JP3352779B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP3352779B2
JP3352779B2 JP20894893A JP20894893A JP3352779B2 JP 3352779 B2 JP3352779 B2 JP 3352779B2 JP 20894893 A JP20894893 A JP 20894893A JP 20894893 A JP20894893 A JP 20894893A JP 3352779 B2 JP3352779 B2 JP 3352779B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路装置とそ
の製造方法に関し、特に半導体集積回路装置で使用され
る金属配線とその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a metal wiring used in a semiconductor integrated circuit device and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置の高集積化にともない、金属
配線幅も1μm前後というように細くなっている。配線
としてはアルミニウムやアルミニウム合金(これらを総
称してアルミニウム系ということがある)が用いられて
いる。配線幅が1μm前後と狭くなると、配線が粒界を
横切るバンブー構造となる。配線がバンブー構造となる
と、エレクトロマイグレーションによる配線切断の発生
は減少するが、新たに応力に起因すると考えられる切断
(ストレスマイグレーションによる切断)が発生する
(日本金属学会会報,Vol.28, No.1(1989), P40を参
照)。ストレスマイグレーションの対策法の1つとして
配線材料のアルミニウムにCuやPdなどの元素を合金
化する方法が提案されている(J. Vac. Sci. Technol.,
BZ(6)(Nov.-Dec. 1990) P.1232を参照)。
2. Description of the Related Art As semiconductor devices have become more highly integrated, the width of metal wiring has been reduced to about 1 μm. As the wiring, aluminum or an aluminum alloy (these are sometimes collectively referred to as an aluminum-based material) are used. When the wiring width is reduced to about 1 μm, the wiring has a bamboo structure crossing the grain boundaries. When the wiring has a bamboo structure, the occurrence of wiring breakage due to electromigration decreases, but a new breakage due to stress (cutting due to stress migration) occurs (Journal of the Japan Institute of Metals, Vol.28, No.1) (1989), p. 40). As one of the measures against stress migration, a method of alloying elements such as Cu and Pd with aluminum of wiring material has been proposed (J. Vac. Sci. Technol.,
BZ (6) (Nov.-Dec. 1990) P.1232).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】半導体装置の信頼性、
寿命の向上のために金属配線の断線の防止が大きな課題
となっている。金属配線のうち最も一般的なアルミニウ
ム系配線の断線故障は主として(1)配線の微細化によ
り配線の電流密度が増大し、これにより配線中の原子拡
散が促進され、配線中にボイドが発生して断線するエレ
クトロマイグレーション(以下EMと記す)による断
線、と(2)配線がプロセスを経ることにより膜中に応
力が発生し、この応力を緩和するためにボイドが発生し
断線するストレスマイグレーション(以下SMと記す)
による断線、である。
SUMMARY OF THE INVENTION Reliability of a semiconductor device,
Prevention of disconnection of metal wiring has been a major issue for improving the life. The most common disconnection failure of aluminum wiring among metal wirings is mainly (1) the current density of the wiring increases due to the miniaturization of the wiring, which promotes the diffusion of atoms in the wiring and generates voids in the wiring. And (2) stress is generated in the film due to the process of wiring, and voids are generated in order to relieve the stress. SM)
Disconnection due to

【0004】この2つの現象については詳しく検討され
ており、いくつかの対策が提案されている。例えば、配
線を構成する材料の粒径を増大させ配線幅より大きくす
る、いわゆるバンブー構造はEM耐性の向上に効果があ
るが、逆にSM耐性は劣化するといわれている。SM断
線に関しては配線中に存在する結晶粒界と、配線材料の
(111)面が関るといわれている。今日の配線形成プ
ロセスにおいては種々の方法により配線材料の配向面を
制御することは行なわれているが、膜内の結晶軸の方向
を制御するまでには至っていない。
[0004] These two phenomena have been studied in detail, and some countermeasures have been proposed. For example, it is said that a so-called bamboo structure, in which the grain size of the material constituting the wiring is increased to be larger than the wiring width, is effective in improving the EM resistance, but conversely, the SM resistance is degraded. It is said that the SM disconnection is related to the crystal grain boundary existing in the wiring and the (111) plane of the wiring material. In today's wiring forming process, the orientation plane of the wiring material is controlled by various methods, but it is not enough to control the direction of the crystal axis in the film.

【0005】半導体装置がますます高密度化され、製造
プロセスが複雑化されるにともない、今後はSMによる
断線が大きな問題になると考えられる。本発明の第1の
目的は金属配線においてEM耐性及びSM耐性を向上さ
せた配線をもつ半導体装置を提供することである。本発
明の他の目的はそのような金属配線を形成する方法を提
供することである。
[0005] As the density of semiconductor devices becomes higher and the manufacturing process becomes more complicated, disconnection due to SM will be a major problem in the future. A first object of the present invention is to provide a semiconductor device having a wiring with improved EM resistance and SM resistance in metal wiring. Another object of the present invention is to provide a method for forming such a metal wiring.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は基
板上に金属配線を有し、その金属配線の最下層はTiN
薄膜であり、そのTiN薄膜の上面が{111}面配向
を有し、かつそのTiN薄膜の<112>軸が配線の主
たる長手方向に向けられ、おおよそ揃っており、{11
1}面を表わす結晶軸と直交している。好ましい態様で
は、金属配線がTiN薄膜上にアルミニウム系薄膜を積
層した二層金属配線であり、そのアルミニウム系薄膜の
上表面の配向面及び配線の主たる長手方向を示す結晶軸
が下地TiN薄膜と同じになっている。
The semiconductor device of the present invention has a metal wiring on a substrate, and the lowermost layer of the metal wiring is TiN.
The upper surface of the TiN thin film has a {111} plane orientation, and the <112> axis of the TiN thin film is oriented in the main longitudinal direction of the wiring, and is roughly aligned.
It is perpendicular to the crystal axis representing the 1 ° plane. In a preferred embodiment, the metal wiring is a two-layer metal wiring in which an aluminum-based thin film is laminated on a TiN thin film, and the orientation axis of the upper surface of the aluminum-based thin film and the crystal axis indicating the main longitudinal direction of the wiring are the same as those of the underlying TiN thin film. It has become.

