JPH0949041A - 半導体配線材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐ＥＭ性に優れると共に電気抵抗率が低く、
且つ生産性を低下させることもなく、近年における半導
体デバイスの高集積化に伴う配線幅の狭隘化等の情勢に
も対応することのできる新規な半導体配線材料を提供す
る。 【解決手段】 Ｔａを０．００３ａｔ％以上０．１ａｔ
％未満含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる
半導体配線材料である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路
（ＭＯＳ型半導体デバイス等）の各電極、および各電極
間の接続配線などに好適に用いられる半導体配線材料に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイス（Ｓｉウェハ上に
素子を形成する半導体装置）の急速な小型化・高密度化
に従って半導体集積回路も微細化されていく傾向にあ
る。上記半導体デバイスの集積回路に用いられる電極・
配線材料としては、薄膜状のＡｌ系金属材料が主に使用
されており、該材料は大別して、純Ａｌと、Ｓｉまたは
Ｃｕを含有するＡｌ基合金に分けられる。

【０００３】この様にＡｌ系金属材料が電極・配線材料
に繁用されている理由としては、安価で高純度の材料
が入手できる、電気抵抗率が低い、Ｓｉと良好なオ
ーミックコンタクトを形成できる、フォトレジストと
の選択比が高く微細加工が容易である、耐食性が良好
である、等の点が挙げられる。

【０００４】上記Ａｌ系金属配線材料における最大の課
題は、エレクトロマイグレーション（以下、ＥＭと略記
する）の発生を如何に防止することができるか（即ち、
耐ＥＭ性を向上させる）ということである。ここでＥＭ
とは、高電流密度下において、Ａｌ原子が電子との摩擦
により運動エネルギーを得て電子の移動方向に移動する
現象を意味し、その結果、配線間にボイド（原子空孔）
が発生して電気抵抗率の増加を招くと共に、このボイド
が成長して遂には断線に至らしめるものである。

【０００５】一般にＡｌ系金属配線の場合、Ａｌは多結
晶組織を有しているので、実操業レベルでの温度（室温
〜１５０℃）におけるＡｌ原子の移動は、Ａｌの結晶粒
界を伝わる粒界拡散が支配的である。従って、Ａｌ原子
の主な拡散経路である粒界を析出物等によってふさぐ
（覆う）ことは、耐ＥＭ性を向上させるうえで有用な手
段であると考えられる。

【０００６】この様な観点に立って、ＥＭ現象によるボ
イドや断線等の問題を回避すべく開発されたのがＳｉや
Ｃｕを含有するＡｌ基合金配線材料である。即ち、Ａｌ
中に添加したＳｉやＣｕが粒界中に金属間化合物として
析出し、Ａｌ原子の粒界拡散経路をふさぐというもので
ある。

【０００７】しかしながら、上記の考え方によれば、Ｅ
Ｍ現象を完全に防止するには、母相である多結晶Ａｌの
全ての粒界を析出物で覆う必要があるが、現実には、そ
の様な組織制御を厳格に行うことは極めて困難であっ
て、全ての粒界を析出物で覆うとなると多量の合金元素
の添加が必要になり、そうすると高Ａｌ合金配線では電
気抵抗率が上昇するという不具合を生じる様になる。即
ち、一般に金属は合金化によって抵抗値が増加する傾向
にあるが、一方、近年の半導体装置の高集積化に伴う配
線の微細化（配線幅の狭隘化）により電気抵抗率の許容
上限値は益々低くなってきており、配線抵抗としては約
３．５μΩ・ｃｍ以下にすることが望まれている。従っ
て、上述した多量の合金元素の添加は、この様な配線抵
抗値の低減化という半導体配線材料における最近の要求
特性に反するものである。

