JPH0239535A - 半導体集積回路装置 - 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、半導体集積回路装置の高信頼性配線に関する
。

〔従来の技術〕

従来、集積回路装置の配線で、銅添加のアルミニウムが
、例えば、米国特許第３７２５３０９号に記載のように
、エレクトロマイグレーション、即ち、電気移動に起因
する配線の断線不良を回避するために用いられてきた。

この米国特許によれば、エレクトロマイグレーションの
問題を回避するため、アルミニウムに０．１〜５重量％
の銅を添加する。これにより、ＡＱ２Ｃｕ粒子の析出構
造を形成し、これがＡＱ基地の粒界及び粒界三重点に介
在し、ＡＱ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伸ばすことができ
る。

しかし、近年、集積回路装置の高密度化に伴い、配線幅
が狭くなり、その幅は１μｍ以下となってきている。そ
のため、配線の結晶粒界構造がバンブー構造となり、エ
レクトロマイグレーションの起こりやすい粒界三重点が
なくなり、エレクトロマイグレーションには耐え得るよ
うになってきた。

一方、粒界構造がバンブー構造となることにより、パッ
シベーション膜から受ける引張り応力により配線が切れ
る、ストレスマイグレーションの問題が重要となってき
たが、上記特許はそれについて考慮されておらず、スト
レスマイグレーションによる故障が発生するという欠点
がある。

又、半導体装置の作成プロセスにおける熱処理において
十分に考慮がなされておらず、材料の特性を十分に生か
しきっていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、アルミニウムに銅を添加することによ
ってアルミニウム配線膜の耐エレクトロマイグレーショ
ン性については考慮がなされておらず、ストレスマイグ
レーションにより断線するという問題があった。

本発明の目的は、アルミニウム配線膜の耐エレクトロマ
イグレーション性、及び、耐エレクトロマイグレーショ
ン性に優れた配線材料、及び、半導体作製法を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、まず、アルミニウム配線膜中に、Ｃａ、Ｃ
ｅ、Ｌａ、Ｍｎを０．５〜１　原子％添加し、それにバ
ターニング加工をドライエツチング、又は、ウェットエ
ツチングにより施こした後。

４００〜５００℃で１０分間の焼鈍を行う。これにより
、配線の粒界構造がバンブー構造となり、耐エレクトロ
マイグレーション性が向上する。

さらに、この時、添加合金成分はすべて固溶している。

この状態の試料を５０〜２００℃／ｍｉｎの冷却速度で
冷却することにより、添加合金成分の一部をアルミニウ
ムの化合物として、粒界の２０％以上に、０．３μｍ以
下の析出物として析出させる。そして、残りの添加合金
成分は、アルミニウムマトリックス中に強制固溶体とし
て固溶させる。このような微細組識状態にすることによ
り、耐ストレスマイグレーション性を向上させる。

〔作用〕

アルミニウム配線膜中に、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａ＋Ｍｎを０
．５〜１原子％添加し、パターンユング後、４００〜５
００℃で１０分間以上焼鈍する。

これにより、結晶粒径が３μｍ以上に成長するので、配
線の粒界構造はバンブー構造となる。又、この温度範囲
では、これらの添加合金成分は、アルミニウムマトリッ
クス中にすべて固溶してしまい、アルミニウム結晶粒の
成長を妨害する析出物がないので、容易にバンブー構造
となる。このようにしてアルミニウム合金配線をバンブ
ー構造にすることで粒界三重点を消滅させると、一般に
、エレクトロマイグレーションは１粒界三重点より始ま
るので、耐エレクトロマイグレーション性が向上する。

このようにしてバンブー構造にしたアルミニウム合金配
線を、４００〜５００℃の温度から５０〜ｂ 以下まで冷却する。このように冷却速度を制御すること
で、添加元素の一部を強制固溶体としてアルミニウムマ
トリックス中に残し、残りの添加元素を０．３μｍ以下
のアルミニウムとの化合物として粒界に析出させる。

このようにして、結晶粒界の２０％以上に析出物を存在
させておくと、ストレスマイグレーションによる断線は
、析出物の存在する粒界では起こらず析出物のない残り
の粒界より起こるので、断線の発生可能箇所を少くでき
る。冷却速度が本技術の範囲より速すぎると、添加元素
はすべて固溶体となってしまうので、析出物が存在せず
、断線の発生可能箇所が多くなり、その結晶ストレスマ
イグレーションによる断線が発生しやすくなる。

