JPH08139090A - 半導体集積回路装置 - Google Patents
半導体集積回路装置Info
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- JPH08139090A JPH08139090A JP30018094A JP30018094A JPH08139090A JP H08139090 A JPH08139090 A JP H08139090A JP 30018094 A JP30018094 A JP 30018094A JP 30018094 A JP30018094 A JP 30018094A JP H08139090 A JPH08139090 A JP H08139090A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 Ｃｕ層を配線の主体とする半導体集積回路装
置において、Ｃｕ層の付着力を向上させて容易に剥離す
ることのないようにする。 【構成】 シリコン基板２１の表面に拡散層２２を形成
し、基板表面を拡散層２２上に開口を有するシリコン酸
化膜２３により被覆する。この半導体基板上にＴｉＷ、
ＴｉＮ等からなる拡散防止膜２４を形成し、その上に、
Ａｌ、Ｔｉ等からなる付着層２５、配線層の主体となる
Ｃｕ層２６およびＴｉＷ、ＴｉＮ等からなる酸化防止膜
２７を形成する。
置において、Ｃｕ層の付着力を向上させて容易に剥離す
ることのないようにする。 【構成】 シリコン基板２１の表面に拡散層２２を形成
し、基板表面を拡散層２２上に開口を有するシリコン酸
化膜２３により被覆する。この半導体基板上にＴｉＷ、
ＴｉＮ等からなる拡散防止膜２４を形成し、その上に、
Ａｌ、Ｔｉ等からなる付着層２５、配線層の主体となる
Ｃｕ層２６およびＴｉＷ、ＴｉＮ等からなる酸化防止膜
２７を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置に
関し、特にＣｕを主体とする配線層を有する半導体集積
回路装置に関するものである。
関し、特にＣｕを主体とする配線層を有する半導体集積
回路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より半導体集積回路装置の配線材料
にはＡｌあるいはＡｌ合金が用いられてきた。しかし、
今後微細化が一層進行した場合にはＡｌあるいはＡｌ合
金では抵抗値の高さによる信号伝達速度の遅れが問題と
なり、また、マイグレーション耐性が低いため信頼性の
低下が深刻化する。そこで、比抵抗がＡｌの２／３と低
くかつマイグレーション耐性の高いＣｕがＡｌに代わる
配線材料として期待されている。
にはＡｌあるいはＡｌ合金が用いられてきた。しかし、
今後微細化が一層進行した場合にはＡｌあるいはＡｌ合
金では抵抗値の高さによる信号伝達速度の遅れが問題と
なり、また、マイグレーション耐性が低いため信頼性の
低下が深刻化する。そこで、比抵抗がＡｌの２／３と低
くかつマイグレーション耐性の高いＣｕがＡｌに代わる
配線材料として期待されている。
【０００３】図３は、Ｃｕを配線材料として用いた従来
の半導体装置の断面図である。同図に示されるように、
シリコン基板３１の表面領域には拡散層３２が形成され
ており、シリコン基板３１の表面はこの拡散層へのコン
タクトホールが開孔されたシリコン酸化膜３３により被
覆されている。そして、拡散層３１から引き出される配
線は、ＴｉＷ等からなる拡散防止膜３４とその上に形成
されたＣｕ層３６とによって構成されている。
の半導体装置の断面図である。同図に示されるように、
シリコン基板３１の表面領域には拡散層３２が形成され
ており、シリコン基板３１の表面はこの拡散層へのコン
タクトホールが開孔されたシリコン酸化膜３３により被
覆されている。そして、拡散層３１から引き出される配
線は、ＴｉＷ等からなる拡散防止膜３４とその上に形成
されたＣｕ層３６とによって構成されている。
【０００４】Ｃｕはシリコンに拡散しやすいので、Ｃｕ
層が直接シリコンと接触している場合にはＣｕ原子がシ
リコン基板内に拡散してデバイスの特性を劣化させる。
したがって、配線層をＣｕ系の材料により形成する場合
には、Ｃｕ層の下層に拡散防止膜を設けることが必要と
なる。
層が直接シリコンと接触している場合にはＣｕ原子がシ
リコン基板内に拡散してデバイスの特性を劣化させる。
したがって、配線層をＣｕ系の材料により形成する場合
には、Ｃｕ層の下層に拡散防止膜を設けることが必要と
なる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の配線構
造では、Ｃｕ層は拡散防止膜との間に高い付着力が得ら
れていないので、その後のエッチング工程や熱処理によ
り簡単に剥離してしまうという問題点があり、このこと
が実用化の障壁となっている。特に、拡散防止膜の成膜
後Ｃｕ層を成膜する前に大気に触れる機会がある場合に
は拡散防止膜表面に薄い酸化膜が形成されるため、この
