KR20010075469A - 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체장치에 관한 것으로서 절연막과 근접도전체막과 주도전체막과의 적층구조를 가지는 반도체장치에 있어서, 근접도전체막의 주구성원소와 주도전체막의 주구성원소의 격자불일치가 작고 근접도전체막의 주구성원소의 융점이 상기 주도전체막의 주구성원소의 융점의 1.4배 이상으로 하고 근접도전체막이 주구성원소외에 적어도 한종류의 이종원소를 함유시키고 이종원소 가운데 적어도 한종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 근접도전체막의 주구성원소의 원자반경의 차이가 10%이하로 하고 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 근접도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상으로 하여 적층구조에서의 박리 크랙등의 결함을 발생하기 어려운 신뢰성 높은 반도체장치를 제공한다. 또한, 이동군에 의한 보이드와 단선이 발생하기 어려운 신뢰성 높은 반도체장치를 제공하는 기술이 제시된다.

Description

반도체장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
최근의 반도체장치의 고집적화와 고속화에 따라서, 종래의 알루미늄(Al) 배선에 비하여 낮은 전기저항을 갖는 동(Cu)배선이 도입되고 있다. 그러나, 동(CU)원자가 확산하여 실리콘(Si)기판과 절연막에 삽입하면 디바이스특성을 쇠화시키는 위험이 있고 동(Cu)원자의 확산을 방지하기 위하여 근접도전체막(제 1도전체막)이 동(Cu)막에 근접하여 형성되어 있다. 상기 근접도전체막의 재료로서 일경마이크로디바이스(1992년 6월호 74 ~ 77페이지)에 기재되어 있는 바와 같이 질소화 티탄(Tin), 텅스텐(W), 탄탈(Ta)등의 고융점 금속이 검토되고 있다. 그러나, 이들의 재료를 근접도전체막으로 이용한 경우 배선으로서 이용되는 동(Cu)의 도금막과의 밀착성이 약해지기 때문에 이 밀착성을 향상하는 근접도전체막 재료로서 일본국특개평10-229084호공보에 있어서의 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)이 제안되어 있다.
본 발명은 반도체장치에 관한 것으로서 특히 배선구조가 적층구조로 이루어지는 반도체장치에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1의 실시예에 관한 반도체장치의 주요부분의 단면도이다.
도 2 는 밀집결정면에 있어서의 원자배열과 단위장방격자의 격자정수(a,b)를나타내는 도이다.
제 3 도는 동(Cu)막을 주도전체막으로 한 경우의 근접도전체막과 주 도전체막의 사이의 박리에너지의 융점의존성을 나타내는 도이다.
제 4 도는 동(Cu)막을 주도전체막으로한 경우의 근접도전체막과 주 도전체막의 사이의 박리에너지의 격자불일치 의존성을 나타내는 도이다.
제 5 도는 동(Cu)막을 주도전체막으로한 경우의 근접도전체막과 주 도전체막의 사이의 박리에너지의 격자불일치 의존성을 도 4의 파선에 따라서 나타내는 도이다.
제 6 도는 로듐(Rh), 르텐(Ru), 백금(Pt)로 이루는 근접도전체막에 파라듐(Pd)을 첨가원소로 하여 함유시킨 경우의 근접도전체막과 실리콘산화막의 사이의 박리에너지의 파라듐(Pd) 함유농도에 대한 의존성을 나타내는 도이다.
제 7 도는 로듐(Rh), 르텐(Ru), 백금(Pt)로 이루는 근접도전체막에 티탄(Ti)을 첨가원소로 하여 함유시킨 경우의 근접도전체막과 실리콘산화막의 사이의 박리에너지의 티탄(Ti) 함유농도에 대한 의존성을 나타내는 도이다.
제 8 도는 첨가원소의 농도를 20at.%로 설정한 경우의 근접도전체막과 실리콘산화막의 사이의 박리에너지의 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지에 대한 의존성을 나타내는 도이다.
제 9 도는 르테늄(Ru)을 근접도전체막의 주구성원소로 한 경우의 르테늄(Ru)막과 동(Cu)막 사이의 박리에너지의 첨가원소와 르테늄(Ru)의 원자반경의 사이에 대한 의존성을 나타내는 도이다.
제 10 도는 르테늄(Ru)을 근접도전체막의 주구성원소로 하고 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)을 첨가원소로 한 경우의 르테늄(Ru)막의 내부응력의 첨가원소 함유농도에 대한 의존성을 나타내는 도이다.
제 11 도는 르테늄(Ru)를 근접도전체막의 주구성원소로하고 텅스텐(W), 탄탈(Ta)을 첨가원소로 한 경우의 르테늄(Ru)막의 내부응력의 첨가원소 함유농도에 대한 의존성을 나타내는 도이다.
제 12 도는 동(Cu)막을 주도전체막으로 한 경우의 동(Cu)원자의 확산계수에 미치는 격자불일치의 영향을 도 4의 파선에 따라서 나타내는 도이다.
제 13 도는 본 발명의 제 2의 실시예에 관한 반도체장치의 주요부분의 단면도이다.
제 14 도는 본 발명의 제 3의 실시예에 관한 반도체장치의 주요부분의 단면도이다.
제 15 도는 본 발명의 제 4의 실시예에 관한 반도체장치의 주요부분의 단면도이다.
제 16 도는 본 발명의 제 5의 실시예에 관한 반도체장치의 주요부분의 단면도이다.
제 17 도는 본 발명의 제 6의 실시예에 관한 반도체장치의 주요부분의 단면도이다.
고집적화를 위한 미세화된 반도체장치의 제조에 있어서는, 평탄화되기 위한수법으로서 화학적 기계연마(ChemicalMechanicalPolishing, CMP)가 이용되는 경우가 있기 때문에 형성된 각 막사이의 밀착성을 향상하는 것이 중요하다. 그러나 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)을 동(Cu)배선의 근접도전체막재료로서 이용한 경우 동(Cu)과 근접도전체막 사이의 밀착성은 향상하지만, 근접도전체막과 절연막의 사이의 밀착성이 약해지는 문제가 있다. 또한, 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)은 막형성시에 고응력을 발생하기 쉽고 근접하는 막에 크랙등의 결함을 일으키는 원인이 되는 경우가 있다. 또한, 고집적화를 위한 미세화된 반도체장치에서는 배선폭이 좁아지고 이동군에 의한 보이드와 단선이 발생하기 쉬워지는 문제가 있다.
