KR100840880B1 - 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

불소를 포함하는 절연막상에 벗겨짐이 생기지 않은 알루미늄계 배선을 형성하여, 신뢰성의 향상을 도모하기 위해서, 본 발명에 의한 반도체 장치는 기판(11)상에 형성된 불소를 포함하는 절연막(14)과 불소를 포함하는 절연막(14)상에 형성된 티타늄 알루미늄 합금막(17a)과, 티타늄 알루미늄 합금막(17a)상에 형성된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막(17b)을 구비한다.
절연막, 알루미늄계 배선, 합금막

Description

반도체 장치 및 그 제조 방법{Semiconductor device and method for manufacture thereof}
본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 배선과 절연막의 밀착성의 향상을 도모한 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
배선 피치의 스케일 다운에 의해, 배선 저항, 배선 용량이 증대하고 있다. 그에 따라, 배선 지연의 문제가 드러나고 있다. 그 해결책으로서는 구리 배선 등으로 대표되는 저저항 배선 기술이나 불화 산화실리콘 〔이하, 불화 산화실리콘(SiOF)은 FSG(불소 실리케이트 유리(glass))라고 함〕, HSQ(하이드로 실세스키옥산: Hydrogen Silsesquioxane) 등으로 대표되는 저유전체막이 개발되어 있다. 그 중에서도 FSG막은 종래의 산화실리콘막에 불소를 첨가하는 것만으로 저유전체 효과를 얻을 수 있는 점 때문에, 종래의 기술과의 정합성의 관점에서 주목되고 있다.
그렇지만, FSG막을 사용한 경우, 열처리에 의해 배선이 박리된다는 문제가 있었다. 그 박리는 열처리 후에 배선과 불소를 포함하는 절연막의 계면에서 발생하는 것이 확인되었다. 그 일례로서, 배선이 2층으로 형성된 반도체 장치의 1단면을 도 1에 도시한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(111)상에 도시되지 않은 반도체소자(예를 들면 트랜지스터, DRAM 등)를 덮도록, 불소를 포함하지 않은 제 1 절연막(112)이 형성되어 있다. 그 위에 하층부터 티타늄(Ti)막, 질화티타늄(TiN)막, 알루미늄 구리(AlCu)막, 티타늄(Ti)막, 질화티타늄(TiN)막으로 이루어지는 제 1 배선(113)이 형성되어 있다. 그리고 이 제 1 배선(113)을 덮는 상태로 FSG막으로 이루어지는 제 2 절연막(114)이 형성되어 있다. FSG막으로 이루어지는 제 2 절연막(114)은 고밀도 플라즈마 CVD(CVD는 화학적 기상 성장을 의미하고, Chemical Vapor Deposition의 약칭)법에 의해 성막된 것이다.
그 때문에, 제 1 배선(113)의 선 폭에 따라서 배선상의 막 두께가 다르다. 즉, 제 2 절연막(114)은 배선 폭이 넓은 제 1 배선(113w) 상에서는 두껍게 형성되고, 배선 폭이 좁은 제 1 배선(113s)에서는 얇게 형성된다.
상기 FSG막으로 이루어지는 제 2 절연막(114)상에 제 3 절연막(115)을 예를 들면 플라즈마 CVD법에 의해 성막되는 산화실리콘막으로 형성하고, 그 제 3 절연막(115)의 표면은 화학적 기계 연마(이하 CMP라고 하고, CMP는 Chemical Mechanical Polishing)에 의해 평탄화되어 있다. 이 제 3 절연막(115)상에는 제 1 배선(113)과 동일하게 이루어지는 구조의 제 2 배선(117)이 형성되어 있다. 제 1 배선(113)과 제 2 배선(117)의 일부가 텅스텐 플러그(116)에 의해 접속되어 있다. 상기와 같이 반도체 장치(101)가 구성되어 있다.
