JPH09237786A - 半導体装置の積層配線構造およびその形成方法 - Google Patents
半導体装置の積層配線構造およびその形成方法Info
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- JPH09237786A JPH09237786A JP6753596A JP6753596A JPH09237786A JP H09237786 A JPH09237786 A JP H09237786A JP 6753596 A JP6753596 A JP 6753596A JP 6753596 A JP6753596 A JP 6753596A JP H09237786 A JPH09237786 A JP H09237786A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 エレクトロマイグレーション耐性が良好な半
導体装置の積層配線構造およびその形成方法を提供す
る。 【解決手段】 シリコン基板11の表面近傍領域に選択
的に形成された不純物拡散層12と配線層19とのコン
タクトを形成するに際し、配線層19の下に最下層1
5、バリアメタル層16および最上層17の3層からな
る積層膜18を配置する。最下層15は不純物拡散層1
2とのオーミックコンタクトを得るためのコンタクトメ
タルで、チタンを30nm以上、好ましくは50nm以
上の膜厚に形成する。最上層17はEM耐性向上のため
のもので、チタンを30nm以上、好ましくは50nm
以上の膜厚に形成する。こうして最上層17および最下
層15の膜厚を最適化することにより、配線層19のア
ルミニウムの結晶配向性が改善され、EM耐性が十分に
向上する。
導体装置の積層配線構造およびその形成方法を提供す
る。 【解決手段】 シリコン基板11の表面近傍領域に選択
的に形成された不純物拡散層12と配線層19とのコン
タクトを形成するに際し、配線層19の下に最下層1
5、バリアメタル層16および最上層17の3層からな
る積層膜18を配置する。最下層15は不純物拡散層1
2とのオーミックコンタクトを得るためのコンタクトメ
タルで、チタンを30nm以上、好ましくは50nm以
上の膜厚に形成する。最上層17はEM耐性向上のため
のもので、チタンを30nm以上、好ましくは50nm
以上の膜厚に形成する。こうして最上層17および最下
層15の膜厚を最適化することにより、配線層19のア
ルミニウムの結晶配向性が改善され、EM耐性が十分に
向上する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の被コン
タクト領域と外部回路との間を接続するために形成され
る積層配線構造およびその形成方法に関する。
タクト領域と外部回路との間を接続するために形成され
る積層配線構造およびその形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、半導体装置の配線材料として
アルミニウムを用いる場合には、アルミニウム中へのシ
リコンの固溶度および拡散係数が大きいことを考慮し、
アルミニウム中へのシリコンの移動を防止すべく、純粋
なアルミニウム中に予め固溶度以上の割合で(例えば、
1%程度の)シリコンを含有させたアルミニウム合金を
用いるという方法がとられている。このようなアルミニ
ウム合金配線(以下、Al合金配線という。)に要求さ
れる特性の1つとして、いわゆるエレクトロマイグレー
ション耐性(以下、EM耐性という。)がある。エレク
トロマイグレーションとは、配線に電流を流したとき
に、電子が熱的に活性化したアルミニウムイオンと衝突
してそのエネルギーをアルミニウムイオンに与える結
果、アルミニウムイオンが正の電位側に移動し、電位の
低い側のAl合金配線部分が薄くなるという現象であ
り、局所的な抵抗増大や配線の断線等の原因となるた
め、半導体装置の寿命を大きく左右する。このため、従
来より、このEM耐性を向上すべく、Al合金にCu
(銅)等を添加する等、様々な方策が講じられている。
アルミニウムを用いる場合には、アルミニウム中へのシ
リコンの固溶度および拡散係数が大きいことを考慮し、
アルミニウム中へのシリコンの移動を防止すべく、純粋
なアルミニウム中に予め固溶度以上の割合で(例えば、
1%程度の)シリコンを含有させたアルミニウム合金を
用いるという方法がとられている。このようなアルミニ
ウム合金配線(以下、Al合金配線という。)に要求さ
れる特性の1つとして、いわゆるエレクトロマイグレー
ション耐性(以下、EM耐性という。)がある。エレク
トロマイグレーションとは、配線に電流を流したとき
に、電子が熱的に活性化したアルミニウムイオンと衝突
してそのエネルギーをアルミニウムイオンに与える結
果、アルミニウムイオンが正の電位側に移動し、電位の
低い側のAl合金配線部分が薄くなるという現象であ
り、局所的な抵抗増大や配線の断線等の原因となるた
め、半導体装置の寿命を大きく左右する。このため、従
来より、このEM耐性を向上すべく、Al合金にCu
(銅)等を添加する等、様々な方策が講じられている。
【0003】一方、半導体装置における金属配線に要求
される他の特性としては、被コンタクト領域である下地
拡散層とのオーミックコンタクトの確保、層間絶縁膜と
の密着性、あるいはコンタクト形成に伴うPN接合破壊
の防止等が挙げられるが、これらの要求に応えるため、
従来より、Al合金膜下に高融点金属またはその化合物
からなる層をコンタクトメタルあるいはバリアメタルと
して配置した積層配線構造が採用されている。このう
