JP3588011B2

JP3588011B2 - スパッタリングターゲットおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3588011B2
Application number: JP18759299A
Authority: JP
Inventors: 修一入間田; 博仁宮下
Original assignee: Nikko Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Mining Holdings Inc
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: JP2001011610A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩをはじめとする半導体装置のウエハ内配線部の形成に用いられるスパッタターゲットとその製造方法、特に該配線部を低抵抗に、かつ歩留まりを落とさずに、耐エレクトロマイグレーション特性を大幅に改善することができるスパッタリングターゲットおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩの集積度が上がるのに伴い、ＡｌまたはＡｌ合金配線に代わって、低抵抗で耐エレクトロマイグレーション（ＥＭ）性に優れる純Ｃｕ配線が用いられるようになった。しかしながら近年、さらに集積度が上がるとさらに要求特性が厳しくなり、純Ｃｕのもつ耐エレクトロマイグレーション性では不十分となった。
耐エレクトロマイグレーション性を向上させるには、Ｃｕに添加元素を加えることが有効であり、本発明者はＣｕにＡｌまたはＳｉを添加する提案をした（特開平０６−１７７１１７）。
この発明は耐エレクトロマイグレーション性を備えており、現在でもそれなりに有用である。しかし、配線の比抵抗が純Ｃｕ（１．７３μΩ・ｃｍ）の１．５倍以上となるので、特に導電性を必要とする用途において純Ｃｕの代替にするには比抵抗が高すぎるという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上から、本発明は比抵抗が純Ｃｕと比べて遜色なく、耐エレクトロマイグレーション性が高く、かつ半導体装置等のウエハ内配線部の形成に用いられるスパッタ膜の欠陥が少なく、生産効率を向上させることができるスパッタターゲットおよびその製造方法を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
１Ｃｕに、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素を、総計で０．０２〜１０ａｔ％添加したことを特徴とする耐エレクトロマイグレーション特性に優れたＣｕ合金配線形成用スパッタリングターゲット、
２０．３ｍｍ欠陥からの反射強度が１００％となるよう感度調整した超音波探傷機による反射強度２０％以上で検出されるターゲット中の酸化物介在物の面積率が０．５％以下であることを特徴とする上記１記載のスパッタリングターゲット
３Ｃｕに、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素の水素化物を添加し、これを溶解法または粉末冶金法によりターゲットとすることを特徴とする耐エレクトロマイグレーション特性に優れたＣｕ合金配線形成用スパッタリングターゲットの製造方法、
４ターゲットの組成が、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素が総計で０．０２〜１０ａｔ％を含有し、残部不可避的不純物およびＣｕからなる銅合金または銅合金焼結体であることを特徴とする上記３記載のスパッタリングターゲットの製造方法、
５０．３ｍｍ欠陥からの反射強度が１００％となるよう感度調整した超音波探傷機による反射強度２０％以上で検出されるターゲット中の酸化物介在物の面積率が０．５％以下であることを特徴とする上記３または４記載のスパッタリングターゲットの製造方法、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳しく説明する。
耐エレクトロマイグレーション性を向上させるには、原子の拡散速度の大きい部分である結晶粒界を及び配線表面における拡散速度を小さくすることが有効である。また、Ｃｕ配線における配線表面は、Ｃｕの絶縁部への拡散を防ぐために設けられるＴａ、ＴａＮなどのバリア層で覆われるため、表面拡散は効果的に抑制される。
