JP3340578B2 - 半導体装置の多層配線及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置の多層配線及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路装置にお
けるアルミニウム（純アルミニウムに限らず、アルミニ
ウムに僅かのＳｉやＣｕなどを含み、半導体集積回路装
置の配線として用いられているアルミニウム合金も含め
てアルミニウム（Ａｌ）と称す）の多層配線とその製造
方法に関するものである。
けるアルミニウム（純アルミニウムに限らず、アルミニ
ウムに僅かのＳｉやＣｕなどを含み、半導体集積回路装
置の配線として用いられているアルミニウム合金も含め
てアルミニウム（Ａｌ）と称す）の多層配線とその製造
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム多層配線においては、下層
のＡｌ配線と上層のＡｌ配線をスルーホール（ビアホー
ルともいう）を介して接続する際、Ａｌによるスルーホ
ールの埋込みを改善するために、上層Ａｌ膜を形成する
際、基板を高温、例えば５００℃程度に加熱してスパッ
タリング法により行なうＡｌ加熱スパッタリング法がよ
いとされている。
のＡｌ配線と上層のＡｌ配線をスルーホール（ビアホー
ルともいう）を介して接続する際、Ａｌによるスルーホ
ールの埋込みを改善するために、上層Ａｌ膜を形成する
際、基板を高温、例えば５００℃程度に加熱してスパッ
タリング法により行なうＡｌ加熱スパッタリング法がよ
いとされている。
【０００３】さらに埋込みを改善するために、上層Ａｌ
膜のスパッタリング工程において、下層Ａｌ膜上や層間
絶縁膜表面での上層Ａｌ膜の濡れ性を改善するために、
上層Ａｌ膜の形成に先立ってウエッティング層としてチ
タン（Ｔｉ）膜を形成しておくことが提案されている
（1992 Symposium on VLSI Technology of Technical P
apers, 74-75 (1992 IEEE)参照）。その報告では、ホー
ル径が０.１５μｍでアスペクト比が４.５のスルーホー
ルに対し、Ａｌ加熱スパッタリング法によりスルーホー
ルを完全に埋め込むことができたとされている。
膜のスパッタリング工程において、下層Ａｌ膜上や層間
絶縁膜表面での上層Ａｌ膜の濡れ性を改善するために、
上層Ａｌ膜の形成に先立ってウエッティング層としてチ
タン（Ｔｉ）膜を形成しておくことが提案されている
（1992 Symposium on VLSI Technology of Technical P
apers, 74-75 (1992 IEEE)参照）。その報告では、ホー
ル径が０.１５μｍでアスペクト比が４.５のスルーホー
ルに対し、Ａｌ加熱スパッタリング法によりスルーホー
ルを完全に埋め込むことができたとされている。
【０００４】２層配線構造の一例を図１に示す。シリコ
ン基板２上に第１の層間膜４を形成し、層間膜４にはコ
ンタクトホールを形成する。コンタクトホール内面及び
層間膜４の上面は下層がＴｉで上層がＴｉＮの２層膜６
で被い、その後コンタクトホールをタングステン層８で
埋め込む。層間膜４上には基板を強制的に加熱しないで
スパッタリング法により形成したＡｌ無加熱スパッタリ
ング膜により形成した第１のＡｌ配線１０を形成し、Ａ
ｌ配線１０上からは第２の層間膜１２を形成し、層間膜
１２にはスルーホールを形成し、そのスルーホール内面
と層間膜１２上面にはＴｉスパッタ膜１４を被着した
後、第２のＡｌ配線１６を形成する。Ａｌ配線１６は下
層がＡｌ無加熱スパッタ膜１６ａであり、上層が基板を
５００℃程度に加熱して堆積したＡｌ加熱スパッタ膜で
ある。Ａｌ無加熱スパッタ膜の形成時、基板を強制的に
加熱はしないが、スパッタ時に自然に温度が上がり、２
５０℃程度にはなっているものと思われる。
ン基板２上に第１の層間膜４を形成し、層間膜４にはコ
ンタクトホールを形成する。コンタクトホール内面及び
層間膜４の上面は下層がＴｉで上層がＴｉＮの２層膜６
で被い、その後コンタクトホールをタングステン層８で
埋め込む。層間膜４上には基板を強制的に加熱しないで
スパッタリング法により形成したＡｌ無加熱スパッタリ
ング膜により形成した第１のＡｌ配線１０を形成し、Ａ
ｌ配線１０上からは第２の層間膜１２を形成し、層間膜
１２にはスルーホールを形成し、そのスルーホール内面
と層間膜１２上面にはＴｉスパッタ膜１４を被着した
後、第２のＡｌ配線１６を形成する。Ａｌ配線１６は下
層がＡｌ無加熱スパッタ膜１６ａであり、上層が基板を
５００℃程度に加熱して堆積したＡｌ加熱スパッタ膜で
ある。Ａｌ無加熱スパッタ膜の形成時、基板を強制的に
加熱はしないが、スパッタ時に自然に温度が上がり、２
５０℃程度にはなっているものと思われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】スルーホールで下層Ａ
ｌ配線１０と上層Ａｌ配線１６が接するが、下層Ａｌ配
線１０が無加熱スパッタ膜であるのに対し、上層Ａｌ配
