(57)【要約】【課題】配線シート抵抗の上昇を抑えつつ、接続抵抗が低い配線間接続構造を半導体装置に提供する【解決手段】第一の配線層と、第一の配線層の上層に位置する第二の配線層と第一の配線層と第二の配線層とを電気的に接続するプラグとを備える多層配線構造を有する半導体装置であって、プラグの底面は第一の配線層のうちアルミニウムまたはアルミニウム合金層の上に形成された窒化物からなる第一のバリアメタル層と接続し、プラグの直下において第一のバリアメタル層と第アルミニウムまたはアルミニウム合金層との間に設けられアルミニウムまたはアルミニウム合金層よりも小さな面積を有し、非窒化物からなる第二のバリアメタル層を含む。【選択図】図１
2015207715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の配線層と、
前記第一の配線層の上層に位置する第二の配線層と
前記第一の配線層と前記第二の配線層とを電気的に接続するプラグと
を備える多層配線構造を有する半導体装置であって、
前記プラグの底面は、第一の配線層のうち、アルミニウムまたはアルミニウム合金層の上に形成された窒化物からなる第一のバリアメタル層と接続し、
前記プラグの直下において、前記第一のバリアメタル層と前記第アルミニウムまたはアルミニウム合金層との間に設けられ、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金層よりも小さな面積を有し、非窒化物からなる第二のバリアメタル層を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第二のバリアメタル層は、前記プラグの底面を包含する大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第二のバリアメタル層は、前記第一の配線層と第二の配線層との積層方向からみて、該第一の配線層と第二の配線層とが重なり合う領域の内側に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第一のバリアメタル層は、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金層と、前記第二のバリアメタル層を覆うように形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第一のバリアメタル層は、TiN、TaN、WN及びZrNのうちのいずれかで構成され、
前記第二のバリアメタル層はTi、Ta、W及びZrのうちのいずれかで構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
第一の配線層を形成する工程と、
前記第一の配線層の上に、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にプラグを形成する工程と、
前記第二の配線層を前記プラグの上に形成する工程と
を有し、
前記第一の配線層を形成する工程は、
アルミニウムまたはアルミニウム合金層を形成する工程と、
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金層の上に窒化物からなる第一のバリアメタル層を形成する工程と、
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金層の上に非窒化物からなる第二のバリアメタル層を形成する工程と、を含み、
前記第一のバリアメタル層は、前記プラグの底面と接続し、
前記第二のバリアメタル層は、前記第一のバリアメタル層で覆われ、前記プラグの底面を包含する大きさを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第二のバリアメタル層を形成する工程では、非窒化物からなる膜をパターニングすることにより前記第二のバリアメタル層を形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記層間絶縁膜にプラグを形成する工程では、前記層間絶縁膜に前記プラグのための開口を形成する工程と、前記開口にプラグとなる導電体を形成する工程とを有し、
