JPH01233737A - 集積回路装置及びその製造方法並びに該装置における配線膜を製造するためのターゲット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、集積回路装置及びその製造方法並びに該装置
における配線膜を製造するためのターゲットに関するも
のである。

〔従来の技術］ 従来、集積回路装置の配線においては、例えば米国特許
第３７２５３０９号に記載のように、Ｃｕ添加のＡＩが
エレクトロマイグレーション、即ち電気移動に起因する
配線５断線不良を回避するため用いられてきた。

半導体装置の配線はＳｉを数％添加したＡＩが一般に用
いられる。この装置を高電流と高温状態の下で作動させ
ると、ＡＩ配線膜はそれを流れる電流により構成原子が
移動し、配線膜を成る区間では盛上らせてヒロックが形
成され、他の区間ではボイドが形成される。このヒロッ
クが成長すると配線間短絡の原因となり、ボイドが成長
するとその区間で配線膜の抵抗が増大し、抵抗加熱によ
る発熱で配線膜が溶融し、その半導体装置の故障を引起
こす。

上記米国特許によれば、このエレクトロマイグレーショ
ンの問題を回避するためにＡＩに０．１〜５４重量％の
Ｃｕを添加する。そのためＣｕＡｌｚ粒子の析出構造を
形成し、これがＡＩ基地の粒界及び粒界三重点に介在し
、ＡＩ原子の原子移動を妨げエレクトロマイグレーショ
ンに対する半導体装置の寿命を延ばすことができる。と
ころがＣｕＡｌｚは偏析する可能性が高＜　、ＣｕＡｌ
ｚが析出していない場所でエレクトロマイグレーション
による早期の故障が発生するという欠点がある。

またＡｌ−Ｃｕ合金は配線パターンに加工する際のドラ
イエツチングが難しく、使用されるＣ１元素及び残留Ｃ
１−イオンによって著しく腐食されるため、１μｍ以下
の精度の加工が極めて困難であるという欠点がある。ま
た、半′導体素子を使用する時の耐湿信頼性も同時に問
題となる可能性がある。

へ１配線膜上に表面保護のためパッシベーション膜を形
成するが、そのためＡＩ配線膜に引張応力がかかり、断
線してしまう、いわゆるストレスマイグレーションによ
る不良も問題になっている。特にＡｌ−Ｃｕ配線の場合
、パターン精度に問題があるため、ネッキングを起こし
ている部分から断線しやすいという欠点がある。

また、本出願人は先に、アルミニウム、貴金属（Ｐｔ、
　Ｐｄ、　Ｒｈ、　Ｉｒ）及びシリコンを含む配線材料
（特開昭６０−２６６４０号）について、また配線膜が
Ｐｄ、Ｐｔの少くとも一方を０．１〜２ｗｔ％含有し、
金属単体又は化合物の形で析出した合金である半導体装
置（特開昭６１−１４４８４７号）について出願してい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＡＩにＣｕを添加することによってＡＩ配線膜の耐エレ
クトロマイグレーション性を改善する前記従来技術では
、Ｃｕの偏析について配慮がなされておらず、ロフト間
の寿命がばらつくという問題があった。またＡｌ−Ｃｕ
合金は耐食性が悪いため、ドライエツチングあるいはウ
ェットエツチングによる微細加工性に劣る問題及びパッ
シベーション膜から受けるストレスによってエツチング
時にできた欠陥部分から断線してしまう、いわゆるスト
レスマイグレーションの問題があった。

また、特開昭６０−２６６４０号及び特開昭６１−１４
４８４７号に記載のものについても、さらに耐エレクト
ロマイグレーション、耐ストレスマイグレーション性を
改善する必要がある。