線１６の上層１６ｂが加熱スパッタ膜である。スパッタ
時に基板を加熱すると、形成されるＡｌ膜のグレインサ
イズが成長して大きくなり、下層Ａｌ配線１０と上層Ａ
ｌ配線１６との境界領域ではグレインサイズの異なるＡ
ｌ膜を介して電流が流れ、エレクトロマイグレーション
耐性が悪くなることが判明した。本発明はＡｌを用いた
多層配線においてエレクトロマイグレーション耐性を向
上させることを目的とするものである。
ｌ配線１０と上層Ａｌ配線１６が接するが、下層Ａｌ配
線１０が無加熱スパッタ膜であるのに対し、上層Ａｌ配
線１６の上層１６ｂが加熱スパッタ膜である。スパッタ
時に基板を加熱すると、形成されるＡｌ膜のグレインサ
イズが成長して大きくなり、下層Ａｌ配線１０と上層Ａ
ｌ配線１６との境界領域ではグレインサイズの異なるＡ
ｌ膜を介して電流が流れ、エレクトロマイグレーション
耐性が悪くなることが判明した。本発明はＡｌを用いた
多層配線においてエレクトロマイグレーション耐性を向
上させることを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は半導体基板上に
形成された第１の層間膜にコンタクトホールが形成さ
れ、その第１の層間膜上にはそのコンタクトホールを介
して下地と接続される第１のメタル配線が形成され、第
１のメタル配線上には第２の層間膜が形成され、その第
２の層間膜に形成されたスルーホールを介して第１のメ
タル配線と接続される第２のメタル配線がその第２の層
間膜上に形成されている多層配線において、第１の層間
膜のコンタクトホール内面には高融点金属膜及びその上
の高融点金属窒化膜が形成され、さらにその高融点金属
窒化膜上に高融点金属層が形成されて、コンタクトホー
ルがその高融点金属層により埋め込まれており、第２の
層間膜のスルーホール内面には高融点金属膜が形成さ
れ、第１、第２のメタル配線はＡｌ無加熱スパッタ膜と
その上のグレインサイズがＡｌ無加熱スパッタ膜よりも
大きいＡｌ加熱スパッタ膜との２層構造となっているも
のである。
形成された第１の層間膜にコンタクトホールが形成さ
れ、その第１の層間膜上にはそのコンタクトホールを介
して下地と接続される第１のメタル配線が形成され、第
１のメタル配線上には第２の層間膜が形成され、その第
２の層間膜に形成されたスルーホールを介して第１のメ
タル配線と接続される第２のメタル配線がその第２の層
間膜上に形成されている多層配線において、第１の層間
膜のコンタクトホール内面には高融点金属膜及びその上
の高融点金属窒化膜が形成され、さらにその高融点金属
窒化膜上に高融点金属層が形成されて、コンタクトホー
ルがその高融点金属層により埋め込まれており、第２の
層間膜のスルーホール内面には高融点金属膜が形成さ
れ、第１、第２のメタル配線はＡｌ無加熱スパッタ膜と
その上のグレインサイズがＡｌ無加熱スパッタ膜よりも
大きいＡｌ加熱スパッタ膜との２層構造となっているも
のである。
【０００７】スルーホールは多層配線構造において中間
の層間膜に穴をあけて上下の配線を接続させた部分であ
る。コンタクトホールは半導体基板又はポリシリコン電
極上に形成された層間膜に穴をあけ、その穴を介してそ
の層間膜上の配線と基板又はポリシリコン電極とを接続
させた部分である。
の層間膜に穴をあけて上下の配線を接続させた部分であ
る。コンタクトホールは半導体基板又はポリシリコン電
極上に形成された層間膜に穴をあけ、その穴を介してそ
の層間膜上の配線と基板又はポリシリコン電極とを接続
させた部分である。
【０００８】第１の層間膜のコンタクトホールでは高融
点金属窒化膜上に高融点金属層が形成され、コンタクト
ホールがその高融点金属層により埋め込まれている。
点金属窒化膜上に高融点金属層が形成され、コンタクト
ホールがその高融点金属層により埋め込まれている。
【０００９】さらに多層の配線とする場合は、第２のメ
タル配線上に第３の層間膜が形成され、第３の層間膜に
もスルーホールが形成され、そのスルーホール内面には
高融点金属膜が形成されているとともに、第３の層間膜
上にはそのスルーホールを介して第２のメタル配線と接
続される第３のメタル配線がＡｌ無加熱スパッタ膜とそ
の上のグレインサイズがＡｌ無加熱スパッタ膜よりも大
きいＡｌ加熱スパッタ膜との２層構造により形成する。
タル配線上に第３の層間膜が形成され、第３の層間膜に
もスルーホールが形成され、そのスルーホール内面には
高融点金属膜が形成されているとともに、第３の層間膜
上にはそのスルーホールを介して第２のメタル配線と接
続される第３のメタル配線がＡｌ無加熱スパッタ膜とそ
の上のグレインサイズがＡｌ無加熱スパッタ膜よりも大
きいＡｌ加熱スパッタ膜との２層構造により形成する。
【００１０】本発明の多層配線の製造方法は以下の工程
（Ａ）から（Ｊ）を含んでいる。（Ａ）半導体基板上に
第１の層間膜を形成する工程、（Ｂ）第１の層間膜上に
形成される第１のメタル配線と第１の層間膜の下地とを
接続する位置の第１の層間膜にコンタクトホールを形成
する工程、（Ｃ）第１の層間膜から高融点金属膜を被着
