(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板上にＬＳＩ回路と、インダクタ素子とが形成された半導体装置において、前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され前記ＬＳＩ回路の内部配線となる第１の積層配線層と、前記層間絶縁膜上に形成され前記インダクタ素子を構成する第２の積層配線層とを有し、前記第１の積層配線層には、Ａｌ合金層に接触するＴｉ層が存在し、前記第２の積層配線層には、Ａｌ合金層に接触するＴｉ層が存在しないことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の積層配線層はＡｌＣｕ層とその上のＴｉ層と更にその上のＴｉＮ層とを有し、前記第２の積層配線層は前記Ａｌ合金層としてのＡｌＣｕ層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２の積層配線層の前記ＡｌＣｕ層の上に、ＴｉＮ層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の積層配線層の前記ＡｌＣｕ層の下にＴｉＮ層が形成され、更にその下にＴｉ層が形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の積層配線層の上に形成された他の層間絶縁膜と、前記他の層間絶縁膜上に形成された他の配線層と、前記他の層間絶縁膜に形成され前記第１の積層配線層と前記他の配線層とを接続するコンタクトホールとを有し、前記コンタクトホールは、前記他の層間絶縁膜に選択的に形成された接続孔と、前記接続孔の底面及び側面に形成されたＴｉＮ層と、前記接続孔内に埋設された埋設金属領域とを有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
基板上に層間絶縁膜を形成する第１工程と、前記層間絶縁膜上にＡｌＣｕ層、その上のＴｉ層及びその上のＴｉＮ層を有する積層配線層を形成する第２工程と、インダクタ素子領域が露出しＬＳＩ内部回路領域が被覆されるようにレジストを形成する第３工程と、前記レジストをマスクとして前記インダクタ素子領域の前記積層配線層の前記ＴｉＮ層及び前記Ｔｉ層をエッチング除去する第４工程と、前記レジストを除去した後、前記積層配線層をパターニングして前記ＬＳＩ内部回路領域にＡｌＣｕ層、その上のＴｉ層及びその上のＴｉＮ層を有する第１の積層配線層により内部回路の配線を形成し、前記インダクタ素子領域にＡｌＣｕ層を有する第２の積層配線層によりインダクタ素子を形成する第５工程と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４工程と前記前記第５工程との間に、全面にＴｉＮ膜を形成する第６工程を有し、前記第５工程においてパターニングする積層配線層は、最上層に前記ＴｉＮ膜を有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】
前記第２工程で形成される前記積層配線層は、前記ＡｌＣｕ層の下のＴｉＮ層と、更にその下のＴｉ層とを有することを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第２工程で形成される前記積層配線層は、前記ＬＳＩ内部回路領域にのみ、前記ＡｌＣｕ層の下のＴｉＮ層と、更にその下のＴｉ層とが形成されたものであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、高周波動作に好適なインダクタ素子を備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の高周波動作のために必須なインダクタ素子では、その抵抗値を低減することが重要な要素の一つとなっている。
【０００３】
通常、ＬＳＩ（集積回路）の回路内部で使用される配線は多層配線構造の下層の配線層が使用され、電源配線の場合は多層配線構造の最上層又はその近傍の配線層が使用される。そして、この多層配線構造においては、最上層又はその近傍の配線層の方が、下層の配線層よりも膜厚が厚い。そこで、インダクタ素子の抵抗値を低減するために、通常ＬＳＩ回路の内部配線用の配線層よりも膜厚が厚い電源配線層用の最上層又はその近傍の配線層を使用して、インダクタを形成する方法が採用される。
【０００４】