本発明の目的は、ＡＩ配線膜の微細加工性を改善し、耐
エレクトロマイグレーション及び耐ストレスマイグレー
ション性に優れた配線材料を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、まずＡＩ配線の微細加工の寸法精度
を確保するため、耐食性を高める合金元素としてパラジ
ウムあるいはプラチナをＡ１配線膜中に均一に分散させ
る。これにより微細加工を容易に行う事ができるように
なる。パラジウムあるいはプラチナを５％未満添加する
事により、耐エレクトロマイグレーション性も改善でき
るが、耐ストレスマイグレーション性は改善できない。

そのため耐ストレスマイグレーション性を改善するため
、パラジウムあるいはプラチナの外にリチウム、ベリリ
ウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケ
ル、銅、ランタンおよびセリウムの少なくとも１種を５
％未満添加する事によってＡＩ配線の信頬性を高めた。

即ち、本発明は集積回路基板上に配線膜を有する集積回
路装置において、配線膜がパラジウムまたはプラチナを
５重量％未満、かつ、リチウム、ベリリウム、マグネシ
ウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ランタ
ンおよびセリウムのうち少なくとも１種を５重量％未満
含み、残部がアルミニウム或いはアルミニウム及びシリ
コン３重量％未満よりなることを特徴とする集積回路°
装置である。

これらのＡ１合金薄膜の形成については、従来の膜形成
法では偏析の問題があり、ロフト間の製品寿命が著しく
ばらつくため、気相成長法蒸（ＣＶＤ）、電子ビーム（
ＥＢ）蒸着、あるいは、ターゲット中の添加元素の濃度
分布を目標値±０．０５％に制御したターゲットを用い
たスパッタ法によって均一で特性の優れたＡＩ配線膜を
得ることができる。使用するターゲットは、パラジウム
またはプラチナを５重量％未満、かつ、リチウム、ベリ
リウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッ
ケル、銅、ランタンおよびセリウムのうち少なくとも１
種を５重量％未満含み、残部がアルミニウム或いはアル
ミニウム及びシリコン３重量％未満よりなるものである
。

上述のようにして形成した配線膜を、例えば以下の処理
を行うことにより、パラジウムまたはプラチナがアルミ
ニウムと金属間化合物を形成し、粒径０．３μｍ以下の
析出物をアルミニウムの結晶粒界に分散しており、一方
リチウム、ベリリウム、マグネシウム、マンガン、鉄、
コバルト、ニッケル、銅、ランタンおよびセリウムのう
ちの少なくとも１種はアルミニウム基地に固溶している
配線膜が得られる。

即ち、処理の一例としては、ＡＩ配線膜形成後、４００
〜５００℃で１０分間以上アニール熱処理を行い、添加
元素をＡＩ基地に固溶させた後、半導体基板ごと１０℃
／ｓｅｃ以上の速度で２、冷し、添加元素をＡＩ基地中
に過飽和固溶体とする。次に前記過飽和固溶体元素を微
細な化合物として析出させるため３５０℃以下の温度で
２０〜６０分間析出熱処理を行った後、リチウム、ベリ
リウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッ
ケル、銅、ランタン又はセリウムをＡＩ基地に再固溶さ
せるため、アニール温度で１０分間以内の再固溶熱処理
を行う。このようにして得られた＾ｌ配線膜は、最初は
パラジウム又はプラチナのアルミニウムとの金属間化合
物からなる析出物が存在し、配線に電流が流れるに従っ
て固溶している他の添加元素が時間とともに連続的に析
出しうるものである。このため配線幅２μ…以下の微細
配線膜の耐エレクトロマイグレーション性および耐スト
レスマイグレーション性を大幅に改善できた。

