JPH0555224A - 半導体装置の多層配線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体装置、より詳しく
は、該半導体装置のアルミニウム多層配線に関し、配線
抵抗の上昇を招くことなく、コンタクトホール内のコン
タクト部の信頼性を高めた多層配線を提供する。 【構成】 少なくとも２つの配線層１、２とこれらの間
の層間絶縁層３とからなる半導体装置の多層配線におい
て、下層配線層１はアルミニウム層１ａとその上であっ
て前記層間絶縁層のコンタクトホールおよび該コンタク
トホールの縁から２〜１０μｍの領域に形成された第１
高融点金属層１ｃとからなり、かつ上層配線２はアルミ
ニウム層２ｂとその下に形成された第２高融点金属層２
ａとからなるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣ、ＬＳＩなどの半
導体装置、より詳しくは、該半導体装置のアルミニウム
多層配線に関する。なお、本明細書でのアルミニウムは
アルミニウム単体およびアルミニウム合金（Al-Cu, Al-
Si, Al-Si-Cuなど）を意味する。

【０００２】半導体装置の多層配線は、基本的には、下
層配線層、上層配線層およびこれらを接続するコンタク
トホールを有する層間絶縁層から構成されている。従来
の多層配線構造では、配線は主にアルミニウムで作られ
てるため、コンタクトホール（ビアホール）での配線間
の接触はアルミニウム／アルミニウムコンタクトとなっ
ている。一方、半導体装置の高集積化、微細化が進み、
コンタクトホールのサイズも小さくなり、サブミクロン
へと微細化されている。これに伴い、コンタクトホール
でのコンタクト部にオープン不良（導通不良）などが発
生して、半導体装置の信頼性低下が問題となってきてい
る。このオープン不良のメカニズムはまだ完全には解明
されていないが、コンタクトホールのコンタクト部にボ
イドの核が存在すると、そのボイドが何らかの要因で成
長することによりオープンに到ると考えられている。ア
ルミニウムは比較的低融点金属であり、８０〜１５０℃
程度でも容易に拡散するため、コンタクトホールのコン
タクト部においてのボイド成長が起こりやすいと考えら
れる。

【０００３】

【従来の技術】このようなコンタクトホール内のコンタ
クト部でのオープン不良の問題を解決するために、図３
に示すように下層および上層のアルミニウム配線を高融
点金属とアルミニウムとの積層配線とすることが提案さ
れている。この場合には、下層配線１がアルミニウム層
１ａとその上に形成した薄い高融点金属層１ｂとからな
り、上層配線層２が薄い高融点金属層２ａとその上に形
成したアルミニウム層２ｂとからなる。高融点金属と
は、例えば、 W, W-Ti, TiN, Mo, Ti およびTaである。
これら配線は層間絶縁層３のコンタクトホール４にて高
融点金属層１ａおよび２ｂ同士が接触してコンタクト部
となっている。このように高融点金属同士のコンタクト
であるので、ボイドの成長を防止しオープン不良の発生
をも防止することができる。

【０００４】なお、図３の多層配線層は半導体基板５の
上の絶縁層６上に形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示した多層配線では、それぞれの配線の全長にわたって
高融点金属層が存在するために、層間絶縁層の形成時の
加熱処理やその後の熱処理（２５０〜４５０℃）におい
て高融点金属とアルミニウムとが反応して、配線として
の抵抗が高くなるという問題がある。特に、多層配線構
造では、配線層の厚さが下層の方が上層よりも薄くなっ
ているため、反応による抵抗値上昇の影響を受けやす
い。

【０００６】そこで、本発明の目的は、配線抵抗の上昇
を招くことなく、コンタクトホール内のコンタクト部の
信頼性を高めた多層配線を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的が、少なくと
も２つの配線層とこれらの間の層間絶縁層とからなる半
導体装置の多層配線において、下層配線層はアルミニウ
ム層とその上であって層間絶縁層のコンタクトホールお
よび該コンタクトホールの縁から２〜１０μｍの領域に
のみ形成された第１高融点金属層とからなり、かつ上層
配線はアルミニウム層とその下に形成された第２高融点
金属層とからなることを特徴とする半導体装置の多層配
線によって達成される。。