酸化膜により付着力は一段と低下する。
造では、Ｃｕ層は拡散防止膜との間に高い付着力が得ら
れていないので、その後のエッチング工程や熱処理によ
り簡単に剥離してしまうという問題点があり、このこと
が実用化の障壁となっている。特に、拡散防止膜の成膜
後Ｃｕ層を成膜する前に大気に触れる機会がある場合に
は拡散防止膜表面に薄い酸化膜が形成されるため、この
酸化膜により付着力は一段と低下する。
【０００６】この問題に対する従来の方針は、Ｃｕに対
する拡散防止能力があり、かつ、Ｃｕが強く付着するこ
とのできる材料を見いだすことであった。而して、付着
力は界面での分子の結合エネルギーと界面構造に強く依
存するが、Ｃｕと拡散防止膜との界面における結合は多
くの場合分子間力であり、現在までのところ実用的に十
分な高い付着力を持つ材料は見つかっていない。
する拡散防止能力があり、かつ、Ｃｕが強く付着するこ
とのできる材料を見いだすことであった。而して、付着
力は界面での分子の結合エネルギーと界面構造に強く依
存するが、Ｃｕと拡散防止膜との界面における結合は多
くの場合分子間力であり、現在までのところ実用的に十
分な高い付着力を持つ材料は見つかっていない。
【０００７】本発明はこの点に鑑みてなされたものであ
って、その目的は、Ｃｕを主体とする材料を用いた低抵
抗の配線において、基板中へのＣｕ原子の拡散を防止し
つつＣｕを主体とする材料層の付着力を向上させること
である。
って、その目的は、Ｃｕを主体とする材料を用いた低抵
抗の配線において、基板中へのＣｕ原子の拡散を防止し
つつＣｕを主体とする材料層の付着力を向上させること
である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、半導体基板上に直接または絶縁膜
を介して形成された、Ｃｕに対する拡散防止能力の高い
材料からなる拡散防止膜と、該拡散防止膜およびＣｕに
対する付着力が高い材料からなる付着層と、該付着層上
に形成されたＣｕを主体とする材料からなる低抵抗金属
層と、を有する配線を備えたことを特徴とする半導体集
積回路装置、が提供される。
め、本発明によれば、半導体基板上に直接または絶縁膜
を介して形成された、Ｃｕに対する拡散防止能力の高い
材料からなる拡散防止膜と、該拡散防止膜およびＣｕに
対する付着力が高い材料からなる付着層と、該付着層上
に形成されたＣｕを主体とする材料からなる低抵抗金属
層と、を有する配線を備えたことを特徴とする半導体集
積回路装置、が提供される。
【０００９】そして、より好ましくは、前記付着層が、
Ｃｕと５００℃以下で相互に拡散しあい、かつ酸素と結
合して不動態皮膜を形成しうる材料、すなわち、Ｆｅ、
Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌの中のいずれかの
材料を用いて形成される。
Ｃｕと５００℃以下で相互に拡散しあい、かつ酸素と結
合して不動態皮膜を形成しうる材料、すなわち、Ｆｅ、
Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌの中のいずれかの
材料を用いて形成される。
【００１０】
【作用】本発明による配線構造では、Ｃｕ層と拡散防止
膜の間に付着力の強い材料を挿入した構造となってい
る。付着力は界面での分子の結合エネルギーと界面構造
に強く依存するところ、Ｃｕ層と付着層との界面では、
分子間の結合エネルギーが高くかつ両者が相互に拡散し
あっているため、高い結合力が得られる。このＣｕと付
着層材料との相互拡散は、通常、配線材料成膜後の半導
体製造プロセスにおいて実施される熱処理工程（例え
ば、層間絶縁膜のリフロー工程等）において実現される
ものである。
膜の間に付着力の強い材料を挿入した構造となってい
る。付着力は界面での分子の結合エネルギーと界面構造
に強く依存するところ、Ｃｕ層と付着層との界面では、
分子間の結合エネルギーが高くかつ両者が相互に拡散し
あっているため、高い結合力が得られる。このＣｕと付
着層材料との相互拡散は、通常、配線材料成膜後の半導
体製造プロセスにおいて実施される熱処理工程（例え
ば、層間絶縁膜のリフロー工程等）において実現される
ものである。
【００１１】また、付着層と拡散防止膜との界面におい
ても、Ｃｕと拡散防止膜との界面と異なって高い分子間
結合力が得られる。そして、付着層が酸素との結合力の
強い不動態形成材料により形成されているため、たとえ
拡散防止膜上に酸化膜が形成されていても酸素を介して
拡散防止膜と強く結合されるため、高い付着力を維持す
ることができる。なお、Ｃｕ原子は付着層内を拡散する
が、付着層を拡散したＣｕ原子は拡散防止膜で止まるた
めシリコン基板がＣｕ原子によって汚染されることはな
い。
ても、Ｃｕと拡散防止膜との界面と異なって高い分子間
結合力が得られる。そして、付着層が酸素との結合力の
強い不動態形成材料により形成されているため、たとえ
拡散防止膜上に酸化膜が形成されていても酸素を介して
