JPH11154676A - Metal wiring and forming method thereof - Google Patents

Metal wiring and forming method thereof

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JPH11154676A
JPH11154676A JP31970497A JP31970497A JPH11154676A JP H11154676 A JPH11154676 A JP H11154676A JP 31970497 A JP31970497 A JP 31970497A JP 31970497 A JP31970497 A JP 31970497A JP H11154676 A JPH11154676 A JP H11154676A
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Japan
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metal
wiring
film
particles
diffusion barrier
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JP31970497A
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Japanese (ja)
Inventor
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

PROBLEM TO BE SOLVED: To form the minute metal wiring having the high allowable current density. SOLUTION: First, a wiring groove 2 is formed in a thermally oxidized film 1. Then, metal fine grains 4, made of Al fine grains 5 and a W thin film 6 covering this Al fine grains 5, is deposited on the entire surface of the thermally oxidized film 1 so as to fill the metal fine grains 4 in the wiring groove 2. Then, by sintering the metal fine grains 5, an Al film 4a as the metal wiring, wherein the respective Al crystal particles 5a are separated from each other by a W layer 6a as a diffusion barrier layer is formed. Finally, the Al film 4a outside of the wiring groove 2 is removed by CMP(chemical-mechanical polishing).

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、半導体装置に用い
られる金属配線に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal wiring used for a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSIの高集積化、高速化には、微細な
素子間を電気的に接続する金属配線の許容電流密度を継
続的に上昇させていく必要がある。このためには、エレ
クトロマイグレーションと呼ばれる高電流密度下での金
属原子の一方拡散に起因する配線断線に対する耐性を向
上させる必要がある。
2. Description of the Related Art To increase the integration and speed of LSI, it is necessary to continuously increase the allowable current density of metal wiring for electrically connecting fine elements. For this purpose, it is necessary to improve resistance to disconnection of wiring caused by one-diffusion of metal atoms under high current density called electromigration.

【0003】従来、金属配線は、例えば以下のようにし
て形成していた。すなわち、表面に配線溝が形成された
絶縁膜上に金属薄膜をスパッタリング法、蒸発法または
化学的気相成長(CVD)法などの成膜法により成長さ
せ、この成長させた金属薄膜をリフローにより配線溝内
に埋め込み、そして化学的機械的研磨(CMP)法によ
り配線溝外の余剰な金属薄膜を除去して形成していた
(ダマシン法)。
Conventionally, metal wiring has been formed, for example, as follows. That is, a metal thin film is grown on an insulating film having a wiring groove formed on its surface by a film forming method such as a sputtering method, an evaporation method, or a chemical vapor deposition (CVD) method, and the grown metal thin film is reflowed. It is formed by embedding in a wiring groove and removing an excess metal thin film outside the wiring groove by a chemical mechanical polishing (CMP) method (damascene method).

【0004】ところで、スパッタリング法、蒸発法また
はCVD法などの成膜法では、金属配線である金属薄膜
の結晶粒の大きさや結晶粒の分布や結晶の方位などを制
御することはできない。
[0004] In the case of a film forming method such as a sputtering method, an evaporation method or a CVD method, it is not possible to control the size, distribution and orientation of crystal grains of a metal thin film as a metal wiring.

【0005】一方、金属配線の許容電流密度は、結晶粒
の大きさや結晶径の分布や結晶の方位の揃い具合に依存
することが知られている。例えば、ある結晶粒の大きさ
を持つ金属薄膜から金属配線を形成する場合には、形成
する金属配線の幅(配線幅)によって許容電流密度は異
なる。
On the other hand, it is known that the allowable current density of a metal wiring depends on the size of crystal grains, the distribution of crystal diameters, and the degree of uniformity of crystal orientation. For example, when a metal wiring is formed from a metal thin film having a certain crystal grain size, the allowable current density differs depending on the width (wiring width) of the formed metal wiring.

【0006】すなわち、配線幅が平均結晶粒径より小さ
い場合には、金属配線を横切る竹の節(バンブー)状の
結晶粒界を有する構造(バンブー構造)となり、許容電
流密度は非常に高くなる。
That is, when the wiring width is smaller than the average crystal grain size, a structure having a bamboo-shaped crystal grain boundary crossing the metal wiring (bamboo structure) is obtained, and the allowable current density becomes extremely high. .

【0007】一方、配線幅が平均結晶粒径より大きい場
合には、粒界三重点を有する構造となり、金属配線を形
成している元素の速い拡散経路である結晶粒界の三重点
でヒロックまたはボイドが成長し、特にボイドの成長に
より破断に至る確率が高くなるため、許容電流密度は低
くなる。
On the other hand, when the wiring width is larger than the average crystal grain size, the structure has a grain boundary triple point, and hillocks or hillocks are formed at the crystal grain boundary triple point, which is a fast diffusion path of the element forming the metal wiring. Since the probability that the void grows and breaks particularly due to the growth of the void increases, the allowable current density decreases.

