JPH05114600A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JPH05114600A
JPH05114600A JP27292091A JP27292091A JPH05114600A JP H05114600 A JPH05114600 A JP H05114600A JP 27292091 A JP27292091 A JP 27292091A JP 27292091 A JP27292091 A JP 27292091A JP H05114600 A JPH05114600 A JP H05114600A
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JP
Japan
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film
metal wiring
wiring
semiconductor device
wiring film
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Application number
JP27292091A
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Japanese (ja)
Inventor
Shohei Shima
昇 平 嶋
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH05114600A publication Critical patent/JPH05114600A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To realize a highly reliable metal wiring by a method wherein the crystal grain diameter in a metal wiring film is made large and at the same time, the crystal grain boundaries between the crystal grains are turned into bamboo grain boundaries. CONSTITUTION:A method for manufacturing a semiconductor device is characterized by that the method is provided with a process for forming a metal wiring film 4 on a semiconductor substrate 1 formed with an element, a process for laminating a transmitting film 7, which transmits a laser beam and at the same time, consists of a material to prevent the laser beam from the 4 from being reflected, on the film 4, a process for performing a patterning on the laminated films 4 and 7 and a process, wherein the laser beam 15 is emitted and a short- time and high-temperature annealing is performed on the film 4 performed a patterning.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関するものであり、特に高信頼性金属配線の形成に使
用される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, which is particularly used for forming highly reliable metal wiring.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、半導体集積回路の高密度化、高
速化は主として素子の微細化によって実現されている。
素子寸法の微細化にともなって大きな問題の一つになっ
てきたものに、金属配線の信頼性がある。半導体装置の
微細化した金属配線の不良発生モードは大きく二つに分
けられる。一つはエレクトロマイグレーションであり、
他の一つはストレスマイグレーションである。
2. Description of the Related Art In general, higher density and higher speed of semiconductor integrated circuits have been realized mainly by miniaturization of elements.
One of the major problems with the miniaturization of device dimensions is the reliability of metal wiring. The failure generation mode of the miniaturized metal wiring of the semiconductor device is roughly divided into two modes. One is electromigration,
The other is stress migration.

【0003】エレクトロマイグレーションは、金属配線
中の電流密度が増加するために生じる不良である。配線
幅の微細化に加えて素子の高速動作のために配線中の電
流密度はますます高くなる傾向にある。エレクトロマイ
グレーション不良による配線の寿命は電流密度の2乗に
反比例することから、例えば、膜厚を変えないで配線幅
が1/2になると、電流密度が2倍になり配線寿命は1
/4に低下してしまう。
Electromigration is a defect caused by an increase in current density in metal wiring. In addition to the miniaturization of the wiring width, the current density in the wiring tends to become higher and higher due to the high speed operation of the device. Since the life of the wiring due to electromigration failure is inversely proportional to the square of the current density, for example, if the wiring width is halved without changing the film thickness, the current density doubles and the wiring life becomes 1
It will fall to / 4.

【0004】ストレスマイグレーションは、配線に引っ
張りの機械的応力が加わるために生じるクリープ破壊モ
ードである。この応力は配線を保護するための絶縁膜と
配線金属との熱膨張係数の差が生成原因となっており、
配線幅の微細化に伴って大きくなる傾向にある。半導体
装置の配線として多く用いられているAl配線の場合、
配線幅が1/2になると加わる応力はおよそ2倍にな
る。このストレスマイグレーションによる配線の寿命は
配線幅のn乗(n=3又は4)に比例することから、配
線幅の微細化は大きな配線寿命の低下をもたらしてい
る。
Stress migration is a creep failure mode that occurs when a tensile mechanical stress is applied to wiring. This stress is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating film for protecting the wiring and the wiring metal,
It tends to increase as the wiring width becomes finer. In the case of Al wiring, which is often used as wiring for semiconductor devices,
When the wiring width is halved, the stress applied is approximately doubled. Since the life of the wiring due to this stress migration is proportional to the nth power of the wiring width (n = 3 or 4), miniaturization of the wiring width causes a large reduction in the wiring life.

