JPH04348547A - 多層配線半導体装置 - Google Patents

多層配線半導体装置

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JPH04348547A
JPH04348547A JP12060191A JP12060191A JPH04348547A JP H04348547 A JPH04348547 A JP H04348547A JP 12060191 A JP12060191 A JP 12060191A JP 12060191 A JP12060191 A JP 12060191A JP H04348547 A JPH04348547 A JP H04348547A
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aluminum
wiring layer
wiring
contact hole
insulating film
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Ken Kobayashi
研 小林
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は多層配線半導体装置に関
し、特に埋込みコンタクトを用いた場合のアルミニウム
系配線のコンタクトの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の技術を図面を参照して説明する。 図4は、従来技術により形成した埋込みコンタクトとア
ルミニウム系配線層を示す半導体チップの縦断面図であ
る。
【0003】以下、2層アルミニウム配線構造の場合に
ついて説明する。表面に第1絶縁層102を形成したシ
リコン基板101上に、アルミニウム膜をスパッタ法に
より0.6μm堆積し、フォトリソグラフィにより所定
の形状にパターニングし、第1配線層103とするプラ
ズマCVD法により2酸化シリコン膜を第2絶縁層10
4として堆積し、続いてSOG膜を第3絶縁層105と
して形成し、続いてフォトリソグラフィーによりコンタ
クトホールを開口する。
【0004】コンタクトホールをタングステンシリサイ
ドの選択成長により埋め込み(埋込み部材106)、全
体をエッチバックし、埋込み部材106とSOG膜(1
05)表面がほぼ同一平面をなす構造とし、続いてスパ
ッタ法によりアルミニウム膜を0.6μm堆積しフォト
リソグラフィにより所定の形状にパターニングして第2
配線層109とする。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この従来の埋込みコン
タクト上のアルミニウム系配線構造では、コンタクトホ
ール近傍でエレクトロマイグレーションによるアルミニ
ウム系配線層の断線が生じるという問題点があった。
【0006】例えば、埋込み材料としてタングステンシ
リサイドを使用した場合、抵抗率は約1×10−4Ω−
cmであるから、コンタクトホールの直径が0.5μm
,深さが1μmの場合でコンタクトホール内に、約5Ω
の直列抵抗が発生する。第1配線層103および第2配
線層109の膜厚が0.6μm,幅0.8μmのとき、
電流密度1×105 A/cm2 とすれば、電流は0
.48mAとなる。仮に1つのコンタクトホールに0.
48mAの電流が流れた場合、上述のコンタクトホール
内の埋込み部材106での損失は0.012Wになり、
損失量に相当する局所的な発熱が生じる。第1配線層1
03および第2配線層109が双方ともアルミニウム膜
である場合、発熱する埋込み部材16と第2配線層10
9の接触面積は、2.0×10−9×2cm2 であり
、また、第2絶縁層104および第3絶縁層105とを
2酸化シリコン層と考えると発熱する埋込み部材16と
2酸化シリコン層との接触面積は、3.14×10−8
cm2 となる。(埋込み部材16の形状は円柱と仮定
した。)接触面積は、2酸化シリコン膜に対する方が約
1桁大きいが、熱伝導係数はアルミニウムで約240W
/(m・K),SiO2 で1.5〜2.0W/(m・
K)とアルミニウムの方が逆に2桁程大きいので発生し
た熱の多くは、アルミニウムを伝導することになる。
【0007】従って、電流通過のたびにコンタクトホー
ル近傍のアルミニウム配線が局所的に温度上昇し、コン
タクトホールから離れた位置のアルミニウム配線よりも
、温度加速された状態にさらされる。配線幅,膜厚が同
一であれば、エレクトロマイグレーションによるアルミ
ニウム配線の断線は、コンタクトホール近傍で最初に生
じることになる。
【0008】故に、従来は、エレクトロマイグレーショ
ンによる断線を生じさせないために、平面レイアウト的
