JP2001210641A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2001210641A
JP2001210641A JP2000024692A JP2000024692A JP2001210641A JP 2001210641 A JP2001210641 A JP 2001210641A JP 2000024692 A JP2000024692 A JP 2000024692A JP 2000024692 A JP2000024692 A JP 2000024692A JP 2001210641 A JP2001210641 A JP 2001210641A
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JP
Japan
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wiring
semiconductor device
vol
linear expansion
film
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Pending
Application number
JP2000024692A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukihiro Kumagai
幸博 熊谷
Hideo Miura
英生 三浦
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable semiconductor device, having wiring whose main component is copper. SOLUTION: In the semiconductor device with wiring whose main component is copper, the wiring is made to contain copper dioxide.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、特に銅を主導電性
膜とする配線を有している半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a wiring having copper as a main conductive film.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、情報通信機器の発達に伴いDRAM
(Dynamic Random Access Memory)を始めとする半導体
素子(以下、単に素子)に要求される処理能力は、年々
厳しくなっており、アルミニウム(Al)を主導電性膜と
した配線(以下、Al配線という)を用いた素子において
は、信号遅延が問題となっている。このためAl配線に代
わる配線材として、Alより電気抵抗の低い銅(Cu)を主
導電性膜とした配線(以下、Cu配線という)が検討され
ている。
2. Description of the Related Art In recent years, with the development of information communication equipment, DRAM
The processing capacity required for semiconductor devices (hereinafter simply referred to as “devices”) including dynamic random access memories (DRAMs) has become increasingly severe year by year, and wiring using aluminum (Al) as a main conductive film (hereinafter referred to as “Al wiring”) In the device using ()), signal delay is a problem. For this reason, a wiring using copper (Cu) having a lower electric resistance than Al as a main conductive film (hereinafter referred to as a Cu wiring) has been studied as a wiring material replacing the Al wiring.

【0003】一般に半導体装置の製造において、材料の
線膨張係数は機械的信頼性に絡む重要なパラメータであ
り、周辺部材に対して線膨張係数差の大きな材料の成膜
時や、線膨張係数差の異なる材料からなる構造体の熱処
理の際には熱応力が発生し、はく離や割れが発生する。
In general, in the manufacture of a semiconductor device, the coefficient of linear expansion of a material is an important parameter related to mechanical reliability. During the heat treatment of a structure made of different materials, thermal stress is generated, and peeling or cracking occurs.

【0004】配線材料として期待されているCuの線膨張
係数は16.5×10~6/Kである。一方、Cu配線が形成され
る層間絶縁膜は、線膨張係数が0.6×10~6/Kの酸化シリ
コンであり、Cuの線膨張係数に比べて非常に低い。した
がって、Cu配線の成膜時や、その後の熱処理において
は、Cuと周辺材料の線膨張係数差に起因する熱応力が発
生し、層間絶縁膜の割れや、配線と層間絶縁膜間の界面
はく離等の機械的不良が発生する。
The coefficient of linear expansion of Cu expected as a wiring material is 16.5 × 10 6 / K. On the other hand, the interlayer insulating film on which the Cu wiring is formed is silicon oxide having a linear expansion coefficient of 0.6 × 10 6 / K, which is extremely lower than the linear expansion coefficient of Cu. Therefore, during the formation of the Cu wiring or during the subsequent heat treatment, thermal stress occurs due to the difference in the linear expansion coefficient between Cu and the surrounding material, causing cracks in the interlayer insulating film and peeling of the interface between the wiring and the interlayer insulating film. And other mechanical failures.

【0005】そこで、従来のCu配線を有する半導体装置
においては、層間絶縁膜の割れや亀裂を防止するため
に、層間絶縁膜の機械的強度の向上に主眼がおいた開発
がなされてきた。
Therefore, in a conventional semiconductor device having a Cu wiring, development has been made with an emphasis on improving the mechanical strength of the interlayer insulating film in order to prevent cracks and cracks in the interlayer insulating film.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】前述のように、近年の
半導体装置においては、高速化が進められており、Cuが
配線材料として検討されている。一方で、Cu配線が形成
される層間絶縁膜は、低誘電率化の方向で開発がなされ
ており、機械的強度が著しく低下している。
As described above, in recent semiconductor devices, speeding up has been promoted, and Cu is being studied as a wiring material. On the other hand, the interlayer insulating film on which the Cu wiring is formed has been developed in the direction of lowering the dielectric constant, and the mechanical strength has been significantly reduced.

