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発明の名称 配線形成方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平9−8041
公開日 平成9年(1997)1月10日
出願番号 特願平7−175449
出願日 平成7年(1995)6月19日
代理人
発明者 中牟田 嘉嗣
要約 目的
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。

構成
本発明方法は、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、所定配線パターンに相似した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、溝状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 配線層を成膜する工程と、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Al 配線層をエッチングする工程とを有する。
特許請求の範囲
【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。
【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。
【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 〜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。
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Ti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1.0μm 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200°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/60sccmRF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12上に順次、低抵抗化Ti層28、バリア層としてTiN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°CDC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/60sccmRF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0.5μm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(FIB)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40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48上にタングステン・プラグ50を介して第2層配線52及び第3層間絶縁膜54上にタングステン・プラグ56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。




 

 


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