JPS605560A - 半導体装置 - 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】 （ａｉ　発明の技術分野 本発明は半導体装置に係り、特に金属膜配線（電極を含
むノと該配線が接触する被接続基体（半導体層、別の配
線等ノとの該接触部に於ける反応湘互拡散）を阻止する
ために、該配線の下部若しくは内部に設けるバリア層に
関する。

（ｂｌ　技術の背景 半導体装置の電極配線材料Ｏこはアルミニウム（２）若
しくはアルミニウム（Ａｔ）合螢が多く用いられている
。Ａｔは電気抵抗が小さく、且つ牛害体例えばシリコン
（Ｓｉ）との接触抵抗を小さくなし得る等の長所を肩す
るが、その反面８ｉと反応し易いため、電極配線形成後
の熱処理工程（アニール。

絶縁膜形成等用こ於てＡＡ電極配線とＳｉ層の接触部に
ＡｔとＳｉの相互拡散を起し、Ａｔ電極配線中に過剰に
拡散した８１が該配線甲に析出して配線抵抗を増大せし
めたり、又Ｓｉ層中に深く拡散したＡｔが接合を破壊す
るというような欠点を持っている。そこで特に電極配線
が微細化され且つ浅い接合を有するＬＳＩや超ＬＳＩ＃
に於ては、電極配線の下部若しくは内部に前記ＡｔとＳ
Ｉの相互拡散を阻止するバリア層が設けられる。そして
このバリア層にはチタン（Ｔ１）−タングステン（Ｗ）
の二重層が多（用いへれていた。これは゛１′１−Ｗ層
が４５０（’Ｃ）ａ度までの熱サイクルに対しては充分
なバリア効果を持ち、且つ半導体層及び配線材料層、絶
縁膜に対して良効な密着性を有することによる。

しかし最近は表面保赦絶縁膜の耐温性の向上、組立工程
のインツイン化、樹脂モールド品種の拡大、保証信積度
の向上等により５ｏｏ〔℃〕程度の温度サイクルに於て
も充分なバリア効果が９釆される。そしてこのような高
温に於ては前Ｈ６’１１’　１−Ｗよりなるバリアノー
は、Ａｔ中に溶は込んでしまってそのバリア効果が矢イ
つイｚるという欠点を持っている。

［Ｃ）　従来技術と問題点 そＣで従来かかる高温温度サイクルに光分耐え得るバリ
ア層とし゛ｃ１窒化チタン（ＴｉＮ、）層が用いられて
いる。このＴｉＮ層は５５０　［’Ｃ’］程度の１゛イ
温に於ても、Ａｔ等の配線材料や８１等の半導体材料の
いずれとも反応せず５００〜ｘｏｏｏ（Ｘ＋程度の薄層
に於ても光分なバリア効果をＭし、そのため例えばＡ／
、とＳｉの相互拡散による接合破壊や、Ａｔ配線内への
Ｓｔの析出等は完全に防がれていた。

しかしながら該ＴｉＮ層は特に絶縁膜をこ対する′＠着
性が悪いために、該ＴｉＮ層を配線の下部にバリア層と
して設けた際には、該配線が絶縁膜上から剥離し配線に
ふくれを生じてその品質が損われるという問題がある。

又、！１８．４体層やＡｔ尋の配線材料との密着性も余
り良くないので、配線のコンタクト抵抗の増加を招いた
り、コンタクト部の強度が低下するという問題があった
。

（ｄｌ　発明の目的 本発明は上記高温に於てもすぐれたバリア幼果を仝し、
しかも配線材料、半導体層、絶縁膜にヌグして強い密着
性を刹するバリア層を提供するものであり、その目的と
するところは、半導体層と配線材料きの相互拡散による
接合破壊を防き、且つコンタクト抵抗の増大や配線のふ
くれを防止して、半導体装置の品質及び信頼性を向上せ
しめるにある。

ｔｅｌ　発明の構成 即ち本発明は半導体装置に於て、配線と該配線Ｓ接触り
−る被接続基体との曲の、該配線及び該被接続遊体を構
成する物質の相互拡散を阻止するバリア層として、該配
線の下部若しくは内部に窒化チタンとチタンの混合物層
成るいはチタン−窒化チタン−チタンの三ｉＬ層よりな
るバリア層を設けてなることをＶ倣とする。

