KR19980069908A - A semiconductor device having a multilayer wiring and its manufacturing method - Google Patents

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히데오 니와
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세끼자와 다다시
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Abstract

본 발명은 배선층이 A1 또는 A1 합금의 주 도전층과 Ti층의 적층 구조를 포함하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치에 관한 것으로, 저 저항값을 갖고, 사용 수명이 긴 다층 배선을 갖는 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a multilayer wiring in which the wiring layer comprises a laminated structure of a main conductive layer of Ti or A1 alloy and a Ti layer, and provides a semiconductor device having a multilayer wiring having a low resistance value and a long service life. It aims to do it.

본 발명의 구성은, 다층 배선을 갖는 반도체 장치에 있어서, 다층 배선의 적어도 하나의 배선층이, A1 또는 A1 합금으로 형성된 주 도전층과, 상기 주 도전층에 접촉하여 그 위 또는 아래에 형성되고, 약 2nm ∼ 약 7nm의 두께를 갖는 제 1 고융점 금속층을 갖는 다층 배선을 갖는 반도체 장치가 제공된다.The structure of this invention WHEREIN: The semiconductor device which has a multilayer wiring WHEREIN: At least 1 wiring layer of a multilayer wiring is formed in contact with the said main conductive layer and the main conductive layer formed from A1 or A1 alloy, and are formed on or under it, A semiconductor device having a multilayer wiring having a first high melting point metal layer having a thickness of about 2 nm to about 7 nm is provided.

Description

다층 배선을 갖는 반도체 장치 및 그의 제조방법A semiconductor device having a multilayer wiring and its manufacturing method

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 배선층 A1 또는 A1 합금의 주도전층과 Ti 등의 고융점 금속층과의 적층 구조를 포함하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a multilayer structure including a laminated structure of a main conductive layer of a wiring layer A1 or an A1 alloy and a high melting point metal layer such as Ti.

고집적도의 집적 회로 장치에는 다층 배선이 이용된다. 반도체 소자의 스케일 다운에 따라, 배선도 폭이 좁아진다. 배선의 고저항화를 피하도록 하려면, 배선층을 두껍게 하면 된다. 배선층 상에 콘포말(conformal)한 층간 절연층을 형성한 것에서는 층간 절연층의 표면 단차가 크게 되고, 상층 배선을 형성함이 곤란하게 된다.Multilayer wiring is used for a highly integrated integrated circuit device. As the semiconductor element scales down, the wiring width becomes narrower. In order to avoid high resistance of the wiring, the wiring layer may be thickened. In the case where a conformal interlayer insulating layer is formed on the wiring layer, the surface step of the interlayer insulating layer becomes large, and it becomes difficult to form upper wiring.

그래서, 층간 절연층 표면을 평탄화하는 것이 행해진다. 평탄화 기술로서는, 리플로우(reflow), 스핀온글래스(SOG)층의 사용, 화학 기계 연마(CMP) 등이 이용된다. 층간 절연층을 평탄화한 후, 하층 배선층에 이르는 접속 구멍(콘택홀 비어홀)을 형성한다. 배선층의 폭이 좁아지면, 접속 구멍에 에스팩트(aspect)비도 커지고, 접속 구멍 내에 상층 배선층을 충전함이 곤란하게 된다.Thus, the surface of the interlayer insulating layer is planarized. As the planarization technique, reflow, the use of a spin on glass (SOG) layer, chemical mechanical polishing (CMP), or the like is used. After the interlayer insulating layer is planarized, a connection hole (contact hole via hole) leading to the lower wiring layer is formed. When the width of the wiring layer is narrowed, the aspect ratio also increases in the connection hole, and it becomes difficult to fill the upper wiring layer in the connection hole.

그래서, 접속 구멍을 매립하는 도전성의 플러그를 형성하고, 그 후 상층 배선층을 형성함이 행해진다. 플러그의 형성은, 텅스텐의 선택 성장, 블랭킷 텅스텐층의 성장과 그 후의 CMP나 에칭에 의한 텅스텐 제거 등에 의해 행해진다.Therefore, the conductive plug which fills in the connection hole is formed, and then the upper wiring layer is formed. The plug is formed by selective growth of tungsten, growth of a blanket tungsten layer, and subsequent removal of tungsten by CMP or etching.

이와 같은 공정에 의하면, 배선층은 항상 평탄한 면 위에 형성하게 되어, 단차부에서의 배선의 단선을 방지하고, 포토리소그래피의 정도를 높게 하고, 배선의 신뢰성을 높게 유지할 수 있다.According to such a process, a wiring layer is always formed on a flat surface, it can prevent the disconnection of the wiring in a level | step difference part, can raise the grade of photolithography, and can maintain the reliability of wiring high.

배선은 충분히 낮은 저항값을 갖고, 사용에 의해서도 특성을 저하시키지 않는 것이 바람직하다. 소망의 저 저항값을 실현하도록 배선을 형성하여도, 완성된 배선의 저항값이 높아지고, 사용에 따라 저항값이 상승한다.It is preferable that the wiring has a sufficiently low resistance value and does not deteriorate even by use. Even if the wiring is formed so as to realize a desired low resistance value, the resistance value of the completed wiring increases, and the resistance value increases with use.

배선의 저항값은, 각 배선층의 저항률만이 아니라, 배선층간의 접속부재(플러그)의 저항률, 배선 부재간의 접촉 저항, 사용할 때의 일렉트로마이그레이션(electromigration) 등의 영향을 받는다. 플러그를 사용한 다층 배선에 있어서는, 특히 일렉트로마이그레이션 수명과 플러그의 접촉부의 저항이 문제가 된다.The resistance value of the wiring is influenced not only by the resistivity of each wiring layer but also by the resistivity of the connection member (plug) between the wiring layers, the contact resistance between the wiring members, the electromigration during use, and the like. In the multilayer wiring using the plug, in particular, the electromigration life and the resistance of the contact portion of the plug are problematic.

이와 같이, 다층 배선을 갖는 반도체 장치에 있어서, 저 저항값과 긴 수명을 갖는 고 신뢰성의 다층 배선이 요구된다.As described above, in a semiconductor device having a multilayer wiring, a highly reliable multilayer wiring having a low resistance value and a long lifetime is required.

본 발명의 목적은, 저 저항값을 갖고, 사용 수명이 긴 다층 배선을 갖는 반도체 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a low resistance value and having a long lifetime.

본 발명의 다른 목적은, 이와 같은 반도체 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a semiconductor device.

도 1은 본 발명자가 행한 실험을 설명하기 위한 단면도 및 그래프.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a sectional view and a graph for explaining an experiment conducted by the present inventors.

도 2는 본 발명자가 행한 실험을 설명하기 위한 단면도.2 is a cross-sectional view for explaining an experiment conducted by the inventor.

도 3은 본 발명자가 행한 실험을 설명하기 위한 평면도 및 그래프.3 is a plan view and a graph for explaining an experiment conducted by the inventors.

도 4는 본 발명자가 행한 실험을 설명하기 위한 평면도 및 그래프.4 is a plan view and a graph for explaining an experiment carried out by the present inventors.

도 5는 본 발명자가 행한 실험을 설명하기 위한 단면도 및 그래프.5 is a cross-sectional view and a graph for explaining an experiment conducted by the present inventors.

도 6은 실험 결과 얻은 샘플의 단면 구성을 나타내는 TEM 사진의 스케치.6 is a sketch of a TEM photograph showing a cross-sectional configuration of a sample obtained as a result of an experiment.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 다층 배선을 설명하기 위한 단면도.7 is a cross-sectional view for explaining a multilayer wiring according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.8 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.9 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.10 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.11 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

도 12는 비어홀 내의 A1 배선에 생기는 돌기 현상을 개략적으로 나타내는 단면도.Fig. 12 is a sectional view schematically showing a projection phenomenon occurring in the A1 wiring in the via hole.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

9 : 절연영역9: insulation area

11 : Si 기판11: Si substrate

12 : Si 산화막12: Si oxide film

13 : 하측 Ti층13: lower Ti layer

14 : 하측 TiN층14: lower TiN layer

15 : 주 도전층15: main conductive layer

16 : 상측 Ti층16: upper Ti layer

17 : 상측 TiN층17: upper TiN layer

18 : A1-Ti 반응층18: A1-Ti reaction layer

19,24,27,32 : Si 산화막19,24,27,32: Si oxide film

20 : TiN층20 TiN layer

21 : 텅스텐층21: tungsten layer

25 : Ti층25: Ti layer

26 : A1-Cu 도전층26: A1-Cu conductive layer

28,33 : SiN층28,33: SiN layer

31 : p형 Si 기판31: p-type Si substrate

34 : n형 웰34: n-type well

36 : 필드 산화막36: field oxide film

38 : p형 웰38 p-type well

41 : 게이트 산화막41: gate oxide film

42 : 다결정 Si층42 polycrystalline Si layer

43 : WSi층43: WSi layer

44 : 산화 Si층44 Si layer

G : 게이트 전극G: gate electrode

46,47 : LDD 영역46,47: LDD region

48 : 사이드 스페이서48: side spacers

49,50 : 고 불순물 농도 소스/드레인 영역49,50: high impurity concentration source / drain region

51 : 실리사이드층51: silicide layer

52 : 절연층52: insulation layer

53 : 접속 구멍53: connection hole

54 : Ti층54 Ti layer

55 : TiN층55 TiN layer

56 : 텅스텐층56: tungsten layer

57 : 층간 절연막57: interlayer insulating film

58 : TiN층58: TiN layer

59 : 텅스텐층59: tungsten layer

W1-W4, WT : 배선층W1-W4, WT: Wiring Layer

P1-P4 : 도전성 플러그P1-P4: Conductive Plug

H1, H2 : 접속구H1, H2: Connection port

T-T8 : 패드T-T8: Pad

본 발명이 일 관점에 의하면, 다층 배선을 갖는 반도체 장치에 있어서, 다층 배선의 적어도 하나의 배선층이, A1 또는 A1 합금으로 형성된 주 도전층과, 상기 주 도전층에 접촉하여 그 위 또는 아래에 형성되고, 약 2nm ∼ 약 7nm의 두께를 갖는 제 1 고융점 금속응을 갖는 다층 배선을 갖는 반도체 장치가 제공된다.According to one aspect of the present invention, in a semiconductor device having a multilayer wiring, at least one wiring layer of the multilayer wiring is formed on or under the main conductive layer formed of A1 or A1 alloy and in contact with the main conductive layer. A semiconductor device having a multilayer wiring having a first high melting point metallurgy having a thickness of about 2 nm to about 7 nm is provided.

