JPH06326105A - 半導体装置の積層配線構造 - Google Patents
半導体装置の積層配線構造Info
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- JPH06326105A JPH06326105A JP5111999A JP11199993A JPH06326105A JP H06326105 A JPH06326105 A JP H06326105A JP 5111999 A JP5111999 A JP 5111999A JP 11199993 A JP11199993 A JP 11199993A JP H06326105 A JPH06326105 A JP H06326105A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】銅系薄膜と半導体基板との密着性を改善すると
ともに、不純物の膜界面への侵入を抑制して銅の拡散を
防止することにより、信頼性の高い積層配線を提供す
る。 【構成】半導体基板上に形成する銅を含む金属膜を用い
た積層配線において、積層配線構造を、チタン膜と窒化
チタン膜とタングステン膜と銅を含む金属膜とタングス
テン膜と窒化チタン膜とチタン膜とをこの順に形成した
構造としたことを特徴とする。
ともに、不純物の膜界面への侵入を抑制して銅の拡散を
防止することにより、信頼性の高い積層配線を提供す
る。 【構成】半導体基板上に形成する銅を含む金属膜を用い
た積層配線において、積層配線構造を、チタン膜と窒化
チタン膜とタングステン膜と銅を含む金属膜とタングス
テン膜と窒化チタン膜とチタン膜とをこの順に形成した
構造としたことを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造工程等
において電極配線として用いる銅を含む金属配線（以
下，銅系配線という）に関し、詳細には銅系薄膜と半導
体基板との密着性を改善すると共に銅の拡散を防止して
信頼性の高い配線形成を可能とする積層配線構造に関す
るものである。
において電極配線として用いる銅を含む金属配線（以
下，銅系配線という）に関し、詳細には銅系薄膜と半導
体基板との密着性を改善すると共に銅の拡散を防止して
信頼性の高い配線形成を可能とする積層配線構造に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の配線には従来アルミニウム
系材料が広く使用されている。しかし集積密度が高まる
に連れて、配線幅が微細になりアルミニウム系材料より
低抵抗でエレクトロおよびストレスマイグレーションに
強い銅および銅合金材料での配線が期待されている。銅
系膜を半導体装置の配線として使用するため微細加工が
可能なドライエッチング技術やＣＶＤ技術の研究開発が
活発に行われている。エッチング技術としては例えば特
開平４−９４１２１号公報に示された四塩化珪素，窒
素，塩素およびアンモニアの混合ガスを使用するリアク
ティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法や特開平３−２９
５２３２号公報に示された窒素（Ｎ）系ガスと酸素
（Ｏ）系ガス、またはＮ原子とＯ原子とを含むガスを用
いる方法等がある。これらの方法により銅薄膜の異方性
加工が可能である。
系材料が広く使用されている。しかし集積密度が高まる
に連れて、配線幅が微細になりアルミニウム系材料より
低抵抗でエレクトロおよびストレスマイグレーションに
強い銅および銅合金材料での配線が期待されている。銅
系膜を半導体装置の配線として使用するため微細加工が
可能なドライエッチング技術やＣＶＤ技術の研究開発が
活発に行われている。エッチング技術としては例えば特
開平４−９４１２１号公報に示された四塩化珪素，窒
素，塩素およびアンモニアの混合ガスを使用するリアク
ティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法や特開平３−２９
５２３２号公報に示された窒素（Ｎ）系ガスと酸素
（Ｏ）系ガス、またはＮ原子とＯ原子とを含むガスを用
いる方法等がある。これらの方法により銅薄膜の異方性
加工が可能である。
【０００３】しかしながら銅系薄膜はアルミニウム系材
料に比べシリコン酸化膜等の絶縁膜との密着性が劣り、
ドライエッチングする場合には銅薄膜との膜界面からエ
ッチング反応種が侵入しやすく、このため局所的なエッ
チングが発生したり銅配線内に侵入したガスが残留して
アフターコロージョンの原因となって配線の信頼性を劣
化させる。また配線形成後のパッシベーション膜を形成
する工程において密着性不足からパッシベーション膜の
応力により微細配線が基板から剥がれるという問題が発
生しやすい。密着性を向上する方法として例えば特開昭
６３−１１０６９７号公報に示されたジルコニウムを接
着層として挿入する方法や、スパッタエッチング等のイ
