JP2000277519A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ダマシン配線のＥＭ耐性の向上を図ること。 【解決手段】底面に所定の間隔で配列形成された複数の
分断島６を有する配線溝４を形成し、次いで配線溝４内
を充填するようにＤＤ配線８となるＡｌ膜を堆積し、次
いでＲＴＡによってＡｌ膜の結晶粒９を大粒径化し、最
後に配線溝４の外部の余剰なＡｌ膜を除去してＤＤ配線
８が完成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線のマイグレー
ション耐性の改善を図った半導体装置およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴って、
配線の微細化が進んでいる。この種の微細化によって配
線面積は小さくなる一方であるが、信号電流の低減化が
図られていない。その結果、配線の電流密度が増加し、
エレクトロマイグレーション（ＥＭ）による断線や短絡
が大きな問題となっている。

【０００３】特に、配線幅が結晶粒径に比べて同程度以
上の幅広い配線（幅広配線）においては、図１３に示す
ように、配線内の一部または全体に結晶粒界三重点（以
下、単に粒界三重点という）を大量に含む配線構造にな
る。

【０００４】この粒界三重点を含む配線に電梳を流す
と、電流を流すことにより発生する原子流３（ＥＭ）が
粒界三重点部で不均一になることにより、原子流束の発
散が生じ、原子供給が不足する部位ではボイド、過剰と
なる部位ではヒロックが発生する。前者は配線の断線、
後者は隣接する配線とのショートといった致命的な配線
不良を引き起こす。

【０００５】これまでに、粒界三重点での原子流束を均
一化する手段として、配線として用いる金属膜の結晶配
向性を向上することが提案されている。また、配線内の
結晶粒界三重点を滅らすために、配線として用いる金属
膜の結晶を大粒径化することが提案されている。これら
の方法により信頼性の向上は図られたが、更なる向上が
望まれている。

【０００６】一方、配線幅が結晶粒径に比べ小さい配線
では、粒界三重点が大幅に減少し、配線長手方向に垂直
な結晶粒界構造（パンブー構造）を有し、配線信頼性は
向上する。しかしながら、このような粒界三重点を含ま
ない配線構造においても、電流が流れる方向に対して、
結品粒界が傾いている部位においては、ボイド、ヒロッ
クの発生要因となる原子流束の発散が生じるため、配線
信頼性が低下するという問題がある。

【０００７】また、ＲＩＥ配線構造の場合、配線幅が滅
少すると、粒界三本点が減少し、バンブー構造化が進行
することにより、配線信頼性が向上する傾向にあった
が、ダマシン配線構造の場合、幅広配線はもとより、図
１４に示すように、ＲＩＥ加工配線構造ではバンブー構
造となる配線構成膜の結晶粒径より細い配線幅において
も、結品粒界三重点を含み、高電流を流すとこの部位に
おいてボイドが発生し配線破断を引き起こすことが発明
者等の研究により明らかとなった。

【０００８】また、図１５は、上記ダマシン配線依存性
の線幅依存性を調べた結果であり、配線幅が減少するこ
とにより、ＲＩＥ加工配線檮造とは逆に、粒界三重点部
位が増加し、配線ＥＭ耐性が低下していることを示して
いる。

【０００９】また、異種材料でビア終端した多層配線に
おいては、粒界三重点が無くとも原子流が発生する限り
において、アノード側では配線金属の枯渇による断線、
一方カソード側では配線金属の集積による短絡が発生す
る。

【００１０】以上述べたＥＭによる配線の断線や短絡の
問題の解決方法として、全配線をＢｌｅｃｈの臨界長以
下の微細配線に分断することにより、原子流をゼロとす
る方法が提案されている。

【００１１】具体的には、配線溝内に埋込み形成された
Ａｌ配線上にＣｕ膜を堆積し、次に熱処理によりＣｕを
Ａｌ配線中に拡散させ、Ａｌの結晶粒界にＣｕまたはＡ
ｌＣｕからなる拡散障壁層（粒界修飾層）を形成するこ
とによって、Ａｌ配線をＢｌｅｃｈの臨界長以下の微細
Ａｌ配線に分断する方法が知られている。

【００１２】しかしながら、この種の施策を行った場合
も、特に幅広配線の場合、粒界三重点および電梳方向に
対して傾斜した結晶粒界が残留し、粒界三重点では応力
集中による原子流発散が生じる可能があることに加え、
傾斜結晶粒界では拡散障壁として形成した金属問化合物
あるいは高融点金属と配線構成元素との界面拡散による
原子流発散が生じることから、ＥＭによってボイド、ヒ
ロック等の配線欠陥が起こる可能性がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、ダマシン
配線構造の場合、配線幅が広くても、逆に配線幅が狭く
ても、配線中に粒界三重点を含み、高電流を流すとこの
部位においてボイドが発生し、配線破断を引き起こすこ
とが発明者等の研究により明らかとなった。

【００１４】このような問題に対し、粒界修飾層を形成
し、配線をＢｌｅｃｈの臨界長以下の微細配線に分断す
るという施策を行っても、特に配線幅が広い場合、粒界
三重点、傾斜結晶粒界が残留し、ＥＭによって配線欠陥
が起こる可能性がある。

【００１５】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、従来に比べてマイグレ
ーション耐性の高い埋込み型の配線を有する半導体装置
およびその製造方法を提供することにある。