【0007】Cuの線膨張係数は16.5×10~6/Kである。
一方で、Cu配線が形成される層間絶縁膜は、線膨張係数
が0.6×10~6/Kの酸化シリコンであり、Cuの線膨張係数
に比べて非常に低い。したがって、Cu配線の成膜時や、
その後の熱処理においては、Cuと周辺材料の線膨張係数
差に起因する熱応力が発生し、はく離、割れ、亀裂等の
機械的不良が発生する。
The coefficient of linear expansion of Cu is 16.5 × 10 6 / K.
On the other hand, the interlayer insulating film on which the Cu wiring is formed is silicon oxide having a linear expansion coefficient of 0.6 × 10 6 / K, which is extremely lower than the linear expansion coefficient of Cu. Therefore, when forming the Cu wiring,
In the subsequent heat treatment, thermal stress is generated due to a difference in linear expansion coefficient between Cu and the surrounding material, and mechanical defects such as peeling, cracking, and cracking are generated.

【0008】本発明の一つ目の目的は、信頼性の高い半
導体装置を提供することにある。また、本発明の二つ目
の目的は、製造コストに優れた半導体装置を提供するこ
とにある。本発明の三つ目の目的は、Cuを主たる構成元
素とする配線を有する半導体装置において、熱応力によ
るはく離や割れ、断線の生じにくい半導体装置を提供す
ることにある。
A first object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device. A second object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent manufacturing cost. A third object of the present invention is to provide a semiconductor device having a wiring containing Cu as a main constituent element, which is less likely to peel, break, or break due to thermal stress.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】前述のように、近年の半
導体装置においては、信号の高速化に伴いCu配線と、低
誘電率層間絶縁膜が検討されている。その結果、割れや
亀裂、はく離といった機械的信頼性に関わる問題が顕在
化してきている。
As described above, in recent semiconductor devices, Cu wiring and low dielectric constant interlayer insulating films have been studied with the increase in signal speed. As a result, problems related to mechanical reliability such as cracks, cracks, and peeling have become apparent.

【0010】本願発明者らは、Cu中に二酸化銅(Cu2O)
を含有させることにより、線膨張係数を純Cuより低くす
ることができることを明らかにした。図2にCu/Cu2O複合
合金の線膨張係数のCu2O配合率依存性を示す。図よりCu
2O配合率の増加に伴い線膨張係数は低下し、Cu2O配合率
が70vol.%時には、純粋なCu(16.5×10~6/ K)の約半
分(8.2×10~6/ K)にまで、また20 vol. %含有時でも
純Cuの約80%(13×10~6/ K)にまで低下できることを
明らかにした。
The inventors of the present invention have proposed that copper dioxide (Cu 2 O)
It has been clarified that the inclusion of the compound enables the linear expansion coefficient to be lower than that of pure Cu. FIG. 2 shows the dependency of the linear expansion coefficient of the Cu / Cu 2 O composite alloy on the Cu 2 O content. Cu
With linear expansion coefficient increased 2 O content ratio is reduced, Cu 2 O content ratio is 70 vol.% And sometimes, pure Cu (16.5 × 10 ~ 6 / K) approximately half of (8.2 × 10 ~ 6 / K ) by also revealed that it lowered to 20 vol.% even when containing about 80% pure Cu (13 × 10 ~ 6 / K).

【0011】また、このCu/Cu2O複合合金は、図3に示す
ように、従来の純Cuに比べてヤング率を低減できること
を明らかにした。Cu2O配合率が70vol.%時には純粋なCu
(130GPa)の約20%(30 GPa)、また20 vol. %含有時で
も純Cuの約65%(85 GPa)にまで低下する。したがっ
て、Cu/Cu2O複合合金には、周辺材料の応力緩和効果が
あることを明らかにした。
Further, as shown in FIG. 3, it was revealed that the Cu / Cu 2 O composite alloy can reduce Young's modulus as compared with conventional pure Cu. Pure Cu when the content of Cu 2 O is 70vol.%
(130 GPa), about 20% (30 GPa), and even when containing 20 vol.%, It drops to about 65% (85 GPa) of pure Cu. Therefore, it was clarified that the Cu / Cu 2 O composite alloy has a stress relaxation effect of peripheral materials.

【0012】本願発明の課題は、例えば、半導体装置に
形成された配線の主構成材料(配線を構成する材料のう
ち、最も多く含まれる材料)としてCu/Cu2O合金を用い
ることにより解決される。
The object of the present invention is solved, for example, by using a Cu / Cu 2 O alloy as a main constituent material of a wiring formed in a semiconductor device (a material most contained among the materials forming the wiring). You.

