JPH10247649A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JPH10247649A
JPH10247649A JP5073797A JP5073797A JPH10247649A JP H10247649 A JPH10247649 A JP H10247649A JP 5073797 A JP5073797 A JP 5073797A JP 5073797 A JP5073797 A JP 5073797A JP H10247649 A JPH10247649 A JP H10247649A
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JP
Japan
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layer
wiring
wiring layer
atoms
film
Prior art date
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JP5073797A
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Japanese (ja)
Inventor
Hobbes Anthony
ホッブス アンソニー
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To contrive the effect of a migration resistance in a multilayer interconnection structure or the like by a method wherein columnar structures, which contain a metal different from Al as its main component and cross a wiring layer containing the Al as its main component, are provided in this wiring layer. SOLUTION: Columnar structures 16 containing a large quantity of metallic impurities are formed in a wiring layer 12 consisting of a conductive film constituted of three layers of a TiN film 12a, an Al film 12b and a TiN film 12c, which are formed on an Si oxide film 11 in the longitudinal direction of the layer 12, and these structures 16 have the effect of a barrier, which prevents diffusion of Al atoms. That is, even if the Al atoms come moving in the direction shown by an arrow 15, the structures 16 block the movement and prevent the Al atoms from being moved to the side of an anode electrode 14 more than that. Moreover, the layer 12 is divided into regions shorter than some regions in the longitudinal direction of the layer 12 by the structures 16 and an Al concentration has each concentration gradient in the divided regions. Owing to this, the concentration gradient becomes steep, a force 18 that the moved Al atoms flow backward is increased, lack of the Al atoms on the side of the cathode electrode 13 is decreased and the generation of voids is prevented.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特にAlを主体とした金属配線を用
いた場合の半導体装置の信頼性向上、特にマイグレーシ
ョン起因の不良防止に係わるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to improvement in reliability of a semiconductor device when metal wiring mainly composed of Al is used, and particularly to prevention of a failure due to migration. .

【0002】[0002]

【従来の技術】Alは、半導体集積回路の配線層として
最も一般的に用いられている材料である。これは、Al
がSiに対してオーミックコンタクトの形成が容易なこ
とや、SiO2 膜等の絶縁膜との密着性に優れ、膜形成
が容易かつボンディングしやすい等の特徴を有するため
である。
2. Description of the Related Art Al is a material most commonly used as a wiring layer of a semiconductor integrated circuit. This is Al
This is because they have characteristics such as easy formation of an ohmic contact with Si, excellent adhesion to an insulating film such as a SiO 2 film, easy film formation, and easy bonding.

【0003】しかし、従来よりAl配線は、大電流密度
下で金属イオンが移動することによって起こるエレクト
ロマイグレーションや熱処理に伴うストレスで金属イオ
ンが移動して起こるストレスマイグレーションの問題が
生ずることが知られている。このようなマイグレーショ
ンは、局所的な断線、ボイドの発生及び抵抗の増加等を
もたらし、半導体装置の信頼性を害し、寿命を短くする
重大な問題である。特に、近年の集積回路素子の微細化
に伴って配線の電流密度は大きくなる傾向があり、また
配線幅も減少する傾向にあるため、マイグレーションの
問題はますます大きくなっている。
[0003] However, it has been known that Al wiring has a problem of stress migration caused by movement of metal ions due to electromigration caused by movement of metal ions under a large current density and stress caused by heat treatment. I have. Such migration is a serious problem that causes local disconnection, generation of voids, increase in resistance, etc., impairs the reliability of the semiconductor device and shortens its life. In particular, the current density of wiring tends to increase with the miniaturization of integrated circuit elements in recent years, and the wiring width also tends to decrease, so that the problem of migration has become more and more serious.

【0004】このような問題を解決するため、以下に示
すような対策が考えられている。第1は、バンブー構造
と呼ばれる結晶構造を有するAl配線層を形成する方法
である。即ち、Alの結晶構造をAl配線層の断面と同
じくらいに巨大化してAl配線層を構成し、これによ
り、結晶粒界を減少させ、結晶粒界に沿ったAl原子の
移動によるマイグレーションを抑制するというものであ
る。
In order to solve such a problem, the following countermeasures have been considered. The first is a method of forming an Al wiring layer having a crystal structure called a bamboo structure. In other words, the Al crystal structure is made as large as the cross section of the Al wiring layer to form an Al wiring layer, thereby reducing the crystal grain boundaries and suppressing migration due to the movement of Al atoms along the crystal grain boundaries. It is to do.

