JPH0695516B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH0695516B2
JPH0695516B2 JP3468186A JP3468186A JPH0695516B2 JP H0695516 B2 JPH0695516 B2 JP H0695516B2 JP 3468186 A JP3468186 A JP 3468186A JP 3468186 A JP3468186 A JP 3468186A JP H0695516 B2 JPH0695516 B2 JP H0695516B2
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film
wiring
semiconductor device
alloy
silicon substrate
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政文 宍野
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松下電子工業株式会社
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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材料、特に高集積化半導体装
置の高信頼性配線材料を用いた半導体装置に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wiring material for a semiconductor device, particularly to a semiconductor device using a highly reliable wiring material for a highly integrated semiconductor device.

従来の技術 シリコンを用いたLSIで、現在、最もよく用いられてお
り、しかし、最も簡単な二層配線の工程順断面図を第2
図に示し、以下、その工程の説明を行う。
2. Description of the Related Art A LSI using silicon is currently most often used.
As shown in the drawings, the process will be described below.

まず、第2図(a)に示すように、表面近傍に拡散層2
を含んだシリコン基板1上に絶縁膜3をCVD法により形
成した後、拡散層2と接続するためのコンタクトホール
4を形成する、次に、第2図(b)に示すように第一の
配線となるAl合金膜7(ここでは、Al膜中に1%のSi原
子を含んだAl合金膜を用いている。)をスパッタリング
法により形成する。続いて、Al合金膜7の配線としての
必要な領域のみを残し、他の領域をエッチング除去す
る。その後、拡散層2と第1の配線であるAl合金膜7と
のコンタクトを良好にするためにシンターを行う。温度
は、380℃〜450℃程度である。次に、第2図(c)に示
すように、第1の配線である。Al合金膜7と第2の配線
であるAl合金膜11とを電気的に分離するための絶縁膜9
をCVD法により形成する。その後、この絶縁膜9に第1
の配線と第2の配線とを接続するための孔であるコンタ
クトホール10を形成する。つぎに、第2図(d)に示す
ように、第2の配線のAl合金膜11をスパッタリング法に
より形成する。ただし、Al合金膜11を形成する直前に、
コンタクトホール10の底である第1の配線のAl合金膜7
の表面に形成された、アルミナ(Al2O3)をArでスパッ
タして除去する。これはAl合金膜同志のコンタクトを良
好にするためである。つぎに、第2配線であるAl合金膜
11を配線として必要な領域のみ残し、他はエッチング除
去する。最後に、配線を保護するための保護膜12をCVD
法により形成し、二層配線の工程を終了する。
First, as shown in FIG. 2A, the diffusion layer 2 is formed near the surface.
After the insulating film 3 is formed on the silicon substrate 1 containing silicon by the CVD method, the contact hole 4 for connecting to the diffusion layer 2 is formed. Next, as shown in FIG. An Al alloy film 7 (here, an Al alloy film containing 1% Si atoms is used in the Al film) to be a wiring is formed by a sputtering method. Subsequently, only the region of the Al alloy film 7 necessary for wiring is left, and the other regions are removed by etching. Thereafter, sintering is performed in order to improve the contact between the diffusion layer 2 and the Al alloy film 7 which is the first wiring. The temperature is about 380 ° C to 450 ° C. Next, as shown in FIG. 2C, the first wiring is formed. Insulating film 9 for electrically separating the Al alloy film 7 and the Al alloy film 11 which is the second wiring.
Are formed by the CVD method. After that, a first film is formed on the insulating film 9.
A contact hole 10 is formed which is a hole for connecting the above wiring and the second wiring. Next, as shown in FIG. 2D, the Al alloy film 11 of the second wiring is formed by the sputtering method. However, immediately before forming the Al alloy film 11,
Al alloy film 7 of the first wiring, which is the bottom of the contact hole 10.
Alumina (Al 2 O 3 ) formed on the surface of is sputtered with Ar to be removed. This is to improve the contact between the Al alloy films. Next, the Al alloy film that is the second wiring
11 is left only in the region necessary for wiring, and the others are removed by etching. Finally, CVD the protective film 12 to protect the wiring
And the two-layer wiring process is completed.

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記方法により、二層配線を形成した場
合、下記に示すような多くの問題点が生じ、半導体素子
の微細化・高集積化により、それらの問題は、さらに深
刻になる。
Problems to be Solved by the Invention However, when two-layer wiring is formed by the above method, many problems as described below occur, and due to miniaturization and high integration of semiconductor elements, those problems are caused. It gets even more serious.

