JP6151367B2 - 半導体素子、スパッタリングターゲット材及び半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の一観点によれば、アルミニウムを主成分とし、前記アルミニウムと前記アルミニウムに添加された10wt%以上、40wt%以下のマンガンとを含む第二相粒子が分散析出され、前記第二相粒子の面積率が9%以上であり、0.1wt%以上、5wt%以下の珪素を含み、シリコンウェハの主面に成膜された電極膜を有する半導体素子が提供される。
また、本発明の一観点によれば、このような半導体素子を備える半導体装置が提供される。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
[第1の実施の形態]
半導体素子が搭載された半導体装置について、図1を用いて説明する。
なお、図1(A)は半導体装置10の側面図、図1(B)は半導体装置10が備える半導体素子20の要部を拡大した側面図をそれぞれ示している。
電極膜21の主成分とするアルミニウムと、このアルミニウムに添加する添加金属との組成比を調整したスパッタリングターゲット材を作成する。
アルミニウムとシリコンウェハとのコンタクト部での相互拡散を防止するために、アルミニウムに珪素を添加する。この添加量が少なすぎるとその効果が発現しないために、少なくとも0.1wt%以上の珪素を添加する必要がある。一方、珪素の添加量が多過ぎてもコンタクト部での電気伝導が悪化してしまうおそれがある。そこで、珪素の添加量は、5wt%以下とする必要がある。このような珪素を実際添加する場合には、0.5wt%以上、2wt%以下であることが望ましい。
スパッタリングターゲット材には不純物が含まれていることから、当該スパッタリングターゲット材を用いた成膜中には、チャンバ内全体に不純物が飛散し、チャンバ内部が汚染されるおそれがある。このような不純物による汚染を抑制するために、添加元素を除くアルミニウム中の不純物の合計は、100ppm以下であることが望ましく、さらには、10ppm以下であることがより望ましい。
例えば、1wt%の珪素を含むアルミニウムに対して添加するニッケルの組成比を、0.2wt%、1wt%、5wt%、10wt%とする。このような組成比で構成される4種のスパッタリングターゲット材を予め用意しておく。酸化処理が行われたシリコンウェハを加熱し、各ターゲット材を用いたスパッタ法により、加熱されたシリコンウェハの表面上に膜厚が5μmの電極膜を成膜する。
このようにして形成された半導体素子20の電極膜21,22を解析する解析装置について図2を用いて説明する。
解析装置100は、制御部110と、表示部120と、入力部130と、電子顕微鏡部140とを含む。
RAM110bは、CPU110aに実行させるプログラムの少なくとも一部、並びにこのプログラムによる処理に必要な各種データを一時的に記憶する。
グラフィック処理部110dには、後述する表示部120が接続されている。このグラフィック処理部110dは、CPU110aからの命令に従って、表示部120の表示画面上に画像を表示させる。
図3は、第1の実施の形態に係る半導体素子に形成された電極膜の透過型電子顕微鏡により撮像された像の一例を示す図である。
なお、像30によれば、図3(A)に示すように、電極膜21上に堆積膜23が配置されている。半導体素子20をTEMで観察するにあたり、半導体素子20の電極膜21上に堆積膜23を配置して、半導体素子20を加工して、半導体素子20の断面を得る。この堆積膜23は、加工される半導体素子20の断面の過剰な削りを防止するものである。
図4(A)は、第二相粒子の粒子数、図4(B)は径、図4(C)は面積率のグラフをそれぞれ示している。
第二相粒子21aの径は、図4(B)に示されるように、ニッケルの添加量が増加するに連れて、増加しており、1個当たりの第二相粒子21aの面積が増加していると言える。
熱サイクル試験では、上記の各電極膜21(膜厚5μm)を成膜した、シリコンで構成されたダミーチップ(縦9mm×横9mm×厚さ0.5mm)に対し、10分間かけて、−55℃から250℃に加熱し、さらに10分間かけて、250℃から−55℃に冷却する。熱サイクル試験では、これを1サイクルとして、100サイクルまでは10サイクルごとに、100サイクルから500サイクルまでは100サイクルごとに、それ以降は800サイクル、1000サイクルに、解析装置100が、電極膜21の表面の劣化形態を電子顕微鏡部140としてSEMを用いて観察する。
図5は、第1の実施の形態に係る熱サイクル試験が実行されたサイクル数ごとの電極膜の表面のSEM像の一例を示す図である。
まず、熱サイクル試験を行う前の初期状態の電極膜21の表面は、図5(A)に示されるように、アルミニウム、珪素、ニッケルのそれぞれの結晶により多結晶体が構成されている。
さらに、300サイクル時には、各結晶は、受ける応力を緩和するために応力が最も小さい箇所に逃げようとするために、結晶粒界の結合が弱まる。最終的に、図5(D)に示されるように結晶粒界に亀裂が入り、結晶同士が離れてしまい、電極膜21の粒界における膜劣化が発生する。この際、結晶粒界及び結晶粒内に存在する析出物が凝集して、結晶粒界の移動を止めるものがなくなり、結晶が飛び出て、ストレスマイグレーションが発生する。
