KR101070185B1 - 구리-망간 합금 스퍼터링 타겟트 및 반도체 배선 - Google Patents

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Abstract

Mn 0.05~20wt%를 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 500wtppm 이하, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트. 반도체용 동 합금 배선 자체에 자기(自己) 확산 억제 기능을 가지게 하여, 활성인 Cu의 확산에 의한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있으며, 또한 일렉트로 마이그레이션(EM) 내성, 내식성 등을 향상시키며, 배리어 층이 임의로 형성가능 및 용이하며, 또한 반도체용 동 합금 배선의 성막 공정의 간소화가 가능한 반도체용 동 합금 배선 및 동(同) 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟트와 반도체용 동 합금 배선의 형성방법을 제공한다.
Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트, 반도체 배선

Description

구리-망간 합금 스퍼터링 타겟트 및 반도체 배선{Cu-Mn ALLOY SPUTTERING TARGET AND SEMICONDUCTOR WIRING}
본 발명은 활성(活性)인 Cu(active Cu)의 확산에 의한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있는 반도체용 동(銅) 합금 배선용 스퍼터링 타겟트, 특히, 자기(自己) 확산 억제 기능을 구비한 반도체 배선을 형성하기 위하여 가장 좋은 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트 및 반도체용 동 합금 배선에 관한 것이다.
종래 반도체 소자의 배선 재료로서 Al 합금(비저항 3.0μΩ·㎝ 정도)이 사용되어 왔으나, 배선의 미세화에 따라 보다 저항이 낮은 동 배선(비저항 1.7μΩ·㎝ 정도)가 실용화되어 왔다. 현재의 동 배선의 형성 프로세스로서는, 콘택트 홀 또는 배선 구(溝: 홈)의 요부(凹部)에 Ta나 TaN등의 확산 배리어(barrier) 층을 형성한 후, 동 또는 동 합금을 스퍼터(sputter) 성막하는 것이 일반적으로 행하여지고 있다.
통상 순도 4N(가스 성분 제외) 정도의 전기 동을 조(粗) 금속으로 하여 습식이나 건식의 고순도화 프로세스에 의하여, 5N~6N 순도의 고순도 동을 제조하고, 이것을 스퍼터링 타겟트로서 사용하고 있다.
반도체용 배선 재료로서 동 또는 동 합금은 매우 유효(有效)하나, 동 자체가 매우 활성의 금속으로서 확산하기 쉽고, 반도체 Si 기판 또는 그 위의 절연막을 통하여 Si 기판 또는 그 주위를 오염시킨다고 하는 문제가 발생하고 있다. 이 때문에 종래 기술에서는 Ta나 TaN 등의 확산 배리어 층을 형성하는 것은 피할 수 없는 프로세스로 되어 있다. 그러나, 공정 수가 그만큼 증가한다고 하는 문제가 있기 때문에, 반드시 좋은 수단이라고는 말할 수 없다. 이 때문에 이 확산 배리어 층을 대신하여, 동 합금을 성막하고, 열처리에 의한 자기(自己) 형성 확산 배리어 층을 형성하는 것이 제안되어 있으나, 간편하면서 효율적인 수단이 없다는 것이 현재의 상태이다.
한편 지금까지 동 배선 재료로서는 동에 몇 개의 원소를 첨가하여 일렉트로 마이그레이션(EM) 내성, 내식성(耐食性), 부착 강도 등을 향상시키는 것이 제안되어 있다.
그 예를 이하에 든다. 하기 특허문헌 1에는 고순도 동(4N 이상)에 통상 첨가되는 원소로서, Al, Ag, B, Cr, Ge, Mg, Nd, Si, Sn, Ti, Zr등의 원소의 1종 또는 2종 이상을 10% 이하 함유하는 스퍼터링 타겟트가 기재되어 있다.
특허문헌 2에는 99.9999중량% 이상의 고순도 동을 기체(基體) 금속으로 하고, 이 기체 금속에 순도가 99.9중량% 이상의 티탄을 0.04~0.15중량%, 혹은 순도가 99.9999중량% 이상의 아연을 0.014~0.021중량% 첨가한, 고순도 동 합금제의 스퍼터링 타겟트가 기재되어 있다.
특허문헌 3에는 Mg 함유량 0.02~4wt% 함유하는 99.99% 이상의 동 합금 스퍼터링 타겟트가 기재되어 있다.
또한 특허문헌 4에는 Mn, Nb, Zr, Cr, V, Y, Tc 및 Re의 금속 원소와 Si, C, F로부터 선택한 원소와 산소를 함유하는 층간 절연막과의 화합물을 형성하여 배리어 층을 형성하는 것이 기재되어 있다. 그러나 이상의 것은 동의 확산을 방지하는 데에는 반드시 충분하지 않다고 하는 문제가 있다.
기타 본 출원인에 의해 제안된 반도체 소자의 배선 재로서, Sn을 0.4~5wt% 함유하는 동 합금으로 이루어진 균일한 시드(seed) 층의 형성과 스퍼터 막 성막 특성이 우수한 타겟트가 개시되어 있다(특허문헌 5 참조). 이것은 시드 층으로서 유효하지만, 배리어 층의 형성을 목적으로 하는 것은 아니다.
본 출원인은 먼저 Cu-Mn 합금으로 이루어진 반도체용 동 합금 배선 재료를 개시하고(특허문헌 6), 특히 Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택한 1 또는 2 이상의 원소의 총량을 10wtppm 이하로 하는 자기 확산 억제 기능을 구비한 Cu-Mn 합금으로 이루어진 반도체용 동 합금 배선을 제안하였다. 이것 자체가 배리어 막 형성에 극히 유효하다. 본원발명은 또한 개량발명을 제시하는 것이다.
탄탈 등의 확산 배리어 층도, 배선 룰의 미세화에 따라 얇으면서 균일하게 형성할 필요가 있으나, 예를 들면, 인용문헌 7에서는 Cu에 Mg를 첨가한 동 합금 박막에 관하는 것이나, Mg 원자가 이동하여 MgO를 형성하는 것으로, 확산 배리어와 시드 층을 동시에 형성할 수 있는 것이 기재되어 있다. 이것은 열처리에 의해 Cu-Mg 합금 중의 Mg가 층간 절연막의 산소 등과 반응하여 자기 형성적으로 배리어 층이 형성된다는 것이다. 또한 탄탈 등의 배리어 층 형성 프로세스가 불필요하게 된다고 기재되어 있다. 그러나 이것은 확산 배리어의 확실성의 문제와 배선 저항의 증가 등의 문제가 있다.
반도체 층상(層上)에 절연막을 통하여 배선을 설치한 반도체 장치에서 배선의 인장 강도는 25kg/㎟ 이상의 Cu 합금이다. 고용(固溶)강화형 Cu 합금의 하나로서 Cu-Mn이 기재되어 있으며, 첨가 원소의 첨가량을 적의 선택하고, 열처리로서 특정의 인장 강도가 얻어졌다고 하는 기재가 있다(특허문헌 8 참조). 그러나 이것은 Mn량이 어느정도의 것인지 불분명하며, 반도체용 동 합금 배선 형성에 호적(好適)한 자기 확산 억제 기능을 가지고 있다고는 말할 수 없다.