ち、コンタクトメタルは主にオーミックコンタクトの確
保のために設けられ、バリアメタルは主に後の熱処理工
程で生ずるアロイスパイクによるPN接合破壊を防止す
るために設けられている。このような積層配線構造を構
成する高融点金属またはその化合物は、Al合金に比べ
て大きなEM耐性を有するものであるため、仮にAl合
金配線層がエレクトロマイグレーションによって断線す
るような事態に至ったとしても、高融点金属またはその
化合物からなる積層部分は断線せず、電気的導通の維持
は可能である。従って、この意味で、積層配線構造はE
M耐性の改善にも効果があるといえる。
される他の特性としては、被コンタクト領域である下地
拡散層とのオーミックコンタクトの確保、層間絶縁膜と
の密着性、あるいはコンタクト形成に伴うPN接合破壊
の防止等が挙げられるが、これらの要求に応えるため、
従来より、Al合金膜下に高融点金属またはその化合物
からなる層をコンタクトメタルあるいはバリアメタルと
して配置した積層配線構造が採用されている。このう
ち、コンタクトメタルは主にオーミックコンタクトの確
保のために設けられ、バリアメタルは主に後の熱処理工
程で生ずるアロイスパイクによるPN接合破壊を防止す
るために設けられている。このような積層配線構造を構
成する高融点金属またはその化合物は、Al合金に比べ
て大きなEM耐性を有するものであるため、仮にAl合
金配線層がエレクトロマイグレーションによって断線す
るような事態に至ったとしても、高融点金属またはその
化合物からなる積層部分は断線せず、電気的導通の維持
は可能である。従って、この意味で、積層配線構造はE
M耐性の改善にも効果があるといえる。
【0004】しかしながら、このような効果はEM耐性
を本質的に改善するものではなく、あくまでAl合金配
線の断線あるいは局所抵抗の増大という事態に対する補
完または救済に過ぎないことから、EM耐性の向上は必
ずしも十分ではない。
を本質的に改善するものではなく、あくまでAl合金配
線の断線あるいは局所抵抗の増大という事態に対する補
完または救済に過ぎないことから、EM耐性の向上は必
ずしも十分ではない。
【0005】このような状況に鑑み、例えば特開平6−
5599号公報には、EM耐性の本質的改善を目的とし
た半導体装置およびその製造方法が開示されている。こ
れは、Al系配線のEM耐性を支配する一要因として、
Al系配線層の結晶配向性に着目したものであり、第1
にAlの最稠密面の配向性が低い配線はEM耐性が低い
こと、第2にAlの結晶配向性はその下地となる高融点
金属またはその化合物の影響を強く受けることの2点を
考慮し、アルミニウム系配線層の下に、この配線層の最
稠密面の面内原子間隔とほぼ等しい面内原子間隔をもつ
面に配向したバッファ層を高融点金属等によって形成・
配置している。このような積層配線構造によれば、アル
ミニウムが最稠密面に配向するための阻害要因が少なく
なると考えられ、EM耐性の向上を図る上で一定の効果
が期待できる。
5599号公報には、EM耐性の本質的改善を目的とし
た半導体装置およびその製造方法が開示されている。こ
れは、Al系配線のEM耐性を支配する一要因として、
Al系配線層の結晶配向性に着目したものであり、第1
にAlの最稠密面の配向性が低い配線はEM耐性が低い
こと、第2にAlの結晶配向性はその下地となる高融点
金属またはその化合物の影響を強く受けることの2点を
考慮し、アルミニウム系配線層の下に、この配線層の最
稠密面の面内原子間隔とほぼ等しい面内原子間隔をもつ
面に配向したバッファ層を高融点金属等によって形成・
配置している。このような積層配線構造によれば、アル
ミニウムが最稠密面に配向するための阻害要因が少なく
なると考えられ、EM耐性の向上を図る上で一定の効果
が期待できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このように、EM耐性
を支配する一要因であるAl合金膜の結晶配向性はその
下地となる高融点金属またはその化合物の影響を強く受
けるため、その選択の仕方によってはEM耐性をかなり
劣化させることにもなりかねない。従って、Al合金膜
の結晶配向性はEM耐性を向上させる上で極めて重要な
役割を担っているといえる。しかしながら、上記公報で
は、バッファ層として用いる高融点金属材料やその成膜
方法については検討が成されているものの、この出願を
含めて従来は、積層配線構造を構成する各層の膜厚等に
ついては最適化の検討がなされておらず、必ずしも十分
なEM耐性を確保するには至っていなかった。
を支配する一要因であるAl合金膜の結晶配向性はその
下地となる高融点金属またはその化合物の影響を強く受
けるため、その選択の仕方によってはEM耐性をかなり
劣化させることにもなりかねない。従って、Al合金膜
の結晶配向性はEM耐性を向上させる上で極めて重要な
役割を担っているといえる。しかしながら、上記公報で
は、バッファ層として用いる高融点金属材料やその成膜
方法については検討が成されているものの、この出願を
含めて従来は、積層配線構造を構成する各層の膜厚等に
ついては最適化の検討がなされておらず、必ずしも十分
なEM耐性を確保するには至っていなかった。
【0007】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その課題は、EM耐性のより一層の改善を図るこ
とができる半導体装置の積層配線構造およびその形成方
法を提供することにある。
ので、その課題は、EM耐性のより一層の改善を図るこ
