JPH0199239A - 半導体装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ この発明は半導体装置、さらには高度に微細化された半
導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するもので
あって１例えば線幅が１．５μｍ以下の配線が形成され
る大容量半導体記憶装置に利用して有効な技術に関する
ものである。

［従来の技術］ 例えば１日経マグロウヒル社刊行「日経マイクロデバイ
ス　１９８６年１２月１日号」８５〜１００頁（記事：
バリアメタルとＣｕ入りＡＱが必須に、４ＭＤＲＡＭに
向けた配線技術）に記載されているように、半導体集積
回路装置の集積度を高めるためには配線の微細化が不可
欠であるが。

この配線の微細化が進むと、エレクトロマイグレーショ
ンやストレスマイグレーション等による信頼性の低下が
問題となる。

上記問題を解決する手段としては、配線材料であるアル
ミニウムに微量のシリコン、＃ｉ！、チタンなどの添加
物を加えることが実施されている。また、エレクトロマ
イグレーションやストレスマイグレーション等の現象が
少ない銅をアルミニウムの代わりの配線材料として用い
ることが検討されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上述した技術には１次のような問題点の
あることが本発明者らによってあきらがとされた。

すなわち、従来からの配線材料であるアルミニウムに微
量の添加物を加える技術では、その添加物を加えたこと
により、ある程度の効果は得られるものの、主材料がア
ルミニウムであることには代わりなく、このため、エレ
クトロマイグレーションやストレスマイグレーション等
による信頼性低下の問題を根本的に解決するまでには至
らなかった。

一方、配線材料に銅を用いた場合は、エレクトロマイグ
レーションやストレスマイグレーションを抑えることは
できる。しかし、銅はシリコンおよびその酸化物に拡散
しやすいため、半導体との間に信頼性の高い電気的接触
状態を得ることができない。

そこで、銅と半導体のあいだにチタンやニッケルなどの
金属およびその化成物によるバリアーを介在させること
が検討されている。しかし、チタンやニッケルなどの金
属およびその化成物からなるバリアーは、その電気抵抗
が大きい。このため、バリアーを介在させた配線は、従
来のアルミニウム単独の配線に比べて、その全体の配線
抵抗が大幅に増大してしまうという問題を生じる。特に
、高集積度の半導体集積回路装置では、高度の微細化に
よって配線の線幅がきわめて狭くなるため、配線の全体
的な電気抵抗の増大は非常に大きな問題となる。

本発明の目的は、エレクトロマイグレーションおよびス
トレスマイグレーション等の影響を受けに＜＜シ、かつ
高度に微細加工されても必要な性能を確保できるように
した、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴に
ついては、本明細書の記述および添附図面から明らかに
なるであろう。

［問題点を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、銅によって導電部の主要部をなす主導ｆｆ１
ＪＷを形成するとともに、この主導電層の上下にアルミ
ニウムからなる被ｒＩＩ層を配置してなる積層体によっ
て半導体装置の配線等を形成する、というものである。

［作用］ 上記した手段によれば、半導体装置内の配線等の主要部
が銅で形成されていることにより、その配線等をエレク
トロマイグレーションおよびストレスマイグレーション
に強くすることができるとともに、良導体である銅が配
線内の主要な導電部をなすことにより、上記配線等が微
細化されても良好な導電性を確保することができる一方
、その銅からなる主導７１の上下にアルミニウムによる
被覆層が配置されていることにより、銅の半導体への拡
散によってもたらされる電気接触の不安等が克服される
。

これにより、エレクトロマイグレーションおよびストレ
スマイグレーション等の影響を受けにくくし、かつ高度
に微細加工されても必要な性能を確保できるようにして
、信頼性の高い半導体装置を得る、という目的が達成さ
れる。

