JP2003500835A - 集積回路内の配線の金属化の実行を改善する方法および組成 - Google Patents
集積回路内の配線の金属化の実行を改善する方法および組成Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 エレクトロマイグレーションによるボイドの形成を遅らせ、金属化配線の寿命を改善する。
【解決手段】 半導体素子は、複数の金属化配線を備え、各金属化配線３８は、ある重量パーセントのアルミニウムと、ある重量パーセントの銅と、ある重量パーセントの亜鉛とを有するエレクトロマイグレーションを妨げる組成を含む。配線のエレクトロマイグレーションを妨げる上記組成は、粒子３６の形態をなすＡｌおよびＣｕの固溶体の構造を含むと良い。この構造は、上記粒子の境界内で画定されるＡｌおよびＣｕの沈殿物をさらに含む。上記粒子の境界から上記Ａｌのエレクトロマイグレーションが発生し、これにより上記Ａｌの上記粒子からのエレクトロマイグレーションが発生することになる。Ｚｎの上記重量パーセントは、Ａｌを有する上記固溶体を画定するとともに上記粒子からの上記Ａｌのエレクトロマイグレーションを妨げるように選択される。
Description
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造に関する。より具体的には、本発明は、集積回路
における配線の金属化の実行を改善する技術に関する。
における配線の金属化の実行を改善する技術に関する。
【０００２】
半導体集積回路（ＩＣ）の製造においては、ＩＣチップの異なる層における素
子同士を接続するために既知の金属化技術が用いられている。一般的に、配線の
金属化、即ち、配線の金属化の実行（「金属化実行」）には、適切な導電体を提
供すること、配線材料のエッチングを容易にすること、エレクトロマイグレーシ
ョンを最小にすること、資本の投下を最小にすること、金属化工程における発展
的な努力が含まれる。
子同士を接続するために既知の金属化技術が用いられている。一般的に、配線の
金属化、即ち、配線の金属化の実行（「金属化実行」）には、適切な導電体を提
供すること、配線材料のエッチングを容易にすること、エレクトロマイグレーシ
ョンを最小にすること、資本の投下を最小にすること、金属化工程における発展
的な努力が含まれる。
【０００３】
ここで、ＩＣの設計において、金属化された配線には電流を伝搬することが要
求されるという観点から、発生し得るエレクトロマイグレーションの程度を検査
することは一般的に十分に考察される。このことは典型的に要求される。その理
由は、もしも特定の幅を有する所定の金属化配線に過多のエレクトロマイグレー
ションが発生すると、信頼性に重大なインパクトを与えるボイドが形成されるこ
とがあるということを設計者が知っているからである。従って、例えば電源配線
やグランド配線のように、高レベルの電流が予想される場合は、金属化配線の幅
を広げることが設計者に一般的に要求される。ある環境においては、設計者は、
過度のボイドが発生する可能性を防止するためだけに、特定の金属化配線の幅を
極端に広くせざるを得ない。
求されるという観点から、発生し得るエレクトロマイグレーションの程度を検査
することは一般的に十分に考察される。このことは典型的に要求される。その理
由は、もしも特定の幅を有する所定の金属化配線に過多のエレクトロマイグレー
ションが発生すると、信頼性に重大なインパクトを与えるボイドが形成されるこ
とがあるということを設計者が知っているからである。従って、例えば電源配線
やグランド配線のように、高レベルの電流が予想される場合は、金属化配線の幅
を広げることが設計者に一般的に要求される。ある環境においては、設計者は、
過度のボイドが発生する可能性を防止するためだけに、特定の金属化配線の幅を
極端に広くせざるを得ない。
【０００４】
しかしながら、金属化配線の幅を広げるためには半導体チップの大きさを、Ｉ
Ｃの設計機能を実現するために必要な大きさよりも大きくすることが要求される
ため、このことにより、コスト上の損失が課される。
Ｃの設計機能を実現するために必要な大きさよりも大きくすることが要求される
ため、このことにより、コスト上の損失が課される。
【０００５】
エレクトロマイグレーションは、一般的に、平均的な電流が導電体を介して流
れることの結果であると理解されている。流れる電子は、散乱（scattering）プ
ロセスによりその運動量の一部を金属原子に譲渡する。この運動量の譲渡により
、今度は、電子が流れる方向に金属原子が運動するようになる（即ちマス・トラ
ンスファ）。従って、電流密度の増大とともに、運動量の譲渡量およびその結果
としての金属の流れが増大する。物質のこのような移動が均一であることはめっ
たになく、時間の経過により物質の正味の損失が発生する場所で引張り応力を受
ける領域が広がり、また、時間の経過により物質が正味で増大する場所で圧縮応
力を受ける領域が広がる。従って、引張り応力と圧縮応力の領域が広がると、応
力の勾配が形成される。応力は、集中度が高い（即ち、圧縮応力がかかる）場所
から集中度が低い（即ち、引張り応力がかかる）場所へ原子の流れを駆動するの
で、このような応力により金属の流れが発生する。エレクトロマイグレーション
とエレクトロマイグレーションが及ぼす劣化の効果に関するこれ以上の情報は、
１９９８年６月のカリフォルニア州サンフランシスコにおける国際配線技術会議
（International Interconnect Technology Conference, San Francisco, CA,
June(1988)）の会報である、Effects of W−Plug Via Arrangement on Electrom
igration Lifetime of Wide Line Interconnectsというタイトルのスカラ（Skal
a）とエス・ボサラ（S．Bothara）による論文が参考になるであろう。
れることの結果であると理解されている。流れる電子は、散乱（scattering）プ
ロセスによりその運動量の一部を金属原子に譲渡する。この運動量の譲渡により
、今度は、電子が流れる方向に金属原子が運動するようになる（即ちマス・トラ
ンスファ）。従って、電流密度の増大とともに、運動量の譲渡量およびその結果
としての金属の流れが増大する。物質のこのような移動が均一であることはめっ
たになく、時間の経過により物質の正味の損失が発生する場所で引張り応力を受
ける領域が広がり、また、時間の経過により物質が正味で増大する場所で圧縮応
力を受ける領域が広がる。従って、引張り応力と圧縮応力の領域が広がると、応
力の勾配が形成される。応力は、集中度が高い（即ち、圧縮応力がかかる）場所
から集中度が低い（即ち、引張り応力がかかる）場所へ原子の流れを駆動するの
で、このような応力により金属の流れが発生する。エレクトロマイグレーション
とエレクトロマイグレーションが及ぼす劣化の効果に関するこれ以上の情報は、
１９９８年６月のカリフォルニア州サンフランシスコにおける国際配線技術会議
（International Interconnect Technology Conference, San Francisco, CA,
