JPH02271633A - 半導体装置の配線層 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の配線層に係り、たとえば大規模集
積回路の配線層に関するものである。

〔従来の技術〕 半導体装置の配線層としては、一般にＡ０合金層が用い
られているが、前記Ａ０合金層にエレクトロマイグレー
ションが生じるのを防止するため、前記Ａ０合金層の下
にバリア層となる高融点金属層を配置して２層構造とし
たものが知られている（特開昭５３−８０１８３号公報
参照）。

そして、このような構造においてもＡ０合金層がエレク
トロマイグレーションによって断線部分が生じた際前記
バリア層で導通をとり、断線という最悪の状態を回避す
る試みがなされている（応物学会予稿集（１９８８，秋
）６ｐ−Ａ−１参照）。

この場合のバリア層としてはたとえばＴｉＷが用いられ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、たとえばＴｉＷを用いたバリア層はＡ０合金層
と比べて高抵抗となり、したがって半導体装置の駆動時
の発熱量が大きくなる。

また、Ａ１合金層に一部断線が生じた場合、Ａ０合金層
からバリア層へ、およびバリア層からＡ０合金層へ電流
が流れるＡｆ１合金層の断線部周囲に電流集中が生じる
ことになる。

このため、バリア層の上記発熱によって高温領域となっ
ているところに、上述した電流集中が生じると、その電
流集中が生じた個所にエレクトロマイグレーションの発
生が促進され、この結果断線領域をさらに拡大させてし
まうことになる。

このようになると、配線層全体としてみると、通電時間
とともにその抵抗が増大していくという問題があった。

本発明は、このような事情に基いてなされたものであり
、エレクトロマイグレーションによる断線領域拡大によ
って生ずる抵抗増加を抑制するようにした半導体装置の
配線層を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明は。

比抵抗σ１、膜厚ｔ１の主配線層と比抵抗σ２．膜厚ｔ
、２のバリア層との積層からなる半導体装置の配線層に
おいて、前記主配線層とバリア層との間に比抵抗σ２、
膜厚ｔ、の中間層を介在させた構成とし、該中間層の比
抵抗σ１、膜厚ｔ、をそれぞれσ□〈σ２くσ３ ｔ工＞ｔｚ＞ｔｉ の関係を有するように設定されていることを特徴とする
ようにしたことを基本とするものである。

〔作用〕

上述の値に設定された中間層を設けることにより、前記
中間層は比較的抵抗が大きいため、配線層とバリア層と
の間を流れる電流量を減少させる働きをもつことになる
。このため、従来は配線層が断線した際、配線層からバ
リア層およびバリア層から配線層に流れこむ電流は、断
線部周辺に集中していたが、上述の構成により、断線よ
り比較的へたたった領域までバリア層より断線層へ電流
が流れこむ領域が拡大するようになる。この結果、断線
部周辺での電流集中は緩和されるようになる。

それ故、バリア層への通電により発熱している高温領域
周辺での配線への電流集中が減少し、エレクトロマイグ
レーションは抑制される。したがってこのようにして、
断線部分の拡大による配線抵抗の増大は抑制されるよう
になる。

〔実施例〕

以下１本発明による半導体装置の配線層の−実施例を図
面を用いて説明する。

第１図は本発明による半導体装置の配線層の一実施例を
示す断面図である。同図において、シリコン（Ｓｉ）基
板１があり、その主表面にはシリコン酸化膜からなる絶
縁膜２が形成されている。

そして、この絶縁膜２上に配線層が形成されている。こ
の配線層は３層構造からなり、前記絶縁膜２面から順次
、バリア層２、中間層４、および主配線層５が積層され
た構成となっている。さらにこのような構成の配線層が
形成された絶縁ＷＪｚ面には前記配線層を含んでパンシ
ベーション膜６が被覆されている。

前記バリア層３はたとえばＴｉＷ合金を５０ｎｍの厚さ
に、前記中間層４はたとえば窒素含有ＴｉＷを１０ｎｌ
Ｉの厚さに、さらに主配線層５はたとえばＡＱ−１ｖｔ
％Ｓｉを５００ｎｍの厚さに、いずれもスパッタリング
法で形成されたものとなっている。

このうち特に中間層４についてはスパッタガスにＮ２を
混入させたいわゆる反応性スパッタ法により形成されて
いる。

中間層４を構成するＴｉＷの層は通常の場合、比抵抗は
８０μΩＧ程度であるが、上述のような方法により形成
することにより、８００μΩ口以上に高抵抗化すること
ができる。

になる。

なお、前記反応性スパッタ法により混入させるガスとし
ては、上述のほかに０２、ＣＯあるいは炭化水素であっ
ても有効となる。

同様の構造は、バリア層３と中間層４とをＣＶＤ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
法によって形成することもできる。この場合、前記バリ
ア層３をＷ（Ｃｏ）、＋７１熱分解トＴ　ｘ　Ｃｃｓ　
Ｈ５）２　（ｃ　Ｏ）ｚもしくはＴ’　（Ｃ２Ｈ５）３
のＨ２還元の同時進行により形成し、中間層４をＮＨ，
もしくはＣ，Ｈ４を少量流することにより形成する。前
記中間層は高抵抗化された膜として形成できる。

