(57)【要約】【課題】エレクトロマイグレーション劣化が生じにくく、高電流密度まで安定して通電可能な高信頼半導体集積回路配線構造を実現させること。【解決手段】半導体基板上に堆積された下敷き絶縁膜層である酸化シリコン膜11の上に、Ｔｉ層12-1、Ｐｔ層12-2、Ａｕ層12-3、Ｐｔ層12-4、Ｔｉ層12-5を順次堆積してリフトオフすることによって、積層配線金属層12を形成し、酸化シリコン膜11と積層配線金属層12との上に、層間絶縁膜層である窒化シリコン膜13を堆積することによって半導体集積回路配線構造を構成する。【選択図】    図１
2006324301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路内に形成された半導体集積回路配線構造おいて、
半導体表面上に堆積された下敷き絶縁膜層上に形成された第一の積層配線金属層が、導電層を下部仲介金属層と上部仲介金属層とで挟んでなる多層構造を持ち、
前記下敷き絶縁膜層上及び前記第一の積層配線金属層上に第一の層間絶縁膜層が堆積されていることを特徴とする半導体集積回配線構造。
【請求項２】
上記下部仲介金属層または上部仲介金属層が、少なくとも１層の金属層よりなり、上記下敷き絶縁膜層または第一の層間絶縁膜層と接する該金属層が６ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回配線構造。
【請求項３】
上記導電層は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇの中の少なくとも１つから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体集積回配線構造。
【請求項４】
上記下部仲介金属層または上部仲介金属層は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮの中の少なくとも１つから構成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体集積回配線構造。
【請求項５】
上記下敷き絶縁膜層または第一の層間絶縁膜層は、酸化シリコンまたは窒化シリコンから構成されていることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の半導体集積回配線構造。
【請求項６】
上記第一の層間絶縁膜層上に第二の層間絶縁膜層が堆積され、該第二の層間絶縁膜層上に有機絶縁膜層が形成され、上記第一の積層配線金属層上の少なくとも１つの部位において、前記有機絶縁膜層、第二の層間絶縁膜層及び第一の層間絶縁膜層を貫通してコンタクトホールが設けられ、該コンタクトホールを通して前記第一の積層配線金属層に接続する第二の積層配線金属層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体集積回路配線構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体集積回路配線構造に関し、特に、化合物半導体集積回路における半導体集積回路配線構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に、従来技術による配線構造を示す（下記非特許文献１参照）。図において、第一の絶縁膜、例えば第一の酸化シリコン膜11上に、例えば３０ｎｍ厚のＴｉ層12-1、２０ｎｍ厚のＰｔ層12-2及び６００ｎｍ厚の導電層Ａｕ層12-3からなるパタンニングされた第一の積層配線金属層12を有する基板表面全体に、例えば２００ｎｍの窒化シリコン膜13が配線保護膜又は層間絶縁膜として堆積されている。
【０００３】
第一の積層配線金属層12に対する上層配線として、第二の積層配線金属層を形成する場合には、図４に示すように（下記非特許文献２参照）、窒化シリコン膜13上にエッチング停止用の第二の酸化シリコン膜14を堆積し、層間絶縁膜用に有機絶縁膜15を成膜し、第一の積層配線金属層12上の、有機絶縁膜15及び第二の酸化シリコン膜14、窒化シリコン膜13にコンタクトホールを形成し、バリアメタル16-1及び２層配線金属層であるＡｕ層16-2を堆積することにより、第一の積層配線金属層12と第二の積層配線金属層16が接続された構造が用いられている。
【０００４】
【非特許文献１】たとえば、M.R.Rao,  S.T.O'Neil,  and  S.Tiku,  "Metal  particle  effects  on  thin  capacitors  in  high  volume  manufacuturing",  2003  GaAs  MANTECH  Conference,  pp.73-76,2003．(特に、Fig.1)
