JPH06232128A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH06232128A
JPH06232128A JP1986193A JP1986193A JPH06232128A JP H06232128 A JPH06232128 A JP H06232128A JP 1986193 A JP1986193 A JP 1986193A JP 1986193 A JP1986193 A JP 1986193A JP H06232128 A JPH06232128 A JP H06232128A
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JP
Japan
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copper
wiring
corrosion resistance
compound
copper alloy
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JP1986193A
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English (en)
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Kazumi Fujii
和美 藤井
Masahiko Ito
雅彦 伊藤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体装置に関し、低抵抗でかつ高信頼性の電
極配線を提供する。 【構成】銅配線表面上に、耐酸化性あるいは耐食性に優
れた銅の化合物と銅との組成傾斜層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は銅を基体とする半導体装
置の電極,配線に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体素子の回路配線や電極材料
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、配線パターンの微細化が進行
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ーションの進
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号公報ある
いは特開平63−248538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
ロマイグレー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ー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。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、銅は耐酸化性
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
工程において耐湿信頼性が試験されるので、高い耐食性
が要求される。
【0004】また、耐酸化性および耐食性の向上を図っ
た銅合金では、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
イグレーション性を満足し、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。
【0005】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を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的は、銅の表面上
に耐酸化性あるいは耐食性に優れた銅合金または化合物
を形成し、かつ銅と合金化元素または化合物との組成比
が配線または電極の内部に向かって連続的に変化させた
配線材料を用いた半導体装置により達成される。
【0007】すなわち、本発明は、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または銅合金であ
る半導体装置において、銅よりも耐食性に優れた化合物
が回路配線あるいは電極表面に被設され、かつ、その化
合物と銅または銅合金の組成比を内部に向かって連続的
に変化させることにより、表面には高耐食性を付与し、
内部では高伝導度保ち、かつ、化合物と銅との密着性を
向上させることを特徴とする。
【0008】また本発明は、半導体膜と銅あるいは銅合
金とのオーミックコンタクト用の金属膜と、銅あるいは
銅合金に対するバリア金属と、銅または銅合金とを、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、ホトレジストを除去する工程を
有する半導体装置の製造方法において、銅または銅合金
を形成すると同時に銅よりも高い耐食性を有する元素ま
たは化合物を形成し、かつ銅または銅合金と銅よりも高
い耐食性を有する元素または化合物との組成比を連続的
に変化させ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。
【0009】また本発明は、半導体膜と銅合金とのオー
ミックコンタクト用の金属膜と、銅あるいは銅合金に対
するバリア金属と、銅あるい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、ホトレジストを除去する工程を有する半導体
装置の製造方法において、銅あるいは銅合金中に銅より
も高い耐食性を有する元素または化合物を銅あるいは銅