拡散防止膜と強く結合されるため、高い付着力を維持す
ることができる。なお、Ｃｕ原子は付着層内を拡散する
が、付着層を拡散したＣｕ原子は拡散防止膜で止まるた
めシリコン基板がＣｕ原子によって汚染されることはな
い。
【００１２】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す断面
図である。同図に示されるように、シリコン基板１１の
表面領域内には拡散層１２が形成され、シリコン基板１
１の表面は、拡散層１２の一部の表面を露出させるシリ
コン酸化膜１３により被覆されている。
て説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す断面
図である。同図に示されるように、シリコン基板１１の
表面領域内には拡散層１２が形成され、シリコン基板１
１の表面は、拡散層１２の一部の表面を露出させるシリ
コン酸化膜１３により被覆されている。
【００１３】この半導体基板上にスパッタ法により、１
００〜１０００Åの膜厚が好ましいＴｉＷを３００Åの
膜厚に堆積して拡散防止膜１４を形成した。次に、同じ
く、スパッタ法により、１０〜５００Åの膜厚が好まし
いＡｌを１００Åの膜厚に堆積して付着層１５を形成
し、続いて、スパッタ法により、１０００〜５０００Å
の膜厚が好ましいＣｕを３０００Åの膜厚に堆積してＣ
ｕ層１６を形成した。
００〜１０００Åの膜厚が好ましいＴｉＷを３００Åの
膜厚に堆積して拡散防止膜１４を形成した。次に、同じ
く、スパッタ法により、１０〜５００Åの膜厚が好まし
いＡｌを１００Åの膜厚に堆積して付着層１５を形成
し、続いて、スパッタ法により、１０００〜５０００Å
の膜厚が好ましいＣｕを３０００Åの膜厚に堆積してＣ
ｕ層１６を形成した。
【００１４】成膜後、結晶性および付着性向上のための
熱処理を４００〜８００℃で１０分〜１時間行い、付着
層（Ａｌ）とＣｕ層との間に相互拡散を生じさせて両者
間の付着力を増大させるとともに付着層（Ａｌ）と拡散
防止膜（ＴｉＷ）との間の結合を強化させた。その後、
フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を適用
して所望の配線形状にパターニングした。以上により、
付着力が強くかつシリコン基板を汚染させる恐れのない
ＬＳＩ用の配線構造を得ることができる。
熱処理を４００〜８００℃で１０分〜１時間行い、付着
層（Ａｌ）とＣｕ層との間に相互拡散を生じさせて両者
間の付着力を増大させるとともに付着層（Ａｌ）と拡散
防止膜（ＴｉＷ）との間の結合を強化させた。その後、
フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を適用
して所望の配線形状にパターニングした。以上により、
付着力が強くかつシリコン基板を汚染させる恐れのない
ＬＳＩ用の配線構造を得ることができる。
【００１５】図２は、本発明の第２の実施例を示す断面
図である。同図に示されるように、シリコン基板２１の
表面領域内には拡散層２２が形成され、その表面には拡
散層２２上に開口を有するシリコン酸化膜２３が形成さ
れている。
図である。同図に示されるように、シリコン基板２１の
表面領域内には拡散層２２が形成され、その表面には拡
散層２２上に開口を有するシリコン酸化膜２３が形成さ
れている。
【００１６】この半導体基板上に反応性スパッタ法によ
り、１００〜１０００Åの膜厚が好ましいＴｉＮを４０
０Åの膜厚に堆積して拡散防止膜２４を形成した。次い
で、スパッタ法により、１０〜５００Åの膜厚が好まし
いＴｉを１００Åの膜厚に堆積して付着層２５を形成
し、続いて、同じくスパッタ法により、１０００〜５０
００Åの膜厚が好ましいＣｕを４０００Åの膜厚に堆積
してＣｕ層２６を形成した。そして、さらにその上に反
応性スパッタ法により１００〜１０００Åの膜厚が好ま
しいＴｉＮを３００Åの膜厚に堆積してＣｕの酸化を防
止するための酸化防止膜２７を形成した。
り、１００〜１０００Åの膜厚が好ましいＴｉＮを４０
０Åの膜厚に堆積して拡散防止膜２４を形成した。次い
で、スパッタ法により、１０〜５００Åの膜厚が好まし
いＴｉを１００Åの膜厚に堆積して付着層２５を形成
し、続いて、同じくスパッタ法により、１０００〜５０
００Åの膜厚が好ましいＣｕを４０００Åの膜厚に堆積
してＣｕ層２６を形成した。そして、さらにその上に反
応性スパッタ法により１００〜１０００Åの膜厚が好ま
しいＴｉＮを３００Åの膜厚に堆積してＣｕの酸化を防
止するための酸化防止膜２７を形成した。
【００１７】成膜後、結晶性および付着性向上のための
熱処理を４００〜８００℃で１０分〜１時間行い、付着
層（Ｔｉ）とＣｕ層との間に相互拡散を生じさせて両者
間の付着力を増大させるとともに付着層（Ｔｉ）と拡散
防止膜（ＴｉＮ）との間の結合を強化させた。その後、
フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を適用