그렇지만, 상기 반도체 장치에 대하여, 예를 들면 400℃에서의 포밍(foaming) 가스(질소 96vol.%, 수소 4vol.%) 분위기 중에서 예를 들면 1 시간 의 신터 열처리를 실시하면, 도 2에 도시하는 바와 같이, FSG로 이루어지는 제 2 절연막(114)상에 형성된 제 2 배선(117)이 박리되는 현상이 확인되었다. 이 현상은 열처리 시간에 의존하여, 열처리 시간이 증가함에 따라서 박리는 악화되는 경향이 있다. 이 현상은 일본 특개평 8-321547호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 열처리에 의해서 FSG막 중의 유리 불소(F)가 바깥쪽 확산함으로써 배선의 하층을 구성하는 티타늄(Ti)과 반응하여, 불화티타늄(TiF)을 생성하기 때문으로 추정되고 있다.
그 해결책으로서는 예를 들면 일본 특개평 8-321547호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, FSG막을 성막한 후, 어닐링을 실시함으로써 막 중의 유리(遊離) 불소를 외부로 확산시키는 방법이 있다. 이 방법에서는 어닐링 공정이 가해지기 때문에, 공정이 증가가 되는 것, 배선에도 당연한 일이지만 열이 가해지기 때문에 저항이 증가하는 것, 또한 고온 스트레스 마이그레이션(stress migration) 내성이 열화되는 것 등의 우려가 있다. 또한, 일본 특개평 10-326839호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, CMP에 의해 층간 절연막 표면의 평탄화를 실시한 후, SiO2막과 같은 절연성 캡 막을 형성하는 것도, 상기 문제를 해결하는 유효한 방법으로 생각되고 있다. 그렇지만, 이 방법도 SiO2막을 성막하는 공정의 증가가 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 반도체 장치 및 그 제조 방법이다.
본 발명의 반도체 장치는 기판상에 형성된 불소를 포함하는 절연막과, 상기 불소를 포함하는 절연막상에 형성된 티타늄 알루미늄 합금막과, 상기 티타늄 알루미늄 합금막상에 형성된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막을 구비하는 것이다.
상기 반도체 장치에서는 불소를 포함하는 절연막상에 티타늄 알루미늄 합금막이 형성되고, 그 티타늄 알루미늄 합금막상에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막이 형성되어 있는 점으로부터, 불소를 포함하는 절연막으로부터의 유리 불소와 티타늄의 반응이 억제되고, 배선과 불소를 포함하는 절연막의 밀착성이 확보된다. 따라서, 저유전체막인 불소를 포함하는 절연막을 층간 절연막에 사용하는 것이 가능하게 되며, 또한 배선이 되는 알루미늄계 금속막과의 밀착성이 확보됨으로써 불소를 포함하는 절연막으로부터 벗겨지지 않는 신뢰성이 높은 배선이 된다.
본 발명의 반도체 장치의 제조 방법은, 기판상에 불소를 포함하는 절연막을 형성하는 공정과, 상기 불소를 포함하는 절연막상에 티타늄막을 형성하는 공정과, 상기 티타늄막상에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 알루미늄계 금속막을 형성하는 공정을 포함하는 그 이후의 상기 티타늄막과 상기 알루미늄계 금속막이 가열되는 공정에서, 상기 티타늄막과 상기 알루미늄계 금속막의 알루미늄의 일부를 반응시켜 티타늄 알루미늄 합금막을 형성하는 공정을 구비하고 있다.
