合横軸はＡからＡ’方向の深さを表し、縦軸は夫々の構成元素の濃度を表す。チタンが高濃度を示している領域が下地層１７ａが存在する部分であり、炭素（Ｃ）が高濃度を示している領域が第２の絶縁膜１５の領域を示す。チタンと炭素が接している深さ（この例では０．２６μｍ、但し絶対値には意味がない）が、下地層１７ａと第２の絶縁層１５の界面である。注目すべきは下地層１７ａの前記界面より充分離れた領域（より詳細には５０ｎｍ以上離れたチタン窒化膜の領域）における弗素の濃度が約５×１０17atoms/cm3 であり、第２の絶縁膜中の弗素濃度（約５×１０21atoms/cm3 ）に比較して、非常に少なくなっていることである。また前記界面における弗素濃度も５×１０19atoms/cm3 程度と低くなっている。
【００２７】
なおこの濃度分布は、第３の絶縁膜１９が形成された図１の状態で測定したが、前記絶縁膜１９を形成する前の図３（ｄ）のＡ−Ａ’線に沿った断面においても同様な結果が得られることが確認されている。
【００２８】
このような濃度分布を有する半導体装置を、従来技術で説明した半導体装置（図２７、２８で説明した半導体装置）とともに、超音波ボンディング試験に供した。ＩＣチップ上に設けられた、上記第２の金属配線１７と同一構成のボンディングパッド（５０×８０μｍ）と、このＩＣチップが搭載されたパッケージ部品の端子との間に、線径２５μｍの金属線を所定の超音波出力、荷重のもとにワイヤボンディングを行った。１００個のボンディングワイヤに対し引張試験を実施し、ボンディングパッドと絶縁膜１５の界面で発生する剥がれ不良の有無を調べたところ、剥がれ不良は皆無であった。この結果よりチタン系金属が最高濃度を示す範囲において、弗素濃度を１×１０20atoms/cm3 程度以下にすることが、下地層１７と絶縁膜１５との密着度を向上させる上で効果があることが明らかになった。下地層２１７への弗素の拡散を完全に抑えられれば、それが理想的な状態であり、弗素濃度の下限は実質的にゼロであってもよい。
【００２９】
（実施例２）
次に図５に本発明の第２の実施例に係る半導体装置の金属配線部部の拡大図を示す。図５においてシリコン基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基１５ａを含有するＳｉＯ2 膜である。本実施例の特徴的なことは、この絶縁膜１５の上に第３の絶縁膜１８が形成されていることであり、この第３の絶縁膜１８は成膜時に弗素を添加されていない。前記金属配線１３上には、ヴィア配線として例えばタングステン（Ｗ）によるプラグ１６が形成され、前記第２の絶縁膜１５、第３の絶縁膜１８を貫通して第３の絶縁膜１８の表面に電極を引き出している。
【００３０】
前記第３の絶縁膜１８上には第２の金属配線１７が形成されており、その１部はプラグ１６に接続されている。この金属配線１７もチタン系金属の下地層１７ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の導体１７ｂとから成る積層体の配線である。この絶縁膜１５と金属配線１７は第４の絶縁膜（パッシベーション膜）１９で覆われることにより、表層金属配線部が構成される。
【００３１】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず図６（ａ）に示すようにシリコン基板１１上に第１の絶縁膜１２として、ＴＥＯＳ（Tetraethyl-orthosilicate）、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にてＳｉＯ2 膜を１５００ｎｍ堆積した。次に第１の金属配線を構成する高融点の下地配線層１３ａを、Ｔｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１３ａの上に本配線層１３ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により６００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により加工し、第１の金属配線１３を形成した。
【００３２】
次に図６（ｂ）に示すようにＳｉ−Ｆ結合基を含有する第２の絶縁膜１５を、実施例１と同様にＴＥＯＳ、酸素ガス（Ｏ2 ）、窒化フロライド（ＮＦx ）を用いて減圧プラズマ中にて弗素含有のＳｉＯ2 膜を２５００ｎｍ堆積した。第２の絶縁膜１５中には、Ｓｉ−Ｆ結合基１５ａと、例えばＳｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂのような重合基、さらに結合基を持たない遊離弗素１５ｃが存在する。次にこの絶縁膜の表面をレジストエッチバックＲＩＥ技術により平坦化を行った。
【００３３】