一方、上記のように結晶粒界の拡散を抑えるためには、Ｃｕに添加元素を加えて粒界に析出物を形成することが有効である。しかしながら、Ｃｕに対してＡｌ、Ｓｉ等の元素を加えた場合、耐エレクトロマイグレーション性は向上するものの、比抵抗も上昇するため、導電性を要求される場合には実用には適さなかった。したがって、添加元素により粒界に析出物を形成して耐エレクトロマイグレーション性を向上させる場合であっても、これにより比抵抗の大きな上昇があってはならず、効果的に抑制されるものでなければならないとの知見に至った。
【０００６】
研究の結果、本発明者等はＣｕへの固溶度が小さい金属間化合物を形成する元素（Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙ）を添加することが極めて有効であることがわかった。
さらに研究を重ねた結果、これらの元素から選択された１種類以上の元素が総計で０．０２−１０ａｔ％銅合金に含有することが、耐エレクトロマイグレーション性を向上させ、かつ比抵抗の上昇を抑えることがわかった。
添加元素の総計が０．０２ａｔ％未満の場合、十分な耐エレクトロマイグレーション性が得られず、また１０ａｔ％を超える場合は高い比抵抗値となり実用に適さなので、これらの範囲とする。
【０００７】
一般に、合金膜を形成する場合にはＣＶＤ法、ＭＢＥ法あるいは合金ターゲットを用いたスパッタリング法が使用されているが、特に半導体プロセスにおいては、スパッタリング法がハンドリング、メンテナンスの容易さ、スループット性が良いことから、主にこの方法が用いられている。
ところがこのスパッタリング法において、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素をＣｕに添加し、Ｃｕ合金ターゲット作成してスパッタリングしたところ、スパッタ膜にスプラッツと呼ばれる水滴の形状をした欠陥が数多く形成されるという新たな問題が発生した。
【０００８】
これは膜の特性を著しく損なうことになる。このためスプラッツの原因調査を行った。この結果、これらの添加元素は非常に酸化しやすいため、単にこれらの添加元素をＣｕに添加した場合、粉末冶金法あるいは溶解法等の製法を問わず、得られたＣｕ合金ターゲットは、これらの添加元素の酸化物粒を数多く含んだものになることが分かった。
そして、これらの酸化物が絶縁体であるために、スパッタ中に帯電し、さらに帯電量がある値を超えると放電を起こして酸化物の周りが局部的に加熱・溶融・飛散し、スパッタ膜にスプラッツが形成されることがわかった。
したがって、ターゲット中の酸化物を減らし、スパッタ膜の欠陥を減らすことが是非とも必要であった。
【０００９】
そこで、Ｃｕ合金ターゲットの製造条件の検討を行い、これらの元素すなわち、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素をＣｕに添加する際に、これらの元素の水素化物を添加し、溶解法または粉末冶金法によりターゲットを作成したところ、このＣｕ合金ターゲットには添加元素の酸化物の粒は殆ど検出されなかった。
さらにこのターゲットを用いてスパッタリングしたところ、スパッタ膜のスプラッツも大幅に減少した。
そして、超音波探傷機でインゴット中およびとターゲット中の酸化物の量を評価でき、０．３ｍｍ欠陥からの反射強度が１００％となるよう感度調整した超音波探傷機による反射強度２０％以上で検出されるインゴットまたはターゲット中の酸化物介在物の面積率を０．５％以下とすることにより、スパッタリングターゲット中の酸化物を減らし、スパッタ膜のスプラッツその他の欠陥を減らすことが可能となった。
上記ターゲット中の酸化物介在物の面積率が０．５％を超えると、スパッタリングターゲット中の酸化物が増加し、スパッタ膜のスプラッツその他の欠陥が増えるのでこの範囲に制限することが望ましい。
【００１０】
【実施例】
次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明する。なお、これらの実施例は好適な例を示し理解を容易にするためのものであって、これらの例によって本発明が制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲における他の態様およびその他の例ならびに変形は、当然本発明に含まれるものである。
【００１１】
（実施例１）
グラファイトるつぼ中に、Ｃｕ−０．０３ａｔ％Ｄｙとなるように秤量したＣｕインゴットと水素化Ｄｙ粉末を入れて真空中で溶解、鋳造した。こうして出来たＣｕ−Ｄｙ合金インゴットの組成を分析したところ、狙いどうりＣｕ−０．０３ａｔ％Ｄｙとなっていた。
