JPH05136126A - 金属配線の形成方法 - Google Patents
金属配線の形成方法Info
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- JPH05136126A JPH05136126A JP3299002A JP29900291A JPH05136126A JP H05136126 A JPH05136126 A JP H05136126A JP 3299002 A JP3299002 A JP 3299002A JP 29900291 A JP29900291 A JP 29900291A JP H05136126 A JPH05136126 A JP H05136126A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明は、半導体装置が高集積化、微細化して
も信頼性が十分に得られる金属配線を得ることを目的と
している。 【構成】TiN膜4が形成されたシリコン基板1上にA
l配線7を形成する工程と、熱処理によりAlの結晶粒
径を成長させる工程と、Al配線7上にCu薄膜9を形
成する工程と、熱処理によりAl配線7を合金化する工
程と、不要なTiN膜4,Cu薄膜9を除去する工程と
を有することを特徴とする。
も信頼性が十分に得られる金属配線を得ることを目的と
している。 【構成】TiN膜4が形成されたシリコン基板1上にA
l配線7を形成する工程と、熱処理によりAlの結晶粒
径を成長させる工程と、Al配線7上にCu薄膜9を形
成する工程と、熱処理によりAl配線7を合金化する工
程と、不要なTiN膜4,Cu薄膜9を除去する工程と
を有することを特徴とする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属配線の形成方法に
係り、特にAl配線の形成方法に関する。
係り、特にAl配線の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、半導体装置の配線にはAl又
はAl合金が広く用いられている。これは、低抵抗性、
基板半導体とのコンタクト形成の容易さ、絶縁膜との密
着性等の理由による。
はAl合金が広く用いられている。これは、低抵抗性、
基板半導体とのコンタクト形成の容易さ、絶縁膜との密
着性等の理由による。
【0003】集積回路の高集積化にともない、Al配線
に起因する信頼性の低下が顕在化してきている。高集積
化が進行すると、配線幅が狭小化し、電流密度が増大す
る。それにともない、配線金属中の電子の流れに起因す
るエレクトロマイグレーション(EM)不良や、配線の
発熱による熱応力に起因するストレスマイグレーション
(SM)が発生して断線短絡等の不良が発生する。図1
6は従来のEM耐性の改善を図った半導体装置の断面図
である。
に起因する信頼性の低下が顕在化してきている。高集積
化が進行すると、配線幅が狭小化し、電流密度が増大す
る。それにともない、配線金属中の電子の流れに起因す
るエレクトロマイグレーション(EM)不良や、配線の
発熱による熱応力に起因するストレスマイグレーション
(SM)が発生して断線短絡等の不良が発生する。図1
6は従来のEM耐性の改善を図った半導体装置の断面図
である。
【0004】シリコン基板81には所望の素子が形成さ
れ、その表面はシリコン酸化膜等の絶縁膜83で被膜さ
れている。この絶縁膜83には配線と素子とを電気的に
結合するためのコンタクト孔が設けられている(不図
示)。そして絶縁膜83上にはCuが含まれたAl配線
85が形成されている。
れ、その表面はシリコン酸化膜等の絶縁膜83で被膜さ
れている。この絶縁膜83には配線と素子とを電気的に
結合するためのコンタクト孔が設けられている(不図
示)。そして絶縁膜83上にはCuが含まれたAl配線
85が形成されている。
【0005】Al配線85の形成は、まずスパッタ法に
よってCuを含むAl薄膜を絶縁膜83上に形成した
後、このAl薄膜をフォトリソグラフィー法によってパ
ターニングする。パターニングは、通常、RIE(反応
性イオンエッチング)によって行なわれる。最後に、フ
ォーミングガス雰囲気中で450℃で15分間熱処理
し、Al配線85中のAlの結晶粒径を大きくする。
よってCuを含むAl薄膜を絶縁膜83上に形成した
後、このAl薄膜をフォトリソグラフィー法によってパ
ターニングする。パターニングは、通常、RIE(反応
性イオンエッチング)によって行なわれる。最後に、フ
ォーミングガス雰囲気中で450℃で15分間熱処理
し、Al配線85中のAlの結晶粒径を大きくする。
【0006】以上のようにして得られたAl配線85で
は、配線の粒界にAlCu合金が析出して点在し、これ
がAl原子の移動に対してバリアとして機能し、この結
果、Alの拡散が抑制され、EM耐性の向上が期待でき
る。更に、熱処理によりAl結晶の粒径が大きくなるた
め、結晶粒界が配線を横断する構造、いわゆるバンブー
構造が形成され、EM耐性が向上される。
は、配線の粒界にAlCu合金が析出して点在し、これ
がAl原子の移動に対してバリアとして機能し、この結
果、Alの拡散が抑制され、EM耐性の向上が期待でき
る。更に、熱処理によりAl結晶の粒径が大きくなるた
め、結晶粒界が配線を横断する構造、いわゆるバンブー
構造が形成され、EM耐性が向上される。
【0007】しかしながら、Cu等の不純物を添加する
と、その後に熱処理を行なっても、粒径が不純物を添加
しないときほど大きくならず、EM耐性が十分に改善さ
れないという問題があった。また、AlCu合金はエッ
チングが困難であるため、加工不良が生じ、信頼性が低
下するという問題もあった。
と、その後に熱処理を行なっても、粒径が不純物を添加
しないときほど大きくならず、EM耐性が十分に改善さ
れないという問題があった。また、AlCu合金はエッ
チングが困難であるため、加工不良が生じ、信頼性が低
下するという問題もあった。
【0008】そこで、Cuを含まないAl配線を形成し
た後に、蒸着法等を用いてCu薄膜をシリコン基板上に
堆積して、Al配線の表面をCu薄膜で被着し、しかる