【0008】LSIの中には種々の配線幅の金属配線が
存在する。したがって、上述した結晶粒の大きさを制御
できない従来法では、LSI中の種々の配線幅の金属配
線の全てをバンブー構造にすることはできず、配線全体
の許容電流密度を高くすることはできない。
[0008] Metal wirings of various wiring widths exist in LSIs. Therefore, in the above-described conventional method in which the size of the crystal grain cannot be controlled, all of the metal wirings having various wiring widths in the LSI cannot have a bamboo structure, and the allowable current density of the entire wiring cannot be increased. .

【0009】ところで、エレクトロマイグレーションに
よる原子の一方向拡散は、金属配線の長さ(配線長)を
ある長さ(臨界長)以下にすることにより抑制できるこ
とが知られている。そのメカニズムは以下の通りであ
る。
It is known that one-way diffusion of atoms due to electromigration can be suppressed by reducing the length of metal wiring (wiring length) to a certain length (critical length) or less. The mechanism is as follows.

【0010】金属配線にDC電流が流れると、エレクト
ロマイグレーションによる原子の一方向拡散の進行とと
もに、金属配線内に原子の移動を伴う応力勾配が生じ、
この応力勾配によってエレクトロマイグレーションとは
反対方向の原子の流れが生じる。
When a DC current flows through the metal wiring, a one-way diffusion of atoms due to electromigration progresses, and a stress gradient accompanying movement of the atoms is generated in the metal wiring.
This stress gradient causes the flow of atoms in a direction opposite to the electromigration.

【0011】このため、配線長が臨界長下になると、エ
レクトロマイグレーションと上述の応力勾配による原子
の流れが相殺し、エレクトロマイグレーションによるボ
イドやヒロックの成長は実質的に抑制される。
For this reason, when the wiring length becomes below the critical length, the electromigration and the flow of the atoms due to the above-described stress gradient cancel each other, and the growth of voids and hillocks due to the electromigration is substantially suppressed.

【0012】この効果を応用すれば、LSI中の金属配
線を臨界長以下の複数の単位配線に分断することによ
り、金属配線の許容電流密度を著しく向上させることが
可能となる。
By applying this effect, the allowable current density of the metal wiring can be significantly improved by dividing the metal wiring in the LSI into a plurality of unit wirings having a critical length or less.

【0013】金属配線を臨界長以下の複数の単位配線に
分断する技術としては、例えばAl配線の場合には、C
uを添加して合金化し、結晶粒界にAlの拡散を抑制す
るAlとCuとの化合物を形成することにより、Al配
線を臨界長以下の複数の単位Al配線に分断する方法が
提案されていた。
As a technique for dividing a metal wiring into a plurality of unit wirings having a critical length or less, for example, in the case of an Al wiring, a C wiring is used.
A method has been proposed in which an Al wiring is divided into a plurality of unit Al wirings having a critical length or less by forming a compound of Al and Cu that suppresses Al diffusion at a crystal grain boundary by alloying by adding u. Was.

【0014】しかし、この方法は、Al拡散の抑制効果
が不十分であったため、Al配線の長手方向に長距離の
Alの拡散が生じ、その結果、ヒロックまたはボイドの
成長点でAlが過剰または不足となり、ヒロックまたは
ボイドが成長し、実質的な配線短絡または破断といった
巨視的な欠陥となって現れるという問題があった。
However, in this method, since the effect of suppressing Al diffusion is insufficient, Al is diffused over a long distance in the longitudinal direction of the Al wiring, and as a result, excess or excessive Al is formed at the hillock or void growth point. There is a problem that the shortage or hillocks or voids grow and appear as macroscopic defects such as substantial wiring short circuit or breakage.

【0015】さらに、金属配線を臨界長以下の複数の単
位配線にするという制約を与えて、実際のLSI中の金
属配線を設計することは、現状では非常に困難であると
いう問題があった。
Further, there is a problem that it is very difficult at present to design a metal wiring in an actual LSI by giving a restriction that the metal wiring is made a plurality of unit wirings having a critical length or less.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、金属配線
の許容電流密度を高くするために、バンブー構造の金属
配線を形成したり、臨界長以下の複数の単位配線に分断
された金属配線を形成することが提案されていたが、こ
のような金属配線を形成することは技術的に困難である
という問題があった。
As described above, in order to increase the allowable current density of the metal wiring, a metal wiring having a bamboo structure is formed, or the metal wiring divided into a plurality of unit wirings having a critical length or less is formed. Although it has been proposed to form such a metal wiring, there is a problem that it is technically difficult to form such a metal wiring.

