JPH0250432A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置に関し、特に微細配線を有する高
集積度の半導体装置に係わる。

（従来の技術） 半導体装置において、半導体層（例えば半導体基板）上
に絶縁膜を介して設けられる配線としてはＡノ薄膜が使
用されているが、該配線は半導体装置の動作時等に高い
電流密度に曝される。このため、配線を構成するＡ、１
フイオンが電流と逆方向へ移動す、る、いわゆるエレク
トロマイグレーションが生じる。ＡＩイオンの移動は、
配線の微細組織や温度勾配の影響により不均一となり、
場所によりＡノイオンの過不足が生じる。ＡＩ！イオン
の不足部分では、空孔を生じ、空孔の成長が進行すると
断線に至る。一方、Ａノイオンの過剰部分では表面に突
起が成長して隣接する配線と短絡を起こすと共に、該配
線下の絶縁膜の破損による素子破壊や保護膜の破損によ
る腐蝕を誘発する。このようなことから、エレクトロマ
イグレーションは半導体装置の信頼性の上で極めて重要
な問題である。

上記配線のエレクトロマイグレーション耐性の改善手段
としては、合金化されたＡノを用いることが検討され、
かつ広範な寿命測定結果によりいくつかの添加元素がＡ
Ｉ配線のエレクトロマイグレーション耐性の改善化に有
効であることが見出されている。具体的には、米国特許
第３７４３８９４号明細書に開示されているＣｕ添加Ａ
ノ配線がある。この配線によれば、Ａ１粒界に介在する
ＣｕＡ１２粒子がＡノイオンの移動を抑制するため、エ
レクトロマイグレーションに対する平均寿命を純Ａノ配
線に比べて長くできたとされている。

しかしながら、かかる配線では半導体装置の高集積化が
進むに伴って幅が概略１μｍ以下と微細化されると、配
線不良の発生頻度が増大し、エレクトロマイグレーショ
ンに対する充分な寿命向上が得られなくなる。

一方、純金属のエレクトロマイグレーションは融点と相
関があるため、高融点の金属を配線として使用すること
により一層の高寿命化が図れることが知られている。こ
うしたことから、従来の合金化とは別に、Ａノ以外の金
属を微細配線に使用することが検討されている。具体的
には、特開昭６１−２９４８３８号公報に開示されてい
るＣｕ配線がある。かかる配線によれば、Ａ、５　（６
６０℃）に比べてＣｕが高い融点（１０８５℃）を有す
るため、幅１μｍの微細配線においても従来のＡ１合金
配線に比べて優れたエレクトロマイグレーション耐性が
得られる。更に、Ｃｕは比抵抗が１．７μΩａとＡノの
比抵抗（２，７μΩｃ１１）に比べて約２°／３と低抵
抗であるため、半導体装置の動作時における電圧降下と
配線遅延を少なくし、装置の高速動作のために有利であ
る。こうした配線は、線幅が概略１μｍでは充分満足す
るものであった。しかしながら、今後の半導体装置の高
集積化が更に進み、１μｍ以下の微細幅となると、前記
Ｃｕ配線でも充分なエレクトロマイグレーション耐性が
得られなくなることが予想される。このため、Ｃｕの低
抵抗の利点を損うことなく、より優れたエレクトロマイ
グレーション耐性を有する配線が望まれている。

Ｃｕ配線においても、Ａノ配線と同様に合金化によりエ
レクトロマイグレーション耐性の改善に有効であると考
えられているが、Ｃｕに関しては余り知られていない。

数少ない例として、Ｐ、Ｍ。

ｄｌｌｅｒｌｅらがＴｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　ＰｌｌｌＩ
ｓ、２５．（１９７５）、ｐ、ｐ、５３Ｌ−ｒ５４４に
開示し、Ｔｈ１ｎ　Ｆｌｌｍｓ−１ｎｔｅｒｄｉｆｆ’
ｕｔｉｏｎ　ａｎｄＲｅａｃｔ　ｔｏｎｓ　、　Ｊｏｈ
ｎｖｉｌｃｙ　＆　５ｏｎｓ、（１９７ｇ）、ｐｐ２９
３−２９５に引用されているＡ、ｆｆ添加のＣｕ配線が
ある。この配線によれば、約１０原子％以上のＡノ添加
によりＣｕ配線の平均寿命を約２桁長くすることができ
たと報告されている。しかしながら、かかる配線ではＣ
ｕの比抵抗がＡ１１％原子当り約１．３μΩａ増加する
ため、比抵抗がＡノＦ線の５倍以上となり、実際の半導
体装置の微細配線には使用できない。