オン衝撃により基板や薄膜表面の状態を活性化する処理
法が知られている。一方、銅はシリコンやシリコン酸化
膜中に容易に拡散し半導体装置に悪影響を与える。その
ため配線材料として使用するにはその拡散を防止するバ
リア層を形成する必要があり、バリア膜としては窒化チ
タン膜等が有効とされている。
料に比べシリコン酸化膜等の絶縁膜との密着性が劣り、
ドライエッチングする場合には銅薄膜との膜界面からエ
ッチング反応種が侵入しやすく、このため局所的なエッ
チングが発生したり銅配線内に侵入したガスが残留して
アフターコロージョンの原因となって配線の信頼性を劣
化させる。また配線形成後のパッシベーション膜を形成
する工程において密着性不足からパッシベーション膜の
応力により微細配線が基板から剥がれるという問題が発
生しやすい。密着性を向上する方法として例えば特開昭
６３−１１０６９７号公報に示されたジルコニウムを接
着層として挿入する方法や、スパッタエッチング等のイ
オン衝撃により基板や薄膜表面の状態を活性化する処理
法が知られている。一方、銅はシリコンやシリコン酸化
膜中に容易に拡散し半導体装置に悪影響を与える。その
ため配線材料として使用するにはその拡散を防止するバ
リア層を形成する必要があり、バリア膜としては窒化チ
タン膜等が有効とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら接着層と
してジルコニウムを使用する上述の方法はセラミック基
板に対して成されたものでありシリコン等の半導体基板
に対する効果は明らかではなく、またジルコニウムは銅
と容易に反応しその電気抵抗を増大させてしまうという
問題点があった。また、接着性向上のため、イオン衝撃
による表面活性化法では、半導体基板にイオン衝撃によ
るダメージが入る問題があった。またバリア膜として有
効な窒化チタン膜も絶縁膜との密着性は不十分であり単
独で用いた場合にはやはりパッシベーション膜形成段階
で絶縁膜からの剥がれが発生しやすいという問題点があ
った。このように密着性向上と共に銅の拡散の防止をも
考慮した配線膜構成が要望され、半導体装置の配線とし
て銅系材料を用いる際の大きな課題となっている。
してジルコニウムを使用する上述の方法はセラミック基
板に対して成されたものでありシリコン等の半導体基板
に対する効果は明らかではなく、またジルコニウムは銅
と容易に反応しその電気抵抗を増大させてしまうという
問題点があった。また、接着性向上のため、イオン衝撃
による表面活性化法では、半導体基板にイオン衝撃によ
るダメージが入る問題があった。またバリア膜として有
効な窒化チタン膜も絶縁膜との密着性は不十分であり単
独で用いた場合にはやはりパッシベーション膜形成段階
で絶縁膜からの剥がれが発生しやすいという問題点があ
った。このように密着性向上と共に銅の拡散の防止をも
考慮した配線膜構成が要望され、半導体装置の配線とし
て銅系材料を用いる際の大きな課題となっている。
【０００５】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、銅系薄膜と基板との密着性を改善して
エッチング種の膜界面からの侵入を抑制すると共に銅の
拡散を防止する膜構成とすることで信頼性の高い銅配線
の形成を可能とする配線膜構成を提供することを目的と
する。
れたものであり、銅系薄膜と基板との密着性を改善して
エッチング種の膜界面からの侵入を抑制すると共に銅の
拡散を防止する膜構成とすることで信頼性の高い銅配線
の形成を可能とする配線膜構成を提供することを目的と
する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では銅系薄膜の上下をタングステン薄膜で挟
み、さらにその上下に窒化チタン薄膜を形成し、更に、
窒化チタンと基板間にはチタン薄膜を挿入した積層膜構
成を特徴とする。
め、本発明では銅系薄膜の上下をタングステン薄膜で挟
み、さらにその上下に窒化チタン薄膜を形成し、更に、
窒化チタンと基板間にはチタン薄膜を挿入した積層膜構
成を特徴とする。
【０００７】
【作用】接着層であるタングステン膜を使用することで
密着性が改善される。その結果ドライエッチング時にお
いてエッチング種の膜界面からの侵入が抑制され配線内
の局所的なエッチングや残留ガスに起因するアフターコ
ロージョン等が防止され、さらに密着性の向上により後
工程での剥がれをも防止できると共に、タングステンと
銅とは反応しにくいのでその電気抵抗を増大させること
もない。また窒化チタン膜は銅の拡散を防止する効果が
あり銅の拡散による半導体装置への悪影響は防止され、
窒化チタン膜と基板との間にはチタン薄膜が挿入されて
いるのでその密着性が確保される。従って局所エッチン
グや剥がれがなく、また銅拡散による汚染のない信頼性
の高い銅配線の形成が可能となる。
密着性が改善される。その結果ドライエッチング時にお
いてエッチング種の膜界面からの侵入が抑制され配線内