【０００８】そこで、母相であるＡｌへの溶解度が小さ
く且つＡｌ合金の電気抵抗率をあまり高めることのない
合金元素を用いた半導体配線材料が特開昭６２−２３５
４５１号に開示されている。具体的には、Ａｌ−Ｔｉ−
Ｂ−Ｍｅ（Ｍｅは、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｈ
ｆ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔａ，Ａｕ及びＡｇよりなる群から選
択される少なくとも１種の元素を意味する）からなる成
分組成を有する配線材料であり、上記Ｍｅで代表される
金属元素を０．０００１〜０．０２ｗｔ％含有するもの
である。即ち、これらの金属元素は、元々ＥＭに起因す
るボイドや断線の防止に有効なものとして知られてお
り、ＴｉおよびＢの添加によって形成される金属間化合
物ＴｉＢ₂ 粒子も同様に粒界拡散防止効果に優れること
から、両者を組合わせることにより粒界拡散防止効果を
一層高めようとするものである。しかしながら、この様
な材料によっても充分な耐ＥＭ性を得るには至っていな
い。

【０００９】その他、多層配線やイオン注入による配線
表面部の合金化（表面合金化配線）等も提案されてい
る。このうち多層配線は、中心部のＡｌ系合金材料の両
側（下層および上層）にＴｉやＷ等の高融点金属や高融
点窒化物、高融点シリサイド等を配置した積層構造を有
するものであり、この様な構成とすることによって、中
心部のＡｌ系合金配線が断線したとしても、下層や上層
の配線を通電させることにより断線故障を防止し、耐Ｅ
Ｍ性を向上させようとするものである。一方、表面合金
化配線とは、低抵抗配線材料に異種元素をイオン注入
し、該配線材料の表面部に耐ＥＭ性合金層を設けたもの
であり、これによって上記と同様の作用を発揮させるも
のである。

【００１０】しかしながら、多層配線では、その製造に
際し成膜を複数回行う必要があり、また下層と上層の組
合せによっては配線パターン形成のためのエッチングを
別工程で行う必要が生じ、製造工程数の増加や生産効率
の低下といった問題を招く。一方、表面合金化配線の場
合は、イオン注入という複雑なプロセスが必要であり、
しかも表面合金層の制御が難しいので、製造工程数の増
加や生産歩留まりの低下を招く等の問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みてなされたものであって、その目的は、耐ＥＭ性に優
れると共に電気抵抗率が低く、且つ生産性を阻害するこ
ともなく、近年における半導体デバイスの高集積化に伴
う配線幅の狭隘化等の情勢にも対応することのできる新
規な半導体配線材料を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
ができた本発明の半導体配線材料とは、Ｔａを０．００
３ａｔ％以上０．１ａｔ％未満含有し、残部がＡｌおよ
び不可避不純物からなるところに要旨を有するものであ
る。この様な配線材料は、ターゲット材として上記成分
組成からなるＡｌ基合金を用いたスパッタリング法によ
って作製することが好ましく、スパッタリング法を適用
することによって、後記する固溶強化によるＡｌ原子の
粒界拡散を効率よく抑制することができ、耐ＥＭ性を一
層高めることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】ＥＭに起因するボイドや断線等の
問題を回避する方法としては、上述したＡｌ原子の主な
拡散経路である粒界を析出物等によってふさぐ方法の他
に、固溶強化等によりＡｌ原子の粒界拡散を抑制する方
法が考えられる。即ち、Ａｌ合金中に固溶強化元素を添
加することによってＡｌ原子の粒界拡散を抑制してやれ
ば各拡散経路におけるＡｌの自己拡散活性化エネルギー
が高められ、結果的にＡｌ原子の拡散移動を抑えること
ができるというものである。

【００１４】この様な考えに基づいて本出願人は鋭意検
討を重ねた結果、上記固溶強化元素としてはＴｉおよび
Ｔａが有効であり、これらの元素を総量で０．１〜５ａ
ｔ％含有するＡｌ基合金からなる半導体装置材料は耐Ｅ
Ｍ性および耐食性に優れると共に、電気抵抗が低いとい
う知見を得、先に出願を済ませている（特願平３−９２
２５０号）。即ち、この公報では、上記諸特性を兼ね備
えた材料を得ることを目的として、Ｔｉ及び／又はＴａ
の濃度を０〜１０ａｔ％の範囲内で変化させて実験を行
った結果、これら元素の濃度を決定したものであり、特
に０．１ａｔ％以上の領域において詳細な検討を加えた
ものである。然るに、上記出願後、本発明者らが更に検
討をすすめたところ、意外にもＴａ濃度が非常に低い領
域（即ち、上記公報では詳細な検討を行わなかった０．
１ａｔ％未満の領域）において、特に優れた耐ＥＭ性を
有することが分かり、０．１ａｔ％未満のＴａ濃度にお
ける耐ＥＭ性や電気抵抗率について検討を重ねた結果、
本発明を完成したのである。

