JPH04720A - 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〕 本発明はとくにアルミ系の金属配線膜を備える高集積化
される集積回路装置に関する。

〔従来の技術〕

周知のように、集積回路内に組み込まれるトランジスタ
やダイオード等の回路要素間を相互接続する配線膜には
、アルミ系金属、とくにＡｌ５Ｉ合金やへＺＳｉＣｕ合
金が主に用いられ、かかる金属を真空蒸着法やスパッタ
法により絶縁膜上に所定の厚みに被着し、熱処理によっ
てその金属組織をよく整えた後に、化学的エツチング法
により所望の幅にパターンニングして金属配線膜とし、
かつその上に窒化シリコン等の保護膜で覆って外気との
接触を完全に断った状態で使用する。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、最近のようにとみに高集積化が進んで、それ
に伴ってフォトプロセス上のパターンが微細化され、金
属配線膜についてはそのパターン幅が１μｍないしそれ
以下に縮小されて電流密度が１Ｑ５Ａ／ｃｔｌ程度を上
回るようになると、いわゆるエレクトロマイグレーショ
ン効果やストレスマイグレーション効果によって金属配
線膜が劣化を受けやすくなり、それが著しい場合には断
線が発生する問題が深刻になって来た。

上述のエレクトロマイグレーションは配線膜中を高密度
で流れる電流によりアルミ原子がいわば押し流されて移
動する現象であり、ストレスマイグレーンヨンは電流の
加熱効果に基づく熱応力によってアルミの結晶粒界に割
れ目が入って上述のマイグレーンヨンが一層促進される
現象である。

両マイグレーション効果とも配線膜の高さを増して電流
密度を下げれば軽減するが、上から保護膜で覆う際の段
差がｌＪＪ＋＋＋程度以上になるとその被覆効果が不完
全になる問題が派生して来る。

従ってこの問題の解決策としては、配線膜用の金属の高
電流密度に対する耐量を上げるのがより基本的であって
、このためアルミ系金属に対する熱処理時の温度・時間
スケジユールを最適化し、さらには雰囲気を厳密に制御
する等の手段により、その金属組織を緻密化し残留歪み
を除去する努力が従来から払われて来たが、長年の使用
中には高電流密度による熱負荷が繰り返して掛かるので
次第に結晶粒が粗大化し内部に機械的歪みが蓄積される
のは不可避で、金属配線膜の劣化や断線の危険を完全に
は防止できなかった。

本発明の目的は、かかる問題を解決して、集積回路装置
用金属配線膜の上述のような１０５Ａ／ｃｊ程度以上の
高電流密度に対する耐量を従来よりも一層向上すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、集積回路装置用の金属配線膜として薄い珪素
化高融点金属を間に挟んだアルミ系金属を用いることに
より上述の目的の達成に成功したものである。

なお、上記構成中のアルミ系金属には通例のようにＡＩ
！Ｓｉ合金やへ１ｓｉｃｕ合金ないしは必要に応じて純
粋なＡｌを用いることでよく、珪素化高融点金属として
は例えばＷＳｉ合金やＭｏＳ　ｉ合金を用いるのが好適
である。

また、珪素化高融点金属は数百Ａ程度以下のごく薄いも
のであってよく、これを中間に挟み込む各アルミ系金属
膜の厚みは例えば０．５μｍ程度以下とし、配線膜の全
体厚みを通常のように１μｍ程度以下とするのが望まし
い。

さらに、かかる構成の配線膜と下側の絶縁膜や接続相手
である半導体層の間に例えばＴｉＳｉ合金とＴｉＮから
なる下地膜を介在させるのが望ましい。

かかる下地膜は、金属配線膜の絶縁膜との密着性を強め
て剥離のおそれをなくし、アルミの半導体層への拡散を
防止するバリア層の役目を持たせ、かつ半導体層との導
電接触状態を安定化させる上で有利で、とくに本発明に
よる配線膜を設けた後のプロセス中で高温が掛かる場合
に適用して非常に有効である。

〔作用〕

本発明は、金属配線膜に通常用いられるアルミ系金属内
に珪素化高融点金属（高融点金属ンリサイド膜）を中間
膜として挟み込んでアルミ系金属を複数個の膜に分割す
ることにより、電流が高電流密度で流れて配線膜の温度
が上昇してもアルミ結晶粒の成長を中間膜により阻止し
てアルミの金属組織の粗大化を防止するとともに、熱応
力によりアルミ系金属の結晶粒界に割れ目が発生しても
それが中間膜を越えては成長し得ないようし、最悪の場
合に配線膜中の複数個のアルミ系金属膜の一つに断線が
発生しても他が必ず残って完全な配線膜の断線には至ら
ないようにしたものである。

