JPH05315283A - 微細金属配線構造 - Google Patents
微細金属配線構造Info
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- JPH05315283A JPH05315283A JP1275493A JP1275493A JPH05315283A JP H05315283 A JPH05315283 A JP H05315283A JP 1275493 A JP1275493 A JP 1275493A JP 1275493 A JP1275493 A JP 1275493A JP H05315283 A JPH05315283 A JP H05315283A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】大規模集積回路に用いられる微細金属配線とし
て、エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレー
ションの両方に強い耐性を有する微細金属配線構造を提
供する。 【構成】本発明の微細金属配線構造においては、基板20
2 上に成膜された構成元素としてアルミニウムを含む金
属配線膜の結晶粒界201aの少なくとも一部が基板202 の
法線方向に一致せず、基板202 の法線方向と結晶粒界20
1aとの成す角θの少なくとも一部が２０°以上の角度を
持つことを特徴とする。 【効果】結晶粒界が基板の法線方向に対して２０°以上
の角度をもつことにより、粒界が基板の法線方向と一致
する場合に比べて結晶粒界に働く応力が低下され、金属
配線の断線の問題が大幅に低減され、耐ストレスマイグ
レーション性の良い長寿命な配線を形成することができ
る。
て、エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレー
ションの両方に強い耐性を有する微細金属配線構造を提
供する。 【構成】本発明の微細金属配線構造においては、基板20
2 上に成膜された構成元素としてアルミニウムを含む金
属配線膜の結晶粒界201aの少なくとも一部が基板202 の
法線方向に一致せず、基板202 の法線方向と結晶粒界20
1aとの成す角θの少なくとも一部が２０°以上の角度を
持つことを特徴とする。 【効果】結晶粒界が基板の法線方向に対して２０°以上
の角度をもつことにより、粒界が基板の法線方向と一致
する場合に比べて結晶粒界に働く応力が低下され、金属
配線の断線の問題が大幅に低減され、耐ストレスマイグ
レーション性の良い長寿命な配線を形成することができ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、大規模集積回路におけ
る微細金属配線構造に関する。
る微細金属配線構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】大規模集積回路の高集積化に伴い、アル
ミニウム（Ａｌ）配線幅も１μｍ前後となり、図５
（ａ）の上面図及び（ｂ）の断面図に示すように、基板
102 上に形成された配線の微細構造も、金属結晶粒101
間の結晶粒界101aが竹の節状に配置されたバンブー構造
と呼ばれる状態となる。このような構造の場合、日本金
属学会会報第２８巻第１号（1989）P.40に報告されてい
るように、耐エレクトロマイグレーション性は向上する
が、耐ストレスマイグレーション性は減少する。このス
トレスマイグレーションは、シリコン（Ｓｉ）基板、Ａ
ｌ合金、それを取り囲む絶縁膜の熱膨張率がそれぞれ、
２.５×１０~6Ｋ~1，２５×１０~6Ｋ~1，数１０~6Ｋ~1
以下と１〜２桁異なるために応力が発生し、粒界にＡｌ
欠損が生じる現象のことであるが、バンブー構造におい
ては、この粒界の面積が小さく、しかも結晶粒界が配線
を横切っているため、ストレスマイグレーションによる
断線が生じやすく、その改善が望まれていた。
ミニウム（Ａｌ）配線幅も１μｍ前後となり、図５
（ａ）の上面図及び（ｂ）の断面図に示すように、基板
102 上に形成された配線の微細構造も、金属結晶粒101
間の結晶粒界101aが竹の節状に配置されたバンブー構造
と呼ばれる状態となる。このような構造の場合、日本金
属学会会報第２８巻第１号（1989）P.40に報告されてい
るように、耐エレクトロマイグレーション性は向上する
が、耐ストレスマイグレーション性は減少する。このス
トレスマイグレーションは、シリコン（Ｓｉ）基板、Ａ
ｌ合金、それを取り囲む絶縁膜の熱膨張率がそれぞれ、
２.５×１０~6Ｋ~1，２５×１０~6Ｋ~1，数１０~6Ｋ~1
以下と１〜２桁異なるために応力が発生し、粒界にＡｌ
欠損が生じる現象のことであるが、バンブー構造におい
ては、この粒界の面積が小さく、しかも結晶粒界が配線
を横切っているため、ストレスマイグレーションによる
断線が生じやすく、その改善が望まれていた。
【０００３】そこで、ストレスマイグレーションによる
微細金属配線の断線の対策として、「J.Vac.Sci.Techno
l.B8(6)，Nov/Dec 1990，P.1232」には、Ａｌ−Ｓｉ合金
に銅（Ｃｕ）やパラジウム（Ｐｄ）を添加することによ
って、より耐ストレスマイグレーション性を向上させる
ことができると報告されている。これは、ＣｕやＰｄが
Ａｌ結晶粒界に偏析することにより、粒界の結合を強く