前記バリア層３としては、他にＴｉＮ等の高融点金属窒
化物、ＷおよびＷ含有合金、ＭｏおよびＭｏ含有合金等
の高融点金属等であってもよい。

このバリア層３に対して中間層４としては前記バリア層
３より高抵抗の物質であればよく、高融点金属窒化物、
硅化物、酸化物を用いることができる。しかし、好まし
くは、前記中間層４は、主成分が前記バリアＭ３と同一
物質であり、主成分以外にバリア層３以上の酸素、窒素
、炭素、硅素の少なくとも一種を含むことにより、前記
バリア層３より高い比抵抗を有する物質により形成され
るのが適当となる。このようにした場合、前記バリア層
３と中間Ｍ４は連続的に膜形成可能であり、膜形成時の
不純物添加等により容易にしかも目的の比抵抗を有する
中間層４を形成することができるからである。

このように構成された半導体装置の配線層に断線が生じ
かつ通電がなされているときの説明図を第２図に示す。

同図は主配線層５にエレクトロマイグレーションによる
断線部分９が生じ、主配線ＷＪＳ内の電流は、前記断線
部分９の近傍で中間層４を介してバリア層３へ流れ込み
、前記断線部分９下を通過した後、さらに断線部分９の
近傍で中間層４を介して主配線Ｎ５へ流れ込むようにな
る。

前記中間層４が存在しない場合、すなわち従来の構成に
おける電流の流れを比較のために第３図に示す、第３図
においては断線部分９の近接する個所において電流集中
を生じているのに対し、・第２図では該電流集中は生じ
ておらず、断線部分９から一定の広い範囲に亘った領域
にて、電流が上記Ｍｃ５からバリア層３へ、またバリア
層３から主配線５へ流れていることが判る。

この理由は、主配線層５とバリア層３との間に中間層４
を介在させることにより、断線部分９の近接する個所に
おける電流通路が高抵抗となって、この通路に電流が集
中しにくくなるからと考えられる。

ここで第４図は上述のようにして形成した配線層に継続
通電してその抵抗の時間的変化を測定したグラフである
。比較のため従来の配、Ｉ！層に対して同様の測定結果
をも示している。従来の配線層としてはバリア層として
Ｔ　ｉ　Ｈ５０ｎｎ＋、　Ａ　Ｑ　−１ｗｔ％ＳＳｉ３
００ｎ用いたものであり、図中−点鎖線で示している。

従来の配線層の通電当初の配線抵抗は本実施例の場合と
一致している。本実施例では通電当初の抵抗増加は従来
技術よりいく分大きいが、実用上問題となる５０％以上
の抵抗増加に至る時間については従来技術に比べ２倍以
上となっており大幅に改善されている。中間層の膜厚が
３ｎｍのもの（点線）と１０ｎｏ＋のもの（実線）を比
較すると、中間層が１０ｎｍの場合の方が、バリア層−
配線層間の直列抵抗を大きくできるためより効果が大き
いことがわかる。中間層の膜厚によりその効果が変れる
ことは中間層の働きが、配線層との化学的な結合により
ＡＱを固定し配線のエレクトロマイグレーションを抑制
するものではなく、電流分布の制御によりものであるこ
とを示している。

本発明の効果を安定に発揮させるためには、中間層があ
る程度高抵抗であることが重要である。

すなわち、中間層の比抵抗をσ２、膜厚ｔ３．バリア層
の比抵抗をσ２、膜厚ｔ２とした時、σ、・ｔ。

とσ２・ｔ２の比σ、・１．／σ２・し２はマージンも
含め１〜５程度であることが望ましく、σ、・ｔ。

が小さすぎると本発明の効果は十分でない。一方。

この比がさらに大きくなると、配線に断線不良が発生し
た際の配線抵抗の増加が大きくなりすぎ。

好ましくなくなる。

第５図は中間層の比抵抗を変えσ、・１．／σ２・ｔ２
の変化に基づく配線抵抗の値を示すグラフである。この
グラフから明らかなように、σ。

１、／σ２・ｔ２が５以上の場合配線抵抗の増加が顕著
になることが判明する。

また、断線不良時の配線抵抗の増加をおさえるためには
、バリア層をできるだけ厚くすることが望ましい。その
ため、中間層を薄くし、その分バリア層を厚くすること
が考えられる。すなわち、中間層には比抵抗の高い物質
を用い上記の条件を満足する範囲でできるだけ薄くする
ことが望ましく、比抵抗の値、とじては最低、バリア層
を形成する物質の２倍程度が必要となる。

上述した実施例ではいわゆる一層配線について説明した
ものであるが、積層配線についても適用できることはい
うまでもない。第６図は、この積層配線の構成を示した
図であり、配線はバリヤ層２、中間層４、配線層５がく
り返し積層された構造となっている。この場合には配線
層のうちの一層が断線したとしても他の配線層で導通が
保たれるためさらに長寿命となる。

