JP4756458B2 - パーティクル発生の少ないＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲット - Google Patents

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Description

この発明は、半導体デバイス配線の拡散防止膜およびシード膜を同時に製膜することができるパーティクル発生の少ないＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲットに関するものである。
一般に、半導体デバイスの配線は、図２の半導体デバイスの配線部断面図に示されるように、表面に溝２を有するＳｉＯ２などの絶縁膜を被覆した基板（以下、基板という）１の表面にＴａ金属膜３を拡散防止膜として形成し、このＴａ金属膜３の上に純銅製シード膜４を形成し、この純銅製シード膜４の表面にさらに配線薄膜５をメッキなどにより形成することが知られている。
前記拡散防止膜として知られているＴａ金属膜３は、Ｔａ金属自体が高価であるために、Ｔａ金属膜に代る安価な拡散防止作用を有する金属膜についての研究が成されていたが、近年、図１の半導体デバイスの配線部断面図に示されるように、ＣｕＭｎ銅合金ターゲット用いてスパッタリングすることにより、溝２を有するＳｉＯ２などの絶縁膜を被覆した基板１の表面に直接Ｍｎ含有銅合金膜を形成し、その後、形成されたＭｎ含有銅合金膜を熱処理すると、前記Ｍｎ含有銅合金膜７に含まれるＭｎが基板のＳｉＯ２などの絶縁膜と反応してＭｎとＳｉの複合酸化物含有層６を生成し、前記ＭｎとＳｉの複合酸化物含有層６が拡散防止膜として作用することから、高価なＴａ金属膜の形成を省略することができるとともに、前記Ｍｎ含有銅合金膜７はシード膜として使用できることが分かり、これらＭｎ含有銅合金膜およびＭｎとＳｉの複合酸化物含有層の研究が盛んに行われている（非特許文献１、２参照）。
（株）半導体理工学研究センター（ＳＴＡＲＣ）のホームページ（平成１７年６月８日） ＩＩＴＣ発表アブストラクト（２００５年６月８日）
しかし、前記Ｍｎ：０．６〜３０質量％を含有し、残部がＣｕおよび不純物からなる成分組成のＭｎ含有銅合金ターゲットを用いてスパッタリングすることによりＭｎ含有銅合金ターゲット薄膜を成形しようとすると、スパッタリングに際してパーティクルの発生が多いという欠点があり、そのために歩留が低下しコスト上昇の原因となる。
そこで、本発明者等は、スパッタリングに際してパーティクルの発生が少ないＭｎ含有銅合金ターゲットを得るべく研究を行った。その結果、
（イ）Ｍｎ：０．６〜３０質量％を含有し、残部がＣｕおよび不純物からなる成分組成のＭｎ含有銅合金ターゲットを用いてスパッタリングすることによりＭｎ含有銅合金膜を形成する際に、前記Ｍｎ含有銅合金ターゲットに含まれる不純物の量が少ないほどパーティクルの発生を少なく抑えることができ、その不純物として含まれる金属系不純物を合計で４０ｐｐｍ以下となるように極めて少なくし、さらに酸素を１０ｐｐｍ以下、窒素を５ｐｐｍ以下、水素を５ｐｐｍ以下、炭素を１０ｐｐｍ以下に少なくすると、スパッタリングに際して発生するパーティクルの数が激減する、
（ロ）さらに、Ｍｎ含有銅合金ターゲットが結晶粒度：３０μｍ以下の再結晶等軸組織であるとパーティクルの発生を一層抑制することができる、という研究結果が得られたのである。
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）Ｍｎ：０．６〜３０質量％を含み、残部がＣｕおよび不純物からなる組成を有し、前記不純物は、金属系不純物が合計で４０ｐｐｍ以下であり、かつ酸素が１０ｐｐｍ以下、窒素が５ｐｐｍ以下、水素が５ｐｐｍ以下、炭素が１０ｐｐｍ以下に規制された銅合金からなるパーティクル発生の少ないＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲット、
