JPH03274732A - 半導体集積回路装置 - 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、半導体技術さらには半導体集積回路における
配線構造に適用して特に有効な技術に関し、例えば配線
幅がサブミクロン以下のＬＳＩに利用して有効な技術に
関する。

［従来の技術］ 半導体集積回路装置においては、加工技術の微細化が進
むにつれて配線幅が狭くなり、電子の流れによって使用
中に配線が切断に至るエレクトロマイグレーションが問
題になってきている。

そこで、アルミニウムをベースとする配線層にＣｒやＨ
ｆ、Ｃｕ等の金属間化合物層を設けることにより配線抵
抗を増加させることなくエレクトロマイグレーション耐
性を向上させる技術が提案されている（昭和５１年９月
２９日、ＩＢＭ社出願、特開昭５２−５２５８５号）。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、配線幅が２μｍ程度の現行プロセスに
おいてエレクトロマイグレーション耐性を向上させるに
は有効である。しかし、近年実用化されると予想される
１μｍ以下の微細配線プロセスにおいては、上記従来技
術ではエレクトロマイグレーションに充分に対応できな
いことが分かってきた。一方、発明者らは微細配線（０
，８μｍ）を使ったＬＳＩの評価試験において、長時間
の高温放置でアルミ配線が断線（ストレスマイグレーシ
ョン）したりシリコンの析出不良が発生するという問題
点があることを見出した。

この発明の目的は、エレクトロマイグレーション耐性及
びストレスマイグレーション耐性を同時に向上させ得る
ような超ＬＳＩに適した配線形成技術を提供することに
ある。

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴に
ついては、本明細書の記述および添附図面から明らかに
なるであろう。

［課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、エレクトロマイグレーション耐性およびスト
レスマイグレーション耐性は配線を構成する金属のクレ
ーンサイズ（結晶粒の大きさ）に依存し、クレーンサイ
ズが大きいほどエレクトロマイグレーション耐性は高く
、クレーンサイズが小さいほどストレスマイグレーショ
ン耐性が高いことに着目し、クレーンサイズの異なる２
以上の金属層を積層させて配線構造とすることを提案す
るものである。

上記金属層のクレーンサイズは、基板温度や蒸着時のチ
ャンバ内圧力等蒸着条件を変化させることで調節するこ
とができる。

［作用コ 上記した手段によれば、クレーンサイズの大きな層がエ
レクトロマイグレーション耐性の向上に寄与し、クレー
ンサイズの小さな層がストレスマイグレーション耐性の
向上に寄与するため、配線幅が狭くなっても断線を生じ
に＜＜シ、デバイスの信頼性を向上させることができる
。

［実施例］ 第１図には本発明をＭＯ３ＬＳＩに適用した場合の一実
施例が示されている。

シリコン単結晶のような半導体基板１の表面にはＭＯＳ
　Ｆ　ＥＴのソース、ドレイン領域となる拡散領域２と
、絶縁膜３を介してゲート電極４が形成されている。そ
して、このゲート電極４の上には層間絶縁膜５を介して
配線６が形成され、配線６の上方はパッシベーション膜
７で被覆されている。

この実施例では、上記配線６が３層構造とされている。

すなわちシリコン基板１に接触する最下層６ａはＷ（タ
ングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、ＴｉＮ　（窒化チ
タン）あるはＴｉＷ（チタンタングステン）等の高融点
金属層からなり、かつクレーンサイズの小さな金属層と
され、この最下層６ａの上に、ＡＱ−Ｃｕ等のＡＱ系金
属からなりかつ比較的クレーンサイズの大きな中間層６
ｂが、またその中間層６ｂの上に最下層６ａと同様クレ
ーンサイズの小さな高融点金属層からなる最上層６Ｃが
積層された構造とされている。

上記の場合、各層のクレーンサイズの大きさは、蒸着時
の基板温度や装置のチャンバ内不活性ガスの圧力等の蒸
着条件を変えることで調節することができる。

具体的には基板温度を低くし、ガス圧力を高くすること
でクレーンサイズの小さな高融点金属層（６ａ、６ｃ）
を形成することができ、逆に基板温度を高くし、ガス圧
力を低くすることでクレーンサイズの大きな中間層６ｂ
を形成することができる。

また、各層間の合金化を抑えるため、低温スパッタ蒸着
法を使用し、かつ基板を蒸着装置のチャンバ内から持ち
出すことなく、真空中で連続して各層６ａ、６ｂ、６ｃ
を次々と蒸着し２て積層構造とするとよい。

さらに、上記実施例の配線構造では電流は主として中間
層６ｂを流れるようになるので中間層６ｂの厚みは線幅
との関係で電流密度が１　ｘ　１０’Ａ／−以下となる
ように決定してやるのが望ましい。

なお、上記実施例では、異なる材料を積層して３層構造
の配線６を形成しているが、配線材料は同一（例えばＡ
Ｑ−Ｃｕ）とし、クレーンサイズのみ異なる層を交互に
積層して配線６を形成するようにしてもよい。その場合
、蒸着条件を急に変えず、徐々に変化させることで、ク
レーンサイズも最初（下層）は小さいが次第に大きくな
り、そして最後に再び小さくなるように形成して、クレ
ーンサイズが連続的に変化するような配線構造としても
よい。また、積層数は３層に限定されず２層あるいは４
層以上であってもよい。

