JPH0258837A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、プラズマ照射によって不純物の添加を行い、
配線の信頼性を高めた半導体装置とその製造方法に関す
るものである。[Detailed Description of the Invention] Industrial Application Field The present invention involves adding impurities by plasma irradiation,
The present invention relates to a semiconductor device with improved wiring reliability and a manufacturing method thereof.
従来の技術
半導体装置の配線としては、アルミニウム(Al)が、
低抵抗性2加工性、S i02との密着性の点から一般
に用いられている。しかし、近年の配線の微細化により
、エレクトロマイグレーション劣化およびストレスマイ
グレーション劣化、表面でのヒロック形式による平坦性
の劣化等の問題が顕在化してきた。Conventional technology Aluminum (Al) is used for wiring of semiconductor devices.
It is generally used because of its low resistance, workability, and adhesion to Si02. However, with the recent miniaturization of wiring, problems such as electromigration deterioration, stress migration deterioration, and flatness deterioration due to hillock formation on the surface have become apparent.
AI配線のこれらの問題点に対して、スパッタターゲッ
トの組成を変えることなどにより、AI模膜中、Cu、
Ti、 Mgなどを含有させる方法、AI配線の中間ま
たは上層に、W、Tiなどの金属層を設けた層状配線、
メタルCVD法によってAI配線をタングステン(W)
などでカバーする方法、(例えばアイ、イー、イー、デ
イ−エム、テクニカルダイジェスト(1987年)第2
05頁から第208頁I EDM (1987) P、
205−P、208)AI模膜中イオン注入法によって
、Ar、Asなどを注入する方法く例えばアイ、イー、
デイ−エム、テクニカルダイジェスト(1984年)第
138頁から第141頁I E D M (1984)
P、 138−P、 141 ’)等が一般的に用い
られている。To address these problems with AI interconnects, by changing the composition of the sputtering target, Cu,
A method of containing Ti, Mg, etc., a layered wiring in which a metal layer such as W, Ti, etc. is provided in the middle or upper layer of the AI wiring,
AI wiring is made of tungsten (W) using metal CVD method.
(For example, I, E, E, DM, Technical Digest (1987) Vol. 2)
Pages 05 to 208 I EDM (1987) P.
205-P, 208) Method of implanting Ar, As, etc. by ion implantation method in AI model, for example, AI, E.
DM, Technical Digest (1984) pp. 138-141 I E D M (1984)
P, 138-P, 141'), etc. are commonly used.
イオン注入による方法を第4図を用いて説明する。第4
図Uは、素子の形成されたSi基板43SiO膜42上
にA I / S i膜が堆積されたことを示す
図である。A method using ion implantation will be explained with reference to FIG. Fourth
FIG. U is a diagram showing that an AI/Si film is deposited on a Si substrate 43 and a SiO film 42 on which elements are formed.
次いで、イオン注入機を用いてAs”(SoKeV、6
X10 cm )を注入する(第4図b)。Next, using an ion implanter, As” (SoKeV, 6
x10 cm) (Fig. 4b).
次いで所望の領域をエツチングして配線45を形成する
(第4図C)。Next, a desired region is etched to form a wiring 45 (FIG. 4C).
このように形成された配線では、イオン注入によってA
sの入っている配線上表面では、A1原子の拡散が、結
晶粒内および粒界に存在するAs44によって押えられ
るため、原子の移動が起きに((、表面ヒロックの発生
が押さえられる。In the wiring formed in this way, A
On the upper surface of the wiring containing s, the diffusion of A1 atoms is suppressed by As44 present in the crystal grains and at the grain boundaries, so that the atoms move ((), and the generation of surface hillocks is suppressed.
しかし、電流を流すことによってA1原子が移動する不
良であるエレクトロマイグレーションに対しては、側面
に不純物が注入されていないため、ボイド47.ヒロッ
ク48が生じている。配線表面に保護膜を形成した場合
のその膜応力によってAI原子が移動するストレスマイ
グレーションに対しても、同様なボイド、ヒロックが生
じる。However, with respect to electromigration, which is a defect in which A1 atoms move due to the flow of current, voids 47. A hillock 48 has occurred. Similar voids and hillocks occur in response to stress migration in which AI atoms move due to film stress when a protective film is formed on the wiring surface.
