JPH1032203A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エレクトロマイグレーション耐性を容易に向上
できるＡｌ配線の製造方法を提供すること 【解決手段】シリコン基板１上にＡｌ配線３を形成した
後、全面にシリコン窒化物等の高応力膜４を形成する。
この高応力膜４により高応力が生じたＡｌ配線３に熱処
理を施す。この結果、Ａｌ配線３の粒径が大きくなり、
エレクトロマイグレーション耐性が向上し、また、上記
熱処理は低温で良いので、既に形成した拡散層の濃度プ
ロファイルが変化することはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐マイグレーショ
ン特性の改善方法に特徴がある半導体装置の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化および高性
能化に伴って、配線の幅や厚さの微小化や、配線の多層
化が進められている。これを実現するために、配線には
高い電流密度の電流が流され、かつ動作温度の上昇が余
儀なくされている。

【０００３】ところが、高温における高電流密度の増大
は、エレクトロマイグレーションと呼ばれる配線不良の
発生を加速し、高い信頼性を確保することを困難なもの
としている。また、多層化による熱工程の増加や、配線
長の増加によってストレスマイグレーションと呼ばれる
配線不良も問題となっており、さらに、ストレスマイグ
レーションに起因したエレクトロマイグレーションも高
信頼化の大きな妨げとなっている。

【０００４】エレクトロマイグレーションとは、配線中
を流れる強い電子流によって配線金属原子が拡散・移動
する現象をいう。この金属原子の拡散・移動に不均一な
部分が生じると、配線中にボイドが発生して断線不良が
生じたり、配線にヒロックが発生して配線間の短絡不良
が生じたりする。

【０００５】配線材料としては、従来より、加工が容易
で比較的比抵抗が低いＡｌが用いられているが、融点が
６６０℃と低くいため、粒界拡散が起こりやすい。した
がって、Ａｌは加工、比抵抗の点では優れているが、エ
レクトロマイグレーション耐性の点では問題がある。

【０００６】エレクトロマイグレーションによる配線金
属の拡散経路は、表面、粒界および格子の３種類拡散が
あるとされている。これらのなかで配線のエレクトロマ
イグレーション不良に最も関係するのは粒界拡散である
ことが定説になっている。したがって、エレクトロマイ
グレーションに対して強い配線を作るには、配線中の金
属原子の粒界拡散を制抑することが重要となる。

【０００７】この方針に沿って今までに提案されたＡｌ
配線のエレクトロマイグレーション耐性の向上技術とし
ては以下のようなものがある。

【０００８】すなわち、Ａｌ配線にＣｕ、Ｔｉ、Ｐｄな
どの異種金属を添加し、合金化によって、粒界拡散を抑
制する方法（合金配線）や、Ａｌ配線を二つの高融点金
属合金膜で挟む方法（積層構造配線）や、レーザーアニ
ール等を用いて高温・短時間で熱処理してＡｌの粒径を
大きくする方法（大粒径化配線）や、Ａｌの結晶配向性
を高める金属膜をＡｌ配線の下に設ける方法（高配向配
線）、Ａｌを高温度で溝に溶融させて大粒径あるいは単
結晶化する方法等がある。

【０００９】しかしながら、これら従来のエレクトロマ
イグレーション耐性の向上技術には次のような問題があ
る。

【００１０】合金化による方法によれば、粒界および粒
内に、添加金属や、添加金属とＡｌとの金属化合物が析
出し、これら析出物が電子によるＡｌの拡散に対してエ
ネルギー障壁として作用することにより、Ａｌの粒界拡
散が抑制される。

【００１１】しかし、析出物を配線中の全ての拡散経路
に存在させることは困難であるという問題がある。ま
た、多くの拡散経路に析出物が存在するように、多量の
異種金属を添加すると、配線自体の比抵抗が増大すると
いう問題が生じる。

【００１２】さらに、析出物の分散状態は熱処理に依存
するところが大きく、熱処理の条件が不適切だと、析出
物が配線を横断するほど成長し、逆にエレクトロマイグ
レーション耐性が劣化するという問題が生じる。この問
題は、配線形成後の工程で種々の熱工程が行なわれる場
合、上記熱処理の条件の最適化が困難になるので顕著に
なる。

【００１３】Ａｌ配線を二つの高融点金属合金膜で挟む
方法によれば、Ａｌ配線に生じるボイドやヒロックが高
融点金属合金膜による機械的な力により抑え込まれるの
で、Ａｌの粒界拡散が抑制される。

【００１４】しかし、この方法ではＡｌの粒界は本質的
には改善されず、その効果には限界がある。また、一
旦、Ａｌ配線にボイドによる断線が生じると、ボイドが
そこから更に成長し、配線抵抗が上昇してしまう。

【００１５】高温・短時間で熱処理してＡｌの粒径を大
きくする方法によれば、粒径が大きくなることによっ
て、Ａｌ配線内の粒径構造が、粒界の三重点を含む三重
点構造から、三重点を含まず、粒界が配線内を竹の節状
に横断するバンブー構造に変化する。

【００１６】バンブー構造になると、エレクトロマイグ
レーションにより拡散するＡｌ原子は、粒界拡散から粒
内拡散（体拡散）が支配的となるため、エレクトロマイ
グレーション耐性が向上する。

【００１７】言い換えれば、Ａｌ配線を横断する粒界部
ではエレクトロマイグレーションで拡散してきたＡｌ原
子は粒界から格子への拡散でしか配線の長手方向に拡散
できず、そして、このような拡散は格子拡散を伴うため
に活性化エネルギーが必然的に大きくなり、Ａｌの粒界
拡散が抑制される。

【００１８】しかし、半導体デバイスの配線幅は、サブ
ミクロンの微細配線から、電源ラインと呼ばれる高電流
を流す数十ミクロンに及ぶ太い配線まで存在し、単に大
粒径化しただけではデバイスの設計を制限したり、太い
配線幅のＡｌ配線まで全てバンブー構造にするのは困難
である。

【００１９】また、大粒径化のための熱処理は高温であ
るため、この熱処理の際に、Ａｌ配線とその下地の絶縁
膜とが反応したり、素子を形成する拡散層の濃度プロフ
ァイルが変化するなどの問題があり、実用化には至って
いない。

【００２０】Ａｌの結晶配向性を高める金属膜をＡｌ配
線の下に設ける方法によれば、Ａｌ結晶の向きが揃えら
れ、これにより、Ａｌ配線中に安定粒界、つまり、均一
かつ欠陥の少ない粒界が形成され、Ａｌ原子の拡散が抑
制される。

【００２１】配向性の高いＡｌ膜を形成する方法として
は、Ａｌ膜の下地に表面エネルギーの小さな非晶質合金
膜を敷き、Ａｌ膜の堆積初期段階での様々な方位を有す
る結晶核の発生を抑制する方法が知られている。この方
法によれば、配向性の高いＡｌ膜が得られ、その粒界は
強化され、活性化エネルギーが大きくなり、エレクトロ
マイグレーション耐性が向上する。