しているためである。また、遷移金属やそのシリサイ
ド、ナイトライドなど、高融点材料とＡｌ合金膜とを積
層することによっても断線率が低減できるとの報告があ
る。
微細金属配線の断線の対策として、「J.Vac.Sci.Techno
l.B8(6)，Nov/Dec 1990，P.1232」には、Ａｌ−Ｓｉ合金
に銅（Ｃｕ）やパラジウム（Ｐｄ）を添加することによ
って、より耐ストレスマイグレーション性を向上させる
ことができると報告されている。これは、ＣｕやＰｄが
Ａｌ結晶粒界に偏析することにより、粒界の結合を強く
しているためである。また、遷移金属やそのシリサイ
ド、ナイトライドなど、高融点材料とＡｌ合金膜とを積
層することによっても断線率が低減できるとの報告があ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】現在、大規模集積回路
の高集積化による配線幅の微細化に伴い、配線幅に比べ
Ａｌ粒径の大きなバンブー構造をとることにより、耐ス
トレスマイグレーション性が低下することが問題となっ
ており、この対策として、先に述べたようにＣｕやＰｄ
などの金属を少量添加して合金化を図ることや、タング
ステン（Ｗ）などの高融点材料を用いてのＡｌ合金との
積層化が行なわれている。しかしながら、大規模集積回
路においては更なる高集積化が要望されており、配線の
微細化が更に進むことによって、ストレスマイグレーシ
ョンによる配線寿命の低下がより深刻な問題となってい
る。
の高集積化による配線幅の微細化に伴い、配線幅に比べ
Ａｌ粒径の大きなバンブー構造をとることにより、耐ス
トレスマイグレーション性が低下することが問題となっ
ており、この対策として、先に述べたようにＣｕやＰｄ
などの金属を少量添加して合金化を図ることや、タング
ステン（Ｗ）などの高融点材料を用いてのＡｌ合金との
積層化が行なわれている。しかしながら、大規模集積回
路においては更なる高集積化が要望されており、配線の
微細化が更に進むことによって、ストレスマイグレーシ
ョンによる配線寿命の低下がより深刻な問題となってい
る。
【０００５】そこで、より信頼性のある配線を得るため
に、合金化に関しては添加する金属の割合を増すことが
必要となるが、そのためには電気抵抗率が増加する、添
加した金属の偏析によって配線の腐食やエッチング残さ
が発生するなどの欠点をもつ。更に、添加する金属の種
類を変更することに関しては、ターゲット製造における
制約もある。また、積層化についても、配線膜厚一定の
下では、高信頼化のためにＡｌ以外の層を厚くすること
になるが、Ｗ等の高融点材料はＡｌに比べ、電気抵抗率
が高いため、そのために実効的な配線の電気抵抗率が増
加することは避けられない。逆に、電気抵抗率一定の下
では、配線の膜厚を厚くする必要があり、絶縁膜を埋め
込む場合の段差が大きくなり平坦化が困難となる。この
ため、良好な耐エレクトロマイグレーション性を維持し
たまま上記のような配線の電気抵抗率の上昇を避けたス
トレスマイグレーション対策が、大規模集積回路の微細
金属配線に求められている。本発明は上記事情に鑑みて
なされたものであって、大規模集積回路に用いられる微
細金属配線として、エレクトロマイグレーション、スト
レスマイグレーションの両方に強い耐性を有する微細金
属配線構造を提供することを目的とする。
に、合金化に関しては添加する金属の割合を増すことが
必要となるが、そのためには電気抵抗率が増加する、添
加した金属の偏析によって配線の腐食やエッチング残さ
が発生するなどの欠点をもつ。更に、添加する金属の種
類を変更することに関しては、ターゲット製造における
制約もある。また、積層化についても、配線膜厚一定の
下では、高信頼化のためにＡｌ以外の層を厚くすること
になるが、Ｗ等の高融点材料はＡｌに比べ、電気抵抗率
が高いため、そのために実効的な配線の電気抵抗率が増
加することは避けられない。逆に、電気抵抗率一定の下
では、配線の膜厚を厚くする必要があり、絶縁膜を埋め
込む場合の段差が大きくなり平坦化が困難となる。この
ため、良好な耐エレクトロマイグレーション性を維持し
たまま上記のような配線の電気抵抗率の上昇を避けたス
トレスマイグレーション対策が、大規模集積回路の微細
金属配線に求められている。本発明は上記事情に鑑みて
なされたものであって、大規模集積回路に用いられる微
細金属配線として、エレクトロマイグレーション、スト
レスマイグレーションの両方に強い耐性を有する微細金
属配線構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の微細金属配線構造においては、基板上に成
膜された構成元素としてアルミニウムを含む金属配線膜
の結晶粒界の少なくとも一部が基板の法線方向に一致せ
ず、基板の法線方向と結晶粒界との成す角θの少なくと
も一部が２０°以上の角度を持つことを特徴とする（請
求項１）。また、上記微細金属配線構造において、金属
配線膜が二層以上の構造を有することを特徴とする（請
求項２）。
め、本発明の微細金属配線構造においては、基板上に成
膜された構成元素としてアルミニウムを含む金属配線膜
の結晶粒界の少なくとも一部が基板の法線方向に一致せ
ず、基板の法線方向と結晶粒界との成す角θの少なくと
も一部が２０°以上の角度を持つことを特徴とする（請
求項１）。また、上記微細金属配線構造において、金属