본 발명의 다른 관점에 의하면, 각각이, A1 또는 A1 합금의 주 도전층과 고융점 금속층을 직접 접촉하여 적층한 적층 구조를 포함하는 다층 배선에 있어서, 상기 고융점 금속층의 두께가 하층 배선으로 됨에 따라 단조 감소하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, in the multilayer wiring including a laminated structure in which each of the main conductive layer and the high melting point metal layer of A1 or A1 alloy is laminated in direct contact, the thickness of the high melting point metal layer is a lower layer wiring. There is provided a semiconductor device having a multilayer wiring that monotonically decreases.

본 발명의 다른 관점에 의하면, A1 또는 A1 합금의 주 도전층과 고융점 금속층을 직접 접촉하여 적층한 적층 구조를 포함하는 배선층을 복수층 겹쳐서 다층 배선을 제조하는 공정을 포함하고, 상층 배선으로 됨에 따라 A1과 고융점 금속과의 반응을 허용하도록 배선 형성 조건이 선택되어 있는 반도체 장치의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a step of overlapping a plurality of wiring layers including a laminated structure in which the main conductive layer of A1 or A1 alloy and the high melting point metal layer are stacked in direct contact with each other to produce a multilayer wiring, and thus the upper wiring. There is thus provided a method of manufacturing a semiconductor device in which wiring formation conditions are selected to allow a reaction between A1 and a high melting point metal.

A1(A1 합금)층과 고융점 금속층을 접촉시켜서 적층하고, 열처리를 가하면 A1과 고융점 금속의 합금(고융점 금속이 Ti인 경우 A13Ti)이 형성되고, 저항이 높아짐이 알려져 있다. A1(A1 합금)의 주 도전층 상에, 고융점 금속 질화물의 베리어층을 형성하도록 하려면, N2를 포함하는 분위기 중에서의 고융점 금속의 스퍼터링시에, A1(A1 합금)의 주 도전층 표면에 A1 질화물이 형성될 가능성이 있다.It is known that when an A1 (A1 alloy) layer and a high melting point metal layer are contacted and laminated, and heat treatment is applied, an alloy of A1 and a high melting point metal (A1 3 Ti when the high melting point metal is Ti) is formed and the resistance is high. To form a barrier layer of high melting point metal nitride on the main conductive layer of A1 (A1 alloy), the surface of the main conductive layer of A1 (A1 alloy) during sputtering of a high melting point metal in an atmosphere containing N 2 There is a possibility that A1 nitride is formed at.

주 도전층 상에 A1 질화물이 형성되면, 배선층이 접촉 저항은 현저히 증대한다. A1 질화물의 생성을 방지하기 위해서는, 고융점 금속 질화물층 형성 전에 얇게 고융점 금속층을 형성함이 유효하다. 그러면, A1 합금/고융점 금속 적층이 필연적으로 생긴다.When A1 nitride is formed on the main conductive layer, the contact resistance of the wiring layer is significantly increased. In order to prevent the formation of A1 nitride, it is effective to form a thin high melting point metal layer before forming the high melting point metal nitride layer. This inevitably results in an Al alloy / high melting metal stack.

본 발명자가 행한 실험에 의하면, A1(A1 합금)의 주 도전층 상의 고융점 금속층의 두께를 4 ∼ 7nm로 선택하면, 사용에 있어서의 저항값의 증대를 방지하고, 수명을 길게 함에 현저히 유효하다고 판단됐다.According to an experiment conducted by the present inventors, if the thickness of the high melting point metal layer on the main conductive layer of A1 (A1 alloy) is selected to be 4 to 7 nm, it is remarkably effective in preventing the increase in the resistance value in use and extending the life. It was judged.

A1과 고융점 금속과의 반응은, A1를 소비하여 배선층의 저항을 증가시키지만, 일렉트로마이그레이션에 대한 내성을 증가시킨다. 따라서, 어느 정도까지는 A1과 고융점 금속과의 반응을 허용함이 바람직한 경우도 있다.The reaction of A1 with the high melting point metal consumes A1 to increase the resistance of the wiring layer, but increases the resistance to electromigration. Thus, to some extent, it may be desirable to allow the reaction of A1 with the high melting point metal.

다층 배선을 구성하는 배선층은, 그 레벨에 따라서 다른 열이력을 받는다.The wiring layer constituting the multilayer wiring receives different thermal history depending on its level.

상승 배선으로 됨에 따라서, 받는 열처리의 양은 감소한다. A1(A1 합금)/고융점 금속 적층을 갖는 다층 배선에 있어서, A1과 고융점 금속의 반응이 진행하는 경우, 반응의 정도는 상층 배선으로 됨에 따라 감소한다. 배선 형성 조건을 선택함에 의해 A1과 고융점 금속과의 반응을 제어함이 가능하다.As the rise wiring becomes, the amount of heat treatment received decreases. In a multilayer wiring having A1 (A1 alloy) / high melting metal stack, when the reaction between A1 and the high melting metal proceeds, the degree of reaction decreases as the upper wiring becomes. By selecting the wiring formation conditions, it is possible to control the reaction between A1 and the high melting point metal.

하층 배선에서 A1과 고융점 금속과의 과도한 반응을 방지함에는, 고융점 금속층의 두께가 하층 배선으로 됨에 따라서 단조 감소하도록 하던가 상층으로 됨에 따라서 배선 형성 온도를 단조 증가하도록 하면 좋다. A1과 고융점 금속의 합금화에 의한 나쁜 영향을 억제하고, 좋은 영향을 보증할 수 있다.In order to prevent excessive reaction between A1 and the high melting point metal in the lower layer wiring, the thickness of the high melting point metal layer may be monotonously reduced as the lower layer wiring is formed, or the wiring formation temperature may be monotonously increased as the upper layer is formed. The bad effect by alloying A1 and a high melting point metal can be suppressed, and a good effect can be ensured.

이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명자가 행한 실험과 그 결과를 순차 설명한다. 고융점 금속으로서 Ti를 사용했다.Experiments performed by the present inventors and the results will be described sequentially. Ti was used as the high melting point metal.

도 1a에 나타낸 바와 같은 적층 배선의 성질을 조사했다. 샘플의 구성은, Si 기판(11)의 표면상에, 필드 산화막 등의 절연층(12)을 형성하고, 그 위에 하측 Ti층(13), 하측 TiN층(14), 주 도전층으로 되는 A1-Cu 합금층(15), 상측 Ti층(16), 상측 TiN층(17)을 적층한 것이다. 하측 Ti층(13)에서 상측 TiN층(17)까지 5층의 적층에 의해서 1개의 배선층(W)을 구성한다.The properties of the laminated wirings as shown in FIG. 1A were examined. The sample is composed of an insulating layer 12 such as a field oxide film formed on the surface of the Si substrate 11, and the lower Ti layer 13, the lower TiN layer 14, and A1 serving as a main conductive layer thereon. -The Cu alloy layer 15, the upper Ti layer 16, and the upper TiN layer 17 are laminated. One wiring layer W is formed by laminating five layers from the lower Ti layer 13 to the upper TiN layer 17.

이 구성에 있어서, A1-Cu 합금층(15)과 그 위에 상측 Ti층(16)이 직접 접하고 있어, 열처리에 의한 합금 생성이 문제가 된다. 종래의 기술에 있어서는, 상측 Ti층(16)은 두께 20nm 정도로 형성되었다. 상층 Ti층(16)을 작성하지 않는 배선 구조도 알려져 있으나, 상측 TiN층(17)을 형성할 때에 A1-Cu 합금층(15) 표면에 A1질화물이 형성되면, 그 위에 플러그 등을 형성한 때의 접촉 저항이 높아진다.In this configuration, the A1-Cu alloy layer 15 is directly in contact with the upper Ti layer 16, and alloy generation by heat treatment becomes a problem. In the prior art, the upper Ti layer 16 is formed to a thickness of about 20 nm. Although a wiring structure in which the upper Ti layer 16 is not formed is also known, when A1 nitride is formed on the surface of the A1-Cu alloy layer 15 when the upper TiN layer 17 is formed, a plug or the like is formed thereon. The contact resistance of becomes high.

이하에 설명하는 실험에 있어서 사용한 샘플은, 다음과 같은 조건에서 작성했다.The sample used in the experiment demonstrated below was created on condition of the following.

Si 기판 상에 열산화막(SiO2)을 두께 100nm 성장시키고 그 위에 적층 배선층을 스퍼터링으로 성장했다. 하측 Ti층(13), 상측 Ti층(16)은, 스퍼터링 전력 2kW, Ar 가스압 1mTorr에서 형성했다. 하측 TiN측(14), 상측 TiN층(17)은, 스퍼터링 전력 5kW, Ar : N 가스 유량비 1 : 1, 분위기 가스압 3mTorr에서 성장했다. A1-0.5% Cu 합금층(15)은, 스퍼터링 전력 10kW, Ar 가스압 3mTorr에서 성장했다. 또한, 스퍼터링 장치는 진공 반송을 행하는 멀티-챔버 시스템에 사용했다.A thermal oxide film (SiO 2 ) was grown to a thickness of 100 nm on the Si substrate, and the laminated wiring layer was grown by sputtering thereon. The lower Ti layer 13 and the upper Ti layer 16 were formed at sputtering power of 2 kW and Ar gas pressure of 1 mTorr. The lower TiN side 14 and the upper TiN layer 17 were grown at a sputtering power of 5 kW, an Ar: N gas flow rate ratio of 1: 1, and an atmospheric gas pressure of 3 mTorr. The A1-0.5% Cu alloy layer 15 was grown at a sputtering power of 10 kW and an Ar gas pressure of 3 mTorr. In addition, the sputtering apparatus was used for the multi-chamber system which performs a vacuum conveyance.

적층 배선층(W)의 저항은, 초기 작성 직후에 초기 시트 저항을 측정하고, 그 후 400℃, 30분간의 열처리를 단위로 하여 복수회의 열처리를 행하고, 열처리를 할 때마다 시트 저항을 측정했다. 저항 측정은, 과전류에 의해 웨이퍼 내의 9점을 측정하여, 그 평균을 구했다.As for the resistance of the laminated wiring layer W, the initial sheet resistance was measured immediately after the initial preparation, and after that, a plurality of heat treatments were performed in units of heat treatment at 400 ° C. for 30 minutes, and the sheet resistance was measured each time the heat treatment was performed. The resistance measurement measured 9 points in a wafer by overcurrent, and calculated | required the average.

