JP3329148B2 - 配線形成方法 - Google Patents

配線形成方法

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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、主としてアルミニム又
はアルミニム合金を配線材料とした配線形成方法に関
し、更に詳細には配線幅の小さい配線層であっても、断
線し難い信頼性の高い配線を形成できる方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積化の要求に応じるた
めに、益々、配線構造が多層化し、配線層が微細化する
につれて、0.5μm 以下の配線層の形成が必要になっ
ている。ところで、半導体装置の配線層には、アルミニ
ウム或いはアルミニム合金を材料とした配線層(以下、
Al 配線層と言う)が主として採用されている。従来、
Al 配線は、Al 配線層及びAl 配線層を挟む上下のT
i層、TiN又はTiW層等のバリアメタル層を蒸着
法、スパッタリング法等により積層構造に成膜し、次い
で配線パターンに従ってパターニングすることにより、
形成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】Al 配線は、電流を流
した際にエレクトロマイグレーションにより断線し、導
通不良を引き起こし、またエレクトロマイグレーション
により寿命が短いことが知られている。エレクトロマイ
グレーションは、配線層の結晶構造と深く関係してい
て、多結晶構造の場合に結晶粒の不連続部分において発
生し易く、また配線層の配線幅にも依存している。例え
ば、配線幅が1.0μm 〜2.0μm であった一世代前
の段階では、エレクトロマイグレーションに起因する断
線が大きな問題となっていた。その後、配線幅が1.0
μm 以下になるに従い、Al 配線層の結晶構造はバンブ
ー構造に近づき、エレクトロマイグレーション耐性が増
大して、配線寿命が伸びてきたが、配線幅が0.5μm
以下になると、再び結晶配向が異なる不連続部分での断
線が問題になって来た。
【0004】配線の信頼性を向上させるために、例えば
配線パターンに従って下地酸化膜の表面に溝を形成し、
その溝を埋めるようにしてアルミニム膜を成膜し、エッ
チバック法により、或いは化学的機械研磨法により、不
要部分を除去して配線を形成する方法が提案されてい
る。しかし、この方法も歩留りが悪く、製造する上で量
産性、再現性に欠けると言う問題があって、実用化に到
っていない。
【0005】以上の問題に照らして、本発明の目的は、
0.5μm 以下の配線幅であっても、信頼性の高い配線
を形成できる方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る配線形成方法は、下地絶縁膜上に所定
Al 配線層と同じ材料でダミー配線層を成膜する工程
と、ホトレジスト膜を成膜して、所定配線パターンの配
線幅より僅かに広いパターンを有する第1マスクパター
ンを形成する工程と、第1マスクパターンをマスクにし
て、下地絶縁膜に達するまでダミー配線層をエッチング
して、パターンに従って伸びる溝状の開口をダミー配線
層に形成する工程と、450°C 〜500°C の範囲の
温度下で開口を埋めるようにして基板全面に所定Al 配
線層をスパッタリング法により成膜する工程と、ダミー
配線層を露出させ、更に所定Al 配線層を所定膜厚にな
るまでエッチングする工程と、ホトレジスト膜を成膜し
て、所定配線パターンを有する第2マスクパターンを形
成する工程と、第2マスクパターンをマスクにして、下
地絶縁膜に達するまでダミー配線層及び過剰幅部分の所
定配線層をエッチングする工程とを有することを特徴と
している。
【0007】本発明方法では、Al 配線層を従来の約2
00°C 〜約300°C の範囲のスパッタリング温度に
比べて450°C 〜500°C の範囲と言う高い温度で
スパッタリングすることと、溝状開口にAl 配線層を成
膜することとの相乗効果により、成膜されたAl 配線層
が(111)配向で単結晶化されている。この結果、後
述するように、エレクトロマイグレーション耐性が向上
する。
【0008】本発明方法では、溝状開口の幅を所定配線
層の幅と同じ幅で形成しても良い。その際には、ホトレ
ジスト膜を成膜して、所定配線パターンの配線幅より僅
かに広いパターンを有する第1マスクパターンを形成す
る工程に代えて、ホトレジスト膜を成膜して、所定配線
パターンの配線幅と同じ幅のパターンを有する第1マス