続いてこの基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行った。この結果第２の絶縁膜１５中に存在する結合エネルギーがＳｉ−Ｆ結合基１５ａより小さく不安定な結合状態にある重合基、例えば前記Ｓｉ−Ｆ−Ｃ結合基１５ｂを分離させることで生じたＣＦx や前記遊離の弗素１５ｃとを、絶縁膜１５の外部へ拡散させた。
【００３４】
続いて図６（ｃ）に示すように、ＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用いて第３の絶縁膜１８を減圧プラズマ中にて３００ｎｍ堆積した。ここで用いるＣＶＤＳｉＯ2 膜の成膜ガスとして、ＴＥＯＳに代えて非有機系のＳｉＨ4 を用いてもよい。さらにＯ2 ガスに代えてＯ3 ガスを用いてもよい。
【００３５】
次に図７に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００３６】
さらに第４の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果、図５に示すような表面金属配線部が得られた（但しパッケージ接続ピン用の開口部は図示されていない）。
【００３７】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第３の絶縁層１８の界面近傍の破線Ａ−Ａ’で示される断面における構成元素（Ｔｉ、Ｆ、Ｃ、Ｏx ）の濃度分布を図８に示す。この場合横軸はＡからＡ’方向の深さを表し、縦軸は夫々の構成元素の濃度を表す。下地層１７ａの前記界面より充分離れた領域（より詳細には５０ｎｍ以上離れたチタン窒化膜の領域）における弗素の濃度が約５×１０17atoms/cm3 であり、また前記界面における弗素濃度も１×１０18atoms /cm3 程度と低くなっている点は第１の実施例と同様であるが、注目すべきは第３の絶縁膜１８に相当する部分（Ｃ濃度が１×１０20atoms/cm3 程度の値を示す領域）では弗素濃度が第２の絶縁膜１５（炭素（Ｃ）濃度が１×１０21 atoms/cm3 程度の値を示す領域）中の弗素濃度より低くなっていることである。これはもともと第３の絶縁膜１８中には弗素が添加されておらず、加熱処理中に第２の絶縁膜１５中より拡散し残留した弗素のみが存在するからである。
【００３８】
なおこの濃度分布は、第３の絶縁膜１９が形成された図５の状態で測定したが、前記絶縁膜１９を形成する前の図７のＡ−Ａ’線に沿った断面においても同様な結果が得られることが確認されている。
【００３９】
このように構成された積層構造において、前記加熱処理条件や前記弗素添加絶縁膜の成膜条件を変化させることにより、前記第２の金属配線１７と前記第３の絶縁膜１８の界面における弗素濃度を変化させることができる。図９はこの界面における弗素濃度を変化させて、ワイヤボンデイング時におけるパッド剥がれ不良の発生率との関係を調査し、図示したものである。ワイヤボンデイングにおける諸条件は第１の実施例におけるものと全く同じである。図９から明かなように、Ｔｉ系金属が最高濃度を示す範囲において、弗素濃度が１×１０20atoms/cm3未満であれば、パッド剥がれが全く発生しなくなる。このように界面における弗素濃度を制御することにより、パッド剥がれを皆無にできることが明らかになった。
【００４０】
なお、この高融点金属（Ｔｉ）中の弗素濃度の測定には、ＳＩＭＳ分析法が使用され、チタン層中の弗素の定量化はＴｉＦを検出イオンとして行われた。ＳＩＭＳには、Perkin Elmer社製の Model 6600 が使用され、Ｃｓ＋ イオンのイオンエネルギーが５ＫｅＶの条件で実施された。
【００４１】
（実施例３）
上記の効果は金属配線部がさらに多層になった場合においても同様に発揮される。次に多層配線の例として第３の実施例を図１０を参照して説明する。この実施例は第１の実施例の第２の金属配線上部にさらにもう１層の金属配線を加えた例である。すなわち第２の金属配線１７の上に第２の絶縁膜１５と同様な第３の絶縁膜２２が形成され、第２の金属配線の所用部分にはタングステン等のプラグ２６が形成されている。さらにその上部には第３の金属配線２０が第２の金属配線と同様に形成され、さらにその上を第２の絶縁層２４が覆っている。
【００４２】
この多層金属配線部は次のようにして製作された。先ず第１の実施例と同様にして第２の金属配線１７までが形成された。この段階で断面Ａ−Ａ’線に沿った各構成元素の濃度分布は図４と同様になった。次に図１１に示すように第２の絶縁層１５と同様な工程で弗素を添加した第３の絶縁膜２２を２５００ｎｍ成膜した。図中２２ａはＳｉ−Ｆ結合基である。この絶縁膜２２をレジストエッチバックＲＩＥ技術で表面平坦化を行う。続いて図１２のように、この基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行い、ＣＦx や遊離の弗素を、絶縁膜２２の外部へ拡散させた。
【００４３】
