KR20130122968A - 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃, 동 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 반도체 배선 그리고 동 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스 - Google Patents

구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃, 동 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 반도체 배선 그리고 동 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스 Download PDF

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도미오 오츠키
아츠시 후쿠시마
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제이엑스 닛코 닛세키 킨조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

Ti : 3 at％ 이상, 15 at％ 미만, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리 티탄 합금 스퍼터링 타깃으로서, 타깃의 면내 방향의 경도 편차 (표준 편차) 가 5.0 이내, 전기 저항 편차 (표준 편차) 가 1.0 이내인 것을 특징으로 하는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃. 반도체용 구리 합금 배선 자체에 자기 확산 억제 기능을 갖게 하여, 활성 Cu 의 확산으로 인한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있고, 또한 일렉트로마이그레이션 (EM) 내성, 내식성 등을 향상시키고, 배리어층을 임의로 형성 가능하며 또한 용이하고, 또한 막 특성을 균일화할 수 있는 반도체용 구리 티탄 합금제 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타깃, 반도체용 구리 티탄 합금제 배선 및 동 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스를 제공한다.

Description

구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃, 동 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 반도체 배선 그리고 동 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스{COPPER-TITANIUM ALLOY SPUTTERING TARGET, SEMICONDUCTOR WIRING LINE FORMED USING THE SPUTTERING TARGET, AND SEMICONDUCTOR ELEMENT AND DEVICE EACH EQUIPPED WITH THE SEMICONDUCTOR WIRING LINE}
본 발명은, 활성 Cu 의 확산으로 인한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있는 반도체용 구리 합금 배선용 스퍼터링 타깃, 특히 자기 확산 억제 기능을 구비한 반도체 배선을 형성하기 위하여 바람직한 구리 티탄 (Cu-Ti) 합금제 스퍼터링 타깃이고, 더욱 균일하게 스퍼터링할 수 있고, 이로써 균일한 막 특성을 얻을 수 있는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃, 동 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 반도체 배선 그리고 동 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스에 관한 것이다.
종래, 반도체 소자의 배선 재료로서 Al 합금 (비저항 3.0 μΩ·㎝ 정도) 이 사용되어 왔지만, 배선의 미세화에 수반하여 보다 저항이 낮은 구리 배선 (비저항 1.7 μΩ·㎝ 정도) 이 실용화되게 되었다. 현재의 구리 배선의 형성 프로세스로는, 콘택트 홀 또는 배선 홈의 오목부에 Ta 나 TaN 등의 확산 배리어층을 형성한 후, 구리 또는 구리 합금을 스퍼터 성막하는 것이 일반적으로 행해진다.
통상, 순도 4 N (가스 성분 제외) 정도의 전기 구리를 조금속 (粗金屬) 으로 하여 습식이나 건식의 고순도화 프로세스에 의해 5 N ∼ 6 N 순도의 고순도 구리를 제조하고, 이것을 스퍼터링 타깃으로서 사용하고 있었다.
반도체용 배선 재료로서 구리 또는 구리 합금은 매우 유효하지만, 구리 자체가 매우 활성인 금속이라 확산되기 쉬워, 반도체 Si 기판 또는 그 위의 절연막을 통하여 Si 기판 또는 그 주위를 오염시킨다는 문제가 발생하고 있다. 이 때문에, 종래 기술에서는 Ta 나 TaN 등의 확산 배리어층을 형성하는 것은 피할 수 없는 프로세스로 되어 있다. 그러나, 공정수가 그만큼 증가한다는 문제가 있기 때문에, 반드시 좋은 수단이라고는 할 수 없다. 이 때문에, 이 확산 배리어층 대신에, 구리 합금을 성막하고, 열처리에 의해 자기 형성 확산 배리어층을 형성하는 것이 제안되어 있지만, 간편하며 또한 효과적인 수단이 없다는 것이 현 상황이다.
한편, 지금까지 구리 배선재로서, 구리에 티탄을 첨가한 구리 합금 박막을 스퍼터링에 의해 형성하는 것이 제안되어 있다.
