JPH01191442A - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体集積回路装置の製造方法に関し、特に回
路の配線に用いられるアルミニウムやアルミニウム合金
等からなる金属配線の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路装置の配線材料として、スパッタリング
法により形成されたアルミニウム膜やアルミニウム合金
膜が広く用いられている。

このスパッタリング方法は、高真空に排気されたチャン
バー内に導入したアルゴン（Ａｒ）等の不活性気体を放
電させ、陽イオンを陰極のアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金ターゲットに衝突させ、この衝撃によってはじ
き飛ばされたターゲット原子を半導体基板に被着させる
方法である。

従来、この方法では、被着金属膜の下地段部での被覆度
を向上させる為にスパッタリング前に（場合によっては
スパッタリング中も）半導体基板を２００　”Ｃ〜３０
０°Ｃに加熱してスパッタリングを行っている。スパッ
タリングは、１個のターゲットで行う場合と、スループ
ットを高める為に２〜３個のターゲットを用いて連続的
に行う場合とがあるが、何れも一回のスパッタリングで
所定の膜厚まで金属膜を被着し、−様な膜質の金属薄膜
を得ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のアルミニウムやアルミニウム合金のスパ
ッタリング法では、エレクトロマイグレーションとスト
レスマイグレーシゴンの両方に強い配線金属膜が得られ
ないという問題がある。

即ち、一般にアルミニウム配線のエレクトロマイグレー
ションの寿命は次式に比例する。

ここで、Ｓは結晶粒径、αは結晶粒径のバラツキの程度
を示す。また、Ｌｚ／Ｉｚ。。は（１１１）結晶粒と（
２００）結晶粒の割合である。

これより、結晶粒径が大きい程エレクトロマイグレーシ
ョンに強い配線となり、特に結晶粒径が配線幅より十分
大きく、配線を結晶粒界が横切るバンブー構造と呼ばれ
る配線では、エレクトロマイグレーションが非常に強く
なることがわかっている。

ところが、これに反してこのようなバンブー構造の配線
はきわめてストレスに弱く、高温で保持するだけで保護
膜からの応力や、配線自身が持つ応力によって結晶粒界
から断線することがわかっている。このようなストレス
マイグレーションに対しては、結晶粒径が配線幅に比べ
て小さいと有利である。

以上のように、従来のスパッタリング法では、−回のス
パッタリングで金属薄膜を形成する為、結晶粒界が膜中
で連続的になり、エレクトロマイグレーションとストレ
スマイグレーションの両方に強い配線金属膜が得られな
いという問題がある。

本発明はエレクトロマイグレーションとストレスマイグ
レーションの双方に強い配線金属膜を得ることができる
半導体集積回路装置の製造方法を提供することを目的と
している。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体集積
回路装置の配線に用いられる金属膜をスパッタリング法
により形成するに際し、スパッタリングを同一真空中で
複数回に分けて行い、かつ少なくとも連続するスパッタ
リングの条件を各々相違させている。

〔作用〕

上述した方法では、スパッタリングで形成された隣接す
る金属膜の結晶粒径が夫々相違され、結晶粒界が厚さ方
向に不連続な多層膜構造の金属配線が構成できる。

〔実施例］ 次に、本発明を図面を参照して説明する。

（第１実施例） 第１図（ａ）及び第１図（ｂ）は本発明の第１実施例を
製造工程順に示す断面図であり、ここでは単層のアルミ
ニウム配線に本発明を適用した例を示している。また、
ここではアルミニウム配線を２つのアルミニウム膜から
成る場合を示している。

第１図（ａ）において、１１はシリコン基板、１２は例
えば熱酸化により形成された酸化シリコンである。この
上に、先ず第１のアルミニウム膜１３をアルミニウム配
線所定膜厚の半分だけスパッタリングする。スパッタリ
ングの直前には基板を２００’Ｃ〜３００°Ｃ程度に加
熱し、必要によってはスパッタリングの最中にも適度の
加熱を行うことにより、結晶粒径が太き（、かつ下地段
部での被覆度が良好なアルミニウム膜を得ることができ
る。

スパッタリングの速度は１．０μｍ／分程度が適当であ
る。

次に、第１アルミニウム膜１３を被着した基板を真空中
で放置または、アルゴンガス等を吹きつけ、基板を５０
°Ｃ程度に冷却した後、今度は第２のアルミニウム膜１
４を残りの半分の膜厚だけスパッタリングする。この際
、基板加熱を１００°Ｃ以下のなるべく低い温度で行う
ことにより、結晶粒径の小さいアルミニウム膜を得るこ
とができる。但し、基板加熱温度をあまり下げすぎると
、後工程での熱処理で、ヒロックが発生し問題となるの
で、このような場合にはスパッタリングの速度を０．２
μｍ／分程度に下げて結晶粒径を抑制することも可能で
ある。

この後、前記第１アルミニウム膜１３及び第２アルミニ
ウム膜１４を一体的にフォトリソグラフィ工程により所
要パターンに形成し、アルミニウム配線１５を形成する
。また、この上にプラズマ気相成長法（Ｐ−ＣＶＤ法）
によりプラズマ窒化シリコン膜１６を保護膜として形成
する。

