KR20050108384A - 동합금 스퍼터링 타겟트 및 그 제조방법 과 반도체 소자배선 - Google Patents

동합금 스퍼터링 타겟트 및 그 제조방법 과 반도체 소자배선 Download PDF

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Abstract

Al또는 Sn으로부터 선택된 적어도 1원소를 0.01 ~ 0.5(미만)wt% 함유하며 Mn또는 Si가 총량으로써 0.25wtppm이하인 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트. 반도체 소자의 배선재, 특히 동전기 도금 시에, 시드저항이 적으며 또한 응집이 없고 안정하고 균일한 시드층을 형성시키는 것이 가능하며 또한 스퍼터 성막 특성이 우수한 동 합금 스퍼터링 타겟트 및 동(同) 타겟트를 사용하여 형성된 반도체 소자배선을 제공한다.

Description

동합금 스퍼터링 타겟트 및 그 제조방법 과 반도체 소자 배선 {COPPER ALLOY SPUTTERING TARGET PROCESS FOR PRODUCING THE SAME AND SEMICONDUCTOR ELEMENT WIRING}
본 발명은, 반도체 소자의 배선재(配線材), 특히 동(銅)전기 도금 시 에 응집이 적으며 안정하고 균일한 시드 층을 형성시키는 것이 가능하며, 또한 스퍼터 성막(成膜) 특성이 우수한 동합금(銅合金) 스퍼터링 타겟트 및 동(同)타겟트의 제조방법 과 동(同)타겟트에 의해 형성된 반도체 소자 배선에 관한 것이다.
종래, 반도체 소자의 배선재료로써 Al (비저항 3.1 μΩㆍ㎝ 정도)가 사용되어 왔지만, 배선의 미세화에 따라 보다 저항이 낮은 동배선(銅配線)(비저항 1.7 μΩㆍ㎝ 정도)이 실용화되어왔다.
현재의 동 배선의 형성 프로세스로서는 콘텍트 홀 또는 배선 홈(溝)의 요부(凹部)에 Ta / TaN 등의 확산 베리어(barrier)층을 형성한 후, 동(銅)을 전기 도금하는 것이 많다. 이 전기 도금을 행하기 위하여 하지층(下地層 : 시드층)으로서 동 또는 동 합금을 스퍼터 성막하는 것이 일반적으로 행하여진다.
통상, 순도 4N (가스성분 제외) 정도의 전기동을 조(粗)금속으로서 습식이나 건식의 고 순도화 프로세스에 의해, 5N ~ 6N의 순도의 고 순도동을 제조하여 이것을 스퍼터링 타겟트로써 사용하고 있다. 이 경우, 반도체 배선 폭이 0.18㎛까지의 동 배선에는 특별히 문제가 된 적은 없었다.
그러나, 동 배선 폭이 0.13㎛이하, 예를 들면 90㎚ 또는 65㎚에서 에스펙트비(比)8을 초과하는 것과 같은 초(超)미세 배선에서는 시드층의 두께는 100㎚이하의 극(極)박막층이 되어 6N 순동 타겟트로 시드층을 형성한 경우는 응집이 일어나 양호한 시드층을 형성 할 수 없다고 하는 이유로부터 Al 이나 Sn을 0.5 ~ 4.0 wt% 함유시키는 것에 의해 이것을 방지하는 것을 생각했다.
이와 같이 하지층의 균일한 형성은 중요한 것으로, 하지층이 응집한 경우에는 전기 도금에서 동막(銅膜)을 형성할 시에 균일한 막을 형성하는 것이 불가능하다. 예를 들면, 배선중에 보이드(void), 히록스, 단선등의 결함을 형성해 버린다.
또한 상기의 보이드등의 결함을 남기지 않으려 해도 이 부분에서 불균일한 동의 전착조직(銅의電着組織)을 형성해 버리기 때문에 일렉트로 마이그레션 내성이 저하해 버린다고 하는 문제가 발생한다.
