JPH07231037A - 電子装置用配線 - Google Patents

電子装置用配線

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JPH07231037A
JPH07231037A JP2013794A JP2013794A JPH07231037A JP H07231037 A JPH07231037 A JP H07231037A JP 2013794 A JP2013794 A JP 2013794A JP 2013794 A JP2013794 A JP 2013794A JP H07231037 A JPH07231037 A JP H07231037A
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JP
Japan
Prior art keywords
tungsten
layer
wiring
containing nitrogen
electronic device
Prior art date
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JP2013794A
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English (en)
Inventor
Kenji Hinode
憲治 日野出
Kenichi Takeda
健一 武田
Yoshio Honma
喜夫 本間
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低抵抗で微細な配線を有する高性能電子装置を
提供する。 【構成】基板11上に形成された絶縁層15上に、アル
ミニウムもしくはアルミニウム合金配線113を形成す
る。その際、タングステン等異種導電体と接する部分に
は、窒素を含むタングステンを挾んだ構造にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低抵抗で微細な配線を
有する高性能な電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電子装置特に半導体装置に用いられてい
るアルミニウム合金配線の微細化に伴い、配線の寸法
(幅および厚さ)が1μm以下のサブミクロン領域で
は、いろいろな方式が検討されている。
【0003】代表的なものに、比較的実現の容易な方法
として積層化がすでに試みられている。例えば、第26
回アニュアル・プロシーディングス・リライアビリテイ
・フィジックス(1988年)第173頁から178頁
(26th Annual ProceedingReliability Physics(1988)p
p.173−178, H. H. Hoang,“Effects of AnnealingTemp
erature on Electromigration Performance of Multila
yer MetallizationSystems.”)には、アルミニウム層
と高融点金属層等、複数の導電体膜を積層した積層膜
を、配線として使用することが提案されており、積層膜
によって構成された配線の性能についても示されてい
る。また、1988年シンポジウム オンブイエルエス
アイ テクノロジー 第89頁から90頁(1988 Sympo
sium on VLSI Technology pp.89−90(1988))および1
988 シンポジウム オン ブイエルエスアイ テク
ノロジー 第101頁から102頁(1988 Symposiumon
VLSI Technology pp.101−102(1988))には、このような
積層膜配線によって構成された多層配線が提案されてい
る。この積層膜配線を構成しているアルミニウムは、タ
ングステンやその合金上に形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
の積層構造化によっては、必ずしも微細化に十分対応で
きない。例えば、第54回応用物理学会学術講演会 講
演予稿集(1993年)第653頁 講演番号27p−
ZE−6 関口,藤居,山中,福本 サブハーフミクロ
ンAlSiCu/CVD−W積層配線の熱処理時の抵抗
上昇(ExtendedAbstracts (The 54th Autumn Meeting,
1993); The Japan Society of AppliedPhysics, p.653
No.27p−ZE−6, M. Sekiguchi et. al. “Resistance I
ncreaseafter Annealing in Sub−half−micron Width
AlSiCu/CVD−W Layered Interconnects.”)に報告さ
れているように配線層の膜厚、特に、アルミニウム合金
層の膜厚が薄くなってくると、配線層の電気抵抗が増加
するという問題が出てくる。
【0005】前記文献によると、200nm厚さのアル
ミニウム合金をタングステンと積層して配線を形成した
場合、電子装置製造工程で通常行われる450℃の熱処
理により、数十%〜数百%の抵抗増加が生じている。窒
化チタン(TiN)をアルミニウム合金とタングステン
との間に挾んで配線を形成した場合でも50%以上の抵
抗増加が生じている。このように大きく抵抗が増加する
と、アルミニウム合金を積層した配線を低抵抗配線とし
て用いる利点がなくなってしまう。
【0006】本発明の目的は、このような熱処理による
