JP3303790B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の配線と
して用いられる、少量のシリコンまたは銅を含有するア
ルミニウム合金膜または純アルミニウム膜の製造方法に
関するものである。
して用いられる、少量のシリコンまたは銅を含有するア
ルミニウム合金膜または純アルミニウム膜の製造方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年半導体装置は、急激な集積度に伴っ
て素子の微細化が進み、その半導体装置内の配線の微細
化、薄膜化が著しい。これに伴って配線抵抗の低減やエ
レクトロマイグレーション寿命（以下ＥＭ寿命と呼ぶ）
の確保が重要な課題となってきている。
て素子の微細化が進み、その半導体装置内の配線の微細
化、薄膜化が著しい。これに伴って配線抵抗の低減やエ
レクトロマイグレーション寿命（以下ＥＭ寿命と呼ぶ）
の確保が重要な課題となってきている。
【０００３】従来から配線材料としては主にアルミニウ
ム合金が用いられており、ＥＭ寿命向上のために、現在
は１％前後の少量の銅を含有するものが一般的に多用さ
れている。さらに配線の多くは前記アルミニウム合金層
と、この上下層に高融点金属化合物からなるバリア層を
設けた積層膜構造となっている。
ム合金が用いられており、ＥＭ寿命向上のために、現在
は１％前後の少量の銅を含有するものが一般的に多用さ
れている。さらに配線の多くは前記アルミニウム合金層
と、この上下層に高融点金属化合物からなるバリア層を
設けた積層膜構造となっている。
【０００４】こうしたアルミニウム膜やその合金膜、バ
リヤ層は通常、高純度材料からなるターゲットを用いた
マグネトロン方式のスパッタリング装置で形成される。
スパッタリングガスはアルゴンである。
リヤ層は通常、高純度材料からなるターゲットを用いた
マグネトロン方式のスパッタリング装置で形成される。
スパッタリングガスはアルゴンである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記バリヤ層を設けた
ことによりＥＭ寿命は向上させられてきたが、さらに配
線の微細化、薄膜化が進むにつれ電流密度が向上し、ま
すますＥＭ寿命の向上が要求される。そのため、積層膜
構造によりＥＭ寿命を向上させるだけでは、このような
要求を満たすことが出来ないため、アルミニウム合金膜
自体のＥＭ寿命の向上が要求される。
ことによりＥＭ寿命は向上させられてきたが、さらに配
線の微細化、薄膜化が進むにつれ電流密度が向上し、ま
すますＥＭ寿命の向上が要求される。そのため、積層膜
構造によりＥＭ寿命を向上させるだけでは、このような
要求を満たすことが出来ないため、アルミニウム合金膜
自体のＥＭ寿命の向上が要求される。
【０００６】アルミニウム合金配線のＥＭ寿命は、アル
ミニウム合金膜の膜質に依存しており、アルミニウム合
金膜の膜質はその成膜条件に大きく左右されることは従
来から知られている。そのため、量産工程に於けるアル
ミニウム合金膜成膜条件（スパッタリング装置の処理チ
ャンバー圧力、成膜中のアルゴン圧力、ガス流量、成膜
レート）は詳細に管理されてきたが、それでもなお、配
線のＥＭ寿命が大きくばらつくという課題があった。
ミニウム合金膜の膜質に依存しており、アルミニウム合
金膜の膜質はその成膜条件に大きく左右されることは従
来から知られている。そのため、量産工程に於けるアル
ミニウム合金膜成膜条件（スパッタリング装置の処理チ
ャンバー圧力、成膜中のアルゴン圧力、ガス流量、成膜
レート）は詳細に管理されてきたが、それでもなお、配
線のＥＭ寿命が大きくばらつくという課題があった。
【０００７】以上のようなＥＭ寿命が変化する要因は別
にあると考えられるが、それについては明確に知られて
いない状態にあり、ばらつきを抑制する有効な方法もな
いというのが現状である。
にあると考えられるが、それについては明確に知られて
いない状態にあり、ばらつきを抑制する有効な方法もな
いというのが現状である。
【０００８】上記の問題に対し、本発明は良好なＥＭ寿
命を有する配線を実現することが出来るアルミニウムま
たはその合金膜と、ＥＭ寿命のばらつきを少なくするこ
とが出来るアルミニウムまたはその合金膜の製造方法を
提供することを目的としている。
命を有する配線を実現することが出来るアルミニウムま
たはその合金膜と、ＥＭ寿命のばらつきを少なくするこ
とが出来るアルミニウムまたはその合金膜の製造方法を
提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の半導体装置の製造方法の第１は、半導体基板