ｔｆＪ　発明の実施例 以下本発明を、第１図乃至第３図１こ示す異なる実ｊａ
例に於Ｃ″ｊる模式断面図、及び第４図に示ずバリツ′
効来説明用の換弐断面図（−□及びＥ／１３ショート不
良発生状態図（ロ）を用いて説明す゛る。

本発明は５００（’Ｃ〕程度の高温温度サイクル過程を
経てもなお且つすぐれたバリア性を失うことのない窒化
チタン（ＴｉＮ）Ｊ＠を主たるバリア層として用いてい
る。そして’ＩＪＮｉが前述したようにシリコン（Ｓり
等の半導体層、アルミニウム（ｍ）や金（ＡｕＪ等の配
線材料層、及び特に二酸化シリコン（Ｓｉ（Ｊ２）　、
りん珪酸ガラス（ＰＳＧ）寺の絶縁膜に対して密着性が
悪い点を改善するために、Ｔ　ｉ　Ｎと強固に藷合し且
つ前記半導体材料や配線材料とも良く反応して強固に密
矯し、更に前記絶縁膜とも界面に形ｙ、される酸化チタ
ン（例えは’ｆｉＯｊ）膜を弁して強固に密着する性負
を有するチタン（Ｔりを０．５〜２０〔ｗｔ％〕程度６
ｉ１ＮｄＴ五Ｎに〃０えることによりその密着性を高め
ている。

即ち本発明が提供するバリア層は、Ｉｌｌ　ｉ　ＮにＩ
ｌｌ　ｉを０．５〜２０（ｗｔ％〕程度刀１１えたＴ１
ぺとＩｐｉの（昆合物若しくはＴｉ−’ｒｔＮ−’ｒｉ
の三重構造よりなっており、その厚さはバリア効果を均
一にするためのカバレージを考慮し１０００〜２０００
［Ａ］程度に形成される。なお前記三重構造の場合上下
の１１層の厚さはそれぞれＴｉＮ層の厚さのπ〜１か程
度例えば５０〜ｌ　ＯＯ［：Ａ：）程夏とし、上下Ｔｉ
ｅ＠を合わせた量が混合比換算でＴｉＮ層こズｉして２
０（ｗｔ％〕を上廻らないような厚さにする。

そして上記バリア層のうち、’ｌ’ｉＮと′１゛ｉの混
合物よりなるバリア層はＴ　ｉ　ＩＮとＴＩのターゲッ
トを用いた同時スパッタ層成るいはＴｉＮとｌ′ｉを前
記所定の割合に混合した材料をホットプレスして形成し
た’１’ｉＮ／’ｌ’ｉ混合物ターゲットを用いたスパ
ッタ法で形成される。上記同時スパッタ法は一般に用い
られている技術であるが本発明に用いるＴｉＮとＴｉの
混合物層を形成する隊には、ＴｉＮのターゲットが非輩
に脆く、そのため割れ易く且つスパッタ中にＴ　ｉ　Ｎ
粉を生じ易いためスパッタ品質が低下するという問題が
ある。この問題を解決するために考案したのが上記Ｔ　
ｉ　Ｎ　／　Ｔ　ｉ混合物ターゲットで、該ターゲット
に於てはボッ１プレス技術によりターゲットを形成する
際Ｔｉがバインターの凋きをするので、極めて　密で強
固なターゲットが得られるという利点がある。従って本
発明に於ては混合物バリア層の形成に除しては主として
該ターゲットによるスパッタ法が用いられる。

父上記Ｔｉ−’ｌ’１Ｎ−Ｔｉよりなる三重構造のバリ
ア層は、ＴｉＮ層を形成する際にはＴｊと’ｌ’ｉＮの
２独のターゲットを用いる方法で行っても良いが、通常
はＴｉと窒素との反応性スパッタを用いる通常の連続ス
パッタ技術によって形成される。