그 예를 이하에 든다. 하기 특허문헌 1 에는, Ti 를 0.5 ∼ 10 원자％ 함유하는 Cu 합금 박막, 상기 Cu 합금 박막을 스퍼터링법으로 형성하는 반도체 배선의 제조 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 2 에는, Ti 를 0.5 ∼ 3 원자％ 와 N 을 0.4 ∼ 2.0 원자％ 함유하는 Cu 합금막을, N2 를 2.5 ∼ 12.5 체적％ 함유하는 불활성 가스 분위기하에서 형성하는 것이 제안되어 있다.
특허문헌 3 에는, Ti 를 함유하는 Cu 배선, Ti 가 15 원자％ 이하, 바람직하게는 13 원자％ 이하, 보다 바람직하게는 10 원자％ 이하인 반도체 배선이 제안되어 있다.
또한, 비특허문헌 1 에는, Cu-Ti 합금을 사용하는 자기 형성 배리어막이 제안되어 있다.
이와 같은 Ti 를 함유하는 Cu 합금을 배선 재료로서 사용하는 것은, 자기 확산 억제 기능을 구비한 반도체 배선을 형성하기 위하여 유효하다. 또한, 이 Cu 합금 배선을 스퍼터링에 의해 형성하는 것도, 박막의 두께 제어가 용이하고, 생산 효율을 높일 수 있으므로, 이용 가치가 높다고 할 수 있다. 이상의 공지 기술은, 반도체 배선으로서의 기능을 조사 연구한 것이라고 할 수 있다.
그러나, Ti 를 어느 정도 함유시킨 Cu 합금의 스퍼터링 타깃은, 구리제의 스퍼터링 타깃과 비교하여, 막 특성의 균일성이 열등하다는 문제를 갖고 있었다.
이 문제를 강하게 의식하지 않는 단계에서는 특별히 문제는 되지 않지만, 구리 배선이 미세화되고 있는 오늘날에는, 막의 특성이 반도체 배선에 직접 영향을 주므로, 큰 문제로서 받아들이게 되었다.
따라서, 막 특성의 불균일 문제를 조사함과 동시에, 스퍼터링 타깃의 개질을 도모하고, 타깃 자체가 어떠한 특성을 구비하는 것이 이 문제를 해결할 수 있는 것인지를 구명할 필요가 있었다.
일본 공개특허공보 2008-21807호 일본 공개특허공보 2007-258256호 국제 공개 2010/007951호
오오모리 카즈유키, 외 9 명 저, 「Ti 합금에 의한 자기 형성 배리어를 사용한 듀얼 다마신 Cu 배선의 특성」, 전자 정보 통신 학회편, 전자 정보 통신 학회 기술 연구 보고, 페이지 37-40
본 발명은, 반도체용 구리 합금 배선 자체에 자기 확산 억제 기능을 갖게 하여, 활성 Cu 의 확산으로 인한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있고, 막 특성의 불균일 문제를 구명하여, 스퍼터링 타깃의 개질을 도모하고, 타깃 자체가 어떠한 특성을 구비하는 것이 이 문제를 해결할 수 있는 것인지를 과제로 하는 것이다. 또한 일렉트로마이그레이션 (EM) 내성, 내식성 등을 향상시킬 수 있는 반도체 배선용 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 예의 연구를 실시한 결과, 스퍼터링 타깃의 조직 (조성) 의 균일성을 도모함으로써, 즉 타깃의 면내 방향의 경도 편차 (표준 편차) 와 전기 저항 편차 (표준 편차) 를 엄밀하게 제어함으로써, 스퍼터막 특성의 균일화를 도모할 수 있다는 지견을 얻었다.
또한, 동시에 활성 Cu 의 확산으로 인한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃, 동 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 반도체 배선 그리고 동 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 지견에 기초하여, 본원 발명은,
1) Ti : 3 at％ 이상, 15 at％ 미만, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리 티탄 합금 스퍼터링 타깃으로서, 타깃의 면내 방향의 경도 편차 (표준 편차) 가 5.0 이내, 전기 저항 편차 (표준 편차) 가 1.0 이내인 것을 특징으로 하는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃을 제공한다.