도 1b는 열처리의 회수에 대한 시트 저항의 변화를 나타내는 그래프이다. 도면에서, 곡선(R0)은, 두께 20nm의 하측 Ti층(13) 상에, 하측 TiN층(14), A1 합금층(15)을 형성하고, 상측 Ti층(16)은 형성하지 않고, 직접 상층 TiN층(17)을 형성한 샘플을 나타낸다. 곡선(R1)은, A1합금층(15) 상에, 두께 5nm의 상측 Ti층(16)을 형성한 샘플을 나타낸다. 곡선(R1)은, A1 합금층(15) 상에, 두께 10nm의 상측 Ti층(16)을 형성한 샘플을 나타낸다. 곡선(R3)은, A1 합금층(15) 상에, 두께 20nm의 상측 Ti층(16)을 형성한 샘플을 나타낸다.1B is a graph showing the change in sheet resistance with respect to the recovery of heat treatment. In the figure, the curve R0 forms the lower TiN layer 14 and the A1 alloy layer 15 on the lower Ti layer 13 having a thickness of 20 nm, and does not form the upper Ti layer 16. The sample in which the upper TiN layer 17 was formed is shown. Curve R1 represents a sample in which the upper Ti layer 16 having a thickness of 5 nm is formed on the A1 alloy layer 15. Curve R1 represents a sample in which the upper Ti layer 16 having a thickness of 10 nm is formed on the A1 alloy layer 15. Curve R3 represents a sample in which the upper Ti layer 16 having a thickness of 20 nm is formed on the A1 alloy layer 15.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 각 샘플에 있어서 열처리를 되풀이 할 때마다 저항은 상승한다. 각 샘플간의 특성을 비교하면, 상측 Ti층(16)을 갖지 않는 샘플(R0)이 가장 저 저항이고, A1 합금층(15) 상에 접촉하는 상측 Ti층(16)의 두께가 증대하는 만큼 저항은 커진다. 이 결과로부터, 상측 Ti층(16)은 얇은 만큼 배선층의 저항이 낮고, 상측 Ti층이 없는 쪽이 상측 Ti층을 설치한 때보다 배선층의 저항이 낮아, 바람직하게 된다.As can be seen from the figure, the resistance increases as the heat treatment is repeated in each sample. Comparing the characteristics between the samples, the sample R0 without the upper Ti layer 16 has the lowest resistance, and the resistance increases as the thickness of the upper Ti layer 16 in contact with the A1 alloy layer 15 increases. Becomes large. As a result, the upper the Ti layer 16 is, the lower the resistance of the wiring layer is, and the resistance of the wiring layer is lower than that in which the upper Ti layer is not provided than when the upper Ti layer is provided.

도 2는, 도 1a에 나타낸 바와 같은 적층 배선층을 기본 단위로 하여 다층 배선을 형성한 샘플의 구성을 나타낸다.FIG. 2: shows the structure of the sample in which the multilayer wiring was formed using the laminated wiring layer as a base unit as shown in FIG. 1A.

Si 기판(11) 상에, 플라즈마 TEOS(테트라에톡실란)에 의한 Si 산화막(12)을 두께 500nm 성장시켰다. Si 산화막(12) 상에, 제 1 배선층(W1)을 도 1a를 참조하여 설명한 샘플과, 동일한 공정에 의해 작성했다. 제 1 배선층(W1) 상에, 레지스트 패턴을 작성하고, 반응성 이온 애칭(RIE)에 의해 레지스터 패턴에 따라 배선 형상을 가공했다.On the Si substrate 11, the Si oxide film 12 by plasma TEOS (tetraethoxysilane) was grown 500 nm in thickness. On the Si oxide film 12, the 1st wiring layer W1 was created by the same process as the sample demonstrated with reference to FIG. 1A. The resist pattern was created on the 1st wiring layer W1, and the wiring shape was processed according to the resist pattern by reactive ion etching (RIE).

제 1 배선층(W1)을 덮도록, 실리콘 산화막(19)을 두께 2000nm 성장시키고, 화학 기계 연마(CMP)에 의해 표면을 평탄화했다. Si 산화막(19) 표면상에 배선층 접속부에 대응한 개구를 갖는 레지스트 패턴을 작성하고, RIE에 의해 접속 구멍(H1)을 형성했다. RF 역 스퍼터크리링을 행하여 접속 구멍 안을 세척한 후, TiN층(20)을 두께 50nm 스퍼터링으로 형성하고, 그 후 텅스텐층(21)을 두께 500nm CVD에 의해 형성했다. 이어서, 드라이 애칭에 의해서 W층을 전면 에칭하여, 접속구멍(H1) 내부에만 W영역(21)을 남긴다.The silicon oxide film 19 was grown to a thickness of 2000 nm so as to cover the first wiring layer W1, and the surface was flattened by chemical mechanical polishing (CMP). The resist pattern which has the opening corresponding to the wiring layer connection part was created on the surface of the Si oxide film 19, and the connection hole H1 was formed by RIE. After the RF reverse sputter cleaning was performed to wash the inside of the connection hole, the TiN layer 20 was formed by 50 nm thickness sputtering, and then the tungsten layer 21 was formed by 500 nm thickness CVD. Subsequently, the W layer is entirely etched by dry etching, leaving the W region 21 only inside the connection hole H1.

접속 구멍(H1) 내의 TiN층(20) 및 텅스텐 영역(21)이 도전성 플러그(P1)를 구성한다. 플러그(P1)를 포함하는 층간 절연층(19) 표면상에, 도 1a에 나타낸 배선층(W)과 같은 구성을 갖는 제 2 배선층(W2)을 형성했다. 제 2 배선층(W2) 상에 레지스트 패턴을 형성하고, RIE에 의해서 가공을 행하여, 제 2 배선층(W2)의 패턴을 얻었다. 이 결과, 제 1 배선층(W1)과 제 2 배선층(W2)은 플러그(P1)를 통해서 전기적으로 접속된다.The TiN layer 20 and the tungsten region 21 in the connection hole H1 constitute the conductive plug P1. On the surface of the interlayer insulating layer 19 including the plug P1, a second wiring layer W2 having the same configuration as that of the wiring layer W shown in Fig. 1A was formed. The resist pattern was formed on the 2nd wiring layer W2, and it processed by RIE, and obtained the pattern of the 2nd wiring layer W2. As a result, the first wiring layer W1 and the second wiring layer W2 are electrically connected through the plug P1.

또한, 제 2 배선층(W2)을 덮도록, CVD에 의해 Si 산화막(24)을 두께 2000nm 형성하고, CMP에 의해 표면을 평탄화했다. 층간 절연층(24) 표면상에 레지스트 패턴을 형성하고, RIE를 행함으로써, 접속 구멍(H2)을 형성했다. 이 접속 구멍 안을 매립하도록, 최상층 배선을 형성했다. 최상층 배선은, 접속 구멍 안을 RF 역 스퍼터링에 의해 세척한 후, 두께 30nm의 Ti(25)과, 두께 600nm의 A1-Cu 합금층(26)을 성장시킴으로써 행했다. 최상층 배선 상에, 레지스트 패턴을 형성하고, 최상층 배선층을 패터닝했다.Moreover, 2000 nm of Si oxide films 24 were formed by CVD so that the 2nd wiring layer W2 might be covered, and the surface was planarized by CMP. A connection pattern H2 was formed by forming a resist pattern on the surface of the interlayer insulating layer 24 and performing RIE. The uppermost wiring was formed so as to fill this connection hole. The uppermost layer wiring was performed by growing Ti (25) with a thickness of 30 nm and A1-Cu alloy layer 26 with a thickness of 600 nm after washing the inside of the connection hole by RF reverse sputtering. On the uppermost wiring, a resist pattern was formed, and the uppermost wiring layer was patterned.

최상층 배선층을 덮도록, 플라즈마 CVD에 의해 Si 산화막(27)을 두께 2000nm 형성하고, 그 위에 SiN막(28)을 두께 500nm 성장시켯다. SiN막(28), Si 산화막(27)을 관통하여 패드 구멍을 형성하고, 최상층 배선의 소망 영역을 노출시켰다. 그 후, Si 기판(11)의 배면을 연삭했다. 이와 같이 작성한 샘플에 대해서, 400℃, 30분의 열처리를 되풀이했다.A 2000 nm thick Si oxide film 27 was formed by plasma CVD to cover the uppermost wiring layer, and a 500 nm thick SiN film 28 was grown thereon. Pad holes were formed through the SiN film 28 and the Si oxide film 27 to expose a desired region of the uppermost wiring. Thereafter, the back surface of the Si substrate 11 was ground. About the sample thus created, heat treatment at 400 ° C. for 30 minutes was repeated.

도 3은, 켈빈(Kelvin) 패턴에 의한 비어 저항의 Ti층 두께 의존성 실험을 나타낸다.3 shows the Ti layer thickness dependency experiment of the via resistance by Kelvin pattern.

도 3a는, 켈빈 패턴의 형성을 개략적으로 나타낸다. 제 1 배선층(W1)은, 중간부분에서 거의 직각으로 굽어 있고, 굴곡부에서 접속 구멍 안의 플러그(P)에 의해 제 2 배선층(W2)에 접속되어 있다. 제 1 배선층(W1) 및 제 2 배선층(W2)은, 각각 양단에서 패드(T1, T2 및 T3, T4)에 접속되어 있다. 패드(T1)에서 패드(T3)로 향해 전류(i)가 흐르게 하고, 패드(T2, T4)간에 전압을 측정함으로써, 비어 저항을 측정한다. 또한, 배선층의 폭은 0.54㎛, 비어 구멍은 직경 0.44㎛ 이었다. 저항 측정은, 통상의 프로브를 사용하고, 4단점으로 측정했다. 샘플로서는, 상측 Ti층의 두께를 0nm, 5nm, 10nm, 20nm로 변화시켜, 동일 구성의 샘플을 각각 108개 사용했다.3A schematically illustrates the formation of a Kelvin pattern. The first wiring layer W1 is bent at an almost right angle in the middle portion and is connected to the second wiring layer W2 by the plug P in the connection hole at the bent portion. The first wiring layer W1 and the second wiring layer W2 are connected to the pads T1, T2, T3, and T4 at both ends, respectively. The via resistance is measured by allowing a current i to flow from the pad T1 to the pad T3 and measuring the voltage between the pads T2 and T4. Moreover, the width | variety of the wiring layer was 0.54 micrometer, and the via hole was 0.44 micrometer in diameter. The resistance was measured at four points using a normal probe. As a sample, the thickness of the upper Ti layer was changed into 0 nm, 5 nm, 10 nm, and 20 nm, and 108 samples of the same structure were used, respectively.

도 3b는, 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도면에서 횡축은 켈빈 비어 저항을 단위 Ω으로 나타내고, 종축은 동일 켈빈 비어 저항이 출현하는 누적 빈도를 %로 나타낸다.3B is a graph showing a measurement result. In the figure, the abscissa represents the Kelvin via resistance in units of Ω, and the ordinate represents the cumulative frequency of the appearance of the same Kelvin via resistance in%.