とができる半導体装置の積層配線構造およびその形成方
法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の積層配線構造は、高融点金属またはこれを含む材料を
適宜組合せてなる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成
してなる積層配線構造であって、積層膜の最下層および
最上層として、アルミニウムの優先結晶配向面の面内格
子間距離に近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を
有する高融点金属またはこれを含む材料を用いると共
に、積層膜の最下層の膜厚を少なくとも30nmとした
ものである。
の積層配線構造は、高融点金属またはこれを含む材料を
適宜組合せてなる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成
してなる積層配線構造であって、積層膜の最下層および
最上層として、アルミニウムの優先結晶配向面の面内格
子間距離に近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を
有する高融点金属またはこれを含む材料を用いると共
に、積層膜の最下層の膜厚を少なくとも30nmとした
ものである。
【0009】本発明による他の半導体装置の積層配線構
造は、高融点金属またはこれを含む材料を適宜組合せて
なる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成してなる積層
配線構造であって、積層膜の最下層および最上層とし
て、アルミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に
近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融
点金属またはこれを含む材料を用いると共に、積層膜の
最上層の膜厚を少なくとも30nmとしたものである。
造は、高融点金属またはこれを含む材料を適宜組合せて
なる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成してなる積層
配線構造であって、積層膜の最下層および最上層とし
て、アルミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に
近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融
点金属またはこれを含む材料を用いると共に、積層膜の
最上層の膜厚を少なくとも30nmとしたものである。
【0010】本発明による半導体装置の積層配線構造の
形成方法は、高融点金属またはこれを含む材料を適宜組
合せてなる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成してな
る積層配線構造の形成方法であって、アルミニウムの優
先結晶配向面の面内格子間距離に近い面内格子間距離を
もつ優先結晶配向面を有する高融点金属またはこれを含
む材料を用いて、前記積層膜の最下層を少なくとも30
nmの膜厚に形成する工程と、アルミニウムの優先結晶
配向面の面内格子間距離に近い面内格子間距離をもつ優
先結晶配向面を有する高融点金属またはこれを含む材料
を用いて、前記積層膜の最上層を少なくとも30nmの
膜厚に形成する工程と、積層膜の最上層の上に、アルミ
ニウム合金膜を形成する工程とを含むものである。
形成方法は、高融点金属またはこれを含む材料を適宜組
合せてなる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成してな
る積層配線構造の形成方法であって、アルミニウムの優
先結晶配向面の面内格子間距離に近い面内格子間距離を
もつ優先結晶配向面を有する高融点金属またはこれを含
む材料を用いて、前記積層膜の最下層を少なくとも30
nmの膜厚に形成する工程と、アルミニウムの優先結晶
配向面の面内格子間距離に近い面内格子間距離をもつ優
先結晶配向面を有する高融点金属またはこれを含む材料
を用いて、前記積層膜の最上層を少なくとも30nmの
膜厚に形成する工程と、積層膜の最上層の上に、アルミ
ニウム合金膜を形成する工程とを含むものである。
【0011】本発明による半導体装置の積層配線構造で
は、アルミニウム合金膜下の積層膜のうち、最下層およ
び最上層として、アルミニウムの優先結晶配向面の面内
格子間距離に近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面
を有する高融点金属またはこれを含む材料が用いられ、
しかも、このうち最下層は膜厚が30nm以上となるよ
うに形成されている。これにより上層の配線層としての
アルミニウム合金膜は優先結晶配向となるように結晶化
する割合が多くなり、結晶配向性が良好になる。
は、アルミニウム合金膜下の積層膜のうち、最下層およ
び最上層として、アルミニウムの優先結晶配向面の面内
格子間距離に近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面
を有する高融点金属またはこれを含む材料が用いられ、
しかも、このうち最下層は膜厚が30nm以上となるよ
うに形成されている。これにより上層の配線層としての
アルミニウム合金膜は優先結晶配向となるように結晶化
する割合が多くなり、結晶配向性が良好になる。
【0012】本発明による他の半導体装置の積層配線構
造では、アルミニウム合金膜下の積層膜のうち、最下層