【0013】上記構成によれば、半導体基板上に絶縁膜
を介して形成された、銅を主たる構成元素とする配線を
有する半導体装置において、Cu中にCu2Oを含有させるこ
とにより、熱応力が低減され、はく離、亀裂、断線不良
などに対する耐性に優れた信頼性の高い半導体装置が提
供される。
According to the above configuration, in a semiconductor device having a wiring mainly composed of copper and formed on a semiconductor substrate via an insulating film, Cu 2 O is contained in Cu to reduce thermal stress. And a highly reliable semiconductor device having excellent resistance to peeling, cracking, disconnection failure, and the like is provided.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の第一実施例を図1
から図4を用いて説明する。図1は本実施例の半導体装置
の断面の模式図、図2はCu/Cu2O複合合金の線膨張係数の
Cu2O配合率依存性、図3はCu/Cu2O複合合金のヤング率の
Cu2O配合率依存性、図4はCu/Cu2O複合合金の室温におけ
る抵抗率のCu2O配合率依存性である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram of a cross section of the semiconductor device of the present embodiment, and FIG. 2 shows the linear expansion coefficient of the Cu / Cu 2 O composite alloy.
Cu 2 O content rate dependent, Figure 3 is the Young's modulus of Cu / Cu 2 O alloy composite
Cu 2 O content rate dependent, FIG. 4 is a Cu 2 O content rate dependency of resistivity at room temperature of Cu / Cu 2 O alloy composite.

【0015】本実施例の半導体装置は、図1に示すよう
に、シリコン基板1の主面に形成されたトランジスタ
と、それに電気的に接続された蓄積容量10、そして、そ
れらメモリセルを電気的に接続し回路を形成する配線22
で構成されるメモリ装置である。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of this embodiment includes a transistor formed on a main surface of a silicon substrate 1, a storage capacitor 10 electrically connected to the transistor, and an electrically connected memory cell. Wiring 22 connected to and forming a circuit
Is a memory device composed of

【0016】トランジスタは、ゲート酸化膜2、ゲート
電極3、拡散層(ソース、ドレイン領域:図示せず)で
構成され、個々は素子分離膜9により電気的に絶縁され
ている。ゲート酸化膜2は、例えばシリコン酸化膜、窒
化珪素膜などの誘電体膜、あるいはこれらの積層構造か
らなる。また、ゲート電極3は、例えば、多結晶シリコ
ン膜、あるいは金属膜、あるいは金属シリサイド膜ある
いはこれらの積層構造からなる。前記ゲート酸化膜3の
上部、および側壁にはシリコン酸化膜5が形成されてい
る。また、ビット線7がコンタクトプラグ6を介して接続
されている。トランジスタの上部全面は、例えば、BPSG
(Boron-doped Phospho Silicate Glass)膜や、SOG(S
pin On Glass)膜、あるいはTEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-S
ilicate)膜、あるいは化学気相成長法、あるいはスパッ
タ法で形成したシリコン酸化膜や窒化膜からなる層間絶
縁膜8で覆われている。
The transistor is composed of a gate oxide film 2, a gate electrode 3, and a diffusion layer (source and drain regions: not shown), each of which is electrically insulated by an element isolation film 9. The gate oxide film 2 is made of a dielectric film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, or a laminated structure of these. The gate electrode 3 is made of, for example, a polycrystalline silicon film, a metal film, a metal silicide film, or a laminated structure of these. A silicon oxide film 5 is formed on the gate oxide film 3 and on the side walls. Further, the bit line 7 is connected via the contact plug 6. For example, BPSG
(Boron-doped Phospho Silicate Glass) membrane, SOG (S
pin On Glass) film or TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-S)
ilicate) film or an interlayer insulating film 8 made of a silicon oxide film or a nitride film formed by a chemical vapor deposition method or a sputtering method.

【0017】トランジスタの拡散層(図示せず)の他方
には、例えば多結晶シリコンからなるコンタクトプラグ
4を介して、蓄積容量10が形成されている。蓄積容量10
は、下部電極13、誘電体膜12、上部電極11の積層構造か
らなるが、この他に、例えばさらに窒化チタン(TiN)
膜など導電性膜を下部電極13に隣接し、誘電体膜12に対
をなす側に加えた積層構造であってもよい。ここで、上
部電極11は、対向電極(下部電極13)を持たない領域ま
で形成されている。また、誘電体膜12は、例えば(Ba,S
r)TiO3(BST)、PbTiO3、PbLaTiO3、BaTiO3、SrTiO3、P
b(Zr,Ti)O3(PZT)等の高、強誘電体からなり、これら
は、スパッタ法、化学気相成長法、レーザアブレーショ
ン法などにより成膜される。なお、図に示した蓄積容量
構造は、筒状の孔の内側に蓄積容量を形成した構造とな
っているが、必ずしも図のようになっている必要はな
く、例えば、平行平板蓄積容量、あるいは、円筒の外側
を蓄積容量とした構造、あるいは円筒の内壁と外壁が蓄
積容量となった構造であっても構わない。また、蓄積容
量10以外の部分は、層間絶縁膜8で覆われている。
A contact plug made of, for example, polycrystalline silicon is provided on the other side of the diffusion layer (not shown) of the transistor.
The storage capacitor 10 is formed through the connection 4. Storage capacity 10
Has a laminated structure of a lower electrode 13, a dielectric film 12, and an upper electrode 11. In addition to this, for example, titanium nitride (TiN)
It may have a laminated structure in which a conductive film such as a film is adjacent to the lower electrode 13 and added to the side opposite to the dielectric film 12. Here, the upper electrode 11 is formed up to a region having no counter electrode (lower electrode 13). Further, the dielectric film 12 is, for example, (Ba, S
r) TiO 3 (BST), PbTiO 3, PbLaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3, P
It is made of a high and ferroelectric substance such as b (Zr, Ti) O 3 (PZT), and these are formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition method, a laser ablation method, or the like. Although the storage capacitor structure shown in the figure has a structure in which a storage capacitor is formed inside a cylindrical hole, it does not necessarily have to be as shown in the figure, for example, a parallel plate storage capacitor, or Alternatively, a structure in which the outside of the cylinder has a storage capacity, or a structure in which the inner wall and the outer wall of the cylinder have a storage capacity may be used. Further, portions other than the storage capacitor 10 are covered with the interlayer insulating film 8.

