JP4437293B2 - 半導体装置 - Google Patents
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しかし、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)を銅(Cu)配線の隣接導電体膜材料として用いた場合、銅(Cu)と隣接導電体膜の間の密着性は向上するが、隣接導電体膜と絶縁膜の間の密着性が弱いという問題がある。また、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)は膜形成時に高い応力を生じやすく、隣接する膜にクラック等の欠陥を起こす原因となる場合がある。さらに、高集積化のために微細化された半導体装置では、配線幅が狭くなり、マイグレーションによるボイドや断線が発生しやすくなるという問題がある。
短辺aは、バルクの結晶における最近接原子間距離のことであり、例えば、固体物理学入門上巻第5版(チャールズ・キッテル著)の28ページに記述されている。長辺bは、面心立方構造、または最密六方構造を持つ結晶については短辺aの約1.73倍であり、体心立方構造を持つ結晶については短辺aの約1.41倍である。ここでは、短辺aの差Aと長辺bの差Bを格子不整合と呼ぶ。ここで、膜の主構成元素とは、膜に最も多く含まれる元素を意味する。また、温度の単位としてはK(ケルビン)を用いる。
半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有すること。
半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜はパラジウム(Pd)を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有すること。
半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電体膜は酸化ロジウム、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、、酸化オスミウムからなる群から選ばれる一種類以上の元素を主構成材料とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有すること。
半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された金(Au)膜または金(Au)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有すること。
半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された銀(Ag)膜または銀(Ag)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有すること。
半導体基板の一主面側に形成された第一導電体膜と、該第一導電体膜に接触して形成された白金(Pt)膜または白金(Pt)合金膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第一導電体膜はオスミウム(Os)を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有すること。
半導体基板の一主面側にシリコン(Si)を含む絶縁膜と該絶縁膜に接触して形成された第一導電体膜と該第一導電体膜に接触して形成された第二導電体膜とを有する積層構造を備えた半導体装置において、前記第二導電体膜は銅(Cu)を主構成元素とし、前記第一導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記第一導電体膜は前記主構成元素のほかに少なくとも一種類の異種元素を含有し、該異種元素のうちの少なくとも一種類の元素の原子半径と前記主構成元素の原子半径の差が10%以下であり、前記異種元素とシリコン(Si)の結合エネルギーが前記第一導電体膜の主構成元素とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上であることがそれぞれ重要であることを見出した。
また、マイグレーションによるボイドや断線を生じにくい信頼性の高い半導体装置が提供できる。
まず、本発明における第一の実施例である半導体装置における主要部分の断面構造を図1に示す。本実施例の半導体装置は、図1に示すように、シリコン基板1の上に拡散層2、3、4、5が形成され、この上にゲ−ト絶縁膜6、7およびゲ−ト電極8、9が形成されることによってMOSトランジスタが構成されている。ゲート絶縁膜6、7は、例えばシリコン酸化膜あるいは窒化珪素膜であり、ゲート電極8、9は、例えば多結晶シリコン膜や金属薄膜、あるいは金属シリサイド膜あるいはこれらの積層構造である。 MOSトランジスタは、例えばシリコン酸化膜からなる素子分離膜10によって分離されている。前記ゲート電極8、9の上部および側壁には例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜11、12が形成されている。 MOSトランジスタの上部全面には、例えばBPSG(Boron−Doped Phospho Silicate Glass)膜やSOG(Spin On Glass)膜、あるいは化学気相蒸着法やスパッタ法で形成したシリコン酸化膜や窒化膜等からなる絶縁膜13が形成されている。絶縁膜13に形成されたコンタクトホールには拡散防止用の隣接導電体膜(第一導電体膜)14a、14bに被覆された主導電体膜15からなるプラグが形成され、拡散層2、3、4、5に接続されている。このプラグを通じて、拡散防止用の隣接導電体膜16a、16bに被覆された主導電体膜17からなる積層配線が接続されている。この積層配線は、例えば、絶縁膜18に配線用の溝を形成し、その上に隣接導電体膜16aを例えば化学気相蒸着法により成膜した後、主導電体膜17を例えばメッキ法により形成し、この上に隣接導電体膜16bを例えば化学気相蒸着法により形成することにより得られる。この上には、絶縁膜21に形成されたコンタクトホールに隣接導電体膜19に被覆された主導電体膜20からなるプラグが形成され、前記積層配線に接続されている。このプラグを通じて、隣接導電体膜22a、22bに被覆された主導電体膜23からなる第二の積層配線
が接続されている。この第二の積層配線は、例えば、絶縁膜24に配線用の溝を形成し、その上に隣接導電体膜22aを例えば化学気相蒸着法により成膜した後、主導電体膜23を例えばメッキ法により形成し、この上に隣接導電体膜22bを例えば化学気相蒸着法により形成することにより得られる。
