JP3635483B2

JP3635483B2 - 集積回路装置

Info

Publication number: JP3635483B2
Application number: JP37248098A
Authority: JP
Inventors: 紀嘉清水
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000195949A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路装置の高速化及び高集積化する為に必要とされる配線の微細化、薄膜化、低抵抗化、高電流密度化、高信頼化を実現した配線が形成された集積回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＬＳＩ（ｌａｒｇｅｓｃａｌｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）に於いては、加工技術の進歩に伴って個々の素子は益々微細化され、従って、配線も高密度化、多層化、薄膜化が必要とされ、配線に加わる応力や配線に流す電流の密度は増加の一途をたどっている。
【０００３】
このような状態では、エレクトロマイグレーション（ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ）が問題になるが、この現象は、配線に高密度の電流を流すことに依って生ずる配線の破断現象であり、その駆動力は高密度電子流の衝突に依る金属原子の移動・拡散であると考えられている。
【０００４】
例えば典型的な論理ＬＳＩを考えた場合、０．３５〔μｍ〕デザインルールに於いては、電源線に流す電流の密度は１×１０⁵〔Ａ／ｃｍ²〕であるのに対して、０．２５〔μｍ〕デザインルールに於いては、３×１０⁵〔Ａ／ｃｍ²〕、０．１８〔μｍ〕デザインルールに於いては、１×１０⁶〔Ａ／ｃｍ²〕に達すると考えられている。
【０００５】
このように、素子の微細化に伴って、より高密度の電流を流せる信頼性が高い配線材料及び配線構造の開発が求められている。
【０００６】
これまで、ＬＳＩの配線材料としては、安価であると共にプロセスも容易であることからＡｌが多用され、近年は、Ａｌ中にＣｕやＳｉ、Ｔｉ、Ｐｄなどを添加したり、Ａｌ配線層の上下をバリヤ・メタルと呼ばれる高融点金属、例えばＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷなどで挟んだ積層構造にすることで高信頼化を実現し、配線の微細化に対応してきた。
【０００７】
然しながら、以下に記述する理由から、将来の集積回路装置に於ける配線材料としてＡｌを用いることについては限界が見えてきている。
【０００８】
（１）配線に起因する動作遅延の低減
ＬＳＩのスケーリングに依る高速動作化を維持する為には、微細化に伴う配線に起因する遅延の増大を抑制する必要があり、それには、材料、プロセス、回路、レイアウトなどに改良を加える必要がある。
【０００９】
材料面からすれば、低抵抗の配線材料、及び、低誘電率層間絶縁膜材料の採用が必要であり、Ｃｕの比抵抗（１．７〔μΩ・ｃｍ〕）はＡｌに比較して３７〔％〕も低い為、遅延の低減には有効である。
【００１０】
（２）電流密度に対するＡｌの物理的限界
これまで、他元素の添加や配線の積層化構造などに依って、電流密度の高密度化に対するＡｌの使用限界を延命させてきたが、配線に流す電流が１×１０⁶〔Ａ／ｃｍ²〕を越えるようになると、最早、このような手段で対処することはできない。
【００１１】
一般にＣｕはＡｌに比較して融点が高く、自己拡散エネルギも大きいことから、Ｃｕを配線に用いることで電流密度をＡｌよりも１桁以上高めることが可能であると考えられている。
【００１２】
配線にＣｕを用いた集積回路回路装置は既に実現されているが、今後、その実用化を促進する為の努力が必要である。
【００１３】
ところで、Ｃｕはドライ・エッチング法を適用して微細加工することが困難であることから、従来、Ａｌ配線に多用されてきたプロセスを適用することはできず、そこで、絶縁膜（層間絶縁膜）に溝或いは溝とビア・ホール（ｖｉａ−ｈｏｌｅ）を形成し、その溝或いは溝とビア・ホールにＣｕを埋め込んで配線を形成するダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法或いはデュアル・ダマシン（ｄｕａｌｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が適用される。