図９は従来の半導体装置の配線構造の一例を示す断面図である。層間絶縁膜１００上に、Ｔｉ層４０１、ＴｉＮ層４０２、ＡｌＣｕ層４０３、Ｔｉ層４０４、ＴｉＮ層４０５が形成されている。このＴｉＮ／Ｔｉ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ（上層から順に各層の構成金属種を表す。以下、同じ）の積層構造からなる配線層は、ＬＳＩ配線として通常使用されている。しかしながら、図９に示すように、このＬＳＩ配線として通常使用されるＴｉＮ／Ｔｉ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ等の積層構造を有する配線層においては、ＬＳＩの製造過程において、ＡｌＣｕ層４０３とＴｉＮ層４０５との間に、高抵抗のＴｉＡｌ合金４０６が形成されることがある。このため、膜厚が厚い最上層又はその近傍の配線層を使用してインダクタ素子を形成しても、この高抵抗のＴｉＡｌ合金４０６が形成された場合には、インダクタ素子の抵抗が高くなり、インダクタ素子の抵抗値を低くするという目的を達成することができない。即ち、単純に最上層又はその近傍の配線層をインダクタ素子の形成に使用するという方法では、低抵抗を追求したインダクタ素子の実現が困難である。
【０００５】
そこで、インダクタ素子を形成する配線層に関しては、図１０に示すように、層間絶縁膜１００上に、Ｔｉ層４０１、ＴｉＮ層４０２、ＡｌＣｕ層４０３、ＴｉＮ層４０５を形成したＴｉＮ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ構造の配線層を使用することがある。又は、図１１に示すように、層間絶縁膜１００上に、Ｔｉ層４０１、ＴｉＮ層４０２、ＡｌＣｕ層４０３を形成したＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ構造の配線層を使用することがある。これらの配線構造は、いずれも、ＴｉＡｌ合金４０６が形成されないように工夫した積層構造である。
【０００６】
そして、例えば、図９に示すＴｉＮ／Ｔｉ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ構造の配線層において、膜厚が夫々ＴｉＮ層が５００Å、Ｔｉ層が２５０Å、ＡｌＣｕ層が８０００Å、ＴｉＮ層が５００Å、Ｔｉ層が２５０Åの場合は、その配線層抵抗値は４３ｍΩ／ｍｍ２程度である。これに対して、図１０に示すＴｉＮ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ構造の配線層において、膜厚が夫々ＴｉＮ層が５００Å、ＡｌＣｕ層が８０００Å、ＴｉＮ層が５００Å、Ｔｉ層が２５０Åの場合は、その配線層抵抗値が約３７ｍΩ／ｍｍ２程度にまで低下する。
【０００７】
この技術は、ＬＳＩ配線にＴｉＡｌ合金４０６が形成されないようにすることを目的としているので、配線抵抗を増加させることなく、低抵抗のインダクタ素子の実現を可能にするという点において一応の効果を奏している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術においては、以下に示す問題点がある。ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ（図１１）又はＴｉＮ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ（図１０）のように、ＴｉＡｌ合金４０６が形成されないような積層配線構造を採用した場合、エレクトロマイグレーション耐性などの配線信頼性が劣化するという難点がある。つまり、高抵抗ではあるが、ＴｉＡｌ合金４０６が形成されることにより、配線のエレクトロマイグレーション耐性が確保されていた。しかし、このＴｉＡｌ合金４０６が形成されないことにより、エレクトロマイグレーション耐性が劣化してしまう。このため、ＬＳＩ全体の信頼性が劣化するという別の問題点が生じる。例えば、図９に示すＴｉＮ／Ｔｉ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ（厚さが、夫々５００／２５０／８０００／５００／２５０Å）の配線構造のエレクトロマイグレーション耐性を１とした場合、図１０に示すＴｉＮ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ（厚さが、夫々５００／８０００／５００／２５０Å）の配線構造のエレクトロマイグレーション耐性は約０．７、図１１に示すＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ（厚さが、夫々８０００／５００／２５０Å）の配線構造のエレクトロマイグレーション耐性は約０．４倍程度にまで劣化すると考えられる。
【０００９】
電流密度緩和のために、配線幅を太くすることでエレクトロマイグレーション耐性の劣化を回避することが可能であるが、これは集積度の低下という問題をひきおこす。インダクタ素子形成領域においては集積度が緩い場合が多いため、配線幅を太くすることは比較的許容し得る場合もあるが、ＬＳＩ内部回路の形成領域においては、配線幅の太幅化は設計上許容し難い。
【００１０】