이 문제를 해결하기 위해서는 동 전기 도금 시의 안정하고 균일한 시드층을 형성시키는 것이 중요하며, 스퍼터 성막 특성이 우수한 시드층 형성에 가장 적합한 스퍼터링 타겟트가 필요하게 된다. 상기의 Al 이나 Sn을 0.5 ~ 4.0 wt% 함유시키는 것에 의해서 응집을 방지하는 것이 가능하며 그 목적을 위해서는 대단히 유효했다.
그러나 그 한편으로 스퍼터막의 시드 저항이 커진다고 하는 결점이 있다고 하는 것을 알았다. 용도에 따라서는 시드 저항이 커지게 되는 것이 문제가 되어, 그 목적, 즉, 도전성을 중시하는 경우를 위해서는 반드시 유효하지는 않다.
이러한 이유로부터 스퍼터막을 형성한 후 열처리하여 석출(析出)물을 형성하여 시드 저항을 작게 하는 시도가 있었다. 그러나 Al등은 고용한(固溶限)이 크기 때문에 석출물을 형성하여 시드 저항을 작게 하는 것은 사실상 어려웠다. 또한 막을 열처리하는 것은 공정의 복잡화나 디바이스에의 열 영향의 문제도 있었다.
또한 열처리로서 Al을 배선 막 표면에 확산시키는 것으로 동 배선의 저항을 저하시켜 내 산화성을 향상시키는 것을 보여주고 있으나 (예를 들면, 일본특개평 6 - 177117호 참조) 이와 같은 처리를 시드층에 실시하면 Al 산화막이 시드 표면에 형성되어 전기 도금 하지층으로서는 도전성이 저하하여 부적합하다.
이제 까지 동 배선재로서 동에 몇가지 원소를 첨가하여 일렉트로 마이그레션 (EM)내성, 내식성, 부착강도등을 향상시키는 것이 제안(提案)되어 있다. (예를 들면 일본특개평 5 - 311424 호 공보 및 일본특개평 1 - 248538 호 공보참조). 또한 순동의 타겟트 또는 이것에 Ti 0.04 ~ 0.15wt% 첨가한 타겟트가 제안되어 있다.(예를 들면 일본특개평 10 - 60633 호 공보참조)
그래서 이들의 제안에 있어서는 첨가원소의 균일한 분산을 위해서 급냉하며, 또는 주괴(鑄塊)에 있어서 첨가원소의 편석(偏析)이나 주조시의 결함, 주괴의 결정입의 조대화(粗大化)를 방지하기 위하여 연속 주조하는 것이 제안되어 있다.
그러나 고순도동(高純度銅) 혹은 이것에 미량의 금속을 첨가하여도 비 저항이 낮다고 하는 이점은 있지만 일렉트로 마이그레션의 문제나 프로세스상의 내 산화성의 문제가 있어 반드시 양호한 재료라고는 말할 수 없다.
특히 최근에는 아스펙트 비(比)가 보다 높아지고 있기(아스펙트 비(比)4 이상) 때문에 충분한 내(耐)일렉트로 마이그레션 및 내 산화성을 가지고 있는 것이 요구되고 있다.
이상으로부터 배선재로서 동에 Al이나 Sn(기타 Ti 나 Zr 등의 여러 가지 원소)를 첨가한 동 합금을 타겟으로하여 사용하는 제안이 있다. (예를 들면 일본특개평 10 - 60633 호 공보참조). 그러나 이들은 동의 낮은 저항 특성을 손상하지 않고 내(耐)EM성, 내SM성이나 내 산화성을 향상시키는 것이며 상기와 같은 동 전기 도금에 의한 미세 동 배선 프로세스에 있어서의 시드층 형성에 사용할 수 는 없었다. (예를 들면 일본특개평 6 - 177117 호 공보참조).
또한 Sn 0.5wt%가 Cu의 입계확산저감(粒界擴散低減)과 EM특성 향상에 효과가 있다고 하는 제안이 있다. (예를 들면, C.H.Hu, K.L.Lee, D.Gupta, and P.Blauner (IBM)저(著) [Electromigration and deffusion in pure Cu and Cu(Sn) alloy, Mat. Res.Soc.Symp.Proc.Vol.427, 1996] Materials research Society 참조). 그러나 이것은 Ta나 TaN 등의 베리어 층상에서의 시드층과의 문제를 해결하는 것은 아니다.