【0005】従来より、半導体装置の金属配線にはAl
膜が多く用いられているが、その理由は成膜および加工
の容易さ、低抵抗性、基板シリコンとのコンタクト形成
の容易さなどの特性を有するためである。しかしなが
ら、Al配線は、その低融点性のために原子移動の活性
化エネルギーが小さく、上述のエレクトロマイグレーシ
ョンやストレスマイグレーションの耐性が小さい。この
ようなAl微細配線の信頼性低下に対して、いくつかの
対策が提案されている。その代表的な例としてはAl中
にCu、Ti、Pd、Mg、Hf、B、Nbなどの添加
物を混入させるAl合金配線がある。さらに最近ではA
l膜の下にTiN、TiWなどの、いわゆるバリアメタ
ル膜を設けた積層構造配線が採用されている。その他、
Al膜の粒径を大きくするレーザアニール、ラピッドア
ニール法や高温バイアススパッタ成膜法などが提案され
ている。
Conventionally, Al is used for metal wiring of semiconductor devices.
Many films are used because they have characteristics such as ease of film formation and processing, low resistance, and easy formation of contacts with substrate silicon. However, since the Al wiring has a low melting point, the activation energy for atom transfer is small, and the resistance to electromigration and stress migration is small. Several countermeasures have been proposed for such a decrease in reliability of Al fine wiring. A typical example thereof is an Al alloy wiring in which an additive such as Cu, Ti, Pd, Mg, Hf, B or Nb is mixed in Al. More recently, A
A laminated structure wiring is used in which a so-called barrier metal film such as TiN or TiW is provided under the 1 film. Other,
A laser annealing method, a rapid annealing method, a high temperature bias sputtering film forming method, etc. for increasing the grain size of the Al film have been proposed.

【0006】これらのAl配線高信頼化対策はある程度
の効果を挙げている。しかしながら、今後行われるはず
の0.5μm以下の配線幅の信頼性に対しては、電流密
度がさらに増大することを考えると、信頼性対策として
は充分とはいえない。Al配線の究極的な信頼性対策と
して、不良発生の根本的な解決が得られるAl膜の単結
晶化が提案されている。故障の発生原因である粒界を完
全に無くした単結晶膜は配線にした場合、非常な高信頼
化ができることが確認されている。
These measures for improving the reliability of Al wiring have some effects. However, with respect to the reliability of the wiring width of 0.5 μm or less, which is supposed to be performed in the future, considering that the current density is further increased, it cannot be said to be sufficient as a reliability measure. As an ultimate measure against the reliability of the Al wiring, single crystallization of the Al film has been proposed which can fundamentally solve the occurrence of defects. It has been confirmed that a single crystal film, which completely eliminates the grain boundary that causes the failure, can be extremely reliable when used as a wiring.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現状で
は単結晶Al膜は単結晶の下地にしか成長していない。
例えば、単結晶Siの(111)面上には、イオンクラ
スタービーム法、CVD法、スパッタ法のいずれの成膜
方法でも(111)面方位の単結晶Al膜が成長する事
実は本発明者も確認している。しかしながら、半導体の
配線はコンタクト部などのごく一部以外、大部分は非晶
質の酸化膜上に形成されている。上述の成膜方法では非
晶質膜上には多結晶のAl膜しか成長しないのが現状で
ある。従って、単結晶Al配線は現状の成膜技術では実
現不可能となっている。
However, at present, the single crystal Al film is grown only on the underlayer of the single crystal.
For example, the present inventors have found that a single crystal Al film having a (111) plane orientation grows on the (111) plane of single crystal Si by any of the film forming methods such as the ion cluster beam method, the CVD method and the sputtering method. I have confirmed. However, most of the semiconductor wiring is formed on an amorphous oxide film except for a small portion such as a contact portion. In the above-mentioned film forming method, at present, only a polycrystalline Al film is grown on the amorphous film. Therefore, the single crystal Al wiring cannot be realized by the current film forming technology.

【0008】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
であって、金属配線の信頼性を可及的に向上させること
のできる半導体装置の製造方法を提供することを目的と
する。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of improving the reliability of metal wiring as much as possible.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、素子が形成された半導体基板上に金属配線膜
を形成する工程と、前記金属配線膜上に、レーザ光を透
過するとともに前記金属配線膜からの前記レーザ光の反
射を防止する材料からなる透過膜を積層する工程と、積
層された前記金属配線膜及び透過膜をパターニングする
工程と、レーザ光を照射して、パターニングされた前記
金属配線膜にアニールを施す工程と、を備えていること
を特徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises a step of forming a metal wiring film on a semiconductor substrate on which an element is formed, and a step of transmitting a laser beam onto the metal wiring film. A step of stacking a transparent film made of a material that prevents reflection of the laser light from the metal wiring film; a step of patterning the stacked metal wiring film and the transparent film; And a step of annealing the metal wiring film.

