JP2011127223A - Ｃｕ膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕのセルフイオンスパッタ法を適用する場合において、プラズマ状態を安定させて長時間にわたって自己維持放電を持続させることを可能にしたＣｕスパッタリングターゲットが求められている。
【解決手段】高純度Ｃｕからなるスパッタリングターゲットを用い、Ｃｕのセルフイオンスパッタ法によりＣｕ膜を製造するＣｕ膜の製造方法であって、前記高純度ＣｕはＡｇおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含有し、かつ前記ＡｇおよびＡｕの合計含有量が０．００５〜５００ｐｐｍの範囲であり、前記ＡｇおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素の含有量のバラツキがターゲット全体として±３０％以内である。
【選択図】図１

Description

本発明はＣｕ膜の製造方法に関する。

近年、ＬＳＩに代表される半導体工業は急速に進捗しつつある。６４ＭビットＤＲＡＭやロジック素子、さらにはそれ以降の半導体素子では、高集積化、高信頼性化、高機能化が進むにつれて、微細加工技術に要求される精度も益々高まってきている。このような集積回路の高密度化や高速化などに伴って、ＡｌやＣｕを主成分として形成される金属配線の幅は１／４μｍ以下になりつつある。このような配線に対応するために、配線技術の改良が進められている。

すなわち、従来の配線技術とは異なる、デュアルダマシン（ＤＤ）配線技術を適用することが検討されている。ＤＤ技術とは、予め下地膜に形成した配線溝上に、配線材となるＡｌやＣｕを主成分とする金属をスパッタリング法、ＣＶＤ法、メッキ法などを用いて成膜し、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などで余剰の配線金属を除去する技術である。

上述したような配線材料としては、抵抗率がＡｌより低いＣｕが主流となりつつあり、ロジックなどの半導体デバイスではおおよそＣｕ配線が使用されている。Ｃｕ配線が有利な点としては、Ａｌ配線に比べて耐エレクトロマイグレーション性に優れていることも挙げられる。Ｃｕ配線を適用する場合には、ＣｕのＳｉ中への拡散防止を目的としたバリアメタル層を設けることが必須である。

半導体素子用のバリアメタルとしては、一般的にＴｉＮが使用されてきたが、最近Ｃｕ配線用のバリア材料としてＴａＮが提案され、ＣｕのＳｉ中への拡散防止に対してはＴａＮが有効であることが明らかになりつつある。そこで、Ｃｕ配線用のバリア層にはＴａＮ膜を適用する方向に進んでいる。Ｃｕ配線はメッキ法で形成することが主流であるため、具体的なＣｕ配線の形成工程は以下のようになる。すなわち、配線溝やホール内にバリア層としてＴａＮ膜を形成し、その上にＣｕメッキのシード層（Ｃｕ膜）をスパッタ法などで形成した後に、配線を構成するＣｕをメッキにより形成する。

上述したＣｕシード層の状態、言い換えればシード層形成時のＣｕのスパッタ状態は、Ｃｕメッキに対して大きな影響を及ぼす。すなわち、Ｃｕシード層が溝やホール内に完全な連続膜として形成されないとメッキ液にエッチングされてしまい、メッキ時にＣｕを良好に成長させることができなくなってしまう。また、連続していないＣｕシード層では、メッキ時に電流が流れないために化学反応が促進されず、Ｃｕが充填されないこともある。

半導体デバイスの設計ルールは益々微細化しており、アスペクト比が４を超えるような溝やホールも一般化しつつある。このようなデバイスに対応するためには、従来のコリメーションスパッタ法、長距離スパッタ法、低圧スパッタ法などでは限界があり、新たなスパッタ技術の開発が必須となっている。そこで、Ｃｕシード層を形成するための新たなスパッタ法として、Ｃｕのセルフイオンスパッタ法が注目されている。

セルフイオンスパッタ法とはＣｕ自身をイオン化し、この生成したＣｕ^＋イオンにより放電を自己的に維持する、つまり自己維持放電させる方法である。Ｃｕを自己維持放電させるセルフイオンスパッタ法では、通常のスパッタ法で用いられるＡｒやＫｒといった希ガスが必要ないため、Ｃｕ原子、Ｃｕ^＋イオン、中性粒子などは飛行方向を曲げられずに、基板へ直進性を維持しながら進んでいく。つまり、指向性が従来のスパッタ法に比べて優れていると共に、ＡｒイオンやＫｒイオンによるエッチング作用もないため、アスペクト比が大きい溝やホール内にも良好にＣｕ膜を形成することができる。

