JPS63272054A - 半導体装置の製造方法 - 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】 【発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置の製造方法に係わり、特にアルミ
ニウム配線の信頼性向上をはかった半導体装置の製造方
法に関する。

（従来の技術） 従来、半導体装置の配線層としては、アルミニウムが一
般に用いられており、アルミニウム配線はその酸化を防
止するために５ｉ０２等の絶縁膜で被覆されている。そ
して、この絶縁膜の形成方法としては、化学気相成長法
（ＣＶＤ法）等が一般に用いられている。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、絶縁膜を形成する時の基板温度、つま
りアルミニウム配線の温度は２００〜４００℃であるた
め、アルミニウム配線上に絶縁膜を形成した後の室温へ
の降温時において、アルミニウムと絶縁膜との熱膨張率
の差に基づく大きな引張り応力がアルミニウム配線に働
くため、配線のストレスマイグレーションによる断線不
良が生じ易い。特に、配線の幅が１μｍ程度以下の微細
な配線においては、上記熱的な応力による配線の信頼性
低下が大きな問題となってきている。

また、アルミニウム配線は多結晶構造であり、その結晶
粒の大きさは数μｍ以下の大きさである。

このため、配線幅が１μｍ前後となってきた最近の半導
体装置においては配線中の電流密度が増加し、さらに配
線幅がグレインサイズと同程度になってきたため、エレ
クトロマイグレーション等による断線不良が生じ易く、
配線寿命の低下が問題となっている。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来、絶縁膜で被覆されたアルミニウム配線
においては、アルミニウムと絶縁膜との熱膨張率差に起
因して、アルミニウム配線に熱的な応力が作用する。こ
のため、アルミニウム配線に断線不良等が生じ、配線の
信頼性低下を招く等の問題があった。

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、アルミニウム配線に作用する熱的な応
力を低減することができ、アルミニウム配線の信頼性向
上をはかり得る半導体装置の製造方法を提供することに
ある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、アルミニウム配線に作用する熱的応力
を低減するために絶縁膜の形成温度を低くすることにあ
る。ここで、絶縁膜の形成温度を低くするとその形成速
度が低下し、結果としてスルーブツトの低下を招く。そ
こで本発明では、通常の成長温度よりも低い温度で絶縁
膜を形成したのち、通常の成長温度で絶縁膜を形成する
と云う２段階の絶縁膜形成により、スルーブツトの低下
を防止している。

即ち本発明は、アルミニウムを主成分とする配線層を絶
縁膜で被覆してなる半導体装置の製造方法において、前
記配線層が形成された半導体基板上に低温で第１の絶縁
膜を形成したのち、前記基板上に高温で第２の絶縁膜を
形成するようにした方法である。

（作用） アルミニウムの線膨張係数は２．３Ｘ　１０′５ｄｅｇ
’であり、絶縁膜として一般に用いられるシリコン酸化
膜（Ｓ１０２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の線膨張係
数０．３Ｘ　１０″６ｄｅｇ−１及び２．５Ｘ　１０（
′ｄｅｇ’に比べて非常に大きい。このため、アルミニ
ウム配線上に絶縁膜を形成する際の基板温度が高い場合
は、絶縁膜形成後の降温時に配線に非常に大きな引張り
の熱的応力が作用することになる。そこで、本発明のよ
うに低温（１５０℃以下）で適当な厚さく５００人程反
末まで第１の絶縁膜を形成することにより、配線に作用
する熱的応力を小さくすることができる。また、第１の
絶縁膜を形成したのちは、基板温度を上げて十分な厚さ
の第２の絶縁膜を形成しても、配線の周辺が既に第１の
絶縁膜で被覆された後であるので、配線に作用する熱的
応力は配線上に直接第２の絶縁膜を形成する場合に比べ
て極めて小さいものでなる。従って、アルミニウムと絶
縁膜との熱膨張率差に起因するアルミニウム配線の断線
不良等を防止することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例方法に係わる半導体装置の製
造工程を示す断面図である。まず、第１図（ａ）に示す
如く、Ｓｔ基板１１上に層間絶縁膜としての５ｉ０２膜
１２を熱酸化法により　０．５μｍの厚さに形成した後
、全面にマグネトロンスパッタ法により例えば０．５％
のＳｉを含むＡノ膜１３を０．８μｍの厚さに堆積する
。その後、Ａノ膜１３上にレジストパターン（図示せず
）を形成し、反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）によ
りＡノ膜１３を選択エツチングすることにより、第１図
（ｂ）に示す如くＡノ配線層１３′を形成した。