〔作　用〕

ＡＩ配線膜中に５％未満のパラジウムあるいは、プラチ
ナを均一に分散させる事により、ＡＩ配線膜表面のアル
ミナ酸化皮膜中に酸化パラジウムあるいは、酸化プラチ
ナの薄く均一な層を設け、配線膜の耐食性を高めている
。配線膜を構成するＡ１基地の腐食は、Ｃ１−イオン等
が表面のアルミナ酸化皮膜を破壊し、活性な金属ＡＩの
溶解あるいは酸化が進むために起こる。そこで、配線の
表面を酸化パラジウムあるいは、酸化プラチナで覆うと
表面のアルミナ酸化皮膜が強化され、耐食性を高める効
果がある。またＡＩにパラジウムあるいはプラチナを添
加する事によって、ＡＩ配線膜の腐食電位を責な電位、
すなわち腐食しにくい方向にシフトさせる事ができる。

これにより、ＡＩ配線膜が腐食性のイオンを含むガス及
び水分に触れても、ＡＩ基地が著しく溶解あるいは酸化
するのを防ぎ、特に１μｍ以下の寸法のパターニング加
工の際の寸法精度を確保する事ができる。

エレクトロマイグレーションはへｌ配線を流れる電流に
よってＡｔ膜の結晶粒界をＡｔ原子が移動し、配線が破
断に至るもので、結晶粒界を強化する事によって耐エレ
クトロマイグレーシコン性を高める事ができる。Ａｔに
パラジウムあるいはプラチナを５％未満添加する事によ
って微細な金属間化合物をＡＩの結晶粒界に析出させる
事ができ、粒界が強化されるため耐エレクトロマイグレ
ーシコン性を高めることができる。ところが、長時間に
わたる通電によって＾ｌ膜の組織が変化し、析出してい
た金属間化合物が粗大化すると、転位の運動を妨げる効
果が少なくなり、エレクトロマイグレーションによるＡ
ｔ原子の粒界拡散が起こり配線が断線してしまう。そこ
で八１にパラジウムあるいはプラチナの他にリチウム、
ベリリウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、
ニッケル、銅、ランタンおよびセリウムのうち少くとも
１種を５％未満添加し、４００〜ｓｏｏ　’ｃのアニー
ルを１０分間以上行った後、基板ごと１０°（：　／ｓ
ｅｃ以上の冷却速度で急冷してＡＩ基地中に過飽和固溶
体として分散させる。

次に３５０℃以下で２０〜６０分間析出熱処理を行った
後、アニール温度で１０分間以内の再固溶熱処理を行う
。この＾１合金配線に通電することにより、過飽和固溶
体となっていた添加元素が微細析出物となって粒界近傍
に析出してくるため、長時間にわたって、粒界には転位
の運動を妨げる効果の高い粒径０．３μｍ以下の微細析
出物が存在する。従って最初に析出していた金属間化合
物が粗大化して転位のピニング効果がなくなっても、固
溶していた添加元素が微細な析出物となって析出してく
るため、転位が固定されてＡｔ原子の粒界拡散が起こら
ず、エレクトロマイグレーションによる配線の断線もな
くなる。

ストレスマイグレーションはＡＩ配線膜の上に素子を保
護する目的で形成するバンシベーション膜によってＡｌ
配線に引張応力がかかり、１μｍ幅程度の配線が結晶粒
界で断線してしまう現象である。

結晶粒径を細かくし、０．５μｍ以下に制御するととも
に、Ａ１原子の拡散を抑制すれば耐ストレスマイグレー
ション性を高める事ができる。すなわち例えて言えば大
きな一枚岩よりも、小さなじやりを動かないように敷き
つめた方が耐ストレスマイグレーション性は良くなる。

ＡＩにパラジウムあるいはプラチナの他に、リチウム、
ベリリウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、
ニッケル、銅、ランタンおよびセリウムのうち少くとも
１種を５％未満添加する事によってＡＩの結晶粒径を０
゜５μＩ以下に揃え、Ａｔ原子の拡散を抑制する効果が
得られ、耐ストレスマイグレーション性を高める事がで
きる。