させ、ＲＴＡ処理にてその高融点金属膜表面を窒化膜に
変えた後、コンタクトホール内に高融点金属層を埋め込
み、前記窒化膜上及びコンタクトホールに埋め込まれた
高融点金属層上にさらに高融点金属膜を被着させる工
程、（Ｄ）半導体基板を大気に曝すことなく、かつ半導
体基板を強制的に加熱することなく、高融点金属膜上か
らスパッタリング法によりＡｌ膜を被着させ、続いて基
板を４００℃からＡｌの融点までの範囲の温度に加熱し
ながらスパッタリング法によりＡｌ膜を被着させて１層
目のメタル膜を形成する工程、（Ｅ）１層目のメタル膜
をパターン化して第１のメタル配線を形成する工程、
（Ｆ）第１のメタル配線上から第２の層間膜を形成する
工程、（Ｇ）第２の層間膜上に形成される第２のメタル
配線と第１のメタル配線とを接続する位置の第２の層間
膜にスルーホールを形成する工程、（Ｈ）第２の層間膜
上から高融点金属膜を形成して前記スルーホール内面に
も被着させる工程、（Ｉ）半導体基板を大気に曝すこと
なく、かつ半導体基板を強制的に加熱することなく、高
融点金属膜上からスパッタリング法によりＡｌ膜を被着
させ、続いて基板を４００℃からＡｌの融点までの範囲
の温度に加熱しながらスパッタリング法によりＡｌ膜を
被着させて２層目のメタル膜を形成する工程、及び
（Ｊ）２層目のメタル膜をパターン化して第２のメタル
配線を形成する工程。
（Ａ）から（Ｊ）を含んでいる。（Ａ）半導体基板上に
第１の層間膜を形成する工程、（Ｂ）第１の層間膜上に
形成される第１のメタル配線と第１の層間膜の下地とを
接続する位置の第１の層間膜にコンタクトホールを形成
する工程、（Ｃ）第１の層間膜から高融点金属膜を被着
させ、ＲＴＡ処理にてその高融点金属膜表面を窒化膜に
変えた後、コンタクトホール内に高融点金属層を埋め込
み、前記窒化膜上及びコンタクトホールに埋め込まれた
高融点金属層上にさらに高融点金属膜を被着させる工
程、（Ｄ）半導体基板を大気に曝すことなく、かつ半導
体基板を強制的に加熱することなく、高融点金属膜上か
らスパッタリング法によりＡｌ膜を被着させ、続いて基
板を４００℃からＡｌの融点までの範囲の温度に加熱し
ながらスパッタリング法によりＡｌ膜を被着させて１層
目のメタル膜を形成する工程、（Ｅ）１層目のメタル膜
をパターン化して第１のメタル配線を形成する工程、
（Ｆ）第１のメタル配線上から第２の層間膜を形成する
工程、（Ｇ）第２の層間膜上に形成される第２のメタル
配線と第１のメタル配線とを接続する位置の第２の層間
膜にスルーホールを形成する工程、（Ｈ）第２の層間膜
上から高融点金属膜を形成して前記スルーホール内面に
も被着させる工程、（Ｉ）半導体基板を大気に曝すこと
なく、かつ半導体基板を強制的に加熱することなく、高
融点金属膜上からスパッタリング法によりＡｌ膜を被着
させ、続いて基板を４００℃からＡｌの融点までの範囲
の温度に加熱しながらスパッタリング法によりＡｌ膜を
被着させて２層目のメタル膜を形成する工程、及び
（Ｊ）２層目のメタル膜をパターン化して第２のメタル
配線を形成する工程。
【００１１】本発明ではスルーホールを介して接する下
層Ａｌ配線と上層Ａｌ配線は、ともに無加熱スパッタ膜
に加熱スパッタ膜が積層された２層構造となっており、
エレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性が向上する。
層Ａｌ配線と上層Ａｌ配線は、ともに無加熱スパッタ膜
に加熱スパッタ膜が積層された２層構造となっており、
エレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性が向上する。
【００１２】
【実施例】本発明の基礎になる半導体装置の多層配線の
構造を図２により説明する。ＭＯＳトランジスタ、バイ
ポーラトランジスタ、抵抗、コンデンサなどの素子が形
成されたシリコン基板２０上に、第１の層間膜２２を形
成されている。層間膜２２は例えばＳｉＯ2膜やＳｉＯ2
膜上にＢＰＳＧ（ボロンとリンを導入したＳｉＯ2）膜
を積層したものである。層間膜２２にはシリコン基板２
０と層間膜２２上のメタル配線とを接続するためのコン
タクトホール２４が形成されている。コンタクトホール
２４の内面及び層間膜２２の表面には下層が約８０ｎｍ
の厚さのＴｉ膜で上層が約３０ｎｍの厚さのＴｉＮ膜か
らなる２層膜２６が被着されている。２層膜２６上には
１層目のメタル配線２８が形成され、メタル配線２８は
コンタクトホール２４を介してシリコン基板２０と接続
されている。
構造を図２により説明する。ＭＯＳトランジスタ、バイ
ポーラトランジスタ、抵抗、コンデンサなどの素子が形
成されたシリコン基板２０上に、第１の層間膜２２を形
成されている。層間膜２２は例えばＳｉＯ2膜やＳｉＯ2
膜上にＢＰＳＧ（ボロンとリンを導入したＳｉＯ2）膜
を積層したものである。層間膜２２にはシリコン基板２
０と層間膜２２上のメタル配線とを接続するためのコン
タクトホール２４が形成されている。コンタクトホール
２４の内面及び層間膜２２の表面には下層が約８０ｎｍ
の厚さのＴｉ膜で上層が約３０ｎｍの厚さのＴｉＮ膜か
