(57)【要約】【課題】  簡易な製法によって製造が可能で、エレクトロマイグレーション耐性に優れ、簡易な製法によって製造が可能な配線層を備える半導体装置、及びその製造方法を提供する。【解決手段】  下地絶縁膜２上にＡｌ合金を堆積して初期配線層３を形成した後、初期配線層３の表層部分にＡｌイオンを注入する。このとき、ウェハを回転させることで初期配線層３の表面外周部分にＡｌイオンを注入し、これによって当該部分をアモルファス化する。その後、熱処理工程を行い、アモルファス層を再結晶化して結晶粒径の小さい第２配線層７を外周部分に形成すると共に、初期配線層３を構成する結晶粒４の結晶成長を誘発して結晶粒径の大きい第１配線層８を内層部分に形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板又は下地絶縁膜上に形成される第１配線層と、前記第１配線層に接する外周部分に形成される第２配線層と、を有する半導体装置であって、
前記第１配線層が、第１結晶粒径の結晶粒で構成されており、
前記第２配線層が、前記第１結晶粒径より小さい第２結晶粒径の結晶粒で構成されており、アモルファス層が再結晶化されることで形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
所定の初期結晶粒径で構成される初期配線層を前記基板又は下地絶縁膜上に形成する第１工程と、
前記第１工程終了後、前記アモルファス層を前記初期配線層に接する外周部分に形成する第２工程と、
前記第２工程終了後、熱処理を施すことで、前記初期配線層の結晶粒径を粗大化して前記第１配線層を形成すると共に、前記アモルファス層を再結晶化して前記第２配線層を形成する第３工程と、を有する半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２工程が、前記初期配線層の表面にイオン注入を行う工程であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記初期配線層がＡｌを含む金属で構成され、
前記第２工程が、Ａｌイオンを注入する工程であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２層構造を有する配線層を備える半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ−Ｓｉ（珪素）合金、Ａｌ−Ｃｕ（銅）合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等のＡｌ系材料は、ＬＳＩやＩＣ等の半導体素子の配線材料として最も一般的に広く利用されている。
【０００３】
近年、更なる高集積度を有する半導体素子の開発が進められている一方で、高電圧・高電流に対応した、いわゆるパワー素子と呼ばれる半導体素子の開発もさかんに進められている。
【０００４】
集積度を高めるために、通常、ＬＳＩ等の半導体素子の微細化を行うべく、配線等に利用されるＡｌ系材料の膜厚も薄く形成される（例えば１μｍ程度）が、膜厚が薄く設計された配線内を高電流が流れると、電流密度が増大し、これによってエレクトロマイグレーションと呼ばれる配線不良が発生するという問題点がある。
【０００５】
エレクトロマイグレーションは、電流が流れる金属組織内で、金属単結晶格子内の金属イオンが電子との衝突により電流の向きと逆方向に移動する現象である。この金属イオンの流れは、半導体集積回路の配線に通常用いられる多結晶金属薄膜内では不均一であるため、局所的な金属イオンの過不足を生ずる原因となる。金属薄膜内で金属イオンが不足した領域ではボイド（空孔）が生じ、このボイドが成長すると配線の断線に至る。又、逆に金属イオンが過剰に存在する領域ではヒロック（突起）が発生し、配線間の短絡不良を招来する可能性がある。
【０００６】
ところで、金属イオンの流れは個々の結晶粒子内、結晶粒子表面、或いは結晶粒界内において生じ、何れの寄与が大きいかは個々の金属膜の物性に依存する。一般的に、金属イオンの拡散係数は、結晶格子内よりも結晶粒界内において大きく、これは結晶粒界の方が結晶格子よりもポテンシャルの谷が浅く、原子空孔等の欠陥も多く存在するためである。従って、エレクトロマイグレーション耐性を向上させるためには、配線中の金属原子の粒界拡散を抑制することが重要となる。尚、ここでいう結晶粒界とは、隣接する結晶粒相互間の境界面を指す。
【０００７】
このような背景の下、従来より、Ａｌ配線のエレクトロマイグレーション耐性向上方法としてＡｌ配線にＣｕ、Ｔｉ、Ｐｄ等の異種金属を添加して合金化することで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）等が提案されてきている。
【０００８】
