JPH10189729A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH10189729A
JPH10189729A JP8356495A JP35649596A JPH10189729A JP H10189729 A JPH10189729 A JP H10189729A JP 8356495 A JP8356495 A JP 8356495A JP 35649596 A JP35649596 A JP 35649596A JP H10189729 A JPH10189729 A JP H10189729A
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film
metal
wiring
forming
metal material
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JP8356495A
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Masahiko Hasunuma
正彦 蓮沼
Hisafumi Kaneko
尚史 金子
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エレクトロマイグレーション耐性等に優れ、
信頼性の高い半導体装置を得る。 【解決手段】 半導体基板1の主面側に配線5等を形成
する工程と、孔部8及び溝部9を有する絶縁膜7を形成
する工程と、絶縁膜7上に金属間化合物膜10を形成す
る工程と、金属間化合物膜10上に配線を構成するため
の金属材料膜11bを形成する工程と、金属材料膜11
bを形成する工程での熱処理又はその後の熱処理により
金属間化合物膜10を構成する金属を金属材料膜11b
中に固溶する工程とを有し、金属間化合物膜10を金属
材料膜11bの主構成金属と該主構成金属に固溶する少
なくとも1種類以上の金属との化合物又は金属材料膜の
主構成金属に固溶する少なくとも2種類以上の金属の化
合物によって形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法、特にその配線技術に係る半導体装置の製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路装置における多層配線形
成において、配線プラグ部は、選択CVDやブランケッ
トCVDによるW、Al、Cu等の埋め込み技術、或い
は成膜中、成膜後の加熱によるCu、Al等のメタルリ
フロー技術による埋め込みが行われている。
【0003】前者の場合にはW自体或いはバリアメタル
が、後者の場合にはリフロー性を向上させるために用い
るライナー材或いはライナー材とリフローメタルとから
生成される金属間化合物が、エレクトロマイグレーショ
ン時の配線メタル原子流の障壁となる。その結果、配線
のカソード側では、障壁が配線構成原子の供給を遮るた
め、配線メタル原子の供給不足によってボイドが発生
し、配線電気抵抗の上昇や配線の破断を引き起こす。ま
た、アノード側の障壁部では、配線メタル原子の供給過
剰によりヒロックが発生し、隣接配線との間でショート
を引き起こすことになる。このようなことから、多層配
線のエレクトロマイグレーション耐性を劣化させてい
る。
【0004】この対策として、プラグ部周辺にフリンジ
やリザーバーといった原子溜めを設けることにより、配
線メタル原子の供給源を持たせる対策が施されている。
しかしながら、メタル原子の供給量が有限かつ少量であ
り、配線の長寿命化の点からは不十分である。また、今
後配線の微細化や高密度化がより一層進むと、この様な
原子溜めを設けるスペースが不足する。したがって、根
本的な対策が必要とされている。
【0005】また、Alリフローのライナーとして、現
在Tiライナーが主として検討されている。しかしなが
ら、Tiライナーを用いる場合、リフロー時にAlとの
化合物層(Al3 Ti)が形成されるため、ビア底部で
下層配線部との間に障壁が形成されることに加え、配線
断面積に占めるライナー層の比率が上昇するため、実質
的な配線抵抗の増大を引き起こすといった問題が生じて
いる。
【0006】一方、この様な障壁の原因となるライナー
層を設けないで、リフロー等の高温成膜プロセスにより
ビア部の埋め込みを行う場合、配線金属の熱による凝集
が発生する。そのため、凝集した粒が飛来してくる蒸着
原子の障害になったり、リフロー時の流入経路を遮断す
ることにより、ビア部を十分に埋め込むことは困難であ
る。
【0007】また、ビアの埋め込み方法として、近年C
VD法の検討も行われている。しかしながら、信頼性向
上のために用いる添加元素(例えば、Al配線の場合の
Cu等)を成膜時に同時に供給しようとすると、CVD