【００２２】しかし、結晶の成長が核形成の段階で決定
されてしまうため、その後の通常の熱処理によっては粒
成長せず、粒径が０．３μｍ程度の微結晶であり、多く
の粒界は強化されてはいるものの、エレクトロマイグレ
ーション耐性の低い粒界も確率的に存在し、かつ不良発
生の起点となる三重点粒界が多く存在するという問題あ
る。

【００２３】すなわち、配向性は改善されるものの、Ａ
ｌ拡散の原因となる粒界が多数存在するため、期待通り
のエレクトロマイグレーション耐性が得られず、不良に
至るまでの時間（寿命）が短いという問題がある。

【００２４】また、Ａｌの配向性を高めることができる
膜には制限があることから、プロセスの大幅な改変を余
儀なくされるという問題もある。

【００２５】Ａｌを高温度で溝に溶融させて大粒径ある
いは単結晶化する方法によれば、不良発生の起点である
三重点粒界あるいは粒界を完全に無くした粒界構造を実
現でき、エレクトロマイグレーション耐性を飛躍的に向
上することができるようになる。

【００２６】しかし、Ａｌの融点である６６０℃を越え
る高温プロセスが必要であるため、現実のプロセスに採
用することは困難であるという問題がある。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来よ
り、Ａｌ配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上
するために、種々の技術（合金配線、積層構造配線、大
粒径化配線、高配向配線など）が提案されていたが、向
上効果が不十分または向上効果は十分であるが実施が困
難であるという問題があった。

【００２８】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、マイグレーション耐性
を容易に向上できる半導体装置の製造方法を提供するこ
とにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】

［概要］上記目的を達成するために、本発明に係る半導
体装置の製造方法（請求項１）は、基板上に応力膜が形
成された配線を形成する工程と、この応力膜により高応
力が生じた前記配線に熱処理を施し、前記配線の粒径を
増大する工程とを有することを特徴とする。

【００３０】ここで、応力膜が形成された配線を形成す
る工程は以下の２つのタイプがある。すなわち、配線と
なる導電性膜を形成し、次いでこの導電性膜を加工して
配線を形成し、最後にこの配線上に応力膜を形成する
か、または配線となる導電性膜を形成し、次いでこの導
電性膜上に応力膜を形成し、最後にこの応力膜と導電性
膜との積層膜を加工して配線を形成する。

【００３１】また、配線は、金属配線、合金配線および
不純物ドープ半導体配線のいずれでも良い。

【００３２】また、本発明に係る他の半導体装置の製造
方法（請求項２）は、上記半導体装置の製造方法（請求
項１）において、前記応力膜が、室温で、１×１０⁹ ｄ
ｙｎｅ／ｃｍ² 以上の引っ張り応力または圧縮応力を有
する膜であることを特徴とする。

【００３３】ここで、室温とは、３００Ｋ程度の温度で
ある。

【００３４】また、本発明に係る他の半導体装置の製造
方法（請求項３）は、上記半導体装置の製造方法（請求
項１）において、前記応力膜が、前記熱処理の前におい
て、前記配線に該配線の降伏応力よりも大きな応力を生
じさせる膜であることを特徴とする。

【００３５】また、前記応力膜は、前記熱処理の前にお
いて、前記配線に該配線の降伏応力よりも大きな応力を
生じさせる熱膨張係数および成膜温度を有する膜であっ
ても良い。

【００３６】また、本発明の他の半導体装置の製造方法
（請求項４）は、基板上に非晶質の第１の導電性膜を形
成する工程と、この第１の導電性膜上に結晶性の第２の
導電性膜を形成する工程と、前記第１および第２の導電
性膜を加工して配線を形成する工程と、前記配線を形成
する工程の前または後に、単位時間・単位温度当たりの
前記第２の導電性膜の応力変化の割合が２．０×１０⁶
（ｄｙｎｅ／ｃｍ² ）／（℃・ｍｉｎ）以上となり、か
つ到達温度が前記第２の導電性膜の再結晶温度以上とな
る熱処理を前記配線に施すことを特徴とする。

【００３７】また、本発明の他の半導体装置の製造方法
（請求項５）は、上記半導体装置の製造方法（請求項
４）において、前記熱処理前に前記第２の導電性膜上に
応力膜を形成することにより、前記熱処理における前記
第２の導電性膜の応力変化の割合を２．０×１０⁶ （ｄ
ｙｎｅ／ｃｍ² ）／（℃・ｍｉｎ）以上にすることを特
徴とする。

【００３８】また、本発明の他の半導体装置の製造方法
（請求項６）は、上記半導体装置の製造方法（請求項
４）において、前記熱処理時に前記配線の昇温速度を制
御することにより、前記熱処理における前記第２の導電
性膜の応力変化の割合を２．０×１０⁶ （ｄｙｎｅ／ｃ
ｍ² ）／（℃・ｍｉｎ）以上にすることを特徴とする。

【００３９】また、本発明（請求項４，５，６）によれ
ば、以下のような特徴を有する配線を形成できるように
なる。 （１）配線を構成する第１の導電性膜が面心立方（ｆ．
ｃ．ｃ．）構造を有するアルミニウム（Ａｌ）または銅
（Ｃｕ）を主成分とする合金膜である場合には、Ｘ線回
折測定における（１１１）面のロッキングカーブの半値
幅が１．０°以内で、かつ粒径の分布を対数正規とした
ときのメジアン（median）が１．５μｍ以上となる。 （２）配線を構成する第１の導電性膜が、ＡｌまたはＣ
ｕと、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴａおよびＭｇ（添加金属）の中か
ら選ばれた少なくとも一つの金属との合金である場合に
は、結晶粒内あるいは結晶粒界に添加金属の析出物ある
いは金属間化合物の大きさが５０ｎｍ以上のものを０．
２個／μｍ² 以上有する領域、５ｎｍ以下のものを１０
００個／μｍ² 以上有する領域および無析出領域が存在
する。

【００４０】ここで、添加金属の析出物あるいは金属間
化合物の大きさとは、表面の任意の２点間の距離のう
ち、一番大きい距離のことをいう。 （３）面心立方（ｆ．ｃ．ｃ．）構造を有する配線を構
成する第１の導電性膜の結晶粒内に、２つのすべり転位
が互いにそれぞれほぼ６０°の角度で存在し、かつこの
ようなすべり転位の対が１．０個／μｍ² 以上存在す
る。

【００４１】また、本発明（請求項１〜請求項６）にお
いて配線とは、その一部が電極として用いられるものも
含む。

【００４２】［作用］本発明者等は、大粒径化配線の形
成方法について研究した結果、応力が生じた配線、特に
高応力が生じた配線に熱処理を施すことにより、低温
（３５０℃）でも大粒径化でき、粒界密度を効果的に減
少できることが分かった。