【0017】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、形成が容易な許容電流
密度の高い金属配線およびその形成方法を提供すること
にある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a metal wiring having a high allowable current density, which can be easily formed, and a method of forming the same.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】[構成]上記目的を達成
するために、本発明に係る金属配線(請求項1)は、配
線溝内に形成され、金属の結晶粒の各々が拡散障壁層に
より互いに分断されていることを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] To achieve the above object, a metal wiring according to the present invention (claim 1) is formed in a wiring groove, and each of the crystal grains of the metal has a diffusion barrier layer. Are separated from each other.

【0019】配線溝は、その長手方向、深さ方向または
これらの両方向に沿って配線幅が変化していても良い
(請求項2)。拡散障壁層は、例えば高融点金属、その
窒化物、弗化物、炭化物もしくは酸化物、またはAlと
高融点金属との化合物もしくはCuと高融点金属との化
合物から形成されたものである(請求項3)。
In the wiring groove, the wiring width may vary along the longitudinal direction, the depth direction, or both directions. The diffusion barrier layer is formed of, for example, a refractory metal, a nitride, a fluoride, a carbide or an oxide thereof, or a compound of Al and a refractory metal or a compound of Cu and a refractory metal. 3).

【0020】また、本発明に係る金属配線の形成方法
(請求項4)は、絶縁膜に配線溝を形成する工程と、第
1の金属からなる金属微粒子と、この金属微粒子を覆う
前記第1の金属に対して拡散障壁として働く第2の金属
からなる金属薄膜とを含む配線粒子を、前記配線溝を充
填するように前記絶縁膜の全面に堆積する工程と、前記
配線粒子を加熱および加圧することにより、前記第1の
金属の結晶粒の各々が前記第2の金属からなる拡散障壁
層により互いに分断された金属配線としての金属膜を形
成する工程と、前記配線溝外の前記金属膜を除去する工
程とを有することを特徴とする。
Further, in the method for forming a metal wiring according to the present invention (claim 4), a step of forming a wiring groove in an insulating film, the fine metal particles made of a first metal, and the first metal covering the fine metal particles are provided. Depositing wiring particles including a metal thin film made of a second metal acting as a diffusion barrier with respect to the metal over the entire surface of the insulating film so as to fill the wiring grooves; and heating and heating the wiring particles. Forming a metal film as metal wiring in which each of the crystal grains of the first metal is separated from each other by a diffusion barrier layer made of the second metal by pressing, and forming the metal film outside the wiring groove. And a step of removing

【0021】前記絶縁膜に、長手方向、深さ方向または
これらの両方向に沿って配線幅が変化した配線溝を形成
しても良い(請求項5)配線溝外の前記金属配線として
の金属膜は、例えば金属膜の全面を化学的機械的研磨に
より研磨することにより行なう(請求項6)。
[0021] In the insulating film, a wiring groove having a wiring width changed along a longitudinal direction, a depth direction, or both directions may be formed. Is performed, for example, by polishing the entire surface of the metal film by chemical mechanical polishing (claim 6).

【0022】配線溝と金属配線との密着性を確保するた
めには、例えば配線溝の表面に密着層を形成した後に配
線粒子を堆積すると良い(請求項7)。あるいは配線粒
子として、拡散障壁層が第1の金属で覆われたものを用
いても良い(請求項8)。
In order to secure the adhesion between the wiring groove and the metal wiring, it is preferable to deposit wiring particles after forming an adhesion layer on the surface of the wiring groove, for example. Alternatively, a diffusion barrier layer covered with a first metal may be used as the wiring particles (claim 8).

【0023】また、比抵抗の低い金属配線を形成するに
は、例えば配線粒子として粒径の異なる複数の配線粒子
を用いると良い(請求項9)。 [作用]本発明(請求項1,2)によれば、金属の結晶
粒の各々が拡散障壁層により互いに分断されているの
で、金属配線を構成する全ての結晶粒間の金属の拡散は
防止される。したがって、本発明によれば、微細化を進
めても、許容電流密度の高い金属配線を実現できるよう
になる。
In order to form a metal wiring having a low specific resistance, it is preferable to use, for example, a plurality of wiring particles having different particle sizes as wiring particles. [Operation] According to the present invention (claims 1 and 2), since each of the metal crystal grains is separated from each other by the diffusion barrier layer, diffusion of the metal between all the crystal grains constituting the metal wiring is prevented. Is done. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a metal wiring having a high allowable current density even if miniaturization is advanced.

