JPH05102156A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低抵抗且つエレクトロマイグレーション耐
性，ストレスマイグレーション耐性の高い電極配線を備
えた半導体装置を実現する。 【構成】 シリコン基板１１上に絶縁膜１２を形成し、
コンタクトホールを開口した後、Ｔｉ膜１４，ＴｉＷ１
５，Ａｇ−Ｃｕ膜１６を順次形成する。このＡｇ−Ｃｕ
膜１６は、Ｃｕが１．５重量％含有されたＡｇ合金であ
り、プロセス中で行なわれる熱処理（シンター）でＣｕ
が析出硬化して、配線の機械的強度は著しく高まる。ま
た、Ｃｕの濃度が０．１〜５．０重量％の範囲では、配
線抵抗の上昇を微少に抑えることができ、高い導電性で
あるため、半導体装置の性能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置に関し、
更に詳しくは、高性能配線を備える配線装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化に伴い電極配線
は、微細化傾向にある。電極配線材料としてはＡｌある
いはＡｌ合金が多用されているが、線幅が減少するにつ
れてエレクトロマイグレーションや、ストレスマイグレ
ーションに対する信頼性を保証することが、難しくなっ
てきている。これまで用いられてきたＡｌ合金配線は、
０．３μｍ以下の配線になると、上記の問題から信頼性
を確保する点で限界であると考えられている。Ａｌに代
わる配線材料としてエレクトロマイグレーション耐性の
高いＷ，Ｍｏなどの高融点金属の導入が検討されている
が、その抵抗は、バルクでＡｌの２倍以上と高く薄膜で
はさらに高くなるため、デバイスの高速化に不利であ
る。しかるに、次世代の超ＬＳＩにおいては、エレクト
ロマイグレーションやストレスマイグレーションに対す
る耐性が高く、低抵抗な材料が要求される。そこで、Ａ
ｌに代わる配線材料としてＡｇが好適であると考えられ
ている。Ａｇは、金属の中で最も抵抗が低い材料（抵抗
率：１．６３μΩｃｍ）でありデバイスの高速化には最
適である。さらに、エレクトロマイグレーションに関し
ても、Ａｇ配線はＡｌ−１％Ｓｉ配線に比べて断線に至
る平均寿命時間（ＭＴＦ：Ｍｅａｎ ｔｉｍｅ ｔｏ
ｆａｉｌｕｒｅ）が２オーダー以上長い。しかしなが
ら、単純に従来のＡｌ配線をＡｇ配線に置き換えただけ
ではＳｉ基板との反応の問題、ストレスマイグレーショ
ンによる断線の問題が生じてくるため、このままではＡ
ｇ配線をデバイスに採用することは出来ない。従ってＡ
ｇ配線の高い導電性を損なわずに、ストレスマイグレー
ション耐性に優れ、Ｓｉ基板との反応をさせない様な配
線構造が要求される。また、特開平２−１４３４２９号
公報記載の技術が知られているが、この従来技術は、半
導体基板上の絶縁膜に配線層を設けた構造の半導体装置
において、配線層をＣｕ−（１〜４０重量％）Ａｇで形
成すると共に、この配線層と上記絶縁膜との間に、例え
ばＴｉＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＴｉＯ₂でなる拡散バリア層を介
して設けたというものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術にあっては、配線層をＣｕ−（１〜４０重量
％）Ａｇで形成したものであって、銅（Ｃｕ）を主成分
とするものであって、配線の機械的強度は向上するもの
の、抵抗が高くなってしまう問題点を有している。

【０００４】本発明は、このような従来の問題点に着目
して創案されたものであって、低抵抗でエレクトロマイ
グレーション耐性，ストレスマイグレーション耐性が高
く、且つ微細な配線構造を有する信頼性の高い半導体装
置を得んとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
Ａｇ金属中に０．１〜０．５重量％のＣｕを含有するＡ
ｇ合金で成る電極配線を備えたことを、その解決手段と
している。

【０００６】請求項２記載の発明は、半導体基板上に、
拡散防止層を介して、０．１〜５．０重量％のＣｕを含
有するＡｇ合金で成る電極配線を備えたことを、その解
決手段としている。