また、他の例としては同じ＜　Ｐ、Ｍ、ｄ、Ｈｅｕｒｌ
ａらがＴｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　ＰｌｌｌＩｓ、２５．（
１９７５）、ｐｐ−５３１−５４４に開示している約９
原子％のＢｅを添加したＣｕ配線がある。この配線によ
れば、ＢｅがＣｕの粒界拡散を抑制してＣｕ配線の平均
寿命を約２桁長くできると報告されている＝シかしなが
ら、かかる配線は人体に対して極めて有害なりｅを使用
するため、半導体装置の製造工程を考慮すると、実際の
半導体装置の配線としては不向きである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、毒性がなく、かつ比抵抗が低く、更にエレクトロ
マイグレーション耐性の優れた微細線幅の配線を備えた
半導体装置を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、半導体層上に絶縁膜を介して配線を設けた構
造の半導体装置において、前記配線は引張り強さが２５
ｋｇ／ｍｍ１２以上のＣｕ合金からなることを特徴とす
る半導体装置である。

上記半導体層としては、例えば半導体基板、絶縁基板上
に形成された半導体層又は半導体基板の絶縁層上に形成
された半導体層等を挙げることができる。

上記絶縁膜としては、５ＩＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ、１膜、Ａ
Ｉ！２０３膜又はリン珪化ガラスなどの不純物添加ガラ
ス膜等を挙げることができ、これらは単層又は積層状態
で使用される。

上記Ｃｕ合金を具体的に例示すると、 （１）析出硬化型Ｃｕ合金；　Ｃｕ−Ａｇ　、Ｃｕ−Ｃ
ｒ、Ｃｕ−Ｔｌ　、Ｃｕ−Ｚｒ　、Ｃｕ−Ｈｆ　５Ｃｕ
−Ｃｏ　５Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ　５Ｃｕ−Ｃｒ−Ｓｎ　、
　Ｃｕ−Ｎｉ−５Ｉ　、Ｃｕ−Ｎ−Ｐ１ （２）固溶強化型Ｃｕ合金；　Ｃｕ−Ｎ　ｉ　ＳＣｕ−
Ｚ　ｎ　５Ｃｕ−Ｓ　ｎ　　、　　Ｃｕ−８Ｉ　　Ｓ　
Ｃｕ−Ｌｉ　　、　　Ｃｕ−Ｍｎ　　、　　Ｃｕ−Ａ　
ｕ　　ｓ　　Ｃｕ−Ｐ　ｔ　　ｓ　　Ｃｕ−Ｐ　ｄ　　
ｓ　　Ｃｕ−Ｇ　ａ　　ｓ　　Ｃｕ−Ｇ　ｅ　　ｓＣｕ
−Ａ　ｓ　　５ （３）粒子分散強化型Ｃｕ合金；Ｃｕ−Ａノコ０３、Ｃ
ｕ−５＋　０２　、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐｓ　Ｃｕ−Ｆｅ−Ｃ
ｏ−Ｐ。

（４）スピノーダル分解型Ｃｕ合金＊　Ｃｕ−Ｎ　ｉ　
−Ｓ　ｎ　ＮＣｕ−Ｎｉ−Ｃｒ　、　Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ
　５（５）　Ｃｕに固溶しない金属元素を添加したＣｕ
合金；Ｃｕ−ＷＳＣｕ−Ｍｏ　、Ｃｕ−Ｒｕ　５Ｃｕ−
Ｔａ　５Ｃｕ−Ｒｅ　、　Ｃｕ−０ｓ　ｓ 等を挙げることができる。このようなＣｕ合金の添加元
素の添加量を適切に選び、適切な熱処理を加えることに
よって前記特定の引張り強さを有するＣｕ合金が得られ
る。特に、かがるＣｕ合金として前記引張り強さを有す
ると共に比抵抗が３μΩｃｒｔｔ以下のものを用いるこ
とが望ましい。