【0007】本発明の製造方法では、TiN薄膜上に他
の金属配線を積層した配線用積層膜を形成するに当り、
Ti粒子を基板に対して垂直方向から飛来させて成膜す
るとともに、その成膜中に複数の方向から窒素イオンビ
ームを基板面に照射し、かつその窒素イオンビームの方
向を互いにほぼ120°の角度とし、それぞれの窒素イ
オンビームの方向を基板の法線方向に対してほぼ54.
7°をなすように設定し、基板の面内での方向をその基
板上に形成する配線の主たる長手方向が窒素イオンビー
ム間のなすほぼ120°の角の二等分線の方向のいず
れかになるように向けて配置してTiN薄膜を成膜する
工程を含んでいる。
In the manufacturing method of the present invention, when forming a wiring laminated film in which another metal wiring is laminated on a TiN thin film,
The film is formed by causing the Ti particles to fly from the direction perpendicular to the substrate, irradiating the substrate surface with a nitrogen ion beam from a plurality of directions during the film formation, and setting the directions of the nitrogen ion beams to approximately 120 ° from each other. And the direction of each nitrogen ion beam is approximately 54.degree. To the normal direction of the substrate.
7 °, and the in-plane direction of the substrate is one of three directions of a bisector having an angle of approximately 120 ° between the nitrogen ion beams and the main longitudinal direction of the wiring formed on the substrate. Without
And a step of forming a TiN thin film by arranging them so as to form a thin film.

【0008】図1により本発明の配線を説明する。
(A)は基板上に形成された下層のTiN薄膜金属配線
(以下、TiN配線と記す)である。図中のx方向は配
線の幅方向、y方向は配線の長手方向、z方向は配線の
膜厚方向を示している。半導体装置では配線の長手方向
は一方向とは限らないが、一般には第1の方向とそれに
直交する第2の方向が中心であり、どちらか一方に偏っ
ている場合が多い。本発明で主たる長手方向は、半導体
装置全体として配線の長手方向yが占めている平均的な
方向を称している。
The wiring of the present invention will be described with reference to FIG.
(A) is a lower layer TiN thin film metal wiring (hereinafter referred to as TiN wiring) formed on a substrate. In the drawing, the x direction indicates the width direction of the wiring, the y direction indicates the longitudinal direction of the wiring, and the z direction indicates the film thickness direction of the wiring. In the semiconductor device, the longitudinal direction of the wiring is not limited to one direction, but in general, the first direction and the second direction orthogonal to the first direction are centered and are often deviated to either one direction. The main longitudinal direction in the present invention refers to an average direction occupied by the longitudinal direction y of the wiring as the whole semiconductor device.

【0009】TiN配線は図中では2個の結晶粒10
1,102からなっており、その粒界103は配線の幅
方向を横切って存在する、いわゆるバンブー構造になっ
ている。結晶粒101,102はそれぞれ(111)面
が基板表面と平行な上表面に現れる{111}面配向を
示している。さらに、この結晶粒101,102はその
結晶構造を表わす結晶軸のうち<112>軸を配線の長
手方向におおよそ向けている。ここで、{111}面及
び<112>軸という表現は、結晶構造中の等価な面及
び軸をまとめて表現するものである。したがって、図1
(A)に示す如く、TiN結晶粒の上表面の面を(11
1)面と表わすならば、この方向の結晶軸は〔111〕
軸であり、TiN配線の長手方向の結晶軸は〔112〕
軸(又は〔112〕軸)(数字の下のアンダーラインは
図1に示されるように数字の上に付くべきものである
が、記載できないのでアンダーラインとした)である。
The TiN wiring has two crystal grains 10 in the figure.
The grain boundary 103 has a so-called bamboo structure that exists across the width direction of the wiring. Each of the crystal grains 101 and 102 has a {111} plane orientation in which the (111) plane appears on the upper surface parallel to the substrate surface. Further, the crystal grains 101 and 102 have the <112> axis of the crystal axes representing the crystal structure roughly oriented in the longitudinal direction of the wiring. Here, the expressions {111} plane and <112> axis collectively represent equivalent planes and axes in the crystal structure. Therefore, FIG.
As shown in (A), the upper surface of the TiN crystal grain is changed to (11).
If expressed as 1) plane, the crystal axis in this direction is [111]
Axis, and the crystal axis in the longitudinal direction of the TiN wiring is [112]
Axis (or [112] axis) (the underline below the number should be placed above the number as shown in FIG. 1, but cannot be described, so it is underlined).

