JPS63197358A - 金属薄膜配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体装置内で用いる金属薄膜配線の形成方法
に関するものであり、特に配線断面積を微小化した場合
にも信頼性低下の問題を生じない配線の形成方法に関す
る。

従来の技術 従来、半導体装置において用いる金属配線はＡｌもしく
はＡｌ（！−８ｔ　、Ｃｕ、Ｔｉなどを混合した合金薄
膜によって形成されていた。また、ＡｅもしくはＡ１合
金と他の金属、たとえばＴｉ。

Ｔａ　、Ｗなどの高融点金属もしくはそれらのケイ化物
とを組み合わせた配線も提案されているが、単にＡＩも
しくはＡ６合金と他の金属とを積層構造としたものであ
った。

発明が解決しようとする問題点 ＡｄもしくはＡ６合金による薄膜金属配線では、特に近
年の微細化°した半導体装置内で用いる場合、配線作製
後のシンター熱処理において、金属原子の移動およびそ
れに伴なう表面突起（ヒーロック）が発生し、それによ
って他の配線との短絡が生じるという問題があった。ま
た、配線断面積の減少によって電流密度が増大し、伝導
電子の移動に伴なってＡＩ原子が移動するエレクトロマ
イグレーシジンが顕著に生じ、それによって移動したＡ
ｌ原子が特定の位置に集まることによってヒーロックが
発生したり、さらに移動したあとに空孔（ボイド）が発
生し、配線の断線が生じたシする。

ＡｄもしくはＡ１合金とＴｉなどの高融点金属とを積層
した構造では、配線上面でのヒーロック発生は効果的に
抑制され、多層配線構造を採用した場合の上層配線との
層間短絡の発生量は少なくなる。ところが、その構造か
ら考えて明らかな様に、配線側面でのヒーロック発生に
対する抑制効果は小さく、従って同一配線層内の他の配
線との線間短絡は頻繁に発生したシ、しかもこの問題は
今後の半導体装置においては、さらに微細化が進むとと
もに平坦化技術を用いた多層配線構造の採用が一般化し
、層間絶縁膜厚に比して配線間隔が短かくなると予想さ
れるため、増々顕在化するものと考えられる。

本発明者は以上の様な従来の金属薄膜配線の諸欠点にか
んがみて種々考案研究した結果、本発明を完成するに至
ったものである。

問題点を解決するための手段 この発明の金属薄膜配線は、ＡｌもしくはＡｄ合金膜に
イオン注入し、Ａ１表面層を高融点金属のイオン注入層
によって覆うものである。

作　　用 ＡＩもしくはＡ１合金の表面をイオン注入した高融点金
属層で傑うことによって剛性の高い高融点金属膜とし、
薄膜金属層細線上面および側面におけるヒーロックの発
生を防止し、上層配線との短絡のみならず同一層内の膜
配線との短絡をも防止することができる。また、上記の
ごとく、ヒーロック発生が防止できることにより、ボイ
ドの発生およびそれに伴う断線の発生も抑制することが
でき、それらの効果により、微細化した金属薄膜配線の
信頼性低下を防止することができる。

また、高融点金属膜をＡｌ細線表面にイオン注入を用い
て形成し金属細線の上面および側面のみに選択的に行な
うことにより、リングラフィまたはエツチング工程を追
加することなく容易に上記の構造を実現することができ
る。

実施例 以下、図面に基づいて本発明について更に詳しく説明す
る。

第１図は本発明にかかる金属薄膜配線の一実施例の断面
図を示す。工場絶縁膜２には熱酸化５ｔＯ２膜、ＭＴＯ
，Ｎ８Ｇ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧなどのＣＶＤ　　Ｅ３ｘＯ
２膜、ＣＶＤ−８ｉ３Ｎ４膜、Ｐ　−８ｔｏ２、ｐ−８
ｉＮなどのプラズマＣＶＤ膜などを単独かもしくは複数
層積み重ねた構造で使用する。表面保護膜９はＮＳＧ、
ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ｐ−８ｉＯ２゜ｐ−８ｉＮなどの５
００℃程度以下の低温で形成できる膜を単層もシ＜は多
層で使用する。

