JPH03105973A - 半導体装置配線 - 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配線に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体装置配線用バリヤ材料は、ジャーナルオブ
バキュームサイエンスアンドテクノロジーＡ７　（３）
ＰＰ．８７５〜８８０（１９８９年）（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓ
ｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ，Ａ７（３）ＰＰ．８７５〜８８
０　（１９８９））に論じられているように（１）Ｗ−
Ｒｅ，Ｔｉ−Ｗ等の高融点金属合金（２）　Ｔ　ｉ　Ｎ
，　Ｗ　　Ｎ等の窒化物、が存在する。また，（３）Ｔ
ｉＳｉｚ　ｔＭ　ｏ　Ｓ　ｉ　２等のシリサイドもバリ
ヤ材料として用いられている．このバリヤ層は現在，配
線層と下部の半導体素子あるいは下層配線とのバリヤの
役割りをはたすだけでなく、配線層の信頼性向上の役割
もになっている。すなわち，エレクトロマイグレーショ
ンあるいはストレスマイグレーションにより配線層が断
線した場合でもバリヤ層で導通をとり断線不良を防止す
る。また、配線層で発生するマイグレーション現象自体
を抑制する役割も持っている． 一方、マイグレーション現象の抑制のみに注目した技術
として、特開昭６１−１３６４４号公報に記載のように
．ＡＩ２配線と高融点金属シリサイドの積層配線が考案
されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、配線層とバリヤ層の反応が十分制御
できておらず信頼性の上で問題があった．その具体的内
容を（１）〜（３）の材料ごとに以下に説明する。

（１）　Ｗ−Ｒ　ｅ　，　Ｔ　ｉ−Ｗ等では、熱処理に
より配線層を形戊するＡｌとの間に反応があり、パリヤ
金属がＡｌ中に拡散しＡｌエｙ＝　（Ｗ　，　Ｒｅ）等
が形成され配線層の抵抗が増加し信頼性の上で問題があ
った。その改善のために、Ａｌ合金配線層と、合金バリ
ヤ層との間にＷ，Ｒｅ，Ｔｉ等の薄い酸化物層を導入す
ることが行なわれている。この酸化物層とのＡｌ−○結
合により配線層のマイグレーションを抑制し、Ｆ？線を
抑制する。しかし、この場合にも金属原子の拡散現象の
結果、酸化物層の上に徐々にＡｌエ２（Ｗ，Ｒｅ）等が
形威され、問題の本質的な解決には到っていない６（２
）　Ｔ　ｉ　Ｎ，　Ｗ−Ｎ等の窒化物をバリヤ材料とし
て用いた場合、配線層とバリヤ層の間にはほとんど反応
はないが、一方ｋＱ合金配線層とバリヤ層の間の相互作
用が（１）の場合に比べ弱いため、バリヤ層に配線層の
マイグレーションを抑制する効果が弱く、配線の信頼性
の向上には不十分である。

（３）ＴｉＳｉ２，ＭｏＳｉ．等のシリサイドをバリヤ
材料として用いた場合、シリサイドはＡｌ合金配線層と
反応し、金属−Ｓｉ−Ａｌ三元化合物を形成する。その
ため、Ａｌ合金配線層とバリヤ層の親和性が高く配線の
マイグレーション防止に有効である。しかし、Ａｌを反
応により消費し配線抵抗が大きくなる。反応後にはマイ
グレーションの抑制効果が減少するという問題があった
。また、この場合も（１）の場合と同様、間に酸化物層
を導入しても反応の完全な抑制はできず解決には不十分
である。

一方、特開昭６１−１３６４４号公報に記載の技術は、
耐マイグレーション性向上のみが考えられており、バリ
ヤ層について考慮されていない。実際、この発明では、
高融点金属シリサイド層は、配線層の内部に導入するこ
とになっており，配線層の下に、バリヤ層の役割と、マ
イグレーションによる故障防止の双方の目的のために一
層を導入する本発明とは異なっている。

本発明の目的は，配線層とバリヤ層の界面が熱処理に対
し安定で、高い信頼性を有する積層配線を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、バリヤ材料として、上部配
線層を構成する主或分元素と，半導体素子を構成する主
成分元素の双方を主或分として含む材料を用いたバリヤ
層を、配線層の下に導入したものである。