【0010】次に、実際の配線は下層TiN配線上にA
l合金配線を積層した構造であり、図1(B)に示され
るAl合金/TiN二層金属配線である。これは、
(A)のTiN配線上に、Al合金配線が下地TiN配
線の結晶構造を受け継いで形成された構造である。すな
わち、Al合金配線(以下、Al配線と記す)を構成す
る結晶粒104,105はそれぞれ(111)面配向
(〔111〕軸が基板法線方向を向いている)で、配線
の長手方向に〈112〉軸をおおよそ向けている。ま
た、結晶粒104と105との粒界106は、下地Ti
N配線中の結晶粒103と同様に配線の幅方向を横切っ
て存在していて、バンブー構造を形成している。
Next, the actual wiring is formed on the lower TiN wiring by A
This is a structure in which 1 alloy wiring is laminated, and is an Al alloy / TiN double layer metal wiring shown in FIG. this is,
This is a structure in which an Al alloy wiring is formed on the TiN wiring of (A) by inheriting the crystal structure of the underlying TiN wiring. That is, the crystal grains 104 and 105 constituting the Al alloy wiring (hereinafter referred to as Al wiring) are each oriented in the (111) plane (the [111] axis is oriented in the normal direction of the substrate), and are oriented in the longitudinal direction of the wiring. The <112> axis is roughly oriented. The grain boundary 106 between the crystal grains 104 and 105 is
Like the crystal grains 103 in the N wiring, they exist across the width direction of the wiring to form a bamboo structure.

【0011】このような構造のAl合金/TiN二層金
属配線がEM耐性及びSM耐性を向上させる理由につい
て説明する。まず、EM耐性を向上させる理由を説明す
る。通常のLSI形成プロセスにおいて用いられるAl
合金/TiN二層金属配線は、その膜厚がAl合金薄膜
が1μm程度に対し、TiN薄膜は数100Å程度であ
り、Al合金薄膜の方が遥かに厚い。また、それぞれの
材料の抵抗率はAl合金は約2μΩ・cmであるのに対
し、TiNが約100μΩ・cmであり、Al合金の抵
抗率の方が十分に小さい。このように、Al合金/Ti
N二層金属配線の電気的特性はAl合金部で決まり、T
iN薄膜は基板シリコンとのコンタクト部におけるAl
原子の拡散防止を目的とするバリアメタルとして用いら
れているものである。そのため、配線断線防止もAl合
金に関して検討することが重要である。
The reason why the Al alloy / TiN double-layer metal wiring having such a structure improves the EM resistance and the SM resistance will be described. First, the reason for improving the EM resistance will be described. Al used in normal LSI formation process
The alloy / TiN two-layer metal wiring has a thickness of about 1 μm for an Al alloy thin film and about several hundred degrees for a TiN thin film, and the Al alloy thin film is much thicker. The resistivity of each material is about 2 μΩ · cm for the Al alloy, and about 100 μΩ · cm for TiN, and the resistivity of the Al alloy is sufficiently smaller. Thus, Al alloy / Ti
The electrical characteristics of the N double-layer metal wiring are determined by the Al alloy part.
The iN thin film is made of Al at the contact portion with the substrate silicon
It is used as a barrier metal for preventing diffusion of atoms. For this reason, it is important to study the prevention of wiring disconnection for the Al alloy.

【0012】Al配線のEM特性に関して表面の(11
1)面配向がEM耐性の向上に効果のあることが知られ
ている(and A. K. Sinha : Effect of Texture and Gr
ainStructure on Electromigration in Al - 0.5 % Cu
Thin Film, Thin Solid Film, 75, 253-259, 1981 参
照)。また、1個の結晶粒が配線幅の全域を占有する、
いわゆるバンブー構造がEM耐性を向上させることも報
告されている(S. Vaidya, T. T. Shong and A. K. Sin
ha : Line - Width Dependence of Electromigration i
n Evaporated Al - 0.5 % Cu, Appl. Phys. Lett., 36,
464, 1980参照)。しかし、これらの報告には個々の結
晶粒の面内の結晶軸の方向についての記載はない。
Regarding the EM characteristics of the Al wiring, (11)
1) It is known that plane orientation is effective in improving EM resistance (and AK Sinha: Effect of Texture and Gr)
ainStructure on Electromigration in Al-0.5% Cu
See Thin Film, Thin Solid Film, 75, 253-259, 1981). Also, one crystal grain occupies the whole area of the wiring width,
It has also been reported that the so-called bamboo structure improves EM resistance (S. Vaidya, TT Shong and AK Sin
ha: Line-Width Dependence of Electromigration i
n Evaporated Al-0.5% Cu, Appl. Phys. Lett., 36,
464, 1980). However, these reports do not describe the direction of the crystal axis in the plane of each crystal grain.

【0013】本発明は結晶軸の方向に注目してさらに高
いEM耐性を得るようにしたものである。すなわち、A
l配線を構成する(111)面配向の結晶粒で隣り合う
2つの結晶粒の配線の長手方向の結晶軸がおおよそ同一
の方向に制御されて形成されており、かつその結晶軸方
向が〈112〉方向であればより高いEM耐性が得られ
る。この理由を示すために、図2にAl配線部の粒界部
分を示した。隣り合う結晶粒201,202はその配線
長手方向への結晶軸〔112〕を互いに角度θだけずら
して形成されている。このような場合の結晶粒界の構造
について考えると、バンブー構造を形成する如くアニー
ルなどにより十分に大きく粒界が成長する場合には、そ
の結晶外形を表面エネルギーの最も小さい結晶面で構成
するように結晶成長する。よって、本発明の如く隣り合
った結晶粒でかつその面内の結晶軸方向がおおよそ同一
の場合、その結晶粒界は表面エネルギーの最も小さい面
{111}面で形成されることになる。
In the present invention, attention is paid to the direction of the crystal axis to obtain higher EM resistance. That is, A
The two crystal grains adjacent to each other with the (111) -oriented crystal grains constituting the l-wiring are formed such that the crystal axes in the longitudinal direction of the wiring of the two adjacent crystal grains are controlled in substantially the same direction, and the crystal axis direction is <112. > Direction, higher EM resistance can be obtained. In order to show the reason, FIG. 2 shows a grain boundary portion of the Al wiring portion. The adjacent crystal grains 201 and 202 are formed such that their crystal axes [112] in the longitudinal direction of the wiring are shifted from each other by an angle θ. Considering the structure of the crystal grain boundary in such a case, when the grain boundary grows sufficiently by annealing or the like so as to form a bamboo structure, the crystal outline should be constituted by a crystal plane having the smallest surface energy. The crystal grows. Therefore, when adjacent crystal grains have substantially the same crystal axis direction in the plane as in the present invention, the crystal grain boundary is formed on the {111} plane having the smallest surface energy.