前記第二のバリアメタル層を形成する工程は、前記開口にプラグとなる導電体を形成する工程の前に行われ、前記開口が形成された前記層間絶縁膜をマスクに用いて、非窒化物イオンを注入することにより前記第二のバリアメタル層を形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第二のバリアメタル層は、前記第一の配線層と第二の配線層との積層方向からみて、該第一の配線層と第二の配線層とが重なり合う領域の内側に形成されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第一のバリアメタル層は、TiN、TaN、WN及びZrNのうちのいずれかで構成され、
前記第二のバリアメタル層はTi、Ta、W及びZrのうちのいずれかで構成されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置集積回路の配線の一つとして、主たる伝導層をアルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる材料を用いたものがある。
【０００３】
特許文献１は、アルミニウム層と窒化物バリアメタル層とが接するとアルミニウム層が窒化されてしまい抵抗が高くなってしまうことを課題としている。そして、特許文献１は、アルミニウム層と窒化物バリアメタル層との間に例えばチタン層を挟んだアルミニウム配線構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平5-190551号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アルミ層と窒化物バリアメタル層との間に例えばチタン層を挟む場合はアルミ層とチタンとが反応し、アルミ層の一部が消費されて高抵抗なＡｌ３Tｉ層に置き換わり、アルミ配線のシート抵抗上昇をもたらすという問題が生じうる。
【０００６】
そこで、本発明は配線シート抵抗の上昇を抑えつつ、接続抵抗が低い配線間接続構造を半導体装置に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明は、第一の配線層と、前記第一の配線層の上層に位置する第二の配線層と前記第一の配線層と前記第二の配線層とを電気的に接続するプラグとを備える多層配線構造を有する半導体装置であって、前記プラグの底面は、第一の配線層のうち、アルミニウムまたはアルミニウム合金層の上に形成された窒化物からなる第一のバリアメタル層と接続し、前記プラグの直下において、前記第一のバリアメタル層と前記第アルミニウムまたはアルミニウム合金層との間に設けられ、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金層よりも小さな面積を有し、非窒化物からなる第二のバリアメタル層を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、配線シート抵抗の上昇を抑えつつ、接続抵抗が低い配線間接続構造を半導体装置に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】発明の実施形態に対応する半導体装置の多層配線構造の一例を示す断面図。
【図２】発明の実施形態に対応する多層配線構造の半導体装置の製造工程を説明するための図。
【図３】発明の実施形態に対応する多層配線構造の半導体装置の他の製造工程を説明するための図。
【図４】発明の実施形態に対応する半導体装置のヴィアプラグによる接続部分の構造を説明するための平面図。
【図５】半導体装置の構造を示す断面図。
【図６】半導体装置の構造に関連する実験結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して発明の実施形態を説明する。発明の実施形態は、半導体装置の配線構造およびその製造方法に関し、特にアルミニウムを用いた微細な多層配線の抵抗を低減することが可能な配線構造を有する半導体装置の製造に関する。
【００１１】