【００４３】したがって、本発明（請求項１，２，３）
によれば、配線とその下地との反応や、不純物層の濃度
プロファイルの変化を招くこと無く、配線のエレクトロ
マイグレーション耐性を向上できるようになる。

【００４４】さらに、本発明者等は、高配向配線の形成
方法について研究した結果、非晶質の第１の導電性膜上
に結晶性の第２の導電性膜を形成した後、単位時間・単
位温度当たりの前記第２の導電性膜の応力変化の割合が
２．０×１０⁶ （ｄｙｎｅ／ｃｍ² ）／（℃・ｍｉｎ）
以上となり、かつ到達温度が前記第２の導電性膜の再結
晶温度以上となる熱処理を前記第２の導電性膜に施すこ
とにより、高配向化できるとともに、大粒径化により不
良発生の起点となる三重点粒界を十分に少なくできるこ
とが分かった。

【００４５】したがって、本発明（請求項４，５，６）
によれば、配線の高配向化および大粒径化を達成でき、
配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上できるよ
うになる。

【００４６】次に本発明（請求項４，５，６）の作用に
ついて具体例を用いて詳細に説目する。

【００４７】本発明では、例えば、まず、結晶方位を決
定する成膜初期における核の発生を抑制することができ
る膜である非晶質合金膜（第１の導電性膜に相当）上
に、配線としてのｆ．ｃ．ｃ．構造を有し、（１１１）
面に高配向した高配向膜（第２の導電性膜に相当）を形
成する。

【００４８】この高配向膜は、高配向ではあるものの、
成膜初期段階での核成長をそのまま受け継ぎ、粒径を成
長させることはできない。

【００４９】また、非晶質合金膜上に高配向膜を形成し
ても完全に核の発生を抑止できるわけではなく、（１１
１）面以外の配向を持った結晶粒が存在し、なおかつそ
の結晶性は成膜初期段階で既に決定されている。したが
って、その後の再結晶温度以上の通常の熱処理によって
も結晶粒が成長することはできない。

【００５０】そこで、本発明では、熱処理の際に急峻な
応力変化を高配向膜に与える。これにより、成膜初期に
形成された（１１１）配向の結晶そのものが核となっ
て、結晶を構成する原子の再配列が起こる。この結果、
成膜初期の下地（非晶質合金膜）からの堆積時の膜成長
の場合（従来法）とは異なり、結晶粒が成長し粒径が大
きくなる。

【００５１】また、成膜初期段階で発生した（１１１）
以外の方位を有する結晶粒は元来不安定なため、成長し
た（１１１）方位の粒に吸収され、線欠陥である転移
（dislocation ）として残存する。

【００５２】これらは、ｆ．ｃ．ｃ．構造の場合、互い
に６０°の角度を有する｛１００｝面に多く存在し、エ
レクトロマイグレーション耐性を向上させる作用と、特
にストレスマイグレーション耐性を向上させる作用があ
る。

【００５３】また、このような転移に添加した異種金属
がＧ．Ｐ．ゾーンあるいはθ相（ＡｌにＣｕを添加した
場合、Ａｌ₂ Ｃｕの金属間化合物）が多く存在する。

【００５４】これらの析出物の形成は母相であるＡｌに
大きな応力変化（歪み）を与えた結果であり、これらが
形成されることによる大きな整合歪みは合金の強化に大
きな３役割を果たしている。

【００５５】例えば、ＡｌにおけるＣｕのＧ．Ｐ．ゾー
ンは低温時効による硬化（強化）そのものであり、ジュ
ラルミン等として強化材料として良く知られている。当
然、半導体装置の配線として用いられた場合も、エレク
トロマイグレーション耐性、ストレスマイグレーション
耐性に優れた構造であり、これまで単に異種金属の添加
による合金化の制御が不可能であったが、本発明による
方法によってそれが可能となった。

【００５６】また、従来、熱処理時に発生するボイドや
ヒロックは、配線を構成する金属の残留歪みの緩和によ
るものであるが、本発明のように応力変化を急峻にする
ことによって、歪みを結晶粒の成長に変化させることが
でき、ボイドやヒロックの発生も抑制することができる
ようになる。

【００５７】

【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。

【００５８】具体的な実施形態の説明に入る前に、本発
明（請求項１，２，３）の基礎となった実験事実とその
解析結果について説明する。

【００５９】図４は、本発明者等が行なった実験結果を
示す図である。これは純Ａｌ膜上に種々の大きさの応力
を有する応力膜（高応力膜）を積層した後、同一条件の
温度・時間で熱処理した後の純Ａｌ膜の粒径Ｄを示して
いる。

【００６０】図４（ａ）は高応力膜が無い場合、同図
（ｂ）は高応力膜の応力値が３×１０⁹ ［ｄｙｎｅ／ｃ
ｍ² ］の場合、同図（ｃ）は高応力膜の応力値が３．５
×１０⁹ ［ｄｙｎｅ／ｃｍ² ］の場合、同図（ｄ）は高
応力膜の応力値が５×１０⁹ ［ｄｙｎｅ／ｃｍ² ］の場
合を示している。

【００６１】図４から、同一条件の熱処理でも、高応力
膜の有無や、高応力膜の応力値の違いにより、Ａｌの粒
径Ｄが大きく異なっていることが分かる。

【００６２】図５は、図４の結果から求めた熱処理後の
純Ａｌ膜の平均粒径と純Ａｌ膜に作用している応力との
関係を示す図である。また、図５の右側のスケールに
は、各純Ａｌ膜で形成した各純Ａｌ配線の配線寿命が示
されている。この配線寿命は、エレクトロマイグレーシ
ョン加速信頼性測定により得た平均寿命である。

【００６３】図５から、純Ａｌ膜に作用している応力と
熱処理後の平均粒径との間、および純Ａｌ膜に作用して
いる応力と配線寿命との間には、明らかに正の相関があ
ることが分かる。すなわち、高応力膜の応力値が大きい
ほど、純Ａｌ膜の平均粒径が大きくなり、配線寿命も長
くなっていることが分かる。

【００６４】この理由を明らかにするため、本発明者等
は、純Ａｌ膜と高応力膜との積層膜に加熱処理を施しな
がら、Ｘ線回析により純Ａｌ膜の歪量の変化、つまり、
応力状態の変化を求めた。

【００６５】図６に上記実験の結果を示す。図から、純
Ａｌ膜と高応力膜との積層膜（Ａｌが大粒径化した場
合）と純Ａｌ膜の単層膜（Ａｌが大粒径化しない場合）
とを比較すると、室温（２７℃）から３５０℃までの昇
温過程では両者の差は顕著であり、３５０℃から４５０
℃までの高温領域ではほとんど両者の差はないことが分
かる。

【００６６】また、昇温過程で時間を追って粒成長を観
察した別の実験結果から、粒成長はほとんど３５０℃ま
でに終了し、以後、４５０℃までの粒成長量は非常に小
さいことを確認した。