【0014】図3には立方晶の(111)面のステレオ
投影図を示すが、このステレオ投影図から{111}面
は〈112〉軸方向で関係づけられるので、図2の如く
Al配線の長手方向が[11]軸方向であるので、結
晶粒界を表わす面203は(11)面を中心に構成さ
れることになる。しかも、図3のステレオ投影図より分
かるように(11)面は[11]軸と直交している
ので、結晶粒界面203も配線の長方向に直交するよう
な形で存在している。Al配線における電流の方向は長
手方向であるので、結晶粒界203は電流方向に対して
直交して存在する。このような関係の場合にEMによる
切断を引き起こす原子の粒界拡散が最も発生しにくく、
したがって高いEM耐性が実現される。{111}面と
直交する結晶軸は図3のステレオ投影図からも明らかな
ように<112>軸のみである。これが本発明の配線の
長手方向の結晶軸が<112>軸であるような配線が高
いEM耐性を示す理由である。
FIG. 3 shows a stereo projection of the (111) plane of the cubic crystal. From this stereo projection, the {111} plane is related in the <112> axis direction. Since the longitudinal direction is the [11 2 ] axis direction, the plane 203 representing the crystal grain boundary is configured around the (11 1 ) plane. In addition, as can be seen from the stereoscopic projection of FIG. 3, the (11 1 ) plane is orthogonal to the [11 2 ] axis, so that the crystal grain interface 203 also exists so as to be orthogonal to the long direction of the wiring. . Since the direction of the current in the Al wiring is the longitudinal direction, the crystal grain boundary 203 exists perpendicular to the current direction. In the case of such a relationship, the grain boundary diffusion of the atoms causing the cutting by EM is most unlikely to occur,
Therefore, high EM resistance is realized. The crystal axis orthogonal to the {111} plane is only the <112> axis, as is clear from the stereo projection of FIG. This is the reason why the wiring of the present invention in which the crystal axis in the longitudinal direction is the <112> axis exhibits high EM resistance.

【0015】次に、本発明の配線構造がSM耐性も向上
させる理由について説明する。Al配線のSM耐性に関
しては配線の結晶粒界におけるボイドの発生とその成長
について表面エネルギーの観点から検討がなされている
(例えば、日経マイクロデバイス、1990年5月号9
3〜104頁参照)。Al配線幅にボイドを発生させる
原因、言い換えるとAl原子の拡散を引き起こす力とし
ては、Al配線に外部より作用する応力とともに、Al
配線を形成するAl結晶粒の粒界エネルギーがある。こ
れらのうち、Al結晶粒の粒界エネルギーを小さくする
ことができれば、粒界におけるボイドの発生は減少す
る。本発明では、図2に示す如く、配線を構成する隣り
合ったAlの結晶粒がその〔11〕軸をおおよそ配線
の長手方向に揃えているので、これらの粒界における粒
界エネルギーは小さい。よって粒界においてボイドが発
生しにくい構造になっている。
Next, the reason why the wiring structure of the present invention improves the SM resistance will be described. Regarding the SM resistance of the Al wiring, the generation and growth of voids at the crystal grain boundaries of the wiring have been studied from the viewpoint of surface energy (for example, Nikkei Micro Devices, May 1990, 9th issue).
See pages 3-104). The cause of void generation in the Al wiring width, in other words, the force that causes the diffusion of Al atoms, includes the stress acting on the Al wiring from the outside and the Al
There is the grain boundary energy of the Al crystal grains forming the wiring. Among these, if the grain boundary energy of Al crystal grains can be reduced, the generation of voids at the grain boundaries is reduced. In the present invention, as shown in FIG. 2, since the adjacent Al crystal grains constituting the wiring have their [11 2 ] axes aligned substantially in the longitudinal direction of the wiring, the grain boundary energy at these grain boundaries is small. . Therefore, the structure is such that voids are hardly generated at the grain boundaries.

