JPH0316132A - アルミニウム配線及びその製造方法 - 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、半導体基板等の基板上に薄膜状にて形成され
るアル旦ニウム配線及びその製造方法に関する。

〔従来の技術およびその問題点］ 近年、半導体素子の高集積化、高速化に伴い、微細化や
多層化が必須の技術となってきている。

微細化のためアル果ニウム配線の線巾も細く設計され、
又、多層化により段差部、スルーホール部でのアルミニ
ウム配線がくびれ、断面積が減少する。そのため、電流
密度が増加し、エレクトロマイグレーションにより配線
の寿命が低下するという問題が生じている。第９図は従
来のアルミニウム配線として、Ａｌ−Ｓｉ配線をＳ−Ｇ
ｕｎ装置にて形成したものについて、アル竃ニウム配線
の線巾とエレクトロマイグレーション寿命との関係を表
している。尚、第９図は電流１６ｍＡ，温度１　５　０
　’Ｃにて膜厚０．　９μｍのアルミニウム配線に通電
した際の実験結果である。現状の配線は通常その線巾は
４μｍ程度であり、寿命は１０’Ｈｒであるが、この線
巾を２μｍまで細くした場合、電流密度が増加するため
寿命は１０”Ｈｒ程度となり、実用化が困難になってし
まう。そこで従来では、，１１とＳｔの合金配線に、Ｃ
ｕやＴｉを添加したＡｌ−Ｓｔ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｔ
ｉ等の配線を用いることにより、エレクトロマイグレー
ションを抑制しているが、それらの配線に於いては、あ
る程度の効果はあるものの、エレクトロマイグレーショ
ンの発生を依然まぬがれることができず、゛その発生を
より低減できるアル旦ニウム配線が望まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕 そこで本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、エ
レクトロマイグレーションの発生をより低減することを
可能とし、配線寿命を大巾に向上するアルミニウム配線
及びそ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〕

上記の目的を達威する為に、本願の第１発明であるアル
ミニウム配線は、基板上に薄膜状にて形成されるアルミ
ニウム配線であって、 アルミニウムを主成分とする膜中に窒素を含み、しかも
前記配線の表面及び内部の結晶粒径が０．　３μｍ以下
になるように調整したことを特徴としている。

又、本願の第２発明であるアルミニウム配線は、前記基
板と前記アルミニウム配線との間に、前記アルミニウム
が前記基板中に拡敗するのを防止するバリヤメタルを介
在させるようにしている。

又、本願の第３発明であるアル旦ニウム配線の製造方法
は、基板及びアル藁ニウムを主或分とするターゲットを
設置した真空室内に、不活性ガスを添加してスパッタリ
ングを行い前記基板上に薄膜のアルミニウム配線を堆積
するものであり、前記不活性ガスと共に窒素ガスを添加
し、しかも前記不活性ガスの量をＱ、前記窒素ガスの量
をＱ．とレた場合、 Ｑ 上式の関係を満足するようにガスの添加量を調整して反
応性スパッタリングを行うことを特徴としている。

〔作用］ Ｑ． ガスの添加量を、２≦　　　　　×１００≦１０Ｑ に調整してスパッタリングを行うことにより、基板上に
形成されるアルミニウム配線内の結晶状態は、アル兆ニ
ウムの窒素化合物（Ａ／！Ｎ）の影響を受けて２次粒子
の生威が抑制され、その結晶粒径が０．　３μｍ以下に
制御され、緻密な膜が形成される。従って、２次粒子に
よる粒界を少なくすることができるようになり、粒界を
介してのアルミニウムの移動が抑制され、延いてはエレ
クトロマイグレーションが抑制される。

