JP2003124218A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子のより一層の微細化と高集積化を図った
際においても、信頼性を高めることを可能にした半導体
装置を提供する。 【解決手段】 配線中に絶縁物からなる複数の膜が形成
されており、前記絶縁物からなる複数の膜はいずれも前
記配線を幅方向に横切って電流導通時に原子もしくは空
孔の障壁となる障壁部を構成するものである半導体装置
である。隣り合う膜の間隔Ｒが、Ｒ≦Ｒｃ′（ただし、
Ｒｃ′は電流導通時にエレクトロマイグレーションによ
り配線を流れる正味の原子もしくは空孔の流束Ｊ_sがエ
レクトロマイグレーションによる本来の原子もしくは空
孔の流束Ｊ₀の30%となる臨界長さ）である。

Description

【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に係り、
特に微細配線を備えた高集積度の半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置、例えばＤＲＡＭに代
表されるメモリー集積回路においては、高集積化が著し
い。これに伴って、各素子を電気的に結合する配線は、
微細化を余儀なくされている。そして、その遂行によっ
て、配線が使用される条件は過酷になりつつある。特
に、配線を流れる電流により、配線を構成する原子や空
孔が電流と同じ方向、あるいは逆方向に移動する現象、
すなわちエレクトロマイグレーション（以下、ＥＭと記
す）によるボイドやヒロックの生成は、ＬＳＩ用微細配
線の信頼性を低下させる主要な問題である。

【０００３】このようなＥＭによる問題に対して、配線
の微細構造を粒界三重点がなく、かつ粒界が配線をほぼ
垂直に横断するバンブー構造とすることが提案されてい
る。この構造では、粒界拡散ではなく体拡散が支配的と
なるため、ＥＭに対する高い耐性が期待される。しか
し、配線に対する条件が素子微細化と共により一層過酷
になるにつれて、ＥＭに対するより高い耐性が要求され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、配線
にバンブー構造等を採用することにより、ＥＭに対する
耐性の向上が期待されているものの、従来の半導体装置
では、配線のより一層の微細化等により、ＥＭに対する
耐性が不十分となるという問題が生じている。

【０００５】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、素子のより一層の微細化と高集積化
を図った際においても、信頼性を高めることを可能にし
た半導体装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、発明者らは鋭意研究を行った結果、従来のバンブ
ー構造等を有する配線において、ＥＭによるボイドやヒ
ロックは、その粒界の障壁作用により、原子（空孔）濃
度が臨界点を越えるときに生成することを見出した。原
子（空孔）流束と濃度勾配による拡散が釣合う、すなわ
ち正味の原子（空孔）流束が実用上十分小さくなるよう
に、障壁の間隔を制御することによって、ＥＭによるボ
イドやヒロックの生成を防止することが可能となる。

【０００７】本発明の半導体装置は、配線中に絶縁物か
らなる複数の膜が形成されており、前記絶縁物からなる
複数の膜はいずれも前記配線を幅方向に横切って電流導
通時に原子もしくは空孔の障壁となる障壁部を構成する
ものであり、かつ、前記隣り合う膜の間隔Ｒが、Ｒ≦Ｒ
ｃ′（ただし、Ｒｃ′は電流導通時にエレクトロマイグ
レーションにより配線を流れる正味の原子もしくは空孔
の流束Ｊ_sがエレクトロマイグレーションによる本来の
原子もしくは空孔の流束Ｊ₀の30%となる臨界長さ）であ
ることを特徴としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、空孔流に対する障壁部の作
用について説明する。図１に示すように、配線２に距離
Ｒ離れた2つの障壁部１が存在する場合、これらの障壁
部１は配線２を流れる空孔流に対する障壁となるため、
これらを通過する空孔流束は0である。配線長手方向
（ｘ方向）の空孔流束Ｊは、Nernst-Einsteinの関係式
にFickの第１法則を加えた次式で与えられる。

【０００９】 Ｊ＝ＤＣ／ｋＴ・Ｚ^*ｅρｊ−ＤｄＣ／ｄｘ …(1) （式中、Ｄは拡散係数、Ｃは空孔濃度、Ｚ^*は有効電荷
数、ｅは素電荷、ρは比抵抗、ｊは電流密度であり、
ｋ、Ｔは通常の意味である） 上記(1)式における第１項は、ＥＭ項（Ｊ_EM）であり、
第２項は拡散項（Ｊ_D）である。（−）側障壁部では、
障壁作用により空孔濃度が過飽和となり、過飽和度が臨
界値を越えるとボイドが核発生し、空孔を消費しながら
成長をはじめる。一方、（＋）側障壁部では、ヒロック
が成長し、空孔が供給される。定常状態では、空孔濃度
が時間に対して一定となり、空孔流束が配線内の場所に
よらず一定となる。従って、ボイドあるいはヒロックの
成長により、消費あるいは供給される空孔量と配線内を
流れる空孔流束が釣合う。(1)式をこのような条件で解
くと、定常状態での空孔流束（正味の空孔流束）Ｊ
_sは、次式で与えられる。

【００１０】 Ｊ_s＝Ｊ₀・｛β−（β−αＲ）ｅ^αR｝／｛１−（１−αＲ）ｅ^αR｝ …(2) （ただし、Ｊ₀＝ＤＣ₀／ｋＴ・Ｚ^*ｅρｊ、α＝Ｚ^*ｅρ
ｊ／ｋＴである） なお、Ｊ₀はＥＭによる本来の空孔流束であり、Ｃ₀は空
孔の熱平衡濃度である。βは（−）側障壁部でボイドが
核発生・成長する際の空孔濃度の熱平衡濃度に対する比
（臨界過飽和度）である。本発明者らが、バンブー構造
の粒界を障壁部として用いたときのボイドの成長速度を
配線の電気抵抗変化により実際に計測した結果では、β
の平均値は15であることが明らかとなっている。

【００１１】図２は、Al配線について、上記(2)式に従
って、温度150℃での電流密度ｊと障壁部の間隔Ｒに対
してＥＭにより配線を流れる正味の空孔流束Ｊ_sの変化
を示したものである。障壁部の間隔Ｒが小さくなるにつ
れて、正味の空孔流束Ｊ_sは、ＥＭによる本来の空孔流
束Ｊ₀から減少し、臨界長さＲｃ以下ではついに0とな
る。すなわち、障壁部の間隔Ｒが臨界長さＲｃ以下（Ｒ
≦Ｒｃ）のとき、ボイドは実質成長しない。ＲがＲｃを
越える場合であっても、配線を流れる正味の空孔流束Ｊ
_sがＥＭによる本来の空孔流束Ｊ₀の30%(Ｊ_s／Ｊ₀＝0.3)
となる臨界長さＲｃ′以下であれば、ボイドの成長速度
が小さいので、実用上十分なＥＭ耐性を得ることができ
る。臨界長さは電流密度ｊに依存し、表１に示すよう
に、およそ臨界長さと電流密度ｊは逆比例の関係があ
る。しかし、一般に配線内に障壁部を形成することによ
り、配線の電気抵抗は上昇し、また配線内に多数の障壁
部を形成するには、複雑な製造工程を必要とする。従っ
て、極力電気抵抗の増加を抑え、かつ製造を容易にする
ためには、障壁部の間隔Ｒを許容される限り広げるこ
と、すなわちＲｃ以上Ｒｃ′以下の範囲に設定すること
が望ましい。

