JPH0697164A - 集積回路の配線及びその構造 - Google Patents
集積回路の配線及びその構造Info
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- JPH0697164A JPH0697164A JP24335092A JP24335092A JPH0697164A JP H0697164 A JPH0697164 A JP H0697164A JP 24335092 A JP24335092 A JP 24335092A JP 24335092 A JP24335092 A JP 24335092A JP H0697164 A JPH0697164 A JP H0697164A
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Abstract
−ション寿命が長く、機械特性に優れたCuを用い、か
つこのCuの酸化を抑制して、長寿命の集積回路の配線
及びその構造を得る。 【構成】 Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも
大きなエネルギーを有する元素のうちの少なくとも1種
類以上の元素をCuに添加した材料を配線基材1に用い
る。また、配線基材1がCuの酸化物と添加された元素
の酸化物の混合物による被覆層10で被覆された構造を
有する。また、被覆層はCuよりも大きな酸化物標準生
成自由エネルギーを有する元素の酸化物、窒化物、Cu
よりも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する金
属などで構成することもできる。
Description
配線及びその構造に関するものである。
術講演会講演予稿集,第718頁に記載された従来の集
積回路の配線を示す断面図である。図において、2は配
線の下地でSiO2 である。3はプラズマCVD法によ
り形成した層間絶縁膜で、材料としてSiO2 を用いて
いる。7は配線基材でAlにCuを0.5%、Siを1
%添加したものである。8は反射防止膜でTiW、9は
バリアメタルでTiWが用いられている。
数のトランジスタまたは容量で構成されている。これら
のトランジスタとトランジスタの間、またはトランジス
タと容量の間で電気信号をやりとりすることにより、集
積回路において論理動作や記憶が可能となる。集積回路
の配線は、このようなトランジスタとトランジスタの
間、またはトランジスタと容量の間を電気的に結合する
ものである。配線を伝送される電気信号の速度は、その
配線の抵抗と配線につながっている容量(主に浮遊容
量)に依存する。また、配線が断線していると電気信号
が伝送されず、集積回路は所定の動作を行わない。
グレ−ション、ストレスマイグレ−ションなどが挙げら
れる。エレクトロマイグレ−ションとは、配線中に大電
流を流し続けると、電子により配線を構成する金属原子
が動かされ、欠損が生じて断線に至るという現象であ
る。また、ストレスマイグレ−ションとは、配線に加わ
る応力により配線を構成する金属原子が移動し、欠損が
生じて断線に至るという現象である。
積回路の配線の断面積は減少する。この結果、配線抵抗
の増加による電気信号の伝送遅延、電流密度の増加によ
るエレクトロマイグレ−ション寿命の低下、断面積の減
少によるストレスマイグレ−ション寿命の低下が引き起
こされる。現在の集積回路では配線基材7として上記の
ようなAl合金を用いており、集積回路の配線の断面積
の減少によるこれらの問題点が極めて顕著になる。この
ため、Alより比抵抗が低く、エレクトロマイグレ−シ
ョン寿命が長く、機械特性に優れたCuが集積回路の配
線基材に用いられつつある。
集積回路の配線基材はAl合金を用いており、配線の断
面積の減少に伴い配線抵抗の増加、エレクトロマイグレ
−ション寿命、ストレスマイグレ−ション寿命の低下が
顕著となる。また、Al合金に替わる材料としてCuを
用いた場合、上記のような問題点は解決できるが、Cu
は極めて酸化され易い。このために、レジスト灰化時や
SiO2 膜形成時に配線が酸化され、抵抗が上昇した
り、エレクトロマイグレ−ション寿命やストレスマイグ
レ−ション寿命が短くなる等の問題点があった。
ためになされたもので、安定で長寿命の集積回路の配線
及びその構造を得ることを目的としている。
積回路の配線は、Cuの酸化物標準生成自由エネルギー
よりも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する元
素のうちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加し
て配線基材としたものである。
線は、請求項1の発明に加え、Cuに添加された元素の
濃度を、各々Alの場合1at%以下,Siの場合0.
5at%以下,Beの場合2at%以下,Crの場合2
at%以下,Mgの場合2at%以下,Snの場合0.
