JPS5951747B2

JPS5951747B2 - 微小配線構造体

Info

Publication number: JPS5951747B2
Application number: JP15802379A
Authority: JP
Inventors: 喜夫本間; 悠夫野沢; 征喜原田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-12-07
Filing date: 1979-12-07
Publication date: 1984-12-15
Also published as: JPS5681952A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、基板上に形成された、Ｃｕを含むＡｌ合金を
導体とする、微小配線構造体に関し、特に耐熱性を向上
させた上記微小配線構造体に関する。

半導体集積回路等に設けられている微小配線を構成する
材料として、従来はＡｌもしくはＡｌ−Ｓｉ合金等を用
いるのが一般的であつたが、このような材料ではたかだ
か１×１０’Ａ／ｃｍ２程度以下の電流しか流すことが
できない。

最近のように、集積回路の集積度の向上が望まれるよう
になると、配ｌ線の占める面積も小さくする努力がされ
るようになつてきた。したがつて、配線材料としては、
同一断面積の配線でより大なる電流を流せるように、許
容電流密度の大なるものが望まれるようになり、このた
め微小配線材料に用いた場合に高いｉ許容電流密度の得
られる、Ａｌ−Ｃｕ合金等Ｃｕを含むＡｌ合金が用いら
れるようになつて来た。このようなＣｕを含むＡｌ合金
にはＡｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ一Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ−Ｃｒ
，Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｃｒ合金等があるが、Ｃｕの含有
量が０．５〜６重量％のＡｌ合金、特に１〜４重量％の
Ｃｕを含むＡｌ合金が微小配線用材料として用いられる
。このように、ＡｌもしくはＡｌ合金に例えば１〜４重
量％のＣｕを含ませることにより、これを用いた微小配
線の許容電流密度はＣｕを含まない場合に比較して約１
桁向上する。このようにＡｌ合金にＣｕを添加すること
により、その合金よりなる微小配線の電流密度が向上す
るのは、エレクトロ・マイグレーシヨンによる許容電流
密度の低下が防止されるためと言われている。

ところで、上記微小配線は、例えば第１図（ａ），（ｂ
），（ｃ）に示される工程により製造される。

すなわち、第１図（ａ）に示されるように、基板１１上
に形成された配線導体１２の上に、所定パタンのフオト
レジスタ膜１９を形成した後、第１図（ｂ）に示される
ようにフオトレジスト膜１９をマスクとして配線導体１
２をエツチングし、フオトレジスト膜１９を除去してか
ら、第１図（ｃ）に示されるように二酸化シリコンもし
くはリンガラスからなる絶縁層１３をＣＶＤ法により被
着して微小配線構造体が製造される。なお、第１図（ａ
），（ｂ），（ｃ）は従来技術による微小配線構造体の
製造工程の一例を示す概略断面図である。しかるに、上
記のような従来技術による微小配線構造体において、配
線層の材料としてＣｕを含むＡ１合金を用いると、以下
に述べるような重大な難点を有することが、発明者の詳
細な実験的検討により判明した。

１〜４重量％のＣｕを含むＡｌ合金を配線材料とした上
記のような従来構造の配線構造体を有する基板を３５０
℃〜４００℃に１０〜１５分間加熱したところ、概略断
面図第１図（ｄ）に示すように、配線導体，１２上もし
くはその周辺部に空洞１４が発生して絶縁層１３が脹ら
んだり、甚だしい場合は配線導体１２および配線層１３
の一部が消失し欠陥部１４″が発生する。