大幅な抵抗増加の生じることない、微細なアルミニウム
もしくはアルミニウム合金配線を用いた、高性能の電子
装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的はアルミニウム
もしくはアルミニウム合金と下地材料との反応を抑制す
る導電材料として、両者の間に窒素を含有するタングス
テンの領域を設けることによって達成される。
【0008】
【作用】発明が解決しようとする課題で述べた配線抵抗
の増加は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金と下
地材料との反応,合金化によって生じる。窒素を含有す
るタングステンは導電体であり、またアルミニウム(合
金)との反応性が非常に低いため、両者を接して形成し
熱処理を施してもごく僅かな反応しか進行せず大幅な抵
抗増加が起こらない。また、アルミニウム(合金)の結
晶粒成長も阻害されないため、エレクトロマイグレーシ
ョン耐性も同時に改善される。
【0009】
【実施例】
<実施例1>図1から図6は本発明の実施例の一つを示
すアルミニウム配線およびその製造方法である。以下で
順を追って説明する。
【0010】シリコン基板(11)上に多結晶シリコン
ゲート13,タングステン配線14,絶縁層としてシリ
コン酸化物層15を形成し、タングステン配線と導通さ
せるために接続孔に選択CVD法によりタングステンを
埋め込み、タングステンプラグ16を形成した。次にス
パッタチャンバ内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合気
体を導入し反応性マグネトロンスパッタ法で厚さ50n
mの窒素を含むタングステン層を形成し、引き続き、3
00nm厚のアルミニウム−シリコン(1重量%)−銅
(0.5重量% )合金を150℃乃至250℃の基板温
度で形成した。通常のフォトリソグラフィー法およびド
ライエッチング法でアルミニウム合金層113と窒素を
含むタングステン層17とからなる所定の配線パターン
を、絶縁層15と接するように形成した(図1)。配線
パターンの幅は0.3μm から2μmの範囲で0.3,
0.6,1.0,2.0の4種類のものを形成した。窒素
を含むタングステン層17も、アルゴンガスと窒素ガス
との混合比を変えて、窒素含有率が17%から53%
(原子数%)まで4種類の膜を作製して性能を比較検討
した。
【0011】ほぼ同様の作り方で、図2から図6までの
構造を持つ電子装置を作製した。異なる部分についての
み説明する。
【0012】図2ではタングステン層161をブランケ
ットCVD法(非選択,全面形成)で形成し、アルミニ
ウム合金層113および窒素を含むタングステン層17
と同時にパターニングし配線層とした。
【0013】図3ではタングステン層162,窒素を含
むタングステン層17,アルミニウム合金層113を順
次スパッタ法で形成し、この3層膜を同時にパターニン
グし配線層とした。
【0014】図4では図3の3層膜にさらに、窒素を含
むタングステン層171,タングステン層163を順次
スパッタ法で形成し、この5層膜を同時にパターニング
し配線層とした。
【0015】図5では図1の構造でアルミニウム層11
3の上側にタングステン層164を設け、タングステ
ン,アルミニウム,窒素を含むタングステンを同時にパ
ターニングし配線層とした。
【0016】図6では図1と同様な方法でタングステン
プラグ16を形成し、アルミニウム層113を設け、そ
の上側に窒素を含むタングステン層171,タングステ
ン層165を形成し、アルミニウムから上の3層を同時
にパターニングし配線層とした。
【0017】これらの素子の表面に保護膜を形成し最終
的な形態とする。
【0018】配線としての性能を比較するため図1から
図6の構造のそれぞれについて、窒素を含むタングステ
ン層(17もしくは171)が無いものを同時に作製し
た。 (1)配線抵抗の熱処理による変化 完成した配線に450℃の熱処理を施し配線抵抗の変化
を測定した。結果を表1に示す。測定した配線の寸法
は、幅0.5μ ,長さ1000μである。
【0019】
【表1】
【0020】表から明らかなように、窒素を含むタング
ステン層を設けた場合はそうでない場合より配線抵抗の
増加が少ない。この層がない場合は数10%以上の増加
があり、低抵抗配線としての利点が失われてしまう。こ
の層を設けると、抵抗増加はほとんどの場合、数%以下
で実用的に問題にならない範囲にあった。
【0021】(2)通電試験 完成ウエハをチップに切りだし、パッケージへのマウン
ト、およびワイヤボンディングによる組立工程をへて試
験試料を作製した。チップのなかで1.5μ 幅の配線約
50本に、温度200℃で電流密度5MA/cm2 の通電
試験を施した。窒素を含むタングステン層を設けていな
い配線では数十時間ないし数百時間で全数の配線が断線
した。この層を設けたものでは約一千時間経ても断線の
発生がなかった。このテスト結果を実使用条件に換算す
ると、本実施例では1%不良(断線)に至る時間は10
年以上となり、実用上必要な寿命を保証できることが分
かった。
【0022】なお、この配線のアルミニウム層の結晶粒
組織を透過電子顕微鏡で調べたところ、平均結晶粒径が
4.6μm で配線部では、ほぼ完全なバンブー(竹の節
状)構造の結晶粒が形成されていた。2μ幅より細い配
線では完全なバンブー構造が形成されていることは間違
いない。また、窒素を含むタングステン層を設けていな
い配線についてもアルミニウム層の結晶粒組織を透過電
子顕微鏡で調べた。平均結晶粒径は0.6μmで、幅0.