ところで、セルフイオンスパッタ法を適用したＣｕのスパッタリングにおいては、Ｃｕ^＋イオンの直進性を高めるために、基板側にバイアス電圧を印加することが一般的である。すなわち、まずチャンバ内を高真空にしてターゲット側に負電圧を印加し、ＡｒやＫｒなどの希ガスを流しながら初期のプラズマを発生させる。同時に基板側にも負電圧を印加する。次に、希ガスを止めて、Ｃｕ^＋イオン自身で放電を維持させる。

しかしながら、従来のＣｕターゲットを用いて自己維持放電を発生させた場合、基板側へのバイアス電圧を上げた際に、ターゲット−基板間のバランスがくずれ、長時間成膜しているとプラズマが不安定な状態になって、結果的に放電が切れてしまうという問題が発生する。このような問題が半導体デバイスの量産ラインで発生すると、多量の不良品を生じさせることになり、半導体デバイスの製造歩留りを大幅に低下させることになってしまう。

本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、Ｃｕのセルフイオンスパッタ法を適用する場合に、プラズマ状態を安定させて長時間にわたって自己維持放電を持続させることを可能にしたスパッタリングターゲットを提供することを目的としている。

本発明のＣｕ膜の製造方法は、高純度Ｃｕからなるスパッタリングターゲットを用い、Ｃｕのセルフイオンスパッタ法によりＣｕ膜を製造するものである。そして、前記高純度Ｃｕは、ＡｇおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含有し、かつ前記ＡｇおよびＡｕの合計含有量が０．００５〜５００ｐｐｍの範囲であり、前記ＡｇおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素の含有量のバラツキがターゲット全体として±３０％以内であることを特徴とする。

前記高純度Ｃｕは、不純物元素としてのＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＮａおよびＫの合計含有量が１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。また、前記ターゲットはバッキングプレートと接合されていることが好ましい。

前記Ｃｕ膜としては、例えばＣｕ配線が挙げられる。また、前記Ｃｕ膜としては、例えばＣｕメッキ配線のＣｕシード層が挙げられる。

前記Ｃｕ膜は、電子デバイスのＣｕ膜であることが好ましい。前記電子デバイスとしては、半導体デバイス、ＳＡＷデバイス、ＴＰＨ、ＬＣＤ等が挙げられる。

Ｃｕはイオン化効率が大きいために、Ｃｕ^＋イオンにより放電を自己的に維持する（自己維持放電する）ことができる。ただし、Ｃｕ^＋イオンによる自己維持放電だけでは、長時間放電を持続させた際にプラズマ状態が不安定になってしまう。特に、基板側に大きなバイアス電圧を印加すると、Ｃｕ^＋イオンによる自己維持放電が不安定な状態になりやすい。

そこで、本発明のスパッタリングターゲット（Ｃｕターゲット）においては、それを構成する高純度Ｃｕ中に、Ｃｕよりもイオン化効率が高いＡｇやＡｕを０．００５〜５００ｐｐｍの範囲（ＡｇとＡｕの合計含有量として）で含有させている。ＡｇやＡｕはＣｕのイオン化効率を促進させる、言い換えるとＣｕの自己維持放電を補う役割を果たすため、Ｃｕの自己維持放電を長時間にわたって安定に維持することが可能となる。

本発明のスパッタリングターゲットによれば、Ｃｕのセルフイオンスパッタ法を適用する際に、プラズマ状態を安定させて長時間にわたって自己維持放電を持続させることが可能となる。これはＣｕ配線の製造歩留りや信頼性の向上などに大きく寄与するものである。

本発明のスパッタリングターゲットにおけるＡｇおよびＡｕ含有量とそのバラツキの測定方法を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

本発明のスパッタリングターゲットは、ＡｇおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素を、質量比でＡｇおよびＡｕの合計量として０．００５〜５００ｐｐｍの範囲で含有する高純度Ｃｕからなるものであり、このような量範囲のＡｇやＡｕを高純度Ｃｕ中に含有させることによって、Ｃｕのセルフイオンスパッタにおける自己維持放電の持続性を大幅に向上させることが可能となる。