上記熱処理は、素子と電極とのコンタクトを確実なもの
とし素子特性の安定化を今図るため、半導体装置の製造
において常用されるものであるほか、例えば熱硬化性樹
脂からなる保護膜を設ける場合等にも用いられる。この
欠陥の発生はＨ２Ｏ，Ｎ２，ＣＯ等のガスによるものの
ようであるが、ガス発生のメカニズム等の詳細な原因は
明確でない。しかし、Ｃｕを含むＡ１合金と二酸化シリ
コンもしくはリンガラスとを接触せしめ３５０〜４５０
℃に加熱すると上記欠陥の発生するのであり、これは本
発明者の見出した新規なる発見である。この欠陥の発生
はリンガラス使用の場合は特に甚だしい。本発明は、上
記従来技術の難点を解消した高許容電流密度の微小配線
構造体の提供を目的とするものであり、さらに詳しくは
、Ｃｕを含むＡｌ合金からなる配線層を有する高信頼度
の微小配線構造体の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明による微小配線構造体
は、基板上にＡｌを主成分とし少なくともＣｕを含むＡ
ｌ合金からなる所定パタンの配線層を備え、且つ酸化シ
リコンもしくは酸化シリコンを主成分とする材料からな
る絶縁層が主として中間層を介して該配線層の上面およ
び側面の少なくとも一面に接し、該中間層が酸化シリコ
ンならびにＣｕを含まぬ層であるように構成される。

このように構成された微小配線構造体は、Ｃｕを含むＡ
１合金と、酸化シリコン系絶縁層との直接的接触が配線
の下面を除いてはほぼあるいは完全に避けられ、両者の
接触部に発生する欠陥が激減するかあるいは発生しなく
なる。酸化シリコン系絶縁層が主として中間層を介して
配線層の上面および側面の少なくとも一面に接し、極く
一部が直接接触しているのであれば、欠陥数は激減し本
発明の目的はほぼ達成される。

このような場合として、例えば中間層が絶縁層の上面の
みに接し、側面には直接酸化シリコン系絶縁層が接触し
ている場合がある。しかしながら、酸化シリコン系絶縁
層が中間層を介してのみ配線層の上面および側面の少な
くとも一面に接している構造の方がより望ましく、この
場合には前記欠陥はほとんど発生しないことになる。

前記中間層は、酸化シリコンおよびＣｕを含まず、且つ
その微小配線構造体を有する装置に不都合でない材料で
構成されればよいわけであるが、通常はＡｌ，Ｔｉ，Ｗ
，Ｃｒ，ＭＯ，Ａｌ−Ｓｉ合金、酸化アルミニウムおよ
び窒化シリコンからなる群から選択した一材料で構成さ
れてよい。

中間層の厚さは２０ｎｍ以上とする。中間層の厚さは２
０ｎｍに達しない場合は、真空蒸着あるいはスパツター
蒸着等により形成された中間層にピンホールが多く、中
間層に覆われていないＡｌ合金層の面積が大となり、本
発明の効果が少なくなり、欠陥が多発し好ましくない。
原理的には中間層の厚さの上限値は存在しないが、普通
は３００ｎｒｎ８度以下とする。実際の微小配線構造体
における配線層の厚さはｌμｍ程度のことが多く、この
値との兼合いでその１／３の厚さである３００ｎｍ程度
以下とすることが、実用上、一応妥当なところと言える
。さらに．好ましい中間層の厚さは５０〜１５０ｎｍ程
度である。この場合はピンホールも非常に少なく、中間
層形成のための所要時間も不必要に長くならない。配線
層の料材には、上記のように高許容電流密度を確保する
ためＣｕを含むＡｌ合金を用いる。Ｃｕの含有量は０．
５〜６重量％とし、より望ましくは１〜４重量％とす
る。配線層の材料としては、Ｃｕを含むＡｌ合金であれ
ば、その微小配線構造体を有する装置で従来使されてい
る配線材料がすべて使用できる。通常はＡｌ−Ｃｕ合金
、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金、Ａｌ−℃ｕ−Ｃｒ合金、Ａｌ
−℃ｕ−Ｃｒ−Ｓｉ合金を使用することが多い。Ｃｕの
含有量が０．５％重量に満たないＡｌ合金は、微小配線
の材料に用いた場合、許容電流密度の改善が十分でなく
、６重量％を越えるＡｌ合金は熱応力が発生し易く、熱
処理時にクラツクを発生し易い。普通、３．５重量％の
Ｃｕを含むＡｌ合金は、微小配線構造体の配線に用いた
場合、純Ａｌの約２倍の熱収縮応力を発生すると言われ
ている。１〜４重量％のＣｕを含むＡｌ合金は許容電流
密度の改善も十分であり、熱応力の発生量も比較的少な
いので、より望ましいと言える。

