JP2511289B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置に係り、特に高信頼性と高速応答
性に優れた半導体装置に関する。
性に優れた半導体装置に関する。
従来、半導体素子の論理回路を構成する配線及び電極
材料には、加工性に優れた純AlあるいはAl−Si系合金が
用いられてきた。
材料には、加工性に優れた純AlあるいはAl−Si系合金が
用いられてきた。
半導体素子の近年の高集積化に伴い、配線パターンの
微細化が進み、配線幅が1μm以下の配線膜の形成が要
求されてきている。しかし、配線断面積の減小に伴い、
配線遅延時間の増加による回路の応答速度の低下及び発
熱量の増加、電流密度の増加に伴うエレクトロマイグレ
ーシヨンの進行による配線寿命の低下等の問題点が懸念
されている。したがつて、配線材料としては低抵抗で耐
熱製、耐エレクトロマイグレーシヨン性に優れたものが
要求されている。更に配線膜の薄膜化に伴い、耐食信頼
性にも優れた材料を使わなければならない。
微細化が進み、配線幅が1μm以下の配線膜の形成が要
求されてきている。しかし、配線断面積の減小に伴い、
配線遅延時間の増加による回路の応答速度の低下及び発
熱量の増加、電流密度の増加に伴うエレクトロマイグレ
ーシヨンの進行による配線寿命の低下等の問題点が懸念
されている。したがつて、配線材料としては低抵抗で耐
熱製、耐エレクトロマイグレーシヨン性に優れたものが
要求されている。更に配線膜の薄膜化に伴い、耐食信頼
性にも優れた材料を使わなければならない。
しかし、従来のAl系配線材料は、抵抗も高く、耐熱性
や耐エレクトロマイグレーシヨン性の点で問題がある。
そこで、この問題を回避するために、特開昭61−294838
号公報に記載のように、Al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ーシヨン性に優れた
Cuを用いた配線材料が開発されている。すなわちCuはAl
に比べて、電気抵抗が約3分の2、融点も400℃以上高
く、またエレクトロマイグレーシヨ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、その高速応答性及び信頼性の向上がはかれる。
や耐エレクトロマイグレーシヨン性の点で問題がある。
そこで、この問題を回避するために、特開昭61−294838
号公報に記載のように、Al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ーシヨン性に優れた
Cuを用いた配線材料が開発されている。すなわちCuはAl
に比べて、電気抵抗が約3分の2、融点も400℃以上高
く、またエレクトロマイグレーシヨ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、その高速応答性及び信頼性の向上がはかれる。
しかしCuは耐酸化性及び耐食性の点で問題がある。す
なわち、CuはAlに比べてその表面に生成する酸化皮膜の
保護性が低いために、高温酸化を受けやすく、また酸化
性溶液中では腐食しやすい。配線材料は、半導体装置の
製造工程において高温のガス雰囲気や硝フツ酸溶液のよ
うな酸化性水溶液環境にさらされたり、更に組立後の検
査時には、高温高湿度条件で耐湿信頼性試験されたりす
るので、高い耐食性が要求されている。したがつて、配
線材料としての電気伝導性、耐熱性、耐エレクトロマイ
グレーシヨン性を満足し、更に耐食性の向上をはかるこ
とが重要な技術課題である。
なわち、CuはAlに比べてその表面に生成する酸化皮膜の
保護性が低いために、高温酸化を受けやすく、また酸化
性溶液中では腐食しやすい。配線材料は、半導体装置の
製造工程において高温のガス雰囲気や硝フツ酸溶液のよ
うな酸化性水溶液環境にさらされたり、更に組立後の検
査時には、高温高湿度条件で耐湿信頼性試験されたりす
るので、高い耐食性が要求されている。したがつて、配
線材料としての電気伝導性、耐熱性、耐エレクトロマイ
グレーシヨン性を満足し、更に耐食性の向上をはかるこ
とが重要な技術課題である。
本発明の目的は、電気伝導性、耐熱性、耐エレクトロ
マイグレーシヨン性及び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装置
を提供することにある。
マイグレーシヨン性及び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装置
を提供することにある。
本発明を概説すれば、本発明は半導体装置に関する発
明であつて、半導体チツプ上に回路配線及び/又は電極
を有する半導体装置において、前記回路配線及び/又は
電極は、重量比でAl0.01〜0.5%、Fe0.01〜0.2%、Mg0.
