JP2002033324A - 半導体チップ内の回路配線または電極の形成方法 - Google Patents

半導体チップ内の回路配線または電極の形成方法

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JP2002033324A
JP2002033324A JP2001159041A JP2001159041A JP2002033324A JP 2002033324 A JP2002033324 A JP 2002033324A JP 2001159041 A JP2001159041 A JP 2001159041A JP 2001159041 A JP2001159041 A JP 2001159041A JP 2002033324 A JP2002033324 A JP 2002033324A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速応答性と信頼性を高めること。 【解決手段】 二酸化ケイ素3の形成されたシリコンウ
エハ4上に、金属5およびバリア金属6を介して銅配線
1がホトレジスト7のパターンに従って形成したあと、
窒素ガスを導入してマイクロ波により窒素プラズマを生
成し、窒素プラズマと銅とを選択的に反応させて、銅配
線1の側面に窒化銅21を形成し、銅配線1が酸化する
のを防止し、その後、ホトレジスト7を除去し、銅が露
出した銅配線1の上部と窒素プラズマとを選択的に反応
させて、銅配線1上部に窒化銅22を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップ内の回路
配線または電極の材料が銅又は銅合金である半導体チッ
プ内の回路配線または電極の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体素子の回路配線や電極材料
には、アルミニウム合金が用いられてきた。近年、半導
体素子の高集積化に伴い、配線パタ−ンの微細化が進行
し、配線幅として0.5μm以下が要求されてきてい
る。しかし、配線断面積の減少に伴い、配線遅延時間の
増加による回路応答速度の低下、および発熱量の増加や
電流密度の増加によるエレクトロマイグレ−ションの進
行による配線寿命の低下等の問題が懸念されている。こ
の問題を回避するために、特開昭61−294838号
公報、特開昭63−248538号公報又は特開昭62
−290150号公報に記載のように、アルミニウム系
配線材料よりも電気伝導性、耐熱性、耐エレクトロマイ
グレ−ション性に優れた銅あるいは銅合金を用いた配線
材料が開発されている。すなわち、銅はアルミニウムに
比べ、電気抵抗が3分の2、融点が400℃以上高く、
またエレクトロマイグレ−ションの進行による配線寿命
も10倍以上優れているので、半導体装置を形成した場
合、その高速応答性および信頼性向上が図れる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、銅は耐酸化性
および耐食性の点で、銅合金では電気伝導性の点で問題
がある。すなわち、銅はアルミニウムに比べ、その表面
に生成する酸化皮膜の保護性が低いため、高温酸化を受
けやすく、また酸性溶液中では腐食しやすい。配線材料
はその製造工程において高温ガス雰囲気や硝フッ酸溶液
のような酸化性水溶液環境に曝されたり、組立後の検査
工程において耐湿信頼性が試験されるので、高い耐食性
が要求される。
【0004】また耐酸化性および耐食性の向上を図った
銅合金では、合金化元素の添加量の増加に伴って電気伝
導性が低下するといった問題点がある。したがって、配
線材料としての電気伝導性、耐熱性、耐エレクトロマイ
グレ−ション性を満足し、さらに耐酸化性および耐食性
の向上を図ることが重要な技術課題である。
【0005】本発明の目的は、電気伝導性、耐熱性、耐
エレクトロマイグレ−ション性および、耐酸化性や耐食
性に優れた配線材料を用いることにより、高速応答性と
信頼性に優れた半導体チップ内の回路配線または電極の
形成方法を提供することにある。
【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、本発明は、半導体膜と銅又は銅合金とのオ−ミック
コンタクト用の金属膜と、銅又は銅合金に対するバリア
金属と、銅又は銅合金とを順次重ねて形成する工程と、
前記各膜上にホトレジストにより回路を描写し、その描
写パターンに従ってドライエッチングする工程と、ドラ
イエッチング後に露出した銅又は銅合金表面上に選択的
にその銅又は銅合金よりも高い耐食性を有する銅の化合
物を形成する工程と、ホトレジストを除去する工程と、
ホトレジスト除去後に露出した銅又は銅合金表面上に選
択的にその銅又は銅合金よりも高い耐食性を有する銅の
化合物を形成する工程と、を有することを特徴とする半
導体チップ内の回路配線または電極の形成方法を採用し
たものである。
【0007】
【作用】本発明によれば、電気伝導性、耐熱性、耐エレ
クトロマイグレ−ション性に優れた銅配線表面上に、耐
