JPS62240737A

JPS62240737A - 半導体配線材料用ｂ、ｎ含有アルミニウム合金

Info

Publication number: JPS62240737A
Application number: JP8218586A
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】［産業上の利用分野コ本発明は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Ｗｔ暎金
金属配線さらに微細化、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ＡＩ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（ＳｚＯｚ）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。蒸着用人１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ョンを起こし電流密度が
１０″Ａ／ａｍ２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ノ
リさに成膜させることは雉しく。

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、ＡＬＪ！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りエレク１−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　Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
ｂ、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Ｎ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を夕景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、この知見にノルづいて
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、Ｃｏ、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％、’ｌ’ｉ、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＣｒｔＭＯ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％。

Ｂ　　０．００２〜０．５ｗｔ％、Ｎ　　０．００２〜
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、Ｎ含有アルミニウム合金　　　　
　　　及び（２）Ｃｕ、Ｃｏ、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％ｔ　Ｔｉ、Ｚ
ｒ、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０．００２〜０．７ｗｔ％。

１１　０．００２〜０．５ｗｔ％、Ｎ０．Ｏ０２−０，
５ｗヒ％、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、Ｎ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、Ｎ含有アルミニウム合金はエレン１−ロマ
イグレーシヨンの防止、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　ａ　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。Ｎの添加量が０．００２ｗｔ％未満の場合は前記配
線材料であろＡ［又はＡ　Ｉ　−Ｓ　ｉ合金に完全に固
溶してしまいＭ　ｅ　Ｎ　ｘが析出せず、また０、５ｗ
ｔ％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０．００２ｗし％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　Ｂ　ｘ又はＭｅＮｘ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
ン１−ロマイグレーシヨンの防止に効果がなく、０．０
２ｗｔ％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ＡＩ−Ｍｅ−Ｂ　　Ｎ−
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ｌ−合金は通常高純
度（９９，９９９ｗｔ％）Ａｌ或いは高純度（９９，９
９９ｗｔ％）Ｓｉを溶解したＡｌ−Ｓｉ合金４Ｃ，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Ｍ
ｅ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種類以上の合金元素Ｍと、ＮをＡ
ＩＮ、ＳｉＮ及びＭ　ｅ　Ｎ　ｘなどとして、大気中で
溶解鋳造し１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、Ｂ及びＮの一部がＭ　ｅ　Ｂ　ｘ
及びＭ　ｅ　Ｎ　ｘとなって、このＭ　ｅ　Ｂ　ｘ及び
Ｍ　ｅ　Ｎ　ｘ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Ｎ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ＮがＭ　ｅ　Ｂ　ｘ及びＭ　ｅ　Ｎ　ｘ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
りに鋳造板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　Ｎ　ｘ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Δ１−３
ｉ合金、高純度（９９，９５ｗｕ％）の納品Ｂ、高純度
（９９，９５ｗｔ％）のＡＬＮ及び１’ｉ、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
の高純度金属Ｍｅ及びＣｕ、Ｃａｎ　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、所定の訪型へ鋳造した。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°Ｃで
連続して電流密度ｌＸｌ０’Ａ／ｃｍ”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金合
金びＡ　１．−　Ｃｕ　−Ｓ　ｉ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Ａ　Ｉ　−Ｃｕ　−Ｓ　ｉ合金に比較して
、本発明のＡ　ｌ　−Ｍ　ｅ　−Ｂ　−Ｎ　−Ｍ合金及
びＡｌ−８ｉ−Ａｌ−８ｉ−Ｍ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、Ａ　ｌ　−Ｃｕ　−Ｓ　ｉ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　−Ｎ　
−Ｍ合金及びＡｌ−５ｉ−ＭｅＡｌ−５ｉ−合金はエレ
ク１〜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

【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％、Ｎ０
．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、Ｎ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、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％、Ｎ０
．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、Ｎ含有アルミニウム合金。