次に第２の金属配線と第３の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ２６を形成した。続いて第３の下地配線層２０ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層２０ａの上に本配線層２４としてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金２４をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。
【００４４】
続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第３の金属配線２０を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００４５】
さらに第３の絶縁膜２４をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果、図１０に示すような３層の多層金属配線部が得られた（但しリードワイヤ接続用開口部は図示されていない）。このとき図１０のＢ−Ｂ’線に沿った断面の各構成元素の濃度分布は図１３のように第１の実施例と同様な結果を示した。このようにして形成された表面層の金属配線に対し、第１の実施例と同様にボンディングテストを行い、ボンディングによるパッド剥がれ不良が生じないことが確認された。
【００４６】
（実施例４）
次に第４の実施例を図１４を参照して説明する。この実施例は第２の実施例の第２の金属配線上部にさらにもう１層の金属配線を加えた例である。すなわち第２の金属配線１７の上に第２の絶縁膜１５と同様な第３の絶縁膜２２が形成され、さらにその上に第４の絶縁膜２３が形成されている。第２の金属配線の所用部分にはタングステン等のプラグ２６が形成されている。さらにその上部には第３の金属配線２０が第２の金属配線と同様に形成され、さらにその上を第２の絶縁層２４が覆っている。
【００４７】
この多層金属配線部は次のようにして製作された。先ず第２の実施例と同様にして第２の金属配線１７までが形成された。この段階で断面Ａ−Ａ’線に沿った各構成元素の濃度分布は図８と同様になった。次に図１５に示すように第２の絶縁層１５と同様な工程でＦを添加した第３の絶縁膜２２を２５００ｎｍ成膜した。図中２２ａはＳｉ−Ｆ結合基である。この絶縁膜２２をレジストエッチバックＲＩＥ技術で表面平坦化を行う。続いて図１６のように、この基板を４５０℃の窒素雰囲気の炉中に導入して１５分間のアニールを行い、ＣＦx や遊離の弗素２２ａを、絶縁膜２２の外部へ拡散させた。
【００４８】
次に第２の金属配線と第３の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ２６を形成した。続いて第３の下地配線層２０ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層２０ａの上に本配線層２０ａとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。
【００４９】
続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第３の金属配線２０を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００５０】
さらに第３の絶縁膜２４をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、リードワイヤあるいはボンディングワイヤ接続用の開口部をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果、図１５に示すような３層の多層金属配線部が得られた（但しリードワイヤ接続用開口部は図示されていない）。このとき図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面の各構成元素の濃度分布は図１７のように第２の実施例と同様な結果を示した。このようにして形成された表面層の金属配線に対し、第２の実施例と同様にボンディングテストを行い、ボンディングによるパッド剥がれ不良が生じないことが確認された。
【００５１】
多層配線の形成方法は上記実施例に限られるものではなく、種々の変形を採り得る。例えば３層配線の第１層と第２層の配線層の間の絶縁層を第１の実施例の方法で製作し、第２層と第３層の配線層間の絶縁層を第２の実施例の方法を用いてもよい。
【００５２】
以上Ｓｉ−Ｆ含有絶縁膜上に形成されたチタン系金属を下地層とする積層型配線層の接着強度を、下地層に含まれる弗素濃度に着目して改良した。前記下地層と前記絶縁膜との接着メカニズムをさらに解析した結果次のような事実を発見した。図１の円Ｓで示された金属配線下地層と絶縁膜の境界を拡大すると、図１８の顕微鏡写真に示すように厚さ数ｎｍの反応層３０が介在する。反応層３０は絶縁膜１５中に含まれるＳｉＯ2 と下地層のＴｉが反応し、Ｔｉx Ｓｉｙ Ｏｚ なる反応物を形成して構成されたものと思われる。本発明の実施例１により得られた反応層と弗素除去処理を行わない従来技術により得られた反応層の構成元素をＥＤＸにて分析したところ、表１に示す結果が得られた。