以下本発明を、上記ＴｉＮ／Ｔｉ混合物バリアを用いた
実施例について説明する０ 第１図は本発明をバイポーラ型半導体装置のエミッタ配
＆ｔこ用いた例で、同図に於てｌはコレクタ領域、２は
ベース領域、３はエミッタ領域、４はＳｉｎ、絶ｊｌ＆
ｇ、５ａはＨｌのｈｔ４ｆ４１贋（通常Ｐ　ｕｒｔ　Ａ
Ｚ　Ｊ　Ａ−１−４％　（−ｕ　・合金、　Ａｔ−０，
５〜１９１．Ｍｇ・合金、あるいはこれらに８１を０゜
５〜２チ況ぜた合金等よりなり、１０００（Ａ）程度の
厚さを有する。

配線の一部をなし主としてコンタクトの役目を来す。）
、５ｂは第２のＡｔダメ層（第１のＡ４合金層と同じ材
質により形成され、配線の主部をな（Ａ）程度で前記Ｔ
　ｉ　Ｎ　／　Ｔ　ｉ混合物よりなる）、７はＰＳＧ絶
縁膜を示す。

該構造に於ては相互拡散によるＡ　ｔ　ｉり配線中への
８１の吸い上げは上ＨＩ」第１の１’、Ｌ　ＩＰ＄Ｊｍ
　５　ａ内のみに限定されるので、主として電気体４に
あずかる第２のＡ４Ｑ）ｆ４５ｂは変寅せず、従って配
線抵抗が高まることはない。又Ｓ１内へ拡散するＡＬも
第１のＡｔ１）を部層のみに限られるので、エミッター
ベース間の接合破壊は防止される。

なお該電極配線の場合、上記第゛１のＡＪａ合金層５ａ
を省略し、バリア層６を直にエミッタ領域３上に接触さ
せた構造にしても充分低いコンタクト抵抗が得られる。

第２図はψ摘記線構造の例で、図中１はコレクタ９．Ｑ
ｔ　２ばベース領域、３はエミッタ領域、４は５ｉｎ２
絶縁膜、５はＡ７電極配線（純Ａｔ若しくは前１１ｆｉ
　Ａ　を合金よりなる）、６はバリア層（前記実ｊＪ色
例と同じ）、７はｌ’ｓＧ絶縁膜、８はＡｔ上層配線（
純Ａｔ若しくは前記Ａ４合金よりなるＡ９はＰＳＧ衣面
床面保護膜す〇 電極配線５が接触する例えはエミッタ’＄４域３の接合
が深い場合には該電極配線５にバリア層が設けられない
場合もあるが、このような場合該電極配腺５と上層配線
８とのコンタクト部が図のようにエミッタ領域３と電極
配線５のコンタクト部上に来た場合には、ＡＡの厚さが
２倍以上になるために相互拡散ζこよる接合破壊（エミ
ッターベース間ショート）を起す。そのためバリア層を
設けない場合成るいは従来の不完全なバリア層の場合に
はコンタクト部ａ、ｂの位置をずらすへいう設計的な制
約を受け、そのため集積度の低下を招いていたが、本発
明が提供するバリア層６に於てはバリア効果が充分保証
されるのでコンタクト部ａ、ｂの位置ひずらす必侠はな
く集積度の向上が図れる。

又氷見明か提供するバリア層６はＰＳＧ絶ＧＶ膜７に対
しても充分に強い密着・凸を有するので、図のように配
線８の下部全域にバリア層６カ粍己設されても、該配線
８がＰＥＧ絶縁膜７から剥離してふくれを生ずるような
ことはない。

第３図は異種金属よりなる配置謡間にバ１１ア層を設け
た例で、具体的にはＡＡ配線（Ａｔ合金を含む）とｍ（
Ａ”）パッド（ホンディング・バンド）の朕絖例である
。図中４は８　ｉＵ２彪縁膜、５はＭ配線、６はＴ　ｉ
　Ｎ　／　Ｔ　ｉ混合物よりなるパリアノψ、７はＰ　
Ｓ　Ｇ絶線膜、９はＰＳＧ茨面保睦膜、１０はＡｕパッ
ドを示している。

この構造に於てはＡ４とＡｕ０Ｊ）相互拡散によるＡｔ
−Ａｕ金属間化合物（パープルブレーク力の生成が防止
され、コンタクト抵抗の増加は防止される。又前記実施
例同様Ａｕバッド１ｏのＰＳＧ絶縁膜７に対する密着強
度も充分に扁く保たれるのでパッド剥れによるホンディ
ング不良も防止される。