Ａｌ合金にＳｉやＣｒを含む場合は、その含有量はそれ
ぞれ２重量％以下とするのが一般的である。Ｓｉを加え
るのは、配線層のＡｌとシリコン基板のＳｉとが高温で
相互に拡散して素子特性を劣化させるのを防止し、耐熱
性を高めるためであるが２重量％以上加えても特に効果
は増加せず、配線抵抗が高まるので、Ｓｉを２重量％を
越えて加えるのは好ましくない。またＣｒが２重量％を
越えて含まれているＡｌ合金からなる配線層は、熱処理
時に基板にＣｒが拡散し素子特性を劣化させる場合があ
り、好ましくない。なお、Ｃｒを添加するのは配線層の
耐食性を向上させるためである。前記酸化シリコン系絶
縁層は酸化シリコンまたは酸化シリコンを主成分とする
絶縁材料により構成されるが、通常ＳｉＯ。またはリン
ガラスとする。これは従来の技術を踏襲したものである
。ＳｉＯ，層は周知のようにＣＶＤ法もしくはスパツタ
蒸着法により被着される。リンガラス層は３〜１０モ
ル％のＰ２Ｏ５と残部ＳｉＯ。からなり、ＣＶＤ法によ
り被着される。Ｐ。Ｏ。含有量が３モ％に満たないと、
周知のようにＮａに対するゲツター作用が小さくなり好
まし＜ない。またＰ，Ｏ，含有量が１０モル％を越える
ようになると吸湿性が強くなり、好ましくない。上記配
線層の厚さおよび絶縁層の厚さはその微小配線構造体の
目的に従つて、任意な値としてよい。

本発明の微小配線構造体に用いる基板は、半導体からな
るものを主として対象としているが、これに限られるも
のではなく、アルミナのような絶縁性材料からなるもの
、あるいは金属のような導体材料の板の表面上に絶縁性
材料の層を設けたものでもよい。

また、この基板は上記材料板の上に必要に応じて設けら
れた絶縁膜類、電極類、配線導体層等を含むものとする
。また、本発明の微小配線構造体が多層配線構造体をも
含むものであることは言うまでもない。なお、上記基板
上面に設ける絶縁膜類は酸化シリコン系の材料でもよい
。

この場合、配線層を被着する前に３００℃以上の温度で
１０分以上加熱するものとする。このようにした基板を
用いると、Ｃｕを含むＡｌ合金の配線層の下面に酸化シ
リコン系の絶縁層が直接接していても極く少量の欠陥を
生じるのみで、実用上問題ない。その理由は明らかでな
いが、３００℃以上の温度で１０分以上加熱することに
より絶縁層中に吸蔵されていたガス、水分が除去され、
また絶縁層の上面が配線層の金属材料で覆われているの
で、配線層形成後に配線層下面の酸化シリコン系絶縁層
中に外部からガスや水分が吸着されることが少なく、結
局この部分に吸蔵されるガス、水分が極めて少ない事が
影響していると思われる。以下実施例により本発明をさ
らに詳細に説明する。

実施例１第２図に示されるシリコン基板２１上に、３．５重量％
のＣｕを含むＡ１−Ｃｕ合金からなる厚さ１μｍの導体
層を真空蒸着により被着後、これを周知のホトリソグラ
フイにより所定パタンの配線導体層２２として、この配
線導体層２２を備えたシリコン基板２１を濃度６４重量
％の硝酸水溶液中に約１０分間浸漬し、配線導体層２２
の表面および表面附近のＣｕを溶出してＣｕを含まない
表面層すなわち中間層２４を３０〜１００ｎｍの厚さに
形成した。

