JPH06181210A - Lsi配線用アルミニウム薄膜 - Google Patents

Lsi配線用アルミニウム薄膜

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JPH06181210A
JPH06181210A JP35322092A JP35322092A JPH06181210A JP H06181210 A JPH06181210 A JP H06181210A JP 35322092 A JP35322092 A JP 35322092A JP 35322092 A JP35322092 A JP 35322092A JP H06181210 A JPH06181210 A JP H06181210A
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JP
Japan
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film
layer
voids
thickness
substrate
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Pending
Application number
JP35322092A
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English (en)
Inventor
Tadao Katsuragawa
忠雄 桂川
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、長寿命化した配線用、特に
LSI配線用Al薄膜を提供することにある。 【構成】 膜厚方向に粒界が不連続であることを特徴と
する配線用多結晶構造アルミニウム薄膜。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は半導体デバイスで配線材料として
広く利用されている配線用アルミニウム薄膜に関する。
【0002】
【従来技術】半導体集積回路のような半導体デバイスの
配線材料として利用されるアルミニウム(以下、Al)
薄膜は多結晶膜を構成するが、結晶粒は配線の寿命にと
っては大きい方が良いとされ、結晶粒径と寿命が比例す
るというデータがある(たとえば、S.Vaidya
and A.K.Sinha:Effect ofte
xture and grain structure
on electromigration in A
l−0.5%Cu thin films,Thin
Solid Films,vol.75,no.3(1
981)253、特に第3図参照)。半導体デバイスで
配線材料として広く用いられているAl薄膜は、デバイ
スの高集積化にともない、配線幅が細くなりまた膜厚も
薄くなってきている。この為、信頼性の高い長寿命のA
l膜が要求されている。即ち、長時間電流を流しても断
線しないことが要求される。この為に、膜は欠陥がな
く、かつ結晶粒径ができるだけ大きくて粒界が配線中に
少なくなり、電子の散乱が少ない方が長寿命化するとい
うデータが出されている。特に、Alを単結晶膜として
粒界のない膜を設ければ、粒界における電子の散乱がな
く、膜中の欠陥(格子欠陥やボイド)のない膜となる為
に長寿命化する。そして単結晶化させる為に、作製後加
熱するような提案が行なわれている。さらにまた、Al
膜を構成する材料としては、耐久性を上げる為に、Al
−Si,Al−Si−Cu合金が用いられることがあ
る。図1,2および3は、Al膜にボイド(空隙)が生
成するメカニズムを推測した図である。図1は多結晶構
造Al膜を上から見た図であり、該Al膜は、平均粒径
4.5μmのAl−Si−Cu合金の粒子で構成されて
いる。図1および3に示すように、Al多結晶構造膜の
粒界はその膜厚方向(Al膜の表面から基板方向へ)に
伸びている。図2に示す粒界の状態は、基板上でもほぼ
同じである。図2におけるAおよびBで示すようなトリ
プルポイント(三重点)で原子の欠陥が生じボイドとな
る。該トリプルポイントで発生したボイドは、表面拡散
により表面をAl原子が動くことによりボイドが次第に
大きくなり、Al膜が断線する(但し、前記ボイドの生
成原因は種々考えられるので、ボイドの生成原因は前記
メカニズムのものだけに限定されるものではない)。こ
のような場合に、表面エネルギー計算よりAl膜の上に
絶縁層を設けたほうがボイドの発生が少なくなり、した
がってAl膜の断線までの寿命が長くなるという報告が
ある〔Soad−State Electronic
s,34巻/7号、741−746頁(1961
年)〕。
【0003】