本発明において、高純度Ｃｕからなるスパッタリングターゲット（Ｃｕターゲット）中のＡｇおよびＡｕの合計含有量を上記した範囲に規定した理由は、以下の通りである。

Ｃｕはイオン化効率が非常に大きいため、Ｃｕ自身がイオン化してターゲットに戻って自己維持スパッタする、言い換えると自己維持放電を維持してＣｕのスパッタが継続される特性を有している。このようなセルフイオンスパッタ法に基づくＣｕのスパッタリングによれば、放電空間にＡｒやＫｒなどの希ガスが存在しないため、スパッタされたＣｕ原子、Ｃｕ^＋イオン、中性粒子などは飛行方向を曲げられずに、基板へ直進性を有しながら進んでいく。つまり、従来のスパッタ法に比べて非常に優れた指向性が得られる。さらに、基板側にマイナスの電荷（バイアス電圧）を印加することによって、より多くのＣｕ^＋イオンが直進の方向性を有しながら基板に到達する。

ただし、従来の高純度Ｃｕターゲットを用いた場合には、長時間放電を持続させるとプラズマが非常に不安定な状態に陥り、最終的に放電が切れてしまう。このような自己維持放電の消滅を回避するためには、Ｃｕターゲットから放出されるＣｕ＋イオンの数を増加させることが有効である。この点について種々検討した結果、イオン化効率が高いＡｇやＡｕが、Ｃｕ^＋イオンの発生数の増加に対して有効に作用することを見出した。

すなわち、ＡｇやＡｕはＣｕよりもイオン化効率が高いため、Ｃｕのイオン化効率を促進させることができる。言い換えると、ＡｇやＡｕはＣｕの自己維持放電を補う役割を果たす。これによって、Ｃｕの自己維持放電を長時間にわたって安定に維持することが可能となる。特に、Ｃｕ^＋イオンの直進性を高める上で、基板側にマイナスの電荷（バイアス電圧）を印加した場合においても、イオン化効率の高いＡｇやＡｕでＣｕの自己維持放電を補うことによって、Ｃｕの自己維持放電を長時間にわたって安定に維持することができる。

ただし、高純度Ｃｕ中のＡｇやＡｕの含有量がこれらの合計量として５００ｐｐｍを超えると、ＣｕとＡｇもしくはＣｕとＡｕの化合物が形成され、Ｃｕターゲットを用いて形成したＣｕ膜の比抵抗が増大してしまう。一方、ＡｇとＡｕの合計含有量が０．００５ｐｐｍ未満であると、Ｃｕのイオン化効率を促進する効果を有効に得ることができない。高純度Ｃｕ中のＡｇとＡｕの合計含有量は０．０１〜１００ｐｐｍの範囲とすることがより好ましく、さらには０．５〜５０ｐｐｍの範囲とすることが望ましい。

また、本発明のスパッタリングターゲットにおいて、ＡｇやＡｕの含有量のバラツキは、ターゲット全体として±３０％以内とすることが好ましい。このように、ターゲット全体に対するＡｇやＡｕの含有量のバラツキを低く抑えることによって、ターゲット全体としてＣｕのイオン化効率を促進させることができるため、Ｃｕの自己維持放電をより一層安定に維持することが可能となる。Ｃｕターゲット中のＡｇ含有量もしくはＡｕ含有量のバラツキは、±１５％以内とすることがさらに好ましく、より望ましくは±１０％以内である。

ここで、本発明のスパッタリングターゲットにおけるＡｇ含有量もしくはＡｕ含有量は、以下に示す方法により測定された値とする。すなわち、図１に示すように、例えば円板状ターゲットの中心部（位置１）と、中心部を通り円周を均等に分割した４本の直線上の外周近傍位置（位置２〜９）およびその１／２の距離の位置（位置１０〜１７）とから、それぞれ長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍの試験片を採取し、これら１７点の試験片中のＡｇ量もしくはＡｕ量を測定し、これらの測定値を平均した値を、ターゲットのＡｇ含有量もしくはＡｕ含有量とする。Ａｇ量もしくはＡｕ量はＩＣＰ−ＭＡＳＳ法に基づいて測定するものとする。

さらに、ターゲット全体のＡｇ含有量もしくはＡｕ含有量のバラツキは、上記した１７点の試験片から求めたＡｇ含有量もしくはＡｕ含有量の最大値および最小値から、｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×１００の式に基づいて求めた値を示すものとする。