配線膜が二層以上の構造を有することを特徴とする（請
求項２）。
【０００７】
【作用】以下、本発明の作用について説明する。ストレ
スマイグレーションは、金属配線膜と金属配線膜を囲む
膜の熱膨張係数の違いによって発生する。例えば図６に
示すように、基板601 上に絶縁膜602 を形成しその上に
金属配線603 を形成し、さらにその上にパッシベーショ
ン膜604を形成した場合、Ａｌ配線は、通常四方をＡｌ
に比べて熱膨張係数の小さい絶縁膜（シリコン酸化膜、
又はシリコン窒化膜）602 及びパッシベーション膜604
に囲まれている。このことから、Ａｌ配線603 には引張
り応力が働くが、Ａｌ配線603 の上下方向にも絶縁膜60
2 及びパッシベーション膜604 が存在するため、配線の
長手方向だけではなく、膜厚方向にも応力が働く。ただ
し、配線の厚みに比べて配線長の方がはるかに長いた
め、長手方向の応力の方が膜厚方向の応力よりも大きく
なる。応力の絶対値は、パッシベーション膜604 の成膜
温度、膜の組成に依存するが、長手方向と膜厚方向の応
力比に関しては、長手方向の応力が膜厚方向の応力の約
５倍程度であることが知られている（Proc.1990 Int.Re
lia.Phys.Symp.,p221)。
スマイグレーションは、金属配線膜と金属配線膜を囲む
膜の熱膨張係数の違いによって発生する。例えば図６に
示すように、基板601 上に絶縁膜602 を形成しその上に
金属配線603 を形成し、さらにその上にパッシベーショ
ン膜604を形成した場合、Ａｌ配線は、通常四方をＡｌ
に比べて熱膨張係数の小さい絶縁膜（シリコン酸化膜、
又はシリコン窒化膜）602 及びパッシベーション膜604
に囲まれている。このことから、Ａｌ配線603 には引張
り応力が働くが、Ａｌ配線603 の上下方向にも絶縁膜60
2 及びパッシベーション膜604 が存在するため、配線の
長手方向だけではなく、膜厚方向にも応力が働く。ただ
し、配線の厚みに比べて配線長の方がはるかに長いた
め、長手方向の応力の方が膜厚方向の応力よりも大きく
なる。応力の絶対値は、パッシベーション膜604 の成膜
温度、膜の組成に依存するが、長手方向と膜厚方向の応
力比に関しては、長手方向の応力が膜厚方向の応力の約
５倍程度であることが知られている（Proc.1990 Int.Re
lia.Phys.Symp.,p221)。
【０００８】次に、このような応力下における、配線の
耐ストレスマイグレーション性について述べる。先に述
べたように、半導体素子の微細化が進み、配線の結晶粒
径よりも配線幅が細くなってきており、図７に示すよう
に、701 を金属結晶粒とすると、配線の幅方向に一つの
結晶粒界701aが存在する、いわゆるバンブー構造になっ
ている。ストレスマイグレーションは、この粒界に応力
が加わって、粒界が破断することによって生じる。粒界
の破断は、粒界に対して垂直な方向に印加される応力σ
がある限界値σ0 を越える場合に生じる。ここで、図８
に示すように、金属結晶粒801 の粒界801aが基板802 の
法線方向に対してθだけ傾いている場合の粒界に掛かる
応力について考える。粒界801aに対して垂直に加わる応
力σは、図８に示すように配線の長手方向の応力σx の
粒界に対する垂直成分σx'と配線の膜厚方向の応力σy
の粒界に対する垂直成分σy'の和であり、 σ＝σx'＋σy' ・・・(１) の関係にある。従って、粒界801aと基板802 の法線方向
との成す角がθである場合、 σx'＝σxcosθ ， σy'＝σysinθ より、 σ＝σxcosθ＋σysinθ ・・・(２) となる。
耐ストレスマイグレーション性について述べる。先に述
べたように、半導体素子の微細化が進み、配線の結晶粒
径よりも配線幅が細くなってきており、図７に示すよう
に、701 を金属結晶粒とすると、配線の幅方向に一つの
結晶粒界701aが存在する、いわゆるバンブー構造になっ
ている。ストレスマイグレーションは、この粒界に応力
が加わって、粒界が破断することによって生じる。粒界
の破断は、粒界に対して垂直な方向に印加される応力σ
がある限界値σ0 を越える場合に生じる。ここで、図８
に示すように、金属結晶粒801 の粒界801aが基板802 の
法線方向に対してθだけ傾いている場合の粒界に掛かる
応力について考える。粒界801aに対して垂直に加わる応
力σは、図８に示すように配線の長手方向の応力σx の
粒界に対する垂直成分σx'と配線の膜厚方向の応力σy
の粒界に対する垂直成分σy'の和であり、 σ＝σx'＋σy' ・・・(１) の関係にある。従って、粒界801aと基板802 の法線方向
との成す角がθである場合、 σx'＝σxcosθ ， σy'＝σysinθ より、 σ＝σxcosθ＋σysinθ ・・・(２) となる。
【０００９】ここで、先に述べた従来技術の「Proc.199
0 Int.Relia.Phys.Symp.,p221」より、長手方向の応力
σx が膜厚方向の応力σy の５倍であると仮定し、式
(２)を用いて計算を行ない、θ＝０°の時の値で規格化
すると、図９の結果が得られ、θを増加させるとθ〜２
０°以上でθ＝０°に比べてσの値が小さくなる。この
ことより、粒界を２０°以上傾けてやれば、耐ストレス
マイグレーション性が向上することが予想される。ま
た、全ての結晶粒界が応力に対して強い構造を有してい