【００１４】
ダマシン法を実施するには、高アスペクト比の溝、又は、ビア・ホールにＣｕを埋め込むことが必要である為、以下に説明する手段が開発されている。
【００１５】
▲１▼ スパッタリング法＋リフロー法
この方法に於いては、スパッタリング法を適用してＣｕ膜を成膜してから、３５０〔℃〕以上にアニールすることで溝を埋める。
【００１６】
スパッタリング法はカバレッジが良好で高アスペクト比の溝を埋め込むことは困難であるから、埋め込み能力はアスペクト比（Ａ／Ｒ：２程度）の埋め込みが限界である。
【００１７】
▲２▼ 鍍金法
電界鍍金或いは無電界鍍金に依ってＣｕを埋め込む方法であって、電界鍍金法は、鍍金溶液中のＣｕイオンを電界に依って溝の底まで引き込むことができる為、高アスペクト比（Ａ／Ｒ：４以上）の溝を埋め込むことができ、成膜速度も高いので量産向きである。
【００１８】
然しながら、鍍金を行って溝内を隙間なく埋め込むには、溝内に於いても厚さが均一のシード層が必須であり、このシード層の形成技術の如何が大きく作用する。
【００１９】
▲３▼ ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法
ＣＶＤ法に依った場合、高アスペクト比の溝でもカバレッジ良く、また、隙間なく埋め込むことができる。
【００２０】
然しながら、一般に成膜速度が低い為、スルー・プットが悪く、生産コストが高くなることが問題である。
【００２１】
今まで、Ｃｕ配線の形成技術として、Ａｌ配線などで膜質に定評があるスパッタリング法が先行して検討されてきたが、これからは、配線の微細化に伴って、高アスペクト比の溝を埋め込むのに対応できる鍍金法やＣＶＤ法を開発することが必要であり、しかも、増大する配線の製造コストを低減する為には、埋め込み時に配線と導電プラグを同時に形成することができるデュアル・ダマシン法が必須である。
【００２２】
図４乃至図６はデュアル・ダマシン法の標準的なプロセスを説明する為の工程要所に於ける集積回路装置を表す要部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明する。
【００２３】
図４（Ａ）参照
４−（１）
下層配線２が形成された層間絶縁膜１上に酸化膜からなる層間絶縁膜３を形成する。
【００２４】
４−（２）
ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を適用することに依り、層間絶縁膜３の研磨を行って平坦化する。
【００２５】
図４（Ｂ）参照
４−（３）
下層配線２上の層間絶縁膜３に導電プラグを形成する為のビア・ホール３Ｖを形成する。
【００２６】
図５（Ａ）参照
５−（１）
層間絶縁膜３にビア・ホール３Ｖに連なる上層配線用の配線溝３Ｌを形成する。
【００２７】
図５（Ｂ）参照
５−（２）
Ｃｕは酸化膜中に拡散し易いので、ビア・ホール３Ｖ中及び配線溝３Ｌ中も含めた全面にバリヤ膜４を形成する。
【００２８】
図６（Ａ）参照
６−（１）
ビア・ホール３Ｖ内及び配線溝３Ｌ内が埋まるようにＣｕ膜５を形成する。
【００２９】
図６（Ｂ）参照
６−（２）
ＣＭＰ法を適用することに依り、Ｃｕ膜５及びバリヤ膜４の研磨を行って余分な部分を除去し、導電プラグ５Ｐ及び上層配線５Ｌを形成する。
【００３０】
前記のようにして、デュアル・ダマシン法に依る配線及び導電プラグが完成されるのであるが、バリヤ層４の役割はＣｕが層間絶縁膜３中に拡散するのを防止するだけではない。
【００３１】
図７はボイドが発生した場合について説明する為の配線を表す要部切断側面図であり、図８はボイドの発生と抵抗値との関係を表す線図であり、図８では、横軸に時間を、また、縦軸に抵抗をそれぞれ採ってある。
【００３２】
図７に於いて、１１は配線、１１Ａはボイド、１２はバリヤ層をそれぞれ示している。
【００３３】
ここで、配線１１の材料を例えばＡｌとした場合、図７（ａ）に見られるように配線１１にボイドが発生していない状態では、図８（Ａ）に（ａ）として指示してあるように配線抵抗は略一定であって低い値をとっている。
【００３４】
図７（ｂ）に見られるようにエレクトロマイグレーションに依って配線１１中にボイド１１Ａが発生した場合、図８（Ａ）に（ｂ）として指示してあるように配線抵抗は上昇し、図７（ｃ）に見られるようにボイド１１Ａが成長するにつれて、図８（Ａ）に（ｃ）として指示してあるように配線抵抗は更に上昇することになる。
【００３５】