【００１６】

【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、本発明に係る第１の半導体装置は、絶縁膜
に形成された配線溝の底面に形成された複数の柱状部材
と、これらの柱状部材が形成された前記配線溝の内部に
形成され、複数の結晶粒を有する配線とを備えたもので
あって、前記配線が、少なくとも３つの前記柱状部材を
結んで形成されるユニット領域によって複数の領域に区
分され、かつ前記ユニット領域を構成する隣り合う２つ
の前記柱状部材の最大距離が、前記複数の結晶粒の平均
粒径以下であることを特徴とする。

【００１７】ここで、結晶粒界は、金属間化合物または
高融点金属で修飾されていることが好ましい。金属間化
合物、高融点金属の両方が形成されていも良い。

【００１８】また、本発明に係る第２の半導体装置は、
絶縁膜に形成された配線溝の合い対向する側面のそれぞ
れに形成され、かつ互いに向かい合って形成された柱状
部材と、前記柱状部材が形成された前記配線溝内に形成
され、かつ前記互いに向き合った柱状部材を結ぶように
形成された結晶粒界を有する配線とを備えていることを
特徴とする。

【００１９】本発明に係る第１の半導体装置の製造方法
は、絶縁膜を加工して、この絶縁膜に配線溝を形成する
とともに、この配線溝の底面に複数の柱状部材を形成す
る工程と、前記配線溝の内部を充填し、複数の結晶粒を
有し、かつ少なくとも３つの前記柱状部材を結んで形成
されるユニット領域によって複数の領域に区分された導
電性膜を前記絶縁膜上に形成する工程と、熱処理によっ
て前記導電膜中の結晶粒の平均粒径を前記熱処理前のそ
れよりも大きくする工程と、前記配線溝の外部の前記導
電性膜を除去する工程とを有し、前記ユニット領域を構
成する隣り合う２つの前記柱状部材の最大距離を前記熱
処理後の前記複数の結晶粒の平均粒径よりも小さく設定
することを特徴とする。

【００２０】本発明に係る第２の半導体装置の製造方法
は、絶縁膜を加工して、この絶縁膜に配線溝を形成する
とともに、この配線溝の合い対向する側面のそれぞれに
互いに向かい合う柱状部材を形成する工程と、前記配線
溝の内部を充填する導電性膜を前記絶縁膜上に形成する
工程と、熱処理によって前記互いに向かい合う柱状部材
を結ぶ結晶粒界を前記導電性膜中に形成する工程と、前
記配線溝の外部の前記導電性膜を除去する工程とを有す
ることを特徴とする。

【００２１】［作用］本発明の如く、柱状部材および結
晶粒界を規定すれば、マイグレーション耐性の劣化の原
因となる粒界三重点が生じることを防止できるので、従
来に比べて、マイグレーション耐性を大幅に改善できる
ようになる。具体的には、本発明（請求項１〜５）の場
合には、配線溝中の配線の大部分が、配線溝の底面に形
成された柱状部材からなるユニット領域によって、粒界
三重点を含まない微細配線に分断され、マイグレーショ
ン耐性が改善される。また、本発明（請求項６〜１０）
の場合には、配線溝の合い対向する側面に形成された１
対の柱状部材を結ぶように結晶粒界が形成され、この部
分では原理的には粒界三重点は存在しなくなるので、マ
イグレーション耐性が改善される。

【００２２】

【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。

【００２３】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態に係るデュアルダマシン配線構造（ＤＤ配線構
造）を示す平面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）の鎖
線で囲んだ領域の詳細を示す平面図である。また、図２
は図１のＤＤ配線構造のＡ−Ａ’断面図である。図２
（ｂ）は図２（ａ）の鎖線で囲んだ領域の詳細を示す断
面図である。

【００２４】図中、１は下層の層間絶縁膜を示してお
り、この層間絶縁膜１上には下層のＷ配線２が形成され
ている。層間絶縁膜１上には上層の層間絶縁膜３が形成
され、この層間絶縁膜３には配線溝４およびＷ配線２に
繋がるヴィアホール５が形成されている。

【００２５】配線溝４内には島状絶縁膜からなる複数の
分断島６（柱状部材）が上から見て上下左右に等間隔に
形成されている。これらの分断島６は層間絶縁膜３をパ
ターニングして形成したものである。分断島６は配線溝
４、ヴィアホール５と同時に形成できるので、工程数の
増加の問題はない。

【００２６】上下および左右の隣り合う２つの分断島６
の間隔Ｌｃは平均結晶粒径（Ｌｍ）以下に設定されてい
る（Ｌｃ≦Ｌｍ）。４つの分断島６によって、一辺がＬ
ｃ以下で、形状が正方形のユニット領域７が構成されて
いる。Ｌｍは通常数μｍ程度である。

【００２７】配線溝４およびヴィアホール５内には図示
しないＮｂライナー膜を介してデュアルダマシン配線
（ＤＤ配線）８が埋め込み形成されている。このＤＤ配
線８の結晶粒９の形状はほぼ正方形である。すなわち、
分断島６が存在する分だけ、正方形とは異なった形状と
なっている。結晶粒９の上下の結晶粒界１０はＤＤ配線
８の長手方向と平行に形成されている。結晶粒９の左右
の結晶粒界１１はＤＤ配線８の長手方向と垂直に形成さ
れている。すなわち、結晶粒界１０，１１は分断島６と
の接触面に対して垂直なるように形成されている。な
お、後述するように必ずしも垂直である必要ない。