後に熱処理を行なって前記Al配線とCu薄膜との接触
面にAlCu合金配線を形成する方法(特開昭54−1
52984号公報参照)が提案された。しかしながら、
この方法では、粒径成長が阻害され、バンブー構造が形
成され難いという問題があった。
た後に、蒸着法等を用いてCu薄膜をシリコン基板上に
堆積して、Al配線の表面をCu薄膜で被着し、しかる
後に熱処理を行なって前記Al配線とCu薄膜との接触
面にAlCu合金配線を形成する方法(特開昭54−1
52984号公報参照)が提案された。しかしながら、
この方法では、粒径成長が阻害され、バンブー構造が形
成され難いという問題があった。
【0009】例えば、粒径が300nm〜1μm程度の
Al薄膜を加工し、Al配線を形成した後、厚さ200
nm程度のCu薄膜を被着した後、400℃〜450℃
程度の熱処理を行ない、CuをAl配線中に拡散させる
と、図17に示すように、絶縁膜83上のAl配線87
の粒界にAl2 Cu(θ相)88が析出し、粒界を配線
方向に横断してしまう。このθ相は、その後のAlの粒
成長速度を抑制し、Alの平均結晶粒径は高々2〜3μ
m程度にしか大きくならない。結晶粒径には同一の膜中
でもバラツキがあるので、この場合、1μm以下の結晶
粒も多数存在し、バンブー構造の実現が阻害され、大き
な結晶粒径が得られなくなる。
Al薄膜を加工し、Al配線を形成した後、厚さ200
nm程度のCu薄膜を被着した後、400℃〜450℃
程度の熱処理を行ない、CuをAl配線中に拡散させる
と、図17に示すように、絶縁膜83上のAl配線87
の粒界にAl2 Cu(θ相)88が析出し、粒界を配線
方向に横断してしまう。このθ相は、その後のAlの粒
成長速度を抑制し、Alの平均結晶粒径は高々2〜3μ
m程度にしか大きくならない。結晶粒径には同一の膜中
でもバラツキがあるので、この場合、1μm以下の結晶
粒も多数存在し、バンブー構造の実現が阻害され、大き
な結晶粒径が得られなくなる。
【0010】また、この方法では、Al配線が存在しな
い部分では、Cu薄膜が下地の絶縁膜に直接接触するた
め、熱処理の際に、Cuが絶縁膜,シリコン基板中に拡
散してしまう。シリコン基板中のCuは、ライフタイム
キラーとして働くため、シリコン基板に形成された素子
に接合リークが生じるという問題があった。
い部分では、Cu薄膜が下地の絶縁膜に直接接触するた
め、熱処理の際に、Cuが絶縁膜,シリコン基板中に拡
散してしまう。シリコン基板中のCuは、ライフタイム
キラーとして働くため、シリコン基板に形成された素子
に接合リークが生じるという問題があった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く従来の半導
体装置では、一般に、Al配線が用いられていたが、装
置の高集積化,素子の微細化に伴いEMやSMによるA
l配線の信頼性低下が表面化してきた。このようなAl
配線の信頼性低下の対策としてCuを含んだAl配線の
使用が提案されていたが、十分なEM耐性が得られず、
また加工性も低下するという問題があった。
体装置では、一般に、Al配線が用いられていたが、装
置の高集積化,素子の微細化に伴いEMやSMによるA
l配線の信頼性低下が表面化してきた。このようなAl
配線の信頼性低下の対策としてCuを含んだAl配線の
使用が提案されていたが、十分なEM耐性が得られず、
また加工性も低下するという問題があった。
【0012】そこで、Cuを含まないAl配線を形成し
た後、Cu薄膜を堆積し、しかる後に熱処理して前記A
l配線とCu薄膜との接触面にAlCu合金配線を形成
する方法が提案されたが、この方法では大きな結晶粒界
の成長が阻害されたり、熱処理の際にCu薄膜中のCu
が基板に拡散し、接合リーク等が生じるという問題があ
った。
た後、Cu薄膜を堆積し、しかる後に熱処理して前記A
l配線とCu薄膜との接触面にAlCu合金配線を形成
する方法が提案されたが、この方法では大きな結晶粒界
の成長が阻害されたり、熱処理の際にCu薄膜中のCu
が基板に拡散し、接合リーク等が生じるという問題があ
った。
【0013】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、半導体装置が高集積
化、微細化しても信頼性が十分に得られる金属配線の形
成方法を提供することにある。
ので、その目的とするところは、半導体装置が高集積
化、微細化しても信頼性が十分に得られる金属配線の形
成方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第1の金属配線の形成方法は、基板上に
第1の金属薄膜を形成する工程と、この第1の金属薄膜
を配線パターンの形状にパターニングする工程と、パタ
ーニングした第1の金属薄膜上に、この金属薄膜と異な
る金属を含む第2の金属薄膜を形成する工程と、パター
ニングした第1の金属薄膜と前記第2の金属薄膜に対し
て熱処理を行なう工程とを備え、前記基板と第1の金属
薄膜との間に、前記第2の金属薄膜に含まれる金属の基
板への拡散を防止する拡散障壁層を形成することを特徴
とする。
めに、本発明の第1の金属配線の形成方法は、基板上に
第1の金属薄膜を形成する工程と、この第1の金属薄膜
を配線パターンの形状にパターニングする工程と、パタ
ーニングした第1の金属薄膜上に、この金属薄膜と異な
る金属を含む第2の金属薄膜を形成する工程と、パター
ニングした第1の金属薄膜と前記第2の金属薄膜に対し
て熱処理を行なう工程とを備え、前記基板と第1の金属
薄膜との間に、前記第2の金属薄膜に含まれる金属の基
板への拡散を防止する拡散障壁層を形成することを特徴
とする。
【0015】また、本発明の第2の金属配線の形成方法
は、基板上に主たる配線材料とは異なる金属を含む第1
の金属薄膜を形成する工程と、この第1の金属薄膜上
に、主たる金属配線材料からなる第2の金属薄膜を形成
する工程と、この第2の金属薄膜を配線パターンの形状
にパターニングする工程と、前記第1の金属薄膜とパタ
ーニングした第2の金属薄膜に対して熱処理を行なう工
程とを備え、前記基板と第1の金属薄膜との間に、この