の局所的なエッチングや残留ガスに起因するアフターコ
ロージョン等が防止され、さらに密着性の向上により後
工程での剥がれをも防止できると共に、タングステンと
銅とは反応しにくいのでその電気抵抗を増大させること
もない。また窒化チタン膜は銅の拡散を防止する効果が
あり銅の拡散による半導体装置への悪影響は防止され、
窒化チタン膜と基板との間にはチタン薄膜が挿入されて
いるのでその密着性が確保される。従って局所エッチン
グや剥がれがなく、また銅拡散による汚染のない信頼性
の高い銅配線の形成が可能となる。
【０００８】
【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。第１図（ｄ）は本発明に係る積層配線の縦断面図で
ある。また、 第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る実
施例を工程順に示した半導体装置の縦断面図である。同
図において、１はシリコンウエハであり、このシリコン
ウエハ１上には通常半導体素子が形成されているが図で
は省略した。２はシリコン基板１を被覆したシリコン酸
化膜（ＳｉＯ2 ）またはシリコン窒化膜（Ｓｉ 3 Ｎ4 ）
等からなる絶縁膜である。この絶縁膜２の上にまず薄い
チタン膜（Ｔｉ）３をスパッタ法により堆積する。その
上に銅とシリコン基板との反応を防止するためのバリア
層となる窒化チタン膜（ＴｉＮ）４を反応性スパッタ法
により形成する。次に接着層となる薄いタングステン膜
（Ｗ）５を形成しその上に銅薄膜６およびその後再び薄
いタングステン膜７を堆積し銅薄膜をタングステン膜で
挟んだサンドイッチ構成を形成する。タングステンおよ
び銅薄膜ともスパッタ法により形成した。この上にさら
に反応性スパッタ法により窒化チタン膜８を形成する。
これら一連のスパッタ膜の形成はすべて同一装置内で連
続的に行いそれぞれの膜の膜厚は例えばチタン膜：１０
ｎｍ，窒化チタン膜：２０ｎｍ，タングステン膜：２０
ｎｍ，銅膜：０．５μｍとした。タングステン膜は接着
層として用いているためより薄い例えば５〜１０ｎｍ程
度でも十分である。
る。第１図（ｄ）は本発明に係る積層配線の縦断面図で
ある。また、 第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る実
施例を工程順に示した半導体装置の縦断面図である。同
図において、１はシリコンウエハであり、このシリコン
ウエハ１上には通常半導体素子が形成されているが図で
は省略した。２はシリコン基板１を被覆したシリコン酸
化膜（ＳｉＯ2 ）またはシリコン窒化膜（Ｓｉ 3 Ｎ4 ）
等からなる絶縁膜である。この絶縁膜２の上にまず薄い
チタン膜（Ｔｉ）３をスパッタ法により堆積する。その
上に銅とシリコン基板との反応を防止するためのバリア
層となる窒化チタン膜（ＴｉＮ）４を反応性スパッタ法
により形成する。次に接着層となる薄いタングステン膜
（Ｗ）５を形成しその上に銅薄膜６およびその後再び薄
いタングステン膜７を堆積し銅薄膜をタングステン膜で
挟んだサンドイッチ構成を形成する。タングステンおよ
び銅薄膜ともスパッタ法により形成した。この上にさら
に反応性スパッタ法により窒化チタン膜８を形成する。
これら一連のスパッタ膜の形成はすべて同一装置内で連
続的に行いそれぞれの膜の膜厚は例えばチタン膜：１０
ｎｍ，窒化チタン膜：２０ｎｍ，タングステン膜：２０
ｎｍ，銅膜：０．５μｍとした。タングステン膜は接着
層として用いているためより薄い例えば５〜１０ｎｍ程
度でも十分である。
【０００９】その後この積層膜構成の上にＣＶＤ法によ
るシリコン窒化膜９の堆積および有機レジスト膜１０を
塗布してこのレジスト膜を所望の配線パターンに露光・
現像する（第１図（ｂ））。有機レジスト膜１０をマス
クとしてこのシリコン窒化膜をＣＦ4 等のガスを使用し
たＲＩＥにより加工する。次に有機レジストを酸素プラ
ズマアッシング等により除去した後、配線パターンに加
工されたシリコン窒化膜９をエッチングマスクとして今
度は銅薄膜を主とした積層膜を塩素系ガスを用いたＲＩ
Ｅにより一度に加工して銅配線を形成する（第１図
（ｃ））。ここではエッチングガスとして四塩化珪素，
窒素，塩素およびアンモニアの混合ガスを使用し、基板
温度を２８０℃に加熱して加工を行った。本発明では銅
薄膜の上下に接着層であるタングステン膜を形成してい
るため密着性が向上し、銅薄膜との膜界面への塩素ラジ
カルの侵入は防止されるので局所的なエッチングの発生
は見られず、またアフターコロージョンも発生しなかっ
た。
るシリコン窒化膜９の堆積および有機レジスト膜１０を
塗布してこのレジスト膜を所望の配線パターンに露光・
現像する（第１図（ｂ））。有機レジスト膜１０をマス
クとしてこのシリコン窒化膜をＣＦ4 等のガスを使用し
たＲＩＥにより加工する。次に有機レジストを酸素プラ
ズマアッシング等により除去した後、配線パターンに加
工されたシリコン窒化膜９をエッチングマスクとして今