【0005】第2は、Al配線層中のAlの結晶粒の結
晶方向を<111>方向に揃える方法である。即ち、<
111>方向に揃えることで、Al原子と結晶粒との結
合を高めてAl原子を動きにくくして、マイグレーショ
ンを抑制するというものである。第3は、CuやTiの
ような金属とAlの合金を用いてAl合金配線層とする
方法である。これにより、結晶粒界に沿ったAl原子の
移動路にCu原子等が配置され、結晶粒界でのAl原子
の拡散を阻止してマイグレーションを抑制するというも
のである。
A second method is to align the crystal directions of Al crystal grains in the Al wiring layer in the <111> direction. That is, <
By aligning them in the 111> direction, the bonding between Al atoms and crystal grains is increased to make Al atoms difficult to move, thereby suppressing migration. Third, a method of forming an Al alloy wiring layer using an alloy of Al and a metal such as Cu or Ti. As a result, Cu atoms and the like are arranged in the movement path of the Al atoms along the crystal grain boundaries, and diffusion of the Al atoms at the crystal grain boundaries is prevented to suppress migration.

【0006】以上3つの方法のうち、実際のデバイスで
は第3の方法が最もよく行われている。
[0006] Of the above three methods, the third method is most often used in actual devices.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
1の方法であるバンブー構造や第2の方法である<11
1>構造は完全に形成することは生産レベルでは実際上
不可能であり、たとえ完全な構造を得たとしてもバルク
拡散や表面・界面における拡散によるエレクトロマイグ
レーションは依然として発生する。また、第3の方法で
あるCu等の合金による方法は、Cu含有により配線の
抵抗値が上がるという欠点があるため添加できる量には
限りがある。また、上記第1と第3の方法を組み合わ
せ、Cuを混合したAl合金の配線層に大きな結晶粒を
形成しても、応力が大きいと結局はストレスマイグレー
ションが起き、ボイドが発生することがある等、種々の
問題がある。
However, the first method, the bamboo structure, and the second method, <11
1> It is practically impossible at the production level to completely form the structure, and even if a perfect structure is obtained, electromigration due to bulk diffusion and diffusion at the surface / interface still occurs. Further, the third method using an alloy such as Cu has a disadvantage that the resistance value of the wiring increases due to the inclusion of Cu, so that the amount that can be added is limited. Even if the first and third methods are combined and large crystal grains are formed in the Al alloy wiring layer mixed with Cu, if the stress is large, stress migration may eventually occur and voids may occur. There are various problems.

【0008】ところで、このようなマイグレーションに
よる不良は、特に配線長が長い場合に発生しやすい。こ
の理由を配線長が短い場合を示す図5及び配線長が長い
場合を示す図6を使って説明する。ここで、図5(a) 及
び図6(a) は、共にAlを主体とする配線構造を模式的
に表した配線構造の断面図であり、図5(b) 及び図6
(b) は、共に配線長方向のAl濃度の変化を示す図であ
る。
[0008] Incidentally, such a defect due to migration is likely to occur particularly when the wiring length is long. The reason for this will be described with reference to FIG. 5 showing a case where the wiring length is short and FIG. 6 showing a case where the wiring length is long. Here, FIGS. 5 (a) and 6 (a) are cross-sectional views of a wiring structure schematically showing a wiring structure mainly composed of Al, and FIG. 5 (b) and FIG.
(b) is a diagram showing a change in the Al concentration in the wiring length direction.

【0009】図5(a) において、50はシリコン基板、
51はシリコン基板50上に形成されたシリコン酸化
膜、52はシリコン酸化膜51上に形成された配線層で
あって、この配線層はTiN層52a、Al層52b、
TiN層52cの三層の導電膜からなる。また、53は
カソード電極、54はアノード電極である。Al層をT
iNの層ではさむ3層構造は、応力によってAl層52
b中にボイドが発生した時でも、Al層52bの上下の
TiN層52a、52cにより導電路を確保する効果が
ある。また、TiN層52a、52cは配線層52と絶
縁領域との間の接着力を増す効果もある。
In FIG. 5A, 50 is a silicon substrate,
Reference numeral 51 denotes a silicon oxide film formed on the silicon substrate 50, and reference numeral 52 denotes a wiring layer formed on the silicon oxide film 51. The wiring layer includes a TiN layer 52a, an Al layer 52b,
It is formed of a three-layer conductive film of the TiN layer 52c. Further, 53 is a cathode electrode, and 54 is an anode electrode. Al layer T
The three-layer structure sandwiched between the iN layers is such that the Al layer 52
Even when a void is generated in b, there is an effect that a conductive path is secured by the TiN layers 52a and 52c above and below the Al layer 52b. Further, the TiN layers 52a and 52c also have the effect of increasing the adhesive force between the wiring layer 52 and the insulating region.