【００２８】また、Ｌｃ≦Ｌｍであることから、基本的
にはユニット領域７間には粒界三重点は存在しない。た
だし、実際には、ある確率で粒界三重点が存在するユニ
ット領域７が形成されてしまう。しかし、その割合は小
さく、粒界三重点が存在するユニット領域７の総面積は
ＤＤ配線８の上面の面積の２０％以下である。

【００２９】本実施形態によれば、ＤＤ配線８のユニッ
ト領域７の大部分には、ＥＭ耐性の劣化の原因となる粒
界三重点が存在しないので、従来に比べて、ＥＭ耐性を
大幅に改善できるようになる。

【００３０】次に本実施形態のダマシン配線構造の製造
方法を説明しながら、本実施形態のダマシン配線構造の
構成についてより具体的に説明する。

【００３１】まず、素子が集積形成されたシリコン基板
（不図示）上に厚さ０．８μｍの層間絶縁膜１を形成し
た後、Ｗ配線２を形成する。層間絶縁膜としては、例え
ばシリコン酸化膜を用いる。

【００３２】次に層間絶縁膜１上に層間絶縁膜３を形成
した後、層間絶縁膜３をパターニングして、幅１０μ
ｍ、深さ０．４μｍの配線溝４およびヴィアホール５を
形成するとともに、一辺が０．２μｍの分断島６を１〜
３μｍ程度の等間隔に複数形成する。分断島６の間隔
は、次工程で形成するＤＤ配線８となるＡｌ膜の初期結
晶粒径（熱処理を行う前の結晶粒径）よりも大きければ
良い。

【００３３】次に厚さ１０ｎｍのＮｂライナー膜（不図
示）を全面に形成し、続いて真空を破らずにＤＤ配線８
となるＡｌ膜を全面に形成する。

【００３４】ここでは、Ａｌ膜を２回の工程に分けて形
成する。具体的には、まず、Ａｌ−０．５wt％Ｃｕから
なる厚さ４００ｎｍの第１Ａｌ膜を室温（無加熱）でス
パッタ法により形成し、次にＡｌ−０．５wt％Ｃｕから
なる厚さ４００ｎｍの第２Ａｌ膜を４５０℃でスパッタ
法により形成する。すなわち、ここでは、いわゆる２ス
テップＡｌリフロー技術によりＡｌ膜を形成している。

【００３５】次に窒素ガス雰囲気中でのＲＴＡ（Rapid
Thermal Anneal）によってＡｌ膜に熱処理を施し、Ａｌ
膜の結晶粒を成長させる。具体的には、８０℃／秒の昇
温速度で５３０℃まで昇温し、その温度を３０秒間保持
する。その後、Ａｌ膜を冷却する。

【００３６】このとき、ユニット領域７内の結晶粒の成
長は、４つの分断島６の中心を結んで得られる正方形の
ところで止まる。ここで成長が止まるのは系全体として
はエネルギー的に最も安定だからである。また、ある確
率で隣のユニット領域７まで成長する結晶粒も存在する
が、その数は２０％以下であった。

【００３７】結晶粒界が成長する様子をその場観察で調
べたところ、熱処理前にはユニット領域７内には複数の
結晶粒界が存在したが、熱処理を行うと、一つの結晶粒
が他の結晶粒を取り込むというかたちの成長によって、
図３に示すように、次第に大きな結晶粒が形成され、こ
の大きな結晶粒の粒界が分断島６に接した瞬間に大きな
曲率を持った結晶粒界に分断され、この分断された結晶
粒界が徐々に直線化して、結晶粒界１０，１１が形成さ
れることを確認した。このメカニズムは粒界修飾の有無
に関係なく起こることを確認した。

【００３８】また、電子線解析の結果から、エネルギー
が大きい大傾角結晶粒界ほど分断島６との接触面に対し
て垂直化しており、一方、エネルギーが小さい結晶粒界
については分断島６との接触面の垂線に対して数１０°
ほど傾くものがあった。しかし、このような傾いた結晶
粒界においても不良は観察されず、配線不良は主に粒界
三重点で観察された。

【００３９】最後に、配線溝４およびヴィアホール５の
外部の余剰なＡｌ膜およびＮｂライナー膜を除去するこ
とによって、図１および図２に示したダマシン配線構造
が完成する。

【００４０】このようにして得られたＤＤ配線８を評価
するために、さらにｄ−ＴＥＯＳ膜（膜厚６００ｎｍ）
／Ｐ−ＳｉＮ膜（膜厚６００ｎｍ）の積層絶縁膜（パッ
シベーション膜）を全面に形成し、この積層絶縁膜にＤ
Ｄ配線８に対してのパッド開口部を形成してなる試料に
電流印加加速試験を行った。

【００４１】この電流印加加速試験は、２５０℃、２Ｍ
Ａ／ｃｍ² の条件で行い、１０％抵抗上昇時間を寿命
（ＥＭ試験結果）とした。また、ＣＭＰ後の試料をＴＥ
Ｍにて結晶粒界を観察して、粒界三重点量、平均結晶粒
径を測定した。

【００４２】以上述べた試験および測定をＬｃの値を変
えた６種類の試料Ｓ１〜Ｓ６について行った。表１に試
験および測定の結果を示す。試料Ｓ１〜Ｓ６の平均結晶
粒径は２．５μｍであった。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１から、Ｌｃが平均結晶粒径の９０％以
下の場合に、ＥＭ耐性が極めて向上しており、粒界三重
点も極めて減少していることが分かる。また、観察の結
果、結晶粒界は、配線長手方向に対して垂直方向または
水平方向に向いたものがほとんどであり、ユニット領域
７内で結晶粒界がバンブー状態を呈していることを確認
した。結晶粒界がこのようなバンブー状態を取り、その
結果として粒界三重点が激減したことが、ＥＭ耐性が向
上した理由であると考えられる。