通常、配線幅２μｍ以下の微細配線では塩素系ガスによ
るドライエツチングによってパターニングが行なわれる
。その際、Ａ１基地中に添加した異種元素が不均一に分
布していると分布の濃淡によって局部電池が形成され、
部分的に腐食が著しく進み、配線のパターン精度が悪く
なり、場合によっては配線が形成できない事もある。本
発明では膜形成をＣＶＤ、ＥＢ蒸着、あるいはターゲッ
ト中の添加元素の濃度分布を目標値±０．０５％に制御
したターゲットを用いたスパッタ法によって行なえば、
従来のスパッタ法で作製したＡｔ膜よりも、加工性、耐
エレクトロマイグレーション性、耐ストレスマイグレー
ション性に優れた配線膜を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例の構造を示した断面図である。

第１図において、１は半導体基板（Ｓｉ基板、Ｇａ　−
Ａｓ基板）、２は拡散層、３はコンタクトホールを形成
した絶縁’４Ｍ（例えば厚さ０．１〜０．５μｍの５ｉ
Ｏｚ膜乃至ＰＳＧ膜）、４は純＾Ｌ又はＳｉ入り八！に
Ｐｄあるいはｐｔのうち少なくとも１種を５％未満添加
し、その外にＬｉ＋　Ｂｅ、　Ｍｇ＋　Ｍｎ、　Ｐｅ、
　Ｃｏ、　Ｎｔ、　Ｃｕ。

Ｌａ、　Ｃｅのうち１種あるいは２種以上の組成を５％
未満添加したＡ１合金配線（ＣＶＤ、ＥＢ蒸着、スパッ
タ法等により厚さ０．５〜１ｔＩＩＩ＋堆積させる。）
であり、前記Ａ１合金配線４は拡散層２とコンタクト５
で接触している。６は素子表面を保護するパッシベーシ
ョン膜（例えば厚さ０．５〜２．０μｍのＳｉＯ□ある
いはＰＳＧ、　ＰＩ口膜）で、ポンディングパッド部分
７でボンディングワイヤ８　（金線あるいはＡＩ、銅線
）と接続されている。

第２図は第１図の素子を４００℃で１５分間アニールし
、２０℃／ｓｅｃの冷却速度で急冷した後、３００℃１
３０分析出処理して４００’Ｃ，５分再加熱処理してＡ
ｌ配線部分を安定化したもので、結晶粒界９に沿ってＰ
ｄ又はｐｔとＡＩとの金属間化合物が形成されている。

このように構成すると以下に説明するように、配線部分
を純ＡＩ又はＳｉ入りＡｌ配線で構成した場合に比べて
微細パターンへの加工性に優れ、耐エレクトロマイグレ
ーション性、耐ストレスマイグレーション性が高く、ま
た従来のＡｌ配線膜、＾Ｕボンディングワイヤで構成さ
れた樹脂モールド半導体製品に比べて耐湿信頼性も向上
する。

第３図は本発明の詳細な説明するためのグラフであり、
配線材料として、従来のＳｉ入りＡＩを用いた場合と、
本発明の合金配線を用いた場合の高温通電試験によるエ
レクトロマイグレーションに起因する配線寿命を示す。

（試験サンプルの半数が断線した時間で定義する。）第
３図から明らかなようにＳｉ入りＡｌ配線に比べ、本発
明のＡ１合金配線の方が寿命が長い。

この理由を次に述べる。Ａｌ膜のエレクトロマイグレー
ションの活性化エネルギーは粒内で１．２〜１．３ｅＶ
なのに対し、粒界では約０．５ｅＶと著しく低い。これ
はエレクトロマイグレーションによる配線の断線がＡｌ
原子の粒界拡散に起因する事と対応している。そこで第
２図に示すように粒界を強化した配線膜を用いる事によ
り、Ａ１基地の粒界拡散が抑制され配線寿命を延ばす事
ができる。