이상으로부터 종래 기술로는 반도체소자의 배선재, 특히 동 전기 도금시에 도전성이 높고 안정하며 균일한 시드층을 형성시키는 것이 가능한 동 합금이 얻어지지 않아 반드시 충분하다고는 말할 수 없었다.
(발명의 개시)
본 발명은, 반도체소자의 배선재, 특히 동 전기 도금시에 필요로 되는 도전성이 극히 양호하며 또한 응집이 없고 안정하며 균일한 시드층을 형성시키는 것이 가능하며 또한 스퍼터 성막특성이 우수한 동 합금 스퍼터링 타겟트 및 동(同)타겟트의 제조방법과 동(同)타겟트를 사용하여 형성된 반도체 소자 배선을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명자들은 예의(銳意)연구를 행한 결과, 적절한 양의 금속원소를 첨가하는 것에 의해 동 전기 도금시의 보이드, 히록스, 단선등의 결함의 발생을 방지하는 것이 가능하며 비 저항이 낮고 또한 내(耐)일렉트로 마이그레션 및 내 산화성을 가지고 있는 안정되고 균일한 시드층을 형성 가능한 동 합금 스퍼터링 타겟트 및 동(同)타겟트의 제조방법과 동(同)타겟트를 사용하여 형성된 반도체 소자 배선을 얻는 것이 가능하다는 것을 알아냈다.
본 발명은 이 알아낸 것을 기초로 하여,
1. Al 또는 Sn으로부터 선택된 적어도 1원소를 0.01 ~ 0.5(미만)wt% 함유하며 또한 Mn또는 Si중 어느 것의 1방(方) 또는 쌍방이 총량으로써 0.25wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
2. Al 또는 Sn으로부터 선택된 적어도 1원소를 0.05 ~ 0.2wt% 함유하며 Mn 또는 Si가 총량으로써 0.25wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
3. Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택된 1또는 2 이상을 총량으로써 1.0wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 기재의 동 합금 스퍼터링 타겟트
4. Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택된 1또는 2 이상을 총량으로써 0.5wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 기재의 동 합금 스퍼터링 타겟트
5. Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택된 1또는 2 이상을 총량으로써 0.3wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 기재의 동 합금 스퍼터링 타겟트
6. 가스성분을 제외한 불가피적 불순물이 10wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1 내지 5 의 어느 한 항에 기재된 동 합금 스퍼터링 타겟트
7. 가스성분을 제외한 불가피적 불순물이 1wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 6 에 기재된 동합금 스퍼터링 타겟트
8. Na, K가 각각 0.05wtppm 이하, U, Th가 각각 1wtppm 이하, 산소 5wtppm 이하, 질소 2wtppm 이하, 탄소 2wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1 내지 7 의 어느 한 항에 기재된 동 합금 스퍼터링 타겟트
9. Na, K가 각각 0.02wtppm 이하, U, Th가 각각 0.5wtppm 이하, 산소 1wtppm 이하, 질소 1wtppm 이하, 탄소 1wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 8에 기재된 동 합금 스퍼터링 타겟트
10. 평균 결정 입경이 100㎛ 이하이며 평균 입경의 격차가 ±20%이내인 것을 특징으로 하는 상기 1 내지 9 의 어느 한 항에 기재된 동 합금 스퍼터링 타겟트
11. 상기 1 내지 10 의 어느 한 항에 기재된 동 합금 스퍼터링 타겟트를 사용하여 형성된 반도체 소자 배선
12. 반도체 소자 배선의 시드층으로서 형성된 것을 특징으로 하는 상기 11에 기재된 반도체 소자 배선
13. Ta, Ta 합금 또는 이들의 질화물의 베리어 막(膜)상(上)에 시드층으로서 형성된 것을 특징으로 하는 상기 12에 기재된 반도체 소자 배선
14. 첨가원소의 모 합금을 제작하여 이것을 동 또는 저농도 모 합금의 용탕(溶湯)에 용해하여 잉고트로하고 이 잉고트를 가공하여 타겟트로하는 것을 특징으로 하는 상기 1 내지 10 의 어느 한 항에 기재된 동 합금 스퍼터링 타겟트의 제조방법
15. 고용한(固溶限) 이내의 모 합금을 제작하는 것을 특징으로 하는 상기 14기재의 동 합금 스퍼터링 타겟트의 제조방법
을 제공하는 것이다.
