JPH0648880Y2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 以下の順序に従って本考案を説明する。

A.産業上の利用分野 B.考案の概要 C.従来技術［第２図］ D.考案が解決しようとする問題点 E.問題点を解決するための手段 F.作用 G.実施例［第１図］ H.考案の効果 （A.産業上の利用分野） 本考案は半導体装置、特にシリコン半導体基板と、アル
ミニウムあるいはアルミニウム合金からなる電極との間
にバリアメタルを介在させた半導体装置に関する。

（B.考案の概要） 本考案は、上記の半導体装置において、 アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる電極上
のパシベーション膜の応力により電極に欠損部が生じる
のを防止し、且つバリアメタルのバリア効果を高い温度
でも保持できるようにするため、 バリアメタルを、チタンオキシナイトライドTiOxNy膜を
上下両側からチタン膜によりサンドイッチ状に挟んだ三
層構造にしたものである。

（C.従来技術）［第２図］ 現在、電極材料としても最も広く用いられているアルミ
ニウムは、シリコン半導体基板との合金化反応で接合の
破壊及び劣化を招く要因となることが判明した。そし
て、デバイスの微細化により接合深さが非常に浅くなる
傾向にあるのでその接合破壊及び劣化を防止する必要性
が生じ、そのためにアルミニウム中に１〜２％程度のシ
リコンを含有させ合金化反応を防止しようとすることが
行われたりしている。しかし、このアルミニウム中のシ
リコンが、このアルミニウム膜のスパッタによる形成後
の400〜450℃での熱処理の後における冷却過程で析出
し、その結果、コンタクトホール内にIII属元素ｐ型不
純物となるアルミニウムを含んだシリコン、即ちｐ型の
シリコンができ、半導体基板のｎ型半導体領域との間に
pn接合が出来る等種々の問題をもたらす。そこで、アル
ミニウム電極と半導体基板との間に両者の合金化を阻む
バリアメタルを介在させる技術が採用されるようにな
り、月間Semiconductor World 1987年３月号「●メタ
ライゼーション●超LSIのバリアメタルの適用」90〜94
頁にも記載されているようにチタンナイトライドTiNが
バリアメタルとして有望視されるようになった。

そして、そのチタンナイトライドTiNをバリアメタルと
して半導体装置のアルミニウムあるいはアルミニウム合
金膜と半導体基板の拡散層との間に介在させる場合にお
いて、良好なオーミック特性を得るうえでチタンナイト
ライドTiN膜と拡散層との間にチタン膜を介在させるこ
とが好ましいことが知られている。第２図はそのような
半導体装置の一例を示す断面図であり、同図において、
ａはシリコン半導体基板、ｂは該半導体基板の表面部に
選択的に形成された拡散層、ｃは半導体基板ａ表面上を
覆う絶縁膜、ｄは該絶縁膜ｃに形成されたところの上記
拡散層ｂ表面を部分的に露出させるコンタクトホール、
ｅはチタン膜、ｆはチタンナイトライド膜で、この２つ
の膜e,fによってバリアメタルが構成され、このバリア
メタルを介して電極ｇがコンタクトホールｄを通して拡
散層ｂに接続されている。

また、この構造に類似したアルミニウム配線構造が85VL
SIシンポジウム予稿集51頁［Fig5（ｂ）］に紹介されて
いる。これはチタンナイトライド膜と半導体基板側との
間にチタン膜を介在させるだけでなく、アルミニウム電
極とチタンナイトライド膜との間にもチタン膜を介在さ
せるようにしたものである。