【００５３】
【表１】
また表１より、Ｓｉに対するＴｉの比率、およびＯに対するＴｉの比率を算出したものを表２に示す。
【００５５】
【表２】
表２から、実施例１により得られた反応層においては、Ｓｉに対するＴｉの比率が０．２以下（Ｔｉ／Ｓｉ＜０．２）、Ｏに対するＴｉの比率も０．２以下（Ｔｉ／Ｏ＜０．２）と非常に小さいことがわかる。一方弗素除去をしない従来技術による反応層では、いずれの比率も０．８以上と大きい。
【００５７】
またボンディング強度と前記反応層の厚さとの関係を調査した結果、図１９に示す結果が得られた。良好なボンディング状態と考えられている３ｇ以上の強度は、３．５ｎｍ以下の反応層において得られている。ボンディング強度が７．５ｇに対応する反応層の構成元素比をＥＤＸ分析した結果を図２０に示す。反応層におけるＴｉの量は、Ｓｉ，Ｏに対して１００％以下であることがわかる。ボンディング強度が１．５ｇに対応する反応層の構成元素比をＥＤＸ分析した結果を図２１に示す。反応層におけるＴｉの量は、Ｓｉ、Ｏの量を一部を除き大幅に上回っていることがわかる。なお図２０、２１において横軸は測定点の位置関係を模式的に表したもので、実際の距離は表していない。反応層３０の厚さは、図２０の場合で２〜３ｎｍ、図２１の場合で４〜６ｎｍである。
【００５８】
図２２は、図２０および図２１からＴｉ／Ｓｉ、Ｔｉ／Ｏの値を算出して、本発明と弗素除去処理を行わない従来技術との比較をしたものである。少なくとも反応層の膜厚の中央部において、本発明による上記２種の元素比率は１．０以下であり、従来品は１．０以上である。すなわちＳｉとＯに対しＴｉの比率が小さい反応層では接着強度が勝るという特徴的な関係が明らかになった。このメカニズムは未だ明確ではないが、Ｔｉ層に対するＦの拡散が大きく関係しているためと考えられる。以上の知見から下地層の接着強度を上げるためには、前記反応層へのＦの拡散を防止すれば良いことが予見された。以下の実施例は、このＦ拡散防止を達成するために前記実施例１ないし４とは異なる観点から考案されたものである。
【００５９】
（実施例５）
図２３に本発明の第５の実施例に係る半導体装置の金属配線部の拡大図を示す。図においてＳｉ基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線層１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基を含有するＳｉＯ2 膜である。本実施例の特徴的なことは、この絶縁膜１５の上に第１の弗素拡散抑制膜３１を形成することにある。この弗素拡散抑制膜３１は、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。絶縁膜であれば、ＳｉＮ膜、ＳｉＨ4 系ガスで成膜したＳｉＨ4-ＳｉＯ2 膜、さらにＳｉＮ成膜中に酸素を添加したＳｉＯＮ等が使用できる。導電膜であれば、多結晶シリコン膜、Ｗ系・Ｔｉ系・Ｃｏ系・Ｎｉ系等の金属シリサイド膜、さらにＡｌ系・Ｃｕ系の金属膜等があげられる。あるいはこれらの積層構造であってもよい。
【００６０】
弗素拡散抑制膜３１をボンディングワイヤ接続用の配線領域（ボンディングパッド）となる部分の下に選択的に配置するように加工した後、その上および第２の絶縁膜１５の上に第３の絶縁膜１８がたとえばＳｉＯ2 で形成されている。前記金属配線１３上には、ヴィア配線として例えばタングステン（Ｗ）によるプラグ１６が形成され、前記第２の絶縁膜１５および第３の絶縁膜１８を貫通して、第３の絶縁膜１８の表面に電極が引き出されている。
【００６１】
前記絶縁膜１８上には第２の金属配線１７が形成されており、その１部はプラグ１６に接続されている。この金属配線１７もチタン系金属の下地層１７ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１７ｂとから成る積層体の配線である。この絶縁膜１８と金属配線１７は第４の絶縁膜（パッシベーション膜）１９で覆われることにより、表層金属配線部が構成される。
【００６２】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず第１実施例の図２（ａ）および図２（ｂ）に示したと全く同じ方法で基板１１上に、第１の絶縁膜１２、第１の金属配線１３、第２の絶縁膜１５が形成された。
【００６３】