発明が解決しようとする課題
しかしながら、配線中に不純物を予め含有させる方法は
、エレクトロマイグレーション耐性、ストレスマイグレ
ーション耐性は改善するものの、ヒロック防止には不十
分である場合がある。また、層状配線には、層間の反応
不均一による、抵抗増大および加工性の課題がある。W
カバー法では、事実上の配線幅が太くなる。イオン注入
法では、ヒロック形成を防ぐことは可能であっても、エ
レクトロマイグレーション耐性、ストレスマイグレーシ
ョン耐性の改善は、はとんど見られないなどの課題があ
った。Problems to be Solved by the Invention However, although the method of pre-containing impurities in wiring improves electromigration resistance and stress migration resistance, it may not be sufficient to prevent hillocks. Furthermore, layered wiring has problems with increased resistance and processability due to non-uniform reactions between layers. W
In the cover method, the actual wiring width becomes thicker. In the ion implantation method, although it is possible to prevent hillock formation, improvements in electromigration resistance and stress migration resistance are rarely seen.
本発明はかかる問題点に鑑み、これらの問題点を解決し
、信頼性の優れた配線を有する半導体装置及びその製造
方法を提供することを目的とする。In view of these problems, an object of the present invention is to solve these problems and provide a semiconductor device having wiring with excellent reliability and a method for manufacturing the same.
課題を解決するための手段
本発明は、真空室内に設けられた試料台上に、配線が形
成された基板を置き、前記真空室内に特定の元素を含む
ガスを導入してプラズマを発生させ、前記配線の上面及
び側面に特定の元素を含む不純物を導入さする技術であ
る。Means for Solving the Problems The present invention includes placing a substrate on which wiring is formed on a sample stage provided in a vacuum chamber, and generating plasma by introducing a gas containing a specific element into the vacuum chamber. This is a technique in which impurities containing a specific element are introduced into the top and side surfaces of the wiring.
作 用
本発明では、プラズマを用いたドーピング法を用いてい
るために、高濃度の不純物を低温、短時間で配線の上面
のみならず側面へも、配線表面全体に添加させることが
できる。配線表面の不純物は、配線材料の原子の拡散を
防ぐため、原子の移動によって引き起こされるヒロック
形式、エレクトロマイグレーション劣化、ストレスマイ
グレーション劣化、配線の腐食等にも改善が見られ、配
線の信頼性が向上する。Function In the present invention, since a doping method using plasma is used, a highly concentrated impurity can be added to the entire surface of the wiring, not only the top surface but also the side surface of the wiring, in a short time at low temperature. Impurities on the wiring surface prevent the diffusion of atoms in the wiring material, which improves the hillock type caused by the movement of atoms, electromigration deterioration, stress migration deterioration, wiring corrosion, etc., and improves the reliability of wiring. do.
実施例
本発明の実施例を第1図を用いて工程順に説明する。第
1図aは、素子が形成しであるSi基板13.5in2
膜12上にAI膜(A1/5i)11が堆積されている
ことを示す図である。次いでこのA11lffllの所
望の領域をエツチングしてAI配線14を形成する(第
1図b)。EXAMPLE An example of the present invention will be explained step by step with reference to FIG. Figure 1a shows a 13.5in2 Si substrate on which the device is formed.
3 is a diagram showing that an AI film (A1/5i) 11 is deposited on a film 12. FIG. Next, a desired region of this A11lffll is etched to form an AI wiring 14 (FIG. 1b).
次いで、前記AI配線14表面に、本実験で用いたEC
Rプラズマドーピング装置(例えば、電子材料、P、
103.1987.12月号)によって、ドープガスH
e/AsH,=9515 (63CCM)、圧力5x
10 Torr、 ECR出口での電流密度2mAc
m 、RF放電による陰極降下電圧(ウェハの電位−
vD。〉を−700Vとした状態で不純物としてのAs
原子15を注入する(第1図C)。Next, the EC used in this experiment is applied to the surface of the AI wiring 14.
R plasma doping equipment (e.g. electronic materials, P,
103.1987.December issue), doped gas H
e/AsH, = 9515 (63CCM), pressure 5x
10 Torr, current density at ECR exit 2mAc
m, cathode drop voltage due to RF discharge (wafer potential -
vD. > as an impurity with -700V
Atoms 15 are implanted (FIG. 1C).
このとき配線最表面でのAs濃度は2X1019cm3
程度であった。At this time, the As concentration at the top surface of the wiring is 2X1019cm3
It was about.