【００６７】この別の実験結果および図６の実験結果か
ら、例えば、純Ａｌ膜の場合、大粒径化の現象は３５０
℃までの昇温過程における歪の状態が大きく影響してい
る事実を本発明者等は発見した。今回の純Ａｌ膜の場
合、熱処理前の変温状態、つまり、初期状態での歪量を
大きくしておくことが大粒径化するための必要条件であ
る。

【００６８】従来より、金属膜の結晶粒の成長を促進す
る条件として、温度、金属膜中の不純物、金属膜中の欠
陥などについて多く研究されてきた。粒成長の促進と
は、原子レベルで表現すると、構成原子の移動・拡散を
活性化させることである。

【００６９】温度は、構成原子の持つエネルギーを増加
させて、構成原子が拡散のポテンシャルバリアーを越え
る確率を高くして構成原子の移動・拡散を活性化させ
る。また、欠陥は、拡散のポテンシャルバリアーの高さ
を低下させ、つまり、活性化エネルギーを低下させ、構
成原子の移動・拡散を起こり易くさせる。

【００７０】今回、本発明者等が見出だした現象は次の
ように説明できる。すなわち、金属膜上の高応力膜がそ
の高応力特性によって下の金属膜を大きく歪ませる結
果、金属膜に大きな歪エネルギーが蓄積され、これによ
り、移動・拡散の活性化エネルギーが実質的に低下する
ことが、大粒径化に寄与していると推測される。

【００７１】したがって、本発明の場合、粒成長が生じ
る昇温過程においてＡｌ膜を高応力状態にしていること
が、Ａｌ膜の大粒径化に大きな役割を果たしていると考
えられる。

【００７２】本発明者はＡｌ膜の大粒径化現象の解明を
進める段階で、種々の高応力膜およびその下地である金
属膜（下地金属膜）の成膜条件、さらに熱処理条件など
多くの検討をした。その結果、得られた結果を以下に要
約する。

【００７３】高応力膜の特性については、次に述べるよ
うな特徴を有することが望ましい。

【００７４】高応力膜は、その熱膨張係数が下地金属膜
のそれと大きく異なるほど良い。その理由は、高応力膜
自身が持っている応力以外に、熱処理中に熱膨張係数の
違いによる熱応力が発生し、この熱応力によりさらに大
粒径化が進むからである。

【００７５】また、高応力膜は、機械的強度が強いほ
ど、つまり、堅く強固な性質を持つほど良い。

【００７６】また、高応力膜は、下地金属膜との密着性
も高いほうが良い。これは、密着性が高く、堅い膜であ
れば、下地金属膜へ応力が確実に作用するからである。

【００７７】望ましくは、高応力膜は、熱赤外線の反射
しにくい光学特性を持つものが良い。これは、大粒径化
の熱処理における加熱効率および加熱均一性が高くなる
からである。

【００７８】また、高応力膜の膜厚に関しては、厚いほ
ど下地金属に誘起する歪量が大きくなるため、大粒径化
の効果が大きくなる。

【００７９】また、大粒径化後に高応力膜を除去する場
合には、高応力膜は下地金属膜に対するエッチング選択
比が取れるものが望ましい。

【００８０】一方、大粒径化の対象となる下地金属膜の
特性としては、高応力膜を形成した後の下地金属膜の示
す応力がその構成金属の降伏応力よりも大きい方が良
い。

【００８１】場合によっては、下地金属膜を加熱して高
応力膜を形成した方が、両者の熱膨張係数の違いにより
熱応力が作用して、下地金属膜の初期応力を大きくする
ことが可能となる。

【００８２】また、下地金属膜の熱処理前の初期粒径が
小さい方が、大粒径化する速度が大きいので、短時間の
熱処理で大粒径化を達成できる。

【００８３】以下に本発明者が見出だしたこの大粒径化
現象を利用した金属配線の形成工程を含む半導体装置の
製造方法の実施形態について説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

【００８４】まず、図１（ａ）に示すように、素子（不
図示）を形成したシリコン基板１上に絶縁膜２を形成す
る。次いで同図（ａ）に示すように、絶縁膜２上にＡｌ
配線３となるＡｌ膜を形成した後、このＡｌ膜をパター
ニングしてＡｌ配線３を形成する。この段階ではＡｌ配
線３の粒界はまだ小さい。Ａｌ配線３は絶縁膜２に開孔
された図示しない接続孔を介して素子に電気的に接続す
る。

【００８５】次に図１（ｂ）に示すように、全面に高応
力膜４を形成する。ここでは、高応力膜４として、スパ
ッタ法により形成され、膜厚が０．１μｍ、圧縮応力が
６×１０⁹ ｄｙｎｅ／ｃｍ² のシリコン窒化膜を用い
る。

【００８６】次に図１（ｃ）に示すように、例えば、４
５０℃で１０分間の熱処理をシリコン基板１に施して、
Ａｌ配線３の粒径を大きくする。この結果、Ａｌ配線３
の粒径は、図４に示したように、高応力膜４がない場合
のそれの２倍以上となる。

【００８７】最後に、図１（ｄ）に示すように、全面に
例えばＳｉＯ₂ からなる保護絶縁膜５を形成する。

【００８８】本実施形態の変形としては以下のものがあ
げられる。

【００８９】すなわち、図１（ｄ）の工程、つまり、保
護絶縁膜５の形成に伴う熱処理（通常ＣＶＤ法で形成す
るため３５０〜４００℃に加熱する）でも、Ａｌ配線３
は大粒径化するので、図１（ｃ）の工程、つまり、大粒
径化のための熱処理工程を省略しても良い。

【００９０】また、高応力膜４を残しておきたくない場
合には、図１（ｃ）の工程で、Ａｌ配線３の大粒径化熱
処理後に、高応力膜４を除去しても良い。

【００９１】また、本実施形態では、高応力膜４として
は、絶縁膜であるシリコン窒化膜を用いたが、その代わ
りに、導電性膜である炭素膜、窒化チタン膜などを用い
ていも良い。すなわち、高い応力を有する膜であれば良
く、絶縁膜、導電性膜などの膜種は本発明の効果に直接
は関係ない。 （第２の実施形態）図２は、本発明の第２の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

【００９２】まず、図２（ａ）に示すように、素子（不
図示）を形成したシリコン基板１１上に絶縁膜１２、Ａ
ｌ配線となるＡｌ膜１３を順次形成する。

【００９３】次に図２（ｂ）に示すように、Ａｌ膜１３
の全面上に、例えば、炭素、窒化チタン、タングステン
チタンまたは窒化タングステンからなる導電性の高応力
膜１４を形成する。

【００９４】次に図２（ｃ）に示すように、熱処理によ
り、Ａｌ膜１３の粒径を大きくした後、図２（ｄ）に示
すように、高応力膜１４、大粒径したＡｌ膜１３をパタ
ーニングして、Ａｌ配線１３を形成する。Ａｌ配線１３
は絶縁膜１２に開孔された図示しない接続孔を介して素
子に電気的に接続する。