具体的には、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)がシリコン酸化膜(SiO2膜)との密着性向上に有効である。しかし、添加元素を隣接導電体膜に含有させたことによって、隣接導電体膜と銅(Cu)膜の密着性が弱くなる場合には、添加元素として適さないので、これに相当する元素は除かなければならない。以下では銅(Cu)膜との密着性に対する添加元素の影響について説明する。図4、5に示したように、隣接導電体膜と銅(Cu)膜の密着性は、銅(Cu)との格子不整合が小さい、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt)を隣接導電体膜の主構成元素として用いることによって向上するので、この格子不整合を大きくしない添加元素が好ましいといえる。すなわち、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt)の原子配列を乱さないことが重要であり、このためには、原子半径の近い添加元素が良い。この様子を詳細に見るために、ルテニウム(Ru)を隣接導電体膜の主構成元素とした場合を例にとり、横軸として添加元素とルテニウム(Ru)の原子半径の差、縦軸としてルテニウム(Ru)膜と銅(Cu)膜の間のはく離エネルギーをとって、添加元素が銅(Cu)膜との密着性に与える影響を調べた。この結果を図9に示す。図からわかるように、原子半径の差が10%以上である添加元素は、濃度が20at.%以下であっても銅(Cu)膜との密着性を弱くしてしまう。具体的には、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)がこれに相当する。これらは、図8に示したようにシリコン(Si)との結合エネルギーが大きく、シリコン酸化膜(SiO2膜)との密着性向上に有効であるが、ルテニウム(Ru)との原子半径差が大きく、ルテニウム(Ru)の原子配列を乱すために、銅(Cu)膜との密着性を弱くしてしまう。図8と図9を合わせて考慮すると、銅(Cu)膜とルテニウム(Ru)膜の密着性を強く保ちながらシリコン酸化膜(SiO2膜)とルテニウム(Ru)膜の密着性を向上する添加元素としては、ルテニウム(Ru)との原子半径差が10%以下であり、なおかつシリコン(Si)との結合エネルギーがルテニウム(Ru)とシリコン(Si)の結合エネルギーの1.9倍以上である、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)が挙げられる。ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt)はいずれもルテニウム(Ru)に近い原子半径を持つため、これらに対しても同様の添加元素が挙げられる。図9より、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)を添加する場合でも、濃度が30at.%以上になると銅(Cu)膜との密着性が弱くなることがわかる。図6、7と合わせて考慮すると、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)の濃度は、10at.%以上で25at.%以下が好ましい。以上のシミュレーション結果に見られる本実施例の効果は、温度や膜厚等のシミュレーション条件を変えても示すことができる。
格子不整合が境界線より大きくなると拡散係数は急激に大きくなり、銅(Cu)原子が動きやすくなることがわかる。原子が動きやすいと、電流が流れた時等にボイドや断線が生じやすくなる。すなわち、マイグレーション耐性が低くなる。逆に、拡散係数が小さい領域では、原子が動きにくく、マイグレーション耐性が優れているといえる。図からわかるように、拡散係数が小さい領域には、ロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os) 、白金(Pt)が含まれる。したがって、本実施例では、銅(Cu)を主構成元素とする導電体膜に隣接する導電体膜の主構成元素として、銅(Cu)との格子不整合が小さいロジウム(Rh) 、ルテニウム(Ru) 、イリジウム(Ir) 、オスミウム(Os) 、白金(Pt)を用いるので、マイグレーション耐性が向上する。
次に、本発明における第二の実施例である半導体装置における主要部分の断面構造を図13に示す。第二の実施例の第一の実施例との違いは、第一の実施例における主導電体膜17の側壁と主導電体膜23の側壁は被覆されていないが、第二の実施例における主導電体膜17の側壁と主導電体膜23の側壁は、それぞれ隣接導電体膜16cと隣接導電体膜22cに被覆されているという点である。これによって、側壁から主導電体膜17、23の構成元素が絶縁膜18、24に拡散するのを防止する構造となっている。
Claims (7)
- 半導体基板の一主面側に形成されたMOSトランジスタと、該MOSトランジスタの上部に形成されたシリコン(Si)を含む絶縁膜と、該絶縁膜に接触して形成された隣接導電体膜と、該隣接導電体膜に被覆され前記MOSトランジスタの拡散層に接続されたプラグと、該プラグに接続された積層配線とを有する半導体装置において、前記プラグは銅(Cu)を主構成元素とし、前記隣接導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記隣接導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を10at.%以上25at.%以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
- 半導体基板の一主面側に形成された隣接導電体膜と、該隣接導電体膜に被覆された銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜のプラグとを有する半導体装置において、前記隣接導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記隣接導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
- 半導体基板の一主面側に形成された隣接導電体膜と、該隣接導電体膜に被覆された銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜のプラグとを有する半導体装置において、前記隣接導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記隣接導電体膜はパラジウム(Pd)を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
- 半導体基板の一主面側に形成された隣接導電体膜と、該隣接導電体膜に被覆された銅(Cu)膜または銅(Cu)合金膜のプラグとを有する半導体装置において、前記隣接導電体膜は酸化ロジウム、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化オスミウムからなる群から選ばれる一種類以上の元素を主構成材料とし、前記隣接導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
- 半導体基板の一主面側に形成されたMOSトランジスタと、該MOSトランジスタのゲート電極に接続されたプラグと、該プラグに接続された積層配線とを有する半導体装置において、前記プラグは銅(Cu)膜を主構成元素とし、前記プラグと接触界面を持つ前記ゲート電極の導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を10at.%以上25at.%以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
- 半導体基板の一主面側に形成されたMOSトランジスタと、該MOSトランジスタのゲート電極に接続されたプラグと、該プラグに接続された積層配線とを有する半導体装置において、前記プラグは銅(Cu)膜を主構成元素とし、前記ゲート電極は前記プラグと接触界面を持つ第一の導電体膜と多結晶シリコンからなる第二の導電体膜とを有し、前記第一の導電体膜は少なくともロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、白金(Pt) からなる群から選ばれる一種類の元素を主構成元素とし、前記第一の導電体膜は少なくともパラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti) からなる群から選ばれる一種類の添加元素を10at.%以上25at.%以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
- 請求項5において、前記添加元素は0.14at.%以上25at.%以下の濃度で含有されることを特徴とする半導体装置。
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