金属薄膜に含まれる金属の基板への拡散を防止する拡散
障壁層を形成することを特徴とする。
は、基板上に主たる配線材料とは異なる金属を含む第1
の金属薄膜を形成する工程と、この第1の金属薄膜上
に、主たる金属配線材料からなる第2の金属薄膜を形成
する工程と、この第2の金属薄膜を配線パターンの形状
にパターニングする工程と、前記第1の金属薄膜とパタ
ーニングした第2の金属薄膜に対して熱処理を行なう工
程とを備え、前記基板と第1の金属薄膜との間に、この
金属薄膜に含まれる金属の基板への拡散を防止する拡散
障壁層を形成することを特徴とする。
【0016】
【作用】本発明の第1の金属配線の形成方法によれば、
基板と第2の金属薄膜との間に拡散障壁層が設けられて
いるため、合金化の際に、第2の金属薄膜の金属が基板
中に拡散するのを防止できる。したがって、接合リーク
等による信頼性の低下を防止できる。
基板と第2の金属薄膜との間に拡散障壁層が設けられて
いるため、合金化の際に、第2の金属薄膜の金属が基板
中に拡散するのを防止できる。したがって、接合リーク
等による信頼性の低下を防止できる。
【0017】更に、第1の金属薄膜と第2の金属薄膜と
の合金化の前に、第1の金属薄膜の結晶粒径を十分成長
させれば、第1の金属薄膜の金属の粒径成長が、第2の
金属薄膜の金属により阻害されることはない。したがっ
て、バンブー構造が実現されてEM耐性が向上する。
の合金化の前に、第1の金属薄膜の結晶粒径を十分成長
させれば、第1の金属薄膜の金属の粒径成長が、第2の
金属薄膜の金属により阻害されることはない。したがっ
て、バンブー構造が実現されてEM耐性が向上する。
【0018】本発明の第2の金属配線の形成方法によれ
ば、基板と第1の金属薄膜との間に拡散障壁層が設けら
れているため、合金化の際に、第1の金属薄膜の金属が
基板中に拡散するのを防止できる。
ば、基板と第1の金属薄膜との間に拡散障壁層が設けら
れているため、合金化の際に、第1の金属薄膜の金属が
基板中に拡散するのを防止できる。
【0019】更に、第1の金属薄膜と第2の金属薄膜と
は材料が異なるので、エッチング選択比を十分大きくと
ることができ、基板にダメージを与えずに、第2の金属
薄膜をパターニングできる。したがって、金属配線の加
工条件の自由度を損なうこと無く、良好な状態で微細な
加工を行なうことができ、もって加工不良による信頼性
の低下を防止できる。しかも、第2の金属薄膜はその下
部が熱処理により合金化されるのでEM耐性も向上す
る。したがって、接合リーク等による信頼性の低下を防
止できる。
は材料が異なるので、エッチング選択比を十分大きくと
ることができ、基板にダメージを与えずに、第2の金属
薄膜をパターニングできる。したがって、金属配線の加
工条件の自由度を損なうこと無く、良好な状態で微細な
加工を行なうことができ、もって加工不良による信頼性
の低下を防止できる。しかも、第2の金属薄膜はその下
部が熱処理により合金化されるのでEM耐性も向上す
る。したがって、接合リーク等による信頼性の低下を防
止できる。
【0020】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図1は本発明の第1の実施例に係る金属配線の形成
工程断面図である。
る。図1は本発明の第1の実施例に係る金属配線の形成
工程断面図である。
【0021】先ず、図1(a)に示すように、所望の素
子が形成されたシリコン基板の表面をシリコン酸化膜等
の絶縁膜3で被覆した後、この絶縁膜3に配線と素子と
を電気的に結合するためのコンタクト孔(不図示)を形
成する。次いで絶縁膜3上に拡散障壁層としてのTiN
膜4を堆積する。この後、スパッタ法を用いて厚さ約4
00nmのAl薄膜5をTiN膜4上に厚さ50nmで
堆積する。
子が形成されたシリコン基板の表面をシリコン酸化膜等
の絶縁膜3で被覆した後、この絶縁膜3に配線と素子と
を電気的に結合するためのコンタクト孔(不図示)を形
成する。次いで絶縁膜3上に拡散障壁層としてのTiN
膜4を堆積する。この後、スパッタ法を用いて厚さ約4
00nmのAl薄膜5をTiN膜4上に厚さ50nmで
堆積する。
【0022】次に図1(b)に示すように、Al薄膜5
をフォトリソグラフィー法により所定の形状にパターニ
ングしてAl配線7を形成する。そしてフォーミングガ
ス雰囲気中で450℃で15分間熱処理することにより
Al結晶の粒径を成長させる。次いでスパッタ法を用い
て全面に厚さ10nmのCu薄膜9を形成した後、これ
をAr雰囲気中で450℃で3分間熱処理してCu薄膜
9中のCu原子をAl配線7中に拡散させる。
をフォトリソグラフィー法により所定の形状にパターニ
ングしてAl配線7を形成する。そしてフォーミングガ
ス雰囲気中で450℃で15分間熱処理することにより
Al結晶の粒径を成長させる。次いでスパッタ法を用い
て全面に厚さ10nmのCu薄膜9を形成した後、これ
をAr雰囲気中で450℃で3分間熱処理してCu薄膜
9中のCu原子をAl配線7中に拡散させる。
【0023】最後に図1(c)に示すように、シリコン
基板1を硝酸に浸漬し、基板表面に残った未反応のCu
薄膜9を除去した後、未反応のCu薄膜9の下のTiN
膜4を除去して完成する。
基板1を硝酸に浸漬し、基板表面に残った未反応のCu
薄膜9を除去した後、未反応のCu薄膜9の下のTiN
膜4を除去して完成する。
【0024】以上のようにして得れたAl配線7では、
Cu原子によりAl薄膜5中のAl原子の拡散が防止さ
れるのは勿論のこと、バンブー構造が確実にしかも多数
形成され、これにより従来のAl配線よりEM耐性が向
上する。
Cu原子によりAl薄膜5中のAl原子の拡散が防止さ
れるのは勿論のこと、バンブー構造が確実にしかも多数
形成され、これにより従来のAl配線よりEM耐性が向
上する。
【0025】更に、絶縁膜3とCu薄膜9との間にはT
iN膜4が設けられているため、Cu原子をAl配線7
中に拡散させる工程において、Cu薄膜9中のCu原子
が絶縁膜3,シリコン基板1に拡散するのを防止でき
る。したがって、シリコン基板1に形成された素子に接
合リークが生じるという問題は起こらない。