【００９５】最後に、図２（ｅ）に示すように、全面に
例えばＳｉＯ₂ からなる保護絶縁膜１５を形成する。

【００９６】本実施形態の場合、高応力膜１４は導電性
を有するので配線加工後に残しておけば、高応力膜１４
をいわゆるキャップメタルとして用いることができ、こ
れにより、Ａｌ配線１３の信頼性をさらに向上できるよ
うになる。

【００９７】ただし、プロセス上で高応力膜１４を残し
ておきたくない場合には、図２（ｂ）の工程（大粒径化
工程）の後に除去するか、または図２（ｄ）工程（配線
加工工程）の後に除去する。

【００９８】本実施形態では、配線加工の前のＡｌ膜１
３に大粒径化のための熱処理を施したが、その代わり
に、配線加工後のＡｌ配線１３に大粒径化のための熱処
理を施しても、大粒径化の効果は同様に得られる。さら
に、第１の実施形態の場合と同様に、保護絶縁膜１５の
形成時に伴う熱処理を利用しても、大粒径化を達成する
ことができる。

【００９９】したがって、大粒径化の熱処理は、これら
のうちいずれかの段階か、もしくは全ての段階に熱処理
をしても良い。ただし、大粒径化の効果を上げるには、
できるだけ熱処理の回数を多くしたほうが良いので、上
記全ての段階で熱処理を行なうことが最も望ましい。

【０１００】また、本実施形態では、高応力膜１４とし
て導電性の膜を用いたが、これに限るものではなく、高
応力を有する絶縁性もしくは半絶縁性の膜でも良い。 （第３の実施形態）図３は、本発明の第３の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

【０１０１】まず、図３（ａ）に示すように、素子（不
図示）を形成したシリコン基板２１上に絶縁膜２２を形
成する。次に同図（ａ）に示すように、絶縁膜２２上に
Ａｌ配線２３となるＡｌ膜を形成した後、このＡｌ膜を
パターニングしてＡｌ配線２３を形成する。Ａｌ配線２
３は絶縁膜２２に開孔された図示しない接続孔を介して
素子に電気的に接続する。

【０１０２】次に図３（ｂ）に示すように、全面に第１
の保護絶縁膜としての絶縁性の高応力膜２４、第２の保
護絶縁膜としての絶縁性の低応力膜２５を順次形成し、
２層構造の保護絶縁膜を形成する。

【０１０３】ここで、高応力膜２４は、例えば、シリコ
ン窒化膜などの高応力を有する絶縁膜である。この高応
力膜２４は、第１、第２の実施形態のそれと同様に大粒
径化のためのものである。

【０１０４】また、低応力膜２５は、例えば、ＰＳＧ膜
などの低応力を有する絶縁膜であり、その膜厚は高応力
膜２４よりも厚く形成する。この低応力膜２５は通常の
保護絶縁膜としての役割を果たす。

【０１０５】この第２の保護絶縁膜（低応力膜２５）を
低応力とする理由は、保護絶縁膜の全体が高応力状態で
あると、保護絶縁膜にクラックが発生し易くなり、Ａｌ
配線の信頼性が低下するからである。

【０１０６】最後に、同図（ｂ）に示すように、シリコ
ン基板２１に熱処理を施して、Ａｌ配線２３の粒径を大
きくする。

【０１０７】本実施形態では、大粒径化のための熱処理
は見かけ上は１回であるが、第２の保護絶縁膜である低
応力膜２５は、基板温度を上げて形成するので、熱処理
は合計２回である。したがって、低応力膜２５を形成し
た後の大粒径化熱処理は省略しても良い。

【０１０８】また、本実施形態では、高応力膜２４と低
応力膜２５は異なる種類の絶縁膜であったが、同一種類
の絶縁膜でも良い。この場合、成膜時の初期は高応力状
態になるように、残りは低応力状態になるように、膜生
成条件を途中で変える。 （第４の実施形態）図７は、本発明の第４の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

【０１０９】まず、図７（ａ）に示すように、素子（不
図示）を形成したシリコン基板３１上に絶縁膜３２を形
成する。

【０１１０】次に図７（ｂ）に示すように、絶縁膜３２
上に非晶質合金膜３３、例えば、厚さ１０ｎｍのアルミ
ニウムタンタル膜を形成する。次いで同図（ｂ）に示す
ように、非晶質合金膜３３の表面に酸化膜が形成され
ず、非晶質合金膜３３の非晶質構造が変化しないように
酸素、窒素が混入しない真空度を保ちながら、比較的低
温で配線の主構成体である厚さ６００ｎｍ、Ｃｕを０．
５ｗｔ％含むＡｌ膜３４を形成する。

【０１１１】図７（ｃ）に示すように、Ａｌ膜３４、非
晶質合金膜３３を通常のＰＥＰ工程およびＲＩＥ工程に
より所望の配線形状に加工する。Ａｌ膜３４、非晶質合
金膜３３線からなる配線は絶縁膜２に開孔された図示し
ない接続孔を介して素子に電気的に接続する。

【０１１２】なお、ＰＥＰ工程におけるＡｌ膜３４によ
る露光用光の反射を防止する目的のために、反射防止膜
として例えば厚さ３０ｎｍの窒化チタン膜をＡｌ膜３４
上に形成しても良い。

【０１１３】次に図７（ｄ）に示すように、Ａｌ膜３４
の残留応力が３×１０⁹ ｄｙｎｅ／ｃｍ² となるような
薄い高応力膜３５を全面に形成する。

【０１１４】通常、高応力膜３５を形成する前のＡｌ膜
３４の残留応力は、１〜５×１０⁸ｄｙｎｅ／ｃｍ² 程
度の弱い引っ張り応力を有している。

【０１１５】一方、高応力膜３５は、例えば、炭素膜、
ＳｉＯ₂ 膜，ＳｉＮ膜等の場合であれば、１×１０⁹ ｄ
ｙｎｅ／ｃｍ² 以上の強い圧縮応力を有する。その結
果、高応力膜３５を形成した後は、Ａｌ膜３４は強い引
っ張り応力を有するようになる。本実施形態では、高応
力膜３５として室温で形成した厚さ４００ｎｍの炭素膜
を用いる。

【０１１６】この後、Ａｌの再結晶温度以上の温度、例
えば、４５０℃の到達温度、昇温速度１００℃／ｍｉｎ
以上、到達温度保持時間１５ｍｉｎの条件の熱処理を基
板に施す。

【０１１７】上記条件の熱処理の場合、配線温度が到達
温度に達するのには４ｍｉｎを要する。また、このとき
の保持温度でのＡｌ膜３４の残留応力は、１×１０⁹ ｄ
ｙｎｅ／ｃｍ² の圧縮応力である。

