JP3643563B2

JP3643563B2 - 半導体集積回路装置およびその製造方法

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Publication number: JP3643563B2
Application number: JP2002040351A
Authority: JP
Inventors: 英毅柴田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: JP2002305200A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体集積回路装置およびその製造方法に係わり、特に配線を構成する金属導電体層の結晶配向性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、従来の半導体集積回路の金属配線の斜視図である。同図に示すように、シリコン基板１０上には集積回路内の内部導電体層を互いに絶縁するためのシリコン酸化膜１２が形成されている。この酸化膜１２上には、金属配線１４が形成されている。従来より、半導体集積回路用の金属配線１４としては、アルミニウム合金（シリコン、銅添加）が用いられている。アルミニウム合金層は、結晶１８₁〜１８_nが集合した多結晶である。
【０００３】
近年、配線幅の微細化、階層化が進むに連れ、配線の信頼性（メカニカル・ストレスやエレクトロン・ウインド・ストレス）による配線抵抗増大／断線）劣化が深刻な問題となってきている。
【０００４】
特にメカニカル・ストレスによるストレス・マイグレ−ション現象は、図１２に示すように、アルミニウムの（１１１）面に対向する結晶粒界にボイドが形成され、円３２内に示すように、配線１４が断線に至るものである。この問題の究極的な対策としては、結晶粒界を持たないアルミニウム単結晶で配線１４を構成することである。
【０００５】
しかし、原理的にシリコン酸化膜１２等、アモルファスな絶縁膜上への単結晶アルミニウムの形成は困難であり、実用化はほとんど望めないのが現状である。
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来より金属配線を構成する導電体は多結晶である。このため、特にアルミニウム等においては、その（１１１）面が配線を横切るように形成された場合、断線等の問題を生じ易く、配線の信頼性を落としている。
【０００６】
この発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、その目的は、断線等を起こしにくく、信頼性が高い金属配線を有する半導体集積回路装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１態様に係る半導体集積回路装置は、半導体基板と、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上方に形成された、配線を構成する、アルミニウムを含む金属導電体層と、前記絶縁膜と前記金属導電体層との間に設けられ、少なくともチタンの（００２）面が他の配向面よりも数多く現れる面を、前記金属導電体層へ結晶格子の情報を伝える結晶格子情報伝達面として含む結晶格子情報伝達層と、を具備し、前記金属導電体層を構成する材料の結晶は面心立方格子構造を有し、前記結晶の結晶粒界は前記配線を横切るように存在し、前記配線の膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、最も配向強度が強い面は（１１１）面であり、前記金属導電体層の、配線の膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、最も配向強度が強い面の格子面間隔と、前記結晶格子情報伝達層の、前記結晶格子情報伝達面に露出する各結晶の格子面間隔を平均化した値との差が、０．３５オングストローム以下である。
【０００９】
この発明の第２態様に係る半導体集積回路装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられ、（００２）面が他の面よりも数多く現れる配向面となるように構成されたチタン膜と、前記チタン膜上に設けられ、（１１１）面が他の面よりも数多く現れる配向面となるように構成された窒化チタン膜と、前記窒化チタン膜上に形成された、配線を構成する、配線の膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、最も配向強度が強い面が（１１１）面であるアルミニウムを含む金属導電体層と、を具備する。
【００１０】
この発明の第３態様に係る半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜をスパッタ処理し、前記スパッタ処理された絶縁膜上にチタン膜を（００２）面が他の面よりも数多く現れる配向面となるように形成し、前記チタン膜上に、膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、（１１１）面が最も配向強度が強い面とし、面心立方格子構造を有するアルミニウムを含む金属導電体層を形成し、前記金属導電体層および前記チタン膜をパターニングし、金属配線を形成する。
【００１１】
上記この発明の各態様によれば、結晶格子情報伝達層が設けられているので、金属導電体層を構成する材料の結晶の配向性を制御できる。この結果、例えば切れやすい結晶面を、あらかじめ膜厚方向に向かせたような、断線しにくい配線を得ることができる。
【００１２】
また、上記配線を構成する金属導電体層では、これが有する各面のうち、配線の膜厚方向に向く面の格子面間隔が、結晶格子情報伝達層の金属導体層との接触面における格子面間隔と、ほぼ等しくできるものである。よって、切れやすい結晶面の格子面間隔を調べ、この格子面間隔にほぼ等しい格子面間隔を持つ面を、上記接触面に露出させれば、切れやすい結晶面があらかじめ膜厚方向に向いた配線を得られる。
【００１３】
さらに、上記接触面に露出する各結晶の格子面間隔を平均化した場合には、この平均化した値と、ほぼ等しい値の格子面間隔を持つ面が膜厚方向に向いて、金属導電体層に出現する確率が高くなる。具体的には、平均化した値と、０．３５オングストロ−ム以内にある格子面間隔を持つ面が高い確率で出現する。このようにして出現した面が、膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、最も配向強度が強いものとなる。
【００１４】
また、平均化した値は、Ｘ線回折法を用いて算出する。具体的には、結晶格子情報伝達層の、金属導電体層と接触される面に露出する各結晶の配向強度をそれぞれ求め、これを、各配向強度に対応する、粉末標準回折デ−タに基づいた配向強度で割り、基準化された強度比を得る。このような強度比を考慮し、以下のような式で、平均化した格子面間隔ｄ^-を求める。
【００１５】