して所望の配線形状にパターニングした。以上により、
付着力が強く、シリコン基板を拡散によって汚染させる
ことがなくかつ耐酸化性の高いＬＳＩ用の配線構造を得
ることができる。
熱処理を４００〜８００℃で１０分〜１時間行い、付着
層（Ｔｉ）とＣｕ層との間に相互拡散を生じさせて両者
間の付着力を増大させるとともに付着層（Ｔｉ）と拡散
防止膜（ＴｉＮ）との間の結合を強化させた。その後、
フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を適用
して所望の配線形状にパターニングした。以上により、
付着力が強く、シリコン基板を拡散によって汚染させる
ことがなくかつ耐酸化性の高いＬＳＩ用の配線構造を得
ることができる。
【００１８】なお、本発明においては、配線層の主体と
なるＣｕ層は、純度の高いＣｕばかりでなく、ＣｕにＡ
ｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｉ等の金属類が１種ま
たは複数種微量に添加されたものであってもよい。ま
た、実施例では配線層はシリコン基板と接触するものと
して示されたが、本発明による配線はそのような場合に
限定されるものではなく、ポリシリコン膜や他の配線層
と接触するものであってもよい。
なるＣｕ層は、純度の高いＣｕばかりでなく、ＣｕにＡ
ｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｉ等の金属類が１種ま
たは複数種微量に添加されたものであってもよい。ま
た、実施例では配線層はシリコン基板と接触するものと
して示されたが、本発明による配線はそのような場合に
限定されるものではなく、ポリシリコン膜や他の配線層
と接触するものであってもよい。
【００１９】また、拡散防止膜はＴｉＷ、ＴｉＮの外に
ＴａＩｒのような他の高融点金属間合金や、ＴｉＷＮ、
ＴａＩｒＳｉ、ＭｏＳｉ、ＷＳｉ等の高融点金属の窒化
物または珪化物であってもよい。また、付着層として
は、ＡｌやＴｉに代え、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎ
ｂ、Ｔａ等の他の５００℃以下でＣｕと相互拡散しかつ
酸素と結合して不動態皮膜を形成しうる材料を用いても
同様の効果が得られる。
ＴａＩｒのような他の高融点金属間合金や、ＴｉＷＮ、
ＴａＩｒＳｉ、ＭｏＳｉ、ＷＳｉ等の高融点金属の窒化
物または珪化物であってもよい。また、付着層として
は、ＡｌやＴｉに代え、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎ
ｂ、Ｔａ等の他の５００℃以下でＣｕと相互拡散しかつ
酸素と結合して不動態皮膜を形成しうる材料を用いても
同様の効果が得られる。
【００２０】また、酸化防止膜としては、ＴｉＮばかり
ではなく、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂなどの高融点金属、ＴｉＷ、
ＴａＩｒ等の高融点金属間合金、あるいはＴｉＷＮ、Ｔ
ａＩｒＳｉ、ＭｏＳｉ、ＷＳｉ等の高融点金属の窒化物
または珪化物等を用いることができる。また、これらの
拡散防止膜、付着層、Ｃｕ層、酸化防止膜は、スパッタ
法に代え、ＣＶＤ法や蒸着法などを用いて成膜するよう
にすることができる。
ではなく、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂなどの高融点金属、ＴｉＷ、
ＴａＩｒ等の高融点金属間合金、あるいはＴｉＷＮ、Ｔ
ａＩｒＳｉ、ＭｏＳｉ、ＷＳｉ等の高融点金属の窒化物
または珪化物等を用いることができる。また、これらの
拡散防止膜、付着層、Ｃｕ層、酸化防止膜は、スパッタ
法に代え、ＣＶＤ法や蒸着法などを用いて成膜するよう
にすることができる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、配線層
の主体となるＣｕ層とＣｕ原子の拡散を防止する拡散防
止膜との間に両者に対し強い結合力を持つ付着層を介在
させるものであるので、本発明によれば、剥離すること
がなくかつ高い拡散防止能力をもつ低抵抗の配線を備え
た半導体集積回路装置を提供することができる。
の主体となるＣｕ層とＣｕ原子の拡散を防止する拡散防
止膜との間に両者に対し強い結合力を持つ付着層を介在
させるものであるので、本発明によれば、剥離すること
がなくかつ高い拡散防止能力をもつ低抵抗の配線を備え
た半導体集積回路装置を提供することができる。
【図１】 本発明の第１の実施例を説明するための断面
図。
図。
【図２】 本発明の第２の実施例を説明するための断面
図。
図。
【図３】 従来例の断面図。
１１、２１、３１ シリコン基板 １２、２２、３２ 拡散層 １３、２３、３３ シリコン酸化膜 １４、２４、３４ 拡散防止膜 １５、２５ 付着層 １６、２６、３６ Ｃｕ層 ２７ 酸化防止膜