(발명의 실시의 형태)
본 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트는 Al 또는 Sn으로부터 선택된 적어도 1원소를 0.01 ~ 0.5(미만)wt%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.2wt% 함유하며 Mn 또는 Si는 총량으로써 0.25wtppm이하로 한다.
이것에 의해, 특히 동 전기 도금 시에 도금시의 응집을 효과적으로 방지 가능한 베리어막과의 유성(濡性)을 향상시킨다. 또한 시드 저항을 작게 유지하는 것이 가능하며 내 산화성이 풍부하며 안정하고 균일한 시드층을 형성시키는 것이 가능하다. 또한 스퍼터 성막 특성에도 우수하며 반도체 소자의 배선재로서 유용하다.
0.05wt% 미만에서는 합금을 제조하는 경우에 조성의 격차가 크게되어 응집방지효과가 저하하며 한편, 0.5wt%이상이 되면 스퍼터막의 시드 저항이 크게 되어 본 발명의 목적에 합치되는 타겟트를 얻어내기 어렵게 된다. 또한 동 합금제조공정의 용해시에 Al, Sn의 증가 와 더불어 산소 함유량이 증대한다고 하는 문제도 있다.
Mn과 Si의 함유는 내 산화성을 향상시킨다. 그러나 Mn, Si 자체는 응집방지 효과가 없고 또한 0.25wtppm을 초과하면 시드 저항이 크게 되어 버리기 때문에 0.25wtppm 이하로 할 필요가 있다. 특히 Mn, Si는 용해 원료로서 Al, Sn으로부터 혼입하기 쉽기 때문에 Mn과 Si의 성분관리는 중요하다.
상기 본 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트는 Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택된 1또는 2 이상을 총량으로써 0.5wtppm 이하, 바람직하게는 0.3wtppm 이하 함유시킬 수 있다.
이들의 성분원소는 내 산화성을 향상시킨다. 그러나 Mn, Si와 동일하게 0.5wtppm을 초과하면 시드 저항이 커지게 되며, 또한 Al, Sn 의 응집 방지작용을 현저하게 저하시킨다. 즉, 베리어막 과의 유성을 현저하게 저하시켜 버리기 때문에, 첨가하는 경우에는 0.5wtppm 이하로 할 필요가 있다. 특히 바람직한 첨가량은 총량으로써 0.3wtppm 이하이다.
본 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트는 가스성분을 제외한 불가피적 불순물이 10wtppm 이하, 바람직하게는 1wtppm 이하로 한다. 이들의 불순물은 시드저항을 커지게 하며 또한 Al, Sn의 응집 방지작용을 저하시키며, 즉, 베리어막 과의 유성을 저하 시켜 버리기 때문에 엄격하게 제한할 필요가 있다.
또한 불순물의 Na, K는 각각 0.05wtppm 이하, 바람직하게는 0.02wtppm 이하, U, Th는 각각 1wtppm 이하, 바람직하게는 0.5wtppm 이하, 산소 5wtppm 이하, 바람직하게는 1wtppm 이하, 질소 2wtppm 이하, 바람직하게는 1wtppm 이하, 탄소 2wtppm 이하, 바람직하게는 1wtppm 이하로 한다. 불순물인 알카리 금속원소 Na, K 및 방사성원소 U, Th는 미량이라도 반도체 특성에 악영향을 주기 때문에 상기의 범위로 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 본 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트에 포함되는 가스성분의 산소, 질소, 탄소는 결정입계(粒界)에 개재물(介在物)을 형성하여 파티클의 발생의 원인이 되며 특히 스퍼터 라이프 중에 돌발적인 파티클 발생을 발생시킨다고 하는 문제가 있기 때문에 극력 저감시키는 것이 바람직하다.