前者の方法によれば、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ことが期待される一方で、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。又、多くの拡散経路に析出物を存在させるべく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別の問題が生じる。更に、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。特に、配線形成後の工程で種々の熱工程が行われる際には、上記熱処理の条件の最適化が困難となるため、かかる問題が顕著化する。
【０００９】
一方、後者の方法によれば、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ことが期待されるが、Ａｌの粒界拡散を本質的に抑制する方法ではないため、その効果には限界があり、又、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という問題を内包する。
【００１０】
上記問題を解決すべく、結晶粒界を小さくする目的で配線内部の結晶粒径を大きくするために、配線層を構成するＡｌ膜を２段階に分けて成膜することで配線層を２層構造にした半導体装置の製造方法が従来より提供されている（例えば、特許文献１参照）。以下、この特許文献１に記載の従来方法について説明する。
【００１１】
まず、Ｓｉを全く含まない純粋なＡｌ（ｐｕｒｅ−Ａｌ）をスパッタチャンバーにて一旦５μｍ成膜し（第１Ａｌ層）、その後、ウェハ搬送装置によりロードロックチャンバーまでウェハを搬送し、大気へ一旦開放する。次に、そのウェハを再びスパッタチャンバーへ移しＳｉを全く含まないＡｌを０．５μｍ成膜する（第２Ａｌ層）。
【００１２】
その後、パターン形成を行い、Ａｌ膜のウェットエッチングを行う。その結果、図３に示すように、Ａｌ配線９０には括れ９２が殆ど形成されず、又、形成された括れ９２についても、その大きさは小さい状態であった。更に、この括れ９２の近傍を拡大した図４に示されるように、当該括れ９２はＡｌ配線の表層部分に発生しており、実使用上問題はない。
【００１３】
又、図４に示されるように、Ａｌ配線層の表面部分９３に小さな粒界９１が多数生じていることが観測される。このように、厚い膜厚のＡｌ膜を形成する際に、分割成膜することにより、上層のＡｌ膜の膜厚を下層のＡｌ膜の膜厚よりも薄くすることで上層のＡｌ膜の膜厚を細かく制御でき、下層のＡｌ膜と比較して上層のＡｌ膜を構成する結晶粒を密な状態とすることができる。これは、第１Ａｌ層を成膜後、大気へ一旦解放することにより当該層表面に酸素や窒素等の吸着分子層が形成されることで、第２Ａｌ層の成膜時には第１Ａｌ層の結晶の影響を受けずに粒径の小さな結晶成長を行うためであると考えられる。一方、既に成膜されていた第１Ａｌ層を構成する各結晶は、第２Ａｌ層成膜工程の際に結晶成長を行うため、第２Ａｌ層の結晶粒径より大きな結晶粒径を示すこととなる。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−１００８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１に記載の方法によれば、Ａｌ配線層の内層部分の結晶粒径をＡｌ配線層の表層部分の結晶粒径と比較して大きくすることができる。
【００１６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、結晶粒径の異なる２層の配線を別工程で作成することで、配線間に酸素等の介在物が付着し、配線抵抗が上がる可能性がある。又、配線層を構成する各結晶の結晶粒径の制御が困難であるという問題がある。
【００１７】
上記の問題点に鑑み、本発明は、簡易な製法によって製造が可能で、エレクトロマイグレーション耐性に優れ、簡易な製法によって製造が可能な配線層を備える半導体装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置は、基板又は下地絶縁膜上に形成される第１配線層と、前記第１配線層に接する外周部分に形成される第２配線層と、を有する半導体装置であって、前記第１配線層が、第１結晶粒径の結晶粒で構成されており、前記第２配線層が、前記第１結晶粒径より小さい第２結晶粒径の結晶粒で構成されており、アモルファス層が再結晶化されることで形成されることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る半導体装置の上記第１の特徴構成によれば、内外層２層構造を構成する配線層の内、内層部分を構成する第１配線層が結晶粒径の大きい結晶粒で構成されることで、当該第１配線層内の結晶粒界が減少され、これによって原子の粒界拡散が抑制されてエレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。このとき、外層部分を構成する第２配線層がアモルファス層が再結晶化されることで形成されるため、当該再結晶工程と、第１配線層を構成する結晶粒の結晶成長工程とを同時に行うことができ、簡易な製法によって製造が可能となる。
【００２０】