【0010】[0010]

【作用】このように構成された本発明の半導体装置の製
造方法によれば、金属配線を形成後に透過膜を介して金
属配線膜にレーザ光が照射されて短時間高温アニールが
施される。これにより、金属配線膜中の結晶粒径を大き
く成長させて粒界数を減少させるとともにバンブー構造
にすることが可能となり、金属配線の耐エレクトロマイ
グレーション特性や耐ストレスマイグレーション特性等
の信頼性を可及的に向上させることができる。
According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention having the above-described structure, after the metal wiring is formed, the metal wiring film is irradiated with the laser beam through the transmissive film to perform high-temperature annealing for a short time. As a result, it is possible to grow the crystal grain size in the metal wiring film to a large number to reduce the number of grain boundaries and to form a bamboo structure, which enables reliability of the metal wiring such as electromigration resistance and stress migration resistance. It can be improved as much as possible.

【0011】[0011]

【実施例】本発明による製造方法の第1の実施例の製造
工程を図1に示す。この実施例の製造方法は、まず素子
(図示せず)が形成された半導体基板1上に絶縁膜2を
形成し、コンタクト孔(図示せず)を開孔した後、この
絶縁膜2上に、例えばAlからなる膜厚が0.4μmの
金属配線膜4を形成し、この金属配線膜4上に、レーザ
光を透過する例えばTiNからなる膜厚0.05μmの
透過膜7を形成する(図1(a)参照)。
FIG. 1 shows the manufacturing process of a first embodiment of the manufacturing method according to the present invention. In the manufacturing method of this embodiment, first, an insulating film 2 is formed on a semiconductor substrate 1 on which an element (not shown) is formed, a contact hole (not shown) is opened, and then the insulating film 2 is formed on the insulating film 2. Then, a metal wiring film 4 made of, for example, Al and having a thickness of 0.4 μm is formed, and a transmission film 7 made of, for example, TiN and having a thickness of 0.05 μm, which transmits laser light, is formed on the metal wiring film 4 ( See FIG. 1 (a).

【0012】次に、レジスト膜10を形成した後、この
レジスト膜10をパターニングし(図1(b)参照)、
このパターニングされたレジスト膜10をマスクにして
透過膜7及び金属配線膜4をエッチングする(図1
(c)参照)。その後、レーザ光例えばエキシマレーザ
15を0.1J/cm2 のパワー密度で40ns照射して金
属配線膜4に短時間高温アニールを施す(図1(d)参
照)。しかる後に、透過膜7を除去して金属配線4′を
完成する(図1(e)参照)。なお、透過膜7は、この
透過膜が導電性材料から形成されたものであれば除去せ
ずに残して置いても良い。
Next, after forming the resist film 10, the resist film 10 is patterned (see FIG. 1B),
The permeable film 7 and the metal wiring film 4 are etched using the patterned resist film 10 as a mask (FIG. 1).
(See (c)). After that, laser light, for example, an excimer laser 15 is irradiated at a power density of 0.1 J / cm 2 for 40 ns to anneal the metal wiring film 4 for a short time (see FIG. 1D). Then, the transparent film 7 is removed to complete the metal wiring 4 '(see FIG. 1E). The permeable film 7 may be left without being removed if the permeable film is made of a conductive material.

【0013】又、上記透過膜7は、レーザ光を透過する
とともに、透過したレーザ光が金属配線膜4から反射す
るのを防止して、レーザ光のパワーエネルギを金属配線
膜4に効率良く伝えるものであれば良く、アモルファス
Siや、Mo,W等の材料で形成しても良い。
The transparent film 7 transmits the laser light, prevents the transmitted laser light from being reflected from the metal wiring film 4, and efficiently transmits the power energy of the laser light to the metal wiring film 4. Any material may be used, and it may be formed of a material such as amorphous Si, Mo, or W.

