CN103534789B - 半导体装置用Al合金膜 - Google Patents
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Abstract
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
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(lineandspacepattern),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】
【表2】
【表3】
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】
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】
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 (13)
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,
所述半导体装置用Al合金膜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X群中选择的至少一种的X群元素,和Si以及Ge之中的至少一种元素,
所述X群元素的含量为0.1~5原子%,所述Si以及Ge之中的至少一种元素的含量为0.1~3原子%,
所述半导体装置用Al合金膜还含有Ni和Co之中的至少一种元素,
所述Ni和Co之中的至少一种元素的含量为0.1~3原子%。
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,
所述半导体装置用Al合金膜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X群中选择的至少一种的X群元素,和Si以及Ge之中的至少一种元素,
所述X群元素的含量为0.1~5原子%,所述Si以及Ge之中的至少一种元素的含量为0.1~3原子%,
所述半导体装置用Al合金膜还含有Ni和Co之中的至少一种元素,
所述Ni和Co之中的至少一种元素的含量为0.1~3原子%。
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,还含有Cu。
4.根据权利要求3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%。
5.一种溅射靶,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X群中选择的至少一种的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,
还含有0.1~3原子%的Ni和Co之中的至少一种元素。
6.根据权利要求5所述的溅射靶,其中,还含有0.1~2原子%的Cu。
7.根据权利要求5所述的溅射靶,其中,余量是Al和不可避免的杂质。
8.一种半导体装置,其具备权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜。
9.一种半导体元件,其具备权利要求1或2所述的半导体装置用Al合金膜。
10.一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。
11.一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。
12.一种半导体结构,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。
13.根据权利要求12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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