さらにこのインゴットを、０．３ｍｍ欠陥からの反射強度が１００％となるよう感度調整した超音波探傷機による反射強度２０％以上で検出されるターゲット中の酸化物介在物の面積率を測定したところ、０．１％未満であった。
さらに、このインゴットをターゲットに加工して、８インチのウエハにスパッタ成膜を行い、厚さ０．２μｍのＣｕ−Ｄｙ合金膜を得た。スパッタリング条件は次の通りである。
（スパッタリング条件）
ターゲット φ１２．９８″（φ８″ウエハ用）
投入電力２ｋＷ
Ａｒ圧力１Ｐａ
基板温度室温
膜圧０．２μｍ
基板 φ８″熱酸化シリコン基板
スパッタリング後のウエハ上の平均スプラッツ数は０．０５個未満であった。また、この膜の比抵抗は１．７７μΩ・ｃｍであった。さらに、この膜を用いた配線の、エレクトロマイグレーションの試験を行ったところ、平均破断時間は同じ形状の純銅配線より５０％ほど長く耐エレクトロマイグレーション性が向上していることが確認できた。これらの結果を表１に示す。
【００１２】
【表１】

【００１３】
（実施例２）
グラファイトるつぼ中に、Ｃｕ−１５ａｔ％Ｄｙとなるように秤量したＣｕインゴットと水素化Ｄｙ粉末を入れて真空中で溶解・鋳造した。Ｃｕ−Ｄｙ合金インゴットの組成は、Ｃｕ−１５．２ａｔ％Ｄｙとなっていた。
このインゴットを、実施例１と同様の超音波探傷試験を行い、ターゲット中の酸化物の面積率を測定したところ、面積率は０．２％であった。
実施例１と同様の条件でこのインゴットをターゲットに加工して、８インチのウエハにスパッタ成膜を行い、厚さ０．２μｍのＣｕ−Ｄｙ合金膜を得た。
この合金成膜上の平均のスプラッツ数は０．０５個であった。そして、この膜の比抵抗は２．５μΩ・ｃｍであった。
また、この膜を用いた配線のエレクトロマイグレーションの試験を行ったところ、平均破断時間は同じ形状の純銅配線の５倍ほど伸びて耐エレクトロマイグレーション性が向上していることが確認できた。これらの結果を、同様に表１に示す。
【００１４】
（実施例３）
グラファイトるつぼ中に、Ｃｕ−０．５ａｔ％Ｅｒとなるように秤量したＣｕインゴットと水素化Ｅｒ粉末を入れて真空中で溶解・鋳造した。Ｃｕ−Ｅｒ合金インゴットの組成は、Ｃｕ−０．５２ａｔ％Ｅｒとなっていた。
このインゴットを、実施例１と同様の超音波探傷試験を行い、ターゲット中の酸化物の面積率を測定したところ、面積率は０．２％であった。
また、実施例１と同様の条件で、このインゴットをターゲットに加工して、８インチのウエハにスパッタ成膜を行い、厚さ０．２μｍのＣｕ−Ｅｒ合金膜を得た。スパッタリング後のウエハ上の平均スプラッツ数は０．０５個未満であった。そして、この膜の比抵抗は１．８２μΩ・ｃｍであった。
さらに、この膜を用いた配線のエレクトロマイグレーションの試験を行ったところ、平均破断時間は同じ形状の純銅配線より６０％ほど伸びて耐エレクトロマイグレーション性が大きく向上していることが確認できた。これらの結果を、表１に示す。
なお、本実施例においては、添加元素としてＤｙおよびＥｒのみを示したが、本発明に含まれる他の合金元素についても同様な性質と効果が得られた。
【００１５】
（比較例１）
グラファイトるつぼ中に、Ｃｕ−０．０１ａｔ％Ｄｙとなるように秤量したＣｕインゴットと水素化Ｄｙ粉末を入れて真空中で溶解・鋳造した。Ｃｕ−Ｄｙインゴットの組成は、Ｃｕ−０．０１ａｔ％Ｄｙとなっていた。
このインゴットを、実施例１と同様の超音波探傷試験を行い、ターゲット中の酸化物の面積率を測定したところ、面積率は０．１％未満であった。
さらに、このインゴットをターゲットに加工して、８インチのウエハにスパッタ成膜を行い、厚さ０．２μｍのＣｕ−Ｄｙ合金膜を得た。スパッタリング後のウエハ上の平均スプラッツ数は０．０５であった。そして、この膜の比抵抗は１．７５μΩ・ｃｍであった。
また、この膜を用いた配線のエレクトロマイグレーションの試験を行ったところ、平均破断時間は同じ形状の純銅配線と比べての優位性は確認できなかった。
このように、本発明の組成に満たないＣｕ−０．０１ａｔ％Ｄｙ合金ターゲットはウエハ上の平均スプラッツ数および膜の比抵抗は良好であるが、耐エレクトロマイグレーション性は劣ることが分かった。これらの結果を、実施例と対比して表１に示す。
【００１６】
（比較例２）
グラファイトるつぼ中に、Ｃｕ−２３ａｔ％Ｄｙとなるように秤量したＣｕインゴットと水素化Ｄｙ粉末を入れて真空中で溶解・鋳造した。Ｃｕ−Ｄｙ合金インゴットの組成は、Ｃｕ−２４．５ａｔ％Ｄｙとなっていた。このインゴットを、実施例１と同様の超音波探傷試験を行い、ターゲット中の酸化物の面積率を測定したところ、面積率は０．５％未満であった。