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体基板上に直接または絶縁膜を介し
て形成された、Ｃｕに対する拡散防止能力の高い材料か
らなる拡散防止膜と、該拡散防止膜およびＣｕに対する
付着力の高い材料からなる付着層と、該付着層上に形成
されたＣｕを主体とする材料からなる低抵抗金属層と、
を有する配線を備えたことを特徴とする半導体集積回路
装置。 - 【請求項２】 前記付着層がＣｕと５００℃以下で相互
拡散し、かつ酸素とと結合して不動態皮膜を形成しうる
材料であることを特徴とする請求項１記載の半導体集積
回路装置。 - 【請求項３】 前記拡散防止膜が、高融点金属の窒化
物、高融点金属の珪化物または高融点金属同士の合金の
中のいずれかの材料で形成されていることを特徴とする
請求項１記載の半導体集積回路装置。 - 【請求項４】 前記低抵抗金属層上に酸化防止膜が形成
されていることを特徴とする請求項１記載の半導体集積
回路装置。 - 【請求項５】 前記酸化防止膜の材料が、高融点金属、
高融点金属の窒化物、高融点金属の珪化物または高融点
金属同士の合金のいずれかであることを特徴とする請求
項４記載の半導体集積回路装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6300180A JP2757796B2 (ja) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | 半導体集積回路装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6300180A JP2757796B2 (ja) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | 半導体集積回路装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08139090A true JPH08139090A (ja) | 1996-05-31 |
| JP2757796B2 JP2757796B2 (ja) | 1998-05-25 |
Family
ID=17881709
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6300180A Expired - Lifetime JP2757796B2 (ja) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | 半導体集積回路装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2757796B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1174227A (ja) * | 1997-07-03 | 1999-03-16 | Motorola Inc | 半導体装置および該装置を形成するためのプロセス |
| US6890852B2 (en) | 1998-04-17 | 2005-05-10 | Nec Electronics Corporation | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
| JP2008021761A (ja) * | 2006-07-12 | 2008-01-31 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | バルブ金属複合電極箔およびその製造方法 |
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| JPWO2007108439A1 (ja) * | 2006-03-22 | 2009-08-06 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体装置 |
| CN109461714A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-03-12 | 江苏科技大学 | 一种合金化铜Cu(Ni)无扩散阻挡层互连结构及其制备方法 |
Citations (4)
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| JPH06326105A (ja) * | 1993-05-14 | 1994-11-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体装置の積層配線構造 |
-
1994
- 1994-11-10 JP JP6300180A patent/JP2757796B2/ja not_active Expired - Lifetime
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