01〜0.3%、Ni0.01〜0.5%、Si0.01〜0.2%、Sn0.01〜
0.5%、及びZn0.01〜2%の少なくとも1種と、残部がC
u及び不可避不純物であるCu合金からなることを特徴と
する。
明であつて、半導体チツプ上に回路配線及び/又は電極
を有する半導体装置において、前記回路配線及び/又は
電極は、重量比でAl0.01〜0.5%、Fe0.01〜0.2%、Mg0.
01〜0.3%、Ni0.01〜0.5%、Si0.01〜0.2%、Sn0.01〜
0.5%、及びZn0.01〜2%の少なくとも1種と、残部がC
u及び不可避不純物であるCu合金からなることを特徴と
する。
すなわち本発明は、Cuよりも卑な金属元素を、電気伝
導性をあまり低下させない範囲でCuに微量添加すること
により、Cuのもつ高導電性、耐熱性、耐エレクトロマイ
グレーシヨン性を低下させずに耐食性を向上させたCu合
金を、配線材料に用いることに特徴がある。そして、こ
の配線材料を用いることにより、高速応答性と信頼性に
優れた半導体装置を提供することができる。
導性をあまり低下させない範囲でCuに微量添加すること
により、Cuのもつ高導電性、耐熱性、耐エレクトロマイ
グレーシヨン性を低下させずに耐食性を向上させたCu合
金を、配線材料に用いることに特徴がある。そして、こ
の配線材料を用いることにより、高速応答性と信頼性に
優れた半導体装置を提供することができる。
Cuよりも卑な金属元素を微量添加したCu合金を配線材
料に用いることが、半導体装置の高速応答性と信頼性向
上に対し、どのように作用するかを次に述べる。
料に用いることが、半導体装置の高速応答性と信頼性向
上に対し、どのように作用するかを次に述べる。
半導体素子内の配線内に流れる信号の遅延時間は、半
導体装置の高速応答性を決める重要な因子であるが、そ
の値は配線の抵抗に比例する。したがつて遅延時間は、
配線の長さ及び比抵抗に比例し、配線幅に反比例する。
素子の高集積化に伴う配線幅の縮小による遅延時間の遅
れを減らすためには、より低抵抗の配線材料を用いる必
要があり、Cuは比抵抗が1.7μΩcmとAlの2.7μΩcmに比
べて、かなり低いので有利な材料である。またCuはAlに
比べて融点が400℃ほど高いので耐熱性の点でも有利で
ある。更に、耐エレクトロマイグレーシヨン性を決める
因子である積層欠陥エネルギもAlの200erg/cm2に比べ
て、Cuは40erg/cm2と小さくマイグレーシヨンが起りに
くい性質を有している。以上のように、CuはAlに比べて
配線材料として優れた特性を有しているが、耐食性の点
で問題がある。
導体装置の高速応答性を決める重要な因子であるが、そ
の値は配線の抵抗に比例する。したがつて遅延時間は、
配線の長さ及び比抵抗に比例し、配線幅に反比例する。
素子の高集積化に伴う配線幅の縮小による遅延時間の遅
れを減らすためには、より低抵抗の配線材料を用いる必
要があり、Cuは比抵抗が1.7μΩcmとAlの2.7μΩcmに比
べて、かなり低いので有利な材料である。またCuはAlに
比べて融点が400℃ほど高いので耐熱性の点でも有利で
ある。更に、耐エレクトロマイグレーシヨン性を決める
因子である積層欠陥エネルギもAlの200erg/cm2に比べ
て、Cuは40erg/cm2と小さくマイグレーシヨンが起りに
くい性質を有している。以上のように、CuはAlに比べて
配線材料として優れた特性を有しているが、耐食性の点
で問題がある。
Cuは、配線膜形成後のアニール条件である400〜500℃
の温度の大気中において1時間当り数μm酸化されるの
に対し、Alはわずか数100Åしか酸化されない。また水
溶液環境下においては、中性溶液ではほぼ同程度の耐食
性を有しているが、硝酸のような酸化性溶液中ではCuは
Alに比べて腐食しやすい。これは金属の耐食性は金属表
面に生成する酸化物の保護性に依存しており、Al表面に
生成するAl2O3を主成分とする酸化膜は極めて安定であ
るのに対して、Cu表面に生成するCuOやCu2Oは酸化性環
境下では保護性に乏しいためである。このCuの耐食性を
改善するために、従来より様々な耐食Cu合金が開発され
ているが、いずれも合金元素を高濃度添加するために、
Cuのもつ高電気伝導性が著しく低下し、その比抵抗はAl
の値よりも高くなつてしまう。以上のことより、Cuのも
つ優れた各特性を低下させずに、耐食性を向上させるた
めには、耐食性向上元素をCuに微量添加することが有効
である。