まず、図５(ａ)を用いて、MOS（Metal Oxide Silicon）半導体集積回路におけるアルミニウム多層配線の一例を示す断面図である。図５（ａ）に示すとおりシリコン半導体基板１００の上にはソース、ゲート、ドレインからなるトランジスタ素子が配置されており、トランジスタ素子上には層間絶縁膜１が形成されている。層間絶縁膜１は、複数層で構成されている。この層間絶縁膜１の上には第一の配線層１０が形成されており、その上には更に層間絶縁膜１が形成され、第二の配線層１１が形成されている。第一の配線層１０と第二の配線層１１とは、接続孔を介してヴィアプラグ９により接続される。第二の配線層１１の上には同様に複数の配線層が形成され、最終配線層の上部には外部の水分などから半導体集積回路を保護する為の保護絶縁膜が形成される。
【００１２】
ここで、課題について説明する。図５(ａ)に示す半導体集積回路の配線層とヴィアプラグ９の接続部分を拡大すると、図５（ｂ）に示すようになる。第一の配線層１０は、層間絶縁膜１の上に、バリアメタル層２、アルミニウム層３、例えば窒化チタンであるバリアメタル層４の順に積層された構成を有する。第二の配線層１１も、同様である。第一の配線層１０と第二の配線層１１との間のヴィアプラグ９は、バリアメタル層６、７、タングステン層８を有する。
【００１３】
このような図５（ｂ）の配線構造を形成する際には、層間絶縁膜１にドライエッチング法によりヴィアホールを開孔する。この時、第一の配線層１０上のバリアメタル層４までエッチングにより除去する場合、ドライエッチング最中に不純物イオンがアルミニウム層３の表面へ過剰に打ちこまれてしまう。これによって、配線層間を接続するヴィアプラグ９の接続抵抗が増大するという問題が発生する。この問題は、図５（ｃ）に示すようにヴィアホール開孔時に層間絶縁膜１の下のバリアメタル層４を完全に除去せず、バリアメタル層４の内部でエッチングを止めれば回避できる。
【００１４】
ここで、図６（ａ）に、ヴィアホールをドライエッチングにより開孔する際に、バリアメタル層４を完全に除去した場合と、バリアメタル層４の一部を残した場合のそれぞれのケルビン抵抗をウェハ内の複数個所測定し、正規確率プロットしたものである。この図から明らかなように、バリアメタル層４を完全に除去したものは正規確率分布から外れた高抵抗な測定点がみられているが、バリアメタル層４を残してエッチングした場合にはこのような高抵抗の測定点がなく、安定したケルビン抵抗を得ることが可能であることが分かる。
【００１５】
しかしながら、窒化物であるバリアメタル層４を形成する際に、アルミニウム層３が窒化され、アルミニウム層３とバリアメタル層４との間に窒化アルミニウム層が形成されてしまう。この窒化アルミニウムは、絶縁体であるため、配線層間を接続するヴィアプラグ９の抵抗が増大するという問題が発生する。
【００１６】
図１は、上述の問題を解決する発明の実施形態に対応する半導体装置の多層配線構造の一例を示す断面図である。図１の半導体装置は、層間絶縁膜層１、アルミニウムを主成分とする、アルミニウムまたはアルミニウム合金層であるアルミニウム配線層３、配線層３の下のバリアメタル層２、第一のバリアメタル層４、第二のバリアメタル層５、ヴィアプラグ９のバリアメタル層６、７、タングステン層８で構成される。
【００１７】
なお、バリアメタル層２、４は、窒化チタンや窒化タングステンなどの窒化物で形成される。アルミニウムを主性分とする配線層の上下をバリアメタル層２、４で挟む構造が用いられるのは、配線層材料と絶縁膜材料との間における相互拡散を防止する為や、アルミニウム配線層がマイグレーションにより局所的に断線した時に電流をバイパスして配線寿命を延ばす為などの効果がある。
【００１８】
バリアメタル層５は、チタンなどの非窒化物で構成され、平面的にみて、アルミニウム層３よりも面積が小さく、第一のバリアメタル層４及びアルミニウム層３に内包される。ここで、第二のバリアメタル層５が、第一のバリアメタル層４の下に設けられていることで、アルミニウム層３の窒化を防ぎ、ヴィアプラグ９との接続抵抗の上昇を抑制することが可能となる。また、バリアメタル層５の面積がアルミニウム層３よりも小さいことで、アルミニウム層３と被窒化物との反応を最低限にすることができるため、アルミニウム層３のシート抵抗の増大を抑制することが可能となる。