【0024】また、本発明(請求項3〜7)によれば、
配線材料として、表面が拡散障壁層で覆われた金属粒子
を用いることにより、金属の結晶粒の各々が拡散障壁層
により互いに分断された金属配線を容易に形成できるよ
うになる。
According to the present invention (claims 3 to 7),
By using metal particles whose surface is covered with the diffusion barrier layer as the wiring material, it becomes possible to easily form a metal wiring in which each of the crystal grains of the metal is separated from each other by the diffusion barrier layer.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係る金属配線(ダマシン配線)の形成方法を示す工程断
面図である。
Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a process sectional view showing a method of forming a metal wiring (damascene wiring) according to a first embodiment of the present invention.

【0026】まず、図1(a)に示すように、厚さ1μ
mの熱酸化膜1の表面に深さ0.4μm、幅5μmの配
線溝2を形成する。熱酸化膜1は図示しないシリコン基
板上に形成したものである。
First, as shown in FIG.
A wiring groove 2 having a depth of 0.4 μm and a width of 5 μm is formed on the surface of the m thermal oxide film 1. The thermal oxide film 1 is formed on a silicon substrate (not shown).

【0027】次に図1(b)に示すように、全面に密着
膜としての厚さ10nmのTi薄膜3を形成した後、配
線溝2から溢れる量の金属微粒子4(配線粒子)をTi
薄膜3の全面に堆積する。図2(a)にこの工程の断面
斜視図を示す。
Next, as shown in FIG. 1B, after a Ti thin film 3 having a thickness of 10 nm as an adhesion film is formed on the entire surface, metal fine particles 4 (wiring particles) overflowing from the wiring groove 2 are removed by Ti.
It is deposited on the entire surface of the thin film 3. FIG. 2A is a sectional perspective view of this step.

【0028】ここで、金属微粒子4は、直径50nmの
Al微粒子5と、このAl微粒子5の表面を被覆する厚
さ5nmのW薄膜6とから構成されている。このような
金属微粒子4は、例えば化学反応によりWの水溶液中で
Al粉の表面にWを析出させるという無電界メッキによ
り形成することができる。
Here, the metal fine particles 4 are composed of Al fine particles 5 having a diameter of 50 nm and a W thin film 6 having a thickness of 5 nm which covers the surface of the Al fine particles 5. Such metal fine particles 4 can be formed by, for example, electroless plating in which W is precipitated on the surface of Al powder in an aqueous solution of W by a chemical reaction.

【0029】また、Ti薄膜3の形成工程と金属微粒子
4の堆積工程は真空的に連続で行なう。これらの工程は
別々の真空チャンバまたは同じ真空チャンバで行なう。
ただし、後者のほうが好ましい。
The step of forming the Ti thin film 3 and the step of depositing the metal fine particles 4 are continuously performed in a vacuum. These steps are performed in separate vacuum chambers or in the same vacuum chamber.
However, the latter is preferred.

【0030】次に図1(c)に示すように、金属微粒子
4に400℃、10分間の熱処理(仮焼結)を施した
後、温度250℃、圧力200MPaの真空中で、金属
微粒子4を加熱および加圧する(本焼結)。この結果、
Alの結晶粒5aの各々がW拡散障壁層6aにより互い
に分断されたAl膜4aが形成される。
Next, as shown in FIG. 1 (c), the metal fine particles 4 are subjected to a heat treatment (temporary sintering) at 400 ° C. for 10 minutes, and then, at a temperature of 250 ° C. and a pressure of 200 MPa, in a vacuum. Is heated and pressed (main sintering). As a result,
An Al film 4a is formed in which each of the Al crystal grains 5a is separated from each other by the W diffusion barrier layer 6a.

【0031】次に図1(d)に示すように、CMP法を
用いて配線溝2外の余剰なAl膜4a、Ti薄膜3を除
去する。この結果、Al膜4aからなる金属配線(ダマ
シン配線)が完成する。図2(b)にこの工程の断面斜
視図を示す。この後、真空チャンバから試料を取り出
す。
Next, as shown in FIG. 1D, the excess Al film 4a and the Ti thin film 3 outside the wiring groove 2 are removed by using the CMP method. As a result, a metal wiring (damascene wiring) made of the Al film 4a is completed. FIG. 2B is a sectional perspective view of this step. Thereafter, the sample is taken out of the vacuum chamber.

【0032】この後、プラズマCVD法を用いて、パッ
シベーション膜として、厚さ400nmのSiO2 膜、
厚さ700nmのシリコン窒化膜を順次形成し、このパ
ッシベーション膜としての積層膜にAl膜4aに達する
パッド孔を形成する。
Thereafter, an SiO 2 film having a thickness of 400 nm was formed as a passivation film using a plasma CVD method.
A silicon nitride film having a thickness of 700 nm is sequentially formed, and a pad hole reaching the Al film 4a is formed in the laminated film as the passivation film.