【００１２】

【表１】

【００１３】図３は、Cu配線について、(2)式に従っ
て、温度150℃での電流密度ｊと障壁部の間隔Ｒに対し
てＥＭにより配線を流れる正味の空孔流束Ｊ_sの変化を
示したものである。Cu配線についても、表２に示すよう
に、およそ臨界長さと電流密度ｊは逆比例の関係があ
る。しかし、Cu配線の場合、Al配線に比べて同一電流密
度における臨界長さが一桁も大きい。これは、Cuの比抵
抗がAlの約2/3、有効電荷数がAlの約1/6であるためであ
る。従って、Cu配線の場合、同一電流密度においてAl配
線に比べて広い障壁間隔であってもＥＭを抑制すること
ができる。そのため、配線の電気抵抗を増加させること
なく、比抵抗の大きな材料を障壁部に使用したり、障壁
部の厚さを厚くすることができる。また、障壁間隔の拡
大により、障壁の数が減少することと障壁部を厚く形成
できることにより、障壁部の形成が製造上容易となる利
点がある。

【００１４】

【表２】

【００１５】なお、同一電流密度では、温度が高くなる
ほど臨界長さが小さくなる傾向にあるが、その依存度は
小さい。そのため、半導体装置の動作温度から配線の信
頼性評価のための加速試験温度にわたって、これまで説
明してきた電流密度ｊと臨界長さの関係が成立すると考
えて差し支えない。

【００１６】また、これまで空孔流に対する障壁作用に
ついて述べてきたが、原子流についても同様に作用する
ことは自明である。

【００１７】なお、配線のＥＭが問題となるのは、1×1
0⁵A/cm²を越える電流密度においてである。配線に使用
される最大電流密度は、装置の集積度、用途によって異
なるが、一般に1×10⁷A/cm²を越えることはない。ただ
し、信頼性評価のための加速試験においては、これを越
える電流密度を配線に印加する場合もある。また、ＥＭ
が問題となるのは、10μm以下の配線幅である。使用さ
れる最小配線幅は、装置の集積度、用途によって異なる
が、0.1μm幅までの配線が使用される場合がある。ただ
し、これまで説明してきた障壁部の作用は、原理的に配
線幅には依存しない。

【００１８】また、粒界が網目状に形成された（粒界三
重点を持つ）多結晶配線の場合は、空孔（原子）流が粒
界の網目を優先的に流れる（粒界拡散支配）。一方、粒
界のない単結晶配線とバンブー構造配線の場合は、ＥＭ
による空孔（原子）流が結晶内を通って流れる（体拡散
支配）。粒界拡散支配と体拡散支配とでは、ＥＭによる
配線を流れる本来の空孔（原子）流束Ｊ₀の大きさが異
なるが、(1)式より得られる臨界長さについては、両者
の場合で大きな違いはない。従って、空孔（原子）流の
拡散経路によらず、これまで説明してきた電流密度Ｊと
臨界長さとの関係が成立すると考えて差し支えない。

【００１９】上述したＥＭにより配線を流れる正味の空
孔（原子）の流束Ｊ_sおよびＥＭによる本来の空孔（原
子）の流束Ｊ₀は、例えば以下に示す測定方法による値
をさすものとする。

【００２０】（１）電流導通時にＥＭにより配線を流れ
る本来の原子もしくは空孔の流束Ｊ ₀の測定方法。

【００２１】Ｊ₀は、配線の温度勾配により発生するボ
イドの成長速度から求めることができる。単結晶Al配線
を例にとって説明する。高抵抗Si基板上に熱ＣＶＤ法に
より単結晶Al膜を400nmの厚さで形成した。この単結晶A
l膜を、図４（ａ）に示すように、両端に幅50μmの幅広
のパッドが接続された、幅1.5μm、長さ50μmの配線に
加工した。この配線に10⁷A/cm²台の電流密度を印加する
と、図４（ｂ）に示すように、配線の自己発熱（ジュー
ル熱）により、配線とパッドの境界で100℃近い温度差
を生じた。高温の配線内のAl原子は、ＥＭによる大きな
駆動力を受けるため、配線部のAl原子の移動はパッド部
に比べて非常に高速である。このため、負パッド付近で
はAl原子の不足によりボイドが、正パッド付近ではAl原
子の堆積によりヒロックが成長する。加速試験（高温通
電試験）後、負パッドに蓄積した複数のボイドの体積を
計測して総和を求めた。ボイド体積Ｖは、次式によりＪ
₀と関係付けられる。

【００２２】Ｊ₀＝Ｖ／ｔ／Ω／Ｓ …(3) （式中、ｔは加速試験時間、Ωは空孔1個当りの体積、
Ｓは配線断面積である）電流密度3.5×10⁷A/cm²での測
定結果（白丸）を図５に示す。体拡散係数を用いて計算
したNernst-Einsteinの関係式も併せて示す（実線）。
実験より求めたＪ₀がNernst-Einsteinの関係式と一致す
ることがよく分かる。従って、少なくとも単結晶配線と
バンブー構造配線のように、Ｊ₀が体拡散支配の場合に
は、Ｊ₀をNernst-Einsteinの関係式から計算で求めるこ
とも可能である。

【００２３】（２）配線内に障壁を形成した場合に、電
流導通時にＥＭにより配線を流れる正味の原子もしくは
空孔の流束Ｊ_sの測定方法。

【００２４】Ｊ_sは、障壁部の（＋）極側に発生するボ
イドの成長速度から求められる。バンブー構造のAl配線
を例にとって説明する。厚さ0.1μmの熱酸化膜上に、Al
膜を0.4μm堆積した。このAl膜に高温アニールにより粒
径10μmを越える大粒径化処理を行った後、幅1μm、長
さ50μmの配線に加工した。その後、粒界付近の局所的
電気抵抗を計測するために、図６に示すように、粒界を
挟む4μmピッチの電圧端子を形成した。加速試験を、電
流密度5×10⁶A/cm²、配線温度260℃で行った。粒界を境
に（＋）極側に成長するボイドに伴う試験中の配線の電
気抵抗増加を計測し、ボイド形状を配線を横断する立方
体と近似して得られたボイド体積を図７に示す。ボイド
は潜伏期間の後、定常成長した後に成長が飽和した。定
常成長時の勾配よりボイドの成長速度（ｄＶ／ｄｔ）を
求め、次式よりＪ_sを求めた。

【００２５】Ｊ_s＝（ｄＶ／ｄｔ）／Ω／Ｓ …(4) 得られた値は、Ｊ_s=2.8×10¹⁷個/m²・sであり、Ｊ₀（体
拡散係数用いて計算したNernst-Einsteinの関係式）=1.
2×10¹⁸個/m²・sの23%に減少していることが分かった。

【００２６】本発明の半導体装置における配線部として
は、Al、Cu、あるいはその合金等の各種公知の配線材料
を用いたものが適用される。上記配線部を形成するAl合
金としては、Al-Cu、Al-Ti、Al-V、Al-Nb、Al-Ta、Al-A
g、Al-Zn、Al-Si、Al-Mg等が、またCu合金としては、Cu
-Zr、Cu-Cr、Cu-Ti、Cu-Co等が例示される。配線部の結
晶状態としては、粒界が存在していてもよく、より好ま
しくは粒界三重点がないものである。また、好ましくは
高配向のもので、さらに好ましくは障壁部の間に粒界が
存在しないものである。

【００２７】本発明における障壁部は、ＥＭによって生
じる空孔（原子）流束Ｊ₀が、AlやCu等の配線を構成す
る金属より小さい（ＥＭが起こりにくい）材料で形成さ
れる。例えば、 (A) 配線部を構成する金属より高融点の金属。 (B) 配線部を構成する金属より高融点の金属の酸化物、
窒化物、炭化物、硼化物。 (C) 配線部を構成する金属の酸化物、窒化物、炭化物、
硼化物。 (D) 配線部を構成する金属の合金、金属間化合物。 等である。

