JPH05267299A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH05267299A JPH05267299A JP6359292A JP6359292A JPH05267299A JP H05267299 A JPH05267299 A JP H05267299A JP 6359292 A JP6359292 A JP 6359292A JP 6359292 A JP6359292 A JP 6359292A JP H05267299 A JPH05267299 A JP H05267299A
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Abstract
信頼性の電極配線を提供することにある。 【構成】 銅配線1表面上に、耐酸化性あるいは耐食性
に優れた銅の化合物(Cu−Ni、Cu−N)を、銅の
電気的特性あるいは熱的特性を損なわない量形成したも
の。
Description
配線および/または電極の材料が銅又は銅合金である半
導体装置銅及びその電極又は配線の形成方法に関する。
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、特開平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。
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
工程において体湿信頼性が試験されるので、高い耐食性
が要求される。
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。
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装置及びその配線又は電極の形成
方法を提供することにある。
に導電性、および耐酸化性あるいは耐食性に優れた銅の
合金あるいは金属間化合物を形成した配線材料を用いた
半導体装置により達成される。
配線および/または電極の材料が銅又は銅合金である半
導体装置において、銅より相対酸化量が50%以下の高
い耐食性を有する銅の化合物がその表面に被設されたこ
とを特徴とするものである。
および/または電極の材料が銅又は銅合金である半導体
装置において、銅とAg,Be,Cr,Fe,Mg,N
i,Pd,Pt,Si,Sn,Ti,Zn,Zrの少な
くとも1種類以上の金属元素との合金がその表面に被設
されたことを特徴とするものである。ここで、金属元素
の含有量が、重量%にして、Ag;0.2〜50%,B
e;0.05〜10%,Cr;0.05〜50%,F
e;0.03〜20%,Mg;0.5〜20%,Ni;
0.2〜50%,Pd;0.1〜50%,Pt;0.1
〜50%,Si;0.04〜10%,Sn;0.1〜5
0%,Ti;0.5〜50%,Zn;0.1〜50%,
Zr;0.01〜50%であるものがよい。
および/または電極の材料が銅又は銅合金である半導体
装置において、銅とN又はPの非金属元素との化合物が
その表面に被設されたことを特徴とするものである。こ
こで、非金属元素の含有量が、重量%にして、N;0.
005〜10%,P;0.01〜10%であるものがよ
い。
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および/または電
極の形成方法である。
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、前記各膜をパタ−ンニングして配線パタ−
ンを形成する工程と、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、その銅の化合
物をパタ−ンニングして配線パタ−ンを形成する工程
と、を有することを特徴とする半導体チップ内の回路配
線および/または電極の形成方法である。
のオ−ミックコンタクト用の金属膜と、銅又は銅合金の
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、前記各膜をパタ−ンニングして配線パタ−ンを形
成する工程と、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
回路配線および/または電極の形成方法である。
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。
−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。
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%,Fe;
0.03〜20%,Mg;0.5〜20%,Ni;0.
2〜50%,Pd;0.1〜50%,Pt;0.1〜5
0%,Si;0.04〜10%,Sn;0.1〜50
%,Ti;0.5〜50%,Zn;0.1〜50%,Z
r;0.01〜50%である。また、非金属元素の含有
量は、重量%にして、N;0.005〜10%,P;
0.01〜10%である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
した要部断面図である。
ル添加量の影響を示した図である。
ある。
の形成方法を示す図である。
法を示す図である。
方法を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 半導体チップ内の回路配線および/また
は電極の材料が銅又は銅合金である半導体装置におい
て、銅より相対酸化量が50%以下の高い耐食性を有す
る銅の化合物がその表面に被設されたことを特徴とする
半導体装置。 - 【請求項2】 半導体チップ内の回路配線および/また
は電極の材料が銅又は銅合金である半導体装置におい
て、銅とAg,Be,Cr,Fe,Mg,Ni,Pd,
Pt,Si,Sn,Ti,Zn,Zrの少なくとも1種
類以上の金属元素との合金がその表面に被設されたこと
を特徴とする半導体装置。 - 【請求項3】 請求項2に記載の半導体装置において、
金属元素の含有量が、重量%にして、Ag;0.2〜5
0%,Be;0.05〜10%,Cr;0.05〜50
%,Fe;0.03〜20%,Mg;0.5〜20%,
Ni;0.2〜50%,Pd;0.1〜50%,Pt;
0.1〜50%,Si;0.04〜10%,Sn;0.
1〜50%,Ti;0.5〜50%,Zn;0.1〜5
0%,Zr;0.01〜50%であることを特徴とする
半導体装置。 - 【請求項4】 半導体チップ内の回路配線および/また
は電極の材料が銅又は銅合金である半導体装置におい
て、銅とN又はPの非金属元素との化合物がその表面に
被設されたことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項5】 請求項4に記載の半導体装置において、
非金属元素の含有量が、重量%にして、N;0.005
〜10%,P;0.01〜10%であることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項6】 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および/または電極の形成方
法。 - 【請求項7】 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、
前記各膜をパタ−ンニングして配線パタ−ンを形成する
工程と、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、その銅の化合物をパタ−ン
ニングして配線パタ−ンを形成する工程と、を有するこ
とを特徴とする半導体チップ内の回路配線および/また
は電極の形成方法。 - 【請求項8】 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、銅又は銅合金のバリア金属
と、銅又は銅合金とを順次重ねて形成する工程と、前記
各膜をパタ−ンニングして配線パタ−ンを形成する工程
と、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お
よび/または電極の形成方法。
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