［実施例］ 以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する
。

なお、各図中、同一符号は同一あるいは相当部分を示す
。

第１図は本発明による技術が適用された半導体集積回路
装置の一部分の平面レイアウト状態および部分断面状態
を示す。

同図において、まず、１はシリコン半導体基板であって
、この基板１には、図示を省略するが。

導電性付与物質の選択拡散などによってＭＯ３素子など
の機能素子が多数集積形成されている。

ｒ、１およびＬ２は上記半導体装置基板１上に形成され
た配線であって、Ｌｌは第１層目の配線を示し、Ｌ２は
その上に形成された第２層目の配線を示す。

ＣＴはコンタクト部であって、この部分にて第１層目の
配線し１が半導体装置基板１の半導体装置面に電気接触
させられている。

ＴＨはスルーホール部であって、この部分にて第１層目
配線Ｌ１と第２層目の配線Ｌ２とが電気的に接続されて
いる。

Ｐは端子パッド部であって、第２層目の配線２Ｌの延長
上に形成されている。

Ｗはボンディング・ワイヤーであって、上記端子パッド
Ｐの上面にスポット溶接されている。ＷＰはそのスポッ
ト溶接部を示す。

また、同図において、２は上記半導体基板２の上に形成
されたシリコン酸化膜であって、この酸化ＷＪ２の上に
第１層目の配線Ｌ１がパターニング形成されている。

第１層目の配線層Ｌ１は、その導電部の主要部が銅から
なる主導電層３と、この主導電Ｍ３の上側および下側に
それぞれ配置されたアルミニウムからなる被覆層４．４
とによって形成されている。

さらに、上記主導電層３と上記被ｒａ、層４，４の間に
はそれぞれ、銅とアルミニウムの組成比が連続的に変化
する中間層５，５が介在させられているつ６は二酸化シ
リコンからなる保護膜である。

第２図は、上記配線Ｌ１の厚み方向に対する銅Ｃｕとア
ルミニウムＡｒ１の組成変化状態の一例を示す。同図に
示すように、配線Ｌ１は、その厚みの大部分が銅Ｃｕに
よって占められている。これにより、その銅Ｃｕが主導
電層３として導電部の主要部をなすようになっている。

アルミニウムＡＱは、主導電層３の上側面と下側面にそ
れぞれ薄く配置されて被覆ＮＩ４，４を形成しているだ
けである。主導′？ｔ１層３と被覆層４，４の間の中間
Ｍ　５　。

５はそれぞれ、銅ＣｕとアルミニウムＡＱの組成比が０
％から１００％まで連続的に変化していて、主導電ＪＦ
ｊｊ　３０および被ｙｉ層４，４のいずれに対しても明
確な境界は形成していない。

なお、第２層目の配線し２も第１層Ｌ１の配ｇ層Ｌ１と
同一構造に形成されている。

以上のように構成された半導体集積回路装置では、まず
、上記配線Ｌｌ、Ｌ２ば、その主要部が銅で形成されて
いることにより、エレクトロマイグレーションおよびス
トレスマイグレーションに強くなって、いる。

これとともに、アルミニウムよりも良導体である銅が主
導電ＷＪ３を形成していることにより、配線Ｌｌ、Ｌ２
が高度に微細化されて、その線幅が非常に狭く加工され
ても、配線Ｌｌ、Ｌ２には半導体集積回路装置としての
機能を確保するのに十分な導電性が確保される。

また、銅からなる主導電層３の上下にアルミニウムによ
る被覆層４，４が配置されていることにより、主導電層
３の銅がシリコン半導体およびシリコン酸化膜に拡散す
ることによる電気接触および電気絶縁の不安をなくすこ
とができる。

これにより、エレクトロマイグレーションおよびストレ
スマイグレーション等の影響を受けにくく、かつ高度に
微細化工されても必要な性能を確保できる信頼性の高い
半導体装置を得ることができる。

さらに、上述した実施例では、銅からなる主導電ＷＪ３
とアルミニウムからなる被覆Ｎ４の間に銅Ｃｕとアルミ
ニウムＡＱ、の組成比が連続的に変化する中間層５，５
を介在させたことにより、主導電層３と被覆層４，４と
の間の剪断応力が緩衝されるとともに、被覆層４，４と
主導電Ｍ３とが構造的に確実に一体化され、このことが
上記配ａＬ１、Ｌ２の機械的強度をさらに高めて、半導
体集積回路装置の信頼性を一層高めるのに寄与する。

第３図は上記半導体集積回路装置のスルーホール部Ｔ　
Ｈの断面状態を示したものであって、第１層目の配線Ｌ
１と第２層目の配線し２は、共に同一構造の積層体によ
って形成されているとともに、面配線ＬＬ、Ｌ２のアル
ミニウム被覆層４，４同士が眉間絶縁Ｍ７にエツチング
形成されたスルーホールを介して接触させられている。

第４図は上記半導体集積回路装置の端子パッド部Ｐの断
面状態を示したものであって、この場合、端子パッド部
Ｐを形成する部分の配線Ｌ２は、その上側のアルミニウ
ム被ｆｆ１４がその上の保護絶縁膜６と共にエツチング
によって′部分的に除去されている。そして、この除去
の跡に露出させられた主導電層３の銅部分に、同じく銅
からなるボンディング・ワイヤーＷがスポット溶接され
ている。