본 발명의 첫번째의 목적은 신뢰성이 높은 반도체장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 두번째의 목적은 수율높은 배선구조를 갖는 반도체장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 세번째 목적은 배선을 구성하는 주도전체막 및 절연막 중 어느 하나라도 밀착성이 강한 근접도전체막 재료를 이용하는 것에 의해 박리를 이용하기 어려운 적층구조를 갖는 반도체장치를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 네번째의 목적은 크랙등의 결함을 일으키기 어려운 적층구조를 갖는 반도체장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다섯번째의 목적은 이동군에 의한 보이드와 단선이 발생하기 어려운 반도체장치를 제공하는 것이다.
발명자등은 상기 과제를 해결하기 위한 첨예한 연구를 실행하고, 주구성원소가 질소화 티탄(Tin), 텅스텐(W), 탄탈(Ta)인 확산방지용의 제 1 도전체막을 주구성원소가 동(Cu)인 제 2 도전체막에 근접시켜서 이용한 경우 제 1 도전체막재료와동(Cu)의 단위결정격자의 변(邊)의 길이가 크게 다르기 때문에, 제 1 도전체막과 제 2 도전체막의 경계면에 있어서 원자배열이 분산되고 동(Cu)원자의 확산이 활발해지기 위하여 박리가 발생하기 쉬워지는 것을 발견하고, 동(Cu)막과 제 1 도전체막의 경계면에서의 박리를 방지하기 위해서는 단위결정격자의 변길이(격자불일치)가 작은 재료를 제 1 도전체막재료로서 이용하는 것에 의해 동(Cu)원자의 확산을 억제하면 좋은 것, 또한, 제 1 도전체막의 융점이 낮은 경우에는 제 1도전체막을 구성하는 원소의 확산이 활발해지고 동(Cu)원자의 확산을 가속화 해버리기 때문에 융점이 높은 재료가 적합한 것을 발견하였다.
그리고 발명자등은 동(Cu)과의 격자불일치가 작고 동(Cu)의 1.4배이상의 융점을 갖는 재료를 확산방지용의 근접도전체막으로서, 이용하는 것이 동(Cu)과의 밀착성 향상에 유효한 것을 밝혀냈다. 보다 일반적으로는 제 1 도전체막과 당해 제 1 도전체막에 접촉하여 제 2 도전체막이 형성된 적층배선구조에 있어서, 상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(an)과 상기 제 2도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차{｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와, 상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 상기 제 2 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하고 상기 제 1 도전체막의 주구성원소의 융점이, 상기 제 2 도전체막의 주구성원소의 융점의 1.4배이상인 경우에 상기 주도전성막에서의 확산이억제되고 상기 제 1 도전체막과 상기 제 2 도전체막의 사이의 밀착성이 향상하는 것을 명확하게 하였다.
여기에서 부피결정에 있어서 원자밀도가 최대인 결정면, 즉 밀집결정면을 구성하는 단위장방격자의 단변(a)과 장변(b)의 정의는 도 2에 나타나는 것이고 여기에서는 a, b를 격자정수로 호칭한다. 단변(a)은 부피결정에 있어서의 가장 근접한 원자간거리의 경우이고 예를들면 고체물리학 입문 상권 제 5판(챨스 키텔저)의 28페이지에 기술되어 있다. 장변(b)은 면심 입방구조 또는 밀집 육방구조를 갖는 결정에 대해서는 단변(a)의 약 1.73배이고 체심 입방구조를 갖는 결정에 대해서는 단변(a)의 약 1.41배이다. 여기에서는 단변(a)의 차(A)와 장변(b)의 차(B)를 격자불일치로 말한다. 여기에서 막의 주구성원소로서는 막에 무엇보다도 많이 함유되는 원소를 의미한다. 또한, 온도의 단위로서는 K(켈빈)를 이용한다.
발명자등은 동(Cu)과의 격자불일치(A, B)가 상기 부등식 {A + B ×(ap/bp)} <13%을 이루는 만큼작고 또한 동(Cu)의 1.4배이상의 융점을 갖는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)으로 이루어지는 제 1도전체막을 도(Cu)배선의 근접도전체막으로서 이용한 경우 제 1 도전체막과 동(Cu)막의 밀착성은 향상하지만 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)은 실리콘(Si)와의 결합이 약하면서 실리콘(Si)을 함유하는 절연막은 통상 비결정질이기 때문에 제 1도전체막과 실리콘(Si)을 함유하는 절연막의 사이에서는 강한 결합이 만들어지지 않고 박리가 생기기 쉬운 것을 밝혔다.
따라서 제 1 도전체막과 동(Cu)막의 밀착성을 강하게 유지하면서 제 1 도전체막과 절연막 사이의 밀착성을 향상시키기 위해서는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)을 주구성원소로 하는 제 1 도전체막에 실리콘(Si)과 강하게 결합하고 또한 제 1도전체막의 원자배열을 분산하지 않는 첨가원소를 함유시키면 좋다. 발명자등은 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 제 1 도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 경우에 제 1 도전체막과 절연막 사이의 밀착강도가 향상하는 것을 밝혔다.
그러나, 첨가원소의 원자반경과 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)이라는 주구성원소의 원자반경과의 차이가 10%이상이 되면 제 1 도전체막의 원자배열이 분산되기 때문에 제 1 도전체막과 동(Cu)막의 밀착성은 약해진다. 따라서, 첨가원소의 원자반경과 제 1 도전체막의 주구성원소의 원자반경의 차이가 10%이하이고 또한, 실리콘(Si)과의 결합에너지가 제 1 도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 첨가원소가 유효하다. 이들의 조건을 만족하는 첨가원소로서 파라디윰(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 티탄(Ti)가 유효한 것을 밝혔다. 또한, 이와 같은 첨가원소를 함유시키는 것이 제 1 도전체막의 내부응력을 저감시키는 것으로 유효하다는 것을 밝혔다.
또한, 발명자등은 동(Cu)과의 격자불일치(A, B)가 상기 부등식 {A + B ×(ap/bp)} < 13% 를 만족하는 만큼작고 또한 동(Cu)의 1.4배이상의 융점을 갖는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os),백금(Pt)를 동(Cu)막에 근접하는 도전체막의 주구성원소로 한 경우 동(Cu)원자의 확산이 억제되고 이동군내성이 향상하는 것을 밝혔다.