iN膜4が設けられているため、Cu原子をAl配線7
中に拡散させる工程において、Cu薄膜9中のCu原子
が絶縁膜3,シリコン基板1に拡散するのを防止でき
る。したがって、シリコン基板1に形成された素子に接
合リークが生じるという問題は起こらない。
【0026】図2,図3は本発明の第2の実施例に係る
金属配線の形成工程断面図である。この実施例の金属配
線の形成方法が第1の実施例のそれと異なる点は、Al
結晶を粒径成長させた後に、Al薄膜のパターニングを
行なったことにある。
金属配線の形成工程断面図である。この実施例の金属配
線の形成方法が第1の実施例のそれと異なる点は、Al
結晶を粒径成長させた後に、Al薄膜のパターニングを
行なったことにある。
【0027】まず、図2(a)に示すように、所望の素
子が形成されたシリコン基板11上に絶縁膜13を形成
した後、この絶縁膜13に配線と素子とを電気的に結合
するためのコンタクト孔(不図示)を形成する。次いで
絶縁膜13上に厚さ50nmのTiN膜14を堆積した
後、スパッタ法を用いてTiN膜14上に厚さ約400
nmのAl薄膜15を堆積する。次いでランプ加熱装置
を用いて、Al薄膜15に600℃,10秒間の熱処理
を施してAlの結晶粒径を成長させる。次に図2(b)
に示すように、フォトリソグラフィーを用いてAl薄膜
15を配線パターンの形状にパターニングしてAl配線
17を形成する。
子が形成されたシリコン基板11上に絶縁膜13を形成
した後、この絶縁膜13に配線と素子とを電気的に結合
するためのコンタクト孔(不図示)を形成する。次いで
絶縁膜13上に厚さ50nmのTiN膜14を堆積した
後、スパッタ法を用いてTiN膜14上に厚さ約400
nmのAl薄膜15を堆積する。次いでランプ加熱装置
を用いて、Al薄膜15に600℃,10秒間の熱処理
を施してAlの結晶粒径を成長させる。次に図2(b)
に示すように、フォトリソグラフィーを用いてAl薄膜
15を配線パターンの形状にパターニングしてAl配線
17を形成する。
【0028】次に図3(a)に示すように、無電解メッ
キ法を用いてシリコン基板11上に厚さ3nmのCu薄
膜19を形成する。次いでこれを300℃で30分間熱
処理してCu薄膜19のCu原子をAl配線17中に拡
散させる。
キ法を用いてシリコン基板11上に厚さ3nmのCu薄
膜19を形成する。次いでこれを300℃で30分間熱
処理してCu薄膜19のCu原子をAl配線17中に拡
散させる。
【0029】最後に図3(b)に示すように、シリコン
基板11を硝酸に浸漬し、基板表面に残った未反応のC
u薄膜19を除去し、引き続き、不要なTiN膜14を
除去する。
基板11を硝酸に浸漬し、基板表面に残った未反応のC
u薄膜19を除去し、引き続き、不要なTiN膜14を
除去する。
【0030】以上のようにして得られたAl配線17で
も、TiN膜14を設けると共に、Al結晶の粒径を成
長させた後にCuの拡散を行なっているので、接合リー
クを防止でき、且つ従来のAl配線よりEM耐性が向上
する。図4,図5は本発明の第3の実施例に係る金属配
線の形成工程断面図である。
も、TiN膜14を設けると共に、Al結晶の粒径を成
長させた後にCuの拡散を行なっているので、接合リー
クを防止でき、且つ従来のAl配線よりEM耐性が向上
する。図4,図5は本発明の第3の実施例に係る金属配
線の形成工程断面図である。
【0031】先ず、図4(a)に示すように、シリコン
基板21の(100)面上に、例えば、SiO2 膜,B
PSG膜等の絶縁膜23を形成する。次いでスパッタガ
スとしてArとN2 とを用いたDCマグネトロンスパッ
タ法で、絶縁膜23上に拡散障壁膜としての厚さ50n
mのTiN膜25を形成し、引き続き、厚さ400nm
のAl薄膜27をスパッタ堆積する。
基板21の(100)面上に、例えば、SiO2 膜,B
PSG膜等の絶縁膜23を形成する。次いでスパッタガ
スとしてArとN2 とを用いたDCマグネトロンスパッ
タ法で、絶縁膜23上に拡散障壁膜としての厚さ50n
mのTiN膜25を形成し、引き続き、厚さ400nm
のAl薄膜27をスパッタ堆積する。
【0032】次に図4(b)に示すように、Cl系ガス
を用いてAl薄膜27をパターニングして幅0.2〜
0.5μmのAl配線29を形成する。この後、このA
l配線29に600℃,1〜10秒程度のアニールを施
し、粒径成長させる。
を用いてAl薄膜27をパターニングして幅0.2〜
0.5μmのAl配線29を形成する。この後、このA
l配線29に600℃,1〜10秒程度のアニールを施
し、粒径成長させる。
【0033】次に図4(c)に示すように、スパッタ法
で厚さ0.5nmのCu薄膜31を形成した後、250
℃で1分の真空アニールを行ない、Al配線31にCu
原子を含有させる。次に図5(a)に示すように、硝酸
中でCu薄膜31を除去する。この後、450℃のH2
/N2 雰囲気中で15分間シンターを行なう。最後に、
図5(b)に示すように、不要なTiN膜25を除去す
る。
で厚さ0.5nmのCu薄膜31を形成した後、250
℃で1分の真空アニールを行ない、Al配線31にCu
原子を含有させる。次に図5(a)に示すように、硝酸
中でCu薄膜31を除去する。この後、450℃のH2
/N2 雰囲気中で15分間シンターを行なう。最後に、
図5(b)に示すように、不要なTiN膜25を除去す
る。
【0034】以上のようにして得られたAl配線29を
測定したところ、Cu濃度は0.1〜0.3%程度であ
った。そして、Cu濃度は、図6に示すように、配線幅
が広くなるほど低かった。
測定したところ、Cu濃度は0.1〜0.3%程度であ
った。そして、Cu濃度は、図6に示すように、配線幅
が広くなるほど低かった。
【0035】また、TiN膜25を設けた場合のシリコ
ン基板21中のCu量と、TiN膜25を設けていない
場合のそれとを比較してみた。その結果、厚さ50nm
のTiN膜25を設けた場合、図7に示すように、40
0℃までシリコン基板21中のCu濃度は、検出限界以
下であった。この結果、TiN膜25を設けたことによ
り、Al配線31にCu原子を含有させる際のアニール