又、バリヤメタルを介在させることにより、アロイスバ
イクを防止できるようになる。

（実施例） 以下、本発明を図面に示す実施例を用いて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の第１実施例にて用いるスパッタリング
装置の概略構成図であり、図において、１はシリコンウ
エハ等の半導体ウエハ２を保持するウェハホルダーであ
り、このウェハホルダーに対向してＡｊ２−ＳＬより戒
るターゲット３がＤＣ電源４に接続された状態にて設置
される。又、５はチャンバであり、ウエハホルダー１、
半導体ウエハ２及びターゲット３をその中に収納し、真
空ボンプ６により真空引きされ真空室を形或する。

このチャンバ５内には導入口８，９よりマスフローコン
トローラ７を介してそれぞれＡｒガス，Ｎ２ガスが添加
される。尚、半導体ウエハ２はスパッタリングする前の
状態において、必要に応じて半導体素子が形成され、又
その表面には所定領域に開口部を有する酸化膜が形成さ
れている。

そして、その第１実施例では真空ボンブ６により真空状
態にされるチャンバ５内に不活性ガスであるＡｒガスを
マスフローコントローラ７にてその流量を制御して添加
する。それと共にＮ２ガスもマスフローコントローラ７
にてその流量を制御しつつ添加する。尚、このＮ２ガス
の添加量はＡｒガスの添加量に対する比から決められる
ものであり、Ａｒガスの添加量をＱａｒ，Ｎｚガスの添
加量をＱＮとする場合、 この（１）式の関係を満足するように制御される。

そして、上記のようにチャンバ５内のガス量を調整した
状態にてウエハホルダー１とターゲット３間に高電圧を
印加し、反応性スパッタリングを行い半導体ウエハ２の
表面上にＡｎ−Ｓｉ−Ｎの薄膜を堆積する。

このようにして形成されたＡｌ−Ｓｉ−Ｎの薄膜はその
後ホトリソグラフィー工程を施すことによりパターニン
グし、アルミニウム配線を形戒する。尚、この例では後
に説明する特性試験を行う為に第２図に示すような配線
巾２μｍ、全長３閣のアル嵩ニウム配線１０によるテス
トパターンを作威した．次に、その表面上にパッシベー
ション膜を形成して、ホトリソグラフィーによりバノド
部１０ａに開口部を開ける。モしてセラ旦ツクパッケー
ジに組み込み、このパッド部１０ａと所定の端子とをワ
イヤボンディングすることにより電気接続して最終的に
半導体装置を構或する。

このようにして形成されるアル２ニウム配線ｌＯの特性
を本発明者達の実験により求めた第３図，第４図，第５
図及び第６図を用いて説明する。ここで、第３図は第９
図に示した実験と同じ条件、即ち、電流１６ｍＡ．温度
１５０゜Ｃ、電流密度ＩＸ１０”Ａ／ｃｆｆｌにて膜厚
０．　９μｍのアルミニウム配線１０に通電した際の実
験結果である。

尚、第３図〜第６図において使用されるアルミニウム配
１１０のテストパターンは、スパッタリングの条件とし
て、上記の（１）式の関係を満足することの他に、下記
表１に示す条件にて形或した。

又、日本真空社製及びバリアン社製のスパッタ装置を用
いてそれぞれ形成しており、第３図〜第５図中には日本
真空社製のスバッタ装置を用いて形成したアルミニウム
配線１０についての特性をＯ（○）プロットにて表し、
バリアン社製のスパシタ装置を用いて形成したアル逅ニ
ウム配線１０についての特性を口（四角）プロットにて
表した。

又、第３図及び第５図においてΔ（三角）プロットは、
従来のＮ２ガスを添加しないものについての値である。

又、第６図の特性は日本真空社製のスバッタ装置を用い
て形成したものについての特第４図からわかるように、
Ｎ２ガスとＡｒガスの添加！（流量）を上記（１）式の
関係を満足するように制御することにより、アルミニウ
ムの結晶粒径を０．　３μｍ以下にすることができる。