この中間層２４はＡｌからなるもので゛ある。さらに、
ＣＶＤ法により４．５モル％のＰ２Ｏ５を含む厚さ７０
０ｎｍのリンガラス２３を、配線導体２２および中間層
２４のあるシリコン基板２１上に被着した。このような
工程を経て形成された微小配線構造体を、窒素中で４０
０℃に１０分間加熱した。これを、光学顕微鏡により観
察し、配線導体層２２やリンガラス２３の脹らみおよび
リンガラス２３の割れのような欠陥を調べたところ、不
良箇所の密度は５個／ＣＯｌ２以下で満足すべきもので
あつた。参考のため、中間層２４を設けないで直接リン
ガラス層を被着した従来技術による微小配線構造体を、
前述と同様に、窒素中で４００℃に１０分間加熱して、
前記と同様に欠陥を調べたところ不良箇所の密度は２〜
９×１０３個／ＣＩｎ２に達していた。なお、Ａ１−Ｃ
ｕ合金中のＣｕを溶出するエツチング液は上記の硝酸水
溶液の他に、約１ｍ０１／ｌの濃度の塩化第２鉄の水溶
液等でもよい。実施例２第３図に示されるシリコン基板３１の表面に４．５モル
％のＰ２Ｏ５と残部ＳｉＯ２からなるリンガラス層３５
をＣＶＤ法により形成し、３５０℃で１５分間加熱した
後、その上にＡ１を約２００ｎｍの厚さに真空．蒸着し
、さらに３．５重量％のＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ合金を１
μｍの厚さに真空蒸着し、これをホトリソグラフイによ
り所定パタンの下部中間層３６および配線導体層３２の
二重層として、さらに実施例１と同様に硝酸水溶液中に
浸漬しＣｕを含まない３Ａ１からなる側部中間層３４お
よび上部中間層３７を配線導体層３２の側部および上部
にも形成した。

中間層３４，３７の厚さは約１００ｎｍとした。しかる
後に４．５モル％のＰ２Ｏ５と残部ＳｉＯ２からなるリ
ンガラス３３をＣＶＤ法により約１μｍ厚さに４被着し
た。このような工程を経て形成された微小配線構造体を
、窒素中で４５０℃に１０分間加熱してから光学顕微鏡
により観察したところ不良箇所は発見されなかつた。ま
た、工程を簡略化するため下部中間層３６を設けず、側
部および上部の中間層３４，３７のみを設けた場合は、
同様の熱処理により５０個／Ｃｍ２程度の密度の不良箇
所（主として配線導体層３２の局部的脹らみ）が発見さ
れたが、この程度の不良密度は実用上問題ない。

また、配線導体層３２の材料として３．５重量％のＣｕ
および１．８％のＳｉを含むＡト℃ｕ−Ｓｉ合金を用い
ても、ほぼ同様の結果が得られた。

この場合は中間層３４，３７はＡｌ−Ｓｉ合金となる。
実施例３シリコン基板の表面にＣＶＤ法によりＳｉＯ
２層を形成し、その上にＭＯを約１５０ｎｍの厚さにス
パツタ蒸着し、さらに３．５重量％のＣｕを含むＡ１−
Ｃｕ合金を５００ｎｎ１の厚さに真空蒸着してから、ま
たＭＯを約１５０ｎｍの厚さにスパツタ蒸着した。