3μmの配線でもバンブー化しない領域が多数観察され
た。結晶粒成長によるバンブー構造化が高信頼化に寄与
していると考えられる。
【0023】<実施例2>実施例1ではアルミニウム合
金に接している第1の導体層としてタングステン層が形
成されている場合について説明した。この層がタングス
テン以外の導電材料であってもよい。実施例2ではこれ
がチタン,モリブデン,チタンタングステン合金、もし
くは窒化チタンである場合について説明する。
【0024】図1ないし図6の構造をこれら4種類の材
料を用いて形成した。チタン,モリブデン,チタンタン
グステン合金(10重量%チタン)は通常スパッタ法
で、窒化チタンについては反応性スパッタ法で形成し
た。実施例1と同様に450℃の熱処理を施して配線抵
抗の変化を測定した。これらの材料とアルミニウム合金
層が直接接触している従来型の構造ではやはり大幅な抵
抗増加があった。チタン,モリブデン,チタンタングス
テン合金の場合はタングステンよりも数十%大きい抵抗
増が、窒化チタンの場合は1/3ないし1/2程度の抵
抗増があった。窒素を含むタングステンを挾んだ場合は
実施例1に述べたのと同程度の抵抗増に収まっており、
配線抵抗を低く保つことができた。
【0025】<実施例3>実施例1ではアルミニウム合
金層の厚さが300nmの場合について説明した。実施
例3ではこの層の厚さを変化させたときの効果について
説明する。
【0026】図2の構造でアルミニウム合金層113の
厚さを変えたものを作製し、同様に450℃の熱処理を
施して配線抵抗の変化を測定した。熱処理時間は120
分とした。また、タングステン膜形成後、500℃でア
ンモニアガス雰囲気に晒し、表面を窒素を含む層に変化
させた試料についても同様の構造を作り熱処理を施して
抵抗変化を測定した。結果を表2(および図7)に示
す。
【0027】
【表2】
【0028】アルミニウム合金層の厚さが厚いと窒素を
含むタングステン層がなくても配線抵抗の増加はそれほ
ど目立たず低抵抗を保つことができる。しかし、アルミ
ニウム合金層の厚さが300nm程度以下になると窒素
を含むタングステン層がないと抵抗増加の割合が急増
し、実用上の利点が失われる。これに比べ、窒素を含む
タングステン層17を挾む構造では抵抗増加が高々数%
の範囲にあり低抵抗の利点を保つことができる。
【0029】窒素を含むタングステン層を反応性スパッ
タ法で形成した場合はこのように優れた効果があった
が、タングステン層の表面を窒化する方法で形成した場
合には十分な効果がなく、大幅な抵抗増加があった。オ
ージェ分析法(AES)により窒化層を調べたところ、
厚さは15nm程度と薄く、組成(W/N比)も膜中で
一定でなかった。反応性スパッタ法により形成した場合
は組成はほぼ一定に保たれており、膜厚も20nm以上
であれば前述のように熱処理による抵抗増加が数%以下
であった。これらのことから、反応性スパッタ法により
形成した窒素を含むタングステンで膜厚が20nm以上
であることがもっとも良い条件といえる。ただ、配線層
全体の厚さは薄いほうが望ましいので無闇に窒素を含む
タングステン層を厚くするのは良くない。
【0030】<実施例4>実施例1ないし実施例3で形
成した窒素を含むタングステンは高純度のアルゴンガス
と窒素ガスとの混合気体中で反応性スパッタ法を用いて
形成しており、膜の主成分はタングステンと窒素で、こ
れら以外の元素は1%以下であった。混合気体中に微量
(0.01 ないし1%程度)の酸素を導入すると形成し
た膜中に酸素を含ませることができる。このようにして
膜中に1ないし10%の酸素を含ませたものについて実
施例1と同様の構造を作製して熱処理による配線抵抗の
増加を測定した。
【0031】結果は酸素濃度によって異なり、ある範囲
では酸素を含まないものより優れた効果があった。図8
は酸素濃度の関数として配線抵抗の増加率をプロットし
たものである。酸素が少ないうちは酸素を増やすと抵抗
増加が抑えられ良い効果があるが、5%程度を越えない