June(1988)）の会報である、Effects of W−Plug Via Arrangement on Electrom
igration Lifetime of Wide Line Interconnectsというタイトルのスカラ（Skal
a）とエス・ボサラ（S．Bothara）による論文が参考になるであろう。
【０００６】
エレクトロマイグレーションのボイドは、たいてい配線の始まりで形成される
。これは、エレクトロマイグレーションと応力との合計がゼロになったときに、
エレクトロマイグレーションによる劣化は停止する傾向にあり、また、配線の終
端で発生する傾向にあると信じられている。初期の観察によれば、エレクトロマ
イグレーションの流れと、その流れは配線が比較的短い（例えば、その両端の間
の距離が短い）場合に止まるという傾向と、その流れは配線が比較的長い（例え
ば、その両端間の距離が長い）場合に継続するということがアイ・エー・ブレチ
（I．A．Blech）によって最初に報告されている。こうして、エレクトロマイグ
レーションの振る舞いを配線の長さの用語で定義することは、「ブレチ効果」（
Blech effect）と広く呼ばれるようになった。即ち、ある金属化配線が所定の
幅に対する所定のブレチ長（Blech length）と少なくとも同様に短い場合は、も
はやエレクトロマイグレーションのボイドを形成しない。ブレチ効果とブレチ長
に関するこれ以上の情報は、IBM Journal of Reseach and Development, Vol.39
, No.4, July 1995, pp.465-497のElectromigration and Stress−Induced Void
ing in Al and Al−alloy Thin Film Linesというタイトルのシー・ケー・フー
（C. K. Hu）、ケー・ピー・ロッドベル（K. P. Rodbell）、ティー・ディー・
サリバン（T. D. Sullivan）、ケー・ワイ・リー（K. Y. Lee）およびディー・
ピー・ボウルディン（D. P. Bouldin）による論文が参考になるであろう。
。これは、エレクトロマイグレーションと応力との合計がゼロになったときに、
エレクトロマイグレーションによる劣化は停止する傾向にあり、また、配線の終
端で発生する傾向にあると信じられている。初期の観察によれば、エレクトロマ
イグレーションの流れと、その流れは配線が比較的短い（例えば、その両端の間
の距離が短い）場合に止まるという傾向と、その流れは配線が比較的長い（例え
ば、その両端間の距離が長い）場合に継続するということがアイ・エー・ブレチ
（I．A．Blech）によって最初に報告されている。こうして、エレクトロマイグ
レーションの振る舞いを配線の長さの用語で定義することは、「ブレチ効果」（
Blech effect）と広く呼ばれるようになった。即ち、ある金属化配線が所定の
幅に対する所定のブレチ長（Blech length）と少なくとも同様に短い場合は、も
はやエレクトロマイグレーションのボイドを形成しない。ブレチ効果とブレチ長
に関するこれ以上の情報は、IBM Journal of Reseach and Development, Vol.39
, No.4, July 1995, pp.465-497のElectromigration and Stress−Induced Void
ing in Al and Al−alloy Thin Film Linesというタイトルのシー・ケー・フー
（C. K. Hu）、ケー・ピー・ロッドベル（K. P. Rodbell）、ティー・ディー・
サリバン（T. D. Sullivan）、ケー・ワイ・リー（K. Y. Lee）およびディー・
ピー・ボウルディン（D. P. Bouldin）による論文が参考になるであろう。
【０００７】
ブレチ長は広く知られてきたが、一般的に、この考えは、金属化配線と電源バ
スの多くに適用できない。これは、機能上の仕様を満たすためには、これらの配
線をブレチ長よりも長くすることが一般的に要求されるからである。
スの多くに適用できない。これは、機能上の仕様を満たすためには、これらの配
線をブレチ長よりも長くすることが一般的に要求されるからである。
【０００８】
Ａｌ−Ｃｕ合金は、ＩＣの製造のための多層金属化における金属化配線に用い
られる組成の一種である。しかしながら、合金中に多量のＣｕを用いると、合金
の導電性が低下し、また、この合金をエッチングすることがより一層困難になる
。他の極端な態様として、純粋なＣｕをデュアルダマシン工程を用いて堆積させ
ることが可能であるが、この方法で純粋なＣｕを提供するためには相当の資本投
下と改良努力が必要である。このような資本と投資の増大が減少するまでは、Ａ
ｌをベースとした合金を用いた改良された金属化実行を得るために、さまざまな
努力がなされてきた。
られる組成の一種である。しかしながら、合金中に多量のＣｕを用いると、合金
の導電性が低下し、また、この合金をエッチングすることがより一層困難になる
。他の極端な態様として、純粋なＣｕをデュアルダマシン工程を用いて堆積させ
ることが可能であるが、この方法で純粋なＣｕを提供するためには相当の資本投
下と改良努力が必要である。このような資本と投資の増大が減少するまでは、Ａ
ｌをベースとした合金を用いた改良された金属化実行を得るために、さまざまな
努力がなされてきた。
【０００９】
Ａｌ−Ｃｕ合金は古典的なソルバス（solvus）曲線に従い、この曲線において
Ｃｕの重量パーセントが低いと、ＡｌとＣｕとの固溶体が発生する。このように
、Ｃｕの重量パーセントが低いと、Ｃｕは主としてＡｌの粒子の内部に現れ、こ
れにより、この粒子が主にＡｌで構成される。Ｃｕの重量パーセントがさらに高
いと、合金は、ソルバス曲線の右側へシフトする。Ｃｕが多すぎると、今度は粒
子間の粒子境界線から隔離され、Ａｌ−Ｃｕの沈殿物の形態となる。
Ｃｕの重量パーセントが低いと、ＡｌとＣｕとの固溶体が発生する。このように
、Ｃｕの重量パーセントが低いと、Ｃｕは主としてＡｌの粒子の内部に現れ、こ
れにより、この粒子が主にＡｌで構成される。Ｃｕの重量パーセントがさらに高
いと、合金は、ソルバス曲線の右側へシフトする。Ｃｕが多すぎると、今度は粒
子間の粒子境界線から隔離され、Ａｌ−Ｃｕの沈殿物の形態となる。
【００１０】
配線の金属化を改善するためにＡｌ−Ｃｕ合金を用いる従来の試みにおいては
、粒子の境界からＣｕを激減させることが問題であった。この問題を図１Ａに示
す。同図において、金属化配線２０の拡大された部分が示され、この部分には、
粒子の境界２２（主としてＡｌ２Ｃｕの沈殿物でなる）によって分離された粒子
２１（主としてＡｌ）が含まれる。粒子２１は、粒子２１Ｌで示されるように大
きな場合もあれば、粒子２１ｓで示されるように小さな場合もある。金属配線２
０を介して電気の流れが導かれ、電子の流れは、参照矢印ｅ−で描かれている。
矢印Ｅは、粒子の境界２２に沿って隣接する２つの粒子２１の間に流れる電子を
表わす。エレクトロマイグレーションが始まると、電子ｅ−は最初に原子Ｃｕを
運び、これは、粒子の境界２２内における点と微小な円で示されている。代表的