【0016】本発明のような隣り合った結晶粒の結晶軸
がおおよそ揃っている場合に、粒界に発生する粒界エネ
ルギーは以下のように算出することができる。図4に示
すように、結晶粒(1),(2)が境界を介して小さな
角度θだけ傾いているとき、粒界エネルギーγは γ=(Gb/4π(1−ν))θ(−logθ+logα) (1) で表わされる。ここで、Gは弾性率、νはポアソン比、
bはバーガスベクトルの大きさ、αは定数(1に近い
値)である。粒界エネルギーγはθ=0のときに0であ
り、θが増すにつれて増加し、最大値γmを示し、その
後減少する。γmを示すときのθの値θmは材料の結晶
形でほぼ決まり、Alのような面心立方晶の材料の場
合、おおよそθm=25°である。また、γmはAlの
場合 G=2.8×1011dyn/cm2 ν=0.3 b=4.049Å α=1 として計算すると、おおよそγm=480erg/cm
3の値を得る。上記(1)式はγm、θmを用いると、 γ/γm=(θ/θm)(1−log(θ/θm)) (2) と書き換えられ、そのθ/θmに対するγ/γmの変化
の様子は図5に示した通りである。
In the case where the crystal axes of adjacent crystal grains are substantially aligned as in the present invention, the energy of the grain boundary generated at the grain boundary can be calculated as follows. As shown in FIG. 4, when the crystal grains (1) and (2) are inclined by a small angle θ through the boundary, the grain boundary energy γ becomes γ = (Gb / 4π (1-ν)) θ (− logθ + logα) (1) Where G is the elastic modulus, ν is the Poisson's ratio,
b is the magnitude of the Burgess vector, and α is a constant (a value close to 1). The grain boundary energy γ is 0 when θ = 0, increases as θ increases, reaches a maximum value γm, and then decreases. The value of θm when indicating γm is substantially determined by the crystal form of the material, and in the case of a face-centered cubic material such as Al, θm is approximately 25 °. When γm is Al, G = 2.8 × 10 11 dyn / cm 2 ν = 0.3 b = 4.049Å When α = 1, approximately γm = 480 erg / cm
Get a value of 3 . When γm and θm are used in the above equation (1), γ / γm = (θ / θm) (1−log (θ / θm)) (2), and the change of γ / γm with respect to θ / θm The situation is as shown in FIG.

【0017】実際に配線を形成する場合には、粒界エネ
ルギーが0かできるだけ小さい方がよく、粒界でエネル
ギーが存在してもその大きさは最大値の50%以下にな
ることが望ましいので、θ/θmは0.2より小さい値
が必要である。よって、本発明の場合、Alのθmが2
5°であることから、(2)式あるいは図5によりθの
範囲は5°より小さい値である。すなわち、本発明にお
いて、おおよそ結晶軸が揃っているというのは、その結
晶軸のずれが5°より小さい場合を指している。以上に
より、本発明がSM耐性をもつ理由と、そのような効果
が得られるθの範囲を示した。
In the case of actually forming a wiring, it is preferable that the grain boundary energy is 0 or as small as possible. Even if energy exists at the grain boundary, it is desirable that the magnitude is 50% or less of the maximum value. , Θ / θm must be smaller than 0.2. Therefore, in the case of the present invention, the θm of Al is 2
Since it is 5 °, the range of θ is smaller than 5 ° according to the equation (2) or FIG. That is, in the present invention, the fact that the crystal axes are substantially aligned means that the deviation of the crystal axes is smaller than 5 °. As described above, the reason why the present invention has SM resistance and the range of θ at which such an effect is obtained are shown.

【0018】本発明におけるTiN層、Al合金/Ti
N2層金属配線は、配線として用いる場合のその結晶軸
のみを規定するものであり、配線幅、膜厚、配線を形成
する場合の下地又は保護膜を含む層構成とその材料、ま
た配線材料の合金化の度合い、不純物、抵抗率など、種
々の定数を規定するものではない。現在用いられている
Al系の配線の材料及び設計値などを使用することがで
きる。また、本発明の実施例を後で述べるが、その中で
示される製造方法のみが本発明を規定するものでないこ
とはいうまでもない。TiN薄膜及びAl薄膜の種々の
製法が本発明の配線を形成するために使用できる。
In the present invention, a TiN layer, an Al alloy / Ti
The N2 layer metal wiring defines only the crystal axis when used as a wiring, and has a wiring width, a film thickness, a layer configuration including a base or a protective film when forming the wiring, its material, and the wiring material. It does not specify various constants such as the degree of alloying, impurities, and resistivity. Materials and design values of Al-based wirings currently used can be used. Examples of the present invention will be described later, but it goes without saying that only the manufacturing method shown therein does not define the present invention. Various methods of producing TiN and Al films can be used to form the interconnects of the present invention.

【0019】このような面内の結晶軸の方向も制御され
たAl配線は、Al合金/TiN2層金属配線において
下地となるTiN薄膜の面内の結晶軸を制御して形成す
ることにより形成される。Al合金/TiN2層構造で
は上部Al合金薄膜が下部TiN薄膜の結晶性を受け継
いで形成されやすい性質をもっている(例えば、90年
春季応物予稿集28P−ZA−13参照)。TiN薄膜
の結晶成長方向の制御は以下のようにしてなされる。T
iN薄膜を形成するときに、形成中の膜にイオンビーム
を照射するとTiN薄膜の配向性が変化することが知ら
れている。具体的には、TiNの形成において、Ti原
子の供給を電子ビームによるTiの真空蒸着とし、N原
子の供給をイオンビームとして、基板上にTiN薄膜を
形成した場合、TiN薄膜はNイオンビームの入射する
方向に(100)面が向くように成長する(Nuclear In
struments and Methods in Physics Research, B39(198
9)P. 158-161 参照)。
The Al wiring in which the direction of the in-plane crystal axis is also controlled is formed by controlling the in-plane crystal axis of the underlying TiN thin film in the Al alloy / TiN two-layer metal wiring. You. In the Al alloy / TiN two-layer structure, the upper Al alloy thin film has a property of being easily formed by inheriting the crystallinity of the lower TiN thin film (see, for example, Spring 1990 1990 Preliminary Collection 28P-ZA-13). The control of the crystal growth direction of the TiN thin film is performed as follows. T
It is known that when an iN thin film is formed, the orientation of the TiN thin film changes when the film being formed is irradiated with an ion beam. Specifically, in the formation of TiN, when the supply of Ti atoms is performed by vacuum deposition of Ti using an electron beam and the supply of N atoms is used as an ion beam to form a TiN thin film on a substrate, the TiN thin film is formed by an N ion beam. Growing so that the (100) plane faces in the direction of incidence (Nuclear In
instruments and Methods in Physics Research, B39 (198
9) See pages 158-161).