【0014】次に、金属配線膜をパターニングした後に
アニールする理由について説明する。Al膜形成後の結
晶粒径を図2(a)に示す。この時の粒径は通常1μm
程度の値となっている。又図2(a)から分かるように
粒界21の形状は不定形を示している。このAl膜に、
通常の拡散炉等を使用して400℃程度の温度で熱処理
を施すと図2(b)に示すようにAl膜は結晶成長して
数μm程度に粒径が大きくなる。しかし、粒界22の形
状は不定形のまま変化がない。ここでAl膜を配線加工
(パターニング)すると配線の一部は破線で囲まれた領
域ABCDとなり、この配線中にはエレクトロマイグレ
ーションによるボイドの発生箇所となる粒界3重点が多
く含まれ、エレクトロマイグレーションによる配線寿命
は短い。一方、図2(a)に示す粒径を有するAl膜に
レーザ等を用いて短時間高温アニールを施した場合は、
図2(c)に示すように粒径は通常の炉アニールを施し
た場合に比べて数倍以上に大きく成長する。この短時間
高温アニールを施したAl膜を配線加工すると、この配
線の一部は、図2(c)に示す破線で囲まれた領域EF
GHとなり、粒界数が少なくなる。これにより耐エレク
トロマイグレーション特性は向上する。しかし、図2
(c)から分かるように配線中にはある確率で粒界3重
点が含まれ、耐エレクトロマイグレーション特性の向上
の効果はあるもののそれほど大幅ではない。
Next, the reason for annealing after patterning the metal wiring film will be described. The crystal grain size after forming the Al film is shown in FIG. The particle size at this time is usually 1 μm
It is a value of the degree. Further, as can be seen from FIG. 2A, the shape of the grain boundary 21 is indefinite. In this Al film,
When heat treatment is performed at a temperature of about 400 ° C. using an ordinary diffusion furnace or the like, as shown in FIG. 2B, the Al film undergoes crystal growth and the grain size increases to about several μm. However, the shape of the grain boundary 22 remains indefinite and does not change. When the Al film is subjected to wiring processing (patterning) here, a part of the wiring becomes a region ABCD surrounded by a broken line, and this wiring includes many grain boundary triple points that are the locations where voids are generated due to electromigration. Wiring life is short. On the other hand, when the Al film having the grain size shown in FIG. 2A is annealed at a high temperature for a short time using a laser or the like,
As shown in FIG. 2 (c), the grain size grows to be several times larger than that in the case of performing normal furnace annealing. When the wiring of the Al film that has been subjected to the high-temperature annealing for a short time is processed, a part of the wiring is partly surrounded by a broken line EF shown in FIG.
It becomes GH and the number of grain boundaries decreases. As a result, the electromigration resistance is improved. However, FIG.
As can be seen from (c), the triple boundaries are included in the wiring with a certain probability, and although the effect of improving the electromigration resistance is improved, it is not so large.

【0015】これに対して本実施例のように配線膜をパ
ターニングした後レーザ等を用いて短時間高温アニール
を施す場合を考えると、アニールを行う前には破線で示
す粒界の3重点が存在する。しかし、アニール中に表面
張力の作用によって再結晶化過程で粒径成長に伴い粒界
3重点が消失し、バンブー粒界24が形成される。この
ような構造を有する配線は粒径成長による大粒径化とバ
ンブー粒界によって最も耐エレクトロマイグレーション
特性が高くなる。そして、この構造を有する配線にスト
レスマイグレーションの信頼性試験を実施したところ、
通常のアニールしたものに比べて不良発生が大幅に低下
した。従来、バンブー粒界はストレスマイグレーション
不良の発生箇所とされており、高信頼化するためには望
ましくないとされてきた。しかし、本実施例のように、
パターニングした後に短時間高温アニールが施された配
線は、ほとんどがバンブー粒界からなっているが耐スト
レスマイグレーション特性は向上する。この原因につい
ては明らかではないが、ひとつには結晶粒径が大きくな
って結晶粒界数が少なくなること、更に短時間高温アニ
ール処理された粒界は空孔などの欠陥密度が小さくなっ
ていることによる為と考えられる。
On the other hand, considering the case where a high-temperature annealing is performed for a short time by using a laser after patterning the wiring film as in the present embodiment, the triple points of the grain boundaries indicated by the broken line before the annealing are performed. Exists. However, during annealing, due to the effect of surface tension, the grain boundary triple point disappears as the grain size grows in the recrystallization process, and the bamboo grain boundary 24 is formed. The wiring having such a structure has the highest electromigration resistance due to the increase in grain size due to grain size growth and the bamboo grain boundaries. Then, when a reliability test of stress migration was performed on the wiring having this structure,
The occurrence of defects was significantly reduced compared to the normal annealed product. Conventionally, bamboo grain boundaries have been regarded as a location where stress migration defects occur, and are not desirable for high reliability. However, as in this embodiment,
Most of the wiring that has been subjected to high-temperature annealing for a short time after patterning has bamboo grain boundaries, but the stress migration resistance is improved. The reason for this is not clear, but one is that the crystal grain size becomes large and the number of crystal grain boundaries decreases, and the grain boundaries annealed for a short time at high temperature have a small defect density such as vacancies. It is thought that it is because of things.