【０００７】請求項３記載の発明は、０．１〜０．５重
量％のＣｕを含有するＡｇ合金で成る電極配線が、非酸
化性雰囲気中で熱処理が施されてＣｕが析出硬化した構
造であるこを、その解決手段としている。

【０００８】

【作用】Ａｇは耐酸化性が良く、電気伝導度が高いので
配線材料として好適である。また、Ａｇのエレクトロマ
イグレーション特性は、融点から以下のように予測され
る。

【０００９】一般にエレクトロマイグレーションによる
寿命時間は以下の式で表される。

【００１０】 ｔ₅₀＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ_e／ＫＴ） …（１） ここで、Ｑ_eはエレクトロマイグレーションに関する活
性化エネルギー，Ｋはボルツマン定数，Ｔは絶対温度で
ある。

【００１１】一方、薄膜では物質の移動は粒界拡散によ
って支配されるためにＱ_eはそのプロセスの活性化エネ
ルギーＱ_bにほぼ等しいと考えられる。そして、拡散の
活性化エネルギーはその物質の融点Ｔ_mと相関がある。
すなわち、 Ｑ_e≒Ｑ₆≒７．４×１０^-4Ｔ_m …（２） 式（１），（２）を組み合わせて、１，２の物質のｔ₅₀
の比は、

【００１２】

【数１】

【００１３】（３）式により（ｔ₅₀）₁が既知であれ
ば、２の物質のエレクトロマイグレーション特性が融点
より予測が可能である。

【００１４】既に結果が得られているＡｌ−１％Ｓｉ配
線のＭＴＦを用いてＡｇ配線のＭＴＦを予測すると以下
の様になる。

【００１５】 ○Ａｌ−１％配線のエレクトロマイグレーション試験結
果 融点：９２３（Ｋ） ＭＴＦ：１００時間 試験温度：２５０℃ 電流密度：１×１０⁶Ａ／ｃｍ² ○Ａｇ配線のエレクトロマイグレーション予測 融点：１２３４（Ｋ）

【００１６】

【数２】

【００１７】すなわち、Ａｇ配線のエレクトロマイグレ
ーションによる寿命時間はＡｌ−Ｓｉ配線に比べて２オ
ーダー以上長いことが予測される。

【００１８】このように、エレクトロマイグレーション
耐性に優れ、低抵抗なＡｇ配線であるが、上記したよう
に問題となっているストレスマイグレーションに対する
耐性は十分でなく、この問題を改善するために、配線自
体の機械的強度を高めることが解決策の一つである。

【００１９】本発明で提案するＡｇ−Ｃｕ合金は、Ｃｕ
の析出で硬化される（すなわち、機械的強度が高まる）
という特徴を持っている。従って配線材料への適用を考
えると、熱処理後に母相にＣｕが析出した状態を形成す
ることがストレスマイグレーション耐性を高めるために
効果が有ることが分かる。

【００２０】図１４にＡｇ−Ｃｕ系の平衡状態図を示
す。銅の溶解度は４５０℃において１．３重量％、２０
０℃においては０．４重量％、室温では０．１重量％で
ある。実デバイス使用環境温度が８０℃とすればこの温
度で０．１〜０．４％程度の溶解度があるわけであり、
これ以上のＣｕ濃度にすればＣｕ析出が生じ、析出硬化
によって機械的強度が向上する。

【００２１】一方、過剰なＣｕの添加はＡｇの抵抗上昇
を生じる。配線材料には低抵抗であることが必須な条件
であるのでＣｕの濃度はなるべく低くすることが好まし
い。そこで、本発明のＡｇ中のＣｕ濃度は０．１〜５．
０重量％と限定する。この濃度範囲であれば、問題とな
る配線の抵抗上昇を伴わずに、しかもＡｇ配線中にはＣ
ｕが析出しストレスマイグレーション耐性も高まる。

【００２２】実際にデバイス適用のためには、配線材料
のＡｇ，ＣｕのＳｉ基板への拡散を防止するためにバリ
アーメタルを用いた拡散防止層が必要になる。拡散防止
層を介していない構造ではＡｇ，Ｃｕがコンタクトホー
ルにおいてＳｉ基板に形成した拡散層に侵入し、接合リ
ーク電流が発生するなど、素子特性が著しく劣化する。
形成する拡散防止層としてはチタン（Ｔｉ），ジルコニ
ウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），タンタル（Ｔ
ａ），およびタングステン（Ｗ）、またはこれらの物質
の窒化物，炭化物およびホウ化物またはＴｉＷのいずれ
かが良い。

