(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な電気回路配線を形成する半導体素子の配線方法において、基材中に少なくともＣｕ層を含む導電体材料の埋め込みにより電気回路を形成し、該導電体材料の熱拡散移動を防止するＮｉを含有する材料によって、前記電気回路の開放表面のみを被覆することを特徴とする半導体素子の配線形成方法。
【請求項２】
前記電気回路表面の被覆は、無電解めっき法によることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の電気回路の配線形成方法に係り、特に、微細な電気回路配線を形成する半導体基材中に配設した導電体材料の表面の被覆構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体素子を始めとする微細な電気回路を形成する導電体材料に表面被覆を施したいという要求が高まっている。例えば、従来から半導体素子の導電線路としての配線網を形成するＡｌ合金材料は通常絶縁層のＳｉＯ２ 層との間に相互の構成元素の相互拡散を防止するための障壁層を設けなければならない。そのため従来は、拡散を防止するための障壁層としてＴｉＮ層を５００〜１，０００オングストローム介在させるようにしている場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年微細な電気回路を形成する導電体材料の表面被覆に対する要求はますます厳しくなる傾向にある。特に半導体素子の配線工程においては集積度を更に増大させたいという要求からアルミニウム合金に変わる低電気抵抗材料による微細パターン形成技術の確立が切望されている。
【０００４】
これは、集積度が高くなるにつれて、電流密度が増加するため熱応力や温度上昇を生じ、従来のＡｌ合金ではストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによる断線の恐れが増すことにも起因している。これを避けるため、Ａｌ合金へのＣｕの添加や高融点金属との積層化が行われつつあるが万全な物ではない。
【０００５】
そこで、通電による過度の発熱を避けるため、従来のＡｌ合金とは根本的に異なる導電性の良い材料を配線形成に採用することが必然的に要求されている。現用材料のうち、Ａｌ系よりも電気抵抗の小さい材料としては、ＣｕとＡｇがある。このような低電気抵抗材料を用いても配線工程の後から実施する高温のプロセスや、完成後の動作時に流れる電流密度が高いことによる発熱に伴う配線材料自体及び周囲材料の昇温によって、配線材料構成元素の原子が周囲の雰囲気と化学反応を起こしたり、拡散によって移動し、周囲材料内部を移動したりする現象が起きることは避けられない。
【０００６】
これが著しくなると、配線材料自体及び周囲の絶縁材料自体が劣化して、本体の機能を損なう恐れが大きい。このような弊害が起きれば、折角電気抵抗の低い材料を使ってもその有用性を十分生かすことは困難となる。したがって、高温での配線材料の構成原子の周囲との化学反応や、拡散による移動を防止するための手段を講じなければならない。
【０００７】
本発明は上述の必要性を解決するための手段として考案されたものであって、電気回路配線形成後の配線材料構成原子の周囲雰囲気との化学反応、及び又は、熱拡散による移動を低減又は、事実上阻止し、通常の高温表面反応や熱拡散に起因する配線材料の経時的な劣化を防止することを可能とする半導体素子の配線形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、微細な電気回路配線を形成する半導体素子の配線形成方法において、基材中に少なくともＣｕ層を含む導電体材料の埋め込みにより電気回路を形成し、該導電体材料の熱拡散移動を防止するＮｉを含有する材料によって、前記電気回路の開放表面のみを被覆することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
半導体材料の表面に、接触、堆積、積層、又は載架された周囲環境との反応性が相対的に乏しい材料は、高温プロセスや、回路動作中の高温環境に曝されても、表面の化学反応や、原子の熱拡散による導電体材料の移動を阻止又は低減することができるので、経時的な配線構造、即ち、電気回路の劣化を抑制又は防止することができる。
【００１０】
【実施例】
前述した目的を達成するための具体的な手段を公表されたデータ例を用いて説明する。本発明による電気回路の被覆構造は、配線材料による電気回路の外側から高温で耐食性が良く、かつ、それ自身の内部における金属原子の熱拡散を生じにくい金属による被覆を行うことを特徴としている。ここで、被覆に用いる金属は高温での耐食性、耐酸化性が良く、かつ、そのバルク内部に於けるＣｕやＡｇ等のように電気伝導性の良い金属元素の原子の拡散係数が極めて小さいものを用いている。
【００１１】
図３はＡｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕの電気比抵抗の温度依存性を示す。図３で明らかなように、常温〜８００℃までの領域で、Ｃｕ，Ａｇの電気抵抗は相対的に小さいので導電体材料単体として電気回路の配線形成に適する。尚、図３は金属便覧（Ｍｅｔａｌｓ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｂｏｏｋ、５ｔｈ  ｅｄ、１９７６  Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈｓ）記載のデータから作図したものである