上に、スパッタリング法でアルミニウム合金からなる膜
を形成するにあたって、スパッタリング成膜中の、スパ
ッタチャンバー内のガス中に含有する窒素および酸素
の、前記ガス全体に対する分圧比が各々５１ｐｐｍ以
下、１１ｐｐｍ以下になるように制御して形成するよう
にしたものである。
に本発明の半導体装置の製造方法の第１は、半導体基板
上に、スパッタリング法でアルミニウム合金からなる膜
を形成するにあたって、スパッタリング成膜中の、スパ
ッタチャンバー内のガス中に含有する窒素および酸素
の、前記ガス全体に対する分圧比が各々５１ｐｐｍ以
下、１１ｐｐｍ以下になるように制御して形成するよう
にしたものである。
【００１０】また、本発明の半導体装置の製造方法の第
２は、アルミニウム合金からなる膜中に含有する窒素、
酸素、水素が、前記アルミニウム合金からなる膜全体に
対して各々０．００６原子％以下、０．０１原子％以
下、０．００３原子％以下になるように制御して、アル
ミニウム合金からなる膜を形成するようにしたものであ
る。
２は、アルミニウム合金からなる膜中に含有する窒素、
酸素、水素が、前記アルミニウム合金からなる膜全体に
対して各々０．００６原子％以下、０．０１原子％以
下、０．００３原子％以下になるように制御して、アル
ミニウム合金からなる膜を形成するようにしたものであ
る。
【００１１】以上のように各種不純物ガスの濃度を制御
して形成することによって、いつでもＥＭ寿命劣化のな
いアルミニウム合金配線を有する半導体装置が得られる
ことになる。
して形成することによって、いつでもＥＭ寿命劣化のな
いアルミニウム合金配線を有する半導体装置が得られる
ことになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明者らは種々の実験の結果、
アルミニウムまたはその合金膜のＥＭ寿命が、アルゴン
ガス雰囲気でのスパッタリング膜堆積中における不純物
ガスに依存していることを見出した。本発明はこの知見
に基づいて得られたものである。
アルミニウムまたはその合金膜のＥＭ寿命が、アルゴン
ガス雰囲気でのスパッタリング膜堆積中における不純物
ガスに依存していることを見出した。本発明はこの知見
に基づいて得られたものである。
【００１３】以下に、その実験の概要と結果についてま
ず説明する。図１は、スパッタリングによる膜堆積を、
様々な不純物ガスの存在下で行うためのスパッタリング
装置の概略図である。
ず説明する。図１は、スパッタリングによる膜堆積を、
様々な不純物ガスの存在下で行うためのスパッタリング
装置の概略図である。
【００１４】アルミニウム合金ターゲット１１はマグネ
トロンスパッタチャンバー１６内部の上部に取り付けら
れている。このスパッタリングターゲットは通常Ｓｉ、
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｂ等の元素が添加された高純
度アルミニウムからなり、これら元素を一種または二種
以上１０重量％以下含有するものである。マグネトロン
スパッタチャンバー１６内の不純物、不純物ガス圧を評
価するための残留ガス分析装置（以下ＲＧＡ装置）１２
は、フランジ１５を介してマグネトロンスパッタチャン
バー１６に接続され、故意にチャンバー内に不純物ガス
を導入させるための微少リークバルブ１３を備えてい
る。１４は配線用金属膜が形成される半導体基板であ
る。
トロンスパッタチャンバー１６内部の上部に取り付けら
れている。このスパッタリングターゲットは通常Ｓｉ、
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｂ等の元素が添加された高純
度アルミニウムからなり、これら元素を一種または二種
以上１０重量％以下含有するものである。マグネトロン
スパッタチャンバー１６内の不純物、不純物ガス圧を評
価するための残留ガス分析装置（以下ＲＧＡ装置）１２
は、フランジ１５を介してマグネトロンスパッタチャン
バー１６に接続され、故意にチャンバー内に不純物ガス
を導入させるための微少リークバルブ１３を備えてい
る。１４は配線用金属膜が形成される半導体基板であ
る。
【００１５】この実験に用いたターゲット１１は、Ｓｉ
を１％、Ｃｕを０．５％添加した純度９９．９９％以上
の高純度アルミニウム合金、スパッタリングガスは従来
通りアルゴンであり、スパッタリング堆積中の圧力は２
ｍＴｏｒｒである。
を１％、Ｃｕを０．５％添加した純度９９．９９％以上
の高純度アルミニウム合金、スパッタリングガスは従来
通りアルゴンであり、スパッタリング堆積中の圧力は２
ｍＴｏｒｒである。
【００１６】図１のスパッタリング装置によりシリコン