【０００８】第１および第２高融点金属層が W, W-Ti,
TiN, Mo, Ti およびTaからなる群から選ばれた金属また
はその化合物であることは好ましい。なお、上層配線の
第２高融点金属層はその配線全長にわたって存在しても
良く、コンタクトホール部分のみに局在しても良い。

【０００９】

【作用】本発明では、図３に示した従来のアルミニウム
多層配線での下層配線層における高融点金属層を配線層
全面からコンタクトホールおよびその近傍に限定し、こ
のことにより、例えアルミニウム層と高融点金属が反応
してもその反応域は小さいので配線抵抗が大きく上昇す
ることはない。

【００１０】また、コンタクトホールにおける下層配線
と上層配線とのコンタクト部は高融点金属同士のコンタ
クトとなっており、この界面では図３の場合と同様にオ
ープン不良は発生しない。さらに、下層配線での高融点
金属層の存在する範囲はコンタクトホールよりも大きい
ので、例えアルミニウム／高融点金属界面にボイド成長
が起こっても、この界面がオープン状態になることは無
い。

【００１１】第１高融点金属層のサイズがコンタクトホ
ールよりも２μｍ以上に大きいのは、コンタクトホール
形成する際の位置合わせ余裕を考慮してのことであり、
上限を１０μｍとしたのは反応区域が増えて抵抗の上昇
をもたらすのを避けるためである。

【００１２】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明を詳細に説明する。図
１は、本発明に係るアルミニウム多層配線を備えた半導
体装置の概略部分断面図であり、図３でのアルミニウム
多層配線付き半導体装置に用いた参照番号と同じ番号は
同じ部材を示す。

【００１３】本発明に係る多層配線構造と図３の多層配
線構造との差異は、図１に示すように、下層配線層のア
ルミニウム層１ａの上に形成する高融点金属層１ｃがコ
ンタクトホール４およびその周囲の小さな領域にて存在
することであり、図３でのようにアルミニウム層１ａの
全長にわたって存在しないことである。図１の半導体装
置のアルミニウム多層配線は、図２（ａ）〜（ｅ）に示
した工程にしたがって次のようにして形成される。

【００１４】先ず、図２（ａ）に示すように、通常の半
導体装置製造プロセスによって素子（ＭＯＳＦＥＴ、バ
イポーラトランジスタ、抵抗など）を形成した半導体基
板５を用意し、その上にＰＳＧなどの絶縁層６を形成す
る。図２（ｂ）に示すように、絶縁層６の上の全面にア
ルミニウム合金（Al-1%Si)を厚さ0.５μｍにスパッタリ
ング法で形成し、通常のフォトリソグラフィ技術にて所
定の配線パターンに加工して、アルミニウム層１ａを形
成する。アルミニウム層１ａのコンタクトホール対応領
域はその幅が他の部分よりも広くなっている。

【００１５】図２（ｃ）に示すように、全面にＣＶＤ法
によって層間絶縁層３の一部である薄い絶縁層３ａを形
成する。例えば、ＳｉＯ₂ （またはＰＳＧ）を厚さ約５
０nm堆積させてこの絶縁層３ａとする。そして、アルミ
ニウム層１ａの上に形成する高融点金属層の形状に対応
するフォトマスクを用いて、通常のフォトリソグラフィ
技術にて絶縁層３ａを選択エッチングして、開口７を形
成し、アルミニウム層１ａの一部を表出させる。

【００１６】次に、図２（ｄ）に示すように、選択ＣＶ
Ｄ法によって高融点金属であるタングステン（Ｗ）を絶
縁層３ａの開口７内の表出したアルミニウム層１ａの上
に（第１）高融点金属層１ｃを厚さ５０nmで形成する。
この時、絶縁層３ａの上にはタングステンは析出しない
（形成されない）。図２（ｅ）に示すように、全面にＣ
ＶＤ法によって絶縁層を残りの厚さ堆積して層間絶縁層
３を形成する。例えば、ＳｉＯ₂ （またはＰＳＧ）を厚
さ約４５０nm堆積させて絶縁層３ａと一体として層間絶
縁層とする。そして、所定のコンタクトホールに対応す
るフォトマスクを用いて、通常のフォトリソグラフィ技
術にて層間絶縁層３を選択エッチングして、コンタクト
ホール４を形成する。コンタクトホール４の大きさは高
融点金属層１ｃよりも小さいので、アルミニウム層１ａ
が表出することは無い。