〔作用〕

本発明による積層配線では、バリヤ層に上部配線層を構
成する主成分元素の金属間化合物を用いている。そのた
め、従来技術では発生していた配線層とバリヤ層との間
の反応が、本発明では配線形戊時にすでに終了もしくは
中間程度まで進行していることに対応しており、化合物
生成による配線抵抗の増加および界面の移動は生じない
。そのため熱処理による配線抵抗の増加あるいは、マイ
グレーションの抑制効果の減少は生じない。一方、バリ
ヤ層と半導体素子の界面に注目すると、バリヤ層は，配
線形戊時にすでに半導体素子を構成する元素の化合物と
なっており、それ以後のアニルによっても半導体素子側
から配線層側への元素の吸い上げは発生せず、バリヤ層
としても十分な機能を果たしている。以上のメカニズム
により、本発明によれば配線層とバリヤ層の界面および
、バリヤ層と半導体素子の界面が熱処理に対し安定で耐
マイグレーション性を持ち高い信頼性を有する積層配線
を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。１は
Ｓｉ基板，２は絶縁層であるＳｉ○２，３は積層配線の
下部バリヤ層、４は上部配線層、５は表面保護絶縁層６
はＳｉ基板中に形成されたＳｉ半導体素子であり，コン
タクト孔７を通し、配線と接合している。配線層４とＳ
ｉ半導体素子？の間にはバリヤ層３があり、物質拡散の
バリヤとなっている，本実施例においては、このバリヤ
層としてＭｏ，ＡＩ２，Ｓｉの三元化合物ＭＯ（Ａｌ，
Ｓｉ）■を用い膜厚０．２μｍとした・このバリヤ層は
合金ターゲットを用いたスパッタ法で形成している．Ａ
ｌとＳｉの最適な組成比は、想定する熱処理温度に依存
するが、モル比でＡｌ：Ｓｉ＝１．５：０．５よりＡｌ
の比率が小さい範囲でバリヤ層としての目的は達せられ
る。さらにその上部にはＡＩ２−１ｗｔ％Ｓｉ配線層を
０．５μｍスパッタ法で形成した。Ａｌ合金配線層とバ
リヤ層Ｍ　ｏ　（　Ａ　Ｑ＋　Ｓ　ｘ　）　２　との間
の反応抑制のためには、バリヤ層中のＡ．　ｆｌとＳｉ
の組戊比が、Ａｌ　：　Ｓ　ｉ＝ｏ．２　：１．８より
Ａｌの比率が大きくなければならない。すなわち、有効
なＡｌとＳｉの組成比はＡｌ　：　Ｓ　ｉ　＝０．２　
：１．８〜１．５＝０．５　の範囲である。バリヤ層の
形成法としては、スパッタ法のほかにＭｏ（Ｇｏ），の
熱分解によるＭＯ形成、Ｓ　ｉ　Ｈ．の熱分解によるＳ
ｉ形成、Ａ　Ｑ　（　Ｃ　２Ｈ　ｓ　）３あるいはＡ　
Ｑ　（ｌ　　Ｃ４Ｈｇ）３の熱分解によるＡｌ形成の三
つの反応を同時に進行させるＣＶＤ法によることもでき
る。ＣＶＤ法によれば特にコンタクト孔内のカバレジの
良いバリヤ層を形成することができ、信頼性の上からも
有効である。パリャ層として用いることのできる金属元
素としては、Ｍｏのかわりに、Ｔｉ．Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，
Ｎｂｔ　Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ｒｅがある。

Ｔｉの場合にはＴｉ　　（Ａｌ，Ｓｌ）３　　を熱的に
安定なバリヤ材料として用いる。本発明に対する従来技
術として，高融点金属シリサイドバリヤが存在する。高
融点金属シリサイドであるＭ　Ｑ　Ｓ　ｌ　２をバリヤ
層として用いた従来技術による配線と、本発明による配
線の耐エレクトロマイグレーション性を比較した結果を
第２図に示す。耐エレクトロマイグレーション性は本発
明により５倍以上に改善された。また、上記従来技術に
よれば半導体製造プロセス中の熱処理工程によってＡｌ
はＭＯＳｉ，と反応しＭ　ｏ　　（　Ａ　Ｑ　Ｈ　Ｓ　
ｘ　）　ｚを形成するため消費され、配線抵抗は増加す
る。第３図にアニールによる配線抵抗の増加を示す。従
来技術は、バリヤ層にＭ　ｏ　Ｓ　ｉ　，　を用いた場
合である。配線抵抗の増加は、本発明により１／２以下
に抑制される。また、従来技術ではアニールの際、Ａｌ
の消費と同時に過剰となったＳｉが配線層／バリヤ層界
面に析出し、Ａｌ合金配線層／清浄Ｓｉ界面が新しく形
成され，シリサイドバリヤのマイグレーション抑制効果
がそこなわれる。すなわち、Ｍ　ｏ　（　Ａ　Ｑ　ｔ　
Ｓ　ｊ．　）　ｚは、配線層を形成した時点ですでにで
きていなくてはならず、後で加えるアニ−ルによって形
成したのでは十分な効果を得ることはできない。そのた
め、バリヤ層形成時に目的の組成の膜を形成する技術が
必要である。