これにより、端子パッド部Ｐとボンディング・ワイヤー
Ｗとの溶接部ＷＰには、同種の金属同士による良好な接
合部が形成されている。

第５図は上記配線ＬＬ、Ｌ２をなす積ｍ体を形成するの
に適した装置の一例を示す。同図に示す装置は、スパッ
タ蒸着装置の一種であって、真空容器１０．真空ポンプ
１１、イオン源であるアルゴンを供給するためのボンベ
１２、圧力調節バルブ１３．１３などによって構成され
る。この装置には、銅ＣｕとアルミニウムＡＱの２種類
のスパッタ・ターゲット１４．１５が一緒に装填される
とともに、各スパッタ・ターゲット１４．１５にはそれ
ぞれに直流制御電源１６．１７が接続されるようになっ
ている。

この装置では、２つの直流制御電源１６．１７の電圧を
相補的に可変制御することにより、２種類のスパッタ・
ターゲット１４．１５からイオンによって飛ばされる銅
Ｃｕ原子とアルミニウムＡＱ原子の比を交互に変えてシ
リコンウェハー１８上に堆積させることができる。これ
により、−回のスパッタ行程でもって、上記配線ＬＬ、
Ｌ２をエツチング形成する前の積層体を一挙に形成する
ことができる。

第６図は上記配線ＬＬ、Ｌ２をなす積層体を形成するの
に適した装置の一例を示す。同図に示す装置は、電子ビ
ーム蒸着装置の一種であって、真空容器１０の中には、
銅ＣｕとアルミニウムＡＱの２種類の溶融ルツボ１９，
２０が一緒に装填され、各ルツボ１９，２０の内の金属
はそれぞれに電子銃２１，２２からの電子線によって加
熱蒸発させられるようになっている。

この装置では、２つの電子銃２１．２２のそれぞれの加
速電圧を相補的に可変制御することにより、２種類のル
ツボ１．９．２０から蒸発させられる銅Ｃｕ原子とアル
ミニウムＡＱＪＭ子の比を交互に変えてシリコンウェハ
ー１８上に堆積させることができる。これにより、１回
のスパッタ行程でもって、上記配線ＬＬ、Ｌ２をエツチ
ング形成する前の積層体を一挙に形成することができる
。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。たとえば、主導電層３は
、銅を主材とする範囲で他の金属、たとえば銀あるいは
アルミニウムなどを添加してもよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である半導体集積回路装置
に適用した場合について説明してきたが、それに限定さ
れるものではなく、たとえば単体の能動素子が形成され
る半導体装置にも適用できる。

［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである
。

すなわち、エレクトロマイグレーションおよびストレス
マイグレーション等の影響を受けにくくし、かつ高度に
微細加工されても必要な性能を確保して、信頼性の高い
半導体装置を得ることができる、という効果が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図本発明による技術が適用された半導体装置の一部
を示す平面レイアウト図および断面状態図、 第２図は上記半導体装置に形成される配線の組成構造を
示す図、 第２３図は上記半導体装置のスルーホール部の構成を示
す平面レイアウト図および断面状態図、第４図は上記半
導体装置の端子パッド部の構成を示す平面レイアウト図
および断面状態図、第５図は上記半導体装置の製造に用
いられる蒸上装置の一実施例を示す断面略図。 第６図は上記半導体装置の製造に用いられる蒸上装置の
別の実施例を示す断面略図である。 １・・・・半導体基板、２・・・・酸化膜、３・・・・
銅からなる主導′？Ｉ１層、４・・・・アルミニラ１１
からなる被覆層、５・・・・銅とアルミニウムの組成比
が連続的に変化する中間層、■、１・・・・第１　）Ｅ
Ｑ目の配線、Ｌ２パ・・第２Ｗ１目の配線、ＣＴ・・・
・コンタり１へ部、ＴＨ・・・・スルーホール部、Ｐ・
・・・端子パッド部、Ｗ・・・・ボンディング・ワイヤ
ー。 第　　１　　図 第２図 ０＠／、５０＠／、１０罵 Ａ′　６　【Ｌ 第　　３　　図 第　　４　　図 第　　５　　図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、銅を主材として導電部の主要部をなす主導電層を形
   成するとともに、この主導電層の上側と下側にアルミニ
   ウムによる被覆層を配置してなる積層体によって、半導
   体装置内の配線等が形成されていることを特徴とする半
   導体装置。 ２、銅からなる主導電層とアルミニウムからなる被覆層
   の間に銅とアルミニウムの組成比が連続的に変化する中
   間層を介在させた積層体によって配線等が形成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体
   装置。