【0010】配線層52のアノード電極54からカソー
ド電極53へ電流が流れるとき、配線金属中の電子はこ
の逆の方向55に流れる。配線の金属原子は電子と同じ
向きの方向55へ移動するため、Al原子はカソード電
極53の方向からアノード電極54の方向へと移動す
る。このためAl原子は、図5(b) 、図6(b) に示すよ
うにカソード電極53付近では低く、アノード電極54
付近では高いという濃度の勾配を生じる。
When a current flows from the anode electrode 54 of the wiring layer 52 to the cathode electrode 53, electrons in the wiring metal flow in the opposite direction 55. Since the metal atoms of the wiring move in the same direction 55 as the electrons, the Al atoms move from the direction of the cathode electrode 53 to the direction of the anode electrode 54. For this reason, the Al atoms are low near the cathode electrode 53 as shown in FIGS.
In the vicinity, a concentration gradient of high is generated.

【0011】この濃度勾配は、図5(a) に示すように配
線長が短い場合には、急な勾配となるため、濃度の不均
衡をなくそうとする力が強く働き、移動したAl原子を
反対方向へと押しかえそうとする。短い配線において
は、この逆流現象56が強いため、移動したAl原子が
カソード電極53側へと押し返され、カソード電極53
側におけるAl原子の欠乏が生じにくくなるので、マイ
グレーションによるボイドの発生が起こりにくい。
When the wiring length is short as shown in FIG. 5 (a), the concentration gradient becomes steep, so that the force for eliminating the concentration imbalance acts strongly, and In the opposite direction. In a short wiring, since the backflow phenomenon 56 is strong, the moved Al atoms are pushed back to the cathode electrode 53 side, and the cathode electrode 53
Since deficiency of Al atoms on the side is less likely to occur, voids due to migration are less likely to occur.

【0012】一方、図6(a) に示すような長い配線長の
場合は、図5(b) に示すような短い配線長の場合に比
べ、図6(b) に示すようにAl原子における濃度勾配が
ゆるやかであるため、移動したAl原子が逆流する力5
6は弱くなる。従って、長配線では、マイグレーション
によって移動したAlがアノード電極54付近でどんど
ん溜まる一方、カソード電極53付近ではAl原子がだ
んだん欠乏していき、最終的には供給すべきAl原子が
なくなって、ボイド57が発生するという現象が起こり
やすい。
On the other hand, in the case of a long wiring length as shown in FIG. 6 (a), as compared with the case of a short wiring length as shown in FIG. 5 (b), as shown in FIG. Since the concentration gradient is gradual, the force of the backflow of the transferred Al atoms 5
6 gets weaker. Therefore, in the long wiring, Al moved by migration accumulates more and more near the anode electrode 54, while Al atoms gradually become depleted near the cathode electrode 53, and finally Al atoms to be supplied disappear and voids 57 are lost. Is likely to occur.

【0013】上記問題は、半導体回路の集積度が向上す
るに伴い、配線の断面積に比べ配線長の長い配線が増え
てきているため、ますます起こりやすくなっている。ま
た、多層配線構造において、配線間の内部接続でコンタ
クトホールにAlプラグを使用する場合があるが、この
ような場合はコンタクトホールのAlプラグを介して配
線間をAl原子が移動することが可能なため、配線長が
長い場合と同様の問題を生じ、Al原子の濃度勾配が小
さくなって逆流は起こりにくいのでカソード電極55付
近でAl原子の欠乏が生じ、ボイドが発生しやすくな
る。
The above problem is more likely to occur due to an increase in the length of the wiring compared to the cross-sectional area of the wiring as the integration degree of the semiconductor circuit increases. In a multilayer wiring structure, an Al plug may be used in a contact hole for internal connection between wirings. In such a case, Al atoms can move between the wirings through the Al plug in the contact hole. Therefore, the same problem as in the case where the wiring length is long occurs, and the concentration gradient of Al atoms becomes small and backflow does not easily occur. Therefore, Al atoms are deficient near the cathode electrode 55, and voids are easily generated.

【0014】本発明は、以上のような従来技術の問題点
に鑑みて、特に配線長の長い配線や多層配線構造でのマ
イグレーション耐性効果を有する配線構造を実現するこ
とが目的であり、これにより信頼性が高く、また寿命の
長い半導体装置を提供するものである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to realize a wiring structure having a migration resistance effect particularly in a wiring having a long wiring length or a multilayer wiring structure. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having high reliability and long life.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記問題点は、半導体基
板上に形成されたAlを主体とする配線層を有する半導
体装置において、前記Alを主体とする配線層中に前記
配線層の長手方向を横断するAlとは異なる金属を主体
とする少なくとも1つの柱状構造体を有することを特徴
とする半導体装置によって解決される。
SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned problem is caused by a problem that a semiconductor device having a wiring layer mainly composed of Al formed on a semiconductor substrate has a structure in which the wiring layer mainly composed of Al is disposed in a longitudinal direction of the wiring layer. The problem is solved by a semiconductor device having at least one columnar structure mainly composed of a metal different from Al crossing the column.

