JP2004193546A

JP2004193546A - 半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット

Info

Publication number: JP2004193546A
Application number: JP2003159224A
Authority: JP
Inventors: Sohei Nonaka; 荘平野中
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】この発明は、ＬＳＩなどの半導体装置におけるエレクトロマイグレーション耐性に優れた銅配線を形成する際に下地層として形成するシード層およびこのシード層を得るための銅合金スパッタリングターゲットを提供する。
【解決手段】Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％を含み、さらに必要に応じて、ＡｇおよびＺｎのいずれか１種もしくは２種を合計で０．０１〜２質量％、またはＦｅ，ＮｉおよびＡｌの内の１種または２種以上を合計で０．０１〜０．２質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ＬＳＩなどの半導体装置におけるエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性に優れた銅配線を形成する際に下地層として形成するシード層およびこのシード層を得るための銅合金スパッタリングターゲットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩなどの半導体デバイスの内部配線は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮなどの基板またはＳｉウエハの表面にＳｉＯ_２、ＳｉＯＮなどのを被覆したものを基板とし、その上に純度：９９．９９９９質量％以上の高純度銅からなるターゲットまたはＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｙ，ＬａおよびＳｃのうちの種または２種以上：０．００００５〜０．０２５質量％含有した銅合金からなるターゲットを用いてスパッタリングすることにより形成されている。この高純度銅または銅合金からなる配線をＳｉＯ_２、ＳｉＯＮなどの基板に形成するには、まず基板に微細な配線溝を形成しておき、その上面に銅薄膜をスパッタリング法によって堆積せしめ、しかる後に堆積した銅薄膜を５５０℃以下の低温度で加熱流動（リフロー）せしめて前記配線溝に流し込み、過剰量の銅薄膜を研磨処理によって除去することによって所定の微細な銅配線パターンを形成する加熱リフロー処理（ダマシン処理）することにより形成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、Ｃｕ配線の場合はＣｕがＳｉＯ_２、ＳｉＯＮなどの基板またはＳｉウエハ基板に拡散すること防止するためのバリア層を形成することが必要であり、このバリア層としてＴａＮ層が有効であることが明らかになった。そのため、近年、基板に微細な銅配線を形成するには、図１に示されるように、基板１に形成した微細な配線溝２にＴａＮ層３を形成し、このＴａＮ層３の上に純銅からなるシード層４をスパッタリングにより形成し、この純銅からなるシード層４の上に電解メッキ法により銅メッキ層５をしたのち、銅メッキ層５の安定化のために熱処理を行い、次いで過剰量のＴａＮ層３、シード層４および銅メッキ層５を研磨処理によって除去することにより図２の断面説明図に示される所定の微細な銅配線６を形成する方法が提案されている。このとき、シード層を形成するためのターゲットは、ＡｇおよびＡｕのうちの１種または２種を合計で０．００５〜５００ｐｐｍ含有し、不純物元素として含まれるＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌ，ＮａおよびＫのうちの１種または２種以上は合計で１０ｐｐｍ以下に抑えた成分組成の銅合金からなるターゲットが好ましいとされている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１７６７６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−３４２５６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにして得られた銅配線は微細化するに伴い、銅配線を流れる電流密度が増大し、それに伴って銅配線にエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによるボイドが生成して銅配線の電気抵抗が増加し、さらにエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションにより生成したボイドがさらに成長して銅配線が断線することがある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによる銅配線のボイド発生を少なくすべく研究を行った。その結果、
