JPH0448854B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明はMOS型半導体の各電極の接続配線な
どに用いる半導体薄膜配線材料に関する。 ［従来の技術］ 半導体集積回路は近年急速に発展し、その機能
の拡大とともに、各構成素子間を電気的に相互接
続する薄膜金属配線はさらに微細化、高密度化の
傾向にある。 薄膜金属配線材料として現在Al蒸着膜が多く
用いられている。これはAlが (a) シリコンとのオーミツク接触が容易に得られ
る。 (b) 真空蒸着で導電性の良い膜となる。 (c) シリコンの酸化膜（SiO₂）との密着性が良
い。 (d) 化学的に安定でSiO₂と反応しない。 (e) フオトレジストによる加工が容易である。 (f) リードボンデイング性が良い。 など総合的にみて有利であると考えられているか
らである。蒸着用Al合金としては通常Al−1wt％
Si合金が用いられている。 ［発明が解決しようとする問題点］ 一方、Al配線膜の欠点としては、 (a) エレクトロマイグレーシヨンを起こし電流密
度が10⁶A／cm²以上になると断線する。スパツ
タリングや真空蒸着の際に特に段差のあるとこ
ろでは均一な厚さに成膜させることは難しく、
第１図に示すように部分的に薄い所３ができる
とその部分の電流密度が高くなるために上記の
エレクトロマイグレーシヨンが発生し、その部
分から断線することがある。 (b) ヒロツクと呼ばれる突起が発生し、近接配線
間（多層配線間の場合は層間）での短絡を起こ
す。 などがある。 ［問題点を解決するための手段］ エレクトロマイグレーシヨンとは、高電流密度
下でAl原子が電子と衝突することにより運動エ
ネルギーを得て電子の動く方向に移動するため
に、Al原子の移動した跡に原子空孔（ボイド）
が発生し、この結果配線の断面積が減少し電流密
度がさらに大きくなり、ジユール熱などによる温
度上昇が生じて、ボイドの成長がますます加速さ
れ、ついには断線に至る現象である。このAl原
子の移動は通常Alの結晶粒界を伝わる粒界拡散
によつて起こり粒界を何らかの析出物でふさいで
しまえば粒界拡散が起こり難くなりエレクトロマ
イグレーシヨンによるボイドの発生及び成長を防
止することができる。 次にヒロツクは上記エレクトロマイグレーシヨ
ンにより移動したAl原子が表面へ突起するもの
である。これを防ぐにはボイドと同様、粒界を何
らかの析出物でふさいで粒界拡散が起こり難くす
ることが有効である。 以上のようにエレクトロマイグレーシヨンによ
るボイドやヒロツクを防ぐには粒界に何らかの元
素を析出させて粒界拡散を抑制することが有効と
考えられる。粒界への析出を起こす合金元素はい
くつかあるが、母相への溶解度が大きい元素は
Al合金の電気抵抗を上げてしまうため使用でき
ない。従つて、本発明者らは合金元素について鋭
意研究を重ねた結果、Hf、Nb、Ta、Mo及びＷ
からなる群より選ばれた１種類又は２種類以上の
合金元素MeをＢと一緒に添加すると粒界拡散抑
止効果が大きいことを見いだし、この知見に基づ
いて本発明をなすに至つた。このことはMeとＢ
との化合物であるMeBx粒子が粒界拡散抑止に寄
与しているためであると考えられる。 ［発明の構成］ すなわち、本発明は、 (1) Hf、Nb、Ta、Mo及びＷからなる群より選
ばれた１種類又は２種類以上の合金元素を
0.002〜0.7wt％、B0.002〜0.5wt％、残部Al及
び不可避的不純物からなることを特徴とするス
パツタリング又は真空蒸着により被覆される半
導体薄膜配線材料、及び (2) Hf、Nb、Ta、Mo及びＷからなる群より選
ばれた１種類又は２種類以上の合金元素を
0.002〜0.7wt％、B0.002〜0.5wt％、Si0.5〜
1.5wt％、残部Al及び不可避的不純物からなる
ことを特徴とするスパツタリング又は真空蒸着
により被覆される半導体薄膜配線材料を提供す
る。 ［発明の効果］ 本発明のＢ含有Al合金はエレクトロマイグレ
ーシヨンの防止、ヒロツクの形成の防止に有効で
あり、半導体集積回路の配線材料として極めて優
れた材料である。 ［発明の具体的説明］ 本発明の合金はスパツタリング又は真空蒸着に
より半導体装置の薄膜配線材料として用いられ
る。 本発明の合金組成のＢの添加量が0.002wt％未
満の場合は前記配線材料であるAl又はAl−Si合
金に完全に固溶してしまいMeBxが析出せず、ま
た0.5wt％を超えると配線の電気抵抗が大きくな
り好ましくないので添加量を0.002〜0.5wt％とす
る。Hf、Nb、Ta、Mo及びＷからなる群より選