次に図２４（ｃ）に示すように、Ｓｉ−Ｆ基１５ａを含有する第２の絶縁膜１５上に弗素拡散抑制膜３１として、例えば絶縁膜ＳｉＮを減圧プラズマＣＶＤ法により２００ｎｍ堆積した。続いて、後に形成されるボンディングワイヤ接続用のパッド部の下部となる領域のみに前記ＳｉＮ膜を残すように、リソグラフィ技術とＣＤＥもしくはＲＩＥ技術を用いて前記ＳｉＮ膜を加工した。この弗素拡散抑制膜３１として、ＳｉＨ４-ＳｉＯ2 膜やＳｉＯＮ膜あるいは多結晶シリコン膜や金属膜を用いる場合も同様となり、リソグラフィ技術を用いて、ボンデイングパッド下領域にのみこれらを選択的に配置するように加工される。続いて、ＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用いて第３の絶縁膜１８を減圧プラズマ中にて３００ｎｍ堆積した。
【００６４】
次に図２４（ｄ）に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００６５】
さらに第４の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、ボンディングワイヤ接続用の開口部３２をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果図２３に示す表面金属配線部が得られた。
【００６６】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第３の絶縁膜１８の界面近傍を解析したところ、図１８に示したような反応層３０が形成されているのが確認された。反応層の厚みは、図２４（ｄ）のＣ−Ｃ’線においては、２．６ｎｍ、Ｄ−Ｄ’線においては４．１ｎｍであった。また反応層における構成元素の比率をＥＤＸで分析したところ、Ｃ−Ｃ’線の反応層の膜厚中央部においてはＴｉ／ＳｉおよびＴｉ／Ｏ構成比率がいずれも０．３程度と小さいのに対し、Ｄ−Ｄ’線の反応層においては、いずれも１より大きかった。即ちＴｉとＳｉＯ2 の密着性を高めたい領域（ボンデイングパッド領域）において、Ｔｉの構成比率が小さくなっているのが確認された。また図１８のＴｉ下地層１７ａおよび反応層３０中の弗素濃度を調べたところ、１×１０20atoms/cm3 未満であった。
【００６７】
このような濃度分布を有する半導体装置を、超音波ボンディング試験に供した。ＩＣチップ上に設けられた、上記第２の金属配線１７と同一構成のボンディングパッド（５０×８０μｍ）と、このＩＣチップが搭載されたパッケージ部品と端子との間に、線径２５μｍの金属線を所定の超音波出力、荷重のもとにワイヤボンディングを行った。１００個のボンディングワイヤに対し引張試験を実施し、ボンディングパッドと絶縁膜１８との界面で発生する剥がれ不良の有無を調べたところ、剥がれ不良は皆無であった。この結果よりＴｉ／ＳｉおよびＴｉ／Ｏ構成比率が１．０より小となる技術を用いることにより、金属配線下地層１７ａと絶縁層１８の密着性を向上させる上で効果があることが明かになった。
【００６８】
（実施例６）
次に図２５に本発明の第６の実施例に係る半導体装置の金属配線部の拡大図を示す。図２５においてシリコン基板１１上に第１の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）１２が形成され、その表面の１部に第１の金属配線１３が形成されている。この金属配線１３はチタン系金属の下地層１３ａと例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の本配線１３ｂとから成る積層体の配線である。前記第１の絶縁膜１２のその他の領域上には第２の絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５はＳｉ−Ｆ基１５ａを含有するＳｉＯ2 膜である。本実施例の特徴的なことは、この絶縁膜１５を部分的に除去することにある。ＴｉとＳｉＯ2 の密着性を高めたい領域であるボンディングワイヤ接続用配線領域となる部分の前記絶縁膜１５をリソグラフィ技術とＣＤＥもしくはＲＩＥ技術等により、前記領域での前記絶縁膜１５の一部あるいは全部を選択的に除去する。例えば絶縁膜１５の通常の厚みが８００ｎｍである場合に、ボンディングパッド下の領域では、６００ｎｍ分除去する。絶縁膜１５の厚みを全体的に薄くすることも考えられるが、配線層間のキャパシタンスが増加して高速動作に支障がでるので、ボンディングパッド下のみ薄くするのが望ましい。ボンディングパッド下の絶縁膜の望ましい膜厚は、１００ないし６００ｎｍであり、さらに望ましくは２００ないし５００ｎｍである。
【００６９】
上記の半導体装置は下記の方法により製造された。まず第１実施例の図２（ａ）および図２（ｂ）に示したと全く同じ方法で基板１１上に、第１の絶縁膜１２、第１の金属配線１３、第２の絶縁膜１５が形成された。ただし本実施例では第２の絶縁膜１５の膜厚を８００ｎｍとした。
【００７０】
次に図２６（ｃ）に示すように、後にボンディングパッドが形成される領域の下となる部分の前記絶縁膜１５をリソグラフィ技術とＣＤＥもしくはＲＩＥ技術等により、６００ｎｍ選択的に除去する。続いてＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用いて第３の絶縁膜１８を減圧プラズマ中にて３００ｎｍ堆積した。