（２）前記Ｍｎ含有銅合金スパッタリングターゲットは、結晶粒度：３０μｍ以下の再結晶等軸組織を有する前記（１）記載のパーティクル発生の少ないＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲット、に特徴を有するものである。
この発明のＭｎ含有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に純度：９９．９％以上の高純度電解Ｍｎを添加して、不活性ガス雰囲気中の高純度グラファイトモールド内にて高周波溶解することによりＭｎ含有銅合金インゴットを作製し、このインゴットを熱間加工終了温度が４５０℃以上となるように熱間加工して熱間加工材を作製し、さらに必要に応じてこの熱間加工材を水冷したのちその表面を厚さ：０．２ｍｍ以上に渡って除去し、ついて冷間加工と焼鈍を繰り返し行い、最後に焼鈍することにより得ることができる。
次に、この発明のＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲットにおける成分組成の限定理由を説明する。
（ａ）Ｍｎ
Ｍｎ成分はＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲットの結晶粒を微細化し、さらに結晶粒の成長を抑える効果があり、さらに形成されたＭｎ含有銅合金膜と基板の境界部分に拡散防止膜として作用するＭｎとＳｉの複合酸化物含有層を形成する作用があるが、その含有量が０．６質量％未満含んでも所望の効果が得られず、一方、３０質量％を越えて含有すると、ターゲットの熱伝導率が低下してスパッタリング中にターゲットの温度が上昇すると共に、得られたＭｎ含有銅合金膜の抵抗を増加させるので半導体デバイスの配線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Ｍｎ含有銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＭｎは０．６〜３０質量％(一層好ましくは１．０〜２０質量％)に定めた。
（ｂ）不純物
Ｍｎ含有銅合金ターゲットを用いてスパッタリングする際に発生するパーティクルの数は、Ｍｎ含有銅合金ターゲットに含まれる不純物の含有量を減らすほどパーティクルの発生を抑えることができ、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｐｂ、Ｃｏ，Ｍｇ，Ｚｎなどの金属系不純物が合計で４０ｐｐｍを越え、さらに酸素、窒素、水素、炭素などの非金属系不純物が酸素：１０ｐｐｍ越え、窒素：５ｐｐｍ越え、水素：５ｐｐｍ越え、炭素：１０ｐｐｍ越えるようになるとパーティクルの発生数が急激に増加する。したがって、この発明のＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲットに含まれる不純物を金属系不純物が合計で４０ｐｐｍ以下であり、かつ酸素が１０ｐｐｍ以下、窒素が５ｐｐｍ以下、水素が５ｐｐｍ以下、炭素が１０ｐｐｍ以下に定めた。
この発明のＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲットを用いて作製したＭｎ含有銅合金膜は、Ｔａ金属膜に代る拡散防止層とシード膜を同時に形成することができるので、高価なＴａ金属膜の形成を省略できることからコストを下げることができ、さらにスパッタリング時に発生するパーティクルの発生を少なく抑えることができるので半導体デバイスなどの製造コストを下げることができるという優れた効果を奏するものである。
発明を実施するための最良の態様
つぎに、この発明のＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲットを実施例により具体的に説明する。
純度：９９．９９９９質量％以上の高純度電解銅を用意し、さらに純度：９９．９質量％以上の電解マンガンを用意し、この高純度電解銅および異なる量の電解マンガンをＡｒガス雰囲気中の高純度グラファイトモールド内にて高周波溶解し、溶解中に不純物含有量をガス吹き込みまたは微量元素添加により調整し、このようにして得られた溶湯をカーボン鋳型に鋳造し、得られたインゴットを最終温度が４５０℃以上になるように熱間鍛造し、熱間鍛造終了後水冷し、その後、熱間鍛造材の表面全体にわたって厚さ：１．５ｍｍ面削した。