【0033】本実施形態の金属配線は、Alの結晶粒5
aの各々が拡散障壁層としてのW拡散障壁層6aにより
互いに分断されているので、金属配線を構成する全ての
結晶粒間のAlの拡散は防止される。
In the present embodiment, the metal wiring is made of Al crystal grains 5.
Since a is separated from each other by the W diffusion barrier layer 6a as a diffusion barrier layer, diffusion of Al between all the crystal grains constituting the metal wiring is prevented.

【0034】これにより、微細化を進めても、エレクト
ロマイグレーションやボイドやヒロックの成長を防止で
きる。したがって、本実施形態によれば、許容電流密度
の高い微細な金属配線を実現できるようになる。また、
このような金属配線を用いることにより、デバイスの高
速化、動作温度の高温化が可能となる。
As a result, even if miniaturization is advanced, electromigration, growth of voids and hillocks can be prevented. Therefore, according to the present embodiment, a fine metal wiring having a high allowable current density can be realized. Also,
By using such a metal wiring, it is possible to increase the speed of the device and increase the operating temperature.

【0035】また、このような構造のAl配線は、本実
施形態のように、配線材料として、表面がW薄膜6で覆
われたAl微粒子5を用い、これを焼結することにより
容易に形成できる。 (第1の比較例)Ti薄膜3を形成するまでの工程は同
じである。その後、真空を保ったまま室温で厚さ300
nmのAl−0.5w%Cu膜を形成し、続いて450
℃にて厚さ300nmのAl−0.5w%Cu膜を形成
する。この後、CMP法を用いて配線溝外の余剰なAl
−0.5w%Cu膜を除去して、Al−0.5w%Cu
膜からなる金属配線を形成する。
Further, the Al wiring having such a structure is easily formed by sintering the Al fine particles 5 whose surface is covered with the W thin film 6 as a wiring material as in the present embodiment. it can. (First Comparative Example) The steps up to the formation of the Ti thin film 3 are the same. Then, maintain a vacuum and maintain a thickness of 300 at room temperature.
nm Al-0.5w% Cu film is formed, followed by 450 nm.
At 300C, an Al-0.5w% Cu film having a thickness of 300 nm is formed. Thereafter, the excess Al outside the wiring groove is formed by using the CMP method.
After removing the -0.5 w% Cu film, the Al-0.5 w% Cu
A metal wiring made of a film is formed.

【0036】この比較例の金属配線および本実施形態の
金属配線のエレクトロマイグレーション試験を行なっ
た。このエレクトロマイグレーション試験は、温度20
0℃の環境下で、ボンディングパッケージした長さ30
0mmの金属配線に、電流密度が2MA/cm2 となる
電流を流すというものである。
An electromigration test was performed on the metal wiring of this comparative example and the metal wiring of this embodiment. This electromigration test was performed at a temperature of 20.
Under the environment of 0 ° C, the length of the bonding package is 30
A current having a current density of 2 MA / cm 2 flows through a 0 mm metal wiring.

【0037】その結果、本実施形態の金属配線は、電流
を流してから500時間経った後も抵抗値は変動しなか
った。また、500時間後の配線パターンを走査型電子
顕微鏡(SEM)を用いて観察したところ、ボイドおよ
びヒロックは全く発生していなかった。これに対して、
比較例の金属配線は、電流を流してから約100時間後
に断線不良を起こした。 (第2の実施形態)図3は、本発明の第2の実施形態に
係る金属配線(ダマシン配線)の形成方法を示す工程断
面図である。
As a result, the resistance value of the metal wiring of the present embodiment did not change even after 500 hours from the passage of the current. When the wiring pattern after 500 hours was observed using a scanning electron microscope (SEM), no voids and hillocks were generated. On the contrary,
In the metal wiring of the comparative example, a disconnection failure occurred about 100 hours after the current was passed. Second Embodiment FIG. 3 is a process sectional view showing a method of forming a metal wiring (damascene wiring) according to a second embodiment of the present invention.

【0038】まず、図3(a)に示すように、厚さ1μ
mの熱酸化膜11の表面に深さ0.4μm、幅5μmの
配線溝12を形成する。熱酸化膜11は図示しないシリ
コン基板上に形成したものである。ここまでは、第1の
実施形態と同じである。
First, as shown in FIG.
A wiring groove 12 having a depth of 0.4 μm and a width of 5 μm is formed on the surface of the thermal oxide film 11 of m. The thermal oxide film 11 is formed on a silicon substrate (not shown). Up to this point, the operation is the same as in the first embodiment.