（D.考案が解決しようとする問題点） ところで、上述した第２図示す電極構造の場合、即ち、
チタンナイトライド膜ｆ上に直接アルミニウムあるいは
アルミニウム合金膜ｇを形成した場合には、該膜ｇのパ
ターニング後その上にデポジションされるパシベーショ
ン膜による熱応力によって塑性変形のためアルミニウム
あるいはアルミニウム合金膜に欠損部が生じるという問
題があった。というのは、アルミニウムあるいはアルミ
ニウム合金膜の形成後において表面保護のためパシベー
ション膜が形成されるが、一般にパシベーション膜とし
て半導体基板に対して圧縮応力を有するものが使用され
る。そして、その後特性改善のため、具体的には半導体
基板の結晶中のダメージを消滅させるためシンタリング
と称される400〜450℃での熱処理が行われる。ところ
で、この第２図に示す半導体装置の場合、チタンナイト
ライド膜ｆが直接アルミニウム膜ｇに接しているのでそ
の間に合金層が生じない。そのため、アルミニウム（ア
ルミニウム合金）膜ｇ上のパシベーション膜の応力によ
る塑性変形の影響でAl結晶粒がチタンナイトライド膜ｆ
上を容易に移動し得ることになり、アルミニウム結晶粒
の部分的集中そして欠損が生じる。これが欠損部の生じ
る理由である。そして、この欠損部は電極の微細化が進
む今日において断線をもたらす可能性を有しており、信
頼度を低下させる原因となるので看過できないものであ
る。

また、チタンナイトライド膜とアルミニウムあるいはア
ルミニウム合金膜との間にもチタン膜を介在さるように
した場合には欠損部の発生をある程度防止することがで
きるが、400〜450℃の熱処理においてバリア性を維持で
きない。

本発明はこのような問題点を解決すべく為されたもので
あり、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる
電極上のパシベーション膜の応力により電極に欠損部が
生じるのを防止し、更にはバリアメタルがより高い温度
でもバリア性を保持できるようにすることを目的とす
る。

（E.問題点を解決するための手段） 本考案半導体装置は上記問題点を解決するため、バリア
メタルを、チタンオキシナイトライドTiOxNy膜をチタン
膜によりサンドイッチ状に挟んだ三層構造にしたことを
特徴とする。

（F.作用） 本考案半導体装置によれば、チタンオキシナイトライド
膜とアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる電
極とが直接には接触しておらずその間にチタン膜が介在
しているので、400〜500℃程度の温度での加熱処理によ
りチタン膜と電極との間で合金層が形成される。従っ
て、電極中のアルミニウム結晶粒の集中、欠損を抑制す
ることができ、延いては電極の信頼性を高めることがで
きるのである。

しかも、チタンナイトライド膜ではなくそれに酸素を含
有させたチタンオキシナイトライドTiOxNy膜を両側から
チタン膜でサンドイッチ状に挟んだ三層構造体をバリア
とするので、バリア性をより高い温度でも保持すること
ができる。というのは、チタンオキシナイトライド膜が
電極形成後の加熱処理温度である400〜450℃には充分耐
えてバリア効果を発揮できるからであり、チタンオキシ
ナイトライド膜が400〜450℃の高温でもバリア機能を維
持できることは特願昭63-219784の明細書、図面に記載
されている。その後の実験では450〜500℃でもバリア性
を充分に維持できることも確認されている。

（G.実施例）［第１図］ 以下、本考案半導体装置を図示実施例に従って詳細に説
明する。

第１図は本発明半導体装置の一つの実施例を示す断面図
である。同図において、１はシリコン半導体基板、２は
該半導体基板１の表面部に選択的に形成された不純物拡
散層、３は半導体基板１の表面を覆う例えばSiO₂からな
る絶縁層、４は該絶縁層３に形成されたところの上記拡
散層２表面を部分的に露出させるコンタクトホールであ
る。

５はチタン膜で、コンタクトホール４を通して絶縁層３
上に形成されており、膜厚は例えば20〜50nm程度であ
る。

６は該チタン膜５上に形成されたチタンオキシナイトラ
イド膜で、酸素濃度が例えば３〜7at％であることが好
ましい。というのは、配線電極として抵抗値が小さいこ
とという要求と、バリアとしてバリア性が高いこととい
う要求とに調和して応えることができるからである。こ
の点については既に特願昭63-219784の明細書において
紹介している。そして、チタンオキシナイトライド膜６
の膜厚は例えば30〜100nm程度が好適である。該チタン
オキシナイトライド膜６は、例えば雰囲気ガスとしてN₂
ガスを475SCCM、O₂ガスを3SCCM流し、約0.5Paの圧力下
にてチタンターゲットを用いてスパッタリングを行うこ
とにより形成することができる。

