CN103534789A - 半导体装置用Al合金膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置用Al合金膜，其即使被曝露在高温下时，小丘的发生也得到抑制而耐热性优异，且膜自身的电阻率抑制得很低。本发明涉及半导体装置用Al合金膜，其特征在于，在进行以500℃保持30分钟的加热处理之后，全部满足下述（a）～（c），且膜厚为500nm～5μm：（a）Al基体的最大粒径为800nm以下；（b）小丘密度低于1×109个/m2；（c）电阻率为10μΩcm以下。

Description

半导体装置用Al合金膜
技术领域
本发明涉及半导体装置用Al合金膜，例如涉及半导体装置中的半导体元件、特别是半导体元件的例如电极和电气配线所使用的Al合金膜。
背景技术
近年来，IGBT（绝缘栅型双极晶体管）和功率MOSFET（功率MOS型场效应晶体管）等绝缘栅（MOS）型的半导体装置作为控制大电功率的功率器普及。
一边参照图1，一边说明普通的IGBT的构成。在p型的集电极层上连接有集电极。在集电极层之上形成有n型的基极层。在n型的基极层的上部形成有p型的体区，在其内部形成有n型的发射层。处于2个发射层间的n型的基极层的区域是沟道区，在该沟道区上形成有栅极绝缘膜和栅电极。另外，在发射层的上部形成有发射极。一般来说，这些n型区和p型区是在由Si等构成的基板中本来就包含P和B，或是通过按照每个区域所决定的投加量、加速电压、注入角度使P、As和B进行离子注入后，再以每个区域所决定的温度、时间进行活性化的热处理而形成的。
在IGBT的发射极上表面连接有金属制的导线和导带，通过其与外部端子连接。集电极经由焊料层直接固定连接在电路基板等上。
在沟道区为p型的IGBT中，对于发射极外加负偏压，对背面电极外加正偏压同时进行，对栅电极外加正偏压，在沟道区形成反转层，发射层与n型基极层由反转层连接，电流流通。该电流流到集电极。
在上述发射极等之中，例如使用的是纯Al和Al－Si合金等的Al系膜。
可是在上述IGBT的制造过程中，形成发射极后，由基板的背面进行集电极层的离子注入。接着，实现通过进行450℃以下的热处理而注入离子的活性化。因此，对于上述发射极等施加来自热处理的热应力。另外，IGBT在实际使用环境中，有反复曝露在大约250～350℃下的情况，但在这种情况下，在上述电极等中也施加热应力。
然而，制造加工时的热处理温度例如比大约450℃高时，和在实际使用环境反复曝露在200～350℃左右的高温时，在构成上述电极等的Al系膜上，会发生被称为小丘的突起状的形状异常，或合金添加元素的异常析出，和在相接触的薄膜间发生原子的相互扩散，薄膜自身劣化。因此至今为止，至多只能进行450℃以下的热处理，实际使用温度也不得不是低温。
例如在专利文献1中记述，出于使集电极层活性化为目的，而实施800～950℃的热处理，但这样的高温下的热处理，限于配线膜的形成前。在成膜配线膜的状态下，只能实施450℃左右的热处理，没有关于以更高温进行热处理的记述。另外，就实际使用环境时的耐热性完全未进行评价。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007－242699号公报
如上述，在形成有Al系膜的状态下进行用于集电极层活性化的热处理时，若提高热处理温度，则由于热应力而导致Al系膜上发生突起状的形状异常（小丘）等的问题产生。但是，若使热处理温度比较低，则集电极层的活性化所需时间长达2小时左右，或有活性化不充分的风险。
因此历来，要增厚上述Al系膜的膜厚，并且使热处理温度的上限充其量在450℃左右。但是近来，强烈要求IGBT等的功率半导体元件的特性提高，以更高温度进行热处理而使集电极层充分活性化等存在必要性，因此作为上述Al系膜，要求其耐受热处理温度的高温化。
另外如上述，根据半导体元件的使用环境和工作环境，也会有断断续续地达到350℃左右的热施加到Al系膜上，对于这样的热负荷，要求Al系膜也发挥出优异的耐热性。
此外对于Al系膜除了耐热性以外，还要求有低电阻率。若Al系膜所含的合金元素的添加量多，则Al系膜自身的电阻率增加，因此在半导体装置的制造工序中经受热过程期间，还要求电阻率充分地降低。