中間膜の上述のようなアルミ結晶粒の成長防止や結晶粒
界の割れ目拡大防止の効果を持たせるには、アルミと合
金化ないし固溶体化しない和合性の低い金属をこれに用
いる必要があり、本発明ではこの中間膜用の金属に前述
したタングステンやモリブデン等の高融点金属とくに遷
移金属の種類を用いるようにしたものである。

しかし、かかる中間膜の金属にアルミ系金属膜との和合
性が全くないと両者間の密着性が不充分になるので、本
発明ではアルミとの相合性が良い珪素を高融点金属に含
ませたＷＳｉ合金やＭｏＳ　ｉ合金等の珪素化高融点金
属（高融点金属シリサイド）をこの中間膜に採用する。

これにより、膜間に熱応力が繰り返し掛かっても界面剥
離するおそれがなくなり、同時に両膜間の電気的接続も
良好になる。

〔実施例〕

図を参照しながら本発明の若干の具体実施例を説明する
。第１図は本発明の第１の実施例による金属配線膜を備
えるＭＯ３集積回路装置内の電界効果トランジスタの一
部拡大断面図である。

図示の集積回路装置では、通例のようにｎ形の基板１の
表面を覆うプロセス酸化膜２の窓部からｎチャネル電界
効果トランジスタ用にウェル３がｐ形で拡散され、その
表面に付けられたごく薄いゲート酸化膜４の上にポリシ
リコンのゲート５が配設され、その端部の下側のウェル
３内にｎ形のドレイン層６が拡散されている。

さらに、ゲート５の上を含む全面を覆うように燐シリケ
ートガラスやボロン燐シリケートガラスの層間絶縁膜９
が０，５〜１μｍの厚みに被着され、そのドレイン層６
に対応する個所にリアクティブイオンエツチング法等に
よって０，６〜１μｍ角程度の面積の接続窓９ａが開口
され、この接続窓９ａ内でドレイン層６の表面に導電接
触するように本発明の金属配線膜２０が１μｍ程度の幅
と１μｍ程度の高さで設けられる。

この実施例における金属配線膜２０は、図のようにアル
ミ系金属膜２１と２３で珪素化高融点金属膜２２を挟ん
だ３層構成であって、これらの金属を３層に被着するに
はマルチチャンバないし複室方式の自動化スパッタ設備
を利用するのが有利である。

層間絶縁膜９に接続窓９ａを開口したウェハをまず赤外
線乾燥室内で３００℃に加熱して水分を完全に除去した
後、ＲＦスパッタエツチング室内で数ｍＴｏｒｒのアル
ゴン圧下で接続窓９ａ内に露出するソース層６を僅かに
エツチングしてその表面を清浄化した上で金属のスバツ
タ工程に入る。

最下層のアルミ系金属膜２１には例えば１％のＳｉと０
．５％のＣｕを含むＡＡＳｉＣｕ合金を用い、　アルミ
用スパッタ室内でこれを例えば０．５μｍの厚みに成膜
する。このＡＡ’５ｉＣｕ合金は、熱処理後にそのＣｕ
原子がアルミ結晶粒の表面に析出して結晶粒界に沿うＭ
原子のエレクトロマイグレーションを阻止するので、Ａ
Ａ’Ｓｉ合金よりもかなり有利である。次に、中間層で
ある珪素化高融点金属膜２２として例えば１１ｓｉ２を
タングステン用スパッタ室内でごく薄く例えば１５０人
の厚みに成膜する。さらに、最上層であるアルミ系金属
膜２３用にＡｌ５ｉＣｕ合金がアルミ用スパッタ室内で
前と同じ＜０．５μｍ程度の厚みに成膜される。

このように約Ｉ１．１ｍの全体厚みに成膜された３層金
属膜は通例のように熱処理を施した上でフォトエツチン
グによりパターンニングでき、これにより金属配線膜２
０が例えば１μｍの幅で形成される。

図示されていないが、この金属配線膜２０は通例のよう
に例えば燐シリケートガラスと窒化シリコンからなる保
護膜によって覆われる。

この第１実施例の金属配線膜２０では、アルミ系金属膜
２１と２３が珪素化高融点金属膜２３により相互に隔て
られているので、これに高密度電流が流れて温度が上昇
しても、アルミ系金属膜２１や２２中のアルミの結晶粒
の成長が珪素化高融点金属膜２３により阻止されて金属
組織が従来のようには粗大化しない。従って、温度上昇
時に熱応力が掛かってもアルミの結晶粒界に沿って大き
な割れ目が発生することが少なくなり、発生した場合に
も珪素化高融点金属膜２３を越えては拡大し得ない。ま
た、１対のアルミ系金属膜２１と２３の一方に断線が発
生しても、他方の対応個所がほぼ確実に健全な状態で残
って完全断線に至らないで済むので、本発明による金属
配線膜２０の断線の発生確率は従来より少なくとも１桁
低くなる。