クパターンを形成する工程と、第2マスクパターンをマ
スクにして、下地絶縁膜に達するまでダミー配線層及び
過剰幅部分の所定配線層をエッチングする工程に代え
て、第2マスクパターンをマスクにして、下地絶縁膜に
達するまでダミー配線層をエッチングする工程とする。
【0009】また、本発明方法では、配線層を多層積層
構造で形成することもできる。その際には、下地絶縁膜
上に所定Al 配線層と同じ材料でダミー配線層を成膜す
る工程において、所定配線層と同じAl 配線層を含む多
層積層構造でダミー配線層を形成し、開口を埋めるよう
にして基板全面に所定Al 配線層を成膜する工程におい
て、Al 配線層を含む多層積層構造で所定配線層を形成
し、かつAl 配線層を450°C 〜500°C の範囲の
温度下でスパッタリング法により成膜する。
【0010】
【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて
本発明をより詳細に説明する。図1(a)から(d)及
び図2(e)から(g)は、本発明方法を実施する各工
程毎の層構造を示す基板断面図である。本発明方法によ
り配線層を形成するには、先ず、図1(a)に示すよう
に、半導体基板10上に形成された層間絶縁膜12上に
ダミー配線層14をスパッタリング法により成膜する。
本実施例では、ダミー配線層14は、図3に示すよう
に、層間絶縁膜12上に順次成膜されたバリア層として
のTiN層16と、配線層本体としてのAl 配線層18
と、バリア層及び反射防止層としてのTiN層20の積
層構造である。TiN層に代えてTiON層を成膜して
も良く、また密着層としてTi層を層間絶縁膜12上に
成膜しても良い。
【0011】次に、ダミー配線層14上にホトレジスト
膜を塗布し、図1(b)に示すように、パターン開口幅
23が所定配線層の配線幅より僅かに広い、例えば約
0.2μm 広い第1マスクパターン22をホトリソグラ
フィ法により形成する。次いで、図1(c)に示すよう
に、第1マスクパターン22をマスクにして、層間絶縁
膜12に達するまでダミー配線層14を反応性イオンエ
ッチング法により以下の条件でエッチングして、溝状開
口24をダミー配線層に形成する。 圧力:1.07Pa 温度:30°C 反応ガス:BCl3/Cl2=40sccm/60sccm RF出力:60W
【0012】図1(d)に示すように、開口24を埋め
るようにして所定配線層26を基板全面にスパッタリン
グ法により形成する。所定配線層26は、図4に示すよ
うに、多層の積層構造で形成されており、層間絶縁膜1
2上に順次、低抵抗化Ti層28、バリア層としてTi
N層30、Al 配線層32、反射防止膜としてTiN層
34とから構成されている。Al 配線層32は、純アル
ミニムの他に、Al +Si(〜1.0%)、Al +Si
(1.0%)+Cu(0.3%)、Al +Cu(0.5
%)等のアルミニム合金を使用して、以下の条件でDC
マグネトロンスパッタリング法により成膜される。 圧力:0.27Pa〜0.40Pa 温度:450°C 〜500°C DC出力:10kW 尚、所定配線層26を成膜する前に、開口壁面に対する
バリア層として開口24の壁面にTiN層をCVD法に
より予め成膜しておいても良い。
【0013】次いで、図2(e)に示すように、反応性
イオンエッチング法により以下のエッチング条件でダミ
ー配線層14が露出し、かつ所定配線層26が所定膜厚
になるまで所定配線層26をエッチングする。 圧力:1.07Pa 温度:30°C 反応ガス:BCl3/Cl2=40sccm/60sccm RF出力:60W
【0014】基板面にホトレジスト膜を成膜し、図2
(f)に示すように、所定配線パターンを有する第2マ
スクパターン36を形成する。更に、第2マスクパター
ン36をマスクにして、図2(g)に示すように、層間
絶縁膜12に達するまでダミー配線層14及び過剰幅部
分の所定配線層26をエッチングして配線を形成する。
【0015】本発明方法を評価するために、下からTi
層、TiN層、Al 配線層及びTiN層の4層積層構造
で純アルミニムをAl 配線層の材料とした配線幅0.5
μm及び2.0μm の本発明試料を上述した本発明方法
により作製した。試料についてFocused Ion Beam(FI
B)回折又はX線回折を行って結晶構造を調べ、更にエ
レクトロマイグレーション耐性を試験した。
【0016】回折検査の結果では、Al 配線層の結晶が
全てAl (111)面に配向していて単結晶化している
ことが確認できた。また、本発明試料についてエレクト
ロマイグレーション耐性を試験したところ、配線幅0.