【００２８】これらのうち、(A)の高融点金属は、半導
体装置の製造工程で使用される薄膜形成法で形成した場
合、一般に結晶粒の大きさが数10nmと小さい上に、その
結晶粒が基板表面に垂直に配向した柱状晶構造を持つ多
結晶となる。さらに、形成条件によっては、結晶粒界の
形成が不十分となり、針状ないしポーラスとなる。その
ため、配線を構成する金属原子が簡単に通り抜けて、材
料本来の障壁作用を得られないおそれがある。また、こ
の高融点金属膜は、一般的に内部応力や熱応力が大き
く、残留応力によって剥離しやすい。さらに、製造工程
度の熱履歴により、あるいは装置の動作環境下で配線金
属と相互に溶解するため、薄い障壁部として安定に存在
できないおそれがある。特に、Al配線の場合、相互に溶
解しない高融点金属が存在しないため、特に問題であ
る。

【００２９】これに対して、(B)、(C)の金属酸化物、窒
化物、炭化物、硼化物は、一般に無定形、非晶質あるい
は等軸晶構造の多結晶膜で形成され、結晶粒径の小さい
柱状晶構造を持つ多結晶膜を形成しないため、優れた障
壁作用が得られる。また、配線金属と反応することな
く、化学的・熱的に極めて安定に共存するので、障壁部
としての信頼性が高く、障壁部を非常に薄くすることも
できる。特に、(C)の場合、自然酸化膜等を利用すれ
ば、極めて薄い障壁部を形成することが可能である。ま
た、(D)の配線金属の合金、金属間化合物は、配線金属
との整合性が良好であるため、配線金属と化学的・熱的
に安定に共存する。また、金属配線の周辺部（例えば積
層配線の下地や上地等）、あるいは内部（例えば配線の
合金元素）に異種導電物があると局部電池を形成し、他
の信頼性問題である配線のコロージョンが問題となる場
合がある。障壁部を構成する材料として、抵抗値が1Ω
・cm以上の絶縁物を用いることにより、このような問題
を回避することができる。

【００３０】なお、上記(A)〜(C)で言う金属は、それを
主成分とする合金を含むものとする。これらの材料は、
場合によっては多層化する等して組合せて使用してもよ
い。酸化膜の場合、特に自然酸化膜が好ましい。また、
これらの材料は、非晶質または単結晶であることが好ま
しいが、多結晶であってもよい。また、これら障壁部を
構成する材料は、半導体装置の配線形成後の製造工程
と、半導体装置の実使用条件において、配線部を構成す
る金属と反応しにくく、分解することなく安定に共存す
るものが好ましい。

【００３１】上述したような障壁部を有する配線部は、
障壁作用の高い材料で障壁部を形成しておき、その間に
配線を形成してもよいし、配線を形成した後、その間に
障壁部を形成してもよい。また、配線を形成しておい
て、適切な間隔でイオン注入等を行い、その部分に障壁
作用を持たせることもできる。

【００３２】また、上述した障壁部を構成する具体的な
材料としては、高融点金属として、Al配線に対しては
Y、Mo、Re、Ru、Os、Co、Rh、La、Ce、Pr、Nd、Sm、E
u、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Luが、Cu配線に対してはS
c、 Y、Ti、Zr、Hf、Ta、Cr、Mo、 W、Re、Fe、Ru、O
s、Ir、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Luが挙げら
れる。特に、Al配線の場合、Alと相互に溶解しない金属
が存在しないのに対して、Cu配線に対するMo、Ta、 W、
Re、Osは、Cuと相互に極めて溶解しにくいため、障壁部
を構成する材料として好ましい。

【００３３】また、適切な障壁部の厚さは、その構成材
料により異なるが、障壁作用と配線部の電気抵抗との兼
ね合いでその範囲が決定される。一般に、1nm未満のと
きは障壁作用が十分でない。障壁部の構成材料が絶縁体
の場合には、10nmを越えると配線部の電気抵抗が上昇し
て実用上問題があり、好ましくは2〜3nmの範囲である。
一方、導電体の場合には、さらに厚くてもよいが、配線
部の電気抵抗が上昇するため、好ましくは100nm以下で
ある。また、障壁部のない状態と比較して、配線部の電
気抵抗の増加が10%を越えると、実用上好ましくない。
障壁部が導電体の場合、障壁部の厚さの上限は、オーム
の法則による次の配線の電気抵抗増加と障壁部の厚さの
関係式で与えられる。

【００３４】 △ ｒ／ｒ＝（ｒ′−ｒ）／ｒ＝（ρ₂／ρ₁−1）／(1＋Ｒ／ｔ) …(5) （式中、ｒ′は障壁部を備えた場合の配線部の電気抵
抗、ｒは障壁のない状態での配線部の電気抵抗、ρ₁は
配線部の比抵抗、ρ₂は障壁部の比抵抗、Ｒは障壁部の
間隔（配線部の長さ）、ｔは障壁部の厚さである） 上記(5)式において、配線の電気抵抗増加率△ｒ／ｒが
0.1となるｔが障壁部の厚さの上限である。

【００３５】また、配線部を保護するためにパッシベー
ション膜を被覆する際、パッシベーション膜による応力
に起因するストレスマイグレーション（ＳＭ）が懸念さ
れる場合には、障壁部の間隔Ｒを配線幅ｗより大きくす
ることが好ましい。

【００３６】本発明の半導体装置において、バンブー構
造を持つ配線の場合には、障壁部として粒界を利用する
ことが製造上好ましい。バンブー構造での粒界（バンブ
ー粒界）が、電流導通時にＥＭにより配線を流れる空孔
（原子）流束（体拡散）に対して障壁として作用し得る
からである。粒界は、配線の微細構造の一部として内在
する領域であるため、新たに障壁部として形成する必要
がなく、製造上都合がよい。また、極めて薄い領域（数
原子間距離）であるから、電気抵抗の増加を懸念する必
要もない。バンブー粒界の間隔である粒径Ｒを、臨界長
さＲｃ′以下にすることにより、配線のＥＭ耐性を向上
させることができる。

【００３７】ただし、バンブー粒界の障壁作用は、粒界
の構造に依存するため、粒界によっては障壁作用が得ら
れない場合がある。すなわち、障壁作用が十分でない粒
界が存在すると、実効的な障壁間隔がＲｃ′を上回って
しまい、ＥＭによる空孔（原子）流束を抑制できないた
め、ＥＭ耐性の向上が認められない場合がある。このよ
うな場合、実効的な障壁間隔の広がりを考慮して、バン
ブー構造は保持した上で、粒径Ｒを臨界長さＲｃ′の1/
10以下にすることにより、実際上高いＥＭ耐性が得られ
る。

【００３８】また、障壁部としてバンブー粒界を利用す
る場合、粒径の分布が大きいと障壁間隔にバラツキを生
じる。図８は、配線を構成する金属の粒径分布の一例を
示したものである。このように、粒径分布が大きい場合
には、実際上、累積発生率99%に当たる粒径Ｒ′がこれ
まで述べてきた粒径Ｒであると考えてよい。また、この
取扱いは、粒界のみならず、形成される障壁部の間隔の
バラツキが大きい場合に一般に成り立つ。

【００３９】さらに、体拡散に対する障壁作用を向上さ
せ、任意のバンブー粒界を障壁部として作用させるため
には、作為的に障壁作用の高い粒界を形成することがよ
り好ましい。障壁作用の高いバンブー粒界を得るには、
(a)溶質をバンブー粒界に固溶させる、(b)第２相をバン
ブー粒界に析出させる、といった方法がある。