第２図に本発明の第２の実施例を示す。図にはｎチャネ
ル電界効果トランジスタのソース側部分が示されており
、図の例では金属配線膜２０がｎ形のソース層７と接続
される。

この第２実施例は、金属配線膜２０に下地膜１０を設け
る点が前の実施例と異なる。この下地膜１０は金属配線
膜２０のアルミの高温下におけるないしはマイグレーシ
ョンに伴うシリコンへの拡散を防止してその不純物効果
による悪影響を予防し、層間絶縁膜９に対する金属配線
膜２０の密着性を強め、かつ金属配線膜２０のソース層
７等の半導体層との接続状態を安定化させる役目を果た
すもので、この実施例ではＴｉＳｉ合金とＴｉＮの２層
構成とされる。

この下地膜１０の被着には金属配線膜２０の場合と同様
に複室方式の自動化スパッタ設備を用いるのが有利であ
る。層間絶縁膜９に接続窓９ａを開口したウェハをこの
スパッタ設備内に装入して、まず前述のように赤外線乾
燥させ、かつ接続窓９ａ内の半導体層の面を高周波エツ
チングで清浄化した上で、チタン用スパッタ室内でＴｉ
を約６００人の厚みに被着し、次いでウェハを赤外線加
熱室に移して４５０℃、６０秒程度の短時間加熱処理に
よりＴｉ膜をシリサイド化してＴｉＳｉ□膜ｌ】に変え
る。

さらにウェハを再びチタン用スパッタ室に移して、３％
程度の酸素を含む窒素を導入した条件下のＴｉの反応性
スパッタによりＴｉＮ膜１２を約１０００人の厚みに生
成被着し、これで下地膜ｌＯの成膜が終わる。以降は前
実施例と同じ要領で金属配線膜２０をその上に成膜し、
これと下地膜１０を順次フォトエツチングして図示の状
態とする。

この第２実施例では、金属配線膜２０の前実施例で述べ
た利点がそのまま生かされ、かつ下地膜１０がもつ上述
の不純物に対するバリア効果や密着性の向上等のその固
有の特長が兼備される。なお、この実施例は金属配線膜
２０を設けた後のプロセス中に高温が掛かる場合にとく
に適する。

以上説明した実施例に限らず、本発明は種々な態様で実
施をすることができる。例えば、実施例では金属配線膜
を３層構成としたが、５層以上の多層構成とすることも
可能である。また、珪素化高融点金属についても実施例
のタングステン系に限らずモリブデン系としてもよく、
この場合には１１ｏｓ＋ｚを用いるのが好適である。

〔発明の効果〕

以上述べたとおり本発明では、集積回路袋ぼ用金属配線
膜のアルミ系金属を複数層に分割して、相互間に薄い珪
素化高融点金属膜を介在させることにより次の効果を奏
することができる。

（ａ）介在膜によってアルミ系金属の組織の粗大化やア
ルミ結晶粒界の割れ目拡大が抑えられるので、高電流密
度下のアルミのマイグレーションに対する耐性が高まり
、かつアルミ系金属膜の一つに断線が発生しても他がほ
ぼ確実に残って金属配線膜は完全断線に至らないので、
その断線確率が従来よりも少なくとも１桁小さくなる。

（ｂ）介在膜用金属にアルミ系金属との相合性が良い高
融点金属を用いることにより、上の効果を一層確実に上
げることができる。

（Ｃ）さらに介在膜にアルミ系金属との相合性が良い珪
素を含有する珪素化高融点金属を用いることにより、熱
応力が繰り返し掛かっても両金属の界面が剥離するおそ
れがなく、かつ両者間の電気的な接続状態を良好に保つ
ことができる。

かかる特長をもつ本発明は、パターン幅が１μｍないし
それ以下に縮小された金属配線膜に適用してアルミのマ
イグレーションに対する抑制効果がとくに高く、その実
施により集積回路装置の一層の高集積化と信頼性向上に
貢献できる。

【図面の簡単な説明】

図はすべて本発明に関し、第１図および第２図はそれぞ
れ本発明による金属配線膜の第１および第２の実施例を
示す集積回路装置の要部拡大断面図である。図において
、 に基板、２：プロセス酸化膜、３：ウェル、４：ゲート
酸化膜、５：ゲート、６：ソース層、７：ドレイン層、
９：層間絶縁膜、９ａ：接続窓、ｌＯ：下地膜、１１　
：Ｔｉ５ｊ、膜、１２：ＴｉＮ膜、２０：金属配線膜、
２１ニアルミ系金属膜、２２：珪素化高融点子１Ｗ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）薄い珪素化高融点金属を中間に挟んだアルミ系金属
   で構成された金属配線膜を有することを特徴とする集積
   回路装置。 ２）前記金属配線膜の下に下地膜を有することを特徴と
   する請求項第１項に記載の集積回路装置。 ３）前記下地膜は、２層からなることを特徴とする請求
   項第２項に記載の集積回路装置。