又、このように構成されることで、外層部分を構成する第２配線層の結晶粒径が小さいため、引っ張り塑性応力が増大し、これによって外層部分のストレスマイグレーション耐性を高めることができる。尚、このとき、第１配線層の結晶粒径は２μｍ〜４μｍ程度で構成され、第２配線層の結晶粒径は０．５μｍ〜１μｍ程度で構成されるのが好ましい。
【００２１】
又、上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴を有した半導体装置の製造方法であって、所定の初期結晶粒径で構成される初期配線層を前記基板又は下地絶縁膜上に形成する第１工程と、前記第１工程終了後、前記アモルファス層を前記初期配線層に接する外周部分に形成する第２工程と、前記第２工程終了後、熱処理を施すことで、前記初期配線層の結晶粒径を粗大化して前記第１配線層を形成すると共に、前記アモルファス層を再結晶化して前記第２配線層を形成する第３工程と、を有することを第１の特徴とする。
【００２２】
本発明に係る半導体装置の製造方法の上記第１の特徴によれば、内外層２層構造を構成する配線層の内、内層部分を構成する第１配線層の結晶粒径を粗大化する工程と、アモルファス層を再結晶化して外層部分を構成する第２配線層を形成する工程とを一の熱処理工程内で同時に行うことができるため、複雑な工程を必要とすることなく結晶粒径の異なる２層構造を有する配線層を構成することができる。特に、アモルファス層を再結晶化することで第２配線層が形成されるため、当該層を構成する各結晶粒の粒径を小さくすることができ、ストレスマイグレーション耐性を高めることができる。又、熱処理工程によって内層部分を構成する第１配線層の結晶粒が結晶成長を行うことで結晶粒径が大きくなるため、これによって結晶粒界が減少し、エレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。
【００２３】
又、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第１の特徴に加えて、前記第２工程が、前記初期配線層の表面にイオン注入を行う工程であることを第２の特徴とする。
【００２４】
又、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第２の特徴に加えて、前記初期配線層がＡｌを含む金属で構成され、前記第２工程が、Ａｌイオンを注入する工程であることを第３の特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の構成によれば、内外層２層構造を構成する配線層の内、内層部分を構成する第１配線層の結晶粒径を粗大化する工程と、アモルファス層を再結晶化して外層部分を構成する第２配線層を形成する工程とを一の熱処理工程内で同時に行うことができるため、複雑な工程を必要とすることなく結晶粒径の異なる２層構造を有する配線層を構成することができる。このとき、特に、アモルファス層を再結晶化することで第２配線層が形成されるため、当該層を構成する各結晶粒の粒径を小さくすることができ、ストレスマイグレーション耐性を高めることができる。又、熱処理工程によって内層部分を構成する第１配線層の結晶粒が結晶成長を行うことで結晶粒径が大きくなるため、これによって結晶粒界が減少し、エレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下において、本発明に係る半導体装置（以下、適宜「本発明装置」と称する）及びその製造方法（以下、適宜「本発明方法」と称する）の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明方法に基づいて半導体装置を製造する際の各工程における概略側面図及び概略断面図を模式的に示したものであり、工程毎に図１（ａ）〜図１（ｄ）に分けて図示されている。又、図２は本発明方法の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップは図２に示されるフローチャートの各ステップを表すものとする。
【００２７】
尚、図１に示される概略側面図及び概略断面図はあくまで模式的に図示されたものであり、実際の構造の寸法の縮尺と図面の縮尺とは必ずしも一致するものではない。
【００２８】
まず、図１（ａ）に示すように、下地となる下地絶縁膜２上に配線層を構成する配線材料（例えばＡｌ合金）を所定の膜厚（例えば膜厚５μｍ程度）堆積し、初期配線層３を形成する（ステップ＃１）。尚、堆積する配線材料としては、Ａｌを主材料とするＡｌ合金（例えばＡｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等）の他、Ａｌ単体であっても構わない。このように形成された初期配線層３は、所定の粒径（例えば約２μｍ程度）を有する結晶粒４で構成される（以下、初期配線層３を構成する結晶粒の結晶粒径を「初期結晶粒径」と称する）。
【００２９】