另外历来，如上述从确保耐热性的观点出发而需要增厚Al系膜，但因为成膜的效率差且材料花费成本，所以也要求Al系膜的薄膜化。
发明内容
本发明鉴于上述情况而形成，其目的在于，实现一种半导体装置用Al合金膜，其即使在半导体装置的制造工序被曝露在高温下时，和在实际使用环境下反复被加热时，也会抑制小丘的发生，耐热性优异，并且膜自身的电阻率抑制得很低，此外还能够实现薄膜化。
另外本发明其目的还在于，提供一种具备上述Al合金膜的半导体装置（具体来说，例如是半导体元件，更具体地说，是半导体元件的例如电极和电气配线），和用于形成上述Al合金膜的溅射靶。
本发明提供以下的半导体装置用Al合金膜、溅射靶、半导体装置、半导体元件、半导体元件的电极、半导体元件的电气配线以及半导体结构。
（1）一种半导体装置用Al合金膜，其特征在于，进行以500℃保持30分钟的加热处理后，全部满足下述（a）～（c），并且膜厚为500nm～5μm。
（a）Al基体的最大粒径为800nm以下；
（b）小丘密度低于1×109个/m2；
（c）电阻率在10μΩcm以下。
（2）一种半导体装置用Al合金膜，其特征在于，反复5次进行以300℃保持5小时的加热处理之后，全部满足下述（a）～（c），并且膜厚为500nm～5μm。
（a）Al基体的最大粒径为800nm以下；
（b）小丘密度低于1×109个/m2；
（c）电阻率在10μΩcm以下。
（3）根据（1）或（2）所述的半导体装置用Al合金膜，其中，作为金属成分含有从Ta、Nb、Re、Zr、W、Mo、V、Hf、Ti、Cr和Pt所构成的群（X群）中选择的至少一种的元素（X群元素），以及Si和Ge之中至少一个。
（4）根据（3）所述的半导体装置用Al合金膜，其中，还含有Ni和Co之中至少一个。
（5）根据（3）或（4）所述的半导体装置用Al合金膜，其中，还含有Cu。
（6）根据（3）～（5）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述X群元素的含量为0.1～5原子%。
（7）根据（3）～（6）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述Si和Ge之中至少一个的含量为0.1～3原子%。
（8）根据（4）～（7）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述Ni和Co之中至少一个的含量为0.1～3原子%。
（9）根据（5）～（8）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述Cu的含量为0.1～2原子%。
（10）一种用于形成（1）～（9）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜的溅射靶，其特征在于，
含有从Ta、Nb、Re、Zr、W、Mo、V、Hf、Ti、Cr和Pt构成的群（X群）中选择的至少一种的元素（X群元素）为0.1～5原子%，
并且含有Si和Ge之中至少一个为0.1～3原子%。
（11）根据（10）所述的溅射靶，其中，还含有Ni和Co之中至少一个为0.1～3原子%。
（12）根据（10）或（11）所述的溅射靶，其中，还含有Cu为0.1～2原子%。
（13）根据（10）～（12）中任意一项所述的溅射靶，其中，余量是Al和不可避免的杂质。
（14）一种半导体装置，其中，具备（1）～（9）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜。
（15）一种半导体元件，其中，具备（1）～（9）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜。
（16）一种半导体元件的电极，其中，由（1）～（9）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜构成。
（17）一种半导体元件的电气配线，其中，由（1）～（9）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜构成。
