JPS62240736A

JPS62240736A - 半導体配線材料用ｂ、ｃ含有アルミニウム合金

Info

Publication number: JPS62240736A
Application number: JP8218486A
Authority: JP
Inventors: Susumu Sawada; 沢田　進; Osamu Kanano; 治叶野
Original assignee: Nippon Mining Co Ltd
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1986-04-11
Publication date: 1987-10-21

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，各構成索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。

薄膜金属配線として現在Ａｌ蒸着膜が多く用いられてい
る。これはＡｔ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（Ｓ　ｉ　Ｏ２）との密着性が
良い。

（ｄ）化学的に安定でＳ　ｉ　Ｏ２と反応しない。

（ｅ）フォトレジスト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、ＡＩ配線膜の欠点としては、（ａ）エレクト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Ａ　
Ｉ　Ｊ７に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
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。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、Ｔｉ、Ｚｒｔ　Ｈｆｔ　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Ｂ及び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、Ｃｏｔ　Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓ
ｎ、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ＪＭ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、この知見にノにづ
いて本発明をなすに至った。

［発明の構成コすなわち、本発明は、（１）　Ｃｕ　ｖ　Ｃｏ　ｇ　Ｍ　ｎ　ｓ　Ｎ　ｉｖ　
Ｓ　ｎ　Ｔ　Ｉ　ｎ　ｔ　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０．０００
１〜０．０２ｗｔ％、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、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％。

１３　０．００２〜０．５ｗｔ％、Ｇ　　Ｏ，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Ｂ、Ｃ含有アルミニウム合金　　　　
　　　及び（２）Ｃｕ、Ｇｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉ　ｎ、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。

８　０．００２〜０．５ｗｔ％、Ｇ　　Ｏ，００２〜０
．５ｗｔ％、　　Ｓｉ　　　０．　５−４．　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
Ｂ、Ｃ含有アルミニウム合金を提供する。

［発明の効果］本発明のＢ、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］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Ｍ　ｅ　Ｂ　ｘ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。Ｃの添加量が０．００２ｗｔ％未滴の場合は前記配
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
加にを０．００２−０．５ｗｔ％とする６Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、’ｌ’ａ、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Ｍ
　ｅ　Ｂ　ｘ又はＭｅＣｘ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、０．０２
ｗｔ％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　ｌ　−Ｍ　ｅ　−Ｂ　
−Ｃ−Ｍ合金に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−３ｉ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％）Ａｔ或いは高純度Ｎ）９．’９
９９ｗｔ％）Ｓｉを溶解したＡｌ−Ｓｉ合金に、Ｔｉ、
Ｚｒｔ　Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂｔ　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、高純度（９９，９５ｗｔ％）の結晶Ｂと、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種類共ぷの合金元素Ｍと、ＣをＡ
ＩＣ，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ット板とすること
ができる。このようにして作成されたターゲラ１〜板は
上記の鋳造の際にＭｅ、Ｂ及びＣの一部がＭ　ｅ　１３
　ｘ及びＭ　ｅ　Ｃｘとなって、このＭ　ｅ　Ｂ　Ｘ及
びＭ　ｅ　Ｃｘ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及び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、Ｂ及びＣがＭ　ｅ　Ｂ　ｘ及びＭ　ｅ　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　Ｂ　ｘ及び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、９９９ｗ　ｔ％）Ａｌ又は高純度Ａｌ−
５ｉ合金、高純度（９９，９５ｗｔ％）の結晶Ｂ、高純
度（９９，９５ｗｔ％）のＡＩＣ及びＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ
、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＠　Ｍ　ｅ及びｃｕ、ｃｏ、Ｍｎ。

Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、ΔＵ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、所定の鋳型へ鋳造した。Ｕ造林はそのまま機械
加工により切削、研磨して所定の形状にしスパッタリン
グ用ターゲッ１〜板とした。

上記ターゲラ１〜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１漠を
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ｌＸ１０’　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、Ａｔ−ＣＵ介金
及びＡ　ｌ　−Ｃｕ　−Ｓ　ｆ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−
Ｃ：ｕ合金及びＡ　ｌ　−Ｃｕ　−Ｓ　ｉ合金に比較し
て、本発明のＡｌ−Ｍｅ−Ｂ−Ｃ−Ｍ合金及びＡｌ−８
ｉ−ＭｅＡｌ−８ｉ−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　−Ｂ　−Ｃ−Ｍ合金・及びＡ　
１−　Ｓ　ｉ　−Ｍ　ｅ　−Ｂ−Ｃ−Ｍ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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims

【特許請求の範囲】

（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％Ｂ０．００２〜０．５ｗｔ％、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Ｂ、Ｃ含有アルミニウム合金。
（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、ＣｒＭｏ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％、Ｃ０．
００２〜０．５ｗｔ％、Ｓｉ０．５〜１．５ｗｔ％、残
部Ａｌ及び不可避的不純物からなる半導体配線材料用Ｂ
、Ｃ含有アルミニウム合金。