【００７１】
次に図２６（ｄ）に示すように第１の金属配線と第２の金属配線を接続するためのヴィアホールを開口し、ＷＦ6 、ＳｉＨ4 ガスを用いてタングステンを選択的にヴィアホールへ堆積し、プラグ１６を形成した。続いて第２の下地金属層１７ａとして、第１の下地配線層と同様にＴｉ ５０ｎｍ、ＴｉＮ ７０ｎｍの順にスパッタ法により堆積した。この下地配線層１７ａの上に本配線層１７ｂとしてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をスパッタ法により１２００ｎｍ堆積して積層体の金属配線層を形成した。続いてこの積層体の金属配線層をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術により加工し、第２の金属配線１７を形成した。続いてシンター熱工程として４５０℃５分の熱処理を行った。
【００７２】
さらに第４の絶縁膜１９をＴＥＯＳ、酸素（Ｏ2 ）ガスを用い、減圧プラズマ中にて４００℃で４００ｎｍ堆積し、ボンディングワイヤ接続用の開口部３２をリソグラフィ技術とＲＩＥ技術で形成した。この結果図２５に示す表面金属配線部が得られた。
【００７３】
上記のようにして得られた第２の金属配線１７と第３の絶縁膜１８の界面近傍を解析したところ、図１８に示したような反応層３０が形成されているのが確認された。反応層の厚みは、図２５のＥ−Ｅ’線においては、２．７ｎｍ、Ｆ−Ｆ’線においては４．０ｎｍであった。また反応層における構成元素の比率をＥＤＸで分析したところ、Ｅ−Ｅ’線の反応層においてはＴｉ／ＳｉおよびＴｉ／Ｏ構成比率がいずれも０．３程度と小さいのに対し、Ｆ−Ｆ’線の反応層においては、いずれも１より大きかった。即ちＴｉとＳｉＯ2 の密着性を高めたい領域において、Ｔｉの構成比率が小さくなっているのが確認された。
【００７４】
このような濃度分布を有する半導体装置を、超音波ボンディング試験に供した。ＩＣチップ上に形成された、上記第２の金属配線１７と同一構成のボンディングパッド（５０×８０μｍ）と、このＩＣチップが搭載されたパッケージ部品の端子との間に、線径２５μｍの金属線を所定の超音波出力、荷重のもとにワイヤボンディングを行った。１００個のボンディングワイヤに対し引張試験を実施し、ボンディングパッドと絶縁膜１８との界面で発生する剥がれ不良の有無を調べたところ、剥がれ不良は皆無であった。この結果よりＳｉ−Ｆ基を含有する絶縁膜１５の膜厚を減少させることによっても、金属配線下地層１７ａと絶縁層１８の密着性を向上させる上で効果があることが明かになった。これは、拡散の元になる弗素の含有量が、薄い膜厚の層ではもともと少ないことに依る。
【００７５】
なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、配線層が３層以上の多層配線においては、表面配線層のみ第５もしくは第６の実施例の方法を用い、他の下層は実施例１ないし４の方法あるいは従来技術によって多層配線を構成してもよい。また実施例５と６の製造方法において、Ｓｉ−Ｆ含有絶縁膜１５と金属配線１７の間にＳｉ−Ｆを含有しない絶縁膜１８を介在させたが、これを省略することもできる。ただし弗素の金属配線層１７中への拡散を確実に抑制するためには、ＳｉーＦを含有しない絶縁膜１８を介在させることが望ましい。
【００７６】
また、上記実施例では、シリコン基板を用いた例を示したが、基板はシリコンに限られるものではなく、ＳＯＩ基板やＳＯＳ基板であってもよい。
【００７７】
【発明の効果】
上記の通り本発明では、Ｓｉ−Ｆ含有絶縁膜に対し、（１）加熱処理あるいはプラズマ処理を行って遊離弗素や結合エネルギーが不安定状態をとる弗素化合結合基を除去する、（２）前記絶縁膜上に弗素拡散抑制膜を設ける、（３）前記絶縁膜の膜厚を薄くするといった加工を行い、その後この絶縁膜上にＴｉを含む金属配線を形成している。この結果このＴｉと絶縁膜の界面での弗素濃度を１×１０20atoms/cm3 未満とすることにより、あるいはその界面に形成される反応層においてＳｉおよびＯに対するＴｉの比率を１．０以下とすることにより、絶縁膜とＴｉ系金属配線層との密着性を向上し、両者間において剥がれ等が生じない信頼性の高い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の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図２】本発明の第１の実施例に係る製造方法を段階的に示した半導体装置の断面図。