【目的】本発明は、長寿命化した配線用、特にLSI配
線用Al薄膜に関する。
【0004】
【構成】本発明は、半導体集積回路、特に大規模集積回
路(LSI)のような半導体デバイスの配線材料として
利用されるAl多結晶構造薄膜において、該薄膜がボイ
ドの発生およびその成長に伴って断線することを防止す
るために、膜厚方向に粒界を不連続とすることにより、
ボイドの生成および成長を抑制することにより、前記従
来技術の問題点を解決した。以下に本発明でボイドの生
成を抑制するために使用することのできる方法を示す。 (1)図4に示すようにAl膜の第1層を厚みt1に形
成した後、1度成膜を停止する。次いで基板を再加熱
(200℃位)してt2の厚みまで成膜を続けて第2層
を形成する。従来法のようにAl膜の成膜を連続して行
うのでなく、前記のように不連続に成膜すると、前者の
場合には、図1に示すように粒界は基板−Al膜表面間
で連続であったものが、後者の場合では図4に示すよう
に、基板−Al膜表面間で粒界が不連続となる。さらに
図4に示すように、第1成膜と第2成膜との界面には数
10Åの結晶性の劣る薄膜が形成されるが、このような
界面層の形成により、ボイド形成に必要なエネルギーを
増大させることができ、よりボイドが生成し難くなる。
従って、前記界面が複数形成されるように複数回に分け
て成膜すると、ボイドは少なくなり、配線寿命が上がる
のでより好ましい。ただ、膜形成の回数が多くなるに従
い、生産コストも上昇するので、通常、前記界面は1〜
3層を設ければ十分である。形成したAl膜の断面をT
EMで観察すると、前記したように界面には結晶性の劣
る薄膜を観察することができる。
【0005】(2)前記(1)のようにしてAl膜の第
1層を厚みt1に形成した後、酸化剤例えばO2ガスによ
り該層の表面層のみをAl23膜とし、界面層を形成す
る。この界面層の形成により膜厚方向に粒界を不連続と
することができる。ただし、酸化アルミニウム(Al2
3)は導電性に劣るので、厚さは50Å以下と薄い方
がよい。前記酸化処理後に、さらにAl膜をt2の厚み
に設ける。該膜は必要に応じてその表面を同様に酸化ア
ルミニウムとしてもよい。本方法においても、前記Al
23層は前記(1)の場合と同様に1〜3層を設ければ
十分である。
【0006】(3)前記のようにしてAl膜の第1層を
厚みt1に形成した後、Al以外の導電性金属、例えば
Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn
等の薄膜を第1層の表面上に設ける。該導電性金属薄膜
上に同様にしてAl膜の第2層をt2の厚みに設ける。
前記導電性金属層の厚みは、薄くてAl膜の抵抗を上昇
させることなく、かつ均一な厚さに設けられる必要があ
る。このような厚みとしては、100Å以上、好ましく
は50Å以下である。
【0007】(4)前記(1),(2)および(3)に示され
る方法の中から、異なる方法を複数採用してAl膜を形
成してもよい。例えばAl膜の厚みt1の第1層の上に
第2層を形成するに際しては前記(1)の方法を使用
し、該第2層の表面層を前記(2)の方法により酸化処
理後、さらにAl膜を厚みt2で設けるような場合であ
る。
【0008】本発明のAl薄膜を構成する材料は、Al
金属だけでなく、Al以外に1atom%程度のSiや
Cu等を混入したAl−Si,Al−Si−Cu合金等
でもよい。特にCuやSiを混入させると、これらは粒
界中に存在して寿命を長くする。さらにこのような組成
の異なるAl層の複数を不連続で形成することにより
(例えばAl−Si層/Al−Si−Cu層/Al
層)、各層間に界面層が形成され粒界が不連続となり、
前記(1)〜(4)と同様にボイドの生成および成長を
抑制することができる。また、この方法も前記(1)〜
(4)の方法と組み合せて使用することができる。さら
に、本発明でボイドの生成を抑制するためには、前記の
方法のようにアルミニウム薄膜の成膜を不連続で行うの
ではなく、成膜条件を変更しながらアルミニウムの成膜
を連続して行う方法も採用することができる。本発明に
おいて、前記Al層および導電性金属層の製膜は、通常
の一般的な製膜方法を用いることができ、例えば真空蒸
着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、CVD法
等が挙げられる。
【0009】
【実施例】以下本発明を実施例により具体的に説明す
る。 実施例1 RFスパッタ装置を用いてSiウェハ上に、Al−Si
(1%)−Cu(0.5%)の合金を、厚み2000Å
となるように成膜速度が5Å/minで作製した。作製