る場合は無論のこと、結晶粒界の一部が応力に対して強
い構造を有している場合においても確率的に断線の起こ
る可能性は低下する。従って、結晶粒界の一部でも基板
の法線方向と結晶粒界の成す角が２０°以上になってい
れば、本発明の効果が得られる。
0 Int.Relia.Phys.Symp.,p221」より、長手方向の応力
σx が膜厚方向の応力σy の５倍であると仮定し、式
(２)を用いて計算を行ない、θ＝０°の時の値で規格化
すると、図９の結果が得られ、θを増加させるとθ〜２
０°以上でθ＝０°に比べてσの値が小さくなる。この
ことより、粒界を２０°以上傾けてやれば、耐ストレス
マイグレーション性が向上することが予想される。ま
た、全ての結晶粒界が応力に対して強い構造を有してい
る場合は無論のこと、結晶粒界の一部が応力に対して強
い構造を有している場合においても確率的に断線の起こ
る可能性は低下する。従って、結晶粒界の一部でも基板
の法線方向と結晶粒界の成す角が２０°以上になってい
れば、本発明の効果が得られる。
【００１０】更に、結晶粒界がパターニングした配線の
幅方向に対して傾くことによって、耐エレクトロマイグ
レーション性が劣化することが知られているが（Appl.P
hys.Lett.,Vol.60 1992 p.2219）、結晶粒界が基板の法
線方向に対して傾いている本発明とは構成が異なってい
る。耐エレクトロマイグレーション性は、試験温度、電
流密度と共に、配線に掛かる応力にも強く依存すること
が知られており、配線に掛かる応力は先に述べたよう
に、配線の長手方向及び配線の幅方向と配線の膜厚方向
とでは異なっており、基板の法線方向に対して傾斜した
粒界を持つ場合と配線幅方向に対して傾斜した粒界を持
つ場合とで応力の掛かり方が異なることから、非常に複
雑なメカニズムとなっている。
幅方向に対して傾くことによって、耐エレクトロマイグ
レーション性が劣化することが知られているが（Appl.P
hys.Lett.,Vol.60 1992 p.2219）、結晶粒界が基板の法
線方向に対して傾いている本発明とは構成が異なってい
る。耐エレクトロマイグレーション性は、試験温度、電
流密度と共に、配線に掛かる応力にも強く依存すること
が知られており、配線に掛かる応力は先に述べたよう
に、配線の長手方向及び配線の幅方向と配線の膜厚方向
とでは異なっており、基板の法線方向に対して傾斜した
粒界を持つ場合と配線幅方向に対して傾斜した粒界を持
つ場合とで応力の掛かり方が異なることから、非常に複
雑なメカニズムとなっている。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を図面を参照して詳細に説明す
る。図１は請求項１の一実施例を示す金属配線の模式図
であって、（ａ）は金属配線の上面図、（ｂ）は金属配
線の断面図である。図１において、201 は金属配線を構
成する金属結晶粒、202 は基板であり、配線幅は１μｍ
以下、粒径は１〜数μｍ程度で、（ａ）図に示すように
金属結晶粒201 が配線幅を覆っており、バンブー構造と
なっている。また、本発明の微細金属配線構造において
は、（ｂ）の断面図に示すように、金属配線膜の結晶粒
界201aが基板202 の法線方向に一致せず、結晶粒界201a
と基板202 の法線方向との成す角θが２０°以上の角度
を持つことを特徴としている。このため、図５に示した
従来の微細金属配線構造のような粒界が基板の法線方向
と一致する場合に比べ、結晶粒界201aに働く、基板、絶
縁膜、金属配線膜の熱膨張差に起因して発生する応力が
低減され、金属配線の断線が低下し、信頼性の低下が防
止できる。
る。図１は請求項１の一実施例を示す金属配線の模式図
であって、（ａ）は金属配線の上面図、（ｂ）は金属配
線の断面図である。図１において、201 は金属配線を構
成する金属結晶粒、202 は基板であり、配線幅は１μｍ
以下、粒径は１〜数μｍ程度で、（ａ）図に示すように
金属結晶粒201 が配線幅を覆っており、バンブー構造と
なっている。また、本発明の微細金属配線構造において
は、（ｂ）の断面図に示すように、金属配線膜の結晶粒
界201aが基板202 の法線方向に一致せず、結晶粒界201a
と基板202 の法線方向との成す角θが２０°以上の角度
を持つことを特徴としている。このため、図５に示した
従来の微細金属配線構造のような粒界が基板の法線方向
と一致する場合に比べ、結晶粒界201aに働く、基板、絶
縁膜、金属配線膜の熱膨張差に起因して発生する応力が
低減され、金属配線の断線が低下し、信頼性の低下が防
止できる。
【００１２】尚、金属配線を構成する金属結晶粒201 と
しては、Ａｌ単体の他、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｐｄ，Ａｌ−Ｐｄ，Ａｌ
−Ｔｉ等のＡｌ合金系が用いられる。また、上記のよう
な、粒界が基板の法線方向に対して角度θを持つ金属配
線膜を成膜するには、蒸発金属原子が基板に斜めに入射
するようにした斜め蒸着法や、スパッタされた原子が基
板に斜めに入射するようにして成膜するスパッタ法があ
る。また、ＩＢＳ(ion beem sputtering）法やＩＶＤ(i
on vapor deposition)法においては、ヘリウム（Ｈ
ｅ），ネオン（Ｎｅ），アルゴン（Ａｒ），クリプトン
