(57)【要約】【課題】  半導体装置、特に高温環境下で作動する半導体装置に好適に用いることができるＥＭ特性が良好な配線及び配線形成方法を実現する。【解決手段】  半導体基板１０の表面酸化膜１０ａの表面に、Ｔｉからなる下層金属膜１３、Ａｌ膜１４、Ｔｉからなる上層金属膜１５をこの順に積層形成し、不活性雰囲気中で、３５０℃、３０分の熱処理を行うことにより、Ａｌ膜１４と下層金属膜１３及び上層金属膜１５とを反応させて、金属間化合物膜１６を形成する。この金属間化合物膜１６を所定の形状にパターニングして金属間化合物配線１１を形成する。半導体装置１の配線を、１８０℃以上の高温使用環境下においても化学的に安定なＡｌ−Ｔｉ基金属間化合物からなる金属間化合物配線１１により形成することができるので、配線のＥＭ特性を向上させ、高温環境下においても配線寿命を長くすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ−Ｍ基金属間化合物（但し、Ｍ：Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖから選ばれる一種もしくは二種以上の元素）により形成されていることを特徴とする半導体装置の配線。
【請求項２】
前記半導体装置は、１８０℃以上の高温環境下で使用されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の配線。
【請求項３】
絶縁膜上にＡｌまたはＡｌを主成分としたＡｌ膜を形成する工程と、
前記Ａｌ膜と、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖから選ばれる一種もしくは二種以上の元素からなる金属膜とを積層形成する工程と、
前記Ａｌ膜と前記金属膜とを熱処理により反応させて金属間化合物膜を形成する工程と、
前記金属間化合物膜をパターニングして、金属間化合物配線を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の配線形成方法。
【請求項４】
絶縁膜上にＡｌまたはＡｌを主成分としたＡｌ膜を形成する工程と、
前記Ａｌ膜と、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖから選ばれる一種もしくは二種以上の元素からなる金属膜とを積層形成する工程と、
前記積層形成されたＡｌ膜と金属膜とをパターニングして、配線形状に形成する工程と、
前記配線形状に形成されたＡｌ膜と金属膜とを熱処理により反応させて金属間化合物配線を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の配線形成方法。
【請求項５】
前記金属膜は、前記Ａｌ膜を挟んで形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体装置の配線形成方法。
【請求項６】
前記半導体装置は、１８０℃以上の高温環境下で使用されることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置の配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高温環境下で作動する半導体装置の配線及びその配線形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体集積回路装置（ＬＳＩ）の配線材料として、アルミニウム（Ａｌ）が一般に広く用いられている。近年、高集積化に伴う配線の微細化により、電流密度が増大し、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）が問題となってきている。
これに対し、層間絶縁膜とＡｌ配線との間にＡｌの拡散を防止するバリアメタル層を介在させることが行われており、例えば、特許文献１には、Ｔｉ膜及びＴｉＮ膜からなるバリアメタル層をＡｌＣｕ膜と、表面酸化膜または層間絶縁膜との間に介在させた配線が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１００７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような配線を車載用の複合ＩＣのように１８０℃以上の高温環境下で使用される可能性がある半導体装置に用いた場合、上述のバリアメタル層では高温におけるバリア性が不十分であるため、ＥＭ特性が低下し、配線寿命が短くなるという問題があった。
【０００４】