まず、第3図(a)に示すように、シリコン基板1上に
形成した非常に浅い拡散層2と第1の配線であるAl合金
7とのコンタクトの場合、Al合金膜中のSi濃度が少ない
と、450℃程度のシンターで、Alが拡散層中に侵入(ア
ロイスパイク)してしまい、Al合金膜7が拡散層2を突
き破り、シリコン基板1と直接接してしまい、素子の破
壊につながる。一方、Al膜中のSi濃度が多い場合、第3
図(b)に示すように、過剰のSi原子が、拡散層2表面
あるいは配線中に析出する。拡散層2に析出したSi原子
14がある場合、析出により、実効的なコンタクト面積が
減少し、コンタクト抵抗が増大する。
First, as shown in FIG. 3 (a), in the case of contact between the extremely shallow diffusion layer 2 formed on the silicon substrate 1 and the Al alloy 7 which is the first wiring, the Si concentration in the Al alloy film is If the amount is small, Al penetrates into the diffusion layer (alloy spike) by sintering at about 450 ° C., the Al alloy film 7 breaks through the diffusion layer 2 and comes into direct contact with the silicon substrate 1, leading to device destruction. . On the other hand, if the Si concentration in the Al film is high, the third
As shown in FIG. 2B, excess Si atoms are deposited on the surface of the diffusion layer 2 or in the wiring. Si atoms deposited on the diffusion layer 2
When 14 is present, the precipitation reduces the effective contact area and increases the contact resistance.

また、450℃程度のシンターを行った後、Al合金膜7の
表面には、第3図(c)に示すように、ヒロックと呼ば
れる突起が発生する。突起の高さは、大きいものは、1
〜2μmにもなる。そのため、第1の配線と第2の配線
とを分離する絶縁膜を形成した場合、第3図(c)に示
すように、突起が発生した部分で、絶縁膜にクラックが
生じたり、絶縁膜を突き抜けたりし、絶縁破壊になる。
Further, after sintering at about 450 ° C., projections called hillocks are generated on the surface of the Al alloy film 7, as shown in FIG. 3 (c). The height of the protrusion is 1 for large
It can be up to 2 μm. Therefore, when an insulating film for separating the first wiring and the second wiring is formed, as shown in FIG. 3 (c), the insulating film is cracked or the insulating film is cracked at the portion where the protrusion is generated. It will penetrate through and cause dielectric breakdown.

また、第3図(d)に示すように配線であるAl合金膜7
上に、引張り応力の特性を持つプラズマ窒化膜などを保
護膜12として用いた場合、プラズマ窒化膜のストレスに
より、Al原子の移動が徐々に起こり、ついにはAl膜の断
線16につながる場合がある。
Further, as shown in FIG. 3 (d), the Al alloy film 7 which is the wiring.
When a plasma nitride film or the like having a tensile stress property is used as the protective film 12 above, the stress of the plasma nitride film causes gradual movement of Al atoms, which may eventually lead to disconnection 16 of the Al film. .

問題点を解決するための手段 Al合金膜とシリコン基板とのコンタクトの場合に生じる
アロイスパイクおよび界面へのシリコン原子の析出は、
Al合金膜とシリコン基板間をシリコン原子が450℃程度
の温度で移動できるために生じる。そのため本発明で
は、Al合金膜とシリコン基板間にシリコン原子の移動の
障壁(バリア)となるTiW膜を形成する。また、シリコ
ン基板との接触抵抗の低減およびTiW膜のバリア効果を
高めるために、シリコン基板とTiW膜間に薄いTi膜を形
成する。TiW膜上には主配線材料であるAl合金膜を形成
する。しかし、配線の最上層をAl合金層とした場合、45
0〜500℃のシンター温度でヒロックの発生は避けられな
い。ヒロックの発生はAl原子の移動により生じる。その
ため、本発明では、Al合金膜上に450〜500℃の温度で移
動しにくい高融点金属およびその合金あるいは高融点金
属シリサイドを形成するものである。
Means for Solving Problems The alloy spikes generated in the case of contact between the Al alloy film and the silicon substrate and the precipitation of silicon atoms at the interface are
It occurs because silicon atoms can move between the Al alloy film and the silicon substrate at a temperature of about 450 ° C. Therefore, in the present invention, a TiW film that serves as a barrier for the movement of silicon atoms is formed between the Al alloy film and the silicon substrate. In addition, a thin Ti film is formed between the silicon substrate and the TiW film in order to reduce the contact resistance with the silicon substrate and enhance the barrier effect of the TiW film. An Al alloy film which is a main wiring material is formed on the TiW film. However, if the uppermost layer of the wiring is an Al alloy layer, 45
Occurrence of hillocks is inevitable at the sintering temperature of 0-500 ℃. The generation of hillocks is caused by the movement of Al atoms. Therefore, in the present invention, a refractory metal and its alloy or refractory metal silicide which are hard to move at a temperature of 450 to 500 ° C. are formed on the Al alloy film.