工程で、Cuがシリコン基板21に拡散するのを確実に
防止でき、接合リーク等による信頼性の低下を招くこと
無くEM耐性を改善できる。図8,図9は本発明の第4
の実施例に係る金属配線の形成工程断面図である。
ン基板21中のCu量と、TiN膜25を設けていない
場合のそれとを比較してみた。その結果、厚さ50nm
のTiN膜25を設けた場合、図7に示すように、40
0℃までシリコン基板21中のCu濃度は、検出限界以
下であった。この結果、TiN膜25を設けたことによ
り、Al配線31にCu原子を含有させる際のアニール
工程で、Cuがシリコン基板21に拡散するのを確実に
防止でき、接合リーク等による信頼性の低下を招くこと
無くEM耐性を改善できる。図8,図9は本発明の第4
の実施例に係る金属配線の形成工程断面図である。
【0036】まず、図8(a)に示すように、所望の素
子が形成されたシリコン基板33上にシリコン酸化膜等
の絶縁膜35を形成した後、この絶縁膜35に配線と素
子とを電気的に結合するためのコンタクト孔(不図示)
を形成する。次いで絶縁膜35上に厚さ50nmのTi
N膜37を形成した後、このTiN膜37上に厚さ5n
mのCu薄膜39,厚さ800nmのAl薄膜41をス
パッタ法を用いて順次形成する。
子が形成されたシリコン基板33上にシリコン酸化膜等
の絶縁膜35を形成した後、この絶縁膜35に配線と素
子とを電気的に結合するためのコンタクト孔(不図示)
を形成する。次いで絶縁膜35上に厚さ50nmのTi
N膜37を形成した後、このTiN膜37上に厚さ5n
mのCu薄膜39,厚さ800nmのAl薄膜41をス
パッタ法を用いて順次形成する。
【0037】次に図8(b)に示すように、フォトリソ
グラフィー法によってAl薄膜41をパターニングして
Al配線43を形成する。この後、H2 /N2 ガス雰囲
気中で450℃で30分間熱処理し、Al配線43の下
部を合金化させる。
グラフィー法によってAl薄膜41をパターニングして
Al配線43を形成する。この後、H2 /N2 ガス雰囲
気中で450℃で30分間熱処理し、Al配線43の下
部を合金化させる。
【0038】次に図8(c)に示すように、スパッタ法
を用いてシリコン基板33上に厚さ15nmのCu薄膜
45を形成した後、250℃で3分間の熱処理を行なっ
てAl配線43の表面を合金化させる。次に図9(a)
に示すように、シリコン基板33を硝酸に浸漬し、Al
配線43と合金化しなかったCu薄膜45を除去する。
最後に、図9(b)に示すように、Al配線43をマス
クとして用いて絶縁膜35上の不要なTiN膜37を除
去する。
を用いてシリコン基板33上に厚さ15nmのCu薄膜
45を形成した後、250℃で3分間の熱処理を行なっ
てAl配線43の表面を合金化させる。次に図9(a)
に示すように、シリコン基板33を硝酸に浸漬し、Al
配線43と合金化しなかったCu薄膜45を除去する。
最後に、図9(b)に示すように、Al配線43をマス
クとして用いて絶縁膜35上の不要なTiN膜37を除
去する。
【0039】図10は以上の方法で得られたAl配線6
3のX線回析の結果である。この図からθ−Al2C
u,γ2−Al4Cu9が検出されていることが分か
る。即ち、AlとCuとの反応により、Al配線43の
表面に、Al/Cuの金属間化合物が形成されているの
を確認できた。また、これはシリコン基板を硝酸に浸漬
することで、Al配線にほとんど影響を与えずに、未反
応のCuを完全に除去できることを意味している。
3のX線回析の結果である。この図からθ−Al2C
u,γ2−Al4Cu9が検出されていることが分か
る。即ち、AlとCuとの反応により、Al配線43の
表面に、Al/Cuの金属間化合物が形成されているの
を確認できた。また、これはシリコン基板を硝酸に浸漬
することで、Al配線にほとんど影響を与えずに、未反
応のCuを完全に除去できることを意味している。
【0040】図11は本実施例のAl配線43の信頼性
を評価した結果である。また、比較例としてCuを含ま
ないAl配線の場合のそれも載せてある。評価方法とし
ては、BEM(Breakdown Energy f
or Metal)法を用いた。図中、縦軸はMEF
(Meadian Energy to Fallur
e)で、配線が断線に至るまでに、配線中を流れた電荷
の総量から配線に加わったエネルギの総量を算出したも
ので、信頼性の指標となる。なお、配線長,配線幅はそ
れぞれ500μm,2μmとした。この図から、本実施
例のAl配線43のMEFは、比較例のそれより約6倍
大きく、信頼性が顕著に改善されていることが分かる。
を評価した結果である。また、比較例としてCuを含ま
ないAl配線の場合のそれも載せてある。評価方法とし
ては、BEM(Breakdown Energy f
or Metal)法を用いた。図中、縦軸はMEF
(Meadian Energy to Fallur
e)で、配線が断線に至るまでに、配線中を流れた電荷
の総量から配線に加わったエネルギの総量を算出したも
ので、信頼性の指標となる。なお、配線長,配線幅はそ
れぞれ500μm,2μmとした。この図から、本実施
例のAl配線43のMEFは、比較例のそれより約6倍
大きく、信頼性が顕著に改善されていることが分かる。
【0041】かくして本実施例の配線の形成方法によれ
ば、Al薄膜41のパターニングをCuを含まない状態
で加工するので微細加工が容易になる。また、Cu薄膜
39がエッチングストッパーとして働き、選択比を大き
くとることができ、パターニングに起因する信頼性の低
下を防止することができる。更に、Cu薄膜39の下部
には拡散障壁膜としてのTiN膜37が設けてあるの
で、合金化の際にCu原子が絶縁膜35中に拡散して基
板に到達するのを防止できる。また、Al配線43は、
Al表面及び下部にAlCu合金が形成された構成をし
ているので、Alの表面拡散を抑制することができ、こ
れによりボイドやヒロックの発生を防止できるので信頼
性が向上する。図12は本発明の第5の実施例に係る金
属配線の形成工程断面図である。
ば、Al薄膜41のパターニングをCuを含まない状態