第４図は本発明によるＡ１合金配線の微細組織と従来の
Ａｌ−５ｉ、　Ａｌ−Ｐｄ　　Ｓｉ、　Ａｌ−Ｐｄ−Ｃ
ｕ−５ｔ配線に通常の４５０℃１時間熱処理を行ったと
きの微細組織を示す。この組織は８Ｘ１０”＾／ｃｎ＋
”の高い電流密度を流し、３時間通電したあとのＡ１合
金膜の組織を示したものである。本発明によれば粗大な
析出物と微細な析出物が混合して粒界にでており、微細
析出反応が起こっているのが分かる。一方、他の３つの
例では析出物が粗大化しており、転位のピニングによる
粒界拡散の抑制効果がなくなっている。

第５図は本発明によるＡ１合金配線と従来のＳｉ入りＡ
ｌ配線とを塩素系ガスでドライエツチングし°た際のパ
ターン寸法精度を示す。第５図から明らかなように、従
来のＳｉ入りＡｌ配線と本発明のＡ１合金配線を比べた
場合、特にパターン寸法が１μｍ以下になると本発明の
方が加工性に優れている事が分かる。

この理由は、従来のＳｉ入りＡｌ配線に比べてＰｄある
いはｐｔが均一に固溶したＡＩでは表面の酸化保護皮膜
中にＰｄＯあるいはＰｔＯが含まれ、塩素系ガスによる
余分な腐食が防止されるのと、Ｐｄ及びｐｔは電気化学
的に責な金属であり、それが均一に固溶する事によりＡ
ｌの基地が均一にアノード分極され余分な腐食が進まな
かったとも考えられる。同様の理由により本発明によれ
ば、微細加工性ばかりでなく、耐湿信頼性も満足できる
。そのため、ボンディングをＡｕ、　ＡＩ、　Ｃｏ何れ
のワイヤで行った場合でもボンディング後の安定性が維
持され、セラミックスモールド又は樹脂モールドした際
に高信鯨性の半導体装置を作製できる。

第６図はストレスマイグレーションによる累積不良率に
ついて、従来のＡｔ−５ｉ配線と、Ａｌ−Ｐｄ−５ｉ配
線及び本発明の＾１−Ｐｄ−Ｍｇ−５ｉ配線について調
べた結果を示す。第６図から明らかなように、Ｍｇを添
加する事によって耐ストレスマイグレーション性は著し
く向上できる。

この理由は、本発明の熱処理とＭｇ添加によってＡＩ基
地の結晶粒を０．５μ個よりも小さくしたことと、粒界
がより強化されたため、引張応力のストレスがかかって
も配線が変形し応力緩和するため、破断に至らないもの
と考えられる。なお、ｑｇと同′様の効果はＬｉ、　Ｂ
ｅ、　Ｍｎ、　Ｆｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｃｕ、　Ｌａ
、　Ｃｅを各々添加した場合にも得る事ができる。

次に、ＡＩ配線膜の結晶粒径について本発明の詳細な説
明する。第７図はＡｌ−Ｐｄ−３ｔ配線膜にＭｇを添加
した上に本発明の熱処理によって結晶粒の大きさを配線
幅（０，８μｍ）よりも小さくした場合のストレスマイ
グレーションによる配線寿命の変化を示す。第７図から
明らかなように、Ｍｇを添加して結晶粒を小さくしたも
の程安定度が高く、結晶粒径が配線幅よりも大きなもの
ではストレスマイグレーション寿命が短い。

この理由は、ストレスマイグレーションによる断線は引
張応力に起因するＡＩ原子の粒界拡散によって起こるが
、配線幅と結晶粒径が同程度になると一ケ所で粒界拡散
が起こるとそれが配線の断線につながる確率が高くなる
ためだと考えられる。