本発明によれば、従来技術で問題となる、配線とバリヤ
層の反応が発生しないため、熱処理によっても配線抵抗
は変わらず、界面の変化もなく高信頼性の配線を得るこ
とができる。一方、従来技術の延長にある技術として、
シリサイドバリヤの組成を化学量論的組成からずらすこ
とが行なわれている。すなわち化学量論的組成よりＳｉ
量を少なくすることにより、熱処理後に生ずる遊離Ｓｉ
の量を減らす技術である。しかし、この場合、熱処理中
にはＭ　ｏ　（Ａ　Ｑ　＋　Ｓ　ｘ　）　２　が形成さ
れるよりはやく、バリヤ層はＳｉ基板からＳｉを吸い上
げ化学量論的組成（ＭｏＳｉ．）となる傾向があり、Ｓ
ｉ基板中に形成された半導体素子を破壊してしまうため
実用的ではない．それに対し、本発明によれば、バリヤ
層は膜形時から平衡状態もしくはそれに近い状態にあり
、Ｓｉ基板からのＳｉの吸い上げ現象は認められず、十
分なバリヤ機能を有している。第４図にＰｎ接合の安定
性の観点から、バリヤ層に本発明にあるＭｏ（ＡＩ２，
Ｓｉ）ｚを用いた場合と、従来技術の延長として、バリ
ヤ層にＭ　ｏ　Ｓ　ｉエ．を用いた場合についての、４
５０’ＣＸ１２０分アニール後の逆方向Ｖ−１特性を示
す。第５図は測定に用いたダイオードの構造である。バ
リヤ層として、Ｍ　ｏ　Ｓ　ｉよ．を用いた場合には顕
著な接合劣化が生じているのに対し、Ｍｏ（ＡＩ２，Ｓ
ｉ）ｚ　を用いた場合、ほとんど劣化しない。ここで、
本発明の特徴として、元素の相互拡散をあげることがで
きる。本実施例ではＡｌ合金層と、Ｍ　ｏ　（Ａ　Ｑ　
＋　Ｓ　ｉ）　２バリヤ層の双方にＡ立とＳｉが含まれ
ている。この２種の元素は，界面を通じ相互拡散可能で
ある。しかし、パリャ層が熱力学的に安定なため、拡散
現象による界面の移動は生じないのである。

また、本実施例を用い，配線の信頼性をさらに高めるこ
とが可能である。以下、その技術について説明する。一
般に配線のマイグレーション現象は結晶粒界で発生する
ので，理想的には結晶粒を大きく戊長させ、粒界を減ら
せば信頼性が向上すると考えられる。しかし、粒界が少
なくなると粒界単位面積あたりにかかる応力は大きくな
り、ストレスマイグレーションによる断線はむしろ増加
する。また結晶粒界自体完全になくすることは不可能な
ため、エレクトロマイグレーションによる断線も確率は
低くなるが依然発生する。そのため、第１図に示すよう
に配線層の断線時の導通を確保する下敷層となるバリヤ
層３が必要不可欠である。

本実施例では配線層にＡｌ−１ｗｔ％Ｓｉを用いており
、この場合４５０℃以上配線層の融点以下の温度でアニ
ールを行うことにより配線層の結晶粒を成長させること
ができる．第６図にアニール温度と配線層の平均結晶粒
径の関係を示す。ここでＡｌ−１ｗｔ％Ｓｉ０．５　　
μｍより成る配線層の下はＳ　ｉ　Ｏ２上に形成された
０．２　　μｍのＭｏ（Ａｌ，Ｓｉ）ｚ膜であり、アニ
ール時間は３０分である。アニール温度が高いほど結晶
粒は大きくなっている。しかし、アニール温度が高くな
ると，配線層とバリヤ層の反応による配線抵抗の増加が
新たな問題となる。第７図に，バリヤ層としてＭｏＳｉ
２０．２／Ａｍを用いた場合（従来技術Ａ）とＴ　ｉ　
Ｗ　０　．　２　　μ，ｍを用いた場合（従来技術Ｂ）
のアニールによる配線抵抗の増加を本実施例と比較した
結果を示す。従来技術では、結晶粒成長に有効な５００
℃以上の温度のアニールは配線抵抗の増加があるため適
用できない。そのため、この技術は、本発明によるバリ
ヤ材料を用いた場合、もしくは、ＴｉＮ等の耐熱性の高
い化合物バリヤを用いた場合にのみ適用可能である。第
８図に５５０℃３０分のアニールにより結晶粒を戊長さ
せたＡｌ−１ｗｔ％Ｓｉ／バリヤ層積層配線の耐エレク
トロマイグレーション性を、４５０℃３０分のアニール
の場合と比較した結果を示す。アニ−ル温度５５０℃で
も場合もバリヤ層はＡｌ／Ｓｉ半導体素子間のバリヤと
して機能した。バリヤ層にＴｉＮを用いた場合（従来技
＃　（Ｂ））には、アニール温度４５０℃の場合（従来
技術（Ａ））に比べ結晶粒成長による効果はあるが、耐
エレクトロマイグレーション性の向上は十分とは言えな
い。これは、ＴｉＮ等の化学的に安定でＡＲ，Ｓｉ等の
相互拡散もないようなバリヤ材料では、配線層／バリヤ
層間でのマイグレーション現象により、断線が発生して
しまうためである。