らなる２層膜２６が被着されている。２層膜２６上には
１層目のメタル配線２８が形成され、メタル配線２８は
コンタクトホール２４を介してシリコン基板２０と接続
されている。
【００１３】メタル配線２８は２層のＡｌ膜２８ａ，２
８ｂからなり、その下層のＡｌ膜２８ａは基板を強制加
熱しないで形成された無加熱スパッタ膜で、その膜厚が
約２００ｎｍであり、上層のＡｌ膜２８ｂは基板を加熱
して形成され、そのグレインサイズが下層のＡｌ膜２８
ａのグレインサイズよりも大きくなっている加熱スパッ
タ膜であり、その膜厚が約４００ｎｍである。
８ｂからなり、その下層のＡｌ膜２８ａは基板を強制加
熱しないで形成された無加熱スパッタ膜で、その膜厚が
約２００ｎｍであり、上層のＡｌ膜２８ｂは基板を加熱
して形成され、そのグレインサイズが下層のＡｌ膜２８
ａのグレインサイズよりも大きくなっている加熱スパッ
タ膜であり、その膜厚が約４００ｎｍである。
【００１４】メタル配線２８上には第２の層間膜３０が
形成されており、３０はＴＥＯＳ（Tetraethylorthosil
icate）法により形成されたＳｉＯ2膜であり、メタル配
線２８とＳｉＯ2膜３０上のメタル配線とを接続する位
置にはスルーホール３２が形成されている。スルーホー
ル３２の内面及び層間膜３０の表面には厚さが約５０ｎ
ｍのＴｉ膜３４が被着されている。Ｔｉ膜３４上には２
層目のメタル配線３６が形成され、２層目のメタル配線
３６はスルーホール３２を介して１層目のメタル配線２
８と接続されている。メタル配線３６も２層のＡｌ膜３
６ａ，３６ｂからなり、その下層Ａｌ膜３６ａは無加熱
スパッタ膜であり、その膜厚が約２００ｎｍ、上層Ａｌ
膜３６ｂは加熱スパッタ膜であり、その膜厚が約４００
ｎｍである。
形成されており、３０はＴＥＯＳ（Tetraethylorthosil
icate）法により形成されたＳｉＯ2膜であり、メタル配
線２８とＳｉＯ2膜３０上のメタル配線とを接続する位
置にはスルーホール３２が形成されている。スルーホー
ル３２の内面及び層間膜３０の表面には厚さが約５０ｎ
ｍのＴｉ膜３４が被着されている。Ｔｉ膜３４上には２
層目のメタル配線３６が形成され、２層目のメタル配線
３６はスルーホール３２を介して１層目のメタル配線２
８と接続されている。メタル配線３６も２層のＡｌ膜３
６ａ，３６ｂからなり、その下層Ａｌ膜３６ａは無加熱
スパッタ膜であり、その膜厚が約２００ｎｍ、上層Ａｌ
膜３６ｂは加熱スパッタ膜であり、その膜厚が約４００
ｎｍである。
【００１５】他の構造の多層配線では、図２のコンタク
トホール２４内面及び層間膜２２上に被着されている膜
２６は、１層目が約１００ｎｍの膜厚のＴｉ膜、２層目
がそのＴｉ膜を窒素中でＲＴＡ処理して形成したＴｉＮ
膜、３層目がその上に形成された約５０ｎｍの膜厚のＴ
ｉ膜となった３層膜となっている。他の構成は上記に説
明した通りである。
トホール２４内面及び層間膜２２上に被着されている膜
２６は、１層目が約１００ｎｍの膜厚のＴｉ膜、２層目
がそのＴｉ膜を窒素中でＲＴＡ処理して形成したＴｉＮ
膜、３層目がその上に形成された約５０ｎｍの膜厚のＴ
ｉ膜となった３層膜となっている。他の構成は上記に説
明した通りである。
【００１６】本発明の多層配線の実施例を図３により説
明する。シリコン基板２０上の１層目の層間膜２２に設
けられたコンタクトホール２４の内面には下層がＴｉで
その上層にＴｉＮ層をもつ２層膜２６ａが形成され、さ
らにコンタクトホール２４内がタングステン層４０によ
り埋め込まれている。層間膜２２上にはコンタクトホー
ル内面のＴｉとＴｉＮの２層膜２６ａ上にさらにＴｉ膜
を積層した３層膜２６ｂが被着されており、コンタクト
ホールを埋め込んでいるタングステン層４０上にはＴｉ
膜２６ｃが被着している。
明する。シリコン基板２０上の１層目の層間膜２２に設
けられたコンタクトホール２４の内面には下層がＴｉで
その上層にＴｉＮ層をもつ２層膜２６ａが形成され、さ
らにコンタクトホール２４内がタングステン層４０によ
り埋め込まれている。層間膜２２上にはコンタクトホー
ル内面のＴｉとＴｉＮの２層膜２６ａ上にさらにＴｉ膜
を積層した３層膜２６ｂが被着されており、コンタクト
ホールを埋め込んでいるタングステン層４０上にはＴｉ
膜２６ｃが被着している。
【００１７】３層膜２６ｂ及びＴｉ膜２６ｃ上には１層
目のメタル配線２８が形成され、メタル配線２８上から
は第２の層間膜３０が形成され、その層間膜３０に形成
されたスルーホール３２を介してメタル配線２８と接続
される２層目のメタル配線３６が形成されている。メタ
ル配線２８，３６及び層間膜３０の材質及び配線構造は
図２に示された多層配線と同じである。実施例の多層配
線はコンタクトホール２４がタングステン４０で埋め込
まれている点で図２の多層配線と相違している。
目のメタル配線２８が形成され、メタル配線２８上から
は第２の層間膜３０が形成され、その層間膜３０に形成
されたスルーホール３２を介してメタル配線２８と接続
される２層目のメタル配線３６が形成されている。メタ
ル配線２８，３６及び層間膜３０の材質及び配線構造は