ばれた１種類又は２種類以上の合金元素Meの添
加量が0.002wt％未満の場合は前記配線材料であ
るAl又はAl−Si合金に完全に固溶してしまい
MeBxが析出せず、また0.7wt％を超えると配線
の電気抵抗が大きくなり好ましくないので添加量
を0.002〜0.7wt％とする。さらに好ましくは本発
明のAl−Me−Ｂ合金の薄膜配線材料にSiを添加
して半導体SiとAlの相互拡散を抑制することが
できる。Siの添加量が0.5％未満の場合はAl−Si
コンタクト部でのSiとAlの相互拡散の防止効果
が小さく、又、1.5wt％を超えると配線の電気抵
抗が大きくなり好ましくないので添加量を0.5〜
1.5wt％とする。 以上のアルミニウム合金からなる半導体薄膜配
線材料は通常高純度（99.999wt％）Al或いは高
純度（99.999wt％）Siを溶解したAl−Si合金に、
Hf、Nb、Ta、Mo及びＷからなる群より選ばれ
た１種類又は２種類以上の合金元素（以下これら
を「Me」という）と、高純度（99.95wt％）の結
晶Ｂを大気中で溶解鋳造し、次にこの鋳造材をそ
のまま機械加工して真空蒸着材又はスパツタリン
グ用ターゲツト板とすることができる。このよう
にして作成された材料上記の鋳造の際にMe、Ｂ
の一部がMeBxとなつて、このMeBxが核効果を
起こし、鋳造組織を微細化するとともに鋳造材に
残存するMe、Ｂが多いためにスパツタリング又
は真空蒸着による薄膜の均一性に非常に優れてお
り、さらにまた、この薄膜において前記のMe、
ＢがMeBxとなつて結晶粒界に析出しエレクトロ
マイグレーシヨンによるボイドやヒロツク形成の
防止に極めて有効に作用する。なお、鋳造材のか
わりに鋳造後所定の形状に加工しそれをさらに熱
処理してスパツタリング又は真空蒸着材とするこ
ともできる。この場合熱処理によつて再結晶化す
るとMeBxが析出して核効果により結晶が微細化
し、スパツタリング又は真空蒸着材の組織の均一
性が向上する。これによつて薄膜の均一性を向上
させることもできる。次に実施例について説明す
る。 ［実施例］ 高純度（99.999wt％）Al又は高純度Al−Si合
金、高純度（99.95wt％）の結晶Ｂ及びHf、Nb、
Ta、Mo、Ｗからなる群より選ばれた１種類又は
２種類以上の高純度金属Meを第１表に示す組成
に調整した後、高純度アルミナるつぼ内へ装入し
抵抗加熱炉で大気中で溶解した。溶解後、所定の
鋳型へ鋳造した。鋳造材はそのまま機械加工によ
り切削、研磨して所定の形状にしスパツタリング
用ターゲツト板とした。 上記ターゲツト板を用いてシリコン基板上に幅
６ミクロン、長さ380ミクロンのスパツタリング
蒸着膜を形成した。この薄膜の特性を調べるため
に温度175℃で連続して電流密度1X10⁶A／cm²の
電流を流した。その時の平均の故障発生に至る時
間（平均故障時間）を第１表に示す。同じく第１
表には比較例として純Al、Al−Cu合金及びAl−
Cu−Si合金についての試験結果も示す。 以上の第１表から明らかなように従来の純Al、
Al−Cu合金及びAl−Cu−Si合金に比較して、本
発明のAl−Me−Ｂ合金及びAl−Si−Me−Ｂ合
金からなる薄膜配線材料による蒸着配線膜の高
温、連続通電下における平均故障時間は大幅に改
善され、Al−Cu−Si合金の２倍以上となつてい
る。このように本発明のAl−Me−Ｂ合金及びAl
−Si−Me−Ｂ合金からなる薄膜配線材料はエレ
クトロマイグレーシヨンによるボイドやヒロツク
の形成の防止に有効であり、半導体集積回路用配
線材料として極めて優れた材料であることがわか
る。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図はシリコン基板上にAl配線膜を蒸着し
た部分の断面図である。 １：シリコン基板、２：Al配線膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Hf、Nb、Ta、Mo及びＷからなる群より選
   ばれた１種類又は２種類以上の合金元素を0.002
   〜0.7wt％、B0.002〜0.5wt％、残部Al及び不可
   避的不純物からなることを特徴とするスパツタリ
   ング又は真空蒸着により被覆される半導体薄膜配
   線材料。 ２ Hf、Nb、Ta、Mo及びＷからなる群より選
   ばれた１種類又は２種類以上の合金元素を0.002
   〜0.7wt％、B0.002〜0.5wt％、Si0.5〜1.5wt％、
   残部Al及び不可避的不純物からなることを特徴
   とするスパツタリング又は真空蒸着により被覆さ
   れる半導体薄膜配線材料。