【0020】本発明はこの結果を基にして、さらに面内
の結晶軸の方向をも制御するように手法を発展させた。
再び、図3のステレオ投影図により説明すると、本発明
のTiN薄膜は表面に{111}面が現れ、配線の長手
方向に<112>軸を向けているものであるが、より具
体的に表面を(111)面、長手方向を〔11〕軸と
する。このときの表面(111)面と{100}との関
係をステレオ投影図でみると、{100}面には(10
0),(010),(001)の3つの面があり、これ
らは(111)面を表わす結晶軸に対して互いに120
°の角度をなした位置にある。また、(001)面と
(010)面は〔11〕軸に対して対称の位置にあ
り、その角度は60°である。(111)面と(10
0),(010),(001)の3つの面のなす角は5
4.7°であることがステレオ投影図、あるいは立方晶
系における2つの面のなす角を表わす式
Based on this result, the present invention has developed a technique for further controlling the direction of the in-plane crystal axis.
Referring again to the stereo projection of FIG. 3, the TiN thin film of the present invention has a {111} plane on the surface and the <112> axis oriented in the longitudinal direction of the wiring. the (111) plane, a longitudinal and [2 11] axis. When the relationship between the surface (111) plane and {100} at this time is viewed in a stereo projection, (100) plane has (10
0), (010), and (001), which are 120 ° from each other with respect to the crystal axis representing the (111) plane.
At an angle of °. Further, (001) is plane and (010) plane in a position symmetrical with respect to [211] axis, the angle is 60 °. (111) face and (10
0), (010), and (001) form an angle of 5
The expression of 4.7 ° is a stereo projection or an expression representing the angle between two planes in a cubic system.

【数1】 より分かる。(Equation 1) I understand more.

【0021】これまで記述したように、TiNを表わす
立方晶(正確には面心立方晶)の結晶形には{111}
面、{100}面及び<112>軸の間に厳密な角度関
係が存在する。すなわち、この角度関係を守るように窒
素イオンを照射しながら基板上にTiN薄膜を形成する
と{111}面配向で配線の長手方向が<112>軸で
あるTiN薄膜が形成できる。
As described above, the cubic crystal (precisely, face-centered cubic) representing TiN has a crystal form of {111}.
There is a strict angular relationship between the plane, the {100} plane, and the <112> axis. That is, when a TiN thin film is formed on a substrate while irradiating nitrogen ions so as to maintain this angular relationship, a TiN thin film having a {111} plane orientation and the longitudinal direction of the wiring being the <112> axis can be formed.

【0022】図6にそのようなTiN薄膜形成の概念図
を示した。図中601,602,603は窒素イオンビ
ームを表わしている。また604はTiN薄膜を形成す
る基板又は基板を含んだTiN薄膜を示し、605はチ
タン原子の供給源、606は供給されたチタン原子を示
している。図中においてθ1〜θ4は3つの窒素イオンビ
ーム601,602,603の互いになす角を表わし、
δ1〜δ3は3つの窒素イオンビーム601,602,6
03が基板604の法線方向となす角を表わしている。
上述のように θ1=θ2=60° θ3=θ4(=2θ1)=120° δ1=δ2=δ3=54.7° に設定すると、形成されるTiN薄膜は表面に{11
1}面が現れて図中に矢印で示した方向が〔112〕軸
であるようなTiN薄膜が形成される。
FIG. 6 shows a conceptual diagram of the formation of such a TiN thin film. In the figure, reference numerals 601, 602 and 603 represent nitrogen ion beams. Reference numeral 604 denotes a substrate on which the TiN thin film is formed or a TiN thin film including the substrate, 605 denotes a source of titanium atoms, and 606 denotes the supplied titanium atoms. In the figure, θ 1 to θ 4 represent angles formed by the three nitrogen ion beams 601, 602, and 603,
δ 1 to δ 3 are three nitrogen ion beams 601, 602, 6
03 represents an angle formed with the normal direction of the substrate 604.
As described above, when setting θ 1 = θ 2 = 60 ° θ 3 = θ 4 (= 2θ 1 ) = 120 ° δ 1 = δ 2 = δ 3 = 54.7 °, the TiN thin film formed will $ 11
A 1} plane appears, and a TiN thin film is formed such that the direction indicated by the arrow in the drawing is the [112] axis.