（18）一种在基板上至少具备（1）～（9）中任意一项所述的半导体装置用Al合金膜的半导体结构，其特征在于，
所述基板与所述Al合金膜直接接触。
（19）根据（18）所述的半导体结构，其中，所述基板是Si基板、SiC基板或GaN基板。
根据本发明，Al合金膜的耐热性（特别是高温耐热性）优异，因此具备其例如作为半导体元件的电极/电气配线，在例如IGBT的制造过程中，能够以高温进行用于集电极层的离子活性化等的热处理。另外，在实际使用环境中，即使反复曝露在大约250～350℃的温度下时，也能够抑制性能的劣化。此外，能够实现电阻率小，且能够实现薄膜化的Al合金膜。其结果是，具备上述Al合金膜，能够实现性能得到提高的功率半导体元件，另外具备该半导体元件，能够实现发挥出优异的性能的上述IGBT等的半导体装置。
附图说明
图1是表示一般的IGBT的构成的概略剖面图。
图2（a）～（i）是模式化地表示热处理条件与Al合金膜的Al基体的晶粒直径的关系的说明图。图2（a）～（d）是对于本发明的Al合金膜，实施第一次热处理之后的情况（图2（a）是450℃、30分钟的热处理条件，图2（b）是500℃、30分钟的热处理条件，图2（c）是550℃、30分钟的热处理条件，图2（d）是600℃、30分钟的热处理条件），图2（e）～（h）是针对图2（a）～（d），分别以500℃、30分钟的条件实施第二次热处理后的情况。图2（i）是对于相当于比较例的Al合金膜，以500℃、30分钟的条件实施热处理之后的情况。
具体实施方式
本发明者们，为了解决所述课题而反复锐意研究。其结果发现，作为Al合金膜，如果使之满足本发明所规定的条件（特别是使Al基体的最大粒径为800nm以下），则即使在半导体元件的制造工序中受到高温热处理，或是在实际使用环境中反复受到热处理后，令人惊讶地是，小丘密度也会被抑制在低于1×109个/m2，发挥出优异的耐热性，并且电阻率也抑制在10μΩcm以下。以下，对于本发明进行详述。
本发明的Al合金膜，具有如下特征：膜厚为500nm～5μm，并且进行以500℃保持30分钟的加热处理（以下称为“加热曲线1”）后，完全满足下述（a）～（c）。
（a）Al基体的最大粒径800nm以下；
（b）小丘密度低于1×109个/m2；
（c）电阻率为10μΩcm以下。
本发明的Al合金膜，不论所述加热曲线1（以500℃保持30分钟的加热处理）之前有无热处理，和在该加热曲线1之前所实施的热处理的条件，都完全满足上述（a）～（c）。因此本发明的Al合金膜，即使在半导体装置的制造工序中被曝露在450～600℃的高温下，其后再实施所述加热曲线1的加热处理时，也完全满足上述（a）～（c）。
还有，上述加热曲线1的加热气氛，是惰性气体（N2）气氛或真空气氛。
上述（a）所示的Al基体的最大粒径优选为700nm以下，更优选为500nm以下。该Al基体的最大粒径，以后述实施例所示的方法测量。
上述（b）规定在Al合金膜的表面，因加热而形成的小丘（由于热应力而在Al合金膜上形成的突起状的形状异常）的密度。在本发明中，小丘密度优选为低于5×108个/m2，更优选为1×108个/m2以下。该小丘密度以后述的实施例所示的方法测量。
上述（c）所示的电阻率，优选为9.0μΩcm以下，更优选为8.0μΩcm以下，进一步优选为7.0μΩcm以下，特别优选为6.0μΩcm以下。该电阻率以后述实施例所示的方法测量。
本发明的Al合金膜的膜厚为500nm～5μm。为了成膜的效率和装置的小型化而实现薄膜化时，优选为4μm以下，更优选为3μm以下。还有，从得到更高的耐热性的Al合金膜的观点出发，优选使膜厚为700nm以上，更优选为1μm以上。
另外，本发明的半导体装置用Al合金膜，具有如下特征：膜厚为500nm～5μm，并且反复5次进行以300℃保持5小时保持的加热处理（以下称为“加热曲线2”）后，完全满足上述（a）～（c）。
反复5次此以300℃保持5小时的加热处理，设定为实际使用环境。本发明的Al合金膜，不论所述加热曲线2（反复5次以300℃保持5小时的加热处理）之前有无热处理，和该加热曲线2之前所实施的热处理的条件，都完全满足上述（a）～（c）。因此本发明的Al合金膜，即使在半导体装置的制造工序中处于450～600℃的高温，其后再实施所述加热曲线2的加热处理的情况下，也完全满足上述（a）～（c）。