本実施例では、AI配線14の表面全体に高濃度のAs
15が添加されているために、A1原子の結晶粒内、粒
界での拡散を押さえるために、平坦化において問題とな
るヒロックが発生しない。In this embodiment, a high concentration of As is applied to the entire surface of the AI wiring 14.
Since 15 is added, diffusion of A1 atoms within crystal grains and at grain boundaries is suppressed, and hillocks, which are a problem in planarization, do not occur.
また、エレクトロマイグレーション劣化、ストレスマイ
グレーション劣化に対しても、配線表面全体に、AI原
子の移動を押えた変形しに(い層が存在するため、AI
原子の移動による機械的変形を押さえるため、ボイドお
よびヒロックが発生しない。In addition, against electromigration deterioration and stress migration deterioration, there is a layer on the entire wiring surface that suppresses the movement of AI atoms.
Since mechanical deformation due to the movement of atoms is suppressed, voids and hillocks do not occur.
第2図に、本実施例で用いたECRプラズマドーピング
装置の構造図を示す。FIG. 2 shows a structural diagram of the ECR plasma doping apparatus used in this example.
第2図において、21はマイクロ波導波管(2,45G
Hz) 、22はガス導入口(ここではHeベースのA
s H3)。23は石英製真空槽、24はステンレス
製真空槽、25は高密度ECRプラズマ、26はコイル
、27は基板、28は試料台、29は冷却水入口、30
は冷却水出口、31はマツチングボックス、32は高周
波電源、33は直流電圧系、34は排気口である。ここ
では真空槽を真空にするための手段、ターボ分子ポンプ
などについては述べていない。In Figure 2, 21 is a microwave waveguide (2,45G
Hz), 22 is the gas inlet (He-based A
s H3). 23 is a quartz vacuum chamber, 24 is a stainless steel vacuum chamber, 25 is a high-density ECR plasma, 26 is a coil, 27 is a substrate, 28 is a sample stage, 29 is a cooling water inlet, 30
3 is a cooling water outlet, 31 is a matching box, 32 is a high frequency power supply, 33 is a DC voltage system, and 34 is an exhaust port. There is no mention here of means for evacuating the vacuum chamber, such as turbomolecular pumps.
ヒ素(As)をドーピングする場合には、Asを含むガ
ス例えばアルシン(A s H8)をガス導入口22よ
り、真空槽23へ導入する。プラズマ発生槽である真空
23の内側は、石英でできており、真空槽側壁でのスパ
ッタリングによる試料の汚染を防止すると共に、プラズ
マやラジカルの側面での消滅を極力小さくすることに役
立っている。When doping with arsenic (As), a gas containing As, such as arsine (A s H8), is introduced into the vacuum chamber 23 through the gas inlet 22 . The inside of the vacuum 23, which is a plasma generation tank, is made of quartz, which serves to prevent contamination of the sample due to sputtering on the side walls of the vacuum tank and to minimize annihilation of plasma and radicals on the sides.
真空槽24内は、排気口34へつながる排気系へのコン
ダクタンスバルブの開口量とA s H3の流量を制御
することにより、真空度を5 X 10−3Torr以
外の圧力に保った。周波数2.45GHzで数10〜数
100ワットのマイクロ波がマイクロ波導入口21より
導入され、コイル26により作られる磁場(最大約90
0 Gauss )とプラズマ中の電子は電子サイクロ
トロン共鳴(ECR)に近い状況を生じることとなり、
高真空中にもかかわらず、比較的高密度のプラズマを生
じる。試料台28は0℃から30℃程度に冷却された循
環冷却水によって冷却されている。試料台28の冷却に
は、絶縁性の高い超純水が絶縁性の高い他の液体を使用
し、または電子冷却や基板27の裏側にHeを吹き付け
て冷却する等の方法を適用することにより、試料台28
には、直流または交流バイアス電位を印加し、基板との
間に放電領域を形成することができる。これより、プラ
ズマと試料台間のポテンシャルエネルギーを任意に設定
することができる。The degree of vacuum inside the vacuum chamber 24 was maintained at a pressure other than 5×10 −3 Torr by controlling the opening amount of the conductance valve to the exhaust system connected to the exhaust port 34 and the flow rate of As H3. Microwaves with a frequency of 2.45 GHz and several tens to hundreds of watts are introduced from the microwave inlet 21, and the magnetic field created by the coil 26 (up to about 90
0 Gauss) and the electrons in the plasma create a situation close to electron cyclotron resonance (ECR),
Generates relatively high-density plasma despite being in a high vacuum. The sample stage 28 is cooled by circulating cooling water cooled to about 0°C to 30°C. The sample stage 28 is cooled by using highly insulating ultrapure water, other highly insulating liquids, or by applying methods such as electronic cooling or cooling by spraying He on the back side of the substrate 27. , sample stage 28
By applying a DC or AC bias potential to the substrate, a discharge region can be formed between the substrate and the substrate. From this, the potential energy between the plasma and the sample stage can be set arbitrarily.