合金を形成するときに分散させ、その後に熱処理を施す
ことにより、銅よりも高い耐食性を有する元素または化
合物を回路配線または電極の表面に拡散させその濃度を
高めることにより、回路配線または電極の耐食性の向上
を図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。
【0010】
【作用】本発明によれば、電気伝導性,耐熱性,耐エレ
クトロマイグレー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化合物を形成し、銅と化合物との
組成比を連続的に変化させることにより、銅の持つ電気
伝導性,耐熱性,耐エレクトロマイグレーション性と化
合物の持つ耐酸化性や耐食性を兼ね備え、さらに銅と化
合物との密着性が向上した配線材料が得られる。
【0011】耐食性を向上させる元素としては、銀,チ
タン,ニッケルのような合金化元素,化合物としては窒
化銅等がある。これらはそれ自身が酸素と反応しにくい
物質、あるいは表面に形成する酸化物の保護作用により
銅と酸素が隔絶されるので銅の酸化が進行しない。
【0012】これらの物質は、真空蒸着法,スパッタ
法,イオンプレーティング法,イオンクラスタビーム
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銅と同時に形成され、か
つ元素または化合物および銅の形成速度を各々独立に制
御することにより、組成比を連続的に変化させることが
できる。あるいは、銅あるいは銅合金中に銅よりも高い
耐食性を有する元素または化合物を銅あるいは銅合金を
形成するときに分散させ、その後に熱処理を施すことに
より、銅よりも高い耐食性を有する元素または化合物を
回路配線または電極の表面に拡散させその濃度を連続的
に変化させる。
【0013】
【実施例】図1に本発明を施した半導体装置の断面図を
示す。本発明により、銅配線1の表面は耐食性の高い銅
−銀組成傾斜合金層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、銅−銀組成傾斜合金層2の深さ方向の
銅および銀の濃度分析結果である。図2から配線表面に
は銀の濃度が高く、内部になるに従って銅の濃度が増加
し、かつ銀の濃度は減少していることがわかる。このよ
うに形成された銅−銀組成傾斜合金層の組成比は配線内
部で銅の濃度が高く、配線表面では銀の濃度が高いた
め、電気的特性は純銅配線の特性と同等でありかつ耐食
性は銀と同程度になる。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
グレーション性を有する半導体装置を提供することがで
きる。
【0014】図3に、本発明を施した銅配線の酸素プラ
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、銀あるいはニッケルにより組成傾斜合金層を形
成した銅配線(Cu−Ag,Cu−Ni)、または窒素
により組成傾斜合金層を形成した銅配線(Cu−N)の
方が5分の1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。
【0015】図4に本発明の実施例である銅と銅よりも
耐食性の高い銅合金との組成比を連続的に変化させるた
めのスパッタ装置の概略図を示す。銅ターゲット8およ
び銅合金ターゲット9の双方をスパッタし、予め半導体
の形成されたシリコンウエハ7上に銅および銅合金を堆
積させる。この時銅および銅合金の組成比は、各々の堆
積速度を膜厚モニタ10,11により監視し、組成制御
装置12を介して各々の出力調整機構13,14を制御
することにより銅および銅合金の組成を連続的に変化さ
せることができる。この組成制御装置により、始め銅の
堆積速度を銅合金の堆積速度よりも早くし、次に連続的
に銅合金の堆積速度を相対的に早くすることにより、銅
および銅合金の組成比が連続的に変化した組成傾斜合金
層が形成される。このように形成された銅−銅合金組成
傾斜合金層の組成比は配線内部で銅の濃度が高く、配線
表面では銅合金の濃度が高いため、電気的特性は純銅配
線の特性と同等でありかつ銅合金により耐食性が向上す
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ーション性を有
する回路配線および/または電極の形成方法を提供する
ことができる。
【0016】図5に本発明の他の実施例である銅配線中
の窒素濃度をその表面から内部に向かって連続的に変化
させるためのスパッタ装置の概略図を示す。通常の方法
により銅ターゲット8をアルゴンによりスパッタし、予
め半導体の形成されたシリコンウエハ7上に銅を堆積さ
せる。この時アルゴン流量コントローラ15と窒素流量
コントローラ16をガス流量制御装置17により制御
し、アルゴンと窒素の流量比を連続的に変化させ窒素流
量を増加させることにより、銅中における窒素濃度を連
続的に変化させた組成傾斜合金層を形成する。このよう
に形成された銅−窒化銅組成傾斜合金層の組成比は配線
内部で銅の濃度が高く、配線表面では窒化銅濃度が高い
ため、電気的特性は純銅配線の特性と同等でありかつ窒
化銅より耐食性が向上する。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
マイグレーション性を有する回路配線および/または電
極の形成方法を提供することができる。
【0017】図6は本発明の一実施例である熱処理によ
り銅配線表面に組成傾斜層を形成する方法を示したフロ
ーチャートである。二酸化ケイ素の形成されたシリコン
ウエハ上に、オーミックコンタクトを取るための金属お
よび銅とケイ素との拡散を防ぐためのバリアメタルを形
成する。このバリアメタル層の上に組成傾斜層を形成す
るのに必要な元素を添加した銅合金を形成する。銅合金