本発明のスパッタリングターゲットは、上述したように高純度Ｃｕ中のＡｇおよびＡｕの合計含有量を０．００５〜５００ｐｐｍの範囲としたことに特徴を有するものである。ターゲットを構成する高純度Ｃｕ中のＡｇおよびＡｕを除く不純物元素量については、一般的な高純度金属材のレベル程度であれば多少含んでいてもよい。

ただし、配線抵抗の低減などを図る上で、本発明においては不純物元素としてのＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＮａおよびＫの合計含有量が１０ｐｐｍ以下の高純度Ｃｕを用いることが好ましい。言い換えると、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＮａおよびＫの各含有量（質量％）の合計量を１００％から引いた値［１００−（Ｆｅ％＋Ｎｉ％＋Ｃｒ％＋Ｔｉ％＋Ａｌ％＋Ｎａ％＋Ｋ％）］が９９．９９９％以上というような高純度Ｃｕを用いることが好ましい。

本発明のスパッタリングターゲットは、例えば以下のようにして作製することができる。すなわち、まずＣｕスパッタリングターゲットの形成原料となる高純度Ｃｕを作製する。高純度Ｃｕは、例えば自然銅を電解精錬し、さらに真空誘導溶解法により精製してインゴットとする。ビレットのサイズは、例えば直径１００〜５００ｍｍとする。この際、目的とするターゲットのＡｇ含有量もしくはＡｕ含有量に基づいて、ＡｇやＡｕを添加する。ＡｇやＡｕを添加するにあたっては、Ｃｕ原料中のＡｇ量やＡｕ量を考慮して添加量を設定するものとする。

次に、得られたＣｕインゴットに対して鍛造、圧延による塑性加工を施す。この塑性加工時の加工率は例えば５０〜９８％とする。このような加工率の塑性加工によれば、インゴットに適当な熱エネルギーを与えることができ、この熱エネルギーによってＡｇやＡｕの均質化（バラツキの減少）を図ることができる。また、この加工時の熱エネルギーは、結晶格子の配列を整合させる役割を果たすことから、微小内部欠陥の除去などに対しても有効に作用する。塑性加工工程においては、必要に応じて中間熱処理を実施してもよい。この後、２００〜５００℃の範囲の温度で１時間以上の熱処理を施す。この熱処理によって、ターゲット材中のＡｇやＡｕのバラツキをさらに減少させることができる。

このようにして得られる高純度Ｃｕ材を所望の円板状などに機械加工し、これを例えばＡｌからなるバッキングプレートと接合する。バッキングプレートとの接合には、拡散接合やろう付け接合などが適用される。拡散接合時の温度は６００℃以下とすることが好ましい。また、ろう付け接合は公知のＩｎ系やＳｎ系の接合材を使用して実施する。ここで得られたターゲット素材を所定サイズに機械加工することによって、本発明のスパッタリングターゲットが得られる。

本発明のスパッタリングターゲットは、各種電子デバイスの配線膜形成用として用いることができるが、特にＣｕのセルフイオンスパッタ法を適用して、Ｃｕメッキ配線のＣｕシード層を形成する際に好適に用いられる。本発明のスパッタリングターゲットを用い、かつＣｕのセルフイオンスパッタ法を適用して形成したＣｕ膜は、スパッタ粒子の直進性に優れることから、アスペクト比が大きい溝やホール内にも良好に形成することができる。また、Ｃｕのセルフイオンスパッタ法に基づくスパッタリング工程の安定性を大幅に高めることが可能となることから、デバイス製造工程の信頼性を向上させることができると共に、デバイスの製造歩留りの向上などを図ることができる。

上述した本発明に基づく技術は、ＤＤ配線などにより高集積化や高密度化が急速に進められている半導体デバイスなどに対して極めて有効であり、高密度配線を高信頼性の下で再現性よく実現することが可能となる。これは超高集積タイプの半導体デバイスの製造歩留りの向上、製造工程の安定化などに大きく貢献する。また、本発明のスパッタリングターゲットにより成膜したＣｕ膜は半導体デバイスに限らず、ＳＡＷデバイス、ＴＰＨ、ＬＣＤデバイスなどの各種の電子部品に適用することができる。