な粒子２１−１と２１−２との間に移動する原子は、分岐するように示され、こ
れにより、原子が一群の小さな粒子２１へ向けて移動するので、時間の経過によ
り物質の正味の損失が発生する。原子が小さな粒子２１の群を経由して移動する
ので、これらの原子は、参照番号２３に示すように合流して集まり、これにより
、時間の経過により物質が正味で増加する。温度の履歴に依存して成長するであ
ろう大きな粒子２１Ｌは、金属化配線に沿った磁束を遮断でき、磁束の発散を形
成し、また、Ｃｕが豊富になった段階でボイドを形成する。シータ段階の形態（
theta phase morphology）を最適化するという目的を達成するために、適切な熱
処理が提案されてきたが、バックエンドの製造工程における熱サイクルと高温の
熱処理に対する制限のために、このような適切な熱処理が妨げられた。
、粒子の境界からＣｕを激減させることが問題であった。この問題を図１Ａに示
す。同図において、金属化配線２０の拡大された部分が示され、この部分には、
粒子の境界２２（主としてＡｌ２Ｃｕの沈殿物でなる）によって分離された粒子
２１（主としてＡｌ）が含まれる。粒子２１は、粒子２１Ｌで示されるように大
きな場合もあれば、粒子２１ｓで示されるように小さな場合もある。金属配線２
０を介して電気の流れが導かれ、電子の流れは、参照矢印ｅ−で描かれている。
矢印Ｅは、粒子の境界２２に沿って隣接する２つの粒子２１の間に流れる電子を
表わす。エレクトロマイグレーションが始まると、電子ｅ−は最初に原子Ｃｕを
運び、これは、粒子の境界２２内における点と微小な円で示されている。代表的
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り物質の正味の損失が発生する。原子が小さな粒子２１の群を経由して移動する
ので、これらの原子は、参照番号２３に示すように合流して集まり、これにより
、時間の経過により物質が正味で増加する。温度の履歴に依存して成長するであ
ろう大きな粒子２１Ｌは、金属化配線に沿った磁束を遮断でき、磁束の発散を形
成し、また、Ｃｕが豊富になった段階でボイドを形成する。シータ段階の形態（
theta phase morphology）を最適化するという目的を達成するために、適切な熱
処理が提案されてきたが、バックエンドの製造工程における熱サイクルと高温の
熱処理に対する制限のために、このような適切な熱処理が妨げられた。
【００１１】
さらに詳述すると、図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａの部分拡大図であり、粒子
の境界２２によって分離された対向する粒子２１（例えば、粒子２１−１と２１
−２）を示す。矢印ＣＵは、Ｃｕ原子が電子ｅの流れの作用を受けて粒子の境界
２２から離れて移動し、この結果、Ｃｕが粒子の境界２２から消滅することを示
す。Ｃｕ原子はＡｌ原子よりも重いので、電子ｅの流れによりＣｕ原子が移動す
ることに抵抗する時間間隔（インキュベーションタイム（incubation time）、
即ちΔｔ：図５参照）が存在する。次に、Ｃｕ原子が粒子の境界２２から臨界的
な距離ｌｃに等しい距離で一旦消滅すると、Ａｌ原子が同様のエレクトロマイグ
レーションのプロセスにより粒子の境界２２から離れて移動し始める。しかしな
がら、Ａｌ原子の移動は迅速である。結果として、Ｃｕ原子とＡｌ原子は、金属
化配線２０の終端へ移動し、上述したように、Ａｌが不在となり、これにより金
属化２０は失敗となる。このような失敗は、ボイドがビアの直下で形成されると
重大な問題になり得る。これは、勿論、全ＩＣが設計仕様の範囲内で動作しない
ということを引き起こし得る。このようなエレクトロマイグレーションによる故
障は、ＩＣの寿命の初期に発生しかねないし、または一定期間使用した後に発生
することもある。
の境界２２によって分離された対向する粒子２１（例えば、粒子２１−１と２１
−２）を示す。矢印ＣＵは、Ｃｕ原子が電子ｅの流れの作用を受けて粒子の境界
２２から離れて移動し、この結果、Ｃｕが粒子の境界２２から消滅することを示
す。Ｃｕ原子はＡｌ原子よりも重いので、電子ｅの流れによりＣｕ原子が移動す
ることに抵抗する時間間隔（インキュベーションタイム（incubation time）、
即ちΔｔ：図５参照）が存在する。次に、Ｃｕ原子が粒子の境界２２から臨界的
な距離ｌｃに等しい距離で一旦消滅すると、Ａｌ原子が同様のエレクトロマイグ
レーションのプロセスにより粒子の境界２２から離れて移動し始める。しかしな
がら、Ａｌ原子の移動は迅速である。結果として、Ｃｕ原子とＡｌ原子は、金属
化配線２０の終端へ移動し、上述したように、Ａｌが不在となり、これにより金
属化２０は失敗となる。このような失敗は、ボイドがビアの直下で形成されると
重大な問題になり得る。これは、勿論、全ＩＣが設計仕様の範囲内で動作しない
ということを引き起こし得る。このようなエレクトロマイグレーションによる故
障は、ＩＣの寿命の初期に発生しかねないし、または一定期間使用した後に発生
することもある。
【００１２】
上述したように、エレクトロマイグレーションのより重要な側面は、Ａｌの移
動が、粒子の境界からのＣｕの減少に基づいて粒子の境界２２の範囲内から発生
するだけでなく、粒子の境界２２に隣接する粒子２１からも発生するということ
である。図１Ｃは、Ｃｕの移動に続いてＡｌが迅速に移動する場合を示す。Ａｌ
−Ｃｕのソルバス曲線は固溶体内でＡｌ中にはＣｕがほとんど全くないことを示
すので、粒子２２内のＣｕの重量パーセントが非常に低いことは、粒子２１から
粒子の境界２２へのＡｌ原子の移動を妨げたり、遅らせるためには不十分であり
、これにより、粒子２１内にボイド２４が形成される。このボイド２４により、
Ａｌ−Ｃｕ合金の抵抗が大きくなり、これにより、素子のパフォーマンスが低下
し、また、ＩＣが故障するということになりかねない。
動が、粒子の境界からのＣｕの減少に基づいて粒子の境界２２の範囲内から発生
するだけでなく、粒子の境界２２に隣接する粒子２１からも発生するということ
である。図１Ｃは、Ｃｕの移動に続いてＡｌが迅速に移動する場合を示す。Ａｌ
−Ｃｕのソルバス曲線は固溶体内でＡｌ中にはＣｕがほとんど全くないことを示
すので、粒子２２内のＣｕの重量パーセントが非常に低いことは、粒子２１から
粒子の境界２２へのＡｌ原子の移動を妨げたり、遅らせるためには不十分であり
、これにより、粒子２１内にボイド２４が形成される。このボイド２４により、
Ａｌ−Ｃｕ合金の抵抗が大きくなり、これにより、素子のパフォーマンスが低下
し、また、ＩＣが故障するということになりかねない。
【００１３】
上述した観点から、粒子からＡｌが移動することにより、Ａｌ−Ｃｕ合金で発
生することと比較して、Ａｌが早急になくなり始めるということが相当程度遅く
なるように、配線の金属化実行における合金の組成を改善する必要がある。
生することと比較して、Ａｌが早急になくなり始めるということが相当程度遅く
なるように、配線の金属化実行における合金の組成を改善する必要がある。
【００１４】
概説すると、本発明は、配線の金属化のためにＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎの形態をなす