図２に示された多層配線と同じである。実施例の多層配
線はコンタクトホール２４がタングステン４０で埋め込
まれている点で図２の多層配線と相違している。
【００１８】実施例において、２層目のメタル配線３６
上に層間膜３０と同じ層間膜をさらに形成し、その層間
膜にもスルーホールを介して２層目のメタル配線３６と
接続される３層目のメタル配線を形成してもよい。その
３層目のメタル配線も下層がＡｌ無加熱スパッタ膜、上
層がＡｌ加熱スパッタ膜の２層構造であり、メタル配線
２８，３６と同じ構造とする。
上に層間膜３０と同じ層間膜をさらに形成し、その層間
膜にもスルーホールを介して２層目のメタル配線３６と
接続される３層目のメタル配線を形成してもよい。その
３層目のメタル配線も下層がＡｌ無加熱スパッタ膜、上
層がＡｌ加熱スパッタ膜の２層構造であり、メタル配線
２８，３６と同じ構造とする。
【００１９】次に、図２の多層配線を製造する方法につ
いて説明する。 （Ａ）素子が形成された半導体基板２０のウエハ上に第
１の層間膜２２をＳｉＯ2膜や、ＳｉＯ2膜上にＢＰＳＧ
膜を積層した膜として形成する。その層間膜２２に写真
製版とドライエッチングによりコンタクトホール２４を
形成する。
いて説明する。 （Ａ）素子が形成された半導体基板２０のウエハ上に第
１の層間膜２２をＳｉＯ2膜や、ＳｉＯ2膜上にＢＰＳＧ
膜を積層した膜として形成する。その層間膜２２に写真
製版とドライエッチングによりコンタクトホール２４を
形成する。
【００２０】（Ｂ）層間膜２２上から高融点金属膜とし
てＴｉ膜を約８０ｎｍの厚さに堆積する。そのＴｉ膜上
に連続して高融点金属窒化膜としてＴｉＮ膜を約３０ｎ
ｍの厚さに堆積し、２層膜２６を形成する。この時点で
コンタクトホール２４の内面にもその２層膜２６が被着
される。
てＴｉ膜を約８０ｎｍの厚さに堆積する。そのＴｉ膜上
に連続して高融点金属窒化膜としてＴｉＮ膜を約３０ｎ
ｍの厚さに堆積し、２層膜２６を形成する。この時点で
コンタクトホール２４の内面にもその２層膜２６が被着
される。
【００２１】（Ｃ）次に、層間膜２２上からＡｌ膜を堆
積するが、この処理は２層膜２６のＴｉＮ膜を堆積した
後、真空装置を大気に開放せずに基板ウエハを真空中で
搬送してＡｌ配線２８用のＡｌ膜のスパッタリングを行
なう。そのＡｌ膜スパッタリングでは、１層目のＡｌ膜
２８ａを基板の加熱を行なわないで堆積速度約１７ｎｍ
／秒で約２００ｎｍの厚さに堆積する。その後、さらに
真空中で基板ウエハを搬送し、その上に２層目のＡｌ膜
２８ｂを加熱スパッタ法により堆積する。加熱スパッタ
法では、まず基板ウエハを４００℃以上でＡｌの融点以
下、例えば５３０℃で１００〜１２０秒間加熱し、次に
その加熱を継続したままでＡｌを堆積速度約１２ｎｍ／
秒で約４００ｎｍの厚さに堆積する。これにより、下層
が無加熱スパッタ膜で上層がＡｌ加熱スパッタ膜となっ
た２層構造のＡｌ膜が形成される。そのＡｌ膜を写真製
版とドライエッチングによりパターン化してメタル配線
２８とする。
積するが、この処理は２層膜２６のＴｉＮ膜を堆積した
後、真空装置を大気に開放せずに基板ウエハを真空中で
搬送してＡｌ配線２８用のＡｌ膜のスパッタリングを行
なう。そのＡｌ膜スパッタリングでは、１層目のＡｌ膜
２８ａを基板の加熱を行なわないで堆積速度約１７ｎｍ
／秒で約２００ｎｍの厚さに堆積する。その後、さらに
真空中で基板ウエハを搬送し、その上に２層目のＡｌ膜
２８ｂを加熱スパッタ法により堆積する。加熱スパッタ
法では、まず基板ウエハを４００℃以上でＡｌの融点以
下、例えば５３０℃で１００〜１２０秒間加熱し、次に
その加熱を継続したままでＡｌを堆積速度約１２ｎｍ／
秒で約４００ｎｍの厚さに堆積する。これにより、下層
が無加熱スパッタ膜で上層がＡｌ加熱スパッタ膜となっ
た２層構造のＡｌ膜が形成される。そのＡｌ膜を写真製
版とドライエッチングによりパターン化してメタル配線
２８とする。
【００２２】（Ｄ）メタル配線２８上から第２の層間膜
３０を形成する。この層間膜３０としては、例えばＴＥ
ＯＳ法によるＳｉＯ2膜を形成し、その上に表面を平坦
化するためにＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）膜を形成
し、エッチバックを施すことにより形成された、平坦化
されたＴＥＯＳ−ＳｉＯ2膜である。このＴＥＯＳ−Ｓ
ｉＯ2膜は既に確立された技術である。
３０を形成する。この層間膜３０としては、例えばＴＥ
ＯＳ法によるＳｉＯ2膜を形成し、その上に表面を平坦
化するためにＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）膜を形成
し、エッチバックを施すことにより形成された、平坦化
されたＴＥＯＳ−ＳｉＯ2膜である。このＴＥＯＳ−Ｓ
ｉＯ2膜は既に確立された技術である。
【００２３】（Ｅ）層間膜３０にはその下のメタル配線
２８と、後で形成されるその上の２層目のメタル配線と
の接続を行なう位置に写真製版とエッチングによりスル
ーホール３２を形成する。