第２図には、本発明の第２の実施例の配線構造を示す。

この実施例は、クレーンサイズの小さい層と大きい層を
交互に積んで５層構造としたものである。

同図において、６ａ、６ｃ、６ｅはクレーンサイズの小
さな金属層、６ｂ、６ｄはクレーンサイズの大きな金属
層である。

第１の実施例も第２の実施例も最下層と最上層にクレー
ンサイズの小さな金属層が積層され、その中間にクレー
ンサイズの大きな金属層が形成されているため、ストレ
スマイグレーション耐性の高い層でストレスマイグレー
ション耐性の低い（ただしエレクトロマイグレーション
耐性は高い）層を挾み込んだ構造となり、逆の場合に比
べて配線全体としてのストレスマイグレーション耐性は
高くなる。

次に、配線を２層構造で実現する場合のプロセスの一例
を第３図（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。

この実施例では、基板上ｌに比較的厚いシリコン酸化膜
のような層間絶縁膜１５を被着した後、レジスト１１を
マスクとしてエツチングにより配線部に溝１２を形成す
る（第３図（ａ））。

次にマスクとなったレジスト１１を除去してからクレー
ンサイズの小さな高融点金属層１６ａを基板全面にスパ
ッタ蒸着する（第３図（ｂ））。

しかる後、基板温度や圧力を変えてからバイアス・スパ
ッタ蒸着で上記金属層１６ａよりもクレーンサイズの大
きなＡＱ系全金金属層１６ｂ基板全 次に、ＡＱ系合金金属層１６ｂエツチバツク、さらに続
けてその下の高融点金属層１６ａをエツチングする。す
ると、第３図（ｄ）に示すように、絶縁膜５に形成した
溝１２内に高融点金属層１６ａとＡＱ系金属層］、　６
　ｂとからなる２層構造の配線１６が形成される。

この実施例では、絶縁膜１５の溝１２の中に配線１６が
形成され、しかも上層のＡＱ系合金金属層１６ｂ 高い高融点金属層１６ａが形成されているため、上方に
クレーンサイズの小さな金属層を形成しなくてもある程
度ストレスマイグレーション耐性を高めることができる
。

ただし、更にストレスマイグレーション耐性を高めるた
め、第４図のように、上記ＡＱ系合金金属層ｂの上にク
レーンサイズの小さな金属層１６Ｃを形成するようにし
てもよい。

また、第２の実施例において、レジスト１１を除去して
から高融点金属層１６ａを形成する代わりに、レジスト
１１を残しておいたまま高融点金属層を蒸着して、リフ
トオフ法でレジスト１１とその上の高融点金属層を除去
して、溝１２内にのみ高融点金属層１６ａが残るように
してもよい。

さらに、溝１２を形成しないで絶縁膜５上にクレーンサ
イズの小さな高融点金属層１６ａとクレーンサイズの大
きな金属層１６ｂを積層した後、それらの周囲を覆うよ
うにクレーンサイズの小さな金属層１６ｃを形成した構
造（第５図）としてもよい。

以上説明したように上記実施例は、クレーンサイズの異
なる２以上の金属層を積層させて配線としたので、クレ
ーンサイズの大きな層がエレクトロマイグレーション耐
性の向上に寄与し、クレーンサイズの小さな層がストレ
スマイグレーション耐性の向」二に寄与するため、配線
幅が狭くなっても断線が生じにくくなり、デバイスの信
頼性が向上されるという効果がある。

また、上記実施例では、配線の最下層に高融点金属層を
用いているため、基板のシリコンがＡＱＱＱ中に拡散し
て接触抵抗を増加させてしまうという不具合や金属配線
層の結合部にシリコンが析出する不良を回避することが
できる。

さらに、クレーンサイズの大きな金属層をクレーンサイ
ズの小さな金属層で挾み込むか、包囲するような配線構
造とすることにより、構造的にもストレスマイグレーシ
ョン耐性を向上させることができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施−例に基づき
具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。例えば上記実施例では
クレーンサイズの小さな金属層をクレーンサイズの大き
な金属層の上下または周囲に形成しているが、クレーン
サイズの大きな金属層をクレーンサイズの小さな金属層
の上下または周囲に形成するようにしてもよい。また、
実施例で使用した配線材料および配線の形成方法は一例
であって同一の性質を持つ他の材料や方法を用いてもよ
いことはいうまでもない。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である半導体集積回路にお
ける配線構造に適用した場合について説明したが、この
発明はそれに限定されるものでなく、プリント基板その
他の配線構造にも利用することができる。

［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである
。

すなわち、配線層のエレクトロマイグレーション耐性及
びストレスマイグレーション耐性を同時に向上させ、配
線幅が狭くなっても断線を生じに＜＜シて、デバイスの
信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をＭＯ３ＬＳＩに適用した場合の一実施
例を示す断面図、 第２図は本発明の第２の実施例を示す半導体集積回路装
置の断面図、 第３図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第３の実施例を製造工
程順に示す半導体集積回路装置の断面図、第４図は本発
明の第４の実施例を示す半導体集積回路装置の断面図、 第５図は本発明の第５の実施例を示す半導体集積回路装
置の断面図である。 ｌ・・・・半導体基板、５・・・・層間絶縁膜、６，１
６・・・・配線、６ａ、６ｃ、１６ａ、１６ｃｍクレー
ンサイズの小さな金属層（高融点金属層）６ｂ、６ｄ、
１６ｂ・・・・クレーンサイズの大きな金属層（ＡＱ系
金属層）。 第　　１　　図 第　　２　図 第 ３ 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、クレーンサイズの異なる金属層が積層されてなる配
   線を有することを特徴とする半導体集積回路装置。 ２、上記配線の最下層は、高融点金属層で形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装置
   。 ３、上記配線の最下層および最上層は、クレーンサイズ
   の小さな金属層からなり、その中間にクレーンサイズの
   大きな金属層が形成されていることを特徴とする請求項
   １または２記載の半導体集積回路装置。