改良された組成を提供することにより、また、配線の金属化のためのＡｌ−Ｃｕ
−Ｚｎ合金を提供する方法により、上述のニーズを満たすものである。本発明は
また、Ｚｎが多いＡｌ−Ｚｎ合金である粒子を配線の金属化に提供することによ
り、Ｃｕが粒子の境界から激減すること（およびその結果、Ａｌが迅速に消滅し
始めること）による影響を軽減する必要をも満たすものである。これにより、エ
レクトロマイグレーションによる早期の故障が減少する。本発明は、工程や組成
、方法を含む膨大な態様で適用できることを理解されたい。本発明のいくつかの
優れた実施態様を以下に記載する。
改良された組成を提供することにより、また、配線の金属化のためのＡｌ−Ｃｕ
−Ｚｎ合金を提供する方法により、上述のニーズを満たすものである。本発明は
また、Ｚｎが多いＡｌ−Ｚｎ合金である粒子を配線の金属化に提供することによ
り、Ｃｕが粒子の境界から激減すること（およびその結果、Ａｌが迅速に消滅し
始めること）による影響を軽減する必要をも満たすものである。これにより、エ
レクトロマイグレーションによる早期の故障が減少する。本発明は、工程や組成
、方法を含む膨大な態様で適用できることを理解されたい。本発明のいくつかの
優れた実施態様を以下に記載する。
【００１５】
一つの実施態様においては、半導体素子が、基板と、この基板上に画定された
複数の金属化配線とを備えるものとして記載される。各金属化配線は、ある重量
パーセントのアルミニウム、ある重量パーセントの銅、および、ある重量パーセ
ントの亜鉛を有しエレクトロマイグレーションを妨げる組成を含む。より詳細に
は、亜鉛の上記重量パーセントは、１００℃のＡｌの固溶体内で約４未満である
と良い。これは、Ｚｎの内容物について、Ａｌ−Ｃｕ合金内の内容物Ｃｕの重量
パーセントである約０．５を相当に上回る増加である。一例として、Ｚｎの重量
パーセントは、約１から約２までの範囲に及ぶと良い。より具体的な実施態様で
は、上記配線は、ＡｌとＺｎの固溶体を有してエレクトロマイグレーションを妨
げる組成を含むと良い。この組成において、上記固溶体は、粒子の形態をなし、
また、この粒子は、粒子の境界によって画定される。上記組成は、上記粒子の境
界で画定されるＡｌとＣｕの沈殿物をさらに有する。上記粒子の境界からの上記
Ａｌのエレクトロマイグレーションが発生し、これは上記粒子からの上記Ａｌの
エレクトロマイグレーションを引き起こしがちである。Ｚｎの上記重量パーセン
トは、Ａｌを有する上記固溶体を画定するとともに上記粒子からの上記Ａｌの上
記エレクトロマイグレーションを妨げるように、選択される。
複数の金属化配線とを備えるものとして記載される。各金属化配線は、ある重量
パーセントのアルミニウム、ある重量パーセントの銅、および、ある重量パーセ
ントの亜鉛を有しエレクトロマイグレーションを妨げる組成を含む。より詳細に
は、亜鉛の上記重量パーセントは、１００℃のＡｌの固溶体内で約４未満である
と良い。これは、Ｚｎの内容物について、Ａｌ−Ｃｕ合金内の内容物Ｃｕの重量
パーセントである約０．５を相当に上回る増加である。一例として、Ｚｎの重量
パーセントは、約１から約２までの範囲に及ぶと良い。より具体的な実施態様で
は、上記配線は、ＡｌとＺｎの固溶体を有してエレクトロマイグレーションを妨
げる組成を含むと良い。この組成において、上記固溶体は、粒子の形態をなし、
また、この粒子は、粒子の境界によって画定される。上記組成は、上記粒子の境
界で画定されるＡｌとＣｕの沈殿物をさらに有する。上記粒子の境界からの上記
Ａｌのエレクトロマイグレーションが発生し、これは上記粒子からの上記Ａｌの
エレクトロマイグレーションを引き起こしがちである。Ｚｎの上記重量パーセン
トは、Ａｌを有する上記固溶体を画定するとともに上記粒子からの上記Ａｌの上
記エレクトロマイグレーションを妨げるように、選択される。
【００１６】
他の実施態様においては、基板上に金属化配線層を製造する方法が、この基板
上に金属化された組成を堆積する工程を備えるものとして記載される。この組成
は、Ａｌ成分と、Ｃｕ成分と、Ｚｎ成分とを含む。勿論、上記組成は、微量の不
純物、例えば酸素、鉄、ニッケルなどを含むこともある。Ｚｎ成分の重量パーセ
ントは、約４未満であり、好ましくは、約１重量パーセントと約２重量パーセン
トの間の範囲に及ぶ。
上に金属化された組成を堆積する工程を備えるものとして記載される。この組成
は、Ａｌ成分と、Ｃｕ成分と、Ｚｎ成分とを含む。勿論、上記組成は、微量の不
純物、例えば酸素、鉄、ニッケルなどを含むこともある。Ｚｎ成分の重量パーセ
ントは、約４未満であり、好ましくは、約１重量パーセントと約２重量パーセン
トの間の範囲に及ぶ。
【００１７】
さらに他の実施態様では、改良された金属化が実行された配線を有する半導体
素子が、少なくとも一つの金属化層を備えるものとして記載され、この金属化層
は、粒子の境界によって画定された粒子を有する。エレクトロマイグレーション
が上記粒子の境界から上記Ａｌを激減させる傾向を有し、また、上記粒子からの
上記Ａｌの移動を引き起こす傾向を有するように、上記粒子は、主としてＡｌと
Ｃｕでなる固溶体を有し、また、上記粒子の境界は、主としてＡｌとＣｕでなる
沈殿物を有する。上記Ｚｎは、上記Ａｌが上記粒子から移動することを妨げるこ
とにより、配線の金属化実行を改良するために効果的である。上記層は、ある重
量パーセントの上記Ａｌと、ある重量パーセントの上記Ｃｕと、ある重量パーセ
ントのＺｎとを含む。Ｚｎの上記重量パーセントは、約４未満であり、例えば約
１から約２までに及ぶ重量パーセントである。Ｚｎの重量パーセントは、上記金
属化層の抵抗率を実質的に増大させることなく、Ａｌを有する上記固溶体を画定
するとともに上記粒子からの上記Ａｌのエレクトロマイグレーションを妨げるよ
うに、選択される。
素子が、少なくとも一つの金属化層を備えるものとして記載され、この金属化層
は、粒子の境界によって画定された粒子を有する。エレクトロマイグレーション
が上記粒子の境界から上記Ａｌを激減させる傾向を有し、また、上記粒子からの
上記Ａｌの移動を引き起こす傾向を有するように、上記粒子は、主としてＡｌと
Ｃｕでなる固溶体を有し、また、上記粒子の境界は、主としてＡｌとＣｕでなる
沈殿物を有する。上記Ｚｎは、上記Ａｌが上記粒子から移動することを妨げるこ
とにより、配線の金属化実行を改良するために効果的である。上記層は、ある重
量パーセントの上記Ａｌと、ある重量パーセントの上記Ｃｕと、ある重量パーセ
ントのＺｎとを含む。Ｚｎの上記重量パーセントは、約４未満であり、例えば約
１から約２までに及ぶ重量パーセントである。Ｚｎの重量パーセントは、上記金
属化層の抵抗率を実質的に増大させることなく、Ａｌを有する上記固溶体を画定
するとともに上記粒子からの上記Ａｌのエレクトロマイグレーションを妨げるよ
うに、選択される。
【００１８】
配線の金属化のための金属化層として上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金を用いると、
固溶体内の上記Ｚｎを含む上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金は、改良された信頼性を示