곡선(CP0, CP1, CP2, CP3)은, 각각 상측 Ti층의 두께가 0nm, 5nm, 10nm, 20nm의 샘플을 표시한다. 도면에서 측정점은 우측으로 갈수록 저항이 높고, 나쁜 결과를 나타내다. 또한, 곡선의 경사가 낮은 만큼 분포가 넓고, 나쁜 결과를 나타낸다, 상측 Ti층을 갖지 않는 곡선(CP0)은, 저항 자체도 크고, 분포도 큰 나쁜 결과를 나타낸다.Curves CP0, CP1, CP2, and CP3 represent samples with thicknesses of the upper Ti layer of 0 nm, 5 nm, 10 nm, and 20 nm, respectively. In the figure, the measuring point has a higher resistance toward the right side, and shows a bad result. Further, the lower the slope of the curve, the wider the distribution, and the worse the result. The curve CP0 without the upper Ti layer has a bad resistance and a bad distribution.

상측 Ti층을 형성한 곡선(CP1, CP2, CP3)은, 상측 Ti층을 갖지 않는 곡선(CP0)에 대해서, 현저하게 저항이 낮아지고, 곡선의 기울기도 급하게 되어 분포가 좁아지고, 개량된 결과를 나타낸다. 또한, 상측 Ti층의 두께에 의한 차이는 그다지 안정되지 않는다. 이 결과로부터, 플러그를 통해서 배선층간을 접속하는 구성에 있어서는, 상측 Ti층을 형성함이 매우 바람직하고, 거의 불가결하다고 판단된다.The curves CP1, CP2, CP3 in which the upper Ti layer is formed have a significantly lower resistance to the curve CP0 having no upper Ti layer, and the slope of the curve is also abrupt, resulting in a narrower distribution and improved results. Indicates. In addition, the difference by the thickness of the upper Ti layer is not very stable. From this result, in the structure which connects between wiring layers through a plug, it is very preferable to form an upper Ti layer, and it is judged that it is indispensable.

도 4는, 단일 배선층 내에 있어서의 일렉트로마이그레이션의 실험을 나타낸다. 도 4a는, 샘플의 배선 패턴을 나타내는 개략적 평면도이다. 배선층(W)은, 양단에 패드(T5, T6)를 갖고, 패드(T5)에서 패드(T6)를 향해 전류가 흐른다. 배선층(W)의 중간에, 패드(T7, T8)가 더 접속하고, 배선층 내에 있어서의 전압 강하를 측정한다.4 shows an experiment of electromigration in a single wiring layer. 4A is a schematic plan view showing a wiring pattern of a sample. The wiring layer W has pads T5 and T6 at both ends, and a current flows from the pad T5 toward the pad T6. The pads T7 and T8 are further connected in the middle of the wiring layer W, and the voltage drop in the wiring layer is measured.

이 실험에 사용한 샘플은, 도 1a에 나타낸 바와 같은 구성이고, Si 기판(11)상에 플라즈마TEOS의 Si 산화막(12)을 두께 500nm 성장시키고, 그 위에, 도 1a를 참조하여 설명한 공정에 의해 적층 배선층(W)을 형성했다. 상측 Ti층의 두께는, 상술한 경우와 같이, 0nm, 5nm, 10nm, 20nm로 변화시켰다. 이 배선층 상에, 레지스트 패턴을 형성하고, RIE를 행하여 배선층(W)을 패터닝했다. 배선 패턴(W) 의 폭은, 0.6㎛, 2㎛, 8㎛로 변화시켰다. 배선층(W) 상에, 플라즈마 TEOS의 Si 산화막을 2000nm 성장시키고, CMP에 의해서 평탄화하여 절연막을 형성했다. 절연막을 관통하여, 패드로 이르는 개구를 레지스트 패턴과 RIE를 사용한 패터닝에 의해 형성했다. 그 후, 450℃, 30분간의 아닐링을 10회 행했다.The sample used for this experiment is the structure as shown in FIG. 1A, The Si oxide film 12 of plasma TEOS is grown 500 nm in thickness on the Si substrate 11, and is laminated on it by the process demonstrated with reference to FIG. 1A. The wiring layer W was formed. The thickness of the upper Ti layer was changed to 0 nm, 5 nm, 10 nm, and 20 nm as in the case described above. On this wiring layer, a resist pattern was formed, RIE was performed, and the wiring layer W was patterned. The width of the wiring pattern W was changed to 0.6 micrometer, 2 micrometers, and 8 micrometers. On the wiring layer W, a 2000 nm Si oxide film of plasma TEOS was grown and planarized by CMP to form an insulating film. Openings that penetrated through the insulating film and reached the pads were formed by patterning using a resist pattern and RIE. Thereafter, annealing at 450 ° C. for 30 minutes was performed 10 times.

실험에 있어서의 평가 방법은, 배선(W)의 양단(T5, T6)에 전류가 흐르게 하고, 저항값을 모니터한다. 저항값이 20% 상승한 때, 그 샘플은 불량으로 판단한다. 동일 조건으로 20개의 샘플을 실험하고, 불량수가 대수 정규 분포에 따른다고 가정하여, 50%가 불량으로 되는 50% 불량 시간 t50을 평가한다. 전류 밀도는, 각 배선폭의 샘플에서 공통으로 20MA/㎠로 설정했다. 즉, 배선층 폭이 넓은 경우, 그 만큼 많은 전류를 흘렸다. 샘플의 방치 온도는 250℃이었다.In the evaluation method in the experiment, current flows through both ends T5 and T6 of the wiring W, and the resistance value is monitored. When the resistance value increases by 20%, the sample is judged to be defective. Twenty samples are tested under the same conditions, and assuming that the number of defects follows the lognormal distribution, 50% failure time t50 where 50% becomes defective is evaluated. Current density was set to 20 MA / cm <2> in common in the sample of each wiring width. That is, when the wiring layer width is wide, much current flowed by that much. The standing temperature of the sample was 250 degreeC.

도 4b는 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 횡축은 상측 Ti층의 두께를 단위 nm로 나타내고, 종축은 50% 불량 시간(t50)을 단위 시간(hrs)로 나타낸다.4B is a graph showing the experimental results. The horizontal axis represents the thickness of the upper Ti layer in unit nm, and the vertical axis represents the 50% defective time t50 in unit time (hrs).

배선폭이 0.6㎛인 샘플을 나타내는 곡선(L1)은, 상측 Ti층의 두께 5nm에서 최대치를 나타내고, 제 2 Ti층의 두께가 두꺼워짐에 따라 감소하는 결과를 나타낸다. 또한, 상측 Ti층을 갖지 않는 경우의 50% 불량 신간은 최대치보다 1 자릿수 이상 감소한다. 배선폭이 2㎛인 샘플을 나타내는 곡선(L2)은, 상측 Ti층을 형성하지 않는 경우, 50% 불량 시간이 가장 짧고, 상측 Ti층을 형성하면, 그 두께에 관계없이, 50% 불량 시간(t50)은 개량된 거의 일정한 값을 나타낸다.Curve L1 representing a sample having a wiring width of 0.6 μm indicates a maximum value at a thickness of 5 nm of the upper Ti layer, and shows a result of decreasing as the thickness of the second Ti layer becomes thicker. In addition, 50% defective new sheets when not having an upper Ti layer are reduced by one or more orders of magnitude from the maximum value. The curve L2 representing a sample having a wiring width of 2 μm has the shortest 50% failure time when the upper Ti layer is not formed, and the 50% failure time when the upper Ti layer is formed, regardless of its thickness. t50) represents an improved almost constant value.

배선폭이 8㎛인 샘플을 나타내는 곡선(L3)은, 상측 Ti층을 갖지 않는 경우, 50% 불량 시간(t50)이 최소치를 나타내고, 상측 Ti층이 5nm, 10nm로 됨에 따라서 50% 불량 시간(t50)은 개선된다.The curve L3 representing a sample having a wiring width of 8 μm shows a 50% failure time t50 when the upper Ti layer does not have a minimum value, and a 50% failure time as the upper Ti layer becomes 5 nm and 10 nm. t50) is improved.

도 4b에 나타낸 결과는, 배선폭에 의해 달라진 거동을 나타낸다. 배선폭이 넓은 경우(2㎛, 8㎛), A1 합금층 상에 직접 TiN층을 성장시키면, 수명이 짧아짐이 나타났다. 이것은, 일반적으로 알려져 있는 사실과 일치한다. 배선폭이 좁은 경우(0.6㎛), 상측 Ti층의 두께가 5nm 주변에서 특징적인 최대치를 나타낸다. 보다 구체적으로는, 2853 시간의 시험을 행하여, 20개의 샘플중 3개밖에 불량이 되지 않았다.The result shown in FIG. 4B shows the behavior changed by the wiring width. When the wiring width was wide (2 µm, 8 µm), when the TiN layer was grown directly on the A1 alloy layer, the life was shortened. This is consistent with a generally known fact. When the wiring width is narrow (0.6 mu m), the thickness of the upper Ti layer shows a characteristic maximum around 5 nm. More specifically, the test was conducted for 2853 hours and only 3 out of 20 samples were defective.

도 5는, 길이 의존 일렉트로마이그레이션(LDEM, length dependence electromigration)의 실험을 나타낸다.5 shows an experiment of length dependence electromigration (LDEM).

도 5a는, 샘플의 구성을 개략적으로 나타낸다. Si 기판(11)상에, 두께 500nm의 Si 산화막(21)을 플라즈마 TEOS에 의해 형성하고, 그 위에 제 1 배선층(W11, W12, ...), 제 2 배선층(W21, W22, ..)을 플러그(P1, P2, ...)를 통해서 접속한 구조를 작성했다. 배선 구조의 작성은, 도 2를 참조하여 설명한 공정과 마찬가지이다. Si 기판의 배면 연삭후, 400℃, 30분간의 열처리를 5회 행했다.5A schematically shows a configuration of a sample. On the Si substrate 11, a Si oxide film 21 having a thickness of 500 nm is formed by plasma TEOS, and the first wiring layers W11, W12, ..., and the second wiring layers W21, W22, ... are formed thereon. The structure which connected the through the plug P1, P2, ... was created. Creation of a wiring structure is the same as the process described with reference to FIG. 2. After back grinding of the Si substrate, heat treatment at 400 ° C. for 30 minutes was performed five times.