【００４０】上記(a)の方法は、配線部に合金を用い
て、バンブー粒界に溶質を固溶させる方法である。この
ような合金の組成は、格子内での第２相の析出を防ぐた
めに、配線を使用する温度での固溶度未満の濃度の溶質
を含む稀薄合金であることが好ましい。また、上記合金
としては、粒界富化因子の大きい合金が好ましい。粒界
富化因子とは、Seah等により導入された概念であり、粒
界での溶質濃度と粒内のそれとの比である（M.P.Seah a
nd E.D.Hondros, Scripta Metall.,7 (1973) 735）。例
えば、第２元素を0.01%含む合金の粒界富化因子が1.5×
10⁴の場合、粒界での濃度は150%となる。これは、粒界
の厚さが1原子距離であれば、1原子層半にわたって粒界
が溶質により飽和されていることを意味する。また、粒
界での溶質の濃度が100%未満の場合は、溶質による飽和
は起きていないことになる。この粒界富化因子は、溶質
の固溶度と相関があることが知られている（D.Gupta,Me
tallurg-ical Transaction A,8A(1977),1431）。すなわ
ち、溶質の固溶度の小さい合金ほど粒界富化因子が大き
いと考えられる。例えば、原子の固溶度が1×10^-5の場
合では10⁵オーダーの粒界富化因子が、原子の固溶度が1
×10^-2の場合では10²オーダーの粒界富化因子が得られ
る。配線の使用する温度での固溶度が1原子%以下の合金
系が好ましく、さらには固溶度が0.01原子%以下の合金
系が好ましい。この稀薄合金の溶質濃度は、配線の電気
抵抗増加を10%未満に抑えるために、一般に1原子%を越
えることはない。多元合金の場合は、溶質濃度の総和が
1原子%を越えることはない。

【００４１】具体的な合金系としては、Al合金では、例
えばAl-Ag、Al-Au、Al-B、Al-Ce、Al-Co、Al-Cr、Al-C
u、Al-Dy、Al-Er、Al-Eu、Al-Fe、Al-Gd、Al-Ge、Al-H
f、Al-Ho、Al-Ir、Al-La、Al-Lu、Al-Mn、Al-Mo、Al-
N、Al-Nb、Al-Nd、Al-Ni、Al-O、Al-Os、Al-Pd、Al-P
r、Al-Pt、Al-Re、Al-Ru、Al-Sc、Al-Sm、Al-Tb、Al-T
i、Al-Ta、Al-Tm、Al-V、Al-W、Al-Y、Al-Yb、Al-Zrが
挙げられる。またCu合金では、例えばCu-Co、Cu-Cr、Cu
-Er、Cu-Dy、Cu-Fe、Cu-Gd、Cu-Ho、Cu-Hf、Cu-Lu、Cu-
Mg、Cu-Nb、Cu-Tb、Cu-Te、Cu-Ti、Cu-Tm、Cu-V、Cu-
Y、Cu-Zr、Cu-Cr-Zr、Cu-Cr-Snが挙げられる。

【００４２】また、上記(b)の方法は、配線部に合金を
用いて、バンブー粒界に沿って金属間化合物等の第２相
を析出させる方法である。この第２相には、溶質と溶媒
との化合物、溶質と溶質との化合物、溶質自体、あるい
は母相とは異なる組成の固溶体等がある。この方法によ
り得られる配線の微細構造は、(a)の方法とは異なり、
あたかも焼結材料における焼結助剤のように、各結晶粒
は別組成の粒界層により分離される。なお、ここで言う
合金は、溶質が単体では常温で気体として存在する元素
を含むものであってもよい。第２相は単結晶または非晶
質であることが好ましいが、多結晶であってもよい。

【００４３】バンブー粒界に沿って合金の第２相として
層状に析出した金属、金属間化合物等は、結晶の中から
別の結晶が出てくる固相反応によるものである。そのた
め、配線のスリットへの埋め込み等の配線加工により形
成した障壁部に比べて、配線部との界面が清浄であり、
電気的接続が良好であり、接続抵抗が低い。ひいては配
線の電気抵抗増加を低減することができる。また、密着
性の良好である。また、析出反応を制御することによ
り、極めて薄く形成することが可能である。さらに、析
出の形式は、粒界の片側に出るものと両方に出るものと
に分けられるが、少なくとも片側に出る場合には、第２
相は反対側の結晶粒の方位に対応して層状に配列して析
出する。従って、多結晶であっても、方位の揃った結晶
性の良好な多結晶膜、あるいは単結晶膜が形成され、優
れた障壁作用が得られる。

【００４４】具体的な第２相としては、Al合金では、例
えばAl-Agでの(Ag)、Al-AuでのAl₂Au、Al-BでのAlB₂、A
l-CeでのAl₁₁Ce₃、Al-CoでのAl₉Co₂、Al-DyでのAl₃Dy、
Al-CrでのAl₇Cr、Al-CuでのAl₂Cu、Al-ErでのAl₃Er、Al
-EuでのAl₄Eu、Al-FeでのAl₃Fe、Al-GdでのAl₄Gd、Al-H
fでのAl₃Hf、Al-HoでのAl₃Ho、Al-IrでのAl₉Ir₂、Al-La
でのAl₁₁La₃、Al-LuでのAl₃Lu、Al-MnでのAl₆Mn、Al-Mo
でのAl₁₂Mo、Al-NでのAlN、Al-NbでのAl₃Nb、Al-Ndでの
Al₁₁Nd₃、Al-NiでのAl₃Ni、Al-OでのAl₂O₃、Al-OsでのA
l₁₃Os₄、Al-PdでのAl₄Pd、Al-PrでのAl₁₁Pr₃、Al-Ptで
のAl₃Pt、Al-ReでのAl₁₂Re、Al-RuでのAl₆Ru、Al-Scで
のAl₃Sc、Al-Siでの(Si)、Al-SmでのAl₃Sm、Al-TaでのA
l₃Ta、Al-TbでのAl₄Tb、Al-TiでのAl₃Ti、Al-TmでのAl₃
Tm、Al-VでのAl₂₁V₂、Al-WでのAl₁₂W、Al-YでのAl₃Y、A
l-YbでのAl₃Yb、Al-ZrでのAl₃Zr、Al-Mg-SiでのMg₂Siが
挙げられる。

【００４５】また、Cu合金では、例えばCu-Coでの(C
o)、Cu-Crでの(Cr)、Cu-DyでのCu₉Dy₂、Cu-ErでのCu₂E
r、Cu-Feでの(Fe)、Cu-GdでのCu₆Gd、Cu-HfでのCu₅Hf、
Cu-HoでのCu₅Ho、Cu-LaでのCu₆La、Cu-MgでのCu₂Mg、Cu
-Moでの(Mo)、Cu-Nbでの(Nb)、Cu-Osでの(Os)、Cu-Pで
のCu₃P、Cu-Reでの(Re)、Cu-Ruでの(Ru)、Cu-ScでのCu₄
Sc、Cu-Taでの(Ta)、Cu-TbでのCu₅Tb、Cu-TiでのCuT
i₂、Cu-TmでのCu₂Tm、Cu-Vでの(V)、Cu-Wでの(W)、Cu-Y
でのCu₆Y、Cu-ZrでのCu₃Zrが挙げられる。

【００４６】上述したような障壁作用の高いバンブー粒
界を持つ微細構造の具体的な形成方法としては、(i)配
線部に、配線を使用する温度での固溶度未満の濃度の溶
質を含む稀薄合金を用いて、熱処理により溶質をバンブ
ー粒界に偏在させて、バンブー粒界での溶質濃度を高め
る方法、(ii)配線部に、使用温度での固溶度以上の濃度
の溶質を含む高濃度合金を用いて、熱処理により高温で
固溶させた後、低温でバンブー粒界に沿って優先的に第
２相を析出させる方法の他に、例えば(iii)配線部に純
金属を用いて、配線形状に加工した後、溶質の薄膜を被
覆した後、熱処理により溶質を配線表面からバンブー粒
界に優先的に拡散させることにより、バンブー粒界での
溶質濃度を高めたり、あるいは粒界に第２相を析出させ
る方法、(iv)溶質の薄膜を堆積した後、この溶質薄膜上
に配線金属の薄膜を堆積した上で配線に加工し、熱処理
により溶質を配線底面からバンブー粒界に優先的に拡散
させることにより、バンブー粒界での溶質濃度を高めた
り、あるいはバンブー粒界に第２相を析出させる方法等
が挙げられる。これらの方法は、場合によっては組合せ
て使用してもよい。また、特定の部位のバンブー粒界の
障壁作用を高めるために、配線の部分にのみ使用しても
よく、このような場合には障壁部の間隔を粒径よりも大
きくすることができる。