す。より大きな、重いＺｎ原子があるために、上記バルク粒子から上記粒子の境
界への上記Ａｌの移動が遅れる。上記合金内に上記Ｚｎがあるにも関わらず、上
記粒子の境界内に存在する上記Ａｌの減少が発生するであろうが、この減少は、
ボイドの形成をもたらすほど激しくない。研究によれば、上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ
合金におけるＺｎの高いパーセント（例えば、２重量パーセント）が上記粒子内
の固溶体内で持続し、これにより、上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金は、熱処理の履歴
に依存することなく優れたエレクトロマイグレーション耐性を維持する。さらに
、上記Ａｌ−Ｃｕに付加されたＺｎは、上記金属化配線層の機械的強度を改善し
、従って、配線の信頼性を改善する。また、配線用の金属化層としての上記Ａｌ
−Ｃｕ−Ｚｎ合金は、上記Ａｌ−Ｃｕ合金と比較して導電性を大幅に減少させる
ことなく製造することができる。このような利点は、エッチングの容易さに及ぼ
す否定的なインパクトを軽減しながら得られる。上記Ａｌ−Ｃｕ合金にＺｎを付
加すると、Ｚｎの残留物を除去するためにより大きな力でスパッタリングを行な
う必要がある場合もあるが、過度のＺｎを除去するために、例えば、エッチング
中のスパッタリングを用いることができる。
固溶体内の上記Ｚｎを含む上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金は、改良された信頼性を示
す。より大きな、重いＺｎ原子があるために、上記バルク粒子から上記粒子の境
界への上記Ａｌの移動が遅れる。上記合金内に上記Ｚｎがあるにも関わらず、上
記粒子の境界内に存在する上記Ａｌの減少が発生するであろうが、この減少は、
ボイドの形成をもたらすほど激しくない。研究によれば、上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ
合金におけるＺｎの高いパーセント（例えば、２重量パーセント）が上記粒子内
の固溶体内で持続し、これにより、上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金は、熱処理の履歴
に依存することなく優れたエレクトロマイグレーション耐性を維持する。さらに
、上記Ａｌ−Ｃｕに付加されたＺｎは、上記金属化配線層の機械的強度を改善し
、従って、配線の信頼性を改善する。また、配線用の金属化層としての上記Ａｌ
−Ｃｕ−Ｚｎ合金は、上記Ａｌ−Ｃｕ合金と比較して導電性を大幅に減少させる
ことなく製造することができる。このような利点は、エッチングの容易さに及ぼ
す否定的なインパクトを軽減しながら得られる。上記Ａｌ−Ｃｕ合金にＺｎを付
加すると、Ｚｎの残留物を除去するためにより大きな力でスパッタリングを行な
う必要がある場合もあるが、過度のＺｎを除去するために、例えば、エッチング
中のスパッタリングを用いることができる。
【００１９】
本発明の他の側面および有利な点は、本発明の原理を一例として示す添付図面
と併せて以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
と併せて以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
【００２０】
本発明は、添付の図面とともに以下の詳細な説明により容易に理解される。従
って、同一の参照番号は、同一の構造要素を表わす。
って、同一の参照番号は、同一の構造要素を表わす。
【００２１】
配線を金属化させるためのＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金から形成される改良された組
成の発明と、配線を金属化させるためのＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金を提供する方法を
開示する。また、改良された配線の金属化が実行された半導体素子も開示する。
以下の説明においては、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的詳細
を示す。しかしながら、当業者において、以下の詳細の一部または全てがなくと
も本発明は実施できることが理解されるであろう。本発明を不明瞭なものにしな
いために、例えば周知の工程の作用については、詳述しない。
成の発明と、配線を金属化させるためのＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金を提供する方法を
開示する。また、改良された配線の金属化が実行された半導体素子も開示する。
以下の説明においては、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的詳細
を示す。しかしながら、当業者において、以下の詳細の一部または全てがなくと
も本発明は実施できることが理解されるであろう。本発明を不明瞭なものにしな
いために、例えば周知の工程の作用については、詳述しない。
【００２２】
図２は、本発明にかかるＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金のうちＡｌ−Ｚｎ合金の部分を
示す状態図である。点３１，３２および３３を有するソルバス曲線３０は、様々
な温度（例えば約０℃から約２００℃）について、Ａｌを含む固溶体内で比較的
広い範囲のＺｎ（例えば約２重量パーセントから約１２重量パーセント）が存在
することを表わす。このことは、様々な温度について（例えば約２０℃から約４
００℃）、Ａｌを含む固溶体内で比較的狭い範囲のＣｕ（例えば約０．２重量パ
ーセントから約２重量パーセント）が存在するＡｌ−Ｃｕ合金にまさる。
示す状態図である。点３１，３２および３３を有するソルバス曲線３０は、様々
な温度（例えば約０℃から約２００℃）について、Ａｌを含む固溶体内で比較的
広い範囲のＺｎ（例えば約２重量パーセントから約１２重量パーセント）が存在
することを表わす。このことは、様々な温度について（例えば約２０℃から約４
００℃）、Ａｌを含む固溶体内で比較的狭い範囲のＣｕ（例えば約０．２重量パ
ーセントから約２重量パーセント）が存在するＡｌ−Ｃｕ合金にまさる。
【００２３】
本発明のＡｌをベースとする合金は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金である。図２に示
すように、また図３に詳細に示すように、Ｚｎの重量パーセントが比較的大きい
場合、Ｚｎは粒子３６の内側に保持される。好ましい実施形態において、合金中
のＺｎの重量パーセントは、約４重量パーセントにまでなる。これにより、粒子
３６は、Ａｌと多量のＺｎで構成される。より好適な実施形態では、合金中のＺ
ｎの重量パーセントは、１〜２重量パーセントの範囲内にあり、Ｃｕの重量パー
セントは、約０．５±０．４である。ある場合は、組立用のハウジングに用いら
れるＣｕの重量パーセントは、約１重量パーセント以上にまでなり得る。
すように、また図３に詳細に示すように、Ｚｎの重量パーセントが比較的大きい