알루미늄, 알루미늄 합금 전극 배선은 EM내성이 낮기 때문에 단선(斷線)되기 쉽고, 순동배선은 내식성이 떨어진다. 여기서 집적회로장치의 전극 배선 재료를 동 합금으로 하는 것으로서, 그 하나로서 망간 동 합금(~20%Mn)이 실용될 수 있다고 기재되어 있으며, 동 단체(單體)보다도 내 산화성(耐酸化性)이나 내 할로겐 성이 우수하고, 배선저항이 크게 되는 것은 피할 수 없으나 알루미늄 합금과 동일한 정도는 될 수 있다는 것이 기재되어 있다. 또한 전극 막의 형성에는 CVD법, 스퍼터 증착법, 도금법에 의해 용이하게 형성할 수 있다고 기재되어 있다(특허문헌 9 참조). 그러나 이것은 저항이 매우 커서 반도체 배선 재로서는 적합하지 않다.
Cu 배선의 전면(全面), 혹은 그 일부, 특히 하지(下地) 측을 피복하는 배리어 막에 Mn막, Mn 붕화물 막, Mn 질화물 막을 사용하는 것으로서, Cu와 Mn과의 합금의 결정 입계(粒界)를 형성시켜, Cu 확산을 방지하는 것이 기재되어 있다. 종래 그 배리어 재료로서 Zr, Ti, V 등의 질화물 및 붕화물을 사용하고 있으나, 이들의 배리어 재료는 결정 입경(粒徑)이 비교적 크기 때문에, Cu 확산을 충분하게 방지할 수 없다고 하는 과제가 있었으나, 이와 같은 배리어 재료로서 Mn, Mn 붕화물, Mn 질화물을 사용하여, Cu 배선 표면을 피복하는 것으로 Cu와 Mn, 붕화물(Mn-B), 질화물(Mn-N)의 계면에 내열 안정성이 우수한 Cu와 Mn과의 합금이 극히 얇게 형성되어, 이 Cu와 Mn의 합금의 결정 입계에 의해 Cu 확산이 억제된다고 생각되어진다고 하는 것이다(특허문헌 10 참조).
그러나 이 경우는 동 배선의 위에 새롭게 다시 배리어 재료로서 Mn, Mn 붕화물, Mn 질화물을 사용하여, Cu 배선 표면을 피복하는 것이기 때문에, 동 배선 그 자체의 동의 확산 억제 효과를 개선하는 것은 아니다. 또한 Mn, Mn 붕화물, Mn 질화물을 피복하는 공정의 증가라고 하는 문제도 존재하며, 근본적인 해결방법이라고는 말할 수 없다.
첨가 원소로서 Mg, Mn 등을 사용하여, 반도체 기판 위에 절연막을 형성하고, 이 표면에 배선 구(溝)가 형성되며, 그 측벽 및 저면(底面)을 피복하고 있는 TiN 등의 보호막을 통하여 4 at.%의 Mg가 고용(固溶)되어 있는 Cu막으로 이루어지는 매입(埋入) 배선층인 Cu-4 at.% Mg 배선층을 매입한다고 하는 수법이 개시되어 있다. 이 경우 Cu-4 at.% Mg 배선층에는 Cu-4 at.% Mg 배선층의 산화를 방지하기 위한 산화 방지 배리어로서 기능하는 MgO등의 피막을 형성하는 것이 기재되어 있다(특허문헌 11 참조).
그러나 Cu 막 중의 Mn의 첨가는 고용 한계 내이기 때문에, 원소의 함유 농도는 Cu와 금속 간 화합물을 형성하기 위하여 필요한 농도보다도 적다는 것을 의미하고 있다. 이 때문에 Cu와 첨가 원소와의 금속 간 화합물을 형성하는 상태는 아니기 때문에, 반드시 충분한 배리어 막이라고 말할 수 없다는 문제가 있다.
타겟트와 배킹 플레이트(backing plate)를 열간 정수압 프레스에 의해 접합할 때에, 결정입 성장이 작은 동 합금 스퍼터링 타겟트에 관한것이며, V, Nb, Mn, Fe, Co, Ni의 그룹으로부터 선택되어진 1종 이상의 성분과 Sc, Al, Y, Cr로부터 선택되어진 1종 이상의 성분과의 합계가 0.005~0.5 wt%가 되도록 함유하며, 산소: 0.1~5ppm을 함유하며, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 동 합금으로 이루어진 스퍼터링 타겟트가 기재되어 있다(특허문헌 12 참조). 이 중에서 0.005wt% 미만을 포함하더라도 소망의 효과를 얻지 못하였으며, 한편 0.5wt%를 초과하여 포함하면, 열간 정수압 프레스 중의 결정입의 성장을 억제한다고 기재되어 있으나, 0.05wt% 이하에서는 배선을 형성할 시에 배리어 막이 필요하게 된다는 것에는 변화가 없다. 또한 Mn만이 0.05wt% 이상이 아니면 동일하게 배리어 막을 필요로 한다.
기타 결정 방위를 억제하는 것에 의해 내 일렉트로 마이그레이션이 우수한 동(銅) 타겟트(특허문헌 13, 14, 15 참조), 막 두께 균일성이 우수한 고순도 동(銅) 타겟트(특허문헌 16 참조), 동(銅) 원자가 튀어 움직이는 방향이 기판 표면에 수직으로 되는 동 타겟트(특허문헌 17 참조), 불규칙 배향(配向)의 결정으로 하여 파티클(particle: 분진:粉塵)을 감소시켜 막의 균일성을 도모하는 동 또는 동 합금 타겟트(특허문헌 18 참조), (111), (200), (220), (311)의 4종의 배향을 가지게 한 동(銅) 타겟트 및 동(同) 타겟트의 가공 제조 방법(특허문헌 19, 20 참조)이 기재되어 있다. 그러나 이들은 결정 방위의 억제에 그치는 것으로서, Cu의 확산에 의한 배선 주위의 오염을 방지하고자 하는 의도를 가지는 것이 아니며, 또한 배리어 막을 형성하기 위한 동(銅) 합금 타겟트의 조성과 결정방위와의 상호 관계도 불분명하다.