基板１４上にアルミニウム合金膜を形成し、微少リーク
バルブ１３によりさまざまな不純物をスパッタチャンバ
ー内に導入しアルミニウム合金膜を成膜した。スパッタ
リング堆積中はＲＧＡ装置１２により不純物、不純物量
をモニタリングすることにより、チャンバー内の不純物
を測定した。
基板１４上にアルミニウム合金膜を形成し、微少リーク
バルブ１３によりさまざまな不純物をスパッタチャンバ
ー内に導入しアルミニウム合金膜を成膜した。スパッタ
リング堆積中はＲＧＡ装置１２により不純物、不純物量
をモニタリングすることにより、チャンバー内の不純物
を測定した。
【００１７】ＥＭ寿命を評価するためのサンプルは、通
常のフォトリソ、ドライエッチング技術を用いて半導体
基板上に評価用配線パターン形成することによって作製
した。このサンプルによりＥＭ耐性を評価した。ＥＭ耐
性検査条件は以下の通りである。すなわち、 電流密度：２×１０6Ａ／ｃｍ2 温度 ：１５０℃ 表１は、アルミニウム合金配線のＥＭ寿命（ある一定の
個数の配線が故障するまでの時間）と、スパッタリング
成膜中のチャンバー１６内部の不純物ガス濃度との関係
およびアルミニウム合金配線中に含有する不純物ガス濃
度との関係を示す結果である。この表において、それぞ
れのサンプル制作条件のアルミニウム合金配線中に含有
する不純物ガス濃度と、スパッタリング成膜中のチャン
バー内部の不純物ガス濃度は１：１に対応するものであ
る。
常のフォトリソ、ドライエッチング技術を用いて半導体
基板上に評価用配線パターン形成することによって作製
した。このサンプルによりＥＭ耐性を評価した。ＥＭ耐
性検査条件は以下の通りである。すなわち、 電流密度：２×１０6Ａ／ｃｍ2 温度 ：１５０℃ 表１は、アルミニウム合金配線のＥＭ寿命（ある一定の
個数の配線が故障するまでの時間）と、スパッタリング
成膜中のチャンバー１６内部の不純物ガス濃度との関係
およびアルミニウム合金配線中に含有する不純物ガス濃
度との関係を示す結果である。この表において、それぞ
れのサンプル制作条件のアルミニウム合金配線中に含有
する不純物ガス濃度と、スパッタリング成膜中のチャン
バー内部の不純物ガス濃度は１：１に対応するものであ
る。
【００１８】スパッタリング成膜中のチャンバー１６内
部の不純物ガス濃度は、ＲＧＡ装置により測定したスパ
ッタ成膜中の全圧力に対する不純物ガス分圧比として定
義され、また、ＥＭ寿命の値は任意単位で示されてお
り、その値１は望ましいＥＭ寿命に対応する。そしてサ
ンプルの制作条件１は、何らの不純物ガスも導入しない
で製作したサンプルのデータである。アルミニウム合金
配線中に含有する不純物ガス濃度は、ＳＩＭＳ分析（二
次イオン質量分析）により測定したアルミニウム合金膜
中のアルミニウム原子数に対する不純物原子数の比（原
子％）として定義している。ＳＩＭＳで得られた各元素
の信号強度は、ＲＢＳ（ラザフォード バックスキャッ
タリング）を使って原子数に校正を行ってある。
部の不純物ガス濃度は、ＲＧＡ装置により測定したスパ
ッタ成膜中の全圧力に対する不純物ガス分圧比として定
義され、また、ＥＭ寿命の値は任意単位で示されてお
り、その値１は望ましいＥＭ寿命に対応する。そしてサ
ンプルの制作条件１は、何らの不純物ガスも導入しない
で製作したサンプルのデータである。アルミニウム合金
配線中に含有する不純物ガス濃度は、ＳＩＭＳ分析（二
次イオン質量分析）により測定したアルミニウム合金膜
中のアルミニウム原子数に対する不純物原子数の比（原
子％）として定義している。ＳＩＭＳで得られた各元素
の信号強度は、ＲＢＳ（ラザフォード バックスキャッ
タリング）を使って原子数に校正を行ってある。
【００１９】
【表１】
【００２０】表１条件１、２から、水を不純物ガスとし
て入れない場合のレベル６〜７ｐｐｍに保ったとき、ス
パッタリング成膜中のチャンバー内の不純物窒素が５１
ｐｐｍより大きく、かつ酸素が１１ｐｐｍより大きいと
ＥＭ寿命が劣化することが解る。また、条件５〜７に見
られるように窒素、酸素をリークのないレベルに保ち、
水の濃度を変化させると、水が６５ｐｐｍ以上存在する
とＥＭ寿命が０．９と若干劣化するが、かなり濃度を増
加させても寿命依存性は極めて小さい。このことから水
はＥＭ寿命にほとんど影響しないと考えられる。
て入れない場合のレベル６〜７ｐｐｍに保ったとき、ス
パッタリング成膜中のチャンバー内の不純物窒素が５１
ｐｐｍより大きく、かつ酸素が１１ｐｐｍより大きいと
ＥＭ寿命が劣化することが解る。また、条件５〜７に見
られるように窒素、酸素をリークのないレベルに保ち、
水の濃度を変化させると、水が６５ｐｐｍ以上存在する