（イ）エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによる銅配線のボイド発生はシード層とＴａＮ層の界面から生じることが多いところから、このボイド発生を防止するためにはＴａＮ層の上に形成されたシード層を加熱してもシード層に凝集やボイドが発生しない程度にＴａＮ層とシード層の界面の密着性を向上させることが必要である、
（ロ）かかるシード層は、純度：９９．９９９９％以上の高純度銅に、Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％添加して得られた銅合金からなるターゲットを用いて用いてスパッタリングすることにより得られる、
（ハ）前記（ロ）記載の銅合金に、さらにＡｇおよびＺｎのいずれか１種または２種を合計で０．０１〜２質量％を添加して得られた銅合金からなるターゲットを用いてスパッタリングことにより得られたシード層は、凝集やボイドの発生が一層阻止される、
（ニ）前記（ロ）記載の銅合金にさらにＦｅ，ＮｉおよびＡｌの内の１種または２種以上を合計で０．０１〜０．２質量％添加した銅合金からなるターゲットを用いてスパッタリングことにより得られたシード層は、凝集やボイドの発生が一層阻止される、という研究結果が得られたのである。
【０００７】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなる半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット、
（２）Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％を含み、さらにＡｇおよびＺｎのいずれか１種または２種を合計で０．０１〜２質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなる半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット、
（３）Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％を含み、さらにＦｅ，ＮｉおよびＡｌの内の１種または２種以上を合計で０．０１〜０．２質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなる半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット、に特徴を有するものである。
【０００８】
前記（１）、（２）または（３）記載のターゲットを用いてスパッタリングすることにより得られたＣｕ合金シード層は、ＴａＮ層との密着性に優れており、このＣｕ合金シード層をバリア層であるＴａＮ層の上に形成し、そのＣｕ合金シード層の上に形成した銅配線は、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによるボイド発生を抑制したり断線を防止することができる。したがって、この発明は、
（４）前記（１）、（２）または（３）記載のターゲットを用いてスパッタリングすることにより得られたボイドを発生させることの少ない半導体装置配線シード層、に特徴を有するものである。
【０００９】
この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットを製造するには、純度：９９．９９９９％以上の高純度電解銅を、不活性ガス雰囲気中、高純度グラファイトルツボ内で高周波溶解し、得られた高純度溶解銅にＭｏ：０．００１〜０．５質量％添加し、さらに必要に応じてＡｇおよびＺｎのいずれか１種または２種を合計で０．０１〜２質量％またはＦｅ，ＮｉおよびＡｌの内の１種もしくは２種以上を合計で０．０１〜０．２質量％を添加して銅合金溶湯を作製し、得られた銅合金溶湯を鋳造して板状インゴットを作製し、このインゴットを熱間圧延して熱延板を作製し、この熱延板を切抜いて円板を作製することにより製造することができる。
【００１０】
次に、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットにおける成分組成の限定理由を説明する。
Ｍｏ：
Ｍｏは、Ｔａとの全率固溶のためにＴａとの濡れ性が非常に高く、Ｃｕ中に含有させることでＴａＮとの密着性を向上させ、凝集を阻止してボイドの発生を抑制する作用があるが、Ｍｏ：０．００１質量％未満含んでも所望の効果が得られず、一方、０．５質量％を越えて含有すると、比抵抗が著しく増加するのでＬＳＩなど半導体デバイスのＣｕシード層として使用するには好ましくない。したがって、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＭｏの含有量は０．００１〜０．５質量％に定めた。
一方、Ｃｕシード層の電気抵抗は純銅の電気抵抗の３倍以内、好ましくは２倍以内に抑えることが好ましいとされている。したがって、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＭｏの一層好ましい含有量は０．０２〜０．２質量％である。
【００１１】
Ａｇ、Ｚｎ：