【非特許文献２】たとえば、K.Onodera,  M.Hirano,  I.Toyoda,  M.Tokumitsu,  and  T.Tokumitsu,  "Folded  U-Shaped  Microwire  Technology  for  Ultra-Compact  3D  MMICs",  1996  IEEE  MTT-S  Digest,  pp.1153-1156,1996．(特に、Fig.1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図３に示す第一の積層配線金属層12に、例えば、１×１０６Ａ/ｃｍ２程度の高電流密度電流を通電すると、高密度、高エネルギー電子流との衝突によりＡｕ原子の移動が起こり、配線内部にボイドが形成される。ボイドが形成されると配線抵抗の増加が生じ、最終的に断線に至るエレクトロマイグレーション劣化が生じる。
【０００６】
本発明が解決しようとする主要な課題は、エレクトロマイグレーション劣化が生じにくく、高電流密度まで安定して通電可能な高信頼半導体集積回路配線構造を実現させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
半導体集積回路内に形成された半導体集積回路配線構造おいて、半導体表面上に堆積された下敷き絶縁膜層上に形成された第一の積層配線金属層が、導電層を下部仲介金属層と上部仲介金属層とで挟んでなる多層構造を持ち、前記下敷き絶縁膜層上及び前記第一の積層配線金属層上に第一の層間絶縁膜層が堆積されていることを特徴とする半導体集積回配線構造を構成する。
【０００８】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
上記下部仲介金属層または上部仲介金属層が、少なくとも１層の金属層よりなり、上記下敷き絶縁膜層または第一の層間絶縁膜層と接する該金属層が６ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回配線構造を構成する。
【０００９】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
上記導電層は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇの中の少なくとも１つから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体集積回配線構造を構成する。
【００１０】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
上記下部仲介金属層または上部仲介金属層は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮの中の少なくとも１つから構成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体集積回配線構造を構成する。
【００１１】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
上記下敷き絶縁膜層または第一の層間絶縁膜層は、酸化シリコンまたは窒化シリコンから構成されていることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の半導体集積回配線構造を構成する。
【００１２】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
上記第一の層間絶縁膜層上に第二の層間絶縁膜層が堆積され、該第二の層間絶縁膜層上に有機絶縁膜層が形成され、上記第一の積層配線金属層上の少なくとも１つの部位において、前記有機絶縁膜層、第二の層間絶縁膜層及び第一の層間絶縁膜層を貫通してコンタクトホールが設けられ、該コンタクトホールを通して前記第一の積層配線金属層に接続する第二の積層配線金属層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体集積回路配線構造を構成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施により、配線金属層中のエレクトロマイグレーションを抑制することが可能な配線構造を構成し、エレクトロマイグレーション劣化が生じにくく、高電流密度まで安定して通電可能な高信頼半導体集積回路配線構造を実現させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
配線材料の有するエレクトロマイグレーション耐性は、材料元素の結合に依存し元素や組成により決まる。しかし、パターニングされた微細配線構造においては、元素の比較的自由度の高い表面の占める割合が高く、配線金属表面状態に依存して、本来の材料が有するエレクトロマイグレーション耐性よりも低い電流密度で劣化することが考えられる。特に従来配線構造では、図３に示した第一の積層金属配線12の表面は導電層であるＡｕ層12-3の表面であり、化学的な反応性の少ないＡｕ原子と接している窒化シリコン膜13との密着性は弱いため、界面には比較的自由度の高いＡｕ原子が存在する。すなわち、金属固体内部のＡｕ原子は、１２個の最近接Ａｕ原子と金属結合を形成しているが、窒化シリコン膜との界面のＡｕ原子は、窒化膜とは結合せず、平均６個のＡｕ原子と金属結合を形成しているのみであり、電界によって移動しやすくなっている。このため、エレクトロマイグレーション劣化が、Ａｕ層12-3と窒化シリコン膜13との界面から発生しやすくなると考えられる。