作用 本発明は、上記した構成によりシリコン基板との接触に
関し、低抵抗な接触抵抗を有するとともに、配線のシリ
コン基板のスパイクあるいは、シリコン基板へのシリコ
ン原子の析出を防ぐことができる。さらに、配線表面で
のヒロックの発生も防ぐことができるため、多層配線を
形成する場合の配線材料として非常に優れている。
Action The present invention has a contact resistance of low resistance with respect to the contact with the silicon substrate with the above-described configuration, and can prevent the spike of the wiring on the silicon substrate or the deposition of silicon atoms on the silicon substrate. Furthermore, since hillocks can be prevented from being generated on the wiring surface, it is very excellent as a wiring material when forming a multilayer wiring.

実施例 以下、本発明における二層配線を形成する場合の一実施
例を、第1図の工程順断面図により詳述する。
Example Hereinafter, one example of the case of forming a two-layered wiring according to the present invention will be described in detail with reference to sectional views in order of steps of FIG.

まず、第1図(a)に示すように、シリコン基板1上に
形成した拡散層2と第1の配線との分離を行うために膜
厚約8000Åの絶縁膜3をシリコン基板1全面にCVD法に
より形成する。次に拡散層2と第1の配線と接続するた
めの孔、つまり、コンタクトホール4を形成する。その
後、第1図(b)に示すように、Ti膜5,TiW膜6,Al合金
膜7およびTiW膜8の順に、シリコン基板1の全面にス
パッタリング法により形成する。膜厚はそれぞれ、200
Å,1000Å,8000Å,1000Åである。次に、配線として必
要な領域のみ残し、他の領域を選択的にエッチング除去
して第1の配線を形成する。その後、拡散層2と上記4
層構造の第1の配線と良好なコンタクトを形成するため
に、シンターを行う。シンター温度は、380〜450℃程度
である。次に、第1図(c)に示すように、第1の配線
と第2の配線を電気的に分離するための絶縁膜9をCVD
法により形成する。膜厚は約8000Åである。その後、第
1の配線と第2の配線と接続するためのコンタクトホー
ル10を絶縁膜9の所定の位置に形成する。次に、第1図
(d)に示すように、第2の配線となるAl合金膜11をス
パッタリング法により形成する。第1の配線の場合と同
様に、配線として必要な領域のみ残し、他の領域は、選
択的にエッチング除去して第2の配線を形成する。最後
に、配線を保護するために、保護膜12をCVD法にて形成
する。上記工程により、二層配線で最っとも問題となる
第一の配線を、低抵抗でしかも、安定した特性を有する
配線とすることが可能である。
First, as shown in FIG. 1A, an insulating film 3 having a film thickness of about 8000 Å is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by CVD in order to separate the diffusion layer 2 formed on the silicon substrate 1 from the first wiring. It is formed by the method. Next, a hole for connecting the diffusion layer 2 and the first wiring, that is, a contact hole 4 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 1B, a Ti film 5, a TiW film 6, an Al alloy film 7 and a TiW film 8 are sequentially formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by a sputtering method. The film thickness is 200
They are Å, 1000Å, 8000Å, 1000Å. Next, the first wiring is formed by leaving only the area necessary for the wiring and selectively etching away the other areas. Then, the diffusion layer 2 and the above 4
Sintering is performed to form a good contact with the first wiring of the layered structure. The sintering temperature is about 380 to 450 ° C. Next, as shown in FIG. 1C, an insulating film 9 for electrically separating the first wiring and the second wiring is formed by CVD.
It is formed by the method. The film thickness is about 8000Å. After that, a contact hole 10 for connecting the first wiring and the second wiring is formed at a predetermined position of the insulating film 9. Next, as shown in FIG. 1D, an Al alloy film 11 to be the second wiring is formed by the sputtering method. Similar to the case of the first wiring, only the region necessary for the wiring is left and the other regions are selectively removed by etching to form the second wiring. Finally, in order to protect the wiring, the protective film 12 is formed by the CVD method. Through the above steps, the first wiring, which is the most problematic in the two-layer wiring, can be a wiring having low resistance and stable characteristics.