【0018】また、蓄積容量10の上部電極11および下部
電極13は、窒化チタン(TiN)、タングステン(W)、ル
テニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ある
いは、これらの貴金属元素に、パラジウム(Pd)、コバル
ト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)を添加した合金、あ
るいは、酸化ルテニウム、酸化イリジウムからなる。ま
た、これらはスパッタ法、化学気相成長法、蒸着法など
で成膜される。
The upper electrode 11 and the lower electrode 13 of the storage capacitor 10 are made of titanium nitride (TiN), tungsten (W), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), or a precious metal element thereof. And alloys to which palladium (Pd), cobalt (Co), nickel (Ni), and titanium (Ti) are added, or ruthenium oxide and iridium oxide. These are formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition method, an evaporation method, or the like.

【0019】蓄積容量10の上面には、配線22および、配
線22とそれより下層に形成される蓄積容量10の上部電極
13を電気的に接続するプラグ21が、層間絶縁膜25に形成
される。ここで、配線22およびプラグ21は、図1に示す
ように、それぞれバリアメタル(23、24)で覆われてい
た方が望ましく、例えば、窒化チタン(TiN)、タング
ステン(W)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、
より好ましくは、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリ
ジウム(Ir)、あるいは、これらの貴金属元素に、パラ
ジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)
を添加した合金、あるいは、酸化ルテニウム、酸化イリ
ジウムからなる。また、これらのバリアメタルはスパッ
タ法、化学気相成長法、蒸着法などで成膜される。
On the upper surface of the storage capacitor 10, the wiring 22 and the wiring 22 and the upper electrode of the storage capacitor 10 formed thereunder are formed.
A plug 21 for electrically connecting 13 is formed in interlayer insulating film 25. Here, it is desirable that the wiring 22 and the plug 21 be covered with barrier metals (23, 24), respectively, as shown in FIG. 1, for example, titanium nitride (TiN), tungsten (W), tantalum (Ta). ), Tantalum nitride (TaN),
More preferably, ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), or palladium (Pd), cobalt (Co), nickel (Ni), titanium (Ti)
Alloy, or ruthenium oxide or iridium oxide. These barrier metals are formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition method, an evaporation method, or the like.

【0020】配線22、プラグ21、バリアメタル(23、2
4)、層間絶縁膜25からなる配線層は、それぞれ互いに
電気的に接続されるように複数層形成され、外部と電気
的接続を図る部分を形成した後、保護膜27により被覆さ
れる。また、層間絶縁膜25は、層間絶縁膜8と同様な材
料を用いても良い。
Wiring 22, plug 21, barrier metal (23, 2
4), a plurality of wiring layers made of the interlayer insulating film 25 are formed so as to be electrically connected to each other, and after forming a portion to be electrically connected to the outside, the wiring layer is covered with the protective film 27. In addition, the interlayer insulating film 25 may use the same material as the interlayer insulating film 8.

【0021】なお、本実施例の半導体装置の配線22、お
よびそのプラグ21は、その周囲を、バリアメタルで覆わ
れているが、必ずしも全面が覆われている必要はなく、
例えば、バリアメタル24aは形成されなくても良い。
The wiring 22 and the plug 21 of the semiconductor device according to the present embodiment are covered with a barrier metal around the periphery thereof, but are not necessarily required to be entirely covered.
For example, the barrier metal 24a may not be formed.