5at%以下,Znの場合4at%以下,Ceの場合2
at%以下としたものである。
線構造は、Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも
大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素のう
ちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加して配線
基材とし、Cuの酸化物と添加された元素の酸化物との
混合物で配線基材が被覆された構造を有するものであ
る。
線は、Cu、またはCuの酸化物標準生成自由エネルギ
ーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する
元素のうちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加
した材料で構成する配線基材、及びこの配線基材を、C
uの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大きな酸化物
標準生成自由エネルギーを有する元素の酸化物またはこ
の酸化物のうちの2種類以上の混合物で被覆する被覆層
を備えたものである。
線は、Cu、またはCuの酸化物標準生成自由エネルギ
ーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する
元素のうちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加
した材料で構成する配線基材、及びこの配線基材を窒化
物で被覆する被覆層を備えたものである。
線は、Cu、またはCuの酸化物標準生成自由エネルギ
ーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する
元素をCuに添加した材料で構成する配線基材、及びこ
の配線基材を、Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよ
りも大きい金属で被覆する被覆層を備えたものである。
線は、Cu、またはCuの酸化物標準生成自由エネルギ
ーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する
元素のうちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加
した材料で構成する配線基材、及びこの配線基材をA
u,Pt,Pd,及びPhのうちの少なくとも1種類以
上の金属で被覆する被覆層を備えたものである。
Alより比抵抗が低く、エレクトロマイグレ−ション寿
命が長く、機械特性に優れたCuを用い、かつこのCu
の酸化を抑制しているので、安定で長寿命の集積回路の
配線が得られる。
集積回路の要部を示す断面図である。図において、1は
配線基材で、Cuの酸化物標準生成自由エネルギーより
も大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素の
うちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加したも
のである。ここで酸化物標準生成自由エネルギーとは、
その元素の酸化物が生成される時に、放出されるエネル
ギ−をいう。この実施例では、Cuに例えばAlを1a
t%添加した物を用いる。10は配線基材1の酸化され
た表面であり、Alの酸化膜とCuの酸化膜の混合物で
構成されている。膜厚は例えば500nmであり、配線
幅は1μmである。2は配線の下地でSiO2 である。
3はプラズマCVD法により形成した層間絶縁膜で、材
料としてSiO2を用いている。
く、エレクトロマイグレ−ション寿命が長く、機械特性
に優れている。ところが、配線基材としてCuを用いた
場合、酸化膜形成時に配線基材が酸化されるため、酸化
膜形成前に比べ配線抵抗が約20%上昇する。これに対
しこの実施例では配線基材1としてCuにAlを1at
%添加したものを用いる。これによると、配線抵抗は酸
化膜形成前に対し変化せず、酸化が抑えられていること
がわかる。表1に層間絶縁膜を形成する前の配線抵抗
(初期抵抗値)に対し、大気中300℃で加熱した時の
配線抵抗の変化を示す。Cuを配線基材に用いた場合、
30分後に絶縁体となる。これに対しこの実施例のもの
は抵抗の変化は初期の5%上昇しただけである。
することにより、酸化膜形成時にCuの表面にCuの酸
化物とAlの酸化物の混合物による被覆層10が形成さ
れる。この混合物中の添加物とCuの濃度比は、配線基
材1の濃度比より高くなり、酸化が内部に進行するのを
抑制する。このため比抵抗が低く、エレクトロマイグレ
−ション寿命が長く、機械特性に優れ、長寿命の集積回
路の配線及びその構造が得られる。
配線基材1を構成しているが、Cuの酸化物標準生成自
由エネルギーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギ
ーを有する元素のうちの少なくとも1種類以上の元素を
Cuに添加した材料で構成すればよい。表2に酸化生成
物、各酸化生成物の添加元素、500度Cと1000度
Cの酸化物標準生成自由エネルギー(cal/g・mo
lO2 )を示す。例えば、添加する材料はSi,Be,
Cr,Mg,Sn,Zn及びCe等の希土類元素のいず
れか1種類であっても良く、また上記元素を数種類Cu