そして、第３図からわかるように、アルミニウムの結晶
粒径を０．３μｍ以下に制御した場合には、エレクトロ
マイグレーション寿命を実用上問題のない１０’Ｈｒ以
上にすることができる。このことは、第９図を用いて説
明した従来技術（Ａ／！−Ｓｔ配線）において配線の線
巾が現状の４μｍにて実現していた寿命時間を、本実施
例では線巾２μｍにて実現したことになる。

このように本実施例によると、エレクトロマイグレーシ
ョン寿命が長くなる理由を第７図及び第８図を用いて説
明する。第７図は従来技術のスパッタリング法として、
Ｎ２ガスを添加することなくアル短ニウムを生威する場
合の薄膜生或機構を説明する為に模式的に描いた図であ
り、第８図は本実施例のようにＮ２ガスを添加した場合
の図である。又、それぞれの図の（ａ）は初期段階を、
（ｂ）は核戒長段階を、（Ｃ）は膜生戒段階を示してい
る。まず、従来技術の機構から説明すると、初期段階で
はスパッタリングよりＡ１原子２０がウエハ上に降り積
もり（第７図（ａ）Ｌそれが核戒長段階になると結晶或
長して一次粒子２１となる（第７図（ｂ））．そして、
膜生成段階では更に戒長し、一次粒子２１が結合して二
次粒子２２となる（第７図（Ｃ））。

尚、この場合、二次粒子２２はウエハ全面にわたって形
成されるので本発明の言う「結晶粒径」は、この二次粒
子２２の径により定義される。

本実施例では、初期段階にてスパッタリングによりＡｌ
原子２０およびアルミニウムの窒素化合物（，６４２Ｎ
）２４がウェハ上に降り積もり（第８図（ａ））、それ
が核戒長段階になるとアルミニウムは戒長して一次粒子
２１となるが、ＡｆＮ２　４はその一次粒子２１の外側
に追いやられる（第８図（ｂ））。

そして、膜生或段階においてもＡｆＮ２４の影響を受け
て二次粒子の生威が抑制され、そのまま膜密度が高い状
態にて膜が生戒されるものと考えられる（第８図（Ｃ）
）。

尚、この場合、局所的には二次粒子が形成される可能性
もあるが、ほとんどが一次粒子２【であるので本発明の
言う「結晶粒径」は、この一次粒子２１の径により定義
される。

一ａにエレクトロマイグレーションはアルミニウムが粒
界２３を道として移動するために起こるものと考えられ
ているから、従来では、二次粒子２２の粒径を極力大き
くして単位面積当たりの粒界２３を少なくすることによ
り、耐エレクトロマイグレーション性を向上していた。

しかしながら、粒界が存在する以上、エレクトロマイグ
レーションの抑制には限界があった。

それに対して、本実施例では二次粒子による粒界がほと
んど存在しないので、アルミニウムの移動をほとんど防
止でき、耐エレクトロマイグレーション性を従来より向
上できるようになったものと考えられる。

次に、ガス流量比を下記表２に示すようにした例につい
て、具体的な数値にて説明する。尚、日本真空社製のス
パッタ装置を用いて形成したものをサンプルＡとし、バ
リアン社製のスバッタ装置を用いて形成したものをサン
プルＢとする。又、スパンタリングの他の条件は、上記
表１及び上述した条件である。

このようにして形成されたサンプルＡ，Ｂについて、表
面部分の結晶粒径、内部の結晶粒径及びエレクトロマイ
グレーション寿命を測定した結果を下記表３に示す。尚
、内部の結晶粒径はリン酸エッチングによりアルａニウ
ム配線の膜厚を約半分にして行った。

次に、比較例として、上記表１．表２の条件において、
Ｎ２ガス量をＯにして形成した例についての表面結晶粒
径、内部結晶粒径及びエレクトロマイグレーション寿命
の測定結果を下記表４に示す。

（以下余白） 表４ 表３及び表４を比較検討すると、Ｎ２ガス量を０にした
場合（表４）には表面結晶粒径が比較的大きくなり、さ
らに内部結晶粒径はかなり大きくなる。それに対して、
ガス流量比を表３のようにした場合には、表面及び内部
の結晶粒径が比較的小さな粒径になる。そして、エレク
トロマイグレーション寿命が２５倍以上向上することが
分かる。

