JPH0621056A - 耐酸化性化合物およびその製造方法 - Google Patents

耐酸化性化合物およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、半導体装置への接点および相
互接続に適した、耐酸化性のケイ化銅を低温で生成する
ことにある。 【構成】本発明の三元化合物は、約1〜10原子%の範
囲のクロム(Cr)を含有する、化学量論量のケイ化銅
(Cu3Si)から構成される。本化合物は、耐酸化性
を有し、環境に安定で、とりわけ半導体装置への接点お
よび相互接続に適している。クロムは、清浄なシリコン
基板上に銅を低温で付着させる時に、同時に付着させて
も、順次添加してもよい。基板表面上に形成されるケイ
化物層全体にクロムを均一に分布させるため、基板を予
熱しても、付着した層を175〜400℃の範囲の温度
に加熱してもよい。得られた三元化合物は、クロム原子
がCu3Si結晶格子全体に均一に分散しており、これ
により明らかに化合物の酸化挙動が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、メタラジおよび半導体
製造に関するものであり、詳細には、耐食性(耐酸化
性)で、環境に安定な半導体デバイス用接点や相互接続
を含めて、多くの用途に有用な、銅(Cu)とシリコン
(Si)の化合物に関するものである。
【0002】
【従来の技術】金属及び合金の多くの組合せが、電気装
置等の、電流を流す設備および関連する機能に使用され
ている。これらの材料は、抵抗率が低く、実質的に安定
で、その他、製造および使用環境での条件に適合する特
性を有することが望ましい。電気的用途および環境に適
した材料の組合せの例が、下記の従来の技術に開示され
ている。
【0003】米国特許第3254255号明細書は、水
銀蒸気放電装置、点火装置、スイッチなどの装置で水銀
蒸気にさらされる部品を結合するための、ろう付け合金
に関するものである。このろう付け合金は、0.4〜
1.2重量%のクロムと、残部が銅で構成されており、
水銀とアマルガムを形成したり反応したりすることはな
い。
【0004】米国特許第1743768号明細書は、1
〜2重量%のシリコンと残部が銅で構成された合金製の
回路遮断スイッチの接点に関するものである。
【0005】米国特許第4843043号明細書は、多
層集積回路構造中に平坦な上面を有する層間導電性経路
を形成する方法に関するものである。この方法は、導体
または半導体の材料を下層として形成する工程と、前記
下層の上に絶縁層を付着させる工程と、前記絶縁層の1
つまたは複数の選択された領域にイオンを注入する工程
と、前記選択された領域の上に少なくとも1つの上部導
体を形成する工程と、構造を焼結して選択された領域を
導電性にする工程を含んでいる。上部または下部あるい
はその両方の導線を得るために、各種の導電性材料を使
用することができる。このような導電性材料には、アル
ミニウムや、Al−Siなどのアルミニウム合金が含ま
れる。その他の導電性材料には、銅合金、アルミニウム
・チタン合金、およびアルミニウム・銅・クロム合金が
含まれる。
【0006】米国特許第2185958号明細書は、合
金、特に物理・化学特性が改善されたシリコン・銅合金
に関するものである。具体例を挙げると、ある合金はニ
ッケル1重量%、シリコン3.5重量%、および銅9
5.5重量%を含有する。
【0007】英国特許出願第2051127A号明細書
は、それぞれ0.05〜2重量%のシリコン、クロム、
およびアルミニウムを含有し、残部が銅と不純物であ
る、析出硬化銅合金に関するものである。
【0008】日本特許出願第87027542号明細書
は、シリコン層上に金属を付着させた後、熱処理して金
属ケイ化物を生成する方法に関するものである。
【0009】日本特許出願第75009144号明細書
は、銅・ニッケル・シリコン合金の無電解層を形成し
て、半導体装置に電極を形成する方法に関するものであ
る。
【0010】同時係属出願の米国特許出願第68179
8号明細書は、抵抗率の低い金属を1.0原子%未満の
別の金属元素と組み合わせて合金を生成することを開示
している。この金属はCuであり、別の金属元素はCr
およびAlから選択される。酸素含有の誘電体を含む基
板上にこの合金を付着して、Cu上に、誘電体に接着す
るためのCr23またはAlO3の自己不動態化層を形
成する。
【0011】上記の従来技術からわかるように、多くの
金属の組合せおよびシリコンを含有する金属の組合せ
が、各種の電気装置用途に使用されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】半導体製造において
は、金属および合金のこのような組合せが、特に多層集
積回路(IC)構造中の導電性経路として使用され、A
l、Ti、Cr、最近ではCuのケイ化物など各種の金
属を含む各種の半導体化合物を含んでいる。Appl.Phys.