そこで、この発明は、半導体装置、特に高温環境下で作動する半導体装置に好適に用いることができるＥＭ特性が良好な配線及び配線形成方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体装置の配線が、Ａｌ−Ｍ基金属間化合物（但し、Ｍ：Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖから選ばれる一種もしくは二種以上の元素）により形成されている、という技術的手段を用いる。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、半導体装置の配線が、化学的に安定なＡｌ−Ｍ基金属間化合物（但し、Ｍ：Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖから選ばれる一種もしくは二種以上の元素）により形成されているため、ＥＭ特性が良好であり、半導体装置の配線寿命を長くすることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置の配線において、前記半導体装置は、１８０℃以上の高温環境下で使用される、という技術的手段を用いる。
【０００８】
請求項２に記載の発明のように、本発明に係る配線は、１８０℃以上の高温環境下で使用される半導体装置、例えば、車載用の複合集積回路に好適に用いることができる。これによれば、Ａｌ−Ｍ基金属間化合物からなる配線は、Ａｌ配線においてＥＭ特性の低下による影響が顕著になる１８０℃以上の高温環境下においても、ＥＭ特性の低下を生じないので、高温環境下で用いられる半導体装置の配線寿命を長くすることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、半導体装置の配線形成方法において、絶縁膜上にＡｌまたはＡｌを主成分としたＡｌ膜を形成する工程と、前記Ａｌ膜と、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖから選ばれる一種もしくは二種以上の元素からなる金属膜とを積層形成する工程と、前記Ａｌ膜と前記金属膜とを熱処理により反応させて金属間化合物膜を形成する工程と、前記金属間化合物膜をパターニングして、金属間化合物配線を形成する工程と、を備えた、という技術的手段を用いる。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、Ａｌ膜と金属膜とを熱処理により反応させて形成した金属間化合物による金属間化合物配線を形成することができる。これによれば、半導体装置の配線を化学的に安定なＡｌ−Ｍ基金属間化合物により形成することができるので、ＥＭ特性が良好な寿命の長い配線を形成することができる。
また、金属間化合物膜を形成した後に、金属間化合物膜をパターニングして、金属間化合物配線を形成するため、金属間化合物配線の寸法精度を高くすることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、半導体装置の配線形成方法において、絶縁膜上にＡｌまたはＡｌを主成分としたＡｌ膜を形成する工程と、前記Ａｌ膜と、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖから選ばれる一種もしくは二種以上の元素からなる金属膜とを積層形成する工程と、前記積層形成されたＡｌ膜と金属膜とをパターニングして、配線形状に形成する工程と、前記配線形状に形成されたＡｌ膜と金属膜とを熱処理により反応させて金属間化合物配線を形成する工程と、を備えた、という技術的手段を用いる。
【００１２】
請求項４に記載の発明のように、Ａｌ膜と金属膜とを熱処理により反応させて金属間化合物を形成する工程は、Ａｌ膜と金属膜とをパターニングして配線形状に形成する工程の後に行ってもよい。
この構成を用いると、金属間化合物中に未反応のＡｌが残存している場合においても、パターニングにより配線表面に露出するおそれがない。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項３または請求項４に記載の半導体装置の配線形成方法において、前記金属膜は、前記Ａｌ膜を挟んで形成されている、という技術的手段を用いる。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、金属膜は、Ａｌ膜を挟んで形成されているため、Ａｌ膜の両面から金属間化合物を生成する反応を進行させることができるので、短時間で確実に金属間化合物配線を形成することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、請求項３ないし請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置の配線形成方法において、前記半導体装置は、１８０℃以上の高温環境下で使用される、という技術的手段を用いる。