および最上層として、アルミニウムの優先結晶配向面の
面内格子間距離に近い面内格子間距離をもつ優先結晶配
向面を有する高融点金属またはこれを含む材料が用いら
れ、しかも、このうち最上層は膜厚が30nm以上とな
るように形成されている。この場合も同様に、上層の配
線層としてのアルミニウム合金膜は優先結晶配向となる
ように結晶化する割合が多くなり、結晶配向性が良好に
なる。
造では、アルミニウム合金膜下の積層膜のうち、最下層
および最上層として、アルミニウムの優先結晶配向面の
面内格子間距離に近い面内格子間距離をもつ優先結晶配
向面を有する高融点金属またはこれを含む材料が用いら
れ、しかも、このうち最上層は膜厚が30nm以上とな
るように形成されている。この場合も同様に、上層の配
線層としてのアルミニウム合金膜は優先結晶配向となる
ように結晶化する割合が多くなり、結晶配向性が良好に
なる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
て図面を参照して詳細に説明する。
【0014】図1は本発明の一実施の形態に係る半導体
装置の積層配線構造を表すものである。この図に示した
ように、この半導体装置のシリコン基板11の表面近傍
領域には不純物拡散層12が選択的に形成され、さらに
この不純物拡散層12を含むシリコン基板11全体を覆
うようにしてシリコン酸化膜等の層間絶縁膜13が形成
されている。不純物拡散層12は、例えばMOSトラン
ジスタにおけるソース・ドレイン領域となるものであ
る。層間絶縁膜13には、この層間絶縁膜13を貫通し
て不純物拡散層12に達するコンタクトホール14が形
成されている。コンタクトホール14の内面から層間絶
縁膜13上にかけては、高融点金属またはその化合物を
適当に組み合せて構成した積層膜18が形成され、更に
その上にアルミニウム合金からなる配線層19が形成さ
れている。そして、積層膜18および配線層19は、所
定の形状にパターニング加工され、不純物拡散層12と
図示しない外部回路との間を電気的に接続する金属配線
パターンを形成している。
装置の積層配線構造を表すものである。この図に示した
ように、この半導体装置のシリコン基板11の表面近傍
領域には不純物拡散層12が選択的に形成され、さらに
この不純物拡散層12を含むシリコン基板11全体を覆
うようにしてシリコン酸化膜等の層間絶縁膜13が形成
されている。不純物拡散層12は、例えばMOSトラン
ジスタにおけるソース・ドレイン領域となるものであ
る。層間絶縁膜13には、この層間絶縁膜13を貫通し
て不純物拡散層12に達するコンタクトホール14が形
成されている。コンタクトホール14の内面から層間絶
縁膜13上にかけては、高融点金属またはその化合物を
適当に組み合せて構成した積層膜18が形成され、更に
その上にアルミニウム合金からなる配線層19が形成さ
れている。そして、積層膜18および配線層19は、所
定の形状にパターニング加工され、不純物拡散層12と
図示しない外部回路との間を電気的に接続する金属配線
パターンを形成している。
【0015】積層膜18は、最下層15、バリアメタル
層16および最上層17の3層構造となっており、例え
ば通常のD.C.スパッタ装置(直流スパッタ装置)に
よって真空中で連続的に成膜されたものである。このう
ち、最下層15は、不純物拡散層12とのオーミックコ
ンタクトを得るために形成されたコンタクトメタルであ
り、高融点金属であるチタン(Ti)を用いて、30n
m以上、好ましくは50nm以上の膜厚に形成されてい
る。バリアメタル層16は、コンタクトの耐熱性向上の
ために形成されたもので、チタンオキシナイトライド
(TiON)を用いて、例えば70〜100nm程度の
膜厚に形成されている。最上層17は、EM耐性向上の
ために形成されたものであり、チタンを用いて、30n
m以上、好ましくは50nm以上の膜厚に形成されてい
る。
層16および最上層17の3層構造となっており、例え
ば通常のD.C.スパッタ装置(直流スパッタ装置)に
よって真空中で連続的に成膜されたものである。このう
ち、最下層15は、不純物拡散層12とのオーミックコ
ンタクトを得るために形成されたコンタクトメタルであ
り、高融点金属であるチタン(Ti)を用いて、30n
m以上、好ましくは50nm以上の膜厚に形成されてい
る。バリアメタル層16は、コンタクトの耐熱性向上の
ために形成されたもので、チタンオキシナイトライド
(TiON)を用いて、例えば70〜100nm程度の
膜厚に形成されている。最上層17は、EM耐性向上の
ために形成されたものであり、チタンを用いて、30n
m以上、好ましくは50nm以上の膜厚に形成されてい
る。
【0016】配線層19は、アルミニウムに例えば1%
程度のシリコンを含有させたアルミニウム合金からな
り、動作時に電流の大部分を流す役割を果たすものであ
る。この配線層19の膜質は、後述するように、その下
層の積層膜18(特に、最下層15および最上層17)
を構成する高融点金属の種類および膜厚によって大きく
左右され、EM耐性に重要な影響を及ぼす。
程度のシリコンを含有させたアルミニウム合金からな
り、動作時に電流の大部分を流す役割を果たすものであ
る。この配線層19の膜質は、後述するように、その下
層の積層膜18(特に、最下層15および最上層17)
を構成する高融点金属の種類および膜厚によって大きく
左右され、EM耐性に重要な影響を及ぼす。
【0017】次に、積層膜18を構成する最上層17お
よび最下層15の各々について、主に膜厚をどの程度と
するのが最適であるかを実験データを参照して説明す