なお、このときの配線幅及びスペース幅は共に１μｍと
した。

次いで、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラ
ズマを利用したＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、反応ガ
スとしてのＳｉＨ４及び０２の流量を共に２０ｃｃ／ｓ
ｉｎ　、反応室内圧力を５　Ｘ　１０’　Ｔｏｒｒ、基
板温度を６０℃として、第１図（１１，）に示す如く全
面にＳ　１０２膜（第１の絶縁膜）１４を０．１μｍの
厚さに形成する。次いで、常圧ＣＶＤ法により基板温度
４００℃で、第１図（ｄ）に示す如く例えばリンを２％
含む５ｉ０２膜（第２の絶縁膜）１５を５ｉ０２膜１４
上に０．７μｍの厚さに堆積する。

かくして形成されたＡＩ配線においては、４００℃の温
度で５ＩＯ２膜１５を形成する前に６０℃の温度で５ｉ
０２膜１４を形成しているので、５ｉ０２膜１５の形成
後の降温時にＡＩ！配線に作用する引張り応力を低減す
ることができる。即ち、Ｓ　Ｉ　Ｏ２ＩＩＩ　１４の存
在により、Ａ、ｆｆ配線に作用する熱応力は、６０℃か
ら室温までの温度差における５ＩＯ２とＡノとの膨張差
となり、４００℃から室温までのこれらの膨張差と比べ
ると格段に小さくなる。このため、Ａノ配線の断線不良
を低減することができ、配線の信頼性向上をはかり得る
。なお、第１の絶縁膜である５ＩＯ２膜１４を０．８μ
ｍ程度と十分厚く形成すれば第２の絶縁膜である５ｉ０
２膜１５は不要となるが、この場合Ｓ　ｉ　ｏ２膜１４
の堆積速度が遅いのでスルーブツトが著しく低下する。

本実施例では堆積速度の遅い５ｉ０２膜１４を薄く、堆
積速度の速い５１０２膜１５を厚く形成することにより
、スループットの低下を未然に防止している。

また、上記Ａノ配線の信頼性試験結果を第２図に示す。

ここで、比較のために従来例として、５ｉｏ２膜１４．
１５を共に基板温度４００℃の常圧ＣＶＤ法で形成した
ものを、上記実施例と同様に試験した。１７５℃、　２
０００時間、恒温放置した後の断線不良の割合を調べた
。なお、信頼性試験をしたサンプル数は各々２０００個
であり、またＡノ配線長は１ｍｌである。従来例では断
線不良率１．９％であったのが、実施例では０．２％と
断線不良率は１０分の１に減少し、配線の信頼性が大幅
に向上しているのが確認された。

第３図は本発明の他の実施例を説明するための工程断面
図である。この実施例は、Ａノ配線のグレインサイズを
拡大して配線層の安定化をはかったものである。

まず、第３図（ａ）に示す如く、先の実施例と同様にＳ
ｔ基板３１上に５ＩＯ２膜３２及びＡノ膜３３を堆積す
る。この状態においては、Ａノ膜３３のグレインサイズ
は１〜２μｍ程度であり、Ａノ膜３３中には図示のよう
にグレイン境界３４が存在している。

次いで、上記試料を例えばＩ　Ｘ　１０４Ｔｏｒｒの真
空中に置き、この試料に周波数が１ＯＫＩＩｚで磁界強
度が５００ガウスの交流磁界を１０分間印加した。この
磁界印加によりＡノ膜３３中で渦電流が流れジュール熱
が発生する。そして、このジュール熱によりＡｉ膜３３
の温度が上昇し、グレインの再成長が生じる。その結果
、Ａノ膜３３のグレインサイズは１０μｍ以上となり、
第３図（ｂ）に示す如くグレイン境界３４の数は極めて
少なくなった。なお、上記交流磁界の印加は必ずしも真
空中である必要はなく、ヘリウムや窒素等のＡノと反応
しない不活性ガス中で行ってもよい。

次いで、先の実施例と同様にレジストパターンを用いた
ＲＩＥによる選択エツチングにより、第３図（Ｃ）に示
す如（Ａ）配線ｆｉ！！３Ｂ’を形成した。

このときの配線幅及びスペース幅は後述する如く設定し
た。これ以降は、先の実施例と同様に第１及び第２の絶
縁膜としての５ｉ０２膜１４．１５を先の実施例と同様
の方法で形成した。