【００１６】
請求項６に記載の発明のように、半導体装置の配線形成方法は、１８０℃以上の高温環境下で使用される半導体装置、例えば、車載用の複合集積回路の配線形成方法として好適に用いることができる。これによれば、Ａｌ−Ｍ基金属間化合物からなる配線は、Ａｌ配線においてＥＭ特性の低下による影響が顕著になる１８０℃以上の高温環境下においても、ＥＭ特性の低下を生じないので、高温環境下においても寿命の長い配線を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明に係る半導体装置の配線及び半導体装置の配線形成方法について、図を参照して説明する。図１は、半導体装置の配線構造を示す断面説明図である。図２及び図３は、半導体装置の配線形成方法の断面説明図である。
なお、いずれの図においても、説明のために一部を拡大して誇張して示している。また、以下の説明において、ある層が他の層の上に存在すると記述される場合には、ある層が他の層の真上に存在する場合と、ある層と他の層との間に第３の層が介在される場合とを示す。
【００１８】
本発明に係る半導体装置の配線及び配線形成方法を、同一半導体基板にパワー素子である横拡散型ＭＯＳ（ＬＤＭＯＳ）部と非パワー素子であるＣＭＯＳ部とが形成された車載用複合ＩＣを例に説明する。この車載用複合ＩＣは、１８０℃以上の高温環境下に使用されることがある高温作動用半導体装置である。
【００１９】
図１に示すように、半導体装置１は、ＬＤＭＯＳ（図示略）とＣＭＯＳ（図示略）とが形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などの半導体基板１０と、半導体基板１０の表面に形成された表面酸化膜１０ａと、表面酸化膜１０ａ上に形成され、ＬＤＭＯＳ、ＣＭＯＳに電気的に接続された金属間化合物配線１１と、金属間化合物配線１１と表面酸化膜１０ａとを覆って形成されたＰ−ＳｉＮ膜やＰ−ＴＥＯＳ膜などからなる保護膜１２とを備えている。
【００２０】
金属間化合物配線１１は、Ａｌ−Ｍ（Ｍ：金属元素）基金属間化合物により形成されている。本実施形態では、金属間化合物配線１１は、Ａｌ−Ｔｉ基金属間化合物であるＴｉＡｌ３により形成されている。ＴｉＡｌ３は、１８０℃以上の高温においても自己拡散係数が小さいため、ＴｉＡｌ３からなる金属間化合物配線１１はＥＭ特性が良好である。このため、高温環境下において半導体装置１を使用する場合でも、金属間化合物配線１１の寿命を長くすることができる。
【００２１】
次に、金属間化合物配線１１の形成方法について図を参照して説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、半導体基板１０の表面酸化膜１０ａの表面に、スパッタ法などにより、下層金属膜１３を形成する。本実施形態では、下層金属膜１３は、厚さ２０〜７０μｍのＴｉ膜により形成される。
【００２２】
次に、図２（Ｂ）に示すように、スパッタ法などにより、下層金属膜１３の表面にＡｌ膜１４を形成する。本実施形態では、Ａｌ膜１４は厚さ２００〜４００μｍに形成される。ここで、Ａｌ膜１４は、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金などにより形成してもよい。
【００２３】
続いて、図２（Ｃ）に示すように、スパッタ法などにより、Ａｌ膜１４の表面に上層金属膜１５を形成する。本実施形態では、上層金属膜１５は、下層金属膜１３と同様に、厚さ２０〜７０μｍのＴｉ膜により形成される。
【００２４】
続いて、図３（Ｄ）に示すように、窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気中で、３５０℃、３０分の熱処理を行い、Ａｌ膜１４と下層金属膜１３及び上層金属膜１５とを反応させて、金属間化合物膜１６を形成する。Ａｌ膜１４の両面から下層金属膜１３及び上層金属膜１５と金属間化合物膜１６を生成する反応を進行させることができるので、短時間で確実に金属間化合物膜１６を形成することができる。ここで、金属間化合物膜１６はＴｉＡｌ３から形成されている。
なお、金属間化合物膜１６は、３００℃以上の温度で形成することができ、処理時間を適宜設定することができる。
【００２５】
続いて、図３（Ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法により、金属間化合物膜１６を所定の形状にパターニングして金属間化合物配線１１を形成する。
金属間化合物膜１６を形成した後に、金属間化合物膜１６をパターニングして、金属間化合物配線１１を形成するため、金属間化合物配線１１の寸法精度を高くすることができる。
【００２６】