【0022】この実施例において、プラグ21、配線22、
および複数形成される配線層の配線とそのプラグは、銅
および二酸化銅(Cu2O)の合金からなり、例えば、スパ
ッタ法、あるいは蒸着法などにより成膜される。なお、
成膜方法はこれに限定されるものではない。また、スパ
ッタのターゲットは、CuとCu2Oを焼結したものなどが用
いられる。
In this embodiment, the plug 21, the wiring 22,
The wirings and plugs of a plurality of wiring layers are formed of an alloy of copper and copper dioxide (Cu 2 O), and are formed by, for example, a sputtering method or an evaporation method. In addition,
The film formation method is not limited to this. Further, as a sputtering target, one obtained by sintering Cu and Cu 2 O is used.

【0023】以下、本実施例の半導体装置の作用効果を
説明する。半導体装置の開発において、割れ、はく離、
亀裂といった問題は、機械的信頼性に係わる重要な課題
である。近年の半導体装置においては、信号の高速化が
進められており、Cuが配線材料として検討されている。
一方で、Cu配線が形成される層間絶縁膜膜は、低誘電率
化の方向で開発がなされている。
Hereinafter, the function and effect of the semiconductor device of this embodiment will be described. In the development of semiconductor devices, cracking, peeling,
Problems such as cracks are important issues related to mechanical reliability. In recent semiconductor devices, the speed of signals has been increased, and Cu is being studied as a wiring material.
On the other hand, an interlayer insulating film on which a Cu wiring is formed has been developed in the direction of lowering the dielectric constant.

【0024】Cuの線膨張係数は16.5×10~6/Kである。
一方で、Cu配線が形成される層間絶縁膜は、線膨張係数
が0.6×10~6/Kの酸化シリコンであり、Cuの線膨張係数
に比べて非常に低い。したがって、Cu配線の成膜時や、
その後の熱処理においては、Cuと周辺材料の線膨張係数
差に起因する熱応力が発生し、層間絶縁膜に割れ、亀
裂、はく離等の機械的不良が発生する。
The coefficient of linear expansion of Cu is 16.5 × 10 6 / K.
On the other hand, the interlayer insulating film on which the Cu wiring is formed is silicon oxide having a linear expansion coefficient of 0.6 × 10 6 / K, which is extremely lower than the linear expansion coefficient of Cu. Therefore, when forming the Cu wiring,
In the subsequent heat treatment, thermal stress occurs due to the difference in linear expansion coefficient between Cu and the surrounding material, and mechanical defects such as cracks, cracks, and peeling occur in the interlayer insulating film.

【0025】従来においては、層間絶縁膜の機械的強度
を上げることも試みられているが、層間絶縁膜は低誘電
率化が必須課題となっており、膜中の空隙を増やす方向
で開発が進められており、機械的強度を向上させること
は困難になってきた。
Conventionally, attempts have been made to increase the mechanical strength of the interlayer insulating film. However, it is essential to lower the dielectric constant of the interlayer insulating film. It is becoming difficult to improve mechanical strength.

【0026】本願発明者らは、機械的信頼性向上の対策
を配線に求め、Cu配線の機械的特性を向上する方法を見
出した。すなわち、配線材料の線膨張係数の低減、つま
り配線材料の線膨張係数をCuの値(16.5×10~6/K)よ
り小さくすること、さらに、配線材料のヤング率の低
減、つまり配線材料のヤング率をCuの値(130 GPa)よ
り小さくすることである。具体的には、CuとCu2Oの複合
合金を用いる。
The present inventors have sought a measure for improving the mechanical reliability of the wiring and have found a method of improving the mechanical characteristics of the Cu wiring. That is, the linear expansion coefficient of the wiring material is reduced, that is, the linear expansion coefficient of the wiring material is made smaller than the Cu value (16.5 × 10 to 6 / K), and the Young's modulus of the wiring material is reduced, that is, the wiring material is reduced. To make the Young's modulus smaller than the value of Cu (130 GPa). Specifically, a composite alloy of Cu and Cu 2 O is used.

【0027】図2はCuとCu2Oの合金の線膨張係数のCu2O
配合率(vol. %)依存性を示したものである。図より、
純粋なCuに対して、Cu2Oを含有させたものは、その線膨
張係数を低く出来ることを明らかにした。つまり、周囲
を囲む層間絶縁膜である酸化シリコンとの線膨張係数差
を小さくすることにより、熱処理過程における熱応力を
低くすることができ、割れ、亀裂、はく離といった不良
の発生を防止できることを明らかにした。
FIG. 2 shows the linear expansion coefficient of the alloy of Cu and Cu 2 O, Cu 2 O.
It shows the dependency on the mixing ratio (vol.%). From the figure,
It was clarified that the one containing Cu 2 O with respect to pure Cu can lower its linear expansion coefficient. In other words, it is clear that by reducing the difference in the coefficient of linear expansion from the silicon oxide, which is the interlayer insulating film surrounding the periphery, the thermal stress during the heat treatment process can be reduced and defects such as cracks, cracks, and peeling can be prevented. I made it.