ガスの分解温度がそれぞれのガス種によって異なるた
め、良質の合金膜を形成することは困難である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の多
層配線構造を有する半導体装置では、十分なエレクトロ
マイグレーション耐性等を確保することが困難であり、
信頼性の高い半導体装置を得ることが困難であった。
【0009】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、エレクトロマイグレーション耐
性等に優れ、信頼性の高い半導体装置を提供することを
目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明における半導体装
置の製造方法は、半導体基板の主面側に導電部(一般的
には下層側の配線)を形成する工程と、前記半導体基板
の主面側に前記導電部に達する孔部を少なくとも有する
絶縁膜を形成する工程と、前記孔部が形成された前記絶
縁膜上に金属間化合物膜を形成する工程と、少なくとも
前記孔部内に形成された前記金属間化合物膜上に金属材
料膜を形成する工程と、前記金属材料膜を形成する工程
での熱処理又はその後の熱処理により前記金属間化合物
膜を構成する金属の一部又は全部を前記金属材料膜中に
固溶する工程とを有し、前記金属間化合物膜を前記金属
材料膜の主構成金属と該主構成金属に固溶する少なくと
も1種類以上の金属との化合物又は前記金属材料膜の主
構成金属に固溶する少なくとも2種類以上の金属の化合
物によって形成することを特徴とする。
【0011】また、本発明における半導体装置の製造方
法は、半導体基板の主面側に導電部(一般的には下層側
の配線)を形成する工程と、前記半導体基板の主面側に
前記導電部に達する孔部及びこの孔部に連なる配線用の
溝部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記孔部及び溝
部が形成された前記絶縁膜上に金属間化合物膜を形成す
る工程と、少なくとも前記孔部及び前記溝部内に形成さ
れた前記金属間化合物膜上に配線を構成するための金属
材料膜を形成する工程と、前記金属材料膜を形成する工
程での熱処理又はその後の熱処理により前記金属間化合
物膜を構成する金属の一部又は全部を前記金属材料膜中
に固溶する工程と、前記金属間化合物膜を構成する金属
が固溶した前記金属材料膜を所定の厚さ除去して前記溝
部に配線を形成する工程とを有し、前記金属間化合物膜
を前記金属材料膜の主構成金属と該主構成金属に固溶す
る少なくとも1種類以上の金属との化合物又は前記金属
材料膜の主構成金属に固溶する少なくとも2種類以上の
金属の化合物によって形成することを特徴とする。
【0012】前記金属材料膜の主構成金属としては、例
えばアルミニウム又は銅を用いることができる。また、
主構成金属がアルミニウムの場合には、前記金属間化合
物膜として、例えばアルミニウム及び銅の化合物によっ
て構成されたものを用いることができる。
【0013】前記金属間化合物膜は、配線を構成する金
属材料膜のリフロー時にはリフローを促進するライナー
として機能する一方、熱処理によって金属材料膜内にそ
の一部又は全部が固溶する。したがって、従来エレクト
ロマイグレーション耐性を劣化させていた障壁の一部又
は全部が取り除かれ、エレクトロマイグレーション耐性
を向上させることができる。また、金属間化合物膜を構
成する金属にエレクトロマイグレーション耐性を向上さ
せる金属を用いることにより、該金属を金属材料膜へ固
溶させることによってエレクトロマイグレーション耐性
の向上をはかることができる。
【0014】また、金属間化合物膜を構成する金属の金
属材料膜への固溶量は、配線を構成する金属材料膜の膜
厚を調整することにより可変とすることができるため、
電気抵抗値等の制御も可能となる。この場合、金属材料
膜を厚く成膜しても、その後のCMP処理等によって余
剰の金属材料膜を除去すれば、所望の膜厚の配線を形成
することができる。さらに、CVD法によってビア部の
埋め込みを行う場合、エレクトロマイグレーション耐性
を向上させる金属をビア部に供給することが可能とな
る。
【0015】本発明では、ライナー材として金属間化合
物を用いることにより、単一金属薄膜を加熱した場合に
生じる金属の凝集を抑えることが初めて可能となり、配
線メタルリフロー時或いはCVD成膜時の加熱に対して
安定なライナー材として機能することができる。これ
は、単体金属中の拡散に比べて金属間化合物中の拡散が
遅いためである。
【0016】金属材料膜の主構成金属にAlを用いたA
l配線の場合、ライナー材として用いる金属間化合物に
は、エレクトロマイグレーション及びストレスマイグレ
ーション耐性を向上させる金属であるCuとAlとの化
合物を用いることが好ましい。具体的には、ライナー材