の温度の大気中において1時間当り数μm酸化されるの
に対し、Alはわずか数100Åしか酸化されない。また水
溶液環境下においては、中性溶液ではほぼ同程度の耐食
性を有しているが、硝酸のような酸化性溶液中ではCuは
Alに比べて腐食しやすい。これは金属の耐食性は金属表
面に生成する酸化物の保護性に依存しており、Al表面に
生成するAl2O3を主成分とする酸化膜は極めて安定であ
るのに対して、Cu表面に生成するCuOやCu2Oは酸化性環
境下では保護性に乏しいためである。このCuの耐食性を
改善するために、従来より様々な耐食Cu合金が開発され
ているが、いずれも合金元素を高濃度添加するために、
Cuのもつ高電気伝導性が著しく低下し、その比抵抗はAl
の値よりも高くなつてしまう。以上のことより、Cuのも
つ優れた各特性を低下させずに、耐食性を向上させるた
めには、耐食性向上元素をCuに微量添加することが有効
である。
添加元素としてはCuよりも卑な金属が有効である。卑
な金属元素を添加したCuを腐食性環境下にさらすと、Cu
は酸化されずに添加元素が選択的に酸化されて表面にそ
の酸化物膜が生成し、この酸化膜が保護膜となり、下地
のCuの腐食を抑制する作用を示す。添加元素としては、
Al、Fe、Mg、Ni、Si、Sn及びZnが挙げられ、これらの群
から選択した1種以上の元素を添加するのが好ましい。
な金属元素を添加したCuを腐食性環境下にさらすと、Cu
は酸化されずに添加元素が選択的に酸化されて表面にそ
の酸化物膜が生成し、この酸化膜が保護膜となり、下地
のCuの腐食を抑制する作用を示す。添加元素としては、
Al、Fe、Mg、Ni、Si、Sn及びZnが挙げられ、これらの群
から選択した1種以上の元素を添加するのが好ましい。
AlをCuに添加した場合、腐食環境下ではAlは選択的に
酸化され表面に生成したAl2O3がCuの腐食を抑制する作
用を示す。その添加量は0.01〜0.5重量%が好ましく、
この範囲未満では添加効果はなく、またより多量である
と電気伝導性がAlよりも低下してしまうので好ましくな
い。またAlはCuに添加すると固溶強化するので強度が増
し、耐マイグレーシヨン性の向上にも効果がある。
酸化され表面に生成したAl2O3がCuの腐食を抑制する作
用を示す。その添加量は0.01〜0.5重量%が好ましく、
この範囲未満では添加効果はなく、またより多量である
と電気伝導性がAlよりも低下してしまうので好ましくな
い。またAlはCuに添加すると固溶強化するので強度が増
し、耐マイグレーシヨン性の向上にも効果がある。
Alと同様に、Fe、Mg、Ni、Si、Sn、Znも、Cuに添加す
ると選択的に酸化され、表面に各々、Fe2O3+Fe3O4、Mg
O、Ni2O3+Ni3O4、SiO2、SnO2、ZnOを主成分とする保護
性酸化膜を形成し耐食性向上に効果がある。そして、そ
の適正添加量は、電気伝導性が著しく低下しない範囲内
であり、それぞれ重量比でFeについては0.01〜0.2%、M
gについては0.01〜0.3%、Niについては0.01〜0.5%、S
iについては0.01〜0.2%、Snについては0.01〜0.5%、Z
nについては0.01〜2%が好ましい。
ると選択的に酸化され、表面に各々、Fe2O3+Fe3O4、Mg
O、Ni2O3+Ni3O4、SiO2、SnO2、ZnOを主成分とする保護
性酸化膜を形成し耐食性向上に効果がある。そして、そ
の適正添加量は、電気伝導性が著しく低下しない範囲内
であり、それぞれ重量比でFeについては0.01〜0.2%、M
gについては0.01〜0.3%、Niについては0.01〜0.5%、S
iについては0.01〜0.2%、Snについては0.01〜0.5%、Z
nについては0.01〜2%が好ましい。
添加量の下限値は、耐食性、耐マイグレーシヨン性を
向上させるための最低濃度であり、一方上限値は、Cu合
金の比抵抗がAlの比抵抗を超えない、最大許容添加量で
ある。Cu合金の比抵抗と添加量との関係は、各添加元素
によつて異なつている。各元素のうち、FeはCuに添加す
ると析出強化し、一方Ni、Si、Sn、Znは固溶強化するの
でいずれも強度が増して耐マイグレーシヨン性を向上さ
せる効果もある。
向上させるための最低濃度であり、一方上限値は、Cu合
金の比抵抗がAlの比抵抗を超えない、最大許容添加量で
ある。Cu合金の比抵抗と添加量との関係は、各添加元素
によつて異なつている。各元素のうち、FeはCuに添加す
ると析出強化し、一方Ni、Si、Sn、Znは固溶強化するの