それに対し、本発明では、配線層／バリヤ層間のマイグ
レーション抑制効果が十分なため、結晶粒を或長させる
ことが，配線の信頼性向上に非常に効果がある。

本発明の他の一実施例を第９図により説明する。

１１は金属酸化物層であり、上部配線層のマイグレーシ
ョンの抑制及び上部配線層とバリヤ層との間の過剰な反
応の防止のために導入してある。本実施例ではこの酸化
膜として、Ｍｏ（Ａｎ，Ｓｉ）ｚの自然酸化膜を用いて
おり，その膜厚は１０〜２０入である。本実施例では，
酸化物層１１中に絶縁体であるＳｉｎ，とＡｌ，Ｏ．の
比率が高く膜厚が大きすぎると配線層とバリヤ層の間を
絶縁してしまうため、２０人以下でなければならない。

ただし酸化物層中に、Ｗ酸化物、ＭＯ酸化物等の導電性
を有する物質が十分な比率で含まれる場合には、さらに
厚い酸化物層と用いることができる。

第１０図に本発明による配線の耐エレクトロマイグレー
ション性を示す．　１．０　　μｍ配線を用い、電流密
度３Ｘ１０”Ａ／ａＪ、保持温度１５０℃で評価を行な
った。従来技術によっても、ＭＯＳｌ２バリヤ層の上に
酸化物層を設ける改善法により、耐エレクトロマイグレ
ーション性は２倍以上改善できる。しかし、本発明によ
り耐エレクトロマイグレーション性は５倍以上に改善さ
れた。第１１図、第工２図に、ＳＬＭＳによる深さ方向
分析により本発明と従来技術とでの、Ａｌ配線層／バリ
ヤ層／　Ｓ　ｉ基板界面の安定性を比較した結果を示す
。第１１図より、本発明によれば通常の半導体ブＯセス
で考えられる４５０℃程度の熱処理後でもＳｉのＡｌ配
線層中への拡散あるいは析出はほとんどなく，界面は熱
処理に対し安定である・また、ＡｌのＳｉ基板への拡散
もなく、２つの界面とも熱的に十分安定であることがわ
かる。それに対し、従来技術によれば、第１２図より熱
処理後にはＳｉのＡｌ配線中への析出とＡｌのＭｏＳｉ
ｚへの拡散が生じており、Ａｌ配線層／バリヤ層界面は
熱処理に対し不安定である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、アニールによる配線層／バリア層界面
および、バリヤ層／半導体素子界面の変化と配線抵抗の
増加はほとんど生じず、また，アニールによるバリヤ層
のマイグレーション抑制効果の減少もなく高信頼性の配
線を形成することができる。また，本発明による配線を
ＶＬＳＩ等の半導体装置に用いることにより、高信頼性
かつ長寿命の半導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第工図は本発明の一実施例の要部の断面図，第２図は本
発明と従来技術との通電による配線抵抗の増加により耐
エレクトロマイグレーション性を比較した図、第３図は
本発明と従来技術による配線のアニールによる抵抗増加
の程度を示す説明図、第４図は本発明と従来技術による
配線が、Ｓｉ半導体素子に及ぼす影響をＰｎ接合の逆方
向Ｖ−１特性図、第５図は、第４図の検討に用いたダイ
オードの断面図、第６図はアニール温度とＡｌ−１ｗｔ
％Ｓｉ　（０．５　　μｍ）／Ｍｏ　（Ａｌ，Ｓｉ）（
０．２　　μｍ）／Ｓｉｎ２構造においてのＡｌ合金の
結晶粒径の関係を示す説明図、第７図は本発明と従来技
術による配線抵抗の増加とアニール温度の関係を示す説
明図、第８図は本発明と従来技術との通電による配線抵
抗の増加により耐エレクトロマイグレーション性を比較
した図，第９図は本発明の他の実施例の断面図、第１０
図は、本発明と従来技術との通電による配線抵抗の増加
により耐エレクトロマイグレーション性の比較図、第１