상기 반도체 장치의 제조 방법에서는 불소를 포함하는 절연막상에, 티타늄막 을 형성하고, 또한 알루미늄계 금속막을 형성할 때, 또는 알루미늄계 금속막을 형성한 후에 있어서의 티타늄막과 알루미늄계 금속막이 가열되는 공정에서, 티타늄막과 알루미늄계 금속막의 알루미늄의 일부를 반응시켜 티타늄 알루미늄 합금막을 형성하는 공정을 구비하고 있는 점에서, 생성된 티타늄 알루미늄 합금막에 의해서 불소를 포함하는 절연막으로부터의 유리 불소와 티타늄의 반응이 억제된다. 즉, 신터 열처리 등의 장시간의 열처리에 의해 불소를 포함하는 절연막 중에서 확산되는 유리 불소가 티타늄과 반응하기 전에 티타늄 알루미늄 합금막으로서 티타늄은 소비된다. 그 때문에, 배선과 불소를 포함하는 절연막의 밀착성의 저하를 야기하는 불화티타늄(TiF)의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 저유전체막인 불소를 포함하는 절연막을 층간 절연막에 사용하는 것이 가능해지며, 또한 배선이 되는 알루미늄계 금속막과의 밀착성이 확보되기 때문에 불소를 포함하는 절연막으로부터 벗겨지지 않는 신뢰성이 높은 배선을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 티타늄 알루미늄 합금막은 알루미늄계 금속막을 형성하는 공정을 포함하는 그 이후의 티타늄막과 알루미늄계 금속막이 가열되는 공정에서, 티타늄막과 알루미늄계 금속막의 알루미늄의 일부를 반응시켜서 형성되기 때문에, 종래의 기술과 비교하여 공정수를 증가시키지 않고 형성하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 반도체 장치의 제조 방법의 일례를 도시하는 개략 구성 단면도.
도 2는 종래의 기술에 따른 과제를 도시하는 개략 구성 단면도.
도 3은 본 발명의 반도체 장치에 따른 실시예의 일례를 도시하는 개략 구성 단면도.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 반도체 장치의 제조 방법에 따른 실시예의 일례를 도시하는 제조공정 단면도.
도 5는 실시예에 도시한 배선 구조와 종래의 배선 구조의 일렉트로 마이그레이션 내성을 누적 고장율로 비교하여 도시하는 도면.
본 발명의 반도체 장치에 따른 실시예의 일례를 도 3의 개략 구성 단면도에 근거하여 설명한다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(11)상에 도시되지 않은 반도체 소자(예를 들면 트랜지스터, DRAM 등)를 덮도록, SiO2으로 이루어지는 제 1 절연막(12)이 형성되어 있다. 그 표면의 일부에 제 1 배선(13)이 형성되어 있다. 이 제 1 배선(13)은 예를 들면 하층부터 티타늄(Ti)막, 질화티타늄(TiN)막, 알루미늄 구리(AlCu)막, 티타늄(Ti)막, 질화티타늄(TiN)막으로 이루어진다. 이 제 1 배선(13)을 덮는 상태로, 불소를 포함하는 절연막(14; 제 2 절연막)으로서 예를 들면 FSG막이, 예를 들면 고밀도 플라즈마 CVD법에 의해 형성되어 있다.
상기 불소를 포함하는 절연막(14)에는 제 1 배선(13)에 도달하는 접속 구멍(15)이 형성되고, 그 접속 구멍(15)의 내부에는 제 1 배선(13)에 접속하는 플러그(16)가 예를 들면 텅스텐으로 형성되어 있고, 불소를 포함하는 절연막(14) 표 면으로 전극을 끌어내고 있다. 또한 불소를 포함하는 절연막(14)상에는 제 2 배선(17)이 형성되어 있고, 그 일부는 상기 플러그(16)에 접속되어 있다.
상기 제 2 배선(17)은 하층부터 티타늄 알루미늄 합금막(17a)과 알루미늄 또는 알루미늄 구리 등으로 이루어지는 알루미늄계 금속막(17b)의 적층 구조를 구비하고, 필요에 따라서, 상기 적층막의 상층에 반사 방지막(17c)으로서 예를 들면 질화티타늄막이 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다. 상기 티타늄 알루미늄 합금막(17a)은 예를 들면 5㎚ 이상 70㎚ 이하, 바람직하게는 10㎚ 이상 50㎚ 이하의 막 두께로 형성된다. 또, 티타늄 알루미늄 합금막(17a)의 막 두께가 5㎚보다도 얇으면 배선의 일렉트로 마이그레이션 내성이 저하될 우려가 생긴다. 또한 티타늄 알루미늄 합금막(17a)이 70㎚보다도 두꺼우면 배선 저항의 상승, 또한 배선가공을 곤란하게 한다. 또한, 필요에 따라서, 반사 방지막(17c)의 상층에 무기(無機)의 반사 방지막으로서, 질화산화실리콘막(도시하지 않음)을 사용할 수도 있다.