（Ｋｒ），キセノン（Ｘｅ）等の希ガスのイオンビーム
を基板に対して斜めに入射させることで、配向を制御
し、結晶粒界を斜めにすることができる。尚、ＩＢＳ法
においては、結晶粒界と基板の法線方向との成す角を制
御するために、基板に対して斜めに入射させるアシスト
イオンビームの加速電圧、加速電流はそれぞれ、１００
ｅＶ〜５ｋｅＶ、０．０５〜１０ｍＡ／ｃｍ2 の範囲で
成膜することが好ましい。更に、下地基板の影響を除く
ために、比較的強いアシストイオンの加速電圧、加速電
流で、初期層を形成することが望ましく、その範囲とし
ては、加速電圧１〜５ｋｅＶ、加速電流０．２〜１０ｍ
Ａ／ｃｍ2 、初期層膜厚１００〜２０００Åが好まし
い。
しては、Ａｌ単体の他、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｐｄ，Ａｌ−Ｐｄ，Ａｌ
−Ｔｉ等のＡｌ合金系が用いられる。また、上記のよう
な、粒界が基板の法線方向に対して角度θを持つ金属配
線膜を成膜するには、蒸発金属原子が基板に斜めに入射
するようにした斜め蒸着法や、スパッタされた原子が基
板に斜めに入射するようにして成膜するスパッタ法があ
る。また、ＩＢＳ(ion beem sputtering）法やＩＶＤ(i
on vapor deposition)法においては、ヘリウム（Ｈ
ｅ），ネオン（Ｎｅ），アルゴン（Ａｒ），クリプトン
（Ｋｒ），キセノン（Ｘｅ）等の希ガスのイオンビーム
を基板に対して斜めに入射させることで、配向を制御
し、結晶粒界を斜めにすることができる。尚、ＩＢＳ法
においては、結晶粒界と基板の法線方向との成す角を制
御するために、基板に対して斜めに入射させるアシスト
イオンビームの加速電圧、加速電流はそれぞれ、１００
ｅＶ〜５ｋｅＶ、０．０５〜１０ｍＡ／ｃｍ2 の範囲で
成膜することが好ましい。更に、下地基板の影響を除く
ために、比較的強いアシストイオンの加速電圧、加速電
流で、初期層を形成することが望ましく、その範囲とし
ては、加速電圧１〜５ｋｅＶ、加速電流０．２〜１０ｍ
Ａ／ｃｍ2 、初期層膜厚１００〜２０００Åが好まし
い。
【００１３】また、図１の構造の他にも、図２（ａ），
（ｂ）の実施例に示すように、基板302 上に図１の成膜
を２回繰り返して成膜し、上層、下層で結晶粒301 を横
にずらし、上下層の結晶粒界301aが同じ位置で配線を横
切らないようにすることで、更に耐ストレスマイグレー
ション性を向上することができる。尚、結晶粒界をずら
す方法としては、後述する実施例３に示すような大気開
放する方法、Ｗ，ＴｉＮ等の高融点材料を中間層として
設ける方法が挙げられる。
（ｂ）の実施例に示すように、基板302 上に図１の成膜
を２回繰り返して成膜し、上層、下層で結晶粒301 を横
にずらし、上下層の結晶粒界301aが同じ位置で配線を横
切らないようにすることで、更に耐ストレスマイグレー
ション性を向上することができる。尚、結晶粒界をずら
す方法としては、後述する実施例３に示すような大気開
放する方法、Ｗ，ＴｉＮ等の高融点材料を中間層として
設ける方法が挙げられる。
【００１４】次に、本発明による微細金属配線構造の形
成方法について、実施例を用いて更に具体的に説明す
る。 （実施例１）図３に示すＩＢＳ装置を用いて、Ａｌ−Ｓ
ｉ−Ｃｕ合金配線膜を成膜した。基板401 には、＜１０
０＞面方位をもつ熱酸化膜付きのＳｉ単結晶基板を用
い、ターゲット402 には、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃ
ｕを用いた。そして、スパッタイオン源404 を用いてタ
ーゲット402 のスパッタを開始すると同時に、アシスト
イオン源403 よりＡｒ+ イオンを基板401 に斜め方向か
ら照射する。この時、ターゲット402 からの金属原子50
3 は基板401 に斜め方向から入射するようにし、且つ、
基板401 とアシストイオン（Ａｒ+ イオン）502 の照射
角度φは図４のように定義する。そして、この照射角度
φを変化させて、基板401 の法線方向と結晶粒界との成
す角θを変化させる。
成方法について、実施例を用いて更に具体的に説明す
る。 （実施例１）図３に示すＩＢＳ装置を用いて、Ａｌ−Ｓ
ｉ−Ｃｕ合金配線膜を成膜した。基板401 には、＜１０
０＞面方位をもつ熱酸化膜付きのＳｉ単結晶基板を用
い、ターゲット402 には、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃ
ｕを用いた。そして、スパッタイオン源404 を用いてタ
ーゲット402 のスパッタを開始すると同時に、アシスト
イオン源403 よりＡｒ+ イオンを基板401 に斜め方向か
ら照射する。この時、ターゲット402 からの金属原子50
3 は基板401 に斜め方向から入射するようにし、且つ、
基板401 とアシストイオン（Ａｒ+ イオン）502 の照射
角度φは図４のように定義する。そして、この照射角度
φを変化させて、基板401 の法線方向と結晶粒界との成
す角θを変化させる。
【００１５】まず、基板の影響を避けるために、アシス
トイオン（Ａｒ+ イオン）の加速電圧を２ｋｅＶ、加速
電流を１ｍＡ／ｃｍ2 、スパッタイオンの加速電圧を１
ｋＶ、加速電流を１００ｍＡ、Ａｒ流量５ｓｃｃｍ、圧
力１×１０~4Ｔｏｒｒ、基板温度１５０℃の条件で、Ａ
ｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を５００Å成膜し、引き続いてア
シストイオンの加速電圧のみを変化させ、最終的にＡｌ
−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を１μｍ成膜したときの、アシスト
イオンの加速電圧と照射角度φと基板の法線方向と粒界
の成す角θは下記の表１のようになる。ここで、基板の
法線方向と粒界の成す角θは断面ＳＥＭ（走査型電子顕
微鏡）より求めた。
トイオン（Ａｒ+ イオン）の加速電圧を２ｋｅＶ、加速
電流を１ｍＡ／ｃｍ2 、スパッタイオンの加速電圧を１
ｋＶ、加速電流を１００ｍＡ、Ａｒ流量５ｓｃｃｍ、圧
力１×１０~4Ｔｏｒｒ、基板温度１５０℃の条件で、Ａ
ｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を５００Å成膜し、引き続いてア
シストイオンの加速電圧のみを変化させ、最終的にＡｌ
−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を１μｍ成膜したときの、アシスト
イオンの加速電圧と照射角度φと基板の法線方向と粒界
の成す角θは下記の表１のようになる。ここで、基板の
法線方向と粒界の成す角θは断面ＳＥＭ（走査型電子顕
微鏡）より求めた。
【００１６】
【表１】 表１より明らかなように、どの照射角度φに関しても、
加速電圧１ｋｅＶでは飽和が見られ、φとθはほぼ一致
する。
加速電圧１ｋｅＶでは飽和が見られ、φとθはほぼ一致
する。
【００１７】そこで、アシストイオンの加速電圧を１ｋ
ｅＶとし、その他の条件は、上記と同様として、照射角
度φを変化させて基板の法線方向と粒界の成す角θを制
御した。Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金を１μｍ成膜し、４００
℃、２０ｍｉｎの熱処理後、電気低効率を測定したとこ
ろ、角度θに関係なく、３×１０~8Ω・ｍ と十分バルク
に近い値で、低抵抗率の配線膜が得られた。更に、Ａｌ
−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を厚さ１μｍ成膜後、幅０．９μ
ｍ、長さ約２５ｃｍの配線を形成し、４００℃、２０ｍ
ｉｎの熱処理後、基板温度３５０℃、ＳｉＨ4 流量２０
０ｓｃｃｍ、ＮＨ3 流量５０ｓｃｃｍ、Ｎ2流量４００
０ｓｃｃｍ、圧力５Ｔｏｒｒで、プラズマを用い、１．
０μｍのＳｉＮ膜を上層に付けたものを各θにつき１０
０個作製した。そして、上記サンプルを５０℃の温度で
１０００時間保存したときの断線不良率の検査として、
０．１ｍＡの電流を流し、抵抗を測定して耐ストレスマ
イグレーション性を評価したところ、表２の結果を得
た。
ｅＶとし、その他の条件は、上記と同様として、照射角
度φを変化させて基板の法線方向と粒界の成す角θを制
御した。Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金を１μｍ成膜し、４００
℃、２０ｍｉｎの熱処理後、電気低効率を測定したとこ
ろ、角度θに関係なく、３×１０~8Ω・ｍ と十分バルク
に近い値で、低抵抗率の配線膜が得られた。更に、Ａｌ
−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を厚さ１μｍ成膜後、幅０．９μ
ｍ、長さ約２５ｃｍの配線を形成し、４００℃、２０ｍ
ｉｎの熱処理後、基板温度３５０℃、ＳｉＨ4 流量２０
０ｓｃｃｍ、ＮＨ3 流量５０ｓｃｃｍ、Ｎ2流量４００
０ｓｃｃｍ、圧力５Ｔｏｒｒで、プラズマを用い、１．
０μｍのＳｉＮ膜を上層に付けたものを各θにつき１０
０個作製した。そして、上記サンプルを５０℃の温度で
１０００時間保存したときの断線不良率の検査として、
０．１ｍＡの電流を流し、抵抗を測定して耐ストレスマ
イグレーション性を評価したところ、表２の結果を得
た。
【００１８】
【表２】 表２に示すように、基板の法線方向と粒界の成す各θを
２０°以上にすると断線率は改善されており、基板の法
線方向と粒界の成す角θを２０°以上にすることによっ
て、耐ストレスマイグレーション性の向上した配線を形
成できた。
２０°以上にすると断線率は改善されており、基板の法
線方向と粒界の成す角θを２０°以上にすることによっ
て、耐ストレスマイグレーション性の向上した配線を形
成できた。
【００１９】（実施例２）スパッタターゲットとして、
Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ
−１％Ｃｕを用いて、実施例１と同様にして、アシスト
イオンの照射角度φを０°と３０°に制御して微細金属
配線を形成し、実施例１と同一条件で耐ストレスマイグ
レーション性を評価したところ、表３の結果を得た。基
板の法線方向と結晶粒界の成す角θは、表中に（）で示
す。
Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ
−１％Ｃｕを用いて、実施例１と同様にして、アシスト
イオンの照射角度φを０°と３０°に制御して微細金属
配線を形成し、実施例１と同一条件で耐ストレスマイグ
レーション性を評価したところ、表３の結果を得た。基
板の法線方向と結晶粒界の成す角θは、表中に（）で示
す。
【００２０】
