JP2742145B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導電体層を備えた金属
配線を用いる半導体装置に関し、特に、アルミニウムを
主成分とする導電体層を用いるのに好適な半導体装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置における内部配線の断線の多
くは、ストレスマイグレーションとエレクトロマイグレ
ーションとにより発生する。ストレスマイグレーション
に対しては、内部配線の一部に高融点金属層を設けるこ
とが必要不可欠であるので、従来から種々の方法で、高
融点金属層を内部配線の一部に設けている。この従来技
術を、図２を用いて説明する。図２は、半導体装置を導
電方向に対して垂直に切断したときの、従来技術の内部
配線を示す断面図である。図２（ａ）〜（ｆ）におい
て、１は基板である絶縁膜、２はアルミニウムを主成分
とするアルミニウム層、３は高融点金属層である。

【０００３】同図（ａ）は、基板である絶縁膜１上に高
融点金属層３を積層し、その上にアルミニウム層２を積
層する技術を示す。高融点金属層３上に設けたアルミニ
ウム層２の結晶粒径は、絶縁膜１上に、直接設けたアル
ミニウム層の結晶粒径よりも小さくなる。従って、高融
点金属層３上に、アルミニウム層２を直接設ける場合の
ほうが、絶縁膜１上に、アルミニウム層２を直接設ける
場合に比べ、アルミニウム層２の単位体積中において
は、原子の移動が容易な結晶粒界の面積が多くなる。こ
の結果、同質、同寸法のアルミニウム層を同条件で比較
した場合、高融点金属層３上に、直接設けたアルミニウ
ム層２は、絶縁膜１上に、直接設けたアルミニウム層よ
りも、エレクトロマイグレーションが発生しやくすくな
り、内部配線の寿命は低下する。

【０００４】同図（ｂ）は、特開昭６１−１３６４４号
公報に記載の技術であり、アルミニウム層２の膜厚方向
の中間に高融点金属層３を設けた構造である。また、ア
ルミニウム層２の結晶粒径を微細化せずに、高融点金属
層３を設ける従来技術としては、同図（ｃ）に示すよう
に、高融点金属層３をアルミニウム層２上に設ける技術
がある。

【０００５】また、同図（ｄ），（ｅ）に示すように、
アルミニウム層２の周囲を高融点金属層３で包む技術
や、特開平１−９９２３８号公報に記載のように、高融
点金属層３の周囲をアルミニウム層２で包んだ構造があ
る（同図（ｆ）に示す。）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】応力により内部配線が
断線するストレスマイグレーションの発生を抑制するた
めには、高強度である高融点金属層を、内部配線の一部
に設けることが必要不可欠である。しかし、上記従来技
術に示す、絶縁膜上に設けたアルミニウム層上に、高融
点金属層を設ける技術、あるいは、アルミニウム層を高
融点金属層で包み込む技術、あるいは、高融点金属の芯
をアルミニウム層で包み込む技術では、アルミニウム層
が１本であるため、エレクトロマイグレーションにより
ボイドが発生し、成長していった場合は、アルミニウム
層部分が消失するおそれがあるという問題がある。

【０００７】また、上記従来技術において、アルミニウ
ム層の膜厚方向の中間に、高融点金属層を複数設けた構
造では、アルミニウム層を高融点金属層が複数に分割し
ているため、アルミニウム層の消失は抑制される。しか
し、高融点金属層の上に、直接積層されたアルミニウム
の結晶粒径は、絶縁膜上に直接積層したアルミニウムの
結晶粒径に比較して小さくなる。結晶粒径が小さいほ
ど、原子の移動が容易な結晶粒界が多くなり、エレクト
ロマイグレーションを起こしやすくなるという問題があ
る。

【０００８】本発明の目的は、アルミニウム層等の導電
体層の結晶粒径を小さくすることなく、高融点金属層を
設けて、耐エレクトロマイグレーション性および耐スト
レスマイグレーション性を向上させ、導電体層を備えた
内部配線の寿命を延ばした半導体装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、絶縁膜上に
導電体を有する半導体装置において、導電体内の間に、
この導電体の長さ方向に沿うとともに、この導電体の幅
方向に、この導電体を１または複数に区画する区画壁を
備える半導体装置により達成できる。

【００１０】ここで、半導体装置とは、半導体基盤上に
絶縁膜、トランジスタ、電極配線等の導電体層、および
コンデンサを積層させた構造を持つ装置をいう。また、
導電体の幅方向とは、配線幅方向をいい、導電体におけ
る導電方向および膜堆積方向の両方に垂直な方向をい
う。

【００１１】区画壁の幅は均一でなく、膜厚方向にテー
パーがついていてもよい。また、区画壁は、導電体内の
中央に形成されることが好ましい。しかし、区画壁を導
電体内の中央に形成することが困難な場合は、配線幅方
向の両端に導電体層の部分が存在する範囲で、区画壁は
配線幅方向の任意の位置にあってよい。