즉, 본원 발명의 과제를 해결하기 위해서는 반도체기판의 일주면측에 실리콘(Si)을 함유하는 절연막과 당해 절연막에 접촉하여 형성된 제 1 도전체막과, 당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 제 2 도전체막을 갖는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서, 상기 제 1 도전체막의 주구성원소를 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(an)과 상기 제 2 도전체막의 주구성원소를 구성하는, 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차 {｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와 상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 상기 제 2 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의, 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하고 상기 제 1 도전체막의 주구성원소의 융점이 상기 제 2 도전체막의 주구성원소의 융점의 1.4배이상이고 상기 제 1도전체막이 주구성원소 외에 적어도 한종류의 이종원소를 첨가원소로 하여 함유하고, 당해 이종원소 가운데 적어도 한종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 제 1도전체막의 주구성원소의 원자반경차가 10%이하이고, 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 제 1 도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 것이 중요한 것을 발견하였다.
이하 본 발명의 실시형태를 나타내는 실시예에 의해 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명에 있어서의 제 1의 실시예인 반도체장치에 있어서의 주요부분의 단면구조를 도 1에 나타낸다. 본 실시예의 반도체장치는 도 1에 나타내는 바와 같이 실리콘기판(1)상에 확산층(2, 3, 4, 5)이 형성되고 이 위에 게이트절연막(6, 7) 및 게이트전극(8, 9)이 형성되는 것에 의해 MOS트랜지스터가 구성되어 있다.
게이트절연막(6, 7)은 예를들면 실리콘산화막 혹은 질화규소막이고 게이트전극(8, 9)은 예를들면 다결정 실리콘막과 금속박막 혹은 금속 실리사이드막 혹은 이들의 적층구조이다. MOS트랜지스터는 예를들면 실리콘산화막으로 이루어지는 소자분리막(10)에 의해 분리되어 있다. 상기 게이트전극(8, 9)상부 및 측벽에는 예를들면 실리콘산화막으로 이루어지는 절연막(11, 12)이 형성되어 있다. MOS트랜지스터의 상부 전면에는 예를들면 BPSG(Boron-Doped Phospho Silicate Glass)막과 SOG(Spin On Glass)막 혹은 화학기상 증착법과 스퍼터법으로 형성한 실리콘산화막과 질화막등으로 이루어지는 절연막(13)이 형성되어 있다.
절연막(13)에 형성된 콘택트홀에는 확산방지용의 근접도전체막(제 1 도전체막)(14a, 14b)에 피복된 주도전체막(15)으로 이루어지는 플러그가 형성되고 확산층(2, 3, 4, 5)에 접속되어 있다. 이 플러그를 통하여 확산방지용의 근접도전체막(16a, 16b)에 피복된 주도전체막(17)으로 이루어지는 적층배선이 접속되어 있다. 본 적층배선은 예를들면 절연막(18)에 배선용의 홈을 형성하고 그 위에 근접도전체막(16a)을 예를들면 화학기상 증착법에 의해 성막 한 후 주도전체막(17)을 예를들면 도금법에 의해 형성하고 이 위에 근접도전체막(16b)을 예를들면 화학기상 증착법에 의해 형성하는 것에 의해 구해진다.
이 위에는 절연막(21)에 형성된 콘택트홀에 근접도전체막(19)에 피복된 주도전체막(20)으로 이루어지는 플러그가 형성되고 상기 적층배선에 접속되어 있다. 이 플러그를 통하여 근접도전체막(22a, 22b)에 피복된 주도전체막(23)으로 이루어지는 제 2의 적측배선이 접속되어 있다. 이 제 2의 적층배선은 예를들면 절연막(24)에 배선용의 홈을 형성하고 그 위에 근접도전체막(22a)을 예를들면 화학기상 증착법에 의해 성막한 후 주도전체막(23)을 예를들면 도금법에 의해 형성하고 이 위에 근접도전체막(22b)을 예를들면 화학기상 증착법에 의해 형성하는 것으로 이루어진다.
본 실시예에 있어서, 근접도전체막(14a, 14b)에 피복된 주도전체막(15), 근접도전체막(16a, 16b)에 피복된 주도전체막(17), 근접도전체막(19)에 피복된 주도전체막(20), 근접도전체막(22a, 22b)에 피복된 주도전체막(23)의 가운데 적어도 한조에 대해서는 근접도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차{｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와 상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 상기 제 2 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하고 상기 제 1 도전체막의 주구성원소의 융점이 상기 주도전체막의 주구성원소의 융점의 1.4배이상이고 상기 근접도전체막이 주구성원소 외에 적어도 한종류의 이종원소를 첨가원소로 하여 함유하고, 당해 이종원소 가운데 적어도 한종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 근접도전체막의 주구성원소의 원자반경차가10%이하이고, 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 제 1 도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 것을 전부 만족하도록 상기 근접도전체막의 구성원소를 선택한다.
구체적으로는 주도전체막으로서 동(Cu)막을 이용한 경우 근접도전체막이 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 또는 백금(Pt) 가운데 적어도 한종류의 원소를 주구성원소로 하고 또한, 파라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 티탄(Ti)가운데 적어도 한종류의원소를 첨가원소로하여 포함하도록 하면 좋다. 이와 같은 첨가원소를 함유한 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 또는 백금(Pt)으로 이루어지는 막은 예를들면 화학기상 증착법, 도금법 혹은 스퍼터법에 의해 형성된다.
이하 본 실시예의 반도체장치의 효과에 대해서 설명한다. 밀착성 향상의효과로서는 다음의 2개가 있기 때문에 2개로 나눠서 설명한다. 제 1 의 효과는 근접도전체막의 주구성원소와 주도전체막의 주구성원소의 격자불일치(A, B)가, 상기 부등식 {A + B ×(ap/bp)} < 13%을 만족하고 또한 근접도전체막의 주구성원소의 융점이 주도전체막의 주구성원소의 융점의 1.4배이상이 되도록 하는 것에 의해, 근접도전체막과 주도전체막의 밀착성을 향상시키는 효과이다. 제 2의 효과는 근접도전체막이 주구성원소외에 적어도 한종류의 이종원소를 함유하고, 당해 이종원소가운데 적어도 한종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 근접도전체막의 주구성원소의 원자반경의 차이가 10%이하이고, 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 근접도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배 이상인 것을 만족시키는 것에 의해 근접도전체막과 주도전체막의 밀착성을 유지하면서 근접도전체막과 실리콘(Si)을 포함하는 절연막의 밀착성을 향상시키는 효과이다.
첫번째로 상기 제 1의 밀착성향상 효과에 대해서 상세하게 설명한다. 발명자등은 근접도전체막의 주구성원소와 주도전체막의 주구성원소의 격자불일치(A, B)에 착안하여 상기의 차이가 박리에너지(U)에 전하는 영향을 분자동력학 시뮬레이션에 의해 조사하였다. 분자동력시뮬레이션은 예를들면 저널 오브 어플라이드 피직스(Journal of Applied Physics)의 제 54권(1983년 발행)의 4864페이지에서 4878페이지 까지 기술되어 있는 바와 같이 원자간 포텐셜을 통하여 각 원자로 움직이는 힘을 계산하고 이 힘을 기초로 뉴우튼의 운동방정식을 분해하는 것에 의해 각 시각에 있어서의 각 원자의 위치를 산출하는 방법이다.