또한 산소에 의한 시드층에 산화동(Cu2O)이 형성 되어버리면 전기 도금 시에 그 부분이 용해해 버린다고 하는 문제가 있다. 이와 같이 도금 욕(浴)에 의해 시드층 표면이 침범되어지면 미크로적(的)으로 전장(電場)이 변동하여 균일한 도금막이 형성되지 않는다고 하는 문제가 일어난다. 따라서 산소 등의 가스성분을 상기의 범위로 제한하는 것이 필요하다.
또한 상기 본 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트는 평균 결정 입경을 100㎛이하, 평균 입경의 격차가 ±20% 이내로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 타겟트의 조직을 제어하는 것에 의해 스퍼터 라이프를 통하여 막의 유니포미티(uniformity ; 막두께의 균일성)를 향상시키는 것이 가능하며, 막 조성의 균일성을 향상시키는 것이 가능하다. 특히, 웨이퍼 싸이즈가 300㎜를 초과하게 되면 막의 유니포미티는 보다 중요하게 된다.
더욱이 상기 본 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트는 반도체 소자 배선의 제조, 특히 반도체 배선의 시드층의 형성에 유용하며 나아가서는 Ta, Ta합금 또는 이들의 질화물의 배리어막상의 시드층 형성에 가장 적합하다.
본 발명의 동 합금 스퍼터링 타겟트의 제조에 있어서, 특히 문제가 되는 것은 첨가원소의 Sn 및 Al의 첨가량이 극히 적기 때문에 동 합금 잉고트의 제조단계에서 조성에 격차가 발생해 버린다는 것이다.
특히, Sn 이나 Al 과 같이 융점(融點)이 낮으며, 비중이 적은 원소는 동(銅)의 용탕(溶湯)에 첨가할 때에 증산(蒸散)이나 비산(飛散)이 일어나기 쉽기 때문이다. 또한 비중이 적기 때문에 잉고트 중에서 편석(偏析)이 커지게 되어 버린다는 등의 문제가 있다. 또한 Sn이나 Al의 첨가원소로 부터의 불순물의 혼입(混入)도 크며 고 품질의 동 합금 타겟트를 제조하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있다.
이러한 것으로부터, 용해 온도를 높게 하고 충분히 용탕(溶湯)을 교반(攪拌)하면 불순물이 되는 다량의 Si, Mn을 저감시키는 것이 가능하지만, 첨가원소 자체도 감소해 버리는 바람직하지 못한 결과가 발생한다. 감소량을 첨가량을 미리 예상하여 많게 하여도, 용탕(溶湯)온도의 관리가 어렵고 또한 용해작업은 변동 요인이 많기 때문에 적절한 조정(調整)은 곤란하다.
그래서 본 발명은 융점이 약 800℃ 로 높은 고용한(固溶限)내의 단상의 모 합금을 제작하여 이것을 동(銅) 또는 저 농도 모 합금의 용탕에 용해하여 잉고트로 한다. 융점이 높기 때문에 산소등의 불순물도 효과적으로 감소시키는 것이 가능하다. 이 모 합금의 첨가원소 농도를 측정하여 이것을 순동 또는 저 농도 동 모 합금에 용융(溶融)첨가하는 것으로 안정한 저 농도 동 합금 잉고트를 제조하는 것이 가능하다.
구체적으로는 순도 6N이상의 고 순도 동 과 상기 동 모 합금을 준비하여 수냉동제(水冷銅製) 도가니의 콜드 쿠루시블(cold crucible) 용해법으로 고 진공 분위기에서 용해하여 고 순도의 합금을 얻는다. 동 모 합금에 의한 첨가원소의 양은 충분한 관리를 행하는 것이 필요하다. 용해방법으로서는 그 외에 고 순도의 그라파이트 도가니를 사용하는 것도 가능하다.
용해에 있어서는 용탕과의 접촉에 의한 오염을 감소시키기 위하여 순도 6N의 동판을 도가니 저부(底部)에 설치하는 것이 유효(有效)하다.
합금화(合金化)된 용탕은 신속하게 고 진공 분위기 중에서 수냉동주형(水冷銅鑄型)에 주입하여 잉고트를 얻는다. 이 잉고트의 조직, 예를 들면, 결정 입경을 제어하는 것에 의해 스퍼터링 특성을 향상시키는 것이 가능하다.