でいずれも強度が増して耐マイグレーシヨン性を向上さ
せる効果もある。
各元素のうち、耐食性向上の点で、Zn及びNiは効果が
著しく、特にZnは最大許容添加量が高いので有利であ
る。また、Alは配線膜形成後のアニール時のような400
℃以上の高温環境下で耐食性向上効果がある。
著しく、特にZnは最大許容添加量が高いので有利であ
る。また、Alは配線膜形成後のアニール時のような400
℃以上の高温環境下で耐食性向上効果がある。
以上述べた金属元素を1種以上、Cuに添加したCu合金
は耐熱性、耐マイグレーシヨン性、耐食性にも優れ、電
気伝導性も純Cuと同程度である。このCu合金を半導体素
子内の配線材料として用いることにより、高速応答性と
高信頼性の半導体装置を提供することができる。
は耐熱性、耐マイグレーシヨン性、耐食性にも優れ、電
気伝導性も純Cuと同程度である。このCu合金を半導体素
子内の配線材料として用いることにより、高速応答性と
高信頼性の半導体装置を提供することができる。
その半導体装置の1例を第1図に示す。すなわち第1
図は本発明装置の1実施例の構造を示した断面図であ
り、符号1はSi基板、2は拡散層、3は絶縁層、4は配
線膜層、5は電極部、6はAuワイヤ、7は素子保護膜を
意味する。
図は本発明装置の1実施例の構造を示した断面図であ
り、符号1はSi基板、2は拡散層、3は絶縁層、4は配
線膜層、5は電極部、6はAuワイヤ、7は素子保護膜を
意味する。
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されない。
が、本発明はこれら実施例に限定されない。
実施例1 第1表は、Si基板上に配線幅が0.8μmの4メガDRAM
のマスクパターンを用いて、スパツタ法により各種組成
の配線層を形成させた半導体素子について特性試験を行
つた結果である。高速応答性については信号パルスの入
出力間の時間すなわち遅延時間を測定し評価した。耐マ
イグレーシヨン性については、180℃で配線に106A/cm2
の電流を流す高温通電試験における500時間経過時の配
線断線率を測定した。耐湿信頼性については、120℃、9
5%RH条件に放置するPCT(プレツシヤクツカ)試験にお
ける250時間経過時の配線断線率により評価した。
のマスクパターンを用いて、スパツタ法により各種組成
の配線層を形成させた半導体素子について特性試験を行
つた結果である。高速応答性については信号パルスの入
出力間の時間すなわち遅延時間を測定し評価した。耐マ
イグレーシヨン性については、180℃で配線に106A/cm2
の電流を流す高温通電試験における500時間経過時の配
線断線率を測定した。耐湿信頼性については、120℃、9
5%RH条件に放置するPCT(プレツシヤクツカ)試験にお
ける250時間経過時の配線断線率により評価した。
第1表から判るように本発明による配線材料を用いた
半導体素子は、高速応答性及び耐マイグレーシヨン性に
ついてはCuを用いた素子と同程度でありAl系配線を用い
た場合より優れている。一方、耐湿信頼性については、
比較例であるCuを用いた場合に比べて大幅に改善されて
おりAl系配線を用いたものと同程度の信頼性を有してい
る。
半導体素子は、高速応答性及び耐マイグレーシヨン性に
ついてはCuを用いた素子と同程度でありAl系配線を用い
た場合より優れている。一方、耐湿信頼性については、
比較例であるCuを用いた場合に比べて大幅に改善されて
おりAl系配線を用いたものと同程度の信頼性を有してい
る。
以上説明したように、本発明による組成のCu合金配線
を用いることにより、高速応答性と信頼性に優れた半導
体装置を製造することができる。
を用いることにより、高速応答性と信頼性に優れた半導
体装置を製造することができる。
実施例2 第1図は本発明装置の1実施例の構造を示した断面図
である。図において、1はSi基板、2はP、As等の不純
物をドープした拡散層、3は窓明けされたSiO2からなる
絶縁層、4は微量元素を添加したCu合金をスパツタ法あ
るいは蒸着法で形成させた配線膜層、6は配線層のパツ
ド電極部5にボンデイングされたAuワイヤ、7はPSG
(リンケイ酸ガラス)からなる素子保護膜(パツシベー
シヨン膜)である。
である。図において、1はSi基板、2はP、As等の不純
物をドープした拡散層、3は窓明けされたSiO2からなる
絶縁層、4は微量元素を添加したCu合金をスパツタ法あ