还有，上述加热曲线2的加热气氛是惰性气体（N2）气氛或真空气氛。
关于实施了该加热曲线2的Al合金膜的上述（a）～（c）和膜厚的详情，与所述加热曲线1的情况相同。
为了得到所述Al合金膜，推荐下述成分组成的Al合金膜。即，推荐Al－X群元素－Si和/或Ge合金膜，作为金属成分，其含有从Ta、Nb、Re、Zr、W、Mo、V、Hf、Ti、Cr和Pt构成的群（X群）中选择的至少一种的元素（X群元素），与Si和/或Ge。
在此，上述X群的元素（X群元素），由熔点大概为1600℃以上的高熔点金属构成，是有助于高温下的耐热性提高的元素。这些元素可以单独添加，也可以两种以上并用。
上述X群元素的含量（单独含有时是单独的量，两种以上并用时是合计量。）优选为0.1～5原子%。X群元素的含量低于0.1原子%时，上述作用无法有效地发挥，因此使X群元素的含量的优选的下限为0.1原子%。X群元素的含量更优选为0.2原子%以上，进一步优选为0.3原子%以上。另一方面，若X群元素的含量超过5原子%，则除了Al合金膜的电阻率变得过高以外，还会产生在配线加工时还容易发生残渣等的问题，因此使X群元素的含量的优选的上限为5原子%。X群元素的含量更优选为3.0原子%以下，进一步优选为2.0原子%以下。
另外，上述Si和/或Ge，是通过与上述X群元素复合添加而有助于高温耐热性提高的元素。此外，还具有抑制Al合金膜与Si基板等之间的原子的相互扩散这一上述X群元素所没有的作用。
为了有效地发挥来自Si和/或Ge的上述作用，Si和/或Ge（单独含有时是单独的量，两种并用时是合计量。）优选为0.1～3原子%。若Si和/或Ge的含量低于0.1原子%，则对于耐热性提高没有帮助，扩散抑制效果无法有效地发挥，因此使Si和/或Ge的含量的优选的下限为0.1原子%。Si和/或Ge的含量更优选为0.3原子%以上，进一步优选为0.5原子%以上。另一方面，若超过3原子%，则Al合金膜自身的电阻率变得过高，有配线加工时容易发生残渣等的问题，因此使Si和/或Ge的含量的优选的上限为3原子%。Si和/或Ge的含量更优选为2.5原子%以下，进一步优选为2.0原子%以下。
另外本发明的Al合金膜，除了上述X群元素，以及Si和/或Ge以外，也可以含有Ni和/或Co，以及Cu。
Ni和/或Co是可以使耐热性进一步提高的元素。其可以单独添加，也可以添加双方。为了使这样的作用有效地发挥，优选使Ni和/或Co的含量（单独时为单独的含量，含有两方时为合计量）为0.1～3原子%。上述元素的含量低于0.1原子%时，得不到希望的效果，因此使优选的下限值为0.1原子%。另一方面，若Ni和/或Co的含量超过3原子%，则Al合金膜的电阻率提高。上述元素的更优选的上限值为1.0原子%，进一步优选的上限值为0.6原子%。
Cu也是可以使耐热性进一步提高的元素。为了有效地发挥这样的作用，优选使Cu的含量为0.1～2原子%。Cu的含量低于0.1原子%时，难以发挥上述效果，因此使优选的下限值为0.1原子%。更优选的下限值为0.3原子%，进一步优选的下限值为0.5原子%。另一方面，若Cu的含量超过2原子%，则Al合金膜的电阻率提高。上述元素的更优选的上限值为1.5原子%，进一步优选的上限值为1.0原子%。
作为本发明的Al合金膜，可列举含有上述X群元素、与Si和/或Ge，余量是Al和不可避免的杂质的，和含有上述X群元素、与Si和/或Ge、与Ni和/或Co、与Cu，余量是Al和不可避免的杂质。
作为不可避免的杂质，可列举Fe、O、C、N、Ar，分别允许含有低于0.1重量%。
上述Al合金膜，优选以溅射法使用溅射靶（以下称为“靶”）形成。这是由于相比离子镀法、电子束蒸镀法和真空蒸镀法所形成的薄膜，其能够更容易地形成成分和膜厚在膜面内的均匀性更优异的薄膜。
另外，为了以上述溅射法形成上述Al合金膜，作为上述靶，含有前述的元素，如果使用与希望的Al合金膜相同组成的Al合金溅射靶，则不用担心组成偏差，能够形成希望的成分组成的Al合金膜。