として必要な高温安定性を有するγ1層(Al4
9 )を主とする層が望ましい。この時、Cu層、δ層
等が混在することは何ら問題ない。なお、ライナー材と
なる金属間化合物は、熱処理時に配線の主構成金属に固
溶することが必要条件となる。
【0017】Al配線の場合、Cu−Al以外に、Al
−Sc(Al3 Sc、Al2 Sc、AlSc、AlSc
2 又はこれらの混合物)、Al−Ag(δ層)等を用い
てもよい。また、Alへの固溶量が比較的大きいCu、
Sc、Zn、Mg、Ge、Ga、Liの組み合わせによ
り生成される高融点の金属間化合物が望ましく、固溶後
にAl配線の抵抗上昇が低い、Mg−Zn(MgZ
2 )、Cu−Zn(γ層)、Cu−Ga(γ層)、C
u−Ge(ζ層)、Cu−Si(Cu3 Si)、Mg−
Si(Mg2 Si)、Ag−Mg(AgMg)、Ag−
Zn(AgZn)等が更に望ましい。なお、上記金属間
化合物は、二元系の化合物に限らず、Zn、Mg、G
e、Ga、Liを含む多元系の化合物であってもよい。
【0018】また、Cu配線の場合、Cu−Be(δ
層)、Cu−Si(Cu3 Si)、Cu−Zn(β層、
γ層)、Cu−Ti(TiCu4 、Ti2 Cu3 、Ti
3 Cu4 、TiCu、Ti2 Cu)、Cu−Mg(Mg
Cu2 )、Cu−Ge(ζ層)、Cu−As(γ層)、
Au−Zn(AuZn)、Au−Be(AuBe、Au
Be3 、AuBe5 )、Au−Mg(MgAu)、Ag
−Be(AgBe2 )、Ag−Mg(AgMg)、Be
−Mg(Be13Mg)が望ましい。
【0019】ライナー材をビア部に形成する場合、配線
最下層にバリアメタルを設けることは何ら問題ないが、
この場合、下層金属配線との接合部であるビア底部にバ
リアメタルが残存しないプロセスで形成することが必要
である。
【0020】また、配線層の成膜後に熱処理を加えてラ
イナー層を配線金属に固溶させる場合、その熱処理条件
は、下層電極配線のストレスマイグレーション耐性の観
点から決定される。Al配線の場合は350℃〜500
℃の温度領域とすることが望ましい。また、Cu配線の
場合は、さらにCuのデバイス部への拡散を防止する必
要性から、350℃〜600℃の温度領域とすることが
望ましい。
【0021】ライナー層は熱処理によってすべて固溶
し、ビア底部におけるライナー層の開口率(上層金属配
線と下層金属配線との直接接触比率)が100%である
ことが最も望ましいが、開口率が30%以上であればよ
い。
【0022】また、ライナー層の膜厚は、ライナー層が
連続膜になる必要から10nm以上必要である。成膜方
法としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法が望
ましく、その際に異方性成膜プロセスを用いるようにし
てもよい。
【0023】また、ライナー層上への配線層の形成にお
いても、スパッタリング法、CVD法、蒸着法が望まし
い。スパッタリング法を用いる場合、ビア部を十分に埋
めるために、無加熱成膜で50nm以上成膜をした後、
大気暴露せず連続して、300℃以上の温度で基板加熱
成膜を行うことが望ましい。CVD成膜の場合には、選
択CVD、ブランケットCVDいずれでもよく、これら
とスパッタリング法の組み合わせで行ってもよい。選択
CVD法の場合、CVDによってビアを埋め込んだ後、
CMP或いはエッチバックを行ってビア部メタルを平坦
化した後、配線層を形成してもよい。CVD成膜の場
合、従来は添加元素を成膜時に加えることが難しかった
が、本発明の方法を用いた場合には、ライナー材に添加
元素が含まれるため、その後の加熱処理によって拡散、
固溶させることが可能となる。
【0024】なお、本発明を適用する多層配線構造は、
シングルダマシン、デュアルダマシン構造はもとより、
シングルダマシンでビアを形成した後に配線層を成膜及
びRIEによって形成するものでもよい。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態について説明する。
【0026】図1(a)〜図3(j)は、本発明の実施
形態について、その製造工程の一例を順を追って示した
工程断面図である。なお、ここでは、配線の信頼性試験
を行うためのTEGを試作した例について説明する。
【0027】まず、図1(a)に示すように、半導体基
板1(Si(100)基板)に熱酸化膜2を厚さ400
nmで形成した。続いて、スパッタリングによりTi膜
3を厚さ20nm、TiN膜4を厚さ70nmで形成し
た後、Al膜5をスパッタリングにより厚さ400nm
で成膜した。続いて、反射防止膜としてTiN膜6を3
0nmの厚さに堆積した。
【0028】次に、図1(b)に示すように、Ti膜
3、TiN膜4、Al膜5及びTiN膜6をパターンニ
ングして、配線幅400nm、配線長50μmの下層配