以上のようにアルミニウム配線１５を夫々結晶粒径の異
なる第１アルミニウム膜１３と第２アルミニウム膜１４
で構成することにより、両アルミニウム膜１３．１４の
結晶粒界が不連続になり、結晶粒界に沿ったアルミニウ
ム原子の移動が起こりにくくなる。これにより、エレク
トロマイグレーション及びストレスマイグレーションの
双方に強い配線となる。即ち、どちらが原因になるとし
ても、どちらか一方のアルミニウム層で断線が起こり、
同一箇所で、上下のアルミニウム膜が同時に断線する確
率は非常に低くなるからである。

（第２実施例） 第２図（ａ）乃至第２図（ｄ）は、本発明の第２実施例
を製造工程順に示す断面図である。本実施例は２層構造
のアルミニウム配線に本発明を適用しており、しかも１
層目アルミニウム配線は４つのアルミニウム膜で構成し
、２層目のアルミニウム配線は２つのアルミニウム膜で
構成した場合を示しである。

先ず、第２図（ａ）のように、シリコン基板１１の酸化
シリコン１２の上に、第１アルミニウム膜２１、第２ア
ルミニウム膜２２、第３アルミニウム膜２３、第４アル
ミニウム膜２４を一層目アルミニウム配線の膜厚のそれ
ぞれ１／４の厚さずつスパッタリングする。このとき、
４つのアルミニウム膜は連続的にスパッタリングするの
ではなく、１つのアルミニウム膜をスパッタリングした
後は基板を真空中で放置し、またはアルゴンガス等を吹
きつけて５０℃程度に冷却することが大切である。

スパッタリングの際の基板加熱温度及びスパッタリング
速度は、第１．第３アルミニウム膜２１゜２３では前記
第１実施例の第１アルミニウム膜の場合と同じとし、第
２．第４アルミニウム膜２２゜２４では第１実施例の第
２アルミニウム膜の場合と同じとする。これにより、結
晶粒径が不連続で、しかも結晶粒径の大きい第１アルミ
ニウム膜２１と第３アルミニウム膜２３、及び結晶粒径
の小さい第２アルミニウム膜２２と第４アルミニウム膜
２４が交互に四層型なったアルミニウム薄膜が形成され
る。ここで、アルミニウム薄膜の表面層を結晶粒径の小
さい膜にするのは、後のフォトリソグラフィ工程で、特
に縮小投影露光装置を用いる場合のパターン精度を高め
るためである。

この後、第２図（ｂ）のように、前記四層構造のアルミ
ニウム膜をフォトリソグラフィ工程により所要パターン
に形成し、１層目アルミニウム配線２５を形成する。ま
た、この上には層間絶縁膜としてプラズマ気相成長法に
て第１プラズマ窒化シリコン膜２゛６及び第２プラズマ
窒化シリコン膜２日を形成する。ここで、両プラズマ窒
化シリコン膜の間には、段差を緩和する目的で有機シリ
コン化合物２７を介在させている。

次いで、この層間絶縁膜の必要箇所にスルーホールを開
孔した後、第２図（Ｃ）のように、スパッタリング法に
より第５アルミニウム膜２９と第６アルミニウム膜３０
を被着する。このとき、これら第５．第６の各アルミニ
ウムＪ］Ｉ２９．３０は第１実施例の第１アルミニウム
膜及び第２アルミニウム膜の場合と夫々同じに形成し、
二層構造を形成する。

最後に、第２図（ｄ）のように、前記二層構造のアルミ
ニウム膜をフォトリソグラフィ工程により所要パターン
に形成し、２層目アルミニウム配線３１を形成する。ま
た、その上に保護膜としてプラズマ気相成長法により、
第３プラズマ窒化シリコン膜３２を形成する。

以上のような多層のアルミニウム配線にすることにより
、第１実施例と同様に同一箇所で各々のアルミニウム膜
が同時に断線する確率が非常に低くなる為、エレクトロ
マイグレーションとストレスマイグレーションの両方に
強い配線が得られる。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、スパッタリングで
形成された隣接する金属膜の結晶粒径が夫々相違され、
結晶粒界が厚さ方向に不連続な多層膜構造の金属配線が
構成でき、エレクトロマイグレーションとストレスマイ
グレーションの双方に強い配線が形成でき、半導体集積
回路装置の品質を向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び第１図（ｂ）は本発明の第一実施例を
製造工程順に示す断面図、第２図（ａ）乃至第２図（ｄ
）は本発明の第２実施例を製造工程順に示す断面図であ
る。 １１・・・シリコン基板、１２・・・酸化シリコン、１
３・・・第１アルミニウム膜、１４・・・第２アルミニ
ウム膜、１５・・・アルミニウム配線、１６・・・プラ
ズマＣＶＤ窒化シリコン膜、２１・・・第１アルミニウ
ム膜、２２・・・第２アルミニウム膜、２３・・・第３
アルミニウム膜、２４・・・第４アルミニウム膜、２５
・・・１層目アルミニウム配線、２６・・・第１プラズ
マ窒化シリコン膜、２７・・・有機シリコン化合物、２
８・・・第２プラズマ窒化シリコン膜、２９・・・第５
アルミニウム膜、３０・・・第６アルミニウム膜、３１
・・・２Ｎ目アルミニウム配線、３２・・・第３プラズ
マ窒化シリコン膜。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体集積回路装置の配線に用いられる金属膜をス
   パッタリング法により形成するに際し、スパッタリング
   を同一真空中で複数回に分けて行い、かつ少なくとも連
   続するスパッタリングの条件を各々相違させることを特
   徴とする半導体集積回路装置の製造方法。