７はチタンオキシナイトライド膜６上に形成されたチタ
ン膜で、例えば20〜50nm程度の膜厚を有する。そして、
該チタン膜７、チタンオキシナイトライド６膜及びチタ
ン膜５によってチタンオキシナイトライド膜６を上下両
側からチタン膜5,7によってサンドイッチ状に挟んだ三
層構造のバリアメタル８が構成される。９は約１％のシ
リコンを含有したアルミニウム合金膜で、電極を成す。

上記アルミニウム合金膜９の形成後、該アルミニウム合
金膜９及びバリアメタル８に対するパターニングが為さ
れ、次いで装置表面上に図示しないパシベーション膜が
形成され、しかる後、特性回復（具体的には半導体基板
１の結晶のダメージ除去）のための加熱処理が行われ
る。この処理の加熱温度は例えば400〜450℃である。

このような半導体装置によれば、チタンオキシナイトラ
イド膜６とアルミニウム合金膜８とが直接接しておらず
その間にチタン膜７が介在しているので、上記特性回復
のための加熱処理によりアルミニウム合金膜９とチタン
膜７との間で反応が起り、合金層が形成される。従っ
て、アルミニウム合金膜９のアルミニウム結晶粒は下地
であるチタン膜７によってつなぎとめられるので膜９中
を移動することが抑制され、延いてはアルミニウム結晶
粒の集中、欠損が抑制される。従って、第２図に示した
半導体装置において生じていたところのチタンナイトラ
イト膜ｆとアルミニウムｇとが直接接し、熱処理の際に
その間に合金層が形成されないためにパシベーション膜
の応力による塑性変形の影響でアルミニウム結晶粒がチ
タンナイトライド膜ｇ上を容易に移動しそのためアルミ
ニウム結晶粒の集中、欠損が生じるという問題は本発明
においては生じにくくなる。

しかも、バリアメタル８の中核を成すのはチタンナイト
ライドTiNではなくチタンオキシナイトライドTiOxNy膜
６であり酸素を含有しているので、より高い温度でもバ
リア性を保持できる。具体的には450〜500℃にも耐える
ことができる。従って、アルミニウムの集中、欠損の防
止効果を熱処理温度が450〜500℃と高くても発揮するこ
とができ、その点でもボイド発生をより有効に抑止する
ことができる。

また、電極９上にヒロックが発生することも有効に防止
することができる。というのは、ヒロックはアルミニウ
ムの欠損と裏表の関係で生じる集中によって発生する
が、そのもととなるアルミニウムの集中、そして欠損が
起きにくくなるのでヒロックも起きくなるからである。

（H.考案の効果） 以上述べたように、本考案半導体装置は、シリコン半導
体基板と、アルミニウムあるいはアルミニウム合金から
なる電極との間に、チタン膜とチタンオキシナイトライ
ド膜とチタン膜この順に積層した三層構造のバリアメタ
ルを介在させてなることを特徴とするものである。

従って、本考案半導体装置によれば、チタンオキシナイ
トライド膜とアルミニウムあるいはアルミニウム合金か
らなる電極とが直接には接触しておらずその間にチタン
膜が介在しているので、400〜500℃程度の温度での加熱
処理によりチタン膜と電極との間で合金層が形成され
る。

従って、電極中のアルミニウム結晶粒の集中、欠損を抑
制することができ、延いては電極の信頼度を高めること
ができるのである。

そして、チタンナイトライド膜ではなくそれに酸素を含
有させたチタンオキシナイトライドTiOxNy膜を上下両側
からチタン膜でサンドイッチ状に挟んだ三層構造体をバ
リアとするので、バリア性をより高い温度でも保持する
ことができる。というのは、チタンオキシナイトライド
膜が電極形成後の加熱処理温度である400〜450さらには
500℃までの温度に耐えてバリア効果を発揮できるから
である。また、アルミニウムあるいはアルミニウム合金
膜にヒロックが生じることも防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明半導体装置の一つの実施例を示す断面
図、第２図は従来例を示す断面図である。 符号の説明 １（、２）……半導体基板、 ５……チタン膜、 ６……チタンオキシナイトライド膜、 ７……チタン膜、８……バリアメタル、 ９……電極（Al又はAl合金）。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン半導体基板と、アルミニウムある
   いはアルミニウム合金からなる電極との間に、チタン膜
   とチタンオキシナイトライド膜とチタン膜をこの順に積
   層した三層構造のバリアメタルを介在させてなる ことを特徴とする半導体装置