に添加しても、上記実施例と同様の効果を奏する。
Alの場合1at%以下,Siの場合0.5at%以
下,Beの場合2at%以下,Crの場合2at%以
下,Mgの場合2at%以下,Snの場合0.5at%
以下,Znの場合4at%以下,Ceの場合2at%以
下であることが望ましい。これは、添加する量が多すぎ
ると比抵抗が上がってしまい、配線抵抗が上昇するため
である。この抵抗上昇は配線基材1の膜厚を増すことで
小さくできるが、この場合、配線による凹凸が激しくな
り、好ましくない。従来使用しているAl配線の比抵抗
は3μΩcmであり、比抵抗が3μΩcm程度以上にな
ると、集積回路の配線として問題が生じる。図2にCu
中の添加物濃度と比抵抗の関係を示す。このグラフは横
軸に添加物組成の濃度(%)、縦軸に比抵抗(μΩc
m)をとり、Al,Be,Mg,Si,Sn,Zn,C
eの各元素の関係を表わしているものである。
る集積回路の要部を示す断面図である。図において、2
は配線の下地でSiO2 である。3はプラズマCVD法
により形成した層間絶縁膜で、材料としてSiO2 を用
いている。膜厚は50nmである。4は配線基材で、材
料としてCuを用いている。膜厚は500nmであり、
配線幅は1μmである。5はCrによる被覆層で、配線
基材4を被覆するように形成されている。これはCVD
法やスパッタ法で形成できる。Crの被覆層5がない場
合、酸化膜形成時に配線材料が酸化されるため、酸化膜
形成前に比べ配線抵抗が約20%上昇する。この実施例
では、配線抵抗は酸化膜形成前に対し変化せず、酸化が
抑えられていることがわかる。表3に層間絶縁膜を形成
する前の配線抵抗(初期抵抗)に対し、大気中300℃
加熱した時の抵抗変化を示す。Crの被覆がない場合、
30分後に配線は絶縁体となる。これに対しこの実施例
では抵抗はほとんど変化しない。
Cuを被覆することにより、酸化膜形成時に酸化が内部
に進行するのを抑制していると考えらる。このため、比
抵抗が低く、エレクトロマイグレ−ション寿命が長く、
機械特性に優れ、長寿命の集積回路の配線及びその構造
が得られる。
た場合を示したが、Al,Ti,Ta,Au,Pt,P
d,Ph等の金属で被覆しても良いし、Al2 O3 ,C
r2O3 ,Ta2 O5 ,TiO2 ,MoO3 ,WO3 等
の酸化物や、CeO等の希土類の酸化物、TiN,W
N,SiN,BN,AlN等の窒化物で被覆しても良
い。この被覆層5を形成するものは、安定で緻密なもの
が良い。また、金属で構成する場合には、Cuの酸化物
標準生成自由エネルギーよりも大きい酸化物標準生成自
由エネルギーを有する金属、または酸化しない貴金属類
がよい。さらに、酸化物で構成する場合には、Cuの酸
化物標準生成自由エネルギ−よりも大きな標準生成自由
エネルギ−を有する元素の酸化物が良い。また、配線基
材4がCuに他の元素を添加したものでも良い。実施例
2の場合には被覆する材料が金属であり、下地2に接触
する被覆層5をエッチングによって取り除いているが、
被覆する材料が絶縁体の場合、下地2に接触する被覆層
5をエッチングせずに残すこともできる。
る集積回路の要部を示す断面図である。この実施例で
は、被覆する材料が絶縁体であり、下地2に接触する被
覆層をエッチングせずに残した例を示している。図にお
いて、1は配線基材で、材料としてCuを用いている。
膜厚は500nmであり、配線幅は1μmである。2は
配線の下地でSiO2 である。3はプラズマCVD法に
より形成した層間絶縁膜で、材料としてSiO2 を用い
ている。6はAlの酸化物Al2 O3 による被覆層で、
配線材料であるCuを被覆するように形成されている。
膜厚は50nmである。
酸化が内部に進行するのが抑制され、抵抗が低く、エレ
クトロマイグレ−ション寿命、ストレスマイグレ−ショ
ン寿命の長いCu配線が得られ、歩留まり及び信頼性を
向上させることができる。
例えばTiN,WNなどは導電性のものであり、金属と
同様、被覆層と下地2に接触する部分の被覆層を取り除
かなければならないが、SiN,BN,AlNなどは絶
縁物であるので、実施例3のものと同様、取り除く必要
はない。
ば、Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大きな
酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素のうちの少
なくとも1種類以上の元素をCuに添加して配線基材と
したことにより、安定で長寿命の集積回路の配線を得る
ことができる効果がある。
加された元素の濃度を、各々Alの場合1at%以下,
Siの場合0.5at%以下,Beの場合2at%以
下,Crの場合2at%以下,Mgの場合2at%以
下,Snの場合0.5at%以下,Znの場合4at%
以下,Ceの場合2at%以下としたことにより、安定
で長寿命の集積回路の配線を得ることができる効果があ
る。
化物標準生成自由エネルギーよりも大きな酸化物標準生
成自由エネルギーを有する元素のうちの少なくとも1種
類以上の元素をCuに添加して配線基材とし、Cuの酸
化物と添加された元素の酸化物との混合物で配線基材が
被覆された構造を有することにより、安定で長寿命の集
積回路の配線構造を得ることができる効果がある。
たはCuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大きな
酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素のうちの少
なくとも1種類以上の元素をCuに添加した材料で構成
する配線基材、及びこの配線基材を、Cuの酸化物標準
生成自由エネルギーよりも大きな酸化物標準生成自由エ
ネルギーを有する元素の酸化物またはこの酸化物のうち
の2種類以上の混合物で被覆する被覆層を備えたことに
より、安定で長寿命の集積回路の配線を得ることができ
る効果がある。
たはCuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大きな
酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素のうちの少
なくとも1種類以上の元素をCuに添加した材料で構成
する配線基材、及びこの配線基材を窒化物で被覆する被
覆層を備えたことにより、安定で長寿命の集積回路の配
線を得ることができる効果がある。
たはCuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大きな
酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素をCuに添
加した材料で構成する配線基材、及びこの配線基材を、
Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大きい金属
で被覆する被覆層を備えたことにより、安定で長寿命の
集積回路の配線を得ることができる効果がある。
たはCuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大きな
酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素のうちの少
なくとも1種類以上の元素をCuに添加した材料で構成
する配線基材、及びこの配線基材をAu,Pt,Pd,
及びPhのうちの少なくとも1種類以上の金属で被覆す
る被覆層を備えたことにより、安定で長寿命の集積回路
の配線を得ることができる効果がある。
す断面図である。
関係を示すグラフである。
す断面図である。
す断面図である。
層
Claims (7)
- 【請求項1】 Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよ
りも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素
のうちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加して
配線基材としたことを特徴とする集積回路の配線。 - 【請求項2】 Cuに添加された元素の濃度を、各々A
lの場合1at%以下,Siの場合0.5at%以下,
Beの場合2at%以下,Crの場合2at%以下,M
gの場合2at%以下,Snの場合0.5at%以下,
Znの場合4at%以下,Ceの場合2at%以下とし
たことを特徴とする請求項第1項記載の集積回路の配
線。 - 【請求項3】 Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよ
りも大きな酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素
のうちの少なくとも1種類以上の元素をCuに添加して
配線基材とし、Cuの酸化物と上記添加された元素の酸
化物との混合物で上記配線基材が被覆された構造を有す
ることを特徴とする集積回路の配線構造。 - 【請求項4】 Cu、またはCuの酸化物標準生成自由
エネルギーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギー
を有する元素のうちの少なくとも1種類以上の元素をC
uに添加した材料で構成する配線基材、及びこの配線基
材を、Cuの酸化物標準生成自由エネルギーよりも大き
な酸化物標準生成自由エネルギーを有する元素の酸化物
またはこの酸化物のうちの2種類以上の混合物で被覆す
る被覆層を備えたことを特徴とする集積回路の配線。 - 【請求項5】 Cu、またはCuの酸化物標準生成自由
エネルギーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギー
を有する元素のうちの少なくとも1種類以上の元素をC
uに添加した材料で構成する配線基材、及びこの配線基
材を窒化物で被覆する被覆層を備えたことを特徴とする
集積回路の配線。 - 【請求項6】 Cu、またはCuの酸化物標準生成自由
エネルギーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギー
を有する元素をCuに添加した材料で構成する配線基
材、及びこの配線基材を、Cuの酸化物標準生成自由エ
ネルギーよりも大きい金属で被覆する被覆層を備えたこ
とを特徴とする集積回路の配線。 - 【請求項7】 Cu、またはCuの酸化物標準生成自由
エネルギーよりも大きな酸化物標準生成自由エネルギー
を有する元素のうちの少なくとも1種類以上の元素をC
uに添加した材料で構成する配線基材、及びこの配線基
材をAu,Pt,Pd,及びPhのうちの少なくとも1
種類以上の金属で被覆する被覆層を備えたことを特徴と
する集積回路の配線。
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