在本发明中，与前述的Al合金膜相同组成的溅射靶也包含在本发明的范围内。详细地说，作为上述靶，包括含有从Ta、Nb、Re、Zr、W、Mo、V、Hf、Ti、Cr和Pt构成群（X群）中选择的至少一种的元素（X群元素）为0.1～5原子%，并且含有Si和/或Ge为0.1～3原子%，余量是Al和不可避免的杂质的靶，除此之外，还包括进一步含有Ni和/或Co为0.1～3原子%，以及含有Cu为0.1～2原子%，余量是Al和不可避免的杂质的靶。
作为不可避免的杂质，可列举Fe、O、C、N、Ar，分别允许含有低于0.1重量%。
上述靶的形状，包含根据溅射装置的形状和构造而加工成任意的形状（矩形板状，圆形板状，环形板状，圆筒状等）的。
作为上述靶的制造方法，可列举如下：以熔铸法、粉末烧结法和喷射成形法，制造由Al基合金构成的铸锭而取得的方法，和制造由Al基合金构成的预制品（得到最终的致密体之前的中间体）后，通过致密化手段而使该预制品致密化而取得的方法。
在本发明中也包括具备上述Al合金膜的半导体装置。如果将本发明的Al合金膜用于该半导体装置的、特别是半导体元件、特别是还用于半导体元件的电极和电气配线（例如，前述的IGBT的发射极等），则能够充分地发挥上述效果。
本发明的Al合金膜，在半导体装置（特别是半导体元件）中，有与Si基板、SiC基板或GaN基板连接的情况。这种情况下，所述Al合金膜与所述基板可以直接连接，也可以在所述Al合金膜与所述基板之间，存在形成有氧化硅和氮化硅等的层间绝缘膜层，和/或由Si、SiC、GaN等构成的薄膜半导体层的部分。
在本发明中，是在基板上至少具备所述半导体装置用Al合金膜的半导体结构，即使在所述基板（例如Si基板、SiC基板或GaN基板）与所述Al合金膜直接接触时，该基板与Al合金膜之间的原子的相互扩散也受到抑制，发挥出优异的半导体性能。
在本发明的半导体装置（例如IGBT中，特别是半导体元件）的制造工序中，在形成本发明的半导体装置用Al合金膜后，也可以对于该Al合金膜施加450～600℃的高温热处理。如上述，本发明的半导体装置用Al合金膜，因为耐热性优异，所以即使曝露在上述高温下时，小丘的发生也会受到抑制。
具备本发明的半导体装置用Al合金膜的半导体装置和半导体元件，除了进行上述高温下的热处理而取得以外，也能够以通常进行的方法制造。
实施例
以下，列举实施例更具备地说明本发明，但本发明当然不受下述实施例限制，在能够符合前、后述的宗旨的范围内当然也可以适当加以变更实施，这些均包含在本发明的技术的范围内。
（实施例1）
以DC磁控管溅射法，在气氛气体＝氩，压力＝2mTorr，基板温度＝25℃（室温）的条件下，成膜表1和表2所示各种合金组成的Al合金膜（膜厚＝500nm）。作为基板，使用单晶硅基板（面取向100)（基板的尺寸为直径4英寸）。
还有，在上述各种的合金组成的Al合金膜的形成中，使用以真空熔化法制作的各种组成的Al合金靶作为溅射靶。
另外实施例中使用的各种Al合金膜的各合金元素的含量，通过ICP发光分析（电感耦合等离子体发光分析）法求得。
如上述这样对于成膜的Al合金膜，实施下述所示的加热处理后，测量耐热性、Al合金膜的电阻率、Al基体的最大粒径。详情如下所示。
（1）加热处理后的耐热性
对于成膜后的Al合金膜，在惰性气体（N2）气氛下，如表1和表2所示，模拟在半导体元件的制造工序中施加到配线材料上的热处理，进行以450℃、500℃、550℃、600℃的各温度保持30分钟的加热处理（第一次热处理），接着如表1和表2所示，进行以500℃保持30分钟的加热处理（第二次热处理，加热曲线1）。然后，以光学显微镜（倍率：500倍）观察加热处理后的Al合金膜的表面性状，测量小丘密度（个/m2）。还有，在此测量中，以直径0.1μm以上的小丘为对象。
然后，根据表3所示的判断标准评价耐热性。在本实施例中以◎、○和△为合格。其结果显示在表1和表2中。
（2）加热处理后的Al合金膜的电阻率（配线抵抗）
在成膜后的Al合金膜上形成10μm宽的线和空间图案（line and spacepattern），对此，在惰性气体（N2）气氛下，如表1和表2所示，模拟在半导体元件的制造工序中施加到配线材料上的热处理，进行以450℃、500℃、550℃、600℃的各温度保持30分钟的加热处理（第一次热处理），接着如表1和表2所示，进行以500℃保持30分钟的加热处理（第二次热处理，加热曲线1），之后以四端子法测量电阻率。