線を約50μm間隔で形成した。次に、図1(c)に示
すように、層間膜となるプラズマTEOS膜7を1.5
μmの厚さに成膜し、下層配線上の膜厚が800nmに
なるようにCMPにより平坦化を行った。
【0029】次に、図1(d)に示すように、プラズマ
TEOS膜7をパターニングして、幅400nm、深さ
400nm、長さ50μmの配線溝9及び400nmφ
のビア孔8を形成し、上層配線と下層配線とが交互につ
ながるようにした。この時、反射防止膜6は、ビア孔8
形成の際のRIEによって除去した。
【0030】次に、図2(e)に示すように、図4に示
す各種のライナー層10をスパッタリングにより成膜し
た。なお、ライナー層10を成膜する前に、バイアスク
リーニングにより、ビア孔8底部に露出しているAl膜
5表面の自然酸化膜を除去した。
【0031】次に、図2(f)に示すように、ライナー
層10がCu−Alの場合は純Al、それ以外の場合は
Al−Cu(0.5wt%)からなるAl膜11aを成
膜した後、図2(g)に示すように、大気暴露すること
なく連続してAl膜11bを450℃の温度で成膜し
た。なお、この時のAl膜11bの組成はAl膜11a
の組成と同じである。
【0032】このようにして、Al膜をリフロー成膜し
た後、450℃で30分間の熱処理を行い、図3(h)
に示すように、Cu−Alを用いたライナーをAl膜1
1中に全て固溶させた。この熱処理後の断面観察によ
り、ビア孔8底部の開口率は100%であることを確認
した。また、SIMS分析の結果、下層のAl膜5とビ
ア孔8底部との界面に酸素及びCuの偏析は観察されな
かった。一方、比較のためにTiライナーを用いて作製
した試料では、ビア孔8底部にAl3 Tiが形成されて
いることが確認された。
【0033】次に、図3(i)に示すように、CMPに
より余剰のAl膜11を除去して、Al膜11を配線溝
9内に埋込み、配線を形成した。次に、図3(j)に示
すように、保護膜として、プラズマTEOS膜12を3
50nm、プラズマSiN膜13を750nmの膜厚に
堆積した。
【0034】以上のようにして作製したエレクトロマイ
グレーション測定用TEGの総配線長は2mmであり、
パッドを開口した後に電流印加加速試験を行った。試験
条件は、配線電流密度1.8MA/cm2 、温度200
℃とした。その試験結果を図4に示した。試験は各サン
プルそれぞれに対して50本行い、そのMTFが、10
0時間以下のものを(×)、100〜1000時間のも
のを(△)、1000時間以上のものを(○)とした。
【0035】図4からわかるように、AlとCuとの割
合を適当な範囲に設定し、かつCu−Al膜の膜厚をあ
る程度厚くすれば、良好な特性を得ることができる。
【0036】また、ライナー層10として、上記Cu−
Al以外に、Al−Sc(Al3 Sc、Al2 Sc、A
lSc、AISc2 又はこれらの混合物)、Al−Ag
(δ層)、Mg−Zn(MgZn2 )、Cu−Zn(γ
層)、Cu−Ga(γ層)、Cu−Ge(ζ層)、Cu
−Si(Cu3 Si)、Mg−Si(Mg2 Si)、A
g−Mg(AgMg)、Ag−Zn(AgZn)、を用
いて同様の実験を行った結果、多層配線形成後のope
n−short試験及び通電加速試験において良好な結
果を得た。
【0037】さらに、Cu配線についても図1〜図3と
同様にしてTEGを作製した。ライナー層として、Cu
−Be(δ層)、Cu−Si(Cu3 Si)、Cu−Z
n(β層、γ層)、Cu−Ti(TiCu4 、Ti2
3 、Ti3 Cu4 、TiCu、Ti2 Cu)、Cu−
Mg(MgCu2 )、Cu−Ge(ζ層)、Cu−As
(γ層)、Au−Zn(AuZn)、Au−Be(Au
Be、AuBe3 、AuBe5 )、Au−Mg(MgA
u)、Ag−Be(AgBe2 )、Ag−Mg(AgM
g)、Be−Mg(Be13Mg)、を用いて同様の実験
を行った結果、多層配線形成後のopen−short
試験及び通電加速試験において良好な結果を得た。
【0038】なお、図1〜3に示した例では、Al膜を
リフロー成膜した後に熱処理を行い、ライナー材をAl
膜中に固溶させたが、Al膜のリフロー成膜時の加熱に
よってライナー材の一部又は全部をAl膜中に固溶させ
ることも可能である。このAlリフロー成膜時にライナ
ー材の全部をAl膜中に固溶する場合には、必ずしも上
記リフロー成膜後の熱処理を行わなくてもよい。
【0039】また、図5に示すように、プラズマTEO
S膜7上の配線領域にライナー層10aの一部を残すよ
うにしてもよい。一般的に、開孔部の底面及び側面に比
べ、配線溝が形成された領域では、ライナー層の膜厚が
厚く成膜される。したがって、図5に示すように、プラ
ズマTEOS膜7上の配線溝が形成された領域にのみラ
イナー層10aを残すことは可能である。このような構
成を採用することにより、プラズマTEOS膜7上に残