【０１１８】すなわち、昇温時におけるＡｌ膜３４の応
力は、３×１０⁹ ｄｙｎｅ／ｃｍ²の引っ張り応力から
１×１０⁹ ｄｙｎｅ／ｃｍ² の圧縮応力への変化であ
り、この変化に対し、４００℃の温度変化と４ｍｉｎの
時間を要しているので、時間当たり、温度当たりに対す
る応力変化は、（３＋１）×１０⁹ ／４００／４＝２．
５×１０⁶ ｄｙｎｅ／ｃｍ² ／℃／ｍｉｎとなる。

【０１１９】このような大きな応力変化を実現するため
に、本実施形態では、高応力膜３５を形成して、熱処理
前にＡｌ膜３４に強い引っ張り応力を有するようにして
いるが、応力の絶対値が大きくなくても、その代わりに
温度、時間を制御して応力変化が大きくても良い。

【０１２０】例えば、熱処理の昇温速度を上げて、６０
０℃／ｍｉｎ＝１０℃／ｓｅｃとすれば、Ａｌ膜３４の
時間当たりの応力変化は条件を満たし、粒径を大きくす
ることができる。要するに、粒径を大きくするために
は、応力変化速度を大きくすることが必要である。

【０１２１】最後に、図７（ｅ）に示すように、高応力
膜３５である炭素膜を酸素あるいは酸素のプラズマ中で
灰化して除去して、非晶質合金膜３３および高配向で大
粒径のＡｌ膜３４からなる配線が完成する。高応力膜３
５は炭素膜に限るものではなく、また、絶縁膜であれば
除去する工程を省くことができる。

【０１２２】次に上記形成方法に従って作成したＡｌ配
線を有する試料のエレクトロマイグレーション試験の結
果について説明する。

【０１２３】試料としては、本実施形態の形成方法を用
いて長さ３ｍｍのストライプ状のＡｌ配線を形成し、こ
れをパッシベーション膜（ＳｉＮ／ＳｉＯ₂ の積層）で
被覆したものを用いた。また、試料の種類は、配線幅が
９．４μｍ、３．０μｍ、１．４μｍ、１．２μｍ、
０．７μｍの５種類である。すなわち、０．７μｍの微
細（サブミクロン）配線に対応する細い配線幅から９．
４μｍの電源線に対応する太い配線幅までの配線を形成
した。

【０１２４】図８〜図１２は、上記各試料のエレクトロ
マイグレーション試験を行なった結果を示す対数正規分
布図である。各試料の試験条件は図中に示してある。

【０１２５】これらのデータからブラックの式により、
本実施形態の形成方法に従って作成した各Ａｌ配線のエ
レクトロマイグレーションのパラメータである活性化エ
ネルギーは配線幅に関係なくほぼ一定で、０．９ｅＶで
あった。また、電流密度依存性を調べたところ、ＭＴＴ
Ｆ（Median Time To Failure）は電流密度の２．１乗に
反比例することが判明した。

【０１２６】これらの値を用いて各配線幅における寿命
（ＭＴＴＦ）、ばらつき（標準偏差σ）を同試験条件下
で比較した。図１３に寿命（ＭＴＴＦ）を比較した結
果、図９にばらつき（標準偏差σ）を比較した結果を示
す。

【０１２７】一般に、粒径と配線幅がほぼ等しくなる配
線幅から粒径の約２倍となる配線幅になると、三重点粒
界構造とバンブー粒界構造とが混在するニアバンブー粒
界構造となり、寿命が短く、ばらつきが大きくなること
が知られており、本実施形態の配線においてもその傾向
が見られる。後に詳細に述べるが、本実施形態の配線の
粒径は、約１．５μｍであったが、そのニアバンブー構
造においても、高い信頼性を有している。

【０１２８】次に本実施形態の形成方法に従って作成し
たＡｌ配線の組織を調べた結果について説明する。

【０１２９】図１８は、Ａｌ配線を平面ＴＥＭ（透過型
電子顕微鏡）により観察した結果を示す写真である。図
１９は、図１８のＡｌ結晶中の粒界、すべり線、析出物
の存在箇所を示す図である。図２０は図１８の視野にお
ける電子線回折パターンを示す写真である。これら図か
ら、数μｍの大きさの粒が多数存在し、しかも、回折パ
ターンには（１１１）しか現れていないことが分かる。

【０１３０】このＡｌ配線をＸ線回折装置において、θ
／２θスキャンにおいてはＡｌ（１１１）のピークしか
観察されず、Ａｌ（１１１）のロッキングカーブを取っ
たところ、配向半値幅は、０．６°であった。

【０１３１】また、図１８、図１９から、Ａｌの粒内に
は、析出物や、すべり面が多数観察されている。図１８
および同様にＡｌの組織観察を行なった写真から、結晶
粒の面積を画像処理によって算出し、それを等価円の直
径に換算した値を粒径と定義し、それを対数正規分布に
プロットすると、図１５のようになる。

【０１３２】単に、非晶質合金膜上にＡｌ膜を形成した
場合、通常の熱処理（応力勾配の無い状態）をいくら施
しても粒は成長せず、平均粒径は０．３μｍ程度である
ことが報告されている。

【０１３３】しかし、本実施形態の応力勾配を有する熱
処理をＡｌ配線に施すと、粒径は大きくなり、メジアン
（対数正規分布において累積確率が５０％となる値）
は、本実施形態の場合、１．５５μｍ、ばらつきσは、
０．７５であった。

【０１３４】図２１、図２２は、Ａｌ配線をＴＥＭによ
りさらに詳細に調べた結果を示す写真である。図２３は
図２１のＡｌ結晶中の３つの結晶粒ａ，ｂ，ｃを示し、
図２５（ａ）〜図２５（ｃ）はそれぞれ結晶粒ａ，ｂ，
ｃの電子線回折パターンを示す図である。また、図２４
は、図２２のＡｌ結晶中の粒界、粒界三重点、無析出地
帯、微細析出物の存在箇所を示す図である。

【０１３５】図から、一つ一つの粒の電子線回折パター
ンはＡｌ（１１１）のみしか現れておらず、これは配向
性の高さを示している。また、図から、粒内には、５０
ｎｍ以上のＣｕの析出物が０．２個／μｍ² 以上有り、
５ｎｍ以下の析出物が１０００個／μｍ² 以上観察さ
れ、無析出領域も見られる。析出物は、Ａｌのすべり面
に析出したＣｕ原子のＧ．Ｐ．ゾーンまたはＡｌ₂ Ｃｕ
（θ相）である。

【０１３６】図２６、図２７は、Ａｌ配線群をＴＥＭに
より調べた別の結果を示す写真である。

【０１３７】図から、粒径のメジアンとほぼ同等の配線
幅である２μｍ幅で三重点粒界とバンブー粒界とが混在
するニアバンブー構造となっており、さらに狭い配線に
おいてはバンブー構造になっており、配線においても応
力勾配による熱処理の効果が認められ、エレクトロマイ
グレーションに強い構造が形成されていることが分か
る。