以上の様な構成の金属薄膜配線は例えば次の様にして作
成される。すなわち、まず各種素子構造の作成を終えた
ｓｉラウェ１表面に工場絶縁膜２を堆積し、続いてＡｌ
＊Ｓｉ膜３をスパッタ法。

蒸着法などによって堆積した後レジスト膜７を設ける（
第２図（ａ）参照〕。次にレジストの露光を行ない、選
択除去しレジストパターン７Ａをマスクとして乾式もし
くは湿式蝕刻法によってＡｌ−８Ｌ細線３Ａを形成しく
第２図（ｂ）参照）、レジストを除去した後に第２図（
Ｃ）に示したようにＡｌ−３ｔ細線３Ａの上面および側
面に基板に対して斜め方向からＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、
Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の高融点金属イオン２ｏをイオ
ン注入（ｉ／ｉ）する。イオンの加速エネルギーは数１
０ＫｅＶ〜数１００ＫｅＶで、ドーズ量は、アルミの原
子密度とほぼ同等になる様、６×１０〜５Ｘ１ｔ）／−
とした。イオン打込み後、Ａｒ中でアニールを行ないイ
オン打込み層中及びＡｌ　−Ｓ　Ｌ膜３中の損傷を回復
し、低抵抗化を図った。６はこうして形成されたＷ−Ａ
ｌ膜である。第１図は以上の方法ののち、表面保護膜９
を形成した状態を示す。

第３図は、アルミ合金等の薄膜金属細線上にＷ薄膜６ｏ
を堆積した場合のＷ拡散層を示し、第４図はＷをイオン
注入法によって注入してＷ拡散層６ｏを形成した場合を
示す。アルミ合金薄膜３よシなる金属細線表面には表面
醸化膜４ｏがあり、その膜厚は場所によって厚みが異な
り、数１０人〜２００人程度まで厚みが変化する。よっ
てこのような表面酸化膜４ｏを介してＷを熱拡散すると
第３図に示すようにＷ拡散層３ｏの厚みが表面酸化膜４
ｏの厚みを増幅するように変化する。また、Ｗを熱拡散
するためには７００℃程度の高温で熱処理する必要があ
シ、エツチングされた薄膜金属細線のグレインが成長す
るので適当ではない。

７ｏはグレインバウンダリである一方、本発明に用いる
第４図に示す例では、イオン注入層の厚みは、イオン注
入エネルギーによっているので表面酸化膜４０の厚みに
ほとんど影響されずに注入されるため、合金層（注入層
６０）の厚みは一定であり、均一なボイドやヒーロック
防止膜として働く。

なお、下層絶縁膜２にもＡｄ−８ｉ細線表面と同様にイ
オン注入された層１ｏが形成されるが、この絶縁膜中注
入層１０の比抵抗は充分高く、絶縁性は保たれるみ 第５図及び第６図は、本発明による第２．第３の実施例
である。第１図との相違点は、第１図におけるＡ　Ｉ　
−Ｓ　ｉ細線のかわりにそれぞれＡｌ−８ｔ・ＴＩの細
ｌ１ｌｉ！４および、Ａｌ−８ｔ　−Ｔｉ　（＠／Ａｔ
−Ｅ３１　（３Ａ）／Ａｌ−３ｔ　−Ｔｔ　（＠／Ａｔ
−ＥＨ（ａＡ）の多層構造をイオン注入によって得た例
である。いずれの実施例においても、第１の実施例と比
較して特にボイドの発生量をより小さくすることができ
る。特に第６図の構造は配線が微細になると効果が大き
い。

第４の実施例では、第２図Ｃにおいてｌ’−８ｔ細線３
Ａの上面および側面に基板に対して斜め方向からＴｉ、
Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の高融点金属
をイオン注入しさらに、次表に示した周期律表の半金属
元素Ｂ、Ｃ，Ｎをイオン注入する。

Ｂをイオン注入したときには、特に下地の８１０２絶縁
膜ＫＢが注入されると高融点金属をイオン注入して欠陥
の入った５１０２膜の組成がホウ酸ガラスに近づき融点
が下がって、４５０’Ｃ程度のアニール温度でイオン注
入による損傷を回復できる。