【００１２】

【作用】本発明に係る半導体装置においては、アルミニ
ウム層等の導電体層を絶縁膜上に、直接設けるので、高
融点金属層上に、導電体層を直接設ける場合に比べて、
結晶粒径を大きくすることができ、導電体層を構成する
金属の結晶粒界をバンブー構造にすることが容易にな
る。さらに、導電体内の間に、この導電体層の長さ方向
に沿うとともに、この導電体の幅方向に、この導電体を
１または複数に区画する区画壁を設けているので、バン
ブー構造になる確率がさらに高くなる。この結果、導電
体層の耐エレクトロマイグレーション性が向上する。

【００１３】一方、バンブー構造は、ストレスマイグレ
ーションに弱いという問題があるが、内部配線の一部
に、ストレスマイグレーションによって断線しにくい高
融点金属層等の区画壁を設けたので、導電体層が断線し
ても、高融点金属層が導通しているため、配線としての
寿命は伸び、内部配線の耐ストレスマイグレーション性
が向上する。

【００１４】次に、導電体層にボイドが発生したとき
は、配線内部に設けた区画壁によって、ボイドの配線幅
方向の成長は抑止され、以後のボイドの成長は導電方向
だけとなる。その結果、導電体層の一部が残るので、ボ
イドが発生した部分の抵抗上昇は、ボイドが配線を完全
に横断し、導電体層を完全に断線したときよりも小さく
なる。本発明に係る半導体装置においては、本来１本の
導電体を、区画壁によって、複数に分割したので、ボイ
ドが発生・成長した場合においても、導電体層の完全断
線を防止することができる。

【００１５】

【実施例】本発明に係る半導体装置の実施例を、図１，
４，５および６を用いて説明する。図１は、実施例に係
る半導体装置の一部の断面を示した斜視図である。同図
に示すように、この半導体装置においては、矢印１５を
膜厚方向、矢印１６を導電方向、矢印１７を配線幅方向
とする。この半導体装置は、基板である絶縁膜１上にお
いて、矢印１７で示す配線幅方向に、主にアルミニウム
からなるアルミニウム層２と、タングステン層等の高融
点金属層３等の区画壁と、アルミニウム層２とを積層し
た構造となっている。すなわち、２つのアルミニウム層
２に挾まれた状態で、高融点金属層３が存在している。

【００１６】高融点金属としては、タングステン、モリ
ブデン、チタン−タングステン合金であることが好まし
い。アルミニウム層２とは、アルミニウムを主成分とす
る層をいい、その組成は、アルミニウムの組成が９４〜
１００重量％、銅の組成が０〜４重量％、シリコンの組
成が０〜２重量％であることが好ましい。絶縁膜１とし
ては、酸化シリコン、窒化シリコンであることが好まし
い。

【００１７】次に、この実施例に係る半導体装置の製造
方法について、図５および６を用いて説明する。図５
は、実施例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図で
ある。

【００１８】まず、図５に示す製造方法を説明する。図
５（ａ）に示すように、絶縁膜１上に、アルミニウム−
０．５重量％銅−１重量％シリコンの組成であるアルミ
ニウム膜２を、周知の気相成長法あるいはスパッタリン
グ法を用いて、厚さ約６００ｎｍ堆積させる。次に、周
知の方法を用いて、このアルミニウム層２にフォトリソ
グラフィを行ない、ドライエッチングすることによっ
て、図５（ｂ）に示すように、タングステン層を形成す
るための幅３００ｎｍの溝４を形成する。次に、周知の
気相成長法あるいはスパッタリング法を用いて、図５
（ｃ）に示すように、アルミニウム膜の溝４のなかにタ
ングステンを埋め込むように、タングステン層３を形成
する。次に、周知の方法を用いて、上記アルミニウム層
２にフォトリソグラフィを行ない、ドライエッチングす
ることによって、図５（ｄ）に示すように、アルミニウ
ム−０．５重量％銅−１重量％シリコンの組成であるア
ルミニウム膜２とタングステン層３とで構成された幅１
０００ｎｍの配線を形成する。