尚、表２，表３及び第４図から、ガス流量比とアルもニ
ウム粒径との関係は、使用する装置に依存することなく
、ほとんど同じ特性になることが分かる。

第５図は、アルミニウムの結晶粒径のパッシベーション
膜等の応力により生ずるストレスマイグレーション発生
率との関係の測定結果を示しており、上述のようにガス
流量比を制御することにより、膜表面及び内部にわたっ
て粒径が０．　３μｍ以下の緻密な膜を形或することが
できるから、ストレスマイグレーションの発生率をも低
減できるようになる。

尚、Ｎ２ガスを添加したスパッタリングによるアル旦ニ
ウム膜は、反射率、比抵抗の悪化が懸念されるが、ガス
流量比を制御することにより、第６図に示すように、反
射率においてはアルミニウム膜の露光時に行うマスク合
わせにおいて必要な十分な反射率が得られ、比抵抗にお
いても１０μΩ・ｃｍ以下の小さな値に制御することが
でき、実用上全く問題はない。尚、反射率はシリコンの
原石の反射光強度を１００％とした場合のアルミニウム
膜の反射光強度にて設定される。

上記実施例においては半導体ウェハ２上に直接アルミニ
ウム配線１０が形成される構威であるために、このアル
ミニウム配線ＩＯを第１０図に示すように、例えばＭＯ
Ｓトランジスタのソースあるいはドレイン領域３０上に
形成した場合には、そのコンタクト部３１においてアル
ミニウムがシリコン中に拡散するアロイスパイク３２が
生じてアル旦ニウム配線１０と半導体ウエハ２が短絡し
てしまう可能性がある。以下に示す例は、そのような不
具合を解決するためになされたものである。

通常、アル嵩ニウム配線１０にあっては、このアロイス
バイクを防止するために１％程度のシリコンを混入させ
ているのであるが、上記実施例のようにＮ２ガスを導入
した反応性スパッタリングを行う場合には、その１％シ
リコンが窒素と反応してＳｉＮとなる為にＳｔ含有量が
減少し、７口イスパイク防止効果が薄れるものと考えら
れる。

そこで、コンタクト部におけるアロイスバイクの対策と
して、第１ｌ図に示すようにアル藁ニウム配ｗＡ１０と
ソースあるいはドレイン領域３０との間にバリヤメタル
３３を介在させることによりアロイスバイクを容易に防
止することができる。

このバリヤメタル３３はＴｉＷ，Ｔｉ／ＴｉＮの二層構
造、あるいはＴ　ｉ　／Ｔ　ｉ　Ｎ／Ｔ　ｉの三層構造
から或り、その製造方法は例えば、ＴｉＷの場合にはＴ
ｉＷのターゲットを用いてスパッタリングにより形戒す
れば良く、又、ＴＩ／ＴｉＮの場合にはＴｉをスパンタ
リングした後にＮ２　＋ＮＨ，雰囲気中にてアニールを
行い形或するか、Ｔｉをスパッタリングした後にＴｉＮ
を反応性スバノタリングにより形或すれば良い。又、Ｔ
ｉ／ＴｉＮ／　Ｔ　ｉの場合には上述のようにしてＴｉ
／ＴｉＮを形戒した後にさらにＴｉをスパッタリングし
て形戒すれば良い。尚、Ｔ　ｉ　／　Ｔ　ｉ　Ｎの二層
構造によると抵抗が高くなるので、この上にＴｉを形成
してＴ　ｉ　／　Ｔ　ｉ　Ｎ　／　Ｔ　ｉの三層構造に
すれば、抵抗を小さくすることができる。又、Ｔ　ｉ　
／　Ｔ　ｉ　Ｎ／Ｔｉの三層構造によるとＴｉの上にア
ルミニウム配線ＩＯが形成されることになるので、その
アルミニウム配綿１０の結晶性を良くすることができ、
例えば特開昭６３−１５２１４７号公報に示されるよう
に、その結晶軸を（１　１　１）面に配向することがで
きる。