る。まず、最上層17について説明する。
よび最下層15の各々について、主に膜厚をどの程度と
するのが最適であるかを実験データを参照して説明す
る。まず、最上層17について説明する。
【0018】図2は、最上層17(配線層19の直下の
層)の膜厚が配線層19のEM耐性に及ぼす影響を示す
実験結果を表すものである。この図で、横軸は所定の温
度条件下での加速試験時間(単位は任意量)を表し、縦
軸は累積故障率を表す。なお、この累積故障率は、エレ
クトロマイグレーションによる断線や局所的抵抗値増大
等が主原因と考えてよい。なお、両軸とも単位は任意と
している。○印は最上層17を設けない場合のデータを
表し、△印,□印および◇印は、それぞれ、最上層17
(チタン)の膜厚を30nm,50nm,80nmとし
た場合のデータを表す。
層)の膜厚が配線層19のEM耐性に及ぼす影響を示す
実験結果を表すものである。この図で、横軸は所定の温
度条件下での加速試験時間(単位は任意量)を表し、縦
軸は累積故障率を表す。なお、この累積故障率は、エレ
クトロマイグレーションによる断線や局所的抵抗値増大
等が主原因と考えてよい。なお、両軸とも単位は任意と
している。○印は最上層17を設けない場合のデータを
表し、△印,□印および◇印は、それぞれ、最上層17
(チタン)の膜厚を30nm,50nm,80nmとし
た場合のデータを表す。
【0019】この図から明らかなように、最上層17を
設けない場合に比べてチタンからなる最上層17を設け
た場合には、同一の加速試験時間に対する累積故障率の
平均値が著しく小さくなって(言い換えると、ある累積
故障率に達するまでの時間が長くなって)、EM耐性が
向上しており、さらに最上層17の膜厚を厚くするほど
その効果が大きいことが判る。この効果は、最上層17
がない場合と最上層17の膜厚が30nmの場合とを比
較したときに相当顕著に認められるほか、最上層17の
膜厚が30nmの場合と50nmの場合とを比較したと
きにも有意の差異が認められる。一方、最上層17の膜
厚が50nmの場合と80nmの場合とを比較したとき
には、さほどの違いは見られない。
設けない場合に比べてチタンからなる最上層17を設け
た場合には、同一の加速試験時間に対する累積故障率の
平均値が著しく小さくなって(言い換えると、ある累積
故障率に達するまでの時間が長くなって)、EM耐性が
向上しており、さらに最上層17の膜厚を厚くするほど
その効果が大きいことが判る。この効果は、最上層17
がない場合と最上層17の膜厚が30nmの場合とを比
較したときに相当顕著に認められるほか、最上層17の
膜厚が30nmの場合と50nmの場合とを比較したと
きにも有意の差異が認められる。一方、最上層17の膜
厚が50nmの場合と80nmの場合とを比較したとき
には、さほどの違いは見られない。
【0020】また、各膜厚に対するデータをプロットし
て得られる近似直線の傾きは、各膜厚下における半導体
装置の寿命のばらつきを表しており、この傾きが大きい
(急である)ほど一般的に素子設計がし易くなると共
に、製品品質が安定化する。この点については、図2か
ら明らかなように、最上層17の膜厚が50nm以上の
場合に近似直線の傾きが大きくなっていることから、最
上層17を50nm程度以上にすることが素子寿命のば
らつきを小さくする点でも有効であることが判る。
て得られる近似直線の傾きは、各膜厚下における半導体
装置の寿命のばらつきを表しており、この傾きが大きい
(急である)ほど一般的に素子設計がし易くなると共
に、製品品質が安定化する。この点については、図2か
ら明らかなように、最上層17の膜厚が50nm以上の
場合に近似直線の傾きが大きくなっていることから、最
上層17を50nm程度以上にすることが素子寿命のば
らつきを小さくする点でも有効であることが判る。
【0021】図3は、最上層17の膜厚を様々に変えた
ときのアルミニウムの結晶配向に対するXRD(X線回
折)ロッキングカーブを表すものである。この図で、横
軸は回折角(単位は度)を表し、縦軸は回折X線強度
(単位は任意)を表す。
ときのアルミニウムの結晶配向に対するXRD(X線回
折)ロッキングカーブを表すものである。この図で、横
軸は回折角(単位は度)を表し、縦軸は回折X線強度
(単位は任意)を表す。
【0022】この図に示したように、ロッキングカーブ
は、いずれの条件下でも約19.3度の回折角において
最大強度を与えているが、この角度はアルミニウムの優
先結晶配向面(1,1,1)に対応するものである。従
って、この図から明らかなように、最上層17が存在し
ない場合には、ピーク強度が小さく半値幅は大きいこと
から、配線層19のアルミニウムは優先結晶配向面
(1,1,1)の方向に配向して結晶化している割合が
少ないことが判る。一方、最上層17が存在すると、ピ
ーク強度が大きく半値幅は小さくなって鋭いピークが得
られることから、配線層19のアルミニウムは優先結晶
配向面(1,1,1)の方向に配向して結晶化している
割合が多いことが判る。しかも、最上層17の膜厚が大
きいほど鋭いピークとなっていることから、最上層17
の膜厚が厚いほど配線層19のアルミニウムが優先結晶
配向面(1,1,1)の方向に配向して結晶化している
こと、すなわち結晶配向性が向上していることが判る。
は、いずれの条件下でも約19.3度の回折角において
最大強度を与えているが、この角度はアルミニウムの優
先結晶配向面(1,1,1)に対応するものである。従
って、この図から明らかなように、最上層17が存在し
ない場合には、ピーク強度が小さく半値幅は大きいこと