前記装置を用いて、プラズマドーピングを行った。A
I / S i配線(線幅1 、2 tt m
、厚さ1.0μm)にAsをドーピングした例について
述べる。不純物ガスとしてA s H3をHeで希釈し
、5%で6SCCMの流量で真空槽へ導入しコンダクタ
ンスバルブを調整することにより、真空度を5 x l
Q Torrに保った。ECR条件によってプラズ
マを発生させ、このプラズマと基板27との間にRF放
電を行い、直流電圧計33を700Vに保った。この状
態で300秒のプラズマにさらしたところ、配線最表面
において表面濃度2X10 cm 、深さ50nm
のA、 sドーピングが行われていることが、二次イオ
ン質量分析法により確認された。Plasma doping was performed using the above apparatus. A
I/Si wiring (line width 1, 2 tt m
, thickness 1.0 μm) is doped with As. As an impurity gas, A s H3 was diluted with He and introduced into the vacuum chamber at a flow rate of 6 SCCM at 5%, and the degree of vacuum was adjusted to 5 x l by adjusting the conductance valve.
Q Maintained at Torr. Plasma was generated under ECR conditions, RF discharge was performed between the plasma and the substrate 27, and the DC voltmeter 33 was maintained at 700V. When exposed to plasma for 300 seconds in this state, the surface concentration was 2 x 10 cm at the top surface of the wiring, and the depth was 50 nm.
It was confirmed by secondary ion mass spectrometry that A, s doping was performed.
本実施例では、A1配線としたため、ECRプラズマド
ーピング法を用い、配線表面を高密度プラズマにさらさ
ず積極的に基板冷却を行い、配線表面温度を150℃ま
でとし、処理中のヒロック形式を押えた。In this example, since A1 wiring was used, the ECR plasma doping method was used to actively cool the substrate without exposing the wiring surface to high-density plasma, and the wiring surface temperature was kept at 150°C to suppress hillock formation during processing. Ta.
しかし、配線の種類によっては、単にマイクロ波、高周
波、直流を用いてプラズマを発生させる安価な方法も適
用可能である。However, depending on the type of wiring, an inexpensive method of simply generating plasma using microwaves, high frequency waves, or direct current may also be applicable.
第3図は、本実施例によるアルミ配線のストレスマイグ
レーション劣化の改善を示すボイド数の比較を示す図で
ある。FIG. 3 is a diagram showing a comparison of the number of voids showing improvement in stress migration deterioration of aluminum wiring according to this example.
本実施例では、PSG (厚さ800nm P濃度8
wt%)膜を堆積したSi基板上に、DCマグネトロン
スパッタ法により、A I / S i膜(厚さ
800 n m )を形成後、1)イオン注入により5
0KeV 6X10 cm のAs注入を行い、
パターニングした試料(線幅1.2μm)、2)パター
ニング(線幅1.2μm)後、表面濃度2X10cm
となるようECRプラズマドーピングを行った試料を
準備し、ヒロックの形成されるストレスマイグレーショ
ン劣化の加速度試験として、試料配線表面にプラズマC
VD法でSiN膜を500nm堆積し、高温放置試験1
50℃150時間を行った。In this example, PSG (thickness: 800 nm, P concentration: 8
After forming an AI/Si film (thickness: 800 nm) by DC magnetron sputtering on the Si substrate on which the (wt%) film was deposited, 1) 5
Perform As implantation of 0KeV 6X10 cm,
Patterned sample (line width 1.2 μm), 2) After patterning (line width 1.2 μm), surface concentration 2×10 cm
A sample was prepared with ECR plasma doping so that
A SiN film was deposited to a thickness of 500 nm using the VD method and subjected to high temperature storage test 1.
The test was carried out at 50°C for 150 hours.