【００４７】また、このような体拡散に対する障壁作用
の高いバンブー粒界の形成方法は、粒界三重点を持つ配
線の場合にも粒界拡散に対する障壁部の形成方法として
利用することができる。すなわち、配線の臨界長さＲ
ｃ′以下の間隔の特定の長さの部位に対して上記の方法
を適用し、その部位に障壁作用の高い粒界の網目構造を
形成することにより、その部位を粒界拡散に対する障壁
部にすることができる。本発明における配線部は、単層
の配線に限定されるものではなく、多層配線においても
同様の効果を奏する。例えば、ビア、スルーホールとい
った縦方向の配線接続部位においては、これを含めた上
下の障壁部の間隔の最大距離がＲｃ′以下であればよ
い。

【００４８】また、外部電極との接続部等の配線幅ｗが
粒径Ｒより大きくなる部位においては、粒界三重点を含
む構造となるときがある。ここでは、電流密度の減少に
伴い、原子（空孔）流束が減少する一方、ＥＭが粒界拡
散に支配されるため、原子（空孔）流束が増大するとい
う競合過程が生じる。この競合過程においては、配線幅
ｗと臨界長さＲｃ′との関係が3Ｒｃ′≦ｗのとき電流
密度の減少に伴う原子（空孔）流束の減少が支配的とな
り、接続部でのＥＭ耐性が向上するので好ましい。この
ような接続部位は、同種金属の接続のみならず、異種金
属の接続であっても同様である。もちろん、コンタク
ト、バリア層を含んでいても同様である。なお、適当な
障壁効果を得るためには、原子（空孔）流束の流れる方
向と障壁との成す角度が90度±5度となるように、障壁
部を形成することが好ましい。

【００４９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００５０】実施例１ 図９は、この実施例における半導体装置の製造工程を示
す断面図である。まず、Si基板３上に厚さ800nmの熱酸
化膜４を形成した。この熱酸化膜４上に、まず幅 0.5μ
m、厚さ0.4μm、長さ5μmのAl配線部５を、5μｍ間隔で
形成した（図９−ａ）。その後、配線を大気中に1時間
放置して、図９（ｂ）に示すように、Al配線部５の表面
に、厚さ約3nmのアルミ酸化物膜（自然酸化膜）６を形
成した。このアルミ酸化物膜６をＲＨＥＥＤで観測した
ところ、ハローパターンが観測された。このことより、
アルミ酸化物膜６は非晶質であることが分かる。次に、
図９（ｃ）に示すように、Al配線部５の形成されていな
い5μmの隙間に、Ａｌ配線部５′を形成した。

【００５１】このようにして、原子（空孔）に対する障
壁として、配線を横断する非晶質のアルミ酸化物膜６
が、Ｒ=5μm間隔で並んだ、長さ1.12mmのAl配線ａを10
サンプル作製した。ここで得られたAl配線部５、５′を
評価したところ、各々内部に実効的な粒界は存在しなか
った。

【００５２】また、比較例１として、同じサイズで、障
壁を有さないAl配線ｂを10サンプル作製した。

【００５３】上記実施例１および比較例１の配線のエレ
クトロマイグレーションに対する信頼性を評価するため
に、高温通電試験（加速試験）を行った。試験条件は、
電流密度ｊ=2×10⁶A/cm²、配線温度200℃とした。図１
０はその結果を示したものであり、実施例１の10サンプ
ルは、全て2000時間経過後も断線は生じていないのに対
して、比較例１では1000時間で70%が断線した。さら
に、試験後の試料の形態を観察したところ、実施例１で
は試験前との変化が観測されなかった。それに対し、比
較例１における断線部は、スリット状に配線を横断して
いた。なお、断線部以外にも、複数箇所の粒界にてスリ
ット状のボイドが観測された。

【００５４】また、実施例１と同様にして、障壁として
の非晶質アルミ酸化物膜の膜厚とその間隔（粒径）Ｒの
異なるものを各10サンプルずつ、実施例および比較例と
して作製し、同様に評価した。その結果を表３に示す。
なお、電気抵抗は、障壁のない状態と比較したものであ
る。

【００５５】

【表３】 このように、障壁の膜厚が厚すぎると、電気抵抗が上昇
して実用上問題が生じ、膜厚が薄すぎると、あるいは間
隔（粒径）Ｒが長すぎると、障壁効果が得られないこと
が分かる。

【００５６】参考例１ Si基板表面を熱酸化し、厚さ100nmの酸化膜を形成し
た。この酸化膜上に、スパッタ蒸着法によりAl薄膜を厚
さ400nm堆積させた。Al薄膜上に、レジストパターンを
形成した後、ＲＩＥによりAlをエッチングし、0.5μm幅
のAl配線に加工した。レジストを除去した後、熱処理を
行った。そのときの熱処理条件を変えて、図１１（ａ）
および（ｂ）に示すようなバンブー構造を有する、粒径
Ｒ=4μmの配線ａとＲ=0.5μmの配線ｂをそれぞれ10サン
プル作製した。

【００５７】また、比較例２として、図１１（ｃ）に示
すようなＲ=10μmの純Al配線ｃを10サンプル作製した。

【００５８】上記参考例１および比較例２の配線のＥＭ
に対する信頼性を評価するために、高温通電試験（加速
試験）を行った。試験条件は、電流密度ｊ=1×10⁷A/c
m²、配線温度200℃とした。ここで、Ｒｃ=4μmであり、
空孔流に対する十分な障壁効果が粒界でもれなく得られ
ていれば、粒径4μm以下の配線では空孔流は抑制されて
ボイドは発生しないはずである。図１２は、その結果を
示したものであり、比較例２における断線率は200時間
経過で70%であったのに対して、参考例１における断線
率は粒径4μmで30%、粒径0.5μmで10%となった。さら
に、試験後の配線の形態を観察したところ、参考例と比
較例でいずれも、断線部はスリット状に配線を横断して
いた。なお、断線部以外にも複数箇所の粒界にてスリッ
ト状のボイドが観測された。

【００５９】このように、実効的な障壁間距離が粒径Ｒ
より大きくなっている場合は、ボイドの発生を完全には
抑制できないが、粒径Ｒを臨界長さＲｃより十分に小さ
くすることによりＥＭ耐性を向上させることができる。

【００６０】参考例２ Si基板表面を熱酸化し、厚さ100nmの酸化膜を形成し
た。この酸化膜上にスパッタ蒸着法によりAl合金薄膜を
厚さ400nm堆積させた。このAl合金の組成は、Al-0.1原
子%Cuである。Al合金薄膜上にレジストパターンを形成
した後、ＲＩＥによりAl合金をエッチングし、0.5μm幅
のAl合金配線に加工した。レジストを除去した後、熱処
理を行って粒成長を促進させ、図１３（ａ）に示すバン
ブー構造の配線ａを10サンプル作製した。なお、図中７
はバンブー粒界である。ＴＥＭ観察によれば、粒径Ｒ=4
μmであった。また、シータ相を生成しないように微量
添加したCuは、組成分析により粒界に偏在していること
が確認された。