【0039】次に図3(b)に示すように、真空中で、
配線溝12から溢れる量の金属微粒子13を熱酸化膜1
1の全面に堆積する。ここで、金属微粒子13は、直径
50nmのAl微粒子14と、このAl微粒子14の表
面を被覆する厚さ1nmのTiN薄膜15と、このTi
N薄膜15の表面を被覆する厚さ1nmのAl薄膜16
とから構成されている。
Next, as shown in FIG.
The fine metal particles 13 overflowing from the wiring grooves 12 are removed from the thermal oxide film 1.
1 is deposited on the entire surface. Here, the metal fine particles 13 are Al fine particles 14 having a diameter of 50 nm, a 1-nm thick TiN thin film 15 covering the surface of the Al fine particles 14,
1 nm thick Al thin film 16 covering the surface of N thin film 15
It is composed of

【0040】次に図3(c)に示すように、第1の実施
形態と同様に、金属微粒子13を仮焼結、本焼結するこ
とにより、Alの結晶粒14aの各々がTiN拡散障壁
層15aにより互いに分断されたAl膜13aを形成す
る。この後、真空チャンバから試料を取り出す。
Next, as shown in FIG. 3C, as in the first embodiment, by sintering and sintering the fine metal particles 13, each of the Al crystal grains 14a becomes a TiN diffusion barrier. An Al film 13a separated from each other by the layer 15a is formed. Thereafter, the sample is taken out of the vacuum chamber.

【0041】次に図3(d)に示すように、CMP法を
用いて配線溝12外の余剰なAl膜13aを除去する。
この結果、Al膜13aからなる金属配線(ダマシン配
線)が完成する。
Next, as shown in FIG. 3D, the excess Al film 13a outside the wiring groove 12 is removed by using the CMP method.
As a result, a metal wiring (damascene wiring) made of the Al film 13a is completed.

【0042】この後、プラズマCVD法を用いて、パッ
シベーション膜として、厚さ400nmのSiO2 膜、
厚さ700nmのシリコン窒化膜を順次形成し、このパ
ッシベーション膜としての積層膜にAl膜13aに達す
るパッド孔を形成する。
Thereafter, a 400 nm thick SiO 2 film was formed as a passivation film by using a plasma CVD method.
A silicon nitride film having a thickness of 700 nm is sequentially formed, and a pad hole reaching the Al film 13a is formed in the laminated film as the passivation film.

【0043】本実施形態でも第1の実施形態と同様な効
果が得られる。さらに本実施形態の場合、Al薄膜16
により下地(熱酸化膜11)と金属微粒子13との間の
密着性および金属微粒子13間の密着性が高くなり、ま
た焼結時にAlとWの合金化反応、TiとWの合金化反
応、またはこれらの両方の合金化反応がないために、表
1に示すように、第1の実施形態よりも金属配線の比抵
抗は小さかった。 (第2の比較例)本実施形態と異なる点は、密着膜とし
てのAl薄膜16がない金属微粒子(Al微粒子14、
TiN薄膜15)を用いたことにある。この比較例の場
合、CMP時に金属微粒子の欠落が生じ、表1に示すよ
うに、第1の実施形態よりも金属配線の比抵抗は大きか
った。
In this embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained. Further, in the case of the present embodiment, the Al thin film 16
As a result, the adhesion between the base (thermal oxide film 11) and the metal fine particles 13 and the adhesion between the metal fine particles 13 are increased, and an alloying reaction between Al and W, an alloying reaction between Ti and W during sintering, Alternatively, since there is no alloying reaction of both, as shown in Table 1, the specific resistance of the metal wiring was smaller than that of the first embodiment. (Second Comparative Example) The difference from this embodiment is that metal fine particles (Al fine particles 14,
That is, a TiN thin film 15) is used. In the case of the comparative example, the metal fine particles were missing during the CMP, and as shown in Table 1, the specific resistance of the metal wiring was higher than that of the first embodiment.

【0044】[0044]

【表1】 [Table 1]

【0045】なお、本実施形態では、Al微粒子14の
最表面をAl薄膜16で覆ったが、その代りにNi薄膜
またはCu薄膜で覆っても良い。要は密着性を高める膜
であれば良い。 (第3の実施形態)次に本発明の第3の実施形態に係る
金属配線(ダマシン配線)の形成方法について説明す
る。
In the present embodiment, the outermost surface of the Al fine particles 14 is covered with the Al thin film 16, but may be covered with a Ni thin film or a Cu thin film instead. In short, any film that improves the adhesion may be used. Third Embodiment Next, a method of forming a metal wiring (damascene wiring) according to a third embodiment of the present invention will be described.