場合、Ｚｎは粒子３６の内側に保持される。好ましい実施形態において、合金中
のＺｎの重量パーセントは、約４重量パーセントにまでなる。これにより、粒子
３６は、Ａｌと多量のＺｎで構成される。より好適な実施形態では、合金中のＺ
ｎの重量パーセントは、１〜２重量パーセントの範囲内にあり、Ｃｕの重量パー
セントは、約０．５±０．４である。ある場合は、組立用のハウジングに用いら
れるＣｕの重量パーセントは、約１重量パーセント以上にまでなり得る。
【００２４】
粒子の境界３７は、図３および図４に示され、主として沈殿物Ａｌ２Ｃｕを含
む。粒子３６は、粒子３６Ｌのように大きな場合もあり、また、粒子３６ｓのよ
うに小さな場合もある。粒子３６と粒子の境界３７は、金属化された配線、例え
ば、金属化配線３８の一部である（図３および図７参照）。
む。粒子３６は、粒子３６Ｌのように大きな場合もあり、また、粒子３６ｓのよ
うに小さな場合もある。粒子３６と粒子の境界３７は、金属化された配線、例え
ば、金属化配線３８の一部である（図３および図７参照）。
【００２５】
金属化配線３８を介して導かれる電流における電子の流れは、参照矢印ｅ−で
描写する。矢印Ｅは、隣接する粒子３６−１と３６−２との間を粒子の境界３７
に沿って流れる電子を表わす。エレクトロマイグレーションにより、電子ｅ−は
、粒子の境界３７を介してＣｕとＡｌとを運ぶ。これらの原子は、点で示す。粒
子３６−１と３６−２との間を右側へ移動する原子は、分岐して小さな粒子３６
ｓに近づくにつれ互いにますます離れていく様子が示されている。原子が小さな
粒子３６ｓを通り過ぎて右側へ移動すると、これらは合流して参照番号３９に示
すように集まる。
描写する。矢印Ｅは、隣接する粒子３６−１と３６−２との間を粒子の境界３７
に沿って流れる電子を表わす。エレクトロマイグレーションにより、電子ｅ−は
、粒子の境界３７を介してＣｕとＡｌとを運ぶ。これらの原子は、点で示す。粒
子３６−１と３６−２との間を右側へ移動する原子は、分岐して小さな粒子３６
ｓに近づくにつれ互いにますます離れていく様子が示されている。原子が小さな
粒子３６ｓを通り過ぎて右側へ移動すると、これらは合流して参照番号３９に示
すように集まる。
【００２６】
図４は、図３の一部をより拡大した図であり、粒子の境界３７によって分離さ
れた対向する粒子３６（例えば、粒子３６−１と３６−２）を示す。エレクトロ
マイグレーションの結果として、粒子の境界３７からのＣｕ原子の激減が電子の
流れの作用により発生した。図５に示すように、Ｃｕ原子は、Ａｌ原子よりも重
いので、Ｃｕ原子が電子の流れにより移動することに抵抗する時間間隔（「イン
キュベーションタイム」、即ちデルタｔ）が存在する。Ｃｕ原子が粒子の境界３
７から一旦激減すると、Ａｌ原子は、同様のエレクトロマイグレーションプロセ
スにより粒子の境界３７に沿ったエレクトロマイグレーションを始める。この動
きを反映するために、図４には、ＡｌとＣｕの原子が相当程度に激減した粒子の
境界３７を示す。図５は、インキュベーションタイム・デルタＴが、例えばＡｌ
−Ｃｕ−Ｚｎ合金のインキュベーションタイム・デルタｔの何倍も長いことを示
す。上昇部（knee）４１は、上昇部４２からインキュベーションタイム・デルタ
Ｔだけ離れており、このことは次のことを表わす。即ち、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金
から製造された金属化配線３８を有する半導体素子において（エレクトロマイグ
レーションのために）ボイド２１の形成がかなり遅延し、このことが金属化配線
の抵抗の増大の発生を遅らせ、従って、配線の金属化のパフォーマンスが減少す
ることを遅らせるということである。このことはまた、ＩＣが故障してしまうと
いうことを遅延させる。例えば、インキュベーションタイム・デルタＴをΔｔの
１〜３倍長くでき、これにより、ＩＣの寿命を事実上２倍から４倍にすることが
できる。
れた対向する粒子３６（例えば、粒子３６−１と３６−２）を示す。エレクトロ
マイグレーションの結果として、粒子の境界３７からのＣｕ原子の激減が電子の
流れの作用により発生した。図５に示すように、Ｃｕ原子は、Ａｌ原子よりも重
いので、Ｃｕ原子が電子の流れにより移動することに抵抗する時間間隔（「イン
キュベーションタイム」、即ちデルタｔ）が存在する。Ｃｕ原子が粒子の境界３
７から一旦激減すると、Ａｌ原子は、同様のエレクトロマイグレーションプロセ
スにより粒子の境界３７に沿ったエレクトロマイグレーションを始める。この動
きを反映するために、図４には、ＡｌとＣｕの原子が相当程度に激減した粒子の
境界３７を示す。図５は、インキュベーションタイム・デルタＴが、例えばＡｌ
−Ｃｕ−Ｚｎ合金のインキュベーションタイム・デルタｔの何倍も長いことを示
す。上昇部（knee）４１は、上昇部４２からインキュベーションタイム・デルタ
Ｔだけ離れており、このことは次のことを表わす。即ち、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金
から製造された金属化配線３８を有する半導体素子において（エレクトロマイグ
レーションのために）ボイド２１の形成がかなり遅延し、このことが金属化配線
の抵抗の増大の発生を遅らせ、従って、配線の金属化のパフォーマンスが減少す
ることを遅らせるということである。このことはまた、ＩＣが故障してしまうと
いうことを遅延させる。例えば、インキュベーションタイム・デルタＴをΔｔの
１〜３倍長くでき、これにより、ＩＣの寿命を事実上２倍から４倍にすることが
できる。
【００２７】
粒子の境界３７からのＡｌ原子の移動が迅速であっても、また、従来の技術に
よるＡｌ−Ｃｕ合金においてこの原子が粒子３６から迅速に移動するためにわず
かな動作寿命の後にＡｌがなくなることがあっても、粒子３６内にＺｎがあるた
めにＡｌ−Ｃｕ合金におけるこのような問題が回避される。特に、ソルバス曲線
（図２参照）によれば、１００°ＣにおいてＡｌを含む固溶体内で４重量パーセ
ントものＺｎがあることがわかるので、図４において粒子３６の内部に示すＺｎ
原子は、かなりの量がある。図４は、（粒子３６内でＺｎの重量パーセントが比
較的高いと）Ｚｎ原子がＡｌの粒子３６からの移動を妨げることを示す。詳述す
れば、Ｚｎ原子は、Ａｌ原子が粒子の境界３７へ直接移動することを妨げ、また
、Ａｌ原子が粒子３６から粒子の境界３７へ移動することを相当程度遅延させる
。こうして、粒子３６内におけるボイド２４（図１Ｃ参照）の形成は、Ｚｎのイ
ンキュベーションタイム・デルタＴだけ遅くなる。このような遅延により、金属
化配線３８の寿命を相当に改善することができる。
よるＡｌ−Ｃｕ合金においてこの原子が粒子３６から迅速に移動するためにわず
かな動作寿命の後にＡｌがなくなることがあっても、粒子３６内にＺｎがあるた
めにＡｌ−Ｃｕ合金におけるこのような問題が回避される。特に、ソルバス曲線
（図２参照）によれば、１００°ＣにおいてＡｌを含む固溶体内で４重量パーセ
ントものＺｎがあることがわかるので、図４において粒子３６の内部に示すＺｎ
原子は、かなりの量がある。図４は、（粒子３６内でＺｎの重量パーセントが比