특허문헌 1: 일본 특개 2000-239836호 공보
특허문헌 2: 일본 특허 제2862727호 공보
특허문헌 3: 일본 특개 2000-34562호 공보
특허문헌 4: 일본 특개 2005-277390호 공보
특허문헌 5: 국제공개 WO2003/064722호 공보
특허문헌 6: 일본 특개 2006-73863호 공보
특허문헌 7: 미국 특허 제6607982호
특허문헌 8: 일본 특개 평02-50432호 공보
특허문헌 9: 일본 특개 평02-119140호 공보
특허문헌 10: 일본 특개 평06-140398호 공보
특허문헌 11: 일본 특개 평11-186273호 공보
특허문헌 12: 일본 특개 2002-294437호 공보
특허문헌 13: 일본 특개 평10-195609호 공보
특허문헌 14: 일본 특개 평10-195610호 공보
특허문헌 15: 일본 특개 평10-195611호 공보
특허문헌 16: 일본 특개 평10-330923호 공보
특허문헌 17: 일본 특개 2001-40470호 공보
특허문헌 18: 일본 특개 2001-49426호 공보
특허문헌 19: 일본 특개 2002-220659호 공보
특허문헌 20: 일본 특개 2004-52111호 공보
(발명의 개시)
본 발명은 반도체용 동 합금 배선 자체에 자기(自己) 확산 억제 기능을 가지게 하여, 활성인 Cu의 확산에 의한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지하는 것이 가능하며, 또한 일렉트로 마이그레이션(EM) 내성(耐性), 내식성 등을 향상시킬 수 있는 반도체용 동 합금 배선 및 그것을 위한 스퍼터링 타겟트를 제공한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명자들은 예의(銳意) 연구를 행한 결과, 동에 적절한 양의 Mn 원소를 첨가하며, 다시 불순물인 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce를 엄밀하게 억제하는 것에 의해, 활성인 Cu의 확산에 의한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있다는 것을 알아냈다. 본 발명은 이 이 알아낸 사실에 기초하여 하기의 반도체용 동 합금 배선용 스퍼터링 타겟트 및 반도체용 동 합금 배선을 제공하는 것이다.
즉, 본원발명은 Mn 0.05~20wt%를 함유하며, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 500wtppm 이하, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트 및 이것에 의해 형성된 Cu-Mn 합금 반도체 배선을 제공한다.
Cu-Mn 합금 중의 Mn은 Si 반도체와의 계면 방향으로 확산하고, Mn과 Si의 산화물을 형성한다. 이 산화물 층이 Mn과 Si와의 반응을 억제하는 배리어 층이 된다. 이 경우 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 불순물 원소는 Mn보다 산화물을 형성하기 쉽기 때문에, Mn과 Si의 산화물의 형성을 방해하고, 배리어 층의 형성을 저해하는 원인이 된다. 따라서 이들의 불순물 원소는 극히 적은 쪽이 좋다고 말할 수 있다. 이 알아낸 사실은 매우 중요하며, 본원발명의 중심을 이룬다.
이상으로부터 불순물인 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 50wtppm 이하인 것이 바람직하고, 또한 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 10wtppm 이하인 것이 더욱 유효하다.
또한 상기 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트에 대하여는, 스퍼터링 시의 파티클을 저감시키는 의미에서 산소 함유량을 100wtppm 이하로 하는 것이 바람직하며, 더욱이 산소 함유량을 50wtppm 이하로 하는 것이 바람직하다.
반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직 구조로서는, EBSP(Electron Back Scatter Diffraction Pattern: 전자후방산란회절상법: 電子後方散亂回折像法)으로 측정한 최밀(最密:밀도가 가장 큰)인(111) 면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 했을 때, 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 4 이하인 것이 바람직하다. Cu-Mn 합금 반도체 배선은 콘택트 홀 또는 배선 구(溝)의 요(凹)부에 형성되는 배선 재료로 하는 것이 유효한 것이며, 이 때문에 동(銅) 배선층을 형성하기 위한 시드층으로서도 유효하다.
본 발명의 반도체용 동 합금 배선 및 이 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟트와 반도체용 동 합금 배선의 형성방법은, 반도체용 동 합금 배선 자체에 자기 확산 억제 기능을 가지게 하고, 활성인 Cu의 확산에 의한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있으며, 일렉트로 마이그레이션(EM) 내성, 내식성 등을 향상시킬 수 있다는 우수한 효과를 가진다. 또한 본 발명은 동 합금 배선막의 상면(上面), 하면(下面), 측면(側面) 등에 산화 망간으로 이루어진 배리어 층을 임의로, 또는 안정하게 형성가능하며, 또한 반도체용 동 합금 배선의 성막 공정 및 배리어 층의 형성 공정을 간소화할 수 있다는 현저한 효과를 가진다. 또한 (111)면의 면적비를 억제하는 것에 의해, 스퍼터 시의 성막의 유니포미티(균일성)가 양호하게 되며, 파티클의 발생도 감소한다고 하는 효과가 있다.
(발명의 실시형태)
본 발명의 자기(自己) 확산 억제 기능을 구비한 반도체용 동 합금 배선(시드층을 포함)은, 상기와 같이 Mn 0.05~20wt%를 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 500wtppm 이하, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물인 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트 및 이것에 의하여 형성된 Cu-Mn 합금 반도체 배선이다. 이 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트를 규정하는 조건은, 본원발명의 효과를 발휘시키기 위한 필요충분조건이다. 하기(下記)에 나타내는 보다 바람직한 조건은 더욱 개선된 발명의 조건을 나타내는 것이다.
Mn 0.05wt% 미만에서는 자기 확산 억제 기능을 가지지 않으며, Mn 20wt%을 초과하면 저항이 증대하고, 반도체용 동 합금 배선(시드층)으로서의 기능이 저하하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 Mn 0.05~20wt%의 함유량으로 한다. 바람직하게는 Mn 0.5~10wt%를 함유하는 동 합금이다.
통상 사용되는 Mn은 제조 시에 La가 탈산제(脫酸劑)로서 사용되기 때문에, Mn에는 수천ppm의 La가 함유되어 있다. 이것이 Cu-Mn 합금에 함유되어, 문제가 되는 불순물을 형성한다.
동(순동)은 절연층이나 반도체 Si 기판에 도달하여, 오염원이 되기 쉽다고 하는 문제가 있다. 이것은 종래부터 지적되어 온 문제이며, 이 해결책으로서 절연막과 동 배선 막과의 사이에 배리어 막을 형성하는 것이 제안되어 왔다.
이 배리어 막으로서 대표적인 것은 Zr, Ti, V, Ta, Nb, Cr등의 금속 또는 질화물 혹은 붕화물이다. 그러나 이들은 박막 중의 결정 입경이 크게 되기 때문에, Cu의 배리어 막으로서는 부적당하였다.
이와 같은 것으로부터 앞에 기술한 특허문헌 7에 나타난 바와 같이, Mn, Mn 붕화물, Mn 질화물로 이루어지는 배리어 막을 동 표면에 형성한다고 하는 제안이 이루어졌다.
그러나, 이 프로세스는 처음부터 별도의 피복 프로세스로 실시하지 않으면 안된다고 하는 문제가 있으며, 또한 이 자체는 Cu 자체의 확산을 억제하는 효과가 있다고 하는 것은 아니다. 따라서 배리어 막을 형성한 이외의 곳에서의 오염도 당연이 일어날 수 있는 것이다. 이와 같이 상기 제안은 배리어 효과에 제약이 있으며, 코스트도 높아지는 불리함이 있다.