【０１３８】従来の方法による高配向膜上に形成したＡ
ｌ配線のエレクトロマイグレーション寿命が短いのは、
配向性を向上させることによって粒界そのものの強化は
行なわれているものの、粒の成長が起こらず、配線内に
エレクトロマイグレーション不良の発生原因である三重
点粒界が多数存在し、エレクトロマイグレーション不良
の発生密度が高いためである。

【０１３９】一方、本実施形態によれば、大粒径化によ
ってエレクトロマイグレーション不良の発生密度を低く
でき、しかも、通常の熱処理においては未完成であった
再末結晶部分、つまり、非（１１０）を消失でき、結晶
性を高め、粒界、粒内の耐エレクトロマイグレーション
性を向上させることができる。

【０１４０】図２８は、Ａｌ配線をＴＥＭにより調べた
結果を示す写真である。図２９は、図２８のＡｌ結晶中
の転位、粒界の存在箇所を示す図である。また、図１６
は、Ａｌ配線内の結晶一つ一つについての、電子線回折
パターンを示す図である。図から、どの結晶粒を見ても
Ａｌ（１１１）の平面内の回転のみによって構成されて
おり、配向性が非常に高いことが分かる。

【０１４１】以上、本実施形態によるＡｌ配線の詳細な
組織を調べた結果を示したが、通常の熱処理（高応力膜
を形成せずに、同じ温度の熱処理）を行なったもののＴ
ＥＭ観察結果を図３０〜図３２に示す。図３３は、図３
０のＡｌ結晶中の粒界、未再結晶部を示す図である。ま
た、図３４は、図３０の視野における電子回折パターン
を示す写真である。

【０１４２】この従来法によるＡｌ膜のＸ線回折による
（１１１）ロッキングカーブの半値幅は、本実施形態と
同様、０．６°であったが、ＴＥＭ観察によると、再結
晶化が起こっていない結晶性の劣る部分が多数見られ、
電子線回折によるパターンにも（１１１）以外のパター
ンが現れている。

【０１４３】また、従来法の場合、粒径のメジアンは
１．１μｍであったが、ばらつきσは０．８５と大き
く、粒の小さなものが残存していることが分かった。当
然、エレクトロマイグレーション耐性も大粒径化したも
のに比べ低く、例えば、１μｍ幅の配線で、２００℃，
３×１０⁶ Ａ／ｃｍ² の試験条件下におけるＭＴＴＦは
７０Ｈｒで、ばらつきσは０．６であり、本実施形態に
比べて寿命が短かかった。

【０１４４】さらに、本実施形態によれば、急激な応力
変化を引き起こす熱処理により、Ａｌ配線内に蓄積され
ている歪み（ヒロックやボイドになる）がほぼすべて粒
の成長のエネルギーへと変化するので、ショートの原因
となるヒロックの発生を十分に抑制できるようになる。 （第５の実施形態）図１７は、本発明の第５の実施形態
に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

【０１４５】まず、図１７（ａ）に示すように、素子
（不図示）を形成したシリコン基板４１上に絶縁膜４２
を形成する。次いで同図（ａ）に示すように、絶縁膜４
２の表面に配線溝４３を形成する。

【０１４６】次に図１７（ｂ）に示すように、配線溝４
３内に非晶質合金膜４４、Ｃｕ配線４５を埋め込み形成
する。なお、Ｃｕ配線は、純Ｃｕ配線でもＣｕ合金配線
でも良い。

【０１４７】具体的には、第４の実施形態と同様に、非
晶質合金膜４４、例えば、厚さ１０ｎｍの銅タンタル膜
あるいはアルミニウムタンタル膜を全面に形成した後、
厚さ２μｍのＣｕ配線４５となるＣｕ膜を全面に形成す
る。

【０１４８】次にリフローによりＣｕ膜を配線溝４３内
に流動せしめ、配線溝４３の内部をＣｕ膜により充填さ
せる。

【０１４９】最後に、配線溝４３以外の部分の非晶質合
金膜４４、Ｃｕ膜を除去して、Ｃｕ配線４５が完成す
る。

【０１５０】この場合、Ｃｕのハロゲン化物の蒸気圧は
Ａｌのそれに比べて非常に低く、通常のＲＩＥによる加
工が困難であるため、ＣＭＰ（化学機械研磨）を用いて
非晶質合金膜４４、Ｃｕ膜４５を除去なうと良い。

【０１５１】ここで、先の実施形態のようにＡｌ配線の
場合には、表面に不導態膜であるＡｌ₂ Ｏ₃ がすぐに形
成され、直接応力膜である炭素等を被覆しても問題は無
い。

【０１５２】しかし、Ｃｕ配線の場合には、不導態膜の
ような保護膜が形成されず、しかも、後工程で形成する
層間絶縁膜（ＳｉＯ₂ 膜）等の絶縁膜中を高速で拡散
し、基板内の素子に重大な悪影響を与える。したがっ
て、Ｃｕ配線の場合、表面にＣｕ自身の拡散バリアとＣ
ｕ内に進入する酸素、炭素等の不純物に対する拡散バリ
アが必要となる。

【０１５３】そこで、図１７（ｃ）に示すように、全面
に拡散バリアとしての厚さ２０ｎｍのシリコン窒化膜４
６を室温で形成した後、このシリコン窒化膜４６上に厚
さ４０ｎｍの炭素膜４７を形成する。

【０１５４】シリコン窒化膜４６は高応力を有し、粒径
を大きくする効果があるが、本実施形態のように、シリ
コン窒化膜４６を炭素膜４７で被覆した方が、後工程の
熱処理の際の配線の温度上昇速度が大きくなり、粒径を
大きくする効果がさらに高くなる。

【０１５５】最後に、基板に４５０℃、１５ｍｉｎの熱
処理を施した後、図１７（ｄ）に示すように、炭素膜を
除去して、埋め込みＣｕ配線構造が完成する。

【０１５６】上記熱処理時の応力勾配は、５．６×１０
⁶ ｄｙｎｅ／ｃｍ² ／℃／ｍｉｎである。この熱処理が
施されたＣｕ配線４５のＸ線回折による（１１１）ロッ
キングカーブの半値幅は、０．８°であり、ＴＥＭ観察
によると電子線回折によるパターンには（１１１）以外
のパターンは見られなかった。また、粒径のメジアンは
１．６μｍで、ばらつきσは０．７であった。

【０１５７】本来、Ｃｕ配線のエレクトロマイグレーシ
ョン耐性はＡｌ配線に比べ高いが、本実施形態によれ
ば、それにも増してエレクトロマイグレーション耐性を
高くでき、Ｃｕ配線の信頼性を非常に高くできるように
なる。

【０１５８】具体的には、２μｍ幅の配線で、２００
℃，３×１０⁶ Ａ／ｃｍ² の試験条件下におけるＭＴＴ
Ｆは、３８５０Ｈｒで、ばらつきσは０．４であった。
また、活性化エネルギーは、本実施形態の場合、１．４
ｅＶという値が得られた。

【０１５９】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではない。例えば、上記実施形態では、単層配
線の場合について説明したが、本発明は多層配線にも適
用できる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々変形して実施できる。