本発明は、シリコンを基板とする半導体装置すべての配
線材料として応用できることは明らかである。
It is obvious that the present invention can be applied as a wiring material for all semiconductor devices using silicon as a substrate.

発明の効果 本発明によれば、シリコン基板に対し低い接触抵抗を有
し、しかも、配線とシリコン基板間でシリコン原子の移
動を抑えたため、配線のシリコン基板へのスパイクおよ
び、シリコン原子のシリコン基板表面への析出を防止す
ることができる。さらに、配線表面に、低温で移動しに
くい、高融点金属等の材料を用いるために、ヒロックの
発生を防止すると共に、配線上部に形成した膜のストレ
スによる断線を防ぎ、半導体装置の信頼性を大きく向上
させることができるものである。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, since the silicon substrate has a low contact resistance and the movement of silicon atoms between the wiring and the silicon substrate is suppressed, the spike of the wiring on the silicon substrate and the silicon substrate of the silicon atoms are suppressed. It is possible to prevent precipitation on the surface. Further, since a material such as a refractory metal that is hard to move at low temperature is used for the wiring surface, hillocks are prevented from being generated, and disconnection due to stress of the film formed on the wiring is prevented to improve reliability of the semiconductor device. It can be greatly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(a)〜(d)は本発明の一実施例における半導
体装置の製造工程を説明するための工程順断面図、第2
図(a)〜(d)は従来の技術を説明するための工程順
断面図、第3図(a)〜(d)は従来の技術を用いた場
合の問題点を示す工程順断面図である。 1……シリコン基板、2……拡散層、3……絶縁膜、4
……コンタクトホール、5……Ti膜、6……TiW膜、7
……Al合金膜、8……TiW膜、9……絶縁膜、10……コ
ンタクトホール、11……Al合金膜、12……保護膜、13…
…スパイク、14……析出したSi原子、15……ヒロック、
16……Al膜の断線。
1 (a) to 1 (d) are sectional views in order of the processes, for illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3D are process order cross-sectional views for explaining the conventional technique, and FIGS. 3A to 3D are process sequence cross-sectional views showing problems when the conventional technique is used. is there. 1 ... Silicon substrate, 2 ... Diffusion layer, 3 ... Insulating film, 4
...... Contact hole, 5 …… Ti film, 6 …… TiW film, 7
…… Al alloy film, 8 …… TiW film, 9 …… insulating film, 10 …… contact hole, 11 …… Al alloy film, 12 …… protective film, 13….
… Spikes, 14 …… Precipitated Si atoms, 15… Hillock,
16: Broken Al film.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体素子に設けた配線層が、チタニウム
膜,チタニウムを含んだタングステン膜,アルミニウム
合金膜および高融点金属あるいはそのシリサイド膜を順
次積層した四層からなることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device in which a wiring layer provided on a semiconductor element is composed of four layers in which a titanium film, a tungsten film containing titanium, an aluminum alloy film and a refractory metal or a silicide film thereof are sequentially laminated. .
【請求項2】チタニウム膜を含んだタングステン膜中の
チタニウムの重量比が15%以下である特許請求の範囲第
1項記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the weight ratio of titanium in the tungsten film containing the titanium film is 15% or less.
【請求項3】アルミ合金膜が、Si,Cu,Ti,Pd,Zr,Hf,Cr,T
aからなる金属群から選ばれた1種以上の金属を含む特
許請求の範囲第1項記載の半導体装置。
3. An aluminum alloy film comprising Si, Cu, Ti, Pd, Zr, Hf, Cr, T
The semiconductor device according to claim 1, containing at least one metal selected from the group of metals consisting of a.
【請求項4】高融点金属が、Ti,Mo,W,Zr,PdおよびTiを
含んだWからなる特許請求の範囲第1項記載の半導体装
置。
4. A semiconductor device according to claim 1, wherein the refractory metal comprises W containing Ti, Mo, W, Zr, Pd and Ti.
【請求項5】シリサイドが、TiSi2,MoSi2,WSiXの中の
一種以上からなる特許請求の範囲第1項記載の半導体装
置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicide is one or more of TiSi 2 , MoSi 2 , and WSi X.
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