次に、一部の添加元素を固溶させておくことにより、ア
ルミニウムマトリックス中よりストレスマイグレーショ
ンの起っている間に析出する成分を残こしておく。これ
により、ストレスマイグレーションにより、ノツチ、又
は、スリットが入り断線が始まると、ノツチ先端やスリ
ット先端では、応力集中により応力が高まり、歪が局所
的に増大すると、その歪を解消しようとして、添加元素
が集まり、この結果、析出が起こる。そのため、断線の
進行はそこで止められるため、ストレスマイグレージョ
ンによる破断寿命が延びる。これに比べ冷却速度がおそ
いと、アルミニウムマトリックス中に添加元素が十分に
残っておらず、ストレスマイグレーションによる断線が
始まっても析出するための添加元素が残っていない。

又、本発明における添加元素はすべて一原子あたり西原
子ないしそれ以上のアルミニウム原子を伴って析出する
ため、わずかの量を添加するだけで、多くの析出物が得
られ効果的である。

このような作用により、耐ストレスマイグレーション性
を改善できる。

〔実施例〕

以下１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、Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ基板等）、２は拡散層、３はコンタクトホール
を形成した絶縁物（例えば、厚さ０．１−０．５μｍの
５ｉＯｚ膜、及び、ＰＳＧ膜）、４は鈍ＡＱ、又は、Ｓ
ｉ入りＡＱにＣａ、Ｃｅ。

Ｌａ、Ｍｎのうち少くとも一種類を０．５〜１　原子％
添加したアルミニウム合金配ｍ（ＣＶＤ。

ＥＢ蒸看、スパッタ法等により、厚さ０．５〜１μｍ堆
積させる。）アルミニウム合金配線４は、拡散層２とコ
ンタクトホール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Ｓｊ、Ｏｘ、あるいは、ＰＳ
Ｇ、ＰＩＱ膜）で、ポンディングパッド部７で、ボンデ
ィングワイヤ８（金線、あるいは、アルミニウム、銅線
）と接続されている。

第２図は、本発明の効果のうち、Ｃａ、Ｃｅ。

Ｌａ、Ｍｎを添加した時の効果を示すものである。

従来技術であるＡＱ−１重量％Ｓｉ、ＡＱ−０，５重量
％Ｃｕ−１重量％Ｓｉ、及び、本発明であるＡＭ−１原
子％Ｃａ　−１重量％Ｓｉ、ＡＱ−１原子％Ｃｅ−１重
量％Ｓｉ、ＡＱ−１原子％Ｌａ−１重量％Ｓｉ、ＡＱ−
０，７ｙＫ子％Ｍａ−１重量％Ｓｉの各試料を、パター
ン形成後、４５０℃で３０分アニールし、７０℃／ｌ１
ｉｎの冷却速度で冷却したもののストレスマイグレーシ
ョン試験結果である９　（破断時間は、サンプル半数が
断線した時間で定義する。）第２図よりわかるように、
ＡＱ−１重量％Ｓ１、及び、ＡＱ、−０，５重量％Ｃｕ
−１重量％Ｓｉに比べ、本発明のアルミニウム合金配線
の方が寿命が長い。

この理由を次に述べる。ＡＱ−１重量％Ｓｉの場合、ス
トレスマイグレーション中に析出すべき添加元素がない
ので、断線寿命が短かい。

ＡＱ−Ｃｕ−３ｉの場合ストレスマイグレーション中に
析出すべき添加元素は存在するが、Ｃｕは、ＡＱとＡＱ
ｚＣｕ　　という化合物を作り、−個のＣｕ原子あたり
二個しかＡＱ原子と結合せず、又、ストレスマイグレー
ション試験温度である１５０°Ｃ程でも、０．２％程度
ＡＱ中に固溶するので、添加元素量のわりに析出物が少
ない。そのため、ストレスマイグレーション中に析出す
る化合物量が不十分となり、断線寿命が短かい。これら
に比し、本発明ではストレスマイグレーション中に析出
すべき多くの添加元素が残っている。

第３図は、ＡＱ−０，７原子％Ｍ　ｎ　−１重量％Ｓｉ
の試料を、パターン形成後４５０℃で３０分焼鈍後、各
冷却速度で冷却した試料のストレスマイグレーション試
験結果である。（破断時間は、試験サンプルの半数が断
線した時間で定義する。）本図よりわかるように、冷却
速度は速過ぎても、遅過ぎてもいけない。