上式において、ｄiは格子面間隔、Ｉiは前記結晶格子情報伝達層より求めた配向強度、Ioiは前記結晶格子情報伝達層と同一物質の粉末標準回折データに基づく配向強度である。
【００１６】
また、金属導電体層を構成する材料の結晶が面心立方格子構造を有する場合、最も配向強度が強い面として、（１１１）面とするのが良い。これは、例えばアルミニウム等の面心立方格子構造を持つものにおいて、その（１１１）面に対向する結晶粒界が最も切れ易いからである。
【００１７】
さらに、金属導電体層を構成する材料の結晶が面心立方格子構造を有する場合には、結晶格子情報伝達層を、面心立方格子構造か六方最密格子構造かのいずれかの構造を有する材料で構成することが良い。これは、金属導電体層を構成する材料の格子構造を、結晶格子情報伝達層を構成する材料の格子構造とを、互いに同じものとするか、あるいは似たものとすることにより、膜厚方向に向いて、ほぼ等しい値の格子面間隔を持つ面が金属導導電体層に出現する確率を、さらに高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図２は、この発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の金属配線の斜視図、図１は、図２中の１−１線に沿う断面図である。
【００２０】
図１、図２に示すように、半導体基板（例えばシリコン）１０上には絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）１２が形成され、この絶縁膜１２上には金属配線１４が形成されている。金属配線１４は、絶縁膜１２上に形成された六方最密（hexagonal close-packed；ＨＣＰ）格子構造を有するチタン層１６と、このチタン層１６上に形成された面心立方（face-centered cubic；ＦＣＣ）格子構造を有するアルミニウム合金（例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）層１８とを積み重ねることにより構成されている。チタン層１６は、結晶１６₁ 〜１６_n が集合した多結晶構造を有し、アルミニウム合金層１８もまた、結晶１８₁ 〜１８_n が集合した多結晶構造を有する。そして、配線１４を構成するアルミニウム結晶１８₁〜１８_nは、膜厚方向Ａに（１１１）面が向くように形成されている。このように構成すれば、従来のように（１１１）面が配線１４を横切ることはなくなり、配線１４は、例えばストレスマイグレーションを起こして切れることもない。
【００２１】
さらに、この実施形態では、上記構成のような配線１４を得るために、チタン層１６の各結晶１６₁〜１６_nの配向を、アルミニウム合金層１８の各結晶１８₁〜１８_nが、膜厚方向Ａに（１１１）面が向き易くなるようなものとしている。具体的には、チタン層１６の、アルミニウム合金層１８との接触面２０に、アルミニウム（１１１）面の格子面間隔と、ほぼ等しい格子面間隔を有する面を向かせる。
【００２２】
以下に、アルミニウム（１１１）面の格子面間隔、およびチタンの主な面の格子面間隔を記す。
【００２３】
Ａｌ（１１１）面；格子面間隔ｄ₀＝２．３３６オングストロ−ム
Ｔｉ（００２）面；格子面間隔ｄ₁＝２．３４２オングストロ−ム
Ｔｉ（０１１）面；格子面間隔ｄ₂＝２．２４４オングストロ−ム
Ｔｉ（０１０）面；格子面間隔ｄ₃＝２．５５７オングストロ−ム
Ｔｉ（１１２）面；格子面間隔ｄ₄＝１．２４７オングストロ−ム
以上のようなチタンの主な面の格子面間隔より、アルミニウム合金層１８の各結晶１８₁〜１８_nの（１１１）面を膜厚方向Ａに向かせるためには、チタン層１６の、アルミニウム層１８との接触面２０を、例えば（００２）面や（０１１）面等で構成することが好ましい。
【００２４】
しかし、接触面２０の全てを、（００２）面や（０１１）面等で構成することは、困難である。そこで、この発明では、さらに次のような策を講じた。
【００２５】
すなわち、接触面２０の平均化された格子面間隔ｄ^-を、Ａｌ（１１１）面の格子面間隔ｄ₀＝２．３３６オングストロ−ムに近づけることである。ここで、平均化された格子面間隔ｄ^-は、次のようにして算出した。
【００２６】
まず、接触面２０の結晶の各々の配向強度Ｉ₁〜Ｉ_nをＸ線回折法によりそれぞれ調べる。これを、粉末標準回折デ−タに基づいた配向強度Io₁〜Io_nでそれぞれ割り、相対的な強度比を各々得る。このようにして得た強度比にそれぞれ、各強度に対応した格子面間隔ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃、ｄ₄〜ｄ_nをかける。このようにして得た値をそれぞれ足して、その平均値を得る。式で表すと、次のようになる。
【００２７】