【００６１】また、比較例３として同様の方法で、図１
３（ｂ）に示すCuを含まないＲ=10μmの純Al配線を10サ
ンプル作製した。

【００６２】上記参考例２および比較例３の配線のＥＭ
に対する信頼性を評価するために、高温通電試験（加速
試験）を参考例１と同様に行った。なお、Ｒｃは参考例
１と同様に4μmである。図１４は、その結果を示したも
のであり、参考例２では全て400時間経過後も断線は生
じていないのに対して、比較例３では200時間で70%が断
線した。さらに、試験後の配線の形態を観察したとこ
ろ、参考例２では試験前との変化が観測されなかった。
それに対して比較例３では、断線部はスリット状に配線
を横断していた。なお、断線部以外にも複数箇所の粒界
にてスリット状のボイドが観測された。

【００６３】参考例３ Si基板表面を熱酸化し、厚さ100nmの酸化膜を形成し
た。この酸化膜上にスパッタ蒸着法によりAl合金薄膜を
厚さ400nm堆積させた。このAl合金の組成は、Al-3原子%
Cuである。Al薄膜上にレジストパターンを形成した後、
ＲＩＥによりAl合金をエッチングし、0.5μm幅のAl合金
配線に加工した。レジストを除去した後、熱処理を行っ
て粒成長を促進させ、図１５（ａ）に示すバンブー構造
の配線ａを10サンプル作製した。ＴＥＭ観察によれば、
粒径Ｒ=4μmであった。また、過飽和に固溶したCuが粒
界にシータ相（CuAl₂）として析出していることが、組
成分析とＴＥＭ観察により確認された。

【００６４】また、比較例４として同様の方法で、図１
５（ｂ）に示すCuを含まないＲ=10μmの純Al配線ｂを10
サンプル作製した。

【００６５】上記参考例３および比較例４の配線のＥＭ
に対する信頼性を評価するために、高温通電試験（加速
試験）を参考例１と同様に行った。なお、Ｒｃは参考例
１と同様に4μmである。図１６はその結果を示したもの
であり、参考例３では全て400時間経過後も断線は生じ
ていないのに対して、比較例４では200時間で50%が断線
した。さらに、試験後の配線の形態を観察したところ、
参考例３では試験前との変化が観測されなかった。それ
に対して比較例４では、断線部はスリット状に配線を横
断していた。なお、断線部以外にも複数箇所の粒界にて
スリット状のボイドが観測された。

【００６６】参考例４ 図１７に示すような配線構造を、以下の手順によって作
製した。まずSi(100)基板上に、厚さ400nmの熱酸化膜を
形成した。引き続き、この熱酸化膜上にAl薄膜をスパッ
タリングにより厚さ800nmで形成した。引き続いて、Ｐ
ＥＰおよびＲＩＥ工程により、配線幅が徐々に異なるパ
ターンを形成した。これを熱処理して、図１７に示すよ
うな粒径約4μmの粒界構造を形成した。図中の配線幅は
細いところから、2μm、4μm、8μm、12μm、16μmであ
る。

【００６７】これら各々の配線幅の部分に、ＦＩＢ装置
によるW-ＣＶＤ法を用いて、Wの電極端子を形成した。
このW電極間の電圧変動を測定することにより、各配線
部分Ａ〜ＩのＥＭ耐性を評価した。この際、2μm幅での
電流密度を1×10⁷A/cm²とし、配線温度を250℃とした。
このときのＲｃは4μmである。図１８に電圧変動と時間
の関係を示す。このように、配線幅がＲｃ以下あるいは
3×Ｒｃ以上の場合には、ＥＭによる抵抗上昇は観測さ
れなかった。

【００６８】参考例５ 図１９（ａ）に示すようなビアホールを有する配線構造
を、以下の手順で作製した。まず、Si(100)基板上に、
厚さ400nmの熱酸化膜４を形成した。引き続き、この熱
酸化膜４上にAl薄膜をスパッタリングにより800nm形成
した。引き続いてＰＥＰおよびＲＩＥ工程によって、配
線幅1μmの第１のAl配線５を形成した後、SiO₂膜４′を
1μmの厚さで形成し、その後ビアホール８を形成した。
このビアホール８を選択Al-ＣＶＤ法により埋め込んだ
後、厚さ1μmのAl薄膜をスパッタリングにより形成し、
配線幅1.2μmの上部の第２のAl配線５′を形成した。そ
の後、熱処理を加えてAl結晶を成長させ、結晶粒径約4
μmの2層配線を形成した。

【００６９】このように形成したビア構造において、ビ
ア部分での電流密度1×10⁷A/cm²、温度250℃の条件で、
試験時間100時間のＥＭ試験を行った。このとき、Ｒｃ
は4μmである。ＥＭ試験後、ＦＩＢ観察によりビアと上
下配線が図１９（ａ）のように1つの結晶粒となってい
る部分において、上下の結晶粒界にボイドが生じている
個数と、その結晶粒径Ｒとの相関を調べたところ、Ｒが
Ｒｃより小さい場合には、ボイドが生じていないことが
分かった（図２０（ａ））。

【００７０】また、図１９（ｂ）に示すように、上部の
第２のAl配線５′の下地として、Ti/TiN層９を用い、か
つSiO₂膜４′を3μmとしてビアホールを形成した。ビア
径は1μmである。熱処理により、粒径約2μmの粒界構造
を形成し、ビア部分での電流密度2×10⁷A/cm²、温度250
℃の条件で、試験時間5時間のＥＭ試験を行った。この
ときのＲｃは2μmである。ＥＭ試験後、ＦＩＢ観察によ
りビア部分のボイドの発生を調べたところ、図２０
（ｂ）に示すように、ビアが2つの結晶粒によって形成
されているところは、ボイドの発生がないのに対して、
ビアが1つの結晶粒によって埋め込まれている（Ｒ=3μ
m）部分では、頻繁なボイド形成が認められた。

【００７１】実施例２ 図２１は、この実施例による半導体装置の製造工程を示
す断面図である。高抵抗(1kΩcm以上)Si(111)基板３上
に、熱ＣＶＤ法により単結晶Al(111)薄膜５を厚さ400nm
堆積させた（図２１−ａ）。単結晶Al薄膜５上に、レジ
ストパターンを形成した後、ＲＩＥによりAl膜をエッチ
ングし、四辺の長さが100μmのパッドに両端が接続され
た、幅1μm、長さ50μの単結晶Al配線５′に加工した。
レジスト除去後、さらにSiO₂薄膜４′を厚さ400nm堆積
させてパターニングし、単結晶Al配線５′上に1μmピッ
チで矩形の穴を開口した（図２１−ｂ）。

【００７２】次に、SiO₂薄膜４′をマスクとして、Cuを
単結晶Al配線５′にイオン注入した。加速エネルギーの
調整により、Cuの侵入深さが配線の厚さ全体にわたるよ
うに制御した。その後、SiO₂薄膜４′を除去し、配線の
ＴＥＭ観察と組成分析を行ったところ、開口部下の配線
部では、配線をほぼ垂直に横断する配線長手方向の厚さ
100nmのCuを0.1原子%含むAl-Cu合金層からなる障壁部
１′が形成されていることが確認された。

【００７３】また、上記方法と同様の方法で配線を加工
した後、ドーパントをCuからTaに代えて、同様の方法で
イオン注入を行った。この場合、配線のＴＥＭ観察によ
り、開口部下の配線部では、配線をほぼ垂直に横断する
配線長手方向の厚さ100nmの非晶質Al合金層が形成され
ていることが確認された。

【００７４】さらに、上記方法と同様の方法で配線を加
工した後、ドーパントをCuからOに代えて、同様の方法
でイオン注入を行った後、酸化物の形成・安定化のため
の熱処理を行った。この場合、配線のＴＥＭ観察と組成
分析により、開口部下の配線部では、配線をほぼ垂直に
横断する配線長手方向の厚さ10nmのAl酸化物層が形成さ
れていることが確認された。