しかも、図１２に示すように、ＡｌＣｕ層４０３／ＴｉＮ層４０２／Ｔｉ層４０１という構造の第１の配線４００に対し、更にその上層に、新たに第２の層間絶縁膜１１０を形成し、この層間絶縁膜１１０に接続孔１２０を設け、第１の配線４００と接続する第２の配線７００を、ＴｉＮ層７０５／Ｔｉ層７０４／ＡｌＣｕ層７０３／ＴｉＮ層７０２／Ｔｉ層７０１という配線構造で形成する場合がある。この場合に、接続孔１２０内には、底面及び側面にＴｉＮ層１２１が形成されると共に、それらに囲まれた内部にＷ領域１２２が埋設されて、第１の配線４００と第２の配線７００とを接続するコンタクトホールが形成される。
【００１１】
この場合においても、製造プロセス中に接続孔１２０のＴｉＮ層１２１と下層の第１の配線４００のＡｌＣｕ層４０３との界面部分に、高抵抗物質である窒化アルミニウム合金１３０が生成される。このように、接続孔１２０の底面に高抵抗の窒化アルミニウム合金１３０が生成すると、第１の配線４００と第２の配線７００との電気的接続が困難になる場合があり得る。
【００１２】
また、図１３に示すように、第１の配線４００がＴｉＮ層４０５／ＡｌＣｕ層４０３／ＴｉＮ層４０２／Ｔｉ層４０１という構造を有する場合においても、既にＴｉＮ層４０５とＡｌＣｕ層４０３との界面部分に窒化アルミニウム合金１３１が存在しているために、第１の配線４００と第２の配線７００の電気的接続が困難になる場合がある。このことはシステムＬＳＩの重要な設計手法の一つでもあるマクロの流用性を阻害することにもつながる。
【００１３】
このように、従来のように、同一積層構造をもつ配線構造を使用してＬＳＩ内部配線とインダクタ素子を形成する方法では、性能と品質を同時に満たすという点において限界があるといえる。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、通常のＬＳＩ回路と、高周波デバイスに必須なインダクタ素子とを同一基板上に形成する際、インダクタ素子に使用する配線層はＴｉＡｌ合金が形成されない構造にし、ＬＳＩ回路の配線抵抗よりも、インダクタ素子の配線抵抗を小さくすることができ、高周波ＬＳＩに好適な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、同一基板上にＬＳＩ回路と、インダクタ素子とが形成された半導体装置において、前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され前記ＬＳＩ回路の内部配線となる第１の積層配線層と、前記層間絶縁膜上に形成され前記インダクタ素子を構成する第２の積層配線層とを有し、前記第１の積層配線層には、Ａｌ合金層に接触するＴｉ層が存在し、前記第２の積層配線層には、Ａｌ合金層に接触するＴｉ層が存在しないことを特徴とする。
【００１６】
この場合に、前記第１の積層配線層はＡｌＣｕ層とその上のＴｉ層と更にその上のＴｉＮ層とを有し、前記第２の積層配線層は前記Ａｌ合金層としてのＡｌＣｕ層を有することが好ましい。
【００１７】
また、前記第２の積層配線層の前記ＡｌＣｕ層の上に、ＴｉＮ層が形成されていることが好ましい。
【００１８】
更に、前記第１の積層配線層の前記ＡｌＣｕ層の下にＴｉＮ層が形成され、更にその下にＴｉ層が形成されていることが好ましい。
【００１９】
更にまた、前記第１の積層配線層の上に形成された他の層間絶縁膜と、前記他の層間絶縁膜上に形成された他の配線層と、前記他の層間絶縁膜に形成され前記第１の積層配線層と前記他の配線層とを接続するコンタクトホールとを有し、前記コンタクトホールは、前記他の層間絶縁膜に選択的に形成された接続孔と、前記接続孔の底面及び側面に形成されたＴｉＮ層と、前記接続孔内に埋設された埋設金属領域とを有するように構成することができる。
【００２０】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に層間絶縁膜を形成する第１工程と、前記層間絶縁膜上にＡｌＣｕ層、その上のＴｉ層及びその上のＴｉＮ層を有する積層配線層を形成する第２工程と、インダクタ素子領域が露出しＬＳＩ内部回路領域が被覆されるようにレジストを形成する第３工程と、前記レジストをマスクとして前記インダクタ素子領域の前記積層配線層の前記ＴｉＮ層及び前記Ｔｉ層をエッチング除去する第４工程と、前記レジストを除去した後、前記積層配線層をパターニングして前記ＬＳＩ内部回路領域にＡｌＣｕ層、その上のＴｉ層及びその上のＴｉＮ層を有する第１の積層配線層により内部回路の配線を形成し、前記インダクタ素子領域にＡｌＣｕ層を有する第２の積層配線層によりインダクタ素子を形成する第５工程とを有することを特徴とする。
【００２１】
この半導体装置の製造方法において、前記第４工程と前記前記第５工程との間に、全面にＴｉＮ膜を形成する第６工程を有し、前記第５工程においてパターニングする積層配線層は、最上層に前記ＴｉＮ膜を有することが好ましい。