본원발명은 상기와 같이 소량의 Mn을 함유시켜 Cu 합금으로 하는 것에 의해, Cu 자체의 확산을 억제할 수 있는 것이며, 이것은 Cu-Mn 합금 막의 어떠한 상황(면:面)에 있어서도, 그 효과를 발휘하여 지속하는 것이다. Cu-Mn 합금 막 중의 Mn은 확산하며, Si 반도체의 계면에 도달하여 Mn, Si의 산화물(MnSixOy의 부정비(不定比) 산화물을 형성한다. 산소는 Cu-Mn 합금 막 중의 불순물로서의 산소를 소비하는 것으로 생각된다. 산화물이 계면에 편재(偏在)하는 것에 의해 배선 중심부의 도전성(導電性)을 향상 시키기 때문에, 오히려 바람직한 반응이라고 말할 수 있다.
이 층은 Si 반도체와 동 합금 도전(배선) 층과의 계면에 위치하며, 대략 ~2nm 정도의 층이 형성된다. 일단, 이 층이 형성되면, Mn의 Si 반도체 층 중으로의 확산이 방지된다. 즉, 이것이 배리어 층이 된다. 이것은 동 합금의 배선을 형성하는 것에 의해 자기 확산 억제 기능을 야기 시키는 것이기 때문에, 극히 간단하면서 유효하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
종래, Ta의 배리어 층이 사용되었으나, 이 경우 별도의 스퍼터링 공정으로 형성하지 않으면 안된다는 것, 또한 배리어 막으로서의 기능을 충분히 가지기 위하여 균일 막의 형성이 필요하다는 것으로부터, Ta 막은 적어도 15nm 정도의 막 두께를 필요로 한다. 이와 같은 종래의 Ta 배리어 층에 비교하면, 본원발명의 우위성은 명백한 것이다.
그러나, 반도체용 동 합금 배선에 있어서 배리어 막으로서의 기능이, 종래 무시되어 왔던 미량의 불순물에 의해 저하한다고 하는 문제가 발생하였다. 이것은 배리어막의 기능이 제조되는 Cu-Mn 합금 타겟트에 의해 변화한다는 것으로 판명된 것이다. 일반적으로, Cu-Mn 합금 타겟트를 제조하는 경우에는 고순도(99.9wt% 이상)의 재료가 사용되어지나, 그럼에도 불구하고 불순물 원소로서의 총량은 통상 500wtppm을 초과하는 것이 많다. 이 원인을 규명한 결과, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 존재가 크게 영향을 미치고 있다는 것을 알았다.
이들의 원소는 공통점이 있으며, 어느 것이나 불순물 원소는 Mn 보다도 산화력이 높다고 하는 성질을 가지고 있다. 따라서 Cu-Mn 합금 막 중의 Mn이 확산되어, Si 반도체의 계면에 도달하여 Mn, Si의 산화물(MnSixOy의 부정비 산화물)을 형성하기 전에, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce에 의한 산화물이 형성되는, 즉 Cu-Mn 합금 막 중의 불순물 원소가 산소를 소비하고, Mn, Si의 산화물 배리어 층의 형성이 충분히 행하여지지 않는다는 것에 기인하는 것이라고 생각할 수 있다. 이것에 의해 배리어 층이 형성되지 않은 경우에는 활성인 Cu는 Si 중에 확산되고, 기능이 저하되게 된다.
이것으로부터 Cu-Mn 합금 막 중의 산소를 증가시켜 소비되는 산소를 보충하는 수단을 생각할 수 있다. 그러나 여분의 산화물은 배선의 도전성을 저하시키는 원인이 되는 것이며, 바람직하지 못한 것이다.
이상으로부터 불순물인 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 함유를 극력 제한할 필요가 있다. 이것이 본원발명의 기본이다.
또한 본 발명의 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)으로 측정한 최밀(最密)인(111) 면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 했을 때, 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 4 이하, 더욱 바람직하게는 3 이하인 것이 좋다.
Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포되어 있는 경우에는, 성막의 균일성이 양호하다고 하는 현저한 효과를 가진다. (111)면의 면적비가 4를 초과하면 성막의 균일성이 나쁘게 됨과 동시에 파티클의 발생도 증가하는 경향이 있으며, 또한 Cu와 Mn의 스퍼터률의 영향이 나타나, 불균일화가 심하게 된다. 따라서 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 4 이하인 것이 바람직하다.
동 배선의 형성 프로세스로서는 콘택트 홀(비어홀:via hole) 또는 배선 구(溝)의 요(凹)부에 Ta나 TaN등의 확산 배리어 층을 형성한 후, 동 또는 동 합금을 스퍼터 성막하는 것이 일반적으로 행해지고 있으나, 본 발명은 이들에 한정될 필요는 없다. 즉, 반도체용 동 합금 배선은 이 배선의 상면, 측면 및 저면, 즉, 주면(周面)에 동 합금 중의 Mn이 우선 산화(선택 산화)된 Mn 산화막을 형성하는 것도 가능하다. 이 자체는 배리어 층으로서 기능시키게 하는 것이 가능하다.
이 Mn 산화막 층은 예를 들면, 일단, 타겟트를 사용하여 스퍼터링하고 동 합금 배선을 형성한 후, 산소 함유 분위기 중에서 열처리하는 것에 의해 이 배선의 표면에 동 합금 중의 Mn을 우선 산화시켜 Mn 산화막을 형성할 수 있다. 이 열처리는 200~525℃의 범위에서 행하여지는 것이 적절하다. 이와 같은 배리어 층의 형성은 부가적인 박막의 형성 프로세스는 필요로 하지 않고, 극히 간단한 공정으로 이루어낼 수 있다는 우수한 특징을 가지고 있다.
본 발명에 있어서 반도체용 동 합금 배선의 형성법은, 스퍼터링 법, CVD 법, 도금법, 이온 클러스터에 의한 코팅법, 증착법, 레이저 어블레이션법 등을 사용하는 것이 가능하며, 특히 그 수법에 제한은 없다.
그러나 스퍼터링 법이 가장 효율이 좋은 안정된 성막이 가능하다. 따라서 이 를 위해서 사용하는 자기 확산 억제 기능을 구비한 반도체용 동 합금 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟트로서 상기 조성으로 한 타겟트를 사용한다.
이와 같은 타겟트의 성분 조성은 스퍼터 막에 직접 반영되기 때문에, 충분한 관리가 필요하다. 또한 첨가되는 량은 상기 배선 막에서 설명한 것과 동일한 이유에 의한다.
타겟트에 포함되는 불순물인 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 500wtppm 이하, 바람직하게는 50wtppm 이하, 더욱 바람직하게는 10wtppm 이하로 한다. 이들의 원소는 동의 재결정화 온도를 높여, 열처리 후의 동 합금 막의 결정을 미세화하여 저항을 크게 하는 것뿐만 아니라, Mn의 확산 작용을 억제해 버린다. 따라서 상기와 같이 제한하는 것이 좋다.