然しながら、配線１１に流れる電流は、ボイド１１Ａの近傍で上下のバリヤ層１２を通って流れる為、抵抗がオープンになって電流がカットされるようなことは起こらない。
【００３６】
従って、エレクトロマイグレーションに依るＡｌ配線不良は断線に到ることはなく、初期抵抗からの抵抗値上昇、或いは、抵抗値上昇率が不良判定の基準になり、この抵抗値が上昇を始めてから不良と判定されるまでの時間、即ち、抵抗上昇時間が配線全体の寿命に対して占める割合は１０〔％〕〜６０〔％〕に達して無視できない大きさである。
【００３７】
ところが、Ｃｕ配線、特にデュアル・ダマシン配線の場合、前記Ａｌ配線のような抵抗上昇時間は見られず、図８（Ｂ）に見られるように、抵抗値が急激に上昇してオープンとなる不良がしばしば起こる。
【００３８】
この原因は、配線のアスペクト比が大きい為、ボイド発生前に流している電流がボイド発生後にバリヤ層に集中し、バリヤ層に流れる電流の密度が極めて高くなって、バリヤ層自体がエレクトロマイグレーションに依って破断したり、或いは、ジュール発熱によって溶断する為である。
【００３９】
このバリヤ層に電流が集中する割合は、配線全体の横断面積（短手方向の断面積）に対するバリヤ層の横断面積の割合で決まるのであるが、従来は配線幅又は配線層の厚さに依存することなく、一定の厚さのバリヤ層を形成している為、本来、エレクトロマイグレーション耐性が高いＣｕの特性を充分に活かすことができていない。
【００４０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、バリヤ層をもつ配線にボイドが生成されて、バリヤ層に電流が集中して流れるような事態が発生しても、バリヤ層が破断することがないようにして配線の信頼性を向上しようとする。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、バリヤ層を含めた配線の横断面積に対応してバリヤ層の横断面積を調整することが基本になっていて、特に、デュアル・ダマシン配線のようにアスペクト比が大きく、配線層が厚く且つ線幅も大きい、例えば多層配線中の上層配線に適用すると効果的である。
【００４２】
前記したところから、本発明に依る集積回路装置に於いては、
（１）
配線及び該配線に対応するバリヤ層からなる配線層を積層形成してなる多層配線に於いて、下層から上層になるにつれて厚くした配線及び該配線の厚さに対応して下層から上層になるにつれて厚くしたバリヤ層からなる配線層を備えてなることを特徴とするか、或いは、
【００４３】
（２）
配線及び該配線に対応するバリヤ層からなる配線層を積層形成してなる多層配線に於いて、下層から上層になるにつれて幅を広くした配線及び該配線の幅に対応して下層から上層になるにつれて厚くしたバリヤ層からなる配線層を備えてなることを特徴とするか、或いは、
【００４４】
（３）
配線及び該配線に対応するバリヤ層からなる配線層を積層形成してなる多層配線に於いて、下層から上層になるにつれて配線の横断面積及びバリヤ層の横断面積を加えた全横断面積を大きくし、且つ、該バリヤ層の横断面積を下層から上層になるにつれて該全横断面積の大きさに対応して大きくした配線層を備えてなることを特徴とする。
【００４５】
前記手段を採ることに依り、バリヤ層に於ける高いエレクトロマイグレーション耐性を有効に利用し、配線にボイドが生成されてバリヤ層に電流が集中するような事態が起こっても破断することは抑止されるので、配線全体としての信頼性を向上させることができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に於ける一実施の形態を説明する為の集積回路装置を表す要部切断側面図である。
【００４７】
図に於いて、２１は集積回路装置に於ける必要領域が形成された基板、２２は第一層目層間絶縁膜、２３は第一層目バリヤ層、２４は第一層目配線、２５は第二層目層間絶縁膜、２６は第二層目バリヤ層、２７は第二層目配線、２８は第三層目層間絶縁膜、２９は第三層目バリヤ層、３０は第三層目配線、３１は第四層目層間絶縁膜、３２は第四層目バリヤ層、３３は第四層目配線、３４は第五層目層間絶縁膜、３５は第五層目バリヤ層、３６は第五層目配線、３７は絶縁膜をそれぞれ示している。
【００４８】
図から明らかなように、上層の配線になるにつれて電源線として大きな電流を流す必要があり、しかも、電流密度を一定にする為、配線は次第に厚くなり、加えて、層内の配線に於ける最小線幅も下の層に於ける配線に比較して大きくしてあり、これに対応させて上層のバリヤ層ほど厚さを増加させてある。