その理由を以下に示す。第４図、第５図は、ストレスマ
イグレーション試験前と試験後における、１００　”Ｃ
／ｍｉｎで冷却した試料を透過電子顕微鏡により観察し
た結果の模式図である。第４図より明らかなように、１
００℃／ｍｉｎで冷却した試料は、ストレスマイグレー
ション試験前にもわずかに析出物が見られ、これにより
破断の起こり得る場所を制限しているのがわかる。さら
に、ストレスマイグレーション後には、第５図よりわか
るように、析出物の密度がストレスマイグレーション前
に比べて高くなっており、さらに、切り欠きの入ってい
る所の先端に析出物が見られた。このことかられかるよ
うに、この程度の冷却速度で冷却すると、ストレスマイ
グレーションにより断線しようとする所に析出物が析出
していくことがわかリ、この析出により断線が防止され
る。

それに比べ、冷却速度が遅過ぎる５℃／ｍｉｎの場合、
ストレスマイグレーション試験前と試験後で析出物の密
度に変化がない。その様子を第６図、第７図に示す。第
６図は５℃／ｍｉｎで冷却した試料のストレスマイグレ
ーション試験前の試料の透過電子顕微鏡ｉ察結果の模式
図で、すでに析出物が大きく析出してしまっているのが
わかる。

第７図は、ストレスマイグレーション試験後の透過電子
顕微鏡ｌ！察結果の模式図で、ストレスマイグレーショ
ン試験前に比べ析出物密度がかわっておらず、これら両
図より、ストレスマイグレーションで発生した切り欠き
は阻止されることなく断線にいたってしまう。

次に、冷却速度が３００℃／ｍｉｎと速過ぎる場合を説
明する。第８図、第９図は、冷却速度３００”Ｃ／ｍｉ
ｎの試料のストレスマイグレーション試験前と試験後の
透過電子顕微鏡の観察結果である。第８図よりわかるよ
うに、ストレスマイグレーション試験前には添加元素は
すべて固溶しているのがわかる。

第９図は、ス１−レスマイグレーション後の透過電子顕
微鏡観察結果である。切り欠きの生成している所に析出
物が析出しており、断線を阻止しているのがわかるが、
析出物の密度は１００°Ｃ／ｍｉｎで冷却し、ストレス
マイグレーション試験を施こした後の試料（第５図）の
場合に比べて低く、又。

切り欠きの先端に析出物のない切り欠きもあり、これが
さらに成長していき断線にいたる可能性がある。

このように、耐ストレスマイグレーション性を改善する
冷却速度には範囲があり、それは５０〜２００’Ｃ／ｍ
ｊｎであることがわかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、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た半導体用配線
膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図及び第３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
の説明図、第４図及び第５図は本発明による配線のスト
レスマイグレーション試験前、試験後の微細組織図、第
６図ないし第９図は、各々本発明に合致しない場合の試
料のストレスマイグレーション試験前、試験後の微細組
織を示す図である。 １・・・半導体基板、２・・拡散層、３・・絶縁物、４
ＡＱ合金配線、５・コンタクトホール、６・・パッシベ
ーション膜、７・・ポンディングパッド、８ボンデイン
グワイヤ、９・・・結晶粒界、１ｏ・・・析出第１図 第２図 記験温戻 ｔｓｏ’ｃ 第３図 枳析 Ａノーｌ矛５Ｌ−Ｑ７か旭 試、験償屓 １５０°Ｃ 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に配線膜をもつ半導体装置において、 前記配線膜の、純アルミニウム、又は、シリコンを３重
   量％未満含むアルミニウム合金に、カルシウム、セリウ
   ム、ランタン、マンガンを０．５〜１原子％添加するこ
   とを特徴とする半導体集積回路。 ２、特許請求の範囲第１項において、 アルミニウム合金配線のパターニング加工をドライエッ
   チング、又は、ウェットエッチングにより施こした後、
   ４００〜５００℃で５分間以上焼鈍を施こした後、５０
   〜２００℃／ｍｉｎの冷却速度で基板ごと、少なくとも
   ２００℃以下まで冷却することを特徴とする半導体集積
   回路装置。