されたライナー層10aがCuの供給源となるため、A
l配線中でのCuの枯渇を防止することができる。した
がって、Cuの枯渇によってエレクトロマイグレーショ
ン耐性が劣化することを防止することが可能となる。
【0040】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種
々変形して実施可能である。
【0041】
【発明の効果】本発明によれば、ライナーとして用いる
金属間化合物膜を配線として用いる金属材料膜の主構成
金属と該主構成金属に固溶する少なくとも1種類以上の
金属との化合物又は金属材料膜の主構成金属に固溶する
少なくとも2種類以上の金属の化合物によって形成し、
熱処理によって金属間化合物膜の構成金属を金属材料膜
に固溶するので、従来問題であったライナー層による障
壁をとり除くことができ、エレクトロマイグレーション
耐性等に優れ、信頼性の高い半導体装置を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の一例についてその製造工程
の一部を示した図。
【図2】本発明の実施形態の一例についてその製造工程
の一部を示した図。
【図3】本発明の実施形態の一例についてその製造工程
の一部を示した図。
【図4】種々のライナー層を用いた場合のエレクトロマ
イグレーション耐性等について示した図。
【図5】図1〜図3に示した実施形態の変更例を示した
図。
【符号の説明】
1…半導体基板 7…絶縁膜 8…孔部 9…溝部 10…ライナー層(金属間化合物膜) 11…Al膜(金属材料膜)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の主面側に導電部を形成する
    工程と、 前記半導体基板の主面側に前記導電部に達する孔部を少
    なくとも有する絶縁膜を形成する工程と、 前記孔部が形成された前記絶縁膜上に金属間化合物膜を
    形成する工程と、 少なくとも前記孔部内に形成された前記金属間化合物膜
    上に金属材料膜を形成する工程と、 前記金属材料膜を形成する工程での熱処理又はその後の
    熱処理により前記金属間化合物膜を構成する金属の一部
    又は全部を前記金属材料膜中に固溶する工程とを有し、 前記金属間化合物膜を前記金属材料膜の主構成金属と該
    主構成金属に固溶する少なくとも1種類以上の金属との
    化合物又は前記金属材料膜の主構成金属に固溶する少な
    くとも2種類以上の金属の化合物によって形成すること
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 半導体基板の主面側に導電部を形成する
    工程と、 前記半導体基板の主面側に前記導電部に達する孔部及び
    この孔部に連なる配線用の溝部を有する絶縁膜を形成す
    る工程と、 前記孔部及び溝部が形成された前記絶縁膜上に金属間化
    合物膜を形成する工程と、 少なくとも前記孔部及び前記溝部内に形成された前記金
    属間化合物膜上に配線を構成するための金属材料膜を形
    成する工程と、 前記金属材料膜を形成する工程での熱処理又はその後の
    熱処理により前記金属間化合物膜を構成する金属の一部
    又は全部を前記金属材料膜中に固溶する工程と、 前記金属間化合物膜を構成する金属が固溶した前記金属
    材料膜を所定の厚さ除去して前記溝部に配線を形成する
    工程とを有し、 前記金属間化合物膜を前記金属材料膜の主構成金属と該
    主構成金属に固溶する少なくとも1種類以上の金属との
    化合物又は前記金属材料膜の主構成金属に固溶する少な
    くとも2種類以上の金属の化合物によって形成すること
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記導電部は下層側の配線を構成するも
    のであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導
    体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記金属材料膜の主構成金属はアルミニ
    ウム又は銅であることを特徴とする請求項1乃至3のい
    ずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記金属材料膜の主構成金属はアルミニ
    ウムであり、前記金属間化合物膜はアルミニウム及び銅
    の化合物によって構成されていることを特徴とする請求
    項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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