較的高いと）Ｚｎ原子がＡｌの粒子３６からの移動を妨げることを示す。詳述す
れば、Ｚｎ原子は、Ａｌ原子が粒子の境界３７へ直接移動することを妨げ、また
、Ａｌ原子が粒子３６から粒子の境界３７へ移動することを相当程度遅延させる
。こうして、粒子３６内におけるボイド２４（図１Ｃ参照）の形成は、Ｚｎのイ
ンキュベーションタイム・デルタＴだけ遅くなる。このような遅延により、金属
化配線３８の寿命を相当に改善することができる。
【００２８】
さらに、図６は、マイクロオーム−ｃｍと追加の合金材料（重量パーセント）
との関係を示す。より好適な実施形態では、Ｚｎの重量パーセントが約２、Ｃｕ
の重量パーセントが約０．５であり、ＺｎとＣｕの抵抗率の値は、約２．８マイ
クロオーム−ｃｍであり、このことを純粋なアルミニウムの抵抗率が約２．７で
あることと比較されたい。ＣｕとＺｎのこのような重量パーセントの範囲におい
て、抵抗率は付加的であるので、ＺｎをＡｌ−Ｃｕ合金に付加してもわずかに約
０．１マイクロオーム−ｃｍ増大するだけである。このように、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚ
ｎ合金の全抵抗率は、比較的低いままにとどまる。
との関係を示す。より好適な実施形態では、Ｚｎの重量パーセントが約２、Ｃｕ
の重量パーセントが約０．５であり、ＺｎとＣｕの抵抗率の値は、約２．８マイ
クロオーム−ｃｍであり、このことを純粋なアルミニウムの抵抗率が約２．７で
あることと比較されたい。ＣｕとＺｎのこのような重量パーセントの範囲におい
て、抵抗率は付加的であるので、ＺｎをＡｌ−Ｃｕ合金に付加してもわずかに約
０．１マイクロオーム−ｃｍ増大するだけである。このように、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚ
ｎ合金の全抵抗率は、比較的低いままにとどまる。
【００２９】
図７は、金属化配線３８を有する代表的な半導体素子５１の断面図である。素
子５１は、その表面に形成された酸化層５３および５４を有する基板５２を含む
。基板５２上に形成され、離隔したソース−ドレイン領域５７とポリシリコンゲ
ート５８とを含むトランジスタ素子５６が示されている。金属化ネットワーク６
１のうち第１の金属化配線３８−１が酸化層５３上に形成されている。コンタク
ト５９は、配線３８−１とポリシリコンゲート５８との間に延在している。ネッ
トワーク６１はまた、第１の金属化配線３８−１と上面の酸化層５４を覆うよう
に堆積された第２の金属化配線３８−２との間に延在する導電性ビア６２をも含
む。酸化層５３および５４に本発明にかかるＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金を堆積させる
ことにより、金属化配線３８は、このＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金からそれぞれ製造す
ることができる。
子５１は、その表面に形成された酸化層５３および５４を有する基板５２を含む
。基板５２上に形成され、離隔したソース−ドレイン領域５７とポリシリコンゲ
ート５８とを含むトランジスタ素子５６が示されている。金属化ネットワーク６
１のうち第１の金属化配線３８−１が酸化層５３上に形成されている。コンタク
ト５９は、配線３８−１とポリシリコンゲート５８との間に延在している。ネッ
トワーク６１はまた、第１の金属化配線３８−１と上面の酸化層５４を覆うよう
に堆積された第２の金属化配線３８−２との間に延在する導電性ビア６２をも含
む。酸化層５３および５４に本発明にかかるＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金を堆積させる
ことにより、金属化配線３８は、このＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金からそれぞれ製造す
ることができる。
【００３０】
以上、本発明を明瞭に理解するためにより詳細に本発明を説明してきたが、最
初に記載した特許請求の範囲内において変更や修正を実施できることは明らかで
ある。従って、以上の実施形態は、説明のためのものであり本発明を制限するも
のではなく、本発明は、以上の詳細な説明に限定されることなく、特許請求の範
囲およびこれと均等な範囲内で修正可能であることを考慮されたい。
初に記載した特許請求の範囲内において変更や修正を実施できることは明らかで
ある。従って、以上の実施形態は、説明のためのものであり本発明を制限するも
のではなく、本発明は、以上の詳細な説明に限定されることなく、特許請求の範
囲およびこれと均等な範囲内で修正可能であることを考慮されたい。
【００３１】
以上詳述したとおり、本発明によれば、金属化配線内のエレクトロマイグレー
ションを妨げるので、半導体素子の寿命を改善することができる。
ションを妨げるので、半導体素子の寿命を改善することができる。
【図１Ａ】
粒子と粒子の境界とを有する従来の技術の金属化配線の一例の略示部分拡大図
である。
である。
【図１Ｂ】
図１Ａに示す従来技術の金属化配線の粒子および粒子の境界をさらに拡大した
図であり、粒子の境界からのＣｕ原子およびＡｌ原子のエレクトロマイグレーシ
ョンを示す。
図であり、粒子の境界からのＣｕ原子およびＡｌ原子のエレクトロマイグレーシ
ョンを示す。
【図１Ｃ】
図１Ａに示す従来技術の金属化配線の粒子および粒子の境界をさらに拡大した
図であり、粒子からのＣｕ原子およびＡｌ原子のエレクトロマイグレーションと
粒子内のボイドの形成とを示す。
図であり、粒子からのＣｕ原子およびＡｌ原子のエレクトロマイグレーションと
粒子内のボイドの形成とを示す。
【図２】
合金の構成における重量パーセントから観た、温度と合金の状態との関係を示
す状態図であり、Ａｌ−Ｚｎ合金のソルバス曲線は（Ａｌ−Ｃｕ合金におけるＡ
ｌとの固溶体におけるＣｕ範囲が狭いことと比べて）Ａｌとの固溶体におけるＺ
ｎの範囲が比較的広いことを示す。
す状態図であり、Ａｌ−Ｚｎ合金のソルバス曲線は（Ａｌ−Ｃｕ合金におけるＡ
ｌとの固溶体におけるＣｕ範囲が狭いことと比べて）Ａｌとの固溶体におけるＺ
ｎの範囲が比較的広いことを示す。
【図３】
粒子と粒子の境界とを有する、本発明にかかる金属化配線の拡大図である。
【図４】
本発明にかかる金属化配線の粒子および粒子の境界の部分拡大図であり、粒子
からのＡｌ原子のエレクトロマイグレーションをＺｎ原子が遅らせる様子を示す
。
からのＡｌ原子のエレクトロマイグレーションをＺｎ原子が遅らせる様子を示す
。
【図５】
本発明の金属化配線の粒子からＡｌ原子が相当程度移動した場合における遅
延ΔＴを示す、抵抗対時間のグラフである。
【図６】
ＡｌにＺｎを追加した場合の抵抗率に与えるわずかな影響を示す、抵抗率とＣ
ｕおよびＺｎの他の合金とのグラフである。
ｕおよびＺｎの他の合金とのグラフである。
【図７】
本発明にかかるＡｌ−Ｃｕ―Ｚｎ合金から形成された金属化配線を有する代表
的な半導体素子の断面図であり、配線は、導電ビアと導電コンタクトとを含む金
属化ネットワークを規定する。
的な半導体素子の断面図であり、配線は、導電ビアと導電コンタクトとを含む金
属化ネットワークを規定する。