【００１５】
本発明では、第一の積層配線金属層中の導電層表面の金属原子と結合可能で、しかも、絶縁膜と結合密着性の高い金属層を仲介金属層として、導電層と絶縁膜との間に挿入する。これによって、導電層表面の金属原子を安定化して、その自由度を低下させて、エレクトロマイグレーションを抑制し、かつ、金属層と絶縁膜との間の接着性を向上させる。この場合に、下記の実施の形態例に示すように、仲介金属層を、導電層表面の金属原子を安定化する金属層と、絶縁膜との間の接着性が良好な金属層とからなる積層構造のものとするとよい。下記の実施の形態例のように、導電層表面の金属原子を安定化する金属層としてＰｔ層を用いれば、それは、Ｐｔは導電層金属の拡散抑止にも役立つ。仲介金属層は、導電層に比較して、電気伝導度が低く、従って、仲介金属層での電流密度は導電層に比べ低い。従って、仲介金属層におけるエレクトロマイグレーションは無視することができ、しかも、第一の積層金層配線層のエレクトロマイグレーション耐性は導電層表面の金属原子の安定化によって向上する。
【００１６】
以下に、実施の形態例によって、本発明を詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態例］
図１は、第１の実施の形態例を説明する断面図である。本実施の形態例においては、半導体基板上に、例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより堆積された下敷き絶縁膜層である第一の酸化シリコン膜11を堆積し、その後、配線パタンを形成後、第一の酸化シリコン膜11上に、電子ビーム蒸着により、Ｔｉ層12-1、Ｐｔ層12-2、導電層であるＡｕ層12-3、Ｐｔ層12-4、Ｔｉ層12-5を順次堆積してリフトオフすることによって、第一の積層配線金属層12を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法により、第一の酸化シリコン膜11と第一の積層配線金属層12との上に、第一の層間絶縁膜層である窒化シリコン膜13を堆積し、半導体集積回路配線構造を形成する。
【００１８】
Ｔｉ層12-1とＰｔ層12-2との組み合わせが下部仲介金属層に該当し、Ｐｔ層12-4とＴｉ層12-5との組み合わせが上部仲介金属層に該当し、その下部仲介金属層は、金属層であるＴｉ層12-1とＰｔ層12-2との２層よりなる積層金属層構造を有し、上部仲介金属層は、金属層であるＴｉ層12-5とＰｔ層12-4との２層よりなる積層金属層構造を有している。Ｔｉ層12-1、12-5が、それぞれ、第一の酸化シリコン膜11、窒化シリコン膜13に対して強い密着性を有する密着性向上層としての役割を果たし、Ｐｔ層12-2、12-4が拡散防止機能を有する拡散防止層としての役割を果たす。
【００１９】
Ａｕ層12-3とＰｔ層12-2、12-4との界面におけるＡｕ原子はＰｔ原子と金属結合を形成して安定化し、ＴｉはＡｕに比較して電気伝導度が低く、第一及び第二のＴｉ層(12-1、12-5)での電流密度はＡｕ層12-3に比べ低い。従って、積層配線金属層１２のエレクトロマイグレーション耐性は向上する。
【００２０】
なお、上記において、第一の酸化シリコン膜11が約２００ｎｍの厚さで、電子ビーム蒸着により形成される、Ｔｉ層12-1を約３０ｎｍ、Ｐｔ層12-2を約２０ｎｍ、Ａｕ層12-3を約６００ｎｍ、Ｐｔ膜12-4を約２０ｎｍ、Ｔｉ12-5を約５０ｎｍとする。その上部の窒化シリコン膜13は約２００ｎｍの厚さに形成されている。各金属（Ｔｉ、Ｐｔ）の挿入効果を発現するための効果的な膜厚は、Ｔｉ層12-1については６ｎｍ以上、Ｐｔ層12-2、12-4については２０ｎｍ以上である。Ｔｉ層12-5についても、６ｎｍ以上の厚さが効果的であるが、第二の積層配線金属層とのコンタクトホール形成時のエッチングマージンを考慮してＴｉ層12-1より厚めとする。また上限は、配線抵抗の増加を防止するために、伝導層の一割程度の厚みまでとする。以上を総合して、Ｔｉ層12-1、12-5の厚さは６ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。
【００２１】
なお、本実施の形態例においては、上下の仲介金属層として、２層構造の金属層を用いているが、これらの一方または両方に換えて、単層構造の金属層を用いてもよい。
【００２２】