【0023】[0023]

【実施例】製造方法の一実施例を説明する。基板として
(100)面のSiウエハ上にBPSG膜を1.0μm
の厚さに形成したものを用いた。配向性を制御したTi
N薄膜は窒素のイオンビームを生成する3個のバケット
型イオン源と、チタンの電子ビーム蒸発源を備えた真空
成膜装置にて行なった。3個のイオン源から発する窒素
のイオンビームはすでに述べた角度条件を満たすように
配置した。すなわち、3つの窒素イオンビーム601,
602,603は互いに120°をなしており、またそ
れぞれのイオンビームが基板の法線方向に54.7°を
なして基板604に入射するように配置されている。さ
らに、基板604は基板ホルダ上で、形成される配線の
主たる長手方向が窒素イオンビーム601と602のな
す角の二等分線と一致するように配置した。各々の窒素
イオンビームのエネルギーは1000eVである。チタ
ン蒸気は純度3NのTiを電子ビーム蒸発源で蒸発させ
ることにより発生させた。電子ビーム蒸発源からの蒸着
速度と3個の窒素イオン源のイオン電流を調整して基板
への輸送比Ti/Nはほぼ1とした。膜形成は背圧を5
×10-7Torr以下の高真空に真空排気して行ない、膜形
成時の圧力は3×10-5Torrとした。基板加熱は行なわ
なかった。
An embodiment of the manufacturing method will be described. As a substrate, a BPSG film is 1.0 μm on a (100) plane Si wafer.
Formed to a thickness of. Ti with controlled orientation
The N thin film was formed by a vacuum film forming apparatus equipped with three bucket type ion sources for generating an ion beam of nitrogen and an electron beam evaporation source of titanium. The nitrogen ion beams emitted from the three ion sources were arranged so as to satisfy the angle conditions described above. That is, three nitrogen ion beams 601,
Reference numerals 602 and 603 form an angle of 120 ° with each other, and the respective ion beams are arranged so as to enter the substrate 604 at an angle of 54.7 ° in the normal direction of the substrate. Further, the substrate 604 was arranged on the substrate holder such that the main longitudinal direction of the formed wiring coincided with the bisector of the angle formed by the nitrogen ion beams 601 and 602. The energy of each nitrogen ion beam is 1000 eV. Titanium vapor was generated by evaporating 3N pure Ti using an electron beam evaporation source. By adjusting the deposition rate from the electron beam evaporation source and the ion currents of the three nitrogen ion sources, the transport ratio Ti / N to the substrate was set to approximately 1. Membrane formation with back pressure of 5
The film was evacuated to a high vacuum of × 10 −7 Torr or less, and the pressure during film formation was set to 3 × 10 −5 Torr. No substrate heating was performed.

【0024】形成した薄膜は膜厚がおおよそ1000Å
であり、X線回折により表面が{111}面配向をした
TiN膜であった。さらに、RHEED(高速電子線回
折法)によりこのTiN薄膜の面内の結晶の様子を調べ
たところ、スポット状のRHEEDパターンが得られ、
広い範囲で面内の結晶軸が揃ったTiN薄膜になってい
ることが分かった。さらに、このRHEEDパターンか
ら基板面内で<112>軸の方向を調べたところ、上記
の窒素イオンビーム601と602のなす角の二等分線
と一致していることが分かった。このようにして本発明
のTiN薄膜が形成された。
The formed thin film has a thickness of about 1000Å
And a TiN film whose surface had a {111} plane orientation by X-ray diffraction. Further, when the state of the crystal in the plane of the TiN thin film was examined by RHEED (high-speed electron diffraction method), a spot-like RHEED pattern was obtained.
It was found that the TiN thin film had uniform in-plane crystal axes over a wide range. Further, when the direction of the <112> axis was examined in the substrate plane from the RHEED pattern, it was found that the angle coincided with the bisector of the angle formed by the nitrogen ion beams 601 and 602. Thus, the TiN thin film of the present invention was formed.

【0025】さらに、このTiN薄膜上にMOCVD法
によりAlの金属薄膜を形成した。すなわち、Alの原
料としてジメチルアルミハライド (CH3)2AlHを用
いた。原料のキャリアガスとして水素を用い、成膜圧力
は2.0Torr、このときの原料ガスの分圧は5×10-3T
orrであり、成膜温度は270℃で行なった。得られた
TiN膜上のAl薄膜は膜厚1.2μmであった。X線
回折により表面が{111}面に配向していることが認
められ、さらにRHEEDによりその結晶軸が下地Ti
N薄膜とほぼ同じであることが分かった。このようにし
て下層がTiN薄膜で上層がAl薄膜の2層金属配線層
が形成された。
Further, an Al metal thin film was formed on the TiN thin film by MOCVD. That is, dimethyl aluminum halide (CH 3 ) 2 AlH was used as a raw material for Al. Hydrogen was used as a carrier gas for the raw material, the film formation pressure was 2.0 Torr, and the partial pressure of the raw material gas at this time was 5 × 10 −3 T
orr, and the film formation temperature was 270 ° C. The thickness of the obtained Al thin film on the TiN film was 1.2 μm. It was confirmed by X-ray diffraction that the surface was oriented to the {111} plane, and the crystal axis was changed to the base Ti
It turned out to be almost the same as the N thin film. In this way, a two-layer metal wiring layer was formed in which the lower layer was a TiN thin film and the upper layer was an Al thin film.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明の配線は、下層がTiN薄膜であ
り、そのTiN薄膜の上面が{111}面配向を有し、
かつそのTiN薄膜の<112>軸が配線の主たる長手
方向に向けられ、おおよそ揃っており、{111}面を
表わす結晶軸と直交しているように形成されているの
で、その上に形成されるAl配線のEM耐性及びSM耐
性が材料力学上最も大きくなる結晶構造になる。本発明
の製造方法では、TiN薄膜を形成する際に、Ti粒子
を基板に対して垂直方向から飛来させて成膜するととも
に、その成膜中に複数の特定の方向から窒素イオンビー
ムを基板面に照射することにより、その上に形成される
Al配線のEM耐性及びSM耐性が材料力学上最も大き
くなる結晶構造になるようなTiN薄膜を形成すること
ができる。
According to the wiring of the present invention, the lower layer is a TiN thin film, and the upper surface of the TiN thin film has a {111} plane orientation;
The <112> axis of the TiN thin film is oriented in the main longitudinal direction of the wiring , is approximately aligned, and is formed so as to be orthogonal to the crystal axis representing the {111} plane. The Al wiring has a crystal structure in which the EM resistance and the SM resistance of the Al wiring are maximized in terms of material mechanics. According to the manufacturing method of the present invention, when forming a TiN thin film, Ti particles fly from a direction perpendicular to the substrate to form a film, and a nitrogen ion beam is applied from a plurality of specific directions to the surface of the substrate during the film formation. , It is possible to form a TiN thin film that has a crystal structure in which the EM resistance and the SM resistance of the Al wiring formed thereon have the highest mechanical strength.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の配線を概略的に示す図であり、(A)
は下層のTiN層、(B)はAl/TiN2層金属配線
である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a wiring of the present invention, and FIG.
Denotes a lower TiN layer, and (B) denotes an Al / TiN two-layer metal wiring.