【００４５】また、表１から、Ｌｃが平均結晶粒の９０
％を越えた場合でもＥＭ耐性は向上していることが分か
る。これはＥＭ欠陥が発生しても、分断島６の存在によ
り結晶粒の成長が阻害され、ＥＭ欠陥の進行が抑制され
たからだと考えられる。これは、試験後のＳＥＭ観察
で、ＥＭによるボイドの成長が止まっていることから裏
付けられた。

【００４６】また、表１から、配線中の粒界三重点の含
有率（三重点含有率）は２０％以下であることが望まし
く、Ｌｃを考慮すると、１５％以下であることがさらに
望ましいことが分かる。

【００４７】ここで、三重点含有率とは、１個のユニッ
ト領域７中に粒界三重点が１つでも含まれていれば、そ
のユニット領域７を三重点ユニット領域とし、上から見
た配線面積に対する三重点ユニット領域の総数面積の比
率（％）である。また、三重点含有率を求めるために、
配線中の全てのユニット領域７を調べる必要なく、統計
的に満足される数のユニット領域７を調べれば良い。

【００４８】また、結晶粒界１０，１１は分断島６との
接触面に対して垂直であることが望ましいが、上記試料
を詳細に観察した結果、結晶粒界１０，１１が分断島６
との接触面に対して垂直から±３０°傾いたものでも、
配線欠陥は観察されず、垂直な場合と同様な効果が得ら
れることを確認した。

【００４９】粒界三重点をさらに減少させる方法として
は、ＤＤ配線８となるＡｌ膜の上部に圧縮応力を加えな
がら熱処理を行う方法がある。圧縮応力の加えかたとし
ては、Ａｌ膜上にそれよりも線膨張率係数の小さい膜、
例えばＣ膜を成膜する方法、あるいはＡｌ膜の上部を機
械的圧力印加装置、例えばホットプレートを用いて加圧
する方法が好ましい。この方法では、ＲＴＡを用いなく
ても、４５０℃の通常の熱処理でも十分に粒界三重点を
減少させることができる。このような方法によってＥＭ
耐性がさらに向上することを確認した。

【００５０】また、比較例として、ユニット領域７が存
在しないことを除いて同じ構造の試料を本実施形態と同
様なプロセスで形成し、上記条件と同じ条件の電流印加
加速試験を行った。ただし、熱処理はＲＴＡではなく、
４５０℃、１５分の通常の熱処理とした。ＴＥＭによる
観察により、粒界三重点量、平均結晶粒径を測定したと
ころ、比較例の平均粒径は１．２μｍであり、いたると
ころに粒界三重点が観察され、寿命は１０時間であっ
た。

【００５１】なお、本実施形態は以下のように種々変形
できる。まず、ユニット領域７の形状は正方形である必
要ではなく、長方形、平行四辺形、台形、対称性の無い
４角形、あるいは５角形以上の多角形でも良い。ただ
し、ユニット領域７の最も大きな辺の長さはＬｍ以下で
なければならない。また、全てのユニット領域が同じ形
状である必要もなく、形状の異なる複数のユニット領域
が混じっていても良い。

【００５２】また、本実施形態では、ＤＤ配線８となる
Ａｌ膜をスパッタ法で形成したが、ＣＶＤ法、メッキ法
あるいはこれらの組合で形成しても良い。例えば、第１
Ａｌ膜をＭＯＣＶＤ法、第２Ａｌ膜をスパッタ法で形成
する。配線溝４の外部のＡｌ膜の除去はエッチバックで
行っても良い。

【００５３】また、本実施形態では、配線材料としてＡ
ｌを主成分とする物質を用いたが、Ｃｕ等の他の金属元
素を主成分とする物質（純金属、金属間化合物）を用い
ても良い。

【００５４】また、本実施形態では、ＤＤ配線の場合に
ついて説明したが、シングルダマシン配線の場合にも同
様の効果が得られる。

【００５５】また、本実施形態の分断島６を有する配線
構造は、特に粒界三重点が生じ易い配線幅の広い埋込み
配線に有効であるが、配線幅の狭い埋込み配線に対して
も有効である。

【００５６】また、本実施形態では、その効果としてＥ
Ｍ耐性の向上を中心に説明してきたが、ストレスマイグ
レーション（ＳＭ）耐性の向上も期待できる。

【００５７】（第２の実施形態）本実施形態のＤＤ配線
構造が第１の実施形態のそれと異なる点は、分断島６を
島状のＷ膜で形成したことにある。したがって、分断島
６を絶縁膜で形成した第１の実施形態に比べて、配線抵
抗の増加は少なくて済む。

【００５８】このようなＷ膜からなる分断島（Ｗ分断
島）を形成するには、第１の実施形態と同様に、配線溝
４およびヴィアホール５までを形成した後、厚さ０．５
μｍのコンフォーマルのＷ膜をＣＶＤ法によって形成
し、次に配線溝４およびヴィアホール５の外部の余剰な
Ｗ膜をＣＭＰによって除去し、最後に配線溝４内のＷ膜
をフォトリソグラフィとＲＩＥを用いて加工して、Ｗ分
断島が完成する。Ｗ分断島の形成後の工程は、第１の実
施形態の分断島６の形成後の工程と同じである。