또한 상기 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트에 포함되는 가스 성분의 산소, 질소, 탄소, 유황, 염소는 큰 제한적 요인이 아니며, 각각 100wtppm 정도의 존재는 허용할 수 있는 것이나, 이 가스 성분은 결정입계에 개재물을 형성하고, 상기 Mn 첨가의 효과를 약하게 하는 역할도 하기 때문에, 이와 같은 경우에는 각각 50wtppm 이하, 더욱 바람직하게는 40wtppm 이하로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
이 가스 성분은 또한 타겟트의 스퍼터링 시에, 파티클의 발생의 원인이 되며, 특히 스퍼터 라이프 중의 돌발적인 파티클 발생을 야기시킨다고 하는 문제가 있기 때문에, 극력 저감하는 것이 바람직하다는 것은 말할 것도 없다.
또한 산소에 의해 시드층에 산화동(Cu2O)이 형성되어 버리면, 전기 도금 시에 그 부분에 Cu가 성막되지 않는다고 하는 문제가 있다. 이와 같이 도금 욕(浴)에 의하여 시드층 표면이 침투되면, 마이크로적인 전장(電場)이 변동하여 균일한 도금막이 형성되지 않는다는 문제가 일어난다. 따라서 산소 등의 가스 성분을 상기의 범위에 제한하는 것이 필요하다.
다음에 실시 예에 기초하여 본 발명을 설명한다. 이하에 나타내는 실시 예는 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 이들의 실시 예에 의해 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술사상에 기초하는 변형 및 기타 실시 예는 당연히 본 발명에 포함된다.
(실시 예 1~6)
순도 6N 이상의 고순도 동(Cu)과 5N 레벨의 망간(Mn)을 조정(調整)하여, 고순도 흑연 도가니를 사용하여 고 진공 분위기에서 용해하여 고순도의 합금을 얻었다. 조정한 실시 예 1~6의 합금 조성을 표 1에 나타낸다.
합금화한 용탕을 고 진공 분위기 중에서 수냉 동주형(水冷銅鑄型)에 주입하여 잉고트를 얻었다. 다음으로 제조된 잉고트의 표면층을 제거하여 φ85×100h로 한 후, 350℃로 가열한 후, 그대로 φ105×65h로 열간 단조(단조 1회)하고, 또한 다음 공정에서 열간압연을 행하였다. 단, 실시 예 3에 대해서만, φ105×65h로 열 간 단조(단조 1회)하고, 다음으로 이것을 350℃로 재가열하고, φ85×100h로 단조(단조 2회)하고, 또한 이것을 φ105×65h로 열간에서 단조(단조 3회)하였다. 이 단조의 회수는 임의이다. 다음으로 400℃에서 열간압연하고 φ200×18t까지 압연하고, 다시 냉간 압연으로 φ300×7.5t까지 압연하였다. 압연은 실시 예 1~6까지 동일한 조건이다.
다음으로 300~500℃, 0.5~1시간 열처리 후, 타겟트 전체를 급냉하여 타겟트 소재로 하였다. 또한, 표 1에서는 열처리 온도를 350℃, 0.5시간의 열처리를 행하고 있으나, 이 온도는 타겟트의 조성, 가공 공정 및 사이즈에 따라 임의로 선택할 수 있다. 단, 이 가공 및 열처리에서 특히 필요로 하는 조건은 최밀인 (111)면의 조정이다. 이것은 가공 이력(履歷), 열처리 이력, 성분 조성에 의해 영향을 받은 것이다.
본원발명의 실시 예에서는 EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 했을 때, 타겟트 표면의(111)면의 면적비가 4 이하가 되는 조건을 선택하여 실시하였다.
다음으로 이것을 기계 가공으로 직경 300mm, 두께 6.35mm의 타겟트로 가공하고, 또한 Cu 합금제 배킹 플레이트와 확산 접합에 의해 접합하여 스퍼터링 타겟트 조립체로 하였다. 실시 예 1~7은 표 1에 나타난 바와 같이, 망간 첨가를 0.07~18.5wt% 첨가한 것이다. 또한, 표 1에 나타난 함유량은 Mn량은 화학 분석치에 의한 것이다. 또한 금속 성분의 불순물은 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce이며, 표 1에 그 분석 총량을 나타낸다. 이것은 GDMS(Glow Discharge Mass Spectrometry) 분석에 의한다.
본 실시 예에 나타나는 이들의 총량는 1.5~185wtppm의 범위에 있다. 이들은 본 발명의 범위인 총량 500wtppm 이하를 만족시키고 있다.
본 실시 예에 나타나는 반도체용 동 합금 배선의 평가로서, 실리콘 기판 위에 산화 실리콘을 형성시킨 후, 상기 타겟트로 성막하여 막 저항을 조사하였다. 그 후 400℃ 진공 분위기에서 열처리하여 산화 망간층을 형성시켰다.
200℃ 미만에서는 안정된 산화 망간층이 형성되지 않고, 또한 525℃를 초과해서는 산화 망간층이 형성되기 전에 Cu가 확산해버리기 때문에 적절하지 않다는 것을 알았다. 바람직하게는 300℃~450℃가 가장 적합하다. 그 후, 막 저항을 측정하고나서 다시 온도를 높여(850℃) 실리콘 기판 중으로의 Cu의 확산 상황(배리어 성)을 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)로 평가하였다.
또한 내EM(일렉트로 마이그레이션) 특성을 평가하기 위하여 SiO2 층간 절연막을 가지는 배선 구(溝)에, 상기 타겟트로 스퍼터 성막한 시드층을 형성하였다. 그 후 400℃ 진공 분위기에서 배리어 층을 자기(自己) 형성시켰다. 그리고 Cu 전해 도금으로 배선 구를 매입하여 CMP(Chemical Mechanical Polishing:화학적 기계적 연마)로 상부를 평탄화하여 배선 폭 0.2㎛의 배선을 형성하였다. 이 배선에 전류를 걸어 배선 단선율(斷線律)을 평가하였다.
또한 층간 절연막을 가지는 배선 구에 상기 타겟트로 배선 구를 매입하여 CMP로 상부를 평탄화하였다. 그 후 400℃에서 산소 0.01vol% 함유하는 질소 분위기 에서 열처리하여, 배선 상부에도 망간 산화막을 형성시켰다.
Figure 112008083056161-pct00001
(실시 예 1의 막 특성과 평가)
실시 예 1은 Mn을 1.3wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 2.3wtppm인 것이다. 타겟트의 제조 조건은 표 1에 나타난 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 1에 나타난 바와 같이, 어느것도 Cu의 확산 저항(배리어 성)이 우수하며, 양호한 내EM 특성(단선은 거의 없음) 및 막 저항(저저항(低抵抗): 2.2μΩ㎝)을 나타내었다. 이것은 망간이 배선의 상부, 측면, 하부로 확산하여 양호한 배리어 막을 형성하는 것과 함께, 배선 중앙부의 저항이 저하하기 때문이다. 또한 단선이 거의 보이지 않았던 것은 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 2.3wtppm으로 저하하였기 때문이라고 생각된다.