【0016】ここで、「主体とする」とは、その材料が
50%以上を占める場合をいう。図1は、本発明の原理
を説明する図である。図1(a) において、10はシリコ
ン基板、11はシリコン基板10上に形成されたシリコ
ン酸化膜、12はシリコン酸化膜11上に形成されたT
iN膜12a、Al膜12b、TiN膜12cの3層の
導電膜からなる配線層、13はカソード電極、14はア
ノード電極である。配線層12に電流がアノード電極1
4側からカソード電極13側へ流れると、Al原子はこ
れとは逆の方向15であるカソード電極13側からアノ
ード電極14側へと移動する。
Here, "mainly" means that the material accounts for 50% or more. FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. In FIG. 1A, reference numeral 10 denotes a silicon substrate, 11 denotes a silicon oxide film formed on the silicon substrate 10, and 12 denotes a T oxide formed on the silicon oxide film 11.
A wiring layer composed of three conductive films of an iN film 12a, an Al film 12b, and a TiN film 12c, 13 is a cathode electrode, and 14 is an anode electrode. The current is applied to the anode electrode 1 in the wiring layer 12.
When Al atoms flow from the 4 side to the cathode electrode 13 side, the Al atoms move from the cathode electrode 13 side to the anode electrode 14 side, which is the opposite direction 15.

【0017】図1(a) に示すように、配線層12には、
その配線長手方向に金属不純物を多量に含んだ柱状構造
体16が形成されている。この柱状構造体16はAl原
子の拡散を妨げるバリヤの効果をもつ。即ち、矢印15
の方向にAl原子が移動してきても、柱状構造体16が
その移動をさえぎって、それ以上Al原子がアノード電
極側14へ移動することを阻止する。
As shown in FIG. 1A, the wiring layer 12 has
A columnar structure 16 containing a large amount of metal impurities is formed in the longitudinal direction of the wiring. The columnar structure 16 has a barrier effect of preventing diffusion of Al atoms. That is, arrow 15
, The columnar structure 16 blocks the movement and prevents the Al atom from moving further to the anode electrode side 14.

【0018】また、図1(b) に示すように、配線層12
が柱状構造体16によって配線長方向のいくつかのより
短い領域に分断されることにより、Al濃度は、配線の
全長においてではなく分断領域内において各々の濃度勾
配をもつようになる。このため、短い配線の場合と同じ
ように濃度勾配が急になり、移動したAl原子が逆流す
る力18が大きくなる。結果としてAl原子がカソード
電極13側で欠乏することが少なくなり、ボイドの発生
は防止される。
Further, as shown in FIG.
Is divided by the columnar structure 16 into several shorter regions in the wiring length direction, so that the Al concentration has a respective concentration gradient not in the entire length of the wiring but in the divided region. For this reason, the concentration gradient becomes steep as in the case of the short wiring, and the force 18 in which the moved Al atoms flow back is increased. As a result, the deficiency of Al atoms on the cathode electrode 13 side is reduced, and the generation of voids is prevented.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下に本発明の第1の実施の形態
を図2を参照しながら説明する。図2(a) 〜(c) は、こ
の実施形態に係る半導体装置の製造方法の模式工程断面
図である。図2(a) において、30はシリコン半導体基
板、31はBPSG膜、32はBPSG膜31上に形成
されたTi膜32a及びTiN膜32bからなる第1の
バリヤメタル層、33は下層バリヤメタル層32上のA
l層である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 2A to 2C are schematic process sectional views of a method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment. In FIG. 2A, 30 is a silicon semiconductor substrate, 31 is a BPSG film, 32 is a first barrier metal layer composed of a Ti film 32a and a TiN film 32b formed on the BPSG film 31, and 33 is a lower barrier metal layer 32 A
1 layer.

