(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ−Ｃｕ合金からなる金属配線層の表面に反射防止膜としてのＡｌ3Ｔｉ合金層を設けた積層構造を成す配線層を備えた半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、前記Ａｌ3Ｔｉ合金の膜厚が１０ｎｍ〜２００ｎｍである半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置に係り、詳しくは、表面に反射防止膜を設けた積層構造を成す配線層の構造に関するものである。
【０００２】
近年、半導体装置の高集積化に伴い、配線幅についても０．５μｍ  程度かそれ以下に微細化することが要求されている。配線の微細化により問題となる事柄には、▲１▼エレクトロマイグレーション（以下、ＥＭと略す）耐性およびストレスマイグレーション（以下、ＳＭと略す）耐性の劣化、▲２▼配線抵抗の増大、▲３▼配線層表面の反射（ハレーション）によるフォトリソグラフィ工程の精度低下、などがある。そこで、これらの問題を解決することが可能な配線層が望まれている。
【０００３】
【従来の技術】
図５に、従来の配線層を用いた半導体装置の断面図を示す。
単結晶シリコン基板１００の上には、ＣＶＤ法により、膜厚；２００ｎｍのシリコン酸化膜１０１が形成されている。酸化膜１０１の上には、マグネトロンスパッタ法により、膜厚；５００ｎｍのアルミ・シリコン・銅（Ａｌ−１重量％Ｓｉ−０．５重量％Ｃｕ）合金層１０２が堆積されている。合金層１０２の上には、スパッタターゲットにチタン（Ｔｉ）を用い、スパッタガスにアルゴンと窒素との混合ガス（Ａｒ／Ｎ２  ）を用いた反応性スパッタ法により、反射防止膜として膜厚；２０ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）層１０３が形成されている。この反応性スパッタ法では、スパッタガス中の窒素がスパッタされたＴｉと共に合金層１０２上に堆積し、窒素とＴｉとが反応してＴｉＮ層１０３が形成される。この各層１０２，１０３がパターニングされて配線層１０４が形成される。
【０００４】
ＴｉＮ層１０３は一般にキャップメタルと呼ばれており、配線層１０４表面の反射を抑えてフォトリソグラフィ工程の精度を向上させるために設けられている。つまり、合金層１０２は反射率が高いため、ＴｉＮ層１０３を設けないとすると、合金層１０２をパターニングする際に、合金層１０２表面の不要な反射によりレジストパターンの細りが生じやすく、パターンの寸法および形状の制御が難しい。そこで、反射率の低いＴｉＮ層１０３を合金層１０２の表面に堆積させることにより、合金層１０２表面の不要な反射を抑えるわけである。測定光の波長をフォトリソグラフィ工程の露光で用いられる３６５ｎｍとした場合、ＴｉＮ層１０３を設けることにより、設けない場合（すなわち、合金層１０２を直接パターニングする場合）と比較して、配線層１０４表面の反射率を３０％程度に低減することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、配線の微細化に伴い、配線層に対してもさらなる性能の向上が求められている。しかし、従来の配線層１０４では、ＥＭ耐性、ＳＭ耐性、配線抵抗などの諸性能が現在要求される水準を十分に満足することができなくなってきており、これらの性能をより高めることが要求されている。
【０００６】
本発明は上記要求を満足するためになされたものであって、その目的は、フォトリソグラフィ工程の精度を低下させることなく、ＥＭ耐性およびＳＭ耐性を向上させ配線抵抗を減少させることで信頼性を高めることが可能な配線層を備えた半導体装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、そのような半導体装置を容易に製造することが可能な製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、Ａｌ−Ｃｕ合金からなる金属配線層の表面に反射防止膜としてのＡｌ３Ｔｉ合金層を設けた積層構造を成す配線層を備えたことをその要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記Ａｌ3Ｔｉ合金の膜厚が１０ｎｍ〜２００ｎｍであることをその要旨とする。
【００１５】
【作用】