かくして形成されたＡノ配線においては、Ａ、ｉ７膜３
３に交流磁界を印加してグレインサイズの拡大をはかっ
ているので、エレクトロマイグレーションを抑制するこ
とができ、配線の信頼性向上をはかり得る。また、交流
磁界の印加による渦電流を利用していることから、加熱
部をＡＪ膜３３のみに限定することができる。従って、
素子の形成された基板３１を加熱することなく、ＡＩ膜
３３のみを加熱することができ、ＡＩ！膜３３の加熱に
伴う素子の劣化を未然に防止することができる。

また、上記Ａノ配線の信頼性加速試験の結果を第４図に
示す。図中Ｏ印が従来例であり、Δ印が実施例である。

配線幅は１〜４μｍ１配線長は２１１１１１で、試験条
件は電流密度１　ｘ　１０６Ａ／ｃＮ−２，温度２００
℃とした。従来例の場合、配線幅の減少に伴いエレクト
ロマイグレーシジンにより配線が断線に至るまでの平均
寿命時間は短くなり、１μｍ及び２μｍの配線幅の場合
で約２００時間である。これに対し本実施例の場合、同
一条件下では配線の平均寿命は３０００時間以上となり
、配線の信頼性が大幅に向上することが確認された。

なお、本発明は上述した各実施例方法に限定されるもの
ではない。例えば、前記配線層はＡノーＳｔ合金に限定
されるものではなく、純粋なＡノ、さらにＡ、ｌ？とＣ
ｕ、Ｔｉ、Ｍｇ等との合金であってもよい。さらに、こ
れらの積層膜を用いることも可能である。また、配線層
上に形成する絶縁膜としては、５ＬＯ２の他にＳｉＮ、
５ｉＯＮを用いることができ、さらにこれらにＢ、Ｐ等
の不純物を添加した膜を用いることも可能である。また
、第１の絶縁膜を形成する方法としては、ＥＣＲプラズ
マＣＶＤ法に限らず、低温で絶縁膜を形成できる方法で
あればよく、例えば光ＣＶＤ法を用いることができるｂ
また、第１の絶縁膜の形成温度及び膜厚は適宜変更可能
であるが、本発明者等の実験によれば、１５０℃以下の
温度で５００Å以上の膜厚であれば、前述した効果が十
分得られることが判明している。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができ
る。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、アルミニウムを主
成分とする配線層上に２段階の成長により絶縁膜を形成
することにより、配線に作用する熱的な応力（ストレス
マイグレーション）を低減することができ、配線の信頼
性向上をはかることができる。従って、アルミニウムを
主成分とする配線を形成した半導体装置の製造に適用し
て絶大な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法に係わる半導体装置の製
造工程を示す断面図、第２図は上記実施例方法の効果を
説明するためのもので実施例と従来例との断線不良発生
の割合を示す特性図、第３図は本発明の他の実施例方法
を説明するための工程断面図、第４図は上記他の実施例
方法の効果を説明するためのものでＡノ配線幅に対する
配線平均寿命の変化を示す特性図である。 １１．３１・・・Ｓｔ基板、１２．３２・・・５ＩＯ２
膜（層間絶縁膜）、１３．３３・・・Ａ、ｆｆ膜、１３
′。 ３３′・・・Ａノ配線層、１４・・・５ｉ０２膜（第１
の絶縁膜）、１５・・・５１０２膜（第２の絶縁膜）、
３４・・・グレイン境界。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミニウムを主成分とする配線層を絶縁膜で被
   覆してなる半導体装置の製造方法において、前記配線層
   が形成された半導体基板上に低温で第１の絶縁膜を形成
   する工程と、次いで前記基板上に高温で第２の絶縁膜を
   形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製
   造方法。
2. （２）前記第１の絶縁膜を形成する工程として、電子サ
   イクロトロン共鳴によるプラズマを利用したＣＶＤ法を
   用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半
   導体装置の製造方法。
3. （３）前記第１の絶縁膜を形成する際の温度を、１５０
   ℃以下に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の半導体装置の製造方法。
4. （４）前記第１の絶縁膜の厚さを、５００Å以上に設定
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又
   は第３項記載の半導体装置の製造方法。
5. （５）前記第２の絶縁膜を形成する工程として、常圧Ｃ
   ＶＤ法を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の半導体装置の製造方法。
6. （６）前記配線層は、予め減圧下或いは不活性ガス雰囲
   気中で、交流磁界の印加により加熱されることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の半導体装置の製造方法
   。