然后，根据表3所示的判断标准评价电阻率。在本实施例中，以◎、○和△为合格。其结果显示在表1和表2中。
（3）加热处理后的Al基体的最大粒径
对于成膜后的Al合金膜，在惰性气体（N2）气氛下，如表1和表2所示，模拟在半导体元件的制造工序施加到配线材料的热处理，进行以450℃、500℃、550℃、600℃的各温度保持30分钟的加热处理（第一次热处理），接着进行以500℃保持30分钟的加热处理（第二次热处理）。然后，以平面TEM（透射电子显微镜，倍率15万倍）观察加热处理后的Al合金膜的表面。观察在各试样的任意之处，进行3个视野（一个视野为1.2μm×1.6μm），以3个视野中所观察到的Al基体粒径（当量圆直径）的最大值作为最大粒径。
然后，根据表3所述的判断标准评价粒径，本实施例中，以◎、○和△为合格。其结果显示在表1和表2中。
【表1】
Figure BDA0000409014430000121
【表2】
Figure BDA0000409014430000122
【表3】
Figure BDA0000409014430000123
由表1和表2能够进行如下考察。即，No.1～4是现有的Al－Si或一般认为耐热性高的Al－Nd、Al－Ta所构成的Al合金膜，但在这些例子中，特别是以高温进行第一次热处理时，实施热处理之后的Al基体的最大粒径大，小丘超出规定范围而过剩地发生。相对于此，No.5～66满足本发明的要件，即使在第二次加热处理后，Al基体的最大粒径也很小，另外小丘的发生也受到抑制，此外还能够获得很小的电阻率。
另外，关于热处理条件与Al基体的晶粒直径的关系，实施例1中取得的结果的倾向显示在图2（a）～（i）中。图2（a）～（d）是对于本发明的Al合金膜，实施了第一次热处理之后的情况（图2（a）是450℃、30分钟的热处理条件，图2（b）是500℃、30分钟的热处理条件，图2（c）是550℃、30分钟的热处理条件，图2（d）是600℃、30分钟的热处理条件），图2（e）～（h）是对于图2（a）～（d），分别以500℃、30分钟的条件实施第二次热处理之后的情况。图2（i）是对于相当于比较例的Al合金膜，以500℃、30分钟的条件实施热处理之后的情况。在该图2（a）～（h）中，本发明的Al合金膜，第一次热处理后的Al基体的结晶粒，无论在哪种加热温度（450℃，500℃，550℃，600℃）下都很小，且即使作为第二次热处理而以500℃实施30分钟的热处理后，Al基体的晶粒直径相比第一次热处理后也几乎没有发生变化，Al基体的结晶粒仍保持很小的状态。相对于此，如图2（i）所示，相当于比较例的Al合金膜，作为第一次热处理，实施以500℃保持30分钟加热的热处理时，Al基体的结晶粒显著粗大化。
（实施例2）
用DC磁控管溅射法，以气氛气体＝氩，压力＝2mTorr，基板温度＝25℃（室温）的条件，成膜表4和表5所示的各种合金组成的Al合金膜（膜厚＝500nm）。作为基板，使用单结晶硅基板（面取向100)（基板的尺寸为直径4英寸）。
还有，在上述各种合金组成的Al合金膜的形成中，使用以真空熔化法制作的各种组成的Al合金靶作为溅射靶。
另外实施例所使用的各种Al合金膜的各合金元素的含量，通过ICP发光分析（电感耦合等离子体发光分析）法求得。
对于如上述这样成膜的Al合金膜，实施下述所示的加热处理后，测量耐热性、Al合金膜的电阻率、Al基体的最大粒径。详情如以下所示。
（1）加热处理后的耐热性
对于成膜后的Al合金膜，在惰性气体（N2）气氛下，模拟半导体元件的制造工序中施加到配线材料上的热处理，如表4和表5所示，进行以450℃、500℃、550℃、600℃的各温度保持30分钟的加热处理（第一次热处理），接着，模拟在实际使用环境时施加的热处理，如表4和表5所示，反复实施5次以300℃保持5小时的加热处理（第二次热处理，加热曲线2，对于一部分的试料，使加热处理的次数为10次或30次）。然后，以光学显微镜（倍率：500倍）观察加热处理后的Al合金膜的表面性状，测量小丘的密度（个/m2）。还有，在此测量中，以直径0.1μm以上的小丘为对象。