【0028】また、Cu/Cu2O複合合金のヤング率につい
ても、純粋なCuに比べて、特性の良いものとなることも
明らかにした。図3は、Cu/Cu2O複合合金のヤング率のCu
2O配合率依存性である。図より、純粋なCuに比べて、Cu
2Oを含有させたものは、そのヤング率が低くなることを
明らかにした。つまり、Cu/Cu2O複合合金を用いた配線
は、周辺部材の応力緩和効果があることを明らかにし
た。
Further, it has been clarified that the Young's modulus of the Cu / Cu 2 O composite alloy is better than that of pure Cu. Figure 3 shows the Young's modulus of Cu / Cu 2 O composite alloy
It depends on the 2O content. As shown in the figure, compared to pure Cu, Cu
It was clarified that those containing 2 O had a lower Young's modulus. In other words, it was clarified that the wiring using the Cu / Cu 2 O composite alloy has an effect of relaxing the stress of the peripheral members.

【0029】上記のように、本複合合金は、Cu2Oの配合
比を増加させることにより、線膨張係数およびヤング率
を段階的に減少させることができる。具体的には、Cu2O
を10vol.%含むCu複合合金では、線膨張係数が約15×10
~6/℃、ヤング率が約100 GPaとなる。熱応力の大きさ
を表す値として、弾性率と線膨張係数の積を考えるとす
ると、配線の材料としてCuとともに良く用いられるAlと
比較して、Cu単体ではその値が大きくなるが、Cu2Oを10
vol.%含む場合でほぼ同等まで下げられる。従って、こ
の観点から判断すれば、Cu2Oは10vol.%以上含有するこ
とが望ましい。さらに配合比を50vol.%まで増加させた
場合には、線膨張係数は約10*10~6/℃、ヤング率は約
50 GPaまで減少させることができる。配合比をさらに増
加すると、いずれの値もさらに減少する。
As described above, in the present composite alloy, the linear expansion coefficient and the Young's modulus can be reduced stepwise by increasing the mixing ratio of Cu 2 O. Specifically, Cu 2 O
Is 10 vol.%, The linear expansion coefficient is about 15 × 10
~ 6 / ℃, Young's modulus becomes about 100 GPa. As a value representing the magnitude of the thermal stress, when considering the product of the elastic modulus and the linear expansion coefficient, as compared with Al which is often used in conjunction with Cu as the material of the wiring, but its value is increased by elemental Cu, Cu 2 O to 10
It can be reduced to almost the same when vol.% is included. Therefore, judging from this viewpoint, it is desirable that Cu 2 O be contained at 10 vol.% Or more. If the was further increased compounding ratio up to 50 vol.%, The linear expansion coefficient of about 10 * 10 ~ 6 / ℃, Young's modulus of about
Can be reduced to 50 GPa. As the compounding ratio is further increased, both values are further decreased.

【0030】なお、本願発明者らのこれらの特性評価
は、Cu2O配合率が80 vol. %以下の範囲において行って
いる。これは、Cu/Cu2O複合合金がCu2Oの増加に伴い脆
くなり、加工が困難になるためである。しかし、Cu2O配
合率が80 vol. %以下であれば、例えば、スパッタター
ゲットの作製が可能となるので、スパッタ法によってCu
/Cu2O複合合金の配線が形成できる。
The evaluation of these characteristics by the inventors of the present application is performed in a range where the content ratio of Cu 2 O is 80 vol.% Or less. This is because the Cu / Cu 2 O composite alloy becomes brittle with an increase in Cu 2 O, making processing difficult. However, if the compounding ratio of Cu 2 O is 80 vol.% Or less, for example, a sputter target can be produced.
/ Cu 2 O composite alloy wiring can be formed.

【0031】ところで、配線材料としてCu/Cu2O複合合
金を用いる場合には、配線の抵抗率も重要な因子であ
る。図4にCu/Cu2O複合合金の抵抗率のCu2O配合率依存性
を示す。図に示したように、配線材料としてCu/Cu2O複
合合金を用いる場合、Cu2Oが絶縁材料である為にCu2Oの
配合率の増加に伴い、純粋なCuに比べて抵抗率は増加す
る。配線材料の抵抗率の増加による配線抵抗の増大は、
配線の断面積を大きくすることにより克服できるが、DR
AM等の半導体装置においては、高集積化が今後さらに加
速されることが予想されるので、配線断面積の増大は厳
しくなってくることも考えられる。
When a Cu / Cu 2 O composite alloy is used as the wiring material, the wiring resistivity is also an important factor. FIG. 4 shows the dependency of the resistivity of the Cu / Cu 2 O composite alloy on the mixing ratio of Cu 2 O. As shown in the figure, the case of using a Cu / Cu 2 O alloy composite as a wiring material, with an increase in the content ratio of Cu 2 O to Cu 2 O is an insulating material, the resistance rate compared to pure Cu Increases. The increase in wiring resistance due to the increase in the resistivity of wiring material
This can be overcome by increasing the cross-sectional area of the wiring.
In semiconductor devices such as AM, it is expected that the degree of integration will be further accelerated in the future, and it is conceivable that the increase in wiring cross-sectional area will become severe.