또한, 본원 발명은,
2) 타깃의 평균 결정 입경이 5 ∼ 50 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 상기 1) 에 기재된 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃을 제공한다.
또한, 본원 발명은,
3) 상기 1) 또는 2) 중 어느 한 항에 기재하는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 구리 티탄 합금제 반도체 배선,
4) 상기 3) 에 기재된 구리 티탄 합금제 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스를 제공한다.
본 발명의 반도체용 구리 합금 배선 및 동 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타깃은, 반도체용 구리 합금 배선 자체에 자기 확산 억제 기능을 갖게 하여, 활성 Cu 의 확산으로 인한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있고, 스퍼터막 특성의 균일화를 도모할 수 있다는 우수한 효과를 갖는다. 또한, 일렉트로마이그레이션 (EM) 내성, 내식성 등을 향상시킬 수 있다는 효과도 갖는다.
도 1 은, 그라파이트제 용기 (도가니) 를 사용하여 Cu 를 용해시키고, 소정량의 Ti 를 Cu 의 용탕에 투입하는 개략 설명도이다.
도 2 는, Cu-Ti 2 원계 합금의 상태도이다.
도 3 은, 구리 티탄 합금의 용해와 스퍼터링 타깃에 이를 때까지의 제조 공정의 개략 설명도이다.
도 4 는, Cu-3.0 ％ Ti 및 Cu-5.0 ％ Ti 타깃의 조직 사진을 나타내는 도면이다.
도 5 는, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을 나타내는 도면이다.
구리 (순구리) 는, 절연층이나 반도체 Si 기판에 도달하여, 오염원이 되기 쉽다는 문제가 있다. 이것은 종래부터 지적되어 온 문제로, 이 해결책으로서 절연막과 구리 배선막 사이에 배리어막을 형성하는 것이 제안되어 왔다.
이 배리어막으로서 대표적인 것은, Zr, Ti, V, Ta, Nb, Cr 등의 금속 또는 질화물 혹은 붕화물이다. 그러나, 이들은 박막 중의 결정 입경이 커지므로, Cu 의 배리어막으로는 부적당하였다.
또한, 이 프로세스는, 원래 별도의 피복 프로세스에서 실시해야 한다는 문제가 있고, 또한 이 자체는 Cu 자체의 확산을 억제하는 효과가 있다는 것은 아니다. 따라서, 배리어막을 형성한 곳 이외에서의 오염도 당연히 일어날 수 있는 것이다. 이와 같이, 상기 제안은, 배리어 효과에 제약이 있고, 비용이 높아진다는 불이익이 있었다.
본원 발명은, 상기와 같이, Cu 에 Ti 를 함유시켜 Cu-Ti 합금으로 함으로써, Cu 자체의 확산을 억제할 수 있는 것으로, 이는 Cu-Ti 합금막의 어떠한 상황 (면) 에 있어서도 그 효과를 지속해서 발휘하는 것이다. Cu-Ti 합금막 중의 Ti 는 확산되어 Si 반도체의 계면에 도달하면, Ti, Si 의 산화물 (TiSixOy 의 부정비 산화물) 을 형성한다. 산화물이 계면에 편재됨으로써, 배선 중심부의 도전성을 향상시키므로, 오히려 바람직한 반응이라고 할 수 있다.
이 층은, Si 반도체와 구리 합금 도전 (배선) 층의 계면에 위치하고, 대략 0 초과 ∼ 2 ㎚ 정도의 층이 형성된다. 일단 이 층이 형성되면, Ti 의 Si 반도체층 중으로의 확산이 방지된다. 즉, 이것이 배리어층이 된다. 이것은, 구리 합금의 배선을 형성함으로써 자기 확산 억제 기능을 발생시키는 것이기 때문에, 매우 간단하며, 또한 유효하다는 것이 이해될 것이다.