【0046】本実施形態が第1の実施形態と主として異
なる点は、配線材料として、直径の異なる2種類の金属
微粒子を用いたことになる。具体的には、厚さ5nmの
W薄膜で覆われた直径50nmのCu微粒子と、厚さ5
nmのW薄膜で覆われた直径10nmのCu微粒子とを
用いた。また、密着膜として厚さ3nmのTi薄膜を用
いた。また、本焼結は、250℃、300MPaの真空
中で行なった。
The main difference between this embodiment and the first embodiment is that two kinds of fine metal particles having different diameters are used as the wiring material. Specifically, Cu fine particles having a diameter of 50 nm covered with a W thin film having a thickness of 5 nm,
Cu fine particles with a diameter of 10 nm covered with a W thin film of 10 nm were used. In addition, a 3 nm-thick Ti thin film was used as the adhesion film. The main sintering was performed at 250 ° C. in a vacuum of 300 MPa.

【0047】本実施形態でも第1の実施形態と同様な効
果が得られる。さらに本実施形態によれば、異なる直径
のCu微粒子を用いることにより、焼結密度が高くな
り、その結果、表2に示すように、W薄膜で覆われた直
径50nmのCu微粒子だけを用いた場合(第3の比較
例)に比べて、金属配線の比抵抗は小さくなった。
In this embodiment, effects similar to those of the first embodiment can be obtained. Furthermore, according to the present embodiment, the sintering density is increased by using the Cu fine particles having different diameters. As a result, as shown in Table 2, only the Cu fine particles having a diameter of 50 nm covered with the W thin film are used. The specific resistance of the metal wiring was smaller than that in the case (third comparative example).

【0048】[0048]

【表2】 [Table 2]

【0049】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではない。例えば、上記実施形態ではダマシン配線
の場合であったが、本発明は深さ方向に配線幅が変化し
た配線であるデュアルダマシン配線にも適用できる。ま
た、長手方向に沿って配線幅が変化した金属配線にも適
用できる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the case of the damascene wiring is described. However, the present invention can be applied to a dual damascene wiring in which the wiring width is changed in the depth direction. Further, the present invention can also be applied to a metal wiring in which the wiring width changes along the longitudinal direction.

【0050】いずれの場合も、本発明の効果を得ること
ができる。すなわち、従来法では結晶粒の大きさなどを
制御できなかったので、例えば配線幅の最も広い金属配
線により許容電流密度が制限されていたが、本発明では
金属の結晶粒の各々が拡散障壁層により互いに分断され
ているので、このような制限はない。
In any case, the effects of the present invention can be obtained. That is, since the size of crystal grains and the like cannot be controlled by the conventional method, for example, the allowable current density is limited by the metal wiring having the widest wiring width. However, in the present invention, each of the metal crystal grains has a diffusion barrier layer. , There is no such restriction.

【0051】また、拡散障壁層の材料も上記実施形態で
述べたもの限定されるものではなく、例えば[構成]で
述べた種々の材料を用いることができる。その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施でき
る。
Also, the material of the diffusion barrier layer is not limited to those described in the above embodiment, and for example, various materials described in [Configuration] can be used. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、配
線材料として、表面が拡散障壁層で覆われた金属粒子を
用いることにより、金属の結晶粒の各々が拡散障壁層に
より互いに分断され、許容電流密度の高い金属配線を容
易に実現できるようになる。
As described in detail above, according to the present invention, by using metal particles whose surface is covered with a diffusion barrier layer as a wiring material, each of the metal crystal grains is separated from each other by the diffusion barrier layer. As a result, a metal wiring having a high allowable current density can be easily realized.

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

【図1】本発明の第1の実施形態に係る金属配線(ダマ
シン配線)の形成方法を示す工程断面図
FIG. 1 is a process sectional view showing a method for forming a metal wiring (damascene wiring) according to a first embodiment of the present invention;

【図2】図1(b)および図1(d)の工程の金属配線
の断面斜視図
FIG. 2 is a cross-sectional perspective view of the metal wiring in the steps of FIG. 1 (b) and FIG. 1 (d).