【0020】図2(a) に示すように、CVDによりシリ
コン基板30上に膜厚約1μmのBPSG膜31からな
る下地絶縁膜を形成する。次いで、BPSG膜31の表
面にスパッタリングまたはCVD法により、堆積膜厚が
各々約50nmのTi膜32a及びTiN膜32bから
なる第1のバリアメタル層32を順次堆積させ、その後
2 とO2 の混合ガスによる雰囲気下、400℃、30
分程度の熱処理をする。この第1のバリヤメタル層32
は、次に形成されるAl層33とシリコン半導体基板3
0との間の相互反応を防止するために形成するものであ
る。また、熱処理はこの相互反応防止をより強固なもの
とするために行う。次に、PVD法によりAl層33を
400nm程度堆積させる。
As shown in FIG. 2A, a base insulating film made of a BPSG film 31 having a thickness of about 1 μm is formed on a silicon substrate 30 by CVD. Next, a first barrier metal layer 32 composed of a Ti film 32a and a TiN film 32b each having a thickness of about 50 nm is sequentially deposited on the surface of the BPSG film 31 by sputtering or CVD, and then N 2 and O 2 are deposited. 400 ° C., 30 in an atmosphere of mixed gas
Heat treatment for about a minute. This first barrier metal layer 32
Is the Al layer 33 to be formed next and the silicon semiconductor substrate 3
It is formed in order to prevent a mutual reaction with 0. In addition, heat treatment is performed to strengthen the prevention of the mutual reaction. Next, an Al layer 33 is deposited to a thickness of about 400 nm by a PVD method.

【0021】続いて、Al層33の表面上にホトレジス
ト層34を塗布し、不純物を注入すべき場所に、開口部
35を形成する。この工程は、通常のホトリソグラフィ
工程により行うことができる。尚、開口部35の位置
は、例えばAl配線層33の配線長方向に5μm毎の間
隔で形成され、一つの開口部35の大きさは、例えば約
0.5μm角である。この不純物柱状構造体の間隔及び
大きさは、エレクトロマイグレーション抑制効果と配線
抵抗とのバランスを考慮して決められばよい。
Subsequently, a photoresist layer 34 is applied on the surface of the Al layer 33, and an opening 35 is formed at a location where impurities are to be implanted. This step can be performed by a usual photolithography step. The positions of the openings 35 are formed, for example, at intervals of 5 μm in the wiring length direction of the Al wiring layer 33, and the size of one opening 35 is, for example, about 0.5 μm square. The spacing and size of the impurity columnar structures may be determined in consideration of the balance between the effect of suppressing electromigration and the wiring resistance.

【0022】このようにして開口部35を形成したマス
クを用い、図2(b) に示すようにイオン注入法により、
Cuイオンを注入する。イオン注入の条件は、200ke
V 程度の加速エネルギー、1015〜1018/cm2程度の注
入量で行う。この条件では、膜厚400nm程度のAl
層33のちょうど中央にCuイオンが達する。続いてホ
トレジスト層34をアッシング等により除去する。その
後約400℃、30分程度の熱処理を行う。以上の処理
により、Al層33内の所定の位置にはCu含有量が例
えば1%程度の柱状の構造体37が形成される。尚、こ
こでは注入するイオンとしてCuを用いたが、Cuのほ
か、Ti、Ni、Pd等を用いることも可能である。
Using the mask in which the openings 35 are formed as described above, as shown in FIG.
Cu ions are implanted. The condition of ion implantation is 200 ke
The implantation is performed with an acceleration energy of about V and an implantation amount of about 10 15 to 10 18 / cm 2 . Under this condition, the thickness of the Al film is about 400 nm.
Cu ions reach the center of the layer 33 exactly. Subsequently, the photoresist layer 34 is removed by ashing or the like. Thereafter, heat treatment is performed at about 400 ° C. for about 30 minutes. By the above processing, a columnar structure 37 having a Cu content of, for example, about 1% is formed at a predetermined position in the Al layer 33. Although Cu is used as the ion to be implanted here, Ti, Ni, Pd, or the like can be used instead of Cu.

【0023】次に、図2(c) に示すように、Al層33
上にTi層38a及びTiN層38bからなる第2のバ
リアメタル層38を堆積させる。この第2のバリヤメタ
ル層38は、Al層33とその後の工程で上に形成され
る層との間の相互反応を防止するために形成するもので
ある。堆積膜厚は、例えばTi層38aは約20nm、
TiN層38bは約50nmである。
Next, as shown in FIG.
A second barrier metal layer 38 including a Ti layer 38a and a TiN layer 38b is deposited thereon. The second barrier metal layer 38 is formed to prevent an interaction between the Al layer 33 and a layer formed thereon in a subsequent step. The deposited film thickness is, for example, about 20 nm for the Ti layer 38a,
The thickness of the TiN layer 38b is about 50 nm.