샘플의 형상은, 배선폭이 0.54㎛이고, 플러그(P1, P2, ...)를 형성하는 접속 구멍의 직경은 0.5㎛이다. 제 1 배선층(W11, W12, ...)과 제 2 배선층(W21, W22, ...)은 교호로 플러그(P1, P2, ...)로 접속되었다.The shape of the sample is 0.54 micrometer in wiring width, and the diameter of the connection hole which forms plug P1, P2, ... is 0.5 micrometer. The first wiring layers W11, W12, ... and the second wiring layers W21, W22, ... were alternately connected by plugs P1, P2, ....

배선층의 길이는, 2㎛(W11)-2㎛(W21)-5㎛(W12)-5㎛(W22)-10㎛(W13)-10㎛(W23)-20㎛(W14)-20㎛(W24)-50㎛(W15)-50㎛(W25)-100㎛(W16)-100(W26)-200㎛(W17)-200㎛(W27)으로 서서히 변화시켜 접속했다.The length of the wiring layer is 2 μm (W11) -2 μm (W21) -5 μm (W12) -5 μm (W22) -10 μm (W13) -10 μm (W23) -20 μm (W14) -20 μm ( W24) -50 micrometers (W15) -50 micrometers (W25) -100 micrometers (W16) -100 (W26) -200 micrometers (W17) -200 micrometers (W27) It connected gradually.

측정은, 샘플을 250℃의 분위기 중에 유지하고, 2mA의 전류를 패턴 양단으로부터 흐르게 하고, 접속한 배선의 저항을 5분 간격으로 모니터했다. 저항기 초기 저항보다 20% 높아졌을 때, 배선이 불량이 되었다고 정의한다. 동일 조건으로 20개의 샘플을 평가하고, 불량수는 대수 정규 분포에 따른다고 가정하여, 50% 불량시간(t50)을 산출했다.The measurement kept the sample in 250 degreeC atmosphere, made the electric current of 2 mA flow through the pattern, and monitored the resistance of the connected wiring every 5 minutes. When the resistor is 20% higher than the initial resistance, the wiring is defined as defective. Twenty samples were evaluated under the same conditions, and 50% failure time t50 was calculated assuming that the defective number was in the lognormal distribution.

도 5b는, 측정 결과를 나타낸다. 횡축은 상측 Ti층의 두께를 단위 nm로 나타내고, 종축은 50% 불량 시간(t50)을 단위 시간(hrs)으로 나타낸다. 곡선(L4)은, 배선층 촉이 0.54㎛의 접속 배선에 대한 LDEM을 나타낸다. 상측 Ti층의 두께가 0nm에서 5nm로 되면, LED의 50% 불량 시간은 조금 개선된다. 상측 Ti층의 두께가 5nm에서 10nm로 증가하면, LEDM의 50% 불량 시간(t50)은 급속히 저하하고, 그 후 상측 Ti층의 두께를 증가시키면, 더욱 완만하게 감소한다.5B shows the measurement result. The horizontal axis represents the thickness of the upper Ti layer in unit nm, and the vertical axis represents the 50% defective time t50 in unit time (hrs). Curve L4 shows the LDEM for the connection wiring whose wiring layer tip is 0.54 µm. When the thickness of the upper Ti layer is from 0 nm to 5 nm, the 50% failure time of the LED is slightly improved. As the thickness of the upper Ti layer increases from 5 nm to 10 nm, the 50% failure time t50 of the LEDM decreases rapidly, and then increases more slowly if the thickness of the upper Ti layer is increased.

상측 Ti층의 두께가 20nm인 때 50% 불량 시간에서도 최대한 사용할 수 있는 값이지만, 마진이 작아 관리상 엄격한 조건이 된다. 제 2 Ti층의 두께가 10nm로 되면, 약간 수명이 길어진다. 제 2 Ti층의 두께가 5nm이 경우, 수명은 대폭으로 길어지고, 매우 우수한 결과를 나타낸다.When the thickness of the upper Ti layer is 20 nm, the maximum value can be used even at 50% defective time, but the margin is small, which is a strict condition for management. When the thickness of the second Ti layer is 10 nm, the service life is slightly longer. In the case where the thickness of the second Ti layer is 5 nm, the service life is significantly long, and very excellent results are obtained.

상측 Ti층을 작성하지 않는 경우도, 상측 Ti층이 5nm 두께인 때에 조금 양호한 결과를 나타낸다. 단, 도 3b의 실험 결과에 나타낸 바와 같이, 상측 Ti층을 사용하지 않으면, 비어 저항의 값이 높아지고, 도 4b의 실험결과에 나타낸 바와 같이, 동일 배선층 내의 50% 불량 시간이 낮아진다.Even when the upper Ti layer is not prepared, a slightly better result is obtained when the upper Ti layer is 5 nm thick. However, as shown in the experimental result of FIG. 3B, when the upper Ti layer is not used, the value of the via resistance increases, and as shown in the experimental result of FIG. 4B, the 50% failure time in the same wiring layer is lowered.

이상의 결과를 종합하면, A1(A1 합금)층에 직접 접촉하는 Ti층을 형성하는 경우, 그 두께를 2nm ∼ 7nm, 보다 바람직하게는 4nm ∼7nm 범위 내로 선택함으로써 임계적으로 우수한 결과가 얻어진다고 판단한다.In summary, in the case of forming a Ti layer in direct contact with the A1 (A1 alloy) layer, it is judged that a critically superior result is obtained by selecting the thickness within the range of 2 nm to 7 nm, more preferably 4 nm to 7 nm. do.

도 6은, 상측 Ti층의 두께를 변화시킨 샘플의 열처리 후의 단면 TEM 사진의 스케치를 나타낸다. 도 6a는, 상측 Ti층(16)이 두께 5nm인 경우를 나타낸다. A1 합금층(15)은, 결정립을 형성하고, 결정립이 접하는 입계 영역에서, 상측 Ti층과 A1이 반응한 A1-Ti 반응물 영역(18)이 나타낸다. 단, A1 결정립 상에서는, 상측 Ti층(16)은 거의 A1과 반응하지 않고, Ti층이 그대로 남아있다.6 shows a sketch of a cross-sectional TEM photograph after heat treatment of a sample in which the thickness of the upper Ti layer is changed. 6A shows the case where the upper Ti layer 16 is 5 nm in thickness. The A1 alloy layer 15 forms crystal grains, and the A1-Ti reactant region 18 which the upper Ti layer and A1 reacted in the grain boundary region which a crystal grain contacts is shown. However, on the A1 crystal grain, the upper Ti layer 16 hardly reacts with A1, and the Ti layer remains as it is.

도 6b는, 상측 Ti층의 두께를 10nm로 한 샘플의 단면 구조를 나타낸다. 이 샘플에 있어서는 A1 합금층(15)의 결정립 상방에서도 상측 Ti층은 소멸하고, A1과 Ti가 반응한 A1-Ti 반응물(18)이 형성되어 있다. A1-Ti 반응물은, Al3Ti로 인식되고, 초기의 상측 Ti층(두께 10nm) 보다도 증대한 두께를 갖는다.6B shows a cross-sectional structure of a sample in which the thickness of the upper Ti layer is 10 nm. In this sample, the upper Ti layer disappears even above the grains of the A1 alloy layer 15, and the A1-Ti reactant 18 in which A1 and Ti reacted is formed. The A1-Ti reactant is recognized as Al 3 Ti, and has a thickness increased from the initial upper Ti layer (thickness 10 nm).

도 6c는, 상측 Ti층의 두께를 20nm로 한 경우의 샘플의 구성을 나타낸다. A1 함금층(15)의 결정립 상방에서도, 상측 Ti층은 소멸하고, A1-Ti 반응물(18)이 보다 두껍게 형성되어, A1 합금층(15)의 두께는 얇아진다.Fig. 6C shows the structure of the sample in the case where the thickness of the upper Ti layer is 20 nm. Even above the grains of the A1 alloy layer 15, the upper Ti layer disappears, and the A1-Ti reactant 18 is formed thicker, and the thickness of the A1 alloy layer 15 becomes thinner.

이유는 아직까지 불명하지만, A1(A1 합금)층 상에, 얇은 Ti층을 형성한 경우, 열처리를 행하여도 A1과 Ti의 반응이 억제되고, 입계부에서만 A1-Ti 반응이 진행된다고 판단된다.Although the reason is still unknown, when a thin Ti layer is formed on the A1 (A1 alloy) layer, it is judged that the reaction of A1 and Ti is suppressed even when the heat treatment is performed, and the A1-Ti reaction proceeds only at the grain boundary.

A1과 Ti의 반응이 생기는 경우는, Ti층의 두께에 따라서 반응중의 두께가 결정된다고 판단된다. 따라서, Ti층의 두께와 열처리 조건에 의해 A1-Ti 반응층의 두께가 결정될 것이다.When reaction of A1 and Ti occurs, it is judged that the thickness during reaction is determined according to the thickness of Ti layer. Therefore, the thickness of the A1-Ti reaction layer will be determined by the thickness of the Ti layer and the heat treatment conditions.

도 6의 결과를 포함하여 이상의 결과를 종합하면, 배선층간을 플러그로 접속하는 다층 배선 구조에 있어서, A1(A1 합금)층 상에 얇은 Ti층을 형성함이 바림직하고, 이 Ti층의 두께는 약 2nm ∼ 약 7nm로 함이 바람직하고, 약 4nm ∼ 7nm로 함이 더 바람직하다. 두께 2nm인 Ti층을 작성함은, 공정 관리상도 곤란한 점이 있고, 제조 공정 관리의 용이성도 고려하면, 약 4nm ∼ 약 7nm의 두께로 함이 특히 바람직하다.In summary, including the results of FIG. 6, in the multilayer wiring structure in which the wiring layers are connected by a plug, it is desirable to form a thin Ti layer on the A1 (A1 alloy) layer, and the thickness of the Ti layer. It is preferable to set it as about 2 nm-about 7 nm, and it is more preferable to set it as about 4 nm-7 nm. It is particularly difficult to produce a Ti layer having a thickness of 2 nm in terms of process management, and considering the ease of manufacturing process management, it is particularly preferable to have a thickness of about 4 nm to about 7 nm.

도 7은, 본 발명의 실시예에 의한 다층 배선 구조를 개략적으로 나타낸다.7 schematically shows a multilayer wiring structure according to an embodiment of the present invention.

Si 기판(11) 내에 접속 영역(10)이 형성되어 있고, 그 위에 플러그(P1)가 접속되어 있다.The connection region 10 is formed in the Si substrate 11, and the plug P1 is connected thereon.

제 1 배선층(W1)은, 플러그(P1)와 접속하고, 그 상면에서 플러그(P2)에 접속된다.The first wiring layer W1 is connected to the plug P1 and connected to the plug P2 on the upper surface thereof.