본 실시 예 1에 대하여는 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 타겟트 표면의 (111)면의 면적비를 2.1이 되도록 하였다. 이것에 의해 균일성 1σ:2.0%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 8개가 되었다. 그리고, 불순물로서의 가스 성분을 표 2에 나타낸다. 이 경우는 산소 20wtppm, 질소 20wtppm, 탄소 30wtppm으로 하였다. 이들의 가스 성분의 저감화는 후술하는 비교 예와 대비하면, 파티클 발생 방지에 공헌하고 있다고 생각된다.
총합 평가로서는 대단히 좋은 특성을 나타냈다. 상기와 동일하게 시드층 형성용만으로 사용되는 것뿐만 아니라, 반도체의 배선재로서도 본 실시 예는 극히 유효하다는 것을 나타내고 있다.
Figure 112008083056161-pct00002
(실시 예 2의 막 특성과 평가)
실시 예 2는 Mn을 1.1wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 185wtppm인 것이다. 타겟트의 제조 조건은 표 1에 나타낸 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 1에 나타난 바와 같이, 어느것이나 Cu의 확산 저항(배리어 성)이 우수하며, 양호한 내EM 특성(단선은 거의 없음) 및 막 저항(저저항: 2.4μΩ㎝)을 나타내었다. 이것은 망간이 배선의 상부, 측면, 하부로 확산하여 양호한 배리어 막을 형성하는 것과 함께, 배선 중앙부의 저항이 저하하기 때문이다. 또한 단선이 거의 보이지 않았던 것은 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 185wtppm으로 본원의 조건의 범위에 있기 때문이라고 생각된다. 그러나 실시 예 1에 비하면 이 불순물량은 많다.
본 실시 예 2에 대하여는 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 타겟트 표면의 (111)면의 면적 비를 2.1이 되도록 하였다.
이것에 의해 균일성 1σ: 2.3%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 20개가 되었다. 균일성 및 파티클 수가 실시 예 1에 비교하여 많은 것은, 주로 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 많기 때문이라고 생각된다. 그리고, 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 2에 나타낸다. 이 경우는 산소 40wtppm, 질소 30wtppm, 탄소 30wtppm이었다. 이들의 가스 성분의 저감화는 후술하는 비교 예와 대비하면, 파티클 발생 방지에 그 나름대로 공헌하고 있다고 생각할 수 있다.
총합 평가로서는 양호한 특성을 나타냈다. 상기와 동일하게 시드층 형성용만으로 사용되는 것뿐만 아니라, 반도체의 배선재로서도 본 실시 예는 극히 유효하다는 것을 나타내고 있다.
(실시 예 3의 막 특성과 평가)
실시 예 3은 Mn을 1.3wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 2.3wtppm인 것이다. 타겟트의 제조 조건은 표 1에 나타낸 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 1에 나타난 바와 같이, 어느것이나 Cu의 확산 저항(배리어 성)이 우수하며, 양호한 내EM 특성(단선은 거의 없음) 및 막 저항(저저항: 2.1μΩ㎝)을 나타내었다. 이것은 망간이 배선의 상부, 측면, 하부로 확산하여 양호한 배리어 막을 형성하는 것과 함께, 배선 중앙부의 저항이 저하하기 때문이다. 또한 단선이 거의 보이지 않았던 것은 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 2.3wtppm으로 매우 낮기 때문이라고 생각된다.
이것에 의해 균일성 1σ: 3.7%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 18개가 되었다. 균일성 및 파티클 수가 실시 예 1에 비하여 많은 것은, 주로 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 높기 때문이라고 생각된다.
본 실시 예 3에 있어서는 상기와 같이 단조를 3회 실시한 경우이다. EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우에 있어서의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때의, 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 3.7로서, 본원발명에서 규정하는 4 이하의 조건에 가깝게 되었다.
이것은 (111)면의 배향의 균일 분포가 나쁘게 되는 방향에 있으나, 아직 본원발명의 조건 하에 있다. (111)면의 배향의 균일 분포가 나쁘게 되는 경향은, 단조의 회수에 의한 영향이라고 생각할 수 있기 때문에, 단조 회수는 3회 정도로 억제하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 2에 나타낸다. 이 경우는 산소 20wtppm, 질소 20wtppm, 탄소 30wtppm으로 하였다. 이들의 가스 성분의 저감화는 후술하는 비교 예와 대비하면, 파티클 발생 방지에 그 나름대로 공헌하고 있다고 생각할 수 있다. 총합 평가로서는 양호한 특성을 나타냈다. 상기와 동일하게 시드층 형성용으로만 사용되는 것뿐만 아니라, 반도체의 배선재로서도 본 실시 예는 극히 유효하다는 것을 나타내고 있다.
(실시 예 4의 막 특성과 평가)
실시 예 4는 Mn을 0.7wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 1.5wtppm인 것이다. 타겟트의 제조 조건은 표 1에 나타낸 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 1에 나타난 바와 같이, 어느것이나 Cu의 확산 저항(배리어 성)이 우수하며, 양호한 내EM 특성(단선은 거의 없음) 및 막 저항(저저항: 1.9μΩ㎝)을 나타내었다.
이것은 망간이 배선의 상부, 측면, 하부로 확산하여 양호한 배리어 막을 형성하는 것과 함께, 배선 중앙부의 저항이 저하하기 때문이다. 또한 단선이 거의 보이지 않았던 것은 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 1.5wtppm으로 매우 낮기 때문이라고 생각된다. 그러나 실시 예 1에 비하면, Mn량이 0.07wt%로 하한(下限)이 낮고, 또한 타겟트 표면의 (111)면의 면적비도 3.2로 다소 크다.
실시 예 4에 대하여 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 상기와 같이 타겟트 표면의 (111)면의 면적비를 3.2가 되도록 하였다.
이것에 의해 균일성 1σ:1.5%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 18개가 되었다. 파티클 수가 실시 예 1에 비하여 많은 것은, 주로 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 다소 높고, Mn량이 다소 적기 때문이라고 생각된다. 그리고, 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 2에 나타낸다. 이 경우는 산소 20wtppm, 질소 10wtppm, 탄소 20wtppm으로 하였다. 이들의 가스 성분의 저감화는 후술하는 비교 예와 대비하면, 파티클 발생 방지에 그 나름대로 공헌하고 있다고 생각된다.
총합 평가로서는 양호한 특성을 나타냈다. 상기와 동일하게 시드층 형성용으로만 사용되는 것뿐만 아니라, 반도체의 배선재로서도 본 실시 예는 극히 유효하다는 것을 나타내고 있다.