【００１７】そして、図１に示すように、コンタクトホ
ール４内を含めた全面にスパッタリング法によって、チ
タン（Ｔｉ）を２５nm厚さで、続けてアルミニウム合金
（Al-1%Si)を厚さ1.０μｍで形成し、通常のフォトリソ
グラフィ技術にて所定の配線パターンに加工して、（第
２）高融点金属層２ａおよびアルミニウム層２ｂからな
る上層配線層２を形成する。このようにして多層配線を
形成することができる。

【００１８】上述した多層配線構造で、コンタクトホー
ルを0.８×0.８μｍの正方形として、コンタクトホール
を１０万個有するコンタクトチェーン１０００組を用
い、１５０℃放置の信頼性試験を行ったところ、３００
０時間経過後でも、オープン不良は発生しなかった。一
方、高融点金属層を形成しない従来例の場合では、３０
００時間経過後に0.５％のオープン不良が発生した。

【００１９】さらに、上述した多層配線での配線抵抗
は、高融点金属層を形成しない従来例の場合と比べて、
４５０℃×３０分の熱処理後で５％程度増加したにすぎ
なかった。一方、下層配線の全長にわたって高融点金属
層を形成した場合には、３０％以上の抵抗増加が認めら
れた。上述の場合に高融点金属層１ｃを形成するのに選
択ＣＶＤを用いたが、この代わりに、全面のアルミニウ
ム合金の上に、続いてタングステンをスパッタリング法
で形成し、所定の金属層形状に対応するフォトマスクを
用いて、通常のフォトリソグラフィ技術にてタングステ
ンをエッチング除去し、次に下層配線パターンに対応す
るフォトマスクを用いて、通常のフォトリソグラフィ技
術にてアルミニウムをエッチング除去して、下層配線を
形成しても良い。また、上層配線の高融点金属層２ａを
全面形成した後で、コンタクトホール４およびその周辺
を残すようにその他の部分を適切なフォトマスクを用い
た通常のフォトリソグラフィ技術にてチタン（高融点金
属）をエッチング除去しても良い。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る半導
体装置の多層配線は配線抵抗の増加が少なく、かつオー
プン不良の無いことでコンタクト部の信頼性を高めるこ
とができ、そして、半導体装置の微細化にも寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多層配線を有する半導体装置の概
略部分断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る多層配線を形成
する工程を説明する概略部分断面図である。

【図３】従来の多層配線を有する半導体装置の概略部分
断面図である。

【符号の説明】

１…下層配線 １ａ…アルミニウム層 １ｃ…高融点金属層 ２…上層配線 ２ａ…高融点金属層 ２ｂ…アルミニウム層 ３…層間絶縁層 ４…コンタクトホール ５…半導体基板 ６…絶縁層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つの配線層（１、２）とこ
   れらの間の層間絶縁層（３）とからなる半導体装置の多
   層配線において、下層配線層（１）はアルミニウム層
   （１ａ）とその上であって前記層間絶縁層のコンタクト
   ホールおよび該コンタクトホールの縁から２〜１０μｍ
   の領域にのみ形成された第１高融点金属層（１ｃ）とか
   らなり、かつ上層配線（２）はアルミニウム層（２ｂ）
   とその下に形成された第２高融点金属層（２ａ）とから
   なることを特徴とする半導体装置の多層配線。
2. 【請求項２】 前記第１および第２高融点金属層（１
   ｃ、２ａ）は W, W-Ti, TiN, Mo, Ti およびTaからなる
   群から選ばれた金属またはその化合物であることを特徴
   とする請求項１記載の多層配線層。