【００１５】即ち、本発明の半導体配線材料は、上述し
た様にＴａを０．００３ａｔ％以上０．１ａｔ％未満含
有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる点に特徴
を有するものである。

【００１６】本発明において、Ｔａ含有量は０．００３
ａｔ％以上にすることが必要である。０．００３ａｔ％
未満では耐ＥＭ性が不十分になる。好ましい下限値は
０．０１ａｔ％であり、より好ましくは０．０２ａｔ％
である。Ｔａ含有量の増加に伴って耐ＥＭ性は向上する
が、０．１ａｔ％以上になると、電気抵抗率が許容上限
値である３．５μΩ・ｃｍより大きくなり、所期の目的
を達成できなくなる。従ってＴａの含有量は０．１ａｔ
％未満にすることが必要である。上限値は０．１ａｔ％
に近ければ近いほど好ましく、より好ましいのは０．０
８ａｔ％である。

【００１７】本発明の配線材料を作製するに当たって
は、従来のＳｉ，Ｃｕ等を含有するＡｌ基合金材料と同
様、種々の方法（例えばスパッタリング法等）を適用す
ることができるが、なかでもスパッタリング法は、気相
急冷による非平衡固溶強化が得られるという点で最も推
奨される方法である。

【００１８】即ち、ＴａのＡｌ中への固溶度は最大で
０．０３６ａｔ％であるが、スパッタリング法によって
形成されたＴａ添加Ａｌ基合金の場合は、気相急冷によ
って、より高濃度のＴａ添加領域においてもＴａはＡｌ
中に固溶することができる。また、最大固溶度以上にＴ
ａを添加した場合においても固溶状態のＴａはＡｌマト
リックス中で安定に存在し、加熱処理を施してもＴａの
析出はほとんど認められない。そして、Ａｌ系金属配線
に通常施されるアロイ処理（配線パターン形成後のプロ
セス中で行われる４００℃×３０分程度の熱処理）後に
おいても、添加したＴａの大部分は固溶状態のまま存在
し、固溶強化によるＡｌ原子のＥＭ防止に極めて有効な
手段となり得るのである。

【００１９】尚、スパッタリングターゲット材としては
溶解・鋳造法または粉末焼結法で作製したＡｌ基合金
（以下、溶製Ａｌ合金ターゲット材と呼ぶ）を使用する
ことが望ましい。即ち、この様な溶製Ａｌ合金ターゲッ
ト材は組織学的に極めて均一であり、スパッタ率および
出射角度が均一であるので耐ＥＭ性等の点において一層
優れたＡｌ基配線材料が得られ、その結果、より信頼性
の高い半導体デバイスを提供することができる様になる
のである。そのなかでも溶解・鋳造法で作製したターゲ
ット材は酸素含有量を１００ｐｐｍ以下に抑えることが
できるため、Ａｌ基合金材料における電気抵抗率の一層
の低下を図ることができる。

【００２０】この様に、本発明配線材料は、従来のＳ
ｉ，Ｃｕ含有Ａｌ基合金材料と同様の方法によって作製
することができるので、複合配線やイオン注入による表
面合金化配線等の様に生産性の低下を招くものではな
い。

【００２１】以下実施例に基づいて本発明を詳述する。
ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、
前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは
全て本発明の技術範囲に包含される。

【００２２】

【実施例】

実施例１：電気抵抗率の測定 Ｔａの含有量が種々異なる溶製Ａｌ合金ターゲット材を
用い、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により、熱酸
化Ｓｉ基板上に膜厚５０００オングストロームのＡｌ−
Ｔａ合金薄膜を形成した。次に、フォトリソグラフィー
およびウェットエッチングを施すことによって上記薄膜
を幅１０μｍ、長さ１０ｍｍのストライプパターン（電
気抵抗率測定パターン）に加工し、これを供試材料とし
た。