박리에너지(U)는 근접도전체막과 주도전체막의 사이에서 박리를 일으키기 위해 필요한 에너지를 나타내고, 예를들면 인터내셔날 오프 프랙쳐(International Journal of Fracture)의 제 66권(1994년 발행)의 45페이지에서 70페이지까지 설명되어 있다. 본 시뮬레이션예에서는 근접도전체막 내부의 원자가 포텐셜의 총합계에 주도전체막 내부의 원자가 포텐셜의 총합계를 플러스한 양에서 근접도전체막과 주도전체막의 양쪽에서 이루어지는 계류의 내부에 있어서의 원자간 포텐셜의 총합계를 마이너스한 것에 의해 U를 계산하였다. 예로서, 이하에서는 주도전체막이 동(Cu)막인 경우에 대해서 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 상기 경우 면심 입방격자인 동(Cu)의 밀집결정면은(111)면이고 격자정수(ap)는 약 0.26nm이고 격자정수(bp)는 약 0.44nm이다.
여기에서 시뮬레이션예에서는 900K의 온도에 있어서 막두께 3nm의 SiO2막상에 근접도전체막의 구성원자를 퇴적하고 이어서 Cu원자를 퇴적하는 것에 의해 막두께 3nm의 근접도전체막과 막두께 3nm의 Cu막을 형성하였다. 이후 온도를 300K까지 내렸다. 이 상태에 있어서, 근접도전체막 내부의 원자간 포텐셜의 총화에 Cu막내부의 원자간 포텐셜의 총화를 플러스한 양에서 근접도전체막과 Cu막의 양쪽에서 이루어지는 계류의 내부에 있어서의 원자간 포텐셜의 총합계를 마이너스 하는 것에 의해 박리에너지(U)를 계산하였다.
분자동력학 시뮬레이션에서는 근접도전체막의 구성원소의 원자간 포텐셜의 깊이를 변화시키는 것에 의해 근접도전체막의격자정수를 일정하게 유지하면서 근접도전체막의 융점을 변화시키는 것이 가능하다. 근접도전체막의 격자정수를 Ru, Pt와 동일하게 유지하면서 근접도전체막의 융점을 변화시킨 결과, 도 3에 나타내는 바와 같이 근접도전체막의 융점이 동(Cu)의 1.4배 이상인 경우에는 박리에너지(U)는 거의 근접도전체막의 융점에 의존하지 않는 것을 알수 있었다. 또한, 도 3에서 알수 있듯이 근접도전체막의 융점이 동(Cu)의 1.4배보다도 작아지면 박리에너지(U)도 작아지고 박리강도는 약해지는 것을 알 수 있었다.
도 3에 있어서, UCu는 동(Cu)막과 동(Cu)막의 사이의 박리에너지를 표시한다. 근접도전체막의 융점이 동(Cu)의 1.4배이상인 경우에는 도 4 및 도 5에서 나타내는 바와 같이 박리에너지(U)는 격자불일치 A와 B에 의존하는 것을 알수 있었다. 도 4는 횡축으로서 격자불일치(A)를 취하고 종축으로서 격자불일치(B)에(ap/bp)을 곱한 량을 취한 맵을 작성하고 이 맵을 망라하도록 A와 B의 값을 설정하고 박리에너지(U)의 값을 분자동력학 시뮬레이션에 의해 산출하는 것에 의해 구해진다.
도 4에 있어서, 경계선의 내측 즉 원점에서의 영역은 박리에너지(U)가 UCu의 0.5배보다도 크고 근접도전체막과 동(Cu)막과의 사이에서 박리가 일어나기 어려운 영역이다. 여기에서 UCu는 동(Cu)막과 동(CU)막의 사이의 박리에너지를 나타낸다. 도 4에 있어서, 경계선의 외측은 박리에너지(U)가 UCu의 0.5배보다도 작고 근접도전체막과 동(Cu)막과의 사이에서 박리가 일어나기 쉬운 영역이다. 박리에너지(U)의 격자불일치 의존성을 상세하게 보기 위하여 박리에너지의 변화를 도 4의 파선에 따라서 조사한 결과를 도 5에 나타낸다.
도 5를 보면 U/UCu = 0.5의 근방에서 박리에너지가 급격하게 변화하기 때문에 여기를 경계로하여서 박리방지 효과가 현저해진다. U/UCu가 0.5보다도 작은 측에 동(Cu)과의 박리가 문제가 되고 있는 질화티탄(TiN)등이 위치하는 것을 알 수 있다. 도 4를 보면 텅스텐(W), 탄탈(Ta)도 U/UCu = 0.5의 경계선의 외측에 있는 것을 알수 있다. 한편 도 4의 경계선의 내측 즉 원점측에는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)가 위치하고 이들이 동(Cu)막과의 밀착성향상에 유효한 것을 알수 있다.
도 4의 경계선을 직선에 가깝게 하면 {A + B ×(ap/bp)} = 13% 가 되기 때문에 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하는 경우에 근접도전체막과 동(Cu)막의 밀착성이 강해진다고 할 수 있다. 그러나, 상기 부등식을 만족하여도근접도전체막의 주구성원소의 융점이 동(Cu)의 1.4.배보다도 작은 경우에는 근접도전체막을 구성하는 원소의 확산이 활발해지고 동(Cu)원자의 확산을 가속해버리기 때문에 박리에너지(U)는 작아지고 근접도전체막과 동(Cu)막의 사이에서 박리가 일어나기 쉬운것을 도 3에서 알수 있다. 예를들면 동(Cu)의 융점 1358K의 1.27배의 융점을 갖는 니켈(Ni)는 동(Cu)과의 격자불일치(A, B)가 {A + B ×(ap/bp)} = 4%이고 상기 부등식 {A + B ×(ap/bp)} < 13%을 만족하지만 박리에너지(U)는 0.4UCu로 작고 밀착성은 향상하지 않는다. 이상의 시뮬레이션결과에서 보여지는 본 실시예의 효과는 온도와 막두께등의 시뮬레이션조건을 변경하여 표시하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 근접도전체막과 주도전체막의 격자불일치가 A, B가 상기 부등식 {A + B ×(ap/bp)} < 13% 을 만족하고 또한 근접도전체막의 구성원소의 융점이 주도전체막의 구성원소의 1.4배이상이 되도록 하고 있기 때문에 주도전체막과 주도전체막의 밀착성은 강하다. 이 효과는 주도전체막이 도금 또는 CVD에 의해 형성된 Cu막인 경우에 현저하다.