から、配線層19のアルミニウムは優先結晶配向面
(1,1,1)の方向に配向して結晶化している割合が
少ないことが判る。一方、最上層17が存在すると、ピ
ーク強度が大きく半値幅は小さくなって鋭いピークが得
られることから、配線層19のアルミニウムは優先結晶
配向面(1,1,1)の方向に配向して結晶化している
割合が多いことが判る。しかも、最上層17の膜厚が大
きいほど鋭いピークとなっていることから、最上層17
の膜厚が厚いほど配線層19のアルミニウムが優先結晶
配向面(1,1,1)の方向に配向して結晶化している
こと、すなわち結晶配向性が向上していることが判る。
【0023】以上のことから、EM耐性とアルミニウム
の配向性とは密接に対応しており、しかも、配線層19
の直下のチタン層(最上層17)の存在がAl合金膜の
配向性を向上させ、EM耐性を向上させていることが判
る。特に、最上層17の膜厚を30nm以上、好ましく
は50nm以上としたときには、顕著なEM耐性向上が
認められる。
の配向性とは密接に対応しており、しかも、配線層19
の直下のチタン層(最上層17)の存在がAl合金膜の
配向性を向上させ、EM耐性を向上させていることが判
る。特に、最上層17の膜厚を30nm以上、好ましく
は50nm以上としたときには、顕著なEM耐性向上が
認められる。
【0024】次に、積層膜18のうちの最下層15(す
なわちコンタクトメタル)について説明する。
なわちコンタクトメタル)について説明する。
【0025】図4は、最下層15の素材や膜厚が配線層
19のEM耐性に及ぼす影響を示す実験結果を表すもの
である。横軸および縦軸は図2と同様の設定である。こ
の図で、○印は最下層15を膜厚30nmのモリブデン
シリサイド(MoSi2 )で構成した場合のデータを表
し、△印は最下層15を膜厚30nmのチタンナイトラ
イド(TiN)で構成した場合のデータを表す。また、
□印,◇印および◆印は、それぞれ、最下層15を膜厚
30nm,50nm,80nmのチタンで構成した場合
のデータを表している。
19のEM耐性に及ぼす影響を示す実験結果を表すもの
である。横軸および縦軸は図2と同様の設定である。こ
の図で、○印は最下層15を膜厚30nmのモリブデン
シリサイド(MoSi2 )で構成した場合のデータを表
し、△印は最下層15を膜厚30nmのチタンナイトラ
イド(TiN)で構成した場合のデータを表す。また、
□印,◇印および◆印は、それぞれ、最下層15を膜厚
30nm,50nm,80nmのチタンで構成した場合
のデータを表している。
【0026】この図から明らかなように、最下層15を
MoSi2 やTiNで構成した場合に比べて最下層15
をチタンで構成した場合には、EM耐性が向上してお
り、さらに最下層15(チタン)の膜厚を厚くするほど
その効果が大きいことが判る。この効果の差異は、最下
層15の膜厚が30nmの場合と50nmの場合とを比
較したときに特に顕著に認められるが、最下層15の膜
厚が50nmの場合と80nmの場合とを比較したとき
には、さほどの違いは見られない。
MoSi2 やTiNで構成した場合に比べて最下層15
をチタンで構成した場合には、EM耐性が向上してお
り、さらに最下層15(チタン)の膜厚を厚くするほど
その効果が大きいことが判る。この効果の差異は、最下
層15の膜厚が30nmの場合と50nmの場合とを比
較したときに特に顕著に認められるが、最下層15の膜
厚が50nmの場合と80nmの場合とを比較したとき
には、さほどの違いは見られない。
【0027】また、図4から明らかなように、最下層1
5の膜厚が50nm以上の場合に近似直線の傾きが大き
くなっていることから、最下層15を50nm程度以上
にすることが素子寿命のばらつきを小さくする点でも有
効であることが判る。
5の膜厚が50nm以上の場合に近似直線の傾きが大き
くなっていることから、最下層15を50nm程度以上
にすることが素子寿命のばらつきを小さくする点でも有
効であることが判る。
【0028】図5は、最下層15の素材や膜厚を様々に
変えたときのアルミニウムの結晶配向に対するXRD
(X線回折)ロッキングカーブを表すものである。この
図で、横軸および縦軸は図3と同様の設定である。この
図に示したように、最下層15をMoSi2 やTiNで
構成した場合には、配線層19のアルミニウムに対する
X線回折角の範囲は相当広くなり、アルミニウムの優先
結晶配向面(1,1,1)に対応する回折角(約19.
3度)において最大強度を与えていないことから、配線
層19のアルミニウムは様々な方向に配向して結晶化し
ており、配向性が極端に悪いことが判る。一方、最下層
15をチタンで構成した場合には、ピーク値は大きく半
値幅は小さくなって鋭いピークが得られることから、配
線層19のアルミニウムは優先結晶配向面(1,1,
1)の方向に配向して結晶化している割合が多いことが
判る。しかも、最下層15の膜厚が大きいほど鋭いピー
クとなっていることから、最下層15の膜厚が厚いほど
配線層19のアルミニウムが優先結晶配向面(1,1,
1)の方向に配向して結晶化していること、すなわち結
晶配向性が向上していることが判る。
変えたときのアルミニウムの結晶配向に対するXRD
(X線回折)ロッキングカーブを表すものである。この
図で、横軸および縦軸は図3と同様の設定である。この
図に示したように、最下層15をMoSi2 やTiNで
構成した場合には、配線層19のアルミニウムに対する
X線回折角の範囲は相当広くなり、アルミニウムの優先
結晶配向面(1,1,1)に対応する回折角(約19.