【0032】CuはAlより抵抗率が低く、半導体装置にお
ける信号遅延を防ぐことができるという理由により検討
されてきた。つまり、Cu/Cu2O複合合金の抵抗率をAlの
抵抗率(室温で2.7×10- 8Ω・m)より小さくなるように
すれば、従来の半導体装置のAl配線よりも信号遅延の小
さな配線を、配線断面積を大きくすることなく形成する
ことができる。すなわち、Cu2O配合率は、Cu/Cu2O複合
合金とAlの抵抗率の比較において、Cu/Cu2O複合合金の
抵抗率の方がAlより小さくなる範囲が好ましい。図4よ
り、Cu/Cu2O複合合金の抵抗率はCu2O配合率が20 vol. %
の時に2.6×10~8Ω・mとなり、Alの値より低くなる。つ
まり、Cu2O配合率は20 vol. %以下とした方がより好ま
しい。
Cu has been studied because it has a lower resistivity than Al and can prevent signal delay in a semiconductor device. That is, the resistivity of the Cu / Cu 2 O alloy composite resistivity Al (at 2.7 × 10 RT - 8 Ω · m) if so smaller than, I small signal delay than the Al wiring of a conventional semiconductor device Wiring can be formed without increasing the wiring cross-sectional area. That is, the Cu 2 O compounding ratio is preferably in a range where the resistivity of the Cu / Cu 2 O composite alloy is smaller than that of Al in comparison of the resistivity of the Cu / Cu 2 O composite alloy and Al. From FIG. 4, the resistivity of the Cu / Cu 2 O composite alloy Cu 2 O content ratio is 20 vol.%
At the time of 2.6 × 10 to 8 Ω · m, which is lower than the value of Al. That is, the mixing ratio of Cu 2 O is more preferably 20 vol.% Or less.

【0033】本実施例の半導体装置は図1に示すよう
に、配線22とプラグ21にCu/Cu2O複合合金を用いること
により、純粋なCuを用いる場合に比べて、線膨張係数が
小さくなり、熱処理過程において発生する熱応力の低減
により、割れ、亀裂、はく離等の機械的不良の発生を押
さえることができるという効果が得られる。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of the present embodiment uses a Cu / Cu 2 O composite alloy for the wiring 22 and the plug 21 so that the linear expansion coefficient is smaller than when pure Cu is used. In other words, by reducing the thermal stress generated in the heat treatment process, the effect of suppressing the occurrence of mechanical defects such as cracks, cracks, and peeling can be obtained.

【0034】また、上記のCu/Cu2O複合合金において
は、ヤング率が純粋なCuに比べて低く、周辺部材の応力
を緩和することができるので、割れ、亀裂、はく離等の
機械的不良の発生を押さえられるという効果が得られ
る。
In the above-mentioned Cu / Cu 2 O composite alloy, the Young's modulus is lower than that of pure Cu, and the stress of peripheral members can be reduced, so that mechanical defects such as cracks, cracks, peeling, etc., occur. Is obtained.

【0035】さらに、Cu2O配合率を20 vol. %以下にす
れば、配線断面積を大きくすることなく、機械的信頼性
が向上できるので、素子の微細化、高集積化を妨げるこ
と無く、半導体装置の製造ができるという効果が得られ
る。
Furthermore, if the mixing ratio of Cu 2 O is set to 20 vol.% Or less, the mechanical reliability can be improved without increasing the wiring cross-sectional area, so that miniaturization and high integration of the element are not hindered. Thus, an effect that a semiconductor device can be manufactured can be obtained.

【0036】なお、本実施例の半導体装置においては、
配線がCuを主構成元素とし、Cu2Oを含有する合金からな
ることを述べたものであり、その他の構成は、本実施例
以外であっても構わない。また、Cuに含有されるCu2Oは
必ずしも均一に含有される必要はない。
In the semiconductor device of this embodiment,
It is described that the wiring is composed of an alloy containing Cu as a main constituent element and containing Cu 2 O, and other configurations may be other than the present embodiment. Further, Cu 2 O contained in Cu does not necessarily need to be contained uniformly.