図３は、平均化された格子面間隔ｄ^- とＡｌ（１１１）面の格子面間隔ｄ₀との差Δｄと、Ａｌ（１１１）面の配向強度Ｉとの関係を示す図である。図３において、縦軸はＡｌ（１１１）面の配向強度Ｉ（単位：count per second ; c.p.s）を示し、横軸は差の絶対値｜Δｄ｜（｜Δｄ＝ｄ₀ −ｄ^-｜，単位：オングストロ−ム）を示している。
【００２８】
図３より、差の絶対値｜Δｄ｜を０に近づければ、すなわち、格子面間隔ｄ^-を、Ａｌ（１１１）面の格子面間隔ｄ₀に近づければ、Ａｌ（１１１）面の配向強度Ｉが高まり、膜厚方向にＡｌ（１１１）面が向く確率が向上することが分かる。また、同図中に示す範囲Ｒは、図１１、図１２に示した従来の配線でのアルミニウム層がとるＡｌ（１１１）面の配向強度Ｉの範囲を示している。従来のように、アルミニウム層の配向に何等の配慮も講じなければ、範囲Ｒの中で、配向強度Ｉがゆらぐ。図３より、差｜Δｄ｜を約０．３〜０．３５程度以下とすると、従来の配線での配向強度Ｉの上限値より、さらに強い配向強度Ｉが得られる。すなわち、従来の配線より、膜厚方向に向くＡｌ（１１１）面が数多く出現する。従って、差｜Δｄ｜を約０．３〜０．３５程度以下とすることにより、従来の配線より、断線しにくい配線を得ることができる。
【００２９】
次に、上記構成の金属配線を得るための具体的な製造方法について説明する。まず、例えばシリコン基板１０上に、集積回路装置の層間絶縁膜としてシリコン酸化膜１２を形成する。次いで、この酸化膜１２をアルゴンイオン３０で、スパッタする（図４）。
【００３０】
次いで、絶縁膜１２上にチタン層１６を形成する。このチタン層１６の膜厚は、例えば１０００オングストロ−ムを越えない範囲で、比較的厚目に設定する。また、このチタン層１６を形成する前に、図４に示した工程のように、シリコン酸化膜１２をスパッタしておくことにより、チタン層１６の配向性を変えることができる。これにより、チタン層１６の表面、すなわち、将来、アルミニウム合金層と接触する面に、例えば（００２）面や（０１１）面等が数多く現れるようになる（図５）。この結果、その平均格子面間隔ｄ^-が、Ａｌ（１１１）面の格子面間隔ｄ₀（２．３３６オングストロ−ム）に近づく。
【００３１】
次いで、チタン層１６上に、例えばスパッタ法により、アルミニウム合金層１８を形成する（図６）。尚、この時、チタン層１６表面に、チタン層１６の配向性を変える、例えばチタン酸化膜等の膜が形成されてしまうような酸素雰囲気中でのアニール等は行わない。この後、アルミニウム合金層１８およびチタン層１６をパターニングし、金属配線１４を得る（図７）。
【００３２】
以上のような方法により、第１の実施形態で説明したような、断線等を起こし難く、信頼性が高い半導体装置の金属配線を形成できる。
【００３３】
図１０は、第２の実施形態に係わる金属配線を示した斜視図であり、図８は、図１０中の８−８線に沿う断面図である。
【００３４】
第１の実施形態では、金属配線１４を、チタン層１６とアルミニウム合金層１８との２層構造で構成したが、図８および図１０に示すように、この２層の上に、さらにチタン層１６とアルミニウム合金層１８とをそれぞれ形成し、４層構造としても良い。さらに、図９に示すように、６層構造としても良い。
【００３５】
上記構成のような金属配線によれば、図８〜図１０それぞれに示すように、円３２内に示すように、Ａｌ（１１１）面が、配線１４を横切るように形成され、アルミニウム層１８の一つが断線しても、その他のアルミニウム層１８で、電気的な導通を補償することができる。よって、配線１４の、断線に関する信頼性をさらに高めることができる。
【００３６】
尚、この発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々の変形が可能である。例えば、アルミニウム層１８へ結晶格子情報を伝達する膜として、チタン層１６の他、種々選ぶことができる。例えばチタン窒化膜のような膜でも良い。チタン窒化膜を用いる場合にもその格子面間隔を考慮し、例えば（１１１）面を、接触面２０に多く形成されるようにする（ＴｉＮ（１１１）面の格子面間隔は、２．４４９オングストロ−ムであり、Ａｌ（１１１）面の格子面間隔と非常に近い）。このようにＴｉの上にＴｉＮを形成し、このＴｉＮの上にアルミニウム層１８を形成することも可能である。
【００３７】
また、結晶格子の情報を伝達する層の材料の選び方としては、配線１４の主要な導電体となる層、上記実施形態ではアルミニウム層１８の（１１１）面の格子面間隔や、その結晶構造を考慮されることが望ましい。例えばアルミニウム結晶は面心立方格子構造を有しているので、結晶格子情報を伝達する膜の結晶が面心立方構造を有するか、あるいはこの構造に近い、六方最密格子構造を有するものから選ぶのが良い。そして、アルミニウム層との接触面に、Ａｌ（１１１）面の格子面間隔に近い面が露出するようにすれば、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。さらに、結晶格子情報を伝達する膜の材料を置き換えるばかりでなく、配線１４の主要な導電体となる層を、アルミニウムの他、例えば面心立方格子構造を有する銅（Ｃｕ）等に置き換えることも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、断線等を起こしにくく、信頼性が高い金属配線を有する半導体集積回路装置およびその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に関わる金属配線の断面図。
【図２】第１の実施形態に関わる金属配線の斜視図。
【図３】格子面間隔ｄ⁻と格子面間隔ｄ₀との差｜Δｄ｜とＡｌ（１１１）面の配向強度Ｉとの関係を示す図
【図４】第１の実施形態に関わる金属配線を製造工程順に示す第１の斜視図。
【図５】第１の実施形態に関わる金属配線を製造工程順に示す第２の斜視図。
【図６】第１の実施形態に関わる金属配線を製造工程順に示す第３の斜視図。
【図７】第１の実施形態に関わる金属配線を製造工程順に示す第４の斜視図。
【図８】第２の実施形態に関わる金属配線の断面図。
【図９】第２の実施形態の変形例に関わる金属配線の断面図。
【図１０】第２の実施形態に関わる金属配線の斜視図。
【図１１】従来の金属配線の斜視図。
【図１２】従来の金属配線が断線した状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１０…シリコン基板、
１２…シリコン酸化膜、
１４…金属配線、
１６…チタン層、
１８…アルミニウム層、
２０…接触面。