２８と、後で形成されるその上の２層目のメタル配線と
の接続を行なう位置に写真製版とエッチングによりスル
ーホール３２を形成する。
【００２４】（Ｆ）層間膜３０上から高融点金属膜とし
てＴｉ膜３４を約５０ｎｍの厚さに堆積する。Ｔｉ膜３
４はスルーホール３２の内面にも被着される。その状態
で、基板ウエハを大気に開放せず、真空中での搬送を行
なって２層目のＡｌ配線用のＡｌ膜３６を形成する。Ａ
ｌ膜３６の下層３６ａは基板ウエハを加熱しないで堆積
速度約１７ｎｍ／秒で約２００ｎｍの厚さにスパッタ法
により堆積し、さらに真空搬送してその上に上層のＡｌ
膜３６ｂを今度は基板ウエハを４００℃以上、例えば５
３０℃で１００〜１２０秒加熱した後、その加熱を継続
したままで堆積速度約１２ｎｍ／秒で約４００ｎｍの厚
さに堆積する。その結果、２層目のＡｌ膜３６はＴｉ層
３４上に形成されたＡｌ無加熱スパッタ膜３６ａとその
上のＡｌ加熱スパッタ膜３６ｂの２層構造となる。その
後、Ａｌ膜３６を写真製版とドライエッチングによりパ
ターン化して２層目のＡｌ配線３６とする。
てＴｉ膜３４を約５０ｎｍの厚さに堆積する。Ｔｉ膜３
４はスルーホール３２の内面にも被着される。その状態
で、基板ウエハを大気に開放せず、真空中での搬送を行
なって２層目のＡｌ配線用のＡｌ膜３６を形成する。Ａ
ｌ膜３６の下層３６ａは基板ウエハを加熱しないで堆積
速度約１７ｎｍ／秒で約２００ｎｍの厚さにスパッタ法
により堆積し、さらに真空搬送してその上に上層のＡｌ
膜３６ｂを今度は基板ウエハを４００℃以上、例えば５
３０℃で１００〜１２０秒加熱した後、その加熱を継続
したままで堆積速度約１２ｎｍ／秒で約４００ｎｍの厚
さに堆積する。その結果、２層目のＡｌ膜３６はＴｉ層
３４上に形成されたＡｌ無加熱スパッタ膜３６ａとその
上のＡｌ加熱スパッタ膜３６ｂの２層構造となる。その
後、Ａｌ膜３６を写真製版とドライエッチングによりパ
ターン化して２層目のＡｌ配線３６とする。
【００２５】必要に応じ、さらにＡｌ配線３６上に層間
膜３０と同じ層間膜を形成し、その層間膜にもスルーホ
ールを形成して、その層間膜３０上に３層目のＡｌ膜を
形成し、パターン化して３層目のメタル配線を形成して
もよい。
膜３０と同じ層間膜を形成し、その層間膜にもスルーホ
ールを形成して、その層間膜３０上に３層目のＡｌ膜を
形成し、パターン化して３層目のメタル配線を形成して
もよい。
【００２６】図２において膜２６がＴｉ膜、その上のＴ
ｉＮ膜及びさらにその上のＴｉ膜の３層膜となっている
多層配線を製造する場合は、コンタクトホール２４形成
後、まず高融点金属膜としてＴｉ膜を約１００ｎｍの厚
さに堆積する。その後、Ｎ2雰囲気のＲＴＡ処理により
表面を窒化して、Ｔｉ層とその上のＴｉＮ層からなる２
層膜とする。この時点でコンタクトホール内面にもＴｉ
層とＴｉＮ層の２層膜が被着される。この場合、Ａｌ配
線２８用Ａｌ膜を堆積するときは、その下地が大気に開
放されずに真空中での搬送をもって行なう必要があるの
で、先にＲＴＡにより窒化処理を施したＴｉとＴｉＮの
２層膜上に、まずＴｉ膜を約５０ｎｍの厚さに堆積した
後、大気開放せずに真空中で搬送してその上にＡｌ無加
熱スパッタ膜２８ａとＡｌ加熱スパッタ膜２８ｂを堆積
する。
ｉＮ膜及びさらにその上のＴｉ膜の３層膜となっている
多層配線を製造する場合は、コンタクトホール２４形成
後、まず高融点金属膜としてＴｉ膜を約１００ｎｍの厚
さに堆積する。その後、Ｎ2雰囲気のＲＴＡ処理により
表面を窒化して、Ｔｉ層とその上のＴｉＮ層からなる２
層膜とする。この時点でコンタクトホール内面にもＴｉ
層とＴｉＮ層の２層膜が被着される。この場合、Ａｌ配
線２８用Ａｌ膜を堆積するときは、その下地が大気に開
放されずに真空中での搬送をもって行なう必要があるの
で、先にＲＴＡにより窒化処理を施したＴｉとＴｉＮの
２層膜上に、まずＴｉ膜を約５０ｎｍの厚さに堆積した
後、大気開放せずに真空中で搬送してその上にＡｌ無加
熱スパッタ膜２８ａとＡｌ加熱スパッタ膜２８ｂを堆積
する。
【００２７】図３に示された実施例、すなわちコンタク
トホールを高融点金属層で埋め込む実施例を製造する方
法について説明する。層間膜２２にコンタクトホール２
４を形成し、コンタクトホール２４内面及び層間膜２２
表面にＴｉ膜とＴｉＮ膜の２層膜２６ａを被着した後、
コンタクトホール２４を高融点金属としてのタングステ
ンで埋め込む場合は、例えば一般的なブランケットＣＶ
Ｄ−Ｗ法によりタングステン層を堆積し、エッチバック
を施してコンタクトホール内にのみタングステン層４０
を残す。このとき、タングステン層のエッチバックは一
般にオーバーエッチとなるように行なうので、コンタク
トホール２４にタングステン層４０が埋め込まれている
とはいえ、そのタングステン層４０の表面は層間膜２２
の表面よりも落ち込んだ状態となる。
トホールを高融点金属層で埋め込む実施例を製造する方
法について説明する。層間膜２２にコンタクトホール２
４を形成し、コンタクトホール２４内面及び層間膜２２
表面にＴｉ膜とＴｉＮ膜の２層膜２６ａを被着した後、