【0037】[0037]

【発明の効果】本発明によれば、配線の機械的特性が改
善され、はく離、割れ、亀裂等の不良が減少し、その結
果、信頼性の高い半導体装置を低コストで得ることがで
きる。
According to the present invention, the mechanical characteristics of the wiring are improved, and defects such as peeling, cracks, and cracks are reduced. As a result, a highly reliable semiconductor device can be obtained at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施例の半導体装置の断面を示す
模式図である。
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】Cu/Cu2O複合合金の線膨張係数のCu2O配合率依
存性の実験結果である。
FIG. 2 is an experimental result of dependency of a linear expansion coefficient of a Cu / Cu 2 O composite alloy on a Cu 2 O compounding ratio.

【図3】Cu/Cu2O複合合金のヤング率のCu2O配合率依存
性の実験結果である。
FIG. 3 is an experimental result of the dependency of the Young's modulus of the Cu / Cu 2 O composite alloy on the Cu 2 O content.

【図4】Cu/Cu2O複合合金の抵抗率のCu2O配合率依存性
の実験結果である。
FIG. 4 is an experimental result of the dependency of the resistivity of the Cu / Cu 2 O composite alloy on the mixing ratio of Cu 2 O.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・シリコン基板、2・・・ゲート酸化膜、3・・・ゲート電
極、4、6・・・コンタクトプラグ、5・・・酸化シリコン膜、7
・・・ビット線、、9・・・素子分離膜、10・・・蓄積容量、11・・
・上部電極、12・・・誘電体膜、13・・・下部電極、21・・・コン
タクトプラグ、8、25、26・・・層間絶縁膜、27・・・保護
膜、22・・・配線、23、24・・・バリアメタル。
1 ... silicon substrate, 2 ... gate oxide film, 3 ... gate electrode, 4, 6 ... contact plug, 5 ... silicon oxide film, 7
... Bit line, 9 ... Element isolation film, 10 ... Storage capacitance, 11 ...
・ Upper electrode, 12 ・ ・ ・ Dielectric film, 13 ・ ・ ・ Lower electrode, 21 ・ ・ ・ Contact plug, 8, 25, 26 ・ ・ ・ Interlayer insulating film, 27 ・ ・ ・ Protective film, 22 ・ ・ ・ Wiring , 23, 24 ... barrier metal.

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Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板と、 前記半導体基板の一主面側に形成された、Cu/Cu2O合金
を主構成材料とする配線と、 を備えた半導体装置。
1. A semiconductor device comprising: a semiconductor substrate; and a wiring formed on one main surface side of the semiconductor substrate and mainly composed of a Cu / Cu 2 O alloy.
【請求項2】請求項1において、前記配線のCu2O含有量
が80 vol. %以下である半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the Cu 2 O content of the wiring is 80 vol.% Or less.
【請求項3】請求項1において、前記配線のCu2O含有量
が10 vol. %以上 80 vol. %以下である半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the Cu 2 O content of the wiring is not less than 10 vol.% And not more than 80 vol.%.
【請求項4】半導体基板上に絶縁膜を介して形成され
た、銅を主構成元素とする配線を有する半導体装置にお
いて、前記配線のうち少なくとも一部にはCu/Cu2Oが含
有されておりその含有量が80 vol. %以下である半導体
装置。
4. A semiconductor device having a wiring having copper as a main constituent element formed on a semiconductor substrate via an insulating film, wherein at least a part of the wiring contains Cu / Cu 2 O. A semiconductor device whose content is 80 vol.% Or less.
【請求項5】請求項1乃至4の何れかにおいて、前記配
線の少なくとも一部には、酸化ルテニウムまたは酸化イ
リジウムを主構成材料とするバリア膜が隣接している半
導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a barrier film mainly composed of ruthenium oxide or iridium oxide is adjacent to at least a part of the wiring.
【請求項6】請求項1乃至4の何れかにおいて、前記配
線の少なくとも一部には、窒化チタン(TiN)、タング
ステン(W)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、
ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)から
なる群から選ばれる材料を主構成材料とするバリア膜が
隣接している半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of the wiring includes titanium nitride (TiN), tungsten (W), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN),
A semiconductor device in which a barrier film mainly composed of a material selected from the group consisting of ruthenium (Ru), platinum (Pt), and iridium (Ir) is adjacent.
【請求項7】請求項6において、前記バリア膜には、パ
ラジウム(Pd)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(T
i)から選ばれる元素が添加されている半導体装置。
7. The method according to claim 6, wherein the barrier film includes palladium (Pd), cobalt (Co), nickel (Ni), titanium (T
A semiconductor device to which an element selected from i) is added.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008280545A (en) * 2007-05-08 2008-11-20 Mitsubishi Materials Corp Oxygen-containing copper target
JP2009280834A (en) * 2008-05-19 2009-12-03 Ulvac Japan Ltd Target, wiring film forming method, and manufacturing method of thin film transistor
KR20180125946A (en) 2016-03-22 2018-11-26 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Sputtering target

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