JP2012126981A - 配線用Ｃｕ合金及びそれを用いた接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｍｏなどの密着層を省略し、熱処理もすることなく、ガラスなどの絶縁層に直接配線をＣｕ合金により形成でき、また、表面平滑性の良好な配線を形成する技術を提供する。
【解決手段】本発明は、０．０１ａｔ％〜０．５ａｔ％のＢｉと、０．０５ａｔ％〜０．５ａｔ％のＩｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物とからなることを特徴とする配線用Ｃｕ合金とした。また、本発明は、絶縁層とＣｕ合金配線とが直接接合された接続構造において、Ｃｕ合金はＢｉ及びＩｎを含有しており、Ｃｕ合金配線は、絶縁層との接合界面側にＢｉ偏析層が形成されていることを特徴とするものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、ガラスなどの絶縁層と金属配線を備える半導体素子などに好適な配線用Ｃｕ合金及びそれを用いた接続構造に関する。

近年、情報機器、ＡＶ機器、家電製品等の表示デバイスとして液晶表示装置が多く使用されている。このような表示デバイスには、薄膜トランジスタ（略称：ＴＦＴ）などの半導体素子が用いられている。また、最近では、いわゆる太陽電池パネルなどにも、半導体素子が利用されている。この素子構造においては、絶縁層としてガラスなどが使用され、ＡｌやＣｕなどの金属が配線材料として用いられている。

半導体素子などの配線材料としては、Ａｌよりも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ついて耐性が高く、低抵抗特性を備える銅（Ｃｕ）を主体としたＣｕ合金が採用されることがある。例えば、マグネシウム（Ｍｇ）を添加したＣｕ−Ｍｇ合金（特許文献１参照）や、銀（Ａｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）又はクロム（Ｃｒ）などを含むＣｕ合金（特許文献２参照）、錫（Ｓｎ）を添加したＣｕ−Ｓｎ合金などが提案されている（特許文献３参照）。

これら先行技術で提案されている配線用のＣｕ合金を用いて、ガラスなどの絶縁層に配線を形成すると、絶縁層に含まれるケイ素（Ｓｉ）が配線用のＣｕ合金に侵入して低抵抗特性が維持できなくなる傾向がある。また、絶縁層と配線との接合強度が低下する場合も生じる。そのため、絶縁層とＣｕ合金の配線との間に、タンタル（Ｔａ）（特許文献４参照）、窒化タンタル（ＴａＮ）や窒化チタン（ＴｉＮ）などによるバリア層（特許文献５参照）を形成する技術が提案されている。

このバリア層の形成は、素子の製造工程を複雑にするため、バリア層を形成せずに、直接、絶縁層に配線を形成することができるＣｕ合金として、マンガン（Ｍｎ）を添加したＣｕ−Ｍｎ合金も提案されている（特許文献６参照）。このＣｕ−Ｍｎ合金は熱処理をすると、Ｍｎが接合界面側に偏析して、バリア層を自己形成する性質がある。

また、半導体素子を形成する際のダマシン法に好適な配線用Ｃｕ合金として、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）の少なくとも一種を含むＣｕ合金（特許文献７参照）が提案されている。このダマシン法に好適なＣｕ合金は、溝や孔に埋め込みを行う際に好適なものである。しかし、この特許文献７におけるダマシン法に好適な配線用Ｃｕ合金は、ガラスなどの絶縁層に、直接配線形成した場合に、どのような接合特性を示すかは検討されていない。

特開平１１−０５４４５８号公報 特開平０２−０５０４３２号公報 特開２００７−７２４２８号公報 特開平１１−１８６２７３号公報 特開２００４−２６６１７８号公報 特開２００５−２７７３９０号公報 特開２００６−９３６２９号公報

上述したように、Ａｌよりも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ついて耐性が高く、低抵抗特性を備える銅（Ｃｕ）を配線用の材料として使用することが行われているが、スパッタリングによりガラス基板上にＣｕ層を形成しても、ガラスへの密着性が良くないため、ＭｏやＭｏ合金などを密着層として介在させることが通常である。また、Ｃｕによる配線をアモルファスシリコンの半導体層と接合した場合、ケイ素（Ｓｉ）がＣｕに拡散するために、半導体層とＣｕ層との間にＭｏやＭｏ合金などのバリア層が必要となる。このような密着層やバリア層を形成することは、半導体素子の製造工程が複雑になる。