とＥＭ寿命が０．９と若干劣化するが、かなり濃度を増
加させても寿命依存性は極めて小さい。このことから水
はＥＭ寿命にほとんど影響しないと考えられる。
【００２１】次にＥＭ寿命評価で用いたサンプル上のア
ルミニウム合金膜中に含有する不純物濃度とＥＭ寿命と
の相関を総合的にみると、アルミニウム合金膜中の水素
が約０．００３％以下、酸素が約０．０１％以下、窒素
が約０．００６％以下の膜中不純物濃度であれば、ＥＭ
耐性は劣化しないことが解る。
ルミニウム合金膜中に含有する不純物濃度とＥＭ寿命と
の相関を総合的にみると、アルミニウム合金膜中の水素
が約０．００３％以下、酸素が約０．０１％以下、窒素
が約０．００６％以下の膜中不純物濃度であれば、ＥＭ
耐性は劣化しないことが解る。
【００２２】ここで水素は、スパッタリング中に不純物
としての水が分解し生成され、膜中に取り込まれると考
えられるが、故意に水を高濃度に導入しても、全く導入
しないときとほとんど同じ濃度になっており、水はアル
ミニウム合金膜中水素濃度変化に寄与しない。
としての水が分解し生成され、膜中に取り込まれると考
えられるが、故意に水を高濃度に導入しても、全く導入
しないときとほとんど同じ濃度になっており、水はアル
ミニウム合金膜中水素濃度変化に寄与しない。
【００２３】一方、酸素もまた水から分解されて膜中に
取り込まれると予想される。条件５〜７のデータから分
かるように水の濃度上昇と共に膜中酸素濃度も上昇する
が１から０．９に寿命が減るだけに過ぎず、スパッタリ
ングガス中に含まれる水から生成した酸素はアルミニウ
ム合金膜のＥＭ寿命をほとんど劣化させない事が分かっ
た。
取り込まれると予想される。条件５〜７のデータから分
かるように水の濃度上昇と共に膜中酸素濃度も上昇する
が１から０．９に寿命が減るだけに過ぎず、スパッタリ
ングガス中に含まれる水から生成した酸素はアルミニウ
ム合金膜のＥＭ寿命をほとんど劣化させない事が分かっ
た。
【００２４】以上の結果から、生産工程において、アル
ミニウムの成膜工程条件が本来の正常条件が保たれてい
る場合は従来の技術であっても不純物ガス濃度は低く保
たれ問題ないのであるが、従来技術では成膜中の不純物
ガスを管理しなかったために、ＥＭ寿命のばらつき原因
の一部は、スパッタ装置の突発的な微小リークや洗浄後
の乾燥不充分な半導体基板のチャンバー内設置などによ
って引き起こされる急激な不純物ガス濃度上昇と推測さ
れる。
ミニウムの成膜工程条件が本来の正常条件が保たれてい
る場合は従来の技術であっても不純物ガス濃度は低く保
たれ問題ないのであるが、従来技術では成膜中の不純物
ガスを管理しなかったために、ＥＭ寿命のばらつき原因
の一部は、スパッタ装置の突発的な微小リークや洗浄後
の乾燥不充分な半導体基板のチャンバー内設置などによ
って引き起こされる急激な不純物ガス濃度上昇と推測さ
れる。
【００２５】以上実験結果について述べたわけである
が、ＥＭ寿命がほとんど劣化せず、寿命のばらつきを抑
制したアルミニウム合金配線を得るために、本発明では
実際の生産工程において、スパッタリング成膜中、チャ
ンバー内の窒素分圧比を約５１ｐｐｍ以下、かつ酸素分
圧比を１１ｐｐｍ以下になるよう管理、制御しつつ成膜
するのである。また、アルミニウム合金膜中の水素が約
０．００３原子％以下、酸素が約０．０１原子％以下、
窒素が約０．００６原子％以下であるように管理、制御
しつつ成膜する。こうして突発的にＥＭ寿命の小さい配
線が形成されることを防止できる。
が、ＥＭ寿命がほとんど劣化せず、寿命のばらつきを抑
制したアルミニウム合金配線を得るために、本発明では
実際の生産工程において、スパッタリング成膜中、チャ
ンバー内の窒素分圧比を約５１ｐｐｍ以下、かつ酸素分
圧比を１１ｐｐｍ以下になるよう管理、制御しつつ成膜
するのである。また、アルミニウム合金膜中の水素が約
０．００３原子％以下、酸素が約０．０１原子％以下、
窒素が約０．００６原子％以下であるように管理、制御
しつつ成膜する。こうして突発的にＥＭ寿命の小さい配
線が形成されることを防止できる。
【００２６】アルミニウム合金のスパッタ成膜中不純物
の濃度のモニタリングは、具体的には上に述べたよう
に、スパッタリング装置に取り付けたＲＧＡ装置によ
り、成膜中の全圧力に対する不純物ガス分圧比を常時監
視することで可能である。もし濃度に異常があれば、そ
れに対応する半導体基板を除外し、スパッタリング装置
を点検してＥＭ寿命に関する不良品を生産しないように
出来る。
の濃度のモニタリングは、具体的には上に述べたよう
に、スパッタリング装置に取り付けたＲＧＡ装置によ
り、成膜中の全圧力に対する不純物ガス分圧比を常時監