コンタクトホール２４を高融点金属としてのタングステ
ンで埋め込む場合は、例えば一般的なブランケットＣＶ
Ｄ−Ｗ法によりタングステン層を堆積し、エッチバック
を施してコンタクトホール内にのみタングステン層４０
を残す。このとき、タングステン層のエッチバックは一
般にオーバーエッチとなるように行なうので、コンタク
トホール２４にタングステン層４０が埋め込まれている
とはいえ、そのタングステン層４０の表面は層間膜２２
の表面よりも落ち込んだ状態となる。
【００２８】次に、タングステン層４０上及び層間膜２
２上にＴｉ膜を約５０ｎｍの厚さに堆積する。これによ
り、タングステン層４０上にはＴｉ膜２６ｃ、層間膜２
２上には先に形成されたＴｉとＴｉＮの２層膜２６ａ上
にさらにＴｉ膜２６ｃが形成された３層膜２６ｂが形成
される。その後、大気開放せず、真空中での搬送をもっ
て下層Ａｌ無加熱スパッタ膜２８ａと上層Ａｌ加熱スパ
ッタ膜２８ｂを形成する。その後は図２の多層配線の製
造方法と同じである。
２上にＴｉ膜を約５０ｎｍの厚さに堆積する。これによ
り、タングステン層４０上にはＴｉ膜２６ｃ、層間膜２
２上には先に形成されたＴｉとＴｉＮの２層膜２６ａ上
にさらにＴｉ膜２６ｃが形成された３層膜２６ｂが形成
される。その後、大気開放せず、真空中での搬送をもっ
て下層Ａｌ無加熱スパッタ膜２８ａと上層Ａｌ加熱スパ
ッタ膜２８ｂを形成する。その後は図２の多層配線の製
造方法と同じである。
【００２９】図１に示された従来の２層配線と、本発明
の基礎となる図２に示された２層配線とで、エレクトロ
マイグレーション耐性を比較した結果を図４に示す。横
軸は対数目盛りで相対的に示された時間、縦軸は累積故
障率（ＭＴＴＦ）（％）である。図４中、記号Ａで示さ
れる直線は図１の従来の２層配線の測定結果、記号Ｂで
示される直線は図２の２層配線の測定結果である。この
比較結果から、本発明の基礎となる２層配線は従来の２
層配線に比べて、累積故障率で約４倍の寿命をもってい
ることが分かる。
の基礎となる図２に示された２層配線とで、エレクトロ
マイグレーション耐性を比較した結果を図４に示す。横
軸は対数目盛りで相対的に示された時間、縦軸は累積故
障率（ＭＴＴＦ）（％）である。図４中、記号Ａで示さ
れる直線は図１の従来の２層配線の測定結果、記号Ｂで
示される直線は図２の２層配線の測定結果である。この
比較結果から、本発明の基礎となる２層配線は従来の２
層配線に比べて、累積故障率で約４倍の寿命をもってい
ることが分かる。
【００３０】
【発明の効果】本発明ではスルーホールを介して接続さ
れる下層のメタル配線と上層のメタル配線を、ともにＡ
ｌ無加熱スパッタ膜とその上のグレインサイズがＡｌ無
加熱スパッタ膜よりも大きいＡｌ加熱スパッタ膜との２
層構造としたので、エレクトロマイグレーション耐性が
向上する。
れる下層のメタル配線と上層のメタル配線を、ともにＡ
ｌ無加熱スパッタ膜とその上のグレインサイズがＡｌ無
加熱スパッタ膜よりも大きいＡｌ加熱スパッタ膜との２
層構造としたので、エレクトロマイグレーション耐性が
向上する。
【図１】従来の２層配線を示す概略断面図である。
【図２】本発明の基礎となる２層配線を示す概略断面図
である。
である。
【図３】一実施例の２層配線を示す概略断面図である。
【図４】図１の従来例と図２の２層配線とのエレクトロ
マイグレーション耐性を比較する図である。
マイグレーション耐性を比較する図である。
２０ シリコン基板 ２２ 第１の層間膜 ２４ コンタクトホール ２６ ＴｉとＴｉＮの２層膜 ２８ １層目のＡｌ配線 ２８ａ，３６ａ 無加熱スパッタ膜 ２８ｂ，３６ｂ Ａｌ加熱スパッタ膜 ３０ 第２の層間膜 ３２ スルーホール ３４ Ｔｉ膜 ３６ ２層目のＡｌ配線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/768 H01L 21/285 301
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板上に形成された第１の層間膜
にコンタクトホールが形成され、その第１の層間膜上に
はそのコンタクトホールを介して下地と接続される第１
のメタル配線が形成され、第１のメタル配線上には第２
の層間膜が形成され、その第２の層間膜に形成されたス
ルーホールを介して第１のメタル配線と接続される第２
のメタル配線がその第２の層間膜上に形成されている多
層配線において、 第１の層間膜のコンタクトホール内面には高融点金属膜
及びその上の高融点金属窒化膜が形成され、さらにその
高融点金属窒化膜上に高融点金属層が形成されて、コン
タクトホールがその高融点金属層により埋め込まれてお
り、 第２の層間膜のスルーホール内面には高融点金属膜が形
成され、 第１、第２のメタル配線はＡｌ無加熱スパッタ膜とその
上のグレインサイズがＡｌ無加熱スパッタ膜よりも大き
いＡｌ加熱スパッタ膜との２層構造であることを特徴と
する半導体装置の多層配線。 - 【請求項２】 第２のメタル配線上に第３の層間膜が形
成され、第３の層間膜にもスルーホールが形成され、そ