にコンタクトホール近傍でアルミニウム配線幅を広くす
ることにより、電流密度を下げて、アルミニウムの断線
を防止していたが、この方法では、アルミニウム配線が
必要とする面積が拡大し、チップサイズの増大につなが
るという別の問題が生じる。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上層アルミニ
ウム系配線層と下層配線層とが層間絶縁膜に設けられた
コンタクトホールで接続された多層配線半導体装置にお
いて、前記コンタクトホールは、前記上層アルミニウム
系配線層側に設けられた窪みおよび前記窪みの底部に設
けられた貫通孔からなり、前記窪みおよび前記貫通孔は
それぞれアルミニウム系材料およびアルミニウム系材料
より電気伝導度が低い材料で埋め込まれているというも
のである。
【0010】
【実施例】図1(a)は本発明の第1の実施例を示す半
導体チップの平面図、図1(b)は図1(a)のX−X
線断面図である。
【0011】この実施例は、上層アルミニウム系配線層
(第2配線層109)と下層配線層(第1配線層103
)とが層間絶縁膜(第2絶縁膜104と第3絶縁膜10
5との積層膜)に設けられたコンタクトホールで接続さ
れた多層配線半導体装置において、前述のコンタクトホ
ールは、第2配線層109側に設けられた窪み107a
および窪み107aの底部に設けられた貫通孔108か
らなり、窪み107aおよび貫通孔108はそれぞれア
ルミニウム系材料(アルミニウム−シリコン−銅合金)
およびアルミニウム系材料より電気伝導度が低い材料(
タングステンシリサイド)で埋め込まれているというも
のである。
【0012】次に、この実施例の製造方法について説明
する。
【0013】まず、図2(a)に示すように、表面に第
1絶縁膜102を形成したシリコン基板101上にスパ
ッタ法により膜厚0.6μmのアルミニウム−シリコン
−銅合金膜を堆積し、フォトリソグラフィにより所定の
形状にパターニングし、第1配線膜103とする。次に
、プラズマCVD法により0.2μmの2酸化シリコン
膜を堆積し、続いてSOG膜を形成しそれぞれ第2絶縁
膜104,第3絶縁膜105とする。
【0014】続いて、図2(b)に示すように、フォト
リソグラフィにより第3絶縁膜の第1配線層103上に
深さ200nmの窪み107aを形成し、その底部に貫
通孔108を形成する。次に、選択CVD法により、タ
ングステンシリサイドを貫通孔108を埋め込むために
必要な厚さに堆積し、異方性ドライエッチングにより平
坦部で第3絶縁膜105が露出し、かつ、窪み107の
底部が露出するまでエッチバックすることにより、貫通
孔108を第1埋込み部材106aを形成する。
【0015】次に、アルミニウム−シリコン−銅合金を
バイアススパッタ法により、窪み107が充分に埋まる
まで堆積し、余剰分を等方性ドライエッチングあるいは
、リン酸系のエッチング液により除去し、図2(c)に
示すように窪み107を第2埋込み部材106bで埋め
込む。続いて、スパッタ法によりアルミニウム−シリコ
ン−銅合金を膜厚0.6μm堆積し、フォトリソグラフ
ィにより図1に示すように、所定の形状にパターニング
して、第2配線層109を形成する。
【0016】第1配線層103と第2配線層109のコ
ンタクトホール部において第2埋込み部材106bの分
だけ第2配線層の体積が大きくなっているので、電気伝
導度の低い第1埋込み部材106aの発熱による影響を
低減することができる。
【0017】次に、本発明の第2の実施例についてその
製造工程に沿って説明する。
【0018】この実施例は、コンタクトホール近傍に中
間配線層がレイアウトされている場合に適している。
【0019】図3(a)に示すように、第1絶縁膜10
2および第1配線層103が形成され、その上層に第2
絶縁膜104,中間配線層110および第3絶縁膜10
5が形成されたシリコン基板101において、図3(b
)に示すように、フォトリソグラフィにより第3絶縁膜
の中間配線層110の間の部分に窪み107bおよびコ
ンタクトホール108を形成する。このとき、窪み10
7bは、フッ酸系エッチング液に浸漬することにより形
成し、コンタクトホール108は異方性ドライエッチン
グにより形成する。
【0020】続いて、選択CVD法によりタングステン
シリサイドをコンタクトホール108を埋め込むために
必要な厚さに堆積し、第3絶縁膜105および窪み10
7b上の余剰分をエッチバックし、第1埋込み部材10
6aで貫通孔108を埋め込む。
【0021】次にバイアススパッタ法によりアルミニウ
ム−シリコン−銅合金を0.5μm堆積し、第3絶縁膜
105上の余剰分を等方性ドライエッチングあるいは、
リン酸系のエッチング液で除去し、図3(c)に示すよ
うに、窪み107bを第2埋込み部材106cで埋め、