【0024】次に所要の配線層をパターニングするた
め、レジストを全体に塗布し、露光現像して、レジスト
パターンを形成する。続いてこのレジストパターンをエ
ッチングマスクとして用い、RIE(反応性イオンエッ
チング)等の異方性エッチングを行う。即ち、Ti膜3
2a、TiN膜32b、Al層33、Ti層38a、T
iN層38bの5層の導電膜をエッチングした後、レジ
ストパターンを除去し、配線層を形成する。
Next, in order to pattern a required wiring layer, a resist is applied to the whole, and is exposed and developed to form a resist pattern. Subsequently, anisotropic etching such as RIE (reactive ion etching) is performed using the resist pattern as an etching mask. That is, the Ti film 3
2a, TiN film 32b, Al layer 33, Ti layer 38a, T
After etching the five conductive films of the iN layer 38b, the resist pattern is removed to form a wiring layer.

【0025】ここで、不純物柱状構造体37を5μm間
隔にしたのは、もともと配線長が5μm以下の短いもの
ではエレクトロマイグレーションがほとんど起こらない
ことから、この程度の間隔で不純物柱状構造体を作れ
ば、短い配線と同様にエレクトロマイグレーションが抑
制されることが期待できるからである。次に、本発明の
第2の実施の形態を図3、図4を参照しながら説明す
る。図3(a) 〜(c) 、図4(a) 〜(c) は、この実施の形
態に係る半導体装置の製造方法の模式工程断面図であ
る。図中で図2(a) 〜(c) と同じ記号は、同一または相
当するものを示す。
The reason why the impurity columnar structures 37 are arranged at intervals of 5 μm is that if the wiring length is as short as 5 μm or less, almost no electromigration occurs. This is because electromigration can be expected to be suppressed as in the case of a short wiring. Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3C and FIGS. 4A to 4C are schematic process cross-sectional views of a method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment. In the figure, the same symbols as those in FIGS. 2A to 2C indicate the same or corresponding elements.

【0026】はじめに、図3(a) に示すように、第1の
実施の形態と同様の工程で、シリコン基板30上にBP
SG膜31を形成し、BPSG膜31上に第1のバリア
メタル層(本実施の形態ではTiN膜)32、Al層3
3、第2のバリアメタル層(本実施の形態ではTiN
膜)38を順次形成し、さらにAl層中に不純物柱状構
造体37を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, the BP is formed on the silicon substrate 30 in the same process as in the first embodiment.
An SG film 31 is formed, and a first barrier metal layer (TiN film in the present embodiment) 32 and an Al layer 3 are formed on the BPSG film 31.
3. Second barrier metal layer (TiN in this embodiment)
A film 38 is formed sequentially, and an impurity columnar structure 37 is formed in the Al layer.

【0027】続いて、周知のフォトリソグラフィ法を用
いて第2のバリアメタル層38、Al層33、第1のバ
リアメタル層31を順次パターニングして第1の配線層
41を形成する。続いて、CVD法により、膜厚約1μ
mのBPSG膜からなる層間絶縁膜40を第1の配線層
41の上に形成する。次に、図3(b) に示すように、層
間絶縁膜40をパターンニングして、第1の配線層41
上のカソード側及びアノード側それぞれに、開口部42
a、42bを形成する。
Then, the second barrier metal layer 38, the Al layer 33, and the first barrier metal layer 31 are sequentially patterned by using a well-known photolithography method to form a first wiring layer 41. Subsequently, the film thickness is about 1 μm by the CVD method.
An interlayer insulating film 40 made of m BPSG films is formed on the first wiring layer 41. Next, as shown in FIG. 3B, the interlayer insulating film 40 is patterned to form a first wiring layer 41.
An opening 42 is provided on each of the upper cathode side and the upper side.
a and 42b are formed.

【0028】次に、図3(c) に示すように、スパッタリ
ング又はCVD法により層間絶縁膜40及び開口部42
a、42bを被覆して膜厚約100nmのTiN膜43
を形成する。次に、図4(a) に示すように、スパッタリ
ング又はCVD法によりAl膜44を、開口42a、4
2bが完全に埋まる以上の厚さである膜厚約100nm
のに堆積する。
Next, as shown in FIG. 3C, the interlayer insulating film 40 and the opening 42 are formed by sputtering or CVD.
a, 42b, a TiN film 43 having a thickness of about 100 nm
To form Next, as shown in FIG. 4A, the Al film 44 is formed by sputtering or CVD into the openings 42a, 4a.
A film thickness of about 100 nm that is thicker than 2b is completely buried
Deposits on the surface.