度は銅薄膜を主とした積層膜を塩素系ガスを用いたＲＩ
Ｅにより一度に加工して銅配線を形成する（第１図
（ｃ））。ここではエッチングガスとして四塩化珪素，
窒素，塩素およびアンモニアの混合ガスを使用し、基板
温度を２８０℃に加熱して加工を行った。本発明では銅
薄膜の上下に接着層であるタングステン膜を形成してい
るため密着性が向上し、銅薄膜との膜界面への塩素ラジ
カルの侵入は防止されるので局所的なエッチングの発生
は見られず、またアフターコロージョンも発生しなかっ
た。
【００１０】上述の様に積層膜構成の配線を形成した
後、第１図（ｄ）に示した様にパッシベーション膜とし
ての例えばシリコン窒化膜１１等を堆積して最終配線パ
ターンとする。この時、接着層としてのタングステン膜
を形成していない膜構成（すなわちＴｉＮ／Ｃｕ／Ｔｉ
Ｎ／Ｔｉ／ＳｉＯ2 構成）の場合には密着性が劣り堆積
したパッシベーション膜の応力によってパターンの剥が
れが発生した。これに対し上記の本発明の膜構成では密
着性が改善されているためパターンの剥がれが発生する
ことはなく銅配線が形成された。
後、第１図（ｄ）に示した様にパッシベーション膜とし
ての例えばシリコン窒化膜１１等を堆積して最終配線パ
ターンとする。この時、接着層としてのタングステン膜
を形成していない膜構成（すなわちＴｉＮ／Ｃｕ／Ｔｉ
Ｎ／Ｔｉ／ＳｉＯ2 構成）の場合には密着性が劣り堆積
したパッシベーション膜の応力によってパターンの剥が
れが発生した。これに対し上記の本発明の膜構成では密
着性が改善されているためパターンの剥がれが発生する
ことはなく銅配線が形成された。
【００１１】第２図は上記実施例により作製した銅配線
の信頼性について、配線寿命の加速試験を行ってエレク
トロマイグレーション耐性を評価した結果である。測定
は四端子パターン（配線幅：０．５μｍ，厚さ：０．５
μｍ，長さ：０．８５ｍｍ）を用い、電流密度１．３ｘ
１０7 Ａ／ｃｍ2 ，温度：２５０℃の条件で行った。本
実施例で示した積層配線は従来のアルミニウム系配線に
比べ５０倍以上の配線寿命を示し高信頼性が確保されて
いることがわかる。
の信頼性について、配線寿命の加速試験を行ってエレク
トロマイグレーション耐性を評価した結果である。測定
は四端子パターン（配線幅：０．５μｍ，厚さ：０．５
μｍ，長さ：０．８５ｍｍ）を用い、電流密度１．３ｘ
１０7 Ａ／ｃｍ2 ，温度：２５０℃の条件で行った。本
実施例で示した積層配線は従来のアルミニウム系配線に
比べ５０倍以上の配線寿命を示し高信頼性が確保されて
いることがわかる。
【００１２】上記実施例では塩素系ガスによりエッチン
グマスクとしてシリコン窒化膜を用いて加工したが、エ
ッチングガスとして他のガス系（例えば弗素，臭素，よ
う素等のハロゲンを含んだガス系あるいはＮ系ガスとＯ
系ガス、またはＮとＯを含むガス系等）を用い、エッチ
ングマスクとしては例えば有機レジスト膜あるいはシリ
コン酸化膜等の絶縁膜を用いて加工しても上記実施例と
同様の効果が得られる。
グマスクとしてシリコン窒化膜を用いて加工したが、エ
ッチングガスとして他のガス系（例えば弗素，臭素，よ
う素等のハロゲンを含んだガス系あるいはＮ系ガスとＯ
系ガス、またはＮとＯを含むガス系等）を用い、エッチ
ングマスクとしては例えば有機レジスト膜あるいはシリ
コン酸化膜等の絶縁膜を用いて加工しても上記実施例と
同様の効果が得られる。
【００１３】また上記実施例では銅薄膜の場合について
述べたが、銅薄膜のみに限定されるものではなく銅合金
薄膜を使用する場合についても本実施例で示した膜構成
にすることで同様の効果が得られる。
述べたが、銅薄膜のみに限定されるものではなく銅合金
薄膜を使用する場合についても本実施例で示した膜構成
にすることで同様の効果が得られる。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
リコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜の上に銅系配
線を形成する時、銅系膜のための接着層としてタングス
テン薄膜およびバリア層として窒化チタン薄膜を用いる
と共にその窒化チタンと絶縁膜との間にチタン膜を挿入
する積層膜構成とすることで銅系薄膜と絶縁膜との密着
性が高まり同時に銅の拡散を防止できる効果が得られ、
ドライエッチングにより信頼性の高い銅系配線の形成が
可能となる。
リコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜の上に銅系配
線を形成する時、銅系膜のための接着層としてタングス
テン薄膜およびバリア層として窒化チタン薄膜を用いる
と共にその窒化チタンと絶縁膜との間にチタン膜を挿入
する積層膜構成とすることで銅系薄膜と絶縁膜との密着
性が高まり同時に銅の拡散を防止できる効果が得られ、
ドライエッチングにより信頼性の高い銅系配線の形成が
可能となる。
【図１】本発明の一実施例を行う工程図