【００２２】
また、前記第２工程で形成される前記積層配線層は、前記ＡｌＣｕ層の下のＴｉＮ層と、更にその下のＴｉ層とを有することが好ましい。
【００２３】
更に、前記第２工程で形成される前記積層配線層は、前記ＬＳＩ内部回路領域にのみ、前記ＡｌＣｕ層の下のＴｉＮ層と、更にその下のＴｉ層とが形成されたものであることが好ましい。
【００２４】
本発明においては、高周波デバイスに必須のインダクタ素子を、ＴｉＡｌ合金が形成されない積層配線構造により形成したので、ＬＳＩ内部回路領域の配線よりも低抵抗にすることができる。このため、このインダクタ素子と通常のＬＳＩ回路とを同一基板に形成した半導体装置は、高周波動作に好適なＬＳＩとなる。
【００２５】
また、インダクタ素子以外の配線構造については、通常のＬＳＩと同様に上部バリヤメタル（ＴｉＮ層）付近にＴｉＡｌが形成されるようにしておくことにより、さらに上層に対して容易に配線層（多層配線構造）を追加することが可能となる。また、エレクトロマイグレーション耐性の劣化も生じない。
【００２６】
更に、高抵抗なＴｉＡｌ合金がインダクタ素子の上面部分に形成されないようにした結果として、数１０ＧＨｚ以上の高周波で顕著に生じる表皮効果による配線表面への電流集中に対して、発熱及び損失等を抑制できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１乃至図５は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す図（図１、２，４は断面図、図２，５は平面図）である。先ず、図１に示すように、インダクタ素子が形成される第１の層間絶縁膜１００に対して、例えば、下方から順に、膜厚２５０ÅのＴｉ層４０１、膜厚５００ÅのＴｉＮ層４０２、膜厚８０００ÅのＡｌＣｕ層４０３、膜厚２５０ÅのＴｉ層４０４、膜厚５００ÅのＴｉＮ層４０５から構成される積層構造の配線金属膜を形成する。図１においては、通常のＬＳＩ内部回路領域２００と、インダクタ素子領域３００とが隣接している。
【００２８】
次に、図２及び図３に示すように、通常の配線プロセスと同様にフォトレジスト５００をＬＳＩ内部回路領域２００上に選択的に形成し、このフォトレジスト５００を使用したフォトリソグラフィーと配線加工技術によって、インダクタ素子領域３００におけるＡｌＣｕ層４０３の上のＴｉＮ層４０５とＴｉ層４０４を除去する。これにより、インダクタ素子領域３００においては、ＡｌＣｕ層４０３が露出する。その後、フォトレジスト５００を除去する。
【００２９】
最後に、図４及び図５に示すように、フォトリソグラフィ及びエッチング加工等の通常の配線形成プロセスを使用して、通常のＬＳＩ回路で用いられる配線パターンと、インダクタ素子パターンを同時に形成する。この場合に、インダクタ素子を構成する配線層は、図２に示す工程でＴｉＮ層４０５及びＴｉ層４０４が除去されているので、高抵抗のＴｉＡｌ合金４０６が形成されることはなく、低抵抗配線でインダクタ素子を形成することができる。
【００３０】
次に、図６を参照して本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態においては、図２に示すように、インダクタ素子領域３００において、ＴｉＮ層４０５及びＴｉ層４０４を除去した後、図６に示すように、全面に例えば膜厚が５００ÅのＴｉＮ膜４０７を形成する。その後、図３乃至図５に示す工程と同様にして、ＬＳＩ内部回路領域２００及びインダクタ素子領域３００において、フォトリソグラフィ及びエッチング加工等の通常の配線形成プロセスを使用して、通常のＬＳＩ回路で用いられる配線パターンと、インダクタ素子パターンを同時に形成する。
【００３１】
上述の如く構成された本実施形態においては、インダクタ素子領域３００の配線構造がＴｉＮ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮ／Ｔｉとなるため、第１実施形態と同様に、高抵抗のＴｉＡｌ合金の形成を防止することができると共に、更に、ＴｉＮ膜４０７によって、インダクタ素子のエレクトロマイグレーション耐性の劣化を防止することができる。よって、インダクタ素子においても、配線幅を狭くすることができ、低抵抗でエレクトロマイグレーション耐性が高いインダクタ素子を形成することができる。
【００３２】
図７は本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。この図７に示すように、ＬＳＩ内部回路領域２００においては、Ｔｉ層４０１、ＴｉＮ層４０２、ＡｌＣｕ層４０３、Ｔｉ層４０４及びＴｉＮ層４０５の５層積層配線層が形成されているが、インダクタ素子領域３００においては、ＡｌＣｕ層４０３の下層のＴｉ層４０４及びＴｉＮ層４０５を省略し、このインダクタ素子領域３００のインダクタ素子は、ＡｌＣｕ層４０３のみにより形成しても良い。