【００４９】
図２はスパッタリング法を適用した場合について説明する為の工程要所に於ける配線構造を表す要部切断側面図であり、（Ａ）は下層配線の場合、（Ｂ）は上層配線の場合をそれぞれ示していて、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００５０】
図２（Ａ）は図１に於ける第一層目配線２４を作成する場合を説明するものであり、最小線幅Ｗ₁は０．３〔μｍ〕、デュアル・ダマシン構造に於けるビア・ホールの深さ＋配線溝の深さ＝Ｄ₁が１．２〔μｍ〕であってアスペクト比は４である。
【００５１】
ここで、イオン化スパッタリング法を適用することに依り、平坦部（配線溝の周辺及びその近傍）での厚さが５０〔ｎｍ〕であるＴａからなるバリヤ層２３を配線溝内及びビア・ホール内も含めて全面に成膜する。尚、ＴａはＴａＮに代替することができる。
【００５２】
イオン化スパッタリング法を適用した場合、配線溝側壁に於ける平均カバレッジは６０〔％〕であることから、配線溝側壁でのバリヤ層２３の厚さは３０〔ｎｍ〕である。
【００５３】
図２（Ｂ）は図１に於ける第五層目配線３６を作成する場合を説明するものであり、最小線幅Ｗ₅は０．７〔μｍ〕、デュアル・ダマシン構造に於けるビア・ホールの深さ＋配線溝の深さ＋バリヤ層の厚さ＝Ｄ₅が２．５〔μｍ〕であってアスペクト比は３．５７である。
【００５４】
同じく、イオン化スパッタリング法を適用することに依り、平坦部での厚さが１００〔ｎｍ〕であるＴａ或いはＴａＮからなるバリヤ層３５を配線溝内及びビア・ホール内も含めて全面に成膜する。
【００５５】
前記した通り、イオン化スパッタリング法を適用した場合、配線溝側壁に於ける平均カバレッジは６０〔％〕であるから、配線溝側壁でのバリヤ層３５の厚さは６０〔ｎｍ〕である。
【００５６】
ところで、バリヤ層を成膜するには、イオン化スパッタリング法のようなＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｓｉｏｎ）法の他には、ＣＶＤ法を適用することもできる。
【００５７】
通常、ＰＶＤ法で成膜した被膜は、配線溝などの側壁に於いては平坦部の厚さの６０〔％〕〜７０〔％〕の厚さになってしまうのであるが、量産性、安定性、低コスト、膜質（低抵抗値）の面で優れている。尚、ＰＶＤ法でバリヤ層を成膜した場合、その層厚は平坦部に於けるバリヤ層の堆積速度から容易に算出することができる。
【００５８】
これに対し、ＣＶＤ法で成膜した被膜は配線溝などの側壁に於いても平坦部の厚さと変わりない均等な厚さに成長させることができる点に大きな特長があるので、ＰＶＤ法とＣＶＤ法は、配線溝の側壁に成膜する被膜に必要とされる厚さの如何を一つの目安として適宜に使い分けると良い。尚、ＰＶＤ法及びＣＶＤ法の何れに依っても、バリヤ層を成膜した場合、その層厚は平坦部に於けるバリヤ層の堆積速度から容易に算出することができる。
【００５９】
図３はＣＶＤ法を適用した場合について説明する為の工程要所に於ける配線構造を表す要部切断側面図であり、（Ａ）は下層配線の場合、（Ｂ）は上層配線の場合をそれぞれ示していて、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００６０】
図３（Ａ）は図１に於ける第一層目配線２４を作成する場合を説明するものであり、最小線幅Ｗ₁は０．３〔μｍ〕、デュアル・ダマシン構造に於けるビア・ホールの深さ及び配線溝の深さが１．２〔μｍ〕であって、アスペクト比は４である。
【００６１】
ここで、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｕｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を適用することに依り、平坦部に於ける厚さが３０〔ｎｍ〕であるＴｉＮからなるバリヤ層２３を配線溝内及びビア・ホール内も含めて全面に成膜する。
【００６２】
ＭＯＣＶＤ法を適用した場合、前記した通り、配線溝側壁に於ける平均カバレッジは略１００〔％〕であり、従って、配線溝側壁を覆うバリヤ層２３の厚さは３０〔ｎｍ〕である。
【００６３】
図３（Ｂ）は図１に於ける第五層目配線３６を作成する場合を説明するものであり、最小線幅Ｗ₅は０．７〔μｍ〕、デュアル・ダマシン構造に於けるビア・ホールの深さ及び配線溝の深さが２．５〔μｍ〕であって、アスペクト比は３．５７である。