その後、必要に応じて面削した熱間鍛造材を冷間圧延したのち焼鈍し、この冷間圧延と焼鈍を繰り返したのち最終的に再結晶焼鈍し、得られた焼鈍材の表面をさらに旋盤加工して外径：３００mm×厚さ：５mmの寸法を有し、表１に示される成分組成を有する本発明ターゲット１〜８および比較ターゲット１〜６を作製した。
さらに、市販の電解銅を用意し、この市販の電解銅に先に用意した電解マンガンをＡｒガス雰囲気中の高純度グラファイトモールド内にて高周波溶解し、得られた溶湯をカーボン鋳型に鋳造してインゴットを作製し、得られたインゴットを最終温度が４５０℃以上になるように熱間鍛造し、熱間鍛造終了後水冷し、その後、熱間鍛造材の表面全体にわたって厚さ：１．５ｍｍの深さに研削した。
その後、表面研削した熱間鍛造材を冷間圧延したのち焼鈍し、この冷間圧延と焼鈍を繰り返したのち最終的に歪取り焼鈍し、得られた歪取り焼鈍材の表面をさらに旋盤加工して外径：３００mm×厚さ：５mmの寸法を有し、表１に示される成分組成を有する従来ターゲットを作製した。これら本発明ターゲット１〜８、比較ターゲット１〜６および従来ターゲットを切断し、切断面における平均結晶粒径を測定し、その結果を表１に示した。
さらに、純アルミニウム製バッキングプレートを用意し、この純アルミニウム製バッキングプレートに前記本発明ターゲット１〜８、比較ターゲット１〜６および従来ターゲットを重ね合わせ、温度：５００℃でＨＩＰを施すことにより本発明ターゲット１〜８、比較ターゲット１〜６および従来ターゲットを純アルミニウム製バッキングプレートに接合してバッキングプレート付きターゲットを作製した。
本発明ターゲット１〜８、比較ターゲット１〜６および従来ターゲットを純アルミニウム製バッキングプレートにＨＩＰ接合して得られたバッキングプレート付きターゲットを用い、
電源：交流方式、
電力：４ＫＷ、
雰囲気ガス組成：Ａｒ、
スパッタガス圧：１Ｐａ、
ターゲットと基体との距離：８０mm、
スパッタ時間：５分、
の高出力条件でＳｉＯ２などの絶縁膜を被覆した基板の上に薄膜を形成した。この時発生したパーティクルの数をパーティクルカウンターにより測定し、その結果を表１に示した。
Figure 0004756458
表１に示される結果から、本発明ターゲット１〜８は、金属系不純物が４０ｐｐｍ以下であり、かつ酸素が１０ｐｐｍ以下、窒素が５ｐｐｍ以下、水素が５ｐｐｍ以下、炭素が１０ｐｐｍ以下に規定することにより不純物の多い従来ターゲットと比べてパーティクルの発生が少ないことが分かる。しかし、比較例１はターゲットの純度が高いためにターゲットの平均結晶粒径が大きくなり過ぎてパーティクル発生が多くなり、一方、比較ターゲット２〜６は不純物が多くなりすぎてパーティクル発生が多くなることがわかる。
近年開発されたターゲットを用いて作製したシード膜を形成して作製した半導体デバイスの配線部断面図である。 従来のターゲットを用いて作製したシード膜を形成して作製した半導体デバイスの配線部断面図である。
符号の説明
１：基板、２：溝、３：Ｔａ金属膜、４：純銅製シード膜、５：配線薄膜、６：ＭｎとＳｉの複合酸化物含有層、７：Ｍｎ含有銅合金膜

Claims (2)

  1. Ｍｎ：０．６〜３０質量％を含み、残部がＣｕおよび不純物からなる組成を有し、前記不純物は、金属系不純物が４０ｐｐｍ以下であり、かつ酸素が１０ｐｐｍ以下、窒素が５ｐｐｍ以下、水素が５ｐｐｍ以下、炭素が１０ｐｐｍ以下に規制された銅合金からなることを特徴とするパーティクル発生の少ないＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲット。
  2. 前記Ｍｎ含有銅合金スパッタリングターゲットは、結晶粒度：３０μｍ以下の再結晶等軸組織を有することを特徴とする請求項１記載のパーティクル発生の少ないＭｎ含有銅合金スパッタリングターゲット。
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