【図2】Al合金配線部の境界部分を示す概略斜視図で
ある。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a boundary portion of an Al alloy wiring portion.

【図3】立方晶の(111)面のステレオ投影図であ
る。
FIG. 3 is a stereo projection of a (111) plane of a cubic crystal.

【図4】傾きθをもつ2つの結晶粒の境界を概略的に示
す図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a boundary between two crystal grains having an inclination θ.

【図5】結晶粒の傾きと粒界エネルギーの関係を示す図
である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the inclination of a crystal grain and the grain boundary energy.

【図6】一実施例におけるTiN膜形成を示す図であ
り、(A)は3方向の窒素イオンビームを示す概略底面
図、(B)はTiN膜形成を示す概略正面図である。
6A and 6B are diagrams showing the formation of a TiN film in one embodiment, in which FIG. 6A is a schematic bottom view showing a nitrogen ion beam in three directions, and FIG. 6B is a schematic front view showing the formation of a TiN film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101,102 TiN結晶粒 104,105 Al結晶粒 103,106,203 粒界 601,602,603 窒素イオンビーム 604 基板 606 チタン粒子 101,102 TiN crystal grains 104,105 Al crystal grains 103,106,203 Grain boundaries 601,602,603 Nitrogen ion beam 604 Substrate 606 Titanium particles

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−256313(JP,A) 特開 平3−262127(JP,A) 特開 平5−193916(JP,A) 特開 平1−215966(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3205 H01L 21/321 H01L 21/3213 H01L 21/768 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-4-256313 (JP, A) JP-A-3-262127 (JP, A) JP-A-5-193916 (JP, A) JP-A-1- 215966 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/3205 H01L 21/321 H01L 21/3213 H01L 21/768

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に金属配線を有し、その金属配線
の最下層はTiN薄膜であり、そのTiN薄膜の上面が
{111}面配向を有し、かつそのTiN薄膜の<11
2>軸が配線の主たる長手方向に向けられ、おおよそ揃
っており、{111}面を表わす結晶軸と直交している
ことを特徴とする半導体装置。
A metal wiring is provided on a substrate, a lowermost layer of the metal wiring is a TiN thin film, an upper surface of the TiN thin film has a {111} plane orientation, and a <11
2> The axis is oriented in the main longitudinal direction of the wiring and roughly aligned
And a crystal axis orthogonal to a crystal axis representing a {111} plane.
【請求項2】 金属配線がTiN薄膜上にアルミニウム
系薄膜を積層した二層金属配線であり、前記アルミニウ
ム系薄膜の上表面の配向面及び配線の主たる長手方向を
示す結晶軸が下地TiN薄膜と同じである請求項1に記
載の半導体装置。
2. The metal wiring is a two-layer metal wiring in which an aluminum-based thin film is laminated on a TiN thin film, and an orientation plane on the upper surface of the aluminum-based thin film and a crystal axis indicating a main longitudinal direction of the wiring are formed on the base TiN thin film. 2. The semiconductor device according to claim 1, which is the same.
【請求項3】 TiN薄膜上に他の金属配線を積層した
配線用積層膜を形成するに当り、Ti粒子を基板に対し
て垂直方向から飛来させて成膜するとともに、その成膜
中に複数の方向から窒素イオンビームを基板面に照射
し、かつその窒素イオンビームの方向を互いにほぼ12
0°の角度とし、それぞれの窒素イオンビームの方向を
基板の法線方向に対してほぼ54.7°をなすように設
定し、前記基板の面内での方向をその基板上に形成する
配線の主たる長手方向が前記窒素イオンビーム間のなす
ほぼ120°の角の二等分線の方向のいずれかに向く
ように配置してTiN薄膜を成膜する工程を含むことを
特徴とする半導体装置の製造方法。
3. When forming a wiring laminated film in which another metal wiring is laminated on a TiN thin film, a film is formed by causing Ti particles to fly from a direction perpendicular to a substrate, and a plurality of particles are formed during the film formation. The substrate surface is irradiated with a nitrogen ion beam from the direction of
An angle of 0 °, the direction of each nitrogen ion beam is set to be approximately 54.7 ° with respect to the normal direction of the substrate, and the direction in the plane of the substrate is formed on the substrate. A step of forming a TiN thin film by arranging the main longitudinal direction so as to face any one of three directions of a bisector having an angle of about 120 ° between the nitrogen ion beams. Device manufacturing method.
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