5μm の試料の許容電流密度は5.0×106A/cm2とな
り、配線幅2.0μm の試料では、1.0×106A/cm2
となった。一方、試料と同じ配線構造の配線を従来法に
より形成した従来試料についてエレクトロマイグレーシ
ョン耐性を試験したところ、配線幅0.5μm の試料の
許容電流密度は5.0×105 A/cm2 となり、配線幅
2.0μm の試料では、2.0×105 A/cm2 となっ
た。
【0017】以上のように、本発明方法により作製した
本発明試料の配線のエレクトロマイグレーション耐性
は、従来法により作製した試料に比べて一桁高く、従っ
て、本発明方法により作製した配線の信頼性は高いと評
価できる。更に、Al 配線層をAl +Si、Al +Si
+Cu又はAl +Cuのアルミニム合金で形成したこと
を除いて同様にして本発明方法により作製した試料につ
いても、上述の評価を行い、純アルミニムの試料と同様
な結果を得た。
【0018】本発明方法を適用して、図5に示すような
多層積層構造の配線構造40を形成できる。配線構造4
0では、シリコン基板42上に形成された第1層間絶縁
膜44上に、順次、第1層配線46、第2層間絶縁膜4
8上にタングステン・プラグ50を介して第2層配線5
2及び第3層間絶縁膜54上にタングステン・プラグ5
6を介して第3層配線58が本発明方法により形成さ
れ、第3層配線58をパッシベーション膜60で被覆し
ている。
【0019】
【発明の効果】本発明方法によれば、下地絶縁膜上に所
定Al 配線層と同じ材料でダミー配線層を成膜し、ダミ
ー配線層をエッチングして配線パターンに相似した溝状
開口をダミー配線層に形成し、450°C 〜500°C
の範囲の温度下でスパッタリング法により基板全面に所
定Al 配線層を成膜することにより、(111)配向の
単結晶化された配線層を形成することができる。これに
より、配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上
させ、信頼性の高い配線層を実現できる。また、エレク
トロマイグレーション耐性の向上により、配線幅をサブ
ハーフミクロンのオーダーまで縮小することが可能にな
り、更には、デバイス設計時の余裕度を増大することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)から(d)は、本発明方法を実施す
る各工程毎の層構造を示す基板断面図である。
【図2】図2(e)から(g)は、図1(d)に続い
て、本発明方法を実施する各工程毎の層構造を示す基板
断面図である。
【図3】ダミー配線層の積層構造を示す断面図である。
【図4】所定配線層の積層構造を示す断面図である。
【図5】本発明方法により形成した配線構造を示す基板
断面図である。
【符号の説明】 10 半導体基板 12 層間絶縁膜 14 ダミー配線層 16 TiN層 18 Al 配線層 20 TiN層 22 第1マスクパターン 24 開口 26 所定配線層 28 低抵抗化Ti層 30 TiN層 32 Al 配線層 34 TiN層 36 第2マスクパターン 40 配線構造 42 シリコン基板 44 第1層間絶縁膜 46 第1層配線層 48 第2層間絶縁膜 50 タングステン・プラグ 52 第2配線層 54 第3層間絶縁膜 56 タングステン・プラグ 58 第3配線層 60 パッシベーション膜

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下地絶縁膜上に所定Al 配線層と同じ材
    料でダミー配線層を成膜する工程と、 ホトレジスト膜を成膜して、所定配線パターンの配線幅
    より僅かに広いパターンを有する第1マスクパターンを
    形成する工程と、 第1マスクパターンをマスクにして、下地絶縁膜に達す
    るまでダミー配線層をエッチングして、パターンに従っ
    て伸びる溝状の開口をダミー配線層に形成する工程と、 450°C 〜500°C の範囲の温度下で開口を埋める
    ようにして基板全面に所定Al 配線層をスパッタリング
    法により成膜する工程と、 ダミー配線層を露出させ、更に所定Al 配線層を所定膜
    厚になるまでエッチングする工程と、 ホトレジスト膜を成膜して、所定配線パターンを有する
    第2マスクパターンを形成する工程と、 第2マスクパターンをマスクにして、下地絶縁膜に達す
    るまでダミー配線層及び過剰幅部分の所定配線層をエッ
    チングする工程とを有することを特徴とする配線形成方
    法。
  2. 【請求項2】 ホトレジスト膜を成膜して、所定配線パ
    ターンの配線幅より僅かに広いパターンを有する第1マ
    スクパターンを形成する工程に代えて、ホトレジスト膜
    を成膜して、所定配線パターンの配線幅と同じ幅のパタ
    ーンを有する第1マスクパターンを形成する工程と、 第2マスクパターンをマスクにして、下地絶縁膜に達す
    るまでダミー配線層及び過剰幅部分の所定配線層をエッ
    チングする工程に代えて、第2マスクパターンをマスク
    にして、下地絶縁膜に達するまでダミー配線層をエッチ
    ングする工程とを有することを特徴とする請求項1に記
    載の配線形成方法。
  3. 【請求項3】 下地絶縁膜上に所定Al 配線層と同じ材
    料でダミー配線層を成膜する工程において、所定配線層
    と同じAl 配線層を含む多層積層構造でダミー配線層を
    形成し、 開口を埋めるようにして基板全面に所定Al 配線層を成
    膜する工程において、Al 配線層を含む多層積層構造で
    所定配線層を形成し、かつAl 配線層を450°C 〜5
    00°C の範囲の温度下でスパッタリング法により成膜
    することを特徴とする請求項1又は2に記載の配線形成
    方法。
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