【表３】 表３より明らかなように、粒界を斜めにした場合、Ａｌ
−Ｓｉに比べ、Ａｌ−Ｓｉ−ＣｕやＡｌ−Ｃｕの方が多
少耐ストレスマイグレーション性が良い。
−Ｓｉに比べ、Ａｌ−Ｓｉ−ＣｕやＡｌ−Ｃｕの方が多
少耐ストレスマイグレーション性が良い。
【００２１】（実施例３）実施例１と同様にＡｉ−Ｓｉ
−Ｃｕを用い、斜め粒界で、図２に示されているような
二層及び三層構造を持つ金属配線膜を形成した。二層構
造については、実施例１と同様にしてアシストイオンの
照射角度φを３０°に制御し、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜
を０．５μｍ成膜した後、成膜室を大気開放し、Ａｌ−
Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を酸化させ、再びアシストイオンの照
射角度φを３０°に制御したＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を
０．５μｍ成膜し、厚さ１．０μｍの微細金属配線を形
成した。同様に、三層構造についても、基板側から膜厚
を０．４μｍ、０．３μｍ、０．３μｍとし、アシスト
イオンの照射角度φは全て３０°に制御して、微細金属
配線を形成した。保持時間のみ２０００時間とし、その
他は実施例１と同一条件で耐ストレスマイグレーション
性を評価したところ、表４の結果を得た。
−Ｃｕを用い、斜め粒界で、図２に示されているような
二層及び三層構造を持つ金属配線膜を形成した。二層構
造については、実施例１と同様にしてアシストイオンの
照射角度φを３０°に制御し、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜
を０．５μｍ成膜した後、成膜室を大気開放し、Ａｌ−
Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を酸化させ、再びアシストイオンの照
射角度φを３０°に制御したＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜を
０．５μｍ成膜し、厚さ１．０μｍの微細金属配線を形
成した。同様に、三層構造についても、基板側から膜厚
を０．４μｍ、０．３μｍ、０．３μｍとし、アシスト
イオンの照射角度φは全て３０°に制御して、微細金属
配線を形成した。保持時間のみ２０００時間とし、その
他は実施例１と同一条件で耐ストレスマイグレーション
性を評価したところ、表４の結果を得た。
【００２２】
【表４】 どのサンプルも優れた耐ストレスマイグレーション性を
持ち、一層に比べ、二層、三層の方が多少良い耐ストレ
スマイグレーション性を示した。
持ち、一層に比べ、二層、三層の方が多少良い耐ストレ
スマイグレーション性を示した。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１の微細金
属配線構造によれば、バンブー構造となっている微細金
属配線において、金属配線膜の結晶粒界の少なくとも一
部が基板の法線方向に対して２０°以上の角度θを持つ
ことにより、粒界が基板の法線方向と一致する場合に比
べて結晶粒界に働く応力が低下され、金属配線の断線の
問題が大幅に低減され、耐ストレスマイグレーション性
の良い長寿命な配線を形成することができた。また、請
求項２の微細金属配線構造によれば、金属配線膜の結晶
粒界の少なくとも一部が基板の法線方向に対して２０°
以上の角度θを持つ配線を積層することによって、より
耐ストレスマイグレーション性の良い長寿命な配線を形
成することができた。
属配線構造によれば、バンブー構造となっている微細金
属配線において、金属配線膜の結晶粒界の少なくとも一
部が基板の法線方向に対して２０°以上の角度θを持つ
ことにより、粒界が基板の法線方向と一致する場合に比
べて結晶粒界に働く応力が低下され、金属配線の断線の
問題が大幅に低減され、耐ストレスマイグレーション性
の良い長寿命な配線を形成することができた。また、請
求項２の微細金属配線構造によれば、金属配線膜の結晶
粒界の少なくとも一部が基板の法線方向に対して２０°
以上の角度θを持つ配線を積層することによって、より
耐ストレスマイグレーション性の良い長寿命な配線を形
成することができた。
【図１】請求項１の一実施例を示す微細金属配線の模式
図であって、（ａ）は金属配線の上面図、（ｂ）は金属
配線の断面図である。
図であって、（ａ）は金属配線の上面図、（ｂ）は金属
配線の断面図である。
【図２】請求項２の一実施例を示す微細金属配線の模式
図であって、（ａ）は金属配線の上面図、（ｂ）は金属
配線の断面図である。
図であって、（ａ）は金属配線の上面図、（ｂ）は金属
配線の断面図である。
【図３】微細金属配線膜の形成に用いられる装置の一例
を示すＩＢＳ装置の概略構成図である。
を示すＩＢＳ装置の概略構成図である。
【図４】微細金属配線膜の成膜時におけるアシストイオ
ン照射角度φの説明図である。
ン照射角度φの説明図である。
【図５】従来の微細金属配線の模式図であって、（ａ）
は金属配線の上面図、（ｂ）は金属配線の断面図であ
る。
は金属配線の上面図、（ｂ）は金属配線の断面図であ
る。
【図６】配線構造の断面を示す模式図である。
【図７】従来の金属配線の結晶粒界を示す透視図であ
る。
る。