【００７５】また、比較例７として、イオン注入を行わ
ない単結晶Al配線を作製した。

【００７６】上記イオン注入を行った各10例（計30例）
および比較例７による10例の配線のＥＭに対する信頼性
を評価するために、高温通電試験を行った。電流密度ｊ
=4×10⁷A/cm²、配線温度250℃で加速試験を行った。空
孔流束が0となる障壁部の臨界間隔Ｒｃは1μmである。
その結果、15時間経過では、いずれの例においても、1
例も断線には至らなかった。図２２は、試験中の配線の
抵抗値Ｒを測定し、試験開始直後の初期抵抗値Ｒ₀と比
較したものである。（ａ）はドーパントにCuを使用した
例における典型的な配線の抵抗変化であり、配線抵抗Ｒ
／Ｒ₀の激しい変化は認められなかった。ドーパントにT
a、Oを用いた例も、同様な配線の抵抗変化を示した。一
方、（ｂ）は比較例の結果であり、配線抵抗Ｒ／Ｒ₀の
激しい変化が観察された。耐性の高い単結晶配線を用い
ても、比較例のように激しい抵抗変化を伴う場合には、
装置の誤動作の原因となる恐れがある。

【００７７】さらに試験終了後、配線とパッドの接続部
をＳＥＭ観察したところ、イオン注入を行った例ではい
ずれも配線の形状変化が認められなかったのに対して、
比較例では（−）パッドとの接続部でボイドがパッド内
部にまで成長し、また（＋）パッドとの接続部でヒロッ
クが多数成長しているのが認められた。

【００７８】このように、単結晶配線では微細構造に不
均一性がないため、ＥＭによる断線を生じることはな
い。しかし、比較例７が示すように、配線内部を一定の
空孔または原子流が流れているため、配線幅が大きく変
化するパッドとの接続部で空孔または原子流束が不均一
となり、ここでボイドまたはヒロックを生じる場合があ
る。これに対して、イオン注入を行った例ではAl-Cu合
金層、非晶質Al合金層またはAl酸化物層が臨界間隔Ｒｃ
以下の間隔で配線内部に連続して配置されているので、
空孔または原子流束そのものが0に抑制される。そのた
め、パッドとの接続部においてもボイドまたはヒロック
を生じなかった。

【００７９】参考例３ 図２３は、この実施例による半導体装置の製造工程を示
す断面図である。まず、Si基板３表面を熱酸化し、厚さ
100nmのSi酸化物膜４を形成した。CuのSi酸化膜上への
付着力は弱いので、接着層としてAl酸化物膜１０を厚さ
100nm堆積させた。このAl酸化膜１０上に、スパッタ蒸
着法によりCu薄膜１１を厚さ400nm堆積させた（図２３
−ａ）。このCu薄膜１１は、ＴＥＭ観察によれば粒径0.
2μmの柱状晶を持つ多結晶膜であった。

【００８０】上記Cu薄膜１１上にレジストパターンを形
成した後、Cuをエッチングして、30μm間隔で0.1μm幅
の溝で分断された、幅1μmのCuブロック１１′に加工し
た（図２３−ｂ）。レジストを除去した後、Cuブロック
１１′が露出する周面に、表面反応が律速反応となる成
長条件に設定したＣＶＤ法によって、選択的にTi窒化物
膜１２を厚さ50nm成長させた。その際、Cuブロック１
１′を分断する溝は、Ti窒化物１２により埋め込まれた
（図２３−ｃ）。このようにして、原子（空孔）に対す
る障壁として、配線を横断する導電体のTi窒化物１２が
30μm間隔で並んだ、長さ1mmのCu配線ａを10サンプル作
製した。

【００８１】また、比較例８として、同様の方法で連続
したCu配線の周面にTi窒化物膜を成長させた、障壁のな
いCu配線ｂを10サンプル作製した。

【００８２】上記参考例６および比較例８の配線のＥＭ
に対する信頼性を評価するために、真空中で高温通電試
験を行った。加速条件は、電流密度ｊ=1×10⁷A/cm²、配
線温度300℃に設定した。Cu配線の場合、この条件でＲ
ｃ=40μm、Ｒｃ′=60μmである。配線が断線しても周囲
のTi窒化物を経由して電流は流れるが、ＥＭにより配線
に損傷が生じると、配線の電気抵抗が時間と共に増加す
る。そのため、配線の電気抵抗が試験開始直後の値より
10%増加した時点で配線が不良になったと見なした。図
２４はその結果を示したものであり、参考例６の10サン
プルは全て1000時間経過後も不良を生じていないのに対
して、比較例８では500時間で7サンプルが不良となっ
た。さらに、試験後のCu配線の形態を観察したところ、
比較例８では、多数のボイドとヒロックが観察され、複
数箇所でCu配線部の断線が認められたのに対し、参考例
６ではボイドやヒロックさえも全く認められなかった。

【００８３】また、Cu配線の分断溝の間隔を変えて、障
壁層としてのTi窒化物の間隔の異なるものを各10サンプ
ルずつ、実施例および比較例として作製して、同様に評
価した。その結果を表４に示す。

【００８４】

【表４】 表４から明らかなように、障壁層の間隔Ｒが臨界長さＲ
ｃ′以下の場合は、ＥＭによる配線不良を防止できた。
なお、障壁のない状態と比較した電気抵抗増加は、参考
例および比較例いずれもの場合も10%未満であり、実用
上問題のない範囲であった。

【００８５】参考例７ 図２５は、この参考例による半導体装置の製造工程を示
す断面図である。Si基板３表面を熱酸化し、厚さ500nm
のSi酸化物膜４を形成した。このSi酸化物膜４上にレジ
ストパターンを形成した後、Si酸化物膜４をエッチング
して、幅 1.1μm、深さ0.45μmの溝を加工した。レジス
トを除去した後、CuのSi酸化膜上への付着力は弱いの
で、接着層としてAl酸化物膜１０を厚さ50nmで全面に堆
積させた。このAl酸化膜１０上に、ＣＶＤ法によりW膜
１３を厚さ200nmで全面に堆積させた（図２５−ａ）
後、研磨を行って、溝以外のW膜１３を除去した（図２
５−ｂ）。溝のW膜１３上にレジストパターンを形成し
た後、Wをエッチングして、長さ0.5μmで100μm間隔で
並んだWブロック１３′に加工した（図２５−ｃ）。レ
ジストを除去した後、ＣＶＤ法によりCu薄膜１１を全面
に厚さ400nm堆積させた（図２５−ｄ）。その後、研磨
を行って溝以外のCuを除去し、配線を横断する厚さ0.5
μmのWブロック１３′により、長さ100μmのCuブロック
１１′が挟まれた、長さ1mmのCu配線ａを10サンプル作
製した。

【００８６】また、比較例９として、W膜の堆積、研磨
とエッチングを行わない以外は同様の方法で、連続した
Cu配線ｂを各10サンプル作製した。

【００８７】ＴＥＭ観察によれば、Cu配線は粒径0.2μm
の多結晶配線であった。また、ＣＶＤ法の原料ガスと堆
積条件を変えて、W膜の代わりに種々の高融点金属膜を
堆積し、配線を横断する厚さ0.5μmの種々の高融点金属
層が100μm間隔で並んだ、長さ1mmのCu配線を各10サン
プルずつ実施例として作製した。

【００８８】この参考例７および比較例９の配線のＥＭ
に対する信頼性を評価するために、真空中で高温通電試
験を行った。加速条件は電流密度ｊ=5×10⁶A/cm²、配線
温度300℃に設定した。Cu配線の場合、この条件でＲｃ=
80μm、Ｒｃ′=120μmである。その結果を表５に示す。
なお、配線の電気抵抗増加は、障壁のない状態（比較
例）に比べて10%を越えることはなかった。