또한, 불소를 포함하는 절연막(14)상에는 제 2 배선(17)을 덮는 제 3 절연막(18)이, 예를 들면 SiO2막(18a)과 플라즈마 질화실리콘(P-SiN)막(18b)의 적층막으로 형성되어 있다.
상기 반도체 장치(1)에서는 불소를 포함하는 절연막(14)상에 티타늄 알루미늄 합금막(17a)이 형성되고, 그 티타늄 알루미늄 합금막(17a) 상에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막(17b)이 형성되어 있기 때문에, 불소를 포함하는 절연막(14)로부터의 유리 불소와 티타늄의 반응이 억제되고, 불소 를 포함하는 절연막(14)과 제 2 배선(17)의 주용(主用) 부분을 구성하는 알루미늄계 금속막(17b)의 밀착성을 확보하고 있다. 따라서, 저유전체막인 불소를 포함하는 절연막(14)을 층간 절연막에 사용하는 것이 가능하게 되고, 또한 제 2 배선(17)을 구성하는 알루미늄계 금속막(17b)과의 밀착성이 확보되는 것으로부터, 제 2 배선(17)은 불소를 포함하는 절연막(14)으로부터 벗겨지지 않는 신뢰성이 높은 배선이 된다. 또, 상기한 실시예에서는 제 1 배선(13)은 하층부터 티타늄막, 질화티타늄막, 알루미늄 구리막, 티타늄막, 질화티타늄막으로 하였지만, 제 1 배선(13)에 관해서는 배선 구조에 관한 제약은 없고, 상기 제 2 배선(17)과 마찬가지로, 하층부터 티타늄 알루미늄 합금막, 알루미늄 구리막, 티타늄막, 질화티타늄막으로 하여도 좋다.
다음으로 본 발명의 반도체 장치의 제조 방법에 따른 실시예의 일례를 도 4a 내지 도 4e의 개략 구성 단면도에 근거하여 설명한다. 도 4a 내지 도 4e에서는 상기 도 3에 의해서 설명한 구성 부품과 같은 것에는 동일한 부호를 부여한다.
도 4a에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(11; 예를 들면 실리콘 기판)상에 제 1 절연막(12)으로서, 플라즈마 산화실리콘(P-SiO2)막을 예를 들면 1000nm의 두께로 형성한다. 이어서 제 1 배선을 구성하기 위한 금속막, 금속화합물막 등으로 이루어지는 제 1 배선형성막을, 예를 들면 스퍼터링에 의해서 형성한다. 구체적으로는 일례로서, 하층부터 티타늄(Ti)막을 50㎚, 질화티타늄(TiN)막을 20㎚, 알루미늄 구리(AlCu)막을 400㎚, 티타늄(Ti)막을 5㎚, 질화티타늄(TiN)막을 70㎚의 두께로 성막한다. 계속해서, 패터닝을 위한 레지스트막(도시하지 않음)을 형성한 후, 리소그래피 기술로 제 1 배선을 형성하는 패턴에 상기 레지스트막을 가공하고, 그것을 마스크에 사용하여 반응성 이온 에칭에 의해 제 1 배선형성막을 가공하여 제 1 배선(13)을 형성한다. 그 후, 상기 레지스트막을 제거한다.
이어서, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 고밀도 플라즈마 CVD법에 의해, 상기 제 1 절연막(12)상에 상기 제 1 배선(13)을 덮도록 불소를 포함하는 절연막(14; 제 2 절연막)으로서 FSG막을 예를 들면 2.00㎛의 두께로 형성한다. 이 성막 조건은 일례로서, 성막장치에 ICP(Inductively Coupled Plasma) CVD 장치를 사용하여, 원료 가스에 4불화실란(SiF4)〔유량: 40㎤/min〕과 모노실란(SiH4)〔유량: 40㎤/min〕과 산소(O2)〔유량: 120㎤/min〕를 사용하고, 캐리어 가스에 아르곤(Ar)〔유량: 65㎤/min〕을 사용하여, 성막 분위기의 압력을 O.53Pa, ICP 파워를 4.00㎾, 바이어스 파워를 2.20㎾로 설정한다.