【００２３】

【実施例】以下、本発明に係る半導体装置の詳細を図面
に示す実施例に基づいて説明する。

【００２４】（実施例１）図１〜図８は、本発明の実施
例１の各工程を示している。本実施例においては、先
ず、図１に示すように、半導体基板であるシリコン基板
１１の層間膜となる絶縁膜１２を堆積させる。次に、リ
ソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて、
図２に示すように、絶縁膜１２にコンタクトホール１３
を開口する。そして、このコンタクトホール１３底部の
自然酸化膜を除去した後、図３及び図４に示すように、
ＤＣマグネトロンスパッタ法でチタン（Ｔｉ）膜１４，
チタンタングステン（ＴｉＮ）膜１５，１．５重量％の
割合で銅（Ｃｕ）を含む銀合金（Ａｇ−Ｃｕ）１６を順
次、３００Å，１０００Å，４０００Åの膜厚となるよ
うに連続的に形成する。なお、これら膜厚は、推奨値を
示したものである。この連続成膜工程においては、マル
チチャンバ型スパッタ装置を用いてＤＣマグネトロンス
パッタを行なった。なお、Ｔｉ膜１４は、シリコン基板
１１とオーミックコンタクトを取るためのものであり、
ＴｉＷ膜１５は、Ａｇ−Ｃｕに対する拡散防止層として
機能する。

【００２５】以下に、Ｔｉ膜１４，ＴｉＷ膜１５，Ａｇ
−Ｃｕ膜１６のスパッタ条件を示す。 （Ｔｉ膜のスパ
ッタ条件） ○スパッタガス…アルゴン（Ａｒ） ○圧力…５ｍＴｏｒｒ ○ＤＣ電力…５ＫＷ ○基板温度…１５０℃ （ＴｉＷ膜のスパッタ条件） ○スパッタガス…Ａｒ ○圧力…５ｍＴｏｒｒ ○ＤＣ電力…７ＫＷ ○基板温度…１５０℃ （Ａｇ−Ｃｕ膜のスパッタ条件） ○スパッタガス…Ａｒ ○圧力…５ｍＴｏｒｒ ○ＤＣ電力…１０ＫＷ ○基板温度…３００℃ 次に、図５に示すように、通常のフォトリソグラフィー
技術でＡｇ−Ｃｕ膜１６上に所望のレジストパターン１
７を形成する。そして、このレジストパターン１７をマ
スクとして、アルゴンガスを用いたイオンビームエッチ
ング法でＡｇ−Ｃｕ膜１６をエッチングする。このとき
のエッチング条件は、以下に示す通りである。

【００２６】 ○エッチングガス…Ａｒ ○圧力…１×１０^-4Ｔｏｒｒ ○加速電圧…１０００Ｖ（ＤＣ） ○イオン電流密度…１×１０^-5Ａ／ｃｍ² ○基板温度…８０℃ 斯るエッチング条件でＡｇ−Ｃｕ膜１６をエッチングす
ると、約５００Å／分のエッチングレートでエッチング
される。

【００２７】上記エッチングの後、ＴｉＷ膜１５，Ｔｉ
膜１４を反応性イオンエッチング法により、塩素系ガス
を用いてエッチングすると、図６に示すように加工され
る。そして、レジストパターンを、アッシングすること
によって除去すると、図７に示すような形状となる。