１図は本発明であるＡｌ−１％Ｓｉ（０　．　５　ｔｔ
　ｍ）／Ｍｏ　（ＡｆＡ，Ｓｉ）．酸化膜／Ｍｏ（Ａｌ
，Ｓｉ）（０．２　　μｍ）／Ｓｉ基板構造のアニール
前後におけるＳＬＭＳ分析結果を示す説明図第１２図は
従来技術である。Ａｌ−１％Ｓｉ　　（０．５μｍ）　
／Ｍ　ｏ　Ｓ　ｉ，酸化膜／ＭｏＳｉ．（０．２μｍ）
／Ｓｉ基板構造のアニール前後におけるＳＬＭＳ分析結
果を示す説明図である。 １・・・Ｓｉ基板、２・・・絶縁層、３・・・下部バリ
ヤ層、４・・・上部配線層，５・・・表面保護絶縁層、
６・・・Ｓｉ半導体素子、７・・・コンタクト孔、８・
・・ｐ−　−Ｓｉ基板、９・・・ｎ９拡散層、１０・・
・Ｐ＋拡散層、ｌ１第 ２ 図 ｉＬ兜崎ｒＡ Ｕθ゜Ｃ初終４碕聞 第 ４ 図 電 β （ｒノ 第６図 アユ−９温漬（ｏｃノ 第 ５ 図 第７図 ＪＯＯ ００ ！θσ ｔｏｏ γ＝−ｌＬＡ≦，４ぴＣノ 第８図 凰電 綺間 第１０図 逓吃痔間 第９図 第１１図 Ｃ山ノ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｓｉ半導体素子上に形成される、Ｓｉ半導体素子と
   の接合をもつ配線において、 前記配線が下部バリヤ層と上部配線層より成り、前記の
   下部バリヤ層が前記上部配線層を構成する主成分元素と
   Ｓｉの双方を主成分として含む三元素以上から成る金属
   間化合物であることを特徴とする半導体装置配線。 ２、Ｓｉ半導体素子上に形成されるＳｉ半導体素子との
   接合を有する配線において、 前記配線が下部バリヤ層、上部配線層および前記両層の
   中間に存在する両層より薄い金属酸化物層より成り、前
   記下部バリヤ層が前記上部配線層を構成する主成分元素
   と、Ｓｉの双方を主成分として含む三元素以上から成る
   金属間化合物であることを特徴とする半導体装置配線。 ３、Ｓｉ半導体素子上に形成される、Ｓｉ半導体素子と
   の接合を有するＡｌ合金配線において、前記配線が前記
   下部バリヤ層と上部Ａｌ合金配線層より成り、前記下部
   バリヤ層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ
   、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅのうち少なくとも一元素と、ＡｌとＳ
   ｉから成る化合物であることを特徴とする半導体装置配
   線。 ４、Ｓｉ半導体素子上に形成される、Ｓｉ半導体素子と
   の接合を有する配線において、 この配線が下部バリヤ層と上部配線層より成り、前記バ
   リヤ層および配線層を構成する元素のうち少なくとも一
   種が、相互拡散可能であり、かつ両層をへだてる界面が
   半導体製造工程でのアニールに対し安定であることを特
   徴とする半導体装置配線。 ５、Ｓｉ半導体装置配線において、 配線層を構成する主成分元素とＳｉの双方を主成分とす
   る三元素以上から成る金属間化合物であることを特徴と
   するバリヤ材料。 ６、請求項１に記載の半導体装置配線において、前記下
   部バリヤ層の形成を、膜形成時の組成が請求項１を満足
   するようあらかじめ調整された組成を有するターゲット
   を用いたスパッタ法により行なうことを特徴とする半導
   体装置配線の製造方法。 ７、請求項１に記載の半導体装置配線の形成において、 前記下部バリヤ層の形成を、膜形成時の組成が請求項１
   を満足するようあらかじめ調整された組成を有するソー
   スガスを用いたＣＶＤ法により行なうことを特徴とする
   半導体装置配線の製造方法。