【図８】請求項１の一実施例を示す微細金属配線膜にお
ける結晶粒界に働く応力を示す模式図で、（ａ）は長手
方向応力を示す図、（ｂ）は膜厚方向応力を示す図であ
る。
ける結晶粒界に働く応力を示す模式図で、（ａ）は長手
方向応力を示す図、（ｂ）は膜厚方向応力を示す図であ
る。
【図９】結晶粒界に働く応力σと基板の法線方向と結晶
粒界との成す角θの関係の計算結果を示す図である。
粒界との成す角θの関係の計算結果を示す図である。
101，201，301，701，801・・・金属結晶粒 101a，201a，301a，701a，801a・・・結晶粒界 102，202，302，401，601，802・・・基板 402・・・ターゲット 403・・・アシストイオン源 404・・・スパッタイオン源 502・・・アシストイオン（Ａｒ+等) 503・・・配線用金属原子 602・・・絶縁膜 603・・・金属配線 604・・・パッシベーション膜 θ・・・結晶粒界と基板の法線方向との成す角 φ・・・アシストイオンの照射角度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大高 剛一 宮城県名取市高舘熊野堂字余方上５番地の 10・リコー応用電子研究所株式会社内 (72)発明者 川島 伊久衛 宮城県名取市高舘熊野堂字余方上５番地の 10・リコー応用電子研究所株式会社内 (72)発明者 曳地 秀一 宮城県名取市高舘熊野堂字余方上５番地の 10・リコー応用電子研究所株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】大規模集積回路の微細金属配線において、
基板上に成膜された構成元素としてアルミニウムを含む
金属配線膜の結晶粒界の少なくとも一部が基板の法線方
向に一致せず、基板の法線方向と結晶粒界との成す角θ
の少なくとも一部が２０°以上の角度を持つことを特徴
とする微細金属配線構造。 - 【請求項２】請求項１記載の微細金属配線構造におい
て、金属配線膜が二層以上の構造を有することを特徴と
する微細金属配線構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1275493A JP3283316B2 (ja) | 1992-03-09 | 1993-01-28 | 微細金属配線構造 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5072092 | 1992-03-09 | ||
| JP4-50720 | 1992-03-09 | ||
| JP1275493A JP3283316B2 (ja) | 1992-03-09 | 1993-01-28 | 微細金属配線構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05315283A true JPH05315283A (ja) | 1993-11-26 |
| JP3283316B2 JP3283316B2 (ja) | 2002-05-20 |
Family
ID=26348411
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1275493A Expired - Fee Related JP3283316B2 (ja) | 1992-03-09 | 1993-01-28 | 微細金属配線構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3283316B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017105183A (ja) * | 2015-11-27 | 2017-06-15 | 京セラ株式会社 | サーマルヘッドおよびサーマルプリンタ |
| WO2021054435A1 (ja) * | 2019-09-20 | 2021-03-25 | 京セラ株式会社 | 配線基板、電子装置及び電子モジュール |
-
1993
- 1993-01-28 JP JP1275493A patent/JP3283316B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017105183A (ja) * | 2015-11-27 | 2017-06-15 | 京セラ株式会社 | サーマルヘッドおよびサーマルプリンタ |
| WO2021054435A1 (ja) * | 2019-09-20 | 2021-03-25 | 京セラ株式会社 | 配線基板、電子装置及び電子モジュール |
| JPWO2021054435A1 (ja) * | 2019-09-20 | 2021-03-25 | ||
| EP4033523A4 (en) * | 2019-09-20 | 2023-09-20 | Kyocera Corporation | PRINTED CIRCUIT BOARD, ELECTRONIC DEVICE AND ELECTRONIC MODULE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3283316B2 (ja) | 2002-05-20 |
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