【００５９】このようなＤＤ配線を評価するために、第
１の実施形態と同様にＤＤ配線を形成した後にパッシベ
ーション膜、パッド開口部を形成して試料を作成し、こ
の試料について第１の実施形態と同様の電流印加加速試
験を行った。また、ＣＭＰ後の試料をＴＥＭにて結晶粒
界を観察して、粒界三重点量を測定した。

【００６０】以上述べた試験および測定を以下に定義す
る平均Ｗ島厚比を変えた６種類の試料Ｓ１〜Ｓ６につい
て行った。試料Ｓ１〜Ｓ６において、Ｌｃは２μｍ、Ｗ
分断島を上から見た形状は一辺が０．４μｍの正方形と
した。

【００６１】平均Ｗ島厚比＝配線溝内の複数のＷ分断島
の平均の高さ／配線溝の深さここで、Ｗ分断島の高さは
ＴＥＭによる観察により求めた。また、平均Ｗ島厚比を
変えるには、ＣＭＰ時間を変えてＷ膜のディッシング量
を変えれば良い。

【００６２】表２に試験および測定の結果を示す。試料
Ｓ１〜Ｓ６の平均結晶粒径は２．５μｍであった。

【００６３】

【表２】

【００６４】表２から、平均Ｗ島厚比が８０％を越える
とＥＭ耐性が向上し、９０％を越えると極めてＥＭ耐性
が向上することが分かる。したがって、配線溝の深さ
（Ｔｈ）と分断島の平均の高さ（Ｉｈ）とは、０．８×
Ｔｈ≦Ｉｈの関係を満たすことが好ましい。

【００６５】平均Ｗ島厚比が７５％でＥＭ耐性が劣化し
ている理由は、Ｗ分断島の膜厚が薄くなると、スペース
上のＡｌ膜の上部からの結晶粒の成長の影響によって、
Ｗ分断島による粒界制御の効果が弱まるからだと考えら
れる。

【００６６】また、表２から、Ｗ分断島の膜厚が配線溝
の深さよりも厚くなっても（平均Ｗ島厚比＞１００
％）、ＥＭ耐性の低下の問題は起こらないが、上層配線
とのショートや、実質的なアスペクト比の上昇によるＡ
ｌ膜の埋込み性の低下などの問題が起こる可能性がある
ので、これらの問題を考慮してＷ分断島の高さを決める
必要がある。

【００６７】０．８×Ｔｈ≦Ｉｈによる効果は、分断島
が絶縁膜で形成されている場合でも得られる。ただし、
この場合には、分断島の高さは第１の実施形態での形成
プロセスでは配線溝の深さと同じになるので、Ｔｈ＝Ｉ
ｈと固定になる。

【００６８】（第３の実施形態）本実施形態のＤＤ配線
構造が第１の実施形態のそれと異なる点は、ＤＤ配線中
のＡｌの結晶粒界にＣｕＡｌ₂ を形成するという、いわ
ゆる粒界修飾によってＥＭ耐性をさらに改善したことに
ある。ＥＭ耐性をさらに改善できるには、Ａｌの結晶粒
界に形成したＣｕＡｌ₂ からなる粒界修飾層がＡｌの拡
散障壁として機能するからである。

【００６９】次に本実施形態のダマシン配線構造の製造
方法について説明する。第１の実施形態と主として異な
る点は、ダマシン配線となるＡｌ膜上にＣｕ膜を形成し
てから、熱処理（ＲＴＡ）を行うことである。

【００７０】具体的には、第１の実施形態と同様に、Ｄ
Ｄ配線８となるＡｌ膜までを形成した後、Ａｌ膜上にＣ
ｕ膜を形成し、次にＣｕ膜上に酸化抑制膜としての厚さ
１０ｎｍのＡｌ−０．５wt％Ｃｕ膜を形成した後、第１
の実施形態と同様に、窒素ガス雰囲気中でのＲＴＡ、冷
却を行う。最後に、余剰なＣｕ膜およびＡｌ膜をＣＭＰ
により除去する。図４にこの段階のＳＥＭの顕微鏡写真
を示す。以上述べた製造方法においては、配線溝４の幅
を５０μｍ、配線溝４の深さを０．４μｍとするが、そ
の他の条件は第１の実施形態と同じである。

【００７１】このようなＤＤ配線を評価するために、第
１の実施形態と同様にＤＤ配線を形成した後にパッシベ
ーション膜、パッド開口部を形成して試料を作成し、こ
の試料について第１の実施形態と同様の電流印加加速試
験を行った。また、ＣＭＰ後の試料をＣｕＡｌ₂ による
粒界修飾率を測定した。

【００７２】以上述べた試験および測定をＣｕ膜厚を変
えた６種類の試料Ｓ１〜Ｓ６について行った。表３に試
験および測定の結果を示す。表には、ＣＭＰ後にＴＥＭ
にて結晶粒界を観察して求めた三重点含有率も載せてあ
る。試料Ｓ１〜Ｓ６の平均結晶粒径は４．８μｍであっ
た。すなわち、ＣｕＡｌ₂ で粒界修飾を行わない場合よ
りも結晶粒径は大きくなった。

【００７３】

【表３】

【００７４】表３から粒界修飾率が５０％を越えるとＥ
Ｍ耐性が向上し、６０％を越えると極めてＥＭ耐性が向
上することが分かる。また、配線を詳細に解析した結
果、ＣｕＡｌ₂ 層の間隔は、Ｂｌｅｃｈの臨界長（約６
０μｍ）をはるかに下回るものであった。