다음으로 상기 제 2의 밀착성향상 효과에 대해서 설명한다. 발명자등은 근접도전체막과 절연막의 사이의 박리에너지가 근접도전체막에 포함되는 첨가원소에 의해 어떻게 변화하는가를 분자동력학 시뮬레이션에 의해 조사하였다. 도 6은 일례로서 로듐(Rd), 르테늄(Ru), 백금(Pt)로 이루어지는 근접도전체막에 파라듐(Pd)을 첨가원소로 하여 함유시킨 막을 SiO2막상에 900K로 성막하고 300K까지 냉각하는시뮬레이션을 실행한 경우의 파라듐(Pd)의 농도에 대한 박리에너지의변화를 나타내는 도이다.
막두께는 근접도전체막도 SiO2막도 3nm으로 하였다. 여기에서의 박리에너지는 근접도전체막과 실리콘산화막(SiO2막)의 사이에는 박리를 일으키기 위하여 필요한 에너지이다. 이 도에서 파라듐(Pd)의 농도가 약10at.%(원자퍼센트)이상이 되면 박리에너지가 급격하게 증가하고 근접도전체막과 실리콘산화막(SiO2막)의 사이의 밀착성이 향상하는 것을 알 수 있다. 동일하게 하여 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 백금(Pt)로 이루어지는 근접도전체막에 티탄(Ti)을 첨가원소로 하여 함유시킨 경우의 티탄(Ti)의 농도에 대한 박리에너지의 변화를 도 7에 나타낸다. 이 도에서 첨가원소가 티탄(Ti)의 경우에도 농도가 약 10at.%이상이 되면 박리에너지가 급격하게 증가하고 근접도전체막과 실리콘산화막(SiO2막)의 사이의 밀착성이 향상하는 것을 알 수 있다.
도 6, 7에서 첨가원소의 농도가 약 15at.%이 되는 것은 박리에너지는 거의 일정해지고 밀착성향상의 효과가 포화하는 것을 알수 있다. 다음으로 어떤 첨가원소가 실리콘산화막(SiO2막)과의 밀착성을 향상시키는 가를 조사하기 위하여 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지를 횡축으로 취하고 첨가원소의 농도를 20at.%로 설정한 경우의 박리에너지를 종축으로 취한 그래프를 도 8에 나타낸다. 이 도의 횡축의 EB-Si는 근접도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지를 나타낸다.도 8에서 실리콘(Si)과의 결합에너지가 근접도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 약 1.9배 이상인 첨가원소가 실리콘산화막(SiO2막)과의 밀착성을 향상시키는 것을 알수 있었다.
구체적으로는 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti) 하프늄(Hf) 지르코늄(Zr)이 실리콘산화막(SiO2막)과의 밀착성 향상에 유효하다. 그러나 첨가원소를 근접도전체막에 함유시킨것에 의해 근접도전체막과 동(Cu)막의 밀착성이 약해지는 경우에는 첨가원소로서 적합하지 않기 때문에 여기에 상당하는 원소는 제외하지 않으면 되지 않는다. 이하에서는 동(Cu)막과의 밀착성에 대한 첨가원소의 영향에 대해서 설명한다. 도 4, 5에 나타내는 바와 같이 근접도전체막과 동(Cu)막의 밀착성은 동과의 격자불일치가 작고 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)을 근접도전체막의 주구성원소로서 이용하는 것에 의해 향상하기 때문에 이 격자 불일치를 크게 하지 않는 첨가원소가 바람직하다고 말할 수 있다.
즉, 로듐(Rh) 르테늄(Ru) 이리듐(Ir) 오스뮴(Os) 백금(Pt)의 원자배열을 분산하지 않는 것이 중요하고 이를 위해서는 원자반경에 가까운 첨가원소가 좋다. 이 형태를 상세하게 보기 위하여 르테늄(Ru)을 근접도전체막의 주구성원소로 한 경우를 예로 취하고 횡축으로 첨가원소와 르테늄(Ru)의 원자반경의 차이, 종축으로서 르테늄(Ru)막과 동(Cu)막의 사이의 박리에너지를 취하여 첨가원소가 동(Cu)막과의 밀착성에 전하는 영향을 조사하였다. 이 결과를 도 9에 나타낸다. 도에서 알 수 있듯이 원자반경의 차가 10%이상인 첨가원소는 농도가 20at.%이하이어도 동(Cu)막과의 밀착성을 약하게 해버린다. 구체적으로는 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr)이 여기에 상당한다. 이들은 도 8에 나타내는 바와 같이 실리콘(Si)과의 결합에너지가 크고 실리콘산화막(SiO2막)과의 밀착성 향상에 유효하지만 르테늄(Ru)과의 원자반경이 크고 르테늄(Ru)의 원자배열을 분산하기 때문에 동(Cu)막과의 밀착성이 약해진다.
도 8과 도 9를 포함시켜서 고려하면 동(Cu)막과의 르테늄(Ru)막의 밀착성을 강하게 유지하면서 실리콘산화막(SiO2막)과 르테늄(Ru)막의 밀착성을 향상하는 첨가원소로서는 르테늄(Ru)과의 원자반경차가 10%이하이고 또한 실리콘(Si)과의 결합에너지가 르테늄(Ru)과 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배 이상이면 파라디윰(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)을 들수 있다. 로듐(Rh) 이리듐(Ir) 오스뮴(Os) 백금(Pt)은 어느것도 르테늄(Ru)에 가까운 원자반경을 가지기때문에 이들에 대해서도 동일한 첨가원소를 들수 있다. 도 9에서 파라디윰(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)을 첨가하는 경우에서도 농도가 30at.%이상이 되면 동(Cu)막과의 밀착성이 약해지는 것을 알 수 있다. 도 6, 7과 맞추어서 고려하면 파라디윰(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)의 농도는 10at.%이상으로 25at.%이하가 바람직하다. 이상의 시뮬레이션 결과에 보여지는 본 실시예의 효과는 온도와 막두께등의 시뮬레이션 조건을 변경하여 나타내는 것도 가능하다.