の形成されたシリコンウエハを非酸化性の雰囲気中で所
定の温度プロファイルの熱処理を行う。この熱処理によ
り特定の元素を銅合金表面に拡散させ組成傾斜層を形成
する。続いてホトレジストにより配線パターンを描写
し、そのパターンに従ってドライエッチングにより回路
を形成する。通常は、酸素プラズマによりホトレジスト
を炭化除去し、絶縁膜を形成する。さらに配線パターン
が多層に渡るときは、絶縁膜にスルーホールを形成し、
同じ工程を必要な回数だけ繰り返す。
【0018】以上の工程により銅配線の表面は耐酸化性
に優れる組成傾斜層で覆われているために、続く酸素プ
ラズマによるホトレジストの除去や水洗時の、銅の酸化
や腐食は抑制される。本実施例により配線をパターンニ
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。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、銅配線の酸化、あるい
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ーショ
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明装置の一実施例の構造を示した断面図。
【図2】本発明の実施例を施した銅−銀組成傾斜合金層
の深さ方向の銅および銀の濃度分布図。
【図3】本発明を施した銅配線の酸化量を比較した説明
図。
【図4】本発明の実施例による銅配線の形成装置を示す
説明図。
【図5】本発明の他の実施例による銅配線の形成装置を
示す説明図。
【図6】本発明の実施例である銅配線表面に組成傾斜層
を形成する方法を示したフローチャート。
【符号の説明】
1…銅配線、2…銅合金、3…二酸化ケイ素、4…シリ
コウエハ、5…オーミックコンタクト用金属、6…バリ
ア金属。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、銅または銅合金である半導体装置におい
    て、銅よりも高い耐食性の元素または化合物がその表面
    に被設され、銅とその元素または化合物との組成比が配
    線および/または電極の内部に向かって連続的に変化す
    ることを特徴とする半導体装置。
  2. 【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、銅あるいは銅合金である半導体装置にお
    いて、銅よりも高い耐食性を有する元素または化合物が
    その表面に被設され、その元素または化合物濃度が配線
    および/または電極の内部に向かって連続的に減少する
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】半導体チップ内の回路配線および/または
    電極の材料が、銅あるいは銅合金である半導体装置にお
    いて、銅よりも高い耐食性を有する元素または化合物を
    形成する元素の成分が、Ag,Be,Cr,Fe,M
    g,N,Ni,P,Pd,Pt,Si,Sn,Ti,Z
    n,Zrの少なくとも一種類であることを特徴とする半
    導体装置。
  4. 【請求項4】半導体膜と銅あるいは銅合金とのオーミッ
    クコンタクト用の金属膜と、銅あるいは銅合金に対する
    バリア金属と、銅または銅合金とを、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、ホトレジストを除去する工程を有する半導体装
    置の製造方法において、銅または銅合金を形成すると同
    時に銅よりも高い耐食性を有する元素または化合物を形
    成し、かつ銅または銅合金と銅よりも高い耐食性を有す
    る元素または化合物との組成比を連続的に変化させるこ
    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。
  5. 【請求項5】半導体膜と銅合金とのオーミックコンタク
    ト用の金属膜と、銅あるいは銅合金に対するバリア金属
    と、銅あるいは銅合金とを順次重ねて形成する工程と、
    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、ホトレジ
    ストを除去する工程を有する半導体装置の製造方法にお
    いて、銅あるいは銅合金中に銅よりも高い耐食性を有す
    る元素または化合物を銅あるいは銅合金を形成するとき
    に分散させ、その後に熱処理を施すことにより、銅より
    も高い耐食性を有する元素または化合物を回路配線また
    は電極の表面に拡散させその濃度を高めることにより、
    回路配線または電極の耐食性の向上を図ることを特徴と
    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。
JP1986193A 1993-02-08 1993-02-08 半導体装置およびその製造方法 Pending JPH06232128A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6162366A (en) * 1997-12-25 2000-12-19 Canon Kabushiki Kaisha Etching process
JP2003526218A (ja) * 2000-03-07 2003-09-02 エーエスエム アメリカ インコーポレイテッド 傾斜薄膜
US7981791B2 (en) 2000-03-07 2011-07-19 Asm International N.V. Thin films

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