【００２８】以下に、上記ＴｉＷ膜１５，Ｔｉ膜１４の
反応性イオンエッチング条件及びレジストアッシング条
件を示す。

【００２９】 （ＴｉＷ膜及びＴｉ膜のエッチングの条件） ○ガス及びその流量 三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）…６０_SCCM 塩素ガス（Ｃｌ₂）…９０_SCCM ○ＲＦパワー…４００Ｗ ○圧力…４０ｍＴｏｒｒ （レジストアッシングの条件） ○ガス…酸素（３００_SCCM） ○圧力…２Ｔｏｒｒ ○マイクロ波パワー…４００Ｗ このようなレジストアッシング後、絶縁膜層（配線保護
層）として、例えば、リンケイ素ガラス（ＰＳＧ）膜１
８に、図８に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて７
０００Åの膜厚に形成する。その後、窒素雰囲気で４０
０℃，６０分間のシンターを行なう。このような熱処理
を施したことにより、Ａｇ−Ｃｕ膜１６にはＣｕの析出
硬化が起こり、Ａｇ−Ｃｕ膜１６で形成される電極配線
の機械的強度が向上する。

【００３０】本実施例においては、Ａｇ−Ｃｕ膜６とシ
リコン基板１１との間にＴｉＷの拡散防止層（反応防止
層）を介在しているため、シリコン基板１１中へのＡ
ｇ，Ｃｕの拡散によるＰＮ接合破壊は生じない。

【００３１】なお、本実施例においては、ＰＳＧ膜１８
を形成した後に、シンターを行なったが、ＰＳＧ膜形成
前にシンターを行なってもよい。

【００３２】本実施例で得られたＡｇ−Ｃｕ合金配線
は、従来のＡｌ合金配線では得られなかった高いエレク
トロマイグレーション耐性，ストレスマイグレーション
耐性を持ち、且つ非常に低抵抗な配線が得られる。

【００３３】（実施例２）図９〜図１３は、本発明を通
常のＭＯＳプロセスに適用して形成される実施例２の各
工程を示している。

【００３４】先ず、本実施例においては、周知の技術を
用いて、シリコン基板２０に、例えば深さ４０００Åの
ｎ型拡散層２１，ゲート幅が例えば０．５μｍのポリシ
リコンゲート２２，膜厚が例えば１００Åのゲート酸化
膜２３，チャネルのストッパ層２４，膜厚が例えば５０
００Åの酸化膜２５，膜厚が例えば４０００ÅのＰＳＧ
膜２６，ソース及びドレイン領域との接続に供されるコ
ンタクトホール２７，２７を形成する（図９）。

【００３５】次に、図１０に示すように、Ｔｉ膜２８，
窒化チタン（ＴｉＮ）膜２９，Ａｇ−Ｃｕ膜３０を順次
スパッタ法にて、３００Å，７００Å，３０００Åの膜
厚に積層させる。Ｔｉ膜２８は、オーミックコンタクト
を取るための膜であり、ＴｉＮ膜２９は、拡散防止層と
して機能する。

【００３６】Ａｇ−Ｃｕ膜３０は、上記した実施例１と
同様に、Ｃｕを１．５重量％の割合で含有する銀合金を
用いる。

【００３７】以下に、これらＴｉ膜２８，ＴｉＮ膜２
９，Ａｇ−Ｃｕ膜３０の夫々の形成条件（スパッタ条
件）を示す。

【００３８】 （Ｔｉ膜のスパッタ条件） ○ガス…Ａｒ ○圧力…５ｍＴｏｒｒ ○ＤＣ電力…５ＫＷ ○基板温度…１５０℃ （ＴｉＮ膜のスパッタ条件） ○ガス…Ａｒ−６０％Ｎ₂ ○圧力…３ｍＴｏｒｒ ○ＤＣ電力…７ＫＷ ○基板温度…１５０℃ （Ａｇ−Ｃｕ膜のスパッタ条件） ○ガス…Ａｒ ○圧力…５ｍＴｏｒｒ ○ＤＣ電力…１０ＫＷ ○基板温度…３００℃ 次に、図１１に示すように、通常のフォトリソグラフィ
ー技術を用いて所望のレジストパターン３１を形成す
る。続いて、Ａｇ−Ｃｕ膜３０をイオンビームエッチン
グ法でエッチングし、その下地であるＴｉＮ膜３９及び
Ｔｉ膜２８と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）して、
図１２に示すような加工を行なう。