これをホトリソグラフイにより所定パタン（幅約５μｍ
）の下部中間層、配線導体層および上部中間層からなる
三重層を形成した。この場合側部中間層はない。しかる
後、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２を約０．８μｍの厚さに被
着した。このような工程を経て形成された微小配線構造
体を、窒素中で４００℃に１０分間加熱した。これを光
学顕微鏡により観察し前述の欠陥を調べたとろ、不良箇
所の密度は５００個／Ｃｍ２程度であつた。ＭＯの中間
層を設けない場合は、同様の熱処理により約５０００個
／ｄの密度の不良箇所が発見された。したがつて、配線
導体層の上下面に中間層を設けることにより、著しく不
良箇所の減少することが分かる。中間層として、Ｔｉ，
ＷもしくはＣｒを用いた場合もほぼ同様の結果が得られ
た。実施例４第４図に示されるシリコン基板４１の表面上に、プラズ
マＣＶＤ法により厚さ２５０ｎｍの窒化シリコン層４５
を形成し、さらに３．５重量％のＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ
合金を約１μｍの厚さに真空蒸着し、ホトリソグラフイ
により所定パタンの配線導体層４２を形成した。

ついで、さらにこの基板上８に２００ｎｍの厚さの窒化
シリコン層４４をプラズマＣＶＤ法により被着してから
４．５モル％のＰ２Ｏ５と残部ＳｉＯ２からなるリンガ
ラス層４３をＣＶＤ法により形成した。このような工程
を経て形成された微小配線構造体を窒素中で４５０℃に
３０分間加熱した。これを光学顕微鏡により観察し、欠
陥を調べたが不良箇所は発見されなかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は従来技術の高許容電流密度の微
小配線構造体を製造する工程ならびにこの微小配線構造
体を熱処理した場合に生じる欠陥を示す概略断面図、第
２図、第３図および第４図はそれぞれ本発明の実施例に
おける微小配線構造体の断面図を示す。１１・・・・・・基板、１２・・・・・・配線導体、１
３・・・・・・絶縁層、１４・・・・・・空洞、１４″
・・・・・・欠陥部、１９・・・・・・フオトレジスト
膜、２１・・・・・・シリコン基板、２２・・・・・・
配線導体層、２３・・・・・・リンガラス、２４・・・
・・・中間層、３１・・・・・・シリコン基板、３２・
・・・・・配線導体層、３３・・・・・・リンガラス、
３４・・・・・・側部中間層、３５・・・・・・リンガ
ラス層、３６・・・・・・下部中間層、３７・・・・・
・上部中間層、４１・・・・・・シリコン基板、４２・
・・・・・配線導体層、４３・・・・・・リンガラス層
、４４・・・・・・窒化シリコン層、４５・・・・・・
窒化シリコン層。

Claims

【特許請求の範囲】１基板上にＡｌを主成分とし少なくともＣｕを含むＡ
ｌ合金からなる所定パタンの配線層を備え、且つ酸化シ
リコンもしくは酸化シリコンを主成分とする材料からな
る絶縁層が主として中間層を介して該配線層の上面およ
び側面の少なくとも一面に接し、該中間層が酸化シリコ
ンならびにＣｕを含まぬ層であることを特徴とする微小
配線構造体。２前記中間層がＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ−
Ｓｉ合金、酸化アルミニウムおよび窒化シリコンからな
る群から選択した一材料からなることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の微小配線構造体。３前記中間層が２０ｎｍ以上の厚さであることを特徴
とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の微小配
線構造体。４前記中間層が２０〜３００ｎｍの厚さであることを
特徴とする特許請求の範囲第３項記載の微小配線構造体
。５前記配線層がＡｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合
金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｃｒ合金およびＡｌ−Ｃｕ−Ｃｒ−Ｓ
ｉからなる群から選択した１合金からなることを特徴と
する特許請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４
項記載の微小配線構造体。６上記合金に含まれるＣｕの量が０．５〜６重量％で
あることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の微小
配線構造体。７前記絶縁層が二酸化シリコンもしくはリンガラスで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、
第３項、第４項、第５項もしくは第６項記載の微小配線
構造体。８前記絶縁層が３〜１０モル％のＰ＿２Ｏ＿２と残部
ＳｉＯ＿２からなるリンガラスであることを特徴とする
特許請求の範囲第７項記載の微小配線構造体。