【００８９】

【表５】 参考例７による各サンプルの10例は、全て2000時間経過
後も断線していないのに対して、比較例９では1000時間
で 3サンプルが断線した。さらに、試験後のCu配線の形
状を観察したところ、比較例９では断線箇所以外にも多
数のボイドとヒロックが観察されたのに対して、参考例
７ではボイドとヒロックさえも全く認められなかった。
このように、高融点金属層をＲｃ′以下の間隔で形成す
ることにより、ＥＭによる配線の断線を防止することが
できる。

【００９０】参考例８ 図２６は、この実施例による半導体装置の製造工程を示
す断面図である。Si基板３表面を熱酸化し、厚さ100nm
のSi酸化物膜４を形成した。CuのSi酸化膜上への付着力
は弱いので、接着層としてAl酸化物膜１０を厚さ100nm
で堆積させた。このAl酸化膜１０上にスパッタ蒸着法に
よりCu膜１１を厚さ400nmで堆積させた（図２６−
ａ）。さらに、このCu膜１１上にZr膜を厚さ10nm堆積さ
せた。Zr膜上にレジストパターンを形成した後、Zr膜と
Cu膜１１をエッチングし、1μm幅の配線に加工した。レ
ジスト除去後、再度Zr上にレジストパターンを形成して
Zrをエッチングし、Cu配線１１″上に100μm間隔で並ん
だ、長さ0.5μmのZrブロック１４に加工した（図２６−
ｂ）。

【００９１】レジスト除去後、ZrをCu配線中に拡散させ
るために熱処理を行った。ＴＥＭ観察によれば、Cu配線
１１″は粒径0.4μmの柱状晶を持つ多結晶配線であり、
配線内に粒界の網目構造が認められた。組成分析とＴＥ
Ｍ観察により、図２７に示すように、Zrブロック１４下
のCu配線領域では配線厚み全体にわたって、粒界１５に
Cu-Zr金属間化合物１６が析出していることが確認され
た。Zrが配線表面から粒界に沿って優先的に拡散し、Cu
と反応したと考えられる。

【００９２】このようにして、原子（空孔）に対する障
壁として、配線を横断する導電体のCu-Zr金属間化合物
層１６が存在する領域１７が100μm間隔で並んだ（図２
６−ｃ）、長さ1mmのCu配線ａを10サンプル作製した。

【００９３】また、比較例１０として、Zr膜の堆積とパ
ターニングを行わない以外は、同様の方法で、障壁領域
のないCu配線ｂを10サンプル作製した。

【００９４】さらに、Cu配線上に100μm間隔で形成する
長さ0.5μmの拡散ブロック物質を変えて熱処理を行い、
各10サンプルずつ参考例として同様の方法で作製した。
上記参考例８および比較例１０の配線のＥＭに対する信
頼性を評価するために、真空中で高温通電試験を行っ
た。加速条件は電流密度ｊ=5×10⁶A/cm²、配線温度300
℃に設定した。Cu配線の場合、この条件でＲｃ=80μm、
Ｒｃ′=120μmである。その結果を表６に示す。なお、
各障壁層は、拡散ブロック下の配線領域で粒界に沿って
存在すると確認された金属間化合物の組成式を示したも
のである。また、障壁層の形成が主に粒界に限定される
ため、配線の電気抵抗増加は障壁のない状態（比較例）
に比べて10%を越えることはなかった。

【００９５】

【表６】 参考例による各10サンプルは、全て2000時間経過後も断
線していないのに対して、比較例では1000時間で4サン
プルが断線した。さらに、試験後のCu配線の形状を観察
したところ、比較例では断線箇所以外にも多数のボイド
とヒロックが観察されたのに対し、実施例ではボイドや
ヒロックさえも全く認められなかった。このように、粒
界の網目構造に沿って金属間化合物が析出した配線領域
をＲｃ′以下の間隔で形成することにより、ＥＭによる
配線の断線を防止することができる。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＥＭによる配線の断線および配線のコロージョンを防ぐ
ことができ、高集積度の半導体装置を高信頼性の下で得
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるＥＭによる空孔流束に対する障
壁の作用を説明するための図。

【図２】本発明におけるAl配線についてのＥＭによる空
孔流束の障壁間隔と電流密度依存性を示す図。

【図３】本発明におけるCu配線についてのＥＭによる空
孔流束の障壁間隔と電流密度依存性を示す図。

【図４】電流導通時にＥＭにより配線を流れる空孔もし
くは原子の本来の流束Ｊ₀の測定方法を説明するための
図。

【図５】電流導通時にＥＭにより配線を流れる空孔もし
くは原子の本来の流束Ｊ₀の測定結果を示す図。

【図６】配線内に障壁を形成した場合に電流導通時にＥ
Ｍにより配線を流れる空孔もしくは原子の正味の流束Ｊ
_sの測定方法を説明するための図。

【図７】空孔もしくは原子の正味の流束Ｊ_sの測定結果
を示す図。

【図８】配線を構成する金属の粒径分布の一例を示す
図。

【図９】実施例１に係わる半導体装置の製造工程を示す
図。

【図１０】実施例１で行った信頼性試験の結果を示す特
性図。

【図１１】参考例１および比較例における配線の微細構
造を示す図。

【図１２】参考例１で行った信頼性試験の結果を示す特
性図。

【図１３】参考例２および比較例における配線の微細構
造を示す図。

【図１４】参考例２で行った信頼性試験の結果を示す特
性図。

【図１５】参考例３および比較例における配線の微細構
造を示す図。

【図１６】参考例３で行った信頼性試験の結果を示す特
性図。

【図１７】参考例４における配線の微細構造を示す図。

【図１８】参考例４における抵抗上昇と時間との関係を
示す図。

【図１９】参考例５および比較例における配線の微細構
造を示す図。

【図２０】参考例５および比較例における上下の結晶粒
界にボイドが生じている個数とその結晶粒径Ｒとの相関
を示す図。

【図２１】実施例２に係わる半導体装置の製造工程を示
す図。

【図２２】実施例２および比較例における抵抗変化と時
間との関係を示す図。

【図２３】参考例６に係わる半導体装置の製造工程を示
す図。

【図２４】参考例６で行った信頼性試験の結果を示す特
性図。

【図２５】参考例７に係わる半導体装置の製造工程を示
す図。

【図２６】参考例８に係わる半導体装置の製造工程を示
す図。

【図２７】参考例８における障壁領域となる配線の粒界
での金属間化合物の析出を示す図。

【符号の説明】

１、１′……障壁部 ２……配線 ５、５′……Al配線部 ６……Al酸化膜 ７……バンブー粒界 １１′、１１″……Cu配線部 １２……Ti窒化物膜 １３……Wブロック １５……粒界 １６……Cu-Zr金属間化合物 １７……粒界にCu-Zr金属間化合物の存在する障壁領域

フロントページの続き (72)発明者 奥出 信一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 蓮沼 正彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5F033 HH08 HH11 HH12 HH18 HH19 HH33 JJ08 KK08 LL02 LL07 MM08 MM11 PP06 PP07 PP15 QQ08 QQ09 QQ13 QQ37 QQ46 QQ59 QQ62 QQ63 QQ73 RR03 RR04 WW01 WW02 XX00 XX03 XX05 XX14 XX16

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線中に絶縁物からなる複数の膜が形成
   されており、前記絶縁物からなる複数の膜はいずれも前
   記配線を幅方向に横切って電流導通時に原子もしくは空
   孔の障壁となる障壁部を構成するものであり、かつ、前
   記隣り合う膜の間隔Ｒが、Ｒ≦Ｒｃ′（ただし、Ｒｃ′
   は電流導通時にエレクトロマイグレーションにより配線
   を流れる正味の原子もしくは空孔の流束Ｊ_sがエレクト
   ロマイグレーションによる本来の原子もしくは空孔の流
   束Ｊ₀の30%となる臨界長さ）であることを特徴とする半
   導体装置。
2. 【請求項２】 前記絶縁物からなる膜の厚さが、2〜3nm
   であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。