のスルーホール内面には高融点金属膜が形成されている
とともに、第３の層間膜上にはそのスルーホールを介し
て第２のメタル配線と接続される第３のメタル配線がＡ
ｌ無加熱スパッタ膜とその上のグレインサイズがＡｌ無
加熱スパッタ膜よりも大きいＡｌ加熱スパッタ膜との２
層構造により形成されている請求項１に記載の多層配
線。 - 【請求項３】 以下の工程（Ａ）から（Ｊ）を含む多層
配線の製造方法。（Ａ）半導体基板上に第１の層間膜を
形成する工程、 （Ｂ）第１の層間膜上に形成される第１のメタル配線と
第１の層間膜の下地とを接続する位置の第１の層間膜に
コンタクトホールを形成する工程、 （Ｃ）第１の層間膜から高融点金属膜を被着させ、ＲＴ
Ａ処理にてその高融点金属膜表面を窒化膜に変えた後、
コンタクトホール内に高融点金属層を埋め込み、前記窒
化膜上及びコンタクトホールに埋め込まれた高融点金属
層上にさらに高融点金属膜を被着させる工程、 （Ｄ）半導体基板を大気に曝すことなく、かつ半導体基
板を強制的に加熱することなく、高融点金属膜上からス
パッタリング法によりＡｌ膜を被着させ、続いて基板を
４００℃からＡｌの融点までの範囲の温度に加熱しなが
らスパッタリング法によりＡｌ膜を被着させて１層目の
メタル膜を形成する工程、 （Ｅ）１層目のメタル膜をパターン化して第１のメタル
配線を形成する工程、 （Ｆ）第１のメタル配線上から第２の層間膜を形成する
工程、 （Ｇ）第２の層間膜上に形成される第２のメタル配線と
第１のメタル配線とを接続する位置の第２の層間膜にス
ルーホールを形成する工程、 （Ｈ）第２の層間膜上から高融点金属膜を形成して前記
スルーホール内面にも被着させる工程、 （Ｉ）半導体基板を大気に曝すことなく、かつ半導体基
板を強制的に加熱することなく、高融点金属膜上からス
パッタリング法によりＡｌ膜を被着させ、続いて基板を
４００℃からＡｌの融点までの範囲の温度に加熱しなが
らスパッタリング法によりＡｌ膜を被着させて２層目の
メタル膜を形成する工程、 （Ｊ）２層目のメタル膜をパターン化して第２のメタル
配線を形成する工程。 - 【請求項４】 工程（Ｊ）に続けてさらに次の工程
（Ｋ）から（Ｏ）を含む請求項３に記載の多層配線の製
造方法。 （Ｋ）第２のメタル配線上から第３の層間膜を形成する
工程、 （Ｌ）第３の層間膜上に形成される第３のメタル配線と
第２のメタル配線とを接続する位置の第３の層間膜にス
ルーホールを形成する工程、 （Ｍ）第３の層間膜上から高融点金属膜を形成して第３
の層間膜のスルーホール内面にも被着させる工程、 （Ｎ）半導体基板を大気に曝すことなく、かつ半導体基
板を強制的に加熱することなく、高融点金属膜上からス
パッタリング法によりＡｌ膜を被着させ、続いて基板を
４００℃からＡｌの融点までの範囲の温度に加熱しなが
らスパッタリング法によりＡｌ膜を被着させて３層目の
メタル膜を形成する工程、 （Ｏ）３層目のメタル膜をパターン化して第３のメタル
配線を形成する工程。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03156795A JP3340578B2 (ja) | 1995-01-27 | 1995-01-27 | 半導体装置の多層配線及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03156795A JP3340578B2 (ja) | 1995-01-27 | 1995-01-27 | 半導体装置の多層配線及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08204010A JPH08204010A (ja) | 1996-08-09 |
| JP3340578B2 true JP3340578B2 (ja) | 2002-11-05 |
Family
ID=12334764
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03156795A Expired - Fee Related JP3340578B2 (ja) | 1995-01-27 | 1995-01-27 | 半導体装置の多層配線及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3340578B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW503518B (en) * | 2000-04-19 | 2002-09-21 | Ibm | Interconnect via structure and method |
-
1995
- 1995-01-27 JP JP03156795A patent/JP3340578B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08204010A (ja) | 1996-08-09 |
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