제조된 잉고트는 표면층을 제거하여 열간단조, 열간압연, 냉간압연, 열처리공정을 거쳐 타겟트 소재로 한다. 이 타겟트 소재는 그 후에 기계가공에 의해 소정의 형상으로 하고 배킹 플레이트와 접합하여 타겟트 제품을 얻는다.
(실시예 및 비교예)
다음에 실시예에 기초하여 본 발명을 설명한다. 이하에 나타내는 실시예는 이해를 용이하게 하기 위한 것으로 이들의 실시예에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술사상에 기초한 변형 및 기타의 실시예는 당연히 본 발명에 포함된다.
(실시예1~10)
순도 6N이상의 고순도(高純度) 동(銅)과 동(銅)모합금(母合金)(Al, Sn, Mn, Si 기타 첨가원소)를 조정(調整)하여 수냉동제(水冷銅製) 도가니의 콜드 쿠루시블 용해법으로 고 진공 분위기에서 용해하여 고 순도의 합금을 얻었다. 조정(調整)된 실시예 1 ~ 10 의 합금조성을 표 1에 나타낸다.
본 용해에 있어서는 용탕과의 접촉에 의한 오염을 적게 하기 위하여 순도 6N의 동판을 도가니 저부에 설치했다. 합금화한 용탕을 고 진공 분위기 중에서 수냉동주형에 주입하여 잉고트를 얻었다.
다음에 제조한 잉고트의 표면층을 제거하여 Φ160 × 60 t 로 한 후, 400℃ 열간단조에서 Φ200으로 했다. 그 후 400℃에서 열간압연하여 Φ270 × 20 t 까지 압연하고 다시 이것을 냉간압연으로 Φ360 × 10 t 까지 압연했다.
다음으로 400 ~ 600℃ 1시간 열처리 한 후 타겟트 전체를 급냉하여 타겟트 소재로 했다. 이것을 기계가공에서 직경 13인치, 두께 7㎜의 타겟트로 가공하여 이것을 다시 Al합금제 배킹 플레이트와 확산접합에 의해 접합하여 스퍼터링 타겟트 조립체로 하였다.
평균입경의 측정은 JIS H0501에 기초한 절단법에 의해 타겟트를 평면방향에서 동심(同心) 원상에 17점, 판두께방향에서 표면, 중앙, 이면(裏面)의 3점, 합계로써 17 × 3 = 51 점에서 측정했다.
이와 같이 하여 얻은 타겟트를 사용하여 8인치의 TaN/Ta/Si 기판상에 100㎚ 두께의 스퍼터막을 형성했다. 이 스퍼터막의 응집정도를 고분해능(高分解能) SEM으로 관찰했다. 또한 Si 기판상에 약 500㎚ 두께까지 스퍼터 성막하여 막의 유니포미티를 측정했다.
이상의 결과에 관하여 타겟트의 성분조성과 더불어 산소 함유량, 평균 결정입경, 응집성, 막 두께의 균일성 (3 б(%))를 표 1에 나타낸다.
본 발명에 있어서는 산소 함유량이 적고 또한 평균 결정 입도(平均結晶粒度)도 100㎛ 이하이며 평균 입경의 격차가 ±20% 이내이다.
그리고 응집이 억제되어 전혀 응집하지 않던가 또는 응집성이 극히 낮다. 더욱이 막 두께의 균일성이 우수하며 안정하고 균일한 시드층을 형성할 수 있는 동 합금 스퍼터링 타겟트를 얻는 것이 가능하다는 것을 알았다. 이것에 의해 동(同)타겟트를 사용하여 우수한 반도체 소자 배선을 얻는 것이 가능하다.
(비교예1~8)
실시예와 동일한 제조 조건에서, 동일한 합금 성분이지만 본 발명의 범위로부터 벗어나는 재료에 있어서, 모 합금을 사용하지 않고 입경 및 격차를 바꾼 경우에 대하여, 각각 동 합금 타겟트를 제조했다.