然后，根据表3所示的判断标准评价耐热性。在本实施例中，以◎、○和△为合格。其结果显示在表4和表5中。
（2）加热处理后的Al合金膜的电阻率（配线电阻）
在成膜后的Al合金膜上形成10μm宽的线和空间图案，对此在惰性气体（N2）气氛下，模拟在半导体元件的制造工序中实施到配线材料上的热处理，如表4和表5所示，进行以450℃、500℃、550℃、600℃的各温度保持30分钟的加热处理（第一次热处理），接着，模拟在实际使用环境时施加的热处理，如表4和表5所示，反复实5次施以300℃保持5小时的加热处理（第二次热处理，加热曲线2，对于一部分的试料，使加热处理的次数为10次或30次），之后以四端子法测量电阻率。
然后根据表3所示的判断标准评价电阻率。在本实施例中，以◎、○和△为合格。其结果显示在表4和表5中。
（3）加热处理后的Al基体的最大粒径
对于成膜后的Al合金膜，在惰性气体（N2）气氛下，模拟在半导体元件的制造工序中施加到配线材料上的热处理，如表4和表5所示，进行以450℃、500℃、550℃、600℃的各温度保持30分钟的加热处理（第一次热处理）后，模拟在实际使用环境时施加的热处理，如表4和表5所示，反复实施5次以300℃保持5小时的加热处理（第二次热处理，加热曲线2，对于一部分的试料，使加热处理的次数为10次或30次）。然后以平面TEM（透射电子显微镜，倍率15万倍）观察加热处理后的Al合金膜的表面。观察是在各试样的任意之处进行3个视野（一个视野为1.2μm×1.6μm），将3个视野中所观察到的Al基体粒径（当量圆直径）的最大值作为最大粒径。
然后根据表3所述的判断标准评价粒径，在本实施例中，以◎、○和△为合格。其结果显示在表4和表5中。
【表4】
【表5】
Figure BDA0000409014430000152
由表4和表5能够进行如下考察。即，No.1～4不满足本发明的要件，反复实施热处理后的Al基体的最大粒径大，另外小丘超出规定范围而过剩地发生。相对于此，No.5～68满足本发明的要件，即使在第二次加热处理后，Al基体的最大粒径也很小，小丘密度也小，且能够得到低电阻率。
还有，在表5是，对于Al－0.1Ni－0.5Ge－1.0Si－0.5Ta，使第二次热处理的反复次数为10次（No.48）、30次（No.49），就此情况也进行评价，即使如此使反复次数增加时，仍显示出与反复次数为5次时同样良好的性能。
（实施例3）
如表6所示，改变膜厚（膜厚＝600nm～4μm），以DC磁控管溅射法，在气氛气体＝氩，压力＝2mTorr，基板温度＝25℃（室温）的条件，成膜表6所示的各种合金组成的Al合金膜。作为基板使用单结晶硅基板（面取得100）（基板的尺寸为直径4英寸）。
还有，在上述各种合金组成的Al合金膜的形成中，使用以真空熔化法制作的各种组成的Al合金靶作为溅射靶。
另外实施例中所用的各种Al合金膜中的各合金元素的含量，通过ICP发光分析（电感耦合等离子体发光分析）法求得。
对于如上述这样成膜的Al合金膜，与实施例2同样，实施热处理之后（在实施例3中，第二次热处理的反复次数如表6所示，均为5次），测量耐热性、Al合金膜的电阻率、Al基体的最大粒径。其结果显示在表6中。
【表6】
Figure BDA0000409014430000161
由表6能够进行如下考察。即，No.1～4不满足本发明的要件，实施热处理后的Al基体的最大粒径大，另外小丘超出规定范围而过剩地发生。相对于此，No.5～8满足本发明的要件，在第二次加热处理后，无论哪种膜厚的情况下，Al基体的最大粒径都小，小丘密度小，且能够得到低电阻率。
还有，在实施例1～3中，第一次热处理无论在哪种温度下，保持时间均为30分钟，使该保持时间为200分钟时，也能够得到同样的结果。
详细并参照特定的实施方式说明了本申请，但不脱离本发明的精神和范围能够进行各种变更和修改，这对于从业者来说应该清楚。
本申请基于2011年5月17日申请的日本专利申请（专利申请2011－110791），其内容在此作为参照并援引。
产业上的可利用性