(실시 예 5의 막 특성과 평가)
실시 예 5는 Mn을 7.1wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 5.3wtppm인 것이다. 타겟트의 제조 조건은 표 1에 나타낸 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 1에 나타난 바와 같이, 어느것이나 Cu의 확산 저항(배리어 성)이 우수하며, 양호한 내EM 특성(단선은 거의 없음) 및 막 저항(저저항: 2.4μΩ㎝)을 나타내었다. 이것은 망간이 배선의 상부, 측면, 하부로 확산하여 양호한 배리어 막을 형성하는 것과 함께, 배선 중앙부의 저항이 저하하기 때문이다. 또한 단선이 거의 보이지 않았던 것은 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 5.3wtppm으로 매우 낮기 때문이라고 생각된다. 그러나 실시 예 1에 비하여 보면, Mn량이 7.1wt%로 많은 경우이다.
본 실시 예 5에 대하여 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 상기와 같이 타겟트 표면의 (111)면의 면적비를 2.5가 되도록 하였다.
이것에 의해 균일성 1σ:2.8%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 13개가 되었다. 파티클 수가 실시 예 1에 비하여 많은 것은, 주로 타겟트 Mn량이 다소 많기 때문이라고 생각된다. 그리고, 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 2에 나타낸다. 이 경우는 산소 30wtppm, 질소 20wtppm, 탄소 40wtppm으로 하였다. 이들의 가스 성분의 저감화는 후술하는 비교 예와 대비하면, 파티클 발생 방지에 그 나름대로 공헌하고 있다고 생각된다. 총합 평가로서는 양호한 특성을 나타냈다. 상기와 동일하게 시드층 형성용으로만 사용되는 것뿐만 아니라, 반도체의 배선재로서도 본 실시 예는 극히 유효하다는 것을 나타내고 있다.
(실시 예 6의 막 특성과 평가)
실시 예 6은 Mn을 18.5wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 20.3wtppm인 것이다. 타겟트의 제조 조건은 표 1에 나타낸 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 1에 나타난 바와 같이, 어느것이나 Cu의 확산 저항(배리어 성)이 우수하며, 양호한 내EM 특성(단선은 거의 없음) 및 막 저항(저저항: 2.6μΩ㎝)을 나타내었다. 이것은 망간이 배선의 상부, 측면, 하부로 확산하여 양호한 배리어 막을 형성하는 것과 함께, 배선 중앙부의 저항이 저하하기 때문이다. 또한 단선이 거의 보이지 않았던 것은 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 20.3wtppm으로 낮기 때문이라고 생각된다. 그러나 실시 예 1에 비하여 보면, Mn량이 18.5wt%로 많은 경우이다.
본 실시 예 6에 대하여 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 상기와 같이 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 1.9가 되도록 한 것이다.
이것에 의해 균일성 1σ: 2.4%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 15개가 되었다. 파티클 수가 실시 예 1에 비하여 다소 많은 것은, 주로 타겟트 Mn량이 다소 많게 되었기 때문이라고 생각된다. 그리고, 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 2에 나타낸다. 이 경우는 산소 40wtppm, 질소 10wtppm, 탄소 20wtppm으로 하였다. 이들의 가스 성분의 저감화는 후술하는 비교 예와 대비하면, 파티클 발생 방지에 그 나름대로 공헌하고 있다고 생각된다. 총합 평가로서는 양호한 특성을 나타냈다. 상기와 동일하게 시드층 형성용으로만 사용되는 것뿐만 아니라, 반도체의 배선재로서도 본 실시 예는 극히 유효하다는 것을 나타내고 있다.
(비교 예 1~5)
비교 예 1~5에 대하여는 표 3에 나타내는 조건을 변화시킨 것뿐으로, 기타의 조건은 전부 실시 예 1~6의 조건과 동일하게 하였다.
(비교 예 1의 막 특성과 평가)
비교 예 1은 Mn을 1.3wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 2.3wtppm인 것이다. 타겟트의 제조 조건은 표 3에 나타내는 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 3에 나타낸 바와 같이, Cu의 확산 저항(배리어 성), 내EM 특성(단선은 거의 없음) 및 막 저항(저저항: 2.3μΩ㎝)에 대하여는 문제가 없으나, 균일성 1σ: 4.6%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 102개가 되어 나쁜 결과로 되었다.
또한 EBSP로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우에 있어서 타겟트 표면의 면적비를 1로 한 경우의, 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 4.5로, 본원발명에서 규정하는 4 이하의 조건을 초과하였다. 즉, (111)면의 배향의 분포가 불균일하게 되었다.
본 비교 예 1에 있어서는 단조를 5회 실시한 경우이며, 단조 공정은 다음과 같다. φ105×65h로 열간 단조(단조 1회), 다음으로 이것을 350℃로 재가열하여 φ85×100h로 단조(단조 2회), 또한 이것을 φ105×65h로 열간에서 단조(단조 3회), 다시 한번 350℃ 가열하여 φ85×100h로 단조(단조 4회), φ105×65h로 단조(단조 5회), 최종적으로 열간 압연 및 냉간 압연하여 φ310×7.5t로 하였다. 과도한 단조는 (111)면의 배향의 분포를 불균일하게 하기 때문에 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다.
그리고, 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 4에 나타낸다. 이 경우는 산소 20wtppm, 질소 20wtppm, 탄소 30wtppm으로 한 것이나, 이들의 가스 성분의 저감화에도 불구하고, 균일성이 나쁘고, 파티클 발생량도 많게 된다고 하는 문제를 발생시켰다. 총합 평가로서는 나쁜 특성을 나타내었다.
Figure 112008083056161-pct00003
Figure 112008083056161-pct00004
(비교 예 2의 막 특성과 평가)
비교 예 2는 Mn을 2.5wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 510wtppm으로, 매우 다량으로 존재하는 경우이다. 타겟트의 제조조건은 표 3에 나타내는 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 3에 나타낸 바와 같이, 막 저항(저저항: 2.3μΩ㎝)에 대하여는 특히 문제가 없으나, Cu의 확산 저항(배리어 성), 내EM 특성이 현저하게 나쁘게 되었다.
그러나 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 상기와 같이 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 2.1서로 본원발명에 포함되고, 또한 균일성 1σ: 2.5%로 특히 문제는 없으나, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 72개가 되었다. 그리고, 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 4에 나타내나, 이 경우는 산소 30wtppm, 질소 20wtppm, 탄소 50wtppm으로 한 것이나, 이들의 가스 성분의 저감화에도 불구하고, 파티클 발생량도 많게 된다고 하는 문제를 발생시켰다. 총합 평가로서는 나쁜 특성을 나타내었다.
(비교 예 3의 막 특성과 평가)
비교 예 3은 Mn을 0.04wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 1.5wtppm으로서 소량 존재하는 경우이다(본원발명을 만족시키지 않음). 타겟트의 제조조건은 표 3에 나타난 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 3에 나타난 바와 같이, 막저항(저저항: 1.9μΩ㎝)에 대하여는 특히 문제는 없으나, Cu의 확산 저항(배리어 성), 내EM 특성이 현저하게 나쁘게 되었다. 이것은 자기(自己) 배리어 층의 형성이 충분하지 않은 것이 원인이라고 생각된다.