【0029】続いて、図4(b) に示すように、Al膜4
4をエッチバックして、開口42a、42b内に堆積さ
れたAl膜45のみが残るようにする。このとき、先に
堆積されたTiN膜43は層間絶縁膜40上に残るよう
エッチバックを調節する。開口42a、42b内に埋め
込まれたAlプラグ45a、45bは、第1の配線層4
1と以下の工程で形成する第2の配線層46とを接続す
るものである。
Subsequently, as shown in FIG.
4 is etched back so that only the Al film 45 deposited in the openings 42a and 42b remains. At this time, the etch back is adjusted so that the previously deposited TiN film 43 remains on the interlayer insulating film 40. The Al plugs 45a and 45b embedded in the openings 42a and 42b are connected to the first wiring layer 4
1 and a second wiring layer 46 formed in the following steps.

【0030】次に、図4(c) に示すように、Alのスパ
ッタリングにより、第2層めのAl層47を400nm
程度堆積させる。さらに、このAl層47上にTiN層
48を約50nm堆積させる。この後、パターニングをし
て、第2の配線層46を形成する。ここでは、第1の配
線層41に不純物柱状構造体37を形成する例を示した
が、第2の配線層46に不純物柱状構造体を形成して
も、第1及び第2の配線層41、46の両方に不純物柱
状構造体を形成するものであってもよい。
Next, as shown in FIG. 4C, the second Al layer 47 is formed to a thickness of 400 nm by sputtering of Al.
Deposit to a degree. Further, a TiN layer 48 is deposited on this Al layer 47 by about 50 nm. After that, the second wiring layer 46 is formed by patterning. Here, an example in which the impurity columnar structure 37 is formed in the first wiring layer 41 has been described. However, even if the impurity columnar structure is formed in the second wiring layer 46, the first and second wiring layers 41 may be formed. , 46 may be formed with impurity columnar structures.

【0031】尚、上記実施の形態では、コンタクトホー
ルの埋め込みプラグとして、Alを用いたが、Wを用い
ても構わない。また、上記のAl配線層としては、純A
l層の他、エレクトロマイグレーション耐性を高める不
純物として、Al層にCuイオンをイオン注入したAl
−Cuの合金又はAl−Si−Cuの合金を用いてもい
い。また、この他、Ti、Ni、Pd等とAlとの合金
を用いることも可能である。尚、Al層は、バンブー構
造の結晶粒を有するものでもよいし、Alの結晶粒の結
晶方向が<111>方向に揃ったものを用いてもよい。
In the above embodiment, Al is used as the plug for filling the contact hole, but W may be used. Further, pure A is used as the Al wiring layer.
In addition to the l layer, an Al layer obtained by ion-implanting Cu ions into the Al layer as an impurity for enhancing electromigration resistance.
An alloy of —Cu or an alloy of Al—Si—Cu may be used. In addition, it is also possible to use an alloy of Al with Ti, Ni, Pd, or the like. The Al layer may have bamboo-structured crystal grains, or may have a crystal orientation of Al crystal grains in the <111> direction.

【0032】また、上記の実施の形態では、配線層とし
て、TiN膜、Al層、TiN膜の3層構造やTi膜、
TiN膜、Al層、TiN膜、Ti膜の5層構造を用い
ているが、この代わりにAl膜等からなる単層構造を用
いてもいい。
In the above embodiment, the wiring layer has a three-layer structure of a TiN film, an Al layer, a TiN film, a Ti film,
Although a five-layer structure of a TiN film, an Al layer, a TiN film, and a Ti film is used, a single-layer structure made of an Al film or the like may be used instead.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
によれば、配線層の所定位置に配線層とは異なる種類の
金属を主体とする柱状構造体を設けることで、エレクト
ロマイグレーションによるAl原子の拡散を防ぐ障壁と
なり、且つ長配線を実質的に分断化してAl原子の濃度
勾配を短配線と同様の勾配にすることで、いったん移動
したAl原子が強く逆流する効果を利用し、ボイド等の
不良が発生することを防ぐ。これにより、微細化された
配線の信頼性を向上させるという優れた効果を奏するも
のである。
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, by providing a columnar structure mainly composed of a metal of a different type from that of the wiring layer at a predetermined position of the wiring layer, Al atoms formed by electromigration can be obtained. It becomes a barrier to prevent the diffusion of Al, and the long wiring is substantially divided so that the concentration gradient of Al atoms is made the same as that of the short wiring. To prevent defects from occurring. As a result, an excellent effect of improving the reliability of the miniaturized wiring is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の原理を表す配線の断面図及びAl濃度
勾配図である。
FIG. 1 is a sectional view of a wiring and an Al concentration gradient diagram illustrating the principle of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法の模式工程断面図である。
FIG. 2 is a schematic process sectional view of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法の模式工程断面図(その1)である。
FIG. 3 is a schematic process cross-sectional view (part 1) of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;

【図4】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法の模式工程断面図(その2)である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view (Part 2) of the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【図5】従来のAl配線の断面図及びAl濃度勾配図
(配線長が短い場合)である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional Al wiring and an Al concentration gradient diagram (when the wiring length is short).