請求項１に記載の発明において、Ａｌ３Ｔｉ合金層の反射率は十分に低いため反射防止膜として有効であり、フォトリソグラフィ工程の精度を低下させることはない。また、Ａｌ３Ｔｉ合金層を設けることにより、配線層のＥＭ耐性およびＳＭ耐性を向上させた上で配線抵抗を減少させることができる。その結果、配線の信頼性を高めることができる。
【００１６】
Ａｌ３ＴｉはＡｌ−Ｔｉ系合金の安定相のなかで最もＡｌを多く含み且つ最も比抵抗が小さい。そのため、金属配線層としてアルミ合金を用いた場合、金属配線層とアルミチタン合金層との反応は最小限に抑えられ、当該反応によって金属配線層の配線抵抗が増加することはない。
また、Ａｌ３Ｔｉはアルミ合金とほぼ同一の条件にてドライエッチングが可能なため、製造における制御性が良好で再現性および信頼性が高く、工業化にあたっては極めて有利である。
【００２０】
ところで、特開平４−１７３３８号公報（ＩＰＣ；Ｈ０１Ｌ  ２１／３２０５）には、アルミ・銅・チタン（Ａｌ−Ｃｕ−Ｔｉ）合金による金属配線層の下にアルミチタン（Ａｌ−Ｔｉ）合金層が形成された半導体装置が開示されている。同公報に述べられているＳＭ耐性およびＥＭ耐性の向上に関する作用および効果については本発明と同じである。しかし、同公報ではＡｌ−Ｔｉ合金層をバリアメタルとして用いているだけであり、反射防止膜として用いることについては何ら触れられていない。従って、同公報に基づいて本発明を想到することは、たとえ当業者といえども困難であり、本発明の作用および効果について予測し得るものでもない。
【００２１】
また、特開平４−８７３３６号公報（ＩＰＣ；Ｈ０１Ｌ  ２１／３２０５）には、アルミ・銅・ボロン（Ａｌ−Ｃｕ−Ｂ）合金またはアルミ・シリコン・銅・ボロン（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｂ）合金による配線層の表面に、反射防止膜としてハフニウム（Ｈｆ）あるいはそのシリサイドまたは窒化物の上層膜を形成し、熱処理によりＡｌ合金配線層と上層膜とを反応させた半導体装置について開示されている。しかし、同発明には以下のような問題点がある。▲１▼ハフニウムは本発明で用いたチタンに比べ極めて高価である（市価で１００倍以上）。▲２▼Ａｌ合金配線層とハフニウムとを反応させるため、配線層にＢを添加しなければならず、そのＢによりＡｌ合金配線層の特性が劣化する。それに対して、本発明の金属配線層には特別な物質を添加する必要がないため、金属配線層の特性が劣化することはない。従って、同公報の作用および効果は、本発明のそれに到底奏し得ないものである。
【００２２】
また、特開昭６２−２６１１５４号公報（ＩＰＣ；Ｈ０１Ｌ  ２１／８８）には、アルミシリコン合金またはアルミに、シリコン以外のシリコンと同族の元素を少なくとも１種類以上添加した反射防止膜を備えた半導体装置について開示されている。しかし、同公報の実施例中にはシリコンと同族の元素として、スズ、炭素、ゲルマニウム、鉛といった４ｂ族の元素があげられているだけであり、４ａ族の元素であるチタンについては何ら触れられていない。また、同公報では、シリコンと同族の元素を添加することが反射防止膜にどう有効に働くのか、その理由が明確に記載されていない。従って、同公報から本発明の作用および効果を想到することは、たとえ当業者といえども困難である。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を具体化した一実施例を図面に従って説明する。
図１に、本実施例の配線層を用いた半導体装置の断面図を示す。
【００２４】
単結晶シリコン基板１の上には、ＣＶＤ法により、膜厚；２００ｎｍのシリコン酸化膜２が形成されている。酸化膜２の上には、マグネトロンスパッタ法により、膜厚；５００ｎｍのアルミ・シリコン・銅（Ａｌ−１重量％Ｓｉ−０．５重量％Ｃｕ）合金層３が堆積されている。合金層３の上には、図６に示すスパッタ装置を用いたマグネトロンスパッタ法（スパッタターゲット；アルミチタン合金（Ａｌ−２５ａｔ％Ｔｉ）、スパッタガス；Ａｒ、高周波電力；４．８ｋＷ、基板温度；１５０°Ｃ）により、反射防止膜として膜厚；２０ｎｍのアルミチタン（Ａｌ−Ｔｉ）合金層４が形成されている。この各層３，４がパターニングされて配線層５が形成される。
【００２５】
ここで、合金層３にＳｉが添加されているのは、熱処理の際にシリコン基板１中のＳｉが合金層３のＡｌ中へ取り込まれるのを防止するためである。また、合金層３にＣｕが添加されているのは、ＥＭ耐性およびＳＭ耐性を向上させるためである。
【００２６】
次に、測定結果を基に本実施例の作用および効果について説明する。