【００２３】電気抵抗率を測定するに当たっては、上記
供試材料にアロイ処理（４００℃で１時間保持する真空
熱処理）を施した後、Ａｌ−Ｔａ合金薄膜の電気抵抗率
を測定した。尚、電気抵抗率は四探針法により、室温に
て測定した。

【００２４】その結果を図１に示す。図１に示す如く、
Ｔａ添加量の増加に伴い、電気抵抗率は直線的に増加す
る傾向が認められるが、その濃度を０．１ａｔ％未満に
抑えれば、電気抵抗率の許容上限値である３．５μΩ・
ｃｍ以下を達成することができる。

【００２５】実施例２：耐ＥＭ性の評価（１） 本発明例としてＡｌ−０．１ａｔ％Ｔａ合金ターゲット
材、並びに比較例として純Ａｌ、Ａｌ−０．１ａｔ％Ｓ
ｃ合金およびＡｌ−０．２ａｔ％Ｃｕ−１．０ａｔ％Ｓ
ｉ合金ターゲット材を用い、実施例１と同様のスパッタ
リング法によって、熱酸化Ｓｉ基板上に膜厚５０００オ
ングストロームのＡｌ−Ｔａ合金薄膜を形成した。次
に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを施
すことによって上記薄膜を幅２μｍ，長さ１ｍｍのスト
ライプ形状からなるＥＭ評価用パターンに加工し、これ
を供試材料とした。

【００２６】耐ＥＭ性を評価するに当たっては、上記供
試材に実施例１と同様のアロイ処理を施した後、Isothe
rmal Test 法を行った。尚、本実施例における耐ＥＭ性
の評価は、上記耐ＥＭ性評価用パターンに電流密度２×
１０⁶ Ａ／ｃｍ² の電流を流し、試料温度１７５℃換算
にて断線するまでの時間（故障時間）を測定することに
よって行った。

【００２７】この様にして得られた各種配線材料の故障
時間と累積故障率の関係を図２に示す。同図から明らか
な如く、いずれの供試材についても、縦軸（累積故障
率）の正規確率対数目盛および横軸（故障時間）の対数
目盛に対して、ほぼ直線に近い分布を示し、きれいなガ
ウス分布を有することが分かった。ここで、累積故障率
が５０％になる故障時間を平均故障時間と定義すると、
純Ａｌ、Ａｌ−０．１ａｔ％Ｓｃ合金、Ａｌ−０．２ａ
ｔ％Ｃｕ−１．０ａｔ％Ｓｉ合金、Ａｌ−０．１ａｔ％
Ｔａ合金配線の故障時間は、夫々４３８０，２８７０
０，１７６０００，８４１０００秒となり、本発明例で
あるＡｌ−０．１ａｔ％Ｔａ合金配線が最も耐ＥＭ性に
優れていることが分かる。

【００２８】実施例３：耐ＥＭ性の評価（２） Ｔａの含有量が種々異なる溶製Ａｌ基合金ターゲット材
を用い、実施例２と同様にして耐ＥＭ性評価用パターン
を作製し、耐ＥＭ性を評価した。その結果を図３に示
す。同図から明らかな様に、Ａｌ−Ｔａ系合金配線の耐
ＥＭ性はＴａ添加量の増加に伴って高くなり、本発明に
おけるＴａの添加範囲においては、いずれも実施例２で
用いた比較例（純Ａｌ，Ａｌ−０．１ａｔ％Ｓｃ合金、
Ａｌ−０．２ａｔ％Ｃｕ−１．０ａｔ％Ｓｉ合金配線）
に比べて耐ＥＭ性に優れることが分かる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の半導体配線材料は上記の様に構
成されているので、耐ＥＭ性に優れると共に電気抵抗率
が低く、生産性を低下させることもなく、しかも近年の
半導体デバイスの高集積化に伴う配線幅の狭隘化等の情
勢にも対応することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるＴａ添加量と電気抵抗率の関
係を示すグラフである。

【図２】実施例２における故障時間と累積故障率の関係
を示すグラフである。

【図３】実施例３におけるＴａ添加量と平均故障時間の
関係を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｔａを０．００３ａｔ％以上０．１ａｔ
   ％未満含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる
   ことを特徴とする半導体配線材料。