그러나 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 상기와 같이 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 2.7로서 본원발명에 포함되고, 또한 균일성 1σ: 2.3%, 파티클 0.2㎛ 이상의 개수가 18개로 특히 문제는 없었다. 그리고 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 4에 나타내나, 이 경우는 산소 20wtppm, 질소 10wtppm, 탄소 20wtppm으로 한 것이다. 어느 것이나 Cu의 확산 저항(배리어 성), 내EM 특성이 현저하게 나쁘게 되는 것은 큰 문제였다. 총합 평가로서는 나쁜 특성을 나타내었다.
(비교 예 4의 막 특성과 평가)
비교 예 4는 Mn을 21wt% 함유하여, 본원발명의 조건을 초과하고 있다. Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 25.3wtppm이다.타겟트의 제조조건은 표 3에 나타난 바와 같다. 이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 3에 나타난 바와 같이, 막저항(저저항: 5.8μΩ㎝)으로 되었다. 이것은 Mn이 다량으로 함유한 결과이다. Cu의 확산 저항(배리어 성), 내EM 특성에 대하여는 특히 문제가 없었다.그러나 막저항의 증가는 큰 문제이며, 실용에는 적합하지 않다. 총합 평가로서는 나쁜 특성을 나타내었다.
(실시 예 7의 막 특성과 평가)
실시 예 7은 Mn을 1.0wt% 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 395wtppm으로 다량으로 존재하나, 아직 본원발명의 범위에 드는 조건이다. 타겟트의 제조조건은 표 5에 나타낸 바와 같이, 분말 야금법(P/M법)에 의해 제작되었다. 50메쉬 이하의 Cu 분말과 Mn 분말을 혼합하고, 흑연 다이스에 충전하였다. 다음으로 이 흑연 다이스를 진공 중에서 850℃로 가열하고, 250kg/㎠의 압력에서 1시간 유지하는 핫프레스를 행하였다. 이렇게 하여 얻은 φ360×10t의 원반을 타겟트로 가공하여, 스퍼터 성막 시험을 행하였다.
이 결과, 반도체용 동 합금 배선 및 시드층을 만든 경우에 표 5에 나타난 바와 같이, 막저항(저저항: 3.5μΩ㎝)도 다소 높게 되었다. 그럼에도 불구하고, Cu의 확산 저항(배리어 성), 내EM 특성은 특히 문제는 없었다.
Figure 112008083056161-pct00005
또한 반도체 배선 형성용 Cu-Mn 합금 스퍼터 타겟트의 조직으로서, EBSP(전자후방산란회절상법)로 측정한 최밀인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 상기와 같이 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 1.2로 낮고 조건으로서는 본원발명의 범위에 있으며, 균일성 1σ: 2.6%로 양호하였다. 따라서 실시 예 7의 조건으로 제조된 타겟트는 사용가능한 범위의 것이다.
파티클의 발생량에 대하여는 0.2㎛ 이상의 개수가 132개로 많게 되었다. 그리고, 불순물로서의 가스 성분을 동일하게 표 6에 나타내나, 이 경우는 산소 450wtppm, 질소 30wtppm, 탄소 40wtppm이며, 산소량이 증가하였다. 이것이 파티클 발생의 원인이라고 생각된다.
Figure 112008083056161-pct00006
총합 평가로서는 상기와 같이 파티클 발생이라고 하는 의미에서는 나쁜 평가가 되지만, 이것은 파티클 발생의 문제만이며, 기타 특성이 나쁘게 되는 것은 아니다. 따라서 파티클 발생의 문제를 해결하기 위해서는, 함유 산소량을 조정하는 것으로 해결할 수 있다. 특히 산소는 100wtppm, 바람직하게는 50wtppm으로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
일반적으로 파티클 발생은 타겟트의 재질뿐만 아니라, 기타 원인으로부터도 발생한다. 따라서 예를 들면 타겟트나 배킹 플레이트의 형상 혹은 취부(取付)방법의 고안 등에 의해, 파티클 발생을 저감할 수 있는 장치·구조를 구비하고 있는 경우에는, 타겟트의 재질로부터 오는 파티클 발생을 상대적으로 저감할 수 있기 때문에, 총량적으로 그만큼 큰 문제가 되지 않는 경우가 있다. 따라서 타겟트의 산소량 저감은 이들을 감안하여 조절하는 것이 바람직한 조건의 하나라고 말할 수 있다.
이상의 실시 예 및 비교 예에 나타나는 바와 같이, 본원발명의 Mn 0.05~20wt%를 함유하고, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 500wtppm 이하, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트 및 반도체용 동 합금 배선의 유용성은 명백한 것이며, 박막 배선 및 시드층은 고 도전성을 가짐과 동시에 우수한 자기 확산 억제 기능을 구비하고 있다.
또한 스퍼터 시의 성막의 균일성이 양호하게 되며, 파티클의 발생도 감소한다고 하는 현저한 효과가 있다는 것을 알았다.
본 발명은 반도체용 동 합금 배선은 그 자체에 자기 확산 억제 기능을 가지고 있기 때문에, 활성인 Cu의 확산에 의한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있으며, 일렉트로 마이그레이션(EM) 내성, 내식성 등을 향상시키는 것이 가능하다고 하는 우수한 효과를 가지며, 또한 동 합금 배선 막의 상면, 하면, 주면(周面) 등에 산화 망간으로 이루어진 배리어 층을 임의로, 또한 안정하게 형성 가능하며, 또한 동 합금 배선의 성막 공정 및 배리어 층의 형성 공정을 간소화할 수 있다고 하는 현저한 효과를 가지고 있다. 또한 (111)면의 면적비를 억제하는 것에 의해, 스퍼터 시의 성막이 양호하게 되며, 파티클의 발생도 감소한다고 하는 효과가 있다. 따라서 반도체용 동 합금 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟트 및 반도체용 동 합금 배선의 제조에 극히 유용하다.

Claims (12)

  1. Mn 0.05~20wt%를 함유하고, Mn 보다 산화물을 형성하기 쉬운 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 500wtppm 이하, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  2. 제1항에 있어서, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 50wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  3. 제1항에 있어서, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 10wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, EBSP로 측정한 최밀(最密)인 (111)면이 각 방향으로 균일하게 분포한 경우의 타겟트 표면의 면적비를 1로 하였을 때, 타겟트 표면의 (111)면의 면적비가 4 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 산소 함유량이 100wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  6. 제4항에 있어서, 산소 함유량이 100wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 산소 함유량이 50wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  8. 제4항에 있어서, 산소 함유량이 50wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 스퍼터링 타겟트.
  9. Mn 0.05~20wt%를 함유하고, Mn 보다 산화물을 형성하기 쉬운 Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 500wtppm 이하, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 반도체 배선.
  10. 제9항에 있어서, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 50wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 반도체 배선.
  11. 제9항에 있어서, Be, B, Mg, Al, Si, Ca, Ba, La, Ce의 총계가 10wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 반도체 배선.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 콘택트 홀 또는 배선구의 요부(凹部)에 형성하는 배선 재료인 것을 특징으로 하는 Cu-Mn 합금 반도체 배선.
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