상기 불소를 포함하는 절연막(14)을 성막한 후, 화학적 기계 연마(이하 CMP라고 하고, CMP는 Chemical Mechanical Polishing)에 의해서 불소를 포함하는 절연막(14) 표면을 평탄화한다.
이어서, 도 4c에 도시하는 바와 같이, 레지스트막(도시하지 않음)을 형성한 후, 리소그래피 기술에 의해 레지스트막을 가공하고, 가공된 레지스트막을 마스크에 사용한 반응성 이온 에칭에 의해, 불소를 포함하는 절연막(14)에 제 1 배선(13)의 일부와 제 2 배선(후의 공정에서 형성함)을 접속하기 위한 접속 구멍(15; 비어 홀)을 형성한다.
이어서, 접속 구멍(15)의 내면 및 불소를 포함하는 절연막(14) 표면에 밀착층으로서 질화티타늄막을 30㎚의 두께로 형성한다. 이어서, CVD법에 의해 접속 구멍(15) 안을 메우는 텅스텐막을 예를 들면 400㎚의 두께로 형성한다. 이 텅스텐막은 불소를 포함하는 절연막(14)상에도 밀착층을 개재하여 형성된다.
그 후, CMP에 의해서 불소를 포함하는 절연막(14)상의 잉여의 텅스텐막 및 밀착층을 제거하고, 접속 구멍(15) 내에 밀착층을 개재하여 텅스텐으로 이루어지는 플러그(16)를 형성한다. 상기 가공에서는 CMP를 사용하였지만, 에칭백에 의해서 잉여의 텅스텐막 및 밀착층을 제거할 수도 있다.
다음으로, 도 4d에 도시하는 바와 같이, 불소를 포함하는 절연막(14)상에 제 2 배선(17)을 형성한다. 이 제 2 배선(17)을 형성하기 위해서는 우선, 스퍼터링에 의해서, 티타늄(Ti)막을 예를 들면 10㎚의 두께로 성막하고, 이어서 알루미늄 구리(AlCu)로 이루어지는 알루미늄계 금속막(17b)을 예를 들면 400㎚의 두께로 성막한다. 이 때, 상기 티타늄막과 알루미늄계 금속막(17b)의 알루미늄의 일부가 반응하여 티타늄 알루미늄 합금막(17a)을 형성한다.
상기 알루미늄계 금속막(17b)을 형성한 후, 예를 들면 질화티타늄(TiN)막을 25㎚의 두께로 성막하여 반사 방지막(17c)을 형성하여, 제 2 배선형성막을 구성한다. 또, 반사 방지막(17c)을 형성하기 전에, 티타늄막(도시하지 않음)을 예를 들면 5㎚ 정도의 두께로 성막하고 나서, 상기 질화티타늄으로 이루어지는 반사 방지막(17c)을 형성하여도 좋다. 이 경우, 티타늄막을 성막한 후의 공정에서, 티타늄과 알루미늄이 반응하여 티타늄 알루미늄 합금을 생성하는 열이 가해지는 공정을 하는 경우에는 티타늄막은 알루미늄계 금속막과 반응하여 티타늄 알루미늄 합금막이 된다.
이어서, 레지스트막(도시하지 않음)을 형성한 후, 그 레지스트막을 리소그래피 기술로 가공하고, 그 가공된 레지스트막을 마스크로 사용한 반응성 이온 에칭에 의해 제 2 배선형성막을 가공하여 상기 제 2 배선(17)을 형성한다. 이 제 2 배선(17)의 일부는 상기 플러그(16)에 접속되어 있다.
다음에, 도 4e에 도시하는 바와 같이, 불소를 포함하는 절연막(14)상에, 제 2 배선(17)을 덮는 제 3 절연막(18)을 형성한다. 이 제 3 절연막(18)은 예를 들면 SiO2막(18a)과 플라즈마 질화실리콘(P-SiN)막(18b)의 적층막으로 형성된다. 상기 SiO2막(18a)은 예를 들면 고밀도 플라즈마 CVD법에 의해 예를 들면 500㎚의 두께로 형성되고, 상기 P-SiN막(18b)은 예를 들면 플라즈마 CVD법에 의해 예를 들면 500㎚의 두께로 형성된다.