【００１９】次に、図６を用いて、他の製造方法につい
て説明する。図６は、実施例に係る半導体装置の配線の
他の製造方法を示す断面図である。

【００２０】まず、周知の気相成長法あるいはスパッタ
リング法を用いて、図６（ａ）に示すように、絶縁膜１
上にタングステン膜３を厚さ約６００ｎｍ堆積させる。
次に、周知の方法を用いて、このタングステン膜３にフ
ォトリソグラフィを行ない、ドライエッチングすること
によって、図６（ｂ）に示すように、幅を３００ｎｍに
加工する。次に、周知の気相成長法あるいはスパッタリ
ング法を用いて、図６（ｃ）に示すように、タングステ
ン層３を囲むようにアルミニウム−０．５重量％銅−１
重量％シリコン膜２を６００ｎｍ以上堆積する。次に、
周知のイオンエッチング法を用いて、図６（ｄ）に示す
ように、アルミニウム−０．５重量％銅−１重量％シリ
コン膜２の上面を平滑にして、かつ、高融点金属層３の
一部が表面に現われるようにする。次に、図６（ｄ）に
示すような構造にした膜に、周知の方法でフォトリソグ
ラフィを行ない、ドライエッチングすることによって、
図６（ｅ）に示すように、アルミニウム−０．５重量％
銅−１重量％シリコン膜２とタングステン層３で構成さ
れた幅１０００ｎｍの配線を形成する。

【００２１】上記２つの製造方法は、絶縁膜１の上に最
初に形成する薄膜を、アルミニウム層２にするか、高融
点金属層３にするかの違いがあるが、最終的に得られる
配線構造は同じである。

【００２２】次に、他の製造方法を図８を用いて説明す
る。図８は、本実施例に係る半導体装置の製造方法を示
す断面図である。同図（ａ）に示すように、まず、周知
の方法を用いて、絶縁膜１の上にアルミニウム層２を形
成する。次に、同図（ｂ）に示すように、矢印８の方向
からイオン照射を行い、目的のアルミニウム層を合金化
する。

【００２３】次に、本実施例に係る半導体装置における
配線構造の作用について、図４，７を用いて説明する。
図４は、本実施例に係る半導体装置における配線構造の
作用を説明するための一部の断面を示した斜視図であ
る。同図（ａ）は、絶縁膜１上に直接アルミニウム層２
を形成した場合であり、６は結晶粒、５は結晶粒界を示
す。同図（ｂ）は、本実施例に係る半導体装置の配線構
造における、結晶粒６と、結晶粒界５とを示す。同図
（ｃ）は、比較のための図であり、絶縁膜１上に高融点
金属層３を形成し、この高融点金属層３の上にアルミニ
ウム層２を形成した場合の結晶粒６と、結晶粒界５とを
示す。

【００２４】図４に示すように、多くの場合、アルミニ
ウム層は多結晶であり、結晶同士の界面である結晶粒界
が存在する。結晶粒界は、多くの欠陥を含んだ構造であ
るため、原子の拡散が速く、耐エレクトロマイグレーシ
ョン性が結晶粒内に比べ劣る。ここで、エレクトロマイ
グレーションとは、アルミニウム層に高電流密度の電流
を流すと、原子が電子の運動量を受け取り、原子が電気
的にプラスの方向に移動する現象をいう。

【００２５】結晶粒界が、図４（ｂ）に示すように、矢
印１６で示す導電方向に対して、垂直あるいは垂直に近
い面としてだけ存在する構造（以下、バンブー構造とい
う。）をとっている場合は、導電方向に対して水平な結
晶粒界を多く持つ場合（同図（ｃ）に示す構造）に比
べ、原子の拡散が遅いので、耐エレクトロマイグレーシ
ョン性が高い。アルミニウム層２をバンブー構造とする
ためには、同図（ａ）に示すように、結晶粒径６を配線
幅より十分に大きくしなければならない。

【００２６】本実施例においては、アルミニウム層２を
絶縁膜１上に設けるので、高融点金属層３上に設ける場
合に比べて、結晶粒径を大きくすることが可能となり、
その結果、アルミニウム層２をバンブー構造にすること
が容易になる。さらに、同図（ｂ）に示すように、高融
点金属層３によって、アルミニウム層２を導電方向（矢
印１６の方向）に分割しているので、バンブー構造にな
る確率がさらに高くなる。これにより、アルミニウム層
２の耐エレクトロマイグレーション性が向上する。

【００２７】一方、バンブー構造は、ストレスマイグレ
ーションに弱いという問題がある。ここで、ストレスマ
イグレーションとは、内部配線の導電方向に応力が加わ
ったときに、温度の上昇だけで配線が断線する現象をい
う。本実施例においては、内部配線の一部に、ストレス
マイグレーションによって断線しにくい高融点金属層３
を設けた。この結果、アルミニウム層２が断線しても、
高融点金属層３が導通しているので、配線としての寿命
は伸び、内部配線の耐ストレスマイグレーション性が著
しく向上する。