Lett.、Vol.58、p.1341(1991年)に所載の本発明者の論
文、および同時係属出願の米国特許出願第07/818
027号明細書に記載されているように、ケイ化銅(C
3Si)は、特に低温で生成した薄膜の形では、IC
の製造に多くの利点を有する。しかし、この化合物の主
な欠点は、急速に酸化する傾向があることで、このため
多くの応用分野でその利点が失われている。従来技術で
のこのような状況に対する手法は、Cu3Si皮膜上に
何らかの形の不動態化層を形成することであった。しか
し、上記に引用した従来技術の引例では、このことにつ
いての教示または示唆はなく、またこの問題に対する他
の解決策も与えられていない。
【0013】したがって、本発明の目的は、不動態化層
を必要とせずに、半導体への接点および相互接続に使用
するのに適した、耐食性(耐酸化性)を有し、環境に安
定なケイ化銅(Cu3Si)を、低温で生成することに
ある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、化学量論量の
銅および半導体、好ましくはケイ化銅(Cu3Si)を
含み、適当な非反応性(refractory)遷移元素、好まし
くはクロム(Cr)を化合物の約1〜10原子%含有す
る三元化合物が、耐食性(耐酸化性)を有し、環境に安
定で、特にとりわけ半導体への接点および相互接続に使
用するのに適した化合物であるという発見を利用したも
のである。Cu3Siに少なくとも約1〜5原子%のC
rを添加すると、酸化が抑制され、Cu3Siが耐食性
になることが分かった。本発明の化合物は、遷移元素を
含有するCuの表面と、Siを含む半導体の表面との界
面を、上記Cuおよび上記遷移元素が上記半導体にほと
んど拡散しない温度で形成し、上記界面を処理(熱処理
等)することにより得られる。そして、得られた化合物
は、Cuと、上記化合物に対して約1〜10原子%の範
囲であり上記化合物全体に分布する遷移元素と、上記半
導体とを含む。非反応性遷移元素は、好ましくはクロム
(Cr)であり、Crは、ケイ化物皮膜の形成時の清浄
なSi基板上にCuを付着させる時に、同時に付着する
ことも、また、Cuに添加することもできる。付着中に
基板を室温に保持する場合は、付着した金属層を含む複
合構造を175〜400℃に約15分ないし1時間加熱
してアニールする。そうでない場合は、付着中に基板を
100〜400℃に加熱する。いずれの場合にも、Cr
原子が全体に分布したCu3Siが形成される。得られ
た三元化合物は、Cu3Siの結晶格子の間にCr原子
が均一に分散しており、明らかに皮膜の酸化を抑制す
る。特定の用途に合わせて、他の非反応性遷移元素、た
とえばNi、Co、Fe、Nb、およびそれらの混合物
をCrに添加、またはCrの代りに使用することもでき
るが、効果は落ちる。また、半導体は、SiやSix
1-x合金でもよい。
【0015】本発明は、従来技術による手法のように、
Cu3Si皮膜の上に別に不動態化層を使用する必要が
ない。
【0016】
【実施例】本発明は、適当な装置および方法を用いて生
成される三元化合物であって、化学量論量の銅と半導
体、たとえばシリコンを含むケイ化銅(Cu3Si)を
含み、非反応性遷移元素、好ましくはクロム(Cr)を
前記三元化合物に対して約1〜10原子%含有する三元
化合物であり、低温で生成でき、耐食性を有し、環境に
安定な、半導体デバイスへの接点および相互接続用の材
料として、また他の多くのメタラジ用途に適している。
【0017】さらに詳細には、本発明は、成分金属を、
分散した比較的薄い層として半導体基板または表面上に
低温すなわち約600〜700℃より低い温度で付着さ
せることができ、基板中への著しい拡散が防止される、
従来のどの付着装置を使用しても効果的に実施すること
ができる。半導体の表面は、熱処理により実質的に欠陥
のないケイ化物層が容易に形成できるように、金属をそ
の上に受けることのできる、清浄な状態でなければなら
ない。この操作を行うための、適当な装置の組立および
適当な手順の採用は、下記の説明に照らせば、当業者の
技量の範囲内に含まれよう。
【0018】金属成分の半導体表面への付着は、半導体
表面に実質的に拡散せず、その半導体表面と容易に反応
して所期のケイ化物を生成する金属層が形成される限
り、同時に付着させても順次付着させてもよい。たとえ
ば、Cuの付着時に、CrとCuの同時付着によって、
Cr原子を添加することができる。また、まずCu層を
付着させた後、Crを付着させ、次に他のCu層を付着
させ、あるいは最初にCr層を付着させた後、同じ順序
で付着させることにより、CrとCuとを順次付着させ
ることもできる。どちらの場合も、Siを含む半導体表
面上に、厚みが通常約500〜2000Åの分散した薄
い金属層が形成される。
【0019】付着中に基板を室温に保った場合は、金属