なお、結晶粒を微細化する効果はＭｇの他に、Ｌｉ。

Ｂｅ、　Ｍｎ、　Ｆｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｃｕ、　Ｌ
ａ、　Ｃｅを各々添加した場合にも得る事ができる。こ
のように結晶粒径が１μｍよりも小さくなる理由として
は本発明の熱処理のうち析出処理後、アニール温度で短
時間再加熱することにより、ＡＩ基地の再結晶が起こる
ためだと考えられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、耐食性、耐エレクトロマイグレーショ
ン性、耐ストレスマイグレーション性ともに優れ、かつ
１μｍ以下の配線パターンに容易に加工できる半導体用
配線膜が得られる。その結果、樹脂モールドあるいはセ
ラミクスモールドの半導体素子の高密度、微細配線パタ
ーンに適用でき、半導体装置の信頼性の向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の実施例の構造を示
した断面図、第３図は本発明の効果による耐エレクトロ
マイグレーション性を示す図、第４図は本発明による配
線の微細組織を示す図、第５図はドライエツチングパタ
ーンの加工精度を示す図、第６図は本発明の効果による
耐ストレスマイグレーション性を示す図、第７図は本発
明の実施例の構造及びストレスマイグレーション性の関
係を示した図である。 ■・・・半導体基板、２・・・拡散層、３・・・絶縁物
、４・・・Ａ１合金配線、５・・・基板と配線とのコン
タクト、６・・・パンシベーション膜、７・・・ポンデ
ィングパッド、８・・・ボンディングワイヤ、９・・・
結晶粒界。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、集積回路基板上に配線膜を有する集積回路装置にお
   いて、配線膜がパラジウムまたはプラチナを５重量％未
   満、かつ、リチウム、ベリリウム、マグネシウム、マン
   ガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ランタンおよびセ
   リウムのうち少なくとも１種を５重量％未満含み、残部
   がアルミニウム或いはアルミニウム及びシリコン３重量
   ％未満よりなることを特徴とする集積回路装置。 ２、配線膜中に添加した元素のうちパラジウムまたはプ
   ラチナがアルミニウム金属間化合物を形成し、粒径０．
   ３μｍ以下の析出物をアルミニウムの結晶粒界に分散し
   ており、一方、リチウム、ベリリウム、マグネシウム、
   マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ランタンおよ
   びセリウムのうちの少なくとも１種はアルミニウム基地
   に固溶していることを特徴とする請求項１記載の集積回
   路装置。 ３、パラジウムまたはプラチナのアルミニウムとの金属
   間化合物からなる析出物の他に、粒径０．３μｍ以下の
   リチウム、ベリリウム、マグネシウム、マンガン、鉄、
   コバルト、ニッケル、銅、ランタンおよびセリウムのう
   ちの少なくとも１種の析出物が粒界あるいはアルミニウ
   ム基地内に析出していることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の集積回路装置。 ４、請求項１項乃至３項のいずれかの項記載の集積回路
   装置において、配線膜と外部端子のリードフレームとの
   接続材料が、銅、アルミ、金のいずれかで構成されてい
   ることを特徴とする集積回路装置。 ５、請求項１記載の配線膜を、４００〜５００℃で１０
   分間以上アニール熱処理を行い、添加元素をアルミニウ
   ム基地中に固溶させた後、半導体基板ごと１０℃／ｓｅ
   ｃ以上の速度で急冷し、過飽和固溶体とし、次に合金配
   線を基板ごと３５０℃以下の温度で２０〜６０分間析出
   熱処理することによって過飽和固溶体元素を微細な化合
   物として析出させ、更に析出した化合物のうちパラジウ
   ム又はプラチナ、シリコン以外の元素をアルミニウム基
   地中に再固溶させるためアニール温度で１０分以内の再
   固溶熱処理を行うことを特徴とする請求項１又は２記載
   の集積回路装置の製造方法。 ６、パラジウムまたはプラチナを５重量％未満、かつ、
   リチウム、ベリリウム、マグネシウム、マンガン、鉄、
   コバルト、ニッケル、銅、ランタンおよびセリウムのう
   ち少なくとも１種を５重量％未満含み、残部がアルミニ
   ウム或いはアルミニウム及びシリコン３重量％未満より
   なる集積回路装置における配線膜を製造するためのター
   ゲット。