【００１２】
一方、図４は、種々の金属中のＣｕの、図５は、種々の金属中のＡｇのそれぞれの原子の拡散係数を示す。図４，図５も金属便覧（Ｍｅｔａｌｓ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｂｏｏｋ、５ｔｈ  ｅｄ．１９７６、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈｓ）記載のデータから作図したものである。図４，５で明らかなように、Ｃｕ，Ａｇの種々の媒質金属中での拡散係数は、それぞれの配線用該導電体金属と媒質金属との組合せによって変化するので、高温で化学的に安定で、かつ、それぞれの配線材料に適した媒質金属を被覆用に選定、適用することが出来る。
【００１３】
この拡散防止のための障壁層を形成するためには、例えば常法による液相、気相、溶融金属、粉末などを用いる方法を使うこと、即ち、導電体材料の表面に、障壁層となる材料を接触、堆積、積層、載架することが出来る。代表的な被覆方法、即ち、材料を接触、堆積、積層、載架する方法の例をまとめて表１に示す。当然のことながら表１に示す以外の方法を使っても良い。
【表１】
0003795438.tif 000002
【００１４】
前述した構成からなる本発明によれば、電気回路を形成する配線材料である導電体材料の外側から高温で安定で、かつ、それ自身の内部において、導電体材料を構成する元素の原子の拡散が遅い金属を被覆することによって、該部材製造途中の高温プロセスや、回路動作中のジュール発熱によって、高温環境に曝されても表面の高温化学反応や、原子の熱拡散による移動を阻止、又は低減することが出来るので、経時的な配線材料の劣化を抑制又は防止することが出来る。
【００１５】
次に本発明に係る、電気回路を構成する導電体材料表面の被覆構造の実施例を図１を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施例の電気回路の被覆構造の断面図を示す。絶縁体又は半導体の基材４上にＣｕ層２とＡｇ層１を埋め込んだ２層構造の配線、即ち、導電体層断面を示している。この電気回路配線の導電体材料の外側をＮｉＳＯ４−６Ｈ２Ｏに錯化剤と還元剤を添加、混合した溶液に接触し、無電解メッキを行うことによって、Ａｇ層１の上にＮｉ−Ｂ合金３を堆積したものである。図４、５のデータより明らかなように、Ａｇ，ＣｕはＮｉ中での拡散係数が極めて小さい。またＮｉ−Ｂ合金は元来高温でも化学的に安定な特性を有している。従って、Ｎｉ−Ｂ合金は、導電体材料であるＡｇ層とＣｕ層に対して、表面の高温化学反応や原子の熱拡散による移動を阻止、低減する障壁層としての役割を果たす。
【００１７】
図２は本発明の第２の実施例の電気回路の被覆構造の断面図であり、基材表面付近の基材に埋め込まれた配線材料で、配線の中央が表面より凹んで溝状になっているものを示す。図１に示す実施例と同様に、配線は絶縁体又は半導体の基材４上にＣｕ層２とＡｇ層１を埋め込んだ２層構造を持っている。
【００１８】
この配線表面は第１の実施例と同様、ＮｉＳＯ４−６Ｈ２Ｏに錯化剤と還元剤を添加、混合した溶液に接触して、無電解メッキを行うことによって図２に示すようにＣｕ層２及びＡｇ層１の上にＮｉ−Ｂ合金３を堆積したものである。尚、Ａｇ層とＣｕ層の二層構造の導電体材料の製造方法については、特願平４−９１７７８号特許出願にその詳細が開示されている。
【００１９】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、導電体材料の主として下地の反対側表面上に高温で安定で、かつ、その内部で熱拡散を起こしにくい金属による被覆を行うので、高温プロセス中や、高温動作時に電気回路配線材料の導電体表面が周囲環境と反応したり、その構成元素が熱拡散によって移動することを抑制、又は防止することが出来る。それによって、電気回路、又はそれを用いた部品、製品の形成過程又は、製品完成後の動作時における配線材料、即ち電気回路の経時的な劣化を抑制、又は防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の電気回路の被覆構造の断面図。
【図２】本発明の第２の実施例の電気回路の被覆構造の断面図。
【図３】電気抵抗の相対的に小さな金属材料の温度と電気比抵抗の関係を示す説明図。
【図４】電気抵抗の相対的に小さな金属材料の一つであるＣｕの媒質金属中における拡散係数と絶対温度の逆数の関係を示す説明図。
【図５】電気抵抗の相対的に小さなもう一つの金属材料であるＡｇの媒質金属中における拡散係数と絶対温度の逆数の関係を示す説明図。
【符号の説明】
１    Ａｇ層
２    Ｃｕ層
３    Ｎｉ−Ｂ合金被覆層
４    基材
【図１】
0003795438.tif 000003
【図２】
0003795438.tif 000004
【図３】
0003795438.tif 000005
【図４】
0003795438.tif 000006
【図５】
0003795438.tif 000007