Claims

半導体基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上方に形成された、配線を構成する、アルミニウムを含む金属導電体層と、
前記絶縁膜と前記金属導電体層との間に設けられ、少なくともチタンの（００２）面が他の配向面よりも数多く現れる面を、前記金属導電体層へ結晶格子の情報を伝える結晶格子情報伝達面として含む結晶格子情報伝達層と、を具備し、
前記金属導電体層を構成する材料の結晶は面心立方格子構造を有し、前記結晶の結晶粒界は前記配線を横切るように存在し、前記配線の膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、最も配向強度が強い面は（１１１）面であり、前記金属導電体層の、配線の膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、最も配向強度が強い面の格子面間隔と、前記結晶格子情報伝達層の、前記結晶格子情報伝達面に露出する各結晶の格子面間隔を平均化した値との差が、０．３５オングストローム以下であることを特徴とする半導体集積回路装置。
前記結晶格子情報伝達層が、面心立方格子構造か六方最密格子構造かの少なくともいずれかの構造を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路装置。
前記結晶格子情報伝達面に露出する結晶の各格子面間隔を平均化した値は、Ｘ線回折法を用い、

の式（ただし、ｄiは格子面間隔、Ｉiは前記結晶格子情報伝達層より求めた配向強度、Ｉoiは前記結晶格子情報伝達層と同一物質の粉末標準回折データに基づく配向強度）より求められることを特徴とする請求項１及び請求項２いずれかに記載の半導体集積回路装置。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ、（００２）面が他の面よりも数多く現れる配向面となるように構成されたチタン膜と、
前記チタン膜上に設けられ、（１１１）面が他の面よりも数多く現れる配向面となるように構成された窒化チタン膜と、
前記窒化チタン膜上に形成された、配線を構成する、配線の膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、最も配向強度が強い面が（１１１）面であるアルミニウムを含む金属導電体層と、
を具備することを特徴とする半導体集積回路装置。
半導体基板上に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜をスパッタ処理し、
前記スパッタ処理された絶縁膜上にチタン膜を（００２）面が他の面よりも数多く現れる配向面となるように形成し、
前記チタン膜上に、膜厚方向に向く面に露出する各結晶のうち、（１１１）面が最も配向強度が強い面とし、面心立方格子構造を有するアルミニウムを含む金属導電体層を形成し、
前記金属導電体層および前記チタン膜をパターニングし、金属配線を形成することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。