で加工するので微細加工が容易になる。また、Cu薄膜
39がエッチングストッパーとして働き、選択比を大き
くとることができ、パターニングに起因する信頼性の低
下を防止することができる。更に、Cu薄膜39の下部
には拡散障壁膜としてのTiN膜37が設けてあるの
で、合金化の際にCu原子が絶縁膜35中に拡散して基
板に到達するのを防止できる。また、Al配線43は、
Al表面及び下部にAlCu合金が形成された構成をし
ているので、Alの表面拡散を抑制することができ、こ
れによりボイドやヒロックの発生を防止できるので信頼
性が向上する。図12は本発明の第5の実施例に係る金
属配線の形成工程断面図である。
【0042】まず、図12(a)に示すように、所望の
素子が形成されたシリコン基板47の表面をシリコン酸
化膜等の絶縁膜49で被覆した後、この絶縁膜49に配
線と素子とを電気的に結合するためのコンタクト孔を形
成する(不図示)。次いで絶縁膜49上に厚さ50nm
のTiN膜51を形成する。
素子が形成されたシリコン基板47の表面をシリコン酸
化膜等の絶縁膜49で被覆した後、この絶縁膜49に配
線と素子とを電気的に結合するためのコンタクト孔を形
成する(不図示)。次いで絶縁膜49上に厚さ50nm
のTiN膜51を形成する。
【0043】次に図12(b)に示すように、スパッタ
法によりTiN膜51上に厚さ2.5nmのCu薄膜5
3,厚さ400nmのAl薄膜を順次形成した後、フォ
トリソグラフィー法を用いてこのAl薄膜をパターニン
グし、Al配線55を形成する。
法によりTiN膜51上に厚さ2.5nmのCu薄膜5
3,厚さ400nmのAl薄膜を順次形成した後、フォ
トリソグラフィー法を用いてこのAl薄膜をパターニン
グし、Al配線55を形成する。
【0044】次に図12(c)に示すように、シリコン
基板47をH2 /N2 ガス雰囲気中で450℃で15分
間熱処理し、Al配線55の下部を合金化した後、スパ
ッタ法を用いてシリコン基板47上に厚さ10nmのC
u薄膜57を形成する。次いで200℃で10分間の熱
処理を行ない、Al配線55の表面を合金化する。
基板47をH2 /N2 ガス雰囲気中で450℃で15分
間熱処理し、Al配線55の下部を合金化した後、スパ
ッタ法を用いてシリコン基板47上に厚さ10nmのC
u薄膜57を形成する。次いで200℃で10分間の熱
処理を行ない、Al配線55の表面を合金化する。
【0045】最後に、図12(d)に示すように、シリ
コン基板47を硝酸に浸漬し、未反応のCu薄膜53,
57を除去した後、Al配線55をマスクに用いて絶縁
膜49上の不要なTiN膜51を除去する。このような
方法でも、加工性の低下を招くこと無く、EM耐性に優
れたAl配線57を形成できるので、微細化に伴う配線
の信頼性の低下を防止できる。図13は本発明の第6の
実施例に係る金属配線の形成工程断面図である。
コン基板47を硝酸に浸漬し、未反応のCu薄膜53,
57を除去した後、Al配線55をマスクに用いて絶縁
膜49上の不要なTiN膜51を除去する。このような
方法でも、加工性の低下を招くこと無く、EM耐性に優
れたAl配線57を形成できるので、微細化に伴う配線
の信頼性の低下を防止できる。図13は本発明の第6の
実施例に係る金属配線の形成工程断面図である。
【0046】先ず、図13(a)に示すように、所望の
素子が形成されたシリコン基板61の表面をシリコン酸
化膜等の絶縁膜63で被覆した後、この絶縁膜63に配
線と素子とを電気的に結合するためのコンタクト孔(不
図示)を形成する。次いで絶縁膜63上に厚さ25nm
のTiN膜65を形成した後、スパッタ法を用いてこの
TiN膜65上に厚さ2.5nmのCu薄膜67,厚さ
400nmのAl薄膜69を順次形成する。次に図13
(b)に示すように、フォトリソグラフィー法を用いて
Al薄膜69をパターニングしてAl配線71を形成す
る。
素子が形成されたシリコン基板61の表面をシリコン酸
化膜等の絶縁膜63で被覆した後、この絶縁膜63に配
線と素子とを電気的に結合するためのコンタクト孔(不
図示)を形成する。次いで絶縁膜63上に厚さ25nm
のTiN膜65を形成した後、スパッタ法を用いてこの
TiN膜65上に厚さ2.5nmのCu薄膜67,厚さ
400nmのAl薄膜69を順次形成する。次に図13
(b)に示すように、フォトリソグラフィー法を用いて
Al薄膜69をパターニングしてAl配線71を形成す
る。
【0047】次に図13(c)に示すように、電気メッ
キ法を用いてシリコン基板61上に厚さ10nmのCu
薄膜73を形成した後、シリコン基板61をH2 /N2
ガス雰囲気中で450℃で15分間熱処理し、Al配線
71の下部及び表面を合金化する。
キ法を用いてシリコン基板61上に厚さ10nmのCu
薄膜73を形成した後、シリコン基板61をH2 /N2
ガス雰囲気中で450℃で15分間熱処理し、Al配線
71の下部及び表面を合金化する。
【0048】最後に、図13(d)に示すように、シリ
コン基板61を硝酸に浸漬し、Al配線71以外の部分
に残留する不要なTiN膜65,Cu薄膜67,73を
除去する。このような方法でも、加工性やEM耐性が向
上し、先の実施例と同様な効果が得られる。図14,図
15は本発明の第7の実施例に係る金属配線の形成工程
断面図である。
コン基板61を硝酸に浸漬し、Al配線71以外の部分
に残留する不要なTiN膜65,Cu薄膜67,73を
除去する。このような方法でも、加工性やEM耐性が向
上し、先の実施例と同様な効果が得られる。図14,図
15は本発明の第7の実施例に係る金属配線の形成工程
断面図である。
【0049】最初、図14(a)に示すように、所望の
素子が形成されたシリコン基板75の表面をシリコン酸
化膜等の絶縁膜77で被覆した後、この絶縁膜77に配
線と素子とを電気的に結合するためのコンタクト孔を形
成する(不図示)。次いで絶縁膜77上に厚さ25nm
のTiN膜79を形成した後、スパッタ法を用いてTi
N膜79上に厚さ2.5nmのCu薄膜81,厚さ40
0nmのAl薄膜83を順次形成する。次に図14
(b)に示すように、フォトリソグラフィー法によって