第４図（イ）は本発明が提供するＴｉＮ／Ｔｉ混合物よ
りなるバリア層の効果を調べるために形成した試料の構
造で、図中１はコレクタ鎖酸、２はベース領域、３はエ
ミッタ領域、４は５ｉ０２絶縁膜、５はＡｔ電極配線、
６はＴｉＮ／Ｔｉ混合物バリア層を示している。なおエ
ミンタ接合の深さは３０００（Ａｈ　ＴｉＮ／Ｔｉ　混
合物ハＩＪ　７層の厚さは１０００〔Ａ〕＋　ｈｔ　ｍ
＆配ｆａノ厚サすｓ　ｏ　ｏ　ｏ　（Ｘ）　ｈｃ固定し
た。そして該構造に於てバリア層のＴｉＮに対する′ｌ
′ｌの比率を種々に変えた試料を５ｏｏ〔℃〕で３０〔
分〕加熱した際のエミッターベース間ショー　）　（Ｅ
／Ｂショート〕の発生状態ヲ示したのが第第４図（Ｏｌ
である。この図からＩｌｌ　ｉの比４Ｓ２０［：＄３３
層まではＥ／Ｂショートは殆んど発生せず、該ＴｉＮ／
　Ｔｉ混合物バリア層は０．５〜２０〔チ〕程度の゛ｒ
！比率に於てすぐれたバリア性を育することがわかる。

なおＴｉ−’ｒｉＮ−’ｒｉ三重構造に於ても’Ｌ’　
ｉ　Ｎ層の厚さに対するＴｉ層の合計厚さの比率が０．
５〜２０　Ｃ％）に於て上記同様すぐれたバリア・註を
示す。

又該バリア膜の絶は膜、半導体層、配線材料ＭＣこ対す
る密着性も１．’　ｉ　Ｎ　層にＴ１が僅かに入ること
により急激に篩まり、Ｔｒ比率０．５層％：］以上に於
ては、上記熱処理ζこよるバリア層の剥離に起因する電
極配線のふくれは皆無であった。上記三重構造のバリア
層を用いた場合も同様であった。

ｔｇｌ　発明の詳細 な説明したように本発明ｌこよれは、５００〔℃〕程度
の高温に於てもすぐれたバリア性８Ｗｌ、、Ｌかも配線
材料、牛導体層、絶縁膜ζこ対して強い密着性を有する
バリア層が提供される。

従って熱履歴を経た際に、半導体層の配勝導出部に生ず
る接合破壊や配線抵抗の増大、及び糸種配線接続部に生
ずる蛍属間化合物の生成によるコンタクト抵抗の増大、
コンタクト強夏の減少等が防止され、且つ配線の密涜不
艮によるふくれ等も防止されるので、半導体装置Ｑ）重
置及び信頼性が同上する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は不発明の異なる実施例に於ける模式
断血図で、Ｍ４図はバリア幼果説明用の模式断面図（イ
）及びｊ４３／１３ショート不良発庄状悪図呻：である
。 ■１に於て、１はコレクタ成域、２はベース領域、３は
エミッタ狽域、４は二液化シリコノ絶縁膜、５はアルミ
ニウム配線、５ａは第１のアルミニ１クム合金層、５１
）は第２のアルミニ１ツム零１層、６は窒化チタン去チ
タンの混合物よりなるバリア層、７はりん珪酸ガラス絶
縁膜、８は７′ルミニウム上１ｉＪ配線％　９はりん珪
酸カラス狭面保護膜、ｌｏは金パツドを示す。 − づｆ−ン　グ　ｒ戸？［ タム 第３　図 第４図 （、ｆ） （ロ） 〔％］ −μ〃（ご之すするｈ゛のＩＦ牢 ３１Ｃ１−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔｌｌ　配線と該配線が接触する被接続基体との同の、
   該配線及び該被接ｊｊＪ’＝基体を構成する物質の相互
   拡散を阻止するバリア層として、該配線の下部若しくは
   内部に窒化チタンとチタンとよりなるバリア層を設けて
   なることを特徴とする半導体装置。 （２１上記のバリア層がチタンと窒化チタンの混合物層
   よりなることを特徴とする％訂ムら氷の範囲第１埃記載
   の半導体装置。 （３１上記バリア層がチタン−窒化チタン−チタンの三
   重尼；よりなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の半導体装置。