종래, Ta 의 배리어층이 사용되었지만, 이 경우, 별도의 스퍼터링 공정에서 형성해야 한다는 점, 또한 배리어막으로서의 기능을 충분히 유지하기 위하여 균일막의 형성이 필요해지는 점에서, Ta 막은, 최소한 15 ㎚ 정도의 막두께가 필요해진 것이다. 이와 같은 종래의 Ta 배리어층과 비교하면, 본원 발명의 우위성은 분명하다.
그러나, 반도체용 구리 합금 배선을 제조하기 위한 스퍼터링 타깃에 있어서 특히 문제가 되는 것은, 스퍼터막 특성의 불균일성이다. 이는, 스퍼터링 타깃의 조직 (조성) 이 불균일한 것과, 즉 타깃의 면내 방향의 경도 편차 (표준 편차) 와 전기 저항 편차 (표준 편차) 가 있는 것에 원인이 있음을 알 수 있었다.
따라서, 이것을 해결하는 수단으로서, Ti : 3 at％ 이상, 15 at％ 미만, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 본원 발명의 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃은, 타깃의 면내 방향의 경도 편차 (표준 편차) 를 5.0 이내, 전기 저항 편차 (표준 편차) 를 1.0 이내로 하는 것이다. 이로써, 타깃의 불균일성이 해소되어, 스퍼터링 후의 막 특성의 불균일성을 크게 감소시킬 수 있었다. 또한, 본 발명의 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃에 있어서, 타깃면 내 방향의 경도 및 전기 저항의 값은, 성분 조성, 조직 형태에 의존하여 변화되므로, 절대값으로 평가하는 것은 적당하지 않고, 그 편차로 평가하는 것이 적당하다.
또한, 동 타깃에 있어서, 평균 결정 입경을 5 ∼ 50 ㎛ 로 하면, 스퍼터링시의 플라스마 안정성이 우수하고, 동시에 우수한 스퍼터 효율을 나타낸다.
이상의 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 구리 티탄 합금제 반도체 배선은, 막 특성 (특히, 막 저항) 이 균일하다는 결과가 얻어진다. 그리고, 구리 티탄 합금제 반도체 배선을 구비한 양질의 반도체 소자 및 디바이스를 얻을 수 있다.
구리 배선의 형성 프로세스로는, 콘택트 홀 (비아홀) 또는 배선 홈의 오목부에 Ta 나 TaN 등의 확산 배리어층을 형성한 후, 구리 또는 구리 합금을 스퍼터 성막하는 것이 일반적으로 행해지지만, 본 발명은 이들에 한정될 필요는 없다. 즉, 반도체용 구리 합금 배선은, 그 배선의 상면, 측면 및 바닥면, 즉 둘레면에, 구리 합금 중의 Ti 가 우선 산화 (선택 산화) 된 Ti 산화막을 형성할 수도 있다. 이 자체는 배리어층으로서 기능시킬 수 있다.
이 Ti 산화막층은, 예를 들어 일단 타깃을 사용하여 스퍼터링하여 구리 합금 배선을 형성한 후, 산소 함유 분위기중에서 열처리함으로써, 그 배선의 표면에, 구리 합금 중의 Ti 를 우선 산화시켜 Ti 산화막을 형성할 수 있다. 이 열처리는, 200 ∼ 525 ℃ 의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같은 배리어층의 형성은, 부가적인 박막의 형성 프로세스는 필요로 하지 않아, 매우 간단한 공정으로 달성할 수 있다는 우수한 특징을 갖고 있다.
본 발명에 있어서의 반도체용 구리 합금 배선의 형성법은, 스퍼터링법이 가장 효율적이며 안정적으로 성막이 가능하다. 따라서, 이 때문에 사용하는 자기 확산 억제 기능을 구비한 반도체용 구리 합금 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타깃으로서, 상기 조성으로 한 타깃을 사용한다.
이와 같은 타깃의 성분 조성은, 스퍼터막에 직접 반영되므로, 충분한 관리가 필요하다. 또한, 첨가되는 양은 상기 배선막에서 설명한 것과 동일한 이유에 의한다.