【図3】本発明の第2の実施形態に係る金属配線(ダマ
シン配線)の形成方法を示す工程断面図
FIG. 3 is a process sectional view showing a method for forming a metal wiring (damascene wiring) according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…熱酸化膜 2…配線溝 3…Ti薄膜 4…金属微粒子(配線粒子) 4a…Al膜 5…Al微粒子(金属微粒子) 5a…Alの結晶粒 6…W薄膜 6a…W拡散障壁層 11…熱酸化膜 12…配線溝 13…金属微粒子(配線粒子) 13a…Al膜 14…Al微粒子 14a…Alの結晶粒 15…TiN薄膜 15a…TiN拡散障壁層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermal oxide film 2 ... Wiring groove 3 ... Ti thin film 4 ... Metal fine particles (wiring particles) 4a ... Al film 5 ... Al fine particles (metal fine particles) 5a ... Al crystal grains 6 ... W thin film 6a ... W diffusion barrier layer 11 ... thermal oxide film 12 ... wiring groove 13 ... metal fine particles (wiring particles) 13a ... Al film 14 ... Al fine particles 14a ... Al crystal grains 15 ... TiN thin film 15a ... TiN diffusion barrier layer

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】配線溝内に形成され、金属の結晶粒の各々
が拡散障壁層により互いに分断されていることを特徴と
する金属配線。
1. A metal wiring formed in a wiring groove, wherein each of metal crystal grains is separated from each other by a diffusion barrier layer.
【請求項2】前記配線溝は、その長手方向、深さ方向ま
たはこれらの両方向に沿って配線幅が変化していること
を特徴とする請求項1に記載の金属配線。
2. The metal wiring according to claim 1, wherein the wiring width of the wiring groove changes along the longitudinal direction, the depth direction, or both of these directions.
【請求項3】前記拡散障壁層は、高融点金属、その窒化
物、弗化物、炭化物もしくは酸化物、またはAlと高融
点金属との化合物もしくはCuと高融点金属との化合物
から形成されていることを特徴とする請求項1に記載の
金属配線。
3. The diffusion barrier layer is formed of a refractory metal, a nitride, a fluoride, a carbide or an oxide thereof, a compound of Al and a refractory metal or a compound of Cu and a refractory metal. The metal wiring according to claim 1, wherein:
【請求項4】絶縁膜に配線溝を形成する工程と、 第1の金属からなる金属微粒子と、この金属微粒子を覆
う、前記第1の金属に対して拡散障壁として働く第2の
金属からなる金属薄膜とを含む配線粒子を、前記配線溝
を充填するように前記絶縁膜の全面に堆積する工程と、 前記配線粒子を加熱および加圧することにより、前記第
1の金属の結晶粒の各々が前記第2の金属からなる拡散
障壁層により互いに分断された金属配線としての金属膜
を形成する工程と、 前記配線溝外の前記金属膜を除去する工程とを有するこ
とを特徴とする金属配線の形成方法。
4. A step of forming a wiring groove in an insulating film, comprising: metal fine particles made of a first metal; and a second metal covering the metal fine particles and acting as a diffusion barrier for the first metal. Depositing wiring particles including a metal thin film on the entire surface of the insulating film so as to fill the wiring grooves; and heating and pressing the wiring particles, whereby each of the crystal grains of the first metal becomes Forming a metal film as a metal wiring separated from each other by a diffusion barrier layer made of the second metal; and removing the metal film outside the wiring groove. Forming method.
【請求項5】前記絶縁膜に、長手方向、深さ方向または
これらの両方向に沿って配線幅が変化した配線溝を形成
することを特徴とする請求項4に記載の金属配線の形成
方法。
5. The method according to claim 4, wherein a wiring groove whose wiring width is changed in the longitudinal direction, the depth direction, or both directions is formed in the insulating film.
【請求項6】前記金属配線としての金属膜の全面を化学
的機械的研磨により研磨することにより、前記配線溝外
の前記金属膜を除去することを特徴とする請求項4に記
載の金属配線の形成方法。
6. The metal wiring according to claim 4, wherein the metal film outside the wiring groove is removed by polishing the entire surface of the metal film as the metal wiring by chemical mechanical polishing. Formation method.
【請求項7】前記配線溝の表面に密着層を形成した後、
前記配線粒子を堆積することを特徴とする請求項4に記
載の金属配線の形成方法。
7. After forming an adhesion layer on the surface of the wiring groove,
The method according to claim 4, wherein the wiring particles are deposited.
【請求項8】前記拡散障壁層が前記第1の金属で覆われ
ていることを特徴とする請求項4に記載の金属配線の形
成方法。
8. The method according to claim 4, wherein said diffusion barrier layer is covered with said first metal.
【請求項9】前記配線粒子は、粒径の異なる複数の配線
粒子により構成されていることを特徴とする請求項4に
記載の金属配線の形成方法。
9. The method according to claim 4, wherein the wiring particles are composed of a plurality of wiring particles having different particle diameters.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100493428B1 (en) * 2000-12-30 2005-06-07 주식회사 하이닉스반도체 Method for Polishing Electrode lines of a Semiconductor Device
WO2012128139A1 (en) 2011-03-24 2012-09-27 富士フイルム株式会社 Method for forming copper wiring, method for manufacturing wiring substrate, and wiring substrate

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