なお、図6は、横軸はニッケルの添加量(wt%)を表し、縦軸は膜劣化が生じたサイクル数を示す耐熱サイクル数(サイクル)をそれぞれ表す。また、丸印(〇)は電極膜21の表面における膜劣化が生じたサイクル数を表し、実線は丸印から得られるグラフを表している。四角印(□)は電極膜21の結晶粒界における膜劣化が生じたサイクル数を表し、一点鎖線は四角印から得られるグラフを表している。
第2の実施の形態では、第1の実施の形態の半導体装置10の電極膜21,22の添加金属としてマンガンを用いた場合について説明する。
アルミニウムとシリコンウェハとのコンタクト部での相互拡散を防止するために、アルミニウムに珪素を添加する。この添加量が少なすぎるとその効果が発現しないために、少なくとも0.1wt%以上の珪素を添加する必要がある。一方、珪素の添加量が多過ぎてもコンタクト部での電気伝導が悪化してしまうおそれがある。そこで、珪素の添加量は、5wt%以下とする必要がある。このような珪素を実際添加する場合には、0.5wt%以上、2wt%以下であることが望ましい。
スパッタリングターゲット材には不純物が含まれていることから、当該スパッタリングターゲット材を用いた成膜中には、チャンバ内全体に不純物が飛散し、チャンバ内部が汚染されるおそれがある。このような不純物による汚染を抑制するために、添加元素を除くアルミニウム中の不純物の合計は、100ppm以下であることが望ましく、さらには、10ppm以下であることがより望ましい。
第2の実施の形態の電極膜21,22は、1wt%の珪素を含むアルミニウムに対して添加するマンガンの組成比を、1wt%、4wt%、9wt%で構成される3種のスパッタリングターゲット材を用いたスパッタ法により、酸化処理されたシリコンウェハの表面上に成膜(膜厚が5μm)されたものである。このようにして、マンガンが添加された電極膜21,22を備える半導体素子20が作成される(図1参照)。
図7(A)は、第二相粒子の粒子数、図7(B)は径、図7(C)は面積率のグラフをそれぞれ示している。
また、第二相粒子の面積率は、図7(C)のグラフに示されるように、電極膜21のマンガンの添加量が増加するに連れて増加しており、第二相粒子が占める面積が増加している。
第2の実施の形態の熱サイクル試験も、第1の実施の形態と同様の熱サイクル試験の条件、方法で行って、サイクルごとに、電極膜21の表面の劣化形態をSEMで観察した。但し、第2の実施の形態における熱サイクル試験では、0サイクルから3000サイクルの間で、100サイクルごとの電極膜21をSEMにより観察した。
図8は、第2の実施の形態に係る熱サイクル試験が実行されたサイクル数ごとの電極膜の表面のSEM像の一例を示す図である。
熱サイクル試験を行う前の初期状態の電極膜21の表面は、図8(A)に示されるように、アルミニウム、珪素、マンガンのそれぞれの結晶により多結晶体が構成されている。
その後、3000サイクルまで熱サイクル試験を行い、3000サイクル時では、電極膜21の粒界における膜劣化の発生は認められなかった。
図9でも、横軸はマンガンの添加量(wt%)を表し、縦軸は膜劣化が生じたサイクル数を示す耐熱サイクル数(サイクル)をそれぞれ表す。また、丸印(○)は電極膜21の表面における膜劣化が生じたサイクル数を表し、実線は丸印から得られるグラフを表している。四角印(□)は電極膜21の結晶粒界における膜劣化が生じたサイクル数を表し、一点鎖線は四角印から得られるグラフを表している。なお、マンガンの添加量が9wt%の場合の電極膜21の粒界の膜劣化は、3000サイクルでは観察されなかったが、図9中の3000サイクルに対応する箇所に破線の四角印をプロットしている。
11 絶縁基板
12,13 金属箔
14 半田層
15 ボンディングワイヤ
20 半導体素子
21,22 電極膜
21a 第二相粒子
23 堆積膜
30,30a 像
Claims (5)
- アルミニウムを主成分とし、前記アルミニウムと前記アルミニウムに添加された9wt%以上、40wt%以下であるマンガンとを含む第二相粒子が分散析出され、前記第二相粒子の面積率が9%以上であり、0.1wt%以上、5wt%以下の珪素を含み、シリコンウェハの主面に成膜された電極膜を有する半導体素子。
- アルミニウムを主成分とし、前記アルミニウムと前記アルミニウムに添加された10wt%以上、40wt%以下のマンガンとを含む第二相粒子が分散析出され、前記第二相粒子の面積率が9%以上であり、0.1wt%以上、5wt%以下の珪素を含み、シリコンウェハの主面に成膜された電極膜を有する半導体素子。
- 請求項1または2に記載の前記半導体素子に前記電極膜をスパッタ法により形成するための前記アルミニウムを主成分とするスパッタリングターゲット材。
- 絶縁基板と、
前記絶縁基板上に配置された、アルミニウムを主成分とし、前記アルミニウムと前記アルミニウムに添加された9wt%以上、40wt%以下であるマンガンとを含む第二相粒子が分散析出され、前記第二相粒子の面積率が9%以上であり、0.1wt%以上、5wt%以下の珪素を含み、シリコンウェハの主面に成膜された電極膜を有する半導体素子と、
を備える半導体装置。 - 絶縁基板と、
前記絶縁基板上に配置された、アルミニウムを主成分とし、前記アルミニウムと前記アルミニウムに添加された10wt%以上、40wt%以下のマンガンとを含む第二相粒子が分散析出され、前記第二相粒子の面積率が9%以上であり、0.1wt%以上、5wt%以下の珪素を含み、シリコンウェハの主面に成膜された電極膜を有する半導体素子と、
を備える半導体装置。
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