구리 티탄 합금을 제조하는 경우, 티탄 (Ti) 이 저농도에서는 구리 (Cu) 에 용해가 용이하지만, Ti 가 고농도 (5 ％ 이상) 에서는, Cu 의 융점이 1085 ℃ 이고, Ti 의 융점이 1670 ℃ 로 크게 상이하기 때문에, 금속의 합금을 제작하는 경우에, 고융점 금속의 융점에 맞춘 진공 용해를 실시하면, 저융점 금속이 증발해 버려, 목적의 조성으로부터 벗어나 버린다는 문제가 있다.
본 발명의, Ti : 3 at％ 이상, 15 at％ 미만, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃의 제조시에는, 미리 진공화한 그라파이트제 용기 (도가니) 중에서 Cu 를 용해시키고, 다음으로 그 용기를 Ar 가스 분위기로 한 후, 용동 (溶銅) 에 Ti 를 첨가하면서 그 용탕을 자연 대류에 의해 교반하여, Cu 에 Ti 를 용해시킨다.
그리고, Cu 제 몰드에 출탕하여 응고시켜, 구리 티탄 합금 잉곳을 얻는다. 그라파이트제 용기 (도가니) 중에 Ti 를 첨가하는 모습을 도 1 에 나타낸다.
이와 같이, 융점보다 약간 높게 유지한 Cu 용탕에 Ti 를 첨가함으로써, 용탕 중에서 조금씩 Ti 의 표면을 Cu 와 반응·합금화시켜 나갈 수 있다.
도 2 에, Cu-Ti 2 원계 합금의 상태도를 나타낸다. 이 도 2 에 나타내는 바와 같이, 합금화함으로써 Ti 의 융점이 낮아지기 때문에, 합금화한 표면은 Cu 의 용탕 중에 녹아, 최종적으로는 Ti 가 모두 Cu 중에 용해된다. Cu 의 융점보다 약간 높은 온도에서 용해시키고 있기 때문에 Cu 가 증발하거나 하지 않아, 목적한 조성의 합금을 제작할 수 있다.
Cu 의 용해시에는, 통상 진공 유도 용해에 의해 실시한다. 용해 조건은, 용해시키는 재료의 양과 용해 설비에 따라 임의로 변경할 수 있다. 이후, Ar 가스 분위기 도입을 실시한 후, Ti 첨가를 실시한다.
교반은, 자연 대류에 의하는 것이 바람직하다. Ti 첨가로부터 15 분 정도 유지한 후, 몰드에 출탕·응고시킨다. 출탕 온도는 1100 ∼ 1250 ℃ 로 한다.
Cu 의 용해시에, Cu 의 융점으로부터 +200 ℃ 이하의 온도 범위에서 용해시키는 것이 바람직하다. 또한, 동일하게 Cu 의 융점으로부터 +200 ℃ 이하의 온도 범위에서 유지한 용동에, Ti 를 첨가하는 것이 바람직하다. 이로써, Ti 는 Cu 와 합금화되면서, 서서히 녹아, 최종적으로 모두가 용해된다.
이와 같이 하여 제조된 구리 티탄 합금을, 열간 단조 (예를 들어, 700 ∼ 950 ℃ 에서의 단조), 압연 (예를 들어, 700 ∼ 950 ℃ 에서의 열간 압연) 및 열처리 (예를 들어, 700 ∼ 950 ℃ 에서의 1 ∼ 3 hr 의 열처리) 하여, Ti : 3 at％ 이상, 15 at％ 미만, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃을 제조할 수 있다.
이 공정을 도 3 에 나타낸다. 열처리 후에는, 기계 가공 공정, 백킹 플레이트에 대한 본딩 공정, 추가로 마무리 가공이라는 통상의 처리를 실시한 후에 타깃으로 한다.
상기의 가공 공정에서, 단조는 700 ∼ 950 ℃ 에서의 열간 단조를 실시한다. 이로써, 결정 입경이 5 ∼ 50 ㎛ 인 균일한 조직의 타깃을 얻을 수 있다.
그리고, 타깃의 면내 방향의 경도 편차 (표준 편차) 를 5.0 이내, 전기 저항 편차 (표준 편차) 를 1.0 이내로 하는 것이 가능해진다.