그 후, 신터 열처리로서, 예를 들면 400℃ 에서의 포밍 가스(질소 96vol.%, 수소 4vol.%) 분위기 중에서 예를 들면 1 시간의 신터 열처리를 한다. 그 후, 리소그래피 기술과 반응성 이온 에칭 기술에 의해 제 3 절연막(18)에 와이어본드(wirebond) 접속용 개구부(도시하지 않음)를 형성한다.
상기 제조 방법에서는 불소를 포함하는 절연막(14)상에 티타늄(Ti)막(도시하지 않음)을 성막하고, 또한 알루미늄 구리(AlCu)로 이루어지는 알루미늄계 금속막(17b)을 스퍼터링에 의해서 성막한다. 이 스퍼터링시의 열에 의해서, 티타 늄막의 티타늄과 알루미늄계 금속막(17b)의 알루미늄이 반응하여 티타늄 알루미늄(TiAl) 합금막(17a)을 생성한다.
상기 제조 방법에서는 알루미늄계 금속막(17b)의 스퍼터링시의 열에 의해서 티타늄막이 알루미늄계 금속막(17b)의 알루미늄과 반응하여 티타늄 알루미늄 합금막을 형성하고 있지만, 이 스퍼터링에 의해서 티타늄막이 충분히 합금화되지 않은 경우에는 알루미늄계 금속막(17b)을 형성한 후에 있어서의 티타늄막 및 알루미늄계 금속막(17b)이 가열되는 공정, 예를 들면 제 3 절연막(18) 성막시의 열에 의해서, 티타늄 알루미늄 합금화를 촉진하여, 티타늄 알루미늄 합금막(17a)을 형성한다.
상기 설명한 바와 같이, 본 실시예의 제조 방법에서는 불소를 포함하는 절연막(14)상에, 티타늄막(도시하지 않음)을 형성하고, 또한 알루미늄계 금속막(17b)을 형성할 때, 또는 알루미늄계 금속막(17b)을 형성한 후에 있어서의 티타늄막과 알루미늄계 금속막(17b)이 가열되는 공정에서, 티타늄막과 알루미늄계 금속막(17b)의 알루미늄의 일부를 반응시켜 티타늄 알루미늄 합금막(17a)을 형성하는 공정을 구비하고 있기 때문에, 티타늄 알루미늄 합금막(17a)에 의해서 불소를 포함하는 절연막(14)으로부터의 유리 불소와 티타늄의 반응이 억제되어, 불소를 포함하는 절연막(14)과 알루미늄계 금속막(17b)의 밀착성을 확보한다. 그 때문에, 저유전체막인 불소를 포함하는 절연막(14)을 층간 절연막에 사용하는 것이 가능하게 되고, 또한 배선이 되는 알루미늄계 금속막(17a)의 밀착성이 확보됨으로써 불소를 포함하는 절연막(14)으로부터 벗겨지지 않는 신뢰성이 높은 제 2 배선을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 티타늄 알루미늄 합금막(17a)은 알루미늄계 금속막(17b)을 형성하는 공정을 포함하는 그 이후의 티타늄막과 알루미늄계 금속막이 가열되는 공정에서, 티타늄막과 알루미늄계 금속막의 알루미늄의 일부를 반응시켜 형성되기 때문에, 종래의 기술과 비교하여 공정수를 증가시키지 않고 형성하는 것이 가능하게 된다.
그 결과, 종래의 배선 구조로 신터 열처리 후에 보인 배선의 박리 현상이 억제된다. 또, 신터 열처리를 제 3 절연막(18)을 형성하기 전에 행하더라도 제 2 배선(17)이 박리되는 현상은 발생하지 않는다.
