JP2004193552A - 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 - Google Patents
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Abstract
【課題】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に関するものである。
【解決手段】Ａｇ：０．０５〜２質量％を含み、さらにＦｅ：０．０３〜０．４質量％またはＮｉ：０．０３５〜１．５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および半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲット。
【選択図】 なし
【解決手段】Ａｇ：０．０５〜２質量％を含み、さらにＦｅ：０．０３〜０．４質量％またはＮｉ：０．０３５〜１．５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および半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲット。
【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なるシード層を形成するため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およびこのターゲットにより形成した半導体装置配線シード層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、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮなどの基板またはＳｉウエハの表面にＳｉＯ２、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ＳｉＯ２、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方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）。
しかし、Ｃｕ配線の場合はＣｕが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純銅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）。
【０００３】
【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
【０００４】
【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。
【０００５】
【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Ｔａ層との密着性に優れたシード層は、純度：９９．９９９９％以上の高純度銅に、Ａｇ：０．０５〜２質量％を添加し、さらにＦｅ：０．０３〜０．４質量％またはＮｉ：０．０３５〜１．５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スパッタリングすることにより得られ、このようにして得られたシード層は、ターゲットと同じ成分組成を有し、加熱しても凝集がないところからＴａＮ層の上に形成し、その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が抑制され、断線を防止することができる、などの知見を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
（１）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｆｅ：０．０３〜０．４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）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｎｉ：０．０３５〜１．５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、
（３）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｆｅ：０．０３〜０．４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、
（４）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｎｉ：０．０３５〜１．５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、に特徴を有するものである。
【０００７】
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、得られた高純度電解銅にＡｇ：０．０５〜２質量％を添加し、さらにＦｅ：０．０３〜０．４質量％またはＮｉ：０．０３５〜１．５質量％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、この熱延板を切り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。
【０００８】
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およびこの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たシード層の成分組成を前述のごとく限定した理由を説明する。
Ａｇ：
ＡｇはＣｕの表面張力を低下させることからＦｅまたはＮｉと組み合わせることにより大きな凝集防止効果を示し、したがってボイドの発生を抑制するためにＦｅまたはＮｉと共に添加するが、その含有量は０．０５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および半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＡｇの含有量を０．０５〜２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および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の一層好ましい含有量は０．１〜１質量％である。
【０００９】
Ｆｅ：
ＦｅはＴａとの間にＦｅ単体より融点の高い安定な金属間化合物を形成し、Ｔａとの濡れ性が高く、Ｃｕ中に含有させることでＴａＮとの密着性を向上させ、それによって凝集およびボイドの発生を抑制する作用があるのでＡｇと共に添加するが、Ｆｅは０．０３質量％未満含んでも十分なボイド発生抑止効果が得られず、一方、０．４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およびこの半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＦｅの含有量を０．０３〜０．４質量％に定めた。
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および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の一層好ましい含有量は０．０５〜０．１５質量％である。
【００１０】
Ｎｉ：
ＮｉはＴａとの間にＮｉ単体より融点の高い安定な金属間化合物を形成し、Ｔａとの濡れ性が高く、Ｃｕ中に含有させることでＴａＮとの密着性を向上させ、それによって凝集およびボイドの発生を抑制する作用があるのでＡｇと共に添加するが、Ｎｉは０．０３５質量％未満含んでも十分なボイド発生抑止効果が得られず、一方、１．５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およびその半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＮｉの含有量は０．０３５〜１．５質量％に定めた。
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および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Ｎｉの一層好ましい含有量は０．１〜０．８質量％である。
【００１１】
【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およびそのターゲットを用いて形成する半導体装置配線シード層について実施例により具体的に説明する。
【００１２】
実施例１
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ＡｇおよびＦｅ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。この板状インゴットを温度：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、この熱延板を切り抜いて直径：１５２ｍｍ、厚さ：８ｍｍの寸法を有する円板を作製した。これら円板をさらに機械加工することにより直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有し、表１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）１〜１０、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）１〜２および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。
【００１３】
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１〜１０、比較ターゲット１〜２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Ｔａ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ＳｉＯ２層を形成した酸化膜付きシリコンウエハを用意した。
【００１４】
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：Ｎ２＝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ＳｉＯ２層表面の上に形成した。
【００１５】
このようにして形成したＴａＮ膜の上に、本発明ターゲット１〜１０、比較ターゲット１〜２および従来ターゲット１〜２を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取付け、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表１に示される成分組成を有し、厚さ：３００ｎｍおよび厚さ：２０ｎｍを有するシード層となる銅合金スパッタリング薄膜をそれぞれ形成した。