２１ ボイド
３６ 粒子
３７ 粒子の境界
３８ 金属化配線
５１ 半導体素子
５２ 基板
５６ トランジスタ素子
５７ ソース−ドレイン領域
５８ ポリシリコンゲート
５９ コンタクト
６１ 金属化ネットワーク
６２ 導電性ビア
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 サミット、エス．セングプタ
アメリカ合衆国カリフォルニア州、サンノ
ゼ、エヌ．キャピトル、アベニュ、259、
ナンバー、281
Ｆターム(参考） 5F033 HH10 JJ10 KK04 KK10 VV06
WW00 XX05
Claims (20)
- 【請求項１】 基板と、 前記基板上に画定され、エレクトロマイグレーションを妨げる組成をそれぞれ
有する複数の金属化配線と、を備え、 前記組成は、 ある重量パーセントのアルミニウムと、 ある重量パーセントの銅と、 ある重量パーセントの亜鉛と、を含む、 半導体素子。 - 【請求項２】 亜鉛の前記重量パーセントは、約４未満であることを特徴とする請求項１に記
載の半導体素子。 - 【請求項３】 亜鉛の前記重量パーセントは、約１から約２の範囲内であることを特徴とする
請求項１に記載の半導体素子。 - 【請求項４】 銅の前記重量パーセントは、約０．５であることを特徴とする請求項２に記載
の半導体素子。 - 【請求項５】 前記エレクトロマイグレーションを妨げる組成の構造は、 アルミニウムと亜鉛の固溶体を含む、 ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
- 【請求項６】 前記固溶体は、粒子の形態をなし、この粒子は、粒子の境界によって画定され
、 前記構造は、 前記粒子の境界内で画定されるアルミニウムおよび銅の沈殿物をさらに含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。 - 【請求項７】 前記アルミニウムのエレクトロマイグレーションは、前記粒子の境界から発生
し、前記粒子からの前記アルミニウムのエレクトロマイグレーションを引き起こ
す傾向を有し、亜鉛の前記重量パーセントは、アルミニウムを有する前記固溶体
を画定するとともに前記粒子からの前記アルミニウムの前記エレクトロマイグレ
ーションを妨げるように選択されることを特徴とする請求項６に記載の半導体素
子。 - 【請求項８】 基板上に金属化配線層を形成する方法であって、 アルミニウム成分と、銅成分と、亜鉛成分とを含む金属化された組成を前記基
板上に堆積する工程を備える方法。 - 【請求項９】 前記亜鉛成分の重量パーセントは、約４未満であることを特徴とする請求項８
に記載の基板上に金属化配線層を形成する方法。 - 【請求項１０】 前記亜鉛成分の重量パーセントは、約１重量パーセントから約２重量パーセン
トの範囲内であることを特徴とする請求項８に記載の基板上に金属化配線層を形
成する方法。 - 【請求項１１】 前記銅成分の重量パーセントは、約０．５パーセントであることを特徴とする
請求項１０に記載の基板上に金属化配線層を形成する方法。 - 【請求項１２】 前記金属化配線層の構造は、アルミニウムと亜鉛の固溶体を含むことを特徴と
する請求項８に記載の基板上に金属化配線層を形成する方法。 - 【請求項１３】 前記固溶体は、粒子の形態をなし、この粒子は、粒子の境界によって画定され
、 前記構造は、 前記粒子の境界内で画定されるアルミニウムおよび銅の沈殿物をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１２に記載の基板上に金属化配線層を形成する方法。 - 【請求項１４】 エレクトロマイグレーションが前記粒子の境界から前記アルミニウムを減少さ
せる傾向を有し、前記粒子からの前記アルミニウムの移動を引き起こし、前記粒
子からの前記アルミニウムの移動を遅らせるために、前記亜鉛成分の前記重量パ
ーセントは、約４未満であることを特徴とする請求項１３に記載の基板上に金属
化配線層を形成する方法。 - 【請求項１５】 前記亜鉛成分の前記重量パーセントは、約１重量パーセントから約２重量パー
セントの範囲内であることを特徴とする請求項１４に記載の基板上に金属化配線
層を形成する方法。 - 【請求項１６】 改良された金属化が実行された配線を備える半導体素子であって、 粒子の境界によって画定された粒子を有する金属化配線層と、 少なくとも一つの金属化層と、を備え、 前記境界は、前記粒子内に画定されたアルミニウムと銅の沈殿物を多量に有し
、 前記金属化層は、粒子の境界によって画定される粒子を含み、 前記粒子は、アルミニウムと亜鉛の固溶体を有し、 前記粒子の境界は、エレクトロマイグレーションが前記粒子の境界から前記ア
ルミニウムを減少させる傾向を有し、前記粒子からの前記アルミニウムの移動を
引き起こすように、アルミニウムおよび銅の沈殿物を有し、 前記亜鉛は、前記アルミニウムが前記粒子から移動することを妨げることによ
り、配線の金属化の実行を改良するために効果的である、 半導体素子。 - 【請求項１７】 前記層は、ある重量パーセントのアルミニウムと、ある重量パーセントの銅と
、ある重量パーセントの亜鉛と、を含み、亜鉛の前記重量パーセントは、約４未
満であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子。 - 【請求項１８】 前記層は、ある重量パーセントのアルミニウムと、ある重量パーセントの銅と
、ある重量パーセントの亜鉛と、を含み、亜鉛の前記重量パーセントは、約１か
ら約２の範囲内であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子。 - 【請求項１９】 前記層は、ある重量パーセントのアルミニウムと、ある重量パーセントの銅と
、ある重量パーセントの亜鉛と、を含み、亜鉛の前記重量パーセントは、約１か
ら約２の範囲内であり、銅の前記重量パーセントは、約０．５±０．４であるこ
とを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子。 - 【請求項２０】 前記亜鉛の前記重量パーセントは、前記金属化層の抵抗率を実質的に増大させ
ることなく、アルミニウムを有する前記固溶体を画定するとともに前記粒子から
の前記アルミニウムのエレクトロマイグレーションを妨げるように選択される
ことを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子。
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| US09/310,875 US6459153B1 (en) | 1999-05-12 | 1999-05-12 | Compositions for improving interconnect metallization performance in integrated circuits |
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-
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