次に、所定の形状に加工した後、図１（ｂ）に示すように初期配線層３の表面にイオン注入４を行うことで初期配線層３の表層部分をアモルファス化する。このイオン注入工程の際、斜め上方からのイオン注入に対して注入対象である初期配線層３が構成されたウェハを回転させることで、初期配線層３の外周部分全体にイオン注入が行われるようにする。当該工程によって、図１（ｃ）に示すように、初期配線層３の外周部分にアモルファス層６が形成される（ステップ＃２）。
【００３０】
尚、このイオン注入工程では、例えば初期配線層３の膜厚が５μｍ程度である場合には、加速エネルギを３５０ｋｅＶ、ドーズ量を１．０×１０１５〜１．０×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度のＡｌイオンを注入することで、初期配線層３の外周部分に層厚０．５μｍ程度のアモルファス層６が形成される。又、初期配線層３の材料としてＳｉが含有される場合には、Ａｌイオンに代えてＳｉイオンを用いるものとしても良い。この場合、加速エネルギを４００ｋｅＶ、ドーズ量を１．０×１０１５〜１．０×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度のＳｉイオンを注入することで、同様に初期配線層３の外周部分に層厚０．５μｍ程度のアモルファス層６が形成される。
【００３１】
次に、所定の温度条件下で熱処理を行う（ステップ＃３）。例えば、約４００℃で２０〜３０分間程度の熱処理を行うことにより、図１（ｄ）に示すように、初期配線層３の外周部分に形成されていたアモルファス層６が再結晶化されて、結晶粒径の小さい（例えば０．１μｍ程度）結晶粒で構成される第２配線層７が形成される。又、初期配線層３を構成している初期結晶粒径の各結晶粒が当該熱処理によって結晶成長を行うことで当該結晶粒の粒径が粗大化され、第２配線層７を構成する結晶粒より結晶粒径の大きい（例えば３μｍ程度）結晶粒で構成される第１配線層８が形成される（ステップ＃４）。
【００３２】
上記ステップ＃１〜ステップ＃４の各工程を経ることにより、結晶粒径の比較的大きい第１配線層８と、当該第１配線層８の外周部分に結晶粒径の比較的小さい第２配線層７との内外層２層構造を構成する配線層が形成される。かかる配線層は、内層部分を構成する第１配線層８の結晶粒径が大きいため、結晶粒界が減少され、これによって原子の粒界拡散が抑制されて高いエレクトロマイグレーション耐性を有することができる。
【００３３】
又、近年の配線層の微細化に伴い、配線層が受ける引っ張り応力により、当該応力を緩和する過程での熱拡散に伴ってボイドが発生し、断線を招来するストレスマイグレーションと呼ばれる配線不良についても問題化されているが、上記方法によって製造された配線層は、比較的粒径の小さい結晶粒で構成される第２配線層７を配線層の外周部分に構成することにより引っ張り塑性応力を高めることができる（一般的に、金属材料は結晶粒径が小さいほど引っ張り塑性応力が大きい（Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈの関係式））ため、これによって高いストレスマイグレーション耐性を同時に有することができる。
【００３４】
上述した本発明方法によれば、結晶粒径の大きい第１配線層８と、結晶粒径の小さい第２配線層７とを、同一の工程内で形成することができるため、簡易な製法によってエレクトロマイグレーション耐性に優れた配線層を製造することができる。又、従来方法のように、一旦ウェハを大気へ開放する処置を行う必要がないため、配線間に酸素等の介在物が付着することがなく、当該介在物によって配線抵抗が増大するという問題点が解消される。従って、半導体装置が上記方法によって製造された配線層を備えることで、製造歩留まりを向上させることができる。
【００３５】
尚、上述の実施形態では、下地絶縁膜２上に初期配線層３を形成する場合について説明を行ったが、基板上に初期配線層３を形成した後、ステップ＃２〜ステップ＃４の各工程を経て２層構造の配線層を製造するものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る製造方法に基づいて半導体装置を製造する際の各工程における概略側面図及び概略断面図
【図２】本発明に係る製造方法の製造工程を示すフローチャート
【図３】従来方法で製造された配線層の概略側面図
【図４】従来方法で製造された配線層の概略側面図の拡大図
【符号の説明】
【００３７】
２：    下地絶縁膜
３：    Ａｌ合金層（初期配線層）
４：    結晶粒（グレイン）
５：    注入イオン
６：    アモルファス層
７：    第２配線層
８：    第１配線層
９０：  Ａｌ配線
９１：  粒界
９２：  括れ
９３：  従来方法によって製造された配線層の表面
９４：  従来方法によって製造された配線層の側面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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