【００１６】
このようにして本発明ターゲット１〜１０、比較ターゲット１〜２および従来ターゲット１〜２を用いて得られた厚さ：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に示した。この際、銅合金スパッタリング薄膜の比抵抗は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。
【００１７】
その後、さらに本発明ターゲット１〜１０、比較ターゲット１〜２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に示すことによりシード層としての評価を行なった。
【００１８】
【表１】
【００１９】
表１に示される結果から、本発明ターゲット１〜１０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、従来ターゲット１〜２を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜に比べて熱処理により凝集することがなく、また熱処理後にボイドが発生しても、ボイド発生数が少なく平均ボイド径も小さいところから、本発明ターゲット１〜１０を用いて作製した銅合金スパッタリング薄膜はシード層として優れていることが分かる。しかし、比較ターゲット１〜２を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜は比抵抗が大きくなってシード層として適さないことが分かる。
【００２０】
実施例２
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ＡｇおよびＮｉ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。この板状インゴットを温度：５００℃、１時間の加熱後、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。これら円板をさらに機械加工することにより直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有し、表２に示される成分組成を有する本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４を作製した。
【００２１】
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１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４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。
【００２２】
前記実施例１で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：Ｎ２＝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ＳｉＯ２層表面の上に形成した。
【００２３】
このようにして形成したＴａＮ膜を形成した基板におけるＴａＮ膜の上に、本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４を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取付け、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表２に示される成分組成を有し、厚さ：３００ｎｍおよび厚さ：２０ｎｍを有するシード層となる銅合金スパッタリング薄膜をそれぞれ形成した。
【００２４】
このようにして本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４を用いて得られた厚さ：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。
その後、さらに本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４で形成した厚さ：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２に示すことによりシード層としての評価を行なった。
【００２５】
【表２】
【００２６】
表２に示される結果から、本発明ターゲット１１〜２０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、従来ターゲット３〜４を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜に比べて熱処理後の凝集がなく、したがってボイドの発生がないので、本発明ターゲット１１〜２０を用いて作製した銅合金スパッタリング薄膜はシード層として優れていることが分かる。しかし比較ターゲット３〜４を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜は比抵抗が大きすぎてシード層として適さないことが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明のターゲットを用いて作製したＴａＮ膜表面にＣｕシード層を形成して作製した銅配線はボイドが発生し難いので、ＬＳＩなどの半導体装置における銅配線パターンの微細化進展、歩留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、
【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なるシード層を形成するため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およびこのターゲットにより形成した半導体装置配線シード層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、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮなどの基板またはＳｉウエハの表面にＳｉＯ２、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ＳｉＯ２、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方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）。
しかし、Ｃｕ配線の場合はＣｕが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純銅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）。
【０００３】
【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
【０００４】
【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。
【０００５】
【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Ｔａ層との密着性に優れたシード層は、純度：９９．９９９９％以上の高純度銅に、Ａｇ：０．０５〜２質量％を添加し、さらにＦｅ：０．０３〜０．４質量％またはＮｉ：０．０３５〜１．５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スパッタリングすることにより得られ、このようにして得られたシード層は、ターゲットと同じ成分組成を有し、加熱しても凝集がないところからＴａＮ層の上に形成し、その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が抑制され、断線を防止することができる、などの知見を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
（１）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｆｅ：０．０３〜０．４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）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｎｉ：０．０３５〜１．５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、
（３）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｆｅ：０．０３〜０．４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、
（４）Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｎｉ：０．０３５〜１．５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、に特徴を有するものである。
【０００７】
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、得られた高純度電解銅にＡｇ：０．０５〜２質量％を添加し、さらにＦｅ：０．０３〜０．４質量％またはＮｉ：０．０３５〜１．５質量％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、この熱延板を切り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。
【０００８】
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およびこの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たシード層の成分組成を前述のごとく限定した理由を説明する。
Ａｇ：
ＡｇはＣｕの表面張力を低下させることからＦｅまたはＮｉと組み合わせることにより大きな凝集防止効果を示し、したがってボイドの発生を抑制するためにＦｅまたはＮｉと共に添加するが、その含有量は０．０５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および半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＡｇの含有量を０．０５〜２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および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の一層好ましい含有量は０．１〜１質量％である。
【０００９】
Ｆｅ：