제 2 배선층(W2)은, 플러그(P2)와 접속하고, 그 상면에서 플러그(P3)에 접속된다.The second wiring layer W2 is connected to the plug P2 and connected to the plug P3 on its upper surface.

제 3 배선층(W3)은, 플러그(P3)와 접속하고, 그 상면에서 플러그(P4)에 접속된다.The third wiring layer W3 is connected to the plug P3 and connected to the plug P4 on its upper surface.

제 4 배선층(W4)은, 플러그(P4)에 접속한다. 이들 다층 배선은, 절연 영역(9)에 의해서 주변으로부터 절연된다.The fourth wiring layer W4 is connected to the plug P4. These multilayer wirings are insulated from the surroundings by the insulating region 9.

도 7b는, 최상층의 배선층 이외의 배선층의 적층 구조를 나타낸다. 각 배선층(W)은, 가장 아래에 Ti층(13)을 갖고, 그 위에 TiN층(14)이 형성되어 있다. TiN층(14) 상에 주 도전층인 A1(A1 합금)층(15)이 형성되고, 주 도전층(15) 표면을 두께 2 ∼ 7nm, 보다 바람직하게는 4 ∼ 7nm인 Ti층(16)이 덮혀있다. 이 Ti층(16) 상에 TiN층(17)이 형성되어 있다. 주 도전층(15)과 직접 접하는 Ti층(16)의 두께를 2 ∼ 7nm, 보다 바람직하게는 4 ∼ 7nm로 함으로써, 배선층의 저항을 낮게 억제하고, 또한 수명을 길게 유지할 수 있다.7B shows a laminated structure of wiring layers other than the wiring layer of the uppermost layer. Each wiring layer W has a Ti layer 13 at the bottom, and a TiN layer 14 is formed thereon. An A1 (A1 alloy) layer 15, which is a main conductive layer, is formed on the TiN layer 14, and the Ti conductive layer 16 has a thickness of 2 to 7 nm, more preferably 4 to 7 nm, on the surface of the main conductive layer 15. This is covered. The TiN layer 17 is formed on this Ti layer 16. By setting the thickness of the Ti layer 16 directly in contact with the main conductive layer 15 to 2 to 7 nm, more preferably 4 to 7 nm, the resistance of the wiring layer can be suppressed low and the life can be kept long.

도 7c는, 최상층 배선의 적층 구조를 나타낸다. 최상층의 배선층(WT)은, Ti층(13), TiN층(14), A1 또는 A1 합금층(15)의 적층으로 구성되고, 그 위에는 Ti층, TiN층을 갖지 않는다. 최상층 배선층은, 또한 플러그로 접속할 필요가 없으므로, 상측 Ti층, TiN층은 불필요하다.7C shows the laminated structure of the uppermost wiring. The uppermost wiring layer WT is composed of a stack of a Ti layer 13, a TiN layer 14, an A1 or A1 alloy layer 15, and does not have a Ti layer or a TiN layer thereon. Since the uppermost wiring layer does not need to be connected by a plug, the upper Ti layer and the TiN layer are unnecessary.

또한, 일렉트로마이그레이션은, A1 입계에서 특히 생기기 쉽다고 알려져 있다. A1 입계에서, A1-Ti 반응을 일으키면, 일렉트로마이그레이션에 대해서 내성이 향상함이 기대된다. 이를 위해서는, 어느 정도의 A1-Ti 반응을 일으킴이 바람직하다.In addition, electromigration is known to be particularly likely to occur at the A1 grain boundary. When the A1-Ti reaction occurs at the A1 grain boundary, the resistance to electromigration is expected to be improved. For this purpose, it is preferable to cause some A1-Ti reaction.

다층 배선에 있어서는, 상층 배선으로 됨에 따라 열처리의 양이 작아진다. 이 점을 고려하면, 다층 배선이 A1(A1 합금)층-Ti층의 적층을 포함하는 다층 배선에 있어서, 하층 배선으로 향하는 만큼, Ti층의 두께를 얇게 함이 바람직할 것이다.In the multilayer wirings, the amount of heat treatment decreases as the upper wirings become. In view of this point, in a multilayer wiring in which the multilayer wiring includes a stack of A1 (A1 alloy) layer-Ti layer, it is preferable to make the thickness of the Ti layer thin as much as it goes to the lower wiring.

예를 들어, 다층 배선에 있어서, A1(A1 합금) 층과 직접 접촉하는 Ti층의 두께를 하층에서 상층으로 향해 5nm, 10nm, 20nm와 같이 단조 증가시킨다. A1-Ti의 과도한 반응을 방지하기 위해서는, 하층에서 상층으로 향해서 5nm, 10nm, 20nm, ... 과 같이 증가시켜도 좋다. 프로세스 마진도 고려하면, 두께의 변화는 여러 가지로 설정할 수 있다.For example, in the multilayer wiring, the thickness of the Ti layer in direct contact with the A1 (A1 alloy) layer is monotonously increased, such as 5 nm, 10 nm, and 20 nm, from the lower layer to the upper layer. In order to prevent excessive reaction of A1-Ti, you may increase as 5 nm, 10 nm, 20 nm, ... from the lower layer toward the upper layer. Considering the process margin, the change in thickness can be set in various ways.

또한, 다층 배선을 작성할 때, 동일 두께의 Ti층을 사용하여, 상층 배선으로 됨에 따라, 배선 형성 온도를 높게 하여도 좋다.In addition, when forming a multilayer wiring, as the upper wiring is made using Ti layers of the same thickness, the wiring formation temperature may be made high.

이하, CMOS 반도체 장치를 제조하는 경우를 예로 하여 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described taking the case of manufacturing a CMOS semiconductor device as an example.

도 8a에 나타낸 바와 같이, p형 Si 기판(31) 표면상에, 버퍼 산화막(32)을 통해 SiN막 패턴(33)을 형성한다. SiN막 패턴(33)은, LOCOS(local oxidation of silicon)에서의 산화 마스크로서 가능한다. SiN막 패턴(33)으로 덮힌 영역이 활성 영역으로 되고, 그 외의 영역에는 필드 산화막이 형성된다.As shown in FIG. 8A, the SiN film pattern 33 is formed on the surface of the p-type Si substrate 31 via the buffer oxide film 32. The SiN film pattern 33 can be used as an oxidation mask in LOCOS (local oxidation of silicon). A region covered with the SiN film pattern 33 becomes an active region, and a field oxide film is formed in the other region.

p채널 MOSFET를 작성하기 위한 n형 웰을 형성하기 위해, n형 웰 영역에 개구를 갖는 레지스트 패턴(R1)을 작성한다. 이 레지스트 패턴(R1)을 마스크로 하여, P이온을 SiN막(33), 버퍼 산화막(32)을 통해서 p형 Si 기판(31)에 이온 주입한다. 이와 같이, n형 웰 형성용의 이온 주입을 행한 후, 레지스트 패턴(R1)을 제거하고, 산화성 분위기 중에서 열산화를 행하여 LOCOS 공정에 의해서 산화막을 성장시킨다.In order to form an n-type well for forming a p-channel MOSFET, a resist pattern R1 having an opening in an n-type well region is created. Using this resist pattern R1 as a mask, P ions are implanted into the p-type Si substrate 31 through the SiN film 33 and the buffer oxide film 32. Thus, after ion implantation for n type well formation is performed, resist pattern R1 is removed, thermal oxidation is performed in an oxidizing atmosphere, and an oxide film is grown by a LOCOS process.

도 8b에 나타낸 바와 같이, 필드 산하막(36)을 형성한 후, n형 웰(34)를 덮는 레지스트 마스크(R2)를 형성하고, p형 웰 형성을 위한 B이온 주입을 행한다. B이온 주입에 의해, P형 웰(38)이 형성된다. 그 후, 레지스트 마스크(R2), SiN막 패턴(33)을 제거한다. 이어서, n형 웰(34), p형 웰(38) 표면상의 버퍼 산화막도 제거한다.As shown in Fig. 8B, after forming the field underlayer 36, a resist mask R2 covering the n-type well 34 is formed, and B-ion implantation for p-type well formation is performed. The P type well 38 is formed by B ion implantation. Thereafter, the resist mask R2 and the SiN film pattern 33 are removed. Subsequently, the buffer oxide film on the n-type well 34 and the p-type well 38 is also removed.

도 8c에 나타낸 바와 같이, 노출된 활성 영역 표면에 열산화에 의해 게이트 산화막(41)을 형성한다. 또한, 게이트 산화막(41) 상에, 다결정 Si막(42)을 CVD에 의해 성장시키고, 필요에 따라 WSi층(43)을 CVD 또는 PVD에 의해 성장시킨다. 또한, 필요에 따라서, WSi층(43) 상에 SiO2막(44)을 CVD에 의해 성장시킨다.As shown in Fig. 8C, a gate oxide film 41 is formed on the exposed active region surface by thermal oxidation. On the gate oxide film 41, the polycrystalline Si film 42 is grown by CVD, and the WSi layer 43 is grown by CVD or PVD as necessary. In addition, as needed, the SiO 2 film 44 is grown on the WSi layer 43 by CVD.

또한, 다결정 Si막(42), WSi층(43)을 성장시킨 때는, 이들 적층이 게이트 전극층(G)을 형성한다. 다결정 Si층만으로 게이트 전극층을 형성한 때는, 이 후에 행해지는 실리사이드 반응 공정에서, 다결정 Si막 상에 실리사이드막이 형성된다.In addition, when the polycrystalline Si film 42 and the WSi layer 43 are grown, these laminations form the gate electrode layer (G). When the gate electrode layer is formed only of the polycrystalline Si layer, the silicide film is formed on the polycrystalline Si film in the silicide reaction step performed thereafter.

게이트 전극용 적층 구조를 형성한 후, 적층 상에 레지스트 패턴(R3)을 형성하고, 게이트 전극의 패터닝을 행한다. 적층 구조를 패터닝한 후, 레지스트 마스크(R3)는 제거한다.After the lamination structure for the gate electrode is formed, a resist pattern R3 is formed on the lamination, and the gate electrode is patterned. After patterning the laminated structure, the resist mask R3 is removed.

도 9a에 나타낸 바와 같이, p형 웰(38)를 노출하는 개구를 갖는 레지스트 마스크(R4)를 형성하고, P이온을 이온 주입하여 LDD용의 n-층(46)을 형성한다. 그 후 레지스트 마스크(R4)를 형성하다. 레지스트 마스크(R5)를 마스크로 하여, BF2이온을 이온 주입하여 LDD용의 p-영역(47)을 형성한다. 그 후 레지스트 마스크(R5)는 제거한다.As shown in Fig. 9A, a resist mask R4 having an opening exposing the p-type well 38 is formed, and ion ion is implanted to form the n layer 46 for LDD. Thereafter, resist mask R4 is formed. Using the resist mask R5 as a mask, BF 2 ions are ion implanted to form the p region 47 for LDD. Thereafter, the resist mask R5 is removed.

