JPS62240734A - 半導体配線材料用c含有アルミニウム合金 - Google Patents

半導体配線材料用c含有アルミニウム合金

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JPS62240734A
JPS62240734A JP8218286A JP8218286A JPS62240734A JP S62240734 A JPS62240734 A JP S62240734A JP 8218286 A JP8218286 A JP 8218286A JP 8218286 A JP8218286 A JP 8218286A JP S62240734 A JPS62240734 A JP S62240734A
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JP
Japan
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alloy
alloying elements
electromigration
wiring
wiring material
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Application number
JP8218286A
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English (en)
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Susumu Sawada
沢田 進
Osamu Kanano
治 叶野
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Eneos Corp
Original Assignee
Nippon Mining Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/52Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/522Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body
    • H01L23/532Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body characterised by the materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

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MO8型半導体の各電極の接続配線などに用い
る半導体配線材料用アルミニウム合金に関する。
[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簿膜金属
配線はさらに微細化、高密度化の傾向にある。
薄膜金属配線として現在A1蒸着膜が多く用いられてい
る。これはA1が (a)シリコンとのオーミッ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(Sin、)との密着性が良い
(d)化学的に安定でSin、と反応しない。
(e)フォトレジス1−による加工が容易である。
(f) リードボンディング性が良い。
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A1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、A1配線膜の欠点としては。
(a)エレク1−ロマイグレーションを起こし電流密度
が10@A/cm”以上になると断線する。スパッタリ
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
レーションが発生し、その部分から断線することがある
(b)ヒロッ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ョンとは、高電流密度下でA1
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、A1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、ジュール熱な
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A1原子
の移動は通常AIの結晶粒界を伝わる粒界拡散によって
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
散が起こり難くなリエレクトロマイグレーションによる
ボイドの発生及び)成長を防止することができる。
次にヒロックは上記エレクトロマイグレーションにより
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ョンによるボイド
やヒロッ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1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A1合金の電気抵抗を上げてしまうた
め使用できない。従って、本発明者らは合金元素につい
て鋭意研究を重ねた結果、T x e Z r I H
f g V * Nb、Ta、Cr、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Cと一緒に添加すると粒界拡散抑止効果が大きく、さ
らに従来から知られているエレクトロマイグレーション
の防止に効果のある金属元素であるCu。
Co、Mn、Ni、Sn、In、Au及びAg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Mを少
量添加すると粒界拡散抑止効果が一層大きくなり、エレ
クトロマイグレーション防止効果が高まることを見いだ
し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
[発明の構成] すなわち、本発明は、 (1)Cu、Co、Mn、Ni、Sn、InAu及びA
g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0.0001〜0.02wt%、Ti、Zr、H
f、V、Nb、Ta、Cr。
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%。
C0,002〜0.5wt% 、残部Al及び不可避的
不純物からなる半導体配線材料用C含有アルミニウム合
金       及び (2)Cu、Co、Mn、Ni、Sn、InAu及びA
g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0.0001〜0.02wt%、Ti、Zr、H
f、V、Nb、Ta、Cr。
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%。
C0,002〜0.5wt% 、Si0.5〜1.5w
t% 、残部Al及び不可避的不純物からなる半導体配
線材料用C含有アルミニウム合金を提供する。
[発明の効果コ 本発明のC含有アルミニウム合金はエレクトロマイグレ
ーションの防止、ヒロッ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。
[発明の詳細な説明コ 本発明の合金はスパッタリング又は真空蒸着により半導
体装置の配線材料として用いられる。
本発明の合金組成のCの添加量が0.002wt%未満
の場合は前記配線材料であるAI又はAl−Si合金に
完全に固溶してしまいM e Cx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。Ti、Zr。
Hf、V、Nb、Ta、Cr、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%未滴の場合は前記配線材料である
A1又はA 1− S i合金に完全に固溶してしまい
M e Cx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。また、Cu、Co、
Mn、Ni、Sn、In、Au及びAg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Mの添加量が
0゜0001wt%未満の場合は全くエレクトロマイグ
レーションの防止に効果がなく、0.02wt%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0.0001〜0.02wt%とする。さらに好ま
しくは本発明のA I −M e−C−M合金にSiを
添加して半導体SiとA1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−S
i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。
以上の半導体配線材料用アルミニウム合金は通常高純度
(99,999wt%)Al或いは高純度(99,99
9wt%)Siを溶解したAl−Si合金に、Tl、Z
r、Hfs Vr Nb+ Ta、Cr、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と、Cu、Co、Mn、Nip Sn、In、Au
及びAg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Mと、CをALC,SiC及びM e Cx
などとして、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ッタリング用タ
ーゲツト板とすることができる。このようにして作成さ
れたターゲツト板は上記の鋳造の際にMe、Cの一部が
M e Cxとなって、このMeCx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
、Cが多いためにスパッ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、CがM a Cxとなって結晶粒
界に析出し、エレクトロマイグレーションの防止に効果
のある金属元素Mの効果と相まって、エレクトロマイグ
レーションによるボイドやヒロック形成の防止に極めて
有効に作用する。なお、鋳造材のかわりに紡造後所定の
形状に加工しそれをさらに熱処理してスパッタリング又
は真空蒸着材とすることもできる。この場合熱処理によ
って再結晶化するとM e Cxが析出して核効果によ
り結晶が微細化し、スパッタリング又は真空蒸着材の組
織の均一性が向上する。これによっ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−S
i合゛金、高純度(99,95wt%)のAIG及びT
i、Zr、Hfs V、Nb、Ta。
Cr、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NXM a及びCu、Go。
Mn、Ni、Sn、In、Au及びAg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Mを第1表に
示す組成に調整した後、高純度アルミするつぼ内へ装入
し抵抗加熱炉で大気中で溶解した。溶解後、所定のu型
へ鋳造した。vJ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ッ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ミクロンのスパッ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1x10’ A / c m”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AlCu−5i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A1、Al−
Cu合金及びA l −Cu −S i合金に比較して
、本発明のA 1− M e −C−M合金及びAI−
5i−Al−5i−合金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−8i合金の2倍以上となっている。このように本
発明のAl−M、e−C−M合金及びAl−8i−Al
−8i−合金はエレクトロマイグレーションによるボイ
ドやヒロッ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。
以下余白
【図面の簡単な説明】 第1図はシリコン基板上にA1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 (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)Cu、Co、Mn、Ni、Sn、In、Au及び
    Ag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0.0001〜0.02wt%、Ti、Zr、
    Hf、V、Nb、Ta、Cr、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0.00
    2〜0.7wt%、C0.002〜0.5wt%、残部
    Al及び不可避的不純物からなる半導体配線材料用C含
    有アルミニウム合金。
  2. (2)Cu、Co、Mn、Ni、Sn、In、Au及び
    Ag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0.0001〜0.02wt%、Ti、Zr、
    Hf、V、Nb、Ta、Cr、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0.00
    2〜0.7wt%、C0.002〜0.5wt%、Si
    0.5 〜1.5wt%、残部Al及び不可避的不純物からなる
    半導体配線材料用C含有アルミニウム合金。
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