ＦｅはＴａとの間にＦｅ単体より融点の高い安定な金属間化合物を形成し、Ｔａとの濡れ性が高く、Ｃｕ中に含有させることでＴａＮとの密着性を向上させ、それによって凝集およびボイドの発生を抑制する作用があるのでＡｇと共に添加するが、Ｆｅは０．０３質量％未満含んでも十分なボイド発生抑止効果が得られず、一方、０．４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およびこの半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＦｅの含有量を０．０３〜０．４質量％に定めた。
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および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の一層好ましい含有量は０．０５〜０．１５質量％である。
【００１０】
Ｎｉ：
ＮｉはＴａとの間にＮｉ単体より融点の高い安定な金属間化合物を形成し、Ｔａとの濡れ性が高く、Ｃｕ中に含有させることでＴａＮとの密着性を向上させ、それによって凝集およびボイドの発生を抑制する作用があるのでＡｇと共に添加するが、Ｎｉは０．０３５質量％未満含んでも十分なボイド発生抑止効果が得られず、一方、１．５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およびその半導体装置配線シード層を形成するための銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＮｉの含有量は０．０３５〜１．５質量％に定めた。
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および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Ｎｉの一層好ましい含有量は０．１〜０．８質量％である。
【００１１】
【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およびそのターゲットを用いて形成する半導体装置配線シード層について実施例により具体的に説明する。
【００１２】
実施例１
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ＡｇおよびＦｅ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。この板状インゴットを温度：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、この熱延板を切り抜いて直径：１５２ｍｍ、厚さ：８ｍｍの寸法を有する円板を作製した。これら円板をさらに機械加工することにより直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有し、表１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）１〜１０、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）１〜２および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。
【００１３】
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１〜１０、比較ターゲット１〜２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Ｔａ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ＳｉＯ２層を形成した酸化膜付きシリコンウエハを用意した。
【００１４】
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：Ｎ２＝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ＳｉＯ２層表面の上に形成した。
【００１５】
このようにして形成したＴａＮ膜の上に、本発明ターゲット１〜１０、比較ターゲット１〜２および従来ターゲット１〜２を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取付け、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表１に示される成分組成を有し、厚さ：３００ｎｍおよび厚さ：２０ｎｍを有するシード層となる銅合金スパッタリング薄膜をそれぞれ形成した。
【００１６】
このようにして本発明ターゲット１〜１０、比較ターゲット１〜２および従来ターゲット１〜２を用いて得られた厚さ：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に示した。この際、銅合金スパッタリング薄膜の比抵抗は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。
【００１７】
その後、さらに本発明ターゲット１〜１０、比較ターゲット１〜２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に示すことによりシード層としての評価を行なった。
【００１８】
【表１】
表１に示される結果から、本発明ターゲット１〜１０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、従来ターゲット１〜２を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜に比べて熱処理により凝集することがなく、また熱処理後にボイドが発生しても、ボイド発生数が少なく平均ボイド径も小さいところから、本発明ターゲット１〜１０を用いて作製した銅合金スパッタリング薄膜はシード層として優れていることが分かる。しかし、比較ターゲット１〜２を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜は比抵抗が大きくなってシード層として適さないことが分かる。
【００２０】
実施例２
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ＡｇおよびＮｉ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。この板状インゴットを温度：５００℃、１時間の加熱後、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。これら円板をさらに機械加工することにより直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有し、表２に示される成分組成を有する本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４を作製した。
【００２１】
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１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４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。
【００２２】
前記実施例１で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：Ｎ２＝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ＳｉＯ２層表面の上に形成した。
【００２３】
このようにして形成したＴａＮ膜を形成した基板におけるＴａＮ膜の上に、本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４を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取付け、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表２に示される成分組成を有し、厚さ：３００ｎｍおよび厚さ：２０ｎｍを有するシード層となる銅合金スパッタリング薄膜をそれぞれ形成した。
【００２４】
このようにして本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４を用いて得られた厚さ：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。
その後、さらに本発明ターゲット１１〜２０、比較ターゲット３〜４および従来ターゲット３〜４で形成した厚さ：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２に示すことによりシード層としての評価を行なった。
【００２５】
【表２】
表２に示される結果から、本発明ターゲット１１〜２０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、従来ターゲット３〜４を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜に比べて熱処理後の凝集がなく、したがってボイドの発生がないので、本発明ターゲット１１〜２０を用いて作製した銅合金スパッタリング薄膜はシード層として優れていることが分かる。しかし比較ターゲット３〜４を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜は比抵抗が大きすぎてシード層として適さないことが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明のターゲットを用いて作製したＴａＮ膜表面にＣｕシード層を形成して作製した銅配線はボイドが発生し難いので、ＬＳＩなどの半導体装置における銅配線パターンの微細化進展、歩留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 (4)
- Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｆｅ：０．０３〜０．４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。
- Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｎｉ：０．０３５〜１．５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。
- Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｆｅ：０．０３〜０．４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。
- Ａｇ：０．０５〜２質量％、Ｎｉ：０．０３５〜１．５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。
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