Al薄膜83をパターニングしてAl配線85を形成す
る。次に図14(c)に示すように、シリコン基板75
に250℃,3分間の熱処理を施し、Al配線85の下
部と下地のCu薄膜81とを合金化させる。
素子が形成されたシリコン基板75の表面をシリコン酸
化膜等の絶縁膜77で被覆した後、この絶縁膜77に配
線と素子とを電気的に結合するためのコンタクト孔を形
成する(不図示)。次いで絶縁膜77上に厚さ25nm
のTiN膜79を形成した後、スパッタ法を用いてTi
N膜79上に厚さ2.5nmのCu薄膜81,厚さ40
0nmのAl薄膜83を順次形成する。次に図14
(b)に示すように、フォトリソグラフィー法によって
Al薄膜83をパターニングしてAl配線85を形成す
る。次に図14(c)に示すように、シリコン基板75
に250℃,3分間の熱処理を施し、Al配線85の下
部と下地のCu薄膜81とを合金化させる。
【0050】次に図15(a)に示すように、シリコン
基板75を硝酸に浸漬し、不要なCu薄膜81を除去す
る。しかる後、選択CVD法を用いてAl配線85の表
面に厚さ5nmのW薄膜87を被着させる。次に図15
(b)に示すように、シリコン基板75をH2 /N2 ガ
ス雰囲気中で450℃で30分間熱処理し、Al配線8
5中にWを拡散させる。最後に、Al配線85をマスク
にして不要なTiN膜79を除去する。以上述べた方法
で得られたAl配線85でも、EM耐性等が向上するた
め、装置の高集積化に伴う配線の信頼性低下を防止でき
る。
基板75を硝酸に浸漬し、不要なCu薄膜81を除去す
る。しかる後、選択CVD法を用いてAl配線85の表
面に厚さ5nmのW薄膜87を被着させる。次に図15
(b)に示すように、シリコン基板75をH2 /N2 ガ
ス雰囲気中で450℃で30分間熱処理し、Al配線8
5中にWを拡散させる。最後に、Al配線85をマスク
にして不要なTiN膜79を除去する。以上述べた方法
で得られたAl配線85でも、EM耐性等が向上するた
め、装置の高集積化に伴う配線の信頼性低下を防止でき
る。
【0051】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施では、配線を構成す
る金属薄膜としてスパッタで形成したAl薄膜を用いた
が、CVD法やクライスターイオンビーム法によって形
成されたAl,W,Cu薄膜や、スパッタ法によって形
成されたAl合金,W,Cu,Ti,Au,Ag薄膜等
が使用可能である。
るものではない。例えば、上記実施では、配線を構成す
る金属薄膜としてスパッタで形成したAl薄膜を用いた
が、CVD法やクライスターイオンビーム法によって形
成されたAl,W,Cu薄膜や、スパッタ法によって形
成されたAl合金,W,Cu,Ti,Au,Ag薄膜等
が使用可能である。
【0052】また、Cu薄膜を用いた場合について説明
したが、Cu薄膜の代わりに、Ti,Ta,V,Nb,
Zr,Hf,Au,Ag等の薄膜に対しても、TiN膜
は拡散障壁膜として働くのを確認した。更に、配線の結
晶粒径を大きくする方法としては、拡散炉中の加熱及び
ランプ加熱以外にレーザアニール,電子ビームアニール
を用いても良い。更にまた、配線に添加する不純物とし
ては、Cu以外にCr,Ti,Zr,Hf,B等が使用
可能である。そしてまた、不純物の拡散源となる薄膜の
形成方法としては、スパッタ法以外にCVD法やクライ
スターイオンビーム法,MBE法等が使用可能である。
したが、Cu薄膜の代わりに、Ti,Ta,V,Nb,
Zr,Hf,Au,Ag等の薄膜に対しても、TiN膜
は拡散障壁膜として働くのを確認した。更に、配線の結
晶粒径を大きくする方法としては、拡散炉中の加熱及び
ランプ加熱以外にレーザアニール,電子ビームアニール
を用いても良い。更にまた、配線に添加する不純物とし
ては、Cu以外にCr,Ti,Zr,Hf,B等が使用
可能である。そしてまた、不純物の拡散源となる薄膜の
形成方法としては、スパッタ法以外にCVD法やクライ
スターイオンビーム法,MBE法等が使用可能である。
【0053】なお、上記第1〜第3の実施例では、Al
の粒径成長後に、Cu薄膜を形成し、AlとCuとの合
金化を行なったが、その逆に、Al配線,Cu薄膜を形
成した後に、Alの粒径成長を行なっても良い。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施できる。
の粒径成長後に、Cu薄膜を形成し、AlとCuとの合
金化を行なったが、その逆に、Al配線,Cu薄膜を形
成した後に、Alの粒径成長を行なっても良い。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施できる。
【0054】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、基
板に形成される素子に対して悪影響を与えること無な
く、EM耐性に優れた金属配線を形成でき、もって半導
体装置が高集積化、微細化しても、信頼性が高い金属配
線を得ることができる。
板に形成される素子に対して悪影響を与えること無な
く、EM耐性に優れた金属配線を形成でき、もって半導
体装置が高集積化、微細化しても、信頼性が高い金属配
線を得ることができる。
【図1】本発明の第1の実施例に係る金属配線の形成工
程断面図。
程断面図。
【図2】本発明の第2の実施例に係る金属配線の前半の
形成工程断面図。
形成工程断面図。
【図3】本発明の第2の実施例に係る金属配線の後半の
形成工程断面図。
形成工程断面図。
【図4】本発明の第3の実施例に係る金属配線の前半の
形成工程断面図。
形成工程断面図。
【図5】本発明の第3の実施例に係る金属配線の後半の
形成工程断面図。
形成工程断面図。
【図6】図5のAl配線中のCu濃度と配線幅との関係
を示す特性図。
を示す特性図。
【図7】TiN膜を設けた場合のシリコン基板中のCu
量とTiN膜を設けていない場合のそれとを比較して示
す図。
量とTiN膜を設けていない場合のそれとを比較して示
す図。
【図8】本発明の第4の実施例に係る金属配線の前半の
形成工程断面図。