▲１▼Ｘ線回折により、上記条件によって形成されたＡｌ−Ｔｉ合金層４はＡｌ３  Ｔｉ相を主成分とし、その他のＡｌ−Ｔｉ系合金はほとんど含まれていないことを確認した。この組成（Ａｌ３  Ｔｉ）は、Ａｌ−Ｔｉ系合金の安定相のなかで最もＡｌを多く含み且つ最も比抵抗が小さい。そのため、Ａｌ−Ｔｉ合金層４と下層の合金層３との反応は最小限に抑えられ、当該反応によって配線層５の配線抵抗が増加することはない。また、この組成は、合金層３とほぼ同一の条件にてドライエッチングが可能なため、製造における制御性が良好で再現性および信頼性が高く、工業化にあたっては極めて有利である。
【００２７】
▲２▼測定光の波長をフォトリソグラフィ工程の露光で用いられる３６５ｎｍとして、配線層５表面の反射率を測定した。反射防止膜としてＡｌ−Ｔｉ合金層４を設けることにより、設けない場合（すなわち、合金層３を直接パターニングする場合）と比較して、配線層５表面の反射率を４０〜５０％程度に低減することができる。前記したように、図５に示す従来の配線層１０４では、反射防止膜としてＴｉＮ層１０３を設けることにより、配線層１０４表面の反射率を３０％程度に低減することができる。つまり、本実施例では、図５に示す従来例よりも反射率が増大する。しかし、本実施例においても、配線層５表面の反射を実用上十分なまでに抑えることができ、フォトリソグラフィ工程の精度を低下させることはない。
【００２８】
▲３▼本実施例によれば、図５に示す従来例と比較して、ＥＭ耐性が飛躍的に向上することを確認した。図２に、配線幅；４μｍ  の場合の本実施例（Ａｌ３  Ｔｉ）と従来例（ＴｉＮ）のＥＭ耐性を示す。本実施例のＥＭ耐性は従来例よりも１桁程度増加している。また、配線幅；１μｍ  以下の場合には、配線幅；４μｍ  の場合と比較してＥＭ耐性が数倍大きくなることも確認した。これは、配線の微細化とともに配線内のバンブー粒界の割合が増加し、粒界拡散によるＡｌ原子の移動が減少するためであると考えられる。図３に、反射防止膜の膜厚とＥＭ耐性の関係を示す。本実施例および図５に示す従来例ではそれぞれの反射防止膜（Ａｌ−Ｔｉ合金層４、ＴｉＮ層１０３））の膜厚が２０ｎｍであったが、これを変化させてみた。その結果、Ａｌ３  Ｔｉでは膜厚とＥＭ耐性とが比例関係にある。一方、ＴｉＮでは膜厚によらずＥＭ耐性の増加は僅かである。本実施例では、図５に示す従来例と比較して、ＥＭ耐性を約４倍に高めることができる。ここで、Ａｌ３  Ｔｉの膜厚は厚くなるほどＥＭ耐性が向上するが、２０ｎｍ以上あればＴｉＮに対する優位性は顕著なものとなる。また、Ａｌ３  Ｔｉの膜厚が厚すぎると配線層５の膜厚が厚くなり過ぎて後の工程におけるステップカバレージが悪化するため、２００ｎｍ以下であることが望ましい。従って、Ａｌ−Ｔｉ合金層４の膜厚としては１０〜２００ｎｍが一般的であり、好ましくは２０〜１００ｎｍである。この範囲より薄くなると反射防止効果およびＥＭ耐性が低下するという傾向があり、厚くなると配線層５の膜厚が厚くなり過ぎて後の工程におけるステップカバレージが悪化するという傾向がある。
【００２９】
▲４▼本実施例によれば、図５に示す従来例と比較して、ＳＭ耐性が向上することを確認した。
▲５▼本実施例によれば、図５に示す従来例と比較して、配線抵抗が減少することを確認した。ＴｉＮの比抵抗は１００〜１２０μΩ・ｃｍであるのに対し、Ａｌ３  Ｔｉ合金の比抵抗は３０〜４０μΩ・ｃｍである。そのため、Ａｌ−Ｔｉ合金層４はＴｉＮ層１０３と比較して抵抗を１／３に低減することができる。従って、本実施例によれば、ＥＭやＳＭにより合金層３が欠損した場合でも、その欠損部分はＡｌ−Ｔｉ合金層４によって低抵抗でバイパスされ、配線層５の電気的接続を保つことができる。すなわち、Ａｌ−Ｔｉ合金層４は配線層５の低抵抗バイパスとして用いることができる。それに対して、ＴｉＮ層１０３は抵抗値が高いため、配線層１０４のバイパスとしての作用は期待できない。
【００３０】
このように、本実施例によれば、図５に示す従来例と比べ、反射防止膜としての能力は同等に保ったままで、ＥＭ耐性およびＳＭ耐性を向上させ配線抵抗を減少させて配線層の信頼性を高めることができる。
【００３１】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、以下のように実施してもよい。
（１）  Ａｌ−Ｔｉ合金層４の組成を、Ａｌ３  Ｔｉ相以外のＡｌ−Ｔｉ系合金を主成分とするものに変える（例えば、ＡｌＴｉ相やＡｌＴｉ３  相など）。この場合にも上記実施例と同様に配線層５の信頼性を高めることができる。