【００３３】
図８は本発明の第４実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。この図８に示すように、図７の第３実施形態において、全面にＴｉＮ膜４０７を形成し、インダクタ素子領域３００をＡｌＣｕ層４０３とその上層のＴｉＮ膜４０７により構成しても良い。
【００３４】
なお、図７及び図８に示す実施形態においても、その後、図４及び図５と同様に、ＬＳＩ内部回路の配線及びインダクタ素子の形状にパターニングされるものである。
【００３５】
なお、本発明においても、ＬＳＩ内部回路領域２００の内部配線用の積層配線層（第１の積層配線層）と、インダクタ素子領域３００用の積層配線層（第２の積層配線層）との上に、図１２及び図１３と同様に第２の（他の）層間絶縁膜を形成し、更にその上に、他の配線層（第２の配線７００：図１２，１３参照）を形成し、前記第１の積層配線層と前記他の配線層とをコンタクトホール（接続孔１２０）により接続して、多層配線構造とすることもできる。この場合に、本実施形態においては、第１の積層配線層の最上層として、ＴｉＮ層４０５が形成されているので、図１２に示すように、コンタクトホールの底面のＴｉＮ層（１２１）との間で窒化アルミニウム合金（１３０）が形成されることはない。また、本実施形態においては、第１の積層配線層は、最上層のＴｉＮ層４０５とＡｌＣｕ層４０３との間にＴｉ層４０４が形成されているので、図１３に示すように、窒化アルミニウム合金（１３１）が形成されることもない。なお、他の配線層は第２の配線７００（図１２、１３参照）のように積層配線層とせず、単層の配線層でもよい。
【００３６】
なお、上記実施形態においては、本発明の第１の積層配線層及び第２の積層配線層が基板上の層間絶縁膜１００上に形成されているが、前記第１及び第２の積層配線層を多層配線構造におけるより上層の配線層として形成することも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、通常のＬＳＩ回路と、高周波デバイスに必須なインダクタ素子とを同一基板上に形成した半導体装置において、インダクタ素子に使用する第２積層配線層をＬＳＩ内部回路に使用する配線用の第１積層配線層と異なる構成とし、前記第２積層配線層はＴｉＡｌ合金が形成されないものとしたので、インダクタ素子の抵抗を低減することができると共に、エレクトロマイグレーション耐性も十分に高くすることができる。このため、本発明により、高周波動作に対応可能なシステムＬＳＩに好適な半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２】同じく、図１の次の工程を示す断面図であり、図３のＡ−Ａ線による断面図である。
【図３】同じく、図１の次の工程を示す平面図である。
【図４】同じく、図２及び図３の次の工程を示す断面図であり、図５のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図５】同じく、図２及び図３の次の工程を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を示す断面図である。
【図９】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】同じく、従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１１】同じく、従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１２】従来技術の問題点を示す断面図である。
【図１３】同じく、従来技術の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
１００；第１の層間絶縁膜
１１０；第２の層間絶縁膜
１２０；接続孔
１２１；ＴｉＮ層
１２２；埋設タングステン領域
１３０；窒化アルミニウム合金
１３１；窒化アルミニウム合金
２００；ＬＳＩ内部回路領域
３００；インダクタ素子領域
４００；第１の配線
４０１；Ｔｉ層
４０２；ＴｉＮ層
４０３；ＡｌＣｕ層
４０４；Ｔｉ層
４０５；ＴｉＮ層
４０６；ＴｉＡｌ合金
４０７；ＴｉＮ膜
５００；フォトレジスト
７００；第２の配線
７０１；Ｔｉ層
７０２；ＴｉＮ層
７０３；ＡｌＣｕ層
７０４；Ｔｉ層
７０５；ＴｉＮ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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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