본 발명의 제 1의 실시예인 반도체장치의 별도의 효과는 근접도전체막(14, 16, 22a, 22b)의 응력이 첨가원소의 함유에 의해 저감되고 크랙등의 결함이 일어나기 어렵게 되는 경우이다. 근접도전체막의 내부응력이 근접도전체막에 포함되는첨가원소에 의해 어떻게 변화하는가를 분자동력학 시뮬레이션에 의해 조사하였다. 도 10은 일레로서 르템늄(Ru)에 첨가원소로서 파라디윰(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)을 각각 함유시킨막을 SiO2막상에 900K로 성막하고 300K까지 냉각하는 시뮬레이션을 실행한 경우의 Ru막에 잔류한 내부응력(S)의 첨가원소농도에 대한 변화는 나타내는 도이다. 막두께는 Ru막도 SiO2막도 3nm으로 하였다.
도 10에 있어서 SO는 첨가원소를 함유시키지 않는 경우의 내부응력을 나타낸다. 도 10에 의해 첨가원소의 농도가 약0.14at.%이상의 경우에 내부응력이 저감되는 것을 알 수 있다. 이들의 4개의 원소안에서도 보다 융점이 낮은 니켈(Ni) 코발트(Co)가 내부응력저감에 대해서는 특히 유효하게 되는 것이 도 10에서 알수 있다. 파라디윰(Pd)과 티탄(Ti)도 르테늄(Ru)보다는 융점이 매우 낮기 때문에 내부응력을 저감하는 효과가 도 10에 도시되어 있다. 비교를 위하여 르테늄(Ru)보다도 융점이 높은 텅스텐(W)과 탄탈(Ta)을 첨가한 경우에는 도 11에 나타내는 바와 같이 내부응력이 첨가원소 농도와 함께 증대해 버리고 내부응력저감에 대해서는 유효하지 않는 것을 알수 있다. 도 9와 맞추어서 고려하면 파라디윰(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)의 첨가원소농도는 0.14at.%이상으로 25a%.%이하가 바람직하다고 말할 수 있다. 이상의 시뮬레이션결과에 보여지는 본실시예의 효과는 온도와 막두께등의 시뮬레이션조건을 변경하여 나타내는 것도 가능하다.
본 발명의 제 1의 실시예인 반도체장치의 또 다른 효과는 반도체막의 일렉트로 이동군내성이 향상한다는 점이다. 예로서, 주도전체막이 동(Cu)막인 경우에 대해서 상기 효과의 설명을 한다. 앞서 설명한 도 5는 박리에너지에 미치는 격자불일치의 영향을 분자동력학 시뮬레이션의 효과로서 구해진 것이지만 이것과 동일한 시뮬레이션으로 동(Cu)원자의 확산계수에 미치는 격자불일치의 영향을 조사하는 것이 가능하다. 도 5와 동일하게 횡측으로 격자불일치(A)를 취하고 종축으로 동(Cu)원자의 확산계수를 취한 그래프를 도 12에 나타낸다. 그러나 D는 근접도전체막을 베이스지로한 동(Cu)막에 있어서의 동(Cu)원자의 확산계수이고 D0은 부피의 동(Cu)에 있어서의 확산계수이다.
격자불일치가 경계선보다 크게되면 확산계수는 급격하게 커지고 동(Cu)원자가 움직이기 쉬워지는 것을 알 수 있다. 원자가 움직이기 쉬워지면 전류가 흐를때등에 보이드와 단선이 일어나기 쉬워진다. 즉, 이동군내성이 저하된다. 역으로 확산계수가 작은 영역에서는 원자가 움직이기 어렵고 이동군내성이 우수하다고 말할 수 있다. 도에서 알수 있듯이 확산계수가 작은 영역에는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)이 포함된다. 따라서 본 실시예에서는 동(Cu)을 주구성원소로 하는 도전체막에 근접하는 도전체막의 주구성원소로서 동(Cu)과의 격자불일치가 작은 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt)을 이용하므로 이동군내성이 향상한다.
본 실시예의 이들 이외의 효과로서는 주도전체막으로서 동(Cu)막을 이용한 경우 근접도전체막이 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 또는 백금(Pt) 가운데 적어도 한 종류의 원소를 주구성원소로하고 또한, 파라듐(Pd), Z코발트(Co), 니켈(Ni), 티탄(Ti) 가운데 적어도 한종류의 원소를 첨가원소로서 포함하도록 하는 것에 의해 근접도전체막안을 동(Cu)원자가 확산하기 어려워지고 반도체장치의 신뢰성이 향상한다.
본 실시예에서는 주도전체막으로 동(Cu)막을 이용한 경우 근접도전체막이 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 가운데 적어도 한종류의 원소를 주구성원소로하고 또한, 파라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 티탄(Ti)가운데 적어도 한 종류의 원소를 첨가원소로서 포함하는 막의 예를 나타내었지만 근접도전체막을 이들 이외에 별도의 첨가원소를 포함하고 있어도 본 실시예의 효과는 얻어진다. 또한, 근접도전체막은 산화로듐, 산화르테늄, 산화이리듐 또는 산화오스뮴 가운데 적어도 하나의 재료를 주구성재료로 하고 또한 파라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 티탄(Ti) 가운데 적어도 한 종류의 원소를 첨가원소로하여 포함하는 막이어도 좋다. 또한, 상기 근접도전체막은 이들 이외에 별도의 첨가원소를 포함하고 있어도 본 실시예의 효과는 구해진다.
다음으로 본 발명에 있어서의 제 2의 실시예인 반도체장치에 있어서의 주요부분의 단면구조를 도 13에 나타낸다. 제 2의 실시예의 제 1의 실시예와의 차이는 제 1의 실시예에 있어서의 주도전체막(17)의 측벽과 주도전체막(23)의 측벽은 피복되어 있지 않지만, 제 2의 실시예에 있어서의 주도전체막(17)의 측벽과 주도전체막(23)의 측벽은 각각 근접도전체막(16c)과 근접도전체막(22c)에 피복되어 있다는 점이다. 상기에 의해 측벽에서 주도전체막(17, 23)의 구성원소가 절연막(18, 24)에 확산하는 것을 방지하는 구조로 되어 있다.
이어서 본 발명에 있어서의 제 3의 실시예인 반도체장치에 있어서의 주요부분의 단면구조를 도 14에 나타낸다. 제 3의 실시예의 제 1의 실시예와의 차이는 주도전체막(17)으로 이루는 배선층이 피복되지 않은 도전체그래프(26)에 접속되어 있는 점과 주도전체막(23)으로 이루는 배선층이 피복되지 않은 도전체그래프(27)에 접속되어 있는 점이다. 이들의 도전체그래프(26, 27)는 각각 주도전체막(17, 23) 및 절연막(13, 21)과 접촉하고 있기 때문에 신뢰성향상을 위하여 도전체그래프(26)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(an)과 상기주도전체막(17)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차 {｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와 상기 도전체그래프(26)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 상기 주도전체막(17)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하고 또한 상기 도전체그래프(26)의주구성원소의 융점이 상기 주도전체막(17)의 주구성원소의 융점의 1.4배이상이고 또한 상기 도전체그래프(26)가 주구성원소외에 적어도 한 종류의 이종원소를 함유하고 당해 이종원소의 가운데 적어도 한 종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 도전체그래프(26)의 주구성원소의 원자반경의 차가 10%이하이고 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 도전체그래프(26)의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 것을 전부 만족하도록 상기 도전체그래프(26)의 구성원소를 선택한다.