【図２】本発明の一実施例により作成した銅配線および
従来のアルミニウム系配線の配線寿命について測定した
結果を示す図
従来のアルミニウム系配線の配線寿命について測定した
結果を示す図
１ シリコン基板 ２ シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜等の絶
縁膜 ３ チタン薄膜 ４ 窒化チタン薄膜 ５ タングステン薄膜 ６ 銅薄膜 ７ タングステン薄膜 ８ 窒化チタン薄膜 ９ シリコン窒化膜 １０ 有機レジスト膜 １１ シリコン窒化膜
縁膜 ３ チタン薄膜 ４ 窒化チタン薄膜 ５ タングステン薄膜 ６ 銅薄膜 ７ タングステン薄膜 ８ 窒化チタン薄膜 ９ シリコン窒化膜 １０ 有機レジスト膜 １１ シリコン窒化膜
Claims (1)
- 【請求項１】半導体基板上に形成された半導体装置に対
する積層配線構造であって、前記半導体基板側からチタ
ン膜と窒化チタン膜とタングステン膜と、銅を含む金属
膜とタングステン膜と窒化チタン膜の積層順に構成した
ことを特徴とする半導体装置の積層配線構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5111999A JPH06326105A (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | 半導体装置の積層配線構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5111999A JPH06326105A (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | 半導体装置の積層配線構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06326105A true JPH06326105A (ja) | 1994-11-25 |
Family
ID=14575419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5111999A Pending JPH06326105A (ja) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | 半導体装置の積層配線構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06326105A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08139090A (ja) * | 1994-11-10 | 1996-05-31 | Nec Corp | 半導体集積回路装置 |
| JPH08139091A (ja) * | 1994-11-10 | 1996-05-31 | Nec Corp | 配線層形成方法およびその装置 |
| JPWO2007108439A1 (ja) * | 2006-03-22 | 2009-08-06 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体装置 |
-
1993
- 1993-05-14 JP JP5111999A patent/JPH06326105A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08139090A (ja) * | 1994-11-10 | 1996-05-31 | Nec Corp | 半導体集積回路装置 |
| JPH08139091A (ja) * | 1994-11-10 | 1996-05-31 | Nec Corp | 配線層形成方法およびその装置 |
| JPWO2007108439A1 (ja) * | 2006-03-22 | 2009-08-06 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体装置 |
| JP4995187B2 (ja) * | 2006-03-22 | 2012-08-08 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040804 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Effective date: 20061204 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20070130 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20070402 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
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