とむしろ酸素のない場合より抵抗増加が大きく、酸素を
加えることは良くない。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、製造工程における配線
抵抗の増加がなく、信頼性の高い微細なアルミニウムも
しくはアルミニウム合金配線を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の電子装置の断面図。
【図2】本発明の一実施例の電子装置の断面図。
【図3】本発明の一実施例の電子装置の断面図。
【図4】本発明の一実施例の電子装置の断面図。
【図5】本発明の一実施例の電子装置の断面図。
【図6】本発明の一実施例の電子装置の断面図。
【図7】本発明の実施例3における本発明の効果を表す
抵抗増加率の測定図。
【図8】本発明の実施例4における本発明の効果を表す
抵抗増加率の測定図。
【符号の説明】
11…シリコン基板、13…多結晶シリコンゲート、1
4…タングステン配線、15…絶縁層、16…タングス
テンプラグ、161,162,163,164,165
…タングステン層、17,171…窒素を含むタングス
テン、113…アルミニウム合金層。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体表面に形成された絶縁層と、前記絶縁
    層上もしくは前記絶縁層に取り囲まれるように形成され
    た第一の導電体の領域とそれに接続するように形成され
    ているアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる
    第二の導電体の領域を有する電子装置用配線において、
    前記両導電体領域の間に窒素を含有するタングステンの
    領域を設けたことを特徴とする電子装置用配線。
  2. 【請求項2】請求項1において、アルミニウムもしくは
    アルミニウム合金からなる導電体領域の上下両側に窒素
    を含有するタングステンの領域を挟んで異種導電体領域
    を設けた電子装置用配線。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、絶縁層上もし
    くは絶縁層に取り囲まれるように形成された第一の導電
    体がタングステン,チタン,モリブデン、もしくはこれ
    らを主成分とする合金である電子装置用配線。
  4. 【請求項4】請求項1,2または3において、アルミニ
    ウムもしくはアルミニウム合金からなる第二の導電体の
    領域の厚さが300ナノメータ以下である電子装置用配
    線。
  5. 【請求項5】請求項1,2,3または4において、アル
    ミニウムもしくはアルミニウム合金からなる第二の導電
    体の領域のなかで、幅が概ね1ミクロン以下のものに付
    き、その結晶粒界がバンブー化されている電子装置用配
    線。
  6. 【請求項6】請求項1,2,3,4または5において、
    窒素を含有するタングステン層がさらに酸素を含有する
    電子装置用配線。
JP2013794A 1994-02-17 1994-02-17 電子装置用配線 Pending JPH07231037A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100370157B1 (ko) * 2000-08-14 2003-01-30 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법

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KR100370157B1 (ko) * 2000-08-14 2003-01-30 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법

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