そして、図３（Ｆ）に示すように、金属間化合物配線１１の上面と、表面酸化膜１０ａとを覆って、Ｐ−ＳｉＮからなる保護膜１２を形成する。
【００２７】
これにより、半導体装置１の配線を、１８０℃以上の高温使用環境下においても化学的に安定なＡｌ−Ｔｉ基金属間化合物からなる金属間化合物配線１１により形成することができるので、配線のＥＭ特性を向上させ、高温環境下においても配線寿命を長くすることができる。
【００２８】
ここで、金属間化合物配線１１は、ＴｉＡｌ３単相で形成されていなくてもよく、例えば、ＴｉＡｌ３とＴｉＡｌとの２相から構成されてもよい。また、金属間化合物配線１１のＥＭ特性に影響を及ぼさない範囲ならば、Ｔｉと未反応のＡｌ膜が残存していてもよい。
【００２９】
（変更例）
Ａｌ膜１４とＴｉとの反応を十分進行させることができ、金属間化合物膜１６を形成することができるならば、下層金属膜１３、上層金属膜１５のいずれか一方のみを形成する構成を採用することができる。
【００３０】
［最良の実施形態の効果］
（１）半導体装置１の配線を、化学的に安定なＡｌ−Ｔｉ基金属間化合物からなる金属間化合物配線１１により形成することができるので、配線のＥＭ特性を向上させ、配線寿命を長くすることができる。
【００３１】
（２）金属間化合物配線１１は、Ａｌ配線においてＥＭ特性の低下による影響が顕著になる１８０℃以上の高温環境下においても、ＥＭ特性の低下を生じないので、１８０℃以上の高温環境下で使用される半導体装置１に特に好適に用いることができる。
【００３２】
［その他の実施形態］
（１）金属間化合物配線１１を形成するための下層金属膜１３及び上層金属膜１５は、熱処理工程によりＡｌと金属間化合物を形成する金属種で形成されていればよく、Ｔｉに限定されるものではない。例えば、下層金属膜１３または上層金属膜１５を形成する金属として、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖなどを用いることもできる。これらの金属を用いた場合にも、生成する金属間化合物は、単相でなくてもよい。
また、下層金属膜１３と上層金属膜１５とを異なる金属により形成することもできる。例えば、Ｔｉからなる下層金属膜１３と、Ａｕからなる上層金属膜１５とを用いることもできる。
ここで、熱処理条件は、Ａｌとの金属間化合物が良好に形成される条件を、金属種に応じて適宜設定する。
この構成を用いた場合においても、半導体装置１の配線を、１８０℃以上の高温使用環境下においても化学的に安定な基金属間化合物からなる金属間化合物配線１１により形成することができるので、配線のＥＭ特性を向上させ、配線寿命を長くすることができる。
【００３３】
（２）金属間化合物膜１６を形成するための図３（Ｄ）に示す熱処理工程は、図２（Ｃ）に示すと下層金属膜１３、Ａｌ膜１４及び上層金属膜１５の積層膜を所定の配線形状にパターニングした後に行ってもよい。更に、保護膜１２を形成した後に行ってもよい。
この構成を用いると、金属間化合物中に未反応のＡｌが残存している場合においても、パターニングにより配線表面に露出するおそれがない。
【００３４】
（３）本発明は、多層配線にも適用することができる。この構成によれば、半導体基板１０上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜の所定の領域に配線溝を形成した後に、配線溝の内壁及び層間絶縁膜の表面に下層金属膜１３を形成し、上述した金属間化合物配線１１の形成工程を経て、金属間化合物配線を形成する。
【００３５】
（４）スパッタ法に用いるターゲットとして金属間化合物を用いることにより、金属間化合物膜１６を形成してもよい。これにより、厚さ方向に均一な組成の金属間化合物の膜を形成することができる。
【００３６】
（５）本発明の適用について、ＬＤＭＯＳとＣＭＯＳ部とが車載用複合ＩＣを例に説明したが、これに限定されるものではなく、金属配線及び金属配線工程を必要とするＬＳＩなどの半導体装置には全て適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】半導体装置の配線構造を示す断面説明図である。
【図２】半導体装置の配線形成方法の断面説明図である。
【図３】半導体装置の配線形成方法の断面説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    半導体装置
１０    半導体基板
１０ａ  表面酸化層
１１    金属間化合物配線
１２    保護膜
１３    下層金属膜
１４    Ａｌ膜
１５    上層金属層
１６    金属間化合物膜
【図１】
2008270545.tif 000003
【図２】
2008270545.tif 000004
【図３】
2008270545.tif 000005