なお、本実施の形態例においては、上下の仲介金属層の構成要素として、ＴｉとＰｔとを用いているが、これ以外に、高耐熱金属Ｗ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮ等を用いてもよい。
【００２３】
また、伝導層の上部だけでなく、側壁をも仲介金属層で覆うことによっても、エレクトロマイグレーション耐性をさらに向上させることは可能である。しかし、この場合、スパッタ法による膜形成とパターニング及びドライエッチング法による配線構造形成といった工程が追加されるため、工程数及び形成時間が増加する。前記の図１の例では、第一の積層配線金属層12を一括して同じ蒸着装置の内部にて形成することが可能であるため、工程短縮も可能となる。
【００２４】
なお、本実施の形態例においては、導電層の構成要素としてＡｕを用いているが、導電層は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇの中の少なくとも１つから構成されていてもよい。
【００２５】
なお、下敷き絶縁膜層である第一の酸化シリコン膜11に換えて、窒化シリコン膜を用いてもよいし、第一の層間絶縁膜層である窒化シリコン膜13に換えて、酸化シリコン膜を用いてもよい。
【００２６】
［第２の実施の形態例］
図２は、第１の実施の形態例を説明する断面図である。上記の半導体集積回路配線構造の第一の層間絶縁膜層である窒化シリコン膜13の上に、さらに、スパッタ法やＣＶＤ法により、第二の層間絶縁膜層である第二の酸化シリコン膜14を１００ｎｍ堆積する。その後、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）やポリイミド等からなる有機絶縁膜層である低誘電率の有機絶縁膜15を塗布し、キュアしたのち、コンタクトホール形成用レジストマスクによる反応性イオンエッチングにより、第一の積層配線金属層12上の少なくとも１つの部位において、有機絶縁膜15、酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜13を貫通してコンタクトホールを設け、該コンタクトホールを通して、第一の積層配線金属層12に接続する第二の積層配線金属層16を形成する。その際、前記のとおり、Ｔｉ層12-5は電気伝導度が低く、容易に酸化して高抵抗層を形成しやすいため、第二の積層配線金属層16との接続を考えると、コンタクト抵抗増大を引き起こしかねないので、コンタクトホール内のＴｉ層12-5の部分を反応性イオンエッチングにより除去し、Ｐｔ層12-4を露出させる。Ｐｔは安定な金属で、酸化膜等の高抵抗層を形成しにくく、他金属との接触抵抗も低いので、そのまま残す。その後、例えば、Ｗ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮの中の少なくとも１つからなるバリアメタル16-1をスパッタ法により堆積し、メッキ法によりＡｕ層16-2を成長させて第二の積層配線金属層16を形成する。ここで、酸化シリコン膜14は、コンタクトホール形成の工程において、低誘電率の有機絶縁膜15を反応性イオンエッチングする際に、エッチング停止層として機能し、その後、反応ガスを酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜用に変更して反応性イオンエッチングを行うことにより、高精度なコンタクトホール加工が可能となる。
【００２７】
上記の方法により第一及び第二の積層配線金属層を低抵抗状態で接続することが可能となる。
【００２８】
以上の説明で明らかなように、本発明により、エレクトロマイグレーション耐性を改善し、且つ、良好な層間コンタクト抵抗を持ち、半導体集積回路のパワー設計自由度や使用環境温度の自由度の高い半導体集積回路配線構造を実現させることができる。また、本発明に係る半導体集積回路配線構造は、高信頼半導体集積回路配線構造の形成時間を短縮することを可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施の形態例を説明する断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態例を説明する断面図である。
【図３】従来の半導体集積回路配線構造を説明する断面図である。
【図４】従来の半導体集積回路配線構造を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
11：第一のシリコン膜、12：第一の積層配線金属層、12-1：Ｔｉ層、12-2：Ｐｔ層、12-3：Ａｕ層、12-4：Ｐｔ層、12-5：Ｔｉ層、13：窒化シリコン膜、14：第二の酸化シリコン膜、15：有機絶縁膜、16：第二の積層配線金属層、16-1：バリアメタル、16-2：Ａｕ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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