구체적으로는 주도전체막(17)이 동(Cu)을 주구성원소로 하는 경우에는 도전체그래프(26)는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 가운데 적어도 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고 또한 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)가운데 적어도 한종류의 원소를 첨가원소로 하여 포함하도록 하면 좋다. 동일하게 도전체막그래프(27)와 주도전체막(23)의 사이의 밀착성 및 도전체막그래프(27)와 절연막(21)간의 밀착성을 향상시키기 위하여 도전체그래프(27)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(an)과 상기 주도전체막(23)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차 {｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와 상기 도전체그래프(27)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 상기 주도전체막(17)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하고, 또한 상기 도전체그래프(27) 의 주구성원소의 융점이 상기 주도전체막(23)의 주구성원소의 융점의 1.4배이상이고 또한 상기 도전체그래프(27)가 주구성원소외에 적어도 한종류의 이종원소를 함유하고, 당해 이종원소가운데 적어도 한 종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 도전체그래프(27)의 주구성원소의 원자반경의 차가 10%이하이고 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 도전체그래프(27)의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 것을 전부 만족하도록 상기 도전체그래프(26)의 구성원소를 선택한다. 구체적으로는 주도전체막(23)이 동(Cu)을 주구성원소로 하는 경우에는 도전체그래프(27)는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 가운데 적어도 한 종류의 원소를 주구성원소로하고 또한 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)가운데 적어도한종류의 원소를 첨가원소로하여 포함하도록 하면 좋다.
이상에 의해, 도전체그래프(26, 27)는 주도전체막(27, 23)보다도 고융점을 갖도록 되어 있기 때문에 내열성 및 이동성군내성에 우수한 구조가 된다. 도 14에서는 도전체그래프(26, 27)가 각각 절연막(13, 21)과 직접 접촉하는 경우에 대해서 도시하였지만 반도체그래프(26)와 절연막(13)의 사이와 도전체그래프(27)와 절연막(21)간에 중간막이 형성된 구조이어도 좋다.
또한, 본 발명에 있어서의 제 4의 실시예인 반도체장치에 있어서의 주요부분의 단면구조를 도15에 나타낸다. 제 4의 실시예의 제 1 의 실시예와의 차이는 주도전체막(17)으로 이루어지는 배선층이 게이트절연막(28)상에 형성된 게이트전극(29)에 도전체그래프(32)를 통하여 접속되어 있는 점이다. 상기의 경우 게이트전극(29)은 도전체그래프(32) 및 절연막(30)과 접촉하고 있기 때문에 신뢰성을 향상시키기 위하여 게이트전극(29)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(an)과 상기 도전체그래프(32)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차 {｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와 상기 게이트전극(29)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 상기 도전체그래프(32)의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} <13%가 되는 부등식을 만족하고, 또한 상기 게이트전극(29) 의 주구성원소의 융점이 상기 도전체그래프(32)의 주구성원소의 융점의 1.4배이상이고 또한 상기 게이트전극(29)이 주구성원소외에 적어도 한종류의 이종원소를함유하고, 당해 이종원소가운데 적어도 한 종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 게이트전극(29)의 주구성원소의 원자반경의 차가 10%이하이고, 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 도전체그래프(27)의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 것을 전부 만족하도록 상기 게이트전극(29)의 구성원소를 선택한다.
구체적으로는 반도체그래프(32)가 동(Cu)을 주구성원소로 하는 경우에는 게이트전극(29)이 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 가운데 적어도 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고 또한 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)가운데 적어도 한종류의 원소를 첨가원소로하여 포함하도록 하면 좋다.
다음으로 본 발명에 있어서의 제 5의 실시예인 반도체장치에 있어서의 주요부분의 단면구조를 도 16에 나타낸다. 제 5의 실시예의 제 4의 실시예와의 차이는 게이트전극이 도전체막(29)과 도전체막(33)으로 이루어지는 적층구조를 갖는 점이다. 도전체막(29)은 도전체그래프(32) 및 도전체막(33)과 접촉경계면을 갖는다. 예를들면 도전체막(33)이 다결정실리콘으로 이루어지고 도전체그래프(32)가 동(Cu)을 주구성원소로하는 경우 신뢰성을 향상시키기 위해서는 도전체막(29)이 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 가운데 적어도 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고 또한 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)가운데 적어도 한종류의 원소를 첨가원소로 하여 포함하도록 하면 좋다.
다음으로 본 발명에 있어서의 제 6의 실시예인 반도체장치에 있어서의 주요부분의 단면구조를 도 17에 나타낸다. 제 6의 실시예의 제 1의 실시예와의 차이는 근접도전체막(14a, 14b)가 근접막(34a, 34b)과 접촉한 구조로 되어 있는 점과 근접도전체막(16a, 16b)이 근접막(35a, 35b)과 접촉한 구조로 되어 있는 점이다. 근접막(34a, 34b, 16A, 16b16a, 16b)에서는 예를들면 질화티탄(TiN) 탄탈(Ta) 질화탄탈(TaN) 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)등의 도전체막을 이용하거나 또는 질화실리콘막등의 절연막을 이용한다. 상기에 의해 제 1의 실시예에 비하여 주도전체막(15, 17)의 구성원소가 절연막(13, 18)등에 확산하는 것을 보다 강하게 방지가능한 구조로 되어 있다.
상기 기술한 바와 같이 근접도전체막의 주구성원소로서는 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 등이 적합하지만 이 안에서 특히 르테늄(Ru)은 가공성의 면에서 우수하다. 또한 첨가원소로서는 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)등이 적합하지만 이들 4개의 첨가원소 가운데 파라듐(Pd)은 도 9에 나타내는 바와 같이 르테늄(Ru)과의 원자반경의 차이가 매우 작기 때문에 르테늄(Ru)의 원자배열을 분산하기 어렵고 첨가하여도 전기저항을 높게하지 않는다는 점이 우수하고 근접도전체막의 주구성원소를 르테늄(Ru)으로 한 경우에 가장 적합한 첨가원소라고 말할 수 있다. 또한, 티탄(Ti)은 도 8에 나타내는 바와 같이 실리콘(Si)과의 결합에너지가 무엇보다도 크고 실리콘(Si)을 함유하는 절연막과의 밀착성향상에는 무엇보다도 유효하다. 또한, 니켈(Ni) 코발트(Co)는 도 10에 나타내는 바와 같이 내부응력을 저감하는 점에서는 무엇보다도 유효하다.