（作用） 本発明によれば、半導体層上に絶縁膜を介して設けられ
る配線を引張り強さが２５ｋｇ／ｍ２以上のＣｕ合金か
ら形成することによって、１μｍ以下の微細な線幅とし
た場合でも優れたエレクトロマイグレーション耐性を発
揮できる。こうしたＣｕ合金の引張り強さが配線のエレ
クトロマイグレーション耐性に作用する機構については
明らがではない。但し、本発明者らの研究によれば引張
り強さが機械的外力が加わった場合の破壊に対する耐性
ないし塑性変形のし難さを示す代表値であることから、
高い引張り強さを持つことが作用力の種類に相違がある
ものの、エレクトロマイグレーションにおける空孔発生
や突起成長等による配線の変形抑制に寄与しているもの
と推定される。

また、特定の引張り強さをゼすると共に比抵抗が３μΩ
α以下のＣｕ合金から配線を形成することによって、エ
レクトロマイグレーション耐性をより一層向上できる。

かがる機構は明らがではないが、比抵抗が高い場合には
ジュール熱により局所的な温度上昇を生じて配線のエレ
クトロマイグレーションを加速することがら、比抵抗を
低くすることにより前記ジュール熱による影響を低減で
きるものと推定される。

従って、半導体層上に引張り強さが２５ｋｇ／ｍａｄ２
以上のＣｕ合金からなる配線を絶縁膜を介して設けるこ
とによって、毒性がなく、かつ比抵抗が低く、更にエレ
クトロマイグレーション耐性の優れた微細線幅の配線を
備えた高集積度で高信頼性の半導体装置を得ることがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

実施例１〜７ 第１図は、本実施例に係わる半導体装置を示す断面図で
ある。図中の１は、シリコン基板であり、この基板１表
面には不純物の拡散層２が形成されている。この拡散層
２を含む基板ｌ全面には、５ｊＯ２膜３が被覆されてお
り、かつ前記拡散層２の一部に対応する該５１０２膜３
にはコンタクトホール４が開孔されている。このコンタ
クトホール４内には、窒化チタン薄層５が設けられてて
いる。前記５ｉ０２膜３上には、後述するＣｕ８合金か
らなる配線８が前記コンタクトホール４内の窒化チタン
薄層５を介して前記拡散層２に接続されている。この配
線６を含む前記５ｉ０２膜３上には、保護膜７が被覆さ
れており、かつ該配線６の一部に対応する保護膜７には
ポンディングパッド部８が開孔されている。このパッド
部８がら露出した前記Ｃｕ合金配線６部分には、Ｃｕボ
ンディングワイヤ９が超音波溶接によりボンディングさ
れている。なお、図中の１０．１１は夫々前記絶縁膜３
と配線６、配線６と保護膜７との間にそれらの密着性を
高めるための介装された窒化チタン結合層である。

前記Ｃｕ合金配線は、スパッタ蒸芒により厚さ４０００
人の薄膜を形成した後、露光、蝕刻して幅０．８μｍに
加工する方法により形成した。また、Ｃｕ合金はＣｕ−
Ｃｒ　、Ｃｕ−Ｚｒ　５Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ、Ｃｕ−Ｎ１
−５ｉ　ｓ　Ｃｕ−Ｎｉ　、Ｃｕ−Ｚｎ　５Ｃｕ−Ａノ
コ０３の７ＦＩｉ類を用い、それらＣｕ合金の具体的な
組成及び薄膜形成に際しての処理は以下の通りである。

■、Ｃｕ−Ｃｒ含Ｃｕ−は、薄膜組成でＣｒ０．７重量
％、残部Ｃｕであった。このＣｕ合金薄膜は、１０００
℃での第一熱処理により添加元素であるＣｒをＣｕ中に
完全に固溶させ、均一化を行なった。

その後、５００℃の第二熱処理によりＣｒ微粒子を析出
させる微細組織の制御を行なった。

■、Ｃｕ−Ｚｒ含Ｃｕ−は、薄膜組成でＺ　ｒ　Ｏ，１
５ｆｉ量％、残部Ｃｕであった。このＣｕ合金薄膜は、
９００℃での第一熱処理により添加元素であるＺ「をＣ
ｕ中に完全に固溶させ、均一化を行なった。

その後、５００℃の第二熱処理により金属間化合物Ｃｕ
３Ｚｒ粒子を析出させる微細組織の制御を行なった。

■、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ含Ｃｕ−は、薄膜組成でＣ「０．
２０ｆｆｉｆｆｉ％、Ｚ　ｒ　Ｏ，１Ｏｆｆｌ量％、残
部Ｃｕであった。