そのため、例えば、特許文献６のようなＣｕ−Ｍｎ合金により配線を形成することで、密着層やバリア層を省略する技術が提案されている。このＣｕ−Ｍｎ合金の場合、２００℃〜４００℃の熱処理をすることにより析出物を形成することで、配線抵抗を下げるとともに、Ｍｎが配線表面に偏析することで、密着層やバリア層を省略することを可能とする。しかしながら、熱処理を必要とするＣｕ合金の場合、有機フィルムのようなフレキシブル基板に適用するのが困難である。

さらに、半導体素子における半導体層のチャネルの部分はゲート配線の表面に接することになるが、ゲート配線の表面に凹凸があると、半導体特性に影響することが知られている。このゲート配線をＣｕ合金で形成する場合、その配線の表面平滑性については十分な検討がされていないのが現状である。

本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、Ｍｏなどの密着層を省略し、熱処理をすることなく、ガラスなどの絶縁層に直接配線を形成でき、また、ゲート配線に採用しても、半導体特性を良好に維持できる表面平滑性を有する配線を形成できるＣｕ合金を提案することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明者らは、Ｃｕにビスマス（Ｂｉ）とインジウム（Ｉｎ）を添加して、そのＣｕ合金を鋭意研究したところ、このＣｕ合金で配線を形成すると、特段の熱処理を行わなくても、Ｂｉが配線の表面側に偏析する現象を見出し、本発明を想到した。このＢｉ偏析は、Ｃｕ合金の配線回路の断面でみると、配線回路断面の外周部分側に発生する現象である。

本発明は、０．０１ａｔ％〜０．５ａｔ％のＢｉと、０．０５ａｔ％〜０．５ａｔ％のＩｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物とからなることを特徴とする配線用Ｃｕ合金、及びこの配線用Ｃｕ合金からなるスパッタリングターゲットに関する。

本発明に係る配線用Ｃｕ合金により、スパッタリングなどの物理気相成長法により、ガラスなどの絶縁層の表面にＣｕ合金薄膜を形成し、このＣｕ合金薄膜をフォトリソグラフィとエッチングで加工をして配線を形成すると、絶縁層との接合界面側に、ビスマス（Ｂｉ）が偏析し、ＭｏやＭｏ合金などの密着層を形成しなくても、Ｂｉ偏析層が絶縁層と配線との接合強度を保持できる。この本発明に係る配線用Ｃｕ合金は、先行技術で提案されているＣｕ−Ｍｎ合金とは異なり、特段の熱処理を施さなくても、Ｂｉの偏析が生じるものである。

本発明の配線用Ｃｕ合金は、Ｂｉが０．０１ａｔ％未満であると、Ｂｉの偏析量が少なくなり、Ｂｉ偏析による密着性効果が低下する傾向になる。また、Ｂｉが０．５ａｔ％を超えると、密着性、平滑性が低下する傾向となる。そして、本発明の配線用Ｃｕ合金は、インジウム（Ｉｎ）が０．０５ａｔ％未満となると、熱処理後の結晶粒界における凹凸が大きくなり平滑性が低下する傾向となり、０．５ａｔ％を超えると熱処理をしない状態での密着性が低下し、比抵抗値も高くなる傾向となる。本発明の配線用Ｃｕ合金であれば、スパッタリングでＣｕ合金薄膜を形成した状態、つまり、熱処理を加えない状態で、比抵抗値が４μΩｃｍ以下となり、ガラスによる絶縁層との密着性に優れ、その薄膜表面の表面平滑性が良好となる。尚、本発明の配線用Ｃｕ合金は不可避不純物を含むものであるが、ＢｉとＩｎとＣｕの合計を１００ａｔ％として、ＢｉやＩｎの含有量割合を表している。

そして、本発明は、絶縁層とＣｕ合金配線とが直接接合された接続構造において、Ｃｕ合金はＢｉ及びＩｎを含有しており、Ｃｕ合金配線は、絶縁層との接合界面側にＢｉ偏析層が形成されている接続構造に関する。この接続構造におけるＣｕ合金は、０．０１ａｔ％〜０．５ａｔ％のＢｉと、０．０５ａｔ％〜０．５ａｔ％のＩｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物とからなることが好ましい。