이 조건을 동일하게 표1에 나타낸다. 이와 같이 하여 얻은 타겟트를 사용하여 8인치의 TaN/ Ta/ Si기판상에 100㎚ 두께의 스퍼터막을 형성했다.
이 스퍼터막의 응집정도를 고 분해능 SEM으로 관찰했다. 또한 Si 기판상에 약 500㎚ 두께까지 스퍼터 성막하여 막의 유니포미티를 측정했다.
이상의 비교예 1 - 8 의 결과에 대하여 타겟트의 성분조성과 더불어 산소함유량, 평균 결정 입경, 응집성, 막두께의 균일성(3 σ(%))을 동일하게 표1 에 나타낸다.
비교예 1에서는 Al이 0.008wt에서, 응집 방지 효과가 낮고, 응집성이 강하게 되어있다. 비교예 2에서는 Al가 0.50wt%를 초과하고 있으며 또한 Si가 많게 되어 재결정온도도 높고, 응집 방지 효과가 낮다. 또한 비교예 3에 나타내는 바와 같이 Si가 높고(0.25ppm을 초과)응집 방지 효과가 저하된다.
비교예 4는 응집성은 낮지만 산소 함유량이 높고 또한 입경의 격차가 크기 때문에 막 두께의 균일성이 나쁘다.
비교예 5는 Sn의 함유량이 0.02wt% 미만이기 때문에 응집 방지 효과가 낮고 강한 응집성을 나타낸다. 반대로 비교예 6은 Sn 함유량이 0.5wt%를 초과하며, 동시에 Mn이 많게 되고, 재결정 온도도 높으며, 응집성이 강하게 나타난다. 비교예 7에 나타난 바와 같이 Mn의 함유량이 높으면 응집 방지효과가 저하한다.
(실시예11 - 1 ~ 11 - 5)
다음에 모 합금의 제작과 목표조성으로부터의 어긋남을 조사하기 위하여 진공 분위기 중, 콜드 크루시블 용해법에서 모 합금을 제작했다. 이 모 합금 (동)의 알루미늄 함유량을 고용한내(固溶限內)인 4.632wt% 로 했다. 이 모 합금의 액상선온도(液狀線溫度)는 약 1060℃이다.
다음에 진공 분위기 중, 콜드 크루시블 용해법에서 6N 그레이드의 고순도 동(銅)을 1400℃ 정도에서 용해하고, 다시 전기(前記) 모 합금을 0.106wt%가 되도록 첨가하고, 용탕온도가 약 1150 ~ 1400 ℃ 가 되고 나서 주조하여, 주조 잉고트를 제작했다. 또한 동일한 방법으로 합계 5회 잉고트를 제작했다. 그리고 이들의 잉고트의 알루미늄 양을 ICP 발광분석법(發光分析法)으로 분석했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
(비교예9 - 1 ~ 9 - 4)
진공 분위기 중 콜드 크루시블 용해법으로 6N 그레이드의 고 순도 동(銅)을 1400℃ 정도에서 용해하고, 알루미늄을 0.106wt% 가 되도록 첨가하여, 용탕 온도가 약 1150 ~ 1400℃가 되고 나서 주조하여, 주조 잉고트를 제작했다. 또한 동일한 방법으로 합계 4회 잉고트를 제작했다.
그리고 이들의 잉고트의 알루미늄 양을 ICP 발광분석법으로 분석했다. 그 결과를 동일하게 표2 에 나타낸다.
(비교예10 - 1 ~ 10 - 4)
진공 분위기 중 콜드 크루시블 용해법으로 모 합금을 제작했다. 이 모 합금동(銅)의 알루미늄 함유량은 고용한을 초과하는 31.33wt% 로 했다. 이 모 합금의 액상선온도는 약 800℃이다.
다음에 진공 분위기 중 콜드 크루시블 용해법으로 6N 그레이드의 고 순도동을 1400℃ 정도에서 용해하고, 다시 전기(前記)모 합금을 0.106wt%가 되도록 첨가하며, 용탕 온도가 약 1150 ~ 1400℃가 되고 나서 주고하여, 주조 잉고트를 제작했다. 또한 동일한 방법으로 합계 4회 잉고트를 제작했다. 그리고 이들의 잉고트의 알루미늄 양을 ICP 발광분석법으로 분석했다. 그 결과를 동일하게 표2 에 나타낸다.