さらにスパッタ法によりアルミニウム−シリコン−銅合
金を膜厚0.6μm堆積、パターニングにより第2配線
層109とする。
【0022】側面が傾斜した窪み107bを形成するの
で中間配線層110と第2の埋込み部材が接近しすぎる
のを避けることができる。
【0023】以上、上層配線がアルミニウム−シリコン
−銅合金膜の場合について説明したが、その外に、アル
ミニウム金属膜、アルミニウム−シリコン合金膜、アル
ミニウム−銅合金膜など、一般にアルミニウム系配線を
上層配線として有するものに本発明を適用することがで
きる。
【0024】図5,図6はそれぞれ本発明および従来技
術による多層配線半導体装置における平面レイアウトの
一例を示す平面図である。
【0025】本発明では窪み107にアルミニウムを埋
め込みエレクトロマイグレーション耐性を向上させてあ
るので、第2配線層109であるアルミニウム配線幅は
、コンタクトホール108部とその他の部分で一様な幅
にすることができる。一方、従来では、コンタクトホー
ル108の近傍でエレクトロマイグレーション耐性を向
上させるために、第2配線層109であるアルミニウム
配線幅を広げてある。ここで、最小間隔111が0.8
μm、平坦部配線幅113を0.8μmとすると、図4
に示すものでは、配線ピッチ112aが1.6μm,第
5図に示すものでは、コンタクトホール108近傍での
拡幅を片側0.1μmとしても配線ピッチ112bが1
.8μmになってしまう。
【0026】このように本発明は、エレクトロマイグレ
ーション耐性の向上を、アルミニウム配線層の占有面積
を増加させることなく達成できる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、層間絶縁
膜のコンタクトホール部およびその近傍を含む領域に窪
みを設けてアルミニウム系の埋込み部材を設けてあるの
で、コンタクトホール部とその近傍を含む領域で実質的
に上層アルミニウム系配線層の断面積が大きくなる。従
って、下側の電気伝導度の低い材料で埋められた貫通孔
部の発熱によるエレクトロマイグレーションが生じやす
い状況を、前述の断面積増加による電流密度低減により
打ち消し、上層アルミニウム系配線層のエレクトロマイ
グレーション耐性を位置に依存することなく一様にでき
るという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す平面図(図1(a
))および断面図である。
【図2】第1の実施例の製造方法を説明するため(a)
〜(c)に分図して示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例をその製造工程に沿って
説明するため(a)〜(c)に分図して示す断面図であ
る。
【図4】従来例を示す断面図である。
【図5】本発明による多層配線半導体装置の平面レイア
ウトの1例を示す平面図である。
【図6】従来技術による多層配線半導体装置の平面レイ
アウトの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
101    シリコン基板 102    第1絶縁膜 103    第1配線層 104    第2絶縁膜 105    第3絶縁膜 106    埋込み部材 106a    第1埋込み部材 106b,106c    第2埋込み部材107,1
07a,107b    窪み108    貫通孔 109    第2配線層 110    中間配線層 111    最小間隔 112a,112b    配線ピッチ113    
平坦部配線幅

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  上層アルミニウム系配線層と下層配線
    層とが層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールで接続
    された多層配線半導体装置において、前記コンタクトホ
    ールは、前記上層アルミニウム系配線層側に設けられた
    窪みおよび前記窪みの底部に設けられた貫通孔からなり
    、前記窪みおよび前記貫通孔はそれぞれアルミニウム系
    材料およびアルミニウム系材料より電気伝導度が低い材
    料で埋め込まれていることを特徴とする多層配線半導体
    装置。
  2. 【請求項2】  上層アルミニウム系配線層は、アルミ
    ニウム金属、アルミニウム−シリコン合金、アルミニウ
    ム−銅合金またはアルミニウム−シリコン−銅合金のい
    ずれかで構成されている請求項1記載の多層配線半導体
    装置。
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