【００１９】
当該半導体装置の製造工程について図２を参照して説明する。図２は、多層配線構造の半導体装置の製造工程を示す図である。なお、図２は、図１と同様に発明の実施形態を説明するためにヴィアプラグ９による接続部分を拡大して示しており、全体的な構成はここでは省略するものの図５（ａ）と同様である。
【００２０】
まず、トランジスタ、それを保護する層間絶縁膜層１、及び第一の配線層１０となるアルミニウム配線層３との電気的接続を行うコンタクトプラグ（不図示）が形成された基板１００上に、窒化物高融点金属材からなるバリアメタル層２として厚さ５０ｎｍのＴｉＮ（窒化チタン）をスパッタ法により堆積する。つぎに、バリアメタル層２上に第一の配線層３を形成すべく厚さ３００ｎｍのＡｌ（アルミニウム）−Ｃｕ（銅）合金膜をスパッタ法により堆積する。これにより図２（ａ）に示す状態となる。
【００２１】
次に、アルミニウム配線層３の上に第二のバリアメタル層５を形成すべく、厚さ５ｎｍの非窒化物膜（例えばＴｉ（チタン）膜）をスパッタ法により堆積する。これにより図２（ｂ）に示す状態となる。
【００２２】
次に、フォトリソグラフィー及びドライエッチ法によりパターニングして、例えばＴｉ膜を成形する。具体的に、図２（ｃ）に示すように、少なくともヴィアホールの先端部分の口径を包含する大きさとなるように、チタン膜上にフォトレジストによりマスク１２を形成する。そして、図２（ｄ）に示すようにＴｉ膜をエッチングし第二のバリアメタル層５を形成する。その後、マスク１２を除去して図２（ｅ）の状態となる。
【００２３】
さらに、アルミニウム配線層３及び第二のバリアメタル層５を覆うように厚さ５０ｎｍの窒化物層をスパッタ法により堆積し、第一のバリアメタル層４を形成する。なお、窒化物としてはＴｉＮを使用することができる。これにより図２（ｆ）に示す状態となる。その後フォトリソグラフィー、及びドライエッチ法によりパターニングして第一の配線層１０を形成する。  
【００２４】
次に第一のバリアメタル層４の上に層間絶縁膜１をＣＶＤ法により形成し、ＣＭＰ法によって表面を平坦化したのち、フォトリソグラフィー、及びドライエッチ法により、ヴィアプラグ９を収容する接続孔（開口）であるヴィアホール１３を形成する。ヴィアホール１３の底面は、第一のバリアメタル層４と接している。これにより図２（ｇ）に示す状態となる。
【００２５】
その後、ヴィアホール１３に導電体のヴィアプラグを形成する。具体的に、バリアメタル層６、７として厚さ２０ｎｍのＴｉ及び４０ｎｍのＴｉＮ膜をスパッタ法により堆積する。さらにＣＶＤ法によりＷ（タングステン）をヴィアホール１３に充填し、ＣＭＰ法によってヴィアホール１３内のみにＷを残すように研磨することでタングステン層８を形成する。さらにその上に、上述の方法と同様のフローによって、第一の配線層１０の上層に第二の配線層１１を形成する。これにより図２（ｈ）に示す状態となる。なお第二の配線層１１の上にさらなる配線層がない場合などは、第二の配線層１１に第二のバリアメタル層５を必ずしも形成する必要はない。なお、図２（ｈ）は図１と同じ構成である。
【００２６】
図２に示す製造工程では、マスク１２を用いたパターニングにより第二のバリアメタル層５を形成したが、形成方法としてチタンイオンを注入する方法もある。図３は、多層配線構造の半導体装置の他の製造工程を示す図である。なお、図３は発明の実施形態を説明するためにヴィアプラグ９による接続部分を拡大して示しており、全体的な構成はここでは省略するものの図５（ａ）と同様である。
【００２７】
まず、図２（ａ）と同様にトランジスタ、それを保護する層間絶縁膜層１、及び第一の配線層１０となるアルミニウム配線層３との電気的接続を行うコンタクトプラグ（不図示）が形成された基板１００上に、窒化物高融点金属材からなるバリアメタル層２として厚さ５０ｎｍのＴｉＮ（窒化チタン）をスパッタ法により堆積する。つぎに、バリアメタル層２上にアルミニウム配線層３を形成すべく厚さ３００ｎｍのＡｌ（アルミ）−Ｃｕ（銅）合金膜をスパッタ法により堆積する。これにより図３（ａ）に示す状態となる。
【００２８】