3度)において最大強度を与えていないことから、配線
層19のアルミニウムは様々な方向に配向して結晶化し
ており、配向性が極端に悪いことが判る。一方、最下層
15をチタンで構成した場合には、ピーク値は大きく半
値幅は小さくなって鋭いピークが得られることから、配
線層19のアルミニウムは優先結晶配向面(1,1,
1)の方向に配向して結晶化している割合が多いことが
判る。しかも、最下層15の膜厚が大きいほど鋭いピー
クとなっていることから、最下層15の膜厚が厚いほど
配線層19のアルミニウムが優先結晶配向面(1,1,
1)の方向に配向して結晶化していること、すなわち結
晶配向性が向上していることが判る。
【0029】以上のことから、積層膜18のうちの最下
層15としてチタンを用いるとAl合金膜(配線層1
9)の配向性が良好となってEM耐性が向上することが
判る。特に、最下層15の膜厚を30nm以上、好まし
くは50nm以上としたときには、顕著なEM耐性向上
が認められる。
層15としてチタンを用いるとAl合金膜(配線層1
9)の配向性が良好となってEM耐性が向上することが
判る。特に、最下層15の膜厚を30nm以上、好まし
くは50nm以上としたときには、顕著なEM耐性向上
が認められる。
【0030】このように、本実施の形態では、配線層1
9下の積層膜18のうち、最上層17または最下層15
の膜厚を最適化することにより、配線層19のアルミニ
ウムの結晶配向性を改善することができ、EM耐性を十
分に向上させることができるまた、配向性のよいアルミ
ニウム合金膜においては、表面モフォロジーが改善され
ることから、にきび状のいわゆるヒロック(Hill Rock)
を減少させることができる。このため、このようなヒロ
ックがパターニングや層間絶縁膜形成プロセスに与える
悪影響を排除することができる。
9下の積層膜18のうち、最上層17または最下層15
の膜厚を最適化することにより、配線層19のアルミニ
ウムの結晶配向性を改善することができ、EM耐性を十
分に向上させることができるまた、配向性のよいアルミ
ニウム合金膜においては、表面モフォロジーが改善され
ることから、にきび状のいわゆるヒロック(Hill Rock)
を減少させることができる。このため、このようなヒロ
ックがパターニングや層間絶縁膜形成プロセスに与える
悪影響を排除することができる。
【0031】次に、本発明に係る半導体装置の積層配線
構造の形成方法を説明する。
構造の形成方法を説明する。
【0032】まず、P型(またはN型)のシリコン基板
11の表面近傍の浅い領域にN型(またはP型)の不純
物をイオン注入し熱処理をすることによりN型(または
P型)の不純物拡散層12を形成したのち、CVD(Ch
emical Vapor Deposition:化学的気相成長 )法により全
面にシリコン酸化膜等を堆積させて層間絶縁膜13を形
成する。
11の表面近傍の浅い領域にN型(またはP型)の不純
物をイオン注入し熱処理をすることによりN型(または
P型)の不純物拡散層12を形成したのち、CVD(Ch
emical Vapor Deposition:化学的気相成長 )法により全
面にシリコン酸化膜等を堆積させて層間絶縁膜13を形
成する。
【0033】次に、層間絶縁膜13に、通常のリソグラ
フィ工程により、不純物拡散層12に達するコンタクト
ホール14を形成する。
フィ工程により、不純物拡散層12に達するコンタクト
ホール14を形成する。
【0034】次に、コンタクトホール14の内壁面およ
び層間絶縁膜13上に、チタンからなる最下層15、チ
タンナイトライドからなるバリアメタル層16およびチ
タンからなる最上層17を順次形成する。この場合の各
層は、例えば通常のD.C.スパッタ装置を用いて、真
空中で連続的に成膜する。最下層15および最上層17
の膜厚は、いずれも30nm以上、好ましくは50nm
以上とする。また、バリアメタル層16の膜厚は、例え
ば70〜100nm程度とする。
び層間絶縁膜13上に、チタンからなる最下層15、チ
タンナイトライドからなるバリアメタル層16およびチ
タンからなる最上層17を順次形成する。この場合の各
層は、例えば通常のD.C.スパッタ装置を用いて、真
空中で連続的に成膜する。最下層15および最上層17
の膜厚は、いずれも30nm以上、好ましくは50nm
以上とする。また、バリアメタル層16の膜厚は、例え
ば70〜100nm程度とする。
【0035】次に、最上層17の上に、アルミニウムに
1%程度のシリコンを含有させたアルミニウム合金から
なる配線層19を形成する。そして、最下層15、バリ
アメタル層16および最上層17からなる積層膜18
と、配線層19とを通常のリソグラフィ工程により所定
の形状に加工して、配線パターンを形成する。その後、
図示しない保護膜等を全面に形成して、半導体装置の形
成方法を完了する。
1%程度のシリコンを含有させたアルミニウム合金から
なる配線層19を形成する。そして、最下層15、バリ
アメタル層16および最上層17からなる積層膜18
と、配線層19とを通常のリソグラフィ工程により所定
の形状に加工して、配線パターンを形成する。その後、
図示しない保護膜等を全面に形成して、半導体装置の形
成方法を完了する。
【0036】なお、以上の実施の形態では、最下層15
および最上層17の膜厚の下限は30nm、好ましくは
50nmとしたが、その上限はアルミニウム配線による
段差などを考慮した常識的な値、例えば200nm程度
とするのが好適と考えられる。
および最上層17の膜厚の下限は30nm、好ましくは
50nmとしたが、その上限はアルミニウム配線による
段差などを考慮した常識的な値、例えば200nm程度
とするのが好適と考えられる。
【0037】以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発
明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定さ
れるものではなく、その均等の範囲で種々変形可能であ
る。例えば、最下層15および最上層17を構成する材
料は必ずしもチタンのみに限定されるものではなく、配
線層19のアルミニウムが優先結晶配向面の方向に揃っ
て結晶化するのを促進するようなもの(すなわち、アル
ミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に近い面内
格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融点金属ま
たはこれを含む材料)であればよい。
明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定さ
れるものではなく、その均等の範囲で種々変形可能であ
る。例えば、最下層15および最上層17を構成する材
料は必ずしもチタンのみに限定されるものではなく、配
線層19のアルミニウムが優先結晶配向面の方向に揃っ
て結晶化するのを促進するようなもの(すなわち、アル
ミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に近い面内
格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融点金属ま