다음에, 상기 실시예에 도시한 배선 구조의 일렉트로 마이그레이션 내성을 조사하였다. 그 결과를 도 5에 도시한다. 도 5에서는 세로축에 누적 고장율(%)을 도시하고, 가로축에 스트레스 인가 시간(임의 시간)을 도시하였다. 또한, 본 실시예에 의한 제조 방법에 의해서 티타늄막을 10nm, 알루미늄 구리막을 400㎚, 티타늄막을 5㎚, 질화티타늄막을 70㎚의 두께로 순차 성막한 경우의 배선 구조를 원표시로 나타내고, 종래의 기술로서 일본 특개평 10-326829호 공보에 기재된 바와 같이, 티타늄막을 50㎚, 질화티타늄막을 20㎚, 알루미늄 구리막을 400㎚, 티타늄막을 5㎚, 질화티타늄막을 70㎚의 두께로 순차 성막한 경우의 배선 구조를 삼각형 표시로 도시하였다.
그 결과, 도 5에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 의한 제조 방법에 의해서 구성된 배선 구조 쪽이 종래 기술의 배선 구조보다도 스트레스 인가 시간이 길기 때문에 일렉트로 마이그레이션 내성이 높은 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의한 제조 방법에 의해서 구성된 배선 구조는 일렉트로 마이그레이션 내성에 있어서도 뛰어난 것으로 되어 있다.
다음으로, FSG막 중의 유전율(유전율로부터 추정한 불소 농도)과 불소를 포함하는 절연막(14)상에 형성한 티타늄막의 막 두께에 의한 배선 벗겨짐의 발생 상황을 조사하였다. 실시예에서는 상기 본 실시예의 제조 방법에 의해서, 불소를 포함하는 절연막(14)상에, 티타늄막을 5㎚ 내지 15㎚, 알루미늄 구리막을 400㎚, 티타늄막을 5㎚, 질화티타늄막을 70㎚의 두께로 순차 성막하여 형성한 배선을 사용하고, 비교예로서, 불소를 포함하는 절연막(14)상에 티타늄막을 50㎚, 질화티타늄막을 20㎚, 알루미늄 구리막을 400㎚, 티타늄막을 5㎚, 질화티타늄막을 70nm의 두께로 순차 성막하여 형성한 배선을 사용하였다.
그 결과, FSG막의 유전율이 3.6(불소 농도가 추정으로 6.8atoms%)인 경우, 티타늄막이 10nm의 경우에는 배선 벗겨짐은 발생하지 않았다. 한편, 비교예의 경우에는 배선 벗겨짐이 발생하였다. 또한, FSG막의 유전율이 3.7(불소 농도가 추정으로 5.3atoms%)인 경우, 티타늄막이 5㎚ 내지 15㎚인 경우라도 배선 벗겨짐은 발생하지 않았다. 한편, 비교예의 경우도 배선 벗겨짐은 발생하지 않았다. 이와 같이, 불소 농도가 높아지면, 즉 FSG막의 유전율이 내려가면, 본 발명과 같이, 불소를 포함하는 절연막상에 알루미늄계 금속을 주체로 하는 배선을 형성하는 구조에 있어서, 티타늄 알루미늄 합금막을 개재하여 알루미늄계 금속막을 형성하는 구조의 배선이 배선 벗겨짐을 방지하는 데 효과가 있는 것이 실증되었다.
또, 상기 실시예에서 설명한 바와 같이, 불소를 포함하는 절연막(14)은 단층막일 필요는 없다. 종래의 기술에서 설명한 바와 같이, 불소를 포함하는 절연막과 불소를 포함하지 않는 절연막의 적층막으로 구성하는 것도 가능하다. 그 구성에서는 상기 반도체 장치의 제조 방법에 있어서 불소를 포함하는 절연막(14)의 형성에 대해, 예를 들면, 고밀도 플라즈마에 의한 FSG막을 700nm의 두께로 형성하고, 계속해서 P-SiO2막을 예를 들면 1.20㎛의 두께로 형성한 후 CMP에 의해 불소를 포함하는 절연막 표면을 평탄화하여 실현하여도 좋다.