도 9b에 나타낸 바와 같이, 게이트 전극을 덮어 기판 전면 상에 SiO막을 CVD에 의해 형성하고, 이방성 에칭을 행함으로써 게이트 전극 측벽 상에만 게이트 사이드웰(48)을 형성한다. 게이트 전극 상면도 산화막(44a)으로 덮혀있다.As shown in Fig. 9B, the SiO film is formed on the entire surface of the substrate by covering the gate electrode by CVD, and the gate side well 48 is formed only on the gate electrode sidewall by performing anisotropic etching. The top surface of the gate electrode is also covered with the oxide film 44a.

도 9c에 나타낸 바와 같이, 도 9a에 나타낸 것과 같은 레지스트 마스크를 사용하여 p형 웰(38)에 대해서, As를 이온 주입하여 고 불순물 농도의 소스/드레인 영역(39)을 형성하고, n형 웰(34)에 BF2를 이온 주입하여 고 불순물 농도의 소스/드레인 영역(50)을 형성한다.As shown in Fig. 9C, As is ion-implanted into the p-type well 38 using a resist mask as shown in Fig. 9A, a source / drain region 39 having a high impurity concentration is formed, and the n-type well BF 2 is implanted into 34 to form source / drain regions 50 of high impurity concentration.

도 10a에 나타낸 바와 같이, 기판 전면 상에 Ti층을 퇴적하고, 열처리를 행함에 의해서 Si가 노출된 영역 상에 TiSi층(51)을 형성한다. 이 실리사이드 반응 후, 미반응 Ti층은 제거한다. 또한, Ti 대신에 Co를 사용하여, CoSi층을 형성하여도 좋다.As shown in Fig. 10A, a Ti layer is deposited on the entire surface of the substrate and heat treatment is performed to form a TiSi layer 51 on a region where Si is exposed. After this silicide reaction, the unreacted Ti layer is removed. In addition, CoSi layer may be formed using Co instead of Ti.

도 8c에 있어서, 게이트 전극을 다결정 Si층만으로 형성하고, SiO2막(44)도 형성하지 않는 경우는, 다결정 게이트 전극층 상에도 실리사이드층이 형성된다.In FIG. 8C, when the gate electrode is formed of only the polycrystalline Si layer and no SiO 2 film 44 is formed, the silicide layer is also formed on the polycrystalline gate electrode layer.

도 10b가 이 경우를 나타낸다. 기판 전면 상에 Ti층을 퇴적하고, 열처리를 행하여 실리사이드 반응을 시킴으로써, 소스/드레인 영역(49, 50) 및 다결정 실리콘 게이트 전극(42) 상에 TiSi층(51)이 형성된다.10B shows this case. A TiSi layer 51 is formed on the source / drain regions 49 and 50 and the polycrystalline silicon gate electrode 42 by depositing a Ti layer on the entire surface of the substrate and performing a silicide reaction by performing a heat treatment.

이와 같이 하여, CMOS 구조를 형성한 후, 표면상에 층간 절연막(52)을 형성한다. 층간 절연막(52)은, CVD에 의한 산화 실리콘층(52a)과, SOG층(52b)의 적층으로 된다. 또한, SOG막을 형성한 후, 표면을 CMP에 의해 평탄화한다. 그 후, 레지스트 마스크를 사용하여 콘택홀(53)을 형성한다.In this manner, after the CMOS structure is formed, the interlayer insulating film 52 is formed on the surface. The interlayer insulating film 52 is a laminate of a silicon oxide layer 52a and an SOG layer 52b by CVD. After the SOG film is formed, the surface is planarized by CMP. Thereafter, the contact hole 53 is formed using a resist mask.

도 11a에 나타낸 바와 같이, 접속 구멍(53)을 형성한 절연층(52) 표면상 및 접속 구멍(53)의 내면 상에 Ti층(54), TiN층(55)을 퇴적하고, 그 후, CVD에 의해 텅스텐층(56)을 성장시키고, 접속 구멍을 매립한다. 그 후, 전면적으로 에칭을 행함으로써, 상부 평탄면 상의 텅스텐층(56)을 제거한다.As shown in FIG. 11A, the Ti layer 54 and the TiN layer 55 are deposited on the surface of the insulating layer 52 on which the connection hole 53 is formed and on the inner surface of the connection hole 53. The tungsten layer 56 is grown by CVD to fill the connection holes. Thereafter, the entire surface is etched to remove the tungsten layer 56 on the upper flat surface.

그 후, Ti층(13), TiN층(14), A1 또는 A1 합금층(15), Ti층(16), TiN층(17)의 적층으로 형성되는 제 1 배선층(W1)을 형성하고, 레지스트 마스크를 사용하여 패터닝한다. 이 때, 상측 Ti층(16)의 두께는 2 ∼ 7 nm의 두께로 한다.Thereafter, a first wiring layer W1 formed of a stack of a Ti layer 13, a TiN layer 14, an A1 or A1 alloy layer 15, a Ti layer 16, and a TiN layer 17 is formed. Patterning is performed using a resist mask. At this time, the upper Ti layer 16 has a thickness of 2 to 7 nm.

또한, 텅스텐층을 에칭으로 제거하는 경우를 설명했으나, CMP에 의해서 평탄면상의 텅스텐층을 제거하여도 좋다.Although the case where the tungsten layer is removed by etching has been described, the tungsten layer on the flat surface may be removed by CMP.

도 11b는, 이 경우를 나타낸다. 텅스텐층 형성 후, CMP를 행하여 절연층(52)의 평탄한 표면을 노출한다. 접속 구멍(53) 내에는, Ti층(54), TiN층(55), W영역(56)이 남는다. 그 후, 제 1 배선층(W1)을 형성한다.11B shows this case. After the tungsten layer is formed, CMP is performed to expose the flat surface of the insulating layer 52. In the connection hole 53, the Ti layer 54, the TiN layer 55, and the W region 56 remain. Thereafter, the first wiring layer W1 is formed.

도 11c에 나타낸 바와 같이, 제 1 배선층(W1)을 형성한 후, 층간 절연막(57)을 형성하고, 그 표면을 평탄화한다. 층간 절연막(57)에 접속 구멍을 형성하고, TiN층(58), W층(59)을 형성하고, 평탄면 상의 W층을 에칭에 의해 제거한다. 이와 같이 하여, 층간 절연막(57)을 관통하는 플러그를 형성한다.As shown in FIG. 11C, after the first wiring layer W1 is formed, an interlayer insulating film 57 is formed to planarize the surface thereof. The connection hole is formed in the interlayer insulating film 57, the TiN layer 58 and the W layer 59 are formed, and the W layer on the flat surface is removed by etching. In this way, a plug penetrating the interlayer insulating film 57 is formed.

또한, 평탄면 상의 W층의 제거는, 전술한 바와 같은 에칭 외에, CMP에 의해서 행하여도 좋다. 도 11d는, 이 경우를 나타낸다. 텅스텐층 형성 후, CMP를 행하여, 층간 절연막(57) 표면을 노출시키고, 평탄화 표면을 형성한다.The W layer on the flat surface may be removed by CMP in addition to the above-described etching. 11D shows this case. After the tungsten layer is formed, CMP is performed to expose the surface of the interlayer insulating film 57 to form a planarized surface.

그 후, 도 11a, 도 11b에 나타낸 공정과 같은 공정을 행하여 제 2 배선층을 형성한다. 이 후, 층간 절연막 형성, 접속 구멍 형성, 플러그 형성, 배선층 형성의 공정을 반복하여, 필요한 층수의 다층 배선 구조를 얻는다. 각 배선층에 있어서, A1 또는 A1 합금의 주 도전층 상에는, 두께 2 ∼ 7nm의 Ti층을 형성함이 바람직하다.Thereafter, the same steps as those shown in FIGS. 11A and 11B are performed to form the second wiring layer. Thereafter, the processes of forming an interlayer insulating film, forming a connection hole, forming a plug, and forming a wiring layer are repeated to obtain a multilayer wiring structure having the required number of layers. In each wiring layer, it is preferable to form a Ti layer with a thickness of 2 to 7 nm on the main conductive layer of A1 or A1 alloy.

또한, 적극적으로 주 도전층의 입계부에 A1-Ti 합금 영역을 형성하는 경우에는, Ti층의 두께를 두껍게 하여도 좋다. 이 경우, 다층 배선에 있어서의 열처리의 이력을 고려하여, 상층으로 향할 수록 Ti층의 두게를 두껍게 함(하층으로 향할 수록 Ti층의 두께를 얇게 함)이 바람직하다. A1(A1 합금)층의 두께를 상층이 될 수록 두껍게 하는 등, 레벨에 따라서 변화시키는 경우, A1(A1 합금)층의 두께에 대한 Ti층의 두께의 비를 하층이 될수록 단조 감소시킴이 바람직하다.In addition, when actively forming an A1-Ti alloy region at the grain boundary of the main conductive layer, the thickness of the Ti layer may be increased. In this case, in consideration of the history of the heat treatment in the multilayer wiring, it is preferable to increase the thickness of the Ti layer toward the upper layer (to decrease the thickness of the Ti layer toward the lower layer). When the thickness of the A1 (A1 alloy) layer is changed according to the level such as becoming thicker as the upper layer, the ratio of the thickness of the Ti layer to the thickness of the A1 (A1 alloy) layer is preferably monotonically reduced as the lower layer. .

도 12에 나타낸 바와 같이, 수년 전부터, 비어홀 내의 Al 배선이 홀 개구 후의 열처리에 돌기 형태로 부풀어진다는 현상이 보고되고 있다. 절연층(9a) 상에 배선층(W)을 형성하고, 그 표면을 절연층(9b)으로 덮는다. 절연층(9b)을 관통하여 배선층(W)에 이르는 비어홀(H)을 형성한다. 그 후 상층 배선을 형성하기 위한 열처리를 행하면 비어홀(H)내에 돌기(PJ)가 생긴다. 이것을 결정하는 파라미터는, 상층 배선(예를 들어 2층째 배선)의 성장시 열처리와 하층 배선(예를 들어 1층째 배선)의 상부에 있는 TiN/Ti의 두께(강도)에 의존하다고 생각된다.As shown in Fig. 12, for several years, a phenomenon has been reported that Al wirings in via holes bulge in the form of protrusions during heat treatment after hole opening. The wiring layer W is formed on the insulating layer 9a, and the surface is covered by the insulating layer 9b. The via hole H which penetrates the insulating layer 9b and reaches the wiring layer W is formed. Thereafter, when heat treatment is performed to form the upper layer wirings, the projections PJ are formed in the via holes H. The parameter for determining this is considered to depend on the heat treatment during growth of the upper layer wiring (for example, the second layer wiring) and the thickness (strength) of TiN / Ti on the upper portion of the lower layer wiring (for example, the first layer wiring).