テストパターン上のボイドの数を各試料ごとに第3図に
示す。A1配線パターン上のボイドを走査型電子顕微跳
を用いて観察したところ、注入無しの試料では、線幅1
.2μm、厚さ800nm、配線長50μmの区間に於
いて、15湖のボイドが観察された。Asのイオン注入
を行った試料では9個の、ECRプラズマドーピングを
行った試料では、2個のボイドが観察された。The number of voids on the test pattern is shown in FIG. 3 for each sample. When voids on the A1 wiring pattern were observed using a scanning electron microscope, it was found that in the sample without injection, the line width was 1
.. Fifteen voids were observed in a section with a thickness of 2 μm, a thickness of 800 nm, and a wiring length of 50 μm. Nine voids were observed in the sample subjected to As ion implantation, and two voids were observed in the sample subjected to ECR plasma doping.
本図から明らかなように、本実施例の製造方法によれば
ボイドの発生を極めて抑制する効果がある。As is clear from this figure, the manufacturing method of this example has the effect of extremely suppressing the generation of voids.
ここでは、配線上の欠落したボイドについて述べたが突
出した部分であるヒロックについても同様の傾向があっ
た。Here, we have talked about missing voids in the wiring, but the same tendency was observed for hillocks, which are prominent parts.
発明の詳細
な説明したように、本発明によれば、高い信頼製を有す
る配線を加工性よ(形成することができ、とくに、サブ
ミクロン線幅では、使用が困難となりつつあった低抵抗
、安価なAI系合金を弓き続き使用することができ、そ
の実用的効果は大きい。As described in detail, according to the present invention, it is possible to form wiring having high reliability with ease of processing, and in particular, it is possible to form wiring with low resistance, which has become difficult to use in submicron line widths. Cheap AI-based alloys can be used continuously, and the practical effects are great.
第1図は本発明の一実施例の工程順序を示す工程断面図
、第2図は本発明で用いたECRプラズマドーピング装
置の構造概略図、第3図は本発明によって配線中のボイ
ド数が減少したことを説明する特性図、第4図はイオン
注入による従来のヒロック発生防止を示す工程順序を示
す工程断面図である。
11・・・・・・アルミ膜、12・・・・・・SiO2
膜、13・・・・・・Si基板、14・・・・・・AI
配線、15・・・・・・As0
代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 ほか1名第1図
第2図
(CL)
第
図
注入焦
イオン注入
EC尺プラズマドーフ
第
図
(α)FIG. 1 is a process cross-sectional view showing the process order of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic structural diagram of an ECR plasma doping apparatus used in the present invention, and FIG. FIG. 4 is a characteristic diagram illustrating the reduction, and a process sectional view showing a process sequence showing conventional prevention of hillock generation by ion implantation. 11... Aluminum film, 12... SiO2
Film, 13...Si substrate, 14...AI
Wiring, 15...As0 Name of agent: Patent attorney Shigetaka Awano and one other person Figure 1 Figure 2 (CL) Figure Injection Pyroion Implantation EC Scale Plasma Dorf Figure (α)
Claims (2)
れた基板を置き、前記配線を前記プラズマにさらすこと
により、前記配線の上面及び側面に特定の不純物を添加
したことを特徴とした半導体装置。(1) A substrate with wiring formed thereon is placed on a sample stage provided in a vacuum chamber, and the wiring is exposed to the plasma to add a specific impurity to the top and side surfaces of the wiring. semiconductor device.
れた基板を置き、前記真空槽内に特定の元素を含むガス
を導入してプラズマを発生させ、前記配線を前記プラズ
マにさらすことにより、前記配線の上面及び側面に特定
の不純物を添加することを特徴とする半導体装置の製造
方法。(2) Place the substrate with wiring formed on a sample stage provided in a vacuum chamber, introduce a gas containing a specific element into the vacuum chamber to generate plasma, and connect the wiring to the plasma. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that a specific impurity is added to the upper surface and side surface of the wiring by exposing the wiring.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21030988A JPH0258837A (en) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | Semiconductor device and manufacture thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21030988A JPH0258837A (en) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | Semiconductor device and manufacture thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0258837A true JPH0258837A (en) | 1990-02-28 |
Family
ID=16587276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21030988A Pending JPH0258837A (en) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | Semiconductor device and manufacture thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0258837A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0776040A3 (en) * | 1995-09-27 | 1999-11-03 | Texas Instruments Incorporated | Integrated circuit interconnect and method |
-
1988
- 1988-08-24 JP JP21030988A patent/JPH0258837A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0776040A3 (en) * | 1995-09-27 | 1999-11-03 | Texas Instruments Incorporated | Integrated circuit interconnect and method |
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