このＣｕ合金薄膜は、９５０℃での第一熱処理により添
加元素であるＣｒとＺｒをＣｕ中に完全に固溶させ、均
一化を行なった。その後、４５０℃の第二熱処理により
Ｃ「と金属間化合物Ｃｕ３Ｚｒ粒子を微細に析出させる
微細組織の制御を行なった。

■、Ｃｕ−Ｎｉ−５ｉ含Ｃｕ−は、薄膜組成でＮ１１．
８重量％、ＳＩＯ，４重量％、残部Ｃｕであった。

このＣｕ合金薄膜は、８５０℃での第一熱処理により添
加元素であるＮｌとＳｌをＣｕ中に完全に固溶させ、均
一化を行なった。その後、４５０℃の第二熱処理により
Ｎｉ−８１金属間化合物粒子を微細に析出させる微細組
織の制御を行なった。

■、Ｃｕ−Ｎｉ含Ｃｕ−は、薄膜組成でＮｉ９．０重量
％、残部Ｃｕであった。このＣｕ合金薄膜は、８００℃
での熱処理により添加元素であるＮｉをＣｕ中に完全に
固溶させ、均一化を行なった。

■、Ｃｕ−Ｚｎ含Ｃｕ−は、薄膜組成でＮｉ３０．０１
１１量％、残部Ｃｕであった。このＣｕ合金薄膜は、７
５０℃での熱処理により添加元素であるＺｎをＣｕ中に
完全に固溶させ、均一化を行なった。

■、Ｃｕ−Ａｉｚ　０３合金配線は、低酸素雰囲気でＣ
ｕとＡＩを同時スパッタ蒸着することにより薄膜を形成
した。この時、ＡＩのみが選択的に酸化されて基板の５
ｉ０２膜上に堆積され、Ａ１２０３粒子がＣｕ母材中に
微細に分散した組織が得られた。薄膜組成は、ＡＩ２０
３０．７重量％、残部Ｃｕであった。

比較例 配線材料として純Ｃｕを用いた以外、実施例と同様な構
造の半導体装置を製造した。但し、配線形成に用いた純
Ｃｕ薄膜は内部歪みを除去するために６５０℃で熱処理
を行なった。

しかして、本実施例１〜７及び比較例の配線形成に使用
した薄膜の引張り強さをバルジ法により測定した。また
、本実施例１〜７及び比較例の半導体装置に組込まれた
各配線の比抵抗を測定した。

更に、本実施例１〜７及び比較例の半導体装置に組込ま
れた各配線のエレクトロマイグレーションに対する信頼
性を評価するために高温通電試験を行なった。具体的に
は、エレクトロマイグレーションにより配線内に物質の
過剰部分と稀薄部分を生じると、配線の電気抵抗は時間
と共に増加することから、配線抵抗を通電加熱中に監視
し、比較例の純Ｃｕ配線の電気抵抗が急激な増加した時
点での各配線形状の変化を観察することにより信頼性を
評価した。これらの結果を下記第１表に示した。

第　　１ 表 上記第１表から明らかなように、比較例の純Ｃｕ配線が
エレクトロマイグレーションによる顕著な劣化を示す試
験時間においても、本実施例１〜７のＣｕ合金配線は良
好なエレクトロマイグレーション耐性を示すことがわか
る。また、特に比抵抗が３μΩα以下のＣｕ合金配線（
実施Ｈ１〜４）においては、より優れたエレクトロマイ
グレーション耐性を示すことがわかる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば毒性がなく、かつ比
抵抗が低く、更にエレクトロマイグレーション耐性の優
れた微細線幅の配線を備え、高集積度で高信頼性の半導
体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す半導体装置の断面図
である。 １・・・シリコン基板、２・・・拡散層、３・・・５Ｉ
Ｏ２＠、４・・・コンタクトホール、５・・・Ｃｕ合金
配線、７・・・保護膜、９・・・ボンディングワイヤ。 第 １図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体層上に絶縁膜を介して配線を設けた構造の半導体
   装置において、前記配線は引張り強さが２５ｋｇ／ｍｍ
   ＾２以上のＣｕ合金からなることを特徴とする半導体装
   置。