形成工程断面図。
【図9】本発明の第4の実施例に係る金属配線の後半の
形成工程断面図。
形成工程断面図。
【図10】図9のAl配線のX線回折の評価結果。
【図11】図9のAl配線のMEFを従来のそれと比較
して示す図。
して示す図。
【図12】本発明の第5の実施例に係る金属配線の形成
工程断面図。
工程断面図。
【図13】本発明の第6の実施例に係る金属配線の形成
工程断面図。
工程断面図。
【図14】本発明の第7の実施例に係る金属配線の前半
の形成工程断面図。
の形成工程断面図。
【図15】本発明の第7の実施例に係る金属配線の後半
の形成工程断面図。
の形成工程断面図。
【図16】従来のEM耐性の改善を図った半導体装置の
断面図である。
断面図である。
【図17】粒径成長させた場合の問題点を説明するため
の図。
の図。
1,11,21,33,47,61,75…シリコン基
板、3,13,23,35,49,63,77,83…
絶縁膜、7,17,29,43,55,71,85…A
l配線、9,19,31,39,45,53,57,6
7,73,81,…Cu薄膜、88…Al2 Cu、1
5,27,41,69…Al薄膜、4,14,25,3
7,51,65,79…TiN膜、87…W薄膜。
板、3,13,23,35,49,63,77,83…
絶縁膜、7,17,29,43,55,71,85…A
l配線、9,19,31,39,45,53,57,6
7,73,81,…Cu薄膜、88…Al2 Cu、1
5,27,41,69…Al薄膜、4,14,25,3
7,51,65,79…TiN膜、87…W薄膜。
フロントページの続き (72)発明者 岡野 晴雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内
Claims (2)
- 【請求項1】基板上に第1の金属薄膜を形成する工程
と、 この第1の金属薄膜を配線パターンの形状にパターニン
グする工程と、 パターニングした第1の金属薄膜上に、この金属薄膜と
異なる金属を含む第2の金属薄膜を形成する工程と、 パターニングした第1の金属薄膜と前記第2の金属薄膜
に対して熱処理を行なう工程とを具備してなり、 前記基板と前記第1の金属薄膜との間に、前記第2の金
属薄膜に含まれる金属の基板への拡散を防止する拡散障
壁層を形成することを特徴とする金属配線の形成方法。 - 【請求項2】基板上に主たる配線材料とは異なる金属を
含む第1の金属薄膜を形成する工程と、 この第1の金属薄膜上に、主たる金属配線材料からなる
第2の金属薄膜を形成する工程と、 この第2の金属薄膜を配線パターンの形状にパターニン
グする工程と、 前記第1の金属薄膜とパターニングした第2の金属薄膜
に対して熱処理を行なう工程とを具備してなり、 前記基板と前記第1の金属薄膜との間に、この金属薄膜
に含まれる金属の基板への拡散を防止する拡散障壁層を
形成することを特徴とする金属配線の形成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29900291A JP3412832B2 (ja) | 1991-11-14 | 1991-11-14 | 金属配線の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29900291A JP3412832B2 (ja) | 1991-11-14 | 1991-11-14 | 金属配線の形成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05136126A true JPH05136126A (ja) | 1993-06-01 |
JP3412832B2 JP3412832B2 (ja) | 2003-06-03 |
Family
ID=17866967
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29900291A Expired - Fee Related JP3412832B2 (ja) | 1991-11-14 | 1991-11-14 | 金属配線の形成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3412832B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9379229B2 (en) | 2011-02-24 | 2016-06-28 | Fujitsu Limited | Semiconductor apparatus including protective film on gate electrode and method for manufacturing the semiconductor apparatus |
-
1991
- 1991-11-14 JP JP29900291A patent/JP3412832B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9379229B2 (en) | 2011-02-24 | 2016-06-28 | Fujitsu Limited | Semiconductor apparatus including protective film on gate electrode and method for manufacturing the semiconductor apparatus |
US9685547B2 (en) | 2011-02-24 | 2017-06-20 | Fujitsu Limited | Semiconductor apparatus including barrier film provided between electrode and protection film |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3412832B2 (ja) | 2003-06-03 |
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