以上、本発明を上記実施例を用いて説明したが、本発明
はそれらに限定されることなく、その主旨を逸脱しない
限り種々変形可能であり、例えばターゲット３はＡｌ−
Ｓｉ以外の物でも良く、Ｃｕを含有するＡｆ−Ｓｔ−Ｃ
ｕ等でも良い。即ち、ターゲットの材質によらず、スバ
ッタの際、Ｎ２ガスをコントロールしながら添加し、ア
ルミニウム粒径を制御すれば、より長寿命な配線となる
。

叉、アルミニウムの粒径の下限値は特に限定されないが
、それは０，０３μｍ程度の加工制′４Ｂ限界とすれば
良い。又、一般のスパッタリング装置においては、スパ
ッタ効率を高めるために第１図に示すターゲット３の背
面にマグネットを配置するマグネトロン型のものである
が、このマグネットはなくても良い。

〔発明の効果］ 以上述べたように本発明によると、スパッタリング時に
Ｎ２ガスを添カロし、不活性ガスとの流量比を調整する
ことにより、アルミニウムの結晶粒径を良好に調整可能
となり、粒径が０．　３μｍ以下に調整されたアルミニ
ウム配線はエレクトロマイグレーションの発生を抑制で
き、配線寿命を大巾に向上することができるという効果
がある。

又、バリヤメタルを介在させることによりアロイスバイ
クを防止することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はスパッタリング装置の概略構戒図、第２図は半
導体ウエハ上のテストパターンを示す平面図、第３図は
Ａｆ粒径とエレクトロマイグレーション寿命との関係を
表す図、第４図はガス流量比とＡｌ粒径との関係を表す
図、第５図は八〇粒径とストレスマイグレーション発生
率との関係を表す図、第６図はガス流量比と反射率・比
抵抗との関係を表す図、第７図（ａ），Φ）．　（Ｃ）
は従来の薄膜生成機構を説明する為の模式図、第８図（
ａ）．　（ｂ）（Ｃ）は本発明の薄膜生成機構を説明す
る為の模式図、第９図は従来の配線の線巾とエレクトロ
マイグレーション寿命との関係を表す図、第１０図はア
ロイスバイクが発生する様子を示す断面図、第１１図は
バリヤメタルを形成した様子を示す断面図である。 １・・・ウェハホルダー，２・・・半導体ウエノ飄，３
・・・ターゲット．４・・・ＤＣ電源，５・・・チャン
ノく，６・・・真空ボンブ，７・・・マスフローコント
ローラ．８．９・・・導入口，１０・・・アルミニウム
配線，３３・・・ノくリャメタル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に薄膜状にて形成されるアルミニウム配線
   であって、 アルミニウムを主成分とする膜中に窒素を含み、しかも
   前記配線の表面及び内部の結晶粒径が０．３μｍ以下に
   なるように調整したことを特徴とするアルミニウム配線
   。
2. （２）前記基板と前記アルミニウム配線との間に、前記
   アルミニウムが前記基板中に拡散するのを防止するバリ
   ヤメタルを介在させている請求項（１）記載のアルミニ
   ウム配線。
3. （３）基板及びアルミニウムを主成分とするターゲット
   を設置した真空室内に、不活性ガスを添加してスパッタ
   リングを行い前記基板上に薄膜のアルミニウム配線を堆
   積するものであり、前記不活性ガスと共に窒素ガスを添
   加し、しかも前記不活性ガスの量をＱ、前記窒素ガスの
   量をＱ＿Ｎとした場合、 ２≦Ｑ＿Ｎ／Ｑ×１００≦１０ 上式の関係を満足するようにガスの添加量を調整して反
   応性スパッタリングを行うことを特徴とするアルミニウ
   ム配線の製造方法。