また、下地がＳｉ　３Ｎ４膜であると、Ｎをイオン注入
し高融点金属のチツ化物を生成し、イオン注入層の高抵
抗性を保つ。

また、第２図（ｂ）において、Ａｄ−８ｉ膜を選択エツ
チングしてＡｌ−３ｉパターン３Ａを形成後にレジスト
膜パターン７Ａ（第２図（均は除去した状態を示す）を
除去する前に酸化膜２の表面にＢイオンや０イオンを注
入し、高融点金属を含んだガラスを作成しやすいように
酸化度やＢの含有量を調整すると、さらにイオン注入層
の損傷を除去できる。また、絶縁膜２中の注入層１０の
酸化度を調整でき、絶縁性の高くかつヒーロックの少な
い配線を形成することができる。

第８図、第７図は二層の多層配線構造を従来の方法およ
び本発明の方法によってそれぞれ作製した例を示す断面
図である。第８図に示す従来の方法により作成されたも
のではヒーロック１２の発生によって上層配線および同
一層内の他の配線との短絡が生じる、Ｔｌ配線膜表面に
Ａｌ２Ｏ３層１１が存在するために層間コンタクト抵抗
が高くなる。

という問題が発生しているのに対して本発明による方法
では第７図に示すごとく発生していない。

また、本発明においてはヒーロック防止膜をイオン注入
によって形成しているので金属細線の温度を室温におい
て行ない、損傷の回復には４５０℃程度と低温で処理で
きる。また、イオン注入によっているのでヒーロック防
止膜の膜厚や濃度を人為的にコントロールでき作製が容
易である。

さらに本発明は、第８図（従来例）と第７図（本発明）
の比較で明らかなように、配線の微細化が進むと平面上
での配線間の間隔が層間の配線間隔よりも小さくなり、
平面内での配線間のラテラルヒーロック１２が防止でき
る。

発明の効果 以上のように本発明によれば、エレクトロマイグレーシ
ゴン現象を顕著に起こすＡＩもしくはＡ１合金およびそ
れらと他の金属とを組み合わせた構造を使用した簿膜金
属細線の上面および側面が完全に高融点合金金属膜によ
って被覆されているため、上面および側面でのヒーロッ
ク発生が防止され、上層配線および同一配線層内の他の
配線との短絡の発生が防止される。また、ヒーロック発
生が防止されることにより、ボイドの成長による短絡の
発生に対しても防止効果が得られる。さらに、下層配線
薄膜表面のＡ１２０３Ｊｉ＃形成の影響によって多層配
線構造における層間コンタクト抵抗が高くなることも防
止できる。その上、前記合金金属膜をイオン注入によっ
て形成するのでリングラフィやエツチング工程を追加す
ることなく容易に所望の構造を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の方法により作成された配線
の断面図、第２図ｆａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は本
実施例の製造工程の一部を示した断面図、第３図は従来
例による拡散によってｘ１表面面に合金層を形成すると
きの表面部分の断面図、第４図は本発明によるイオン注
入で形成した合金金属膜の表面部分の断面図、第６図、
第６図は本発明による第２゜第３の実施例の断面図、第
７図は本発明によって形成した２層アルミ配線の断面図
、第８図は従来例によって形成した２層アルミ配線の断
面図である。 １・・・・・・Ｓｔウェハ、２・・・・・・下層絶縁膜
、３Ａ・・・・・・Ａｄ−５ｉ薄膜、６・・・・・・Ｗ
−Ａｌ膜、９・・・・・・表面保護膜。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名３−
Ａｌ膜２咲 第４図　　　　　０−で／を献１ 、−Ｊ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｑ
第５図 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＡｌもしくはＡｌ合金もしくはそれらと他の金属
   とを組み合わせた構造を使用した薄膜金属細線の上面お
   よび側面に、高融点金属との合金金属膜をイオン注入法
   により形成してなる金属薄膜配線の形成方法。
2. （２）高融点金属との合金金属膜にさらにＢ、Ｏ又はＮ
   のイオンを注入する特許請求の範囲第１項に記載の金属
   薄膜配線の形成方法。
3. （３）ＡｌもしくはＡｌ合金もしくはそれらと他の金属
   とを組み合わせた構造を使用した薄膜金属細線の上面お
   よび側面、さらに前記細線の膜厚のほぼ中央部に高融点
   金属との合金金属膜をイオン注入法によって形成してな
   る金属薄膜配線の形成方法。