【００７５】また、同様な電流印加加速試験を、結晶粒
界をＡｌＣｕ、ＴｉＡｌ₃ 、Ａｌ₄Ｗ、Ａｌ₃ Ｎｂ、Ａ
ｌ₃ Ｔａ、Ａｌ₂ Ａｕ、Ａｌ−Ｃｏ（β、γ）、Ａｌ₃
Ｍｇ ₂ 、Ｍｏ₃ Ａｌ、Ａｌ₃ Ｚｒで修飾した配線、すな
わち配線の構成元素Ａｌを含む金属間化合物で修飾した
配線について行った結果、ＣｕＡｌ₂ の場合と同様に修
飾によるＥＭ耐性向上の効果が得られることを確認し
た。

【００７６】また、結晶粒界をＣｕＡｌ₂ 等で修飾する
と、結晶粒がより成長するので間隔Ｌｃがさらに広くな
り、その結果として配線溝中の絶縁膜からなる分断島の
数を減らすことができ、配線抵抗の増加を効果的に抑制
できるようになる。なお、分断島をＷ膜等の導電膜でも
形成した場合に、結晶粒界をＣｕＡｌ₂ 等で修飾しても
良い。

【００７７】また、配線材料としてＣｕを用いた場合に
は、粒界修飾材料としてＣｕＢｅ、Ｃｕ₂ Ｂｅ、Ｃｕ₃
Ｇｅ、Ｈｆ₂ Ｃｕ、ＭｇＣｕ₂ 、Ｃｕ₃ Ｓｉ、ＴｉＣ
ｕ、ＴｉＣｕ₄ 、Ｔｉ₂ Ｃｕなどの金属間化合物を用い
ることが望ましい。

【００７８】また、本実施形態では、Ａｌの結晶粒の成
長と粒界修飾とを同時に行ったが、Ａｌの結晶粒の成長
を行った後に、粒界修飾を行っても良い。この場合、Ａ
ｌの結晶粒を成長させるための熱処理を行った後に、Ｃ
ｕ膜を形成し、Ａｌ結晶粒界にＣｕＡｌ₂ を形成するた
めの熱処理を行う。

【００７９】（第４の実施形態）図５は本発明の第４の
実施形態に係るシングルダマシン配線構造（ＳＤ配線構
造）を示す平面図、図６は同ダマシン配線構造のＡ−
Ａ’断面図である。なお、図１と対応する部分には図１
と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。

【００８０】本実施形態では、配線溝４の側面に互いに
対向する直方体形状の突起柱１２ａ，１２ｂが形成さ
れ、かつ突起柱１２ａ，１２ｂ間を結ぶように配線溝４
の側面に対して垂直な結晶粒界１３が形成され、バンブ
ー化している。突起柱１２ａ，１２ｂの間の領域には粒
界三重点が存在せず、また隣り合う結晶粒界１３の間の
距離はＬｍ以下に設定され、これらの間には粒界三重点
は存在しない。

【００８１】なお、配線溝４中に突起柱１２ａ，１２ｂ
が存在する分だけ、シングルダマシン配線（ＳＤ配線）
８ｓの実効的な体積が減少し、その結果としてＳＤ配線
８ｓを流れる電流の密度は高くなるので、突起柱１２
ａ，１２ｂのサイズはなるべく小さい方が良い。

【００８２】どの程度小さくするかは、配線幅とリソグ
ラフィのマージン（±Ｆ／２：Ｆは最小線幅）を考慮し
て決める。例えば、突起柱１２ａ，１２ｂの配線方向に
対して垂直な方向の寸法Ｗ１は、配線幅の幅Ｗ２が２Ｆ
であるとすると、Ｆ／２まで小さくすることが可能であ
る。すなわち、配線幅の１／４まで微細化が可能であ
る。

【００８３】突起柱１２ａ，１２ｂが存在すれば、結晶
粒界１３を形成することは可能であるので、突起柱１２
ａ，１２ｂの形状のさほど重要ではなく、したがって、
突起柱１２ａ，１２ｂには多少の形状のばらつきがあっ
ても問題はない。

【００８４】なお、突起柱１２ａ，１２ｂは層間絶縁膜
３をパターニングして形成したものでも良いし、あるい
は層間絶縁膜３とは別の絶縁膜または導電性膜をパター
ニングして形成したものでも良い。プロセスの簡略化の
観点からは、層間絶縁膜３をパターニングして形成した
方が好ましい。ただし、導電性膜を用いた場合には、配
線抵抗の増加を抑制できるという効果が得られる。

【００８５】本実施形態によれば、配線溝４の側面を結
ぶ結晶粒界１３には、ＥＭ耐性の劣化の原因となる粒界
三重点が存在しないので、従来に比べて、ＥＭ耐性を大
幅に改善できるようになる。

【００８６】また、結晶粒界１３は配線溝４の側面に対
して垂直に形成されているので、結晶粒界にＣｕ等を析
出させてＥＭ拡散障壁層を形成する場合（粒界修飾する
場合）に、配線溝４の側壁に配線材料の溜まりまたは欠
乏が生じることによって、ヒロックまたはボイドが生じ
るという問題は起こらない。

【００８７】次に本実施形態のＳＤ配線構造の製造方法
について説明する。まず、図８（ａ）に示すように、層
間絶縁膜３までを形成する。ここまでは第１の実施形態
と同じである。