【００６４】
同じく、ＭＯＣＶＤ法を適用することに依り、平坦部での厚さが６０〔ｎｍ〕であるＴｉＮからなるバリヤ層３５を配線溝内及びビア・ホール内も含めて全面に成膜する。
【００６５】
ＭＯＣＶＤ法を適用した場合、前記した通り、配線溝側壁に於ける平均カバレッジは略１００〔％〕であり、従って、配線溝側壁を覆うバリヤ層３５の厚さは６０〔ｎｍ〕である。
【００６６】
本発明では、前記実施の形態に限られることなく、他に多くの改変を実現することができ、例えばバリヤ層の成膜技法としては、ＰＶＤ法では、イオン化スパッタリング法の他にコリメーション・スパッタリング法、ターゲットと基板の間の距離が１５０〔ｍｍ〕以上離して堆積層厚の均一化を図る遠距離スパッタリング法、堆積時のガス圧力を１×１０^-3〔Ｔｏｒｒ〕以下とする低圧スパッタリング法などを適宜に選択して適用することができる。
【００６７】
また、さきに図７並びに図８を参照して説明したが、横断面積が大きい配線に於いて、配線中のボイド生成に起因するバリヤ層への電流集中は、Ｃｕ配線だけでなくＡｌ配線の場合にも起こるので、その場合にも本発明を実施することは有効である。尚、配線材料はＣｕそのもの、或いは、Ａｌそのものでなく、Ｃｕ合金、或いは、Ａｌ合金であっても良い。
【００６８】
更にまた、本発明を実施する配線構造は、ダマシン法に依る埋め込み配線のみならず、配線材料膜を例えばドライ・エッチング法を適用して加工した配線についても有効である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に依る集積回路装置に於いては、多層配線を構成する各配線の厚さ又は幅の広さに対応してバリヤ層も厚く形成するか、或いは、バリヤ層も含めた配線の横断面積が大きいほどバリヤ層の横断面積も大きくする。
【００７０】
前記構成を採ることに依り、バリヤ層に於ける高いエレクトロマイグレーション耐性を有効に利用し、配線にボイドが生成されてバリヤ層に電流が集中するような事態が起こっても破断することは抑止されるので、配線全体としての信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に於ける一実施の形態を説明する為の集積回路装置を表す要部切断側面図である。
【図２】スパッタリング法を適用した場合について説明する為の工程要所に於ける配線構造を表す要部切断側面図である。
【図３】ＣＶＤ法を適用した場合について説明する為の工程要所に於ける配線構造を表す要部切断側面図である。
【図４】デュアル・ダマシン法の標準的なプロセスを説明する為の工程要所に於ける集積回路装置を表す要部切断側面図である。
【図５】デュアル・ダマシン法の標準的なプロセスを説明する為の工程要所に於ける集積回路装置を表す要部切断側面図である。
【図６】デュアル・ダマシン法の標準的なプロセスを説明する為の工程要所に於ける集積回路装置を表す要部切断側面図である。
【図７】ボイドが発生した場合について説明する為の配線を表す要部切断側面図である。
【図８】ボイドの発生と抵抗値との関係を表す線図である。
【符号の説明】
２１集積回路装置に於ける必要領域が形成された基板
２２第一層目層間絶縁膜
２３第一層目バリヤ層
２４第一層目配線
２５第二層目層間絶縁膜
２６第二層目バリヤ層
２７第二層目配線
２８第三層目層間絶縁膜
２９第三層目バリヤ層
３０第三層目配線
３１第四層目層間絶縁膜
３２第四層目バリヤ層
３３第四層目配線
３４第五層目層間絶縁膜
３５第五層目バリヤ層
３６第五層目配線
３７絶縁膜

Claims

配線及び該配線に対応するバリヤ層からなる配線層を積層形成してなる多層配線に於いて、
下層から上層になるにつれて厚くした配線及び該配線の厚さに対応して下層から上層になるにつれて厚くしたバリヤ層からなる配線層
を備えてなることを特徴とする集積回路装置。
配線及び該配線に対応するバリヤ層からなる配線層を積層形成してなる多層配線に於いて、
下層から上層になるにつれて幅を広くした配線及び該配線の幅に対応して下層から上層になるにつれて厚くしたバリヤ層からなる配線層
を備えてなることを特徴とする集積回路装置。
配線及び該配線に対応するバリヤ層からなる配線層を積層形成してなる多層配線に於いて、
下層から上層になるにつれて配線の横断面積及びバリヤ層の横断面積を加えた全横断面積を大きくし、且つ、該バリヤ層の横断面積を下層から上層になるにつれて該全横断面積の大きさに対応して大きくした配線層
を備えてなることを特徴とする集積回路装置。