【図6】従来のAl配線の断面図及びAl濃度勾配図
(配線長が長い場合)である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional Al wiring and an Al concentration gradient diagram (when the wiring length is long).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、30、50 シリコン基板 11、31、51 シリコン酸化膜 12、52、41 配線層 12a、32、52a 第1のバリヤメタル
層 12b、33、52b Al配線層 12c,52c 第2のバリヤメタル
層 13、53 カソード電極 14、54 アノード電極 15、55 Al原子の流れ 16、37 金属不純物を含んだ
柱状構造体 18、56 移動したAl原子が
逆流する力 19、53 カソード電極 20 柱状構造体の位置 21、54 アノード電極 32b、38a Ti膜 32b、38b、43、48 TiN膜 34 ホトレジスト層 35 ホトレジスト層の開
口部 38 第2のバリヤメタル
層 40 層間絶縁膜 41 第1の配線層 44、47 Al配線層 42a、42b 層間絶縁膜の開口部 45a、45b Alプラグ 46 第2の配線層 57 ボイド
10, 30, 50 Silicon substrate 11, 31, 51 Silicon oxide film 12, 52, 41 Wiring layer 12a, 32, 52a First barrier metal layer 12b, 33, 52b Al wiring layer 12c, 52c Second barrier metal layer 13, 53 Cathode electrode 14, 54 Anode electrode 15, 55 Flow of Al atoms 16, 37 Columnar structure containing metal impurities 18, 56 Force for moving back Al atoms 19, 53 Cathode electrode 20 Position of columnar structure 21, 54 Anode electrode 32b, 38a Ti film 32b, 38b, 43, 48 TiN film 34 Photoresist layer 35 Opening of photoresist layer 38 Second barrier metal layer 40 Interlayer insulating film 41 First wiring layer 44, 47 Al wiring layer 42a, 42b Opening of interlayer insulating film 45a, 45b Al plug 46 Second wiring Layer 57 void

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に形成されたAlを主体と
する配線層を有する半導体装置において、前記Alを主
体とする配線層中に前記配線層の長手方向を横断するA
lとは異なる金属を主体とする少なくとも1つの柱状構
造体を有することを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device having a wiring layer mainly composed of Al formed on a semiconductor substrate, wherein the wiring layer mainly composed of Al crosses a longitudinal direction of the wiring layer.
A semiconductor device having at least one columnar structure mainly composed of a metal different from l.
【請求項2】 半導体基板上に形成された第1の配線層
と、前記第1の配線層上に形成された絶縁層と前記絶縁
層中に形成され前記第1の配線層と接続するAlを主体
としたプラグと、前記絶縁層上に形成され前記プラグを
介して前記第1の配線層と接続される第2の配線層と、
前記第1と第2の配線層の少なくとも一つの配線層の長
手方向を横断して少なくとも1つのAlとは異なる金属
を主体とする柱状構造体を前記第1の配線層又は第2の
配線層中に有することを特徴とする半導体装置。
2. A first wiring layer formed on a semiconductor substrate, an insulating layer formed on the first wiring layer, and an Al formed in the insulating layer and connected to the first wiring layer. A second wiring layer formed on the insulating layer and connected to the first wiring layer via the plug;
At least one columnar structure mainly composed of a metal different from Al is traversed in the longitudinal direction of at least one of the first and second wiring layers to form the first or second wiring layer. A semiconductor device characterized by having the semiconductor device inside.
【請求項3】 前記Alと異なる金属は、Cu、Ti、
NiまたはPdであることを特徴とする請求項1記載の
半導体装置。
3. The metal different from Al is Cu, Ti,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is Ni or Pd.
【請求項4】 半導体基板上にAlを主体とする配線層
を形成する工程と、前記Alを主体とする配線層中に前
記配線層の長手方向を横断して前記配線層の主体となる
金属以外を主体とする導体を導入する工程とを有するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. A step of forming a wiring layer mainly composed of Al on a semiconductor substrate; and forming a metal layer mainly composed of the wiring layer in the wiring layer mainly composed of Al by traversing a longitudinal direction of the wiring layer. Introducing a conductor mainly composed of a semiconductor device.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9899326B2 (en) 2014-11-19 2018-02-20 Renesas Electronics Corporation Semiconductor device with inhibited electromigration and manufacturing method thereof

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