これら成分は、Ｃｕの表面張力を低下させ、比較的多量に添加してもＣｕの比抵抗への影響が少ないので必要に応じて添加するが、その含有量は０．０１質量％未満では効果がなく、一方、２質量％を越えて含有すると、比抵抗が著しく増加するのでＬＳＩなど半導体デバイスのＣｕシード層として使用するには好ましくない。したがって、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＡｇ、Ｚｎの内のいずれか１種または２種以上の合計は０．０１〜２質量％に定めた。
一方、Ｃｕシード層の電気抵抗は純銅の電気抵抗の３倍以内、好ましくは２倍以内に抑えることが好ましいとされている。したがって、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＡｇおよび／またはＺｎの一層好ましい含有量は０．５〜１．５質量％である。
【００１２】
Ｆｅ，ＮｉおよびＡｌ：
これら成分は、Ｔａとの間にこれの単体より融点の高い安定した金属間化合物を持つことからＴａとの濡れ性が高く、これらをＣｕ中に含有させることによりＴａＮとの密着性を高め、もって凝集を阻止してボイドの発生を抑制する作用があるので必要に応じて添加するが、０．０１質量％未満含んでも所望の効果が得られず、一方、０．２質量％を越えて含有すると、比抵抗が著しく増加するのでＬＳＩなど半導体デバイスのＣｕシード層として使用するには好ましくない。したがって、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＦｅ，ＮｉおよびＡｌの内のいずれか１種または２種以上の合計は０．０１〜０．２質量％に定めた。
一方、Ｃｕシード層の電気抵抗は純銅の電気抵抗の３倍以内、好ましくは２倍以内に抑えることが好ましいとされている。したがって、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＦｅ，ＮｉおよびＡｌの一層好ましい含有量は０．０３〜０．１質量％である。
【００１３】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットを実施例により具体的に説明する。
純度：９９．９９９９質量％の高純度電解銅を用意し、この高純度電解銅をＡｒガス雰囲気中、高純度グラファイトルツボ内で高周波誘導溶解して高純度電解銅溶湯を作製し、このようにして得られた高純度電解銅溶湯にＭｏを添加し、さらに必要に応じてＡｇおよびＺｎの内のいずれか１種または２種、並びにＦｅ，ＮｉおよびＡｌの内のいずれか１種または２種以上を添加することにより銅合金溶湯を作製し、これら銅合金溶湯を水冷銅板上に載置されたカーボン鋳型に鋳造して引け巣部分を切断したのち縦：１４０ｍｍ、横：１４０ｍｍ、厚さ：２０ｍｍの寸法を有する板状インゴットを作製した。このインゴットを温度：５００℃、１時間加熱後、厚さ：８ｍｍになるまで熱間圧延して熱延板を作製し、この熱延板を切抜いて直径：１５２ｍｍ、厚さ：８ｍｍの寸法を有する円板を作製した。この円板をさらに機械加工を施すことにより直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有し、表１〜２に示される成分組成を有する本発明銅合金シード層形成用ターゲット（以下、本発明ターゲットという）１〜１７、および比較銅合金シード層形成用ターゲット（以下、比較ターゲットという）１〜８を作製した。さらに高純度電解銅および高純度電解銅にＡｇ：０．０６８９質量％を添加して従来銅合金シード層形成用ターゲット（以下、従来ターゲットという）１〜２を作製した。
【００１４】
さらに、無酸素銅製バッキングプレートを用意し、この無酸素銅製バッキングプレートに前記本発明ターゲット１〜１７、比較ターゲット１〜８および従来ターゲット１〜２をＩｎハンダによりハンダ付けし、バッキングプレート付きターゲットを作製した。
さらに、直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有する市販のＴａターゲットを用意し、このターゲットを無酸素銅製バッキングプレートにＩｎハンダによりハンダ付けし、バッキングプレート付きＴａターゲットを作製した。さらに、基板としてＳｉウエハ表面に厚さ：１００ｎｍのＳｉＯ_２層を形成した酸化膜付きシリコンウエハを用意した。
【００１５】
前記用意したバッキングプレート付きＴａターゲットおよび基板を、通常の直流マグネトロンスパッタ装置に、ターゲットと基体との距離が６０ｍｍとなるように取り付け、
スパッターパワー：ＤＣ１０００Ｗ、
チャンバー内到達真空度：１×１０^−５Ｐａ、
スパッタリング中の真空度：０．５Ｐａ、
スパッタリングに使用したガスとその流量比：Ａｒ：Ｎ_２＝９：１
の条件でスパッタリングすることにより、厚さ：３０ｎｍを有するＴａＮ膜を基板表面のＳｉＯ_２層表面の上に形成した。
【００１６】
このようにして形成したＴａＮ膜上に、本発明ターゲット１〜１７、比較ターゲット１〜８および従来ターゲット１〜２をそれぞれバッキングプレートに取付けたバッキングプレート付きターゲットを前記直流マグネトロンスパッタ装置にセットし、ターゲットと基体との距離が７０ｍｍとなるようにして、
スパッターパワー：ＤＣ６００Ｗ、
チャンバー内到達真空度：１×１０^−５Ｐａ、