【０１６０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１，
２，３）によれば、応力膜により配線に応力が生じた状
態で熱処理を行なうことにより、配線とその下地との反
応や、不純物層の濃度プロファイルの変化を招くこと無
く、配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上でき
るようになる。

【０１６１】また、本発明（請求項４，５，６）によれ
ば、非晶質の第１の導電性膜上に主たる配線を構成する
結晶性の第２の導電性膜を形成した状態で、所定の熱処
理を施すことにより、第２の導電性膜の高配向化および
大粒径化を同時に実現でき、配線のエレクトロマイグレ
ーション耐性を向上できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す工程断面図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す工程断面図

【図３】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す工程断面図

【図４】高応力膜の効果を調べるために行なった実験結
果を表わす純Ａｌ膜のＡｌ結晶を示す図

【図５】熱処理後の純Ａｌ膜の平均粒径と純Ａｌ膜に作
用している応力との関係を示す図

【図６】純Ａｌ膜と高応力膜との積層膜に加熱処理を施
しながら、Ｘ線回析により純Ａｌ膜の歪量の変化を求め
た結果を示す図

【図７】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す工程断面図

【図８】配線幅が９．４μｍの試料のエレクトロマイグ
レーション試験を行なった結果を示す対数正規分布図

【図９】配線幅が３．０μｍの試料のエレクトロマイグ
レーション試験を行なった結果を示す対数正規分布図

【図１０】配線幅が１．４μｍの試料のエレクトロマイ
グレーション試験を行なった結果を示す対数正規分布図

【図１１】配線幅が１．２μｍの試料のエレクトロマイ
グレーション試験を行なった結果を示す対数正規分布図

【図１２】配線幅が０．７μｍの試料のエレクトロマイ
グレーション試験を行なった結果を示す対数正規分布図

【図１３】各配線幅の試料における寿命（ＭＴＴＦ）を
同試験条件下で比較した結果を示す図

【図１４】各配線幅の試料におけるばらつき（標準偏差
σ）を同試験条件下で比較した結果を示す図

【図１５】大粒径化、高配向化したＡｌ膜の粒径分布を
示す図

【図１６】Ａｌ配線内の結晶一つ一つの電子線回折パタ
ーンを示す図

【図１７】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を示す工程断面図

【図１８】Ａｌ配線を平面ＴＥＭにより観察した結果を
示すＡｌ結晶の顕微鏡写真

【図１９】図１８のＡｌ結晶中の粒界、すべり線、析出
物の存在箇所を示す図

【図２０】電子線回折により求めた図１８のＡｌ結晶構
造を示す写真

【図２１】Ａｌ配線をＴＥＭにより観察した結果を示す
Ａｌ結晶の顕微鏡写真

【図２２】Ａｌ配線をＴＥＭにより観察した結果を示す
Ａｌ結晶の顕微鏡写真

【図２３】図２１のＡｌ結晶中の３つの結晶粒を示す図

【図２４】図２２のＡｌ結晶中の粒界、粒界三重点、無
析出地帯、微細析出物の存在箇所を示す図

【図２５】電子線回折により求めた図２１のＡｌ結晶構
造を示す写真

【図２６】Ａｌ配線をＴＥＭにより観察した結果を示す
Ａｌ結晶の顕微鏡写真

【図２７】Ａｌ配線をＴＥＭにより観察した結果を示す
Ａｌ結晶の顕微鏡写真

【図２８】Ａｌ配線をＴＥＭにより観察した結果を示す
Ａｌ結晶の顕微鏡写真

【図２９】図２８のＡｌ結晶中の転位、粒界の存在箇所
を示す図

【図３０】通常の熱処理が施されたＡｌ配線をＴＥＭに
より観察した結果を示すＡｌ結晶の顕微鏡写真

【図３１】通常の熱処理が施されたＡｌ配線をＴＥＭに
より観察した結果を示すＡｌ結晶の顕微鏡写真

【図３２】通常の熱処理が施されたＡｌ配線をＴＥＭに
より観察した結果を示すＡｌ結晶の顕微鏡写真

【図３３】図３０のＡｌ結晶中の粒界、未再結晶部を示
す図

【図３４】電子線回折により求めた図３０のＡｌ結晶構
造を示す写真

【符号の説明】

１…シリコン基板 ２…絶縁膜 ３…Ａｌ配線 ４…高応力膜 ５…保護絶縁膜 １１…シリコン基板 １２…絶縁膜 １３…Ａｌ配線（Ａｌ膜） １４…高応力膜 １５…保護絶縁膜 ２１…シリコン基板 ２２…絶縁膜 ２３…Ａｌ配線 ２４…高応力膜 ２５…低応力膜 ３１…シリコン基板 ３２…絶縁膜 ３３…非晶質合金膜 ３４…Ａｌ膜 ３５…高応力膜 ４１…シリコン基板 ４２…絶縁膜 ４３…配線溝 ４４…非晶質合金膜 ４５…Ｃｕ配線 ４６…シリコン窒化膜 ４７…炭素膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 新一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に応力膜が形成された配線を形成す
   る工程と、 この応力膜により応力が生じた前記配線に熱処理を施
   し、前記配線の粒径を増大する工程とを有することを特
   徴とする。
2. 【請求項２】前記応力膜は、室温で、１×１０⁹ ｄｙｎ
   ｅ／ｃｍ² 以上の引っ張り応力または圧縮応力を有する
   膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置
   の製造方法。
3. 【請求項３】前記応力膜は、前記熱処理の前において、
   前記配線に該配線の降伏応力よりも大きな応力を生じさ
   せる膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体
   装置の製造方法。
4. 【請求項４】基板上に非晶質の第１の導電性膜を形成す
   る工程と、 この第１の導電性膜上に結晶性の第２の導電性膜を形成
   する工程と、 前記第１および第２の導電性膜を加工して配線を形成す
   る工程と、 前記配線を形成する工程の前または後に、単位時間・単
   位温度当たりの前記第２の導電性膜の応力変化の割合が
   ２．０×１０⁶ （ｄｙｎｅ／ｃｍ² ）／（℃・ｍｉｎ）
   以上となり、かつ到達温度が前記第２の導電性膜の再結
   晶温度以上となる熱処理を前記配線に施すことを特徴と
   する半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】前記熱処理前に前記第２の導電性膜上に応
   力膜を形成することにより、前記熱処理における前記第
   ２の導電性膜の応力変化の割合を２．０×１０⁶ （ｄｙ
   ｎｅ／ｃｍ² ）／（℃・ｍｉｎ）以上にすることを特徴
   とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】前記熱処理時に前記配線の昇温速度を制御
   することにより、前記熱処理における前記第２の導電性
   膜の応力変化の割合を２．０×１０⁶ （ｄｙｎｅ／ｃｍ
   ² ）／（℃・ｍｉｎ）以上にすることを特徴とする請求
   項４に記載の半導体装置の製造方法。