層とシリコン表面を約175〜400℃の範囲の温度に
約15〜60分加熱してアニールすると、Cr原子が均
一に分散したケイ化銅の層が形成される。また、付着前
に基板を約100〜400℃の範囲に加熱して、ケイ化
物の生成を幾分促進し、アニール工程を省略することも
できる。得られたケイ化物層は、通常、厚みが2000
〜3000Åである。
【0020】付着に使用するCuの量は、得られるケイ
化物の所期の厚みに応じて変わる。使用するCrの量
は、得られる三元化合物の約1〜10原子%、好ましく
は1〜5原子%までの範囲である。得られた三元化合物
は、Cu3Siの結晶格子全体にCr原子が均一に分布
し、明らかに化合物の酸化挙動が抑制される。
【0021】均一に分散したCr原子を含有するケイ化
銅の皮膜の、代表的な抵抗率−温度曲線を図に示す。抵
抗率は、数カ月間空気または酸素にさらしても悪影響を
受けないことが分かった。また、CuとCrとを同時に
付着させても、順次付着させても、化合物の電気特性は
同等であることも分かった。化合物の構造的欠陥をアニ
ールによって除去する際、処理温度が高いと抵抗率が低
くなり、処理温度が低いと抵抗率が高くなることに留意
されたい。
【0022】特定の用途に合わせて、他の非反応性遷移
元素、たとえばNi、Co、Fe、Nbおよびそれらの
混合物を、Crに添加、またはCrの代りに使用するこ
ともできるが、通常効果は落ちる。また、半導体は、S
iやSixGe1-x合金でもよい。
【0023】
【発明の効果】したがって、実験データから抵抗率と温
度の関係をプロットしたグラフに示すように、開示され
た成分および方法は、ケイ化銅皮膜を安定化するが、そ
の電気抵抗率は実質的に変わらないままであることが判
明した。この特徴により、従来技術のようにケイ化銅
(Cu3Si)皮膜の上に不動態化層を使用する必要が
なくなる。生成した三元化合物は、その安定性のために
多くのメタラジ応用分野ならびにVLSI技術で有用で
あることが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】構成成分としてCu、Cr、およびSiを使用
した、本発明による三元化合物の抵抗率が広い温度範囲
にわたって比較的変化しないことを示す、実験で得たデ
ータをプロットした図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リア・クルスィン=エルバウム アメリカ合衆国10522、ニューヨーク州ド ッブズ・フェリー、ビーチデール・ロード 79

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】耐酸化性のCuと半導体の化合物を生成す
    る方法であって、 遷移元素を含有するCuの表面と、Siを含む半導体の
    表面との界面を、上記Cuおよび上記遷移元素が上記半
    導体にほとんど拡散しない温度で形成する工程と、 Cuと、上記化合物に対して約1〜10原子%の範囲で
    あり上記化合物全体に分布する上記遷移元素と、上記半
    導体とを含む、耐酸化性化合物を生成するために、上記
    界面を処理する工程と、 を含む方法。
  2. 【請求項2】上記遷移元素がCrであることを特徴とす
    る、請求項1の方法。
  3. 【請求項3】上記遷移元素が、Ni、Co、Fe、N
    b、これらの混合物およびこれらとCrとの混合物のう
    ちの1つであることを特徴とする、請求項1の方法。
  4. 【請求項4】上記半導体がSixGe1-x合金であること
    を特徴とする、請求項1の方法。
  5. 【請求項5】上記処理工程が、上記界面を加熱する工程
    を含むことを特徴とする、請求項1の方法。
  6. 【請求項6】上記界面を形成する工程が、上記半導体表
    面上にCuと上記遷移元素を同時に付着させることを特
    徴とする、請求項1の方法。
  7. 【請求項7】上記界面を形成する工程が、上記半導体表
    面上にCuと上記遷移元素を順次付着させることを特徴
    とする、請求項1の方法。
  8. 【請求項8】シリコンを含む半導体と、Cuと、約1〜
    10原子%の範囲で含まれ均一に分散する遷移元素とを
    含む、耐酸化性のCuと半導体の化合物。
  9. 【請求項9】上記遷移元素がCrであることを特徴とす
    る、請求項8の化合物。
  10. 【請求項10】上記遷移元素が、Ni、Co、Fe、N
    b、これらの混合物およびこれらとCrとの混合物のう
    ちの1つであることを特徴とする、請求項8の化合物。
  11. 【請求項11】上記半導体がSixGe1-x合金であるこ
    とを特徴とする、請求項8の化合物。
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