또, 상기 불소를 포함하는 절연막(14)에는, FSG막 외에, 예를 들면, 플루오르 카본계 절연막을 사용할 수 있다. 예를 들면, 플루오르 카본계 절연막으로서는 〔CF2-(C6H4)-CF2〕n로 이루어지는 화학식으로 표시되는 재료(예를 들면 parylene),〔-CF2-CF2-〕n로 이루어지는 화학식으로 표시되는 재료(예를 들면 폴리테트라 플루오르 에틸렌), 〔-ORO-(C6H4)2-〕n로 이루어지는 화학식으로 표시되는 재료(예를 들면 poly(arylene-ether)) 등을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서는 2층 배선 구조를 도시하였지만, 다층화된 배선 구조에 있어서도, 불소를 포함하는 절연막상에 형성되는 배선으로서 5㎚ 내지 20㎚ 정도의 두께의 티타늄(Ti)막과 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막(17b)의 적층 구조로 하면 좋다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명의 반도체 장치에 의하면, 불소를 포함하는 절연막상에 티타늄 알루미늄 합금막이 형성되고, 그 티타늄 알루미늄 합금막상에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막이 형성되어 있기 때문에, 불소를 포함하는 절연막으로부터의 유리 불소와 티타늄의 반응을 억제할 수 있고, 불소를 포함하는 절연막과 알루미늄계 금속막의 밀착성을 확보할 수 있다. 따라서, 저유전체막인 불소를 포함하는 절연막을 층간 절연막에 사용하는 것이 가능해지고, 또한 배선이 되는 알루미늄계 금속막과의 밀착성이 확보됨으로써 불소를 포함하는 절연막으로부터 벗겨지지 않는 신뢰성이 높은 배선이 된다.
또한, 본 발명의 반도체 장치의 제조 방법에 의하면, 티타늄막과 알루미늄계 금속막의 알루미늄의 일부를 반응시켜 티타늄 알루미늄 합금막을 형성하는 공정을 구비하고 있기 때문에, 생성된 티타늄 알루미늄 합금막에 의해서 불소를 포함하는 절연막으로부터의 유리 불소와 티타늄의 반응을 억제할 수 있다. 즉, 신터 열처리 등의 장시간 열처리를 하더라도, 불소를 포함하는 절연막 중으로부터 유리 불소와 티타늄이 반응하기 전에 티타늄이 티타늄 알루미늄 합금화되어 소비되기 때문에, 배선과 불소를 포함하는 절연막의 밀착성의 저하를 야기하는 불화티타늄(TiF)의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 저유전체막인 불소를 포함하는 절연막상에 벗겨짐이 생기지 않는 신뢰성이 높은 배선을 형성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 종래의 기술과 비교하여 공정수를 증가시키지 않고 불소를 포함하는 절연막상에 신뢰성이 높은 배선을 형성할 수 있다.

Claims (3)

  1. 기판상에 형성된 불소를 포함하는 절연막과,
    상기 불소를 포함하는 절연막상에 형성된 티타늄 알루미늄 합금막과,
    상기 티타늄 알루미늄 합금막상에 형성된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막을 구비하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치.
  2. 기판상에 불소를 포함하는 절연막을 형성하는 공정과,
    상기 불소를 포함하는 절연막상에 티타늄막을 형성하는 공정과,
    상기 티타늄막상에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막을 형성하는 공정을 구비하고,
    상기 알루미늄계 금속막을 형성하는 공정을 포함하는 그 이후의 상기 티타늄막과 상기 알루미늄계 금속막이 가열되는 공정에서, 상기 티타늄막과 상기 알루미늄계 금속막의 알루미늄의 일부를 반응시켜 티타늄 알루미늄 합금막을 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 티타늄 알루미늄 합금막은,
    상기 불소를 포함하는 절연막상에 티타늄막을 형성하는 공정과,
    상기 티타늄막상에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄계 금속막을 형성하는 공정을 행하고,
    상기 알루미늄계 금속막을 스퍼터링에 의해 형성할 때에 상기 티타늄막의 티타늄과 상기 알루미늄계 금속막의 알루미늄을 반응시켜 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
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