酸化性や耐食性に優れた銅の化合物を形成することによ
り、銅の持つ電気伝導性、耐熱性、耐エレクトロマイグ
レ−ション性と銅の化合物の持つ耐酸化性や耐食性を兼
ね備えた配線材料が得られる。
【0008】形成される銅の化合物としては、例えば銅
−チタン、銅−ニッケル、銅−銀のような高耐食性の合
金、あるいは銅の窒化物等があり、その厚さは耐食性が
保たれるならば極力薄い方が良い。なぜならば、これら
の化合物は銅に比べて電気伝導率が低いため、厚くなる
と高速応答性が劣化するからである。このようなことか
ら銅の化合物の厚さとしては0.001〜0.1μmが
好ましい。
【0009】添加元素の添加量は、その上限はその合金
の電気的及び機械的特性により規定され、その下限は酸
化抑制効果が現れるようにすることから規定される。そ
こで各元素の添加量は以下の範囲がよい。金属元素の含
有量は、重量%にして、Ag;0.2〜50%,Be;
0.05〜10%,Cr;0.05〜50%,Ni;
0.2〜50%,Pd;0.1〜50%,Pt;0.1
〜50%である。
【0010】Cu−金属元素合金は、表面に生成する酸
化物皮膜の保護作用により酸化を抑制する。すなわち、
金属表面は酸化を抑制するに必要な最低限の量だけの酸
化物で覆われている。一方、表面に生成したCu−N及
びCu−Pは、それ自体が酸化に対して安定な化合物で
あり、この化合物により酸素と金属とが隔絶されている
ので金属の酸化が進行しない。
【0011】銅の化合物は、真空蒸着法、スパッタ法、
イオンプレ−ティング法、イオンクラスタビ−ム法、プ
ラズマ反応法、化学的気相成長法等のような物理的ある
いは化学的な方法により形成される。
【0012】
【実施例】図1に本発明を施した半導体装置の断面図を
示す。本発明により、銅配線1の表面は耐食性の高い銅
−ニッケル合金2で覆われているので、その後のプロセ
スにおいても銅配線1の腐食は抑制される。図におい
て、3は二酸化ケイ素、4はシリコンウエハ、5はオー
ミックコンタクトを取るための金属層、6はバリア金属
を示す。図2は、CuにNiを添加した場合のニツケル
濃度に対する銅配線の相対酸化量をプロットした図であ
る。図2から、0.2重量%以上のNiを添加すると酸
化抑制効果が現れることがわかる。形成された銅−ニッ
ケル合金2は極めて薄いため、電気的特性、あるいは熱
的特性は銅配線1の特性と同等である。本発明により耐
食信頼性に優れて、銅と同様の電気伝導性、耐熱性、耐
エレクトロマイグレ−ション性を有する半導体装置を提
供することができる。
【0013】図3に、本発明を施した各種の銅配線の酸
素プラズマによる酸化試験の結果を示す。本発明を施し
た銅配線を一定時間酸素プラズマ中に曝し、酸化させ
る。酸化量は試験後の酸化銅の量を電気化学的方法によ
り定量化した。本発明の処理を施さない銅配線(Cu)
の酸化量に比べ、銀、鉄、ニッケル、亜鉛又はジルコニ
ウム合金を形成した銅配線(Cu−1Ag、Cu−1F
e、Cu−1Ni、Cu−1Zn、Cu−1Zr)、ま
たは窒化銅を形成した銅配線(Cu−N)の方が50%
以下に低減していることがわかる。これより本発明を施
した銅配線が、従来の銅配線に比べて高い耐酸化性を有
することが明らかになった。
【0014】尚、図3の中にCu−1Al合金(特開昭
62−290150号公報)の相対酸化量を示したが、
この図からCu−1Al合金はCuの60%程度であっ
て50%を超えており、酸化抑制効果としては充分とは
言えないことがわかる。合金化による耐酸化性の向上に
は2つの手法がある。 貴金属等の酸化されにくい金
属を添加する(Ag)。 酸化されやすい金属を添加
し、保護性の酸化皮膜を表面に形成させ合金を保護する
(Ni等)。AlはCuよりも酸素との親和性が高く、
さらに酸化物自体の酸化抑制効果は高い。しかしCu合
金中におけるAlの移動速度が小さいために、Cu合金
表面に保護性の酸化物が形成するのに充分な量のAlが
移動しないので、充分な酸化抑制効果が得られないもの
と思われる。
【0015】図4に本発明による銅配線表面への窒化銅
の形成方法を示す。二酸化ケイ素3の形成されたシリコ
ンウエハ4上に、オ−ミックコンタクトを取るための金
属5および銅とケイ素との拡散を防ぐためのバリア金属
6を介して銅配線1がホトレジスト7のパタ−ンに従っ
てドライエッチングにより形成されている(a)。通常
は、酸素プラズマによりホトレジスト7を酸化し除去す
る。しかし、この時配線側面は銅が露出しているため、
銅も同時に酸化されてしまい、配線の信頼性は著しく低
下する。
【0016】そこで、減圧下の反応容器内に窒素ガスを
導入し、マイクロ波により窒素プラズマを生成させ、こ
の窒素プラズマと銅を選択的に反応させることにより、
配線側面に窒化銅(Cu−N)21を形成する(b)。
ここで形成された窒化銅21は耐酸化性に優れているの
で、後の酸素プラズマによりホトレジストを炭化し除去
するプロセス(c)においても露出している銅配線は酸
化されない。さらに、ホトレジストを除去した後、銅が
露出した配線の上部と窒素プラズマと選択的に反応させ