るいは蒸着法で形成させた配線膜層、6は配線層のパツ
ド電極部5にボンデイングされたAuワイヤ、7はPSG
(リンケイ酸ガラス)からなる素子保護膜(パツシベー
シヨン膜)である。
このように配線膜層にCu合金を用いると、Al系配線を
用いた場合に比べ耐食性、耐マイグレーシヨン性、高速
応答性に優れた半導体装置を構成することができる。
用いた場合に比べ耐食性、耐マイグレーシヨン性、高速
応答性に優れた半導体装置を構成することができる。
本発明によれば、電気伝導性、耐熱性、耐マイグレー
シヨン性、耐食性に優れた配線材料を用いることによ
り、配線幅が1μm以下の微細配線パターンを形成して
も、半導体装置としての高速応答性と信頼性向上に効果
がある。
シヨン性、耐食性に優れた配線材料を用いることによ
り、配線幅が1μm以下の微細配線パターンを形成して
も、半導体装置としての高速応答性と信頼性向上に効果
がある。
第1図は本発明装置の1実施例の構造を示した断面図で
ある。 1:Si基板、2:拡散層、3:絶縁層、4:配線膜層、5:電極
部、6:Auワイヤ、7:素子保護膜
ある。 1:Si基板、2:拡散層、3:絶縁層、4:配線膜層、5:電極
部、6:Auワイヤ、7:素子保護膜
Claims (1)
- 【請求項1】半導体チツプ上に回路配線及び/又は電極
を有する半導体装置において、前記回路配線及び/又は
電極は、重量比でAl0.01〜0.5%、Fe0.01〜0.2%、Mg0.
01〜0.3%、Ni0.01〜0.5%、Si0.01〜0.2%、Sn0.01〜
0.5%、及びZn0.01〜2%の少なくとも1種と、残部がC
u及び不可避不純物であるCu合金からなることを特徴と
する半導体装置。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63074658A JP2511289B2 (ja) | 1988-03-30 | 1988-03-30 | 半導体装置 |
US07/327,609 US5023698A (en) | 1988-03-30 | 1989-03-23 | Semiconductor device |
KR1019890003984A KR930010064B1 (ko) | 1988-03-30 | 1989-03-29 | 반도체 장치 |
DE68916083T DE68916083T2 (de) | 1988-03-30 | 1989-03-30 | Halbleiteranordnung mit einer Metallisierungsschicht. |
EP89105608A EP0335383B1 (en) | 1988-03-30 | 1989-03-30 | Semiconductor device having a metallization film layer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63074658A JP2511289B2 (ja) | 1988-03-30 | 1988-03-30 | 半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01248538A JPH01248538A (ja) | 1989-10-04 |
JP2511289B2 true JP2511289B2 (ja) | 1996-06-26 |
Family
ID=13553552
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63074658A Expired - Lifetime JP2511289B2 (ja) | 1988-03-30 | 1988-03-30 | 半導体装置 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5023698A (ja) |
EP (1) | EP0335383B1 (ja) |
JP (1) | JP2511289B2 (ja) |
KR (1) | KR930010064B1 (ja) |
DE (1) | DE68916083T2 (ja) |
Families Citing this family (37)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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