【００２８】次に、アルミニウム層２にボイドが発生し
たときについて、図７を用いて説明する。図７は、本実
施例に係る半導体装置の導電体層において、ボイド７が
発生し、成長する場合を説明する作用説明図である。エ
レクトロマイグレーションによる原子の移動は、配線全
体で一様でないため、同図（ａ）に示すように、原子の
流出が多いところでボイド７が発生する。ここで、ボイ
ドとは、正常な形状に対して、凹形に変形した箇所をい
う。発生したボイド７は、同図（ｂ），（ｃ）に示すよ
うに成長していく。しかし、配線内部に設けた高融点金
属層３によって、ボイド７の配線幅方向の成長は抑止さ
れ、以後のボイド７の成長は導電方向だけとなる（同図
（ｄ）に示す。）。その結果、アルミニウム層２の一部
が残るので、ボイド７が発生した部分の抵抗上昇は、ボ
イド７が配線を完全に横断し、アルミニウム層２を完全
に断線したときよりも小さくなる。本実施例において
は、本来１本のアルミニウム層２を、高融点金属層３に
よって２本に分割したので、ボイドが発生・成長した場
合においても、アルミニウム層２の完全断線を防止する
ことができる。

【００２９】他の配線構造を、図３を用いて説明する。
図３は、各種の配線構造を示す断面図であり、１は絶縁
膜、２はアルミニウム層、３は高融点金属層である。

【００３０】同図（ａ）は、２層の高融点金属層３を用
いて、アルミニウム層２を３層に分割した構造を示す。
本例では、２層の高融点金属層３を用いているが、３層
以上の高融点金属層を用いてもよい。

【００３１】同図（ｂ），（ｃ）は、高融点金属層３
に、テーパがついている場合の構造を示す。エッチング
等により、このようにテーパが生じることもある。

【００３２】

【００３３】同図（ｆ）は、アルミニウム層２を、絶縁
層１ａで分割し、高融点金属層３をアルミニウム層２の
上に形成した構造である。

【００３４】以上のように、高融点金属層を用いてアル
ミニウム層を複数に分割することによって、エレクトロ
マイグレーションの結果生じたボイドの成長によりアル
ミニウム層部分が消失して、高融点金属のみで導電を確
保している部分が形成されることを防止することができ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る半導体装置の配線構造にお
いては、アルミニウム層等の導電体層の結晶粒径を微細
化することなく、導電体層と高融点金属層とを組み合わ
せた配線構造が形成できるので、半導体装置の耐ストレ
スマイグレーション性と耐エレクトロマイグレーション
性とを同時に向上させるという効果がある。

【００３６】また、導電体層を高融点金属層によって分
割するので、エレクトロマイグレーションによる低抵抗
なアルミニウム層の消失を制限でき、抵抗上昇を抑え、
配線寿命が向上するという効果がある。

【００３７】また、絶縁膜と、この絶縁膜との密着性の
よい導電体層とが、直接接しているので、導電体層と絶
縁膜の界面に、絶縁膜との密着性がよくない高融点金属
層を設ける構造に比べて、配線が剥がれて浮き上がって
しまうというような不良も少なくなるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る半導体装置の一部の断面を示した
斜視図

【図２】半導体装置を導電方向に対して垂直に切断した
ときの従来技術の内部配線を示す断面図

【図３】各種の配線構造を示す断面図

【図４】実施例に係る半導体装置における配線構造の作
用を説明するための一部の断面を示した斜視図

【図５】実施例に係る半導体装置の製造方法を示す断面
図

【図６】実施例に係る半導体装置の他の製造方法を示す
断面図

【図７】実施例に係る半導体装置において、ボイド７が
発生し、成長する場合を説明する作用説明図

【図８】実施例に係る半導体装置の製造方法を示す断面
図

【符号の説明】

１…絶縁膜、２…アルミニウム層、３…高融点金属層、
４…溝、５…アルミニウムの結晶粒界、６…結晶粒、１
５…膜厚方向、１６…導電方向、１７…配線幅方向。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 諏訪 元大 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−67837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−47951（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−38832（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁膜上に導電体を有する半導体装置にお
   いて、 前記導電体の横幅方向に当該導電体を複数に分割する区
   画壁と、 前記区画壁と前記導電体の上面に形成された金属層とを
   有し、 当該区画壁は、絶縁物により形成され、 当該金属層は、モリブデン又はタングステンの内の何れ
   か一方により形成されることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体装置であって、 前記区画壁の横断面形状は、長方形、三角形及び台形の
   内の何れか一の形状であることを特徴とする半導体装
   置。
3. 【請求項３】請求項１記載の半導体装置であって、 前記導電体は、純アルミニウム層又はアルミニウム合金
   層のいずれか一方であることを特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の半導体装置であって、 前記導電体層は、バンブー構造の結晶粒界を有すること
   を特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】請求項１記載の半導体装置であって、 前記導電体層の結晶粒径は、当該導電体層の横幅よりも
   大きいことを特徴とする半導体装置。