また、本発明は、絶縁層とＣｕ合金配線とが直接接合された接続構造の形成方法であって、Ｃｕ合金配線は、絶縁層表面にスパッタリング法で形成したＣｕ合金薄膜をエッチングすることにより形成し、直接接合のための熱処理を施すことなく、絶縁層とＣｕ合金配線とが直接接合される接続構造の形成方法に関する。本発明に係る配線用Ｃｕ合金は、熱処理を施すことなく、Ｂｉが偏析するので、絶縁層表面にスパッタリング法で形成したＣｕ合金薄膜をエッチングすることによりＣｕ合金配線を形成するだけで、絶縁層とＣｕ合金配線との接続が可能となる。熱処理を必要としないため、ガラスのような絶縁層のみならず、有機フィルムなどの熱処理に耐性がない材料に対しても有効なものである。尚、熱処理を行った方が、よりＢｉの偏析が進行するため、比抵抗が小さくなり、密着性が高くなる傾向になるので、可能であれば熱処理工程を備えた方がよい。

本発明によれば、Ｍｏなどの密着層を省略し、熱処理もすることなく、ガラスなどの絶縁層に直接配線をＣｕ合金により形成でき、また、表面平滑性の良好な配線をＣｕ合金により容易に形成できる。

ＧＤＳによる深さ分析測定図。 図１Ａの部分拡大図。 実施例１の表面観察ＳＥＭ写真（１万倍）。 実施例２の表面観察ＳＥＭ写真（１万倍）。 比較例１の表面観察ＳＥＭ写真（１万倍）。 比較例７の表面観察ＳＥＭ写真（１万倍）。 比較例８の表面観察ＳＥＭ写真（１万倍）。

以下、本発明における実施形態について、実施例、比較例を参照して説明する。

本実施形態では、表１に示す各組成のＣｕ合金に関して、その材料特性を評価した。まず、表１に示す各試料に示す添加元素をＣｕに含有させたスパッタリングターゲットを形成した。このスパッタリングターゲットは、各組成含有量となるように、純度９９．９９ｗｔ％以上のＣｕに各金属を混合して、真空中で溶解攪拌した後、不活性ガス雰囲気中で鋳造した後、得られたインゴットを圧延、成型加工をし、スパッタに供する表面を平面加工して製造した。

そして、表１に示す組成となったスパッタリングターゲットを用いてＣｕ合金薄膜を形成して評価を行った。この評価は、膜の比抵抗、表面平滑性、ガラスとの密着性、偏析層の観察について行った。
以下に各特性評価の条件について説明する。

比抵抗：各組成膜の比抵抗値は、ガラス基板上にスパッタリングにより単膜（厚み２８００Å）を形成し、真空中（１×１０^−３Ｐａ）、３２０℃、３０分間の熱処理を行った後、４端子抵抗測定装置（Ｂ−１５００Ａ：アジレントテクノロジー社製）により測定した。スパッタリング条件は、マグネトロン・スパッタリング装置を用い、投入電力３．０Ｗ／ｃｍ^２、アルゴンガス流量１００ｓｃｃｍ、アルゴン圧力０．５Ｐａとした。そして、スパッタリング後、何ら熱処理もしない状態（ａｓ−ｄｅｐｏ）の比抵抗と、大気雰囲気中、３００℃、３０分間の熱処理後の比抵抗とを測定した。

密着性：ガラスとの密着性評価は、０．７ｍｍ厚のガラス基板（５０ｍｍ×５０ｍｍ）上に、スパッタリングにより各組成膜を１０００Å、２０００Å、３０００Åの三水準の膜厚で形成し、ガラス切りにてガラス基板を半分（横２５ｍｍ×縦５０ｍｍ）にカットした。そして、そのカットしたガラス基板の薄膜上に、クラフトナイフと金定規とを用いて縦方向に２ｍｍ間隔で１０本の切り傷を形成し、次に横方向に２ｍｍ間隔で２３本の切り傷を形成した。これにより、ガラス基板の薄膜には、９マス×２２マス（２ｍｍ各）の格子を形成した。このように格子状の切り傷を形成したガラス基板の薄膜に対してセロハンテープ（登録商標：型番ＣＴ−１８）を貼り付け密着させた。貼り付けてから１分間経過後、セロハンテープを基板と垂直方向に剥がした。剥がしたセロハンテープに貼り付いた格子数をカウントし、初期のマス目数（１９８個）に対する割合を算出した。このセロハンテープに剥がれ着いたマスのカウントの仕方は、２ｍｍ角全部のものは１個、半分以上の大きさのものは０．５個、半分以下の大きさのものは０．１個として行った。表１に示す密着性評価の結果において１００％となっているものは、剥がしたセロハンテープには薄膜の付着がなかったものを示す。