さらに、このインゴットをターゲットに加工して、８インチのウエハにスパッタ成膜を行い、厚さ０．２μｍのＣｕ−Ｄｙ合金膜を得た。スパッタリング後のウエハ上の平均スプラッツ数は０．０５個であった。
平均破断時間は同じ形状の純銅配線の１０倍ほど伸びて耐エレクトロマイグレーション性が向上していることが確認されたものの、この膜の比抵抗は３．５μΩ・ｃｍと高かく、実用に適するものではなかった。これらの結果を、実施例と対比して表１に示す。
【００１７】
（比較例３）
グラファイトるつぼ中に、Ｃｕ−５ａｔ％Ｄｙとなるように秤量したＣｕインゴットと金属Ｄｙの小塊を入れて真空中で溶解・鋳造した。Ｃｕ−Ｄｙ合金インゴットの組成は、Ｃｕ−４．５ａｔ％Ｄｙとなっていた。
このインゴットを、実施例１と同様の超音波探傷試験を行い、ターゲット中の酸化物の面積率を測定したところ、面積率は０．６％であった。さらに、このインゴットをターゲットに加工して、８インチのウエハにスパッタ成膜を行い、厚さ０．２μｍのＣｕ−Ｄｙ合金膜を得た。
この結果、平均破断時間は同じ形状の純銅配線の６倍ほど伸びて耐エレクトロマイグレーション性が向上していることが確認され、さらにこの膜の比抵抗は１．９２μΩ・ｃｍであったが、ウエハ上の平均のスプラッツ数は１２個と非常に多く、実用に供することことはできなかった。これらの結果を、実施例と対比して表１に示す。
【００１８】
【発明の効果】
Ｃｕに、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素を、総計で０．０２〜１０ａｔ％添加することにより、耐エレクトロマイグレーション特性に優れたＣｕ合金配線形成用スパッタリングターゲットを提供するものであり、ＬＳＩをはじめとする半導体装置のウエハ内の配線部に、本発明による配線を使用することにより、合金化に伴う配線部の抵抗上昇を最小限に抑え、かつ歩留まりを落とさずに、耐エレクトロマイグレーション特性を大幅に改善することができ、さらに上記Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素を添加する際に、該元素の水素化物を添加することによって、銅合金ターゲット中に生ずる酸化物粒の発生を防止し、これによって酸化物が絶縁体であるために生ずるスパッタ中の帯電、この帯電量がある値を超えることによって生ずる放電、さらにはこの酸化物の局部的な加熱・溶融・飛散に起因するスパッタ膜へのスプラッツの形成を抑制できる優れた効果を有する。

Claims

Ｃｕに、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素を、総計で０．０２〜１０ａｔ％添加（但し、Ｓｃを単独添加する場合には、０．０３５ａｔ％以下（２５０ｗｔｐｐｍ以下）を除く）したことを特徴とする耐エレクトロマイグレーション特性に優れたＣｕ合金配線形成用スパッタリングターゲット。
０．３ｍｍ欠陥からの反射強度が１００％となるよう感度調整した超音波探傷機による反射強度２０％以上で検出されるターゲット中の酸化物介在物の面積率が０．５％以下であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリングターゲット。
Ｃｕに、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素の水素化物を添加し、これを溶解法または粉末冶金法によりターゲットとし、ターゲットの組成が、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素が総計で０．０２〜１０ａｔ％を含有し、残部不可避的不純物およびＣｕからなる銅合金または銅合金焼結体であることを特徴とする耐エレクトロマイグレーション特性に優れたＣｕ合金配線形成用スパッタリングターゲットの製造方法。
Ｃｕに、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素の水素化物を添加し、これを真空下で溶解法または粉末冶金法によりターゲットとし、ターゲットの組成が、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｙの群から選択した１種類以上の元素が総計で０．０２〜１０ａｔ％を含有し、残部不可避的不純物およびＣｕからなる銅合金または銅合金焼結体であり、かつ０．３ｍｍ欠陥からの反射強度が１００％となるよう感度調整した超音波探傷機による反射強度２０％以上で検出されるターゲット中の酸化物介在物の面積率が０．５％以下であることを特徴とする耐エレクトロマイグレーション特性に優れたＣｕ合金配線形成用スパッタリングターゲットの製造方法。