たはこれを含む材料)であればよい。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の積層配線構造およびその形成方法によれば、アルミ
ニウム合金膜下の積層膜のうち、最下層および最上層
に、アルミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に
近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融
点金属またはこれを含む材料を用いると共に、最下層ま
たは最上層の膜厚が30nm以上となるようにしたの
で、アルミニウム合金膜の結晶配向性が格段に良好とな
り、この結果、EM耐性が著しく向上するという効果を
奏する。また、配向性のよいアルミニウム合金膜におい
ては、表面モフォロジーが改善されることから、にきび
状のいわゆるヒロックが減少し、パターニングや層間絶
縁膜形成プロセスに好影響を与えるという効果もある。
置の積層配線構造およびその形成方法によれば、アルミ
ニウム合金膜下の積層膜のうち、最下層および最上層
に、アルミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に
近い面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融
点金属またはこれを含む材料を用いると共に、最下層ま
たは最上層の膜厚が30nm以上となるようにしたの
で、アルミニウム合金膜の結晶配向性が格段に良好とな
り、この結果、EM耐性が著しく向上するという効果を
奏する。また、配向性のよいアルミニウム合金膜におい
ては、表面モフォロジーが改善されることから、にきび
状のいわゆるヒロックが減少し、パターニングや層間絶
縁膜形成プロセスに好影響を与えるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の積層
配線構造を表す断面図である。
配線構造を表す断面図である。
【図2】積層膜のうちの最上層の膜厚がAl合金配線層
のEM耐性に及ぼす影響を示す実験結果を表すものであ
る。
のEM耐性に及ぼす影響を示す実験結果を表すものであ
る。
【図3】積層膜のうちの最上層の膜厚を様々に変えたと
きのAl合金配線層の結晶配向の分布を表すものであ
る。
きのAl合金配線層の結晶配向の分布を表すものであ
る。
【図4】積層膜のうちの最下層の素材および膜厚がAl
合金配線層のEM耐性に及ぼす影響を示す実験結果を表
すものである。
合金配線層のEM耐性に及ぼす影響を示す実験結果を表
すものである。
【図5】積層膜のうちの最下層の素材および膜厚を様々
に変えたときのアルミニウムの結晶配向の分布を表すも
のである。
に変えたときのアルミニウムの結晶配向の分布を表すも
のである。
11…シリコン基板、12…不純物拡散層、13…層間
絶縁膜、14…コンタクトホール、15…最下層、16
…バリアメタル層、17…最上層、18…積層膜、19
…配線層
絶縁膜、14…コンタクトホール、15…最下層、16
…バリアメタル層、17…最上層、18…積層膜、19
…配線層
Claims (5)
- 【請求項1】 高融点金属またはこれを含む材料を適宜
組合せてなる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成して
なる積層配線構造であって、 前記積層膜の最下層および最上層として、アルミニウム
の優先結晶配向面の面内格子間距離に近い面内格子間距
離をもつ優先結晶配向面を有する高融点金属またはこれ
を含む材料を用いると共に、 前記積層膜の最下層の膜厚を少なくとも30nmとした
ことを特徴とする半導体装置の積層配線構造。 - 【請求項2】 高融点金属またはこれを含む材料を適宜
組合せてなる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成して
なる積層配線構造であって、 前記積層膜の最下層および最上層として、アルミニウム
の優先結晶配向面の面内格子間距離に近い面内格子間距
離をもつ優先結晶配向面を有する高融点金属またはこれ
を含む材料を用いると共に、 前記積層膜の最上層の膜厚を少なくとも30nmとした
ことを特徴とする半導体装置の積層配線構造。 - 【請求項3】 前記積層膜の最下層をチタンで構成した
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の積層配線
構造。 - 【請求項4】 前記積層膜の最上層をチタンで構成した
ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置の積層配線
構造。 - 【請求項5】 高融点金属またはこれを含む材料を適宜
組合せてなる積層膜上にアルミニウム合金膜を形成して
なる積層配線構造の形成方法であって、 アルミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に近い
面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融点金
属またはこれを含む材料を用いて、前記積層膜の最下層
を少なくとも30nmの膜厚に形成する工程と、 アルミニウムの優先結晶配向面の面内格子間距離に近い
面内格子間距離をもつ優先結晶配向面を有する高融点金
属またはこれを含む材料を用いて、前記積層膜の最上層
を少なくとも30nmの膜厚に形成する工程と、 前記積層膜の最上層の上に、アルミニウム合金膜を形成
する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の積層配
線構造の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6753596A JPH09237786A (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 半導体装置の積層配線構造およびその形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6753596A JPH09237786A (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 半導体装置の積層配線構造およびその形成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09237786A true JPH09237786A (ja) | 1997-09-09 |
Family
ID=13347780
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6753596A Pending JPH09237786A (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 半導体装置の積層配線構造およびその形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09237786A (ja) |
-
1996
- 1996-02-29 JP JP6753596A patent/JPH09237786A/ja active Pending
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