表面平滑性：各組成膜の表面平滑性については、上記比抵抗測定を行った各組成膜（３００℃、３０分間の熱処理後）を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ社製：ＳＵＰＲＡＡ５５ＶＰ）を用い、１万倍の倍率で表面を観察し、その観察表面に０．２μｍ径以上の突起或いは窪みがいくつ存在するかを確認することによって行った。この表面平滑性の評価は、０．２μｍ径以上の突起或いは窪みが全く無いものを◎、１〜３個存在していたものを○、４〜６個存在していたものを△、７個以上存在していたものを×とした。尚、図２〜図６には、実施例１、２、比較例１、７、８についての表面観察したＳＥＭ写真を示す。０．２μｍ径以上の突起或いは窪みの存在確認については、ＳＥＭ写真に基づいて行った。

偏析層の観察：偏析層の観察は、各組成膜（３０００Å）をグロー放電発光分析装置（ＧＤＳ：堀場製作所製：ＪＹ５０００ＲＦ）にて深さ方向分析を実施することにより測定した。測定条件としては、印加電圧３０Ｗに試料のφ４ｍｍ領域をパルスモードにてＡｒガスによるスパッタリングを行い、０．０１秒毎に各構成元素の発光強度を取得した。そして、このスパッタリング時間に対する発光強度を比較することにより偏析層を評価した。

表１に示す実施例１〜７の結果より、本発明に係る配線用Ｃｕ合金であると、熱処理後の比抵抗値が４μΩｃｍ以下であり、ガラスによる絶縁層との密着性に優れていることが判明した。また、表面平滑性は、比較例１、４、５、７、８について、０．２μｍ径以上の突起或いは窪みが観察表面に７個以上存在しているものが判明した。これに対して、実施例の場合は、実施例３、５、６では、０．２μｍ径以上の突起或いは窪みが観察表面に４〜６個存在していたが、その他は表面の平滑性に優れていることが確認された。

図１Ａには、実施例２の場合のＧＤＳによる深さ分析の結果を示している。図１Ｂは、図１Ａの分析結果のうち、表面近傍付近（☆部分）の分析結果を拡大したものである。この図１Ｂを見ると分かるように、実施例２の薄膜では、表面近傍にＢｉが偏析していることが判明した。また、図示は省略するが、実施例１、３〜７の薄膜についても、表面近傍にＢｉが偏析していることが確認された。

本発明は、ガラスなどの絶縁層に密着層を形成することもなく、熱処理を要せず、Ｃｕ合金による配線を直接形成することができるので、素子の製造工程を簡略化できる。また、熱処理を必要としないため、有機フィルムなどの材料にもＣｕ合金配線を形成できる。

Claims (5)

1. ０．０１ａｔ％〜０．５ａｔ％のＢｉと、０．０５ａｔ％〜０．５ａｔ％のＩｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物とからなることを特徴とする配線用Ｃｕ合金。
2. 絶縁層とＣｕ合金配線とが直接接合された接続構造において、
   Ｃｕ合金はＢｉ及びＩｎを含有しており、
   Ｃｕ合金配線は、絶縁層との接合界面側にＢｉ偏析層が形成されていることを特徴とする接続構造。
3. Ｃｕ合金は、０．０１ａｔ％〜０．５ａｔ％のＢｉと、０．０５ａｔ％〜０．５ａｔ％のＩｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物とからなる請求項２に記載の接続構造。
4. 請求項２または請求項３に記載の接続構造の形成方法であって、
   Ｃｕ合金配線は、絶縁層表面にスパッタリング法で形成したＣｕ合金薄膜をエッチングすることにより形成し、
   直接接合のための熱処理を施すことなく、絶縁層とＣｕ合金配線とが直接接合されることを特徴とする接続構造の形成方法。
5. ０．０１ａｔ％〜０．５ａｔ％のＢｉと、０．０５ａｔ％〜０．５ａｔ％のＩｎと、残部がＣｕ及び不可避不純物とから構成される配線用Ｃｕ合金からなるスパッタリングターゲット。