根据本发明，因为Al合金膜的耐热性（特别是高温耐热性）优异，所以具备其作为例如半导体元件的电极/电气配线，在例如IGBT的制造工艺中，能够以高温进行用于集电极层的离子活性化等的热处理。另外，在实际使用环境下，即使反复曝露在大约250～350℃的温度时，也能够抑制性能的劣化。此外，还能够实现电阻率小，且能够实现薄膜化的Al合金膜。其结果是，能够实现具备上述Al合金膜而性能得到了提高的功率半导体元件，还有具备该半导体元件而发挥出优异的性能的上述IGBT等的半导体装置。

Claims (19)

1.一种半导体装置用Al合金膜，其特征在于，进行在500℃保持30分钟的加热处理之后，全部满足下述（a）～（c），且膜厚为500nm～5μm，
（a）Al基体的最大粒径为800nm以下；
（b）小丘密度低于1×109个/m2；
（c）电阻率为10μΩcm以下。
2.一种半导体装置用Al合金膜，其特征在于，在反复进行5次在300℃保持5小时的加热处理后，全部满足下述（a）～（c），且膜厚为500nm～5μm，
（a）Al基体的最大粒径为800nm以下；
（b）小丘密度低于1×109个/m2；
（c）电阻率为10μΩcm以下。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜，其中，作为金属成分含有从由Ta、Nb、Re、Zr、W、Mo、V、Hf、Ti、Cr和Pt所构成的群（X群）中选择的至少一种的元素（X群元素），和Si以及Ge之中的至少一种元素。
4.根据权利要求3所述的半导体装置用Al合金膜，其中，还含有Ni和Co之中的至少一种元素。
5.根据权利要求3所述的半导体装置用Al合金膜，其中，还含有Cu。
6.根据权利要求3所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述X群元素的含量为0.1～5原子%。
7.根据权利要求3所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述Si以及Ge之中的至少一种元素的含量为0.1～3原子%。
8.根据权利要求4所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述Ni和Co之中的至少一种元素的含量为0.1～3原子%。
9.根据权利要求5所述的半导体装置用Al合金膜，其中，所述Cu的含量为0.1～2原子%。
10.一种溅射靶，其特征在于，是用于形成权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜的溅射靶，其中，
含有0.1～5原子%的从由Ta、Nb、Re、Zr、W、Mo、V、Hf、Ti、Cr和Pt所构成的群（X群）中选择的至少一种的元素（X群元素），并且，含有0.1～3原子%的Si和Ge之中的至少一种元素。
11.根据权利要求10所述的溅射靶，其中，还含有0.1～3原子%的Ni和Co之中至少一种元素。
12.根据权利要求10所述的溅射靶，其中，还含有0.1～2原子%的Cu。
13.根据权利要求10所述的溅射靶，其中，余量是Al和不可避免的杂质。
14.一种半导体装置，其具备权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜。
15.一种半导体元件，其具备权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜。
16.一种半导体元件的电极，其由权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜构成。
17.一种半导体元件的电气配线，其由权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜构成。
18.一种半导体结构，其特征在于，是在基板上至少具备权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜的半导体结构，其中，
所述基板与所述Al合金膜直接接触。
19.根据权利要求18所述的半导体结构，其中，所述基板是Si基板、SiC基板或GaN基板。
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