【0016】なお、本実施例の金属配線4′の配線長方
向の粒径は30〜40μmであった。
The particle size of the metal wire 4'in this embodiment in the wire length direction was 30 to 40 .mu.m.

【0017】以上説明したように、本実施例によれば耐
エレクトロマイグレーション特性及び耐ストレスマイグ
レーション特性を向上させることが可能となり、金属配
線の信頼性の向上を図ることができる。又、金属配線の
信頼性が向上することにより、高密度・高集積化された
半導体装置の信頼性も大幅に向上する。
As described above, according to this embodiment, the electromigration resistance and the stress migration resistance can be improved, and the reliability of the metal wiring can be improved. Further, since the reliability of the metal wiring is improved, the reliability of the semiconductor device with high density and high integration is also significantly improved.

【0018】なお、本実施例では透過膜7を介して金属
配線膜4にレーザを照射したが、透過膜を形成しないで
直接に金属配線膜にレーザを照射しても同様の効果を得
ることができる。しかし、この場合は透過膜7を介して
レーザ光を照射する場合に比べてレーザ光のパワー密度
が5倍以上必要となりこれにより半導体基板に形成され
た素子が悪い影響を受けやすい。
In this embodiment, the metal wiring film 4 is irradiated with laser through the transparent film 7. However, the same effect can be obtained by directly irradiating the metal wiring film with laser without forming the transparent film. You can However, in this case, the power density of the laser light needs to be 5 times or more as compared with the case of irradiating the laser light through the transmissive film 7, so that the element formed on the semiconductor substrate is likely to be adversely affected.

【0019】したがって本実施例の方法は、透過膜を介
さないで金属配線膜に直接レーザ光を照射した場合に比
べて、レーザ光のパワー密度が約1/5以下で良く、半
導体基板に形成された素子が受ける悪影響を可及的に軽
減することができる。なお、本実施例において、レーザ
光を照射する前に、素子が形成された領域を覆っている
絶縁膜2の露出部分にレーザ光を反射する反射膜を形成
すれば、レーザ光照射による素子への悪影響を更に軽減
することができる。
Therefore, according to the method of this embodiment, the power density of the laser light is about 1/5 or less as compared with the case where the metal wiring film is directly irradiated with the laser light without passing through the transparent film, and the method can be formed on the semiconductor substrate. It is possible to reduce the adverse effect that the device suffers from. In this embodiment, if a reflective film that reflects laser light is formed on the exposed portion of the insulating film 2 that covers the region where the device is formed before laser light irradiation, the device can be irradiated with laser light. The adverse effect of can be further reduced.

【0020】又、本実施例の方法は、透過膜を介さない
で金属配線膜に直接レーザ光を照射する場合に比べてパ
ワー密度を小さくできるので、1回当りの照射面積を大
きく取ることが可能となり、これにより、1チップを1
回の照射で済ますことが可能となる。
Further, according to the method of this embodiment, the power density can be reduced as compared with the case where the metal wiring film is directly irradiated with the laser beam without passing through the transparent film, so that the irradiation area per irradiation can be made large. It becomes possible, and this makes 1 chip 1
It is possible to do it only once.

【0021】又、レーザ光の照射が重なった部分は粒界
3重点が発生しやすいため、本実施例の方法は、透過膜
を介さないで金属配線膜に直接レーザ光を照射する場合
に比べて、信頼性の高い金属配線を得ることができる。
Further, since the grain boundary triple point is likely to be generated in the portion where the laser light is overlapped, the method of this embodiment is compared with the case where the metal wiring film is directly irradiated with the laser light without passing through the transmission film. As a result, highly reliable metal wiring can be obtained.