【００８８】次に図７（ｂ）に示すように、層間絶縁膜
３上にレジストパターン１４を形成した後、レジストパ
ターン１４をマスクにして層間絶縁膜１をエッチングし
て、配線溝４を形成するとともに、配線溝の側面に突起
柱１２ａ，１２ｂを形成する。

【００８９】ここで、突起柱１２ａ，１２ｂの形状は正
確に直方体である必要なく、例えば図８に示すような形
状であっても良い。また、隣り合う結晶粒界１３の間の
距離は、後工程のＲＴＡによる結晶粒径１３の作り安さ
の観点からＬｍ以下であることが望ましい。

【００９０】次に図７（ｃ）に示すように、レジストパ
ターン１４を除去した後、第１の実施系と同様に、ＳＤ
配線となるＡｌ膜８ｓを全面に形成する。

【００９１】この後、ＲＴＡによりＡｌ膜８ｓに熱処理
を施し、突起柱１２ａ，１２ｂを結ぶ結晶粒界１３を形
成する。

【００９２】最後に、配線溝４の外部のＡｌ膜８ｓを除
去することによって、図６および図７に示したダマシン
配線構造が完成する。なお、本実施形態では、Ｎｂライ
ナー膜を形成しなかったが、第３の実施形態の場合と同
様に、Ｎｂライナー膜を形成しても良い。

【００９３】このようにして得られたダマシン配線をＥ
Ｍ試験によって評価したところ、ＭＴＦは、従来の約５
倍も改善されていることを確認した。本実施形態のダマ
シン配線を実際のＬＳＩに適用する場合には、電源配線
等の配線の幅が５μｍ以上の場合、すなわち従来技術で
は粒界三重点が多く生じるような配線幅において、その
効果は絶大なものとなる。また、第３の実施形態と同様
に、粒界修飾を行っても良い。

【００９４】（第５の実施形態）現在の高集積化が進ん
だＬＳＩでは多層配線が使用され、ＳＤ配線構造の場合
には、上下の配線は層間絶縁膜に開口されたヴィアホー
ル内に埋め込まれたプラグ電極を介して接続している。

【００９５】この種の多層配線では、ヴィアホール付近
で形状が複雑になること、この形状に起因して結晶粒界
が発生しやすくなること、そして配線材料（例えばＡ
ｌ）とは異なるプラグ電極材料（例えばＷ）が使用され
ることによって、プラグ電極と配線との接続部分におい
て電子流が不連続になることなどから、ヴィアホール付
近では配線の信頼性が低下しやすい。

【００９６】ヴィアホール付近における信頼性の低下を
防止するためには、図９に示すように、ヴィアホール１
５の端から所定距離Ｌ（例えば１μｍ）以内の領域の配
線溝４内に突起柱１２ａ，１２ｂを形成し、ＥＭの原因
となる結晶粒界を無くすと良い。

【００９７】図９には１層のＳＤ配線８ｓしか示してい
ないが、実際には、図１０に示すように、上下のＳＤ配
線８ａ，５ｂをプラグ電極１６で接続された多層配線の
場合には、各配線層毎に突起柱１２ａ，１２ｂを設け
る。プラグ電極１６は通常通りに層間絶縁膜の堆積、ヴ
ィアホールの開口後に形成しても良いし、あるいは先に
プラグ電極１６を形成した後に層間絶縁膜を形成しても
良い（ピラープロセス）。

【００９８】ヴィアホール付近における信頼性の低下は
デュアルダマシン配線の場合でも起こり、この場合もヴ
ィアホールに近い部分をバンブー化することによって、
信頼性の低下を防止することができる。

【００９９】また、図１１に示すように、ヴィアホール
１５で終端しない配線構造の場合でもヴィアホール１５
付近に突起柱１２ａ，１２ｂを形成することによって、
同様に信頼性の低下を防止することができる。

【０１００】（第６の実施形態）本実施形態は、本発明
を折れ曲がり配線に適用した例である。ＬＳＩ配線では
９０度折れ曲がった部分が存在する。この種の配線は、
折れ曲がった部分に電流が集中するために、ＥＭによる
配線の信頼性の低下はもともと起こり易い。そのため、
折れ曲がった部分に結晶粒界が存在すると、ＥＭによる
信頼性頼の低下の問題は深刻になる。

【０１０１】このような折れ曲がり部分における信頼性
の低下を防止するためには、図１２に示すように、折れ
曲がり部分のコーナー近傍に突起柱１２ａ，１２ｂを形
成し、ＥＭの原因となる結晶粒界を無くすと良い。

【０１０２】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、層間絶縁
膜の一例としてシリコン酸化膜をあげたが、必要に応じ
てシリコン酸化膜よりも誘電率の低い絶縁膜、例えばＳ
ＯＧ膜やポリイミド膜を用いても良い。

【０１０３】また、多層配線の場合、ＲＴＡによる結晶
粒界１０，１１の形成工程は、各層の配線毎に行っても
良いし、あるいは最上層の配線を形成した後にまとめて
行っても良い。

【０１０４】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。

【０１０５】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、柱
状部材で結晶粒界の成長を制御することによって、マイ
グレーション耐性の劣化の原因となる粒界三重点が生じ
ることを防止できるので、従来に比べて、マイグレーシ
ョン耐性を大幅に改善できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るＤＤ配線構造を
示す平面図