スパッタリング中の真空度：０．３Ｐａ、
スパッタリングに使用したガス：Ａｒ、
の条件でスパッタリングすることにより、本発明ターゲット１〜１７、比較ターゲット１〜８および従来ターゲット１〜２と同一組成を有し、厚さ：３００ｎｍおよび厚さ：２０ｎｍを有する銅合金スパッタリング薄膜を形成した。
【００１７】
本発明ターゲット１〜１７、比較ターゲット１〜８および従来ターゲット１〜２を用いてＴａＮ層表面に形成した厚さ：３００ｎｍの銅合金スパッタリング薄膜について４探針法により比抵抗を測定し、この結果を表１〜２に示した。この際、銅合金薄膜の比抵抗はＴａＮ膜の比抵抗に比べて２桁ほど低く、したがって下地であるＴａＮ膜の存在は無視できるものとした。
【００１８】
さらに、ＴａＮ層表面に本発明ターゲット１〜１７、比較ターゲット１〜８および従来ターゲット１〜２を用いて形成した厚さ：２０ｎｍの銅合金スパッタリング薄膜について真空中で４５０℃、３０分間保持の条件の熱処理を施し、熱処理後における銅合金スパッタリング薄膜の表面をＳＥＭにて観察し、２万倍の視野（４．５μｍ×６μｍ）にて観察し、発生したボイドの発生数とボイド径を測定し、これを表１〜２に示すことによりシード層としての評価を行なった。ここで濡れ性が悪く、完全に凝集してしまい、ボイド数として計測不可能なものは「凝集」と記した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
表１〜２に示される結果から、本発明ターゲット１〜１７用いて形成したＴａＮ層上の銅合金スパッタリング薄膜は従来ターゲット１〜２を用いて作製したＴａＮ層上の銅合金スパッタリング薄膜に比べて、凝集がないところからボイドの発生がなく、したがって本発明ターゲット１〜１７を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜は従来ターゲット１〜２用いて作製した銅合金スパッタリング薄膜に比べてＴａＮ層の上に形成するシード層として優れていることが分かる。
しかし、この発明の条件から外れている組成の比較ターゲット１〜８を用いてＴａＮ層上に銅合金スパッタリング薄膜を形成すると、平均径の大きなボイドが発生したり、ボイドの発生がなくても比抵抗が大きかったりするのでシード層として好ましくない特性を示すことが分かる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明のターゲットを用いてＴａＮ膜表面に形成した銅合金スパッタリング薄膜は、ボイド発生、凝集が少ないことから、この銅合金スパッタリング薄膜をＴａＮ層の上に形成してシード層として使用したときにエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性に優れた銅配線を形成することができ、ＬＳＩなどの半導体装置の配線パターンの微細化進展、歩留まりの向上に寄与するものであり、半導体装置産業上優れた効果を奏するものである。
なお、最近、バリア層としてＴａＮの代わりにＴａを用いる場合や、ＴａＮ層の上にさらにＴａ層を積層したものを用いる場合があるが、これらを下地バリア層として用いる場合でも同様の効果を有することが確認できた。したがって、本発明ターゲットを用いることでＴａをバリア層として用いた場合でも、同様にエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性に優れた銅配線を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】配線溝にＴａＮ層およびシード層を形成した基体に銅メッキ層を形成し熱処理した後の状態を示す断面説明図である。
【図２】過剰なＴａＮ層、シード層および銅メッキ層を研磨処理によって除去した状態の配線溝の断面説明図である。
【符号の説明】
１：基板、
２：配線溝、
３：ＴａＮ層、
４：シード層
５：銅メッキ層、
６：銅配線、

Claims

Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなることを特徴とする半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット。
Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％を含み、さらにＡｇおよびＺｎのいずれか１種または２種を合計で０．０１〜２質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなることを特徴とする半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット。
Ｍｏ：０．００１〜０．５質量％を含み、さらにＦｅ，ＮｉおよびＡｌの内のいずれか１種または２種以上を合計で０．０１〜０．２質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなることを特徴とする半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット。
請求項１、２または３記載のターゲットを用いて形成したことを特徴とする半導体装置配線シード層。