【００３２】
（２）  合金層３の組成を、低抵抗（望ましくは、比抵抗が３μΩ・ｃｍ以下）で形成が容易なものに変える（例えば、Ａｌ単体、Ａｌ−０．１〜３重量％ＳｉなどのＡｌシリコン合金、Ａｌ−０．１〜０．５重量％Ｃｕ合金などのＡｌ合金、Ｃｕ，金（Ａｕ），銀（Ａｇ）、その他の高融点金属の単体やシリサイドまたは合金、等）。この場合にも上記実施例と同様に配線層５の信頼性を高めることができる。
【００３３】
（３）  配線層５の下層にバリアメタル層を設ける（例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、窒酸化チタン（ＴｉＯＮ）、Ｗ、チタンタングステン（ＴｉＷ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、等）。また、合金層３に添加されたＳｉが、固相エピタキシャル成長によりコンタクト部において析出することよるコンタクト抵抗の増大を防止することができる。加えて、ＳＭ耐性をより向上させることができる。
【００３４】
（４）  Ａｌ−Ｔｉ合金層４を形成するためのマグネトロンスパッタ法において、スパッタターゲットとしてアルミチタン合金を用いるのではなく、同一チャンバー内にアルミ単体によるターゲットとチタン単体によるターゲットとを並べて配置し、スパッタを行う。例えば、図６に示すスパッタ装置において、ターゲットを２重のドーナツ状（大きいドーナツの穴に小さいドーナツ（または円板）を嵌合させた状態）とし、一方のドーナツをＴｉ、他方のドーナツ（または円板）をＡｌとしてスパッタを行う。この場合も上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
（５）  Ａｌ−Ｔｉ合金層４の下層に別の材料によるキャップメタルを付加する（例えば、上記（３）  に列記したのと同じ材料）。この場合には、Ａｌ−Ｔｉ合金層４と付加したキャップメタルとの相乗作用により、上記効果をさらに高めることができる。
【００３６】
（６）  Ａｌ−Ｔｉ合金層４の上層に別の材料によるキャップメタルを付加する（例えば、上記（３）  に列記したのと同じ材料）。この場合には、Ａｌ−Ｔｉ合金層４と付加したキャップメタルとの相乗作用により、上記効果をさらに高めることができる。
【００３７】
例えば、図４に示すように、Ａｌ−Ｔｉ合金層４の上層にＴｉＮ層６によるキャップメタルを付加し、各層３，４，６によって配線層６を形成する。ＴｉＮ層６の形成方法および膜厚は、図５に示す従来例のＴｉＮ層１０３と同様である。この場合、Ａｌ−Ｔｉ合金層４を設けたことによるＥＭ耐性およびＳＭ耐性の向上効果と配線抵抗の低減効果については、上記実施例と同様である。それに加えて、配線層６表面の反射率はＴｉＮ層６によって規定されるため、その反射率は上記実施例よりさらに低減され、図５に示す従来例と同じになる。
【００３８】
ところで、この明細書において金属配線層とはアルミ・シリコン・銅合金層としたが、上記（２）  に例示したように、ＥＭ耐性，ＳＭ耐性，配線抵抗が所望のレベルに達する金属材料であればその材質については特に規定されるものではない。また、キャップメタルについても、上記（３）  に例示したように、反射防止効果が所望のレベルに達する材料であればその材質については特に規定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、フォトリソグラフィ工程の精度を低下させることなく、ＥＭ耐性およびＳＭ耐性を向上させ配線抵抗を減少させることで信頼性を高めることが可能な配線層を備えた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した一実施例の断面図である。
【図２】一実施例の作用および効果を説明するための特性図である。
【図３】一実施例の作用および効果を説明するための特性図である。
【図４】本発明を具体化した別の実施例の断面図である。
【図５】従来例の断面図である。
【図６】スパッタ装置の概略図である。
【符号の説明】
３  金属配線層としてのアルミ・シリコン・銅合金層
４  アルミチタン合金層
５  配線層
６  キャップメタル層としての窒化チタン層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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