【図２】図１のＤＤ配線構造のＡ−Ａ’断面図

【図３】ユニット領域内の結晶粒の成長過程を示す図

【図４】第１の実施形態のＤＤ配線構造を示す電子顕微
鏡写真

【図５】本発明の第４の実施形態に係るＳＤ配線構造を
示す平面図

【図６】図６のＳＤ配線構造のＡ−Ａ’断面図

【図７】図６のＳＤ配線構造の製造方法を示す工程断面
図

【図８】他の形状の突起柱を示す平面図

【図９】本発明の第５の実施形態に係るＤＤ配線構造を
示す平面図

【図１０】図１０のＤＤ配線構造の斜視図

【図１１】図１０のＤＤ配線構造の変形例を示す平面図

【図１２】本発明の第６の実施形態に係るダマシン配線
構造を示す平面図

【図１３】従来の配線を示す平面図

【図１４】従来のダマシン配線の問題点を説明するため
の電子顕微鏡写真

【図１５】従来のダマシン配線の配線幅依存性を示す図

【符号の説明】

１…層間絶縁膜 ２…Ｗ配線 ３…層間絶縁膜 ４…配線溝 ５…ヴィアホール ６…分断島（柱状部材） ７…ユニット領域 ８…ＤＤ配線 ９…結晶粒 １０，１１…結晶粒界 １２ａ，１２ｂ…突起柱（柱状部材） １３…結晶粒界 １４…レジストパターン １５…ヴィアホール １６…プラグ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋 昇平 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 5F033 HH08 JJ01 KK19 LL08 MM02 NN29 PP18 PP33 QQ37 QQ48 QQ82 QQ98 RR06 SS04 SS15 TT01 XX05

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁膜に形成された配線溝の底面に形成さ
   れた複数の柱状部材と、 これらの柱状部材が形成された前記配線溝の内部に形成
   され、複数の結晶粒を有する配線とを具備してなり、 前記配線は、少なくとも３つの前記柱状部材を結んで形
   成されるユニット領域によって複数の領域に区分され、
   かつ前記ユニット領域を構成する隣り合う２つの前記柱
   状部材の最大距離は、前記複数の結晶粒の平均粒径以下
   であることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】前記配線溝の開口の上から見た場合に、前
   記複数のユニット領域のうち粒界三重点を含む領域の合
   計面積が前記配線の面積の２０％以下であることを特徴
   とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】前記複数の柱状部材は、前記絶縁材で形成
   されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
   置。
4. 【請求項４】前記複数の柱状部材は、導電性材で形成さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
   置。
5. 【請求項５】前記結晶粒界には、金属間化合物または高
   融点金属が形成されていることを特徴とする請求項１に
   記載の半導体装置。
6. 【請求項６】絶縁膜に形成された配線溝の合い対向する
   側面のそれぞれに形成され、かつ互いに向かい合って形
   成された柱状部材と、 前記柱状部材が形成された前記配線溝内に形成され、か
   つ前記互いに向き合った柱状部材を結ぶように形成され
   た結晶粒界を有する配線とを具備してなることを特徴と
   する半導体装置。
7. 【請求項７】前記柱状突起部材の前記側面に対して垂直
   な方向の寸法は、前記配線溝の幅の１／４以下であるこ
   とを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 【請求項８】前記絶縁膜の前記配線溝が形成された部分
   には下層配線と接続するための接続孔が形成され、この
   接続孔から所定距離離以内の領域に前記柱状部材および
   前記結晶粒界が形成されていることを特徴とする請求項
   ６に記載の半導体装置。
9. 【請求項９】前記所定距離離以内の領域は、前記接続孔
   から１０μｍ以内の領域であることを特徴とする請求項
   ８に記載の半導体装置。
10. 【請求項１０】前記配線は、シングルダマシン配線また
    はデュアルダマシン配線であることを特徴とする請求項
    １ないし請求項９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 【請求項１１】絶縁膜を加工して、この絶縁膜に配線溝
    を形成するとともに、この配線溝の底面に複数の柱状部
    材を形成する工程と、 前記配線溝の内部を充填し、複数の結晶粒を有し、かつ
    少なくとも３つの前記柱状部材を結んで形成されるユニ
    ット領域によって複数の領域に区分された導電性膜を前
    記絶縁膜上に形成する工程と、 熱処理によって前記導電膜中の結晶粒の平均粒径を前記
    熱処理前のそれよりも大きくする工程と、 前記配線溝の外部の前記導電性膜を除去する工程とを有
    し、 前記ユニット領域を構成する隣り合う２つの前記柱状部
    材の最大距離を前記熱処理後の前記複数の結晶粒の平均
    粒径よりも小さく設定することを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
12. 【請求項１２】前記導電性膜上に、該導電性膜と金属間
    化合物を形成する金属膜、または高融点金属膜を堆積し
    た後、前記熱処理を行うことを特徴とする請求項１１に
    記載の半導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】前記導電性膜に圧縮応力を加えた状態
    で、前記熱処理を行うことを特徴とする請求項１２に記
    載の半導体装置の製造方法。
14. 【請求項１４】絶縁膜を加工して、この絶縁膜に配線溝
    を形成するとともに、この配線溝の合い対向する側面の
    それぞれに互いに向かい合う柱状部材を形成する工程
    と、 前記配線溝の内部を充填する導電性膜を前記絶縁膜上に
    形成する工程と、 熱処理によって前記互いに向かい合う柱状部材を結ぶ結
    晶粒界を前記導電性膜中に形成する工程と、 前記配線溝の外部の前記導電性膜を除去する工程とを有
    することを特徴とする半導体装置の製造方法。