ることにより、配線上部に窒化銅22を形成する
(d)。
【0017】以上の工程により銅配線1の表面は耐酸化
性に優れる窒化銅21,22で覆われているために、そ
の後のプロセスにおける銅配線の腐食は抑制される。ま
た形成された窒化銅の厚さは2〜3nmであるので、電
気的特性、あるいは熱的特性に影響を与えない。本実施
例により配線をパタ−ンニングする工程およびその後の
工程における銅の酸化を抑制し、耐酸化性に優れた配線
を形成する手段を提供できる。
【0018】図5に本発明の他の実施例である銅配線表
面への銅の化合物の形成方法を示す。二酸化ケイ素3の
形成されたシリコンウエハ4上に、オ−ミックコンタク
トを取るための金属5および銅とケイ素との拡散を防ぐ
ためのバリア金属6を介して銅配線1が形成されている
(a)。この配線が形成されているシリコンウエハ上全
面に、銅−ニッケル合金23をスパッタ法により堆積さ
せる(b)。そして、ホトレジスト7により配線パタ−
ン描写(c)後、塩素−アンモニア−窒素系ガスでエッ
チングすることにより配線を形成する(d)。これによ
り銅配線は耐食性に優れる銅−ニッケル合金23で被覆
されるので、その後のプロセスにおいて銅配線は腐食さ
れない。本実施例により耐食性の優れ、銅と同様の電気
伝導性、耐熱性、耐エレクトロマイグレ−ション性を有
する化合物を形成する方法を提供できる。
【0019】図6に本発明による銅配線表面への銅の化
合物の形成方法を示す。二酸化ケイ素3の形成されたシ
リコンウエハ4上に、オ−ミックコンタクトを取るため
の金属5および銅とケイ素との拡散を防ぐためのバリア
金属6を介いて銅配線1が形成されている(a)。この
銅配線上にCVD法(化学的気相成長法)により銅−銀
合金24を形成する(b)。ここで形成された銅−銀合
金24は耐酸化性に優れているので、その後のプロセス
においても銅配線は酸化されない。また形成された銅−
銀合金の厚さは2〜3nmであるので、電気的特性、あ
るいは熱的特性に影響を与えない。本実施例により耐酸
化性の優れ、銅と同様の電気伝導性、耐熱性、耐エレク
トロマイグレ−ション性を有する化合物を形成する方法
を提供できる。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、銅配線の酸化、あるい
は腐食を抑制し、しかも銅の持つ優れた電気的特性や熱
的特性を維持できるので、耐酸化性あるいは耐食性さら
に、電気伝導性、耐熱性、耐エレクトロマイグレ−ショ
ン性に優れた銅配線を有する信頼性の高い半導体装置を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の一実施例の構造を示
した要部断面図である。
【図2】本発明を施した銅配線の酸化量に及ぼすニッケ
ル添加量の影響を示した図である。
【図3】本発明を施した銅配線の酸化量を比較した図で
ある。
【図4】(a)〜(d)は本発明の実施例による銅配線
の形成方法を示す図である。
【図5】(a)〜(d)は本発明の他の実施例の形成方
法を示す図である。
【図6】(a)及び(b)は本発明の他の実施例の形成
方法を示す図である。
【符号の説明】
1 銅配線 2 銅合金 3 二酸化ケイ素 4 シリコウエハ 5 オ−ミックコンタクト用金属 6 バリア金属 7 ホトレジスト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 史朗 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 4M104 BB04 BB36 BB38 CC01 DD34 DD35 DD36 DD37 DD43 DD65 DD86 DD89 FF16 FF17 HH01 HH16 HH20 5F033 HH11 HH12 HH32 JJ07 KK07 LL09 MM05 MM08 MM11 MM13 PP06 PP15 PP19 PP20 QQ08 QQ09 QQ10 QQ11 QQ90 RR04 XX05 XX10 XX18 XX20

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体膜と銅又は銅合金とのオ−ミック
    コンタクト用の金属膜と、銅又は銅合金に対するバリア
    金属と、銅又は銅合金とを順次重ねて形成する工程と、
    前記各膜上にホトレジストにより回路を描写し、その描
    写パターンに従ってドライエッチングする工程と、ドラ
    イエッチング後に露出した銅又は銅合金表面上に選択的
    にその銅又は銅合金よりも高い耐食性を有する銅の化合
    物を形成する工程と、ホトレジストを除去する工程と、
    ホトレジスト除去後に露出した銅又は銅合金表面上に選
    択的にその銅又は銅合金よりも高い耐食性を有する銅の
    化合物を形成する工程と、を有することを特徴とする半
    導体チップ内の回路配線または電極の形成方法。
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