【0022】次に第1の実施例の変形例を図3に示す。
この変形例の製造方法は、膜厚が0.4μmのAl配線
膜4をパターニングした後(図3(a)参照)、TiN
からなる膜厚0.05μmの透過膜7を全面に被覆し
(図3(b)参照)、その後エキシマレーザ15を0.
1J/cm2 のパワー密度で40ns照射し(図3(c)参
照)、上記透過膜7を除去する(図3(d)参照)もの
である。このような変形例の方法によって製造されたA
l配線の粒界構造は第1の実施例と同様にバンブー構造
となるとともに、配線長方向の粒径は第1の実施例の方
法によって製造されたものに比べてやや大きく、40〜
50μmに成長した。したがってこの変形例の方法によ
っても信頼性の向上を図ることができる。
Next, a modification of the first embodiment is shown in FIG.
In the manufacturing method of this modified example, after patterning the Al wiring film 4 having a film thickness of 0.4 μm (see FIG. 3A), TiN is used.
The entire surface is covered with a transmission film 7 having a film thickness of 0.05 μm (see FIG. 3B), and then the excimer laser 15 is adjusted to 0.
Irradiation is performed at a power density of 1 J / cm 2 for 40 ns (see FIG. 3C), and the transmission film 7 is removed (see FIG. 3D). A manufactured by such a modified method
The grain boundary structure of the 1-wiring has a bamboo structure as in the first embodiment, and the grain size in the wiring length direction is slightly larger than that produced by the method of the first embodiment.
It grew to 50 μm. Therefore, the reliability can be improved also by the method of this modification.

【0023】次に、本発明の第2の実施例の方法による
製造工程を図4に示す。この実施例の方法は、Al配線
膜4とTiN膜7を積層してパターニングするところま
では第1の実施例の場合と同様に行う(図4(a)参
照)。しかる後に膜厚が0.5μmのSiO2 からなる
パッシベーション膜8を基板1の全面に形成し(図4
(b)参照)、エキシマレーザ15を0.1J/cm2
パワー密度で40ns照射して短時間高温アニールを施す
(図4(c),(d)参照)。この第2の実施例の方法
を用いることによりAl配線4′中の粒界構造が第1の
実施例と同様にバンブー構造となるとともに、パッシベ
ーション膜8の蓄熱効果により、配線長方向の粒径が第
1の実施例の場合に比べてやや大きく40〜50μmに
成長する。したがって、この第2の実施例の方法によっ
ても耐エレクトロマイグレーション特性及び耐ストレス
マイグレーション特性を向上させることが可能となり、
金属配線の信頼性を向上させることができる。又金属配
線の信頼性が向上することにより高密度・高集積化され
た半導体装置の信頼性も大幅に向上する。
Next, FIG. 4 shows a manufacturing process according to the method of the second embodiment of the present invention. The method of this embodiment is the same as that of the first embodiment up to the point of stacking and patterning the Al wiring film 4 and the TiN film 7 (see FIG. 4A). Thereafter, a passivation film 8 made of SiO 2 and having a film thickness of 0.5 μm is formed on the entire surface of the substrate 1 (see FIG. 4).
(See (b)), the excimer laser 15 is irradiated with a power density of 0.1 J / cm 2 for 40 ns to perform high-temperature annealing for a short time (see FIGS. 4C and 4D). By using the method of the second embodiment, the grain boundary structure in the Al wiring 4'becomes a bamboo structure as in the first embodiment, and the heat storage effect of the passivation film 8 causes the grain size in the wire length direction. Is slightly larger than that of the first embodiment, and grows to 40 to 50 μm. Therefore, the electromigration resistance and the stress migration resistance can be improved also by the method of the second embodiment,
The reliability of the metal wiring can be improved. Further, since the reliability of the metal wiring is improved, the reliability of the highly dense and highly integrated semiconductor device is also significantly improved.