이 현상은, 열팽창 계수가 다르므로, 주위의 절연막으로부터의 스트레스트로 A1이 비어홀 내에 압출된다고 설명된다. 따라서 A1상의 TiN/Ti가 두꺼울 수록 생기기 어렵고, 상층의 배선층 성장 시의 열처리가 낮을수록 생기기 어렵다는 것을 쉽게 상상 할 수 있다.This phenomenon is explained by the fact that the thermal expansion coefficient is different, and therefore A1 is extruded into the via hole due to the stress from the surrounding insulating film. Therefore, it can be easily imagined that the thicker the TiN / Ti on the A1 phase, the less likely to occur, and the lower the heat treatment during the growth of the upper wiring layer.

그런데, 상술한 실시예에서는 신뢰성을 향상시키기 위해 Ti를 얇게 하고, 또한 A1-Ti 반응층 두께도 얇게 하도록 한다. 반응층이 얇으면, 돌기 불량이 생기기 쉬워질 가능성이 있다. 돌기 분량을 방지하기 위해서는, 제 1 층째 배선층의 Ti는 얇게 하여도, 2층째 배선층에서 조금씩 Ti층(TiN/Ti)을 두껍게 함이 유리하다. 가능하면, A1과 Ti도 반응시키는 쪽이 돌기 불량 방지를 위해서는 보다 바람직할 것이다. 그러나, Ti가 얇은 상태로 열처리 온도를 갑자기 올리면, 그 시점에서 돌기가 생기므로, 1층째는 저온으로 반응시키지 않고, 2층째부터 조금 두껍게 하던가, 온도가 올려서 반응시키는 등의 단계적인 강화를 행함이 바람직하다.However, in the above-described embodiment, in order to improve the reliability, the thickness of Ti and the thickness of the A1-Ti reaction layer are also reduced. When the reaction layer is thin, there is a possibility that protrusion defects tend to occur. In order to prevent the amount of protrusions, it is advantageous to thicken the Ti layer (TiN / Ti) little by little in the second wiring layer even if the Ti of the first wiring layer is thin. If possible, it is more preferable to react A1 and Ti to prevent projection defects. However, if Ti suddenly raises the heat treatment temperature in a thin state, projections occur at that point. Therefore, it is preferable not to react at a low temperature on the first layer, but to perform stepwise strengthening such as slightly thickening from the second layer or raising the temperature to react. Do.

일반적 경향으로서, 상층 배선으로 감에 따라 배선층 두께는 두꺼워지는 경향이 있으므로, 시트 저항을 고려하면, Ti 두께를 상대적으로 두껍게 하여 반응시키는 쪽이 불량에 관해서는 유리하게 된다.As a general tendency, the thickness of the wiring layer tends to become thicker as it goes to the upper wiring, and considering the sheet resistance, it is advantageous for the defect to be made to react with a relatively thick Ti thickness.

또한, 제조 프로세스에 있어서의 마진을 고려하여, Ti층의 두께(또는 두께의 비)를 전 배선층에 대해서, 동일하게 하여도 좋다. 이 경우, 상층으로 향할 수록 배선층 형성시의 열처리 온도를 높게 함이 바람직하다.In addition, in consideration of the margin in the manufacturing process, the thickness (or ratio of the thicknesses) of the Ti layer may be the same for all wiring layers. In this case, it is preferable to make the heat processing temperature at the time of wiring layer formation high, so that it goes to an upper layer.

최상층의 배선층을 형성한 후, 절연막으로서 Si 산화막(PSG 등), SOG막, SiN커버막 등을 성장시킨다. 그 후, 패드 형성용 개구를 레지스트 패턴을 사용한 RIE로 형성한다. 최후로, 수소 분위기 중의 아닐을 행하고, 배면 연삭을 행하여 반도체 장치를 완성시킨다.After the uppermost wiring layer is formed, a Si oxide film (PSG or the like), an SOG film, a SiN cover film, or the like is grown as an insulating film. Thereafter, the opening for pad formation is formed by RIE using a resist pattern. Finally, annealing in a hydrogen atmosphere is performed, and back grinding is performed to complete the semiconductor device.

이상, 고융점 금속층으로서 Ti를 사용하는 경우를 설명했으나, W등 다른 고융점 금속을 사용할 수도 있다. 이 경우, TiN은 WN의 고융점 금속 질화물로 함이 좋다.As mentioned above, although the case where Ti is used as a high melting-point metal layer was demonstrated, other high melting metals, such as W, can also be used. In this case, TiN may be a high melting point metal nitride of WN.

이상 실시예에 따라서 본 발명을 설명했으나, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 여러 가지의 변경 개량 조합 등이 가능함은 당업자에게 자명할 것이다.Although the present invention has been described in accordance with the above embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, alterations, combinations, and the like are possible.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 접촉 저항을 포함하는 배선의 저항이 낮고, 또한 일렉트로마이그레이션 등에 대한 신뢰성이 높은 다층 배선을 갖는 반도체 장치가 제공된다.As described above, according to the present invention, there is provided a semiconductor device having a low-resistance of wiring including contact resistance and having high reliability for electromigration or the like.

Claims (14)

다층 배선을 갖는 반도체 장치에 있어서, 다층 배선의 적어도 하나의 배선층이,In a semiconductor device having a multilayer wiring, at least one wiring layer of the multilayer wiring is A1 또는 A1 합금으로 형성된 주 도전층과;A main conductive layer formed of A1 or A1 alloy; 상기 주 도전층에 접촉하여 그 위 또는 아래에 형성되고, 약 2nm ∼ 약 7nm의 두께를 갖는 제 1 고융점 금속층을 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.And a first high melting point metal layer formed on or in contact with the main conductive layer and having a thickness of about 2 nm to about 7 nm. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고융점 금속층이 상기 주 도전층 상에 형성된 층이고, 또한 상기 적어도 하나의 배선층이,The method of claim 1, wherein the first high melting point metal layer is a layer formed on the main conductive layer, and the at least one wiring layer, 상기 제 1 고융점 금속층 상에 형성된 제 1 고융점 금속 질화물층과;A first high melting point metal nitride layer formed on the first high melting point metal layer; 상기 주 도전층에 접촉하여, 그 아래에 형성된 제 2 고융점 금속 질화물층과;A second high melting point metal nitride layer formed in contact with said main conductive layer; 상기 제 2 고융점 금속 질화물층의 아래에 형성된 제 2 고융점 금속층을 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.And a second high melting point metal layer formed under said second high melting point metal nitride layer. 제 2 항에 있어서, 상기 다층 배선이, 상기 적어도 하나의 배선층에 적층 방향으로 인접하고, 상기 적어도 하나의 배선층과 같은 적층 구조를 갖는 다른 배선층을 갖는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.The semiconductor device according to claim 2, wherein the multilayer wiring has another wiring layer adjacent to the at least one wiring layer in a stacking direction and having the same laminated structure as the at least one wiring layer. 제 2 항에 있어서, 상기 다층 배선이, 최상층의 배선층을 제외하고 전부 동일한 적층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the multilayer wirings have the same laminated structure except for the uppermost wiring layer. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 배선의 인접하는 배선층을 텅스텐 플러그를 더 갖는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a tungsten plug in an adjacent wiring layer of the multilayer wiring. 각각이, A1 또는 A1 합금의 주 도전층과 고융점 금속층과 직접 접속하여 적층한 적층 구조를 포함하는 다층 배선에 있어서, 상기 고융점 금속층의 두께가 하층 배선으로 됨에 따라 단조 감소하는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.In the multilayer wirings each including a laminated structure in which the main conductive layer of A1 or A1 alloy and the high melting point metal layer are directly connected and laminated, the monolayer decreases as the thickness of the high melting point metal layer becomes the lower layer wiring. A semiconductor device having a multilayer wiring. 제 6 항에 있어서, 상기 주 도전층의 두께에 대한 상기 고융점 금속층의 두께가 하층 배선으로 됨에 따라 단조 감소하는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the thickness of the high melting point metal layer with respect to the thickness of the main conductive layer decreases monotonously as it becomes a lower layer wiring. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 주 도전층이 결정립 계부에서 결정립부 보다도 A1과 고융점 금속의 반응 생성물을 많이 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.8. The semiconductor device according to claim 6 or 7, wherein the main conductive layer contains more reaction products of A1 and higher melting point metals in the grain boundaries than in the grain boundaries. A1 또는 A1 합금의 주 도전층과 고융점 금속층을 직접 접촉하여 적층한 적층구조를 포함하는 배선층을 복수층 겹쳐서 다층 배선을 제조하는 공정을 포함하고, 상층 배선으로 됨에 따라서 A1과 고융점 금속과의 반응을 허용하도록 배선 형성 조건을 선택하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.Manufacturing a multilayer wiring by stacking a plurality of wiring layers including a laminated structure in which a main conductive layer of an A1 or A1 alloy and a high melting point metal layer are directly contacted, and manufacturing a multilayer wiring. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the wiring forming conditions are selected to allow reaction. 제 9 항에 있어서, 상기 배선 형성 조건은, 상층으로 됨에 따라서 고융점 금속층의 두께를 단조 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the wiring formation conditions monotonically increase the thickness of the high melting point metal layer as the upper layer is formed. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 배선 형성 조건은, 상층으로 됨에 따라 주 도전층의 두께에 대한 고융점 금속층의 두께의 비를 단조 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9 or 10, wherein the wiring formation conditions monotonically increase the ratio of the thickness of the high melting point metal layer to the thickness of the main conductive layer as the upper layer becomes. 제 9 항에 있어서, 상기 배선 형성 조건은, 상층으로 됨에 따라서 배선 형성온도를 단조 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the wiring formation conditions monotonically increase the wiring formation temperature as the upper layer becomes. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 고융점 금속이 Ti이고, 상기 고융점 금속 질화물이 TiN인 것을 특징으로 하는 다층 배선을 갖는 반도체 장치.The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the high melting point metal is Ti and the high melting point metal nitride is TiN. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고융점 금속이 Ti이고, 상기 고융점 금속 질화물이 TiN인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 9 to 12, wherein the high melting point metal is Ti and the high melting point metal nitride is TiN.
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