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。

実施例１、比較例１
まず、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、ＣｏおよびＡｌの各元素の含有量を変化させた１６種類のＣｕインゴットを作製した。これらＣｕインゴットに冷間鍛造および冷間圧延を施し、さらに２５０℃×１２０ｍｉｎの条件で熱処理した。この後、それぞれろう付け接合を適用してＡｌバッキングプレートと接合し、さらに機械加工を施して直径３２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの１１種類のＣｕスパッタリングターゲットを得た。なお、各元素の含有量については、ＩＣＰ（発光分光分析装置：セイコーインスツルメンツ社製・ＳＰＳ １２００Ａ）によって分析した。

このようにして得た１６種類のＣｕスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ方式：セルフイオンスパッタ、基板−ターゲット間距離：３００ｍｍ、背圧：１×１０^−５Ｐａ、出力ＤＣ：２５ｋＷ、Ａｒ：２ｓｃｃｍ（放電を発生させるために１ｓｅｃ添加）、スパッタ時間：１０ｍｉｎ、基板バイアス：−１５Ｖ、の条件下で、Ｃｕイオンによる自己放電の持続性を調べた。これら各Ｃｕスパッタリングターゲットの放電持続時間を、ターゲットの各元素の含有量と共に表１に示す。

表１から明らかなように、ＡｇやＡｕを所定の範囲で含有させたＣｕスパッタリングターゲット（実施例１）によれば、比較例１の各Ｃｕターゲットに対して、数倍以上の自己維持放電の持続性が得られることが分かる。

実施例２、比較例２、参考例２
まず、ＡｇおよびＡｕの含有量を変化させた１０種類のＣｕインゴットを作製した。これら各Ｃｕインゴットに対して、種々の条件下で冷間鍛造および冷間圧延を施し、さらに２５０〜４００℃×１２０ｍｉｎの条件で熱処理した。この後、それぞれろう付け接合を適用してＡｌバッキングプレートと接合し、さらに機械加工を施して直径３２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍのＣｕスパッタリングターゲットをそれぞれ得た。なお、各元素の含有量は実施例１と同様にして測定した。また、ＡｇおよびＡｕ含有量のバラツキは前述した方法に基づいて測定した。

このようにして得た１０種類のＣｕスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ方式：セルフイオンスパッタ、基板−ターゲット間距離：３００ｍｍ、背圧：１×１０^−５Ｐａ、出力ＤＣ：２５ｋＷ、Ａｒ：２ｓｃｃｍ（放電を発生させるために１ｓｅｃ添加）、スパッタ時間：１０ｍｉｎ、基板バイアス：−１５Ｖ、の条件下で、Ｃｕイオンによる自己放電の持続性を調べた。また、上記したスパッタリングにより得たＣｕ膜の比抵抗を測定した。これら各Ｃｕスパッタリングターゲットの放電持続時間およびＣｕ膜の比抵抗を、ターゲットの各元素の含有量およびそのバラツキと共に表２に示す。

表２から明らかなように、ＡｇやＡｕを所定の範囲で含有させ、かつそれらのバラツキを低減したＣｕスパッタリングターゲット（実施例２）によれば、比較例２の各Ｃｕターゲットに対して、数倍以上の自己維持放電の持続性が得られ、さらに得られるＣｕ膜の比抵抗も小さいことが分かる。

Claims (10)

1. 高純度Ｃｕからなるスパッタリングターゲットを用い、Ｃｕのセルフイオンスパッタ法によりＣｕ膜を製造するＣｕ膜の製造方法であって、
   前記高純度ＣｕはＡｇおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含有し、かつ前記ＡｇおよびＡｕの合計含有量が０．００５〜５００ｐｐｍの範囲であり、前記ＡｇおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素の含有量のバラツキがターゲット全体として±３０％以内であることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
2. 請求項１記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記高純度Ｃｕは、不純物元素としてのＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＮａおよびＫの合計含有量が１０ｐｐｍ以下であることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
3. 請求項１または２記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記ターゲットはバッキングプレートと接合されていることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記Ｃｕ膜はＣｕ配線であることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記Ｃｕ膜はＣｕメッキ配線のＣｕシード層であることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記Ｃｕ膜は電子デバイスのＣｕ膜であることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
7. 請求項６記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記電子デバイスは半導体デバイスであることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
8. 請求項６記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記電子デバイスはＳＡＷデバイスであることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
9. 請求項６記載のＣｕ膜の製造方法において、
   前記電子デバイスはＴＰＨであることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。
10. 請求項６記載のＣｕ膜の製造方法において、
    前記電子デバイスはＬＣＤであることを特徴とするＣｕ膜の製造方法。

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