실시예
다음으로, 실시예에 기초하여 본 발명을 설명한다. 이하에 나타내는 실시예는, 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의해 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술 사상에 기초하는 변형 및 다른 실시예는, 당연히 본 발명에 포함된다.
(실시예 1)
Ti : 3.0 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1250 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하고, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가부터 출탕까지의 시간은 12 분이었다. 구리 제 몰드를 사용하여, 출탕 온도 1100 ∼ 1250 ℃ 로 하여 응고시켰다.
응고 후의 잉곳을, 700 ∼ 950 ℃ 에서 단조하여, 100 mmt 를 70 mmt 로 하였다. 이것을 추가로 700 ∼ 950 ℃ 에서 열간 압연하여, 70 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 700 ∼ 950 ℃ × 1 hr 의 열처리를 실시하였다.
또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 7 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-3.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-3.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 도 5 에 나타낸다.
Cu-3.0 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 201.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 3.99 였다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 10.8 μΩ (3 점의 평균) 이 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 0.32 였다.
또한, 이 스퍼터링 타깃을 사용하여, 투입 전력 38 ㎾, 스퍼터 시간 6.5 초로 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다.
막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 3.42 였다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 내이며, 양호한 결과가 되었다. 또한, 막 저항 편차는, KLA-텐코사 제조의 옴니맵 (RS-100) 을 사용하여, 웨이퍼 상의 49 개 지점의 저항값을 측정 (사단자법) 한 수치의 표준 편차로 계측한 결과이다. 이하, 막 저항 편차는, 동일한 수법을 사용하여 계측하였다.
또한, 이 Cu-3.0 at％ Ti 의 타깃의 현미경 조직 사진을 도 4 (본 도면의 좌측) 에 나타낸다. 평균 결정 입경은 47.5 ㎛ 였다.
Figure pct00001
(실시예 2)
Ti : 5.0 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1250 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하고, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가부터 출탕까지의 시간은 12 분이었다. 구리 제 몰드를 사용하여, 출탕 온도 1100 ∼ 1250 ℃ 로 하여 응고시켰다.
응고 후의 잉곳을, 700 ∼ 950 ℃ 에서 단조하여, 100 mmt 를 70 mmt 로 하였다. 이것을 추가로 700 ∼ 950 ℃ 에서 열간 압연하여, 70 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 700 ∼ 950 ℃ × 1 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 20 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-5.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-5.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을, 마찬가지로 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-5.0 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 233.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 4.38 이었다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 13.6 μΩ (3 점의 평균) 이 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 0.26 이었다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 3.29 였다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 내이며, 양호한 결과가 되었다.
이 결과는, 실시예 1 의 Cu-3.0 at％ Ti 의 티탄 구리에 비해, 본 실시예 2 의 Cu-5.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 잉곳 및 타깃의 물성값인 경도와 전기 저항값은 모두 증가하였다. 이것은 Ti 량이 증가한 것에 의한다.
또한, 이 Cu-5.0 at％ Ti 의 타깃의 현미경 조직 사진을 도 4 (본 도면의 우측) 에 나타낸다. 평균 결정 입경은 12.1 ㎛ 였다.
(실시예 3)
Ti : 7.0 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1250 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하고, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가부터 출탕까지의 시간은 12 분이었다. 구리 제 몰드를 사용하여, 출탕 온도 1100 ∼ 1250 ℃ 로 하여 응고시켰다.
응고 후의 잉곳을, 700 ∼ 950 ℃ 에서 단조하여, 100 mmt 를 70 mmt 로 하였다. 이것을 추가로 700 ∼ 950 ℃ 에서 열간 압연하여, 70 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 700 ∼ 950 ℃ × 1 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 20 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-7.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-7.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을, 마찬가지로 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-7.0 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 239.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 4.49 였다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 16.3 μΩ (3 점의 평균) 이 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 0.45 였다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 4.03 이었다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 내이며, 양호한 결과가 되었다.