【0024】次に本発明の第3の実施例の方法による製
造工程を図5に示す。この実施例の方法は、基板1上に
絶縁膜2を形成し、この絶縁膜2に素子(図示せず)と
のコンタクト孔を開孔するところまでは第1の実施例の
方法と同様に行う。しかる後、膜厚が0.2μmのAl
膜4aを形成し、その上に0.0023μm厚のCuと
0.0005μm厚のCr積層膜5を形成し、更にその
上に0.2μm厚のAl膜4bを形成する(図5(a)
参照)。その後、膜厚が0.05μmのTiN膜7を形
成し、パターニングする(図5(a)参照)。しかる後
に、エキシマレーザ15を0.1Jcm2 のパワー密度で
40ns照射して短時間高温アニールを施す(図5
(b),(c)参照)。なお、CuとCrの積層膜5を
Al膜4a,4b中に設けるのはAl膜の粒径成長を加
速させるためである。この第3の実施例の方法を用いる
ことにより、Al配線4′中の粒界構造が第1の実施例
と同様にバンブー構造となるとともに、CuとCrによ
ってAl配線4′の粒径がより成長され、100〜20
0μmになる。これにより、耐エレクトロマイグレーシ
ョン特性及び耐ストレスマイグレーション特性を向上さ
せることが可能となり、金属配線の信頼性を向上させる
ことができる。又、金属配線の信頼性が向上することに
より、高密度・高集積化された半導体装置の信頼性も大
幅に向上する。
Next, FIG. 5 shows a manufacturing process according to the method of the third embodiment of the present invention. The method of this embodiment is similar to the method of the first embodiment up to the point where the insulating film 2 is formed on the substrate 1 and a contact hole with an element (not shown) is opened in this insulating film 2. To do. After that, Al with a film thickness of 0.2 μm
A film 4a is formed, a 0.0023 μm-thick Cu and a 0.0005 μm-thick Cr laminated film 5 is formed thereon, and a 0.2 μm-thick Al film 4b is further formed thereon (FIG. 5A).
reference). Then, a TiN film 7 having a thickness of 0.05 μm is formed and patterned (see FIG. 5A). Then, the excimer laser 15 is irradiated with a power density of 0.1 Jcm 2 for 40 ns to perform high-temperature annealing for a short time (FIG. 5).
(See (b) and (c)). The laminated film 5 of Cu and Cr is provided in the Al films 4a and 4b in order to accelerate the grain size growth of the Al film. By using the method of the third embodiment, the grain boundary structure in the Al wiring 4'becomes a bamboo structure as in the first embodiment, and the grain size of the Al wiring 4'is further increased by Cu and Cr. Grown and 100 to 20
It becomes 0 μm. This makes it possible to improve the electromigration resistance and the stress migration resistance and improve the reliability of the metal wiring. Further, since the reliability of the metal wiring is improved, the reliability of the semiconductor device with high density and high integration is also significantly improved.

【0025】上記第1乃至第3の実施例においては、金
属配線膜の材料としてAlを例にとって説明したが、純
Alの他にAl−Si、Al−Si−Cu、Al−Si
−Pd等のAl中に他の金属が添加されたAl合金を用
いても同様の効果が得られる。更に、Alの代わりにC
u、Au、Ag、W、Moなどの他の金属を用いても同
様の効果を得ることができることはいうまでもない。
In the above first to third embodiments, Al has been described as an example of the material of the metal wiring film, but in addition to pure Al, Al--Si, Al--Si--Cu, Al--Si.
Similar effects can be obtained by using an Al alloy in which another metal is added to Al such as -Pd. Furthermore, C instead of Al
Needless to say, the same effect can be obtained by using other metals such as u, Au, Ag, W, and Mo.