【図３】本発明の第１の実施例に係る製造方法の図２に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図４】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図５】本発明の第２の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図６】本発明の第２の実施例に係る製造方法を段階的に示した半導体装置の断面図。
【図７】本発明の第２の実施例に係る製造方法の図６に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図８】図５のＡ−Ａ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図９】第２の実施例におけるチタンとシリコン酸化膜界面における弗素濃度とボンディングパッド剥がれ発生率との関係を示すグラフ。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る製造方法を示した半導体装置の断面図。
【図１２】本発明の第３の実施例に係る製造方法の図１１に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図１３】図１０のＢ−Ｂ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図１４】本発明の第４の実施例に係る半導体装置の要部断面図。
【図１５】本発明の第４の実施例に係る製造方法を示した半導体装置の断面図。
【図１６】本発明の第４の実施例に係る製造方法の図１５に続く段階を示した半導体装置の断面図。
【図１７】図１４のＢ−Ｂ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【図１８】絶縁層と金属配線下地層との界面に形成された反応層を示す顕微鏡写真。
【図１９】ボンディング強度と反応層の厚さとの関係を示したグラフ。
【図２０】実施例１における絶縁層・下地層界面における主要元素の構成比を示したグラフ。
【図２１】従来技術における絶縁層・下地層界面における主要元素の構成比を示したグラフ。
【図２２】絶縁層・下地層界面におけるＴｉのＳｉ、Ｏに対する比率を、本発明と従来技術を比較して示したグラフ。
【図２３】本発明の第５の実施例に係わる半導体装置の要部断面図。
【図２４】本発明の第５の実施例に係る製造方法の一部を示した半導体装置の断面図。
【図２５】本発明の第６の実施例に係わる半導体装置の要部断面図。
【図２６】本発明の第６の実施例に係る製造方法の一部を示した半導体装置の断面図。
【図２７】従来技術に係る半導体装置の要部断面と金属配線の剥がれを説明した図。
【図２８】図２７のＡ−Ａ’線に沿った断面における構成元素の濃度プロファイル。
【符号の説明】
１１…シリコン基板、１２…第１の絶縁層、１３…第１の金属配線、１３ａ…第１の下地配線層、１３ｂ… 第１の本配線層、１５…第２の絶縁層、１５ａ…Ｓｉ−Ｆ結合基、１６…プラグ、１７…第２の金属配線、１７ａ…第２の下地配線層、１７ｂ…第２の本配線層、１９…第３の絶縁層、３０…反応層、３１…弗素拡散抑制膜
Claims (3)
- 基板と、
この基板の上部にＳｉ−Ｆ結合基を含有する絶縁膜として形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 以上である第１の絶縁膜と、その上に形成された弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 未満である第２の絶縁膜とを有する積層絶縁膜と、
この積層絶縁膜の前記第２の絶縁膜上に形成されたチタン系金属配線層とを有し、
前記チタン系金属配線層と前記第２の絶縁膜との界面において、弗素の濃度が１×１０20atoms/cm3 未満であり、前記第２の絶縁膜の弗素濃度が前記界面から前記第１の絶縁膜との境界にかけて漸増することを特徴とする半導体装置。 - 基板と、
この基板の上部にＳｉ−Ｆ結合基を含有して形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 以上である第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成され、弗素の濃度が１×１０21atoms/cm3 未満である第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成されたチタン系金属配線層とを有し、
前記チタン系金属配線層と前記第２の絶縁膜との界面において、弗素の濃度が１×１０20atoms/cm3 未満であることを特徴とする半導体装置。 - 前記チタン系金属配線層がチタン窒化物からなり、このチタン窒化物と前記第２の絶縁膜との界面における弗素濃度が１×１０20atoms/cm３ 未満となることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
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