상기 표2 로부터 명백한 바와 같이 실시예 11 - 1 ~ 11 - 5 의 경우는 어느것이나 목표조성으로부터의 어긋남(격차)이 적고 5% 이내였다. 한편, 모 합금을 사용하지 않고 직접 합금원소을 첨가한 비교예 9 - 1 ~ 9 - 4 및 고용한을 초과하는 모 합금을 사용한 비교예 10 - 1 ~ 10 - 4 에서는 목표조성으로부터의 어긋남(격차)이 크고, 5%를 훨씬 넘고 있다. 이와 같이 적정한 모 합금을 사용하지 않는 경우는 극히 제조의 안정성이 나빴다.
특히 모 합금으로서는 800℃이상, 바람직하게는 1000℃ 정도의 융점(액상선온도)이 필요하며 또한 단상(單相)합금(알루미늄 또는 주석의 고용한 내의 조성범위)이 적당하다는 것을 알았다.
본 발명은 반도체 소자의 배선재, 특히 동(銅)전기 도금을 할 때에, 시드 저항이 적으며 또한 응집이 적고 안정하며 균일한 시드층을 형성시키는 것이 가능하며, 스퍼터 성막특성이 우수한 동 합금 스퍼터링 타겟트 및 동(同)타겟트의 제조방법 과 동(同)타겟트에 의해 형성된 반도체 소자 배선을 얻는 것이 가능하다고 하는 우수한 효과를 가지고 있다.

Claims (15)

  1. Al 또는 Sn 으로부터 선택된 적어도 1원소를 0.01 ~ 0.5 (미만)wt% 함유하며 또한 Mn 또는 Si 의 어느 것의 1방(方) 또는 쌍방이 총량으로써 0.25wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  2. Al 또는 Sn 으로부터 선택된 적어도 1원소를 0.05 ~ 0.2wt% 함유하며 Mn 또는 Si가 총량으로써 0.25wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택된 1또는 2 이상을 총량으로써 1.0wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택된 1또는 2 이상을 총량으로써 0.5wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, Sb, Zr, Ti, Cr, Ag, Au, Cd, In, As로부터 선택된 1또는 2 이상을 총량으로써 0.3wtppm 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  6. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, 가스성분을 제외한 불가피적 불순물이 10wtppm이하 인 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  7. 제6항에 있어서, 가스성분을 제외한 불가피적 불순물이 1wtppm이하 인 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  8. 제1항 내지 제7항의 어느 한 항에 있어서, Na, K가 각각 0.05wtppm 이하, U, Th가 각각 1wtppm 이하, 산소 5wtppm 이하, 질소 2wtppm 이하, 탄소 2wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  9. 제8항에 있어서, Na, K가 각각 0.02wtppm 이하, U, Th가 각각 0.5wtppm 이하, 산소 1wtppm 이하, 질소 1wtppm 이하, 탄소 1wtppm 이하인 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  10. 제1항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서, 평균 결정 입경이 100㎛이며, 평균 입경의 격차가 ±20% 이내인 것 을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트
  11. 청구항 제1항 내지 제10항의 어느 한 항에 기재된 동 합금 스퍼터링 타겟트를 사용하여 형성된 반도체 소자 배선
  12. 제11항에 있어서, 반도체 소자 배선의 시드층으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 배선
  13. 제12항에 있어서, Ta, Ta합금 또는 이들의 질화물의 베리어막상에 시드층으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 배선
  14. 제1항 내지 제10항의 어느 한 항에 있어서, 첨가원소의 모 합금을 제작하여 이것을 동(銅) 또는 저농도 모 합금의 용탕(溶湯)에 용해하여 잉고트로 하고 이 잉고트를 가공하여 타겟트로 하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트의 제조방법
  15. 제14항에 있어서, 고용한(雇用限)이내의 모 합금을 제작하는 것을 특징으로 하는 동 합금 스퍼터링 타겟트의 제조방법
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