또한, 상기에 있어서 동(Cu)을 예로서 기술해온 부분은 동(Cu)대신으로 금(Au)과 은(Ag)을 이용한 경우에서도 근접하는 막의 주구성원소로서 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 또는 백금(Pt) 이용하여 상기 기술에 각 효과를 얻을 수 있다. 또한, 동(Cu) 대신으로 고융점을 갖는 백금(Pt)을 이용한 경우에는 근접하는 막의 주구성원소로서 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 을 이용하는 대신에 오스뮴(Os)을 이용하면 상기 기술의 각각의 효과가 얻어진다.
본 발명에 의하면 근접도전체막과 절연막의 사이의 밀착성을 향상시키는 것이 가능하기 때문에 박리가 일어나기 어려운 신뢰성 높은 반도체장치가 제공가능하다. 또한, 적층구조로 크랙등의 결함이 발생하기 어려운 신뢰성 높은 반도체장치가 제공가능하다.
또한, 이동선군에 의한 보이드와 단선이 발생하기 어려운 신뢰성 높은 반도체장치가 제공가능하다.

Claims (11)

  1. 반도체기판의 일주면측에 형성된 실리콘(Si)을 함유하는 절연막과,
    당해 절연막에 접촉하여 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 제 2도전체막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 2 도전체막은 동(Cu)을 주구성원소로하고 상기 제 1 도전체막은 적어도 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 첨가원소로 하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 반도체기판의 일주면측에 형성된 실리콘(Si)을 함유하는 절연막과,
    당해 절연막에 접촉하여 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 제 2도전체막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 2 도전체막은 동(Cu)을 주구성원소로하고 상기 제 1 도전체막은 적어도 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 첨가원소를 10at.%이상 25at.%이하의 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  3. 반도체기판의 일주면측에 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 동(Cu)막 또는 동(Cu)합금막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 1 도전체막은 적어도 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 첨가원소를 0.14at.%이상 25at.%이하의 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  4. 반도체기판의 일주면측에 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 동(Cu)막 또는 동(Cu)합금막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 1 도전체막은 적어도 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고,
    상기 제 1도전체막은 파라듐(Pd)을 0.14at.%이상 25at.%이하의 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  5. 반도체기판의 일주면측에 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 동(Cu)막 또는 동(Cu)합금막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 1 도전체막은 적어도 산화로듐, 산화르테늄, 산화이리듐, 산화오스뮴으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류이상의 원소를 주구성재료로하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 첨가원소를 0.14at.%이상 25at.%이하의 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  6. 반도체기판의 일주면측에 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 금(Au)막 또는 금(Au)합금막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 1 도전체막은 적어도 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 첨가원소를 0.14at.%이상 25at.%이하의 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  7. 반도체기판의 일주면측에 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 은(Ag)막 또는 은(Ag)합금막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 1 도전체막은 적어도 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금(Pt) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 주구성원소로 하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 첨가원소를 0.14at.%이상 25at.%이하의 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  8. 반도체기판의 일주면측에 형성된 제 1 도전체막과,
    당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 백금(Pt)막 또는 백금(Pt)합금막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 1 도전체막은 오스뮴(Os)을 주구성원소로 하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 파라듐(Pd) 코발트(Co) 니켈(Ni) 티탄(Ti)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 첨가원소를 0.14at.%이상 25at.%이하의 농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  9. 반도체기판의 일주면측에 실리콘(Si)을 함유하는 절연막과 당해 절연막에 접촉하여 형성된 제 1 도전체막과 당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 제 2 도전체막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 2 도전체막은 동(Cu)을 주구성원소로하고,
    상기 제 1도전체막은 적어도 로듐(Rh), 르테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)또는 백금(Pt) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 종류의 원소를 주구성원소로하고,
    상기 제 1 도전체막은 상기 주구성원소외에 적어도 한종류의 이종원소를 함유하고 당해 이종원소 가운데 적어도 한 종류의 원소의 원자반경과 상기 주구성원소의 원자반경의 차이가 10%이하이고,
    상기 이종원소와 실리콘(Si)의 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 제 1 도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  10. 반도체기판의 일주면측에 실리콘(Si)을 함유하는 절연막과 당해 절연막에 접촉하여 형성된 제 1 도전체막과 당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 제 2 도전체막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 2 도전체막은 동(Cu)을 주구성원소로하고,
    상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(an)과 동(Cu)원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차 {｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와,
    상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 동(Cu) 원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하고,
    상기 제 1 도전체막의 주구성원소의 융점이 동(Cu)의 융점의 1.4배이상이고,
    상기 제 1 도전체막이 주구성원소외에 적어도 한 종류의 이종원소를 함유하고 당해 이종원소의 가운데 적어도 한 종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 제 1 도전체막의 주구성원소의 원자반경의 차이가 10%이하이고 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 제 1 도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배이상인 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  11. 반도체기판의 일주면측에 실리콘(Si)을 함유하는 절연막과 당해 절연막에 접촉하여 형성된 제 1 도전체막과 당해 제 1 도전체막에 접촉하여 형성된 제 2 도전체막을 가지는 적층구조를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(an)과 상기 제 2 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 단변(ap)의 차 {｜ap - an｜/ap} ×100 = A(%)와,
    상기 제 1 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의 단위장방격자에 있어서의 장변(bn)과 상기 제 2 도전체막의 주구성원소가 구성하는 밀집결정면의단위장방격자에 있어서의 장변(bp)의 차{｜bp - bp｜/bp} ×100 = B(%)가 {A + B ×(ap/bp)} < 13%가 되는 부등식을 만족하고,
    상기 제 1 도전체막의 주구성원소의 융점이 동(Cu)의 융점의 1.4배이상이고,
    상기 제 1 도전체막이 주구성원소외에 적어도 한 종류의 이종원소를 함유하고 당해 이종원소의 가운데 적어도 한 종류의 첨가원소의 원자반경과 상기 제 1 도전체막의 주구성원소의 원자반경의 차이가 10%이하이고 또한 상기 첨가원소와 실리콘(Si)의 결합에너지가 상기 제 1 도전체막의 주구성원소와 실리콘(Si)의 결합에너지의 1.9배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체장치.
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