第７図は本発明の他の実施例を示した説明図である。こ
の実施例では、配線の形成時には、中間層４は存在して
いない。そのかわりバリアＭ３の膜形成をスパッタ法で
行なう際にスパッタガスとしてＮ２あるいは０２を混入
し、ＴｉＷより成るバリア層にＮあるいはＯを混入させ
る。その上に配線層５となるＡｌ２−１ｗｔ％Ｓｉの膜
をスパッタ法で形成する。バリア層中のＮあるいはＯは
比較的安定であり、半導体装置の製造工程中はバリア層
中にとどまっている。しかし、半導体装置に通電し使用
する際、ＡＱのエレクトロマイグレーションにより配線
層に断線部分９が生じるとバリア層３に変化が生じる。

すなわち、通電によるバリア層の発熱で生じる高温領域
９に存在するバリア層は継続的に高温に保持されるため
膜中のＮあるいはＯが徐々に配線層５との界面まで拡散
し、配線を形成するＡＱと反応し、高抵抗のＡＱ窒化物
あるいは酸化物を形成する。これが中間層となり。

断線部周囲での配線への電流集中を緩和することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したことから明らかなように、本発明による半
導体装置の配線層によれば、所定の値に設定された中間
層を主配線層とこの主配線層に積層されているバリア層
との間に介在させることにより、比較的抵抗が大きな中
間層は、配線層とバリア層との間を流れる電流量を減少
させる働きをもつことになる。このため、従来は配線層
が断線した際、バリア層から配線層に流れこむ′６流は
、断線部周辺に集中していたが、上述の構成により、断
線より比較的へたたった領域までバリア層より断線層へ
電流が流れこむ領域が拡大するようになる。この結果、
断線部周辺での電流集中は緩和されるようになる。それ
故、バリア層への通電により発熱している高温領域での
配線への電流集中が減少し、エレクトロマイグレーショ
ンは抑制される。したがってこのようにして、断線部分
の拡大による配線抵抗の増大は抑制されるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の配線層の一実施例を
示す構成図、第２図は本発明の効果を示すための説明図
、第３図は従来の問題点を示した説明図、第４図および
第５図は本発明による効果を従来と比較したグラフ、第
６図および第７図はそれぞれ本発明の他の実施例を示し
た構成図である。 １・・・シリコン基板、２・・・絶縁膜、３・・・バリ
ア層、４・・・中間層、５・・・主配線層、６・・・パ
ッシベーション膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、比抵抗σ＿１、膜厚ｔ＿１の主配線層と比抵抗σ＿
   ２、膜厚ｔ＿２のバリア層との積層からなる半導体装置
   の配線層において、前記主配線層とバリア層との間に比
   抵抗σ＿３、膜厚ｔ＿３の中間層を介在させた構成とし
   、該中間層の比抵抗σ＿３、膜厚ｔ＿３をそれぞれ σ＿１＜σ＿２＜σ＿３ ｔ＿１＞ｔ＿２＞ｔ＿３ の関係を有するように設定されていることを特徴とする
   半導体装置の配線層。 ２、主配線層とバリア層との積層からなる半導体装置の
   配線層において、前記主配線層とバリア層との間に前記
   バリア層を構成する材料より高抵抗の材料からなる中間
   層を介在させてなることを特徴とする半導体装置の配線
   層。 ３、主配線層とバリア層との積層からなる半導体装置の
   配線層において、前記バリア層に前記主配線層を構成す
   る元素および前記バリア層よリ高抵抗の化合物を形成す
   る物質を分散させてなることを特徴とする半導体装置の
   配線層。 ４、請求項第１記載の半導体装置の配線層において、バ
   リア層および中間層の形成を同一のターゲットによるス
   パッタ法で形成し前記中間層の形成におけるスパッタ時
   にターゲット構成元素と反応性を有するガスを導入して
   前記バリア層よりも高抵抗層を形成することを特徴とす
   る半導体装置の配線層の形成方法。 ５、請求項第１記載の半導体装置の配線層において、バ
   リア層と中間層の形成法を同一の金属ソースによるＣＶ
   Ｄ法により形成し、前記中間層の形成におけるＣＶＤ時
   に前記金属ソースの金属と反応性を有するガスを導入し
   て、前記バリア層よりも高抵抗層を形成することを特徴
   とする半導体装置の配線層の形成方法。 ６、請求項第１記載において、中間層をバリア層と同組
   成の膜に酸素、窒素、炭素、硅素のうち、前記バリア層
   を構成する主成分を除いた少なくとも一元素を前記バリ
   ア層以上の重量比で含有させてなることを特徴とする半
   導体装置の配線層の形成方法。 ７、比抵抗σ＿１、膜厚ｔ＿１の主配線層と、比抵抗σ
   ＿２、膜厚ｔ＿２のバリア層との間に、比抵抗σ＿３、
   膜厚ｔ＿３の中間層を介在させ、該中間層の比抵抗σ＿
   ３、膜厚ｔ＿３をそれぞれ σ＿１＜σ＿２＜σ＿３ ｔ＿１＞ｔ＿２＞ｔ＿３ の関係を有するように設定された配線層を備えることを
   特徴とする半導体装置。