条件は下記の通りであった。 ベースプレッシャー 4×10-7 Torr ターゲット Al−Si−Cu ターゲット基板間距離 50mm 基板温度 180℃ 導入ガス圧力 Ar 5×10-3 Tor
r 高周波電力 150W このAl膜のX線回折ピークはAl(111)とAl
(220)が観察された。ついでこの膜の上に、Al−
Si(1%)膜を同様に2000Å成膜した。この膜も
X線回折ピークは同様であった。ついで、この上にAl
−Si(1%)−Cu(0.5%)合金を同様に200
0Å成膜した。この後TEM法を用いてAl膜の断面を
観察したところ約2000Åの三層が各層間で重なって
おり、界面層が確認できた。粒界は連続していなかっ
た。Alの平均粒径は加熱後で3μmであった。つい
で、2μm巾の配線にエッチング加工し、MTF(Ti
me to failure)を測定したところ170
0時間であった。
【0010】実施例2 実施例1と同様にして、Siウェハ上に約4000Å厚
のAl−Si−Cu膜を作製した。この後チャンバー内
にArガスの代わりにO2ガス(99.999%)を導
入し、Al膜の表面を酸化させた。この後O2ガスを停
止し、同様にArガスを用いてAl−Si−Cu膜の成
膜を約4000Åとなるように成膜した。これら2つの
Al膜のX線回折ピークはAl(111)とAl(22
0)であった。又、全厚約8000Åの膜にはAl23
の微少ピークが観察された。又、断面TEM観察の結
果、Al23層の厚みは約40Åであった。加熱後のA
l膜の平均粒径は約3μmであった。実施例1と同様に
して測定したMTFは2100時間であった。
【0011】比較例1 実施例1および実施例2と全く同様にしてAl−Si−
Cu膜をSiウェハ上に連続して約6000Å及び80
00Å成膜した。X線回折ピークはいずれの膜もAl
(111)とAl(220)が観察され、又加熱後の平
均粒径も3μmであった。MTFは6000Åの膜で4
80時間、8000Åの膜で550時間と短かった。
【0012】
【効果】本発明によれば、配線用のAl薄膜中に薄膜で
ある界面層を1つ以上設けるので膜中のボイドの発生が
極力抑止でき、大巾に長寿命化した配線用多結晶構造ア
ルミニウム薄膜が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】粒界が基板方向に向って連続している多結晶構
造アルミニウム薄膜を模式的に示す図である。
【図2】多結晶構造アルミニウム薄膜のトリプルポイン
トを示す図である。
【図3】(a)は、電子の流れ方向にアルミニウム薄膜
の表面原子が表面拡散することを模式的に示す図であ
る。(b)は、(a)の表面拡散の結果、生成した拡大
ボイドを模式的に示す図である。
【図4】粒界が膜厚方向に不連続な多結晶構造アルミニ
ウム薄膜の断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
1 基板 2 粒界 3 アルミニウム膜 4 多結晶構造アルミニウム 5 電子の流れ 6 Al原子 7 ボイド 8 第1成膜層 9 第2成膜層 10 界面層 t1 第1成膜層の厚さ t2 第2成膜層の厚さ A トリプルポイント B トリプルポイント

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 膜厚方向に粒界が不連続であることを特
    徴とする配線用多結晶構造アルミニウム薄膜。
  2. 【請求項2】 アルミニウム多結晶薄膜中に該薄膜を複
    数層に分割する少なくとも1個の界面層を有することを
    特徴とする請求項1記載の配線用多結晶構造アルミニウ
    ム薄膜。
  3. 【請求項3】 界面層が酸化アルミニウム層あるいは導
    電金属層であることを特徴とする請求項2記載の配線用
    多結晶構造アルミニウム薄膜。
  4. 【請求項4】 界面層のアルミニウム層が、該層以外の
    アルミニウム層に比較して低結晶性のものであることを
    特徴とする請求項2記載の配線用多結晶構造アルミニウ
    ム薄膜。
JP35322092A 1992-12-11 1992-12-11 Lsi配線用アルミニウム薄膜 Pending JPH06181210A (ja)

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JP (1) JPH06181210A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4413694A1 (de) * 1994-04-20 1995-10-26 Claas Ohg Ankuppelhilfsvorrichtung

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