이 결과는, 실시예 1 의 Cu-3.0 at％ Ti 의 티탄 구리에 비해, 본 실시예 3 의 Cu-7.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 잉곳 및 타깃의 물성값인 경도와 전기 저항값은 모두 증가하였다. 이것은 Ti 량이 증가한 것에 의한다.
또한, 결정 입경은, 균일한 조직의 타깃이 얻어지고, 이 타깃의 평균 결정 입경은 10.8 ㎛ 였다.
(실시예 4)
Ti : 10.0 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1250 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하고, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가부터 출탕까지의 시간은 12 분이었다. 구리 제 몰드를 사용하여, 출탕 온도 1100 ∼ 1250 ℃ 로 하여 응고시켰다.
응고 후의 잉곳을, 700 ∼ 950 ℃ 에서 단조하여, 100 mmt 를 70 mmt 로 하였다. 이것을 추가로 700 ∼ 950 ℃ 에서 열간 압연하여, 70 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 700 ∼ 950 ℃ × 1 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 20 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-10.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-10.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을, 마찬가지로 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-10.0 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 243.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 4.63 이었다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 17.6 μΩ (3 점의 평균) 이 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 0.67 이었다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 4.35 였다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 내이며, 양호한 결과가 되었다.
이 결과는, 실시예 1 의 Cu-3.0 at％ Ti 의 티탄 구리에 비해, Cu-10.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 잉곳 및 타깃의 물성값인 경도와 전기 저항값은 모두 증가하였다. 이것은 Ti 량이 증가한 것에 의한다.
또한, 결정 입경은, 균일한 조직의 타깃이 얻어지고, 이 타깃의 평균 결정 입경은 10.3 ㎛ 였다.
(비교예 1)
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1200 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하여 Ar 분위기로 한 후, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가 후 약 10 분 유지 후, 몰드에 출탕·응고시켰다.
응고 후의 잉곳을 850 ∼ 1000 ℃ 에서 열간 압연하여, 100 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 950 ∼ 1000 ℃ × 1 ∼ 2 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 7 mmt, φ300 ㎜ 의 Ti 5 at％ Cu 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-2.5 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-2.5 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 196.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 5.24 였다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 9.2 μΩ (3 점의 평균) 가 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 2.00 이었다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 5.21 이었다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 외이며, 불량이 되었다.
(비교예 2)
Ti : 3.2 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1200 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하여 Ar 분위기로 한 후, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가 후 약 10 분 유지 후, 몰드에 출탕·응고시켰다.
응고 후의 잉곳을 850 ∼ 1000 ℃ 에서 열간 압연하여, 100 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 950 ∼ 1000 ℃ × 1 ∼ 2 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 7 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-3.2 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-3.2 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-3.2 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 210.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 5.42 였다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 11.8 μΩ (3 점의 평균) 이 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 1.82 였다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 5.54 였다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 외이며, 불량이 되었다.
(비교예 3)
Ti : 6.8 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1200 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하여 Ar 분위기로 한 후, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가 후 약 10 분 유지 후, 몰드에 출탕·응고시켰다.
응고 후의 잉곳을 850 ∼ 1000 ℃ 에서 열간 압연하여, 100 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 950 ∼ 1000 ℃ × 1 ∼ 2 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 7 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-6.8 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-6.8 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-6.8 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 236.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 5.85 였다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 14.6 μΩ (3 점의 평균) 이 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 1.78 이었다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 5.33 이었다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 외이며, 불량이 되었다.
(비교예 4)
Ti : 9.1 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1200 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하여 Ar 분위기로 한 후, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가 후 약 10 분 유지 후, 몰드에 출탕·응고시켰다.
응고 후의 잉곳을 850 ∼ 1000 ℃ 에서 열간 압연하여, 100 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 950 ∼ 1000 ℃ × 1 ∼ 2 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 7 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-9.1 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-9.1 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-9.1 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 238.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 6.33 이었다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 18.5 μΩ (3 점의 평균) 가 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 2.02 였다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 6.04 였다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 외이며, 불량이 되었다.