【００３９】以下に、Ａｇ−Ｃｕ膜３０と、ＴｉＮ膜２
９，Ｔｉ膜２８のエッチング条件を夫々示す。

【００４０】 （Ａｇ−Ｃｕ膜のエッチング条件） ○ガス…Ａｒ（４０_SCCM） ○圧力…１×１０^-4Ｔｏｒｒ ○加速電圧…１０００Ｖ（ＤＣ） ○イオン電流密度…１×１０^-5Ａ／ｃｍ² （ＴｉＮ膜及びＴｉ膜のエッチングの条件） ○ガス及びその流量 ＢＣｌ₃…６０_SCCM Ｃｌ₂…９０_SCCM ○ＲＦパワー…４００Ｗ ○圧力…４０ｍＴｏｒｒ 次に、レジストパターン３１のアッシングを以下の条件
で行う。

【００４１】 ○ガス…Ｏ₂（３００_SCCM） ○圧力…２Ｔｏｒｒ ○マイクロ波パワー…４００Ｗ 続いて、図１３に示すように、配線保護層となるＰＳＧ
膜３２（５０００Å）をプラズマＣＶＤ法で形成する。
その後、窒素雰囲気で４００℃，６０分間のシンターを
行なう。このシンターによって、Ａｇ−Ｃｕ中のＣｕは
析出硬化して配線の機械的強度が向上する。本実施例に
おいては、以上の工程を経て、Ａｇ−Ｃｕ配線を用いた
ＭＯＳトランジスタを作製することができる。また、本
実施例にあっては、Ａｇ−Ｃｕ配線の高い導電性によっ
て、信号伝搬速度が高まる（高速デバイスの実現）と共
に、エレクトロマイグレーション耐性，ストレスマイグ
レーション耐性の高い配線が得られ、工業的に非常に有
用である。

【００４２】以上、本発明の実施例１，２について説明
したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各
種の半導体装置に広く適用し得るものであり、構成の要
旨に付随する各種の設計変更が可能である。

【００４３】例えば、上記実施例においては、ＴｉＷ，
ＴｉＮを拡散防止層として用いたが、この他、Ｔｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＷ、または、これらの窒化物、炭化
物及びホウ化物、または、ＴｉＷのいずれかを用いても
よい。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、非常に低抵抗でエレクトロマイグレーション
耐性及びストレスマイグレーション耐性を有する配線を
備える半導体装置を実現させる効果がある。このため、
信号伝搬速度の速いデバイスを得ることが可能となる。

【００４５】特に、本発明においては、Ａｇ−Ｃｕ中の
Ｃｕの濃度を０．１〜５．０重量％の範囲としてことに
より、配線抵抗の上昇を微少に抑えると共に、機械的強
度を大きく向上させる効果が得られる。

【００４６】また、０．３μｍ以下の配線幅を持つ高密
度デバイスに本発明を適用することによって、従来技術
では得られなかった低抵抗で且つ、エレクトロマイグレ
ーション耐性，ストレスマイグレーション耐性に優れた
配線を有する信頼性の高い半導体装置が得られる効果が
ある。

【００４７】さらに、拡散防止層を設けることにより、
Ａｇ，Ｃｕが半導体基板中へ拡散することがなく、ＰＮ
接合の破壊等のない良好な半導体装置が得られる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図２】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図３】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図４】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図５】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図６】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図７】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図８】本発明の実施例１の工程を示す断面図。

【図９】本発明の実施例２の工程を示す断面図。

【図１０】本発明の実施例２の工程を示す断面図。

【図１１】本発明の実施例２の工程を示す断面図。

【図１２】本発明の実施例２の工程を示す断面図。

【図１３】本発明の実施例２の工程を示す断面図。

【図１４】Ａｇ−Ｃｕ系の平衡状態図を示すグラフ。

【符号の説明】

１１…シリコン基板、１４…Ｔｉ膜、１５…ＴｉＷ膜、
１６…Ａｇ−Ｃｕ膜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｇ金属中に０．１〜０．５重量％のＣ
   ｕを含有するＡｇ合金で成る電極配線を備えたことを特
   徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体基板上に、拡散防止層を介して、
   ０．１〜５．０重量％のＣｕを含有するＡｇ合金で成る
   電極配線を備えたことを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 前記電極配線は、非酸化性雰囲気中での
   熱処理が施されてＣｕが析出硬化した構造を有する請求
   １又は請求項２記載に係る半導体装置。