視することで可能である。もし濃度に異常があれば、そ
れに対応する半導体基板を除外し、スパッタリング装置
を点検してＥＭ寿命に関する不良品を生産しないように
出来る。
【００２７】
【発明の効果】以上述べたように本発明の配線の製造方
法に従えば、高いエレクトロマイグレーション耐性を有
するアルミニウム合金膜からなる配線を安定して形成で
きるため、高い信頼性を持つ半導体装置の製造を可能な
らしめるものである。
法に従えば、高いエレクトロマイグレーション耐性を有
するアルミニウム合金膜からなる配線を安定して形成で
きるため、高い信頼性を持つ半導体装置の製造を可能な
らしめるものである。
【図１】スパッタ装置の概略図
１１ アルミニウム合金ターゲット １２ ＲＧＡ装置 １３ 微少リークバルブ １４ シリコン基板 １５ フランジ １６ マグネトロンスパッタチャンバー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｓ (56)参考文献 特開2000−63971（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−186084（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−37185（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−287518（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−14227（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−124562（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−193441（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/285 H01L 21/285 301 C23C 14/34 C23C 14/54 H01L 21/203
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体基板上に、スパッタリング法でア
ルミニウム合金からなる膜を形成する半導体装置の製造
方法であって、スパッタリング成膜中のガス中に含有す
る窒素および酸素の、前記ガス全体に対する分圧比が各
々５１ｐｐｍ以下、１１ｐｐｍ以下になるように制御し
て、前記アルミニウム合金からなる膜を形成することを
特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項２】 半導体基板上に、アルミニウム合金から
なる膜を形成する半導体装置の製造方法であって、前記
膜中に含有する窒素、酸素、水素が、前記アルミニウム
合金からなる膜全体に対して各々０．００６原子％以
下、０．０１原子％以下、０．００３原子％以下になる
ように制御して形成することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24805398A JP3303790B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24805398A JP3303790B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000077359A JP2000077359A (ja) | 2000-03-14 |
| JP3303790B2 true JP3303790B2 (ja) | 2002-07-22 |
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ID=17172509
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| JP (1) | JP3303790B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP5343979B2 (ja) | 2009-01-16 | 2013-11-13 | トヨタ自動車株式会社 | 半導体装置、半導体装置の製造方法、半導体装置の製造装置、および半導体装置の評価方法 |
-
1998
- 1998-09-02 JP JP24805398A patent/JP3303790B2/ja not_active Expired - Fee Related
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