(비교예 5)
Ti : 15.0 at％, 잔부 Cu 로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제조하기 위하여, 원료로서 순도 6 N 의 Cu 와 순도 5 N 의 Ti 를 사용하였다.
구리의 용해시에는, 진공 유도 용해에 의해 실시하였다. 구리는 32187 g 을 사용하고, 진공도는 0.05 ㎩ 로 하였다. Cu 를 용해시킨 후, 용탕을 1100 ∼ 1200 ℃ 로 유지하고, Ar 가스를 도입하여 Ar 분위기로 한 후, Ti 첨가를 실시하였다. 교반은, 자연 대류로 하였다. Ti 첨가 후 약 10 분 유지 후, 몰드에 출탕·응고시켰다.
응고 후의 잉곳을 850 ∼ 1000 ℃ 에서 열간 압연하여, 100 mmt 를 12 mmt 로 하였다. 다음으로 이것을 950 ∼ 1000 ℃ × 1 ∼ 2 hr 의 열처리를 실시하였다. 또한, 이것을 기계 가공, 백킹 플레이트에 대한 본딩, 추가로 마무리 가공을 실시하여, 7 mmt, φ300 ㎜ 의 Cu-15.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 원반상 타깃과 백킹 플레이트의 조립체를 얻었다.
이 Cu-15.0 at％ Ti 의 티탄 구리로 이루어지는 타깃의 물성값을, 마찬가지로 표 1 에 나타낸다. 또한, 경도 및 전기 저항의 타깃면 내의 측정 지점을, 마찬가지로 도 5 에 나타낸다.
Cu-15.0 at％ Ti 의 티탄 구리 타깃의 경도는 257.0 Hv (3 점의 평균값) 가 되고, 경도의 면내 편차 (표준 편차) 는 7.38 이었다. 또한, 전기 저항은, 타깃에서 19.7 μΩ (3 점의 평균) 이 되고, 전기 저항의 면내 편차 (표준 편차) 는 2.48 이었다.
또한, 실시예 1 과 동일하게 하여 스퍼터링을 실시하고, 막 특성 편차를 계측하였다. 막 특성 (막의 저항) 편차의 표준 편차는 6.31 이었다. 모두 본원 발명의 특성의 범위 외이며, 불량이 되었다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 반도체용 구리 합금 배선은, 그 자체에 자기 확산 억제 기능을 갖기 때문에, 활성 Cu 의 확산으로 인한 배선 주위의 오염을 효과적으로 방지할 수 있고, 스퍼터막 특성의 균일화를 도모할 수 있다는 우수한 효과를 갖는다. 또한, 일렉트로마이그레이션 (EM) 내성, 내식성 등을 향상시킬 수 있다는 우수한 효과를 갖고, 또한 구리 합금 배선막의 상면, 하면, 둘레면 등에, 산화티탄으로 이루어지는 배리어층을 임의로, 또한 안정적으로 형성할 수 있고, 또한 구리 합금 배선의 성막 공정 및 배리어층의 형성 공정을 간소화할 수 있다는 현저한 효과를 갖는다. 따라서, 반도체용 구리 합금 배선을 형성하기 위한 스퍼터링 타깃 및 반도체용 구리 합금 배선의 제조에 매우 유용하다.

Claims (4)

  1. Ti : 3 at％ 이상 15 at％ 미만, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구리 티탄 합금 스퍼터링 타깃으로서, 타깃의 면내 방향의 경도 편차 (표준 편차) 가 5.0 이내, 전기 저항 편차 (표준 편차) 가 1.0 이내인 것을 특징으로 하는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃.
  2. 제 1 항에 있어서,
    타깃의 평균 결정 입경이 5 ∼ 50 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한, 구리 티탄 합금제 반도체 배선.
  4. 제 3 항에 기재된 구리 티탄 합금제 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스.
KR1020137023542A 2011-03-01 2012-02-15 구리 티탄 합금제 스퍼터링 타깃, 동 스퍼터링 타깃을 사용하여 형성한 반도체 배선 그리고 동 반도체 배선을 구비한 반도체 소자 및 디바이스 KR20130122968A (ko)

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