次に、アルミニウム配線層３を覆うように厚さ５０ｎｍのＴｉＮ膜をスパッタ法により堆積し、第一のバリアメタル層４を形成する。これにより図３（ｂ）に示す状態となる。その後フォトリソグラフィー、及びドライエッチ法によりパターニングを行う。更に、第一のバリアメタル層４の上に層間絶縁膜１をＣＶＤ法により形成し、ＣＭＰ法によって表面を平坦化したのち、フォトリソグラフィー、及びドライエッチ法によりヴィアホール９を形成する。これにより図３（ｃ）に示す状態となる。
【００２９】
次に、層間絶縁膜１に形成されたヴィアホール９をマスクの代わりにして、ヴィアホール９の開口に非窒化物イオン（Ｔｉイオン）を注入すると、ヴィアホール９の直下に第二のバリアメタル層５が形成される。これにより図３（ｄ）に示す状態となる。その後、ヴィアホール１３に導電体のヴィアプラグを形成する。具体的に、バリアメタル層６、７として厚さ２０ｎｍのＴｉ及び４０ｎｍのＴｉＮ膜をスパッタ法により堆積する。さらにＣＶＤ法によりＷ（タングステン）をヴィアホール１３に埋め込み、ＣＭＰ法によってヴィアホール内のみにＷを残すように研磨することでタングステン層８を形成する。なお、ＣＭＰ法によって研磨する際に、イオン注入処理により層間絶縁膜１上に形成されたチタン層も除去することができる。これにより図３（ｅ）に示す状態となる。さらにその上に、上述の方法と同様のフローによって第二の配線層１１を形成する。これにより図３（ｆ）に示す状態となる。
【００３０】
図４は、発明の実施形態に対応するヴィアプラグ９による第一の配線層１０と第二の配線層１１との接続部分の構造を説明するための平面図である。当該平面図は、第一の配線層１０と第二の配線層１１との積層方向での重畳関係を示している。図４では、第二のバリアメタル層５は、ヴィアプラグ９の直下の位置に、少なくともヴィアプラグ９で接続される第一の配線層１０と第二の配線層１１とが重なり合う領域１４の内側に包含されるように構成される。また、第二のバリアメタル層５は、ヴィアプラグ９よりも大きな面積を有し、ヴィアプラグ９を内包する。このような構造により、ヴィアプラグ９と第一の配線層１０に含まれるアルミニウム層との接続部分において、絶縁物である窒化アルミニウム層が反応形成されず良好なコンタクト抵抗を得ることができる。
【００３１】
さらに、第一の配線層１０上の不要なＴｉ膜を除去して、第二のバリアメタル５のサイズを縮小したので、配線に用いられた低抵抗なＡｌ−Ｃｕ層と、第二のバリアメタル５であるチタン膜とが反応し、高抵抗なＡｌ３Tｉ層に置き換わることによるＡｌ−Ｃｕ層の減少も抑制できる。
【００３２】
図６（ｂ）はアルミニウム配線の断面積とアルミニウム配線シート抵抗との関係を示すものである。図から明らかなように、配線断面積が縮小するとある値を境にアルミニウム配線のシート抵抗が漸増する現象がみられる。発明の実施形態によれば、低抵抗なＡｌ−Ｃｕ層が高抵抗なＡｌ３Tｉ層に置き換わり配線が微細化することを抑制できるので、配線断面積の縮小に起因する配線シート抵抗の増加の問題を防止できる。以上の効果により、特に微細化されたアルミニウム配線を用いた半導体装置において安定した回路動作を提供することが可能となる。
【００３３】
なお、上述した膜構成に限定されず、第一のバリアメタル層４は、窒化物高融点金属材であるTiN、TaN、WN、ZrNのいずれかから選択された材料であっても構わない。さらに、第二のバリアメタル層５は、Ti、Ta、W、Zrのいずれかから選択された材料でも構わない。
【符号の説明】
【００３４】
１：絶縁層、２：バリアメタル層、３：アルミニウム層、４：第一のバリアメタル層、５：第二のバリアメタル層、６：バリアメタル層、７：バリアメタル層、８：タングステンプラグ、９：ヴィアプラグ、１０、第一の配線層、１１、第二の配線層、１２、マスク：１３：ヴィアホール、１４：第一の配線層と第二の配線層とが重畳する領域、１００：基板
【図１】
2015207715.tif 000003
【図２】
2015207715.tif 000004
【図３】
2015207715.tif 000005
【図４】
2015207715.tif 000006
【図５】
2015207715.tif 000007
【図６】
2015207715.tif 000008