【0026】ところで、金属配線中の結晶粒界をバンブ
ー粒界にするとともに、粒径を大きくするためには、例
えば図6に示す方法を用いても可能である。この図6に
示す方法は、例えば、膜厚が0.4μmのAl配線膜4
下に膜厚が0.1μmのTiNバリアーメタル3を設け
(図6(a)参照)、パターニングした後にエキシマレ
ーザ15を0.5J/cm2 のパワー密度で40ns照射し
て短時間高温アニールを施しても良い(図6(a),
(c)参照)。この場合のAl配線4′の配線長方向の
粒径は20〜30μmであった。この配線構造の長所
は、Al配線4下にTiNのバリアメタルを設けている
ことによりアニール中の高温状態においてコンタクト部
でのAlとSi基板との相互拡散が生じず、接合スパイ
ク不良の発生を防止することができる。なお、図6に示
す方法において、Al配線膜4上に第1の実施例のよう
に透過膜(図示せず)を設け、パターニングした後にレ
ーザを用いて短時間高温アニールを施しても良い。この
場合は、レーザのパワー密度を小さくできるとともにア
ニールされたAl配線中の粒径を大きくすることが可能
となる。
By the way, in order to make the crystal grain boundaries in the metal wiring into bamboo grain boundaries and to increase the grain size, it is possible to use the method shown in FIG. 6, for example. In the method shown in FIG. 6, for example, the Al wiring film 4 having a film thickness of 0.4 μm is used.
A TiN barrier metal 3 having a thickness of 0.1 μm is provided below (see FIG. 6A), and after patterning, an excimer laser 15 is irradiated with a power density of 0.5 J / cm 2 for 40 ns to perform high-temperature annealing for a short time. You may give (FIG. 6 (a),
(See (c)). In this case, the grain size of the Al wiring 4 ′ in the wiring length direction was 20 to 30 μm. The advantage of this wiring structure is that since a TiN barrier metal is provided under the Al wiring 4, mutual diffusion between Al and the Si substrate does not occur at the contact portion in the high temperature state during annealing, so that a junction spike defect is generated. Can be prevented. In the method shown in FIG. 6, a transparent film (not shown) may be provided on the Al wiring film 4 as in the first embodiment, and after patterning, high temperature annealing may be performed using a laser for a short time. In this case, the power density of the laser can be reduced and the grain size in the annealed Al wiring can be increased.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、A
l等の金属配線中の結晶粒径を従来の方法に比べて大き
くできるとともに、結晶粒界をバンブー粒界とすること
ができ、これにより、耐エレクトロマイグレーション特
性及び耐ストレスマイグレーション特性を向上させるこ
とが可能となり、信頼性の高い金属配線を実現できる。
又これにより、高密度・高集積化された半導体装置の信
頼性も大幅に向上させることができる。
As described above, according to the present invention, A
It is possible to increase the crystal grain size in metal wiring such as l as compared with the conventional method, and to make the crystal grain boundaries into bamboo grain boundaries, thereby improving electromigration resistance and stress migration resistance. Therefore, highly reliable metal wiring can be realized.
Further, by this, the reliability of the semiconductor device with high density and high integration can be greatly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の方法によって製造され
る半導体装置の工程断面図。
FIG. 1 is a process sectional view of a semiconductor device manufactured by a method according to a first embodiment of the present invention.

【図2】アニール方法の差による結晶粒径及び結晶粒界
の違いを説明する模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating differences in crystal grain size and crystal grain boundaries due to differences in annealing methods.

【図3】本発明の第1の実施例の変形例によって製造さ
れる半導体装置の工程断面図。
FIG. 3 is a process cross-sectional view of a semiconductor device manufactured according to a modification of the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施例の方法によって製造され
る半導体装置の工程断面図。
FIG. 4 is a process sectional view of a semiconductor device manufactured by the method of the second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施例の方法によって製造され
る半導体装置の工程断面図。
FIG. 5 is a process sectional view of a semiconductor device manufactured by a method of a third embodiment of the present invention.

【図6】信頼性の高い金属配線を得る他の方法によって
製造される半導体装置の工程断面図。
FIG. 6 is a process cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by another method for obtaining a highly reliable metal wiring.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 絶縁膜 4 金属配線膜 7 透過膜 15 レーザ光 1 substrate 2 insulating film 4 metal wiring film 7 transparent film 15 laser light

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】素子が形成された半導体基板上に金属配線
膜を形成する工程と、 前記金属配線膜上に、レーザ光を透過するとともに前記
金属配線膜からの前記レーザ光の反射を防止する材料か
らなる透過膜を積層する工程と、 積層された前記金属配線膜及び透過膜をパターニングす
る工程と、 レーザ光を照射して、パターニングされた前記金属配線
膜にアニールを施す工程と、を備えていることを特徴と
する半導体装置の製造方法。
1. A step of forming a metal wiring film on a semiconductor substrate having an element formed thereon, and transmitting laser light on the metal wiring film and preventing reflection of the laser light from the metal wiring film. A step of stacking a transparent film made of a material, a step of patterning the stacked metal wiring film and the transparent film, and a step of irradiating laser light to anneal the patterned metal wiring film A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項2】レーザを照射する前に前記金属配線膜を被
覆する絶縁膜を形成したことを特徴とする請求項1記載
の半導体装置の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating film that covers the metal wiring film is formed before laser irradiation.
【請求項3】前記金属配線膜は、この金属配線膜中にこ
の金属の大粒径化を加速する他の金属膜が設けられた層
状構造膜となるように形成することを特徴とする請求項
1記載の半導体装置の製造方法。
3. The metal wiring film is formed so as to be a layered structure film in which another metal film for accelerating an increase in grain size of the metal is provided in the metal wiring film. Item 1. A method of manufacturing a semiconductor device according to item 1.
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